(57)【要約】【課題】  燃料電池セルの点検やその部品交換等のメンテナンス作業を容易に行うことができる燃料電池モジュールを提供すること。【解決手段】  燃料電池モジュールＦＣは、複数の燃料電池セル２を有する燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃと、複数の燃料電池セルスタック２１を電気的に接続するスタック間集電部材３と、複数の燃料電池セルスタック２１を収容するモジュール容器８と、容器に固定され燃料電池セルスタック２１で発電される電力を容器８の内部から外部へ取り出す集電ロッド５と、燃料電池セルスタック及び集電ロッド５を電気的に接続する集合体集電部材４とを備え、スタック間集電部材３及び集合体集電部材４は、導電性の焼付防止部３０を介して燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃに電気的に接続されることを特徴とする。【選択図】  図２
2009231186.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池セルを有する複数の燃料電池セルスタックと、
前記複数の燃料電池セルスタックを電気的に接続するスタック間集電部材と、
前記複数の燃料電池セルスタックを収容する容器と、
前記容器に固定され前記燃料電池セルスタックで発電される電力を前記容器の内部から外部へ取り出す集電ロッドと、
前記燃料電池セルスタック及び前記集電ロッドを電気的に接続する集合体集電部材と、を備える燃料電池モジュールであって、
前記スタック間集電部材及び前記集合体集電部材は、前記燃料電池セルスタックとの焼き付きを防止するために導電性材料によって形成された焼付防止部を介して、前記燃料電池セルスタックに電気的に接続されることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記集合体集電部材は、前記集電ロッドとの焼き付きを防止するために導電性材料によって形成された焼付防止部を介して、前記集電ロッドに電気的に接続されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記集合体集電部材及び前記集電ロッドには、互いに嵌り合うための嵌合構造が形成されており、
前記嵌合構造は、
前記集合体集電部材に形成され、前記集電ロッドが嵌るための溝と、
前記集電ロッドに形成され、溝に係合するための鍔と、
によって構成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記溝は、前記集電ロッドが嵌る部分から前記集合体集電部材の下端に至るまで形成されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記容器の内壁には絶縁断熱部材が設けられており、前記絶縁断熱部材には、前記集合体集電部材を収容する収容部が形成され、前記収容部から上端部まで前記集合体集電部材を上方に引き出し可能なように溝部が形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池モジュール。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールを備える燃料電池。
【請求項７】
複数の燃料電池セルを有する複数の燃料電池セルスタックと、
前記複数の燃料電池セルスタックを電気的に接続するスタック間集電部材と、
前記複数の燃料電池セルスタックを収容する容器と、
前記容器に固定され前記燃料電池セルスタックで発電される電力を前記容器の内部から外部へ取り出す集電ロッドと、
前記燃料電池セルスタック及び前記集電ロッドを電気的に接続する集合体集電部材と、を備え、
前記スタック間集電部材及び前記集合体集電部材は、前記燃料電池セルスタックとの焼き付きを防止するために導電性材料によって形成された焼付防止部を介して、前記燃料電池セルスタックに電気的に接続される燃料電池モジュールにおける、燃料電池セルスタックの交換方法であって、
前記燃料電池セルスタックと前記スタック間集電部材及び前記集合体集電部材との密接状態を開放する分離工程と、
前記複数の燃料電池セルスタックの内の少なくとも一の燃料電池セルスタックを前記容器から取り出す取出工程と、
前記取出工程において取出した燃料電池セルスタックに代えて新たな燃料電池セルスタックを前記容器に収容し、前記スタック間集電部材及び前記集合体集電部材との密接状態を回復させる収容工程と、
を備えることを特徴とする燃料電池セルスタックの交換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルを有する燃料電池モジュール、それを備える燃料電池、及び燃料電池セルスタックの交換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
セラミックス材料を燃料電池セルに用いる固体酸化物形燃料電池は、動作温度が７００〜１０００℃と高く、発電する際に出る排熱が利用できるので、高効率な発電システムとして開発が進んでいる。このような固体酸化物形燃料電池に用いられる固体酸化物形燃料電池モジュールは、通常、複数の燃料電池セルからなる燃料電池セルスタックが複数個金属製の容器に収容されており、容器内において燃料電池セルスタックの電力を集電する板状の集電部材と、この集電部材から容器の外部に電力を取り出す集電ロッドを備えている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００７−１４１７６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
固体酸化物形燃料電池モジュールは、燃料電池セル、集電部材、電気系部品等を定期的にまたは必要に応じて点検され、何等かの不具合があった場合には、部品の交換をする必要がある。
【０００４】
上述のような筒状の燃料電池セルを用いる固体酸化物形燃料電池モジュールにおいては、集電部材、集電ロッド又は燃料電池セルスタック側の電極など、電流を取り出し流すための部材は動作温度での導電性、耐熱性及び雰囲気を勘案し、ニッケル、銅、ステンレスなどの金属材料が用いられている。固体酸化物形燃料電池モジュールは、高温の動作温度において、発電された電流が上記のような部材を流れると、集電部材と燃料電池セルスタック側の電極との接続部分や集電部材と集電ロッドとの金属−金属間の接続部分において焼き付けが起こる恐れがある。焼き付けが起こると、燃料電池セルスタックを容器から引き出しにくくなり、容易にメンテナンスを行うことができなくなる。
【０００５】
そこで本発明では、燃料電池セルの点検やその部品交換等のメンテナンス作業を容易に行うことができる燃料電池モジュール及びそれを備える燃料電池を提供すること、並びに燃料電池セルの点検やその部品交換等のメンテナンス作業を容易に行うための燃料電池セルスタックの交換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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池モジュールは、複数の燃料電池セルを有する複数の燃料電池セルスタックと、前記複数の燃料電池セルスタックを電気的に接続するスタック間集電部材と、前記複数の燃料電池セルスタックを収容する容器と、前記容器に固定され前記燃料電池セルスタックで発電される電力を前記容器の内部から外部へ取り出す集電ロッドと、前記燃料電池セルスタック及び前記集電ロッドを電気的に接続する集合体集電部材と、を備える燃料電池モジュールであって、前記スタック間集電部材及び前記集合体集電部材は、前記燃料電池セルスタックとの焼き付きを防止するために導電性材料によって形成された焼付防止部を介して、前記燃料電池セルスタックに電気的に接続されることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、燃料電池セルの点検やその部品交換等のメンテナンス作業を容易に行うことができる燃料電池モジュールを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明を実施するための最良の形態を説明するのに先立って、本発明の作用効果について説明する。
【０００９】
本発明に係る燃料電池モジュールは、複数の燃料電池セルを有する複数の燃料電池セルスタックと、前記複数の燃料電池セルスタックを電気的に接続するスタック間集電部材と、前記複数の燃料電池セルスタックを収容する容器と、前記容器に固定され前記燃料電池セルスタックで発電される電力を前記容器の内部から外部へ取り出す集電ロッドと、前記燃料電池セルスタック及び前記集電ロッドを電気的に接続する集合体集電部材と、を備える燃料電池モジュールであって、前記スタック間集電部材及び前記集合体集電部材は、前記燃料電池セルスタックとの焼き付きを防止するために導電性材料によって形成された焼付防止部を介して、前記燃料電池セルスタックに電気的に接続されることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る燃料電池モジュールにおいては、スタック間集電部材及び集合体集電部材は、導電性の焼付防止部を介して燃料電池セルスタックに電気的に接続される。このため、７００〜１０００℃程度の動作温度においても、スタック間集電部材及び集合体集電部材が燃料電池セルスタックに焼き付くことがないため、燃料電池セルスタックを引き抜く際にスタック間集電部材及び集合体集電部材との接触部分から容易に分離することができる。したがって、燃料電池セルの点検やその部品交換等のメンテナンス作業を容易に行うことができる。
【００１１】
また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記集合体集電部材は、前記集電ロッドとの焼き付きを防止するために導電性材料によって形成された焼付防止部を介して、前記集電ロッドに電気的に接続されることも好ましい。これにより、７００〜１０００℃程度の動作温度においても、集合体集電部材が集電ロッドに焼き付くことがないため、集合体集電部材を集電ロッドから容易に分離することができる。したがって、燃料電池セルの点検やその部品交換等のメンテナンス作業を容易に行うことができる。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池モジュールにおいては、前記集合体集電部材及び前記集電ロッドには、互いに嵌り合うための嵌合構造が形成されており、前記嵌合構造は、前記集合体集電部材に形成され、前記集電ロッドが嵌るための溝と、前記集電ロッドに形成され、溝に係合するための鍔と、によって構成されていることも好ましい。この好ましい態様によれば、溝と鍔とからなる嵌合構造によって、集合体集電部材と集電ロッドとが互いに嵌りあっており、集合体集電部材と集電ロッドとは焼付防止部を介して電気的に接続されている構成となっているので、使用時においては導通を確保しつつ、メンテナンス時には集合体集電部材を集電ロッドから容易に分離することができる。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池モジュールにおいては、前記溝は、前記集電ロッドが嵌る部分から前記集合体集電部材の下端に至るまで形成されていることも好ましい。この好ましい態様によれば、集電ロッドが嵌るための溝がその嵌り合う部分から集合体集電部材の下端に至るまで形成されているので、集合体集電部材を上方に引き抜く際には、集電ロッドがその溝を通り抜けることができる。従って、集電ロッドの鍔と集合体集電部材の溝とが嵌合している場合であっても、集合体集電部材を容易に上方に引き抜くことが可能となる。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池モジュールでは、前記容器の内壁には絶縁断熱部材が設けられており、前記絶縁断熱部材には、前記集合体集電部材を収容する収容部が形成され、前記収容部から上端部まで前記集合体集電部材を上方に引き出し可能なように溝部が形成されることも好ましい。この好ましい態様によれば、集合体集電部材を収容する収容部から集合体集電部材を引き抜く場合に、その収容部から上方に向けて溝部が形成され、その溝部を通って集合体集電部材を引き抜くことができるので、集合体集電部材が絶縁断熱部材に引っかかることなく容易に容器内から引き抜くことができる。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池モジュールを備える燃料電池では、上述したような作用効果を奏する燃料電池を提供することができる。
【００１６】
本発明に係る燃料電池セルスタックの交換方法は、複数の燃料電池セルを有する複数の燃料電池セルスタックと、前記複数の燃料電池セルスタックを電気的に接続するスタック間集電部材と、前記複数の燃料電池セルスタックを収容する容器と、前記容器に固定され前記燃料電池セルスタックで発電される電力を前記容器の内部から外部へ取り出す集電ロッドと、前記燃料電池セルスタック及び前記集電ロッドを電気的に接続する集合体集電部材と、を備え、前記スタック間集電部材及び前記集合体集電部材は、前記燃料電池セルスタックとの焼き付きを防止するために導電性材料によって形成された焼付防止部を介して、前記燃料電池セルスタックに電気的に接続される燃料電池モジュールにおける、燃料電池セルスタックの交換方法であって、前記燃料電池セルスタックと前記スタック間集電部材及び前記集合体集電部材との密接状態を開放する分離工程と、前記複数の燃料電池セルスタックの内の少なくとも一の燃料電池セルスタックを前記容器から取り出す取出工程と、前記取出工程において取出した燃料電池セルスタックに代えて新たな燃料電池セルスタックを前記容器に収容し、前記スタック間集電部材及び前記集合体集電部材との密接状態を回復させる収容工程と、を備える。
【００１７】
本発明に係る燃料電池セルスタックの交換方法に用いられる燃料電池モジュールでは、スタック間集電部材及び集合体集電部材は、導電性の焼付防止部を介して燃料電池セルスタックに電気的に接続される。このため、７００〜１０００℃程度の動作温度においても、スタック間集電部材及び集合体集電部材が燃料電池セルスタックに焼き付くことがないため、燃料電池セルスタックを引き抜く際にスタック間集電部材及び集合体集電部材との接触部分から容易に分離することができる。したがって、燃料電池セルの点検やその部品交換等のメンテナンス作業を容易に行うことができる。
【００１８】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１９】
図１は、本実施形態に係る燃料電池モジュールＦＣを部分的に破断した概略的な斜視図である。燃料電池モジュールＦＣは、燃料ガスと空気（酸化剤ガス）とを電気化学反応させることで発電するための装置として構成されている。
【００２０】
燃料電池モジュールＦＣは、燃料電池セル２と、スタック間集電部材３と、集合体集電部材４と、集電ロッド５と、空気ヘッダ６と、空気供給管７と、モジュール容器８と、絶縁断熱部材９と、断熱部材１０とを備えている。
【００２１】
燃料電池セル２は、２列×６列の１２本ごとに燃料電池セルスタック（図１において明示しない）として構成され、モジュール容器８内に収められている。各燃料電池セル２は、有底筒状であって、セラミックス材料からなり筒の内側から外側に向かって空気極、固体酸化物電解質、燃料極の多層構造を形成している。燃料電池セル２の内壁すなわち空気極に空気、外壁すなわち燃料極に燃料ガスが接触すると、セル内でＯ２−イオンが移動して電気化学反応が起こり空気極と燃料極との間に電位差が生じで発電が行われる。燃料電池セル２が発電した電気は、スタック間集電部材３，集合体集電部材４によって集電され、集電ロッド５によって外部に取出される。
【００２２】
各燃料電池セル２に供給される空気は、空気供給管７を通って空気ヘッダ６に供給された空気が分配されて供給される。本実施形態の場合空気ヘッダ６は３つ設けられており、それぞれの空気ヘッダ６に空気供給管７が繋がれている。空気供給管７の上流側は空気の供給元に連結されている。
【００２３】
空気ヘッダ６は、各燃料電池セル２に供給される空気を一時的に貯留して昇温させる役割を果たすと共に、各燃料電池セル２に空気を分配する役割も果たしている。空気ヘッダ６は、各燃料電池セル２に供給する空気の流路を燃料電池セル２の数に応じて複数の系統に分配するためのものでもあるので、燃料電池セル２の数に応じてその配置数量が増減される。
【００２４】
各燃料電池セル２に供給される燃料ガスは、各燃料電池セル２の下方から供給される（詳細は後述する）。
【００２５】
燃料電池セル２、スタック間集電部材３、集合体集電部材４、及び空気ヘッダ６は、直方体形状のモジュール容器８に収容されている。このモジュール容器８は、運転時に高温になることから、例えば、インコネルやステンレスなどの耐熱性の合金材料により形成されている。また、燃料ガスや空気を外部に漏出させないために密閉構造となっている。モジュール容器８の内側には、燃料電池セル２とモジュール容器８とを絶縁すると共に、モジュール容器８内部を保温するための絶縁断熱部材９が設けられている。絶縁断熱部材９は、アルミナ繊維等で形成されている。モジュール容器８は更に、動作温度を安定に保つためにその全体が断熱部材１０で覆われている。
【００２６】
続いて、図２を参照しながら、燃料電池セル２の配置態様について説明する。図２は、図１において空気ヘッダ６側から燃料電池セル２側を見通す方向における横断面図である。燃料電池セル集合体２１は、複数の燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃを備えている。各燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、１２本の燃料電池セル２を有し、それぞれの燃料電池セル２は、２列（図中ｘ方向）×６列（図中ｙ方向）に配置されている。
【００２７】
各燃料電池セル２は有底円筒状であって、その開口部２ａを空気ヘッダ６側に向けて配置されている。各燃料電池セル２は、例えばニッケルなどの金属材料からなるセル間集電部材１３及びセル接続部材１４を介して、電気的に２並列×６直列に接続されている。なお、燃料電池セル２は、発電容量等に応じて本数や配列が適宜選択される。
【００２８】
各燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、所定の間隔を置いて３列（図中ｘ方向）に配置されており、３６本の燃料電池セル２を有する燃料電池セル集合体２１を構成している。それぞれの燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、例えばニッケルからなるスタック間集電部材３を介して電気的に直列に接続されている。このように直列接続された燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃの両端に配置される燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｃの端部には、例えばニッケルからなる集合体集電部材４が繋がれている。集合体集電部材４は集電ロッド５に繋がれているので、集電ロッド５を介して外部に電力が取り出すことができる。
【００２９】
ここで、スタック間集電部材３は、各燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃに導電性部材（焼付防止部）３０を介して繋がれている。また、集合体集電部材４も燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｃに導電性部材３０を介して繋がれている。すなわち、金属製のスタック間集電部材３及び集合体集電部材４と、各燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃの側面に設けられる金属製のセル接続部材とは、その間に導電性部材３０が介在して接続されている。この導電性部材３０は、スタック間集電部材３及び集合体集電部材４と、各燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃの端部に設けられるセル接続部材１４との燃料電池モジュールの高温動作時における焼き付けを防止する機能を有する。
【００３０】
導電性部材３０は、例えば７００〜１０００℃程度の高温下で高い導電性を示すセラミックス材料、例えばランタンマンガナイト、ランタンコルバタイト等のペロブスカイト型酸化物を好適に用いることができる。スタック間集電部材３及び集合体集電部材４と、セル接続部材１４との間に、このような金属材料よりも高融点のセラミックス材料である導電性部材３０を介在させることにより焼き付けを防止する事ができる。
【００３１】
燃料電池モジュールＦＣの組み立て性を考慮すると、組み立て時には、導電性セラミックス材料を有機バインダーでシート状に成形した導電性セラミックスシートを好適に用いることができる。有機バインダーが含有されることで粘着性を有し、容易にスタック間集電部材３及び集合体集電部材４と、セル接続部材１４との間に導電性部材３０を固定させることができる。
【００３２】
また、有機バインダーは燃料電池の運転温度では分解し揮発するので、運転中にはセラミックス材料のみの凝集体が残った状態になる。このセラミックス材料の凝集体は簡単に破壊する事ができるため、容易にスタック間集電部材３及び集合体集電部材４と、セル接続部材１４とを分離する事ができる。
【００３３】
なお、導電性セラミックスシートの代わりに導電性セラミックス材料と有機バインダーとを含む導電性セラミックスペーストを用いて、スタック間集電部材３及び集合体集電部材４に塗布して、セル接続部材１４と接続してもよい。
【００３４】
各燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃにはそれぞれ、燃料電池セル２が６列に並べられている一対の側面に接するように絶縁板１６が配置されている。更に、隣接する絶縁板１６の間には熱伝導板１５が配置されている。燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｃと絶縁断熱部材９との間にも熱伝導板１５が配置されている。熱伝導板１５とスタック間集電部材３及び集合体集電部材４との間には、絶縁棒１１が配置されている。
【００３５】
このように熱伝導板１５が配置されることで、局部的に燃料電池セル２の温度が部分的に高くなっても、熱伝導板１５を介して高温部分から低温部分へ熱が移動しやすくなり、燃料電池セル２の温度分布を均一化させることができる。
【００３６】
また、上述したように絶縁板１６及び絶縁棒１１が配置されることで、熱伝導板１５と燃料電池セル２との間の電気絶縁性、及び熱伝導板１５とスタック間集電部材３及び集合体集電部材４との間の電気絶縁性が確保される。
【００３７】
続いて、図３を参照しながら、燃料電池セル２の配置態様と燃料ガス及び空気の供給態様について説明する。図３は、燃料電池モジュールＦＣの縦断面図であって、モジュール容器８の内部を示す図である。
【００３８】
図３に示すように、モジュール容器８の下方には、モジュール容器８内に導入する燃料ガスを均一に分散するための燃料ガス分散室１７が配置されている。この燃料ガス分散室１７内には、燃料ガスを予備分散する予備分散板１８が配置されている。この予備分散板１８は、例えばアルミナからなり、燃料ガス通気孔１９が一様に形成されている。また、予備分散板１８の上方には、例えばＮｉフォームからなる燃料ガス分散材２０が配置されている。燃料ガス分散室１７の上流側（図中下側）には、燃料ガス供給管２２が設けられ、この燃料ガス供給管２２の上流側は燃料ガスの供給元に連結されている。また、モジュール容器８と燃料ガス分散室１７との間には、燃料ガスを燃料ガス分散室１７からモジュール容器８に通気させるための燃料ガス分散板２３が設けられている。この燃料ガス分散板２３には、複数の燃料ガス供給孔２４が形成されている。
【００３９】
また、燃料電池セル集合体２１の上方に配置される空気ヘッダ６には、燃料電池セル２の空気極に空気を導入する複数の空気導入管２５が連結されている。この空気導入管２５は、燃料電池セル２の管内に挿入され、その下端部は燃料電池セル２の底面付近まで延びている。
【００４０】
また、モジュール容器８内には、燃料電池セル２の長尺方向に対して垂直方向に沿って形成される矩形状の仕切板２６が設けられている。この仕切板２６は、アルミナ繊維を積層してブランケット状に形成したものが用いられている。モジュール容器８内において、この仕切板２６で仕切られた上側に燃焼室２７が形成され、下側に発電室２８が形成される。ここで、燃焼室２７は、発電室２８で反応に寄与しなかった余剰の燃料ガスと、各燃料電池セル２の筒内で反応に寄与しなかった余剰の空気とを混合して燃焼させるための空間である。発電室２８は、燃料ガス供給孔２４から導入される燃料ガスを各燃料電池セル２に接触させ、各燃料電池セル２の管内に流れる空気との電気化学反応を生じさせて発電させるための空間である。
【００４１】
また、仕切板２６には、排燃料ガスを発電室２８から燃焼室２７に排出するための、例えばアルミナからなる筒状の燃料ガス排出管２９が複数挿通されている。
【００４２】
また、集電ロッド５は、燃料電池セル集合体２１を挟んで一対設けられ、その一端側が絶縁断熱部材９の内部に設けられる集合体集電部材４に接続されており、モジュール容器８を貫通して、その他端が外側に引き出されている。
【００４３】
続いて、図４及び図５を参照して集合体集電部材４と集電ロッド５との接続構造について更に詳細に説明する。図４は、本実施形態に係る燃料電池モジュールの集合体集電部材と集電ロッドとの接続構造を示す概略断面図である。図５は、図３において側面側からみた縦断面図である。
【００４４】
図４に示すように、集電ロッド５は軸部５ａと鍔部５ｂとを有しており、モジュール容器８に電気的に絶縁した状態で固定されている。軸部５ａは、モジュール容器８の内部から外部に電気を取り出すためのものであり、モジュール容器８及び集合体集電部材４を貫通するように延びている。更に、鍔部５ｂは、円板状をなしモジュール容器８の内側における軸部５ａの一端側に形成され、集合体集電部材４と平行に延びている。そして、導電性部材３０が集合体集電部材４と鍔部５ｂとで挟まれて配置され、集合体集電部材４と集電ロッド５とは、導電性部材３０を介して電気的に接続されている。このため、７００〜１０００℃程度の動作温度においても、集合体集電部材４が集電ロッド５に焼き付くことがないため、集合体集電部材４を集電ロッド５から容易に分離することができる。したがって、燃料電池セルの点検やその部品交換等のメンテナンス作業を容易に行うことができる。
【００４５】
導電性部材３０は、上述の通り、例えば導電性セラミックス材料を用いることができる。また、導電性セラミックスシートや導電性セラミックスペーストを用いて集合体集電部材４と集電ロッド５の鍔部５ｂとの間に導電性セラミックス材料を配置することができる。導電性セラミックスシートや導電性セラミックスペーストに含有される有機バインダーは燃料電池の運転温度では分解し揮発するので、運転中にはセラミックス粒子のみの凝集体が残った状態になる。このセラミックス粒子の凝集体は簡単に破壊する事ができるため、容易に集合体集電部材４と集電ロッド５を分離する事ができる。
【００４６】
図５に示すように、集合体集電部材４は、集電ロッド接続部４ａと、連結部４ｂとを有し、連結部４ｂは燃料電池セル集合体２１から集電ロッド５に向かうに従い側辺が内側に傾斜した外形を有している。このため集合体集電部材４は、燃料電池セル２と集電ロッド５との間における電気抵抗が、燃料電池セル２の長尺方向における中央部から両端部に向かって大きくなる。燃料電池セル２の長尺方向における発電出力は、中央部から両端部に向かって小さくなることから、集合体集電部材４は、燃料電池セル２の発電性能の分布に応じて、電流を整流して取り出すことができる。したがって、抵抗損失による発熱量の割合を低減することができ、高効率な発電性能を得ることができる。
【００４７】
また、連結部４ｂには、複数のスリット４ｃが形成されている。このスリット４ｃにより集合体集電部材４の可とう性を向上させることができる。また、発電前の施工または発電時における温度分布、材料の熱膨張などにより、各部位に寸法差が生じても、燃料電池セル２と集合体集電部材４との接続不良を低減させることができる。
【００４８】
更に、集電ロッド接続部４ａには、下端部から中央部に向けて延びる矩形状の切欠部４ｄが形成されている。この切欠部４ｄは、その幅が集電ロッドの軸部５ａの径よりも大きく円板状の鍔部５ｂの径よりも小さくなるように形成され、軸部５ａは、この切欠部４ｄを貫通し、モジュール容器８の外部に引き出されている。したがって、集合体集電部材４は、鍔部５ｂより内側への移動が規制され、切欠部４ｄの形成方向（上下方向）に沿って移動可能であり、集電ロッド５をモジュール容器８に固定したまま、容易に集合体集電部材４を引き出すことができる。
【００４９】
続いて、図６を参照して集合体集電部材４が配置される側の絶縁断熱部材９の形状について説明する。図６は、本実施形態に係る燃料電池モジュールの絶縁断熱部材を示す、（ａ）平面図、（ｂ）正面図、（ｃ）右側面図の３面図である。
【００５０】
図６に示すように、絶縁断熱部材９は、所定の厚さの板状をなし、集合体集電部材４が収容される収容部９ａが形成されている。この収容部９ａは、集合体集電部材４の外形に沿って厚さ方向に凹んだ形状に形成されている。更に、収容部９ａの上方は、収容部の幅と同一幅であって同一深さに凹んだ溝部９ｂが形成されている。これにより、集電ロッド５の鍔部５ｂにより、モジュール容器８の内側への移動が規制されている集合体集電部材４をそのまま上方に引き抜くことが可能になる。
【００５１】
また、絶縁断熱部材９の略中央部には、集電ロッドを貫通させる貫通孔９ｃが形成されている。集合体集電部材４を収容部９ａに収容すると、溝部９ｂには隙間が形成され、断熱効果が低下する恐れがある。このため、この溝部９ｂには、着脱可能なセラミックスフェルトなどの断熱部材が充填される。
【００５２】
続いて、燃料電池モジュールＦＣの燃料電池セルスタックの引き抜き方法について説明する。
【００５３】
まず、燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃを引き抜ける程度まで燃料電池モジュールＦＣを解体する。すなわち最初に燃料電池モジュールＦＣを取り囲む断熱部材を取り外し、燃料電池モジュールＦＣを露出させ、空気ヘッダに繋がる空気供給管７取り外す。次に仕切板２６を挟んで燃焼室側容器と発電室側容器に分離可能なモジュール容器８の燃焼室側容器を取り外して、燃焼室２７内の空気ヘッダ６を露出させる。そして空気ヘッダ６を一部解体して、仕切板２６から一部突出している各燃料電池セルに挿入されている空気導入管２５を全て引き抜く。更に空気ヘッダ６及び仕切板２６を取り外し発電室を開く。
【００５４】
そして、燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃのなかで、例えば故障している燃料電池セルスタックのひとつを引き抜く。このとき、スタック間集電部材３は、燃料電池セルスタックのセル接続部材１４と導電性部材３０を介して接続されている。このため、高温の動作温度においてもスタック間集電部材３とセル接続部材１４とは焼き付くことがないので、ひとつの燃料電池セルスタックを引き抜く際に、容易にスタック間集電部材３から分離させることができる。
【００５５】
また、全ての燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃを引き抜く場合は、引き続き順次残りの燃料電池セルスタックを同様にして引き抜く。両側に配置される燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｃには、集合体集電部材４が繋がれているが、導電性部材３０を介しているため、スタック間集電部材３と同様に容易に集合体集電部材４から分離させることができる。
【００５６】
次に燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃを引き抜いて、絶縁断熱部材９の内側に残ったスタック間集電部材３を取り出す。そして、集合体集電部材４の上方に配置されるセラミックスフェルトを取り除き、集合体集電部材４を集電ロッド５から分離してモジュール容器８内から上方に引き抜く。集合体集電部材４は導電性部材３０を介して集電ロッド５に接合されているので焼き付くことなく容易に分離させることができる。
【００５７】
上述した燃料電池モジュールＦＣの燃料電池セルスタックの引き抜き方法は、燃料電池セルスタックの交換方法として捉えることもできる。この燃料電池セルスタックの交換方法は、燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃとスタック間集電部材３及び集合体集電部材４との密接状態を開放する分離工程と、複数の燃料電池セルスタック２１ａ，２１ｂ，２１ｃの内の少なくとも一の燃料電池セルスタックをモジュール容器８から取り出す取出工程と、取出工程において取出した燃料電池セルスタックに代えて新たな燃料電池セルスタック（新たに別途準備した燃料電池セルスタック、取り出した燃料電池セルスタックを修理して使用可能な状態を回復した燃料電池セルスタック）をモジュール容器８に収容し、スタック間集電部材３及び集合体集電部材４との密接状態を回復させる収容工程と、を備えている。
【００５８】
続いて、図７を参照しながら、燃料電池モジュールＦＣを用いた燃料電池ＦＣＳの構成について説明する。図７は、燃料電池ＦＣＳの構成を示すブロック図である。図７に示すように、燃料電池ＦＣＳは、燃料電池モジュールＦＣと、燃料供給部ＦＰと、空気供給部ＡＰと、水供給部ＷＰと、電力取出部ＥＰと、制御部ＣＳとを備えている。燃料供給部ＦＰ、空気供給部ＡＰ、水供給部ＷＰ、及び電力取出部ＥＰは、燃料電池ＦＣＳの補器ＡＤを構成している。
【００５９】
燃料供給部ＦＰは、燃料供給源としての都市ガス配管から燃料ガスを燃料電池モジュールＦＣに供給する部分であって、燃料ポンプ、電磁弁を有している。燃料供給部ＦＰから供給される燃料ガスは燃料ガス供給管２２へと送り出される。
【００６０】
空気供給部ＡＰは、空気供給源としての大気中から空気を燃料電池モジュールＦＣに供給する部分であって、空気ブロア、電磁弁を有している。空気供給部ＡＰから供給される空気は空気供給管７へと送り出される。
【００６１】
水供給部ＷＰは、水供給源としての水道管から水を燃料電池モジュールＦＣに供給する部分であって、水ポンプ、電磁弁を有している。水供給部ＷＰから供給される水は、燃料電池モジュールＦＣ内部で水蒸気となって送り出される。
【００６２】
電力取出部ＥＰは、燃料電池モジュールＦＣから電力を取り出す部分であって、インバータ等の電力変換装置を有している。電力取出部ＥＰは、集電ロッド（図示しない）と繋がっていて、変換した電力は電力供給先へと送り出すように構成されている。
【００６３】
制御部ＣＳは、燃料供給部ＦＰ、空気供給部ＡＰ、補器ＡＤ、及び電力取出部ＥＰのそれぞれを制御するための部分であって、ＣＰＵやＲＯＭを有している。上述したような燃料電池モジュールＦＣの動作は、制御部ＣＳからの指示信号に基づいて実行される。
【００６４】
このように構成された燃料電池ＦＣＳの動作について説明する。発電室２８を電気化学反応が生じる温度（７００〜１０００℃）に昇温する。空気供給部ＡＰから空気を空気供給管７に供給し、空気ヘッダ６内に貯留する。貯留された空気は、複数の空気導入管２５内を下方に流れ、下端から燃料電池セル２の筒内に流出する。流出した空気は、燃料電池セル２の筒内を上方に流れる。このとき、空気は、空気極に接触して反応に供される。反応で消費されなかった空気は、燃料電池セル２の開口部２ａから燃焼室２７に達する。
【００６５】
また、燃料供給部ＦＰから燃料ガスを燃料ガス供給管２２に供給し、燃料ガス分散室１７内に貯留する。貯留された燃料ガスは、燃料ガス分散板２３に形成された複数の燃料ガス供給孔２４から発電室２８内に導入され、発電室２８内を各燃料電池セル２を包囲しながら上方に流れる。このとき、燃料ガスは、燃料極に接触して反応に供される。反応で消費されなかった燃料ガスは、仕切板２６の燃料ガス排出管２９を通って燃焼室２７に達する。
【００６６】
燃焼室２７に達した排燃料ガスと排空気とは、所定の点火装置を用いて燃焼され排出ガスが、モジュール容器８の上壁に連結された排ガス管から燃焼室２７の外に排出される。この排出ガスは高温となるために、発電室２８を加熱するための熱源として利用される。
【００６７】
発電室２８で電気化学反応によって、発電された電力は、電力取出部ＥＰにより燃料電池セル集合体の集電部材、電極ロッドを介して外部に取り出される。
【００６８】
以上のように、本実施形態に係る燃料電池モジュールＦＣによれば、スタック間集電部材３及び集合体集電部材４は、導電性の焼付防止部を介して燃料電池セルスタックに電気的に接続される。このため、７００〜１０００℃程度の動作温度においても、スタック間集電部材及び集合体集電部材が燃料電池セルスタックに焼き付くことがないため、燃料電池セルスタックを引き抜く際にスタック間集電部材及び集合体集電部材との接触部分から容易に分離することができる。したがって、燃料電池セルの点検やその部品交換等のメンテナンス作業を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本実施形態に係る燃料電池モジュールを部分的に破断した概略的な斜視図である。
【図２】図１において空気ヘッダ側から燃料電池セル側を見通す方向における横断面図である。
【図３】燃料電池モジュールの縦断面図である。縦断面図である。
【図４】本実施形態に係る燃料電池モジュールの集合体集電部材と集電ロッドとの接続構造を示す概略断面図である。
【図５】図３において側面側からみた縦断面図である。
【図６】本実施形態に係る燃料電池モジュールの絶縁断熱部材を示す、（ａ）平面図、（ｂ）正面図、（ｃ）右側面図の３面図である。
【図７】燃料電池の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００７０】
２…燃料電池セル、３…スタック間集電部材、４…集合体集電部材、４ａ…集電ロッド接続部、４ｂ…連結部、４ｃ…スリット、４ｄ…切欠部、５…集電ロッド、５ａ…軸部、５ｂ…鍔部、６…空気ヘッダ、７…空気供給管、８…モジュール容器、９…絶縁断熱部材、９ａ…収容部、９ｂ…溝部、９ｃ…貫通孔、１０…断熱部材、１３…セル間集電部材、１４…セル接続部材、２１…燃料電池セル集合体、２１ａ，２１ｂ，２１ｃ…燃料電池セルスタック、３０…導電性部材、ＦＣ…燃料電池モジュール、ＦＣＳ…燃料電池。
【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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