(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を挟むように燃料極および空気極が配置された板状の固体酸化物形燃料電池用の複数のインターコネクターであって、前記燃料電池が嵌め込まれる貫通孔が形成された支持部材と、前記支持部材の貫通孔を塞ぐように配置され、当該貫通孔と対向する面に、凹状のガス流路が形成されたガス供給部材と、を備え、前記支持部材の貫通孔の側壁面には、前記燃料電池を支持する肩部が形成されている、複数のインターコネクターと、
前記各インターコネクターの貫通孔に嵌め込まれ、電解質を挟むように燃料極および空気極が配置された板状の固体酸化物形燃料電池と、
隣接する前記インターコネクター間に配置される導電性部材と、を備え、
隣接する前記インターコネクターは、当該各インターコネクターの前記支持部材とガス供給部材とが対向するように配置され、
前記導電性部材は、前記貫通孔から外部を臨む燃料電池と、当該燃料電池と対向する前記ガス供給部材とを接続する、固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
【請求項２】
前記支持部材には、貫通孔の側壁から側端面に通じるガス流路が形成されている、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
【請求項３】
前記燃料電池において前記ガス供給部材側を臨む面と、前記ガス供給部材との間に、ガスの流通が可能な導電性部材が配置されている、請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
【請求項４】
前記燃料電池の電解質において前記ガス供給部材側を向く面には、突出部が形成されており、当該突出部の先端に、燃料極または空気極が形成されている、請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料ガス及び酸化剤ガスにより動作する固体酸化物形燃料電池に用いられるインターコネクター、及びこれを用いて複数の固体酸化物形燃料電池をスタックしたスタック構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池とは外部からの燃料供給と燃焼生成物の排気とを連続的に行いながら、燃料が酸化する際に発生する化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換できる電池である。燃料電池の種類は電解質により分類され、電解質にイオン伝導性を持つ金属酸化物を用いたものを固体酸化物形燃料電池と呼んでいる。このような固体酸化物形燃料電池は、複数個準備され、スタック化されて用いられることが多い。例えば、特許文献１には、凹型の導電性支持板上に、燃料極、固体電解質、及び空気極を順次積層し、全体として凹型にした単セルが開示されている。導電性支持体は、内部にガス流路が形成されており、燃料極にガスを供給可能となっている。そして、この単セルをスタック化した場合には、凹部によって形成される空間が空気極用のガス流路となり、全体として二室型のスタック構造となる。また、特許文献２には、複数の固体酸化物形燃料電池を、スペーサを介して所定間隔をおいて配置した単室型のスタック構造が開示されている。このスタック構造では、スペーサにより、隣接する電池間に隙間を設けており、この隙間がガスを流通させる空間となる。
【特許文献１】特開２００７−１７３１１５号公報
【特許文献２】特開２００５−１７４６６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記のようなスタック構造では、隣接する電池間に隙間が形成されているため、スタック構造全体としては、剛性が低いという問題がある。例えば、振動などで電池がずれるおそれもあり、安定した出力を維持することが難しいという問題がある。
【０００４】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、電池のズレを防止し、安定してスタック化することが可能な固体酸化物形燃料電池用インターコネクター、及びこれを用いたスタック構造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】
【０００５】
本発明は、電解質を挟むように燃料極および空気極が配置された板状の固体酸化物形燃料電池用のインターコネクターであって、上記課題を解決するためになされたものであり、前記燃料電池が嵌め込まれる貫通孔が形成された支持部材と、前記支持部材の貫通孔を塞ぐように配置され、当該貫通孔と対向する面に、凹状のガス流路が形成されたガス供給部材と、を備え、前記支持部材の貫通孔の側壁面には、前記燃料電池を支持する肩部が形成され、前記支持部材には、貫通孔の側壁から側端面に通じるガス流路が形成されている。 
【０００６】
この構成によれば、燃料電池が嵌め込まれる貫通孔が形成され、この貫通孔の側壁面に燃料電池が支持される肩部が形成されている。これにより、燃料電池が貫通孔内に保持されるため、振動によるズレ、割れなどを防止することができる。また、肩部の上に燃料電池が配置されるため、この肩部にガラスシールなどの接着剤を塗布することで、ガスリ−クを防ぐと共に燃料電池をさらに強固に固定することができる。
【０００７】
また、本発明に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造は、上記問題を解決するためになされたものであり、上述した複数のインターコネクター、または、電解質を挟むように燃料極および空気極が配置された板状の固体酸化物形燃料電池用の複数のインターコネクターであって、前記燃料電池が嵌め込まれる貫通孔が形成された支持部材と、前記支持部材の貫通孔を塞ぐように配置され、当該貫通孔と対向する面に、凹状のガス流路が形成されたガス供給部材と、を備え、前記支持部材の貫通孔の側壁面には、前記燃料電池を支持する肩部が形成されている、複数のインターコネクターと、前記各インターコネクターの貫通孔に嵌め込まれ、電解質を挟むように燃料極（アノード）および空気極（カソード）が配置された板状の固体酸化物形燃料電池と、隣接する前記インターコネクター間に配置される導電性部材と、を備え、隣接する前記インターコネクターは、当該各インターコネクターの前記支持部材とガス供給部材とが対向するように配置され、前記導電性部材は、前記貫通孔から外部を臨む燃料電池と、当該燃料電池と対向するガス供給部材とを接続する。 
【０００８】
上記スタック構造におけるインターコネクターにおいて、燃料電池とガス供給部材との間の接続は、種々の方法があるが、例えば、燃料電池においてガス供給部材側を臨む面と、ガス供給部材との間に、ガスの流通が可能な導電性部材を配置することで、接続することができる。このような導電性部材としては、例えば、多孔質の導電性材料や、導電性のメッシュ材料を用いることができる。
【０００９】
或いは、燃料電池の電解質においてガス供給部材側を向く面に、突出部を形成し、この突出部の先端に、燃料極または空気極を形成することができる。そして、この電極をガス供給部材に直接接触させてもよいし、シート状の集電体を介在させてもよい。
【００１０】
支持部材及びガス供給部材は、種々の形状にすることができ、板状、シート状、ブロック状等にすることができ、また平面形状も矩形のほか、多角形状、円形等種々の形状にすることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、電池のズレを防止し、安定してスタック化することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造の一実施形態について図面にしたがって説明する。図１は本実施形態に係る固体酸化物形燃料電池のスタック構造に用いられるインターコネクターの側断面図、図２は図１の平面図である。まず、インターコネクターについて説明する。
【００１３】
図１及び図２に示すように、このインターコネクターＸは、燃料電池を支持する矩形状の支持部材１と、その下面に接合された矩形状のガス供給部材２とで構成され、両者とも導電性の材料で形成されている。支持部材１とガス供給部材２は、例えば、金属メッキの後、熱圧着することで接合することができる。ここで用いられる燃料電池３は、矩形の板状の電解質３１の上面に薄膜状の燃料極３３が形成され、下面に薄膜状の空気極３２がそれぞれ形成されることで、構成されている。支持部材１には、燃料電池３と同じ形状の貫通孔１１が形成されており、この貫通孔１１に燃料電池３が嵌め込まれる。貫通孔１１の内壁面の下部には、燃料電池３を支持する段状の肩部１２が、貫通孔１１の中心方向に四辺から突出している。燃料電池３の空気極３２は、肩部１２に接触しない大きさ、つまり肩部１２によって狭められた貫通孔１１からガス供給部材２を臨むような大きさに形成されている。したがって、肩部１２には、燃料電池３の電解質３１が接触しており、ここでは、ガラスシール（図示省略）によって、電解質３１が肩部１２に固定されている。このようなガラスシールによってシールすることにより、貫通孔１１内では、燃料極３３と空気極３２との間のガスの流通が遮断される。また、貫通孔１１の深さは、電解質３１と燃料極３３との合計厚さよりも、大きくなっており、燃料極３３が貫通孔１１から突出しないようになっている。
【００１４】
一方、ガス供給部材２は、上面に複数の溝からなるガス流路２１が平行に形成されており、ガス供給部材２の両側端部で開口している。このガス流路２１は、支持部材１の貫通孔１１と対向するように配置されており、ガス流路２１を通過するガスが燃料電池３に供給されるようになっている。そして、空気極３２と、ガス流路２１との間の空間には、多孔質からなるシート状の集電体（導電性部材）４が配置されており、これによって、燃料電池３とガス供給部材２とが電気的に接続される。
【００１５】
続いて、スタック構造について説明する。図３は、スタック構造の側断面図である。同図に示すように、このスタック構造は、３個の固体酸化物形燃料電池３を、３個のインターコネクターＸによってスタックするものである。各燃料電池３は、上述したインターコネクターＸに固定されている。このスタック構造では、隣接するインターコネクターＸの支持部材１とガス供給部材２とが対向するように配置されている。対向する支持部材１と、ガス供給部材２との間には、絶縁性のスペーサ５が設けられ、隙間Ｓが形成されている。そして、その隙間Ｓを埋めるように、燃料電池３の燃料極３３と、ガス供給部材２の下面との間には、多孔質からなるシート状の集電体（導電性部材）６が設けられている。これにより、３個の燃料電池が直列に接続される。 
【００１６】
続いて、上記燃料電池を構成する材料について説明する。電解質３１の材料としては、固体酸化物形燃料電池の電解質として公知のものを使用することができ、例えば、サマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物（ＧＤＣ）、ストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物（ＹＳＺ）などの酸素イオン伝導性セラミックス材料を用いることができる。
【００１７】
燃料極３３及び空気極３２は、セラミックス粉末材料により形成することができる。このとき用いられる粉末の平均粒径は、好ましくは１０ｎｍ〜１００μｍであり、さらに好ましくは５０ｎｍ〜５０μｍであり、特に好ましくは１００ｎｍ〜１０μｍである。なお、平均粒径は、例えば、ＪＩＳＺ８９０１にしたがって計測することができる。
【００１８】
燃料極３３は、例えば、金属触媒と酸化物イオン導電体からなるセラミックス粉末材料との混合物を用いることができる。このとき用いられる金属触媒としては、ニッケル、鉄、コバルトや、貴金属（白金、ルテニウム、パラジウム等）等の還元性雰囲気中で安定で、水素酸化活性を有する材料を用いることができる。また、酸化物イオン導電体としては、蛍石型構造又はペロブスカイト型構造を有するものを好ましく用いることができる。蛍石型構造を有するものとしては、例えばサマリウムやガドリニウム等をドープしたセリア系酸化物、スカンジウムやイットリウムを含むジルコニア系酸化物などを挙げることができる。また、ペロブスカイト型構造を有するものとしてはストロンチウムやマグネシウムをドープしたランタン・ガレード系酸化物を挙げることができる。上記材料の中では、酸化物イオン導電体とニッケルとの混合物で、燃料極３３を形成することが好ましい。なお、酸化物イオン導電体からなるセラミックス材料とニッケルとの混合形態は、物理的な混合形態であってもよいし、ニッケルへの粉末修飾またはセラミックス材料へのニッケル修飾などの形態であってもよい。また、上述したセラミックス材料は、１種類を単独で、或いは２種類以上を混合して使用することができる。また、燃料極３３は、金属触媒を単体で用いて構成することもできる。 
【００１９】
空気極３２を形成するセラミックス粉末材料としては、例えば、ペロブスカイト型構造等を有するＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ又はＭｎ等からなる金属酸化物を用いることができる。具体的には（Ｓｍ，Ｓｒ）ＣｏＯ３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ３，（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）Ｏ３などの酸化物が挙げられ、好ましくは、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ３である。上述したセラミックス材料は、１種を単独で、或いは２種以上を混合して使用することができる。
【００２０】
上記燃料極３３及び空気極３２は、種々の方法で形成することができる。例えば、ウエットコ−ティング法或いは、ドライコーティング法によって形成することができる。ウエットコ−ティング法としては、スクリーン印刷法、電気泳動（ＥＰＤ）法、ドクターブレード法、スプレーコート法、インクジェット法、スピンコ−ト法、ディップコート法等が例示できる。その際、これら燃料極３３、空気極３２は、ペースト状にする必要があり、上述した材料を主成分として、さらにバインダー樹脂、有機溶媒などが適量加えられることにより形成される。より詳細には、上記主成分とバインダー樹脂との混合において、上記主成分が５０〜９５重量％となるように、バインダー樹脂等を加えることが好ましい。また、ドライコーティング法としては、例えば蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、電気化学気相成長法、イオンビーム法、レーザーアブレーション法、大気圧プラズマ成膜法、減圧プラズマ成膜法等で形成することもできる。また、電解質は、上述の燃料極、及び空気極と同様の手法により形成することが可能であるが、ドライコーティング法やゾルゲル法により形成すれば、上記ウエットコ−ティング法よりも一般的に、低温で緻密な金属酸化物膜を形成できる。
【００２１】
インターコネクターＸ及び集電体４，６は、導電性のある金属或いは金属酸化物材料からなり、Ｐｔ，Ａｕ，Ａｇ，Ｎｉ，ＳＵＳ系材料，又はＬａ（Ｃｒ，Ｍｇ）Ｏ３，（Ｌａ，Ｃａ）ＣｒＯ３，（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ３などのランタン・クロマイト系材料によって形成することができ、これらのうちの１種を単独で使用してもよいし、２種以上を混合して使用してもよい。
【００２２】
上記のように構成されたスタック構造では、次のように発電が行われる。まず、空気などの酸化剤ガスをインターコネクターＸ間の隙間Ｓに供給するとともに、水素、又はメタン、エタンなどの炭化水素からなる燃料ガスをガス供給部材２のガス流路２１からスタック構造内に供給する。これにより、燃料ガス、及び酸化剤ガスがスタック構造内に進入し、各燃料電池３の燃料極３３及び空気極３２と個別に接触する。こうして、燃料極３３及び空気極３２がそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスと接触するため、燃料極３３と空気極３２との間で、電解質３１を介した酸素イオン伝導が起こり、発電が行われる。
【００２３】
以上のように、本実施形態によれば、インターコネクターＸに、燃料電池３が嵌め込まれる貫通孔１１が形成され、この貫通孔１1の側壁面に燃料電池が支持される肩部１２が形成されている。これにより、燃料電池３が貫通孔１１内に保持されるため、振動によるズレ、割れなどを防止することができる。また、肩部１２の上に燃料電池３が配置されるため、この肩部１２にガラスシールを塗布することで、燃料電池３をさらに強固に固定することができる。また、支持部材１とガス供給部材２とは、上述したように、金属メッキ及び熱圧着で接合されているため、シール材を用いる必要がなく、ガス漏れを防止することができる。
【００２４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、二室型の燃料電池として用いたが、混合ガスを供給すれば、単室型として用いることもできる。この場合、貫通孔１１の側壁からガス流路を形成し、支持部材１の側端面に開口するようにすれば、支持部材１の側面からガスを供給することができる。また、上記実施形態では、板状の電解質の上面及び下面に、薄膜状の燃料極及び空気極をそれぞれ形成した燃料電池を用いたが、これ以外にも、板状の燃料極または空気極を用い、他方の電極及び電解質を薄膜状に形成したいわゆる電極支持型の電池を用いることもできる。
【００２５】
また、上記実施形態では、燃料電池の燃料極と、ガス供給部材との間の隙間に多孔質の集電体を充填しているが、メッシュ状の集電体を用いることもできる。または、電解質の形状を変更することもできる。例えば、図４に示すように、電解質３１の一部を肩部１２で狭められた貫通孔からガス供給部材２側へ突出させ、ガス供給部材２と接触させることもできる。このとき、ガス供給部材２との間に、シート状の集電体を配置することもできる。また、貫通孔は、燃料電池と同じ大きさでなくてもよく、燃料電池の側面の少なくとも一部と当接するような形状であってもよい。例えば、燃料電池の対向する側面と当接するような貫通孔であってもよく、この場合でも、燃料電池のズレを防止することができる。また、上記実施形態では、燃料極３３が貫通孔１１から突出しないように貫通孔の深さを設計しているが、貫通孔１１の開口と、燃料極３３の上面との高さが一致するようにしたり、或いは、燃料極３３が突出するように貫通孔１１の深さを調整することもできる。こうすることで、インターコネクター間に配置される集電体６と確実に接続することができる。 
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る固体酸化物形燃料電池伸すタック構造に用いられるインターコネクターの実施形態を示す側断面図である。
【図２】図１のインターコネクターの平面図である。
【図３】図１のインターコネクターを用いたスタック構造の側断面図である。
【図４】図１のインターコネクターの他の例を示す側断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
Ｘ    インターコネクター
１  支持部材
１１  貫通孔
１２  肩部
２  ガス供給部材
２１  ガス流路
３  燃料電池
３１  電解質
３２  空気極
３３  燃料極
【図１】
0005315656.tif 000002
【図２】
0005315656.tif 000003
【図３】
0005315656.tif 000004
【図４】
0005315656.tif 000005