固体氧化物型燃料电池装置的制造方法
固体氧化物型燃料电池装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种固体氧化物型燃料电池装置的制造方法，尤其涉及具备对收容在燃料电池模块中的多个燃料电池单电池进行电连接的集电体的固体氧化物型燃料电池装置的制造方法。
【背景技术】
[0002]固体氧化物型燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell:以下也称为“SOFC”)是将氧化物离子导电性固体电解质用作电解质，在其两侧安装电极，在一侧供给燃料气体，在另一侧供给氧化剂气体(空气、氧气等)，并在较高的温度下进行动作的燃料电池。
[0003]在固体氧化物型燃料电池装置的燃料电池模块内收容了由多个燃料电池单电池(单电池管)组成的单电池阵列。在该单电池阵列中，多个燃料电池单电池通过集电体而被相互地电连接。例如在特开2008-71711号公报(专利文献I)所述的燃料电池装置中，多个燃料电池单电池的上端部及下端部被分别插入于绝缘性支撑板的孔，并通过导电性密封材料而被固定于支撑板。而且，进一步，邻接的燃料电池单电池的上端部之间及下端部之间介由导电性密封材料并通过连接构件而被连接。
另外，在特开2008-218005号公报(专利文献2)所述的燃料电池装置中，很多的燃料电池单电池的上端部之间及下端部之间使用了 3张集电体而被电连接。
[0004]专利文献1:日本国特开2008-71711号公报专利文献2:日本国特开2008-218005号公报
[0005]然而，如专利文献I的燃料电池装置那样，在燃料电池单电池的两端部上，在通过连接构件及密封材料而对邻接的燃料电池单电池的端部之间进行连接的情况下，当燃料电池单电池很多时，则燃料电池单电池的电连接作业是非常费事且麻烦的。
[0006]另一方面，在专利文献2的燃料电池装置中，由于只用3张集电体对很多的燃料电池单电池的端部进行电连接，因此燃料电池单电池的电连接作业变得容易。具体而言，在各集电体形成有用于安装对应的多个燃料电池单电池的安装孔，在各安装孔形成有从孔的边缘部朝向孔的中心放射状延伸的多个弹性片。因此，通过相对于由多个燃料电池单电池组成的单电池阵列而按压各集电体，能够将对应的燃料电池单电池的端部插入于各集电体的多个安装孔。而且，能够使各安装孔的多个弹性片与对应的燃料电池单电池的端部的外周面弹性地接触。由此，针对相对于很多的燃料电池单电池而安装集电体的作业的作业效率被大幅地改善，从而燃料电池单电池的电连接作业被简单化。
[0007]然而，本发明者在专利文献2那样的集电体中发现了以下这样的问题。S卩，由于燃料电池单电池是由陶瓷材料形成的，因此每个燃料电池单电池的形状(直径、长度、弯曲等)都不齐。因此，在由多个燃料电池单电池形成的单电池阵列中，各燃料电池单电池的端部偏离了理想的位置。
[0008]因而，因为即使相对于单电池阵列而对集电体进行对位，一部分的燃料电池单电池的轴中心位置也相对于集电体的对应的安装孔发生偏离，所以在集电体向单电池阵列的安装动作中，用于相对于单电池阵列按压集电体的所需的按压力变大。而且，当相对于单电池阵列勉强地按压集电体时，则有可能会因弹性片而剥落在燃料电池单电池端部的外表面上设置的电极。这种电极损伤给电池性能及装置寿命带来不良影响。
[0009]为了便于向集电体插入多个燃料电池单电池的同时，防止插入时的电极的剥落，可以减小集电体的厚度以减少弹性片的弹力。然而，在引用文献2的燃料电池装置中，因为是利用弹性片的弹力而使集电体和燃料电池单电池接触的，所以在弹性片的弹力下降时，导致集电体和燃料电池单电池之间的电连接被失去。即，在减小集电体的厚度以减少弹性片的弹力的情况下，在集电体向单电池阵列安装时以及在燃料电池装置的运行中，有可能会发生弹性片的一端接触(即，安装孔的多个弹性片中的一部分不与燃料电池单电池适当地接触)。尤其，由于当在运行中弹性片被置于高温(例如，600°C以上)下时，则弹性片的弹性模量下降，并且因再晶体化等而有可能会失去弹性片的弹力，因此容易发生弹性片的一端接触。当在一部分弹性片中发生导通不良时，则由于电流集中于接触中的弹性片，因此电流集中于特定的燃料电池单电池或其一部分，从而不能发挥规定的电池性能，同时产品寿命变短。
[0010]如此，虽然专利文献2的燃料电池装置的集电体构造便于相对于单电池阵列的集电体的安装作业，但是存在在集电体的安装时有可能会损坏燃料电池单电池的电极，以及至少在燃料电池装置的运行时有可能会发生集电体和燃料电池单电池之间的导通不良这样的问题。
[0011]因而，本发明所要解决的技术问题是提供一种固体氧化物型燃料电池装置的制造方法，在具有通过集电体来电连接多个燃料电池单电池的构造的固体氧化物燃料电池装置的制造方法中，能够在防止燃料电池单电池的电极的损坏的同时，确保燃料电池单电池和集电体之间的电连接。
【发明内容】
[0012]为了解决上述的课题，本发明提供一种固体氧化物型燃料电池装置的制造方法，固体氧化物型燃料电池装置具备:单电池阵列，由在燃料电池模块中收容的多个燃料电池单电池组成；及集电体，与在构成单电池阵列的多个燃料电池单电池的端部上形成的电极电连接，其特征在于，具备:在多个燃料电池单电池的端部形成的电极上分别形成导电性电极保护层的工序；模块化工序，利用多个燃料电池单电池形成单电池阵列；及安装工序，相对于单电池阵列安装集电体，集电体是形成有用于分别插入多个燃料电池单电池的端部的多个安装孔的金属板，在各安装孔设有多个弹性片，通过相对于单电池阵列按压集电体而将对应的燃料电池单电池的端部插入于集电体的各安装孔，并通过弹性片的弹力而相对于单电池阵列安装集电体，电极保护层构成为防止在安装工序中因弹性片的接触而电极损伤。
[0013]在通过相对于单电池阵列按压集电体而使燃料电池单电池插入于集电体的多个安装孔，从而将集电体弹性地安装于单电池阵列时，由于燃料电池单电池的制造尺寸精度不高，因此需要用较大的按压力相对于单电池阵列按压集电体。然而，当勉强地按压集电体时，则有可能会使燃料电池单电池(尤其是电极层)损伤。尤其，当设置于集电体安装孔的弹性片的弹力较大时，则在插入时因弹性片抓挠燃料电池单电池的外周面而导致伤害燃料电池单电池的电极层。
[0014]为了避免这种燃料电池单电池的损伤，例如需要利用厚度较薄的板材形成弹性片，而更低地设定弹性片的弹力。然而，当弹性片的弹力较低时，则因燃料电池单电池的制造尺寸误差而在安装时弹性片发生一端接触，从制造最初开始有可能会在弹性片和电极之间发生导通不良。另外，当弹性片的弹力较低时，则由于在燃料电池装置的运行中集电体被置于高温下，弹性片的弹力发生进一步下降，因此有可能会弹性片一端接触，从而在弹性片和燃料电池单电池电极之间发生部分的导通不良。
[0015]于是，在本发明中构成为能够使用具有较大弹力的弹性片的集电体，以便在安装时以及在运行中的高温时弹性片具有充分的弹力。因此，在本发明中，在电极上设置了电极保护层，以便在集电体向单电池阵列安装时，防止因弹性片而燃料电池单电池的电极损伤。该电极保护层是与电极相比更硬的导电性的层。通过该电极保护层，能够对燃料电池单电池进行保护以免于在安装时弹性片抓挠电极而剥下电极。而且，由于具有较高弹力的弹性片与电极保护层弹性地卡合，因此能够介由电极保护层而确保集电体和燃料电池单电池电极之间的导通。
[0016]如此，在本发明中，通过采用电极保护层，即使使用具有较大弹力的弹性片的集电体，在集电体的安装时也能够保护燃料电池单电池的电极。因而，在本发明中，能够始终维持在单电池阵列上安装集电体的良好的操作性，并防止电极的损坏。另外，在本发明中，由于弹性片可以具有较大的弹力，因此在集电体的安装时以及在运行中，可以利用弹性片的弹力来使弹性片和电极保护层保持于接触状态，从而能够防止一端接触。
[0017]另外，由于单电池阵列密集地配置了多个燃料电池单电池，因此燃料电池单电池之间的间隔较窄。因此，在形成单电池阵列之后，当想要在各燃料电池单电池的侧面上形成电极保护层时，则由于操作性较差，因此难以在电极的表面上切实地形成电极保护层。因此，在本发明中构成为，在形成单电池阵列的模块化工序之前，在燃料电池单电池是单体的状态下实施在各燃料电池单电池的电极上形成电极保护层的电极保护层形成工序。由此，能够通过良好的操作性而在各燃料电池单电池的电极上形成电极保护层。
[0018]在本发明中，优选在安装工序之后还具备粘接弹性片与电极保护层的粘接工序。 根据如此构成的本发明，由于在将集电体安装于单电池阵列之后具备了粘接弹性片与电极保护层的粘接工序，因此能够确保弹性片和电极保护层之间的抵接状态。因而，由于粘接剂的粘接力补偿运行中的弹性片弹力的下降部分，因此即使假设弹性片的弹力消失了，也能够确保弹性片和电极保护层之间的导通。因而，由于可以不用考虑运行中的弹力的下降，因此并非一定需要使用具备具有非常大弹力的弹性片的集电体。因此，在安装工序中，集电体的安装作业变得容易，而能够使操作性提高。
[0019]在本发明中，优选电极保护层具有粘接弹性片和电极的功能。
根据如此构成的本发明，因为电极保护层具有粘接功能，所以在安装工序后不需要涂布粘接剂的作业，能够使制造工序简单化。
[0020]在本发明中，优选电极保护层是通过加热来发挥粘接功能的，固体氧化物型燃料电池装置的制造方法包括为执行规定的处理而加热单电池阵列的加热工序，加热工序兼作粘接工序的对电极保护层的加热。
根据如此构成的本发明，电极保护层构成为通过加热来发挥粘接功能。因此，虽然需要电极保护层的加热工序，但是当在制造工序中相对于燃料电池装置的组装体而实施加热工序时，则加热工序中无法实施相对于组装体的其他的作业。具体而言，虽然在加热工序中将组装体加热至规定温度之后需要再次冷却到常温，但是如果使其急冷却，则燃料电池单电池的发电元件因急剧的热收缩而承受应力从而损坏。为了防止这种损坏，冷却需要很长时间。因而，当在制造工序中附加用于电极保护层的加热工序时，则导致制造工序大幅地变长。
于是，在本发明中构成为，原来包含于燃料电池装置制造工序中的加热工序(例如，在最终阶段实施的燃料电池单电池的还原工序)兼作用于电极保护层的加热工序。由此，因为不需要附加只用于电极保护层的加热工序，所以能够在防止制造工序的长期化的同时，将弹性片粘接于电极保护层。
[0021]在本发明中，优选电极保护层的粘接功能通过在因加热而电极保护层的至少一部分具有流动性之后进行固化而被发挥。
根据如此构成的本发明，电极保护层通过在因加热而至少一部分具有流动性之后进行固化来发挥粘接功能。因此，与电极保护层弹性地抵接的弹性片利用电极保护层的流动化而以沉入到电极保护层内的方式深入，并在该状态下电极保护层进行固化。由此，由于弹性片与电极保护层的接触面积增加，因此集电体和电极保护层之间的导电性提高，同时两者之间的物理性的粘接力也提高。因而，制造尺寸上不齐的燃料电池单电池，在运行中分别热膨胀的情况下，也能够提高对弹性片和电极保护层的粘接部分所产生应力的耐受性。如此，在本发明中，能够使集电体和电极保护层之间的电连接牢固。
[0022]在本发明中，优选电极保护层含有颗粒状导电性材料，且粘接工序是使颗粒状的导电性材料烧结的工序。
根据如此构成的本发明，电极保护层含有颗粒状导电性材料(例如镍粉)。由此，通过调整导电性材料的粒径，能够在弹性片失去弹力之前，在加热工序中使导电性材料烧结，并使其与弹性片粘接。另外，由于导电性材料通过弹性片而被弹性地按压，因此通过弹性片按压的导电性材料的部分因烧结而致密性被提高。由此，能够使介由电极保护层的弹性片和电极之间的导电性提高。
[0023]根据本发明的固体氧化物型燃料电池装置的制造方法，能够在防止燃料 电池单电池电极的损坏的同时，能够确保燃料电池单电池和集电体之间的电连接。
【附图说明】
[0024]图1是表示本发明一个实施方式的固体氧化物型燃料电池装置(SOFC)的整体构成图。
图2是本发明一个实施方式的固体氧化物型燃料电池装置中内置的燃料电池单电池收容容器的剖视图。
图3是分解表示本发明一个实施方式的固体氧化物型燃料电池装置中内置的燃料电池单电池收容容器的主要构件的剖视图。
图4是放大表示本发明一个实施方式的固体氧化物型燃料电池装置中内置的排气汇集室部分的剖视图。
图5是图2的V-V剖面。 图6(a)是放大表示下端为负极的燃料电池单电池的下端部的剖视图，(b)是放大表示下端为正极的燃料电池单电池的下端部的剖视图。
图7是本发明一个实施方式的在固体氧化物型燃料电池装置中被使用的集电体的说明图。
图8是本发明一个实施方式的固体氧化物型燃料电池装置的制造工序中的一个工序的说明图。
图9是本发明一个实施方式的固体氧化物型燃料电池装置的制造工序中的一个工序的说明图。
图10是本发明的一个实施方式的固体氧化物型燃料电池装置的制造工序中的第I实施例所涉及的集电体的固定方法的说明图。
图11是第I实施例所涉及的集电体的固定方法的流程图。
图12是表示在本发明一个实施方式的固体氧化物型燃料电池装置中集电体被固定与燃料电池单电池的状态的说明图。
图13是本发明一个实施方式的固体氧化物型燃料电池装置的制造工序中的第2实施例所涉及的集电体的固定方法的流程图。
图14是本发明一个实施方式的固体氧化物型燃料电池装置的制造工序中的第3实施例所涉及的集电体的固定方法的说明图。
图15是第3实施例所涉及的集电体的固定方法的流程图。
图16是本发明一个实施方式的固体氧化物型燃料电池装置的制造工序中的第4实施例所涉及的集电体的固定方法的说明图。
图17是第4实施例所涉及的集电体的固定方法的流程图。
符号说明
1-固体氧化物型燃料电池装置；2_燃料电池模块；4_辅助设备单元；16_燃料电池单电池；16a-单电池；18-排气汇集室；18a-汇集室上构件；18b_汇集室下构件；63_第I固定构件;80-母线；82-集电体；82A-82B-集电体；83a_83e-集电板;84_安装孔；84a-弹性片；84b-假想线；97_多孔质支撑体；98_燃料极层；99_反应抑制层；100_固体电解质层；101-空气极层；102-互连层；103a，103b-电极层；104a，104b_导线膜层；151-粘接剂；151a-粘合剂成分；151b-固体粉末；152-电极保护层；153_粘接剂；
【具体实施方式】
[0025]下面，参照【附图说明】本发明实施方式的固体氧化物型燃料电池装置(SOFC)。
图1是表示本发明一个实施方式的固体氧化物型燃料电池装置(SOFC)的整体构成图。如该图1所示，本发明一个实施方式的固体氧化物型燃料电池装置(SOFC)I具备燃料电池模块2和辅助设备单元4。
[0026]燃料电池模块2具备壳体6，在该壳体6内部隔着绝热材料7配置有燃料电池单电池收容容器8。在该燃料电池单电池收容容器8内的内部构成有发电室10，在该发电室10中以同心圆状配置有多个燃料电池单电池16，通过这些燃料电池单电池16，进行燃料气体和氧化剂气体即空气的发电反应。
[0027]在各燃料电池单电池16的上端部安装有排气汇集室18。在各燃料电池单电池16中未使用于发电反应而残余的残余燃料(剩余气体)汇聚在安装于上端部的排气汇集室18中，从设置在该排气汇集室18的顶棚面上的多个喷出口流出。所流出的燃料通过在发电室10内未使用于发电而残余的空气而燃烧，生成排放气体。
[0028]接下来，辅助设备单元4具备:纯水箱26，贮存来自水管等供水源24的水并通过过滤器使其成为纯水；及供水装置即水流量调节单元28 (由电动机驱动的“水泵”等)，调节从该纯水箱供给的水的流量。另外，辅助设备单元4具备燃料供给装置即燃料鼓风机38 (由电动机驱动的“燃料泵”等)，调节从城市煤气等的燃料供给源30供给的烃类原燃料气体的流量。
[0029]另外，流经燃料鼓风机38的原燃料气体介由配置在燃料电池模块2内的脱硫器36以及换热器34、电磁阀35而被导入燃料电池单电池收容容器8的内部。脱硫器36以环状配置在燃料电池单电池收容容器8的周围，从原燃料气体除去硫。另外，换热器34被设置为用于防止在脱硫器36中温度上升后的高温原燃料气体直接流入电磁阀35而导致电磁阀35劣化。电磁阀35被设置为用于停止向燃料电池单电池收容容器8内供给原燃料气体。
[0030]辅助设备单元4具备氧化剂气体供给装置即空气流量调节单元45 (由电动机驱动的“空气鼓风机”等)，调节从空气供给源40供给的空气的流量。
[0031]而且，辅助设备单元4中具备温水制造装置50，其用于回收来自燃料电池模块2的排放气体的热量。该温水制造装置50被供给自来水，该自来水由于排放气体的热量而成为温水，并被供给至未图示的外部供热水器的贮热水箱。
而且，在燃料电池模块2上连接有电力导出部(电力转换部)即逆变器54，其用于向外部供给由燃料电池模块2发出的电力。
[0032]下面，根据图2及图3，说明本发明实施方式的固体氧化物型燃料电池装置(SOFC)的燃料电池模块中内置的燃料电池单电池收容容器的内部结构。
图2是燃料电池单电池收容容器的剖视图，图3是分解表示燃料电池单电池收容容器的主要构件的剖视图。
如图2所示，在燃料电池单电池收容容器8内的空间中以同心圆状排列有多个燃料电池单电池16，以包围其周围的方式依次以同心圆状形成有燃料流路即燃料气体供给流路20、排气排出流路21、氧化剂气体供给流路22。在此，排气排出流路21及氧化剂气体供给流路22作为供给/排出氧化剂气体的氧化剂气体流路而发挥作用。
[0033]首先，如图2所示，燃料电池单电池收容容器8是大致圆筒状的密闭容器，在其侧面连接有供给发电用空气的氧化剂气体流入口即氧化剂气体导入管56以及排出排放气体的排气排出管58。而且，点火加热器62从燃料电池单电池收容容器8的上端面突出，用于对从排气汇集室18流出的残余气体进行点火。
[0034]如图2及图3所示，在燃料电池单电池收容容器8的内部以包围燃料电池单电池16周围的方式，从内侧依次配置有发电室构成构件即内侧圆筒构件64、外侧圆筒构件66、内侧圆筒容器68、外侧圆筒容器70。上述的燃料气体供给流路20、排气排出流路21及氧化剂气体供给流路22是各自构成在这些圆筒构件及圆筒容器之间的流路，在相邻的流路之间进行热交换。
即，排气排出流路21被配置为包围燃料气体供给流路20，氧化剂气体供给流路22被配置为包围排气排出流路21。另外，燃料电池单电池收容容器8下端侧的开放空间被大致圆形的分散室基底构件72封闭，该分散室基底构件72构成使燃料分散至各燃料电池单电池16的燃料气体分散室76的底面。
[0035]内侧圆筒构件64是大致圆筒状的中空体，其上端及下端开放。而且，在内侧圆筒构件64的内壁面上气密地焊接有分散室形成板即圆形的第I固定构件63。通过该第I固定构件63的下面、内侧圆筒构件64的内壁面及分散室基底构件72的上面而划分出燃料气体分散室76。另外，在第I固定构件63上形成有使各个燃料电池单电池16插通的多个插通孔63a，各燃料电池单电池16在插通于各插通孔63a的状态下，通过陶瓷粘接剂而粘接于第I固定构件63。如此，在本实施方式的固体氧化物型燃料电池装置I中，在构成燃料电池模块2的构件之间相互的接合部填充陶瓷粘接剂，通过使其固化，从而各构件相互气密地接合。
[0036]外侧圆筒构件66是配置在内侧圆筒构件64周围的圆筒状管，其形成为与内侧圆筒构件64大致相似的形状，与内侧圆筒构件64之间形成圆环状流路。进而，在内侧圆筒构件64和外侧圆筒构件66之间配置有中间圆筒构件65。中间圆筒构件65是配置在内侧圆筒构件64和外侧圆筒构件66之间的圆筒状管，在内侧圆筒构件64的外周面和中间圆筒构件65的内周面之间构成有重整部94。而且，中间圆筒构件65的外周面和外侧圆筒构件66的内周面之间的圆环状空间作为燃料气体供给流路20而发挥作用。因此，重整部94及燃料气体供给流路20通过燃料电池单电池16的发热以及排气汇集室18上端的残余燃料的燃烧而获得热量。另外，内侧圆筒构件64的上端部和外侧圆筒构件66的上端部通过焊接而气密地接合，燃料气体供给流路20的上端被封闭。另外，中间圆筒构件65的下端和内侧圆筒构件64的外周面通过焊接而气密地接合。
[0037]内侧圆筒容器68是配置在外侧圆筒构件66周围的圆形截面的杯状构件，其侧面形成为与外侧圆筒构件66大致相似的形状，与外侧圆筒构件66之间形成大致一定宽度的圆环状流路。该内侧圆筒容器68配置为覆盖内侧圆筒构件64上端的开放部。外侧圆筒构件66的外周面和内侧圆筒容器68的内周面之间的圆环状空间作为排气排出流路21 (图2)而发挥作用。该排气排出流路21介由设置在内侧圆筒构件64上端部的多个小孔64a而与内侧圆筒构件64内侧的空间连通。另外，在内侧圆筒容器68的下部侧面连接有排气流出口即排气排出管58，排气排出流路21与排气排出管58连通。
[0038]在排气排出流路21的下部配置有燃烧催化剂60及用于对其进行加热的铠装加热器61。
燃烧催化剂60是位于排气排出管58的上方，被填充在外侧圆筒构件66的外周面和内侧圆筒容器68的内周面之间的圆环状空间内的催化剂。沿排气排出流路21下降的排放气体通过流经燃烧催化剂60而除去一氧化碳，并从排气排出管58排出。
铠装加热器61是燃烧催化剂60下方的以包围外侧圆筒构件66外周面的方式安装的电加热器。在固体氧化物型燃料电池装置I的起动时，通过向铠装加热器61通电，从而将燃烧催化剂60加热至活性温度。
[0039]外侧圆筒容器70是配置在内侧圆筒容器68周围的圆形截面的杯状构件，其侧面形成为与内侧圆筒容器68大致相似的形状，与内侧圆筒容器68之间形成大致一定宽度的圆环状流路。内侧圆筒容器68的外周面和外侧圆筒容器70的内周面之间的圆环状空间作为氧化剂气体供给流路22而发挥作用。 另外，在外侧圆筒容器70的下部侧面连接有氧化剂气体导入管56，氧化剂气体供给流路22与氧化剂气体导入管56连通。
[0040]分散室基底构件72是大致圆形的盘状构件，通过陶瓷粘接剂而气密地固定于内侧圆筒构件64的内壁面。由此，在第I固定构件63和分散室基底构件72之间构成燃料气体分散室76。另外，在分散室基底构件72的中央设置有用于使母线80(图2)插通的插通管72a。与各燃料电池单电池16电连接的母线80经由该插通管72a而被引出至燃料电池单电池收容容器8的外部。另外，插通管72a中填充有陶瓷粘接剂，确保燃料气体分散室78的气密性。而且，在插通管72a的周围配置有绝热材料72b (图2)。
[0041]以从内侧圆筒容器68的顶棚面垂下的方式安装有用于喷射发电用空气的圆形截面的氧化剂气体喷射用管74。该氧化剂气体喷射用管74在内侧圆筒容器68的中心轴线上沿铅垂方向延伸，在其周围的同心圆上配置各燃料电池单电池16。由于氧化剂气体喷射用管74的上端安装在内侧圆筒容器68的顶棚面上，从而形成在内侧圆筒容器68和外侧圆筒容器70之间的氧化剂气体供给流路22与氧化剂气体喷射用管74连通。介由氧化剂气体供给流路22而供给的空气从氧化剂气体喷射用管74的前端向下方喷射，与第I固定构件63的上面接触，从 而扩散至发电室10内整体。
[0042]燃料气体分散室76是在第I固定构件63和分散室基底构件72之间构成的圆筒形的具有气密性的腔室，在其上面竖立有各燃料电池单电池16。安装在第I固定构件63上面上的各燃料电池单电池16内侧的燃料极与燃料气体分散室76的内部连通。各燃料电池单电池16的下端部贯穿第I固定构件63的插通孔63a而向燃料气体分散室76的内部突出，各燃料电池单电池16通过粘接而被固定于第I固定构件63。
[0043]如图2所示，在内侧圆筒构件64上设置有多个小孔64b，其位于第I固定构件63的下方。内侧圆筒构件64外周和中间圆筒构件65内周之间的空间介由多个小孔64b而与燃料气体分散室76内连通。所供给的燃料先沿外侧圆筒构件66内周和中间圆筒构件65外周之间的空间上升，其后沿内侧圆筒构件64外周和中间圆筒构件65内周之间的空间下降，经由多个小孔64b而流入燃料气体分散室76内。流入燃料气体分散室76的燃料被分配至安装于燃料气体分散室76顶棚面(第I固定构件63)的各燃料电池单电池16的燃料极。
[0044]而且，向燃料气体分散室76内突出的各燃料电池单电池16的下端部在燃料气体分散室76内与母线80电连接，经由插通管72a而向外部导出电力。母线80是向燃料电池单电池收容容器8的外部导出由各燃料电池单电池16生成的电力的细长金属导体，介由绝缘子78而被固定于分散室基底构件72的插通管72a。母线80在燃料气体分散室76的内部与安装于各燃料电池单电池16的集电体82电连接。而且，母线80在燃料电池单电池收容容器8的外部连接于逆变器54 (图1)。另外，集电体82还安装于向排气汇集室18内突出的各燃料电池单电池16的上端部(图4)。通过这些上端部及下端部的集电体82，多个燃料电池单电池16并联电连接，同时并联连接的多组燃料电池单电池16串联电连接，该串联连接的两端分别连接于母线80。
[0045]下面，参照图4及图5，说明排气汇集室的构成。
图4是放大表示排气汇集室部分的剖视图，图5是图2的V-V剖面。
如图4所示，排气汇集室18是安装于各燃料电池单电池16上端部的环型截面的腔室，氧化剂气体喷射用管74在该排气汇集室18的中央贯穿并延伸。
[0046]如图5所示，在内侧圆筒构件64的内壁面上等间隔地安装有排气汇集室18支撑用的3个撑板64c。如图4所示，各撑板64c是将金属制薄板折弯的小片，通过将排气汇集室18载放在各撑板64c上，从而排气汇集室18被定位在与内侧圆筒构件64的同心圆上。由此，排气汇集室18外周面和内侧圆筒构件64内周面之间的间隙、及排气汇集室18内周面和氧化剂气体喷射用管74外周面之间的间隙在整个圆周上均匀一致(图5)。
[0047]排气汇集室18通过使汇集室上构件18a及汇集室下构件18b气密地接合而构成。 汇集室下构件18b是上方开放的圆形盘状构件，在其中央设置有用于使氧化剂气体喷射用管74贯穿的圆筒部。
汇集室上构件18a是下方开放的圆形盘状构件，在其中央设置有用于使氧化剂气体喷射用管74贯穿的开口部。汇集室上构件18a构成为如下形状，可嵌入汇集室下构件18b的向上方开口的环型截面区域。
[0048]在汇集室下构件18b周壁的内周面和汇集室上构件18a外周面之间的间隙填充陶瓷粘接剂，进行固化从而确保该接合部的气密性。
另外，在由填充至该接合部的陶瓷粘接剂形成的陶瓷粘接剂层上配置有大直径密封环19a，覆盖陶瓷粘接剂层。大直径密封环19a是圆环状薄板，其被配置为在填充陶瓷粘接剂后，覆盖所填充的陶瓷粘接剂，并通过粘接剂固化而被固定于排气汇集室18。
[0049]另一方面，在汇集室下构件18b中央的圆筒部外周面和汇集室上构件18a中央的开口部边缘之间也填充有陶瓷粘接剂，进行固化从而确保该接合部的气密性。另外，在由填充至该接合部的陶瓷粘接剂形成的陶瓷粘接剂层上配置有小直径密封环1%，覆盖陶瓷粘接剂层。小直径密封环1%是圆环状薄板，其被配置为在填充陶瓷粘接剂后，覆盖所填充的陶瓷粘接剂，并通过粘接剂固化而被固定于排气汇集室18。
[0050]在汇集室下构件18b的底面上设置有多个圆形插通孔18c。燃料电池单电池16的上端部分别插通在各插通孔18c中，各燃料电池单电池16贯穿各插通孔18c而延伸。在各燃料电池单电池16贯穿的汇集室下构件18b的底面上注入陶瓷粘接剂，通过使其固化，从而各燃料电池单电池16外周和各插通孔18c之间的间隙被气密地填充，同时将各燃料电池单电池16固定于汇集室下构件18b。
[0051]进而，在汇集室下构件18b的底面上所注入的陶瓷粘接剂上配置有圆形薄板状的覆盖构件19c，通过陶瓷粘接剂固化而被固定于汇集室下构件18b。在覆盖构件19c的与汇集室下构件18b的各插通孔18c同样的位置上设置有多个插通孔，各燃料电池单电池16的上端部贯穿陶瓷粘接剂层及覆盖构件19c而延伸。
[0052]另一方面，在排气汇集室18的顶棚面上设置有用于使所汇集的燃料气体喷出的多个喷出口 18d(图5)。各喷出口 18d配置在汇集室上构件18a的圆周上。未使用于发电而残余的燃料从各燃料电池单电池16的上端向排气汇集室18内流出，汇集在排气汇集室18内的燃料从各喷出口 18d流出，并在此燃烧。
[0053]下面，参照图2，说明用于对从燃料供给源30供给的原燃料气体进行重整的构成。 首先，在由内侧圆筒构件64和外侧圆筒构件66之间的空间构成的燃料气体供给流路
20的下部设置有用于使水蒸气重整用水蒸发的蒸发部86。蒸发部86由安装在外侧圆筒构件66的下部内周上的环状倾斜板86a及供水管88构成。另外，蒸发部86被配置为比用于导入发电用空气的氧化剂气体导入管56更靠下方，比排出排放气体的排气排出管58更靠上方。倾斜板86a是形成为环状的金属薄板，其外周缘安装在外侧圆筒构件66的内壁面上。另一方面，倾斜板86a的内周缘比外周缘位于上方，在倾斜板86a的内周缘和内侧圆筒构件64的外壁面之间设置有间隙。
[0054]供水管88是从内侧圆筒构件64的下端向燃料气体供给流路20内沿铅垂方向延伸的管，从水流量调节单元28供给的水蒸气重整用水介由供水管88而被供给至蒸发部86。供水管88的上端贯穿倾斜板86a而延伸至倾斜板86a的上面侧，供给至倾斜板86a的上面侧的水贮留在倾斜板86a的上面和外侧圆筒构件66的内壁面之间。供给至倾斜板86a的上面侧的水在此被蒸发而生成水蒸气。
[0055]另外，在蒸发部86的下方设置有燃料气体导入部，用于向燃料气体供给流路20内导入原燃料气体。从燃料鼓风机38送来的原燃料气体介由燃料气体供给管90而被导入燃料气体供给流路20。燃料气体供给管90是从内侧圆筒构件64的下端向燃料气体供给流路20内沿铅垂方向延伸的管。
另外，燃料气体供给管90的上端比倾斜板86a位于下方。从燃料鼓风机38送来的原燃料气体被导入至倾斜板86a的下侧，利用倾斜板86a的倾斜而使流路收缩并向倾斜板86a的上侧上升。向倾斜板86a的上侧上升的原燃料气体与蒸发部86中生成的水蒸气一起上升。
[0056]在燃料气体供给流路20内的蒸发部86上方设置有燃料气体供给流路隔板92。燃料气体供给流路隔板92是圆环状的金属板，其被设置为上下隔开外侧圆筒构件66内周和中间圆筒构件65外周之间的圆环状空间。在该燃料气体供给流路隔板92的圆周上等间隔地设置有多个喷射口 92a，通过这些喷射口 92a而使燃料气体供给流路隔板92上侧的空间和下侧的空间连通。从燃料气体供给管90导入的原燃料气体及蒸发部86中生成的水蒸气先滞留在燃料气体供给流路隔板92下侧的空间内，其后经由各喷射口 92a而向燃料气体供给流路隔板92上侧的空间喷射。从各喷射口 92a向燃料气体供给流路隔板92上侧的宽阔空间喷射时，原燃料气体及水蒸气急剧减速，在此充分混合。
[0057]而且，在中间圆筒构件65内周和内侧圆筒构件64外周之间的圆环状空间的上部设置有重整部94。重整部94被配置为包围各燃料电池单电池16的上部及其上方的排气汇集室18的周围。重整部94由安装在内侧圆筒构件64的外壁面上的催化剂保持板(未图示)及被其保持的重整催化剂96构成。
[0058]如此，在燃料气体供给流路隔板92上侧的空间内混合的原燃料气体及水蒸气与填充在重整部94内的重整催化剂96接触时，在重整部94内进行式(I)所示的水蒸气重整反应SR。
CmHn+xH20 — aC02+bC0+cH2 (I)
[0059]重整部94中重整的燃料气体沿中间圆筒构件65内周和内侧圆筒构件64外周之间的空间流向下方，流入燃料气体分散室76，并供给至各燃料电池单电池16。虽然水蒸气重整反应SR是吸热反应，但是反应所需的热量通过从排气汇集室18流出的剩余气体的燃烧热量以及在各燃料电池单电池16中产生的发热而得到供给。
[0060]下面，参照图6说明燃料电池单电池16。
在本发明实施方式的固体氧化物型燃料电池装置I中，作为燃料电池单电池16，采用使用固体氧化物的圆筒横条纹型单电池。在各燃料电池单电池16上以横条纹状形成有多个单电池16a，通过使它们串联电连接而构成I根燃料电池单电池16。各燃料电池单电池16构成为其一端为正极(阳极)，另一端为负极(阴极)，多个燃料电池单电池16中的一半被配置为上端为正极且下端为负极，剩下的一半被配置为上端为负极且下端为正极。
[0061]图6(a)是放大表示下端为负极的燃料电池单电池16的下端部的剖视图，图6 (b)是放大表示下端为正极的燃料电池单电池16的下端部的剖视图。
[0062]如图6所示，燃料电池单电池16由细长圆筒状的多孔质支撑体97和以横条纹状形成在该多孔质支撑体97外侧的多个层形成。在多孔质支撑体97的周围从内侧依次以横条纹状分别形成有燃料极层98、反应抑制层99、固体电解质层100、空气极层101。因此，介由燃料气体分散室76而供给的燃料气体流过各燃料电池单电池16的多孔质支撑体97的内部，从氧化剂气体喷射用管74喷射的空气流过空气极层101的外侧。形成在燃料电池单电池16上的各单电池16a由一组燃料极层98、反应抑制层99、固体电解质层100及空气极层101构成。I个单电池16a的燃料极层98介由互连层102而与邻接的单电池16a的空气极层101电连接。由此，形成在I根燃料电池单电池16上的多个单电池16a串联电连接。
[0063]如图6(a)所示，在燃料电池单电池16的负极侧端部，在多孔质支撑体97的外周上形成有电极层103a，在该电极层103a的外侧形成有导线膜层104a。在负极侧端部，位于端部的单电池16a的空气极层101和电极层103a通过互连层102而电连接。上述电极层103a及导线膜层104a在燃料电池单电池16端部贯穿第I固定构件63，形成为与第I固定构件63相比向下方突出。电极层103a形成至比导线膜层104a更靠下方，集电体82与露出于外部的电极层103a电连接。由此，位于端部的单电池16a的空气极层101介由互连层102、电极层103a而与集电体82连接，电流如图中的箭头般流动。另外，在第I固定构件63的插通孔63a的边缘和导线膜层104a之间的间隙填充有陶瓷粘接剂，燃料电池单电池16通过导线膜层104a的外周而被固定于第I固定构件63。
[0064]如图6(b)所示，在燃料电池单电池16的正极侧端部，位于端部的单电池16a的燃料极层98被延长，燃料极层98的延长部作为电极层103b而发挥作用。在电极层103b的外侧形成有导线膜层104b。
上述电极层103b及导线膜层104b在燃料电池单电池16端部贯穿第I固定构件63，形成为与第I固定构件63相比向下方突出。
电 极层103b形成至比导线膜层104b更靠下方，集电体82与露出于外部的电极层103b电连接。由此，位于端部的单电池16a的燃料极层98介由一体形成的电极层103b而与集电体82连接，电流如图中的箭头般流动。另外，在第I固定构件63的插通孔63a的边缘和导线膜层104b之间的间隙填充有陶瓷粘接剂，燃料电池单电池16通过导线膜层104b的外周而被固定于第I固定构件63。
[0065]虽然在图6 (a) (b)中说明了各燃料电池单电池16的下端部的构成，但是各燃料电池单电池16的上端部的构成也相同。另外，虽然在上端部，各燃料电池单电池16固定于排气汇集室18的汇集室下构件18b，但是固定部分的构成与下端部的相对于第I固定构件63的固定相同。
[0066]下面，说明多孔质支撑体97及各层的构成。
在本实施方式中，多孔质支撑体97通过对镁橄榄石粉末及粘合剂的混合物进行挤压成形并进行烧结而形成。
在本实施方式中，燃料极层98是由N1粉末及10YSZ (1mol % Y203-90moI % ZrO2)粉末的混合物构成的导电性薄膜。
[0067]在本实施方式中，反应抑制层99是由铈系复合氧化物(LDC40，即40mol %的La203-60mol%的CeO2)等构成的薄膜，由此，抑制燃料极层98与固体电解质层100之间的化学反应。
在本实施方式中，固体电解质层100是由La。.JraiGaa8Mga2O3组成的LSGM粉末构成的薄膜。氧化物离子和氢或一氧化碳介由该固体电解质层100而进行反应，由此生成电能。
[0068]在本实施方式中，空气极层101是由Latl 6SraWotl 8Fetl 2O3组成的粉末构成的导电性薄膜。
在本实施方式中，互连层102是由SLT(掺镧的钛酸锶)构成的导电性薄膜。燃料电池单电池16上邻接的单电池16a介由互连层102而连接。
在本实施方式中，电极层103a、103b由与燃料极层98相同的材料形成。
在本实施方式中，导线膜层104a、104b由与固体电解质层100相同的材料形成。
[0069]另外，导线膜层104a、104b是与固体电解质层100同样致密的层，通过与陶瓷粘接剂粘接而能够确保气密性。
另外，在本实施方式中，虽然电极层103a、103b由与燃料极层98相同的多孔质材料形成，但是不局限于此，电极层103a、103b也可以由含有与反应抑制层99、空气极层101相同的多孔质材料的其他的导电性多孔质材料形成。例如，也可以将在最靠近燃料电池单电池16的端部的位置上形成的单电池16a的空气极层101进一步在端部方向上延长，而将该延长的部分作为电极层。
[0070]下面，参照图7对集电体进行说明。
图7是从上方观察集电体82的图。图7 (a)、图7 (b)分别表示在燃料电池单电池16的上端部、下端部上安装的集电体82A、82B。图7 (c)是在集电体82A、82B上形成的安装孔84的放大图。
[0071]集电体82是通过对具有弹性及导电性的薄的板材进行机械加工而被形成的。在本实施方式中是使用镍的板材而被形成的。
集电体82A由2个大致半圆形的集电板83a、83b组成。集电体82A通过这些集电板83a,83b被邻接地配置而具有大致圆形的外形，同时在中央部分上形成有用于插入氧化剂气体喷射用管74的圆形开口。
[0072]集电体82B由I个大致半圆形集电板83c和2个大致四分之一圆形的集电板83d、83e组成。集电体82B通过这些集电板83c_83e被邻接地配置而具有大致圆形的外形，同时在中央部分上形成有圆形开口。在集电板83d、83e设有用于连接母线80的连接部83f、
83g0
[0073]在本实施方式中，多个(在该例中为76根)燃料电池单电池16被分为每组19根的4个组。而且，如图2所示，当在燃料电池单电池16的上端部及下端部上连接有集电体82时，则各组燃料电池单电池16介由集电体82而被并联连接，进一步4个组被串联连接。BP，例如，当在一方的母线80上连接的集电板83d为正极(阳极)时，贝U介由在集电板83d上连接的第I组燃料电池单电池16，集电板83a的下侧一半成为负极(阴极)，而上侧一半成为正极，进一步介由第2组燃料电池单电池16，集电板83c的左侧一半成为负极。同样地，集电板83c的右侧一半成为正极，介由第3组的燃料电池单电池16，集电板83b的上侧一半成为负极，而下侧一半则成为正极，最后介由第4组燃料电池单电池16，连接于另一方的母线80的集电板83e成为负极。
[0074]如图7 (C)所示，各集电板的安装孔84是通过机械加工的放射状的切割而被形成的。I个安装孔84由6根切割线形成。连接切割线的两端的假想线84b形成与燃料电池单电池16的外形尺寸(假想线84c)相比更大的圆形。通过该切割线，以从该假想线84b (换言之，安装孔84的内周边缘)向圆的中心方向(直径方向内侧)延伸出的方式形成有12个弹性片84a。
[0075]各弹性片84a是随着朝向顶端而成为渐细的大致扇形的形状，且顶端部相对于根端部(假想线84b)可弹性地弯曲。因而，在将燃料电池单电池16插入于安装孔84时，弹性片84a的顶端部与燃料电池单电池16的外周面抵接且沿着外周面弯曲，从而弹性片84a弹性地卡合于燃料电池单电池16。而且，当燃料电池单电池16相对于集电板而被插入至规定位置时，则集电板通过弹性片84a的弹力而被保持于燃料电池单电池16。
[0076]下面，参照图1及图2，说明固体氧化物型燃料电池装置I的作用。
首先，在固体氧化物型燃料电池装置I的起动工序中，使燃料鼓风机38起动，开始燃料供给，同时开始向铠装加热器61通电。通过开始向铠装加热器61通电，从而加热配置在其上方的燃烧催化剂60，同时还加热配置在内侧的蒸发部86。通过燃料鼓风机38而供给的燃料介由脱硫器36、换热器34、电磁阀35，从燃料气体供给管90流入燃料电池单电池收容容器8的内部。流入的燃料沿燃料气体供给流路20内上升至上端后，沿重整部94内下降，经由设置在内侧圆筒构件64下部的小孔64b而流入燃料气体分散室76。另外，由于在固体氧化物型燃料电池装置I刚刚起动之后，重整部94内的重整催化剂96的温度并未充分上升，因此不进行燃料重整。
[0077]流入燃料气体分散室76的燃料气体经由安装在燃料气体分散室76的第I固定构件63上的各燃料电池单电池16的内侧(燃料极侧)而流入排气汇集室18。另外，由于在固体氧化物型燃料电池装置I刚刚起动之后，各燃料电池单电池16的温度并未充分上升，而且，也未向逆变器54进行电力导出，因此不发生发电反应。
[0078]流入排气汇集室18的燃料从排气汇集室18的喷出口 18d喷出。从喷出口 18d喷出的燃料通过点火加热器62进行点火，并在此燃烧。通过该燃烧，配置在排气汇集室18周围的重整部94被加热。另外，通过燃烧而生成的排放气体经由设置在内侧圆筒构件64上部的小孔64a而流入排气排出流路21。高温的排放气体沿排气排出流路21内下降，加热流过设置在其内侧的燃料气体供给流路20的燃料、流过设置在外侧的氧化剂气体供给流路22内的发电用空气。进而，排放气体通过流经配置在排气排出流路21内的燃烧催化剂60而除去一氧化碳，经由排气排出管58而从燃料电池单电池收容容器8排出。
[0079]通过排放气体及铠装加热器61加热蒸发部86时，供给至蒸发部86的水蒸气重整用水被蒸发，从而生成水蒸气。通过水流量调节单元28将水蒸气重整用水介由供水管88而供给至燃料电池单电池收容容器8内的蒸发部86。蒸发部86中生成的水蒸气和介由燃料气体供给管90而供给的燃料先滞留在燃料气体供给流路20内的燃料气体供给流路隔板92的下侧空间内，并从设置于燃料气体供给流路隔板92的多个喷射口 92a喷出。从喷射口92a强劲喷射的燃料及水蒸气在燃料气体供给流路隔板92的上侧空间内减速，由此充分混入口 ο
[0080]混合后的燃料及水蒸气沿燃料气体供给流路20内上升，流入重整部94。在重整部94的重整催化剂96上升至可进行重整的温度的状态下，燃料及水蒸气的混合气体流经重整部94时，发生水蒸气重整反应，混合气体被重整为富含氢的燃料。重整后的燃料经由小孔64b而流入燃料气体分散室76。在燃料气体分散室76的周围设置有很多的小孔64b，由于作为燃料气体分散室76确保有足够的容积，因此重整后的燃料均等地流入向燃料气体分散室76突出的各燃料电池单电池16。
[0081]另一方面，由空气流量调节单元45供给的氧化剂气体即空气介由氧化剂气体导入管56而流入氧化剂气体供给流路22。流入氧化剂气体供给流路22的空气被流经内侧的排放气体加热，并沿氧化剂气体供给流路22内上升。沿氧化剂气体供给流路22内上升的空气在燃料电池单电池收容容器8内的上端部向中央汇聚，流入与氧化剂气体供给流路22连通的氧化剂气体喷射用管74。流入氧化剂气体喷射用管74的空气从下端向发电室10内喷射，所喷射的空气与第I固定构件63的上面接触，从而扩散至发电室10内整体。流入发电室10内的空气经由排气汇集室18外周壁和内侧圆筒构件64内周壁之间的间隙以及排气汇集室18内周壁和氧化剂气体喷射用管74外周面之间的间隙而上升。
[0082]此时，流经各燃料电池单电池16外侧(空气极侧)的空气的一部分被利用于发电反应。而且，上升至排气汇集室18上方的空气的一部分被利用于从排气汇集室18的喷出口 18d喷出的燃料的燃烧。通过燃烧而生成的排放气体以及未利用于发电、燃烧而残余的空气经由小孔64a而流入排气排出流路21。流入排气排出流路21的排放气体及空气通过燃烧催化剂60而除去一氧化碳后被排出。
[0083]如此，如果各燃料电池单电池16上升至可发电的温度即650°C左右，重整后的燃料沿各燃料电池单电池16的内侧(燃料极侧)流动，空气沿外侧(空气极侧)流动，则通过化学反应而产生电动势。在该状态下，逆变器54与从燃料电池单电池收容容器8引出的母线80连接时，则从各燃料电池单电池16导出电力，从而进行发电。
[0084]另外，在本实施方式的固体氧化物型燃料电池装置I中，发电用空气从配置在发电室10中央的氧化剂气体喷射用管74喷出，经由排气汇集室18和内侧圆筒构件64之间均等的间隙以及排气汇集室18和氧化剂气体喷射用管74之间均等的间隙而沿发电室10内上升。因此，发电室10内的空气流动成为大致完全轴对称的流动，在各燃料电池单电池16的周围，空气均匀地流动。由此，可抑制各燃料电池单电池16之间的温度差，可以在各燃料电池单电池16中产生均等的电动势。
[0085]下面，参照图2-图4、图8及图9对本发明实施方式的固体氧化物型燃料电池装置I的制造工序的概要进行说明。
首先，通过焊接而一体地组装内侧圆筒构件64、中间圆筒构件65、外侧圆筒构件66、及第I固定构件63(参照图3)。另外，在设置于内侧圆筒构件64和中间圆筒构件65之间的重整部94中填充重整催化剂96。并且，再通过焊接来安装供水管88及燃料气体供给管90。
[0086]接下来，将燃料电池单电池16的一方的端部插通于第I固定构件63的插通孔63a，并利用夹具等相对于第I固定构件63而对燃料电池单电池16进行定位。接着，在被定位的燃料电池单电池16的另一方的端部侧上配置第2固定构件即汇集室下构件18b。 如此，在各燃料电池单电池16被定位的状态下，在汇集室下构件18b之上注入陶瓷粘接剂，并在配置覆盖构件19c后通过在干燥炉内进行加热而使陶瓷粘接剂固化。由此，陶瓷粘接剂层118(参照图2)被形成。通过陶瓷粘接剂层118，燃料电池单电池16和汇集室下构件18b的单电池接合部被气密地接合。
另外，各燃料电池单电池16在其导线膜层104a、104b的部分通过陶瓷粘接剂而被粘接(参照图6)。
[0087]在陶瓷粘接剂的加热工序中，干燥炉内的温度从常温用约120分钟被上升至约600C，接着用约20分钟被上升至约80°C，此后在约80°C维持约60分钟。在维持约80°C的温度之后，干燥炉内温度用约30分钟被返回至常温。
通过该加热工序，陶瓷粘接剂被固化到可实施以后的制造工序的状态。另外，在后面的工序中，陶瓷粘接剂通过进行第2加热工序而被固化到能承受在固体氧化物型燃料电池装置I的起动工序中的温度上升的状态。
[0088]接下来，上下翻转组装体，在各燃料电池单电池16的顶端部突出的第I固定构件63之上注入陶瓷粘接剂，并在配置覆盖构件67之后通过在干燥炉内实施上述的加热工序而使陶瓷粘接剂固化。由此，陶瓷粘接剂层122 (参照图2)被形成。通过陶瓷粘接剂层122，燃料电池单电池16和第I固定构件63的单电池接合部被气密地接合。
[0089]接下来，如图8所示，在从第I固定构件63突出的各燃料电池单电池16的顶端部(未使上下翻转时的下端部)上安装有集电体82，该集电体82与母线80连接。集电体82相对于由多个燃料电池单电池16组成的单电池阵列，以各安装孔84位于对应的燃料电池单电池16的轴方向的上方的方式而被定位。而且，集电体82从上方相对于单电池阵列以规定的按压力而被按压。由此，燃料电池单电池16的端部被插入于各安装孔84，且集电体82通过安装孔84的弹性片84a的弹力而被安装于单电池阵列。
[0090]接下来，在组装体上安装分散室基底构件72。并且，在分散室基底构件72的外周面和内侧圆筒构件64的内周面之间的圆环状的间隙中填充陶瓷粘接剂。另外，在设置于分散室基底构件72中央的插通管72a中配置绝缘子78，并填充陶瓷粘接剂。从集电体82延伸的各母线80贯通该绝缘子78及陶瓷粘接剂。在该状态下，针对组装体执行上述的加热工序，使陶瓷粘接剂固化。
[0091]接下来，如图9所示，翻转组装体的上下，以从汇集室下构件18b突出的方式在被固定的各燃料电池单电池16顶的端部上安装集电体82。并且，在汇集室下构件18b上配置汇集室上构件18a，并在汇集室上构件18a与汇集室下构件18b的间隙中注入陶瓷粘接剂。另外，在陶瓷粘接剂之上配置大直径密封环19a、小直径密封环19b。在该状态下，针对组装体执行上述的加热工序，形成陶瓷粘接剂层120a、120b(参照图4)。
[0092]接下来，相对于组装体通过焊接或陶瓷粘接剂来安装内侧圆筒容器68及外侧圆筒容器70。此后，在外侧圆筒构件66和内侧圆筒容器68的间隙中填充陶瓷粘接剂，并通过上述的加热工序使其固化。在该加热工序之后，进一步执行升温到较高的温度(例如，约6500C )的第2加热工序，使各陶瓷粘接剂层固化到能承受起动工序中的温度上升的状态。
[0093]通过以上的工序，图2所示的组装体被制造，最后进行还原工序。在该还原工序中，在高温(例如约650°C )的炉内从燃料气体供给管90供给高温还原气体(燃料气体即氢气)，并使还原气体通过各燃料电池单电池16的燃料极侧。由此，在高温还原气体的环境中还原被氧化的燃料极，例如能够将燃料极所含的氧化镍还原成镍。
另外，还原工序也可以在上述的第2加热工序实施后并使组装体返回到低温之后执行，也可以接着第2加热工序连续执行，也可以同时执行两工序。
[0094]下面，针对本发明实施方式的固体氧化物型燃料电池装置I的制造工序中，将集电体82固定于燃料电池单电池16的单电池阵列的方法进行详细说明。
首先，参照图10-图12说明第I实施例。
图10是集电体的固定方法的说明图，图11是固定方法的流程图，图12是表示集电体被固定在燃料电池单电池的状态的说明图。
各燃料电池单电池16具有圆筒形状的多孔质支撑体97，在其外周面上形成有燃料极层98、反应抑制层99、固体电解质层100、空气极层101、电极层103a及103b、导线膜层104a及104b (参照图6) ο
[0095]首先，如图10(a)所示，在各燃料电池单电池16的两端部的电极层103a、103b的暴露面上涂布有具有导电性的粘接剂151 (图11的步骤SI)。该粘接剂涂布工序是在多个燃料电池单电池16被模块化成单电池阵列之前，即在各燃料电池单电池16是单体的状态下执行的。
[0096]本实施方式中的粘接剂151是在粘合剂成分151a中混合固体粉末151b而成的，在固化前呈膏状。作为粘合剂成分例如可以使用α-松油醇、非离子型表面活性剂、聚乙烯醇缩丁醛及聚缩醛的混合材料中的任意一种。固体粉末是在固体氧化物型燃料电池装置I的运行温度(例如，约600°C以上)以下烧结的颗粒状导电性材料，例如镍的粉末。粉末的平均粒径被设定为与多孔质体即电极层的细孔直径相同程度或与其相比更小。本实施方式的粉末的粒径为从ym级到数十μ??左右。因而，在粘接剂涂布工序中，粘接剂151的粘合剂成分151a及固体粉末151b的一部分进入到多孔质体即电极层的细孔内或以堵塞电极层细孔的开口的方式而被配置。
[0097]接下来，如图10(b)所示，加热粘接剂151，使粘合剂成分151a干燥(图11的步骤S2)。该干燥工序(第I固化工序)例如能够与上述的加热工序同样地通过将各燃料电池单电池16配置于干燥炉内的约80°C的环境中而使粘合剂成分151a干燥。虽然干燥工序中的干燥温度能够使粘合剂成分151a干燥，但是被设定在使固定粉末151b烧结的温度以下。另外，上述陶瓷粘接剂的加热工序也可以兼作该干燥工序。
[0098]在干燥工序中，通过粘合剂成分151a的干燥，在电极层整体的细孔内或在靠近表面的细孔内形成主要由固体粉末151b组成的电极保护层152(电极保护层形成工序)。
本实施方式的电极保护层152主要由细微的镍粉组成，是与电极层相比更硬的层。而且，通过遮盖电极层，电极保护层152能够对电极层进行保护以免受相对于电极层的外力。
[0099]接下来，通过将形成有电极保护层152的燃料电池单电池16在定位于第I固定构件63及汇集室下构件18b的状态下进行固定(参照图8)，而模块化成由多个燃料电池单电池16组成的单电池阵列(图11的步骤S3)。
[0100]接下来，如图10 (C)所示，执行在被模块化的燃料电池单电池16的两端部上分别安装集电体82的集电体安装工序(图11的步骤S4)。具体而言，如在图10(c)中用假想线所示，相对于单电池阵列而对集电体82的各集电板83a-83e进行定位。S卩，以集电体82的安装孔84的中心位于对应的燃料电池单电池16的大致轴中心上的方式配置各集电板。而且，如在图10(c)中用实线所示，相对于单电池阵列按压集电板82。由此，各燃料电池单电池16被插入于对应的安装孔84中。此时，安装孔84的多个弹性片84a沿着燃料电池单电池16的外周面弹性地弯曲，并与外周面抵接。而且，当将各集电板按压至规定位置时，则弹性片84a弹性地卡合于电极保护层152。由此，弹性片84a与电极保护层152被电连接。
[0101 ] 在相对于单电池阵列安装集电体82时，弯曲的弹性片84a —边与在燃料电池单电池16的外周面上形成的电极保护层152抵接，集电体82 —边移动至规定位置。此时，由于被电极保护层152遮盖，因此燃料电池单电池16的电极层被保护，免于因与弹性片84a抵接而损伤。因而，在本实施方式中，能够使用具备具有较大的弹力的弹性片84a的集电体
82ο
[0102]接下来，如图10 (d)所示，执行粘接弹性片84a与电极保护层152的粘接工序(第2固化工序)(图11的步骤S5)。具体而言，以固体粉末151b的熔点以下的温度对电极保护层152进行加热，从而实施使固体粉末151b烧结的工序。通过烧结，电极保护层152体积收缩而被致密化。虽然该烧结工序可以只为集电体82和燃料电池单电池16的粘接而执行，但是上述陶瓷粘接剂的第2加热工序或还原工序也可以兼作烧结工序。当第2加热工序或还原工序构成为兼作烧结工序时，则能够使制造工序短缩化。
[0103]在本实施方式中使用了镍粉作为固体粉末151b。因此，固体粉末151b从约250°C附近开始逐渐地烧结，并在升温至约550°C期间完全烧结。因而，在兼作烧结工序的第2加热工序或还原工序中，例如在逐渐地升温至约650°C的过程中能够使烧结工序完成。
[0104]另一方面，在本实施方式中，集电体82由镍板形成，当集电体82的温度上升时，则板材的弹性模量下降，另外，有可能会引起再结晶从而弹力下降。当因发生弹性模量下降或再结晶而引起弹力的下降时，则电极保护层152所对应的弹性片84a的按压力下降，从而有可能会导致弹性片84a与电极保护层152的接触被失去。镍的再结晶温度为约530°C -约660。。。
[0105]然而，在本实施方式中选择了在集电体82及粘接剂151中所含的固体粉末151b的材料，以便在集电体82的镍板材料具有弹力期间，完成或部分地完成电极保护层152的烧结。具体而言，在本实施方式中设定了固体粉末151b粒径等，以便在集电体82再晶体化之前固体粉末151b进行烧结。因此，能够在烧结工序中将弹性片84粘接于电极保护层152。
[0106]并且，在本实施方式中，在集电体安装工序之前，由于在电极层的表面上形成了电极保护层152，因此在安装集电体时能够防止电极层被弹性片84a抓挠而损伤(剥落)。因此，能够使用具有弹力比较大的弹性片84a的集电体82。即，能够用板厚比较大的板材形成集电体82。当弹性片84a的弹力较大时，则即使在固体氧化物型燃料电池I的运行中，燃料电池单电池16及集电体82被置在高温下时，弹性片84a也能够保持比较大的弹力。由此，即使在通过执行粘接工序而没有电极保护层152的粘接力的情况下，弹性片84a也能够利用其弹力而相对于电极层进行卡合，从而维持电连接。
[0107]在烧结工序中，当固体粉末151b被加热时，则至少固体粉末151b的表面部分变得具有流动性，成为部分的熔解状态。此时，由于弹性片84a通过弹力而按压电极保护层152，因此弹性片84a的顶端部，部分地沉入或埋没于电极保护层152中。在烧结的完成时刻，固体粉末151b的流动性消失而成为固体状态。电极保护层152通过从流动状态变为固体状态而发挥粘接功能。如此，当电极保护层152被烧结时，则如图12所示，弹性片84a相对于被烧结的电极保护层152而被牢固地粘接。由此，在运行中，在向弹性片84a施加应力或热等外在的负荷时，防止弹性片84a相对于电极层物理性地位移。因而，介由导电性的电极保护层152，集电体82和单电池阵列之间的导电性被确保。
[0108]如此，在烧结工序中，通过弹性片84a或是部分地沉入粘接剂(电极保护层152)或是被粘接剂覆盖，弹性片84a和粘接剂的接触面积变大，能够在两者间的粘接程度变得牢固的同时，减少弹性片84a和电极层之间的电阻。
[0109]另外，在本实施方式中，通过用与燃料极层98或空气极层101相同的多孔质材料形成电极层103a、103b，使制造工序简单化。因此，因为电极层具有多孔质构造，所以有可能会导电性不是那么良好，或是接触电阻变大。然而，在本实施方式中，由于不只是电极层的表面，至少在电极层表层的细孔内也形成有电极保护层152，因此能够在改善电极层的导电性的同时，减小电极保护层152和电极层之间的电阻，从而能够构成效率更好的燃料电池。
[0110]并且，因为通过电极保护层152的烧结，而进入到多孔质构造的电极层的细孔的固体粉末151b在成为部分地熔融状态之后固化且被致密化，所以在多孔质内的电气导通路径实际上被扩大。由此，能够形成高导电性且致密的互连构 造。
并且，在烧结工序中的致密化过程中，因为电极保护层152通过弹性片84a而被加压，所以在弹性片84a加压到电极层的位置上的电极保护层152的致密性被提高。由此，能够进一步提高弹性片84a付近的电气导通路径的导电性。
并且，在本实施方式中，由于粘接工序兼作致密化工序，因此能够使制造工序简单化。
[0111]另外，在将多个燃料电池单电池16模块化成单电池阵列之后执行粘接剂涂布工序时，粘接剂涂布工序成为非常费事的作业。然而，在本实施方式中，在模块化工序之前，能够相对于单体状态的燃料电池单电池16而执行粘接剂涂布工序及粘合剂干燥工序。因此，在本实施方式中，作业不费事，并能够使制造工序简单化。
[0112]另外，在本实施方式中，虽然电极保护层152兼作粘接剂，但是不局限于此，也可以进一步使用在电极保护层152之外的粘接剂而将弹性片84a更牢固地粘接在电极保护层152。使用其他的粘接剂是在利用电极保护层152而粘接功能不充分时或电极保护层152不具有粘接功能时有效。
[0113]下面，参照图13对集电体的固定方法的第2实施例进行说明。
如上述所述，在第I实施例中，虽然在将多个燃料电池单电池16模块化成单电池阵列的模块化工序之前，相对于各燃料电池单电池16执行了粘接剂涂布工序及粘合剂干燥工序，但是也可以在模块化工序之后相对于单电池阵列执行粘接剂涂布工序及粘合剂干燥工序。
[0114]S卩，在第2实施例中，如图13所示，以模块化工序(步骤Sll)，粘接剂涂布工序(步骤S12)、粘合剂干燥工序(步骤S13)、集电体安装工序(步骤S14)、粘接工序(步骤S15)的顺序而被执行。
根据这种构成，由于可以与陶瓷粘接剂的加热工序同时执行粘合剂干燥工序，因此可以实现制造工序的缩短化及节能化。
[0115]下面，参照图14及图15对集电体的固定方法的第3实施例进行说明。
在第3实施例中，首先将多个燃料电池单电池16如图8那样模块化成单电池阵列(图15的步骤S21)。
接下来，如图14(a)所示，在电极层103a，103b的表面上涂布导电性粘接剂151 (图15的步骤S22)。在该粘接剂涂布工序中，将膏状粘接剂151更厚地涂布于电极层的表面。粘接剂151是由粘合剂成分151a及导电性固体粉末151b组成的，与图10所示的实施例的粘接剂相同。
但是，优选粘接剂151具有在涂布后可以停留在电极层上程度的粘性，以便能够更厚地涂布。因此，在第3实施例中，作为粘接剂151也可以使用与图10的实施例不同的导电性粘接剂。
[0116]接下来，如图14(b)所示，将集电体82的各集电板83a_83e相对于单电池阵列而进行对位(参照图14(b)的假想线)，并将各集电板压入于单电池阵列(图15的步骤S23)。由此，各燃料电池单电池16被插入于对应的安装孔84。当各集电板被压入至规定位置时，安装孔84的弹性片84a则位于燃料电池单电池16的电极层103a、103b的侧方(参照图14(b)的实线)。
[0117]燃料电池单电池16由陶瓷材料形成，从而难以以较高的尺寸精度形成。因此，在多个燃料电池单电池16之间，在长度、直径、弯曲等上产生不齐。因此，即使相对于单电池阵列而对集电体82进行对位，安装孔84也有可能会相对于对应的燃料电池单电池16而产生错位。因此，在集电体安装工序(步骤S23)中，在将集电体82虚装于单电池阵列时，一部分的弹性片84a有可能会不与电极层表面接触。例如，图14(b)的右侧的弹性片84a与电极层表面接触，而左侧的弹性片84a不与电极层表面接触。
[0118]因此，在粘接剂涂布工序(步骤S22)中，考虑到燃料电池单电池16的尺寸误差，而在电极层表面更厚地涂布了粘接剂151。由此，在集电体安装工序中，能够使与电极层表面未接触的弹性片84a成为埋入到粘接剂151内的状态或是至少与粘接剂151接触的状
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[0119]接下来，如图14(c)所示，加热粘接剂151而使粘合剂成分151a干燥(图15的步骤S24)。该干燥工序与图10(b)所关联而进行说明的干燥工序相同。
通过该干燥工序，图14(c)右侧的弹性片84a在与电极层表面接触的状态下，其一部分被由固体粉末151b组成的电极保护层152覆盖且被固定于电极层。另一方面，虽然图14(c)左侧的弹性片84a未与电极层表面接触，但是介由电极保护层152而被固定于电极层。
[0120]接下来，如图14(d)所示，执行粘接弹性片84a和电极保护层152的粘接工序(图15的步骤S25)。该粘接工序与图10(d)所关联而进行说明的干燥工序相同。
通过该粘接工序，弹性片84a被牢固地粘接于电极层。而且，由于图14(d)右侧的弹性片84a在与电极层表面接触的状态下通过电极保护层152而被粘接于电极层，因此通过与电极层直接的接触而确保了导通。另一方面，虽然图14(d)左侧的弹性片84a未与电极层表面接触，但是由于介由电极保护层152而被粘接于电极层，因此能够介由具有导电性的电极保护层152而确保与电极层的导通。
[0121 ] 如此，在第3实施例中，即使在燃料电池单电池16的尺寸误差比较大，且在集电体安装工序实施后一部分弹性片84a未与电极层接触的情况下，也能够相对于电极层切实地电连接所有的弹性片84a。
另外，在固体氧化物型燃料电池装置I的运行时，因为即使由于集电体82被升温至运行温度而集电体82的弹性片84a的弹力下降，通过粘接也防止了弹性片84a的相对于电极层的位移，所以能够利用电极保护层152确保弹性片84a和电极层之间的导通。
[0122]下面，参照图16及图17对集电体的固定方法的第4实施例进行说明。
在第4实施例中，首先将多个燃料电池单电池16如图8那样地模块化成单电池阵列(图17的步骤S31)。
接下来，如图16(a)所示，将集电体82的各集电板83a-83e相对于单电池阵列而进行对位(参照图16(a)的假想线)，并相对于单电池阵列压入各集电板(图17的步骤S32)。由此，各燃料电池单电池16被插入于对应的安装孔84。当各集电板被压入至规定位置时，则安装孔84的弹性片84a被弹性地卡合于燃料电池单电池16的电极层103a、103b (参照图16 (a)的实线)。
[0123]接下来，如图16(b)所示，在各弹性片84a和电极层103a、103b之间涂布粘接剂153 (图17的步骤S33)，使粘接剂153固化，从而粘接弹性片84a和电极层(图17的步骤S34)。
另外，粘接剂153也可以使用在实施例1中使用的导电性粘接剂，也可以使用其他的导电性粘接剂。此刻，在集电体安装工序(步骤S32)实施后，即使假设一部分的弹性片84a未与电极层接触，也能够介由粘接剂153而确保导通。
另外，也可以使用没有导电性的粘接剂作为粘接剂153。在这种情况下，在集电体安装工序实施后，至少针对与电极层接触的弹性片84a，能够在该弹性片84a和电极层之间确保导通。
[0124]另外，在本实施方式中，在固体氧化物型燃料电池装置I运行时，即使由于集电体82升温至运行温度而集电体82的弹性片84a的弹力下降，也能够利用粘接剂153确保弹性片84a和电极层之间的导通。
如上所述，由于燃料电池单电池16的尺寸误差比较大，因此在集电体安装工序(步骤S32)中，即使将集电板相对于单电池阵列而进行对位，相对于安装孔84，对应的燃料电池单电池16也有可能会错位。因此，虽然需要用比较大的按压力而相对于单电池阵列按压集电板，但是如果勉强地按压集电板，则露出的电极层103a、103b有可能会因弹性片84a而损伤(例如电极层的剥落等)。为了防止这种损伤，考虑用更薄的板材来形成集电体82，以便减小弹性片84a的弹力。然而，如果减小弹性力，在固体氧化物型燃料电池装置I运行时，且在集电体82被置在高温下时，弹性片84a的弹力则进一步下降，有可能会导致弹性片84a和电极层之间的接触被失去。
[0125]于是，在第4实施例中，通过用粘接剂153固定弹性片84a和电极层，能够防止弹性片84a从电极层位移，且防止高温时的弹性片84a与电极层的非接触。因此，可以使用具有弹力被较小设定的弹性片84a的集电体82，且能够通过由更薄的板材形成集电体82来实现装置的轻量化等以降低制造成本。
【主权项】
1.一种固体氧化物型燃料电池装置的制造方法，固体氧化物型燃料电池装置具备:单电池阵列，由在燃料电池模块中收容的多个燃料电池单电池组成；及集电体，与在构成所述单电池阵列的多个燃料电池单电池的端部上形成的电极电连接，其特征在于，具备: 在所述多个燃料电池单电池的端部形成的电极上分别形成导电性电极保护层的工序; 模块化工序，利用所述多个燃料电池单电池形成所述单电池阵列； 及安装工序，相对于所述单电池阵列安装集电体，所述集电体是形成有用于分别插入所述多个燃料电池单电池的端部的多个安装孔的金属板，在各安装孔设有多个弹性片，通过相对于所述单电池阵列按压所述集电体而将对应的燃料电池单电池的端部插入于所述集电体的各安装孔，并通过所述弹性片的弹力而相对于所述单电池阵列安装所述集电体， 所述电极保护层构成为防止在所述安装工序中因所述弹性片的接触而所述电极损伤。2.根据权利要求1所述的固体氧化物型燃料电池装置的制造方法，其特征在于， 在所述安装工序之后， 还具备粘接所述弹性片和所述电极保护层的粘接工序。3.根据权利要求2所述的固体氧化物型燃料电池装置的制造方法，其特征在于，所述电极保护层具有粘接所述弹性片和所述电极的功能。4.根据权利要求3所述的固体氧化物型燃料电池装置的制造方法，其特征在于， 所述电极保护层是通过加热来发挥粘接功能的， 所述固体氧化物型燃料电池装置的制造方法包括为了执行规定的处理而加热所述单电池阵列的加热工序， 所述加热工序兼作所述粘接工序的对所述电极保护层的加热。5.根据权利要求4所述的固体氧化物型燃料电池装置的制造方法，其特征在于，所述电极保护层的粘接功能通过在因加热而所述电极保护层的至少一部分具有流动性之后进行固化而被发挥。6.根据权利要求5所述的固体氧化物型燃料电池装置的制造方法，其特征在于， 所述电极保护层含有颗粒状的导电性材料， 所述粘接工序是使所述颗粒状的导电性材料烧结的工序。
【专利摘要】本发明提供固体氧化物型燃料电池装置的制造方法，可防止燃料电池单电池的电极损坏，确保燃料电池单电池和集电体之间的电连接。具备：在形成于多个燃料电池单电池(16)的端部的电极上分别形成导电性电极保护层(152)的工序；模块化工序，形成单电池阵列；及安装工序，相对于单电池阵列安装集电体(82)，集电体(82)是形成有用于分别插入多个燃料电池单电池(16)端部的多个安装孔(84)的金属板，在各安装孔(84)设有多个弹性片(84a)，在集电体(82)的各安装孔(84a)中插入对应的燃料电池单电池(16)的端部，利用弹性片(84a)的弹力而相对于单电池阵列安装集电体(82)，电极保护层(152)构成为防止在安装工序中因弹性片的接触而损伤电极。
【IPC分类】H01M8/24, H01M8/12, H01M8/02
【公开号】CN104900899
【申请号】CN201510101173
【发明人】田中修平, 渡邉直树, 井坂畅夫, 佐藤真树, 星子琢也, 籾山大, 安藤茂, 冈本修, 端山洁, 古屋正纪, 柿沼保夫
【申请人】Toto株式会社
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月6日
【公告号】EP2916379A1, US20150255825
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种固体氧化物型燃料电池装置的制造方法，尤其涉及具备对收容在燃料电池模块中的多个燃料电池单电池进行电连接的集电体的固体氧化物型燃料电池装置的制造方法。
【背景技术】
[0002]固体氧化物型燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell:以下也称为“SOFC”)是将氧化物离子导电性固体电解质用作电解质，在其两侧安装电极，在一侧供给燃料气体，在另一侧供给氧化剂气体(空气、氧气等)，并在较高的温度下进行动作的燃料电池。
[0003]在固体氧化物型燃料电池装置的燃料电池模块内收容了由多个燃料电池单电池(单电池管)组成的单电池阵列。在该单电池阵列中，多个燃料电池单电池通过集电体而被相互地电连接。例如在特开2008-71711号公报(专利文献I)所述的燃料电池装置中，多个燃料电池单电池的上端部及下端部被分别插入于绝缘性支撑板的孔，并通过导电性密封材料而被固定于支撑板。而且，进一步，邻接的燃料电池单电池的上端部之间及下端部之间介由导电性密封材料并通过连接构件而被连接。
另外，在特开2008-218005号公报(专利文献2)所述的燃料电池装置中，很多的燃料电池单电池的上端部之间及下端部之间使用了 3张集电体而被电连接。
[0004]专利文献1:日本国特开2008-71711号公报专利文献2:日本国特开2008-218005号公报
[0005]然而，如专利文献I的燃料电池装置那样，在燃料电池单电池的两端部上，在通过连接构件及密封材料而对邻接的燃料电池单电池的端部之间进行连接的情况下，当燃料电池单电池很多时，则燃料电池单电池的电连接作业是非常费事且麻烦的。
[0006]另一方面，在专利文献2的燃料电池装置中，由于只用3张集电体对很多的燃料电池单电池的端部进行电连接，因此燃料电池单电池的电连接作业变得容易。具体而言，在各集电体形成有用于安装对应的多个燃料电池单电池的安装孔，在各安装孔形成有从孔的边缘部朝向孔的中心放射状延伸的多个弹性片。因此，通过相对于由多个燃料电池单电池组成的单电池阵列而按压各集电体，能够将对应的燃料电池单电池的端部插入于各集电体的多个安装孔。而且，能够使各安装孔的多个弹性片与对应的燃料电池单电池的端部的外周面弹性地接触。由此，针对相对于很多的燃料电池单电池而安装集电体的作业的作业效率被大幅地改善，从而燃料电池单电池的电连接作业被简单化。
[0007]然而，本发明者在专利文献2那样的集电体中发现了以下这样的问题。S卩，由于燃料电池单电池是由陶瓷材料形成的，因此每个燃料电池单电池的形状(直径、长度、弯曲等)都不齐。因此，在由多个燃料电池单电池形成的单电池阵列中，各燃料电池单电池的端部偏离了理想的位置。
[0008]因而，因为即使相对于单电池阵列而对集电体进行对位，一部分的燃料电池单电池的轴中心位置也相对于集电体的对应的安装孔发生偏离，所以在集电体向单电池阵列的安装动作中，用于相对于单电池阵列按压集电体的所需的按压力变大。而且，当相对于单电池阵列勉强地按压集电体时，则有可能会因弹性片而剥落在燃料电池单电池端部的外表面上设置的电极。这种电极损伤给电池性能及装置寿命带来不良影响。
[0009]为了便于向集电体插入多个燃料电池单电池的同时，防止插入时的电极的剥落，可以减小集电体的厚度以减少弹性片的弹力。然而，在引用文献2的燃料电池装置中，因为是利用弹性片的弹力而使集电体和燃料电池单电池接触的，所以在弹性片的弹力下降时，导致集电体和燃料电池单电池之间的电连接被失去。即，在减小集电体的厚度以减少弹性片的弹力的情况下，在集电体向单电池阵列安装时以及在燃料电池装置的运行中，有可能会发生弹性片的一端接触(即，安装孔的多个弹性片中的一部分不与燃料电池单电池适当地接触)。尤其，由于当在运行中弹性片被置于高温(例如，600°C以上)下时，则弹性片的弹性模量下降，并且因再晶体化等而有可能会失去弹性片的弹力，因此容易发生弹性片的一端接触。当在一部分弹性片中发生导通不良时，则由于电流集中于接触中的弹性片，因此电流集中于特定的燃料电池单电池或其一部分，从而不能发挥规定的电池性能，同时产品寿命变短。
[0010]如此，虽然专利文献2的燃料电池装置的集电体构造便于相对于单电池阵列的集电体的安装作业，但是存在在集电体的安装时有可能会损坏燃料电池单电池的电极，以及至少在燃料电池装置的运行时有可能会发生集电体和燃料电池单电池之间的导通不良这样的问题。
[0011]因而，本发明所要解决的技术问题是提供一种固体氧化物型燃料电池装置的制造方法，在具有通过集电体来电连接多个燃料电池单电池的构造的固体氧化物燃料电池装置的制造方法中，能够在防止燃料电池单电池的电极的损坏的同时，确保燃料电池单电池和集电体之间的电连接。
【发明内容】
[0012]为了解决上述的课题，本发明提供一种固体氧化物型燃料电池装置的制造方法，固体氧化物型燃料电池装置具备:单电池阵列，由在燃料电池模块中收容的多个燃料电池单电池组成；及集电体，与在构成单电池阵列的多个燃料电池单电池的端部上形成的电极电连接，其特征在于，具备:在多个燃料电池单电池的端部形成的电极上分别形成导电性电极保护层的工序；模块化工序，利用多个燃料电池单电池形成单电池阵列；及安装工序，相对于单电池阵列安装集电体，集电体是形成有用于分别插入多个燃料电池单电池的端部的多个安装孔的金属板，在各安装孔设有多个弹性片，通过相对于单电池阵列按压集电体而将对应的燃料电池单电池的端部插入于集电体的各安装孔，并通过弹性片的弹力而相对于单电池阵列安装集电体，电极保护层构成为防止在安装工序中因弹性片的接触而电极损伤。
[0013]在通过相对于单电池阵列按压集电体而使燃料电池单电池插入于集电体的多个安装孔，从而将集电体弹性地安装于单电池阵列时，由于燃料电池单电池的制造尺寸精度不高，因此需要用较大的按压力相对于单电池阵列按压集电体。然而，当勉强地按压集电体时，则有可能会使燃料电池单电池(尤其是电极层)损伤。尤其，当设置于集电体安装孔的弹性片的弹力较大时，则在插入时因弹性片抓挠燃料电池单电池的外周面而导致伤害燃料电池单电池的电极层。
[0014]为了避免这种燃料电池单电池的损伤，例如需要利用厚度较薄的板材形成弹性片，而更低地设定弹性片的弹力。然而，当弹性片的弹力较低时，则因燃料电池单电池的制造尺寸误差而在安装时弹性片发生一端接触，从制造最初开始有可能会在弹性片和电极之间发生导通不良。另外，当弹性片的弹力较低时，则由于在燃料电池装置的运行中集电体被置于高温下，弹性片的弹力发生进一步下降，因此有可能会弹性片一端接触，从而在弹性片和燃料电池单电池电极之间发生部分的导通不良。
[0015]于是，在本发明中构成为能够使用具有较大弹力的弹性片的集电体，以便在安装时以及在运行中的高温时弹性片具有充分的弹力。因此，在本发明中，在电极上设置了电极保护层，以便在集电体向单电池阵列安装时，防止因弹性片而燃料电池单电池的电极损伤。该电极保护层是与电极相比更硬的导电性的层。通过该电极保护层，能够对燃料电池单电池进行保护以免于在安装时弹性片抓挠电极而剥下电极。而且，由于具有较高弹力的弹性片与电极保护层弹性地卡合，因此能够介由电极保护层而确保集电体和燃料电池单电池电极之间的导通。
[0016]如此，在本发明中，通过采用电极保护层，即使使用具有较大弹力的弹性片的集电体，在集电体的安装时也能够保护燃料电池单电池的电极。因而，在本发明中，能够始终维持在单电池阵列上安装集电体的良好的操作性，并防止电极的损坏。另外，在本发明中，由于弹性片可以具有较大的弹力，因此在集电体的安装时以及在运行中，可以利用弹性片的弹力来使弹性片和电极保护层保持于接触状态，从而能够防止一端接触。
[0017]另外，由于单电池阵列密集地配置了多个燃料电池单电池，因此燃料电池单电池之间的间隔较窄。因此，在形成单电池阵列之后，当想要在各燃料电池单电池的侧面上形成电极保护层时，则由于操作性较差，因此难以在电极的表面上切实地形成电极保护层。因此，在本发明中构成为，在形成单电池阵列的模块化工序之前，在燃料电池单电池是单体的状态下实施在各燃料电池单电池的电极上形成电极保护层的电极保护层形成工序。由此，能够通过良好的操作性而在各燃料电池单电池的电极上形成电极保护层。
[0018]在本发明中，优选在安装工序之后还具备粘接弹性片与电极保护层的粘接工序。 根据如此构成的本发明，由于在将集电体安装于单电池阵列之后具备了粘接弹性片与电极保护层的粘接工序，因此能够确保弹性片和电极保护层之间的抵接状态。因而，由于粘接剂的粘接力补偿运行中的弹性片弹力的下降部分，因此即使假设弹性片的弹力消失了，也能够确保弹性片和电极保护层之间的导通。因而，由于可以不用考虑运行中的弹力的下降，因此并非一定需要使用具备具有非常大弹力的弹性片的集电体。因此，在安装工序中，集电体的安装作业变得容易，而能够使操作性提高。
[0019]在本发明中，优选电极保护层具有粘接弹性片和电极的功能。
根据如此构成的本发明，因为电极保护层具有粘接功能，所以在安装工序后不需要涂布粘接剂的作业，能够使制造工序简单化。
[0020]在本发明中，优选电极保护层是通过加热来发挥粘接功能的，固体氧化物型燃料电池装置的制造方法包括为执行规定的处理而加热单电池阵列的加热工序，加热工序兼作粘接工序的对电极保护层的加热。
根据如此构成的本发明，电极保护层构成为通过加热来发挥粘接功能。因此，虽然需要电极保护层的加热工序，但是当在制造工序中相对于燃料电池装置的组装体而实施加热工序时，则加热工序中无法实施相对于组装体的其他的作业。具体而言，虽然在加热工序中将组装体加热至规定温度之后需要再次冷却到常温，但是如果使其急冷却，则燃料电池单电池的发电元件因急剧的热收缩而承受应力从而损坏。为了防止这种损坏，冷却需要很长时间。因而，当在制造工序中附加用于电极保护层的加热工序时，则导致制造工序大幅地变长。
于是，在本发明中构成为，原来包含于燃料电池装置制造工序中的加热工序(例如，在最终阶段实施的燃料电池单电池的还原工序)兼作用于电极保护层的加热工序。由此，因为不需要附加只用于电极保护层的加热工序，所以能够在防止制造工序的长期化的同时，将弹性片粘接于电极保护层。
[0021]在本发明中，优选电极保护层的粘接功能通过在因加热而电极保护层的至少一部分具有流动性之后进行固化而被发挥。
根据如此构成的本发明，电极保护层通过在因加热而至少一部分具有流动性之后进行固化来发挥粘接功能。因此，与电极保护层弹性地抵接的弹性片利用电极保护层的流动化而以沉入到电极保护层内的方式深入，并在该状态下电极保护层进行固化。由此，由于弹性片与电极保护层的接触面积增加，因此集电体和电极保护层之间的导电性提高，同时两者之间的物理性的粘接力也提高。因而，制造尺寸上不齐的燃料电池单电池，在运行中分别热膨胀的情况下，也能够提高对弹性片和电极保护层的粘接部分所产生应力的耐受性。如此，在本发明中，能够使集电体和电极保护层之间的电连接牢固。
[0022]在本发明中，优选电极保护层含有颗粒状导电性材料，且粘接工序是使颗粒状的导电性材料烧结的工序。
根据如此构成的本发明，电极保护层含有颗粒状导电性材料(例如镍粉)。由此，通过调整导电性材料的粒径，能够在弹性片失去弹力之前，在加热工序中使导电性材料烧结，并使其与弹性片粘接。另外，由于导电性材料通过弹性片而被弹性地按压，因此通过弹性片按压的导电性材料的部分因烧结而致密性被提高。由此，能够使介由电极保护层的弹性片和电极之间的导电性提高。
[0023]根据本发明的固体氧化物型燃料电池装置的制造方法，能够在防止燃料 电池单电池电极的损坏的同时，能够确保燃料电池单电池和集电体之间的电连接。
【附图说明】
[0024]图1是表示本发明一个实施方式的固体氧化物型燃料电池装置(SOFC)的整体构成图。
图2是本发明一个实施方式的固体氧化物型燃料电池装置中内置的燃料电池单电池收容容器的剖视图。
图3是分解表示本发明一个实施方式的固体氧化物型燃料电池装置中内置的燃料电池单电池收容容器的主要构件的剖视图。
图4是放大表示本发明一个实施方式的固体氧化物型燃料电池装置中内置的排气汇集室部分的剖视图。
图5是图2的V-V剖面。 图6(a)是放大表示下端为负极的燃料电池单电池的下端部的剖视图，(b)是放大表示下端为正极的燃料电池单电池的下端部的剖视图。
图7是本发明一个实施方式的在固体氧化物型燃料电池装置中被使用的集电体的说明图。
图8是本发明一个实施方式的固体氧化物型燃料电池装置的制造工序中的一个工序的说明图。
图9是本发明一个实施方式的固体氧化物型燃料电池装置的制造工序中的一个工序的说明图。
图10是本发明的一个实施方式的固体氧化物型燃料电池装置的制造工序中的第I实施例所涉及的集电体的固定方法的说明图。
图11是第I实施例所涉及的集电体的固定方法的流程图。
图12是表示在本发明一个实施方式的固体氧化物型燃料电池装置中集电体被固定与燃料电池单电池的状态的说明图。
图13是本发明一个实施方式的固体氧化物型燃料电池装置的制造工序中的第2实施例所涉及的集电体的固定方法的流程图。
图14是本发明一个实施方式的固体氧化物型燃料电池装置的制造工序中的第3实施例所涉及的集电体的固定方法的说明图。
图15是第3实施例所涉及的集电体的固定方法的流程图。
图16是本发明一个实施方式的固体氧化物型燃料电池装置的制造工序中的第4实施例所涉及的集电体的固定方法的说明图。
图17是第4实施例所涉及的集电体的固定方法的流程图。
符号说明
1-固体氧化物型燃料电池装置；2_燃料电池模块；4_辅助设备单元；16_燃料电池单电池；16a-单电池；18-排气汇集室；18a-汇集室上构件；18b_汇集室下构件；63_第I固定构件;80-母线；82-集电体；82A-82B-集电体；83a_83e-集电板;84_安装孔；84a-弹性片；84b-假想线；97_多孔质支撑体；98_燃料极层；99_反应抑制层；100_固体电解质层；101-空气极层；102-互连层；103a，103b-电极层；104a，104b_导线膜层；151-粘接剂；151a-粘合剂成分；151b-固体粉末；152-电极保护层；153_粘接剂；
【具体实施方式】
[0025]下面，参照【附图说明】本发明实施方式的固体氧化物型燃料电池装置(SOFC)。
图1是表示本发明一个实施方式的固体氧化物型燃料电池装置(SOFC)的整体构成图。如该图1所示，本发明一个实施方式的固体氧化物型燃料电池装置(SOFC)I具备燃料电池模块2和辅助设备单元4。
[0026]燃料电池模块2具备壳体6，在该壳体6内部隔着绝热材料7配置有燃料电池单电池收容容器8。在该燃料电池单电池收容容器8内的内部构成有发电室10，在该发电室10中以同心圆状配置有多个燃料电池单电池16，通过这些燃料电池单电池16，进行燃料气体和氧化剂气体即空气的发电反应。
[0027]在各燃料电池单电池16的上端部安装有排气汇集室18。在各燃料电池单电池16中未使用于发电反应而残余的残余燃料(剩余气体)汇聚在安装于上端部的排气汇集室18中，从设置在该排气汇集室18的顶棚面上的多个喷出口流出。所流出的燃料通过在发电室10内未使用于发电而残余的空气而燃烧，生成排放气体。
[0028]接下来，辅助设备单元4具备:纯水箱26，贮存来自水管等供水源24的水并通过过滤器使其成为纯水；及供水装置即水流量调节单元28 (由电动机驱动的“水泵”等)，调节从该纯水箱供给的水的流量。另外，辅助设备单元4具备燃料供给装置即燃料鼓风机38 (由电动机驱动的“燃料泵”等)，调节从城市煤气等的燃料供给源30供给的烃类原燃料气体的流量。
[0029]另外，流经燃料鼓风机38的原燃料气体介由配置在燃料电池模块2内的脱硫器36以及换热器34、电磁阀35而被导入燃料电池单电池收容容器8的内部。脱硫器36以环状配置在燃料电池单电池收容容器8的周围，从原燃料气体除去硫。另外，换热器34被设置为用于防止在脱硫器36中温度上升后的高温原燃料气体直接流入电磁阀35而导致电磁阀35劣化。电磁阀35被设置为用于停止向燃料电池单电池收容容器8内供给原燃料气体。
[0030]辅助设备单元4具备氧化剂气体供给装置即空气流量调节单元45 (由电动机驱动的“空气鼓风机”等)，调节从空气供给源40供给的空气的流量。
[0031]而且，辅助设备单元4中具备温水制造装置50，其用于回收来自燃料电池模块2的排放气体的热量。该温水制造装置50被供给自来水，该自来水由于排放气体的热量而成为温水，并被供给至未图示的外部供热水器的贮热水箱。
而且，在燃料电池模块2上连接有电力导出部(电力转换部)即逆变器54，其用于向外部供给由燃料电池模块2发出的电力。
[0032]下面，根据图2及图3，说明本发明实施方式的固体氧化物型燃料电池装置(SOFC)的燃料电池模块中内置的燃料电池单电池收容容器的内部结构。
图2是燃料电池单电池收容容器的剖视图，图3是分解表示燃料电池单电池收容容器的主要构件的剖视图。
如图2所示，在燃料电池单电池收容容器8内的空间中以同心圆状排列有多个燃料电池单电池16，以包围其周围的方式依次以同心圆状形成有燃料流路即燃料气体供给流路20、排气排出流路21、氧化剂气体供给流路22。在此，排气排出流路21及氧化剂气体供给流路22作为供给/排出氧化剂气体的氧化剂气体流路而发挥作用。
[0033]首先，如图2所示，燃料电池单电池收容容器8是大致圆筒状的密闭容器，在其侧面连接有供给发电用空气的氧化剂气体流入口即氧化剂气体导入管56以及排出排放气体的排气排出管58。而且，点火加热器62从燃料电池单电池收容容器8的上端面突出，用于对从排气汇集室18流出的残余气体进行点火。
[0034]如图2及图3所示，在燃料电池单电池收容容器8的内部以包围燃料电池单电池16周围的方式，从内侧依次配置有发电室构成构件即内侧圆筒构件64、外侧圆筒构件66、内侧圆筒容器68、外侧圆筒容器70。上述的燃料气体供给流路20、排气排出流路21及氧化剂气体供给流路22是各自构成在这些圆筒构件及圆筒容器之间的流路，在相邻的流路之间进行热交换。
即，排气排出流路21被配置为包围燃料气体供给流路20，氧化剂气体供给流路22被配置为包围排气排出流路21。另外，燃料电池单电池收容容器8下端侧的开放空间被大致圆形的分散室基底构件72封闭，该分散室基底构件72构成使燃料分散至各燃料电池单电池16的燃料气体分散室76的底面。
[0035]内侧圆筒构件64是大致圆筒状的中空体，其上端及下端开放。而且，在内侧圆筒构件64的内壁面上气密地焊接有分散室形成板即圆形的第I固定构件63。通过该第I固定构件63的下面、内侧圆筒构件64的内壁面及分散室基底构件72的上面而划分出燃料气体分散室76。另外，在第I固定构件63上形成有使各个燃料电池单电池16插通的多个插通孔63a，各燃料电池单电池16在插通于各插通孔63a的状态下，通过陶瓷粘接剂而粘接于第I固定构件63。如此，在本实施方式的固体氧化物型燃料电池装置I中，在构成燃料电池模块2的构件之间相互的接合部填充陶瓷粘接剂，通过使其固化，从而各构件相互气密地接合。
[0036]外侧圆筒构件66是配置在内侧圆筒构件64周围的圆筒状管，其形成为与内侧圆筒构件64大致相似的形状，与内侧圆筒构件64之间形成圆环状流路。进而，在内侧圆筒构件64和外侧圆筒构件66之间配置有中间圆筒构件65。中间圆筒构件65是配置在内侧圆筒构件64和外侧圆筒构件66之间的圆筒状管，在内侧圆筒构件64的外周面和中间圆筒构件65的内周面之间构成有重整部94。而且，中间圆筒构件65的外周面和外侧圆筒构件66的内周面之间的圆环状空间作为燃料气体供给流路20而发挥作用。因此，重整部94及燃料气体供给流路20通过燃料电池单电池16的发热以及排气汇集室18上端的残余燃料的燃烧而获得热量。另外，内侧圆筒构件64的上端部和外侧圆筒构件66的上端部通过焊接而气密地接合，燃料气体供给流路20的上端被封闭。另外，中间圆筒构件65的下端和内侧圆筒构件64的外周面通过焊接而气密地接合。
[0037]内侧圆筒容器68是配置在外侧圆筒构件66周围的圆形截面的杯状构件，其侧面形成为与外侧圆筒构件66大致相似的形状，与外侧圆筒构件66之间形成大致一定宽度的圆环状流路。该内侧圆筒容器68配置为覆盖内侧圆筒构件64上端的开放部。外侧圆筒构件66的外周面和内侧圆筒容器68的内周面之间的圆环状空间作为排气排出流路21 (图2)而发挥作用。该排气排出流路21介由设置在内侧圆筒构件64上端部的多个小孔64a而与内侧圆筒构件64内侧的空间连通。另外，在内侧圆筒容器68的下部侧面连接有排气流出口即排气排出管58，排气排出流路21与排气排出管58连通。
[0038]在排气排出流路21的下部配置有燃烧催化剂60及用于对其进行加热的铠装加热器61。
燃烧催化剂60是位于排气排出管58的上方，被填充在外侧圆筒构件66的外周面和内侧圆筒容器68的内周面之间的圆环状空间内的催化剂。沿排气排出流路21下降的排放气体通过流经燃烧催化剂60而除去一氧化碳，并从排气排出管58排出。
铠装加热器61是燃烧催化剂60下方的以包围外侧圆筒构件66外周面的方式安装的电加热器。在固体氧化物型燃料电池装置I的起动时，通过向铠装加热器61通电，从而将燃烧催化剂60加热至活性温度。
[0039]外侧圆筒容器70是配置在内侧圆筒容器68周围的圆形截面的杯状构件，其侧面形成为与内侧圆筒容器68大致相似的形状，与内侧圆筒容器68之间形成大致一定宽度的圆环状流路。内侧圆筒容器68的外周面和外侧圆筒容器70的内周面之间的圆环状空间作为氧化剂气体供给流路22而发挥作用。 另外，在外侧圆筒容器70的下部侧面连接有氧化剂气体导入管56，氧化剂气体供给流路22与氧化剂气体导入管56连通。
[0040]分散室基底构件72是大致圆形的盘状构件，通过陶瓷粘接剂而气密地固定于内侧圆筒构件64的内壁面。由此，在第I固定构件63和分散室基底构件72之间构成燃料气体分散室76。另外，在分散室基底构件72的中央设置有用于使母线80(图2)插通的插通管72a。与各燃料电池单电池16电连接的母线80经由该插通管72a而被引出至燃料电池单电池收容容器8的外部。另外，插通管72a中填充有陶瓷粘接剂，确保燃料气体分散室78的气密性。而且，在插通管72a的周围配置有绝热材料72b (图2)。
[0041]以从内侧圆筒容器68的顶棚面垂下的方式安装有用于喷射发电用空气的圆形截面的氧化剂气体喷射用管74。该氧化剂气体喷射用管74在内侧圆筒容器68的中心轴线上沿铅垂方向延伸，在其周围的同心圆上配置各燃料电池单电池16。由于氧化剂气体喷射用管74的上端安装在内侧圆筒容器68的顶棚面上，从而形成在内侧圆筒容器68和外侧圆筒容器70之间的氧化剂气体供给流路22与氧化剂气体喷射用管74连通。介由氧化剂气体供给流路22而供给的空气从氧化剂气体喷射用管74的前端向下方喷射，与第I固定构件63的上面接触，从 而扩散至发电室10内整体。
[0042]燃料气体分散室76是在第I固定构件63和分散室基底构件72之间构成的圆筒形的具有气密性的腔室，在其上面竖立有各燃料电池单电池16。安装在第I固定构件63上面上的各燃料电池单电池16内侧的燃料极与燃料气体分散室76的内部连通。各燃料电池单电池16的下端部贯穿第I固定构件63的插通孔63a而向燃料气体分散室76的内部突出，各燃料电池单电池16通过粘接而被固定于第I固定构件63。
[0043]如图2所示，在内侧圆筒构件64上设置有多个小孔64b，其位于第I固定构件63的下方。内侧圆筒构件64外周和中间圆筒构件65内周之间的空间介由多个小孔64b而与燃料气体分散室76内连通。所供给的燃料先沿外侧圆筒构件66内周和中间圆筒构件65外周之间的空间上升，其后沿内侧圆筒构件64外周和中间圆筒构件65内周之间的空间下降，经由多个小孔64b而流入燃料气体分散室76内。流入燃料气体分散室76的燃料被分配至安装于燃料气体分散室76顶棚面(第I固定构件63)的各燃料电池单电池16的燃料极。
[0044]而且，向燃料气体分散室76内突出的各燃料电池单电池16的下端部在燃料气体分散室76内与母线80电连接，经由插通管72a而向外部导出电力。母线80是向燃料电池单电池收容容器8的外部导出由各燃料电池单电池16生成的电力的细长金属导体，介由绝缘子78而被固定于分散室基底构件72的插通管72a。母线80在燃料气体分散室76的内部与安装于各燃料电池单电池16的集电体82电连接。而且，母线80在燃料电池单电池收容容器8的外部连接于逆变器54 (图1)。另外，集电体82还安装于向排气汇集室18内突出的各燃料电池单电池16的上端部(图4)。通过这些上端部及下端部的集电体82，多个燃料电池单电池16并联电连接，同时并联连接的多组燃料电池单电池16串联电连接，该串联连接的两端分别连接于母线80。
[0045]下面，参照图4及图5，说明排气汇集室的构成。
图4是放大表示排气汇集室部分的剖视图，图5是图2的V-V剖面。
如图4所示，排气汇集室18是安装于各燃料电池单电池16上端部的环型截面的腔室，氧化剂气体喷射用管74在该排气汇集室18的中央贯穿并延伸。
[0046]如图5所示，在内侧圆筒构件64的内壁面上等间隔地安装有排气汇集室18支撑用的3个撑板64c。如图4所示，各撑板64c是将金属制薄板折弯的小片，通过将排气汇集室18载放在各撑板64c上，从而排气汇集室18被定位在与内侧圆筒构件64的同心圆上。由此，排气汇集室18外周面和内侧圆筒构件64内周面之间的间隙、及排气汇集室18内周面和氧化剂气体喷射用管74外周面之间的间隙在整个圆周上均匀一致(图5)。
[0047]排气汇集室18通过使汇集室上构件18a及汇集室下构件18b气密地接合而构成。 汇集室下构件18b是上方开放的圆形盘状构件，在其中央设置有用于使氧化剂气体喷射用管74贯穿的圆筒部。
汇集室上构件18a是下方开放的圆形盘状构件，在其中央设置有用于使氧化剂气体喷射用管74贯穿的开口部。汇集室上构件18a构成为如下形状，可嵌入汇集室下构件18b的向上方开口的环型截面区域。
[0048]在汇集室下构件18b周壁的内周面和汇集室上构件18a外周面之间的间隙填充陶瓷粘接剂，进行固化从而确保该接合部的气密性。
另外，在由填充至该接合部的陶瓷粘接剂形成的陶瓷粘接剂层上配置有大直径密封环19a，覆盖陶瓷粘接剂层。大直径密封环19a是圆环状薄板，其被配置为在填充陶瓷粘接剂后，覆盖所填充的陶瓷粘接剂，并通过粘接剂固化而被固定于排气汇集室18。
[0049]另一方面，在汇集室下构件18b中央的圆筒部外周面和汇集室上构件18a中央的开口部边缘之间也填充有陶瓷粘接剂，进行固化从而确保该接合部的气密性。另外，在由填充至该接合部的陶瓷粘接剂形成的陶瓷粘接剂层上配置有小直径密封环1%，覆盖陶瓷粘接剂层。小直径密封环1%是圆环状薄板，其被配置为在填充陶瓷粘接剂后，覆盖所填充的陶瓷粘接剂，并通过粘接剂固化而被固定于排气汇集室18。
[0050]在汇集室下构件18b的底面上设置有多个圆形插通孔18c。燃料电池单电池16的上端部分别插通在各插通孔18c中，各燃料电池单电池16贯穿各插通孔18c而延伸。在各燃料电池单电池16贯穿的汇集室下构件18b的底面上注入陶瓷粘接剂，通过使其固化，从而各燃料电池单电池16外周和各插通孔18c之间的间隙被气密地填充，同时将各燃料电池单电池16固定于汇集室下构件18b。
[0051]进而，在汇集室下构件18b的底面上所注入的陶瓷粘接剂上配置有圆形薄板状的覆盖构件19c，通过陶瓷粘接剂固化而被固定于汇集室下构件18b。在覆盖构件19c的与汇集室下构件18b的各插通孔18c同样的位置上设置有多个插通孔，各燃料电池单电池16的上端部贯穿陶瓷粘接剂层及覆盖构件19c而延伸。
[0052]另一方面，在排气汇集室18的顶棚面上设置有用于使所汇集的燃料气体喷出的多个喷出口 18d(图5)。各喷出口 18d配置在汇集室上构件18a的圆周上。未使用于发电而残余的燃料从各燃料电池单电池16的上端向排气汇集室18内流出，汇集在排气汇集室18内的燃料从各喷出口 18d流出，并在此燃烧。
[0053]下面，参照图2，说明用于对从燃料供给源30供给的原燃料气体进行重整的构成。 首先，在由内侧圆筒构件64和外侧圆筒构件66之间的空间构成的燃料气体供给流路
20的下部设置有用于使水蒸气重整用水蒸发的蒸发部86。蒸发部86由安装在外侧圆筒构件66的下部内周上的环状倾斜板86a及供水管88构成。另外，蒸发部86被配置为比用于导入发电用空气的氧化剂气体导入管56更靠下方，比排出排放气体的排气排出管58更靠上方。倾斜板86a是形成为环状的金属薄板，其外周缘安装在外侧圆筒构件66的内壁面上。另一方面，倾斜板86a的内周缘比外周缘位于上方，在倾斜板86a的内周缘和内侧圆筒构件64的外壁面之间设置有间隙。
[0054]供水管88是从内侧圆筒构件64的下端向燃料气体供给流路20内沿铅垂方向延伸的管，从水流量调节单元28供给的水蒸气重整用水介由供水管88而被供给至蒸发部86。供水管88的上端贯穿倾斜板86a而延伸至倾斜板86a的上面侧，供给至倾斜板86a的上面侧的水贮留在倾斜板86a的上面和外侧圆筒构件66的内壁面之间。供给至倾斜板86a的上面侧的水在此被蒸发而生成水蒸气。
[0055]另外，在蒸发部86的下方设置有燃料气体导入部，用于向燃料气体供给流路20内导入原燃料气体。从燃料鼓风机38送来的原燃料气体介由燃料气体供给管90而被导入燃料气体供给流路20。燃料气体供给管90是从内侧圆筒构件64的下端向燃料气体供给流路20内沿铅垂方向延伸的管。
另外，燃料气体供给管90的上端比倾斜板86a位于下方。从燃料鼓风机38送来的原燃料气体被导入至倾斜板86a的下侧，利用倾斜板86a的倾斜而使流路收缩并向倾斜板86a的上侧上升。向倾斜板86a的上侧上升的原燃料气体与蒸发部86中生成的水蒸气一起上升。
[0056]在燃料气体供给流路20内的蒸发部86上方设置有燃料气体供给流路隔板92。燃料气体供给流路隔板92是圆环状的金属板，其被设置为上下隔开外侧圆筒构件66内周和中间圆筒构件65外周之间的圆环状空间。在该燃料气体供给流路隔板92的圆周上等间隔地设置有多个喷射口 92a，通过这些喷射口 92a而使燃料气体供给流路隔板92上侧的空间和下侧的空间连通。从燃料气体供给管90导入的原燃料气体及蒸发部86中生成的水蒸气先滞留在燃料气体供给流路隔板92下侧的空间内，其后经由各喷射口 92a而向燃料气体供给流路隔板92上侧的空间喷射。从各喷射口 92a向燃料气体供给流路隔板92上侧的宽阔空间喷射时，原燃料气体及水蒸气急剧减速，在此充分混合。
[0057]而且，在中间圆筒构件65内周和内侧圆筒构件64外周之间的圆环状空间的上部设置有重整部94。重整部94被配置为包围各燃料电池单电池16的上部及其上方的排气汇集室18的周围。重整部94由安装在内侧圆筒构件64的外壁面上的催化剂保持板(未图示)及被其保持的重整催化剂96构成。
[0058]如此，在燃料气体供给流路隔板92上侧的空间内混合的原燃料气体及水蒸气与填充在重整部94内的重整催化剂96接触时，在重整部94内进行式(I)所示的水蒸气重整反应SR。
CmHn+xH20 — aC02+bC0+cH2 (I)
[0059]重整部94中重整的燃料气体沿中间圆筒构件65内周和内侧圆筒构件64外周之间的空间流向下方，流入燃料气体分散室76，并供给至各燃料电池单电池16。虽然水蒸气重整反应SR是吸热反应，但是反应所需的热量通过从排气汇集室18流出的剩余气体的燃烧热量以及在各燃料电池单电池16中产生的发热而得到供给。
[0060]下面，参照图6说明燃料电池单电池16。
在本发明实施方式的固体氧化物型燃料电池装置I中，作为燃料电池单电池16，采用使用固体氧化物的圆筒横条纹型单电池。在各燃料电池单电池16上以横条纹状形成有多个单电池16a，通过使它们串联电连接而构成I根燃料电池单电池16。各燃料电池单电池16构成为其一端为正极(阳极)，另一端为负极(阴极)，多个燃料电池单电池16中的一半被配置为上端为正极且下端为负极，剩下的一半被配置为上端为负极且下端为正极。
[0061]图6(a)是放大表示下端为负极的燃料电池单电池16的下端部的剖视图，图6 (b)是放大表示下端为正极的燃料电池单电池16的下端部的剖视图。
[0062]如图6所示，燃料电池单电池16由细长圆筒状的多孔质支撑体97和以横条纹状形成在该多孔质支撑体97外侧的多个层形成。在多孔质支撑体97的周围从内侧依次以横条纹状分别形成有燃料极层98、反应抑制层99、固体电解质层100、空气极层101。因此，介由燃料气体分散室76而供给的燃料气体流过各燃料电池单电池16的多孔质支撑体97的内部，从氧化剂气体喷射用管74喷射的空气流过空气极层101的外侧。形成在燃料电池单电池16上的各单电池16a由一组燃料极层98、反应抑制层99、固体电解质层100及空气极层101构成。I个单电池16a的燃料极层98介由互连层102而与邻接的单电池16a的空气极层101电连接。由此，形成在I根燃料电池单电池16上的多个单电池16a串联电连接。
[0063]如图6(a)所示，在燃料电池单电池16的负极侧端部，在多孔质支撑体97的外周上形成有电极层103a，在该电极层103a的外侧形成有导线膜层104a。在负极侧端部，位于端部的单电池16a的空气极层101和电极层103a通过互连层102而电连接。上述电极层103a及导线膜层104a在燃料电池单电池16端部贯穿第I固定构件63，形成为与第I固定构件63相比向下方突出。电极层103a形成至比导线膜层104a更靠下方，集电体82与露出于外部的电极层103a电连接。由此，位于端部的单电池16a的空气极层101介由互连层102、电极层103a而与集电体82连接，电流如图中的箭头般流动。另外，在第I固定构件63的插通孔63a的边缘和导线膜层104a之间的间隙填充有陶瓷粘接剂，燃料电池单电池16通过导线膜层104a的外周而被固定于第I固定构件63。
[0064]如图6(b)所示，在燃料电池单电池16的正极侧端部，位于端部的单电池16a的燃料极层98被延长，燃料极层98的延长部作为电极层103b而发挥作用。在电极层103b的外侧形成有导线膜层104b。
上述电极层103b及导线膜层104b在燃料电池单电池16端部贯穿第I固定构件63，形成为与第I固定构件63相比向下方突出。
电 极层103b形成至比导线膜层104b更靠下方，集电体82与露出于外部的电极层103b电连接。由此，位于端部的单电池16a的燃料极层98介由一体形成的电极层103b而与集电体82连接，电流如图中的箭头般流动。另外，在第I固定构件63的插通孔63a的边缘和导线膜层104b之间的间隙填充有陶瓷粘接剂，燃料电池单电池16通过导线膜层104b的外周而被固定于第I固定构件63。
[0065]虽然在图6 (a) (b)中说明了各燃料电池单电池16的下端部的构成，但是各燃料电池单电池16的上端部的构成也相同。另外，虽然在上端部，各燃料电池单电池16固定于排气汇集室18的汇集室下构件18b，但是固定部分的构成与下端部的相对于第I固定构件63的固定相同。
[0066]下面，说明多孔质支撑体97及各层的构成。
在本实施方式中，多孔质支撑体97通过对镁橄榄石粉末及粘合剂的混合物进行挤压成形并进行烧结而形成。
在本实施方式中，燃料极层98是由N1粉末及10YSZ (1mol % Y203-90moI % ZrO2)粉末的混合物构成的导电性薄膜。
[0067]在本实施方式中，反应抑制层99是由铈系复合氧化物(LDC40，即40mol %的La203-60mol%的CeO2)等构成的薄膜，由此，抑制燃料极层98与固体电解质层100之间的化学反应。
在本实施方式中，固体电解质层100是由La。.JraiGaa8Mga2O3组成的LSGM粉末构成的薄膜。氧化物离子和氢或一氧化碳介由该固体电解质层100而进行反应，由此生成电能。
[0068]在本实施方式中，空气极层101是由Latl 6SraWotl 8Fetl 2O3组成的粉末构成的导电性薄膜。
在本实施方式中，互连层102是由SLT(掺镧的钛酸锶)构成的导电性薄膜。燃料电池单电池16上邻接的单电池16a介由互连层102而连接。
在本实施方式中，电极层103a、103b由与燃料极层98相同的材料形成。
在本实施方式中，导线膜层104a、104b由与固体电解质层100相同的材料形成。
[0069]另外，导线膜层104a、104b是与固体电解质层100同样致密的层，通过与陶瓷粘接剂粘接而能够确保气密性。
另外，在本实施方式中，虽然电极层103a、103b由与燃料极层98相同的多孔质材料形成，但是不局限于此，电极层103a、103b也可以由含有与反应抑制层99、空气极层101相同的多孔质材料的其他的导电性多孔质材料形成。例如，也可以将在最靠近燃料电池单电池16的端部的位置上形成的单电池16a的空气极层101进一步在端部方向上延长，而将该延长的部分作为电极层。
[0070]下面，参照图7对集电体进行说明。
图7是从上方观察集电体82的图。图7 (a)、图7 (b)分别表示在燃料电池单电池16的上端部、下端部上安装的集电体82A、82B。图7 (c)是在集电体82A、82B上形成的安装孔84的放大图。
[0071]集电体82是通过对具有弹性及导电性的薄的板材进行机械加工而被形成的。在本实施方式中是使用镍的板材而被形成的。
集电体82A由2个大致半圆形的集电板83a、83b组成。集电体82A通过这些集电板83a,83b被邻接地配置而具有大致圆形的外形，同时在中央部分上形成有用于插入氧化剂气体喷射用管74的圆形开口。
[0072]集电体82B由I个大致半圆形集电板83c和2个大致四分之一圆形的集电板83d、83e组成。集电体82B通过这些集电板83c_83e被邻接地配置而具有大致圆形的外形，同时在中央部分上形成有圆形开口。在集电板83d、83e设有用于连接母线80的连接部83f、
83g0
[0073]在本实施方式中，多个(在该例中为76根)燃料电池单电池16被分为每组19根的4个组。而且，如图2所示，当在燃料电池单电池16的上端部及下端部上连接有集电体82时，则各组燃料电池单电池16介由集电体82而被并联连接，进一步4个组被串联连接。BP，例如，当在一方的母线80上连接的集电板83d为正极(阳极)时，贝U介由在集电板83d上连接的第I组燃料电池单电池16，集电板83a的下侧一半成为负极(阴极)，而上侧一半成为正极，进一步介由第2组燃料电池单电池16，集电板83c的左侧一半成为负极。同样地，集电板83c的右侧一半成为正极，介由第3组的燃料电池单电池16，集电板83b的上侧一半成为负极，而下侧一半则成为正极，最后介由第4组燃料电池单电池16，连接于另一方的母线80的集电板83e成为负极。
[0074]如图7 (C)所示，各集电板的安装孔84是通过机械加工的放射状的切割而被形成的。I个安装孔84由6根切割线形成。连接切割线的两端的假想线84b形成与燃料电池单电池16的外形尺寸(假想线84c)相比更大的圆形。通过该切割线，以从该假想线84b (换言之，安装孔84的内周边缘)向圆的中心方向(直径方向内侧)延伸出的方式形成有12个弹性片84a。
[0075]各弹性片84a是随着朝向顶端而成为渐细的大致扇形的形状，且顶端部相对于根端部(假想线84b)可弹性地弯曲。因而，在将燃料电池单电池16插入于安装孔84时，弹性片84a的顶端部与燃料电池单电池16的外周面抵接且沿着外周面弯曲，从而弹性片84a弹性地卡合于燃料电池单电池16。而且，当燃料电池单电池16相对于集电板而被插入至规定位置时，则集电板通过弹性片84a的弹力而被保持于燃料电池单电池16。
[0076]下面，参照图1及图2，说明固体氧化物型燃料电池装置I的作用。
首先，在固体氧化物型燃料电池装置I的起动工序中，使燃料鼓风机38起动，开始燃料供给，同时开始向铠装加热器61通电。通过开始向铠装加热器61通电，从而加热配置在其上方的燃烧催化剂60，同时还加热配置在内侧的蒸发部86。通过燃料鼓风机38而供给的燃料介由脱硫器36、换热器34、电磁阀35，从燃料气体供给管90流入燃料电池单电池收容容器8的内部。流入的燃料沿燃料气体供给流路20内上升至上端后，沿重整部94内下降，经由设置在内侧圆筒构件64下部的小孔64b而流入燃料气体分散室76。另外，由于在固体氧化物型燃料电池装置I刚刚起动之后，重整部94内的重整催化剂96的温度并未充分上升，因此不进行燃料重整。
[0077]流入燃料气体分散室76的燃料气体经由安装在燃料气体分散室76的第I固定构件63上的各燃料电池单电池16的内侧(燃料极侧)而流入排气汇集室18。另外，由于在固体氧化物型燃料电池装置I刚刚起动之后，各燃料电池单电池16的温度并未充分上升，而且，也未向逆变器54进行电力导出，因此不发生发电反应。
[0078]流入排气汇集室18的燃料从排气汇集室18的喷出口 18d喷出。从喷出口 18d喷出的燃料通过点火加热器62进行点火，并在此燃烧。通过该燃烧，配置在排气汇集室18周围的重整部94被加热。另外，通过燃烧而生成的排放气体经由设置在内侧圆筒构件64上部的小孔64a而流入排气排出流路21。高温的排放气体沿排气排出流路21内下降，加热流过设置在其内侧的燃料气体供给流路20的燃料、流过设置在外侧的氧化剂气体供给流路22内的发电用空气。进而，排放气体通过流经配置在排气排出流路21内的燃烧催化剂60而除去一氧化碳，经由排气排出管58而从燃料电池单电池收容容器8排出。
[0079]通过排放气体及铠装加热器61加热蒸发部86时，供给至蒸发部86的水蒸气重整用水被蒸发，从而生成水蒸气。通过水流量调节单元28将水蒸气重整用水介由供水管88而供给至燃料电池单电池收容容器8内的蒸发部86。蒸发部86中生成的水蒸气和介由燃料气体供给管90而供给的燃料先滞留在燃料气体供给流路20内的燃料气体供给流路隔板92的下侧空间内，并从设置于燃料气体供给流路隔板92的多个喷射口 92a喷出。从喷射口92a强劲喷射的燃料及水蒸气在燃料气体供给流路隔板92的上侧空间内减速，由此充分混入口 ο
[0080]混合后的燃料及水蒸气沿燃料气体供给流路20内上升，流入重整部94。在重整部94的重整催化剂96上升至可进行重整的温度的状态下，燃料及水蒸气的混合气体流经重整部94时，发生水蒸气重整反应，混合气体被重整为富含氢的燃料。重整后的燃料经由小孔64b而流入燃料气体分散室76。在燃料气体分散室76的周围设置有很多的小孔64b，由于作为燃料气体分散室76确保有足够的容积，因此重整后的燃料均等地流入向燃料气体分散室76突出的各燃料电池单电池16。
[0081]另一方面，由空气流量调节单元45供给的氧化剂气体即空气介由氧化剂气体导入管56而流入氧化剂气体供给流路22。流入氧化剂气体供给流路22的空气被流经内侧的排放气体加热，并沿氧化剂气体供给流路22内上升。沿氧化剂气体供给流路22内上升的空气在燃料电池单电池收容容器8内的上端部向中央汇聚，流入与氧化剂气体供给流路22连通的氧化剂气体喷射用管74。流入氧化剂气体喷射用管74的空气从下端向发电室10内喷射，所喷射的空气与第I固定构件63的上面接触，从而扩散至发电室10内整体。流入发电室10内的空气经由排气汇集室18外周壁和内侧圆筒构件64内周壁之间的间隙以及排气汇集室18内周壁和氧化剂气体喷射用管74外周面之间的间隙而上升。
[0082]此时，流经各燃料电池单电池16外侧(空气极侧)的空气的一部分被利用于发电反应。而且，上升至排气汇集室18上方的空气的一部分被利用于从排气汇集室18的喷出口 18d喷出的燃料的燃烧。通过燃烧而生成的排放气体以及未利用于发电、燃烧而残余的空气经由小孔64a而流入排气排出流路21。流入排气排出流路21的排放气体及空气通过燃烧催化剂60而除去一氧化碳后被排出。
[0083]如此，如果各燃料电池单电池16上升至可发电的温度即650°C左右，重整后的燃料沿各燃料电池单电池16的内侧(燃料极侧)流动，空气沿外侧(空气极侧)流动，则通过化学反应而产生电动势。在该状态下，逆变器54与从燃料电池单电池收容容器8引出的母线80连接时，则从各燃料电池单电池16导出电力，从而进行发电。
[0084]另外，在本实施方式的固体氧化物型燃料电池装置I中，发电用空气从配置在发电室10中央的氧化剂气体喷射用管74喷出，经由排气汇集室18和内侧圆筒构件64之间均等的间隙以及排气汇集室18和氧化剂气体喷射用管74之间均等的间隙而沿发电室10内上升。因此，发电室10内的空气流动成为大致完全轴对称的流动，在各燃料电池单电池16的周围，空气均匀地流动。由此，可抑制各燃料电池单电池16之间的温度差，可以在各燃料电池单电池16中产生均等的电动势。
[0085]下面，参照图2-图4、图8及图9对本发明实施方式的固体氧化物型燃料电池装置I的制造工序的概要进行说明。
首先，通过焊接而一体地组装内侧圆筒构件64、中间圆筒构件65、外侧圆筒构件66、及第I固定构件63(参照图3)。另外，在设置于内侧圆筒构件64和中间圆筒构件65之间的重整部94中填充重整催化剂96。并且，再通过焊接来安装供水管88及燃料气体供给管90。
[0086]接下来，将燃料电池单电池16的一方的端部插通于第I固定构件63的插通孔63a，并利用夹具等相对于第I固定构件63而对燃料电池单电池16进行定位。接着，在被定位的燃料电池单电池16的另一方的端部侧上配置第2固定构件即汇集室下构件18b。 如此，在各燃料电池单电池16被定位的状态下，在汇集室下构件18b之上注入陶瓷粘接剂，并在配置覆盖构件19c后通过在干燥炉内进行加热而使陶瓷粘接剂固化。由此，陶瓷粘接剂层118(参照图2)被形成。通过陶瓷粘接剂层118，燃料电池单电池16和汇集室下构件18b的单电池接合部被气密地接合。
另外，各燃料电池单电池16在其导线膜层104a、104b的部分通过陶瓷粘接剂而被粘接(参照图6)。
[0087]在陶瓷粘接剂的加热工序中，干燥炉内的温度从常温用约120分钟被上升至约600C，接着用约20分钟被上升至约80°C，此后在约80°C维持约60分钟。在维持约80°C的温度之后，干燥炉内温度用约30分钟被返回至常温。
通过该加热工序，陶瓷粘接剂被固化到可实施以后的制造工序的状态。另外，在后面的工序中，陶瓷粘接剂通过进行第2加热工序而被固化到能承受在固体氧化物型燃料电池装置I的起动工序中的温度上升的状态。
[0088]接下来，上下翻转组装体，在各燃料电池单电池16的顶端部突出的第I固定构件63之上注入陶瓷粘接剂，并在配置覆盖构件67之后通过在干燥炉内实施上述的加热工序而使陶瓷粘接剂固化。由此，陶瓷粘接剂层122 (参照图2)被形成。通过陶瓷粘接剂层122，燃料电池单电池16和第I固定构件63的单电池接合部被气密地接合。
[0089]接下来，如图8所示，在从第I固定构件63突出的各燃料电池单电池16的顶端部(未使上下翻转时的下端部)上安装有集电体82，该集电体82与母线80连接。集电体82相对于由多个燃料电池单电池16组成的单电池阵列，以各安装孔84位于对应的燃料电池单电池16的轴方向的上方的方式而被定位。而且，集电体82从上方相对于单电池阵列以规定的按压力而被按压。由此，燃料电池单电池16的端部被插入于各安装孔84，且集电体82通过安装孔84的弹性片84a的弹力而被安装于单电池阵列。
[0090]接下来，在组装体上安装分散室基底构件72。并且，在分散室基底构件72的外周面和内侧圆筒构件64的内周面之间的圆环状的间隙中填充陶瓷粘接剂。另外，在设置于分散室基底构件72中央的插通管72a中配置绝缘子78，并填充陶瓷粘接剂。从集电体82延伸的各母线80贯通该绝缘子78及陶瓷粘接剂。在该状态下，针对组装体执行上述的加热工序，使陶瓷粘接剂固化。
[0091]接下来，如图9所示，翻转组装体的上下，以从汇集室下构件18b突出的方式在被固定的各燃料电池单电池16顶的端部上安装集电体82。并且，在汇集室下构件18b上配置汇集室上构件18a，并在汇集室上构件18a与汇集室下构件18b的间隙中注入陶瓷粘接剂。另外，在陶瓷粘接剂之上配置大直径密封环19a、小直径密封环19b。在该状态下，针对组装体执行上述的加热工序，形成陶瓷粘接剂层120a、120b(参照图4)。
[0092]接下来，相对于组装体通过焊接或陶瓷粘接剂来安装内侧圆筒容器68及外侧圆筒容器70。此后，在外侧圆筒构件66和内侧圆筒容器68的间隙中填充陶瓷粘接剂，并通过上述的加热工序使其固化。在该加热工序之后，进一步执行升温到较高的温度(例如，约6500C )的第2加热工序，使各陶瓷粘接剂层固化到能承受起动工序中的温度上升的状态。
[0093]通过以上的工序，图2所示的组装体被制造，最后进行还原工序。在该还原工序中，在高温(例如约650°C )的炉内从燃料气体供给管90供给高温还原气体(燃料气体即氢气)，并使还原气体通过各燃料电池单电池16的燃料极侧。由此，在高温还原气体的环境中还原被氧化的燃料极，例如能够将燃料极所含的氧化镍还原成镍。
另外，还原工序也可以在上述的第2加热工序实施后并使组装体返回到低温之后执行，也可以接着第2加热工序连续执行，也可以同时执行两工序。
[0094]下面，针对本发明实施方式的固体氧化物型燃料电池装置I的制造工序中，将集电体82固定于燃料电池单电池16的单电池阵列的方法进行详细说明。
首先，参照图10-图12说明第I实施例。
图10是集电体的固定方法的说明图，图11是固定方法的流程图，图12是表示集电体被固定在燃料电池单电池的状态的说明图。
各燃料电池单电池16具有圆筒形状的多孔质支撑体97，在其外周面上形成有燃料极层98、反应抑制层99、固体电解质层100、空气极层101、电极层103a及103b、导线膜层104a及104b (参照图6) ο
[0095]首先，如图10(a)所示，在各燃料电池单电池16的两端部的电极层103a、103b的暴露面上涂布有具有导电性的粘接剂151 (图11的步骤SI)。该粘接剂涂布工序是在多个燃料电池单电池16被模块化成单电池阵列之前，即在各燃料电池单电池16是单体的状态下执行的。
[0096]本实施方式中的粘接剂151是在粘合剂成分151a中混合固体粉末151b而成的，在固化前呈膏状。作为粘合剂成分例如可以使用α-松油醇、非离子型表面活性剂、聚乙烯醇缩丁醛及聚缩醛的混合材料中的任意一种。固体粉末是在固体氧化物型燃料电池装置I的运行温度(例如，约600°C以上)以下烧结的颗粒状导电性材料，例如镍的粉末。粉末的平均粒径被设定为与多孔质体即电极层的细孔直径相同程度或与其相比更小。本实施方式的粉末的粒径为从ym级到数十μ??左右。因而，在粘接剂涂布工序中，粘接剂151的粘合剂成分151a及固体粉末151b的一部分进入到多孔质体即电极层的细孔内或以堵塞电极层细孔的开口的方式而被配置。
[0097]接下来，如图10(b)所示，加热粘接剂151，使粘合剂成分151a干燥(图11的步骤S2)。该干燥工序(第I固化工序)例如能够与上述的加热工序同样地通过将各燃料电池单电池16配置于干燥炉内的约80°C的环境中而使粘合剂成分151a干燥。虽然干燥工序中的干燥温度能够使粘合剂成分151a干燥，但是被设定在使固定粉末151b烧结的温度以下。另外，上述陶瓷粘接剂的加热工序也可以兼作该干燥工序。
[0098]在干燥工序中，通过粘合剂成分151a的干燥，在电极层整体的细孔内或在靠近表面的细孔内形成主要由固体粉末151b组成的电极保护层152(电极保护层形成工序)。
本实施方式的电极保护层152主要由细微的镍粉组成，是与电极层相比更硬的层。而且，通过遮盖电极层，电极保护层152能够对电极层进行保护以免受相对于电极层的外力。
[0099]接下来，通过将形成有电极保护层152的燃料电池单电池16在定位于第I固定构件63及汇集室下构件18b的状态下进行固定(参照图8)，而模块化成由多个燃料电池单电池16组成的单电池阵列(图11的步骤S3)。
[0100]接下来，如图10 (C)所示，执行在被模块化的燃料电池单电池16的两端部上分别安装集电体82的集电体安装工序(图11的步骤S4)。具体而言，如在图10(c)中用假想线所示，相对于单电池阵列而对集电体82的各集电板83a-83e进行定位。S卩，以集电体82的安装孔84的中心位于对应的燃料电池单电池16的大致轴中心上的方式配置各集电板。而且，如在图10(c)中用实线所示，相对于单电池阵列按压集电板82。由此，各燃料电池单电池16被插入于对应的安装孔84中。此时，安装孔84的多个弹性片84a沿着燃料电池单电池16的外周面弹性地弯曲，并与外周面抵接。而且，当将各集电板按压至规定位置时，则弹性片84a弹性地卡合于电极保护层152。由此，弹性片84a与电极保护层152被电连接。
[0101 ] 在相对于单电池阵列安装集电体82时，弯曲的弹性片84a —边与在燃料电池单电池16的外周面上形成的电极保护层152抵接，集电体82 —边移动至规定位置。此时，由于被电极保护层152遮盖，因此燃料电池单电池16的电极层被保护，免于因与弹性片84a抵接而损伤。因而，在本实施方式中，能够使用具备具有较大的弹力的弹性片84a的集电体
82ο
[0102]接下来，如图10 (d)所示，执行粘接弹性片84a与电极保护层152的粘接工序(第2固化工序)(图11的步骤S5)。具体而言，以固体粉末151b的熔点以下的温度对电极保护层152进行加热，从而实施使固体粉末151b烧结的工序。通过烧结，电极保护层152体积收缩而被致密化。虽然该烧结工序可以只为集电体82和燃料电池单电池16的粘接而执行，但是上述陶瓷粘接剂的第2加热工序或还原工序也可以兼作烧结工序。当第2加热工序或还原工序构成为兼作烧结工序时，则能够使制造工序短缩化。
[0103]在本实施方式中使用了镍粉作为固体粉末151b。因此，固体粉末151b从约250°C附近开始逐渐地烧结，并在升温至约550°C期间完全烧结。因而，在兼作烧结工序的第2加热工序或还原工序中，例如在逐渐地升温至约650°C的过程中能够使烧结工序完成。
[0104]另一方面，在本实施方式中，集电体82由镍板形成，当集电体82的温度上升时，则板材的弹性模量下降，另外，有可能会引起再结晶从而弹力下降。当因发生弹性模量下降或再结晶而引起弹力的下降时，则电极保护层152所对应的弹性片84a的按压力下降，从而有可能会导致弹性片84a与电极保护层152的接触被失去。镍的再结晶温度为约530°C -约660。。。
[0105]然而，在本实施方式中选择了在集电体82及粘接剂151中所含的固体粉末151b的材料，以便在集电体82的镍板材料具有弹力期间，完成或部分地完成电极保护层152的烧结。具体而言，在本实施方式中设定了固体粉末151b粒径等，以便在集电体82再晶体化之前固体粉末151b进行烧结。因此，能够在烧结工序中将弹性片84粘接于电极保护层152。
[0106]并且，在本实施方式中，在集电体安装工序之前，由于在电极层的表面上形成了电极保护层152，因此在安装集电体时能够防止电极层被弹性片84a抓挠而损伤(剥落)。因此，能够使用具有弹力比较大的弹性片84a的集电体82。即，能够用板厚比较大的板材形成集电体82。当弹性片84a的弹力较大时，则即使在固体氧化物型燃料电池I的运行中，燃料电池单电池16及集电体82被置在高温下时，弹性片84a也能够保持比较大的弹力。由此，即使在通过执行粘接工序而没有电极保护层152的粘接力的情况下，弹性片84a也能够利用其弹力而相对于电极层进行卡合，从而维持电连接。
[0107]在烧结工序中，当固体粉末151b被加热时，则至少固体粉末151b的表面部分变得具有流动性，成为部分的熔解状态。此时，由于弹性片84a通过弹力而按压电极保护层152，因此弹性片84a的顶端部，部分地沉入或埋没于电极保护层152中。在烧结的完成时刻，固体粉末151b的流动性消失而成为固体状态。电极保护层152通过从流动状态变为固体状态而发挥粘接功能。如此，当电极保护层152被烧结时，则如图12所示，弹性片84a相对于被烧结的电极保护层152而被牢固地粘接。由此，在运行中，在向弹性片84a施加应力或热等外在的负荷时，防止弹性片84a相对于电极层物理性地位移。因而，介由导电性的电极保护层152，集电体82和单电池阵列之间的导电性被确保。
[0108]如此，在烧结工序中，通过弹性片84a或是部分地沉入粘接剂(电极保护层152)或是被粘接剂覆盖，弹性片84a和粘接剂的接触面积变大，能够在两者间的粘接程度变得牢固的同时，减少弹性片84a和电极层之间的电阻。
[0109]另外，在本实施方式中，通过用与燃料极层98或空气极层101相同的多孔质材料形成电极层103a、103b，使制造工序简单化。因此，因为电极层具有多孔质构造，所以有可能会导电性不是那么良好，或是接触电阻变大。然而，在本实施方式中，由于不只是电极层的表面，至少在电极层表层的细孔内也形成有电极保护层152，因此能够在改善电极层的导电性的同时，减小电极保护层152和电极层之间的电阻，从而能够构成效率更好的燃料电池。
[0110]并且，因为通过电极保护层152的烧结，而进入到多孔质构造的电极层的细孔的固体粉末151b在成为部分地熔融状态之后固化且被致密化，所以在多孔质内的电气导通路径实际上被扩大。由此，能够形成高导电性且致密的互连构 造。
并且，在烧结工序中的致密化过程中，因为电极保护层152通过弹性片84a而被加压，所以在弹性片84a加压到电极层的位置上的电极保护层152的致密性被提高。由此，能够进一步提高弹性片84a付近的电气导通路径的导电性。
并且，在本实施方式中，由于粘接工序兼作致密化工序，因此能够使制造工序简单化。
[0111]另外，在将多个燃料电池单电池16模块化成单电池阵列之后执行粘接剂涂布工序时，粘接剂涂布工序成为非常费事的作业。然而，在本实施方式中，在模块化工序之前，能够相对于单体状态的燃料电池单电池16而执行粘接剂涂布工序及粘合剂干燥工序。因此，在本实施方式中，作业不费事，并能够使制造工序简单化。
[0112]另外，在本实施方式中，虽然电极保护层152兼作粘接剂，但是不局限于此，也可以进一步使用在电极保护层152之外的粘接剂而将弹性片84a更牢固地粘接在电极保护层152。使用其他的粘接剂是在利用电极保护层152而粘接功能不充分时或电极保护层152不具有粘接功能时有效。
[0113]下面，参照图13对集电体的固定方法的第2实施例进行说明。
如上述所述，在第I实施例中，虽然在将多个燃料电池单电池16模块化成单电池阵列的模块化工序之前，相对于各燃料电池单电池16执行了粘接剂涂布工序及粘合剂干燥工序，但是也可以在模块化工序之后相对于单电池阵列执行粘接剂涂布工序及粘合剂干燥工序。
[0114]S卩，在第2实施例中，如图13所示，以模块化工序(步骤Sll)，粘接剂涂布工序(步骤S12)、粘合剂干燥工序(步骤S13)、集电体安装工序(步骤S14)、粘接工序(步骤S15)的顺序而被执行。
根据这种构成，由于可以与陶瓷粘接剂的加热工序同时执行粘合剂干燥工序，因此可以实现制造工序的缩短化及节能化。
[0115]下面，参照图14及图15对集电体的固定方法的第3实施例进行说明。
在第3实施例中，首先将多个燃料电池单电池16如图8那样模块化成单电池阵列(图15的步骤S21)。
接下来，如图14(a)所示，在电极层103a，103b的表面上涂布导电性粘接剂151 (图15的步骤S22)。在该粘接剂涂布工序中，将膏状粘接剂151更厚地涂布于电极层的表面。粘接剂151是由粘合剂成分151a及导电性固体粉末151b组成的，与图10所示的实施例的粘接剂相同。
但是，优选粘接剂151具有在涂布后可以停留在电极层上程度的粘性，以便能够更厚地涂布。因此，在第3实施例中，作为粘接剂151也可以使用与图10的实施例不同的导电性粘接剂。
[0116]接下来，如图14(b)所示，将集电体82的各集电板83a_83e相对于单电池阵列而进行对位(参照图14(b)的假想线)，并将各集电板压入于单电池阵列(图15的步骤S23)。由此，各燃料电池单电池16被插入于对应的安装孔84。当各集电板被压入至规定位置时，安装孔84的弹性片84a则位于燃料电池单电池16的电极层103a、103b的侧方(参照图14(b)的实线)。
[0117]燃料电池单电池16由陶瓷材料形成，从而难以以较高的尺寸精度形成。因此，在多个燃料电池单电池16之间，在长度、直径、弯曲等上产生不齐。因此，即使相对于单电池阵列而对集电体82进行对位，安装孔84也有可能会相对于对应的燃料电池单电池16而产生错位。因此，在集电体安装工序(步骤S23)中，在将集电体82虚装于单电池阵列时，一部分的弹性片84a有可能会不与电极层表面接触。例如，图14(b)的右侧的弹性片84a与电极层表面接触，而左侧的弹性片84a不与电极层表面接触。
[0118]因此，在粘接剂涂布工序(步骤S22)中，考虑到燃料电池单电池16的尺寸误差，而在电极层表面更厚地涂布了粘接剂151。由此，在集电体安装工序中，能够使与电极层表面未接触的弹性片84a成为埋入到粘接剂151内的状态或是至少与粘接剂151接触的状
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[0119]接下来，如图14(c)所示，加热粘接剂151而使粘合剂成分151a干燥(图15的步骤S24)。该干燥工序与图10(b)所关联而进行说明的干燥工序相同。
通过该干燥工序，图14(c)右侧的弹性片84a在与电极层表面接触的状态下，其一部分被由固体粉末151b组成的电极保护层152覆盖且被固定于电极层。另一方面，虽然图14(c)左侧的弹性片84a未与电极层表面接触，但是介由电极保护层152而被固定于电极层。
[0120]接下来，如图14(d)所示，执行粘接弹性片84a和电极保护层152的粘接工序(图15的步骤S25)。该粘接工序与图10(d)所关联而进行说明的干燥工序相同。
通过该粘接工序，弹性片84a被牢固地粘接于电极层。而且，由于图14(d)右侧的弹性片84a在与电极层表面接触的状态下通过电极保护层152而被粘接于电极层，因此通过与电极层直接的接触而确保了导通。另一方面，虽然图14(d)左侧的弹性片84a未与电极层表面接触，但是由于介由电极保护层152而被粘接于电极层，因此能够介由具有导电性的电极保护层152而确保与电极层的导通。
[0121 ] 如此，在第3实施例中，即使在燃料电池单电池16的尺寸误差比较大，且在集电体安装工序实施后一部分弹性片84a未与电极层接触的情况下，也能够相对于电极层切实地电连接所有的弹性片84a。
另外，在固体氧化物型燃料电池装置I的运行时，因为即使由于集电体82被升温至运行温度而集电体82的弹性片84a的弹力下降，通过粘接也防止了弹性片84a的相对于电极层的位移，所以能够利用电极保护层152确保弹性片84a和电极层之间的导通。
[0122]下面，参照图16及图17对集电体的固定方法的第4实施例进行说明。
在第4实施例中，首先将多个燃料电池单电池16如图8那样地模块化成单电池阵列(图17的步骤S31)。
接下来，如图16(a)所示，将集电体82的各集电板83a-83e相对于单电池阵列而进行对位(参照图16(a)的假想线)，并相对于单电池阵列压入各集电板(图17的步骤S32)。由此，各燃料电池单电池16被插入于对应的安装孔84。当各集电板被压入至规定位置时，则安装孔84的弹性片84a被弹性地卡合于燃料电池单电池16的电极层103a、103b (参照图16 (a)的实线)。
[0123]接下来，如图16(b)所示，在各弹性片84a和电极层103a、103b之间涂布粘接剂153 (图17的步骤S33)，使粘接剂153固化，从而粘接弹性片84a和电极层(图17的步骤S34)。
另外，粘接剂153也可以使用在实施例1中使用的导电性粘接剂，也可以使用其他的导电性粘接剂。此刻，在集电体安装工序(步骤S32)实施后，即使假设一部分的弹性片84a未与电极层接触，也能够介由粘接剂153而确保导通。
另外，也可以使用没有导电性的粘接剂作为粘接剂153。在这种情况下，在集电体安装工序实施后，至少针对与电极层接触的弹性片84a，能够在该弹性片84a和电极层之间确保导通。
[0124]另外，在本实施方式中，在固体氧化物型燃料电池装置I运行时，即使由于集电体82升温至运行温度而集电体82的弹性片84a的弹力下降，也能够利用粘接剂153确保弹性片84a和电极层之间的导通。
如上所述，由于燃料电池单电池16的尺寸误差比较大，因此在集电体安装工序(步骤S32)中，即使将集电板相对于单电池阵列而进行对位，相对于安装孔84，对应的燃料电池单电池16也有可能会错位。因此，虽然需要用比较大的按压力而相对于单电池阵列按压集电板，但是如果勉强地按压集电板，则露出的电极层103a、103b有可能会因弹性片84a而损伤(例如电极层的剥落等)。为了防止这种损伤，考虑用更薄的板材来形成集电体82，以便减小弹性片84a的弹力。然而，如果减小弹性力，在固体氧化物型燃料电池装置I运行时，且在集电体82被置在高温下时，弹性片84a的弹力则进一步下降，有可能会导致弹性片84a和电极层之间的接触被失去。
[0125]于是，在第4实施例中，通过用粘接剂153固定弹性片84a和电极层，能够防止弹性片84a从电极层位移，且防止高温时的弹性片84a与电极层的非接触。因此，可以使用具有弹力被较小设定的弹性片84a的集电体82，且能够通过由更薄的板材形成集电体82来实现装置的轻量化等以降低制造成本。
【主权项】
1.一种固体氧化物型燃料电池装置的制造方法，固体氧化物型燃料电池装置具备:单电池阵列，由在燃料电池模块中收容的多个燃料电池单电池组成；及集电体，与在构成所述单电池阵列的多个燃料电池单电池的端部上形成的电极电连接，其特征在于，具备: 在所述多个燃料电池单电池的端部形成的电极上分别形成导电性电极保护层的工序; 模块化工序，利用所述多个燃料电池单电池形成所述单电池阵列； 及安装工序，相对于所述单电池阵列安装集电体，所述集电体是形成有用于分别插入所述多个燃料电池单电池的端部的多个安装孔的金属板，在各安装孔设有多个弹性片，通过相对于所述单电池阵列按压所述集电体而将对应的燃料电池单电池的端部插入于所述集电体的各安装孔，并通过所述弹性片的弹力而相对于所述单电池阵列安装所述集电体， 所述电极保护层构成为防止在所述安装工序中因所述弹性片的接触而所述电极损伤。2.根据权利要求1所述的固体氧化物型燃料电池装置的制造方法，其特征在于， 在所述安装工序之后， 还具备粘接所述弹性片和所述电极保护层的粘接工序。3.根据权利要求2所述的固体氧化物型燃料电池装置的制造方法，其特征在于，所述电极保护层具有粘接所述弹性片和所述电极的功能。4.根据权利要求3所述的固体氧化物型燃料电池装置的制造方法，其特征在于， 所述电极保护层是通过加热来发挥粘接功能的， 所述固体氧化物型燃料电池装置的制造方法包括为了执行规定的处理而加热所述单电池阵列的加热工序， 所述加热工序兼作所述粘接工序的对所述电极保护层的加热。5.根据权利要求4所述的固体氧化物型燃料电池装置的制造方法，其特征在于，所述电极保护层的粘接功能通过在因加热而所述电极保护层的至少一部分具有流动性之后进行固化而被发挥。6.根据权利要求5所述的固体氧化物型燃料电池装置的制造方法，其特征在于， 所述电极保护层含有颗粒状的导电性材料， 所述粘接工序是使所述颗粒状的导电性材料烧结的工序。
【专利摘要】本发明提供固体氧化物型燃料电池装置的制造方法，可防止燃料电池单电池的电极损坏，确保燃料电池单电池和集电体之间的电连接。具备：在形成于多个燃料电池单电池(16)的端部的电极上分别形成导电性电极保护层(152)的工序；模块化工序，形成单电池阵列；及安装工序，相对于单电池阵列安装集电体(82)，集电体(82)是形成有用于分别插入多个燃料电池单电池(16)端部的多个安装孔(84)的金属板，在各安装孔(84)设有多个弹性片(84a)，在集电体(82)的各安装孔(84a)中插入对应的燃料电池单电池(16)的端部，利用弹性片(84a)的弹力而相对于单电池阵列安装集电体(82)，电极保护层(152)构成为防止在安装工序中因弹性片的接触而损伤电极。
【IPC分类】H01M8/24, H01M8/12, H01M8/02
【公开号】CN104900899
【申请号】CN201510101173
【发明人】田中修平, 渡邉直树, 井坂畅夫, 佐藤真树, 星子琢也, 籾山大, 安藤茂, 冈本修, 端山洁, 古屋正纪, 柿沼保夫
【申请人】Toto株式会社
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年3月6日
【公告号】EP2916379A1, US20150255825
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