(57)【要約】      （修正有）【課題】セル内の電流密度及び温度分布を平坦にでき、且つ、各構成部材の熱膨張差により生じる応力を非常に小さくできる固体酸化物型燃料電池セルの提供、及び省スペース性に優れると共に出力密度が高く、ガスシールと電気的接続とを異なる場所で行うのでガスシール性を向上できる固体酸化物型燃料電池スタックの提供。【解決手段】セル１は、燃料電極基体と、燃料ガス導入孔と、燃料ガス導入孔に挿入された燃料ガス供給管４と、繊維状導電材と、燃料電極基体の上面、下面、及び側面に渡って形成された固体電解質層と空気電極層８と、前面及び後面を封止するガス封止部９ａ，９ｂと、を備えた構成を有する。スタック１１は、セル１を集電体１２を介して複数積み重ね、集電体１２が、上部導電層、絶縁層、下部導電層の三層構造で波形或いは複数の凹凸を有する形状に形成された構成を有する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状又は断面長円状に形成された多孔質体からなる燃料電極基体と、
前記燃料電極基体の前面から内部に平行に穿設された複数のガス導入孔と、
管壁にガス噴出孔を有し各々の前記ガス導入孔に挿入された導電材からなる燃料ガス供給管と、
前記燃料ガス供給管と前記ガス導入孔の内壁との間隙に充填された繊維状導電材と、
前記燃料電極基体の上面、下面、及び側面に渡って形成された固体酸化物からなる固体電解質層と、
前記固体電解質層上に積層された多孔質体からなる空気電極層と、
前記燃料電極基体の前面及び後面を封止するガス封止部と、
を備えていることを特徴とする固体酸化物型燃料電池セル。
【請求項２】
平板状又は断面長円状に形成された多孔質体からなる空気電極基体と、
前記空気電極基体の前面から内部に平行に穿設された複数のガス導入孔と、
管壁にガス噴出孔を有し各々の前記ガス導入孔に挿入された導電材からなる空気供給管と、
前記空気供給管と前記ガス導入孔の内壁との間隙に充填された繊維状導電材と、
前記空気電極基体の上面、下面、及び側面に渡って形成された固体酸化物からなる固体電解質層と、
前記固体電解質層上に積層された多孔質体からなる燃料電極層と、
前記空気電極基体の前面及び後面を封止するガス封止部と、
を備えていることを特徴とする固体酸化物型燃料電池セル。
【請求項３】
前記燃料ガス供給管又は前記空気供給管が、前記ガス導入孔の外部に屈曲可能な蛇腹状部を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体酸化物型燃料電池セル。
【請求項４】
前記燃料電極基体又は前記空気電極基体の後面の前記ガス封止部に形成されたガス排出孔を備えていることを特徴とする請求項１乃至３の内いずれか１項に記載の固体酸化物型燃料電池セル。
【請求項５】
請求項１乃至４の内いずれか１項に記載の固体酸化物型燃料電池セルを集電体を介して複数積み重ねて形成された固体酸化物型燃料電池スタックであって、
前記集電体が、上部導電層、絶縁層、下部導電層の三層構造で波形或いは複数の凹凸を有する形状に形成されていることを特徴とする固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項６】
各々の前記固体酸化物型燃料電池セルの前記燃料ガス供給管又は前記空気供給管と、前記固体酸化物型燃料電池セルの上部に配設された前記集電体の前記上部導電層、又は、下部に配設された前記集電体の前記下部導電層と、を電気的に接続する接続部を備えていることを特徴とする請求項５に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【請求項７】
各々の前記固体酸化物型燃料電池セルの上下に配設された一対の前記集電体の内、上側の前記集電体の前記下部導電層の側端部と、下側の前記集電体の前記上部導電層の側端部と、を連結する集電体側部構成部を備えていることを特徴とする請求項５又は６に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池セル及びそれを備えた固体酸化物型燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電解質としてジルコニア系セラミックス等の固体電解質を用いた固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）が種々開発されている。この固体酸化物型燃料電池は、燃料ガスとして水素ガス、天然ガス、メタノール、ナフサ、一酸化炭素を含む石炭ガス等が用いられ、通常５０％〜６０％の高い発電効率（ある燃料ガスの発熱量に対して同量の燃料ガスで発電を行った場合に得られる電力量の割合）を達成でき、運転温度は１０００℃程度と高温であるため白金（Ｐｔ）等の貴金属触媒を用いる必要がなく、また排熱を利用できることから、高発電効率の排熱複合発電システム等に用いられている。
一般的に、固体酸化物型燃料電池には、特許文献１に示すような円筒型と特許文献２に示すような平板型とがある。
図６（ａ）は従来の円筒型固体酸化物型燃料電池のスタックを示す要部正面図であり、図６（ｂ）は円筒型固体酸化物型燃料電池のセルを示す要部斜視図である。
図６において、６０は円筒型固体酸化物型燃料電池スタック、６１はセル、６２は空気電極管、６３は固体電解質層、６４は燃料電極層、６５はインタコネクタ層、６６ａ，６６ｂはニッケルフェルトである。なお、図６において矢印Ｘは電流の流れる方向を示す。
図６（ｂ）に示すように、円筒型の固体酸化物型燃料電池セル６１は、多孔質の円筒よりなる空気電極管６２の外表面に、固体電解質層６３及び燃料電極層６４を順次円弧状に形成し、その円弧の切れた部分に、空気電極管６２の外表面に接し長手方向に延びるインタコネクタ層６５が形成されている。
以上のように構成された固体酸化物型燃料電池スタック６０は、横方向に並ぶセル６１をニッケルフェルト６６ａにより並列接続し、並列接続された各セル６１を上下方向に直列接続して形成されている。なお、上下のセル６１を直列接続するニッケルフェルト６６ｂは下段のセル６１のインタコネクタ層６５と上段のセル６１の燃料電極層６３とを接続している。空気電極管６２内部に空気を供給し、燃料電極層６４の表面に燃料ガスを供給すると、矢印Ｘの示す方向に電流が流れる。
図７（ａ）は従来の平板型固体酸化物型燃料電池のスタックを示す要部斜視図であり、図７（ｂ）は平板型固体酸化物型燃料電池のセルの集電体を示す要部斜視図である。
図７において、７０は平板型固体酸化物型燃料電池スタック、７０ａはセル、７１はインタコネクタ部、７２は燃料流路、７３は空気流路、７４は空気電極層、７５は固体電解質層、７６は燃料電極層、７７，７８は集電板である。なお、図７（ｂ）において、Ｙは空気の流れを示し、Ｚは燃料ガスの流れを示す。
以上のように構成された平板型固体酸化物型燃料電池スタック７０においては、セル７０ａとして空気電極層７４、固体電解質層７５、及び燃料電極層７６を順次積層したものを用いている。また、インタコネクタ部７１として、表裏に燃料流路７２と空気流路７３としての溝を形成したものを用いている。セル７０ａとインタコネクタ部７１とを積層し、その積層体の上下に集電板７７，７８を設けてスタック７０を形成している。空気流路７３には空気が矢印Ｙに示すように導入され、燃料流路７２には燃料ガスが矢印Ｚのように導入される。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１２５３４６号公報
【特許文献２】特開平７−１１１１５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら上記従来技術では、以下のような課題を有していた。
（１）円筒型の固体酸化物型燃料電池スタック６０では、円筒状のセル６１を横方向及び上下方向に複数並べているので、セル６１間に無駄な空間が形成される省スペース性にかけるという課題を有した。さらに、各セル６１においては、電流は燃料電極層６４或いは空気電極管６２の円周方向に流れるため、電流の経路が長くなり、内部抵抗が大きくなるため出力が小さくなり、平板型と比較して出力密度（スタックの単位体積あたりに取り出せる出力）が小さいという課題を有していた。
（２）平板型の固体酸化物型燃料電池スタック７０では、インタコネクタ部７１の上下面でガスシールと電気的接続を両立する必要があり、これは技術的に難しくガスシール性或いは電気的接続の確実性に欠けるという課題を有していた。
（３）円筒型及び平板型のいずれのスタックにおいても、スタック内部の燃料ガス中の水素ガス等の濃度差により温度の高い部分と低い部分が生じ、温度の低い部分ではオーム抵抗及び活性化分極の増大等により発電量が低下するため、セル全体として発電性能が低下するという課題を有していた。なお、スタック内部において燃料ガス中の水素ガス等の濃度差が生じるのは、円筒型のスタック６０では、燃料ガスが燃料電極層６４の表面を円筒の軸方向に沿って流れる際に、電気化学反応により水素ガスが消費され水蒸気が生成されるため、水素ガス濃度は上流側で高く下流側で低くなり、平板型のスタック７０においても同様の理由により、燃料ガス中の水素ガス濃度が燃料流路７２の上流側で高く下流側で低くなるためである。水素ガス等の濃度差により温度の異なる部分が生じるのは、水素ガス等の濃度差によりセル内部において起電力の異なる部分が生じ、例えば水素ガス濃度が高いと起電力が大きくなるため発熱量が増加し、水素ガス濃度が低いと起電力が小さくなる発熱量が減少するためである。
（４）また、平板型のスタック７０では、製造コストを低減するために金属製のインタコネクタ部７１が多用されているが、インタコネクタ部７１と脆弱なセラミック製のセル７０ａとの熱膨張差が大きく、スタック７０を作動温度までの昇温させる間に、或いは作動中の上述したスタック７０内の温度差で生じる熱応力により、セル７０ａが損傷し易いという課題を有していた。
【０００５】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、セル内の電流密度及び温度分布を均一にできるので発電性能が高く、且つ、各構成部材の熱膨張差により生じる応力を非常に小さくし損傷を防止でき耐久性に優れる固体酸化物型燃料電池セルを提供することを目的とする。
【０００６】
また、本発明は上記従来の課題を解決するもので、無駄な空間を形成しないので省スペース性に優れると共に出力密度が高く、ガスシールと電気的接続とを異なる場所で行うのでガスシール性を向上でき安全性に優れる固体酸化物型燃料電池スタック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】
【０００７】
上記従来の課題を解決するために本発明は以下の構成を有している。
本発明の請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池セルは、平板状又は断面長円状に形成された多孔質体からなる燃料電極基体と、前記燃料電極基体の前面から内部に平行に穿設された複数のガス導入孔と、管壁にガス噴出孔を有し各々の前記ガス導入孔に挿入された導電材からなる燃料ガス供給管と、前記燃料ガス供給管と前記ガス導入孔の内壁との間隙に充填された繊維状導電材と、前記燃料電極基体の上面、下面、及び側面に渡って形成された固体酸化物からなる固体電解質層と、前記固体電解質層上に積層された多孔質体からなる空気電極層と、前記燃料電極基体の前面及び後面を封止するガス封止部と、を備えた構成を有している。
この構成により、以下のような作用を有する。
（１）セルを８００℃〜１０００℃程度に加熱した状態で、空気電極層に空気又は酸素が供給されると酸素は電子を得て酸化物イオンとなり固体電解質層を通過する。燃料電極基体のガス導入孔の内壁に燃料ガス（水素又は一酸化炭素、若しくはこれらを含むガス等）が供給されると水素又は一酸化炭素は酸化物イオンと反応して水又は二酸化炭素となり電子を放出し、セルにおいて発電が行われる。
（２）繊維状導電材と導電材からなる燃料ガス供給管とを備えているので、燃料電極基体で放出された電子を繊維状導電材及び燃料ガス供給管を介して外部に取り出すことができ、外部の露出した燃料ガス供給管の先端部を負極側の端子とすることができる。また、空気電極層の上面又は下面に集電体を接触させ正極側の端子とすることができる。
（３）セルが平板状又は断面長円状に形成された燃料電極基体に固体電解質層と空気電極層を積層して形成されているので、セルを重ねてスタックを形成した場合に、無駄な空間を形成せずスタックの省スペース性を向上でき単位容積当たりの出力密度を高くできる。
（４）管壁にガス噴出孔が形成された燃料ガス供給管を備えているので、ガス噴出孔の個数、位置、径を適宜設定することにより、燃料電極基体の全体に渡って均等に燃料ガスを供給することができ、電流密度及び温度分布を均一にでき熱歪の発生を防止できる。
（５）ガス導入孔に繊維状導電材が充填されているので、燃料ガス供給管と燃料電極基体との間に熱膨張差により生じる応力を繊維状導電材により吸収して非常に小さくできる。
（６）ガス封止部において燃料ガスの漏れを確実に防ぐことができると共に、セルのガスシールをガス封止部で行い、セル間の電気的接続を集電体により行うことにより、ガスシールと電気的接続とを異なる場所で行うことができ、簡単にガスシール性を向上でき、燃料ガスと空気との混合が生じず、高い信頼性が得られる。
【０００８】
ここで、燃料電極基体の材質としては、サーメットや金属等を用いることができる。なお、金属を多く含むサーメットを用いた場合は、周囲の雰囲気（外気）への熱伝達を促進でき、起動停止による熱サイクル時や負荷変動時の熱衝撃を緩和できる。燃料電極基体を平板状又は断面長円状でガス導入孔を有する形状に形成する方法としては、押し出し成形法等が用いられる。
固体電解質層の材質としては、ジルコニアやランタンガレイト等の固体酸化物が用いられる。特に、イットリア或いはスカンジアを添加したジルコニアが、信頼性が高く、また酸化物イオンの伝導性が良い点等から好適に用いられる。空気電極層としては、例えば固体電解質層としてジルコニアを用いた場合は、ランタンストロンチウムマンガナイト等が用いられ、固体電解質層と共に、溶射或いはスラリーを塗布し焼成すること等により燃料電極基体の表面に積層される。
【０００９】
本発明の請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池セルは、平板状又は断面長円状に形成された多孔質体からなる空気電極基体と、前記空気電極基体の前面から内部に平行に穿設された複数のガス導入孔と、管壁にガス噴出孔を有し各々の前記ガス導入孔に挿入された導電材からなる空気供給管と、前記空気供給管と前記ガス導入孔の内壁との間隙に充填された繊維状導電材と、前記空気電極基体の上面、下面、及び側面に渡って形成された固体酸化物からなる固体電解質層と、前記固体電解質層上に積層された多孔質体からなる燃料電極層と、前記空気電極基体の前面及び後面を封止するガス封止部と、を備えた構成を有している。
この構成により、以下のような作用を有する。
（１）セルを８００℃〜１０００℃程度に加熱した状態で、空気電極基体のガス導入孔の内壁に空気又は酸素が供給されると酸素は電子を得て酸化物イオンとなり固体電解質層を通過する。燃料電極層に燃料ガス（水素又は一酸化炭素、若しくはこれらを含むガス等）が供給されると水素又は一酸化炭素は酸化物イオンと反応して水又は二酸化炭素となり電子を放出し、セルにおいて発電が行われる。
（２）繊維状導電材と導電材からなる空気供給管とを備えているので、空気電極基体と繊維状導電材及び空気供給管とが電気的に接続され、外部の露出した空気供給管の先端部を正極側の端子とすることができる。また、燃料電極層の上面又は下面に集電体を接触させ負極側の端子とすることができる。
（３）セルが平板状又は断面長円状に形成された空気電極基体に固体電解質層と燃料電極層を積層して形成されているので、セルを重ねてスタックを形成した場合に、無駄な空間を形成せずスタックの省スペース性を向上でき単位容積当たりの出力密度を高くできる。
（４）ガス導入孔に繊維状導電材が充填されているので、空気供給管と空気電極基体との間に熱膨張差により生じる応力を繊維状導電材により吸収して非常に小さくできる。
（５）ガス封止部において空気又は酸素の漏れを確実に防ぐことができると共に、セルのガスシールをガス封止部で行い、セル間の電気的接続を集電体により行うことにより、ガスシールと電気的接続とを異なる場所で行うことができ、簡単にガスシール性を向上でき、燃料ガスと空気との混合が生じず、高い信頼性が得られる。
【００１０】
ここで、空気電極基体の材質としては、ランタンストロンチウムマンガナイト等が用いられる。空気電極基体を平板状又は断面長円状でガス導入孔を有する形状に形成する方法としては、押し出し成形法等が用いられる。
固体電解質層の材質としては、ジルコニアやランタンガレイト等の固体酸化物が用いられる。特に、イットリア或いはスカンジアを添加したジルコニアが、信頼性が高く、また酸化物イオンの伝導性が良い点等から好適に用いられる。また、燃料電極層としては、サーメットや金属等が用いられ、固体電解質層と共に、溶射或いはスラリーを塗布し焼成すること等により空気電極基体の表面に積層される。
【００１１】
本発明の請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の固体酸化物型燃料電池セルであって、前記燃料ガス供給管又は前記空気供給管が、前記ガス導入孔の外部に屈曲可能な蛇腹状部を備えた構成を有している。
この構成により、請求項１又は２の作用に加え、以下のような作用を有する。
（１）燃料ガス供給管又は空気供給管の上流側に接続されるヘッダーや燃料改質器等と各構成部材との熱膨張差により燃料ガス供給管又は空気供給管に生じる応力を蛇腹状部により吸収することができ、構成部材の機械的損傷等を防止できる。
（２）応力吸収手段としては、蛇腹状部の他、略Ｕ字状や周壁の一部を膨出状に膨らませた形状等を採用できる。
【００１２】
本発明の請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の内いずれか１項に記載の固体酸化物型燃料電池セルであって、前記燃料電極基体又は前記空気電極基体の後面の前記ガス封止部に形成されたガス排出孔を備えた構成を有している。
この構成により、請求項１乃至３の内いずれか１項の作用に加え、以下のような作用を有する。
（１）燃料ガス供給管に導入された燃料ガスの一部又は空気供給管に導入された空気の一部と、燃料電極基体で電気化学反応により発生した水蒸気又は二酸化炭素と、をガス排出孔から排出することができるので、セル内部を所定圧に保持して固体電解質層において円滑に電気化学反応をさせることができ、また、セルの内部が高圧になることを防止し、燃料電極基体又は空気電極基体、固体電解質層、空気電極層又は燃料電極層等に圧力負荷がかかることを防止できる。
（２）ガス排出孔から燃料ガス又は空気や酸素の一部を回収して再利用することができ、燃料ガスや酸素の利用度を高めることできる。
【００１３】
本発明の請求項５に記載の固体酸化物型燃料電池スタックは、請求項１乃至４の内いずれか１項に記載の固体酸化物型燃料電池セルを集電体を介して複数積み重ねて形成された固体酸化物型燃料電池スタックであって、前記集電体が、上部導電層、絶縁層、下部導電層の三層構造で波形或いは複数の凹凸を有する形状に形成された構成を有している。
この構成により、以下のような作用を有する。
（１）セルが平板状又は断面長円状に形成された燃料電極基体又は空気電極基体に固体電解質層と空気電極層又は燃料電極層とを積層して形成され、そのセルを積み重ねてスタックが形成されているので、無駄な空間を形成せず、円筒型に比べて省スペース性が向上でき出力密度を高くできる。
（２）集電体が波形或いは複数の凹凸を有する形状に形成されているので、集電体とセルとの熱膨張差により生じる応力を集電体で吸収することができる。
（３）集電体が波形或いは複数の凹凸を有する形状に形成されているので、空気電極層又は燃料電極層との間に空気流路又は燃料ガス流路を形成でき、空気電極層又は燃料電極層の全面に渡って均等に空気又は燃料ガスを供給することができる。
（４）集電体が上部導電層、絶縁層、下部導電層の三層構造なので、上下のセルの各々の空気電極層を絶縁することができると共に、低原価で量産性に優れる。
（５）集電体の表面積が広いのでセルから周囲雰囲気（外気）への熱伝達を促進でき、起動、停止による熱サイクル時や負荷変動時の熱衝撃を緩和できる。
【００１４】
集電体の上部導電層及び下部導電層としては、耐熱合金等の金属が用いられる。また、絶縁層としては、セラミックス等が用いられる。集電体は、一対の平板金属材料の間にセラミックフェルト（セラミック繊維をフェルト状等に成形したもの）等を挟んでプレス等により曲げ加工して波形或いは複数の凹凸を有する形状に成形して作製されるか、或いは、一対の平板材料を各々曲げ加工し、一方にセラミックスを溶射した後、貼り合わせる等して作製される。
【００１５】
本発明の請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の固体酸化物型燃料電池スタックであって、各々の前記固体酸化物型燃料電池セルの前記燃料ガス供給管又は前記空気供給管と、前記固体酸化物型燃料電池セルの上部に配設された前記集電体の前記上部導電層、又は、下部に配設された前記集電体の前記下部導電層と、を電気的に接続する接続部を備えた構成を有している。
この構成により、請求項４の作用に加え、以下のような作用を有する。
（１）接続部により各セルを直列に接続することができ、高電圧型のスタックを構成できる。
【００１６】
本発明の請求項７に記載の発明は、請求項５又は６に記載の固体酸化物型燃料電池スタックであって、各々の前記固体酸化物型燃料電池セルの上下に配設された一対の前記集電体の内、上側の前記集電体の前記下部導電層の側端部と、下側の前記集電体の前記上部導電層の側端部と、を連結する集電体側部構成部を備えた構成を有している。
この構成により、請求項５又は６の作用に加え、以下のような作用を有する。
（１）集電体側部構成部を備えているので、集電体側部構成部と空気電極層又は燃料電極層の側部との間に空気流路又は燃料ガス流路が形成され空気電極層又は燃料電極層に十分な量の空気（酸素）又は燃料ガスを確実に供給することができる。
（２）集電体側部構成部により固体酸化物型燃料電池セルの上側の集電体の下部導電層と下側の集電体の上部導電層とを電気的に接続することができるので、電流は空気電極層又は燃料電極層の表面より電気抵抗の低い集電体側部構成部を流れ易くなり、内部抵抗を小さくすることができる。
（３）発電に伴って発生する熱を集電体側部構成部を介して放熱することができ、効率良く取り除くことができ、空気（酸素）や燃料ガスの供給量を少なくしながら冷却も十分に行うことができ、発電性能を高めることができる。
【００１７】
ここで、集電体側部構成部は、集電体の上部導電層や下部導電層に一体的に形成してもよく、別部材により形成し溶接等で上部導電層と下部導電層に接合してもよい。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明によれば、以下のような有利な効果が得られる。
請求項１に記載の発明によれば、
（１）繊維状導電材と導電材からなる燃料ガス供給管とを備えているので、繊維状導電材により燃料ガス供給管から燃料電極基体へ燃料ガスの供給を行いながら電気的接続を行え、また燃料ガス供給管で燃料ガスの供給と電力の取り出しを行えるので部品点数を削減できる低原価で生産性に優れた固体酸化物型燃料電池セルを提供することができる。
（２）セルを重ねてスタックを形成した場合に、無駄な空間を形成せずスタックの省スペース性を向上でき単位容積当たりの出力密度を高くできるコンパクトで高出力の固体酸化物型燃料電池セルを提供することができる。
（３）管壁にガス噴出孔が形成された燃料ガス供給管を備えているので、燃料電極基体の全体に渡って均等に燃料ガスを供給することができ、電流密度及び温度分布を均一にでき熱歪が少なく耐久性に優れる固体酸化物型燃料電池セルを提供することができる。
（４）燃料ガス供給管と燃料電極基体との間に熱膨張差により生じる応力を繊維状導電材により吸収して非常に小さくでき熱膨張や熱収縮による損傷等を防止できる固体酸化物型燃料電池セルを提供することができる。
（５）ガスシールと電気的接続とを異なる場所で行うことができ、簡単にガスシール性を向上でき、燃料ガスと空気との混合が生じず、安全性に優れると共に高い信頼性が得られる固体酸化物型燃料電池セルを提供することができる。
【００１９】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の（２），（４），（５）の効果の他、
（１）繊維状導電材と導電材からなる空気供給管とを備えているので、繊維状導電材により空気供給管から空気電極基体へ空気の供給を行いながら電気的接続を行え、また空気供給管で空気の供給と電力の取り出しを行えるので部品点数を削減できる低原価で生産性に優れた固体酸化物型燃料電池セルを提供することができる。
【００２０】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２の効果に加え、
（１）蛇腹状部等の応力吸収手段を備えているので、ヘッダーや燃料改質器等と各構成部材との熱膨張差により燃料ガス供給管又は空気供給管に生じる応力を蛇腹状部等により吸収することができ、構成部材の機械的損傷等を防止できる固体酸化物型燃料電池セルを提供することができる。
【００２１】
請求項４に記載の発明によれば、請求項１乃至３の内いずれか１項の効果に加え、
（１）燃料ガス供給管に導入された燃料ガスの一部、又は空気供給管に導入された空気又は酸素の一部と、燃料電極基体又は空気電極基体で電気化学反応により発生した水蒸気又は二酸化炭素と、をガス排出孔から排出することができるので、セル内部を所定圧に保持して固体電解質層において円滑に電気化学反応をさせることができ、また、セルの内部が高圧になることを防止し安全性に優れると共に、燃料電極基体又は空気電極基体、固体電解質層、空気電極層又は燃料電極層に圧力負荷がかかることを防止でき機械的耐久性に優れる固体酸化物型燃料電池セルを提供することができる。
（２）ガス排出孔から燃料ガス又は空気や酸素の一部を回収して再利用することができ、燃料ガスや酸素の利用度を高めることできる省エネルギ性に優れた固体酸化物型燃料電池セルを提供することができる。
【００２２】
請求項５に記載の発明によれば、
（１）セルが平板状又は断面長円状に形成された燃料電極基体又は空気電極基体に固体電解質層と空気電極層又は燃料電極層とを積層して形成され、そのセルを積み重ねてスタックが形成されているので、省スペースで容積効率を向上でき、単位容積当たりの出力密度を高くできコンパクトで高出力の固体酸化物型燃料電池スタックを提供することができる。
（２）集電体が波形或いは複数の凹凸を有する形状に形成されているので、集電体とセルとの熱膨張差により生じる応力を集電体で吸収することができ、熱膨張による損傷等を防止でき耐久性に優れる固体酸化物型燃料電池スタックを提供することができる。
（３）集電体が波形或いは複数の凹凸を有する形状に形成されているので、空気電極層又は燃料電極層との間に空気流路又は燃料ガス流路を形成でき、空気電極層又は燃料電極層の全面に渡って均等に空気又は燃料ガスを供給することができ発電効率に優れ、且つ熱歪がなく耐久性に優れる固体酸化物型燃料電池スタックを提供することができる。
（４）集電体が上部導電層、絶縁層、下部導電層の三層構造なので、上下のセルの各々の空気電極層又は燃料電極層を絶縁することができると共に、低原価で量産性に優れた固体酸化物型燃料電池スタックを提供することができる。
（５）集電体の表面積が広いのでセルから周囲雰囲気（外気）への熱伝達を促進でき、起動、停止による熱サイクル時や負荷変動時の熱衝撃を緩和できる固体酸化物型燃料電池スタックを提供することができる。
【００２３】
請求項６に記載の発明によれば、請求項５の効果に加え、
（１）接続部により各セルを直列に接続することができ、高電圧型のスタックを構成できる固体酸化物型燃料電池スタックを提供することができる。
【００２４】
請求項７に記載の発明によれば、請求項５又は６の効果に加え、
（１）集電体側部構成部を備えているので、空気電極層又は燃料電極層に十分な量の空気（酸素）又は燃料ガスを確実に供給することができる固体酸化物型燃料電池スタックを提供することができる。
（２）集電体側部構成部により電流は空気電極層又は燃料電極層の表面より電気抵抗の低い集電体側部構成部を流れ易くなり、内部抵抗を小さくすることができる固体酸化物型燃料電池スタックを提供することができる。
（３）発電に伴って発生する熱を集電体側部構成部を介して放熱することができ、効率良く取り除くことができ、空気（酸素）や燃料ガスの供給量を少なくしながら冷却も十分に行うことができ、発電性能を高めることができる固体酸化物型燃料電池スタックを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１（ａ）は本実施の形態１における固体酸化物型燃料電池セルの要部正面断面図であり、図１（ｂ）は本実施の形態１における固体酸化物型燃料電池セルの要部側面断面図であり、図２は燃料ガス供給管の要部斜視図である。
図中、１は固体酸化物型燃料電池セル、２は断面長円状の平板状に形成された多孔質体からなる燃料電極基体、３は燃料電極基体２の前面から内部に水平方向に平行に穿設された有底孔状の複数のガス導入孔、４は各々のガス導入孔３に挿入された有底管状の燃料ガス供給管、４ａは燃料ガス供給管４のガス導入孔３の外部に位置する部分に屈曲可能に形成された蛇腹状部、５は燃料ガス供給管４の管壁に形成されたガス噴出孔、６は燃料ガス供給管４とガス導入孔３の内壁との間隙に充填された繊維状金属からなる繊維状導電材、７は燃料電極基体２の上面、下面、及び側面に渡って形成された固体酸化物からなる固体電解質層、８は固体電解質層７上に積層された多孔質体からなる空気電極層、９ａ，９ｂは燃料電極基体２の前面及び後面を封止するガス封止部、１０は燃料電極基体２の後面のガス封止部９ｂに形成されたガス排出孔である。
【００２６】
ここで、燃料電極基体２の材質としては、ニッケルを２５〜５０体積％含むニッケルジルコニアサーメットや、ニッケル−鉄／ジルコニアサーメット、ニッケル−アルミニウム／ジルコニアサーメット等が用いられる。燃料電極基体２を断面長円状の平板状でガス導入孔を有する形状に成形する方法としては、押し出し成形法等が用いられる。
また、固体電解質層７の材質としては、イットリアを３〜８モル％添加した安定ジルコニア（以下、ＹＳＺという）、スカンジアを８〜１０モル％添加した安定化ジルコニア、サマリア或いはガドリアを添加したセリア、ランタンガレイト等が用いられる。固体電解質層７は、燃料電極基体２の表面にＹＳＺ等の粉末を溶射、或いはセラミックスラリーを塗布し焼成することにより形成することができる。固体電解質層７の厚みは１０μｍ〜１００μｍとすることが好ましい。固体電解質層７の厚みが１００μｍより大きくなるにつれオーム抵抗が増加しセル１の発電性能が大きく低下するため好ましくない。さらに、燃料電極基体２と固体電解質層７との熱膨張差により発生する応力により、固体電解質層７が割れたり剥離を起こし易くなったりするため好ましくない。また、固体電解質層７の厚みが１０μｍより小さくなるにつれ、製造工程における焼成時に固体電解質層７内への電極材料、特に空気電極層８中のマンガンの拡散が起こり、固体電解質層７のイオン伝導性が低下しセル１の性能が低下したり、機械的強度が低下したりするため好ましくない。
空気電極層８の材質としては、ランタンストロンチウムマンガナイト、ランタンストロンチウムコバルタイト等が用いられる。空気電極層８は、固体電解質層７の表面にランタンストロンチウムマンガナイト等の粉末を溶射、或いはスラリーを塗布し焼成することにより形成することができる。空気電極層８の厚みは、電極面に平行な方向の電流の流れによるオーム抵抗、電極反応に寄与する有効反応面積、固体電解質層７と空気電極層８との熱膨張差による応力等の観点から５０μｍ〜２００μｍとすることが好ましい。
また、繊維状導電材６としては、ニッケル、鉄、クロム等の金属のフェルト状物等が用いられる。なお、繊維状導電材６は導電率が１０００Ｓ／ｃｍ以上、ガスの透過率が１０−３ｃｍ４／（ｇ・ｓ）以上となるように好適な密度で且つ均一に充填することが好ましい。
ガス封止部９ａ，９ｂとしては、アルミナやマグネシアとシリカとの混合物等が用いられる。なお、燃料電極基体２の前面側に配設されたガス封止部９ａには燃料ガス供給管４が挿入され、ガス導入孔３に燃料ガスを導入できるようになっている。
燃料ガス供給管４は導電性及び耐熱性を有する合金等の金属により形成されている。
【００２７】
次に、以上のように構成された固体酸化物型燃料電池セル１を集電体を介して複数積層して形成された固体酸化物型燃料電池スタックについて図を用いて説明する。
図３（ａ）は本実施の形態１における固体酸化物型燃料電池スタックの要部斜視図であり、図３（ｂ）は固体酸化物型燃料電池スタックにおける各セルの電気的接続を示す接続状態図であり、図４は本実施の形態１における固体酸化物型燃料電池スタックの要部側面図であり、図５（ａ）は集電体を示す要部斜視図であり、図５（ｂ）は集電体の他の例を示す要部斜視図である。
図中、１１は固体酸化物型燃料電池スタック、１２は波形状に形成された集電体、１２′（図５（ｂ）参照）は複数の凹凸を有する形状に形成された集電体であり、図５に示すように、集電体１２，１２′は各々、上部導電層１３、絶縁層１４、下部導電層１５の三層構造に形成されている。１２ａ，１２ｂ（図５参照）は集電体１２，１２の上面と下面に形成された上向き凸部及び下向き凸部である。１６は燃料ガス供給管４とその上部に積層された集電体１２の上部導電層１３とを電気的に接続する接続部、１７は各々の固体酸化物型燃料電池セル１の上下に配設された一対の集電体１２において、上側の集電体１２の下部導電層１５の側端部から下側の集電体１２の上部導電層１３の側端部に連結され、固体酸化物型燃料電池セル１の側部を覆うように配設された集電体側部構成部であり、空気電極層８の側部に空気流路を形成すると共にセル１の上側の集電体１２の下部導電層１５と下側の集電体１２の上部導電層１３とを電気的に接続している。１８は燃料ガス供給管４の内部に形成された燃料流路、１９は集電体１２と固体酸化物型燃料電池セル１の上面及び下面との間隙部に形成された空気流路である。
固体酸化物型燃料電池セル１は、上側の集電体１２の下部導電層１５と、下側の集電体１２の上部導電層１３と、両側の集電体側部構成部１７と、により囲まれた空間内に配設されている。また、固体酸化物型燃料電池セル１の上面の空気電極層８は、その上部の集電体１２の下向き凸部１２ｂの頂部に当接し、下面の空気電極層８は、その下部の集電体１２の上向き凸部１２ａの頂部に当接している。２０ａは最上部の集電体１２の上部導電層１３に接続された電流取り出し線、２０ｂは最下部の集電体側部構成部１７に接続された電流取り出し線である。
【００２８】
ここで、集電体１２，１２′の上部導電層１３及び下部導電層１５は、耐熱金属等により形成され、絶縁層はセラミックス等により形成されている。
また、集電体１２，１２′の厚みは、３ｍｍ以下となるように形成されている。また、上向き凸部１２ａの頂部から下向き凸部１２ｂの頂部までの垂直方向の高さ、すなわち集電体１２，１２′の垂直方向の厚さ（高さ）は、４ｍｍ〜５ｍｍとなるように形成されている。
【００２９】
以上のように構成された本実施の形態１における固体酸化物型燃料電池スタック１１について、以下その発電方法を図を用いて説明する。
まず、スタック１１全体を断熱容器内においてガスバーナ或いはヒータ等で７００℃程度に加熱する（加熱工程）。これにより、固体電解質層７を酸化物イオンが自由に通過できるようになる。
次に、燃料ガス供給管４の燃料流路１８に６００℃程度に加熱した燃料ガス（水素ガス）を導入する（燃料ガス導入工程）。また、空気流路１９に空気（外気）を導入する（空気導入工程）。燃料流路１８に導入された燃料ガスは燃料ガス供給管４の内部を通ってガス噴出孔５からガス導入孔３の内部に噴出される（燃料ガス噴出工程）。ガス導入孔３の内部は繊維状導電材６が充填されているので、燃料ガスはこれを通過して、多孔質体により形成された燃料電極基体２に供給される。一方、空気流路１９に導入された空気は、多孔質体により形成された空気電極層８に供給される（空気供給工程）。
空気電極層８に空気が供給されると空気中の酸素は電子を得て酸化物イオンとなり固体電解質層７を通過する。燃料電極基体２に供給された燃料ガス中の水素は酸化物イオンと反応して水となり電子を放出する。このようにして各セル１において発電が行われる（発電工程）。
燃料電極基体２で放出された電子は繊維状導電材６及び燃料ガス供給管４を介して取り出されるので、外部に露出した燃料ガス供給管４が負極側の端子となる。また、空気電極層８の上面に集電体１２の下部導電層１５を接触させ、下面に別の集電体１２の上部導電層１３を接触させることで集電体１２が正極側の端子となる。なお、負極側の端子である燃料ガス供給管４は接続部１６により集電体１２の上部導電層１３に電気的に接続されている。
すなわち、隣接する上下のセル１の内、上側のセル１の正極側の端子（上部導電導１３）は下側のセル１の負極側の端子（燃料ガス供給管４）に接続され、各セル１は直列に接続されてスタック１１を構成している（図３（ｂ）参照）。
このようにスタック１１が構成され、各セル１の固体電解質層７における電気化学反応により発電が行われ、電流取り出し線２０ａ，２０ｂ間に電圧が発生する。
なお、燃料ガス供給管４の燃料流路１８に導入された燃料ガスの一部及び燃料電極基体２で電気化学反応により発生した水蒸気は、ガス排出孔１０から排出される。なお、ガス排出孔１０から燃料ガスの一部を回収して再利用することもできる。ガス排出孔１０の内径は、燃料電極基体２において円滑に電気化学反応が行われ、且つセル１の内部が高圧にならないように適宜設定されている。
また、燃料ガスとしては、水素ガスに限らず、天然ガス（メタン）、プロパン、ブタン、メタノール、ナフサ、一酸化炭素を含む石炭ガス等を用いることができる。
【００３０】
以上のように本実施の形態１における固体酸化物型燃料電池セル１及び固体酸化物型燃料電池スタック１１は構成されているので、以下のような作用を有する。
（１）固体酸化物型燃料電池セル１が平板状又は断面長円状に形成された燃料電極基体２に固体電解質層７と空気電極層８を積層して形成されているので、セル１を積み重ねてスタック１１を形成した場合に、無駄な空間を形成せず、円筒型に比べてスタック１１の省スペース性を向上でき出力密度を高くできる。
（２）管壁にガス噴出孔５が形成された燃料ガス供給管４を備えているので、ガス噴出孔５の個数、位置、径を適宜設定することにより、燃料電極基体２の全体に渡って均等に燃料ガスを供給することができ、電流密度及び温度分布を均一にできる。
（３）ガス導入孔３に繊維状導電材６が充填されているので、燃料ガス供給管４と燃料電極基体２との間に熱膨張差により生じる応力を繊維状導電材６により吸収して非常に小さくできる。
（４）ガス封止部９ａ，９ｂにおいて燃料ガスの漏れを確実に防ぐことができると共に、セル１のガスシールをガス封止部９ａ，９ｂで行い、セル１間の電気的接続を集電体１２，１２′により行うことにより、ガスシールと電気的接続とを異なる場所で行うことができ、簡単にガスシール性を向上でき、燃料ガスと空気との混合が生じず、高い信頼性が得られる。
（５）集電体１２，１２′が波形或いは複数の凹凸を有する形状に形成されているので、集電体１２，１２′とセル１との熱膨張差により生じる応力を集電体で吸収することができると共に、集電体１２，１２′により空気電極層８との間に空気流路１９を形成でき、空気電極層８の全面に渡って均等に空気（酸素）を供給することができる。
（６）集電体１２，１２′が上部導電層１３、絶縁層１４、下部導電層１５の三層構造なので、上下のセル１の各々の空気電極層８を互いに絶縁することができると共に、低原価、大量生産が可能で量産性に優れる。
（７）集電体１２，１２′によりセル１から周囲雰囲気（外気）への熱伝達を促進でき、起動、停止による熱サイクル時や負荷変動時の熱衝撃を緩和できる。
（８）燃料ガス供給管４の上流側に接続されるヘッダーや燃料改質器等と各構成部材との熱膨張差により燃料ガス供給管４に生じる応力を蛇腹状部４ａにより吸収することができ、構成部材の機械的損傷等を防止できる。
（９）燃料ガス供給管４に導入された燃料ガスの一部と、燃料電極基体２で電気化学反応により発生した水蒸気とをガス排出孔１０から排出することができるので、セル１内部を所定圧に保持して固体電解質層７において円滑に電気化学反応をさせることができ、また、セル１の内部が高圧になることを防止し、燃料電極基体２や固体電解質層７、空気電極層８に圧力負荷がかかることを防止できる。
（１０）ガス排出孔１０から燃料ガスの一部を回収して再利用することができ、燃料ガスを無駄なく利用することできる。
（１１）接続部１６により各セル１を直列に接続することができ、高電圧型のスタック１１を構成できる。
（１２）固体酸化物型燃料電池セル１の側部を覆うように形成された集電体側部構成部１７を備えているので、空気電極層８の側部に空気流路を形成して空気電極層８に十分な量の空気（酸素）を確実に供給することができると共に、集電体側部構成部１７によりセル１の上側の集電体１２の下部導電層１５と下側の集電体１２の上部導電層１３とを電気的に接続することで、電流は空気電極層８の表面より電気抵抗の低い集電体側部構成部１７を流れ易くなり、内部抵抗を小さくすることができる。また、セル１における発電に伴って発生する熱を集電体１２や集電体側部構成部１７を介して放熱することができ、効率良く取り除くことができる。これにより、空気（酸素）の供給量を少なくしながら冷却も十分に行うことができ、セル１の発電性能を高めることができる。
【００３１】
なお、本実施の形態１においては、燃料電極基体２と固体電解質層７と空気電極層８とを備えた固体酸化物型燃料電池セル１について説明したが、これに限られるものではなく、燃料電極基体と空気電極層を入れ替えることもできる。すなわち、空気電極基体と固体電解質層と燃料電極層を備えた固体酸化物型燃料電池セルとすることができる。この場合、燃料電極基体２に替えてランタンストロンチウムマンガナイト、ランタンストロンチウムコバルタイト等により燃料電極基体２と同形状に形成した空気電極基体を用い、空気電極層８に替えてニッケルジルコニアサーメットや、ニッケル−鉄／ジルコニアサーメット等により形成した燃料電極層を用い、空気電極基体に空気又は酸素を供給し燃料電極層に燃料ガスを供給する点以外は、本実施の形態１で説明した固体酸化物型燃料電池セル１及び固体酸化物型燃料電池スタック１１と同様であるので説明を省略する。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
以上説明したように、本発明は電解質としてジルコニア系セラミックス等の固体電解質を用いた固体酸化物型燃料電池セルに関し、特に本発明によれば、セル内の電流密度及び温度分布を均一にできるので発電性能が高く、且つ、各構成部材の熱膨張差により生じる応力を非常に小さくし損傷を防止でき耐久性に優れる固体酸化物型燃料電池セルを提供することができる。
また、以上説明したように、本発明は電解質としてジルコニア系セラミックス等の固体電解質を用いた固体酸化物型燃料電池セルを集合した固体酸化物型燃料電池スタックに関し、特に本発明によれば、無駄な空間を形成しないので省スペース性に優れると共に出力密度が高く、ガスシールと電気的接続とを異なる場所で行うのでガスシール性を向上でき安全性に優れる固体酸化物型燃料電池スタックを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】（ａ）実施の形態１における固体酸化物型燃料電池セルの要部正面断面図  （ｂ）実施の形態１における固体酸化物型燃料電池セルの要部側面断面図
【図２】燃料ガス供給管の要部斜視図
【図３】（ａ）実施の形態１における固体酸化物型燃料電池スタックの要部斜視図  （ｂ）固体酸化物型燃料電池スタックにおける各セルの電気的接続を示す接続状態図
【図４】実施の形態１における固体酸化物型燃料電池スタックの要部側面図
【図５】（ａ）集電体を示す要部斜視図  （ｂ）集電体の他の例を示す要部斜視図
【図６】（ａ）円筒型固体酸化物型燃料電池のスタックを示す要部正面図  （ｂ）円筒型固体酸化物型燃料電池のセルを示す要部斜視図
【図７】（ａ）平板型固体酸化物型燃料電池のスタックを示す要部斜視図  （ｂ）平板型固体酸化物型燃料電池のセルの集電体を示す要部斜視図
【符号の説明】
【００３４】
１  固体酸化物型燃料電池セル
２  燃料電極基体
３  ガス導入孔
４  燃料ガス供給管
４ａ  蛇腹状部
５  ガス噴出孔
６  繊維状導電材
７  固体電解質層
８  空気電極層
９ａ，９ｂ  ガス封止部
１０  ガス排出孔
１１  固体酸化物型燃料電池スタック
１２，１２′  集電体
１２ａ  上向き凸部
１２ｂ  下向き凸部
１３  上部導電層
１４  絶縁層
１５  下部導電層
１６  接続部
１７  集電体側部構成部
１８  燃料流路
１９  空気流路
２０ａ，２０ｂ  電流取り出し線
６０  円筒型固体酸化物型燃料電池スタック
６１  セル
６２  空気電極管
６３  固体電解質層
６４  燃料電極層
６５  インタコネクタ層
６６ａ，６６ｂ  ニッケルフェルト
７０  平板型固体酸化物型燃料電池スタック
７０ａ  セル
７１  インタコネクタ部
７２  燃料流路
７３  空気流路
７４  空気電極層
７５  固体電解質層
７６  燃料電極層
７７，７８  集電板
【図１】
2005216652.tif 000003
【図２】
2005216652.tif 000004
【図３】
2005216652.tif 000005
【図４】
2005216652.tif 000006
【図５】
2005216652.tif 000007
【図６】
2005216652.tif 000008
【図７】
2005216652.tif 000009