(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物形燃料電池セルを含むセル収容部と、前記セルの空気極に酸化剤ガスを供給し前記セルの燃料極に燃料ガスを供給する金属製のセパレータとを交互に積層する構造を有し、
前記セルの空気極側の面に積層され、前記空気極に酸化剤ガスを供給する流路を備えた空気極側セパレータと、前記セルの燃料極側の面に積層され、前記燃料極に燃料ガスを供給する流路を備えた燃料極側セパレータとは、それぞれ複数枚の金属製のプレートの積層構造からなり、
前記セル収容部は、
平板型の前記セルと、
前記燃料極側セパレータと前記空気極側セパレータとの間に配置され、中央部に前記セルを収納する貫通穴が形成された金属製のプレートであるセルホルダと、
このセルホルダの上に配置され、中央部に前記セルを収納する貫通穴が形成された絶縁体とを少なくとも備え、
前記空気極側セパレータと前記燃料極側セパレータと前記セルホルダと前記絶縁体の各々に形成された貫通穴の連結によって、前記空気極側セパレータの流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給マニホールドと、前記燃料極側セパレータの流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホールドとを少なくとも含む複数のマニホールドが形成され、
前記空気極側セパレータと前記燃料極側セパレータと前記セルホルダとを構成する各プレートのうち、絞りプレス加工で成形されたプレートと、このプレートに隣接する打ち抜きプレス加工で成形されたプレートとは、１つの前記マニホールドの外周部のみにおいて溶接されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、
前記空気極側セパレータを構成する各プレートのうち、前記セルの空気極と対向するように配置される絞りプレス加工で成形された空気極側流路プレートと、この空気極側流路プレートに隣接する打ち抜きプレス加工で成形された酸化剤ガス流路プレートとが、これらプレートに形成された１つの前記マニホールドの外周部のみにおいて溶接されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、
前記燃料極側セパレータを構成する各プレートのうち、前記セルの燃料極と対向するように配置される絞りプレス加工で成形された燃料極側流路プレートと、この燃料極側流路プレートに隣接する打ち抜きプレス加工で成形された前記セルホルダとが、これらプレートに形成された１つの前記マニホールドの外周部のみにおいて溶接されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、
前記セルホルダは、前記燃料極側流路プレートよりも厚いことを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、
さらに、前記燃料極側セパレータを構成する各プレートのうち、前記セルの燃料極と対向するように配置される燃料極側流路プレートに隣接する打ち抜きプレス加工で成形された燃料ガス流路プレートと、この燃料ガス流路プレートに隣接する打ち抜きプレス加工で成形された燃料ガス通路プレートとが、これらプレートに形成された２つの対向する前記マニホールドの外周部において溶接されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、
前記空気極側セパレータは、前記酸化剤ガス供給マニホールドからの酸化剤ガスを前記セルの空気極の中心部に供給することを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、
前記燃料極側セパレータは、前記燃料ガス供給マニホールドからの燃料ガスを前記セルの燃料極の中心部に供給することを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項８】
固体酸化物形燃料電池セルを含むセル収容部と、前記セルの空気極に酸化剤ガスを供給し前記セルの燃料極に燃料ガスを供給する金属製のセパレータとを交互に積層する固体酸化物形燃料電池スタックの製造方法において、
前記セルの燃料極に燃料ガスを供給する流路を備えた燃料極側セパレータを、複数枚の金属製のプレートの積層により組み立てる燃料極側セパレータ組立工程と、
前記燃料極側セパレータの上に平板型の前記セルを搭載するセル搭載工程と、
前記セルが搭載される前記燃料極側セパレータの面上に、中央部に前記セルを収納する貫通穴が形成された金属製のプレートであるセルホルダを搭載するセルホルダ搭載工程と、
前記セルホルダの上に、中央部に前記セルを収納する貫通穴が形成された絶縁体を搭載する絶縁体搭載工程と、
前記絶縁体の上に、前記セルの空気極に酸化剤ガスを供給する流路を備えた空気極側セパレータを、複数枚の金属製のプレートの積層により組み立てる空気極側セパレータ組立工程と、
前記空気極側セパレータと前記燃料極側セパレータと前記セルホルダとを構成する各プレートのうち、隣接する一部のプレートを溶接する溶接工程とを少なくとも含み、
前記空気極側セパレータと前記燃料極側セパレータと前記セルホルダと前記絶縁体の各々に形成された貫通穴の連結によって、前記空気極側セパレータの流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給マニホールドと、前記燃料極側セパレータの流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホールドとを少なくとも含む複数のマニホールドが形成され、
前記溶接工程は、前記空気極側セパレータと前記燃料極側セパレータと前記セルホルダとを構成する各プレートのうち、絞りプレス加工で成形されたプレートと、このプレートに隣接する打ち抜きプレス加工で成形されたプレートとを、１つの前記マニホールドの外周部のみにおいて溶接することを特徴とする固体酸化物形燃料電池スタックの製造方法。
【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スタックに係り、特にセパレータの材料として複数枚の金属製のプレートを用いる固体酸化物形燃料電池スタックとその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、規模の大小にかかわらず高い効率が得られることから、次世代のコジェネレーションシステムに用いられる発電手段として、燃料電池が注目されている。燃料電池は、酸素などの酸化剤ガスと水素などの燃料ガスとの化学反応を利用した電池であり、空気極と呼ばれる陽極と、燃料極と呼ばれる陰極とで電解質の層を挟んだ単セルを、複数重ね合わせて用いている。一組のセル（単セル）で得られる電気の電圧は、約０．７Ｖ程度であるが、複数の単セルを重ね合わせて用いることで、所望とする電圧の供給が可能である。このような燃料電池には、高分子材料を電解質層に用いる固体高分子形や、セラミックスなどの酸化物を電解質層に用いる固体酸化物形がある。
【０００３】
固体高分子形燃料電池では、作動温度が高々９０℃程度であり、自動車用や家庭用コジェネレーションシステムに適用可能とされている。これに対し、固体酸化物形燃料電池は、作動温度が６００℃以上と高温であり、発電効率が４５％以上と高いという特徴を備えている。このため、複数の単セルを組み合わせたスタック構造の固体酸化物形燃料電池は、タービン発電などを組み合わせてより高い効率のコジェネレーションシステムが構築できるという利点を有し、発電所としての用途などが期待されている（非特許文献１参照）。
【０００４】
ところで、固体酸化物形燃料電池において実用的な出力を得るためには、固体酸化物形燃料電池セル（以降、単セル）を複数個直列に、または並列に接続する必要がある。このとき、各単セルの燃料極側に供給される燃料ガスと空気極側に供給される酸化剤ガスとが混合しない状態で、各単セルを電気的に接続する必要がある。このようにガスの混合を防いだ状態で各単セルを電気的に接続するために、セパレータやインターコネクターなどと呼ばれ、ガスが透過せず、電気伝導度が高い材料からなる部材が用いられている。
【０００５】
近年、発電温度の低温動作化により、金属材料をセパレータに使用できるようになった。金属製のセパレータは、セラミックス製のセパレータに比べると加工性が良く、電気電導度や熱電導度が高いが、高温酸化雰囲気化において表面に電気電導度の低い酸化被膜が形成されるという問題がある。そこで、最近ではセパレータとして、Ｃｒが１６〜２４％程度含まれたフェライト系の耐熱性ステンレス鋼が用いられる傾向にある。
【０００６】
固体酸化物形燃料電池スタックは、複数枚のセパレータで構成されており、各セパレータには、燃料ガスを供給するマニホールドと、未使用燃料ガスおよび使用済み燃料ガスを排気するマニホールドと、酸化剤ガスを供給するマニホールドと、酸化剤ガスを排気するマニホールドとが設けられている。
また、電極と接触するセパレータには、電極面内に均一にガスを供給するためのガス流路と、電極と接触する接触部とが設けられている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】田川博章  著，「固体酸化物燃料電池と地球環境」，アグネ承風社，１９９８年，ｐ．２５−３０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
燃料電池のセパレータをエッチングで加工すると、精度よく成形することが可能であるが、コストが高くなってしまうという問題がある。これに対して、大量生産が可能なプレス加工を用いると、セパレータ加工費の低コスト化が可能となる。しかしながら、プレス加工ではプレスによる残留応力によってセパレータに歪みが生じており、このような歪んでいるセパレータを積層して固体酸化物形燃料電池スタックを構成すると、燃料ガスが外部に漏れたり、燃料ガスが酸化剤ガスと混合したりして、固体酸化物形燃料電池スタックの発電能力が低下するという問題点があった。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、燃料ガスと酸化剤ガスの外部への漏れや、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合を防ぐことができる固体酸化物形燃料電池スタックとその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の固体酸化物形燃料電池スタックは、固体酸化物形燃料電池セルを含むセル収容部と、前記セルの空気極に酸化剤ガスを供給し前記セルの燃料極に燃料ガスを供給する金属製のセパレータとを交互に積層する構造を有し、前記セルの空気極側の面に積層され、前記空気極に酸化剤ガスを供給する流路を備えた空気極側セパレータと、前記セルの燃料極側の面に積層され、前記燃料極に燃料ガスを供給する流路を備えた燃料極側セパレータとは、それぞれ複数枚の金属製のプレートの積層構造からなり、前記セル収容部は、平板型の前記セルと、前記燃料極側セパレータと前記空気極側セパレータとの間に配置され、中央部に前記セルを収納する貫通穴が形成された金属製のプレートであるセルホルダと、このセルホルダの上に配置され、中央部に前記セルを収納する貫通穴が形成された絶縁体とを少なくとも備え、前記空気極側セパレータと前記燃料極側セパレータと前記セルホルダと前記絶縁体の各々に形成された貫通穴の連結によって、前記空気極側セパレータの流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給マニホールドと、前記燃料極側セパレータの流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホールドとを少なくとも含む複数のマニホールドが形成され、前記空気極側セパレータと前記燃料極側セパレータと前記セルホルダとを構成する各プレートのうち、絞りプレス加工で成形されたプレートと、このプレートに隣接する打ち抜きプレス加工で成形されたプレートとは、１つの前記マニホールドの外周部のみにおいて溶接されていることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池スタックの１構成例は、前記空気極側セパレータを構成する各プレートのうち、前記セルの空気極と対向するように配置される絞りプレス加工で成形された空気極側流路プレートと、この空気極側流路プレートに隣接する打ち抜きプレス加工で成形された酸化剤ガス流路プレートとが、これらプレートに形成された１つの前記マニホールドの外周部のみにおいて溶接されていることを特徴とするものである。
また、本発明の固体酸化物形燃料電池スタックの１構成例は、前記燃料極側セパレータを構成する各プレートのうち、前記セルの燃料極と対向するように配置される絞りプレス加工で成形された燃料極側流路プレートと、この燃料極側流路プレートに隣接する打ち抜きプレス加工で成形された前記セルホルダとが、これらプレートに形成された１つの前記マニホールドの外周部のみにおいて溶接されていることを特徴とするものである。
また、本発明の固体酸化物形燃料電池スタックの１構成例において、前記セルホルダは、前記燃料極側流路プレートよりも厚いことを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明の固体酸化物形燃料電池スタックの１構成例は、さらに、前記燃料極側セパレータを構成する各プレートのうち、前記セルの燃料極と対向するように配置される燃料極側流路プレートに隣接する打ち抜きプレス加工で成形された燃料ガス流路プレートと、この燃料ガス流路プレートに隣接する打ち抜きプレス加工で成形された燃料ガス通路プレートとが、これらプレートに形成された２つの対向する前記マニホールドの外周部において溶接されていることを特徴とするものである。
また、本発明の固体酸化物形燃料電池スタックの１構成例において、前記空気極側セパレータは、前記酸化剤ガス供給マニホールドからの酸化剤ガスを前記セルの空気極の中心部に供給することを特徴とするものである。
また、本発明の固体酸化物形燃料電池スタックの１構成例において、前記燃料極側セパレータは、前記燃料ガス供給マニホールドからの燃料ガスを前記セルの燃料極の中心部に供給することを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明は、固体酸化物形燃料電池セルを含むセル収容部と、前記セルの空気極に酸化剤ガスを供給し前記セルの燃料極に燃料ガスを供給する金属製のセパレータとを交互に積層する固体酸化物形燃料電池スタックの製造方法において、前記セルの燃料極に燃料ガスを供給する流路を備えた燃料極側セパレータを、複数枚の金属製のプレートの積層により組み立てる燃料極側セパレータ組立工程と、前記燃料極側セパレータの上に平板型の前記セルを搭載するセル搭載工程と、前記セルが搭載される前記燃料極側セパレータの面上に、中央部に前記セルを収納する貫通穴が形成された金属製のプレートであるセルホルダを搭載するセルホルダ搭載工程と、前記セルホルダの上に、中央部に前記セルを収納する貫通穴が形成された絶縁体を搭載する絶縁体搭載工程と、前記絶縁体の上に、前記セルの空気極に酸化剤ガスを供給する流路を備えた空気極側セパレータを、複数枚の金属製のプレートの積層により組み立てる空気極側セパレータ組立工程と、前記空気極側セパレータと前記燃料極側セパレータと前記セルホルダとを構成する各プレートのうち、隣接する一部のプレートを溶接する溶接工程とを少なくとも含み、前記空気極側セパレータと前記燃料極側セパレータと前記セルホルダと前記絶縁体の各々に形成された貫通穴の連結によって、前記空気極側セパレータの流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給マニホールドと、前記燃料極側セパレータの流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホールドとを少なくとも含む複数のマニホールドが形成され、前記溶接工程は、前記空気極側セパレータと前記燃料極側セパレータと前記セルホルダとを構成する各プレートのうち、絞りプレス加工で成形されたプレートと、このプレートに隣接する打ち抜きプレス加工で成形されたプレートとを、１つの前記マニホールドの外周部のみにおいて溶接することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、空気極側セパレータと燃料極側セパレータとセルホルダとを構成する各プレートのうち、絞りプレス加工で成形されたプレートと、このプレートに隣接する打ち抜きプレス加工で成形されたプレートとを、１つのマニホールドの外周部において溶接することにより、燃料ガスと酸化剤ガスの外部への漏れと、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合を防ぐことが可能となる。また、本発明では、マニホールド部のみを溶接することにより、セパレータ面内の歪みを生じ難くすることができる。また、本発明では、セパレータの加工方法として安価なプレス加工を利用することができるので、ガス漏れの防止と加工費用の低減とを両立させることができる。
【００１５】
また、本発明では、空気極側セパレータを構成する各プレートのうち、セルの空気極と対向するように配置される絞りプレス加工で成形された空気極側流路プレートと、この空気極側流路プレートに隣接する打ち抜きプレス加工で成形された酸化剤ガス流路プレートとを、これらプレートに形成された１つのマニホールドの外周部において溶接することにより、空気極側流路プレートと酸化剤ガス流路プレートの溶接による歪みが生じ難くなるので、燃料ガスと酸化剤ガスの外部への漏れと、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合を防ぐことが可能となる。
【００１６】
また、本発明では、燃料極側セパレータを構成する各プレートのうち、セルの燃料極と対向するように配置される絞りプレス加工で成形された燃料極側流路プレートと、この燃料極側流路プレートに隣接する打ち抜きプレス加工で成形されたセルホルダとを、これらプレートに形成された１つのマニホールドの外周部において溶接することにより、燃料極側流路プレートとセルホルダの溶接による歪みが生じ難くなるので、燃料ガスと酸化剤ガスの外部への漏れと、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合を防ぐことが可能となる。
【００１７】
また、本発明では、セルホルダを燃料極側流路プレートよりも厚くすることにより、燃料極側流路プレートを絞りプレス加工することにより生じた歪みを溶接により抑制しやすくすることができ、また燃料極側流路プレートとセルホルダを溶接する際に低出力で溶接が可能となり、溶接によるプレートの歪みを抑制することができるので、歪みによるガスシール性の低下を防ぐことができる。
【００１８】
また、本発明では、燃料極側セパレータを構成する各プレートのうち、セルの燃料極と対向するように配置される燃料極側流路プレートに隣接する打ち抜きプレス加工で成形された燃料ガス流路プレートと、この燃料ガス流路プレートに隣接する打ち抜きプレス加工で成形された燃料ガス通路プレートとを、これらプレートに形成された２つの対向するマニホールドの外周部において溶接することにより、ガスシール性を高めることができ、燃料ガスと酸化剤ガスの外部への漏れと、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合を防ぐことが可能となる。
【００１９】
また、本発明では、酸化剤ガス供給マニホールドからの酸化剤ガスをセルの空気極の中心部に供給することにより、セルの空気極の中心部から外周部にかけて均一に酸化剤ガスを供給することが可能となる。
【００２０】
また、本発明では、燃料ガス供給マニホールドからの燃料ガスをセルの燃料極の中心部に供給することにより、セルの燃料極の中心部から外周部にかけて均一に燃料ガスを供給することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池の単セルの構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池スタックの構成を示す分解斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池スタックの構成を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池スタックのセル収容部の構成を示す分解斜視図である。
【図５】燃料極側セパレータおよび空気極側セパレータを構成するプレートの溶接について説明する分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池の単セルの構成を示す斜視図である。固体酸化物形燃料電池の単セル１０は、平面視円形の平板型の燃料極１と平面視円形の平板型の空気極２で平面視円形の平板型の酸化物からなる電解質３を狭持し、空気極２上に集電層（不図示）が配置された構造となっている。電解質３の材料としては、例えばスカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、サマリア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、コバルト添加ランタンガレート系酸化物（ＬＳＧＭＣ）などがある。
【００２３】
空気極２の材料としては、例えばランタンニッケルフェライト（ＬＮＦ）、ランタンマンガネート（ＬＳＭ）、ランタンストロンチウムコバルタイト（ＬＳＣ）、ランタンストロンチウムコバルタイトフェライト（ＬＳＣＦ）、ランタンストロンチウムフェライト（ＬＳＦ）、サマリウムストロンチウムコバルタイト（ＳＳＣ）などがある。
【００２４】
燃料極１の材料としては、金属Ｎｉと前記電解質３を構成する材料との混合物などがある。これらの混合物としては、例えばニッケル添加イットリア安定化ジルコニア（Ｎｉ−ＹＳＺ）、ニッケル添加サマリア安定化ジルコニア（Ｎｉ−ＳＳＺ）、ニッケル添加スカンジア安定化ジルコニア（Ｎｉ−ＳｃＳＺ）などがある。
【００２５】
図２は本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池スタックの構成を示す分解斜視図、図３（Ａ）は本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池スタックの構成を示す断面図である。図３（Ｂ）は図３（Ａ）に示した１４の部分を拡大した断面図である。図１に示した固体酸化物形燃料電池の単セル１０から高い発電出力を得るために、図２、図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示すように燃料極側セパレータ４および空気極側セパレータ５を介して単セル１０を積層する。燃料極側セパレータ４と空気極側セパレータ５とセル収容部６のそれぞれの４隅には、燃料ガス供給マニホールドと、燃料ガス排気マニホールドと、酸化剤ガス供給マニホールド１１と、酸化剤ガス排気マニホールド１２の４つのマニホールドが形成されている。
【００２６】
図４は単セル１０を収容するセル収容部６の構成を示す分解斜視図である。燃料極側セパレータ４と空気極側セパレータ５とによって挟まれるセル収容部６は、シール材６０と絶縁体６１とセルホルダ６２との積層構造からなる。平面視矩形の平板型のシール材６０には、燃料ガス供給マニホールドを構成する貫通穴１００と、燃料ガス排気マニホールドを構成する貫通穴１０１と、酸化剤ガス供給マニホールド１１を構成する貫通穴１０２と、酸化剤ガス排気マニホールド１２を構成する貫通穴１０３と、単セル収納用の平面視円形の貫通穴１０４とが形成されている。シール材６０の中央部に形成された貫通穴１０４の径は、空気極２の外径よりも大きく、単セル１０の外径（電解質３の外径）よりも小さく、後述するセルホルダ６２の貫通穴１０６よりも小さい寸法に設定されており、固体酸化物形燃料電池スタックを組み立てたときにシール材６０が電解質３の端部に掛かるように設定されている。
【００２７】
シール材６０の材料としては、例えば電解質３の熱膨張係数と同等のフェライト系ステンレス鋼の箔などがある。中でもＡｌが２．０ｗｔ％から４．０ｗｔ％含まれたフェライト系ステンレス鋼が好ましく、厚みが１０μｍから５０μｍが好ましい。中でも厚みが３０μｍのものが好ましい。シール材６０として熱膨張係数が単セル１０と同等のフェライト系ステンレス鋼を用いることにより、熱サイクル時でもガスシール性を確保することができる。
【００２８】
また、図３（Ｂ）に示すように、シール材６０の貫通穴１０４の内側には、軟化点が６００℃から８００℃の範囲にあって結晶化温度が８５０℃以上のガラスシール１３を配置することが好ましい。
【００２９】
平面視矩形の平板型の絶縁体６１には、燃料ガス供給マニホールドを構成する貫通穴１００と、燃料ガス排気マニホールドを構成する貫通穴１０１と、酸化剤ガス供給マニホールド１１を構成する貫通穴１０２と、酸化剤ガス排気マニホールド１２を構成する貫通穴１０３と、単セル収納用の平面視円形の貫通穴１０５とが形成されている。絶縁体６１の中央部に形成された貫通穴１０５の径は、単セル１０の外径よりも少し大きい寸法に設定されており、この貫通穴１０５の中に単セル１０が配置される。絶縁体６１の材料としては、例えば、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、マグネシア（ＭｇＯ）、マイカなどがある。絶縁体６１の燃料ガス供給マニホールドを構成する貫通穴１００と燃料ガス排気マニホールドを構成する貫通穴１０１のそれぞれの外周部にはガラスシール１０７を配置することが好ましい。
【００３０】
平面視矩形の平板型のセルホルダ６２には、燃料ガス供給マニホールドを構成する貫通穴１００と、燃料ガス排気マニホールドを構成する貫通穴１０１と、酸化剤ガス供給マニホールド１１を構成する貫通穴１０２と、酸化剤ガス排気マニホールド１２を構成する貫通穴１０３と、単セル収納用の平面視円形の貫通穴１０６とが形成されている。セルホルダ６２の中央部に形成された貫通穴１０６の径は、単セル１０の外径よりも少し大きい寸法に設定されており、この貫通穴１０６の中に単セル１０が配置される。セルホルダ６２の材料としては、例えば、Ｃｒが２０ｗｔ％以上含まれたフェライト系ステンレス鋼などがある。中でもＳＵＳ４４５Ｍ２、ＳＵＳ４３０などが好ましい。また、このセルホルダ６２の厚さは、後述する燃料極側セパレータ４の燃料極側流路プレート４０よりも厚いことが好ましい。
【００３１】
燃料極側セパレータ４は、燃料極側流路プレート４０と燃料ガス流路プレート４１と燃料ガス通路プレート４２と通路仕切り板４３との積層構造からなる。
平面視矩形の平板型の燃料極側流路プレート４０には、燃料ガス供給マニホールドを構成する貫通穴１００と、燃料ガス排気マニホールドを構成する貫通穴１０１と、酸化剤ガス供給マニホールド１１を構成する貫通穴１０２と、酸化剤ガス排気マニホールド１２を構成する貫通穴１０３と、中心部に配置された燃料ガス供給用の貫通穴１０８と、燃料ガス流路１０９と、単セル１０の外周部よりも僅かに外側の位置に配置された燃料ガス排気用の貫通穴１１０とが形成されている。
【００３２】
平面視矩形の平板型の燃料ガス流路プレート４１には、燃料ガス供給マニホールドを構成する貫通穴１００と、燃料ガス排気マニホールドを構成する貫通穴１０１と、酸化剤ガス供給マニホールド１１を構成する貫通穴１０２と、酸化剤ガス排気マニホールド１２を構成する貫通穴１０３と、燃料極側流路プレート４０の貫通穴１０８と連通するように中心部に配置された燃料ガス供給用の貫通穴１１１と、燃料極側流路プレート４０の貫通穴１１０と連通するように配置された燃料ガス排気用の貫通穴１１２とが形成されている。
【００３３】
平面視矩形の平板型の燃料ガス通路プレート４２には、燃料ガス供給マニホールドを構成する貫通穴１００と、燃料ガス排気マニホールドを構成する貫通穴１０１と、酸化剤ガス供給マニホールド１１を構成する貫通穴１０２と、酸化剤ガス排気マニホールド１２を構成する貫通穴１０３と、燃料ガス供給マニホールドを構成する貫通穴１００と連通する位置から燃料ガス流路プレート４１の貫通穴１１１と連通する位置まで、燃料ガス通路プレート４２を貫通する燃料ガス供給通路１１３と、燃料ガス流路プレート４１の貫通穴１１２と連通する位置から燃料ガス排気マニホールドを構成する貫通穴１０１と連通する位置まで、燃料ガス通路プレート４２を貫通する燃料ガス排気通路１１４とが形成されている。
【００３４】
平面視矩形の平板型の通路仕切り板４３には、燃料ガス供給マニホールドを構成する貫通穴１００と、燃料ガス排気マニホールドを構成する貫通穴１０１と、酸化剤ガス供給マニホールド１１を構成する貫通穴１０２と、酸化剤ガス排気マニホールド１２を構成する貫通穴１０３とが形成されている。
【００３５】
一方、空気極側セパレータ５は、空気極側流路プレート５０と酸化剤ガス流路プレート５１と酸化剤ガス通路プレート５２と通路仕切り板５３との積層構造からなる。
平面視矩形の平板型の空気極側流路プレート５０は、燃料ガス供給マニホールドを構成する貫通穴１００と、燃料ガス排気マニホールドを構成する貫通穴１０１と、酸化剤ガス供給マニホールド１１を構成する貫通穴１０２と、酸化剤ガス排気マニホールド１２を構成する貫通穴１０３と、中心部に配置された酸化剤ガス供給用の貫通穴１１５と、酸化剤ガス流路１１６とが形成されている。
【００３６】
平面視矩形の平板型の酸化剤ガス流路プレート５１には、燃料ガス供給マニホールドを構成する貫通穴１００と、燃料ガス排気マニホールドを構成する貫通穴１０１と、酸化剤ガス供給マニホールド１１を構成する貫通穴１０２と、酸化剤ガス排気マニホールド１２を構成する貫通穴１０３と、空気極側流路プレート５０の貫通穴１１５と連通するように配置された酸化剤ガス供給用の貫通穴１１７とが形成されている。
【００３７】
平面視矩形の平板型の酸化剤ガス通路プレート５２には、燃料ガス供給マニホールドを構成する貫通穴１００と、燃料ガス排気マニホールドを構成する貫通穴１０１と、酸化剤ガス供給マニホールド１１を構成する貫通穴１０２と、酸化剤ガス排気マニホールド１２を構成する貫通穴１０３と、酸化剤ガス供給マニホールド１１を構成する貫通穴１０２と連通する位置から酸化剤ガス流路プレート５１の貫通穴１１７と連通する位置まで、酸化剤ガス通路プレート５２を貫通する酸化剤ガス供給通路１１８とが形成されている。
【００３８】
平面視矩形の平板型の通路仕切り板５３には、燃料ガス供給マニホールドを構成する貫通穴１００と、燃料ガス排気マニホールドを構成する貫通穴１０１と、酸化剤ガス供給マニホールド１１を構成する貫通穴１０２と、酸化剤ガス排気マニホールド１２を構成する貫通穴１０３とが形成されている。
【００３９】
以上の燃料極側セパレータ４と空気極側セパレータ５の材料としては、金属が好ましく、具体的には例えばＣｒが２０ｗｔ％以上含まれたフェライト系ステンレス鋼などがある。燃料極側セパレータ４および空気極側セパレータ５を構成する全てのプレートは、打ち抜きプレス加工または絞りプレス加工のみで成形されている。具体的には、燃料ガス流路プレート４１と燃料ガス通路プレート４２と通路仕切り板４３と酸化剤ガス流路プレート５１と酸化剤ガス通路プレート５２と通路仕切り板５３とは、打ち抜きプレス加工で成形され、燃料極側流路プレート４０と空気極側流路プレート５０とは、絞りプレス加工で成形されている。なお、セルホルダ６２も、打ち抜きプレス加工で成形されている。
【００４０】
次に、１枚のセルを用いた固体酸化物形燃料電池の組み立て手順について説明する。上記のとおり、燃料極側セパレータ４は、通路仕切り板４３と、通路仕切り板４３の上に配置される燃料ガス通路プレート４２と、燃料ガス通路プレート４２の上に配置される燃料ガス流路プレート４１と、燃料ガス流路プレート４１の上に配置される燃料極側流路プレート４０との積層構造からなる。ここで、図５（Ａ）に示すように、燃料ガス流路プレート４１と燃料ガス通路プレート４２とは、酸化剤ガス供給マニホールド１１（貫通穴１０２）の外周部と酸化剤ガス排気マニホールド１２（貫通穴１０３）の外周部で溶接されている。
【００４１】
続いて、燃料極側流路プレート４０の燃料ガス流路１０９が配置された面に、燃料極１と燃料極側セパレータ４との電気的接続を良くするための集電体９を配置し、この集電体９の上に、燃料極１が下になるようにして単セル１０を搭載する。このとき、単セル１０は、その中心が燃料極側セパレータ４の中心と一致するように搭載される。集電体９としては、燃料ガスを通すパンチングメタルや発泡金属が使用される。
【００４２】
また、集電体９が搭載される燃料極側流路プレート４０の同じ面上には、単セル１０を収納するためのセルホルダ６２が積層される。このセルホルダ６２の貫通穴１０６の中に単セル１０が配置される。ここで、図５（Ｂ）に示すように、燃料極側流路プレート４０とセルホルダ６２とは、酸化剤ガス供給マニホールド１１（貫通穴１０２）の外周部で溶接されている。
【００４３】
セルホルダ６２の上には絶縁体６１が配置され、絶縁体６１の上にはシール材６０が配置される。シール材６０の貫通穴１０４の径は、シール材６０が電解質３の端部に掛かるように設定されている。セル周辺部での燃料ガスと酸化剤ガスとの混合を抑制するため、シール材６０と単セル１０の端部との隙間には、ガラスシール１３が配置される。
【００４４】
最後に、空気極２の上に搭載された集電層７の上にペースト材料からなる空気極側接続材料８を配置した上で、空気極側接続材料８とシール材６０の上に空気極側セパレータ５を載せる。このとき、空気極側セパレータ５は、その中心が単セル１０の中心と一致するように搭載される。上記のとおり、空気極側セパレータ５は、空気極側流路プレート５０と、空気極側流路プレート５０の上に配置される酸化剤ガス流路プレート５１と、酸化剤ガス流路プレート５１の上に配置される酸化剤ガス通路プレート５２と、酸化剤ガス通路プレート５２の上に配置される通路仕切り板５３との積層構造からなる。
【００４５】
ここで、図５（Ｃ）に示すように、空気極側流路プレート５０と酸化剤ガス流路プレート５１とは、燃料ガス供給マニホールド（貫通穴１００）の外周部で溶接されている。こうして、図３（Ａ）に示した固体酸化物形燃料電池の単スタックの組み立てが完了する。高い発電出力を得るためには、図３（Ａ）の単スタックを複数積層すればよい。
【００４６】
次に、酸化剤ガスと燃料ガスの流れについて簡単に説明する。酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給マニホールド１１から酸化剤ガス供給通路１１８および貫通穴１１７，１１５を通って空気極２に供給される。このように、酸化剤ガスは、貫通穴１１５から単セル１０の空気極２の中心部に供給され、酸化剤ガス流路１１６を通って単セル１０の外周部の方向に流れる。使用済みの酸化剤ガスは、空気極側流路プレート５０に形成された流路（不図示）と酸化剤ガス流路プレート５１に形成された流路（不図示）と酸化剤ガス通路プレート５２に形成された流路（不図示）とを通って酸化剤ガス排気マニホールド１２から外部に排出される。
【００４７】
一方、燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド（貫通穴１００）から燃料ガス供給通路１１３および貫通穴１１１，１０８を通って燃料極１に供給される。このように、燃料ガスは、貫通穴１０８から単セル１０の燃料極１の中心部に供給され、燃料ガス流路１０９を通って単セル１０の外周部の方向に流れる。使用済みの燃料ガスは、貫通穴１１０，１１２および燃料ガス排気通路１１４を通って燃料ガス排気マニホールド（貫通穴１０１）から外部に排出される。
【００４８】
以上のように、本実施の形態では、空気極側セパレータ５と燃料極側セパレータ４とセルホルダ６２とを構成する各プレートのうち、絞りプレス加工で成形されたプレートと、このプレートに隣接する打ち抜きプレス加工で成形されたプレートとを、１つのマニホールドの外周部において溶接している。
【００４９】
絞りプレス加工で成形されたプレートには、残留応力のため反りが生じている。一方、打ち抜きプレス加工で成形されたプレートは、絞りプレス加工で成形されたプレートと比較して平坦に仕上がる。残留応力による反りが生じたプレートと平坦なプレートとを溶接せずに積層すると、プレート間を完全に密着させることが困難となり、ガスの漏れが発生し易くなる。一方、残留応力による反りが生じたプレートと平坦なプレートとをプレートの周囲全周で溶接すると、平坦なプレートにも反りが生じてしまう。
【００５０】
そこで、本実施の形態では、高温で残留応力を緩和しつつ、ガスの漏れを防ぎたい部分を完全にシールするために、プレートを部分的に溶接する方法を採用している。具体的には、燃料極側流路プレート４０とセルホルダ６２とを酸化剤ガス供給マニホールド１１（貫通穴１０２）の外周部で溶接することにより、燃料極側流路プレート４０とセルホルダ６２を確実に密着させて、この部分での酸化剤ガスの漏れを防止すると共に、燃料極側流路プレート４０とセルホルダ６２の溶接による反りを抑制している。
【００５１】
また、空気極側流路プレート５０と酸化剤ガス流路プレート５１とを燃料ガス供給マニホールド（貫通穴１００）の外周部で溶接することにより、空気極側流路プレート５０と酸化剤ガス流路プレート５１を確実に密着させて、この部分での燃料ガスの漏れを防止すると共に、空気極側流路プレート５０と酸化剤ガス流路プレート５１の溶接による反りを抑制している。
【００５２】
溶接の方法としては、例えばレーザー溶接などがある。中でも、ファイバーレーザー溶接が好ましく、パルス発信装置を介してプレートを溶接することが好ましい。また、ファイバーレーザー溶接のパルス発振時の平均出力は例えば１００Ｗから３００Ｗが好ましい。
【００５３】
以上のように、本実施の形態では、絞りプレス加工で成形されたプレートと、このプレートに隣接する打ち抜きプレス加工で成形されたプレートとを、１つのマニホールドの外周部において溶接することにより、燃料ガスと酸化剤ガスの外部への漏れと、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合を防ぐことが可能となる。また、本実施の形態では、マニホールド部のみを溶接することにより、セパレータを構成するプレートの反りを抑制することが可能となる。その結果、本実施の形態では、セパレータの加工方法として安価なプレス加工を利用することができるので、ガス漏れの防止と加工費用の低減とを両立させることができる。
【００５４】
なお、本実施の形態では、燃料ガス流路プレート４１と燃料ガス通路プレート４２とを酸化剤ガス供給マニホールド１１（貫通穴１０２）の外周部と酸化剤ガス排気マニホールド１２（貫通穴１０３）の外周部で溶接している。燃料ガス流路プレート４１と燃料ガス通路プレート４２とは、打ち抜きプレス加工で成形されるため、これらのプレートを溶接しても、絞りプレス加工で成形されたプレートと打ち抜きプレス加工で成形されたプレートとを溶接する場合と比較して反りの影響は少ない。燃料ガス流路プレート４１と燃料ガス通路プレート４２とを溶接する目的は、これらプレートを確実に密着させて、この部分での酸化剤ガスの漏れを防止することである。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、固体酸化物形燃料電池に適用することができる。
【符号の説明】
【００５６】
１…燃料極、２…空気極、３…電解質、４…燃料極側セパレータ、５…空気極側セパレータ、６…セル収容部、７…集電層、８…空気極側接続材料、９…集電体、１０…単セル、１１…酸化剤ガス供給マニホールド、１２…酸化剤ガス排気マニホールド、１３…ガラスシール、４０…燃料極側流路プレート、４１…燃料ガス流路プレート、４２…燃料ガス通路プレート、４３…通路仕切り板、５０…空気極側流路プレート、５１…酸化剤ガス流路プレート、５２…酸化剤ガス通路プレート、５３…通路仕切り板、６０…シール材、６１…絶縁体、６２…セルホルダ、１００〜１０６，１０８，１１０〜１１２，１１５，１１７…貫通穴、１０７…ガラスシール、１０９…燃料ガス流路、１１３…燃料ガス供給通路、１１４…燃料ガス排気通路、１１６…酸化剤ガス流路、１１８…酸化剤ガス供給通路。
【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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