(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の固体電解質形燃料電池セルの一端部を箱状のマニホールド上に形成した複数のスリットにそれぞれ挿入して固定してなるとともに、前記マニホールド内のガスが前記燃料電池セル内を通過する燃料電池であって、
前記スリットが、平面視したときに前記固体電解質形燃料電池セルの配列方向に垂直な方向における前記マニホールドの側面を形成する一端面から該一端面に対向する他端面にわたって設けられているとともに、前記固体電解質形燃料電池セルの一端部が、前記一端面及び前記他端面の前記スリットから露出しており、シール材によりガスシールされていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記マニホールドが、下面が開口した箱状のセル支持板及び上面が開口した箱状のマニホールド本体からなり、前記セル支持板と前記マニホールド本体の開口側を当接させて固定してあることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記マニホールドが、角状の管状体の両端開口部を閉塞してなるとともに、閉塞した部分にガス導入路が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記固体電解質形燃料電池セルが中空平板状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質形燃料電池セルへのガス供給が簡単な燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
次世代エネルギーとして、近年、固体電解質形燃料電池セルを収納容器内に複数収容し
た燃料電池が種々提案されている。固体電解質形燃料電池セルは、例えば、酸素側電極の表面に固体電解質、燃料側電極を順次形成して構成されており、燃料側電極側に燃料（水素）を流し、酸素側電極側に空気（酸素）を流して１０００℃程度で発電される。
【０００３】
従来、固体電解質形燃料電池セルの一端部を、マニホールドの天板に形成されたセル形状の収容凹部に収納し、シール材によりガスシールした燃料電池が知られている（特許文献１参照）。また、固体電解質形燃料電池セルの一端部を、セル支持板に形成されたセル形状の収容凹部に収納し、このセル支持板をマニホールドの天板に固定した燃料電池も知られている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００３−２８２１０７号公報
【特許文献２】特開２００３−２８２１３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記特許文献１，２に記載された燃料電池では、マニホールドの天板や、支持板にセル形状の収容凹部を形成する必要があり、セル形状の収容凹部を形成するのにＮＣ旋盤等を用いる必要があり、加工が複雑であり、加工費用も高く、加工時間も長くなるという問題があった。
【０００５】
本発明は、マニホールドの加工を容易、安価かつ短時間に行うことができる燃料電池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】
本発明の燃料電池は、複数の固体電解質形燃料電池セルの一端部を箱状のマニホールド上に形成した複数のスリットにそれぞれ挿入して固定してなるとともに、前記マニホールド内のガスが前記燃料電池セル内を通過する燃料電池であって、前記スリットが、平面視したときに前記固体電解質形燃料電池セルの配列方向に垂直な方向における前記マニホールドの側面を形成する一端面から該一端面に対向する他端面にわたって設けられているとともに、前記固体電解質形燃料電池セルの一端部が、前記一端面及び前記他端面の前記スリットから露出しており、シール材によりガスシールされていることを特徴とする。
【０００７】
このような燃料電池では、マニホールド上に形成された複数のスリットは、従来のようにＮＣ旋盤のような装置を用いることなく、例えばワイヤー放電加工で形成でき、容易に、安価かつ短時間で複数のスリットを形成できる。
【０００８】
また、本発明の燃料電池は、前記マニホールドが、下面が開口した箱状のセル支持板及び上面が開口した箱状のマニホールド本体からなり、前記セル支持板と前記マニホールド本体の開口側を当接させて固定してあることが望ましい。これにより、容易、安価に短時
間でマニホールドを形成できる。
【０００９】
また、本発明の燃料電池は、前記マニホールドが、角状の管状体の両端開口部を閉塞してなるとともに、閉塞した部分にガス導入路が接続されていることが望ましい。このような燃料電池では、市販の例えば、四角筒状の管状体を用いて、マニホールドを容易、安価かつ短時間で作製できるとともに、マニホールドに固体電解質形燃料電池セルを容易に固定できる。
【００１１】
さらに、本発明の燃料電池は、前記固体電解質形燃料電池セルが中空平板状であることが望ましい。
【００１２】
このような燃料電池では、固体電解質形燃料電池セルをスリットの開口する側から挿入して固定することができる。また、固体電解質形燃料電池セルは、スリット内に収容されるため、そのスリット内の所定位置に固体電解質形燃料電池セルを立設し、固定することできる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の燃料電池は、複数の固体電解質形燃料電池セルの一端部を箱状のマニホールド上に形成した複数のスリットにそれぞれ挿入して固定してなるとともに、前記マニホールド内のガスが前記燃料電池セル内を通過する燃料電池であって、前記スリットが、平面視したときに前記固体電解質形燃料電池セルの配列方向に垂直な方向における前記マニホールドの側面を形成する一端面から該一端面に対向する他端面にわたって設けられているとともに、前記固体電解質形燃料電池セルの一端部が、前記一端面及び前記他端面の前記スリットから露出しており、シール材によりガスシールされているため、マニホールド上に形成された複数のスリットを、従来のようにＮＣ旋盤のような装置を用いることなく、例えばワイヤー放電加工で形成でき、容易に、安価かつ短時間で複数のスリットを形成でき、コスト低減が可能な燃料電池を容易に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、本発明の燃料電池を示すもので、符号１は断熱構造を有する収納容器（ハウジング）を示している。この収納容器１の内部には、複数の固体電解質形燃料電池セル（以下、燃料電池セルと略す場合がある。）２が縦列配列して集合した複数のセルスタック３と、セルスタック３の上方に存在する燃焼領域４を挿通し、セルスタック３間に配設された酸素含有ガス供給管５と、燃焼領域４の上方に設けられた改質器６と、この改質器６の上方に設けられた熱交換部７とから構成されている。尚、酸素含有ガス供給管５は、理解を容易にするため、破線で記載した。
【００１６】
収納容器１は、耐熱性金属からなる枠体１ａと、枠体１ａ内面に設けられた断熱材１ｂとから構成されている。
【００１７】
セルスタック３は、例えば、図２に示すように、複数の燃料電池セル２を整列して構成され、３つのセルスタック３は３列に整列され、隣設した２列のセルスタック３最外部の燃料電池セル２の電極同士が導電部材４２で接続され、これにより３列に整列した複数の燃料電池セル２が電気的に直列に接続している。３つのセルスタック３はそれぞれマニホールド５０を有している。
【００１８】
具体的に説明すると、燃料電池セル２は扁平状（細長板状）であり、その内部には複数の燃料ガス通過孔８が軸長方向に形成されている。この燃料電池セル２は中空平板型であり、楕円柱状（扁平状）の電極支持体２ａの外面に、燃料側電極（内側電極）２ｂ、緻密質な固体電解質２ｃ、多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極２ｄを順次積層し、酸素側電極２ｄと反対側の電極支持体２ａの外面にインターコネクタ２ｅを形成して構成されている。
【００１９】
一方の燃料電池セル２と他方の燃料電池セル２との間には集電部材９を介在させ、一方の燃料電池セル２の電極支持体２ａを、該電極支持体２ａに設けられたインターコネクタ２ｅ、集電部材９を介して他方の燃料電池セル２の酸素側電極２ｄに電気的に接続して、セルスタック３が構成されている。集電部材９は、金属及び／又は導電性の無機材質からなる板状及び／又はフェルト状とされている。
【００２０】
燃料電池セル２をさらに詳細に説明すると、電極支持体２ａは上下方向に細長く延びる板状片であり、平坦な両面と半円形状の両側面を有する。電極支持体２ａにはこれを鉛直方向に貫通する複数個（図２では６個、図３の場合は４個で記載）の燃料ガス通過孔８が形成されている。
【００２１】
インターコネクタ２ｅは電極支持体２ａの片面（図２の左側のセルスタック３において上面）上に配設されている。燃料側電極２ｂは電極支持体２ａの他面（図２の左側のセルスタック３において下面）及び両側面に配設されており、その両端はインターコネクタ２ｅの両端に接合せしめられている。固体電解質２ｃは燃料側電極２ｂの全体を覆うように配設され、その両端はインターコネクタ２ｅの両端に接合せしめられている。酸素側電極２ｄは、固体電解質２ｃの主部上、即ち電極支持体２ａの他面を覆う部分上に配置され、電極支持体２ａを挟んでインターコネクタ２ｅに対向して位置せしめられている。
【００２２】
セルスタック３における隣接するセル２間には集電部材９が配設されており、一方のセル２のインターコネクタ２ｅと他方のセル２の酸素側電極２ｄとを接続している。セルスタック３の両端、即ち図２において上端及び下端に位置するセル２の片面及び他面にも集電部材４２が配設されている。セルスタック３の両端に位置する集電部材４２には電力取出手段（図示していない）が接続されている。
【００２３】
燃料電池セル２について更に詳述すると、電極支持体２ａは燃料ガスを燃料側電極２ｂまで透過させるためにガス透過性であること、そしてまたインターコネクタ２ｅを介して集電するために導電性であることが要求され、かかる要求を満足する多孔質の導電性セラミック（若しくはサーメット）から形成することができる。
【００２４】
燃料側電極２ｂ及び／又は固体電解質２ｃとの同時焼成により電極支持体２ａを製造するためには、鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから電極支持体２ａを形成することが好ましい。所要ガス透過性を備えるために開気孔率が３０％以上、特に３５乃至５０％の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は３００Ｓ／ｃｍ以上、特に４４０Ｃ／ｃｍ以上であるのが好ましい。
【００２５】
特に電極支持体２ａは、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｓｍ及びＰｒから選ばれた１種以上からなる希土類元素酸化物と、Ｎｉ及び／又はＮｉＯとを主成分とすることが望ましい。このような組成とすることにより、固体電解質の熱膨張係数に近づけることができる。
【００２６】
燃料側電極２ｂは多孔質の導電性セラミック、例えば希土類元素が固溶しているＺｒＯ２（安定化ジルコニアを称されている）とＮｉ及び／又はＮｉＯとから形成することができる。
【００２７】
固体電解質２ｃは、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと酸素含有ガスとのリークを防止するためにガス遮断性を有するものであることが必要であり、通常、３〜１５モル％の希土類元素が固溶したＺｒＯ２から形成されている。
【００２８】
酸素側電極２ｄは所謂ＡＢＯ３型のペロブスカイト型酸化物からなる導電セラミックから形成することができる。酸素側電極２ｄはガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が２０％以上、特に３０〜５０％の範囲にあることが好ましい。
【００２９】
インターコネクタ２ｅは導電性セラミックから形成することができるが、水素ガスでよい燃料ガス及び空気でよい酸素含有ガスと接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、このためにランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物（ＬａＣｒＯ３系酸化物）が好適に使用される。インターコネクト２ｅは電極支持体２ａに形成された燃料ガス通過孔８を通る燃料ガス及び電極支持体２ａの外側を流動する酸素含有ガスのリークを防止するために緻密質でなければならず、９３％以上、特に９５％以上の相対密度を有していることが望まれる。
【００３０】
集電部材９は、弾性を有する金属又は合金若しくは導電性セラミックから形成された適宜の形状の部材、或いは金属繊維又は合金繊維から成るフェルトに、所要表面処理を加えた部材から構成することができる。
【００３１】
そして、複数の燃料電池セル２の下端部は、図１、３、４に示すように箱状のマニホールド５０に支持固定されている。即ち、マニホールド５０の天板が、燃料電池セル２の下端部を保持固定するセル支持板５０ａとされ、セル支持板５０ａがマニホールド本体５０ｂに接合され、このセル支持板５０ａに燃料電池セル２の下端部が支持固定されている。このセル支持板５０ａは下面が開口する矩形箱状であり、幅方向にマニホールド５０の側面を形成する一端面から一端面に対向する他端面にわたって複数のスリット５３が所定間隔を置いて平行に形成され、これらのスリット５３内に複数の燃料電池セル２の下端部がそれぞれ収容された状態で、シール材５５によりガスシールされている。セル支持板５０ａは、図３（ｂ）に示すように、燃料電池セル２の幅方向端部が、スリット５３により露出した幅方向端部５０ａ２に載置されるような寸法とされ、燃料電池セル２の幅方向端が、セル支持板５０aから突出しないように構成されている。また、燃料電池セル２の平坦
な側面は、スリット５３の側面５０ａ１と所定間隔を置いて離間している。セル支持板５０ａと、開口するマニホールド本体５０ｂの開口部にシール材５５を介して接合されている。
【００３２】
即ち、図３、４に示すように、複数のスリット５３が形成されたセル支持板５０ａに、燃料電池セル２を、複数のスリット５３の側面５０ａ１に燃料電池セル２の平板状の側面が対向するように挿入され、接合されている。挿入する際は燃料電池セル２の挿入する側の端面で、幅方向両端がセル支持板５０ａのスリット５３の底面５０ａ２に接触するように挿入する。燃料電池セル２の幅の寸法は、セル支持板５０ａの幅よりも小さくされている。これにより燃料電池セルの高さ方向の位置決め精度が向上し、容易に固定することができる。さらに、セル支持板５０ａの幅が燃料電池セル２の長軸長さ（幅）より広くならないため、マニホールド５０を小型化でき、収納容器１の内部を狭くすることで熱自立し易くなる。
【００３３】
また、セル支持板５０ａの材質にＳＵＳ等の金属を利用する場合であって、燃料電池セル２との絶縁性を確保する必要がある場合には、燃料電池セル２とセル支持板５０ａが接触する部位、例えば、スリット５３の側面５０ａ１又は底面５０ａ２と燃料電池セル２との間にマイカ板やアルミナ板などのセラミック製の薄い絶縁板などを挟み込むことができる。このような場合、マニホールドのセル支持板５０ａとマニホールド本体５０ｂとを２分割した構造とすることにより、燃料電池セルを挿入したセル支持板５０ａの裏面より、絶縁性の板を固定したり、また燃料電池セルを仮止めするためのアルミナ等を主成分とするセメントを挿入したりすることができるため、作業性が向上するとともに、燃料電池セルの確実な固定が可能となる。
【００３４】
燃料が漏れることが無いようにガスタイトなシールを行うためには、固定された燃料電池セル２とスリット５３との隙間を埋めるように粘土状のガラスペースト等のシール材５５を挿入し、乾燥、焼成することでできる。
【００３５】
また予め燃料電池セル２の端部と相似形状に成型されたソケット状のガラスを燃料電池セル２の端部に挿入した後に、この燃料電池セル２をスリット５３に収納し、前記固定法により燃料電池セル２を固定し、焼成することでも可能である。また、セル支持板５０ａはマニホールド５０の一部を構成しているため、マニホールド５０とは別個にセル支持板５０ａを用いる必要がないため、燃料電池を簡素な構造とでき、しかも容易に作製できる。
【００３６】
また、本発明の燃料電池では、マニホールド５０は収納容器１内に収納され、収納容器１とは別個独立に存在するため、例えば、マニホールド５０に設けられた複数の燃料電池セル２が破損した場合であっても、収納容器１からマニホールド５０毎取り出して交換することができる。
【００３７】
燃料電池セル２とセル支持板５０ａとの固定に用いられるシール材５５は、セラミックスからなるもの、ガラス、セメントなどが利用され、ペースト状、スラリー状のものを燃料電池セル２との隙間に流し込む方法や、粘土状もしくは隙間の形状に合わせた成型物などを燃料電池セル２との隙間に固定する方法が用いられ、焼成することで燃料電池セル２とセル支持板５０ａが固定される。
【００３８】
シール材５５としては燃料電池セル２をセル支持板５０ａに固定する必要があるため、燃料電池の運転温度、例えば６００℃から９００℃において固相状態にあることが望ましい。固相状態にあることにより燃料電池の運転時においても燃料電池セル２を保持固定すると同時に、シール材５５の表面に被覆形成される無機薄膜にクラックや剥離等の欠陥を生じることなく安定に維持することができる。
【００３９】
また、シール材５５からの燃料ガスの漏れを防止することが必要であり、シール材５５が緻密化していることが好ましく、ガスタイトなシール性、安定性の観点から非晶質なガラス材料、結晶質の材料を含むガラス材料であることが望ましい
更にシール材５５としては支持板５０ａと燃料電池セル２両方の熱膨張に近いことが望ましいが、支持板５０ａと燃料電池セル２との熱膨張係数には差異があることより、好ましくは支持板５０ａと燃料電池セル２と間の熱膨張係数を有する材料を利用することが好ましい。
【００４０】
さらに、本発明の燃料電池は、燃料電池セル２の一端部は、外側電極の非形成領域とされており、露出した固体電解質がシール材５５にてセル支持板５０ａに固定されている。燃料電池セル２では、外側電極は固体電解質へガスを供給する必要があるため多孔質とされ、固体電解質は燃料ガスと酸素含有ガスを遮断する必要があるため緻密質とされており、緻密質の固体電解質部分をセル支持板５０ａにシール材５５にて接合するため、燃料電池セル２からのガスの漏出を防止できる。
【００４１】
マニホールド５０には、燃料電池セル２内部に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管１７が接続され、この燃料ガス供給管１７は改質器６に接続され、この改質器６には、被改質ガスを供給するための被改質ガス供給管１９が接続されており、外部から被改質ガス供給管１９を介して被改質ガスが改質器６に供給され、この改質器６で改質され、燃料ガスが燃料ガス供給管１７を介してマニホールド５０に供給される。
【００４２】
また、図１に示したように、燃焼領域４を挿通する酸素含有ガス供給管５は、その先端部が発電領域の下部であってセルスタック３間に位置している。発電で用いられなかった余剰の酸素含有ガスは、燃焼領域４内に自然流動するように構成されている。
【００４３】
熱交換部７は、燃料電池セル２上方で燃焼された排ガスが排出する排ガス通路７ａと、燃焼領域４を介してセルスタック３に対向して設けられた酸素含有ガス収容室７ｂとから構成されている。
【００４４】
排ガス通路７ａは、燃料電池セル２上方から外部に向けて排出するように構成されており、酸素含有ガス収容室７ｂには外部から空気が導入されるようになっており、また酸素含有ガス供給管５が連通している。排ガス通路７ａは酸素含有ガス収容室７ｂに沿って形成されており、この部分で熱交換される。
【００４５】
以上のように構成された燃料電池では、外部からの酸素含有ガス（例えば空気）を熱交換部６の酸素含有ガス収容室７ｂに導入し、酸素含有ガス供給管５を介して発電室のセルスタック３間に噴出させ、燃料電池セル２間に供給するとともに、被改質ガスを被改質ガス供給管１９を介して改質器６内に供給し、この改質器６にて改質して、燃料ガス（例えば水素）を燃料ガス供給管１７、マニホールド５０を介して燃料電池セル２の燃料ガス通過孔８内に供給し、発電領域における燃料電池セル２において発電させる。
【００４６】
発電に用いられなかった余剰の燃料ガスは燃料ガス通過孔８の上端から燃焼領域４内に噴出し、発電に用いれらなかった余剰の酸素含有ガスは、燃焼領域４内に噴出し、余剰の燃料ガスと余剰の酸素含有ガスを反応させて燃焼させ、燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスが燃焼ガス導入口を介して熱交換部７の排ガス通路７ａに導出され、熱交換器７の上端から排出される。
【００４７】
そして、本発明の燃料電池では、燃料電池セル２の一端部をセル支持板５０ａに保持固定し、このセル支持板５０ａをマニホールド５０に設けたため、燃料電池セル２は収納容器１に固定されるのではなく、収納容器１内に収容されたマニホールド５０に保持固定されるため、例えば、１本の燃料電池セル２が破損した場合、その燃料電池セル２が保持固定されたマニホールド５０を収納容器１から取り出し、他の良品と取り替えることができ、メンテナンスが容易となる。
【００４８】
また、マニホールド５０内のガスが、電極支持体２ａを燃料電池セル２の一端部から他端部に通過するため、従来のように配管等を用いることなく、マニホールド５０から燃料電池セル２にガスを供給することができる。
【００４９】
また、発電に寄与しなかった余剰の燃料ガスと酸素含有ガスが燃焼領域４内に導入され、この燃焼領域４中で反応して燃焼し、この燃焼ガス及び外部の酸素含有ガスを熱交換部７に導入し、この熱交換器７で燃焼ガスと酸素含有ガスとの間で熱交換、及び燃焼による酸素含有ガス収容室７ｂ内の酸素含有ガスの加熱により、酸素含有ガスを予熱することができるため、燃料電池セル２を加熱して実質的に発電するまでの起動時間を大幅に短縮できる。
【００５０】
さらに、燃料電池セル２の上方に改質器６を設けたことにより、燃焼ガスにより改質器６を直接加熱でき、改質に必要な熱を十分に供給でき、改質性能を向上できる。
【００５１】
尚、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。
【００５４】
さらにまた、マニホールドは、市販の既製の角型のパイプをそのまま利用することができ、安価に製造できる。例えば、図５に示すように、マニホールド７０は、角パイプ状の管状体７０ａの両端開口部を閉塞してなるとともに、軸長方向端面の閉塞した部分にガス導入路７５が接続され、管状体７０ａの側面に複数のスリット７３が形成され、このスリット７３内に燃料電池セル２の一端部が支持固定される。このような燃料電池では、セル支持板５０ａとマニホールド本体５０ｂとのシール部がなくなるため、燃料漏れ等に対しての信頼性を向上することができる。具体的には、所定の長さの既製のパイプ上に複数のスリットを形成し、パイプの一端を封止することにより、マニホールド７０を容易に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の燃料電池を示す説明図である。
【図２】本発明の燃料電池のセルスタックを示す横断面図である。
【図３】（ａ）は固体電解質形燃料電池セルとマニホールドとの接続を示す分解斜視図、（ｂ）は平面図である。
【図４】固体電解質形燃料電池セルとマニホールドとの接続の例を示す断面図である。
【図５】管状体のマニホールド上にスリットを形成した状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００５６】
２ａ・・・導電性支持体
２ｂ・・・燃料側電極（内側電極）
２ｃ・・・固体電解質
２ｄ・・・酸素側電極（外側電極）
２・・・固体電解質形燃料電池セル
８・・・ガス通過孔
５０・・・マニホールド
５０ａ・・・セル支持板
５０ｂ・・・スリットの側面
５０ｃ・・・スリットの底面
５５・・・シール材
７０ａ・・・管状体
７５・・・ガス導入路
【図１】
0004578114.tif 000002
【図２】
0004578114.tif 000003
【図３】
0004578114.tif 000004
【図４】
0004578114.tif 000005
【図５】
0004578114.tif 000006