JP2017045701A

JP2017045701A - セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置

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Publication number: JP2017045701A
Application number: JP2015169889A
Authority: JP
Inventors: 亨祐山内; Kyosuke Yamauchi
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-08-29
Filing date: 2015-08-29
Publication date: 2017-03-02
Anticipated expiration: 2035-08-29
Also published as: JP6599696B2

Abstract

【課題】長期信頼性の向上したセルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置を提供する。【解決手段】複数個のセル１が配列されてなるセルスタック１８と、複数個のセル１の一端が挿入される一又は複数の挿入口１７を有している支持体７ａと、複数個のセル１の一端と挿入口の内壁とを接合している第１シール材８ａと、挿入口１７を介して複数個のセル１に反応ガスを供給するための開口部を有しており、開口部の周囲に設けられた凹溝７１を有するガスタンク７ｂと、を具備し、支持体７ａの一端部は、ガスタンク７ｂの凹溝７１に充填された第２シール材８ｂによりガスタンク７ｂと接合されており、第２シール材８ｂは、支持体７ａの一端部の周囲に、他の部分８２より気孔率が小さい第１領域８１を有しているセルスタック装置１０。【選択図】図４

Description

本発明は、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と酸素含有ガス（空気）とを用いて電力を得ることができるセルの１種である燃料電池セルが複数配列されてなる燃料電池セルスタック装置を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや、燃料電池モジュール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（例えば、特許文献１参照。）。

また、特許文献１の燃料電池セルスタック装置においては、複数個の燃料電池セルの一端部はシール材で支持体に接合されている。支持体の一端部はガスタンクに接合されている。

特開２０１３−１５７１９１号公報

しかし、特許文献１に記載の燃料電池セルスタック装置において、シール材にクラック等が生じ、それによりガスリークが生じるおそれがあり、このガスリークを抑制することが求められていた。

それゆえ、本発明は、シール材にクラックが発生することを抑制することができ、長期信頼性が向上したセルスタック装置、それを備えるモジュールおよびモジュール収容装置を提供することにある。

本発明のセルスタック装置は、複数個のセルが配列されてなるセルスタックと、前記複数個のセルの一端が挿入される一又は複数の挿入口を有している支持体と、前記複数個のセルの一端と前記挿入口の内壁とを接合している第１シール材と、前記挿入口を介して前記複数個のセルに反応ガスを供給するための開口部を有しており、該開口部の周囲に設けられた凹溝を有するガスタンクと、を具備し、前記支持体の一端部は、前記ガスタンクの前記凹溝に充填された第２シール材により前記ガスタンクと接合されており、前記第２シール材は、前記支持体の一端部の周囲に、他の部分より気孔率が小さい第１領域を有していることを特徴とする。

また、本発明のモジュールは、収納容器内に、上記に記載のセルスタック装置を収納してなることを特徴とする。

さらに、本発明のモジュール収容装置は、外装ケース内に、上記に記載のモジュールと、該モジュールの運転を行なうための補機とを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は、シール材にクラックが発生することを抑制することができ、長期信頼性の向上したセルスタック装置とすることができる。

また、本発明のモジュールは、収納容器内に上記のセルスタック装置を収納してなることから、長期信頼性の向上したモジュールとすることができる。

さらに、本発明のモジュール収容装置は、上記のモジュールと、該モジュールの運転を行なうための補機とを収納してなることから、長期信頼性の向上したモジュール収容装置とすることができる。

本実施形態のセルの一例を示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）は側面図である。（ａ）は本実施形態のセルスタック装置の一例を示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の側面側の断面図である。（ａ）は図２に示したセルスタック装置の概略斜視図であり、（ｂ）はセルスタックの一端部付近の拡大断面図である。セルスタックと支持体との接合部付近の拡大断面図である。（ａ）〜（ｃ）は、第２シール材を説明するための拡大断面図である。本実施形態のセルスタック装置の一例を備えるモジュールを示す外観斜視図である。本実施形態のモジュール収容装置の一例を概略的に示す分解斜視図である。（ａ）は本実施形態の支持体の他の例を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示した支持体を備えたセルスタック装置の側面側の拡大断面図である。本実施形態のセルスタック装置の他の例を示す斜視図である。本実施形態のセルスタック装置の他の例を示す斜視図である。

図１〜１０を用いて、セル、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置について説明する。

（セル）
以下において、セルスタックを構成するセルとして固体酸化物形の燃料電池セルの例を用いて説明する。

図１は、セルの実施形態の一例を示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）は側面図である。なお、この図面において、セル１の各構成の一部を拡大して示している。

図１に示す例において、セル１は中空平板型で、細長い板状である。図１（ｂ）に示すように、セル１の全体を側面から見た形状は、例えば、長さ方向Ｌの辺の長さが５〜５０ｃｍで、この長さ方向に直交する幅方向Ｗの長さが１〜１０ｃｍの長方形である。このセル１の全体の厚さは１〜５ｍｍである。

図１に示すように、セル１は、一対の対向する平坦面ｎ１、ｎ２をもつ柱状の導電性支持基板２（以下、支持基板２と略す場合がある）の一方の平坦面ｎ１上に、燃料極３、固体電解質層４及び空気極５から成る素子部を積層してなる柱状（中空平板状等）からなる。

また、図１に示す例においては、セル１の他方の平坦面ｎ２上にはインターコネクタ６が設けられている。

以下、セル１を構成する各構成部材について説明する。

支持基板２は、ガスが流れるガス流路２ａが内部に設けられており、図１においては６つのガス流路２ａが設けられた例を示している。支持基板２としては、燃料ガスを燃料極３まで透過するためにガス透過性であること、さらには、インターコネクタ６を介して集電するために導電性であることが要求される。支持基板２は、例えば、鉄族金属成分と無機酸化物からなる。例えば、鉄族金属成分はＮｉおよび／またはＮｉＯであって、無機酸化物は特定の希土類元素酸化物である。

燃料極３は、一般的に公知のものを使用することができ、多孔質の導電性セラミックス、例えば希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ_２（安定化ジルコニアと称し、部分安定化も含むものとする）とＮｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。この希土類酸化物としては例えばＹ_２Ｏ_３等が用いられる。

固体電解質層４は、燃料極３、空気極５間のイオンの橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有することが必要とされ、３〜１５モル％の希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ_２から形成される。この希土類元素酸化物としては例えばＹ_２Ｏ_３等が用いられる。なお、上記特性を有する限りにおいては、他の材料等を用いて形成してもよい。

空気極５は、一般的に用いられるものであれば特に制限はなく、例えば、いわゆるＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電性セラミックスから形成することができる。例えば、ＡサイトにＳｒとＬａが共存する複合酸化物が好ましい。例としては、Ｌａ_ｘＳｒ_１−ｘＣｏ_ｙＦｅ_１−ｙＯ_３、Ｌａ_ｘＳｒ_１−ｘＭｎＯ_３、Ｌａ_ｘＳｒ_１−ｘＦｅＯ_３、Ｌａ_ｘＳｒ_１−ｘＣｏＯ_３等が挙げられる。なお、ｘは０＜ｘ＜１、ｙは０＜ｙ＜１である。空気極５はガス透過性を有していることが必要であり、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。

インターコネクタ６は、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）、もしくは、ランタンストロンチウムチタン系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＳｒＴｉＯ_３系酸化物）が好適に使用される。これらの材料は、導電性を有し、かつ燃料ガス（水素含有ガス）および酸素含有ガス（空気等）と接触しても還元も酸化もされない。また、インターコネクタ６は支持基板２に形成されたガス流路２ａを流通する燃料ガス、および支持基板２の外側を流通する酸素含有ガスのリークを防止するために緻密質でなければならず、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが好ましい。

（セルスタック装置）
次に、上述したセルを用いた本実施形態に係るセルスタック装置について図２、図３を用いて説明する。

図２（ａ）は本実施形態のセルスタック装置の一例を示す斜視図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）の側面側の断面図である。図３（ａ）は図２に示したセルスタック装置の概略斜視図であり、図３（ｂ）はセルスタックの一端部付近の拡大断面図である。図４は、セルスタックと支持体との接合部付近の拡大断面図である。図５（ａ）〜（ｃ）は、第２シール材を説明するための拡大断面図である。

セルスタック装置１０は、配列された複数個のセル１を有するセルスタック１８と、マニホールド７とを備える。

図２、図３に示すように、マニホールド７は、支持体７ａと、ガスタンク７ｂとを備え
ている。

支持体７ａは、複数個のセル１の一端が挿入される一又は複数の挿入口１７を有している。複数個のセル１の一端と挿入口１７の内壁とは、第１シール材８ａで接合されている。

ガスタンク７ｂは、挿入口１７を介して複数個のセル１に反応ガスを供給するための開口部を有しており、開口部の周囲に設けられた凹溝７１を有する。支持体７ａの一端部は、ガスタンク７ｂの凹溝７１に充填された第２シール材８ｂによりガスタンク７ｂと接合されている。

図２、図３に示す例においては、支持体７ａと、ガスタンク７ｂとで形成される内部空間に燃料ガスが貯留される。ガスタンク７ｂにはガス流通管１２が設けられており、後述する改質器１３で生成された燃料ガスが、このガス流通管１２を介してマニホールド７に供給され、その後マニホールド７よりセル１の内部のガス流路２ａに供給される。

各セル１はマニホールド７側からセル１の長手方向に沿ってそれぞれ突出し且つ複数のセル１がスタック状に整列するように、各セル１の長手方向の一端が第１シール材８ａで支持体７ａに固定されている。

図２、図３に示す例においては、複数個のセル１が２列設けられており、各列がそれぞれ支持体７ａに固定されている。この場合、ガスタンク７ｂの上面には２つの貫通孔が設けられている。この貫通孔のそれぞれに、挿入孔１７を合わせるように各支持体７ａが設けられる。結果、１つのガスタンク７ｂと、２つの支持体７ａとで内部空間が形成される。

挿入孔１７の形状は、例えば、上面視で長円形状である。挿入孔１７は、例えば、セル１の配列方向において、２つの端部導電部材９ｂの間の距離よりも長ければよい。また、この挿入孔の幅は、例えば、セル１の幅方向Ｗの長さよりも長ければよい。

図２、図３に示すように、挿入孔１７の内壁とセル１の外面との間、および、セル１同士の間に、隙間が存在している。

図２、図３に示すように、挿入孔１７とセル１の一端との接合部において、固化された第１シール材８ａが前記隙間に充填されている。これにより、挿入孔１７と複数個のセル１の一端とがそれぞれ接合・固定されている。各セル１のガス流路２ａの一端は、マニホールド７の内部空間と連通している。

第１シール材８ａ、第２シール材８ｂは、非晶質ガラス、金属ろう材等でも構成されてもよいが、結晶化ガラスで構成されることが好適である。結晶化ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−ＣａＯ系、ＭｇＯ−Ｂ_２Ｏ_３系が採用され得るが、ＳｉＯ_２−ＭｇＯ系のものが最も好ましい。なお、本明細書では、結晶化ガラスとは、全体積に対する「結晶相が占める体積」の割合（結晶化度）が６０％以上であり、全体積に対する「非晶質相及び不純物が占める体積」の割合が４０％未満のガラス（セラミックス）を指す。結晶化ガラスの結晶化度は、具体的には、例えば、「ＸＲＤ等を用いて結晶相を同定し、ＳＥＭ及びＥＤＳ、或いは、ＳＥＭ及びＥＰＭＡ等を用いて結晶化後のガラスの組織や組成分布を観察した結果に基づいて、結晶相領域の体積割合を算出する」ことによって得ることができる。

また、図２（ｂ）に示す例のように、隣接するセル１の間には、隣接するセル１の間（
より詳細には、一方のセル１の燃料極３と他方のセル１の空気極５）を電気的に直列に接続するための導電部材９ａが介在している。なお、図２（ａ）、図３では、導電部材９ａの図示を省略している。

また、図２（ｂ）に示す例のように、複数個のセル１の配列方向における最も外側に位置するセル１に、端部導電部材９ｂが接続されている。この端部導電部材９ｂは、セルスタック５の外側に突出する導電部１１を有している。導電部１１は、セル１の発電により生じた電気を集電して外部に引き出す機能を有する。なお、図２（ａ）、図３では、端部導電部材９ｂの図示を省略している。

以上、説明した燃料電池のセルスタック装置１０を稼働させる際には、高温（例えば、６００〜８００℃）の燃料ガス（水素等）及び「酸素を含むガス（空気等）」を流通させる。燃料ガスは、マニホールド７の内部空間へ導入され、その後、挿入孔１７を介して複数個のセル１のガス流路２ａにそれぞれ導入される。各ガス流路２ａを通過した燃料ガスは、その後、各ガス流路２ａの他端（自由端）から外部に排出される。空気は、隣接するセル１間の隙間に沿って、セル１の長手方向に沿って流れる。

（第１シール材のガスリーク発生の抑制）
図２、３に示したセルスタック装置１０では、熱応力的に過酷な環境下で稼働されると、支持体７ａと、支持体７ａの一端部を覆っている第２シール材８ｂとの熱膨張差によって、第２シール材８ｂにクラックが生じるおそれがあった。それにより、支持体７ａが熱膨張とともに可動するようになる。従って、セルスタック装置を長期間発電させた場合に、支持体７ａとセルスタック１８とを接合する第１シール材８ａに繰り返し応力がかかってクラックが生じ、ガスリークが発生するおそれがあった。

そこで、本実施形態のセルスタック装置１０においては、図４に示すように、第２シール材８ｂは、支持体７ａの一端部の周囲に、他の部分８２より気孔率が小さい第１領域８１を有している。

この構成によれば、支持体７ａと第２シール材８ｂとの熱膨張差が生じた場合であっても、支持体７ａの一端部を覆っている周囲の第２シール材８ｂの強度が高いため、第２シール材８ｂにクラックが生じることを抑制することができ、長期信頼性を向上させることができる。従って、支持体７ａが熱膨張とともに可動することを抑制できるほか、支持体７ａの一端部における第２シール材８ｂによる固定を強固とすることができる。なお、併せて、支持体７ａが可動することを抑制できることから、セルスタック装置１０を長期間発電させた場合に、支持体７ａとセルスタック１８とを接合する第１シール材８ａに繰り返し応力がかかることを抑制できるので、第１シール材８ａでクラックが生じガスリークが発生することを抑制することもできる。

以下で第１領域８１を、図５（ａ）を用いて定義する。まず、支持体７ａの一端部の一方の側面上の点Ａ１から１００μｍ離れた点Ａ２から、凹溝７１の底面に向かって線を引く。この線は、支持体７ａの一端部の長さ方向に沿った線である。また、支持体７ａの一端部の他方の側面でも同様の線を引く。支持体７ａの一端部の一方の側面側の前記線と、支持体７ａの一端部の他方の側面側の前記線と、凹溝７１の底面と、第２シール材８ｂの表面とで挟まれた領域を、第１領域８１とする。

また、他の部分８２とは、第２シール材８ｂの断面のうち、第１領域８１以外の領域のことである。

また、他の部分８２においては、第２シール材８ｂの表層側８２ａが、凹溝７１の底面
側８２ｂよりも気孔率が小さいとよい。セルスタック装置１０を長期間発電させた場合に、支持体７ａの熱膨張変形により支持体７ａと凹溝７１の内壁との間に応力がかかるが、この応力が比較的大きくなりやすいのが第２シール材８ｂの表層側８２ａである。従って、他の部分８２において、第２シール材８ｂの表層側８２ａが、凹溝７１の底面側８２ｂより気孔率が小さいことにより、応力が集中しやすい部分の強度を向上させることができ、第２シール材８ｂにおけるクラック発生を抑制することができる。

また、他の部分８２においては、凹溝７１の底面側８２ｂから、第２シール材８ｂの表層側８２ａに向かって、除々に気孔率が小さくなっているとよい。この構成によれば、支持体７ａと凹溝７１の内壁との間で応力が大きくなりやすい表層側８２ａに向かって除々に強度を高めることができる。従って、底面側８２ｂから表層側８２ａにかけての領域でクラック発生を抑制することができる。

また、断面視において、他の部分８２における凹溝７１の底面側の気孔は楕円形状であり、長軸が支持体７ａの一端部に向いていないとよい。この意味は、楕円形状の気孔の長軸の延長線が支持体７ａの一端部と重ならない、ということである。この構成によれば、支持体７ａと第２シール材８ｂとの熱膨張差によりクラックが生じる場合であっても、クラックが支持体７ａの一端部に向かわない。

また、第１領域８１の気孔率は５％以下であるとよい。この構成によれば、支持体７ａの一端部を覆っている周囲の第２シール材８ｂの強度が高くなるので、第２シール材８ｂにクラックが生じることをさらに抑制できる。

また、他の部分８２における第２シール材８ｂの表層側８ａの気孔率は６％以下であるとよい。この構成によれば、当該表層側８ａの強度が高くなるので、第２シール材８ｂにクラックが生じることをさらに抑制できる。

（測定方法）
第１領域８１および他の部分８２の気孔率の測定は、各領域で以下の方法を行う。まず第２シール材８ｂを、図４に示すような断面が得られるように、支持体７ａおよびガスタンク７ｂごと切断する。この断面に機械研磨を行う。この断面における第２シール材８ｂの微構造を反射電子検出器を用いた走査型電子顕微鏡を用いて観察し、得られた画像に対して画像処理を行う。画像において第２シール材８ｂは灰色であり、気孔は白色なので、それぞれの色の面積を求めることにより「全体の面積（気孔の部分の面積と気孔でない部分の面積の和）」に対する「気孔の部分の面積」の割合を気孔率とする。

「他の部分８２においては、第２シール材８ｂの表層側８２ａが、凹溝７１の底面側８２ｂよりも気孔率が小さい」の確認方法を以下に説明する。

まず、図５（ａ）を用いて説明する。まず、第２シール材８ｂの表面と支持体７ａの一端部との接点Ａ１を出す。点Ａ１から水平に凹溝７１の内壁に向かって線を引く。この線と第１領域８１の境界との交点をＡ２とする。また、この線と凹溝７１の内壁との交点をＡ３とする。次に、支持体７ａの一端部の最下端部をＢ１とする。そして、Ａ２、Ａ３の決め方と同様にＢ２、Ｂ３を決める。次に、線Ａ２−Ａ３に沿って等間隔に３点設定し、各点を含むように１０μｍ四方の領域の空隙率を前述と同様の画像処理方法で算出し、平均値を求める。次に、線Ｂ２−Ｂ３に沿って同様に空隙率の平均値を求める。

以上の測定を行った結果、線Ａ２−Ａ３の空隙率の平均値が、線Ｂ２−Ｂ３線の空隙率の平均値より小さければ、「他の部分８２においては、第２シール材８ｂの表層側８２ａが、凹溝７１の底面側８２ｂよりも気孔率が小さい」ということである。

次に、図５（ｂ）、図５（ｃ）を用いて説明する。図５（ｂ）、図５（ｃ）では、第２シール材８ｂの表面が傾斜しているが、図５（ａ）の場合と同様に、点Ａ１は第２シール材８ｂの表面と支持体７ａの一端部との接点である。また、図５（ｂ）、図５（ｃ）では、支持体７１の一端部の先端が尖っている。この場合も、図５（ａ）の場合と同様に、支持体７ａの一端部の最下端部をＢ１とする。これら以外は、図５（ａ）の場合で示したものと同様の方法でよい。

「他の部分８２においては、凹溝７１の底面側８２ｂから、第２シール材８ｂの表層側８２ａに向かって、除々に気孔率が小さくなっている」の確認方法を、図５（ａ）〜（ｃ）を用いて以下に説明する。まず、前述と同様に、線Ａ２−Ａ３の空隙率の平均値、および線Ｂ２−Ｂ３の空隙率の平均値を算出する。次に、点Ａ２と点Ｂ２の間の中間の点Ｃ１を決める。次に、点Ａ３と点Ｂ３の間の中間の点Ｃ２を決める。次に、線Ｃ１−Ｃ２に沿って、線Ａ２−Ａ３および線Ｂ２−Ｂ３と同様に空隙率の平均値を求める。

そして、線Ｃ１−Ｃ２の空隙率の平均値が、線Ａ２−Ａ３の空隙率の平均値と、線Ｂ２−Ｂ３の空隙率の平均値との中間の値であれば、「他の部分８２においては、凹溝７１の底面側８２ｂから、第２シール材８ｂの表層側８２ａに向かって、除々に気孔率が小さくなっている」ということである。

「他の部分８２における第２シール材８ｂの表層側８ａの気孔率」の算出方法は、前述した線Ａ２−Ａ３に沿った空隙率の平均値の算出方法と同様である。

（製造方法）
以上説明した本実施形態のセルスタック装置１０の作製方法の一例について説明する。ただし、以下に述べる材料、温度等の各種条件は、適宜変更することができる。

セルスタック装置１０は、例えば、以下の手順で組み立てられる。先ず、必要な枚数の完成したセル１、並びに、支持体７ａを準備する。次いで、所定の治具等を用いて、複数個のセル１がスタック状に整列・固定される。次に、この状態を維持しつつ、複数個のセル１のそれぞれの一端を、支持体７ａの挿入孔１７に一度に挿入する。次いで、第１シール材８ａ用のペースト（典型的には、非晶質材料（非晶質ガラス）のペースト）を、挿入孔１７と複数個のセル１の一端との接合部の隙間に充填する。

次に、上記のように充填された第１シール材８ａ用のペーストに熱処理（結晶化処理）を行なう。この熱処理によって非晶質材料の温度がその結晶化温度まで到達すると、結晶化温度下にて、材料の内部で結晶相が生成されて、結晶化が進行していく。この結果、非晶質材料が固化・セラミックス化されて、結晶化ガラスとなる。これにより、結晶化ガラスで構成される第１シール材８ａを介して、複数個のセル１の一端が挿入孔１７に接合・固定される。換言すれば、各セル１の一端が第１シール材８ａを用いて支持体７ａにそれぞれ接合・支持される。その後、前記所定の治具を複数個のセル１から取り外す。

次に、支持体７ａをガスタンク７ｂに接合する。この工程においては、まずガスタンク７ｂの凹溝７１内に第２シール材８ｂ用のペーストを充填する。充填の際には凹溝７１内に仕切り板を設けておく。この仕切り板によって、例えば、凹溝７１内において中央側と外側の領域に区分される。この中央側の領域に造孔材をほとんど含まないペーストを充填し、外側の領域に造孔材を中央側より多く含んだペーストを充填する。次に、造孔材をほとんど含まないペーストの方に支持体７ａの一端部を挿入する。そして仕切り板を外し第１シール材８ａと同様に熱処理して結晶化させればよい。これによって得られたセルスタック装置１０においては、第２シール材８ｂが、支持体７ａの一端部の周囲に、他の部分
８２より気孔率が小さい第１領域８１を有している。

また、「他の部分８２においては、第２シール材８ｂの表層側８２ａが、凹溝７１の底面側８２ｂよりも気孔率が小さい」第２シール材８ｂを作製するためには、仕切り板で区分した外側の領域に、まずは、造孔材を多く含んだペーストを注入し、次に、比較的造孔材の量が少ないペーストを注入すればよい。

（モジュール）
次に、上述したセルスタック装置を用いた本発明の実施形態に係るモジュールについて図６を用いて説明する。図６は、本実施形態のセルスタック装置の一例を備えるモジュールを示す外観斜視図である。

図６に示すように、モジュール２０は、収納容器１４内に、セルスタック装置１０を収納してなる。また、セルスタック装置１０の上方には、セル１に供給する燃料ガスを生成するための改質器１３が配置されている。

また、図６に示す改質器１３においては、原燃料供給管１６を介して供給される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。なお、改質器１３は、効率のよい改質反応である水蒸気改質を行うことができる構造とすることが好ましく、水を気化させるための気化部１３ａと、原燃料を燃料ガスに改質するための改質触媒（図示せず）が配置された改質部１３ｂとを備えている。そして、改質器１３で生成された燃料ガスは、ガス流通管１２を介してマニホールド７に供給され、マニホールド７よりセル１の内部に設けられたガス流路に供給される。

また図６においては、収納容器１４の一部（前後面）を取り外し、内部に収納される燃料電池セルスタック装置１０を後方に取り出した状態を示している。

また、上述の構成のモジュール２０においては、通常発電時においては、上記燃焼やセル１の発電に伴い、モジュール２０内の温度は５００〜１０００℃程度となる。

このようなモジュール２０においては、上述したように、長期信頼性の向上したセルスタック装置１０を収納してなることにより、長期信頼性の向上したモジュール２０とすることができる。

（モジュール収容装置）
図７は、外装ケース内に図６で示したモジュール２０と、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実施形態のモジュール収容装置の一例を示す分解斜視図である。なお、図７においては一部構成を省略して示している。

図７に示すモジュール収容装置４０は、支柱４１と外装板４２から構成される外装ケース内を仕切板４３により上下に区画し、その上方側を上述したモジュール２０を収納するモジュール収納室４４とし、下方側をモジュール２０を動作させるための補機を収納する補機収納室４５として構成されている。なお、補機収納室４５に収納する補機を省略して示している。

また、仕切板４３には、補機収納室４５の空気をモジュール収納室４４側に流すための空気流通口４６が設けられており、モジュール収納室４４を構成する外装板４２の一部に、モジュール収納室４４内の空気を排気するための排気口４７が設けられている。

このようなモジュール収容装置４０においては、上述したように、長期信頼性の向上し
たモジュール２０をモジュール収納室４４に収納し、モジュール２０を動作させるための補機を補機収納室４５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モジュール収容装置４０とすることができる。

以上、本発明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。

本実施形態では、支持基板の表面に内側電極、固体電解質層および外側電極から成る発電素子部が１つのみ設けられた所謂「縦縞型」の構成が採用されているが、支持基板の表面の互いに離れた複数個所にて前記発電素子部がそれぞれ設けられ、隣り合う発電素子部の間が電気的に接続された所謂「横縞型」のセルが採用されてもよい。

また、上記実施形態のセルでは、燃料極と空気極とを入れ替えて、内側電極を空気極とし、外側電極を燃料極としてもよい。この場合、燃料ガスと空気とが入れ替えられたガスの流れが採用される。

また、支持基板は燃料極を兼ねるものとし、その表面に固体電解質層および空気極を順次積層してセルを構成してもよい。

また、上記実施形態では、図２、図３に示すように、支持体７ａに１つのみ形成された挿入孔１７に１列全てのセル１の一端が挿入されているが、図８に示すように、支持体７ａに形成された複数の挿入孔１７のそれぞれにセル１が１つずつ挿入されていてもよい。

また、上記実施形態では、図２に示すように、複数個のセルが２列に整列されたセルスタック装置を示したが、図９に示すように、複数個のセルが１列に整列されたセルスタック装置１００であってもよい。

また、上記実施形態では、「セル」、「セルスタック装置」、「モジュール」および「モジュール収容装置」の一例として燃料電池セル、燃料電池セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を示したが、他の例としてはそれぞれ、電解セル、電解セルスタック装置、電解モジュールおよび電解装置であってもよい。

図１０に、電解セルスタック装置１１０の一例を示す。セル１の他端（上端）が第１シール材８ａにてマニホールドに固定されており、第１のマニホールド７１が高温の水蒸気を供給するための供給部となり、第２のマニホールド７２が生成された水素を回収するための回収部となる。図１０に示す例では、ガス流通管１２が水蒸気を供給し、ガス流通管１６が水素を回収している。

（サンプルの作製）
上述したセルスタック装置（図３を参照）について、上述の製造方法に基づいて、第２シール材の気孔率が異なる複数のサンプルを作製した。具体的には、表１に示すように、９個のサンプル（Ｎ＝９）を作製した。

セルスタック装置の各サンプルには、３０個のセルを含むものとした。各サンプルにて使用したセルの形状は図１と同様の板形状とした。セル、セルスタック装置の製造方法は、上述と同様とした。セルの長手方向の長さが２０ｃｍ、セルの幅方向の長さが２０ｍｍ、厚みが２ｍｍであった。支持体の挿入孔の開口の形状としては、図３、４と同様、１つの長円形状を採用した。第１シール材および第２シール材は、ＳｉＯ_２−ＭｇＯ−Ｂ_２Ｏ
_５−Ａｌ_２Ｏ_３系を用いた。支持体（マニホールド）の材質としてはステンレス鋼を使用した。

（気孔率の測定）
次に、上述のように作製したセルスタック装置の第２シール材の気孔率を測定した。その結果を表１に示す。

測定は、後述する試験の後に行った。測定は、上述したように、第２シール材の断面の機械研磨を行った後、断面の微構造を反射電子検出器を用いた走査型電子顕微鏡で観察して画像処理で面積割合を算出した。

（耐久試験）
そして、上記各サンプルについて、「ガスタンク内に燃料ガスを流通させながら、雰囲気温度を常温から７５０℃まで１時間で上げた後に７５０℃から常温まで２時間で下げるパターン」を１０回繰り返す熱サイクル試験を行った。

この試験の後、ガスタンク内にヘリウムガスを流した。そして、ヘリウムガスのリーク発生有無を調べるために、各セルにハンディ型のリークディテクターを近づけて、各セルにおけるシール材との接合部にガスリークが生じているか確認した。各試料のスタックにおけるガスリークが生じたセルの本数をカウントした。その結果を表１に示す。Ｓ、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄはガスリークが発生したセルの本数がそれぞれ０本、１〜２本、３〜４本、５〜６本、７〜８本であることを意味する。

また、ガスリークの確認の後、第２シール材におけるクラックの数の確認を行った。確認は、上述したように、第２シール材の断面の機械研磨を行った後、断面の微構造を反射電子検出器を用いた走査型電子顕微鏡で観察することによって行った。クラックは、１μｍの長さに達しているものをクラックとカウントした。その結果を表１に示す。なお、第２シール材の断面を出すための切断及び研磨によって発生したクラックは、公知の解析手段で検出して除外し、上記の熱サイクル試験によって生じたクラックのみをカウント対象とした。

（耐久試験結果）
表１から明らかなように、試料Ｎｏ．１では、ガスリークが生じたセルの本数が多く、第２シール材のクラックの数も多かった。これは、第２シール材は、支持体の一端部の周囲に、他の部分より気孔率が小さい第１領域を有していなかったからである。

また、試料Ｎｏ．２では、試料Ｎｏ．１と比較して、ガスリークが生じたセルの本数が少なく、第２シール材のクラックの数も少なかった。これは、第２シール材は、支持体の一端部の周囲に、他の部分より気孔率が小さい第１領域を有していたからである。

また、試料Ｎｏ．３では、試料Ｎｏ．２と比較して、ガスリークが生じたセルの本数が少なく、第２シール材のクラックの数も少なかった。これは、第１領域の気孔率は５％以下だったからである。

また、試料Ｎｏ．４では、試料Ｎｏ．３と比較して、ガスリークが生じたセルの本数が少なく、第２シール材のクラックの数も少なかった。これは、他の部分においては、第２シール材の表層側が、凹溝の底面側よりも気孔率が小さかったからである。

また、試料Ｎｏ．５〜９では、試料Ｎｏ．４と比較して、ガスリークが生じたセルの本数が少なく、第２シール材のクラックの数も少なかった。これは、他の部分における第２シール材の表層側の気孔率は６％以下だったからである。

なお、シール材として、ＳｉＯ_２−ＭｇＯ−Ｂ_２Ｏ_５−ＺｎＯ系を用いた場合にも上記と同様の試験結果となることを確認した。

１：セル
２：支持基板
２ａ：ガス流路
３：燃料極
４：固体電解質層
５：空気極
６：インターコネクタ
７：マニホールド
７ａ：支持体
７ｂ：ガスタンク
８ａ：第１シール材
８ｂ：第２シール材
８１：第１領域
８２：他の部分
８２ａ：表層側
８２ｂ：底面側
９ａ：導電部材
９ｂ：端部導電部材
１０、１００、１１０：セルスタック装置
１１：導電部
１２：ガス流通管
１３：改質器
１４：収納容器
１５：空気導入部材
１６：原燃料供給管
２０：モジュール
４０：モジュール収容装置

Claims

複数個のセルが配列されてなるセルスタックと、
前記複数個のセルの一端が挿入される一又は複数の挿入口を有している支持体と、
前記複数個のセルの一端と前記挿入口の内壁とを接合している第１シール材と、
前記挿入口を介して前記複数個のセルに反応ガスを供給するための開口部を有しており、該開口部の周囲に設けられた凹溝を有するガスタンクと、を具備し、
前記支持体の一端部は、前記ガスタンクの前記凹溝に充填された第２シール材により前記ガスタンクと接合されており、
前記第２シール材は、前記支持体の一端部の周囲に、他の部分より気孔率が小さい第１領域を有している
セルスタック装置。
前記他の部分においては、前記第２シール材の表層側が、前記凹溝の底面側よりも気孔率が小さい
請求項１に記載のセルスタック装置。
断面視において、前記他の部分における前記凹溝の底面側の気孔は楕円形状であり、長軸が前記支持体の一端部に向いていない
請求項２に記載のセルスタック装置。
前記第１領域の気孔率は５％以下である
請求項１乃至請求項３のうちいずれかに記載のセルスタック装置。
前記他の部分における前記第２シール材の表層側の気孔率は６％以下である
請求項２乃至請求項４のうちいずれかに記載のセルスタック装置。
収納容器内に、請求項１乃至請求項５のうちいずれかに記載のセルスタック装置を収納してなることを特徴とするモジュール。
外装ケース内に、請求項６に記載のモジュールと、該モジュールの運転を行なうための補機とを収納してなることを特徴とするモジュール収容装置。