(57)【要約】【課題】熱膨張差や熱負荷サイクルに耐えうる信頼性の高い安全な筒状固体酸化物形燃料電池を提供する。【解決手段】少なくとも空気極と電解質と燃料極を有する筒状固体酸化物形燃料電池セルの複数が、これらの筒状固体酸化物形燃料電池セルの長手方向に沿って配置された導電性部材によって電気的に接続された筒状固体酸化物形燃料電池セルの集合体において、前記筒状固体酸化物形燃料電池セルの長手方向の少なくとも一部において前記集合体を囲む保持枠と、夫々この保持枠を基準面として、前記筒状固体酸化物形燃料電池セルの中心線上でこの筒状固体酸化物形燃料電池セル同士を押圧する第１の押圧手段と、この第１の押圧手段と直交する方向に前記筒状固体酸化物形燃料電池セル同士を押圧する第２の押圧手段と、を有することを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも空気極と電解質と燃料極を有する筒状固体酸化物形燃料電池セルの複数が、これらの筒状固体酸化物形燃料電池セルの長手方向に沿って配置された導電性部材によって電気的に接続された筒状固体酸化物形燃料電池セルの集合体において、前記筒状固体酸化物形燃料電池セルの長手方向の少なくとも一部において前記集合体を囲む保持枠と、夫々この保持枠を基準面として、前記筒状固体酸化物形燃料電池セルの中心線上でこの筒状固体酸化物形燃料電池セル同士を押圧する第１の押圧手段と、この第１の押圧手段と直交する方向に前記筒状固体酸化物形燃料電池セル同士を押圧する第２の押圧手段と、を有することを特徴とする筒状固体酸化物形燃料電池セルの集合体。
【請求項２】
前記保持枠が、前記固体酸化物形燃料電池セル間に前記導電性部材が配置された部位に位置しており、前記集合体の外周における前記固体酸化物形燃料電池セルには導電性部材が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の筒状固体酸化物形燃料電池セルの集合体。
【請求項３】
前記保持枠が、前記固体酸化物形燃料電池セル間の前記導電性部材の未配置部位に位置しており、前記集合体内部の複数の前記筒状固体酸化物形燃料電池セルの間と、前記集合体の表面とに、緩衝材が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の筒状固体酸化物形燃料電池セルの集合体。
【請求項４】
前記第１および第２の押圧手段は圧縮バネであり、この圧縮バネは、ニッケルを主成分とする金属板、金属板と金属繊維の複合体、セラミック、セラミックとセラミック繊維の複合体、のいずれか、あるいは、これらの複合体より形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の筒状固体酸化物形燃料電池セルの集合体。
【請求項５】
前記保持枠には、通気性を有する緩衝材を介して通気孔を有する分散板が一体で形成されており、この分散板によって前記集合体の自重を保持可能であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の筒状固体酸化物形燃料電池セルの集合体。
【請求項６】
前記集合体の前記筒状酸化物形燃料電池セルの長手方向に離れた位置に複数配置される保持枠と、前記集合体の下方端には通気性を有する緩衝材を介して通気孔を有する分散板とが配置されており、上方端よりこの複数の保持枠を貫通して前記分散板が、金属線、金属棒、セラミック棒等の接続体により接続されて構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の筒状固体酸化物形燃料電池セルの集合体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、筒状固体酸化物形燃料電池に関し、さらに詳しくは複数の筒状固体酸化物形燃料電池の単セルを組み合わせた筒状固体酸化物形燃料電池セルの集合体を形成するバンドル、モジュール構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、筒状固体酸化物形燃料電池は、複数の隣り合う固体酸化物形燃料電池セルの直列側をインタコネクタと燃料極、並列側を燃料極と燃料極でニッケルフェルトからなる導電性部材を配置し、所定の温度で熱処理して電気的に接続する集合体を形成してモジュールを構成することができる。このような筒状固体酸化物形燃料電池において、複数の筒状固体酸化物形燃料電池セルと導電性接続部材とを接続する集合体における外周の表面を基準となる壁面に圧縮バネを配置し、この集合体を一対の集電板で圧縮して各筒状固体酸化物形燃料電池セルと導電性部材とを電気的に接続する構造となっている。（特許文献１参照。）
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−２０３８５７号広報（２〜４頁、図１〜４）
【０００４】
しかしながら、従来の構成では、複数の筒状固体酸化物形燃料電池セルと導電性部材とを電気的に接続する集合体は、集電体における外周の表面より内部へ圧縮することにより、垂直方向に向い合う応力が内部へ発生すると共に、水平方向に外側に向かって互い反発する応力を発生し易い構造となっている。また、この集合体の構成で筒状固体酸化物形燃料電池を運転すると、筒状固体酸化物形燃料電池セルと導電性部材との各々の熱膨張により、この接続部に不均一な応力が発生し、集合体の内部において応力バランスがとれなくなる。また、集合体に起動・運転・停止を繰り返す熱負荷サイクルを与えると、接続部における接続不良が生じ易くなり、発電性能を維持することが難しい。また、集合体は、筒状固体酸化物形燃料電池セルと導電性部材とを配置して各々の接合面のみで一体化して形成されているため、接合面の接合強度が弱くハンドリングによる組立て、運搬等の取扱いによって接合面に剥離等を生じ易い。さらに、筒状固体酸化物形燃料電池を運転の際、集合体の内部で一部が故障を発生したとしても、機械的に故障した一部のみを修理することが困難なため、集合体を全体でメンテナンスが必要となる。このように、筒状固体酸化物形燃料電池の集合体の取扱いが大変困難なため、工業的な大量生産が難しいという大きな問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は以上のような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的とするところは筒状固体酸化物形燃料電池の起動、運転、停止の熱負荷サイクルによる導電性接続部の接続不良を防止し、集合体の取扱いを容易にすることで、ハンドリングによる組立て、運搬等の取扱い時の破損、接続不良を抑制し、メンテナンスを故障した一部ででき、工業的な大量生産を容易にできる信頼性の高い安全な筒状固体酸化物形燃料電池を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
以上のような課題を解決する請求項１の発明は、少なくとも空気極と電解質と燃料極を有する筒状固体酸化物形燃料電池セルの複数が、これらの筒状固体酸化物形燃料電池セルの長手方向に沿って配置された導電性部材によって電気的に接続された筒状固体酸化物形燃料電池セルの集合体において、前記筒状固体酸化物形燃料電池セルの長手方向の少なくとも一部において前記集合体を囲む保持枠と、夫々この保持枠を基準面として、前記筒状固体酸化物形燃料電池セルの中心線上でこの筒状固体酸化物形燃料電池セル同士を押圧する第１の押圧手段と、この第１の押圧手段と直交する方向に前記筒状固体酸化物形燃料電池セル同士を押圧する第２の押圧手段と、を有することを特徴とする。
【０００７】
このような圧縮手段を設けて垂直に向い合う応力を常にモジュールの内部へ与えることにより、起動・運転・停止の熱負荷サイクルで集合体における内部で熱膨張による不均一な応力が発生するのを抑えて筒状固体酸化物形燃料電池セルと導電性部材との接続部の表面が、剥離等の接続不良やセル破損することを防止できる。また、集合体の製作時、筒状固体酸化物形燃料電池セルと導電性部材との配置・位置決めが、固体酸化物形燃料電池セルの直列側と並列側の平面でそれぞれ圧縮固定して精度良く構成でき、集合体を拘束して固定維持できるため、ハンドリングによる集合体の組立て、運搬等の取扱いを容易にすることができる。よって、信頼性の高い安全な発電をすることが可能な固体酸化物形燃料電池の生産が容易にできる。
【０００８】
請求項２の発明は、前記保持枠が、前記固体酸化物形燃料電池セル間に前記導電性部材が配置された部位に位置しており、前記集合体の外周における前記固体酸化物形燃料電池セルには導電性部材が形成されていることを特徴とする。
【０００９】
これによって、熱負荷サイクルの前後においても、圧縮バネを有する保持枠の内面を基準とし、導電性部材を介して集合体の内部へ常に応力を与えることができるため、各固体酸化物形燃料電池セルと導電性部材の接続表面に不均一な応力を発生させず、この接続部の電気的な接続を維持し、集合体を拘束して固定維持を良好に行うことができる。
【００１０】
請求項３の発明は、前記保持枠が、前記固体酸化物形燃料電池セル間の前記導電性部材の未配置部位に位置しており、前記集合体内部の複数の前記筒状固体酸化物形燃料電池セルの間と、前記集合体の表面とに、緩衝材が形成されていることを特徴とする。
【００１１】
これによって、熱負荷サイクルの前後においても、圧縮バネを有する保持枠の内面を基準とし、緩衝材を介して集合体の内部へ応力を与えることができるため、各固体酸化物形燃料電池セルと導電性部材の接続表面に不均一な応力を発生させず、この接続部の電気的な接続を維持し、集合体を拘束して固定維持を良好に行うことができる。
【００１２】
請求項４の発明は、前記第１および第２の押圧手段は圧縮バネであり、この圧縮バネは、ニッケルを主成分とする金属板、金属板と金属繊維の複合体、セラミック、セラミックとセラミック繊維の複合体、のいずれか、あるいは、これらの複合体より形成されていることを特徴とする。
【００１３】
これによって、発電室内の水蒸気を含む還元雰囲気において安定であり、発電室の温度が約１，０００℃においても劣化を抑えることができ、集合体の内部における筒状固体物形燃料電池セルと導電性部材との接続部の電気的な接続および応力バランスを維持できる。
【００１４】
請求項５の発明は、前記保持枠には、通気性を有する緩衝材を介して通気孔を有する分散板が一体で形成されており、この分散板によって前記集合体の自重を保持可能であることを特徴とする。
【００１５】
これによって、集合体の下方で自重を支えて保持されるため、組立て、運搬等の取扱いがより容易にでき、さらに、集合体の単位で下方より分散板を介してガスを効率良く分散して各固体酸化物形燃料電池セルに供給することができる。
【００１６】
請求項６の発明は、前記集合体の前記筒状酸化物形燃料電池セルの長手方向に離れた位置に複数配置される保持枠と、前記集合体の下方端には通気性を有する緩衝材を介して通気孔を有する分散板とが配置されており、上方端よりこの複数の保持枠を貫通して前記分散板が、金属線、金属棒、セラミック棒等の接続体により接続されて構成されていることを特徴とする。
【００１７】
これによって、集合体の取扱い時、集合体の上方端より接続体を支持することにより、保持枠を貫通して集合体の下方端の分散板で集合体の重量を保持できるため、集合体と保持枠との間に発生する応力を軽減し、取扱いによる固体酸化物形燃料電池セルと導電性部材の接続不良、固体酸化物形燃料電池セルの破損等を防止できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照して具体的かつ詳細に説明を行う。
図１は、本発明の一実施例を示す筒状固体酸化物形燃料電池における集合体の外周における圧縮構成の断面図である。複数の片側先端が密封された筒状固体酸化形燃料電池セル（以下、燃料電池セルという）１の中心線上で直列側と並列側とを導電性部材２により電気的に接続する集合体に保持枠７が、集合体の外周における燃料電池セル１の導電性部材２に配置されている。また、集合体の圧縮構成が、直列方向では集電板３、集電配線４、圧縮板５、圧縮バネ６、保持枠７を、並列方向では圧縮板５、圧縮バネ６、保持枠７を、それぞれ向い合って１対で配置し、保持枠７の内面を基準として互いに直交して押圧する押圧手段が形成されている。このとき、他の押圧手段として圧縮バネ６を片側のみ配置し、保持枠７の内面を基準として互いに直交して押圧することもできる（図示せず）。また、集電板３、集電配線４はニッケルやコバルト等の金属で、圧縮板５は絶縁性を示すアルミナ、ジルコニア等のセラミックで形成することができる。
【００１９】
図２、図３は、本発明の一実施例に係わる保持枠７の構成例を示す概略図である。しかしながら、これらは一例であり、限定されるものではない。図２は、保持枠７が、保持板８と、保持板８へはめ込んで固定する保持板固定枠９とから一体で形成されている。図３は、保持枠７が、保持板８と、保持板８へはめ込んで固定する保持板固定ピン１０とから一体で形成されている。また、保持枠７は耐熱性ステンレス鋼やインコネル等の金属やアルミナ等のセラミックで形成することができる。
【００２０】
これによって、両者とも集合体の表面を圧縮板５と圧縮バネ６とを介して保持板８を一定量で圧縮することにより、燃料電池セル１の位置決めを行い、保持板固定枠９あるいは保持板固定ピン１０で集合体を拘束して固定維持することができる。このとき、圧縮板５と保持板５との間に、圧縮板５が集合体の表面に対して垂直に押圧する圧縮バネ６の圧縮ガイド（図示せず）を設けるとより効果的に集合体を圧縮することができる。
【００２１】
図４は、燃料電池セル１の概略図である。燃料電池セル１は、筒状の電解質１２の内面に空気極１１を、外面に燃料極１３が形成されており、空気極１１へ電気的に接続されたインターコネクタ１４が燃料極１３と通電せず電気的に接続される構造で形成されている。このとき、空気極１１は多孔質のＬａＣｏＯ３、ＬａＭｎＯ３、ＬａＦｅＯ３等のペロブスカイト型酸化物でＳｒやＣａ等をＬａサイトにドープしたもの、あるいはドープしないもの、またはそれらの複合材によりで形成されている。電解質１２は、ＹＳＺにより形成されている。燃料極１３は、多孔質のニッケルとＹＳＺのサーメットにより形成されている。インターコネクタ１４はＬａＣｒＯ３にＳｒやＣａ等をドープしたものにより形成されている。
【００２２】
次に、このように構成されたハンドリングが可能な集合体をバンドルとし、複数のバンドルが集電部材によって電気的に接続され、さらに、集電板３、圧縮板５、集電配線４、保持枠７から形成される集合体をモジュールとし、このようなバンドル、モジュールからなる構成される筒状固体酸化物形燃料電池の動作について簡単に説明を行う。モジュール内において、空気は、各燃料電池セル１の先端内部に流れて空気極８へ供給され、燃料ガスは、各燃料電池セル１の外側に流れて燃料極１０に供給されると、電解質９の両側で電気化学的反応が起こり、電気と熱と水を発生する。この反応は水の電気化学的反応の逆反応である。固体酸化物形燃料電池において、発電室内におけるモジュールの温度は約１，０００℃であり、起動・運転・停止の熱負荷サイクルがかかると、燃料電池セル１、導電性部材２、保持枠７との熱膨張率の差により、燃料電池セル１と導電性部材２との接続部の表面に不均一な応力が働こうとする。しかしながら、バンドル、モジュールにおいて、保持枠７の内面に圧縮バネ６が、直列側および並列側でそれぞれ１対の互いが垂直な応力を集電板３あるいは圧縮板５と導電性部材２とを介し、常に燃料電池セル１へ応力を与えることができる。このとき、圧縮バネ６による応力は、セラミックよりなる燃料電池セル１と導電性部材２の接続や燃料電池セル１の強度等を考慮し、圧縮バネ６の圧縮応力を約０．５〜５．０ｋｇ／ｃｍ２で形成することが好ましい。
【００２３】
これによって、起動・運転・停止の熱負荷サイクルがかかっても、集合体の外周における燃料電池セル１の導電性部材２の表面を介して常に安定な押圧がされているため、集合体の内部で熱膨張や収縮による不均一な応力が発生するのを抑えて応力バランスが保たれ、集合体の内部における燃料電池セル１と導電性部材２との電気的な接続不良や燃料電池セル１の破損を防止することができる。また、バンドル、モジュールの製作時、集合体における外周の燃料電池セル１の直列側と並列側の平面により、燃料電池セル１と導電性部材２との配置や位置決めを精度良く構成でき、圧縮固定して集合体の拘束をして固定維持することがバンドル単位で構成でき、複数のバンドルを電気的に接続する集電部材で接続することで容易にモジュールを構成できるため、固体酸化物形燃料電池のバンドル、モジュールの組立て、運搬等の取扱いを容易することができる。よって、信頼性の高い安全な発電をすることが可能な固体酸化物形燃料電池の工業的な生産が容易にできる。
【００２４】
圧縮バネ６は、ニッケルを主成分とする金属板、金属板と金属繊維の複合体、または、セラミック、セラミックとセラミック繊維の複合体、あるいは、いずれかの複合体より形成されていることが好ましい。
【００２５】
これによって、発電室内の水蒸気を含む還元雰囲気においても安定で、発電室の温度が約１，０００℃においても劣化を抑えることができ、集合体の内部における燃料電池セル１と導電性部材２との接続部の電気的な接続および応力バランスを維持できる。
【００２６】
図５は、本発明の他の実施例を示す集合体の外周における圧縮構成例の断面図であり、図６は、図５に示す集合体の圧縮構成例の概略図である。しかし、これらは一例であり、限定されるものではない。図５は、集合体の外周における燃料電池セル１に保持枠７が配置され、この集合体の並列側における内部に導電性部材２を延長すると共に、各燃料電池セル１との隙間と、集合体における外周の燃料電池セル１の表面と、に圧縮部緩衝材１５が形成されている。また、集合体の圧縮構成が、直列・並列方向共に圧縮板５、圧縮バネ６、保持枠７を１対で、それぞれ向い合って配置し、保持枠７の内面を基準として互いに直交して押圧する押圧手段が形成されている。このとき、圧縮バネ６による応力は、セラミックからなる燃料電池セル１と導電性部材２の接続や燃料電池セル１の強度等を考慮し、圧縮バネ６の圧縮応力を約０．５〜５．０ｋｇ／ｃｍ２で形成することが好ましい。図６は、複数の燃料電池セル１の中心線上で直列側と並列側とを導電性部材２により電気的に接続する集合体の上方および下方で押圧手段を有する保持枠７により、圧縮固定して集合体を形成している。
【００２７】
これによって、起動・運転・停止の熱負荷サイクルがかかっても、集合体の外周における燃料電池セル１の表面を介して常に安定な押圧がされているため、集合体の内部で熱膨張や収縮による不均一な応力が発生するのを抑えて応力バランスが保たれ、集合体の内部における燃料電池セル１と導電性部材２との電気的な接続不良や燃料電池セル１の破損を防止することができる。また、バンドル、モジュールの製作時、集合体における外周の燃料電池セル１の直列側と並列側の平面により、燃料電池セル１と導電性部材２との配置や位置決めを精度良く構成でき、圧縮固定して集合体の拘束をして固定維持することが、バンドル単位で構成でき、複数のバンドルを電気的に接続する集電部材で接続することで容易にモジュールを構成できるため、固体酸化物形燃料電池のバンドル、モジュールの組立て、運搬等の取扱いを容易することができる。よって、信頼性の高い安全な発電をすることが可能な固体酸化物形燃料電池の工業的な生産が容易にできる。このとき、圧縮部緩衝材１５は絶縁性を示すアルミナ等のセラミック繊維で、圧縮板５、保持枠７は耐熱性ステンレス鋼やインコネル等の金属やアルミナ等のセラミックで形成することができる。
【００２８】
図７は、本発明の他の実施例に係わるガスの分散機能を有する保持枠７の構成例を示す概略図である。しかし、これは一例であり、限定されるものではない。図７は、保持枠７が、通気孔（図示せず）を有する分散板１８と、この分散板１８の取り付け口１６を有する保持板８と、分散板１８と集合体との間に緩衝性を与える下部緩衝材１７とからなり、下部緩衝材１７を上に配置した分散板１８を固定板８の取り付け口１６へ配置し、この保持板８へ保持板固定枠９をはめ込んで固定して一体化して形成されている。
【００２９】
これによって、集合体の下方で自重を支えて保持されるため、バンドル単位で取扱うと、組立て、運搬等の取扱いがハンドリングしてより容易にでき、また、集合体の単位で下方より分散板１８を介してガスを効率良く分散して各燃料電池セル１に供給することができる。
【００３０】
図８は、本発明の他の実施例を示す保持機能を有する集合体の構成例の概略図である。しかし、これは一例であり、限定されるものではない。図８は接続体１９が上部および下部の保持枠７とを貫通し、下方端の分散板１８と接続され、並列方向において上部両側に接続体１９の取っ手２０を有する集合体を形成している。
【００３１】
これによって、集合体の取扱い時、集合体の上方より接続体１９からなる取っ手２０を持つことで集合体の重量を保持できるため、集合体と保持枠７との間に発生する応力を軽減し、取扱いによる燃料電池セル１と導電性部材２の接続不良、燃料電池セル１の破損等を防止することができる。
【００３２】
なお、前述の実施例にかかわらず、燃料ガスが燃料電池セル１の内側を流れ、酸化剤ガスが燃料電池セル１の外側に流れるように構成し、燃料ガスと酸化剤ガスを入れ替えて燃料電池セル１の集合体とした構成、また、燃料電池セル１の両端が開放された構成においても同様に構成することもできる。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の筒状固体酸化物形燃料電池によれば、保持枠の内側に配置された各筒状固体酸化物形燃料電池セルが、熱サイクルの前後においても常に圧縮バネで押圧される応力で複数の筒状固体酸化物形燃料電池セルと導電性部材との集合体の内部において応力バランスが維持できるため、集合体の電気的な接続を安定維持でき、メンテナンス、運搬等の取り扱いも容易にできる。また、集合体の製造も機械的に行うことができるため、燃料電池の量産性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す筒状固体酸化物形燃料電池における集合体の外周における圧縮構成の断面図である。
【図２】本発明の一実施例に係わる保持枠の構成例を示す概略図である。
【図３】本発明の一実施例に係わる別の保持枠の構成例を示す概略図である。
【図４】本発明の一実施例を示す筒状固体酸化物形燃料電池セルの概略図である。
【図５】本発明の他の実施例を示す集合体の外周における圧縮構成例の断面図である。
【図６】本発明の他の実施例を示す集合体の圧縮構成例の概略図である。
【図７】本発明の他の実施例に係わるガスの分散機能を有する保持枠７の構成例を示す概略図である。
【図８】本発明の他の実施例を示す保持機能を有する集合体の構成例の概略図である。
【符号の説明】
１  固体酸化物形燃料電池セル
２  導電性部材
３  集電板
４  集電配線
５  圧縮板
６  圧縮バネ
７  保持枠
８  保持板
９  保持板固定枠
１０  保持板固定ピン
１１  空気極
１２  電解質
１３  燃料極
１４  インターコネクタ
１５  圧縮部緩衝材
１６  分散板取り付け口
１７  下部緩衝材
１８  分散板
１９  接続体
２０  取っ手
【図１】
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【図２】
2004247131.tif 000004
【図３】
2004247131.tif 000005
【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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