JP5791854B1 - 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

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 Download PDF

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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】 セル３を複数個配列してなるセルスタック５と、セル３の一端がシール材３９にて固定されているとともに、セル３に反応ガスを供給するためのマニホールド４と、セルスタック５のセル３の配列方向における端部に配置され、セル３の変形を抑えるための端部導電部材２９と、を具備し、端部導電部材２９のマニホールド４側の一端が、マニホールド４と離間しているセルスタック装置。【選択図】 図３

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、水蒸気と電圧とを付与して水蒸気（水）を電気分解することにより、水素と酸素（Ｏ２）を生成する電解セルが複数配列されてなる電解セルスタック装置を収納容器内に収納してなる電解モジュールや、電解モジュールを外装ケース内に収納してなる電解装置も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００７−５９３７７号公報 特開２０１３−１０３１１９号公報
ところで、燃料電池セルスタック装置における各燃料電池セルには、燃料ガスが供給され、電解装置における各電解セルには、水蒸気が供給される。これらの燃料電池セル又は電解セルは、燃料ガスや水蒸気を燃料電池セル又は電解セルに供給するためのマニホールドに、シール材を介して固定されている。しかし、この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という問題があった。
それゆえ、本発明は、このシール材のクラック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、セルを複数個配列してなるセルスタックと、前記セルの一端がシール材にて固定されているとともに、前記セルに反応ガスを供給するためのマニホールドと、前記セルスタックの前記セルの配列方向における端部に配置され、前記セルの変形を抑えるための端部導電部材と、を具備し、該端部導電部材の前記マニホールド側の一端が、前記マニホールドと離間していることを特徴とする。
本発明のセルスタック装置は、セルを複数個配列してなるセルスタックと、前記セルの一端がシール材にて固定されているとともに、前記セルにガスを供給するための第１のマニホールドと、前記セルの他端がシール材にて固定されているとともに、前記セルより排出されるガスを回収するための第２のマニホールドと、前記セルスタックの前記セルの配列方向における端部に配置され、前記セルの変形を抑えるための端部導電部材と、を具備し、該端部導電部材は、前記第１のマニホールド側の一端が前記第１のマニホールドと離間している、前記第２のマニホールド側の他端が前記第２のマニホールドと離間している、あるいは、一端および他端が前記第１および前記第２のマニホールドと離間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、セルの配列方向における端部に配置された端部導電部材のマニホールド側の一端が、マニホールドと離間していることから、シール材のクラック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。
本発明のセルスタック装置は、セルの配列方向における端部に配置された端部導電部材は、第１のマニホールド側の一端が第１のマニホールドと離間している、第２のマニホールド側の他端が第２のマニホールドと離間している、あるいは、一端および他端が第１および第２のマニホールドと離間していることから、シール材のクラック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。
燃料電池セルを用いてなる本実施形態の燃料電池セルスタック装置の一例を備える燃料電池モジュールを示す外観斜視図である。 図１に示す燃料電池モジュールの断面図である。 本実施形態の燃料電池セルスタック装置の一例を一部抜粋して示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。 図１に示す本実施形態の燃料電池セルスタック装置の一部を抜粋して示す断面図である。 本実施形態の燃料電池セルスタック装置の他の一例を一部抜粋して示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。 本実施形態の燃料電池セルスタック装置の他の一例を一部抜粋して示す、正面図である。 本実施形態の電解セルスタック装置の一例を示す外観斜視図である。 （ａ）は図７に示す電解セルスタック装置の側面側の断面図であり、（ｂ）は（ａ）で示す破線部分を抜粋して示す断面図である。 本実施形態の電解セルスタック装置の他の一例を一部抜粋して示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。 本実施形態の電解セルスタック装置の他の一例を一部抜粋して示す、正面図である。 本実施形態の電解セルスタック装置の他の一例を示す断面図である。 本実施形態の燃料電池装置の一例を概略的に示す分解斜視図である。
図１〜１２を用いて、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。なお、セルとは燃料電池セル、電解セルの双方を含むことを意味する。また、セルスタック装置とは燃料電池セルスタック装置、電解セルスタック装置の双方を含むことを意味する。また、モジュールとは燃料電池モジュール、電解モジュールの双方を含むことを意味する。また、モジュール収容装置とは燃料電池装置、電解装置の双方を含むことを意味する。
図１は、燃料電池セルを用いてなる本実施形態の燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図であり、図２は図１の断面図である。なお、以降の図において同一の部材については同一の番号を付するものとする。
図１に示す燃料電池モジュール１においては、収納容器２の内部に、内部を燃料ガスが一端から他端に流通するガス流路（図示せず）を有する燃料電池セル３を立設させた状態で一列に配列し、隣接する燃料電池セル３間が導電部材（図１においては図示せず）を介して電気的に直列に接続されているとともに、燃料電池セル３の下端をガラスシール材等の絶縁性接着材（図示せず）でマニホールド４に固定してなるセルスタック５を２つ備える燃料電池セルスタック装置１２を収納してなる。
また、セルスタック５の上方には、燃料電池セル３に供給する燃料ガスを生成するための改質器６が配置されている。なお、セルスタック５の端部には、セルスタック５（燃料電池セル３）の発電により生じた電気を集電して外部に引き出すための、導電部を有する端部導電部材が配置されている（図１においては図示せず）。
なお、図１においては、燃料電池セルスタック装置１２が２つのセルスタック５を備えている場合を示しているが、適宜その個数は変更することができ、例えばセルスタック５を１つだけ備えていてもよい。また、燃料電池セルスタック装置１２を、改質器６を含むものとすることもできる。
なお、後述するが、マニホールド４は燃料電池セル３に供給する燃料ガスを貯留し、開口部を上面に有するガスケースと、内側に燃料電池セル３を固定するとともに、ガスケースに固定される枠体とを備えている。
また、図１においては、燃料電池セル３として、内部を燃料ガスが長手方向に流通する燃料ガス流路を複数有する中空平板型で、燃料ガス流路を有する支持体の表面に、内側電極層、固体電解質層および外側電極層を順に積層してなる固体酸化物形の燃料電池セル３を例示している。燃料電池セル３の構成については後述する。
また、本実施形態の燃料電池装置においては、燃料電池セル３は、例えば平板型や円筒型とすることもでき、あわせて収納容器２の形状も適宜変更することができる。
また、図１に示す改質器６においては、原燃料供給管１０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６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７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８とを備えている。そして、改質器６で生成された燃料ガスは、燃料ガス流通管９を介してマニホールド４に供給され、マニホールド４より燃料電池セル３の内部に設けられた燃料ガス流路に供給される。
また図１においては、収納容器２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１２を後方に取り出した状態を示している。ここで、図１に示した燃料電池モジュール１においては、燃料電池セルスタック装置１２を、収納容器２内にスライドして収納することが可能である。
なお、収納容器２の内部には、マニホールド４に並置されたセルスタック５の間に配置され、酸素含有ガスが燃料電池セル３の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、酸素含有ガス導入部材１１が配置されている。
図２に示すように、燃料電池モジュール１を構成する収納容器２は、内壁１３と外壁１４とを有する二重構造で、外壁１４により収納容器２の外枠が形成されるとともに、内壁１３により燃料電池セルスタック装置１２を収納する発電室１５が形成されている。さらに収納容器２においては、内壁１３と外壁１４との間を、燃料電池セル３に導入する酸素含有ガスが流通する酸素含有ガス流路２１としている。
ここで、収納容器２内の上部に、上端側に酸素含有ガスが流入するための酸素含有ガス流入口（図示せず）とフランジ部２５とが設けられている。また、下端部に燃料電池セル３の下端部に酸素含有ガスを導入するための酸素含有ガス流出口１６が設けられてなる酸素含有ガス導入部材１１が、収納容器２の上部から収納容器２内にかけて、内壁１３を貫通して挿入されて固定されている。なお、フランジ部２５と内壁１３との間には断熱部材１７が配置されている。
なお、図２においては、酸素含有ガス導入部材１１が、収納容器２の内部に並置された２つのセルスタック５間に位置するように配置されているが、セルスタック５の数により、適宜配置することができる。例えば、収納容器２内にセルスタック５を１つだけ収納する場合には、酸素含有ガス導入部材１１を２つ設け、セルスタック５を両側面側から挟み込むように配置することができる。
また発電室１５内には、燃料電池モジュール１内の熱が極端に放散され、燃料電池セル３（セルスタック５）の温度が低下して発電量が低減しないよう、モジュール１内の温度を高温に維持するための断熱部材１７が適宜設けられている。
断熱部材１７は、セルスタック５の近傍に配置することが好ましく、特には、燃料電池セル３の配列方向に沿ってセルスタック５の側面側に配置するとともに、セルスタック５の側面における燃料電池セル３の配列方向に沿った幅と同等またはそれ以上の幅を有する断熱部材１７を配置することが好ましい。なお、セルスタック５の両側面側に断熱部材１７を配置することが好ましい。それにより、セルスタック５の温度が低下することを効果的に抑制できる。さらには、酸素含有ガス導入部材１１より導入される酸素含有ガスが、セルスタック５の側面側より排出されることを抑制でき、セルスタック５を構成する燃料電池セル３間の酸素含有ガスの流れを促進することができる。なお、セルスタック５の両側面側に配置された断熱部材１７においては、燃料電池セル３に供給される酸素含有ガスの流れを調整し、セルスタック５の長手方向および燃料電池セル３の積層方向における温度分布を低減するための開口部１８が設けられている。
また、燃料電池セル３の配列方向に沿った内壁１３の内側には、排ガス用内壁１９が設けられており、内壁１３と排ガス用内壁１９との間が、発電室１５内の排ガスが上方から下方に向けて流れる排ガス流路２２とされている。なお、排ガス流路２２は、収納容器２の底部に設けられた排気孔２０と通じている。また、排ガス用内壁１９のセルスタック５側にも断熱部材１７が設けられている。
それにより、燃料電池モジュール１の稼動（起動処理時、発電時、停止処理時）に伴って生じる排ガスは、排ガス流路２２を流れた後、排気孔２０より排気される構成となっている。なお、排気孔２０は収納容器２の底部の一部を切り欠くようにして形成してもよく、また管状の部材を設けることにより形成してもよい。
なお、酸素含有ガス導入部材１１の内部には、セルスタック５近傍の温度を測定するための熱電対２４が、その測温部２３が燃料電池セル３の長手方向の中央部でかつ燃料電池セル３の配列方向における中央部に位置するように配置されている。
また、上述の構成の燃料電池モジュール１においては、燃料電池セル３における燃料ガス流路より排出される発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル３の上端と改質器６との間で燃焼させることにより、燃料電池セル３の温度を上昇・維持させることができる。あわせて、燃料電池セル３（セルスタック５）の上方に配置された改質器６を温めることができ、改質器６で効率よく改質反応を行なうことができる。なお、通常発電時においては、上記燃焼や燃料電池セル３の発電に伴い、燃料電池モジュール１内の温度は５００〜１０００℃程度となる。
図３は、本実施形態の燃料電池セルスタック装置の一例を一部抜粋して示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図であり、図４は本実施形態の燃料電池セルスタック装置の一部を抜粋して示す断面図である。
図３、図４に示すように、燃料電池セル３の一端部（図３の下端部）は枠体２７で囲まれており、枠体２７の内側に充填されたシール材３９で燃料電池セル３の下端部の外周が固定されている。つまり、セルスタック５は、枠体２７の内側に複数の燃料電池セル３を一列に並べ、各燃料電池セル３を、導電部材２６ａを介して接続して収容し、シール材３９で枠体２７に接着されている。なお、この枠体２７の内側が固定部となる。また、シール材３９は、耐熱性かつ絶縁性を有している材料を用いることが好ましく、例えばガラス等を用いることができる。
端部導電部材２９は、セルスタック５の燃料電池セル３の配列方向における端部に配置され、燃料電池セル３の変形を抑えている。ここでいう端部とは、両端部であっても良いし、一方又は他方のいずれか一方のみでも良い。
また、セルスタック５の最も外側に位置する燃料電池セル３には、当該セル３の外側に配置された導電部材２６ｂを介して端部導電部材２９が接続されている。
図３に示すように、燃料電池セル３を電気的に接続するために介装される導電部材は、符号２６ａで示しており、セルスタック５の最も外側に位置する導電部材は、符号２６ｂで示している。
また、図３に示す例においては、端部導電部材２９は、導電部材２６ｂと異なって、平板形状を有している。これによって、端部導電部材２９は、広い面積で、導電部材２６ｂから電流を取り出すことができる。
また、端部導電部材２９は、その一端（下端）が導電部材２６ｂの下端以下に位置しており、その他端（上端）が導電部材２６ｂの上端以上に位置していることが好ましい。これによって、端部導電部材２９は、導電部材２６ｂと広い接触面積で接続されることとなる。従って、端部導電部材２９は、広い面積で、導電部材２６ｂから電流を取り出すことができる。
端部導電部材２９は、導電部材２６ｂと電気的に接続されており、セルスタック５の外側に突出する導電部３０を有している。この導電部３０の端は、マニホールド４と離間している。なお、図には示していないが、端部導電部材２９の外側に、セルスタック５の周囲に配置された断熱材との接触や外部からの衝撃に対して、端部導電部材２９およびセルスタック５を保護する目的で、保護カバーを設けてもよい。
一方、マニホールド４を構成するガスケース３１は、燃料電池セル３のガス流路にガスを供給する開口部３２を上面に有して、セルスタック５が開口部３２を塞ぐように環状の枠体２７の一端部が、ガスケース３１の開口部３２を取り囲むように環状に形成された溝部に差し込まれて、シール材３９にて固定されている。それにより、燃料電池セル３のガス流路３３以外の部分が気密に封止されている。
この構成では、セルスタック５をガスケース３１に接続する前に、別途、燃料電池セル３の一端部をシール材３９で枠体２７に接着し、その後で枠体２７をガスケース３１に接着して封止することが可能である。
以下、セルスタック装置１２を構成する燃料電池セル３について説明する。
燃料電池セル３は、図４に示すように、一対の対向する平坦面をもつ柱状の導電性支持基板３２（以下、支持基板３２と略す場合がある）の一方の平坦面上に内側電極層３３、固体電解質層３４及び外側電極層３５を順次積層してなる柱状（中空平板状等）からなる。この導電性支持基板３２には、内部をガス流れるガス流路３８が設けられており、図４においては６つのガス流路が設けられた例を示している。図４に示す例においては、内側電極層３３を燃料側電極層とし、外側電極層３５を空気側電極層として説明する。
なお、図４に示す例の燃料電池セル３においては、内側電極層３３を燃料側電極層とし、外側電極層３５を空気側電極層とした燃料電池セルについて説明したが、内側電極層３３を空気側電極層とし、外側電極層３４を燃料側電極層として、ガス流路３８に酸素含有ガスを流す構成の燃料電池セル３としてもよい。
また、燃料電池セル３の他方の平坦面上にはインターコネクタ３６が設けられており、インターコネクタ３６の外面（上面）にはＰ型半導体層３７が設けられている。Ｐ型半導体層３７を介して、導電部材２６ａをインターコネクタ３６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。なお、図４では、端部導電部材２９の記載を省略している。また、支持基板は燃料側電極層を兼ねるものとし、その表面に固体電解質層および空気側電極層を順次積層してセルを構成することもできる。
燃料側電極層３３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。
固体電解質層３４は、燃料側電極層３３、空気側電極層３５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。
空気側電極層３５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。空気側電極層３５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。
支持基板３２としては、燃料ガスを燃料側電極層３３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３６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、支持基板３２としては、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。セル３を作製するにあたり、燃料側電極層３３または固体電解質層３４との同時焼成により支持基板３２を作製する場合においては、鉄族金属成分と特定希土類酸化物とから支持基板３２を形成することが好ましい。また、図３に示した燃料電池セル３において、柱状（中空平板状）の支持基板３２は、立設方向に細長く延びる板状片であり、平坦な両面と半円形状の両側面を有する。また、支持基板３２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％の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であるのが好ましい。また、支持基板３２の形状は柱状であれば良く、円筒状であってもよい。
Ｐ型半導体層３７としては、遷移金属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３６を構成する材料よりも電子伝導性が大きいもの、例えば、ＢサイトにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏなどが存在するＬａＭｎＯ３系酸化物、ＬａＦｅＯ３系酸化物、ＬａＣｏＯ３系酸化物などの少なくとも一種からなるＰ型半導体セラミックスを使用することができる。このようなＰ型半導体層３７の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲にあることが好ましい。
インターコネクタ３６は、上述したとおり、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）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３６は支持基板３２に形成されたガス流路３８を流通する燃料ガス、および支持基板３２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。
そして、燃料電池セル３を電気的に接続するために介装される導電部材２６ａ、セルスタックの最も外側に位置する導電部材２６ｂおよび端部導電部材２９は、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成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。
ところで、セルスタック装置１２において、運転時や製造時において、ガラス等からなるシール材３９にクラック等が生じる場合がある。これは、燃料電池セル３、導電部材２６、端部導電部材２９等をシール材３９に固定した場合に、運転時や製造における熱により、各部材が膨張等によって、シール材３９に応力が発生し、その応力に伴って生じるものと考えられる。特に、枠体２７との界面や燃料電池セル３との界面にこのクラックが生じやすい。
それゆえ、本実施形態のセルスタック装置１２において、シール材３９のクラック発生を抑制するにあたって、シール材３９に発生する応力を減らすことを目的として、端部導電部材２９のマニホールド４側の一端（下端）が、マニホールド４と離間している。言い換えれば、端部導電部材２９は下端がシール材３９に固定されていない構成とされている。
それゆえ、端部導電部材２９に生じる応力がシール材３９に伝搬することを抑制できることから、シール材３９にクラックが生じることを抑制することができる。
なお、図３（ａ）に示す燃料電池セルスタック装置１２においては、あわせて導電部材２６ａ、２６ｂのマニホールド４側の一端部（下端部）も、マニホールド４と離間するように配置している。このような構成においては、さらに効率よく、シール材３９にクラックが生じることを抑制することができるが、シール材３９の耐久性に応じて、シール材３９に固定してもよい。
図５は、本実施形態の燃料電池セルスタック装置の他の一例を一部抜粋して示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。
図３（ａ）で示した燃料電池セルスタック装置１２においては、端部導電部材２９がマニホールド４と離間して、その間が空間となっている例を示したが、この場合に、端部導電部材２９に生じた応力が、端部導電部材２９と導電部材２６ｂとの接合部位に影響して、端部導電部材２９と導電部材２６ｂとが剥離するおそれがある。
そこで、図５に示した燃料電池セルスタック装置４１においては、マニホールド４と、端部導電部材２９のマニホールド４側の一端との間に、シール材３９とは異なる材料からなり、端部導電部材２９の一端（下端）を保持するための保持部材４０を設けている。より詳細には、端部導電部材２９のマニホールド４側の一端と、シール材３９との間に保持部材４０が設けられている。
それにより、端部導電部材２９に生じた応力の一部が保持部材４０に吸収されることとなり、端部導電部材２９と導電部材２６ｂとが剥離することを抑制することができる。
それゆえ、保持部材４０としては、弾性を有し、変形可能なものであり、かつ表面が酸化物で構成されていることが好ましい。
このような保持部材４０としては、例えば綿状の断熱材や、ガラス等にて作製されたらせん状の線材や板バネ等を用いることができる。それにより、よりスタック支持部材２９に生じた応力を保持部材４０にて吸収することができるほか、表面が酸化物で構成されていることで、高温の酸化しやすい環境下でも長期間安定して用いることができる。なお、少なくとも表面が酸化物で構成されていれば良く、全体が酸化物で構成されていてもよい。
また、端部導電部材２９は、セルスタック５の外側に突出する導電部３０を有しており、それにより外部に電流を掃引することから、導電性であることが好ましい。一方で、保持部材４０を設ける場合には、マニホールド４の枠体２７が導電性である場合に、保持部材４０と枠体２７とが接触することでショートするおそれがあることから、保持部材４０は絶縁性であることが好ましい。また、保持部材４０を絶縁性とすることで、端部導電部材２９又は導電部３０が、導電性である枠体２７と接触してショートすることも抑制することができる。
それゆえこの場合、保持部材４０は、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化ジルコニウム、並びにこれらを含む複合酸化物等の材料にて作製することが好ましい。なお、導電性、絶縁性とは、セルスタック装置の運転環境下において、電気を通す性質を示すものを導電性、電気を通さない性質を示すものを絶縁性とする。
また、上述したように、シール材３９において、燃料電池セル３との界面部分にもクラックが生じやすい。それゆえ、シール材３９の表面に設けられ、燃料電池セル３の一端部とシール材３９とを固定するための固定材５０を有し、この固定材５０が酸化物を含むとよい。この固定材５０により、燃料電池セル３とシール材３９との応力を緩和できる。なお、図５におけるセルスタック装置４１において、固定材５０を設けた例を示している。それにより、燃料電池セル３の膨張や変形等により生じる応力を、固定材５０にて緩和することができ、燃料電池セル３との界面におけるクラック等の発生を抑制することができる。
なおこのような固定材５０としては、例えば酸化アルミニウム、酸化ケイ素を主成分とする断熱材を用いて作製することができる。なお酸化物を主成分とする理由は、上記の保持部材と同様である。
図６は、本実施形態の燃料電池セルスタック装置の他の一例を一部抜粋して示す、正面図である。
図６に示す例においては、保持部材４０の幅が、端部導電部材２９の幅より広くなっている。この構成によれば、保持部材４０は、端部導電部材２９に生じた応力の一部を、より広い接触面積で吸収することができる。従って、端部導電部材２９と導電部材２６ｂとが剥離することを抑制することができる。
また、図６に示す例においては、保持部材４０の幅が端部導電部材２９の幅より広くなっており、保持部材４０が端部導電部材２９および枠体２７の間に当接するように挟まれている。この構成により、端部導電部材２９および枠体２７の間に、導電性を有する不要物が挟まることを防ぐことができるので、端部導電部材２９および枠体２７がショートすることを抑制することができる。
図７は、本実施形態の電解セルスタック装置の一例を示す外観斜視図である。
図７は、内部をガスが一端から他端に流通するガス流路（図示せず）を有する電解セル３を立設させた状態で一列に配列し、隣接する電解セル３間がセル間導電部材（図７においては図示せず）を介して電気的に直列に接続されたセルスタック５を備える電解セルスタック装置５１を示す。
各電解セル３は、下端がガラス等の絶縁性のシール材３９で第１のマニホールド５４に固定されており、上端が同様にシール材で第２のマニホールド５７に固定されている。なお、第１のマニホールド５４には水蒸気を供給する水蒸気供給管５８が接続されており、第２のマニホールド５７には水素含有ガスを回収する水素回収管５９が接続されている。
また、図７に示す電解セルスタック装置５１においては、セルスタック５における電解セル３の配列方向の両端には、各電解セル３に電流を流すための端部導電部材２９が設けられている。なお端部導電部材２９も、導電部材２６ｂを介して電解セル３に接続されている。
端部導電部材２９は、セルスタック５の電解セル３の配列方向における端部に配置され、電解セル３の変形を抑えている。ここでいう端部とは、両端部であっても良いし、一方又は他方のいずれか一方のみでも良い。
なお、図７に示す端部導電部材２９においては、端部導電部材２９の下端側に、セルスタック５の外側に突出する導電部３０が設けられている。この導電部３０の端は、第１のマニホールド５４および第２のマニホールド５７と離間している。また、端部導電部材２９の外側に、端部導電部材２９の一部としてセルスタック３の周囲に配置された断熱材との接触や外部からの衝撃に対して、端部導電部材２９やセルスタック３を保護する目的で、保護カバーを設けてもよい。
なお、図７においては、それぞれのマニホールドに１つのセルスタック５を固定した例を示しているが、適宜その数は変更することができ、例えばそれぞれのマニホールドにセルスタック５を複数個固定してもよい。
上述した電解セルスタック装置５１において、ガス流路に水蒸気を含むガスを流して、電圧を与えることにより水素含有ガスを生成することができ、第１のマニホールド５４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５７が生成された水素を回収するための回収部となる。
ちなみに、上述の第１のマニホールド５４と第２のマニホールド５７とは逆の構成としてもよい。
なお、各マニホールドは、電解セル３に供給するもしくは電解セル３より回収するガスを貯留し、開口部を上面に有するガスケース３１と、内側に電解セル３を固定するとともに、ガスケース３１に固定される枠体２７とを備えている。
図８は、（ａ）は図７に示す電解セルスタック装置５１の側面側の断面図であり、（ｂ）は（ａ）で示す破線部分を抜粋して示す断面図である。まず、図８（ｂ）を用いて電解セル３について説明する。なお、（ａ）は側面側の断面図であり、一部ハッチングを省略しているほか、端部導電部材２９を明りょうとすべく点にて塗っている。
図８に示す電解セル３は、上述した図１〜５で示した燃料電池セル３と同様の構成である。
そして、電解セル３を電気的に接続するために介装される導電部材２６ａ、セルスタックの最も外側に位置する導電部材２６ｂおよび端部導電部材２９は、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成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。
ところで、このような電解セル３の一端（下端）および他端（上端）は、各マニホールドの枠体２７に囲まれており、枠体２７の内側に充填されたシール材３９で電解セル３の下端部及び上端部の外周が固定されている。つまり、セルスタック５は、枠体２７の内側に複数の電解セル３を並べ、各電解セル３を、導電部材２６ａを介して接続して収容し、シール材３９で枠体２７に接着されている。なお、この枠体２７の内側が固定部となる。また、シール材３９は、耐熱性かつ絶縁性を有している材料を用いることが好ましく、例えばガラス等を用いることができる。
一方、第１のマニホールド５４、第２のマニホールド５７を構成するガスケース３１は、電解セル３のガス流路３８にガスを供給する開口部を有しており、環状の枠体２７の一端部が、ガスケース３１の開口部を取り囲むように環状に形成された溝部に差し込まれて、シール材３９にて固定されている。それにより、電解セル３のガス流路３８以外の部分が気密に封止されている。
この構成では、セルスタック５をガスケース３１に接続する前に、別途、電解セル３の一端部をシール材３９で枠体２７に接着し、その後で枠体２７をガスケース３１に接着して封止することが可能である。
ところで、電解セルスタック装置５１において、運転時や製造時において、ガラス等からなるシール材３９においてクラック等が生じる場合がある。これは、電解セル３、導電部材２６、端部導電部材２９等をシール材３９に固定した場合に、運転時や製造における熱により、各部材が膨張等によって、シール材３９に応力が発生し、その応力に伴って生じるものと考えられる。特に、枠体２７との界面や電解セル３との界面にこのクラックが生じやすい。
それゆえ、図８に示す電解セルスタック装置５１においては、シール材３９におけるクラックの発生を抑制するにあたって、シール材３９に発生する応力を減らすことを目的として、端部導電部材２９の第２のマニホールド５７側の他端（上端）が、第２のマニホールド５７と離間している。言い換えれば、端部導電部材２９は上端がシール材３９に固定されていない構成とされている。なお、図８においては、この部分を一点破線にて示している。
端部導電部材２９に生じる応力がシール材３９に伝搬することを抑制できることから、シール材３９においてクラックが生じることを抑制することができる。それゆえ、信頼性が向上した電解セルスタック装置５１とすることができる。
なお、図８においては、端部導電部材２９の第２のマニホールド５７側の他端（上端）と第２のマニホールド５７との間が離間している例を示しているが、端部導電部材２９の第１のマニホールド５４側の一端（下端）と第１のマニホールド５４との間を離間させるほか、端部導電部材２９の一端（下端）および他端（下端）が第１のマニホールド５４および第２のマニホールド５７と離間していてもよい。さらに、図８に示す電解セルスタック装置５１においては、電解セル３の配列方向における両端に位置する端部導電部材２９の他端（上端）と第２のマニホールド５７との間が離間している例を示しているが、一方の端部導電部材２９のみが離間していてもよい。
ここで、端部導電部材２９を各マニホールドから離間させるにあたっては、端部導電部材２９に生じる応力の大きい側の端部を各マニホールドから離間させることが好ましい。たとえば、第１のマニホールド５４側と第２のマニホールド５７側とで温度を比較した場合に、温度の高い方が端部導電部材２９に生じる応力、ひいてはシール材に生じる応力が大きくなる傾向がある。それゆえ、このような構成の電解セルスタック装置５１においては、第１のマニホールド５４および第２のマニホールド５７のそれぞれを流れるガスの温度が高い方の一方のマニホールドと、この一方のマニホールドと対向する端部導電部材２９の一端又は他端とが離間していることで、より効果を有することができる。従って、端部導電部材２９と各マニホールドとを離間させるにあたっては、第１のマニホールド５４を流れる流体の温度、第２のマニホールド５７を流れる温度等に基づいて、適宜設定すればよい。
例えば、第１のマニホールド５４を流れるガスの温度が、第２のマニホールド５７を流れるガスの温度より高い場合には、端部導電部材２９の第１のマニホールド５４側の一端が第１のマニホールド５４と離間していることが好ましい。より詳細には、第１のマニホールド５４に高温の水蒸気を導入し、第２のマニホールド５７にて水素含有ガスを回収する構成にあたっては、水蒸気の温度が高いことから、端部導電部材２９の一端（下端）と第１のマニホールド５４との間を離間させることができる。
ちなみに、端部導電部材２９を各マニホールドと離間させるにあたっては、水素生成効率との兼ね合いを考慮して適宜設定することができるが、例えば１〜１０ｍｍとすることができる。なおこの場合、端部導電部材２９と各マニホールドとの距離とは、シール材３９の表面と端部導電部材２９の一端との距離を意味する。
また、第２のマニホールド５７を流れるガスの温度が、第１のマニホールド５４を流れるガスの温度より高い場合には、端部導電部材２９の第２のマニホールド５７側の他端が第２のマニホールド５７と離間していることが好ましい。
また、図７，８に示す例においては、端部導電部材２９は、導電部材２６ｂと異なって、平板形状を有している。これによって、端部導電部材２９は、広い面積で、導電部材２６ｂから電流を取り出すことができる。
また、端部導電部材２９は、その一端（下端）が導電部材２６ｂの下端以下に位置しており、その他端（上端）が導電部材２６ｂの上端以上に位置していることが好ましい。これによって、端部導電部材２９は、導電部材２６ｂと広い接触面積で接続されることとなる。従って、端部導電部材２９は、広い面積で、導電部材２６ｂから電流を取り出すことができる。
図９は、本実施形態の電解セルスタック装置の他の一例を一部抜粋して示し、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。
図８（ａ）で示した電解セルスタック装置５１においては、端部導電部材２９が第１のマニホールド５４と離間して、その間が空間となっている例を示したが、この場合に、端部導電部材２９に生じた応力が、端部導電部材２９と導電部材２６ｂとの接合部位に影響して、端部導電部材２９と導電部材２６ｂとが剥離するおそれがある。
そこで、図９に示した電解セルスタック装置６１においては、第２のマニホールド５７と端部導電部材２９の第２のマニホールド５７側の他端との間に、シール材３９とは異なる材料からなり、端部導電部材２９の他端（上端）を保持するための保持部材４０を設けている。より詳細には、端部導電部材２９の第２のマニホールド５７側の他端と、シール材３９との間に保持部材４０が設けられている。
それにより、端部導電部材２９に生じた応力の一部が保持部材４０に吸収されることとなり、端部導電部材２９と導電部材２６ｂとが剥離することを抑制することができる。
それゆえ、保持部材４０としては、弾性を有し、変形可能なものであり、かつ表面が酸化物で構成されていることが好ましい。
このような保持部材４０としては、例えば綿状の断熱材や、ガラス等にて作製されたらせん状の線材や板バネ等を用いることができる。それにより、より端部導電部材２９に生じた応力を保持部材４０にて吸収することができるほか、表面が酸化物で構成されていることで、高温の酸化しやすい環境下でも長期間安定して用いることができる。なお、少なくとも表面が酸化物で構成されていれば良く、全体が酸化物で構成されていてもよい。
また、後述するように、第１のマニホールド５４と端部導電部材２９の第１のマニホールド５４側の一端との間に、シール材３９とは異なる材料からなり、端部導電部材２９の一端（下端）を保持するための保持部材４０を設けても良い。
また、端部導電部材２９の一端（下端）および他端（上端）の双方を保持するための保持部材４０をそれぞれ設けても良い。
また、端部導電部材２９は、セルスタック５の外側に突出する導電部３０を有しており、それにより外部から電流を流すことから、導電性であることが好ましい。一方で、保持部材４０を設ける場合には、マニホールド４の枠体２７が導電性である場合に、保持部材４０と枠体２７とが接触することでショートするおそれがあることから、保持部材４０は絶縁性であることが好ましい。また、保持部材４０を絶縁性とすることで、端部導電部材２９又は導電部３０が、導電性である枠体２７と接触してショートすることも抑制することができる。
それゆえこの場合、保持部材４０は、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化ジルコニウム、並びにこれらを含む複合酸化物等の材料にて作製することが好ましい。なお、導電性、絶縁性とは、セルスタック装置の運転環境下において、電気を通す性質を示すものを導電性、電気を通さない性質を示すものを絶縁性とする。
また、上述したように、シール材３９において、電解セル３との界面部分にもクラックが生じやすい。それゆえ、シール材３９の表面に設けられ、電解セル３の一端および他端のうち少なくとも一方とシール材３９とを固定するための固定材５０を有し、この固定材５０が酸化物を含むとよい。この構成により、電解セル３とシール材３９との応力を緩和できる。なお、図９におけるセルスタック装置６１において、固定材５０を設けた例を示している。それにより、電解セル３の膨張や変形等により生じる応力を、固定材５０にて緩和することができ、電解セル３との界面におけるクラック等の発生を抑制することができる。
なおこのような固定材５０としては、例えば酸化アルミニウム、酸化ケイ素を主成分とする断熱材を用いて作製することができる。なお酸化物を主成分とする理由は、上記の保持部材と同様である。
図１０は、本実施形態の電解セルスタック装置の他の一例を一部抜粋して示す、正面図である。
図１０に示す例においては、保持部材４０の幅が、端部導電部材２９の幅より広くなっている。この構成によれば、保持部材４０は、端部導電部材２９に生じた応力の一部を、より広い接触面積で吸収することができる。従って、端部導電部材２９と導電部材２６ｂとが剥離することを抑制することができる。
また、図１０に示す例においては、保持部材４０の幅が端部導電部材２９の幅より広くなっており、保持部材４０が端部導電部材２９および枠体２７の間に当接するように挟まれている。この構成により、端部導電部材２９および枠体２７の間に、導電性を有する不要物が挟まることを防ぐことができるので、端部導電部材２９および枠体２７がショートすることを抑制することができる。
図１１は、本実施形態の電解セルスタック装置の他の一例を示す断面図である。
図８に示す電解セルスタック装置５１と対比して、端部導電部材２９の他端が第２のマニホールド５７に固定されており、一方で端部導電部材２９の一端が第１のマニホールド５４に固定されていない点で異なる。なお、図１１においては、この離間している部分を一点破線にて示している
図１１に示す電解セルスタック装置７１においては、端部導電部材２９の下端部側に、外部より電流を導入するための導電部３０が設けられている。ここで、端部導電部材２９においては、この導電部３０が接続された部分において、ジュール熱が発生し、端部導電部材２９そのものの温度が上昇する場合も想定される。この場合、端部導電部材２９そのものを見た場合に、導電部３０が設けられている側の端部側の温度が高くなることが想定される。
従って、端部導電部材２９の端を各マニホールドと離間させるにあたり、端部導電部材２９のうち導電部３０が設けられている側の端を、マニホールドに対して離間させることができる。
それゆえ、図１１に示す電解セルスタック装置７１においては、端部導電部材２９の下端部側に導電部３０が設けられていることから、端部導電部材２９の下端と第１のマニホールド５４とを離間させている。
それにより、端部導電部材２９に生じる応力がシール材３９に伝搬することを抑制できることから、シール材３９においてクラックが生じることを抑制することができる。それゆえ、信頼性が向上した電解セルスタック装置７１とすることができる。
また、図１１に記載の電解セルスタック装置７１に、図９、１０に示された保持部材４０、固定材５０を適用してもよい。具体的には、図１１に示した電解セルスタック装置７１においても、端部導電部材２９とシール材３９との間に、シール材３９とは異なる材料からなり、端部導電部材２９の一端（下端）を保持するための保持部材４０を設けることができる。
図１２は、外装ケース内に図１で示した燃料電池モジュール１と、燃料電池モジュール１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４２は、支柱４３と外装板４４から構成される外装ケース内を仕切板４５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１を収納するモジュール収納室４６とし、下方側を燃料電池モジュール１を動作させるための補機を収納する補機収納室４７として構成されている。なお、補機収納室４７に収納する補機を省略して示している。
また、仕切板４５には、補機収納室４７の空気をモジュール収納室４６側に流すための空気流通口４８が設けられており、モジュール収納室４６を構成する外装板４４の一部に、モジュール収納室４６内の空気を排気するための排気口４９が設けられている。
このような燃料電池装置４２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１をモジュール収納室４６に収納し、燃料電池モジュール１を動作させるための補機を補機収納室４７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４２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。
上述の例ではいわゆる縦縞型と呼ばれるセル３を用いて説明したが、一般に横縞型と呼ばれる複数の発電素子部又は電解素子部を支持体上に設けてなる横縞型のセルを用いることもできる。
また、図７〜図１１に示す例は、電解セルスタック装置を用いて説明したが、図７〜図１１に示す例を、燃料電池セルスタック装置として用いても良い。この場合には、例えば、第１マニホールド５４に燃料ガスを供給し、第２マニホールド５７が排ガスを回収すればよい。また、この場合には、導電部３０から電流を取り出すようにすれば良い。
１：燃料電池モジュール
２：収納容器
３：燃料電池セル
４：マニホールド
５：セルスタック
１２、４１：燃料電池セルスタック装置
２６（２６ａ、２６ｂ）：導電部材
２７：枠体
２９：端部導電部材
３０：導電部
３１：ガスケース
３９：シール材
４０：保持部材
４５：燃料電池装置
５０：固定材
５１、６１、７１：電解セルスタック装置
５４：第１のマニホールド
５７：第２のマニホールド

Claims (15)

  1. セルを複数個配列してなるセルスタックと、
    前記セルの一端がシール材にて固定されているとともに、前記セルに反応ガスを供給するためのマニホールドと、
    前記セルスタックの前記セルの配列方向における端部に配置され、前記セルの変形を抑えるための端部導電部材と、を具備し、
    該端部導電部材の前記マニホールド側の一端が、前記マニホールドと離間していることを特徴とするセルスタック装置。
  2. 前記マニホールドと、前記端部導電部材の前記マニホールド側の一端との間に、前記シール材とは異なる材料からなり、前記端部導電部材の一端を保持するための保持部材が配置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. 前記保持部材は変形可能な材料で、かつ表面が酸化物で構成されていることを特徴とする請求項２に記載のセルスタック装置。
  4. 前記保持部材が絶縁性を有していることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のセルスタック装置。
  5. 前記シール材の表面に設けられ、前記セルの一端部と前記シール材とを固定するための固定材を有し、該固定材が酸化物を含むことを特徴とする請求項１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。
  6. 前記端部導電部材が、外部に電流を引き出すための導電部を備えるとともに、該導電部の端が、前記マニホールドと離間するように配置されていることを特徴とする請求項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。
  7. セルを複数個配列してなるセルスタックと、
    前記セルの一端がシール材にて固定されているとともに、前記セルにガスを供給するための第１のマニホールドと、
    前記セルの他端がシール材にて固定されているとともに、前記セルより排出されるガスを回収するための第２のマニホールドと、
    前記セルスタックの前記セルの配列方向における端部に配置され、前記セルの変形を抑えるための端部導電部材と、を具備し、
    該端部導電部材は、前記第１のマニホールド側の一端が前記第１のマニホールドと離間している、前記第２のマニホールド側の他端が前記第２のマニホールドと離間している、あるいは、一端および他端が前記第１および前記第２のマニホールドと離間していることを特徴とするセルスタック装置。
  8. 前記第１のマニホールドおよび前記第２のマニホールドのそれぞれを流れるガスの温度が高い方の一方のマニホールドと、該一方のマニホールドと対向する前記端部導電部材の一端又は他端とが離間していることを特徴とする請求項７に記載のセルスタック装置。
  9. 前記第１のマニホールドと前記端部導電部材の前記第１のマニホールド側の一端との間、および、前記第２のマニホールドと前記端部導電部材の前記第２のマニホールド側の他端との間のうち少なくとも一方に、
    前記シール材とは異なる材料からなり、前記端部導電部材の一端および他端のうち少なくとも一方を保持するための保持部材が配置されていることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載のセルスタック装置。
  10. 前記シール材の表面に設けられ、前記セルの一端および他端のうち少なくとも一方と前記シール材とを固定するための固定材を有し、該固定材が酸化物を含むことを特徴とする請求項７乃至請求項９のうちいずれかに記載のセルスタック装置。
  11. 前記保持部材は変形可能な材料で、かつ表面が酸化物で構成されていることを特徴とする請求項９に記載のセルスタック装置。
  12. 前記保持部材が絶縁性を有していることを特徴とする請求項９又は請求項１１に記載のセルスタック装置。
  13. 前記端部導電部材が、外部より電流を導入するまたは外部に電流を引き出すための導電部を備えるとともに、該導電部の端が、前記第１および前記第２のマニホールドと離間するように配置されていることを特徴とする請求項７乃至請求項１２のうちいずれかに記載のセルスタック装置。
  14. 収納容器内に、前記請求項１乃至請求項１３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。
  15. 外装ケース内に、請求項１４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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