JP2022025075A - 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 - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料ガスのガスリークを抑制することができるセルスタック装置、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と、複数個のセル１の一端部がシール材８にて固定されているとともに、複数個のセル１に反応ガスを供給するためのマニホールド７と、を具備している。セル１は、長さ方向を有する支持基板２と、支持基板２上に積層された、燃料極層３、固体電解質層４、および空気極層５から成る素子部ａと、固体電解質層４と空気極層５との間に位置し、固体電解質層と接合される第１中間層２１ａと、第１中間層より厚みが厚く空気極層５と接合される第２中間層２１ｂとを有する中間層２１と、を有している。セル１は、セル１の一端部において、固体電解質層４または第１中間層２１ａにシール材が設けられて、マニホールド７に固定されている。【選択図】図２
Description
本開示は、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、マニホールドに固定されてなる燃料電池セルスタック装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
また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も種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。
本開示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部がシール材にて固定されているとともに、前記複数個のセルに反応ガスを供給するためのマニホールドと、を具備し、前記セルは、長さ方向を有する支持基板と、該支持基板上に積層された、燃料極層、固体電解質層、および空気極層から成る素子部と、前記固体電解質層と前記空気極層との間に位置し、前記固体電解質層と接合される第１中間層と、第１中間層より厚みが厚く前記空気極層層と接合される第２中間層とを有する中間層と、を有しており、前記セルの一端部において、前記固体電解質層または前記第１中間層にシール材が設けられて、前記マニホールドに固定されている。
また、本開示のモジュールは、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。
さらに、本開示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。
図１～１２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。
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１Ａは、セルの実施形態の一例を示す横断面図である。図１Ｂは、セルの実施形態の一例を示す側面図である。図２は、図１Ａで示したセルの縦断面図である。なお、両図面において、セル１の各構成の一部を拡大して示している。
図１Ａ，Ｂ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１Ｂに示すように、セル１の全体を側方から見た形状は、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１Ａ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（中空平板状等）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、燃料極層３、固体電解質層４及び空気極層５を積層してなる素子部ａを有している。
また、図１Ａ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。
図２に示すように、本開示のセル１は、固体電解質層４と空気極層５との間に位置し、固体電解質層４と接合される第１中間層２１ａと、第１中間層２１ａより厚みが厚く空気極層５と接合される第２中間層２１ｂとを有する中間層を有している。なお、第１中間層２１ａと第２中間層２１ｂとをまとめて表現する場合には、中間層２１という場合がある。
以下、セル１を構成する各構成部材について説明する。
この支持基板２には、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、燃料ガスを燃料極層３まで透過するためにガス透過性であり、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。
支持基板２は、例えば、鉄族金属成分と無機酸化物を含んでなる。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酸化物である。特定の希土類酸化物は、支持基板２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、例えば、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が用いられる。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る。また、本実施形態においては、支持基板２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。
また、図１に示したセル１において、柱状（中空平板状）の支持基板２は、立設方向に細長く延びる板状体であり、平坦な両面ｎ１、ｎ２と半円形状の両側面ｍを有する。
また、支持基板２は、ガス透過性を備えるために開気孔率が３０％以上、特に３５～５０％の範囲とすることができる。また導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上とすることができる。
燃料極層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ＺｒＯ２（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を用いることができる。この希土類酸化物としては例えばＹ２Ｏ３等が用いられる。
固体電解質層４は、燃料極層３、空気極層５間の電子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しており、例えば３～１５モル％の希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ２から形成される。この希土類酸化物としては例えばＹ２Ｏ３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もよい。
空気極層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ＡＢＯ３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を用いることができる。例えば、ＡサイトにＳｒとＬａが共存する複合酸化物とすることができる。例としては、ＬａｘＳｒ１－ｘＣｏｙＦｅ１－yＯ３、ＬａｘＳｒ１－ｘＭｎＯ３、ＬａｘＳｒ１－ｘＦｅＯ３、ＬａｘＳｒ１－ｘＣｏＯ３等が挙げられる。なお、ｘは０＜ｘ＜１、ｙは０＜ｙ＜１である。空気極層５はガス透過性を有しており、開気孔率が２０％以上、特に３０～５０％の範囲とすることができる。
インターコネクタ６は、例えばランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ３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（ＬａＳｒＴｉＯ３系酸化物）を用いることができる。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あり、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有している。
中間層２１としては、Ｃｅ以外の他の希土類元素酸化物を含有するＣｅＯ２系焼結体からなるもので、例えば、（ＣｅＯ２）１－ｘ（ＲＥＯ１．５）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よい。中間層２１は、固体電解質層４と空気極層５との間において、固体電解質層４の成分と空気極層５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という、反応防止層としての役割がある。例えば、空気極層５中のＳｒと固体電解質層４中のＺｒが反応することを抑制する役割がある。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を用いることがよく、例えば１０～２０モル％のＳｍＯ１．５またはＧｄＯ１．５が固溶したＣｅＯ２を用いることができる。なお、中間層９を２層構造とすることもできる。
ここで、中間層２１は第１中間層２１ａと第２中間層２１ｂとを備えている。第１中間層２１ａは、例えば気孔率を２５％以下とすることができ、厚みを０．５～１０μｍとすることができる。これにより、固体電解質層４の成分の拡散を効率よく抑制することができる。なお、後述するように第１中間層２１ａのうち、シール材が設けられる部分については、気孔率を１０～３０％とすることもできる。それにより、シール材との接合力を向上することができる。
第２中間層２１ｂは、第１中間層２１ａのうち、固体電解質層４と空気極層５との間に位置する部位と比べて、気孔率を高くすることができる。具体的には、例えば気孔率を１０～３０％とすることができる。また、第２中間層２１ｂの厚みは、第１中間層２１ａよりも厚いものとすることができ、例えば、１～２０μｍとすることができる。
上述の気孔率は、以下の方法で測定することができる。先ず、セル１全体の気孔内に樹脂が進入するようにセル１に対して所謂「樹脂埋め」処理をする。その「樹脂埋め」処理されたセル１の平坦面ｎ１、ｎ２に対して機械研磨を行う。この研磨によって、固体電解質層４および中間層２１の断面を出す。断面の微構造を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ことによって、気孔の部分（樹脂が進入している部分）と気孔でない部分（樹脂が進入していない部分）の面積をそれぞれ算出する。「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」の割合が中間層２１、および固体電解質層４の「気孔率」とする。なお、中間層２１において、シール材８が入り込んでいる部分の気孔率を算出する場合には、シール材８が入り込んでいる気孔についても、樹脂が進入している気孔と同じく、気孔の部分としてカウントする。
（セルスタック装置）
次に、上述したセルを用いた本開示の実施形態に係るセルスタック装置について図３、図４Ａ，Ｂを用いて説明する。
次に、上述したセルを用いた本開示の実施形態に係るセルスタック装置について図３、図４Ａ，Ｂを用いて説明する。
図３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る。図４Ａは、本実施形態のセルスタック装置の一例の断面図である。図４Ｂは、図４Ａに示した断面図の一部を拡大した拡大断面図である。
セルスタック装置１０は、配列された複数個のセル１と、マニホールド７とを備える。
マニホールド７は、複数個のセル１の一端部がシール材８にて固定されているとともに、複数個のセル１に反応ガスを供給する。
図３、４Ａ、４Ｂに示す例においては、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。この支持体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、平坦面ｎ１、ｎ２が対向して重なるように（スタック状に）整列している。各セル１の長手方向の一端部がシール材８で支持体７ａに固定されている。
図３、４Ａ、４Ｂに示す例では、支持体７ａは、その下端部がガスタンク７ｂに接合されている。この支持体７ａは、ガスタンク７ｂの内部空間と連通する１つの挿入孔１７を有している。この挿入孔１７には、１列に整列した複数個のセル１の一端部が挿入されている。
図３、４Ａ、４Ｂ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４Ａ、４Ｂ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４Ａ、４Ｂに示すように、挿入孔１７とセル１の一端部との接合部において、固化されたシール材８が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の一端部とがそれぞれ接合・固定されている。図４Ｂに示すように、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。
シール材８の材料としては、非晶質ガラス、金属ろう材等を用いてもよく、結晶化ガラスを用いてもよい。結晶化ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ２－Ｂ２Ｏ３系、ＳｉＯ２－ＣａＯ系、ＭｇＯ－Ｂ２Ｏ３系が採用され得るが、ＳｉＯ２－ＭｇＯ系のものが最もよい。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４Ａ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の燃料極層３と他方のセル１の空気極層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３、図４Ｂ、図５では、導電部材９ａの図示を省略している。
また、図４Ａ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。
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、図４Ｂに示すように、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。
図５は、本実施形態のセルスタック装置における挿入孔とセルの一端部との接合部の拡大断面図である。
本実施形態のセルスタック装置においては、第２中間層２１ｂには、シール材８は接合されておらず、第１中間層２１ａにシール材８が接合されている例を示している。
例えば、第１中間層２１ａおよび第２中間層２１ｂをＧｄＯ１．５が固溶したＣｅＯ２（以下ＧＤＣと略す）とし、シール材８をＳｉＯ２－ＭｇＯ系の結晶化ガラスとした場合、ガラスの熱膨張率と、ＧＤＣの熱膨張率とでは、若干ながらも熱膨張に差が生じる。それゆえ、厚みの厚い第２中間層２１ｂにシール材８を接合せず、厚みの薄い第１中間層２１ａにシール材８を接合することで、ＧＤＣの熱膨張率の影響を小さくすることができる。それにより、ＧＤＣとガラスとの間の剥離や、境界での隙間の発生を抑制することができる。すなわち、燃料ガスのガスリークを抑制することができる。
なお、この場合において、第２中間層２１ｂを含む中間層２１は、空気極層５よりも一端部側（マニホールド７側）に延びている構成とすることができる。それにより、中間層２１の面積を大きくすることができ、固体電解質層４の成分と空気極層５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効率よく抑制することができる。
ちなみに、例えば中間層２１とシール材８との熱膨張率差よりも、固体電解質層４とシール材８との熱膨張率差の方が小さい場合には、中間層２１にシール材８を接合せず、固体電解質層４にのみシール材８を接合することもできる。
図６は、本実施形態のセルスタック装置における挿入孔とセルの一端部との接合部の他の一例を示す拡大断面図である。
図６におけるセル１においては、一端部の固体電解質層４上に、固体電解質層４の主成分と希土類元素の含有量が異なる成分を主成分として含む第１層２２が設けられている。
本実施形態のセルスタック装置においては、セル１の一端部のみがシール材８にてマニホールド７に接合されている。それゆえ、製造過程や発電運転中に、この接合部に最も応力が生じることとなる。それゆえ、一端部の強度を高めることがよい。
ここで、図６におけるセル１では、固体電解質層４の主成分と希土類元素の含有量が異なる成分を主成分として含む第１層２２が設けられている。なお、固体電解質層４の主成分と希土類元素の含有量が異なるとは、例えば、固体電解質層４が、希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ２を主成分とする場合には、第１層２２は、固体電解質層４よりも希土類元素の含有量を少なくすることができる。また、固体電解質層４が、希土類元素酸化物が固溶したＣｅＯ２を主成分とする場合には、固体電解質層４よりも希土類元素の含有量を多くすることができる。それにより、セル１の一端部における強度を向上することができ、セル１の破損を抑制することができる。
なおそれぞれの強度の測定は、例えば、超微小硬度計を用いて、破断して鏡面出しをしたセル１において、固体電解質層４および第１層２２が露出している部分に、圧子を同じ荷重で押し込み、その際の最大押し込み深さを測定して判別することができる。
そして、この第１層２１と第１中間層２１ａとが接合されている。それにより、セル１の強度を高めつつも、第１中間層２１ａの面積を大きくすることができ、セル１の破損や、電気抵抗の高い反応層が形成されることを効率よく抑制することができる。
なお、図６においては、第１層２１と第１中間層２１ａとが面同士で接合されている例を示しているが、これに限られるものではない。例えば第１中間層２１ａの面積を大きくしたい場合には、第１中間層２１ａの上に第１層２１が重なるように設けることもできる。逆に第１層２１の上に第１中間層２１ａが重なるように設けてもよい。
そして、図６に示すセルスタック装置においては、セル１が、第１中間層２１ａおよび第１層２２にシール材８が接合されて、マニホールド７に固定されている。それにより、シール材８に生じる応力を分散させることができ、より中間層２１とシール材８ガラスとの間の剥離や、境界での隙間の発生を抑制することができる。すなわち、燃料ガスのガスリークをより抑制することができる。
（製造方法）
以上説明した本実施形態のセル１、およびセルスタック装置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、粒径、温度、及び塗布方法等の各種条件は、適宜変更することができる。以下、「成形体」とは、焼成前の状態を指すものとする。
以上説明した本実施形態のセル１、およびセルスタック装置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、粒径、温度、及び塗布方法等の各種条件は、適宜変更することができる。以下、「成形体」とは、焼成前の状態を指すものとする。
先ず、例えば、Ｎｉおよび／またはＮｉＯ粉末と、Ｙ２Ｏ３などの希土類酸化物の粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合して坏土を調製し、この坏土を用いて押出成形により支持体成形体を作製し、これを乾燥する。さらに、支持体成形体は、９００～１０００℃にて２～６時間仮焼した仮焼体を用いてもよい。
次に、例えば所定の調合組成に従い、ＮｉＯと、Ｙ２Ｏ３が固溶したＺｒＯ２（ＹＳＺ）との素原料を秤量、混合する。この後、混合した粉体に、有機バインダーおよび溶媒を混合して燃料極層用スラリーを調製する。
また、Ｙ２Ｏ３が固溶したＺｒＯ２粉末に、トルエン、バインダー粉末（下記、ＺｒＯ２粉末に付着させるバインダー粉末よりも高分子、例えばアクリル系樹脂）、市販の分散剤等を加えてスラリー化したものをドクターブレード等の方法により、成形してシート状の固体電解質層成形体を作製する。
そして、得られたシート状の固体電解質層成形体上に燃料極層用スラリーを塗布し乾燥して燃料極層成形体を形成して、シート状の積層成形体を形成する。この燃料極層成形体および固体電解質層成形体のシート状の積層成形体の燃料極層成形体側の面を支持体成形体に積層し、成形体を形成する。この成形体を８００～１２００℃で２～６時間仮焼する。
続いて、インターコネクタ層材料（例えば、ＬａＣｒＭｇＯ３系酸化物粉末）、有機バインダー及び溶媒を混合してスラリーを作製する。この後の工程は、密着層を有するセルの製法について説明する。
次に、固体電解質層と空気極層との間に配置する中間層を形成する。例えば、ＧｄＯ１．５が固溶したＣｅＯ２粉末を８００～９００℃にて２～６時間、熱処理を行い、中間層成形体用の原料粉末を調整し、これに、溶媒としてトルエンを添加して、中間層用スラリーを作製し、このスラリーを固体電解質層成形体上に所定の大きさで塗布して第１中間層成形体を作製する。 この後、固体電解質層成形体の両端部上に、インターコネクタ層用成形体の両端部が積層されるように、支持体成形体上面にインターコネクタ層用スラリーを塗布し、積層成形体を作製する。
次いで、上記の積層成形体を脱バインダー処理し、酸素含有雰囲気中、１４００～１４５０℃にて２～６時間、同時焼結（同時焼成）する。
その後、形成された第１中間層焼結体の表面上に、上記中間層用スラリーを塗布して、第２中間層２１ｂ成形体を作製して焼結する。なお、第２中間層２１ｂ成形体を焼結するにあたっては、上記の同時焼結温度よりも低い温度とすることがよく、例えば１１００～１３００℃で行なうことができる。なお焼結時間としては２～６時間とすることができる。
続いて、例えば、所定の粒径のＬａｘＳｒ１－ｘＣｏｙＦｅ１－yＯ３（以下、単にＬＳＣＦと略す）粉末、有機バインダー、造孔材、及び溶媒を混合して空気極層用スラリーを作製する。このスラリーを固体電解質層上にスクリーン印刷にて塗布して、空気極層用成形体を形成する。
次に、固体電解質層上に空気極層用成形体が形成された積層体を、１１００～１２００℃にて１～３時間焼成する。このようにして図２に示す構造の本実施形態のセル１を製造できる。
なお、セル１は、その後、ガス流路に水素ガスを流し、支持基板２および燃料極層３の還元処理を行なうことができる。その際、たとえば７５０～１０００℃にて５～２０時間還元処理を行なうことができる。
なお、第１層を設ける場合には、固体電解質層成形体と燃料極層成形体とを仮焼した仮焼体に、固体電解質層成形体用のスラリーと希土類元素酸化物の含有量が異なる第１層用のスラリーを作製し、このスラリーを塗布し、乾燥させて第１層成形体を作製すればよい。
また、上述したセルスタック装置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、シール材８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の一端部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シール材８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シール材８を介して、複数個のセル１の一端部が挿入孔１７に接合・固定される。換言すれば、各セル１の一端部がシール材８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に接合することによって、セルスタック装置１０が完成する。
（モジュール）
次に、上述したセルスタック装置を用いた本開示の実施形態に係るモジュールについて図７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。
次に、上述したセルスタック装置を用いた本開示の実施形態に係るモジュールについて図７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７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７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７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８は、外装ケース内に図７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８においては一部構成を省略して示している。
図８は、外装ケース内に図７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８においては一部構成を省略して示している。
図８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、本開示について詳細に説明したが、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示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２の表面に内側電極（燃料極層）３、固体電解質層４および外側電極（空気極層）５から成る素子部ａ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２の表面の互いに離れた複数個所にて素子部ａがそれぞれ設けられ、隣り合う素子部ａ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、上記実施形態では、支持基板２が板状体を呈しているが、支持基板２が円筒状を呈していても良い。この場合、円筒状の支持基板２の内側空間がガス流路２ａとして機能する。
また、上記実施形態のセル１では、燃料極層３と空気極層５とを入れ替えて、内側電極を空気極層５とし、外側電極を燃料極層３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２は燃料極層３を兼ねるものとし、その表面に固体電解質層４および空気極層５を順次積層してセル１を構成してもよい。
また、上記実施形態では、図４Ａ，４Ｂに示すように、支持体７ａは筒状体であるが、図９に示すように、平板状であってもよい。この場合には、ガスタンク７ｂを平板状である支持体７ａの下面に接合することによって内部空間を形成すればよい。
また、上記実施形態では、図４Ａ、４Ｂ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の一端部が挿入されているが、図１０Ａ、１０Ｂ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。この場合には、全てのセル１の中間層２１は、マニホールド７の支持体７ａに接合されていることとなる。なお、支持体７ａに形成された複数の挿入孔のそれぞれに、セル１が複数個ずつ挿入されていてもよい。
また、上記実施形態では、支持体がガスタンクとは別体で構成されているが、マニホールドの内部空間と複数のセルのガス流路とが連通する限りにおいて、支持体がガスタンクと一体で構成されていてもよい。
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１１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１２に、電解セルスタック装置の一例を示す。セル１の他端部（上端部）がシール材８にて他のマニホールド７１に固定されており、マニホールド７が高温の水蒸気を供給するための供給部となり、他のマニホールド７１が生成された水素を回収するための回収部となる。図１２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１８が水素を回収している。
１：セル
２：支持基板
３：燃料極層（内側電極）
４：固体電解質層
５：空気極層（外側電極）
６：インターコネクタ
７：マニホールド
８：シール材
１０、１００、１１０：セルスタック装置
２０：モジュール
２１：中間層
２１ａ：第１中間層
２１ｂ：第２中間層
２２：第１層
４０：モジュール収容装置
２：支持基板
３：燃料極層（内側電極）
４：固体電解質層
５：空気極層（外側電極）
６：インターコネクタ
７：マニホールド
８：シール材
１０、１００、１１０：セルスタック装置
２０：モジュール
２１：中間層
２１ａ：第１中間層
２１ｂ：第２中間層
２２：第１層
４０：モジュール収容装置
Claims (6)
- 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部がシール材にて固定されているとともに、前記複数個のセルに反応ガスを供給するためのマニホールドと、を具備し、
前記セルは、
長さ方向を有する支持基板と、
該支持基板上に積層された、燃料極層、固体電解質層、および空気極層から成る素子部と、
前記固体電解質層と前記空気極層との間に位置し、前記固体電解質層と接合される第１中間層と、第１中間層より厚みが厚く前記空気極層と接合される第２中間層とを有する中間層と、を有しており、
前記セルの一端部において、前記固体電解質層または前記第１中間層にシール材が設けられて、前記マニホールドに固定されていることを特徴とするセルスタック装置。 - 前記中間層は、前記空気極層よりも前記一端部側に延び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。
- 前記一端部の前記固体電解質層上に、該固体電解質層の主成分と希土類元素の含有量が異なる成分を主成分として含む第１層を有し、該第１層と前記第１中間層とが接合されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセルスタック装置。
- 前記シール材が、前記第１中間層および前記第１層に設けられて、前記マニホールドに固定されていることを特徴とする請求項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。
- 収納容器内に、請求項１乃至４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５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。
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