(57)【要約】【課題】  熱サイクルに対する耐久性に優れたモジュール構造の固体電解質型燃料電池を提供する。【解決手段】  平板部１３を有する金具１１は、耐熱性基板１０ｂ内で折曲し、横方向に電流を取出す。金具１１の周囲は、耐熱性基板１０ｂに密着しておらず、空隙２０が形成されており、この空隙２０にモジュール３０内を折り返すようにして流通してきた燃料ガス６０が充満し、還元雰囲気となるように構成され、金具１１の酸化や腐食を防ぐように作用する。【選択図】図２
2005216643.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質膜を介して燃料側電極および酸素側電極を配置してなる単セルと、集電体と、ガスセパレータと、を含むように単位ユニットが構成され、
該単位ユニットを電気的接続可能に複数積層してモジュールを構成した固体電解質型燃料電池であって、
導通部を組み込んだ一対の耐熱性基板を、前記モジュールの外側から積層配備したことを特徴とする、固体電解質型燃料電池。
【請求項２】
請求項１において、前記導通部は、前記モジュールの単位セルの面積に比較して小さな面積で前記耐熱性基板から露出し前記モジュールに当接する接触面を有することを特徴とする、固体電解質型燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記導通部は、前記耐熱性基板との間に空隙をもって配備されていることを特徴とする、固体電解質型燃料電池。
【請求項４】
請求項３において、前記空隙を燃料ガス雰囲気に保持するようにしたことを特徴とする、固体電解質型燃料電池。
【請求項５】
請求項４において、前記導通部は、前記耐熱性基板の外部に配備されたガスシール部によって前記空隙内の燃料ガスを封止した状態で配備されていることを特徴とする、固体電解質型燃料電池。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項において、前記耐熱性基板と前記モジュールの間に、通電促進部材を配備したことを特徴とする、固体電解質型燃料電池。
【請求項７】
請求項６において、前記通電促進部材が導電性セラミックス板と、導電性緩衝材からなることを特徴とする、固体電解質型燃料電池。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれか１項において、前記耐熱性基板に、ガスの供給または排出を行うガス供給部またはガス排出部を形成したことを特徴とする、固体電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質型燃料電池に関し、詳細には、熱サイクルに対する耐久性に優れた積層構造の平板型固体電解質型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体電解質型燃料電池［固体酸化物型燃料電池（Solid Oxidｅ Fuel
Cell）とも呼ばれる］として、平板積層型の固体電解質型燃料電池が知られている（例えば、特許文献１）。これは集電体とガスセパレータとによって電池の最小単位である単セルをユニット化し、このユニットを電気的接続可能な状態に複数積層してモジュールを形成したものである。
【０００３】
このモジュールへの燃料ガスおよび酸化材ガスの供給は、それぞれ１箇所の導入部で行われ、各ユニットに対しては各単セルの端部でガス流れを折り返すことによって順次各単セルのガス流路にガスを流通させ、燃料ガスおよび酸化材ガスそれぞれ１箇所の排出部から排出する構成となっている。モジュールで発生した電流を取出す機構として、例えばモジュールを挟み込むように上下に金属板を接合し、この金属板を介して外部回路と接続することが行われている。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１２９２５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、従来の平板型の固体電解質型燃料電池では電流の取出しを金属板を接合させることによって行っているが、固体電解質型燃料電池は、約１０００℃にも達する高温で運転されるものであり、金属酸化の問題を起こし易いため、酸素雰囲気で金属材料を使用することは、出来るだけ避けるべきである。
【０００６】
また、固体電解質型燃料電池モジュールにおいて、その主要な構成部材である単セル（固体電解質膜、燃料側電極および酸素側電極）、集電体、ガスセパレータなどは、いずれもセラミックス材料で構成されている。これらのセラミックス材料と、電流を取出すための前記金属板とは物性が異なるため、燃料電池の起動時・停止時など熱状態の大きな変化が繰返される場合（熱サイクル）に、電池性能が低下するなどの問題を起こすことがある。具体的には、セラミックスと金属板とは熱膨張係数が異なるため、温度変化を受けると熱伸び量に差異が生じ、両者の間に応力が発生する。この応力が、モジュール構成部材の接合状態を変化させると、導電性材料相互の通電性やガス封止性などに影響し、熱サイクルによる劣化を引き起こすという問題がある。
【０００７】
以上の問題を回避するためには、金属製部材を固体電解質型燃料電池モジュールに使用しなければよいが、モジュールからの電流の取出しは必須であるため、金属製の材料を全く使用しないという選択は現実的でない。
【０００８】
従って本発明の課題は、熱サイクル劣化を防止し、耐久性に優れたモジュール構造の固体電解質型燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様は、固体電解質膜を介して燃料側電極および酸素側電極を配置してなる単セルと、集電体と、ガスセパレータと、を含むように単位ユニットが構成され、該単位ユニットを電気的接続可能に複数積層してモジュールを構成した固体電解質型燃料電池であって、導通部を組み込んだ一対の耐熱性基板を、前記モジュールの外側から積層配備したことを特徴とする、固体電解質型燃料電池である。
【００１０】
この第１の態様の固体電解質型燃料電池によれば、導通部を組み込んだ耐熱性基板を採用することによって、モジュールの構成部材との熱膨張係数の差を縮小もしくは解消し、熱サイクルへの耐久性を大幅に向上させることができる。また、モジュールからの電流の取出し機能は導通部によって確保される。
【００１１】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記導通部は、前記モジュールの単位セルの面積に比較して小さな面積で前記耐熱性基板から露出し、前記モジュールに当接する接触面を有することを特徴とする、固体電解質型燃料電池である。
【００１２】
この第２の態様によれば、モジュール等との当接面となる導通部の接触面を、単位セルの面積に比較して小さな面積とすることによって、例えば金属とセラミックスとの熱サイクル時の熱膨張率の差による応力を小さく抑え、熱サイクルに対する耐久性を高めることができる。
【００１３】
本発明の第３の態様は、第１または第２の態様において、前記導通部は、前記耐熱性基板との間に空隙をもって配備されていることを特徴とする、固体電解質型燃料電池である。
【００１４】
この第３の態様では、導通部と耐熱性基板との間に空隙を設けたので、両部材の熱膨張率が異なっていても、空隙が遊びとなって局所的な応力の発生を回避できる。
【００１５】
本発明の第４の態様は、第３の態様において、前記空隙を燃料ガス雰囲気に保持するようにしたことを特徴とする、固体電解質型燃料電池である。
【００１６】
この第４の態様では、導通部と耐熱性基板との間（空隙）に、水素などの燃料ガスを存在させる。これによって、導通部の周囲を還元雰囲気におくことが可能となり、高温で運転を行っても、導通部を構成する金属等の酸化、腐食などを回避できる。
【００１７】
本発明の第５の態様は、第４の態様において、前記導通部は、前記耐熱性基板の外部に配備されたガスシール部によって前記空隙内の燃料ガスを封止した状態で配備されていることを特徴とする、固体電解質型燃料電池である。
【００１８】
この第５の態様では、ガスシール部を設けることによって、空隙内の燃料ガス雰囲気を維持し、第４の態様の効果を確実なものとすることができる。また、ガスシール部を装置外（耐熱性基板の外側）に配することにより、この部分の熱変化を小さく出来るので、ガスシールの耐久性を充分に確保できる。
【００１９】
本発明の第６の態様は、第１から第５のいずれか１つの態様において、前記耐熱性基板と前記モジュールの間に、通電促進部材を配備したことを特徴とする、固体電解質型燃料電池である。
【００２０】
この第６の態様によれば、通電促進部材を配備することによって、モジュールから導通部への電流の取出しを促して、モジュール構造による大出力の電池性能を充分に引出すことができる。
【００２１】
本発明の第７の態様は、第６の態様において、前記通電促進部材が導電性セラミックス板と、導電性緩衝材からなることを特徴とする、固体電解質型燃料電池である。
【００２２】
この第７の態様では、導電性セラミックスと導電性緩衝材とによって、モジュールと導通部との通電を確保するとともに、密着性、クッション性を付与することができる。
【００２３】
本発明の第８の態様は、第１から第７のいずれか１つの態様において、前記耐熱性基板に、ガスの供給または排出を行うガス供給部またはガス排出部を形成したことを特徴とする、固体電解質型燃料電池である。
【００２４】
この第８の態様では、耐熱性基板に、ガス供給部またはガス排出部を設けることによって、ガスの連通路としての機能を持たせることが可能となる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明により、モジュール構造の固体電解質型燃料電池において、熱サイクル劣化を防止し、耐久性を向上させることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、図面に基き本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る固体電解質型燃料電池１００の概要を模式的に示すものである。この固体電解質型燃料電池１００は、燃料側集電体３０１と、セル３０５と、酸素側集電体３０６と、ガスセパレータ３０７と、から構成されたユニット３１が５段に積層され、一つのモジュール３０を構成している。このようにモジュール構造を採用することによって、大きな電気的出力を生み出すことができる。なお、図１においては、説明の便宜上、積層された各部材間に隙間を空けて表現している。
【００２７】
モジュール３０は、一対の耐熱性基板１０ａ,１０ｂによって上下からサンドイッチ構造で挟み込まれ、固体電解質型燃料電池１００を構成している。モジュール３０からの電流の取出しは、耐熱性基板１０ａ,１０ｂにそれぞれ組み込まれた「導通部」としての金具１１,１１によって行われる。金具１１,１１は耐熱性基板１０ａ、１０ｂを貫通して外部に突出し、図示しない外部回路と接続している。
【００２８】
耐熱性基板１０ａ,１０ｂは、中実に構成されており、好ましくは複数の板を貼り合せた積層構造が採用される。耐熱性基板１０ａ,１０ｂの材質としては、耐熱性を有し、熱膨張係数がモジュール３０を構成する各部材（主としてセラミックス）と近似した材質であればよいが、好ましくは、絶縁性セラミックス材料が用いられる。そのような性質を持つ絶縁性セラミックスとして、例えばマグネシア（ＭｇＯ）とスピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）を主成分とするものが挙げられる。ここで、マグネシアとスピネルの混合比を、重量比で３０：７０〜７０：３０（好ましくは４０：６０〜５０：５０）にすることによって、モジュールを構成するセル３０５、燃料側集電体３０１、酸素側集電体３０６等の部材の熱膨張係数との整合性をとることができる。
【００２９】
耐熱性基板１０ａ,１０ｂに組み込まれた金具１１,１１は、例えばＳＵＳなどの金属によって形成されるとともに、平板部１３,１３を備えており、この平板部１３,１３の表面が「接触面」として耐熱性基板１０ａ,１０ｂから露出している。平板部１３,１３の表面はモジュール３０に圧接され、電気的接続を可能にしている。平板部１３の面積（露出した接触面の面積）は、平板状をしたセル３０５の片面の面積に対し、好ましくは１０〜３０％程度、より好ましくは１５〜２５％程度とすることができる。平板部１３の面積が大きすぎると、モジュール３０との接触部分で熱サイクル時の応力が生じ、劣化の問題が解消されないことがある。逆に平板部１３の面積が小さすぎると、通電性が低下して電流の取出しが不十分になり、電池性能が低下する場合がある。
【００３０】
また、金具１１と耐熱性基板１０との間は、熱サイクル時の伸縮を考慮して、後述するように「遊び」となる空隙を設けておくことが好ましい。
【００３１】
ユニット３１ａは、燃料側集電体３０１と、セル３０５と、酸素側集電体３０６と、ガスセパレータ３０７と、から構成されている。
【００３２】
燃料側集電体３０１は、片側（セル３０５に対向する面）に櫛歯状の溝が形成された導電性セラミックスにより構成され、該溝に、例えば水素などの燃料ガスを流通させ得る構造になっている。燃料側集電体３０１の材質は、例えば、ニッケルとイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）や、ニッケルとアルミナとＹＳＺなどからなる多孔質セラミックスが好ましく用いられる。
【００３３】
酸素側集電体３０６も同様に、片側（セル３０５に対向する面）に櫛歯状の溝が形成された導電性セラミックスにより構成され、該溝に例えば空気などの酸化材ガスを流通させ得る構造になっている。酸素側集電体３０６の材質としては、例えばランタン−ストロンチウム−マンガナイトなどの多孔質セラミックスが好ましく用いられる。
【００３４】
セル３０５は、電池の最小構成単位であって、燃料側電極３０２と、酸素側電極３０４との間に平板状の固体電解質膜３０３が挟み込まれた構造である。そして、燃料側電極３０２は燃料側集電体３０１と接合し、酸素側電極３０４は酸素側集電体３０６と接合するように配置される。固体電解質膜３０３の材質としては、例えばＹＳＺを主成分とする材料などが用いられる。燃料側電極３０２の材質は、例えばニッケル−ジルコニアサーメットの多孔質セラミックスを用いることが可能であり、酸素側電極３０４の材質としては、例えば、ランタンマンガナイト（ＬａＭｎＯ３）系の多孔質セラミックスを用いることができる。
【００３５】
ガスセパレータ３０７は、絶縁性セラミックス板を積層した構造であり（ここでは、３枚のセラミックス板が積層されている）、部分的に電子流路材３０８と、導電性セラミックスからなる接続部３０９が配備されている。ガスセパレータ３０７を構成する絶縁性セラミックスとしては、例えばマグネシア（ＭｇＯ）とスピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）を主成分とするものが挙げられる。ここで、マグネシアとスピネルの混合比を、重量比で３０：７０〜７０：３０（好ましくは４０：６０〜５０：５０）にすることによって、セル３０５や、燃料側集電体３０１、酸素側集電体３０６等の部材の熱膨張係数との整合性をとることができる。
【００３６】
電子流路材３０８の材質としては、ランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ３）系導電性セラミックスを用いることが好ましい。また、接続部３０９としては、前記と同様の材質の導電性セラミックスを用いることができる。
【００３７】
ガスセパレータ３０７を介在させることによって、ユニット３１同士の酸化還元性を遮断しつつ、電子流路材３０８と接続部３０９によってユニット間の電気的接続が可能になる。
【００３８】
ユニット３１ａと同様に、ユニット３１ｂ〜３１ｅについても、燃料側集電体３０１と、セル３０５と、酸素側集電体３０６と、ガスセパレータ３０７と、が積層された構成である。ここでは５段のユニット３１ａ〜３１ｅが積層されて、一つのモジュール３０が形成される。
【００３９】
モジュール３０のガス入口よりガス流れ方向上流側の流路には、流量制御手段としてのマスフロー制御器（図示せず）が配備されている。このマスフロー制御器によって所定流量に制御されたガスが、モジュール３０へ供給される。
【００４０】
上記の構成によるモジュール３０における燃料ガス６０の流れは、例えば、図１中破線で示す経路であり、酸化材ガス７０の流れは、同図中、実線で示す経路である。ユニット３１間のガスの流通は、例えばユニット３１を構成する部材の枠部に貫通孔などを形成することによって実施できる。なお、燃料ガス６０は、燃料側集電体３０１に形成された溝を通過するため、図１の紙面に対して垂直な方向へ流れる。また、酸化材ガス７０についても同様に、酸素側集電体３０６に形成された溝を通過するため、図１の紙面に対して垂直な方向に流れる。
【００４１】
本実施形態の固体電解質型燃料電池１００では、ユニット３１ｅと下部の耐熱性基板１０ｂとの間に、導電性セラミックスからなる集電体３００が配備されている。この集電体３００は、燃料側集電体３０１と同様の材質のものを用いることができる。集電体３００を配備する意義は以下のとおりである。  
本実施形態においては、上部の耐熱性基板１０ａは、燃料側集電体３０１が介在した状態ではあるが、燃料ガス６０の流路（破線）に近接している。この燃料ガス６０は水素などの還元性ガスであるため、燃料側集電体３０１を超えて耐熱性基板１０ａ側に漏出しても、金具１１の周囲は還元雰囲気となって、これが酸化したり腐食したりする心配は少ない。これに対して、下部の耐熱性基板１０ｂは、通常の折り返しガス流れの場合、ユニット３１ｅの酸素側集電体３０６およびセパレータ３０７により遮断されているものの、酸化材ガス７０の流路に近接した状態になっている。このため、万一、酸化材ガス７０が酸素側集電体３０６およびセパレータ３０７を超えて漏出した場合、下部耐熱性基板１０ｂに組み込まれた金具１１が酸化したり、腐食したりして、電池性能を損なうおそれがある。このため、本実施形態では、ユニット３１ａ〜３１ｅとは別に集電体３００を配備し、ここで燃料ガス６０の折り返し流路を付加することにより、下部耐熱性基板１０ｂの金具１１の周囲を燃料ガス雰囲気（還元雰囲気）になるようにしている。
【００４２】
図２は、本発明の別の実施形態（第２実施形態）に係る固体電解質型燃料電池２００の要部を示す模式図である。この固体電解質型燃料電池２００におけるセル３０５、これを含むユニット３１、さらにこれを含むモジュール３０の基本的構成は、第１実施形態（図１）と同様であるので、ここでは下部の耐熱性基板１０ｂを中心に説明を行う。なお、上部のセラックス基板１０ａについてもほぼ同様の構成である。
【００４３】
耐熱性基板１０ｂは、中実に構成されており、複数の絶縁性セラミックス板を貼り合せて構成される。絶縁性セラミックス材料としては、第１実施形態（図１）と同様のものを使用できる。耐熱性基板１０ｂに組み込まれた金具１１は、例えばＳＵＳなどの導電性金属によって形成されるとともに、平板部１３を備えており、この平板部１３が耐熱性基板１０から露出し、モジュール３０に圧接され、電気的接続を可能にしている。本実施形態においては、平板部１３を有する金具１１が、耐熱性基板１０ｂ内で折曲し、横方向に延設されて外部回路（図示せず）と接続しており、電流を取出す構成となっている。金具１１の周囲は、耐熱性基板１０ｂに密着しておらず、空隙２０が形成されている。この空隙２０には、モジュール３０内を折り返すようにして流通してきた燃料ガス６０が充満し、還元雰囲気となるように構成され、前記したように金具１１の酸化や腐食を防ぐように作用する。
【００４４】
また、空隙２０は「遊び」として機能し、熱サイクル時に、金属製の金具１１と耐熱性基板１０ｂとの伸縮の差をこの空隙２０で吸収することが可能になる。
【００４５】
金具１１が耐熱性基板１０ｂから突出した部分には、シール部材１５が設けられて封止されており、空隙２０中の燃料ガス６０が装置外へ漏出することが防止される。このように、シール部材１５による封止箇所を装置外に設けることによって熱サイクルに伴う熱変化の影響を回避し、耐久性を高めることができる。なお、金具１１の他の構成は、第１実施形態（図１）と同様である。
【００４６】
図２において、符号３１１は導電性緩衝材としてのニッケルフェルトであり、符号３１３は、前記と同様の材質からなる導電性セラミックス板である。第１実施形態（図１）と同様に、金具１１の平板部１３の面積は、熱サイクル時の応力を抑制する観点から、モジュール３０を構成する部材（例えば、セル３０５）の面積に比較して小さく設定されている。このため、金具１１の平板部１３と集電体３００との接触面積（通電部分の面積）も小さくなる。従って、この部分に接触不良が生じると、通電が不十分になり電池性能を低下させる要因となる。本実施形態では、導電性セラミックス板３１３の両面に導電性緩衝材としてのニッケルフェルト３１１,３１１を積層した通電促進部材３１５を配備することによって、モジュール３０の全面から電流を受け、金具１１に伝えるように作用させ、充分な電流取出し効率を確保している。なお、集電体３００とモジュール３０（最下部のセパレータ３０７）との間にも、導電性緩衝材としてのニッケルフェルト３１１を配備し、通電性をより高めている。
【００４７】
耐熱性基板１０ｂ（図示しない１０ａも同様である）には、ガス供給（もしくは排出）のための流路８１,８３が形成されている。これらの流路８１,８３は、モジュール３０を構成する各部材の枠体部などに形成された流路（ここでは図示せず）と連通して、燃料ガス６０または酸化材ガス７０の供給・排出を行う。流路８１,８３は、例えば、耐熱性基板１０ｂを構成する絶縁性セラミックス板（積層構造の一部）を部分的に切り欠き、溝を形成した後、ガスシールすることによって作製できる。
【００４８】
以上、本発明を種々の実施形態に関して述べたが、本発明は上記実施形態に制約されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、他の実施形態についても適用可能である。
【００４９】
例えば、第１実施形態（図１）および第２実施形態（図２）においては、いずれも上下各一つずつの金具１１により電流の取出しを行う構成であるが、片面に複数の金具１１を配備することも可能である。また、一つの金具１１に複数の接触面（平板部１３の露出面）を形成することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、固体電解質型燃料電池として、各種の用途、例えば、産業用発電機やコージェネレーションシステムなどにおいて利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の固体電解質型燃料電池１００の概要を示す模式図である。
【図２】本発明の別の実施形態の固体電解質型燃料電池２００の要部を示す模式図である。
【符号の説明】
【００５２】
１０ａ、１０ｂ  耐熱性基板
１１  金具
１３  平板部
１５  シール部材
２０  空隙
３０  モジュール
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅ  ユニット
６０  燃料ガス
７０  酸化材ガス
１００  固体電解質型燃料電池
２００  固体電解質型燃料電池
３００  集電体
３０１  燃料側集電体
３０２  燃料側電極
３０３  固体電解質膜
３０４  酸素側電極
３０５  セル
３０６  酸素側集電体
３０７  セパレータ
３０８  電子流路材
３０９  接続部
３１１  ニッケルフェルト
３１３  導電性セラミックス板
３１５  通電促進部材
【図１】
2005216643.tif 000003
【図２】
2005216643.tif 000004