(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と酸化剤とを分離する隔壁支持板の取り付け穴に、燃料極、固体電解質および空気極を含み、それらのいずれかを基板とした固体電解質型燃料電池セルを取り付けた固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、前記隔壁支持板は前記固体電解質型燃料電池セルの前記基板の熱膨張係数より２０〜４０％小さな熱膨張係数を有し、かつ前記固体電解質型燃料電池セルの隔壁支持板への取り付け部分の断面形状と前記取り付け穴の形状が相似形であり、室温での前記取り付け部分の外周及び前記取り付け穴の大きさを、それぞれＲ１、Ｒ２、それぞれの熱膨張係数をα１、α２、動作温度と室温との温度差をΔＴとしたときに、
Ｒ２＝Ｒ１｛（１＋α１ΔＴ）／（１＋α２ΔＴ）｝
なる関係をほぼ満足し、動作温度における前記取り付け部分の外周と前記取り付け穴の大きさの差はサブミクロンオーダの値である形状であることを特徴とする固体電解質型燃料電池モジュール。
【請求項２】
前記固体電解質型燃料電池セルの基板が前記固体電解質の場合には、前記隔壁支持板は固体電解質の熱膨張係数より小さな熱膨張係数を有することを特徴とする請求項１記載の固体電解質型燃料電池モジュール。
【請求項３】
前記固体電解質型燃料電池セルの基板が前記燃料極の場合には、前記隔壁支持板は前記燃料極の熱膨張係数より小さな熱膨張係数を有することを特徴とする請求項１記載の固体電解質型燃料電池モジュール。
【請求項４】
前記固体電解質型燃料電池セルの基板が前記空気極の場合には、前記隔壁支持板は前記空気極の熱膨張係数より小さな熱膨張係数を有することを特徴とする請求項１記載の固体電解質型燃料電池モジュール。
【請求項５】
前記固体電解質型燃料電池セルの周囲に、前記基板と同じ材料で形成したセル突起部を設け、一方、前記隔壁支持板に前記セル突起部を嵌め合わせることが可能な切り込みを形成し、前記セル突起部を前記切り込みに嵌め合わせることによって、前記隔壁支持板に前記固体電解質型燃料電池セルを前記取り付け穴に取り付けたことを特徴とする請求項１から４記載のいずれかの固体電解質型燃料電池モジュール。
【請求項６】
前記固体電解質型燃料電池セルの周囲に、前記基板と同じ材料で形成したテーパを有し、かつ突出した傾斜接触面を設け、一方、前記隔壁支持板に前記傾斜接触面を嵌め合わせることが可能な、同様な傾斜接触面を形成し、前記傾斜接触面を前記隔壁支持板の傾斜接触面に嵌め合わせることによって、前記隔壁支持板に前記固体電解質型燃料電池セルを前記取り付け穴に取り付けたことを特徴とする請求項１から４記載のいずれかの固体電解質型燃料電池モジュール。
【請求項７】
前記固体電解質型燃料電池セルの周囲にねじ溝を設け、一方、前記隔壁支持板の前記取り付け穴に、前記ねじ溝と螺合するねじ溝を形成して、前記前記固体電解質型燃料電池セルのねじ溝を前記取り付け穴のねじ溝に螺合することによって、前記隔壁支持板に前記固体電解質型燃料電池セルを前記取り付け穴に取り付けたことを特徴とする請求項１から４記載にいずれかの固体電解質型燃料電池モジュール。
【請求項８】
前記固体電解質型燃料電池セルを設けた円盤状の前記隔壁支持板の周囲にねじ溝を形成し、反応室を形成する円筒形モジュール収納容器の開口部内壁上端に前記ねじ溝と螺合するねじ溝を形成して、前記隔壁支持板のねじ溝を前記モジュール収納容器のねじ溝に螺合することによって、前記固体電解質型燃料電池セルの少なくとも一部を前記モジュール収納容器内に収納するとともに、室温での前記円盤状の隔壁支持板の直径及び前記モジュール収納容器の内径を、それぞれＲ１、Ｒ２、それぞれの熱膨張係数をα１、α２、動作温度と室温との温度差をΔＴとしたときに、
Ｒ２＝Ｒ１｛（１＋α１ΔＴ）／（１＋α２ΔＴ）｝
なる関係をほぼ満足し、動作温度における前記隔壁支持板の直径と前記モジュール収納容器の内径の差はサブミクロンオーダの値である形状であることを特徴とする請求項１から７記載のいずれかの固体電解質型燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＳＯＦＣの代表的な形状として円筒型と平板型がよく知られている。ここでは概念的な説明を簡単にするために、円筒型を例にとって記述する。基本的な概念は平板型でも同様である。
【０００３】
ＳＯＦＣは、固体酸化物のセラミックを電解質とした燃料電池であり、電解質の、両端に燃料と酸化剤（通常は空気；以下単に空気とする）を供給することによって起こる化学反応を利用して発電を行う。従って電解質によって隔てられた燃料と空気は、両者が混合することのないような構成をもってモジュール化をする必要がある。
【０００４】
従来の円筒型ＳＯＦＣモジュールは、図８または図９で示す構成によって燃料と空気とを分離してきた。ここでは図９を用いて説明する。なお、燃料と空気の供給は、図示した供給法で説明するが、ＳＯＦＣセルの種類によっては、燃料と空気の供給が逆になる場合もあり、基本的な概念は以下と変らない。
【０００５】
円筒型ＳＯＦＣセル１は、隔壁支持板３にシール材８を介して固定されている。円筒型ＳＯＦＣセル１に供給される燃料５は、円筒型ＳＯＦＣセル１の燃料供給路７を通って供給され、未反応分の燃料は排出室４に排出される。このとき、反応室２側には反応用の空気６が供給されるが、隔壁支持板３と円筒型ＳＯＦＣ１間はガスシールがなされているために、空気６が排出室４側に漏れ出すことなく、また未反応の燃料５も反応室２側に漏れ出すことがなく、燃料５と空気６はそれぞれ分離した状態で円筒型ＳＯＦＣセル１に供給することができる。これがいわゆるシール型モジュール構造である。
【０００６】
一方、図８は、ほぼ図９の構成と同じであるが、隔壁支持板３と円筒型ＳＯＦＣセル１との間隙にシールを施していないことを特徴とする方式である。これはシールレス型モジュール構造と呼ばれるもので、多少のガス漏洩は黙認し、未反応の燃料５をモジュール内で燃やしてしまうというものである。
【０００７】
なお、図８、図９において、１は円筒型ＳＯＦＣセル、２は反応室、３は隔壁支持板、４は排出室、５は供給燃料、６は供給酸化剤（通常は空気）、７は燃料供給路、８はシール材（図９のみ）である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のシールレス型モジュール構造においては、隔壁支持板３と円筒型ＳＯＦＣセル１との間隙より漏洩する空気６と燃料５が排出室４において燃焼反応を起こすことになる。この燃焼反応によって、排出室４内の温度が上昇し、モジュール内に大きな温度分布が発生することになり、構成材料の制約とともに、信頼性、耐久性の点で問題が生じる。さらに、燃焼反応で消費される燃料は直接発電には寄与しないので、高燃料利用率を標榜する円筒型ＳＯＦＣセル１の能力を十分に活かしきれなくなるという問題も発生する。
【０００９】
一方、シール型モジュール構造においては、燃料５と空気６との燃焼が起こらないため、不均一な異常温度上昇を回避でき、燃料５も発電のために有効に利用することができる。しかしながら、通常このタイプのモジュールでは、ガラスなど高温で軟化する材料をシール材８として用いているために、運転・停止を繰り返す度に円筒型ＳＯＦＣセル１がダメージを受けるという問題が発生する。
【００１０】
これは、円筒型ＳＯＦＣセル１とガラスの熱膨張係数が大きく異なるために、高温で軟化し、シールを実現していたガラスが、室温までの冷却時に固化する際に応力を生じるためであり、最悪の場合、円筒型ＳＯＦＣセル１の破損を引き起こす。
【００１１】
また、高温で軟化したガラスは、円筒型ＳＯＦＣセル１と隔壁支持板３両者に対して強固に密着するために、何らかの理由により円筒型ＳＯＦＣセル１を交換する必要が生じたときなど、ガラスシール材８を円筒型ＳＯＦＣ１や隔壁支持板３から取り除くことが極めて困難となり、作業効率の低下を引き起こすことになる。なお、シール材８としてはセラミックペーストなどガラス以外の材質も用いられているが、事情はほぼ同じである。
【００１２】
本発明は、こうした問題を解決するために、室温では被ガスシール体（上記の円筒型セル装着法では円筒型ＳＯＦＣセル本体）の脱着を容易にし、円筒型ＳＯＦＣセル１の運転温度である１０００℃付近においては堅固なガスシールを実現することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明による固体電解質型燃料電池モジュールは、燃料と酸化剤とを分離する隔壁支持板の取り付け穴に、燃料極、固体電解質および空気極を含み、それらのいずれかを基板とした固体電解質型燃料電池セルを取り付けた固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、前記隔壁支持板は前記固体電解質型燃料電池セルの前記基板の熱膨張係数より２０〜４０％小さな熱膨張係数を有し、かつ前記固体電解質型燃料電池セルの隔壁支持板への取り付け部分の断面形状と前記取り付け穴の形状が相似形であり、室温での前記取り付け部分の外周及び前記取り付け穴の大きさを、それぞれＲ１、Ｒ２、それぞれの熱膨張係数をα１、α２、動作温度と室温との温度差をΔＴとしたときに、
Ｒ２＝Ｒ１｛（１＋α１ΔＴ）／（１＋α２ΔＴ）｝
なる関係をほぼ満足し、動作温度における前記取り付け部分の外周と前記取り付け穴の大きさの差はサブミクロンオーダの値である形状であることを特徴とする。
【００１４】
以下、図１を用いて本発明の基本概念について説明する。
【００１５】
図１は、還元雰囲気と酸化雰囲気を分離する隔壁支持板３に円筒型ＳＯＦＣセル1を装着した様子を示している。２は反応室、４は排出室である。ここで、室温における円筒型ＳＯＦＣセル１の直径をＲc、隔壁支持板３の取り付け穴３１の直径をＲbとし、ΔＲ＝Ｒb−Ｒcとする。
【００１６】
室温において（図１の（ａ）参照）、ある程度の直径差があれば、容易にセルの脱着を行うことができる。もし、ＳＯＦＣセル１と隔壁支持板３の熱膨張係数が同じであれば、両者の間隙ΔＲは室温時から動作温度に達するまで単調に増加することになる。
【００１７】
しかしながら、本発明のように隔壁板支持板３の熱膨張係数が、ＳＯＦＣセル１の熱膨張係数よりも僅かに小さい場合を考えると、隔壁支持板３の取り付け穴３１の広がり方に比べて、ＳＯＦＣセル１の直径の広がり方の方が大きくなるために、温度の上昇とともに間隙は減少していく。適当な熱膨張係数差、間隙寸法を規定することにより、動作温度で隔壁支持板３とＳＯＦＣセル１との間隙をゼロにすることが可能となる。
【００１８】
この様子を図２に示す。ここでは室温でのＳＯＦＣセル１の直径を１０ｍｍ、ＳＯＦＣセル１と隔壁支持板３の取り付け穴３１の直径差を３０μｍ、ＳＯＦＣセル１と隔壁支持板３の熱膨張係数をそれぞれ１１×１０-6ｋ-1と、８×１０-6ｋ-1とすれば、１０００℃におけるＳＯＦＣセル１と隔壁支持板３の間隙（直径差）ΔＲ’は、室温を２０℃として、
0003724788.tif 000002
となり、間隙はサブミクロンオーダーとなり、ほとんど実用上ガス漏洩が問題にならない程度に堅固なガスシールが実現できることになる。また、室温での間隙ΔＲは３０μｍ程度であるので、室温での脱着も比較的容易に行える。無論ΔＲをより小さく選べば、より堅固なガスシールを実現できる。すなわち、室温での前記取り付け部分の外周及び前記取り付け穴の大きさを、それぞれＲ1、Ｒ2、それぞれの熱膨張係数をα1、α2、動作温度と室温との温度差をΔＴとしたときに、
Ｒ2＝Ｒ1｛（１＋α1ΔＴ）／（１＋α2ΔＴ）｝
なる関係をほぼ満足する。
【００１９】
上述のようなＳＯＦＣセル１は、基本的に燃料極、固体電解質、空気極よりなっている。そして、前記燃料極、固体電解質、空気極のいずれかが基板となってその表面にセルが構成される。前記固体電解質が基板であるとき、セルの他の構成材料は固体電解質の熱膨張係数に一致するように作られる。前記燃料極が基板であるとき、セルの他の構成材料は前記燃料極の熱膨張係数に一致するように作られる。また、前記空気極が基板であるとき、セルの他の構成材料は空気極の熱膨張係数に一致するように作られる。このような場合においては、前記隔壁支持板３の熱膨張係数を前記ＳＯＦＣセル１の基板の熱膨張係数より２０〜４０％小さくする。熱膨張係数の差が２０％未満であると、室温での取り外しの容易さを優先すると、動作温度において、前記隔壁支持板とＳＯＦＣセル１とのシールが充分でない恐れがあり、また、動作温度でのシール性を優先すると、室温においてＳＯＦＣセル１を取り外すのが困難になる恐れがある。一方４０％を超えると、室温での脱着が容易となるようΔＲを設定すると、ＳＯＦＣセル１の膨張が大きすぎて、破壊される恐れを生じるとともに、動作温度付近でセルが破壊されないようにΔＲを設定すると、室温でのΔＲが異常に大きくなり、事実上セルを隔壁支持板に固定できない。
【００２０】
以上が本発明の基本形態である。実際の利用にあたっては、以下の実施例に示すように、より効率的且つ高信頼性ガスシールが可能となる。
【００２１】
【実施例１】
前項において図１で説明した例は、ＳＯＦＣセルの基板をＬａＳｒＭｎＯ3（ＬＳＭ）（熱膨張係数：１１×１０-6ｋ-1）、隔壁支持板をアルミナ（熱膨張係数：８×１０-6ｋ-1）とした実施例の１つである。
【００２２】
【実施例２】
図３は、外周寸法８０ｍｍの中空平板型ＳＯＦＣセル（特開平６−１６３０６２号）を隔壁支持板３のセル取り付け穴３１の周囲寸法が８０．２ｍｍの隔壁支持板３に取り付けた様子を示している。ＳＯＦＣセルはＬＳＭを基板として作製されており、熱膨張係数はＬＳＭのそれとほぼ一致する。隔壁支持板３はアルミナで作製されている。このような構成で、動作温度１０００℃まで上昇した場合、セル周囲寸法と、隔壁支持板３のＳＯＦＣセルの取り付け穴３１の外周はほぼ一致し、ガスシールが実現する。これは本発明の実施例の１つである。
【００２３】
【実施例３】
実施例２の発展形態として、よりＳＯＦＣセルにかかる負担を軽減した実施例を以下に示す。中空平板型ＳＯＦＣセル１に、図４に示すようなセル突起部１１を前記ＳＯＦＣセル１の基板と同じ材質で形成する。一方、隔壁支持板３には切り込み３２を作製しておき、セル突起部１１を隔壁支持板３１の切り込み３２に嵌め合わせて装着する。
【００２４】
この場合、ＳＯＦＣセル１全体の寸法と隔壁支持板３の取り付け穴３１の寸法を正確に設計する必要はなく、セル突起部１１のみの寸法精度を上げればよい。このため、ＳＯＦＣセル１の歩留まり向上にも寄与し得る。なお、ＳＯＦＣセル１の突起部１１はセルと一体化した構造で作製することが望ましいが、個別に作製したものを組み合わせても同様な効果が期待できる。
【００２５】
【実施例４】
図５に示すように、ＳＯＦＣセル１および隔壁支持板３に、テーパを有する傾斜接触面１２および３３を形成する。そして、前記ＳＯＦＣセル１の傾斜接触面１２を、隔壁支持板３の傾斜接触面３３に嵌め合わせることによって、ＳＯＦＣセル１を隔壁支持板３に取り付ける。ここで、ＳＯＦＣセル１側、隔壁支持板３側の傾斜接触面１２，３３が平行であるとすれば、ＳＯＦＣセル１の傾斜接触面１２の最大外周をＲ１、隔壁支持板３側の取り付け穴３１の外周をＲ２としたときに、Ｒ2＝Ｒ1｛（１＋α1ΔＴ）／（１＋α2ΔＴ）｝なる関係をほぼ満足する。
【００２６】
ＳＯＦＣセル１はＬＳＭを基板とし、隔壁支持板３はアルミナとする。この実施例では、動作温度で、ＳＯＦＣセル１、隔壁支持板３間の間隙がゼロとなるように厳密に設計する必要はない。ＳＯＦＣセル１側の伸びが隔壁支持板３の取り付け穴３１の広がりを仮に上回ったとしても、ＳＯＦＣセル１は重力に抗して上側にずれを起こし、間隙が完全に塞がる位置で安定する。図は円筒型で記してあるが、中空平板型でも実施例３のような突起部を円盤状に作っておけば同様なシールを実現できる。
【００２７】
【実施例５】
さらに、本発明によれば、隔壁支持板３に対するＳＯＦＣセル１の装着時の断面が円形であれば、より信頼性が高く、脱着が容易なシールを実現できる。簡単のために、ＳＯＦＣセルが円筒の場合を考え、図６のように、ＳＯＦＣセル１側と隔壁支持板３にねじ溝１３、３４を切っておく。ＳＯＦＣセル１側のねじ溝１３は、図８に示すようにセル突起部１４を設けて前記セル突起部１４の周囲に設けてもよく、またＳＯＦＣセル１に直接設けてもよい。このようなＳＯＦＣセル１側のねじ溝１３を隔壁支持板３の取り付け穴３１に形成されたねじ溝３４に螺合することによって、ＳＯＦＣセル１を隔壁支持板３に取り付ける。ここで、ＳＯＦＣセル１側のねじ溝１３の最大円周をＲ１、隔壁支持板３側の取り付け穴３１のねじ溝３４の最大外周をＲ２としたときに、Ｒ2＝Ｒ1｛（１＋α1ΔＴ）／（１＋α2ΔＴ）｝なる関係をほぼ満足する。
【００２８】
これまで説明してきたことと同様に、室温においては両者は疎に接触しているため、容易にねじ込みによってＳＯＦＣセルを装着することができる。これを動作温度まで昇温することで、接触が密となり、強くねじが締められた状況が現出する。
【００２９】
この方法では、シールの完全性とともに、より脱着の容易さが実現できる。なお、本方式では動作温度においてもねじが完全にタイトにかみ合う必要はない。酸化・還元両雰囲気を隔てるパスはＳＯＦＣセル１と隔壁支持板３のねじであるので、かなり長いパスとなり、実用上問題とはならない。
【００３０】
【実施例６】
以上、ＳＯＦＣセル１と隔壁支持板３とのシール法に着目して説明を行ってきたが、本発明は隔壁支持板３とモジュールを収納するモジュール収納容器９との間のシールにも応用し得る。
【００３１】
図７に示すように、モジュール収納容器９を円筒形とし、隔壁支持板３を円盤状とする。円筒モジュール収納容器９の開口部内壁上端と、円盤状隔壁支持板３の側面に図のようなねじ溝９１、３５を形成しておき、円盤状隔壁支持板３のねじ溝３５を円筒モジュール収納容器９のねじ溝９１に螺合することによって、隔壁支持版３の取り付けられたＳＯＦＣセル１の反応部をモジュール収納容器９に収納できる。このとき、モジュール収納容器９および隔壁支持板３の構成材料を、室温での前記円盤状の隔壁支持板３の直径及び前記モジュール収納容器９の内径を、それぞれＲ1、Ｒ2、それぞれの熱膨張係数をα1、α2、動作温度と室温との温度差をΔＴとしたときに、
Ｒ2＝Ｒ1｛（１＋α1ΔＴ）／（１＋α2ΔＴ）｝
なる関係をほぼ満足するように設定することによって、ＳＯＦＣセルのシールと同様に、ＳＯＦＣセルスタックの装置への装着が容易に行え、かつ動作温度でガスシールが実現できることになる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による固体電解質型燃料電池モジュールによれば、隔壁支持板の熱膨張係数がＳＯＦＣセルより僅かに小さくすることによって、高温運転時には両者の間隔がサブμｍオーダとなり堅固なガスシールが実現されると共に、常温では比較的容易にセルの取り外しが可能となるので、効率的かつ高信頼性ガスシールを有する固体電解質燃料電池モジュールを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本概念（円筒型ＳＯＦＣの例）を示す説明図。
【図２】円筒型ＳＯＦＣの直径と、セル装着用支持板の穴の直径の温度変化を示す図。
【図３】中空平板型セルを用いた実施例を示す図。
【図４】セル突起部を有する中空平板型ＳＯＦＣセルを用いた実施例を示す図。
【図５】中空平板型ＳＯＦＣセル及び隔壁支持板に傾斜接触面を形成した実施例を示す図。
【図６】隔壁支持板および円筒型セルにねじ構造を形成した実施例を示す図。
【図７】隔壁支持板とモジュールを収納する容器との間のシールに応用した実施例を示す図。
【図８】従来のシールレス型モジュール構造（円筒型ＳＯＦＣの例）を示す図。
【図９】従来のシール型モジュール構造（円筒型ＳＯＦＣの例）を示す図。
【符号の説明】
１      ＳＯＦＣセル
１１      セル突起部
１２      傾斜接触面
１３      ねじ溝
１４      セル突起部
２      反応室
３      隔壁支持板
３１      取り付け穴
３２      切り込み
３３      傾斜接触面
３４      ねじ溝
３５      ねじ溝
４      排出室
５      燃料
６      空気
７      燃料供給路
８      シール材
９      モジュール収納容器
９１      ねじ溝
【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】
0003724788.tif 000009
【図８】
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【図９】
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