(57)【要約】【課題】燃料電池管体の胴部と底部とを一体成形し、胴部と底部とを含めて、クラック発生や強度低下などの不良が発生せず、信頼性の高い燃料電池管体を提供する。【解決手段】管体の内側から順に、燃料流路を有するアノード、固体電解質およびカソード、または管体の内側から順に、空気流路を有するカソード、固体電解質およびアノードによって形成された固体酸化物形燃料電池管体の成形方法であって、該管体の内側に形成される該アノードまたは該カソードの胴部を構成するセラミックスラリーを押し出し成形法で成形する工程と、押し出された該胴部の先端部に、該先端部から所定の距離だけ離して底面封止用金型を配置する工程と、該先端部と該底面封止用金型との間に該セラミックスラリーを流入させることにより該管体の底部を成形する工程とを含み、該胴部と該底部とを一体成形する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
管体の内側から順に、複数本の燃料流路を有するアノード、固体電解質およびカソード、または管体の内側から順に、複数本の空気流路を有するカソード、固体電解質およびアノードが形成された固体酸化物形燃料電池管体であって、該管体の胴部と底部とを継目なく一体成形したことを特徴とする固体酸化物形燃料電池管体。
【請求項２】
固体酸化物形燃料電池管体の形状が略円筒形状、扁平円筒形状、楕円筒形状、ハニカム筒形状、またはこれらの形状に類似する形状であることを特徴とする請求項１記載の固体酸化物形燃料電池管体。
【請求項３】
前記管体の内側に形成される前記アノードまたは前記カソードの前記底部に、前記アノード内部にある複数本の燃料流路、または前記カソード内部にある複数本の空気流路を連通させるガス流路ポケットを設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池管体。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の固体酸化物形燃料電池管体を組み込んだことを特徴とする固体酸化物形燃料電池モジュール。
【請求項５】
請求項４記載の固体酸化物形燃料電池モジュールを含むことを特徴とする固体酸化物形燃料電池発電システム。
【請求項６】
管体の内側から順に、燃料流路を有するアノード、固体電解質およびカソード、または管体の内側から順に、空気流路を有するカソード、固体電解質およびアノードによって形成された固体酸化物形燃料電池管体の成形方法であって、該管体の内側に形成される該アノードまたは該カソードの胴部を構成するセラミックスラリーを押し出し成形法で成形する工程と、押し出された該胴部の先端部に、該先端部から所定の距離だけ離して底面封止用金型を配置する工程と、該先端部と該底面封止用金型との間に該セラミックスラリーを流入させることにより該管体の底部を成形する工程とを含み、該胴部と該底部とを一体成形することを特徴とする固体酸化物形燃料電池管体の成形方法。
【請求項７】
管体の内側から順に、燃料流路を有するアノード、固体電解質およびカソード、または管体の内側から順に、空気流路を有するカソード、固体電解質およびアノードによって形成された略円筒形状、扁平円筒形状、楕円筒形状、ハニカム筒形状、またはこれらの形状に類似する形状の固体酸化物形燃料電池管体の成形方法であって、該管体の内側に形成される該アノードまたは該カソードの胴部を構成するセラミックスラリーを押し出し成形法で成形する工程と、押し出された該胴部の先端部に、該先端部から所定の距離だけ離して底面封止用金型を配置する工程と、該先端部と該底面封止用金型との間に該セラミックスラリーを流入させることにより該管体の底部を成形する工程とを含み、該胴部と該底部とを一体成形することを特徴とする固体酸化物形燃料電池管体の成形方法。
【請求項８】
前記管体の内側に形成される前記アノードまたは前記カソードの前記底部にガス流路ポケットを形成するガス流路ポケット形成手段と前記底面封止用金型との間に、前記セラミックスラリーを流入させることにより前記管体の前記底部を成形する工程を含むことを特徴とする請求項６または７に記載の固体酸化物形燃料電池管体の成形方法。
【請求項９】
変形可能な部材で構成した前記ガス流路ポケット形成手段を、熱、ガスまたは駆動機構を用いて変形させる工程を含むことを特徴とする請求項８記載の固体酸化物形燃料電池管体の成形方法。
【請求項１０】
形状記憶合金または体積変化する風船を含む前記ガス流路ポケット形成手段を変形させる工程を含むことを特徴とする請求項８または９に記載の固体酸化物形燃料電池管体の成形方法。
【請求項１１】
前記ガス流路ポケット形成手段を構成する部材の温度を変化させることにより、該部材を変形させる工程を含むことを特徴とする請求項９または１０に記載の固体酸化物形燃料電池管体の成形方法。
【請求項１２】
管体の内側から順に、燃料流路を有するアノード、固体電解質およびカソード、または管体の内側から順に、空気流路を有するカソード、固体電解質およびアノードを形成する固体酸化物形燃料電池管体の製造装置であって、該管体の内側に形成する該アノードまたは該カソードの胴部を押し出し成形するための金型と、底面封止用金型とを含み、押し出された該胴部の先端部と該底面封止用金型との間にセラミックスラリーを流入させることにより該管体の該胴部と底部とを一体成形することを可能としたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池管体の製造装置。
【請求項１３】
管体の内側から順に、燃料流路を有するアノード、固体電解質およびカソード、または管体の内側から順に、空気流路を有するカソード、固体電解質およびアノードを形成する略円筒形状、扁平円筒形状、楕円筒形状、ハニカム筒形状、またはこれらの形状に類似する形状の固体酸化物形燃料電池管体の製造装置であって、該管体の内側に形成する該アノードまたは該カソードの胴部を押し出し成形するための金型と、底面封止用金型とを含み、押し出された該胴部の先端部と該底面封止用金型との間にセラミックスラリーを流入させることにより該管体の該胴部と底部とを一体成形することを可能としたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池管体の製造装置。
【請求項１４】
前記管体の内側に形成される前記アノードまたは前記カソードの前記底部にガス流路ポケットを形成するガス流路ポケット形成手段を有することを特徴とする請求項１２または１３に記載の固体酸化物形燃料電池管体の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体酸化物形燃料電池管体、その成形方法およびその製造装置に関し、固体酸化物形燃料電池管体を組み込んだ燃料電池モジュールおよび燃料電池発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、固体電解質の両側にアノード（燃料極）およびカソード（空気極）を備え、アノード側には燃料ガスを、カソード側には酸化剤ガスを供給し、固体電解質を介して燃料と酸化剤とを電気化学的に反応させることにより発電する発電装置である。
【０００３】
燃料電池の一種である固体酸化物形燃料電池は、発電効率が高いだけでなく、６００〜１０００℃の高温で運転されるため、電池内で燃料の改質反応ができ、燃料の多様化を図ることができる。また、電池システムの構造がシンプルになるため、他の燃料電池に比べてコスト低減のポテンシャルを持つ。さらに、排熱も高温となるため利用しやすく、熱・電気併用システムばかりでなく、ガスタービンなど他のシステムとのハイブリッドシステムを形成しやすい特徴を持つ。
【０００４】
燃料電池は、固体電解質の形状により、平板型、円筒型および扁平円筒型などに大別される。
【０００５】
扁平円筒型燃料電池は円筒型に比べて出力密度が高く、平板型にも匹敵する出力密度を示す。さらに、扁平円筒型燃料電池は、平板型燃料電池に比べてガスシールが簡便である。特に、扁平円筒型燃料電池管体の一端を封止した管体形状（以下、封止型燃料電池管体と呼ぶ）では、ガスシール構造が最もシンプルになり、多数の管体を重ね合わせることが容易となる。熱応力の観点からも扁平円筒型管体は平板型管体に比べて有利である。
【０００６】
上記のような特徴を持つ封止型燃料電池管体も、管体の製造の観点では多くの困難を伴う。これまでは、特許文献１に開示されているように、管体の一端の封止部分（以下、底部と呼ぶ）と管体の主体をなす管体胴部とを別々に製作し、これらを接合する方法が提案されている。
【０００７】
【特許文献１】特表２００２−５１２４２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載された燃料電池管体は、図５に従来の製法例を示すように、管体の主体をなす管体胴部６と管体の一端の底部１３とを別々に製作し、所定の部位に接着部材を塗布し、接合面１４を密着させて接合するものである。この方式では、胴部６と底部１３との間の接合が不完全な場合が発生し、その場合にはガスリークが発生するおそれがあった。
【０００９】
本発明は、固体酸化物形燃料電池管体の胴部と底部とを継目なく一体成形し、胴部と底部とを含めて信頼性の高い封止型の燃料電池管体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】
【００１０】
本発明による固体酸化物形燃料電池管体の成形方法は、管体の内側から順に、燃料流路を有するアノード、固体電解質およびカソード、または管体の内側から順に、空気流路を有するカソード、固体電解質およびアノードによって形成された固体酸化物形燃料電池管体の成形方法であって、該管体の内側に形成される該アノードまたは該カソードの胴部を構成するセラミックスラリーを押し出し成形法で成形する工程と、押し出された該胴部の先端部に、該先端部から所定の距離だけ離して底面封止用金型を配置する工程と、該先端部と該底面封止用金型との間に該セラミックスラリーを流入させることにより該管体の底部を成形する工程とを含み、該胴部と該底部とを一体成形することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、固体酸化物形燃料電池管体の胴部と封止部とを一体成形できるので、それぞれを独立に成形してから接合する従来法に比べ、接合部に相当する部位でのクラック発生や強度低下などの不良が発生せず、かつ製作の工程や時間を短縮できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明にかかる実施形態としては、押し出し成形法で固体酸化物形燃料電池管体の胴部を成形し、押し出された該胴部の先端部に、該先端部から所定の距離だけ離して底面封止用金型を配置し、該先端部と該底面封止用金型との間にセラミックスラリーを流入させることにより管体の底部を成形して封止型燃料電池管体を一体成形する。
【００１３】
図４は本発明による成形方法で成形した燃料電池管体の概略図である。
【００１４】
本図は、底部１２を封止された燃料電池管体の全体を示したものであり、燃料電池管体の胴部６にはガス流路１０を三か所設けてある。胴部６の下方にある燃料電池管体の底部１２には、ガス流路ポケット８を形成してある。管体に供給するガスは、中央のガス流路１０から管体内に供給され、ガス入口流れ１１の矢印方向に流れ、ガス流路ポケット８に達して流れの方向を変え、管体内の左右のガス流路１０を通ってガス出口流れ１９に向かうようになっている。
【００１５】
図８は本発明により製造した固体酸化物形燃料電池管体の断面図である。
【００１６】
本図において、空気流路１０５を有するカソード１０３の外側に固体電解質１０１、その外側にアノード１０２が層を成して形成してある。アノード１０２の外側が燃料流路１０６となっている。カソード１０３にはインターコネクタ１０４が設置してあり、複数の管体を電気的に接続することができるようになっている。本図においては、インターコネクタ１０４を二本設置してあるが、一本でも三本以上でもよい。
【００１７】
本実施例においては、固体電解質１０１は、イットリア安定化ジルコニア（以下、ＹＳＺと呼ぶ）でできている。アノード１０２は、ニッケルおよびＹＳＺを含むサーメットでできている。カソード１０３は、ランタン、ストロンチウム、マンガンおよび酸素から含む物質（ＬａＳｒＭｎＯ２）でできている。もちろん、それぞれの材質は上記の物質に限定されるものではない。
【００１８】
本実施例の場合、まず、カソード１０３を成形し、その外壁面に固体電解質１０１をコーティングする。そして、固体電解質１０１の外側にアノード１０２をコーティングする。コーティングの方法は、ディッピング法でも、溶射法でも、化学気相成長法（ＣＶＤ）でもよい。
【００１９】
また、管体の構成は、内側から、アノード１０２、固体電解質１０１およびカソード１０３の順とすることもできる。
【００２０】
図９は本発明により製造した燃料電池モジュールの断面図である。図８に示した固体酸化物形燃料電池管体三本を、インターコネクタ１０４を介して直列に接続し、筐体１０７に封入してある。アノード１０２と筐体１０７との間が燃料流路１０６となっている。筐体１０７には、燃料流入配管１０８、空気流入配管１０９、燃料流出配管１１０および空気流出配管１１１が接続してあり、燃料電池モジュールの外部から燃料および空気を供給・排出することができるようになっている。
【００２１】
図示していないが、空気流入配管１０９および空気流出配管１１１は、分岐して複数の空気流路１０５に接続してあり、空気を分配することができるようなっている。また、図中右側に示すアノード１０２および図中左側に示すインターコネクタ１０４は、電気的に外部に接続してあり、発生した電気エネルギーを外部に取り出して利用することができるようになっている。
【００２２】
本図に示すような燃料電池モジュールを一基または複数基組み込んだ燃料電池発電システムを構築することもできる。この場合、発電を行うとともに余剰の熱エネルギーを利用することもできる。
【００２３】
図１は本発明による実施例を示す燃料電池管体の胴部および底部の一体成形法の概略図である。
【００２４】
燃料電池管体の胴部金型本体は図示していないが、胴部金型内壁１を示してある。胴部金型内壁１の内部に三本の心金２（Ａ、Ｂ、Ｃ）が設置してあり、胴部金型内壁１と心金２とで挟まれた領域は、当初、空間となっている。この空間の上方からセラミックスラリーを押し出して供給する。なお、セラミックスラリーとしては、アノード材、カソード材、基体材などが考えられる。セラミックスラリーの流れ９は、図１に示す通りである。
【００２５】
したがって、本図においては、押し出されたセラミックスラリーは、ガス流路１０を三本持った燃料電池管体の胴部形状を成形することになる。
【００２６】
管体先端部にはガス流路ポケット８を設ける必要がある。このため、心金２の先端部に押し出し成形の際、心金２Ａと心金２Ｂとの隙間、および心金２Ｂと心金２Ｃとの隙間を流れてくるセラミックスラリーの流れ９をせき止める形状のカッター３が設けてある。カッター３は、金型の一部を構成するものである。これにより、管体の胴部の外周部分だけにセラミックスラリーが流れるようになっている。
【００２７】
これにより、管体の底が抜けた状態ではあるが、ガス流路ポケット８の外周部を形成することができる。この状態のセラミックスラリーの下端部に底面封止用金型４を接近させ、セラミックスラリーの下端部から所定の距離だけ離して底面封止用金型を配置し、該下端部と底面封止用金型４との間にセラミックスラリーを流入させることにより管体の底部を成形して燃料電池管体を一体成形する。その後、成形したセラミックスラリーを乾燥・焼結して強度を高める。
【００２８】
一体成形であるから、管体の胴部および底部は継目がなく、クラック発生や強度低下などの不良が発生しにくく、かつ製作の工程や時間を短縮できる。
【００２９】
本図において、胴部金型、心金２、カッター３および底面封止用金型４は、燃料電池管体の製造装置の一部を構成している。
【００３０】
図２は本発明による実施例を示す燃料電池管体の一体成形法の製作フロー図である。
【００３１】
本図では、心金２先端部のカッター３に形状記憶合金を用いて心金２先端部の形状を必要に応じて変化させる構成とした。（ａ）ではカッター３が開いた状態で、心金２Ａと心金２Ｂとの隙間、および心金２Ｂと心金２Ｃとの隙間を流れてくるセラミックスラリーの流れ９をせき止める。この結果、押し出されたセラミックスラリーは、管体の底が抜けた状態のガス流路ポケット８の外周部を形成する。
【００３２】
つぎに、セラミックスラリーの下端部に底面封止用金型４を接近させる。このとき、（ｂ）に示すように、ガス流路ポケット８の鉛直方向の深さ分だけ心金２およびカッター３を下方に押し込み、セラミックスラリーによってカッター３と底面封止用金型４との間に管体底面を形成する隙間を設ける。
【００３３】
そして、セラミックスラリーを供給しながら押し出し成形を進めると、燃料電池管体の胴部金型内壁１、心金２の先端に装着したカッター３および底面封止用金型４に囲まれて管体底面を形成する。このとき、余ったセラミックスラリーは、余剰セラミックスラリー排出孔５から余剰セラミックスラリー１５として排出される。
【００３４】
（ｃ）は管体底部を形成した後の金型の操作手順を示したものである。底面封止用金型４を下方に引き下げて管体底部から分離する。そして、心金２をガス流路ポケット８の上端近くまでもどした後、開いたカッター３の温度を上げて形状記憶しているカッター３を元の形にする。これにより、カッター３は小さくなって心金２の下端部の面に収まる寸法（幅）となる。
【００３５】
ここで、カッター３の温度のみを上げてもよいし、管体全体の温度を上げてもよい。加熱する手段は、カッター３とは別のヒータでもよいし、カッター３へ直接通電してもよい。無論、温度を下げることにより形状記憶合金の変形を行うことも可能である。
【００３６】
この後、（ｄ）に示すように、小さくなったカッター３が心金２の下端にある状態で、更に押し出し成形を続けて三本のガス流路１０が所定の長さとなるようにすることもできる。
【００３７】
その後、心金２を引き抜き、成形したセラミックスラリーを乾燥・焼結して強度を高める。焼結後、インターコネクタを接着し、固体電解質および対極をディッピング法などによりコーティングする。
【００３８】
以上の製作フローにより製作した管体は、胴部と底部とを継目なく一体成形することができる。
【００３９】
図３は本発明による他の実施例を示す管体の一体成形法の製作フロー図である。本実施例は、心金２の先端形状の変形方向を変えたもので、心金２の中にカッター３が完全に収納される構造とした。カッター３の材質は、図２に示す実施例と同様に形状記憶合金とした。
【００４０】
図６は本発明による変形例を示す管体の一体成形法の概略図である。心金２の下端部にガス圧で膨らむ風船１６を装着したものである。ガス流路ポケット８を形成する場合は、風船１６にガスを注入するか、風船１６の温度を上げて風船１６内のガスを膨張させるか、して風船１６を膨らませる。心金２を引き上げる際には、風船１６内のガスを除去または収縮して心金２の下端部に収まるようにする。
【００４１】
図７は本発明による他の変形例を示す管体の一体成形法の概略図である。心金２の下端部に取り付けたカッター３の形状を変化させるための駆動機構１７を設け、カッター３と駆動機構１７との間に、駆動動力を伝達するための伝達部１８を接続してある。これにより、心金２の下端部に設けたカッター３の位置や寸法を変化させて管体の底部１２およびガス流路ポケット８を所望の形状とすることが可能である。
【００４２】
以上、本発明の実施の形態について扁平円筒型管体を例に説明したが、楕円形状やハニカム構造等でも底部を有するものであれば、同一の成形方法を採用することができ、その効果を損なうものでない。
【００４３】
本発明による成形方法で製作した燃料電池は、管体胴部と底部とが一体構造にできるため、管体の製作工程に起因する不良や破損が防止でき、管体の信頼性を飛躍的に高めることができる。
【００４４】
また、上記の成形方法において、カッター３や風船１６などは、ガス流路ポケット８を形成するための型であり、熱、ガスまたは駆動機構などを利用して変形可能とした型である。これらの型をガス流路ポケット形成手段と総称することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明による実施例を示す燃料電池管体の一体成形法の概略図である。
【図２】本発明による実施例を示す燃料電池管体の一体成形法の製作フロー図である。
【図３】本発明による他の実施例を示す燃料電池管体の一体成形法の製作フロー図である。
【図４】本発明による成形方法で成形した燃料電池管体の概略図である。
【図５】従来の燃料電池管体の成形方法を示す概略図である。
【図６】本発明による変形例を示す燃料電池管体の一体成形法の概略図である。
【図７】本発明による他の変形例を示す燃料電池管体の一体成形法の概略図である。
【図８】本発明により製造した燃料電池管体の断面図である。
【図９】本発明により製造した燃料電池モジュールの断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１…燃料電池管体の胴部金型、２…心金、３…カッター、４…底面封止用金型、５…余剰セラミックスラリー排出孔、６…燃料電池管体の胴部、７…リブ、８…ガス流路ポケット、９…セラミックスラリーの流れ、１０…ガス流路、１１…ガス流れ、１２…燃料電池管体の底部、１５…余剰セラミックスラリー、１６…風船、１７…駆動機構。
【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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