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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6861007
(24)【登録日】2021年3月31日
(45)【発行日】2021年4月21日
(54)【発明の名称】固体酸化物形燃料電池セルスタック
(51)【国際特許分類】
H01M 8/0206 20160101AFI20210412BHJP
H01M 8/2484 20160101ALI20210412BHJP
H01M 8/12 20160101ALI20210412BHJP
【ＦＩ】
H01M8/0206
H01M8/2484
H01M8/12 101
H01M8/12 102B
【請求項の数】5
【全頁数】15
(21)【出願番号】特願2016-189513(P2016-189513)
(22)【出願日】2016年9月28日
(65)【公開番号】特開2018-55915(P2018-55915A)
(43)【公開日】2018年4月5日
【審査請求日】2019年9月17日
(73)【特許権者】
【識別番号】519322392
【氏名又は名称】森村ＳＯＦＣテクノロジー株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100094569
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 伸一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100103610
【弁理士】
【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦
(74)【代理人】
【識別番号】100109070
【弁理士】
【氏名又は名称】須田 洋之
(74)【代理人】
【識別番号】100095898
【弁理士】
【氏名又は名称】松下 満
(74)【代理人】
【識別番号】100098475
【弁理士】
【氏名又は名称】倉澤 伊知郎
(74)【代理人】
【識別番号】100130937
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 泰史
(74)【代理人】
【識別番号】100123630
【弁理士】
【氏名又は名称】渡邊 誠
(72)【発明者】
【氏名】柿沼 保夫
(72)【発明者】
【氏名】塩野 光伸
(72)【発明者】
【氏名】表敷 浩二
(72)【発明者】
【氏名】高橋 悠也
【審査官】
小森 重樹
(56)【参考文献】
【文献】
特開２０１２−０９４３９８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
国際公開第２００６／１３７５７２（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
特開２０１６−０８１９１１（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００４−２０７００６（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１３−０３３７４０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１７−０３３６５２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０１Ｍ ８／０２０６
Ｈ０１Ｍ ８／１２
Ｈ０１Ｍ ８／２４８４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う燃料電池セルスタックであって、
前記燃料ガスが供給される燃料極、前記酸化剤ガスが供給される空気極、及び、前記燃料極と前記空気極の間に設けられた固体電解質を有する燃料電池セルと、
前記燃料電池セルの端部を覆うように設けられ、前記燃料極において発電に用いられず前記燃料電池セルから排出された未反応の燃料ガスを集約する金属部材と、を備え、
前記金属部材は、
前記金属部材の内側に設けられ、前記未反応の燃料ガスが流通するための流通領域と、
前記未反応の燃料ガスを前記流通領域から前記金属部材の外側に排出する噴出口と、を有し、
前記噴出口において、前記噴出口から排出された前記未反応の燃料ガスが、前記金属部材の外側の前記酸化剤ガスにより燃焼され、
前記噴出口は、前記流通領域から前記噴出口に前記未反応の燃料ガスが流入する流入径ｄ１と、前記噴出口から前記金属部材の外側に前記未反応の燃料ガスが排出する排出径ｄ２が、ｄ１＜ｄ２を満たすように構成されている、固体酸化物形燃料電池セルスタック。
前記燃料ガスが供給される燃料極、前記酸化剤ガスが供給される空気極、及び、前記燃料極と前記空気極の間に設けられた固体電解質を有する燃料電池セルと、
前記燃料電池セルの端部を覆うように設けられ、前記燃料極において発電に用いられず前記燃料電池セルから排出された未反応の燃料ガスを集約する金属部材と、を備え、
前記金属部材は、
前記金属部材の内側に設けられ、前記未反応の燃料ガスが流通するための流通領域と、
前記未反応の燃料ガスを前記流通領域から前記金属部材の外側に排出する噴出口と、を有し、
前記噴出口において、前記噴出口から排出された前記未反応の燃料ガスが、前記金属部材の外側の前記酸化剤ガスにより燃焼され、
前記噴出口は、前記流通領域から前記噴出口に前記未反応の燃料ガスが流入する流入径ｄ１と、前記噴出口から前記金属部材の外側に前記未反応の燃料ガスが排出する排出径ｄ２が、ｄ１＜ｄ２を満たすように構成されている、固体酸化物形燃料電池セルスタック。
【請求項2】
前記噴出口の断面形状は、Ｃ面形状または逆Ｒ面形状である、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。
【請求項3】
前記噴出口は、面取り加工により形成されたものである、請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。
【請求項4】
前記噴出口は、プレス加工により形成されたものである、請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。
【請求項5】
前記金属部材は、集電部材または前記燃料電池セルから排出された未反応の燃料ガスを集約する排気集約室である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池セルスタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、固体酸化物形燃料電池セルスタックに関する。
【背景技術】
【0002】
燃料電池の一つに、固体電解質に固体酸化物を用いた固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下「ＳＯＦＣ」とも言う）がある。固体酸化物形燃料電池は、電解質として酸化物イオン導電性の固体電解質を用い、その両側に電極を取り付け、一方の側に燃料ガスを供給し、他方の側に酸化剤ガス（空気、酸素等）を供給して、これら燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電を行う燃料電池である。
【0003】
固体酸化物形燃料電池において、集電部材やマニホールドなど、ステンレスなどの金属によって構成されている部材（以下、金属部材とも言う）を用いることが知られている。金属部材の内部は、燃料ガスや酸化剤ガスが通ることができるようになっており、ガスが出入りするための貫通孔を有する。貫通孔の形成など、金属部材の加工を行う場合、費用の面から、プレス加工により形成されることが一般的である。
【0004】
例えば、特許文献１には、集電部材として用いる金属基材の角部をプレス加工により面取り加工することが記載されている。
【0005】
また、金属部材である集電部材やマニホールド内に燃料電池セルの上端から噴出される未反応の燃料ガスを流通させ、集電部材やマニホールドにおいて、この未反応の燃料ガスを酸化剤ガスと反応させ、燃焼させることが知られている。
【0006】
特許文献２には、円筒形の燃料電池セルにおいて、集電部材として機能する内側電極端子の中心部に燃料ガス流路が形成されており、未反応の燃料ガスが内側電極端子を通るように構成されていることが記載されている。また、燃料電池セルの上方に改質器を設け、発電反応後の残余の燃料ガス及び空気による燃焼熱によって改質器を熱することが記載されている。
【0007】
特許文献３には、燃料電池セルの上端から噴出される未反応の燃料ガスを集める排気集約室を設け、排気集約室の天井面に設けられた燃料ガスを燃焼させる噴出口が形成されていることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開２０１３−２５８１１２号公報
【特許文献2】国際公開第２０１３／０４７６６７号
【特許文献3】特開２０１５−１８７５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
金属基材の表面は、通常、ステンレスに含まれるクロムまたはアルミニウムが酸化された、酸化クロム層または酸化アルミニウム層からなる金属酸化物層によって保護されている。これにより、ステンレスに含まれる鉄の酸化を抑制している。
【0010】
このような金属基材にプレス加工をし、穴あけ加工をすると、加工した部分の端部が破断することでバリが形成される。上述のように、燃料ガスを排出して燃焼させるための噴出口をプレス加工により形成する場合、噴出口の端部にバリが形成されると考えられる。このようにバリが形成された噴出口で燃焼させると、尖った形状により、バリは酸化されやすいため、異常酸化してしまう。また、金属基材に含まれるクロムやアルミニウムの酸化が急速に進む。クロムやアルミニウムの酸化が進み、金属基材から金属酸化物層に供給されるクロムやアルミニウムが欠乏すると、金属酸化物層が安定して形成されず、鉄が酸化されてしまう。これにより、金属部材の噴出口付近の表面に酸化鉄が堆積したり、金属部材が体積膨張したりする。したがって、噴出口の径が小さくなり、ガスの分散性が低下してしまうという問題がある。
【0011】
従って、本発明は、固体酸化物形燃料電池セルスタックにおいて、金属部材を用いて燃料ガスを燃焼させる場合、異常酸化による影響を低減し、ガスの分散性の低下を防止することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明による固体酸化物形燃料電池セルスタックは、燃料ガスと酸化剤ガスとにより発電を行う燃料電池セルスタックであって、前記燃料ガスが供給される燃料極、前記酸化剤ガスが供給される空気極、及び、前記燃料極と前記空気極の間に設けられた固体電解質を有する燃料電池セルと、前記燃料電池セルの端部を覆うように設けられ、前記燃料極において発電に用いられず前記燃料電池セルから排出された未反応の燃料ガスを集約する金属部材と、を備え、前記金属部材は、前記金属部材の内側に設けられ、前記未反応の燃料ガスが流通するための流通領域と、前記未反応の燃料ガスを前記流通領域から前記金属部材の外側に排出する噴出口と、を有し、前記噴出口において、前記噴出口から排出された前記未反応の燃料ガスが、前記金属部材の外側の前記酸化剤ガスにより燃焼され、前記噴出口は、前記流通領域から前記噴出口に前記未反応の燃料ガスが流入する流入径ｄ１と、前記噴出口から前記金属部材の外側に前記未反応の燃料ガスが排出する排出径ｄ２が、ｄ１＜ｄ２を満たすように構成されている。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明による固体酸化物形燃料電池を備えた固体酸化物形燃料電池システムの一態様を示す構成図である。
【図2】固体酸化物形燃料電池システムの燃料電池モジュールを示す側面断面図である。
【図4】固体酸化物型燃料電池システムの燃料電池セルスタックを示す斜視図である。
【図5】燃料電池セルユニットを示す断面図である。
【図9】燃料電池セルの上端部に排気集約室を設けた態様の断面図である。
【図10】内側電極端子の製造プロセスの一例を示す模式図である。
【図11】実施例における金属部材の製造プロセスを示す模式図である。
【図12】実施例における金属部材１の貫通孔近傍のＳＥＭ図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
まず、図を参照して、本発明の実施形態である固体酸化物形燃料電池システムについて説明をする。図１は、本発明の一実施形態による固体酸化物形燃料電池システムを示す構成図である。図１に示すように、固体酸化物形燃料電池システム１は、燃料電池モジュール２と、補機ユニット４を備えてなる。
【0015】
燃料電池モジュール２は、ハウジング６を備え、このハウジング６内部には、断熱材７を介して密封空間８が形成されている。なお、断熱材は設けないようにしても良い。この密封空間８の下方部分である発電室１０には、燃料ガスと酸化剤ガス（空気）とにより発電反応を行う燃料電池セル集合体１２が配置されている。この燃料電池セル集合体１２は、１０個の燃料電池セルスタック１４（図４参照）を備え、この燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６（図５参照）から構成されている。このように、燃料電池セル集合体１２は、１６０本の燃料電池セルユニット１６を有し、これらの燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されている。
【0016】
燃料電池モジュール２の密封空間８の上述した発電室１０の上方には、燃焼室１８が形成され、この燃焼室１８で、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガスと残余の酸化剤（空気）とが燃焼し、排気ガスを生成するようになっている。また、この燃焼室１８の上方には、燃料ガスを改質する改質器２０が配置され、前記残余ガスの燃焼熱によって改質器２０を改質反応が可能な温度となるように加熱している。さらに、この改質器２０の上方には、改質器２０の熱を受けて空気を加熱し、改質器２０の温度低下を抑制するための空気用熱交換器２２が配置されている。
【0017】
次に、補機ユニット４は、水道等の水供給源２４からの水を貯水してフィルターにより純水とする純水タンク２６と、この貯水タンクから供給される水の流量を調整する水流量調整ユニット２８を備えている。また、補機ユニット４は、都市ガス等の燃料供給源３０から供給された燃料ガスを遮断するガス遮断弁３２と、燃料ガスから硫黄を除去するための脱硫器３６と、燃料ガスの流量を調整する燃料流量調整ユニット３８を備えている。さらに、補機ユニット４は、空気供給源４０から供給される酸化剤である空気を遮断する電磁弁４２と、空気の流量を調整する改質用空気流量調整ユニット４４及び発電用空気流量調整ユニット４５と、改質器２０に供給される改質用空気を加熱する第１ヒータ４６と、発電室に供給される発電用空気を加熱する第２ヒータ４８とを備えている。これらの第１ヒータ４６と第２ヒータ４８は、起動時の昇温を効率よく行うために設けられているが、省略しても良い。
【0018】
次に、燃料電池モジュール２には、排気ガスが供給される温水製造装置５０が接続されている。この温水製造装置５０には、水供給源２４から水道水が供給され、この水道水が排気ガスの熱により温水となり、図示しない外部の給湯器の貯湯タンクへ供給されるようになっている。また、燃料電池モジュール２には、燃料ガスの供給量等を制御するための制御ボックス５２が取り付けられている。さらに、燃料電池モジュール２には、燃料電池モジュールにより発電された電力を外部に供給するための電力取出部（電力変換部）であるインバータ５４が接続されている。
【0019】
次に、図２及び図３により、固体酸化物形燃料電池システムの燃料電池モジュールの内部構造を説明する。図２は、固体酸化物形燃料電池システムの燃料電池モジュールを示す側面断面図であり、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。図２及び図３に示すように、燃料電池モジュール２のハウジング６内の密封空間８には、上述したように、下方から順に、燃料電池セル集合体１２、改質器２０、空気用熱交換器２２が配置されている。
【0020】
改質器２０は、その上流端側に純水を導入するための純水導入管６０と改質される燃料ガスと改質用空気を導入するための被改質ガス導入管６２が取り付けられ、また、改質器２０の内部には、上流側から順に、蒸発部２０ａと改質部２０ｂが形成され、改質部２０ｂには改質触媒が充填されている。この改質器２０に導入された水蒸気が混合された燃料ガス及び空気は、改質器２０内に充填された改質触媒により改質される。
【0021】
この改質器２０の下流端側には、燃料ガス供給管６４が接続され、この燃料ガス供給管６４は、下方に延び、さらに、燃料電池セル集合体１２の下方に形成されたマニホールド６６内で水平に延びている。燃料ガス供給管６４の水平部６４ａの下方面には、複数の燃料供給孔６４ｂが形成されており、この燃料供給孔６４ｂから、改質された燃料ガスがマニホールド６６内に供給される。
【0022】
このマニホールド６６の上方には、上述した燃料電池セルスタック１４を支持するための貫通孔を備えた下支持板６８が取り付けられており、マニホールド６６内の燃料ガスが、燃料電池セルユニット１６内に供給される。
【0023】
次に、改質器２０の上方には、空気用熱交換器２２が設けられている。この空気用熱交換器２２は、上流側に空気集約室７０、下流側に２つの空気分配室７２を備え、これらの空気集約室７０と空気分配室７２は、６個の空気流路管７４により接続されている。ここで、図６に示すように、３個の空気流路管７４が一組（７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄ，７４ｅ，７４ｆ）となっており、空気集約室７０内の空気が各組の空気流路管７４からそれぞれの空気分配室７２へ流入する。
【0024】
空気用熱交換器２２の６個の空気流路管７４内を流れる空気は、燃焼室１８で燃焼して上昇する排気ガスにより予熱される。空気分配室７２のそれぞれには、空気導入管７６が接続され、この空気導入管７６は、下方に延び、その下端側が、発電室１０の下方空間に連通し、発電室１０に余熱された空気を導入する。
【0025】
次に、マニホールド６６の下方には、排気ガス室７８が形成されている。また、図３に示すように、ハウジング６の長手方向に沿った面である前面６ａと後面６ｂの内側には、上下方向に延びる排気ガス通路８０が形成され、この排気ガス通路８０の上端側は、空気用熱交換器２２が配置された空間と連通し、下端側は、排気ガス室７８と連通している。また、排気ガス室７８の下面のほぼ中央には、排気ガス排出管８２が接続され、この排気ガス排出管８２の下流端は、図１に示す上述した温水製造装置５０に接続されている。図２に示すように、燃料ガスと空気との燃焼を開始するための点火装置８３が、燃焼室１８に設けられている。
【0026】
次に図４により燃料電池セルスタック１４について説明する。図４は、固体酸化物型燃料電池システムの燃料電池セルスタックを示す斜視図である。図４に示すように、燃料電池セルスタック１４は、１６本の燃料電池セルユニット１６を備え、これらの燃料電池セルユニット１６の下端側及び上端側が、それぞれ、セラミック製の下支持板６８及び上支持板１００により支持されている。これらの下支持板６８及び上支持板１００には、内側電極端子８６が貫通可能な貫通穴６８ａ及び１００ａがそれぞれ形成されている。
【0027】
さらに、燃料電池セルユニット１６には、集電体１０２及び外部端子１０４が取り付けられている。この集電体１０２は、燃料極である内側電極９０に取り付けられた内側電極端子８６と電気的に接続される燃料極用接続部１０２ａと、空気極である外側電極９２の外周面全体と電気的に接続される空気極用接続部１０２ｂとにより一体的に形成されている。空気極用接続部１０２ｂは、外側電極９２の表面を上下方向に延びる鉛直部１０２ｃと、この鉛直部１０２ｃから外側電極９２の表面に沿って水平方向に延びる多数の水平部１０２ｄとから形成されている。また、燃料極用接続部１０２ａは、空気極用接続部１０２ｂの鉛直部１０２ｃから燃料電池セルユニット１６の上下方向に位置する内側電極端子８６に向って斜め上方又は斜め下方に向って直線的に延びている。
【0028】
さらに、燃料電池セルスタック１４の端（図４では左端の奥側及び手前側）に位置する２個の燃料電池セルユニット１６の上側端及び下側端の内側電極端子８６には、それぞれ外部端子１０４が接続されている。これらの外部端子１０４は、隣接する燃料電池セルスタック１４の端にある燃料電池セルユニット１６の外部端子１０４（図示せず）に接続され、上述したように、１６０本の燃料電池セルユニット１６の全てが直列接続されるようになっている。
【0029】
次に、図５を参照して、燃料電池セルユニット１６について説明する。
【0030】
図５に示すように、燃料電池セルユニット１６は、燃料電池セル８４と、この燃料電池セル８４の上下方向端部にそれぞれ接続されたキャップである内側電極端子８６とを備えてなる。燃料電池セル８４は、上下方向に延びる管状構造体であり、内部に燃料ガス流路８８を形成する円筒形の多孔質支持体９１上に内側電極９０と、外側電極９２と、内側電極９０と外側電極９２との間にある固体電解質９４とを備えてなる。この内側電極９０は、燃料ガスが通過する燃料極であり、（−）極である。一方、外側電極９２は、空気と接触する空気極であり、（＋）極である。
【0031】
内側電極９０は、例えば、Ｎｉと、ＣａやＹ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニアとの混合体、Ｎｉと、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリアとの混合体、Ｎｉと、Ｓｒ、Ｍｇ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｃｕから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレードとの混合体、の少なくとも一種から形成される。本実施形態では、内側電極９０は、Ｎｉ／ＹＳＺからなる。
【0032】
固体電解質９４は、内側電極９０の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は内側電極９０の下端よりも上方で終端し、上端は内側電極９０の上端よりも下方で終端している。固体電解質９４は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
【0033】
外側電極９２は、電解質９４の外周面に沿って全周にわたって形成されており、下端は固体電解質９４の下端よりも上方で終端し、上端は固体電解質９４の上端よりも下方で終端している。外側電極９２は、例えば、Ｓｒ、Ｃａから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンマンガナイト、Ｓｒ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンフェライト、Ｓｒ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕから選ばれた少なくとも一種をドープしたランタンコバルタイト、銀、などの少なくとも一種から形成される。
【0034】
次に、内側電極端子８６について説明する。燃料電池セル８４の上端側と下端側に取り付けられた内側電極端子８６は、同一構造であるため、ここでは、上端側に取り付けられた内側電極端子８６について具体的に説明する。
【0035】
内側電極端子８６は、燃料電池セル８４の上端部をそれぞれ包囲するように設けられ、燃料電池セル８４により発電された電力を燃料電池セル８４から取り出すための集電部材として機能する。図５に示すように、内側電極９０の上部９０ａは、固体電解質９４と外側電極９２に対して露出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを備える。内側電極９０の露出部９０ａは、電解質層９４と外側電極９２に対して露出された外周面９０ｂと上端面９０ｃとを備えている。内側電極端子８６は、内側電極９０の上端面９０ｃに直接接続され、或いは、導電性のシール材９６を介して内側電極９０の外周面９０ｂ、及び、内側電極９０の上端面９０ｃと接続されており、これにより、内側電極９０と電気的に接続されている。また、内側電極端子８６の中心部には、内側電極９０の燃料ガス流路８８と連通する燃料ガス流路９８が画成されている。
【0036】
次に、本発明において用いられる金属部材３００について説明する。
【0037】
（金属部材）本発明において用いられる金属部材３００は、金属部材の内側に設けられ、未反応の燃料ガスが流通するための流通領域と、未反応の燃料ガスが流通領域から金属部材の外側に排出し、燃焼する噴出口と、を有し、噴出口において、流通領域から噴出口に未反応の燃料ガスが流入する流入径ｄ１と、噴出口から金属部材の外側に未反応の燃料ガスが排出する排出径ｄ２が、ｄ１＜ｄ２を満たすものである。これにより、噴出口にて未反応の燃料ガスを燃焼させる場合において、異常酸化が発生し、噴出口の内径閉塞が起こっても排出径ｄ２が流入径ｄ１よりも大きいため燃料ガスの流通を阻害せず、ガスの分散性低下を抑制することが可能となる。
【0038】
流入径ｄ１は、金属部材３００の内壁にある噴出口の直径を指す。また、排出径ｄ２は、金属部材３００の外壁にある噴出口の直径を指す。
【0039】
本発明において、好ましくは、金属部材３００の噴出口２０２の断面形状は、Ｃ面形状または逆Ｒ面形状である。これにより異常酸化が発生することで噴出口の内径閉塞が起こっても流入径よりも大きいため燃料ガスの流通を阻害せず、ガスの分散性低下を抑制することが可能となる。なお、Ｃ面形状とは、図６に示すように、角部を直線状に落とした形状である。また、逆Ｒ面形状とは、図７や図８に示すように、金属部材３００の内側に湾曲するように落とした形状である。
【0040】
本発明において、好ましくは、金属部材３００の噴出口２０２は、面取り加工により形成されたものである。金属部材３００に貫通孔を形成すると、貫通孔の端部にバリが生成してしまう。これを面取り加工により除くことにより、バリが無い噴出口２０２を形成できる。したがって、噴出口２０２付近での異常酸化を抑制し、ガスの分散性低下を抑制できる。
【0041】
面取り加工は、上述のようにＣ面形状または逆Ｒ面形状となるように行うのが好ましい。
【0042】
本発明において、好ましくは、金属部材３００の噴出口２０２は、プレス成形により形成されたものである。すなわち、噴出口２０２の形成過程において、プレス成形を用いていれば良い。金属部材３００にプレス成形により貫通孔を形成した後、貫通孔の端部の処理を行うことにより噴出口２０２を形成してもよい。また、貫通孔を形成した後、プレス成形により貫通孔の端部の処理を行うことにより噴出口２０２を形成しても良い。貫通孔の端部の処理として、上述のように面取り加工を行う場合、プレス成形により行っても良い。
【0043】
本発明において、金属部材３００は、フェライト系ステンレスやオーステナイト系ステンレスなどの金属で構成されていることが好ましい。好ましくは、フェライト系ステンレスである。これにより燃料電池セル８４を構成する他の部材との熱膨張差を小さくすることができ、燃料電池の運転時に発生するクラックを抑制することが出来る。
【0044】
次に、本発明で用いられる金属部材３００を内側電極端子８６として用いる実施形態について、説明する。
【0045】
本発明における金属部材３００は、内側電極端子８６として用いることが可能である。特に、燃料電池セル８４の上端部に設けられた内側電極端子８６として用いることができる。燃料電池セル８４の上端部を覆うように金属部材３００（内側電極端子８６）が設けられる。なお、燃料電池セル８４の上端部とは、燃料電池モジュール２において、改質器２０が設けられている側に向いている燃料電池セル８４の端部である。
【0046】
図６は、図５のＩ部の拡大断面図である。内側電極端子８６は、燃料電池セル８４の端部を覆う本体部２００と、本体部２００の端部に設けられ本体部２００よりも径が小さい先端部２０１とを有する。内側電極端子８６の中心部には、内側電極９０の燃料ガス流路と連通する燃料ガス流路９８が形成されている。燃料ガス流路９８は、内側電極９０において発電で用いられなかった未反応の燃料ガスが流通するための流通領域３０１として機能する。流通領域３０１を通った未反応の燃料ガスは、内側電極端子８６の上端、つまり、先端部２０１に設けられた噴出口２０２から噴出される。この際、内側電極端子８６の外側、つまり燃料電池セル８４の外側には、外側電極に９２に供給するための酸化剤ガスが存在している。噴出口２０２から未反応の燃料ガスが噴出し、未反応の燃料ガスと酸化剤ガスとが反応することにより、燃焼する。燃焼は、未反応の燃料ガスと酸化剤ガスとが出会う噴出口２０２の外側で起こる。
【0047】
本発明では、金属部材３００の噴出口２０２において、流通領域３０１から噴出口２０２に未反応の燃料ガスが流入する流入径ｄ１と、噴出口２０２から金属部材の外側に未反応の燃料ガスが排出する排出径ｄ２の関係がｄ１＜ｄ２である。これにより、噴出口２０２にて異常酸化が発生したとしても、金属部材３００の流通領域３０１を流通する未反応ガスの分散性低下を抑制できる。よって、発電効率の低下を抑制できる。なお、図６に示すように、流入径ｄ１は、金属部材３００の内壁にある噴出口の直径を指す。また、排出径ｄ２は、金属部材３００の外壁にある噴出口の直径を指す。図６は、噴出口２０２の断面形状はＣ面形状である。
【0048】
次に、本発明の金属部材３００を排気集約室５００として用いた実施形態について説明する。
【0050】
図９では、燃料電池セル８４の上端部に内側電極端子８６を設け、かつ排気集約室５００を設けているが、その他の構成は前述の構成と同一であるため、説明は省略する。排気集約室５００は、１つの燃料電池セル８４に対し、１つの排気集約室５００を設けても良いが、複数の燃料電池セル８４に対し、１つの排気集約室５００を設けるのが好ましい。図９では、２つの燃料電池セル８４に対し、１つの排気集約室５００を設けている。
【0051】
排気集約室５００は、燃料電池セル８４の内側電極９０の燃料ガス流路８８と連通しており、燃料電池セル８４から排出される発電に用いられなかった燃料ガスである未反応の燃料ガスを集約する。集約された未反応の燃料ガスは、排気集約室５００内の流通領域３０１を通り、天井面に形成された噴出口２０２から排出して燃焼する。この際、排気集約室５００の外側の周囲には、酸化剤ガスが存在しているため、未反応の燃料ガスと酸化剤ガスとが反応することにより、燃焼する。
【0052】
金属部材３００を内側電極端子８６として用いる場合と同様に、金属部材３００の噴出口２０２において、金属部材３００の内壁に設けられ、流通領域３０１から噴出口２０２に未反応の燃料ガスが流入する流入径ｄ１と、金属部材３００の外壁に設けられ、噴出口２０２から金属部材の外側に未反応の燃料ガスが排出する排出径ｄ２の関係がｄ１＜ｄ２である。これにより、噴出口２０２にて異常酸化が発生したとしても、金属部材３００の流通領域３０１を流通する未反応ガスの分散性低下を抑制できる。よって、発電効率の低下を抑制できる。
【0053】
燃料電池モジュール２において、排気集約室５００を設ける場合、内側電極端子８６と排気集約室５００との間にシール材９７を設ける。これにより、未反応の燃料ガスが排気集約室の噴出口２０２で燃焼するため、燃焼熱によって生じる熱応力が燃料電池セルに伝わる影響を緩和することが出来る。
【0054】
（金属部材の製造方法）本発明で用いられる金属部材の製造方法について説明する。図１０に、金属部材として内側電極端子８６を製造する場合の製造プロセスの模式図を示す。なお、ここでは内側電極端子８６を例にとって説明するが、これに限定されるものではなく、排気集約室５００も同様の方法で作製することが可能である。
【0055】
本発明で用いられる金属部材の製造方法は、（１）金属板を準備する準備工程と、（２）金属板を所望の形状に成形し、中間体を製造する作製工程と、（３）中間体にプレス成形により貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、（４）貫通孔の端部を加工し、噴出口を形成する噴出口形成工程と、を含む。
【0056】
準備工程では、所望の金属で構成された金属板を準備する。金属板の厚みは０．１ｍｍ〜３ｍｍ程度であるものが好ましい。前処理として、金属板の表面を電解研磨処理しても良い。これにより、金属基材表面の凹凸を無くすことにより表面を滑らかにし、表面に緻密な金属酸化物層を形成することが可能となる。
【0057】
製造工程では、準備工程で準備した金属板を所望の形状に成形し、中間体を得る。成形の方法として、プレス成形、曲げ加工溶接加工を用いることができる。好ましくはプレス成形である。これにより、継ぎ目のない成形が可能となる。
【0058】
貫通孔形成工程では、作製工程で作製した所望の形状の中間体にプレス成形により貫通孔２４０を形成する。この際、図１０に示すように、貫通孔２４０の端部にバリ２５０が生成してしまう。バリ２５０は、プレス成形の方向に生成される。このバリ２５０が、未反応の燃料ガスの排出方向に存在すると、噴出口２０２での燃焼が異常酸化してしまうため、好ましくない。
【0059】
噴出口形成工程では、貫通孔形成工程にて形成された貫通孔２４０の端部を処理することにより、噴出口２０２を形成する。この際、噴出口２０２の端部に形成されたバリ２５０を取り除く処理を行う。これにより、噴出口２０２において、未反応の燃料ガスが流入する流入径ｄ１と、未反応の燃料ガスが排出する排出径ｄ２が、ｄ１＜ｄ２を満たすことが可能となる。したがって、異常酸化の発生を抑制することができ、さらに発生したとしても燃料ガスの噴出口２０２の閉塞による影響を低減できるため、ガスの分散性が低下してしまうのを抑制できる。
【0060】
処理は、機械研磨、電解研磨、プレス成形などの公知の方法を用いることができる。機械研磨としては、ドリルやリーマを用いた加工またはバフ研磨を用いることができる。本発明では、プレス成形を用いることが好ましい。これにより、削り取った金属粉の付着のおそれなく、一連の工程により金属部材３００の作製を行うことができる。
【実施例】
【0061】
本発明を以下の実施例によってさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【0062】
下記の方法により金属部材を作製し、耐久性試験を行った。
【0063】
（金属部材１）表１に示す組成の金属板を用意した。なお、組成はＸＲＦ（X−Ray Fluorescence リガク製）を使用し、切り出した金属板表面の半定量分析を行うことで求めた。この金属板をキャップ形状になるように成形し、中間体を得た。中間体をプレス成形することにより貫通孔を形成した。以上より、貫通孔を有するキャップ形状の金属部材１を得た。
【0064】
【表1】
【0065】
（金属部材２）金属部材１に対し、図１１に示すように、貫通孔の端部をピンで面押し加工することにより、噴出口の流入径ｄ１と排出径ｄ２の関係がｄ１＜ｄ２であり、端部がＣ面形状であるキャップ形状である金属部材２を得た。
【0066】
（試験方法）上述の方法により得られた金属部材を、電気炉において８８０℃、４００時間大気下で加熱した。加熱後の金属部材の噴出口付近をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により観察した。
【0067】
（結果）得られたＳＥＭ写真を図１２に示す。図１２は金属部材１のＳＥＭ図であり、貫通孔の端部を加工していない金属部材１は、先端が異常酸化してスケールが堆積することにより、内径閉塞が見られた。金属部材２を観察したところ、異常酸化が確認されず、初期と同形状を保っていた。
【符号の説明】
【0068】
１ 固体酸化物形燃料電池システム２ 燃料電池モジュール
４ 補機ユニット
６ ハウジング
７ 断熱材
８ 密封空間
１０ 発電室
１６ 固体酸化物形燃料電池セルユニット
１８ 燃焼室
２０ 改質器
２２ 空気用熱交換器
２４ 水供給源
２６ 純水タンク
２８ 水流量調整ユニット
３０ 燃料供給源
３２ ガス遮断弁
３６ 脱硫器
３８ 燃料流量調整ユニット
３９ バルブ
４０ 空気供給源
４２ 電磁弁
４４ 改質用空気流量調整ユニット
４５ 発電用空気流量調整ユニット
４６ 第一ヒータ
４８ 第二ヒータ
５０ 温水製造装置
５２ 制御ボックス
５４ インバータ
６０ 純水導水管
６３ 燃料供給配管
６４ 燃料ガス供給管
６５ 水添脱硫器用水素取出管
６６ マニホールド
６８ 下支持板
７２ 空気分配室
７４ 発電用空気導入管
７６ 空気導入管
８２ 排ガス排出管
８３ 点火装置
８４ 燃料電池セル
８６ 内側電極端子
８８ 燃料ガス流路
９０ 内側電極
９１ 支持体
９２ 外側電極
９４ 固体電解質
９７ シール材
１００ 上支持板
２０２ 噴出口
３００ 金属部材
３０１ 流通領域
５００ 排気集約室