JP2005158531A

JP2005158531A - 燃料電池スタック及びその製法並びに燃料電池

Info

Publication number: JP2005158531A
Application number: JP2003396211A
Authority: JP
Inventors: Hitohide Oshima; 仁英大嶋
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-11-26
Filing date: 2003-11-26
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2023-11-26
Also published as: JP4587659B2

Abstract

【課題】燃料電池セルをセル支持板に強固に接合固定できるとともに、マニホールドからのガスリークを防止できる燃料電池スタック及びその製法並び燃料電池を提供する。
【解決手段】ガス流路３４を有する複数の燃料電池セル３３を、厚みが２ｍｍ以上のセル支持板５０ａに形成された複数のセル挿入孔５０ａ１にそれぞれ挿入接合して立設し、該燃料電池セル３３が立設したセル支持板５０ａをマニホールド５０に設けてなり、該マニホールド５０内のガスが燃料電池セル３３内のガス流路３４を介して導出されることを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は燃料電池スタック及びその製法並びに燃料電池に関し、特に、７ｋＷ未満の家庭用、店舗用として好適に用いられる分散型発電用の燃料電池スタック及びその製法並びに燃料電池に関するものである。

次世代エネルギーとして、近年、固体電解質型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。この種の燃料電池として、軸長方向に複数のガス通過孔を有する内側電極の表面に、固体電解質、外側電極を順次形成してなる複数の燃料電池セルと、該燃料電池セルの一端部が収容される保持固定用貫通孔を有する支持板と、該支持板が載置され、燃料電池セルの内側電極に形成されたガス通過孔と連通する貫通孔を有するガスタンクとを具備するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

このような燃料電池では、ガス封止を確実に行うことができるとともに、ガス供給信頼性を向上できる。
特開２００３−２８２１３２号公報

しかしながら、上記した特許文献１に開示された燃料電池では、燃料電池セルをマニホールドにガス封止した状態でガラス等で接合しているものの、接合強度が十分ではなく、また、燃料電池セル間に弾性を有する集電部材が介装されていたため、集電部材により押圧されて燃料電池セルの傾斜や変形が生じ、また傾斜等が発生しないまでも燃料電池セルのセル挿入部とガラス等の接合部との間に応力が発生し、接合部にクラック等が発生し、ガスリークが発生する可能性があった。

本発明は、燃料電池セルをセル支持板に強固に接合固定できるとともに、マニホールドからのガスリークを防止できる燃料電池スタック及びその製法並び燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池スタックは、ガス流路を有する複数の燃料電池セルを、厚みが２ｍｍ以上のセル支持板に形成された複数のセル挿入孔にそれぞれ挿入接合して立設し、該燃料電池セルが立設したセル支持板をマニホールドに設けてなり、該マニホールド内のガスが前記燃料電池セル内のガス流路を介して導出されることを特徴とする。

７ｋＷ未満の家庭用、店舗用として好適に用いられる分散型発電用の燃料電池では、外部からの熱源なく発電する（熱自立）必要性や、小型であるため熱容量を小さくする必要があり、セル支持板の厚みを薄くする傾向にあるが、本発明の燃料電池スタックでは、厚みが２ｍｍ以上のセル支持板を用い、このセル支持板のセル挿入孔に燃料電池セルを挿入接合したので、燃料電池セルの挿入部は高さ２ｍｍ以上であり、この部分で接合されることになり、複数の燃料電池セルを容易に、かつ十分な接合強度を有した状態で確実に接合固定することができる。

また、燃料電池セル間に弾性を有する集電部材が介装される場合には、燃料電池セル間に集電部材により押圧するような力が作用し、その根元（挿入部）を中心に横に広がろうとするが、上記したように、セル支持板の厚みが十分であるため、燃料電池セルのセル挿入部をセル支持板に強固に接合でき、接合部におけるクラック等の発生を防止でき、ガスリークを防止できる。

また、本発明の燃料電池スタックは、セル支持板がマニホールドの天板を構成していることを特徴とする。上記したように、小型の燃料電池では、熱容量を小さくするため、セル支持板をマニホールドの天板として用いる場合があるが、この場合には、セル支持板のみで複数の燃料電池セルを支持固定する必要があるため、本発明の燃料電池スタックを有効に用いることができる。

さらに、本発明の燃料電池スタックは、セル支持板の厚みが２０ｍｍ以下であることを特徴とする。このような燃料電池スタックでは、セル支持板の軽量化が可能であると同時に、容積を低減でき、さらには熱容量の低減が可能となる。

また、本発明の燃料電池スタックは、燃料電池セルの長さが８０〜３００ｍｍであることを特徴とする。このような燃料電池スタックでは、必要とする発電量を得るための燃料電池セルの本数を少なくでき、セルスタックの大型化を防止できるとともに、燃料電池セル間に介装された集電部材によるセル接合部における応力を小さくでき、クラックの発生を防止できる。これにより、セルスタックの容積を低減できるため、小型分散発電で必要な熱自立による高効率運転が見込める。

さらに、本発明の燃料電池スタックは、セル支持板のセル挿入孔が、燃料電池セルのセル挿入部の外形に対して０．１〜２ｍｍ大きい相似形状であることを特徴とする。このような燃料電池スタックでは、セルをセル挿入孔に挿入接合する際の接合材の一部が挿入孔とセル間に浸入し、より強固にセルを挿入孔に接合固定することができる。またセル支持板の材質に導電性のあるＳＵＳ等の金属を利用する場合、セルと支持板との電気的な絶縁を確保する必要があり、絶縁性の接合材を利用するか、予めセル挿入部外表面もしくはセル挿入孔表面に酸化物の薄膜を形成したり、薄い絶縁物を貼り付けることが必要になるため、セル挿入孔がセル挿入部の外径に対して、０．１ｍｍ以上大きい相似形状であることが望ましい。また２ｍｍより大きい場合、セルとセル挿入孔間の隙間に浸入する挿入接合材の量が多くなり、熱膨張の違いによりセルや支持板に応力が生じ、セルや支持板にクラック等の欠損を生じてしまうことから２ｍｍ以下であることが望ましい。

また、本発明の燃料電池スタックは、支持板のセル挿入孔の挿入側エッジ部が面取りされていることを特徴とする。このような燃料電池スタックでは、セルをセル挿入孔に挿入する際にセル外表面の傷や欠けを防止することができると同時に、エッジ部近傍における接合材への応力集中を緩和でき、接合材へのクラック等の発生を防止できる。

さらに、本発明の燃料電池スタックは、セル支持板のセル挿入孔と燃料電池セルのセル挿入部との間には接合材が充填されており、該接合材がメニスカス構造を有することを特徴とする。このような燃料電池スタックでは、接合材に発生する応力を低減することができるとともに、最低限度の接合材の量で効率よくセルとセル挿入孔の間をガスタイトにシールすることができる。これにより効率よく効果的にセルとセル挿入孔との間をガスタイトにシールすることができ、ガラスの軟化温度以上での焼付けによる溶融によりメニスカス構造を自然に形成することができる。

本発明の燃料電池スタックの製法は、ガス流路を有する複数の燃料電池セルを、セル支持板に形成された複数のセル挿入孔にそれぞれ挿入接合して立設し、該燃料電池セルが立設したセル支持板をマニホールドに設けてなる燃料電池スタックの製法であって、前記複数の燃料電池セルが、前記セル支持板に形成された複数のセル挿入孔にそれぞれ挿入され、かつ前記燃料電池セルのセル挿入孔近傍に接合材ソケットが外嵌された状態で、前記接合材ソケットの軟化温度以上で加熱し、前記燃料電池セルを前記セル支持板に接合する工程を具備することを特徴とする。

このような燃料電池スタックの製法では、容易に簡便な製造工程で複数のセルをセル支持板に固定することができる。即ち、予めセルと相似形状に成型加工されたガラス等からなる接合材ソケットを軟化温度以下で加熱することにより、複数のセルに挿入する際に必要な強度を有することができ、さらに、このような接合材ソケットを配置して軟化温度以上で熱処理することで接合材が軟化し、セルとセル挿入孔間の隙間を埋めるように充填することができ、ガスタイトなシール性を確保することができる。

また、本発明の燃料電池スタックの製法は、接合材ソケットの内形が、燃料電池セルのセル挿入部の外形に対して０．１〜１ｍｍ大きい相似形状であることを特徴とする。

本発明の燃料電池は、上記燃料電池スタックを収納容器内に収納してなることを特徴とする。上記したように、セルをセル支持板に強固にかつガスリークなく接合できるので、このような燃料電池スタックを収納容器内に収納することにより、信頼性の高い燃料電池を提供することができる。

本発明の燃料電池スタックでは、燃料電池セルの挿入部は高さ２ｍｍ以上であり、この部分がセル支持板に接合されることになり、複数の燃料セルを容易に、かつ十分な接合強度で確実に接合固定することができるともに、燃料電池セルのセル挿入部とガラス等の接合部における応力の発生を抑制でき、接合部におけるクラック等の発生を防止でき、ガスリークを防止できる。特に、７ｋＷ未満の家庭用、店舗用として好適に用いられる分散型発電用として好適に用いることができる。

図１は、本発明の燃料電池を示すもので、符号３１は断熱構造を有する収納容器を示している。この収納容器３１の内部には、複数の燃料電池セル３３が集合したセルスタック３５と、燃料電池セル３３間に挿入される酸素含有ガス供給管３９と、セルスタック３５の上方に設けられた熱交換部４１とから構成されている。尚、図１では、酸素含有ガス供給管３９を便宜上破線で記載した。

収納容器３１は、耐熱性金属からなる枠体３１ａと、この枠体３１ａの内面に設けられた断熱材３１ｂとから構成されている。

セルスタック３５は、例えば、図２に示すように、複数の燃料電池セル３３を２列に整列させ、隣設した２列の最外部の燃料電池セル３３の電極同士が導電部材４２で接続され、これにより２列に整列した複数の燃料電池セル３３が電気的に直列に接続している。

燃料電池セル３３を具体的に説明すると、図３に示すように、断面が板状で、全体的に見て板状でかつ柱状の多孔質な導電性支持体（以下、支持基板）３３ａを具備するもので、この支持基板３３ａの平坦な一方側主面と両端の弧状の側面を覆うように、多孔質な燃料側電極３３ｂが設けられており、さらにこの燃料側電極３３ｂを覆うように緻密質な固体電解質３３ｃが積層されており、この固体電解質３３ｃの上には酸素側電極３３ｄが順次積層されている。また、前記酸素側電極３３ｄと反対側の支持基板３３ａの平坦な他方側主面には中間膜３３ｅ、インターコネクタ３３ｆ、集電膜３３ｇが順次積層されている。

また、本発明の燃料電池セルは、全体的に見て板状で、かつ柱状であり、その内部の支持基板３３ａには６個のガス流路３４が軸長方向に貫通して形成されている。

即ち、燃料電池セル３３は、断面形状が、幅方向両端に設けられた弧状部Ｂと、これらの弧状部Ｂを連結する一対の平坦部Ａとから構成されており、一対の平坦部Ａは平坦であり、ほぼ平行に形成されている。これらの燃料電池セル３３の平坦部Ａのうち一方は、支持基板３３ａの一方側主面上に燃料側電極３３ｂ、固体電解質３３ｃ、酸素側電極３３ｄを形成して構成され、他方の平坦部Ａは、支持基板３３ａの他方側主面上に中間膜３３ｅ、インターコネクタ３３ｆ、集電膜３３ｇを形成して構成されている。

固体電解質３３ｃは、支持基板３３ａの一方側主面から両側の側面を介して他方側主面にまで延設され、インターコネクタ３３ｆと重畳している。

燃料側電極３３ｂ、固体電解質３３ｃ、酸素側電極３３ｄが重なり合っている部分が発電部である。この発電部分は弧状部Ｂにまで形成されていてもかまわない。なお、燃料電池セル３３において、発電部は平坦部Ａに形成されている。

なお、弧状部Ｂは、発電に伴う加熱や冷却に伴い発生する熱応力を緩和するため、曲面となっていることが望ましい。

また、支持基板３３ａの長径寸法（弧状部を形成する支持基板の側面間距離）は１５〜４０ｍｍ、短径寸法（平坦部を形成する主面間距離）が２〜１０ｍｍであることが望ましい。なお、支持基板３３ａの形状は板状と表現しているが、長径寸法および短径寸法が変化することにより楕円状あるいは扁平状とも表現できる。

尚、金属を主成分とする燃料側電極の外面に、緻密質な固体電解質、多孔質な導電性セラミックスからなる酸素側電極を順次積層し、酸素側電極と反対側の燃料側電極の外面にインターコネクタを形成して構成し、燃料側電極を支持体とするものであっても良い。

一方の燃料電池セル３３と他方の燃料電池セル３３との間には、図２に示すように、金属フェルト及び／又は金属板からなる弾性を有する集電部材４３を介在させ、一方の燃料電池セル３３の支持基板３３ａを、該支持基板３３ａに設けられたインターコネクタ３３ｆ、集電部材４３を介して他方の燃料電池セル３３の酸素側電極３３ｄに電気的に接続して、セルスタック３５が構成されている。集電部材４３は、燃料電池セル３３を押し広げるような構成であり、これにより、セル間を強固に電気的に接続できる。

この支持基板３３ａ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。

支持基板３３ａとインターコネクタ３３ｆの間に形成される中間膜３３ｅは、Ｎｉ及び／またはＮｉＯと希土類元素を含有するＺｒＯ_２を主成分とするものである。中間膜３３ｅ中のＮｉ化合物のＮｉ換算量は全量中３５〜８０体積％が望ましく、さらに５０〜７０体積％が望ましい。Ｎｉを３５体積％以上とすることで、Ｎｉによる導電パスが増加し、中間膜３３ｅの伝導度が向上し、電圧降下が小さくなる。また、Ｎｉを８０体積％以下とすることで、支持基板３３ａとインターコネクタ３３ｆの間の熱膨張係数差を小さくすることができ、両者の界面の亀裂が発生を抑制できる。

また、電位降下が小さくなるという点から中間膜３３ｅの厚みは２０μｍ以下が望ましく、さらに、１０μｍ以下が望ましい。

中希土類元素や重希土類元素の酸化物の熱膨張係数は、固体電解質３３ｃのＹ_２Ｏ_３を含有するＺｒＯ_２の熱膨張係数より小さく、Ｎｉとのサーメット材としての支持基板３３ａの熱膨張係数を固体電解質３３ｃの熱膨張係数に近づけることができ、固体電解質３３ｃの割れや、固体電解質３３ｃの燃料側電極３３ｂからの剥離を抑制できる。熱膨張係数が小さい重希土類元素酸化物を用いることで、支持基板３３ａ中のＮｉを多くでき、導電性支持体３３ａの電気伝導度を上げることができるという点からも重希土類元素酸化物を用いることが望ましい。

なお、軽希土類元素のＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄの酸化物は、希土類元素酸化物の熱膨張係数の総和が固体電解質３３ｃの熱膨張係数未満である範囲であれば、中希土類元素、重希土類元素に加えて含有されていても何ら問題はない。

また、精製途中の安価な複数の希土類元素を含む複合希土類元素酸化物を用いることにより原料コストを大幅に下げることができる。その場合も、複合希土類元素酸化物の熱膨張係数は固体電解質３３ｃの熱膨張係数未満であることが望ましい。

また、インターコネクタ３３ｆ表面にＰ型半導体、例えば、遷移金属ペロブスカイト型酸化物からなる集電膜３３ｇを設けることが望ましい。インターコネクタ３３ｆ表面に直接金属の集電部材を配して集電すると非オーム接触により、電位降下が大きくなる。オーム接触をし、電位降下を少なくするためには、インターコネクタ３３ｆにＰ型半導体からなる集電膜３３ｇを接続する必要があり、Ｐ型半導体である遷移金属ペロブスカイト型酸化物を用いることが望ましい。遷移金属ペロブスカイト型酸化物としては、ランタン−マンガン系酸化物、ランタン−鉄系酸化物、ランタン−コバルト系酸化物、又は、それらの複合酸化物の少なくとも一種からなることが望ましい。

支持基板３３ａの主面に設けられた燃料側電極３３ｂは、Ｎｉと希土類元素が固溶したＺｒＯ_２とから構成される。この燃料側電極３３ｂの厚みは１〜３０μｍであることが望ましい。燃料側電極３３ｂの厚みを１μｍ以上とすることで、燃料側電極３３ｂとしての３層界面が十分に形成される。また、燃料側電極３３ｂの厚みを３０μｍ以下とすることで固体電解質３３ｃとの熱膨張差による界面剥離を防止できる。

この燃料側電極３３ｂの主面に設けられた固体電解質３３ｃは、３〜１５モル％のＹ等の希土類元素を含有した部分安定化あるいは安定化ＺｒＯ_２からなる緻密体なセラミックスから構成される。希土類元素としては、安価であるという点からＹもしくはＹｂが望ましい。

固体電解質３３ｃの厚みは、１０〜１００μｍであることが望ましい。固体電解質３３ｃの厚みを１０μｍ以上とすることで、ガス透過を防止できる。また、固体電解質３３ｃの厚みを１００μｍ以下にすることで、抵抗成分の増加を抑制できる。

また、酸素側電極３３ｄは、遷移金属ペロブスカイト型酸化物のランタン−マンガン系酸化物、ランタン−鉄系酸化物、ランタン−コバルト系酸化物、または、それらの複合酸化物の少なくとも一種の多孔質の導電性セラミックスから構成されている。酸素側電極３３ｄは、８００℃程度の中温域での電気伝導性が高いという点から（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ_３系が望ましい。酸素側電極３３ｄの厚みは、集電性という点から３０〜１００μｍであることが望ましい。

インターコネクタ３３ｆは、支持基板３３ａの内外の燃料ガス、酸素含有ガスの漏出を防止するため緻密体とされており、また、インターコネクタ３３ｆの内外面は、燃料ガス、酸素含有ガスと接触するため、耐還元性、耐酸化性を有している。

このインターコネクタ３３ｆの厚みは、３０〜２００μｍであることが望ましい。インターコネクタ３３ｆの厚みを３０μｍ以上とすることで、ガス透過を完全に防止でき、２００μｍ以下とすることで、抵抗成分の増加を抑制できる。

このインターコネクタ３３ｆの端部と固体電解質３３ｃの端部との間には、シール性を向上すべく例えば、Ｎｉと、Ｙ_２Ｏ_３を固溶したＺｒＯ_２とからなる接合層を介在させても良い。

複数の燃料電池セル３３の下端部は、図１、４に示したように、マニホールド（ガスタンク）５０の天板を構成するセル支持板５０ａに接合材５７により支持固定されており、これにより燃料電池セル３３の下端部がマニホールド５０に支持固定され、立設している。即ち、燃料電池セル３３は、厚みが２ｍｍ以上のセル支持板５０ａに形成された複数のセル挿入孔５０ａ１にそれぞれ挿入接合されて立設しており、この状態で、セル支持板５０ａをマニホールド５０の天板として設け、これにより、燃料電池セル３３がマニホールド５０に複数立設している。

燃料電池セル３３を、セル支持板５０ａのセル挿入孔５０ａ１に挿入接合することにより、複数の燃料電池セル３３をマニホールド５０に一挙に立設することができるとともに、例えば、燃料電池セル３３がセル製造工程で少々変形した場合でも、燃料電池セル３３の平坦部間の距離をほぼ一定に調整することができる。

セル支持板５０ａに設けられるセル挿入孔５０ａ１は、複数の燃料電池セル３３を所定のピッチで固定するために、各燃料電池セルごとに仕切られていることが望ましく、そのピッチは等間隔でも良いし、収納容器内部の温度分布を低減するよう任意のピッチであってもよい。

またセル支持板５０ａの厚みは、セル支持板の軽量化、燃料電池セルを複数本束ねた燃料電池本体の体積を低減、さらには熱容量の低減の点より２０ｍｍ以下であることが望ましい。２０ｍｍより大きい場合、重量、体積が増加し、また熱容量が大きくなり起動に要する時間が長くなる。

セル支持板５０ａの厚みを２ｍｍ以上としたのは、２ｍｍよりも薄い場合には、固定シールに必要な距離が確保できず、燃料電池セル３３の下端部を強固に接合することができず、それに伴う接合材５７からのガスリークを防止することができないからである。セル支持板５０ａの厚みは作業性、及びガスリーク歩留り向上という点から２ｍｍ以上、特には５ｍｍ以上であることが望ましい。また、７ｋＷ未満の家庭用、店舗用として用いられる分散型発電用の燃料電池として用いる場合には、熱容量を低減し、熱自立するために、２０ｍｍ以下、特には１０ｍｍ以下であることが望ましい。また、この場合、燃料電池セルの長さは８０〜３００ｍｍであることが望ましい。特には、セルスタックの熱容量と接合材５７にかかる応力、及び熱自立運転を比較的容易に達成できるという点から１００〜２００ｍｍであることが望ましい。

セル支持板５０ａのセル挿入孔５０ａ１は、燃料電池セル３３のセル挿入部５０ａ１の外形に対して０．１〜２ｍｍ大きい相似形状であることが望ましい。即ち、燃料電池セルは、図３に示すように、板状であるため、セル挿入孔５０ａ１も板状であり、燃料電池セル３３をセル挿入孔５０ａ１に挿入したとき、セル挿入孔５０ａ１の内面と、燃料電池セル３３の外面との距離が０．１〜２ｍｍとされている。このように０．１ｍｍ以上の隙間を有するため、接合材５７がセル挿入孔５０ａ１とセル３３間に十分に浸入し、より強固にセル３３をセル挿入孔５０ａ１に接合固定することができるとともに、２ｍｍ以下の隙間とされているため、セル３３とセル挿入孔５０ａ１間の隙間を埋設する接合材の量を適量とすることができ、熱膨張率の異なる接合材５７が適量となり、熱膨張差によるセルや支持板への応力を低減でき、セルや支持板へのクラック発生等を抑制できる。

セル３３とセル挿入孔５０ａ１間の隙間、例えば図３に示した板状のセルの場合に長軸方向と短軸方向のクリアランスが同一でも良いし、燃料電池セルと支持板との間に熱膨張差がある場合は長軸方向と短軸方向のクリアランスを上記範囲内で変更させても良い。

セル支持板５０ａのセル挿入孔５０ａ１の挿入側エッジ部が面取りされている。これにより、セルをセル挿入孔に挿入する際にセル外表面の傷や欠けを防止することができると同時に、エッジ部近傍における接合材への応力集中を緩和でき、接合材へのクラック等の発生を防止できる。

セル支持板５０ａのセル挿入孔５０ａ１と燃料電池セル３３のセル挿入部との間には接合材５７が充填されており、この接合材５７がメニスカス構造を有している。即ち、接合材５７はセル挿入孔５０ａ１とセル３３との間に充填されるとともに、接合材５７はセル３３に付着してセル支持板５０ａよりも上方に、かつ、セル支持板５０ａの外面を被覆するように形成されている。

接合材５７としては、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３３と支持板５０ａに設けられたセル挿入孔５０ａ１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３３とセル挿入孔５０ａ１間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３３とセル挿入孔５０ａ１とがガスタイトにシールされ、最小量の接合材でガスのリークなく、また熱膨張差のある材料を利用した場合においても燃料電池セルや接合材に応力を残留させることなく固定するという点から、図４に示すように接合材５７の形状はメニスカス構造であることが望ましい。

また、接合材５７にはガスを通過させないことが重要であり、緻密化していることが望ましく、ガスタイトなシール性、安定性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が利用されていることが望ましい。

また、接合材５７としてはセル支持板５０ａと燃料電池セル３３両方の熱膨張係数に近いことが望ましいが、セル支持板５０ａと燃料電池セル３３との熱膨張係数には差異があることより、好ましくはセル支持板５０ａと燃料電池セル３３との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。

マニホールド５０には、図１に示すように、燃料電池セル３３内部に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給管５１が設けられている。

燃料ガス供給管５１はハウジング内側を通り、セルスタック３５の上方に配置された燃料改質器５５を経由して、燃料ガスマニホールド５０の側面からマニホールド内へ導入される。燃料ガス供給管５１には、外部から都市ガスやプロパンガス等の被改質ガスが供給され、改質器５５を介して、燃料ガスマニホールド５０内及び燃料電池セル３３のガス流路３４に改質された燃料ガスが供給される。

マニホールド５０、及び燃料ガス供給管５１はセラミック、金属またはこれらの混合物により構成されるが、支持板５０ａと同じ材質であることが好ましい。

また、酸素含有ガス供給管３９は、セルスタック３５間にセル支持板５０ａの近傍まで延設され、その先端部から酸素含有ガス、例えば空気を供給するようになっている。発電で用いられなかった余剰の酸素含有ガスは、セル３３間を通過して上方に流れ、セル内部を通過して発電に用いられなかった燃料ガスと、セル先端部近傍で混合燃焼する。

また、熱交換部４１は、燃焼ガスが排出される排出路４１ａと、この排出路４１ａの内側に配設された酸素含有ガス室４１ｂとから構成されており、言い換えれば、酸素含有ガス室４１ｂの周囲に排出路４１ａが配設され、排出路４１ａ内の燃焼ガスと外部から導入される酸素含有ガスの間で熱交換可能とされている。

以上のような燃料電池セルスタックの製法について説明する。先ず、図３に示すような燃料電池セル３３を作製する。この燃料電池セル３３を、図５に示すように、接合材からなる環状のガラスソケット７５の孔に燃料電池セル３３を挿入し、さらに燃料電池セル３３をセル支持板５０ａのセル挿入孔５０ａ１内に挿入し、燃料電池セル３３のセル挿入孔５０ａ１近傍にガラスソケット７５が外嵌された状態で、ガラスソケット７５を形成するガラスの軟化温度以上で加熱し、燃料電池セル３３をセル支持板５０ａに接合し、セル支持板５０ａに燃料電池セル３３を立設する。

燃料電池セルを接合する接合材は、上述したようにメニスカス構造をとることが望ましいが、この構造を効率よく効果的に構成するためには予めセルと相似形状に成型加工されたガラスソケットを用いることにより有効に形成できる。またガラスソケットを利用することにより容易に簡便な工程で複数のセルを固定することができる。また予めガラスソケットを軟化温度以下で熱処理することにより、成形体強度を高め、複数のセルを挿入する際に必要な強度を有するものとすることができ、図５に示すように燃料電池セル３３にガラスソケット５を挿入し支持板５０ａに装着した後に、軟化温度以上で熱処理することでガラスが軟化しセルとセル挿入孔間の隙間を埋めるように接合することができ、ガスタイトなシール性を確保することができる。

ガラスソケット７５は、ガスのリーク量を低減、防止することを目的として、燃料電池セルのセル挿入部の外形に対して、ガラスソケットの内形が０．１〜１ｍｍ大きい相似形状とされている。セル挿入部の外形に対してガラスソケットの内形が、０．１ｍｍ未満の場合、セルの変形や反りなどが発生した場合に装着が不可能になる可能性があり、また組立て時に破損する可能性がある。一方、１ｍｍより大きい場合、ガラスが軟化するまでの収縮や軟化後の溶融状態においてもセルとガラスソケットとの隙間を十分に封止することが困難となる。

これによりガラスソケット７５をセル挿入部に装着した後の軟化温度以上の熱処理過程においてガスタイトなシール性を確保することができる。この後、セル支持板５０ａをマニホールド５０の開口部に挿入し、ガラス等のシール材で接合することにより、図４に示すようなセルスタック３５を得ることができる。

本発明の燃料電池では、空気からなる酸素含有ガスが酸素含有ガス室４１ｂに一旦収容され、この酸素含有ガス室４１ｂから酸素含有ガス供給管３９を介して燃料電池セル３３間に供給され、一方、都市ガス等の被改質ガスが燃料ガス供給管５１、改質器５５に供給され、燃料ガスマニホールド５０を介して燃料電池セル３３のガス流路３４を流れ、セル先端から導出され、セル外部の酸素含有ガスと混合燃焼し、燃焼ガスが排出路４１ａを介して外部に排出される。

なお、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、内側電極を酸素側電極から形成してもよい。

また、例えば、上記形態では、板状で複数の燃料ガス流路３４を有する燃料電池セル３３を用いた例について説明したが、燃料電池セルは円筒状で、燃料ガス通過孔が一つであっても良く、燃料電池セルの形状は特に限定されるものではない。

先ず、幅（長軸）３０ｍｍ、厚み（短軸）４ｍｍ、長さ１５０ｍｍの図３に示すような板状の燃料電池セルを５本準備した。

これらの燃料電池セルを表１に示す孔寸法のガラスソケット（ガラスの軟化温度８００℃）に挿入し、ＳＵＳ４３０からなる表１に示す厚みのセル支持板の表１に示す寸法のセル挿入孔に挿入し、かつ燃料電池セル間に板状の合金板を折曲してなる集電部材が配置された状態で９５０℃で加熱し、燃料電池セルをセル支持板に接合した。この後、５本の燃料電池セルが立設したセル支持板をマニホールドの開口部に挿入し、ガラスからなるシール材で接合し、図４に示すようなセルスタックを得た。この後、セル接合部の外観を目視にて確認した。

この燃料電池スタックを７００℃のオーブン内に保持して燃料導入パイプよりＨｅガ導入し内部の圧力が５０ｋＰａになるようにした後、燃料導入パイプに設けられたバルブを閉じ１０分経過後の圧力変動から、セル接合部からのガスリークの有無を確認した。

尚、燃料電池セルのガス流路３４については予めガラスにて封止し、燃料電池セルからのガスリークが無いようにした。予め表面をガラスにて封止した。それらの結果を表１に記載した。

この表１から、セル支持板が２ｍｍよりも小さい比較例の試料Ｎｏ．８では、ガラスソケットの熱処理後に傾き、ガラスと燃料電池セルの間にクラックが発生し、７００℃において１０分後の圧力が５０ｋＰａから２０ｋＰａに低下し、ガスタイトな固定、シールとすることができなかった。

一方、本発明の試料Ｎｏ．１〜５では、外観に異常はなく、圧力変動もなく、ガスリークは発生しなかった。セル支持板の厚みが３０mmと厚くした場合もガスリークはなく外観上の不具合はなかった。

さらに、試料Ｎｏ．６では、セル挿入孔の寸法が燃料電池セルのセル挿入部よりも大きかったため、また、試料Ｎｏ．７では、ガラスソケット孔の寸法がセル挿入部よりも大きかったため、セルとセル挿入孔との間の隙間、及びセル間のセル支持板上にガラスが流れ込みメニスカス構造にはならなかったものの、ガスリークはなく圧力の低下は見られなかった。

本発明の燃料電池を示す断面図。図１のセルスタックを示す断面図。燃料電池セルを示す断面斜視図。セルスタックを示すもので、（ａ）はセル挿入孔内に燃料電池セルを挿入し、接合した状態を示す拡大断面図、（ｂ）セルスタックの断面図。セルスタックの製法を説明するための分解斜視図。

符号の説明

２：ハウジング
３４：ガス流路
３５：セルスタック
４３：集電部材
５０：マニホールド
５０ａ：セル支持板
５０ａ１：セル挿入孔
５７：接合材
７５：接合材ソケット

Claims

ガス流路を有する複数の燃料電池セルを、厚みが２ｍｍ以上のセル支持板に形成された複数のセル挿入孔にそれぞれ挿入接合して立設し、該燃料電池セルが立設したセル支持板をマニホールドに設けてなり、該マニホールド内のガスが前記燃料電池セル内のガス流路を介して導出されることを特徴とする燃料電池スタック。
燃料電池セル間に弾性を有する集電部材が介装されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。
セル支持板がマニホールドの天板を構成していることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池スタック。
セル支持板の厚みが２０ｍｍ以下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スタック。
燃料電池セルの長さが８０〜３００ｍｍであることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の燃料電池スタック。
セル支持板のセル挿入孔が、燃料電池セルのセル挿入部の外形に対して０．１〜２ｍｍ大きい相似形状であることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載の燃料電池スタック。
支持板のセル挿入孔の挿入側エッジ部が面取りされていることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれかに記載の燃料電池スタック。
セル支持板のセル挿入孔と燃料電池セルのセル挿入部との間には接合材が充填されており、該接合材がメニスカス構造を有することを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれかに記載の燃料電池スタック。
ガス流路を有する複数の燃料電池セルを、セル支持板に形成された複数のセル挿入孔にそれぞれ挿入接合して立設し、該燃料電池セルが立設したセル支持板をマニホールドに設けてなる燃料電池スタックの製法であって、前記複数の燃料電池セルが、前記セル支持板に形成された複数のセル挿入孔にそれぞれ挿入され、かつ前記燃料電池セルのセル挿入孔近傍に環状の接合材ソケットが外嵌された状態で、前記接合材ソケットの軟化温度以上で加熱し、前記燃料電池セルを前記セル支持板に接合する工程を具備することを特徴とする燃料電池スタックの製法。
環状の接合材ソケットの内形が、燃料電池セルのセル挿入部の外形に対して０．１〜１ｍｍ大きい相似形状であることを特徴とする請求項９記載の燃料電池スタックの製法。
請求項１乃至８のうちいずれかの燃料電池スタックを収納容器内に収納してなることを特徴とする燃料電池。