(57)【要約】【課題】カートリッジあたりのセルスタックの充填本数が増えた場合でも、集電による電流アンバランスの発生を抑制できる燃料電池およびその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の燃料電池は、複数のセルスタック１０１を電気的に並列接続する集電部１０を有し、集電部１０が、複数のセルスタック１０１の端部が挿通される挿通部１４を備えた集電板１１と、セルスタック１０１の各々から集電可能な複数の集電電極群と、を備え、集電電極群が、集電対象のセルスタック１０１に接触可能な複数の集電電極で構成され、少なくとも一部の集電電極群が、可変部を含む可変集電電極１３を有し、可変部が、熱膨張率の異なる２種類以上の金属を接着させたバイメタルであり、高膨張側に対して、低膨張側がセルスタック１０１の端部側またはセルスタック１０１側の面とは反対側に配置されている。【選択図】図３
2016091782.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルを有する複数のセルスタック、および、複数の前記セルスタックを電気的に並列接続する集電部を有するカートリッジを備えた燃料電池であって、
前記集電部が、挿通部を有する集電板と、前記挿通部に挿通されたセルスタックに接触する集電電極群と、を備え
少なくとも一部の前記集電電極群が、可変部を含む可変集電電極を有し、
該可変部は、熱膨張率の異なる２種類以上の金属を接着させたバイメタルであり、低膨張側が、高膨張側よりも前記セルスタックの端部側にある、または高膨張側の前記セルスタック側の面とは反対側にあるよう配置されている燃料電池。
【請求項２】
前記可変集電電極の数は、
負荷上げ開始前の前記カートリッジ内で温度が相対的に低くなる位置に設置される任意のセルスタックに接触可能な集電電極群よりも、
負荷上げ開始前の前記カートリッジ内で温度が相対的に高くなる位置にある別のセルスタックに接触可能な集電電極群の方が多い請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記集電電極群が、長さの異なる可変集電電極を有している請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
１の可変集電電極が、複数の前記可変部を有している請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記セルスタックの長手軸が、前記挿通部の中心軸をずらして配置されている請求項１から請求項４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
燃料電池セルを有する複数のセルスタック、および、複数の前記セルスタックを電気的に並列接続する集電部を有するカートリッジを備えた燃料電池の製造方法であって、
挿通部を有する集電板に、前記挿通部に挿通されたセルスタックに接触する集電電極群を設けて前記集電部を形成する工程において、
少なくとも一部の前記集電電極群に含まれる集電電極を、可変部を含む可変集電電極とし、
該可変部を、熱膨張率の異なる２種類以上の金属を接着させたバイメタルとし、低膨張側が、高膨張側よりも前記セルスタックの端部側にある、または高膨張側の前記セルスタック側の面とは反対側にあるよう配置する燃料電池の製造方法。
【請求項７】
負荷上げ開始前の前記カートリッジ内で温度が相対的に低くなる位置に設置される任意のセルスタックに接触可能な集電電極群よりも、負荷上げ開始前の前記カートリッジ内で温度が相対的に高くなる位置にある別のセルスタックに接触可能な集電電極群に多く前記可変集電電極を設ける請求項６に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項８】
前記集電電極群中に、長さの異なる可変集電電極を設ける請求項６または請求項７に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項９】
１の可変集電電極に、複数の前記可変部を設ける請求項６から請求項８のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１０】
前記セルスタックの長手軸を、前記挿通部の中心軸をずらして配置する請求項６から請求項９のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
【請求項１１】
燃料電池セルを有する複数のセルスタック、および、複数の前記セルスタックを電気的に並列接続する集電部を有するカートリッジを備えた燃料電池の温度調整方法であって、
挿通部を有する集電板に、前記挿通部に挿通されたセルスタックに接触する集電電極群を設けて前記集電部を形成する際に、
少なくとも一部の前記集電電極群に含まれる集電電極を、可変部を含む可変集電電極とし、
該可変部を、熱膨張率の異なる２種類以上の金属を接着させたバイメタルとし、低膨張側が、高膨張側よりも前記セルスタックの端部側にある、または高膨張側の前記セルスタック側の面とは反対側にあるよう配置する燃料電池の温度調整方法。
【請求項１２】
負荷上げ開始前の前記カートリッジ内で温度が相対的に低くなる位置に設置される任意のセルスタックに接触可能な集電電極群よりも、負荷上げ開始前の前記カートリッジ内で温度が相対的に高くなる位置にある別のセルスタックに接触可能な集電電極群に多く前記可変集電電極を設ける請求項１１に記載の燃料電池の温度調整方法。
【請求項１３】
前記集電電極群中に、長さの異なる可変集電電極を設ける請求項１１または請求項１２に記載の燃料電池の温度調整方法。
【請求項１４】
１の可変集電電極に、複数の前記可変部を設ける請求項１１から請求項１３のいずれかに記載の燃料電池の温度調整方法。
【請求項１５】
前記セルスタックの長手軸を、前記挿通部の中心軸をずらして配置する請求項１１から請求項１４のいずれかに記載の燃料電池の温度調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池および燃料電池の製造方法、ならびに燃料電池の温度調整方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料極、電解質、空気極が順に配置されたセルを有しており、燃料極に燃料ガスを、空気極に酸化剤を供給することで電気化学反応によって発電させる装置である（特許文献１、２参照）。複数のセルがインターコネクタで接続されたものをセルスタックという。セルスタックは集電部材で電気的に並列接続され、カートリッジに充填されている。
【０００３】
燃料電池の一種である固体酸化物形燃料電池（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＳＯＦＣ）では、大型化および大容量化がすすめられており、それに伴って１つのカートリッジあたりに充填するセルスタックの本数が増加している。一般に、１つのカートリッジに充填するセルスタックの集電は並列接続（一括）で行うため、１つの集電板で集電するセルスタックの本数も増加する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２８０６７８号公報
【特許文献２】特開平１０−２４７５１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
セルが低温の状態で負荷を上げる（発電を開始する）と、セルを劣化させる可能性があるため、通常は負荷上げを開始する前にセルを予熱する。しかしながら、予熱方法やセルスタックの配置などによっては負荷上げ開始前のカートリッジ内に温度分布が生じる。１つのカートリッジに充填するセルスタックの数を多くすることは、負荷上げ開始前のカートリッジ内に生じる温度分布を拡大させる要因となりうる。
【０００６】
セルの内部抵抗は温度に依存するため、温度分布があると各セルで内部抵抗に差が生じる。セルスタックを並列接続した場合には、並列接続されているセル間の電圧が同じになるように各セルに電流が分配されるため、各セルでの電流アンバランスが発生する。例えば、温度が高いセルスタックほど内部抵抗が小さくなるため、電流が流れやすい。
【０００７】
電流のアンバランスが発生すると、電流の大きなセルスタック（温度の高いセル）では発熱量が増加し、それに伴い温度が上昇する。温度が上昇すると内部抵抗は低下するため、さらにセルに流れる電流が増加する。一方、温度が低く電流の小さなセルスタックでは、発熱による発熱量の増加が少ないため温度の上昇が小さい。そのため内部抵抗の低下が小さいためセルに流れる電流の増加も小さくなる。このように、カートリッジ内部の温度分布に起因して、電流のアンバランスが増大してしまう。そのため、今後カートリッジあたりのセルスタック数が増加すると、集電による電流アンバランスが生じやすくなる可能性がある。
【０００８】
各セルでの電流のアンバランスを解消するため、特許文献１の固体高分子電解質型燃料電池では、集電板に設けられた複数の端子からの出力を独立して制御して、各セルの面内電流分布をより均一化させている。特許文献２では、セルスタックの長軸方向の複数の位置に集電手段を分散させ、各集電手段に調整を加えて、各集電手段の電流を均一化させている。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、カートリッジあたりのセルスタックの充填本数が増えた場合でも、集電による電流アンバランスの発生を抑制できる燃料電池およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池および燃料電池の製造方法、ならびに燃料電池の温度調整方法は以下の手段を採用する。
本発明は、燃料電池セルを有する複数のセルスタック、および、複数の前記セルスタックを電気的に並列接続する集電部を有するカートリッジを備えた燃料電池であって、前記集電部が、挿通部を有する集電板と、前記挿通部に挿通されたセルスタックに接触する集電電極群と、を備え少なくとも一部の前記集電電極群が、可変部を含む可変集電電極を有し、該可変部が、熱膨張率の異なる２種類以上の金属を接着させたバイメタルであり、低膨張側が、高膨張側よりも前記セルスタックの端部側にある、または高膨張側の前記セルスタック側の面とは反対側にあるよう配置されている燃料電池を提供する。
【００１１】
また本発明は、燃料電池セルを有する複数のセルスタック、および、複数の前記セルスタックを電気的に並列接続する集電部を有するカートリッジを備えた燃料電池の製造方法であって、挿通部を有する集電板に、前記挿通部に挿通されたセルスタックに接触する集電電極群を設けて前記集電部を形成する工程において、少なくとも一部の前記集電電極群に含まれる集電電極を、可変部を含む可変集電電極とし、該可変部を、熱膨張率の異なる２種類以上の金属を接着させたバイメタルとし、高膨張側に対して、低膨張側が、高膨張側よりも前記セルスタックの端部側にある、または高膨張側の前記セルスタック側の面とは反対側にあるよう配置する燃料電池の製造方法を提供する。
【００１２】
また本発明は、燃料電池セルを有する複数のセルスタック、および、複数の前記セルスタックを電気的に並列接続する集電部を有するカートリッジを備えた燃料電池の温度調整方法であって、挿通部を有する集電板に、前記挿通部に挿通されたセルスタックに接触する集電電極群を設けて前記集電部を形成する際に、少なくとも一部の前記集電電極群に含まれる集電電極を、可変部を含む可変集電電極とし、該可変部を、熱膨張率の異なる２種類以上の金属を接着させたバイメタルとし、低膨張側が、高膨張側よりも前記セルスタックの端部側にある、または高膨張側の前記セルスタック側の面とは反対側にあるよう配置する燃料電池の温度調整方法を提供する。
【００１３】
上記発明において、可変部は温度に応じてわん曲する特性を有している。低膨張側を前記セルスタックの端部側または前記セルスタック側の面とは反対側となるよう配置することで、可変集電電極が温度変化に応じてセルスタックに接触したり、セルスタックから離れたりする。このような可変集電電極を有する集電電極群では、温度が高くなるとセルスタックに接触する集電電極の面積が小さくなる。接触する面積が小さいと、集電電極群の電気抵抗は高くなり、該集電電極群の集電対象であるセルスタックに流れる電流が抑制される。それにより、温度が高くなる位置に配置されたセルスタックへの電力集中を低減できるため、カートリッジ内の温度を調整し、温度分布が拡大するのを抑制できる。
【００１４】
上記発明の一態様において、前記可変集電電極の数は、負荷上げ開始前の前記カートリッジ内で温度が相対的に低くなる位置に設置される任意のセルスタックに接触可能な集電電極群よりも、負荷上げ開始前の前記カートリッジ内で温度が相対的に高くなる位置にある別のセルスタックに接触可能な集電電極群の方が多くする。
【００１５】
負荷上げ開始前のカートリッジ内の温度分布に応じて集電電極群に含まれる可変集電電極の数を変えるとよい。温度が相対的に高くなる位置の集電電極群は、他の集電電極群よりも多くの可変集電電極を有するようにする。温度が相対的に高くなる位置の集電電極群でセルスタックに流れる電流量を抑制し、温度が相対的に低くなる位置で抑制しないことで、並列接続された複数のセルスタックの範囲内で電流アンバランスが生じるのを防止できる。
【００１６】
上記発明の一態様において、前記集電電極群が、長さの異なる可変集電電極を有していてもよい。
【００１７】
可変集電電極の長さを変えることで、可変集電電極の同じ温度におけるセルスタックからの離れやすさを調整できる。可変集電電極の長さを長くすると、可変集電電極はセルスタックから離れにくくなる。一方、可変集電電極の長さを短くすると、可変集電電極はセルスタックから離れやすくなる。長さの異なる可変集電電極を有した集電電極群では、低い温度でセルスタックから離れる可変集電電極、高い温度でセルスタックから離れる可変集電電極、高い温度でもセルスタックに接触している可変集電電極を設けることができるため、集電電極群の電気抵抗を調整しやすい。
【００１８】
上記発明の一態様において、１の可変集電電極が、複数の前記可変部を有していてもよい。
【００１９】
可変部の数を変えることで、可変集電電極の同じ温度におけるセルスタックからの離れやすさを調整できる。
【００２０】
上記発明の一態様において、前記セルスタックの長手軸が、前記挿通部の中心軸をずらして配置されていてもよい。
【００２１】
セルスタックの長手軸と、挿通部の中心軸とをずらすことで、セルスタックとそれに接触する集電電極との距離が周方向で変化する。集電電極群に含まれる可変集電電極の長さが同じである場合には、セルスタックが挿通部の内縁に近づく側にある可変集電電極は、同じ温度であれば、遠くなる側にある可変集電電極よりもセルスタックから離れにくい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明は、カートリッジ内の温度分布に応じて各集電電極群の電気抵抗が自動で変化するため、カートリッジあたりのセルスタックの充填本数が増えた場合でも、集電による電流アンバランスの発生を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る燃料電池セルスタックの一態様を示す図である。
【図２】本発明に係るＳＯＦＣモジュールの一態様を示す図である。
【図３】実施形態に係る集電部を説明する概略図ある。
【図４】実施例１の集電部を示す図である。
【図５】実施例２の集電部を示す図である。
【図６】実施例３の集電部を示す図である。
【図７】実施例４の集電部を示す図である。
【図８】実施例５の集電部を示す図である。
【図９】実施例６の集電部を示す図である。
【図１０】実施例７の集電部を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、本発明に係る燃料電池およびその製造方法、ならびに燃料電池の温度調整方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。本発明は、負荷上げ開始時にカートリッジ内で温度分布がある燃料電池に適用される。
【００２５】
以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて各構成要素の位置関係を特定するが、鉛直方向に対して必ずしもこの限りである必要はない。例えば、紙面における上方向が鉛直方向における下方向に対応してもよい。また、紙面における上下方向が鉛直方向に直行する水平方向に対応してもよい。
【００２６】
以下においては、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）のセルスタックとして円筒形を例として説明するが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。
【００２７】
本発明は以降で説明する実施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適宜変更することができる。
【００２８】
酸化剤ガスとは、酸素を略１５％〜３０％含むガスである。酸化剤ガスとしては、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃料排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用されてもよい。
【００２９】
まず、図１を参照して本実施形態に係る燃料電池セルスタック（以降、セルスタック）について説明する。セルスタック１０１は、円筒形状の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に複数形成された燃料電池セル１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されたインターコネクタ１０７とを有する。燃料電池セル１０５は、燃料極１０９と固体電解質１１１と空気極１１３とが積層して形成されている。また、セルスタック１０１は、基体管１０３の外周面に形成された複数の燃料電池セル１０５の内、基体管１０３の軸方向において最も端に形成された燃料電池セル１０５の空気極１１３に、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されたリード膜１１５を有する。
【００３０】
基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、又はＹ２Ｏ３安定化ＺｒＯ２（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ２Ｏ４とされる。この基体管１０３は、燃料電池セル１０５とインターコネクタ１０７とリード膜１１５とを支持すると共に、基体管１０３の内周面に供給される燃料ガスを基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される燃料極１０９に拡散させるものである。
【００３１】
燃料極１０９は、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺが用いられる。この場合、燃料極１０９は、燃料極１０９の成分であるＮｉが燃料ガスに対して触媒作用を有する。この触媒作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン（ＣＨ４）と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質するものである。また、燃料極１０９は、改質により得られる水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質１１１を介して供給される酸素イオン（Ｏ２−）とを固体電解質１１１との界面付近において電気化学的に反応させて水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）を生成するものである。なお、燃料電池セル１０５は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。
【００３２】
固体電解質１１１は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを有するＹＳＺが主として用いられる。この固体電解質１１１は、空気極で生成される酸素イオン（Ｏ２−）を燃料極に移動させるものである。
【００３３】
空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ３系酸化物、又はＬａＣｏＯ３系酸化物で構成される。この空気極１１３は、固体電解質１１１との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ２−）を生成するものである。
【００３４】
インターコネクタ１０７は、ＳｒＴｉＯ３系などのＭ１−ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成され、燃料ガスと酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっている。また、インターコネクタ１０７は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した電気導電性を有する。このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５において、一方の燃料電池セル１０５の空気極１１３と他方の燃料電池セル１０５の燃料極１０９とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル１０５同士を直列に接続するものである。リード膜１１５は、電子伝導性を有すること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材で構成されている。このリード膜１１５は、インターコネクタにより直列に接続される複数の燃料電池セル１０５で発電された直流電力をセルスタック１０１の端部付近まで導出すものである。
【００３５】
次に、図２を参照して本実施形態に係るＳＯＦＣモジュール及びＳＯＦＣカートリッジについて説明する。ここで、図２は、本実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの一態様を示すものである。
【００３６】
ＳＯＦＣモジュール２０１は、図２に示すように、例えば、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３と、これら複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３を収納する圧力容器２０５とを有する。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料ガス供給管２０７と複数の燃料ガス供給枝管２０７ａとを有する。またＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料ガス排出管２０９と複数の燃料ガス排出枝管２０９ａとを有する。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス供給管（不図示）と酸化性ガス供給枝管（不図示）とを有する。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス排出管（不図示）と複数の酸化性ガス排出枝管（不図示）とを有する。
【００３７】
燃料ガス供給管２０７は、図示しない圧力容器２０５の外部に設けられＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の燃料ガスを供給する燃料ガス供給部に接続されると共に、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに接続されている。この燃料ガス供給管２０７は、上述の燃料ガス供給部から供給される所定流量の燃料ガスを、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに分岐して導くものである。また、燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７に接続されると共に、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されている。この燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７から供給される燃料ガスを複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に略均等の流量で導き、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電性能を略均一化させるものである。
【００３８】
燃料ガス排出枝管２０９ａは、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されると共に、燃料ガス排出管２０９に接続されている。この燃料ガス排出枝管２０９ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３から排出される排燃料ガスを燃料ガス排出管２０９に導くものである。また、燃料ガス排出管２０９は、複数の燃料ガス排出枝管２０９ａに接続されると共に、一部が圧力容器２０５の外部に配置されている。この燃料ガス排出管２０９は、燃料ガス排出枝管２０９ａから略均等の流量で導出される排燃料ガスを圧力容器２０５の外部に導くものである。
【００３９】
圧力容器２０５は、内部の圧力が０．１ＭＰａ〜約３ＭＰａ、内部の温度が大気温度〜約３００℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保有する材質が利用される。
【００４０】
ここで、本実施形態においては、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されて圧力容器２０５に収納される態様について説明しているが、これに限られず例えば、ＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されずに圧力容器２０５内に収納される態様とすることもできる。
【００４１】
ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、複数のセルスタック１０１と、発電室と、燃料ガス供給室２１７と、燃料ガス排出室２１９と、酸化性ガス供給室２２１と、酸化性ガス排出室２２３と、集電部とを有する。本実施形態においては、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れる構造となっている。しかしながら、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタックの内側と外側とを平行して流れる、または酸化性ガスがセルスタックの長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。
【００４２】
発電室は、セルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置され、燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。発電室のセルスタック１０１長手方向の中央部付近での温度は、燃料電池モジュール２０１の定常運転時に、およそ７００℃〜１１００℃の高温雰囲気となる。
【００４３】
燃料ガス供給室２１７は、図示しない燃料ガス供給孔によって、燃料ガス供給枝管２０７ａと連通されている。燃料ガス供給室２１７には、セルスタック１０１の一方の端部が、セルスタック１０１の基体管１０３の内部が燃料ガス排出室２１９に対して開放して配置されている。この燃料ガス供給室２１７は、燃料ガス供給枝管２０７ａから図示しない燃料ガス供給孔を介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック１０１の発電性能を略均一化させるものである。
【００４４】
燃料ガス排出室２１９は、図示しない燃料ガス排出孔によって、燃料ガス排出枝管２０９ａと連通されている。燃料ガス排出室２１９には、セルスタック１０１の他方の端部が、セルスタック１０１の基体管１０３の内部が燃料ガス排出室２１９に対して開放して配置されている。この燃料ガス排出室２１９は、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部を通過して燃料ガス排出室２１９に供給される排燃料ガスを集約して、図示しない燃料ガス排出孔を介して燃料ガス排出枝管２０９ａに導くものである。
【００４５】
ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の酸化性ガスを酸化性ガス供給枝管へと分岐して、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３へ供給する。酸化性ガス供給室２２１は、図示しない酸化性ガス供給孔によって、酸化性ガス供給枝管と連通されている。この酸化性ガス供給室２２１は、図示しない酸化性ガス供給枝管から酸化性ガス供給孔を介して供給される所定流量の酸化性ガスを、発電室に導くものである。
【００４６】
酸化性ガス排出室２２３は、図示しない酸化性ガス排出孔によって、図示しない酸化性ガス排出枝管と連通されている。この酸化性ガス排出室２２３は、発電室から、酸化性ガス排出室２２３に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔を介して図示しない酸化性ガス排出枝管に導くものである。
【００４７】
ＳＯＦＣカートリッジ２０３において、複数のセルスタック１０１は、上下方向を長手方向として、互いに略平行に並べられている。複数のセルスタックは、支持部材によってそれぞれ気密に支持されている。支持部材は、燃料電池セルスタックを挟んで上と、下とにそれぞれ配置されている。上部にある支持部材は、燃料ガス供給室２１７と酸化性ガス排出室２２３とを隔離するものである。下部にある支持部材は、燃料ガス排出室２１９と酸化性ガス供給室２２１とを隔離するものである。支持部材は、インコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成る。
【００４８】
本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、排酸化性ガスは、基体管１０３の内部を通って発電室に供給される燃料ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部の支持部材等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて酸化性ガス排出室２２３に供給される。また、燃料ガスは、発電室から排出される排酸化性ガスとの熱交換により昇温され、発電室に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスを発電室に供給することができる。
【００４９】
集電部は、セルスタック１０１の上端側および下端側にそれぞれ配置され、複数のセルスタック１０１を電気的に並列接続する。図３に、集電部を説明する概略図を示す。集電部１０は、集電板１１と、該集電板１１と導通する複数の集電電極とを備えている。
【００５０】
集電板１１は、導電性を有する金属製の薄い板などである。集電板１１は、セルスタック１０１の端部が挿通される挿通部１４を備えている。挿通部１４は、集電板１１にあけられた孔などである。挿通部１４はセルスタック１０１の数に対応した数だけ設けられている。セルスタック１０１の上端部および下端部は、対応する挿通部１４に挿通されている。また、集電板１１には、集電された電流が集約される電線ケーブルが接続されている（不図示）。
【００５１】
集電電極は、集電板と導通し、且つ、挿通部に挿通された集電対象のセルスタックに接触して集電できる。１つのセルスタックに接触可能な集電電極は複数あり、本明細書では同じセルスタックに接触可能な複数の集電電極を集電電極群と呼ぶ。集電電極群は、セルスタックの数に対応した数だけ存在する。集電電極群の各集電電極は、セルスタックの周方向に並べて配置されている。各集電電極は挿通部１４の縁から挿通部１４の内側に向いて延びている。集電電極群のすべての集電電極は、常温でセルスタックに接している。挿通部１４の縁から集電電極の先端（自由端）までの距離を集電電極の長さとする。集電電極の長さは、適宜設定される。
【００５２】
集電電極には固定集電電極１２および可変集電電極１３の２種類がある。固定集電電極１２は従来から用いられている集電電極を用いることができる。固定集電電極は、温度変化によらず常にセルスタックに接触している集電電極である。固定集電電極は、集電板と同じ素材からなっても、異なる素材からなってもよい。固定集電電極が集電板と同じ素材からなる場合、集電板と一体ものとして切り出せばよい。固体集電電極が集電板と異なる素材である場合、溶接合、圧接、ろう接などによって接合され得る。
【００５３】
可変集電電極１３は、温度上昇に伴ってセルスタックから離れることのできる集電電極である。可変集電電極１３は、可変部１５を有している。可変部１５は、可変集電電極１３の全部であっても、一部であってもよい。可変部１５は、導電性を有している。可変部は、熱膨張率の異なる２種類以上の金属を接着させたバイメタルであり、熱膨張率の低い低膨張側１６および熱膨張率の高い高膨張側１７を有する。可変部１５は、温度が高くなるとわん曲する性質を有する。バイメタルは、例えば、鉄とニッケルの合金に、マンガン、クロム、銅などを添加して２種類の熱膨張率の異なる金属板を作り、冷間圧延で貼り合せたものである。低膨張側１６の合金としては、インバー（Ｆｅ−Ｎｉ３６％）等を使用できる。
【００５４】
可変部１５は温度が高くなった場合に可変集電電極１３がセルスタック１０１から離れるよう配置される。可変部１５が集電板１１と同一平面内を向く場合、低膨張側（熱膨張率が相対的に低い層）１６は、高膨張側（熱膨張率が相対的に高い層）１７よりもセルスタック１０１の端部側（図３の紙面上側）に配置される。可変部１５が集電板１１と交わる方向に向く場合、低膨張側１６は、高膨張側１７のセルスタック側の面とは反対側に配置される。
【００５５】
複数の集電電極群のうち、少なくも一部の集電電極群は可変集電電極１３を含む。１つの集電電極群に含まれる可変集電電極１３の数は、集電電極群間で異なる。集電電極群における可変集電電極１３の数は、負荷上げ開始前のカートリッジ内の温度分布に応じて設定されるとよい。可変集電電極１３はセルスタックの周方向に分散配置されているとよい。負荷上げ開始前のカートリッジ内の温度分布は、事前に情報を取得してセルスタック１０１の配置と相関させておくとよい。「負荷上げ開始前」とは、カートリッジ内に温度分布が生じている所定のタイミングであり、負荷上げ開始の直前であることが好ましい。
【００５６】
負荷上げ開始前のカートリッジ内で、温度が相対的に低くなる位置に設置される任意のセルスタックＬと、温度が相対的に高くなる位置にある別のセルスタックＨとがあった場合、セルスタックＨに接触可能な集電電極群Ｈの方が、セルスタックＬに接触可能な集電電極群Ｌよりも多く可変集電電極を有する。
【００５７】
可変集電電極１３は、セルスタック１０１が並列接続される範囲において、負荷上げ開始前の所定のタイミングでの任意の集電電極群の電気抵抗値（Ｒｃ）と任意の集電電極群が接触する任意のセルスタックの電気抵抗値（Ｒｓ）との合計電気抵抗値（Ｒｃ＋Ｒｓ）が、別の集電電極群の電気抵抗値（Ｒｃ’）と別の集電電極群が接触する別のセルスタックの電気抵抗値（Ｒｓ’）との合計電気抵抗値（Ｒｃ’＋Ｒｓ’）が、揃うように設けられるとよい。集電電極群の電気抵抗値（Ｒｃ）は、セルスタックに接触している複数の集電電極の電気抵抗値を合計した値である。「揃える」は、同じ値にできることが好ましいが、厳密に同じでなくてもよく、所定のずれを許容する。
【００５８】
発電室で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル１０５に設けたＮｉ／ＹＳＺ等からなるリード膜１１５によりセルスタック１０１の端部付近まで導出した後に、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の電線ケーブルに集電部を介して集電して、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部へと取り出される。前記電線ケーブルによってＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部に導出された電力は、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電電力を所定の直列数および並列数へと相互に接続され、ＳＯＦＣモジュール２０１の外部へと導出されて、図示しないインバータなどにより所定の交流電力へと変換されて、電力負荷へと供給される。
【００５９】
上記実施形態によれば、可変部１５は、温度が高くなるとセルスタック１０１から離れる方向に形状が変化する。カートリッジ内で相対的に温度が高くなる位置に設置されるセルスタックＨから集電する集電電極群Ｈでは、温度上昇に伴って可変集電電極がセルスタックから離れ、集電電極群のセルスタックとの接触面積が減少する。接触面積が小さくなると集電電極群Ｈの電気抵抗が大きくなり、セルスタックＨを流れる電流量の増加を抑えられる。流れる電流量の増加を抑えることで、電流集中に起因したセルスタックＨの温度上昇も抑制できる。カートリッジ内で相対的に温度が低い位置に設置されるセルスタックＬから集電する集電電極群Ｌでは、可変集電電極がない、または少ないため、セルスタックＬを流れる電流量を確保できる。流れる電流量を確保することで、電流量減少によるセルスタックＬの温度低下を防止できる。
【００６０】
上記実施形態によれば、可変部１５を設けることでカートリッジ内の温度を調整できる。カートリッジ内の温度分布が変化しようとした際にも、自動でセルスタック間の電気抵抗の均一化が図れる。それにより、各セルスタック間での電流アンバランスの発生を低減させ、負荷上げ時に生じる各セルスタック間の温度差の広がりを抑制できる。
【００６１】
次に、図を参照して集電部の具体的な態様（実施例）を説明する。各実施例の集電部はセルスタックの上端側および下端側にそれぞれ設けられ、複数のセルスタック１０１を電気的に並列接続しているものとする。
【００６２】
すべての実施例において、予熱などの影響により、負荷上げ開始前のカートリッジ内では温度分布がある。カートリッジ内に複数のセルスタックを横並びに配置すると、列の両端の位置で相対的に温度が低くなり、内側にずれるほど相対的に温度が高くなる。実施例では、負荷上げ開始前のカートリッジ内で温度が相対的に高くなる位置に設置されたセルスタックと該セルスタックから集電する集電電極群をそれぞれセルスタックＨ、集電電極群Ｈと呼ぶ。また、負荷上げ開始前のカートリッジ内で温度が相対的に低くなる位置に設置されたセルスタックと該セルスタックから集電する集電電極群をそれぞれセルスタックＬ、集電電極群Ｌと呼ぶ。
【００６３】
〔実施例１〕
図４に実施例１の集電部を示す。図４（ａ）はセルスタックＬとそれに接続される集電部を上面から見た図である。図４（ｂ）はセルスタックＨとそれに接続される集電部を上面から見た図である。集電部は、金属製の集電板１１、および該集電板１１と各セルスタック１０１とをそれぞれ電気的に接続する複数の集電電極からなる集電電極群（Ｌ，Ｈ）を備えている。集電板１１は挿通部１４を有し、挿通部と略同軸になるようセルスタック１０１の端部が挿通されている。
【００６４】
図４（ａ）において集電電極群Ｌは、複数（８つ）の固定集電電極１２から構成されている。固定集電電極は、集電板と同じ素材からなり、挿通部１４の内縁からセルスタックに向けて突出するよう一体ものとして切り出されている。８つの固定集電電極１２は、セルスタックの周方向にそって、互いに間隔をあけて並んでいる。固定集電電極１２の長さはすべて略同じである。ここで長さとは、固定集電電極１２を直線状にしたときの挿通部１４の内縁から固定集電電極の自由端（突出部の先端）までの距離である。固定集電電極は、温度変化によらず常にセルスタックに接触している集電電極である。
【００６５】
図４（ｂ）において集電電極群Ｈは、５つの固定集電電極１２と、３つの可変集電電極１３とから構成されている。計８つの集電電極（５つの固定集電電極１２および３つの可変集電電極１３）はセルスタックの周方向にそって、互いに間隔をあけて並んでいる。３つの可変集電電極１３は、セルスタックの周方向で分散するよう固定集電電極１２と固定集電電極１２との間に配置されている。計８つの集電電極の長さは略同じである。固定集電電極１２は、図４（ａ）と同様に、温度変化によらず常にセルスタックに接触している。図４（ｂ）において、可変集電電極１３の全体が可変部１５である。可変集電電極１３は、バイメタルであり、低膨張側１６が上面（挿通部１４に挿通されたセルスタック１０１の端部側）に配置されている。可変集電電極１３は、挿通部１４の内縁からセルスタックに向けて突出するよう設けられており、集電板１１と導通している。本実施例では、可変部１５の低膨張側１６が集電板１１と一体もので切り出されており、低膨張側１６の裏面（燃料電池セル側）に高膨張側１７が貼付けられている。集電電極群Ｈに含まれる可変集電電極の数は集電電極群Ｌよりも多い。
【００６６】
図４に示す集電部は、常温において、すべての集電電極（固定集電電極１２および可変集電電極１３）が挿通部１４に挿通されたセルスタック１０１に接触している。集電電極は、端部をセルスタックの端部側に向けて折り曲げられている。
【００６７】
本実施例では、温度が高くなると可変部１５がわん曲し、可変集電電極１３がセルスタックから離れる（または接触面積が小さくなる）。接触している集電電極の本数（接触面積）が少なくなると、集電電極群の電気抵抗は大きくなる。温度が相対的に高くなる位置にある集電電極群Ｈでは、カートリッジ内の温度上昇に起因して電気抵抗が小さくなる力が働くが、集電電極の接触面積が小さくなることで電気抵抗が大きくなる力も働くため、セルスタックＨに流れる電流量が増加するのを抑えられる。一方、固定集電電極１２は、温度が上昇してもセルスタックに接触したまま離れない。よって、固定集電電極１２のみで構成された集電電極群Ｌでは、温度上昇に起因した電気抵抗の変化しか起きない。
【００６８】
本実施例では、カートリッジ内の温度分布に応じて集電電極群ごとに可変集電電極１３の数を変えることで、温度変化に伴い自動的に集電電極群の電気抵抗を調整できる。集電電極群の電気抵抗を調整すると、温度が相対的に高くなる位置にあるセルスタックに電流が集中することを抑制できるため、電力集中によりセルスタックの温度が過度に上昇することを防げる。すなわち、可変集電電極１３を設けることで、カートリッジ内の温度を調整し、カートリッジ内での温度格差が広がるのを抑制できる。
【００６９】
なお、本実施例ではセルスタック１０１の上端側および下端側に接続されている集電電極の数は同じであるが、上端側と下端側とで可変集電電極の本数が異なっていてもよい。上端側の方が熱の影響を受けやすいため、上端側の可変集電極の本数を多くするとよい。
【００７０】
〔実施例２〕
本実施例は、集電電極群Ｈに含まれる可変集電電極が異なる以外、実施例１と同様の構成である。図５に実施例２の集電部を示す。図５において、符号１３は実線と破線で表されており、実線は常温時の可変集電電極、破線は高温時の可変集電電極である。本実施例の集電電極群は、長さの異なる可変集電電極１３ａ，１３ｂを有している。ここで可変集電電極の長さとは、可変集電電極１３ａ，１３ｂを直線状にしたときの挿通部１４の内縁から可変集電電極の自由端（突出した部分の先端）の距離である。可変集電電極１３ａ，１３ｂは、全体が可変部１５ａ，１５ｂである。可変部１５ａ，１５ｂは、実施例１と同様の配置で挿通部の内縁に結合されている。
【００７１】
セルスタック１０１までの距離および可変部の変形量が同じであれば、可変集電電極１３の長さを長くすると、長い分だけセルスタック１０１から離れにくくなる。そのため可変集電電極１３の長さを変えることで、低い温度でセルスタックから離れる可変集電電極、負荷上げ開始時の温度でセルスタックから離れる可変集電電極、負荷上げ１００％の時点の温度でセルスタックから離れる可変集電電極、高温になってもセルスタックと接触している可変集電電極などを設けることができる。高温になってもセルスタックと接触している可変集電電極は、実質的には固定集電電極として機能する。
【００７２】
本実施例によれば、挙動の異なる可変集電電極を設けられるため、集電電極群の電気抵抗を微調整できる。
【００７３】
〔実施例３〕
本実施例は、集電電極群に含まれる可変集電電極が異なる以外、実施例１と同様の構成である。図６に、本実施例の集電部の一部を示す。本実施例において、可変部１５は可変集電電極２３の一部である。図６では、可変集電電極２３はセルスタックの長手軸方向に沿って配置されている。可変部１５は、可変集電電極２３の中ほどにセルスタック１０１の長手軸方向に沿って設けられている。可変部１５はバイメタルであり、高膨張側１７がセルスタック１０１に近い側に配置され、低膨張側１６がセルスタック１０１から遠い側に配置されている。可変集電電極の可変部以外の部分２８は、集電板１１と同じ素材などからなり、バイメタルのように温度変化に応じてわん曲することはない。
【００７４】
本実施例の可変集電電極２３において、可変部１５は温度が上がると端部がセルスタックから離れる方向に向かって変形する。可変集電電極２３の一端は特に固定されていない自由端であるため、可変部１５の変形量に応じて、該自由端がセルスタック１０１から離れる方向へと動く。
【００７５】
本実施例によれば、可変部をセルスタックの長軸方向に沿って配置することで、高密度充填（セルスタック間が近い）場合でも可変部を確保しやすい。    
【００７６】
〔実施例４〕
本実施例は、集電電極群に含まれる可変集電電極が異なる以外、実施例１と同様の構成である。図７に、本実施例の集電部の一部を示す。本実施例において、可変部１５は可変集電電極３３の一部である。図７では、可変集電電極３３はＬ型に折り曲げられている。可変部１５は、可変集電電極３３が集電板１１と同一平面に配置されている部分に設けられている。可変部１５は、集電板の挿通部の内縁に直接結合されている。可変部１５はバイメタルであり、高膨張側１７が紙面下側に配置され、低膨張側がセルスタックの端部側（紙面上側）１６に配置されている。可変集電電極の可変部以外の部分３８は、集電板と同じ素材などからなり、バイメタルのように温度変化に応じてわん曲することはない。
【００７７】
本実施例の可変集電電極３３の可変部１５は、温度が上がるとわん曲し、可変部１５の両端が上側に向かって変形しようとする。可変部１５の変形量により、該自由端がセルスタックから離れる方向へと動く。
【００７８】
本実施例によれば、可変部を集電板と同一平面に向けて配置するため、加工性がよい。
【００７９】
〔実施例５〕
本実施例の可変集電電極は、実施例３と実施例４とを組み合わせたものである。図８に、本実施例の集電部の一部を示す。本実施例において、可変部１５は可変集電電極４３の一部である。可変部１５は、可変集電電極４３がセルスタックの長手軸方向に沿って配置されている部分の中ほどと、可変集電電極４３が集電板１１と同一平面に配置されている部分に設けられている。可変集電電極の可変部以外の部分４８は、集電板と同じ素材などからなり、バイメタルのように温度変化に応じてわん曲することはない。
【００８０】
本実施例によれば、可変部１５を２か所に分けて設けることで、より少ない変形量で可変集電電極を離れやすくできる。
【００８１】
〔実施例６〕
本実施例の可変集電電極は、実施例５の可変集電電極を変形させたものである。図９に、本実施例の集電部の一部を示す。本実施例において、可変集電電極５３はシグザグ形状（Ｚ型）に折り曲げられている。可変集電電極５３は、平行に並ぶ２つの辺がセルスタック１０１の長手軸方向に沿うように配置されている。可変部１５は可変集電電極５３の一部である。可変部１５は、Ｚ型に折り曲げられた後の平行に並ぶ２つの辺の中ほどにそれぞれ設けられている。可変集電電極の可変部以外の部分５８は、集電板と同じ素材などからなり、バイメタルのように温度変化に応じてわん曲することはない。
【００８２】
本実施例によれば、可変集電電極をジグザグ形状にすることで、より少ない変形量で可変集電電極を離れやすくできる。
【００８３】
なお、実施例５および実施例６において可変部は２か所としたが、可変集電電極が温度が高くなるのに応じてセルスタックから離れるのであれば、可変部の数はこれに限定されず複数設けられてもよい。
【００８４】
〔実施例７〕
本実施例は、セルスタックの配置が異なる以外、実施例１と同様の構成である。図１０に本実施例の集電部を示す。図１０はセルスタックＨとそれに接続される集電部を上面から見た図である。集電部は、金属製の集電板１１、および該集電板１１と各セルスタック１０１とをそれぞれ電気的に接続する複数の集電電極からなる集電電極群Ｈを備えている。集電電極群Ｈは、長さの略等しい８つの可変集電電極６３で構成されている。集電板１１は挿通部１４を有し、セルスタック１０１の長手軸が挿通部１４の中心軸からずれるようセルスタック１０１の端部が挿通されている。可変集電電極６３は、全体が可変部１５である。可変部１５はバイメタルであり、低膨張側１６が上面（挿通部に挿通されたセルスタックの端部側）に配置されている。可変部１５は、挿通部１４の内縁に結合され、集電板と導通している。可変集電電極６３を曲げる位置を変化させるなどにより、セルスタック１０１を偏心させることができる。セルスタック１０１が近づく側ａに結合された可変集電電極６３は、集電板１１に近い位置で折り曲げる。セルスタック１０１が遠くなる側ｂに結合された可変集電電極６３は、近づく側ａに結合された可変集電電極６３よりも集電板１１から遠い位置で折り曲げる。
【００８５】
本実施例によれば、可変集電電極６３の長さがセルスタック１０１の周方向で同じである場合、セルスタック１０１と挿通部１４と偏心させることで、場所によって集電電極のセルスタック１０１への接触のしやすさが変わる。セルスタック１０１が近づく側ａに結合された可変集電電極６３は、長さを長くした時と同様にセルスタックから離れにくくなる。一方、セルスタックが遠くなる側ｂに結合された可変集電電極６３は、長さを短くした時と同様にセルスタックから離れやすくなる。
【００８６】
上記実施例１から実施例７は、組み合わせて実施されてもよい。
【符号の説明】
【００８７】
１０  集電部
１１  集電板
１２  固定集電電極
１３，１３ａ，１３ｂ，２３，３３，４３，５３，６３  可変集電電極
１４  挿通部
１５，１５ａ，１５ｂ  可変部
１６  低膨張側
１７  高膨張側
２８，３８，４８，５８  可変集電電極の可変部以外の部分
１０１  セルスタック
１０３  基体管
１０５  燃料電池セル
１０７  インターコネクタ
１０９  燃料極
１１１  固体電解質
１１３  空気極
１１５  リード膜
２０１  燃料電池モジュール（ＳＯＦＣモジュール）
２０３  ＳＯＦＣカートリッジ
２０５  圧力容器
２０７  燃料ガス供給管
２０７ａ  燃料ガス供給枝管
２０９  燃料ガス排出管
２０９ａ  燃料ガス排出枝管
２１７  燃料ガス供給室
２１９  燃料ガス排出室
２２１  酸化性ガス供給室
２２３  酸化性ガス排出室
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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