JP2013257953A - 固体酸化物形燃料電池および固体酸化物形燃料電池の組み立て方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで容易にスタックをセルの積層方向に一様に押圧できる固体酸化物形燃料電池および固体酸化物形燃料電池の組み立て方法を提供する。
【解決手段】部部材４と押さえ部材６との間には、球状部材５が設けられている。これにより、例えば押さえ部材６がセル３０の積層方向に対して斜めに押圧されても、上部部材４および押さえ部材６が球状部材５の球面に接触しているので、上部部材４がセル３０の積層方向に押圧される。よって、スタック３をセル３０の積層方向に一様に押圧することができる。また、バネやベローズなどを用いなくてもスタック３を積層方向に一様に押圧できるので、低コストを実現することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池に関するものであり、特に、単セルとこの単セルを収容する収容部材とを積層したスタックを押圧する固体酸化物形燃料電池に関するものである。

近年、規模の大小にかかわらず高い効率が得られることから、次世代のコジェネレーションシステムに用いられる発電手段として、燃料電池が注目されている（例えば、非特許文献１参照。）。燃料電池は、酸素などの酸化剤ガスと水素などの燃料ガスとの化学反応を利用した電池であり、空気極と呼ばれる陽極と、燃料極と呼ばれる陰極とで電解質の層を挟んだ単セルを、複数重ね合わせて用いている。一組のセル(単セル)で得られる電気の電圧は、約０．７［Ｖ］程度であるが、複数の単セルを重ね合わせて用いることで、所望とする電圧の供給が可能である。このような燃料電池には、高分子材料を電解質層に用いる固体高分子形や、セラミックスなどの酸化物を電解質層に用いる固体酸化物形がある。

固体高分子形燃料電池では、作動温度が高々９０［℃］程度であり、自動車用や家庭用コジェネレーションシステムに適用可能とされている。これに対し、固体酸化物形燃料電池は、作動温度が６００［℃］以上と高温であり、発電効率が４５％以上と高いという特徴を備えている。このため、複数の単セルを組み合わせたスタック構造の固体酸化物形燃料電池は、タービン発電などを組み合わせてより高い効率のコジェネレーションシステムが構築できるという利点を有し、発電所としての用途などが期待されている。

ところで、固体酸化物形燃料電池において実用的な出力を得るためには、複数の単セルを直列、または並列に接続する必要がある。このとき、各単セルの燃料極側に供給される燃料ガスと、空気極側に供給される酸化剤ガスとが混合しない状態で、各単セルが電気的に接続された状態としている。このようにガスの混合を防いだ状態で電気的に接続するために、ガスが透過せず、電気伝導度が高い材料からなる部材が用いられている。この部材は、セパレータやインターコネクタなどと呼ばれる（以下、「インターコネクタ」と言う。）。単セルは、対となる２つのインターコネクタの間に挟み込まれた状態とされるのが一般的である。このような一対のインターコネクタと、単セルとにより１つのセルが構成される。このセルを複数積層することによりスタックが形成される。このとき、一対のインターコネクタと単セルはセルの積層方向に沿って重ねられている。

近年、発電温度の低温動作化により、金属材料をインターコネクタに使用できるようになっている。金属製のインターコネクタはセラミックス製のインターコネクタに比べると加工性が良く、電気電導度や熱電導度が高いが、高温酸化雰囲気化において表面に電気電導度の低い酸化被膜を形成するという問題がある。そこで、最近ではＣｒが１６〜２４％程度含まれたフェライト系の耐熱性ステンレス鋼が用いられる傾向にある。

このような固体酸化物形燃料電池には、単セルの形状により、円筒型や平板型が存在する。このうち平板型の固体酸化物形燃料電池では、高い出力を得るための一つの方法として、スタックをセルの積層方向に押圧することにより、インターコネクタと単セルの接触を良好にして接触による抵抗を低減することが行われている。このように接触による抵抗を低減するには、インターコネクタと単セルとの間に集電体を設けることも提案されているが、この集電体を設ける場合であっても上述したようにスタックを押圧してインターコネクタ、集電体および単セル等の間の接触を良好にすることにより、より高い出力を得ることができる。

このようにスタックを押圧する方法としては、バネやベローズを用いたり、スタック上下を挟み込む一対の板のうち一方の板を他方の板に向かってネジで締め付けたりする方法が提案されている。

田川博明著、固体酸化物燃料電池と地球環境、株式会社 アグネ承風社、Ｐ．２５−Ｐ．３０、１９９８年６月２０日発行

しかしながら、上述した方法では次のような問題があった。

まず、バネやベローズを用いる方法では、６００℃以上の高温環境で利用可能なバネやベローズが高価であるため、低コスト化が困難であった。

また、ネジで締め付ける方法では、ネジの座面における摩擦係数が各ネジで同じではない場合が多いので、同じトルクで各ネジを締め付けても各ネジの締め込み量が異なるので、これらのネジで締め付けられる板がスタックのセルの積層方向に対して斜めに押圧されてしまう。すると、単セルやインターコネクタ等の間の接触面を均一に押圧できなくなるので、単セルやインターコネクタ等の間の良好な接触を実現できず、結果として、高出力化が困難であった。

そこで、本発明は、低コストで容易にスタックをセルの積層方向に一様に押圧できる固体酸化物形燃料電池および固体酸化物形燃料電池の組み立て方法を提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、板状の第１の部材と、燃料極、この燃料極上に配設された固体酸化物からなる電解質およびこの電解質上に配設された空気極からなる単セルと、この単セルを収容した収容部材とを含むセルを第１の部材上に複数積層したスタックと、スタック上に配設された板状の第２の部材と、スタック上方の第２の部材上に配設された第３の部材と、第２の部材と離間して第３の部材上に配設された板状の第４の部材と、この第４の部材を第１の部材に向かって押し付ける第５の部材とを備え、第３の部材は、第２の部材および第４の部材のうち少なくとも一方との接触面が球面からなることを特徴とするものである。

上記固体酸化物形燃料電池において、第５の部材は、スタックと離間して第１の部材に垂設され、開放端が第２の部材および第３の部材を貫通する複数の軸部材と、各軸部材の他端側に設けられ、第３の部材を軸部材に沿って当該軸部材の一端側に向かって押圧する押圧部材とから構成されるようにしてもよい。
ここで、収容部材および軸部材は、第２の部材、第３の部材および第４の部材よりも熱膨張係数が小さい材料から構成されるようにしてもよい。
また、収容部材および軸部材は、第１の値の熱膨張係数を有する材料から構成され、第２の部材および第４の部材は、第１の値よりも大きい第２の値の熱膨張係数を有する材料から構成され、第３の部材は、第２の値よりも大きい第３の値の熱膨張係数を有する材料から構成されるようにしてもよい。

また、上記固体酸化物形燃料電池において、第２の部材および第４の部材のうち少なくとも一方は、中央部に形成された凹部を有し、第３の部材は、球面が凹部上に配設されるようにしてもよい。
ここで、第３の部材は、第３の部材は、球体から構成されるようにしてもよい。

また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の組み立て方法は、燃料極、この燃料極上に配設された固体酸化物からなる電解質およびこの電解質上に配設された空気極からなる単セルと、この単セルを収容した収容部材と含むセルを複数積層したスタックを、板状の第１の部材上に配設する第１のステップと、板状の第２の部材をスタック上に配設する第２のステップと、第３の部材をスタック上方の第２の部材上に配設する第３のステップと、板状の第４の部材を、第２の部材と離間した状態で第３の部材上に配設する第４のステップと、第４の部材を、第１の部材に向かって押し付ける第５のステップとを有し、第３の部材は、第２の部材および第４の部材のうち少なくとも一方との接触面が球面からなることを特徴とするものである。

本発明によれば、板状の第１の部材と、単セルと収容部材とを第１の部材上に複数積層したスタックと、このスタック上に配設された板状の第２の部材と、この第２の部材と離間して配設された板状の第４の部材と、第２の部材と第４の部材との間に配設された、第２の部材および第４の部材のうち少なくとも一方との接触面が球面からなる第３の部材と、第４の部材を第１の部材に向かって押圧する第５の部材とを設けるという構成により、例えば、第４の部材がセルの積層方向に対して斜めの方向から押圧されても、第２の部材および第４の部材の少なくとも一方が第３の部材の球面に接触しているので、第２の部材がセルの積層方向に押圧される。これにより、スタックを積層方向に一様に押圧することができる。また、バネやベローズなどを用いなくてもスタックを積層方向に一様に押圧できるので、低コストを実現することができる。

図１は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の構成を模式的に示す平面図である。 図２は、図１のI-I線断面図である。 図３は、単セルの構成を模式的に示す要部断面図である。 図４は、セルの構成を模式的に示す要部断面図である。 図５は、実験結果を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

［固体酸化物形燃料電池の構成］
図１，図２に示すように、本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池１は、下部部材２と、この下部部材２上に配設されたスタック３と、このスタック３上に配設された上部部材４と、この上部部材４上に配設された球状部材５と、上部部材４と離間した状態で球状部材５上に配設された押さえ部材６と、一端が下部部材２に固定され、他端が上部部材４および押さえ部材６を貫通し、下部部材２の平面に対して垂設された４本の軸部材７と、この軸部材７の他端側に螺着されたナット８とを備えている。また、下部部材２とスタック３との間には、絶縁部材９が配設されている。同様に、スタック３と上部部材４との間には、絶縁部材１０が配設されている。

＜下部部材の構成＞
下部部材２は、平面視略矩形の板状に形成されており、その外形はスタック３の平面形状よりも大きくされている。下部基板２上面の四隅近傍には、穴２１が形成されている。この穴２１の内周面には、軸部材７を固定するためのネジが形成されている。下部部材２は、例えば、ＳＵＳ４３０などのフェライト系ステンレス鋼から構成されている。このような下部部材２は第１の部材に相当する。

＜スタックの構成＞
スタック３は、図２に示すように、実用的な出力を得るために、セル３０を複数積層した構成を有する。各セル３０は、図３，図４に示すように、円盤状の単セル３１と、この単セル３１の後述する燃料極３１１に対向配置され、その燃料極３１１に燃料ガスを供給するとともに燃料極３１１と電気的に接続された板状の燃料極インターコネクタ３２と、単セル３１の後述する空気極３１３に対向配置され、その空気極に酸化剤ガスを供給するとともに空気極３１３と電気的に接続された板状の空気極インターコネクタ３３とを備えている。セル３０の外形は、下部部材２の平面形状よりも小さく、下部部材２上面の四隅に形成された穴２１に囲まれた領域よりも小さく形成されている。ここで、燃料極インターコネクタ３２および空気極インターコネクタ３３は、収容部材に相当する。このようなセル３０は、そのセル３０を複数組重ねたスタック３の一部として機能する。

また、セル３０には、この燃料極インターコネクタ３２の上面の中央部に配設され、上面に単セル１１が配設される円盤状の燃料極側集電体３４と、燃料極インターコネクタ３２の上面に配設され、中央部に形成された開口に単セル３１および燃料極側集電体３４を収容することにより単セル３１および燃料極側集電体３４を所定の位置に配設するリング状のセルホルダ３５と、単セル３１の後述する電解質３１２およびセルホルダ３５の上面に配設されたリング状のシール部材３６と、このシール部材３６の上面に配設されたリング状の絶縁部材３７と、単セル３１の上面に配設され、上面に空気極インターコネクタ３３が配設される円盤状の空気極側集電体３８とを備えている。これらの構成要素は、燃料極インターコネクタ３２と空気極インターコネクタ３３とを互いに近づく方向に押圧することにより、隣り合う構成要素と密着することとなる。

このようなセル３０には、燃料極インターコネクタ３２や空気極インターコネクタ３３の平面方向における単セル３１の周囲に、燃料極インターコネクタ３２、空気極インターコネクタ３３、セルホルダ３５、シール部材３６および絶縁部材３７の積層方向に貫通する複数の貫通孔が形成されている。これらの貫通孔は、外部から燃料ガスが供給される燃料ガスマニホールド３９、外部から酸化剤ガスが供給される酸化剤ガスマニホールド４０、単セル３１で酸化されなかった未反応の燃料ガスを外部に排出する排気ガスマニホールド（図示せず）、および、単セル３１で未反応の酸化剤ガスを外部に排出する未反応酸化剤ガスマニホールドを構成する。

≪単セルの構成≫
ここで、単セル３１は、図３に示すように、円盤状に形成された燃料極３１１と、この燃料極３１１と同等の形状を有し、燃料極３１１の上面に形成された電解質３１２と、この電解質３１２よりも外形が小さな円盤状に形成され、電解質３１２の上面に形成された空気極３１３とから構成される。ここで、空気極３１３の上面には、空気極３１３と同等の形状を有する集電層３１４が設けられている。

燃料極３１１は、例えば、ニッケル添加イットリア安定化ジルコニア（Ｎｉ−ＹＳＺ）、ニッケル添加サマリア安定化ジルコニア（Ｎｉ−ＳＳＺ）、ニッケル添加スカンジア安定化ジルコニア（Ｎｉ−ＳｃＳＺ）などの金属Ｎｉと電解質３１２を構成する材料との混合物などから構成される。
電解質３１２は、例えば、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、サマリア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、コバルト添加ランタンガレート系酸化物（ＬＳＧＭＣ）などから構成される。
空気極３１３は、例えば、ランタンニッケルフェライト（ＬＮＦ）、ランタンマンガネート（ＬＳＭ）、ランタンストロンチウムコバルタイト（ＬＳＣ）、ランタンストロンチウムコバルタイトフェライト（ＬＳＣＦ）、ランタンストロンチウムフェライト（ＬＳＦ）、サマリウムストロンチウムコバルタイト（ＳＳＣ）などから構成される。
集電層３１４は、例えば、ランタンニッケルフェライト（ＬＮＦ）とＬａＣｏＯ₃（ＬＣ）の混合物などから構成される。

≪インターコネクタの構成≫
燃料極インターコネクタ３２は、平面視略矩形の板状に形成されている。この燃料極インターコネクタ３２には、平面方向に延在する空間からなり、一端が燃料ガスマニホールド３９に接続された燃料ガス流路３２ａと、平面方向に延在する空間からなり、一端が排気ガスマニホールド（図示せず）に接続された排気ガス流路（図示せず）とが形成されている。また、燃料極インターコネクタ３２の上面の中央部には、複数の溝を備え、燃料ガス流路３２ａの他端が接続された燃料ガス供給部３２ｂが形成されている。このような燃料極インターコネクタ３２は、所定の形状にプレス加工された平面視略矩形の薄板が複数毎積層されることにより構成される。

空気極インターコネクタ３３は、平面視略矩形の板状に形成されている。この空気極インターコネクタ３３には、平面方向に延在する空間からなり、一端が酸化剤ガスマニホールド４０に接続された酸化剤ガス流路３３ａと、その平面方向に延在する空間からなり、一端が未反応ガスマニホールドに接続された未反応空気流路（図示せず）とが形成されている。また、下面の中央部には、複数の溝からなり、酸化剤ガス流路３３ａの他端が接続された酸化剤ガス供給部３３ｂが形成されている。このような空気極インターコネクタ３３は、所定の形状にプレス加工された平面視略矩形の薄板が複数毎積層されることにより構成される。

ここで、燃料極インターコネクタ３２および空気極インターコネクタ３３は、軸部材７と同等の熱膨張係数を有する材料から構成されることが望ましい。本実施の形態においては、燃料極インターコネクタ３２および空気極インターコネクタ３３の材料として、耐熱性ステンレス鋼が用いられている。

≪スタックにおけるその他の部材の構成≫
燃料極側集電体３４は、白金、銀、金、パラジウム、イリジウム、ロジウム等の金属、フェライト系耐熱合金の細線からなるメッシュや不織布、エキスパンドメタル、発泡金属など、電子伝導性が高く、６００〜１０００℃で化学的に安定な材料から構成される。

セルホルダ３５は、例えば、クロムが１６〜２５％程度含まれているフェライト系の耐熱合金から構成されている。セルホルダ１５の内部には、燃料極側集電体１４ならびに単セル１１の燃料極１１１および電解質１１２が収容され、これらの周面とセルホルダ１５の内面との隙間には、シール部材１６と同等の材料からなる隙間部材１５ａが設けられている。

シール部材３６は、例えば、ホウ珪酸ガラスなどの軟化点が動作温度付近のガラス材料から構成されている。

絶縁部材３７は、例えばアルミナなどの高温でも絶縁性のあるセラミックスや、マイカなどの絶縁材料から構成される。

空気極側集電体３８は、白金、銀、金、パラジウム、イリジウム、ロジウム等の金属、フェライト系耐熱合金の細線などの材料を含むペースト材料から構成される。このペースト材料は、固体酸化物形燃料電池１の初回動作前に予め集電層の上に塗布し、その上に空気極インターコネクタ３３を配置することで、初回動作時の昇温過程でより良好な電気的接続が形成される。また、空気極インターコネクタ３３と単セル３１間の接触面に圧力をかけることによってさらに良好な電気的接続を得ることができる。

＜上部部材の構成＞
上部部材４は、下部部材２と同等の平面視略矩形の板状に形成されており、四隅近傍に厚さ方向に貫通した孔４１が形成されている。この孔４１は、下部部材２の穴２１と１対１に対応して形成されており、下部部材２と上部部材４とを平行に対向配置したときに、対応する穴２１と同一直線上に位置することとなる。また、上部部材４上面には、球状部材５の形状に対応する球面状の凹部４２が形成されている。この凹部４２は、上部部材４上面に形成されるが、上部部材４をスタック３上に配設したときにスタック３上方の領域に形成されることが望ましく、特に、上部部材４の中央部に形成することがより望ましい。本実施の形態において、凹部４２は、上部部材４の中央部に形成されている。

このような上部部材４は、燃料極インターコネクタ３２および空気極インターコネクタ３３や軸部材７と同等、または、これらよりも熱膨張係数が大きい材料から構成されることが望ましい。本実施の形態においては、ＳＵＳ４３０等のフェライト系ステンレス鋼が用いられる。また、上部部材４は、後述するように組み立てた状態においても、変形が無視できる程度の剛性を有している。さらに、上部部材４の厚さは、少なくとも１０［ｍｍ］以上あることが望ましい。このような上部部材４は第２の部材に相当する。

＜球状部材の構成＞
球状部材５は、直径が上部部材４の幅よりも小さな球状に形成されている。このような球状部材５は、上部部材４よりも熱膨張係数が大きい材料から構成されることが望ましい。具体的には、オーステナイト系のステンレス鋼が望ましく、中でもＳＵＳ３０４やＳＵＳ３１０がより望ましい。特にＳＵＳ３１０は、耐熱性が高いので望ましい。また、球状部材５は、後述するように組み立てた状態においても、変形が無視できる程度の剛性を有している。このような球状部材５は第３の部材に相当する。

＜押さえ部材の構成＞
押さえ部材６は、下部部材２および上部部材４と同等の平面視略矩形の板状に形成されており、四隅近傍に厚さ方向に貫通した孔６１が形成されている。この貫通孔６１は、上部部材４の貫通孔６１に対応して形成されている。したがって、上部部材４と押さえ部材６とを平行に対向配置すると、対応する孔４１と孔６１とは同一直線上に位置することとなる。このとき、上述したように下部部材２と上部部材４も平行に対向配置すると、対応する穴２１，孔４１および孔６１が同一直線上に位置することとなる。また、押さえ部材６下面には、球状部材５の形状に対応する球面状の凹部６２が形成されている。この凹部６２は、押さえ部材６下面に形成されるが、押さえ部材６を上部部材４と対向配置したときに、スタック３上方の領域に形成されることが望ましく、特に、押さえ部材６の中央部に形成することがより望ましい。なお、本実施の形態において、凹部６２は、押さえ部材６２下面の中央部に形成されている。したがって、凹部６２は、上部部材４と押さえ部材６とを対向配置したとき、上部部材４の凹部４２と対向配置されることとなる。このような押さえ部材６は第４の部材に相当する。

このような押さえ部材６は、上部部材４と同様、軸部材７よりも熱膨張係数が大きい材料から構成されることが望ましい。本実施の形態においては、ＳＵＳ４３０等のフェライト系ステンレス鋼が用いられる。また、押さえ部材６は、後述するように組み立てた状態においても、変形が無視できる程度の剛性を有している。

＜軸部材の構成＞
軸部材７は、棒状に形成されており、一端には下部部材２の穴２１に螺着されるネジが形成され、他端にはナット８が螺着されるネジが形成されている。このような軸部材７は、燃料極インターコネクタ３２および空気極インターコネクタ３３と同等、上部部材４と同等、または、熱膨張係数が１１×１０^-6［／℃］程度のＳＵＳ４１０やＳＵＳ４３０が望ましい。本実施の形態においては、軸部材７の材料として、上部部材４よりも熱膨張係数が小さい材料が用いられる。

＜ナットの構成＞
ナット８は、公知の六角ナットから構成され、各軸部材７の他端に螺着される。このようなナット８は押圧部材に相当する。

＜絶縁部材の構成＞
絶縁部材９，１０は、スタック３と同等の平面形状に形成されている。このような絶縁部材９，１０は、マイカ、マグネシアまたはアルミナなどから構成される。中でも、マイカは低コストであるために望ましい。また、絶縁部材９，１０の厚さは、下部部材２または上部部材４とより確実に絶縁するために、少なくとも１［ｍｍ］以上に形成されている。

［固体酸化物形燃料電池の組み立て方法］
次に、本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池の組み立て方法について説明する。

まず、下部部材２を地面や基台などの上に配置した後、下部部材２の各穴２１に軸部材７を螺着させる。これにより、軸部材７は、下部部材２に対して垂設されることとなる。

軸部材７を固定すると、下部部材２上面の軸部材７に囲まれた領域に絶縁部材９を載置した後、この絶縁部材９上にスタック３を配設する。ここで、スタック３は、図４に示すように組み立てられた状態で絶縁部材９上に配設される。また、スタック３は、セル３０の積層方向と下部部材２の上面に対して垂直な方向、すなわち、鉛直方向とが一致するように絶縁部材９上に配設される。このとき、軸部材７とスタック３とは離間している。また、下部部材２とスタック３との間に絶縁部材９が設けられている。したがって、下部部材２とスタック３とは電気的に絶縁された状態となっている。

スタック３を配設すると、このスタック３上に絶縁部材１０を載置した後、上部部材４の各孔４１を対応する軸部材７の他端（開放端）に挿入して、上部部材４を絶縁部材１０上に配設する。このとき、上部部材４の移動方向は、上部部材４の孔４１に軸部材７が挿通されているので、軸部材７の延在方向、すなわち、下部部材２に対して垂直な方向（鉛直方向）に規制される。また、上部部材４と下部部材２とは、略平行になるとともに、スタック３のセル３０の積層方向に対して垂直になっている。さらに、スタック３と上部部材４との間に絶縁部材１０が設けられているので、スタック３と上部部材４とは電気的に絶縁された状態となっている。

上部部材４を配設すると、この上部部材４上面の凹部４２上に球状部材５を配設する。ここで、凹部４２を設けることにより、球状部材５が上部部材４上を移動するのを防ぎ、球状部材５を上部部材４上の所定の位置に配設することができる。

球状部材５を配設すると、押さえ部材６の各孔６１を対応する軸部材７の他端に挿入した上で、押さえ部材６を球状部材５上に配設する。このとき、球状部材５と押さえ部材６とは、押さえ部材６の下面に形成した凹部６２に接触する。また、押さえ部材６の移動方向は、押さえ部材６の孔６１に軸部材７が挿通されているので、鉛直方向に規制される。

押さえ部材６を配設すると、ナット８を各軸部材７の他端に螺合させ、所定のトルクでナット８を締め付けて固定する。これにより、固体酸化物形燃料電池１が組み立てられることとなる。

このとき、押さえ部材６は、ナット８により軸部材７の延在方向に沿いかつ下部部材２に向かって、すなわち鉛直下方に向かって押圧される。この押さえ部材６は、ナット８および軸部材７を介して、下部部材２に接続されている。また、押さえ部材６の下面には球状部材５が当接しており、この球状部材５の押さえ部材６と反対側には上部部材４が当接している。そして、下部部材２と上部部材４との間には、絶縁部材９または絶縁部材１０を介してスタック３が配設されている。したがって、ナット８を締め付けることにより、スタック３は、下部部材２と上部部材４によりこれらが互いに近づく方向に押圧される、すなわち、鉛直上下方向から押圧されることとなる。このとき、スタック３は、セル３０の積層方向、すなわち、単セル３１、空気極インターコネクタ３２および燃料極インターコネクタ３３などの積層方向が、下部部材２と上部部材４の移動方向（鉛直方向）と一致している。したがって、対となる空気極インターコネクタ３２と燃料極インターコネクタ３３とが近づく方向に押圧されるので、スタック３の各構成要素間の接触、具体的には、燃料極インターコネクタ３１と燃料極側集電体３４との間、燃料極側集電体３４と単セル３１の燃料極３１１との間、空気極インターコネクタ３２と空気極側集電体３８との間、空気極側集電体３８と単セル３１の集電層３１４との間の接触がそれぞれ良好となるので、より高い出力を得ることができる。

また、ナット８により押さえ部材６に付与された押圧力は、球状部材５を介して上部部材４に伝達される。ここで、球状部材５の押さえ部材６側の面は、押さえ部材６下面の凹部６２と摺接している。また、球状部材５の上部部材４側の面は、上部部材４上面の凹部４２と摺接している。したがって、上部部材４には軸部材７の延在方向、すなわち鉛直方向に沿った押圧力がかかることになる。これにより、各ナット８の座面抵抗が異なり、ナット８による締め付けにばらつきがあって押さえ部材６が鉛直方向に対して斜めに押圧されても、球状部材５の球面により、上部部材４は鉛直方向に沿って押圧されることとなる。よって、スタック３の各構成要素における接触面、具体的には、燃料極インターコネクタ３２と燃料極側集電体３４との接触面、燃料極側集電体３４と単セル３１の燃料極３１１との接触面、空気極インターコネクタ３２と空気極側集電体３８との接触面、空気極側集電体３８と単セル３の集電層３１４との接触面に、それぞれ均一に荷重がかかるので、それらの構成材料間の接触が良好となり、結果として、高出力化を実現することができる。

このとき、上部部材４上面の凹部４２および押さえ部材６下面の凹部６２を設けることにより、球状部材５が上部部材４と押さえ部材６との間の空間を移動することを防ぐことができる。結果として、より確実に上部部材４を鉛直方向に押圧することができる。

［固体酸化物形燃料電池の動作］
次に、上述したような手順で組み立てられる固体酸化物形燃料電池１の発電動作について説明する。

まず、ヒータ等により、固体酸化物形燃料電池１を所定の温度まで加熱した後、燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する。ここで、ドライ水素等の燃料ガスは、燃料ガスマニホールド３９から燃料極インターコネクタ３２の燃料ガス流路３２ａおよび燃料供給部３２ａを通り、燃料極側集電体３４を経由して、単セル３１の燃料極３１１に供給される。一方、空気等の酸化剤ガスは、酸化剤ガスマニホールド４０から空気極インターコネクタ３３の酸化剤ガス流路３３ａおよび酸化剤ガス供給部３３ｂを通り、空気極側集電体３８を経由して、単セル３１の集電層１１４から空気極１１３に供給される。このように燃料ガスおよび酸化剤ガスが所定の温度下において単セル３１に供給されると、燃料極３１１と空気極３１３とにおいて電気化学反応が発生する。

このような状態で、スタック３の上端セル３０における空気極インターコネクタ３３と下端のセル３０における燃料極インターコネクタ３２とを端子として負荷回路に接続すると、電力を取り出すことができる。

このとき、球状部材５は、上部部材４および押さえ部材６よりも熱膨張係数が高い材料から構成されている。また、上部部材４および押さえ部材６は、軸部材７よりも熱膨張係数が高い材料から構成されている。したがって、発電のために固体酸化物形燃料電池１が加熱されると、球状部材５が上部部材４および押さえ部材６よりも膨張するので、上部部材４と押さえ部材６とが離間する方向の力が付与されてスタック３に荷重がかかるので、出力を向上させることができる。また、上部部材４および押さえ部材６が軸部材７よりも膨張するので、上部部材４および押さえ部材６が下部部材２に近づく方向の力が付与されてスタック３に荷重がかかるので、出力を向上させることができる。さらに、軸部材７と、燃料極インターコネクタ３２および空気極インターコネクタ３２とが同等の熱膨張係数の材料から構成されているので、発電のために固体酸化物形燃料電池１を加熱しても同様に膨張するため、固体酸化物形燃料電池１の破損を防ぐことができる。

ここで、本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池１により実際に発電を行った際の測定結果を図５に示す。この図５において、パターン１は球状部材５にＳＵＳ４３０を用いた場合、パターン２は球状部材５にＳＵＳ３１０を用いた場合を示している。また、比較のため、パターン３として球状部材５を設けない場合についても示す。このパターン３においては、上部部材４と押さえ部材６とが接触している。なお、図５では、スタック３が１つのセル３０から構成され、燃料利用率が６０［％］、電圧が５０［Ａ］における測定結果を示している。

図５に示すように、球状部材５にＳＵＳ４３０を用いた場合（パターン１）の出力は３４［Ｗ］、球状部材５としてＳＵＳ３１０を用いた場合（パターン２）の出力は４２［Ｗ］であった。一方、球状部材５を用いない場合（パターン３）の出力は２８［Ｗ］であった。このように、球状部材５を用いることにより、球状部材５を用いない場合よりも出力が向上することが確認された。また、球状部材５として熱膨張係数が大きいＳＵＳ３１０を用いた場合の方が、出力が高くなることも確認された。

以上説明したように、本実施の形態によれば、上部部材４と押さえ部材６との間に球状部材５を設けることにより、例えば押さえ部材６がセル３０の積層方向に対して斜めに押圧されても、上部部材４および押さえ部材６が球状部材５の球面に接触しているので、上部部材４がセル３０の積層方向に押圧される。これにより、スタック３をセル３０の積層方向に一様に押圧することができる。また、バネやベローズなどを用いなくてもスタック３を積層方向に一様に押圧できるので、低コストを実現することができる。

なお、本実施の形態では、上部部材４と押さえ部材６との間に球体からなる球状部材５を設ける場合を例に説明したが、上部部材４および押さえ部材６の少なくとも一方との接触面が球面から構成される、すなわち、上部部材４および押さえ部材６の少なくとも一方と面で接触しなければ、上部部材４と押さえ部材６との間に設ける部材は球体に限定されず、適宜自由に設定することができる。したがって、例えば、半球体や回転楕円体などを球面を有する部材や、錐体など点で接触する部材を設けるようにしてもよい。

また、本実施の形態では、軸部材７およびナット８により押さえ部材６を押圧する場合を例に説明したが、押さえ部材６を押圧するための構成はこれに限定されず、例えば、下部部材２と押さえ部材６とをクランプする装置を設けるなど、各種方法を適宜自由に用いることができる。

また、本実施の形態では、球状部材５と当接する上部部材４および押さえ部材６に球面状の凹部４２または凹部６２を設ける場合を例に説明したが、それらの代わりに孔を形成するようにしてもよい。このようにしても、球状部材５と上部部材４および押さえ部材６とは、摺接することになり、実質的に一点で当接することになるので、本実施の形態と同等の作用効果を実現することができる。なお、凹部４２および凹部６２を設けないようにしてもよいことは言うまでもない。

また、本実施の形態では、上部部材４、球状部材５、押さえ部材６および軸部材７が金属から構成される場合を例に説明したが、それぞれ本実施の形態で説明した熱膨張係数を有するのであればその材料は金属に限定されず、例えばセラミックスなど各種材料を用いることができる。

また、本実施の形態では、ナット８により押さえ部材６が押圧して固定する場合を例に説明したが、押さえ部材６を固定するための構成はナット８に限定されず、例えば、かしめ、クランプ、溶接など、各種方法を用いることができる。

なお、本実施の形態では、下部基板２、上部基板４、押さえ板６、燃料極インターコネクタ３２および空気極インターコネクタ３３が平面視略矩形に形成された場合を例に説明したが、それらの平面形状は矩形に限定されず、例えば円形など適宜自由に設定できることは言うまでもない。同様に、単セル３１についても、平面視略円形に形成された場合を例に説明したが、それらの平面形状は円形に限定されず、例えば矩形など適宜自由に設定できることは言うまでもない。

本発明は、固体酸化物形燃料電池に適用することができる。

１…固体酸化物形燃料電池、２…下部部材、３…スタック、４…上部部材、５…球状部材、６…押さえ部材、７…軸部材、８…ナット、９，１０…絶縁部材、２１…穴、３０…セル、３１…単セル、３２…燃料極インターコネクタ、３２ａ…燃料ガス流路、３２ｂ…燃料ガス供給部、３３…空気極インターコネクタ、３３ａ…酸化剤ガス流路、３３ｂ…酸化剤ガス供給部、３４…燃料極側集電体、３５…セルホルダ、３６…シール部材、３７…絶縁部材、３８…空気極側集電体、３９…燃料ガスマニホールド、４０…酸化剤ガスマニホールド、４１…孔、４２…凹部、６１…孔、６２…凹部、３１１…燃料極、３１２…電解質、３１３…空気極、３１４…集電層。

Claims (7)

1. 板状の第１の部材と、
   燃料極、この燃料極上に配設された固体酸化物からなる電解質およびこの電解質上に配設された空気極からなる単セルと、この単セルを収容した収容部材とを含むセルを前記第１の部材上に複数積層したスタックと、
   前記スタック上に配設された板状の第２の部材と、
   前記スタック上方の前記第２の部材上に配設された第３の部材と、
   前記第２の部材と離間して第３の部材上に配設された板状の第４の部材と、
   この第４の部材を前記第１の部材に向かって押し付ける第５の部材と
   を備え、
   前記第３の部材は、前記第２の部材および前記第４の部材のうち少なくとも一方との接触面が球面からなる
   ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
2. 請求項１記載の固体酸化物形燃料電池において、
   前記第５の部材は、
   前記スタックと離間して前記第１の部材に垂設され、開放端が前記第２の部材および前記第３の部材を貫通する複数の軸部材と、
   各前記軸部材の他端側に設けられ、前記第３の部材を前記軸部材に沿って当該軸部材の前記一端側に向かって押圧する押圧部材と
   から構成されることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
3. 請求項２記載の固体酸化物形燃料電池において、
   前記収容部材および前記軸部材は、前記第２の部材、前記第３の部材および前記第４の部材よりも熱膨張係数が小さい材料から構成される
   ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
4. 請求項２または３記載の固体酸化物形燃料電池において、
   前記収容部材および前記軸部材は、第１の値の熱膨張係数を有する材料から構成され、
   前記第２の部材および前記第４の部材は、前記第１の値よりも大きい第２の値の熱膨張係数を有する材料から構成され、
   前記第３の部材は、前記第２の値よりも大きい第３の値の熱膨張係数を有する材料から構成される
   ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の固体酸化物形燃料電池において、
   前記第２の部材および前記第４の部材のうち少なくとも一方は、中央部に形成された凹部を有し、
   前記第３の部材は、前記球面が前記凹部上に配設される
   ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の固体酸化物形燃料電池において、
   前記第３の部材は、球体から構成される
   ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
7. 燃料極、この燃料極上に配設された固体酸化物からなる電解質およびこの電解質上に配設された空気極からなる単セルと、この単セルを収容した収容部材と含むセルを複数積層したスタックを、板状の第１の部材上に配設する第１のステップと、
   板状の第２の部材を前記スタック上に配設する第２のステップと、
   第３の部材を前記スタック上方の前記第２の部材上に配設する第３のステップと、
   板状の第４の部材を、前記第２の部材と離間した状態で前記第３の部材上に配設する第４のステップと、
   前記第４の部材を、前記第１の部材に向かって押し付ける第５のステップと
   を有し、
   前記第３の部材は、前記第２の部材および前記第４の部材のうち少なくとも一方との接触面が球面からなる
   ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池の組み立て方法。

Images