JP5164334B2

JP5164334B2 - 燃料電池組立体

Info

Publication number: JP5164334B2
Application number: JP2006088041A
Authority: JP
Inventors: 仁英大嶋
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2026-03-28
Also published as: JP2007265750A

Description

本発明は、内部に軸長方向にガス通路が形成された支持体の側面を、緻密質な固体電解質層及びインターコネクタがその端部同士を重ねて取り囲んでなる燃料電池組立体に関す
る。

次世代エネルギーとして、近年、固体高分子形、リン酸形、溶融炭酸塩形及び固体電解質形等の種々の形の燃料電池システムが提案されている。特に、固体電解質形燃料電池システムは、作動温度が７００乃至１０００℃程度と高いが、発電効率が高い、排熱利用ができる等の利点を有しており、研究開発が推し進められている。

固体電解質形燃料電池システムの典型例においては、細長く延びる板状支持基板を含む燃料電池セルを所要方向に配列してガスマニホールドの片面、通常は上面上に、ガスマニホールドの上面を規定する板状部材でよい適宜の保持部材を介して固定している。支持基板の各々にはその長手方向に貫通して延在するガス通路が形成されており、かかるガス通路がガスマニホールド内に連通せしめられ、ガスマニホールド内に送給された燃料ガス(或いは酸素含有ガス）がガスマニホールド内から支持基板の各々のガス通路に流動せしめられる。

セルの片端部が固定されている保持部材と支持基板の周囲からガスマニホールド内の燃料ガス(或いは酸素含有ガス）が漏出するのを防止するために、セルの片端部は保持部材にガスタイトに固定されていることが重要である。下記特許文献１には、セルの片端部を保持部材にガスタイトに固定する固定構造が開示されている。
特開２００５−１８３３７６号公報

燃料電池セルのシール部においては、空気側と燃料側のガスタイトなシールが要求され、シール部は水蒸気を含む酸素含有ガス雰囲気、及び水蒸気を含有する還元雰囲気に晒される。また、燃料電池セルは、燃料極層、固体電解質層、酸素極層、インターコネクタ等の各種部材を有するものであり、例えば、緻密な固体電解質層とインターコネクタの端部同士を重ね、導電性支持体の周りを取り囲み、導電性支持体のガス通路を流れるガスと、セルの外側を流れるガスとを遮断する必要があり、固体電解質層の端部とインターコネクタの端部の重畳により、燃料電池セルの表面には必然的に段差が生じる。

そして、このような燃料電池セルの段差が生じた部分が、ガスマニホールドにシールガラスで接合固定されることになるが、段差がある場合においては、燃料電池セルと、ガスマニホールドへの接合材料であるシールガラスとは、その熱膨張係数が異なることに起因し、またシールガラスの熱処理後の収縮挙動が異なることに起因し、シール部位への発生応力が大きくなり、シール部にクラック等の欠陥が発生するという問題があった。

また、シールガラスを燃料電池セルとガスマニホールドとの隙間部に流し込み、接合固定する際の焼成段階において、シールガラスは焼成に伴い収縮し、その後、軟化するが、軟化後の流動性のある状態において燃料電池セルもしくは金属マニホールドとの濡れ性が悪い場合、これらの界面近傍に隙間が生じ、繰返しシール工程を実施しなければならない。インターコネクタや固体電解質層とシールガラスとの濡れ性が悪い場合においては、隙間が生じてしまうという問題があった。

発明は、ガスマニホールドのシール部におけるクラック、隙間の発生を防止できる燃料電池組立体を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池組立体は、内部に軸長方向にガス通路が形成された支持体の側面を、緻密質な固体電解質層及びインターコネクタがその端部同士を重ねて取り囲んでなる燃料電池セルと、前記ガス通路と連通するガスマニホールドとを備え、ガス通路と連通するガスマニホールドとを備え、燃料電池セルは、軸長方向の一方端部が、前記インターコネクタと前記固体電解質層とが重なった段差部を被覆するように設けられた無機絶縁材料からなる被覆層を介して、シールガラスによりマニホールドに固定されており、燃料電池セル、被覆層、シールガラスの熱膨張係数がこの順に傾斜するように構成とされていることを特徴とする。
本発明の燃料電池組立体の燃料電池セルは、導電性支持体上に、前記固体電解質層を電
極層で挟持してなる発電部と、前記インターコネクタとを有することを特徴とする。

インターコネクタは、燃料電池セル同士を電気的に接続するため、一般に他の部材、例えば固体電解質層から突出し、また、燃料電池セルの内外のガスを遮断すべくインターコネクタと固体電解質層との端部同士が重なり段差部が形成されているが、本発明の燃料電池組立体は、燃料電池セルの段差部を被覆するように設けられた無機絶縁材料からなる被覆層を介して、シールガラスによりマニホールドに固定されており、燃料電池セル、被覆層、シールガラスの熱膨張係数がこの順に傾斜するように構成されている。従って、従来のような段差部に基づく応力集中が発生せず、これにより、ガスマニホールドにシールガラスにより接合すべく熱処理した後、冷却工程におけるクラックの発生を防止することができる。

また、本発明の燃料電池組立体は、前記被覆層の一部が前記シールガラスに埋設されていることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、燃料電池セルの一端部がガスマニホールドにシールガラスにより接合されるが、被覆層はガスマニホールドの接合部よりも長く形成されていることになり、信頼性を向上できる。

また、本発明の燃料電池組立体は、前記被覆層が、ガラスからなることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、段差部を燃料電池セルへの被覆層形成時にガラス焼成時の軟化、溶融により容易に被覆・封止することが可能となる。

一方、被覆層がガラスからなる場合には、段差部を燃料電池セルへの被覆層形成時にガラス焼成時の軟化、溶融により容易に被覆・封止することが可能となる。

また、被覆層がガラスからなる場合、これらの材料の熱処理した後冷却工程で、ガラスが燃料電池セルを圧縮する方向に収縮するため、隙間の発生を防止することができ、またその後におけるシールガラス（ガスマニホールドに接合するためのガラス）との濡れ性を良好にすることが出来る。

また、本発明によれば、被覆層材料がシールガラスよりも大きい強度を有する無機絶縁材料からなることが望ましい。これにより、燃料電池セルを構成する部材とシールガラスの熱膨張係数に差がある場合においても、その熱膨張差に起因する応力以上の強度を有する被覆層材料をセルの一方端部に形成することにより、強度の低いシールガラスに発生する応力を低減でき、結果としてクラックのないシールガラスを形成できる。

また、本発明によれば、予め燃料電池セルの一方端部を被覆層にて被覆することにより、例えば被覆層にガラス材料を用いる場合、焼成時に被覆した層は収縮するが、セルを圧縮する方向で収縮、軟化するため、被覆層と燃料電池セルとの間には隙間なく１回の工程で緻密な被覆層を設けることができる。さらにこのような被覆層を設けることで、シールガラスと同様なガラス材料であることから、被覆層とシールガラスとの濡れ性は良好であり、少ない工程で燃料電池セルとガスマニホールドとの隙間を埋めることが可能となる。

また、被覆層の材質として絶縁性の高い材料を選択することで、燃料電池セル間および燃料電池セルとガスマニホールドとの間の絶縁性を確保できる。特にインターコネクタは導電性であるため、その部位をシールする際に予め絶縁性の高い被覆層を用いて被覆することで、シールガラスに絶縁性が高い材料を必ずしも選択する必要性がなくなる。即ちシールガラスには燃料電池セルとガスマニホールドとの間の隙間を埋めるのに適した幅広い材料の選択が可能となる。

本発明の燃料電池組立体では、ガスマニホールドに接合される燃料電池セルの一方端部のインターコネクタと固体電解質層とが重なった段差部を被覆するように設けられた無機絶縁材料からなる被覆層を介して、シールガラスによりマニホールドに固定されており、燃料電池セル、被覆層、シールガラスの熱膨張係数がこの順に傾斜するように構成されているため、従来のような段差に基づく応力集中が発生せず、これにより、ガスマニホールドにシールガラスにより接合すべく熱処理した後冷却工程でのシールガラスにおけるクラック、隙間の発生を防止することができる。

図１は、本発明の燃料電池組立体を示すもので、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層３３ｃが積層されており、この固体電解質層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、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個のガス通路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、固体電解質層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。

固体電解質層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、この固体電解質層３３ｃの両端部上には、インターコネクタ３３ｆの両端部が重なり、段差部ｃを形成している。言い換えると、内部に軸長方向にガス通路３４が形成された支持基板３３ａの側面は、緻密質な固体電解質層３３ｃ及びインターコネクタ３３ｆがその端部同士を重ねて取り囲んでいる。尚、図３では、重なった部分を誇張して記載している。また、図２では、固体電解質層３３ｃとインターコネクタ３３ｆとの重なった部分は省略し簡略化して記載している。

燃料側電極３３ｂ、固体電解質層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１〜１０ｍｍ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層、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又は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、固体電解質層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層３３ｃの熱膨張係数に近づけることができ、固体電解質層３３ｃの割れや、固体電解質層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層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層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層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層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。

固体電解質層３３ｃの厚みは、１０〜１００μｍであることが望ましい。固体電解質層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、固体電解質層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層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。

以上のような燃料電池セル３３の製法について説明する。先ず、例えば希土類酸化物粉末と、Ｎｉ及び／又はＮｉＯ粉末を混合し、この混合粉末に、有機バインダーと、溶媒とを混合した支持基板材料を用い、押出成形して、平板状の支持基板成形体を作製し、これを乾燥、脱脂する。

次に、Ｎｉ及び／又はＮｉＯ粉末と、希土類元素が固溶したＺｒＯ_２粉末と、有機バインダーと、溶媒を混合し、燃料側電極３３ｂ用のスラリーを作製する。

次に、希土類元素が固溶したＺｒＯ_２粉末と、有機バインダーと、溶媒を混合した固体電解質材料を用いてシート状の固体電解質成形体を作製し、このシート状の固体電解質成形体表面に、燃料側電極３３ｂ用のスラリーを塗布し、固体電解質成形体表面に燃料側電極成形体を形成する。

これを、支持基板成形体上に燃料側電極成形体が積層されるように、かつ、両端が支持基板成形体の平坦部で所定間隔を置くように前記シート状の固体電解質成形体を支持基板成形体に巻き付けし、乾燥する。なお、このとき脱脂を行ってもよい。

次に、Ｎｉ又はＮｉＯ粉末と、希土類元素が固溶したＺｒＯ_２粉と、有機バインダーと、溶媒を混合し、中間膜３３ｅ用のスラリーを作製し、このスラリーを、ランタン−クロム系酸化物粉末と、有機バインダーと、溶媒を混合したインターコネクタ材料を用いて形成されたシート状のインターコネクタ成形体表面に塗布し、インターコネクタ成形体に中間膜成形体を形成する。

このインターコネクタ成形体を、固体電解質成形体端間から露出した支持基板成形体に、固体電解質成形体の両端部上にインターコネクタ成形体の両端部が重なるように積層する。

これにより、支持基板成形体の一方側主面に、燃料側電極成形体、固体電解質成形体を順次積層するとともに、他方側主面に、中間膜成形体、インターコネクタ成形体が積層された積層成形体を作製する。尚、各成形体はドクターブレードによるシート成形や印刷、スラリーディップ、スプレーによる吹き付けなどにより作製することができ、または、これらの組み合わせにより作製してもよい。

次に、積層成形体を脱脂処理し、酸素含有雰囲気中で１３００〜１６００℃で同時焼成する。

次に、Ｐ型半導体である遷移金属ペロブスカイト型酸化物粉末と、溶媒を混合し、ペーストを作製し、このペースト中に前記積層体を浸漬し、固体電解質層３３ｃ、インターコネクタ３３ｆの表面に酸素側電極成形体、集電膜成形体をディッピングにより形成するか、または、直接スプレー塗布、印刷により形成する。この後、９００〜１３００℃で焼き付け、燃料電池セルを作製することができる。

そして、本発明の燃料電池組立体は、燃料電池セル３３の軸長方向の一方端部側面が、インターコネクタ３３ｆと固体電解質層３３ｂとの段差部ｃを被覆するように設けられた無機絶縁材料からなる被覆層４２を介して、シールガラスにより後述のマニホールド５０に固定されている。被覆層４２は、燃料電池セル３３の全周面を被覆している。尚、段差部ｃを被覆するようにインターコネクタ３３ｆが形成された燃料電池セルの一方側面だけに被覆層４２を形成することができる。この場合には、被覆層４２を形成する材料を少なくすることができるとともに、被覆層４２を容易に形成できる。

この被覆層４２は、固体電解質材料又はガラスから形成されている。固体電解質材料と
しては、固体電解質層３３ｂと同一材料を用いることができる。さらに、燃料電池セル、被覆層４２、シールガラスの熱膨張係数がこの順に傾斜する。なお、被覆層４２として無機絶縁材料を用いることができる。例えば、後述するセル支持板を構成するシールガラスと燃料電池セルの中間の熱膨張係数を有するガラスを選択することが望ましい。これにより、燃料電池セル、被覆層材料、シールガラスについて傾斜的な熱膨張配置が可能となり、クラックの発生をさらに抑制できる。この被覆層４２は、シールガラスよりも大きい強度を有する無機絶縁材料から形成することが望ましい。これにより、燃料電池セルを構成する部材とシールガラスの熱膨張係数に差がある場合、その熱膨張差に起因する応力以上の強度を有する被覆層材料をセルの一方端部に形成することにより、強度の低いシールガラスに発生する応力を低減でき、結果としてクラックのないシールガラスを形成できる。

上記のようにして構成された複数の燃料電池セル３３の下端部は、図１、５、６に示すように、ガスマニホールド５０の天板を構成するセル支持板５０ａに支持固定されており、これにより燃料電池セル３３の下端部がガスマニホールド５０に支持固定され、立設している。即ち、複数の燃料電池セル３３は集電部材４３を介して積層された状態で、それらの一方端部がシールガラス（固体シール材）により接合され、セル支持板５０ａに支持固定された燃料電池セル装置を形成し、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。尚、図５、６では集電部材４３の記載を省略し、図５では被覆層４２の記載を省略した。

燃料電池セル３３の被覆層４２の下端部がシールガラスに埋設されており、被覆層４２の上部は、セル支持板５０ａから突出している。

またセル支持板５０ａの厚みは、セル支持板５０ａ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、シールガラス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。

ガスマニホールド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、ガスマニホールド５０の側面からガスマニホールド５０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、ガスマニホールド５０内及び燃料電池セル３３のガス通路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。

本発明の燃料電池組立体では、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、ガスマニホールド５０を介して燃料電池セル３３のガス通路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、図３では燃料側電極を固体電解質層の内側に形成したが、酸素側電極を固体電解質層の内側に形成することができる。

また、例えば、上記形態では、板状で複数の燃料ガス通路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。

さらに、上記形態では、固体電解質層３３ｃの両端部上に、インターコネクタ３３ｆの両端部が重なり、段差部ｃを形成した例について記載したが、図７に示すように、インターコネクタの両端部上に、固体電解質層の両端部が重なり、段差部を形成する場合についても、本発明を有効に用いることができる。

本発明者は本発明の効果を確認すべくシミュレーションを行った。シミュレーションは、燃料電池セルを立設した状態におけるガスマニホールドの構成材料による熱膨張率の差異により生じる最大主応力を算出することにより行った。図８は、燃料電池セルの一方端部に被覆層を形成することなくマニホールドに立設した場合におけるシールガラスに生じる応力状態のシミュレーション結果を示す図である。この図８から、固体電解質層とインターコネクタとの段差部におけるシールガラスの応力集中が非常に大きく、そのシールガラスの最大主応力は１５９ＭＰaであった。

これに対して、従来の燃料電池セルの下端部の全周面に、下面より１０ｍｍに結晶性ガラスをディッピングにより付与し、乾燥後焼成することで、厚さ５０μｍの被覆層を形成した。その後、これらの燃料電池セルと集電部材と交互に積層し、マニホールド内に立設し、前記被覆層を下にして、焼成後におけるシールガラスの厚みが５ｍｍになるようシールガラスのペーストを流し込んだ。乾燥後、焼成により燃料電池組立体を作製し、これについて上記と同様なシミュレーションを行ったところ、シールガラスの最大主応力は１１３ＭＰaであり、応力集中が緩和されることが判った。

本発明の燃料電池組立体を示す断面図。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。燃料電池セルを示すもので、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は側面図。ガスマニホールドに燃料電池セルを立設した状態を示す断面図。燃料電池セルをシールガラスで固定した状態を示すもので、（ａ）は断面図、（ｂ）は一部断面図。インターコネクタの両端部上に、固体電解質層の両端部が重なっている燃料電池セルを示す断面斜視図。シミュレーション結果を示す説明図。

符号の説明

３３：燃料電池セル
３３ａ：支持基板（支持体）
３３ｂ：燃料側電極
３３ｃ：固体電解質層
３３ｄ：酸素側電極
３３ｆ：インターコネクタ
３４：ガス通路
４２：被覆層
５０：ガスマニホールド
５０ａ：セル支持板
ｃ：段差部

Claims

内部に軸長方向にガス通路が形成された支持体の側面を、緻密質な固体電解質層及びインターコネクタがその端部同士を重ねて取り囲んでなる燃料電池セルと、前記ガス通路と連通するガスマニホールドとを備え、前記燃料電池セルは、前記軸長方向の一方端部が、前記インターコネクタと前記固体電解質層とが重なった段差部を被覆するように設けられた無機絶縁材料からなる被覆層を介して、シールガラスにより前記マニホールドに固定されており、前記燃料電池セル、前記被覆層、前記シールガラスの熱膨張係数がこの順に傾斜するように構成されていることを特徴とする燃料電池セル組立体。
前記燃料電池セルは、導電性支持体上に、前記固体電解質層を電極層で挟持してなる発電部と、前記インターコネクタとを有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池セル組立体。
前記被覆層の一部が前記シールガラスに埋設されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池組立体。
前記被覆層が、ガラスからなることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の燃料電池組立体。