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