(57)【要約】      （修正有）【課題】信頼性の向上した燃料電池セルスタック装置および燃料電池装置を提供する。【解決手段】本発明の燃料電池セルスタック装置は、内部にガス流路１６を有する燃料電池セル２を複数個配列してなる燃料電池セルスタック３と、燃料電池セル２の一端がシール材２０にて固定されているとともに、燃料電池セル２にガスを供給するための第１のマニホールド４と、燃料電池セル２の他端がシール材２０にて固定されているとともに、燃料電池セル２より排出されるガスを回収するための第２のマニホールド７と、燃料電池セル２の配列方向における両端に、燃料電池セルスタック３を狭持するように配置された導電部材５とを具備し、少なくとも一方の導電部材５において、一端および他端のうち少なくとも一方が、マニホールドと離間するように配置されていることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にガス流路を有する燃料電池セルを複数個配列してなる燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルの一端がシール材にて固定されているとともに、前記燃料電池セルにガスを供給するための第１のマニホールドと、
前記燃料電池セルの他端がシール材にて固定されているとともに、前記燃料電池セルより排出されるガスを回収するための第２のマニホールドと、
前記燃料電池セルの配列方向における両端に、前記燃料電池セルスタックを狭持するように配置された導電部材とを具備し、
少なくとも一方の前記導電部材において、一端および他端のうち少なくとも一方が、前記マニホールドと離間するように配置されていることを特徴とする燃料電池セルスタック装置。
【請求項２】
前記第１のマニホールドを流れるガスと、前記第２のマニホールドを流れるガスとのうち、温度の高いガスが流れる一方のマニホールドと、前記導電部材とが離間していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セルスタック装置。
【請求項３】
前記導電部材が、外部に電流を引き出すための電流導出部を備えるとともに、該電流導出部側の端が、前記マニホールドと離間するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セルスタック装置。
【請求項４】
収納容器内に、請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載の燃料電池セルスタック装置を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、燃料電池セルスタック装置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、燃料ガス（水素含有ガス）と酸素含有ガス（空気）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルが複数配列されてなる燃料電池セルスタック装置を収納容器内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外装ケース内に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】
また、発電に使用されなかった燃料ガスを回収して再利用するオフガスリサイクルタイプの燃料電池装置も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−５９３７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、このようなオフガスリサイクルタイプのセルスタック装置においては、燃料電池セルは、それぞれの燃料電池セルに燃料ガスを供給するためのマニホールドや、使用されなかった燃料ガスを回収するためのマニホールドにシール材を介して固定することが考えられるが、このシール材においてクラック等が生じ、それによりガスリークが生じるという問題があった。
【０００６】
それゆえ、本発明は、このシール材におけるクラックの発生を抑制することができ、長期信頼性が向上した燃料電池セルスタック装置、それを備える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】
【０００７】
本発明の燃料電池セルスタック装置は、内部にガス流路を有する燃料電池セルを複数個配列してなる燃料電池セルスタックと、前記燃料電池セルの一端がシール材にて固定されているとともに、前記燃料電池セルにガスを供給するための第１のマニホールドと、前記燃料電池セルの他端がシール材にて固定されているとともに、前記燃料電池セルより排出されるガスを回収するための第２のマニホールドと、前記燃料電池セルの配列方向における両端に、前記燃料電池セルスタックを狭持するように配置された導電部材とを具備し、少なくとも一方の前記導電部材において、一端および他端のうち少なくとも一方が、前記マニホールドと離間するように配置されていることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の燃料電池装置は、収納容器内に、上記に記載の燃料電池セルスタック装置を収納してなることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の燃料電池セルスタック装置は、シール材におけるクラックの発生を抑制することができ、長期信頼性の向上した燃料電池セルスタック装置とすることができる。
【００１０】
また、本発明の燃料電池装置は、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。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態の燃料電池セルスタック装置の一例を示す外観斜視図である。
【図２】（ａ）は図１に示す燃料電池セルスタック装置の断面図であり、（ｂ）は（ａ）で示す破線部分を抜粋して示す平面図である。
【図３】本実施形態の燃料電池セルスタック装置の他の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、内部をガスが一端から他端に流通するガス流路（図示せず）を有する燃料電池セル２を立設させた状態で一列に配列し、隣接する燃料電池セル２間がセル間導電部材（図１においては図示せず）を介して電気的に直列に接続された燃料電池セルスタック３を備える燃料電池セルスタック装置１（以下、単にセルスタック３やセルスタック装置１と略す場合がある。）を示す。各燃料電池セル２は、下端がガラス等の絶縁性のシール材（図示せず）で第１のマニホールド４に固定されており、上端が同様にシール材で第２のマニホールド７に固定されている。なお、第１のマニホールド４には燃料ガスを供給するガス供給管８が接続されており、第２のマニホールド７には発電に使用されなかった燃料ガスを回収するガス回収管９が接続されている。また、図１に示すセルスタック装置１においては、セルスタック３における燃料電池セル２の配列方向の両端には、各燃料電池セル２が発電した電流を導出するための導電部材５が設けられている。なお導電部材５も、セル間導電部材を介して接続されている。また、図１に示す導電部材５においては、導電部材５の下端側に、セルスタック３の外側に突出する電流導出部６が設けられている。また、導電部材５の外側に、導電部材５の一部としてセルスタック３の周囲に配置された断熱材との接触や外部からの衝撃に対して、導電部材５やセルスタック３を保護する目的で、保護カバーを設けてもよい。
【００１３】
なお、図１においては、それぞれのマニホールドに１つのセルスタック３を固定した例を示しているが、適宜その数は変更することができ、例えばそれぞれのマニホールドにセルスタック３を複数個固定してもよい。
【００１４】
上述したセルスタック装置１において、ガス流路に水素含有ガス（燃料ガス）を流すことで発電を行なうことができ、第１のマニホールド４が燃料ガスを供給するための供給部となり、第２のマニホールド７が、燃料電池セルより排出された発電に利用されていない排ガスを回収するための回収部となる。すなわち、オフガスをリサイクルするタイプの燃料電池として用いることが可能となる。
【００１５】
ちなみに、上述の第１のマニホールド４と第２のマニホールド７とは逆の構成としてもよい。
【００１６】
なお、各マニホールドは、燃料電池セル２に供給するもしくは燃料電池セル２より回収するガスを貯留し、開口部を上面に有するガスケース１８と、内側に燃料電池セル２を固定するとともに、ガスケースに固定される枠体１９とを備えている。
【００１７】
図２は、（ａ）は図１に示すセルスタック装置１の断面図であり、（ｂ）は（ａ）で示す破線部分を抜粋して示す平面図である。まず、図２（ｂ）を用いて燃料電池セル２について説明する。なお、（ａ）は側面側の断面図であり、一部ハッチングを省略しているほか、導電部材５を明りょうとすべく点にて塗っている。
【００１８】
図２に示す燃料電池セル２は、内部をガスが長手方向に流通するガス流路を複数有する中空平板型で、ガス流路を有する支持基板の表面に、内側電極層、固体電解質層および外
側電極層を順に積層してなる燃料電池セル２を例示している。以下、中空平板型の例を用いて説明するが、平板型や円筒型の燃料電池セル２とすることもできる。
【００１９】
図２に示す燃料電池セル２は、一対の対向する平坦面をもつ柱状の導電性支持基板１５（以下、支持基板１５と略す場合がある）の一方の平坦面上に内側電極層１１、固体電解質層１２及び外側電極層１３を順次積層してなる柱状（中空平板状等）からなる。この導電性支持基板１５には、内部をガス流れるガス流路１６が設けられており、図２においては６つのガス流路が設けられた例を示している。また、燃料電池セル２の他方の平坦面上にはインターコネクタ１４が設けられており、インターコネクタ１４の外面（上面）にはＰ型半導体層１７が設けられている。Ｐ型半導体層１７を介して、セル間導電部材１０をインターコネクタ１４に接続させることにより、両者の接触がオーム接触となり、電位降下を少なくし導電性能の低下を有効に回避することが可能となる。また、支持基板は内側電極層を兼ねるものとし、その表面に固体燃料電池質層および外側電極層を順次積層して燃料電池セルを構成することもできる。なお、以下の説明において内側電極層を燃料極層とし、外側電極層を空気極層として説明する。
【００２０】
内側電極層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し、部分安定化も含むものとする）とＮｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。
【００２１】
固体電解質層１２は、内側電極層１１、外側電極層１３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。
【００２２】
外側電極層１３は、一般的に用いられるものであれば特に制限はなく、例えば、いわゆるＡＢＯ３型のペロブスカイト型複合酸化物からなる導電性セラミックスから形成することができる。外側電極層１３はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲にあることが好ましい。
【００２３】
支持基板１５としては、ガスを内側電極層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、支持基板１５としては、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。燃料電池セル２を作製するにあたり、内側電極層１１または固体電解質層１２との同時焼成により支持基板１５を作製する場合においては、鉄族金属成分と特定希土類酸化物とから支持基板１５を形成することが好ましい。また、支持基板１５は、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３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であるのが好ましい。
【００２４】
Ｐ型半導体層１７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を構成する材料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系複合酸化物、ＬａＦｅＯ３系複合酸化物、ＬａＣｏＯ３系複合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１７の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲にあることが好ましい。
【００２５】
インターコネクタ１４は、上述したとおり、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型複合酸化物（ＬａＣｒＯ３系複合酸化物）、もしくは、ランタンストロンチウムチタン系
のペロブスカイト型複合酸化物（ＬａＳｒＴｉＯ３系複合酸化物）が好適に使用される。これらの材料は、導電性を有し、かつ水素含有ガスや酸素含有ガス（空気等）と接触しても還元も酸化もされない。また、インターコネクタ１４は支持基板１５に形成されたガス流路１６を流通するガス、および支持基板１５の外側を流通する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。
【００２６】
そして、燃料電池セル２を電気的に接続するために介装されるセル間導電部材１０および導電部材５は、弾性を有する金属または合金からなる部材あるいは金属繊維または合金繊維から成るフェルトに所要の表面処理を加えた部材から構成することができる。
【００２７】
ところで、このような燃料電池セル２の一端（下端）および他端（上端）は、各マニホールドの枠体１９に囲まれており、枠体１９の内側に充填されたシール材２０で燃料電池セル２の下端部の外周が固定されている。つまり、セルスタック３は、枠体１９の内側に複数の燃料電池セル２を並べ、各燃料電池セル２を、セル間導電部材１０を介して接続して収容し、シール材２０で枠体１９に接着されている。なお、この枠体１９の内側が固定部となる。また、シール材２０は、耐熱性かつ絶縁性を有している材料を用いることが好ましく、例えばガラス等を用いることができる。
【００２８】
一方、第１のマニホールド４、第２のマニホールド７を構成するガスケース１８は、燃料電池セル２のガス流路１６にガスを供給する開口部を有しており、環状の枠体１９の一端部が、ガスケース１８の開口部を取り囲むように環状に形成された溝部に差し込まれて、シール材２０にて固定されている。それにより、燃料電池セル２のガス流路１６以外の部分が気密に封止されている。
【００２９】
この構成では、燃料電池セルスタック３をガスケース１８に接続する前に、別途、燃料電池セル２の一端部をシール材２０で枠体１９に接着し、その後で枠体１９をガスケース２０に接着して封止することが可能である。
【００３０】
ところで、セルスタック装置１において、運転時や製造時において、ガラス等からなるシール材２０においてクラック等が生じる場合がある。これは、燃料電池セル２、セル間導電部材１０、導電部材５等をシール材２０に固定した場合に、運転時や製造における熱により、各部材が膨張等によって、シール材２０に応力が発生し、その応力に伴って生じるものと考えられる。特に、枠体１９との界面や燃料電池セル２との界面にこのクラックが生じやすい。
【００３１】
それゆえ、図２に示すセルスタック装置１においては、シール材２０におけるクラックの発生を抑制するにあたって、シール材２０に発生する応力を減らすことを目的として、導電部材５の他端（上端）を、第２のマニホールド７と離間するように配置している。言い換えれば、導電部材５は上端がシール材２０に固定されていない構成とされている。なお、図２においては、この部分を一点破線にて示している。
【００３２】
導電部材５に生じる応力がシール材２０に伝搬することを抑制できることから、シール材２０においてクラックが生じることを抑制することができる。それゆえ、信頼性が向上したセルスタック装置１とすることができる。
【００３３】
なお、図２においては、導電部材５の他端（上端）と第２のマニホールド７との間が離間している例を示しているが、導電部材５の一端（下端）と第１のマニホールド４との間を離間させるほか、導電部材５の上下端のいずれも第１のマニホールド４と第２のマニホールド７と離間させてもよい。さらに、図２に示すセルスタック装置１においては、両端
に位置する導電部材５の他端（上端）と第２のマニホールド７との間が離間している例を示しているが、一方の導電部材５のみが離間していてもよい。
【００３４】
ここで、導電部材５を各マニホールドから離間させるにあたっては、導電部材に生じる応力の大きい側を各マニホールドから離間させることが好ましい。たとえば、第１のマニホールド４側と第２のマニホールド７側とで温度を比較した場合に、温度の高い方が導電部材５に生じる応力、ひいてはシール材に生じる応力が大きくなる傾向がある。それゆえ、このような構成のセルスタック装置１においては、温度の高い方のマニホールド側と、それに対応する導電部材５の端とを離間させることで、より効果を有することができる。従って、導電部材５と各マニホールドとを離間させるにあたっては、第１のマニホールド４を流れる流体の温度、第２のマニホールド７を流れる温度等に基づいて、適宜設定すればよい。
【００３５】
例えば、セルスタック装置１の第１のマニホールド４に高温の燃料ガスを導入し、第２のマニホールド７にて発電に使用されなかった燃料ガスを回収する構成にあたっては、導入される燃料ガスの温度が高いことから、導電部材５の一端（下端）と第１のマニホールド４との間を離間させることもできる。
【００３６】
ちなみに、導電部材５を各マニホールドと離間させるにあたっては、発電効率との兼ね合いを考慮して適宜設定することができるが、例えば１〜１０ｍｍとすることができる。なおこの場合、導電部材５と各マニホールドとの距離とは、シール材２０の表面と導電部材５の一端との距離を意味する。
【００３７】
図３は、本実施形態の燃料電池セルスタック装置の他の一例を示す断面図である。
【００３８】
図２に示すセルスタック装置１と対比して、導電部材５の他端が第２のマニホールド７に固定されており、一方で導電部材５の一端が第１のマニホールド４に固定されている点で異なる。なお、図３においては、この離間している部分を一点破線にて示している。
【００３９】
図３に示すセルスタック装置２１においては、導電部材５の下端部側に、電流を外部に引き出すための電流導出部６が設けられている。ここで、導電部材５においては、この電流導出部６が接続された部分において、ジュール熱が発生し、導電部材５そのものの温度が上昇する場合も想定される。この場合、導電部材５そのものを見た場合に、電流導出部６が設けられている側の端部側の温度が高くなることが想定される。
【００４０】
従って、導電部材５の端を各マニホールドと離間させるにあたり、導電部材５のうち電流導出部６が設けられている側の端を、マニホールドに対して離間させることができる。
【００４１】
それゆえ、図３に示すセルスタック装置２１においては、導電部材５の下端部側に電流導出部６が設けられていることから、導電部材５の下端と第１のマニホールド４とを離間させている。
【００４２】
それにより、導電部材５に生じる応力がシール材２０に伝搬することを抑制できることから、シール材２０においてクラックが生じることを抑制することができる。それゆえ、信頼性が向上したセルスタック装置２１とすることができる。
【００４３】
なお、このように導電部材５と各マニホールドとを離間させた場合において、導電部材５とセル間導電部材１０とが剥離するおそれがある。
【００４４】
そこで、このような剥離を抑制することを目的として、導電部材５とシール材２０との
間に、シール材２０とは異なる材料からなり、導電部材５の一端部を保持するための保持部材を設けることもできる。なお、保持部材としては、弾性を有し、変形可能なものである必要があり、例えば、綿状の断熱材や、ガラス等にて作製されたらせん状の線材や板バネ等を用いることができる。それにより、より導電部材５に生じた応力を保持部材にて吸収することができ、導電部材５が剥離することを抑制することができる。
【００４５】
なお、保持部材を設ける場合には、各マニホールドの枠体１９が導電性である場合に、保持部材と枠体１９とが接触することでショートするおそれがあることから、保持部材は絶縁性であることが好ましい。それゆえこの場合、保持部材は、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化ジルコニウム、並びにこれらを含む複合酸化物等の材料にて作製することが好ましい。なお、導電性、絶縁性とは、セルスタック装置の運転環境下において、電気を通す性質を示すものを導電性、電気を通さない性質を示すものを絶縁性とする。
【００４６】
また、上述したように、シール材２０において、燃料電池セル２との界面部分にもクラックが生じやすい。それゆえ、燃料電池セル２とシール材２０との応力の緩和を目的として、シール材２０の表面に、酸化物を主成分としてなるとともに、燃料電池セル２の一端部とシール材２０とを固定するための固定材を設けることもできる。それにより、燃料電池セル２の膨張や変形等により生じる応力を、固定材にて緩和することができ、燃料電池セル２との界面におけるクラック等の発生を抑制することができる。
【００４７】
なおこのような固定材としては、例えば酸化アルミニウム、酸化ケイ素を主成分とする断熱材を用いて作製することができる。
【００４８】
そして、上述した燃料電池セルスタック装置１、２１を収納容器内に収納することで、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（図示せず）。なお、収納容器内には、燃料電池セル２の温度を上昇し、高温に保持するためのヒータ等の熱源装置を備えていることが好ましい。
【００４９】
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。
【００５０】
上述の例ではいわゆる縦縞型と呼ばれる燃料電池セル２を用いて説明したが、一般に横縞型と呼ばれる複数の発電素子部を支持体上に設けてなる横縞型の燃料電池セルスタックを用いることもできる。
【符号の説明】
【００５１】
１、２１：燃料電池セルスタック装置
２：燃料電池セル
４：第１のマニホールド
５：導電部材
６：電流導出部
７：第２のマニホールド
【図１】
2015162286.tif 000003
【図２】
2015162286.tif 000004
【図３】
2015162286.tif 000005