JP7546112B2 - セルスタック装置、モジュール及びモジュール収容装置 - Google Patents

Description

本開示は、セルスタック装置、モジュール及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、セルスタック装置を収容容器に収容した燃料電池装置が提案されている。セルスタック装置は、複数の燃料電池セル、当該複数の燃料電池セルを互いに電気的に接続する集電部材、及びガスタンクを備えている。立設された状態で配列された燃料電池セル及び集電部材の下端部は、ガスタンクに固定されている。

たとえば、特許文献１の燃料電池セルスタック装置では、複数の燃料電池セルの一端部が固定材で支持部材に接合されている。

特開２０１３－１５７１９１号公報

本開示のセルスタック装置は、少なくとも１つのセルと、支持部材と、前記セルと前記支持部材とを接合する接合部材と、を備える。前記支持部材は、支持部材本体、及び該支持部材本体と前記接合部材との間に位置しクラックを含むクラック含有層を有する。前記接合部材は、第１ガスに接する第１端部、及び第１ガスとは異なる第２ガスに接する第２端部を有する。前記支持部材と前記接合部材との界面に垂直な方向を第１方向とし、前記接合部材の前記第１端部から前記第２端部に向かう方向を第２方向としたとき、該第２方向において、前記クラックの最大長さが、前記接合部材の長さより小さい。

本開示のモジュールは、収容容器、及び該収容容器内に収容された上記のセルスタック装置を備える。

本開示のモジュール収容装置は、外装ケースと、該外装ケース内に収容された上記のモジュール及び該モジュールを運転する補機と、を備える。

セルの例の１つを示す横断面図である。 図１のセルの下面図である。 図１のセルの上面図である。 セルスタック装置の例の１つを示す斜視図である。 図４のｖ－ｖ線断面図である。 図４のｖｉ－ｖｉ線断面図である。 図６のＡ領域の拡大図である。 セルスタック装置の例の１つにおけるＡ領域の拡大図である。 セルスタック装置の例の１つにおけるＡ領域の拡大図である。 モジュールの例の１つを示す外観斜視図である。 モジュール収容装置例の１つを概略的に示す斜視図である。 平板型セルの例の１つを示す斜視図である。 平板型セルスタックの例の１つを示す断面図である。 図１３の第１接合部材近傍の拡大図である。

（セル）
セルスタックを構成するセルの例の１つとして、固体酸化物形の燃料電池セルについて説明する。図１は、セルの例の１つを示す横断面図、図２は図１の下面図、図３は図１の上面図である。これらの図面において、セル１の一部の部材の厚さを、実際の厚さより拡大して示している。

図１に示すセル１は、中空平板型で、細長い板状である。図２に示すように、セル１の全体を図１の下側から見た形状は、例えば、長さ方向Ｌの辺の長さが５ｃｍ以上、５０ｃｍ以下であり、この長さ方向Ｌに直交する幅方向Ｗの長さが１ｃｍ以上、１０ｃｍ以下である長方形である。セル１の全体の厚み方向Ｔの厚さは１ｍｍ以上、５ｍｍ以下である。以下、特に明記しない限り、セル１の上、下とは、図２及び図３の長さ方向の上、下を意味する。

図１に示すように、セル１は、導電性支持基板２、素子部及びインターコネクタ６を有している。以下、導電性支持基板２を支持基板２という場合がある。支持基板２は、一対の対向する平坦な第１面ｎ１、第２面ｎ２、及び第１面ｎ１と第２面ｎ２とを接続する一対の円弧状の側面ｍを有する柱状である。セル１は、支持基板２の第１面ｎ１上に素子部を備えている。素子部は、燃料極３、固体電解質層４及び空気極５を有している。セル１は、第２面ｎ２上にインターコネクタ６を備えている。

セル１は、図２に示すように、空気極５の下端とセル１の下端との間に、固体電解質層４が表面に露出した部位を有する。インターコネクタ６は、図３に示すように、セル１の下端まで延びている。セル１の一対の円弧状の側面ｍの表面は、固体電解質層４である。すなわち、セル１の下端部の表面は、インターコネクタ６または固体電解質層４である。

支持基板２は、ガスが流れるガス流路２ａを内部に備えている。図１に示す支持基板２の例の１つは６つのガス流路２ａを備えている。支持基板２は、ガス透過性及び導電性を有している。支持基板２がガス透過性を有することで、ガス流路２ａを流れる燃料ガスを燃料極３まで透過させることができる。支持基板２が導電性を有することで、素子部が発電した電気を、インターコネクタ６を介して集電することができる。支持基板２の材料は、例えば、鉄族金属成分と無機酸化物との複合材料であってもよい。例えば、鉄族金属成分はＮｉ及び／またはＮｉＯであってもよい。例えば、無機酸化物は特定の希土類元素酸化物であってもよい。希土類元素はＹを含む。

燃料極３は、一般的に公知のものを使用してもよい。燃料極３の材料は、多孔質の導電性セラミックス、例えば安定化ジルコニアと、Ｎｉ及び／またはＮｉＯとの複合材料であってもよい。安定化ジルコニアとは、カルシウム、マグネシウム、または希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ_２であり、部分安定化ジルコニアを含む。希土類元素酸化物は、例えばＹ_２Ｏ_３等であってもよい。

固体電解質層４は、イオン伝導性とガス遮断性を有している。固体電解質層４は、イオン伝導性を有する電解質であり、燃料極３と空気極５との間でイオンの橋渡しをする。固体電解質層４がガス遮断性を有することにより、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークが生じにくくなる。固体電解質層４の材料は、例えば３モル％以上、１５モル％以下の希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ_２であってもよい。希土類元素酸化物は、例えばＹ_２Ｏ_３等であってもよい。固体電解質層４の材料は、イオン伝導性とガス遮断性を有していれば、他の材料であってもよい。

空気極５の材料は、一般的に用いられるものであれば特に制限はない。空気極５の材料は、例えば、いわゆるＡＢＯ３型のペロブスカイト型酸化物の導電性セラミックスであってもよい。ペロブスカイト型酸化物は、例えば、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。ペロブスカイト型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、及びＬａ_ｘＳｒ_１－ｘＣｏＯ_３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。空気極５は、２０％以上、特に３０％以上、５０％以下の範囲の開気孔率を有していてもよい。

インターコネクタ６は、導電性を有し、緻密質である。インターコネクタ６の材料は、例えば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）、又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）であってもよい。これらの材料は、導電性を有し、かつ水素含有ガス等の燃料ガス及び空気等の酸素含有ガスと接触しても還元も酸化もされない。インターコネクタ６は、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していてもよい。インターコネクタ６がこのように緻密質であることで、支持基板２のガス流路２ａを流通する燃料ガス、及び支持基板２の外側を流通する酸素含有ガスのリークが生じにくくなる。

（セルスタック装置）
図４はセルスタック装置の例の１つを示す斜視図である。図５は図４のｖ－ｖ線断面図である。セルスタック装置１０は、セルスタック１１、固定部材７、及びガスタンク８を備える。セルスタック１１は、セル１の厚み方向Ｔに配列または積層された複数のセル１と、隣り合うセル１同士を電気的に直列に接続する導電部材９ａと、セル１の配列方向すなわち厚み方向Ｔの両端に配置された一対の端部導電部材９ｂとを備えている。固定部材７は、第１接合部材７ａ及び支持部材７ｂを有する。

図５に示すように、支持部材７ｂは、複数のセル１の下端部が挿入される挿入孔１２と、ガスタンク８に接合されるタンク接合部を有している。複数のセル１の下端部と挿入孔１２の内壁とは、第１接合部材７ａで接合されている。図５では、支持部材７ｂは１つの挿入孔１２を有し、その１つの挿入孔１２に、１列に配列された複数のセル１の下端部全てが挿入されている。支持部材７ｂは、複数の挿入孔１２を有していてもよく、複数の挿入孔１２のそれぞれに１つのセル１の下端部が挿入されていてもよい。

ガスタンク８は、１つ以上の開口部と、開口部の周囲に設けられ、第２接合部材８ａが充填された凹溝８ｂと、を有する。ガスタンク８は、複数のセル１に燃料ガスを供給する。支持部材７ｂのタンク接合部は、ガスタンク８の凹溝８ｂに充填された第２接合部材８ａによりガスタンク８と接合されている。支持部材７ｂ及びガスタンク８は例えば金属製であってもよい。

図４に示すセルスタック装置１０では、支持部材７ｂ及びガスタンク８により形成される内部空間に燃料ガスが貯留される。この内部空間を単にガスタンク８の内部空間という場合もある。一方、外部空間には空気などの酸素含有ガスが存在する。ガスタンク８にはガス流通管１３が接続されている。後述する改質器で生成された燃料ガスが、このガス流通管１３を通じてガスタンク８に供給され、さらにセル１の内部のガス流路２ａに供給される。

水素リッチな燃料ガスは、例えば原燃料を水蒸気改質等することにより生成される。水蒸気改質により生成された燃料ガスは、水蒸気を含む。

第１接合部材７ａ及び第２接合部材８ａはそれぞれ、燃料ガスが貯留される内部空間の構成要素の一つである。第１接合部材７ａ及び第２接合部材８ａは、いずれも内部空間に接する第１端部及び外部空間に接する第２端部を有している。言い換えれば、第１接合部材７ａ及び第２接合部材８ａの第１端部は、内部空間の燃料ガスに接する部位であり、第１接合部材７ａ及び第２接合部材８ａの第２端部は、外部空間の酸素含有ガスに接する部位である。この場合、燃料ガスは第１端部に接する第１ガスであり、酸素含有ガスは第２端部に接し、第１ガスとは異なる第２ガスである。

図４に示すセルスタック装置は、厚み方向Ｔに配列された複数のセル１の列を２つ備えている。複数のセル１の列は、それぞれ支持部材７ｂに固定されている。図４では、ガスタンク８は上面に２つの開口部を有し、この開口部のそれぞれに１つの支持部材７ｂが配置される。すなわち、図４では、燃料ガスが貯留される内部空間は、１つのガスタンク８及び２つの支持部材７ｂにより形成されている。

挿入孔１２の形状は、例えば、上面視で長円形状である。セル１の配列方向すなわち厚み方向Ｔにおける挿入孔１２の長さは、例えば、セルスタック１１の両端に位置する一対の端部導電部材９ｂの間の距離よりも長い。また、セル１の幅方向Ｗにおける挿入孔１２の幅は、例えば、セル１の幅方向Ｗの長さよりも長い。

図４に示すように、挿入孔１２とセル１の下端部との間には、固化された第１接合部材７ａが充填されている。第１接合部材７ａにより、複数のセル１の下端部はそれぞれ挿入孔１２と接合・固定されるとともに、隣り合うセル１の下端部同士が接合されている。各セル１のガス流路２ａの下端は、ガスタンク８の内部空間と連通している。

第１接合部材７ａ及び第２接合部材８ａは、絶縁性を有していてもよい。第１接合部材７ａ及び第２接合部材８ａの材料は、例えば非晶質ガラスでもよいし、結晶化ガラスでもよい。結晶化ガラスは、例えば、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系の結晶化ガラスでもよい。

セルスタック装置１０は、図５に示すように、厚み方向Ｔに配列された複数のセル１のうち、隣り合うセル１同士を電気的に直列に接続する導電部材９ａを備えている。導電部材９ａは、隣り合うセル１のうち一方のセル１の燃料極３と、もう一方のセル１の空気極５とを電気的に直列に接続している。なお、図４では、導電部材９ａの図示を省略している。

また、セルスタック装置１０は、図５に示すように、厚み方向Ｔに配列された複数のセル１の外側に、１対の端部導電部材９ｂを備えている。端部導電部材９ｂは、厚み方向Ｔに配列された複数のセル１のうち、最も外側に位置する一対のセル１にそれぞれ電気的に接続されている。端部導電部材９ｂは、厚み方向Ｔの外側に突出する引出部９ｃを有している。引出部９ｃは、セル１が発電した電気を集電して外部に引き出す。

図６は図４のｖｉ－ｖｉ断面図である。図７は図６の破線で示したＡ領域の拡大図である。

図６及び図７において、支持部材７ｂの挿入孔１２に面する部位と、セル１の下端部との間には、第１接合部材７ａが存在する。支持部材７ｂと第１接合部材７ａとセル１とを含む第１接合部材７ａの高さ方向に沿った任意の断面において、支持部材７ｂと第１接合部材７ａとの界面に垂直な方向を第１方向とし、第１接合部材７ａの高さ方向を第２方向ｙとする。

第２方向ｙは、第１接合部材７ａの燃料ガスすなわち第１ガスに接する第１端部から、酸素含有ガスすなわち第２ガスに接する第２端部に向かう方向である。言い換えれば、第２方向ｙは、第１端部と第２端部とを最短で結ぶ方向である。なお、第１接合部材７ａの高さを、第１接合部材７ａの第２方向ｙの長さという場合もある。

図６では、第１方向ｘはセル１の幅方向Ｗとおおむね一致し、第２方向ｙはセル１の長さ方向Ｌと一致する。図５では、第１方向ｘはセル１の厚み方向Ｔとおおむね一致し、第２方向ｙはセル１の長さ方向Ｌと一致する。以下、第１接合部材７ａの高さ方向に沿った断面を、縦断面という場合もある。

図７に示すように、セル１の固体電解質層４は第１接合部材７ａと当接している。セル１は固体電解質層４の内側に多孔質かつ導電性を有する燃料極３及び支持基板２を有している。固体電解質層４は、第１接合部材７ａとの間にセル補強層を有していてもよい。セル補強層の材料は、例えば３モル％以上、５モル％以下のＹ_２Ｏ_３が固溶したＺｒＯ_２を主成分とする材料でもよい。

図７に示すように、支持部材７ｂは支持部材本体７ｂ１と第１接合部材７ａとの間にクラック７ｂｃを含むクラック含有層７ｂ２を有している。クラック７ｂｃの第２方向ｙの最大長さは、第１接合部材７ａの第２方向ｙの高さより小さい。

ガラスである第１接合部材７ａと金属である支持部材本体７ｂ１とは、熱膨張率が異なる場合が多い。そのため、第１接合部材７ａの支持部材本体７ｂ１との境界付近には、セル１の運転及び停止に伴う昇温・降温により応力が発生する。この応力に起因して、第１接合部材７ａにクラックが生じやすい。第１接合部材７ａにクラックが生じると、そのクラックから燃料ガスのリークが生じ、セルスタック装置の耐久性が低下する懸念があった。

支持部材本体７ｂ１と第１接合部材７ａとの間にクラック含有層７ｂ２が存在すると、第１接合部材７ａと支持部材本体７ｂ１との間で生じた応力が、クラック含有層７ｂ２に含まれるクラック７ｂｃにより緩和され、第１接合部材７ａにはクラックが発生し難くなる。その結果、セルスタック装置１０の耐久性を高めることができる。クラック７ｂｃ自体は最大長さが第１接合部材の高さより小さく、ガスタンク８の内部空間と外部とを連通していない。クラック含有層７ｂ２は、支持部材７ｂと第１接合部材７ａとの境界付近の少なくとも一部に配置されることで応力を緩和することができる。クラック含有層７ｂ２は、支持部材７ｂの第１接合部材７ａとの境界付近全体に分散して配置されてもよい。クラック含有層７ｂ２は、支持部材７ｂのうち、特に第１接合部材７ａにクラックが発生しやすい特定の部位にのみ設けられていてもよい。なお、図７には、クラック含有層７ｂ２に含まれるクラック７ｂｃの一部のみを示している。

任意の縦断面において、第１接合部材７ａの第２方向ｙの高さをｈとし、クラック含有層７ｂ２に含まれるクラック７ｂｃの第２方向ｙの最大長さをｌとする。ｌはｈの２／３以下であってもよい。ｌがｈの２／３以下であることで、第１接合部材７ａと支持部材７ｂとの間で生じた応力を緩和できる。また、クラック含有層７ｂ２に含まれるクラック７ｂｃが仮に応力により進展したとしても、ｌがｈの２／３以下であることで、ガスタンク８の内部空間と外部との間で連通しにくくなり、クラック含有層７ｂ２において燃料ガス又は酸素含有ガスのリークが生じにくくなる。

クラック含有層７ｂ２に含まれるクラック７ｂｃの一部は、クラック７ｂｃの内部に、第１接合部材７ａに含まれる接合材を有していてもよい。言い換えれば、図８に示すように、クラック含有層７ｂ２は、内部に接合材を有するクラック７ｂ３を有していてもよい。一部のクラック７ｂｃが内部に接合材を有するクラック７ｂ３であることで、クラック含有層７ｂ２において燃料ガス又は酸素含有ガスのリークがより生じにくくなる。

内部に接合材を有するクラック７ｂ３は、クラック含有層７ｂ２の第１接合部材７ａに接する部位の近傍に位置していてもよい。クラック含有層７ｂ２の第１接合部材７ａに接する部位の近傍に、内部に接合材を有するクラック７ｂ３を有することで、第１接合部材７ａとクラック含有層７ｂ２、さらには支持部材本体７ｂ１とがより強く接合される。その結果、第１接合部材７ａと、クラック含有層７ｂ２及び支持部材本体７ｂ１とが剥がれ難くなる。クラック含有層７ｂ２は、第１接合部材７ａに含まれる接合材とは異なる材料を内部に含むクラック７ｂ３を有していてもよい。

支持部材７ｂは、図９に示すように、第１接合部材７ａの高さ方向、すなわち第２方向ｙにおいて、その一部に、支持部材本体７ｂ１と第１接合部材７ａとが直接接する第１部位７ｂ４を有していてもよい。すなわち、支持部材本体７ｂ１は、第１部位７ｂ４において、クラック含有層７ｂ２を介さずに第１接合部材７ａと直接接していてもよい。第１部位７ｂ４は、支持部材７ｂが第１接合部材７ａに面する部位の上端部または下端部に配置されてもよいし、上端と下端との中間に配置されてもよい。支持部材本体７ｂ１と第１接合部材７ａとが直接接する第１部位７ｂ４が、支持部材７ｂが第１接合部材７ａに面する部位の第２方向ｙにおいて、その一部に配置されることで、クラック含有層７ｂ２に含まれるクラック７ｂｃが、ガスタンク８の内部空間と外部との間で連通しにくくなり、燃料ガスのリークが生じにくくなる。

第１部位７ｂ４は、第１接合部材７ａの高さ方向である第２方向ｙにおいて、第１接合部材７ａの少なくともいずれか一方の端部に位置してもよい。セルスタック１１は稼働中に高温となり、固定部材７の上部と下部に温度差が生じる。支持部材７ｂが第１接合部材７ａに面する部位の第２方向ｙの両端部にクラック含有層７ｂ２が配置された場合、両端部の温度差に起因する熱応力により、両端部に位置するクラック７ｂｃが進展してガスタンク８の内部空間と外部との間で連通する懸念がある。第１部位７ｂ４を支持部材７ｂの第１接合部材７ａと面する面の少なくともいずれか一方の端部に配置し、クラック７ｂｃを両端部に配置しないことで、燃料ガスのリークが生じにくくなる。第１部位７ｂ４は、第２方向ｙの上端部に配置されてもよい。クラック７ｂｃは、特に第２方向ｙの上端部において熱応力により進展しやすいが、第１部位７ｂ４を第２方向ｙの上端部に配置することでクラック７ｂｃが進展し難くなる。

クラック含有層７ｂ２の材料は、例えば無機酸化物であってもよい。すなわち、クラック含有層７ｂ２の材料は、ガラスの第１接合部材７ａ及び金属の支持部材７ｂのいずれとも異なる材料であってもよい。無機酸化物は、例えば、酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化マグネシウム（マグネシア）、酸化シリコン（シリカ）、酸化ジルコニウム（ジルコニア）、酸化クロム（クロミア）、酸化チタン（チタニア）及びこれらの複合酸化物などでもよい。ジルコニアは、上述の安定化ジルコニアでもよい。複合酸化物は、例えばフォルステライト及びコージェライトなどから選択してもよい。クラック含有層７ｂ２の材料は、導電率の低い材料でもよく、絶縁性の材料でもよい。クラック含有層７ｂ２の材料が導電率の低い材料、または絶縁性の材料であることで、高い耐電圧及び高い絶縁抵抗を有するセルスタック装置１０とすることができる。

特にアルミナ及びフォルステライトは、支持部材本体７ｂ１の金属材料との熱膨張係数の差が小さいため、温度差による生じる熱応力が小さくなる。したがって、クラック含有層７ｂ２を支持部材７ｂに強固に接合することができ、クラック含有層７ｂ２が支持部材本体７ｂ１から剥離し難くなる。

支持部材７ｂにおいて、クラック含有層７ｂ２を有する面の算術平均粗さと、クラック含有層７ｂ２を有さない支持部材本体７ｂ１の面の算術平均粗さとが、異なっていてもよい。クラック含有層７ｂ２を有する面とは、クラック含有層７ｂ２を有する部位の、クラック含有層７ｂ２の面、またはクラック含有層７ｂ２と支持部材本体７ｂ１との界面である。また、支持部材７ｂにおいて、クラック含有層７ｂ２を有する面のクラック含有層７ｂ２の面の算術平均粗さと、クラック含有層７ｂ２と支持部材本体７ｂ１との界面の算術平均粗さとが異なっていてもよい。

クラック含有層７ｂ２を有さない支持部材本体７ｂ１の面の算術平均粗さをＲ０とする。クラック含有層７ｂ２を有する部位の支持部材本体７ｂ１の面の算術平均粗さをＲ１、クラック含有層７ｂ２の面の算術平均粗さをＲ２とする。

Ｒ１はＲ０より大きくてもよい。支持部材本体７ｂ１のより算術平均粗さが大きい面、すなわちＲ１を有する面にクラック含有層７ｂ２を配置することで、クラック含有層７ｂ２を支持部材本体７ｂ１に、より強固に接合できる。

Ｒ２はＲ０より大きくてもよい。クラック含有層７ｂ２のＲ２を有する面、すなわち支持部材本体７ｂ１のＲ０を有する面より算術平均粗さが大きい面と、第１接合部材７ａとが接合されることで、第１接合部材７ａとクラック含有層７ｂ２とを、より強固に接合できる。

クラック含有層７ｂ２の第１方向ｘの厚さは、例えば２０μｍ以上、２５０μｍ以下程度であってもよい。クラック７ｂｃの第１方向ｘの幅または長さは、例えば２５０μｍ以下であってもよい。クラック含有層７ｂ２の第１方向ｘの厚さは、第１接合部材７ａとの界面の上端から下端まで同じ厚さでもよいし、厚さが異なる部位を有していてもよい。例えば、クラック含有層７ｂ２の上端部の厚さが、下端部の厚さより厚くてもよいし、その逆でもよい。

（評価方法）
クラック含有層７ｂ２及びクラック７ｂｃの有無は、例えば固定部材７の第１接合部材７ａと支持部材７ｂとを含み、第２方向ｙに沿う断面、すなわち固定部材７の縦断面を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察することで確認できる。固定部材７の縦断面は、第１方向ｘ及び第２方向ｙに沿う断面でもよい。固定部材７が、第１接合部材７ａと支持部材７ｂとの境界付近にクラック７ｂｃを有していれば、支持部材７ｂがクラック含有層７ｂ２を有すると判断する。第１接合部材７ａと支持部材７ｂとの境界付近とは、支持部材本体７ｂ１と第１接合部材７ａとの境界からの距離が概ね１００μｍ以下、さらには５０μｍ以下の領域である。第１接合部材７ａの第２方向ｙの高さｈ、及びクラック７ｂｃの最大長さｌは、例えば固定部材７の１０か所の縦断面の画像を用いて、各画像におけるｈ及び最大のクラック７ｂｃの第２方向ｙの長さを測定し、ｈの平均値とクラック７ｂｃの最大長さｌを算出すればよい。

（製法）
クラック含有層７ｂ２を有する支持部材７ｂは、以下のような方法で作製できる。支持部材本体７ｂ１の第１接合部材７ａと接合される部位に、例えば溶射法、蒸着法、電着法、スパッタリング法などの方法で無機酸化物膜を形成する。特に溶射法では、膜形成時の温度変化が急峻なため、無機酸化物膜中にマイクロクラックが形成されやすい。マイクロクラックとは、１０μｍ以下の幅を有するクラックとする。ここでクラックの幅とは、クラックを挟んで向かい合うクラック内面の距離である。マイクロクラックは、例えば支持部材本体７ｂ１の線熱膨張係数と、無機酸化物膜の線熱膨張係数との差から生じる応力により形成される場合もある。

また、上述の材料のナノサイズの微粉末を用いてスラリーを作製し、支持部材本体７ｂ１に塗布して焼成してもよい。ナノサイズの微粉末を用いることで、クラック７ｂｃを有するクラック含有層７ｂ２を形成することができる。

セルスタック装置１０は、以下のような方法で作製できる。所定の治具等を用いて、複数のセル１をスタック状に整列・固定する。次に、この状態を維持しつつ、複数のセル１の一端を、支持部材７ｂの挿入孔１２に挿入する。次いで、非晶質ガラス等のペーストを、挿入孔１２と複数のセル１の一端との隙間に充填する。

次に、上記のように充填されたペーストに熱処理を行なう。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、結晶化が進行する。熱処理後、治具を複数のセル１から取り外す。

最後に、支持部材７ｂをガスタンク８に接合する。この工程においては、まずガスタンク８の凹溝８ｂ内に第２接合部材８ａ用のペーストを充填する。そして、熱処理して結晶化させればよい。このようにして、セルスタック装置１０を製造することができる。

（モジュール）
図１０は、セルスタック装置を備えるモジュールの例の１つを示す外観斜視図である。

モジュール２０は、収容容器２１、及び収容容器２１内に収容されたセルスタック装置１０を備えている。セルスタック装置１０の上方には、改質器２２が配置されている。

改質器２２は、天然ガス、灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成し、セル１に供給する。原燃料は、原燃料供給管２３を通じて改質器２２に供給される。改質器２２は、水を気化させる気化部２２ａと、改質部２２ｂとを備えていてもよい。改質部２２ｂは、図示しない改質触媒を備えており、原燃料を燃料ガスに改質する。このような改質器２２は効率の高い改質反応である水蒸気改質を行うことができる。

改質器２２で生成された燃料ガスは、ガス流通管１３、ガスタンク８、及び支持部材７ｂを通じて、セル１のガス流路２ａに供給される。

図１０では、収容容器２１の一部である前面部及び後面部を取り外し、収容容器２１の内部に収容されているセルスタック装置１０を後方に取り出した状態を示している。

上述のモジュール２０では、ガスの燃焼及びセル１の発電に伴い、通常発電時におけるモジュール２０内の温度が５００℃以上、１０００℃以下程度となる。

モジュール２０のセルスタック装置１０として、上述の固定部材７にクラック含有層７ｂ２を有するセルスタック装置１０を用いることで、第１接合部材７ａにクラックが発生し難くなり、高い耐久性を備えたモジュール２０とすることができる。

（モジュール収容装置）
図１１は、モジュール収容装置の例の１つを示す分解斜視図である。なお、図１１においては一部の構成を省略して示している。モジュール収容装置は、外装ケースと、外装ケース内に収容されたモジュール及びモジュールを運転する補機とを備えている。

図１１に示すモジュール収容装置３０の外装ケースは、支柱３１及び外装板３２を有する。仕切板３３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３３より上側の空間は、モジュール２０を収容するモジュール収容室３４であり、外装ケース内の仕切板３３より下側の空間は、モジュール２０を運転する補機を収容する補機収容室３５である。なお、補機収容室３５に収容する補機の記載は省略した。

仕切板３３は、補機収容室３５の空気をモジュール収容室３４側に流すための空気流通口３６を有している。モジュール収容室３４を形成する外装板３２の一部は、モジュール収容室３４内の空気を排気するための排気口３７を有している。

このようなモジュール収容装置３０のモジュール収容室３４に、上述の高い耐久性を備えたモジュール２０を収容することで、高い耐久性を備えたモジュール収容装置３０とすることができる。

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ない。本開示のセルスタック装置、モジュール、及びモジュール収容装置は、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。

また、本開示は、上述の支持基板の表面に燃料極、固体電解質層及び空気極を備えた発電素子部が１つのみ設けられた所謂「縦縞型」に限定されない。本開示のセルスタック装置は、支持基板の表面の互いに離れた複数個所にて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、本開示は、「円筒型」セルのセルスタック装置に適用することもできる。さらに、本開示のセルスタック装置は、所謂「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。

平板型セルは、例えば図１２に示すように、燃料極層３、固体電解質層４、及び空気極層５が積層された素子部を有している。平板型セルスタックは、例えば複数の平板型セルが金属層６により電気的に接続されている。金属層６は、隣接する平板型セル同士を電気的に接続するとともに、燃料極層３または空気極層５にガスを供給すガス流路を形成している。平板型セルスタック装置は、図１３に示すように、平板型セルスタックの燃料ガスのガス流路と酸素含有ガスのガス流路とを気密に封止する封止材を有している。封止材はセルの固定部材７であり、第１接合部材７ａ及びフレームである支持部材７ｂ、７ｃを有する。第１接合部材７ａは、ガラスであってもよいし、銀ロウなどの金属材料であってもよい。

支持部材７ｂは、燃料ガスの流路と酸素ガスの流路とを区画するいわゆるセパレータであってもよい。支持部材７ｂ、７ｃの材料は、例えば導電性の金属であってもよいし、絶縁性のセラミックスであってもよい。支持部材７ｂ、７ｃは両方またはいずれか一方が絶縁性の材料であってもよい。支持部材７ｂ、７ｃが金属であった場合、支持部材７ｂ、７ｃは金属層６と一体化していてもよい。

支持部材７ｂ、７ｃのうちいずれか１つは絶縁性であり、平板型セルを挟む２つの金属層６を互いに電気的に絶縁している。

図１４は、図１３の破線で示したＢ領域の拡大図である。平板型セルスタック装置の場合も、上述の縦縞型セルスタック装置の場合と同様に、図１４に示すように、支持部材７ｂが、支持部材本体７ｂ１と第１接合部材７ａとの間にクラック７ｂｃを含むクラック含有層７ｂ２を有することで、第１接合部材７ａにおいてクラックを発生し難くすることができ、燃料ガス及び酸素含有ガスのリークを生じ難くすることができる。なお、図１４において第１方向ｘは支持部材７ｂと第１接合部材７ａとの界面に垂直な方向であり、第２方向ｙは図１の水平方向、すなわち第１接合部材７ａの燃料ガスに接する第１端部から、酸素含有ガスに接する第２端部に向かう方向、言い換えれば第１端部と第２端部とを最短で結ぶ方向である。

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」及び「モジュール収容装置」の例の１つ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及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、電解モジュール及び電解装置であってもよい。

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、金属層
７：固定部材
７ａ：第１接合部材
７ｂ、７ｃ：支持部材
７ｂ１：支持部材本体
７ｂ２：クラック含有層
７ｂｃ：クラック含有層のクラック
７ｂ３：内部に接合材を含むクラック
７ｂ４：クラックを含まない界面、第１部位
８：ガスタンク
８ａ：第２接合部材
８ｂ：凹溝
１０：セルスタック装置
１１：セルスタック
１２：挿入孔
１３：ガス流通管
２０：モジュール
２１：収容容器
３０：モジュール収容装置

Claims (7)

1. 少なくとも１つのセルと、支持部材と、前記セルと前記支持部材とを接合する接合部材と、を備え、
   前記支持部材は、支持部材本体、及び該支持部材本体と前記接合部材との間に位置しクラックを含むクラック含有層、を有し、
   前記接合部材は、第１ガスに接する第１端部、及び前記第１ガスとは異なる第２ガスに接する第２端部を有し、
   前記クラック含有層は、無機酸化物を含み、
   前記クラックは、前記無機酸化物のクラックであり、
   前記支持部材と前記接合部材との界面に垂直な方向を第１方向とし、前記接合部材の前記第１端部から前記第２端部に向かう方向を第２方向としたとき、該第２方向において、前記クラックの最大長さが、前記接合部材の長さより小さく、
   前記接合部材に接する部位に位置する前記クラックの内部に、前記接合部材に含まれる接合材に用いられる金属を含む前記クラックを有する、セルスタック装置。
2. 前記第１方向及び前記第２方向に沿う断面において、前記クラックの最大長さが、前記接合部材の第２方向の長さの２／３以下である、請求項１に記載のセルスタック装置。
3. 前記支持部材本体が、前記第２方向の一部に、前記接合部材と直接接する第１部位を有する、請求項１または２に記載のセルスタック装置。
4. 前記第１部位は、前記支持部材本体の前記第２方向における２つの端部のうち少なくともいずれか一方の端部に位置する、請求項３に記載のセルスタック装置。
5. 前記支持部材の前記クラック含有層を有する面の算術平均粗さが、前記クラック含有層を有さない面の算術平均粗さより大きい、請求項１～４のいずれか１つに記載のセルスタック装置。
6. 収容容器、及び該収容容器内に収容された請求項１～５のいずれか１つに記載のセルスタック装置を備える、モジュール。
7. 外装ケースと、該外装ケース内に収容された、請求項６に記載のモジュール及び該モジュールを運転する補機と、を備える、モジュール収容装置。

Images