JPWO2019225235A1 - 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

Abstract

本開示のセルスタック装置１０は、複数のセル１が積層されたセルスタック１０と、複数のセル１を固定する固定部材７と、を備えている。固定部材７は、複数のセル１を支持する支持部材７ｂと、支持部材７ｂとセル１との間に配置された固定材７ａと、を有する。支持部材７ｂ、固定材７ａ、及び複数のセル１のうち少なくとも１つのセル１を含む断面において、固定材７ａは、支持部材７ｂ側に位置する第一領域７ａ１と、第一領域７ａ１よりもセル１側に位置する第二領域７ａ２と、第一領域７ａ１と第二領域７ａ２との間に位置する第三領域７ａ３と、を含んでいる。第一領域７ａ１及び第二領域７ａ２のうち少なくとも一方は、第三領域７ａ３の気孔率より高い気孔率を有する多孔質領域７ａ４を含む。

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納容器に収納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、燃料電池セル等の複数のセル、当該複数の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。

例えば、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、複数のセルが積層されたセルスタックと、前記複数のセルを固定する固定部材と、を備えている。前記固定部材は、前記複数のセルを支持する支持部材と、該支持部材と前記セルとの間に配置された固定材と、を有する。前記支持部材、前記固定材、及び前記複数のセルのうち少なとも１つのセルを含む断面において、前記固定材は、前記支持部材側に位置する第一領域と、該第一領域よりも前記セル側に位置する第二領域と、前記第一領域と前記第二領域との間に位置する第三領域と、を含んでいる。前記第一領域及び前記第二領域のうち少なくとも一方は、前記第三領域の気孔率より高い気孔率を有する多孔質領域を含む。

本開示のモジュールは、収納容器、及び該収納容器内に収納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納された、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１Ａのセルの下面図である。 図１Ａ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２ＡのｉｉＢ−ｉｉＢ線断面図である。 図２ＡのｉｉｉＡ−ｉｉｉＡ線断面図である。 図３ＡのＡ領域の例の１つを示す拡大図である。 図３ＡのＡ領域の例の１つを示す拡大図である。 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の例の１つを概略的に示す分解斜視図である。

（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１Ａはセルの例の１つを示す横断面図である。図１Ｂは図１Ａの下面図、すなわちセル１を空気極側から見た図である。図１Ｃは図１Ａの上面図、すなわちセル１をインターコネクタ側から見た図である。なお、これらの図面では、セル１の各構成の一部を拡大して示している。

図１Ａに示すセル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、例えば、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の全体の厚さは１ｍｍ〜５ｍｍである。以下、セル１の厚み方向をＴという場合がある。

図１Ａ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と略す場合がある。支持基板２は、一対の対向する平坦面ｎ１、ｎ２及び平坦面ｎ１と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。支持基板２は、平坦面ｎ１上に素子部を有している。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。また、図１に示す例においては、セル１は平坦面ｎ２上にインターコネクタ６を有している。

図１Ｂに示す例のように、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に示す例のように、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及び固体電解質層４が表面に露出している。なお、セル１の一対の円弧状の側面ｍにおける表面には固体電解質層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、ガス流路２ａを内部に有している。図１に示す例は、６つのガス流路２ａを有ししている。支持基板２は、ガス透過性を有し、燃料ガスを燃料極３まで透過する。さらに支持基板２は導電性を有し、インターコネクタ６を介して集電する。支持基板２は、例えば、鉄族金属成分と無機酸化物を含んでもよい。例えば、鉄族金属成分はＮｉ及び／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ってもよい。

燃料極３は、多孔質の導電性セラミックスなど、一般的に公知のものを使用してもよい。多孔質の導電性セラミックスは、例えば希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ₂とＮｉ及び／またはＮｉＯとから形成してもよい。希土類元素酸化物として、例えばＹ₂Ｏ₃等を用いてもよい。以下、希土類元素酸化物が固溶しているＺｒＯ₂を安定化ジルコニアと称する場合がある。安定化ジルコニアは、部分安定化も含む。

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である。固体電解質層４は、ガス遮断性も有しており、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止する。固体電解質層４は、３モル％〜１５モル％の希土類元素酸化物が固溶したＺｒＯ₂であってもよい。希土類元素酸化物としては、例えばＹ₂Ｏ₃等を用いてもよい。なお、固体電解質層４の材料は、上記特性を有する限りにおいては、他の材料等を用いてもよい。

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い。空気極５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。ＡサイトにＳｒとＬａが共存する複合酸化物の例としては、Ｌａ_xＳｒ_1-xＣｏ_yＦｅ_1-yＯ₃、Ｌａ_xＳｒ_1-xＭｎＯ₃、Ｌａ_xＳｒ_1-xＦｅＯ₃、Ｌａ_xＳｒ_1-xＣｏＯ₃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の開気孔率は、例えば２０％以上、特に３０％〜５０％の範囲であってもよい。

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（ＬａＣｒＯ₃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（ＬａＳｒＴｉＯ₃系酸化物）を材料として用いてもよい。これらの材料は、導電性を有し、かつ水素含有ガスなどの燃料ガス、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は緻密質であり、支持基板２の内部のガス流路２ａ内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を防止している。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。

（セルスタック装置）
図２Ａ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２Ｂは図２ＡのｉｉＡ−ｉｉＡ線断面図である。

セルスタック装置１０は、セル１の厚み方向Ｔに配列又は積層された複数のセル１を有するセルスタック１８と、固定部材７とを備える。セルスタック１８は、複数のセル１の配列方向における両端に端部導電部材９を備えている。

図２Ａおよび図２Ｂに示すように、固定部材７は、固定材７ａ及び支持部材７ｂを有する。

支持部材７ｂは、複数のセル１の一端が挿入される挿入孔１７を有している。複数のセル１の一端と挿入孔１７の内壁とは、固定材７ａで接合され、支持部材７ｂは複数のセル１を支持している。支持部材７ｂの一端部は、ガスタンク１９と接合されている。

ガスタンク１９は、開口部及び開口部の周囲に配置された凹溝７１を有する。支持部材７ｂの一端部は、凹溝７１に充填された接合材７２によりガスタンク１９と接合されている。ガスタンク１９は、開口部および支持部材７ｂの挿入孔１７を通じて複数のセル１に燃料ガスを供給する。

支持部材７ｂ及びガスタンク１９は金属製であり導電性を有している。

図２Ａおよび図２Ｂに示す例においては、支持部材７ｂと、ガスタンク１９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１９にはガス流通管１２が接続されている。後述する改質器１３で生成された燃料ガスは、このガス流通管１２を通じてガスタンク１９に供給され、その後ガスタンク１９よりセル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、原燃料を水蒸気改質等することにより生成してもよい。水蒸気改質により生成された燃料ガスは、水蒸気を含む。

図２Ａおよび図２Ｂに示す例は、複数のセル１を配列させたセルスタック１８を２列と２つの支持部材７ｂと有しており、１つのセルスタック１８がそれぞれ１つの支持部材７ｂに固定されている。この場合、ガスタンク１９は上面に２つの貫通孔（開口部）を有している。この貫通孔（開口部）のそれぞれに、挿入孔１７に合わせるように各支持部材７ｂが配置される。結果、１つのガスタンク１９と、２つの支持部材７ｂとで内部空間が形成される。

挿入孔１７の形状は、例えば、上面視で長円形状であってもよい。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９の間の距離よりも長い。また、この挿入孔１７の幅は、例えば、セル１の幅方向Ｗの長さよりも長い。

図２Ａおよび図２Ｂに示すように、セルスタック装置１０は、挿入孔１７とセル１の一端と間に固化された固定材７ａが充填された接合部を有している。これにより、挿入孔１７と複数のセル１の一端とがそれぞれ接合され固定されるとともに、隣接するセル１の一端同士が接合されている。各セル１のガス流路２ａの一端は、固定部材７の内部空間と連通している。

固定材７ａ、及び接合材７２には、導電性が低い材料を用いてもよい。具体的な材料としては、非晶質ガラス等、結晶化ガラス等が挙げられる。結晶化ガラスとして、例えば、ＳｉＯ₂−ＣａＯ系、ＭｇＯ−Ｂ₂Ｏ₃系、Ｌａ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃−ＭｇＯ系、Ｌａ₂Ｏ₃−Ｂ₂Ｏ₃−ＺｎＯ系、ＳｉＯ₂−ＣａＯ−ＺｎＯ系、及びＳｉＯ₂−ＭｇＯ系の材料を用いてもよい。

また、図２Ｂに示すセルスタック装置１０は、隣接する２つのセル１の間に導電部材８を有している。導電部材８は、隣接するセル１のうち一方のセル１の燃料極３と他方のセル１の空気極５とを電気的に直列に接続している。なお、図２Ａでは、導電部材８の図示を省略している。

また、図２Ｂに示すセルスタック装置１０では、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、端部導電部材９が接続されている。この端部導電部材９は、セルスタック１８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。

図３Ａはセルスタック装置１０の断面図の例の１つであり、図２ＡのｉｉｉＡ−ｉｉｉＡ線断面に相当する。ただし、図２Ａには２列のセルスタック１８と２つの支持部材７ｂを有する例を示したが、図３Ａには１列のセルスタック１８と１つの支持部材７ｂを有する例を示している。図３Ｂは図３ＡのＡ領域の拡大図である。言い換えれば図３Ａおよび図３Ｂは、支持部材７ｂと固定材７ａとセル１とを含む断面図である。

図３Ａおよび図３Ｂにおいて、セル１と支持部材７ｂは固定材７ａを介して対向している。支持部材７ｂと固定材７ａとセル１とを含む任意の断面において、セル１と支持部材７ｂとが対向する方向を第一方向ｘとし、第一方向ｘと直交する方向を第二方向ｙとする。図３Ａにおいては、第一方向ｘとは幅方向Ｗであり、第二方向ｙとは長さ方向Ｌである。

図３Ｂで示すように、セル１の固体電解質層４と固定材７ａとが当接している。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を有している。セル１は、固体電解質層４と固定材７ａとの間にセル補強層を有していてもよい。セル補強層は、例えば希土類元素の含有量が、例えば、３モル％〜５モル％のＹ₂Ｏ₃が固溶したＺｒＯ₂を主成分とする材料であってもよい。

図３Ｂで示すように、支持部材７ｂと固定材７ａとセル１とを含む断面において、固定材７ａは、第一領域７ａ１、第二領域７ａ２または第三領域７ａ３に分けることができる。第一領域７ａ１は支持部材７ｂ側に位置し、第二領域７ａ２はセル１側に位置している。第三領域７ａ３は第一領域７ａ１と第二領域７ａ２の間に位置している。

具体的には、支持部材７ｂと固定材７ａとセル１とを含む断面において、第一領域７ａ１、第二領域７ａ２、及び第三領域７ａ３を以下の通りに定義する。固定材７ａのうち支持部材７ｂとの界面の第二方向ｙにおける中央の位置を第一位置Ｐ１とする。固定材７ａのうちセル１との界面の第二方向ｙにおける中央の位置を第二位置Ｐ２とする。第一方向ｘにおける第一位置Ｐ１と第二位置Ｐ２との間の長さを三等分し、三等分点から第二方向ｙに延びる仮想線を二本引く。二本の仮想線のうち支持部材７ｂに近い第１仮想線と支持部材７ｂとの間に位置する領域を第一領域７ａ１とする。二本の仮想線のうち、セル１に近い第２仮想線とセル１との間に位置する領域を第二領域７ａ２とする。第１仮想線と第２仮想線との間に位置する領域を第三領域７ａ３とする。

上述したような燃料電池のセルスタック装置１０を稼働させる際には、例えば、６００℃〜８００℃の高温の水素含有ガス等の燃料ガス、及び「空気等の酸素元素を含むガス」を流通させる。燃料ガスは、支持部材７ｂの内部空間へ導入され、その後、複数のセル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、自由端となっている各ガス流路２ａの他端から外部に排出される。空気は、隣接するセル１間の隙間に供給され、セル１の長手方向に沿って流れる。

このようなセルスタック装置１０において、固定材７ａと、被固定部材であるセル１又は支持部材７ｂとの界面付近にクラックが発生し易かった。

本開示のセルスタック装置１０の例の１つでは、図３Ｂに示す固定材７ａが、第一領域７ａ１及び第二領域７ａ２のうち少なくとも一方に、第三領域７ａ３の気孔率より高い気孔率を有する多孔質領域７ａ４を含む。

このセルスタック装置１０は、固定材７ａと被固定部材との界面に発生する応力を多孔質領域７ａ４により緩衝することができる。その結果、界面付近にクラックを発生し難くすることができ、セルスタック装置１０の耐久性を高めることができる。

図３Ａはセルスタック装置１０の幅方向Ｗ及び長さ方向Ｌにおける断面図である。本開示において、支持部材７ｂと固定材７ａとセル１とを含む断面は、厚み方向Ｔ及び長さ方向Ｌにおける断面であってもよい。しかし、支持部材７ｂと固定材７ａとセル１とを含む断面は、幅方向Ｗかつ厚み方向Ｔにおける断面、すなわち長さ方向Ｌに垂直な断面は含まないものとする。換言すれば、本開示における支持部材７ｂと固定材７ａとセル１とを含む断面は、長さ方向Ｌに沿う断面であり、固定材７ａの燃料ガスに接する面と、酸素含有ガスに接する面と、を同時に含む断面である。

第一領域７ａ１は、支持部材７ｂと接する第一界面領域を含んでいる。第二領域７ａ２はセルと接する第二界面領域を含んでいる。第一界面領域及び第二界面領域のうち少なくとも一方が、多孔質領域７ａ４であってもよい。図３Ｂに示す第一領域７ａ１においては、第一界面領域及び第二界面領域が多孔質領域７ａ４である。この構成により、固定材７ａと被固定部材との界面にさらにクラックが発生し難くなり、セルスタック装置１０の耐久性をさらに高めることができる。

第一領域７ａ１及び第二領域７ａ２のうち少なくとも一方は、緻密領域７ａ５を有していてもよい。緻密領域７ａ５は、多孔質領域７ａ４の第三領域７ａ３側に隣接し、第三領域７ａ３の気孔率より低い気孔率を有している。多孔質領域７ａ４に燃料ガスと酸素含有ガスとが取り込まれ、多孔質領域７ａ４で水蒸気が生成された場合であっても、第一領域７ａ１及び第二領域７ａ２のうち少なくとも一方が緻密領域７ａ５を有することにより、水蒸気が多孔質領域７ａ４から第三領域７ａ３に取り込まれにくくなる。その結果、水蒸気による固定材７ａの腐食が起こり難くなり、セルスタック装置１０の耐久性を高めることができる。

図３Ｂの多孔質領域７ａ４の材料は固定材７ａの他の領域と同じ、または類似した材料でもよい。

多孔質領域７ａ４の気孔率は、第三領域７ａ３の気孔率より高い。多孔質領域７ａ４の気孔率は、例えば１０％〜４０％であってもよい。固定材７ａの多孔質領域７ａ４以外の領域の気孔率は、例えば１５％未満であってもよい。

多孔質領域７ａ４の第一方向ｘの厚みは、１μｍ〜２００μｍであってもよい。緻密領域７ａ５の第一方向ｘの厚みは、１μｍ〜２００μｍであってもよい。

第一界面領域又は第二界面領域が多孔質領域７ａ４である場合には、多孔質領域７ａ４の第一方向ｘの厚みは、固定材７ａと被固定部材の界面から１μｍ〜２００μｍであってもよい。緻密領域７ａ５の第一方向ｘの厚みは、多孔質領域７ａ４から１μｍ〜２００μｍであってもよい。

多孔質領域７ａ４は、固定材７ａのうち特にクラックが発生しやすい部位にのみ配置されていてもよい。

第一界面領域が多孔質領域７ａ４であり、かつ多孔質領域７ａ４の気孔率が第二界面領域の気孔率より高くてもよい。第一界面領域は特にクラックが発生し易いが、第一界面領域が第二界面領域よりも高い気孔率を有する多孔質領域７ａ４であることにより、第一界面領域においてさらにクラックが発生し難くなり、セルスタック装置１０の耐久性を高めることができる。

第一界面領域にクラックが発生しやすい理由の詳細は不明であるが、以下のように考えられる。

例えば、支持部材７ｂに対してセル１に正の電圧が印加されると、固定材７ａに含有される金属元素は、支持部材７ｂとの界面付近で、導電性を有する支持部材７ｂから電子を受け取る。これに伴って、金属元素に結合していた酸素、すなわち金属表面の酸化膜に含まれる酸素が、酸化物イオンとして分離される。この負に帯電した酸化物イオンは、正の電圧が印加されたセル１に向かって移動する。移動した酸化物イオンは、多孔質の導電体である燃料極３まで到達すると、燃料極３に電子及び酸素を放出する。その結果、固定材７ａと支持部材７ｂとの界面付近において、酸素が経常的に減少する。

固定材７ａの支持部材７ｂとの界面付近において、固定材７ａに含まれる酸素が減少する、すなわち固定材７ａの支持部材７ｂとの界面付近が還元される。その結果、固定材７ａに酸素欠陥が生じて空隙が発生し、固定材７ａの支持部材７ｂとの界面付近にクラックが発生すると考えられる。

一方、支持部材７ｂに対してセル１に負の電圧が印加されると、セル１に含有されている負に帯電した酸化物イオンが、セル１より電位の高い支持部材７ｂに向かって移動する。セル１から固定材７ａ中を移動した酸化物イオンは、金属製の支持部材７ｂの表面まで到達すると、支持部材７ｂすなわち金属に電子を放出して金属表面の酸化膜を増大させる。その結果、支持部材７ｂと固定材７ａと界面付近にクラックが発生する。

図４は、セルスタック装置１０の例の１つにおけるＡ領域の拡大図である。図４においても幅方向Ｗかつ長さ方向Ｌにおける断面であり、第一方向ｘとは幅方向Ｗであり、第二方向ｙとは長さ方向Ｌである。

図４は、第一領域７ａ１にのみ多孔質領域７ａ４を有している。図４の例では、第一界面領域が多孔質領域７ａ４である。

第一方向ｘにおいてセル１と支持部材７ｂとの間の位置を対向位置と称する。セルスタック装置１０は、図４に示すように対向位置以外の支持部材７ｂの表面に、多孔質領域７ａ４を有してもよい。図４の例において、多孔質領域７ａ４は、対向位置からさらに第二方向ｙに延びている。多孔質領域７ａ４は、支持部材７ｂの表面全体に延びていてもよい。

図４の例において、多孔質領域７ａ４は、第二方向ｙにおける端部７ａ４Ｅと、第二方向ｙにおける中央部７ａ４Ｃと、を有している。端部７ａ４Ｅの第一方向ｘの厚みは、中央部７ａ４Ｃの第一方向ｘの厚みより大きい。第一界面領域においては、端部７ａ４Ｅからクラックが発生し易いが、端部７ａ４Ｅの第一方向ｘの厚みが中央部７ａ４Ｃの第一方向ｘの厚みより大きいことにより、第一界面領域の端部７ａ４Ｅからクラックが発生し難くなる。図４においては、燃料ガスと接する端部７ａ４Ｅの厚みが中央部７ａ４Ｃより大きいが、酸素含有ガスと接する端部７ａ４Ｅの厚みが中央部７ａ４Ｃより大きくてもよい。第二界面領域も、上述の第一界面領域と同じまたは類似の構成としてもよい。

多孔質領域７ａ４は絶縁性であってもよい。これにより、固定材７ａと支持部材７ｂとの間で電子を授受し難くなり、固定材７ａと支持部材７ｂとの界面付近でクラックが発生し難くなる。

多孔質領域７ａ４の材料は、多孔質領域７ａ４以外の固定材７ａの領域の材料と異なっていてもよい。多孔質領域７ａ４の材料は比較的導電率が低いものでもよく、具体的には、フォルステライト、アルミナ、コージェライト等でもよい。

固定材７ａの各領域の気孔率は、次に記載する方法で分析できる。まず、図３Ｂのように、セル１と固定材７ａと支持部材７ｂとを含む断面の画像を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて取得する。取得した画像に二値化処理を行い、気孔を判別する。二値化処理した画像から、各領域における気孔が占める割合すなわち気孔率を算出できる。

具体的な分析手順の例の１つを説明する。まず、第三領域７ａ３の気孔率を算出する。算出した第三領域７ａ３の気孔率を基準気孔率とする。次いで、被固定部材である支持部材７ｂから第三領域７ａ３に向けて厚み１μｍの領域その気孔率を算出する。第一測定領域の気孔率が基準気孔率より高い場合は、第一測定領域から第三領域７ａ３に向けて厚み１μｍの領域を第二測定領域として、その気孔率を算出する。第二測定領域の気孔率が基準気孔率より高い場合は、さらに第二測定領域から第三領域７ａ３に向けて厚み１μｍの領域を第三測定領域として、その気孔率を算出する。第三測定領域の気孔率が基準気孔率以下であった場合には、第一測定領域と第二測定領域とを合わせた領域、すなわち支持部材７ｂから厚み２μｍの領域が多孔質領域７ａ４であると特定できる。さらに、第三測定領域から第三領域７ａ３に向けて厚み１μｍの領域を第四測定領域として、その気孔率を算出する。第四測定領域の気孔率が基準気孔率より低い場合は、第四測定領域から第三領域７ａ３に向けて厚み１μｍの領域を第五測定領域として、その気孔率を算出する。第五測定領域の気孔率が基準気孔率以上である場合には、第三測定領域と第四測定領域とを合わせた領域、すなわち第二測定領域から厚み２μｍの領域が緻密領域７ａ５であると特定できる。

なお、上記の例では、支持部材７ｂ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、支持部材７ｂ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。

図３Ｂに示すセルスタック装置１０を製造する方法を説明する。始めに、一般的な成膜法にて、支持部材７ｂ表面及び複数のセル１の表面に、上述した材料を用いて多孔質領域７ａ４を構成する膜を成膜する。成膜した膜を焼結することで、多孔質領域７ａ４を支持部材７ｂの表面及び複数のセル１の表面に設けることができる。成膜法として、例えば、ディッピング法を用いる場合には、造孔材を含む材料を用いて成膜することで、気孔率を調整できる。また、蒸着法、電着法、スパッタリング法等を用いる場合には、膜の密度を調整することで気孔率を調整できる。

次に、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させ固定する。次に、整列した状態の複数のセル１の一端を、支持部材７ｂの挿入孔１７に挿入する。次いで、非晶質ガラス等のペーストを、挿入孔１７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を熱処理して非晶質ガラスを結晶化させる。非晶質ガラス等の非晶質材料が熱処理により結晶化温度まで到達すると、非晶質材料の内部で結晶相が生成されて結晶化が進行し、固定材７ａが形成される。熱処理後、治具を複数のセル１から取り外す。

なお、挿入孔１７とセル１の一端との隙間に結晶質ガラス等のペーストを充填する前に、支持部材７ｂ及びセル１に形成された多孔質領域７ａ４の層の表面に焼結助剤を塗布しておくことで、固定材７ａの多孔質領域７ａ４と隣り合う領域を緻密領域７ａ５とすることができる。

最後に、支持部材７ｂをガスタンク１９に接合する。この工程においては、まずガスタンク１９の凹溝７１内に接合材７２用のペーストを充填する。ペーストを充填した凹溝７１に支持部材７ｂを配置した後、ペーストを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５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、収納容器１４、及び収納容器１４内に収納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１３が配置されている。

改質器１３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、原燃料供給管を通じて改質器１３に供給される。改質器１３は、水を気化させるための気化部１３ａと、改質部１３ｂとを備えていてもよい。改質部１３ｂ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１３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１３で生成された燃料ガスは、ガス流通管１２、ガスタンク１９、および支持部材７ｂを通じて、セル１のガス流路２ａに供給される。

図５では、収納容器１４の一部である前面部及び後面部を取り外し、収納容器１４の内部に収納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℃〜１０００℃程度となる。

モジュール２０のセルスタック装置１０として、上述の多孔質領域７ａ４を有する固定材７ａを備えたセルスタック装置１０を用いることで、固定材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６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６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６に示すモジュール収容装置４０の外装ケースは、支柱４１及び外装板４２を有する。仕切板４３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４３より上側の空間は、モジュール２０を収納するモジュール収納室４４であり、外装ケース内の仕切板４３より下側の空間は、モジュール２０を運転する補機を収納する補機収納室４５である。なお、補機収納室４５に収納する補機をの記載は省略した。

仕切板４３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を有している。モジュール収納室４４を形成する外装板４２の一部は、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を有している。

このようなモジュール収容装置４０のモジュール収納室４４に、上述の高い耐久性を有するモジュール２０を収納することで、高い耐久性を備えたモジュール収容装置４０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、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、複数の発電素子部がそれぞれ配置され、隣り合う発電素子部同士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。

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
７：固定部材
７ａ：固定材
７ａ１：第一領域
７ａ２：第二領域
７ａ３：第三領域
７ａ４：多孔質領域
７ａ５：緻密領域
７ｂ：支持部材
１０：セルスタック装置
１４：収納容器
２０：モジュール
４０：モジュール収容装置

Claims (8)

1. 複数のセルが積層されたセルスタックと、前記複数のセルを固定する固定部材と、を備え、
   該固定部材は、前記複数のセルを支持する支持部材と、該支持部材と前記複数のセルとの間に配置された固定材と、を有し、
   前記支持部材、前記固定材、及び前記複数のセルのうち少なくとも１つのセルを含む断面において、
   前記固定材は、前記支持部材側に位置する第一領域と、該第一領域よりも前記セル側に位置する第二領域と、前記第一領域と前記第二領域との間に位置する第三領域と、を含み、
   前記第一領域及び前記第二領域のうち少なくとも一方は、前記第三領域の気孔率より高い気孔率を有する多孔質領域を含む、セルスタック装置。
2. 前記第一領域は、前記支持部材と接する第一界面領域を含み、
   前記第二領域は、前記セルと接する第二界面領域を含み、
   前記第一界面領域及び前記第二界面領域のうち少なくとも一方の領域が、前記多孔質領域である、請求項１に記載のセルスタック装置。
3. 前記支持部材は導電性を有し、
   前記第一界面領域が前記多孔質領域であり、かつ絶縁性を有する、請求項２に記載のセルスタック装置。
4. 前記支持部材は導電性であり、
   前記第一界面領域が前記多孔質領域であり、かつ前記多孔質領域の気孔率は前記第二界面領域の気孔率より高い、請求項２又は３に記載のセルスタック装置。
5. 前記セルと前記支持部材は前記固定材を介して対向しており、
   前記支持部材と、前記固定材と、前記セルと、を含む断面において、
   前記多孔質領域は、前記セルと前記支持部材とが対向する第一方向と直交する第二方向における端部と、第二方向における中央部と、を含み、
   前記第一方向における、前記端部の厚みは、前記中央部の厚みより大きい、請求項３または４に記載のセルスタック装置。
6. 前記第一領域及び前記第二領域のうち少なくとも一方は、
   前記多孔質領域と前記第三領域側で隣り合い、前記第三領域の気孔率より低い気孔率を有する緻密領域を含む、請求項１〜５のいずれかに記載のセルスタック装置。
7. 収納容器、及び該収納容器内に収納された請求項１乃至６のうちいずれかに記載のセルスタック装置を備える、モジュール。
8. 外装ケースと、該外装ケース内に収納された、請求項７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。

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