固体電解質燃料電池
【課題】電池セルとフレームとの間のシール性を向上できる固体電解質燃料電池を提供する。
【解決手段】電解質膜１６の一方の面にカソード１４、他方の面にアノードアノード１２を備えるセル１１と、セル１１が収納されたセルフレーム５１と、セル１１の外周面１１ａとセルフレーム５１との間をシールするシール部５８と、を有し、セル１１は、アノード１２がカソード１４よりも厚く形成され、セルフレーム５１は、セル１１の外周面１１ａからアノード１４に亘ってセル１１を収容する収容部５４を備え、シール部５８は、セル１１の外周面１１ａを収容部５４に対してセラミック接着剤５６で固定し、セラミック接着剤５６にガラス粒子を分散したガラス封着材５７を、カソード１４側からカソード１４の厚さ以上に染み込ませ、熱処理することにより、セル１１の外周面１１ａとセルフレーム５１との間をシールしたことを特徴とする。
【解決手段】電解質膜１６の一方の面にカソード１４、他方の面にアノードアノード１２を備えるセル１１と、セル１１が収納されたセルフレーム５１と、セル１１の外周面１１ａとセルフレーム５１との間をシールするシール部５８と、を有し、セル１１は、アノード１２がカソード１４よりも厚く形成され、セルフレーム５１は、セル１１の外周面１１ａからアノード１４に亘ってセル１１を収容する収容部５４を備え、シール部５８は、セル１１の外周面１１ａを収容部５４に対してセラミック接着剤５６で固定し、セラミック接着剤５６にガラス粒子を分散したガラス封着材５７を、カソード１４側からカソード１４の厚さ以上に染み込ませ、熱処理することにより、セル１１の外周面１１ａとセルフレーム５１との間をシールしたことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池の電解質にセラミックス系の平板型固体電解質膜を用い、この電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟んでセル（電池セル）を形成した固体酸化物型燃料電池（以下、ＳＯＦＣという）が知られている。このＳＯＦＣは、ダイレクト・メタノール型燃料電池等の固体高分子型燃料電池に比べ発電効率が高く、また燃料ガスとして水素ガス以外に一酸化炭素やメタン等、炭化水素系燃料全般をそのまま利用できる。さらに、作動温度が高いため、反応にＰｔ（白金）のように高価な触媒を利用せずに済む、等のメリットがある。
【０００３】
上述したセルは、その両面がシール材を介してセパレータにより挟持されている。各セパレータのうち、カソード側に配置されたセパレータにはカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路が形成される一方、アノード側に配置されたセパレータにはアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路が形成されている。
ここで、セルとセパレータとの間を封止するシール材としては、高い作動温度に対応するため、例えば特許文献１のように、ＹＳＺ等のセラミック材料を用いる構成が記載されている。また、例えば特許文献２に示されるように、ガラス材料及び希釈材料により構成された粘性ガラス体を用いる構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１５４５２５号公報
【特許文献２】特開２００２−１４１０８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した特許文献１の構成にあっては、シール材が多孔質であるため、シール性が低いという問題がある。
また、特許文献２の構成にあっては、燃料電池の作動時において粘性ガラスが融液状態に保持されるため、圧力や熱膨張差に起因する微小な動きの繰り返しにより、セルとセパレータとの間からガラス材料が流れ出してしまう虞がある。
【０００６】
そこで、本発明は、このような事情に考慮してなされたもので、その目的は、電池セルとフレームとの間のシール性を向上できる固体電解質燃料電池を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、平板状の固体電解質（例えば、実施形態における電解質膜１６）の一方の面にカソード極（例えば、実施形態におけるカソード１４）、他方の面にアノード極（例えば、実施形態におけるアノード１２）を備える電池セル（例えば、実施形態におけるセル１１）と、該電池セルが収納されたフレーム（例えば、実施形態におけるセルフレーム５１）と、前記電池セルの周辺端部（例えば、実施形態における外周面１１ａ）と前記フレームとの間をシールするシール部（例えば、実施形態におけるシール部５８）と、を有し、前記電池セルは、前記アノード極が前記カソード極よりも厚く形成され、前記フレームは、前記電池セルの周辺端部から前記一方の面に亘って前記電池セルを収容する収容部（例えば、実施形態における収容部５４）を備え、前記シール部は、前記電池セルの周辺端部を前記収容部に対してセラミック接着剤（例えば、実施形態におけるセラミック接着剤５６）で固定し、該セラミック接着剤にガラス粒子を分散したガラス封着材（例えば、実施形態におけるガラス封着材５７）を、前記カソード極側から前記カソード極の厚さ以上に染み込ませ、熱処理することにより、前記電池セルの前記周辺端部と前記フレームとの間をシールしたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載した発明では、前記セラミック接着剤、前記フレーム、及び前記電池セルの熱膨張率を同一に設定したことを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載した発明では、前記電池セルと前記フレームとの間をシールした後に、前記電池セルの周辺端部における前記カソード極側にスペーサ（例えば、実施形態におけるスペーサ５５）を間に挟んでカバー部材（例えば、実施形態におけるカバープレート７８）を配置し、前記カバー部材と、前記フレームと、を固定することで、前記カバー部材及び前記フレーム間に前記電池セルを挟持したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に記載した発明によれば、ガラス封着材がセラミック接着剤の多孔質内を埋めるように含浸されるため、セラミック接着剤を封止して電池セルと収容部との間のシール性を向上させることができる。この場合、ガラス封着材は、セラミック接着剤の多孔質内に一旦入り込めば、セラミック接着剤の多孔質内から流出する虞はないので、電池セルと収容部との間を単にガラス材料によりシールする場合と異なり、シール性を長期に亘って維持できる。
また、セルの周辺端部において、ガラス封着材をカソード極の厚さ以上に形成することで、アノード極やカソード極の多孔質を介して反応ガスが流通するのを防止できるので、電池セルと収容部との間を確実にシールできる。
さらに、アノード極よりも厚さの薄いカソード極側にガラス封着材を形成するので、アノード極とカソード極との間をガラス封着材により確実に封止できるとともに、材料コストの低減を図ることができる。
【００１１】
請求項２に記載した発明によれば、フレーム、セラミック接着剤、及びガラス封着材の熱膨張率を同一にすることで、熱膨張の差により発生する歪み等を抑制できるため、セラミック接着剤が剥がれたり、セルフレームの収容部と電池セルとの間に隙間ができたりするのを抑制できる。これにより、長期間に亘ってシール性を維持できる。
【００１２】
請求項３に記載した発明によれば、電池セルの他方の面において、スペーサを間に挟んでフレームとカバー部材とを先に固定し、電池セルを厚さ方向両側から挟持しておくことで、その後の組み付け時においても電池セルがセラミック接着剤から剥がれる虞がない。これにより、長期間に亘ってシール性を維持できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】燃料電池モジュールの分解斜視図である。
【図２】燃料電池モジュールの断面図である。
【図３】第１ガスケットの平面図である。
【図４】インターコネクタの斜視図である。
【図５】図４のＡ−Ａ線に相当する断面図である。
【図６】燃料電池モジュールの他の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、燃料電池モジュールの分解斜視図であり、図２は断面図である。
図１，図２に示すように、燃料電池モジュール１０は、ＳＯＦＣのセル（電池セル）１１がモジュール化されて構成されている
セル１１は、セラミックス系の平板型固体電解質膜（以下、電解質膜という）１６をアノード１２とカソード１４とで両側から挟み込んで形成されている。本実施形態のセル１１は、いわゆるアノードサポート型のセル１１であって、アノード１２の厚さがカソード１４よりも厚くなっている。具体的に、本実施形態のセル１１は、電解質膜１６の厚さが０．５μｍ〜３０μｍ程度、アノード１２の厚さが１００μｍから１０００μｍ程度、カソード１４の厚さが１μｍから１００μｍ程度に形成されている。なお、セル１１の電解質膜１６は、例えばＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ）等の材料で構成されている。アノード１２は例えばニッケルとＹＳＺとの焼結体で構成され、カソード１４は例えばランタン、ストロンチウム、マンガンの焼結体で構成されている。
【００１５】
また、セル１１には図示しない燃料ガス供給手段からアノード１２に向けて燃料ガス（例えば、ＨＣ系ガス燃料）が供給され、図示しない酸化剤ガス供給手段からカソード１４に向けて酸化剤ガス（例えば、空気）が供給されるようになっている。
【００１６】
燃料電池モジュール１０は、後述する各構成品が厚さ方向に沿って積層されてなり、反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）の流通方向を長手方向とする平板状に形成されている。燃料電池モジュール１０には、セル１１を燃料電池モジュール１０に固定するための第１固定孔４１と、各構成品同士を固定するための第２固定孔４２と、が形成されている。さらに、燃料電池モジュール１０の各角部近傍には、各供給手段から供給される酸化剤ガス及び燃料ガスが流通する酸化剤ガス連通孔４４、及び燃料ガス連通孔４５と、セル１１で発電に供された燃料排ガス及び酸化剤排ガスが流通する酸化剤排ガス連通孔４６、及び燃料排ガス連通孔４７と、が各構成品の積層方向に沿ってそれぞれ形成されている。
【００１７】
具体的に、燃料電池モジュール１０は、セル１１を支持するセルフレーム（フレーム）５１を備えている。セルフレーム５１は、平面視形状がセル１１よりも大きい矩形状の板材であり、その中央部には厚さ方向に沿って貫通する貫通孔５２が形成されている。貫通孔５２は、セル１１の外形よりも僅かに大きい矩形状に形成され、厚さ方向一端側の内周縁には周方向全周に亘って台座部５３が形成されている。そして、セル１１は、セルフレーム５１の厚さ方向他端側から貫通孔５２内にアノード１２を向けた状態で挿入されることで、アノード１２の外周側が台座部５３に支持される。これにより、セル１１が貫通孔５２内に収容される。この際、セル１１の厚さ方向に沿う外周面（周辺端部）１１ａが貫通孔５２内に配置されるとともに、アノード１２の外周側が台座部５３に支持されている。すなわち、貫通孔５２及び台座部５３により、セル１１の外周面１１ａからアノード１２に亘ってセル１１を収容する収容部５４が形成されている。
【００１８】
収容部５４の貫通孔５２内には、枠型のスペーサ５５が挿入されている。スペーサ５５は、収容部５４内におけるセル１１を間に挟んで台座部５３の反対側で、カソード１４の外周側に当接している。これにより、セル１１の外周側は収容部５４の台座部５３と、スペーサ５５と、により厚さ方向で挟持されている。
【００１９】
ここで、セル１１は、セラミック接着剤５６を介して収容部５４内に固定されている。具体的に、セラミック接着剤５６は、セルフレーム５１の断面視で台座部５３の内面から貫通孔５２の厚さ方向中途部に亘って塗布されるとともに、平面視で収容部５４の周方向全域に亘って塗布されている。すなわち、セラミック接着剤５６は、セル１１の外周面１１ａと貫通孔５２の内面との間において、セル１１の厚さ方向及び周方向全域に亘って介在するとともに、セル１１におけるアノード１２の外周部と台座部５３との間においてセル１１の周方向全域に亘って介在している。これにより、セル１１がセルフレーム５１の収容部５４内で接着固定されている。
【００２０】
さらに、セラミック接着剤５６には、微小なガラス粒子が分散されてなるガラス封着材５７が含浸されている。ガラス封着材５７をセラミック接着剤５６に染み込ませるためには、まずセル１１の外周面１１ａと貫通孔５２の内面との間に介在するセラミック接着剤５６に向けて、上述したガラス粒子を微粒子にして液体に分散させた状態で、カソード１４側から塗布する。すると、ガラス微粒子は、毛細管現象によりセラミック接着剤５６の多孔質内に侵入する。その後、熱処理を行いガラス粒子を溶融させることで、溶融したガラス粒子がセラミック接着剤５６の多孔質内に定着する。これにより、ガラス封着材５７がセラミック接着剤５６の多孔質内を埋めた状態となる。この際、ガラス封着材５７は、セル１１の厚さ方向においてカソード１４よりも厚く形成されている。そして、これらセラミック接着剤５６及びガラス封着材５７により、セル１１とセルフレーム５１の収容部５４との間をシールするシール部５８を構成している。
【００２１】
なお、セラミック接着剤５６、及びガラス封着材５７は、それぞれ熱膨張率がセルフレーム５１と同等の材料により形成されている。
また、セラミック接着剤５６、及びガラス封着材５７の融点は、燃料電池モジュール１０の作動温度（例えば、６００℃以上）よりも高くなっている。ただし、ガラス封着材５７は微小なガラス粒子であるため、セラミック接着剤５６の多孔質内に一旦入り込めば、ガラス封着材５７の融点が燃料電池モジュール１０の作動温度よりも低い場合であっても、セラミック接着剤５６の多孔質内から流出する虞はない。
【００２２】
上述した収容部５４内には、セル１１を厚さ方向両側から挟持するように一対の集電部材６１が配置されている。各集電部材６１のうち、一方の集電部材６１ａは、スペーサ５５の内側に配置され、他方の集電部材６１ｂは、台座部５３の内側に配置されている。集電部材６１は、メッシュ状に形成され、セル１１の面内方向での反応ガスの流通を可能としている。また、集電部材６１は、厚さ方向一端側がセル１１（アノード１２またはカソード１４）に接触しているとともに、厚さ方向他端側が後述する第１ガスケット６２を介して後述するインターコネクタ６３に接触している。これにより、セル１１で発電された電力が集電部材６１を介してインターコネクタ６３で取り出される。また、セルフレーム５１の短手方向両側には、短手方向における幅が互いに縮小するように切り欠かれた一対の切欠き部６４ａ，６４ｂが形成されている。
【００２３】
図３は第１ガスケットの平面図である。なお、各第１ガスケット６２は表裏で対称の部材であるため、図３ではセル１１のカソード１４側に配置される第１ガスケット６２ａのみを示す。
図１〜図３に示すように、セルフレーム５１の厚さ方向両側には、平面視でセルフレーム５１と同等の外形に形成された第１ガスケット６２が配置されている。各第１ガスケット６２は、マイカ等の絶縁材料からなり、セルフレーム５１の切欠き部６４ａ，６４ｂと重なる位置切欠き部６５ａ，６５ｂが形成されている。
【００２４】
各第１ガスケット６２のうち、一方の第１ガスケット６２ａは、セル１１に対してカソード１４側に配置され、その中央部には酸化剤ガス流路６６が形成されている。酸化剤ガス流路６６は、第１ガスケット６２ａを厚さ方向に貫通する略六角形状の貫通孔であり、酸化剤ガス流路６６及びスペーサ５５の内側を通じてセル１１のカソード１４が露出している。酸化剤ガス流路６６の一端側（上流側）には、酸化剤ガス連通孔４４との間を接続する酸化剤ガス接続流路６７が形成されるとともに、他端側（下流側）には、酸化剤排ガス連通孔４６との間を接続する酸化剤排ガス接続流路６８が形成されている。
【００２５】
また、各第１ガスケット６２のうち、他方の第１ガスケット６２ｂは、セル１１に対してアノード１２側に配置され、その中央部には燃料ガス流路７１が形成されている。燃料ガス流路７１は、第１ガスケット６２ｂを厚さ方向に貫通する略六角形状の貫通孔であり、燃料ガス流路７１及び台座部５３の内側を通じてセル１１のアノード１２が露出している。燃料ガス流路７１の一端側（上流側）には、燃料ガス連通孔４５との間を接続する燃料ガス接続流路７２が形成されるとともに、燃料ガス流路７１の他端側（下流側）には、燃料排ガス連通孔４７との間を接続する燃料排ガス接続流路７３が形成されている。
【００２６】
図４はインターコネクタの斜視図である。なお、各インターコネクタ６３は表裏で対称の部材であるため、図４ではセル１１のカソード１４側に配置されるインターコネクタ６３ａのみを示す。
図１，図２，図４に示すように、各第１ガスケット６２を間に挟んでセルフレーム５１の両側には、上述した各流路６６，７１及び接続流路６７，６８，７２，７３をそれぞれ閉塞するように、それぞれインターコネクタ６３が配置されている。インターコネクタ６３は、例えばＣｒｏｆｅｒ２２ＡＰＵ（ティッセンクルップ社製）に金メッキを施したものからなり、平面視でセルフレーム５１と同等の外形に形成されている。
【００２７】
なお、各インターコネクタ６３に形成された固定孔４１，４２の外径は、他の構成品に形成された固定孔４１，４２に比べて大きく形成されている。
また、図５に示すように、各インターコネクタ６３における連通孔４４〜４７の内周縁には、後述する第２ガスケット７６に形成された反応ガスの連通孔４４〜４７に向けて立設されたリング部７０が形成されている。これらリング部７０は、第２ガスケット７６の各連通孔４４〜４７内にそれぞれ挿入されて、第２ガスケット７６とインターコネクタ６３との位置決めを行うものである。なお、図５は、図４のＡ−Ａ線に相当する断面を示しており、第２ガスケットとインターコネクタとの連結状態を説明するための説明図である。
【００２８】
また、図１，図２，図４に示すように、インターコネクタ６３のうち、カソード１４側に配置されたインターコネクタ６３ａには、例えば上述した第１ガスケット６２に形成された一対の切欠き部６５ａ，６５ｂのうち、一方の切欠き部６５ｂと重なる位置に切欠き部７４が形成されている。アノード１２側に配置されたインターコネクタ６３ｂには、他方の切欠き部６５ａと重なる位置に切欠き部７５が形成されている。
【００２９】
図１，図２に示すように、各インターコネクタ６３を間に挟んで、第１ガスケット６２の反対側には、それぞれ第２ガスケット７６が配置されている。各第２ガスケット７６は、マイカ等の絶縁材料からなり、平面視でセルフレーム５１と同等の外形に形成されるとともに、セルフレーム５１の切欠き部６４ａ，６４ｂと重なる位置に切欠き部７７ａ，７７ｂが形成されている。
【００３０】
そして、第２ガスケット７６を間に挟んでインターコネクタ６３の反対側には、それぞれカバープレート７８が配置されている。各カバープレート７８は、平面視でセルフレーム５１と同等の外形に形成されるとともに、セルフレーム５１の切欠き部６４ａ，６４ｂと重なる位置に切欠き部７９ａ，７９ｂが形成されている。
【００３１】
すなわち、カソード１４側に配置されたインターコネクタ６３ａにおいて、燃料電池モジュール１０における切欠き部６４ａ，６５ａ，７５，７７ａ，７９ａを通じて露出する部分が、燃料電池モジュール１０で発電された電力を外部に取り出すための配線が接続される端子部８１を構成している。
一方、アノード１２側に配置されたインターコネクタ６３ｂにおいて、燃料電池モジュール１０における切欠き部６４ｂ，６５ｂ，７４，７７ｂ，７９ｂを通じて露出する部分が、燃料電池モジュール１０で発電された電力を外部に取り出すための配線が接続される端子部８２を構成している。
【００３２】
各カバープレート７８のうち、アノード１２側に配置されたカバープレート７８ｂには、上述したセル１１を固定するための第１固定孔４１、及び反応ガスの連通孔４４〜４７は形成されていない。すなわち、カバープレート７８ｂにより、燃料電池モジュール１０に形成された各第１固定孔４１及び連通孔４４〜４７を閉塞している。
【００３３】
燃料電池モジュール１０の各第１固定孔４１には、カソード１４側に配置されたカバープレート７８ａ側からセル固定ボルト８４がそれぞれ挿入されている。この場合、各第１固定孔４１のうち、セルフレーム５１の第１固定孔４１の内面に、雌ねじ部を形成することで、セル固定ボルト８４がセルフレーム５１の第１固定孔４１に螺合される。これにより、セル１１がセルフレーム５１とカバープレート７８ａとの間で挟持される。
この場合、カバープレート７８ａの第１固定孔４１を厚さ方向に沿って漸次内径が縮小するテーパ状に形成するとともに、セル固定ボルト８４に皿ボルトを用いることで、セル固定ボルト８４の頭部が第１固定孔４１内に収容される。これにより、カバープレート７８ａの表面とセル固定ボルト８４の頭部とを面一に形成できる。
【００３４】
また、燃料電池モジュール１０の各第２固定孔４２には、カバープレート７８ｂ側からモジュールボルト８５がそれぞれ挿入されている。この場合、各第２固定孔４２のうち、カバープレート７８ａの第２固定孔４２の内面に、雌ねじ部を形成することで、モジュールボルト８５がカバープレート７８ａに螺合される。これにより、カバープレート７８ａ，７８ｂ間が連結され、燃料電池モジュール１０の各構成品が一体化される。
この場合、カバープレート７８ｂの第２固定孔４２を厚さ方向に沿って漸次内径が縮小するテーパ状に形成するとともに、モジュールボルト８５に皿ボルトを用いることで、モジュールボルト８５の頭部が第２固定孔４２内に収容される。これにより、カバープレート７８ｂの表面とモジュールボルト８５の頭部とを面一に形成できる。
【００３５】
なお、この場合、セルフレーム５１とカバープレート７８ａとを先にセル固定ボルト８４により締結し、セル１１を厚さ方向両側から挟持しておくことで、その後モジュールボルト８５により燃料電池モジュール１０を一体化する際に集電部材６１ｂの接触圧力によりセル１１がセラミック接着剤５６から剥がれる虞がない。
【００３６】
また、上述したようにインターコネクタ６３の固定孔４１，４２の外径を、他の構成品における固定孔４１，４２に比べて大きく形成することで、ボルト８４，８５がインターコネクタ６３の固定孔４１，４２内では遊挿された状態となる。これにより、インターコネクタ６３とカバープレート７８との間が、ボルト８４，８５を介して短絡するのを防止できる。
【００３７】
（燃料電池モジュールの動作方法）
次に、上述した燃料電池モジュール１０の動作方法について説明する。なお、以下の説明では、燃料ガス及び燃料排ガスをＦ１（図中実線）、酸化剤ガス及び酸化剤排ガスをＦ２（図中鎖線）として説明する。
まず、図１，図２に示すように、燃料電池モジュール１０を所定温度に加熱しつつ、燃料ガス供給手段から燃料ガスＦ１を供給するとともに、酸化剤ガス供給手段から酸化剤ガスＦ２を供給する。
燃料ガス供給手段から供給される燃料ガスＦ１は、燃料電池モジュール１０の燃料ガス連通孔４５に供給される。燃料ガス連通孔４５内に供給された燃料ガスＦ１は燃料ガス連通孔４５を燃料電池モジュール１０の積層方向に沿って流通し、第１ガスケット６２ｂの燃料ガス連通孔４５から燃料ガス接続流路７２内に流入する。そして、燃料ガスＦ１は、燃料ガス接続流路７２を経て燃料ガス流路７１に流入し、燃料ガス流路７１内でセル１１のアノード１２に到達する。
【００３８】
一方、酸化剤ガス供給手段から供給される酸化剤ガスＦ２は、燃料電池モジュール１０の酸化剤ガス連通孔４４に供給される。酸化剤ガス連通孔４４内に供給された酸化剤ガスＦ２は酸化剤ガス連通孔４４を燃料電池モジュール１０の積層方向に沿って流通し、第１ガスケット６２ａの酸化剤ガス連通孔４４から酸化剤ガス接続流路６７内に流入する。そして、酸化剤ガスＦ２は、酸化剤ガス接続流路６７を経て酸化剤ガス流路６６に流入し、酸化剤ガス流路６６内でセル１１のカソード１４に到達する。
【００３９】
ここで、酸化剤ガス流路６６を流通する酸化剤ガスＦ２がカソード１４に到達すると、カソード１４において触媒反応により酸化物イオンとなる。すると、カソード１４で発生した酸化物イオンが、電解質膜１６を透過してアノード１２まで移動する。
一方、燃料ガス流路７１内を流通する燃料ガスＦ１がアノード１２に到達すると、アノード１２に到達した燃料ガスＦ１と、アノード１２まで移動した酸化物イオンとが結合する。この反応過程において、電子を放出することで発電が行われる（Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−）。なお、セル１１で発電された電力は集電部材６１を介してインターコネクタ６３で取り出され、インターコネクタ６３の端子部８１，８２から配線を介して外部に取り出される。
【００４０】
セル１１で発電に供された燃料排ガスＦ１は、燃料ガス流路７１から燃料排ガス接続流路７３に流出し、燃料排ガス接続流路７３から燃料排ガス連通孔４７内に流出する。そして、燃料排ガスＦ１は、燃料排ガス連通孔４７を燃料電池モジュール１０の積層方向に沿って流通した後、燃料電池モジュール１０から排出される。
【００４１】
一方、セル１１で発電に供された酸化剤排ガスＦ２は、酸化剤ガス流路６６から酸化剤排ガス接続流路６８に流出し、燃料排ガス接続流路７３から酸化剤排ガス連通孔４６内に流出する。そして、酸化剤排ガスＦ２は、酸化剤排ガス連通孔４６を燃料電池モジュール１０の積層方向に沿って流通した後、燃料電池モジュール１０から排出される。
【００４２】
このように、本実施形態では、セルフレーム５１の収容部５４内において、セル１１と収容部５４との間をシールするシール部５８を備え、このシール部５８がセラミック接着剤５６に微小なガラス粒子からなるガラス封着材５７を含浸されてなる構成とした。
この構成によれば、ガラス封着材５７がセラミック接着剤５６の多孔質内を埋めるように含浸されるため、セラミック接着剤５６を封止してセル１１と収容部５４との間のシール性を向上させることができる。この場合、ガラス封着材５７は、セラミック接着剤５６の多孔質内に一旦入り込めば、セラミック接着剤５６の多孔質内から流出する虞はないので、セル１１と収容部５４との間を単にガラス材料によりシールする場合と異なり、シール性を長期に亘って維持できる。
【００４３】
また、本実施形態では、セルフレーム５１の収容部５４内にアノード１２を向けた状態でセル１１を収容するとともに、ガラス封着材５７をカソード１４側からカソード１４の厚さ以上形成する構成とした。
この構成によれば、セル１１の外周面１１ａにおいて、ガラス封着材５７を少なくともカソード１４の厚さ以上に形成することで、アノード１２やカソード１４の多孔質を介して反応ガスが流通するのを防止できるので、セル１１と収容部５４との間を確実にシールできる。
さらに、アノード１２よりも厚さの薄いカソード１４側にガラス封着材５７を形成するので、アノード１２とカソード１４との間をガラス封着材５７により確実に封止できるとともに、材料コストの低減を図ることができる。
【００４４】
さらに、セルフレーム５１、セラミック接着剤５６、及びガラス封着材５７の熱膨張率を同等にすることで、熱膨張の差により発生する歪み等を抑制できるため、セラミック接着剤５６が剥がれたり、セルフレーム５１の収容部５４とセル１１との間に隙間ができたりするのを抑制できる。これにより、長期間に亘ってシール性を維持できる。
【００４５】
なお、本発明の技術範囲は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態で挙げた構成等はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、ガラス封着材５７は、少なくともカソード１４よりも厚く形成されていれば、その形成範囲は適宜設計変更が可能である。
【００４６】
また、上述した実施形態では、セル１１を一枚だけ用いた単セル構造の燃料電池モジュール１０について説明したが、これに限らずセル１１を厚さ方向に沿って複数枚積層したスタック構造の燃料電池モジュールについても採用可能である。
図６にスタック構造の燃料電池モジュール１００について示す。図６に示すように、燃料電池モジュール１００は、セルフレーム５１とスペーサ５５との間にセル１１が挟持されたセルモジュール１０１が、第１ガスケット６２を間に挟んで積層されることで構成されている。
【００４７】
具体的に、燃料電池モジュール１００を組み付ける場合、まず一対のセルモジュール１０１におけるセルフレーム５１のカソード１４側に、酸化剤ガス流路６６が形成された一対の第１ガスケット６２ａをそれぞれ配置するとともに、これらセルモジュール１０１をカソード１４同士が対向するように配置し、各セルモジュール１０１間に集電部材６１を挟み込む。そして、これらセルモジュール１０１同士をセルモジュールボルト１０４で固定して、一つのセルユニット１０２とする。なお、集電部材６１は、厚さ方向両側がスペーサ５５の内側を通じてカソード１４に接触している。また、集電部材６１の外側には、第１ガスケット６２ａ間を通って端子部１０５が引き出されている。
その後、一対のセルユニット１０２のアノード１２側（外側）に、燃料ガス流路７１が形成された一対の第１ガスケット６２ｂをそれぞれ配置するとともに、これらセルユニット１０２をアノード１２同士が対向するように配置し、各セルユニット１０２間に集電部材６１を挟み込む。なお、この際、集電部材６１は、厚さ方向両側が台座部５３の内側を通じてアノード１２に接触している。また、集電部材６１の外側には、第１ガスケット６２ｂ間を通って端子部１０５が引き出されている。
【００４８】
上述した手順でセルユニット１０２を積層していくことにより、隣接するセルモジュール１０１において、アノード１２同士、カソード１４同士がそれぞれ対向配置される。
そして、最後に積層されたセルユニット１０２を、外周側で図示しないユニットボルトによりまとめて固定することにより、スタック構造の燃料電池モジュール１００が形成される。なお、上述した各カソード１４側の端子部１０５同士、アノード１２側の端子部１０５同士は、それぞれ配線（不図示）により並列接続し、燃料電池モジュール１００で出力される電力を取り出している。なお、取り出した後の電力は、図示しないＤＣ−ＤＣコンバータにより昇圧して使用する。
【符号の説明】
【００４９】
１１…セル（電気セル） １１ａ…周辺端部 １２…アノード（アノード極） １４…カソード（カソード極） １６…電解質膜（固体電解質） ５１…セルフレーム（フレーム） ５４…収容部 ５５…スペーサ ５６…セラミック接着剤 ５７…ガラス封着材 ５８…シール部 ７８ａ…カバープレート（カバー部材）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池の電解質にセラミックス系の平板型固体電解質膜を用い、この電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟んでセル（電池セル）を形成した固体酸化物型燃料電池（以下、ＳＯＦＣという）が知られている。このＳＯＦＣは、ダイレクト・メタノール型燃料電池等の固体高分子型燃料電池に比べ発電効率が高く、また燃料ガスとして水素ガス以外に一酸化炭素やメタン等、炭化水素系燃料全般をそのまま利用できる。さらに、作動温度が高いため、反応にＰｔ（白金）のように高価な触媒を利用せずに済む、等のメリットがある。
【０００３】
上述したセルは、その両面がシール材を介してセパレータにより挟持されている。各セパレータのうち、カソード側に配置されたセパレータにはカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路が形成される一方、アノード側に配置されたセパレータにはアノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路が形成されている。
ここで、セルとセパレータとの間を封止するシール材としては、高い作動温度に対応するため、例えば特許文献１のように、ＹＳＺ等のセラミック材料を用いる構成が記載されている。また、例えば特許文献２に示されるように、ガラス材料及び希釈材料により構成された粘性ガラス体を用いる構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１５４５２５号公報
【特許文献２】特開２００２−１４１０８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した特許文献１の構成にあっては、シール材が多孔質であるため、シール性が低いという問題がある。
また、特許文献２の構成にあっては、燃料電池の作動時において粘性ガラスが融液状態に保持されるため、圧力や熱膨張差に起因する微小な動きの繰り返しにより、セルとセパレータとの間からガラス材料が流れ出してしまう虞がある。
【０００６】
そこで、本発明は、このような事情に考慮してなされたもので、その目的は、電池セルとフレームとの間のシール性を向上できる固体電解質燃料電池を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、平板状の固体電解質（例えば、実施形態における電解質膜１６）の一方の面にカソード極（例えば、実施形態におけるカソード１４）、他方の面にアノード極（例えば、実施形態におけるアノード１２）を備える電池セル（例えば、実施形態におけるセル１１）と、該電池セルが収納されたフレーム（例えば、実施形態におけるセルフレーム５１）と、前記電池セルの周辺端部（例えば、実施形態における外周面１１ａ）と前記フレームとの間をシールするシール部（例えば、実施形態におけるシール部５８）と、を有し、前記電池セルは、前記アノード極が前記カソード極よりも厚く形成され、前記フレームは、前記電池セルの周辺端部から前記一方の面に亘って前記電池セルを収容する収容部（例えば、実施形態における収容部５４）を備え、前記シール部は、前記電池セルの周辺端部を前記収容部に対してセラミック接着剤（例えば、実施形態におけるセラミック接着剤５６）で固定し、該セラミック接着剤にガラス粒子を分散したガラス封着材（例えば、実施形態におけるガラス封着材５７）を、前記カソード極側から前記カソード極の厚さ以上に染み込ませ、熱処理することにより、前記電池セルの前記周辺端部と前記フレームとの間をシールしたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載した発明では、前記セラミック接着剤、前記フレーム、及び前記電池セルの熱膨張率を同一に設定したことを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載した発明では、前記電池セルと前記フレームとの間をシールした後に、前記電池セルの周辺端部における前記カソード極側にスペーサ（例えば、実施形態におけるスペーサ５５）を間に挟んでカバー部材（例えば、実施形態におけるカバープレート７８）を配置し、前記カバー部材と、前記フレームと、を固定することで、前記カバー部材及び前記フレーム間に前記電池セルを挟持したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１に記載した発明によれば、ガラス封着材がセラミック接着剤の多孔質内を埋めるように含浸されるため、セラミック接着剤を封止して電池セルと収容部との間のシール性を向上させることができる。この場合、ガラス封着材は、セラミック接着剤の多孔質内に一旦入り込めば、セラミック接着剤の多孔質内から流出する虞はないので、電池セルと収容部との間を単にガラス材料によりシールする場合と異なり、シール性を長期に亘って維持できる。
また、セルの周辺端部において、ガラス封着材をカソード極の厚さ以上に形成することで、アノード極やカソード極の多孔質を介して反応ガスが流通するのを防止できるので、電池セルと収容部との間を確実にシールできる。
さらに、アノード極よりも厚さの薄いカソード極側にガラス封着材を形成するので、アノード極とカソード極との間をガラス封着材により確実に封止できるとともに、材料コストの低減を図ることができる。
【００１１】
請求項２に記載した発明によれば、フレーム、セラミック接着剤、及びガラス封着材の熱膨張率を同一にすることで、熱膨張の差により発生する歪み等を抑制できるため、セラミック接着剤が剥がれたり、セルフレームの収容部と電池セルとの間に隙間ができたりするのを抑制できる。これにより、長期間に亘ってシール性を維持できる。
【００１２】
請求項３に記載した発明によれば、電池セルの他方の面において、スペーサを間に挟んでフレームとカバー部材とを先に固定し、電池セルを厚さ方向両側から挟持しておくことで、その後の組み付け時においても電池セルがセラミック接着剤から剥がれる虞がない。これにより、長期間に亘ってシール性を維持できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】燃料電池モジュールの分解斜視図である。
【図２】燃料電池モジュールの断面図である。
【図３】第１ガスケットの平面図である。
【図４】インターコネクタの斜視図である。
【図５】図４のＡ−Ａ線に相当する断面図である。
【図６】燃料電池モジュールの他の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、燃料電池モジュールの分解斜視図であり、図２は断面図である。
図１，図２に示すように、燃料電池モジュール１０は、ＳＯＦＣのセル（電池セル）１１がモジュール化されて構成されている
セル１１は、セラミックス系の平板型固体電解質膜（以下、電解質膜という）１６をアノード１２とカソード１４とで両側から挟み込んで形成されている。本実施形態のセル１１は、いわゆるアノードサポート型のセル１１であって、アノード１２の厚さがカソード１４よりも厚くなっている。具体的に、本実施形態のセル１１は、電解質膜１６の厚さが０．５μｍ〜３０μｍ程度、アノード１２の厚さが１００μｍから１０００μｍ程度、カソード１４の厚さが１μｍから１００μｍ程度に形成されている。なお、セル１１の電解質膜１６は、例えばＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ）等の材料で構成されている。アノード１２は例えばニッケルとＹＳＺとの焼結体で構成され、カソード１４は例えばランタン、ストロンチウム、マンガンの焼結体で構成されている。
【００１５】
また、セル１１には図示しない燃料ガス供給手段からアノード１２に向けて燃料ガス（例えば、ＨＣ系ガス燃料）が供給され、図示しない酸化剤ガス供給手段からカソード１４に向けて酸化剤ガス（例えば、空気）が供給されるようになっている。
【００１６】
燃料電池モジュール１０は、後述する各構成品が厚さ方向に沿って積層されてなり、反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）の流通方向を長手方向とする平板状に形成されている。燃料電池モジュール１０には、セル１１を燃料電池モジュール１０に固定するための第１固定孔４１と、各構成品同士を固定するための第２固定孔４２と、が形成されている。さらに、燃料電池モジュール１０の各角部近傍には、各供給手段から供給される酸化剤ガス及び燃料ガスが流通する酸化剤ガス連通孔４４、及び燃料ガス連通孔４５と、セル１１で発電に供された燃料排ガス及び酸化剤排ガスが流通する酸化剤排ガス連通孔４６、及び燃料排ガス連通孔４７と、が各構成品の積層方向に沿ってそれぞれ形成されている。
【００１７】
具体的に、燃料電池モジュール１０は、セル１１を支持するセルフレーム（フレーム）５１を備えている。セルフレーム５１は、平面視形状がセル１１よりも大きい矩形状の板材であり、その中央部には厚さ方向に沿って貫通する貫通孔５２が形成されている。貫通孔５２は、セル１１の外形よりも僅かに大きい矩形状に形成され、厚さ方向一端側の内周縁には周方向全周に亘って台座部５３が形成されている。そして、セル１１は、セルフレーム５１の厚さ方向他端側から貫通孔５２内にアノード１２を向けた状態で挿入されることで、アノード１２の外周側が台座部５３に支持される。これにより、セル１１が貫通孔５２内に収容される。この際、セル１１の厚さ方向に沿う外周面（周辺端部）１１ａが貫通孔５２内に配置されるとともに、アノード１２の外周側が台座部５３に支持されている。すなわち、貫通孔５２及び台座部５３により、セル１１の外周面１１ａからアノード１２に亘ってセル１１を収容する収容部５４が形成されている。
【００１８】
収容部５４の貫通孔５２内には、枠型のスペーサ５５が挿入されている。スペーサ５５は、収容部５４内におけるセル１１を間に挟んで台座部５３の反対側で、カソード１４の外周側に当接している。これにより、セル１１の外周側は収容部５４の台座部５３と、スペーサ５５と、により厚さ方向で挟持されている。
【００１９】
ここで、セル１１は、セラミック接着剤５６を介して収容部５４内に固定されている。具体的に、セラミック接着剤５６は、セルフレーム５１の断面視で台座部５３の内面から貫通孔５２の厚さ方向中途部に亘って塗布されるとともに、平面視で収容部５４の周方向全域に亘って塗布されている。すなわち、セラミック接着剤５６は、セル１１の外周面１１ａと貫通孔５２の内面との間において、セル１１の厚さ方向及び周方向全域に亘って介在するとともに、セル１１におけるアノード１２の外周部と台座部５３との間においてセル１１の周方向全域に亘って介在している。これにより、セル１１がセルフレーム５１の収容部５４内で接着固定されている。
【００２０】
さらに、セラミック接着剤５６には、微小なガラス粒子が分散されてなるガラス封着材５７が含浸されている。ガラス封着材５７をセラミック接着剤５６に染み込ませるためには、まずセル１１の外周面１１ａと貫通孔５２の内面との間に介在するセラミック接着剤５６に向けて、上述したガラス粒子を微粒子にして液体に分散させた状態で、カソード１４側から塗布する。すると、ガラス微粒子は、毛細管現象によりセラミック接着剤５６の多孔質内に侵入する。その後、熱処理を行いガラス粒子を溶融させることで、溶融したガラス粒子がセラミック接着剤５６の多孔質内に定着する。これにより、ガラス封着材５７がセラミック接着剤５６の多孔質内を埋めた状態となる。この際、ガラス封着材５７は、セル１１の厚さ方向においてカソード１４よりも厚く形成されている。そして、これらセラミック接着剤５６及びガラス封着材５７により、セル１１とセルフレーム５１の収容部５４との間をシールするシール部５８を構成している。
【００２１】
なお、セラミック接着剤５６、及びガラス封着材５７は、それぞれ熱膨張率がセルフレーム５１と同等の材料により形成されている。
また、セラミック接着剤５６、及びガラス封着材５７の融点は、燃料電池モジュール１０の作動温度（例えば、６００℃以上）よりも高くなっている。ただし、ガラス封着材５７は微小なガラス粒子であるため、セラミック接着剤５６の多孔質内に一旦入り込めば、ガラス封着材５７の融点が燃料電池モジュール１０の作動温度よりも低い場合であっても、セラミック接着剤５６の多孔質内から流出する虞はない。
【００２２】
上述した収容部５４内には、セル１１を厚さ方向両側から挟持するように一対の集電部材６１が配置されている。各集電部材６１のうち、一方の集電部材６１ａは、スペーサ５５の内側に配置され、他方の集電部材６１ｂは、台座部５３の内側に配置されている。集電部材６１は、メッシュ状に形成され、セル１１の面内方向での反応ガスの流通を可能としている。また、集電部材６１は、厚さ方向一端側がセル１１（アノード１２またはカソード１４）に接触しているとともに、厚さ方向他端側が後述する第１ガスケット６２を介して後述するインターコネクタ６３に接触している。これにより、セル１１で発電された電力が集電部材６１を介してインターコネクタ６３で取り出される。また、セルフレーム５１の短手方向両側には、短手方向における幅が互いに縮小するように切り欠かれた一対の切欠き部６４ａ，６４ｂが形成されている。
【００２３】
図３は第１ガスケットの平面図である。なお、各第１ガスケット６２は表裏で対称の部材であるため、図３ではセル１１のカソード１４側に配置される第１ガスケット６２ａのみを示す。
図１〜図３に示すように、セルフレーム５１の厚さ方向両側には、平面視でセルフレーム５１と同等の外形に形成された第１ガスケット６２が配置されている。各第１ガスケット６２は、マイカ等の絶縁材料からなり、セルフレーム５１の切欠き部６４ａ，６４ｂと重なる位置切欠き部６５ａ，６５ｂが形成されている。
【００２４】
各第１ガスケット６２のうち、一方の第１ガスケット６２ａは、セル１１に対してカソード１４側に配置され、その中央部には酸化剤ガス流路６６が形成されている。酸化剤ガス流路６６は、第１ガスケット６２ａを厚さ方向に貫通する略六角形状の貫通孔であり、酸化剤ガス流路６６及びスペーサ５５の内側を通じてセル１１のカソード１４が露出している。酸化剤ガス流路６６の一端側（上流側）には、酸化剤ガス連通孔４４との間を接続する酸化剤ガス接続流路６７が形成されるとともに、他端側（下流側）には、酸化剤排ガス連通孔４６との間を接続する酸化剤排ガス接続流路６８が形成されている。
【００２５】
また、各第１ガスケット６２のうち、他方の第１ガスケット６２ｂは、セル１１に対してアノード１２側に配置され、その中央部には燃料ガス流路７１が形成されている。燃料ガス流路７１は、第１ガスケット６２ｂを厚さ方向に貫通する略六角形状の貫通孔であり、燃料ガス流路７１及び台座部５３の内側を通じてセル１１のアノード１２が露出している。燃料ガス流路７１の一端側（上流側）には、燃料ガス連通孔４５との間を接続する燃料ガス接続流路７２が形成されるとともに、燃料ガス流路７１の他端側（下流側）には、燃料排ガス連通孔４７との間を接続する燃料排ガス接続流路７３が形成されている。
【００２６】
図４はインターコネクタの斜視図である。なお、各インターコネクタ６３は表裏で対称の部材であるため、図４ではセル１１のカソード１４側に配置されるインターコネクタ６３ａのみを示す。
図１，図２，図４に示すように、各第１ガスケット６２を間に挟んでセルフレーム５１の両側には、上述した各流路６６，７１及び接続流路６７，６８，７２，７３をそれぞれ閉塞するように、それぞれインターコネクタ６３が配置されている。インターコネクタ６３は、例えばＣｒｏｆｅｒ２２ＡＰＵ（ティッセンクルップ社製）に金メッキを施したものからなり、平面視でセルフレーム５１と同等の外形に形成されている。
【００２７】
なお、各インターコネクタ６３に形成された固定孔４１，４２の外径は、他の構成品に形成された固定孔４１，４２に比べて大きく形成されている。
また、図５に示すように、各インターコネクタ６３における連通孔４４〜４７の内周縁には、後述する第２ガスケット７６に形成された反応ガスの連通孔４４〜４７に向けて立設されたリング部７０が形成されている。これらリング部７０は、第２ガスケット７６の各連通孔４４〜４７内にそれぞれ挿入されて、第２ガスケット７６とインターコネクタ６３との位置決めを行うものである。なお、図５は、図４のＡ−Ａ線に相当する断面を示しており、第２ガスケットとインターコネクタとの連結状態を説明するための説明図である。
【００２８】
また、図１，図２，図４に示すように、インターコネクタ６３のうち、カソード１４側に配置されたインターコネクタ６３ａには、例えば上述した第１ガスケット６２に形成された一対の切欠き部６５ａ，６５ｂのうち、一方の切欠き部６５ｂと重なる位置に切欠き部７４が形成されている。アノード１２側に配置されたインターコネクタ６３ｂには、他方の切欠き部６５ａと重なる位置に切欠き部７５が形成されている。
【００２９】
図１，図２に示すように、各インターコネクタ６３を間に挟んで、第１ガスケット６２の反対側には、それぞれ第２ガスケット７６が配置されている。各第２ガスケット７６は、マイカ等の絶縁材料からなり、平面視でセルフレーム５１と同等の外形に形成されるとともに、セルフレーム５１の切欠き部６４ａ，６４ｂと重なる位置に切欠き部７７ａ，７７ｂが形成されている。
【００３０】
そして、第２ガスケット７６を間に挟んでインターコネクタ６３の反対側には、それぞれカバープレート７８が配置されている。各カバープレート７８は、平面視でセルフレーム５１と同等の外形に形成されるとともに、セルフレーム５１の切欠き部６４ａ，６４ｂと重なる位置に切欠き部７９ａ，７９ｂが形成されている。
【００３１】
すなわち、カソード１４側に配置されたインターコネクタ６３ａにおいて、燃料電池モジュール１０における切欠き部６４ａ，６５ａ，７５，７７ａ，７９ａを通じて露出する部分が、燃料電池モジュール１０で発電された電力を外部に取り出すための配線が接続される端子部８１を構成している。
一方、アノード１２側に配置されたインターコネクタ６３ｂにおいて、燃料電池モジュール１０における切欠き部６４ｂ，６５ｂ，７４，７７ｂ，７９ｂを通じて露出する部分が、燃料電池モジュール１０で発電された電力を外部に取り出すための配線が接続される端子部８２を構成している。
【００３２】
各カバープレート７８のうち、アノード１２側に配置されたカバープレート７８ｂには、上述したセル１１を固定するための第１固定孔４１、及び反応ガスの連通孔４４〜４７は形成されていない。すなわち、カバープレート７８ｂにより、燃料電池モジュール１０に形成された各第１固定孔４１及び連通孔４４〜４７を閉塞している。
【００３３】
燃料電池モジュール１０の各第１固定孔４１には、カソード１４側に配置されたカバープレート７８ａ側からセル固定ボルト８４がそれぞれ挿入されている。この場合、各第１固定孔４１のうち、セルフレーム５１の第１固定孔４１の内面に、雌ねじ部を形成することで、セル固定ボルト８４がセルフレーム５１の第１固定孔４１に螺合される。これにより、セル１１がセルフレーム５１とカバープレート７８ａとの間で挟持される。
この場合、カバープレート７８ａの第１固定孔４１を厚さ方向に沿って漸次内径が縮小するテーパ状に形成するとともに、セル固定ボルト８４に皿ボルトを用いることで、セル固定ボルト８４の頭部が第１固定孔４１内に収容される。これにより、カバープレート７８ａの表面とセル固定ボルト８４の頭部とを面一に形成できる。
【００３４】
また、燃料電池モジュール１０の各第２固定孔４２には、カバープレート７８ｂ側からモジュールボルト８５がそれぞれ挿入されている。この場合、各第２固定孔４２のうち、カバープレート７８ａの第２固定孔４２の内面に、雌ねじ部を形成することで、モジュールボルト８５がカバープレート７８ａに螺合される。これにより、カバープレート７８ａ，７８ｂ間が連結され、燃料電池モジュール１０の各構成品が一体化される。
この場合、カバープレート７８ｂの第２固定孔４２を厚さ方向に沿って漸次内径が縮小するテーパ状に形成するとともに、モジュールボルト８５に皿ボルトを用いることで、モジュールボルト８５の頭部が第２固定孔４２内に収容される。これにより、カバープレート７８ｂの表面とモジュールボルト８５の頭部とを面一に形成できる。
【００３５】
なお、この場合、セルフレーム５１とカバープレート７８ａとを先にセル固定ボルト８４により締結し、セル１１を厚さ方向両側から挟持しておくことで、その後モジュールボルト８５により燃料電池モジュール１０を一体化する際に集電部材６１ｂの接触圧力によりセル１１がセラミック接着剤５６から剥がれる虞がない。
【００３６】
また、上述したようにインターコネクタ６３の固定孔４１，４２の外径を、他の構成品における固定孔４１，４２に比べて大きく形成することで、ボルト８４，８５がインターコネクタ６３の固定孔４１，４２内では遊挿された状態となる。これにより、インターコネクタ６３とカバープレート７８との間が、ボルト８４，８５を介して短絡するのを防止できる。
【００３７】
（燃料電池モジュールの動作方法）
次に、上述した燃料電池モジュール１０の動作方法について説明する。なお、以下の説明では、燃料ガス及び燃料排ガスをＦ１（図中実線）、酸化剤ガス及び酸化剤排ガスをＦ２（図中鎖線）として説明する。
まず、図１，図２に示すように、燃料電池モジュール１０を所定温度に加熱しつつ、燃料ガス供給手段から燃料ガスＦ１を供給するとともに、酸化剤ガス供給手段から酸化剤ガスＦ２を供給する。
燃料ガス供給手段から供給される燃料ガスＦ１は、燃料電池モジュール１０の燃料ガス連通孔４５に供給される。燃料ガス連通孔４５内に供給された燃料ガスＦ１は燃料ガス連通孔４５を燃料電池モジュール１０の積層方向に沿って流通し、第１ガスケット６２ｂの燃料ガス連通孔４５から燃料ガス接続流路７２内に流入する。そして、燃料ガスＦ１は、燃料ガス接続流路７２を経て燃料ガス流路７１に流入し、燃料ガス流路７１内でセル１１のアノード１２に到達する。
【００３８】
一方、酸化剤ガス供給手段から供給される酸化剤ガスＦ２は、燃料電池モジュール１０の酸化剤ガス連通孔４４に供給される。酸化剤ガス連通孔４４内に供給された酸化剤ガスＦ２は酸化剤ガス連通孔４４を燃料電池モジュール１０の積層方向に沿って流通し、第１ガスケット６２ａの酸化剤ガス連通孔４４から酸化剤ガス接続流路６７内に流入する。そして、酸化剤ガスＦ２は、酸化剤ガス接続流路６７を経て酸化剤ガス流路６６に流入し、酸化剤ガス流路６６内でセル１１のカソード１４に到達する。
【００３９】
ここで、酸化剤ガス流路６６を流通する酸化剤ガスＦ２がカソード１４に到達すると、カソード１４において触媒反応により酸化物イオンとなる。すると、カソード１４で発生した酸化物イオンが、電解質膜１６を透過してアノード１２まで移動する。
一方、燃料ガス流路７１内を流通する燃料ガスＦ１がアノード１２に到達すると、アノード１２に到達した燃料ガスＦ１と、アノード１２まで移動した酸化物イオンとが結合する。この反応過程において、電子を放出することで発電が行われる（Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ−）。なお、セル１１で発電された電力は集電部材６１を介してインターコネクタ６３で取り出され、インターコネクタ６３の端子部８１，８２から配線を介して外部に取り出される。
【００４０】
セル１１で発電に供された燃料排ガスＦ１は、燃料ガス流路７１から燃料排ガス接続流路７３に流出し、燃料排ガス接続流路７３から燃料排ガス連通孔４７内に流出する。そして、燃料排ガスＦ１は、燃料排ガス連通孔４７を燃料電池モジュール１０の積層方向に沿って流通した後、燃料電池モジュール１０から排出される。
【００４１】
一方、セル１１で発電に供された酸化剤排ガスＦ２は、酸化剤ガス流路６６から酸化剤排ガス接続流路６８に流出し、燃料排ガス接続流路７３から酸化剤排ガス連通孔４６内に流出する。そして、酸化剤排ガスＦ２は、酸化剤排ガス連通孔４６を燃料電池モジュール１０の積層方向に沿って流通した後、燃料電池モジュール１０から排出される。
【００４２】
このように、本実施形態では、セルフレーム５１の収容部５４内において、セル１１と収容部５４との間をシールするシール部５８を備え、このシール部５８がセラミック接着剤５６に微小なガラス粒子からなるガラス封着材５７を含浸されてなる構成とした。
この構成によれば、ガラス封着材５７がセラミック接着剤５６の多孔質内を埋めるように含浸されるため、セラミック接着剤５６を封止してセル１１と収容部５４との間のシール性を向上させることができる。この場合、ガラス封着材５７は、セラミック接着剤５６の多孔質内に一旦入り込めば、セラミック接着剤５６の多孔質内から流出する虞はないので、セル１１と収容部５４との間を単にガラス材料によりシールする場合と異なり、シール性を長期に亘って維持できる。
【００４３】
また、本実施形態では、セルフレーム５１の収容部５４内にアノード１２を向けた状態でセル１１を収容するとともに、ガラス封着材５７をカソード１４側からカソード１４の厚さ以上形成する構成とした。
この構成によれば、セル１１の外周面１１ａにおいて、ガラス封着材５７を少なくともカソード１４の厚さ以上に形成することで、アノード１２やカソード１４の多孔質を介して反応ガスが流通するのを防止できるので、セル１１と収容部５４との間を確実にシールできる。
さらに、アノード１２よりも厚さの薄いカソード１４側にガラス封着材５７を形成するので、アノード１２とカソード１４との間をガラス封着材５７により確実に封止できるとともに、材料コストの低減を図ることができる。
【００４４】
さらに、セルフレーム５１、セラミック接着剤５６、及びガラス封着材５７の熱膨張率を同等にすることで、熱膨張の差により発生する歪み等を抑制できるため、セラミック接着剤５６が剥がれたり、セルフレーム５１の収容部５４とセル１１との間に隙間ができたりするのを抑制できる。これにより、長期間に亘ってシール性を維持できる。
【００４５】
なお、本発明の技術範囲は、上述した各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態で挙げた構成等はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、ガラス封着材５７は、少なくともカソード１４よりも厚く形成されていれば、その形成範囲は適宜設計変更が可能である。
【００４６】
また、上述した実施形態では、セル１１を一枚だけ用いた単セル構造の燃料電池モジュール１０について説明したが、これに限らずセル１１を厚さ方向に沿って複数枚積層したスタック構造の燃料電池モジュールについても採用可能である。
図６にスタック構造の燃料電池モジュール１００について示す。図６に示すように、燃料電池モジュール１００は、セルフレーム５１とスペーサ５５との間にセル１１が挟持されたセルモジュール１０１が、第１ガスケット６２を間に挟んで積層されることで構成されている。
【００４７】
具体的に、燃料電池モジュール１００を組み付ける場合、まず一対のセルモジュール１０１におけるセルフレーム５１のカソード１４側に、酸化剤ガス流路６６が形成された一対の第１ガスケット６２ａをそれぞれ配置するとともに、これらセルモジュール１０１をカソード１４同士が対向するように配置し、各セルモジュール１０１間に集電部材６１を挟み込む。そして、これらセルモジュール１０１同士をセルモジュールボルト１０４で固定して、一つのセルユニット１０２とする。なお、集電部材６１は、厚さ方向両側がスペーサ５５の内側を通じてカソード１４に接触している。また、集電部材６１の外側には、第１ガスケット６２ａ間を通って端子部１０５が引き出されている。
その後、一対のセルユニット１０２のアノード１２側（外側）に、燃料ガス流路７１が形成された一対の第１ガスケット６２ｂをそれぞれ配置するとともに、これらセルユニット１０２をアノード１２同士が対向するように配置し、各セルユニット１０２間に集電部材６１を挟み込む。なお、この際、集電部材６１は、厚さ方向両側が台座部５３の内側を通じてアノード１２に接触している。また、集電部材６１の外側には、第１ガスケット６２ｂ間を通って端子部１０５が引き出されている。
【００４８】
上述した手順でセルユニット１０２を積層していくことにより、隣接するセルモジュール１０１において、アノード１２同士、カソード１４同士がそれぞれ対向配置される。
そして、最後に積層されたセルユニット１０２を、外周側で図示しないユニットボルトによりまとめて固定することにより、スタック構造の燃料電池モジュール１００が形成される。なお、上述した各カソード１４側の端子部１０５同士、アノード１２側の端子部１０５同士は、それぞれ配線（不図示）により並列接続し、燃料電池モジュール１００で出力される電力を取り出している。なお、取り出した後の電力は、図示しないＤＣ−ＤＣコンバータにより昇圧して使用する。
【符号の説明】
【００４９】
１１…セル（電気セル） １１ａ…周辺端部 １２…アノード（アノード極） １４…カソード（カソード極） １６…電解質膜（固体電解質） ５１…セルフレーム（フレーム） ５４…収容部 ５５…スペーサ ５６…セラミック接着剤 ５７…ガラス封着材 ５８…シール部 ７８ａ…カバープレート（カバー部材）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状の固体電解質の一方の面にカソード極、他方の面にアノード極を備える電池セルと、
該電池セルが収納されたフレームと、
前記電池セルの周辺端部と前記フレームとの間をシールするシール部と、を有し、
前記電池セルは、前記アノード極が前記カソード極よりも厚く形成され、
前記フレームは、前記電池セルの周辺端部から前記一方の面に亘って前記電池セルを収容する収容部を備え、
前記シール部は、前記電池セルの周辺端部を前記収容部に対してセラミック接着剤で固定し、該セラミック接着剤にガラス粒子を分散したガラス封着材を、前記カソード極側から前記カソード極の厚さ以上に染み込ませ、熱処理することにより、前記電池セルの前記周辺端部と前記フレームとの間をシールしたことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項２】
前記セラミック接着剤、前記フレーム、及び前記電池セルの熱膨張率を同一に設定したことを特徴とする請求項１記載の固体型燃料電池。
【請求項３】
前記電池セルと前記フレームとの間をシールした後に、前記電池セルの周辺端部における前記カソード極側にスペーサを間に挟んでカバー部材を配置し、
前記カバー部材と、前記フレームと、を固定することで、前記カバー部材及び前記フレーム間に前記電池セルを挟持したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項１】
平板状の固体電解質の一方の面にカソード極、他方の面にアノード極を備える電池セルと、
該電池セルが収納されたフレームと、
前記電池セルの周辺端部と前記フレームとの間をシールするシール部と、を有し、
前記電池セルは、前記アノード極が前記カソード極よりも厚く形成され、
前記フレームは、前記電池セルの周辺端部から前記一方の面に亘って前記電池セルを収容する収容部を備え、
前記シール部は、前記電池セルの周辺端部を前記収容部に対してセラミック接着剤で固定し、該セラミック接着剤にガラス粒子を分散したガラス封着材を、前記カソード極側から前記カソード極の厚さ以上に染み込ませ、熱処理することにより、前記電池セルの前記周辺端部と前記フレームとの間をシールしたことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項２】
前記セラミック接着剤、前記フレーム、及び前記電池セルの熱膨張率を同一に設定したことを特徴とする請求項１記載の固体型燃料電池。
【請求項３】
前記電池セルと前記フレームとの間をシールした後に、前記電池セルの周辺端部における前記カソード極側にスペーサを間に挟んでカバー部材を配置し、
前記カバー部材と、前記フレームと、を固定することで、前記カバー部材及び前記フレーム間に前記電池セルを挟持したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体電解質型燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１２４０２０（Ｐ２０１２−１２４０２０Ａ）
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７３６２８（Ｐ２０１０−２７３６２８）
【出願日】平成２２年１２月８日（２０１０．１２．８）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月８日（２０１０．１２．８）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]