JP2014143162A - セルスタック装置および燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 セルスタック支持板に作用する応力を低減できるとともに、作製が容易な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】 複数のセルスタック１２を、燃料電池セル１０の配列方向が平行となるように、所定間隔をおいて配置してなるセルスタック集合体と、上端部が開口した箱状のガスタンク本体１６ａと、セルスタック集合体の下端部を無機材料によりガスシールされた状態で接合し、ガスタンク本体１６ａの開口部を塞ぐセルスタック支持板１６ｂとを具備し、ガスタンク本体１６ａの開口部をセルスタック支持板１６ｂで塞いで第１ガスタンク１６を構成するとともに、セルスタック支持板１６ｂとガスタンク本体１６ａの底板１６ａ１との間を所定間隔に保持するための支持部材１７を、セルスタック１２間に配置してなる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、セルスタック装置および燃料電池装置に関し、特に、燃料電池セルをガスタンクに固定したセルスタック装置および燃料電池装置に関するものである。

近年、次世代エネルギーとして、水素ガスと酸素含有ガスとを用いて電力を得ることができる燃料電池モジュールと、この燃料電池モジュールを稼動するための補機類と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。

燃料電池モジュールは、従来、１ＫＷ以下の家庭用の燃料電池モジュールに用いられるセルスタック装置を具備しており、このセルスタック装置としては、ガス流路を有する複数の燃料電池セルからなるセルスタックの下端部を無機材料で一体的に接合固定してセルスタック支持板を形成し、このセルスタック支持板をガスタンクの天板としたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

このようなセルスタック装置では、ガスタンク内のガスを、セルスタックを構成する各燃料電池セルのガス流路に供給することができる。

しかしながら、このようなセルスタック装置では、長時間の高温暴露でセルスタック支持板の軟化が起こり、燃料電池セルの自重により、燃料電池セルの位置ズレが生じるおそれがあったため、セルスタックの一端部を無機材料からなるセルスタック支持板に一体的に接合固定し、このセルスタック支持板でガスタンクの天板を構成せしめるとともに、それぞれの燃料電池セルの下端部をガスタンクに当接させ、または、それぞれの燃料電池セルの下端部を絶縁性支持部材を介してガスタンクの底板に配置していた（例えば、特許文献２参照）。これにより、長時間の高温暴露においても、燃料電池セルの自重による位置ズレを抑制でき、セルスタック支持板に作用する応力を低減できる。

特開２００４−６３３５５号公報 特開２００７−１７９７５７号公報

しかしながら、特許文献２のセルスタック装置では、それぞれの燃料電池セルの下端部をガスタンクに当接させ、または、それぞれの燃料電池セルの下端部を絶縁性支持部材を介してガスタンクの底板に配置する必要があったため、製造工程が増加し、作製が困難であった。

特に、家庭用の燃料電池装置における発電電力以上が要求される、例えば、小型店舗等の業務用等に使用される燃料電池装置では、燃料電池セルの本数が多くなるため、特許文献２のように、それぞれの燃料電池セル毎に対策を講ずることは困難であった。

近年においては、小型店舗等の業務用等に使用される燃料電池装置のように、セルスタックの重量が大きくなった場合にも、セルスタック支持板に作用する応力を低減できるとともに、作製が容易なセルスタック装置が要望されていた。

本発明は、セルスタック支持板に作用する応力を低減できるとともに、作製が容易なセルスタック装置および燃料電池装置を提供することを目的とする。

本発明のセルスタック装置は、内部に第１ガス流路を有する複数の燃料電池セルを前記第１ガス流路が平行となるように配列してなる複数のセルスタックを、前記燃料電池セルの配列方向が平行となるように、所定間隔をおいて配置してなるセルスタック集合体と、上端部が開口した箱状のガスタンク本体と、前記セルスタック集合体の下端部を無機材料によりガスシールされた状態で接合し、前記ガスタンク本体の開口部を塞ぐセルスタック支持板とを具備し、前記ガスタンク本体の開口部を前記セルスタック支持板で塞いで第１ガスタンクが構成されているとともに、該第１ガスタンク内と前記燃料電池セルの第１ガス流路とが連通し、前記セルスタック支持板と前記ガスタンク本体の底板との間を所定間隔に保持するための支持部材を、前記セルスタック間に配置してなることを特徴とする。

また、本発明の燃料電池モジュールは、収納容器内に、上記のセルスタック装置を収容してなることを特徴とする。

さらに、本発明の燃料電池装置は、上記の燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールを作動させるための補機とを、外装ケース内に収納してなることを特徴とする。

本発明のセルスタック装置および燃料電池装置では、例えば、１ＫＷ以上の業務用の燃料電池装置に使用すべく、２個以上のセルスタックを配列させ、セルスタック装置に使用される燃料電池セルの本数が多くなったとしても、セルスタック支持板とガスタンク本体の底板との間を所定間隔に保持するための支持部材を、セルスタック間に単数または複数配置することにより、セルスタック支持板に作用する応力を低減でき、作製が容易なセルスタック装置および燃料電池装置を提供できる。

燃料電池セルを示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）縦断面図である。 セルスタック装置を概略的に示す側面図である。 （ａ）は図２の平面図、（ｂ）は図２の正面図である。 （ａ）は、セルスタック支持板とガスタンク本体の底板との間に支持部材を配置した状態を示すセルスタック装置の縦断面図、（ｂ）は支持部材本体と鍔部とを有する支持部材を、セルスタック支持板とガスタンク本体の底板との間に配置した状態を示す縦断面図、（ｃ）は（ｂ）の支持部材を示す斜視図である。 （ａ）は、セルスタック支持板に支持部材を埋設固定したセルスタック装置の平面図、（ｂ）は（ａ）の縦断面図である。 （ａ）は、支持部材の上端部をセルスタック支持板に、支持部材の下端部をガスタンク本体の底板に接合したセルスタック装置の縦断面図、（ｂ）は、支持部材の上端部をセルスタック支持板に、支持部材の下端部をガスタンク本体の底板に、絶縁部材を介して接合したセルスタック装置の縦断面図である。 （ａ）は第１ガスタンク内に第２ガスタンクを有するセルスタック装置の平面図、（ｂ）は（ａ）の正面図である。 （ａ）は図７（ａ）の縦断面図、（ｂ）は（ａ）において支持部材の第２ガスタンクへの接合構造を変更したセルスタック装置の縦断面図、（ｃ）は（ｂ）の第２ガスタンクを、上方から見た平面図である。 図８の（ｂ）のセルスタックを断熱材で挟んで酸素含有ガスの流路を形成した状態を示す縦断面図である。 ４個のセルスタックをセルスタック支持板に固定したセルスタック装置を示す縦断面図である。 燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。 燃料電池装置の一部を省略して示す斜視図である。

図１は、固体酸化物形の燃料電池セルの一形態を示すものであり、（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図である。なお、図１では、燃料電池セル１０の構成の一部を拡大して示している。

この燃料電池セル１０は、中空平板型で、断面が扁平状で、全体的に見て柱状をしたＮｉを含有してなる多孔質の導電性支持体１を備えている。導電性支持体１の内部には、所定間隔をおいて複数（６個）の燃料ガス流路（第１ガス流路）２がセル長さ方向Ｌに貫通して形成されており、燃料電池セル１０は、この導電性支持体１上に各種の部材が設けられた構造を有している。燃料ガス通路２は、６個よりも多くてもよく、５個以下でも良い。

導電性支持体１は、図１に示されている形状から理解されるように、互いに平行な一対の平坦面ｎと、一対の平坦面ｎをそれぞれ接続する弧状面（側面）ｍとで構成されている。平坦面ｎの両面は互いにほぼ平行に形成されており、一方の平坦面ｎ（下面）と両側の弧状面ｍを覆うように多孔質な燃料極層３が設けられており、さらに、この燃料極層３を覆うように、緻密質な固体電解質層４が積層されている。また、固体電解質層４の表面には、中間層５を介して、燃料極層３と対面するように、多孔質な酸素極層６が積層されている。

言い換えれば、燃料電池セル１０は、導電性支持体１上に、Ｎｉを含有する燃料極層３、ＺｒＯ_２系の固体電解質層４、ＣｅＯ_２系の中間層５、Ｌａを含有するペロブスカイト型複合酸化物からなる酸素極層６を順次積層して構成されている。

また、燃料極層３および固体電解質層４が積層されていない導電性支持体１の他方の平坦面ｎ（上面）には、密着層７を介してインターコネクタ８が形成されている。

すなわち、燃料極層３および固体電解質層４は、両端の弧状面ｍを経由して他方の平坦面ｎ（上面）まで形成されており、固体電解質層４の両端部にインターコネクタ８の両端部が接合され、固体電解質層４とインターコネクタ８とで導電性支持体１を取り囲み、内部を流通する燃料ガスが外部に漏出しないように構成されている。

燃料電池セル１０は、燃料極層３と酸素極層６とが固体電解質層４を介して対面している部分が電極として機能して発電する。即ち、酸素極層６の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ導電性支持体１内の燃料ガス通路２に燃料ガス（水素含有ガス）を流し、所定の作動温度まで加熱することにより発電する。そして、かかる発電によって生成した電流は、導電性支持体１に取り付けられているインターコネクタ８を介して集電される。

なお、燃料電池セル１０は、上記構造に限定されるものではなく、また、上記材料に限定されるものでもない。

図２〜図４は、燃料電池セル１０の複数個を、集電部材１３を介して電気的に直列に接続して構成されるセルスタック装置の一例を示したものであり、図２はセルスタック装置１１を概略的に示す側面図である。なお、図３（ａ）においては、集電部材１３の記載を省略した。

セルスタック装置１１は、第１ガスタンク１６とセルスタック集合体とを具備している。第１ガスタンク１６は、上端部が開口した箱状の耐熱性合金からなるガスタンク本体１６ａと、ガスタンク本体１６ａの開口部を塞ぐ無機材料からなるセルスタック支持板１６ｂとを具備して構成されている。セルスタック支持板１６ｂは、耐熱性合金からなる環状の枠体１６ｃ内に一体に形成されており、第１ガスタンク１６は、ガスタンク本体１６ａと、セルスタック支持板１６ｂと、枠体１６ｃとを具備して構成されている。

各燃料電池セル１０を、各燃料電池セル１０の燃料ガス流路２が平行になるように集電部材１３を介して配列することでセルスタック１２が構成されており、図３に示すように、このセルスタック１２を、燃料電池セル１０の配列方向ｘが平行になるように２個配置してセルスタック集合体が構成されている。なお、セルスタック集合体は、２個以上のセルスタック１２で構成しても良い。

２個のセルスタック１２は電流極性が逆となるように並置し、２個のセルスタック１２の同じ側の端に配置される電流引出部１５ａ同士を、導電性の連結部材をネジで螺着して連結することで、２つのセルスタック１２を電気的に直列に接続することができる。なお、電流引出部１５ｂは収納容器外に引き出される。

２個のセルスタック１２（セルスタック集合体）の一方端部である下端部、言い換えれば、各燃料電池セル１０の下端部が、図４に示すように、無機材料によりガスシールされた状態で接合され、ガスタンク本体１６ａの開口部を塞ぐセルスタック支持板１６ｂが構成されている。セルスタック支持板１６ｂは枠体１６ｃ内に形成され、例えば、セルスタック１２の下端部を枠体１６ｃ内に収容し、無機材料を含有するペーストを流し込み、熱処理することにより形成されている。枠体１６ｃの外周は、無機材料からなる接合材４１にてガスタンク本体１６ａの外面に接合されている。燃料電池セル１０の燃料ガス流路２と第１ガスタンク１６内のガス室とが連通している。

無機材料からなるセルスタック支持板１６ｂは、例えば、ガラス、結晶化ガラス、ガラスセラミックス、セラミックスにより形成されており、特には、結晶化ガラスからなることが望ましい。

セラミックスとして、ＺｎＯ_２やフォルステライト等の複合酸化物をあげることができ、ガラスとして、アルカリ土類金属の酸化物を主成分として、ＳｉＯ_２、Ｂ_２Ｏ_３、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｚｒ_２Ｏ_３またはＬａ_２Ｏ_３を含有する非晶質または結晶化したガラスを用いることができる。

無機材料からなる接合材４１は、上記セルスタック支持板１６ｂと同様の材料を用いることができるが、セルスタック支持板１６ｂを構成する無機材料は、接合材４１で枠体１６ｃをガスタンク本体１６ａに接合する温度で溶融しない材料とされている。

第１ガスタンク１６の上面には、改質器からの燃料ガスを第１ガスタンク内に供給するための燃料ガス供給管２１が接続されている。

そして、本実施形態では、図３（ａ）および図４（ａ）に示すように、セルスタック支持板１６ｂとガスタンク本体１６ａの底板１６ａ１との間を所定間隔に保持するための支持部材１７が、セルスタック１２間であって、燃料電池セル１０の配列方向ｘに所定間隔をおいて複数配置されている。支持部材１７間は、ガスタンク１６内の燃料ガスが通過可能とされている。支持部材１７は、セラミックス、または耐熱性合金で形成できる。

支持部材１７は円柱状であり、その長さ方向の上下端が、それぞれセルスタック支持板
１６ｂの下面とガスタンク本体１６ａの底板１６ａ１の上面に当接している。なお、この形態では、当接するだけでなく、支持部材１７の上下端の一方が、セルスタック支持板１６ｂの下面、またはガスタンク本体１６ａの底板１６ａ１の上面に接合されていても良い。この場合には、セルスタック装置を容易に作製できる。例えば、支持部材１７の上端が、セルスタック支持板１６ｂの下面に接合されている場合には、セルスタック支持板１６ｂをガスタンク本体１６ａの開口部に配置することで、支持部材１７の下端がガスタンク本体１６ａの底板１６ａ１の上面に当接し、セルスタック支持板１６ｂを支持することができる。

従って、例えば、１ＫＷ以上、特には２ＫＷ以上の業務用の燃料電池装置に使用すべく、２個以上のセルスタック１２を配列させ、セルスタック装置に使用される燃料電池セル１０の本数が多くなったとしても、セルスタック支持板１６ｂを支持部材１７で容易に支持でき、発電時等の高温での使用時において、セルスタック支持板１６ｂに生じる応力を低減でき、長期信頼性を得ることができる。また、燃料電池セル１０毎にガスタンク本体１６ａの底板１６ａ１に支持する必要がないため、セルスタック装置の作製も容易である。さらに、従来のように、燃料電池セルを支持する必要がなく、セルスタック１２間におけるセルスタック支持板１６ｂを支持部材１７で支持するため、燃料電池セル１０の燃料ガス流路２を塞ぐこともなく、設計の自由度を増加させることができる。

なお、支持部材１７は円柱状である必要はない。例えば、多角柱状、板状であっても良い。

図４（ｂ）（ｃ）は、他の形態のセルスタック装置を示す。この形態では、複数の板状の支持部材１７と、これらの支持部材１７の上下両端を連結する幅広の鍔部３９を有しており、全体がレール形状とされている。そして、鍔部３９が、セルスタック支持板１６ｂの下面と、ガスタンク本体１６ａの底板１６ａ１の上面とに幅広く接触し、支持部材１７が鍔部３９を介してで広い面積でセルスタック支持板１６ｂを支持している。

このようなセルスタック装置では、セルスタック支持板１６ｂを支持部材１７の上下端の幅広な鍔部３９で容易にかつ確実に支持でき、セルスタック支持板１６ｂに生じる応力を低減できる。この場合にも、支持部材１７の上下端の鍔部３９の一方が、セルスタック支持板１６ｂの下面、またはガスタンク本体１６ａの底板１６ａ１の上面に接合されていても良い。これにより、セルスタック装置を容易に作製できる。

なお、上記形態では、支持部材１７の両端にそれぞれ鍔部３９を有する場合について説明したが、セルスタック支持板１６ｂと当接する上端だけ鍔部３９を設けても良い。一方、ガスタンク本体１６ａの底板１６ａ１の上面に当接する鍔部３９を設けることにより、ガスタンク本体１６ａの底板１６ａ１の上面に支持部材１０を安定して支持できる。鍔部３９についても、セラミックスまたは耐熱性合金で形成できる。

図５は、本発明のさらに他の形態を示すもので、この形態では、円柱状の支持部材１７の上端部がセルスタック支持板１６ｂに埋設されて接合され、支持部材１７の下端は、ガスタンク本体１６ａの底板１６ａ１の上面に当接している。支持部材１７の上端面は、ガスタンク１６の外部に露出している。なお、支持部材１７の上端面は、必ずしもガスタンク１６の外部に露出している必要はない。

このようなセルスタック装置では、セルスタック支持板１６ｂに支持部材１７の上端部が一体的に接合固定されており、セルスタック支持板１６ｂを、ガスタンク本体１６ａの開口部を塞ぐように配置した際に、支持部材１７の下端がガスタンク本体１６ａの底板１６ａ１の上面に当接するように構成されている。

このようなセルスタック装置でも、セルスタック支持板１６ｂを支持部材１７で容易に支持でき、発電時等の高温での使用時において、セルスタック支持板１６ｂに作用する応力を低減でき、長期信頼性を得ることができる。

図６は、さらに他の形態のセルスタック装置を示すもので、この形態では、支持部材１７の上端部がセルスタック支持板１６ｂに埋設されて接合され、支持部材１７の下端部は、ガスタンク本体１６ａの底板１６ａ１の上面に、無機材料からなる接合材４５で接合されている。ガスタンク本体１６ａの底板１６ａ１の上面には、無機材料溜まり部を形成するための容器４９が形成されており、この容器４９内に無機材料が充填され、支持部材１７の下端部が接合材４５で接合固定されている。

無機材料からなる接合材４５は、上記セルスタック支持板１６ｂと同様の材料を用いることができるが、セルスタック支持板１６ｂを構成する無機材料は、接合材４５で支持部材１７の下端部をガスタンク本体１６ａの底板１６ａ１の上面に接合する温度で溶融しない材料とされている。また、枠体１６ｃとガスタンク本体１６ａとを接合する接合材４１と、支持部材１７の下端部を接合する接合材４５とは、同一材料で構成することができ、接合材４１と接合材４５とを同時に熱処理で構成することができる。

このようなセルスタック装置では、セルスタック支持板１６ｂからの支持部材１７の突出長さを短めに設定し、予めセルスタック支持板１６ｂに支持部材１７を接合固定し、セルスタック支持板１６ｂをガスタンク本体１６ａの開口部に配置し、支持部材１７の下端部を無機材料中に挿入し、この後熱処理することにより、無機材料が溶融し、固化することで、支持部材１７の下端部をガスタンク本体１６ａの底板１６ａ１の上面に接合することができる。これにより、支持部材１７の長さを厳密に制御することなく、セルスタック支持板１６ｂを支持部材１７で容易に支持でき、発電時等の高温での使用時において、セルスタック支持板１６ｂに作用する応力を低減でき、長期信頼性を得ることができる。

なお、図６（ｂ）に示すように、弾性変形可能な、例えば断熱体からなる絶縁体４７を介して、支持部材１７の下端をガスタンク本体１６ａの底板１６ａ１の上面に配置し、絶縁体４７の上部における支持部材１７が接合材４５で固定されていても良い。この場合には、弾性変形可能な、例えば断熱体からなる絶縁体４７を介して、支持部材１７の下端を第１ガスタンク１６の底板１６ａ１の上面に配置し、絶縁体４７の上部における支持部材１７の下端部が無機材料４５で固定されるため、支持部材１７の長さを厳密に制御することなく、容易に、セルスタック支持板１６ｂを支持部材１７で支持できる。

図７および図８（ａ）は、さらに他の形態のセルスタック装置を示すもので、この形態では、支持部材１７が中空状であり、第１ガスタンク１６内に第２ガスタンク５１を具備するとともに、該第２ガスタンク５１に支持部材１７の下端部が接合され、支持部材１７の上端部が、セルスタック支持板１６ｂを挿通して該セルスタック支持板１６ｂに接合されている。

すなわち、第２ガスタンク５１はセル配列方向ｘに延びる細長い箱状であり、この第２ガスタンク５１は、２列のセルスタック１２間に位置する第１ガスタンク１６内の底板１６ａ１上に設けられており、第２ガスタンク５１は、空気等の酸素含有ガスのガス室とされている。

中空状の支持部材１７の下端部は第２ガスタンク５１の天板を挿通し、支持部材１７の上端部はセルスタック支持板１６ｂを挿通し、第２ガスタンク５１内の酸素含有ガスが支持部材１７内を介して、第１ガスタンク１６外に放出されるようになっている。支持部材
１７の下端部および上端部は、第２ガスタンク５１の天板およびセルスタック支持板１６ｂに酸素含有ガスが漏出しないように接合されている。

第２ガスタンク１６の天板には、酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給管５２の下端部が接合され、第１ガスタンク１６の天板を挿通し、上方に延びている。

このようなセルスタック装置では、セルスタック支持板１６ｂを支持部材１７で容易に支持できるとともに、後述するように、板状の酸素含有ガス導入部材をセルスタック１２間に配置することなくコンパクトな構造となり、また板状の酸素含有ガス導入部材と異なり熱変形するも殆どないため、長期信頼性を向上できる。

図８（ｂ）、（ｃ）は、支持部材１７の下端部の第２ガスタンク５１の天板への接合を無機材料５３を用いて行った形態を示すもので、この形態では、第２ガスタンク５１の天板のセル配列方向ｘに所定間隔をおいて凹部５１ａが形成されており、該凹部５１ａ内における天板に支持部材１７が貫通する貫通孔が設けられており、この貫通孔を支持部材１７の下端部が貫通し、凹部５１ａ内に充填された無機材料５３で接合されている。

このような支持部材１７の下端部を第２ガスタンク５１の凹部５１ａ内に接合する方法は、例えば、凹部５１ａ内に、支持部材１７が挿通する貫通孔が形成された無機材料からなる粉末成形体を配置し、支持部材１７が凹部５１ａ内の粉末成形体の貫通孔を挿通するように、支持部材１７が接合されたセルスタック支持板１６ｂをガスタンク本体１６ａの開口部に配置し、熱処理することにより、粉末成形体を焼成し、支持部材１７の下端部を第２ガスタンク５１の凹部５１ａ内に無機材料５３で接合することができる。

図９は、図８（ｂ）のセルスタック装置におけるセルスタック１２をガス流路変更部材５５で挟んだ状態を示すもので、この形態では、支持部材１７からの酸素含有ガスが、第１ガスタンク１６の外部であってセルスタック１２間に放出され、放出された酸素含有ガスがガス流路変更部材５５によりセルスタック１２の燃料電池セル１０間を流れ、酸素含有ガスを燃料電池セル１０に効率良く供給でき、酸素含有ガスの利用率を高めることができる。

ガス流路変更部材５５としては、一般に燃料電池に使用される断熱材を使用することができる。

図１０は、さらに他の形態のセルスタック装置を示すもので、この形態では、４個のセルスタック１２を、燃料電池セル１０の配列方向ｘが平行になるように配置してセルスタック集合体が構成されている。そして、セルスタック支持板１６ｂとガスタンク本体１６ａの底板１６ａ１との間を所定間隔に保持するための支持部材１７が、それぞれのセルスタック１２間であって、燃料電池セル１０の配列方向ｘに所定間隔をおいて複数配置されている。

このようなセルスタック装置では、セルスタック１２が４個で、燃料電池セル１０の数も多くなった場合であっても、セルスタック支持板１６ｂを支持部材１７で容易に支持でき、セルスタック支持板１６ｂに作用する応力を低減できる。

以下に、燃料電池セル１０を構成する各部材について説明する。導電性支持体１は、燃料ガスを燃料極層３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８を介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、Ｎｉおよび／またはＮｉＯと、無機酸化物、特には特定の希土類酸化物とにより形成されることが好ましい。

特定の希土類酸化物とは、導電性支持体１の熱膨張係数を固体電解質層４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、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｓｍ、Ｐｒ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を、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとの組み合わせで使用することができる。

また、導電性支持体１の良好な導電率を維持し、かつ熱膨張係数を固体電解質層４と近似させるという点で、Ｎｉおよび／またはＮｉＯ：希土類酸化物＝３５：６５〜６５：３５の体積比で存在することが好ましい。なお、導電性支持体１中には、要求される特性が損なわれない限りの範囲で、他の金属成分や酸化物成分を含有していてもよい。

また、導電性支持体１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３５〜５０％の範囲にあることが好ましい。また、導電性支持体１の導電率は、３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましい。

なお、例えば、導電性支持体１の平坦面ｎの長さ（導電性支持体１のセル幅方向Ｂの長さ）は１５〜３５ｍｍ、弧状面ｍの長さ（弧の長さ）は２〜８ｍｍ、導電性支持体１の厚み（平坦面ｎ間の厚み）は１．５〜５ｍｍ、導電性支持体１の長さは１００〜１５０ｍｍとされている。

燃料極層３は、電極反応を生じさせるものであり、それ自体公知の多孔質の導電性セラミックスにより形成することが好ましい。例えば、希土類元素が固溶したＺｒＯ_２または希土類元素が固溶したＣｅＯ_２と、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。なお、希土類元素としては、導電性支持体１において例示した希土類元素を用いることができ、例えばＹが固溶したＺｒＯ_２（ＹＳＺ）とＮｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。

燃料極層３中の希土類元素が固溶したＺｒＯ_２または希土類元素が固溶しているＣｅＯ_２の含有量は、３５〜６５体積％の範囲にあるのが好ましく、またＮｉあるいはＮｉＯの含有量は、６５〜３５体積％であるのが好ましい。さらに、この燃料極層３の開気孔率は、１５％以上、特に２０〜４０％の範囲にあるのが好ましく、その厚みは、１〜３０μｍであるのが好ましい。

また、図１（ａ）では、燃料極層３が、密着層７の両サイドにまで延びているが、酸素極層６に対面する位置に形成されていればよいため、例えば酸素極層６が設けられている側の平坦面ｎにのみ燃料極層３が形成されていてもよい。すなわち、燃料極層３は平坦面ｎにのみ設けられ、固体電解質層４が燃料極層３上、導電性支持体１の両弧状面ｍ上および燃料極層３が形成されていない他方の平坦面ｎ上に形成された構造をしたものであってもよい。

固体電解質層４はＺｒＯ_２系からなり、３〜１５モル％のＹ、Ｓｃ、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ＺｒＯ_２からなる緻密質なセラミックスを用いるのが好ましい。また、希土類元素としては、安価であるという点からＹが好ましい。さらに、固体電解質層４は、ガス透過を防止するという点から、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であることが好ましい。

固体電解質層４と後述する酸素極層６との間には、発電する部分で、固体電解質層４の成分と酸素極層６の成分とが反応して電気抵抗の高い反応層が形成されることを抑制する
目的で中間層５を備えている。

ここで、中間層５はＣｅＯ_２系からなり、ＣｅとＣｅ以外の他の希土類元素とを含有する組成にて形成することができ、例えば、（ＣｅＯ_２）_１−ｘ（ＲＥＯ_１．５）_ｘ（式中、ＲＥはＳｍ、Ｙ、Ｙｂ、Ｇｄの少なくとも１種であり、ｘは０＜ｘ≦０．３を満足する数）で表される組成を有していることが好ましい。さらには、電気抵抗を低減するという点から、ＲＥとしてＳｍやＧｄを用いることが好ましく、例えば１５〜２５モル％のＳｍＯ_１．５またはＧｄＯ_１．５が固溶したＣｅＯ_２からなることが好ましい。中間層５の厚みは、剥離を防止し、高い発電性能を維持するという点から、１．５〜５．０μｍとされている。なお、中間層５は２層構造からなるものであっても良い。

酸素極層６としては、Ｌａを含有するペロブスカイト型複合酸化物系からなるもので、いわゆるＡＢＯ_３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により形成することが好ましい。かかるペロブスカイト型複合酸化物としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物、特にＡサイトにＳｒとＬａが共存するＬａＭｎＯ_３系酸化物、ＬａＦｅＯ_３系酸化物、ＬａＣｏＯ_３系酸化物の少なくとも１種が好ましく、６００〜１０００℃程度の作動温度での電気伝導性が高いという点からＬａＣｏＯ_３系複合酸化物が特に好ましい。なお、上記ペロブスカイト型複合酸化物においては、Ｂサイトに、ＣｏとともにＦｅやＭｎが存在しても良い。特に、ＬａＳｒＣｏＦｅＯ_３系酸化物が望ましい。

また、酸素極層６は、ガス透過性を有する必要があり、従って、酸素極層６を形成する導電性セラミックス（ペロブスカイト型複合酸化物）は、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。さらに、酸素極層６の厚みは、集電性という点から３０〜１００μｍであることが好ましい。

また、導電性支持体１の酸素極層６側と反対側の平坦面ｎ上には、密着層７を介してインターコネクタ８が積層されている。

インターコネクタ８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と接触するため、耐還元性、耐酸化性を有してい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は、一般に、ランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ_３系酸化物）が使用され、特に導電性支持体１および固体電解質層４の熱膨張係数に近づける目的から、ＢサイトにＭｇが存在するＬａＣｒＭｇＯ_３系酸化物が用いられる。

また、インターコネクタ８の厚みは、ガスのリーク防止と電気抵抗という点から、１０〜５０μｍであることが好ましい。この範囲ならばガスのリークを防止できるとともに、電気抵抗を小さくできる。

さらに、導電性支持体１とインターコネクタ８との間には、インターコネクタ８と導電性支持体１との間の熱膨張係数差を軽減する等のために密着層７が形成されている。

このような密着層７としては、燃料極層３と類似した組成とすることができる。例えば、希土類酸化物、希土類元素が固溶したＺｒＯ_２、希土類元素が固溶したＣｅＯ_２のうち少なくとも１種と、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。より具体的には、例えばＹ_２Ｏ_３とＮｉおよび／またはＮｉＯからなる組成や、Ｙが固溶したＺｒＯ_２（ＹＳＺ）とＮｉおよび／またはＮｉＯからなる組成、Ｙ、Ｓｍ、Ｇｄ等が固溶したＣｅＯ_２とＮｉおよび／またはＮｉＯからなる組成から形成することができる。なお、希土類酸化物や希土類元素が固溶したＺｒＯ_２（ＣｅＯ_２）と、Ｎｉおよび／またはＮｉＯとは、体積比で４０：６０〜６０：４０の範囲とすることが好ましい。

図１１は、セルスタック装置１１を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュール１８の一例を示す外観斜視図であり、直方体状の収納容器１９の内部に、図２乃至６に示したセルスタック装置１１を収納して構成されている。

なお、燃料電池セル１０にて使用する燃料ガスを得るために、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２０をセルスタック１２の上方に配置している。そして、改質器２０で生成された燃料ガスは、ガス流通管２１を介してガスタンク１６に供給され、ガスタンク１６を介して燃料電池セル１０の内部に設けられた燃料ガス通路２に供給される。

なお、図１１においては、収納容器１９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装置１１および改質器２０を後方に取り出した状態を示している。図１１に示した燃料電池モジュール１８においては、セルスタック装置１１を、収納容器１９内にスライドして収納することが可能である。なお、セルスタック装置１１は、改質器２０を含むものとしても良い。

また収納容器１９の内部に設けられた酸素含有ガス導入部材２２は、図１１においてはガスタンク１６に並置された２個のセルスタック１２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合わせて、燃料電池セル１０の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、燃料電池セル１０の下端部に酸素含有ガスを供給する。そして、燃料電池セル１０の燃料ガス通路２より排出される燃料ガスを酸素含有ガスと反応させて燃料電池セル１０の上端部側で燃焼させることにより、燃料電池セル１０の温度を上昇させることができ、セルスタック装置１１の起動を早めることができる。また、燃料電池セル１０の上端部側にて、燃料電池セル１０の燃料ガス通路２から排出される燃料ガスと酸素含有ガスとを燃焼させることにより、燃料電池セル１０（セルスタック１２）の上方に配置された改質器２０を温めることができる。それにより、改質器２０で効率よく改質反応を行うことができる。

さらに、本形態の燃料電池モジュール１８においても、上述したセルスタック装置１１を収納容器１９内に収納してなることから、長期信頼性が向上した燃料電池モジュール１８とすることができる。

図１２は、外装ケース内に図１１で示した燃料電池モジュール１８と、セルスタック装置１１を動作させるための補機とを収納してなる燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。なお、図１２においては一部構成を省略して示している。

図１２に示す燃料電池装置２３は、支柱２４と外装板２５とから構成される外装ケース内を仕切板２６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１８を収納するモジュール収納室２７とし、下方側を燃料電池モジュール１８を動作させるための補機類を収納する補機収納室２８として構成されている。なお、補機収納室２８に収納する補機類は省略して示している。

また、仕切板２６には、補機収納室２８の空気をモジュール収納室２７側に流すための空気流通口２９が設けられており、モジュール収納室２７を構成する外装板２５の一部に、モジュール収納室２７内の空気を排気するための排気口３０が設けられている。

このような燃料電池装置２３においては、上述したように、信頼性を向上することができる燃料電池モジュール１８をモジュール収納室２７に収納して構成されることにより、信頼性の向上した燃料電池装置２３とすることができる。

以上、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。

例えば、上記形態では、中空平板型の燃料電池セル１０について記載したが、円筒型の燃料電池セルであっても良い。また、上記形態では、タンク本体に枠体を接合したガスタンクを用いたが、枠体を用いることなく、タンク本体の開口部にセルスタック支持板を接合しても良い。

さらに、上記形態では、支持部材１７を複数配置した形態について説明したが、１個でも良い。

２：燃料ガス流路
１０：燃料電池セル
１１：セルスタック装置
１２：セルスタック
１６：第１ガスタンク
１６ａ：ガスタンク本体
１６ａ１：ガスタンク本体の底板
１６ｂ：セルスタック支持板
１６ｃ：枠体
１７：支持部材
１７ａ：支持部材本体
１７ｂ：鍔部
１８：燃料電池モジュール
２３：燃料電池装置
５１：第２ガスタンク
ｘ：燃料電池セルの配列方向

Claims (7)

1. 内部に第１ガス流路を有する複数の燃料電池セルを前記第１ガス流路が平行となるように配列してなる複数のセルスタックを、前記燃料電池セルの配列方向が平行となるように、所定間隔をおいて配置してなるセルスタック集合体と、上端部が開口した箱状のガスタンク本体と、前記セルスタック集合体の下端部を無機材料によりガスシールされた状態で接合し、前記ガスタンク本体の開口部を塞ぐセルスタック支持板とを具備し、前記ガスタンク本体の開口部を前記セルスタック支持板で塞いで第１ガスタンクが構成されているとともに、該第１ガスタンク内と前記燃料電池セルの第１ガス流路とが連通し、前記セルスタック支持板と前記ガスタンク本体の底板との間を所定間隔に保持するための支持部材を、前記セルスタック間に配置してなることを特徴とするセルスタック装置。
2. 前記セルスタック支持板に前記支持部材が接合されていることを特徴とする請求項１に記載のセルスタック装置。
3. 前記ガスタンク本体の底板に前記支持部材が無機材料で接合されていることを特徴とする請求項１または２に記載のセルスタック装置。
4. 前記支持部材が、該支持部材の底板側端と前記ガスタンク本体の底板との間に所定間隔を置いて、前記ガスタンク本体の底板に接合されていることを特徴とする請求項３に記載のセルスタック装置。
5. 前記支持部材が中空状であり、前記第１ガスタンク内に第２ガスタンクを具備するとともに、該第２ガスタンクに前記支持部材の下端部が接合され、該支持部材の上端部が、前記セルスタック支持板を挿通して該セルスタック支持板に接合されていることを特徴とする請求項１または２に記載のセルスタック装置。
6. 収納容器内に、請求項１乃至５のうちいずれかに記載のセルスタック装置を収容してなることを特徴とする燃料電池モジュール。
7. 請求項６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作動させるための補機とを、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。

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