JP2008287969A - 平板型固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】性能の低下を防ぐことができる平板型固体酸化物形燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料極セパレータ５と空気極セパレータ６の縁部は、傾斜抑制部材８および絶縁部材７を介して圧着される。これにより、セルを積層する際にバランスが崩れたりセルの構成要素に形状誤差が生じたりした場合であっても、セル燃料極セパレータ５と空気極セパレータ６の縁部とが、傾斜抑制部材８または傾斜抑制部材８および絶縁部材７により支持されるので、燃料極セパレータ５と空気極セパレータ６とが相対的に傾くのを防ぐことが可能となり、結果として、燃料電池スタックの性能の低下を防ぐことができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、平板型の単セルとこの単セルを収容するセパレータとを備えた平板型固体酸化物形燃料電池に関するものである。

平板型固体酸化物形燃料電池は、固体酸化物からなる平板状の電解質層と、この電解質層の表裏面にそれぞれ形成した空気極および燃料極とで単セルを形成し、燃料極と空気極に燃料ガスと酸化剤ガスをそれぞれ給排気する通路を有するセパレータと単セルとを交互に複数個積層して電気的に直列に接続することにより燃料電池セルスタックを形成し、上記通路を介して各単セルの各極に燃料ガスと酸化剤ガスを供給することにより発電を行うようにした燃料電池である。このような従来の平板型固体酸化物型燃料電池のセルスタックを図１０に示す。

図１０に示すように、平板型固体酸化物形燃料電池スタックは、平板からなる電解質１、この電解質の一方の面に形成された平板からなる燃料極２、および電解質１の他方の面に形成された平板からなる空気極３から構成された燃料極支持型の単セル４と、単セル４を収容する凹部５ａが形成された燃料極セパレータ５と、この燃料極セパレータ５と協働して単セル４を介装する空気極セパレータ６とを備え、これらを１組とするセルを複数組重ねて設けた構造を有する。

このような平板型固体酸化物形燃料電池スタックの１つのセルは、燃料極セパレータ５の凹部５ａの底面に形成された燃料流路５ｂ上に単セル４を燃料極２側から載置した後、この単セル４の空気極３に空気流路６ａが当接するように空気極セパレータ６を配置することにより形成される。

このように形成された平板型固体酸化物形燃料電池スタックは、次のように作用する。まず、水素等の燃料ガスＧ１は、燃料供給マニホールド（図示せず）から燃料極セパレータ５の燃料供給経路５ｃを通って燃料流路５ｂから燃料極２に供給される。一方、空気等の酸化剤ガスＧ２は、空気供給マニホールド（図示せず）から空気極セパレータ６の空気供給経路６ｂを通って空気流路６ａから空気極３に供給される。このように燃料ガスＧ１および酸化剤ガスＧ２を所定の温度下において単セル４に供給すると、燃料極２と空気極３との間に起電力が発生する。燃料極２は、燃料極セパレータ５と電気的に接続され、空気極３は、空気極セパレータ６に接続されている。また、燃料極セパレータ５と空気極セパレータ６とは、それぞれ隣接するセルの燃料極セパレータ５または空気極セパレータ６に電気的に接続されている。したがって、平板型固体酸化物形燃料電池スタックの上端の空気極セパレータ６と下端の燃料極セパレータ５とを端子として電池回路を構成することにより、平板型固体酸化物形燃料電池スタックは、所定の電圧レベルの電力を発生させることができる。

このような平板型固体酸化物形燃料電池スタックにおいて、１つのセルの燃料極セパレータ５と空気極セパレータ６とは、電気的に絶縁される必要がある。このため、従来では、図１０に示すように、燃料極セパレータ５と空気極セパレータ６の縁部を空間的に離間した状態で配置することにより、それぞれを電気的に絶縁していた（例えば、非特許文献１参照。）。

水谷安伸、鵜飼健司、久田浩二、横山美鈴、永井恒輝、平川雅弘、折島寛、加島昭一、中塚豪、上荷広之、"１ｋＷ級ＳＯＦＣシステムのフィールドテスト"、第１４回ＳＯＦＣ研究発表会 講演要旨集、ｐｐ．２−５、２００５年

しかしながら、従来では、それぞれの縁部を空間的に離間させることにより燃料極セパレータ５と空気極セパレータ６とを電気的に絶縁させていたので、セルを積層する際にバランスが崩れたり、セルの構成要素の形状に誤差があったりすると、燃料極セパレータ５と空気極セパレータ６とが相対的に傾いてしまうことがあった。このように傾くと、隣接するセルや単セル４と、燃料極セパレータ５や空気極セパレータ６との電気的な接続が悪くなり、結果として、性能が低下してしまうことがあった。

そこで、本願発明は、性能の低下を防ぐことができる平板型固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明に係る平板型固体酸化物形燃料電池は、平板型の固体酸化物からなる電解質と、この電解質の第１の面に設けられた燃料極と、電解質の第２の面に設けられた空気極とから構成され、電解質の少なくとも一方の面の一部が露出した単セルと、この単セルの燃料極側に配置され燃料極と電気的に接続された燃料極セパレータと、単セルの空気極側に配置され空気極と電気的に接続された空気極セパレータと、燃料極セパレータと空気極セパレータとの間、並びに、露出した電解質の一部と燃料極セパレータおよび空気極セパレータのうちの一方との間に亘って配置され、燃料極セパレータと空気極セパレータとを支持する傾斜抑制部材とを備えることを特徴とする。

上記平板型固体酸化物形燃料電池において、電解質は、第１の面の一部が露出し、傾斜抑制部材は、燃料極セパレータと空気極セパレータとの間、および、電解質の第１の面の一部と燃料極セパレータとの間に亘って配置されるようにしてもよい。ここで、傾斜抑制部材は、燃料極よりも薄く形成されるようにしてもよい。また、傾斜抑制部材は、燃料極よりも１０μｍ薄く形成されるようにしてもよい。

また、上記平板型固体酸化物形燃料電池において、電解質は、第２の面の一部が露出し、傾斜抑制部材は、燃料極セパレータと空気極セパレータとの間、および、電解質の第２の面の一部と空気極セパレータとの間に亘って配置されるようにしてもよい。ここで、傾斜抑制部材は、燃料極よりも薄く形成されるようにしてもよい。

また、上記平板型固体酸化物形燃料電池において、電解質と傾斜抑制部材とは、ガラス系シール材およびロウ材の一方により接合されるようにしてもよい。

また、上記平板型固体酸化物形燃料電池において、傾斜抑制部材は、マイカおよびセラミックの一方から構成されるようにしてもよい。また、傾斜抑制部材は、金属および絶縁体から構成されるようにしてもよい。

本発明によれば、燃料極セパレータと空気極セパレータとの間、並びに、露出した電解質の一部と燃料極セパレータおよび空気極セパレータのうちの一方との間に亘って傾斜抑制部材を配置することにより、この傾斜抑制部材によって燃料極セパレータと空気極セパレータとが支持されるため、燃料極セパレータと空気極セパレータとが相対的に傾くことを防ぐことが可能となり、結果として、性能の低下を防ぐことができる。

［第１の実施の形態］
以下、図面を参照して、本発明に係る第１の実施の形態について詳細に説明する。なお、本実施の形態において、図１０を参照して背景技術の欄で説明した従来の平板型固体酸化物形燃料電池スタックと同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して適宜説明を省略する。

図１に示すように、本実施の形態に係る平板型固体酸化物形燃料電池スタックは、平板からなる電解質１、この電解質１の一方の面に形成された平板からなる燃料極２、および電解質１の他方の面に形成された平板からなる空気極３から構成された燃料極支持型の単セル４と、単セル４を収容する凹部５ａが形成された燃料極セパレータ５と、この燃料極セパレータ５と協働して単セル４を介装する空気極セパレータ６と、燃料極セパレータ５と空気極セパレータ６との間に配設された絶縁部材７と、この絶縁部材７と空気極セパレータ６との間に配設された傾斜抑制部材８とを備え、これらを１組とするセルを単数または複数組重ねて設けた構造を有する。

燃料極支持型の単セル４は、一般に電解質１および燃料極２とがほぼ同等の平面形状を有するのに対して、空気極３が電解質１および燃料極２よりも小さい平面形状を有する。本実施の形態では、空気極３が電解質１の略中央部に配置されているので、電解質１の空気極３が配置された側の面は、縁部およびこの近傍が外部に露出した状態となっている。

燃料極セパレータ５は、板状の形状を有し、上面の略中央部が上面側から下面側に掘り込まれた凹部５ａと、この凹部５ａの底面に形成され燃料ガスを燃料極２に一様に供給するための流路を有する燃料流路５ｂと、この燃料流路５ｂと燃料極セパレータ５の一側面とを結ぶ貫通孔からなる燃料供給経路５ｃと、燃料流路５ｂと燃料極セパレータ５の一側面とを結ぶ貫通孔からなる燃料排出経路５ｄとを備える。ここで、燃料供給経路５ｃの上記一側面側の端部には、燃料供給マニホールド（図示せず）が接続され、この燃料供給マニホールドから燃料ガスが供給される。また、燃料排出経路５ｄの上記一側面側の端部には、燃料排出マニホールド（図示せず）が接続され、この燃料排出マニホールドから単セル４で未反応の燃料ガスが排出される。

空気極セパレータ６は、板状の形状を有し、下面に形成され酸化剤ガスを空気極３に一様に供給するための流路を有する空気流路６ａと、この空気流路６ａと空気極セパレータ６の一側面とを結ぶ貫通孔からなる空気供給経路６ｂとを備える。ここで、空気供給経路６ｂの上記一側面側の端部には、空気供給マニホールド（図示せず）が接続され、この空気供給マニホールドから空気等の酸化剤ガスが供給される。

絶縁部材７は、燃料極セパレータ５の平面形状と同等の形状を有し、略中央部には凹部５ａに対応する開口が形成されている。このような絶縁部材７は、例えばマイカなど電気的に絶縁性を有する部材から構成される。

傾斜抑制部材８は、燃料極セパレータ５の平面形状に対応する平板の形状を有し、略中央部には電解質１の平面形状よりも小さくかつ空気極３の平面形状より大きな開口が形成されている。この傾斜抑制部材８は、例えば耐熱合金や耐熱ステンレス等の金属から構成され、空気極３よりも薄く形成される。具体的には、空気極３の厚さよりも１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上薄く形成される。

このような平板型固体酸化物形燃料電池スタックの１つのセルは、次のように作成される。まず、燃料極セパレータ５の凹部５ａの底面に形成された燃料流路５ｂ上に、燃料極２を燃料流路５ｂ側に向けた状態の単セル４を載置するとともに、燃料極セパレータ５の上面に絶縁部材７を載置する。このとき、絶縁部材７の上面は、電解質１の空気極３側の面と略同一平面上に位置した状態となる。また、上述したように、空気極３が電解質１よりも平面形状が小さいので、燃料極セパレータ５を凹部５ａの側から見ると、電解質１の縁部およびこの近傍が外部に露出することとなる。

絶縁部材７を載置した後、露出した電解質１および絶縁部材７の上面に傾斜抑制部材８を載置する。上述したように、傾斜抑制部材８の略中央部には電解質１の平面形状よりも小さくかつ空気極３の平面形状より大きな開口が形成されており、この開口内に空気極３が位置するように、傾斜抑制部材８を配置する。このような状態で、電解質１と傾斜抑制部材８とを接合する。この接合は、例えばガラスシール材により行われる。この場合、電解質１および傾斜抑制部材８の少なくとも一方の、それぞれが対向する位置にガラスシール材を塗布することにより行うことができる。ガラスシール材としては、例えば、セルロース等のバインダ成分をテレビン等の有機溶剤に溶かしたバインダ液の中にガラス粉末を混合したものを用いることができる。このようなガラスシール材は、常温においてもある程度の接着能力を有するので、電解質１と傾斜抑制部材８とをより容易に接合することができる。

なお、電解質１と傾斜抑制部材８との接合はロウ材を用いたロウ付けにより行うようにしてもよい。ロウ付けによる接合は、接合強度が高いので、電解質１と傾斜抑制部材８とをより強固に接合することができる。

電解質１と傾斜抑制部材８とを接合した後、燃料極セパレータ５と空気極セパレータ６とを圧着する。具体的には、空気極セパレータ６の空気流路６ａが形成された面と傾斜抑制部材８とを対向させた状態から、空気極セパレータ６を燃料極セパレータ５に押圧することにより、燃料極セパレータ５と空気極セパレータ６とを圧着する。これにより、燃料極２側が燃料極セパレータ５により、空気極３側が空気極セパレータ６により、それぞれ電解質１側に押圧されることによって単セル４が燃料極セパレータ５と空気極セパレータ６との間に保持された１つのセルが生成される。

このとき、燃料極セパレータ５と空気極セパレータ６の縁部は、傾斜抑制部材８および絶縁部材７を介して圧接される。これにより、セルを積層する際にバランスが崩れたりセルの構成要素に形状誤差が生じたりした場合であっても、セル燃料極セパレータ５と空気極セパレータ６の縁部とが、傾斜抑制部材８および絶縁部材７により支持されるので、燃料極セパレータ５と空気極セパレータ６とが相対的に傾くのを防ぐことが可能となり、結果として、燃料電池スタックの性能の低下を防ぐことができる。

空気極セパレータ６を燃料極セパレータ５側に押圧すると、空気極セパレータ６の空気流路６ａが空気極３にめり込むように変形する。このため、傾斜抑制部材８が空気極よりも厚く形成されていると、空気極セパレータ６を燃料極セパレータ５側に押圧したときに、傾斜抑制部材８が電解質１を過度に押圧し、場合によっては、電解質１を破損するおそれがある。そこで、本実施の形態では、傾斜抑制部材８を空気極３よりも薄く形成する。これにより、空気極セパレータ６を燃料極セパレータ５側に押圧しても、電解質１を破損せずに空気極流路６ａと空気極３とを密着させることが可能となるので、空気極流路６ａと空気極３とを電気的に強固に接続することができ、結果として、燃料電池スタックの性能の低下を防ぐことができる。

また、本実施の形態において、傾斜抑制部材８は、変形しやすい金属から構成されるため、燃料極セパレータ５と空気極セパレータ６とが相対的に傾いた場合にこの傾きを吸収することが可能なので、空気極流路６ａと空気極３とを電気的に強固に接続することができ、結果として、燃料電池スタックの性能の低下を防ぐことができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明に係る第２の実施の形態について詳細に説明する。なお、本実施の形態は、第１の実施の形態において、燃料極セパレータ５と空気極セパレータ６との間に傾斜抑制部材８のみを設けたものである。したがって、第１の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して適宜説明を省略する。

図２に示すように、本実施の形態に係る平板型固体酸化物形燃料電池スタックは、電解質１の一方の面に燃料極２、他方の面に空気極３が設けられた燃料極支持型の単セル４と、単セル４を収容する凹部５ａが形成された燃料極セパレータ５と、この燃料極セパレータ５と協働して単セル４を介装する空気極セパレータ６と、燃料極セパレータ５と空気極セパレータ６との間に配設された傾斜抑制部材８とを備え、これらを１組とするセルを単数または複数組重ねて設けた構造を有する。

傾斜抑制部材８は、燃料極セパレータ５の平面形状に対応する平板の形状を有し、略中央部には電解質１の平面形状よりも小さくかつ空気極３の平面形状より大きな開口が形成されている。このような傾斜抑制部材８は、例えばマイカやセラミック等の絶縁材料から構成され、空気極３よりも薄く形成される。具体的には、空気極３の厚さよりも１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上薄く形成される。

このような平板型固体酸化物形燃料電池スタックの１つのセルは、次のように作成される。まず、燃料極セパレータ５の凹部５ａの底面に形成された燃料流路５ｂ上に、燃料極２を燃料流路５ｂ側に向けた状態の単セル４を載置する。このとき、燃料極セパレータ５の上面は、電解質１の燃料極２側の面と略同一平面上に位置した状態となる。

単セル４を載置した後、露出した電解質１および燃料極セパレータ５の上面に傾斜抑制部材８を載置する。上述したように、傾斜抑制部材８の略中央部には電解質１の平面形状よりも小さくかつ燃料極２の平面形状より大きな開口が形成されており、この開口内に燃料極２が位置するように、傾斜抑制部材８を配置する。このような状態で、電解質１と傾斜抑制部材８とを接合する。この接合は、第１の実施の形態と同様、ガラスシール材やロウ材により行われる。

電解質１と傾斜抑制部材８とを接合した後、燃料極セパレータ５と空気極セパレータ６とを圧着する。具体的には、空気極セパレータ６の空気流路６ａが形成された面と傾斜抑制部材８とを対向させた状態から、空気極セパレータ６を燃料極セパレータ５に押圧することにより、燃料極セパレータ５と空気極セパレータ６とを圧着する。これにより、燃料極２側が燃料極セパレータ５により、空気極３側が空気極セパレータ６により、それぞれ電解質１側に押圧されることによって単セル４が燃料極セパレータ５と空気極セパレータ６との間に保持された１つのセルが生成される。

このとき、燃料極セパレータ５と空気極セパレータ６の縁部は、傾斜抑制部材８を介して圧接される。これにより、セルを積層する際にバランスが崩れたりセルの構成要素に形状誤差が生じたりした場合であっても、セル燃料極セパレータ５と空気極セパレータ６の縁部とが、傾斜抑制部材８により支持されるので、燃料極セパレータ５と空気極セパレータ６とが相対的に傾くのを防ぐことが可能となり、結果として、燃料電池スタックの性能の低下を防ぐことができる。

空気極セパレータ６を燃料極セパレータ５側に押圧して接合すると、空気極セパレータ６の空気極流路６ａが空気極３にめり込むように変形する。このため、傾斜抑制部材８が空気極よりも厚く形成されていると、空気極セパレータ６を燃料極セパレータ５側に押圧したときに、傾斜抑制部材８が電解質１を過度に押圧し、場合によっては、電解質１を破損するおそれがある。そこで、本実施の形態では、傾斜抑制部材８を空気極３よりも薄く形成する。これにより、空気極セパレータ６を燃料極セパレータ５側に押圧しても、電解質１を破損せずに空気極流路６ａと空気極３とを密着させることが可能となるので、空気極流路６ａと空気極３とを電気的に強固に接続することができ、結果として、燃料電池スタックの性能の低下を防ぐことができる。

また、本実施の形態において、傾斜抑制部材８にマイカを用いた場合、このマイカは電解質１の一般的な構成材料であるセラミックよりも脆いため、電解質１が破損するのを防ぐことができる。

また、本実施の形態において、傾斜抑制部材８にセラミックを用いた場合、電解質１が一般的にセラミックにより構成されるため、傾斜抑制部材８に電解質１と同等の熱膨張係数を有する材料を容易に選択することができる。また、このような電解質１と同等の熱膨張係数を有する材料を用いることにより電解質１や傾斜抑制部材８が破損することを防ぐことができる。

［第３の実施の形態］
次に、本発明に係る第３の実施の形態について詳細に説明する。なお、本実施の形態は、空気極支持型の単セル４’を有するものである。したがって、本実施の形態において、第１，第２の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して適宜説明を省略する。

図３に示すように、本実施の形態に係る平板型固体酸化物形燃料電池スタックは、平板からなる電解質１’、この電解質１’の一方の面に形成された平板からなる燃料極２’、および電解質１’の他方の面に形成された平板からなる空気極３’から構成された空気極支持型の単セル４’と、単セル４’を収容する凹部１１ａが形成された空気極セパレータ１１と、この空気極セパレータ１１と協働して単セル４’を介装する燃料極セパレータ１２と、空気極セパレータ１１と燃料極セパレータ１２との間に配設された絶縁部材１３と、この絶縁部材１３と燃料極セパレータ１２との間に配設された傾斜抑制部材１４とを備え、これらを１組とするセルを単数または複数組重ねて設けた構造を有する。

空気極支持型の単セル４’は、一般に電解質１’および空気極３’とがほぼ同等の平面形状を有するのに対して、燃料極２’が電解質１’および空気極３’よりも小さい平面形状を有する。本実施の形態では、燃料極２’が電解質１’の略中央部に配置されているので、電解質１’の燃料極２’が配置された側の面は、縁部およびこの近傍が外部に露出した状態となっている。

空気極セパレータ１１は、板状の形状を有し、上面の略中央部が上面側から下面側に掘り込まれた凹部１１ａと、この凹部１１ａの底面に形成され酸化剤ガスを空気極３’に一様に供給するための流路を有する空気流路１１ｂと、この空気流路１１ｂと空気極セパレータ１１の一側面とを結ぶ貫通孔からなる空気供給経路１１ｃと、空気流路１１ｂと空気極セパレータ１１の一側面とを結ぶ貫通孔からなる空気排出経路１１ｄとを備える。ここで、空気供給経路１１ｃの上記一側面側の端部には、空気供給マニホールド（図示せず）が接続され、この空気供給マニホールドから酸化剤ガスが供給される。また、空気排出経路１１ｄの上記一側面側の端部には、空気排出マニホールド（図示せず）が接続され、この空気排出マニホールドから単セル４’で未反応の酸化剤ガスが排出される。

燃料極セパレータ１２は、板状の形状を有し、下面に形成され燃料ガスを燃料極２’に一様に供給するための流路を有する燃料流路１２ａと、この燃料流路１２ａと燃料極セパレータ１２の一側面とを結ぶ貫通孔からなる燃料供給経路１２ｂとを備える。なお、燃料極セパレータ１２には、燃料流路１２ａと燃料極セパレータ１２の一側面とを結ぶ貫通孔からなる燃料排出経路（図示せず）も設けられている。ここで、燃料供給経路１２ｂの上記一側面側の端部には、燃料供給マニホールド（図示せず）が接続され、この燃料供給マニホールドから燃料ガスが供給される。また、燃料排出経路の上記一側面側の端部には、燃料排出マニホールド（図示せず）が接続され、この燃料排出マニホールドから単セル４’で未反応の燃料ガスが排出される。

絶縁部材１３は、空気極セパレータ１１の平面形状と同等の形状を有し、略中央部には凹部１１ａに対応する開口が形成されている。このような絶縁部材１３は、例えばマイカなど電気的に絶縁性を有する部材から構成される。

傾斜抑制部材１４は、空気極セパレータ１１の平面形状に対応する平板の形状を有し、略中央部には電解質１’の平面形状よりも小さくかつ燃料極２’の平面形状より大きな開口が形成されている。このような傾斜抑制部材１４は、例えば耐熱合金や耐熱ステンレス等の金属から構成され、燃料極２’よりも薄く形成される。具体的には、燃料極２’の厚さよりも１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上薄く形成される。

このような平板型固体酸化物形燃料電池スタックの１つのセルは、次のように作成される。まず、空気極セパレータ１１の凹部１１ａの底面に形成された空気流路１１ｂ上に、空気極３’を空気流路１１ｂ側に向けた状態の単セル４’を載置するとともに、空気極セパレータ１１の上面に絶縁部材１３を載置する。このとき、絶縁部材１３の上面は、電解質１’の燃料極２’側の面と略同一平面上に位置した状態となる。また、上述したように、燃料極２’が電解質１’よりも平面形状が小さいので、燃料極セパレータ５を凹部５ａの側から見ると、電解質１の縁部およびこの近傍が外部に露出することとなる。

絶縁部材１３を載置した後、露出した電解質１’および絶縁部材１３の上面に傾斜抑制部材１４を載置する。上述したように、傾斜抑制部材１４の略中央部には電解質１’の平面形状よりも小さくかつ燃料極２’の平面形状より大きな開口が形成されており、この開口内に燃料極２’が位置するように、傾斜抑制部材１４を配置する。このような状態で、電解質１’と傾斜抑制部材１４とを接合する。この接合は、例えばガラスシール材により行われる。この場合、電解質１’および傾斜抑制部材１４の少なくとも一方の、それぞれが対向する位置にガラスシール材を塗布することにより行うことができる。この接合は、第１の実施の形態と同様、ガラスシール材やロウ材により行われる。

電解質１’と傾斜抑制部材１４とを接合した後、空気極セパレータ１１と燃料極セパレータ１２とを圧着する。具体的には、燃料極セパレータ１２の燃料流路１２ａが形成された面と傾斜抑制部材１４とを対向させた状態から、燃料極セパレータ１２を空気極セパレータ１１に押圧することにより、空気極セパレータ１１と燃料極セパレータ１２とを圧着する。これにより、燃料極２’側が空気極セパレータ１１により、空気極３’側が燃料極セパレータ１２により、それぞれ電解質１’側に押圧されることによって単セル４’が空気極セパレータ１１と燃料極セパレータ１２との間に保持された１つのセルが生成される。

このとき、空気極セパレータ１１と燃料極セパレータ１２の縁部は、傾斜抑制部材１４および絶縁部材１３を介して圧接される。これにより、セルを積層する際にバランスが崩れたりセルの構成要素に形状誤差が生じたりした場合であっても、セル空気極セパレータ１１と燃料極セパレータ１２の縁部とが、傾斜抑制部材１４または傾斜抑制部材１４および絶縁部材１３により支持されるので、空気極セパレータ１１と燃料極セパレータ１２とが相対的に傾くのを防ぐことが可能となり、結果として、燃料電池スタックの性能の低下を防ぐことができる。

燃料極セパレータ１２を空気極セパレータ１１側に押圧して圧着すると、燃料極セパレータ１２の燃料流路１２ａが空気極３’にめり込むように変形する。このため、傾斜抑制部材１４が空気極よりも厚く形成されていると、燃料極セパレータ１２を空気極セパレータ１１側に押圧したときに、傾斜抑制部材１４が電解質１’を過度に押圧し、場合によっては、電解質１’を破損するおそれがある。そこで、本実施の形態では、傾斜抑制部材１４を空気極３’よりも薄く形成する。これにより、燃料極セパレータ１２を空気極セパレータ１１側に押圧して圧着することにより、電解質１’を破損せずに燃料流路１２ａと空気極３’とを密着させることが可能となるので、燃料流路１２ａと空気極３’とを電気的に強固に接続することができ、結果として、燃料電池スタックの性能の低下を防ぐことができる。

［第４の実施の形態］
次に、本発明に係る第４の実施の形態について詳細に説明する。なお、本実施の形態は、第３の実施の形態において、空気極セパレータ１１と燃料極セパレータ１２との間に傾斜抑制部材１４のみを設けたものである。したがって、第３の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して適宜説明を省略する。

図４に示すように、本実施の形態に係る平板型固体酸化物形燃料電池スタックは、電解質１’の一方の面に燃料極２’、他方の面に空気極３’が形成された平板からなる空気極３’から構成された空気極支持型の単セル４’と、単セル４’を収容する凹部１１ａが形成された空気極セパレータ１１と、この空気極セパレータ１１と協働して単セル４’を介装する燃料極セパレータ１２と、空気極セパレータ１１と燃料極セパレータ１２との間に配設された傾斜抑制部材１４とを備え、これらを１組とするセルを単数または複数組重ねて設けた構造を有する。

傾斜抑制部材１４は、空気極セパレータ１１の平面形状に対応する平板の形状を有し、略中央部には電解質１’の平面形状よりも小さくかつ燃料極２’の平面形状より大きな開口が形成されている。このような傾斜抑制部材１４は、例えばマイカやセラミック等の絶縁材料から構成され、燃料極２’よりも薄く形成される。具体的には、燃料極２’の厚さよりも１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上薄く形成される。

このような平板型固体酸化物形燃料電池スタックの１つのセルは、次のように作成される。まず、空気極セパレータ１１の凹部１１ａの底面に形成された空気流路１１ｂ上に、空気極３’を空気流路１１ｂ側に向けた状態の単セル４’を載置する。このとき、空気極セパレータ１１の上面は、電解質１’の燃料極２’側の面と略同一平面上に位置した状態となる。

単セル４’を載置した後、電解質１’および空気極セパレータ１１の上面に傾斜抑制部材１４を載置する。上述したように、傾斜抑制部材１４の略中央部には電解質１’の平面形状よりも小さくかつ燃料極２’の平面形状より大きな開口が形成されており、この開口内に空気極３’が位置するように、傾斜抑制部材１４を配置する。このような状態で、電解質１’と傾斜抑制部材１４とを接合する。この接合は、第４の実施の形態と同様、ガラスシール材やロウ材により行われる。

電解質１’と傾斜抑制部材１４とを接合した後、空気極セパレータ１１と燃料極セパレータ１２とを圧着する。具体的には、燃料極セパレータ１２の燃料流路１２ａが形成された面と傾斜抑制部材１４とを対向させた状態から、燃料極セパレータ１２を空気極セパレータ１１に押圧することにより、空気極セパレータ１１と燃料極セパレータ１２とを圧着する。これにより、空気極３’側が空気極セパレータ１１により、燃料極２’側が燃料極セパレータ１２により、それぞれ電解質１’側に押圧されることによって単セル４’が空気極セパレータ１１と燃料極セパレータ１２との間に保持された１つのセルが生成される。

このとき、空気極セパレータ１１と燃料極セパレータ１２の縁部は、傾斜抑制部材１４を介して圧接される。これにより、セルを積層する際にバランスが崩れたりセルの構成要素に形状誤差が生じたりした場合であっても、セル空気極セパレータ１１と燃料極セパレータ１２の縁部とが、傾斜抑制部材１４により支持されるので、空気極セパレータ１１と燃料極セパレータ１２とが相対的に傾くのを防ぐことが可能となり、結果として、燃料電池スタックの性能の低下を防ぐことができる。

燃料極セパレータ１２を空気極セパレータ１１側に押圧して圧着すると、燃料極セパレータ１２の燃料流路１２ａが燃料極２’にめり込むように変形する。このため、傾斜抑制部材１４が空気極よりも厚く形成されていると、燃料極セパレータ１２を空気極セパレータ１１側に押圧したときに、傾斜抑制部材１４が電解質１’を過度に押圧し、場合によっては、電解質１’を破損するおそれがある。そこで、本実施の形態では、傾斜抑制部材１４を燃料極２’よりも薄く形成する。これにより、燃料極セパレータ１２を空気極セパレータ１１側に押圧しても、電解質１’を破損せずに空気極流路６ａと燃料極２’とを密着させることが可能となるので、空気極流路６ａと燃料極２’とを電気的に強固に接続することができ、結果として、燃料電池スタックの性能の低下を防ぐことができる。

［第５の実施の形態］
次に、本発明に係る第５の実施の形態について詳細に説明する。なお、本実施の形態は、第１の実施の形態における燃料極支持型の単セル４の代わりに電解質支持型の単セル４”を用いたものである。したがって、本実施の形態において、第１の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して適宜説明を省略する。

図５に示すように、本実施の形態に係る平板型固体酸化物形燃料電池スタックは、平板からなる電解質１”、この電解質１の一方の面に形成された平板からなる燃料極２”、および電解質１”の他方の面に形成された平板からなる空気極３”から構成された電解質支持型の単セル４”と、単セル４”を収容する凹部５ａが形成された燃料極セパレータ５と、この燃料極セパレータ５と協働して単セル４”を介装する空気極セパレータ６と、燃料極セパレータ５と空気極セパレータ６との間に配設された絶縁部材７と、この絶縁部材７と空気極セパレータ６との間に配設された傾斜抑制部材８とを備え、これらを１組とするセルを単数または複数組重ねて設けた構造を有する。

電解質支持型の単セル４”は、一般に燃料極２”と空気極３”が電解質１”よりも小さい平面形状を有する。本実施の形態では、燃料極２”と空気極３”が電解質１”の略中央部に配置されているので、電解質１の両面は、縁部およびこの近傍が外部に露出した状態となっている。

傾斜抑制部材８は、燃料極セパレータ５の平面形状に対応する平板の形状を有し、略中央部には電解質１”の平面形状よりも小さくかつ空気極３”の平面形状より大きな開口が形成されている。この傾斜抑制部材８は、例えば耐熱合金や耐熱ステンレス等の金属から構成され、空気極３”よりも薄く形成される。具体的には、空気極３”の厚さよりも１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上薄く形成される。

このような平板型固体酸化物形燃料電池スタックは、第１の実施の形態と同等の方法により作製される。このように、電解質支持型の単セル４”を用いた場合においても、第１の実施の形態と同等の効果を得ることができる。

［第６の実施の形態］
次に、本発明に係る第５の実施の形態について詳細に説明する。なお、本実施の形態は、第２の実施の形態における燃料極支持型の単セル４の代わりに電解質支持型の単セル４”を用いたものである。したがって、本実施の形態において、第２，第５の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して適宜説明を省略する。

図６に示すように、本実施の形態に係る平板型固体酸化物形燃料電池スタックは、電解質１”の一方の面に燃料極２”、他方の面に空気極３”が形成された電解質支持型の単セル４”と、単セル４”を収容する凹部５ａが形成された燃料極セパレータ５と、この燃料極セパレータ５と協働して単セル４”を介装する空気極セパレータ６と、燃料極セパレータ５と空気極セパレータ６との間に配設された傾斜抑制部材８とを備え、これらを１組とするセルを単数または複数組重ねて設けた構造を有する。

傾斜抑制部材８は、燃料極セパレータ５の平面形状に対応する平板の形状を有し、略中央部には電解質１”の平面形状よりも小さくかつ空気極３”の平面形状より大きな開口が形成されている。このような傾斜抑制部材８は、例えばマイカやセラミック等の絶縁材料から構成され、空気極３”よりも薄く形成される。具体的には、空気極３”の厚さよりも１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上薄く形成される。

このような平板型固体酸化物形燃料電池スタックは、第２の実施の形態と同等の方法により作製される。このように、電解質支持型の単セル４”を用いた場合においても、第２の実施の形態と同等の効果を得ることができる。

［第７の実施の形態］
次に、本発明に係る第７の実施の形態について詳細に説明する。なお、本実施の形態は、第３の実施の形態における空気極支持型の単セル４’の代わりに電解質支持型の単セル４”を用いたものである。したがって、本実施の形態において、第３，第５の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して適宜説明を省略する。

図７に示すように、本実施の形態に係る平板型固体酸化物形燃料電池スタックは、電解質１”の一方の面に燃料極２”、他方の面に空気極３”が形成された電解質支持型の単セル４”と、単セル４”を収容する凹部１１ａが形成された空気極セパレータ１１と、この空気極セパレータ１１と協働して単セル４”を介装する燃料極セパレータ１２と、空気極セパレータ１１と燃料極セパレータ１２との間に配設された絶縁部材１３と、この絶縁部材１３と燃料極セパレータ１２との間に配設された傾斜抑制部材１４とを備え、これらを１組とするセルを単数または複数組重ねて設けた構造を有する。

傾斜抑制部材１４は、空気極セパレータ１１の平面形状に対応する平板の形状を有し、略中央部には電解質１”の平面形状よりも小さくかつ燃料極２”の平面形状より大きな開口が形成されている。このような傾斜抑制部材１４は、例えば耐熱合金や耐熱ステンレス等の金属から構成され、燃料極２”よりも薄く形成される。具体的には、燃料極２”の厚さよりも１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上薄く形成される。

このような平板型固体酸化物形燃料電池スタックは、第３の実施の形態と同等の方法により作製される。このように、電解質支持型の単セル４”を用いた場合においても、第３の実施の形態と同等の効果を得ることができる。

［第８の実施の形態］
次に、本発明に係る第８の実施の形態について詳細に説明する。なお、本実施の形態は、第４の実施の形態における空気極支持型の単セル４’の代わりに電解質支持型の単セル４”を用いたものである。したがって、本実施の形態において、第４，第５の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付して適宜説明を省略する。

図８に示すように、本実施の形態に係る平板型固体酸化物形燃料電池スタックは、電解質１”の一方の面に燃料極２”、他方の面に空気極３”が形成された電解質支持型の単セル４”と、単セル４”を収容する凹部１１ａが形成された空気極セパレータ１１と、この空気極セパレータ１１と協働して単セル４”を介装する燃料極セパレータ１２と、空気極セパレータ１１と燃料極セパレータ１２との間に配設された傾斜抑制部材１４とを備え、これらを１組とするセルを単数または複数組重ねて設けた構造を有する。

傾斜抑制部材１４は、空気極セパレータ１１の平面形状に対応する平板の形状を有し、略中央部には電解質１”の平面形状よりも小さくかつ燃料極２”の平面形状より大きな開口が形成されている。このような傾斜抑制部材１４は、例えばマイカやセラミック等の絶縁材料から構成され、燃料極２”よりも薄く形成される。具体的には、燃料極２”の厚さよりも１０μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上薄く形成される。

このような平板型固体酸化物形燃料電池スタックは、第４の実施の形態と同等の方法により作製される。このように、電解質支持型の単セル４”を用いた場合においても、第３の実施の形態と同等の効果を得ることができる。

［実施例]
次に、本発明の実施例について説明する。本実施例は、第１の実施の形態に基づくものであり、各構成要素の材料および形状は以下の通りである。

電解質１には、スカンジアおよびイットリアで安定化させアルミナを添加したジルコニア系電解質からなり、厚さ１５〜３０μｍに形成したものを用いた。
燃料極２には、ＹＳＺ，ＤＧＣ，ＳＤＣなどで熱膨張係数を調整したニッケル系材料から構成され、厚さ１．０〜１．５ｍｍに形成したものを用いた。
空気極３には、ランタン鉄系カソードから構成され、厚さ４０μｍに形成したものを用いた。

このような構成の燃料極支持型の単セル４に対して、耐熱合金または耐熱ステンレス（金属）からなり厚さ３０μｍと５０μｍの２つの傾斜抑制部材８を用意し、温度を８００℃、燃料ガスを水素（燃料利用率６０％）、酸化剤ガスを空気、厚さ３０μｍの場合の電流を０．２５Ａｃｍ²、厚さ５０μｍの場合の電流を０．１Ａｃｍ²という条件において、セル電圧を測定した。この測定結果を図９に示す。この図９において、縦軸はセル電圧、横軸は経過時間、符号ａは厚さ３０μｍの傾斜抑制部材８を用いた場合、符号ｂは厚さ５０μｍの傾斜抑制部材８を用いた場合をそれぞれ示している。

図９に示すように、傾斜抑制部材８に、空気極３より１０μｍ厚いものを用いた場合（符号ｂ）よりも、空気極３より１０μｍ薄いものを用いた場合の方が、電流を多く流すことができ、かつ、電圧の維持性もよいことが確認された。

本発明は、平板型固体酸化物形燃料電池に適用することができる。

本発明の燃料極支持型の単セルを有する平板型固体酸化物形燃料電池スタックの構成を示す断面図である。 本発明の燃料極支持型の単セルを有する他の平板型固体酸化物形燃料電池スタックの構成を示す断面図である。 本発明の空気極支持型の単セルを有する平板型固体酸化物形燃料電池スタックの構成を示す断面図である。 本発明の空気極支持型の単セルを有する他の平板型固体酸化物形燃料電池スタックの構成を示す断面図である。 本発明の電解質自立膜型の単セルを有する平板型固体酸化物形燃料電池スタックの構成を示す断面図である。 本発明の電解質自立膜型の単セルを有する平板型固体酸化物形燃料電池スタックの構成を示す断面図である。 本発明の電解質自立膜型の単セルを有する平板型固体酸化物形燃料電池スタックの構成を示す断面図である。 本発明の電解質自立膜型の単セルを有する平板型固体酸化物形燃料電池スタックの構成を示す断面図である。 傾斜抑制部材の厚さとセル電圧の実験結果を示すグラフである。 従来の平板型固体酸化物形燃料電池スタックの構成を示す断面図である。

符号の説明

１，１’，１”…電解質、２，２’，２”…燃料極、３，３’、３”…空気極、４，４’、４”…単セル、５…燃料極セパレータ、５ａ…凹部、５ｂ…燃料流路、５ｃ…燃料供給経路、５ｄ…燃料排出経路、６…空気極セパレータ、６ａ…空気経路、６ｂ…空気供給経路、７…絶縁部材、８…傾斜抑制部材、１１…空気極セパレータ、１１ａ…凹部、１１ｂ…空気流路、１１ｃ…空気供給経路、１１ｄ…空気排出経路、１２…燃料極セパレータ、１２ａ…燃料経路、１２ｂ…燃料供給経路、１３…絶縁部材、１４…傾斜抑制部材。

Claims (9)

1. 平板型の固体酸化物からなる電解質と、この電解質の第１の面に設けられた燃料極と、前記電解質の第２の面に設けられた空気極とから構成され、前記電解質の少なくとも一方の面の一部が露出した単セルと、
   この単セルの燃料極側に配置され前記燃料極と電気的に接続された燃料極セパレータと、
   前記単セルの空気極側に配置され前記空気極と電気的に接続された空気極セパレータと、
   前記燃料極セパレータと前記空気極セパレータとの間、並びに、露出した前記電解質の一部と前記燃料極セパレータおよび前記空気極セパレータのうちの一方との間に亘って配置され、前記燃料極セパレータと前記空気極セパレータとを支持する傾斜抑制部材と
   を備えることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池。
2. 前記電解質は、前記第１の面の一部が露出し、
   前記傾斜抑制部材は、前記燃料極セパレータと前記空気極セパレータとの間、および、前記電解質の前記第１の面の一部と前記燃料極セパレータとの間に亘って配置される
   ことを特徴とする請求項１記載の平板型固体酸化物形燃料電池。
3. 前記傾斜抑制部材は、前記燃料極よりも薄く形成される
   ことを特徴とする請求項２記載の平板型固体酸化物形燃料電池。
4. 前記傾斜抑制部材は、前記燃料極よりも１０μｍ薄く形成される
   ことを特徴とする請求項３記載の平板型固体酸化物形燃料電池。
5. 前記電解質は、前記第２の面の一部が露出し、
   前記傾斜抑制部材は、前記燃料極セパレータと前記空気極セパレータとの間、および、前記電解質の前記第２の面の一部と前記空気極セパレータとの間に亘って配置される
   ことを特徴とする請求項１記載の平板型固体酸化物形燃料電池。
6. 前記傾斜抑制部材は、前記燃料極よりも薄く形成される
   ことを特徴とする請求項５記載の平板型固体酸化物形燃料電池。
7. 前記電解質と前記傾斜抑制部材とは、ガラス系シール材およびロウ材の一方により接合される
   ことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の平板型固体酸化物形燃料電池。
8. 前記傾斜抑制部材は、マイカおよびセラミックの一方から構成される
   ことを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の平板型固体酸化物形燃料電池。
9. 前記傾斜抑制部材は、金属および絶縁体から構成される
   ことを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の平板型固体酸化物形燃料電池。

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