(57)【要約】【課題】セルスタックとマニホールドとの熱膨張係数差に基づくクラック等を抑制できるセルスタック装置の製法を提供する。【解決手段】長さ方向にガス流路８１ａを有する棒状の固体電解質形燃料電池セル３０を複数配列してなるセルスタック２５を、マニホールド２７にガスシールした状態で立設固定してなり、マニホールド２７内の空間と固体電解質形燃料電池セル３０のガス流路８１ａが連通しているセルスタック装置の製法であって、マニホールド２７の一部を構成する筒状のマニホールド本体２７ａを絶縁性無機材料により形成すると同時に、セルスタック２５をマニホールド本体２７ａに立設固定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】
長さ方向にガス流路を有する棒状の固体電解質形燃料電池セルを複数配列してなるセルスタックを、マニホールドにガスシールした状態で立設固定してなり、前記マニホールド内の空間と前記固体電解質形燃料電池セルのガス流路とが連通しているセルスタック装置の製法であって、前記マニホールドの一部を構成する筒状のマニホールド本体を絶縁性無機材料により形成すると同時に、前記セルスタックを前記マニホールド本体に立設固定することを特徴とするセルスタック装置の製法。
【請求項２】
セルスタックの下端面に中子を当接させるセルスタックセット工程と、前記中子の少なくとも一方の側面を除く周囲に前記絶縁性無機材料を含有するスラリーを配置させ、前記筒状のマニホールド本体成形体に前記セルスタックを立設固定する成形体形成工程と、前記絶縁性無機材料を焼成する工程と、前記中子を前記マニホールド本体成形体から引き出す中子除去工程とを具備することを特徴とする請求項１記載のセルスタック装置の製法。
【請求項３】
前記セルスタックの下端面が前記中子に当接した状態で収容された成形型内に、前記中子の少なくとも一方の側面を除く周囲に前記絶縁性無機材料を含有するスラリーを流し込み、前記筒状のマニホールド本体成形体に前記セルスタックを立設固定する成形体形成工程と、前記絶縁性無機材料を焼成する工程と、前記中子を前記マニホールド本体成形体から引き出す中子除去工程とを具備することを特徴とする請求項１記載のセルスタック装置の製法。
【請求項４】
前記中子除去工程の後に、前記筒状のマニホールド本体の開口した側面を、前記絶縁性無機材料にて閉塞する工程を具備することを特徴とする請求項２又は３記載のセルスタック装置の製法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はセルスタック装置の製法に関し、特に、固体電解質形燃料電池セルを複数配列してなるセルスタックを、マニホールドに立設固定してなるセルスタック装置の製法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、酸素極層の表面に固体電解質層、燃料極層を順次形成して構成されており、燃料極層側に燃料（水素）を流し、酸素極層側に空気（酸素）を流して６００〜１０００℃程度で発電される。
【０００３】
固体電解質形燃料電池セルは、上記したように、２種のガスを用い、しかも高温に曝されるため、高温においてもガスが漏出しないように、ガスの供給管やセルにおけるシール性について種々の改良がなされている。例えば、従来、合金製のガスマニホールドの側面に合金製のガス供給管を接合し、上面が開口した直方体形状のガスマニホールド本体の前記開口部に、セルスタックの支持板を接合したセルスタック装置が知られている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００４】
この燃料電池では、セルスタックは、多数のセル挿入孔が形成された合金製支持板の前記セル挿入孔に燃料電池セルを挿入し、その隙間にガラス材料を充填し、支持板が気密にガスシールされた状態でガスマニホールドに接合されていた。
【０００５】
このような燃料電池では、例えば、水素等の燃料ガスがガス供給管を介してガスマニホールド内に供給され、この燃料ガスが、セルスタックを構成する燃料電池セル内部に形成されたガス通路に供給され、一方で、燃料電池セルの外部には空気が供給され、固体電解質層が燃料極層と空気極層で挟持された発電部において発電することができる。
【特許文献１】特開２００５−２１６６２０号公報
【特許文献２】特開２００５−１２８５３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記した特許文献１、２に開示された燃料電池では、合金製支持板のセル挿入孔に燃料電池セルを挿入し、その隙間にガラス材料を充填し、燃料電池セルをガラス材料により合金製支持板に気密に接合していたため、合金製支持板とガラス材料との熱膨張係数差により、作製時や発電時においてガラス材料にクラックや剥離等が生じる虞があり、ガスマニホールドのシール性が未だ低いという問題があった。
【０００７】
このため、複数の燃料電池セルの軸長方向一端部をガラス材料により一体化し、複数の燃料電池セルをガラス材料からなる矩形状のセル支持板に立設してセルスタックを形成し、このセルスタックを、上面が開口した合金製マニホールドの開口部にガラス材料により接合することも考えられるが、この場合においても、ガラス材料からなるセル支持板と合金製マニホールドとの熱膨張係数差により、燃料電池作製時や発電時においてガラス材料からなるセル支持板にクラックや剥離等が生じる虞があった。
【０００８】
本発明は、セルスタックとマニホールドとの熱膨張係数差に基づくクラック等を抑制できるセルスタック装置の製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】
【０００９】
本発明のセルスタック装置の製法は、長さ方向にガス流路を有する棒状の固体電解質形燃料電池セルを複数配列してなるセルスタックを、マニホールドにガスシールした状態で立設固定してなり、前記マニホールド内の空間と前記固体電解質形燃料電池セルのガス流路とが連通しているセルスタック装置の製法であって、前記マニホールドの一部を構成する筒状のマニホールド本体を絶縁性無機材料により形成すると同時に、前記セルスタックを前記マニホールドに立設固定することを特徴とする。
【００１０】
このようなセルスタック装置の製法では、マニホールドの一部を構成する筒状のマニホールド本体を絶縁性無機材料により形成すると同時に、セルスタックをマニホールドに立設固定する、言い替えれば、セルスタックのガスシールと筒状のマニホールド本体とを同じ絶縁性無機材料にて同時に形成するため、燃料電池セル間等のシール材料とマニホールド本体を、例えばガラス材料により同時焼成して一体化して形成することができる。
【００１１】
従って、無機材料の熱膨張係数を燃料電池セル、例えばセラミックからなる固体電解質材料に合わせることにより、セルスタックを構成する燃料電池セル、燃料電池セルの隙間を充填するシール材料、及びマニホールド本体を、熱膨張係数が近似した材料で形成することが可能になり、熱膨張係数差に基づくクラック等を有効に抑制できるとともに、セルスタック装置を容易に作製することができる。本発明の絶縁性無機材料とは、セラミック、ガラス（結晶化ガラスを含む）を包含する意味である。
【００１２】
また、本発明のセルスタックの製法は、セルスタックの下端面に中子を当接させるセルスタックセット工程と、前記中子の少なくとも一方の側面を除く周囲に前記絶縁性無機材料を含有するスラリーを配置させ、前記筒状のマニホールド本体成形体に前記セルスタックを立設固定する成形体形成工程と、前記絶縁性無機材料を焼成する工程と、前記中子を前記マニホールド本体成形体から引き出す中子除去工程とを具備することを特徴とする。尚、中子を引き出した後でもマニホールド本体成形体がセルスタックを支持できる強度を有するならば、焼成前に中子を引き出すこともできる。また、マニホールド本体成形体がセルスタックを支持できる強度を有するように、仮焼した後、中子を引き出し、焼成することもできる。
【００１３】
このようなセルスタック装置の製法では、熱膨張係数差に基づくクラック等を有効に防止できるとともに、中子の周囲に無機材料を配置し、中子を引き出すことにより、セルスタックの下端部が筒状のマニホールド本体成形体にガスシールした状態で埋設した成形体を一挙に形成でき、しかもセルスタックを構成する燃料電池セルのガス流路がマニホールド本体内の空間に連通したセルスタック装置を容易に形成できる。
【００１４】
さらに、本発明のセルスタック装置の製法は、前記セルスタックの下端面が前記中子に当接した状態で収容された成形型内に、前記中子の少なくとも一方の側面を除く周囲に前記絶縁性無機材料を含有するスラリーを流し込み、前記筒状のマニホールド本体成形体に前記セルスタックを立設固定する成形体形成工程と、前記絶縁性無機材料を焼成する工程と、前記中子を前記マニホールド本体成形体から引き出す中子除去工程とを具備することを特徴とする。
【００１５】
このようなセルスタック装置の製法では、成形型内に絶縁性無機材料を含有するスラリーを流し込み、筒状のマニホールド本体成形体を形成できるため、セルスタックの下端部が筒状のマニホールド本体成形体にガスシールした状態で埋設した成形体を一挙に形成でき、しかもセルスタックを構成する燃料電池セルのガス流路がマニホールド本体内の空間に連通したセルスタック装置を容易に形成できる。
【００１６】
また、本発明のセルスタック装置の製法は、前記中子除去工程の後に、前記筒状のマニホールド本体の開口した側面を、前記絶縁性無機材料にて閉塞する工程を具備することを特徴とする。このようなセルスタック装置の製法では、側面が閉塞されたマニホールドを容易に作製できる。また、マニホールド本体の開口部を閉塞する側壁を形成する際に、マニホールドへのガス供給管を同時に接合形成し、このガス供給管が設けられた側壁を、マニホールド本体の開口部に接合することも可能となり、セルスタック装置を容易に形成することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のセルスタック装置の製法では、マニホールドの一部を構成する筒状のマニホールド本体を絶縁性無機材料により形成すると同時に、セルスタックをマニホールドに立設固定するため、燃料電池セル間等のシール材料とマニホールド本体とを、同一材料の例えばガラス材料、セラミック材料により同時焼成して形成することができる。無機材料の熱膨張係数を燃料電池セルに合わせることにより、セルスタックを構成する燃料電池セル、燃料電池セルの隙間を充填するシール材料、及びマニホールドを、熱膨張係数が近似した材料で形成することができ、熱膨張係数差に基づくクラック等を有効に抑制できるとともに、セルスタック装置を容易に作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明の製法により得られたセルスタック装置の一形態を示すもので、セルスタック装置は、セルスタック２５をマニホールド２７に立設固定して構成されている。セルスタック２５は、長さ方向にガス流路を有する棒状の固体電解質形燃料電池セル３０を複数配列して構成されている。
【００１９】
燃料電池セル３０は、例えば、断面が扁平状で、全体的に見て楕円柱状（中空平板型）であり、細長基板状とされており、その内部には複数のガス流路が長さ方向に貫通して形成されている。燃料電池セルについては後述する。
【００２０】
セルスタックは、燃料電池セル３０を、その側面同士が対向するようにしてセル厚み方向に配列され、その燃料電池セル３０間には、燃料電池セル３０同士を直列に電気的に接続する集電部材３３が配置されている。
【００２１】
一方、マニホールド２７は、絶縁性無機材料、例えば結晶化ガラスにより形成されており、図１（ｂ）に示すように、側面が開口した有底筒状のマニホールド本体２７ａと、マニホールド２７の側面を形成する側壁形成部材２７ｂとから構成されており、側壁形成部材２７ｂをマニホールド本体２７ａの開口部に接合して形成されている。マニホールド本体２７ａは、直方体形状をなしており、その内部には直方体状の空間が形成されている。
【００２２】
側壁形成部材２７ｂには、マニホールド２７内にガスを供給するガス供給管３５が連結され、一体となっている。
【００２３】
そして、セルスタック装置は、セルスタック２５を構成する固体電解質形燃料電池セル３０の下端部が、マニホールド２７の上面（天板を構成する）に一体となって立設している。即ち、セルスタック２５の下端部は、燃料電池セル３０間が絶縁性無機材料で充填され、マニホールド２７の一部を構成する筒状のマニホールド本体２７ａも、同じ絶縁性無機材料で形成され、これらが同時に成形され、同時焼成され、一体化されている。従って、セルスタック２５の下端部は、燃料電池セル３０間のガスシールと、マニホールド本体２７aとが同時に焼成され、同時に形成されることになる。
【００２４】
この場合、図１（ｃ）に示すように、固体電解質形燃料電池セル３０の下端面の一部が、マニホールド本体２７ａの一部に載置されるように、マニホールド本体２７ａを形成することが望ましい。これにより、発電時に高温となり、無機材料が軟化（燃料電池セル３０間のガスシール材料が軟化）した場合でも、燃料電池セル３０の下方へのずれを防止することができる。
【００２５】
また、側壁形成部材２７ｂも同じ無機材料で形成され、ガス供給管３５の一端部が埋設した状態で成形され、焼成されて構成されており、この側壁形成部材２７ｂは、マニホールド本体２７ａの開口部に、同じ無機材料で接合されている。
【００２６】
以上のように構成されたセルスタック装置は、図２に示すようにして作製することができる。尚、図２では、燃料電池セル３０の一部を省略し、また、集電部材の一部も省略して記載した。
【００２７】
先ず、図２（ａ）に示すように、上面が開口した有底直方体状のマニホールド本体成形型５１を準備する。この本体成形型５１の一方側の側壁には、中子５３を出入する貫通孔５２が形成されており、中子５３が本体成形型５１の側壁の貫通孔５２を挿通して、本体成形型５１内部に配置され、中子５３は、その一部が本体成形型５１外に突出している。尚、本体成形型５１の対向する側壁にそれぞれ貫通孔を形成し、中子を挿通させても良い。この場合には、中子５３を安定して配置することができる。また、この場合、マニホールド本体２７ａの両側を側壁形成部材２７ｂで閉塞する必要がある。
【００２８】
本体成形型５１は、例えば、セラミック繊維成形体のように、スラリーの溶媒を吸収し、かつ濡れ性が悪い材料にて形成されており、また、中子５３も同様の材料にて形成されている。中子５３は、マニホールド本体２７ａ内部の空間を形成するものであり、マニホールド本体２７ａの内部空間の形状は、中子５３の形状にて決定される。例えば、中子が円柱状であれば、この中子５３を本体成形型５１内に横にして配置し、スラリーを流し込むことにより、マニホールド本体２７ａの内部空間も円柱状となる。
【００２９】
この後、中子５３の上面に、セルスタック２５の下面を当接した状態で配置する。即ち、セルスタック２５を構成する複数の燃料電池セル３０の下面を中子５３の上面に当接させる。中子５３に燃料電池セル３０を載置させるには、予め燃料電池セル３０間に集電部材３３を配置し配列させたものを固定し、その下端面を中子５３上に載置することが望ましい。
【００３０】
そして、この後、図２（ｂ）、（ｃ）に示すように、本体成形型５１と中子５３との間に、絶縁性無機材料、例えば、結晶化ガラス又はセラミック粉末と、有機バインダ、溶媒等の有機成分を含有するスラリーを、少なくとも中子５３の上面が覆われるまで流し込み、自然放置したり、あるいは乾燥機にて１００℃程度の温度で乾燥して溶媒を揮発させた後、焼成する。焼成温度は、セラミック粉末の場合には、セラミックスの焼結温度以上で焼成し、ガラス粉末の場合には、ガラス軟化点以上の温度、結晶化ガラス粉末では結晶化温度以上の温度で焼成する。
【００３１】
その後、図２（ｃ）、（ｄ）に示すように、中子５３を貫通孔５２より引き抜いた後、本体成形型５１を取り外し、図２（ｄ）に示すように、マニホールド本体２７ａの上面にセルスタック２５の下端部を一体的に形成する。
【００３２】
尚、マニホールド本体成形体の取り扱いが可能になる程度に仮焼した後、中子５３を引きだし、本体成形型５１を取り外し、この後に焼成しても良い。また、貫通孔５２が形成されていない本体成形型５１内に、上記スラリーを流し込み、そのスラリー上に中子５３を配置した後、その中子５３の周囲に再度スラリーを流し込むことによっても形成できる。
【００３３】
筒状のマニホールド本体２７ａの開口した側面を、絶縁性無機材料にて閉塞する工程について説明する。先ず、マニホールド本体２７ａの開口した側面に合致する形状の側壁部材形成用型７１を準備し、その側壁部材形成用型７１の貫通孔内に耐熱金属製のガス供給管３５を挿通させ、その後、側壁部材形成用型７１内に、上記スラリーを流し込み、硬化させ、焼成した後、側壁部材形成用型７１を除去し、ガス供給管３５が挿通した側壁形成部材２７ｂを形成する。
【００３４】
そして、図１（ｃ）に示すように、マニホールド本体２７ａの開口部に、上記無機材料を含有するペーストを介して側壁形成部材２７ｂを当接し、熱処理することにより、図１に示すようなセルスタック装置を作製することができる。
【００３５】
尚、本体成形型５１、中子５３、側壁部材形成用型７１の材質としては、スラリーの溶媒が吸収され易いもので、スラリーとの濡れ性が悪い材料からなるものが望ましい。溶媒が吸収されやすいと、スラリー中の原料粉の充填が良くなり、乾燥、焼成時の割れが起こりにくく、強度が強く、ガスシール性に優れたマニホールドが得られるからである。また、濡れ性が悪いと、乾燥、焼成時の収縮に伴う拘束力が弱くなるため、割れ難い。このような性質を有するものとしては、セラミック製断熱材が好ましい。このセラミック製断熱材は耐高温性にも優れ、スラリーと共に焼成が可能で、焼成後は簡単に取り除くことができるため、工程も容易となる。セラミックス製断熱材としては、加工の容易さ、コストの点からアルミナ系繊維、あるいはアルミナ−シリカ系繊維からなる断熱材が好適である。
【００３６】
絶縁性無機材料を含有するスラリーとしては、シール性と耐高温変形性の点から、結晶化ガラスが好ましい。この場合、焼成は結晶化ガラスの軟化点温度以上で加熱して成形型に合わせた一体成形とシール機能を持たせた後、結晶化温度以上として結晶化し、除冷をして得る。使用する結晶化ガラスとしては、セルスタックとの熱膨張が近いものであれば特に制限するものでないが、耐高温性の点で、硼珪酸ガラス系の結晶化ガラスを好適に用いることができる。
【００３７】
本発明で用いられる燃料電池セルについて、説明する。燃料電池セルは、図１に示すように中空平板状であり、断面が扁平状で、全体的に見て棒状で細長基板状の多孔質支持基板（支持体）８１を備えている。支持基板８１の内部には、適当な間隔で６個の燃料ガス通路８１ａ（ガス流路を形成する）が長さ方向（軸長方向）に貫通して形成されており、燃料電池セル３０は、この支持基板３１上に各種の部材が設けられた構造を有している。このような燃料電池セル３０の複数を、図１に示すように、一列に配列してセルスタックを形成することができる。
【００３８】
支持基板８１は、平坦部Ａと平坦部Ａの両端の弧状部Ｂとからなっており、平坦部Ａは主面を構成する。平坦部Ａの両主面は互いにほぼ平行に形成され、平坦部Ａの一方の主面と両側の弧状部Ｂを覆うように燃料極層８２が設けられ、さらに、この燃料極層８２を覆うように、緻密質な固体電解質層８３が積層されており、この固体電解質層８３の上には、燃料極層８２と対面するように、平坦部Ａの一方側の主面に酸素極層８４が積層されている。燃料極層８２及び固体電解質層８３は、平坦部Ａの一方側の主面に、ガス流路形成方向Ｇに連続して形成されている。
【００３９】
また、燃料極層８２及び固体電極層８３が積層されていない平坦部Ａの他方側の主面には、インターコネクタ８５が形成されている。図４から明らかな通り、燃料極層８２及び固体電解質層８３は、インターコネクタ８５の両サイドにまで延びており、支持基板８１の表面が外部に露出しないように構成されている。
【００４０】
上記のような構造の燃料電池セルでは、燃料極層８２の酸素極層８４と対面している部分が燃料極として作動して発電する。即ち、酸素極層８４の外側に空気等の酸素含有ガスを流し、且つ支持基板８１内のガス通路８１ａに燃料ガス（水素）を流し、所定の作動温度まで加熱することにより、酸素極層８４で下記式（１）の電極反応を生じ、また燃料極層８２の燃料極となる部分では例えば下記式（２）の電極反応を生じることによって発電する。
【００４１】
酸素極：  １／２Ｏ２＋２ｅ−  →  Ｏ２−  （固体電解質）  …（１）
燃料極：  Ｏ２−  （固体電解質）＋  Ｈ２  →  Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  …（２）
かかる発電によって生成した電流は、支持基板８１に取り付けられているインターコネクタ８５を介して集電される。
【００４２】
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。例えば、上記形態では、図４に示したような扁平状で複数のガス流路８１ａを有する燃料電池セル８０を用いて説明したが、円筒状の燃料電池セルであっても良い。
【００４３】
また、本発明では、マニホールド本体２７ａの側面の開口部を側壁形成部材２７ｂで閉塞した例について説明したが、本発明では、上記形態に限定されるものではなく、マニホールド本体の底面を開口部とし、この開口部から中子を引き出し、底面形成部材により閉塞して、マニホールドを作製することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の製法により得られたセルスタック装置を示すものであり、（ａ）は断面図、（ｂ）は一部分解斜視図、（ｃ）は燃料電池セルの下端面がマニホールドに支持されている状態を示す断面図である。
【図２】本発明のセルスタック装置の製法を説明するための工程図である。
【図３】（ａ）は側壁形成部材の製法を説明するための断面図、（ｂ）は側壁部材にガス供給管が接合されている状態を示す断面図である。
【図４】燃料電池セルを示すもので、（ａ）は横断面図、（ｂ）は縦断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
２５・・・セルスタック
２７・・・マニホールド
２７ａ・・・マニホールド本体
２７ｂ・・・側壁形成部材
３０・・・燃料電池セル
５１・・・本体成形型
５３・・・中子
８１ａ・・・燃料ガス流路
【図１】
2007149508.tif 000003
【図２】
2007149508.tif 000004
【図３】
2007149508.tif 000005
【図４】
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