(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも空気極、燃料極および固体電解質を備えており、かつ一方の発電用ガスを流すためのガス通路が一方の端面と他方の端面との間に延びるように複数列設けられている単電池と、前記の各ガス通路に対して前記一方の発電用ガスの導入または排気を行うため、前記単電池の前記一方の端面側に取り付けられているマニホールド部材と、このマニホールド部材に対して取り付けられているセラミックス製のガス流通管とを備えており、
前記マニホールド部材に、前記ガス流通管のガス流通孔および前記複数列のガス通路に対して連通しているガス分配空間が設けられており、前記マニホールド部材が、前記単電池の前記一方の端面の方へと向かって突出する突出壁部を備えており、この突出壁部の内側に前記単電池の端部を挿入し、固定するための単電池固定空間が形成されており、この単電池固定空間が前記ガス分配空間に連通していることを特徴とする、固体電解質型燃料電池。
【請求項２】
前記マニホールド部材が、前記各ガス通路に対して前記一方の発電用ガスを供給するためのマニホールド部材であることを特徴とする、請求項１記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項３】
前記単電池において前記一方の端面と前記他方の端面との間に、相対向する一対の主面と相対向する一対の側面とが形成されており、前記単電池固定空間に前記単電池の端部が挿入および固定されており、前記突出壁部が前記単電池の少なくとも前記一対の主面に対して密着していることを特徴とする、請求項１又は２記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項４】
前記突出壁部が前記単電池の前記一対の側面に対して密着していることを特徴とする、請求項３記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項５】
前記マニホールド部材に、前記ガス流通管の端部を挿入し、固定するためのガス流通管固定空間が形成されており、このガス流通管固定空間が前記ガス分配空間に連通していることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項６】
請求項１記載の固体電解質型燃料電池を備えているスタック構造であって、
このスタック構造が、複数の前記単電池と、これら複数の単電池にそれぞれ別個に取り付けられているマニホールド部材と、複数の前記単電池を収容するための容器とを備えていることを特徴とする、固体電解質型燃料電池のスタック構造。
【請求項７】
前記ガス流通管のうち前記マニホールド部材に取り付けられている一方の端部と前記ガス流通管の他方の端部との間で、発電時に７００℃以上の温度差が設けられていることを特徴とする、請求項６記載の固体電解質型燃料電池のスタック構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、固体電解質型燃料電池の単電池のマニホールド構造およびスタック構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、平板型と円筒型とに大別される（エネルギー総合工学１３−２、１９９０年）。ＳＯＦＣの単電池の起電力は、開回路において約１Ｖ、電流密度も精々数１００ｍＡ／ｃｍ2 程度であるため、実際の使用に際しては、大きな発電面積を有する単電池を、容易に直列、並列に接続できるようにすることが重要である。この観点から、単電池とそのスタック( 集合電池) の構造を検討しなければならない。
【０００３】
特に、固体電解質型燃料電池のスタック構造において、酸化ガスと燃料ガスとの間で発電装置の運転温度で気密性を保持することが要求される。例えば、いわゆるウエスティングハウスタイプの固体電解質型燃料電池では、円筒型の空気極を基体とし、この上に固体電解質膜、燃料極膜を形成している。また、本出願人も、空気極とインターコネクタとからなる積層焼結体を、空気極／インターコネクタ基体とし、この上に固体電解質膜、燃料電極膜を形成した構造の平板形状の単電池について開示した（特開平５−１６６５１８号公報）。これらのスタック構造では、いわゆるシールレス構造が採用されている。即ち、各単電池に形成されている各酸化ガス通路に対してそれぞれ酸化ガス供給管を挿入し、各酸化ガス供給管から単電池の内部にそれぞれ酸化ガスを供給している。そして、単電池の各酸化ガス通路から排出されてきた排酸化ガスを、燃焼室へと流れるように誘導し、燃焼室で排燃料ガスと反応させている。
【０００４】
しかし、この方法では、例えば特開平５−１６６５１８号公報に開示されているように、単電池に例えば３個以上の酸化ガス通路を設け、各酸化ガス通路にそれぞれガス供給管を１個ごとに挿入する必要がある。このため、多数のガス供給管が必要になるし、各ガス供給管をそれぞれ別個に各単電池の各酸化ガス通路の中に挿入する必要がある。
【０００５】
一方、複数の酸化ガス通路を有する単電池を、複数個積み重ね、いわゆるスタック構造を形成する方法も幾つか提案されている（例えば、特開平７−２２６２２０号公報）。このスタック構造においては、直方体形状の単電池のスタックを形成する。このスタックにおいては、各単電池が直列接続されている。この後、このスタックの最上端部と最下端部とにそれぞれ集電板を接触させ、スタックと集電板とを金属製の外殻中に収容し、固定する。この際には、外殻の内側に断熱材層を設ける。そして、単電池に設けられている酸化ガス通路に酸化ガスを供給し、同時に、断熱層の内側に燃料ガスを流し、燃料ガスを各単電池の外側にある燃料極に対して接触させ、各単電池において発電を実施する。直列接続されている複数の単電池の電力を、一対の集電板から取り出す。
【０００６】
そして、単電池のスタックの四周のうち相対向する二面にそれぞれ空気用マニホールドを設置し、一方のマニホールドから他方のマニホールドへと空気を流している。また、単電池のスタックの四周のうち、残りの相対向する二面にそれぞれ燃料用マニホールドを設け、一方のマニホールドから他方のマニホールドへと燃料ガスを流している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前述したような単電池のスタック構造には、以下の問題点が残っている。例えば、特開平７−２２６２２０号公報のスタック構造では、複数の単電池からなるスタックの四面のうち、相対向する２面にそれぞれ酸化ガス用マニホールド部材を固定し、スタックと各マニホールド部材との間をガスケットないしシール材によってリジッドにシールし、酸化ガスと燃料ガスとの混合を防止する。こうした構造では、マニホールド部材に対して、多数の単電池がリジッドに固定され、マニホールド部材と各単電池との間が気密にシールされている。
【０００８】
しかし、現実に発電を行っていくと、マニホールド部材とスタックとの境界における気密性が低下する傾向があり、この傾向は、運転時間が長くなるのにつれて顕著になってきた。この気密性が低下すると、発電効率、起電力の低下の原因となる。
【０００９】
本発明の課題は、特に複数のガス通路を有する固体電解質型燃料電池において、電池を長時間運転したときにも、マニホールド部材と単電池との境界における気密性の低下を防止し、発電効率、起電力の低下を防止できるようにすることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る固体電解質型燃料電池は、少なくとも空気極、燃料極および固体電解質を備えており、かつ一方の発電用ガスを流すためのガス通路が一方の端面と他方の端面との間に延びるように複数列設けられている単電池と、前記の各ガス通路に対して前記一方の発電用ガスの導入または排気を行うため、前記単電池の前記一方の端面側に取り付けられているマニホールド部材と、このマニホールド部材に対して取り付けられているセラミックス製のガス流通管とを備えており、前記マニホールド部材が、前記単電池の前記一方の端面の方へと向かって突出する突出壁部を備えており、この突出壁部の内側に前記単電池の端部を挿入し、固定するための単電池固定空間が形成されており、この単電池固定空間が前記ガス分配空間に連通していることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、前記の固体電解質型燃料電池を備えているスタック構造であって、複数の単電池と、これら複数の単電池にそれぞれ別個に取り付けられている複数のマニホールド部材と、複数の単電池を収容するための容器とを備えていることを特徴とする。
【００１２】
本発明者は、マニホールド部材とスタックとの境界における気密性の低下の原因について検討した結果、次の知見を得た。即ち、スタックを収容する容器内の温度は、発電時には１０００℃あるいはそれ以上にも達するが、この際、スタックを構成する各単電池の温度は必ずしも均一ではない。スタックの最上段や最下段の単電池は、比較的にガスの温度が低く、発電効率が低くなり易い。しかし、スタックの中央にある単電池、特にその単電池の中央付近の酸化ガス通路においては、排熱が集中し、この単電池の温度が上昇し、この温度上昇によって単電池の活性が一層上昇するために、スタックの中央部分の温度が上昇する傾向がある。発電時間が長くなると、この傾向が一層強くなってくる。
【００１３】
一方、単電池、金属製のマニホールド部材およびこれらの間に介在しているシール剤の熱膨張係数はそれぞれ異なっている。そして、運転時には、スタックを構成する各単電池とマニホールド部材とは熱膨張の度合いが異なるために、マニホールド部材と単電池との境界付近、特にシール材の周辺に応力が集中する。この際、特にスタックの中央付近に位置する単電池においては、単電池とマニホールド部材との熱膨張差が大きく、一方スタックの周縁部にある単電池においては、単電池とマニホールド部材との熱膨張差が小さい。この熱膨張の差によって、マニホールド部材と単電池との間のシール材に、位置ズレをもたらす熱応力が作用するものと思われる。
【００１４】
これに対して、本発明者は、各単電池に対してそれぞれ別個にマニホールド部材を準備し、単電池の一方の端面側にマニホールド部材を取り付け、かつセラミックス製のガス流通管をマニホールド部材に取り付け、マニホールド部材に、ガス流通管のガス流通孔および複数列のガス通路に対して連通しているガス分配空間を設けることを想到した。
【００１５】
これによって、単電池の複数のガス通路に一つのマニホールド部材からガスを供給できる。しかも、各単電池とこれに対応する各マニホールド部材との間のシール部分の面積が小さいために、スタックの各部分における温度差に起因する熱応力の総和が一部の単電池に集中することはない。つまり、各単電池と各マニホールド部材との境界部分に集中する歪みは小さい。
【００１６】
しかも、スタックを構成する各単電池の膨張、収縮の度合いが異なってきた場合にも、各単電池は互いに相対的に位置移動できる。これと共に、各単電池の微小な位置移動に合わせて各ガス供給管も向きを変え、回動し、各単電池の相対的な位置移動を吸収する余地がある。
【００１７】
本発明において、マニホールド部材とは、単電池の各ガス通路に対して発電用ガスを供給するための部材、または単電池の各ガス通路から、減損した発電用ガスを排出するための部材を意味する。これに応じて、ガス流通管は、ガス供給管またはガス排出管となる。
【００１８】
【発明の実施形態】
一方の発電用ガスとして酸化ガスを使用した場合には、他方の発電用ガスとして燃料ガスを使用し、他方の発電用ガスとして酸化ガスを使用した場合には、一方の発電用ガスとして燃料ガスを使用する。
【００１９】
ガス流通管、マニホールド部材の材質は、耐熱性、酸化ガスおよび燃料ガスに対する耐久性を有するものでなければならない。こうした材質としては、アルミナ、アルミナ−マグネシアスピネル、ジルコニアが好ましい。
【００２０】
本発明においては、更に、マニホールド部材が、単電池の一方の端面の方へと向かって突出する突出壁部を備えており、突出壁部の内側に単電池の端部を挿入し、固定するための単電池固定空間を形成し、単電池固定空間をガス分配空間に連通させることが好ましい。この際、突出壁部が単電池の少なくとも一対の主面に対して密着するようにすると、単電池の主面方向に作用する応力に対しても、固体電解質型燃料電池の気密性が破れにくくなるので一層好ましい。この場合には、更に、突出壁部を単電池の一対の側面に対しても密着させることによって、マニホールド部材と単電池との境界のシール部分の気密性が、一層良好に保持される。
【００２１】
これらの実施形態について、図１〜図５を参照しつつ、更に詳細に説明する。
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態で使用する単電池１の横断面図である。図４は、図１の単電池を例えば３個直列接続してなるスタック３６を用いたスタック構造８を示す縦断面図であり、図５は、図４のスタック構造８の横断面図である。図２（ａ）〜（ｃ）はマニホールド部材４１を示すものであり、図３は各単電池１と各マニホールド部材４１との接続状態を説明するための平面図である。
【００２３】
最初にスタック構造８の全体を説明し、次いで固体電解質型燃料電池の詳細を説明する。
【００２４】
単電池１（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ）の支持体２は、空気極板３とセパレータ４とからなっている。セパレータ４の平面形状は長方形である。セパレータ４の平板状本体の横断面方向の縁部に、一対の細長い側壁４ａが形成されている。各側壁４ａは、共に四角柱形状であり、セパレータ４の長手方向の一端から他端へと向って延びている。
【００２５】
一対の側壁４ａの間に、四角柱形状の隔壁４ｂが、例えば３列設けられている。各隔壁４ｂは、セパレータ４の長手方向の一端から他端へと向って互いに平行に延びている。側壁４ａ、隔壁４ｂの間に、互いに平行な溝が、例えば計四列形成されている。
【００２６】
空気極板３の平面形状は、セパレータ４の平面形状と同様である。空気極板３の平板状本体の横断面方向の縁部に、一対の細長い側壁３ａが形成されており、一対の側壁３ａの間に、四角柱形状の隔壁３ｂが、例えば３列設けられている。側壁３ａ、隔壁３ｂの間に、互いに平行な溝が、例えば計四列形成されている。セパレータ４の各側壁４ａが、空気極３の各側壁３ａに対して接合されており、セパレータ４の各隔壁４ｂが、空気極板３の各隔壁３ｂに対して接合されている。この結果、空気極板３とセパレータ４との間に、例えば４列の酸化ガス通路５が形成されている。
【００２７】
固体電解質膜６は、空気極３の主面３ｃ、側面３ｄを被覆しており、更に、セパレータ４の幅方向側面４ｄの上部を被覆している。酸化ガス通路５と空気極３の側面３ｄとは、いずれも気密質であるセパレータ４および固体電解質膜６によって包囲されている。固体電解質膜６上に、燃料極膜７が形成されている。
【００２８】
図１に示すような各単電池を積み重ね、直列接続することによって、図４、図５に示すようなスタック３６を構成する。スタック３６においては、例えば３個の単電池１Ａ、１Ｂ、１Ｃが積み重ねられている。各単電池１Ａ、１Ｂの各セパレータ４の各主面４ｃが、それぞれ下側の各単電池１Ｂ、１Ｃの各燃料極膜７に対して、それぞれ通気性の導電材１７を介して接続されている。通気性の導電材としては、ニッケルフェルト、ニッケルスポンジが好ましい。
【００２９】
本実施形態では、一方の集電板１２Ａと他方の集電板１２Ｂとを組み合わせ、容器３２を作製する。この際には、各集電板１２Ａと１２Ｂとの間にスタック３６を挟んでから、容器３２を組み立てる。
【００３０】
各集電板１２Ａ、１２Ｂは、平板部１２ａ、側板部１２ｂ、１２ｄおよび突出部１２ｃを備えている。集電板１２Ａの突出部１２ｃと集電板１２Ｂの突出部１２ｃとを、図５に示すように位置合わせし、各突出部の間に絶縁部材１３を挟む。そして、例えばボルト３３およびナット３４からなる締結部材によって各集電板１２Ａ、１２Ｂの各突出部１２ｃを締結し、ボルトの締結力を調節することによって、矢印Ａのように圧力を加える。これによって、容器３２の突出部１４を構成する。
【００３１】
この結果、容器３２の内側の発電領域３８に、直列接続された単電池のスタック３６が収容され、固定される。この状態で、各単電池には、単電池が積み重ねられた方向Ａに向かって、所定の圧力が加わっている。このスタックの単電池１Ａは、通気性の導電材１６を通して集電板１２Ａに対して接続されており、単電池１Ｃは導電材１６を通して集電板１２Ｂに対して接続されている。集電板１２Ａ、１２Ｂの外側に断熱材層１１Ａ、１１Ｂが設けられており、各断熱材層の外側に外殻１０Ａ、１０Ｂが設けられている。各ボルト３３は、各外殻および各断熱材層を貫通している。
【００３２】
図４において左側から順に、発電室の燃焼領域３０、発電領域３８、予熱室１９、酸化ガス室２４が設けられている。図５に示すスタックは、図４における発電領域３８の状態を示している。酸化ガス室２４と予熱室１９とは気密質隔壁２０によって区分されており、予熱室１９と発電室との間も気密質隔壁４４によって区分されている。
【００３３】
各単電池に対応して、各酸化ガス供給管４２が設けられている。各供給管４２の右端は酸化ガス室２４内に開口しており、各供給管４２は隔壁２０、予熱室１９、隔壁４４を貫通し、それぞれマニホールド部材４１によって各単電池の一方の端面１ａ側に取りつけられている。４４ａ、２０ａは、それぞれ各隔壁の貫通孔である。
【００３４】
固体電解質型燃料電池について述べる。図２（ａ）はマニホールド部材４１の正面図であり、図２（ｂ）は部材４１に供給管４２を取り付けた状態を示す平面図であり、図２（ｃ）はその縦断面図である。図３は、マニホールド部材と単電池１とを結合した状態を示す平面図である。
【００３５】
マニホールド部材４１は、図４に示すように、各単電池の各端部にそれぞれ取り付けられるものである。部材４１の単電池側に一対の突出壁部４１ａ、４１ｂが設けられており、突出壁部４１ａと４１ｂとの間に単電池固定空間４１ｄが形成されている。固定空間４１ｄの反対側には供給管の固定空間４１ｅが設けられており、単電池固定空間４１ｄと供給管の固定空間４１ｅとが分配空間４１ｃに連通している。
【００３６】
供給管４２の端部４２ａが固定空間４１ｅ内に挿入されており、供給管４２の末端面４２ｂが直方体形状の分配空間４１ｃに面している。一方、単電池１の一方の端部１ａが、固定空間４１ｄ内に挿入されており、各突出壁部４１ａ、４１ｂが単電池の主面１ｅと１ｆ（図４、５参照）に対して密着している。
【００３７】
図３、図４に示すように、酸化ガスは、外殻１０Ａ、１０Ｂの外部から、供給口２６を介して矢印Ｂのように酸化ガス室２４に供給され、各供給管４２中に入り、各供給管のガス流通孔４２ｃを矢印Ｃのように流れる。そして、供給管４２の末端面４２ｂから分配空間４１ｃ内に流れ、次いで、単電池１の各ガス通路５の一方の開口５ａに入り、各ガス通路５内を流れ、単電池１の他方の端面１ｂ側の他方の開口５ｂから矢印Ｄのように、燃焼領域３０に放出され、ここで燃料ガスと反応する。
【００３８】
また、燃料ガスは、外殻の外部から矢印Ｅのように発電室内に供給され、各単電池の間、および単電池と容器との隙間１５を矢印Ｆのように流れ、燃焼領域３０へと流入する。
【００３９】
燃焼領域３０では、減損した燃料ガスが、減損した酸化ガスと反応し、燃焼する。この燃焼排ガスは、排ガス管２５を通って矢印Ｇ、Ｈのように流れ、予熱室１９内に供給され、予熱室１９から排出口２７を通して矢印Ｉのように排出される。この燃焼排ガスの廃熱によって、矢印Ｃのように各供給管４２のガス流通孔４２ｃを流れる酸化ガスを予熱できる。
【００４０】
本実施形態においては、各供給管４２の供給側の末端には、供給管を単電池の方へと付勢するための構造が設けられている。即ち、各供給管４２の右側の供給側末端には、隔壁２０に可動性シール装置４０が設置されており、各供給管４２が気密質隔壁２０に対して垂直な方向に、隔壁２０と各供給管４２との間の気密性を維持しつつ、移動可能なようになっている。可動性シール装置４０は、Ｏリング２２と、各Ｏリング２２を所定の圧力で押圧している押圧部材２１とを備えている。また、各供給管４２の末端面には所定の付勢部材２３が取りつけられており、各供給管４２を、対応する各単電池の方へと向かって一定圧力で付勢するようになっている。
【００４１】
本実施形態におけるように、予熱室１９を設け、供給管４２内のガスを予熱する構造を採用することが好ましい。これによって、スタック構造８の外部に、スタック構造とは別体の予熱室を設ける必要がなくなる。
【００４２】
なお、本発明においては、ガス流通管（例えば４２）のうち、マニホールド部材に取り付けられている一方の端部４２ａと、ガス流通管の他方の端部との間で、７００℃以上の温度勾配を設けることが好ましい。これによって、スタック構造の外殻に分厚い断熱材を設ける必要がなくなる。また、可動性シール部にシリコンゴム製のＯリングを使用できる。
【００４３】
また、マニホールド部材の突出壁部を、単電池の一対の主面に対して密着させると共に、単電池の一対の側面に対しても密着させることが特に好ましい。図６（ａ）は、こうしたマニホールド部材４３を示す正面図であり、図６（ｂ）は、部材４３に供給管４２を取り付けた状態を示す平面図であり、図６（ｃ）は、部材４３に供給管４２を取り付けた状態を示す縦断面図である。
【００４４】
マニホールド部材４３も、図４に示すように、各単電池の各端部にそれぞれ取り付けられるものである。部材４３の単電池側に４列の突出壁部４３ａ、４３ｂ、４３ｆ、４３ｇが設けられており、これらの間に単電池固定空間４３ｄが形成されている。固定空間４３ｄの反対側には供給管の固定空間４３ｅが設けられている。単電池固定空間４３ｄと供給管の固定空間４３ｅとが、分配空間４３ｃに連通している。
【００４５】
供給管４２の一方の端部４２ａが固定空間４３ｅ内に挿入されており、供給管４２の末端面４２ｂが直方体形状の分配空間４３ｃに面している。単電池１の一方の端部１ａを固定空間４３ｄ内に挿入する。相対向する突出壁部４３ａ、４３ｂが、単電池の主面１ｅと１ｆ（図図３、４、５参照）に対して密着しており、相対向する突出壁部４３ｆ、４３ｇが、単電池の側面１ｃと１ｄ（図図３参照）に密着している。
【００４６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、複数のガス通路を有する固体電解質型燃料電池において、電池を長時間運転したときにも、マニホールド部材と単電池との境界における気密性の低下を防止し、発電効率、起電力の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態で使用できる単電池１を示す横断面図である。
【図２】（ａ）はマニホールド部材４１の正面図であり、（ｂ）は、部材４１に供給管４２を取り付けた状態を示す平面図であり、（ｃ）はその縦断面図である。
【図３】マニホールド部材と単電池１とを結合した状態を示す平面図である。
【図４】図１の単電池を積み重ねて得られたスタック３６を容器内に収容したスタック構造８を示す縦断面図である。
【図５】図４のスタック構造８を概略的に示す横断面図である。
【図６】（ａ）は、他のマニホールド部材４３の正面図であり、（ｂ）は、部材４３に供給管４２を取り付けた状態を示す平面図であり、（ｃ）はその縦断面図である。
【符号の説明】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ  単電池，２  単電池の支持体，３  空気極板，４  セパレータ，５  酸化ガス通路，６  固体電解質膜，７  燃料極膜，８  スタック構造，１０Ａ、１０Ｂ  外殻，１１Ａ、１１Ｂ  断熱材層，１２Ａ一方の集電板，１２Ｂ  他方の集電板，１３  絶縁部材，１４  容器の突出部，１５  燃料ガス通路，１９  予熱室，２４  酸化ガス室，３０  燃焼領域，３２  容器，３６  スタック，３８  発電室の発電領域，４０  可動性シール装置，４１、４３  マニホールド部材，４１ａ、４１ｂ、４３ａ、４３ｂ  単電池の主面に密着する突出壁部，４１ｃ、４３ｃ  分配空間，４１ｄ、４３ｄ  単電池固定空間，４１ｅ、４３ｅ  ガス流通管の固定空間，４２  酸化ガス供給管，４２ａ  酸化ガス供給管の一方の端部，４２ｃ  酸化ガス供給管のガス流通孔，４３ｆ、４３ｇ  単電池の一対の側面に密着する突出壁部，Ｂ、Ｃ、Ｄ  酸化ガスの流れ，Ｅ、Ｆ  燃料ガスの流れ，Ｇ、Ｈ、Ｉ  燃焼排ガスの流れ
【図１】
0003995778.tif 000002
【図２】
0003995778.tif 000003
【図３】
0003995778.tif 000004
【図４】
0003995778.tif 000005
【図５】
0003995778.tif 000006
【図６】
0003995778.tif 000007