(57)【要約】【課題】煩鎖で数多くの工程を経ることなく構成でき、且つ、ガス封止部を格段に減じてなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタック及び支持膜式固体酸化物形燃料電池モジュールを得る。【解決手段】空気極側に開口を設けた合金箔で外周を包んでなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックであって、順次燃料極、電解質膜及び空気極を積層してなる支持膜式セルと弾性部材と燃料極の両側に配置した燃料導入管とを、空気極側に開口を設けた合金箔で包んでなることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタック、これを用いた支持膜式固体酸化物形燃料電池モジュール。【選択図】図１
2004319187.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気極側に開口を設けた合金箔で外周を包んでなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックであって、順次燃料極、電解質膜及び空気極を積層してなる支持膜式セルと弾性部材と燃料極の両側に配置した燃料導入管とを、空気極側に開口を設けた合金箔で包んでなることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１に記載の支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、前記合金箔の構成材料がステンレス鋼であることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１または２に記載の支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、前記弾性部材の構成材料がニッケルまたはニッケル合金であることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項４】
空気極側に開口を設けた合金箔で外周を包んでなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックを用いた支持膜式固体酸化物形燃料電池モジュールであって、順次燃料極、電解質膜及び空気極を積層してなる支持膜式セルと弾性部材と燃料極の両側に配置した燃料導入管とを、空気極側に開口を設けた合金箔で包んでなるスタックの複数個をインターコネクタを介して積層してなることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項５】
請求項４に記載の支持膜式固体酸化物形燃料電池モジュールにおいて、前記複数個のスタックを積層し、その両端側に集電板を配置してケーシング内に収容してなることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項６】
燃料極側に開口を設けた合金箔で外周を包んでなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックであって、順次燃料極、電解質膜及び空気極を積層し、且つ、燃料極の側面及び燃料極の周縁上面まで電解質で覆って構成した支持膜式セルと空気を流通させる弾性部材と燃料極の両側に配置した空気導入管とを、燃料極側に開口を設けた合金箔で包んでなることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項７】
請求項６に記載の支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、前記合金箔の構成材料がステンレス鋼であることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項８】
請求項６または７に記載の支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、前記弾性部材がニッケルフェルトであることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタック。
【請求項９】
燃料極側に開口を設けた合金箔で外周を包んでなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックを用いた支持膜式固体酸化物形燃料電池モジュールであって、順次燃料極、電解質膜及び空気極を積層し、且つ、燃料極の側面及び燃料極の周縁上面まで電解質で覆って構成した支持膜式セルと空気を流通させる弾性部材と燃料極の両側に配置した空気導入管とを、燃料極側に開口を設けた合金箔で包んでなるスタックを用い、その複数個をインターコネクタを介して積層してなることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項１０】
請求項９に記載の支持膜式固体酸化物形燃料電池モジュールにおいて、前記複数個のスタックを積層した、その両端側に集電板を配置してケーシング内に収容してなることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項１１】
請求項１０に記載の支持膜式固体酸化物形燃料電池モジュールにおいて、モジュール外に燃焼部を設け、該燃焼部に、スタック内部からの排気空気と各スタックの外部壁を通過してくる排気燃料を供給して燃焼させるようにしてなることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項１２】
請求項１１に記載の支持膜式固体酸化物形燃料電池モジュールにおいて、前記モジュール外の燃焼部で生成した燃焼排ガスをモジュールへの導入空気と熱交換して熱回収を行うようにしてなることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項１３】
空気極側に開口を設けた合金箔で包んでなるスタックの複数個をインターコネクタを介して積層し、その燃料及び空気流通方向の一端を合金箔で封止するとともに他端を開放してなるその封止部に各スタック毎に、燃料供給管に連結された燃料導入管を配置したスタックを空気流通用細孔を設けた断熱壁の上に配置し、燃料導入管を断熱壁を貫通して断熱壁の下部まで達するように構成してなることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項１４】
空気極側に開口を設けた合金箔で包んでなるスタックの複数個をインターコネクタを介して積層し、その一端を合金箔で封止するとともに他端を開放してなるその封止部に各スタック毎に、燃料供給管に連結された燃料導入管を配置したスタックを断熱壁の上に配置し、燃料導入管を断熱壁を貫通して断熱壁の下部まで達するように構成し、且つ、各スタック間の両端に設けた空気導入管を配置し、空気を空気導入管に通してその上端から各スタックの外周を下降させるようにしてなることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体酸化物形燃料電池スタック及びモジュールに関し、より具体的には作動温度が６５０〜８００℃の範囲である支持膜式固体酸化物形燃料電池スタック及びこれを用いた支持膜式固体酸化物形燃料電池モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体酸化物形燃料電池〔ＳＯＦＣ（＝Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）：以下適宜ＳＯＦＣと略称する〕は、ＳＯＦＣの単電池すなわちセルは固体酸化物電解質を挟んで燃料極及び空気極（酸化剤として酸素が用いられる場合は酸素極）が配置され、燃料極／電解質（固体酸化物電解質）／空気極の３層ユニットで構成される。空気極に導入される空気は空気極で酸化物イオン（Ｏ２−）となり、電解質を通って燃料極に至る。ここで、燃料極に導入される燃料と反応して電子を放出し、電気と水等の反応生成物を生成する。空気極での利用済み空気は空気極オフガスとして排出され、燃料極での利用済み燃料は燃料極オフガスとして排出される。セル１個の電圧は低いため、通常、セルを複数層積層して構成される。
【０００３】
従来のＳＯＦＣはその作動温度が８００〜１０００℃程度と高いが、最近ではそれより低い６５０〜８００℃の範囲の温度、例えば７５０℃程度の温度で作動するＳＯＦＣも開発されつつある。図１７〜１９はその態様例を説明する図である。図１７はそのセルの構成例、図１８はセルを組込んだＳＯＦＣスタックの構成例、図１９は、図１８中Ｘ−Ｘ線断面図である。各部材は上下密に配置されるが、図１８ではそれらの位置関係等を示すため間隔を置き、斜視図として示している。
【０００４】
図１７のとおり、セルは燃料極の上に電解質膜が配置され、電解質膜の上に空気極が配置されて構成され、このセルが図１８〜１９のように組込まれてＳＯＦＣスタックが構成される。支持膜式ＳＯＦＣスタックは、上部から下部へ順次セパレータＡ、セパレータＢ、セパレータＣ、接合材、セル、セパレータＤが配置される。ここで、セパレータＣはセルを支持するので、セルサポートフォイルとも呼ばれる。セパレータＡの上部、セパレータＤの下部には集電板等が配置されるが、図示は省略している。図２０は上記のようなＳＯＦＣスタックの複数個を組み込んだＳＯＦＣモジュールの構成例を示す図である。
【０００５】
電解質膜としてイットリアドープのジルコニア等のジルコニア系やＬａＧａＯ３系などの材料を用いて、その膜厚を例えば１０μｍ程度というように薄くし、これを膜厚の厚い燃料極で支持するように構成されており、支持膜式と称される。支持膜式ＳＯＦＣにおいては、電解質膜の膜厚を薄く構成できることなどから、前記自立膜式ＳＯＦＣの場合に比べてより低温で運転できる。このため、その構成材料として例えばステンレス鋼などの安価な材料の使用を可能とし、また小型化が可能であるなど各種利点を有する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような低温作動のＳＯＦＣ、すなわち支持膜式ＳＯＦＣにおいても、セルを積層する必要がある。セルをセルサポートフォイルに接合し、それをマニホールドに納まるように配置接合したものをユニットとし、これをセパレータを介して次のユニットに接合することにより、スタックが形成される。加えて、スタックを流通する燃料、空気、利用済み燃料、利用済み空気はすべて気体であることから、図１９のとおり、ガス封止をしその封止性を高めるために各部材間にはシール材が挟み込まれている。このように、スタックを構成するには煩鎖で数多くの工程を必要とする。
【０００７】
本発明は、従来におけるそのような煩鎖で数多くの工程を経ることなく構成でき、且つ、ガス封止部を格段に減じてなる支持膜式ＳＯＦＣスタック及びそれを用いた支持膜式ＳＯＦＣモジュールを提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は（Ａ）空気極側に開口を設けた合金箔で外周を包んでなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックであって、順次燃料極、電解質膜及び空気極を積層してなる支持膜式セルと弾性部材と燃料極の両側に配置した燃料導入管とを、空気極側に開口を設けた合金箔で包んでなることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックを提供する。
【０００９】
本発明は（Ｂ）空気極側に開口を設けた合金箔で外周を包んでなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックを用いた支持膜式固体酸化物形燃料電池モジュールであって、順次燃料極、電解質膜及び空気極を積層してなる支持膜式セルと弾性部材と燃料極の両側に配置した燃料導入管とを、空気極側に開口を設けた合金箔で包んでなるスタックの複数個をインターコネクタを介して積層してなることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池モジュールを提供する。
【００１０】
本発明は（Ｃ）燃料極側に開口を設けた合金箔で外周を包んでなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックであって、順次燃料極、電解質膜及び空気極を積層し、且つ、燃料極の側面及び燃料極の表面の周縁部の面まで電解質で覆って構成した支持膜式セルと空気を流通させる弾性部材と燃料極の両側に配置した空気導入管とを、燃料極側に開口を設けた合金箔で包んでなることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックを提供する。
【００１１】
本発明は（Ｄ）燃料極側に開口を設けた合金箔で外周を包んでなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックを用いた支持膜式固体酸化物形燃料電池モジュールであって、順次燃料極、電解質膜及び空気極を積層し、且つ、燃料極の側面及び燃料極の表面の周縁部の面まで電解質で覆って構成した支持膜式セルと空気を流通させる弾性部材と燃料極の両側に配置した空気導入管とを、燃料極側に開口を設けた合金箔で包んでなるスタックを用い、その複数個をインターコネクタを介して積層してなることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池モジュールを提供する。
【００１２】
本発明は（Ｅ）空気極側に開口を設けた合金箔で包んでなるスタックの複数個をインターコネクタを介して積層し、その燃料及び空気流通方向の一端を合金箔で封止するとともに他端を開放してなるその封止部に各スタック毎に、燃料供給管に連結された燃料導入管を配置したスタックを空気流通用細孔を設けた断熱壁の上に配置し、燃料導入管を断熱壁を貫通して断熱壁の下部まで達するように構成してなることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池モジュールを提供する。
【００１３】
本発明は（Ｆ）空気極側に開口を設けた合金箔で包んでなるスタックの複数個をインターコネクタを介して積層し、その一端を合金箔で封止するとともに他端を開放してなるその封止部に各スタック毎に、燃料供給管に連結された燃料導入管を配置したスタックを断熱壁の上に配置し、燃料導入管を断熱壁を貫通して断熱壁の下部まで達するように構成し、且つ、各スタック間の両端に設けた空気導入管を配置し、空気を空気導入管に通してその上端から各スタックの外周を下降させるようにしてなることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池モジュールを提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
〈本発明（Ａ）の支持膜式ＳＯＦＣスタックの態様〉
本発明（Ａ）は、空気極側に開口を設けた合金箔（フォイル）で外周を包んでなる支持膜式ＳＯＦＣスタックであって、順次燃料極、電解質膜及び空気極を積層してなる支持膜式ＳＯＦＣセルと弾性部材と燃料極の両側に配置した燃料導入管とを、空気極側に開口を設けた合金箔で包んでなることを特徴とする。本スタックは、本発明に係る支持膜式ＳＯＦＣスタックの基本的構造の一つであり、本発明の支持膜式ＳＯＦＣモジュールを構成するのにも用いる。
【００１５】
支持膜式ＳＯＦＣセルは燃料極、電解質膜及び空気極を積層して構成される。合金箔には中抜きで窓すなわち開口が設けてある。そして、本支持膜式ＳＯＦＣスタックは、支持膜式セルと弾性部材を併置するとともに、セルの左右両側に燃料導入管を配置し、これらを合金箔で覆うことで構成される。両側の燃料導入管にその上部から導入された燃料は燃料導入管中を通り、その下部で出て折り返して、合金箔の下部とセル間の空隙から、弾性部材部分を拡散しながら流通してセルの燃料極へ供給される。
【００１６】
合金箔の構成材料としては耐熱性合金が用いられ、その好ましい例としてはステンレス鋼が挙げられる。弾性部材は、セルの燃料極と合金箔間に弾性をもたせるためのもので、フェルト、メッシュその他、適宜の構造で構成される。その構成材料としてはニッケル、ニッケル合金、その他弾性を発揮できる耐熱性金属あるいは耐熱性合金が用いられる。また、燃料導入管は例えばアルミナ等の材料で構成される。
【００１７】
〈本発明（Ｂ）の支持膜式ＳＯＦＣモジュールの態様〉
本発明（Ｂ）の支持膜式ＳＯＦＣモジュールは、本発明（Ａ）の支持膜式ＳＯＦＣスタックを用い、その複数個をインターコネクタを介して積層して構成される。隣合うスタック間すなわちスタックの空気極側と次のスタックの合金箔側間にインターコネクタを配置し、スタックの空気極側とインターコネクタと次のスタックの合金箔側を圧接する。インターコネクタは空気流通路の役割も有しているので、波状その他空気が流通する形状に構成される。また、２個のスタックの合金箔同士が接触してセルが短絡しないように、スタックの間に絶縁性のシートが介挿される。絶縁性シートとしては高温耐性で且つ絶縁性のシートであればよく、例えば雲母シート等が用いられる。
【００１８】
燃料は、ケーシング内の上部の燃料バッファ部を経て、燃料導入管に導入され、下方へ流れて、スタック内の下部で燃料導入管から放出され、折り返して、スタック内部を上方に流れ、燃焼域に流れ込む。一方、空気は、ケーシングの下部から導入され、各スタックの外壁をインターコネクタを介して上方に流れ、上部隔壁より燃焼域に噴出する。燃焼域では利用済み燃料と利用済み空気が混合され、燃焼して排ガスとして排出される。
【００１９】
〈本発明（Ｃ）の支持膜式ＳＯＦＣスタックの態様〉
本発明（Ｃ）は、燃料極側に開口を設けた合金箔で外周を包んでなる支持膜式ＳＯＦＣスタックであって、順次燃料極、電解質膜及び空気極を積層し、且つ、燃料極の側面及び燃料極の表面の周縁部の面まで電解質で覆って構成した支持膜式ＳＯＦＣセルと空気を流通させる弾性部材と燃料極の両側に配置した空気導入管とを、燃料極側に開口を設けた合金箔で包んでなることを特徴とする。本スタックは、本発明に係る支持膜式ＳＯＦＣスタックの基本的構造の他の一つであり、本発明の支持膜式ＳＯＦＣモジュールを構成するのにも用いる。
【００２０】
支持膜式ＳＯＦＣセルは燃料極、電解質膜及び空気極を積層して構成される。本支持膜式ＳＯＦＣスタックは、支持膜式セルの構造として、電解質が燃料極の裏面部分まで形成してある点で従来の支持膜式セルとは異なる。従来の支持膜式ＳＯＦＣセルでは燃料極の側面は燃料極が露出している。これに対して、本発明（Ｃ）の支持膜式ＳＯＦＣスタックで用いる支持膜式ＳＯＦＣセルにおいては、燃料極の側面及び燃料極の表面の周縁部の面まで電解質で覆って形成してある。
【００２１】
そして、上記支持膜式ＳＯＦＣセルと空気を流通させる弾性部材と空気導入管とを、合金箔で包んで構成される。弾性部材は、空気を流通させ且つセルの空気極と合金箔間に弾性をもたせるためのもので、波板、フェルト、メッシュその他、適宜の構造で構成される。その構成材料としてはニッケル、ニッケル合金、その他弾性を発揮できる耐熱性金属あるいは耐熱性合金が用いられる。空気導入管は例えばアルミナ等の材料で構成される。空気導入管の上部より導入された空気は、空気導入管中を通り、その下部で出て折り返して、合金箔の下部とセル間の空隙から、弾性部材と空気極との間を流通してセルの空気極へ供給される。
【００２２】
〈本発明（Ｄ）の支持膜式ＳＯＦＣモジュールの態様〉
本発明（Ｄ）の支持膜式ＳＯＦＣモジュールは、上記発明（Ｃ）の支持膜式ＳＯＦＣスタックを用い、その複数個をインターコネクタを介して積層して構成される。周縁には耐熱性の絶縁シートが配置される。インターコネクタは、スタック間への弾性付与及び燃料流路を兼ねたもので、スタックの合金箔部分と次のスタックの燃料極部分を圧接する。インターコネクタは、一端面は合金箔と接し、他端面は燃料極面とのみ接する必要がある。各スタック間において、合金箔同士の短絡及び同一スタック内のインターコネクタによる燃料極と合金箔の短絡を防止するために、その周縁部に絶縁性のシートが介挿される。絶縁性シートとしては高温耐性で且つ電気絶縁性のシートであればよく、例えば雲母シート等が用いられる。
【００２３】
燃料は、ケーシングの下部から導入され、各スタックの外壁を上方に流れ、上部の隔壁より燃焼域に噴出する。一方、空気は、ケーシング内の上部のヘッダすなわち燃料バッファ部を経てから空気導入管に導入され下方へ流れて、スタック下部で放出され、折り返して、スタック内部を上方に流れ、スタックの上端部から燃焼域に流れ込む。燃焼域で利用済み燃料と利用済み空気が混合され、燃焼して排ガスとして排出される。
【００２４】
〈本発明（Ｅ）の支持膜式ＳＯＦＣモジュールの態様〉
本発明（Ｅ）の支持膜式ＳＯＦＣモジュールは、空気極側に開口を設けた合金箔で包んでなるスタックの複数個をインターコネクタを介在させて積層し、その燃料及び空気流通方向の一端を合金箔で封止し、他端を開放して構成する。そして、合金箔の封止部に、燃料供給管に連結された各スタック毎に、燃料供給管に連結された燃料導入管を配置し、これらを空気流通用細孔を設けた空断熱壁の上に配置し、燃料導入管は断熱壁を貫通して断熱壁の下部まで達するように構成する。空気は、最下部から供給され、燃料導入管の横を通過して上方に流れる。断熱壁には、空気が通過する細孔が設けられており、断熱壁を通過して各スタックの外表面に供給される。利用済み空気は、該スタックの上部の隔壁を通過した領域で利用済み燃料と混合、燃焼し、モジュール外に排出される。
【００２５】
〈本発明（Ｆ）の支持膜式ＳＯＦＣモジュールの態様〉
本発明（Ｅ）における燃料及び空気の供給は同じ側から行うように構成されているが、本発明（Ｆ）の支持膜式ＳＯＦＣモジュールでは、空気の供給位置を燃料の供給位置とは逆位置、すなわち反対側にした点で異なる。空気極側に開口を設けた合金箔で包んでなるスタックの複数個をインターコネクタを介して積層し、その一端を合金箔で封止するとともに他端を開放した構造とする。その封止部に各スタック毎に、燃料供給管に連結された燃料導入管を配置したスタックを断熱壁の上に配置し、燃料導入管を断熱壁を貫通して断熱壁の下部まで達するように構成する。
【００２６】
そして、各スタック間で且つその左右両側にそれぞれ空気導入管を配置し、空気を空気導入管に通してその上端から各スタックの外周を下降させるようにする。すなわち、空気は、空気導入管の上端から入り空気導入管中を下降して、その下端で放出され、そこで折り返して、各スタックの外周を上昇し、空気極すなわちスタックを構成する合金箔の開口側を流通する。利用済み空気は上部の燃焼域に排出される。一方、燃料は、燃料供給管、燃料導入管を経て、各スタック内の燃料極を流通し、利用済み燃料は燃焼域で利用済み空気と混合、燃焼し、モジュール外に排出される。
【００２７】
本発明においては支持膜式ＳＯＦＣセルであればいずれも用いられる。燃料極の構成材料としては、例えばＮｉ／ＹＳＺサーメットなどが用いられ、電解質の材料としては、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などが用いられ、空気極の構成材料としては、例えばＳｒドープＬａＭｎＯ３などが用いられる。また、本発明の支持膜式ＳＯＦＣスタック及び支持膜式ＳＯＦＣモジュールに供給する燃料としては、炭化水素、都市ガス、ＬＰガス、天然ガス、ガソリン、軽油、灯油、ディーゼル油、アルコール類（メチルアルコール、エチルアルコール等）、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）などが用いられる。
【００２８】
【実施例】
以下、実施例に基づき本発明をさらに詳しく説明するが、本発明がこれら実施例に限定されないことはもちろんである。
【００２９】
〈実施例１〉
図１〜２は、本発明（Ａ）の実施例を示す図である。図１のとおり、支持膜式ＳＯＦＣセルと弾性部材を併置するとともに、セルの左右両側に燃料導入管を配置し、これらを空気極側に窓すなわち開口を設けた合金箔で覆うことで構成される。作製工程としては、例えば、まず合金箔の開口の内側にセルの空気極部分がくるように配置し、電解質と合金箔間をろう付けして接合する。その後、セルの燃料極面に弾性部材を配置するとともに、セルの左右両側、すなわち燃料極の左右両側に燃料導入管を配置し、全体を合金箔で覆う。次いで、合金箔同士を、サイドのエッジ部分をろう付け等により接合することにより、接合する。
【００３０】
最後に、合金箔の下部をセルと間隔を保って同じくろう付け等により封止する。その間隔部分は、セルの燃料極への燃料供給用ヘッダないし燃料供給用バッファ部を形成する部分である。ろう材としては金属ろう材が用いられが、ガラス接合材などで接合してもよい。図２は、上記のようにして構成したスタックを示す図で、図２中矢印は燃料の流れ方向を示している。図２のとおり、左右両側の燃料導入管にその上部より導入された燃料は燃料導入管中を通り、その下部で出て折り返して、合金箔の下部とセル間の空隙から、弾性部材側の合金箔部分と燃料極間を拡散しながら流通してセルの燃料極へ供給される。空気極側には空気が供給される。
【００３１】
〈実施例２〉
図３〜５は、本発明（Ｂ）の実施例を示す図で、本発明（Ａ）のスタックを用いたモジュールの実施例に相当している。図３にはスタックの２個を積層した場合を示しているが、３個以上の複数個を積層する場合についても同様である。図３のとおり、２個のスタック間に導電性のインターコネクタを配置し、スタックの空気極部分と次のスタックの合金箔部分を圧接する。インターコネクタは、空気流通路の役割も有しているので、波状その他空気が流通する形状に構成されるが、図３では波状の場合を示している。２個のスタックの合金箔同士が接触してセルが短絡しないように、スタックの間に絶縁性のシートが介挿される。絶縁性シートとしては高温耐性で且つ絶縁性のシートであればよく、例えば雲母シート等が用いられる。
【００３２】
図４は上記のようにしてスタックの多数を積層したモジュールの外観を示す図である。運転時に、燃料は、燃料導入管中を下方に向かって通って、その下部で折り返して、合金箔の下部とセル間の空隙から、合金箔と燃料極間すなわち弾性部材部分を拡散しながら流通してセルの燃料極へ供給される。一方、空気は、各スタックの下部から導入され、各スタックの外部をインターコネクタの波状流路を利用して空気極の表面を上方に流れ、セルに供給される。利用済み燃料と利用済み空気は、モジュールの上部すなわちモジュールの上端部、すなわち合金箔の切れ目の部分で自動的に混合され、燃焼する。
【００３３】
図５は、本支持膜式ＳＯＦＣモジュールにおける各流体の流れ及び集電状態を示す図である。図３〜４のように構成されたモジュールには、その両側に集電板が配置され、ケーシング内に収容される。これにより、モジュールは、集電板により、その両側から押し込まれた状態で収容される。ケーシングは空気を封じる壁の役割も果している。ケーシングの上部には燃料封じ壁が設けられ、ケーシングの下部には空気封じ壁が設けられている。集電板からリード線が出ており、これにより電流がケーシング外に取り出される。
【００３４】
運転時において、空気は、ケーシングの下部から導入され、各スタックの外壁を上方に流れ、上部隔壁を通過して燃焼域に噴出する。一方、燃料は、ケーシング内の上部の燃料バッファ部を経て、燃料導入管に導入され、下方へ流れて、各スタック内の下部で燃料導入管から放出され、折り返して、スタック内部を上方に流れ、燃焼域に流れ込む。燃焼域では利用済み燃料と利用済み空気が混合され、燃焼して排ガスとして排出される。室温の空気は、排ガスと外部熱交換器を介して熱交換して昇温した後にスタックに供給する必要があるが、室温の燃料は燃料導入管を通過する過程で燃焼域及びスタック側部で加熱される。
【００３５】
〈実施例３〉
図６〜８は本発明（Ｃ）の実施例を示す図である。支持膜式ＳＯＦＣセルの構成として、電解質膜が燃料極の裏面部分まで形成してある点で従来の支持膜式セルとは異なる。従来の支持膜式ＳＯＦＣセルでは燃料極の側面は燃料極が露出しているが、図６のとおり、本支持膜式ＳＯＦＣセルでは、燃料極について、その側面及びその周縁上面まで電解質膜で覆って形成してある。スタックは上記構造の支持膜式セルと空気流通用の弾性部材と空気導入管とを、燃料極側に窓すなわち開口を有する合金箔で包んで構成される。弾性部材は、空気を流通させ且つ弾性をもたせるためのもので、波板、フェルト、メッシュその他適宜な構造のものでよいが、図７には波板を用いた場合を示している。その構成材料としてはニッケル、ニッケル合金その他、弾性を発揮できる耐熱性金属または合金が用いられる。空気導入管は例えばアルミナ等の材料で構成される。
【００３６】
図７のとおり、セルすなわち支持膜式ＳＯＦＣセル、空気導入管、合金箔及び波板で構成される。合金箔には、燃料極側に中抜きで窓すなわち開口が設けられており、この合金箔により支持膜式ＳＯＦＣセル、波板を包み込む構造になっている。作製工程としては、例えば、まず、合金箔の開口の内側にセルの燃料極部分（図７中、セルの裏側）がくるように配置し、燃料極面の電解質膜（前述のとおり、燃料極面のうち空気極と相対する面のうちの周縁面は電解質膜で覆われている）と合金箔とをろう付けにより接合する。
【００３７】
その後、セルの燃料極の両側面（前記のとおり、燃料極の当該両側面は電解質膜で覆われている）に空気導入管を近接、配置するとともに、空気極面に波板を近接、配置し、全体を合金箔により包み込む。次いで、合金箔同士を、サイドのエッジ部分をろう付けすることにより、接合する。最後に、合金箔の下部をセルと間隔を保って同じくろう付けにより封止する。その間隔部分は、セルの空気極への空気供給用ヘッダすなわち空気バッファ部を形成する部分である。ろう材としては金属ろう材が用いられが、ガラス接合材などで接合してもよい。
【００３８】
図８は、上記のようにして構成したスタックを示す図で、図８中矢印は空気の流れ方向を示している。図８のとおり、空気は、燃料極の左右両側の空気導入管にその上部より導入され、空気導入管中を通り、その下部で出て折り返して、合金箔の下部とセルの空気極側間の空隙から、波板と空気極との間を流通してセルの空気極へ供給される。セルの燃料極側には燃料が供給される。なお、図８中、合金箔の記載は省略している。
【００３９】
〈実施例４〉
図９〜１２は、本発明（Ｄ）の実施例を示す図で、本発明（Ｃ）のスタックを用いたモジュールに相当している。図９にはスタックの２個を積層した場合を示しているが、３個以上の複数個を積層する場合についても同様である。図９のとおり、２個のスタック間への弾性付与及び燃料流路を兼ねたインターコネクタを配置し、スタックの合金箔部分と次のスタックの燃料極部分を圧接する。インターコネクタは、弾性付与に加え燃料用通路の役割も有し、フェルト状、波状その他燃料が流通する形状に構成されるが、図９では一例としてＮｉフェルトを用いる場合を示している。なお、図９の各スタック中、空気導入管の記載は省略している。
【００４０】
Ｎｉフェルトは、一端面は合金箔（図９中左側のスタックの裏面）と接し、他端面は燃料極面とのみ接する必要がある。スタック間において、合金箔同士の短絡及び同一スタック内のＮｉフェルトによる燃料極と合金箔の短絡を防止するために、Ｎｉフェルトの周縁部に絶縁性のシートが介挿される。絶縁性シートとしては、高温耐性で且つ電気絶縁性のシートであればよく、例えば雲母シートが用いられる。燃料は、スタックの下部から導入され、インターコネクタの流路を利用して燃料極の表面を上方に流れてセルに供給される。
【００４１】
図１０は上記のようにしてスタックの多数を積層したモジュールの外観を斜視図として示す図である。運転時に、空気は、空気導入管中を下方に向かって通って、その下部で放出され、折り返して、合金箔の下部とセル間の空隙から波板部分を流通してセルの空気極へ供給される。一方、燃料は、モジュールの下部から導入され、各スタックの外部をインターコネクタの流路を通って燃料極の表面を上方に流れ、セルに供給される。利用済み燃料と利用済み空気は、モジュールの上部すなわちモジュールの上端部（すなわち合金箔上端の切れ目から上）の部分で自動的に混合され、燃焼する。
【００４２】
図１１は、本実施例の支持膜式ＳＯＦＣモジュールにおける各流体の流れ及び集電状態を示す図である。図１０のように構成されたＳＯＦＣモジュールは、その両側に集電板が配置され、ケーシング内に収容される。これにより、モジュールは、集電板により、その両側から押し込まれた状態でケーシングに収容される。ケーシングは、その下部の燃料封じ壁とともに燃料を封じる壁の役割も果し、その上部には空気封じ壁を備えている。集電板からリード線が出ており、これにより電流がケーシング外に取り出される。
【００４３】
運転時において、燃料は、ケーシングの下部から導入され、各スタックの外壁を上方に流れ、上部の隔壁、すなわち燃焼域を構成する上下の隔壁のうちの下部隔壁を通って燃焼域に噴出する。一方、空気は、ケーシング内の上部の空気供給用ヘッダすなわち空気バッファ部を経てから空気導入管に導入され、空気導入管中を下方へ流れて、各スタックの下部で放出され、折り返して、各スタック内部を上方に流れ、各スタックの上端部から燃焼域に流れ込む。燃焼域では利用済み燃料と利用済み空気が混合され、燃焼して排ガスとして排出される。室温の燃料は、排ガスと外部熱交換器を介して熱交換して昇温した後にスタックに供給する必要があるが、本実施例では、室温の空気は空気導入管を通過する過程で燃焼域及び各スタック内の側部で加熱される。
【００４４】
ガスの流配方法については種々の仕方で実施できる。例えば、本モジュールは、合金箔すなわち薄い合金材を各スタック部に使用しているため、合金材部分の温度が異常に高くなってしまう危険があり、この場合には合金の耐久性などで問題が生じる恐れがある。特に、各スタックの出口で利用済み燃料と利用済み空気が混合、燃焼する領域では、温度が上昇するため、合金材のエッジ部分の耐久性で問題が生じる恐れがある。そこで、各スタック内部から出てきた利用済み空気と各スタックの外部壁を通過してきた利用済み燃料を一旦別経路でスタック外に排出し、スタック領域の外部で燃焼させる。図１２はこの例を示す図である。
【００４５】
図１２のとおり、モジュール外に燃焼部を設け、各スタックの内部から出てきた利用済み空気と各スタックの外部壁を通過してきた利用済み燃料をモジュール外に排出し、燃焼部で燃焼させる。こうすることにより、各スタック上方のエッジ部の温度上昇が抑えられ、合金材の耐久性を高めることができる。なお、この場合、各スタック部分への熱のフィードバック量が減少するが、これを補うため燃焼部で生成した燃焼排ガスをモジュールへの導入空気と熱交換して熱回収を行ってもよい。この熱回収は、モジュール外に両流体用の熱交換器を配置することで行うことができる。
【００４６】
〈実施例５〉
図１３〜１４は、本発明（Ｅ）の実施例を示す図で、図１４は、図１３に示すモジュールをケーシングに収容し、その断面を横方向から見た図である。両図において、各部材の寸法は説明のため適宜伸縮して示している。本実施例の支持膜式ＳＯＦＣモジュールは、空気極側に開口を設けた合金箔で包んでなるスタックの複数個をインターコネクタを介在させて積層し、各スタックについて、その燃料及び空気流通方向の一端、すなわち燃料導入側を合金箔で封止し、他端を開放して構成する。そして、各スタックの合金箔の各封止部に燃料供給管に連結した燃料導入管を配置し、これらを空気流通用細孔を設けた断熱壁の上に配置し、燃料導入管は断熱壁を貫通して断熱壁の下部まで達するように構成する。すなわち、各燃料導入管は断熱壁の下部に配置された燃料供給管に連結されている。
【００４７】
図１３〜１４のとおり、合金箔で包んで構成したＳＯＦＣスタックの複数個をインターコネクタを介して積層してモジュールを構成する。各ＳＯＦＣスタックの一端（図１３〜１４では下端）の合金箔を封止し、上端を開放とする。合金箔の封止部には、各スタック毎に、合金箔の封止部に燃料導入管を臨ませて配置する。燃料導入管は耐熱性合金で構成し、燃料導入管の開口をスタック内に臨ませて封止部と接合するが、その接合はろう付け等で行う。
【００４８】
そして、ＳＯＦＣモジュールすなわち積層された各ＳＯＦＣスタック全体を断熱壁の上に配置し、燃料導入管は断熱壁を貫通して断熱壁の下部まで達するようにする。各燃料導入管は、断熱壁の下部において、水平方向に配した燃料供給管と接合する。すなわち、断熱壁を配置し、各スタックに連結された燃料導入管が断熱壁を貫通して断熱壁の下部まで達するようにする。こうして、燃料導入管と燃料供給管との接合部は、室温に保つことができるので、燃料導入管と燃料供給管との接合は柔軟な接合が可能である。
【００４９】
運転時において、燃料は、燃料供給管から燃料導入管を経て、各スタック内の燃料極側を流通した後、利用済み燃料として燃焼域に排出される。一方、空気は、図１４中最下部から供給され、断熱壁の空気流通用細孔中を流通し、燃料導入管の側部を通過して上方に流れ、各スタックの外表面に供給され、空気極側を流通する。利用済み空気は、該スタックの上部の隔壁を通過し、燃焼域で利用済み燃料と混合、燃焼し、排ガスとしてモジュール外に排出される。
【００５０】
〈実施例６〉
図１５〜１６は、本発明（Ｆ）の実施例を示す図で、図１６は図１５中Ａ−Ａ線断面図である。本発明（Ｅ）の支持膜式ＳＯＦＣモジュールにおける燃料及び空気の供給は同じ側から行うように構成されているが、本発明（Ｆ）の支持膜式ＳＯＦＣモジュールでは、空気の供給位置を燃料の供給位置とは逆位置にした点で異なる。空気極側に開口を設けた合金箔で包んでなるスタックの複数個をインターコネクタを介して積層し、その一端を合金箔で封止するとともに他端を開放した構造とする。その封止部に各スタック毎に、燃料供給管に連結された燃料導入管を配置したスタックを断熱壁の上に配置し、燃料導入管を断熱壁を貫通して断熱壁の下部まで達するように構成する。
【００５１】
図１５のとおり、合金箔で包んだ複数個のスタックをインターコネクタを介して積層する。その合金箔の一端（図１５中下部）を合金箔で封止し、他端（図１５中上部）を開放とする。合金箔の封止部には各スタック毎に燃料導入管をその開口をスタック内に臨ませて接合配置する。その接合はろう付け等で行う。こうして構成された複数のスタックの積層体全体を断熱壁の上に配置し、燃料導入管が断熱壁を貫通して断熱壁の下部まで達するようにする。燃料導入管は断熱壁の下部において水平方向に配した燃料供給管と接合する。このように断熱壁を配置することで、燃料導入管が断熱壁を貫通して断熱壁の下部まで達するようにする。これにより、燃料導入管と燃料供給管との接合部は、断熱壁による熱遮断により、室温に保つことができるので、燃料導入管と燃料供給管との接合を柔軟な接合とすることができる。
【００５２】
そして、図１６のとおり、各スタック間で且つスタックの左右両側にそれぞれ空気導入管を配置する。運転時において、空気は、空気導入管にその上端で入り、空気導入管中を下降し、その下端で放出され、そこで折り返して、各スタックの外周を上昇し、空気極側すなわちスタックを構成する合金箔の開口側を流通する。利用済み空気は隔壁（図１５中、燃焼域を構成する上部及び下部の隔壁のうち、下部隔壁）を通過して燃焼域で利用済み燃料と混合、燃焼する。一方、燃料は、燃料供給管、燃料導入管を経て、各スタック内の燃料極側を流通し、上部の燃焼域で利用済み空気と混合、燃焼する。燃焼排ガスはモジュール外に排出される。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、従来におけるように煩鎖で数多くの工程を経ることなく、且つ、ガス封止部を格段に減じてなる支持膜式ＳＯＦＣスタック及び支持膜式ＳＯＦＣモジュールを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１を示す図
【図２】本発明の実施例１を示す図
【図３】本発明の実施例２を示す図
【図４】本発明の実施例２を示す図
【図５】本発明の実施例２を示す図
【図６】本発明の実施例３を示す図
【図７】本発明の実施例３を示す図
【図８】本発明の実施例３を示す図
【図９】本発明の実施例４を示す図
【図１０】本発明の実施例４を示す図
【図１１】本発明の実施例４を示す図
【図１２】本発明の実施例４を示す図
【図１３】本発明の実施例５を示す図
【図１４】本発明の実施例５を示す図
【図１５】本発明の実施例６を示す図
【図１６】本発明の実施例６を示す図
【図１７】従来の支持膜式ＳＯＦＣセルの構成例を示す図
【図１８】従来の支持膜式ＳＯＦＣの構成例を示す図
【図１９】従来の支持膜式ＳＯＦＣの構成例を示す図
【図２０】従来の支持膜式ＳＯＦＣモジュールの構成例を示す図
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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