JP6243519B2 - 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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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である燃料電池セルを複数個配列してなるセルスタック装置が知られている。また、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。）。
このようなセルスタック装置としては、燃料電池セルの一端をマニホールドにシール材にて固定することで構成されており、そのシール材が凹型のメニスカス構造とされている例が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００７−５９３７７号公報 特開２００５−１５８５３１号公報
上述のようなセルスタック装置においては、シール材と燃料電池セルとの接合状態によっては、燃料電池セルの還元等に伴う変形により、上述のシール材と燃料電池セルとの接合部にクラックが生じ、ひいては燃料電池セルにクラックが生じるという問題があった。
それゆえ、本発明は、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ことを目的とする。
本発明のセルスタック装置は、複数個のセルを配列してなるセルスタックと、該セルの一端を固定するマニホールドとを備え、前記セルは、燃料ガスが流通する燃料ガス流路を内部に含み、かつＮｉを含有する断面が扁平状の支持体を有し、前記セルと前記マニホールドとがシール材にて固定されているとともに、該シール材は、ガラスであり、かつ前記セルの配列方向に沿った断面視において、凹型のメニスカス構造であって、複数個の前記セル間におけるそれぞれの前記シール材のうち少なくとも一部が、前記メニスカスの先端部から前記マニホールドに向けて引いた垂線と、前記メニスカスの凹状の外形線のうち、前記凹状の底部から前記先端部までの高さの半分の高さに位置する点と前記先端部とを結ぶ直線とのなす角度θが４５°以下であ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、上記構成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、本発明のモジュール収容装置は、外装ケース内に、上記構成のモジュールと、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、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、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、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。
本実施形態のセルスタック装置を示し、（ａ）はセルスタック装置を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）の一部を拡大して示す横断面図である。 図１に示すセルスタック装置の破線Ａの部位を拡大して示す断面図である。 本実施形態のモジュールの一例を示す斜視図である。 図３に示すモジュールの断面図である。 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。 本実施形態のシミュレーションの結果を示すグラフである。 本実施形態の他のシミュレーションの結果を示すグラフである。
以下、図面を用いて本実施形態のセルスタック装置について説明する。図１は、本実施形態のセルスタック装置を示し、（ａ）はセルスタック装置を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）の一部を拡大して示す横断面図である。なお、以降の図において同一の構成については同一の符号を用いて説明する。
なお、図１に示すセルスタック装置（以下、セルスタック装置と略す。）は、セルである燃料電池セルを複数個配列してなる燃料電池セルスタック装置であり、以下の説明では、セルとして燃料電池セルを例として説明する。
図１に示すセルスタック装置１は、内部にガス流路１４を有して、一対の対向する平坦面をもつ断面が扁平状で全体として柱状の導電性支持体１３の一方の平坦面上に内側電極層としての燃料極層９と、固体電解質層１０と、外側電極層としての空気極層１１とを順次積層してなるとともに、他方の平坦面のうち空気極層１１が形成されていない部位にインターコネクタ１２を積層してなる柱状の燃料電池セル３の複数個を備えるセルスタック２を有している。そして、隣接する燃料電池セル３間に導電部材４を介して配置することで、燃料電池セル３同士を電気的に直列に接続される。なお、インターコネクタ１２の外面および空気極層１１の外面には、導電性の接合材１５が設けられており、導電部材４を、接合材１５を介して空気極層１１およびインターコネクタ１２に接続させることより、両者の接触がオーム接触となって電位降下を少なくし、導電性能の低下を有効に抑制することができる。
そして、セルスタック２を構成する各燃料電池セル３の下端が、ガス流路１４を介して燃料電池セル３に反応ガスを供給するためのマニホールド７にガラス等のシール材１６により固定されている。なお、シール材１６については後述する。また、図１に示すセルスタック装置１においては、ガス流路１４にマニホールド７より反応ガスとして水素含有ガス（燃料ガス）を供給する場合の例を示しており、マニホールド７の側面に、燃料ガスをマニホールド７内に供給するための燃料ガス供給管８が接続されている。
また、燃料電池セル３の配列方向（図１に示すＸ方向）の両端から導電部材４を介してセルスタック２を挟持するように、マニホールド７に下端が固定された弾性変形可能な導電部材５を具備している。ここで、図１に示す導電部材５においては、燃料電池セル３の配列方向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。
ちなみに、上記セルスタック装置１においては、ガス流路１４より排出される燃料ガス（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ように構成することにより燃料電池セル３の温度を上昇させることができる。それにより、セルスタック装置１の起動を早めることができる。
以下に、図１において示す燃料電池セル３を構成する各部材について説明する。
例えば、燃料極層９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とから形成することができる。
固体電解質層１０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％の希土類元素酸化物が固溶した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。
空気極層１１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。空気極層１１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１２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、耐還元性及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１２は導電性支持体１３に形成された複数のガス流路１４を流通する燃料ガス、および導電性支持体１３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。
導電性支持体１３としては、燃料ガスを燃料極層９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１２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、導電性支持体１３としては、かかる要求を満足するものを材質として採用する必要があり、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。燃料電池セル３を作製するにあたり、燃料極層９または固体電解質層１０との同時焼成により導電性支持体１３を作製する場合においては、鉄属金属成分と特定希土類酸化物（Ｙ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３等）とから導電性支持体１３を形成することが好ましい。また、導電性支持体１３は、所要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。
なお、図示はしていないが、固体電解質層１０と空気極層１１との間に、固体電解質層１０と空気極層１１との接合を強固とするとともに、固体電解質層１０の成分と空気極層１１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を備えることもできる。
ここで、中間層としては、Ｃｅ（セリウム）と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、
（１）：（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１０〜２０モル％のＳｍＯ１．５またはＧｄＯ１．５が固溶したＣｅＯ２からなることが好ましい。
また、固体電解質層１０と空気極層１１とを強固に接合するとともに、固体電解質層１０の成分と空気極層１１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さらに抑制することを目的として、中間層を２層から形成することもできる。
また、図示はしていないが、インターコネクタ１２と導電性支持体１３との間に、インターコネクタ１２と導電性支持体１３との間の熱膨張係数差を軽減する等のために密着層を設けることもできる。
密着層としては、燃料極層９と類似した組成とすることができ、例えば、ＹＳＺなどの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する）とＮｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。なお、希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ２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。
ところで、図１に示すセルスタック装置１において、各燃料電池セル３の一端はマニホールド７にシール材１６で固定されている。しかしながら、このシール材１６の形状によっては、燃料電池セル３の還元等に伴う変形により、シール材１６と燃料電池セル３との接合部にクラックが生じるという問題があった。そこで、シール材１６の形状を所定の形状とすることで、このクラックの発生を抑制することができ、信頼性の向上したセルスタック装置１とすることができることを見出した。
図２は、図１に示す破線Ａの部位を拡大して示す断面図である。なお図２においては、マニホールド７の構成を省略している。
図２におけるシール材１６は、凹型のメニスカス構造とされている。すなわち、シール材１６は凹状の外形線を有し、燃料電池セル３間の中央部付近に底部１７を有し、底部１７から燃料電池セル３に向けて這い上がるようにシール材１６が設けられている。
ここで、燃料電池セル３は還元等において、収縮する変形を生じる場合がある。この場合に、燃料電池セル３にはシール材１６によって収縮が阻害されることに伴ってシール材１６側に向けた応力が生じる。一方で、シール材１６には燃料電池セル３の収縮に伴って引っ張られることにより、燃料電池セル３側に向けた応力が生じる。
そこで、本発明者らが鋭意研究した結果、シール材１６の先端部付近と燃料電池セル３との接合部において、この応力の差を小さくすること、またこの応力が圧縮応力となるようにすることにより、接合部におけるクラックを抑制できることを見出した。
そして、シール材１６のメニスカスの先端部１８からマニホールド７に向けて引いた垂線と、メニスカスの凹状の外形線のうち、凹状の底部１７から先端部１８までの高さの半分の高さに位置する点１９と先端部１７とを結ぶ直線とのなす角度θ、言い換えればシール材１６の這い上がり部分の形状が、燃料電池セル３とシール材１６との接合部における応力に大きな影響を与えることが分かった。
それゆえ、図２に示すシール材１６においては、シール材１６のメニスカスの先端部１８からマニホールド７（図２においては下方側）に向けて引いた垂線と、メニスカスの凹状の外形線のうち、凹状の底部１７から先端部１８までの高さの半分の高さに位置する点１９と先端部１７とを結ぶ直線（図においては破線で示している）とのなす角度θを４５°以下としている。
それにより、燃料電池セル３とシール材１６との接合部に生じる応力の差を低減することができ、またこの応力が圧縮応力となることで、クラックが生じることを抑制することができる。なお、よりクラックを抑制するにあたっては、この角度θが３０°以下となる形状であることが好ましい。
なお、シール材１６の先端部１８とは、シール材１６の凹状の底部１７と燃料電池セル３との距離をｗとした場合に、凹状の外形線から燃料電池セル３に向けて引いた垂線の長さがｗの２％となる部位を先端部１８とみなし、この先端部１８と燃料電池セル３との交点を起点として、直線や垂線を引くことで、角度θを求めればよい。
また、シール材１６としては、絶縁性を有し、８００〜１０００℃の耐熱性を有する材料であることが好ましく、例えばガラス（特には非晶質なガラスや、結晶質を含むガラス）、セメント等を用いることができる。
ここで、燃料電池セル３間のシール材１６の構造を上述のメニスカス構造とするにあたって、少なくともクラックの発生しやすい燃料電池セル３間のシール材１６を上述の構造とすることがよい。例えば、セルスタック装置１において、燃料電池セル３の配列方向に沿った端部側に位置する燃料電池セル３において、燃料電池セル３の変形等による応力が強く生じる場合がある。この場合に、燃料電池セル３の配列方向に沿った端部側に位置する燃料電池セル３においてクラックが生じやすくなる。それゆえ、燃料電池セル３の配列方向に沿った端部側の燃料電池セル３間におけるシール材１６の構造を上述のメニスカス構造とすることができる。なお、あらかじめセルスタック装置１において、クラックの発生しやすい燃料電池セル３間を調査し、クラックの発生しやすい燃料電池セル３間のシール材１６を上述の構造とすることがよい。
また、さらには、全ての燃料電池セル３とシール材１６との接合を強化し、信頼性を向上する観点からは、全ての燃料電池セル３におけるシール材１６の構造を上述のメニスカス構造とすることができる。
この場合において、各燃料電池セル３や各シール材１６に生じる応力が異なるため、特に応力が強く生じる部位のシール材１６における角度θを、他の部位におけるシール材１６における角度θよりも小さくすることができる。それにより、セルスタック装置１全体として、信頼性を向上することができる。例えば、燃料電池セル３の配列方向の端部側におけるシール材１６の角度θを、燃料電池セル３の配列方向における中央部側におけるシール材１６の角度θよりも小さくすればよい。
ここで、燃料電池セル３の厚みｔに対してシール材１６の高さが低いと、シール材の先端部の体積が少なくなり、燃料電池セル３の還元等の変形をシール材１６で十分に抑制することが難しくなる。それゆえ、例えば、シール材１６の凹状の底部１７から先端部１８までの高さをｈとし、燃料電池セル３の厚みをｔとしたときに、ｈ≧ｔ／３を満たすように設定することができる。なお、より効果的に変形を抑制するには、ｈ≧ｔ／２を満たすように設定することができる。
それにより、燃料電池セル３の変形をシール材１６により抑えることができ、信頼性の向上したセルスタック装置１とすることができる。
なお、シール材１６の高さ（先端部の高さ）の上限値については、燃料電池セル３の発電効率を考慮して、燃料電池セル３の空気極層１１や導電部材４と接触しない高さとすることができる。
また、図１に示すように、燃料電池セル３が、断面が扁平状の燃料電池セル３においては、燃料電池セル３の還元等に伴う変形は、燃料電池セル３の厚み方向ｔよりも、燃料電池セルの配列方向に垂直な方向である幅方向（図１（ｂ）における上下方向、以下単に幅方向という。）において大きくなる場合がある。従って、燃料電池セル３とシール材１６との接合部を燃料電池セル３の幅方向に沿って見た場合に、燃料電池セル３の幅方向における端部側において、クラックが生じやすくなる場合がある。
従って、燃料電池セル３の幅方向における端部側において、燃料電池セル３とシール材１６との接合部の角度θを、燃料電池セル３の幅方向における中央部側の燃料電池セル３とシール材１６との接合部の角度θよりも小さくすることができる。それにより、クラックの発生をより効率よく抑制することができ、信頼性の向上したセルスタック装置１とすることができる。
図３は、本実施形態のセルスタック装置１を備えてなる燃料電池モジュール（以下、モジュールという場合がある。）の一例を示す外観斜視図であり、図４は図３の断面図である。
図３に示すモジュール２０においては、収納容器２１の内部に、本実施形態のセルスタック装置１が収納されている。なお、セルスタック装置１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２２が配置されている。なお、図３においては、セルスタック装置１が２つのセルスタック２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２を１つだけ備えていてもよい。また、セルスタック装置１を、改質器２２を含むものとすることもできる。
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、燃料極層、固体電解質層および酸素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。なお、燃料電池セル３の間に酸素含有ガスが流通する。
また、図１に示す改質器２２においては、原燃料供給管２６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２２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２３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２４とを備えている。そして、改質器２２で生成された燃料ガスは、燃料ガス流通管２６（図１に示す燃料ガス供給管８に相当）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３においては、収納容器２１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１を後方に取り出した状態を示している。ここで、図３に示したモジュール２０においては、セルスタック装置１を、収納容器２１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２１の内部には、マニホールド７に並置されたセルスタック２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２７が配置されている。
図４に示すように、モジュール２０を構成する収納容器２１は、内壁２８と外壁２９とを有する二重構造で、外壁２９により収納容器２１の外枠が形成されるとともに、内壁２８によりセルスタック装置１を収納する発電室３０が形成されている。さらに収納容器２１においては、内壁２８と外壁２９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３６としている。
ここで、収納容器２１内には、収納容器２１の上部より、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４０とを備え、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３１が設けられてなる酸素含有ガス導入部材２７が、内壁２８を貫通して挿入されて固定されている。なお、フランジ部４０と内壁２８との間には断熱部材３２が配置されている。
なお、図４においては、酸素含有ガス導入部材２７が、収納容器２１の内部に並置された２つのセルスタック２間に位置するように配置されているが、セルスタック２の数により、適宜配置することができる。例えば、収納容器２１内にセルスタック２を１つだけ収納する場合には、酸素含有ガス導入部材２７を２つ設け、セルスタック２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３０内には、モジュール２０内の熱が極端に放散され、燃料電池セル３（セルスタック２）の温度が低下して発電量が低減しないよう、モジュール２０内の温度を高温に維持するための断熱部材３２が適宜設けられている。
断熱部材３２は、セルスタック２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２の側面側に配置するとともに、セルスタック２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３２を配置することが好ましい。なお、セルスタック２の両側面側に断熱部材３２を配置することが好ましい。それにより、セルスタック２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２７より導入される酸素含有ガスが、セルスタック２の側面側より排出されることを抑制でき、セルスタック２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２の両側面側に配置された断熱部材３２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２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３３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２８の内側には、排ガス用内壁３４が設けられており、内壁２８と排ガス用内壁３４との間が、発電室３０内の排ガスが上方から下方に向けて流れる排ガス流路３７とされている。なお、排ガス流路３７は、収納容器２１の底部に設けられた排気孔３５と通じている。また、排ガス用内壁３４のセルスタック２側にも断熱部材３２が設けられている。
それにより、モジュール２０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３７を流れた後、排気孔３５より排気される構成となっている。なお、排気孔３５は収納容器２１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２７の内部には、セルスタック２近傍の温度を測定するための熱電対３９が、その測温部３８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、上述の構成のモジュール２０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２２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２）の上方に配置された改質器２２を温めることができ、改質器２２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、モジュール２０内の温度は５００〜８００℃程度となる。
図５は、外装ケース内に図３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燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。なお、図５においては一部構成を省略して示している。
図５に示す燃料電池装置４１は、支柱４２と外装板４３から構成される外装ケース内を仕切板４４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４５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４６として構成されている。なお、補機収納室４６に収納する補機を省略して示している。
また、仕切板４４には、補機収納室４６の空気をモジュール収納室４５側に流すための空気流通口４４が設けられており、モジュール収納室４５を構成する外装板４３の一部に、モジュール収納室４５内の空気を排気するための排気口４８が設けられている。
このような燃料電池装置４１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４５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４６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４１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。
例えば、導電性支持体上に空気極層、固体電解質層、燃料極層を配置した燃料電池セルであっても良い。さらに、例えば、上記形態では、導電性支持体１３上に燃料極層９、固体電解質層１０、空気極層１１を積層したが、導電性支持体１３を用いることなく、燃料極層９自体を支持体とし、この燃料極層９に、固体電解質層１０、空気極層１１を設けても良い。
また、支持体上に空気極層、固体電解質層、燃料極層を有する発電素子部が複数形成された、いわゆる横縞型の燃料電池セルスタックを複数組み合わせてなる横縞型バンドルにも適用することができる。
さらに、上記形態では燃料電池セル３、セルスタック装置１、モジュール２０ならびに燃料電池装置４１について説明したが、セルに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（ＳＯＥＣ）およびこの電解セルを備える電解セルスタック装置および電解モジュールならびにモジュール収容装置である電解装置にも適用することができる。
以下、本実施形態の効果についてシミュレーションにより確認した結果について説明する。
図６は、燃料電池セル３とシール材１６との接合部における応力が０となる部位を調査したシミュレーション結果を示したグラフである。
なお、燃料電池セル３としては、ＮｉとＹ２Ｏ３を含有する断面が扁平状の導電性支持体１３に、Ｎｉ（ＮｉＯ）とイットリアが固溶したＺｒＯ２を含む燃料極層９と、８モル％のイットリアが固溶したＺｒＯ２から形成された固体電解質層１０と、ＬａＳｒＣｏＦｅからなる空気極層１１と、ＬａＣｒＯ３からなるインターコネクタ１２とを備え、図１で示した構成の燃料電池セル３を用いた。また、シール材１６としてはガラスを用いた。
グラフにおいて、縦軸は燃料電池セル３とシール材１６との応力（σｘｘ）が０となる部位を、横軸にメニスカスの角度θを示している。なお、縦軸において、メニスカスの先端部と燃料電池セル３の接合箇所を０として示しており、０の線よりも上側に位置する場合は、燃料電池セル３とシール材１６との応力（σｘｘ）が０となる部位が、メニスカスの先端部と燃料電池セル３との接合箇所よりも上方の燃料電池セル３にある、言い換えれば燃料電池セル３とシール材１６との接合部が引っ張り応力となることを意味している。
一方、燃料電池セル３とシール材１６との応力（σｘｘ）が０となる部位が、０の線よりも下側に位置する場合は、燃料電池セル３とシール材１６との応力（σｘｘ）が０となる部位が、燃料電池セル３とシール材１６との接合部側にある、言い換えれば燃料電池セル３とシール材１６との接合部が圧縮応力となることを意味している。
ここで、燃料電池セル３とシール材１６との接合部が圧縮応力となるとは、燃料電池セル３とシール材１６とのそれぞれに向かって応力が生じることから、この接合が強固になることを意味している。
図６に示したように、シール材１６のメニスカスの先端部１８からマニホールド７に向けて引いた垂線と、メニスカスの凹状の外形線のうち、凹状の底部１７から先端部１８までの高さの半分の高さに位置する点１９と先端部１７とを結ぶ直線とのなす角度θが４５°以下の場合は、燃料電池セル３とシール材１６との応力（σｘｘ）が０となる部位が、０の線よりも下側に位置し、燃料電池セル３とシール材１６との接合部が圧縮応力となること分かる。それにより、燃料電池セル３とシール材１６との接合部において、クラックが生じることを抑制することができる。
一方、上記角度θが４５°よりも大きい場合には、燃料電池セル３とシール材１６との応力（σｘｘ）が０となる部位が、０の線よりも上側に位置し、燃料電池セル３とシール材１６との接合部が引っ張り応力となることが分かる。この場合は、燃料電池セル３とシール材との接合部において、クラックが生じることを抑制することができない。
それゆえ、本実施形態において、上記メニスカスの先端角度が４５°以下の場合は、燃料電池セル３とシール材１６との接合部において、クラックが生じることを抑制することができることが確認できた。
図７は、上述の燃料電池セル３とシール材１６とを用いて、燃料電池セル３の厚みとシール材１６の高さとの関係について行ったシミュレーションの結果を示すグラフである。
グラフにおいて、縦軸は燃料電池セル３の変形度を示している。なお変形度は、燃料電電池セル３の内側に向けての変形度を意味している。また、横軸はシール材１６の先端からの距離を示している。
図７に示したように、シール材１６の凹状の底部１７から先端部１８までの高さをｈとし、燃料電池セル３の厚みをｔとしたときに、ｈ≧ｔ／３を満たす場合には、シール材１６の先端部１８からの距離が０．１μｍの場合に、燃料電池セル３の変形度は４μｍ以下であった。一方、ｈ≧ｔ／３を満たさない、ｈ＝ｔ／４およびｈ＝ｔ／８においては、シール材１６の先端部１８からの距離が０．１μｍの場合に、燃料電池セル３の変形度は４μｍ以上と、燃料電池セル３の変形を十分に抑制できていないことが分かった。また上記の結果より、シール材１６の高さｈが、燃料電池セル３の厚みに対して大きくなるにつれて、変形度が抑制できることが確認できた。
１：セルスタック装置
３：燃料電池セル
７：マニホールド
１６：シール材
１８：先端部
２０：燃料電池モジュール
４１：燃料電池装置

Claims (7)

  1. 複数個のセルを配列してなるセルスタックと、該セルの一端を固定するマニホールドとを備え、前記セルは、燃料ガスが流通する燃料ガス流路を内部に含み、かつＮｉを含有する断面が扁平状の支持体を有し、前記セルと前記マニホールドとがシール材にて固定されているとともに、該シール材は、ガラスであり、かつ前記セルの配列方向に沿った断面視において、凹型のメニスカス構造であって、
    複数個の前記セル間におけるそれぞれの前記シール材のうち少なくとも一部が、前記メニスカスの先端部から前記マニホールドに向けて引いた垂線と、前記メニスカスの凹状の外形線のうち、前記凹状の底部から前記先端部までの高さの半分の高さに位置する点と前記先端部とを結ぶ直線とのなす角度θが４５°以下であることを特徴とするセルスタック装置。
  2. 全ての前記セル間における前記シール材において、前記角度θが４５°以下であ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. 前記セルスタックの前記セルの配列方向における端部側の前記セル間におけるシール材の前記角度θが、前記セルスタックの前記セルの配列方向における中央部側の前記セル間におけるシール材の前記角度θよりも小さい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. 前記シール材の凹状の底部から前記先端部までの高さをｈとし、前記セルの厚みをｔとしたときに、ｈ≧ｔ／３を満たす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。
  5. 前記セルの配列方向に垂直な方向である前記セルの幅方向における端部側の前記角度θが、前記セルの幅方向における中央部側の前記角度θよりも小さい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. 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容してなることを特徴とするモジュール。
  7. 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。
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