(57)【要約】【課題】単セルの数にかかわらず、スタックされた複数の単セルを収納可能で、しかも、単セルの取り外しを容易に行うことのできる単室型固体酸化物形燃料電池のスタック用治具、これを用いた単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造、及びその使用方法を提供する。【解決手段】本発明は、複数の単室型固体酸化物形燃料電池の単セルを有するスタック体が装着されるスタック用治具であって、基台１と、基台１との間にスタック体を挟持する移動部材２と、基台１及び移動部材２の両側に配置され、移動部材２を基台１に対して接離可能にガイドする一対のガイド部材３と、移動部材２をガイド部材３の任意の位置に固定するスライド用ネジ５と、備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単室型固体酸化物形燃料電池の単セルを有するスタック体が装着されるスタック用治具であって、
基台と、
前記基台との間にスタック体を挟持する移動部材と、
前記基台及び移動部材の両側に配置され、前記移動部材を前記基台に対して接離可能にガイドする一対のガイド部材と、
前記移動部材を前記ガイド部材の任意の位置に固定する移動部材用固定手段と、
を備えている、単室型固体酸化物形燃料電池のスタック用治具。
【請求項２】
前記ガイド部材には、スリットが形成されており、
前記移動部材は、前記スリットに沿ってスライド可能な突起部を備えている、請求項１に記載の単室型固体酸化物形燃料電池のスタック用治具。
【請求項３】
前記移動部材を前記基台側に向けて押圧する押圧手段をさらに備えている、請求項１または２に記載の単室型固体酸化物形燃料電池のスタック用治具。
【請求項４】
前記押圧手段は、
前記移動部材を挟んで前記基台とは反対側に配置され、前記ガイド部材によって前記基台に対して接離可能に支持された支持部材と、
前記支持部材を前記ガイド部材の任意の位置に固定する支持部材用固定手段と、
前記支持部材に支持され、前記移動部材に対して進退可能な押圧部材と
を備えている、請求項３に記載の単室型固体酸化物形燃料電池のスタック用治具。
【請求項５】
前記基台と移動部材との間に配置され、スタック体を挟持する導電性の一対の挟持部材をさらに備えており、
前記挟持部材は、基部と、前記基部から突出しスタック体と前記基部との間に隙間を形成するスペーサと、前記基部に設けられ導線を接続可能な突出部とを備えており、
前記基台及び移動部材には、前記突出部を挿入可能な貫通孔が形成されている、請求項１から４のいずれかに記載の単室型固体酸化物形燃料電池のスタック用治具。
【請求項６】
スタック体において単セル間に配置され、これらを直列に接続する導電性の接続部材をさらに備えており、
前記接続部材は、基部と、当該基部から隣接する各単セル側に突出し、当該単セルとの間に隙間を形成するスペーサとを備えている、請求項１から５のいずれかに記載の単室型固体酸化物形燃料電池のスタック用治具。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載のスタック用治具と、
複数の単室型固体酸化物形燃料電池の単セルを有するスタック体と、
を備えている、単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
【請求項８】
前記スタック体においては、前記複数の単セルが有機系の接着剤によって接続されている、請求項7に記載の単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
【請求項９】
請求項１から６のいずれかに記載のスタック用治具を準備するステップと、
複数の単室型固体酸化物形燃料電池の単セルを接続したスタック体を形成するステップと、
前記スタック体を前記スタック用治具に装着するステップと、
前記スタック体を装着したスタック用治具に酸化剤ガス及び燃料ガスの混合ガスを供給することで発電するステップと、
を備えている単室型固体酸化物形燃料電池のスタック用治具の使用方法。
【請求項１０】
前記スタック体を形成するステップでは、複数の単セルを有機系接着剤で接続する、請求項９に記載の単室型固体酸化物形燃料電池のスタック用治具の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、いわゆる単室型の単室型固体酸化物形燃料電池をスタックするスタック用治具及びこれを備えた単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料ガス及び酸化剤ガスを混合して供給することでセパレータやガスシール材を必要とせず、ガス供給ラインの簡略化ができ、簡単なシステム構造を実現できる単室型ＳＯＦＣが提案されている。この単室型ＳＯＦＣで採用される燃料電池としては、燃料極と空気極の２つの電極が、燃料ガスと酸化剤ガスとの混合ガスにさらされながらも、ガス選択性を持ち、それらの間に電圧が発生する特徴がある。
【０００３】
例えば、特許文献１には、次のような単室型の燃料電池が記載されている。この電池では、板状電解質の両面それぞれに燃料極と空気極を形成した単セルを複数枚積層することで直列に接続し、これを容器に収容しガラスシールなどで固定している。そして、燃料極及び空気極には、ガスが通過する流路が形成されるとともに、電解質には、一方の電極の流路を通過してきたガスを他方の電極の流路へと流すための貫通孔がその周縁部に形成されている。そして、容器の一端部に形成された供給口から供給された混合ガスは、複数の単セルを通過して、容器の他端部に形成された排出口から排出される。その過程において、混合ガスは、一方の電極の流路から電極内に進入し、電解質の貫通孔を介して他方の電極の流路へ流れることで、両電極と接触し発電を行う。
【特許文献１】特許第３５３０８３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記燃料電池では、複数の単セルをスタックし、容器内に収容しているが、容器の大きさが決まっているため、収容できる単セルの数が制限されるという問題がある。そのため、所望の出力を得られないことがある。また、単セルと容器とはガラスシールで接着されているため、単セルの取り外しが困難であるという問題もある。
【０００５】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、単セルの数にかかわらず、スタックされた複数の単セルを収納可能で、しかも、単セルの取り外しを容易に行うことのできる単室型固体酸化物形燃料電池のスタック用治具、これを用いた単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造、及びその使用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】
【０００６】
本発明は、複数の単室型固体酸化物形燃料電池の単セルを有するスタック体が装着されるスタック用治具であって、上記問題を解決するためになされたものであり、基台と、前記基台との間にスタック体を挟持する移動部材と、前記基台及び移動部材の両側に配置され、前記移動部材を前記基台に対して接離可能にガイドする一対のガイド部材と、前記移動部材を前記ガイド部材の任意の位置に固定する移動部材用固定手段と、を備えている。
【０００７】
この構成によれば、移動可能な移動部材と、基台とを備えているため、基台と移動部材との距離を調整することができる。すなわち、スタック体の厚さに合わせて、移動部材を基台に対して近接離間させることができるため、スタック体の厚さ、つまり単セルの数にかかわらず、基台と移動部材との間にスタック体を挟持することができる。このため、単セル性能や必要とされる出力に合わせて、単セル数の調整が可能で、所望の出力を取り出すことができる。また、固定手段による移動部材の固定を解除すれば、スタック体を簡単に取り外すことができるため、単セルの交換を容易に行うことができる。
【０００８】
上記スタック用治具は、例えば、ガイド部材にスリットを形成するとともに、移動部材にスリットに沿ってスライド可能な突起部を設けるように構成することができる。
【０００９】
また、上記スタック用治具においては、移動部材を基台側に向けて押圧する押圧手段をさらに設けることが好ましい。このようにすると、移動部材からスタック体への押圧力を大きくすることができるため、スタック体をさらに確実に挟持することができる。押圧手段は、例えば、移動部材を挟んで基台とは反対側に配置され、ガイド部材によって基台に対して接離可能に支持された支持部材と、この支持部材をガイド部材の任意の位置に固定する支持部材用固定手段と、支持部材に支持され、移動部材に対して進退可能な押圧部材とで構成することができる。この構成によれば、押圧部材を前進させて移動部材を押圧することで、移動部材に押圧力を付与することができる。
【００１０】
また、基台と移動部材との間に配置され、スタック体を挟持する導電性の一対の挟持部材をさらに設けることもできる。このとき、挟持部材を、基部と、この基部から突出しスタック体と基部との間に隙間を形成するスペーサと、基部に設けられ導線を接続可能な突出部とで構成するとともに、基台及び移動部材に、突出部を挿入可能な貫通孔を形成することが好ましい。この構成によれば、挟持部材にスペーサが設けられているため、単セルとの間に隙間を形成することができる。そのため、この隙間に燃料ガスを供給することができ、確実に発電を行うことができる。また、基台及び移動部材に貫通孔を設け、この貫通孔に挟持部材の突出部を挿入可能にすることで、スタック体を装着する際の位置決めが容易になり、しかも導線の接続が容易になる。
【００１１】
また、スタック体において単セル間に配置され、これらを直列に接続する導電性の接続部材をさらに設けることが好ましい。この接続部材は、基部と、当該基部から隣接する各単セル側に突出し、当該単セルとの間に隙間を形成するスペーサとを備えるように構成することができる。これにより、接続部材と各単セルとの間に隙間を形成することができるため、この隙間に燃料ガス及び酸化剤ガスを供給することができる。その結果、発電を確実に行うことができる。
【００１２】
また、本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池のスタック構造は、上記問題を解決するためになされたものであり、上述したスタック用治具と、複数の単室型固体酸化物形燃料電池の単セルを有するスタック体と、を備えている。
【００１３】
この構成によれば、次の効果を得ることができる。つまり、一般的に固体酸化物形燃料電池では、高温（４００〜１０００℃）で燃料ガスと酸化剤ガスを分離してのガスをのガスを供給することで、発電を行う。そのため、シールにはガラスシールが通常用いられる。しかし、スタック中の単セルを交換する際にはスタック体自体を破壊する必要があり、簡単に交換することが出来ないという問題がある。上これに対し、本発明では、スタック体が、基台と移動部材との挟持力のみによって支持されるため、移動部材の固定を解除するだけで、スタック体を簡単に取り外すことができる。したがって、スタック体が破損した場合、簡単に交換することができる。
【００１４】
なお、ここで用いられるスタック体においては、複数の単セルを予め有機系の接着剤によって接続することができる。このようにしておけば、スタック体を治具に装着する際に、スタック体が分解して単セルがバラバラになることを防止することができる。そして、発電の際には、発電時の高温化よって接着剤が焼失するため、上記のようにスタック体は、基台と移動部材との挟持力のみによって固定される。したがって、スタック体における単セル同士は固定されていないため、スタック体を治具から取り外したときに、一部の単セルの交換が容易になる。
【００１５】
また、本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池のスタック用治具の使用方法は、上記問題を解決するためになされたものであり、上述したスタック用治具を準備するステップと、複数の単室型固体酸化物形燃料電池の単セルを接続したスタック体を形成するステップと、前記スタック体を前記スタック用治具に装着するステップと、前記スタック体を装着したスタック用治具に酸化剤ガス及び燃料ガスの混合ガスを供給することで発電するステップと、を備えている。また、スタック体を形成するステップでは、複数の単セルを有機系接着剤で接続することができる。上記のように発電を行う際に、単セルが故障した場合には、上記治具を用いることで、スタック体を治具から容易に取り外すことができ、故障した単セルの交換を簡単に行うことができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、単セルの数にかかわらず、スタックされた複数の単セルを収納可能で、しかも、単セルの取り外しを容易に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る単室型固体酸化物形燃料電池のスタック用治具の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本実施形態に係るスタック用治具の正面図、図２は図１の側面図である。
【００１８】
このスタック用治具は、単室型固体酸化物形燃料電池の単セルを直列に接続したスタック体を装着するものであり、図１に示すように、スタック体を載置する矩形板状の基台１と、この基台１と間隔をおいて上方に配置された移動部材２とを備えており、基台１と移動部材２の両側には、これらを連結する一対のガイド部材３が取り付けられている。基台１と各ガイド部材３とは固定ネジ４によって２箇所で固定されている。つまり、各ガイド部材３の下端付近を貫通した固定ネジ４が基台１の側面に螺合している。
【００１９】
図２に示すように、各ガイド部材３において、固定ネジ４より上方には、上下方向に延びる２つのスリット３１が平行に形成されている。そして、各スリット３１には、スライド用ネジ５が挿通され、移動部材２の側面に螺合している。これにより、移動部材２は、スリット３１に沿って上下動可能であるとともに、スライド用ネジ５を強くねじ込むと、移動部材２とガイド部材３とを固定することができる。つまり、移動部材２をガイド部材３の任意の位置に固定することができる。なお、上記スライド用ネジが本発明の移動部材用固定手段及び突起に相当する。
【００２０】
図３は、基台の平面図及び断面図である。同図に示すように、基台１の中心には矩形状の貫通孔１１が形成されている。この貫通孔１１の内壁面には上面側に露出する段部１２が形成されており、基台１の上面側の開口が下面側の開口よりも大きくなっている。また、移動部材２も同様の貫通孔２１を有しているが、下面側の開口が上面側の開口よりも大きくなっており、段部２２が基台１側を臨むように構成されている（図１参照）。このように形成された治具は、耐熱性及び絶縁性を有する材料で形成される。特に、固体酸化物形燃料電池は、５００℃以上で運転するため、空気中での安定的な運転には耐熱性が必要となる。したがって、耐熱性及び絶縁性を有する材料として、例えば、アルミナを用いることができる。
【００２１】
次に、スタック体について説明する。図４は、スタック体の断面図である。同図に示すように、このスタック体は、２つの単セルＣを接続部材６によって直列に接続するとともに、これらを一対の狭持部材７で狭持することで構成されている。両単セルＣを接続する接続部材６は、正面視Ｈ型に形成され、矩形板状の基部６１と、その上下の面の両端に沿って延びる棒状のスペーサ６２とで構成されている。そして、各単セルＣと接続部材６とは、スペーサ６２が当接することで接続され、基部６１と単セルＣとの間には隙間が形成される。こうして接続された単セルＣは、上下から狭持部材７によって挟持される。各挟持部材７は、矩形板状の基部７１と、この基部７１の一方の面の両端に沿って延びる棒状のスペーサ７２とを備えており、基部７１の他方の面の中央には、小孔７３１が形成された突出部７３が設けられている。この構成により、単セルＣと各狭持部材７とは、スペーサ７２が当接することで接続され、基部７１と単セルＣとの間には隙間が形成される。なお、各狭持部材７は、上述した基台１または移動部材２の段部１２，２２と係合し、突出部７３が貫通孔１１，２１から突出するような大きさに形成されている。また、挟持部材７及び接続部材６は、導電性の材料で形成され、例えば、ステンレス系耐熱材料等の耐熱性金属で形成することができる。なお、上記治具と同様に、これらの部材も耐熱性が要求されるため、ステンレス系耐熱材料以外に、オーステナイト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、インコネルやハステロイなどのニッケル基の耐熱合金などを用いることができる。
【００２２】
続いて、ここでスタックされる単セルＣについて説明する。図５は、単セルの断面図である。同図に示すように、各単セルＣは、板状電解質１０の両面に燃料極２０及び空気極３０がそれぞれ形成されることで構成されている。電解質１０、燃料極２０および空気極３０は、単室型固体酸化物形燃料電池として通常用いられる公知の材料で形成することができる。
【００２３】
次に、上記スタック用治具の使用方法について説明する。はじめに、スタック体を作製する。スタック体は、まず２つの単セルＣを接着剤によって接続部材６のスペーサ６２に接着する。このとき、単セルＣを直列に接続するため、一方の単セルＣは燃料極２０と接続部材６とを接続し、他方の単セルＣは空気極３０と接続部材６とを接続する。続いて、各単セルＣの接続部材６とは反対側の面に、狭持部材７のスペーサ７２をそれぞれ接着剤により接続する。なお、ここで用いられる接着剤は、熱によって昇華するものであり、例えば、エポキシ系等の有機系接着剤とすることができる。有機系接着剤としては、このほか、エポキシ系、アクリル系、ポリエステル系、ポリウレタン系、酢酸ビニル系、ポリビニルアルコ−ル系、ユリア系、フェノ−ル系、メラミン系、レゾルジノ−ル系、セルロ−ス系、ポリオレフィン系、ポリアミド系等を用いることができる。こうして、作製されたスタック体を以下のように治具に取り付ける。
【００２４】
まず、スタック体を基台１と移動部材２との間に挿入し、一方の狭持部材７を基台１の貫通孔１１の段部１２に係合させるとともに、突出部７３が貫通孔１１から突出するように配置する。次に、移動部材２を他方の狭持部材７と当接する位置まで下降させ、この狭持部材７を移動部材２の貫通孔２１の段部２２に係合させるとともに、突出部７３を貫通孔２１から上方へ突出させる。続いて、移動部材２のスライド用ネジ５を締め付け、移動部材２をガイド部材３に固定する。これにより、図６に示すように、スタック体は、基台１と移動部材２との間に狭持された状態となる。これに続いて、基台１及び移動部材２から突出した各狭持部材７の突出部７３に導線Ｌを接続する。
【００２５】
こうして組み立てられた燃料電池は、次のように発電が行われる。まず、水素、又はメタン、エタンなどの炭化水素からなる燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとの混合ガスを高温の状態（例えば、４００〜１０００℃）で供給する。ここで、各単セルＣと接続部材６及び挟持部材７との間には、隙間が形成されているため、混合ガスは、この隙間から各単セルの燃料極２０および空気極３０に接触する。こうして、燃料極２０及び空気極３０がそれぞれ混合ガスと接触するため、各単セルＣにおける燃料極２０と空気極３０との間で、電解質１０を介した酸素イオン伝導が起こり、発電が行われる。
【００２６】
このように、発電が行われる過程では、電池が高温で運転されるため、スタック体で用いられている接着剤は焼失する。そのため、スタック体は、基台１と移動部材２による挟持のみで治具に固定されることになる。したがって、いずれかの単セルＣが破損した場合には、移動部材２の固定を解除し、上方へ移動させた後、スタック体を取り外し、そこから破損した単セルＣのみを取り外して交換する。
【００２７】
以上のように、本実施形態によれば、移動可能な移動部材２と、基台１とを備えているため、基台１と移動部材２との距離を調整することができる。すなわち、スタック体の厚さに合わせて、移動部材２を基台１に対して近接離間させることができるため、スタック体の厚さ、つまり単セルの数にかかわらず、スタック体を装着することができる。また、スライド用ネジ５による移動部材２の固定を解除すれば、スタック体を簡単に取り外すことができるため、単セルＣの交換を容易に行うことができる。
【００２８】
特に、単セルＣを接続するのに用いられる接着剤が有機系接着剤であるので、高温の（４００〜１０００℃）の発電時には、これを焼失させることができる。そのため、スタック体を治具から取り外したときに、このスタック体から一部の単セルのみを取り外して交換することができる。
【００２９】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。例えば、治具を図７に示すように構成することができる。同図に示すように、この例では、移動部材２を挟んで基台１とは反対側に矩形板状の支持部材８を配置している。この支持部材８は、移動部材２と同様に、両側にネジ（支持部材用固定手段）９が取り付けられている。このネジ９は、ガイド部材３のスリット３１にスライド可能に挿入されており、支持部材８は移動部材２と同様に上下方向にスライド可能になっている。また、ネジ９を強くねじ込むことで、支持部材８をガイド部材３に固定することも可能である。さらに、この支持部材８には、上下の面に貫通する４つのネジ穴８１が形成されており（図７では２個のみ表示）、各ネジ穴８１に押圧用のネジ（押圧部材）８２が螺合している。
【００３０】
以上のように構成された治具は、次のように使用される。つまり、移動部材２を固定した後、これと近接する位置にネジ９によって支持部材８を固定する。続いて、押圧用のネジ８２をねじ込み、移動部材２側に前進させて、移動部材２を押圧する。これにより、移動部材２にさらなる押圧力が付与されるため、スタック体１を確実に挟持することができる。
【００３１】
また、この治具に装着可能な単セルは上記実施形態に限定されるものではなく、供給されたガスに接触可能なものであれば特には限定されない。その例を図７に示す。図８（ａ）の単セルは、板状の燃料極３０の一方の面に、電解質１０及び空気極２０を薄膜状に順に形成したものである。ここで、板状の空気極３０を準備し、その上に薄膜状の電解質１０及び燃料極２０を形成することもできる。また、図８（ｂ）に示す単セルは、導電性の多孔質基板１００の一方面に、燃料極３０、電解質１０、空気極２０をこの順で薄膜状に形成したものである。このときに、図７（ｃ）に示すように、多孔質基板１００の他方面にも空気極２０、電解質１０、燃料極３０を形成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明にスタック用治具の一実施形態を示す断面図である。
【図２】図１の側面図である。
【図３】図１の基台の断面図である。
【図４】図１の治具に取り付けられるスタック体の断面図である。
【図５】単セルの断面図である。
【図６】スタック体が取り付けられた治具を示す断面図である。
【図７】図１のスタック用治具の変形例である。
【図８】単セルの例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
１      基台
２      移動部材
３      ガイド部材
３１    スリット
５      スライド用ネジ（移動部材用固定手段）
８      支持部材
８２    押圧用ネジ（押圧部材）
９      ネジ（支持部材用固定手段）
【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】
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【図８】
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