(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池セルの劣化や破損が抑制され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。【解決手段】内部に第１反応ガス流路９を備え第１反応ガスと第２反応ガスとで発電する柱状の燃料電池セル３を、集電部材を介して複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなるとともに、燃料電池セル３の上端側において発電に使用されなかった第１反応ガスと第２反応ガスとを燃焼させる構成のセルスタックとを備えるセルスタック装置であって、燃料電池セル３の上面を覆うように、内部に第１反応ガス流路９を流れた第１反応ガスを燃料電池セル３の上端からさらに上方へ流すための流路が形成されているとともに、上部に燃焼触媒１７を備える流路部材８が配置されていることから、燃料電池セル３の劣化や破損を抑制することができる。【選択図】図２
2011134542.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１反応ガスを下端から上端へ流すための第１反応ガス流路を内部に備え前記第１反応ガスと第２反応ガスとで発電する柱状の燃料電池セルを、集電部材を介して複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなるとともに、前記燃料電池セルの上端側において発電に使用されなかった前記第１反応ガスと前記第２反応ガスとを燃焼させる構成のセルスタックを備えるセルスタック装置であって、
前記燃料電池セルの上面を覆うように、前記第１反応ガス流路を流れた前記第１反応ガスを前記燃料電池セルの上端からさらに上方へ流すための流路を内部に備えるとともに、上部に燃焼触媒を備えた流路部材が配置されていることを特徴とするセルスタック装置。
【請求項２】
前記流路部材の上面に前記燃焼触媒が設けられている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】
前記流路部材は、前記流路を構成する壁の表層に前記燃焼触媒が設けられている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】
前記流路部材が柱状であって、該流路部材の上面の外周の角部が面取りされていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のセルスタック装置。
【請求項５】
前記燃料電池セルの上端に前記流路部材が嵌め合わされていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のセルスタック装置。
【請求項６】
前記流路部材が耐熱性セラミックスにより形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のセルスタック装置。
【請求項７】
前記燃料電池セルの下端側を固定するとともに前記燃料電池セルに前記第１反応ガスを供給するためのマニホールドを備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のセルスタック装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載のセルスタック装置を収納容器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９】
請求項８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作動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、複数の燃料電池セルを配列してなるセルスタック装置およびそれを具備する燃料電池モジュールならびに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、燃料ガス（水素含有ガス）と酸素含有ガス（空気等）とを用いて６００℃〜１０００℃の高温下で発電する燃料電池セルの複数個を、集電部材を介して電気的に直列に接続してなるセルスタックを燃料電池セルに反応ガスを供給するマニホールドに固定してなるセルスタック装置や、それを収納してなる燃料電池モジュール、さらには燃料電池モジュールを収納してなる燃料電池装置が種々提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
このようなセルスタック装置においては、燃料電池セルの上端側で発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させ、燃料電池セルの温度を上昇させることにより、燃料電池セルの発電を効率よく行なうことができる。
【０００４】
また、燃料電池セルの上端が燃料電池セルに供給される酸素含有ガスにて酸化されることを抑制すべく、燃料電池セルの上面を覆うようにセラミック部材を装着した構成のセルスタック装置（例えば、特許文献２参照。）や、燃料電池セルの内部に設けられた複数のガス流路に均一に反応ガスを供給する目的で、燃料電池セルの上面を覆うようにに流路部材を設けた構成のセルスタック装置（例えば、特許文献３参照。）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−５９３７７号公報
【特許文献２】特開２００６−１２７８２６号公報
【特許文献３】特開２００４−２０７００６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、燃料電池セルの上端側にて、燃料電池セルの発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させる構成のセルスタック装置においては、燃料電池セルの上端側にて燃料電池セルの発電に使用されなかった燃料ガスの燃焼熱により、燃料電池セルの上端の温度が上昇し、燃料電池セルの上端が劣化や破損するおそれがあった。
【０００７】
また、夜間等の消費電力が少ない場合においては、燃料電池装置は低出力で発電するため、燃料電池セルに供給される燃料ガスの量が減少することでセルスタック装置に失火が生じるおそれや、燃料電池装置の作動温度の低下に伴って燃料電池セルが劣化するおそれがあった。
【０００８】
それゆえ、本発明の目的は、発電に使用されなかった燃料ガスの燃焼熱による燃料電池セルの劣化や破損を抑制し、長期信頼性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にある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のセルスタック装置は、第１反応ガスを下端から上端へ流すための第１反応ガス流路を内部に備え前記第１反応ガスと第２反応ガスとで発電する柱状の燃料電池セルを、集電部材を介して複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなるとともに、前記燃料電池セルの上端側において発電に使用されなかった前記第１反応ガスと前記第２反応ガスとを燃焼させる構成のセルスタックを備えるセルスタック装置であって、前記燃料電池セルの上面を覆うように、前記第１反応ガス流路を流れた前記第１反応ガスを前記燃料電池セルの上端からさらに上方へ流すための流路を内部に備えるとともに、上部に燃焼触媒を備えた流路部材が配置されていることを特徴とする。
【００１０】
このようなセルスタック装置においては、燃料電池セルの上面を覆うように、第１反応ガス流路を流れた第１反応ガスを燃料電池セルの上端からさらに上方へ流すための流路を内部に備えるとともに、上部に燃焼触媒を備えた流路部材が配置されていることから、 
発電に使用されなかった第１反応ガスが流路部材の内部に形成された流路の出口近傍で燃焼することとなり、燃料電池セルの上端が燃焼により生じた燃焼熱により直接温められることを抑制することができ、燃料電池セルの上端における温度が上昇することを抑制することができる。
【００１１】
それにより、燃料電池セルの上端に生じる熱応力を緩和することができ、燃料電池セルの劣化や破損を抑制することができる。そのため、燃料電池セルの長期信頼性を向上させることができ、長期信頼性の向上したセルスタック装置とすることができる。
【００１２】
さらに、燃料電池装置が低出力で作動する場合において、流路部材が上部に燃焼触媒を有することから、発電に使用されなかった第１反応ガスと第２反応ガスとを効率よく燃焼させることができ、セルスタック装置が失火することを抑制することができる。それにより、燃料電池セルの温度が低下することを抑制することができ、燃料電池セルの劣化を抑制することできる。
【００１３】
また、本発明のセルスタック装置は、前記流路部材の上面に燃焼触媒が設けられていることが好ましい。
【００１４】
このようなセルスタック装置においては、流路部材の上面に燃焼触媒が設けられていることから、流路部材の上面近傍にて、発電に使用されなかった第１反応ガスと第２反応ガスとが燃焼することとなる。それにより、燃料電池セルの上端の温度が上昇することを抑制することができ、燃料電池セルの上端に生じる熱応力を緩和することができる。そのため、燃料電池セルの劣化や破損を抑制し、長期信頼性の向上したセルスタック装置とすることができる。
【００１５】
また、本発明のセルスタック装置は、前記流路部材が、前記流路を構成する壁の表層に前記燃焼触媒が設けられていることが好ましい。
【００１６】
このようなセルスタック装置においては、流路部材が、流路を構成する壁の表層に燃焼触媒を設けられていることから、燃料電池装置が低出力で作動する場合においても、セルスタック装置の失火を抑制することができる。そのため、長期信頼性の向上したセルスタック装置とすることができる。
【００１７】
また、本発明のセルスタック装置は前記流路部材が柱状であって、該流路部材の上面の外周の角部が面取りされていることが好ましい。
【００１８】
このようなセルスタック装置においては、流路部材が柱状であって、流路部材の上面の外周の角部が面取りされていることから、流路部材の上面の外周の角部に熱応力が集中することを抑制することができる。それにより、流路部材の熱応力による劣化を抑制することができ、長期信頼性の向上したセルスタック装置とすることができる。
【００１９】
また、本発明のセルスタック装置は、前記燃料電池セルの上端に前記流路部材が嵌め合わされていることが好ましい。
【００２０】
このようなセルスタック装置においては、燃料電池セルの上端に流路部材が嵌め合わされていることから、流路部材を燃料電池セルの上面を覆うように載置する場合においても、流路部材を保持しておくことができ、セルスタック装置の製造工程を簡略化することができる。
【００２１】
また、本発明のセルスタック装置は、前記流路部材が耐熱性セラミックスにより形成されていることが好ましい。
【００２２】
このようなセルスタック装置においては、流路部材が耐熱性セラミックスにより形成されていることから、流路部材の上端近傍で燃焼が生じる場合においても、流路部材が破損することを抑制することができる。それにより、長期信頼性の向上したセルスタック装置とすることができる。
【００２３】
また、本発明のセルスタック装置は、前記燃料電池セルの下端側を固定するとともに、前記燃料電池セルに前記第１反応ガスを供給するためのマニホールドを備えることが好ましい。
【００２４】
このようなセルスタック装置においては、燃料電池セルの下端側を固定するとともに、燃料電池セルに第１反応ガスを供給するためのマニホールドを備えることから、燃料電池セルに第１反応ガスを確実に供給することができる。それにより、燃料電池装置が低出力で作動する場合においても、セルスタック装置の失火を抑制することができ、長期信頼性の向上したセルスタック装置とすることができる。
【００２５】
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、長期信頼性の向上した燃料電池モジュールとすることができる。
【００２６】
本発明の燃料電池装置は、上記の燃料モジュールと、燃料電池モジュールを作動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から、長期信頼性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】
【００２７】
本発明のセルスタック装置は、燃料電池セルの上面を覆うように、内部に第１反応ガス流路を流れた前第１反応ガスを燃料電池セルの上端からさらに上方へ流すための流路が形成されているとともに、上部に燃焼触媒を備えた流路部材が配置されていることから、発電に使用されなかった第１反応ガスが流路部材の内部に形成された流路の出口近傍で燃焼することとなり、燃料電池セルの上端が燃焼により生じた燃焼熱により直接温められることを抑制することができ、燃料電池セルの上端における温度が上昇することを抑制することができる。
【００２８】
それにより、燃料電池セルの上端に生じる熱応力を緩和することができ、燃料電池セルの劣化や破損を抑制することができる。そのため、燃料電池セルの長期信頼性を向上させることができ、長期信頼性の向上したセルスタック装置とすることができる。
【００２９】
あわせて、このセルスタック装置を収納容器内に収納することで、長期信頼性が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、長期信頼性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】
【００３０】
【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）の一部の燃料電池セルを、流路部材をはずした状態で抜粋して示す平面図である。
【図２】本発明のセルスタック装置の一例における燃料電池セルと流路部材とを抜粋して示す概略斜視図である。
【図３】図２に示す燃料電池セルと流路部材とを示す図で、（ａ）はＡ−Ａ´線断面図、（ｂ）は平面図である。
【図４】本発明のセルスタック装置の他の一例における燃料電池セルと流路部材とを抜粋して示す概略斜視図である。
【図５】図４に示す燃料電池セルと流路部材とのＢ−Ｂ´線断面図である。
【図６】本発明のセルスタック装置のさらに他の一例における燃料電池セルと流路部材とを抜粋して示す概略斜視図である。
【図７】図６に示す燃料電池セルと流路部材とのＣ−Ｃ´線断面図である。
【図８】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９】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】
【００３１】
図１は、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１の一部の燃料電池セルを、流路部材をはずした状態で拡大して示す平面図であり、（ａ）で示した点線枠で囲った部分を抜粋して示している。なお、以降の図において同一の部材については同一の番号を付するものとする。
【００３２】
ここで、セルスタック装置１は、内部に第１反応ガス流路９を有して、一対の対向する平坦面をもつ全体的に見て楕円柱状の導電性支持体１０の一方の平坦面上に内側電極層１１と、固体電解質層１２と、外側電極層１３とをこの順に積層してなるとともに、他方の平坦面のうち外側電極層１３および固体電解質層１２が形成されていない部位にインターコネクタ１４を積層してなる柱状（中空平板状）の燃料電池セル３を、間に集電部材４を介して立設させた状態で配置することで、燃料電池セル３同士を電気的に直列に接続してなるセルスタック２を備えている。
【００３３】
集電部材４は、一枚の板部材に所定の間隔で幅方向にスリットが複数設けられ、上下方向に隣接するスリット間に位置する部位が集電片（図示せず）となる。集電部材４の長手方向に形成されたそれぞれの集電片は、一方側の燃料電池セル３または他方側の燃料電池セル３と接合するように、交互に配置されている。そして、一方側の燃料電池セル３と接合する集電片と、他方側の燃料電池セル３と接合する集電片の間の空間が、第２反応ガスを下方から上方に流すための第２反応ガス流路１９となる。
【００３４】
また、インターコネクタ１４の外面にはＰ型半導体層１５を設けることもできる。集電部材４を、Ｐ型半導体層１５を介してインターコネクタ１４に接続させることより、両者の接触がオーム接触となって電位降下を少なくし、集電性能の低下を有効に抑制することができる。このＰ型半導体層１５は、外側電極層１３の外面に設けることもできる。
【００３５】
そして、セルスタック２を構成する各燃料電池セル３の下端側が、第１反応ガス流路９を介して燃料電池セル３に第１反応ガスを供給するためのマニホールド７にガラスシール材（図示せず）等の接合材により固定されている。
【００３６】
なお、図１に示すセルスタック装置１においては、燃料電池セル３として、第１反応ガス流路９内に燃料ガス（水素含有ガス）を流すとともに、内側電極層１１としての燃料極層、外側電極層１３としての空気極層を設けてなる固体酸化物形の燃料電池セル３を示している。マニホールド７より第１反応ガスとして燃料ガスを供給し、隣り合う燃料電池セル３間に第２反応ガスとして酸素含有ガス（空気等）を供給することで、燃料電池セル３の発電が行なわれる。以下の説明において第１反応ガスとして燃料ガスを、第２反応ガスとして酸素含有ガスを用いる場合を例示して説明する。
【００３７】
また、セルスタック装置１は、燃料電池セル３の配列方向の両端から集電部材４を介してセルスタック２を挟持するように、マニホールド７に下端が固定された弾性変形可能な導電部材５を具備している。ここで、図１に示す導電部材５においては、燃料電池セル３の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き出すための電流引出部６が設けられている。
【００３８】
このようなセルスタック装置１においては、燃料電池セル３の上端側にて、第１反応ガス流路９より排出され、燃料電池セル３の発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させる構成とすることにより、燃料電池セル３の温度を上昇させるまたは高温に維持することができ、燃料電池セル３（セルスタック装置１）の発電を効率よく行なうことができる。
【００３９】
ここで、図１に示すセルスタック装置１においては、各燃料電池セル３の上面を覆うように流路部材８が配置されている。なお、流路部材８については後述する。
【００４０】
以下に、図１において示す燃料電池セル３を構成する各部材について説明する。
【００４１】
燃料極層１１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。
【００４２】
燃料極層１１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１１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。
【００４３】
固体電解質層１２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同時に、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。
【００４４】
さらに、固体電解質層１２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。
【００４５】
空気極層１３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１３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。
【００４６】
インターコネクタ１４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１４は導電性支持体１０に形成された複数の第１反応ガス流路（燃料ガス流路）９を流通する燃料ガス、および導電性支持体１０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。
【００４７】
また、インターコネクタ１４の厚みは、ガスのリーク防止と電気抵抗という点から、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。
【００４８】
導電性支持体１０としては、燃料ガスを燃料極層１１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１４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、導電性支持体１０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。
【００４９】
なお、燃料電池セル３を作製するにあたり、燃料極層１１または固体電解質層１２との同時焼成により導電性支持体１０を作製する場合においては、鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから導電性支持体１０を形成することが好ましい。また、導電性支持体１０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。
【００５０】
また、導電性支持体１０の平坦面ｎの長さ（導電性支持体１０の幅方向の高さ）は、通常、１５〜３５ｍｍ、弧状面ｍの長さ（弧の長さ）は、２〜８ｍｍであり、導電性支持体１０の厚み（平坦面ｎ間の厚み）は１．５〜５ｍｍであることが好ましい。
【００５１】
Ｐ型半導体層１５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１４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。
【００５２】
なお、図示はしていないが、固体電解質層１２と空気極層１３との間に、固体電解質層１２と空気極層１３との接合を強固とするとともに、固体電解質層１２の成分と空気極層１３の成分とが反応して電気抵抗の高い反応層が形成されることを抑制する目的で、Ｃｅ（セリウム）と他の希土類元素（ＳｍやＧｄ等）とを含有する組成にて形成される中間層を備えることもできる。
【００５３】
さらに、図示はしていないが、インターコネクタ１４と導電性支持体１０との間に、インターコネクタ１４と導電性支持体１０との間の熱膨張係数差を軽減する等のために、燃料極層１１と類似した組成の密着層を設けることもできる。
【００５４】
ところで、上述のセルスタック装置１において、燃料電池セル３の上端側にて、第１反応ガス流路９より排出され、燃料電池セル３の発電で使用されなかった第１反応ガス（燃料ガス）を燃焼させる場合に、燃料電池セル３の上端の温度が過度に上昇し、燃料電池セル３の一部（特に上端）が劣化や破損するおそれがあった。
【００５５】
それゆえ、本発明のセルスタック装置１においては、燃料電池セル３の上端に、燃料電池セル３の上面を覆うように流路部材８が配置されている。
【００５６】
図２は、セルスタック装置１を構成する燃料電池セル３と流路部材８とを抜粋して概略的に示す斜視図であり、図３は、図２に示す燃料電池セル３と流路部材８との（ａ）はＡ−Ａ´線断面図、（ｂ）は平面図である。
【００５７】
流路部材８は、四角形状であり、内部に第１反応ガス（燃料ガス）を上方に流す流路部材流路１６が形成されており、上面および燃料電池セル３の上端における流路部材流路１６を構成する壁の表層に燃焼触媒１７を備えている。そして、流路部材８は、流路部材流路１６と第１反応ガス９とが連通するように、接着材（図示せず）を介して燃料電池セル３の上面を覆うように配置されている。なお図２においては、流路部材８が燃料電池セル３の上面に接続されている。
【００５８】
流路部材８の燃料電池セル３の幅方向における長さ（以下、流路部材８の幅と称す。）は、燃料電池セル３の幅と同等以上長いことが好ましく、少なくとも燃料電池セル３に設けられた複数の第１反応ガス流路９のすべてを覆うことができる長さとすることが好ましい。また、詳しくは後述するが、流路部材８の燃料電池セル３の配列方向における長さ（以下、流路部材８の厚みと称す。）は、燃料電池セル３の配列方向における長さ（燃料電池セル３の厚み）よりも長いことが好ましく、隣り合う流路部材８同士の間を第２反応ガス（空気）が流れることができるように流路部材８の厚みを調整することが好ましい。流路部材８の燃料電池セル３の長手方向における長さ（以下、流路部材８の高さと称す。）は、１〜３ｃｍ程度であればよい。流路部材８の幅、厚みおよび高さはセルスタック装置の構成に基づき適宜設定すればよい。
【００５９】
図３に示す流路部材８においては、流路部材流路１６は、燃料電池セル３に設けられた複数の第１反応ガス流路９のすべてと連通するように設けられており、流路部材８を平面視して、流路部材８の幅方向に長軸を有するような楕円形状である。
【００６０】
流路部材８が、上部に燃焼触媒１７を備え、燃料電池セル３の上面を覆うように配置されていることから、従来は燃料電池セル３の上端近傍（上端側）で生じていた燃焼が流路部材８の上端近傍で生じることとなる。それにより、燃料電池セル３の上端の温度が過剰に上昇することを抑制することができ、燃料電池セル３の上端に生じる熱応力を緩和することができる。そのため、燃料電池セル３（特には上端）の劣化や破損を抑制することができ、長期信頼性の向上したセルスタック装置１とすることができる。
【００６１】
ここで、夜間等の消費電力が少ない場合においては、燃料電池装置は低出力で作動するため、燃料電池セル３に供給される燃料ガスの量が減少する（発電に使用されなかった燃料ガスの量が減少する）ことで、セルスタック装置１に失火が生じるおそれや、燃料電池装置の作動温度の低下に伴って、燃料電池セル３が劣化するおそれがあった。
【００６２】
本発明のセルスタック装置１は、上面および燃料電池セル３の上面を覆うように配置され、流路部材流路１６を構成する壁の表層に燃焼触媒１７を備えた流路部材８を有することから、燃料電池セル３に供給される燃料ガスの量が少ない場合においても、燃焼触媒１７により効率的に燃焼を生じさせることができ、セルスタック装置１に失火が生じることを抑制することができる。
【００６３】
ここで、流路部材８の上端側とは、流路部材８の上面、側面における上面近傍または燃料電池セル３の上端における流路部材流路１６を構成する壁の表層を示す。本発明のセルスタック装置１においては、側面または燃料電池セル３の上端における流路部材流路１６を構成する壁の表層とは、それぞれの側面または流路部材流路１６構成する壁の、流路部材８の上端から１ｃｍ程度の領域を示すが、燃料電池セル３の上端の温度が過剰に上昇しないように、セルスタック装置の構成に合わせて適宜設定すればよい。
【００６４】
流路部材８は、耐熱性を有する材料により作製することが好ましく、熱伝導率が低いものがさらに好ましいため、セラミックス等が好適に用いられる。流路部材８を形成するセラミックス材料としては、シリカ、アルミナ、マグネシア、ジルコニア等のセラミックス材料を例示することができる。なお、これらセラミックス材料は、希土類元素が固溶された部分安定化セラミックス材料や、安定化セラミックス材料とすることもできる。
【００６５】
また、流路部材８が燃料電池セル３に接続されることから、絶縁性を有していることが好ましい。それにより、隣り合う燃料電池セル３に接続された流路部材８同士が接触した場合においても、電気的な短絡を防止することができる。
【００６６】
流路部材８が絶縁性を有するためには、絶縁性材料から流路部材８を作製してもよいし、アルミナ被膜を形成するような公知の絶縁性コーティングを施してもよい。後述する燃焼触媒１７は導電性を有するもののため、流路部材８が外部と接触するおそれがある部位（側面等）に絶縁性コーティングを施すことが好ましい。
【００６７】
さらに、燃料電池セル３と接続することから、流路部材８の熱膨張係数と、燃料電池セル３（特には、導電性支持体１０）の熱膨張係数とを近づけることが好ましい。流路部材８と導電性支持体１０との熱膨張差を小さくすることにより、流路部材８と燃料電池セル３との接続面付近に生じる応力を緩和させることができ、燃料電池セル３の破損を抑制することができる。
【００６８】
流路部材８と燃料電池セル３とを接続させる接着材としては、高温下での使用に耐えうるものであれば特に限定はないが、ホウケイ酸ガラス、ソーダ系ガラスが採用される。この接着材を、第１反応ガス流路９および流路部材流路１６を塞がないように、第１反応ガス流路９および流路部材流路１６をマスキングして、接着面に塗布すればよい。
【００６９】
燃焼触媒１７としては、白金やロジウム、パラジウム等があげられる。燃焼触媒１７を流路部材８に設けることにより、酸素含有ガスと水素含有ガスとの活性度を向上させることができ、効率よく燃焼を行なうことができる。
【００７０】
流路部材８の上端側に燃焼触媒１７を設ける方法としては、白金等の微粒子と溶液とを混合し、この混合液に流路部材８の燃焼触媒１７を設けたい領域を含浸し、その後熱処理を行えばよい。それにより、容易に流路部材８の所定の領域に燃焼触媒１７を設けることができる。なお、メッキや塗布により薄い層上の燃焼触媒１７層を設けてもよい。それにより、使用する燃焼触媒１７の量を減少させることができ、流路部材８のコストを削減することができる。
【００７１】
なお、図３に示す流路部材流路１６は、流路部材流路１６の径が流路部材８の高さによらず一定のものを示したが、流路部材流路１６を高くなるにつれ径が小さくなる先細り形状としてもよい。その場合においては、流路部材８の上面の面積を増加させることができ、多くの燃焼触媒を備えることができることから、より流路部材８の上端近傍で燃焼を生じさせることができる。
【００７２】
図４は、セルスタック装置１を構成する燃料電池セル３と流路部材１８とを抜粋して概略的に示す斜視図であり、図５は、図４に示す燃料電池セル３と流路部材１８との側面図である。
【００７３】
図４および図５に示す流路部材１８は、図２に示す流路部材８の上端における外周の角部をＣ面加工によって面取りされている。そして、上面、各側面の上面近傍および燃料電池セル３の上端における流路部材流路１６を構成する壁の表層に燃焼触媒１７が設けられている。
【００７４】
流路部材１８は上端における外周の角部が面取りされていることにより、流路部材１８の上端における外周の角部に熱応力が集中することを防止することができ、流路部材１８が破損することを抑制することができる。
【００７５】
ここで、本発明の燃料電池モジュール（図示せず）は、燃料電池セル３の内部に設けられた第１反応ガス流路（燃料ガス流路）に燃料ガスを供給し、第２反応ガス導入部材（図示せず）から第２反応ガス（酸素含有ガス）を各燃料電池セル３間の下方に供給する。各燃料電池セル３間の下方に供給された酸素含有ガスは、燃料電池セル３間に形成された第２反応ガス流路（酸素含有ガス流路）１９を下方から上方に流れ、流路部材１８の上端側に送られる。そして、流路部材１８の上端側にて燃料ガスと酸素含有ガスとが反応し、燃料電池モジュールを温めている。
【００７６】
図５に示す本発明のセルスタック装置１は、複数の燃料電池セル３が所定の間隔を空けて配列されており、燃料電池セル３間を集電部材（図示せず）を介して電気的に直列に接続している。上述したとおり、一方の燃料電池セル３に接続している一方の集電片（図示せず）と、他方の燃料電池セル３に接続している他方の集電片との間の空間が第２反応ガス流路１９となっている。なお、図５においては、１点鎖線で囲った部分を第２反応ガス流路１９とする。
【００７７】
図５に示す本発明の流路部材１８は、上端における外周の角部が面取りされていることにより、第２反応ガス流路１９を流れた酸素含有ガスが流路部材流路１６の出口に向けて流れやすくなるため、燃料電池セルが低出力に作動する場合において、燃料電池セル３に供給される燃料ガスの量と、酸素含有ガスの量とが少ない場合においても、失火を抑制することができる。それにより、燃料電池セル３の温度が低下することを抑制することができ、燃料電池セル３の劣化を抑制することができる。
【００７８】
なお、流路部材１８においては、面取り方法としてＣ面加工した例を示したが、Ｒ面加工またはＣ面加工とＲ面加工との組み合わせにより、角部の面取りを行なってもよい。また、上端における外周のみを面取りした例を示したが、その他の部分においても必要に応じて適宜面取りを行なえばよい。
【００７９】
また、第２反応ガス流路１９は、隣り合う燃料電池セル３間における燃料電池セル３の高さに対応する領域を示し、集電部材（図示せず）が設けられている領域である。
【００８０】
図６は、本発明のセルスタック装置のさらに他の一例における燃料電池セル３と流路部材２０とを抜粋して概略的に示す斜視図であり、図７は、図６に示す燃料電池セル３と流路部材２０とのＣ−Ｃ´線断面図である。
【００８１】
図６に示す流路部材２０は、内部に燃料電池セル３に設けられたそれぞれの第１反応ガス流路９に対応するように複数の流路部材流路１６が形成されている。そして、流路部材２０と燃料電池セル３の上端とが嵌め合わされている。それにより、容易に燃料電池セル３と流路部材２０とを接続することができ、容易にセルスタック装置１を作成することができる。
【００８２】
また、流路部材２０を燃料電池セル３の上端に嵌め合わせて接続することにより、容易に流路部材２０と燃料電池セル３とを接続することができる。そのため、流路部材２０が破損した場合においても、容易に交換することができる。
【００８３】
さらに、燃料電池セル３の上端と流路部材２０とが嵌め合わされていることにより、燃料電池セル３と流路部材２０との接続を強固にすることができ、燃料電池セル３と流路部材２０との間から燃料ガスがリークすることを抑制することができる。そのため、燃料電池装置が低出力で作動し、燃料電池セル３に少量の燃料ガスが供給される場合においても、失火を抑制することができる。
【００８４】
また、流路部材２０と燃料電池セル３の上端とを嵌め合わせて接続することにより、燃料電池セル３と流路部材２０との接続が強固なものとなるため、燃料電池セル３や流路部材２０に応力が生じた場合においても、燃料電池セル３と流路部材２０とが剥離を生じたり、破損したりすることを抑制することができる。
【００８５】
なお、流路部材２０を耐熱性のセラミックス材料にて作製する場合において、流路部材流路１６を複数設ける場合においては、流路部材２０を押出成形にて作製することで、容易に複数の流路部材流路１６を設けた流路部材２０を作製することができる。さらに、流路部材流路１６の径は第１反応ガス流路９の径と同等以上の大きさとすることが好ましい。それにより、第１反応ガス流路９内にて燃料ガスが流れにくくなることを抑制することができる。
【００８６】
燃料電池セル３と流路部材２０とを嵌め合わせて接続する場合においても、上述した接着材（図示せず）を用いて接続することができる。接着材は、例えば、第１反応ガス流路９の出口および流路部材流路１６の入口を塞がないように塗布することが好ましい。燃料電池セル３と流路部材２０とを嵌め合わせて接続することにより、接着面積を増加させることができ、燃料電池セル３と流路部材２０とをより強固に接続することができる。第１反応ガス流路９の出口および流路部材流路１６の入口を塞がないように接着材を塗布する方法としては、第１反応ガス流路９の出口および流路部材流路１６の入口をマスキングして接着材塗布するほか、燃料電池セル３と流路部材２０とを接続後に、ガス吸引等により第１反応ガス流路９および流路部材流路１６を貫通するように接着材を除去してもよい。
【００８７】
なお、柱状の流路部材２０を設けた例を示したが、流路部材は柱状でない形状を有してもよい。例えば、板部材等により流路部材を設けてもよい。その場合においても、燃料電池セル３の上端に生じる熱応力を緩和することができ、セルスタックの長期信頼性を向上させることができる。
【００８８】
図８は、本発明のセルスタック装置１を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュール２５の一例を示す外観斜視図であり、直方体状の収納容器２６の内部に、図１に示したセルスタック装置１を収納して構成されている。
【００８９】
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２７がセルスタック２の上方に配置されている。そして、改質器２７で生成された燃料ガスは、ガス流通管２８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第１反応ガス流路９に供給される。
【００９０】
なお、図８においては、収納容器２６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２７を後方に取り出した状態を示している。ここで、図１に示した燃料電池モジュール２５においては、セルスタック装置１を、収納容器２６内にスライドして収納することが可能である。なお、セルスタック装置１は、改質器２７を含むものとしても良い。
【００９１】
また収納容器２６の内部に設けられた第２反応ガス導入部材２９は、図８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、第２反応ガス（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の側方を下端から上端に向けて流れるように、燃料電池セル３の下端に酸素含有ガスを供給する。そして、燃料電池セル３の第１反応ガス流路９より排出される燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル３の上端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または高温に維持することができる。また、燃料電池セル３の上端側にて、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と酸素含有ガスとを燃焼させることにより、燃料電池セル３（セルスタック２）の上方に配置された改質器２７を効率よく温めることができる。それにより、改質器２７で効率よく改質反応を行うことができる。
【００９２】
さらに、本発明の燃料電池モジュール２５においても、長期信頼性が向上した燃料電池セル３を用いて構成されるセルスタック装置１を収納容器２６内に収納してなることから、長期信頼性が向上した燃料電池モジュール２５とすることができる。
【００９３】
ここで、セルスタック装置１に失火が生じると、燃料電池モジュール２５の温度が低下するとともに、改質器２７を十分に温めることができず、生成度の低い燃料ガスが燃料電池セル３に供給され、燃料電池セル３が劣化し、燃料電池モジュール２５の長期信頼性が低下してしまうおそれがあった。
【００９４】
本発明の燃料電池モジュール２５においては、失火を抑制できるセルスタック装置１を収納容器２６内に収納してなることから、長期信頼性の向上した燃料電池モジュール２５とすることができる。
【００９５】
図９は、外装ケース内に図８で示した燃料電池モジュール２５と、セルスタック装置１を作動させるための補機とを収納してなる本発明の燃料電池装置３０の一例を示す分解斜視図である。なお、図９においては一部構成を省略して示している。
【００９６】
図９に示す燃料電池装置３０は、支柱３１と外装板３２から構成される外装ケース内を仕切板３３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２５を収納するモジュール収納室３４とし、下方側を燃料電池モジュール２５を動作させるための補機類を収納する補機収納室３５として構成されている。なお、補機収納室３５に収納する補機類を省略して示している。
【００９７】
また、仕切板３３には、補機収納室３５の空気をモジュール収納室３４側に流すための空気流通口３６が設けられており、モジュール収納室３４を構成する外装板３２の一部に、モジュール収納室３４内の空気を排気するための排気口３７が設けられている。
【００９８】
このような燃料電池装置３０においては、上述したように、長期信頼性の向上した燃料電池モジュール２５をモジュール収納室３４に収納して構成することにより、長期信頼性の向上した燃料電池装置３０とすることができる。
【００９９】
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。
【０１００】
例えば、上述したセルスタック装置１においては、第１反応ガスとして燃料ガスを、第２反応ガスとして酸素含有ガスを用いる場合について例示したが、第１反応ガスとして酸素含有ガスを、第２反応ガスとして燃料ガスを用いる構成とすることもできる。この場合においては、内側電極層を空気極層１３とし、外側電極層を燃料極層１１とする構成の燃料電池セル３とし、第１反応ガス流路９に酸素含有ガスを供給し、第２反応ガス流路１９に燃料ガスを供給すればよい。またこの場合において、モジュール２０を構成する収納容器２１は適宜構成を変更すればよい。
【０１０１】
また、流路部材を複数の燃料電池セルごとに設けた例を示したが、複数の燃料電池セルごとに流路部材を設けなくてもよい、例えば、それぞれの流路部材を一体化させ、燃料電池セルの配列方向に延在する流路部材を設けてもよい。その場合においては、セルスタックを構成する部材の数を減らすことができ、製造工程が簡略化することができる。
【符号の説明】
【０１０２】
１：セルスタック装置
２：セルスタック
３：燃料電池セル
５：導電部材
８、１８、２０：流路部材
９：第１反応ガス流路
１６：流路部材流路
１７：燃焼触媒
１９：第２反応ガス流路
２５：燃料電池モジュール
３０：燃料電池装置
【図１】
2011134542.tif 000003
【図２】
2011134542.tif 000004
【図３】
2011134542.tif 000005
【図４】
2011134542.tif 000006
【図５】
2011134542.tif 000007
【図６】
2011134542.tif 000008
【図７】
2011134542.tif 000009
【図８】
2011134542.tif 000010
【図９】
2011134542.tif 000011