(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質層と燃料極と空気極とを有する単セルと、
前記単セルを収容する開口部を有する枠体と、
前記単セルと前記枠体との間で前記燃料極と前記空気極を隔離する隔離セパレータと、を備える発電層が複数積層してなる積層構造を有する固体電解質形燃料電池であって、
前記隔離セパレータは、
前記隔離セパレータの前記枠体に取り付ける位置と、前記隔離セパレータと前記単セルが接触する位置との間で、前記発電層の積層方向に沿って撓んだ状態であることを特徴とする固体電解質形燃料電池。
【請求項２】
前記隔離セパレータの前記枠体に取り付ける位置と、前記隔離セパレータと前記単セルが接触する位置が、前記隔離セパレータ自身が撓むことによって前記発電層の積層方向おいてずれている請求項１に記載の固体電解質形燃料電池。
【請求項３】
前記隔離セパレータは波状の可撓部を備える請求項１又は２に記載の固体電解質形燃料電池。
【請求項４】
前記積層構造において、前記発電層と交互に積層されるセル間セパレータが配置され、
前記積層構造の積層方向の両端に配置された前記セル間セパレータは、前記発電層間に配置された前記セル間セパレータよりも、積層方向の厚みが厚い請求項１ないし３のいずれか１項に記載の固体電解質形燃料電池。
【請求項５】
前記積層構造の積層方向の両端に配置された前記セル間セパレータは、前記発電層側に傾斜する傾斜部を備える請求項４に記載の固体電解質形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質を用いて発電する固体電解質形燃料電池に関する。更に詳しくは、各発電層の集電性能を長期にわたって維持できるものとし、性能向上し、安定した固体電解質形燃料電池に関する。
本発明は、各種の構造を備える固体電解質形燃料電池において広く利用することができる。
【背景技術】
【０００２】
平板型の固体電解質形燃料電池（「平板型ＳＯＦＣスタック」ともいう。）は、複数の単セルがセル間セパレータを介して積層することで形成されている。また、単セルで得られた電力はその電極からセル間セパレータを介して集電されるが、電極及びセル間セパレータ間の接触抵抗によって出力低下する場合があり改善を望まれていた。
この平板型ＳＯＦＣスタックは、１０００℃を越える高温で動作させることが多いが、近年、Ｙ等により安定化されたジルコニアなどの固体電解質層をできるだけ薄くして内部抵抗を低減し、９００℃以下、特に８００℃以下の比較的低温域で動作させる研究が活発化している。この場合、従来から使用されている耐熱性の高いセラミックセパレータに代えて、金属製の安価なセパレータを使用することができ、特に、より安価なステンレス鋼を用いることができれば、大幅にコストを引き下げることができる（例えば、特許文献１参照。）。
また、このような平板型ＳＯＦＣスタックは、金属製のセル間セパレータを使用し、各々の単セルの燃料極及び空気極とセル間セパレータとを、それぞれ集電体により電気的に接続した構成をすることが多い。
【０００３】
しかし、各々の電極及びセル間セパレータ間の接触抵抗が高いと、大きな出力を得ることが難しい。特に、空気極の側では、常に酸素ガスが存在し、セル間セパレータが酸化され易く、生成する絶縁性の酸化皮膜により接触抵抗が高くなる傾向にある。このような問題に対処するため、優れた導電性を有するＡｇを用いた集電体が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
また、単セルを積層した積層体を作成するときに、積層方向の応力を緩和することによって単セルの破損を防止し、固体電解質形燃料電池の耐久性を向上することが望まれている。この例としてディンブル形状の金属板をセル間セパレータとして使用することによって緩和することが知られている（例えば、特許文献２参照。）。しかし、電極とセル間セパレータとの接触部分が、ディンブルの先端部分に限定されて面積が少なくなるため、接触抵抗が大きくなりがちである。
更に、耐熱合金に含まれるクロムによって空気極が被毒される恐れがある。これに対しメッキを行うことが知られているが（例えば、特許文献１参照。）、メッキを設ける工程が増加する。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２８００２６号公報
【特許文献２】特開２００１−３５５１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記問題点を解決するものであり、電極及びセル間セパレータ間の接触抵抗を少なくすることができ、発電層の積層方向の応力を緩和することができる固体電解質形燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の固体電解質形燃料電池は、以下の通りである。
請求項１は、
固体電解質層と燃料極と空気極とを有する単セルと、
前記単セルを収容する開口部を有する枠体と、
前記単セルと前記枠体との間で前記燃料極と前記空気極を隔離する隔離セパレータと、を備える発電層が複数積層してなる積層構造を有する固体電解質形燃料電池であって、
前記隔離セパレータは、
前記隔離セパレータの前記枠体に取り付ける位置と、前記隔離セパレータと前記単セルが接触する位置との間で、前記発電層の積層方向に沿って撓んだ状態であることを特徴とする固体電解質形燃料電池である。
請求項２は、
前記隔離セパレータの前記枠体に取り付ける位置と、前記隔離セパレータと前記単セルが接触する位置が、前記隔離セパレータ自身が撓むことによって前記発電層の積層方向おいてずれている請求項１に記載の固体電解質形燃料電池である。
請求項３は、
前記隔離セパレータは波状の可撓部を備える請求項１又は２に記載の固体電解質形燃料電池である。
請求項４は、
前記積層構造において、前記発電層と交互に積層されるセル間セパレータが配置され、
前記積層構造の積層方向の両端に配置された前記セル間セパレータは、前記発電層間に配置された前記セル間セパレータよりも、積層方向の厚みが厚い請求項１ないし３のいずれか１項に記載の固体電解質形燃料電池である。
請求項５は、
前記積層構造の積層方向の両端に配置された前記セル間セパレータは、前記発電層側に傾斜する傾斜部を備える請求項４に記載の固体電解質形燃料電池である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の固体電解質形燃料電池１によれば、隔離セパレータ２３が撓んだ状態で配設されるので、各要素の厚みのばらつきがある場合であっても、応力が均一となり、接触抵抗に影響を及ぼすことがない。また、本固体電解質形燃料電池１の使用温度である６５０℃以上で十分な可撓性が得られ、応力緩和できる。つまり、燃料極側集電体４１と空気極側集電体４２の厚さのばらつきがあっても使用時に応力緩和できる。
隔離セパレータ２３に可撓部を更に備える場合は、隔離セパレータ２３の可撓性が更に増し、更に応力を均一とすると共に、接触抵抗の増加を防ぐことができる。
また、隔離セパレータ２３に波状部２３１を備える場合は、可撓性が更に増し、更に応力を均一とすると共に、接触抵抗の増加を防ぐことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の固体電解質形燃料電池を図１〜１０を用いて詳細に説明する。
本固体電解質形燃料電池１は図２などに例示するように、燃料極１２、固体電解質層１１及び空気極１３がこの順に積層され、燃料極１２と空気極１３の間が隔離セパレータ２３で隔離される構造であれば良く、燃料極１２、固体電解質層１１及び空気極１３のいずれも基体とすることができる。
また、固体電解質形燃料電池１は、各種の構造のものがあり、複数の発電層１０が金属製のセル間セパレータ２１を介して積層され、形成されているものがある。この燃料電池１において各々の発電層１０は単セル１００を備え、それぞれの単セル１００は、固体電解質層１１と、この固体電解質層１１の一面に設けられた燃料極１２と、他面に設けられた空気極１３とを有する。
更に、各々の単セル１００の燃料極１２及び空気極１３とセル間セパレータ２１とは、それぞれ燃料極側集電体４１及び空気極側集電体４２により電気的に接続することができる。また、各々の発電層１０は、燃料ガスの流路と、支燃性ガスである空気の流路とを隔離するための隔離セパレータ２３を備える。更に、それぞれの発電層１０間を電気的に絶縁するため、セラミック等の絶縁体からなる枠体７が、積層方向の所定部分に配設される。
【０００９】
上記「隔離セパレータ２３」は、発電層１０に供給する燃料ガス及び支燃性ガスが混合しないように隔離するための平板状のセパレータである。この隔離セパレータ２３は、可撓性を備える材質である。図４及び５に示すように、隔離セパレータ２３を枠体７に取り付ける位置３３と、隔離セパレータ２３と単セル１００が接触する位置３４が、隔離セパレータ２３自身が撓むことによって発電層１０の積層方向においてずれることができ、単セル１００の固定位置を該積層方向において自由に移動することができるからである。
これによって単セル１００の構成要素及び／又は各集電体４１、４２の厚さの誤差があっても、単セル１００、セル間セパレータ２１及び各集電体４１、４２を圧迫するように配設することでそれぞれ同じ圧力で接触することができる。更に、図１０に例示するような、単セル１００が隔離セパレータ２３によって押さえつけられて、一部のみ接触できずに接触抵抗が増大することを防ぐこともできる。
また、上記「撓み」は、隔離セパレータ２３に与えられた応力が除去されると元の形状に戻る弾性変形、及び元の形状に戻らない塑性変形のいずれであってもよい。各構成要素の接触抵抗を増大させることなく、各ガスの隔離をすることができればよいからである。
このような可撓性を備える材質として金属を挙げることができる。また、金属として、ステンレス鋼、ニッケル基合金及びクロム基合金等の耐熱合金が好ましい。
例えば、隔離セパレータ２３にＳＵＳ４３０を用いる場合は、厚さは０．０２ｍｍ〜０．５ｍｍ（好ましくは０．０３ｍｍ〜０．３ｍｍ、更に好ましくは０．０３ｍｍ〜０．１５ｍｍ）が好ましい。この範囲であれば固体電解質形燃料電池１の一般的な動作温度である６５０〜９００℃において十分な撓みを得ることができるからである。
【００１０】
更に、隔離セパレータ２３は、可撓部を具備することができる。この「可撓部」は、隔離セパレータ２３の一部又は全体に設けることができ、隔離セパレータ２３をより撓みやすくする構造を備える部分である。また、「撓みやすくする構造」は、任意の構造を選択することができ、例えば図６、７に示すような波状部２３１を設けてこれを可撓部とすることができる。この「波状部２３１」は、単セル１００が配置される中心に向かった断面形状が波状であり、枠体７から単セル１００までの距離をより長くすることによって隔離セパレータ２３をより撓みやすくすることができる。このような、波状部２３１を形成することによって垂直方向の可撓性を更に高めることができる。更に、上記波状部２３１に限らず隔離セパレータ２３の厚みをより薄くした可撓部を設けて、隔離セパレータ２３を撓みやすくすることができる。
【００１１】
上記「固体電解質層１１」は、ＺｒＯ２、ＢａＣｅＯ3系酸化物、及びＬａＧａＯ3系酸化物のうち、少なくとも一つからなることが好ましい。また、これらのうち、ＺｒＯ２系酸化物を用いた固体電解質が特に好ましい。
この固体電解質層１１は、本固体電解質形燃料電池１の動作時に燃料極１２に導入される燃料ガス又は空気極１３に導入される支燃性ガスのうち一方の少なくとも一部をイオンとして移動させることができるイオン伝導性を有する。どのようなイオンを伝導することができるかは特に限定されないが、イオンとしては、例えば、酸素イオン及び水素イオン等が挙げられる。
尚、この固体電解質層１１の厚さは電気抵抗と強度とを勘案し、５〜１００μｍ、特に５〜５０μｍ、更には５〜３０μｍとすることができる。
【００１２】
上記「燃料極１２」は、Ｎｉ及びＹＳＺ等により形成することができる。この燃料極１２は、水素源となる燃料ガスと接触し、単セル１００における負電極として機能する。
また、燃料極１２の形成に用いる材料もＮｉ及びＹＳＺに限定されず、固体電解質形燃料電池１の使用条件等により適宜選択することができる。この材料としては、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ及びＦｅ等の金属が挙げられる。これらの金属は１種のみでもよいし、２種以上の金属の合金でもよい。また、これらの金属及び／又は合金と、Ｙ及び希土類元素のうちの少なくとも１種により安定化されたジルコニア等のジルコニア系セラミック、セリア系セラミック及び酸化マンガン等のセラミックとの混合物（サーメットを含む。）が挙げられる。更に、Ｎｉ及びＣｕ等の金属の酸化物と、上記セラミックのうちの少なくとも１種との混合物などが挙げられる。
また、燃料極１２の平面形状は特に限定されない。
【００１３】
上記「空気極１３」は、例えばＬａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３系複合酸化物等により形成することができる。この空気極１３は、酸素源となる支燃性ガスと接触し、単セル１００における正電極として機能する。
また、空気極１３の形成に用いる材料はＬａ１−ｘＳｒｘＭｎＯ３系複合酸化物に限定されず、固体電解質形燃料電池１の使用条件等により適宜選択することができる。この材料としては、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ及びＲｈ等の金属が挙げられる。これらの金属は１種のみでもよいし、２種以上の金属の合金でもよい。更に、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｏ及びＭｎ等の酸化物（例えば、Ｌａ２Ｏ３、ＳｒＯ、Ｃｅ２Ｏ３、Ｃｏ２Ｏ３、ＭｎＯ２及びＦｅＯ等）が挙げられる。また、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｏ及びＭｎ等のうちの少なくとも１種を含有する各種の複合酸化物（例えば、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏＯ３系複合酸化物、Ｌａ１−ｘＳｒｘＦｅＯ３系複合酸化物、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏ１−ｙＦｅｙＯ３系複合酸化物、Ｐｒ１−ｘＢａｘＣｏＯ３系複合酸化物及びＳｍ１−ｘＳｒｘＣｏＯ３系複合酸化物等）が挙げられる。
【００１４】
上記「燃料極側集電体４１」の材質は、金属が好ましく、例えばＮｉ又はＮｉ基合金等により形成することができる。この燃料極側集電体４１の形態は、弾性があるものが好ましく、多孔体、発泡体及び金属繊維からなるフェルト又はメッシュ等を挙げることができる。
この上記「弾性がある」とは、バネ等のように圧縮前の形状に略復元する程度の弾性であってもよいし、圧縮前の形状に復元されなくても積層されるセル間セパレータ２１、固体電解質層１１、燃料極１２、空気極１３、燃料極側集電体４１及び空気極側集電体４２が、燃料極側集電体４１によって互いに押しつけられ、それぞれの接触が密になることによって接触抵抗が増大することを防止することができる程度の弾性であってもよい。例えば、金属のフェルト又はメッシュ等を用いた燃料極側集電体４１の場合は、元の厚さが２０ｍｍであっても、２ｍｍ厚まで圧縮し加熱状態で使用すると、その後自由にしても２．１ｍｍ程度までしか戻らないが、本発明の用途においては十分な弾性を備えるといえる。このような程度の弾性がある燃料極側集電体４１を用い、燃料極側集電体４１を圧縮した状態で配設することによって、積層されるセル間セパレータ２１、固体電解質層１１、燃料極１２、空気極１３、燃料極側集電体４１及び空気極側集電体４２が、燃料極側集電体４１の復元力によって互いに押しつけられ、それぞれの接触が密になることによって接触抵抗が増大することを防止することができる。
上記「空気極側集電体４２」の材質は、金属及び導電性セラミックを用いることができる。この金属としては、燃料極側集電体４１と同様のものを用いることができるが、非弾性の緻密な板状体であってもかまわない。
また、上記「非弾性」は、上記燃料極側集電体４１より弾性が小さいことをいう。更に、上記導電性セラミックは、本固体電解質形燃料電池１の使用温度において導電性を備えていれば良く、ＬＳＭ等を例示することができる。また、空気極側集電体４２の少なくとも一部に空気極１３を構成する元素と同じ元素が含まれていることが好ましい。
【００１５】
空気極側集電体４２は一面で空気極１３と接触し、他面でセル間セパレータ２１と接触するように設けることができる。また、セル間セパレータ２１と接触する面の少なくとも一部において、空気極側集電体４２及びセル間セパレータ２１をろう材等の接合材を用いて接合することができる。このような接合材は、空気極側集電体４２とセル間セパレータ２１とを密着させ、安定して接触させ、接触抵抗が増大することを防止することができる限り特に限定されない。
尚、固体電解質形燃料電池１では、空気極側集電体４２とセル間セパレータ２１との間等、同様に接合材等により気密にシールする必要のある部分が多くあり、これらの接合操作の際に同時に接合することができる。また、ガラス接合でも良いし、コンプレッションシールでも良い。
更に、これらの集電体４１、４２は１種の材料のみからなっていてもよく、２種以上の材料からなっていてもよい。また、異なる材料からなるブロックの集合体であってもよい。
【００１６】
上記「セル間セパレータ２１」の材質は金属、特に、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金等の耐熱合金により形成される。尚、セル間セパレータ２１の上面に更に他の発電層が積層されない場合は、蓋部材２２として機能し、セル間セパレータ２１の下面に更に他の発電層が積層されない場合は底部材２６として機能する。
更に、固体電解質形燃料電池１の構造によっては、燃料ガス又は支燃性ガスの流路が形成されたセル間セパレータ２１が用いることができる。
【００１７】
上記「膨張抑制手段」は、燃料極側集電体４１の復元力等によって膨張変形することを抑制する手段である。膨張変形によって各部材間の接触面積が減少し、接触抵抗が増大することを防止するためである。この膨張抑制手段は燃料極側集電体４１の膨張を防止することができれば良く、例えば、図２に示すように、各セル間セパレータ２１、２２、２６を厚くしてこれを膨張抑制手段とすることができる。例えば、ＳＵＳ４３０等の金属で作製されたセル間セパレータ２１の厚さを０．３ｍｍ以上（好ましくは、０．５ｍｍ以上、更に好ましくは０．８ｍｍ以上）とすることで、燃料極側集電体４１等が膨張変形することを抑制することができる。これによって、膨張変形による各部材間の接触面積が減少し、接触抵抗が増大することを防止することができる。また、発電層１０が積層方向に膨張することを防止することができる。
また、図６に示すように、セル間セパレータ２１である蓋部材２２及び底部材２６のみを厚くして膨張抑制手段とすることができる。例えば、ＳＵＳ４３０等の金属で作製された蓋部材２２及び底部材２６の厚さを０．３ｍｍ以上（好ましくは、０．５ｍｍ以上、更に好ましくは０．８ｍｍ以上）とすることで、蓋部材２２及び底部材２６が変形して、各発電層１０の燃料極側集電体４１等が膨張変形することを抑制することができる。また、膨張変形による各部材間の接触面積が減少し、接触抵抗が増大することを防止することができる。更に、固体電解質形燃料電池１全体の膨張を防止することができる。
更に、図８に示すように、セル間セパレータ２１である蓋部材２２及び底部材２６に傾斜部２１１を設けて膨張抑制手段とすることができる。この傾斜部２１１は、単セル１００との接触部から発電層１０の枠体８２、８４、８６までの間に設けられ、それぞれが単セル１００側に向かうように傾斜が設けられている。  このような傾斜部２１１を設けることで例えば、ＳＵＳ４３０等の金属で作製されたセル間セパレータ２１、蓋部材２２及び底部材２６の厚さを０．２５〜０．７ｍｍとしても、単セル１００等が膨張変形しようとする応力を傾斜部２１１によって分散し、膨張変形を抑制することができる。また、膨張変形による各部材間の接触面積が減少し、接触抵抗が増大することを防止することができる。更に、固体電解質形燃料電池１全体の膨張を防止することができる。
更に、それぞれが積層方向の一方向に向かうように傾斜部２１１を設け、一部のセル間セパレータ２１のみ厚くすることもできる。例えば図９に示すように、セル間セパレータ２１、蓋部材２２を底部材２６に向けた傾斜部２１１を設け、底部材２６の厚みを厚くすることができる。このような固体電解質形燃料電池であっても、膨張変形を抑制することができる。
尚、本膨張抑制手段は、単セル１００及び空気極側集電体４２等の膨張変形による接触抵抗の増大も防止することができる。
【００１８】
上記「燃料ガス」は、水素、水素源となる炭化水素、水素と炭化水素との混合ガス、及びこれらのガスを所定温度の水中を通過させ加湿した燃料ガス、これらのガスに水蒸気を混合させた燃料ガス等が挙げられる。炭化水素は特に限定されず、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等が挙げられる。更に、メタン、エタン、プロパン、ブタン及びペンタン等の炭素数が１〜１０、好ましくは１〜７、より好ましくは１〜４の飽和炭化水素、並びにエチレン及びプロピレン等の不飽和炭化水素を主成分とするものが好ましく、飽和炭化水素を主成分とするものが更に好ましい。これらの燃料ガスは１種のみを用いてもよいし、２種以上を併用することもできる。また、５０体積％以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。
【００１９】
上記「支燃性ガス」は、酸素と他の気体との混合ガス等が挙げられる。また、この混合ガスには８０体積％以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスが含有されていてもよい。これらの支燃性ガスのうちでは安全であって、且つ安価であるため空気（約８０体積％の窒素が含まれている。）が好ましい。
【実施例１】
【００２０】
以下、実施例により本発明の固体電解質形燃料電池１を具体的に説明する。
１．固体電解質形燃料電池１の構造
（１）単セル１００及び各種セパレータ等
参考例１の固体電解質形燃料電池は図１〜３に示すように、３個の発電層１０（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）が積層されている。また、隔離セパレータ２３は撓みのない水平の状態で配設されている。尚、発電層１０の数は３に限られず任意の数で構成することができる。
この固体電解質形燃料電池１では、３個の発電層１０ａ〜１０ｃがセル間セパレータ２１を介して積層されている。各々の発電層１０が備える単セル１００は、燃料極１２を基体とし、その上に固体電解質層１１及び空気極１３が積層されている。
固体電解質層１１は、８ＹＳＺからなり、平面形状が正方形であり、厚さが３０μｍである。
燃料極１２は、Ｎｉ及び８ＹＳＺとからなり、平面方向の形状、寸法が固体電解質層１１と同じであり、厚さが１０００μｍである。
空気極１３は、ＬＳＭ（Ｌａ0.8Ｓｒ0.2ＭｎＯ3）からなり、平面方向の形状が固体電解質層１１と同じであり、寸法が固体電解質層１１より小さく、厚さが３０μｍである。
【００２１】
上部の発電層１０ａは、セル間セパレータ２１の上面に配設されたニッケルフェルトからなる燃料極側集電体４１、単セル１００、インコネル繊維メッシュからなる空気極側集電体４２及び蓋部材２２をこの順に備える。この空気極側集電体４２と蓋部材２２とは、これらが接触する面の全面において、ろう付けがされており、接合部６が形成されている。
また、上部発電層１０ａは、それぞれ接合部６を介して下面が固体電解質層１１及び金属製枠体８２と接合され、上面が絶縁性セラミックであるＭｇＯ−ＭｇＡｌ２Ｏ４焼結体からなる絶縁板７及び金属製枠体８１を介して蓋部材２２と接合されている隔離セパレータ２３を更に有する。
【００２２】
中間部の発電層１０ｂは、セル間セパレータ２１の上面に配設された燃料極側集電体４１、単セル１００及び空気極側集電体４２をこの順に備える。この空気極側集電体４２は、セル間セパレータ２１の下面と上部発電層１０ａの場合と同様にしてろう付けされ、接合部６が形成されている。
また、中間部発電層１０ｂは、それぞれ接合部６を介して下面が固体電解質層１１及び金属製枠体８４と接合され、上面が絶縁板７及び金属製枠体８３を介してセル間セパレータ２１と接合されている隔離セパレータ２３を更に有する。
【００２３】
下部の発電層１０ｃは、底部材２６の上面に配設された燃料極側集電体４１、単セル１００及び空気極側集電体４２をこの順に備える。この空気極側集電体４２は、セル間セパレータ２１の下面と上部発電層１０ａの場合と同様にしてろう付けされ、接合部６が形成されている。
また、下部発電層１０ｃは、それぞれ接合部６を介して下面が固体電解質層１１及び金属製枠体８６と接合され、上面が絶縁板７及び金属製枠体８５を介してセル間セパレータ２１と接合されている隔離セパレータ２３を更に有する。
【００２４】
セル間セパレータ２１、蓋部材２２、隔離セパレータ２３、底部材２６及び金属製枠体８１〜８６は、いずれもＳＵＳ４３０によって形成されている。単セルと、それぞれ熱膨張率が略一致する耐熱合金であるからである。更に、セル間セパレータ２１、蓋部材２２及び底部材２６は、厚さが１ｍｍあり、膨張抑制手段として機能する。
更に、蓋部材２２と金属製枠体８１、上部発電層用隔離セパレータ２３と金属製枠体８２、金属製枠体８２とセル間セパレータ２１、セル間セパレータ２１と金属製枠体８３、中間発電層用隔離セパレータ２３と金属製枠体８４、金属製枠体８４とセル間セパレータ２１、セル間セパレータ２１と金属製枠体８５、下部発電層用隔離セパレータ２３と金属製枠体８６、金属製枠体８６と底部材２６はそれぞれ接合材により接合され、接合部６が形成されている。また、各金属製枠体と絶縁層７、隔離セパレータ２３と絶縁層７もそれぞれ接合材により接合され、接合部６が形成されている。
【００２５】
（２）ガス導入管及び排出管等
上部発電層１０ａにおいて図２に示すように、上部発電層１０ａの隔離セパレータ２３とセル間セパレータ２１との間に形成された空間には、上部発電層１０ａの燃料極１２に燃料ガスを導入するための燃料ガス導入管９１が開口している。また、この空間の燃料ガス導入管９１の開口部と対向する側には、上部発電層１０ａの燃料極１２から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出管９２が開口している。更に、図３に示すように、蓋部材２２と隔離セパレータ２３との間に形成された空間には、上部発電層１０ａの空気極１３に支燃性ガスを導入するための支燃性ガス導入管９３が開口している。また、この空間の支燃性ガス導入管９３の開口部と対向する側には、上部発電層１０ａの空気極１３から支燃性ガスを排出するための支燃性ガス排出管９４が開口している。
【００２６】
また、中間部発電層１０ｂにおいて図２に示すように、隔離セパレータ２３とセル間セパレータ２１との間に形成された空間には、中間部発電層１０ｂの燃料極１２に燃料ガスを導入するための燃料ガス導入管９１が開口している。更に、この空間の燃料ガス導入管９１の開口部と対向する側には、中間部発電層１０ｂの燃料極１２から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出管９２が開口している。また、図３に示すように、セル間セパレータ２１と隔離セパレータ２３との間に形成された空間には、中間部発電層１０ｂの空気極１３に支燃性ガスを導入するための支燃性ガス導入管９３が開口している。更に、この空間の支燃性ガス導入管９３の開口部と対向する側には、中間部発電層１０ｂの空気極１３から支燃性ガスを排出するための支燃性ガス排出管９４が開口している。
【００２７】
更に、下部発電層１０ｃにおいて図２に示すように、隔離セパレータ２３と底部材２６との間に形成された空間には、下部発電層１０ｃの燃料極１２に燃料ガスを導入するための燃料ガス導入管９１が開口している。また、この空間の燃料ガス導入管９１の開口部と対向する側には、下部発電層１０ｃの燃料極１２から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出管９２が開口している。更に、図３に示すように、セル間セパレータ２１と隔離セパレータ２３との間に形成された空間には、下部発電層の空気極１３に支燃性ガスを導入するための支燃性ガス導入管９３が開口している。また、この空間の支燃性ガス導入管９３の開口部と対向する側には、下部発電層１０ｃの空気極１３から支燃性ガスを排出するための支燃性ガス排出管９４が開口している。
【００２８】
また、各発電層１０ａ〜１０ｃの各々に燃料ガス又は支燃性ガスを導入し、又は排出するためのそれぞれの管は、本管に側管が取り付けられた構造であり、各発電層１０ａ〜１０ｃの各々の単セルに燃料ガス及び支燃性ガスが同時に導入され、且つ排出される。更に、燃料ガス導入管と燃料ガス排出管、及び支燃性ガス導入管と支燃性ガス排出管は、この実施例１の場合は、燃料ガス及び支燃性ガスがそれぞれ対向方向に流通するような位置に取り付けられている。これにより、各発電層１０ａ〜１０ｃのそれぞれの単セル１００の各々の燃料極と燃料ガス、及び空気極と支燃性ガスをそれぞれ効率よく接触させることができる。
【００２９】
２．燃料ガス及び支燃性ガス
参考例１の固体電解質形燃料電池を用いて発電させる場合、燃料極側には燃料ガスを導入し、空気極側には支燃性ガスを導入する。
【００３０】
３．固体電解質形燃料電池の発電及び電力の取り出し
この固体電解質形燃料電池１は、上部発電層１０ａの空気極１３が、空気極側集電体４２を介して蓋部材２２に電気的に接続されている。上部発電層１０ａの燃料極１２は、燃料極側集電体４１を介してセル間セパレータ２１と電気的に接続されている。また、このセル間セパレータ２１は、空気極側集電体４２を介して中間部発電層１０ｂの空気極１３と接続されている。更に、中間部発電層１０ｂの燃料極１２は、燃料極側集電体４１を介してセル間セパレータ２１と電気的に接続されている。また、このセル間セパレータ２１は、空気極側集電体４２を介して下部発電層１０ｃの空気極１３と電気的に接続されている。更に、下部発電層１０ｃの燃料極１２は、燃料極側集電体４１を介して底部材２６に電気的に接続されている。このように発電層１０ａ〜１０ｃは各々直列に接続されており、蓋部材２２及び底部材２６から電力を取り出すことができる。
また、本固体電解質形燃料電池１を所定の動作温度に昇温させ、燃料ガス導入管９１に水素等の燃料ガスを導入して燃料極１２と接触させ、支燃性ガス導入管９３に空気等の支燃性ガスを導入して空気極１３と接触させることにより、燃料電池として機能することができる。
本固体電解質形燃料電池１は、３個の単セルがそれぞれ燃料極支持型であり、この構造の場合、６００℃程度の動作温度でも電流を取り出すことができる。
【００３１】
４．固体電解質形燃料電池の効果
参考例１の固体電解質形燃料電池は、通常は、図２に示すように隔離セパレータ２３が水平であるが、図４、５に示すように、温度差等の理由によって、単セル１００、燃料極側集電体４１及び空気極側集電体４２が積層方向に膨張・収縮し、隔離セパレータ２３を枠体７に取り付ける位置３３と、隔離セパレータ２３と単セル１００が接触する位置３４がずれても、隔離セパレータ２３自身が撓むことによって発電層１０の積層方向においてずれることができるため、各層に均一な応力が掛かり、接触抵抗が増大することを防止することができる。
更に、燃料極側集電体４１をニッケルフェルトとしたことで弾性に富み、燃料極側集電体４１を予め圧縮した状態で配設することで燃料極側集電体４１の復元力によって単セル１００及び空気極側集電体４２がセル間セパレータ２１等に押しつけられ、接触抵抗が増大することを防止することができる。
また、セル間セパレータ２１、蓋部材２２及び底部材２６は、厚さが１ｍｍあり、膨張抑制手段として機能するため、燃料極側集電体４１等が膨張変形して、接触抵抗が増大することを防止することができる。
【実施例２】
【００３２】
本実施例１の固体電解質形燃料電池は図４に示すように、参考例１の図１〜３の固体電解質形燃料電池の空気極側集電体４２より薄い空気極側集電体４２を備える。また、燃料極側集電体４１が０．５ｍｍ厚く、空気極側集電体４２が０．５ｍｍ薄い他は、実施例１と同じ構成である。本実施例２の隔離セパレータ２３は、予め空気極１３側に撓んだ状態で配設されている。
このような固体電解質形燃料電池は、隔離セパレータ２３を枠体７に取り付ける位置３３より、隔離セパレータ２３と単セル１００が接触する位置３４が空気極１３側にずれていても、隔離セパレータ２３自身が撓むことによって発電層１０の積層方向においてずれるため、各層に均一な応力が掛かり、接触抵抗が増大することを防止することができる。
更に、温度差等の理由によって、単セル１００、燃料極側集電体４１及び空気極側集電体４２が積層方向に膨張・収縮し、隔離セパレータ２３を枠体７に取り付ける位置３３と、隔離セパレータ２３と単セル１００が接触する位置３４がずれても、隔離セパレータ２３自身が撓むことによって発電層１０の積層方向においてずれることができるため、各層に均一な応力が掛かり、接触抵抗が増大することを防止することができる。
また、隔離セパレータ２３及び単セル１００が互いに押しつけ合う状態であるため、接合部６に引っ張り応力が掛からないため、隔離セパレータ２３及び単セル１００間がはがれにくいものとなっている。
【実施例３】
【００３３】
本実施例２の固体電解質形燃料電池は図５に示すように、参考例１の図１〜３の固体電解質形燃料電池の空気極側集電体４２より厚い空気極側集電体４２を備える。また、燃料極側集電体４１及び空気極側集電体４２の厚みが異なる他は、参考例１と同じ構成である。本実施例２の隔離セパレータ２３は、予め燃料極１２側に撓んだ状態で配設されている。
このような固体電解質形燃料電池は、隔離セパレータ２３を枠体７に取り付ける位置３３より、隔離セパレータ２３と単セル１００が接触する位置３４が燃料極１２側にずれていても、隔離セパレータ２３自身が撓むことによって発電層１０の積層方向においてずれるため、各層に均一な応力が掛かり、接触抵抗が増大することを防止することができる。
更に、温度差等の理由によって、単セル１００、燃料極側集電体４１及び空気極側集電体４２が積層方向に膨張・収縮し、隔離セパレータ２３を枠体７に取り付ける位置３３と、隔離セパレータ２３と単セル１００が接触する位置３４がずれても、隔離セパレータ２３自身が撓むことによって発電層１０の積層方向においてずれることができるため、各層に均一な応力が掛かり、接触抵抗が増大することを防止することができる。
【実施例４】
【００３４】
本実施例３の固体電解質形燃料電池は図６、７に示すように、参考例１の図１〜３に示す固体電解質形燃料電池の隔離セパレータ２３に可撓部である波状部２３１を更に具備する固体電解質形燃料電池である。また、セル間セパレータである蓋部材２２及び底部材２６の厚さが５ｍｍであり、セル間セパレータ２１の厚さが０．２ｍｍである。更に、空気極側集電体４２は導電性セラミックであるＬＳＭを用いている。その他は、参考例１と同じ構成である。
このような隔離セパレータ２３は、波状部２３１によって垂直方向の可撓性を更に高めることができる。
また、セル間セパレータ２１、蓋部材２２及び底部材２６の厚さが実施例１と異なり、セル間セパレータ２１がより薄く、蓋部材２２及び底部材２６がより厚くても実施例１と同様に蓋部材２２及び底部材２６が変形することなく、各発電層１０の燃料極側集電体４１及び単セル１００等が膨張変形することを抑制することができる。また、膨張変形による各部材間の接触面積が減少し、接触抵抗が増大することを防止することができる。更に、固体電解質形燃料電池１全体の膨張を防止することができる。
更に、導電性セラミック製の空気極側集電体４２を用いることによって耐熱合金製の空気極側集電体４２を用いた場合のように、クロムなどの電極被毒物がなく、空気極１３を劣化させることなく長期にわたって安定した出力を得ることができる。
【実施例５】
【００３５】
本実施例４の固体電解質形燃料電池は図８に示すように、実施例１の図１〜３に示す固体電解質形燃料電池のセル間セパレータである蓋部材２２及び底部材２６に傾斜部２１１を更に具備する固体電解質形燃料電池である。また、隔離セパレータ２３に波状部２３１が更に具備する。
セル間セパレータである蓋部材２２及び底部材２６の厚さが４ｍｍであり、セル間セパレータ２１の厚さが０．３ｍｍであり、傾斜部２１１によって５ｍｍの段差が生じている。その他は、実施例４と同じ構成である。
このような固体電解質形燃料電池は、燃料極側集電体４１等が膨張変形しようとする応力を傾斜部２１１によって分散し、膨張変形を抑制することができる。また、膨張変形による各部材間の接触面積が減少し、接触抵抗が増大することを防止することができる。更に、固体電解質形燃料電池１全体の膨張を防止することができる。
【実施例６】
【００３６】
本実施例５の固体電解質形燃料電池は図９に示すように、セル間セパレータ２１、蓋部材２２及び底部材２６に傾斜部２１１を更に具備する固体電解質形燃料電池である。このような固体電解質形燃料電池は、傾斜部２１１が設けられている他は実施例５等と同様にして作製される。
このような固体電解質形燃料電池は、実施例５と同様に単セル１００等が膨張変形しようとする応力を傾斜部２１１によって分散し、且つ、底部材２６の厚みによって変形を抑制することによって、燃料極側集電電極集電体４１等の膨張変形を抑制することができる。また、膨張変形による各部材間の接触面積が減少し、接触抵抗が増大することを防止することができる。更に、固体電解質形燃料電池１全体の膨張を防止することができる。
【００３７】
尚、本発明では上記の実施例に限られず、目的、用途等によって本発明の範囲内において種々変更した実施例とすることができる。例えば、蓋部材、各セパレータ、底部材を形成するステンレス鋼としては、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼が挙げられる。フェライト系ステンレス鋼としては、ＳＵＳ４３０以外に、ＳＵＳ４３４、ＳＵＳ４０５等が挙げられる。マルテンサイト系ステンレス鋼としては、ＳＵＳ４０３、ＳＵＳ４１０及びＳＵＳ４３１等が挙げられる。オーステナイト系ステンレス鋼としては、ＳＵＳ２０１、ＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０５等が挙げられる。更に、ニッケル基合金としては、インコネル６００、インコネル７１８、インコロイ８０２等が挙げられる。クロム基合金としては、Ｄｕｃｒｌｌｏｙ  ＣＲＦ（９４Ｃｒ５Ｆｅ１Ｙ２Ｏ３）等が挙げられる。これらの各種の耐熱合金は、それぞれ積層体の用途等によって選択することができる。
【００３８】
単セル等の平面形状は、長方形、円形及び楕円形等とすることができ、同様の平面形状を有する固体電解質形燃料電池とすることができる。また、固体電解質形燃料電池では、各種セパレータ等の金属成形体の間は溶接などの方法によっても接合することができる。
【００３９】
空気極は、単セルの強度を支持する基板として形成することもできる。空気極支持型である場合は、空気極の厚さは固体電解質層の２０倍以上の厚さであることが好ましい。２０倍未満であると単セルの機械的強度が不十分となる傾向にある。この空気極の厚さは２００〜３０００μｍ、特に５００〜２０００μｍであることが好ましい。２００μｍ未満であると基板として有効に機能せず、３０００μｍを越えると、体積当たりの発電効率が低下する傾向にある。一方、燃料極支持型である場合は、空気極の厚さは１０〜１００μｍ、特に２０〜５０μｍであることが好ましい。１０μｍ未満であると電極として十分に機能しないことがあり、１００μｍを越えると固体電解質層から剥離することがある。
【００４０】
また、セル間セパレータと燃料極との間に介装される集電体としては、ニッケルフェルトに限られず前記の空気極の場合と同様のものを用いることができる。この燃料極側の集電体はセル間セパレータとの接触面において空気極側と同様にして接合されていてもよいが、燃料極側ではセル間セパレータは酸化され難いため、接合されていなくてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本固体電解質形燃料電池の構成を説明するための模式断面図である。
【図２】本固体電解質形燃料電池の構成を説明するための図１におけるＡ−Ａ断面図である。
【図３】本固体電解質形燃料電池の構成を説明するための図１におけるＢ−Ｂ断面図である。
【図４】隔離セパレータが空気極側に撓んだ状態を説明するための模式断面図である。
【図５】隔離セパレータが燃料極側に撓んだ状態を説明するための模式断面図である。
【図６】波状部を備える隔離セパレータを具備する固体電解質形燃料電池を説明するための模式平面図である。
【図７】波状部を備える隔離セパレータを説明するための模式平面図である。
【図８】セル間セパレータである蓋部材及び底部材に傾斜部を設けて膨張抑制手段とした固体電解質形燃料電池を説明するための模式断面図である。
【図９】セル間セパレータである蓋部材及び底部材に傾斜部を設けて、底部材を厚くして膨張抑制手段とした固体電解質形燃料電池を説明するための模式断面図である。
【図１０】隔離セパレータが障害になって、空気極側に非接触部分が生じた状態を説明するための模式断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１；固体電解質形燃料電池、１０；発電層、１００；単セル、１１；固体電解質層、１２；燃料極、１３；空気極、２１；セル間セパレータ、２１１；傾斜部、２２；蓋部材（セル間セパレータ）、２３；隔離セパレータ、２３１；波状部、２６；底部材（セル間セパレータ）、３１；燃料ガスの流路、３２；支燃性ガスの流路、３３；枠取り付け位置、３４；単セル接触位置、４１；燃料極側集電体、４２；空気極側集電体、６；接合部、７；絶縁板、８１、８２、８３、８４、８５、８６；金属製枠体、９１；燃料ガス導入管、９２；燃料ガス排気管、９３；支燃性ガス導入管、９４；支燃性ガス排気管。
【図１】
0004737935.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0004737935.tif 000008
【図８】
0004737935.tif 000009
【図９】
0004737935.tif 000010
【図１０】
0004737935.tif 000011