固体氧化物型燃料电池装置及制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及固体氧化物型燃料电池装置及制造方法，尤其涉及具备对收容于燃料电池模块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及制造方法。
【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]因此，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及制造方法，能够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中，在防止燃料电池单电池的电极破损的同时，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，其特征在于，其为具备由收容于燃料电池模块的多个燃料电池单电池组成的单电池阵列、电连接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的集电体的固体氧化物型燃料电池装置，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，通过在集电体的各安装孔中插入对应的燃料电池单电池的端部，从而集电体通过弹性片而被安装于单电池阵列，弹性片通过粘接剂而被固定于燃料电池单电池，以便弹性片的位置相对于燃料电池单电池的电极不产生位移。
[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，以降低设定弹性片的弹力。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，因此弹性片有可能会产生一端接触，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，采用了相对于燃料电池单电池利用粘接剂固定弹性片的构成，以便在利用在设置于集电体的安装孔上形成的弹性片而使集电体弹性地卡合于单电池阵列的同时，这些弹性片相对于燃料电池单电池的电极不产生位移(即，弹性片不以从电极离开的方式移动)。在如此构成的本发明中，即使降低设定弹性片的弹力，以便在相对于单电池阵列安装集电体时不使燃料电池单电池的电极损伤，由于弹性片利用粘接剂以相对于电极不产生位移的方式而被固定，因此在燃料电池装置的运行中，即使弹性片的弹力下降或消失，也能够确保弹性片和电极之间的导电性。即，在本发明中，因为粘接剂的粘接力补偿了运行中的弹性片的弹力的下降成分，所以即使假设弹性片的弹力消失了，也能够确保弹性片和电极之间的导通。
[0016]在本发明中，优选弹性片通过沿燃料电池单电池的侧面弯曲，而弹性地卡合于燃料电池单电池的电极，粘接剂以至少遮盖弯曲的弹性片的一部分的方式而被配置。
当粘接剂的粘度较高时则作业性变差，难以在燃料电池单电池的全周上涂布粘接剂。然而，根据本发明，由于粘接剂以遮盖沿燃料电池单电池的侧面弯曲的弹性片的至少一部分的方式而被配置，而弹性片又防止了粘接剂的滴流，所以能够使用较低粘度的粘接剂。
[0017]在本发明中，优选粘接剂具有导电性，被配置于弹性片和燃料电池单电池的电极之间，粘接剂在至少弹性片的一部分沉入到粘接剂内的状态下进行固化。
根据如此构成的本发明，在相对于单电池阵列安装集电体且对粘接剂进行固化时，由于在至少弹性片的一部分利用弹力沉入于具有导电性的粘接剂内的状态下粘接剂被固化，因此弹性片和粘接剂之间的接触面积增大。由此，在能够减少弹性片和粘接剂之间的接触电阻的同时，能够使弹性片和粘接剂之间的电的及物理性的粘接更牢固。
[0018]在本发明中，优选在弹性片和燃料电池单电池的电极之间配置有导电性的电极保护层，以防止在集电体的各安装孔中插入对应的燃料电池单电池的端部时因接触弹性片而电极损伤，电极保护层为粘接剂。
[0019]根据如此构成的本发明，在燃料电池单电池的电极上设置了用于防止因弹性片而导致损伤的导电性的电极保护层。由此，在将燃料电池单电池插入于集电体并安装时，能够防止因弹性片抓挠燃料电池单电池的电极而电极损伤。由此，在本发明中，能够使用具有较大弹力的弹性片的集电体，并且防止电极的损伤。因而，在本发明中，抑制了在集电体安装时的弹性片的一端接触、伴随在高温下运行中的弹力下降的弹性片的一端接触，在能够确保介由电极保护层的集电体和燃料电池单电池电极之间的良好的导通状态同时，能够良好地维持集电体的安装的作业性。
[0020]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，其特征在于，其为具备由收容于燃料电池模块的多个燃料电池单电池组成的单电池阵列、电连接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的集电体的固体氧化物型燃料电池装置的制造方法，其特征在于，具备:安装工序，其为相对于单电池阵列安装集电体的安装工序，集电体为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，而在集电体的各安装孔中插入对应的燃料电池单电池的端部，通过弹性片的弹力将集电体安装于单电池阵列；及粘接工序，利用粘接剂将集电体的弹性片粘接于燃料电池单电池，以便防止弹性片的位置相对于燃料电池单电池的电极产生位移。
[0021]如上所述，在相对于单电池阵列按压具有安装孔的集电体且利用弹性片将集电体弹性地安装于单电池阵列时，有可能会因弹性片而使燃料电池单电池的电极损伤。但是，为了避免电极的损伤，如果降低设定弹性片的弹力，则有可能会或是在安装时产生一端接触而无法得到良好的电接触，或是在运行中的高温状态下伴随弹力的下降而失去弹性片和电极之间的良好的电接触。
[0022]于是，在本发明中，构成为在相对于单电池阵列安装集电体之后，利用粘接剂相对于燃料电池单电池粘接弹性片，以便弹性片的位置相对于燃料电池单电池的电极不产生位移。根据如此构成的本发明，构成为即使降低设定弹性片的弹力，以便在相对于单电池阵列而安装集电体时不使燃料电池单电池的电极损伤，通过利用粘接剂的固定，弹性片相对于电极也不产生位移。因此，能够防止因燃料电池装置运行中的弹性片的弹力的下降导致的电非接触，确保弹性片和电极之间的良好的导通状态。
[0023]在本发明中，其特征在于，优选进一步具备涂布工序，在形成于单电池阵列的各燃料电池单电池端部的电极上涂布具有导电性的粘接剂，在安装工序中，在使弹性片与粘接剂接触的状态下，通过弹性片的弹力而将集电体安装于单电池阵列，在粘接工序中，使粘接剂固化，以防止弹性片的位置相对于燃料电池单电池的电极产生位移。
[0024]如上所述，在相对于单电池阵列按压具有安装孔的集电体且利用弹性片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，因此一部分的弹性片有可能会不与燃料电池单电池的电极物理性地接触。即，有可能会发生一端接触。为了防止一端接触，可以较大地设定弹性片的弹力。但是，当弹性片的弹力较大时，则在将集电体安装于单电池阵列时，有可能会因弹性片而使燃料电池单电池的电极损伤。因而，设定可能的弹性片的弹力的大小是有界限的。
[0025]于是，在本发明中，首先将具有导电性的膏状粘接剂涂布于单电池阵列的燃料电池单电池。优选此刻调整粘接剂的粘度，且在电极表面上更厚地涂布粘接剂。接下来，相对于单电池阵列安装集电体。虽然在集电体被安装于单电池阵列的状态下一部分的弹性片与电极物理性地接触，但是其余的弹性片有可能会因制造尺寸的不齐而不与电极物理性地接触。然而，在本发明中，能够使所有的弹性片与至少有一定厚度的膏状粘接剂的层接触。优选能使弹性片埋没于粘接剂的层中。因而，即使弹性片不与电极直接地接触，也能够使弹性片与粘接剂接触。而且，通过在该状态下使粘接剂固化，介由固化的粘接剂，能够以弹性片相对于电极不产生位移的方式将弹性片固定于电极。因为粘接剂具有导电性，所以通过利用粘接剂物理性地连接弹性片和电极，能够确保弹性片和电极处于电连接的状态。
[0026]如此，在本发明中，能够在利用具有导电性的粘接剂物理性地连接未与电极抵接的弹性片和电极的同时，进行电连接。因而，在本发明中，即使降低设定弹性片的弹力，在不提高燃料电池单电池的尺寸精度的前提下，也能够确保集电体和单电池阵列之间的电接触，同时能够防止伴随在运行中的高温状态下的弹力下降发生弹性片和电极之间的导通不良。
[0027]在本发明中，其特征在于，优选进一步具备:涂布工序，在形成于多个燃料电池单电池端部的电极上涂布导电性的粘接剂；第I固化工序，使涂布于多个燃料电池单电池的粘接剂进行第I固化，以便可以将多个燃料电池单电池安装于单电池阵列；及模块化工序，由多个燃料电池单电池形成单电池阵列，在安装工序中，在使弹性片与第I固化的粘接剂弹性地抵接的状态下，通过弹性片的弹力相对于单电池阵列安装集电体，粘接工序包括对第I固化的粘接剂进行加热而使其进行第2固化的第2固化工序，在第2固化工序中，在第2固化进行中，通过弹性片的弹力，使弹性片的一部分沉入于粘接剂内，在弹性片的一部分沉入于粘接剂内的状态下使粘接剂完全固化，从而介由粘接剂粘接弹性片和电极，以防止弹性片的位置相对于燃料电池单电池的电极产生位移。
[0028]根据如此构成的本发明，在燃料电池单电池为单体的状态下将粘接剂涂布于燃料电池单电池的电极，且使粘接剂固化(第I固化)至可以执行以后的安装作业的程度。而且，其后将多个燃料