(57)【要約】      （修正有）【課題】長期信頼性の向上したセルスタック、燃料電池モジュール、燃料電池装置および燃料電池装置の制御方法を提供する。【解決手段】セルスタック１は、配列された複数の燃料電池セル３と、隣接する燃料電池セル３間および複数の燃料電池３セルのうち配列方向の両端に配置され、燃料電池セル３と電気的に接続された複数の集電部材４と、を備えてなるセルスタック１であって、集電部材４は他の集電部材４と電気的に接続して電流を迂回させる接続部を備えるように構成したことから、長期信頼性の向上したセルスタック１、燃料電池モジュール２０ならびに燃料電池装置２５およびその制御方法を提供できる。【選択図】図３
2012079514.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
配列された複数の燃料電池セルと、
隣接する該燃料電池セル間および前記複数の燃料電池セルのうち配列方向の両端に配置され、前記燃料電池セルと電気的に接続された複数の集電部材と、を備えてなるセルスタックであって、
前記集電部材は、他の前記集電部材と電気的に接続して電流を迂回させる接続部を備えることを特徴とするセルスタック。
【請求項２】
請求項１に記載のセルスタックを収納容器内に収納したことを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項３】
請求項２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、前記セルスタックを制御するための制御装置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。
【請求項４】
配列された複数の燃料電池セルと、
隣接する該燃料電池セル間および前記複数の燃料電池セルのうち配列方向の両端に配置され、前記燃料電池セルと電気的に接続された複数の集電部材と、を備えてなる燃料電池装置であって、
少なくとも２つの集電部材が接続部を有しており、該接続部を有する２つの集電部材間に位置する前記燃料電池セルの電圧値が所定の電圧値より低くなった場合に、前記接続部を有する２つの集電部材同士を電気的に接続して電流を迂回させる制御装置を備えることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項５】
前記集電部材のすべてが前記接続部を有することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池装置。
【請求項６】
前記制御装置は、前記所定の電圧値として高負荷運転時における第１の電圧値と、低負荷運転時における前記第１の電圧値よりも低い第２の電圧値とを含み、高負荷運転時において前記燃料電池セルの電圧値が前記第１の電圧値よりも低くなった場合に、前記２つの集電部材を電気的に接続して電流を迂回させ、低負荷運転時において前記燃料電池セルの電圧値が前記第２の電圧値よりも高くなった場合に、前記２つの集電部材の電気的な接続を切り離すように構成されていることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池装置。
【請求項７】
配列された複数の燃料電池セルと、
隣接する該燃料電池セル間および前記複数の燃料電池セルのうち配列方向の両端に配置され、前記燃料電池セルと電気的に接続された複数の集電部材と、を備え、
前記複数の集電部材のうち、２つの前記集電部材間に位置する前記燃料電池セルの電圧値が所定の電圧値より低くなった場合に、前記２つの集電部材同士を電気的に接続して電流を迂回させることを特徴とする燃料電池装置の制御方法。
【請求項８】
前記所定の電圧値が、高負荷運転時における第１の電圧値と、低負荷運転時における前記第１の電圧値よりも低い第２の電圧値とであり、高負荷運転時において前記燃料電池セルの電圧値が前記第１の電圧値よりも低くなった場合に、前記２つの集電部材を電気的に接続して電流を迂回させ、低負荷運転時において前記燃料電池セルの電圧値が前記第２の電圧値よりも高くなった場合に、前記２つの集電部材の電気的な接続を切り離すことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はセルスタック、燃料電池モジュール、燃料電池装置および燃料電池装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
次世代エネルギーとして、近年、複数の燃料電池セルを電気的に接続してなるセルスタックを収納容器内に収容した燃料電池装置が種々提案されている。
【０００３】
セルスタックとしては、複数の燃料電池セル間に集電部材を介在させて複数の燃料電池セルを、電気的に直列に接続してなるとともに、燃料電池セルの配列方向における両端部側から端部集電部材を介在させて、複数の燃料電池セルを挟持するように配置し、かつ燃料電池セルの発電により生じる電流を引出すための電流引出部を有する導電部材を備えたもので、これら複数のセルスタックを並置し、セルスタックの一方側における電流引出部同士を導電性の連結部材により連結してなる燃料電池装置が知られている。
【０００４】
しかしながら、複数のセルスタックが電気的に直列に接続されている場合においては、セルスタックの１つに故障や異常を生じた場合に、燃料電池装置が所定の電圧値を得ることができなくなる場合がある。
【０００５】
そこで、１つのセルスタックの電圧値が所定の電圧値よりも低くなった場合に、他のセルスタックの電流引出部と連結部材とを電気的に接続するように切り替える制御を行なう燃料電池装置が提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２０５８０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、セルスタックを構成する燃料電池セルに破損や劣化が生じた場合に、破損した燃料電池セルを含むセルスタックそのものを燃料電池装置から切り離す制御を行なう必要があり、不具合の生じていない燃料電池セルについても、燃料電池装置から切り離すこととなり、燃料電池装置の発電出力が急激に低下し、燃料電池装置の信頼性が低下するおそれがあった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のセルスタックは、複数の燃料電池セルと、隣接する燃料電池セル間および複数の燃料電池セルのうち配列方向の両端に配置され、燃料電池セルと電気的に接続された複数の集電部材と、を備えてなるセルスタックであって、集電部材は、他の集電部材と電気的に接続して電流を迂回させる接続部を備える構成にした。
【０００９】
また、本発明の燃料電池モジュールは、上記のセルスタックを収納容器内に収納してなる。
【００１０】
また、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、上記のセルスタックを制御するための制御装置とを外装ケースに収納してなる。
【００１１】
また、本発明の燃料電池装置は、配列された複数の燃料電池セルと、隣接する燃料電池セル間および複数の燃料電池セルのうち配列方向の両端に配置され、燃料電池セルと電気的に接続された複数の集電部材と、を備えてなる燃料電池装置であって、少なくとも２つの集電部材が接続部を有しており、接続部を有する２つの集電部材間に位置する燃料電池セルの電圧値が所定の電圧値より低くなった場合に、接続部を有する２つの集電部材同士を電気的に接続して電流を迂回させる制御装置を備える。
【００１２】
さらに、本発明の燃料電池装置の制御方法は、配列された複数の燃料電池セルと、隣接する該燃料電池セル間および複数の燃料電池セルのうち配列方向の両端に配置され、燃料電池セルと電気的に接続された複数の集電部材と、を備え、複数の集電部材のうち、２つの集電部材間に位置する燃料電池セルの電圧値が所定の電圧値より低くなった場合に、２つの集電部材同士を電気的に接続して電流を迂回させる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、セルスタックを構成する燃料電池セルに破損や劣化が生じることにより、２つの集電部材間に位置する燃料電池セルの電圧値が所定の電圧値よりも低くなった場合に、２つの集電部材同士を電気的に接続して電流を迂回させることができるため、セルスタックの発電出力が急激に低下することを低減できる。それにより、燃料電池装置の発電出力が急激に低下することを抑え、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】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態であるセルスタックを示す図で、（ａ）はセルスタックを概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）の一部を拡大して示す平面図である。
【図２】図１に示すセルスタックを構成する集電部材の斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態であるセルスタックを概念的に示すブロック図である。
【図４】図３に示した燃料電池セルの電圧値を示す概念図である。
【図５】本発明の他の実施形態であるセルスタックを概念的に示すブロック図である。
【図６】図５に示した燃料電池セルの電圧値を示す概念図である。
【図７】燃料電池モジュールの一実施形態を示す外観斜視図である。
【図８】燃料電池装置の一実施形態を示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の一実施形態であるセルスタック１について図１を用いて説明する。
【００１６】
セルスタック１は、複数の燃料電池セル３の間に集電部材４（セル間集電部材４ａ）を介在させ、これらの燃料電池セル３が電気的に直列に接続されており、セルスタック１の端部に燃料電池セル３で発電した電流を外部に引き出すための電流引出部６を備えた導電部材５を具備している。そして、セルスタック１の端部に位置する燃料電池セル３と導電部材５とが集電部材４（端部集電部材４ｂ）を介在し電気的に接続されている。燃料電池セル３および導電部材５の下端部は、燃料電池セル３に燃料ガス（水素含有ガス）を供給するためのガスタンク７に、ガラス等の絶縁性のシール材を介して固定されており、セルスタック１はガスタンク７に立設した状態で配列されている。
【００１７】
燃料電池セル３は、図１（ｂ）に示すように、一対の対向する平坦部と両端の弧状部とを有する扁平な柱状の導電性支持体１１（以下、支持体１１と略す場合がある）の一方の平坦部と弧状部を覆うように内側電極層としての多孔質な燃料極層８が設けられており、この燃料極層８を覆うように、緻密質な固体電解質層９が積層されている。また、固体電解質層９上には、燃料極層８と対向するように外側電極層としての多孔質な空気極層１０が設けられている。すなわち、支持体１１の一方の平坦部上に、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ている。また、燃料極層８および固体電解質層９が形成されていない支持体１１の他方の平坦部上には、緻密質なインターコネクタ１３が積層されている。このような構成により楕円柱状の燃料電池セル３が形成される。図１（ｂ）で示すように、燃料極層８および固体電解質層９は、両端の弧状部を経由してインターコネクタ１３の両サイドにまで延設されており、支持体１１の表面が外部に露出しないように構成されている。それにより、燃料電池セル３の内外で燃料ガスがリークしない構成となっている。
【００１８】
燃料電池セル３間に配置されたセル間集電部材４ａは、導電性接合材１４により燃料電池セル３に接続されている。すなわち、隣接する燃料電池セル３間に配置されたセル間集電部材４ａは、隣接する一方の燃料電池セル３の空気極層１０と隣接する他方の燃料電池セル３のインターコネクタ１３とにそれぞれ導電性接合材１４を介在して接続されており、それにより各燃料電池セル３が電気的に直列に接続されている。
【００１９】
燃料電池セル３を構成する支持体１１の内部には、長手方向に燃料電池セル３の下端部から上端部にかけて貫通する燃料ガス流路１２が複数個設けられており、ガスタンク７により供給される燃料ガスが、燃料ガス流路１２の内部を上方に向けて流れる間に、多孔質支持体１１の内部を通って燃料極層８に供給される。
【００２０】
また、支持体１１が燃料側電極（燃料極層８）を兼ねるものとし、その表面に固体電解質層９および空気極層１０を順次積層して燃料電池セルを構成することもできる。その場合は、燃料極層８を設けずとも支持体１１に固体電解質層９を設けることで燃料電池セル３を作製することができる。
【００２１】
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、燃料電池セル３を収納してなる燃料電池装置を小型化、高効率化する上で、高温下で作動する固体酸化物形燃料電池セルとすることができる。それにより、燃料電池装置を小型化、高効率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。さらに、発電により生じた熱を給湯システムと組み合わすことで効率のよい固体酸化物形燃料電池システムを構成することもできる。
【００２２】
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。
【００２３】
支持体１１は、燃料ガスを燃料極層８まで透過させるためにガス透過性であること、インターコネクタ１３を介在して集電を行うために導電性であることが要求されることから、例えば、鉄族金属成分と特定の希土類酸化物とにより形成される。
【００２４】
鉄族金属成分としては、鉄族金属単体、鉄族金属酸化物、鉄族金属の合金もしくは合金酸化物等が挙げられる。より詳細には、例えば、鉄族金属としてはＦｅ（鉄）、Ｎｉ（ニッケル）およびＣｏ（コバルト）が挙げられ、特に安価であることおよび燃料ガス（水素含有ガス）中で安定であることから、鉄族成分としてＮｉおよびＮｉＯの少なくとも一方を含有することができる。
【００２５】
特定の希土類酸化物とは、支持体１１の熱膨張係数を後述する固体電解質層９の熱膨張係数に近づけるために使用されるものであり、Ｙ（イットリウム）、Ｌｕ（ルテチウム）、Ｙｂ（イッテルビウム）、Ｔｍ（ツリウム）、Ｅｒ（エルビウム）、Ｈｏ（ホルミウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、Ｇｄ（ガドリウム）、Ｓｍ（サマリ）、Ｐｒ（プラセオジム）からなる群より選択される少なくとも１種の元素を含む希土類酸化物が、上記鉄族成分との組み合わせで使用される。このような希土類酸化物の具体例としては、Ｙ2Ｏ3、Ｌｕ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3、Ｔｍ2Ｏ3、Ｅｒ2Ｏ3、Ｈｏ2Ｏ3、Ｄｙ2Ｏ3、Ｇｄ2Ｏ3、Ｓｍ2Ｏ3、Ｐｒ2Ｏ3を例示することができ、鉄族金属の酸化物との固溶、反応がほとんどなく、また、熱膨張係数が固体電解質層９とほとんど同程度であり、かつ安価であるという点から、Ｙ2Ｏ3、Ｙｂ2Ｏ3を用いることができる。
【００２６】
支持体１１は、燃料ガス透過性を有していることが必要であるため、通常、開気孔率が３０％以上、特に３５〜５５％の範囲がよい。また、支持体１１の導電率は、５０Ｓ／ｃｍ以上、さらには３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上とすることができる。
【００２７】
支持体１１の寸法としては、支持体１１の平坦部の長さ（支持体１１の幅方向の長さ）は、通常、１５〜３５ｍｍ、弧状部の長さ（弧の長さ）は、２〜８ｍｍであり、支持体１１の厚み（両平坦部間の厚み）は１．５〜５ｍｍとすることができる。
【００２８】
燃料極層８は、電極反応を生じさせるものであり、鉄族金属である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たＺｒＯ2とから形成することができる。希土類元素としては、支持体１１において例示した希土類元素（Ｙ等）を用いることができる。
【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たＺｒＯ2の含有量は、焼成−還元後における体積比率が、Ｎｉ：希土類元素が固溶したＺｒＯ2（例えば、ＮｉＯ：イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ））が３５：６５〜６５：３５の範囲としてもよい。さらに、この燃料極層８の気孔率は、１５％以上、特に２０〜４０％の範囲としてもよく、その厚みは、１〜３０μｍとすることができる。
【００３０】
固体電解質層９は、３〜１５モル％のＹ、Ｓｃ（スカンジウム）、Ｙｂ等の希土類元素を含有した部分安定化あるいは安定化ＺｒＯ2やランタンガレート系のペロブスカイト型酸化物からなる緻密質なセラミックスを用いることができる。また、希土類元素としては、安価であるという点からＹとすることができる。さらに、固体電解質層９は、ガス透過を防ぐために、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とすることができる。
【００３１】
空気極層１０は、ガス透過性を有する必要があり、従って、空気極層１０を形成する導電性セラミックス（ペロブスカイト型酸化物）は、開気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲とすることができる。さらに、空気極層１０の厚みは、集電性という点から３０〜１００μｍとすることができる。
【００３２】
空気極層１０を形成する導電性セラミックスとしては、ランタンコバルト（ＬａＣｏＯ3）系ペロブスカイト型酸化物やランタンマンガナイト（ＬａＭｎＯ3）系ペロブスカイト型酸化物があげられる。ランタンコバルト系ペロブスカイト型酸化物としては、ＬａＳｒＣｏＦｅＯ3やＬａＳｒＣｏＯ3を用いることができ、ランタンマンガナイト系ペロブスカイト型酸化物としては、ＬａＳｒＭｎＯ3を用いることができる。
【００３３】
インターコネクタ１３は、導電性セラミックスにより形成されている。燃料ガス（水素含有ガス）および酸素含有ガス（空気）と接触するため、耐還元性、耐酸化性を有することが必要である。このため、耐還元性、耐酸化性を有する導電性セラミックスとして、一般に、ランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ3）系ペロブスカイト型酸化物を用いることができ、支持体１１と固体電解質層９との熱膨張係数を近づけることができる。インターコネクタ１３の厚みは、ガスのリーク防止と電気抵抗の低減という点から、１０〜５０μｍとすることができる。
【００３４】
導電性接合材１４は、導電性を有する必要があり、ペロブスカイト型酸化物部等の導電性セラミックスにより形成することができる。そのため、空気極層１０と同様の材料により作製することができる。また、インターコネクタ１３との接合強度を高めるために、インターコネクタ１３と導電性接合材１４との間に、導電性接合材１４と同じ組成からなる接合層を設けてもよい。
【００３５】
次にセルスタック１を構成する集電部材４（セル間集電部材４ａ、端部集電部材４ｂ）について説明する。
【００３６】
集電部材４は、導電性および耐熱性や耐酸化性を有する必要があるため、例えばＣｒを含有する金属等により形成される。Ｃｒを含有する合金を例示すると、例えば、Ｆｅ−Ｃｒの合金やＮｉ−Ｃｒの合金があげられる。合金中のＣｒの含有量は、耐熱性および耐酸化性の観点から合金１００質量部に対して１０〜３０質量部、さらには２０〜３０質量部とすることができる。耐熱性および耐酸化性を向上させるためにＭｏやＷ等の元素を含有してもよい。
【００３７】
集電部材４は、図１に示すように、導電性接合材１４を介在させて燃料電池セル３の間に配置される。集電部材４は、図２に示すように、一方の燃料電池セル３の空気極層１０と接触するための第１集電片４ｃと、導電性接合材１４を介在させて他方の燃料電池セル３のインターコネクタ１３と接触するための第２集電片４ｄと、複数の第１集電片４ｃおよび複数の第２集電片４ｄ（図２では３つずつ）を接続する導電部４ｅとを１つのユニット（図示せず）とし、複数のユニットを燃料電池セル３の長手方向（以下、セル長手方向と略す場合がある。）に、導電性連結片４ｆを介して複数連結し、集電部（図示せず）を構成している。そしてこの集電部により燃料電池セル３が発電した電流を効率よく集電している。
【００３８】
セルスタック１を構成する集電部材４は、セル長手方向の下端部に位置するユニットの導電部４ｅから、燃料電池セル３の幅方向に沿って延びた後、下方へ向けて延びた接続部２を有する。それにより、接続部２はガスタンク７に接触せずセルスタック１の外部まで引き出されている。そして、引き出された接続部２は、後述する制御装置（図３における１５）に電気的に接続されている。接続部２とガスタンク７とが接触すると電気的に短絡してしまうため、短絡防止のため接続部２の外面には絶縁性のコーティングをしてもよい。
【００３９】
また、集電部材４を形成するＣｒを含有する合金からＣｒが拡散することを抑制するために、集電部材４の表面にＣｒ拡散抑制層をコーティングにて形成してもよい。それにより、集電部材４からのＣｒの拡散を抑制することができ、燃料電池セル３の長期信頼性を向上させることができる。Ｃｒ拡散抑制層としては、Ｚｎを含有する酸化物があげられ、例えばＺｎＯやＺｎを含有するスピネルを用いることができる。
【００４０】
集電部材４は、燃料電池セル３間に配置されるセル間集電部材４ａと燃料電池セル３と導電部材５との間に配置される端部集電部材４ｂがあり、端部集電部材４ｂは、セル間集電部材４ａと同様のものを用いることができ、また、セル間集電部材４ａに比べて剛性の低い、言い換えると変形のしやすいものを用いて端部集電部材４ｂを形成してもよい。
【００４１】
ガスタンク７は、内部が燃料ガスを収納するための中空のタンクになっており、ガスタンク７に貯蔵された燃料ガスは、ガスタンク７上に立設された各燃料電池セル３に供給される。ガスタンク７に集電部材４、特には接続部２が接触すると短絡してしまうため、ガスタンク７の外面には、ＺｎＯ等の絶縁性コーティングを施すことができる。それにより、セルスタック１の信頼性を向上させることができるとともに、ガスタンク７を形成する合金の耐酸化性を向上させることができる。
【００４２】
次に、図３を用いて、本発明の一実施形態であるセルスタック１の制御について説明する、図３において、２点鎖線は電流を迂回させない通常時の電流の流れを示し、一点鎖線は電流を迂回させた場合の電流の流れを示す。
【００４３】
図３に示すセルスタック１は、端部集電部材４ｂ１、４ｂ２およびセル間集電部材４ａ２、４ａ４が接続部２を有している。そして、接続部２はそれぞれ制御装置１５に接続されており、端部集電部材４ｂ１とセル間集電部材４ａ２（発電部１７Ａ）、セル間集電部材４ａ２とセル間集電部材４ａ４（発電部１７Ｂ）、セル間集電部材４ａ４と端部集電部材４ｂ２（発電部１７Ｃ）との間に配置された燃料電池セル３の電圧値を検知している。つまり、制御装置１５は、内部に各発電部１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃを構成する燃料電池セル３の電圧値を測定する検知部（図示せず）を備えている。さらに制御装置１５は、それぞれの接続部２（集電部材４）の電気的接続のオンオフを切り替える切替部（図示せず）および検知部からの電気信号に応じて、それぞれの切替部の切り替えを制御する制御部とを備えている。検知部としては、一般的に知られている電圧計等を用いることができる。
【００４４】
そして、それぞれの制御装置１５が、検知部により検知された電圧値に基づき、制御部は、検知された電圧値が所定の電圧値よりも低い場合に、セル間集電部材４ａの接続部２の間を電気的に接続する。ここで、接続部２は、セル間集電部材４ａおよび端部集電部材４ｂと同様に金属または合金により作製されているため、燃料電池セル３のような導電性セラミックスに比べ電気抵抗が低くなっている。そのため、接続部２間を電気的に接続することで電流を迂回させ、発電出力の低下した燃料電池セルに電流が流れ続けることを低減することができる。この時、電流の流れを迂回させるため接続部２が迂回させるための迂回回路となっている。ここで、接続部２は、セル間集電部材４ａおよび端部集電部材４ｂと同様に金属または合金により作製されているため、燃料電池セル３のような導電性セラミックスに比べ電気抵抗が低くなっている。そのため、接続部２間を電気的に接続することで、
【００４５】
制御装置１５は、上述したように、電圧値を検知する検知部と、電気的な接続を切り替えるためのスイッチ等により構成される切替部と、制御部とにより構成されており、制御部が検知部にて検知した信号に基づき、スイッチの切り替え制御を行なっている。切替部を制御装置１５とは別に設ける場合は、検知部より送られた信号に基づき切替部により切り替え制御を行なう。
【００４６】
このようなスイッチ等を含む制御装置１５は、熱に弱いことから後述する燃料電池モジュールの外部に設けることができる。接続部２はセル間集電部材４ａと同じく熱に強い部材により形成されているため燃料電池モジュール内部に配置してもよく、燃料電池モジュール外部にて銅線等の安価な部材により接続部２と制御装置１５とを電気的に接続してもよい。
【００４７】
図４は、図３に示す燃料電池セル３の各電圧値を示した図であり、図３、４を用いて、制御装置１５が電圧値を検知し、検知された電圧値に基づいて制御装置１５が電流を迂回させる制御について説明する。
【００４８】
図４において、一点鎖線にて各燃料電池セル３の電圧値を示し、実線にて端部集電部材４ｂ１とセル間集電部材４ａ２との間に配置された燃料電池セル３ａ、３ｂ（発電部１７Ａ）、セル間集電部材４ａ２とセル間集電部材４ａ４との間に配置された燃料電池セル３ｃ、３ｄ（発電部１７Ｂ）、セル間集電部材４ａ４と端部集電部材４ｂ２との間に配置された燃料電池セル３ｅ〜３ｆ（発電部１７Ｃ）の平均電圧値を示す。
【００４９】
図４で示す所定の電圧値は、正常に発電する燃料電池セル３の電圧値の８０％の電圧値としている。図４に示した例では発電部１７Ａおよび発電部１７Ｃは所定の電圧値よりも高いが、発電部１７Ｂは所定の電圧値よりも低くなっている。
【００５０】
このような場合に、検知部から発信された信号に基づき制御装置１５は、発電部１７Ｂを電流が流れないように電流を迂回させるようにスイッチを切り替える制御を行なう。具体的には、セルスタック１は、燃料電池セル３ａから燃料電池セル３ｆ（図３においては左から右）に向けて電流が流れており、検知部からの信号に基づきセル間集電部材４ａ２の接続部２とセル間集電部材４ａ４の接続部材２を電気的に接続するように電流の流れを切り替える制御を行なう。それにより、セルスタック１を流れる電流は、セル間集電部材４ａ２の接続部２から、セル間集電部材４ａ４の接続部２に流れ込むこととなり、発電部１７Ｂを迂回して流れることとなる。
【００５１】
そのため、発電部１７Ｂを構成する燃料電池セル３ｃ、３ｄの電圧値が低くなった場合においても、セルスタック１そのものを燃料電池装置から電気的に切り離す必要がなく、燃料電池装置の発電出力が急激に低下することを抑えることができる。
【００５２】
ここで、燃料電池セル３の電圧値が低くなる要因は、燃料電池セル３ｃまたは３ｄにクラック等が生じていたり、燃料電池セル３ｃ、３ｄとセル間集電部材４ａ２、４ａ３、４ａ４との接触不良により、燃料電池セル３とセル間集電部材４ａとの界面での接触抵抗の増大等が種々考えられるが、いずれにしても、電圧値の低い燃料電池セル３に電流が流れ続けると、さらに燃料電池セル３が劣化し続けることとなる。
【００５３】
セルスタック１は、電流を迂回させることで、電圧値が所定の電圧値よりも低い発電部１７Ｂに電流が流れなくなるため、発電部１７Ｂを構成する燃料電池セル３ｃ、３ｄがさらに劣化することを低減することができる。さらに、接触不良が生じた部位などの抵抗の増大した部位に電流が流れなくなることから、抵抗の増大した部位にジュール熱が発生することも低減できる。それにより、電圧値の低下した燃料電池セル３の周囲の燃料電池セル３が劣化することを低減することができ、長期信頼性の向上したセルスタック１とすることができる。
【００５４】
特に、セル間集電部材４ａや端部集電部材４ｂと燃料電池セル３とが接触不良を生じている場合に、接触不良を起こしている部位の電気的な抵抗が高くなり、ジュール熱の発生により、例えばセル間集電部材４ａや端部集電部材４ｂの材料である金属の酸化が加速する場合があるが、セルスタック１においては、電流を迂回して流すため、ジュール熱の発生を低減することができる。
【００５５】
また、図３においては、発電部１７Ｂをセルスタック１から電気的に切り離す制御を行なった例を示したが、例えば、発電部１７Ｂおよび発電部１７Ｃが所定の電圧値より低くなった場合は、発電部１７Ｂおよび発電部１７Ｃをセルスタック１から切り離す制御を行なう。具体的には発電部１７Ａを流れた電流は、セル間集電部材４ａ２の接続部２に流れた後、端部集電部材４ｂ２の接続部２に流れるように、制御部がスイッチを切り替える制御を行なう。
【００５６】
なお、発電部１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃのすべてが所定の電圧を下回った場合は、制御部が、すべての発電部１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃを迂回する制御を行なうため、セルスタック１自体は発電しないこととなる。そのため、制御装置１５に外部にセルスタック１が発電を行なっていない信号を伝える伝達手段を設けてもよい。伝達手段を設けることによって、外部にセルスタック１が発電を行なっていないことをすばやく伝達することができる。
【００５７】
図３においては、検知部と切替部と制御部とを内部に備える制御装置１５について示したが、それぞれ別途設けてもよい。
【００５８】
また、図３では、発電部１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃを構成する燃料電池セル３が２本ずつの例を示したが、発電部１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃを構成する燃料電池セル３の本数は、これに限定されず、セルスタック１の構成に従い適宜設定することができる。
【００５９】
本発明の他の実施形態であるセルスタック１８を図５、６を用いて説明する。同一の部材については同一の番号を付するものとする。
【００６０】
セルスタック１８は、端部集電部材４ｂ１、４ｂ２および全てのセル間集電部材４ａ１〜４ａ５が接続部２を有しており、それぞれの接続部２が各制御装置１５に接続されている。その他の構成はセルスタック１と同様である。
【００６１】
図６にはセルスタック１８を構成する各燃料電池セルの電圧値が示されており、所定の電圧値が示されている。図６においても所定の電圧値は、正常な燃料電池セル３の電圧値の８０％の電圧値とした。
【００６２】
図６で示すように、燃料電池セル３ｃ、３ｅが、所定の電圧値よりも低くなっている。燃料電池セル３が図６に示す電圧値となっている場合の制御を図５を用いて説明する。図５に示す二点鎖線は迂回させない通常時の電流の流れを示し、一点鎖線は電流を迂回させた場合の電流の流れを示す。
【００６３】
セルスタック１８の制御装置１５の制御について図５を用いて説明すると、セル間集電部材４ａ２の接続部２とセル間集電部材４ａ３の接続部２に接続された制御装置１５により検知された電圧値（燃料電池セル３ｃの電圧値）が、所定の電圧値よりも低くなっており、検知部（図示せず）から信号が制御部（図示せず）に送られる。それに伴い、制御部は検知部から送られた信号に基づき、切替部（スイッチ）を制御し、セル間集電部材４ａ２の接続部２とセル間集電部材４ａ３の接続部２とを電気的に接続するように切替部にて切り替えて迂回回路に電流を流している。同様に、セル間集電部材４ａ４の接続部２とセル間集電部材４ａ５の接続部２とを電気的に接続することで迂回回路に電流を流している。
【００６４】
それにより、セルスタック１８を流れる電流は、セル間集電部材４ａ２の接続部２から制御装置１５を介してセル間集電部材４ａ３の接続部２までの迂回回路を流れ、燃料電池セル３ｄを流れた後、セル間集電部材４ａ４の接続部２から制御装置１５を介してセル間集電部材４ａ５の接続部２までの迂回回路を流れることとなる。
【００６５】
そのため、セルスタック１８を構成する燃料電池セル３ごとに電気的な接続を切り離すことができ、燃料電池セル３の電圧値が低くなった場合においても、セルスタック１８の発電出力が急激に低下することを低減することができる。また、電圧値の低い燃料電池セル３ｃ、３ｅにさらに電流が流れることがないため燃料電池セル３ｃ、３ｅの劣化を低減することができる。
【００６６】
さらに、セルスタック１８は、所定の電圧値を発電することができない燃料電池セル３を一本ごとに切り離すことができる。それにより、劣化が生じた燃料電池セル３の電気的な抵抗が大きくなりジュール熱を発生させることを低減することができる。そのため、劣化が生じた燃料電池セル３の周囲に位置するセル間集電部材４ａや端部集電部材４ｂを形成する金属の酸化の加速を低減することや、劣化が生じた燃料電池セル３の周囲に位置する燃料電池セル３に熱応力が生じることを低減することができる。
【００６７】
また、セルスタック１８から燃料電池セル３ごとに電気的な接続を切り離すことができるから、セルスタック１８の発電出力の低下を低減することができ、燃料電池装置の長期信頼性を向上することができるとともに、頻繁にセルスタック１８を取り替えなくてよいので、メンテナンス性の向上した燃料電池装置とすることができる。
【００６８】
ここで、燃料電池装置の運転方法について説明する。燃料電池装置の運転は、家庭用で用いられる場合、一般的に負荷追従運転方式で行なわれる。
【００６９】
負荷追従運転方式とは、家庭内で要求される電力（負荷）に従って燃料電池装置が発電する運転方式であり、要求される電力に従って、燃料電池装置の発電出力を変動させる運転方式である。そのため、燃料電池装置は、家庭内で要求される電力の大小により、高負荷運転方式や低負荷運転方式により作動する。
【００７０】
ところで、家庭内で要求される電力は、一般的に日中（特には朝や夕方）に多く要求され、夜間は少なくなる。そのため、燃料電池装置の発電出力も日中に比べ夜間の発電出力が小さい低負荷運転方式となる。
【００７１】
図６において夜間等の低負荷運転時の各燃料電池セル３の電圧値を鎖線で示し、高負荷運転時の各燃料電池セル３の電圧値を実線で示す。燃料電池セル３ｃにおいては、高負荷運転時および低負荷運転時の電圧値に変わりはなかった。
【００７２】
図６に示すように低負荷運転時におけるセルスタック１８を構成する各燃料電池セル３ａ〜ｆが発電する電圧値の８０％の電圧値を二点鎖線にて第２の電圧値として示す。セルスタック１８は、高負荷運転時において、上述したように所定の電圧値（第１の電圧値）より低い電圧値を検出した場合に、セルスタック１８から燃料電池セル３ｃ、３ｅの電気的接続を切り離す制御を行なう。
【００７３】
しかしながら、家庭内で要求される電力が少なくなる夜間等では、燃料電池装置の発電出力も少なくなるため、低負荷運転方式により燃料電池装置が発電する。低負荷運転時において、セルスタック１８の発電出力も小さくなるため、セルスタック１８を構成する各燃料電池セル３の電圧値も小さくなることとなる。
【００７４】
所定の電圧値を正常な燃料電池セル３の電圧値の８０％の電圧値とした場合に、各燃料電池セル３の電圧値が小さくなると、それに伴い、所定の電圧値も小さくなることとなる。そのため、所定の電圧値は、高負荷運転時と低負荷運転時とで異なる値をとることとなり、高負荷運転時の正常な燃料電池セル３の電圧値の８０％の電圧値とする第１の電圧値と、第１の電圧値よりも低く、低負荷運転時の各燃料電池セル３の発電する電圧値の８０％の電圧値とする第２の電圧値とすることができる。
【００７５】
燃料電池装置の作動方式が高負荷運転方式から低負荷運転方法に変更されると、各燃料電池セル３の電圧値が下がることとなり、各燃料電池セルの電圧値も低下することになる。それに伴い、制御装置１５は、制御装置１５にて検知する電圧値が所定の電圧値として第２の電圧値よりも低い場合に、電圧値の低い燃料電池セル３を電気的に切り離し、第２の電圧値よりも高い場合に、電気的に接続するように制御する。
【００７６】
図６に示す例においては、制御装置１５は、第２の電圧値よりも低い電圧値を示す燃料電池セル３ｃを電気的な接続から切り離す制御を行なう。すでに切り離した状態であった場合は、切り離した状態を維持する制御を行なう。そして、制御装置１５は、第２の電圧値よりも高い電圧値を示す燃料電池セル３ｅをセルスタック１と電気的に接続するように制御する。第２の電圧値よりも電圧値が低い燃料電池セル３については、電気的な接続をしていない状態を維持するように制御する。
【００７７】
それにより、高負荷運転時における所定の電圧値（第１の電圧値）より低い電圧値の燃料電池セル３を、低負荷運転時においてはセルスタック１８に電気的に接続することができ、セルスタック１８を構成する各燃料電池セル３にかかる負荷を軽減することができる。そのため、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。
【００７８】
高負荷運転時における所定の電圧値（第１の電圧値）は、セルスタックの構成や燃料電池モジュールの構成に従い適宜設定することができるが、例えば、６５０〜７５０ｍＶとすることができる。また、低負荷運転時における所定の電圧値（第２の電圧値）は、例えば４５０〜６００ｍＶとすることができる。
【００７９】
図７を用いて本発明の燃料電池モジュールの一実施形態を説明する。
【００８０】
燃料電池モジュール２０は、直方体状の収納容器２１の内部に、本発明のセルスタック１を収納して構成されている。
【００８１】
また、燃料電池セル３にて使用する燃料ガス（第１の反応ガス）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１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、反応ガス供給管２３を介してガスタンク７に供給され、ガスタンク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。
【００８２】
図７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７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。
【００８３】
また、収納容器２１の内部には、燃料電池セル３に第２の反応ガス（酸素含有ガス）を供給するための酸素含有ガス導入部材２４が設けられており、図７に示す燃料電池モジュール２０においては、ガスタンク７に並置されたセルスタック１の間に配置されるとともに、酸素含有ガスが、燃料ガスの流れにあわせて、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。
【００８４】
また、セルスタック１においては、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、高温に維持することができ、セルスタック１の起動を早めることができるほか、発電効率を向上することができる。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を効率よく温めることができる。それにより、改質器２で効率よく改質反応を行うことができる。
【００８５】
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、セルスタック１の電圧値が急激に低下することを低減することができ、また長期信頼性を向上した燃料電池装置とすることができる。
【００８６】
図８は、外装ケース内に図７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。図８においては一部構成を省略して示している。
【００８７】
図８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。補機収納室３０に収納する補機は省略している。
【００８８】
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。
【００８９】
このような燃料電池装置２５においては、上述したように、発電出力を向上させることができ、耐久性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、長期信頼性の向上した燃料電池装置３５とすることができる。
【００９０】
なお、図示してはいないが、制御装置を補機収納室３０にしてもよい。それにより、制御装置が高温に曝されることがなく、制御装置の長寿命化を図ることができる。
【００９１】
以上、本発明の実施の形態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。
【００９２】
例えば、上述したセルスタック１においては、燃料電池セル３内のガス流路１２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１２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、内側電極層を酸素側電極層１０とし、外側電極層を燃料側電極層８とする構成の燃料電池セル３とすればよい。それに併せて、燃料電池モジュール３０および燃料電池装置３５の構成を適宜変更すればよい。
【００９３】
また、燃料電池モジュール内２５内に、１つのセルスタック１を収納してもよく、複数のセルスタックを収納してもよい。複数のセルスタックを収納することで、燃料電池モジュールの発電出力を向上させることができる。さらに、外装ケース内に１つの燃料電池モジュール２５を収納する例を示したが、複数の燃料電池モジュール２５を収納してもよい。
【符号の説明】
【００９４】
１、１８：セルスタック
２      ：接続部
３      ：燃料電池セル
４      ：集電部材
４ａ    ：セル間集電部材
４ｂ    ：端部集電部材
８      ：燃料極層
９      ：固体電解質層
１０    ：空気極層
１１    ：導電性支持体
１３    ：インターコネクタ
１５    ：制御装置
１７    ：発電部
２０    ：燃料電池モジュール
２５    ：燃料電池装置
【図１】
2012079514.tif 000003
【図２】
2012079514.tif 000004
【図３】
2012079514.tif 000005
【図４】
2012079514.tif 000006
【図５】
2012079514.tif 000007
【図６】
2012079514.tif 000008
【図７】
2012079514.tif 000009
【図８】
2012079514.tif 000010