(57)【要約】【課題】固体酸化物形燃料電池において、バンドルとバンドルの間、およびバンドルとセル容器の間に隙間が生じ、バイパス流が発生するのを抑制する。【解決手段】セル容器を二重構造とし、内側壁と外側壁の間に高温でも圧縮性を有する高温圧縮材料を圧縮した状態で配置する。好ましくは内側壁と集電体との間にも同様の高温圧縮材料を圧縮した状態で配置する。高温圧縮材料により容器全体に押し圧が加わので、バンドルとバンドルの間、およびバンドルとセル容器の間に隙間が生じにくくなり、バイパス流が発生しにくくなる。また、容器がゆがむのを防止できる。【選択図】図１
2008234911.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物形燃料電池セルを複数結合し一体化してバンドルを構成し、このバンドルを複数個並べてセル容器に収納し、セル周囲に電池反応ガスを流すようにした固体酸化物形燃料電池において、前記セル容器を内側壁と外側壁よりなる二重構造にし、前記内側壁と前記外側壁との間に高温の電池運転温度においても圧縮性を有する圧縮性材料を圧縮した状態で配置したことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記セル容器の内側壁をセルと同等或いはほぼ同等の熱膨張率を有する材料にて構成したことを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記セル容器の外側壁を前記セルの上下に配置される機器の構成材料にて形成したことを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
前記セルが円筒形のセル管よりなることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
固体酸化物形燃料電池セルを複数結合し一体化してバンドルを構成し、このバンドルを複数個並べてセル容器に収納し、セル周囲に電池反応ガスを流すようにした固体酸化物形燃料電池において、前記セル容器を内側壁と外側壁よりなる二重構造にし、前記内側壁と前記外側壁との間に高温の電池運転温度においても圧縮性を有する圧縮性材料を圧縮した状態で配置し、さらに前記内側壁と前記バンドルとの間に電池運転温度においても圧縮性を有する圧縮性材料を圧縮した状態で配置したことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項６】
前記セル容器の内側壁をセルと同等或いはほぼ同等の熱膨張率を有する材料にて構成したことを特徴とする請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項７】
前記セル容器の外側壁を前記セルの上下に配置される機器の構成材料にて形成したことを特徴とする請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項８】
前記セルが円筒形のセル管よりなることを特徴とする請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池。
【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に関する。
【背景技術】
【０００２】
高温で運転される燃料電池の一種である固体酸化物形燃料電池は、電池を構成する基本単位であるセルを複数結合して一体化し、更にそれを複数並べてセル容器に収納した構造で使用される。
【０００３】
セル管を複数結合して一体化したものをバンドルと称する。このバンドルを複数個並べてセル容器に収納し、所定の運転温度に上げて、容器内にアノードガス又はカソードガスよりなる電池反応ガスを流し、セル管の内側には容器内へ流す電池反応ガスとは対極のガスを流すことにより発電反応を生じさせる。
【０００４】
セル管は内側と外側に電極が形成され、それらの間の障壁が電解質になっている。セル管としては、内側の電極を燃料極（アノード）とし、外側の電極を空気極（カソード）とするタイプと、その反対に内側の電極を空気極とし、外側の電極を燃料極とするタイプとがある。
【０００５】
バンドルは通常、セル容器内において一方向へ電流が流れるように配置され、バンドル間に電流が流れるように電気導電性を確保する必要がある。
【０００６】
セル管及びバンドルの構成材料はセラミックスが主成分であり、金属材料に対して熱膨張係数が小さい。一方、バンドルを収納する容器は、強度やコストを考慮して金属材料が使われる。このため、高温の電池運転温度においては、バンドルと容器の間に隙間ができてしまい、バンドル間の接触が離れ、電流が流れなくなる恐れがある。
【０００７】
バンドルとバンドルの間、及び、バンドルと容器の間に隙間が生じると、電池反応ガスがその隙間を流れ、電池反応に寄与せずに通過してしまう。このため、電池反応に必要なガス量をセルへ与えることができない状態となり、電池性能の低下、発電効率の低下を招く。このような電池反応に寄与せずに通過してしまうガス流れのことをバイパス流と称している
バンドルとバンドルの間、及び、バンドルと容器の間に隙間が生じるのを防止して、バンドル間の電気導電性を確保するために、バンドルに対して外側から押し圧を加えることが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−１０７８１３号公報（要約）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１には、締付バネ等の押し機構により容器側壁に締付け力を加えることが記載されている。この方式では、押し付け部分に関してはバンドルとバンドルとの間、バンドルと容器との間に押し圧が生じており、電気導電性の確保とバイパス流防止ができる。しかし、押し付け部を外れた位置では、押し圧は小さいか或いは全くない状態となり、電気導電性の確保とバイパス流防止が困難である。
【００１０】
また、締め付けバネによる押し機構では、容器側壁が波打ったようにゆがむため、押し付けている点と点との間では、逆に隙間が生じるおそれがある。この問題は、締め付ける点の数を増やすことにより、ある程度は改善できるが、限界があり、又、構造が複雑になりすぎる。
【００１１】
本発明の目的は、バンドルとバンドルの間及びバンドルと容器の間に隙間が生じ、バイパス流が生ずるのを抑制した固体酸化物形燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、固体酸化物形燃料電池セルを複数結合し一体化してバンドルを構成し、このバンドルを複数個並べてセル容器に収納し、セル周囲に電池反応ガスを流すようにした固体酸化物形燃料電池において、前記セル容器を内側壁と外側壁よりなる二重構造にし、前記内側壁と前記外側壁との間に高温の電池運転温度においても圧縮性を有する圧縮性材料を圧縮した状態で配置したことを特徴とする。
【００１３】
また、セル容器を内側壁と外側壁よりなる二重構造にし、それらの間に高温の電池運転温度においても圧縮性を有する圧縮性材料を圧縮した状態で配置するとともに、内側壁とバンドルとの間にも同様の圧縮性材料を圧縮した状態で配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、内側壁と外側壁との間、更には内側壁とバンドルとの間に配置された、高温の電池運転温度においても圧縮性を有する圧縮材料により、バンドルへ一様な押し圧を加えることができるので、バイパス流を防止できる。また、内側壁と外側壁の全体に圧縮材料による押し圧が加わるので、容器側壁がゆがむのを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明において、セル容器の内側壁材料には、セルと同等或いはほぼ同等の熱膨張率を有する材料を使用し、熱膨張率の違いによってバンドルと容器の間に隙間が生じるのを抑制することが望ましい。内側壁材料の熱膨張率は、セルの熱膨張率に対して±１０％以内とするのが良い。
【００１６】
本発明では、セル容器の外側壁と内側壁の間に配置された圧縮材料により、内側壁及びバンドルに押し圧が加えられ、隙間が発生しにくくなっていることから、外側壁の材料にはセルに比べて熱膨張率が高い材料を使用することが可能である。外側壁材料としてセル周囲に配置されるガスヘッダや排ガス燃焼室の構成材料と同じ材料を用いるようにすれば、溶接構造等により一体化することが可能になり製作が容易になる。また、内部から外部へのガスリークを防止することができる。
【００１７】
以下、円筒形のセル管よりなり、管の内側をカソードとし、外側をアノードとし、その間の障壁を電解質とするものを例にとって、本発明の実施形態を説明する。ただし、本発明は、以下の例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００１８】
図１は本発明の固体酸化物形燃料電池を示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は立面図である。セル管１は円筒形のセルであり、これを２並列×６直列＝１２本で一体化したものがバンドル２である。バンドルとバンドルとの間には集電板３が配置され、これらに所定の押し圧を加えることにより電気導電性を確保する。これらの周囲に内壁として内側シールスキン９を配置する。内側シールスキン９は、バンドル全体の側面を覆う形となっている。そして、内側シールスキン９とバンドルとの間に高温圧縮材８を配置する。この高温圧縮材６は、バンドル２と集電板３とが接触する方向に配置する。高温圧縮材８は、バンドル２と集電板３との電気導電性を確保するのに十分な押し圧が与えられるように、必要な量だけ圧縮させた状態で配置する。
【００１９】
更に、内側シールスキン９の周囲に外壁として外側シールスキン１０を配置する。そして、内側シールスキン９と外側シールスキン１０との間に高温圧縮材８を配置する。通常は、外側シールスキン１０の材料の方が内側シールスキン９の材料より熱膨張率が大きいため、高温の運転温度９００℃程度においては、熱膨張差により、内側シールスキン９と外側シールスキン１０との間に隙間が生じる。この隙間以上膨らむように高温圧縮材８を圧縮した状態で内壁と外壁の間に配置する。
【００２０】
図１の燃料電池は、セル管、バンドルの周囲に高温圧縮材を配置し、それを所定の厚みに圧縮した状態でその周囲に内壁を施工する段階と、内壁の外周に高温圧縮材を配置し、それを所定の厚みに圧縮した状態でその周囲に外壁を施工する段階、及び外壁をその周囲の部材と溶接等により接合して一体化する段階を経て施工することができる。
【００２１】
固体酸化物形燃料電池には、一般的に、電池反応ガスであるアノードガスとカソードガスを供給するためのガスヘッダや、未反応の電池反応ガスを混合燃焼させる排ガス燃焼室が付帯する。
【００２２】
図１は、それらの付帯設備を備えた電池構造を示している。また、セル管外壁をアノードとし、セル管内壁をカソードとする場合の構成を示している。セル管外壁へアノードガスを流すために、下部にアノードガスヘッダ４が配置されている。また、セル管内壁へカソードガスを流すために、上部にカソードガスヘッダ５とカソードガス導入管６が配置されている。未反応の電池反応ガスは、上部の排ガス燃焼室７で混合燃焼し、外部へ排出される。
【００２３】
ガスヘッダや排ガス燃焼室およびガス導入管などの材料には、強度確保とコスト面から一般的にＳＵＳ系の材料が使用される。そこで、外側シールスキン１０の材料としてもＳＵＳ系の材料を使用し、溶接構造等にして一体化することが望ましい。これにより、電池反応ガスが外部へリークするのを防止することができる。
【００２４】
一方、セル管１およびバンドル２の材料には、一般的にセラミックス系材料が使用される。したがって、内側シールスキン９には、セル管やバンドルの材料と同等の熱膨張率を有する材料を用いることが好ましく、特に容器に加工しやすいことや溶接し易いことから金属材料を用いることが好ましい。
【００２５】
図２は、比較のために、締め付けバネによる押し機構を有する従来の固体酸化物形燃料電池を示している。（ａ）は平面図であり、（ｂ）は立面図である。ここでは、押し機構として締め付けバネ１１と締め付け治具１２を備えている。この構造の燃料電池には、背景技術で述べたようにバイパス流が生じる問題がある。
【００２６】
なお、本発明においても、このような締め付けバネによる押し機構を併用することは可能であり、バイパス流防止効果を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施例による固体酸化物形燃料電池の構成図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は立面図である。
【図２】締め付けバネによる押し機構を有する従来の固体酸化物形燃料電池の構成図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は立面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１…セル管、２…バンドル、３…集電板、４…アノードガスヘッダ、５…カソードガスヘッダ、６…カソードガス導入管、７…排ガス燃焼室、８…高温圧縮材、９…内側シールスキン、１０…外側シールスキン、１１…締め付けバネ、１２…締め付け治具。
【図１】
2008234911.tif 000003
【図２】
2008234911.tif 000004