JP5629176B2

JP5629176B2 - 燃料電池セル装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置

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Publication number: JP5629176B2
Application number: JP2010230006A
Authority: JP
Inventors: 仁英大嶋
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2010-10-12
Filing date: 2010-10-12
Publication date: 2014-11-19
Anticipated expiration: 2030-10-12
Also published as: JP2012084411A

Description

本発明は、燃料電池セル装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と空気（酸素含有ガス）とを用いて電力を得る燃料電池セルの複数個を配列してなるセルスタックを、燃料電池セルに燃料ガスまたは空気を供給するためのマニホールドとよばれるガスタンクに燃料電池セルの下端部を固定してなるセルスタック装置や、該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、さらには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。）。

このようなセルスタック装置は、燃料電池セルを保持するセル保持部材と、セル保持部材が載置され一体的に接合された蓋部材と、燃料電池セルと、セル保持部材との隙間をシールするガラス等のシール材とにより構成され、ガスタンクの内外を流通するガスがガスリークしない構成となっている。

特開２００７−５９３７７号公報

しかしながら、上記のセルスタック装置においては、セル保持部材の熱膨張係数がシール材の熱膨張係数よりも大きいことから、セルスタック装置の作製時や発電時において、セルスタック装置が高温に曝されるとシール材に引張応力が生じ、シール材にクラックが生じ、ガスタンクの内外を流通するガスがガスリークするおそれがあった。

それゆえ、本発明の目的は、作製時や運転時においても燃料ガスおよび空気がリークしない長期信頼性の向上した燃料電池セル装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を提供することにある。

本発明の燃料電池セル装置は、燃料電池セルと、底部に開口を有し、上面にセル挿入孔を有するセル保持部材と、開口を覆うようにセル保持部材に接合された蓋部材と、セル保持部材よりも熱膨張係数が小さく、その差が０．６〜２．８×１０ ^-7 （１／℃）であって、燃料電池セルとセル保持部材との隙間をシールし、燃料電池セルを接合するためのシール材と、を有し、セル保持部材と蓋部材との接合部が、平面視してシール材よりも外側にあるとともに、蓋部材の熱膨張係数が前記セル保持部材の熱膨張係数よりも大きく、その差が０．４〜２．５×１０ ^-7 （１／℃)であることを特徴とする。

本発明の他の燃料電池セル装置は、燃料電池セルと、底部に開口を有し、上面にセル挿入孔を有するセル保持部材と、開口を覆うようにセル保持部材に接合された蓋部材と、セル保持部材よりも熱膨張係数が小さく、その差が０．６〜２．８×１０ ^-7 （１／℃）であって、燃料電池セルとセル保持部材との隙間をシールし、燃料電池セルを接合するためのシール材と、を有し、セル保持部材と蓋部材との接合部が、平面視してシール材よりも外側にあるとともに、燃料電池セルとセル保持部材との隙間に、シール材よりも熱膨張係数が大きく、その差が０．６〜１．５×１０ ^-7 （１／℃）である膨張部材を介在させたことを特徴とする。

また、本発明の燃料電池モジュールは、上記の燃料電池セル装置を収納容器内に収納してなる。

また、本発明の燃料電池装置は、上記の燃料電池モジュールと燃料電池モジュールを動作させるための補機とを外装ケースに収納してなる。

本発明の燃料電池セル装置によれば、燃料電池セル装置の作製時や発電時において燃料電池セル装置が高温に曝された場合においても、蓋部材がセル保持部材より熱膨張することで、セル保持部材が変形し、シール材に生じる引張応力を緩和することができる。それにより、シール材にクラックが生じることを抑えることができる。

また、本発明の燃料電池セル装置によれば、シール材より熱膨張係数の大きい膨張部材を、シール材とセル保持部材のセル挿入孔との間に介在させたことから、燃料電池セル装置の作製時や発電時において燃料電池セル装置が高温に曝された場合においても、膨張部材がシール材より熱膨張することで、シール材に圧縮応力を加えることができる。それにより、シール材に生じる引張応力を緩和し、シール材にクラックが生じることを抑えることができる。

そのため、長期信頼性の向上した燃料電池セル装置とすることができる。

本発明の燃料電池セル装置の一実施形態を示し、（ａ）は燃料電池セル装置を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）の燃料電池セル装置の一点鎖線枠で囲った部分の一部を拡大して示す平面図である。図１に示すガスタンクを概略的に示す斜視図である。図２に示すガスタンクが高温に曝された際のＡ−Ａ線断面図である。本発明の燃料電池セル装置を構成するガスタンクの他の実施形態を示す斜視図である。図４に示すガスタンクが高温に曝された際のＢ−Ｂ線断面図である。本発明の燃料電池セル装置を構成するガスタンクのさらに他の実施形態を示す斜視図である。図６に示すガスタンクの（ａ）は平面図であり、（ｂ）はガスタンクが高温に曝された際のＣ−Ｃ線断面図である。本発明の燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。本発明の燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。

図１を用いて燃料電池セル装置１を説明する。なお、（ａ）は燃料電池セル装置１を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）の燃料電池セル装置１の一部を拡大した平面図であり、（ａ）で示した一点鎖線枠で囲った部分を抜粋して示している。また、（ｂ）において（ａ）で示した一点鎖線枠で囲った部分に対応する部分を明確とするために矢印にて示している。

燃料電池セル装置（セルスタック装置）１は、燃料電池セル３の複数個を、それぞれの燃料電池セル３の間に集電部材４を介して立設させた状態で配列し、複数個の燃料電池セル３を両端から集電部材４を介して挟持するように電流を外部に引き出すための導電部材５が配置されており、電気的に直列に接続してセルスタック２を形成している。各燃料電池セル３の下端部は、シール材により燃料電池セル３に燃料ガス（水素含有ガス）または空気（酸素含有ガス）を供給するガスタンク９に固定されて構成されている。詳細は後述するが、ガスタンク９は、セル保持部材７と、セル保持部材７に接合された蓋部材８とを有しており、ガスタンク９の上面には、ガスタンク９内に燃料ガスまたは空気を供給するための反応ガス供給管１１が接続されている。

燃料電池セル３は、一対の対向する平坦面をもつ柱状の導電性支持体１６（以下、支持体１６と略す場合がある。）の一方側の平坦面上に内側電極層としての燃料側電極層１２と、固体電解質層１３と、外側電極層としての酸素側電極層１４とが順に積層されて構成されており、柱状（中空平板状）の形状を有している。燃料側電極層１２、固体電解質層１３および酸素側電極層１４がこの順に積層された部位（発電部）において、燃料電池セル３に供給される燃料ガスと空気とで発電する。なお、以降の説明において、特に断りのない限り、内側電極層を燃料側電極層１２とし、外側電極層を酸素側電極層１４とし、ガスタンク９に燃料ガスを供給し、燃料電池セル３の外側に空気を供給する例を示す。

さらに、燃料電池セル３の他方側の平坦面上にはインターコネクタ１５が設けられており、支持体１６の内部には、燃料ガスを流すためのガス流路１７が複数設けられている。

また、インターコネクタ１５の外面（上面）にはＰ型半導体層（図示せず）を設けることもできる。集電部材４を、Ｐ型半導体層を介してインターコネクタ１５に接続させることにより、両者の接触がオーム接触となり、電位降下を少なくし、集電性能の低下を有効に回避することが可能となる。

また、支持体１６を、燃料側電極層１２を兼ねるものとし、その一方側表面上に固体電解質層１３および酸素側電極層１４を順次積層して燃料電池セル３を構成することもできる。

なお、本発明において燃料電池セル３としては、各種燃料電池セルが知られているが、発電効率のよい燃料電池セル３とする上で、３００〜８００℃で発電する固体酸化物形燃料電池セル３とすることができる。それにより、単位電力に対して燃料電池装置を小型化することができるとともに、家庭用燃料電池で求められる変動する負荷に追従する負荷追従運転を行なうことができる。

以下に、図１に示す燃料電池セル３を構成する各部材について説明する。

燃料側電極層１２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、例えば希土類元素が固溶しているＺｒＯ₂（安定化ジルコニアと称し、部分安定化ジルコニアも含む）とＮｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。

固体電解質層１３は、電極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することが必要とされ、３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ₂から形成される。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。

酸素側電極層１４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から形成することができる。酸素側電極層１４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％の範囲とすることができる。

インターコネクタ１５は、導電性セラミックスから形成することができるが、燃料ガス（水素含有ガス）および酸素含有ガス（空気等）と接触するため、耐還元性および耐酸化性を有することが必要であり、それゆえ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）が好適に使用される。インターコネクタ１５は支持体１６に形成されたガス流路１７を流通する燃料ガス、および燃料電池セル３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。

支持体１６としては、燃料ガスを燃料側電極層１２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１５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。したがって、支持体１６としては、かかる要求を満足するものを材質として用いる必要があり、例えば導電性セラミックスやサーメット等を用いることができる。

また図１に示した燃料電池セル３において、柱状の支持体１６は、燃料電池セル３の立設方向に細長く延びる板状片であり、一対の対向する平坦面と半円形状の両側面を有する中空平板状である。そして燃料電池セル３の下端部と導電部材５の下端部とが、燃料電池セル３に燃料ガスを供給するガスタンク９に、ガラスシール材等の絶縁性接合材によって固定され、支持体１６に設けられたガス流路１７が、ガスタンク９内に通じている。詳しくは後述するが絶縁性接合材としては、絶縁性のガラス等により形成されるガラスシール材を用いることができる。

ちなみに、燃料電池セル３を作製するにあたり、燃料側電極層１２または固体電解質層１３との同時焼成により支持体１６を作製する場合においては、Ｎｉ等の鉄属金属成分とＹ₂Ｏ₃等の特定希土類酸化物とから支持体１６を形成することができる。また、支持体１６は、燃料ガス透過性を備えるために開気孔率が３０％以上、特に３５〜５０％の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は５０Ｓ／ｃｍ以上、好ましくは３００Ｓ／ｃｍ以上、特には４４０Ｓ／ｃｍ以上とすることができる。

さらに、Ｐ型半導体層としては、遷移金属のペロブスカイト型酸化物からなる層を例示することができる。具体的には、インターコネクタ１５を構成するランタンクロマイト系のペロブスカイト酸化物（ＬａＣｒＯ₃）よりも電子伝導性の高いもの、例えばＡサイトにＳｒ（ストロンチウム）とＬａ（ランタン）が共存するＬａＳｒＣｏＦｅＯ₃系酸化物（例えばＬａＳｒＣｏＦｅＯ₃）、ＬａＭｎＯ₃系酸化物（例えばＬａＳｒＭｎＯ₃）、ＬａＦｅＯ₃系酸化物（例えばＬａＳｒＦｅＯ₃）、ＬａＣｏＯ₃系酸化物（例えばＬａＳｒＣｏＯ₃）の少なくとも１種から構成することが好ましく、特に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ＬａＳｒＣｏＦｅＯ₃系酸化物から構成することが特によい。なお、ＢサイトにＣｏとともにＦｅ、Ｍｎが存在してもよいこのようなＰ型半導体層の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲とすることができる。

次に、セルスタック２を構成する部材について説明すると、それぞれの燃料電池セル３を電気的に直列に接続する集電部材４は、燃料電池セル３の変形に追従するために弾性を有する金属または合金からなる部材あるいは金属繊維または合金繊維からなるフェルトに所要の表面処理を加えた部材から構成することができる。

電流を外部に引き出すための導電部材５は、燃料電池セル３の配列方向（以下、セル配列方向と略す場合がある。）に沿って外側に向けて延びた形状で、セルスタック２（燃料電池セル３）の発電により生じる電流を引出すための電流引出し部６が設けられている。なお、導電部材５は、集電部材４と同様に弾性を有する金属または合金からなる部材により作製することができる。

ここで、燃料電池装置は発電中において、高温な酸化雰囲気に曝されることから、集電部材４および導電部材５は、Ｃｒを含有する合金を用いて作製することができる。さらに、前述した所用の表面処理として、集電部材４や導電部材５の表面の一部、好ましくは全体を希土類元素を含有するペロブスカイト型酸化物等を用いてコーティングしてもよい。それにより、Ｃｒを含有する合金からＣｒの拡散を低減することができ、セルスタック２の信頼性を向上することができる。

なお、集電部材４の長手方向の長さおよび幅方向の長さは発電部の長手方向の長さおよび幅方向の長さと同等以上の長さとすることができる。それにより、発電により生じた電流を効率よく集電することができる。

図２、３を用いて本発明の一実施形態であるセルスタック装置１について説明する。なお、図２、３においては集電部材を省略している。

ガスタンク９は、底部が開口し、上面にセル挿入孔１８が設けられ、セル配列方向の一端部に反応ガス供給管１１が接合される反応ガス供給口１９を備えたセル保持部材７と、セル保持部材７の底部の開口を塞ぐように接合部２０に接合された板状の蓋部材８とにより構成されており、箱状の形状を有している。

セルスタック２は、セル保持部材７のセル挿入孔１８に配置されており、燃料電池セル３（セルスタック２）とセル保持部材７のセル挿入孔１８との間にセル挿入孔１８の前面にわたってシール材１０が充填されて、燃料電池セル３（セルスタック２）をガスタンク９（セル保持部材７）に保持接合している。そのため、ガスタンク９の内部を流れる燃料ガスはセル保持部材７、蓋部材８およびシール材１０によりガスタンク９の外部に流出しないように構成されている。そのため、図３に示すようにガスタンク９の内部は燃料ガスを貯蔵するための空間となっている。

そして、セルスタック２を構成する燃料電池セル３のガス流路１７とガスタンク９とは連通しており、反応ガス供給口１９から供給される燃料ガスは、ガスタンク９に貯蔵され、ガス流路１７を流れる間に燃料電池セル３に燃料ガスが供給される。

ガスタンク９を構成するセル保持部材７や蓋部材８は、耐熱性および耐酸化性を有する金属または合金により作製することができる。これらの合金を例示すると、フェライト系ステンレスやオーステナイト系ステンレス等があげられ、これらの合金は、市販されているものを用いてもよい。また、セル保持部材７と蓋部材８とは溶接により接合しガスタンク９を構成すればよい。

セルスタック２を保持接合するためのシール材１０は、加工性および絶縁性からセラミックスや非晶質または結晶化ガラス等を用いることができる。セラミックスとして、ＺｎＯ₂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、ＳｉＯ₂、Ｂ₂Ｏ₃、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｚｒ₂Ｏ₃またはＬａ₂Ｏ₃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。具体的にはＣａＯ：３５％，ＭｇＯ：２５％，Ｂ₂Ｏ₃：１５％、ＳｉＯ₂：１５％とを含む結晶化ガラスを挙げることができる。

ガスタンク９（セル保持部材７）への燃料電池セル３（セルスタック２）の固定方法について説明すると、セルスタック２をセル保持部材７のセル挿入孔１８内に位置するように、燃料電池セル３の一端部（下端部）を挿入する。次に、セル挿入孔１８からセル保持部材７の内部全域にシール材１０が流れ込まないようにセル保持部材７の内部に断熱材等の仕切部材（図示せず）を配置する。そして、セル挿入孔１８に軟化したシール材１０を流し込み、燃料電池セル３とセル挿入孔１８との間にシール材１０を充填させた後、熱処理を行ない、シール材１０を固化する。これらを所定回数繰り返し、セルスタック２をセル保持部材７に保持接合した後に、仕切部材を取り除き、所要ならば、ガス流路１７とガスタンク９とが連通しているかを確認し、連通していなければ、ガスタンク９からガス流路１７に燃料ガス連通するように、ガス流路１７内からシール材１０を取り除くことにより作製することができる。

本発明の実施形態であるガスタンク９は、蓋部材８の熱膨張係数がセル保持部材７の熱膨張係数よりも大きいため、ガスタンク９が高温に曝されると、図３に示すように、接合部２０がセル保持部材７の上端部側の端部よりセル配列方向の外側に位置することとなり、セル保持部材７の下端部側の端部が、上端部側の端部よりセル配列方向の外側に位置するように、セル保持部材７が変形を生じる。それに伴い、セル保持部材７の上端部側が、シール材１０に生じるセル配列方向における引張応力を緩和することができ、シール材１０にクラックが発生することを低減できる。また、シール材１０に生じる引張応力が小さくなることから、セル配列方向におけるシール材１０とセル保持部材７との剥離を低減することができる。

燃料電池セル３の幅方向（以下、セル幅方向と略す場合がある。）においても同様に、蓋部材８とセル保持部材７およびシール材１０との熱膨張係数差に起因して、下端部側の端部が上端部側の端部よりセル幅方向の外側に位置するように、セル保持部材７が変形をすることとなる。それに伴い、セル保持部材７の上端部側が、シール材１０に生じるセル幅方向における引張応力を緩和することができ、シール材１０にクラックが発生することを低減できる。また、シール材１０に生じる引張応力が小さくなることから、セル幅方向におけるシール材１０とセル保持部材７との剥離を低減することができる。

また、蓋部材８の変形に伴い、セル保持部材７が変形しシール材１０に圧縮応力が加わる場合があるが、その場合においても、シール材１０に生じる引張応力を緩和することができることから、有効にシール材１０にクラックが生じることを低減することができる。さらに、圧縮応力が加わることから、シール材１０とセル保持部材７との剥離を有効に低減することができる。

ここで、セル保持部材７および蓋部材８を形成する合金について説明する。セル保持部材７を形成する合金として、フェライト系ステンレスを示すことができ、フェライト系ステンレスの熱膨張係数は１０〜１４×１０^-7（１／℃)を示す。なお、合金に含まれるＣｒ等の元素量により合金の熱膨張係数を適宜調整することができる。また、セル保持部材７よりも熱膨張係数が大きい蓋部材８を形成する合金を例示すると、オーステナイト系ステンレス等があげられる。オーステナイト系ステンレスの熱膨張係数は１５〜１７×１０^-7（１／℃)を示す。これらを形成する合金は、蓋部材８の熱膨張係数がセル保持部材７の熱膨張係数よりも大きくなるように、適宜設定すればよい。例えば、セル保持部材７をフェライト系ステンレスにより作製し、蓋部材８をオーステナイト系ステンレスにより作製すればよい。

さらには、セル保持部材７と蓋部材８とをフェライト系ステンレスにより形成し、蓋部材８を、セル保持部材７を形成するフェライト系ステンレスよりもＣｒを多く含有したフェライト系ステンレスにより作製することにより、熱膨張係数がセル保持部材７よりも大きい蓋部材８を作製することができる。

シール材１０としては、セラミックスをシール材１０として用いた場合には、熱膨張係数が９〜１１×１０^-7（１／℃)となり、ガラスをシール材１０として用いた場合には、熱膨張係数が１０〜１１．８×１０^-7（１／℃)となるため、セル保持部材７および蓋部材８をフェライト系ステンレスやオーステナイト系ステンレスにより作製することで、シール材１０に圧縮応力を加えることができる。

蓋部材８とセル保持部材７との熱膨張係数の差は０．４〜２．５×１０^-7（１／℃)であることが好ましく、シール材１０とセル保持部材７との熱膨張係数差は０．６〜２．８×１０^-7（１／℃)であることが好ましい。それにより、シール材１０へ有効に圧縮応力を加えることができる。

図４、５を用いて本発明の他の実施形態であるガスタンク２１について説明する。なお、同一の部材については同一の符号を付するものとし、以下同様とする。図４、５についても、集電部材は省略している。

ガスタンク２１は、セル保持部材７のセル挿入孔１８の周囲を覆うように隆起部２２が設けられており、シール材１０とセル保持部材７（セル挿入孔１８）との間およびシール材１０の表面を覆うように膨張部材２３が配置されている。その他の構成はガスタンク９と同様である。

ガスタンク２１に隆起部２２を設けることで、シール材１０の外面を覆うように膨張部材２３を配置することができる。ここで、シール材１０の外面とは、図４に示すようにシール材１０の上面を示す。

ガスタンク２１を形成するセル保持部材７は、上面に設けられたセル挿入孔１８の周囲の全域を隆起部２２が覆っており、隆起部２２は図５で示すように、セル保持部材７の内部に向けて屈曲して形成されている。そして、燃料電池セル（図示せず）とセル保持部材７（セル挿入孔１８）との間にシール材１０が充填され、シール材１０の外面（上面）を覆うように膨張部材２３が配置されている。なお、ガスタンク２１においては、セル保持部材７と蓋部材８とをフェライト系ステンレスの同じ材料から形成している。

隆起部２２の開口縁部は、セル保持部材７の内側に向けて屈曲して形成されており、開口縁部の下端部がシール材１０と同等の高さに配置され、開口縁部の上端部が膨張部材２３と同等の高さに配置されている。

セルスタック２は、膨張部材２３を介して、セル保持部材７のセル挿入孔１８とシール材１０により保持固定されている。そして、シール材１０の外面を覆うように膨張部材２３が配置されている。

隆起部２２は、別部材として隆起部２２を形成した後にセル保持部材７に接合して作製することができるが、プレス成形にて一体的に作製することもできる。プレス成形にて作製することで、ガスタンク２１の製造コストを低下させることができる。

膨張部材２３としては、シール材１０よりも熱膨張の大きい部材を用いることができるが、容易にガスタンク２１を製造するためにシール材１０と同様なガラスやセラミックスを用いることができる。また、膨張部材２３をシール材１０の外面を覆うように配置した場合、ガスシール性をさらに向上させることができる。

ガスタンク２１への燃料電池セル３（セルスタック２）の固定方法としては、上述したようにシール材１０によりシールした後に、軟化した膨張部材２３やセラミックスからなるスラリー状の膨張部材２３をシール材の外面に流しこみ、熱処理することにより、セルスタック装置１を作製することができる。その後、膨張部材２３をシール材の外面を覆うように配置することで、セルスタック装置１を容易に作製することができる。

ガスタンク２１を構成するセル保持部材７は、隆起部２２の開口縁部が、セル保持部材の内側に向けて屈曲して形成されており、開口縁部の下端部がシール材１０と同等の高さに配置され、開口縁部の上端部が膨張部材２３と同等の高さに配置されている。そのため、膨張部材２３が熱膨張することで、隆起部２２の開口縁部の上端部をセル配列方向の外側に向けて変形させることとなり、隆起部２２の開口縁部の下端部が、セル配列方向の内側に向けて変形することとなる。それにより、さらにシール材１０に圧縮応力を加えることができ、シール材１０に生じる引張応力を緩和することができる。

また、ガスタンク２１がセルスタック装置１の作製時や作動時等の高温に曝されると、シール材１０とセル保持部材７との間に膨張部材２３が配置されていることから、シール材１０に圧縮応力を加えることができ、シール材１０にクラックが生じることを低減することができる。

セル幅方向においても同様に、シール材１０にセル幅方向におけるセルスタック２の内側へ向けて圧縮応力を加えることができ、シール材１０に生じる引張応力を緩和することができ、シール材１０にクラックが生じることを低減できるとともに、セル幅方向におけるシール材１０とセル保持部材７との剥離を低減することができる。

膨張部材２３としては、シール材１０と同様なガラスを用いる場合は、ガラスの成分であるＭｇＯやＣａＯの量を膨張部材２３の方が多くなるように設定することで、熱膨張係数を大きくすることができる。膨張部材２３の熱膨張係数は、１１〜１３×１０^-7（１／℃)であることが好ましく、膨張部材２３とシール材１０との熱膨張係数差は０．６〜１．５×１０^-7（１／℃)であることが好ましい。それにより、シール材１０、膨張部材２３、セル保持部材２４とこの順に熱膨張係数が大きくなり、シール材１０とセル保持部材２４との剥離を低減することができる。

図６、７を用いて本発明のさらに他の実施形態であるガスタンク２４について説明する。なお、図６においては、燃料電池セル３および集電部材４を省略しており、図７（ａ）、（ｂ）においては、集電部材４を省略している。

ガスタンク２４は、上面にセル幅方向に隣り合って設けられた２つのセル挿入孔１８を有し、それぞれのセル挿入孔１８の周囲を囲むように隆起部２２を備えたセル保持部材２５と、セル保持部材２５の底部に設けられた開口よりも大きい板部材からなる蓋部材８とにより形成されており、ガスタンク２４を平面視すると、接合部２０よりも蓋部材８が大きくなっている。

また、セル保持部材２４（セル挿入孔１８）とシール材１０との間およびその上面近傍に膨張部材２３を配置している。つまり、セル挿入孔１８の前面に亘って設けられたシール材１０の周囲を覆うように前面にわたって膨張部材２３が配置され、セル保持部材２４と接合されている。

そして、平面視して接合部２０よりも蓋部材８が大きい構成となっており、蓋部材８のセル保持部材２５側の主面上にセル保持部材２５が載置固定されている。

セルスタック２は、膨張部材２３を介してシール材１０によりセル保持部材２５に接合保持されており、膨張部材２３は、セル保持部材２５のセル挿入孔１８の周囲とその近傍に配置されたシール材１０の上面に配置されている。

なお、セル保持部材２５、蓋部材８、シール材１０および膨張部材２３は、上述した材料により形成することができる。

セルスタック２をセル保持部材２５に接合固定する方法について説明すると、セルスタック２の一端部をセル挿入孔１８内部に配置し、上述した仕切り部材を用いてシール材１０を充填した後に熱処理を与えてシール材１０を固化するが、シール材１０に熱処理を加えた際にシール材１０は収縮するため、セル挿入孔１８とシール材１０との間に隙間が生じることとなる。上述した例では、その生じた隙間にシール材１０をさらに充填することで隙間を埋め、ガスシールをしていたが、ガスタンク２４においては、膨張部材２３をシール材１０の収縮により生じた隙間に介在させガスシールをしている。

ガスタンク２４は、シール材１０とセル保持部材２５のセル挿入孔１８との間に膨張部材２３を配置することから、セル幅方向およびセル配列方向においてさらに圧縮応力をシール材１０に加えることができ、シール材１０に生じる引張応力を緩和し、シール材１０にクラックが生じることを低減できるとともに、シール材１０とセル保持部材２５との剥離を低減することができる。

また、平面視して接合部２０よりも蓋部材８が大きいことから、ガスタンク２４が高温下に曝された時の蓋部材８の変形量が、セル保持部材２５の開口と同等の大きさの蓋部材８と比較して大きくなることから、セル保持部材２５の変形をさらに大きくすることができ、さらにシール材１０に圧縮応力を加えることができる。

さらに、平面視して接合部２０が、セル挿入孔１８よりも外側に配置されている。言い換えると接合部２０が、シール材１０とセル保持部材２５との接合部位（膨張部材２３とセル保持部材７との接合部位）よりも外側に配置されていることから、有効にシール材１０に圧縮応力を加えることができる。また、常温時に接合部２０がセル挿入孔１８よりも外側に配置されることで、燃料電池装置の作製時や発電時において有効にシール材１０に圧縮応力を加えることができる。さらに、燃料電池装置の作製時や発電時等の高温時において、接合部２０がセル挿入孔１８よりも外側に配置されるようなセルスタックも同様の効果を得ることができる。

ガスタンク２４は、セル保持部材２５の２つのセル挿入孔１８のそれぞれにセルスタック２を保持接合するように構成されており、単位ガスタンク２４あたりの発電出力を向上させることができる。

さらに、セル保持部材２４（セル挿入孔１８）とシール材１０との間に膨張部材２３を介在させることにより、さらにシール部材に圧縮応力を加えることができ、さらにシール材１０とセル保持部材２４との剥離を低減することができる。

図８を用いて本発明の燃料電池モジュールの一実施形態を説明する。

燃料電池モジュール３０は、直方体状の収納容器３１の内部に、セルスタック装置１を収納して構成されている。なおセル保持部材２５に２つのセル挿入孔１８を備えるガスタンク２４を備え、２つのセルスタック２を配置して構成されたセルスタック装置１を示している。

また、燃料電池セル３にて使用する燃料ガス（第１の反応ガス）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３３をセルスタック２の上方に配置している。そして、改質器３３で生成された燃料ガスは、反応ガス供給管１１を介してガスタンク２４に供給され、ガスタンク２４を介して燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路（図示せず）に供給される。

なお、図８においては、収納容器３１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３２および改質器３３を後方に取り出した状態を示している。図８に示した燃料電池モジュール３０においては、セルスタック装置３２を、収納容器３１内にスライドして収納することが可能である。

また、収納容器３１の内部には、燃料電池セル３に第２の反応ガス（酸素含有ガス）を供給するための酸素含有ガス導入部材３４が設けられており、図８に示す燃料電池モジュール３０においては、ガスタンク２４に並置されたセルスタック２の間に配置されるとともに、酸素含有ガスが、燃料ガスの流れにあわせて、燃料電池セル３の側方を下端部側から上端部側に向かって流れるように、燃料電池セル３の下端部側に酸素含有ガスを供給するように構成されている。

また、セルスタック装置３２においては、燃料電池セル３のガス流路より排出される余剰の燃料ガスを燃料電池セル３の上端部側で燃焼させることにより、燃料電池セル３の温度を上昇させるまたは高温に維持することができ、セルスタック装置３２の起動を早めることができるほか、発電効率を向上することができる。また、燃料電池セル３の上端部側にて、燃料電池セル３のガス流路から排出される燃料ガスを燃焼させることにより、セルスタック２の上方に配置された改質器３３を効率よく温めることができる。それにより、改質器３３で効率よく改質反応を行うことができる。

このような燃料電池モジュール３０においては、上述したように、期信頼性の向上したガスタンク２４を備えるセルスタック装置３２を収納容器３１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燃料電池モジュール３０とすることができる。

図９は、外装ケース内に図８で示した燃料電池モジュール３０と、燃料電池モジュール３０を動作させるための補機（図示せず）とを収納してなる本発明の燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。なお、図９においては一部構成を省略して示している。

図９に示す燃料電池装置３５は、支柱３６と外装板３７から構成される外装ケース内を仕切板３８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３０を収納するモジュール収納室３９とし、下方側を燃料電池モジュール３０を動作させるための補機を収納する補機収納室４０として構成されている。なお、補機収納室４０に収納する補機を省略して示している。

また、仕切板３８には、補機収納室４０の空気をモジュール収納室３９側に流すための空気流通口４１が設けられており、モジュール収納室３９を構成する外装板３７の一部に、モジュール収納室３９内の空気を排気するための排気口４２が設けられている。

このような燃料電池装置３５においては、上述したように、長期信頼性の向上した燃料電池モジュール３０をモジュール収納室３９に収納し、燃料電池モジュール３０を動作させるための補機を補機収納室４０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燃料電池装置３５とすることができる。

以上、本発明の実施の形態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。

例えば、上述した燃料電池セル装置１においては、燃料電池セル３内のガス流路１７に燃料ガスを供給し、燃料電池セル３の外側に酸素含有ガスを供給する例を示しているが、ガス流路１７に酸素含有ガスを供給し、燃料電池セル３の外側に燃料ガスを供給する構成としてもかまわない。その場合においては、内側電極層を酸素側電極層１０とし、外側電極層を燃料側電極層８とする構成の燃料電池セル３とすればよい。それに併せて、燃料電池モジュール３０および燃料電池装置３５の構成を適宜変更すればよい。

また、ガスタンク９をセル保持部材７にセル配列方向に大きく開口したセル挿入孔１８を設け、燃料電池セル３を配列してなるセルスタック２を挿入し接合した例を示したが、セル挿入孔１８をセル配列方向に複数個設け、それぞれのセル挿入孔１８に一個ずつ燃料電池セル３を収納して、シール材１０によりガスシールする構成としてもよい。その場合においても、セル保持部材７とシール材１０との剥離を低減することができ、長期信頼性の向上したガスタンク９とすることができる。

１：燃料電池セル装置
２：セルスタック
３：燃料電池セル
４：集電部材
７、２５：セル保持部材
８：蓋部材
９、２１、２４：ガスタンク
１０：シール材
１８：セル挿入孔
２０：接合部
２２：隆起部
２３：膨張部材
３０：燃料電池モジュール
３５：燃料電池装置

Claims

燃料電池セルと、
底部に開口を有し、上面にセル挿入孔を有するセル保持部材と、
前記開口を覆うように前記セル保持部材に接合された蓋部材と、
前記セル保持部材よりも熱膨張係数が小さく、その差が０．６〜２．８×１０^-7（１／℃）であって、前記燃料電池セルと前記セル保持部材との隙間をシールし、前記燃料電池セルを接合するためのシール材と、を有し、
前記セル保持部材と前記蓋部材との接合部が、平面視して前記シール材よりも外側にあるとともに、前記蓋部材の熱膨張係数が前記セル保持部材の熱膨張係数よりも大きく、その差が０．４〜２．５×１０^-7（１／℃)であることを特徴とする燃料電池セル装置。
燃料電池セルと、
底部に開口を有し、上面にセル挿入孔を有するセル保持部材と、
前記開口を覆うように前記セル保持部材に接合された蓋部材と、
前記セル保持部材よりも熱膨張係数が小さく、その差が０．６〜２．８×１０^-7（１／℃）であって、前記燃料電池セルと前記セル保持部材との隙間をシールし、前記燃料電池セルを接合するためのシール材と、を有し、
前記セル保持部材と前記蓋部材との接合部が、平面視して前記シール材よりも外側にあるとともに、前記蓋部材の熱膨張係数が前記セル保持部材の熱膨張係数よりも大きく、その差が０．４〜２．５×１０ ^-7 （１／℃)であり、
前記シール材よりも熱膨張係数が大きく、その差が０．６〜１．５×１０^-7（１／℃）である膨張部材を前記シール材と前記セル保持部材の前記セル挿入孔との間に介在させ、
前記シール材、膨張部材およびセル保持部材は、この順に熱膨張係数が大きいことを特徴とする燃料電池セル装置。
前記膨張部材が、さらに前記シール材の外面を覆うように配置されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池セル装置。
請求項１乃至３のうちいずれかに記載の燃料電池セル装置を収納容器内に収納してなることを特徴とする燃料電池モジュール。
請求項４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動作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。