(57)【要約】      （修正有）【課題】長期信頼性の向上した燃料電池セル装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置を提供する。【解決手段】燃料電池セル装置は、燃料電池セル３と、底部が開口を有し、上面にセル挿入孔を有するセル保持部材７と、セル保持部材の底部開口を塞ぎ、セル保持部材に接合された蓋部材８と、セル保持部材よりも熱膨張係数が小さく、燃料電池セルとセル保持部材のセル挿入孔との隙間をシールし、燃料電池セルをセル保持部材に接合するためのシール材１０と、を有するものであって、蓋部材の上面および下面のうち少なくとも一方に凹部２０を有することから、シール材にクラックが生じることを低減することができ、長期信頼性の向上した燃料電池セル装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置。【選択図】図３
2012094398.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルと、
底部が開口を有し、上面にセル挿入孔を有するセル保持部材と、
該セル保持部材の底部開口を塞ぎ、セル保持部材に接合された蓋部材と、
前記セル保持部材よりも熱膨張係数が小さく、前記燃料電池セルと前記セル保持部材のセル挿入孔との隙間をシールし、前記燃料電池セルを前記セル保持部材に接合するためのシール材と、を有する燃料電池セル装置において、
前記蓋部材の上面および下面のうち少なくとも一方に凹部を有することを特徴とする燃料電池セル装置。
【請求項２】
前記蓋部材が板部材からなり、前記凹部が前記セル保持部材の開口と対応する位置に複数設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル装置。
【請求項３】
前記凹部が、前記蓋部材の一端から他端にかけて設けられた溝部であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池セル装置。
【請求項４】
前記蓋部材が、凹凸が連続的に繰り返された上面および下面を有する板部材であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池セル装置を収納容器内に収納してなることを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池モジュールと、該燃料電池モジュールを動作させるための補機とを外装ケース内に収納してなることを特徴とする燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セル装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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燃料電池セルを、燃料電池セルに燃料ガスまたは空気を供給するためのマニホールドとよばれるガスタンクや、このガスタンクに燃料電池セルの下端部を固定してなる燃料電池セル装置や、該燃料電池セル装置を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュール、さらには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。）。
【０００３】
このような燃料電池セル装置は、燃料電池セルを保持するセル保持部材と、セル保持部材が載置され一体的に接合された蓋部材と、燃料電池セルと、セル保持部材との隙間をシールするガラス等のシール材とにより構成され、ガスタンクの内外を流通するガスがガスリークしない構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−５９３７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記の燃料電池セル装置においては、セル保持部材の熱膨張係数および蓋部材の熱膨張係数がシール材の熱膨張係数よりも大きく、燃料電池セル装置の作製時や発電時において、燃料電池セル装置が高温に曝される場合に、シール材に大きな応力が作用しないようにセル保持部材が変形しようとするのに対し、蓋部材がセル保持部材の変形を阻害するような挙動をすると、シール材に大きな応力が生じ、シール材にクラックが生じるおそれがあり、それに伴い、ガスタンクの内外を流通するガスがガスリークするおそれがあった。
【０００６】
それゆえ、本発明の目的は、燃料電池セル装置の作製時や運転時においても燃料ガスおよび空気がリークしない長期信頼性の向上した燃料電池セル装置、燃料電池モジュールおよび燃料電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の燃料電池セル装置は、燃料電池セルと、底部が開口を有し、上面にセル挿入孔を有するセル保持部材と、セル保持部材の底部開口を塞ぎ、セル保持部材に接合された蓋部材と、セル保持部材よりも熱膨張係数が小さく、燃料電池セルとセル保持部材のセル挿入孔との隙間をシールし、燃料電池セルをセル保持部材に接合するためのシール材と、を有するものにおいて、蓋部材の上面および下面のうち少なくとも一方に凹部を有する。
【０００８】
また、本発明の燃料電池モジュールは、上記の燃料電池セル装置を収納容器内に収納してなる。
【０００９】
また、本発明の燃料電池装置は、上記の燃料電池モジュールと燃料電池モジュールを動作させるための補機とを外装ケースに収納してなる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の燃料電池セル装置によれば、蓋部材上面および下面のうち少なくとも一方に凹部を有することにより、セル保持部材の変形に蓋部材が柔軟に追従することができるとともに、蓋部材が熱膨張により変形しても、凹部が蓋部材の変形を緩和することができる。それにより、シール材に生じる応力を低減することができ、シール材のクラックの発生を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の燃料電池セル装置の一実施形態を示し、（ａ）は燃料電池セル装置を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）の燃料電池セル装置の一部を拡大して示す平面図である。
【図２】図１に示す燃料電池セル装置を概略的に示す斜視図である。
【図３】（ａ）は図２に示す燃料電池セル装置を構成する蓋部材の部分斜視図、（ｂ）は図２に示す燃料電池セル装置のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】（ａ）は図３に示す蓋部材の凹部を概略的に示す側面図、（ｂ）は凹部の変形例を概略的に示す側面図、（ｃ）は凹部の変形例を概略的に示す側面図である。
【図５】（ａ）は図１に示す燃料電池セル装置の常温時における原理図、（ｂ）は燃料電池セル装置の発電時における原理図を示す。
【図６】（ａ）は本発明の燃料電池セル装置の他の実施形態を示す斜視図、（ｂ）はＢ−Ｂ線断面図である。
【図７】（ａ）は図６に示す燃料電池セル装置を構成する蓋部材の斜視図、（ｂ）は図６に示す燃料電池セル装置のＢ´−Ｂ´線断面図を示す。
【図８】（ａ）は本発明のさらに他の実施形態を示す燃料電池セル装置を構成する蓋部材の斜視図、（ｂ）は燃料電池セル装置の断面図である。
【図９】（ａ）は図８に示す蓋部材の凹凸を概略的に示す側面図、（ｂ）は蓋部材の凹凸の変形例を概略的に示す側面図、（ｃ）は蓋部材の凹凸の変形例を概略的に示す側面図である。
【図１０】（ａ）は本発明のさらに他の実施形態である燃料電池セル装置の斜視図、（ｂ）は燃料電池セル装置を構成する蓋部材の斜視図である。
【図１１】（ａ）は図１０に示す燃料電池セル装置のＣ−Ｃ線断面図、（ｂ）は図９に示す燃料電池セル装置のＣ´―Ｃ´線断面図である。
【図１２】本発明の燃料電池モジュールの一例を示す外観斜視図である。
【図１３】本発明の燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
＜第１の実施形態＞
図１を用いて燃料電池セル装置１を説明する。（ａ）は燃料電池セル装置１を概略的に示す側面図、（ｂ）は（ａ）の燃料電池セル装置１の一部を拡大した平面図であり、（ａ）で示した一点鎖線枠で囲った部分を抜粋して示している。
【００１３】
燃料電池セル装置（セルスタック装置）１は、燃料電池セル３の複数個を、それぞれの燃料電池セル３の間に集電部材４を介して立設させた状態で配列し、複数個の燃料電池セル３を両端から集電部材４を介して挟持するように電流を外部に引き出すための導電部材５が配置されており、燃料電池セル３を電気的に直列に接続してセルスタック２を形成している。各燃料電池セル３の下端部は、シール材１０により燃料電池セル３に燃料ガス（水素含有ガス）または空気（酸素含有ガス）を供給するガスタンク９に固定されている。ガスタンク９は、セル保持部材７と、セル保持部材７を載置し接合する蓋部材８とを有しており、ガスタンク９の上面には、ガスタンク９内に燃料ガスまたは空気を供給するための反応ガス供給管１１が接続されている。以下、燃料電池セル装置１について、セルスタック２をガスタンク９に固定したセルスタック装置１を例示して説明する。
【００１４】
燃料電池セル３は図１（ｂ）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体１６（以下、支持体１６と略す場合がある。）の一方側の平坦面上に内側電極層としての燃料極層１２と、固体電解質層１３と、外側電極層としての空気極層１４とが順に積層されて構成されており、柱状（中空平板状）の形状を有している。燃料電池セル３は、燃料極層１２、固体電解質層１３および空気極層１４がこの順に積層された発電部（図示せず）において、燃料電池セル３に供給される燃料ガスと空気とで発電する。以降の説明において、特に断りのない限り、内側電極層を燃料極層１２とし、外側電極層を空気極層１４とし、ガスタンク９に燃料ガスを供給し、燃料電池セル３の外側に空気を供給する例を示す。
【００１５】
さらに、燃料電池セル３の他方側の平坦面上にはインターコネクタ１５が設けられており、支持体１６の内部には、燃料電池セル３の長手方向に一端から他端にかけて、燃料ガスを流すための貫通したガス流路１７が複数設けられている。
【００１６】
また、支持体１６を、燃料極層１２を兼ねるものとし、その一方側の平坦面上に固体電解質層１３および空気極層１４を順次積層して燃料電池セル３を構成することもできる。
【００１７】
燃料電池セル３としては、各種燃料電池セルが知られているが、発電効率のよい燃料電池セル３とする上で、３００〜８５０℃の高温下で発電する固体酸化物形燃料電池セルとすることができる。それにより、単位電力に対して燃料電池装置を小型化することができるとともに、家庭用燃料電池で求められる変動する負荷に追従する負荷追従運転を行なうことができる。
【００１８】
以下に、図１に示す燃料電池セル３を構成する各部材について説明する。
【００１９】
燃料極層１２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。
【００２０】
固体電解質層１３は、電極間の酸素イオンの橋渡しをする電解質としての機能を有するとともに、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％の希土類元素が固溶したＺｒＯ2から形成されるが、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。
【００２１】
空気極層１４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。空気極層１４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％以上、特に３０〜５０％の範囲とすることができる。
【００２２】
インターコネクタ１５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することが必要であるため、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）が好適に使用される。インターコネクタ１５は、支持体１６に形成されたガス流路１７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。
【００２３】
また、インターコネクタ１５の外面（上面）にはＰ型半導体層（図示せず）を設けることもできる。集電部材４を、Ｐ型半導体層を介してインターコネクタ１５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。
【００２４】
Ｐ型半導体層としては、遷移金属の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１５を構成するランタンクロマイト系のペロブスカイト酸化物（ＬａＣｒＯ3）よりも電子伝導性の高いもの、例えばＡサイトにＳｒ（ストロンチウム）とＬａ（ランタン）が共存するＬａＳｒＣｏＦｅＯ3系酸化物（例えばＬａＳｒＣｏＦｅＯ3）、ＬａＭｎＯ3系酸化物（例えばＬａＳｒＭｎＯ3）、ＬａＦｅＯ3系酸化物（例えばＬａＳｒＦｅＯ3）、ＬａＣｏＯ3系酸化物（例えばＬａＳｒＣｏＯ3）の少なくとも１種から構成することが好ましく、特に６００〜１０００℃程度の作動温度での電気伝導性が高いという点からＬａＳｒＣｏＦｅＯ3系酸化物から構成することが特によい。ＢサイトにＣｏとともにＦｅ、Ｍｎが存在するこのようなＰ型半導体層の厚みは、一般に、３０〜１００μｍの範囲とすることができる。
【００２５】
支持体１６としては、燃料ガスを燃料極層１２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１５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。そのため、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。
【００２６】
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１６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柱状（中空平板状）である。そして燃料電池セル３の下端部と導電部材５の下端部とが、燃料電池セル３に燃料ガスを供給するガスタンク９に、ガラス等の絶縁性接合材からなるシール材１０によって固定され、支持体１６に設けられたガス流路１７が、ガスタンク９内と連通している。
【００２７】
ちなみに、燃料電池セル３を作製するにあたり、燃料極層１２または固体電解質層１３との同時焼成により支持体１６を作製する場合において、Ｎｉ等の鉄属金属成分とＹ2Ｏ3等の特定希土類酸化物とから支持体１６を形成することができる。また、支持体１６は、燃料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、またその導電率は５０Ｓ／ｃｍ以上、好ましくは３００Ｓ／ｃｍ以上、特には４４０Ｓ／ｃｍ以上とすることができる。
【００２８】
次に、セルスタック２を構成する他の部材について説明する。それぞれの燃料電池セル３同士を電気的に直列に接続する集電部材４は、燃料電池セル３の変形に追従するために弾性を有する金属または合金からなる部材あるいは金属繊維または合金繊維からな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。
【００２９】
また、集電部材４の長手方向の長さおよび幅方向の長さは、発電部の長手方向の長さおよび幅方向の長さと同等以上の長さとすることができる。それにより、発電により生じた電流を効率よく集電することができる。
【００３０】
電流を外部に引き出すための導電部材５は、セルスタック２を両端から挟持するように集電部材４を介して配置され、燃料電池セル３の配列方向（以下、セル配列方向と略す場合がある。）に沿って外側に向けて延びた電流引出部６が設けられている。電流引出部６は燃料電池セル３の発電により生じた電流を外部に引き出す役割を担う。導電部材５は、集電部材４と同様に弾性を有する金属または合金からなる部材により作製することができる。
【００３１】
ここで、燃料電池装置は、発電中において、高温の酸化雰囲気に曝されることから、集電部材４および導電部材５は、耐酸化性および耐熱性を備える合金により作製することが好ましく、具体的にはＣｒを含有する合金を用いて作製することができる。さらに、集電部材４や導電部材５の表面の一部、好ましくは全体を希土類元素を含有するペロブスカイト型酸化物等を用いてコーティングしてもよい。それにより、Ｃｒを含有する合金からＣｒの拡散を低減することができ、セルスタック２の信頼性を向上することができる。
【００３２】
図２〜５を用いて本発明の一実施形態であるセルスタック装置１について説明する。なお、図２においては集電部材４および導電部材５を省略している。
【００３３】
ガスタンク９は、底部が開口し、上面にセル挿入孔１８が設けられ、セル配列方向の一端部に反応ガス供給管１１が接合される反応ガス供給口１９を備えたセル保持部材７と、セル保持部材７の底部の開口に接合部（図示せず）にて接合された蓋部材８とにより構成された、箱状の形状を有している。
【００３４】
蓋部材８は、板状の部材の一方側の主面上に、セル配列方向（図３（ａ）に示すＬ方向）に複数の凹部２０を有している。凹部２０は、燃料電池セル３の幅方向（以下、セル幅方向と略す場合があり、図３（ａ）に示すＷ方向。）に延びる溝形状に切削されて形成されている。凹部２０は、切削等により蓋部材８の他の部位よりも厚みの薄い薄肉部となっている。
【００３５】
凹部２０は、図４に示すように円弧状、三角形状または矩形状に切削することで形成することができる。蓋部材８を作製する上で、同じ形状に切削して凹部２０を形成してもよく、これらの形状を組み合わせて蓋部材８の凹部２０を形成してもよい。また、凹部２０を複数設けず１つのみ設けてもよい。凹部２０の切削方法としては、フライス加工や旋盤加工等をあげることができる。
【００３６】
凹部２０の最も薄い箇所の厚みｈは、蓋部材８が板状部材である場合、厚みｄの２０〜７０％であることが好ましく、蓋部材８の強度を保持する点、変形しやすさの点から３０〜５０％であることが好ましい。凹部２０が蓋部材８を占める割合は、蓋部材８の全域の３０〜８０％であることが好ましく、蓋部材８とセル保持部材７との接合容易性の点、変形のしやすさの点から４０〜６０％であることが好ましい。この占める割合は、凹部２０の長さｌや凹部２０の数により適宜設定することができる。
【００３７】
凹部２０が蓋部材８を占める割合は、例えば、図３に示す蓋部材８のように複数の凹部２０を有する場合、凹部２０の長さｌと、凹部２０の幅と、凹部２０の数とを乗じた値を蓋部材８の主面の面積により除することにより求めることができる。また、１つの大きな凹部を設けた場合には、凹部の長さｌと、凹部の幅とを乗じた値を蓋部材９の主面の面積により除することにより求めることができる。
【００３８】
セルスタック２は、セル保持部材７のセル挿入孔１８に離間して配置されており、セルスタック２とセル保持部材７のセル挿入孔１８との間にシール材１０が充填されてセルスタック２（燃料電池セル３）をガスタンク９（セル保持部材７）に保持接合している。そのため、ガスタンク９の内部を流れる燃料ガスはセル保持部材７、蓋部材８およびシール材１０によりガスタンク９の外部に流出しないように構成されている。それゆえ、図３（ｂ）に示すようにガスタンク９の内部は燃料ガスを貯蔵するための空間となっている。そして、セルスタック２を構成する燃料電池セル３のガス流路１７とガスタンク９とは連通しており、反応ガス供給口１９から供給される燃料ガスは、ガスタンク９に貯蔵され、ガス流路１７を流れる間に燃料電池セル３（燃料極層１２）に燃料ガスが供給される。
【００３９】
セルスタック２を保持固定するためのシール材１０は、加工性および絶縁性から緻密質なセラミックスや非晶質ガラスまたは結晶化ガラス等を用いることができ、セルスタック２をセル保持部材７に保持固定するとともに、ガスタンク９の内外をシールしている。
【００４０】
シール材１０は、緻密質なセラミックスにより作製する場合は、ＺｎＯ2やフォルステライト等の複合酸化物をあげることができ、ガラスにより作製する場合は、アルカリ土類金属の酸化物を主成分として、ＳｉＯ2、Ｂ2Ｏ3、ＣａＯ、ＭｇＯ、Ａｌ2Ｏ3、Ｚｒ2Ｏ3またはＬａ2Ｏ3を含有する非晶質または結晶化したガラスを用いることができる。具体的にはＣａＯ、ＭｇＯ、Ｂ2Ｏ3、ＳｉＯ2とをそれぞれ質量％で３５％、２５％、１５％、１５％の割合で含む結晶化ガラスを挙げることができる。
【００４１】
シール材１０としては、例えば、フォルステライトをシール材１０として用いた場合には、熱膨張係数が９〜１１×１０-7（１／℃）となり、上述した結晶化ガラスをシール材１０として用いた場合には、熱膨張係数が１０〜１１．８×１０-7（１／℃）となる。
【００４２】
セル保持部材７や蓋部材８は、耐熱性および耐酸化性を有する金属または合金により作製することができる。これらの合金を例示すると、熱膨張係数が１０〜１４×１０-7（１／℃)であるフェライト系ステンレスや熱膨張係数が１５〜１７×１０-7（１／℃)であるオーステナイト系ステンレス等があげられ、これらの合金は、市販されているもの用いてもよい。また、合金に含まれるＣｒ等の元素量により合金の熱膨張係数を適宜調整することができ、合金に含まれるＣｒの含有量を増加させることにより、合金の熱膨張係数を高くすることができる。
【００４３】
以下、ガスタンク９（セル保持部材７）へのセルスタック２の固定方法について説明する。
【００４４】
セルスタック２をセル保持部材７のセル挿入孔１８内に配置する。その際、セルスタック２を構成する燃料電池セル３の一端部（下端部）をセル挿入孔１８と離間するように挿入する。
【００４５】
次に、セル挿入孔１８からセル保持部材７の内部全域にシール材１０が流れ込まないように、セル保持部材７の内部に断熱材等の仕切部材（図示せず）を配置する。そして、セル挿入孔１８に軟化したシール材１０を流し込み、セルスタック２（燃料電池セル３）とセル挿入孔１８との間にシール材１０を充填させて、熱処理を行ない、シール材１０を固化する。これらを所定回数繰り返し、セルスタック２をセル保持部材７に保持固定した後に、仕切部材を取り除き、所要ならば、ガス流路１７とガスタンク９とが連通しているかを確認し、連通していなければ、ガスタンク９からガス流路１７に連通するように、ガス流路１７内からシール材１０を取り除くことにより作製することができる。
【００４６】
そして、作製されたセル保持部材７を蓋部材８の上に載置し、溶接等により接合することでガスタンク９を作製することができる。セルスタック装置１においては、セル保持部材７の底部に設けられた開口と蓋部材８との大きさがほぼ等しく、セル保持部材７の底部に設けられた開口周縁の底面と蓋部材８の主面の縁とが接合されている。
【００４７】
このようにして作製されたセルスタック装置１は、ガラス等からなるシール材１０によりセルスタック２をセル保持部材７に接合するため、高温下の状態でセルスタック２とセル保持部材７とが接合されることとなる。そして、セルスタック２が接合されたセル保持部材７は、常温まで温度を下げた後に蓋部材８と接合するが、高温から常温まで温度を下げる過程で、ガラスからなるシール材１０と金属からなるセル保持部材７の熱膨張係数差に起因して、図５（ａ）に示すように、セル保持部材７が上に凸の形状に変形することとなる。
【００４８】
その後、セル保持部材７の上に凸の形状の下端面をカッティングして平面とし、蓋部材８を接合するが、燃料電池装置の発電時の高温下においては、セル保持部材７が上に凸の形状から、平らな立方体形状に戻ろうと変形するのに対し、蓋部材８がセル保持部材７の変形を拘束し、シール材１０に引張応力が生じる場合がある。
【００４９】
本発明の一実施形態であるセルスタック装置１を構成するガスタンク９は、蓋部材８がセル配列方向に凹部２０が複数設けられていることから、図５（ｂ）のように、セル保持部材７の変形を拘束することなく、蓋部材８が変形することができ、シール材１０に生じる引張応力を緩和することができる。そのため、シール材１０にクラックが発生することを低減することができる。また、蓋部材８が熱膨張した場合においても、凹部２０を起点に変形することが容易であるため、蓋部材８の熱膨張によりセル保持部材７に生じる応力を緩和することができる。
＜第２の実施形態＞
【００５０】
次に、他の実施形態であるセルスタック装置２１について図６、７を用いて説明する。
【００５１】
セルスタック装置２１は、蓋部材２２が、主面のセル保持部材７側に、セル配列方向における垂直な方向に蓋部材２２の一端から他端にかけて三角形状に切り取られた凹部を形成するための溝部２３を有している。そして、蓋部材２２よりもセル保持部材７の底部に設けられた開口が大きく、セル保持部材７の底部に設けられた開口の内周面と蓋部材２２の外周面とが接合されてガスタンク９を構成している。その他の構成はセルスタック装置１と同様であり、同一の部材については同一の符号を付して説明を省略する。また、図７においてもセル配列方向をＬ方向、セル幅方向をＷ方向として示している。
【００５２】
溝部２３は、図７に示すように、溝部２３の長さｌは蓋部材２２の厚さｄに対して０．２×ｄ〜１．５×ｄあることが好ましく、０．４×ｄ〜１．０×ｄであることがさらに好ましい。それにより、蓋部材２２が変形しやすくなり、蓋部材２２がセル保持部材７の変形に柔軟に追従して変形することができる。
【００５３】
セルスタック装置２１は、蓋部材２２が溝部２３を有することから、ガスタンク９が高温下に曝され、上述したようセル保持部材７が上に凸の形状から平らに変形した場合においても、蓋部材２２が柔軟に変形することができ、ガスタンクの９の変形に追従する。それにより、シール材１０に生じる引張応力を低減することでき、シール材１０にクラックが生じることを抑えることができる。
【００５４】
また、セル幅方向（Ｗ方向）の一端から他端にかけて溝部２３が設けられていることから、ワイヤー放電加工等により、溝部２３を作製することができる。そのため、フライス加工や旋盤加工に比べ、蓋部材２２の製造コストを低減させることができ、セルスタック装置２１の製造コストを抑えることができる。
【００５５】
ここで、蓋部材２２にセル保持部材７を載置し接合した場合は、シール材１０等により溝部２３の両端に生じた隙間を埋める必要があるが、ガスタンク９は、図６（ｂ）に示すように、蓋部材２２とセル保持部材７とは、蓋部材２２の外周面とセル保持部材７の内周面とが接合されている。そのため、溝部２３が蓋部材２２のセル幅方向に一端から他端にかけて設けられているとしても、容易にガスタンク９のガスシール性を保持することができる。接合方法としては溶接やシール材１０等により接合することができる。
【００５６】
また、蓋部材２２の主面とセル保持部材７の底部に設けられた開口周縁の底面とを接合せず、蓋部材２２の外周面とセル保持部材７の底部に設けられた開口の内周面とを接合することから、ガスタンク９を小型化することができ、コンパクトな燃料電池装置とすることができる。
＜第３の実施形態＞
【００５７】
次に図８、９を用いて本発明のさらに他の実施形態であるセルスタック装置２５について説明する。また、図８においても、セル配列方向をＬ方向、セル幅方向をＷ方向と示している。
【００５８】
セルスタック装置２５は、蓋部材２６がセル配列方向（Ｌ方向）に対して垂直な方向に複数の湾曲部２７を有しており、蓋部材２６の外周面とセル保持部材７の底部に設けられた開口の内周面とが接合されている。その他の構成はセルスタック装置１と同様である。
【００５９】
蓋部材２６は、前述した蓋部材９、２２とは異なり、セル配列方向において複数の湾曲部２７を有している。言い換えると、蓋部材２６は凹凸が連続的に繰り返された上面および下面を有する波状の板部材により形成されている。そのため、ガスタンク２６のシール性を確保するため、蓋部材２６の側部における外周面とセル保持部材７の底部に設けられた開口の内周面とが接合されている。
【００６０】
このような蓋部材２６は、セル保持部材７と同等の合金からなる板部材を所定の型枠にてプレス成形することにより作製することができる。プレス成形により作製することができるため、容易に蓋部材２６を作製することができる。
【００６１】
セルスタック装置２５を構成する蓋部材２６は、セル配列方向に複数の湾曲部２７を有することから、ガスタンク９が燃料電池装置の発電時に変形した場合においても、セル配列方向に蓋部材２６が延びるように変形することができ、セル保持部材７の変形を阻害することがないため、シール材１０に生じる引張応力を低減することができることから、シール材１０に生じるクラックの発生を抑えることができる。
【００６２】
図９を用いて凹凸が連続的に繰り返し設けられた湾曲部２７について説明する。湾曲部２７は図９（ａ）で示すように、蓋部材２６が円弧上に湾曲した例を示している。このように両面に突出した波形状であってもよいし、片側のみに突出した湾曲部２７を有していてもよい。湾曲部２７とは、湾曲して蓋部材２６の図９に一点鎖線で示す主面から突出した傾斜した部位を示す。
【００６３】
凹凸としては、図９（ａ）に示すほかに、図９（ｂ）に示すように一方側と他方側に交互に向けて突出したものを挙げることができる。このような凹凸を有する蓋部材も、柔軟に変形することができる。また、図９（ｃ）に示すように、一方側に向けて突出した屈曲部（凹凸）としてもよい。突出高さｈは、蓋部材２６の厚みｄよりも大きいことが好ましいが、ガスタンクの製造の容易さの点から突出高さｈは１×ｄ〜２×ｄであることが好ましい。それにより、蓋部材２６はセル配列方向（蓋状部材２６の長手方向）に柔軟に延びることができる。
【００６４】
湾曲部、底部材をプレス加工することにより容易に作成することができる。また、図８においては、複数の湾曲部２７を有する蓋部材２６の例を示したが、湾曲部を１つのみ有するものでもよく、図９で示したような複数の形状の湾曲部を有する蓋部材としてもよい。
【００６５】
なお、蓋部材２６においては、セル配列方向に図９（ａ）に示す湾曲部２７を複数設けた例を示したが、図９（ａ）に示す湾曲部２７でなく図９（ｂ）、（ｃ）に示すような凹凸（屈曲部）を設けてもよい。さらに、図９（ａ）〜（ｃ）に示す凹凸を組み合わせて設けてもよい。その場合においても、ガスタンク９の変形に追従することができる蓋部材２６とすることができる。さらに、湾曲部２７と前述した凹部とを組み合わせて設けてもよく、その場合においてはさらに変形に追従することができる。
＜第４の実施形態＞
【００６６】
図１０、１１を用いて本発明のさらに他の実施形態であるセルスタック装置２８について説明する。図１０においてもセル配列方向をＬ方向、セル幅方向をＷ方向と示している。
【００６７】
セルスタック装置２８を構成するガスタンク３４は、底部が開口した箱状のセル保持部材２９の上面に、セル配列方向（Ｌ方向）に大きく開口したセル挿入孔１８をセル幅方向（Ｗ方向）に２つ備えている。そして、セル保持部材２９のそれぞれのセル挿入孔１８の周囲を囲うように隆起部３２が設けられており、２つのセル挿入孔１８の間の隆起部３２にくぼみ部３１が設けられている。それぞれのセル挿入孔１８にセルスタック２がそれぞれ挿入され、シール材１０により保持固定され、セルスタック装置２８を構成している。
【００６８】
ガスタンク３４を形成するセル保持部材２９は、上面に設けられたセル挿入孔１８の全周を隆起部３２が囲んでおり、隆起部３２の先端は図１１（ａ）、（ｂ）で示すように、セル保持部材２９の内部に向けて屈曲している。そして、セルスタック（図示せず）とセル保持部材７（セル挿入孔１８）との間にシール材１０が充填され、セルスタック２（燃料電池セル３）がセル保持部材２９に固定されている。
【００６９】
図１０（ｂ）に示すように、蓋部材３０は、セル配列方向とセル幅方向にそれぞれ複数の凹部３３を有している。平面視して、セル保持部材２９の底部よりも蓋部材３０のほうが大きく、蓋部材３０の主面上にて、凹部３３が外面に露出しないように、セル保持部材２９の底部に設けられた開口周縁の底面と蓋部材３０とが接合されている。
【００７０】
図１１（ａ）、（ｂ）に示すように、隆起部３２の先端は、セル保持部材２９の内側に向けて屈曲している。そして、２つのセル挿入孔１８の間には蓋部材３０側にくぼんでいるくぼみ部３１が設けられている。くぼみ部３１を設けることによりセル挿入孔１８の間に配置されたセル保持部材２９に変形が生じた場合においても、シール材１０に応力が生じることを低減することができる。くぼみ部３１の下端は折り曲げられた隆起部３２の先端よりも低い位置にあることが好ましく、それにより、シール材１０とセル保持部材２９との接合部に生じる応力を低減することができる。さらに、隆起部３２が屈曲した部位を有することから、シール材１０と隆起部３２（セル保持部材２９）との接合強度を高くすることができる。
【００７１】
シール材１０は図１１で示すように、セル保持部材２９の隆起部３２の上端から、隆起部３２の先端よりも低い位置まで充填されている。そのため、隆起部３２の先端の周囲にシール材１０が充填されることとなる。それにより、隆起部３２の先端とシール材１０との接合面積を増加させることができ、シール材１０とセル保持部材２９との接合強度を高めることができるとともに、隆起部３２の屈曲した部位の周囲にガスシールするために十分な量のシール材１０が配置されている。さらに、隆起部３２の屈曲した部位の周囲（図１１においては左右）にシール材１０が配置されることとなるため、隆起部３２の先端の周囲に応力が集中しにくくなる。そのため、シール材１０にクラックが発生することを抑えることができる。
【００７２】
上述した位置にシール材１０を充填するためには、仕切部材の高さを適宜設定して、例えば、隆起部３２の先端よりも低い位置に仕切部材を配置した後にシール材１０を充填して作製すればよい。
【００７３】
このようなセル保持部材２９は、上述した耐熱性および耐酸化性を有する合金により作製することができ、所定の金型等を用いてプレス加工して作製することができる。隆起部３２の屈曲や、隆起部３２に設けられたくぼみ部３１もプレス加工により形成することができる。さらに、別部材として隆起部３２を形成した後にセル保持部材２９に接合して作製することもできる。
【００７４】
また、蓋部材３０も上述した合金等により作製することができ、旋盤加工やフライス加工等を用いて所定の形に加工した後、セル保持部材２９と接合すればよい。
【００７５】
蓋部材３０は、セル配列方向に複数の凹部３３を有することにより、上述するようにセル保持部材２９の変形に対して柔軟に追従することができ、シール材１０に生じる応力を抑えることができる。
【００７６】
また、ガスタンク３４にセル挿入孔１８をセル幅方向に沿って、２つあるいは複数個設けることにより、ガスタンク３４に複数個のセルスタック２を接合することができる。それにより、ガスタンク３４の１つあたりの発電出力を向上させることができる。
【００７７】
ここで、セル幅方向に複数個のセル挿入孔１８を有するガスタンク３４においては、セル幅方向のガスタンク３４の長さが長くなることにより、ガスタンク３４を構成するセル保持部材２９および蓋部材３０の長さも長くなり、セル幅方向のガスタンク３４の変形が大きくなることとなる。
【００７８】
蓋部材３０はセル幅方向においても、２つの凹部３３を有することから、ガスタンク３４のセル幅方向における変形に対して追従することができ、シール材１０に生じる応力を低減することができる。
【００７９】
また、セルスタック装置２８は、セル保持部材２９のセル挿入孔１８の間に、セル配列方向に沿ったくぼみ部３１を有することから、セル幅方向においてセル保持部材２９に生じる変形を緩和することができる。また、くぼみ部３１は、セル配列方向におけるセル保持部材２８の変形を抑制するため、ガスタンク３４の変形を抑えることができる。
【００８０】
セルスタック装置２８を構成するガスタンク３４を平面視すると、セル保持部材２９よりも蓋部材３０が大きくなっているため、蓋部材３０にセル保持部材２９を容易に接合することができ、ガスタンク３４を容易に作製することができる。
【００８１】
図１２を用いて第１〜第４の実施形態の燃料電池セル装置を収納容器３６に収納した本発明の燃料電池モジュールの一実施形態を説明する。図１２においては第４の実施形態に係る燃料電池セル装置（セルスタック装置）２８を収納した例を示している。
【００８２】
燃料電池モジュール３５は、直方体状の収納容器３６の内部に、セルスタック装置２８を収納して構成されている。上述したように、セル保持部材２９に２つのセル挿入孔１８を備えるガスタンク３４を備え、２つのセルスタック２を配置して構成されたセルスタック装置２８を示している。
【００８３】
また、燃料電池セル３にて使用する燃料ガス（第１の反応ガス）を得るために、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ための改質器３７をセルスタック装置２８の上方に配置している。そして、改質器３７で生成された燃料ガスは、反応ガス供給管１１を介してガスタンク３４に供給され、ガスタンク３４を介して燃料電池セル３の内部に設けられたガス流路（図示せず）に供給される。
【００８４】
図１２において、収納容器３６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２８および改質器３７を後方に取り出した状態を示している。図１２に示した燃料電池モジュール３５においては、セルスタック装置２８を、収納容器３６内にスライドして収納することが可能である。それにより、容易に収納容器３６内にセルスタック装置２８を収納することができる。
【００８５】
また、収納容器３６の内部には、燃料電池セル３に酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス導入部材３８が設けられており、図１２に示す燃料電池モジュール３５においては、ガスタンク３４に並置されたセルスタック２の間に配置されるとともに、酸素含有ガスが、燃料ガスの流れにあわせて、燃料電池セル３の側方を下端部側から上端部側に向かって流れるように、燃料電池セル３の下端部側に酸素含有ガスを供給するように構成されている。
【００８６】
また、セルスタック装置２８は、燃料電池セル３のガス流路より排出される余剰の燃料ガスを燃料電池セル３の上端部側で燃焼させることにより、燃料電池セル３の温度を上昇させ、高温に維持することができ、セルスタック装置２８の起動を早めることができるほか、発電効率を向上させることができる。また、燃料電池セル３の上端部側にて、燃料電池セル３のガス流路から排出される燃料ガスを燃焼させることにより、セルスタック２の上方に配置された改質器３７を効率よく温めることができる。それにより、改質器３７で効率よく改質反応を行うことができる。
【００８７】
このような燃料電池モジュール３０においては、上述したように、長期信頼性の向上したガスタンク３４を備えるセルスタック装置２８を収納容器３６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モジュール３５とすることができる。
【００８８】
図１３は、外装ケース内に図１２で示した燃料電池モジュール３５と、燃料電池モジュール３５を動作させるための補機（図示せず）とを収納してなる本発明の燃料電池装置の一例を示す分解斜視図である。図１３においては一部構成を省略している。
【００８９】
図１３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３５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３５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。図１３においては、補機収納室４５に収納する補機を省略している。
【００９０】
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。
【００９１】
このような燃料電池装置４０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３５をモジュール収納室４４に収納し、燃料電池モジュール３５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。
【００９２】
以上、本発明の実施の形態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。
【００９３】
例えば、上述したセルスタック装置１においては、燃料電池セル３内のガス流路１７に燃料ガスを供給し、燃料電池セル３の外側に酸素含有ガスを供給する例を示しているが、ガス流路１７に酸素含有ガスを供給し、燃料電池セル３の外側に燃料ガスを供給する構成としてもかまわない。その場合においては、内側電極層を空気極層１４とし、外側電極層を燃料極層１２とする構成の燃料電池セル３とすればよい。それに併せて、燃料電池モジュール３５および燃料電池装置４０の構成を適宜変更すればよい。
【００９４】
また、ガスタンクとしてセル保持部材７にセル配列方向に大きく開口したセル挿入孔１８を設けた例を示したが、セル幅方向に長いセル挿入孔１８を、セル配列方向に複数個設け、それぞれのセル挿入孔１８に燃料電池セル３を収納して、シール材１０によりガスシールする構成としてもよい。その場合においても、シール材１０に生じるクラックを低減することができ、長期信頼性の向上したガスタンクとすることができる。
【００９５】
なお、ガスタンクが１つからなるセルスタック装置の例を示したが、複数のガスタンクを有するセルスタック装置としてもよい。たとえば、１つのセルスタックが接合されたガスタンクを複数備えるセルスタック装置としてもよい。また、複数のセルスタック装置を収納容器内に配置して、燃料電池モジュールを構成してもよい。
【００９６】
また、板状の主面を半円形状に削り取り、凹部を形成する例を示したが、三角形状に削り取ることで、凹部を形成してもよい。凹部は蓋部材８の他の部位に比べて凹であればよく、削り取られる形状は限定されるものではない。例えば、四角柱状に削り取ってもよく、複数の形状を組み合わせて凹部を形成してもよい。
【符号の説明】
【００９７】
１、２１、２５、２８：燃料電池セル装置
２：セルスタック
３：燃料電池セル
４：集電部材
７、２９：セル保持部材
８、２２、２６、３０：蓋部材
９、３４：ガスタンク
１０：シール材
１８：セル挿入孔
２０、３３：凹部
２３：溝部
２７：湾曲部
３５：燃料電池モジュール
４０：燃料電池装置
【図１】
2012094398.tif 000003
【図２】
2012094398.tif 000004
【図３】
2012094398.tif 000005
【図４】
2012094398.tif 000006
【図５】
2012094398.tif 000007
【図６】
2012094398.tif 000008
【図７】
2012094398.tif 000009
【図８】
2012094398.tif 000010
【図９】
2012094398.tif 000011
【図１０】
2012094398.tif 000012
【図１１】
2012094398.tif 000013
【図１２】
2012094398.tif 000014
【図１３】
2012094398.tif 000015