(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する一対の第１面及び第２面を有する金属板と、
前記第１面に配置され、第１電極層、該第１電極層上に位置する固体電解質層、及び該固体電解質層上に位置する第２電極層を有する素子部と、
前記第１面と前記第１電極層との間に位置する中間層と、を備え、
該中間層は、厚さ方向に貫通した複数の第１貫通孔を有し、
前記複数の第１貫通孔の少なくとも一部に、前記金属板と前記第１電極層とを電気的に接続する導電部材が配置されている、セル。
【請求項２】
前記中間層が、前記複数の第１貫通孔以外の部位に気孔を有する、請求項１に記載のセル。
【請求項３】
前記中間層の前記複数の第１貫通孔以外の部位の気孔率は、前記第１電極層の気孔率より小さい、請求項１又は２に記載のセル。
【請求項４】
前記中間層の材料の主成分が前記固体電解質層の材料の主成分と同じである、請求項１〜３のいずれかに記載のセル。
【請求項５】
対向する一対の第１面及び第２面を有する金属板と、
前記第１面に配置され、第１電極層、該第１電極層上に位置する固体電解質層、及び該固体電解質層上に位置する第２電極層を有する素子部と、
前記第１面と前記第１電極層との間に位置する中間層と、を備え、
該中間層は、厚さ方向に貫通した複数の第１貫通孔を有し、
前記中間層の材料の主成分が前記固体電解質層の材料の主成分と同じである、セル。
【請求項６】
前記中間層が、前記複数の第１貫通孔以外の部位に気孔を有する、請求項５に記載のセル。
【請求項７】
前記中間層の前記複数の第１貫通孔以外の部位の気孔率は、前記第１電極層の気孔率より小さい、請求項５又は６に記載のセル。
【請求項８】
前記複数の第１貫通孔の少なくとも一部に、前記金属板と前記第１電極層とを電気的に接続する導電部材が配置されている、請求項５〜７のいずれかに記載のセル。
【請求項９】
前記導電部材が多孔質である、請求項１〜４，８のいずれかに記載のセル。
【請求項１０】
前記導電部材が、導電性粒子及び無機酸化物を含む、請求項１〜４，８、９のいずれかに記載のセル。
【請求項１１】
前記導電部材が、さらに前記金属板と前記中間層との間に配置されている、請求項１〜４，８〜１０のいずれかのいずれかに記載のセル。
【請求項１２】
前記金属板が、厚さ方向に貫通した複数の第２貫通孔を有する、請求項１〜１１のいずれかに記載のセル。
【請求項１３】
厚さ方向の平面視において、前記第２貫通孔の少なくとも一部が、前記第１貫通孔と重なる、請求項１２に記載のセル。
【請求項１４】
厚さ方向の平面視において、前記第２貫通孔が、前記第１貫通孔と重ならない、請求項１２に記載のセル。
【請求項１５】
複数の請求項１〜１４のいずれかに記載のセルが配列されたセルスタックを備える、セルスタック装置。
【請求項１６】
収容容器と、該収容容器内に収容された請求項１５に記載のセルスタック装置と、を備える、モジュール。
【請求項１７】
外装ケースと、該外装ケース内に収容された、請求項１６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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、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に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代エネルギーとして利用される燃料電池装置には、例えば多孔質の支持体に燃料極層、固体電解質層及び空気極層を積層したセルが用いられている。支持体には、セラミック材料、金属材料などが用いられる。金属支持体には、高い耐熱性及び耐食性を有するフェライト系ステンレス等の金属材料が用いられ、金属材料の粉末を焼結した金属焼結体、または貫通孔を有する金属板が用いられる。例えば、特許文献１では、Ｆｅ及びＣｒを含有する多孔質金属を支持体としたＳＯＦＣ(Solid Oxide Fuel Cell)が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１１５５０６号公報
【発明の概要】
【０００４】
本開示のセルは、対向する一対の第１面及び第２面を有する金属板と、前記第１面上に配置され、第１電極層、該第１電極層上に位置する固体電解質層、及び該固体電解質層上に位置する第２電極層を有する素子部と、前記第１面と前記第１電極層との間に位置する中間層と、を備える。該中間層は、厚さ方向に貫通した複数の第１貫通孔を有し、前記複数の第１貫通孔の少なくとも一部に、前記金属板と前記第１電極層とを電気的に接続する導電部材が配置されている。
本開示のセルスタック装置は、複数の上記のセルが配列されたセルスタックを備える。
本開示のモジュールは、収容容器と、該収容容器内に収容された上記のセルスタック装置と、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。
【０００５】
本開示のセルスタック装置は、複数の上記のセルが配列されたセルスタックを備える。
【０００６】
本開示のモジュールは、収容容器と、該収容容器内に収容された上記のセルスタック装置と、を備える。
【０００７】
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。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】セルの横断面の例の１つを示す断面図である。
【図２】セルの横断面の例の１つを示す断面図である。
【図３】図１の破線部を拡大した例の１つを示す断面図である。
【図４】図１の破線部を拡大した例の１つを示す断面図である。
【図５】図１の破線部を拡大した例の１つを示す断面図である。
【図６】図１の破線部を拡大した例の１つを示す断面図である。
【図７】図１の破線部を拡大した例の１つを示す断面図である。
【図８】セルの例の１つを示す横断面図及び金属板の第１面の平面図である。
【図９】セルの例の１つを示す横断面図及び金属板の第１面の平面図である。
【図１０】セルの例の１つを示す横断面図及び金属板の第１面の平面図である。
【図１１】セルスタック装置の例の１つを概略的に示す側面図である。
【図１２】図１０に示したセルスタック装置の破線で囲んだ部分の一部を拡大した横断面図である。
【図１３】モジュールの例の１つを示す外観斜視図である。
【図１４】モジュール収容装置の例の１つを示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（セル）
図１は金属支持体を備えたセルの横断面の例の１つを示している。セル１は、対向する一対の第１面２ａ及び第２面２ｂを有する金属板２及び流路部材８を有する金属支持体と、素子部６と、を備えている。素子部６は、金属板２の第１面上に配置され、第１電極層３、固体電解質層４、及び第２電極層５を有している。第１電極層３は金属板２の第１面上に配置され、固体電解質層４は第１電極層３上に配置されており、第２電極層５は固体電解質層４上に配置されている。
【００１０】
金属支持体は、金属板２の素子部６が配置された第１面２ａとは反対側の第２面２ｂと、流路部材８とにより形成されるガス流路７を有している。
【００１１】
金属板２は、ガス流路７を流れるガスを第１電極層３に透過させるガス透過性を有している。流路部材８は、ガス流路７とセル１の外部との間で気体を流通させない、すなわち燃料ガスと空気などの酸素含有ガスとが混合しないように、ガス遮断性を有している。図１の例では、金属板２とＵ字型の断面を有する流路部材８により、ガス流路７が形成されている。
【００１２】
以下、他の図についても同一の部材については同一の符号を付す。なお、各図では説明を容易にするため、各層の厚さ方向を拡大して示しており、実際の各層の厚さはセル１の大きさに対し非常に小さい。また、セル１を構成する各部材の配置を明確にするため、ｘｙｚの座標軸を示した。
【００１３】
以下、特に断りのない限り、金属板２と固体電解質層４との間に位置する第１電極層３を燃料極とし、固体電解質層４上に位置する第２電極層５を空気極として説明する。ガス流路７、すなわち図１に示す金属板２の下側である第２面２ｂ側には水素含有ガス等の燃料ガスが供給され、空気極である第２電極層５の上側には空気等の酸素含有ガスが供給される。なお、第１電極層３を空気極、第２電極層５を燃料極としてもよい。この場合、図１に示すセル１の金属板２の下側には空気等の酸素含有ガスが供給され、燃料極である第２電極層５の上側には水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。
【００１４】
セル１は、例えば固体酸化物形のセル１でもよい。固体酸化物形のセル１は、燃料電池として高い発電効率を有し、発電装置全体を小型化することができる。また、固体酸化物形のセル１は、負荷追従運転を行うことができ、例えば家庭用燃料電池で求められる変動する負荷に追従することができる。
【００１５】
燃料極には、燃料極として一般的に公知の材料を使用してもよい。燃料極は、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とを含んでいてもよい。安定化ジルコニアは、例えばマグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）または希土類元素が固溶しているＺｒＯ２であり、部分安定化ジルコニアも含む。本開示における希土類元素は、イットリウム（Ｙ）を含む。
【００１６】
固体電解質層４は、第１電極層３と第２電極層５との間の電荷の橋渡しをする電解質である。固体電解質層４は、燃料ガスと空気などの酸素含有ガスとが混合しないように、ガス遮断性を有している。固体電解質層４の材料は、ガス遮断性を有する電解質であれば特に限定されないが、例えば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。固体電解質層４はガス遮断性を有していれば、緻密であってもよいし、気孔を有していてもよい。
【００１７】
空気極には、空気極として一般的に用いられる材料を使用してもよい。空気極は、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。空気極はガス透過性を有している。空気極の開気孔率は、２０％以上、特に３０％〜５０％の範囲であってもよい。
【００１８】
金属板２は、導電性を有する。金属板２が導電性を有することで、素子部６で発電された電気を集電できる。金属板２の導電率は、例えば３．０Ｓ／ｍ以上、特に４．４Ｓ／ｍ以上であってもよい。
【００１９】
また、金属板２は第１面２ａと第２面２ｂとの間でガスを流通させることが可能である。すなわち、金属板２は第１面２ａと第２面２ｂとの間でガス透過性を有する。金属板２がガス透過性を有することで、ガス流路７に供給された燃料ガスが、燃料極である第１電極層３まで到達できる。
【００２０】
金属板２の形状は、図１に示すように、対向する一対の平面である第１面２ａ及び第２面２ｂを有する平板状であってもよい。金属板２の形状は、図２に示すように、対向する一対の曲面である第１面２ａ及び第２面２ｂを有する曲面板状であってもよい。金属板２の厚さは、例えば１００μｍ以上、１ｍｍ以下であってもよい。
【００２１】
金属板２の材料は、例えば、耐熱性合金等の導電性を有する材料であってもよい。金属板２はＣｒを含有していてもよく、例えば、合金全体に対して４原子％〜３０原子％のクロム（Ｃｒ）を含有していてもよい。Ｃｒを含有する合金は、ニッケル−クロム系合金、鉄−クロム系合金、及びオーステナイト系、フェライト系、及びオーステナイト−フェライト系のステンレス等であってもよい。また、金属板２は、Ｃｒ以外の他の元素としてマンガン（Ｍｎ）、アルミニウム（Ａｌ）を含有してもよい。
【００２２】
素子部６は、燃料極層、固体電解質層４及び空気極層のうち２層以上を積層した積層体を同時に焼結することで作製される。金属板２は、焼結された積層体と接着剤等で接合されることが多い。固体電解質層４は緻密でガス透過性を有さないが、第１電極層３及び第２電極層５、すなわち燃料極及び空気極は多孔質でガスを透過する。緻密化する固体電解質層４を、多孔質の第１電極層３又は第２電極層５と同時に焼成すると、各層の焼成時の収縮率の違いから、焼結された積層体は反り又は変形を有していることが多い。金属板２と、反りや変形を有する積層体とを接合すると、積層体に剥離またはクラックが発生し易い。固体電解質層４は、第１電極層３の金属板２と接していない面全てを覆っていてもよい。固体電解質層４と流路部材８とで筒状体を形成していてもよい。また、第１電極層３の金属板２又は固体電解質層４と接していない面は、他のガス透過性を有さない部材で覆われていてもよい。
【００２３】
図３及び図４は、それぞれ図１の破線部を拡大した断面図である。本開示のセル１は、図３及び図４に示すように、金属板２の第１面２ａと第１電極層３との間に、厚さ方向に貫通した複数の第１貫通孔を有する中間層９を有する。中間層９の材料は、焼成時に固体電解質層４の材料と類似した収縮率を示す。第１電極層３の材料を固体電解質層４の材料と中間層９の材料とで挟み、焼成することで得られる積層体は、反り又は変形が小さい。このような積層体は、多孔質の第１電極層３が、焼成時に互いに類似した収縮率を有する固体電解質層４と中間層９とに挟まれているため、反り又は変形を生じにくい。金属板２の第１面２ａと、反り又は変形が小さい積層体の中間層９とを接合したセル１は、積層体に剥離またはクラックが発生し難い。中間層９の厚さｔ１の平均は、例えば０．５μｍ以上、２０μｍ以下であってもよい。
【００２４】
第１貫通孔は、中間層９の厚さの１／２以上の直径を有している。すなわち、第１貫通孔は、中間層９の対向する２つの面、すなわち第１電極層３に面する面及び金属板２に面する面に、中間層９の厚さの１／２以上の直径の開口部を有していていもよい。第１貫通孔は、中間層９の厚さ方向に垂直な断面において、中間層９の厚さの１／２以上の直径を有していてもよい。なお、第１貫通孔の開口部または断面の直径とは、開口部または断面の面積を円換算したときの直径である。第１貫通孔は、例えば中間層９の厚さ方向に垂直な断面において、０．０１ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下の直径を有していてもよい。第１貫通孔の開口部及び中間層９の厚さ方向に垂直な断面は、円形状、または楕円形状でもよいし、三角形状、四角形状等の多角形状でもよいし、不定形状でもよい。隣り合う第１貫通孔同士の間隔は、例えば第１貫通孔の直径の０．７倍〜１．０倍であってもよい。このような直径を有する第１貫通孔をこのような間隔で有することで、反り又は変形の小さい積層体とすることができるとともに、第１電極層３にガスを流通させ高い発電効率を得ることができる。
【００２５】
中間層９は、第１貫通孔以外に、開気孔または閉気孔を有していてもよいし、第１貫通孔以外の部位が緻密であってもよい。以下、中間層９の気孔率とは中間層９の第１貫通孔以外の部位の気孔率であり、中間層９の緻密性とは、中間層９の第１貫通孔以外の部位の緻密性である。中間層９は、第１電極層３より小さい気孔率を有していてもよい。例えば燃料極の開気孔率は１０％以上、特に２０％〜５０％であり、空気極の開気孔率は２０％以上、特に３０％〜５０％である。中間層９の気孔率が第１電極層３すなわち燃料極又は空気極より小さい、すなわち中間層９が１０％より小さい開気孔率を有すると、中間層９、第１電極層３及び固体電解質層４の積層体の反り又は変形が小さくなる。中間層９の開気孔率は、例えば１０％以下であってもよい。中間層９は、開気孔を有さなくてもよい。中間層９は、固体電解質層４の気孔率と同程度の気孔率を有していてもよいし、中間層９は、緻密であってもよい。
【００２６】
中間層９は第１貫通孔を有しており、緻密な中間層９であっても、第１貫通孔により第１電極層３にガスを流通させることができる。
【００２７】
中間層９の材料は、第１電極層３の材料よりも焼成時の収縮率が小さい材料であればよい。中間層９の材料としては、例えばイットリウム安定化ジルコニアが挙げられる。中間層９の材料は、燃料極よりも開気孔率が小さい、安定化ジルコニアと、Ｎｉ及び／またはＮｉＯとを含むセラミック材料でもよい。中間層９の材料は、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）でもよい。中間層９は、電気絶縁性を有していてもよいし、導電性を有していてもよい。
【００２８】
中間層９の材料は、固体電解質層４と類似した材料、例えば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。例えば、中間層９の材料が固体電解質層４の材料と同じ、すなわち中間層９の主成分が固体電解質層４の主成分と同じであると、中間層９及び固体電解質層４の焼成時の収縮率が同程度となり、積層体の反り又は変形がより小さくなる。
【００２９】
中間層９の第１貫通孔には、導電部材１０が配置されていてもよい。導電部材１０は、金属板２と第１電極層３とを電気的に接続する。導電部材１０は、金属板２と上記の積層体とを接合する導電性の接着材であってもよい。中間層９の第１貫通孔に配置された導電部材１０は、多孔質であってもよい。中間層９が緻密であった場合、多孔質の導電部材１０を通じて金属板２と第１電極層３との間でガスを流通させることができる。導電部材１０は、例えば３０％以上、特に３５％以上、５０％以下の範囲の開気孔率を有していてもよい。
【００３０】
金属板２は、例えば３０％以上、特に３５％〜５０％の範囲の開気孔率を有する平板の多孔質体であってもよい。また、金属板２は、図４に示すように、金属板２を厚さ方向に貫通する複数の第２貫通孔１１を有する緻密な板であってもよい。第２貫通孔１１は、例えば金属板２の厚さ方向に垂直な断面において、０．０１ｍｍ以上、１．０ｍｍ以下の直径を有していてもよい。金属板２がこのような開気孔率、または第２貫通孔１１を有することで、ガス流路７に供給された燃料ガスが、燃料極である第１電極層３まで到達できる。
【００３１】
緻密な金属板２は、多孔質体の金属板２よりも表面積が小さく、より高い耐食性を有する。また、緻密な金属板２は、表面積が小さいため表面に形成される酸化膜、すなわち酸化物の含有量が少なく、より高い導電性を有する。
【００３２】
金属板２が第２貫通孔１１を有する場合、第２貫通孔１１は導電部材１０を厚さ方向に貫通していてもよいし、図４に示すように導電部材１０を貫通していなくてもよい。
【００３３】
導電部材１０は、導電性粒子及び無機酸化物を含んでいてもよい。導電性粒子は、例えば金属または合金の粒子、導電性酸化物の粒子等であってもよい。導電性粒子は、例えばＮｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＴｉ等の金属または合金を含んでいてもよいし、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｉｎ、及びＳｎ等の酸化物または複合酸化物を含んでいてもよい。Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｏ、Ｆｅ、及びＴｉ等の金属または合金、及びＮｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｉｎ、Ｓｎ等の酸化物または複合酸化物は、高い導電率を有する。また、導電性粒子は、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）、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）を含んでいてもよい。これらのペロブスカイト型酸化物は、導電性を有するとともに、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。これらの金属または合金、及び酸化物は、高い導電性を有しており、素子部６で発電された電気を、金属板２で集電しやすくなる。特に金属Ｎｉは高い導電性を有しており、高温の反応雰囲気中でも導電性を維持できる。また、Ｎｉは燃料極である第１電極層３に含まれており、導電部材１０と第１電極層３との接合性を高めることができる。
【００３４】
導電部材１０は、無機酸化物を含んでいてもよい。導電部材１０に含まれる無機酸化物としては、例えばＴi、Ｚｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ及びＢａ等の酸化物、及びＹ、Ｙｂ、Ｃｅ、Ｇｄ等の希土類酸化物が挙げられる。導電部材１０に含まれる無機酸化物は、例えば安定化ジルコニア、希土類酸化物、ＡＢＯ３型のペロブスカイト型酸化物、または酸化チタンであってもよい。なお、希土類酸化物は酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）を含む。
【００３５】
第１電極層３が燃料極であった場合、導電部材１０は燃料極に含まれる安定化ジルコニアまたは希土類酸化物を含んでいてもよい。第１電極層３が空気極であった場合、導電部材１０は空気極に含まれる導電性のＡＢＯ３型のペロブスカイト型酸化物を含んでいてもよい。導電部材１０が第１電極層３に含まれる無機酸化物と同じ無機酸化物を含むことにより、第１電極層３と金属板２との接着強度を大きくすることができる。
【００３６】
導電部材１０は、Ｔｉ、Ａｌ、及びＳｉのうち少なくともいずれか１種の無機酸化物を含んでいてもよい。導電部材１０がＴｉ、Ａｌ、及びＳｉの無機酸化物を含んでいると、導電部材１０に含まれる導電性粒子の成分が金属板２の第１面２ａに固溶または拡散しやすくなり、金属板２と導電部材１０の界面の電気抵抗をより小さくすることができる。
【００３７】
導電部材１０が導電性粒子及び無機酸化物を含む場合、導電部材１０に含まれる元素を酸化物換算した全量に対し、導電性粒子の比率は例えば４０モル％以上、８０モル％以下、無機酸化物の比率は例えば２０モル％より大きく、６０モル％未満であってもよい。
【００３８】
導電部材１０は、第１貫通孔だけでなく、図５〜図７に示すように金属板２と中間層９との間に配置されていてもよい。導電部材１０が金属板２と中間層９との間に配置されていると、第１電極層３と金属板２との接着強度をより大きくすることができる。導電部材１０の厚さの平均は、中間層９の厚さの平均より大きくてもよい。導電部材１０の厚さｔ２の平均は、例えば１０μｍ以上、２００μｍ以下であってもよい。
【００３９】
図４、図６及び図７に示すように、金属板２が第２貫通孔１１を有する場合、導電部材１０は第２貫通孔１１の一部に充填されていてもよい。すなわち、図４等に示す第２貫通孔１１の上部に位置する導電部材１０の厚さが、ｔ２より大きくてもよい。また、図４等に示す第２貫通孔１１の上部に位置する導電部材１０の厚さは、ｔ２より小さくてもよい。
【００４０】
金属板２が第２貫通孔１１を有する場合、厚さ方向の平面視において、第２貫通孔１１の少なくとも一部が、第１貫通孔と重なっていてもよい。第２貫通孔１１の少なくとも一部が第１貫通孔と重なると、第２貫通孔１１及び第１貫通孔を通じてガスが第１電極層３に到達し易くなる。
【００４１】
金属板２が第２貫通孔１１を有する場合、厚さ方向の平面視において、第２貫通孔１１が、第１貫通孔と重っていなくてもよい。第２貫通孔１１が第１貫通孔と重ならない場合、第１貫通孔に位置する導電部材１０により第１電極層３と金属板２とが最短距離でつながり、素子部６で発電された電気を金属板２で集電し易くなる。
【００４２】
金属板２は、第１面２ａ及び第２面２ｂの少なくともいずれかに凹部または凸部を有していてもよい。図８は、第１面２ａに凹部を有する金属板２を備えたセル１の例の１つを示している。図８の上側の図はセル１の横断面図、下側の図は金属板２の第１面２ａの平面図である。図８に示すように、金属板２が第１面２ａに凹部を有する場合、凹部は第１電極層３と接していなくてもよい。すなわち、金属板２の第１面２ａの凹部と第１電極層３との間に空隙を有していてもよい。この場合、第１面２ａの凹部と第１電極層３との間の空隙をガス流路７としてもよい。図８に示すセル１では、金属板２が、流路部材８を兼ねており、金属板２は第１面２ａと第２面２ｂとの間でガス透過性を有していなくてもよい。
【００４３】
図９は、第１面２ａに凸部を有する金属板２を備えたセル１の例の１つを示している。図９の上側の図はセル１の横断面図、下側の図は金属板２の第１面２ａの平面図である。図９に示すように、金属板２が第１面２ａに凸部を有する場合、凸部のみが第１電極層３と接していてもよい。このようなセル１は、金属板２の第１面２ａの凸部以外の部分と第１電極層３との間に空隙を有しており、この空隙をガス流路７としてもよい。図９に示すセル１でも、金属板２が、流路部材８を兼ねており、金属板２は第１面２ａと第２面２ｂとの間でガス透過性を有していなくてもよい。
【００４４】
金属板２は、図１０に示すように第１面２ａ及び第２面２ｂの両方に凹凸を有していてもよい。図１０の上側の図はセル１の横断面図、下側の図は金属板２の第１面２ａの平面図である。図１０に示すように、金属板２は、第１面２ａの凸部が第１電極層３と接していてもよい。このようなセル１は、金属板２の第１面２ａの凹部と第１電極層３との間に空隙を有しており、この空隙をガス流路７としてもよい。図１０に示すセル１でも、金属板２が、流路部材８を兼ねており、金属板２は第１面２ａと第２面２ｂとの間でガス透過性を有していなくてもよい。
【００４５】
図８〜１０に示すセル１も、第１面２ａと第１電極層３との間に上述の中間層９及び導電部材１０を有している。図８〜図１０に示すセル１の金属板２と第１電極層３との間の空隙は、図４及び図６に示す第２貫通孔１１と同等とみなしてよい。すなわち、図４及び図６における第２貫通孔１１の配置は、図８〜１０における金属板２と第１電極層３との間の空隙の配置に適用してもよい。
【００４６】
（評価方法）
中間層９及び導電部材１０の有無及びその気孔率は、例えば、セル１の横断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）、または透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）などで観察することで確認できる。中間層９及び導電部材１０に含まれる元素とその含有比率は、例えば波長分散型Ｘ線分光（ＷＤＳ）、エネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＳ）、または電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）などで分析できる。
【００４７】
（セルの製法）
第１電極層３を燃料極とした場合の、中間層９及び導電部材１０を備えたセル１の製法について説明する。金属板２として、ステンレス合金等の基材を準備する。基材は、合金板または合金箔でもよい。ガス透過性を有する金属板２とする場合、基材は、第２貫通孔１１を有する合金板または合金箔でもよいし、金属粉末の多孔質焼結体でもよい。
【００４８】
また、Ｎｉ及び／またはＮｉＯと安定化ジルコニアを含む燃料極を、固体電解質層４となる安定化ジルコニアと中間層９となる材料で挟んだ積層体を準備する。
【００４９】
燃料極を固体電解質層４と中間層９とで挟んだ積層体は、以下のような方法で作製してもよい。有機溶剤に、Ｎｉ又はＮｉＯの粉末、及び安定化ジルコニアの粉末を混合したスラリーにバインダーを加えた燃料極前駆体と、有機溶剤に安定化ジルコニアの粉末を混合したスラリーにバインダーを加えた固体電解質前駆体を準備する。燃料極前駆体は、造孔材を含んでいてもよい。固体電解質用前駆体を用いてシート成形し、得られたシート成形体に孔加工して中間層シート成形体とする。中間層シート成形体の表面上に、燃料極前駆体を用いて燃料極のシート成形体を形成する。さらに燃料極のシート成形体の表面上に固体電解質前駆体を用いて固体電解質のシート成形体を形成し、積層成形体を得る。得られた積層成形体を焼成し、中間層９、燃料極、及び固体電解質層４の積層体を得る。得られた積層体は、収縮率の大きい燃料極が、相対的に収縮率の小さい中間層９及び固体電解質層４に挟まれて焼結されているので、反り又は変形の小さい積層体となる。
【００５０】
基材と、中間層９、燃料極すなわち第１電極層３、及び固体電解質層４の積層体とを、接着材で接合する。接着材として、Ｎｉ、ＮｉＯ、Ｃｕ、Ｃｏ及びＺｎのうち少なくともいずれかの導電性粒子と、無機酸化物としてＴi、Ｚｒ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ及びＢａ等の酸化物、及びＹ、Ｙｂ等の希土類酸化物のうち少なくともいずれかと、を含むペーストを用いる。接着材は、導電性粒子を１種類だけでなく２種類以上含んでいてもよいし、無機酸化物を１種類だけでなく２種類以上含んでいてもよい。また、無機酸化物は２種以上の元素の複合酸化物でもよい。
【００５１】
基材の第１面２ａに接着材を塗布し、基材の接着材を塗布した第１面２ａと、積層体の中間層９の面とを貼り合わせる。貼り合わせた基材と積層体とを、窒素雰囲気中または空気中で、例えば１０００℃〜１２００℃の範囲で、０．５時間〜２時間熱処理する。得られた基材と積層体との接合体は、積層体の反り又は変形が小さいため、積層体に剥離またはクラックが発生し難い接合体となる。
【００５２】
なお、上記の説明では、中間層９、燃料極、固体電解質層４を順次シート成形して積層体としたが、中間層９のシート成形体と、燃料極及び固体電解質層４のシート成形体の積層体とを個別に作成し、中間層９のシート成形体と積層体の燃料極シート成形体とを貼り合わせてもよい。また、燃料極のシート成形体の一方の面に固体電解質層４をシート成形し、もう一方の面に第１貫通孔を有する中間層９のパターンを印刷してもよい。
【００５３】
（セルスタック装置）
セルスタック装置２０は、図１１に示すように複数のセル１が配列されたセルスタック２１とガスタンク２２とを備えている。セル１の下端部は、ガスタンク２２の開口部に接合され固定されている。ガスタンク２２は、複数のセル１に燃料ガスを供給する。
【００５４】
セルスタック２１は、セル１の厚み方向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集電部材２３ａと、を備えている。複数のセル１が配列された方向を、配列方向ｘという。
【００５５】
集電部材２３ａは、セルスタック２１の配列方向ｘの両端にも配置されていてもよい。集電部材２３ａは、導電性の接着剤でセル１に接合されていてもよい。集電部材２３ａの材料は、弾性を有する金属または合金を用いてもよいし、金属繊維または合金繊維のフェルトを用いてもよい。金属繊維または合金繊維のフェルトは、必要に応じ表面処理されていてもよい。
【００５６】
セルスタック装置２０は、図１１に示すように、セルスタック２１の配列方向ｘの外側に、端部集電部材２３ｂを備えている。端部集電部材２３ｂは、配列方向ｘの最も外側に位置するセル１に電気的に接続されている。端部集電部材２３ｂは、配列方向ｘの外側に突出する引出部２３ｃを有している。引出部２３ｃは、セル１が発電した電気を集電して外部に引き出す。
【００５７】
図１２は図１１の破線部を拡大した横断面図である。セル１の下端部は、図１２示すようにガスタンク２２の開口部にシール材Ｓで固定されている。セル１のガス流路７は、ガスタンク２２の図示しない燃料ガス室に通じている。シール材Ｓの材料は、例えば耐熱性に優れたガラス等でもよい。
【００５８】
集電部材２３ａ及び端部集電部材２３ｂの下端部は、シール材Ｓでガスタンク２２に固定されていてもよい。端部集電部材２３ｂはセルスタック２１と一体化していてもよい。
【００５９】
（モジュール）
図１３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。
【００６０】
モジュール３０は、直方体状の収容容器３１、及び収容容器３１の内部に収容された上述のセルスタック装置２０を備えている。セルスタック２１の上方には、改質器３２が配置されている。改質器３２は、ガス流通管３３によりガスタンク２２と接続されている。改質器３２は、原燃料供給管３４から供給される天然ガス、灯油等の原燃料を改質して燃料ガスを生成する。ガス流通管３３は、改質器３２で改質された燃料ガスをガスタンク２２に供給する。燃料ガスは、ガスタンク２２からセル１のガス流路７に供給される。
【００６１】
図１３では、収容容器３１の一部である前面部及び後面部を取り外し、収容容器３１の内部に収容されているセルスタック装置２０を後方に取り出した状態を示している。図１３に示したモジュール３０は、セルスタック装置２０を、収容容器３１内にスライドして収容することが可能である。セルスタック装置２０は、改質器３２を含まなくてもよい。
【００６２】
収容容器３１は、内部に酸素含有ガス導入部材３５を備えている。図１３の酸素含有ガス導入部材３５は、収容容器３１にセルスタック装置２０を収容した状態で、２つのセルスタック２１の間に配置されている。酸素含有ガス導入部材３５は、セル１の下端部に酸素含有ガスを供給する。酸素含有ガスは、酸素含有ガス導入部材３５により、燃料ガスの流れに合わせてセル１の側方を下端部から上端部に向けて流れる。セル１のガス流路７からセル１の上端部に排出された燃料ガスは、酸素含有ガスと混合され、燃焼する。セル１の上端部で排出された燃料ガスが燃焼することで、セル１の温度が上昇し、セルスタック装置２０の起動を早めることができる。また、セル１の上端部で燃料ガスが燃焼することで、セル１の上方に配置された改質器３２が温められ、改質器３２で効率よく改質反応を行うことができる。
【００６３】
（モジュール収容装置）
図１４は、モジュール収容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。
【００６４】
図１４に示すモジュール収容装置４０は、支柱４１と外装板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３０を収容するモジュール収容室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３０を運転する補機を収容する補機収容室４５である。なお、補機収容室４５に収容する補機の記載は省略した。
【００６５】
仕切板４３は、補機収容室４５の空気をモジュール収容室４４側に流すための空気流通口４６を有している。モジュール収容室４４を形成する外装板４２の一部は、モジュール収容室４４内の空気を排気するための排気口４７を有している。モジュール収容室４４内の空気は、排気口４７から排気される。
【００６６】
モジュール収容装置４０は、上述のモジュール３０をモジュール収容室４４内に備えているため、耐久性の高いモジュール収容装置４０とすることができる。
【００６７】
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、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。
【００６８】
例えば、上述したセルスタック装置２０においては、セル１内のガス流路７に燃料ガスを供給し、セル１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７に酸素含有ガスを供給し、セル１の外側に燃料ガスを供給してもよい。
【００６９】
また、上記の説明では、「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。
【符号の説明】
【００７０】
１：セル
２：金属板
３：第１電極層
４：固体電解質層
５：第２電極層
６：素子部
７：ガス流路
８：流路部材
９：中間層
１０：導電部材
１１：第２貫通孔
２０：セルスタック装置
２１：セルスタック
２２：挿入孔
２３：ガス流通管
３０：モジュール
３１：収容容器
３２：改質器
４０：モジュール収容装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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