JP6401115B2

JP6401115B2 - 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: JP6401115B2
Application number: JP2015107615A
Authority: JP
Inventors: 亨祐山内
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-05-27
Filing date: 2015-05-27
Publication date: 2018-10-03
Anticipated expiration: 2035-05-27
Also published as: JP2016225035A

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（Ｏ_２）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、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、前記シール材は、前記マニホールドの内部空間側である内側表面と、前記セルの他端側である外側表面とを有しており、前記内側表面は、前記外側表面よりも表面粗さが大きいことを特徴とする。

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。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。（ａ）は本実施形態のセルスタック装置の一例の側面側の断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示した断面図の一部を拡大した拡大断面図である。挿入孔とセルの一端との接合部においてシール材にクラックが発生している様子を示した図である。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。本実施形態の支持体の他の例を示す斜視図である。（ａ）は本実施形態の支持体の他の例を示す斜視図であり、（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）
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、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の全体を正面から見た形状は、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上に内側電極３、固体電解質層４及び外側電極５を順次積層してなる柱状（中空平板状等）からなる。

図１に示す例においては、内側電極３を燃料極とし、外側電極５を空気極として説明する。

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が設けられており、インターコネクタ６の外面（上面）にはＰ型半導体層（不図示）が設けられている。Ｐ型半導体層を介して、後述する導電部材をインターコネクタ６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。

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、Ｙ_２Ｏ_３、Ｌｕ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、Ｔｍ_２Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３、Ｈｏ_２Ｏ_３、Ｄｙ_２Ｏ_３、Ｇｄ_２Ｏ_３、Ｓｍ_２Ｏ_３、Ｐｒ_２Ｏ_３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。

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。

固体電解質層４は、燃料極３、空気極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。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。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。

Ｐ型半導体層（不図示）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６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ＬａＭｎＯ_３系酸化物、ＬａＦｅＯ_３系酸化物、ＬａＣｏＯ_３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発明の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３（ａ）は、本実施形態のセルスタック装置の一例の側面側の断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）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、セルスタック１８と、マニホールド７とを備える。

セルスタック１８は、複数個のセル１が配列されてなる。

また、セルスタック１８は、図３（ａ）に示す例のように、隣接するセル１の間に介在する導電部材９ａを有していても良い。この導電部材９ａ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。なお、図２、図３（ｂ）では、導電部材９ａの図示を省略している。

また、図３（ａ）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の外側に、端部導電部材９ｂが設けられている。なお、図２では、端部導電部材９ｂの図示を省略している。

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。

導電部材９ａ、端部導電部材９ｂは、弾性を有する金属若しくは合金からなる部材又は金属繊維若しくは合金繊維から成るフェルトに所望の表面処理を加えた部材から構成される。

マニホールド７は、複数個のセル１の一端がシール材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２、３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、且つ複数個のセル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シール材８で支持体７ａに固定されている。

図２、３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の一端が挿入されている。

図２、３に示す例においては、セルスタック１８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つのガスタンクと、２つの支持体７ａとで内部空間が形成される。

図３に示す例では、支持体７ａは筒状体であり、上端が内部空間側に湾曲している。この湾曲した上端の内側が挿入孔１７となっている。

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、この挿入孔は、例えば、セル１の幅よりも広ければよい。

図３に示すように、挿入孔１７とセル１との間、および、セル１同士の間に、隙間が存在している。言い換えれば、それぞれが離れて配置されている。

図３に示すように、挿入孔１７とセル１の一端との接合部、およびセル１同士の接合部において、固化されたシール材８が前記隙間に充填されるように設けられている。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。図３（ｂ）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は、マニホールド７の内部空間側である内側表面８ａと、セル１の他端側である外側表面８ｂとを有している。図３に示す例においては、外側表面８ｂとは、セル１の上端側の表面のことである。

シール材８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。

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３（ｂ）に示すように、高温（例えば、５００〜８００℃）の燃料ガス（水素等）及び酸素を含むガス（空気等）をセルスタック装置１０の周辺に流通させる。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（開放端）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。

（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、シール材８にクラックが発生する場合があった。

図４は、挿入孔とセルの一端との接合部においてシール材にクラックが発生している様子を示した図である。図４（ａ）に示す例においては、クラックがシール材８の外側表面８ｂに発生している。図４（ｂ）に示す例においては、クラックがシール材８の内側表面８ａに発生している。

図４（ａ）に示したように、シール材８の外側表面８ｂにクラックが発生した場合、そのクラックの一部が、シール材８の内部でセル１に向かって進展し、その後、点線で示すようにクラックがセル１内部に進展する可能性がある。このような場合、ガス流路２ａ内部を流れる燃料ガスがセル１の外部にリークする可能性がある。

従って、本実施形態においては、シール材８の内側表面８ａが、外側表面８ｂよりも表面粗さが大きくなっている。この構成によって、熱応力的に過酷な環境下において、シール材８に発生するクラックは、図４（ｂ）に示すように、表面粗さが大きい内側表面８ａに優先的に発生することとなる。ここで、図４（ｂ）に示すように、シール材８の内側表面８ａにクラックが発生し、そのクラックの一部が点線で示すようにセル１に進展したとしても外部へのガスリークを抑制できる。なぜなら、クラックがガス流路２ａまで進展したとしても、セル１内部のガス流路２ａとマニホールド７の内部空間とが連通するに過ぎず、結果として燃料ガスは外部へリークしないからである。よって、外側表面８ｂでクラックが発生することを抑制し、内側表面８ａにクラックを発生させることで、結果、ガスリークを抑制することができる。

上述の表面粗さは、ＪＩＳＢ０６０１：２００１で定義される「最大高さＲｚ」が採用される。表面粗さの測定は、挿入孔１７とセル１の一端との接合部におけるシール材１３を切り出して、シール材１３の表面に沿って測定すればよい。この測定に使用された表面粗さ測定器は、ＫＥＹＥＮＣＥ社製のデジタルマイクロスコープＶＨＸ-5000である
。

また、シール材８の内側表面８ａの表面粗さは、外側表面８ｂの１．１〜１５倍であることが好ましい。１．１倍以上であることによって、内側表面８ａでのクラック発生がより優先的になるので、外側表面８ｂのクラック発生をさらに抑制することができる。１５倍であることによって、内側表面８ａにクラックが発生し過ぎることを抑制することができる。

また、シール材８の内側表面８ａにおいて、セル１の配列方向の端部側は、セル１の配列方向の中央部側よりも表面粗さが大きいことが好ましい。高温でセルスタック装置１０を使用する際、シール材８とマニホールド７との熱膨張差によりマニホールド７が変形することによって、セル１の配列方向の端部側の根元に応力が集中し、該端部側でシール材８にクラックが発生する可能性が高まる。従って、端部側の表面粗さを中央部側よりも大きくしておくことによって、端部側の内側表面８ａでのクラック発生を優先させ、端部側の外側表面８ｂでのクラック発生を抑制することができる。

ここで、「セル１の中央部側」とは、セル１の配列方向においてセルスタック１８を３等分した場合の、中央の部分である。

また、「セル１の端部側」とは、セル１の配列方向においてセルスタック１８を３等分した場合の、端の部分である。

また、シール材８の内側表面８ａにおけるセル１の配列方向の端部側の表面粗さは、セル１の配列方向の中央部側の表面粗さの１．１〜１．７倍であることが好ましい。１．１
倍以上であることにより、端部側において外側表面８ｂにクラックが発生する可能性をさらに低減することができる。また、１．７倍以下であることにより、端部側で内側表面８ａにクラックが発生し過ぎることを抑制することができる。

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をスタック状に整列・固定する。次に、複数個のセル１をスタック状に整列・固定した状態を維持しながら、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）を施す。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が機能を発揮し、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、シール材８の内側表面８ａの表面粗さを外側表面８ｂより大きくするために、やすり等の所定の治具によって内側表面８ａに所定の表面処理を行う。また、シール材８の表面粗さの調整は、接合材の原料（非晶質ガラス等）（平均粒径、粒度分布、比表面積）、添加する造孔材（平均粒径、添加量）、熱処理条件（最高温度、保持時間）等を調整することによって行っても良い。なお、シール材８の内側表面８ａの端部側の表面粗さを、中央部側より大きくする場合には、より多くの表面処理を端部側に行えばよい。

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発明の実施形態に係るモジュールについて図５を用いて説明する。図５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５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５に示す改質器１３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５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。ここで、図５に示したモジュール２０においては、セルスタック装置１０を、収納容器１４内にスライドして
収納することが可能である。

また、上述の構成のモジュール２０においては、セル１における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セル１の上端と改質器１３との間で燃焼させることにより、セル１の温度を上昇・維持させることができる。あわせて、セル１の上方に配置された改質器１３を温めることができ、改質器１３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。

（モジュール収容装置）
図６は、外装ケース内に図５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６においては一部構成を省略して示している。

図６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燃料電池モジュール１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」のセルスタックが採用されてもよい。

また、上記実施形態では、支持基板が板状体を呈しているが、支持基板が円筒状を呈していても良い。この場合、円筒状の支持基板の内側空間がガス流路として機能する。

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、図２において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、支持基板が内側電極を兼ねるものとし、その表面に固体電解質層および外側電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に示すように、支持体は筒状体であるが、図７に示すように、平板状であってもよい。この場合には、ガスタンクを平板状である支持体の下面に
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２に示すように、支持体に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。なお、支持体７ａに形成された複数の挿入孔のそれぞれに、複数個ずつのセル１が挿入されていてもよい。

また、上記実施形態では、支持体がマニホールド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、支持体がマニホールド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、セルスタック１８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、セルスタック１８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」、「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、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、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の一例を示す。セル１の他端（上端）がシール材８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７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７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。この電解セルスタック装置１１０の場合は、セル１の一端および他端のそれぞれを固定するシール材８について、上述した本実施形態を適用することができる。

（サンプルの作製）
上述したセルスタック装置（図２を参照）について、シール材の材質、表面粗さ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は、１０個のセルを含む。各サンプルにて使用したセルの形状は図１、２と同様の板形状とした。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２、３と同様、１つの長円形状を採用した。セルの熱膨張係数は約１１．５ｐｐｍ／Ｋ（常温から１０００℃における熱膨張係数）とした。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。

（表面粗さの測定）
次に、上述のように作製されたセルスタック装置のシール材の表面粗さを測定した。その結果を表１、２に示す。

測定は、ＪＩＳＢ０６０１：２００１で定義される「最大高さＲｚ」を採用した。表面粗さ測定器は、ＫＥＹＥＮＣＥ社製のデジタルマイクロスコープＶＨＸ-5000であっ
た。

なお、表１の「内側表面の表面粗さ」は、シール材の内側表面における、セル配列方向の一端から他端までの５箇所を等間隔で測定した。

表１の「外側表面の表面粗さ」は、シール材の外側表面における、セル配列方向の一端から他端までの５箇所を等間隔で測定した。

表２の「中央部側の表面粗さ」は、シール材の内側表面における、セル配列方向の５つ目のセルと、６つ目のセルとの間の箇所を測定して、これらの平均値を算出した。

表２の「端部側の表面粗さ」は、シール材の内側表面における、セル配列方向の１つ目のセルと、２つ目のセルとの間の箇所を測定して、これらの平均値を算出した。

（耐久性試験）
そして、上記各サンプルについて、「燃料極に還元性の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」を繰り返す熱サイクル試験を行った。

繰り返し数が所定回数（２０回、３０回、４０回、５０回）になる度に試験を停止し、ガスリークの発生の有無を確認した。その結果を表１、２に示す。

なお、確認時にガスリークが生じているスタック装置については、それ以降の試験は行わなかった。

（耐久性試験結果）
表１から明らかなように、サンプルＮｏ．１では、２０回の熱サイクル試験でガスリークが生じた。また、ガスリークが生じた箇所のシール材の断面をＳＥＭで観察したところ、シール材の外側表面に生じたクラックがセルのガス流路まで貫通していた。これは、内側表面が、外側表面よりも表面粗さが小さかったからである。

また、表１から明らかなように、サンプルＮｏ．２、９では、サンプルＮｏ．１と比較して、熱サイクル試験の繰り返し数が多かった。これは、シール材の内側表面の表面粗さが、外側表面よりも大きかったからである。

また、表１から明らかなように、サンプルＮｏ．３〜８では、サンプルＮｏ．２、９と比較して、熱サイクル試験の繰り返し数が多かった。これは、シール材の内側表面の表面粗さが、外側表面の１．１〜１５倍であったからである。

また、表２から明らかなように、サンプルＮｏ．４〜８では、サンプルＮｏ．３と比較して、熱サイクル試験の繰り返し数が多かった。これは、シール材の内側表面において、セルの配列方向の端部側が、セルの配列方向の中央部側よりも表面粗さが大きかったからである。

また、表２から明らかなように、サンプルＮｏ．５〜７では、サンプルＮｏ．４、８と比較して、熱サイクル試験の繰り返し数が多かった。これは、シール材の内側表面におけるセルの配列方向の端部側の表面粗さが、セルの配列方向の中央部側の表面粗さの１．１〜１．７倍であったからである。

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（内側電極）
４：固体電解質層
５：空気極（外側電極）
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
８：シール材
８ａ：内側表面
８ｂ：外側表面
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
１７：挿入孔
１８：セルスタック
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、
前記シール材は、前記マニホールドの内部空間側である内側表面と、前記セルの他端側である外側表面とを有しており、
前記内側表面は、前記外側表面よりも表面粗さが大きい
ことを特徴とするセルスタック装置。
前記シール材の前記内側表面の表面粗さは、前記外側表面の１．１〜１５倍である
ことを特徴とする請求項１に記載のセルスタック装置。
前記シール材の内側表面において、前記セルの配列方向の端部側は、前記セルの配列方向の中央部側よりも表面粗さが大きい
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のセルスタック装置。
前記シール材の内側表面における前記セルの配列方向の端部側の表面粗さは、前記セルの配列方向の中央部側の表面粗さの１．１〜１．７倍である
ことを特徴とする請求項３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。