(57)【要約】【課題】基体上に燃料極、固体電解質、インターコネクタ、空気極等の機能性材料膜を製膜する際、位置合わせがしやすく、且つ、欠陥を発見しやすい燃料電池の製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、燃料極スラリー、固体電解質スラリー、インターコネクタスラリーを調製するスラリー調製工程Ｓ２と、基体上に、上記スラリーの製膜位置を管理して燃料極膜、固体電解質膜及びインターコネクタ膜を製膜する製膜工程Ｓ３と、基体、燃料極膜、固体電解質膜及びインターコネクタ膜を共に加熱して焼結体を得る焼成工程Ｓ４と、を備え、スラリー調製工程のうち、上記スラリーの少なくとも１つのスラリーの調製において、スラリー溶媒に油性溶剤着色料を添加して着色し、焼成工程における加熱により、油性溶剤着色料由来の色を脱色する燃料電池の製造方法を提供する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極、固体電解質及び空気極を含んで構成され、基体表面に沿って複数配置される発電素子と、隣り合う該発電素子を接続するインターコネクタと、を備える燃料電池の製造方法であって、
燃料極スラリー、固体電解質スラリー、インターコネクタスラリーを調製するスラリー調製工程と、
前記基体上に、前記燃料極スラリー、前記固体電解質スラリー及び前記インターコネクタスラリーの製膜位置を管理して燃料極膜、固体電解質膜及びインターコネクタ膜を製膜する製膜工程と、
前記基体、前記燃料極膜、前記固体電解質膜及び前記インターコネクタ膜を共に加熱して焼結体を得る焼成工程と、
を備え、
前記スラリー調製工程のうち、前記燃料極スラリー、前記固体電解質スラリー及び前記インターコネクタスラリーの少なくとも１つのスラリーの調製において、スラリー溶媒に油性溶剤着色料を添加して着色し、
前記焼成工程における加熱により、前記油性溶剤着色料由来の色を脱色する燃料電池の製造方法。
【請求項２】
前記スラリー溶媒は芳香族炭化水素系溶媒を含む溶媒であり、
前記油性溶剤着色料は芳香族化合物からなる化合物である請求項１に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項３】
前記製膜工程で製膜された前記油性溶剤着色料を含む膜を色調検査し、製膜初期時点の色調の所定の色調範囲からの変化有無により膜の健全性を確認する工程を更に備えている請求項２に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項４】
前記油性溶剤着色料を含む膜が形成された前記基体の表面を画像認識し、色調により膜の形成位置を確認する工程を更に備えている請求項１から請求項３のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の製造方法、特に固体酸化物形燃料電池のセルスタックの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料ガスと酸素とを化学反応させることにより発電する燃料電池が知られている。このうち、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｃｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は、酸化物を固体電解質として使用する燃料電池であり、高い効率が得られるという利点から、広く研究・開発が進められている（特許文献１参照）。
【０００３】
固体酸化物形燃料電池の一態様として、円筒横縞型のＳＯＦＣセルスタックがある。この円筒横縞型のＳＯＦＣセルスタックは、筒形状をなす基体管の外周面に、燃料極、固体電解質、空気極を積層して発電素子を形成し、この発電素子を基体管の軸方向に複数配置し、複数の発電素子をインターコネクタにより直列に接続して構成される。
【０００４】
上記構成のＳＯＦＣセルスタックでは、基体管内側に燃料ガスが供給され、空気極に酸素などの酸化性ガスが供給されると、空気極に供給された酸化性ガス中の酸素がイオン化されて電解質膜を透過し、燃料極に達する。そして、燃料極に達した酸素イオンと燃料ガスとの電気化学的反応により、燃料極と空気極との間に電位差が発生して、この電位差を外部に取り出すことで発電が行われる。
【０００５】
ＳＯＦＣセルスタックは、例えば、基体管の表面に燃料極、電解質、インターコネクタ等の材料から調製したスラリーをスクリーン印刷し、焼成され、その後、空気極スラリーを製膜し、焼成して製造される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１３４４０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
スクリーン印刷される各層のスラリーは、使用する材料によっては同系色をしており、見分けにくい。例えば、Ｙ２Ｏ３安定化ＺｒＯ2（ＹＳＺ）を用いて調製された固体電解質スラリーは白色、ＳｒＴｉＯ３系などのＳｒＬａＴｉＯ３を用いて調製されたインターコネクタスラリーは白透明である。
【０００８】
そのため、スクリーン印刷時の各層の製膜時の位置合わせの確認が難しい、スラリーの充填不足などによる凹凸や膜厚が極所的に薄い箇所が発生するなどの欠陥が生じていても発見しにくいなど外観からの製膜状況の判断が難しい、という問題がある。
【０００９】
特許文献１では、複数のスラリーを食品着色剤で着色し、堆積した各スラリーの勾配組成物を検証している。しかしながら、特許文献１でされる着色は、焼成後の層に残る。例えば、空気極を製膜する際に、ＣＣＤカメラを用いた画像認識で製膜位置を確認する場合、特許文献１のように焼成後の層に着色が残っていると、コントラストが低下して、ＣＣＤカメラを用いた製膜位置制御の精度が低下する等の影響が生じる可能性がある。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、基体管上に燃料極、固体電解質、インターコネクタ、空気極等の機能性材料膜を製膜する際、位置合わせがしやすく、且つ、欠陥を発見しやすい燃料電池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】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池の製造方法は以下の手段を採用する。
本発明は、燃料極、固体電解質及び空気極を含んで構成され、基体表面に沿って複数配置される発電素子と、隣り合う該発電素子を接続するインターコネクタと、を備える燃料電池の製造方法であって、燃料極スラリー、固体電解質スラリー、インターコネクタスラリーを調製するスラリー調製工程と、前記基体上に、前記燃料極スラリー、前記固体電解質スラリー及び前記インターコネクタスラリーの製膜位置を管理して燃料極膜、固体電解質膜及びインターコネクタ膜を製膜する製膜工程と、前記基体管、前記燃料極膜、前記固体電解質膜及び前記インターコネクタ膜を共に加熱して焼結体を得る焼成工程と、を備え、前記スラリー調製工程のうち、前記燃料極スラリー、前記固体電解質スラリー及び前記インターコネクタスラリーの少なくとも１つのスラリーの調製において、スラリー溶媒に油性溶剤着色料を添加して着色し、前記焼成工程における加熱により、前記油性溶剤着色料由来の色を脱色する燃料電池の製造方法と提供する。
【００１２】
前記スラリー溶媒は芳香族炭化水素系溶媒を含む溶媒であり、前記油性溶剤着色料は芳香族化合物からなる化合物であるとよい。
【００１３】
基体上に印刷するスラリーのスラリー溶媒を着色しておくことで、製膜時に外観判断が可能となり、膜の製膜位置合わせおよび欠陥の発見が容易となる。欠陥とは、塗膜の凹凸および塗膜の局所的に薄い箇所の発生などである。
【００１４】
油性溶剤着色料は、焼成工程における加熱により気化する。そのため、焼成工程の後、着色された色は消えて元色に戻る。元色に戻っていない場合には、焼成工程が不完全であると推測でき、好適である。油性溶剤着色料は、焼成工程で気化するため、完全に脱色されていれば、製造された燃料電池の物性（性能）に影響することはない。
【００１５】
通常、燃料極、固体電解質およびインターコネクタの焼結体の上に、空気極を製膜する。その際、インターコネクタの縞の位置で製膜位置をＣＣＤカメラなどの画像を確認して読み取る。特許文献１のように、着色された膜がある状態では、画像確認の際にコントラストが低下するため、画像確認の精度が下がり、製膜工程に製膜位置精度が低下する等の悪影響が生じる可能性がある。一方、上記発明によれば、焼成工程で油性溶剤着色料を含む膜は、油性溶剤着色料の添加前の元色に戻るため、空気極の製膜工程に悪影響を生じることはない。
【００１６】
上記発明の一態様において、前記製膜工程で製膜された前記油性溶剤着色料を含む膜を色調検査し、製膜初期時点の色調の所定の色調範囲からの変化有無により膜の健全性を確認する工程を更に備えていることが好ましい。
【００１７】
油性溶媒着色料としての芳香族化合物からなる化合物は、大気中の不良物質（Ｎａ、ＳまたはＣｌなど）が混入して化合物を形成することにより変色する特性を備えている。よって、油性溶媒着色料を含む膜の製膜初期時点の状態の色調の所定範囲からの変化の有無により、膜の健全性を容易に確認できる。
【００１８】
上記発明の一態様において、前記油性溶剤着色料を含む膜が形成された前記基体の表面を画像認識し、色調により膜の形成位置を確認する工程を更に備えていることが好ましい。
【００１９】
燃料極膜、固体電解質膜およびインターコネクタ膜は、面方向に位置をずらして積層されている。上記発明の一態様によれば、着色された膜とそれに積層された他の膜との位置関係を容易に確認できる。特に、インターコネクタ膜は、固体電解質膜との重なりしろが小さいが、着色しておくことで、規定通りの重なりとなっているか否かを確認できる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明は、スラリー溶媒を着色することにより製膜工程における視認性を向上させ、生産性・目視検査を改善し、燃料電池の品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係るセルスタックの一態様を示すものである。
【図２】本発明の一実施形態に係るセルスタックの一態様を示すものである。
【図３】本発明の一実施形態に係るセルスタック製造のフロー図である。
【図４】ソルベントレッド２７（Ｃ２６Ｈ２４Ｎ４Ｏ）の構造を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの一態様を示すものである。
【図６】本発明の一実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの断面の一態様を示すものである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下に、本発明に係る燃料電池の製造方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２３】
以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて各構成要素の位置関係を特定するが、鉛直方向に対して必ずしもこの限りである必要はない。例えば、紙面における上方向が鉛直方向における下方向に対応してもよい。また、紙面における上下方向が鉛直方向に直行する水平方向に対応してもよい。
【００２４】
また、以下においては、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）のセルスタックとして円筒形を例として説明するが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。基体上に燃料電池セルを形成するが、基体なく電極（燃料極もしくは空気極）が厚く形成されて、基体を兼用しても良い。
【００２５】
〔第１実施形態〕
（円筒形セルスタックの構造）
まず、図１，２を参照して本実施形態に係る一例として、基体管を用いる円筒形セルスタックについて説明する。ここで、図１，２は、本実施形態に係るセルスタックの一態様を示すものである。図１は、基体管の軸方向に沿った断面を示している。図２は、セルスタックの側面を示している。基体管は必ずしも円筒型でなくてもよく、平板型でもよい。
【００２６】
セルスタック１０１は、円筒形状の基体管１０３と、基体管１０３の外周面に複数形成された燃料電池セル（発電素子）１０５と、隣り合う燃料電池セル１０５の間に形成されたインターコネクタ１０７とを備える。燃料電池セル１０５は、燃料極１０９と固体電解質１１１と空気極１１３とが積層して形成されている。また、セルスタック１０１は、基体管１０３の外周面に形成された複数の燃料電池セル１０５の内、基体管１０３の軸方向において最も端の一端に形成された燃料電池セル１０５の空気極１１３に、インターコネクタ１０７を介して電気的に接続されたリード部１１５を備え、最も端の他端に形成された燃料電池セル１０５の燃料極１０９に電気的に接続されたリード部１１５を備える。
【００２７】
（セルスタックの各構成要素の材料と機能の説明）
基体管１０３は、多孔質材料からなり、例えば、ＣａＯ安定化ＺｒＯ２（ＣＳＺ）、ＣＳＺと酸化ニッケル（ＮｉＯ）との混合物（ＣＳＺ＋ＮｉＯ）、又はＹ２Ｏ３安定化ＺｒＯ2（ＹＳＺ）、又はＭｇＡｌ２Ｏ４などを主成分とする。この基体管１０３は、燃料電池セル１０５とインターコネクタ１０７とリード部１１５とを支持すると共に、基体管１０３の内周面に供給される燃料ガスを基体管１０３の細孔を介して基体管１０３の外周面に形成される燃料極１０９に拡散させるものである。
【００２８】
燃料極１０９は、Ｎｉとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ｎｉ／ＹＳＺが用いられる。燃料極１０９の厚さは５０μｍ〜２５０μｍである。この場合、燃料極１０９は、燃料極１０９の成分であるＮｉが燃料ガスに対して触媒作用を備える。この触媒作用は、基体管１０３を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン（ＣＨ４）と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素（Ｈ２）と一酸化炭素（ＣＯ）に改質するものである。また、燃料極１０９は、改質により得られる水素（Ｈ２）及び一酸化炭素（ＣＯ）と、固体電解質１１１を介して供給される酸素イオン（Ｏ２−）とを固体電解質１１１との界面付近において電気化学的に反応させて水（Ｈ２Ｏ）及び二酸化炭素（ＣＯ２）を生成するものである。なお、燃料電池セル１０５は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。
【００２９】
ＳＯＦＣ１０の燃料極１０９に供給し利用できる燃料ガスとしては、水素（Ｈ２）および一酸化炭素（ＣＯ）、メタン（ＣＨ４）などの炭化水素系ガス、都市ガス、天然ガスのほか、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどの炭素質原料をガス化設備により製造したガスなどが挙げられる。
【００３０】
固体電解質１１１は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを備えるＹＳＺが主として用いられる。この固体電解質１１１は、空気極１１３で生成される酸素イオン（Ｏ２−）を燃料極１０９に移動させるものである。燃料極１０９の表面上に位置する固体電解質１１１の膜厚は１０μｍ〜１００μｍである。
【００３１】
空気極１１３は、例えば、ＬａＳｒＭｎＯ３系酸化物、又はＬａＣｏＯ３系酸化物で構成される。この空気極１１３は、固体電解質１１１との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン（Ｏ２−）を生成するものである。
【００３２】
空気極１１３は２層構成とすることもできる。この場合、固体電解質１１１側の空気極層（空気極中間層）は高いイオン導電性を示し、触媒活性に優れる材料で構成される。空気極中間層上の空気極層（空気極導電層）は、Ｓｒ及びＣａドープＬａＭｎＯ３で表されるペロブスカイト型酸化物で構成されても良い。こうすることにより、発電性能をより向上させることができる。
【００３３】
インターコネクタ１０７は、ＳｒＴｉＯ３系などのＭ１−ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成される。インターコネクタ１０７は、燃料ガスと酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっていて、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した耐久性と電気導電性を備える。このインターコネクタ１０７は、隣り合う燃料電池セル１０５において、一方の燃料電池セル１０５の空気極１１３と他方の燃料電池セル１０５の燃料極１０９とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル１０５同士を直列に接続するものである。
【００３４】
リード部１１５は、電子伝導性を備えること、及びセルスタック１０１を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材やＳｒＴｉＯ３系などのＭ１−ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）で構成されている。このリード部１１５は、インターコネクタ１０７により直列に接続される複数の燃料電池セル１０５で発電された直流電力をセルスタック１０１の端部付近まで導出すものである。リード部は、Ｎｉ／ＹＳＺ等のＮｉとジルコニア系電解質材料との複合材の層１１５ａと、層１１５ａの上に積層されたＳｒＴｉＯ３系などのＭ１−ｘＬｘＴｉＯ３（Ｍはアルカリ土類金属元素、Ｌはランタノイド元素）の層１１５ｂの２層構成とされてもよい。
【００３５】
（セルスタックの製造工程）
図３に、本実施形態に係るセルスタック製造のフロー図を示す。
【００３６】
Ｓ１：基体管の形成
（焼成前の）基体管１０３’（不図示）は、例えば、押出し成形法により形成される。形成された基体管１０３’の直径は、軸方向で略均一となっている。
【００３７】
Ｓ２：スラリー調製
燃料極スラリー、固体電解質スラリー、およびインターコネクタスラリーをそれぞれ調製する。
【００３８】
燃料極スラリーは、燃料極材料の粉末とスラリー溶媒とを混合して調製する。固体電解質スラリーは、固体電解質材料の粉末とスラリー溶媒とを混合して調製する。インターコネクタスラリーは、インターコネクタ材料の粉末とスラリー溶媒とを混合して調製する。
【００３９】
ここで、スラリー溶媒は、スキージオイル（芳香族炭化水素系溶媒等のスクリーン印刷用溶媒と、メタクリル酸メチルなどのバインダとの混合物）である。スラリー溶媒には、粘度や降伏値の調製のために希釈剤を添加してもよい。
【００４０】
燃料極スラリー、固体電解質スラリー、およびインターコネクタスラリーの少なくとも１つの膜に、適宜スラリー溶媒に油性溶媒着色料を添加する。複数のスラリーを着色する場合は、他の膜と色分けする。色分けは、作業者または画像認識により識別しやすい色の組み合せとするとよい。
【００４１】
油性溶媒着色料は、顔料を揮発性の溶剤に分散したインクである。油性溶媒着色料は、次の条件を満たすものを選択する。
（１）焼成工程の後に異物として成分が残存しない。
（後の焼成工程での加熱により、気化可能）
（２）焼成工程において、発泡等により膜を損傷させない。
（３）油性溶媒着色料の使用のための作業環境への考慮が不要である。
【００４２】
例えば、油性溶媒着色料としては、芳香族化合物からなる化合物であり、市販品としてはインクジェット用インクの成分として用いられるソルベントレッド２７、ソルベントイエロー９３（Ｃ２１Ｈ１８Ｎ４Ｏ２）、ソルベントブルー３５（Ｃ２２Ｈ２６Ｎ２Ｏ２）などを使用することが出来る。図４に、ソルベントレッド２７（Ｃ２６Ｈ２４Ｎ４Ｏ、融点１２０℃、市販商品名）の構造を示す。ソルベントレッドは、１３０℃で分解され、揮発する性質を有する。
【００４３】
スラリー調製では、例えば、粉体約５０〜７０重量％、スキージオイル約２０〜４０重量％、希釈剤５〜１０重量％を混合する。粘度は１．０〜２．０Ｐａ・Ｓ、降伏値は３０〜１００Ｐａとしている。油性溶媒着色料は、スラリーに色が付き且つ粘度が大きく変わらない程度であり、例えば０．１〜２重量％で添加する。
【００４４】
Ｓ３：製膜
燃料極スラリー、固体電解質スラリー、およびインターコネクタスラリーを順次、基体管１０３’上に印刷して燃料極膜、固体電解質膜、インターコネクタ膜を製膜する。
【００４５】
まず、基体管１０３’の外周面上の周方向に、燃料電池セル数に相当する複数の区画に分けて燃料極スラリーをスクリーン印刷し、燃料極膜とする。本実施形態ではリード部１１５を燃料極１０９と同じ材料で構成し、さらにインターコネクタ１０７と同じ材料による層を積層して構成してもよい。燃料極スラリーを、リード部スラリーとしてセル群の両端部にスクリーン印刷し、リード部膜とする。インターコネクタスラリーの印刷は後述する。
【００４６】
次に、基体管１０３’上の外周面上の周方向に、燃料電池セル数に相当する複数の区画に分けて固体電解質スラリーをスクリーン印刷して固体電解質膜とする。固体電解質膜は、大部分が燃料極膜上に積層される。固体電解質膜の一部は、燃料極の一端部側で基体管１０３’と接触している。
【００４７】
次に、隣接する燃料電池セル間に相当する位置で、基体管１０３’上の外周面上の周方向に、インターコネクタスラリーをスクリーン印刷する。更に、インターコネクタスラリーは、リード部膜上にも印刷してよい。
【００４８】
Ｓ４：焼成
燃料極膜、固体電解質膜、インターコネクタ膜が製膜された基体管１０３’（同工程では、以後基体管１０３Ｌ（不図示）と略称する）を、焼成炉に供し、加熱して焼結体を得る。
【００４９】
焼成する工程は、脱脂ステップ、焼結ステップ、降温ステップを含む。
まず、脱脂ステップで２００℃〜４００℃の範囲で、２０時間〜４０時間程度、基体管１０３Ｌを加熱する。これにより、基体管１０３Ｌに含まれるスラリー溶媒を徐々に蒸発させる。それにより、基体管１０３Ｌを破損することなくスラリー溶媒が蒸発する。脱脂ステップでは、酸素濃度が低い状態で加熱を実施するとよい。それにより、スラリー溶媒に含まれるバインダー（結合剤）としての樹脂成分が基体管１０３Ｌの一部で燃焼して局所的に温度上昇することを防止できる。
【００５０】
また、脱脂ステップでは、スラリー溶媒とともに油性溶媒着色料も気化される。これにより、油性溶媒着色料を添加した膜から着色料の色が抜け、元の色（油性溶媒着色料添加前の色）に戻る。
【００５１】
次に、基体管１０３Ｌの温度を焼結温度まで徐々に昇温させるよう加熱する。基体管１０３Ｌの温度は、段階を経て昇温させてもよい。例えば、所定時間（例えば、４時間〜１０時間程度）かけて焼結温度（１３００℃〜１５００℃）まで昇温させ、当該温度を所定時間（例えば、２時間〜６時間程度）維持して、焼結体を得る。
【００５２】
焼成後、常温となるよう基体管１０３Ｌを徐々に冷却する。冷却は、水と炉内の空気との熱交換や、炉内に空気を吹き込む等で行う。
【００５３】
Ｓ５：空気極スラリー調製（不図示）
空気極スラリーを調製する。空気極スラリーは、空気極材料の粉末とスラリー溶媒とを混合して調製する。ここで、スラリー溶媒は、スキージオイルである。スラリー溶媒には、粘度や降伏値の調製のために希釈剤を添加してもよい。
【００５４】
Ｓ６：製膜（不図示）
Ｓ４で焼成された基体管１０３Ｌ（焼結体）の外周面上に、ディスペンサを用いて空気極スラリーを製膜する。空気極スラリーは、固体電解質１１１およびインターコネクタ１０７上に吐出される。吐出された空気極スラリー（空気極膜）は、同じ燃料電池セル内の固体電解質１１１とインターコネクタ１０７とに接触する。
【００５５】
Ｓ７：焼成（不図示）
空気極膜が製膜された基体管１０３Ｌを、焼成炉に入れて１１００℃〜１２５０℃で、２時間〜６時間程度、焼成する。焼成温度は、Ｓ４での焼成よりも低温で実施する。
【００５６】
本実施形態のセルスタック１０１の製造方法によれば、既存の製膜装置を改造することなく燃料極スラリー、固体電解質スラリー、インターコネクタスラリーの少なくとも１つのスラリー溶媒を着色することで、印刷され焼成前の膜の視認性が向上する。製膜位置の確認に加え、表面凹凸や膜厚が極所的に薄い箇所など膜の充填具合（厚さ）や、気泡（凹凸）等の存在を視覚的に認識しやすくすることで、生産性・目視検査の正確さが改善され、セルスタックの品質を向上させられる。
【００５７】
〔第２実施形態〕
本実施形態に係る燃料電池の製造方法は、油性溶剤着色料を含む膜の色調を検査する工程を備えている。それ以外の工程は、第１実施形態と同様である。色調の検査は、焼成工程の前に実施する。
【００５８】
色調を確認する工程では、製膜工程で製膜された油性溶剤着色料を含む膜の色調を検査する。検査は、目視またはＣＣＤカメラなどの画像認識手段により実施する。スラリー溶媒に混合して着色させた油性溶媒着色料は、雰囲気中からＮａ、ＳまたはＣｌなどの不良物質が膜内に溶け込んだ場合、油性溶媒着色料と結合することでスラリー膜が変色し、ＲＧＢ成分の一部が健全時の所定範囲の色調と違う発色強度を提示する。また、周囲の明るさが変化する場合には、Ｒ成分発色強度を基準にしたＢ／Ｒ，Ｇ／Ｒの値の変化がないかを比較しても良い。ＣＣＤカメラで製膜初期時点での色調の所定範囲との変化の有無を観察し比較し続けることにより膜の健全性を確認できる。予め色調の変化率等に健全閾値を設定しておくとよい。
【００５９】
〔第３実施形態〕
本実施形態に係る燃料電池の製造方法は、油性溶剤着色料を含む膜の色調により膜の形成位置を確認する工程を備えている。それ以外の工程は、第１実施形態または第２実施形態と同様である。形成位置の確認は、焼成工程の前に実施する。
【００６０】
形成位置を確認する工程では、油性溶剤着色料を含む膜が形成された基体管１０３Ｌの表面を画像認識する。画像認識は、ＣＣＤカメラなどで実施することで、製膜位置を素早く高い精度で管理することが出来る。油性溶剤着色料を含む膜と含まない膜、または色分けした油性溶剤着色料を含む膜同士は、膜同士が重なりあっている部分を色調の違いにより製膜位置を確認できる。重なりしろの設定値が狭い場合には、位置が少しずれると重ならい可能性が高くなる。製膜段階で重なり具合を確認することで、早い時期に不良品の発生を識別できる。
【００６１】
また、製膜位置の管理に加え、膜の表面凹凸や膜厚が極所的に薄い箇所など膜の充填具合（厚さ）や、気泡（凹凸）等の存在を画像解析で自動認識しやすくすることで、量産を行う際の自動監視の精度を向上して実施することができ、生産性の改善とセルスタックの品質向上を得ることが出来る。
【００６２】
油性溶剤着色料を含む膜の形成確認は、ＣＣＤカメラではなく、視認により実施しても良い。
【００６３】
（ＳＯＦＣモジュールの構造と各要素の機能の説明）
以下、第１実施形態〜第３実施形態のセルスタック１０１を用いたＳＯＦＣモジュール及びＳＯＦＣカートリッジについて説明する。図５は、本実施形態に係るＳＯＦＣモジュールの一態様を示すものである。また、図６は、本実施形態に係るＳＯＦＣカートリッジの一態様の断面図を示すものである。
【００６４】
ＳＯＦＣモジュール２０１は、図５に示すように、例えば、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３と、これら複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３を収納する圧力容器２０５とを備える。なお、図５には円筒形のＳＯＦＣのセルスタックを例示しているが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。
【００６５】
また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、燃料ガス供給管２０７と複数の燃料ガス供給枝管２０７ａ、及び燃料ガス排出管２０９と複数の燃料ガス排出枝管２０９ａとを備える。また、ＳＯＦＣモジュール２０１は、酸化性ガス供給管（不図示）と酸化性ガス供給枝管（不図示）、及び酸化性ガス排出管（不図示）と複数の酸化性ガス排出枝管（不図示）とを備える。
【００６６】
燃料ガス供給管２０７は、圧力容器２０５の外部に設けられ、ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の燃料ガスを供給する燃料ガス供給部に接続されると共に、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに接続されている。この燃料ガス供給管２０７は、上述の燃料ガス供給部から供給される所定流量の燃料ガスを、複数の燃料ガス供給枝管２０７ａに分岐して導くものである。また、燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７に接続されると共に、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されている。この燃料ガス供給枝管２０７ａは、燃料ガス供給管２０７から供給される燃料ガスを複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に略均等の流量で導き、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電性能を略均一化させるものである。
【００６７】
燃料ガス排出枝管２０９ａは、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３に接続されると共に、燃料ガス排出管２０９に接続されている。この燃料ガス排出枝管２０９ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３から排出される排燃料ガスを燃料ガス排出管２０９に導くものである。また、燃料ガス排出管２０９は、複数の燃料ガス排出枝管２０９ａに接続されると共に、一部が圧力容器２０５の外部に配置されている。この燃料ガス排出管２０９は、燃料ガス排出枝管２０９ａから略均等の流量で導出される排燃料ガスを圧力容器２０５の外部に導くものである。
【００６８】
圧力容器２０５は、内部の圧力が０．１ＭＰａ〜約１ＭＰa、内部の温度が大気温度〜約５５０℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保有する材質が利用される。例えばＳＵＳ３０４などのステンレス系材が好適である。
【００６９】
ここで、本実施形態においては、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されて圧力容器２０５に収納される態様について説明しているが、これに限られず例えば、ＳＯＦＣカートリッジ２０３が集合化されずに圧力容器２０５内に収納される態様とすることもできる。
【００７０】
（ＳＯＦＣカートリッジの構造と各要素の機能の説明）
ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、図６に示す通り、複数のセルスタック１０１と、発電室２１５と、燃料ガス供給室２１７と、燃料ガス排出室２１９と、酸化性ガス供給室２２１と、酸化性ガス排出室２２３とを備える。また、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、上部管板２２５ａと、下部管板２２５ｂと、上部断熱体２２７ａと、下部断熱体２２７ｂとを備える。なお、本実施形態においては、ＳＯＦＣカートリッジ２０３は、燃料ガス供給室２１７と燃料ガス排出室２１９と酸化性ガス供給室２２１と酸化性ガス排出室２２３とが図６のように配置されることで、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタックの内側と外側とを平行して流れる、または酸化性ガスがセルスタックの長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。
【００７１】
発電室２１５は、上部断熱体２２７ａと下部断熱体２２７ｂとの間に形成された領域である。この発電室２１５は、セルスタック１０１の燃料電池セル１０５が配置された領域であり、燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。また、この発電室２１５のセルスタック１０１長手軸方向の中央部付近での温度は、温度センサなどで監視され、ＳＯＦＣモジュール２０１の定常運転時に、およそ７００℃〜１０００℃の高温雰囲気となる。
【００７２】
燃料ガス供給室２１７は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａとに囲まれた領域であり、上部ケーシング２２９ａの上部に設けられた燃料ガス供給孔２３１ａによって、燃料ガス供給枝管２０７ａと連通されている。複数のセルスタック１０１は、上部管板２２５ａとシール部材２３７ａにより接合されており、燃料ガス供給室２１７は、燃料ガス供給枝管２０７ａから燃料ガス供給孔２３１ａを介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック１０１の発電性能を略均一化させる。
【００７３】
燃料ガス排出室２１９は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂとに囲まれた領域であり、下部ケーシング２２９ｂに備えられた燃料ガス排出孔２３１ｂによって、燃料ガス排出枝管２０９ａと連通されている。複数のセルスタック１０１は、下部管板２２５ｂとシール部材２３７ｂにより接合されており、燃料ガス排出室２１９は、複数のセルスタック１０１の基体管１０３の内部を通過して燃料ガス排出室２１９に供給される排燃料ガスを集約して、燃料ガス排出孔２３１ｂを介して燃料ガス排出枝管２０９ａに導くことができる。
【００７４】
ＳＯＦＣモジュール２０１の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の酸化性ガスを酸化性ガス供給枝管へと分岐して、複数のＳＯＦＣカートリッジ２０３へ供給する。酸化性ガス供給室２２１は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の下部ケーシング２２９ｂと下部管板２２５ｂと下部断熱体２２７ｂとに囲まれた領域であり、下部ケーシング２２９ｂの側面に設けられた酸化性ガス供給孔２３３ａによって、図示しない酸化性ガス供給枝管と連通されている。この酸化性ガス供給室２２１は、図示しない酸化性ガス供給枝管から酸化性ガス供給孔２３３ａを介して供給される所定流量の酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間２３５ａを介して発電室２１５に略均一流量で導くことが出来る。
【００７５】
酸化性ガス排出室２２３は、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の上部ケーシング２２９ａと上部管板２２５ａと上部断熱体２２７ａとに囲まれた領域であり、上部ケーシング２２９ａの側面に設けられた酸化性ガス排出孔２３３ｂによって、図示しない酸化性ガス排出枝管と連通されている。この酸化性ガス排出室２２３は、発電室２１５から、酸化性ガス排出隙間２３５ｂを介して酸化性ガス排出室２２３に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔２３３ｂを介して図示しない酸化性ガス排出枝管に導くことが出来る。
【００７６】
上部管板２２５ａは、上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとの間に、上部管板２２５ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部断熱体２２７ａとが略平行になるように、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また上部管板２２５ａは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この上部管板２２５ａは、複数のセルスタック１０１の一方の端部をシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス供給室２１７と酸化性ガス排出室２２３とを隔離するものである。
【００７７】
下部管板２２５ｂは、下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとの間に、下部管板２２５ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部断熱体２２７ｂとが略平行になるように下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また下部管板２２５ｂは、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック１０１が夫々挿入されている。この下部管板２２５ｂは、複数のセルスタック１０１の他方の端部をシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス排出室２１９と酸化性ガス供給室２２１とを隔離するものである。
【００７８】
上部断熱体２２７ａは、上部ケーシング２２９ａの下端部に、上部断熱体２２７ａと上部ケーシング２２９ａの天板と上部管板２２５ａとが略平行になるように配置され、上部ケーシング２２９ａの側板に固定されている。また、上部断熱体２２７ａには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。上部断熱体２２７ａは、この孔の内面と、上部断熱体２２７ａに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス排出隙間２３５ｂを備える。
【００７９】
この上部断熱体２２７ａは、発電室２１５と酸化性ガス排出室２２３とを仕切るものであり、上部管板２２５ａの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。上部管板２２５ａ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、上部管板２２５ａ等が発電室２１５内の高温に晒されて上部管板２２５ａ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、上部断熱体２２７ａは、発電室２１５を通過して高温に晒された排酸化性ガスを、酸化性ガス排出隙間２３５ｂを通過させて酸化性ガス排出室２２３に導くものである。
【００８０】
本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、排酸化性ガスは、基体管１０３の内部を通って発電室２１５に供給される燃料ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板２２５ａ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて酸化性ガス排出室２２３に供給される。また、燃料ガスは、発電室２１５から排出される排酸化性ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスを発電室２１５に供給することができる。
【００８１】
下部断熱体２２７ｂは、下部ケーシング２２９ｂの上端部に、下部断熱体２２７ｂと下部ケーシング２２９ｂの底板と下部管板２２５ｂとが略平行になるように配置され、下部ケーシング２２９ｂの側板に固定されている。また、下部断熱体２２７ｂには、ＳＯＦＣカートリッジ２０３に備えられるセルスタック１０１の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック１０１の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体２２７ｂは、この孔の内面と、下部断熱体２２７ｂに挿通されたセルスタック１０１の外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間２３５ａを備える。
【００８２】
この下部断熱体２２７ｂは、発電室２１５と酸化性ガス供給室２２１とを仕切るものであり、下部管板２２５ｂの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。下部管板２２５ｂ等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、下部管板２２５ｂ等が高温に晒されて下部管板２２５ｂ等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、下部断熱体２２７ｂは、酸化性ガス供給室２２１に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間２３５ａを通過させて発電室２１５に導くものである。
【００８３】
本実施形態によれば、上述したＳＯＦＣカートリッジ２０３の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック１０１の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、基体管１０３の内部を通って発電室２１５を通過した排燃料ガスは、発電室２１５に供給される酸化性ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板２２５ｂ等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて燃料ガス排出室２１９に供給される。また、酸化性ガスは排燃料ガスとの熱交換により昇温され、発電室２１５に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に必要な温度に昇温された酸化性ガスを発電室２１５に供給することができる。
【００８４】
発電室２１５で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル１０５に設けたＮｉ／ＹＳＺ等からなるリード部１１５によりセルスタック１０１の端部付近まで導出した後に、ＳＯＦＣカートリッジ２０３の集電棒（不図示）に集電板（不図示）を介して集電して、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部へと取り出される。前記集電棒によってＳＯＦＣカートリッジ２０３の外部に導出された直流電力は、各ＳＯＦＣカートリッジ２０３の発電電力を所定の直列数および並列数へと相互に接続され、ＳＯＦＣモジュール２０１の外部へと導出されて、図示しないパワーコンディショナ等の電力変換装置（インバータなど）により所定の交流電力へと変換されて、電力供給先（例えば、負荷設備や電力系統）へと供給される。
【符号の説明】
【００８５】
１０１  セルスタック
１０３  基体管（基体）
１０５  燃料電池セル（発電素子）
１０７  インターコネクタ
１０９  燃料極
１１１  固体電解質
１１３  空気極
１１５、１１５ａ、１１５ｂ  リード部
２０１  ＳＯＦＣモジュール
２０３  ＳＯＦＣカートリッジ
２０５  圧力容器
２０７  燃料ガス供給管
２０７ａ  燃料ガス供給枝管
２０９  燃料ガス排出管
２０９ａ  燃料ガス排出枝管
２１５  発電室
２１７  燃料ガス供給室
２１９  燃料ガス排出室
２２１  酸化性ガス供給室
２２３  酸化性ガス排出室
２２５ａ  上部管板
２２５ｂ  下部管板
２２７ａ  上部断熱体
２２７ｂ  下部断熱体
２２９ａ  上部ケーシング
２２９ｂ  下部ケーシング
２３１ａ  燃料ガス供給孔
２３１ｂ  燃料ガス排出孔
２３３ａ  酸化性ガス供給孔
２３３ｂ  酸化性ガス排出孔
２３５ａ  酸化性ガス供給隙間
２３５ｂ  酸化性ガス排出隙間
２３７ａ，２３７ｂ  シール部材
【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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