JP7381367B2

JP7381367B2 - 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: JP7381367B2
Application number: JP2020034267A
Authority: JP
Inventors: 崇大新地
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2020-02-28
Filing date: 2020-02-28
Publication date: 2023-11-15
Anticipated expiration: 2040-02-28
Also published as: JP2024012502A; JP2021136224A

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構成される燃料電池セルスタック装置が種々提案されている。

国際公開第２００９／１３１１８０号

かかる燃料電池セルスタック装置では、例えばＣｒを含有する集電部材によりそれぞれ電気的に直列に接続されている。

しかしながら、かかる構造は、集電部材とセルとの接合部分の耐久性に改善の余地があった。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、耐久性が高いセルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置を提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係るセルスタック装置は、複数のセルと、導電部材と、接合材とを備える。セルは、素子部を有する。導電部材は、クロムを含有する基材と、基材を覆う被膜とを有する。接合材は、前記被膜の第１面と前記素子部との間に位置する。前記第１面は、酸化雰囲気に露出する前記被膜の第２面よりも表面粗さが大きい。

また、本開示のモジュールは、上記に記載のセルスタック装置と、前記セルスタック装置を収納する収納容器とを備える。

また、本開示のモジュール収容装置は、上記に記載のモジュールと、前記モジュールの運転を行うための補機と、前記モジュールおよび前記補機を収容する外装ケースとを備える。

実施形態の一態様によれば、耐久性が高いセルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置が提供可能となる。

図１Ａは、実施形態に係るセルの一例を示す横断面図である。図１Ｂは、実施形態に係るセルの一例を空気極側からみた側面図である。図１Ｃは、実施形態に係るセルの一例をインターコネクタ側からみた側面図である。図２Ａは、実施形態に係るセルスタック装置の一例を示す斜視図である。図２Ｂは、図２Ａに示すＸ－Ｘ線の断面図である。図２Ｃは、実施形態に係るセルスタック装置の一例を示す上面図である。図３は、実施形態に係る導電部材の一例を示す横断面図である。図４は、図３に示す領域Ａの拡大図である。図５は、図３に示すＢ－Ｂ線に沿った断面図である。図６Ａは、図５に示す領域Ｃの拡大図である。図６Ｂは、図６Ａに示す領域Ｅの拡大図である。図６Ｃは、図６Ｂに示す被膜の平面図である。図７は、実施形態に係る導電部材の一例を示す平面図である。図８は、実施形態に係るモジュールの一例を示す外観斜視図である。図９は、実施形態に係る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。図１０は、実施形態の変形例１に係るセルを示す断面図である。図１１は、実施形態の変形例１に係る導電部材の拡大断面図である。図１２は、実施形態の変形例２に係る平板型セルを示す斜視図である。図１３は、図１２に示す平板型セルの部分断面図である。

以下、添付図面を参照して、本願の開示するセルスタック装置、モジュールおよびモジュール収容装置の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。さらに、図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

＜セルの構成＞
まず、図１Ａ～図１Ｃを参照しながら、実施形態に係るセルスタック装置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。

図１Ａは、実施形態に係るセル１の一例を示す横断面図であり、図１Ｂは、実施形態に係るセル１の一例を空気極５側からみた側面図であり、図１Ｃは、実施形態に係るセル１の一例をインターコネクタ６側からみた側面図である。なお、図１Ａ～図１Ｃは、セル１の各構成の一部を拡大して示している。

図１Ａ～図１Ｃ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１Ｂに示すように、セル１の全体を側面から見た形状は、たとえば、長さ方向Ｌの辺の長さが５ｃｍ～５０ｃｍで、この長さ方向Ｌに直交する幅方向Ｗの長さが１ｃｍ～１０ｃｍの長方形である。このセル１の全体の厚さ（厚み方向Ｔ）は１ｍｍ～５ｍｍである。

図１Ａに示すように、セル１は、導電性の支持基板２と、素子部と、インターコネクタ６とを備えている。支持基板２は、一対の対向する平坦面ｎ１、ｎ２、およびかかる平坦面ｎ１、ｎ２を接続する一対の円弧状の側面ｍを有する柱状である。

素子部は、支持基板２の一方の平坦面ｎ１上に設けられている。かかる素子部は、燃料極３と、固体電解質層４と、空気極５とを有している。また、図１Ａに示す例では、セル１の他方の平坦面ｎ２上にインターコネクタ６が設けられている。

また、図１Ｂに示すように、空気極５はセル１の下端まで延びていない。セル１の下端部では、固体電解質層４のみが表面に露出している。また、図１Ｃに示すように、インターコネクタ６がセル１の下端まで延びている。セル１の下端部では、インターコネクタ６および固体電解質層４が表面に露出している。なお、図１Ａに示すように、セル１の一対の円弧状の側面ｍにおける表面では、固体電解質層４が露出している。

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１Ａ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は、燃料ガスを燃料極３まで透過するためにガス透過性を有し、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を有している。

支持基板２の材料は、たとえば、鉄族金属成分および無機酸化物から構成される。たとえば、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。

燃料極３の材料には、一般的に公知のものを使用することができる。燃料極３は、多孔質の導電性セラミックス、たと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、部分安定化ジルコニアも含むものとする）とＮｉおよび／またはＮｉＯとから形成することができる。この希土類元素酸化物としては、たとえば、Ｙ_２Ｏ_３などが用いられる。

固体電解質層４は、燃料極３と空気極５との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している。

固体電解質層４は、たとえば、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。この希土類元素酸化物としては、たとえば、Ｙ_２Ｏ_３などが用いられる。なお、上記特性を有する限りにおいては、他の材料などを用いて固体電解質層４を形成してもよい。

空気極５の材料は、一般的に空気極に用いられるものであれば特に制限はない。空気極５は、たとえば、いわゆるＡＢＯ_３型のペロブスカイト型酸化物から構成され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の材料は、たとえば、ＡサイトにＳｒとＬａが共存する複合酸化物であってもよい。このような複合酸化物の例としては、Ｌａ_ｘＳｒ_１－ｘＣｏ_ｙＦｅ_１－ｙＯ_３、Ｌａ_ｘＳｒ_１－ｘＭｎＯ_３、Ｌａ_ｘＳｒ_１－ｘＦｅＯ_３、Ｌａ_ｘＳｒ_１－ｘＣｏＯ_３などが挙げられる。なお、ｘは０＜ｘ＜１、ｙは０＜ｙ＜１である。

また、空気極５は、ガス透過性を有し、その開気孔率が２０％以上、特に３０％～５０％の範囲にあることが好ましい。

インターコネクタ６の材料には、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（空気など）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あり、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。

＜セルスタック装置の構成＞
次に、上述したセル１を用いた本実施形態に係るセルスタック装置１０について、図２Ａ～図２Ｃを参照しながら説明する。図２Ａは、実施形態に係るセルスタック装置１０の一例を示す斜視図であり、図２Ｂは、図２Ａに示すＡ－Ａ線の断面図であり、図２Ｃは、実施形態に係るセルスタック装置１０の一例を示す上面図である。

図２Ａに示すように、セルスタック装置１０は、セル１の厚み方向Ｔ（図１Ａ参照）に配列（積層）された複数のセル１を有するセルスタック１１と、固定部材１２とを備える。

固定部材１２は、固定材１３と、支持部材１４とを有する。支持部材１４は、セル１を支持する。固定材１３は、セル１を支持部材１４に固定する。また、支持部材１４は、支持体１５と、ガスタンク１６とを有する。支持部材１４である支持体１５およびガスタンク１６は、金属製であり導電性を有している。

図２Ｂに示すように、支持体１５は、複数のセル１の下端部が挿入される挿入孔１５ａを有している。複数のセル１の下端部と挿入孔１５ａの内壁とは、固定材１３で接合されている。

ガスタンク１６は、挿入孔１５ａを介して複数のセル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１６ａを有する。支持体１５の一端部は、ガスタンク１６の凹溝１６ａに充填された接合材２１によって、ガスタンク１６と接合されている。

図２Ａに示す例では、支持部材１４である支持体１５とガスタンク１６とで形成される内部空間２２に燃料ガスが貯留される。ガスタンク１６にはガス流通管２０が接続されている。燃料ガスは、このガス流通管２０を通してガスタンク１６に供給され、ガスタンク１６からセル１の内部のガス流路２ａ（図１Ａ参照）に供給される。ガスタンク１６に供給される燃料ガスは、後述する改質器１０２（図８参照）で生成される。

水素リッチな燃料ガスは、原燃料を水蒸気改質などすることによって生成することができる。水蒸気改質により燃料ガスを生成する場合には、燃料ガスは水蒸気を含む。

図２Ａに示す例では、複数のセル１を有するセルスタック１１が２列設けられており、２列のセルスタック１１が、それぞれ支持体１５に固定されている。ガスタンク１６の上面には２つの貫通孔が設けられている。２つの貫通孔には、挿入孔１５ａに合わせるように各支持体１５が配置されている。内部空間２２は、１つのガスタンク１６と、２つの支持体１５とで形成される。

挿入孔１５ａの形状は、たとえば、上面視で長円形状である。挿入孔１５ａは、たとえば、セル１の配列方向すなわち厚み方向Ｔの長さが、セルスタック１１の両端に位置する２つの端部集電部材１７の間の距離よりも大きい。挿入孔１５ａの幅は、たとえば、セル１の幅方向Ｗ（図１Ａ参照）の長さよりも大きい。

図２Ｂに示すように、挿入孔１５ａの内壁とセル１の下端部との接合部において、固化された固定材１３が充填されている。これにより、挿入孔１５ａの内壁と複数個のセル１の下端部とがそれぞれ接合・固定され、また、セル１の下端部同士が接合・固定されている。各セル１のガス流路２ａは、下端部で支持部材１４の内部空間２２と連通している。

固定材１３および接合材２１は、ガラスなどの導電性が低いものを用いることができる。具体的な材料としては、非晶質ガラスなどでもよいが、結晶化ガラスとすることが好適である。

結晶化ガラスとしては、たとえば、ＳｉＯ_２－ＣａＯ系、ＭｇＯ－Ｂ_２Ｏ_３系、Ｌａ_２Ｏ_３－Ｂ_２Ｏ_３－ＭｇＯ系、Ｌａ_２Ｏ_３－Ｂ_２Ｏ_３－ＺｎＯ系、ＳｉＯ_２－ＣａＯ－ＺｎＯ系が採用され得るが、ＳｉＯ_２－ＭｇＯ系のうちいずれかの材料を用いてもよい。

また、図２Ｂに示すように、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１８が介在している。なお、セル１に接続された導電部材１８の詳細については、後述する。

また、図２Ｂに示すように、複数のセル１の配列方向における最も外側に位置するセル１に、端部集電部材１７が接続されている。端部集電部材１７は、セルスタック１１の外側に突出する導電部１９に接続されている。導電部１９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２Ａでは、端部集電部材１７の図示を省略している。

また、図２Ｃに示すように、セルスタック装置１０は、セル１がそれぞれ一列に並んで形成される２つのセルスタック１１Ａ、１１Ｂが直列に接続され、一つの電池として機能する。そのため、セルスタック装置１０の導電部１９は、正極端子１９Ａと、負極端子１９Ｂと、接続端子１９Ｃとに区別される。

正極端子１９Ａは、セルスタック１１が発電した電力を外部に出力する場合に正極として機能し、セルスタック１１Ａにおける正極側の端部集電部材１７に電気的に接続される。負極端子１９Ｂは、セルスタック１１が発電した電力を外部に出力する場合に負極として機能し、セルスタック１１Ｂにおける負極側の端部集電部材１７に電気的に接続される。

接続端子１９Ｃは、セルスタック１１Ａにおける負極側の端部集電部材１７と、セルスタック１１Ｂにおける正極側の端部集電部材１７とを電気的に接続する。

＜導電部材の詳細＞
つづいて、実施形態に係る導電部材１８の詳細について、図３を参照しながら説明する。図３は、実施形態に係る導電部材の一例を示す横断面図である。

図３に示すように、導電部材１８は、一方のセル１に接合される接合部１８ａと、他方のセル１に接合される接合部１８ｂとを有する。また、導電部材１８は、幅方向Ｗの両端に接続部１８ｃを有しており、接合部１８ａ，１８ｂを接続する。これにより、導電部材１８は、厚み方向Ｔに隣り合うセル１同士を接続することができる。なお、図３では、セル１の形状を単純化して図示している。

また、接合部１８ａ，１８ｂは、面１８１，１８２を有している。面１８１は、セル１と向かい合う面である。面１８２は、接合部１８ｂ，１８ａと向かい合う面である。以下、図４を参照して、導電部材１８についてさらに説明する。

図４は、図３に示す領域Ａの拡大図である。図４に示すように、導電部材１８（接合部１８ａ）は、接合材５０を介してセル１と接合されている。接合材５０は、導電性および耐熱性を有しており、導電部材１８を介したセル１間の導通が適切に行われる。接合材５０は、たとえば、セル１の空気極５（図１Ａ参照）に接合される接合材である。

導電部材１８は、基材４２と、被膜４３とを有している。基材４２は、導電性および耐熱性を有する。基材４２は、クロム（Ｃｒ）を含有する。基材４２は、たとえば、ステンレス鋼である。

被膜４３は、基材４２を被覆する。被膜４３は、導電性を有する。被膜４３は、たとえばＺｎＭｎＣｏＯ_４などの導電性酸化物である。被膜４３は、たとえば、電着塗装などによって基材４２の表面に位置させることができる。

かかる被膜４３で基材４２の表面を覆うことで、高温動作時に基材４２に含まれるクロム（Ｃｒ）が酸化雰囲気（外部空間２３）に脱離することを抑制することができる。これにより、導電部材１８の耐久性を高めることができる。

被膜４３は、導電部材１８の面１８１，１８２に位置している。面１８１は、面１８１ａ，１８１ｂを有している。面１８１ａは、被膜４３が接合材５０に接触する接触面であり、第１面の一例である。面１８１ｂは、被膜４３が外部空間２３に露出する露出面であり、第２面の一例である。かかる外部空間２３は、セル１の空気極５が露出する空間であり、酸素含有ガス（空気など）で満たされる。すなわち、外部空間２３は、酸化雰囲気である。

ところで、接合材５０にクラックが生じ、あるいは導電部材１８から接合材５０が剥離することによってセルスタック装置１０の耐久性が低下するおそれがあった。

そこで、実施形態では、導電部材１８の表面に位置する被膜４３のうち、接合材５０に面する部分の表面粗さを大きくすることとした。実施形態では、接合材５０に面する被膜４３の第１面としての面１８１ａは、被膜４３の他の部分の表面、たとえば、酸化雰囲気（外部空間２３）に露出する第２面としての面１８１ｂ，１８２よりも表面粗さが大きい。

これにより、接合材５０と導電部材１８の被膜４３との密着性を高めることができる。このため、導電部材１８から接合材５０が剥離し、あるいは接合材５０が破断することを抑制することができる。したがって、実施形態によれば、セルスタック装置１０の耐久性を高めることができる。

なお、上記では、導電部材１８の接合部１８ａを例に挙げて説明したが、接合部１８ｂも同様であり、詳細な説明は省略する。

また、図４では、面１８１は、接合材５０の端部に面する境界部１８１ｃを境に面１８１ａと面１８１ｂとに区分されたが、これに限らず、たとえば面１８１ａと面１８１ｂとの中間に位置する中間面（不図示）を有してもよい。かかる場合、中間面は、たとえば、面１８１ａと同じ表面粗さを有してもよく、また、面１８１ｂと同じ表面粗さを有してもてもよい。さらに、中間面は、たとえば、面１８１ａおよび面１８１ｂの中間の表面粗さを有してもよい。さらに、中間面は、たとえば、接合材５０に面してもよく、酸化雰囲気（外部空間２３）に露出してもよい。

以下では、本実施形態に係る導電部材１８について、図５～図６Ｃを参照して、さらに説明する。

図５は、図３に示すＢ－Ｂ線に沿った断面図である。図６Ａは、図５に示す領域Ｃの拡大図である。

導電部材１８は、セル１の長さ方向Ｌに延在している。図５に示すように、導電部材１８の接合部１８ａ，１８ｂは、セル１の長さ方向Ｌに沿って互い違いに複数位置している。導電部材１８は、接合部１８ａ，１８ｂのそれぞれでセル１と接触している。

また、図６Ａに示すように、導電部材１８（接合部１８ｂ）は、接合材５０を介してセル１の素子部と接合されている。接合材５０は、導電部材１８の面１８１とセル１との間に位置しており、導電部材１８とセル１とを接合する。

導電部材１８の基材４２を覆う被膜４３は、面１８１～１８４を有する。面１８１は、接合材５０を介してセル１と向かい合って位置している。面１８１は、接合材５０に接触する面１８１ａである。面１８２は、基材４２を挟んで面１８１と反対側に位置しており、酸化雰囲気に露出している。面１８３，１８４は、面１８１と面１８２とを接続する。面１８３，１８４は、導電部材１８の一部が接合材５０に埋没することで接合材５０に面する面１８３ａ，１８４ａと、酸化雰囲気に露出する面１８３ｂ，１８４ｂとをそれぞれ有する。

接合材５０に面する第１面としての面１８１ａ，１８３ａ，１８４ａは、酸化雰囲気に露出する第２面としての面１８２，１８３ｂ，１８４ｂよりも表面粗さが大きい。

なお、第１面としての面１８１ａ，１８３ａ，１８４ａは、表面粗さが互いに同じであってもよく、異なってもよい。

なお、上記では、導電部材１８の接合部１８ｂを例に挙げて説明したが、接合部１８ａも同様であり、詳細な説明は省略する。

（評価方法）
ここで、上記した第１面および第２面の表面粗さの大小は、ＪＩＳＢ０６３３；２００１に規定された算術平均粗さＲａに基づいて判定することができる。算術平均粗さＲａは、各面（第１面としての面１８１ａ，１８３ａ，１８４ａおよび第２面としての面１８１ｂ，１８２，１８３ｂ，１８４ｂ）に垂直な断面の画像解析により算出する。まず、導電部材１８および接合材５０を切り出して、樹脂に埋め込み、面粗さを計測する面に垂直な断面を研磨砥粒、ラッピングフィルム（♯８０００程度）等を用いて研磨し、鏡面状態の断面を得る。得られた断面を、走査型電子顕微鏡、光学式顕微鏡等を用いて撮影し、得られた画像を画像解析することで各面の算術平均粗さＲａをそれぞれ算出することができる。なお、後述する第１面および第２面の表面粗さについても、同様に算出することができる。

（製法）
実施形態に係る導電部材１８の被膜４３は、たとえば、溶射法、蒸着法、電着法、スパッタリング法などの方法で位置させることができる。また、たとえば基材４２表面に被覆材料を塗装し、その後焼成させて被膜４３としてもよい。

また、被膜４３の第１面および第２面は、たとえば、被膜４３表面のうち、第２面に相当する部分に研磨処理を行うことで第２面を形成し、残りの部分を第１面としてもよい。さらに、上記した被膜４３の形成時における各種条件を変更することで第１面および第２面をそれぞれ形成してもよい。たとえば、電着法では、被膜４３の材料に相当する電着膜の表面に複数の気泡が発生する場合がある。電着膜の表面に位置する気泡は、気泡跡として被膜４３の表面形状に反映される。このため、かかる気泡の発生を制御し、あるいは電着膜の表面に付着した気泡を部分的に除去することで気泡跡の面積率を調整し、第１面および第２面を位置させてもよい。

＜被膜の表面形状＞
次に、接合材５０に面する被膜４３の表面形状の一例について、図６Ｂ、図６Ｃを参照して説明する。図６Ｂは、図６Ａに示す領域Ｅの拡大図である。図６Ｃは、図６Ｂに示す被膜の平面図である。

図６Ｂ、図６Ｃに示すように、被膜４３は、基材４２から離れる方向に突出する凸部４３０を有する。凸部４３０は、平面視で環状を有している。図６Ｂ、図６Ｃに示した例では、被膜４３のうち、平面視で外縁４３２と内縁４３３との間に位置する部分が凸部４３０である。なお、凸部４３０の外側に位置する被膜４３の厚さｈ１は、外縁４３２の外側に位置する部分を、光干渉式膜厚計を用いて測定して得た値をいう。なお、得られた厚さｈ１が測定箇所ごとに相違する場合には、平均した値を厚さｈ１とする。測定箇所ごとに厚さｈ１が相違する場合には、５箇所測定し、最大値および最小値を除いた３つの値の平均した厚さをｈ１とする。また、特に断りの無い限り、以下の説明における被膜４３の各寸法についても、光干渉式膜厚計を用いて測定した結果に基づいて算出する。

図６Ｂに示すように、凸部４３０の外側に位置する被膜４３の厚さｈ１は、凸部４３０の内側に位置する被膜４３の厚さｈ３よりも大きい。これにより、凸部４３０に面する接合材５０と被膜４３との接触面積が増大することから、接合材５０と被膜４３との密着性を高めることができる。このため、導電部材１８の被膜４３から接合材５０が剥離し、あるいは接合材５０が破断することを抑制することができる。したがって、実施形態によれば、セルスタック装置１０の耐久性を高めることができる。なお、厚さｈ３は、凸部４３０の内縁４３３の内側に位置する被膜４３の外面４３４における被膜４３の平均厚さをいう。外面４３４は、基材４２との界面に平行であってもよく、基材４２との界面に対して傾斜していてもよい。また、外面４３４は、平面であってもよく、曲面であってもよい。

また、凸部４３０は、凸部４３０の外側に位置する被膜４３の厚さｈ１の１１０％以上の最大高さｈ２を有する。これにより、凸部４３０に面する接合材５０と被膜４３との接触面積が増大することから、接合材５０と被膜４３との密着性を高めることができる。このため、導電部材１８の被膜４３から接合材５０が剥離し、あるいは接合材５０が破断することを抑制することができる。したがって、実施形態によれば、セルスタック装置１０の耐久性を高めることができる。なお、最大高さｈ２は、凸部４３０の頂部４３１における被膜４３の厚さのうち、最大となる値をいう。

また、凸部４３０は、５０μｍ以上１００μｍ以下の外径Ｄを有する。これにより、凸部４３０に面する接合材５０と被膜４３とが適度に接触することから、接合材５０と被膜４３との密着性を高めることができる。このため、導電部材１８の被膜４３から接合材５０が剥離し、あるいは接合材５０が破断することを抑制することができる。したがって、実施形態によれば、セルスタック装置１０の耐久性を高めることができる。なお、外径Ｄは、凸部４３０の外縁４３２を平面視したときの円相当径をいう。

このような凸部４３０を位置させることにより、第２面よりも表面粗さが大きい第１面を形成することができる。なお、凸部４３０は、被膜４３の第２面に位置してもよい。かかる場合、第１面に位置する凸部４３０の面積率を、第２面に位置する凸部４３０の面積率よりも大きくすることにより、第１面の表面粗さを大きくすることができる。

図７は、実施形態に係る導電部材の一例を示す平面図である。図７に示すように、導電部材１８は、セル１の長さ方向Ｌに延在している。導電部材１８は、空気流入口（不図示）に近い第１部位Ｓ１と、空気流出口に近い第２部位Ｓ２とを有している。

ここで、第２部位Ｓ２に位置する被膜４３の第１面は、第１部位Ｓ１に位置する被膜４３の第１面よりも表面粗さが大きくてもよい。

実施形態に係るセルスタック装置１０では、第２部位Ｓ２に位置するセル１および導電部材１８は、第１部位Ｓ１に位置するセル１および導電部材１８と比較して変位しやすく、接合材５０と導電部材１８との接合部分に負荷がかかりやすい。このため、第２部位Ｓ２に位置する第１面の表面粗さを、第１部位Ｓ１に位置する第１面の表面粗さよりも大きくすることにより、たとえば、耐久性を高めることができる。

ここで、セル１の長さ方向Ｌに位置する導電部材１８の全長Ｌ３に対し、第１部位Ｓ１の長さＬ１と第２部位Ｓ２の長さＬ２との比（Ｌ１：Ｌ２）は、たとえば、１：５～５：１とすることができる。

＜モジュール＞
次に、上述したセルスタック装置１０を用いた本開示の実施形態に係るモジュール１００について、図８を用いて説明する。図８は、実施形態に係るモジュールを示す外観斜視図であり、収納容器１０１の一部である前面および後面を取り外し、内部に収納される燃料電池のセルスタック装置１０を後方に取り出した状態を示している。

図８に示すように、モジュール１００は、収納容器１０１内に、セルスタック装置１０を収納して構成される。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１０２が配置されている。

かかる改質器１０２では、原燃料供給管１０３を通じて供給される天然ガスや灯油などの原燃料を改質して燃料ガスを生成する。なお、改質器１０２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い。改質器１０２は、水を気化させるための気化部１０２ａ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１０２ｂとを備えることで水蒸気改質を行うことができる。

そして、改質器１０２で生成された燃料ガスは、ガス流通管２０を通じて固定部材１２に供給され、固定部材１２よりセル１の内部に設けられたガス流路２ａ（図１Ａ参照）に供給される。

また、上述の構成のモジュール１００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１００内の温度は５００～１０００℃程度となる。

このようなモジュール１００においては、上述したように、耐久性が高いセルスタック装置１０を収納して構成されることにより、耐久性が高いモジュール１００とすることができる。

＜モジュール収容装置＞
図９は、実施形態に係るモジュール収容装置の一例を示す分解斜視図である。実施形態に係るモジュール収容装置１１０は、外装ケースと、図８で示したモジュール１００と、図示しない補機と、を備えている。補器は、モジュール１００の運転を行う。モジュール１００および補器は、外装ケース内に収容されている。なお、図９においては一部構成を省略して示している。

図９に示すモジュール収容装置１１０の外装ケースは、支柱１１１と外装板１１２とを有する。仕切板１１３は、外装ケース内を上下に区画している。外装ケース内の仕切板１１３より上側の空間は、モジュール１００を収容するモジュール収容室１１４であり、外装ケース内の仕切板１１３より下側の空間は、モジュール１００を運転する補機を収容する補機収容室１１５である。なお、図９では、補機収容室１１５に収容する補機を省略して示している。

また、仕切板１１３は、補機収容室１１５の空気をモジュール収容室１１４側に流すための空気流通口１１６を有している。モジュール収容室１１４を構成する外装板１１２は、モジュール収容室１１４内の空気を排気するための排気口１１７を有している。

このようなモジュール収容装置１１０においては、上述したように、耐久性が高いモジュール１００をモジュール収容室１１４に備えていることにより、耐久性が高いモジュール収容装置１１０とすることができる。

＜各種変形例＞
つづいて、実施形態の各種変形例に係る導電部材について、図１０～図１３を参照しながら説明する。

上述の実施形態では、支持基板の表面に燃料極、固体電解質層および空気極を含む素子部が１つのみ設けられたいわゆる「縦縞型」を例示したが、支持基板の表面の互いに離れた複数個所にて素子部がそれぞれ設けられ、隣り合う素子部の間が電気的に接続されたいわゆる「横縞型」のセルを積層した横縞型セルスタック装置に適用することができる。

また、本実施形態では、中空平板型の支持基板を用いた場合を例示したが、円筒型の支持基板を用いたセルスタック装置に適用することもできる。また、後述するように、いわゆる「平板型」のセルを厚み方向に積層した平板型セルスタック装置に適用することもできる。

また、上記実施形態では、支持基板上に燃料極が設けられ、空気極がセルの表面に配置された例を示したが、これとは逆の配置、すなわち支持基板上に空気極が設けられ、燃料極がセルの表面に配置されたセルスタック装置に適用することもできる。

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。

図１０は、実施形態の変形例１に係るセルを示す断面図である。図１１は、実施形態の変形例１に係る導電部材の拡大断面図である。図１０に示すように、セルスタック装置１０Ａは、燃料ガスを流通させる配管７３から複数の支持基板７１が長さ方向Ｌに延びている。支持基板７１の内部には、配管７３からのガスが流れるガス流路７４が設けられている。各支持基板７１は、導電部材７８を介して互いに電気的に接続されている。導電部材７８は、各支持基板７１がそれぞれ有する素子部１Ａの間に位置しており、隣り合う支持基板７１を接続している。

図１１に示すように、導電部材７８は、接合材５０ａ，５０ｂを介して互いに隣り合う各セルの素子部１Ａとそれぞれ接合されている。接合材５０ａは、導電部材７８の面７８１ａと一方のセル（素子部１Ａ）との間に位置しており、導電部材７８と一方のセルとを接合する。接合材５０ｂは、導電部材７８の面７８１ｂと他方のセル（素子部１Ａ）との間に位置しており、導電部材７８と他方のセルとを接合する。

導電部材７８は、基材８２と、被膜８３とを有している。導電部材７８を構成する各部位は、たとえば、先に述べた導電部材１８と同様の材料で構成することができる。また、導電部材７８は、導電部材１８とは異なる材料で構成されてもよい。

被膜８３は、セルの配列方向および長さ方向Ｌの全体にわたって基材８２を覆っている。

また、被膜８３は、面７８１ａ，７８１ｂ，７８３，７８４を有する。面７８１ａは、接合材５０ａに面している。面７８１ｂは、接合材５０ｂに面している。面７８３，７８４は、酸化雰囲気に露出している。

ここで、第１面としての面７８１ａ，７８１ｂは、第２面としての面７８３，７８４よりも表面粗さが大きい。これにより、接合材５０ａ，５０ｂと被膜４３との密着性を高めることができる。このため、導電部材１８の被膜４３から接合材５０ａ，５０ｂが剥離し、あるいは接合材５０ａ，５０ｂが破断することを抑制することができる。したがって、実施形態によれば、セルスタック装置１０Ａの耐久性を高めることができる。

なお、図１１に示した例では、接合材５０ａ，５０ｂは面７８１ａ，７８１ｂにのみ面していたが、これに限らず、面７８３，７８４の一部に面していてもよい。

図１２は、実施形態の変形例２に係る平板型セルを示す斜視図である。図１３は、図１２に示す平板型セルの部分断面図である。

図１２に示すように、セル１Ｂは、燃料極３、固体電解質層４および空気極５が積層された素子部９０を有している。複数の平板型セルを積層させたセルスタック装置は、たとえば複数のセル１Ｂが、互いに隣り合う金属層である導電部材９１，９２により電気的に接続されている。導電部材９１，９２は、隣接するセル１Ｂ同士を電気的に接続するとともに、燃料極３または空気極５にガスを供給するガス流路を有している。

図１３に示すように、本変形例では、導電部材９２は、空気極５にガスを供給するガス流路９９を有している。導電部材９２は、接合材５０ｃを介して素子部９０（空気極５）と接合されている。

導電部材９２は、基材９５と、被膜９６とを有している。導電部材９２を構成する各部位は、たとえば、先に述べた導電部材１８，７８と同様の材料で構成することができる。また、導電部材９２は、導電部材１８，７８とは異なる材料で構成されてもよい。

被膜９６は、ガス流路９９と向かい合う全体にわたって基材９５を覆っている。

また、被膜９６は、面９２１～９２３を有する。面９２１は、接合材５０ｃに面している。面９２２，９２３は、酸化雰囲気（ガス流路９９）に露出している。

ここで、第１面としての面９２１は、第２面としての面９２２，９２３よりも表面粗さが大きい。これにより、接合材５０ｃと被膜９６との密着性を高めることができる。このため、導電部材９２の被膜９６から接合材５０ｃが剥離し、あるいは接合材５０ｃが破断することを抑制することができる。したがって、実施形態によれば、セル１Ｂを積層させたセルスタック装置の耐久性を高めることができる。

なお、図１３に示した例では、接合材５０ｃは面９２１にのみ面していたが、これに限らず、面９２２の一部に面していてもよい。

以上、本開示について詳細に説明したが、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示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。

以上のように、実施形態に係るセルスタック装置１０は、複数のセル１と、導電部材１８と、接合材５０とを備える。セル１は、素子部を有する。導電部材１８は、クロムを含有する基材４２と、基材４２を覆う被膜４３とを有する。接合材５０は、被膜４３の第１面と素子部との間に位置する。第１面は、酸化雰囲気に露出する被膜４３の第２面よりも表面粗さが大きい。これにより、セルスタック装置１０の耐久性を高めることができる。

また、実施形態に係るモジュール１００は、上記に記載のセルスタック装置１０と、セルスタック装置１０を収納する収納容器１０１とを備える。これにより、耐久性が高いモジュール１００とすることができる。

また、実施形態に係るモジュール収容装置１１０は、上記に記載のモジュール１００と、モジュール１００の運転を行うための補機と、モジュール１００および補機を収容する外装ケースとを備える。これにより、耐久性が高いモジュール収容装置１１０とすることができる。

今回開示された実施形態は全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。実に、上記した実施形態は多様な形態で具現され得る。また、上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。

１セル
１０セルスタック装置
１１セルスタック
１２固定部材
１３固定材
１４支持部材
１５支持体
１６ガスタンク
１７端部集電部材
１８導電部材
４２基材
４３被膜
１００モジュール
１１０モジュール収容装置

Claims

素子部を有する複数のセルと、
クロムを含有する基材と、前記基材を覆う被膜とを有する導電部材と、
前記被膜の第１面と前記素子部との間に位置する接合材と
を備え、
前記被膜は、前記第１面に位置し、前記基材から離れる方向に突出する平面視で環状の凸部を有し、
前記凸部は、前記凸部の外側に位置する被膜の厚さの１１０％以上の最大高さを有し、
前記第１面は、酸化雰囲気に露出する前記被膜の第２面よりも表面粗さが大きい
セルスタック装置。
前記導電部材は、空気流入口に近い第１部位と、空気流出口に近い第２部位とを有し、
前記第２部位に位置する前記第１面は、前記第１部位に位置する前記第１面よりも表面粗さが大きい
請求項１に記載のセルスタック装置。
前記凸部は、５０μｍ以上１００μｍ以下の外径を有する
請求項１または２に記載のセルスタック装置。
前記凸部の外側に位置する前記被膜の厚さは、前記凸部の内側に位置する前記被膜の厚さよりも大きい
請求項１～３のいずれか１つに記載のセルスタック装置。
前記凸部が、前記第２面にさらに位置し、
前記第１面に位置する前記凸部の面積率は、前記第２面に位置する前記凸部の面積率よりも大きい
請求項１～４のいずれか１つに記載のセルスタック装置。
前記被膜は、導電性を有する
請求項１～５のいずれか１つに記載のセルスタック装置。
前記被膜は、１０μｍ以上の厚さを有する
請求項１～６のいずれか１つに記載のセルスタック装置。
請求項１～７のいずれか１つに記載のセルスタック装置と、
前記セルスタック装置を収納する収納容器と
を備えるモジュール。
請求項８に記載のモジュールと、
前記モジュールの運転を行うための補機と、
前記モジュールおよび前記補機を収容する外装ケースと
を備えるモジュール収容装置。