JP6419310B2

JP6419310B2 - セルスタック装置、モジュール及びモジュール収容装置

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Publication number: JP6419310B2
Application number: JP2017509872A
Authority: JP
Inventors: 辰洋牟禮; 晋平白石; 一成杉原; 光博中村
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2015-03-27
Filing date: 2016-03-24
Publication date: 2018-11-07
Anticipated expiration: 2036-03-24
Also published as: EP3276729A4; WO2016158684A1; US10714782B2; CN107431231B; EP3276729A1; JPWO2016158684A1; EP3276729B1; US20180062195A1; CN107431231A

Description

本発明は、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、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。）。

また、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（Ｏ_２）を生成する電解セルが複数配列されてなる電解セルスタック装置を収納容器内に収納してなる電解モジュールや、電解モジュールを外装ケース内に収納してなる電解装置も提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００７−５９３７７号公報特開２０１３−１０３１１９号公報

本開示のセルスタック装置は、セルを複数個配列してなるセルスタックと、前記セルの一端がシール材にて固定されているとともに前記セルに反応ガスを供給するための第１のマニホールドと、を具備している。該第１のマニホールドは、内側においてシール材によって前記セルの一端を固定している枠体と、該枠体の一端部に接合されており前記枠体より剛性が低く、前記セルスタック側に湾曲している板状体とを有している。
また、本開示のセルスタック装置は、セルを複数個配列してなるセルスタックと、前記セルの一端がシール材にて固定されているとともに前記セルに反応ガスを供給するための第１のマニホールドと、を具備している。該第１のマニホールドは、内側においてシール材によって前記セルの一端を固定している枠体と、該枠体の一端部に接合されており前記枠体より剛性が低い板状体と、を有している。外板状体は前記枠体が接合される側の第１面と、該第１面と反対側の第２面を備えており、前記板状体の第１面に環状の第１の溝が設けられており、前記枠体の一端部が、前記第１の溝の内部で接合されている。

また、本開示のモジュールは、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いる。

さらに、本開示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いる。

燃料電池セルを用いてなる本実施形態の燃料電池セルスタック装置の一例を備える燃料電池モジュールを示す外観斜視図である。（ａ）は図１に示す燃料電池セルスタック装置の側面側の断面図であり、（ｂ）は正面側の断面図であってセルスタックと第１のマニホールドの接合部の拡大断面図である。図１に示す本実施形態の燃料電池セルスタック装置の一部を抜粋して示す断面図である。本実施形態の燃料電池セルスタック装置の他の一例を示す側面側の断面図である。（ａ）は本実施形態の燃料電池セルスタック装置のさらに他の一例を示す、正面側の断面図であって、セルスタックと第１のマニホールドとの接合部の拡大断面図であり、（ｂ）は（ａ）で示した板状体の平面図である。（ａ）は本実施形態の燃料電池セルスタック装置のさらに他の一例を示す、正面側の断面図であって、セルスタックと第１のマニホールドとの接合部の拡大断面図であり、（ｂ）は（ａ）で示した板状体の平面図である。本実施形態の燃料電池セルスタック装置のさらに他の一例を示す、正面側の断面図であって、セルスタックと第１のマニホールドとの接合部の拡大断面図である。（ａ）は本実施形態のさらに他の一例を示す燃料電池セルスタック装置の外観斜視図であり、（ｂ）は（ａ）で示したスタック装置の一部を省略した平面図である。図８に示す燃料電池セルスタック装置の一部を拡大した断面図である。燃料電池セルを用いてなる本実施形態の燃料電池セルスタック装置のさらに他の例を備える燃料電池モジュールを示す外観斜視図である。図１０に示す燃料電池セルスタック装置の正面側の断面図であって、セルスタックと第１のマニホールドとの接合部の拡大断面図である。本実施形態の電解セルスタック装置の一例を示す外観斜視図である。（ａ）は図１２に示す電解セルスタック装置の側面側の断面図であり、（ｂ）は（ａ）で示す破線部分を抜粋して示す断面図である。本実施形態の燃料電池装置の一例を概略的に示す分解斜視図である。

図１〜１４を用いて、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ついて説明する。なお、セルとは燃料電池セル、電解セルの双方を含むことを意味する。また、セルスタック装置とは燃料電池セルスタック装置、電解セルスタック装置の双方を含むことを意味する。また、モジュールとは燃料電池モジュール、電解モジュールの双方を含むことを意味する。また、モジュール収容装置とは燃料電池装置、電解装置の双方を含むことを意味する。

図１は、燃料電池セルを用いてなる本実施形態の燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図であり、図２（ａ）は図１に示す燃料電池セルスタック装置の側面側の断面図であり、図２（ｂ）は正面側の断面図であってセルスタックと第１のマニホールドとの接合部の拡大断面図である。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。また、図２（ａ）は一部ハッチングを省略している。

図１に示す燃料電池モジュール１においては、収納容器２の内部に、内部を燃料ガスが一端から他端に流通するガス流路（図示せず）を有する燃料電池セル３を立設させた状態で一列に配列し、隣接する燃料電池セル３間が導電部材（図１においては図示せず）を介して電気的に直列に接続されているとともに、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）で第１のマニホールド４に固定してなるセルスタック５を１つ備える燃料電池セルスタック装置１２を収納してなる。

また、セルスタック５の上方には、燃料電池セル３に供給する燃料ガスを生成するための改質器６が配置されている。なお、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２０を有する端部導電部材１９が配置されている。

なお、燃料電池セルスタック装置１２を、改質器６を含むものとすることもできる。

また、後述するが、第１のマニホールド４は、枠体４ａと板状体４ｂで形成される空間に、燃料電池セル３に供給する燃料ガスを貯留している。

また、図１においては、燃料電池セル３として、内部を燃料ガスが長手方向に流通する燃料ガス流路を複数有する中空平板型で、燃料ガス流路を有する支持体の表面に、内側電極層、固体電解質層及び外側電極層を順に積層してなる固体酸化物形の燃料電池セル３を例示している。燃料電池セル３の構成については後述する。

また、本実施形態の燃料電池装置においては、燃料電池セル３は、例えば平板型や円筒型とすることもでき、あわせて収納容器２の形状も適宜変更することができる。

また、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燃料ガスを生成する。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好ましく、水を気化させるための気化部７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８とを備えている。そして、改質器６で生成された燃料ガスは、燃料ガス流通管９を介して第１のマニホールド４に供給され、第１のマニホールド４より燃料電池セル３の内部に設けられた燃料ガス流路に供給される。

また図１においては、収納容器２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１２を後方に取り出した状態を示している。ここで、図１に示した燃料電池モジュール１においては、燃料電池セルスタック装置１２を、収納容器２内にスライドして収納することが可能である。

また、上述の構成の燃料電池モジュール１においては、燃料電池セル３における燃料ガス流路より排出される発電に使用されなかった燃料ガスと酸素含有ガスとを燃料電池セル３の上端と改質器６との間で燃焼させることにより、燃料電池セル３の温度を上昇・維持させることができる。あわせて、燃料電池セル３（セルスタック５）の上方に配置された改質器６を温めることができ、改質器６で効率よく改質反応を行なうことができる。なお、通常発電時においては、上記燃焼や燃料電池セル３の発電に伴い、燃料電池モジュール１内の温度は５００〜１０００℃程度となる。

図３は、本実施形態の燃料電池セルスタック装置の一部を抜粋して示す断面図である。

図２、図３に示すように、燃料電池セル３の一端（図３における下側の端部）は枠体４ａで囲まれており、枠体４ａの内側に充填されたシール材１３で燃料電池セル３の一端の外周が固定されている。つまり、セルスタック５は、枠体４ａの内側に複数の燃料電池セル３を一列に並べ、各燃料電池セル３を、導電部材１８ａを介して接続して収容し、シール材１３で枠体４ａに接着されている。なお、この枠体４ａの内側が固定部となる。また、シール材１３は、耐熱性かつ絶縁性を有している材料を用いることが好ましく、例えばガラス等を用いることができる。

セルスタック５の燃料電池セル３の配列方向における最も外側に位置する燃料電池セル３には、当該燃料電池セル３の外側に配置された導電部材１８ｂを介して端部導電部材１９が接続されている。

ここで、端部導電部材１９は、平板形状を有していてもよい。これによって、端部導電部材１９は、広い面積で、導電部材１８ｂから電流を取り出すことができるとともに、燃料電池セル３の変形を抑えることができる。

また、端部導電部材１９は、その一端（下端）が導電部材１８ｂの下端以下に位置しており、その他端（上端）が導電部材１８ｂの上端以上に位置していてもよい。これによって、端部導電部材１９は、導電部材１８ｂと広い接触面積で接続されることとなる。従って、端部導電部材１９は、広い面積で、導電部材１８ｂから電流を取り出すことができる。

端部導電部材１９は、セルスタック５の外側に突出する導電部２０を有している。この導電部２０は、第１のマニホールド４と離間している。なお、図には示していないが、端部導電部材１９の外側に、セルスタック５の周囲に配置された断熱材との接触や外部からの衝撃に対して、端部導電部材１９及びセルスタック５を保護する目的で、保護カバーを設けてもよい。

この構成の組立てにおいては、セルスタック５の一端をシール材１３で枠体４ａに接着し、その後で別途、枠体４ａを板状体４ｂに接合することが可能である。

以下、セルスタック装置１２を構成する燃料電池セル３について説明する。

燃料電池セル３は、図３に示すように、一対の対向する平坦面をもつ柱状の導電性支持基板２１（以下、支持基板２１と略す場合がある）の一方の平坦面上に内側電極層２２、固体電解質層２３及び外側電極層２４を順次積層してなる柱状（中空平板状等）からなる。この導電性支持基板２１には、内部をガス流れるガス流路２７が設けられており、図３においては６つのガス流路が設けられた例を示している。図３に示す例においては、内側電極層２２を燃料側電極層とし、外側電極層２４を空気側電極層として説明する。なお、内側電極層２２を空気側電極層とし、外側電極層２３を燃料側電極層として、ガス流路２７に酸素含有ガスを流す構成の燃料電池セル３としてもよい。また、支持基板は燃料側電極層を兼ねるものとし、その表面に固体電解質層及び空気側電極層を順次積層してセルを構成することもできる。

また、燃料電池セル３の他方の平坦面上にはインターコネクタ２５が設けられており、インターコネクタ２５の外面（上面）にはＰ型半導体層２６が設けられている。Ｐ型半導体層２６を介して、導電部材１８ａをインターコネクタ２５に接続させることにより、両者の接触がオーム接触となり、電位降下を少なくし集電性能の低下を有効に回避することが可能となる。

燃料側電極層２２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_２（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及び／又はＮｉＯとから形成することができる。

固体電解質層２３は、燃料側電極層２２、空気側電極層２４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_２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。

空気側電極層２４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_３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。空気側電極層２４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２０〜５０％の範囲にあることが好ましい。

支持基板２１としては、燃料ガスを燃料側電極層２２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２５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。したがって、支持基板２１としては、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。セル３を作製するにあたり、燃料側電極層２２又は固体電解質層２３との同時焼成により支持基板２１を作製する場合においては、鉄族金属成分と特定希土類酸化物とから支持基板２１を形成してもよい。また、図３に示した燃料電池セル３において、柱状（中空平板状）の支持基板２１は、立設方向に細長く延びる板状片であり、平坦な両面と半円形状の両側面を有する。また、支持基板２１は、ガス透過性を備えるために開気孔率が３０％以上、特に３５〜５０％の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｓ／ｃｍ以上であるのが好ましい。また、支持基板２１の形状は柱状であればよく、円筒状であってもよい。

Ｐ型半導体層２６としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物からなる層を例示することができる。具体的には、インターコネクタ２５を構成する材料よりも電子伝導性が大きいもの、例えば、ＢサイトにＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏなどが存在するＬａＭｎＯ_３系酸化物、ＬａＦｅＯ_３系酸化物、ＬａＣｏＯ_３系酸化物などの少なくとも一種からなるＰ型半導体セラミックスを使用することができる。このようなＰ型半導体層２６の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲にあることが好ましい。

インターコネクタ２５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）及び酸素含有ガス（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２５は支持基板２１に形成されたガス流路２７を流通する燃料ガス、及び支持基板２１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。

そして、燃料電池セル３を電気的に接続するために介装される導電部材１８ａ、セルスタックの最も外側に位置する導電部材１８ｂ及び端部導電部材１９は、弾性を有する金属又は合金からなる部材あるいは金属繊維又は合金繊維から成るフェルトに所要の表面処理を加えた部材から構成することができる。

ところで、燃料電池セルスタック装置における各燃料電池セルには、燃料ガスが供給され、電解装置における各電解セルには、水蒸気が供給される。これらの燃料電池セル又は電解セルは、燃料ガスや水蒸気を燃料電池セル又は電解セルに供給するためのマニホールドに、シール材を介して固定されている。しかしながら、マニホールドにセルスタックをシール材で接合する工程においては高い温度環境下となるため、マニホールドは熱膨張する。そして、この接合工程後に冷却されることによって、一度熱膨張したマニホールドが熱収縮する。その際に、例えばマニホールドにおける枠体が接合された部材が箱型形状のガスケースである場合には、このガスケースの剛性が比較的高いため、ガスケースの熱収縮によって枠体に発生する収縮の応力が大きくなりやすかった。それに伴って、セルスタックのうち特に燃料電池セルの配列方向の両端部における燃料電池セルとシール材との接合部には高い応力が加わるため、シール材にクラックが生じる場合があり、ガスが漏れる可能性があった。従って、このシール材のクラック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が求められていた。

それゆえ、本実施形態のセルスタック装置１２においては、図２に示すように、第１のマニホールド４は、内側においてシール材１３によって燃料電池セル３の一端を固定している枠体４ａと、枠体４ａの一端部に接合されており枠体４ａより剛性が低い板状体４ｂと、を有している構成としている。この構成によれば、図４に示すように剛性が低い板状体４ｂが変形することによって、第１のマニホールド４の熱収縮による応力を板状体４ｂで緩和することができる。よって、燃料電池セル３のシール材１３との接合部にかかる応力を低減することができるので、燃料電池セル３を接合するシール材１３にクラックが生じることを抑制でき、ガスが漏れることを抑制することができる。

なおここでいう「剛性」とは、曲げ剛性を意味する。曲げ剛性は下記の関係式で求めることができる。

剛性（曲げ剛性）＝Ｅ×Ｉ／Ｌ
Ｅ：ヤング率
Ｉ：断面二次モーメント
Ｌ：各部材のセルの配列方向の長さ
図２に示す例においては、枠体４ａの上端が、枠体４ａの内側に向かって湾曲している。この湾曲した端部における内部空間側が燃料電池セル３との接合部となる。

なお、この例に限らず、枠体４ａの上端は湾曲していなくてもよい。例えば、枠体４ａは筒形状であってもよい。このように枠体４ａが筒形状である場合には、枠体４ａの上端部における内部領域がセルスタック５との接合部となる。

また、図１に示す例のように、燃料ガス流通管９のガス出口側の端部が枠体４ａの側面に接合されている。これにより燃料ガス流通管９から燃料ガスが第１のマニホールド４の内部空間に供給される。なお、燃料ガス流通管９のガス出口側の端部は、板状体４ｂの底面である第２面ｎ２に接合されていてもよい。なお、以降の説明において、板状体４ｂの枠体４ａが接合されている側の面を第１面ｎ１とし、当該第１面と反対側の面を第２面ｎ２とする。

図１、図２に示す例においては、板状体４ｂは平面視で略長方形状である。また、枠体４ａ及びセルスタック５を支持するという観点から、平面視において、板状体４ｂの外縁は枠体４ａ及びセルスタック５よりも外側に位置している。また、図１、図２に示す例において、板状体４ｂは平坦な面を有しているが、後述するように、板状体４ｂとは溝やセルスタック５側に曲がった周縁部を有するものも含むものとする。

また、図２に示す例においては、枠体４ａの一端部である下端部は、接合材１５によって板状体４ｂの第１面ｎ１に接合されている。この接合材１５は、耐熱性を有している材料を用いることが好ましく、例えばガラス等を用いることができる。

図２に示す例においては、接合材１５は枠体４ａの下端部において、枠体４ａの外側表面及び内側表面に沿って環状に設けられている。また、接合材１５は枠体４ａの下端部と、板状体４ｂの第１面ｎ１との間に挟まっていてもよい。

また、図２に示す例においては、枠体４ａ及び板状体４ｂが接合材１５で接合されているが、枠体４ａ及び板状体４ｂは、例えば溶接等の接合材を用いない方法で接合されていてもよい。

第１のマニホールド４を構成する枠体４ａ及び板状体４ｂの材料は、耐熱性及び耐腐食性を有する金属材料を用いることが好ましく、例えばフェライト系のステンレス等を用いることができる。

図４は本実施形態のセルスタック装置の他の一例を示す側面側の断面図である。図４に示す例においては、板状体４ｂはセルスタック５側に湾曲している。この構成によれば、板状体４ｂはさらに変形しやすくなるので、第１のマニホールド４の熱収縮による応力をより緩和することができる。よって、よりシール材１３との接合部にかかる応力を低減し、ガスが漏れることを抑制することができる。

図５（ａ）は、本実施形態の燃料電池セルスタック装置のさらに他の一例を示す、正面側の断面図であってセルスタックと第１のマニホールドとの接合部の拡大断面図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）で示した板状体の平面図である。なお、図５（ｂ）における斜線部は、第１の溝１６ａを示している。

図５に示す例においては、板状体４ｂの第１面ｎ１に環状の第１の溝１６ａが設けられており、枠体４ａの一端部が、第１の溝１６ａの内部に接合材１５により接合されている。この構成により、枠体４ａの一端部における内側表面及び外側表面には、枠体４ａの一端部に沿って接合材１５の溜まり部が環状に設けられることとなる。従って、枠体４ａを板状体４ｂに強固に接合することができる。よって、ガスが漏れることを抑制することができる。

また、板状体４ｂの第１面ｎ１に環状の第１の溝１６ａが設けられている構成は、言いかえれば、板状体４ｂの中央領域がセルスタック５側に突出している。よって、板状体４ｂの第２面ｎ２側には第１の溝１６ａで囲まれた空間が設けられている。この構成によって、図１に示すように、燃料電池セルスタック装置１２を収納容器２内部に載置した際に、収納容器２内部の底面と板状体４ｂの第２面ｎ２との間に空間が形成されることとなる。従って、第１のマニホールド４内部の温度が板状体４ｂを経由して収納容器２に放熱されることを抑制することができる。これにより、燃料電池セル３の発電時に必要な熱を失うことを防ぐことができるので、発電効率を向上させることができる。

図６（ａ）は、本実施形態の燃料電池セルスタック装置のさらに他の一例を示す、正面側の断面図であって、セルスタックと第１のマニホールドとの接合部の拡大断面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）で示した板状体の平面図である。なお、図６（ｂ）における斜線部は、第１の溝１６ａ及び第２の溝１６ｂを示している。

図６に示す例においては、平面視で、板状体４ｂは第１の溝１６ａよりも内側にセル３の配列方向に延びる第２の溝１６ｂを備えている。言い換えれば、板状体４ｂは、第１面ｎ１における第１の溝１６ａに囲まれた領域に、セル３の配列方向に延びる第２の溝１６ｂを備えている。この構成により、燃料ガス流通管９からマニホールド４内に流出した燃料ガスを、セルスタック５の端部のセル３まで効率よく流すことができる。これにより、発電効率を向上させることができる。

第２の溝１６ｂの深さは適宜設定可能であり、第１の溝１６ａと同程度の深さとしてもよい。また、第２の溝１６ｂが複数設けられていてもよい。なお、一つの第２の溝１６ｂの長さは、セル３の配列方向におけるセルスタック全長の４分の１以上であってもよい。

なお、板状体４ａの第１の溝１６ａ又は第２の溝１６ｂの深さを制御することにより、板状体４ａの剛性を調整することができる。

図７は、本実施形態の燃料電池セルスタック装置のさらに他の一例を示す、正面側の断面図であってセルスタックと第１のマニホールドとの接合部の拡大断面図である。

図７に示す例においては、板状体４ｂは、周縁部１７がセルスタック５側に曲がっており、枠体４ａの一端部が接合材により板状体４ｂに接合されているとともに、接合材が枠体４ａ内であって、板状体４ｂ側に設けられている。この構成により、第１のマニホールド４の内部空間においては、板状体４ｂの第１面ｎ１が接合材１５で覆われた構成となるため、第１のマニホールド４内部の温度が接合材１５で断熱されることにより板状体４ｂを経由して外部に放熱されることを防ぐことができる。これにより、燃料電池セル３の発電時に必要な熱を失うことを防ぐことができるので、発電効率を向上させることができる。

図８（ａ）は本実施形態のさらに他の一例を示す燃料電池セルスタック装置の外観斜視図であり、（ｂ）は（ａ）で示したスタック装置の一部を省略した平面図である。図９は、図８に示す燃料電池セルスタック装置の一部を拡大した断面図である。

図８及び図９で示す燃料電池セルスタック装置１２１は、第１のマニホールド４の上方に配置された改質器６と、改質器６から第１のマニホールド４に燃料ガスを流通するための燃料ガス流通管９を備えている。燃料ガス流通管９の一端は、平面視で枠体内であって、板状体４ａを貫通して設けられた第１の貫通孔２９ａと第２面ｎ２側より接続されている。そして、第１のマニホールド４は、燃料ガス流通管９の一端と離間してかつ該一端を覆う整流板２８を有している。この構成により、板状体４ａに接続された燃料ガス流通管９から第１のマニホールド４内に流出した燃料ガスを、燃料ガス流通管９から比較的離れて配置されたセル３まで効率よく流すことができる。それにより、発電効率を向上させることができる。

なお、燃料ガス流通管９の一端は、第１の貫通孔２９ａと接続されていればよく、たとえば第１の貫通孔２９ａの第１面ｎ１側、第２面ｎ２側、また貫通孔２９ａ内のいずれに接続されていてもよい。

また、整流板２８は、第１のマニホールド４における板状体４ａに設けられていてもよく、枠体４ｂに設けられていてもよい。また、流配分率向上のため、整流板２８は、第１の貫通孔から流出する燃料ガスの流出方向に対し垂直に設けられていてもよい。また、整流板２８は開口部を有している。開口部は、セルスタック５のうち整流板２８から離れた端部のセル３に向かって燃料ガスが流出するように設けられていてもよい。

また、図８及び図９で示す燃料電池セルスタック装置１２１における燃料ガス流通管９は、枠体４ｂ外における板状体４ａに貫通して設けられた第２の貫通孔２９ｂを挿通しており、該第２の貫通孔２９ｂにおいて燃料ガス流通管９が板状体４ａと接合されている。この構成により、燃料ガス流通管９と板状体４ａとの接合点を増やすことができるため、板状体４ａが変形した場合であっても、板状体４ａの第１の貫通孔２９ａに接続されている燃料ガス流通管９の一端に印加される応力を分散することができる。すなわち、燃料電池セルスタック装置１２１の長期信頼性を向上することができる。なお、燃料ガス流通管９は、第２の貫通孔２９ｂにおいて、第１面ｎ１側や第２面ｎ２側にて接合することができる。

なお、「第２の貫通孔２９ｂ」とは、板状体４ａの平面視において、板状体４ａの縁部に設けられ、一部が開口している場合も含むものとする。

図１０は、燃料電池セルを用いてなる本実施形態の燃料電池セルスタック装置の他の例を備える燃料電池モジュールを示す外観斜視図である。図１１は、図１０に示す燃料電池セルスタック装置の正面側の断面図であってセルスタックと第１のマニホールドとの接合部の拡大断面図である。なお、図１０においては、端部導電部材及び導電部を省略している。

図１０、１１に示す例においては、２つのセルスタック５が、シール材１３で第１のマニホールド４に接合されている。

図１０に示す例のように、セルスタック５が２つある場合には、燃料ガス流通管９は、出口側の端部が２つの管に分岐している。この枝分かれした２つの端部が、それぞれのセルスタック５が接合された枠体４ａに接合されている。この構成によって、燃料ガス流通管９は、燃料ガスをそれぞれの枠体４ａに供給することができる。なお、燃料ガス流通管９は２つの管に分岐していれば、どの部位で分岐してもよい。

また、収納容器２の内部には、第１のマニホールド４に並置されたセルスタック５の間に配置され、酸素含有ガスが燃料電池セル３の側方を下端部から上端部に向けて流れるように、酸素含有ガス導入部材１１が配置されている。

なお、図１１に示すように、セルスタック５を２つ備える場合には、１つの板状体４ｂに２つの枠体４ａが接合されている。

また、図１１に開示した構成では板状体４ｂは、図２に示す板状体４ｂに相当するが、図５、図６又は図７で開示した板状体４ｂのように第１の溝１６ａ、第２の溝１６ｂ又はセルスタック５側に曲がった周縁部１７を有していてもよい。

また、図８又は図９で開示した燃料電池セルスタック装置１２１のように、第１のマニホールド４に第１の貫通孔２９ａ、第２の貫通孔２９ｂ又は整流板２８を有していてもよい。なお、燃料ガス供給管９が分岐している場合は、分岐した２つの管に対応するように２つの第２の貫通孔２９ｂを有していてもよい。

図１２は、本実施形態の電解セルスタック装置の一例を示す外観斜視図である。図１３（ａ）は、図１２に示す電解セルスタック装置の側面側の断面図であり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）で示す破線部分を抜粋して示す断面図である。なお、図１３（ａ）は一部ハッチングを省略している。

図１２は、内部をガスが一端から他端に流通するガス流路（図示せず）を有する電解セル３０を立設させた状態で一列に配列し、隣接する電解セル３０間がセル間導電部材（図１２においては図示せず）を介して電気的に直列に接続されたセルスタック５を備える電解セルスタック装置５１を示す。

図１２、図１３に示すように、電解セル３０の他端（上端）がシール材１３にて第２のマニホールド１４に固定されており、この第２のマニホールド１４は、電解セル３０より排出されるガスを回収する。

また、図１２、図１３に示す例においては、第２のマニホールド１４も、第１のマニホールド４と同様に、内側においてシール材１３によって電解セル３０の他端を固定している枠体１４ａと、この枠体１４ａの一端部に接合されており、枠体１４ａより剛性が低い板状体１４ｂと、を有していてもよい。この構成によれば、第２のマニホールド１４側においても、シール材１３のクラックを抑制することができる。

第２のマニホールド１４を構成する枠体１４ａ及び板状体１４ｂは、前述した第１のマニホールド４を構成する枠体４ａ及び板状体４ｂを構成する構造や材料と同一であってよい。

なお、第１のマニホールド４には水蒸気を供給する水蒸気供給管３１が接続されており、第２のマニホールド１４には水素含有ガスを回収する水素回収管３２が接続されている。

上述した電解セルスタック装置５１において、ガス流路に水蒸気を含むガスを流して、電圧を与えることにより水素含有ガスを生成することができ、第１のマニホールド４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１４が生成された水素を回収するための回収部となる。

ちなみに、上述の第１のマニホールド４と第２のマニホールド１４とは逆の構成、すなわち、第１のマニホールド４を生成された水素を回収するための回収部とし、第２のマニホールド１４を高温の水蒸気を供給するための供給部としてもよい。

なお、図１３（ｂ）に示す電解セル３０は、上述した図１〜１１で示した燃料電池セル３と同じ構成とすることができる。

また、図１２、図１３に開示した構成では板状体１４ｂは、図２で示した板状体４ｂに相当するが、図４、図５、図６又は図７で開示した板状体４ｂのように、セルスタック５側に湾曲していたり、溝１６やセルスタック５側に曲がった周縁部１７を有していたりしてもよい。

図４に示すように板状体１４ｂがセルスタック５側に湾曲している構成によれば、前述した通り、さらに変形しやすくなりシール材１５のクラックを抑制することができる。

また、図５、図７に示すように板状体１４ｂが第１の溝１６ａや周縁部１７を有している構成によれば、枠体１４ａを板状体１４ｂに強固に接合することができる。

また、図６に示すように板状体１４ｂが第２の溝１６ｂを有している構成によれば、板状体１４ｂの電解セル配列方向の端部に水蒸気回収管３２が配置されている場合に、電解セル３０から流出した水素をより効率的に回収することができる。

また、図１２、図１３に示す例は、電解セルスタック装置を用いて説明したが、図１２、図１３に示す例を、燃料電池セルスタック装置として用いてもよい。この場合には、例えば、第１マニホールド４に燃料ガスを供給し、第２マニホールド１４が排ガスを回収するオフガスリサイクルタイプの燃料電池セルスタック装置とすることができる。また、この場合には、導電部２０から電流を取り出すようにすればよい。

図１４は、外装ケース内に図１で示した燃料電池モジュール１と、燃料電池モジュール１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燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。なお、図１４においては一部構成を省略して示している。

図１４に示す燃料電池装置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燃料電池モジュール１を収納するモジュール収納室４４とし、下方側を燃料電池モジュール１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。

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。

このような燃料電池装置４０においては、上述したように、長期信頼性の向上した燃料電池モジュール１をモジュール収納室４４に収納し、燃料電池モジュール１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燃料電池装置４０とすることができる。

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。

上述の例ではいわゆる縦縞型と呼ばれるセル３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又は電解素子部を支持体上に設けてなる横縞型のセルを用いることもできる。

１：燃料電池モジュール
２：収納容器
３：燃料電池セル
４：第１のマニホールド
４ａ：枠体
４ｂ：板状体
５：セルスタック
１２、１２０、１２１、１２２：燃料電池セルスタック装置
１３：シール材
１４：第２のマニホールド
１４ａ：枠体
１４ｂ：板状体
１５：接合材
１６：溝
１６ａ：第１の溝
１６ｂ：第２の溝
１７：周縁部
１８（１８ａ、１８ｂ）：導電部材
２８：整流板
２９：貫通孔
２９ａ：第１の貫通孔
２９ｂ：第２の貫通孔
３０：電解セル
４０：燃料電池装置
５１：電解セルスタック装置

Claims

セルを複数個配列してなるセルスタックと、
前記セルの一端がシール材にて固定されているとともに前記セルに反応ガスを供給するための第１のマニホールドと、を具備し、
該第１のマニホールドは、
内側においてシール材によって前記セルの一端を固定している枠体と、
該枠体の一端部に接合されており前記枠体より剛性が低く、前記セルスタック側に湾曲している板状体と、を有している
ことを特徴とするセルスタック装置。
前記板状体は前記枠体が接合される側の第１面と、該第１面と反対側の第２面を備えており、
前記板状体の第１面に環状の第１の溝が設けられており、
前記枠体の一端部が、前記第１の溝の内部で接合されている
ことを特徴とする請求項１に記載のセルスタック装置。
前記板状体は、周縁部が前記セルスタック側に曲がっており、
前記枠体の一端部が接合材により前記板状体に接合されているとともに、
前記接合材が、前記枠体内であって、前記板状体側に設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載のセルスタック装置。
セルを複数個配列してなるセルスタックと、
前記セルの一端がシール材にて固定されているとともに前記セルに反応ガスを供給するための第１のマニホールドと、を具備し、
該第１のマニホールドは、
内側においてシール材によって前記セルの一端を固定している枠体と、
該枠体の一端部に接合されており前記枠体より剛性が低い板状体と、を有し、
該板状体は前記枠体が接合される側の第１面と、該第１面と反対側の第２面を備えており、
前記板状体の第１面に環状の第１の溝が設けられており、
前記枠体の一端部が、前記第１の溝の内部で接合されている
ことを特徴とするセルスタック装置。
前記板状体は、平面視で、前記第１の溝よりも内側にセルの配列方向に延びる第２の溝
を備える
ことを特徴とする請求項２または４に記載のセルスタック装置。
前記第１のマニホールドの上方に配置された改質器と、
前記改質器から前記第１のマニホールドに燃料ガスを流通するための燃料ガス流通管と、を備えており、
該燃料ガス流通管の一端は、平面視で前記枠体内であって、前記板状体を貫通して設けられた第１の貫通孔と前記第２の面側より接続されており、
前記第１のマニホールドは、前記燃料ガス流通管の一端と離間してかつ該燃料ガス流通管の一端を覆う整流板を有している
ことを特徴とする請求項２、４および５のうちいずれかに記載のセルスタック装置。
前記燃料ガス流通管は、前記枠体外における前記板状体に貫通して設けられた第２の貫通孔を挿通しており、該第２の貫通孔において前記燃料ガス流通管が前記板状体と接合されている
ことを特徴とする請求項６に記載のセルスタック装置。
前記セルの他端がシール材にて固定されているとともに、前記セルより排出されるガスを回収するための第２のマニホールドをさらに有し、
該第２のマニホールドは、
内側においてシール材によって前記セルの他端を固定する枠体と、
該枠体の一端部に接合されており前記枠体より剛性が低い板状体と、を有している
ことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載のセルスタック装置。
収納容器内に、請求項１乃至８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。
外装ケース内に、請求項９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。