(57)【要約】【課題】セパレータや固体酸化物形燃料電池セルの劣化を招くことなく、マニホールドを構成する各マニホールド部の間を、絶縁分離した状態で気密に接合できるようにする。【解決手段】ガスシール部材１００は、セルを積層している固体酸化物形燃料電池の、各セパレータのマニホールド部間に配置され、マニホールド部間を、電気的に絶縁した状態で気密に接続するためのものである。ガスシール部材１００は、金属リング１０１，ロウ材１０２，絶縁リング１０３，ロウ材１０４，および金属リング１０５から構成されている。金属リング１０１，絶縁リング１０３，および金属リング１０５は、各々の間がロウ材１０２およびロウ材１０４により接合されて積層されている。【選択図】  図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物形燃料電池の各セパレータに設けられたガスの供給および排気のための各マニホールド部の間に配置されるガスシール部材であって、
リング状に形成された絶縁性の無機材料より構成された絶縁リングと、
リング状に形成された金属板より構成されて前記絶縁リングの一方の面に真空中でロウ付けされた第１金属リングと、
リング状に形成された金属板より構成され、前記絶縁リングの他方の面に真空中でロウ付けされた第２金属リングと
を備え、
前記第１金属リングと一方の前記マニホールド部とが溶接され、前記第２金属リングと他方の前記マニホールド部とが溶接される
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池のガスシール部材。
【請求項２】
請求項１記載の固体酸化物形燃料電池のガスシール部材において、
前記第１金属リングと一方の前記マニホールド部との溶接箇所を加熱することで、前記第１金属リングと一方の前記マニホールド部とが溶接され、
前記第２金属リングと他方の前記マニホールド部との溶接箇所を加熱することで、前記第２金属リングと他方の前記マニホールド部とが溶接される
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池のガスシール部材。
【請求項３】
請求項１または２記載の固体酸化物形燃料電池のガスシール部材において、
前記第１金属リングは、前記絶縁リングの外周部より突出する庇部を備える
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池のガスシール部材。
【請求項４】
固体酸化物形燃料電池の各セパレータに設けられたガスの供給および排気のための各マニホールド部の間を接続する接続方法であって、
リング状に形成された絶縁性の無機材料より構成された絶縁リングの一方の面にロウ付けされた第１リングに、一方の前記マニホールド部を溶接する第１工程と、
前記絶縁リングの他方の面にロウ付けされた第２金属リングに、他方の前記マニホールド部を溶接する第２工程と
を備え、
前記第１金属リングは、リング状に形成された金属板より構成されて前記絶縁リングの一方の面に真空中でロウ付けされ、前記第２金属リングは、リング状に形成された金属板より構成され、前記絶縁リングの他方の面に真空中でロウ付けされたものである
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池の接続方法。
【請求項５】
請求項４記載の固体酸化物形燃料電池の接続方法において、
前記第１金属リングと一方の前記マニホールド部との溶接箇所を加熱することで、前記第１金属リングと一方の前記マニホールド部とを溶接し、
前記第２金属リングと他方の前記マニホールド部との溶接箇所を加熱することで、前記第２金属リングと他方の前記マニホールド部とを溶接する
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池の接続方法。
【請求項６】
請求項４または５記載の固体酸化物形燃料電池の接続方法において、
前記第１金属リングは、前記絶縁リングの外周部より突出する庇部を備える
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池の接続方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池でセルと共に積層されるガスのマニホールドの間をシールするためのガスシール部材および接続方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高い発電効率を実現する燃料電池として、作動温度が８００〜１０００℃になる固体酸化物形燃料電池が注目を集めている。固体酸化物形燃料電池は、複数のセル（単電池）を直列に積層して所望の電圧を得るようにしている。セルは、酸化物イオン伝導体からなる固体酸化物電解質を、電子伝導性を有する酸化物からなる空気極と燃料極とで挟んで構成されている。また、このようなセルを積層するときには、各セルの間に、電気的な接続とガスの供給とを行うための、セパレータが配置される。
【０００３】
このような積層構造（スタック）とされた固体酸化物形燃料電池において、外部より供給される燃料ガス（水素）および空気（酸素）を、外部に設けられたマニホールドにより各セパレータに供給する形式がある。この場合、燃料極の側で発生してセパレータより排出される燃料ガスの残分が流れるマニホールドも設けられている。例えば、燃料ガス系のマニホールドに流れている燃料ガスは、マニホールドより各セパレータに分岐する分岐配管により、セパレータの対応する部分に供給されている。
【０００４】
ここで、上述したようなマニホールドは、セパレータと同様に耐熱合金から構成されている。また、マニホールドとセパレータとは、金属製の配管を介して電気的に接続される。このため、複数のセパレータに対して一体に形成されたマニホールドを用いると、積層されたセル間の各セパレータ間が電気的に接続されることになり、短絡することになる。
【０００５】
このため、マニホールドは、セパレータと共に分割されて形成し、また、絶縁部材を介して各マニホールド部の間を接続している。また、マニホールド部の接続部より、燃料ガスや空気が外部に漏れないように、隣り合うマニホールド部の間は、ガス漏れを防ぐためのシール性が要求される。このように、マニホールド部間を絶縁分離された状態でシールするために、ガラス材料を用いてマニホールド部間をシールする技術が提案されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１４９４３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ガラスを用いたマニホールド部間の接合では、形成後、時間と共にガス漏れ発生の割合が増加する傾向にある。この問題を解消するために、セラミックなどの絶縁性を有する無機材料からなる絶縁部材をマニホールド部間に配置し、マニホールド部と絶縁部材との間を、空気中でロウ付けができるロウ材でロウ付けする技術が提案されている。このようなロウ材によるシールでは、上述したガラスに場合に比較し、ガス漏れの発生が非常に少ない。
【０００８】
耐熱合金で構成されているマニホールド部と絶縁部材との間を高いシール性を備える状態でロウ付けする場合、ロウ材を溶解させて液体の状態とし、絶縁部材とマニホールド部との間を埋め、この後、ロウ材の融点より低い温度とすることで、マニホールド部と絶縁部材とを接合している。従って、上述したロウ付けでは、固体酸化物形燃料電池の作動温度よりも高い融点を備えるロウ材を用いることになる。
【０００９】
ここで、上述したロウ付けでは、マニホールド部と共に、一体に形成されているセパレータおよびセパレータ間に配置されるセルも、高温環境に置かれることになる。ところが、固体酸化物形燃料電池では、セルが金属酸化物から構成されているため、いわゆる真空などの減圧環境で加熱は、セルの劣化を招く。このため、上述したロウ付けのための高温処理は、酸素が含まれている空気中で行う。しかしながら、このような空気中の高温処理では、耐熱合金から構成されているセパレータの酸化が著しく進行し、電気抵抗が大きくなり、セル間の接続抵抗が増大し、固体酸化物形燃料電池の発電効率が低下するという問題がある。
【００１０】
このような問題に対し、局所的な加熱によりロウ付けをすることで、セパレータの酸化などによる劣化を抑制できるようになる。しかしながらこのロウ付けでは、金属の部分と絶縁部材とを接合しているため、局所的な加熱では、セラミックなどの絶縁部材に大きな応力が発生して損傷を与える場合が発生する。このように、上述したようなマニホールド部間においける絶縁材料との接合においては、接合箇所を部分的に加熱してロウ付けを行うことが容易ではない。
【００１１】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、セパレータや固体酸化物形燃料電池セルの劣化を招くことなく、マニホールドを構成する各マニホールド部の間を、絶縁分離した状態で気密に接合できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る固体酸化物形燃料電池のガスシール部材は、固体酸化物形燃料電池の各セパレータに設けられたガスの供給および排気のための各マニホールド部の間に配置されるガスシール部材であって、リング状に形成された絶縁性の無機材料より構成された絶縁リングと、リング状に形成された金属板より構成されて絶縁リングの一方の面に真空中でロウ付けされた第１金属リングと、リング状に形成された金属板より構成され、絶縁リングの他方の面に真空中でロウ付けされた第２金属リングとを備え、第１金属リングと一方のマニホールド部とが溶接され、第２金属リングと他方のマニホールド部とが溶接されるものである。
【００１３】
上記固体酸化物形燃料電池のガスシール部材において、第１金属リングと一方のマニホールド部との溶接箇所を加熱することで、第１金属リングと一方のマニホールド部とが溶接され、第２金属リングと他方のマニホールド部との溶接箇所を加熱することで、第２金属リングと他方のマニホールド部とが溶接されるようにすればよい。また、第１金属リングは、絶縁リングの外周部より突出する庇部を備えるとよい。
【００１４】
また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の接続方法は、固体酸化物形燃料電池の各セパレータに設けられたガスの供給および排気のための各マニホールド部の間を接続する接続方法であって、リング状に形成された絶縁性の無機材料より構成された絶縁リングの一方の面にロウ付けされた第１リングに、一方のマニホールド部を溶接する第１工程と、絶縁リングの他方の面にロウ付けされた第２金属リングに、他方のマニホールド部を溶接する第２工程とを備え、第１金属リングは、リング状に形成された金属板より構成されて絶縁リングの一方の面に真空中でロウ付けされ、第２金属リングは、リング状に形成された金属板より構成され、絶縁リングの他方の面に真空中でロウ付けされたものである。
【００１５】
上記固体酸化物形燃料電池の接続方法において、第１金属リングと一方のマニホールド部との溶接箇所を加熱することで、第１金属リングと一方のマニホールド部とを溶接し、第２金属リングと他方のマニホールド部との溶接箇所を加熱することで、第２金属リングと他方のマニホールド部とを溶接するようにすればよい。また、第１金属リングは、絶縁リングの外周部より突出する庇部を備えるとよい。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように、本発明によれば、各マニホールド部の接合に、絶縁性の無機材料より構成された絶縁リングと、絶縁リングの一方の面に真空中でロウ付けされた第１金属リングと、絶縁リングの他方の面に真空中でロウ付けされた第２金属リングとを備えるガスシール部材を用いるようにしたので、セパレータや固体酸化物形燃料電池セルの劣化を招くことなく、マニホールドを構成する各マニホールド部の間を、絶縁分離した状態で気密に接合できるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１Ａ】本発明の実施の形態におけるガスシール部材の構成を示す断面図である。
【図１Ｂ】本発明の実施の形態におけるガスシール部材の構成を示す斜視図である。
【図２Ａ】本発明の実施の形態における接続方法を説明するための工程図である。
【図２Ｂ】本発明の実施の形態における接続方法を説明するための工程図である。
【図３】固体酸化物形燃料電池の構成を概略的に示す斜視図である。
【図４】接続方法とマニホールド内の残圧との関係を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１Ａは、本発明の実施の形態におけるガスシール部材１００の構成を示す断面図、図１Ｂは、本発明の実施の形態におけるガスシール部材１００の構成を示す斜視図である。このガスシール部材１００は、セルを積層している固体酸化物形燃料電池の、各セパレータのマニホールド部間に配置され、マニホールド部間を、電気的に絶縁した状態で気密に接続するためのものである。
【００１９】
ガスシール部材１００は、金属リング１０１，ロウ材１０２，絶縁リング１０３，ロウ材１０４，および金属リング１０５から構成されている。金属リング１０１，絶縁リング１０３，および金属リング１０５は、各々の間がロウ材１０２およびロウ材１０４により接合されて積層されている。言い換えると、ガスシール部材１００は、絶縁リング１０３の一方の面にロウ付けされた金属リング１０１と、絶縁リング１０３の他方の面にロウ付けされた金属リング１０２とを備えるものである。また、金属リング１０１，絶縁リング１０３，および金属リング１０５は、内側の開口部の位置が合うように配置され、これら積層構造体は、筒形状とされている。
【００２０】
金属リング１０１および金属リング１０５は、リング状の金属板であり、例えば、マニホールド部と同様の耐熱合金から構成されている。金属リング１０１および金属リング１０５は、例えば、厚さ１ｍｍ程度に形成されている。また、絶縁リング１０３は、絶縁性の無機材料からなるリング状の板部材であり、例えば、高い絶縁性を有する酸化金属の焼結体（セラミック）などから構成されている。絶縁リング１０３は、例えば、４厚さ４ｍ程度に形成されている。
【００２１】
金属リング１０１，絶縁リング１０３，および金属リング１０５は、いわゆる真空中で加熱されることにより、ロウ材１０２およびロウ材１０４でロウ付けされている。例えば、真空中で１０００〜１３００℃程度に加熱することで、金属リング１０１および金属リング１０５と絶縁リング１０３とをロウ付けすることができる。真空中でロウ付けされているので、金属リング１０１および金属リング１０５が酸化されることがない。また、ガスシール部材１００は、この全体を加熱することでロウ付けを行うので、絶縁リング１０３が局所的に加熱されることが無く、部分的な応力発生による破損などが抑制されるようになる。
【００２２】
また、金属リング１０１は、マニホールド部の外形と同形状の外形、およびマニホールド部の内形と同形状の内形に形成されている。これに対し、絶縁リング１０３および金属リング１０５は、金属リング１０１より小さい外形に形成されている。このように、本実施の形態におけるガスシール部材１００では、金属リング１０１が、リング状のガスリール部材の全周において突出している庇部１０１ａを備えている。従って、金属リング１０５の側の上部からガスシール部材１００を見ると、金属リング１０１の庇部１０１ａが、金属リング１０５の上面と共に同時に見込める状態となっている。
【００２３】
次に、上述したガスシール部材１００を用いた本実施の形態における接続方法について説明する。まず、図２Ａに示すように、１組のセル２０５およびセパレータ２０１を用意する。セパレータ２０１は、燃料極２０２，電解質２０３，空気極２０４を備えたセル２０５を収容部に収容している。また、燃料極２０２の側を密閉するように電解質２０３の周囲にはシール部２０６が設けられている。また、セパレータ２０１の内部には、燃料極２０２に燃料ガスを供給する給気経路２０７および排気経路２０８が形成されている。
【００２４】
また、セパレータ２０１の周囲には、給気経路２０７に配管２０９で接続する燃料供給マニホールド部２１１が設けられている。また、排気経路２０８に配管２１０で接続する燃料排出マニホールド部２１２が設けられている。なお、図示していないが、セパレータ２０１の図面における下面側に空気（酸化剤ガス）を供給するための給気経路がセパレータ２０１には形成されている。また、この給気経路に配管で接続する空気供給マニホールド部も設けられている。
【００２５】
上述したような１組のセルユニットにおいて、各マニホールド部の上にガスシール部材１００を配置し、各マニホールド部の上面に金属リング１０１の表面を当接させる。図２Ａでは、金属リング１０１はガスシール部材１００の最下層となっているため、ここでは、各マニホールド部の上面に、ガスシール部材１００の下面を当接させることになる。この状態で、庇部１０１ａにレーザ２２１を照射し、溶接箇所となる庇部１０１ａと各マニホールド部の上面とをレーザ溶接する。庇部１０１ａと各マニホールド部の上面との全周をレーザ溶接により気密に接合する。このとき、セパレータ２０１は加熱されることがないので、酸化されることも抑制され、電気抵抗の増加を招くことがない。
【００２６】
次に、図２Ｂに示すように、新たな１組のセルユニットを積層する。これにより、燃料供給マニホールド部２１１および燃料排出マニホールド部２１２の各マニホールド部の上に金属リング１０１（庇部１０１ａ）が溶接されたガスシール部材１００の上に、新たな燃料供給マニホールド部２１１および燃料排出マニホールド部２１２の各マニホールド部の下面が当接する。ここでは、新たなセルユニットの各マニホールド部の下面が、各ガスシール部材１００（金属リング１０５）の上面に当接する。
【００２７】
この状態で、新たなセルユニットの各マニホールド部にレーザ２２２を照射し、溶接箇所となる新たなセルユニットの各マニホールド部の下面と各ガスシール部材１００の金属リング１０５の上面とを溶接する。金属リング１０５と各マニホールド部の下面との全周をレーザ溶接により気密に接合する。このレーザ溶接は、前述した庇部１０１ａの溶接より内側の領域（溶接箇所）に、レーザ２２２を照射して行う。従って、庇部１０１ａと各マニホールド部の上面との溶接部分（溶接箇所）には、レーザが照射されることが無い。また、この場合においても、セパレータ２０１は加熱されることがないので、酸化されることも抑制され、電気抵抗の増加を招くことがない。
【００２８】
また、上述したように、マニホールド部の上方からのレーザ照射によれば、マニホールド部の全周に対してレーザを照射することが容易である。例えば、マニホールド部の側方よりレーザ照射をすることも考えられる。この場合、ロウ付けを行うマニホールド部の全周に、この周囲からレーザを照射することになる。しかしながら、マニホールド部の周囲には、セパレータ部分もあるためため、マニホールド部の側方からのレーザ照射は、実現が容易ではない。このように、レーザ溶接の場合、上方からのレーザ照射が重要となる。このため、１つのガスシール部材１００に対して２回の溶接工程を行う本実施の形態によれば、上述したように庇部１０１ａを設け、２回の溶接工程におけるレーザ照射部が異なるようにすることよい。
【００２９】
以上に説明したように、本実施の形態では、「セルユニットの各マニホールド部の上へのガスシール部材１００の配置→庇部１０１ａと各マニホールド部上面との溶接→新たなセルユニットの積層→新たなセルユニットの各マニホールド部の下面と金属リング１０５の上面との溶接」により、積層されるマニホールド部の間を絶縁分離した状態で気密に接合するところに特徴がある。このようにすることで、セパレータやセルは加熱されることがないため。セパレータやセルの劣化を招くことない。なお、上述した工程を繰り返し、所望とするセルユニット数を積層することで、図３の斜視図に示すように、固体酸化物形燃料電池が形成される。
【００３０】
図３に示す固体酸化物燃料電池では、複数のセパレータ２０１およびセル２０５が積層されて、セルスタック３０１を構成している。また、複数の燃料供給マニホールド部２１１およびガスシール部材１００が、各々の間が溶接されて積層され、燃料供給マニホールド３０２を構成している。また、複数の燃料排出マニホールド部２１２およびガスシール部材１００が、各々の間が溶接されて積層され、燃料排出マニホールド３０３を構成している。また、複数の空気供給マニホールド部２１４およびガスシール部材１００ａが、各々の間が溶接されて積層され、空気供給マニホールド３０４を構成している。
【００３１】
燃料供給マニホールド３０２に供給されている燃料ガスは、各セパレータ２０１に接続されている各配管２０９を経由し、各セル２０５の燃料極側に供給される。また、空気供給マニホールド３０４に供給されている空気は、各セパレータ２０１に接続されている各配管２１３を経由し、各セル２０５の空気極側に供給される。また、各セル２０５の燃料極側における余剰の燃料ガスは、各セパレータ２０１に接続されている各配管２１０を経由して、燃料排出マニホールド３０３に排出される。一方、空気極の側の各セパレータ２０１の間は開放されており、この領域より空気極側に供給される空気の余剰分が排出される。なお、図３では、各部分を概略的に示している。
【００３２】
以上に説明した本実施の形態における接続方法によれば、図４の（ａ）に示すように、マニホールド内の残圧が、２００分経過してもほとんど低下しない。これに対し、各マニホールド部の間をガラス材料でシールして接続する場合、図４（ｂ）に示すように、３０分ほどでマニホールド内の残圧が大きく低下する。このように、本実施の形態における接続方法によれば、ガラス材料でシールした場合のようにガス漏れの発生がほとんどない状態で、各マニホールド部の間を、絶縁分離した状態で気密に接合できるようになる。
【００３３】
なお、上述では、いわゆる外部マニホールド型の固体酸化物形燃料電池について説明したが、これに限るものではない。例えば、内部マニホールド型の固体酸化物形燃料電池の各マニホールド部の間を接合する場合にも、同様に適用可能である。また、上述では、レーザ溶接を例に説明したが、これに限るものではなく、他の溶接方法により、ガスシール部材１００（金属リング１０１，金属リング１０５）と、マニホールド部とを溶接するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３４】
１００…ガスシール部材、１０１…金属リング、１０１ａ…庇部、１０２…ロウ材、１０３…絶縁リング、１０４…ロウ材、１０５…金属リング、２０１…セパレータ、２０２…燃料極、２０３…電解質、２０４…空気極、２０５…セル、２０６…シール部、２０７…給気経路、２０８…排気経路、２０９…配管、２１０…配管、２１１…燃料供給マニホールド部、２１２…燃料排出マニホールド部、２２１，２２２…レーザ。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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