(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸素含有ガスとの発電反応により発電する複数の燃料電池セルを備えた固体
酸化物形燃料電池装置であって、
前記複数の燃料電池セルを収容するモジュール容器と、
前記複数の燃料電池セルが天面に立設固定された、前記複数の燃料電池セルに燃料ガス
を供給する燃料マニホールドと、
前記発電で残余する燃料ガスを燃焼させて燃焼排ガスを生成する、前記複数の燃料電池
セルの上方の燃焼部と、
前記燃焼部により生じた燃焼排ガスによって加熱され、供給された原燃料ガスを改質し
て水素リッチな前記燃料ガスに改質する改質機能を備えた改質器と、を有し、
前記燃料電池セルは、燃料極、固体電解質及び空気極を含む発電素子部を有し、
前記燃料極は原燃料ガスを改質して水素リッチな前記燃料ガスに改質する改質機能を有
し、
さらに前記燃料マニホールドの天面に挿入された前記燃料電池セルの先端部に、
前記改質器及び前記燃料極における原燃料ガスの改質を補完するための改質機能部材を有し、
前記改質機能部材は、炭化水素系ガスから水素を生成する触媒機能を有する部材であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記改質機能部材はNi、Ru、Rh、Ir、Pd、Pt、Re、Co、Fe等の遷移金属またはこれらどうしの組み合わせやこれらとその他の元素との組み合わせからなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記発電素子部は前記燃料電池セルの支持体上に形成されており、前記支持体は絶縁性
支持体であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記改質機能部材は、前記燃料マニホールドの内部において、前記燃料電池セルどうし
を電気的に接続するための集電部材と前記燃料電池セルとを接着して固定するための導電
性接着部材であることを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記改質機能部材は、前記燃料マニホールドの内部に挿入された前記燃料電池セルの先
端における、前記燃料極を構成する層が露出した領域と前記支持体が露出した領域との双
方を覆うように設けられていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項６】
請求項５において、前記集電部材は平板形状であり、前記燃料電池セルの複数が貫通し
て固定されるための貫通孔とともに、前記改質機能部材により生成された燃料ガスを通過
させる流通孔を有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。
【請求項７】
請求項５において、前記燃料マニホールドの内部に前記改質器から排出される原燃料ガ
スまたは／および燃料ガスを供給する燃料ガス供給孔は、原燃料ガスが前記改質機能部材
に向けて噴出されるように設けられていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池装置。
【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装置に関し、とくに熱自立運転が可能な固体酸化物形燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代のエネルギーとして、燃料電池装置として固体酸化物形燃料電池装置（ＳＯＦＣ：Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）の開発が進んでいる。燃料電池は、熱エネルギーや運動エネルギーの過程を経由する熱機関と異なり、天然ガスや水素などの燃料を、固体電解質を介して空気中の酸素と反応させ、燃料の持っている化学エネルギーから連続的に直接電気エネルギーを得るエネルギー変換器である。とくにＳＯＦＣは、固体高分子形燃料電池やリン酸型燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池と比べてエネルギー変換効率（発電効率）が高く、排熱を利用することで総合的なエネルギー利用率を高めることができることが知られている。
【０００３】
一般にＳＯＦＣは、固体電解質層と、その一方の面に設けられた燃料極層と、他方の面に設けられた空気極層とを含む発電素子を備えた燃料電池セルを用いる。約６００℃〜１０００℃の高温状態下において、燃料電池セルの内部通路に水素を含むガス（以下、燃料ガスという）を流すとともに、燃料電池セルの外周面に酸素を含むガス（以下、酸素含有ガスあるいは空気という）を流すことで、燃料極層と空気極層との間の酸素分圧差による電位差を形成して発電反応を生じさせる。すなわち、固体電解質層を介して空気極層から燃料極層へ移動する酸素イオンが、燃料極層において水素と結合することで電子を発生させるとともに、水となる。負荷を介して燃料極層と空気極層とを結ぶ閉回路を形成することで、発電反応を連続して起こして、起電力を生じさせて発電する。
【０００４】
このような発電のためには、燃料電池セルの燃料極層に水素を含む燃料ガスを供給する必要がある。このために、固体酸化物形燃料電池装置に直接水素を燃料として供給すればよいが、インフラが整備されていない現状においては、燃料電池セルの燃料極や支持体に改質触媒機能を持たせるとともに、改質触媒を充填した改質器を別途用意し、メタン、天然ガス、都市ガス、プロパン、ブタン、ＬＰＧ等の炭化水素系ガス、及びメタノールガス等のアルコールガスなどの原燃料を改質して、得られた水素リッチガスを燃料ガスとして用いている。改質器を備えた固体酸化物形燃料電池装置の構成として、ＳＯＦＣシステム内に改質器を備える水素生成装置が設けられているものがある。一方、ＳＯＦＣシステム内に別途水素生成装置を設けることなく、改質器を燃料電池モジュールの容器内部に収容した熱自立運転が可能な固体酸化物形燃料電池装置が知られている。
【０００５】
熱自立運転が可能な固体酸化物形燃料電池装置は、定常発電運転中において、燃料電池セルの発電反応に使用されなかった余剰の燃料ガスを燃焼部で燃焼させ、生じた燃料熱を用いて改質器を加熱する一方で、残りの熱は燃焼排ガスとして燃料電池モジュールの外部に排出される。この際、燃焼排ガスが有する熱量はモジュール容器に供給される発電用空気との間で熱交換され、燃料電池の空気極へは加熱された空気が供給される（特許文献１参照）。このように熱自立運転が可能な固体酸化物形燃料電池装置（熱自立型固体酸化物形燃料電池装置ともいう）では、外部からの熱供給を不要とし、自己生成した熱量により高温の改質状態が維持される。このため、システム内に別途水素生成装置を設けた場合に比べ、高効率な発電運転が可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１４−１９２１２３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、上述した熱自立型固体酸化物形燃料電池装置において、さらなる運転の高効率化を求めて燃料利用率（燃料電池セルへ供給される燃料の総熱量に対する燃料電池セルの発電反応に使用される熱量の割合）を上げようとすると、燃焼に用いられる燃料供給量が減少するため燃焼熱量が減少する。その結果、改質器温度が低下してしまい、改質器における改質効率が低下する。例えば、燃料利用率を７５％とした運転時には燃焼熱量は２５％である。しかし燃料利用率を８５％に高めた場合燃焼熱量は１５％となり、燃料熱量は６割程度にまで低下する。このため、改質器への伝熱効率は６割以下に低下するため、改質器における改質効率が低下する。その結果、改質器において生成される水素量が低下し、熱自立運転が困難となってしまう。このため、燃料利用率を高めつつも水素生成量を維持させることが求められる。
また、燃焼熱量が低下するとＣ２以上の炭化水素が改質器内に残存するため、燃料電池セルの燃料極において改質することが必要となる。しかしこの場合、改質器や燃料極において、炭素析出が生じるおそれがある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明にかかる固体酸化物形燃料電池の一態様は、燃料ガスと酸素含有ガスとの発電反
応により発電する複数の燃料電池セルを備えた固体酸化物形燃料電池装置であって、複数
の燃料電池セルを収容するモジュール容器と、複数の燃料電池セルが天面に立設固定され
た、複数の燃料電池セルに燃料ガスを供給する燃料マニホールドと、発電で残余する燃料
ガスを燃焼させて燃焼排ガスを生成する、複数の燃料電池セルの上方の燃焼部と、燃焼部
により生じた燃焼排ガスによって加熱され、供給された原燃料ガスを改質して水素リッチ
な燃料ガスに改質する改質機能を備えた改質器と、を有し、燃料電池セルは、燃料極、固
体電解質及び空気極を含む発電素子部を有し、燃料極は原燃料ガスを改質して水素リッチ
な燃料ガスに改質する改質機能を有し、さらに燃料マニホールドの天面に挿入された燃料電池セルの先端部に、改質器及び燃料極における原燃料ガスの改質を補完するための改質機能部材を有し、改質機能部材は、炭化水素系ガスから水素を生成する触媒機能を有する。
【０００９】
さらなる運転の高効率化を求めて燃料利用率（燃料電池セルへ供給される燃料の総熱量に対する燃料電池セルの発電反応に使用される熱量の割合）を上げようとすると、燃焼に用いられる燃料供給量が減少するため改質器温度が低下してしまい、改質器における改質効率が低下する。その結果、改質器において生成される水素量が低下し、熱自立運転が困難となってしまう。このため、燃料利用率を上げた場合であっても、燃料電池セルへ供給する水素リッチな燃料ガスの生成量を維持する必要がある。
【００１０】
そこで本発明においては、外部から供給される原燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する改質機能を有する改質器、および燃料電池セルの内部の燃料極とは別に、燃料マニホールドの内部に改質機能をもつ改質機能部材を設けるものである。これにより、改質器および燃料極における改質機能が低下した場合であっても、それを補完する水素（以下、補完水素とよぶ）を生成して、燃料電池セルへ供給する水素の総量を維持または増加させることができる。
【００１１】
また本発明の一態様においては、改質機能部材はNi、Ru、Rh、Ir、Pd、Pt、Re、Co、Fe等の遷移金属またはこれらどうしの組み合わせやこれらとその他の元素との組み合わせからなることが好ましい。
【００１２】
これにより、燃料マニホールドの内部に位置する燃料電池セルの先端で水素を生成することができるため、燃料電池セルの最先端に位置する燃料電池セルの内部通路の入口に生成した水素リッチな燃料ガスを効率的に供給することができる。
【００１３】
また本発明の一態様においては、発電素子部は燃料電池セルの支持体上に形成されており、支持体は絶縁性支持体であることが好ましい。
【００１４】
例えば従来のＮｉ−ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）などの改質触媒機能を持つ導電性支持体のかわりに、フォルステライト（Ｍｇ2ＳｉＯ4）などの絶縁性支持体を用いることで、安価な燃料電池セルの製造が可能となる。そうすると、支持体の改質機能を喪失することにつながるが、改質機能部材を燃料マニホールドの内部に設けることで、燃料電池セルに供給する水素を生成して生成水素の総量を補完することができる。よって、固体酸化物形燃料電池装置の低価格化と水素生成量の安定化とを両立させることができる。
【００１５】
また本発明の一態様においては、改質機能部材は、燃料マニホールドの内部において、燃料電池セルどうしを電気的に接続するための集電部材と燃料電池セルとを接着して固定するための導電性接着部材であることが好ましい。
【００１６】
燃料電池セルと集電部材との電気的接続を物理的な接触に任せると、高温状態下での長期運転によって、集電部材の変質等により電気的な接続性が劣化するおそれがある。そこで、集電部材と燃料電池セルとの接続に改質機能を有する導電性接着部材を用いることで、長期の運転における電気的な接続性を確保することができるとともに、あわせて触媒機能による補完水素の生成を実現することができる。
【００１７】
また本発明の一態様においては、改質機能部材は、燃料マニホールドの内部に挿入された燃料電池セルの先端における、燃料極を構成する層が露出した領域と前記支持体が露出した領域との双方を覆うように設けられていることが好ましい。
【００１８】
上述のように、燃料電池セルと集電部材との電気的接続を図るために、燃料電池セルの端部において、接続端子として機能する燃料極を構成する層を露出させ、当該露出箇所において集電部材を接続させる。このとき、露出させた燃料極を構成する層の部分だけで集電部材を接続させるには面積が小さく、十分なマージンを確保することが困難であった。そこで、燃料極を構成する層の露出部よりも燃料電池セルの先端側に位置する支持体の露出部にも導電性接着部材（改質機能部材）を設けることで、導電性の端子面積が広がり、集電部材との接続作業性が向上するとともに、改質機能部材の配置面積が増えるため、生成される補完水素の量も増大させることができる。
【００１９】
また本発明の一態様においては、集電部材は平板形状であり、燃料電池セルの複数が貫通して固定されるための貫通孔とともに、改質機能部材により生成された燃料ガスを通過させる流通孔を有することが好ましい。
【００２０】
集電部材を平板形状のものとすることで、複数の燃料電池どうしの電気的接続および集電を簡易に行うことができる一方で、集電部材が改質機能部材の改質触媒機能により生成した補完水素を閉じ込め、または遮蔽して燃料電池セルへの供給を妨げることになる。また、同時に原燃料ガスが改質触媒機能部材に到達することが阻害される。そこで、集電部材に燃料電池セルの挿入孔とは異なる流通孔を別途設けることで、燃料ガスの流通が可能となる。
【００２１】
また本発明の一態様においては、燃料マニホールドの内部に改質器から排出される原燃料ガスまたは／および燃料ガスを供給する燃料ガス供給孔は、原燃料ガスが改質機能部材に向けて噴出されるように設けられていることが好ましい。
【００２２】
改質器から燃料マニホールド内へ供給されるガスを燃料マニホールド内の改質機能部材に直接噴出するように構成することで、改質器内部において未改質である原燃料ガスも改質機能部材に直接噴出される。このため、燃料マニホールド内部での原燃料ガスの水素リッチな燃料ガスへの改質を促し、補完水素の生成を効率的に行うことができる。
【発明の効果】
【００２３】
熱自立型固体酸化物形燃料電池装置において、燃料利用率を高めつつも水素生成量を維持させることが求められる。また、燃焼熱量の低下に伴う炭素析出の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池装置を示す説明図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池装置において、改質機能部材により集電体を燃料電池セルに固定された状態を示す説明図である。
【図３】本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置を示す説明図である。
【図４】（Ａ）下端がカソードにされている燃料電池セルの下端部を拡大して示す断面図であり、（Ｂ）下端がアノードにされている燃料電池セルの下端部を拡大して示す断面図である。
【図５】本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置に用いられる集電体の説明図である。
【図６】本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置の製造工程における改質機能部材を用いた集電体の固定方法の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１及び図２を用いて、本発明にかかる発明の一実施形態について説明する。
【００２６】
図１は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池装置の燃料電池モジュールを示す側面断面図である。固体酸化物形燃料電池装置２０１において、断熱材（図示せず）に覆われたモジュール容器２０２は、その内部に本発明にかかる複数の燃料電池セル２０５で構成される燃料電池セル集合体が配置される発電部２０３と、燃料マニホールド２０４と、排気ガスマニホールド２０６と、改質部２０８とを収容する。
【００２７】
図１においては、改質部２０８はモジュール容器２０２の内部の上方に配置され、モジュール容器２０２の外部から挿入された原料供給管２１０と接続されている。また、改質部２０８には、燃料ガス供給管２０９が接続されている。改質部２０８の内部には改質触媒が充填され、原料供給管２１０から供給された原料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質する。改質触媒としては例えばアルミナボール等の基体にニッケルやルテニウム等の卑金属や貴金属を担持した球状等種々の形状の触媒を用いることができる。
【００２８】
なお、改質部２０８への原料ガスの供給として、原燃料、水、改質用空気を複数の原料供給管２１０から供給してもよいが、これらを予め混合した混合ガスを、一本の原料供給管２１０から改質部２０８の内部へ供給してもよい。また、燃料電池装置２０１の起動に際し、改質用空気を用いずに、原燃料ガスを燃焼させて改質部２０８を昇温させる燃料工程から、原燃料及び水蒸気のみを用いた水蒸気改質工程（ＳＲ工程）に遷移させてもよく、この場合は改質用空気の供給設備は省略することができる。なお、改質部２０８に供給するための水蒸気は、改質部２０８を構成する容器内に別途蒸発部を設置して、原料供給管２１０から供給される水を蒸発部において気化させることで水蒸気を生成することができる。あるいは蒸発部をモジュール容器８の外部に設置して、モジュール容器８の外部で生成した水蒸気を、原料供給管２１０を介して改質部２０８に供給してもよい。この場合、気化に伴い生じる吸熱反応をモジュール容器８の外部で実施するため、モジュール容器８内の熱利用率を高めることができる。
【００２９】
改質部２０８に接続固定された燃料ガス供給管２０９は、モジュール容器８の下方に配置された燃料マニホールド２０４に接続される。燃料マニホールド２０４の天面には複数の燃料電池セル２０５が、燃料マニホールド２０４内部に挿入されて固定され、燃料電池セル２０５の内部通路が燃料マニホールド２０４と連通する。これにより、改質部２０８によって原燃料から水素リッチなガスに改質された燃料ガスは、燃料ガス供給管２０９を経由して、燃料マニホールド２０４の内部に供給され、さらに燃料電池セル２０５の内部通路を通って燃料極に供給される。
【００３０】
図１に示す燃料電池セル２０５は、いわゆる円筒横縞型である。すなわち燃料マニホールド２０４の上方の発電部２０３に位置するように、発電素子部２０５ａと非発電素子部２０５ｂとが燃料電池セル２０５の長手方向において交互に配置されている。非発電素子部２０５ｂには発電素子部２０５ａ間を電気接続するためのインターコネクタが配置されている。これにより、ひとつの燃料電池セル２０５において、複数の発電素子部２０５ａが電気的に直列に接続されている。しかし、本発明にかかる燃料電池セルは円筒横縞型に限定されるものではなく、円筒縦縞型や扁平円筒型など種々の構造の燃料電池セルについて適用することが可能である。
【００３１】
また、図１においては、燃料電池セル２０５の上端は、排気ガスマニホールド２０６の内部に挿入されて排気ガスマニホールド２０６の底面に固定されている（図１においては、絶縁性接着剤２１５aにより固定されている）。このため、燃料電池セル２０５を長手方向に貫通する内部通路の上端が、排気ガスマニホールド２０６の内部に連通するため、燃料電池セル２０５における発電に寄与せずに残留した燃料ガスや発電によって生じた水蒸気（これらをオフガスとよぶ）は、排気ガスマニホールド２０６の内部に排出される。排気ガスマニホールド２０６の上部には複数の排気ガス噴出孔が設けられ、この排気ガス噴出孔から噴出したオフガスを点火プラグやセラミックヒータ等の着火装置（図示せず）により着火することで燃焼させ、排気ガスマニホールド２０６の上方の燃焼部２０７に燃焼排ガスを生成する。燃焼部２０７の上方に上述した改質部２０８を配置することで、生じた燃焼排ガスの熱量により改質部２０８の底面や側面を加熱することができ、改質部２０８の内部で原料ガスを改質可能な状態にする。改質部２０８を加熱した燃焼排ガスは、燃焼排ガス排出管２１２によりモジュール容器２０２の外部へ排出される。
【００３２】
なお、図１においては、燃料電池セル２０５の上端に排気ガスマニホールド２０６を設けているが本発明は当該構成に限らず、例えば排気ガスマニホールド２０６を設けずに、複数の燃料電池セル２０５の上端から排出されるオフガスを直接着火させ、燃料電池セル２０５の直上を燃焼部とする構成にすることもできる。
【００３３】
一方、発電のために燃料電池セル２０５の外表面に供給される酸素含有ガス（発電用空気）は、モジュール容器２０２の外部より例えば酸素含有ガス供給管２１１を介して導入される。酸素含有ガスは燃料電池セル２０５に供給され発電に用いられ、また発電に残余した酸素含有ガスは上方に移動して一部は燃焼部２０７における燃焼に用いられ、燃焼排ガス排出管２１２から燃焼排ガスとともにモジュール容器２０２の外部へ排出される。
【００３４】
なお、酸素含有ガスは発電室２０３の内部の温度を均一に安定化するために、適度に昇温されていることが好ましい。このため、燃焼部２０７で生じた高温の燃焼排ガスと熱交換させて昇温した後に、発電部２０３に供給することで発電部２０３の温度ムラの抑制とともに固体酸化物形燃料電池装置における熱利用率を高めることができる。燃焼排ガスを用いて酸素含有ガスを予熱するための熱交換部は、改質部２０８の上方に別体の熱交換器として設けてもよい。あるいは、モジュール容器２０２の内壁を流路の一部として利用して、仕切り板を用いてモジュール容器２０２の内壁に酸素含有ガス流路を形成することで、発電室２０３内の燃焼排ガスとの熱交換を行ってもよい。
【００３５】
以上のように固体酸化物形燃料電池装置２０１を構成することによって、外部から熱の供給を受けない熱自立した発電運転が可能となる。
【００３６】
ここで、本発明においては、燃料マニホールド２０４の内部に改質機能部材が設けられている。改質機能部材の燃料マニホールド２０４の内部への配置は、球形等の形状のものを燃料マニホールド２０４の内部の所定領域に充填することができる。改質機能部材を所定の領域に充填することで、補完水素の生成量を任意に調整することができる。また繊維状やフェルト状のものを燃料マニホールド２０４の内壁面に設置してもよい。この場合、燃料マニホールド２０４の内部における燃料ガスの流動を阻害することなく、燃料マニホールド２０４の内壁面で補完水素を生成することができる。
【００３７】
とくに図１に示すように、改質機能部材２１４ｂを、燃料マニホールド２０４の内部に挿入された燃料電池セル２０５の下端表面に設けることが好ましい。この場合、粒状の改質機能部材を充填する領域を形成するために、仕切り部材等の部品が別途必要となることはない。燃料マニホールド２０４の内部に位置する燃料電池セル２０５の先端で水素を生成することができるため、燃料電池セル２０５の最先端に位置する燃料電池セル２０５の内部通路の入口に、生成した水素リッチな燃料ガスを直接に供給することができ生成水素の効率利用が可能となる。
【００３８】
改質機能部材は、炭化水素系ガスから水素を生成する触媒機能を有する部材である。改質機能部材としては、水蒸気改質反応に対して活性のあるニッケル（Ｎｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、レニウム（Ｒｅ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）等の遷移金属またはこれらどうしの組み合わせやこれらとその他の元素との組み合わせ（例えばＰｔ−Ｎｉ系触媒、Ｐｄ−Ｚｎ系触媒、Ｎｉ−Ｃｕ系触媒など）からなる改質触媒を用いることができる。とくに耐酸化性、耐炭素析出性が高い部材を用いることが好ましい。これらの粒状体をアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）やジルコニア（ＺｒＯ２）等の耐熱性セラミック基体に担持させた球状等の粒状形状のものを用いてもよい。また該セラミック基体に替えて、発泡金属、メッシュ、フェルト、パンチングメタル、エキスパンドメタルを基体としてもよい。また、上記の遷移金属の固体粉末をバインダーに添加したペースト状の部材を用いてもよい。この場合、バインダーとしては、α−テルピネオール、ノニオン系界面活性剤、ポリビニルブチラール及びポリアセタールの混合材などを用いることができる。固体粉末を添加したバインダーを乾燥、焼結させることで、固化した改質機能部材を形成することができる。
【００３９】
次に、図２を用いて、上述した改質機能部材を燃料マニホールド２０４の内部に挿入された燃料電池セル２０５の下端表面に設ける場合の態様について説明する。
【００４０】
図２（Ａ）乃至図２（Ｃ）は、本発明の一実施形態にかかる固体酸化物形燃料電池装置において、改質機能部材５０３により集電部材５０５を燃料電池セル５００の下端に固定された状態を示す説明図である。
【００４１】
燃料電池セル５００の下端部は燃料マニホールド内に挿入され、所定本数の燃料電池セル５００が集電部材５０５によって電気的に接続されている。具体的には、燃料電池セル５００において発電素子を形成する燃料極層と同一の材料により同時に形成される燃料極を構成する層５０２が、発電素子と電気的に接続し燃料電池セル５００の外部と電気接続するための端子部として機能する。この燃料極を構成する層５０２が、集電部材５０５と電気的に接続する。
【００４２】
集電部材５０５は、燃料電池セル５００を貫通させる取付孔に弾性片５０４を有し、集電部材５０５を貫通した燃料電池セル５００の先端部における燃料極を構成する層５０２と接触している。弾性片５０４は集電部材５０５の取付孔を貫通した燃料電池セル５００に向けて弾性力を加えるため、物理的に集電部材５０５と燃料電池セル５００とが接続される。しかし、当該接続は製造時の取り付け不具合や、長期運転後の集電部材５０５の劣化により接続不良が生じるおそれがある。そこで、図２（Ａ）では、燃料電池セル５００の燃料極を構成する層５０２の表面にペースト状の改質機能部材５０３を配置することで弾性片５０４と燃料極を構成する層５０２とを固定し、弾性片５０４の取付け不良や弾性力の喪失のおそれを解消している。また、改質機能部材５０３は、弾性片５０４と燃料極を構成する層５０２との接触面積を増加して接触抵抗を低減する機能も備える。このように、改質機能部材５０３は電気的な接続機能面を発揮するとともに、上述した補完水素の生成能力を備えるため、大きな工程数の増加を必要とすることなく、僅かな部材費で両機能を実現することができる。
【００４３】
さらに、改質機能部材５０３の改質機能を高め、補完水素の生成量を増大させるために、改質機能部材５０３を配置する実効面積を増加するとよい。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示す改質機能部材５０３の配置面積よりも広くした場合を示すものであって、燃料極を構成する層５０２の下端を覆うように改質機能部材５０３を配置している。さらに、図２（Ｃ）では、改質機能部材５０３が燃料極を構成する層５０２の下端を越えて、燃料電池セル５００の支持体５０１部分にまで形成した場合を示している。このように、製造マージンの許容される範囲において、広く改質機能部材５０３を配置することが、補完水素の生成量を増加させる点において有効である。また、弾性片５０４との接触可能面積が広がるため、取り付けマージンが拡大し、製造時における作業性が向上する。
【００４４】
このようにして、改質機能部材５０３を燃料マニホールド内部に挿入された燃料電池５００の下端に設けることによって、生成した補完水素を速やかに燃料電池５００の内部通路に導入することが可能になる。また、全ての燃料電池セル５００に同等に改質機能部材５０３を形成することで、同量の水素量を各燃料電池セル５００に供給することができるため、燃料電池セル５００ごとの発電量のバラつきの発生を抑制することができる。また、燃料マニホールドや燃料電池セルの構造上、複数の燃料電池セル間で供給水素量にバラつきが発生する場合には、燃料電池セルごとに改質機能部材５０３の配置面積を調整することで、各燃料電池セルへの供給水素量が同等となるように調整することも可能である。
【実施例１】
【００４５】
次に添付図面を参照して、本発明の一実施例を説明する。
【００４６】
図３は、本発明の一実施例による固体酸化物形燃料電池装置（ＳＯＦＣ）を示す全体構成図である。図３に示すように、一実施例による固体酸化物形燃料電池装置１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えている。
【００４７】
燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備え、このハウジング６内部には、断熱材７を介して金属製のモジュール容器８が内蔵されている。この密閉空間であるモジュール容器８の下方部分である発電部１０には、燃料ガスと酸素含有ガス（以下では適宜「発電用空気」又は「空気」と呼ぶ。）とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体１２が配置されている。本実施例において燃料電池セル集合体１２は、複数の燃料電池セル１４を備え、この燃料電池セル１４は、各々が直列に電気的接続された複数の発電素子部１６を含む。
【００４８】
燃料電池モジュール２のモジュール容器８の発電部１０の上方には、燃焼部としての燃焼部１８が形成され、この燃焼部１８で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の空気とが燃焼し、排気ガス（言い換えると燃焼ガス）を生成するようになっている。さらに、モジュール容器８は断熱材７により覆われており、燃料電池モジュール２内部の熱が、燃料電池モジュール２の外部へ発散するのを抑制している。また、この燃焼部１８の上方には、燃料ガスを改質する改質器１２０が配置され、残余ガスの燃焼熱によって改質器１２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。これにより、熱自立運転を可能としている。
【００４９】
さらに、ハウジング６内においてモジュール容器８の上方には、蒸発器１４０が断熱材７内に設けられている。蒸発器１４０は、供給された水と排気ガスとの間で熱交換を行うことによって、水を蒸発させて水蒸気を生成し、この水蒸気と原燃料ガスとの混合ガス（以下では「燃料ガス」と呼ぶこともある。）をモジュール容器８内の改質器１２０に供給する。
【００５０】
本発明においては、複数の燃料電池セル１４は、それぞれの下端部が燃料マニホールド１１の天面に挿入されて固定されることで立設している。燃料マニホールド１１には、改質器１２０の内部で改質され水素リッチとなった燃料ガスが供給され、挿入された燃料電池セル１４の下端から内部通路へ燃料ガスが供給されて、発電素子部における発電反応が行われる。
【００５１】
燃料マニホールド１１の内部に挿入された複数の燃料電池セル１４の下端には改質機能部材が設けられ、改質器１２０から燃料マニホールド１１へ供給される燃料ガスのうち、未改質の原燃料成分を改質することで、改質器１２０で生成した水素を補完するための水素を生成する。
【００５２】
次に、補機ユニット４は、燃料電池モジュール２からの排気中に含まれる水分を結露させた水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット２８（モータで駆動される「水ポンプ」等）を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された燃料を遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８（モータで駆動される「燃料ポンプ」等）と、電源喪失時において、燃料流量調整ユニット３８から流出する燃料ガスを遮断するバルブ３９を備えている。さらに、補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される空気を遮断する電磁弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用空気流量調整ユニット４５（モータで駆動される「空気ブロア」等）と、改質器１２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒータ４８とを備えている。これらの第１ヒータ４６と第２ヒータ４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
【００５３】
次に、燃料電池モジュール２には、排気ガスが供給される温水製造装置５０が接続されている。この温水製造装置５０には、水供給源２４から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。また、燃料電池モジュール２には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス５２が取り付けられている。さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４が接続されている。
【００５４】
次に、図４を参照して、燃料電池セル１４について説明する。本発明の一実施例による固体酸化物型燃料電池装置１においては、燃料電池セル１４として、固体酸化物を用いた円筒横縞型セルが採用されている。各燃料電池セル１４上には、複数の単セル１６ａが横縞状に形成されており、これらが電気的に直列に接続されることにより１本の燃料電池セル１４が構成されている。各燃料電池セル１４は、その一端がアノード（陽極）、他端がカソード（陰極）となるように構成され、複数の燃料電池セル１４のうちの半数は上端がアノード、下端がカソードとなるように配置され、残りの半数は上端がカソード、下端がアノードとなるように配置されている。
【００５５】
図４（Ａ）は、下端がカソードにされている燃料電池セル１４の下端部を拡大して示す断面図であり、図４（Ｂ）は、下端がアノードにされている燃料電池セル１４の下端部を拡大して示す断面図である。
【００５６】
図４に示すように、燃料電池セル１４は、細長い円筒状で多孔質の支持体９７と、この支持体９７の外側に横縞状に形成された複数の層から形成されている。支持体９７の周囲には、内側から順に、燃料極層９８、反応抑制層９９、固体電解質層１００、空気極層１０１が夫々横縞状に形成されている。このため、燃料マニホールド１１を介して供給された燃料ガスは、各燃料電池セル１４の支持体９７の内部を流れ、モジュール容器８の内部に外部より供給された空気は、空気極層１０１の外側を流れる。燃料電池セル１４上に形成された各単セル１６ａは、一組の燃料極層９８、反応抑制層９９、固体電解質層１００、及び空気極層１０１から構成されている。１つの単セル１６ａの燃料極層９８は、インターコネクタ層１０２を介して、隣接する単セル１６ａの空気極層１０１に電気的に接続されている。これにより、１本の燃料電池セル１４上に形成された複数の単セル１６ａが、電気的に直列に接続される。
【００５７】
図４（Ａ）に示すように、燃料電池セル１４のカソード側端部には、支持体９７の外周に電極層１０３ａが形成され、この電極層１０３ａの外側にリード膜層１０４ａが形成されている。電極層１０３ａは発電素子部においては燃料極層として機能し、その他の部位では導電部材として機能する。カソード側端部においては、端部に位置する単セル１６ａの空気極層１０１と電極層１０３ａが、インターコネクタ層１０２により電気的に接続されている。これらの電極層１０３ａ及びリード膜層１０４ａは、燃料電池セル１４端部において第１固定部材６３を貫通し、第１固定部材６３よりも下方に突出するように形成されている。電極層１０３ａは、リード膜層１０４ａよりも下方まで形成されており、外部に露出された電極層１０３ａに集電体８２が電気的に接続されている。これにより、端部に位置する単セル１６ａの空気極層１０１がインターコネクタ層１０２、電極層１０３ａを介して集電体８２に接続され、図中の矢印のように電流が流れる。また、第１固定部材６３の挿通穴６３ａの縁とリード膜層１０４ａの間の隙間には、セラミック接着剤が充填されており、燃料電池セル１４は、リード膜層１０４ａの外周で第１固定部材６３に固定される。
【００５８】
集電体８２と電極層１０３ａとの接続には、Ｎｉペーストでなる改質機能部材４０４を用いている。Ｎｉペーストを用いることで、物理的に集電体８２と電極層１０３ａとを固定するとともに含有するＮｉ粒子によって高い導電性能が付与されるため、集電体８２と電極層１０３ａとが電気的に接続する。さらに、Ｎｉ粒子を含有することで改質触媒機能が働くため、燃料マニホールド１１内の未改質の原料ガスを改質して、水素を生成する。
【００５９】
図４（Ｂ）に示すように、燃料電池セル１４のアノード側端部においては、端部に位置する単セル１６ａの燃料極層９８が延長されており、燃料極層９８の延長部が電極層１０３ｂとして機能する。電極層１０３ｂの外側にはリード膜層１０４ｂが形成されている。これらの電極層１０３ｂ及びリード膜層１０４ｂは、燃料電池セル１４の端部において第１固定部材６３を貫通し、第１固定部材６３よりも下方に突出するように形成されている。電極層１０３ｂは、リード膜層１０４ｂよりも下方まで形成されており、外部に露出された電極層１０３ｂに集電体８２が電気的に接続されている。これにより、端部に位置する単セル１６ａの燃料極層９８が、一体的に形成された電極層１０３ｂを介して集電体８２に接続され、図中の矢印のように電流が流れる。また、第１固定部材６３の挿通穴６３ａの縁とリード膜層１０４ｂの間の隙間には、セラミック接着剤が充填されており、燃料電池セル１４は、リード膜層１０４ｂの外周で第１固定部材６３に固定される。
【００６０】
燃料電池セル１４のカソード側端部と同様にアノード側端部においても、集電体８２と電極層１０３ｂとの接続には、Ｎｉペーストでなる改質機能部材４０４を用いている。Ｎｉペーストを用いることで、物理的に集電体８２と電極層１０３ｂとを固定するとともに含有するＮｉ粒子によって高い導電性能が付与されるため、集電体８２と電極層１０３ｂとが電気的に接続する。さらに、Ｎｉ粒子を含有することで改質触媒機能が働くため、燃料マニホールド１１内の未改質の原料ガスを改質して、水素を生成する。
【００６１】
図４（Ａ）及び（Ｂ）においては、各燃料電池セル１４の下端部の構成を説明したが、各燃料電池セル１４の上端部における構成も同様とすることができる。
【００６２】
次に、支持体９７及び各層の構成を説明する。支持体９７は、本実施例においては、フォルステライト粉末、及びバインダーの混合物を押し出し成形し、焼結することにより形成されている。燃料極層９８は、本実施例においては、ＮｉＯ粉末及び１０ＹＳＺ（１０ｍｏｌ％Ｙ2Ｏ3−９０ｍｏｌ％ＺｒＯ2）粉末の混合物により構成された導電性の薄膜である。
【００６３】
反応抑制層９９は、本実施例においては、セリウム系複合酸化物（ＬＤＣ４０。すなわち、４０ｍｏｌ％のＬａ2Ｏ3−６０ｍｏｌ％のＣｅＯ2）等により構成された薄膜であり、これにより、燃料極層９８と固体電解質層１００の間の化学反応を抑制している。固体電解質層１００は、本実施例においては、Ｌａ0.9Ｓｒ0.1Ｇａ0.8Ｍｇ0.2Ｏ3の組成のＬＳＧＭ粉末により構成された薄膜である。この固体電解質層１００を介して酸化物イオンと水素又は一酸化炭素が反応することにより電気エネルギーが生成される。
【００６４】
空気極層１０１は、本実施例においては、Ｌａ0.6Ｓｒ0.4Ｃｏ0.8Ｆｅ0.2Ｏ3の組成の粉末により構成された導電性の薄膜である。インターコネクタ層１０２は、本実施例においては、ＳＬＴ（ランタンドープストロンチウムチタネート）により構成された導電性の薄膜である。燃料電池セル１４上の隣接する単セル１６ａはインターコネクタ層１０２を介して接続される。電極層１０３ａ、１０３ｂは、本実施例においては、燃料極層９８と同一の材料で形成されている。リード膜層１０４ａ、１０４ｂは、本実施例においては、固体電解質層１００と同一の材料で形成されている。
【００６５】
なお、リード膜層１０４ａ、１０４ｂは、固体電解質層１００と同じ緻密な層であり、セラミック接着剤と接着されることにより、気密性を確保することができる。また、本実施例では、電極層１０３ａ、１０３ｂが燃料極層９８と同一の多孔質材料で形成されているが、これに限らず、電極層１０３ａ、１０３ｂが、反応抑制層９９や空気極層１０１と同一の多孔質材料を含む他の電気導電性の多孔質材料で形成されていてもよい。例えば、燃料電池セル１４の端部に最も近い位置に形成された単セル１６ａの空気極層１０１を更に端部方向に延長し、その延長した部分を電極層としてもよい。
【００６６】
次に、図５を参照して、集電体について説明する。図５（Ａ）は、集電体４０５を上から見た図である。集電体４０５は、燃料電池セル１４の上端部，下端部にそれぞれ取り付けられる。図５（Ｂ）は、集電体４０５に形成された取付孔４０６の拡大図である。
【００６７】
集電体４０５は、弾性及び導電性を有する薄い板材を機械加工することにより形成されている。本実施例では、ニッケルの板材を用いて形成されている。ここでは、複数（この例では１８本）の燃料電池セル１４の一方の端部が一つの集電体４０５と並列に接続される。複数の集電体４０５を複数のセルに対して用いることでこのようなグループを複数構成し、さらに複数のグループどうしを直列接続することで、複数の燃料電池セル１４の全てを並列又は直列的に電気接続した発電回路を構成することができる。
【００６８】
図５（Ｂ）に示すように、各集電板の取付孔４０６は、機械加工による放射状の切込みにより形成されている。１つの取付孔４０６は、６本の切込み線により形成されている。切込み線の両端をつなぐ仮想線４０６ｂは、燃料電池セル１４の外形寸法（仮想線４０６ｃ）よりも大きな円形を形成する。この切込み線により、この仮想線４０６ｂ（すなわち取付孔４０６の内周縁）から、円の中心方向（径方向内側）へ延出するように１２個の弾性片４０６ａが形成されている。
【００６９】
各弾性片４０６ａは、先端に向かうにつれて先細りとなる略扇形の形状であり、基端部（仮想線４０６ｂ）に対して先端部が弾性的に撓むことが可能である。従って、取付孔４０６に燃料電池セル１４が挿入されるとき、弾性片４０６ａの先端部は燃料電池セル１４の外周面と当接して外周面に沿って撓み、弾性片４０６ａは燃料電池セル１４に弾性的に係合する。そして、集電板に対して燃料電池セル１４が所定位置まで挿入されると、集電板は、弾性片４０６ａの弾性力によって燃料電池セル１４に保持される。
【００７０】
なお、図５（Ａ）に図示していないが、集電体４０５に取付孔４０６とは異なる燃料ガスを通過させる流通孔を有することが好ましい。集電部材を集電体４０５のように平板形状のものとすることで、複数の燃料電池セルどうしの電気的接続および集電を簡易に行うことができる一方で、集電体４０５が改質機能部材４０４の改質触媒機能により生成した補完水素を閉じ込め、または遮蔽して燃料電池セルへの供給を妨げることになる。また、同時に原燃料ガスが改質触媒機能部材に到達することが阻害される。そこで、集電体４０５に燃料電池セルの取付孔４０６とは異なる流通孔を別途設けることで、燃料ガスの流通を可能とすることができる。
【実施例２】
【００７１】
次に、本発明にかかる固体酸化物型燃料電池装置１の製造工程のうち、集電体４０５を燃料電池セル１４のセル配列に固定する方法の一実施例について、図６を用いて詳細に説明する。図６は集電体の固定方法の説明図である。
【００７２】
各燃料電池セル１４は、円筒形状の支持体９７を有し、その外周面に、燃料極層９８、反応抑制層９９、固体電解質層１００、空気極層１０１、電極層１０３ａ及び１０３ｂ、リード膜層１０４ａ及び１０４ｂが形成されている（図４参照）。
【００７３】
先ず、図６（Ａ）に示すように、各燃料電池セル１４の両端部の電極層４０２の露出面に導電性を有する接着剤４０３が塗布される。この接着剤塗布工程は、複数の燃料電池セル１４がセル配列にモジュール化される前に、即ち、各燃料電池セル１４が単体の状態で実行される。
【００７４】
本実施例における接着剤４０３は、バインダー成分４０３ａに固体粉末４０３ｂが混合されたものであり、硬化前はペースト状である。バインダー成分としては、例えば、α−テルピネオール、ノニオン系界面活性剤、ポリビニルブチラール及びポリアセタールの混合材のいずれかを用いることができる。固体粉末は、固体酸化物型燃料電池装置１の運転温度（例えば、約６００℃以上）以下で焼結する粒子状の導電性材料であり、また焼結後に改質触媒機能を有するものである。例えば、ニッケルの粉末が挙げられる。粉末は、その平均粒径が、多孔質体である電極層の細孔径と同程度かそれよりも小さくなるように設定される。本実施例の粉末は、粒径がμｍオーダーから数十μｍ程度である。したがって、接着剤塗布工程において、接着剤４０３のバインダー成分４０３ａ及び固体粉末４０３ｂの一部が、多孔質体である電極層の細孔内に進入し、又は、電極層の細孔の開口を塞ぐように配置される。
【００７５】
次に、図６（Ｂ）に示すように、接着剤４０３を加熱して、バインダー成分４０３ａを乾燥させる。この乾燥工程（第１硬化工程）は、例えば、上述の加熱工程と同様に、乾燥炉内の約８０℃の雰囲気中に各燃料電池セル１４を配置することにより、バインダー成分４０３ａを乾燥させることができる。乾燥工程における乾燥温度は、バインダー成分４０３ａを乾燥させることはできるが、固定粉末４０３ｂを焼結させる温度以下に設定される。なお、上述のセラミック接着剤の加熱工程が、この乾燥工程を兼ねてもよい。
【００７６】
乾燥工程において、バインダー成分４０３ａが乾燥することによって、電極層の全体の細孔内又は表面に近い細孔内には、主に固体粉末４０３ｂからなる改質機能部材４０４が形成される（改質機能部材形成工程）。本実施例の改質機能部材４０４は、主に微細なニッケル粉末からなり、周囲の原料ガスを改質して水素を生成する機能を有する。
【００７７】
次に、改質機能部材４０４が形成された燃料電池セル１４を、第１固定部材６３及び燃料マニホールド１１に位置決めした状態で固定する。
【００７８】
次に、図６（Ｃ）に示すように、燃料電池セル１４の端部にそれぞれ集電体４０５を取り付ける集電体取付工程を実行する。具体的には、図６（Ｃ）に仮想線で示すように、集電体４０５をセル配列に対して位置決めする。すなわち、集電体４０５の取付孔４０６の中心が対応する燃料電池セル１４の略軸中心上に位置するように、集電体を配置する。そして、図６（Ｃ）に実線で示すように、集電体４０５をセル配列に対して押し付ける。これにより、各燃料電池セル１４が、対応する取付孔４０６内に挿入される。このとき、取付孔４０６の複数の弾性片４０６ａが、燃料電池セル１４の外周面に沿って弾性的に撓み、外周面と当接する。そして、各集電板を所定位置まで押し込むと、弾性片４０６ａが改質機能部材４０４に対して弾性的に係合する。これにより、弾性片４０６ａと改質機能部材４０４とが電気的に接続される。
【００７９】
集電体４０５をセル配列に対して取り付ける際に、撓んだ弾性片４０６ａが燃料電池セル１４の外周面に形成された改質機能部材４０４と当接しながら、集電体４０５は所定位置まで移動する。このとき、燃料電池セル１４の電極層は、改質機能部材４０４によって覆われているため、弾性片４０６ａとの当接による損傷から保護される。したがって、本実施形態では、大きな弾性力を有する弾性片４０６ａを備えた集電体４０５を用いることができる。
【００８０】
次に、図６（Ｄ）に示すように、弾性片４０６ａと改質機能部材４０４とを接着する接着工程（第２硬化工程）を実行する。具体的には、改質機能部材４０４を固体粉末４０３ｂの融点以下の温度で加熱して、固体粉末４０３ｂを焼結させる工程を実施する。焼結により、改質機能部材４０４は体積が収縮して緻密化される。この焼結工程は、集電体４０５と燃料電池セル１４との接着のためだけに実行してもよいが、上述のセラミック接着剤の第２の加熱工程、又は、還元工程が焼結工程を兼ねることもできる。第２の加熱工程、又は、還元工程が焼結工程を兼ねるように構成すると、製造工程を短縮化することができる。
【００８１】
本実施例では、固体粉末４０３ｂとして、ニッケル粉末を使用している。このため、固体粉末４０３ｂは、約２５０℃付近から徐々に焼結が開始され、約５５０℃まで昇温する間に完全に焼結する。したがって、焼結工程を兼ねる第２の加熱工程又は還元工程において、例えば、約６５０℃まで徐々に昇温する過程で、焼結工程を完了させることができる。
【００８２】
一方、本実施例では、集電体４０５は、ニッケル板により形成されており、集電体４０５の温度が上昇すると、板材料の弾性係数が低下し、また、再結晶を起こして弾性力が低下するおそれがある。弾性係数の低下や再結晶による弾性力の低下が起こると、改質機能部材４０４に対する弾性片４０６ａの押圧力が低下し、弾性片４０６ａと改質機能部材４０４との接触が失われるおそれがある。ニッケルの再結晶温度は、約５３０℃−約６６０℃である。
【００８３】
しかしながら、本実施例では、集電体４０５のニッケル板材料が弾性力を有している間に、改質機能部材４０４の焼結が完了又は少なくとも部分的に完了するように、集電体４０５及び接着剤４０３に含まれる固体粉末４０３ｂの材料が選択されている。具体的には、本実施例では、集電体４０５が再結晶化する前に、固体粉末４０３ｂが焼結するように、固体粉末４０３ｂの粒径等を設定している。したがって、焼結工程において、弾性片４０６aを改質機能部材４０４に接着することができる。
【００８４】
焼結工程においては、固体粉末４０３ｂが加熱されると、少なくとも固体粉末４０３ｂの表面部分が流動性を有するようになり、部分的な融解状態となる。このとき、弾性片４０６ａが弾性力により改質機能部材４０４を押圧しているので、弾性片４０６ａの先端部が、部分的に改質機能部材４０４内に沈み込む、又は、埋没する。焼結の完了時点では、固体粉末４０３ｂの流動性が無くなり固体状態となる。改質機能部材４０４は流動状態から固体状態になることにより、接着機能を発揮する。このように、改質機能部材４０４が焼結されると、弾性片４０６ａは、焼結された改質機能部材４０４に対して強固に接着される。これにより、運転中において、弾性片４０６ａに応力や熱等の外的な負荷が加えられたときに、弾性片４０６ａが電極層に対して物理的に変位することが防止される。よって、導電性の改質機能部材４０４を介して、集電体８２とセル配列との間の導電性が確保される。
【００８５】
このように、焼結工程において、弾性片４０６ａが部分的に接着剤（改質機能部材４０４）に沈み込んだり、覆われたりすることにより、弾性片４０６ａと接着剤との接触面積が大きくなり、両者間の接着度合が強固になると共に、弾性片４０６ａと電極層との間の電気的抵抗を小さくすることができる。
【００８６】
また、本実施例では、電極層４０２を、燃料極層９８又は空気極層１０１と同一の多孔質材料で形成することにより、製造工程を簡単化している。このため、電極層４０２は多孔質構造を有しているので、電気導電性がそれほど良好でなかったり、接触抵抗が大きくなったりするおそれがある。しかしながら、本実施例では、電極層の表面だけでなく、少なくとも電極層の表層の細孔内にも改質機能部材４０４が形成されるので、電極層の電気導電性を改善すると共に、改質機能部材４０４と電極層４０３との間の電気的抵抗をも小さくすることができ、より効率のよい燃料電池を構成することができる。
【００８７】
さらに、改質機能部材４０４が焼結により、多孔質構造の電極層４０２の細孔に入り込んだ固体粉末４０３ｂが部分的に溶融状態となった後、固化して、緻密化されるので、多孔質内での電気導通経路が実質的に拡大される。これにより、導電性の高い緻密なインターコネクタ構造を形成することができる。さらに、焼結工程における緻密化の過程で、改質機能部材４０４が弾性片４０６ａによって加圧されるので、弾性片４０６ａが電極層を加圧する箇所における改質機能部材４０４の緻密性が高められる。これにより、弾性片４０６ａ付近の電気導通経路における導電性をさらに高めることができる。さらに、本実施例では、接着工程が緻密化工程を兼ねているので、製造工程を簡単化することができる。
【００８８】
また、本実施例では単体の状態の燃料電池セル１４に対して、接着剤塗布工程及びバインダー乾燥工程を実行することができるため、作業に手間が掛らず、製造工程を簡単にすることができる。
【００８９】
以上のようにして、集電体４０５を燃料電池セル１４のセル配列に固定する工程を経て、固体酸化物形燃料電池装置１を製造することができる。ここで、集電体４０５及び燃料電池セル１４を接続するために用いた改質機能部材４０４が、固体酸化物形燃料電池装置１の作動時において水素の生成を行うため、改質器や燃料極での水素生成量が低減した場合であってもこれを補完して、固体酸化物形燃料電池装置１の熱自立運転を維持することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９０】
本発明にかかる固体酸化物形燃料電池装置は、熱自立運転が可能な固体酸化物形燃料電池装置において幅広く有用である。
【符号の説明】
【００９１】
１      固体酸化物形燃料電池装置
２      燃料電池モジュール
４      補機ユニット
６      ハウジング
７      断熱材
８      モジュール容器
８ａ      天板
８ｂ      側板
８ｄ，８ｅ      閉鎖側板
１０      発電部
１１      燃料マニホールド
１２      燃料電池セル集合体
１４      燃料電池セル
１６      発電素子部
１６ａ      単セル（発電素子部）
１８      燃焼部
２４      水供給源
２６      純水タンク
２８      水流量調整ユニット
３０      燃料供給源
３２      ガス遮断弁
３６      脱硫器
３８      燃料流量調整ユニット
３９      バルブ
４０      空気供給源
４２      電磁弁
４４      改質用空気流量調整ユニット
４５      発電用空気流量調整ユニット
４６      第１ヒータ
４８      第２ヒータ
５０      温水製造装置
５２      制御ボックス
５４      インバータ
６３      第１固定部材
６３ａ      挿通穴
８２      集電体
９７      支持体
９８      燃料極層
９９      反応抑制層
１００      固体電解質層
１０１      空気極層
１０２      インターコネクタ層
１０３ａ      電極層
１０３ｂ      電極層
１０４ａ      リード膜層
１２０      改質器
１４０      蒸発器
２０１      固体酸化物形燃料電池装置（ＳＯＦＣモジュール）
２０２      モジュール容器
２０３      発電部
２０４      燃料マニホールド
２０５      燃料電池セル
２０５ａ      発電素子部
２０５ｂ      非発電素子部
２０５ｃ      セルチューブ端部
２０６      排気ガスマニホールド
２０７      燃焼部
２０８      改質部
２０９      燃料ガス供給管
２１０      原料供給管（混合ガス供給管）
２１１      酸素含有ガス供給管
２１２      燃焼排ガス排出管
２１３ａ      集電体
２１３ｂ      集電体
２１４ａ      導電性接着剤
２１４ｂ      改質機能部材
２１５ａ      絶縁性接着剤
２１５ｂ      絶縁性接着剤
２１６      電流取り出し部
４０１      支持体
４０２      電極層
４０３      接着剤
４０３ａ      バインダー成分
４０３ｂ      固体粉末
４０４      改質機能部材
４０５      集電体
４０６      取付孔
４０６ａ      弾性片
４０６ｂ      仮想線
４０６ｃ      仮想線
５００      燃料電池セル
５０１      多孔質支持体
５０２      燃料極を構成する層
５０３      改質機能部材
５０４      弾性片
５０５      集電部材
【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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