JP2005317241A

JP2005317241A - 支持膜式固体酸化物形燃料電池スタック及びその作製方法

Info

Publication number: JP2005317241A
Application number: JP2004131065A
Authority: JP
Inventors: Kei Ogasawara; 慶小笠原; Yoshitaka Baba; 好孝馬場; Teruhiro Sakurai; 輝浩桜井; Hisataka Yakabe; 久孝矢加部
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2004-04-27
Filing date: 2004-04-27
Publication date: 2005-11-10

Abstract

【課題】支持膜式ＳＯＦＣスタック構成用サブアセンブリを積層してスタック化するに際して生じる問題点を解決した支持膜式固体酸化物形燃料電池スタック及びその作製方法を得る。
【解決手段】支持膜式固体酸化物形燃料電池の単セル全体を、空気極用の開口並びにガスの導入用の孔及び導出用の孔を備え、且つ、単セルの燃料極に接する部分の合金箔板が予め燃料極の形状に合わせて加工してなる合金箔板で包み込んでなるサブアセンブリの複数個を、ガス流通及び電気的接続を行うインターコネクタを介して積層してなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックであって、最下部のサブアセンブリの下面に該サブアセンブリの下面の面に対応した形状を有する治具を介在させてなることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタック及びその作製方法。
【選択図】図１６

Description

本発明は、支持膜式固体酸化物形燃料電池スタック及びその作製方法に関し、また支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックを構成するための治具に関する。

固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下適宜ＳＯＦＣと略称する）の単電池すなわち単セルは、固体酸化物電解質を挟んでアノード（燃料極）及びカソード（空気極、酸化剤として酸素が用いられる場合は酸素極）が配置され、燃料極／電解質／空気極の３層ユニットで構成される。本明細書及び図面中、単セルを適宜「セル」とも言い、固体酸化物電解質を適宜「電解質」または「電解質膜」とも言う。また、カソードは、酸化剤として酸素が用いられる場合は酸素極であるが、本明細書及び特許請求の範囲においては、酸化剤として酸素または酸素富化空気が用いられる場合を含めて空気極と言う。

電解質材料としては、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等のシート状焼結体が用いられ、燃料極としては、例えばニッケルとイットリア安定化ジルコニアの混合物（Ｎｉ／ＹＳＺサーメット）等の多孔質体が用いられ、空気極としては、例えばＳｒドープのＬａＭｎＯ₃等の多孔質体が用いられ、通常、電解質材料の両面に燃料極と空気極を焼き付けることにより単セルが構成される。その作動時に、空気極に導入される空気中の酸素は空気極で酸化物イオン（Ｏ^2-）となり、電解質を通って燃料極に至る。ここで、燃料極に導入される燃料と反応して電子を放出し、電気と水、二酸化炭素等の反応生成物を生成する。空気極での利用済み空気は空気極オフガスとして排出され、燃料極での利用済み燃料は燃料極オフガスとして排出される。

ところで、従来のＳＯＦＣはその作動温度が１０００〜８００℃程度と高いが、最近ではそれ以下、８００〜６５０℃程度の範囲、例えば７５０℃程度の温度で作動するＳＯＦＣが開発されつつある。図１はそのＳＯＦＣのセルの態様例を説明する図である。図１（ａ）は単セルの断面図、図１（ｂ）は空気極側から見た斜視図である。図１（ａ）〜（ｂ）のとおり、セルは、燃料極の上に電解質膜が配置され、電解質膜の上に空気極が配置されて構成される。

固体酸化物電解質として例えばジルコニア系やＬａＧａＯ₃系などの電解質材料が用いられ、これを膜厚の厚い燃料極で支持するように構成されており、支持膜式と称される。支持膜式においては、電解質膜の膜厚を薄く構成でき、その膜厚が例えば１０μｍ程度となり、８００〜６５０℃という低温で運転できる。このため、その構成材料として耐熱合金、例えばステンレス鋼などの安価な材料の使用を可能とし、また小型化が可能であるなど各種利点を有する。

図２は、そのようにして構成された単セルを組み込んだＳＯＦＣスタックの構成例である。ここで、空気極とセパレータＡとの間に空気が流通し、空気極とセパレータＡの間は電気的に接触している必要がある。このため、空気極とセパレータＡの間には、空気流通用の溝を有し且つ導電性のインターコネクタが設けられるが、図示は省略している。インターコネクタは、セパレータＡとは別個に設けてもよく、それと一体に設けてもよい。

図２のとおり、支持膜式ＳＯＦＣスタックは、上部から下部へ順次セパレータＡ、セパレータＢ、セパレータＣ、セル、セパレータＤが配置される。このうちセパレータＣはセルサポートフォイルとも言われる。セパレータＡの上部には集電板等が配置されるが、図示は省略している。セパレータＡ〜Ｄはステンレス鋼等の耐熱合金で構成される。なお、図２中、燃料極と集電板との間に間隙を置いて示しているが、両者は電気的に接触している必要がある。このため、燃料極の下面と集電板を直かに接するようにしてもよく、両者間にニッケルフェルト等を介在させてもよい。燃料極は多孔質体であるので、燃料は燃料極中やその下面を流通しながら発電に寄与する。

ところで、上記のような低温作動の支持膜式ＳＯＦＣにおいても、単セル一個の電圧は低いため、通常、単セルを複数層電気的に直列に積層して構成される。単セルをセルサポートフォイル（すなわち図２中セパレータＣ）に接合し、それをマニホールド（図２中セパレータＢ、Ｄ）に納まるように配置、接合したものをユニットとし、これを耐熱合金製のインターコネクタを介して次のユニットに接合することによりスタックが形成される。加えて、ＳＯＦＣスタックを流通する燃料、空気、燃料極オフガス、空気極オフガスはすべて気体であることからガス封止をするが、その封止性を高めるために各部材間にはシール材を挟み込む必要があるなど、ＳＯＦＣスタックを構成するには数多くの部材に加え、煩鎖で数多くの工程を必要とする。

本発明者らは、そのような数多くの部材や煩鎖で数多くの工程を経ることなく構成でき、且つ、ガス封止部を格段に減じてなる支持膜式ＳＯＦＣスタック構成用サブアセンブリ（以下“Ａ”とする）、これを用いた支持膜式ＳＯＦＣスタック（以下“Ｂ”とする）及びモジュールを先に開発している（特願２００３−１１２２０２号：平成１５年４月１６日出願）。以下、これらサブアセンブリ、スタック、モジュールについてその概略を順次説明する。

特願２００３−１１２２０２号

〈Ａ：支持膜式ＳＯＦＣスタック構成用サブアセンブリについて〉
支持膜式ＳＯＦＣスタック構成用サブアセンブリは、支持膜式固体酸化物形燃料電池の単セル全体を、空気極用の開口並びにガスの導入用の孔（開口）及び導出用の孔（開口）を備えた合金箔板で包み込んでなる支持膜式ＳＯＦＣスタック構成用サブアセンブリである。図３〜４はその構成例を示す図である。図３（ａ）は第１合金箔板１を示す図、図３（ｂ）は第２合金箔板２を示す図であり、合金箔板を短冊状の形状に形成した例であるが、合金箔板は矩形状のほか、四角形状その他適宜の形状とすることができる。

図３（ａ）のとおり、第１の短冊状合金箔板１は、その中央部に空気極用の開口（窓）３と長手方向の両端に燃料流通用開口４、４を設けるとともに、その長手方向に対する左右両端に図３（ｂ）に示す第２の短冊状合金箔板２との接合部５、５を設けて構成される。第２の短冊状合金箔板２は、その長手方向の両端に燃料流通用開口７、７を設けるとともに、その短冊状合金箔板の長手方向に対する左右両端に図３（ａ）に示す第１の短冊状合金箔板１との接合部６、６を設けて構成される。

ここで、第２の短冊状合金箔板２の接合部６、６はその端部を折曲げて構成し、第１の短冊状合金箔板１の接合部５、５はその端部を２回折り曲げ、第２の短冊状合金箔板２の接合部６、６で係止されるように構成しているが、その形状は、第２の短冊状合金箔板２の接合部６、６と第１の短冊状合金箔板１の接合部５、５とが接合し得る適宜の形状に構成することができる。その接合は溶接や、接合材により接合することができる。接合材としては金属ろうやガラス接合材等が用いられる。

図３（ｃ）は、上記のように構成した第１の短冊状合金箔板１及び第２の短冊状合金箔板２と、前述図１に示すような支持膜式ＳＯＦＣの単セル１０と、スペーサ８、８を用いて支持膜式ＳＯＦＣスタック構成用サブアセンブリを構成する例を示す図である。ここで、ＳＯＦＣの単セル１０は空気極を上にして配置される。スペーサ８、８は、第１の短冊状合金箔板１の長手方向の両端に設けられた開口４、４及び第２の短冊状合金箔板２の長手方向の両端に設けられた開口７、７に対応した開口を有し、両短冊状合金箔板と同様の合金部材で構成される。スペーサ８、８には内部に向けてガスが通るように開口部側面に複数の孔９が設けてある。

図３（ｃ）のとおり、まず第２の短冊状合金箔板２の中央部に単セル１０を載置する。そして、第１の短冊状合金箔板１と第２の短冊状合金箔板２との間で、第１の短冊状合金箔板１の長手方向の両端開口４、４と第２の短冊状合金箔板２の長手方向の両端開口７、７に対応した位置にスペーサ８、８を配置する。その後、第２の短冊状合金箔板２の接合部６、６で第１の短冊状合金箔板１の接合部５、５を係止し、その間を接合材で接合する。

図４は、こうして構成された支持膜式ＳＯＦＣスタック構成用サブアセンブリ１１を示し、図４（ａ）は空気極側すなわち表面側から見た斜視図、図４（ｂ）は燃料極側すなわち裏面側から見た斜視図である。図４のとおり、本サブアセンブリは、支持膜式ＳＯＦＣの単セル全体を、空気極用の開口並びにガスの導入用の孔（開口）及び導出用の孔（開口）を備えた合金箔板で包み込んで構成される。図４に示すような支持膜式ＳＯＦＣスタック構成用サブアセンブリは、一枚の合金箔板を折曲げて単セルを包み込むことでも作製することもできる。一枚の合金箔板を折曲げて単セルを包み込む構成によれば、接合する箇所が合金箔板の折曲部と相対する端部だけであるので、その工作上も簡単且つ容易であり、よりガスシール性の優れた支持膜式ＳＯＦＣスタック構成用サブアセンブリとすることができる。

〈Ｂ：支持膜式ＳＯＦＣスタック構成用サブアセンブリＡを用いたスタックについて〉
支持膜式ＳＯＦＣスタック構成用サブアセンブリＡを用いてスタックが構成される。構成部材としては、以上のようにして作製した支持膜式ＳＯＦＣスタック構成用サブアセンブリと絶縁体部材とインターコネクタを用いる。絶縁体部材は、スタック構成用サブアセンブリの開口と対応した開口を有し、例えば雲母等の耐熱性材料で構成され、インターコネクタは例えばステンレス鋼等の耐熱性合金で構成される。

インターコネクタは通常波状に構成され、その波状部により空気流通（つまりガス流通）及び電気的接続が行われる。すなわち、インターコネクタは、空気流通及び電気的接続用の波状部を備えて構成し、これを単セルの空気極に対応する部位に配置する。インターコネクタは、その点を基本とし、空気流通及び電気的接続用の波状部をその両側に延長し、その両端部に絶縁体部材の開口及びサブアセンブリの開口に対応した開口を備えて構成してもよい。この場合にも、空気流通及び電気的接続用の波状部を単セルの空気極に対応する部位に配置する。

図５は、図４に示すような支持膜式ＳＯＦＣスタック構成用サブアセンブリ１１を用いた支持膜式ＳＯＦＣスタックの構成過程を示す図である。インターコネクタとして、上記空気流通及び電気的接続用の波状部からその両側に面状に延長し、その両端部に絶縁体部材の開口及びサブアセンブリの開口に対応した開口を備えたインターコネクタを用いる場合を示している。図５のとおり、インターコネクタ１３は、その両端に絶縁体部材１２、１２の開口及びサブアセンブリ１１の開口４（７）、４（７）に対応した開口１４、１４を備え、その中央部の単セル１０の空気極に対応する部位に空気流通及び電気的接続用の波状部（溝）１５が設けてある。

支持膜式ＳＯＦＣスタック構成用サブアセンブリ１１に、その長手方向両端の開口部４（７）、４（７）に対応した開口を有する絶縁体部材１２、１２を載置し、その上にインターコネクタ１３を載置することにより支持膜式ＳＯＦＣスタックが形成される。図５中、矢印（↓）はその載置方向を示すものである。こうして作製した支持膜式ＳＯＦＣスタックは上下両面に集電板を配し、ケーシング内に納めて使用される。図６はこうして構成された支持膜式ＳＯＦＣスタックの長手方向中央部の断面図である。
以上は単セル一個を配置したスタックであるが、当該スタックの複数個を積層して複数個の単セルを備えた支持膜式ＳＯＦＣスタックが構成される。なお、前述特願２００３−１１２２０２号では、そのように複数個を積層したものを支持膜式ＳＯＦＣモジュールと称している。

ところが、以上のような支持膜式ＳＯＦＣスタック構成用サブアセンブリ及びこれを用いた支持膜式ＳＯＦＣスタックについても、以下のような問題点がある。支持膜式ＳＯＦＣの単セルを模式的に示せば前述図１のように平面になる。しかし、単セルは、その作製に際して焼成工程を必須とする上、燃料極や電解質などの部材間の熱膨張係数の差が原因で完全な平面乃至スタック化するに際して許容できる範囲の平面にはなり難く、図７〜９に示すように、反りや歪みが生じる。図７は断面図、図８は空気極側すなわち表面から見た斜視図、図９は燃料極側すなわち裏面から見た斜視図である。

〈問題点１〉
まず、単セルの燃料極側すなわちその裏面は、図７、図９に示すように、中央部が凹み（窪み）、周縁部に向けて漸次湾曲して反りないし歪みが生じる。すると、支持膜式ＳＯＦＣの単セルを合金箔板で包み込む形式のスタック構成用サブアセンブリでは、その裏面に配置される合金箔板が平板であると、電気的接触にむらが生じて接触抵抗が増大し、発電性能を低下させてしまう。

〈問題点２〉
一方、単セルの空気極側すなわちその表面は、図７〜８に示すように、中央部が膨らみ、周縁部に向けて漸次湾曲して反りないし歪みが生じる。このセルをインターコネクタを介してスタック化する際には、その空気極面に図５〜６に示すようにインターコネクタの波状部１５を当接させるが、その反りないし歪みにより、空気極面とインターコネクタの波状部１５間の接触が阻害され、電気的接触にむらが生じて接触抵抗を増大させ、発電性能を低下させてしまう。

〈問題点３〉
また、セルをインターコネクタを介してスタック化した場合、インターコネクタの波状部１５で形成される空隙が空気の流通路となる。波状部１５のうち、セルの空気極に面する側の流路（空気極面の側の流路）を流れる空気は発電に寄与するが、波状部１５のうち、セルの空気極に面しない側の流路（空気極面と反対側の流路）を流れる空気は空気極面を流通しないことになり、発電に寄与しないことになる。

本発明者らは、以上の問題点１〜３を解決してなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタック構成用サブアセンブリを先に開発している（特願２００３−３２９１９７号：平成１５年９月１９日出願）。図１０〜１２はそれら問題点１〜３のうち問題点１を解決してなるそのサブアセンブリを説明する図である。

特願２００３−３２９１９７号

前述のとおり、支持膜式ＳＯＦＣ単セルの燃料極側すなわち裏面は中央部が凹み、周縁部に向けて漸次湾曲して反りないし歪みが生じる。そこで、図１０（ｂ）〜（ｃ）のように、単セルの燃料極に接する合金箔板すなわち第２の合金箔板２を予め燃料極の形状に合わせて、中央部が凹み（窪み）、周縁部に向けて漸次湾曲するように加工する。そして、その加工面を燃料極面に当接して配置する。

これにより、燃料極面と合金箔板面をむらなく当接させ、両者間で均等な電気的接触を達成することができる。これら以外の工程、構成は、前述図３〜４を基に説明したとおりである。図１１はこうして構成した支持膜式ＳＯＦＣスタック構成用サブアセンブリを裏面側（すなわち燃料極側）から見た斜視図、図１２はこうして構成した支持膜式ＳＯＦＣスタック構成用サブアセンブリを表面側（すなわち空気極側）から見た斜視図である。図１１〜１２のとおり、予め燃料極の形状に合わせた合金箔板を燃料極面に当接して配置しているので、燃料極面と合金箔板面をむらなく当接させ、両者間で均等な電気的接触を達成することができる。

こうして構成した支持膜式ＳＯＦＣスタック構成用サブアセンブリはその一個でスタックを構成してもよいが、その複数個をガス流通及び電気的接続を行うインターコネクタを介して積層することにより支持膜式ＳＯＦＣスタックを構成する。図１３〜１４はその態様を説明する図で、各部材の配置関係を示すため、各部材を間隔を置いて示している。図１３〜１４では、サブアセンブリの三個を積層する場合を示しているが、サブアセンブリの二個、また四個以上を積層する場合についても同様である。

図１３のとおり、下部台２０の上に順次、絶縁スペーサ２２を介して、サブアセンブリ１１、インターコネクタ２３、サブアセンブリ１１、インターコネクタ２３、サブアセンブリ１１、インターコネクタ２３を配置する。そして上部から荷重をかけることでＳＯＦＣスタックが構成される。また、図１４の態様では、下部台２０上の中央部に集電用電流端子２１を置き、同様にしてＳＯＦＣスタックが構成される。この場合、前述のとおり、サブアセンブリ１１を予め燃料極の形状に合わせた合金箔板を燃料極面に当接して配置しているので、サブアセンブリ１１を積層してスタック化した場合にも、燃料極面と合金箔板面をむらなく当接させるのに加え、サブアセンブリ１１−インターコネクタ２３−サブアセンブリ１１・・・という層間につていも、むら無く積層できるので、両者間で均等な電気的接触を達成することができる。

しかし、こうして構成したＳＯＦＣスタックをよく観察すると、さらに改良の余地があることが分かった。すなわち、図１３のとおり、サブアセンブリ１１を積層してスタック化した場合、その最下層は、上層のサブアセンブリ１１−インターコネクタ２３−サブアセンブリ１１・・・という層間とは異なり、空隙Ｓが存在するだけであり、集電抵抗が高くなることが分かった。また、図１４の態様では、空隙Ｓとその空隙Ｓに集電のための電流端子２１が存在するだけであり、このため、集電用電流端子２１に対する上部から荷重のかかりが不十分となり、集電抵抗が高くなることが分かった。そこで、最下部のサブアセンブリ１１の下面を集電用電流端子２１に当接させるために、セルの反りを矯正しようと過大な荷重をかけると、セルが割れてしまう。

本発明は、支持膜式ＳＯＦＣスタック構成用サブアセンブリを積層してスタック化するに際して生じる上記問題点を解決するためになされたものであり、最下層のサブアセンブリの下面と下部台との間、また、その下面と集電用電流端子と下部台との間を均一に当接できるようにしてなるＳＯＦＣスタック、その作製方法及びそのための治具を提供することをも目的とするものである。

本発明は、（１）支持膜式固体酸化物形燃料電池の単セル全体を、空気極用の開口並びにガスの導入用の孔及び導出用の孔を備え、且つ、単セルの燃料極に接する部分の合金箔板が予め燃料極の形状に合わせて加工してなる合金箔板で包み込んでなるサブアセンブリの複数個を、ガス流通及び電気的接続を行う波状部を有するインターコネクタを介して積層してなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックであって、最下部のサブアセンブリの下面に該サブアセンブリの下面の面に対応した形状を有する治具を介在させてなることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックを提供する。

本発明は、（２）支持膜式固体酸化物形燃料電池の単セル全体を、空気極用の開口並びにガスの導入用の孔及び導出用の孔を備え、且つ、単セルの燃料極に接する部分の合金箔板が予め燃料極の形状に合わせて加工してなる合金箔板で包み込んでなるサブアセンブリの複数個を、ガス流通及び電気的接続を行う波状部を有するインターコネクタを介して積層するとともに、最下部のサブアセンブリの下に集電用電流端子を配置してなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックであって、集電用電流端子の下面に該サブアセンブリの下面の面に対応した形状を有する治具を介在させてなることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックを提供する。

本発明は、（３）支持膜式固体酸化物形燃料電池の単セル全体を、空気極用の開口並びにガスの導入用の孔及び導出用の孔を備え、且つ、単セルの燃料極に接する部分の合金箔板が予め燃料極の形状に合わせて加工してなる合金箔板で包み込んでなるサブアセンブリの複数個を、ガス流通及び電気的接続を行うインターコネクタを介して積層してなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法であって、最下部のサブアセンブリの下面に該サブアセンブリの下面の面に対応した形状の治具を介在させて積層することを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法を提供する。

本発明は、（４）支持膜式固体酸化物形燃料電池の単セル全体を、空気極用の開口並びにガスの導入用の孔及び導出用の孔を備え、且つ、単セルの燃料極に接する部分の合金箔板が予め燃料極の形状に合わせて加工してなる合金箔板で包み込んでなるサブアセンブリの複数個を、ガス流通及び電気的接続を行うインターコネクタを介して積層するとともに、最下部のサブアセンブリの下に集電用電流端子を配置してなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法であって、集電用電流端子の下面に該サブアセンブリの下面の面に対応した形状を有する治具を介在させてなることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法を提供する。

本発明は、（５）支持膜式固体酸化物形燃料電池の単セル全体を、空気極用の開口並びにガスの導入用の孔及び導出用の孔を備え、且つ、単セルの燃料極に接する部分の合金箔板が予め燃料極の形状に合わせて加工してなる合金箔板で包み込んでなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタック構成用サブアセンブリの複数個を、ガス流通及び電気的接続を行うインターコネクタを介して積層してなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックを構成するための治具であって、最下部のサブアセンブリの下面の面に対応した形状の治具であることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックを構成するための治具を提供する。

本発明は、（６）支持膜式固体酸化物形燃料電池の単セル全体を、空気極用の開口並びにガスの導入用の孔及び導出用の孔を備え、且つ、単セルの燃料極に接する部分の合金箔板が予め燃料極の形状に合わせて加工してなる合金箔板で包み込んでなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタック構成用サブアセンブリの複数個を、ガス流通及び電気的接続を行うインターコネクタを介して積層するとともに、最下部のサブアセンブリの下に集電用電流端子を配置してなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックを構成するための治具であって、サブアセンブリの下面の面に対応した形状の治具であることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックを構成するための治具を提供する。

本発明によれば、空気極用の開口並びにガスの導入用の孔及び導出用の孔を備え、且つ、単セルの燃料極に接する部分の合金箔板が予め燃料極の形状に合わせて加工してなる合金箔板で包み込んでなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタック構成用サブアセンブリの複数個を、ガス流通及び電気的接続を行うインターコネクタを介して積層して支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックを構成するに際して、最下部のサブアセンブリの下面と下部台、またはその下面と集電用電流端子と下部台との間を均一に当接することができる。本発明は支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックを実用化するに際して有用である。

本発明（１）〜（２）は、支持膜式固体酸化物形燃料電池の単セル全体を、空気極用の開口並びにガスの導入用の孔及び導出用の孔を備え、且つ、単セルの燃料極に接する部分の合金箔板が予め燃料極の形状に合わせて加工してなる合金箔板で包み込んでなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタック構成用サブアセンブリの複数個を、ガス流通及び電気的接続を行うインターコネクタを介して積層するとともに、最下部のサブアセンブリの下面、または最下部のサブアセンブリの下に集電用電流端子を配置してなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックである。そして、最下部のサブアセンブリの下面、または集電用電流端子の下面に該サブアセンブリの下面の面に対応した形状の治具を介在させてなることを特徴とする。

本発明（３）〜（４）は、支持膜式固体酸化物形燃料電池の単セル全体を、空気極用の開口並びにガスの導入用の孔及び導出用の孔を備え、且つ、単セルの燃料極に接する部分の合金箔板が予め燃料極の形状に合わせて加工してなる合金箔板で包み込んでなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタック構成用サブアセンブリの複数個を、ガス流通及び電気的接続を行うインターコネクタを介して積層するとともに、最下部のサブアセンブリの下面、または最下部のサブアセンブリの下に集電用電流端子を配置してなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法である。そして、最下部のサブアセンブリの下面、または集電用電流端子の下面に該サブアセンブリの下面の面に対応した形状の治具を介在させて積層することを特徴とする。

本発明（５）〜（６）は、支持膜式固体酸化物形燃料電池の単セル全体を、空気極用の開口並びにガスの導入用の孔及び導出用の孔を備え、且つ、単セルの燃料極に接する部分の合金箔板が予め燃料極の形状に合わせて加工してなる合金箔板で包み込んでなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタック構成用サブアセンブリの複数個を、ガス流通及び電気的接続を行うインターコネクタを介して積層するとともに、最下部のサブアセンブリの下面、または最下部のサブアセンブリの下に集電用電流端子を配置してなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックを構成するための治具である。そして、当該治具は、最下部のサブアセンブリの下面の面に対応した形状の治具であることを特徴とする。

〈サブアセンブリの下面の面に対応した形状の治具の構成態様〉
サブアセンブリの下面は前述図１１に示すように湾曲状の凹部となる。本発明の治具は、その湾曲状凹部に対応した湾曲状凸部を有するように構成する。図１５は本治具２４の構造を示す図で、図１５（ａ）は平面図、図１５（ｂ）は図１５（ａ）中Ａ−Ａ線断面図、図１５（ｃ）は斜視図である。図１５（ｂ）〜（ｃ）中２５として示すように、上部に湾曲状に膨らんだ形状に構成する。そして、その湾曲状凸部２５が、サブアセンブリの下面の面に対応した面となる。本治具の下面２６は平面状であり、下部台２０の上面に配置される。本治具の構成材料は、電気伝電性材料でも絶縁性材料でもよく、例えばステンレス鋼等の耐熱性合金が用いられる。

〈サブアセンブリの下面の面に対応した形状の治具による支持膜式ＳＯＦＣスタックの構成態様〉
図１６〜１７は、本発明の治具を用いて、支持膜式ＳＯＦＣスタック構成用サブアセンブリの複数個をガス流通及び電気的接続を行うインターコネクタを介して積層して支持膜式ＳＯＦＣスタックを構成する態様を説明する図である。これら図１６〜１７では、各部材の配置関係を示すため各部材を間隔を置いて示し、また、サブアセンブリの三個を積層する場合を示しているが、サブアセンブリの二個、四個以上を積層する場合についても同様である。

図１６のとおり、下部台２０上の中央部に治具２４を置く。その上に順次、サブアセンブリ１１、絶縁スペーサ２２、インターコネクタ２３、サブアセンブリ１１、絶縁スペーサ２２、インターコネクタ２３、サブアセンブリ１１、絶縁スペーサ２２、インターコネクタ２３を配置する。そして、上部から荷重をかけることでＳＯＦＣスタックが構成される。図１７の態様では、治具２４の上に集電用電流端子２１を置き、同様にしてＳＯＦＣスタックが構成される。

図１６の態様では、治具２４を最下層のサブアセンブリの下面の面に対応した面となるように構成しているので、セルを割らない程度の荷重においても、サブアセンブリの下面との接触性が向上し、発電時の接触抵抗が低減する。この態様では、最下層のサブアセンブリの下面に電流端子のケーブルが接続される。また、図１７のように最下層のサブアセンブリの下面に集電用電流端子２１を配する態様では、サブアセンブリの下面と集電用電流端子２１との接触性が向上し、発電時の接触抵抗が低減する。この態様では、集電用電流端子２１にケーブルが接続される。本発明においては、これにより、ＳＯＦＣスタック全体の発電出力が向上する。また、積層時に荷重が掛かった場合でも、治具２４がセルの変形を防ぐため、セルの割れを防ぐことができる。

〈本発明に係る治具に関連する支持膜式ＳＯＦＣスタックの構成部材〉
本発明に係る治具を用いて支持膜式ＳＯＦＣスタックを構成するに際しては、支持膜式ＳＯＦＣの形状に対応した構成を備えたインターコネクタを用いることが有用である。以下、そのインターコネクタの構成について順次説明する。

インターコネクタの波状部における波状の形状は各種形状を採ることができる。図１８はその形状の態様例を示す図である。図１８（ａ）は断面波状の形状、図１８（ｂ）は断面ジグザグ状の形状、図１８（ｃ）は断面マシュマロ状の形状、図１８（ｄ）は断面台形状の形状、図１８（ｅ）は断面コ字状の形状であり、さらにはこれらの変形形状を採ることができる。ここで、本明細書及び特許請求の範囲における、インターコネクタの波状部あるいはその波状とは、図１８（ａ）に示すような断面波状の形状そのものを意味するほか、当該断面波状の形状を含む上記各種形状のものを包括した意味でも用いている。

支持膜式ＳＯＦＣ単セルの表面すなわち空気極面は、図７〜９のように、中央部が膨らみ、周縁部に向けて漸次湾曲して反りないし歪みが生じる。すると、スタック作製に際して、その空気極面に図１３〜１４、図１６〜１７に示すようにインターコネクタの波状部を当接させる場合、その反りないし歪みにより、図１９中、非接触部分として示すように、空気極面とインターコネクタの波状部間の接触が阻害され、電気的接触にむらが生じて接触抵抗を増大させ、発電性能を低下させてしまう。そこで、インターコネクタの波状部に、その波方向と平行にスリットを入れて構成する。図２０はその態様を示す図である。

図２０のとおり、その波状部に、その波方向と平行にスリットを入れる。これにより、支持膜式ＳＯＦＣ単セルの空気極面とインターコネクタの波状部をむらなく接触させ、両者間で均等な電気的接触を達成することができる。本スリットは、図２０に示す断面波状の形状とは限らず、図１８（ｂ）〜（ｅ）に示すような、断面ジグザグ状、断面マシュマロ状、断面台形状、断面コ字状の形状の波状部のほか、これらの変形形状の波状部にも適用することができる。

支持膜式ＳＯＦＣの単セルをインターコネクタを介してスタック化した場合、その空気極面とインターコネクタの波状部の位置関係は図２１（ａ）〜（ｂ）に示すようになる。そして、インターコネクタの波状部の空隙が空気の流通路となるが、図２１（ａ）に示すように、波状部のうちセルの空気極面に面する側の流路を流れる空気は発電に寄与するが、図２１（ｂ）に示すように、波状部のうちセルの空気極面に面しない側の流路を流れる空気は空気極面を流通しないことになり、発電に寄与しないことになる。そこで、インターコネクタの波状部に複数個の孔を設ける。図２２〜２３はその態様を示す図である。

図２２〜２３のとおり、インターコネクタの波状部に複数個の孔を設ける。図２２は、スリットを設けない波状部に複数個の孔を設ける態様、図２３は、前述図２０に示すようにスリットを設けた波状部に複数個の孔を設ける態様である。この孔により、波状部のうち、セルの空気極面に面しない側の流路を流れる空気を空気極側に流通させ、空気極に接触させて発電に寄与させることができる。複数個の孔は、図２２〜２３に示す断面波状の形状とは限らず、図１８（ｂ）〜（ｅ）に示すような、断面ジグザグ状、断面マシュマロ状、断面台形状、断面コ字状の形状の波状部のほか、これらの変形形状の波状部にも適用することができる。

本発明における支持膜式ＳＯＦＣスタック構成用サブアセンブリやスタックを構成する合金箔板及びインターコネクタの構成材料としてはステンレス鋼等の耐熱性合金が用いられる。また、スタックに供給する燃料としては、炭化水素、都市ガス、ＬＰガス、天然ガス、ガソリン、軽油、灯油、ディーゼル油、アルコール類（メチルアルコール、エチルアルコール等）、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）などが用いられる。

ＳＯＦＣのセルの態様例を説明する図単セルを組み込んだＳＯＦＣスタックの構成例を示す図支持膜式ＳＯＦＣの単セル全体を、空気極用の開口並びにガスの導入用の孔及び導出用の孔を備えた合金箔板で包み込んでなる支持膜式ＳＯＦＣスタック構成用サブアセンブリを示す図支持膜式ＳＯＦＣの単セル全体を、空気極用の開口並びにガスの導入用の孔及び導出用の孔を備えた合金箔板で包み込んでなる支持膜式ＳＯＦＣスタック構成用サブアセンブリを示す図図４に示すような支持膜式ＳＯＦＣスタック構成用サブアセンブリを用いた支持膜式ＳＯＦＣスタックの構成過程を示す図図５のようにして構成された支持膜式ＳＯＦＣスタックの長手方向中央部の断面図支持膜式ＳＯＦＣの単セルで生じる問題を説明する図支持膜式ＳＯＦＣの単セルで生じる問題を説明する図支持膜式ＳＯＦＣの単セルで生じる問題を説明する図支持膜式ＳＯＦＣの単セルで生じる問題を解決してなるそのサブアセンブリを説明する図支持膜式ＳＯＦＣの単セルで生じる問題を解決してなるそのサブアセンブリを説明する図支持膜式ＳＯＦＣの単セルで生じる問題を解決してなるそのサブアセンブリを説明する図支持膜式ＳＯＦＣスタック構成用サブアセンブリを用いて支持膜式ＳＯＦＣスタックを構成する態様を説明する図支持膜式ＳＯＦＣスタック構成用サブアセンブリを用いて支持膜式ＳＯＦＣスタックを構成する態様を説明する図本発明に係る治具の構造を示す図本発明の治具を用いて、支持膜式ＳＯＦＣスタック構成用サブアセンブリの複数個を積層して支持膜式ＳＯＦＣスタックを構成する態様を説明する図本発明の治具を用いて、支持膜式ＳＯＦＣスタック構成用サブアセンブリの複数個を積層して支持膜式ＳＯＦＣスタックを構成する態様を説明する図本発明の支持膜式ＳＯＦＣスタック構成用に用いるインターコネクタの波状部における波状の形状の態様例を示す図支持膜式ＳＯＦＣ単電池の空気極面形状に起因する問題を説明する図支持膜式ＳＯＦＣ単電池の空気極面形状に起因する問題を解決するインターコネクタの態様を示す図支持膜式ＳＯＦＣ単電池の空気極面形状に起因する問題を説明する図支持膜式ＳＯＦＣ単電池の空気極面形状に起因する問題を解決するインターコネクタの態様を示す図支持膜式ＳＯＦＣ単電池の空気極面形状に起因する問題を解決するインターコネクタの態様を示す図

符号の説明

１第１合金箔板
２第２合金箔板
３空気極用の開口（窓）
４、４燃料流通用開口
５、５接合部
６、６接合部
７、７開口
８、８スペーサ
９複数の孔
１０単セル
１１支持膜式ＳＯＦＣスタック構成用サブアセンブリ
１２、１２絶縁体部材
１３インターコネクタ
１４、１４開口
１５波状部（溝）
２０下部台
２１集電用電流端子
２２絶縁スペーサ
２３インターコネクタ
２４サブアセンブリの下面の面に対応した形状の治具
２５治具２４の上部の湾曲状の膨らみ部分
２６治具２４の下面

Claims

支持膜式固体酸化物形燃料電池の単セル全体を、空気極用の開口並びにガスの導入用の孔及び導出用の孔を備え、且つ、単セルの燃料極に接する部分の合金箔板が予め燃料極の形状に合わせて加工してなる合金箔板で包み込んでなるサブアセンブリの複数個を、ガス流通及び電気的接続を行う波状部を有するインターコネクタを介して積層してなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックであって、最下部のサブアセンブリの下面に該サブアセンブリの下面の面に対応した形状を有する治具を介在させてなることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタック。
支持膜式固体酸化物形燃料電池の単セル全体を、空気極用の開口並びにガスの導入用の孔及び導出用の孔を備え、且つ、単セルの燃料極に接する部分の合金箔板が予め燃料極の形状に合わせて加工してなる合金箔板で包み込んでなるサブアセンブリの複数個を、ガス流通及び電気的接続を行う波状部を有するインターコネクタを介して積層するとともに、最下部のサブアセンブリの下に集電用電流端子を配置してなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックであって、集電用電流端子の下面に該サブアセンブリの下面の面に対応した形状を有する治具を介在させてなることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタック。
請求項１または２に記載の支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、前記サブアセンブリの下面の面に対応した形状の治具の構成材料が耐熱性合金であることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタック。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、前記合金箔板が短冊状の箔板であることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタック。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、前記合金箔板の構成材料が耐熱性合金であることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタック。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、前記インターコネクタの波状部の形状が断面ジグザグ状、断面マシュマロ状、断面台形状または断面コ字状であることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタック。
請求項６に記載の支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、前記インターコネクタが、空気極と接する部分に波状部を備え且つその波状部にその波方向と平行にスリットを入れてなるインターコネクタであることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタック。
請求項６に記載の支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、前記インターコネクタが、空気極と接する部分に波状部を備え且つその波状部に複数個の孔を設けてなるインターコネクタであることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタック。
支持膜式固体酸化物形燃料電池の単セル全体を、空気極用の開口並びにガスの導入用の孔及び導出用の孔を備え、且つ、単セルの燃料極に接する部分の合金箔板が予め燃料極の形状に合わせて加工してなる合金箔板で包み込んでなるサブアセンブリの複数個を、ガス流通及び電気的接続を行う波状部を有するインターコネクタを介して積層してなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法であって、最下部のサブアセンブリの下面に該サブアセンブリの下面の面に対応した形状の治具を介在させて積層することを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法。
支持膜式固体酸化物形燃料電池の単セル全体を、空気極用の開口並びにガスの導入用の孔及び導出用の孔を備え、且つ、単セルの燃料極に接する部分の合金箔板が予め燃料極の形状に合わせて加工してなる合金箔板で包み込んでなるサブアセンブリの複数個を、ガス流通及び電気的接続を行う波状部を有するインターコネクタを介して積層するとともに、最下部のサブアセンブリの下に集電用電流端子を配置してなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法であって、集電用電流端子の下面に該サブアセンブリの下面の面に対応した形状を有する治具を介在させてなることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法。
請求項９または１０に記載の支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法において、前記サブアセンブリの下面の面に対応した形状の治具の構成材料が耐熱性合金であることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法。
請求項９〜１１のいずれか１項に記載の支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法において、前記合金箔板が短冊状の箔板であることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法。
請求項９〜１２のいずれか１項に記載の支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法において、前記合金箔板の構成材料が耐熱性合金であることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法。
請求項９〜１３のいずれか１項に記載の支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法において、前記インターコネクタの波状部の形状が断面ジグザグ状、断面マシュマロ状、断面台形状または断面コ字状であることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法。
請求項１４に記載の支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法において、前記インターコネクタが、空気極と接する部分に波状部を備え且つその波状部にその波方向と平行にスリットを入れてなるインターコネクタであることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法。
請求項１４に記載の支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法において、前記インターコネクタが、空気極と接する部分に波状部を備え且つその波状部に複数個の孔を設けてなるインターコネクタであることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックの作製方法。
支持膜式固体酸化物形燃料電池の単セル全体を、空気極用の開口並びにガスの導入用の孔及び導出用の孔を備え、且つ、単セルの燃料極に接する部分の合金箔板が予め燃料極の形状に合わせて加工してなる合金箔板で包み込んでなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタック構成用サブアセンブリの複数個を、ガス流通及び電気的接続を行う波状部を有するインターコネクタを介して積層してなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックを構成するための治具であって、最下部のサブアセンブリの下面の面に対応した形状の治具であることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックを構成するための治具。
支持膜式固体酸化物形燃料電池の単セル全体を、空気極用の開口並びにガスの導入用の孔及び導出用の孔を備え、且つ、単セルの燃料極に接する部分の合金箔板が予め燃料極の形状に合わせて加工してなる合金箔板で包み込んでなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタック構成用サブアセンブリの複数個を、ガス流通及び電気的接続を行う波状部を有するインターコネクタを介して積層するとともに、最下部のサブアセンブリの下に集電用電流端子を配置してなる支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックを構成するための治具であって、サブアセンブリの下面の面に対応した形状の治具であることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックを構成するための治具。
請求項１７または１８に記載の支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックを構成するための治具において、治具の構成材料が耐熱性合金であることを特徴とする支持膜式固体酸化物形燃料電池スタックを構成するための治具。