JP6599696B2 - Cell stack device, module and module housing device - Google Patents

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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。   The present invention relates to a cell stack device, a module, and a module housing device.

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。)。   In recent years, as a next-generation energy, a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells which are one type of cells capable of obtaining electric power using a fuel gas (hydrogen-containing gas) and an oxygen-containing gas (air) are arranged. Various fuel cell modules in which the device is housed in a storage container and fuel cell devices in which the fuel cell module is housed in an outer case have been proposed (see, for example, Patent Document 1).

また、特許文献1の燃料電池セルスタック装置においては、複数個の燃料電池セルの一端部はシール材で支持体に接合されている。支持体の一端部はガスタンクに接合されている。   Moreover, in the fuel cell stack apparatus of patent document 1, the one end part of a some fuel cell is joined to the support body with the sealing material. One end of the support is joined to the gas tank.

特開2013−157191号公報JP 2013-157191 A

しかし、特許文献1に記載の燃料電池セルスタック装置において、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おそれがあり、このガスリークを抑制することが求められていた。   However, in the fuel cell stack device described in Patent Document 1, cracks or the like are generated in the sealing material, which may cause gas leaks, and it has been required to suppress the gas leaks.

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。   Therefore, an object of the present invention is to provide a cell stack device that can suppress the occurrence of cracks in the sealing material and has improved long-term reliability, a module including the cell stack device, and a module housing device.

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挿入される一又は複数の挿入口を有している支持体と、前記複数個のセルの一端と前記挿入口の内壁とを接合している第1シール材と、前記挿入口を介して前記複数個のセルに反応ガスを供給するための開口部を有しており、該開口部の周囲に設けられた凹溝を有するガスタンクと、を具備し、前記支持体の一端部は、前記ガスタンクの前記凹溝に充填された第2シール材により前記ガスタンクと接合されており、前記第2シール材は、前記支持体の一端部の周囲に、他の部分より気孔率が小さい第1領域を有しているとともに、前記第2シール材は造孔材を含み、前記第1領域における前記造孔材の含有量は前記他の部分より少ない、又は前記他の部分における前記第2シール材の表層側が、前記凹溝の底面側よりも気孔率が小さく、前記底面側の気孔率は8%以上であることを特徴とする。
The cell stack apparatus of the present invention includes a cell stack in which a plurality of cells are arranged, a support having one or a plurality of insertion ports into which one ends of the plurality of cells are inserted, and the plurality of the plurality of cells. A first sealing material joining one end of the cell and the inner wall of the insertion port, and an opening for supplying a reaction gas to the plurality of cells through the insertion port, A gas tank having a concave groove provided around the opening, and one end of the support is joined to the gas tank by a second sealing material filled in the concave groove of the gas tank, The second sealing material has a first region having a lower porosity than the other part around one end of the support, and the second sealing material includes a pore- forming material. The content of the pore former in the region is less than the other parts Or a surface layer side of the second sealing member in the other part, smaller porosity than the bottom side of the groove, and wherein the porosity of the bottom side is 8% or more.

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。   The module of the present invention is characterized in that the cell stack device described above is housed in a housing container.

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。   Furthermore, the module housing apparatus of the present invention is characterized in that the module described above and an auxiliary machine for operating the module are housed in an exterior case.

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。   The cell stack device of the present invention can suppress the occurrence of cracks in the sealing material, and can be a cell stack device with improved long-term reliability.

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。   In addition, the module of the present invention can be a module with improved long-term reliability since the cell stack device is stored in a storage container.

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。   Furthermore, since the module housing apparatus of the present invention houses the above-described module and an auxiliary machine for operating the module, the module housing apparatus can be improved in long-term reliability.

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。An example of the cell of this embodiment is shown, (a) is a cross-sectional view, (b) is a side view. (a)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り、(b)は(a)の側面側の断面図である。(A) is a perspective view which shows an example of the cell stack apparatus of this embodiment, (b) is sectional drawing by the side of (a). (a)は図2に示したセルスタック装置の概略斜視図であり、(b)はセルスタックの一端部付近の拡大断面図である。(A) is a schematic perspective view of the cell stack apparatus shown in FIG. 2, and (b) is an enlarged sectional view of the vicinity of one end of the cell stack. セルスタックと支持体との接合部付近の拡大断面図である。It is an expanded sectional view near the junction part of a cell stack and a support. (a)〜(c)は、第2シール材を説明するための拡大断面図である。(A)-(c) is an expanded sectional view for demonstrating a 2nd sealing material. 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。It is an external appearance perspective view which shows the module provided with an example of the cell stack apparatus of this embodiment. 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。It is a disassembled perspective view which shows roughly an example of the module accommodating apparatus of this embodiment. (a)は本実施形態の支持体の他の例を示す平面図であり、(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。(A) is a top view which shows the other example of the support body of this embodiment, (b) is an expanded sectional view by the side of the cell stack apparatus provided with the support body shown to (a). 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。It is a perspective view which shows the other example of the cell stack apparatus of this embodiment. 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。It is a perspective view which shows the other example of the cell stack apparatus of this embodiment.

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。   A cell, a cell stack device, a module, and a module housing device will be described with reference to FIGS.

(セル)
以下において、セルスタックを構成するセルとして固体酸化物形の燃料電池セルの例を用いて説明する。
(cell)
Hereinafter, an example of a solid oxide fuel cell will be described as a cell constituting the cell stack.

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、この図面において、セル1の各構成の一部を拡大して示している。   FIG. 1 shows an example of an embodiment of a cell, where (a) is a cross-sectional view and (b) is a side view. In addition, in this drawing, a part of each structure of the cell 1 is expanded and shown.

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の全体を側面から見た形状は、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。   In the example shown in FIG. 1, the cell 1 is a hollow plate type and has an elongated plate shape. As shown in FIG.1 (b), the shape which looked at the whole cell 1 from the side surface is 5-50 cm in the length of the side of the length direction L, for example, and the width direction W orthogonal to this length direction is It is a rectangle with a length of 1 to 10 cm. The total thickness of the cell 1 is 1 to 5 mm.

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、燃料極3、固体電解質層4及び空気極5から成る素子部を積層してなる柱状(中空平板状等)からなる。   As shown in FIG. 1, the cell 1 is formed on one flat surface n1 of a columnar conductive support substrate 2 (hereinafter sometimes abbreviated as support substrate 2) having a pair of opposed flat surfaces n1 and n2. It has a columnar shape (hollow flat plate shape or the like) formed by laminating element portions each including a fuel electrode 3, a solid electrolyte layer 4, and an air electrode 5.

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が設けられている。   In the example shown in FIG. 1, an interconnector 6 is provided on the other flat surface n <b> 2 of the cell 1.

以下、セル1を構成する各構成部材について説明する。   Hereinafter, each structural member which comprises the cell 1 is demonstrated.

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元素酸化物である。   The support substrate 2 is provided with a gas flow path 2a through which gas flows, and FIG. 1 shows an example in which six gas flow paths 2a are provided. The support substrate 2 is required to be gas permeable in order to allow the fuel gas to pass to the fuel electrode 3 and further to be conductive in order to collect current through the interconnector 6. The support substrate 2 is made of, for example, an iron group metal component and an inorganic oxide. For example, the iron group metal component is Ni and / or NiO, and the inorganic oxide is a specific rare earth element oxide.

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(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。この希土類酸化物としては例えばY等が用いられる。 As the fuel electrode 3, generally known ones can be used, and porous conductive ceramics such as ZrO 2 in which a rare earth element oxide is dissolved (referred to as stabilized zirconia, including partial stabilization). And Ni and / or NiO. For example, Y 2 O 3 is used as the rare earth oxide.

固体電解質層4は、燃料極3、空気極5間のイオン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から形成される。この希土類元素酸化物としては例えばY等が用いられる。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。 The solid electrolyte layer 4 has a function as an electrolyte for bridging ions between the fuel electrode 3 and the air electrode 5 and at the same time has a gas barrier property to prevent leakage of the fuel gas and the oxygen-containing gas. And is formed from ZrO 2 in which 3 to 15 mol% of a rare earth element oxide is dissolved. For example, Y 2 O 3 is used as the rare earth element oxide. In addition, as long as it has the said characteristic, you may form using another material etc.

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。例えば、AサイトにSrとLaが共存する複合酸化物が好ましい。例としては、LaSr1−xCoFe1−y、LaSr1−xMnO、LaSr1−xFeO、LaSr1−xCoO等が挙げられる。なお、xは0<x<1、yは0<y<1である。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。 The air electrode 5 is not particularly limited as long as it is generally used. For example, the air electrode 5 can be formed of a conductive ceramic made of a so-called ABO 3 type perovskite oxide. For example, a composite oxide in which Sr and La coexist on the A site is preferable. Examples include such La x Sr 1-x Co y Fe 1-y O 3, La x Sr 1-x MnO 3, La x Sr 1-x FeO 3, La x Sr 1-x CoO 3 and the like. Note that x is 0 <x <1, and y is 0 <y <1. The air electrode 5 is required to have gas permeability, and the open porosity is preferably 20% or more, particularly preferably in the range of 30 to 50%.

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。 For the interconnector 6, a lanthanum chromite-based perovskite oxide (LaCrO 3 -based oxide) or a lanthanum strontium titanium-based perovskite oxide (LaSrTiO 3 -based oxide) is preferably used. These materials have conductivity and are neither reduced nor oxidized even when they come into contact with a fuel gas (hydrogen-containing gas) and an oxygen-containing gas (air or the like). Further, the interconnector 6 must be dense to prevent leakage of the fuel gas flowing through the gas flow path 2a formed in the support substrate 2 and the oxygen-containing gas flowing outside the support substrate 2, It is preferable to have a relative density of 93% or more, particularly 95% or more.

(セルスタック装置)
次に、上述したセルを用いた本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。
(Cell stack device)
Next, the cell stack apparatus according to the present embodiment using the above-described cell will be described with reference to FIGS.

図2(a)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り、図2(b)は図2(a)の側面側の断面図である。図3(a)は図2に示したセルスタック装置の概略斜視図であり、図3(b)はセルスタックの一端部付近の拡大断面図である。図4は、セルスタックと支持体との接合部付近の拡大断面図である。図5(a)〜(c)は、第2シール材を説明するための拡大断面図である。   FIG. 2A is a perspective view illustrating an example of the cell stack device of the present embodiment, and FIG. 2B is a cross-sectional view of the side surface of FIG. FIG. 3A is a schematic perspective view of the cell stack apparatus shown in FIG. 2, and FIG. 3B is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of one end of the cell stack. FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of the vicinity of the joint between the cell stack and the support. FIGS. 5A to 5C are enlarged cross-sectional views for explaining the second sealing material.

セルスタック装置10は、配列された複数個のセル1を有するセルスタック18と、マニホールド7とを備える。   The cell stack apparatus 10 includes a cell stack 18 having a plurality of cells 1 arranged and a manifold 7.

図2、図3に示すように、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。
As shown in FIGS. 2 and 3, the manifold 7 includes a support 7a and a gas tank 7b.

支持体7aは、複数個のセル1の一端が挿入される一又は複数の挿入口17を有している。複数個のセル1の一端と挿入口17の内壁とは、第1シール材8aで接合されている。   The support 7a has one or a plurality of insertion ports 17 into which one ends of the plurality of cells 1 are inserted. One end of the plurality of cells 1 and the inner wall of the insertion port 17 are joined by a first sealing material 8a.

ガスタンク7bは、挿入口17を介して複数個のセル1に反応ガスを供給するための開口部を有しており、開口部の周囲に設けられた凹溝71を有する。支持体7aの一端部は、ガスタンク7bの凹溝71に充填された第2シール材8bによりガスタンク7bと接合されている。   The gas tank 7b has an opening for supplying reaction gas to the plurality of cells 1 through the insertion port 17, and has a concave groove 71 provided around the opening. One end of the support 7a is joined to the gas tank 7b by a second sealing material 8b filled in the concave groove 71 of the gas tank 7b.

図2、図3に示す例においては、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2aに供給される。   In the example shown in FIGS. 2 and 3, fuel gas is stored in an internal space formed by the support 7a and the gas tank 7b. The gas tank 7 b is provided with a gas flow pipe 12, and fuel gas generated by a reformer 13 described later is supplied to the manifold 7 through the gas flow pipe 12, and then the inside of the cell 1 is supplied from the manifold 7. To the gas flow path 2a.

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第1シール材8aで支持体7aに固定されている。   Each cell 1 protrudes from the manifold 7 side along the longitudinal direction of the cell 1 and one end in the longitudinal direction of each cell 1 is a first sealing material 8a and a support 7a so that the plurality of cells 1 are aligned in a stack. It is fixed to.

図2、図3に示す例においては、複数個のセル1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7bと、2つの支持体7aとで内部空間が形成される。   In the example shown in FIGS. 2 and 3, a plurality of cells 1 are provided in two rows, and each row is fixed to a support 7a. In this case, two through holes are provided on the upper surface of the gas tank 7b. Each support body 7a is provided so that the insertion hole 17 is aligned with each of the through holes. As a result, an internal space is formed by one gas tank 7b and two supports 7a.

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、この挿入孔の幅は、例えば、セル1の幅方向Wの長さよりも長ければよい。   The shape of the insertion hole 17 is, for example, an ellipse when viewed from above. For example, the insertion hole 17 may be longer than the distance between the two end conductive members 9b in the cell 1 arrangement direction. Moreover, the width of this insertion hole should just be longer than the length of the width direction W of the cell 1, for example.

図2、図3に示すように、挿入孔17の内壁とセル1の外面との間、および、セル1同士の間に、隙間が存在している。   As shown in FIGS. 2 and 3, there are gaps between the inner wall of the insertion hole 17 and the outer surface of the cell 1, and between the cells 1.

図2、図3に示すように、挿入孔17とセル1の一端との接合部において、固化された第1シール材8aが前記隙間に充填されている。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。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。   As shown in FIGS. 2 and 3, the solidified first sealing material 8 a is filled in the gap at the joint between the insertion hole 17 and one end of the cell 1. Thereby, the insertion hole 17 and the one end of the some cell 1 are joined and fixed, respectively. One end of the gas flow path 2 a of each cell 1 communicates with the internal space of the manifold 7.

第1シール材8a、第2シール材8b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−B系、SiO−CaO系、MgO−B系が採用され得るが、SiO−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。 The first sealing material 8a and the second sealing material 8b may be made of amorphous glass, metal brazing material, or the like, but is preferably made of crystallized glass. As the crystallized glass, for example, a SiO 2 —B 2 O 3 system, a SiO 2 —CaO system, or a MgO—B 2 O 3 system can be adopted, but a SiO 2 —MgO system is most preferable. In this specification, crystallized glass means that the ratio (crystallinity) of “volume occupied by crystal phase” to the total volume is 60% or more, and “volume occupied by amorphous phase and impurities relative to the total volume”. "Refers to glass (ceramics) having a ratio of less than 40%. The crystallinity of the crystallized glass is specifically determined by, for example, “the crystal phase and the composition after the crystal phase is identified by using XRD or the like and crystallized by using SEM and EDS or SEM and EPMA. The volume ratio of the crystal phase region is calculated based on the result of observing the distribution.

また、図2(b)に示す例のように、隣接するセル1の間には、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ための導電部材9aが介在している。なお、図2(a)、図3では、導電部材9aの図示を省略している。
In addition, as in the example shown in FIG. 2B, between adjacent cells 1 between adjacent cells 1 (
More specifically, a conductive member 9a for electrically connecting the fuel electrode 3 of one cell 1 and the air electrode 5) of the other cell 1 in series is interposed. 2A and 3, illustration of the conductive member 9a is omitted.

また、図2(b)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に、端部導電部材9bが接続されている。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。なお、図2(a)、図3では、端部導電部材9bの図示を省略している。   Further, as in the example illustrated in FIG. 2B, the end conductive member 9 b is connected to the cell 1 positioned on the outermost side in the arrangement direction of the plurality of cells 1. The end conductive member 9 b has a conductive portion 11 that protrudes outside the cell stack 5. The conductive portion 11 has a function of collecting the electricity generated by the power generation of the cell 1 and drawing it out. In FIG. 2A and FIG. 3, the end conductive member 9b is not shown.

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、高温(例えば、600〜800℃)の燃料ガス(水素等)及び「酸素を含むガス(空気等)」を流通させる。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(自由端)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。   As described above, when the cell stack apparatus 10 of the fuel cell described above is operated, a high-temperature (for example, 600 to 800 ° C.) fuel gas (such as hydrogen) and “gas containing oxygen (such as air)” are circulated. The fuel gas is introduced into the internal space of the manifold 7 and then introduced into the gas flow paths 2 a of the plurality of cells 1 through the insertion holes 17. The fuel gas that has passed through each gas flow path 2a is then discharged to the outside from the other end (free end) of each gas flow path 2a. Air flows along the longitudinal direction of the cell 1 along the gap between the adjacent cells 1.

(第1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、支持体7aと、支持体7aの一端部を覆っている第2シール材8bとの熱膨張差によって、第2シール材8bにクラックが生じるおそれがあった。それにより、支持体7aが熱膨張とともに可動するようになる。従って、セルスタック装置を長期間発電させた場合に、支持体7aとセルスタック18とを接合する第1シール材8aに繰り返し応力がかかってクラックが生じ、ガスリークが発生するおそれがあった。
(Suppression of gas leak in the first seal material)
In the cell stack device 10 shown in FIGS. 2 and 3, when operated in a severe environment due to thermal stress, the heat of the support 7 a and the second sealing material 8 b covering one end of the support 7 a. There was a possibility that the second sealing material 8b would crack due to the expansion difference. Thereby, the support body 7a comes to move with thermal expansion. Therefore, when the cell stack device is generated for a long period of time, the first sealing material 8a that joins the support 7a and the cell stack 18 is repeatedly stressed to cause cracks and gas leaks.

そこで、本実施形態のセルスタック装置10においては、図4に示すように、第2シール材8bは、支持体7aの一端部の周囲に、他の部分82より気孔率が小さい第1領域81を有している。   Therefore, in the cell stack device 10 of the present embodiment, as shown in FIG. 4, the second sealing material 8 b is disposed around the one end portion of the support 7 a in the first region 81 having a lower porosity than the other portion 82. have.

この構成によれば、支持体7aと第2シール材8bとの熱膨張差が生じた場合であっても、支持体7aの一端部を覆っている周囲の第2シール材8bの強度が高いため、第2シール材8bにクラックが生じることを抑制することができ、長期信頼性を向上させることができる。従って、支持体7aが熱膨張とともに可動することを抑制できるほか、支持体7aの一端部における第2シール材8bによる固定を強固とすることができる。なお、併せて、支持体7aが可動することを抑制できることから、セルスタック装置10を長期間発電させた場合に、支持体7aとセルスタック18とを接合する第1シール材8aに繰り返し応力がかかることを抑制できるので、第1シール材8aでクラックが生じガスリークが発生することを抑制することもできる。   According to this configuration, even when a difference in thermal expansion occurs between the support 7a and the second seal material 8b, the strength of the surrounding second seal material 8b covering one end of the support 7a is high. For this reason, it is possible to suppress the occurrence of cracks in the second sealing material 8b, and it is possible to improve long-term reliability. Therefore, it is possible to suppress the support 7a from moving together with the thermal expansion, and it is possible to strengthen the fixing by the second sealing material 8b at one end of the support 7a. In addition, since it is possible to suppress the movement of the support 7a, when the cell stack device 10 generates power for a long period of time, the first sealing material 8a that joins the support 7a and the cell stack 18 is repeatedly stressed. Since this can be suppressed, it is possible to suppress the occurrence of a gas leak due to a crack in the first sealing material 8a.

以下で第1領域81を、図5(a)を用いて定義する。まず、支持体7aの一端部の一方の側面上の点A1から100μm離れた点A2から、凹溝71の底面に向かって線を引く。この線は、支持体7aの一端部の長さ方向に沿った線である。また、支持体7aの一端部の他方の側面でも同様の線を引く。支持体7aの一端部の一方の側面側の前記線と、支持体7aの一端部の他方の側面側の前記線と、凹溝71の底面と、第2シール材8bの表面とで挟まれた領域を、第1領域81とする。   Below, the 1st field 81 is defined using Drawing 5 (a). First, a line is drawn from the point A2 100 μm away from the point A1 on one side surface of one end of the support 7a toward the bottom surface of the groove 71. This line is a line along the length direction of one end of the support 7a. A similar line is also drawn on the other side surface of the one end portion of the support 7a. It is sandwiched between the line on one side of one end of the support 7a, the line on the other side of the one end of the support 7a, the bottom of the groove 71, and the surface of the second sealing material 8b. This area is referred to as a first area 81.

また、他の部分82とは、第2シール材8bの断面のうち、第1領域81以外の領域のことである。   The other portion 82 is a region other than the first region 81 in the cross section of the second sealing material 8b.

また、他の部分82においては、第2シール材8bの表層側82aが、凹溝71の底面
側82bよりも気孔率が小さいとよい。セルスタック装置10を長期間発電させた場合に、支持体7aの熱膨張変形により支持体7aと凹溝71の内壁との間に応力がかかるが、この応力が比較的大きくなりやすいのが第2シール材8bの表層側82aである。従って、他の部分82において、第2シール材8bの表層側82aが、凹溝71の底面側82bより気孔率が小さいことにより、応力が集中しやすい部分の強度を向上させることができ、第2シール材8bにおけるクラック発生を抑制することができる。
In the other portion 82, the surface layer side 82 a of the second sealing material 8 b may have a lower porosity than the bottom surface side 82 b of the concave groove 71. When the cell stack device 10 generates power for a long period of time, stress is applied between the support 7a and the inner wall of the concave groove 71 due to thermal expansion deformation of the support 7a, but this stress tends to be relatively large. 2 is the surface layer side 82a of the sealing material 8b. Accordingly, in the other portion 82, the surface layer side 82a of the second sealant 8b has a smaller porosity than the bottom surface side 82b of the concave groove 71, so that the strength of the portion where stress is likely to concentrate can be improved. The occurrence of cracks in the two-seal material 8b can be suppressed.

また、他の部分82においては、凹溝71の底面側82bから、第2シール材8bの表層側82aに向かって、除々に気孔率が小さくなっているとよい。この構成によれば、支持体7aと凹溝71の内壁との間で応力が大きくなりやすい表層側82aに向かって除々に強度を高めることができる。従って、底面側82bから表層側82aにかけての領域でクラック発生を抑制することができる。   Moreover, in the other part 82, it is good for the porosity to become small gradually from the bottom face side 82b of the ditch | groove 71 toward the surface layer side 82a of the 2nd sealing material 8b. According to this configuration, the strength can be gradually increased toward the surface layer side 82a where the stress tends to increase between the support 7a and the inner wall of the concave groove 71. Therefore, the generation of cracks can be suppressed in the region from the bottom surface side 82b to the surface layer side 82a.

また、断面視において、他の部分82における凹溝71の底面側の気孔は楕円形状であり、長軸が支持体7aの一端部に向いていないとよい。この意味は、楕円形状の気孔の長軸の延長線が支持体7aの一端部と重ならない、ということである。この構成によれば、支持体7aと第2シール材8bとの熱膨張差によりクラックが生じる場合であっても、クラックが支持体7aの一端部に向かわない。   Further, in the cross-sectional view, the pores on the bottom surface side of the groove 71 in the other portion 82 are elliptical, and the long axis may not be directed to one end of the support 7a. This means that the extended line of the major axis of the elliptical pore does not overlap with one end of the support 7a. According to this configuration, even if a crack is generated due to a difference in thermal expansion between the support 7a and the second sealing material 8b, the crack does not face one end of the support 7a.

また、第1領域81の気孔率は5%以下であるとよい。この構成によれば、支持体7aの一端部を覆っている周囲の第2シール材8bの強度が高くなるので、第2シール材8bにクラックが生じることをさらに抑制できる。   Further, the porosity of the first region 81 is preferably 5% or less. According to this structure, since the intensity | strength of the surrounding 2nd sealing material 8b which covers the one end part of the support body 7a becomes high, it can further suppress that a crack arises in the 2nd sealing material 8b.

また、他の部分82における第2シール材8bの表層側8aの気孔率は6%以下であるとよい。この構成によれば、当該表層側8aの強度が高くなるので、第2シール材8bにクラックが生じることをさらに抑制できる。
The porosity of the surface layer side 8 2 a of the second seal member 8b in the other portion 82 may is 6% or less. According to this configuration, since the strength of the surface layer side 8 2 a is increased, it can be further suppressed from cracking in the second seal member 8b.

(測定方法)
第1領域81および他の部分82の気孔率の測定は、各領域で以下の方法を行う。まず第2シール材8bを、図4に示すような断面が得られるように、支持体7aおよびガスタンク7bごと切断する。この断面に機械研磨を行う。この断面における第2シール材8bの微構造を反射電子検出器を用いた走査型電子顕微鏡を用いて観察し、得られた画像に対して画像処理を行う。画像において第2シール材8bは灰色であり、気孔は白色なので、それぞれの色の面積を求めることにより「全体の面積(気孔の部分の面積と気孔でない部分の面積の和)」に対する「気孔の部分の面積」の割合を気孔率とする。
(Measuring method)
The porosity of the first region 81 and the other portion 82 is measured by the following method in each region. First, the second sealing material 8b is cut together with the support 7a and the gas tank 7b so as to obtain a cross section as shown in FIG. This section is mechanically polished. The microstructure of the second sealing material 8b in this cross section is observed using a scanning electron microscope using a backscattered electron detector, and image processing is performed on the obtained image. In the image, since the second sealant 8b is gray and the pores are white, by calculating the area of each color, the “total area (the sum of the area of the pore portion and the area of the non-pore portion)” The ratio of the “area of the part” is defined as the porosity.

「他の部分82においては、第2シール材8bの表層側82aが、凹溝71の底面側82bよりも気孔率が小さい」の確認方法を以下に説明する。   A method for confirming that “in the other portion 82, the surface layer side 82a of the second sealant 8b has a lower porosity than the bottom surface side 82b of the groove 71” will be described below.

まず、図5(a)を用いて説明する。まず、第2シール材8bの表面と支持体7aの一端部との接点A1を出す。点A1から水平に凹溝71の内壁に向かって線を引く。この線と第1領域81の境界との交点をA2とする。また、この線と凹溝71の内壁との交点をA3とする。次に、支持体7aの一端部の最下端部をB1とする。そして、A2、A3の決め方と同様にB2、B3を決める。次に、線A2−A3に沿って等間隔に3点設定し、各点を含むように10μm四方の領域の空隙率を前述と同様の画像処理方法で算出し、平均値を求める。次に、線B2−B3に沿って同様に空隙率の平均値を求める。   First, a description will be given with reference to FIG. First, the contact A1 between the surface of the second sealing material 8b and one end of the support 7a is taken out. A line is drawn horizontally from the point A1 toward the inner wall of the groove 71. Let A2 be the intersection of this line and the boundary of the first region 81. The intersection of this line and the inner wall of the groove 71 is A3. Next, let the lowest end part of the one end part of the support body 7a be B1. Then, B2 and B3 are determined in the same manner as A2 and A3. Next, three points are set at equal intervals along line A2-A3, and the porosity of a 10 μm square region is calculated by the same image processing method as described above so as to include each point, and an average value is obtained. Next, the average value of the porosity is similarly obtained along the line B2-B3.

以上の測定を行った結果、線A2−A3の空隙率の平均値が、線B2−B3線の空隙率の平均値より小さければ、「他の部分82においては、第2シール材8bの表層側82aが、凹溝71の底面側82bよりも気孔率が小さい」ということである。   As a result of the above measurement, if the average value of the porosity of the line A2-A3 is smaller than the average value of the porosity of the line B2-B3, “in the other portion 82, the surface layer of the second sealing material 8b. The side 82a has a lower porosity than the bottom surface side 82b of the groove 71 ".

次に、図5(b)、図5(c)を用いて説明する。図5(b)、図5(c)では、第2シール材8bの表面が傾斜しているが、図5(a)の場合と同様に、点A1は第2シール材8bの表面と支持体7aの一端部との接点である。また、図5(b)、図5(c)では、支持体71の一端部の先端が尖っている。この場合も、図5(a)の場合と同様に、支持体7aの一端部の最下端部をB1とする。これら以外は、図5(a)の場合で示したものと同様の方法でよい。   Next, a description will be given with reference to FIGS. 5B and 5C. 5 (b) and 5 (c), the surface of the second sealing material 8b is inclined, but as in FIG. 5 (a), the point A1 is supported by the surface of the second sealing material 8b. It is a contact point with one end of the body 7a. Moreover, in FIG.5 (b) and FIG.5 (c), the front-end | tip of the one end part of the support body 71 is sharp. Also in this case, similarly to the case of FIG. 5A, the lowermost end portion of one end portion of the support 7a is set to B1. Except for these, the same method as that shown in FIG.

「他の部分82においては、凹溝71の底面側82bから、第2シール材8bの表層側82aに向かって、除々に気孔率が小さくなっている」の確認方法を、図5(a)〜(c)を用いて以下に説明する。まず、前述と同様に、線A2−A3の空隙率の平均値、および線B2−B3の空隙率の平均値を算出する。次に、点A2と点B2の間の中間の点C1を決める。次に、点A3と点B3の間の中間の点C2を決める。次に、線C1−C2に沿って、線A2−A3および線B2−B3と同様に空隙率の平均値を求める。   A confirmation method of “the porosity of the other portion 82 gradually decreases from the bottom surface side 82b of the concave groove 71 toward the surface layer side 82a of the second sealing material 8b” is shown in FIG. It demonstrates below using (c). First, similarly to the above, the average value of the porosity of the line A2-A3 and the average value of the porosity of the line B2-B3 are calculated. Next, an intermediate point C1 between the points A2 and B2 is determined. Next, an intermediate point C2 between the points A3 and B3 is determined. Next, along the line C1-C2, the average value of the porosity is obtained in the same manner as the lines A2-A3 and B2-B3.

そして、線C1−C2の空隙率の平均値が、線A2−A3の空隙率の平均値と、線B2−B3の空隙率の平均値との中間の値であれば、「他の部分82においては、凹溝71の底面側82bから、第2シール材8bの表層側82aに向かって、除々に気孔率が小さくなっている」ということである。   If the average value of the porosity of the line C1-C2 is an intermediate value between the average value of the porosity of the line A2-A3 and the average value of the porosity of the line B2-B3, “the other portion 82”. , The porosity gradually decreases from the bottom surface side 82b of the concave groove 71 toward the surface layer side 82a of the second sealing material 8b.

「他の部分82における第2シール材8bの表層側8aの気孔率」の算出方法は、前述した線A2−A3に沿った空隙率の平均値の算出方法と同様である。 The calculation method of “the porosity of the surface layer side 8 2 a of the second sealing material 8b in the other portion 82” is the same as the calculation method of the average value of the porosity along the line A2-A3 described above.

(製造方法)
以上説明した本実施形態のセルスタック装置10の作製方法の一例について説明する。ただし、以下に述べる材料、温度等の各種条件は、適宜変更することができる。
(Production method)
An example of a method for manufacturing the cell stack device 10 of the present embodiment described above will be described. However, various conditions such as materials and temperatures described below can be changed as appropriate.

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、必要な枚数の完成したセル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がスタック状に整列・固定される。次に、この状態を維持しつつ、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、第1シール材8a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。   The cell stack apparatus 10 is assembled by the following procedure, for example. First, the required number of completed cells 1 and the support 7a are prepared. Next, a plurality of cells 1 are aligned and fixed in a stack using a predetermined jig or the like. Next, one end of each of the plurality of cells 1 is inserted into the insertion hole 17 of the support 7a at a time while maintaining this state. Next, a paste for the first sealing material 8a (typically an amorphous material (amorphous glass) paste) is filled in the gaps between the insertion holes 17 and one end of the plurality of cells 1. To do.

次に、上記のように充填された第1シール材8a用のペーストに熱処理(結晶化処理)を行なう。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第1シール材8aを介して、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の一端が第1シール材8a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。   Next, heat treatment (crystallization treatment) is performed on the paste for the first sealing material 8a filled as described above. When the temperature of the amorphous material reaches its crystallization temperature by this heat treatment, a crystal phase is generated inside the material at the crystallization temperature, and crystallization proceeds. As a result, the amorphous material is solidified and ceramicized to become crystallized glass. Thereby, one end of the plurality of cells 1 is joined and fixed to the insertion hole 17 via the first sealing material 8 a made of crystallized glass. In other words, one end of each cell 1 is joined and supported by the support 7a using the first sealing material 8a. Thereafter, the predetermined jig is removed from the plurality of cells 1.

次に、支持体7aをガスタンク7bに接合する。この工程においては、まずガスタンク7bの凹溝71内に第2シール材8b用のペーストを充填する。充填の際には凹溝71内に仕切り板を設けておく。この仕切り板によって、例えば、凹溝71内において中央側と外側の領域に区分される。この中央側の領域に造孔材をほとんど含まないペーストを充填し、外側の領域に造孔材を中央側より多く含んだペーストを充填する。次に、造孔材をほとんど含まないペーストの方に支持体7aの一端部を挿入する。そして仕切り板を外し第1シール材8aと同様に熱処理して結晶化させればよい。これによって得られたセルスタック装置10においては、第2シール材8bが、支持体7aの一端部の周囲に、他の部分
82より気孔率が小さい第1領域81を有している。
Next, the support body 7a is joined to the gas tank 7b. In this step, first, the concave groove 71 of the gas tank 7b is filled with the paste for the second sealing material 8b. When filling, a partition plate is provided in the groove 71. For example, the partition plate is divided into a central side and an outer region in the groove 71. The central region is filled with a paste containing almost no pore former, and the outer region is filled with a paste containing more pore former than the central side. Next, one end of the support 7a is inserted into a paste that hardly contains a pore former. Then, the partition plate may be removed and crystallized by heat treatment in the same manner as the first sealing material 8a. In the cell stack device 10 thus obtained, the second sealing material 8b has a first region 81 having a lower porosity than the other portion 82 around one end of the support 7a.

また、「他の部分82においては、第2シール材8bの表層側82aが、凹溝71の底面側82bよりも気孔率が小さい」第2シール材8bを作製するためには、仕切り板で区分した外側の領域に、まずは、造孔材を多く含んだペーストを注入し、次に、比較的造孔材の量が少ないペーストを注入すればよい。   Moreover, in order to produce the 2nd sealing material 8b "in the other part 82, the surface layer side 82a of the 2nd sealing material 8b has a porosity smaller than the bottom face side 82b of the ditch | groove 71", a partition plate is used. First, a paste containing a large amount of a pore former may be injected into the outer region, and then a paste having a relatively small amount of the pore former may be injected.

(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6を用いて説明する。図6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。
(module)
Next, a module according to an embodiment of the present invention using the above-described cell stack device will be described with reference to FIG. FIG. 6 is an external perspective view showing a module including an example of the cell stack device of the present embodiment.

図6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。   As shown in FIG. 6, the module 20 stores the cell stack device 10 in a storage container 14. A reformer 13 for generating fuel gas to be supplied to the cell 1 is disposed above the cell stack device 10.

また、図6に示す改質器13においては、原燃料供給管16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。   Further, in the reformer 13 shown in FIG. 6, raw gas such as natural gas and kerosene supplied through the raw fuel supply pipe 16 is reformed to generate fuel gas. The reformer 13 preferably has a structure capable of performing steam reforming, which is an efficient reforming reaction, and a reformer 13a for vaporizing water and reforming raw fuel into fuel gas. And a reforming section 13b in which a reforming catalyst (not shown) for performing the above is disposed. The fuel gas generated by the reformer 13 is supplied to the manifold 7 via the gas flow pipe 12 and is supplied from the manifold 7 to the gas flow path provided inside the cell 1.

また図6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。   Further, FIG. 6 shows a state in which a part (front and rear surfaces) of the storage container 14 is removed and the fuel cell stack device 10 stored inside is taken out rearward.

また、上述の構成のモジュール20においては、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。   Moreover, in the module 20 of the above-mentioned structure, the temperature in the module 20 becomes about 500-1000 degreeC with the said combustion and the power generation of the cell 1 at the time of normal power generation.

このようなモジュール20においては、上述したように、長期信頼性の向上したセルスタック装置10を収納してなることにより、長期信頼性の向上したモジュール20とすることができる。   In such a module 20, as described above, the module 20 with improved long-term reliability can be obtained by housing the cell stack device 10 with improved long-term reliability.

(モジュール収容装置)
図7は、外装ケース内に図6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7においては一部構成を省略して示している。
(Module housing device)
FIG. 7 is an exploded perspective view showing an example of the module housing apparatus of the present embodiment in which the module 20 shown in FIG. 6 and an auxiliary machine (not shown) for operating the module 20 are housed in the outer case. FIG. In FIG. 7, a part of the configuration is omitted.

図7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。   The module housing apparatus 40 shown in FIG. 7 divides the inside of the exterior case composed of the columns 41 and the exterior plate 42 by a partition plate 43, and the upper side thereof serves as a module storage chamber 44 that houses the module 20 described above. The lower side is configured as an auxiliary machine storage chamber 45 for storing an auxiliary machine for operating the module 20. In addition, the auxiliary machine stored in the auxiliary machine storage chamber 45 is not shown.

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。   In addition, the partition plate 43 is provided with an air circulation port 46 for allowing the air in the auxiliary machine storage chamber 45 to flow toward the module storage chamber 44, and a part of the exterior plate 42 constituting the module storage chamber 44, An exhaust port 47 for exhausting air in the module storage chamber 44 is provided.

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
たモジュール20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。
In such a module storage device 40, as described above, the module 20 with improved long-term reliability is stored in the module storage chamber 44, and an auxiliary machine for operating the module 20 is stored in the auxiliary machine storage chamber 45. Thus, the module accommodating device 40 with improved long-term reliability can be obtained.

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。   Although the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and improvements can be made without departing from the scope of the present invention.

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」のセルが採用されてもよい。   In the present embodiment, a so-called “vertical stripe type” configuration in which only one power generation element portion including an inner electrode, a solid electrolyte layer, and an outer electrode is provided on the surface of the support substrate is employed. A so-called “horizontal stripe type” cell may be employed in which the power generation element portions are provided at a plurality of locations separated from each other, and between adjacent power generation element portions are electrically connected.

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、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。   In the cell of the above embodiment, the fuel electrode and the air electrode may be interchanged so that the inner electrode is an air electrode and the outer electrode is a fuel electrode. In this case, a gas flow in which fuel gas and air are exchanged is employed.

また、支持基板は燃料極を兼ねるものとし、その表面に固体電解質層および空気極を順次積層してセルを構成してもよい。   The support substrate may also serve as a fuel electrode, and a cell may be configured by sequentially laminating a solid electrolyte layer and an air electrode on the surface thereof.

また、上記実施形態では、図2、図3に示すように、支持体7a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。   Moreover, in the said embodiment, as shown to FIG. 2, FIG. 3, although the end of all the cells 1 of one row is inserted in the insertion hole 17 formed only in the support body 7a, it shows in FIG. Thus, one cell 1 may be inserted into each of the plurality of insertion holes 17 formed in the support 7a.

また、上記実施形態では、図2に示すように、複数個のセルが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、複数個のセルが1列に整列されたセルスタック装置100であってもよい。   In the above embodiment, a cell stack device in which a plurality of cells are arranged in two rows as shown in FIG. 2 is shown. However, as shown in FIG. 9, a plurality of cells are arranged in one row. Alternatively, the cell stack apparatus 100 may be used.

また、上記実施形態では、「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」の一例として燃料電池セル、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、電解セルスタック装置、電解モジュールおよび電解装置であってもよい。   In the above embodiment, the fuel cell, the fuel cell stack device, the fuel cell module, and the fuel cell device are shown as examples of the “cell”, “cell stack device”, “module”, and “module housing device”. Other examples may be an electrolytic cell, an electrolytic cell stack device, an electrolytic module, and an electrolytic device, respectively.

図10に、電解セルスタック装置110の一例を示す。セル1の他端(上端)が第1シール材8a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71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72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。   FIG. 10 shows an example of the electrolytic cell stack apparatus 110. The other end (upper end) of the cell 1 is fixed to the manifold by the first sealing material 8a, and the first manifold 71 serves as a supply unit for supplying high-temperature steam, and the second manifold 72 is generated. It becomes a recovery unit for recovering hydrogen. In the example shown in FIG. 10, the gas flow pipe 12 supplies water vapor, and the gas flow pipe 16 collects hydrogen.

(サンプルの作製)
上述したセルスタック装置(図3を参照)について、上述の製造方法に基づいて、第2シール材の気孔率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。
(Sample preparation)
About the cell stack apparatus (refer FIG. 3) mentioned above, the several sample from which the porosity of a 2nd sealing material differs based on the above-mentioned manufacturing method was produced. Specifically, as shown in Table 1, nine samples (N = 9) were produced.

セルスタック装置の各サンプルには、30個のセルを含むものとした。各サンプルにて使用したセルの形状は図1と同様の板形状とした。セル、セルスタック装置の製造方法は、上述と同様とした。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3、4と同様、1つの長円形状を採用した。第1シール材および第2シール材は、SiO−MgO−B
−Al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。
Each sample of the cell stack apparatus includes 30 cells. The shape of the cell used in each sample was the same plate shape as in FIG. The manufacturing method of the cell and cell stack device was the same as described above. The length in the longitudinal direction of the cell was 20 cm, the length in the width direction of the cell was 20 mm, and the thickness was 2 mm. As the shape of the opening of the support insertion hole, one elliptical shape was adopted as in FIGS. The first sealing material and the second sealing material are SiO 2 —MgO—B 2 O
A 5- Al 2 O 3 system was used. Stainless steel was used as the material for the support (manifold).

(気孔率の測定)
次に、上述のように作製したセルスタック装置の第2シール材の気孔率を測定した。その結果を表1に示す。
(Measurement of porosity)
Next, the porosity of the 2nd sealing material of the cell stack apparatus produced as mentioned above was measured. The results are shown in Table 1.

測定は、後述する試験の後に行った。測定は、上述したように、第2シール材の断面の機械研磨を行った後、断面の微構造を反射電子検出器を用いた走査型電子顕微鏡で観察して画像処理で面積割合を算出した。   The measurement was performed after the test described later. As described above, after the mechanical polishing of the cross section of the second sealing material as described above, the microstructure of the cross section was observed with a scanning electron microscope using a backscattered electron detector, and the area ratio was calculated by image processing. .

(耐久試験)
そして、上記各サンプルについて、「ガスタンク内に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10回繰り返す熱サイクル試験を行った。
(An endurance test)
For each of the above samples, a thermal cycle test that repeats 10 times “a pattern in which the ambient temperature is raised from room temperature to 750 ° C. in 1 hour and then lowered from 750 ° C. to room temperature in 2 hours while fuel gas is circulated in the gas tank”. Went.

この試験の後、ガスタンク内にヘリウムガスを流した。そして、ヘリウムガスのリーク発生有無を調べるために、各セルにハンディ型のリークディテクターを近づけて、各セルにおけるシール材との接合部にガスリークが生じているか確認した。各試料のスタックにおけるガスリークが生じたセルの本数をカウントした。その結果を表1に示す。S、A、B、C、Dはガスリークが発生したセルの本数がそれぞれ0本、1〜2本、3〜4本、5〜6本、7〜8本であることを意味する。   After this test, helium gas was flowed into the gas tank. Then, in order to investigate whether or not helium gas leak occurred, a handy type leak detector was brought close to each cell, and it was confirmed whether or not a gas leak occurred at the junction with the sealing material in each cell. The number of cells in which gas leak occurred in each sample stack was counted. The results are shown in Table 1. S, A, B, C, and D mean that the number of cells in which a gas leak has occurred is 0, 1-2, 3-4, 5-6, and 7-8, respectively.

また、ガスリークの確認の後、第2シール材におけるクラックの数の確認を行った。確認は、上述したように、第2シール材の断面の機械研磨を行った後、断面の微構造を反射電子検出器を用いた走査型電子顕微鏡で観察することによって行った。クラックは、1μmの長さに達しているものをクラックとカウントした。その結果を表1に示す。なお、第2シール材の断面を出すための切断及び研磨によって発生したクラックは、公知の解析手段で検出して除外し、上記の熱サイクル試験によって生じたクラックのみをカウント対象とした。   Further, after the gas leak was confirmed, the number of cracks in the second sealing material was confirmed. The confirmation was performed by observing the microstructure of the cross section with a scanning electron microscope using a backscattered electron detector after mechanical polishing of the cross section of the second sealing material as described above. A crack that reached a length of 1 μm was counted as a crack. The results are shown in Table 1. In addition, the crack which generate | occur | produced by the cutting | disconnection and grinding | polishing for taking out the cross section of a 2nd sealing material was excluded by detecting with a well-known analysis means, and only the crack which arose by the said heat cycle test was made into the count object.

Figure 0006599696
Figure 0006599696

(耐久試験結果)
表1から明らかなように、試料No.1では、ガスリークが生じたセルの本数が多く、第2シール材のクラックの数も多かった。これは、第2シール材は、支持体の一端部の周囲に、他の部分より気孔率が小さい第1領域を有していなかったからである。
(Endurance test results)
As is clear from Table 1, sample No. In 1, the number of cells in which gas leak occurred was large, and the number of cracks in the second sealing material was also large. This is because the second sealing material did not have the first region having a lower porosity than the other portions around the one end of the support.

また、試料No.2では、試料No.1と比較して、ガスリークが生じたセルの本数が少なく、第2シール材のクラックの数も少なかった。これは、第2シール材は、支持体の一端部の周囲に、他の部分より気孔率が小さい第1領域を有していたからである。   Sample No. In sample 2, sample no. Compared to 1, the number of cells in which gas leak occurred was small, and the number of cracks in the second sealing material was also small. This is because the second sealing material has a first region having a lower porosity than the other part around one end of the support.

また、試料No.3では、試料No.2と比較して、ガスリークが生じたセルの本数が少なく、第2シール材のクラックの数も少なかった。これは、第1領域の気孔率は5%以下だったからである。   Sample No. 3 sample No. 3 Compared with 2, the number of cells in which gas leak occurred was small, and the number of cracks in the second sealing material was also small. This is because the porosity of the first region was 5% or less.

また、試料No.4では、試料No.3と比較して、ガスリークが生じたセルの本数が少なく、第2シール材のクラックの数も少なかった。これは、他の部分においては、第2シール材の表層側が、凹溝の底面側よりも気孔率が小さかったからである。   Sample No. 4, sample no. Compared with 3, the number of cells in which a gas leak occurred was small, and the number of cracks in the second sealing material was also small. This is because, in other parts, the surface layer side of the second sealing material has a lower porosity than the bottom surface side of the groove.

また、試料No.5〜9では、試料No.4と比較して、ガスリークが生じたセルの本数が少なく、第2シール材のクラックの数も少なかった。これは、他の部分における第2シール材の表層側の気孔率は6%以下だったからである。   Sample No. 5-9, sample no. Compared with 4, the number of cells in which a gas leak occurred was small, and the number of cracks in the second sealing material was also small. This is because the porosity on the surface layer side of the second sealing material in the other portions was 6% or less.

なお、シール材として、SiO−MgO−B−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。 It was confirmed that the same test results as described above were obtained when the SiO 2 —MgO—B 2 O 5 —ZnO system was used as the sealing material.

1:セル
2:支持基板
2a:ガス流路
3:燃料極
4:固体電解質層
5:空気極
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
8a:第1シール材
8b:第2シール材
81:第1領域
82:他の部分
82a:表層側
82b:底面側
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
20:モジュール
40:モジュール収容装置
1: cell 2: support substrate 2a: gas flow path 3: fuel electrode 4: solid electrolyte layer 5: air electrode 6: interconnector 7: manifold 7a: support 7b: gas tank 8a: first sealing material 8b: second seal Material 81: First region 82: Other portion 82a: Surface layer side 82b: Bottom surface side 9a: Conductive member 9b: End conductive member 10, 100, 110: Cell stack device 11: Conductive unit 12: Gas flow pipe 13: Modified Quality device 14: Storage container 15: Air introduction member 16: Raw fuel supply pipe 20: Module 40: Module storage device

Claims (7)

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挿入される一又は複数の挿入口を有している支持体と、
前記複数個のセルの一端と前記挿入口の内壁とを接合している第1シール材と、
前記挿入口を介して前記複数個のセルに反応ガスを供給するための開口部を有しており、該開口部の周囲に設けられた凹溝を有するガスタンクと、を具備し、
前記支持体の一端部は、前記ガスタンクの前記凹溝に充填された第2シール材により前記ガスタンクと接合されており、
前記第2シール材は、前記支持体の一端部の周囲に、他の部分より気孔率が小さい第1領域を有しているとともに、
前記第2シール材は造孔材を含み、前記第1領域における前記造孔材の含有量は前記他の部分より少ない
セルスタック装置。
A cell stack in which a plurality of cells are arranged;
A support having one or more insertion ports into which one ends of the plurality of cells are inserted;
A first sealing material joining one end of the plurality of cells and the inner wall of the insertion port;
A gas tank having an opening for supplying a reaction gas to the plurality of cells through the insertion port, and having a concave groove provided around the opening;
One end of the support is joined to the gas tank by a second sealing material filled in the concave groove of the gas tank,
The second sealing material has a first region having a lower porosity than other portions around one end of the support ,
The cell stack device, wherein the second sealing material includes a pore former, and the content of the pore former in the first region is smaller than that of the other portions .
前記他の部分においては、前記第2シール材の表層側が、前記凹溝の底面側よりも気孔率が小さい
請求項1に記載のセルスタック装置。
The cell stack device according to claim 1, wherein in the other portion, the surface layer side of the second sealing material has a lower porosity than the bottom surface side of the concave groove.
断面視において、前記他の部分における前記凹溝の底面側の気孔は楕円形状であり、長軸が前記支持体の一端部に向いていない
請求項2に記載のセルスタック装置。
3. The cell stack device according to claim 2, wherein, in a cross-sectional view, the pores on the bottom surface side of the concave groove in the other portion have an elliptical shape, and the long axis does not face one end of the support.
前記第1領域の気孔率は5%以下である
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。
The cell stack device according to any one of claims 1 to 3, wherein the porosity of the first region is 5% or less.
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挿入される一又は複数の挿入口を有している支持体と、
前記複数個のセルの一端と前記挿入口の内壁とを接合している第1シール材と、
前記挿入口を介して前記複数個のセルに反応ガスを供給するための開口部を有しており、該開口部の周囲に設けられた凹溝を有するガスタンクと、を具備し、
前記支持体の一端部は、前記ガスタンクの前記凹溝に充填された第2シール材により前記ガスタンクと接合されており、
前記第2シール材は、前記支持体の一端部の周囲に、他の部分より気孔率が小さい第1
領域を有しているとともに、
前記他の部分における前記第2シール材の表層側が、前記凹溝の底面側よりも気孔率が小さく、前記底面側の気孔率は8%以上であ
ルスタック装置。
A cell stack in which a plurality of cells are arranged;
A support having one or more insertion ports into which one ends of the plurality of cells are inserted;
A first sealing material joining one end of the plurality of cells and the inner wall of the insertion port;
A gas tank having an opening for supplying a reaction gas to the plurality of cells through the insertion port, and having a concave groove provided around the opening;
One end of the support is joined to the gas tank by a second sealing material filled in the concave groove of the gas tank,
The second sealing material is a first material having a lower porosity than the other part around one end of the support.
Having an area,
Surface side of the second sealing member in the other part, smaller porosity than the bottom side of the groove, the porosity of the bottom side is Ru der least 8%
Se Rusutakku apparatus.
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納してなることを特徴とするモジュール。   A module comprising the cell stack device according to any one of claims 1 to 5 stored in a storage container. 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。   A module housing device comprising the module according to claim 6 and an auxiliary machine for operating the module in an outer case.
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