JP6818763B2 - セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収納装置 - Google Patents

Description

本開示は、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収納装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と空気（酸素含有ガス）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マニホールドに複数配列されてなるセルスタック装置が提案されている。金属よりなるマニホールドには、その内部空間にガスを導入するための金属よりなる燃料ガス供給管が設けられている。燃料ガス供給管の一端部が、マニホールドに設けられた挿入部に挿入され、燃料ガス供給管とマニホールドとが溶接等により接合されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１４−１４３１６２号公報

本開示のセルスタック装置は、内部にガス流路を有する柱状のセルを複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなるセルスタックと、前記セルの下端を固定するとともに前記セルの前記ガス流路に反応ガスを供給するためのマニホールドと、該マニホールドに接続され、前記反応ガスを前記マニホールドに供給するための反応ガス供給管と、を備え、前記マニホールド及び前記反応ガス供給管は金属よりなり、前記マニホールドは前記反応ガス供給管を接続するための挿入部を有するとともに、該挿入部と前記反応ガス供給管との間に隙間を有し、前記挿入部と前記反応ガス供給管とを接合するとともに前記マニホールドの外部側における前記隙間の一端を封止する第１接合部を有し、前記反応ガス供給管の挿入方向に沿った任意の断面において、前記第１接合部はメニスカス状であって、前記挿入方向における前記第１接合部と前記反応ガス供給管との接合長さは、前記反応ガス供給管の厚みより長く、前記挿入方向における前記隙間の長さが前記マニホールドの厚みより長い。

本開示のモジュールは収納容器内に上述のセルスタック装置を収納してなる。

本開示のモジュール収納装置は、上述のモジュールと、該モジュールを作動させるための補機とを、外装ケース内に収納してなる。

本実施形態のセルスタック装置の一例を示す側面図および部分断面図である。 図１のＴ部の一例を示す拡大断面図である。 図１のＴ部の他の例を示す拡大断面図である。 図１の接続部のＳＥＭ写真である。 図１のＴ部の一例を示す拡大断面部である。 本実施形態のセルスタック装置の他の例を示す外観斜視図である。 図６で示したセルスタック装置の一部を省略した平面図である。 図７のＸ−Ｘ線断面図で一部は側面図である。 図８のＢ部の一例を示す拡大断面部である。 図８のＢ部の他の例を示す拡大断面部である。 本実施形態のモジュールの一例を示す外観斜視図である。 本実施形態のモジュール収納装置の一例を、一部を省略して示す斜視図である。

図１〜１２を用いて、セルスタック装置、モジュールおよびモジュール収納装置について説明する。

図１〜１２に示すセルスタック装置は、セルである燃料電池セルを複数個配列してなり、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は本実施形態のセルスタック装置の一例を示す側面図であり、一部は分かりやすくするために部分断面図としている。なお、以降の図において同一の部材については同一の番号を付するものとする。

図１に示すセルスタック装置１は、柱状の複数の燃料電池セル３を備えるセルスタック２を有している。燃料電池セル３は、内部にガス流路を有して、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の一方の平坦面上に、内側電極層としての燃料極層と、固体電解質層と、外側電極層としての空気極層とを順次積層してなる。他方の平坦面のうち空気極層が形成されていない部位にインターコネクタが積層されている。そして、隣接する燃料電池セル３間に導電部材を介して配置することで、燃料電池セル３同士が電気的に直列に接続される。燃料電池セル３の各部材の説明は後述する。なお、以下の説明において、内側電極層として燃料極層、外側電極層として空気極層の燃料電池セルを用いて説明するが、内側電極層として空気極層、外側電極層として燃料極層の燃料電池セルとすることもできる。

（セルスタック装置）
図１に示すセルスタック装置１は、燃料電池セル３の下端をガラスシール材等の絶縁性接着材（図示せず）でマニホールド４に固定してなるセルスタック５を備えている。図１で示す実施形態において、マニホールドは、上壁、下壁、及び複数の側壁を有する箱型の部材である。

セルスタック５の端部には、セルスタック５（燃料電池セル３）の発電により生じた電気を集電して外部に引き出すための、導電部１２を有する端部導電部材１１が配置されている。

セルスタック５の上方には、燃料電池セル３に供給する反応ガスである燃料ガス（以下単にガスという場合がある）を生成するためのガス供給源としての改質器６が配置されている。セルスタック装置１を、改質器６を含むものとすることもできる。

図１に示す改質器６においては、原燃料供給管１０を介して供給される天然ガスや灯油等の原燃料を改質してガスを生成する。なお、改質器６は、効率のよい改質反応である水蒸気改質を行うことができる構造とすることができる。水を気化させるための気化部７と、原燃料をガスに改質するための改質触媒（図示せず）が配置された改質部８とを備えている。そして、改質器６で生成されたガスは、反応ガス供給管である燃料ガス供給管９を介してマニホールド４に供給され、マニホールド４より燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路に供給される。なお、内側電極層として空気極層の燃料電池セルを用いる場合は、反応ガス供給管として、酸素含有ガス供給管とすることができる。

図１において燃料ガス供給管９およびマニホールド４は断面図で示し、それ以外は側面図で示している。

図２は、図１のＴ部の一例を示す拡大断面図である。

燃料ガス供給管９は、一端が改質器６に接続されるとともに、他端がマニホールド４に設けられた挿入部１４に挿入されてマニホールド４に接合されている。マニホールド４及び燃料ガス供給管９は、アルミナ形成ステンレス鋼またはクロミア形成ステンレス鋼等の耐熱性の金属から作製することができる。挿入部１４は、マニホールド４に設けられた貫通口であり、図２に示す実施形態においてはマニホールド４の上面に設けられているが、マニホールド４のいずかの面に設けられていればよい。燃料ガス供給管９及びマニホールド４の厚みは、０．５ｍｍ〜３ｍｍとすることができる。

図２で示すように、マニホールド４の挿入部１４と燃料ガス供給管９との間には隙間１４ａが設けられている。これにより、燃料ガス供給管９が挿入部１４内で動きやすくなって、燃料ガス供給管９とマニホールド４との第１接合部１７（以下、第１接合部という。）の応力を緩和でき、燃料ガス供給管９とマニホールド４とを強固に接合できる。隙間１４ａは、一部のみに設けられていてもよく、挿入部１４と燃料ガス供給管９との全周に亘って設けられていてもよい。隙間１４ａは、０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍとすることができる。

本実施形態のセルスタック装置１は、図２に示すように、挿入部１４と、燃料ガス供給管９とが接合されて隙間１４ａの一端を封止する第１接合部１７を有している。燃料ガス供給管９の挿入方向に沿った任意の断面において、第１接合部はメニスカス状であって、挿入方向における第１接合部１７と燃料ガス供給管９との接合長さＤ１は、燃料ガス供給管９の厚みＤ２より長い。

これにより、燃料ガス供給管９とマニホールド４との第１接合部１７の靱性を高く保つことができ、第１接合部１７のクラックを抑制することができる。すなわち、セルスタック装置１、モジュール２０およびモジュール収納装置４０の長期信頼性を向上することができる。

なお、「隙間の一端を封止する」とは、マニホールド４の内部側における隙間１４ａの一端を封止してもよく、マニホールド４の外部側における隙間１４ａの一端を封止してもよいことを意味する。マニホールド４の内部側における隙間１４ａの一端を封止した場合には、第１接合部１７がマニホールド４の内部に設けられることとなる。なお、隙間１４ａの両端を封止してもよく、この場合には、第１接合部１７のうち水素含有ガスに晒される表面を第一表面Ｓ１といい、反対側の表面を第二表面Ｓ２という。

また、「第１接合部」とは、燃料ガス供給管９の挿入方向に沿った任意の断面において、第一表面Ｓ１、第二表面Ｓ２、第一表面Ｓ１と第二表面Ｓ２とのマニホールド４側の端とを結んだ線及び第一表面Ｓ１と第二表面Ｓ２との燃料ガス供給管９方側の端を結んだ線で囲まれた領域をいう。

また、「メニスカス状」とは、図２及び３で示すように凹型メニスカス状であってもよく、凸型メニスカス状であってもよい。

さらに、「燃料ガス供給管の厚み」Ｄ２とは、最も厚みが小さい部分における厚みをいう。但し、第１接合部１７と接している部分における燃料ガス供給管９の厚みは除くものとする。

ここで、第二表面Ｓ２は、表面付近の結晶の構造がデンドライド構造である部分とするもしくは、マニホールド４及び燃料ガス供給管９の其々の材料の組成と異なる部分とすることができる。

また、接合長さＤ１は、燃料ガス供給管９の厚みの２倍より短くてもよい。これにより、マニホールド４と燃料ガス供給管９とが第１接合部１７で必要以上に強固に接合され、第１接合部１７の動きの自由度が低下し、第１接合部１７に応力が集中することを抑制することができる。

また、燃料ガス供給管９の挿入方向に沿った任意の断面において、挿入方向における接合長さＤ１は、マニホールド４の厚みＤ３より長くなっていてもよい。これにより、マニホールド４が燃料ガス供給管９の挿入方向に振動した場合であっても第１接合部１７と燃料ガス供給管９との接合界面付近にクラックが発生することを抑制することができる。

なお「マニホールドの厚み」Ｄ３とは、挿入部１４が設けられているマニホールド４の壁のうち、最も厚みが小さい部分における厚みをいうが、第１接合部１７と接している部分におけるマニホールド４の厚みは除くものとする。

図３は、図１のＴ部の他の例を示す拡大断面図である。

図３で示す実施形態においては、燃料ガス供給管９の挿入方向における隙間１４ａの長さＤ４がマニホールド４の厚みＤ３より長い。これにより、隙間１４ａの長さＤ４がマニホールドの厚みＤ３より短い場合と比較し、隙間１４ａと接する第一表面Ｓ１に吹き付けられるガスの量を低減することができる。すなわち、第一表面Ｓ１における水素脆化を抑制することができる。

図３に示す実施形態とするためには、マニホールド４の外側における挿入部１４の周縁部に、燃料ガス供給管９に沿って改質器６側に延びた第１折り曲げ部１４ｂを設けることで実現することができる。第１折り曲げ部１４ｂを有することで、マニホールド４と燃料ガス供給管９とが接合しやすくなり、また挿入部１４に燃料ガス供給管９を挿入しやすくなる。なお、第１折り曲げ部１４ｂの高さＨ１は、例えば２ｍｍ〜５ｍｍとすることができる。

また、挿入部１４の外周部に、燃料ガス供給管９に沿って改質器６側に延びた輪状部材を別途設けてもよい。他の実施形態として、マニホールドの内側における挿入部の周縁部に折り曲げ部または輪状部材を設けてもよい。

図３に示す実施形態では、第１折り曲げ部１４ｂの先端部に第１接合部１７が設けられて、第１折り曲げ部１４ｂと燃料ガス供給管９とが第１接合部１７を介して接合されている。一方、他の実施形態として、マニホールド４側の第１折り曲げ部１４ｂに第１接合部１７が設けられていてもよい。

図４は、第１接合部１７の表面付近における断面の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。なお、図４においては、後述する結晶面積を測定した結果の状態を示している。

図４に示すように、第１接合部１７は、燃料ガス供給管９の挿入方向に沿った任意の断面において、第１接合部１７における長さ５００μｍの分析表面Ａ、分析表面Ａの両端ａ１、ａ２をそれぞれ始点とした長さ５００μｍの二つの垂線Ｂ１、Ｂ２及び二つの該垂線の終点ｃ１、ｃ２を結んだ線Ｃで囲まれた領域（以下、分析領域という。）における結晶のうち、平均結晶面積が１００００μｍ²以下とすることができる。これにより、第１接合部１７の強度を高くすることができる。さらに、第１接合部１７の強度をより高くするために、平均結晶面積が４０００μｍ²以下としてもよい。また、第１接合部１７の分析領域における結晶のうち全ての結晶の結晶面積（１つ１つの結晶）を４００００μｍ²以下としてもよい。なお、 「・・・で囲まれた領域における結晶」とは、分析領域内に完全に含まれる結晶だけでなく、分析領域内に一部が含まれる結晶も該当するものとする。

また、図４で示すように第１接合部１７の領域において第１接合部１７の長さ５００μｍ分析表面Ａに位置する結晶の平均結晶面積が５０００μｍ²以下とすることができる。これにより、クラックが発生しやすい第二表面付近の強度を高くすることができるため、さらに第１接合部１７の強度を高くすることができる。

第１接合部１７の断面における結晶の結晶面積を特定する方法を説明する。まず、走査電子顕微鏡を用いて第１接合部１７の第二表面を含む断面におけるチャネリングコントラスト像を得る。次いで、得たチャネリングコントラスト像において表れた結晶を特定する。最後に、特定した結晶のうち上述する分析領域に囲まれた結晶における結晶面積を画像解析等の方法で特定する。

以上説明した本実施形態のマニホールド４の作製方法の一例について説明する。

燃料ガス供給管９とマニホールド４とが接合された第１接合部１７は、冶金的接合法を用いてマニホールド４と燃料ガス供給管９とを接合することにより設けることができる。冶金的接合法とは、融接、圧接またはろう接によって接合する方法である。融接の例としては、レーザー溶接、プラズマアーク溶接、イナートガスアーク溶接、マグ溶接またはガス溶接などが挙げられる。また、圧接の例としては、超音波溶接、摩擦溶接または爆発溶接などが挙げられる。

第１接合部１７における燃料ガス供給管９の挿入方向に沿った任意の断面における第１接合部１７と燃料ガス供給管９との接合長さＤ１の調整及び第１接合部１７の第二表面の結晶の結晶面積の調整は、治金的接合方法の接合方法の各種条件を適宜調節することにより実現することができる。例えば、第１接合部１７を溶接により設ける場合には熱源の照射角度と照射出力とを調節することで実現することができる。

図５は、図１のＴ部の一例を示す拡大断面部である。本実施形態においては、第１接合部１７における角度θ１を３０°以下とすることができる。それにより、燃料ガス供給管９が変形したり動いたりしても、第１接合部１７にかかる応力、特には第１先端部１７ｂにかかる応力を緩和することができ、燃料ガス供給管９とマニホールド４との接合の信頼性を向上できる。

ここで、角度θ１は、図５に示したように、燃料ガス供給管９の挿入方向に沿った任意の断面において、第１接合部１７の第１先端部１７ｂからマニホールド４に向けて引いた垂線と、第１接合部１７の第１外形線Ｓ３のうち、第１接合部１７の第１底部１７ａから第１先端部１７ｂまでの高さの半分の高さに位置する第１の点１７ｃと第１先端部１７ｂとを結ぶ第１直線Ｌ１とのなす角度である。

また、第１接合部１７の破損等をより抑制するにあたっては、角度θ１が２０°以下となる形状とすることができる。

また、第１接合部１７は、凹状のメニスカス形状または直線状とすることができる。これにより、第１接合部１７にかかる応力が１点に集中することを抑制でき、第１接合部１７にかかる応力を緩和することができる。

図６は本実施形態のセルスタック装置の他の例を示す外観斜視図であり、図７は図６で示したセルスタック装置の一部を省略した平面図である。また、図８は、図７のＸ−Ｘ線断面図で燃料ガス供給管９、マニホールド４および整流板１６を断面図で示しており、それ以外は側面図で示している。

図６〜図８で示すセルスタック装置１１１におけるマニホールド４は、ガス流路と連通している空間を有する本体部４ａと本体部４ａから突出した鍔部４ｂとを有しており、本体部４ａの空間を介して、燃料電池セル３にガスを供給する。燃料ガス供給管９の他端は、鍔部４ｂを貫通して設けられた挿入部１４である第２貫通孔１４ｅに第１面ｎ１側より挿入されてマニホールド４に接合されている。さらに本体部４ａを貫通して設けられた挿入部１４である第２貫通孔１４ｅに第２面ｎ２側より挿入されてマニホールド４に接合されている。そして、マニホールド４は、燃料ガス供給管９の他端と離間してかつ該他端を覆う整流板１６を有している。言い換えれば、整流板１６は、流配分率向上のため、第２貫通孔１４ｅから流出するガスの流出方向に対し垂直に設けられている。また、整流板１６は開口部を有している。該開口部は、セルスタック５のうち整流板１６から離れた端部の燃料電池セル３に向かってガスが流出するように設けられていてもよい。なお、第１面ｎ１および第２面ｎ２とは、マニホールド４において、セルスタック５が接合され搭載される側の面を第１面ｎ１とし、該第１面と反対側の面を第２面ｎ２とする。

なお、第２貫通孔１４ｅと燃料ガス供給管９との接合（第１接合部）については、上述した図２〜図５の構成をとることができるため、説明は割愛し、以下においては、第２貫通孔１４ｅにおける燃料ガス供給管９との接合について説明する。

図９は、図８のＢ部の一例を示す拡大断面部である。本実施形態においては、燃料ガス供給管９の他端とマニホールド４とは第２接合部１８を介して接合されている。ここで、本実施形態においては、第２接合部１８における角度θ２を３０°以下とすることができる。それにより、燃料ガス供給管９が変形したり動いたりしても、第２接合部１８にかかる応力、特には第２先端部１８ｂにかかる応力を緩和することができ、燃料ガス供給管９とマニホールド４との接合の信頼性を向上できる。

ここで、角度θ２は、燃料ガス供給管９の挿入方向に沿った任意の断面において、第２接合部１８の第２先端部１８ｂからマニホールド４に向けて引いた垂線と、第２接合部１８の第２外形線Ｓ４のうち、第２接合部１８の第２底部１８ａから第２先端部１８ｂまでの高さの半分の高さに位置する第１の点１８ｃと第２先端部１８ｂとを結ぶ第２直線Ｌ２とのなす角度である。

また、第２接合部１８の破損等をより抑制するにあたっては、角度θ２が２０°以下となる形状とすることができる。

図９に示すように、第２接合部１８は、凹状のメニスカス形状または直線状である。これにより、第２接合部１８にかかる応力が１点に集中することを抑制でき、第２接合部１８にかかる応力を緩和することができる。

図１０は、図８のＢ部の他の例を示す拡大断面部である。

図１０に示す例においては、マニホールド４における第２貫通孔１４ｅの外周部に、燃料ガス供給管９に沿って改質器６側に延びた第２折り曲げ部１４ｃを有し、該第２折り曲げ部１４ｃの上端部と燃料ガス供給管９とが第２接合部１８を介して接合されている。これにより、マニホールド４が第２折り曲げ部１４ｃを有することで、マニホールド４と燃料ガス供給管９とが接合しやすくなり、また第２貫通孔１４ｅに燃料ガス供給管９を挿入しやすくなる。なお、第２折り曲げ部１４ｃの高さＨ２は、例えばが２ｍｍ〜５ｍｍとすることができる。

以上説明した本実施形態のマニホールド４の作製方法の一例について説明する。例えば図８に示すような、第２貫通孔１４ｅが鍔部４ｂに形成され、第２貫通孔１４ｅが本体部４ａに形成されているマニホールド４の作製方法について以下に詳述する。

第２貫通孔１４ｅは、パンチング加工等の加工法にて鍔部４ｂを貫通させて形成される。第２貫通孔１４ｅも同様に、パンチング加工等の加工法にて本体部４ａを貫通させて形成される。

燃料ガス供給管９とマニホールド４とが接合された第１接合部１７、第２接合部１８は、冶金的接合法を用いてマニホールド４の外側表面と燃料ガス供給管９とを接合することにより設けることができる。冶金的接合法とは、融接、圧接またはろう接によって接合する方法である。融接の例としては、レーザー溶接、プラズマアーク溶接、イナートガスアーク溶接、マグ溶接またはガス溶接などが挙げられる。また、圧接の例としては、超音波溶接、摩擦溶接または爆発溶接などが挙げられる。

また、マニホールド４において、第１折り曲げ部１４ｂ、第２折り曲げ部１４ｃをそれぞれ第２貫通孔１４ｄおよび第２貫通孔１４ｅの外周部に一体的に設けるには、第１折り曲げ部１４ｂ、第２折り曲げ部１４ｃの形状の金型を用い、プレス加工等の加工法で作製することができる。また、第１折り曲げ部１４ｂ、第２折り曲げ部１４ｃをそれぞれ第２貫通孔１４ｄおよび第２貫通孔１４ｅの外周部に別体で設ける場合には、第１折り曲げ部１４ｂ、第２折り曲げ部１４ｃの形状の部材を準備し、第２貫通孔１４ｄおよび第２貫通孔１４ｅの外周部に、それぞれの部材を上記した冶金的接合法で接合すればよい。

（セル）
燃料極層は、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、部分安定化ジルコニアも含む）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し、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。

酸素極層は、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。酸素極層はガス透過性を有しており、開気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲にある。

インターコネクタは、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、耐還元性および耐酸化性を有し、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）を用いることができる。インターコネクタは支持体に形成されたガス流路を流通する燃料ガス、および燃料電池セル３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あり、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有している。

支持体は、燃料ガスを燃料極層まで透過するためにガス透過性であり、さらには、インターコネクタを介して集電するために導電性である。したがって、支持体としては、かかる要求を満足する材質が用いられ、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。

また図１に示した燃料電池セル３において、柱状の支持体は、燃料電池セル３の立設方向に細長く延びる板状片であり、一対の対向する平坦面と半円形状の両側面を有する中空平板状である。そして燃料電池セル３の下端部と上述した導電部材の下端部とが、燃料電池セル３に燃料ガスを供給するマニホールド４に、例えばガラスシール材等の絶縁性接着材によって固定され、支持体に設けられたガス流路が、マニホールド４内の燃料ガス室に通じている。

燃料電池セル３を作製するにあたり、燃料極層または固体電解質層との同時焼成により支持体を作製する場合においては、Ｎｉ等の鉄属金属成分とＹ₂Ｏ₃等の特定の希土類元素酸化物とから支持体を形成することができる。また、支持体は、燃料ガス透過性を備えるために開気孔率が２０％以上、特に２５〜５０％の範囲にあり、そしてまたその導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上である。

ここで、燃料電池セル３は、燃料極層と酸素極層とが固体電解質層を介して対面している部分が発電の素子部として機能する。即ち、酸素極層の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持体内のガス通路に燃料ガス（水素含有ガス）を流し、所定の作動温度まで加熱することにより発電する。そして、かかる発電によって生成した電流は、支持体に設けられているインターコネクタを介して、上述した導電部材で集電される。

（モジュール）
図１１は、図１に示すセルスタックを収納容器に収納してなるモジュール２０を分解して示す外観斜視図である。直方体状の収納容器２２の内部に、図１に示したセルスタック装置１を収納して構成されている。

図１１においては、収納容器２１の一部（前後面）を取り外し、内部に収納されているセルスタック装置１および改質器６を後方に取り出した状態を示している。図１１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。

さらに、本実施形態のモジュール２０では、上述したセルスタック装置１を収納容器２１内に収納してなることから、耐久性が向上したモジュール２０とすることができる。

（モジュール収納装置）
図１２は、外装ケース内に図１１で示したモジュール２０と、セルスタック装置１を動作させるための補機とを収納してなるモジュール収納装置４０である燃料電池装置の一例を示す斜視図である。なお、図１２においては一部構成を省略して示している。

図１２に示すモジュール収納装置４０は、支柱４１と外装板４２と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ている。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類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に収納する補機類は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納装置４０においては、上述したように、耐久性が向上したモジュール２０をモジュール収納室４４に収納して構成されることにより、耐久性が向上したモジュール収納装置４０とすることができる。

本開示は上記の実施の形態の例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であれば種々の変更は可能である。例えば、上記形態ではいわゆる縦縞型と呼ばれるセルを用いて説明したが、一般に横縞型と呼ばれる複数の発電素子部を支持基板上に設けてなる横縞型のセルまたはいわゆる円筒型のセルを用いることもできる。

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ならびにモジュール収納装置４０について説明した。一方、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納装置である電解装置にも適用することができる。

（試料の作製）
上述したセルスタック装置について、上述した方法により、マニホールドと燃料ガス供給管とをレーザー溶接により接合し、表１〜４に示す試料を作製した。

セルスタック装置の各種部材は図１と同様とした。なお、本実施例において、セルスタック装置には改質器を含むものとした。燃料ガス供給管の厚みは０．９ｍｍであった。そして、第１接合部と燃料ガス供給管との接合長さまたは第１接合部の第二表面付近の結晶の結晶面積が異なる各試料をそれぞれ作製した。

（耐久性試験）
セルスタック装置の燃料電池セルのガス通路内に水素含有ガスを流し、更に燃料電池セルの外側（空気極層の外面）に空気を流し、８５０℃において２４時間発電させ、この後、水素含有ガスを停止し、自然冷却させた。当該手順の繰り返し回数が所定回数になる度に試験を停止し、クラックの発生の有無を確認した。その結果を表１〜４に示す。

なお、確認時にクラッ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。

試験結果を表１〜４に示す。なお、表１〜４には、第１接合部と燃料ガス供給管との接合長さ、平均結晶面積の値、最大結晶面積の値、第１接合部の表面に位置する結晶の平均結晶面積の値及び熱サイクル試験のサイクル回数を記載した。

（耐久性試験結果１）
接合長さが、０．８ｍｍである試料Ｎｏ．１と０．９ｍｍである試料Ｎｏ．２は４００回の熱サイクル試験で第１接合部にクラックが生じた。一方、接合長さが、１．０ｍｍ以上である試料Ｎｏ．３〜７は４００回の熱サイクル試験で第１接合部にクラックは生じなかった。

接合長さが、１．８以上である試料Ｎｏ．６、７は４２０回の熱サイクル試験で第１接合部にクラックが生じた。一方、接合長さが、１．０〜１．７である試料Ｎｏ．３〜５は４２０回の熱サイクル試験で第１接合部にクラックは生じなかった。

（耐久性試験結果２）
平均結晶面積の値が、１３１１９μｍ²である試料Ｎｏ．１と、１１０２１μｍ²である試料Ｎｏ．２は４４０回の熱サイクル試験で第１接合部にクラックが生じた。一方、平均結晶面積が、１００００μｍ²以下である試料Ｎｏ．３〜７は４４０回の熱サイクル試験で第１接合部にクラックは生じなかった。

平均結晶面積の値が、４０００μｍ²より大きい試料Ｎｏ．３〜５は４６０回の熱サイクル試験で第１接合部にクラックが生じた。一方、平均結晶面積が、４０００μｍ²以下である試料Ｎｏ．６、７は４６０回の熱サイクル試験で第１接合部にクラックは生じなかった。

（耐久性試験結果３）
最大結晶面積の値が、５１１２６μｍ²である試料Ｎｏ．１と、４３００４μｍ²である試料Ｎｏ．２は４８０回の熱サイクル試験で第１接合部にクラックが生じた。一方、最大結晶面積が、４００００μｍ²以下である試料Ｎｏ．３〜５は４８０回の熱サイクル試験で第１接合部にクラックは生じなかった。

（耐久性試験結果４）
表面平均結晶面積の値が、２５７２μｍ²である試料Ｎｏ．１と、２１２８μｍ²である試料Ｎｏ．２は５００回の熱サイクル試験で第１接合部にクラックが生じた。一方、表面平均結晶面積が、２０００μｍ²以下である試料Ｎｏ．３〜５は５００回の熱サイクル試験で第１接合部にクラックは生じなかった。

１：セルスタック装置
３：セル
４：マニホールド
５：セルスタック
６：反応ガス供給源（改質器）
９：反応ガス（燃料ガス）供給管
１４：挿入部
１４ａ：隙間
１４ｂ：第１折り曲げ部
１４ｃ：第２折り曲げ部
１４ｄ：第１貫通孔
１４ｅ：第２貫通孔
１７：第１接合部
１８：第２接合部
Ｄ１：接合長さ
Ｄ２：燃料ガス供給管厚み
Ｄ３：マニホールド厚み
Ｄ４：隙間長さ
２０：モジュール（燃料電池モジュール）
４０：モジュール収納装置（燃料電池装置）
Ｓ１:第一表面
Ｓ２:第二表面
Ｓ３：第１外形線
Ｓ４：第２外形線
Ｌ１：第１直線
Ｌ２：第２直線

Claims (15)

1. 内部にガス流路を有する柱状のセルを複数個立設させた状態で配列して電気的に接続してなるセルスタックと、
   前記セルの下端を固定するとともに前記セルの前記ガス流路に反応ガスを供給するためのマニホールドと、
   該マニホールドに接続され、前記反応ガスを前記マニホールドに供給するための反応ガス供給管と、を備え、
   前記マニホールド及び前記反応ガス供給管は金属よりなり、
   前記マニホールドは前記反応ガス供給管を接続するための挿入部を有するとともに、該挿入部と前記反応ガス供給管との間に隙間を有し、
   前記挿入部と前記反応ガス供給管とを接合するとともに前記マニホールドの外部側における前記隙間の一端を封止する第１接合部を有し、
   前記反応ガス供給管の挿入方向に沿った任意の断面において、
   前記第１接合部はメニスカス状であって、
   前記挿入方向における前記第１接合部と前記反応ガス供給管との接合長さは、前記反応ガス供給管の厚みより長く、前記挿入方向における前記隙間の長さが前記マニホールドの厚みより長いセルスタック装置。
2. 前記接合長さは、前記反応ガス供給管の厚みの２倍より短い請求項１に記載のセルスタック装置。
3. 前記反応ガス供給管の挿入方向に沿った任意の断面において、
   前記挿入方向における前記接合長さは、前記マニホールドの厚みより長い請求項１または２に記載のセルスタック装置。
4. 前記挿入方向に沿った任意の断面において、前記第１接合部における長さ５００μｍの表面、該表面の両端をそれぞれ始点とした長さ５００μｍの二つの垂線及び二つの該垂線の終点を結んだ線で囲まれた領域における結晶のうち、平均結晶面積が１００００μｍ^２以下である請求項１〜３のうちいずれかに記載のセルスタック装置。
5. 前記第１接合部の前記領域における結晶のうち、平均結晶面積が４０００μｍ^２以下である請求項４に記載のセルスタック装置。
6. 前記第１接合部の前記領域における結晶のうち全ての結晶の結晶面積が４００００μｍ
   ^２以下である請求項４または５に記載のセルスタック装置。
7. 前記第１接合部の前記領域において該第１接合部の表面に位置する結晶の平均結晶面積が２０００μｍ^２以下である請求項４〜６のうちいずれかに記載のセルスタック装置。
8. 該反応ガス供給管は、一端が反応ガス供給源に接続されるとともに、他端が前記マニホールドに設けられた第１貫通孔に挿入されて前記マニホールドに前記第１接合部を介して接合されており、
   前記反応ガス供給管の挿入方向に沿った任意の断面において、
   前記第１接合部の第１先端部から前記マニホールドに向けて引いた垂線と、
   前記第１接合部の第１外形線のうち、前記第１接合部の第１底部から前記第１先端部までの高さの半分の高さに位置する第１の点と前記第１先端部とを結ぶ第１直線とのなす角度θ１が３０°以下である請求項１〜７のうちいずれかに記載のセルスタック装置。
9. 前記第１接合部は、凹状のメニスカス形状または直線状である請求項１〜８のうちいずれかに記載のセルスタック装置。
10. 前記マニホールドにおける前記第１貫通孔の外周部に、前記反応ガス供給管に沿って前記反応ガス供給源側に延びた第１折り曲げ部を有し、
    該第１折り曲げ部の上端部と前記反応ガス供給管とが前記第１接合部を介して接合されている請求項１〜９のうちいずれかに記載のセルスタック装置。
11. 前記マニホールドは、前記ガス流路と連通している空間を有する本体部と本体部から突出した鍔部とを有しており、
    該鍔部が前記第１貫通孔を有し、前記本体部は第２貫通孔を有しており、
    該第２貫通孔に前記反応ガス供給管の他端が挿入されて、該他端と前記マニホールドとが第２接合部を介して接合されており、
    前記反応ガス供給管の挿入方向に沿った任意の断面において、
    前記第２接合部の第２先端部から前記マニホールドに向けて引いた垂線と、
    前記第２接合部の第２外形線のうち、前記第２接合部の第２底部から前記第２先端部までの高さの半分の高さに位置する第２の点と前記第２先端部とを結ぶ第２直線とのなす角度θ２が３０°以下である請求項１〜１０のうちいずれかに記載のセルスタック装置。
12. 前記第２接合部は、凹状のメニスカス形状または直線状である請求項１１に記載のセルスタック装置。
13. 前記マニホールドにおける前記第２貫通孔の外周部に、前記反応ガス供給管に沿って前記反応ガス供給源側に延びた第２折り曲げ部を有し、
    該第２折り曲げ部の上端部と前記反応ガス供給管とが接合されている請求項１１または請求項１２に記載のセルスタック装置。
14. 収納容器内に請求項１〜１３のうちいずれかに記載のセルスタック装置を収納してなるモジュール。
15. 請求項１４に記載のモジュールと、該モジュールを作動させるための補機とを、外装ケース内に収納してなるモジュール収納装置。