(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に反応ガスを流すためのガス流路を有し、下端部が前記反応ガスの導入口とされ、上端部が前記反応ガスの排出口とされた柱状の燃料電池セルの複数個を集電部材を介して立設させた状態で配列して、電気的に直列に接続してなるセルスタックを備えるセルスタック装置であって、
前記集電部材は、
一方の前記燃料電池セルと接続され、該燃料電池セルの幅方向に沿って伸びる帯状の第１集電片と、
他方の前記燃料電池セルと接続され、該燃料電池セルの幅方向に沿って伸びる帯状の第２集電片とを、上下方向に複数備えるとともに、
前記第１集電片および前記第２集電片を接続する接続部を備えてなり、
前記燃料電池セルの上端部側に位置する前記第１集電片および前記第２集電片の前記燃料電池セルの配列方向における厚みが、前記燃料電池セルの下端部側に位置する前記第１集電片および前記第２集電片の前記燃料電池セルの配列方向における厚みよりも厚く、
前記接続部の前記燃料電池セルの配列方向における厚みが、他の部位の前記燃料電池セルの配列方向における厚みよりも厚いことを特徴とするセルスタック装置。
【請求項２】
前記接続部が、
前記第１集電片の一端と前記第２集電片の他端とを接続する帯状の第１接続部と、
前記第１集電片の他端と前記第２集電片の一端とを接続する帯状の第２接続部とを有し、
前記集電部材が、前記第１集電片、前記第１接続部、前記第２集電片および前記第２接続部からなる１ユニットを上下方向に複数配置してなるとともに、
それぞれの前記接続部の上下方向における長さが同じであり、かつ前記燃料電池セルの上端部側に位置する前記接続部の前記燃料電池セルの配列方向における厚みが、前記燃料電池セルの下端部側に位置する前記接続部の前記燃料電池セルの配列方向における厚みよりも厚いことを特徴とする請求項１に記載のセルスタック装置。
【請求項３】
前記接続部が、
複数の前記第１集電片の一端と複数の前記第２集電片の一端とを接続する帯状の第１接続部と、
複数の前記第１集電片の他端と複数の前記第２集電片の他端とを接続する帯状の第２接続部とを有し、
前記集電部材が、これらを１ユニットとして上下方向に複数有し、隣り合う前記ユニッ
トを導電性連結片を介して接合してなるとともに、それぞれの前記接続部の上下方向における長さが同じであり、かつ
前記燃料電池セルの上端部側に位置する前記接続部の前記燃料電池セルの配列方向における厚みが、前記燃料電池セルの下端部側に位置する前記接続部の前記燃料電池セルの配列方向における厚みよりも厚いことを特徴とする請求項１に記載のセルスタック装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載のセルスタック装置を収納容器内に収納してなることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールを動作させるための補機とを外装ケース内に収納してなることを特徴とする燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数個の柱状の燃料電池セルを立設して配列し、電気的に接続してなるセルスタックを備えてなるセルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代エネルギーとして、反応ガス（燃料ガス）と酸素含有ガス（通常、空気である。）とを用いて電力を得ることができる柱状の燃料電池セルを複数個立設して配列し、電気的に直列に接続してなるセルスタック装置を収納容器に収納してなる燃料電池モジュールや、燃料電池モジュールを具備してなる燃料電池装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
セルスタック装置は、内部に反応ガスを流すためのガス流路を有し、一端部が反応ガスの導入口とされ、他端部が反応ガスの排出口とされた燃料電池セルの複数個を集電部材を介して立設させた状態で配列して、電気的に直列に接続してなるセルスタックを備えて構成されている。
【０００４】
また、集電部材としては、一方の燃料電池セルに接続する複数の第１集電片と、他方の燃料電池セルに接続する複数の第２集電片と、第１集電片の一端と第２集電片の他端とを接続する第１導電片と、第２集電片の一端と他の第１集電片の他端とを接続する第２導電片とを基本構成とし、上下方向に連続的に連なって構成されている集電部材が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−３０８８５７号公報
【特許文献２】特開２００９−２３１１６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、燃料電池セルの一端部に反応ガスを供給して発電を行なうと、燃料電池セルは発電する際に熱を生じるため、燃料電池セルのガス流路を流れる反応ガスが、ガス流路を流れるうちに加熱され、燃料電池セルの他端部側を加熱することとなる。そのため、燃料電池セルの他端部側の温度が燃料電池セルの一端部側の温度に比べ高くなり、それに伴い燃料電池セルと接続する集電部材の他端部側の温度が高くなり、結果として集電部材の他端部側における導電率が低下する。それにより、集電部材の他端部側の集電効率が低下するおそれがある。
【０００７】
それゆえ、本発明は、集電部材の他端部側の集電効率が低下することを抑制できる集電部材を備えることにより発電出力性能の向上したセルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のセルスタック装置は、内部に反応ガスを流すためのガス流路を有し、下端部が前記反応ガスの導入口とされ、上端部が前記反応ガスの排出口とされた柱状の燃料電池セルの複数個を集電部材を介して立設させた状態で配列して、電気的に直列に接続してなるセルスタックを備えるセルスタック装置であって、前記集電部材は、一方の前記燃料電池セルと接続され、該燃料電池セルの幅方向に沿って伸びる帯状の第１集電片と、他方の前記燃料電池セルと接続され、該燃料電池セルの幅方向に沿って伸びる帯状の第２集電片とを、上下方向に複数備えるとともに、前記第１集電片および前記第２集電片を接続する接続部を備えてなり、前記燃料電池セルの上端部側に位置する前記第１集電片および前記第２集電片の前記燃料電池セルの配列方向における厚みが、前記燃料電池セルの下端部側に位置する前記第１集電片および前記第２集電片の前記燃料電池セルの配列方向における厚みよりも厚く、前記接続部の前記燃料電池セルの配列方向における厚みが、他の部位の前記燃料電池セルの配列方向における厚みよりも厚いことを特徴とする。
【０００９】
このようなセルスタック装置においては、集電部材が、一方の燃料電池セルと接続され、燃料電池セルの幅方向に沿って伸びる帯状の第１集電片と、他方の燃料電池セルと接続され、燃料電池セルの幅方向に沿って伸びる帯状の第２集電片とを、上下方向に複数備えるとともに、第１集電片および第２集電片を接続する接続部を備えてなり、燃料電池セルの上端部側に位置する前記第１集電片および前記第２集電片の燃料電池セルの配列方向における厚みが、燃料電池セルの下端部側に位置する第１集電片および第２集電片の燃料電池セルの配列方向における厚みよりも厚く、接続部の燃料電池セルの配列方向における厚みが、他の部位の燃料電池セルの配列方向における厚みよりも厚いことから、集電部材の上端部側の温度が上昇して導電率が低下した場合においても、発電した電流を効率よく集電することができ、集電部材の上端部側の集電効率が低下することを抑制できることから、発電出力性能が向上したセルスタック装置とすることができる。また、集電部材の上端部側の剛性を高くすることなく、集電部材の上端部側における集電効率を向上させることができる。
【００１２】
また、本発明のセルスタック装置は、前記接続部が、前記第１集電片の一端と前記第２集電片の他端とを接続する帯状の第１接続部と、前記第１集電片の他端と前記第２集電片の一端とを接続する帯状の第２接続部とを有し、前記集電部材が、前記第１集電片、前記第１接続部、前記第２集電片および前記第２接続部からなる１ユニットを上下方向に複数配置してなるとともに、それぞれの前記接続部の上下方向における長さが同じであり、かつ前記燃料電池セルの上端部側に位置する前記接続部の前記燃料電池セルの配列方向における厚みが、前記燃料電池セルの下端部側に位置する前記接続部の前記燃料電池セルの配列方向における厚みよりも厚いことが好ましい。
【００１３】
このようなセルスタック装置においては、集電部材が、第１集電片、第１接続部、第２集電片および第２接続部からなる１ユニットを上下方向に複数配置してなるとともに、それぞれの接続部の上下方向における長さが同じであり、かつ燃料電池セルの上端部側に位置する接続部の燃料電池セルの配列方向における厚みが、燃料電池セルの上端部側に位置する接続部の燃料電池セルの配列方向における厚みよりも厚いことから、燃料電池セルの上端部側に位置する接続部の温度が上昇して導電率が低下した場合においても、接続部が電流を効率よく流すことができ、集電部材の上端部側の集電効率が低下することを抑制することができる。
【００１４】
また、本発明のセルスタック装置は、前記接続部が、複数の前記第１集電片の一端と複数の前記第２集電片の一端とを接続する帯状の第１接続部と、複数の前記第１集電片の他端と複数の前記第２集電片の他端とを接続する帯状の第２接続部とを有し、前記集電部材
が、これらを１ユニットとして上下方向に複数有し、隣り合う前記ユニットを導電性連結片を介して接合してなるとともに、それぞれの前記接続部の上下方向における長さが同じであり、かつ前記燃料電池セルの上端部側に位置する前記接続部の前記燃料電池セルの配列方向における厚みが、前記燃料電池セルの下端部側に位置する前記接続部の前記燃料電池セルの配列方向における厚みよりも厚いことが好ましい。
【００１５】
このようなセルスタック装置においては、接続部が、複数の第１集電片の一端と複数の第２集電片の一端とを接続する第１接続部と、複数の第１集電片の他端と複数の第２集電片の他端とを接続する第２接続部とを有し、集電部材が、これらを１ユニットとして上下方向に複数有し、隣り合うユニットを導電性連結片を介して接合してなるとともに、それぞれの接続部の上下方向における長さが同じであり、かつ燃料電池セルの上端部側に位置する接続部の燃料電池セルの配列方向における厚みが、燃料電池セルの上端部側に位置する接続部の燃料電池セルの配列方向における厚みよりも厚いことから、燃料電池セルの下端部側に位置する接続部の温度が上昇して導電率が低下した場合においても、接続部が電流を効率よく流すことができ、集電部材の上端部側の集電効率が低下することを抑制することができる。
【００１６】
本発明の燃料電池モジュールは、上記のセルスタック装置を収納容器内に収納してなることを特徴とすることから、発電出力性能の向上した燃料電池モジュールとすることができる。
【００１７】
本発明の燃料電池装置は、上記の燃料電池モジュールと燃料電池モジュールを動作させるための補機とを外装ケースに収納してなることを特徴とすることから、発電出力性能の向上した燃料電池装置とすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のセルスタック装置は、集電部材が、一方の燃料電池セルと接続され、燃料電池セルの幅方向に沿って伸びる帯状の第１集電片と、他方の燃料電池セルと接続され、燃料電池セルの幅方向に沿って伸びる帯状の第２集電片とを、上下方向に複数備えるとともに、第１集電片および第２集電片を接続する接続部を備えてなり、前記燃料電池セルの上端部側に位置する前記第１集電片および前記第２集電片の燃料電池セルの配列方向における厚みが、燃料電池セルの下端部側に位置する第１集電片および第２集電片の燃料電池セルの配列方向における厚みよりも厚く、接続部の燃料電池セルの配列方向における厚みが、他の部位の燃料電池セルの配列方向における厚みよりも厚いことから、集電部材の上端部側の温度が上昇して導電率が低下した場合においても、発電した電流を効率よく集電することができ、集電部材の上端部側の集電効率が低下することを抑制できることから、発電出力性能が向上したセルスタック装置とすることができる。また、集電部材の上端部側の剛性を高くすることなく、集電部材の上端部側における集電効率を向上させることができる。また、このセルスタック装置を収納容器内に収納することで、発電出力性能の向上した燃料電池モジュールとすることができ、さらにこの燃料電池モジュールと燃料電池モジュールを動作させるための補機とを外装ケース内に収納することで、発電出力性能が向上した燃料電池装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明のセルスタック装置の一例を示し、（ａ）はセルスタック装置を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）のセルスタック装置の点線枠で囲った部分の一部を拡大して示す平面図である。
【図２】図１における集電部材を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の集電部材の他端部側における点線枠で囲った部分の一部を拡大して示す平面図、（ｃ）は（ａ）の集電部材の他端部側における点線枠で囲った部分の一部を拡大して示す平面図である。
【図３】本発明のセルスタック装置の他の一例を構成する集電部材を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の集電部材の他端部側における点線枠で囲った部分の一部を拡大して示す平面図、（ｃ）は（ａ）の集電部材の一端部側における点線枠で囲った部分の一部を拡大して示す平面図である。
【図４】（ａ）は、本発明のセルスタック装置のさらに他の一例を構成する集電部材の他端部側の平面図であり、（ｂ）は、本発明のセルスタック装置のさらに他の一例を構成する集電部材の他端部側の平面図である。
【図５】本発明の燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。
【図６】本発明の燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１は、本発明のセルスタック装置１の一例を示したものであり、（ａ）はセルスタック装置１を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）のセルスタック装置１の一部を拡大した平面図であり、（ａ）で示した点線枠で囲った部分を抜粋して示している。また、同一の部材については同一の番号を付するものとし、以下同様とする。なお、（ｂ）において（ａ）で示した点線枠で囲った部分に対応する部分を明確とするために矢印にて示している。
【００２１】
ここで、セルスタック装置１は、一対の対向する平坦面をもつ柱状の導電性支持体１２（以下、支持体１２と略す場合がある。）の一方側の平坦面上に内側電極層としての燃料極層８と、固体電解質層９と、外側電極層としての空気極層１０とを順に積層してなる柱状（中空平板状）の燃料電池セル３の複数個を、それぞれの燃料電池セル３間に集電部材４を介して立設させた状態で配列して、電気的に直列に接続してセルスタック２を形成し、セルスタック２を燃料電池セル３の配列方向（以下、セル配列方向と略す場合がある。）の両端から集電部材４を介して導電部材５により挟持し、燃料電池セル３の一端部（下端部）を、燃料電池セル３に燃料ガスを供給するマニホールド７に固定して構成されている。
【００２２】
また、燃料電池セル３の他方側の平坦面上にはインターコネクタ１１が設けられており、支持体１２の内部には、燃料電池セル３の一端（下端）から他端（上端）まで貫通した燃料ガス（反応ガス）を流すためのガス流路１３が所定の間隔をあけて複数設けられている。そして燃料電池セル３の内部（ガス流路１３）に燃料ガスを流し、酸素含有ガス（空気）を燃料電池セル３の外部に流すことにより、燃料電池セル３は発電する。また、発電に使用されなかった燃料ガスを燃料電池セル３の他端部側（上端部側）にて燃焼させることにより、セルスタック装置１を温めることができ、効率のよい運転をすることができる。
【００２３】
なお、燃料極層８、固体電解質層９および空気極層１０がこの順に積層された部位において、燃料電池セル３は発電する。また、以降の説明において、特に断りのない限り、内側電極層を燃料極層８とし、外側電極層を空気極層１０として説明し、セルスタック装置
１は、燃料電池セル３の上端部側（上方）において発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させる構成として説明する。
【００２４】
また、インターコネクタ１１の外面（上面）にはＰ型半導体層１４を設けることもでき、図１においてはＰ型半導体層１４を設けた例を示している。集電部材４をＰ型半導体層１４を介してインターコネクタ１１に接続させることにより、両者の接続がオーム接続となり、電位降下を少なくし、集電効率の低下を有効に回避することが可能となる。
【００２５】
また、支持体１２を燃料極層８を兼ねるものとし、その一方側表面上に固体電解質層９および空気極層１０を順次積層して燃料電池セル３を構成することもできる。
【００２６】
なお、本発明において燃料電池セル３としては、各種燃料電池セルが知られているが、発電性能のよい燃料電池セル３とする上で、固体酸化物形燃料電池セル３とすることができる。それにより、単位電力に対して燃料電池装置を小型化することができるとともに、家庭用燃料電池で求められる変動する負荷に追従する負荷追従運転を行なうことができる。
【００２７】
以下に、図１において示すセルスタック装置１を構成する各部材について説明する。
【００２８】
燃料極層（内側電極層）８は、一般的に公知のものを使用することができ、多孔質の導電性セラミックス、例えばＹやＹｂ等の希土類元素が固溶しているＺｒＯ２（安定化ジルコニアと称する）とＮｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。
【００２９】
燃料極層８において、ＮｉおよびＮｉＯのうち少なくとも一方と、希土類元素が固溶しているＺｒＯ２の含有量は、焼成−還元後における体積比率が、ＮｉＯ：希土類元素が固溶しているＺｒＯ２（例えば、ＮｉＯ：ＹＳＺ）が３５：６５〜６５：３５の範囲にあるのが好ましい。さらに、この燃料極層８の気孔率は、１５％以上、特に２０〜４０％の範囲にあるのが好ましく、その厚みは、１〜３０μｍであるのが好ましい。
【００３０】
固体電解質層９は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有しているとともに、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有することが必要とされ、３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ２から形成される。なお、上記特性を有する限りにおいては、他の材料等を用いて形成してもよい。
【００３１】
さらに、固体電解質層９は、ガス透過を防止するという点から、相対密度（アルキメデス法による）が９３％以上、特に９５％以上の緻密質であることが望ましく、かつその厚みが５〜５０μｍであることが好ましい。
【００３２】
空気極層（外側電極層）１０は、導電性セラミックス（例えば、ＡＢＯ３型のペロブスカイト型酸化物）から形成することができ、ガス透過性を有する必要があることから、気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲にあることが好ましい。さらに、空気極層１０の厚みは、集電性という点から３０〜１００μｍであることが好ましい。
【００３３】
インターコネクタ１１は、導電性セラミックスから形成することができるが、燃料ガス（水素含有ガス）および酸素含有ガス（空気等）と接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、それゆえランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ３系酸化物）が好適に使用される。インターコネクタ１１は導電性支持体１２に形成された複数の燃料ガス流路１３を流通する燃料ガス、および導電性支持体１２の外側を流通する酸素含有ガスのリークを防止するために緻密質でなければならず、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが好ましい。
【００３４】
また、インターコネクタ１１の厚みは、ガスのリーク防止と電気抵抗の増大を抑制という理由から、１０〜５０μｍであることが好ましい。この範囲よりも厚みが薄いと、ガスのリークを生じやすく、またこの範囲よりも厚みが大きいと、電気抵抗が大きく、電位降下により集電機能が低下してしまうおそれがある。
【００３５】
支持体１２としては、燃料ガスを燃料極層８まで透過するためにガス透過性であること、さらには、インターコネクタ１１を介して集電するために導電性であることが要求される。したがって、支持体１２としては、かかる要求を満足するものを材質として採用する必要があり、例えば導電性セラミックスやサーメット等を用いることができる。
【００３６】
また、支持体１２は、所要ガス透過性を備えるために開気孔率が３０％以上、特に３５〜５０％の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は５０Ｓ／ｃｍ以上、より好ましくは３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であるのが好ましい。
【００３７】
Ｐ型半導体層１４としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物からなる層を例示することができる。具体的には、インターコネクタ１１を構成するランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ３系酸化物）よりも電子伝導性が大きいもの、例えば、ＢサイトにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏなどが存在するＬａＭｎＯ３系酸化物、ＬａＦｅＯ３系酸化物、ＬａＣｏＯ３系酸化物などの少なくとも一種からなるＰ型半導体セラミックスを使用することができる。このようなＰ型半導体層１５の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲にあることが好ましい。
【００３８】
そして、それぞれの燃料電池セル３は集電部材４を介して電気的に直列に接続されることでセルスタック２が構成される。なお、詳しくは後述するが集電部材４は、弾性を有する金属または合金からなる部材により構成することができる。
【００３９】
上記のように構成されたセルスタック２をセル配列方向の両端から集電部材４を介して、導電部材５により挟持し、これらを燃料電池セル３および導電部材５の下端部側を燃料電池セル３に燃料ガスを供給するためのマニホールド７に固定することで、セルスタック装置１が構成されている。
【００４０】
マニホールド７は、各燃料電池セル３に燃料ガスを供給するため、上部が開口した形状をしており、この開口の内部に所定の治具を用いてセルスタック２を配置し、ガラス等のシール材によりガスシールを行なう。これにより、燃料電池セル３の内部に供給される燃料ガスがガスリークすることを抑制することができる。なお、マニホールド７を構成する材料は、後述する集電部材４と同様の材料を用いることができる。
【００４１】
導電部材５は、セルスタック２の端部に配置された燃料電池セル３と対向する平板部（図示せず）と、セル配列方向に沿って外側に向けて延びた形状で、セルスタック２（燃料電池セル３）の発電により生じる電流を引出すための電流引出部６を具備しており、セルスタック２で発電した電流を電流引出部６から外部に取り出すことができる。なお、導電部材５を構成する材料は、後述する集電部材４の材料と同じものを用いることができる。
【００４２】
ここで、本発明のセルスタック装置１を構成する集電部材４を説明する。
【００４３】
図２は、図１における集電部材を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の集電部材の他端部側（上端部側）における点線枠で囲った部分の一部を拡大して示す平面図、（ｃ）は（ａ）の集電部材の一端部側（下端部側）における点線枠で囲った部分の一部を拡大して示す平面図である。なお、（ｂ）、（ｃ）において（ａ）で示した点線枠で囲った部分
に対応する部分を明確とするために矢印にて示している。
【００４４】
集電部材４は、隣り合う一方の燃料電池セル３と接続され、燃料電池セル３の幅方向（以下、セル幅方向と略す場合がある。）に沿って伸びる帯状の第１集電片４ａと、隣り合
う一方の燃料電池セル３と接続され、セル幅方向に沿って伸びる帯状の第２集電片４ｂと、第１集電片４ａの一端と第２集電片４ｂの他端とを接続する第１接続部４ｃと、第１集電片４ａの他端と第２集電片４ｂの一端とを接続する第２接続部４ｄを有しており、第１集電片４ａ、第１接続部４ｃ、第２集電片４ｂおよび第２接続部４ｄからなる１ユニットを上下方向に複数配置して構成されている。
【００４５】
集電部材４は、酸化雰囲気に曝されることに加え、高温下に曝されることからＣｒを含有する合金により形成されることが好ましく、合金に含有されるＣｒが合金外に拡散していくことを抑制するために、Ｃｒの拡散を抑制するコーティング等を施すことが好ましい。また、Ｃｒを含有する合金により導電部材５やマニホールド７を作製することも好ましい。Ｃｒを含有する合金としては、フェライト系のステンレスやＳＵＳ等の合金を用いることができる。
【００４６】
集電部材４の第１集電片４ａは隣り合う一方の燃料電池セル３の空気極層１０と接続されており、第２集電片４ｂは隣り合う他方の燃料電池セルの３のインターコネクタ１１（Ｐ型半導体層１４）と接続されている。効率よく集電するために、集電部材４のセル幅方向の幅は空気極層１０と同程度が好ましく、集電部材４の上下方向の長さは空気極層１０と同程度が好ましい。
【００４７】
ここで、燃料電池セル３の下端部をマニホールド７に固定し、燃料電池セル３の下端部に燃料ガスを供給して発電を行なうと、燃料電池セル３は発電する際に熱を生じるため、燃料電池セル３のガス流路１３を流れる燃料ガスが、ガス流路１３を流れるうちに加熱され、燃料電池セル３の上端部側が加熱され、上端部側の温度が下端部側の温度に比べて高くなる場合がある。それに伴い、燃料電池セル３と接続する集電部材４の上端部側の温度が高くなり、結果として、特に集電部材４の上端部側において、集電部材４を構成するＣｒを含有する合金の導電率が低下して集電効率が低下し、セルスタック装置１の発電出力性能が低下するおそれがある。さらに、燃料電池セル３の上方において発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させた場合、さらに燃料電池セル３の上端部側の温度が、下端部側の温度に比べてさらに高くなる場合がある。
【００４８】
それゆえ、図２に示す集電部材４においては、集電部材４の上端部側に配置された第１集電片４ａおよび第２集電片４ｂの燃料電池セルの配列方向における厚みが、集電部材の下端部側に配置された第１集電片４ａおよび第２集電片４ｂの燃料電池セルの配列方向における厚みに比べて厚くなっている。
【００４９】
それにより、集電部材４の上端部側に配置された第１集電片４ａおよび第２集電片４ｂのセル配列方向に沿って、かつ燃料電池３セルの一端から他端にかけて沿った断面の断面積が、集電部材４の下端部側に配置された第１集電片４ａおよび第２集電片４ｂのセル配列方向に沿って、かつ燃料電池セル３の一端から他端にかけて沿った断面の断面積に比べて大きくなっていることから、集電部材４の上端部側の温度が上昇して上端部側の導電率が低下した場合においても、燃料電池セル３で発電された電流が第１集電片４ａおよび第
２集電片４ｂをセル幅方向に流れやすくなることから、発電した電流を効率よく集電することができ、集電部材４の上端部側の集電効率が低下することを抑制できる。そのため、発電出力性能の向上したセルスタック装置１とすることができる。
【００５０】
このような集電部材４は、合金を圧延により延ばす際に、厚みが異なるように作製した板部材をプレス加工により、所定の形状に打ち抜き、打ち抜いた部材を折り曲げることで容易に作製することができる。また、集電部材４の第１集電片４ａおよび第２集電片４ｂをそれぞれ厚みの異なる板により作製した後、溶接等により接合することで作製することもできる。なお、厚みが均一な一枚の板部材をプレス加工により、所定の形状に打ち抜いた後、セル配列方向の幅を広くしたい第１集電片４ａおよび第２集電片４ｂに、第１集電片４ａと第２集電片４ｂと同じ形状の板部材を接合することにより、作製することもできる。
【００５１】
なお、集電部材４の上端部側とは、集電部材４の上端を含む領域を示し、本発明のセルスタック装置１においては、集電部材４の上端から３分の１の領域とすることができる。また、集電部材４の下端部側とは、集電部材４の下端を含む領域を示し、本発明のセルスタック装置１においては、集電部材４の下端から３分の１の領域とすることができる。なお、セルスタック装置の構成に合わせてそれぞれ適宜設定すればよい。
【００５２】
ここで、セルスタック２は、複数個の燃料電池セル３を集電部材４を介して配列してなるため、セル配列方向の中央部側に位置する燃料電池セル３は、セル配列方向の両端部側に位置する燃料電池セル３に比べ、隣り合う燃料電池セル３の個数が多いことから、セル配列方向における中央部側の温度が、セル配列方向の両端部側の温度に比べて高くなる場合がある。
【００５３】
そのため、セル配列方向の中央部側に配置された燃料電池セル３の温度（特に上端部側の温度）が高温となり、セル配列方向の中央部側に配置された燃料電池セル３に接続された集電部材４の温度が高くなり、結果として集電部材４の導電率が低下することで、集電部材４の集電効率が低下するおそれがある。
【００５４】
そこで、本発明のセルスタック装置１において、セル配列方向の中央部側に配置された集電部材４の上端部側に配置された第１集電片４ａおよび第２集電片４ｂのセル配列方向における幅を、セル配列方向の両端部側に配置された集電部材４の上端部側に配置された第１集電片４ａおよび第２集電片４ｂのセル配列方向における幅よりも広くすることで、セル配列方向における中央部側に配置された集電部材４の導電率が、セル配列方向における両端部側に配置された集電部材４の導電率が低下した場合においても、燃料電池セル３で発電された電流が第１集電片４ａおよび第２集電片４ｂをセル幅方向に流れやすくなることから、発電した電流を効率よく集電することができ、集電部材４の上端部側の集電効率が低下することを抑制できる。そのため、発電出力性能の向上したセルスタック装置１とすることができる。
【００５５】
図３は、本発明のセルスタック装置の他の一例を構成する集電部材を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）の集電部材の上端部側における点線枠で囲った部分の一部を拡大して示す平面図、（ｃ）は（ａ）の集電部材の下端部側における点線枠で囲った部分の一部を拡大して示す平面図である。なお、（ｂ）、（ｃ）において（ａ）で示した点線枠で囲った部分に対応する部分を明確とするために矢印にて示している。
【００５６】
集電部材１５は、隣り合う一方の燃料電池セル３と接続され、セル幅方向に沿って伸びる帯状の第１集電片１５ａと、隣り合う一方の燃料電池セル３と接続され、セル幅方向に沿って伸びる帯状の第２集電片１５ｂと、複数の第１集電片１５ａの一端と複数の第２集電片１５ｂの一端とを接続する第１接続部１５ｃと、複数の第１集電片１５ａの他端と複数の第２集電片１５ｂの他端とを接続する第２接続部１５ｄを有しており、これらを１ユニット（図示せず）として上下方向に複数有し、隣り合うユニットを導電性連結片１５ｅを介して接合して構成されている。
【００５７】
そして、集電部材１５は、集電部材１５の上端部側に位置する第１集電片１５ａおよび第２集電片１５ｂの燃料電池セルの配列方向における厚みが、集電部材１５の下端部側に位置する第１集電片１５ａおよび第２集電片１５ｂの燃料電池セルの配列方向における厚みよりも厚くなっている。
【００５８】
それにより、集電部材１５の上端部側の温度が上昇し、上端部側の導電率が低下した場合においても、セルスタック装置１で発電された電流が第１集電片１５ａおよび第２集電片１５ｂをセル幅方向に流れやすくなることから、発電した電流を効率よく集電することができ、集電部材１５の上端部側の集電効率が低下することを抑制できる。そのため、発電出力性能の向上したセルスタック装置１とすることができる。
【００５９】
なお、集電部材１５は、集電部材４と同様の方法で作製することができる。
【００６０】
また、図３においては、３本の第１集電片１５ａと、３本の第２集電片１５ｂとを第１接続部１５ｃおよび第２接続部１５ｄに接続し、１つのユニットを構成する例を示したが、１つのユニットを構成する第１集電片１５ａおよび第２集電片１５ｂの数は、セルスタック装置１の構成に合わせて適宜設定すればよい。また、図３において、４つのユニットからなる集電片１５の例を示したが、集電部材１５を構成するユニット数は、セルスタック装置１の構成に合わせて適宜設定すればよい。
【００６１】
図４は、（ａ）は、本発明のセルスタック装置のさらに他の一例を構成する集電部材１６上端部側における平面図であり、（ｂ）は、本発明のセルスタック装置のさらに他の一例を構成する集電部材１７の上端部側における平面図である。
【００６２】
図４の（ａ）に示す、集電部材１６は、上端部側に配置された、第１集電片１６ａおよび第２集電片１６ｂ、第１接続部１６ｃおよび第２接続部１６ｄにおけるセル幅方向に沿って伸びる部位１６ｅの燃料電池セルの配列方向における厚みが厚くなっており、その他の構成は、図２に示す集電部材４と同じである。
【００６３】
ここで、セルスタック装置１の作動時において、各燃料電池セル３が変形することがある。このような燃料電池セル３の変形としては、セル配列方向に沿って反る変形である反り（以下、反りという場合がある。）のほか、上下方向に伸びる変形（以下、伸びという場合がある。）が例示される。
【００６４】
またセルスタック装置１は、燃料電池セル３の下端部がマニホールド７に固定されていることから、燃料電池セル３の上端部側において燃料電池セル３の変形が大きくなり、集電部材１６と燃料電池セル３とが剥離を生じ、集電部材１６の上端部側において、集電効率が低下するおそれがある。
【００６５】
図４（ａ）に示す集電部材１６は、上端部側に配置された、第１集電片１６ａおよび第
２集電片１６ｂ、第１接続部１６ｃおよび第２接続部１６ｄにおけるセル幅方向に沿って伸びる部位１６ｅの燃料電池セルの配列方向における厚みが厚くなっていることから、接続部の屈曲する部位のセル幅方向の幅を広くすることなく、第１集電片１６ａおよび第２集電片１６ｂ、第１接続部１６ｃおよび第２接続部１６ｄにおけるセル幅方向に沿って伸びる部位の燃料電池セルの配列方向における厚みを厚くすることができ、集電部材１６の上端部側の剛性を高くすることなく、集電部材１６の上端部側における集電効率を向上させることができる。そのため、集電部材４と燃料電池セル３との剥離を抑制できるとともに、効率よく集電することができ、発電出力性能の向上したセルスタック装置１とすることができる。
【００６６】
図４の（ｂ）に示す、集電部材１７は、上端部側に配置された、第１集電片１７ａおよび第２集電片１７ｂの燃料電池セル３と接触する部位１７ｅ、第１接続部１７ｃおよび第２接続部１７ｄの燃料電池セルの配列方向における厚みが厚くなっており、その他の構成は、図３に示す集電部材１５と同じである。
【００６７】
図４（ｂ）に示す集電部材１７は、第１集電片１７ａおよび第２集電片１７ｂの燃料電池セル３と接触しない部位（屈曲する部位）の長さを長くすることなく、第１集電片１７ａおよび第２集電片１７ｂの燃料電池セルと接触する部位１７ｅ、第１接続部１７ｃおよび第２接続部１７ｄの燃料電池セルの配列方向における厚みが厚くなっていることから、集電部材１６の剛性を高くすることなく、集電部材１６の上端部側における集電効率を向上させることがでる。そのため、集電部材４と燃料電池セル３との剥離を抑制できるとともに、効率よく集電することができ、発電出力性能の向上したセルスタック装置１とすることができる。
【００６８】
また、上述の説明において、平面視における第１接続部１７ｃおよび第２接続部１７ｄの燃料電池セルの配列方向における厚みを厚くした例を示したが、第１接続部１７ｃおよび第２接続部１７ｄの上下方向における長さを大きくしてもよい。その場合においても、集電部材１７の上端部側の燃料電池セルの配列方向における第１接続部１７ｃおよび第２接続部１７ｄの断面積を大きくすることができ、集電部材１７の剛性を高くすることなく、集電効率を向上させることができ、発電出力性能の向上したセルスタック装置とすることができる。
【００６９】
なお、集電部材１６、１７は、均一の厚みの板をプレス加工した後、折り曲げて作製した後に、薄くしたい部位を研磨等の加工により、削ることにより容易に作製することができる。また、平面視においてセル配列方向の長さを長くしたい部位に部材を接合させることにより、作製することもできる。
【００７０】
図５は、本発明の燃料電池モジュール２０の一例を示す外観斜視図であり、直方体状の収納容器２１の内部に、本発明のセルスタック装置１を収納して構成されている。
【００７１】
なお、燃料電池セル３にて使用する燃料ガスを得るために、天然ガスや灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質器２２をセルスタック２の上方に配置している。そして、改質器２２で生成された燃料ガスは、ガス流通管２３を介してマニホールド７に供給され、マニホールド７を介して燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路（図示せず）に供給される。
【００７２】
なお、図５においては、収納容器２１の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されているセルスタック装置１および改質器２２を後方に取り出した状態を示している。ここで、図５に示した燃料電池モジュール２０においては、セルスタック装置１を、収納容器２１内にスライドして収納することが可能である。
【００７３】
また収納容器２１の内部に設けられた酸素含有ガス導入部材２４は、図５においてはマニホールド７に並置されたセルスタック２の間に配置されるとともに、酸素含有ガスが、燃料ガスの流れに合わせて、燃料電池セル３の側方を下端部側から上端部側に向かって流
れるように、燃料電池セル３の下端部側に酸素含有ガスを供給するように構成されている。そして、燃料電池セル３のガス流路より排出される余剰の燃料ガスを燃料電池セル３の上端部側で燃焼させることにより、燃料電池セル３の温度を上昇させることができ、セルスタック装置１の起動を早めることができる。また、燃料電池セル３の上端部側にて、燃料電池セル３の燃料ガス流路から排出される燃料ガスを燃焼させることにより、セルスタック２の上方に配置された改質器２２を温めることができる。それにより、改質器２２で効率よく改質反応を行うことができる。
【００７４】
このような燃料電池モジュール２０においては、上述したように、発電出力性能の向上したセルスタック装置１を収納容器２１に収納して構成されることにより、発電出力性能の向上した燃料電池モジュール２０とすることができる。
【００７５】
図６は、外装ケース内に図５で示した燃料電池モジュール２０と、燃料電池モジュール２０を動作させるための補機（図示せず）とを収納してなる本発明の燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。なお、図６においては一部構成を省略して示している。
【００７６】
図６に示す燃料電池装置２５は、支柱２６と外装板２７から構成される外装ケース内を仕切板２８により上下に区画し、その上方側を上述した燃料電池モジュール２０を収納するモジュール収納室２９とし、下方側を燃料電池モジュール２０を動作させるための補機を収納する補機収納室３０として構成されている。なお、補機収納室３０に収納する補機を省略して示している。
【００７７】
また、仕切板２８には、補機収納室３０の空気をモジュール収納室２９側に流すための空気流通口３１が設けられており、モジュール収納室２９を構成する外装板２７の一部に、モジュール収納室２９内の空気を排気するための排気口３２が設けられている。
【００７８】
このような燃料電池装置２５においては、上述したように、発電出力性能の向上した燃料電池モジュール２０をモジュール収納室２９に収納し、燃料電池モジュール２０を動作させるための補機を補機収納室３０に収納して構成されることにより、発電出力性能の向上した燃料電池装置２５とすることができる。
【００７９】
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。
【００８０】
例えば、上述したセルスタック装置１においては、燃料電池セル３内のガス流路１３に燃料ガスを供給し、燃料電池セル３の外側に酸素含有ガスを供給する例を示しているが、ガス流路１３に酸素含有ガスを供給し、燃料電池セル３の外側に燃料ガスを供給する構成としてもかまわない。その場合においては、内側電極層を空気極層１０とし、外側電極層を燃料極層８とする構成の燃料電池セル３とすればよい。
【００８１】
また、集電部材の上端部側に位置する各部材のそれぞれの角部をＣ面取りや、Ｒ面取り等の面取りをしてもよい。それにより、集電部材の上端部側に位置する各部材が高温な酸化条件に曝されて、異常酸化が発生することを抑制することができる。
【００８２】
また、集電部材の上端部側の第１集電片、第２集電片、第１接続部および第２接続部の上下方向に沿った断面積を大きくする方法として、燃料電池セルの配列方向における厚みを厚くする構成を示したが、第１集電片、第２集電片、第１接続部および第２接続部の上下方向における長さを長くしてもよい。その場合においても、第１集電片、第２集電片、第１接続部および第２接続部大きくすることができ、集電部材の上端部側の集電効率を向上させることができる。
【００８３】
さらに、上下方向や燃料電池セルの配列方向において、温度分布に合わせて、領域ごと第１集電片および第２集電片のセル配列方向に沿って、かつ燃料電池セル３の一端から他端にかけて沿った断面の断面積を段階的に変化させてもよく、漸次変化させてもよい。
【符号の説明】
【００８４】
１：セルスタック装置
２：セルスタック
３：燃料電池セル
４、１５、１６、１７：集電部材
４ａ、１５ａ、１６ａ、１７ａ：第１集電片
４ａ、１５ａ、１６ａ、１７ａ：第２集電片
４ａ、１５ａ、１６ａ、１７ａ：第１接続部
４ａ、１５ａ、１６ａ、１７ａ：第２接続部
４ｅ：導電性連結片
５：導電部材
６：電流引出部
７：マニホールド
２０：燃料電池モジュール
２５：燃料電池装置
【図１】
0005534893.tif 000002
【図２】
0005534893.tif 000003
【図３】
0005534893.tif 000004
【図４】
0005534893.tif 000005
【図５】
0005534893.tif 000006
【図６】
0005534893.tif 000007