(57)【要約】【課題】構造が簡単で、且つ、優れたガスシール性を有する固体酸化物形燃料電池のガス供給管の接続構造を提供する。【解決手段】燃料電池モジュール内のディストリビュータと内部にガス通路９、１０を有するセパレータ８を接続するガス供給管１３、１４の接続構造であって、前記セパレータ８の外周部よりガス通路９、１０に耐熱性の絶縁管１８を嵌入すると共に、当該絶縁管１８の内部に前記ガス供給管９、１０を、その軸線方向にスライド可能に、且つ、接続部からのガス漏洩量がガス導入量の２％以下となる嵌め合いを持って差し込み嵌合した。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池モジュール内のディストリビュータと内部にガス通路を有するセパレータを接続するガス供給管の接続構造であって、
前記セパレータの外周部よりガス通路に耐熱性の絶縁管を嵌入すると共に、当該絶縁管の内部に前記ガス供給管を、その軸線方向にスライド可能に、且つ、接続部分からのガス漏洩量がガス導入量の２％以下となる嵌め合いを持って差し込み嵌合したことを特徴とする固体酸化物形燃料電池のガス供給管の接続構造。
【請求項２】
燃料電池モジュール内のディストリビュータと内部にガス通路を有するセパレータを接続するガス供給管の接続構造であって、
前記セパレータの外周部に前記ガス通路と連通する連結部を外方向に延設すると共に、当該連結部にその通孔と連通する連結管を立設し、
当該連結管に耐熱性の絶縁管を嵌入すると共に、絶縁管の内部に前記ガス供給管を、その軸線方向にスライド可能に、且つ、接続部分からのガス漏洩量がガス導入量の２％以下となる嵌め合いを持って差し込み嵌合したことを特徴とする固体酸化物形燃料電池のガス供給管の接続構造。
【請求項３】
前記ガス供給管が前記セパレータの外部で輪状に曲成されて成ることを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池のガス供給管の接続構造。
【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におけるガス供給管の接続構造に係わり、特に、平板積層型の固体酸化物形燃料電池において、ディストリビュータとセパレータを接続するガス供給管の接続構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
前記固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。現在、この固体酸化物形燃料電池は、円筒型、モノリス型、及び平板積層型の３種類が提案されており、何れも酸化物イオン伝導体から成る固体電解質を両側から空気極（カソード）と燃料極（アノード）で挟み込んだ積層構造を有する。この積層体から成る発電セルが、間に燃料極集電体と空気極集電体を挟みセパレータと交互に積層されて、燃料電池スタックが構成されている。
【０００３】
固体酸化物形燃料電池では、空気極側に酸素 (空気) が、燃料極側に燃料ガス(Ｈ2 、ＣＯ、等) が供給される。空気極と燃料極は、ガスが固体電解質との界面に到達することができるように、いずれも多孔質の層とされている。
空気極側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極の方向に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ2 Ｏ、ＣＯ2 等）を生じ、燃料極に電子を放出する。この電子を外部に起電力として取り出すことができる。
【０００４】
因みに、燃料に水素を用いた場合の電極反応は次のようになる。
空気極：  １／２  Ｏ2 ＋          ２ｅ-   →  Ｏ2-
燃料極：          Ｈ2 ＋          Ｏ2-   →  Ｈ2 Ｏ＋２ｅ-
全体  ：          Ｈ2 ＋  １／２  Ｏ2    →  Ｈ2 Ｏ
【０００５】
図８は燃料電池スタックの構成を示している。
この燃料電池スタック１は、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層（酸化剤極層）を配した発電セル５と、発電セル外側の燃料極集電体６と空気極集電体７と、各集電体６、７の外側のセパレータ８をそれぞれ順番に積層した構造を有する。
【０００６】
前記固体電解質層はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、前記燃料極層はＮｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、前記空気極層はＬａＭｎＯ3 、ＬａＣｏＯ3 等で構成され、前記燃料極集電体６はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、前記空気極集電体７はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、前記セパレータ８はステンレス等で構成されている。
【０００７】
セパレータ８は、発電セル５間を電気接続すると共に、発電セル５に対してガスを供給する機能を有するもので、その内部に、燃料ガスをセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の燃料極集電体６に対向する面のほぼ中央部から吐出させる燃料ガス通路と、酸化剤ガスをセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の空気極集電体７に対向する面から吐出させる酸化剤ガス通路を有している。
【０００８】
また  燃料電池スタック１の側方には、各セパレータ８の燃料ガス通路に燃料ガス供給管１３を通して燃料ガスを供給する燃料用ディストリビュータ１５と、各セパレータ８の酸化剤ガス通路に酸化剤ガス供給管１４を通して酸化剤ガス（空気）を供給する酸化剤用ディストリビュータ１６とが、発電セル５の積層方向に延在して設けられている。
尚、上記構成の平板積層型の固体酸化物形燃料電池では、燃料電池スタック１およびこれらディストリビュータ１５、１６が断熱材や耐熱金属あるいはセラミックス等から構成される函体に収納されて燃料電池モジュールとしてモジュール化されている。
【０００９】
ところで、前記ディストリビュータ１５、１６は、構造上金属で作製されているため、各セル間の電気的絶縁を確保するには、各セパレータとディストリビュータとが電気的に絶縁された状態で流路接続される必要があった。このため、従来では、図８のように、各セパレータ８とディストリビュータ１５、１６を繋ぐ各金属製のガス供給１３、１４は、途中にセラミックス製の継ぎ手１７を介在して接続される構造となっており、さらに、継ぎ手１７からのガスリークを防止するため、接続部分をガラスにて封止していた。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のようにセラミックス継ぎ手１７によるガス供給管の接続構造は、全ての継ぎ手部分を個々にガラス封止する等、組立作業が煩雑であるという構造上の問題や、下記（１）、（２）のような性能に係わる問題を有していた。すなわち、（１）燃料電池モジュール内の各部の温度は燃料電池本体部分の作動温度と同じで、運転中は少なくとも６００℃以上の高温となることから、起動・停止の昇温、降温動作を繰り返すとガス供給管の熱膨張によりガラス封止が破損し、ガスリークが発生する問題や、（２）急激に降温するとセラミックス継ぎ手自体が破損し、ガスリークが発生するといった問題である。
ガスリークが発生すると発電出力の低下につながる。
【００１１】
本発明は、上記した従来の問題点に鑑みて成されたもので、構造が簡単で、且つ、優れたガスシール性を維持できるガス供給管の接続構造を提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項１に記載の本発明は、燃料電池モジュール内のディストリビュータと内部にガス通路を有するセパレータを接続するガス供給管の接続構造であって、前記セパレータの外周部よりガス通路に耐熱性の絶縁管を嵌入すると共に、当該絶縁管の内部に前記ガス供給管を、その軸線方向にスライド可能に、且つ、接続部分からのガス漏洩量がガス導入量の２％以下となる嵌め合いを持って差し込み嵌合する構造とした。
【００１３】
また、請求項２に記載の本発明は、燃料電池モジュール内のディストリビュータと内部にガス通路を有するセパレータを接続するガス供給管の接続構造であって、前記セパレータの外周部に前記ガス通路と連通する連結部を外方向に延設すると共に、当該連結部にその通孔と連通する連結管を立設し、当該連結管に耐熱性の絶縁管を嵌入すると共に、絶縁管の内部に前記ガス供給管を、その軸線方向にスライド可能に、且つ、接続部分からのガス漏洩量がガス導入量の２％以下となる嵌め合いを持って差し込み嵌合する構造とした。
【００１４】
また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の固体酸化物形燃料電池のガス供給管の接続構造において、前記ガス供給管を前記セパレータの外部で輪状に曲成した。
【００１５】
請求項１または請求項２に記載の構成では、接続は単に絶縁管の内部にガス供給管の先端を差し込むだけで良く、従来のような継ぎ手機構やガラス封止は不要であるから、構造は極めて単純であり、且つ、ガス供給管からセパレータ内に導入されたガスは背圧の小さい集電体側に優先的に流れるため、性能低下に繋がるガスリークは発生しない。ガス漏洩量を２％以下としたのは、ガスが２％以上漏洩すると良好な電池出力が得られる燃料利用率の目標値８５％を確保できなくなり、電池性能の低下を招くからである。
また、請求項３に記載の構成では、高温下におけるガス供給管の熱膨張変化が吸収され、ガス供給管やその接続部に無理な力が掛からないため、部材の変形や破損が防止でき、安定した出力特性が得られるようになる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。尚、説明を簡略化するため、以下の説明において従来と共通する部分については同一の符号を用いた。
ここで、図１、図２は本発明に係るガス供給管の接続構造の第１実施形態を示し、図３、図４はこのガス供給管の接続構造による燃料電池モジュールの組み立て方法を示し、図５はガス供給管の接続構造の第２実施形態を示し、図６はこのガス供給管の接続構造による燃料電池モジュールの組み立て方法を示している。
【００１７】
図示のように、本発明が適用された燃料電池スタック１は、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配した発電セル５と、燃料極層の外側に配した燃料極集電体６と、空気極層の外側に配した空気極集電体７と、各集電体６、７の外側に配したセパレータ８とで単セルを構成し、これを多数積層してスタック化したもので、構成は図８に示す平板積層型の固体酸化物形燃料電池スタックと同様であるが、本発明の場合セパレータ８とガス供給管１３、１４の接続構造が相違している。
【００１８】
セパレータ８は、厚さ約３．５ｍｍ、直径１３０Φ程のステンレス材より成る円板であって、図１、図３に示すように、内部に、燃料用ディストリビュータ１５からの燃料ガスを燃料ガス供給管１３によりセパレータ８の外周面から導入して中央のガス吐出孔１１から吐出する燃料ガス通路９と、酸化剤用ディストリビュータ１６からの酸化剤ガスを酸化剤ガス供給管１４によりセパレータ８の外周面から導入して中央のガス吐出孔１２から吐出する酸化剤ガス通路１０とを有している。
【００１９】
また、これらガス供給管１３、１４として直径２Φ程度のステンレス製チューブが用いられており、セパレータ８と各々ディストリビュータ１５、１６を電気的に絶縁された状態で流路接続する際、その片端は各々ディストリビュータ１５、１６の側壁に直接溶着する接続構造を採っているが、第１実施形態では、セパレータ側の端部は以下のような接続構造にて接続されている。
【００２０】
例えば、燃料ガス供給管１３の接続構造について説明すれば、セパレータ８の外周部より燃料ガス通路９にセラミックスのような優れた耐熱性を有する素材で成る絶縁管１８を嵌入し、この絶縁管１８の内部に燃料ガス供給管１３を差し込む構造としている。この際、高温下において燃料ガス供給管１３の熱膨張変化を吸収できるよう、ガス供給管の軸線方向にスライド可能となり、且つ、電池性能に影響を与えないガスシール性、即ち、熱膨張する前の状態で燃料ガス供給管１３と絶縁管１８の隙間からセパレータ外に漏洩するガス量が、燃料用ディストリビュータ１５からのガス導入量の２％以下となるように燃料ガス供給管１３と絶縁管１８の嵌め合いを設定している。
【００２１】
即ち、本実施形態では、燃料ガス供給管１３が熱膨張により最大に拡径した状態で絶縁管１８の内壁との隙間がほぼ無くなるように設定されている。これにより、絶縁管１８と燃料ガス供給管１３に径方向の無理な力が掛からないようにでき、且つ、熱膨張による燃料ガス供給管１３の軸線方向の延びに対しても、ガス供給管が自由にスライドすることにより熱膨張変化を無理なく吸収できるので、接続部分の変形や破損が防止できる。因みに、この場合、絶縁管１８の内径と燃料ガス供給管１３の外径との差は０．１４〜０．１６ｍｍ程度に設定されている。
【００２２】
尚、酸化剤ガス供給管１４の接続構造も上記と同様、絶縁管１８と酸化剤ガスガス供給管１４の２重管構造による差し込み式である。酸化剤ガス供給管１４と絶縁管１８の嵌め合いにおいても、熱膨張変化に対してスライド可能な状態と、良好なガスシール性を確保している。
【００２３】
次に、図２に示す実施形態は、セパレータ８のガスの導入機構を３孔式としたものであって、このセパレータ８は、内部に、１本の燃料ガス通路９と２本の酸化剤ガス通路１０、１０を設けて燃料ガスの供給量に十分見合う多量の空気を低い背圧で空気極集電体側へ供給できるように構成した例である。燃料ガス通路９と酸化剤ガス通路１０、１０には、各ディストリビュータ１５、１６からのガス供給管１３、１４が上記した本実施形態の接続機構によって接続されている。
【００２４】
上記構成のガス供給管の接続構造を用いると、燃料電池モジュールの組み立ては極めて容易に行える。例えば、図３に示すように、燃料ガスの流路接続では、金属製の燃料用ディストリビュータ１５の壁面に縦一列に設けた多数の通孔１５ａに燃料ガス供給管１３の一端を嵌合して予め溶接により固着させておき、他端をセパレータ８の外側部より少々突出する絶縁管１８に差し込むだけで良い。これにより、燃料用ディストリビュータ１５から分岐される多数の燃料ガス供給管１３が一度に各々対応するセパレータ８のガス通路にスライド可能に接続される。尚、酸化剤ガスの流路接続も同様の要領で行えば良い。
【００２５】
また、図４には、各ディストリビュータ１５、１６とセパレータ８を流路接続するガス供給管１３、１４の途中を輪状に曲成した例が示されており、この場合も、組み立ては図３の場合と同様に行うことができる。しかも、本構成では、高温下での熱膨張で生じるガス供給管１３、１４の軸線方向の延びにより接続部に加わる無理な力をこの輪状部１３ａ、１４ａの弾性で吸収することができ、且つ、組み立ての際のガス供給管端部とセパレータ側部のガス通路口との位置的なズレもこの弾性で吸収できるため、組み立て性もより一層向上する。
【００２６】
上記構成の燃料電池モジュールでは、外部から供給された酸化剤ガス（空気）は酸化剤用ディストリビュータ１６を介し、複数の酸化剤ガス供給管１４から各セパレータ８の酸化剤ガス通路１０に導入され、通路末端部のガス吐出孔１２より吐出して対面する空気極集電体７に供給され、これを通過して発電セル５の空気極層に達する。
一方、外部から供給された燃料ガスは、燃料用ディストリビュータ１５を介し、複数の燃料ガス供給管１３から各セパレータ８の燃料ガス通路９に導入され、通路末端のガス吐出孔１１より吐出して対面する燃料極集電体６に供給される。
【００２７】
ここで、各ガス供給管１３、１４から導入される燃料ガスや酸化剤ガスは多孔質金属で成る背圧の小さい各集電体側に優先的に流れ、管路抵抗の大きいガス供給管と絶縁管との間の僅かな隙間には流れ込まないので、ガスリークを２％以下に抑制するのは容易であり、よって、電池性能は十分確保可能である。
【００２８】
次に、本発明のガス供給管の接続構造の第２実施形態を説明する。
【００２９】
第２実施形態では、図５に示すように、セパレータ８の外周部に、燃料ガス通路９と連通する矩形状の燃料ガス用連結部１９と、酸化剤ガス通路１０と連通する矩形状の酸化剤ガス用連結部２０を各々外方向に対向状態に延設すると共に、それぞれの通孔１９ａ、２０ａに連通するように、これら連結部上にステンレス製の 燃料ガス用連結管２１と酸化剤ガス用連結管２２が、それぞれ、溶接により垂直状態（縦方向）に固着してある。
そして、これら連結管２１、２２の内部に耐熱性に優れるセラミックス製の絶縁管１８を嵌入し、各絶縁管１８の内部に燃料ガス供給管１３および酸化剤ガス供給管１４を差し込む構造としている。尚、差し込みの際の各ガス供給管１３、１４と絶縁管１８の嵌め合いは第１実施形態と同様で、高温下において各ガス供給管１３、１４の熱膨張を吸収できるようガス供給管の軸線方向にスライド可能であり、且つ、熱膨張する前の状態で燃料ガス供給管１３と絶縁管１８の隙間からセパレータ外に漏洩するガス量が、ディストリビュータ１５、１６からのガス導入量の２％以下となるような優れたガスシール性を有するものである。
【００３０】
酸化剤ガス用連結管２２は、酸化剤ガス用連結部２０の通孔２０ａを介して酸化剤ガス通路１０に連通されているため、図５（ｂ）に示すように、酸化剤ガス供給管１４の端部を上方より酸化剤ガス用連結部２０の絶縁管１８に差し込むことにより、酸化剤ガス供給管１４が垂直方向に接続された状態で酸化剤ガス通路１０に連通される。
外部から供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給管１４から酸化剤ガス用連結部２０の通孔２０ａを介して酸化剤ガス通路１０に導入され、通路末端部の酸化剤ガスの吐出孔１２より吐出して対面する空気極集電体７に供給されるようになっている。
【００３１】
一方、燃料ガス用連結管２１は、燃料ガス用連結部１９の通孔１９ａを介して燃料ガス通路９に連通されており、燃料ガス供給管１３の端部を上方より燃料ガス用連結部１９の絶縁管１８に差し込むことにより、燃料ガス供給管１３が垂直方向に連結された状態で燃料ガス通路９に連通される。
外部からの燃料ガスは、燃料ガス供給管１３から燃料ガス用連結部１９の通孔１９ａを介して燃料ガス通路９に導入され、通路末端の燃料ガスの吐出孔１１より吐出して対面する燃料極集電体６に供給されるようになっている。
【００３２】
次に、上記構成のガス供給管の接続構造を用いた燃料電池モジュールの組み立てを図６に示す。
【００３３】
本実施形態では、積層方向に隣接する各連結部１９、２０の位置が周方向に連続的にずれるように個々のセパレータ８を配置して円筒状にスタック化されている。そして、燃料電池スタック１の周上に突設した各々連結部１９、２０の連結管２１、２２に各々燃料ガス供給管１３および酸化剤ガス供給管１４の一端が縦方向より差し込み接続される。
尚、これらガス供給管１３、１４の他端は、それぞれ燃料電池スタック１の上部に配設された図示しない燃料用ディストリビュータ１５および酸化剤用ディストリビュータ１６の側壁に溶接等により一列円弧状に固着されている。この場合も、図４に示すような輪状に曲成されたガス供給管を使用することは勿論可能である。
【００３４】
このように、各ガス供給管１３、１４を縦接続構造とすることにより、セパレータ８の厚みを薄くすることができ、セパレータ８の薄型化による燃料電池スタック１の小型化、軽量化が可能となる。
【００３５】
【実施例】
上記した本発明の効果を確認するため、図３に示す構造のセパレータを用いて本発明（実施例）、比較例、従来例の各単セルを作製し、各々について下記の条件にて発電試験を行い、その結果を図７に示した。尚、発電試験は、起動（７５０℃まで温度昇温した後１０時間発電）と停止（室温まで降温）を３回繰り返し、４回目の昇温時に実施した。
2004200021.tif 000003
【００３６】
［実施例］
セパレータと各ガス供給管の接続構造を図３の構造とした。
【００３７】
［比較例］
セパレータと各ガス供給管の接続を溶接とした。
【００３８】
［従来例］
図８の構成のセラミックス継ぎ手を用い、ガス供給管と継ぎ手の隙間をガラス封止によりガスシールした。
【００３９】
図７に示すように、従来例の場合は、出力電流が３５Ａ以上になるとその最大値が急激に低下している。これは、起動・停止の昇降温を繰り返すことにより継ぎ手部分のガラス封止が破損し、ガスリークが発生したためである。
これに対し、実施例と比較例は、出力電流が３５Ａ以上においても良好な電池性能が得られており、これより、本発明のガス供給管の接続構造が溶接による接続と略同程度の優れたガスシール性を確保できることが確認された。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、絶縁管の内部にガス供給管の先端部を差し込むだけの極めて単純な構造であるから、燃料電池モジュールの組み立ては容易である。また、高温下におけるガス供給管の熱膨張変化を効率的に吸収できる接続構造であるから、部材の変形や破損を防止し長期に亘って優れたガスシール性を維持することができる。これにより、ガスリークを防止し、安定した電池性能が得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガス供給管の接続構造の第１実施形態を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ断面図。
【図２】図１とは別のガス供給管の接続構造を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ断面図。
【図３】本発明に係るガス供給管の接続構造による燃料電池モジュールの組み立て方法を示す斜視図。
【図４】図３とは別のガス供給管の接続構造による燃料電池モジュール組み立て方法を示す斜視図。
【図５】本発明に係るガス供給管の接続構造の第２実施形態を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はＣ−Ｃ断面図。
【図６】図５のガス供給管の接続構造による燃料電池モジュールの組み立て方法を示す斜視図。
【図７】燃料電池の出力特性を示す図。
【図８】従来の燃料電池モジュールの構成を示す分解斜視図。
【符号の説明】
８  セパレータ
９  燃料ガス通路
１０  酸化剤ガス通路
１５  燃料用ディストリビュータ
１６  酸化剤用ディストリビュータ
１８  絶縁管
１９  燃料ガス用連結部
１９ａ  通孔
２０   酸化剤ガス用連結部
２０ａ  通孔
２１  燃料ガス用連結管
２２  酸化剤ガス用連結管
【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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