(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】2019145242
(43)【公開日】20190829
(54)【発明の名称】燃料電池の製造方法、燃料電池およびそれを備えた燃料電池モジュール
(51)【国際特許分類】
   H01M 4/88 20060101AFI20190802BHJP
   H01M 8/2475 20160101ALI20190802BHJP
   H01M 8/12 20160101ALN20190802BHJP
【FI】
   !H01M4/88 T
   !H01M8/2475
   !H01M8/12 101
   !H01M8/12 102B
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】OL
【全頁数】21
(21)【出願番号】2018026144
(22)【出願日】20180216
(71)【出願人】
【識別番号】514030104
【氏名又は名称】三菱日立パワーシステムズ株式会社
【住所又は居所】神奈川県横浜市西区みなとみらい三丁目3番1号
(74)【代理人】
【識別番号】100112737
【弁理士】
【氏名又は名称】藤田 考晴
(74)【代理人】
【識別番号】100140914
【弁理士】
【氏名又は名称】三苫 貴織
(74)【代理人】
【識別番号】100136168
【弁理士】
【氏名又は名称】川上 美紀
(72)【発明者】
【氏名】鮫島 健輔
【住所又は居所】神奈川県横浜市西区みなとみらい三丁目3番1号 三菱日立パワーシステムズ株式会社内
(72)【発明者】
【氏名】荒木 研太
【住所又は居所】神奈川県横浜市西区みなとみらい三丁目3番1号 三菱日立パワーシステムズ株式会社内
(72)【発明者】
【氏名】吉田 慎
【住所又は居所】神奈川県横浜市西区みなとみらい三丁目3番1号 三菱日立パワーシステムズ株式会社内
(72)【発明者】
【氏名】樋渡 研一
【住所又は居所】神奈川県横浜市西区みなとみらい三丁目3番1号 三菱日立パワーシステムズ株式会社内
【テーマコード(参考)】
5H018
5H126
【Fターム(参考)】
5H018AA06
5H018AS02
5H018BB01
5H018BB08
5H018HH03
5H126BB06
5H126CC02
5H126CC05
5H126FF10
(57)【要約】
【課題】本発明は、反り発生を抑制できる燃料電池の製造方法およびそれにより製造された燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、筒状成形体103aの外周面上に、同一材質であるスラリーをn回(nは2以上の自然数)に分けて塗布し、筒状成形体103aの周方向を取り囲むスラリー積層体を形成した後、スラリー積層体が形成された筒状成形体103aを焼成する燃料電池の製造方法であって、スラリーの塗布開始位置を塗布の各回で前記周方向にずらして、スラリー積層体にスラリーの積層数が周方向で異なる2種以上の積層領域を形成するとともに、筒状成形体103aの横断面において、積層数が同じ積層領域同士が筒状成形体103aの中心軸に対して回転対称となるように各回の塗布開始位置および塗布終了位置を定め、該塗布開始位置および該塗布終了位置に従いスラリーを塗布する。
【選択図】図2
【特許請求の範囲】
【請求項1】
筒状成形体の外周面上に、同一材質であるスラリーをn回(nは2以上の自然数)に分けて塗布し、前記筒状成形体の周方向を取り囲むスラリー積層体を形成した後、前記スラリー積層体が形成された前記筒状成形体を焼成する燃料電池の製造方法であって、
前記スラリーの塗布開始位置を塗布の各回で前記周方向にずらして、前記スラリー積層体に前記スラリーの積層数が前記周方向で異なる2種以上の積層領域を形成するとともに、
前記筒状成形体の横断面において、積層数が同じ積層領域同士が前記筒状成形体の長手方向の中心軸に対して回転対称となるように前記各回の塗布開始位置および塗布終了位置を定め、該塗布開始位置および該塗布終了位置に従い前記スラリーを塗布する燃料電池の製造方法。
【請求項2】
前記筒状成形体の横断面において、前記各回の前記塗布開始位置を、前記中心軸に対して360°/nの位置のいずれかに定める請求項1に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項3】
前記スラリーを、前記塗布開始位置から前記周方向に向かって塗布し、前記塗布開始位置を超えないよう前記塗布終了位置を定めて、前記スラリーが塗布されない非製膜領域を設ける請求項2に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項4】
前記筒状成形体の端部表面に、前記周方向の位置基準を記し、該位置基準に基づき、前記筒状成形体を前記中心軸を中心にして所定角度回転させて前記スラリーを前記塗布開始位置から前記塗布終了位置まで塗布する請求項3に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項5】
基体管の外周面上に、前記基体管の軸方向に沿って、燃料極と固体電解質と空気極とを備える複数の燃料電池セルと、隣接する前記燃料電池セルを電気的に接続するインターコネクタとを備える燃料電池であって、
前記燃料極は、前記基体管の周方向を取り囲み、n層の燃料極膜部が積層された構成とされ、且つ、前記燃料極膜部の積層数が前記周方向で異なる2種以上の積層領域を備え、
各前記燃料極膜部は、互いに一端部の位置を前記周方向にずらして積層されており、
前記基体管の横断面において、積層数の同じ積層領域同士が、前記基体管の長手方向の中心軸に対して回転対称に配置されている燃料電池。
【請求項6】
請求項5に記載の燃料電池を複数有する燃料電池カートリッジと、
複数の前記燃料電池カートリッジを収納する圧力容器と、
を備えた燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、燃料電池の製造方法、燃料電池およびそれを備えた燃料電池モジュールに関するものである。
【背景技術】
【0002】
燃料電池は燃料ガスと酸素の化学反応による発電を利用したもので、優れた発電効率及び環境対応等の特性を有している。燃料電池の一つとして固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxcide Fuel Cell)が知られている。SOFCは、電解質としてジルコニアセラミックスなどのセラミックスが用いられ、都市ガス、天然ガス、石油、メタノール、石炭ガス化ガスなどを燃料として高温(約700〜1000℃程度)で動作する燃料電池である。
【0003】
SOFCには、複数の円筒形横縞型セルスタックを備えるタイプがある(特許文献1参照)。円筒形横縞型セルスタックは、円筒形状の基体管と、基体管の外周面に複数形成された燃料電池セルと、隣り合う燃料電池セル間を電気的に直列に接続するインターコネクタとを有する。燃料電池セルは、燃料極、固体電解質および空気極が積層された構成である。円筒形横縞型セルスタックにおいて、複数の燃料電池セルは、基体管の長手方向(軸方向)に並んでいる。
【0004】
円筒形横縞型セルスタック(以降、セルスタック)の製造では、まず、基体管用材料のスラリーを押出成形し、これを乾燥させて円筒状成形体とする。
【0005】
次に、乾燥させた円筒状成形体を例えばスクリーン印刷装置にセットする。円筒状成形体を回転させて、外周面に燃料極用、固体電解質用およびインターコネクタ用の材料のスラリーをそれぞれ所定の領域に塗布する。各材料のスラリーは、所望の厚さとなるまで複数回に分けて塗布する。スラリーを一回塗布する毎に、塗布したスラリーを所定の状態へ乾燥させる。その後、スラリーが塗布された円筒状成形体を、例えば1350℃〜1450℃で一体焼成する。焼成後の円筒状成形体に対して、ジェットディスペンサによって空気極用材料のスラリーを塗布した後、再度、焼成する。これにより、燃料電池セル及びインターコネクタが基体管の表面に形成されたセルスタックが形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開2017−83119号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
セルスタックの製造において、塗布された各材料のスラリーは焼成により収縮する。収縮の際、焼成温度および材料のばらつきがあると、変形および反りが発生することがある。そのため、焼成後にセルスタックを全検査する必要がある。
【0008】
変形および反り発生の要因はいくつかある。特許文献1に記載されるように、円筒状成形体は吊り下げた状態で焼成される。特許文献1では、円筒状成形体内側に、該円筒状成形体の内径より細く、軸方向長さが長い中子を入れて焼成することで、吊り下げ焼成時の円筒状成形体の変形および反りの発生を抑制している。
【0009】
図9に、従来のスラリー塗布方法について説明する模式図を示す。燃料極用材料のスラリーは、円筒状成形体の外周面上に、周方向に沿って塗布される。従来法では、図9(a)のように塗布終了位置(●)が塗布開始位置(○)を超えるように製膜している。そのため、1回の塗布工程で塗布したスラリーの両端部が重複し、部分的に厚い膜となる。塗布されたスラリーは流動性があるため、塗布毎に所定の状態へ乾燥させる必要があるが、膜の厚い部分は乾燥しにくい。乾燥しきれなかったスラリーは、次のスラリーの塗布時迄に流動したり、剥がれ落ちたりして、膜厚が安定しないことがある。
【0010】
厚い部分ができないようにするためには、図9(b)のように、塗布終了位置(●)が塗布開始位置(○)を超えないようにして、スラリーの両端部を重複させずに、非製膜領域を設け、次の層を製膜塗布時に非製膜領域を前の層とずらして設けることが考えられる。
【0011】
図10に、非製膜領域を設ける様式で複数のスラリーを塗布した円筒状成形体の横断面を例示する。図10において、各スラリーの塗布開始位置(○)から塗布終了位置(●)までの距離(塗布領域)は円筒状成形体の外周の3/4周とした場合であり、残りの1/4周は非製膜領域となる場合である。各スラリーの塗布開始位置(○)は、1/8周ずつ反時計まわりにずらした場合を設定している。
【0012】
図10のようにスラリーを4層まで積層した場合、スラリーの積層数が2層の領域(II)、3層の領域(III)、4層の領域(IV)ができる。積層数が異なれば、それに伴い総膜厚に差が生じる。従来技術では、この総膜厚の差を電導抵抗の偏りの影響の一因と予想していたが、円筒状成形体の横断面のサイズが比較的に大きいことで、非製膜領域は小さく抑えることで出来たため、総膜厚に差を少なくして、非製膜領域を厳密に課題として捉えてはいなかった。しかし、燃料電池の体積当たりの出力密度向上のためにセルスタックを高密度配置するにあたり、セルスタックは従来よりも小径化することで、非製膜領域は1/10周〜1/4周程度を確保することが好ましくなってきた。さらに、本発明者の検討によれば、図10のようにスラリーを積層して総膜厚に差が生じた場合、焼成後に得られた基体管には、図11のように反りが生じることが判明した。
【0013】
膜厚が厚い部分は、薄い部分よりも収縮率が大きくなることから、一体焼成の際、膜厚の厚い領域(IV)には、膜厚の薄い領域(II)よりも大きな圧縮力が作用し、長尺の基体管に反りが発生したと考えられる。
【0014】
円筒状成形体に反りが生じていると、空気極材料のスラリーを塗布する工程で空気極用材料のスラリーを均一に製膜できなくなり、それにより、燃料電池セルの性能が安定せずに出力のバラツキが発生することがある。これは、反りが生じた円筒状成形体を回転させると偏芯が発生することで、空気極材料のスラリーのディスペンサと円筒状成形体との間隔を一定に保てずに変化しやすいことに起因する。
【0015】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、反り発生を抑制して、性能が安定し、出力のバラツキを抑制できる燃料電池の製造方法およびそれにより製造された燃料電池ならびにそれを備えた燃料電池モジュール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】
【0016】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池の製造方法および燃料電池は以下の手段を採用する。
【0017】
本発明は、筒状成形体の外周面上に、同一材質のスラリーをn回(nは2以上の自然数)に分けて塗布し、前記筒状成形体の周方向を取り囲むスラリー積層体を形成した後、前記スラリー積層体が形成された前記筒状成形体を焼成する燃料電池の製造方法であって、前記スラリーの塗布開始位置を塗布の各回で前記周方向にずらして、前記スラリー積層体にスラリーの積層数が前記周方向で異なる2種以上の積層領域を形成するとともに、前記筒状成形体の横断面において、積層数が同じ積層領域同士が前記筒状成形体の長手方向の中心軸に対して回転対称となるように前記各回の塗布開始位置および塗布終了位置を定め、該塗布開始位置および該塗布終了位置に従い前記スラリーを塗布する燃料電池の製造方法を提供する。
【0018】
上記発明の一態様では、前記筒状成形体の横断面において、前記各回の前記塗布開始位置を、前記中心軸に対して360°/nの位置のいずれかに定めるとよい。
【0019】
上記発明によれば、スラリーの積層数を考慮し、積層数が同じ積層領域同士を筒状成形体の長手方向の中心軸に対して回転対称に配置する。回転対称位置におけるスラリーの積層数を同じとすることで、焼成時に膜厚の厚さによる収縮率の違いにより、膜厚が厚い領域に発生する膜厚が薄い領域よりも大きな圧縮力の作用は、相互に回転対称位置になるため、筒状成形体の周方向の膜厚差に起因する反りの発生を防止できる。
【0020】
上記発明の一態様では、前記スラリーを、前記塗布開始位置から前記周方向に向かって塗布し、前記塗布開始位置を超えないよう前記塗布終了位置を定めて、前記スラリーが塗布されない非製膜領域を設けることが望ましい。
【0021】
非製膜領域を設けることで、同一スラリーの両端部の重なりをなくし、より確実に所定の状態へ乾燥させることが可能となる。これにより、スラリーの塗布を繰り返して積層する過程で、前に塗布したスラリーが流動したり、剥がれ落ちたりするのを防止でき、製膜領域の膜厚を均一にすることができる。
【0022】
上記発明の一態様では、前記筒状成形体の端部表面に、前記周方向の位置基準を記し、該位置基準に基づき、前記筒状成形体を前記中心軸を中心にして所定角度回転させて前記スラリーを前記塗布開始位置から前記塗布終了位置まで塗布することが望ましい。
【0023】
スラリーを積層していく過程において、筒状成形体の外径が変動する。塗布終了位置を塗布開始位置からの距離で管理すると、筒状成形体の外径の変動に伴って、スラリーの塗布範囲がずれる。上記発明の一態様によれば、スラリーの塗布範囲を筒状成形体の長手方向の中心軸を中心にした回転角度で管理することで、筒状成形体の外径が変動した場合であっても確実に所望の範囲にスラリーを塗布することができる。
【0024】
また、本発明は、基体管の外周面上に、前記基体管の軸方向に沿って、燃料極と固体電解質と空気極とを備える複数の燃料電池セルと、隣接する前記燃料電池セルを電気的に接続するインターコネクタとを備える燃料電池であって、前記燃料極は、前記基体管の周方向を取り囲み、n層の燃料極膜部が積層された構成とされ、且つ、前記燃料極膜部の積層数が前記周方向で異なる2種以上の積層領域を備え、各前記燃料極膜部は、互いに一端部の位置を前記周方向にずらして積層されており、前記基体管の横断面において、積層数の同じ積層領域同士が、前記基体管の長手方向の中心軸に対して回転対称に配置されている燃料電池を提供する。
【0025】
また、本発明は、上記燃料電池を複数有する燃料電池カートリッジと、複数の前記燃料電池カートリッジを収納する圧力容器と、を備えた燃料電池モジュールを提供する。
【発明の効果】
【0026】
本発明によれば、燃料電池の製造時に、積層数の違いに起因した反り発生を抑制できる。それにより、性能が安定し、出力のバラツキが抑制された燃料電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】本発明の一実施形態に係るセルスタックの一態様を示すものである。
【図2】燃料極用スラリーを4回塗布した円筒状成形体の横断面図である。
【図3】燃料極用スラリーを5回塗布した円筒状成形体の横断面図である。
【図4】燃料極用スラリーを6回塗布した円筒状成形体の横断面図である。
【図5】燃料極用スラリーの塗布と焼成後の円筒状成形体の反り量と関係を示すグラフである。
【図6】スクリーン印刷装置の構成を示す概略図である。
【図7】本発明の一実施形態に係るSOFCモジュールの一態様を示すものである。
【図8】本発明の一実施形態に係るSOFCカートリッジの断面の一態様を示すものである。
【図9】従来のスラリー塗布方法について説明する模式図である。
【図10】従来法により非製膜領域を設ける様式でスラリーを塗布した円筒状成形体の横断面図である。
【図11】図10のようにスラリーを積層した場合の焼成後基体管の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0028】
以下に、本発明に係燃料電池およびその製造方法、ならびに該燃料電池を備えた燃料電池モジュールの実施形態について、図面を参照して説明する。
【0029】
以下においては、説明の便宜上、紙面を基準として「上」及び「下」の表現を用いて説明した各構成要素の位置関係は、各々鉛直上方側、鉛直下方側を示すものである。また、本実施形態では、上下方向と水平方向で同様な効果を得られるものは、紙面における上下方向が必ずしも鉛直上下方向に限定することなく、例えば鉛直方向に直交する水平方向に対応してもよい。
【0030】
〔第1実施形態〕
(円筒形セルスタックの構造)
まず、図1を参照して本実施形態に係る一例として、筒状の基体管を用いる円筒形セルスタックについて説明する。ここで、図1は、実施形態に係るセルスタックの一態様を示すものである。セルスタック101は、一例として円筒形状の基体管103と、基体管103の外周面に軸方向に沿って複数形成された燃料電池セル105と、隣り合う燃料電池セル105の間に形成されたインターコネクタ107とを備える。燃料電池セル105は、燃料極109と固体電解質111と空気極113とが積層して形成されている。燃料極109、固体電解質111および空気極113は、各端部が重複しないよう積層されている。燃料電池セル105は、基体管の表面を周方向に取り囲む。また、セルスタック101は、基体管103の外周面に形成された複数の燃料電池セル105の内、基体管103の軸方向において最も端の一端に形成された燃料電池セル105の空気極113に、インターコネクタ107を介して電気的に接続されたリード膜115を備え、最も端の他端に形成された燃料電池セル105の燃料極109に電気的に接続されたリード膜115を備える。
なお、本実施形態では円筒形状の基体管を用いた円筒状成形体について説明するが、基体管は筒状であればよく、必ずしも円形に限定されなく、例えば楕円形状でもよい。
【0031】
(セルスタックの各構成要素の材料と機能)
基体管103は、多孔質材料からなり、例えば、CaO安定化ZrO(CSZ)、CSZと酸化ニッケル(NiO)との混合物(CSZ+NiO)、又はY安定化ZrO2(YSZ)、又はMgAlなどを主成分とされる。この基体管103は、燃料電池セル105とインターコネクタ107とリード膜115とを支持すると共に、基体管103の内周面に供給される燃料ガスを基体管103の細孔を介して基体管103の外周面に形成される燃料極109に拡散させるものである。
【0032】
燃料極109は、Niとジルコニア系電解質材料との複合材の酸化物で構成され、例えば、Ni/YSZが用いられる。燃料極109の厚さは50〜250μmであり、燃料極109はスラリーをスクリーン印刷して形成する。この場合、燃料極109は、燃料極109の成分であるNiが燃料ガスに対して触媒作用を備える。この触媒作用は、基体管103を介して供給された燃料ガス、例えば、メタン(CH)と水蒸気との混合ガスを反応させ、水素(H)と一酸化炭素(CO)に改質するものである。また、燃料極109は、改質により得られる水素(H)及び一酸化炭素(CO)と、固体電解質111を介して供給される酸素イオン(O2−)とを固体電解質111との界面付近において電気化学的に反応させて水(HO)及び二酸化炭素(CO)を生成するものである。なお、燃料電池セル105は、この時、酸素イオンから放出される電子によって発電する。
燃料極109に供給し利用できる燃料ガスとしては、水素(H)および一酸化炭素(CO)、メタン(CH)などの炭化水素系ガス、都市ガス、天然ガスのほか、石油、メタノール、石炭などの炭素質原料をガス化設備により製造したガスなどが挙げられる。
【0033】
燃料極109は燃料極膜部(不図示)が同一材質で複数積層された構成である。後述で詳細に説明するが、燃料極109は、基体管103の周方向を取り囲み、同一材質からなるn層の燃料極膜部が積層された構成とされる(nは2以上の自然数)。各燃料極膜部は、互いに一端部の位置を周方向に基体管103の長手方向の中心軸に対して所定の角度をずらして積層されている。各燃料極膜部の一端部は、基体管103の中心軸に対して360°/nずつずれている。これにより、燃料極109には、燃料極膜部の積層数が周方向で異なる2種以上の積層領域が形成される。各積層領域は、基体管103の横断面において扇状であり、基体管103の中心から任意の外径までを2辺とし、2辺の間の外周部分を円弧とする。積層数が同じ積層領域は、基体管103の全周にわたって中心軸まわりに等間隔に配置されている。基体管103の横断面において、積層数の同じ積層領域同士は、基体管103の中心軸に対して回転対称に配置されている。
【0034】
燃料極109は2種類の材質の膜による2種類の燃料極層による構成とすることもできる。この場合、固体電解質111と接する側に電極反応に対して高活性な膜である燃料極反応層(不図示)を、さらに、その外側に高導電性の膜である燃料極導電層(不図示)を配置する。例えば、燃料極材料は高活性膜である燃料極反応層がNiOとYSZとの混合物サーメット、高導電性膜である燃料極導電層がNiOとMgAlとの混合物サーメットからなる。燃料極導電層の膜厚は、10〜100μmである。所定の厚さとするため、燃料極導電層は複数の同一材質からなる燃料極導電膜部が積層された構成とするとよい。
【0035】
固体電解質111は、ガスを通しにくい気密性と、高温で高い酸素イオン導電性とを備えるYSZが主として用いられる。この固体電解質111は、空気極113で生成される酸素イオン(O2−)を燃料極109に移動させるものである。燃料極109の表面上に位置する固体電解質111の膜厚は10〜100μmであり、固体電解質111はスラリーをスクリーン印刷して形成する。所定の厚さとするため、固体電解質111は複数の同一材質からなる固体電解質膜部が積層された構成としてもよい。複数の固体電解質膜部は、燃料極膜部と同様に、一端部をずらし、周方向に積層数が異なる2種以上の積層領域が形成されるよう積層されている。
【0036】
空気極113は、例えば、LaSrMnO系酸化物、又はLaCoO系酸化物で構成され、空気極113はスラリーをスクリーン印刷またはディスペンサを用いて塗布される。この空気極113は、固体電解質111との界面付近において、供給される空気等の酸化性ガス中の酸素を解離させて酸素イオン(O2−)を生成するものである。
【0037】
空気極113は2種類の材質の膜による2種類の空気極層による構成とすることもできる。この場合、固体電解質111側の空気極層(空気極中間層)は高いイオン導電性を示し、触媒活性に優れる材料で構成される。空気極中間層上の空気極層(空気極導電層)は、Sr及びCaドープLaMnOで表されるペロブスカイト型酸化物で構成されても良い。こうすることにより、発電性能をより向上させることができる。
【0038】
酸化性ガスとは,酸素を略15%〜30%含むガスであり、代表的には空気が好適であるが、空気以外にも燃焼排ガスと空気の混合ガスや、酸素と空気の混合ガスなどが使用可能である。
【0039】
インターコネクタ107は、SrTiO系などのM1−xTiO(Mはアルカリ土類金属元素、Lはランタノイド元素)で表される導電性ペロブスカイト型酸化物から構成され、スラリーをスクリーン印刷する。インターコネクタ107は、燃料ガスと酸化性ガスとが混合しないように緻密な膜となっている。また、インターコネクタ107は、酸化雰囲気と還元雰囲気との両雰囲気下で安定した耐久性と電気導電性を備える。このインターコネクタ107は、隣り合う燃料電池セル105において、一方の燃料電池セル105の空気極113と他方の燃料電池セル105の燃料極109とを電気的に接続し、隣り合う燃料電池セル105同士を直列に接続するものである。所定の厚さとするため、インターコネクタ107は複数の同一材質からなるインターコネクタ膜部が積層された構成としてもよい。複数のインターコネクタ膜部は、燃料極膜部と同様に、一端部をずらし、積層数が周方向で異なる2種以上の積層領域が形成されるよう積層されている。
【0040】
リード膜115は、電子伝導性を備えること、及びセルスタック101を構成する他の材料との熱膨張係数が近いことが必要であることから、Ni/YSZ等のNiとジルコニア系電解質材料との複合材やSrTiO系などのM1−xLxTiO(Mはアルカリ土類金属元素、Lはランタノイド元素)で構成されている。このリード膜115は、インターコネクタにより直列に接続される複数の燃料電池セル105で発電された直流電力をセルスタック101の端部付近まで導出すものである。所定の厚さとするため、リード膜115は複数の同一材質からなるリード膜部が積層された構成としてもよい。複数のリード膜は、燃料極膜部と同様に、一端部をずらし、積層数が周方向で異なる2種以上の積層領域が形成されるよう積層されている。
【0041】
(円筒形セルスタックの製造方法)
円筒形セルスタックを形成する工程を以下で説明する。
基体管用原料を押出成形し、円筒状成形体を形成する。円筒状成形体の直径は、軸方向で略均一となっている。円筒状成形体を所定の状態へ乾燥させて運搬可能な硬さとする。
【0042】
乾燥させた円筒状成形体上に、スクリーン印刷法により燃料極用スラリー、固体電解質用スラリー、インターコネクタ用スラリー、リード膜用スラリーを塗布する。各スラリーは、円筒状成形体の外周面上に周方向に沿って塗布する。燃料極用スラリーおよび固体電解質用スラリーは、燃料電池セル105に相当する所定の位置に所定の間隔で塗布される。燃料極膜部、固体電解質膜部、インターコネクタ膜部、リード膜部は同様に、一端部をずらし、積層数が周方向で異なる2種以上の積層領域が形成されるよう積層されて、各膜を所定の膜厚としてもよい。各スラリーの塗布については、後で詳細に説明する。
【0043】
燃料極用スラリー、固体電解質用スラリー、インターコネクタ用スラリー、リード膜用スラリーが塗布された円筒状成形体を、大気中にて一体焼成する。焼成温度は、具体的に1350℃〜1450℃とされる。
【0044】
一体焼成後、円筒状成形体上の燃料電池セル105に相当する所定の位置に空気極用スラリーを塗布する。空気極用スラリーは、スクリーン印刷により塗布されても良いし、ディスペンサを用いて塗布されても良い。空気極用スラリーが塗布された円筒状成形体は、大気中にて焼成される。焼成温度は、具体的に1100℃〜1250℃とされる。ここでの焼成温度は、燃料極用スラリー等と一体焼成したときの温度よりも低温とされる。
以上によりセルスタック101の形成工程が終了する。
【0045】
(スラリー塗布)
スクリーン印刷法による各スラリーの塗布は、所望の厚さに到達するまで複数回に分けて行われる。スラリーを1回塗布する毎に、所定の状態へ乾燥させつつ、所望の厚さに到達した後は、乾燥機を用いて塗布したスラリーを熱風乾燥させる。
【0046】
以下では、代表として燃料極用スラリーの塗布による燃料極109の形成ついて説明する。
燃料極用スラリーの塗布は、所望の厚さに到達するまでn回に分けて行われる(nは2以上の自然数)。これにより、複数の燃料極用スラリーが積層された燃料極スラリー積層体を、円筒状成形体の外周を取り囲むよう形成する。「燃料極スラリー積層体」は、焼成前(燃料電池セル105になる前)の燃料極である。
【0047】
燃料極用スラリーの塗布開始位置は塗布終了位置に重ならず、また各回の製膜で周方向に同一位置とせずに重ならないようにずらす。n回に分けられて塗布された複数の燃料極用スラリーは、一端部の位置(塗布開始位置)が互いに重複しない。これにより、燃料極スラリー積層体に燃料極用スラリーの積層数が周方向で異なる2種以上の積層領域が形成される。
【0048】
燃料極用スラリーの塗布における各回の塗布開始位置は、円筒状成形体の長手方向の中心軸に対して360°/nずつずらすとよい。それにより、各回の塗布開始位置は、円筒状成形体の全周にわたって、円筒状成形体の中心軸周りに等間隔に配置される。
【0049】
各回の燃料極用スラリーの塗布開始位置および塗布終了位置は、円筒状成形体の横断面において、燃料極用スラリーの積層数が同じ積層領域同士が、円筒状成形体の中心軸に対して回転対称となるよう定める。
【0050】
燃料極用スラリーの塗布において、塗布開始位置から塗布終了位置までの距離(または中心角)は、各回共通とするとよい。1回の操作で塗布される燃料極用スラリーの塗布開始位置と塗布終了位置である両端部は、重複させないようにする。
【0051】
燃料極用スラリーの両端部が重複しない場合、塗布終了位置は、円筒状成形体の外周を一周しないよう(塗布開始位置を超えないよう)に設定される。重複しない場合、塗布方向において、塗布終了位置から塗布開始位置までの間には、燃料極用スラリーが塗布されていない非製膜領域(下地層が露出する領域)が形成される。
【0052】
非製膜領域は、1回の操作で塗布される同一の燃料極用スラリーの端部同士が重複することのないよう製膜誤差を考慮して設計される。例えば、非製膜領域を構成する塗布終了位置と塗布開始位置とは、円筒状成形体の横断面において、中心角が20°以上となるよう間隔をあけて円弧上に設定されるとよい。非製膜領域の中心角が大きすぎると、周方向の総膜厚の均一性を確保するために、塗布回数:nが増え、積層構成が複雑になるとともに製膜処理工程の時間が延長される。これを避けるため、非製膜領域が製膜領域より広くならないように、非製膜領域の中心角は180°未満とするとよい。非製膜領域の「中心角」は、円筒状成形体の長手方向の中心軸および塗布終了位置をつないだ半径と、円筒状成形体の中心軸および塗布開始位置をつないだ半径とがなす角(θ)である。
【0053】
非製膜領域がある場合、1回の操作で塗布された燃料極用スラリーだけでは、円筒状成形体の外周の全周を取り囲むことはできない。非製膜領域がある場合、各回の塗布操作において非製膜領域が重ならないように周方向にずらし、燃料極スラリー積層体としたときに円筒状成形体の外周を周方向に取り囲むようにする。
【0054】
図2に、燃料極用スラリーを4回塗布した場合の円筒状成形体の横断面図を例示する。同図において、○が塗布開始位置(○内の数字は塗布順序)、●が塗布終了位置、○と●を結ぶ実線矢印は製膜領域の塗布(製膜)方向、一点破線は非製膜領域である。
【0055】
本例において、各回の燃料極用スラリーの塗布における塗布開始位置から塗布終了位置までの距離は、円筒状成形体の外周の3/4周(非製膜領域の中心角90°)の場合である。各回の塗布開始位置は、360°/4=90°ずつ反時計回りにずらす。これにより、各回の塗布開始位置は、円筒状成形体の長手方向の中心軸Aに対して90°回転対称となり、中心軸A周りに等間隔に配置される。
【0056】
図2では、燃料極用スラリーが3層重なる3層領域(III)と、塗布終了位置が他の塗布回の塗布開始位置のいずれかに重複する部分を含む4層領域(IV)と、が形成されている。3層領域(III)と4層領域(IV)とは、円筒状成形体103aの中心軸A周りに交互に配置される。積層数が同じ領域(3層領域同士または4層領域同士)は、円筒状成形体103aの中心軸A周りに等間隔に配置される。積層数が同じ領域同士は、円筒状成形体の中心軸に対して回転対称となる。
【0057】
図3に、燃料極用スラリーを5回塗布した場合の円筒状成形体の横断面図を例示する。
同図において、○が塗布開始位置(○内の数字は塗布順序)、●が塗布終了位置、○と●を結ぶ実線矢印は製膜領域の塗布(製膜)方向である。
【0058】
本例において、各回の燃料極用スラリーの塗布において、塗布開始位置から塗布終了位置までの距離は、円筒状成形体の外周に対して3/4周(非製膜領域の中心角90°)の場合である。各回の塗布開始位置は、360°/5=72°ずつ互いにずらす。これにより、各回の塗布開始位置は、円筒成形体の長手方向の中心軸Aに対して72°回転対称となり、中心軸A周りに等間隔に配置される。
【0059】
図3に示すように、各塗布開始位置は、必ずしも塗布の順序通り反時計方向にずらしていかなくてもよい。図3では、1回目の燃料極用スラリー塗布における塗布開始位置と、4回目の燃料極用スラリー塗布における塗布開始位置とが72°ずれている。図3では、4回目の燃料極用スラリー塗布における塗布開始位置と、2回目の燃料極用スラリー塗布における塗布開始位置とが72°ずれている。図3では、2回目の燃料極用スラリー塗布における塗布開始位置と、5回目の燃料極用スラリー塗布における塗布開始位置とが72°ずれている。図3では、5回目の燃料極用スラリー塗布における塗布開始位置と、3回目の燃料極用スラリー塗布における塗布開始位置とが72°ずれている。図3では、3回目の燃料極用スラリー塗布における塗布開始位置と、1回目の燃料極用スラリー塗布における塗布開始位置とが72°ずれている。
【0060】
図3では、燃料極用スラリーが3層重なる3層領域(III)と、燃料極用スラリーが4層重なる4層領域(IV)とが形成されている。3層領域(III)および4層領域(IV)はともに扇状であり、円筒状成形体103aの中心軸A周りに交互に配置される。積層数が同じ領域は円筒状成形体103aの中心軸A周りに等間隔に配置される。積層数が同じ積層領域同士は、円筒状成形体103aの中心軸Aに対して回転対称となる。
【0061】
図4に、燃料極用スラリー膜を6回塗布した場合の円筒状成形体の横断面図を例示する。同図の本例において、各燃料極用スラリーの塗布開始位置から塗布終了位置までは、円筒状成形体の外周の3/4周(非製膜領域の中心角90°)の場合である。各回の塗布開始位置は、360°/6=60°ずつ互いにずらす。これにより、各回の塗布開始位置は、中心軸に対して60°回転対称となり、円筒成形体の長手方向の中心軸A周りに等間隔に配置される。
【0062】
図4では、燃料極用スラリーが4層重なる4層領域(IV)と、燃料極用スラリーが5層重なる5層領域(V)とが形成されている。図3と同様に、4層領域(IV)および5層領域(V)は扇状であり、円筒状成形体103aの中心軸A周りに交互に配置される。積層数が同じ領域は円筒状成形体103aの中心軸A周りに等間隔に配置される。積層数が同じ積層領域同士は、円筒状成形体103aの中心軸Aに対して回転対称となる。
【0063】
上述したスラリーの塗布方法は、固体電解質用スラリー、インターコネクタ用スラリー、リード膜用スラリー、空気極用スラリーの塗布にも同様に適用できる。
【0064】
図2〜4に示すように、積層数の異なる2種以上の積層領域がある場合、積層数が同じ積層領域同士を、円筒状成形体の長手方向の中心軸に対して回転対称に配置することで、焼成時に発生する円筒状成形体の反りを抑制できる。すなわち、焼成時に膜厚の厚さによる収縮率の違いにより、膜厚が厚い領域に発生する膜厚が薄い領域よりも大きな圧縮力の作用は、相互に回転対称位置になるため、円筒状成形体の周方向の膜厚差に起因する反りの発生を防止できる。
【0065】
特に、上述したスラリーの塗布方法により燃料極用スラリーおよび固体電解質用スラリー等を塗布して一体焼成させた円筒状成形体は反り量が小さくなる。このような円筒状成形体は回転させた際の偏芯量も小さくなるため、空気極の製膜にあたり、空気極材料のスラリーのディスペンサと円筒状成形体との間隔を一定に保つことが容易になり、空気極用スラリーの塗布を、安定して精度よく実施できる。これにより、セルスタックの性能が安定して出力のばらつきを抑制し、品質を向上できる。
【0066】
図5に、燃料極用スラリーの塗布と焼成後の円筒状成形体の反り量と関係を示す。同図において、左側のバーが従来例、右側のバーが実施例である。反り量は、円筒状成形体の長手方向両端を結ぶ位置に対して、円筒状成形体の略中央部分が反りで出ている距離を計測したものである。
【0067】
従来例:
積層数が同じ積層領域同士の配置を考慮せずに燃料極スラリーを5回に分けて塗布した後、1350〜1450℃で3〜5hr焼成した(試験体数40本、1回塗布時の燃料極スラリーの膜厚30〜50μm)。各回の燃料極用スラリーの塗布において、塗布開始位置から塗布終了位置までの距離は、円筒状成形体の外周に対して3/4周(非製膜領域の中心角90°)とした。各回の塗布開始位置は、反時計回りに45°(1/8周)ずつ順にずらした。
【0068】
実施例:
積層数が同じ積層領域同士が円筒状成形体の中心軸に対して回転対称に配置されるようスラリーを塗布した後、1350〜1450℃で3〜5hr焼成した(試験体数120本、1回塗布時の燃料極スラリーの膜厚30〜50μm)。各回の燃料極用スラリーの塗布において、塗布開始位置から塗布終了位置までの距離は、円筒状成形体の外周に対して3/4周(非製膜領域の中心角90°)とした。各回の塗布開始位置は、反時計回りに72°(1/5周)ずつ互いにずらした。
【0069】
図5によれば、本実施形態では実施例のように、積層数が同じ積層領域同士を円筒状成形体の中心軸に対して回転対称に配置することで、従来例と比較して、焼成後の円筒状成形体の反り量は半分程度に減少し、円筒状成形体の長手方向の中心軸に対して偏心量を半分程度に削減することができた。
【0070】
〔第2実施形態〕
本実施形態では、円筒状成形体の外表面に、円筒状成形体の横断面の周方向の位置基準を記し、該位置基準に基づいて、円筒状成形体を長手方向の中心軸を中心にして所定角度回転させ、各スラリーを塗布する。
【0071】
本実施形態では、円筒状成形体の一端部側の外周面の任意の位置に、位置基準を記す。位置基準は、円筒状成形体の外周面に直接記してもよいし、シール等のマークを貼り付けるなどしてもよい。位置基準は、1か所でもよいし、複数個所としてもよい。
【0072】
位置基準を記すことで、スラリーの塗布範囲(塗布開始位置から塗布終了位置まで)を円筒状成形体の長手方向の中心軸を中心にした回転角度で管理できる。複数回に分けてスラリーを塗布すると、塗布毎に円筒状成形体の外径が変わる。また、スラリーの乾燥状態によっても、円筒状成形体の外径は変動する。スラリーの塗布範囲を距離で管理した場合、円筒状成形体の外径が変動すると、塗布範囲にずれが生じる。例えば、円筒状成形体の外径が予定よりも大きいと、相対的にスラリーの塗布範囲が小さくなるため、各スラリーの塗布位置がずれ、積層数が同じ積層領域を円筒状成形体の横断面の中心軸に対して回転対称に配置できない恐れがある。本実施形態では、円筒状成形体の回転角度でスラリーの塗布範囲を管理できるため、外径が変動した場合でも所望の位置にスラリーを塗布できる。
【0073】
スラリーの塗布には、該位置基準に基づいて円筒状成形体を長手方向の中心軸を中心にした所定角度で回転させられる制御部を備えたスクリーン印刷装置を用いるとよい。
【0074】
図6を用いてスクリーン印刷装置の構成について説明する。
図6は本実施形態の一例としてのスクリーン印刷装置である。スクリーン印刷装置は、スキージ2と、スキージホルダ3と、位置調整部4と、感圧センサ5と、スクリーンマスク6と、受けローラ7と、制御部(不図示)と、を備える。
【0075】
スキージ2は、円筒状成形体103aの鉛直上側で長手方向が円筒状成形体103aに対して平行に配置される。スキージ2は、円筒状成形体103aの撓み(反り)形状に沿って湾曲できる。なお、図6において円筒状成形体103a及びスキージ2の長手方向は、紙面の左右方向となる。スキージ2は、下端面がスクリーンマスク6に当接可能であり、上部がスキージホルダ3に固定される。スキージ2は、スキージホルダ3と共に長手方向に垂直に鉛直上下方向に移動する。
【0076】
スキージ2は、スクリーンマスク6に当接したとき、スクリーンマスク6上に置かれたスラリー16を広げて、スクリーンマスク6のメッシュ部6aからスラリー16を通過させる。
【0077】
スキージホルダ3は、板状のスキージ2を挟み込んで固定する。スキージホルダ3は、長手方向に複数に分割されており、複数の分割スキージホルダ3Aから構成される。分割スキージホルダ3Aは、長手方向に垂直に鉛直上下方向に移動可能である。
【0078】
位置調整部4は、スクリーン印刷装置11の支持枠(不図示)に配設され、分割スキージホルダ3Aごとに円筒状成形体103aの長手方向に沿って設置されており、各分割スキージホルダ3Aの位置を調整する。具体的には、位置調整部4は、分割スキージホルダ3Aを下方の円筒状成形体103a側に近づけたり、分割スキージホルダ3Aを円筒状成形体103aから遠ざけたりする。これにより、円筒状成形体103aが鉛直上下方向へ撓んでいる場合でも、円筒状成形体103aに対するスキージ2の相対位置を揃えて、均一にすることができる。
【0079】
感圧センサ5は、スキージ2が円筒状成形体103aに押し付けられたときの分割スキージホルダ3Aにおける接触圧力を検出する。
【0080】
スクリーンマスク6は、スラリー16が通過するメッシュ部6aと、スラリー16が通過しないマスク部6bと、メッシュ部6a及びマスク部6bを支持する枠部6cを有する。スクリーンマスク6は、スキージ2と共に円筒状成形体103aの撓み(反り)に沿って湾曲できる。
【0081】
中子棒15は、横断面形状が円形状であり、円筒状成形体103aよりも長い長尺棒である。中子棒15は、円筒状成形体103aの中空部分の内部に長手方向へ挿入されて、円筒状成形体103aの端部から突出している。中子棒15は、カップリング14を回転駆動するモータ13によって、スクリーンマスク6の印刷時の移動速度と円筒状成形体103aの周速が合うように、中子棒15を長手方向の軸線周りに回転させられる。
【0082】
受けローラ7は、中子棒15の長手方向端部付近に設置される。受けローラ7は、中子棒15が長手方向軸線回りに回転するように、中子棒15を下方から支持する。
【0083】
制御部は、感圧センサ5で検出された圧力に基づいて、位置調整部4を駆動させる。感圧センサ5で検出された圧力が所定の第1閾値よりも低い場合は、位置調整部4を円筒状成形体103a側に近づける方向に移動させて、分割スキージホルダ3Aを下方の円筒状成形体103a側に近づける。一方、感圧センサ5で検出された圧力が所定の第2閾値よりも高い場合は、位置調整部4を円筒状成形体103aから離れる方向に移動させて、分割スキージホルダ3Aを円筒状成形体103aから遠ざける。第2閾値は、第1閾値よりも高い値である。感圧センサ5で検出された圧力が第1閾値と第2閾値の間にあるときは、位置調整部4における移動は行なわれない。
【0084】
制御部は、円筒状成形体の外表面に記された位置基準に基づいて円筒状成形体を所定角度で回転させるようモータ13を駆動させる。
【0085】
以下、第1実施形態および第2実施形態のセルスタックを備えたSOFCモジュールについて説明する。
(SOFCモジュールの構造と各要素の機能)
次に、図7と図8とを参照して本実施形態に係るSOFCモジュール及びSOFCカートリッジについて説明する。ここで、図7は、実施形態に係るSOFCモジュールの一態様を示すものである。また、図8は、実施形態に係るSOFCカートリッジの一態様の断面図を示すものである。
【0086】
SOFCモジュール(燃料電池モジュール)201は、図7に示すように、例えば、複数のSOFCカートリッジ(燃料電池カートリッジ)203と、これら複数のSOFCカートリッジ203を収納する圧力容器205とを備える。なお、図7には円筒形のSOFCのセルスタックを例示しているが、必ずしもこの限りである必要はなく、例えば平板形のセルスタックであってもよい。また、SOFCモジュール201は、燃料ガス供給管207と複数の燃料ガス供給枝管207a及び燃料ガス排出管209と複数の燃料ガス排出枝管209aとを備える。また、SOFCモジュール201は、酸化性ガス供給管(不図示)と酸化性ガス供給枝管(不図示)及び酸化性ガス排出管(不図示)と複数の酸化性ガス排出枝管(不図示)とを備える。
【0087】
燃料ガス供給管207は、圧力容器205の外部に設けられ、SOFCモジュール201の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の燃料ガスを供給する燃料ガス供給部に接続されると共に、複数の燃料ガス供給枝管207aに接続されている。この燃料ガス供給管207は、上述の燃料ガス供給部から供給される所定流量の燃料ガスを、複数の燃料ガス供給枝管207aに分岐して導くものである。また、燃料ガス供給枝管207aは、燃料ガス供給管207に接続されると共に、複数のSOFCカートリッジ203に接続されている。この燃料ガス供給枝管207aは、燃料ガス供給管207から供給される燃料ガスを複数のSOFCカートリッジ203に略均等の流量で導き、複数のSOFCカートリッジ203の発電性能を略均一化させるものである。
【0088】
燃料ガス排出枝管209aは、複数のSOFCカートリッジ203に接続されると共に、燃料ガス排出管209に接続されている。この燃料ガス排出枝管209aは、SOFCカートリッジ203から排出される排燃料ガスを燃料ガス排出管209に導くものである。また、燃料ガス排出管209は、複数の燃料ガス排出枝管209aに接続されると共に、一部が圧力容器205の外部に配置されている。この燃料ガス排出管209は、燃料ガス排出枝管209aから略均等の流量で導出される排燃料ガスを圧力容器205の外部に導くものである。
【0089】
圧力容器205は、内部の圧力が0.1MPa〜約3MPa、内部の温度が大気温度〜約550℃で運用されるので、耐力性と酸化性ガス中に含まれる酸素などの酸化剤に対する耐食性を保有する材質が利用される。例えばSUS304などのステンレス系材が好適である。
【0090】
ここで、本実施形態においては、複数のSOFCカートリッジ203が集合化されて圧力容器205に収納される態様について説明しているが、これに限られず例えば、SOFCカートリッジ203が集合化されずに圧力容器205内に収納される態様とすることもできる。
【0091】
(SOFCカートリッジの構造と各要素の機能)
SOFCカートリッジ203は、図8に示す通り、複数のセルスタック101と、発電室215と、燃料ガス供給室217と、燃料ガス排出室219と、酸化性ガス供給室221と、酸化性ガス排出室223とを備える。また、SOFCカートリッジ203は、上部管板225aと、下部管板225bと、上部断熱体227aと、下部断熱体227bとを備える。なお、本実施形態においては、SOFCカートリッジ203は、燃料ガス供給室217と燃料ガス排出室219と酸化性ガス供給室221と酸化性ガス排出室223とが図8のように配置されることで、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック101の内側と外側とを対向して流れる構造となっているが、必ずしもこの必要はなく、例えば、セルスタックの内側と外側とを平行して流れる、または酸化性ガスがセルスタックの長手方向と直交する方向へ流れるようにしても良い。
【0092】
発電室215は、上部断熱体227aと下部断熱体227bとの間に形成された領域である。この発電室215は、セルスタック101の燃料電池セル105が配置された領域であり、燃料ガスと酸化性ガスとを電気化学的に反応させて発電を行う領域である。また、この発電室215のセルスタック101長手方向の中央部付近での温度は、温度センサなどで監視され、SOFCモジュール201の定常運転時に、およそ700℃〜1000℃の高温雰囲気となる。
【0093】
燃料ガス供給室217は、SOFCカートリッジ203の上部ケーシング229aと上部管板225aとに囲まれた領域であり、上部ケーシング229aの上部に設けられた燃料ガス供給孔231aによって、燃料ガス供給枝管207aと連通されている。また、複数のセルスタック101は、上部管板225aとシール部材237aにより接合されており、燃料ガス供給室217は、燃料ガス供給枝管207aから燃料ガス供給孔231aを介して供給される燃料ガスを、複数のセルスタック101の基体管103の内部に略均一流量で導き、複数のセルスタック101の発電性能を略均一化させるものである。
【0094】
燃料ガス排出室219は、SOFCカートリッジ203の下部ケーシング229bと下部管板225bとに囲まれた領域であり、下部ケーシング229bに備えられた燃料ガス排出孔231bによって、燃料ガス排出枝管209aと連通されている。また、複数のセルスタック101は、下部管板225bとシール部材237bにより接合されており、燃料ガス排出室219は、複数のセルスタック101の基体管103の内部を通過して燃料ガス排出室219に供給される排燃料ガスを集約して、燃料ガス排出孔231bを介して燃料ガス排出枝管209aに導くものである。
【0095】
SOFCモジュール201の発電量に対応して所定ガス組成と所定流量の酸化性ガスを酸化性ガス供給枝管へと分岐して、複数のSOFCカートリッジ203へ供給する。酸化性ガス供給室221は、SOFCカートリッジ203の下部ケーシング229bと下部管板225bと下部断熱体227bとに囲まれた領域であり、下部ケーシング229bの側面に設けられた酸化性ガス供給孔233aによって、図示しない酸化性ガス供給枝管と連通されている。この酸化性ガス供給室221は、図示しない酸化性ガス供給枝管から酸化性ガス供給孔233aを介して供給される所定流量の酸化性ガスを、後述する酸化性ガス供給隙間235aを介して発電室215に導くものである。
【0096】
酸化性ガス排出室223は、SOFCカートリッジ203の上部ケーシング229aと上部管板225aと上部断熱体227aとに囲まれた領域であり、上部ケーシング229aの側面に設けられた酸化性ガス排出孔233bによって、図示しない酸化性ガス排出枝管と連通されている。この酸化性ガス排出室223は、発電室215から、後述する酸化性ガス排出隙間235bを介して酸化性ガス排出室223に供給される排酸化性ガスを、酸化性ガス排出孔233bを介して図示しない酸化性ガス排出枝管に導くものである。
【0097】
上部管板225aは、上部ケーシング229aの天板と上部断熱体227aとの間に、上部管板225aと上部ケーシング229aの天板と上部断熱体227aとが略平行になるように、上部ケーシング229aの側板に固定されている。また上部管板225aは、SOFCカートリッジ203に備えられるセルスタック101の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック101が夫々挿入されている。この上部管板225aは、複数のセルスタック101の一方の端部をシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス供給室217と酸化性ガス排出室223とを隔離するものである。
【0098】
上部断熱体227aは、上部ケーシング229aの下端部に、上部断熱体227aと上部ケーシング229aの天板と上部管板225aとが略平行になるように配置され、上部ケーシング229aの側板に固定されている。また、上部断熱体227aには、SOFCカートリッジ203に備えられるセルスタック101の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック101の外径よりも大きく設定されている。上部断熱体227aは、この孔の内面と、上部断熱体227aに挿通されたセルスタック101の外面との間に形成された酸化性ガス排出隙間235bを備える。
【0099】
この上部断熱体227aは、発電室215と酸化性ガス排出室223とを仕切るものであり、上部管板225aの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。上部管板225a等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、上部管板225a等が発電室215内の高温に晒されて上部管板225a等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、上部断熱体227aは、発電室215を通過して高温に晒された排酸化性ガスを、酸化性ガス排出隙間235bを通過させて酸化性ガス排出室223に導くものである。
【0100】
本実施形態によれば、上述したSOFCカートリッジ203の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック101の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、排酸化性ガスは、基体管103の内部を通って発電室215に供給される燃料ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る上部管板225a等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて酸化性ガス排出室223に供給される。また、燃料ガスは、発電室215から排出される排酸化性ガスとの熱交換により昇温され、発電室215に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に適した温度に予熱昇温された燃料ガスを発電室215に供給することができる。
【0101】
下部管板225bは、下部ケーシング229bの底板と下部断熱体227bとの間に、下部管板225bと下部ケーシング229bの底板と下部断熱体227bとが略平行になるように下部ケーシング229bの側板に固定されている。また下部管板225bは、SOFCカートリッジ203に備えられるセルスタック101の本数に対応した複数の孔を有し、該孔にはセルスタック101が夫々挿入されている。この下部管板225bは、複数のセルスタック101の他方の端部をシール部材及び接着部材のいずれか一方又は両方を介して気密に支持すると共に、燃料ガス排出室219と酸化性ガス供給室221とを隔離するものである。
【0102】
下部断熱体227bは、下部ケーシング229bの上端部に、下部断熱体227bと下部ケーシング229bの底板と下部管板225bとが略平行になるように配置され、下部ケーシング229bの側板に固定されている。また、下部断熱体227bには、SOFCカートリッジ203に備えられるセルスタック101の本数に対応して、複数の孔が設けられている。この孔の直径はセルスタック101の外径よりも大きく設定されている。下部断熱体227bは、この孔の内面と、下部断熱体227bに挿通されたセルスタック101の外面との間に形成された酸化性ガス供給隙間235aを備える。
【0103】
この下部断熱体227bは、発電室215と酸化性ガス供給室221とを仕切るものであり、下部管板225bの周囲の雰囲気が高温化し強度低下や酸化性ガス中に含まれる酸化剤による腐食が増加することを抑制する。下部管板225b等はインコネルなどの高温耐久性のある金属材料から成るが、下部管板225b等が高温に晒されて下部管板225b等内の温度差が大きくなることで熱変形することを防ぐものである。また、下部断熱体227bは、酸化性ガス供給室221に供給される酸化性ガスを、酸化性ガス供給隙間235aを通過させて発電室215に導くものである。
【0104】
本実施形態によれば、上述したSOFCカートリッジ203の構造により、燃料ガスと酸化性ガスとがセルスタック101の内側と外側とを対向して流れるものとなっている。このことにより、基体管103の内部を通って発電室215を通過した排燃料ガスは、発電室215に供給される酸化性ガスとの間で熱交換がなされ、金属材料から成る下部管板225b等が座屈などの変形をしない温度に冷却されて燃料ガス排出室219に供給される。また、酸化性ガスは排燃料ガスとの熱交換により昇温され、発電室215に供給される。その結果、ヒーター等を用いることなく発電に必要な温度に昇温された酸化性ガスを発電室215に供給することができる。
【0105】
発電室215で発電された直流電力は、複数の燃料電池セル105に設けたNi/YSZ等からなるリード膜115によりセルスタック101の端部付近まで導出した後に、SOFCカートリッジ203の集電棒(不図示)に集電板(不図示)を介して集電して、各SOFCカートリッジ203の外部へと取り出される。前記集電棒によってSOFCカートリッジ203の外部に導出された直流電力は、各SOFCカートリッジ203の発電電力を所定の直列数および並列数へと相互に接続され、SOFCモジュール201の外部へと導出されて、図示しないパワーコンディショナ等の電力変換装置(インバータなど)により所定の交流電力へと変換されて、電力供給先(例えば、負荷設備や電力系統)へと供給される。
【符号の説明】
【0106】
2 :スキージ
3 :スキージホルダ
3A :分割スキージホルダ
4 :位置調整部
5 :感圧センサ
6 :スクリーンマスク
6a メッシュ部
6b マスク部
6c 枠部
7 :受けローラ
11 :スクリーン印刷装置
15 :中子棒
16 :スラリー
101 セルスタック
103 基体管
103a 円筒状成形体(筒状成形体、焼成前の基体管)
105 燃料電池セル
107 インターコネクタ
109 燃料極
111 固体電解質
113 空気極
115 リード膜
201 SOFCモジュール(燃料電池モジュール)
203 SOFCカートリッジ(燃料電池カートリッジ)
205 圧力容器
207 燃料ガス供給管
207a 燃料ガス供給枝管
209 燃料ガス排出管
209a 燃料ガス排出枝管
215 発電室
217 燃料ガス供給室
219 燃料ガス排出室
221 酸化性ガス供給室
223 酸化性ガス排出室
225a 上部管板
225b 下部管板
227a 上部断熱体
227b 下部断熱体
229a 上部ケーシング
229b 下部ケーシング
231a 燃料ガス供給孔
231b 燃料ガス排出孔
233a 酸化性ガス供給孔
233b 酸化性ガス排出孔
235a 酸化性ガス供給隙間
235b 酸化性ガス排出隙間
237a、237b シール部材
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】