JP6501842B2

JP6501842B2 - セルスタック装置

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Publication number: JP6501842B2
Application number: JP2017173783A
Authority: JP
Inventors: 中村　俊之; 俊之中村; 玄太寺澤; 裕己田中; 誠大森
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2017-09-11
Filing date: 2017-09-11
Publication date: 2019-04-17
Anticipated expiration: 2037-09-11
Also published as: JP2019050124A

Description

本発明は、セルスタック装置に関する。

セルスタック装置は、マニホールドと、マニホールドから延びる複数の燃料電池セルと、マニホールドと燃料電池セルとを収容する筐体と、を備えている。このようなセルスタック装置として、例えば、国際公開第２０１７／０３８８９３号（特許文献１）が挙げられる。

特許文献１のセルスタック装置は、収納容器と、この収納容器内に収容された複数の燃料電池セルと、複数の燃料電池セルの上方に配設された改質器と、複数の燃料電池セルの配列方向両端部に設けられ、複数の燃料電池セルを挟み込むように配置された断熱材と、余剰の燃焼ガスを燃焼させる燃焼部、とを備えている。

国際公開第２０１７／０３８８９３号

しかしながら、上記特許文献１のセルスタック装置において、燃料電池セルの下端部はマニホールドに固定されている一方、燃料電池セルの上端部は自由端である。このため、セルスタック装置に振動が加えられたときに、燃料電池セルが破損するおそれがある。そこで、本発明は、振動による不具合を低減するセルスタック装置を提供することを課題とする。

本発明のセルスタック装置は、マニホールドと、このマニホールドから上方に延びる複数の燃料電池セルと、マニホールド及び複数の燃料電池セルを収容する筐体と、複数の燃料電池セルの少なくとも一方の側端部と筐体との間に配置され、筐体に支持される振動防止部材と、を備え、振動防止部材は、複数の燃料電池セルの少なくとも一方の側端部が入り込む凹部を有している。

本発明のセルスタック装置によれば、複数の燃料電池セルの少なくとも一方の側端部が入り込む凹部を有する振動防止部材を備えている。振動防止部材は筐体に支持されているので、セルスタック装置に振動が加えられても、複数の燃料電池セルの共振を抑制できる。したがって、振動による燃料電池セルの破損等の不具合を抑制できる。

本発明のセルスタック装置において好ましくは、隣り合う燃料電池セル間の距離をＸ、凹部の深さをＬとしたときに、０．０１５≦Ｌ／Ｘを満たす。

Ｌ／Ｘが０．０１５以上の場合、燃料電池セルの側端面１１５から内側に入り込む領域が大きいので、振動による燃料電池セルの破損等の不具合をより抑制できる。

本発明のセルスタック装置において好ましくは、燃料電池セルの高さに対する振動防止部材の高さの比は、０．０１以上である。

上記比が０．０１以上の場合、燃料電池セルにおいて振動防止部材に支持される領域が大きいので、振動による燃料電池セルの共振をより抑制できる。

本発明のセルスタック装置において好ましくは、振動防止部材は、絶縁材料で形成されている。これにより、短絡を防止できる。

以上説明したように、本発明は、振動による不具合を低減できるセルスタック装置を提供することができる。

実施の形態のセルスタック装置を示す斜視図である。実施の形態のセルスタック装置を示す断面図である。実施の形態のセルスタック装置を示す断面図である。実施の形態の燃料電池セルを示す斜視図である。実施の形態の燃料電池セルを示す断面図である。実施の形態のセルスタック装置を示す拡大断面図である。実施の形態のセルスタック装置を示す拡大断面図である。実施の形態の振動防止部材を示す斜視図である。実施の形態のセルスタック装置の製造方法を示す断面図である。実施の形態のセルスタック装置の製造方法を示す断面図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、各図におけるｘ軸方向、ｙ軸方向、及びｚ軸方向のそれぞれは、マニホールドの高さ方向、短手方向（幅方向）、及び長手方向に対応する。また、各図におけるｘ軸方向、ｙ軸方向、及びｚ軸方向のそれぞれは、各燃料電池セル及び支持基板の長手方向、短手方向（幅方向）、及び厚さ方向に対応する。また、本明細書の「上」及び「下」は、マニホールド及びセルスタック装置を水平面に載置したときのマニホールドの高さ方向（ｘ軸方向）を基準とする。

図１〜図７を参照して、本発明の一実施の形態であるセルスタック装置及び燃料電池セルについて説明する。実施の形態１のセルスタック装置及び燃料電池セルは、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）に用いられる。

［セルスタック装置］
図１〜図３に示すように、セルスタック装置１は、複数の燃料電池セル１００と、マニホールド２００と、第１接合材３００と、振動防止部材４００と、筐体５００とを備えている。

［燃料電池セル］
図１〜図３に示すように、燃料電池セル１００は、マニホールド２００から上方に延びている。詳細には、各燃料電池セル１００は、マニホールド２００の上壁２３０から上方に延びている。燃料電池セル１００の下端部１０１は、マニホールド２００の挿入孔２３１内に挿入されている。なお、燃料電池セル１００の下端部１０１が挿入孔２３１内に挿入された状態において、燃料電池セル１００の下端部１０１の外周面と挿入孔２３１の内壁面との間には隙間が形成されている。この隙間に第１接合材３００が充填されている。このため、燃料電池セル１００の下端部１０１は、マニホールド２００に固定されている。一方、燃料電池セル１００の上端部１０２は、自由端である。燃料電池セル１００は、マニホールド２００によって、片持ち状態で支持され、自立している。

各燃料電池セル１００は、マニホールド２００の長手方向に沿って、互いに間隔をあけて配置されている。図２に示すように、各燃料電池セル１００は、第１集電部材４を介して互いに電気的に接続されている。第１集電部材４は、各燃料電池セル１００の間に配置されており、隣り合う各燃料電池セル１００を接続している。なお、第１集電部材４は、第２接合材５によって各燃料電池セル１００に接合されている。第１集電部材４は、導電性を有する材料から形成されている。例えば、第１集電部材４は、酸化物セラミックスの焼成体または金属などによって形成されている。

図２〜図６に示すように、燃料電池セル１００は、支持基板１１０と、複数の発電素子部１２０とを備えている。各発電素子部１２０は、支持基板１１０の両面に支持されている。なお、各発電素子部１２０は、支持基板１１０の片面のみに支持されていてもよい。各発電素子部１２０は、燃料電池セル１００の長手方向において、互いに間隔をあけて配置されている。すなわち、本実施の形態に係る燃料電池セル１００は、いわゆる横縞型の燃料電池セルである。

各発電素子部１２０は、電気的接続部１６０（図５参照）によって互いに電気的に接続されている。また、燃料電池セル１００の上端部１０２側において、支持基板１１０の一方面に形成された発電素子部１２０と他方面に形成された発電素子部１２０とが第２集電部材６（図２参照）によって電気的に接続されている。なお、各発電素子部１２０は、直列に接続されている。

＜支持基板＞
支持基板１１０は、燃料電池セル１００の長手方向（上下方向）に延びるとともに、幅方向に沿って設けられた複数のガス流路１１１を内部に有している。ガス流路１１１は、マニホールド２００の挿入孔２３１を介して、マニホールド２００の内部空間と連通している。

支持基板１１０の長手方向は、燃料電池セル１００の長手方向と同じ方向である。各ガス流路１１１は、互いに実質的に平行に延びている。各ガス流路１１１は、燃料電池セル１００の長手方向の両端部において開口している。

支持基板１１０は、絶縁性であり、例えば、セラミックスで形成される。具体的には、支持基板１１０は、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）から構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯとＹ_２Ｏ_３（酸化イットリウム）とから構成されてもよいし、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）とＭｇＡｌ_２Ｏ_４（マグネシアアルミナスピネル）とから構成されてもよい。支持基板１１０は、多孔質である。支持基板１１０の気孔率は、例えば、２０〜６０％である。

支持基板１１０は、上下方向に延びる外表面１１２と、この外表面１１２の下端に連なる下端面１１６と、外表面１１２の上端に連なる上端面１１７と、を有している。

本実施の形態の支持基板１１０は、長手方向に延びる扁平な円筒平板型である。このため、図４に示すように、支持基板１１０は、第１主面１１３と、この第１主面１１３の反対側の第２主面１１４と、第１主面１１３と第２主面１１４とを接続する一対の側端面１１５とを有している。第１主面１１３、第２主面１１４及び一対の側端面１１５は、支持基板１１０の外表面を構成する。第１主面１１３と第２主面１１４とは、ガス流路１１１を挟んで対向し、互いに平行に延びる。第１主面１１３と第２主面１１４との間隔、すなわち支持基板１１０の厚さは、例えば１〜１０ｍｍである。一対の側端面１１５は、幅方向の両端である。第１主面１１３及び第２主面１１４は平面であり、一対の側端面１１５は、曲面である。

下端面１１６は、第１主面１１３、第２主面１１４及び一対の側端面１１５の下端と連なっている。下端面１１６は、下方を向く面である。詳細には、下端面１１６は、支持基板１１０の下端に位置し、上下方向と交差する方向に延びる面である。上端面１１７は、第１主面１１３、第２主面１１４及び一対の側端面１１５の上端と連なっている。上端面１１７は、上方を向く面である。下端に位置する下端面１１６と、上端に位置する上端面１１７とは、対向している。

図５に示すように、支持基板１１０の外表面１１２は、複数の第１凹部１１２ａを有している。各第１凹部１１２ａは、支持基板１１０の両面（第１主面１１３及び第２主面１１４）に形成されている。各第１凹部１１２ａは、支持基板１１０の長手方向において互いに間隔をあけて形成されている。

＜発電素子部＞
図５に示すように、各発電素子部１２０は、燃料極１３０、電解質１４０、及び空気極１５０を有している。また、各発電素子部１２０は、反応防止膜１２１をさらに有している。

燃料極１３０は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。燃料極１３０は、燃料極集電部１３１と、燃料極活性部１３２とを有する。燃料極集電部１３１は、第１凹部１１２ａ内に配置されている。各燃料極集電部１３１は、第２凹部１３１ａ及び第３凹部１３１ｂを有している。燃料極活性部１３２は、第２凹部１３１ａ内に配置されている。

燃料極集電部１３１は、例えば、ＮｉＯとＹＳＺとから構成されてもよいし、ＮｉＯとＹ_２Ｏ_３とから構成されてもよいし、ＮｉＯとＣＳＺとから構成されてもよい。燃料極集電部１３１の厚さ、すなわち第１凹部１１２ａの深さは、例えば、５０〜５００μｍである。

燃料極活性部１３２は、例えば、ＮｉＯとＹＳＺとから構成されてもよいし、ＮｉＯとＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ_２（ガドリニウムドープセリア）とから構成されてもよい。燃料極活性部１３２の厚さは、例えば、５〜３０μｍである。

電解質１４０は、燃料極１３０上を覆うように配置されている。詳細には、電解質１４０は、あるインターコネクタ１６１から他のインターコネクタ１６１まで燃料電池セル１００の長手方向に延びている。すなわち、燃料電池セル１００の長手方向において、電解質１４０とインターコネクタ１６１とが交互に配置されている。

電解質１４０は、イオン伝導性を有し、かつ電子伝導性を有さない緻密な材料から構成される焼成体である。電解質１４０は、例えば、ＹＳＺから構成されてもよいし、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）から構成されてもよい。電解質１４０の厚さは、例えば、３〜５０μｍである。

反応防止膜１２１は、緻密な材料から構成される焼成体であり、平面視において、燃料極活性部１３２と略同一の形状であり、燃料極活性部１３２と略同じ位置に配置されている。反応防止膜１２１は、電解質１４０内のＹＳＺと空気極１５０内のＳｒ（ストロンチウム）とが反応して電解質１４０と空気極１５０との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するために設けられている。反応防止膜１２１は、例えば、ＧＤＣから構成される。反応防止膜１２１の厚さは、例えば、３〜５０μｍである。

空気極１５０は、反応防止膜１２１上に配置されている。空気極１５０は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。空気極１５０は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）、ＬＳＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ_３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ_３（ランタンニッケルフェライト）、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３（ランタンストロンチウムコバルタイト）等から構成されてもよい。また、空気極１５０は、ＬＳＣＦから構成される第１層（内側層）とＬＳＣから構成される第２層（外側層）との２層によって構成されてもよい。空気極１５０の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

電気的接続部１６０は、隣り合う発電素子部１２０を電気的に接続するように構成されている。電気的接続部１６０は、インターコネクタ１６１及び空気極集電膜１６２を有する。インターコネクタ１６１は、第３凹部１３１ｂ内に配置されている。インターコネクタ１６１は、電子伝導性を有する緻密な材料から構成される焼成体である。インターコネクタ１６１は、例えば、ＬａＣｒＯ_３（ランタンクロマイト）から構成されてもよいし、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ_３（ストロンチウムチタネート）から構成されてもよい。インターコネクタ１６１の厚さは、例えば、１０〜１００μｍである。

空気極集電膜１６２は、隣り合う発電素子部１２０のインターコネクタ１６１と空気極１５０との間を延びるように配置される。空気極集電膜１６２は、電子伝導性を有する多孔質の材料から構成される焼成体である。空気極集電膜１６２は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ_３から構成されてもよいし、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ_３から構成されてもよいし、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。空気極集電膜１６２の厚さは、例えば、５０〜５００μｍである。

図６に示すように、燃料電池セル１００の下端部１０１は、緻密膜１２２によって覆われている。詳細には、緻密膜１２２は、支持基板１１０を覆っている。緻密膜１２２は、下端部側に形成された発電素子部１２０と電気的に接続されている。詳細には、緻密膜１２２は、電気的接続部１６０と電気的に接続されている。緻密膜１２２は、空気極集電膜１６２と支持基板１１０との間から近位側に向かって延びている。

緻密膜１２２は、緻密膜１２２の内側の空間を流れる燃料ガスと緻密膜１２２の外側の空間を流れる空気との混合を防止するガスシール機能を発揮する。このガスシール機能を発揮するため、この緻密膜１２２の気孔率は、例えば、１０％以下である。また、緻密膜１２２は、絶縁性セラミックスで構成されている。

具体的には、緻密膜１２２は、上述した電解質１４０と反応防止膜１２１とによって構成することができる。緻密膜１２２を構成する電解質１４０は、支持基板１１０を覆っており、インターコネクタ１６１から支持基板１１０の下端近傍まで延びている。また、緻密膜１２２を構成する反応防止膜１２１は、電解質１４０と空気極集電膜１６２との間に配置されている。なお、緻密膜１２２は、電解質１４０のみで構成されていてもよいし、電解質１４０及び反応防止膜１２１以外の材料によって構成されていてもよい。

［マニホールド］
図１〜図３に示すように、マニホールド２００は、燃料電池セル１００に反応ガスを供給する。マニホールド２００は、中空状であり、内部空間を有している。図１に示すように、マニホールド２００の内部空間には、導入配管Ｐを介して燃料ガスが供給される。図２に示すように、マニホールド２００は、この内部空間と外部とを連通する複数の挿入孔２３１を有している。

マニホールド２００は、実質的に直方体状である。図３に示すように、マニホールド２００は、底壁２１０と、側壁２２０と、上壁２３０と、フランジ部２４０とを備えている。

底壁２１０、側壁２２０、及びフランジ部２４０は、一体成形されている。一体成形された底壁２１０、側壁２２０及びフランジ部２４０と、上壁２３０とは、互いに別部材であり、接合されている。底壁２１０、側壁２２０、上壁２３０、及びフランジ部２４０は、例えば、耐熱性を有するような金属で構成されている。具体的には、マニホールド２００は、フェライト系ステンレス、オーステナイト系ステンレス、Ｎｉ基合金などによって構成されている。

底壁２１０は、平面視（ｘ軸方向視）が矩形状である。側壁２２０は、底壁２１０の外周部から上方に延びている。フランジ部２４０は、側壁２２０の上端部から外方に延びている。フランジ部２４０は、環状である。

上壁２３０は、側壁２２０の上端部を塞ぐように構成されている。具体的には、上壁２３０の外周部は、フランジ部２４０上に配置されている。マニホールド２００の内部空間を密閉するため、上壁２３０が全周に渡って、フランジ部２４０に接合されている。上壁２３０は、例えば、接合材、溶接などによって、フランジ部２４０に接合されている。

図２に示すように、上壁２３０は、燃料電池セル１００が挿入される挿入孔２３１を複数有している。各挿入孔２３１は、マニホールド２００の幅方向（ｙ軸方向）に延びている。また、挿入孔２３１は、マニホールド２００の長手方向において、互いに間隔をあけて配置されている。

［第１接合材］
第１接合材３００は、各燃料電池セル１００と、マニホールド２００とを接合する。詳細には、第１接合材３００は、燃料電池セル１００の下端部１０１とマニホールド２００の上壁２３０とを接合している。また、第１接合材３００は、緻密膜１２２と接触している。なお、燃料電池セル１００がマニホールド２００に固定された状態において、挿入孔２３１とガス流路１１１とが連通している。

第１接合材３００は、マニホールド２００の内部空間（燃料ガスに曝される空間）と、セルスタック装置１の外部（酸素を含有するガスに曝される空間）とを区画することによって、燃料ガスと酸素を含有するガスとの混合を防止する機能を有している。

第１接合材３００は、例えば、結晶化ガラスである。結晶化ガラスとしては、例えば、ＳｉＯ_２−Ｂ_２Ｏ_３系、ＳｉＯ_２−ＣａＯ系、またはＳｉＯ_２−ＭｇＯ系が採用され得る。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％未満のガラスを指す。第１接合材３００の材料として、非晶質ガラス、ろう材、またはセラミックス等が採用されてもよい。具体的には、第１接合材３００は、ＳｉＯ_２−ＭｇＯ−Ｂ_２Ｏ_５−Ａｌ_２Ｏ_３系及びＳｉＯ_２−ＭｇＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＺｎＯ系よりなる群から選ばれる少なくとも一種である。

［振動防止部材］
振動防止部材４００は、複数の燃料電池セル１００の共振を抑える部材である。図１及び図７に示すように、振動防止部材４００は、複数の燃料電池セル１００のそれぞれの側端部と筐体５００との間に配置されている。振動防止部材４００は、複数の燃料電池セル１００の一方の側端部と筐体５００との間に配置されていてもよいが、本実施の形態では複数の燃料電池セル１００の両方の側端部と筐体５００との間に配置されている。振動防止部材４００は、図７に示すように、筐体５００に支持されている。なお、燃料電池セル１００の側端部とは、側端面１１５を含む端部であり、本実施の形態では、発電素子部１２０が形成されていない端部である。

図７及び図８に示すように、振動防止部材４００は、櫛歯状である。詳細には、振動防止部材４００は、基部４１０と、突出部４２０とを有している。基部４１０と突出部４２０とは、別部材が連結されてもよいが、本実施の形態では、一体成形されている。

基部４１０は、複数の燃料電池セル１００の配列方向に沿って延びている。基部４１０は、板状である。

突出部４２０は、基部４１０と連結されている。突出部４２０は、隣り合う燃料電池セル１００間において側端面１１５から内部に突出している。それぞれの突出部４２０は、燃料電池セル１００の側端部と嵌合する。図７では、側端面１１５から、ガス流路１１１の手前まで延びている。突出部４２０により、複数の燃料電池セル１００は、連結される。

隣り合う突出部４２０間は、凹部４０１をなす。凹部４０１には、燃料電池セル１００の少なくとも一方の側端部が入り込んでいる。すなわち、凹部４０１と側端部とは、嵌合している。このため、筐体５００に保持された振動防止部材４００の凹部４０１により、側端部が保持されている。

凹部４０１は側端部を受け入れ、凹部４０１と側端部とは密着している。凹部４０１と側端部とは、接していてもよく、他の部材を介して嵌合されてもよい。

図７に示す隣り合う燃料電池セル１００間の距離をＸ、振動防止部材４００の凹部４０１の深さをＬとしたときに、Ｌ／Ｘは、０．０１５以上であることが好ましく、０．０２０以上であることがより好ましく、０．１以上であることがより一層好ましい。０．０１５≦Ｌ／Ｘを満たす場合、燃料電池セル１００とマニホールド２００との接合部にクラックが生じることを効果的に抑制できる。Ｌ／Ｘの数値が大きいほど振動防止効果が高いので好ましいが、発電素子部１２０の設置スペースの減少を防止する観点から、Ｌ／Ｘの上限は、例えば１０．０であり、好ましくは３．０であり、より好ましくは２．５である。

なお、深さＬは、燃料電池セル１００における振動防止部材４００に嵌合された領域において、側端面１１５からの距離である。隣り合う２つの燃料電池セル１００間の距離Ｘと、この２つの燃料電池セル１００の側端部に入り込む振動防止部材４００の凹部４０１の深さＬとが、上記範囲を満たしていれば、残部の燃料電池セル１００及び振動防止部材４００は上記範囲を満たしていてもよく、満たしていなくてもよい。

燃料電池セル１００の高さに対する振動防止部材４００の高さＴ（ｘ軸方向の距離）の比（振動防止部材４００の高さ／燃料電池セル１００の高さ）は、０．０１以上であることが好ましく、０．０５以上であることがより好ましく、０．５以上であることがより一層好ましい。燃料電池セル１００の高さに対する振動防止部材４００の高さＴ（ｘ軸方向の距離）の比は、大きいほど振動防止効果が高いので好ましいが、設置が容易である観点、及びセルスタック装置全体をコンパクトにできる観点から、比の上限値は、例えば１．５であり、好ましくは１．２であり、より好ましくは１．１である。

なお、燃料電池セル１００の高さに対する振動防止部材４００の高さの比が１．０以上の場合、振動防止部材４００は、燃料電池セル１００の上端から上方に突出する。また、燃料電池セル１００の高さに対する振動防止部材４００の高さの比が１．０未満であって、振動防止部材４００は、燃料電池セル１００の上端から上方に突出してもよい。この場合には、以下の利点を有する。後述するように、燃料電池セル１００の上端部では、発電に未使用の燃料ガスが燃焼される。すなわち、燃料電池セル１００の上端部は燃焼場となる。燃料電池セル１００の上端部から上方に断熱性を有した振動防止部材４００が延伸していると、燃焼場から筐体５００への放熱を抑制できる。これにより、燃料電池セル１００の上端部の温度を維持できる。このため、燃料電池セル１００の上端部での燃焼性を良好に維持でき、失火を抑制できると共に、燃料電池セル１００の上方に改質器を設置した場合には改質器への熱供給を良好に行うことができる。

振動防止部材４００は、絶縁性材料で形成されている。また、振動防止部材４００は、燃料電池セル１００を構成する材料よりも変形性の高い材料であることが好ましく、例えば弾性を有することが好ましい。このような材料として、例えばアルミナファイバー、アルミナシリカ系ファイバー、アルカリ土類金属含有セラミックファイバーまたは非晶質セラミックファイバーが挙げられる。断熱機能を有する材料を用いると、振動防止部材４００は、断熱材の機能を兼ねることができる。また気密性を有する材料を用いると、振動防止部材４００は、空気極１５０に供給する酸素を含有するガスが逃げることを防止できる。

振動防止部材４００は、発電素子部１２０と接してもよいが、発電素子部１２０と接していないことが好ましい。振動防止部材４００が発電素子部１２０と離隔されていると、発電効率が向上する。なお、振動防止部材４００が多孔質材料で形成されることで、発電素子１２０の一部が振動防止部材４００と接触していても、性能上の問題はない。

図８は、燃料電池セル１００の一方の側端部に入り込んで凹部４０１が形成された振動防止部材４００を示す。燃料電池セル１００の側端部と筐体５００との間に配置されていない振動防止部材は、凹部４０１を有していない板状であってもよい。

［筐体］
筐体５００は、複数の燃料電池セル１００、マニホールド２００、第１接合材３００、振動防止部材４００などを収容している。筐体５００は、例えば、金属材料から構成されている。より具体的には、筐体５００は、フェライト系ステンレス、オーステナイト系ステンレス、Ｎｉ基合金などによって構成されている。

［製造方法］
続いて、本実施の形態のセルスタック装置１の製造方法について図１〜図１０を参照して説明する。

まず、図９に示すように、支持基板１１０上に発電素子部１２０を形成したセル体１０３を複数準備する。また、マニホールド２００を準備する。そして、第１集電部材４、及び第２接合材５となる材料によって、各セル体１０３を互いに接続し、セル集合体１０４を作製する。なお、この段階では第２接合材５は焼成されておらず、各セル体１０３は互いに仮止めの状態である。

次に、図１０に示すように、セル集合体１０４の各セル体の下端部１０１をマニホールド２００の各挿入孔２３１に挿入する。なお、各セル体１０３が厚さ方向に沿って所定の間隔を保持するための治具を用いてもよい。

次に、図２に示すように、挿入孔２３１に挿入されたセル体１０３とマニホールド２００の上壁２３０とを接合するように第１接合材３００となる材料を塗布する。

次に、第１接合材３００及び第２接合材５となる材料に対して熱処理が加えられる。この熱処理によって、第１接合材３００及び第２接合材５が固化される。詳細には、第２接合材５は、熱処理を施されることによって焼成される。この結果、各燃料電池セル１００と第１集電部材４とが固定される。また、第１接合材３００となる材料は、熱処理を施されることによって、非晶質材料の温度が結晶化温度まで到達する。そして、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第１接合材３００が機能を発揮し、各燃料電池セル１００の下端部１０１がマニホールド２００の上壁２３０に固定される。

また、振動防止部材４００となる材料として、例えば、絶縁性材料の板状部材を準備する。次いで、板状部材を燃料電池セル１００の側端部に食い込ませる。これにより、複数の燃料電池セルの少なくとも一方の側端部が振動防止部材４００の凹部４０１に入り込む。

なお、例えば、板状部材に凹部４０１を形成して振動防止部材４００を準備した後に、振動防止部材４００を燃料電池セル１００の側端部に嵌合してもよい。

最後に、複数の燃料電池セル１００のそれぞれの側端部を連結した振動防止部材４００が筐体５００に支持されるように、燃料電池セル１００、マニホールド２００、第１接合材３００、振動防止部材４００などを筐体５００の内部に収容する。

上記工程を実施することによって、図１〜図８に示す燃料電池セル１００及びセルスタック装置１を製造できる。

なお、上記製造方法では、振動防止部材４００が１つの絶縁性材料で構成された部材で形成されている場合を例に挙げて説明したが、２つ以上の部材を連結してもよい。

［動作］
本実施の形態のセルスタック装置１の動作について、図１〜図８を参照して説明する。セルスタック装置１は、例えば以下のように動作する。

マニホールド２００を介して各燃料電池セル１００のガス流路１１１内に燃料ガス（水素ガス等）を流すとともに、支持基板１１０の両面を酸素を含むガス（空気等）に曝すことにより、電解質１４０の両側面間に生じる酸素分圧差によって起電力が発生する。このセルスタック装置１を外部の負荷に接続すると、空気極１５０において下記の式１に示す電気化学反応が起こり、燃料極１３０において下記の式２に示す電気化学反応が起こる。
（１／２）Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２− ・・・（式１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ ・・・（式２）

さらに、支持基板１１０のガス流路１１１を流れる燃料ガスのうち発電に使用されなかった余剰燃料ガスは、ガス流路１１１の他端側に位置する排出口から外部に排出される。そして、排出口から排出される余剰燃料ガスと、酸素を含むガスとを混合して、燃焼する。

（変形例）
［振動防止部材］
上述した実施の形態の振動防止部材は、複数の燃料電池セルの側端部の上下方向（ｘ軸方向）における中央部分に入り込む構造を例に挙げて説明した。本発明の振動防止部材は、側端部の上下方向全体に入り込む構造であってもよく、側端部の上部及び下部の少なくとも一方に入り込む構造であってもよい。

なお、振動防止部材は、側端面１１５と上端面１１７との境界部分に配置されてもよい。また、振動防止部材は、上端面１１７から上方に延伸するように配置されてもよい。この場合、ガス流路１１１の排出口から排出される余剰の反応ガスを上端部で燃焼させることを考慮して、振動防止部材は、上端面１１７におけるガス流路の排出口とは重ならない。

また、両側端部に振動防止部材が配置される場合に、一方の側端部に取り付けられる振動防止部材と、他方の側端部に取り付けられる振動防止部材は、同じ構造を有してもよく、異なる構造を有してもよい。

さらに、図１では、１つの振動防止部材が複数の燃料電池セルの全ての側端部に入り込む構造であるが、配列方向（ｚ軸方向）に複数に分割されていてもよい。例えば、一部の燃料電池セルの側端部に入り込む振動防止部材を複数設けることによって、全ての燃料電池セルの少なくとも一方の側端部を連結してもよい。

［燃料電池セル］
上述した実施の形態のセルスタック装置は、支持基板１１０の１つの主面上に複数の発電素子部１２０が配置された横縞型を例に挙げて説明したが、本発明のセルスタック装置は、支持基板の１つの主面上に１つの発電素子が配置される縦縞型であってもよい。

また、実施の形態のセルスタック装置は、円筒平板型の支持基板１１０を備えているが、本発明のセルスタック装置は、円筒型の支持基板を備えていてもよい。

［マニホールド］
実施の形態では、マニホールド２００に形成された１つの挿入孔２３１に１つの燃料電池セルの下端部が挿入されているが、本発明では、１つの挿入孔に複数の燃料電池セルが挿入されていてもよい。

また、実施の形態のマニホールド２００は、側壁２２０の上端面が開口し、その上端面を上壁２３０が塞いでいる構造であるが、本発明のマニホールドは、これに限定されない。例えば、側壁及び上壁が一体であって、側壁の下端面が開口し、その下端面を底壁が塞いでいる構造であってもよい。

また、実施の形態のマニホールド２００は、側壁２２０が底壁２１０から略垂直に上方に延びているが、本発明のマニホールドは、これに限定されない。例えば、側壁２２０は、上方に向かって外方に広がるように傾斜していてもよく、下方に向かって外方に広がるように傾斜していてもよい。

本実施例では、複数の燃料電池セルの少なくとも一方の側端部が入り込む凹部を有する振動防止部材を備えることによる効果について調べた。

（実施例１〜９）
実施例１〜９のセルスタック装置は、上述した実施の形態の製造方法にしたがって、製造した。具体的には、振動防止部材４００となる材料として、アルミナシリカ系ファイバーで形成された板状部材を準備した。この板状部材を、燃料電池セルの両側端部に押し込んで、燃料電池セルの両側端部が入り込む凹部を有する振動防止部材とした。実施例１〜９において、隣り合う燃料電池セル間の距離をＸ、凹部の深さをＬとしたときのＬ／Ｘは、下記の表１の通りであった。実施例１〜９において、燃料電池セルの高さに対する振動防止部材の高さの比は、０．２であった。なお、燃料電池セルは２０枚であった。

（比較例１）
比較例１のセルスタック装置は、振動防止部材を備えていない点において異なっていた。具体的には、実施例１〜９と同じ板状部材を準備し、燃料電池セルの両側端部に食い込ませずに、燃料電池セルの側端面と筐体との間に配置した。このため、比較例１では、振動防止部材の凹部は形成されなかった。

（評価方法）
実施例１〜９及び比較例１のセルスタック装置について、ｘ軸方向、ｙ軸方向及びｚ軸方向に個別に振動を加えて、破壊の有無を調べた。具体的には、振動数を３〜２００Ｈｚとして、ＪＩＳＺ０２３２に準拠してランダム振動試験を実施した。実施時間は３０分とした。

ランダム振動試験後の実施例１〜９及び比較例１のセルスタック装置について、ガスリーク量とクラック発生の有無とを調べた。ガスリーク量については、燃料電池セルのガス流路の出口端部を封止した上でマニホールドの導入配管よりアルゴンガスを供給し、マニホールド内部を印加圧２０ｋＰａまで高めて保持し、その時のガスリーク量を測定した。クラック有無の確認については、第１接合材の表面に浸透探傷剤を塗布し、マイクロスコープで観察することにより行った。その結果を、下記の表１の振動防止効果に示す。

下記の表１において、「×」は、燃料電池セルが大きく破損したことを示す。「○」は、微小なクラックがあったが、ガスリークがなかったことを示す。「◎」は、クラックがなく、ガスリークがなかったことを示す。

（評価結果）
表１に示すように、比較例１のセルスタック装置は、燃料電池セルの側端面と筐体との間に板状部材を配置したにも関わらず、振動が加えられると、半分以上の燃料電池セルの根元部分にクラックが生じ、大きく破損した。このため、ガスリークも生じた。また、燃料電池セルの配列方向（ｚ軸方向）による振動に特に弱いことがわかった。

なお、上記特許文献１のセルスタック装置は、断熱材が設けられているが、その目的は断熱効果であって、振動に対する不具合を想定していない。つまり、上記特許文献１の断熱材は、例えば、比較例１のように燃料電池セルの側端部に板状部材を配置したものにすぎない。

一方、実施例１〜９は、複数の燃料電池セルの少なくとも一方の側端部が入り込む凹部を有する振動防止部材を備えていたので、振動がどの方向に加えられても、燃料電池セルが大きく破損せず、ガスリークがなかった。これは、燃料電池セルの側端部と筐体との間に配置された振動防止部材が振動を吸収し、複数の燃料電池セルの共振を抑制できたことによると考えられる。

また、Ｌ／Ｘが０．０１５以上の実施例２〜９のセルスタック装置は、振動が加えられても、燃料電池セルが破損しなかった。

Ｌ／Ｘが大きいほど、振動による不具合を低減できるが、Ｌ／Ｘが３．０を超えた実施例９の場合、発電素子部の設置領域が小さかった。Ｌ／Ｘが３．０以下の実施例１〜８の場合、振動防止部材が内側に入り込む領域が大きくなりすぎないので、発電素子部を配置するスペースが大きかった。このため、０．０１５≦Ｌ／Ｘ≦３．０を満たす実施例２〜８は、振動による不具合を低減できるとともに、発電効率を向上できることがわかった。

以上より、複数の燃料電池セルの少なくとも一方の側端部が入り込む凹部を有する振動防止部材を備えることにより、振動による不具合を低減できることが確認できた。また、０．０１５≦Ｌ／Ｘ≦３．０を満たすセルスタック装置は、振動による不具合をより低減できることが確認できた。さらに、０．０１５≦Ｌ／Ｘ≦３．０を満たすセルスタック装置は、高い性能を維持しつつ、大きな振動による不具合を低減できることが確認できた。

（実施例１０〜１４）
実施例１０〜１４のセルスタック装置は、基本的には実施例１と同様であったが、Ｌ／Ｘ及び燃料電池セルの高さに対する振動防止部材の高さの比が異なっていた。具体的には、実施例１０〜１４において、Ｌ／Ｘは０．５であった。また、実施例１０〜１４において、燃料電池セルの高さに対する振動防止部材の高さの比は、下記の表２の通りであった。なお、下記の表２において、燃料電池セルの高さに対する振動防止部材の高さの比を「振動防止部材／セル」と記載する。

（評価方法）
実施例１０〜１４のセルスタック装置について、実施例１〜９及び比較例１の評価方法において、ランダム振動試験の実施時間を２４時間にした点のみ変更した。つまり、実施例１０〜１４のセルスタック装置は、実施例１〜９及び比較例１よりも過酷な試験を課した。その結果を下記の表２に示す。

（評価結果）
０．０１５≦Ｌ／Ｘを満たす実施例１０〜１４のセルスタック装置は、過酷な振動試験に対して、ガスリークがなく、振動による不具合を大きく低減できた。

さらに、０．０１５≦Ｌ／Ｘで、かつ、燃料電池セルの高さに対する振動防止部材の高さの比が０．０１以上の実施例１１〜１４は、過酷な振動試験後であっても、軽微なクラックさえ発生せず、振動による不具合を特に大きく低減できた。

なお、燃料電池セルの高さに対する振動防止部材の高さの比が大きいほど、振動による不具合を低減できる。しかし、実施例１４のように、燃料電池セルの高さに対する振動防止部材の高さの比が１．５以上であると、セルスタック装置全体としてのサイズが大きかった。

以上より、燃料電池セルの高さに対する振動防止部材の高さの比が０．０１以上であると、振動による不具合を大きく低減できることが確認できた。また、燃料電池セルの高さに対する振動防止部材の高さの比が０．０１以上１．２以下であると、振動による不具合を大きく低減できるとともに、小型化を実現できることが確認できた。

以上のように本発明の実施の形態、変形例及び実施例について説明を行なったが、実施の形態、変形例及び実施例の特徴を適宜組み合わせることも当初から予定している。また、今回開示された実施の形態、変形例及び実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した実施の形態、変形例及び実施例ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明に係るセルスタック装置は、振動による不具合を低減できるので、工場、幹線道路等の近くに設置される場合、予期せぬ地震対策、運搬時などにおいて、有効に利用される。

１セルスタック装置、４第１集電部材、５第２接合材、６第２集電部材、１００燃料電池セル、１０１下端部、１０２上端部、１０３セル体、１０４セル集合体、１１０支持基板、１１１ガス流路、１１２外表面、１１２ａ第１凹部、１１３第１主面、１１４第２主面、１１５側端面、１１６下端面、１１６ａＣ面、１１６ｂ水平面、１１７上端面、１２０発電素子部、１２１反応防止膜、１２２緻密膜、１３０燃料極、１３１燃料極集電部、１３１ａ第２凹部、１３１ｂ第３凹部、１３２燃料極活性部、１４０電解質、１５０空気極、１６０電気的接続部、１６１インターコネクタ、１６２空気極集電膜、２００マニホールド、２１０底壁、２２０側壁、２３０上壁、２３１挿入孔、２４０フランジ部、３００第１接合材、４００振動防止部材、４０１凹部、４１０基部、４２０突出部、５００筐体、Ｐ導入配管、Ｌ深さ、Ｘ距離、Ｔ高さ。

Claims

マニホールドと、
前記マニホールドから上方に延びる複数の燃料電池セルと、
前記マニホールド及び前記複数の燃料電池セルを収容する筐体と、
前記複数の燃料電池セルの少なくとも一方の側端部と前記筐体との間に配置され、前記筐体に支持される振動防止部材と、
を備え、
前記振動防止部材は、前記複数の燃料電池セルの少なくとも一方の側端部が入り込む凹部を有し、
前記燃料電池セルの高さに対する前記振動防止部材の高さの比は、０．５以下である、セルスタック装置。
マニホールドと、
前記マニホールドから上方に延びる複数の燃料電池セルと、
前記マニホールド及び前記複数の燃料電池セルを収容する筐体と、
前記複数の燃料電池セルの少なくとも一方の側端部と前記筐体との間に配置され、前記筐体に支持される振動防止部材と、
を備え、
前記振動防止部材は、前記複数の燃料電池セルの少なくとも一方の側端部が入り込む凹部を有し、
前記振動防止部材は、前記燃料電池セルの上端から上方に突出する、セルスタック装置。
隣り合う前記燃料電池セル間の距離をＸ、前記凹部の深さをＬとしたときに、０．０１５≦Ｌ／Ｘを満たす、請求項１または２に記載のセルスタック装置。
前記燃料電池セルの高さに対する前記振動防止部材の高さの比は、０．０１以上である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のセルスタック装置。
前記振動防止部材は、絶縁材料で形成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載のセルスタック装置。