(57)【要約】      （修正有）【課題】隣接する円筒状セル間の電気的直列接続における電流集中を回避できる固体酸化物形燃料電池スタックの提供。【解決手段】下端と上端を有する円筒状セル２が複数、並んで配置され、各円筒状セル２の内側、外側には下端から上端に向けて燃料ガス、酸化剤ガスが供給され、円筒状セル２の内側、外側は各々内側電極、外側電極であり、外側電極は円筒状セル２の軸方向略中央部で上下に分割され下部外側電極と上部外側電極を構成し、該分離部で内側電極が外側に露出している内側電極露出部を有する。隣接する二つの円筒状セル２を電気的に直列に接続する集電体４の一端は、一方のセルの内側電極露出部に接続され、集電体４の他端は二つに分岐し他方の円筒状セル２の下部外側電極と上部外側電極に各々接続される燃料電池スタック。【選択図】図２
2018106820.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物形の電解質層を挟んだ内側電極層と外側電極層とにより形成された発電部が軸方向に延在する筒状の燃料電池セルが複数配列され、前記筒状の燃料電池セルの一端側から他端側に向けて、燃料ガスが前記内側電極層又は前記外側電極層の一方に、酸化剤ガスが前記内側電極層又は前記外側電極層の他方に供給されることで発電する固体酸化物形燃料電池スタックであって、
少なくとも前記外側電極層は、前記燃料電池セルの軸方向に対して、一端側の第１の領域と他端側の第２の領域とに分離して配置され、
前記内側電極層は、前記燃料電池セルの軸方向に対して、前記第１の領域と前記第２の領域との間に、前記外側電極層及び前記電解質層に対して露出する第３の領域を有し、
複数の前記燃料電池セルのうち任意のひとつである第１の燃料電池セルの内側電極層は、前記第１の燃料電池セルと隣り合う第２の燃料電池セルの外側電極層の前記第１の領域及び前記第２の領域のそれぞれと、前記第１の燃料電池セルの前記第３の領域及び集電体を介して電気的に接続され、
前記集電体は、前記第１の燃料電池セルの前記第３の領域と電気的に接続する一端と、前記第２の燃料電池セルの第１の領域及び第２の領域のそれぞれと電気的に接続するために分岐した二端とを有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項２】
前記第３の領域は、前記燃料電池セルの前記軸方向における略中央部に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項３】
前記第３の領域は、前記燃料電池セルの前記軸方向における中央部よりも他端側に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項４】
少なくとも前記第１の領域及び前記第２の領域、又は前記第３の領域は、前記集電体との間に導電性被膜が設けられていることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項５】
前記内側電極層、前記外側電極層又は前記導電性被膜は、前記第２の領域に位置する、前記第２の領域よりも前記第１の領域に位置する方が、電気抵抗が大きくなるように構成されていることを特徴とする、請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項６】
前記集電体は、前記外側電極の第１の領域及び第２の領域のそれぞれに電気的に接続するために分岐して延在する２つの延在部分において、前記燃料電池セルの前記一端側に位置する延在部分の方が前記燃料電池セルの前記他端側に位置する延在部分よりも長いことを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項７】
前記第１の燃料電池セルの第３の領域は、前記第２の燃料電池セルの第１の領域における他端側、及び前記第２の燃料電池セルの第２の領域における他端側にそれぞれ電気的に接続されることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項８】
前記第１の燃料電池セルの第３の領域は、前記第２の燃料電池セルの第１の領域における他端側、及び前記第２の燃料電池セルの第２の領域における一端側にそれぞれ電気的に接続されることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の固体酸化物形燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに関する。特に、原料ガスを改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電する固体酸化物形燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物形燃料電池装置（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）は、電解質として酸化物イオン導電性固体電解質を用い、その両側に電極を取り付けた燃料電池セルを複数モジュール容器内に配設し、その燃料電池セルの一方の電極（燃料極）に燃料ガスを供給し、他方の電極（空気極）に酸化剤ガス（空気、酸素等）を供給することで発電反応により発電する電力を取り出す装置であり、高分子電解質形燃料電池装置等の他の燃料電池装置に対して、例えば７００〜１０００℃程度の比較的高温で動作する。
【０００３】
このような固体酸化物形燃料電池装置に用いる燃料電池セルとして、特許文献１に記載の円筒形セルや扁平円筒形セルなどの筒状の燃料電池セルが知られている。一般に単一の燃料電池セル（単セル）では得られる電力が少ないため、これらを複数並べて電気的に直列に接続することで必要な電力を得るように構成している。
【０００４】
ところが、これら円筒形セル等の筒状の燃料電池セルにおいては、電極が軸方向に延在するため、電極内の電子の移動距離が長距離に及び、燃料電池セルの発電効率の低下を招く問題があった。そこで特許文献１では、隣接する燃料電池セルへの電気的な直列接続として、一の燃料電池セルの空気電極（＋極）と、これと隣接する燃料電池セルの燃料電極（−極）との接続を、燃料電池セルの上端及び下端でそれぞれ独立した集電部材を用いて行ういわゆる「両端集電」構造によって解決している。この構成により、燃料電池セルの発電部で発生した電流は、燃料電池セルの上端及び下端へと分配されて外部へ取り出されるため、電流経路を短くして電気抵抗を減少させている。
【０００５】
しかし、水素を含む燃料ガスは筒状の燃料電池セルの下端側から内部流路に供給されることが一般的である中で、供給された燃料ガス中の水素濃度は発電反応によって徐々に消費されるため、内部流路において上流側から下流側にかけて水素濃度は減少する。このため、発電反応は燃料電池セルの最下端においてより活発であり、発生電流量も多い。この状況下において、両端集電を採用する場合、燃料ガスの供給量や取り出し電流量、あるいは燃料電池セル集電形態によっては、燃料電池セルの上流側（つまり、燃料電池セルの下端側）集電部において、電流集中が発生するおそれがあることを発明者は見出した。すなわち、電流の主要発生領域と電流の取り出し領域とが一致することに問題がある。燃料電池セルにおける電流集中は、局所的な発電促進による燃料電池セルの劣化に起因した耐久性低下や、発生電流の取り出しの妨げによる出力の低下など様々な課題を引き起こす要因となってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許５５７８３３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したような燃料電池セルにおける上流側での電流集中対策として、燃料電池セルの上流側の電気抵抗を高めることが考えられた。すなわち、電流集中が生じる上流側において、燃料電池セルにおける電子の伝導経路となる構成被膜（例えば、空気極層の表面に設けられた銀ペーストからなる導電性被膜（集電膜ともいう）等）の膜厚を調整することで部分的に電気抵抗を増加させて、上流側の電流の主要発生領域における電流密度を低下させるものである。しかし、発明者はこのような電子の伝導経路における膜抵抗の調整だけでは、電流集中を十分に回避することができないことを見出した。
【０００８】
そこで本発明は、筒状の燃料電池セルを複数配列した固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、従来両端集電構造において発生した電流集中の発生を回避し、高耐久性と低コストで、所定の出力密度を得ることのできる固体酸化物形燃料電池スタックを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明にかかる固体酸化物形燃料電池スタックの一態様は、固体酸化物形の電解質層を挟んだ内側電極層と外側電極層とにより形成された発電部が軸方向に延在する筒状の燃料電池セルが複数配列され、筒状の燃料電池セルの一端側から他端側に向けて、燃料ガスが内側電極層又は外側電極層の一方に、酸化剤ガスが内側電極層又は外側電極層の他方に供給されることで発電する固体酸化物形燃料電池スタックであって、少なくとも外側電極層は、燃料電池セルの軸方向に対して、一端側の第１の領域と他端側の第２の領域とに分離して配置され、内側電極層は、燃料電池セルの軸方向に対して、第１の領域と第２の領域との間に、外側電極層及び電解質層に対して露出する第３の領域を有し、複数の燃料電池セルのうち任意のひとつである第１の燃料電池セルの内側電極層は、第１の燃料電池セルと隣り合う第２の燃料電池セルの外側電極層の第１の領域及び第２の領域のそれぞれと、第１の燃料電池セルの第３の領域及び集電体を介して電気的に接続され、集電体は、第１の燃料電池セルの第３の領域と電気的に接続する一端と、第２の燃料電池セルの第１の領域及び第２の領域のそれぞれと電気的に接続するために分岐した二端とを有するものである。
【００１０】
本態様によれば、一端側（上流下端側）から燃料ガスが供給される筒状の燃料電池セルにおいて、燃料電池セルの軸方向に外側電極を第１の領域と第２の領域とに分離して配置するため、それぞれの領域において発電した電流は間の第３の領域へ流れる。このため、従来の両端集電構造と比べて電流取り出し領域が他端側へ移るため、一端側における電流集中が緩和あるいは解消され、電流取り出し効率を低下させることなく、燃料電池セルの耐久性の確保を実現することができる。
【００１１】
ここで、本明細書において「筒状の燃料電池セル」とは一方向（軸方向）に延在した立体形状を有する燃料電池セルであって、内部にガス流路が設けられた形状を含むものである。例えば、円筒形、扁平円筒形等の円柱や楕円柱、角柱などの立体形状が含まれる。また内部のガス流路は複数設けられていても良い。
【００１２】
また、本明細書において「集電体」とは、一の燃料電池セルの燃料極層と隣り合う他の燃料電池セルの空気極層とを電気的に接続するために用いる導電性部材であって、導電性被膜とは異なるものである。この集電体は上記電気的接続の機能を果たす限りにおいて必ずしも一部材（１パーツ）であることは求められず、複数の部材から構成されるものであっても良い。また第３の領域と第１及び第２の領域とを電気的に接続する限りにおいては、他の機能を別途有するものであっても良い。
【００１３】
また、本明細書において「燃料電池スタック」とは、少なくとも複数の燃料電池セルが集電体やシール材等の接続手段によって物理的に固定された集合体であり、例えば、燃料ガスを一時貯蔵して各燃料電池セルに分散供給するための燃料ガスマニホールド上に複数の燃料電池セルが立設固定されたその全体を含む。
【００１４】
また本発明の一態様においては、第３の領域は、燃料電池セルの軸方向における略中央部に設けられていることが好ましい。
【００１５】
本態様によれば、電流取り出し端子となる第３の領域を燃料電池セルの軸方向の略中央に配置することによって、第１の領域への電気的接続は燃料ガスの流れに対して他端側で接続することができるため、第１の領域における電子の伝導距離を長くすることで電気抵抗を増加させることができる。その結果、電流集中を回避した耐久性の高い燃料電池スタックを提供することができる。
【００１６】
また本発明の一態様においては、第３の領域は、燃料電池セルの軸方向における中央部よりも他端側に設けられていることが好ましい。
【００１７】
本態様によれば、電流取り出し端子となる第３の領域を燃料電池セルの軸方向において他端側に寄った配置とするため、下流側の第２の領域に対して上流側の第１の領域における外側電極の軸方向の電極長が長くなる。このため、第１の領域における電気抵抗が第２の領域の電気抵抗に対して高くなるため、一端側へ流れる電流量を制限することができる。その結果、電流集中を回避した耐久性の高い燃料電池スタックを提供することができる。
【００１８】
また本発明の一態様においては、少なくとも第１の領域及び第２の領域、又は第３の領域は、集電体との間に導電性被膜が設けられていることが好ましい。
【００１９】
本態様によれば、燃料極層や空気極層等の電極層と集電体との間に銀ペースト等の導電性の被膜を形成することで、比較的導電抵抗の高い電極層の電気伝導性を高めるとともに、電極層と集電体との密着性を向上させて、接触抵抗を低減することができる。
【００２０】
また本発明の一態様においては、内側電極層、外側電極層又は導電性被膜は、第２の領域に位置する、第２の領域よりも第１の領域に位置する方が、電気抵抗が大きくなるように構成されていることが好ましい。
【００２１】
本態様によれば、電子の伝導経路となる各層や被膜の抵抗を適切に調整することで、一端側における電流分布を緩和して電流集中を回避することができるため、耐久性の高い燃料電池スタックを提供することができる。
【００２２】
また本発明の一態様においては、集電体は、外側電極の第１の領域及び第２の領域のそれぞれに電気的に接続するために分岐して延在する２つの延在部分において、燃料電池セルの一端側に位置する延在部分の方が燃料電池セルの他端側に位置する延在部分よりも長いことが好ましい。
【００２３】
本態様によれば、隣り合う燃料電池セルの軸方向に分離する外側電極層にむけて分岐して延在する集電体の延在部において、一端側である第１の領域へ延在する部分を長くして高抵抗化することで通過する電流量を制限することができるため、耐久性の高い燃料電池スタックを提供することができる。
【００２４】
また本発明の一態様においては、第１の燃料電池セルの第３の領域は、第２の燃料電池セルの第１の領域における他端側、及び第２の燃料電池セルの第２の領域における他端側にそれぞれ電気的に接続されることが好ましい。
【００２５】
本態様によれば、本態様によれば、一端側（上流下端側）から燃料ガスが供給される筒状の燃料電池セルにおいて、第３の領域を、分離して配置した外側電極層の第１の領域と第２の領域とのそれぞれの他端側と電気的に接続するため、いずれの領域においても電流取り出し端子を発電による電流主要発生部から遠ざける構成としたため、一端側における電流分布を緩和して電流集中を回避することができるため、耐久性の高い燃料電池スタックを提供することができる。
【００２６】
また本発明の一態様においては、前記第１の燃料電池セルの第３の領域は、前記第２の燃料電池セルの第１の領域における他端側、及び前記第２の燃料電池セルの第２の領域における一端側にそれぞれ電気的に接続されることが好ましい。
【００２７】
本態様によれば、本態様によれば、一端側（上流下端側）から燃料ガスが供給される筒状の燃料電池セルにおいて、第３の領域を、分離して配置した外側電極層の第１の領域の他端側、第２の領域の一端側に電気的に接続し、すなわち隣り合う燃料電池セルの軸方向における中央部寄りにセル間の電気接続が形成されるため、一端側における電流分布を緩和して電流集中を回避するとともに、集電体の延在部を最小限に設計することができる。
【発明の効果】
【００２８】
筒状の燃料電池セルを複数配列した固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、従来の両端集電構造において発生した電流集中の発生を回避し、高耐久性と低コストで、所定の出力密度を得ることのできる固体酸化物形燃料電池スタックを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明にかかる集電体の配置位置をセル中央にした場合と、従来の両端にした場合との燃料電池セルの高さ位置に応じた電流密度を示すシミュレーション結果を示す図である。
【図２】本発明の一実施例における燃料電池スタックを示す側面図である。
【図３】本発明の一実施例における燃料電池スタックを示す側面図である。
【図４】本発明の一実施例における燃料電池スタックを示す側面図である。
【図５】本発明の一実施例における燃料電池セルを示す図である。
【図６】本発明の一実施例における燃料電池セルを示す部分断面図である。
【図７】本発明の一実施例における集電部材が設けられた燃料電池セルを示す斜視図である。
【図８】本発明の一実施例における集電部材が設けられた燃料電池スタックを示す側面図である。
【図９】本発明の一実施例における集電部材が設けられた燃料電池スタックを示す側面図である。
【図１０】本発明の一実施例における集電部材が設けられた燃料電池スタックを示す側面図である。
【図１１】本発明の一実施例における集電部材が設けられた燃料電池スタックを示す側面図である。
【図１２】従来の燃料電池スタックを示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下では、本明細書に開示する発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。以下の説明から、当業者にとって、本発明の多くの改良や他の実施の形態が明らかである。従って、以下の説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更することができる。
【００３１】
本発明は、後に詳説する従来の両端集電構造に対し、ひとつの燃料電池セルの外側電極層を軸方向に対して上流側と下流側とに分離した上で、隣り合う燃料電池セルの内側電極層と分離された外側電極層のそれぞれとを電気的に接続するもので、外側電極層と電気的に接続する内側電極層は、分離された外側電極層の間に位置するものである。このような二つの燃料電池セルの集電接続構造を、燃料電池スタックとして配列される複数の燃料電池セルの直列接続に対して採用することで、従来の両端集電構造において燃料電池セルの上流側（燃料ガス供給側）で生じ得る電流集中との課題を回避して、すべての燃料電池セルの耐久性を確保することができるものである。
【００３２】
図１は、本発明にかかる集電体の配置位置をセル中央にし、第１の領域の抵抗を大きくした場合と、従来の両端にした場合との燃料電池セルの高さ位置に応じた電流密度を示すシミュレーション結果を示す図である。横軸にひとつの燃料電池セルの電流密度を示し、縦軸に燃料電池セルの高さ位置を示し、従来の両端集電構造を採用した場合と、本発明にかかる集電構造を採用した場合のシミュレーション結果をプロットしている。燃料電池セルは筒状構造で本発明にかかる集電構造を除き同条件とし、いずれも燃料ガス供給は燃料電池セルの下端から燃料電池セルに供給するものとした。
【００３３】
図１に示すように、従来構造では燃料電池セルの高さ位置が下端（すなわち、燃料ガスの供給口に近い燃料ガス上流側）であるほど、電流密度は高い値を示している。これは燃料電池セルの下端近傍で電流集中が生じていることを示している。これに対し、本発明にかかる集電構造においては、燃料電池セルの高さ位置が下端であっても電流密度が増加する傾向は示されていない。このことから、本発明にかかる集電構造においては、電流が流れる経路が集電体の配置された中央近傍（燃料電池セルの下端から離隔した位置）であるため、高濃度の水素の供給による燃料電池セル下端から電流取り出し箇所が離隔したことによる抵抗増によって、電流集中の発生が緩和されたと考えられる。
【００３４】
以上のことから、燃料電池セルの外側電極層を分離して内側電力層を分離した外側電極層の間に露出させることで、起電力の高い燃料電池セルの下端から電流を取り出すための集電体の電気接続箇所を離隔することによって、課題であった燃料電池セルの下端での電流集中を回避し、燃料電池セルスタックの耐久性と電流取り出し効率とを両立させることができた。
【実施例１】
【００３５】
次に、図面を参照して、本発明にかかる燃料電池スタックの実施例について説明する。
【００３６】
図１２は筒状の燃料電池セルの集電構造として、従来の両端集電構造を示すものである。簡単のため、図１２においては複数の燃料電池セル２のうち、２本の燃料電池セルの集電接続のみを示している。燃料電池セル２の下端側から内部流路内へ供給された燃料ガス（図中の破線矢印）は、燃料電池セル２の側面下方から供給される酸化剤ガス（図示せず）との発電反応によって消費され、未反応の燃料ガスは燃料電池セル２の上端より燃料電池セルの外部へ排出される。燃料ガスは燃料電池スタックの外部で改質された水素を含むもので、燃料電池セル２の内部流路において、上流側（すなわち下端側）ほど水素濃度が高く、下流側へ流動する程発電反応に消費され濃度は低下する。このため、燃料電池セル２の下端側ほど発電反応による起電力が高い。
【００３７】
一方、燃料電池セル２から電流を取り出ために集電体４（集電部材）が燃料電池セル２の上端部及び下端部に設けられている。燃料電池セル２の上端部及び下端部は燃料極層が露出しており、このそれぞれの燃料極層が集電体４を介して電気的に隣り合う燃料電池セル２の空気極層に接続している。このように、上端部及び下端部の双方において電気的接続を行うことで、従来、軸方向に長い筒状の燃料電池セル２に起因した電流経路長の電気抵抗の高さにかかる課題を解消していた。
【００３８】
しかし上述のとおり、燃料電池セル２の下端部が起電力の高くなる領域と電流の取り出し領域とが一致する領域であるために、電流集中の発生が顕著になってしまい、その結果、燃料電池セル２の劣化が著しくなることが分かった。
【００３９】
そこで、電流経路を軸方向に分割するとともに、燃料電池セル２の軸方向における電気抵抗の調整を可能にする集電構造とすることで上述する課題が解消することに発明者は想到した。すなわち本発明にかかる集電構造は、従来の両端集電構造に対して、燃料極層と電気的に接続されるインターコネクタと、隣接する燃料電池セル２の空気極層とを電気的に接続する集電体４を、燃料電池セル２の軸方向中央に配置されたインターコネクタから上下に分離して配置された空気極層へ分岐させて取り付ける構造である（図２参照）。そうすると、燃料ガスが供給される下端側の空気極層は、起電力の高くなる領域と電流の取り出し領域とが離隔されるため、燃料電池セル２の下端部における電流集中の発生を低減することが可能となる。
【００４０】
図３は本実施例における燃料電池スタック１を示す。図３に示すように、燃料電池スタック１は、ガス流路が内部に設けられた複数の筒状の燃料電池セル２と、マニホールド３とから構成される。燃料電池スタック１に用いられる複数の燃料電池セル２は、いずれも同一構造のものである。これら複数の燃料電池セル２は、一端側（図においては下端側）を一つのマニホールド３に立設して支持固定されている。また燃料電池セル２は、絶縁性支持部材１４（ブッシュともいう）を介してマニホールド３に立設され、ガラスリング１５により気密固定される。これにより、マニホールド３の内部空間と燃料電池セル２の内部流路とが連通し燃料ガスの流路が形成され、マニホールド３内に供給された水素を含む燃料ガスは、マニホールド３内で均一に分散されて各燃料電池セル２の内部流路に供給され、燃料電池セル２の下端から上端に向けて流動した後、発電に寄与しない残余の燃料ガスは燃料電池セル２の上端から排出される。
【００４１】
このように燃料電池セル２の一端（下端）から燃料ガスが供給され、燃料ガス（燃料ガスに含まれる水素）は発電反応に消費されながら、燃料ガス流路を通過して他端（上端）から排出される（図３における破線矢印）。このため、燃料電池セル２の一端に供給された高濃度の水素を含む燃料ガスは、内部流路を下流側に進むにつれて発電反応に消費されていくため、他端で排出される際には低濃度となっている。
【００４２】
また、複数の燃料電池セル２は、電気的に直列になるようにそれぞれが集電体４によって接続されている。複数の燃料電池セル２が電気的に直列に接続された燃料電池セル群において、その一端と他端に位置する燃料電池セル２には、外部に電力を取り出すための電力取り出し線（図示せず）が設けられている。
【実施例２】
【００４３】
図４は、実施例１とは異なる実施例における燃料電池スタック１を示す図である。燃料電池マニホールド３の内部に燃料ガスが供給されると、マニホールド３内で分散され、複数の燃料電池セル２の内部を一端側から他端側に向かって流れ、その後複数の燃料電池セル２の他端側から燃料電池スタック１の外部に排出される。燃料電池セル２は下段の燃料電池セル２ａと上段の燃料電池セル２ｂとで構成されており、それぞれのセルは部材を介して内部の流路が接続するように構成されている。また、複数の燃料電池セル２ａは燃料電池セル２ａの中央部に設けられた集電体によって連結されながら、複数の燃料電池セル２ｂへと電気的に直列となるように接続されている。
【００４４】
このように下段の燃料電池セルと上段の燃料電池セルを多段に積上げるとともに燃料ガスの内部流路を上段下段で連通させることによって、下段の燃料電池セル２ａで消費した燃料ガスの残余分を上段の燃料電池セル２ｂで消費させることができるため、燃料利用率を向上させるカスケード利用が可能となる。
【実施例３】
【００４５】
図５は、実施例１及び実施例２において使用する燃料電池セル２についての一例を示したものである。燃料電池セル２は上方に設けられた第１領域Ａと、下方に設けられた第２領域Ｂと、中央に設けられた第３領域Ｃとから構成される。第３領域Ｃは、空気極層に対して露出した燃料極層上にインターコネクタ１６が設けられた領域である。キャップ５（金属キャップ）は、セル本体６の上端部及び下端部をそれぞれ包囲するように設けられており、燃料電池セル２の両端部で露出させた燃料電極層と電気的に接続されている。キャップ５は、Ａｌを含むフェライト系ステンレス又はオーステナイト系ステンレスを材料として形成することができ、この材料を選択した場合、燃料電池装置の発電動作温度においてアルミナを含む不動態膜が形成されるため好ましい。
【００４６】
図６は、図５に示す燃料電池セル２の部分断面図を示す。支持体として導電支持体を有する場合のセル本体６は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部にガス通路である燃料ガス流路１２（内部流路ともいう）を形成する導電性を有する円筒形の燃料極導電層７と、燃料極導電層７の外周に設けられた燃料極層８と、燃料極層８の外周側に設けられた円筒形の固体電解質層である電解質層９と、電解質層９の外周に設けられた円筒形の空気極（酸化剤ガス極）層１０と、空気極層１０の外周に導電性を有する空気極導電層１１を備えている。この燃料極導電層７は、セル本体６を構成する支持体として機能するとともに、内部に燃料ガスが流れるガス通路を構成する多孔質体である。
【００４７】
燃料極導電層７は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。本実施例では、燃料極導電層７は、Ｎｉ／ＹＳＺからなる。
なお、支持体として多孔質の絶縁性支持体を用いることもでき、この場合においては、絶縁性支持体の外側に、燃料極層８が形成される。
【００４８】
また、燃料極導電層７の外周には燃料極層８が形成されている。燃料極層は触媒層であり、本実施例ではＮｉ／ＧＤＣからなる。
【００４９】
燃料電池セル２の一部（本実施例では中央部）には燃料極層８と接触するようにインターコネクタ１６が形成されている。インターコネクタは、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンクロマイト、Ｌａ等の希土類元素、Ｎｂ，Ｆｅ等の遷移金属元素から選ばれた少なくとも一種をドープしたストロンチウムチタネート、銀、銀とガラスの混合材、などの少なくとも一種から形成される。インターコネクタ１６は外表面に露出する様に設けられている。インターコネクタ１６と集電部材４とは電気的に接続している。
【００５０】
電解質層９は、燃料極層８の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は燃料極導電層７の下端よりも上方で終端し、上端は燃料極導電層７の上端よりも下方で終端している。セル軸方向の中央部はインターコネクタを形成するため、電解質を形成しない領域がある。電解質層９は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
【００５１】
空気極層１０は、電解質層９の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は電解質層９の下端よりも上方で終端し、上端は電解質層９の上端よりも下方で終端している。空気極層１０は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
【００５２】
また、空気極層１０の外周には空気極導電層１１が形成されている。空気極導電層１１は少なくともＡｇを含有するものであり、空気極１０に導電性能を付帯させている。
【００５３】
図７は集電部材４が設けられた燃料電池セル２を示す斜視図である。点線で示す燃料電池セル２に集電部材４が設けられている。ここで、集電部材４は燃料電池セル２を把持するための把持部を有し、把持部に弾性を持たせることで取り付け作業性を高めた固定構造としている。さらに、燃料電池セルの高温運転下における燃料電池セル２の膨張等も考慮し、銀ペースト等の導電性接着剤を用いて導電性を確保しつつ固定することが好ましい。
【００５４】
ここで集電部材４は、隣り合う燃料電池セル２どうしを電気的に接続するために、燃料電池セル２の側面方向から取り付けることが可能である。このような構造とすることで、燃料電池セル２をマニホールドに立設配置した後に、集電部材４を簡易に設置することができる。
【００５５】
図８は集電部材４が設けられた燃料電池セル２を示す側面図である。点線で示す燃料電池セル２に集電部材４が設けられている。集電部材４は、隣り合う二つの燃料電池セル２の異なる高さ位置で接続を行うため、二つの燃料電池セル２間を延びる延在部は傾斜するように構成している。この傾斜の角度はセルの間隔や延在部における電気抵抗を考慮して設計することが好ましい。
【実施例４】
【００５６】
図９乃至図１１は上記実施例とは異なる構成の集電部材４が取り付けられた燃料電池スタックの一部示す側面図である。集電部材４の形状を種々変更することで、第１の領域及び第２の領域と第３の領域との接続箇所や、電子の伝導経路長などを適切に設計することができる。図９は、集電体４において、分岐する一端を第２の領域の他端側に接続し、他端を第１の領域の他端側に接続したものである。図１０は、空気極層の分離として第１の領域を広く、第２の領域を狭く取ったもので、これにより電子の伝導経路長を第１の領域の方が長くなるように設定している。図１１は集電体４において、分岐して第１の領域に接続する延在部分を第２の領域に接続する延在部分よりも長く構成したもので、これにより第１の領域に接続する延在部分の電気抵抗を増大させている。
【００５７】
なお、図示しないが、上述した本発明の集電構造に加えてさらに燃料電池セル２の情報に位置する第２の領域に対して、下方に位置する第１の領域における電子伝導を抑制する手段を設けることが好ましい。例えば、第１の領域に位置する電極層の気孔率を第２の領域に位置する電極層の気孔率よりも大きくすることで、第１の領域の導電率を低下させて電子伝導を抑制することができる。また、第１の領域に位置する電極層の触媒活性を第２の領域に位置する電極層の触媒活性よりも低く抑えることで、第１の領域の電流発生量を抑えて電子伝導を抑制することができる。また、第１の領域に位置する電極層のガス拡散性を第２の領域に位置する電極層のガス拡散性よりも低くすることで、第１の領域の電流発生量を抑えて電子伝導を抑制することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１      燃料電池スタック
２      燃料電池セル
３      マニホールド
４      集電体（集電部材）
５      キャップ（金属キャップ）
５ａ    第１円筒部
５ｂ    円環部
５ｃ    第２円筒部
６      セル本体
７      燃料極層
８      燃料極導電層
９      電解質層
１０    空気極層
１１    空気極導電層
１２    燃料ガス流路
１３    燃料ガス流路
１４    絶縁性支持部材
１５    ガラスリング
１６    インターコネクタ
Ａ      第１領域
Ｂ      第２領域
Ｃ      第３領域
【図１】
2018106820.tif 000003
【図２】
2018106820.tif 000004
【図３】
2018106820.tif 000005
【図４】
2018106820.tif 000006
【図５】
2018106820.tif 000007
【図６】
2018106820.tif 000008
【図７】
2018106820.tif 000009
【図８】
2018106820.tif 000010
【図９】
2018106820.tif 000011
【図１０】
2018106820.tif 000012
【図１１】
2018106820.tif 000013
【図１２】
2018106820.tif 000014