(57)【要約】【課題】  電子通路材の量を抑えてコスト低減と小型化を図りながら、優れたヒートサイクル耐性と電池性能を持つ固体電解質型燃料電池を提供する。【解決手段】  固体電解質型燃料電池１００は、ガス流れ方向に長尺に形成されたスタック１０１と、該スタック１０１のガス流路の両側に配備された一対のマニホールド８１ａ,８１ｂと、スタック１０１とマニホールド８１ａ，８１ｂの間に介在する断熱手段９０と、を備えている。スタック１０１は、電子通路材薄膜２０を有する空気極集電体１１と、固体電解質薄膜１３を有する燃料極集電体１５と、を積層して一つのユニットとし、このユニットを複数積層することによって形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子通路材の薄膜を有するハニカム構造または櫛歯構造の空気極集電体と、
固体電解質の薄膜を有するハニカム構造または櫛歯構造の燃料極集電体と、
を積層して構成される、固体電解質型燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１において、前記固体電解質型燃料電池スタックの周囲がシール材料によりガスシールされており、該シール材料が、ＳｉＯ２とＣａＯとＡｌ２Ｏ３とを含み、ＳｉＯ２とＣａＯとの割合がＳｉＯ２：ＣａＯ＝１：０．５〜２（モル比）であり、ＳｉＯ２に対するＡｌ２Ｏ３の割合が０．３５（モル比）以下のシール材料であることを特徴とする、固体電解質型燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、前記空気極集電体および前記燃料極集電体の気孔率が１０〜６０体積％であることを特徴とする、固体電解質型燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項において、前記電子通路材の薄膜が、次の式（I）、
Ｌａ１−ｘＭ１ｘＣｒＯ３      （I）
（ここで、Ｍ１はアルカリ土類金属を意味し、ｘは０．０１〜０．３の数を示す）
により示されるランタンクロマイト系導電性セラミックスによる５〜１００μｍの厚さの薄膜であることを特徴とする、固体電解質型燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項４において、空気極集電体の材質が、次の式（II）、
Ｌａ１−ｙＭ２ｙＭｎＯ３      （II）
（ここで、Ｍ２はアルカリ土類金属を意味し、ｙは０．０１＜ｙ＜０．３の数を示し、Ｍｎと、ＬａおよびＭ２の合計とのモル比が略１：１である）
により示されるランタンマンガナイト系導電性セラミックスであることを特徴とする、固体電解質型燃料電池スタック。
【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、前記固体電解質の薄膜が、ＺｒＯ２に対し、３〜１０ｍｏｌ％の範囲でＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３またはＣｅ２Ｏ３を固溶させた固体電解質による５〜１００μｍの厚さの薄膜であることを特徴とする、固体電解質型燃料電池スタック。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の固体電解質型燃料電池スタックに連通するようにガスの供給および排出のための金属製マニホールドを設け、該固体電解質型燃料電池スタックと該金属製マニホールドとの間に断熱手段を配備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、支持膜型平板構造の固体電解質型燃料電池スタック、および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。これは電池の最小単位である単セルをガスセパレータと組み合わせてユニット化し、このユニットを電気的接続可能な状態に複数積層してスタックを形成したものである。
【０００３】
上記形式の固体電解質型燃料電池において、従来より導電率を確保するために、板状のガスセパレータ全体をランタンクロマイト系導電性セラミックスなどの電子通路材で作製してインターコネクタとする方式が知られている（例えば、特許文献１）。この方式では、ガスセパレータ部分の導電性を高めることができるので、良好な電池性能を確保できるが、反面、電子通路材の使用量が多くなり、経済性に劣る。また、板状のガスセパレータ（インターコネクタ）を配備することにより、装置全体が大型化してしまうという課題があった。
【０００４】
このため、上記特許文献１では、緻密なＭｇＯ／ＭｇＡｌ２Ｏ４（マグネシア／スピネル）で構成される孔のあいた平板に電子通路材をボタン状に配置し、これをガスセパレータとして用いることが提案されている。この方式によってコスト低減は可能になるが、空気極集電体や燃料極集電体に比べて導電性が低く、面積も小さな電子通路材に電流が集中することにより、電圧降下が起こることが懸念される。
【０００５】
また、緻密なＭｇＯ／ＭｇＡｌ２Ｏ４の平板を用いることから、部品点数が増加するとともに、熱衝撃に対する耐性が低下することが懸念される。
【０００６】
一方、固体電解質型燃料電池には、スタックへ燃料ガスおよび酸化材ガスを供給するためのマニホールドが配備される。このマニホールドに関する改良として、複数のガス流路を有する固体電解質型燃料電池において、マニホールドとスタックとの境界における気密性の低下を防止するため、マニホールド部材に、ガス流通管とガス分配空間を設けた固体電解質型燃料電池が提案されている（例えば、特許文献２）。しかし、このマニホールド構造では、スタック内部に酸化材ガスが流れ、スタックの周囲を燃料ガスが流れる構造であるため、構造が複雑で製造コストも上昇するという問題がある。
【０００７】
また、固体電解質型燃料電池は、約１０００℃の高温で使用するため、構成部品に耐熱性が求められる。特許文献２においても、マニホールド部材やガス流通管には、７００〜８００℃程度までの耐熱性しか持たない金属を使用することができず、アルミナ、アルミナ−マグネシアスピネル、ジルコニアなどのセラミックスが使用されているが、これらは加工が難しいという欠点がある。
【０００８】
【特許文献１】特開平５−７４４７０号公報（図５、図６など）
【特許文献２】特開平１１−１８５７９３号公報（図４など）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、本発明の第１の課題は、電子通路材の量を抑えてコスト低減と小型化を図りながら、優れたヒートサイクル耐性と電池性能を持つ固体電解質型燃料電池スタックを提供することである。また、第２の課題は、該固体電解質型燃料電池スタックに適した簡易な構成のマニホールドを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様は、電子通路材の薄膜を有するハニカム構造または櫛歯構造の空気極集電体と、固体電解質の薄膜を有するハニカム構造または櫛歯構造の燃料極集電体と、を積層して構成される、固体電解質型燃料電池スタックである。
【００１１】
この第１の態様によれば、電子通路材を薄膜化してガスセパレータとしての機能を持たせ、固体電解質膜を有する燃料極集電体と積層してスタックを構成することにより、高価な電子通路材の使用量を大幅に削減し、小型化とコスト削減を図ることができる。
【００１２】
また、緻密な材料からなる固体電解質および電子通路材を薄膜化することによって、熱衝撃により厚み方向への温度の不均一が起こる可能性が非常に低くなり、ヒートサイクルに対する耐久性が向上する。つまり、電子通路材および固体電解質の薄膜化によって、スタックの大部分を強度の高い多孔質セラミックスが占めるようになる。多孔質セラミックス製の空気極集電体および燃料極集電体は構造部材として作用し、熱衝撃に対する耐久性が大幅に向上する。
【００１３】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記固体電解質型燃料電池スタックの周囲がシール材料によりガスシールされており、該シール材料が、ＳｉＯ２とＣａＯとＡｌ２Ｏ３とを含み、ＳｉＯ２とＣａＯとの割合がＳｉＯ２：ＣａＯ＝１：０．５〜２（モル比）であり、ＳｉＯ２に対するＡｌ２Ｏ３の割合が０．３５（モル比）以下のシール材料であることを特徴とする、固体電解質型燃料電池スタックである。この第２の態様では、前記シール材料の熱膨張率は、スタックの主要な構成部材の熱膨張率とほぼ同じであるため、ヒートサイクルをかけても剥離や割れ等を生じることがなく、耐久性に優れた固体電解質型燃料電池が得られる。
【００１４】
本発明の第３の態様は、第１の態様または第２の態様において、前記空気極集電体および前記燃料極集電体の気孔率が１０〜６０体積％であることを特徴とする、固体電解質型燃料電池スタックである。空気極集電体および燃料極集電体の気孔率は、導電性およびガス透過性を考慮すると上記範囲が好適であり、かつ十分な強度を有するため、スタック全体の強度を向上させることができる。
【００１５】
本発明の第４の態様は、第１の態様から第３の態様のいずれかにおいて、前記電子通路材の薄膜が、次の式（I）、
Ｌａ１−ｘＭ１ｘＣｒＯ３      （I）
（ここで、Ｍ１はアルカリ土類金属を意味し、ｘは０．０１〜０．３の数を示す）
により示されるランタンクロマイト系導電性セラミックスによる５〜１００μｍの厚さの薄膜であることを特徴とする、固体電解質型燃料電池スタックである。
【００１６】
上記式（I）で表されるランタンクロマイト系導電性セラミックスは、薄膜の形態でもペロブスカイト構造が保たれ、導電性を失いにくいため、優れた電池性能を維持することができる。
【００１７】
本発明の第５の態様は、第４の態様において、空気極集電体の材質が、次の式（II）、
Ｌａ１−ｙＭ２ｙＭｎＯ３      （II）
（ここで、Ｍ２はアルカリ土類金属を意味し、ｙは０．０１＜ｙ＜０．３の数を示し、Ｍｎと、ＬａおよびＭ２の合計とのモル比が略１：１である）
により示されるランタンマンガナイト系導電性セラミックスであることを特徴とする、固体電解質型燃料電池スタックである。
【００１８】
この第５の態様では、第４の態様における式（I）のランタンクロマイト系導電性セラミックスの薄膜と、式（II）のランタンマンガナイト系導電性セラミックスの空気極集電体と、の組合せにより、優れた電池性能を有する固体電解質型燃料電池スタックが得られる。また、Ｍｎと、ＬａおよびＭ２の合計とのモル比が略１：１であることにより、Ｍｎに起因するランタンクロマイト（電子通路材薄膜）の多孔質化を防止して、優れた導電性とガス封止性を維持できる。
【００１９】
本発明の第６の態様は、第１の態様から第５の態様のいずれかにおいて、前記固体電解質の薄膜が、ＺｒＯ２に対し、３〜１０ｍｏｌ％の範囲でＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３またはＣｅ２Ｏ３を固溶させた固体電解質による５〜１００μｍの厚さの薄膜であることを特徴とする、固体電解質型燃料電池スタックである。前記固体電解質は薄膜化しても優れたイオン導電性を示すので、高性能の固体電解質型燃料電池スタックが得られる。
【００２０】
本発明の第７の態様は、第１の態様から第６の態様のいずれかの固体電解質型燃料電池スタックに連通するようにガスの供給および排出のための金属製マニホールドを設け、該固体電解質型燃料電池スタックと該金属製マニホールドとの間に断熱手段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。
【００２１】
この固体電解質型燃料電池では、上記構造のスタックに、断熱手段を介して金属製マニホールドを配備することにより、簡易な構成でガス（燃料ガスおよび酸化材ガス）の供給、排出が可能になる。また、断熱手段を配置することによって、マニホールド側の温度をスタック側に比べて２００〜３００℃程度低く抑えることができる。従って、マニホールドの材料として加工の容易な金属を使用しても、熱膨張率の差によるヒートサイクル劣化などが生じにくい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明により、優れた性能を維持しながら、固体電解質型燃料電池の作製コストを低減し、かつ小型化を図ることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図１〜図５に基き本発明の実施の形態について説明する。  
図１は、本発明の一実施形態に係る固体電解質型燃料電池１００の概略構成を模式的に示す図面である。この固体電解質型燃料電池１００は、ガス流れ方向に長尺に形成されたスタック１０１と、該スタック１０１のガス流路の両側（入口および出口）に配備された一対のマニホールド８１ａ,８１ｂと、スタック１０１とマニホールド８１ａ，８１ｂの間に介在する断熱手段９０と、を備えている。スタック１０１は外部回路１１０と電気的に接続されており、電流を取出すことが可能に構成されている。
【００２４】
スタック１０１には、マニホールド８１ａ側から水素ガスなどの燃料ガスが導入され、マニホールド８１ｂから排出される。また、マニホールド８２ｂからは空気などの酸化材ガスが導入され、マニホールド８１ａから排出される。
【００２５】
図２は、スタック１０１の構造を模式的に示すものである。このスタック１０１は、電子通路材薄膜２０を有する空気極集電体１１と、固体電解質薄膜１３を有する燃料極集電体１５と、を積層して一つのユニット４０とし、このユニット４０を複数積層することによって形成されている。このようにスタック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２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。
【００２６】
図３は、空気極集電体１１および燃料極集電体１５としてハニカム構造を採用したスタック１０２であり、図４は、図１と同様の構成において空気極集電体１１としてハニカム構造を採用し、燃料極集電体１５として櫛歯構造を採用した固体電解質型燃料電池スタック１０３である。図３では、スタック１０２の周囲にシール部６０を図示する。なお、スタック１０１,１０３においても同様のシールが可能である。
【００２７】
図３および図４において、空気極集電体１１は、ハニカム状の導電性セラミックス等により構成され、該ハニカム状の空洞５１が酸化材ガス流路となり、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。空気極集電体１１は、酸化材ガス流路を含めて約０．７〜２ｍｍ程度の厚さで構成することが好ましい。
【００２８】
空気極集電体１１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ランタンマンガナイト系多孔質セラミックスが好ましく用いられ、その一例として次の式（II）、
Ｌａ１−ｙＭ２ｙＭｎＯ３      （II）
（ここで、Ｍ２はアルカリ土類金属を意味し、ｙは０．０１＜ｙ＜０．３の数を示し、Ｍｎと、ＬａおよびＭ２の合計とのモル比が略１：１である）
により示されるペロブスカイト構造を持つランタンマンガナイト系導電性セラミックスを挙げることができる。
【００２９】
Ｍ２で示されるアルカリ土類金属としては、例えば、カルシウム、マグネシウム、ストロンチウム等を挙げることが可能であり、特にＭ２がストロンチウムであるＬａ１−ｙＳｒｙＣｒＯ３（ここで、ｙは前記と同様の意味を有する）が好ましい。
【００３０】
Ｍ２で示されるアルカリ土類金属とランタン（Ｌａ）との化学量論比は、上記式（II）中、アルカリ土類金属元素の量ｙが、０．０１＜ｙ＜０．３の範囲となるようにすることが好ましい。ｙが０．０１以下であると、空気極集電体１１の導電性が低下する。一方、ｙが０．３以上であると、ランタンクロマイト系材料で構成される電子通路材薄膜２０へＭｎの拡散が生じたり、ランタンマンガナイト自体（ＬａＳｒＭｎＯ３など）が不安定になるという問題がある。
【００３１】
さらに、式（II）において、Ｍｎと、Ｌａ＋Ｍ２と、のモル比は、およそ１：１である。ＬａとＭ２の合計に対するＭｎのモル比が多くなると、焼成過程でＭｎが電子通路材薄膜２０に移行して気化したＭｎが多孔質化を促し、緻密な膜形成ができず、電子通路材薄膜２０のガスセパレート機能が低下して、燃料ガス中の水素などが空気側へ漏出するおそれがある。
【００３２】
空気極集電体１１は、固体電解質薄膜１３に酸化材ガスを供給するために、気孔率が１０〜６０体積％程度のものを用いることが好ましい。気孔率が高すぎると強度が低下するとともに電気抵抗が増加してしまうおそれがあり、逆に気孔率が低すぎると酸化材ガスの透過性能が低下して電池性能が低下する場合がある。
【００３３】
空気極集電体１１には、ランタンクロマイト系導電性セラミックスを主成分とする電子通路材薄膜２０が形成されている。ここで、「主成分とする」とは、製造過程などにおいて不可避的に混入する微量の不純物や夾雑物の存在を許容する意味である。
【００３４】
このランタンクロマイト系導電性セラミックス材料としては、次の式（I）、
Ｌａ１−ｘＭ１ｘＣｒＯ３      （I）
（ここで、Ｍ１はアルカリ土類金属を意味し、ｘは０．０１〜０．３の数を示す）
により示されるものが好ましい。
【００３５】
Ｍ１で示されるアルカリ土類金属としては、例えば、カルシウム、マグネシウム、ストロンチウム等を挙げることができる。これらのアルカリ土類金属は、電子通路材薄膜２０の導電性を高めるように作用する。アルカリ土類金属の中でも、特にＭ１がカルシウムであるＬａ１−ｘＣａｘＣｒＯ３（ここで、ｘは前記と同様の意味を有する）が好ましい。
【００３６】
Ｍ１で示されるアルカリ土類金属とランタン（Ｌａ）との化学量論比は、式（I）中、アルカリ土類金属元素の量ｘとして、０．０１以上０．３以下の範囲であり、特に０．０５〜０．１の範囲が好ましい。ｘが０．０１未満であると、Ｃｒ４＋がほとんど生成せず、電子通路材薄膜２０の抵抗が大きくなり過ぎるので好ましくない。一方、ｘが０．３より大きいと、ランタンクロマイトが還元されて電子通路材薄膜２０のペロブスカイト構造が破壊されるおそれがある。  
すなわち、５〜１００μｍ程度の薄い膜厚の場合、急激な酸素ポテンシャル変化がかかると、ランタンクロマイトのペロブスカイト構造を維持することが難しくなり、導電性を示す正孔を構成するＣｒ４＋がＣｒ３＋に還元されてしまう結果、導電性が損なわれる。
【００３７】
電子通路材薄膜２０の厚さは、５〜１００μｍであり、２０〜４０μｍが好ましい。膜厚が５μｍ未満であるとランタンクロマイトのペロブスカイト構造を維持することが難しくなり、還元されて薄膜が破壊されるおそれがあり、逆に１００μｍを超える場合には、抵抗が大きくなり、電池性能上好ましくない。
【００３８】
電子通路材薄膜２０の成膜方法は特に問われないが、例えば、ランタンクロマイトを溶解または分散させた溶液に空気極集電体１１を浸漬して成膜するディップコーティング法によって形成することが好ましい。
【００３９】
固体電解質薄膜１３の材質としては、例えばＺｒＯ２に対し、３〜１０ｍｏｌ％の範囲でＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ２Ｏ３、Ｃｅ２Ｏ３等を固溶させたものなどが用いられ、特にイットリア安定化ジルコニア（以下、「ＹＳＺ」と記す）を主成分とする材料が好ましい。この固体電解質薄膜１３は、燃料極集電体１５の片面に形成され、支持されている。固体電解質薄膜１３の膜厚は、電気抵抗を考慮すると、例えば５〜１００μｍ程度に設定することが可能であり、２０〜４０μｍ程度が好ましい。
【００４０】
固体電解質薄膜１３の成膜方法は特に問われないが、例えば、ＹＳＺを溶解または分散させた溶液に燃料極集電体１５を浸漬して成膜するディップコーティング法によって形成できる。
【００４１】
燃料極集電体１５は、例えば、ハニカム状の導電性セラミックス（図３）や片面に櫛歯状の溝５３が形成された導電性セラミックス（図４）等により構成され、ハニカムの空洞５１や溝５３が燃料ガス流路として、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。燃料極集電体１５の材質は、例えば、ニッケルとＹＳＺからなるサーメットや、ニッケルとアルミナとＹＳＺからなるサーメットなどの多孔質セラミックスが好ましく用いられる。
【００４２】
燃料極集電体１５は、固体電解質薄膜１３に燃料ガスを供給するために、気孔率が１０〜６０体積％程度のものを用いることが好ましい。気孔率が高すぎると強度が低下するとともに電気抵抗が増加してしまうおそれがあり、逆に気孔率が低すぎると燃料ガスの透過性能が低下して電池性能が低下する場合がある。燃料極集電体１５は、燃料ガス流路を含めて約０．７〜２ｍｍ程度の厚さで構成することが好ましい。
【００４３】
電池の最小構成単位であるセル１０は、平板状の空気極集電体１１と燃料極集電体１５との間に固体電解質薄膜１３が挟み込まれた構造である。支持膜型であるセル１０において固体電解質薄膜１３は、燃料極集電体１５に支持される。そして、一つのセル１０と、該セル１０の空気極集電体１１に形成された電子通路材薄膜２０によって、ユニット４０が形成される。さらに一つのユニット４０の燃料極集電体１５が隣接するユニット４０の電子通路材薄膜２０と当接するように複数段積層され、スタック１０１〜１０３を構成する。ここで緻密なランタンクロマイトからなる電子通路材薄膜２０を介在させることによって、複数のユニット４０の間の酸化還元性を遮断しつつ、ユニット４０間の電気的接続が可能になる。
【００４４】
すなわち、電子通路材薄膜２０は、ガスセパレータ機能によって二つのセル１０間（互いに隣接する空気極集電体１１と燃料極集電体１５）でのガスの移動を防止するとともに、電子通路として機能する。このようにランタンクロマイト系導電性セラミックスを薄膜化することにより、電子通路としての面積を大きくとることが可能となり、電圧降下の問題を生じさせることなく固体電解質型燃料電池の電池性能を向上させ得る。
【００４５】
スタック１０１〜１０３において、複数のユニット４０は、スタック用シール材料によって接合され、気密性をもって封止される（図３、符号６０参照）。スタック用シール材料としては、例えば、ガラスなどのほか、ＳｉＯ２とＣａＯとＡｌ２Ｏ３とを含み、ＳｉＯ２とＣａＯとの割合がＳｉＯ２：ＣａＯ＝１：０．５〜２（モル比）であり、ＳｉＯ２に対するＡｌ２Ｏ３の割合が０．３５（モル比）以下であるシール材料（特開平１１−５４１３８号公報参照）を好適に使用することができる。上記スタック用シール材料によるシールは、例えば、ＳｉＯ２粉末、ＣａＯ粉末、Ａｌ２Ｏ３粉末を上記割合で混合してなる混合粉末に、必要に応じて１０〜１２ｇのポリビニルブチラール等の結合剤、８〜１０ｇのジブチルフタレート等の可塑剤、０．２〜０．５ｇのノニオン系界面活性剤等の分散剤等を添加してスラリーとしたものを、シール面（スタック表面及びスタック内の接合面）にスプレー等によって０．２〜０．５ｇ／ｃｍ２程度となるように塗布して乾燥した後、被接合面どうしを当接し、０．３〜０．５ｋｇ／ｃｍ２程度の荷重をかけて１３００℃以下の温度で焼成することによって実施できる。
【００４６】
図５は、図１に示す固体電解質型燃料電池１００の要部であり、マニホールド８１ｂの詳細を示す図面である。マニホールド８１ｂは、金属で形成され、その内部には、金属製の酸化材ガス導入管８５および燃料ガス排出管８７が配備されている。マニホールド８１ｂ、酸化材ガス導入管８５、燃料ガス排出管８７の材質としては、例えば鉄をベースとするフェライト系金属や、該金属表面にアルミナなどを用いて酸化防止処理を施したものを利用できる。
【００４７】
酸化材ガス導入管８５は、接続部１３０を介してスタック１０１の空気極集電体１１のガス流路（空洞５１）に連通している。また、燃料ガス排出管８７は、接続部１３０を介して燃料極集電体１５のガス流路（空洞５１）に連通している。
【００４８】
接続部１３０は、スタック１０１と同様の熱膨張係数を持つ導電性セラミックス材料により構成されている。接続部１３０には、金属製の導電部材１２０が接合されており、該導電部材１２０は外部回路１１０と電気的に接続されている。
【００４９】
マニホールド８１ｂとスタック１０１の間には、断熱手段としての断熱部材９１が配備されている。断熱部材９１としては、例えば、ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３系の市販の断熱材［例えば、東芝モノフラックス社製ＦＦＸジュラブランケット（商品名）］で０．５〜２．５ｃｍ程度の厚みのものを使用できる。断熱部材９１を配備し遮熱することによって、９００〜１０００℃程度の高温になるスタック１０１に対し、マニホールド８１ｂ部分の温度を８００℃以下まで低下させることができる。８００℃以下の温度まで下げることにより、マニホールド８１ｂ、酸化材ガス導入管８５および燃料ガス排出管８７として加工の容易な金属を利用できるようになる。また、スタック１０１を構成する導電性セラミックスと金属との熱膨張率の差が原因で起こるヒートサイクル劣化も生じにくくなる。なお、断熱手段９０（断熱部材９１）は、図１に示すようにマニホールド８１ａ,８１ｂを囲うように配備してもよく、あるいは、スタック１０１を覆うように配備してもよい。
【００５０】
マニホールド８１ｂとスタック１０１の間（つまり、マニホールド８１ｂと断熱部材９１との間および断熱部材９１とスタック１０１との間の接続部１３０の周囲）には、絶縁シール部７０が形成されている。この絶縁シール部７０は、シール材により封止された部分であり、これによってガスシール性と絶縁性が確保される。シール材としては、ガラス製のものを利用することが可能であり、例えば、パイレックス社製７７４０（商品名）等を使用できる。
【００５１】
図５に示す以上の構成は、酸化材ガス導入管８５および燃料ガス排出管８７に替えて酸化材ガス排出管８６と燃料ガス導入管８４が配備される点を除き、スタック１０１を挟んで反対側に設けられたマニホールド８１ａにおいても、同様である。
【００５２】
以下、実施例等を挙げ、本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれによって何ら制約されるものではない。  
実施例１
ハニカム形状で、厚さ５ｍｍのＬａ0.85Ｓｒ0.15ＭｎＯ３を主成分とする空気極集電体を使用した。このハニカム形状の空気極集電体は、押出成形により加工し、大気中、１１００〜１５００℃で５時間焼成することによって製造した。この空気極集電体の片面に、Ｌａ0.9Ｃａ0.1ＣｒＯ３粉末をエタノール溶媒にて作製したスラリーを、ディップコーティング法によって製膜した。これを１５００℃、５時間焼成することによってＬａ0.9Ｃａ0.1ＣｒＯ３を主成分とする１０μｍの膜厚の電子通路材薄膜付空気極集電体を得た。
【００５３】
ハニカム形状で、厚さ５ｍｍの５６重量％ＮｉＯ／８ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３安定化ＺｒＯ２で示される組成の燃料極集電体を用いた。このハニカム形状の燃料極集電体は、押出成形により加工し、大気中、１１００〜１５００℃で５時間焼成することによって製造した。この燃料極集電体に、電解質材料として８ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３安定化ＺｒＯ２を用い、エタノール溶媒にて作製したスラリーをディップコーティング法によって成膜した。これを１５００℃、５時間焼成することによって１０μｍの膜厚の固体電解質薄膜付燃料極集電体を得た。
【００５４】
固体電解質薄膜付燃料極集電体の電解質表面には、粒子径０．５μｍ以下の粒子で構成される５６重量％ＮｉＯ／８ｍｏｌ％Ｙ２Ｏ３安定化ＺｒＯ２粉末をエタノールを用いてペースト化したものを塗布し、電子通路材薄膜付空気極集電体の電子通路材表面には、粒子径０．５μｍ以下のＬａ0.85Ｓｒ0.15ＭｎＯ３粉末をエタノールによりペースト化したものを塗布して、それぞれを交互に積層しスタックを構成した。
【００５５】
積層により構成したスタックの最上部および最下部は、空気極集電体とした。積層したスタックの周囲は、粒子径1μｍ以下のスタック用シール材料（エタノールを用いてスラリー化したもの）をディップコーティングによりシールした。スタック用シール材料としては、ＳｉＯ２とＣａＯとＡｌ２Ｏ３とを含み、ＳｉＯ２とＣａＯとの割合がＳｉＯ２：ＣａＯ＝１：０．５〜２（モル比）であり、ＳｉＯ２に対するＡｌ２Ｏ３の割合が０．３５（モル比）以下の材料を使用した。得られたスタックを１２００〜１５００℃で５時間焼成することによって、固体電解質型燃料電池スタックとした。
【００５６】
この固体電解質型燃料電池スタックを図１と同様の固体電解質型燃料電池に組み込み、発電試験を実施した。金属マニホールドとスタックとの間に、パイレックス（登録商標）７７４０を主成分とするガラスシール材料をエタノールによってスラリー化したものを流し込み、絶縁シールを施した。スタックは、金属マニホールドから１０ｍｍの位置で材質がＡｌ２Ｏ３４８％・ＳｉＯ２５３％の断熱材（厚さ１２．５ｍｍ；東芝モノフラックス社）で覆い遮熱した。電気的な出力の取出しは、スタック表面にコーティングしてあるスタック用シールを部分的に除去し、金属マニホールドと同様の材質の金属製導電部材を接続することによって行った。
【００５７】
発電試験は以下の条件で実施した。  
スタック積層数              ５セル
発電温度                    １０００℃
酸化材ガス（空気）流量      １０リットル／分
燃料ガス流量（水素）        ２.７リットル／分
ガス流れ方向                対向流
発電に使用する空気および水素ガスは、予め炉内に設置してあるガス加熱器を用いて７００℃程度まで加温した。また、水素ガスには、２体積％の水分を添加した。
【００５８】
発電試験の結果、スタックの出力密度は０．２７Ｗ／ｃｍ２であった。また、断熱材で遮熱した結果、金属製マニホールドの温度は、スタックを通過済み（使用済み）のガス排出管部分で内部温度７００〜８００℃程度であり、十分な遮熱効果が得られること、および金属材料の負荷も小さいことが示された。
【００５９】
また、熱衝撃に対する耐久試験として、緊急停止時を想定し、炉内温度１０００〜８００℃／５分間の繰返し運転を実施した結果、１０回以上繰返しても破損は見られず、耐久性に優れていることが確認された。これに対して、特開平５−７４４７０号と同様の旧型スタックの場合、平均３回程度で破損が生じた。
【００６０】
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。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
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】
【００６２】
【図１】固体電解質型燃料電池の概要を示す図面である。
【図２】固体電解質型燃料電池スタックの概要を示す図面である。
【図３】固体電解質型燃料電池スタックの概要を示す図面である。
【図４】固体電解質型燃料電池スタックの概要を示す図面である。
【図５】固体電解質型燃料電池の要部を説明する図面である。
【符号の説明】
【００６３】
１０  セル
１１  空気極集電体
１３  固体電解質薄膜
１５  燃料極集電体
２０  薄膜
４０  ユニット
５１  空洞
５３  溝
６０  シール部
７０  絶縁シール部
８１ａ,８１ｂ  マニホールド
８４  燃料ガス導入管
８５  酸化材ガス導入管
８６  酸化材ガス排出管
８７  燃料ガス排出管
９０  断熱部
９１  断熱部材
１００  固体電解質型燃料電池
１０１，１０２，１０３  スタック
１１０  外部回路
１２０  導電部材
１３０  接続部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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