JP2002141083A - 固体酸化物型燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シール本体を合金材料により形成することに
より、シール本体を薄く、電池の単位体積当りの発電量
を増加し、更にシール本体の強度を向上する。 【解決手段】 燃料極層１２に燃料ガスを流通させる燃
料給排通路１７ａを燃料極セパレータ１７に形成し、空
気極層１３に空気を流通させる空気給排通路１８ａを空
気極セパレータ１８に形成する。固体電解質層１１及び
燃料極セパレータ間の燃料極シール部材１９が燃料給排
通路と外気とを遮断し、固体電解質層及び空気極セパレ
ータ間の空気極シール部材２１が空気給排通路と外気と
を遮断する。燃料極シール部材の合金製のシール本体１
９ａの両面には、ガラス製材料及び希釈材料の混合体に
より構成された一対の粘性ガラス体１９ｂが塗布され
る。粘性ガラス体は室温で高い粘性を示しかつ発電運転
時に融液状態に保持され、ガラス製材料の軟化点は固体
電解質層等の融点及び発電運転温度より低い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料極層と空気極
層とにより電解質層を挟持して構成された発電セルを有
する固体酸化物型の燃料電池に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の燃料電池として、図５に
示すように、発電セル４が固体電解質層１とこの固体電
解質層１の両面に配設された燃料極層２及び空気極層３
とからなり、燃料極層２に燃料極集電体５ａを通して燃
料ガスを流通させる燃料給排通路７ａが燃料極セパレー
タ７に形成され、空気極層３に空気極集電体５ｂを通し
て空気を流通させる空気給排通路８ａが空気極セパレー
タ８に接続され、燃料給排通路７ａと外気とを遮断する
燃料極シール部材９ａが固体電解質層１と燃料極セパレ
ータ７との間に介装され、更に空気給排通路８ａと外気
とを遮断する空気極シール部材９ｂが固体電解質層１と
空気極セパレータ８との間に介装された固体酸化物型燃
料電池が知られている。この燃料電池では、燃料極シー
ル部材９ａ及び空気極シール部材９ｂがアルミナ繊維か
らなるシートにより形成される。

【０００３】このように構成された固体酸化物型燃料電
池では、燃料極セパレータ７に形成された燃料給排通路
７ａを通って燃料極層２に燃料ガス（Ｈ₂、ＣＯ等）を
供給し、空気極セパレータ８に形成された空気給排通路
８ａを通って空気極層３に酸素（空気）を供給すること
により発電が行われる。空気極層３に供給された酸素は
空気極層３内の気孔を通って固体電解質層１との界面近
傍に到達し、この部分で空気極層３から電子を受け取っ
て、酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオン化される。この酸化
物イオンは燃料極層２の方向に向かって固体電解質層１
内を拡散移動し、燃料極層２との界面近傍に到達する
と、この部分で燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ
₂Ｏ、ＣＯ₂等）を生じ、燃料極層２に電子を放出する。
この電子を燃料極集電体２により取り出すことにより電
流が発生し、電力が得られる。またアルミナ繊維からな
る燃料極シール部材９ａはその厚さ方向の自由度が大き
いため、即ち繊維状の燃料極シール部材９ａがある程度
までは小さい力で変形するため、発電セル４の拘束がな
く、発電セル４の破壊を緩和できる。更に極めて大流量
の燃料ガスを燃料給排通路７ａに供給した場合に、上記
燃料極シール部材９ａにより燃料ガスの漏洩を防止でき
るようになっている。

【０００４】しかし、上記従来の固体酸化物型燃料電池
では、極めて小流量の燃料ガスを燃料給排通路に供給す
ると、燃料極シール部材から燃料給排通路に外気が流入
して、燃料給排通路内の酸素分圧が上昇するため、燃料
給排通路内の酸素分圧を示す開回路起電力が大きく低下
する問題点があった。

【０００５】この点を解消するために、電池セルが固体
電解質とこの固体電解質の両面に配設された燃料極及び
空気極とからなり、電池セルの少なくとも一方の面に対
向してセパレータが設けられ、電池セルとセパレータと
の境界面の端部がシール部によりシールされ、更にこの
シール部が発電運転温度（８００〜１２００℃）より高
い融点を有する超微粒子酸化物を主成分とするシール液
剤を塗布し焼成して形成された焼結体である固体電解質
型燃料電池が開示されている（特開平１１−１５４５２
５号）。この燃料電池では、固体電解質が安定化ジルコ
ニアにより形成される。またシール部は発電運転温度に
おいても固形状態を保持可能な安定化ジルコニア、スピ
ネル、又はマグネシアのいずれかにより形成されたシー
ル支持材と、このシール支持材の両面に薄く設けられた
シール材とを有する。このシール材は安定化ジルコニア
やスピネル等の超微粒子酸化物のスラリーをシール支持
材の両面に塗布し、更にこのシール支持材を固体電解質
とセパレータの間に介装した状態で、発電運転温度と略
同一温度で焼成することにより、シール材によりシール
支持材及びセパレータ間と、シール支持材及び固体電解
質間とがそれぞれシールされる。

【０００６】このように構成された固体電解質型燃料電
池では、シール材の原料主成分である超微粒子酸化物が
通常のバルク酸化物と比較して反応性が高く、低温で焼
結できる。またシール材を一旦焼結すれば、シール材は
発電運転温度でも固体状態を維持するので、安定したシ
ール性を確保できるようになっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の特
開平１１−１５４５２５号公報に示された固体電解質型
燃料電池では、発電運転温度が８００〜１２００℃と高
温であるため、シール支持材を融点の低い合金材料によ
り形成できず、融点の高い安定化ジルコニアやスピネル
等が用いられている。このため製造上、シール支持材の
厚さを約５ｍｍと比較的厚く形成しなければならず、電
池が大型化して電池の単位体積当りの発電量が低下する
問題点があった。また、上記従来の特開平１１−１５４
５２５号公報に示された固体電解質型燃料電池では、超
微粒子酸化物のスラリーを発電運転温度（８００〜１２
００℃）で焼成しているけれども、本来この超微粒子酸
化物のスラリーは発電運転温度より高い温度で焼成すべ
きであり、いかに超微粒子化しているとはいえ、発電運
転温度程度の比較的低い温度では完全な焼結体とはなら
ず、発電運転後の降温時に発電セルと超微粒子酸化物の
焼結体の熱膨張係数の相違により熱収縮率が異なって破
損する問題点があった。なお、シール材としてほう珪酸
ガラスを用いても、このほう珪酸ガラスは８００℃を越
えないと軟化しないため、発電運転温度が８００℃未満
と低い場合、十分なシール性を発揮できない問題点があ
った。

【０００８】本発明の第１の目的は、シール本体を合金
材料により形成することにより、シール本体を薄くし、
電池の単位体積当りの発電量を増加できるとともに、シ
ール本体の強度を向上できる、固体酸化物型燃料電池を
提供することにある。本発明の第２の目的は、燃料極シ
ール部材による燃料ガスのシール性を向上することによ
り、燃料給排通路内の酸素分圧の上昇を抑制し、開回路
起電力の低下を防止できるとともに、燃料ガスの漏洩を
防止できる、固体酸化物型燃料電池を提供することにあ
る。本発明の第３の目的は、発電が終了して降温すると
きに発電セルとガラス製材料の熱膨張係数の相違により
熱収縮率が異なっても、発電セルが破壊するのを防止で
きる、固体酸化物型燃料電池を提供することにある。本
発明の第４の目的は、燃料極セパレータの製造工数を低
減でき、かつ発電効率を向上できる、固体酸化物型燃料
電池を提供することにある。、固体酸化物型燃料電池を
提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
図１に示すように、酸化物イオン伝導体により形成され
た固体電解質層１１とこの固体電解質層１１の両面に配
設された燃料極層１２及び空気極層１３とからなる発電
セル１４が単数又は複数設けられた単セル１６又は複数
セルと、燃料極層１２に燃料極集電体２２を通して燃料
ガスを流通させる燃料給排通路１７ａが形成された燃料
極セパレータ１７と、空気極層１３に空気極集電体２３
を通して空気を流通させる空気給排通路１８ａが形成さ
れた空気極セパレータ１８と、固体電解質層１１と燃料
極セパレータ１７との間に介装され燃料給排通路１７ａ
と外気とを遮断する燃料極シール部材１９と、固体電解
質層１１と空気極セパレータ１８との間に介装され空気
給排通路１８ａと外気とを遮断する空気極シール部材２
１とを備えた固体酸化物型燃料電池１０の改良である。
その特徴ある構成は、燃料極シール部材１９及び空気極
シール部材２１のうちの少なくとも燃料極シール部材１
９が合金材料により形成されたシール本体１９ａと、シ
ール本体１９ａの両面に塗布されガラス製材料及び希釈
材料の混合体により構成された一対の粘性ガラス体１９
ｂ，１９ｂとを有し、粘性ガラス体１９ｂが室温で１×
１０¹〜２×１０⁵ｃＰという高い粘性を示しかつ発電運
転時に融液状態に保持され、粘性ガラス体１９ｂ中のガ
ラス製材料の軟化点が固体電解質層１１，燃料極層１２
及び空気極層１３のいずれの融点より低くかつ発電運転
温度より低いところにある。

【００１０】この請求項１に記載された固体酸化物型燃
料電池では、燃料極シール部材１９のシール本体１９ａ
を合金材料により形成することにより、シール本体１９
ａを薄くすることができるので、燃料電池１０を小型化
することができる。この結果、燃料電池１０の単位体積
当りの発電量を増加できる。またシール本体１９ａの強
度を向上できる。更に発電セル１４に反りが生じても、
シール本体１９ａの弾性変形と、粘性ガラス体１９ｂの
シール本体１９ａ端部への回り込みにより、燃料極セパ
レータ１７及び固体電解質層１１間に空隙が発生するの
を防止できる。この結果、燃料極シール部材１９による
燃料ガスのシール性が向上するので、燃料給排通路１７
ａ内の酸素分圧の上昇を抑制し、開回路起電力の低下を
防止できるとともに、燃料ガスの漏洩を防止できる。

【００１１】請求項２に係る発明は、請求項１に係る発
明であって、更に図３に示すように、２個以上のシール
本体１９ａ，１９ａと３個以上の粘性ガラス体１９ｂ，
１９ｂ，１９ｂとが交互に積層されたことを特徴とす
る。この請求項２に記載された固体酸化物型燃料電池５
０では、シール本体１９ａ及び粘性ガラス体１９ｂを交
互に複数積層すると、より高い燃料極シール部材５９に
よる燃料ガスのシール性が得られる。また発電が終了し
て降温するときに発電セル１４とガラス製材料の熱膨張
係数の相違により熱収縮率が異なっても、複数の粘性ガ
ラス体１９ｂが複数のシール本体１９ａ端部にそれぞれ
回り込んで上記熱収縮率の差を速やかに吸収するので、
発電セル１４が破壊することはない。

【００１２】請求項３に係る発明は、請求項１又は２に
係る発明であって、更に発電運転温度が６５０±５０℃
であり、粘性ガラス体１９ｂ中のガラス製材料の軟化点
が５３０±５０℃であって、ガラス製材料の熱膨張係数
が室温と発電運転温度との間で５．５×１０^-6〜１６．
５×１０^-6／Ｋであることを特徴とする。この請求項３
に記載された固体酸化物型燃料電池では、発電運転温度
がガラス製材料の軟化点より１００℃程度高く、発電運
転時にガラス製材料が融液状態になるので、固体電解質
層１１及びシール本体１９ａ間と、燃料極セパレータ１
７及びシール本体１９ａ間とがそれぞれ上記ガラス製材
料により確実にシールされる。またシール本体１９ａは
その幅方向に比較的自由に移動できるため、発電が終了
して降温するときに発電セル１４とガラス製材料の熱膨
張係数の相違により熱収縮率が異なっても、シール本体
１９ａがその幅方向に発電セル１４に対して移動しかつ
粘性ガラス体１９ｂがシール本体端部にそれぞれ回り込
んで、上記熱収縮率の差を速やかに吸収する。この結
果、発電セル１４が破壊することはない。

【００１３】請求項４に係る発明は、請求項１又は３に
係る発明であって、更に図１に示すように、燃料極シー
ル部材１９のシール本体１９ａがステンレス鋼により形
成され、シール本体１９ａの厚さが室温で燃料極層１２
及び燃料極集電体２２の合計の厚さと同一に形成された
ことを特徴とする。この請求項４に記載された固体酸化
物型燃料電池では、燃料極セパレータ１７の燃料極シー
ル部材１９及び燃料極集電体２２への当接面を同一平面
に形成できるので、燃料極セパレータ１７の製造工数を
低減できる。

【００１４】請求項５に係る発明は、請求項４に係る発
明であって、更に図１に示すように、燃料給排通路１７
ａが燃料極セパレータ１７の外面から燃料極集電体２２
に臨むように中央に１個若しくは中央を中心とする同一
円周上に等間隔に複数個配置されかつ燃料極層１２に燃
料ガスを導く燃料供給孔１７ｃと、燃料極セパレータ１
７の燃料極集電体２２に接する面に形成され燃料極層１
２内を通過した燃料ガスが流入する燃料排出溝１７ｄ
と、燃料極セパレータ１７の外面と燃料排出溝１７ｄと
を連通し燃料排出溝１７ｄ内の燃料ガスを排出する燃料
排出孔１７ｅとを有することを特徴とする。この請求項
５に記載された固体酸化物型燃料電池では、燃料ガスが
燃料供給孔１７ｃを通って燃料極層１２に速やかに供給
され、燃料極層１２内の気孔を通過した後に燃料排出溝
１７ｄ及び燃料排出孔１７ｅを通って速やかに排出され
るので、発電効率が向上するとともに、燃料電池１０を
コンパクトにすることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】次に本発明の第１の実施の形態を
図面に基づいて説明する。図１及び図２に示すように、
固体酸化物型燃料電池１０は固体電解質層１１とこの固
体電解質層１１の両面に配設された燃料極層１２及び空
気極層１３とからなる発電セル１４が単数設けられた単
セル１６と、燃料給排通路１７ａが形成された燃料極セ
パレータ１７と、空気給排通路１８ａが形成された空気
極セパレータ１８と、固体電解質層１１と燃料極セパレ
ータ１７との間に介装された燃料極シール部材１９と、
固体電解質層１１と空気極セパレータ１８との間に介装
された空気極シール部材２１とを備える。

【００１６】固体電解質層１１は酸化物イオン伝導体に
より形成される。具体的には、一般式（１）：Ｌｎ１
Ａ Ｇａ Ｂ１ Ｂ２ Ｂ３ Ｏで示される酸化物イオン伝
導体である。但し、上記一般式（１）において、Ｌｎ１
はＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ及びＳｍからなる群より選ば
れた１種又は２種以上の元素であって４３．６〜５１．
２重量％含まれ、ＡはＳｒ，Ｃａ及びＢａからなる群よ
り選ばれた１種又は２種以上の元素であって５．４〜１
１．１重量％含まれ、Ｇａは２０．０〜２３．９重量％
含まれ、Ｂ１はＭｇ，Ａｌ及びＩｎからなる群より選ば
れた１種又は２種以上の元素であり、Ｂ２はＣｏ，Ｆ
ｅ，Ｎｉ及びＣｕからなる群より選ばれた１種又は２種
以上の元素であり、Ｂ３はＡｌ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆ
ｅ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｍｎ及びＺｒからなる群より選ばれた
１種又は２種以上の元素であり、Ｂ１とＢ３又はＢ２と
Ｂ３がそれぞれ同一の元素でないとき、Ｂ１は１．２１
〜１．７６重量％含まれ、Ｂ２は０．８４〜１．２６重
量％含まれ、Ｂ３は０．２３〜３．０８重量％含まれ、
Ｂ１とＢ３又はＢ２とＢ３がそれぞれ同一の元素である
とき、Ｂ１の含有量とＢ３の含有量の合計が１．４１〜
２．７０重量％であり、Ｂ２の含有量とＢ３の含有量の
合計が１．０７〜２．１０重量％である。

【００１７】また固体電解質層１１を一般式（２）：Ｌ
ｎ１_1-x Ａ_x Ｇａ_1-y-z-w Ｂ１_y Ｂ２_z Ｂ３_w Ｏ_3-dで
示される酸化物イオン伝導体により形成してもよい。但
し、上記一般式（２）において、Ｌｎ１はＬａ，Ｃｅ，
Ｐｒ，Ｎｄ及びＳｍからなる群より選ばれた１種又は２
種以上の元素であって、ＡはＳｒ，Ｃａ及びＢａからな
る群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって、Ｂ
１はＭｇ，Ａｌ及びＩｎからなる群より選ばれた１種又
は２種以上の元素であって、Ｂ２はＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ及
びＣｕからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素
であって、Ｂ３はＡｌ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃ
ｕ，Ｚｎ，Ｍｎ及びＺｒからなる群より選ばれた１種又
は２種以上の元素であって、ｘは０．０５〜０．３、ｙ
は０．０２５〜０．２９、ｚは０．０１〜０．１５、ｗ
は０．０１〜０．１５、ｙ＋ｚ＋ｗは０．０３５〜０．
３及びｄは０．０４〜０．３である。上記のような酸化
物イオン伝導体にて固体電解質層１１を形成することに
より、燃料電池１０の発電効率を低下させずに、発電運
転を６５０±５０℃と比較的低温で行うことが可能とな
る。

【００１８】燃料極層１２はＮｉ等の金属により構成さ
れたり、又はＮｉ−ＹＳＺ等のサーメットにより構成さ
れたり、或いはＮｉと一般式（３）：Ｃｅ_1-m Ｄ_m Ｏ₂
で表される化合物との混合体により多孔質に形成され
る。但し、上記一般式（３）において、ＤはＳｍ，Ｇ
ｄ，Ｙ及びＣａからなる群より選ばれた１種又は２種以
上の元素であり、ｍはＤ元素の原子比であり、０．０５
〜０．４、好ましくは０．１〜０．３の範囲に設定され
る。

【００１９】空気極層１３は一般式（４）：Ｌｎ２_1-x
Ｌｎ３_x Ｅ_1-y Ｃｏ_y Ｏ_3+dで示される酸化物イオン伝
導体により多孔質に形成される。 但し、上記一般式
（４）において、Ｌｎ２はＬａ又はＳｍのいずれか一方
又は双方の元素であり、Ｌｎ３はＢａ，Ｃａ又はＳｒの
いずれか一方又は双方の元素であり、ＥはＦｅ又はＣｕ
のいずれか一方又は双方の元素である。またｘはＬｎ３
の原子比であり、０．５を越え１．０未満の範囲に設定
される。ｙはＣｏ元素の原子比であり、０を越え１．０
以下、好ましくは０．５以上１．０以下の範囲に設定さ
れる。ｄは−０．５以上０．５以下の範囲に設定され
る。

【００２０】燃料極セパレータ１７はＳＵＳ３１６など
のステンレス鋼、ハステロイＸ、インコネル６００、ヘ
インズアロイ２１４により円柱状に形成され、その上面
には燃料極集電体２２が設けられる。燃料極集電体２２
は導電性を有する多孔質の白金、ニッケル又は銀からな
り、燃料極セパレータ１７と燃料極層１２との間に介装
される。また空気極セパレータ１８はＳＵＳ３１６など
のステンレス鋼、ハステロイＸ、インコネル６００、ヘ
インズアロイ２１４により円柱状に形成され、その下面
には空気極集電体２３が設けられる。空気極集電体２３
は導電性を有する多孔質の白金又は銀からなり、空気極
セパレータ１８と空気極層１３との間に介装される。

【００２１】燃料給排通路１７ａは燃料極セパレータ１
７の外周面からこの中央の軸線に達する燃料導入孔１７
ｂと、燃料導入孔１７ｂに導入された燃料ガスを燃料極
層１２に導く単一の燃料供給孔１７ｃと、燃料極層１２
内の気孔を通過した燃料ガスが流入する燃料排出溝１７
ｄと、燃料排出溝１７ｄ内の燃料ガスを排出する燃料排
出孔１７ｅとを有する。燃料供給孔１７ｃは燃料導入孔
１７ｂの先端から燃料極集電体２２に臨むように燃料極
セパレータ１７の軸線に沿って設けられる。また燃料排
出溝１７ｄは燃料極セパレータ１７の燃料極集電体２２
に接する面に円筒状に形成され、燃料排出孔１７ｅは燃
料排出溝１７ｄ内の燃料ガスを燃料極セパレータ１７の
外周面に排出するように構成される。

【００２２】空気給排通路１８ａは空気極セパレータ１
８の外周面からこの中央の軸線に達する空気導入孔１８
ｂと、空気導入孔１８ｂに導入された空気を空気極層１
３に導く単一の空気供給孔１８ｃと、空気極層１３内の
気孔を通過した空気が流入する空気排出溝１８ｄと、空
気排出溝１８ｄ内の空気を排出する空気排出孔１８ｅと
を有する。空気供給孔１８ｃは空気導入孔１８ｂの先端
から空気極集電体２３に臨むように空気極セパレータ１
８の軸線に沿って設けられる。また空気排出溝１８ｄは
空気極セパレータ１８の空気極集電体２３に接する面に
円筒状に形成され、空気排出孔１８ｅは空気排出溝１８
ｄ内の燃料ガスを空気極セパレータ１８の外周面に排出
するように構成される。

【００２３】燃料極シール部材１９は合金材料にて燃料
排出溝１７ｄより一回り大きいリング状に形成されたシ
ール本体１９ａと、シール本体１９ａの両面に塗布され
ガラス製材料及び希釈材料の混合体により構成された一
対の粘性ガラス体１９ｂ，１９ｂとを有し、燃料給排通
路１８ａと外気とを遮断するように構成される。シール
本体１９ａはＳＵＳ３１６などのステンレス鋼、ハステ
ロイＸ、インコネル６００、ヘインズアロイ２１４によ
り厚さ０．１〜２．０ｍｍと比較的薄く形成されること
が好ましい。また粘性ガラス体１９ｂのガラス製材料と
しては鉛ガラスを用いることが好ましく、希釈材料とし
てはアルコール、芳香族炭化水素等を用いることが好ま
しい。粘性ガラス体１９ｂは室温で１×１０¹〜２×１
０⁵ｃＰ、好ましくは１×１０²〜１×１０⁵ｃＰという
高い粘性を示し、かつ発電運転時に融液状態に保持され
る。粘性ガラス体１９ｂ中のガラス製材料の軟化点は５
３０±５０℃であって、固体電解質層１１の融点（１４
５０〜１７００℃），燃料極層１２の融点（１４００〜
１７００℃）及び空気極層１３の融点（１４００〜１７
００℃）のいずれより低くかつ発電運転温度（６５０±
５０℃）より低くなるように構成される。またガラス製
材料の熱膨張係数は室温と発電運転温度との間で５．５
×１０^-6〜１６．５×１０^-6／Ｋ、好ましくは９×１０
^-6〜１２×１０ ^-6／Ｋである。ガラス製材料の熱膨張係
数を５．５×１０^-6〜１６．５×１０^-6／Ｋの範囲に限
定したのは、５．５×１０^-6／Ｋ未満、及び１６．５×
１０^-6／Ｋを越えると、固体電解質層、空気極層及び燃
料極層からなるセルとの熱膨張係数が違い過ぎ、セルが
割れてしまうからである。またシール本体１９ａの厚さ
は室温で燃料極層１２及び燃料極集電体２２の合計の厚
さと同一に形成される。これにより燃料極セパレータ１
７の燃料極シール部材１９及び燃料極集電体２２への当
接面を同一平面に形成でき、燃料極セパレータ１７の製
造工数を低減できるようになっている。

【００２４】空気極シール部材２１は上記燃料極シール
部材１９と同様に、合金材料にて空気排出溝１８ｄより
一回り大きいリング状に形成されたシール本体２１ａ
と、シール本体２１ａの両面に塗布されガラス製材料及
び希釈材料の混合体により構成された一対の粘性ガラス
体２１ｂ，２１ｂとを有し、空気給排通路１８ａと外気
とを遮断するように構成される。上記シール本体２１ａ
及び粘性ガラス体２１ｂは燃料極シール部材１９のシー
ル本体１９ａ及び粘性ガラス体１９ｂと同一材料により
同一形状に形成される。またシール本体２１ａの厚さは
室温で空気極層１３及び空気極集電体２３の合計の厚さ
と同一に形成される。これにより空気極セパレータ１８
の空気極シール部材２１及び空気極集電体２３への当接
面を同一平面に形成でき、空気極セパレータ１８の製造
工数を低減できるようになっている。

【００２５】このように構成された固体酸化物型燃料電
池１０の動作を説明する。燃料ガス（Ｈ₂、ＣＯ等）を
燃料導入孔１７ｂに導入すると、燃料ガスは燃料供給孔
１７ｃを通り、燃料極集電体２２内の気孔を通過して燃
料極層１２に速やかに供給される。一方、空気を空気導
入孔１８ｂに導入すると、空気は空気供給孔１８ｃを通
り、空気極集電体２３内の気孔を通過して空気極層１３
に速やかに供給される。空気極層１３に供給された酸素
は空気極層１３内の気孔を通って固体電解質層１１との
界面近傍に到達し、この部分で空気極層１３から電子を
受け取って、酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオン化される。
この酸化物イオンは燃料極層１２の方向に向かって固体
電解質層１１内を拡散移動し、燃料極層１２との界面近
傍に到達すると、この部分で燃料ガスと反応して反応生
成物（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂等）を生じ、燃料極層１２に電子を
放出する。この電子を燃料極集電体２２により取り出す
ことにより電流が発生し、電力が得られる。

【００２６】また燃料極シール部材１９及び空気極シー
ル部材２１のシール本体１９ａ，２１ａをステンレス鋼
などの合金材料により形成することにより、シール本体
１９ａ，２１ａを薄くすることができるので、燃料電池
１０を小型化することができる。この結果、燃料電池１
０の単位体積当りの発電量を増加できるとともに、シー
ル本体１９ａ，２１ａの強度を向上できる。また発電セ
ル１４に反りが生じても、シール本体１９ａの弾性変形
と、粘性ガラス体１９ｂのシール本体１９ａ端部への回
り込みにより、燃料極セパレータ１７及び固体電解質層
１１間に空隙が発生するのを防止できる。この結果、燃
料極シール部材１９による燃料ガスのシール性が向上す
るので、燃料給排通路１７ａ内の酸素分圧の上昇を抑制
し、開回路起電力の低下を防止できるとともに、燃料ガ
スの漏洩を防止できる。

【００２７】また発電運転温度がガラス製材料の軟化点
より１００℃程度高く、発電運転時にガラス製材料が融
液状態になるので、固体電解質層１１及びシール本体１
９ａ間と、燃料極セパレータ１７及びシール本体１９ａ
間とがそれぞれ上記ガラス製材料により確実にシールさ
れる。この結果、大流量の燃料ガスを燃料給排通路１７
ａに供給しても、燃料ガスが燃料極シール部材１９から
漏洩することはなく、小流量の燃料ガスを燃料給排通路
１７ａに供給しても、外気（空気）が燃料極シール部材
１９から燃料給排通路１７ａに侵入することもない。更
に燃料極シール部材１９及び空気極シール部材２１のシ
ール本体１９ａ，２１ａはこれらの幅方向に比較的自由
に移動できるため、発電が終了して降温するときに発電
セル１４とガラス製材料の熱膨張係数の相違により熱収
縮率が異なっても、シール本体１９ａ，２１ａがその幅
方向に発電セル１４に対して移動しかつ粘性ガラス体１
９ｂ，２１ｂがシール本体１９ａ，２１ａ端部にそれぞ
れ回り込んで、上記熱収縮率の差を速やかに吸収する。
この結果、発電セル１４が破壊することはない。

【００２８】図３は本発明の第２の実施の形態を示す。
図３において図１と同一符号は同一部品を示す。この実
施の形態では、燃料極シール部材５７が２個のシール本
体１９ａ，１９ａと３個の粘性ガラス体１９ｂ，１９
ｂ，１９ｂとを交互に積層することにより構成される。
また２個のシール本体１９ａ，１９ａの合計の厚さは室
温で燃料極層１２及び燃料極集電体２２の合計の厚さの
２倍に形成されるため、燃料極セパレータ５７の燃料極
シール部材１９への当接面は燃料極セパレータ５７の燃
料極集電体２２への当接面より低く形成される。空気極
シール部材６１のシール本体２１ａ及び粘性ガラス体２
１ｂも燃料極シール部材５９のシール本体１９ａ及び粘
性ガラス体１９ｂと同一材質で同一形状に同一数量だけ
形成されるため、空気極セパレータ５８の空気極シール
部材２１への当接面は空気極セパレータ５８の空気極集
電体２３への当接面より高く形成される。上記以外は第
１の実施の形態と同一に構成される。

【００２９】このように構成された固体酸化物型燃料電
池５０では、２個のシール本体１９ａ，１９ａと３個の
粘性ガラス体１９ｂ，１９ｂ，１９ｂとを交互に積層し
たので、より高い燃料極シール部材５９による燃料ガス
のシール性が得られる。また発電が終了して降温すると
きに発電セル１４とガラス製材料の熱膨張係数の相違に
より熱収縮率が異なっても、３個の粘性ガラス体１９
ｂ，１９ｂ，１９ｂが２個のシール本体１９ａ，１９ａ
端部にそれぞれ回り込んで上記熱収縮率の差を速やかに
吸収するので、発電セル１４が破壊することはない。

【００３０】図４は本発明の第３の実施の形態を示す。
図４において図１と同一符号は同一部品を示す。この実
施の形態では、燃料給排通路８７ａが燃料極セパレータ
８７の外周面からこの中央の軸線に達する燃料導入孔１
７ｂと、軸線を中心とする同一円周上に等間隔に複数個
配置され燃料導入孔１７ｂに導入された燃料ガスを燃料
極層１２に導く複数の燃料供給孔８７ｃと、燃料極層１
２内の気孔を通過した燃料ガスが流入する燃料排出溝１
７ｄと、燃料排出溝１７ｄ内の燃料ガスを排出する燃料
排出孔１７ｅとを有する。複数の燃料供給孔８７ｃは燃
料導入孔１７ｂの先端から放射状に拡がった後、燃料極
集電体２２に臨むように燃料極セパレータ８７の軸線と
平行に設けられる。また燃料排出溝１７ｄは燃料極セパ
レータ８７の燃料極集電体２２に接する面に円筒状に形
成され、燃料排出孔１７ｅは燃料排出溝１７ｄ内の燃料
ガスを燃料極セパレータ８７の外周面に排出するように
構成される。

【００３１】空気給排通路８８ａは空気極セパレータ８
８の外周面からこの中央の軸線に達する空気導入孔１８
ｂと、軸線を中心とする同一円周上に等間隔に複数個配
置され空気導入孔１８ｂに導入された空気を空気極層１
３に導く複数の空気供給孔８７ｃと、空気極層１３内の
気孔を通過した空気が流入する空気排出溝１８ｄと、空
気排出溝１８ｄ内の空気を排出する空気排出孔１８ｅと
を有する。空気供給孔８８ｃは空気導入孔１８ｂの先端
から放射状に拡がった後、空気極集電体２３に臨むよう
に空気極セパレータ８８の軸線と平行に設けられる。ま
た空気排出溝１８ｄは空気極セパレータ８８の空気極集
電体２３に接する面に円筒状に形成され、空気排出孔１
８ｅは空気排出溝１８ｄ内の空気を空気極セパレータ８
８の外周面に排出するように構成される。上記以外は第
１の実施の形態と同一に構成される。

【００３２】このように構成された固体酸化物型燃料電
池８０では、燃料供給孔８７ｃが燃料極セパレータ８７
に複数配設されているため、燃料ガスが第１の実施の形
態より速やかにかつ均一に燃料極層１２に供給される。
一方、空気供給孔８８ｃが空気極セパレータ８８に複数
配設されているため、空気が第１の実施の形態より速や
かにかつ均一に空気極層１３に供給される。この結果、
燃料電池８０の発電効率が向上する。

【００３３】なお、第１〜第３の実施の形態では、発電
セルが単数設けられた単セルを挙げたが、発電セルが複
数設けられた複数セルでもよい。また、第１及び第３の
実施の形態では、燃料極シール部材を単一のシール本体
と一対の粘性ガラス体とにより構成し、第２の実施の形
態では、燃料極シール部材を２個のシール本体と３個の
粘性ガラス体とを交互に積層して構成したが、燃料極シ
ール部材を３個以上のシール本体と４個以上の粘性ガラ
ス体とを交互に積層して構成してもよい。

【００３４】

【実施例】次に本発明の実施例を比較例とともに詳しく
説明する。 ＜実施例１＞図１〜図２に示すように、直径×厚さが１
６ｍｍ×４０μｍの燃料極層１２と、直径×厚さが４０
ｍｍ×２００μｍの固体電解質層１１と、直径×厚さが
１６ｍｍ×４０μｍの空気極層１３とを積層して単一の
発電セル１４からなる単セル１６を形成した。この単セ
ル１６を、直径×厚さが４０ｍｍ×２０ｍｍの燃料極セ
パレータ１７上に、直径×厚さが２０ｍｍ×０．３ｍｍ
の燃料極集電体２２を介して載置し、更にこの単セル１
６上に、直径×厚さが２０ｍｍ×０．３ｍｍの空気極集
電体２３を介して、直径×厚さが４０ｍｍ×２０ｍｍの
空気極セパレータ１８を載置した。なお、燃料極層１２
はＮｉ／ＳＤＣ（Samarium Doped Ceria）からなり、固
体電解質層１１はＬａ_0.8Ｓｒ_0.2Ｇａ_0.8Ｍｇ_0.15Ｃｏ
_0.05Ｏ_2.8からなり、空気極層１３はＳｍ_0.5Ｓｒ_0.5Ｃ
ｏＯ₃からなる。また燃料極セパレータ１７及び空気極
セパレータ１８はＳＵＳ３１６により形成し、燃料極集
電体２２及び空気極集電体２３は白金により多孔質に形
成した。

【００３５】一方、固体電解質層１１と燃料極セパレー
タ１７との間には燃料極シール部材１９を介装した。燃
料極シール部材１９はＳＵＳ３１６により外径×内径×
厚さが３５ｍｍ×２７ｍｍ×０．３ｍｍのリング状に形
成されたシール本体１９ａと、シール本体１９ａの両面
に塗布された一対の粘性ガラス体１９ｂ，１９ｂとを有
する。ここでガラス製材料は鉛ガラスであり、希釈材料
はアルコールであった。また固体電解質層１１と空気極
セパレータ１８との間には空気極シール部材２１を介装
した。この空気極シール部材２１は上記燃料極シール部
材１９と同一に構成した。この燃料電池１０を実施例１
とした。

【００３６】＜実施例２＞燃料極シール部材及び空気極
シール部材のシール本体をハステロイＸにより形成した
ことを除いて、実施例１と同様にして燃料電池を作製し
た。この燃料電池を実施例２とした。 ＜実施例３＞燃料極シール部材及び空気極シール部材の
シール本体をインコネル６００により形成したことを除
いて、実施例１と同様にして燃料電池を作製した。この
燃料電池を実施例３とした。 ＜実施例４＞燃料極シール部材及び空気極シール部材の
シール本体をヘインズアロイ２１４により形成したこと
を除いて、実施例１と同様にして燃料電池を作製した。
この燃料電池を実施例４とした。

【００３７】＜比較例１＞燃料極シール部材及び空気極
シール部材の両面に、一対の粘性ガラス体に替えて一対
のアルミナ繊維体を設けたことを除いて、実施例１と同
様にして燃料電池を作製した。この燃料電池を比較例１
とした。 ＜比較例２＞燃料極シール部材及び空気極シール部材の
シール本体を安定化ジルコニアにより形成するととも
に、燃料極シール部材及び空気極シール部材の両面に、
一対の粘性ガラス体に替えて一対の低温焼結体を設けた
ことを除いて、実施例１と同様にして燃料電池を作製し
た。この燃料電池を比較例２とした。なお、上記低温焼
結体は安定化ジルコニアの超微粒子酸化物をバインダ及
び添加助剤と混合してスラリーを調製し、このスラリー
を上記シール本体の両面に塗布し、更に燃料極シール部
材を燃料極セパレータ及び固体電解質層で挟み、かつ空
気極シール部材を空気極セパレータ及び固体電解質層で
挟んだ状態で、８００〜１２００℃の比較的低い温度で
焼成した。

【００３８】＜比較試験１及び評価＞実施例１〜４と比
較例１及び２の燃料電池に水素ガス（燃料ガス）を供給
しながら６５０℃で発電運転し、各燃料電池の開回路起
電力及び発電出力を測定し、更に発電終了後の発電セル
の状態を観察した。開回路起電力及び発電出力は開回路
水素ガスの供給量を５００ｍｌ／分、１００ｍｌ／分、
１４ｍｌ／分及び９ｍｌ／分と段階的に変えて測定し
た。ここで、開回路起電力は燃料極集電体及び空気極集
電体間の電位差であり、発電出力は燃料極集電体及び空
気極集電体間の電位差を０．７Ｖに調整して測定した。
その結果を表２に示す。なお、表２には開回路水素ガス
の排出量も示す。また開回路とは電流を流さない状態の
ことをいう。更に表１には各燃料電池の燃料極シール部
材、空気極シール部材、燃料極セパレータ及び空気極セ
パレータの材質と、発電運転温度を示す。

【００３９】

【表１】

【００４０】

【表２】

【００４１】表２から明らかなように、比較例１及び２
では開回路水素ガスの供給量を減らしていくと、開回路
起電力及び発電出力が急激に低下したのに対し、実施例
１〜４では開回路水素ガスの供給量を減らしていって
も、開回路起電力及び発電出力の低下が比較的少なく、
実施例１〜４の方が比較例１及び２よりも発電効率が良
いことが判った。また比較例２では発電終了後に降温し
たときに発電セルが破壊したのに対し、実施例１〜４で
は発電終了後に降温しても発電セルは破壊しなかった。

【００４２】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、少
なくとも燃料極シール部材の合金製のシール本体の両面
に、ガラス製材料及び希釈材料の混合体により構成され
た一対の粘性ガラス体を塗布し、粘性ガラス体が室温で
高い粘性を示しかつ発電運転時に融液状態に保持され、
更にガラス製材料の軟化点が酸化物イオン伝導体により
形成された固体電解質層等の融点及び発電運転温度より
低いので、シール本体を薄くすることにより、電池を小
型化することができる。この結果、電池の単位体積当り
の発電量を増加できるとともに、シール本体の強度を向
上できる。また発電セルに反りが生じても、シール本体
の弾性変形と、粘性ガラス体のシール本体端部への回り
込みにより、燃料極セパレータ及び固体電解質層間に空
隙が発生するのを防止できる。この結果、燃料極シール
部材による燃料ガスのシール性が向上するので、燃料給
排通路内の酸素分圧の上昇を抑制し、開回路起電力の低
下を防止できるとともに、燃料ガスの漏洩を防止でき
る。

【００４３】また２個以上のシール本体と３個以上の粘
性ガラス体とを交互に積層すれば、より高い燃料極シー
ル部材による燃料ガスのシール性が得られる。また発電
が終了して降温するときに発電セルとガラス製材料の熱
膨張係数の相違により熱収縮率が異なっても、複数の粘
性ガラス体が複数のシール本体端部にそれぞれ回り込ん
で上記熱収縮率の差を速やかに吸収するので、発電セル
が破壊することはない。また発電運転温度が６５０±５
０℃であり、粘性ガラス体中のガラス製材料の軟化点が
５３０±５０℃であって、更にガラス製材料の熱膨張係
数が室温と発電運転温度との間で５．５×１０^-6〜１
６．５×１０^-6／Ｋであれば、発電運転時にガラス製材
料が融液状態になるので、固体電解質層及びシール本体
間と、燃料極セパレータ及びシール本体間とがそれぞれ
上記ガラス製材料により確実にシールされる。この結
果、燃料ガスの漏洩や燃料給排通路への外気（空気）の
侵入を防止できる。またシール本体はその幅方向に比較
的自由に移動できるため、発電が終了して降温するとき
に発電セルとガラス製材料の熱膨張係数の相違により熱
収縮率が異なっても、シール本体がその幅方向に発電セ
ルに対して移動しかつ粘性ガラス体がシール本体端部に
それぞれ回り込んで、上記熱収縮率の差を速やかに吸収
する。この結果、発電セルが破壊することはない。

【００４４】また燃料極シール部材のシール本体をステ
ンレス鋼により形成し、シール本体の厚さを室温で燃料
極層及び燃料極集電体の合計の厚さと同一に形成すれ
ば、燃料極セパレータの燃料極シール部材及び燃料極集
電体への当接面を同一平面に形成することができるの
で、燃料極セパレータの製造工数を低減できる。更に燃
料極層に燃料ガスを導く燃料供給孔を燃料極セパレータ
の外面から燃料極集電体に臨むように中央に１個若しく
は中央を中心とする同一円周上に等間隔に複数個配置
し、燃料極層内を通過した燃料ガスが流入する燃料排出
溝を燃料極セパレータの燃料極集電体に接する面に形成
し、燃料排出溝内の燃料ガスを排出する燃料排出孔が燃
料極セパレータの外面と燃料排出溝とを連通すれば、燃
料ガスが燃料供給孔を通って燃料極層に速やかに供給さ
れ、燃料極層内の気孔を通過した後に燃料排出溝及び燃
料排出孔を通って速やかに排出される。この結果、発電
効率が向上するとともに、燃料電池をコンパクトにする
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明第１実施形態の固体酸化物型燃料電池を
示す縦断面図。

【図２】その燃料電池の要部分解斜視図。

【図３】本発明の第２実施形態を示す図１に対応する縦
断面図。

【図４】本発明の第３実施形態を示す図１に対応する縦
断面図。

【図５】従来例を示す図１に対応する縦断面図。

【符号の説明】

１０，５０，８０ 固体酸化物型燃料電池 １１ 固体電解質層 １２ 燃料極層 １３ 空気極層 １４ 発電セル １６ 単セル １７，５７，８７ 燃料極セパレータ １７ａ，８７ａ 燃料給排通路 １７ｃ，８７ｃ 燃料供給孔 １７ｄ 燃料排出溝 １７ｅ 燃料排出孔 １８，５８，８８ 空気極セパレータ １８ａ，８８ａ 空気給排通路 １９，５９ 燃料極シール部材 １９ａ シール本体 １９ｂ 粘性ガラス体 ２１，６１ 空気極シール部材 ２２ 燃料極集電体 ２３ 空気極集電体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 玉生 良孝 埼玉県大宮市北袋町１丁目297番地 三菱 マテリアル株式会社総合研究所内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC01 CC08 CV02 CX04 EE08 EE11 HH00 HH03 HH08

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸化物イオン伝導体により形成された固
   体電解質層(11)とこの固体電解質層(11)の両面に配設さ
   れた燃料極層(12)及び空気極層(13)とからなる発電セル
   (14)が単数又は複数設けられた単セル(16)又は複数セル
   と、前記燃料極層(12)に燃料極集電体(22)を通して燃料
   ガスを流通させる燃料給排通路(17a)が形成された燃料
   極セパレータ(17)と、前記空気極層(18)に空気極集電体
   (23)を通して空気を流通させる空気給排通路(18a)が形
   成された空気極セパレータ(18)と、前記固体電解質層(1
   1)と前記燃料極セパレータ(17)との間に介装され前記燃
   料給排通路(17a)と外気とを遮断する燃料極シール部材
   (19)と、前記固体電解質層(11)と前記空気極セパレータ
   (18)との間に介装され前記空気給排通路(18a)と外気と
   を遮断する空気極シール部材(21)とを備えた固体酸化物
   型燃料電池において、 前記燃料極シール部材(19)及び前記空気極シール部材(2
   1)のうちの少なくとも前記燃料極シール部材(19)が合金
   材料により形成されたシール本体(19a)と、前記シール
   本体(19a)の両面に塗布されガラス製材料及び希釈材料
   の混合体により構成された一対の粘性ガラス体(19b,19
   b)とを有し、 前記粘性ガラス体(19b)が室温で１×１０¹〜２×１０⁵
   ｃＰという高い粘性を示しかつ発電運転時に融液状態に
   保持され、 前記粘性ガラス体(19b)中の前記ガラス製材料の軟化点
   が前記固体電解質層(11)，前記燃料極層(12)及び前記空
   気極層(13)のいずれの融点より低くかつ発電運転温度よ
   り低いことを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
2. 【請求項２】 ２個以上のシール本体(19a,19a)と３個
   以上の粘性ガラス体(19b,19b,19b)とが交互に積層され
   た請求項１記載の固体酸化物型燃料電池。
3. 【請求項３】 発電運転温度が６５０±５０℃であり、
   粘性ガラス体(19b)中のガラス製材料の軟化点が５３０
   ±５０℃であって、前記ガラス製材料の熱膨張係数が室
   温と前記発電運転温度との間で５．５×１０^-6〜１６．
   ５×１０^-6／Ｋである請求項１又は２記載の固体酸化物
   型燃料電池。
4. 【請求項４】 燃料極シール部材(19)のシール本体(19
   a)がステンレス鋼により形成され、前記シール本体(19
   a)の厚さが室温で燃料極層(12)及び燃料極集電体(22)の
   合計の厚さと同一に形成された請求項１又は３記載の固
   体酸化物型燃料電池。
5. 【請求項５】 燃料給排通路(17a,87a)が燃料極セパレ
   ータ(17,87)の外面から燃料極集電体(22)に臨むように
   中央に１個若しくは前記中央を中心とする同一円周上に
   等間隔に複数個配置されかつ燃料極層(12)に燃料ガスを
   導く燃料供給孔(17c,87c)と、前記燃料極セパレータ(1
   7,87)の前記燃料極集電体(22)に接する面に形成され前
   記燃料極層(12)内を通過した燃料ガスが流入する燃料排
   出溝(17d)と、前記燃料極セパレータ(17,87)の外面と前
   記燃料排出溝(17d)とを連通し前記燃料排出溝(17d)内の
   燃料ガスを排出する燃料排出孔(17e)とを有する請求項
   ４記載の固体酸化物型燃料電池。