(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電セルとセパレータを交互に複数積層して構成した複数の燃料電池スタックが直列および／または並列に接続されてハウジング内に収容されると共に、各燃料電池スタックに金属配管が接続され、当該金属配管を通して各発電セルに反応用ガスが供給される燃料電池において、
上記金属配管の途上に絶縁機構が設けられ、当該絶縁機構により、各燃料電池スタックの上記積層体を除く導電性部分がそれぞれ電気的に絶縁されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
発電セルとセパレータを交互に複数積層すると共に、当該積層体の両端に一対の端板を配して構成した複数の燃料電池スタックが直列および／または並列に接続されてハウジング内に収容されると共に、上記端板に金属配管が接続され、当該金属配管より上記端板のガス通路を通して各発電セルに反応用ガスが供給される燃料電池において、
上記金属配管の途上に絶縁機構が設けられ、当該絶縁機構により、各燃料電池スタックの端板がそれぞれ電気的に絶縁されていることを特徴とする燃料電池。    
【請求項３】
上記燃料電池スタックが絶縁部材を介して上記ハウジングに固定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックを複数接続して構成される燃料電池に関し、特に、各燃料電池スタックの絶縁構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
酸化物イオン導電体から成る固体電解質層を両側から空気極層と燃料極層で挟み込んだ構造の発電セルでは、空気極層に酸素（空気）を燃料極層に燃料ガス（Ｈ2、ＣＯ、ＣＨ4）を供給することによって電極間に発電反応が生じ、起電力が得られることが知られている。発電反応により水（水蒸気）、二酸化炭素等が生成される。
【０００３】
ところが、上記構成の発電セルでは、単位セル当たりの起電力が高々１Ｖ程度と極めて小さいため、通常は、上記発電セルを、セパレータ、集電体等の導電部材を介して多数積層してスタック化することにより、実質的な電池出力が得られるようにしている。
そして、こような平板積層型の燃料電池スタックでは、積層体の上下両端に金属製の端板が設けられると共に、この端板にガス配管が接続されて各発電セルに反応用ガスが供給されるように構成されている。上記端板は、積層体を上下より締め付けて積層体の各構成要素を圧接・密着させるためのものであり、通常、端板と積層体とは、絶縁部材を介在して電気的に絶縁された状態となっている。
【０００４】
また、上記燃料電池スタックを複数直列状態に配設した高出力型の燃料電池も提案されている。
すなわち、高出力型の燃料電池では、例えば、１基の燃料電池スタック３（例えば、発電セル５０段構成）で５０Ｖの電圧が得られるとすると、燃料電池スタック３を１０基直列に配設した場合は、トータル５００Ｖの高電圧出力が得られる。この場合、第１スタックの正極（＋出力）と最後のスタックの負極（−出力）との間には５００Ｖの電位差が生じている。
【０００５】
ところで、固体酸化物形燃料電池のように、６００℃以上の高温雰囲気下で動作する燃料電池では、上記ガス配管として耐熱性に劣るプラスチック配管は使用不可であり、通常は、耐高温酸化性に優れる金属配管（例えば、ステンレス配管）が使用されている。このため、上記構成の高出力型の燃料電池では、この金属配管を介して各燃料電池スタックの端板同士が常時電気的に接続された状態となっている。
【０００６】
このような状態で、第１の燃料電池スタックの端板と正極との間に絶縁不良が発生すると、正極と端板が短絡状態となり、その結果、直列に接続された最後の燃料電池スタックの負極と端板との間にトータル電圧である５００Ｖの電位差が生じる。特に、固体酸化物形燃料電池では、高温多湿雰囲気にあって負極と端板間の電気的絶縁性が低下してスパークが発生し易くなっており、スパークが発生するとガス配管と端板を介して正極と負極が短絡された状態となり、出力が大幅にダウンしてしまうという信頼性に係わる問題があった。
【０００７】
尚、燃料電池の電気的絶縁構造として、特許文献１が開示されている。特許文献１には、絶縁基板上に複数個のセルを直列に配置して成る燃料電池スタックを複数併置する際の燃料電池スタック間の電気的接合構造が開示されている。
【特許文献１】特開２００６−３１０００５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記問題に鑑み成されたもので、燃料電池スタックを複数接続して成る高出力型の燃料電池においても、スパークによる電池出力の短絡事故を防止できる信頼性の高い燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
すなわち、請求項１に記載の燃料電池は、発電セルとセパレータを交互に複数積層して構成した複数の燃料電池スタックが直列および／または並列に接続されてハウジング内に収容されると共に、各燃料電池スタックに金属配管が接続され、当該金属配管を通して各発電セルに反応用ガスが供給される燃料電池において、上記金属配管の途上に絶縁機構が設けられ、当該絶縁機構により各燃料電池スタックの上記積層体を除く導電性部分がそれぞれ電気的に絶縁されていることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項２に記載の燃料電池は、発電セルとセパレータを交互に複数積層すると共に、当該積層体の両端に一対の端板を配して構成した複数の燃料電池スタックが直列および／または並列に接続されてハウジング内に収容されると共に、上記端板に金属配管が接続され、当該金属配管より上記端板のガス通路を通して各発電セルに反応用ガスが供給される燃料電池において、上記金属配管の途上に絶縁機構が設けられ、当該絶縁機構により各燃料電池スタックの端板がそれぞれ電気的に絶縁されていることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、上記燃料電池スタックが絶縁部材を介して上記ハウジングに固定されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１、２に記載の発明によれば、燃料電池スタックに接続される金属配管の途上に絶縁機構を設けたので、複数の燃料電池スタックを直列および／または並列に接続した燃料電池においては、上記金属配管を介して各燃料電池スタックの積層体（発電部）を除く導電性部分（請求項２では端板）が電気的に接続されることを回避でき、各燃料電池スタックの上記導電性部分の電気的な絶縁が確保されるため、高電圧に起因して上記発電部分と導電性部分の間でスパークが発生する危険性が著しく減少し、信頼性が飛躍的に向上する。
【００１３】
また、請求項３に記載の発明によれば、燃料電池スタックが絶縁部材を介してハウジングに固定されているので、複数の燃料電池スタックを直列および／または並列に接続した燃料電池においては、上記ハウジングを介して各燃料電池スタックの積層体（発電部）を除く導電性部分（例えば、端板）が電気的に接続されることを回避でき、各燃料電池スタックの上記導電性部分の絶縁が確保されるため、高電圧に起因して上記発電部分と導電性部分の間でスパークが発生する危険性が著しく減少し、信頼性が飛躍的に向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面に基づいて本発明に係る燃料電池の実施形態を説明する。
図１は本実施形態による固体酸化物形燃料電池の内部構成を示す模式図、図２は燃料電池スタックの構成を示す図、図３は複数の燃料電池スタックの接続形態を示す電気回路図、図４、図５は金属配管の絶縁機構を示す分解斜視図である。  
【００１５】
図１において、符号１は燃料電池を示し、符号２は金属製のハウジングを示す。このハウジング２の内壁に断熱材（図示せず）が配設され、ハウジング２内が保温可能な状態に保持されるようになっている。このハウジング２内に、積層方向を縦にして燃料電池スタック３が設置されている。
【００１６】
上記燃料電池スタック３は、図２に示すように、固体電解質層４の両面に燃料極層５と空気極層６を配した発電セル７と、燃料極層５の外側の燃料極集電体８と、空気極層６の外側の空気極集電体９と、各集電体８、９の外側のセパレータ１０を順番に多数積層した構造の発電部を有する。この積層体（発電部）の上下両端に間に絶縁部材（図示せず）を介在して上端板２０ａと下端板２０ｂが配設され、これら上下端板２０ａ、２０ｂにて積層体を積層方向に締結させることにより、スタック化されている。
また、この積層体の縁部には、セラミック等の絶縁性部材で成る管状の燃料ガスマニホールド１３と空気マニホールド１４が積層方向に延設されている。
【００１７】
上記積層体（発電部）の構成要素の内、固体電解質層４はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層５はＮｉ等の金属、あるいはＮｉ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層６はＬａＭｎＯ3、ＬａＣｏＯ3等で構成され、燃料極集電体８はＮｉ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体９はＡｇ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ１０および上下端板２０ａ、２０ｂはステンレス等で構成されている。
【００１８】
セパレータ１０は、発電セル７間を電気的に接続すると共に、発電セル７に反応用ガスを供給する機能を有し、燃料ガスマニホールド１３を介して供給される燃料ガスを、セパレータ１０の外周面から導入してセパレータ１０の燃料極集電体８に対向するほぼ中央部から吐出する燃料ガス通路１１と、空気マニホールド１４を介して供給される空気を、セパレータ１０の外周面から導入してセパレータ１０の空気極集電体９に対向する面のほぼ中央部から吐出する空気通路１２を備えている。
【００１９】
本実施形態では、上記構成の燃料電池スタック３がハウジング２内に６基配設され、図３（ａ）に示すように、これら燃料電池スタック３が直列に接続されている。各燃料電池スタック３は、発電セル７を十数段積層した積層体であり、例えば、発電セル５０段では、１基につき約５０Ｖの起電力が得れ、６基構成では、トータル約３００Ｖの高出力を得ることができる。
【００２０】
また、上記ハウジング２の内部には、外部より燃料ガス供給用の金属配管２１と空気供給用の金属配管２２が導入されている。これら金属配管２１、２２は、耐高温酸化性に優れるステンレス管が使用されている。
【００２１】
燃料ガス配管２１は、ハウジング２内において複数本に分岐され、各々が絶縁機構３０を介して各燃料電池スタック３の上端板２０ａに接続されていると共に、空気配管２２も同様にハウジング２内において複数本に分岐され、各々が上記絶縁構機構３０を介して各燃料電池スタック３の下端板２０ｂに接続されている。そして、燃料ガス配管２１および空気配管２２は、それぞれ上下端板２０ａ、２０ｂ内の各ガス通路（図示せず）を介し、燃料ガス配管２１は上述した燃料ガスマニホールド１３に接続され、空気配管２２は上述した空気マニホールド１４に接続されている。
【００２２】
次に、燃料ガス配管２１（空気配管２２）の絶縁機構３０について説明する。  
【００２３】
図４は上記絶縁機構３０の一構成例を示し、燃料ガス配管２１（空気配管２２）の連結部のそれぞれに四角形の金属フランジ３１（ステンレス製）が設けられ、金属フランジ３１間にガス供給用の絶縁リング３２（セラミックリング）が同一軸線ａ上に介在されている。
【００２４】
各金属フランジ３１の角部四カ所にボルト孔（図示せず）が設けられ、このボルト孔に金属ボルト３３を挿通して各金属フランジ３１を締め付けることにより、絶縁リング３２の両面に各金属フランジ３１、３１をきつく圧接させて、双方の配管を絶縁状態に連結させる構造である。金属ボルト３３による各金属フランジ３１の締め付け部分には、締付け用の絶縁リング３４（セラミックリング）が設けられており、且つ、締め付けの際に金属ボルト３３がボルト孔に接触しないよう、ボルト孔の内径は金属ボルト３３の径に対して大きく形成して、金属ボルト３３とボルト孔との間に十分な隙間が確保されるようになっている。
これにより、燃料ガス配管２１（空気配管２２）と各燃料電池スタック３の上下端板２０ａ、２０ｂは、これら配管の連結部において電気的に絶縁された状態となる。
【００２５】
次に、図５は絶縁機構３０の別の構成例を示し、それぞれ連結部に金属フランジ３１（ステンレス製）を設けた燃料ガス配管２１（空気配管２２）と、この燃料ガス配管２１（空気配管２２）が内包される半割筒状の金属ホルダ３５（ステンレス製）とを備えている。
この金属ホルダ３５の両端部３５ａ、３５ｂの中心部には、燃料ガス配管２１（空気配管２２）の外径より幾分径の大きい孔４０が設けられ、この孔４０を通して燃料ガス配管２１（空気配管２２）の他端側が外方に延びている。
【００２６】
また、この金属ホルダ３５内において、一方の連結部においては、金属フランジ３１と金属ホルダ３５の一端部３５ａとの間に金属ホルダ３５との絶縁用の絶縁リング３６が介装されていると共に、他方の連結部においては、金属フランジ３１に隣接して金属ホルダ３５との絶縁用の絶縁リング３８が介装され、さらに、この絶縁リング３８と金属ホルダ３５の他端部３５ｂとの間に金属ホルダ３５より熱膨張係数の大きい金属リング３９が介装されている。
例えば、金属ホルダ３５にＳＵＳ４３０を用いた場合は、この金属リング３９として、ＳＵＳ４３０より熱膨張の大きいＳＵＳ３１６を用いることができる。  また、金属フランジ３１、３１の間にガス供給用の絶縁リング３７（セラミックリング）が介在されている。そして、上記した絶縁リング３６、絶縁リング３７、絶縁リング３８、金属リング３９は、それぞれ燃料ガス配管２１（空気配管２２）と同一軸線ａ上に設けられている。
上記構成においては、連結部の絶縁性を高めるため、各金属フランジ３１の径を絶縁リング３７の径より小さくすることが望ましい。
【００２７】
図５の絶縁機構３０では、運転時の高温雰囲気下において、金属ホルダ３５内の金属リング３９が熱膨張することで、上記した金属フランジ３１、絶縁リング３６、絶縁リング３７、絶縁リング３８、金属リング３８のそれぞれがきつく圧接し、この圧接力により双方の配管を絶縁状態に連結させる構造となっている。この構造では、図４の場合と相違し、連結のための煩雑なボルト締め作業を無くすことができる。
【００２８】
ところで、燃料電池スタック３を設置する場合、通常、下端板２０ｂの部分でハウジング２に固定されるようにしている。
本実施形態では、図１に示すように、各燃料電池スタック３の下端板２０ｂが金属製の設置台２３に支持された状態でハウジング２の底部２ａに固定される構造であるが、この場合、下端板２０ｂとハウジング２の間の電気的絶縁を確保するため、下端板２０ｂと設置台２３の間に、例えば、アルミナ等による絶縁板２４（絶縁部材）が介在される。
【００２９】
また、各燃料電池スタック３を個々にハウジング２の底部２ａに固定しても良いが、例えば、図１に示すように、燃料電池スタック３を３基ずつ縦方向に配置して、３段２列状態で設置しても良い。
この場合は、各燃料電池スタック３の設置台２３が図示しない支持フレームに固定され、当支持フレームがハウジング２の底部２ａに固定されるような構造となる。この場合も、各燃料電池スタック３の下端板２０ｂと設置台２３の間に上記絶縁板２４が介在され、各下端板２０ｂと支持フレーム間の電気的絶縁が確保されるようにする。
【００３０】
以上、本実施形態では、燃料電池スタック３の上下端板２０ａ、２０ｂに接続される金属配管（燃料ガス配管２１と空気配管２２）を絶縁機構３０により電気的に絶縁したので、燃料電池スタック３を複数直列に接続した燃料電池１においては、上記燃料ガス配管２１と上記空気配管２２を介して各燃料電池スタック３の端板２０ａ、２０ｂが電気的に接続されることを回避できる。
これにより、各燃料電池スタック３の端板２０ａ、２０ｂ間の電気的な絶縁を確保することができ、その結果、従来のように、−出力側の端板にトータルの高電圧が掛かることは無くなり、端板と発電部の間でスパークが発生する危険性が著しく減少し、高温多湿雰囲気となる固体酸化物形燃料電池１の信頼性を飛躍的に高めることができる。
【００３１】
また、燃料電池スタック３の下端板２０ｂが絶縁部材２４を介してハウジング２に固定されているので、燃料電池スタック３を複数直列に接続した燃料電池１においては、上記ハウジング２を介して各燃料電池スタック３の端板２０ａ、２０ｂが電気的に接続されることが回避できる。
これにより、上記同様、各燃料電池スタック３の端板２０ａ、２０ｂ間の電気的な絶縁を確保することができ、上記同様、高電圧に起因して端板２０ａ、２０ｂと上記発電部分の間でスパークが発生する危険性が著しく減少し、高温多湿雰囲気となる固体酸化物形燃料電池１の信頼性を飛躍的に高めることができる。
【００３２】
以上、本実施形態では、複数の燃料電池スタック３を直列に接続した燃料電池１について説明したが、本発明はこれに限るものではなく、例えば、図３（ｂ）に示すように、図３（ａ）示す直列構造の燃料電池スタック３群を、さらに複数（例えば、３基）並列に接続した構造の燃料電池１にも適用可能であり、また、図３（ｃ）に示すように、例えば、発電セル７を２００段程積層した起電力２００Ｖ程の高出力の燃料電池スタック３を複数（例えば、４基）並列に接続した構造の燃料電池１にも適用可能である。
尚、１スタックの積層段数が１００段を超える高出力の燃料電池においては、本発明は信頼性確保の面で極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る固体酸化物形燃料電池の内部構成を示す模式図。
【図２】本発明に係る燃料電池スタックの要部構成を示す図。
【図３】複数の燃料電池スタックの接続形態を示す電気回路で、（ａ）は直列接続タイプ、（ｂ）は直並列接続タイプ、（ｃ）は並列接続タイプを示す図。
【図４】金属配管の絶縁機構を示す分解斜視図。
【図５】金属管の図４とは別の絶縁機構を示す分解斜視図。
【符号の説明】
【００３４】
１  燃料電池（固体酸化物形燃料電池）
２  ハウジング
３  燃料電池スタック
７  発電セル
１０  セパレータ
２０ａ、２０ｂ  端板
２１、２２  金属配管
２４  絶縁部材
３０  絶縁機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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