JP2008293843A - 固体電解質形燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】セルの発電可能面積を低減することなく、隔離セパレータと燃料電池セルの接合部における信頼性を確保すること。
【解決手段】固体電解質体２７は、燃料極２５の空気極２９側の全表面だけでなく、積層方向に対して垂直方向である側方の全面、及び同図下方の裏側面にも形成されており、これにより、固体電解質体２７は袋状になっている。詳しくは、燃料極２５の裏側面の外縁部の全周にわたって、固体電解質体２７の延長部分である裏側固体電解質層５５が、四角枠状に形成されており、この裏側固体電解質層５５の表面に、隔離セパレータ４７の開口部の内縁部がロウ付け接合されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料極及び空気極を有する固体電解質体を備えた固体電解質形燃料電池セルを積層した固体電解質形燃料電池に関するものである。

従来より、燃料電池として、固体電解質（固体酸化物）を用いた固体酸化物形燃料電池が知られている。
この固体酸化物形燃料電池は、例えば板状の固体電解質体の各面に燃料極と空気極とを備えた燃料電池セルを、多数積層してスタックを形成し、燃料極に燃料ガスを供給するとともに、空気極に酸化剤ガス（例えば空気）を供給し、燃料及び酸素を固体電解質体を介して化学反応させることによって電力を発生させるものである。

上述した固体酸化物形燃料電池には、セル内にて燃料極側と空気極側とのガスの流通を分離するために、金属製の隔離セパレータが用いられており、この隔離セパレータは、例えば平板の燃料極支持形セルの固体電解質体の周縁部にて、金属ロウ材やガラスで接合されている（特許文献１参照）。

また、これとは別に、燃料電池セルとの接合部を有する隔離セパレータを、撓ませた状態で積層して、スタック化する構造が開示されている（特許文献２参照）。
更に、隔離セパレータと燃料電池セルとの接合部において、隔離セパレータに凹部や凸部を設けて、接合部が酸化剤ガスや燃料ガスのどちらか一方と触れないようにする構造が開示されている（特許文献３参照）。
特開２０００−３３１６９２号公報 特開２００５−２０３２８３号公報 特開２００５−１７４７１４号公報

しかしながら、上述した特許文献１〜３の技術では、隔離セパレータと燃料電池セル（詳しくは例えば固体電解質体の空気極側の表面）の周縁部との接合部が１箇所であるため、長時間発電を継続すると、ガスの影響などによって、次第に接合部が劣化して、ガス漏れが発生する恐れがある。

よって、燃料電池セルと隔離セパレータとの接合を強固にするために、接合代（接合部の幅）を十分に確保する必要がある。
ところが、上述した従来の構造では、接合代を大きくすると、必然的に空気極の形成面積が減少し、セルの発電可能面積が小さくなるという問題があった。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、セルの発電可能面積を低減することなく、隔離セパレータと燃料電池セルの接合部における信頼性を確保することにある。

（１）請求項１の発明は、固体電解質体と、該固体電解質体の一面に設けられ、燃料ガ
スに接する燃料極と、該固体電解質体の他面に設けられ、酸化剤ガスに接する空気極とを有する固体電解質形燃料電池セルを、ガスの流通を遮断するセル間セパレータを介して、複数積層した固体電解質形燃料電池であって、前記固体電解質形燃料電池セルは、前記燃料極の表面全体を、前記固体電解質体によって、前記空気極と反対側の裏側面の一部を除いて袋状に覆うとともに、前記裏側面の前記固体電解質体の表面に、ガスの流通を遮断する隔離セパレータを接合したことを特徴とする。

本発明では、燃料極の表面全体を、燃料極よりも緻密で強固な固体電解質体によって、燃料極の裏側面の一部を除いて袋状に覆うとともに、その裏側面にまで形成された固体電解質体（以下ではこの裏側面の部分を裏側固体電解質層とも記す）の表面に、燃料極側と空気極側とのガスの流通を遮断する隔離セパレータを接合している。

従って、隔離セパレータのセル（詳しくは燃料極上に固体電解質体及び空気極が形成されたセル本体）との接合部を燃料極側に設けているため、空気極の面積は、特に制限されないので、空気極は、燃料極と略同サイズにまで拡大可能なため、高い発電出力を確保することができる。また、裏側固体電解質層による十分な接合代を確保することができるため、隔離セパレータとセルとの接合強度を高めることができる。

更に、本発明では、裏側固体電解質層の幅は、固体電解質形燃料電池の寿命を考慮して広めに設定することも可能であり、その点からも、接合部分の信頼性が向上するという利点がある。

また、燃料極は、固体電解質形燃料電池の作動時に還元されて組織が変化するので、燃料極の裏側にも、（固体電解質形燃料電池の作動時も含めて形状的に安定な）裏側固体電解質層を形成し、この裏側固体電解質層に隔離セパレータを接合することは、接合強度の点で好適である。

更に、燃料極の裏側面に裏側固体電解質層を設けることにより、セル（詳しくは燃料極上に固体電解質体及び空気極が形成されたセル本体）の断面形状がより対称に近くなるので、セルのそりによる変形を抑制できるという利点もある。

なお、以下では、固体電解質材料から構成された部分を、（酸素極側の）表側だけでなく、裏側の例えば裏側固体電解質層や後述する内側固体電解質層も含めて、固体電解質体と総称する。

（２）請求項２の発明では、前記固体電解質形燃料電池セルの積層方向における前記空気極の面積が、前記積層方向における前記燃料極の面積の７０〜１００％であることを特徴とする。

本発明は、空気極と燃料極との面積の割合の好ましい範囲を示したものである。この範囲であれば、高い発電出力が得られるので好適である。
（３）請求項３の発明では、前記裏側面の前記固体電解質体（例えば裏側固体電解質層）は、前記裏面側の周縁部（外縁部）を覆う枠状であり、該枠状の固体電解質体に前記隔離セパレータを接合したことを特徴とする。

本発明は、隔離セパレータの接合される部分の構成を例示したものである。
（４）請求項４の発明では、前記燃料極の裏側面において、前記枠状に形成された固体電解質体（例えば裏側固体電解質層）の内側に、部分的に固体電解質体（例えば内側固体
電解質層）を形成したことを特徴とする。

本発明により、セル（詳しくは前記セル本体）の断面形状がより対称に近くなるので、セルのそりによる変形を一層抑制できるという利点がある。
（５）請求項５の発明では、前記燃料極の裏側面のうち、前記固体電解質体の形成されていない露出部分に穴部を形成したことを特徴とする。

これにより、燃料ガスが効率的に反応場である燃料極と固体電解質体との界面に到達するため、燃料利用率が高い条件でも、十分に燃料ガスの供給が可能になり、出力低下を低減できる。

（６）請求項６の発明では、前記燃料極の周囲に配置される枠状のスペーサである燃料極フレームと、前記空気極の周囲に配置される枠状のスペーサである空気極フレームとを備えるとともに、前記燃料極フレームの前記積層方向における開口面積を、前記空気極フレームの前記積層方向における開口面積より小さくしたことを特徴とする。

これにより、燃料極側の空間（例えば燃料極に接触する燃料極側集電体の周囲の空間）が狭くなるので、燃料ガスが燃料極を素通りする部分が少なくなる。よって、燃料ガスが有効利用されるので、発電効率が向上する。また、ガス通過を邪魔する空間充填材の必要が無くなる。

（７）請求項７の発明では、前記燃料極の裏側面に、前記燃料極と接触する燃料極側集電体を配置するとともに、前記燃料極側のセル間セパレータに、前記積層方向の外側に張り出すように凹部を設け、該凹部に前記燃料極側集電体の一部を収容したことを特徴とする。

これにより、セル間セパレータの剛性が高くなるので、セル間セパレータで、強固にセル内部の構造物を密着させることができる。よって、（電気的な）接触抵抗が低減するとともに、気密性も向上する。

・ここで、前記固体電解質体は、電池の作動時に燃料極に導入される燃料ガス又は空気極に導入される酸化剤ガスのうちの一方の一部をイオンとして移動させることができるイオン伝導性を有する。このイオンとしては、例えば酸素イオン及び水素イオン等が挙げられる。また、燃料極は、還元剤となる燃料ガスと接触し、セルにおける負電極として機能する。空気極は、酸化剤となる酸化剤ガスと接触し、セルにおける正電極として機能する。

・固体電解質体の材料としては、例えばＺｒＯ₂系セラミック、ＬａＧａＯ₃系セラミック、ＢａＣｅＯ₃系セラミック、ＳｒＣｅＯ₃系セラミック、ＳｒＺｒＯ₃系セラミック、及びＣａＺｒＯ₃系セラミック等が挙げられる。

・燃料極の材料としては、例えば、Ｎｉ及びＦｅ等の金属と、Ｓｃ、Ｙ等の希土類元素のうちの少なくとも１種により安定化されたジルコニア等のＺｒＯ₂系セラミック、ＣｅＯ₂系セラミック等のセラミックのうちの少なくとも１種との混合物などが挙げられる。また、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ及びＦｅ等の金属が挙げられる。これらの金属は１種のみでもよいし、２種以上の金属の合金でもよい。更に、これらの金属及び／又は合金と、上記セラミックの各々の少なくとも１種との混合物（サーメットを含む）が挙げられる。また、Ｎｉ及びＦｅ等の金属の酸化物と、上記セラミックの各々の少なくとも１種との混合物などが挙げられる。

・空気極の材料としては、例えば、各種の金属、金属の酸化物、金属の複酸化物等を用いることができる。金属としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ及びＲｈ等の金属又は２種以上の金属を含有する合金が挙げられる。更に、金属の酸化物としては、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ及びＦｅ等の酸化物（Ｌａ₂Ｏ₃、ＳｒＯ、Ｃｅ₂Ｏ₃、Ｃｏ₂Ｏ₃、ＭｎＯ₂及びＦｅＯ等）が挙げられる。また、複酸化物としては、少なくともＬａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＭｎ等を含有する複酸化物（Ｌａ_1-XＳｒ_XＣｏＯ₃系複酸化物、Ｌａ_1-XＳｒ_XＦｅＯ₃系複酸化物、Ｌａ_1-XＳｒ_XＣｏ_1-YＦｅ_YＯ₃系複酸化物、Ｌａ_1-XＳｒ_XＭｎＯ₃系複酸化物、Ｐｒ_1-XＢａ_XＣｏＯ₃系複酸化物及びＳｍ_1-XＳｒ_XＣｏＯ₃系複酸化物等）が挙げられる。

・隔離セパレータやセル間セパレータの材料としては、耐熱性、化学的安定性、強度等の優れた材料を使用でき、例えばステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金等の耐熱合金等の金属材料が挙げられる。

具体的には、ステンレス鋼としては、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼が挙げられる。フェライト系ステンレス鋼としては、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４３４、ＳＵＳ４０５等が挙げられる。マルテンサイト系ステンレス鋼としては、ＳＵＳ４０３、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４３１等が挙げられる。オーステナイト系ステンレス鋼としては、ＳＵＳ２０１、ＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０５等が挙げられる。更に、ニッケル基合金としては、インコネル６００、インコネル７１８、インコロイ８０２等が挙げられる。クロム基合金としては、Ｄｕｃｒｌｌｏｙ ＣＲＦ（９４Ｃｒ５Ｆｅ１Ｙ₂Ｏ₃）等が挙げられる。

・隔離セパレータを接合する材料としては、金属ロウ材やガラスなど、各種の接合材を使用でき、燃料電池の作動温度や寿命特性を勘案し、種々の材料を選択できる。
・固体電解質形燃料電池を用いて発電を行う場合、燃料極側には燃料ガスを導入し、空気極側には酸化剤ガスを導入する。

燃料ガスとしては、水素、還元剤となる炭化水素、水素と炭化水素との混合ガス、及びこれらのガスを所定温度の水中を通過させ加湿した燃料ガス、これらのガスに水蒸気を混合させた燃料ガス等が挙げられる。炭化水素は特に限定されず、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等が挙げられる。この燃料ガスとしては水素が好ましい。これらの燃料ガスは１種のみを用いてもよいし、２種以上を併用することもできる。また、５０体積％以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。

酸化剤ガスとしては、酸素と他の気体との混合ガス等が挙げられる。更に、この混合ガスには８０体積％以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスが含有されていてもよい。これらの酸化剤ガスのうちでは安全であって、且つ安価であるため、空気（約８０体積％の窒素が含まれている。）が好ましい。

次に、本発明の最良の形態の例（実施例）について、すなわち、固体電解質形燃料電池スタックの実施例について説明する。

ａ）まず、固体電解質形燃料電池モジュール（以下単に固体電解質形燃料電池と記す）の構成について説明する。
・図１に示す様に、本実施例の固体電解質形燃料電池１は、燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気（詳しくは空気中の酸素））との供給を受けて発電を行う装置であり、図示しない断熱容器に収容されている。

この固体電解質形燃料電池１は、層状の固体電解質形燃料電池セル３が複数個（例えば８個）積層された固体電解質形燃料電池スタック４と、固体電解質形燃料電池スタック４の下側に配置された層状のガス予熱部５とが、僅かな間隙を介して積層されて、ボルト７〜２１により一体化された積層体である。

尚、本実施例では、空気の入口と出口は、異なるボルト７、９により、固体電解質形燃料電池１の上部に設定されている。また、同様なボルト１１によって、燃料ガスの入口は、固体電解質形燃料電池１の下部に設定されるとともに、燃料ガスの出口は、固体電解質形燃料電池１の上部に設定されている。

このうち、固体電解質形燃料電池セル３は、図２に分解して示す様に、いわゆる燃料極支持膜タイプのセルであり、燃料ガス流路２３側には、燃料極（アノード）２５が配置されるとともに、燃料極２５の表面には薄膜の固体電解質体２７が形成され、その固体電解質体２７の空気流路３１側の表面には、空気極（カソード）２９が形成されている。ここでは、積層方向における空気極２９の面積は、積層方向における燃料極２５の面積の７０〜１００％である。尚、以下では、この燃料極２５と固体電解質体２７と空気極２９とをセル本体３９と称する。

また、空気極２９と上方の金属製のインターコネクタ（セル３間の導通を確保するとともにガス流路を遮断するプレート：セル間セパレータ）３３との間には、その導通を確保するために、（例えば空気極２９と同様なＬＳＣＦ、ＬＳＭ等からなる）空気極側集電体３５が配置されている。同様に、燃料極２５と下方の金属製のセル間セパレータ３３との間には、その導通を確保するために、通気性を有する例えばＮｉフェルトからなる燃料極側集電体３７が配置されている。

更に詳しくは、この固体電解質形燃料電池セル３は、上下一対のセル間セパレータ３３、３３の間に、空気流路３１側の金属製の空気極フレーム４１と、セラミックス製の絶縁フレーム４３と、金属製の中間フレーム４５と、セル本体３９を接合して配置するとともにガス流路を遮断する金属製の隔離セパレータ４７と、燃料ガス流路２３側の金属製の燃料極フレーム４９とを備えている。

従って、空気極フレーム４１と絶縁フレーム４３と中間フレーム４５と隔離セパレータ（その外周縁部）４７と燃料極フレーム４９等により、ボルト７〜２１が貫く貫通孔５１が形成された固体電解質形燃料電池セル３の枠部５３が構成されている。

特に本実施例では、固体電解質体２７は、燃料極２５の空気極２９側（同図上方：表側面）の全表面だけでなく、積層方向（同図上下方向）に対して垂直方向である側方の全面、及び同図下方の裏側面にも形成されており、これにより、固体電解質体２７は袋状になっている。

詳しくは、図３に裏側面を示す様に、燃料極２５の裏側面の外縁部の全周にわたって、固体電解質体２７の延長部分である裏側固体電解質層５５が、四角枠状に形成されており、この裏側固体電解質層５５の表面に、隔離セパレータ４７の開口部５７の内縁部がロウ付け接合されている。

ここでは、裏側固体電解質層５５の開口部５９（燃料極２５が露出する部分）と隔離セ
パレータ４７の開口部５７は、燃料極２５と燃料極側集電体３７との密着を妨げないように、燃料極側集電体３７の外径寸法（積層方向から見た寸法）より、十分に大きく設定してある。

尚、固体電解質体２７（従って裏側固体電解質層５５）は、燃料極２５に比べて緻密で硬質であるので、隔離セパレータ４７は、この裏側固体電解質層５５に強固に接合することにより、空気極２９側と燃料極２５側とを気密している。

・また、図４に示す様に、（尚、図４では説明の簡易化のためにセルの数は少なくしてある）、前記燃料ガス予熱部５は、一対の遮蔽プレート６１、６３及び枠体６５に囲まれた層状の内部空間６７を有し、その空間６７に外部から導入された燃料ガスを通過させる際に、（周囲からの熱を受けて）燃料ガスを予熱し、暖められた燃料ガスを固体電解質形燃料電池スタック４側に供給する層状の装置である。

この燃料ガス予熱部５は、固体電解質形燃料電池スタック４の下面側にて、スペーサ６９を介して、ボルト７〜２１にて一体に積層固定されている。
前記ボルト７〜２１は、上述した様に、固体電解質形燃料電池１を積層方向に押圧して固体電解質形燃料電池セル３及び燃料ガス予熱部５を拘束するために用いる部材であり、その構造から２種類のボルト７〜２１が使用されている。

即ち、前記図１に示す様に、単に固体電解質形燃料電池１を押圧するための第１のボルト１３〜２１と、内部に燃料ガス又は空気が流通するガス流路を備えた第２のボルト７〜１１である。

このうち、第２のボルト７〜１１には、図４に示す様に、空気のガス流路を備えた空気用のボルト（中空ボルト）７、９と燃料ガスのガス流路を備えた燃料用のボルト（中空ボルト）１１がある。尚、使用する第２のボルト７〜１１の本数は、固体電解質形燃料電池１の構造や定格等に応じて適宜選択できる。

尚、各ボルト７〜２１と固体電解質形燃料電池スタック４とは、絶縁リング等の絶縁板（図示しない）により電気的に絶縁されている（以下各実施例も同様）。
ｂ）次に、固体電解質形燃料電池１のガス流路について説明する。

図４では、図面の大きさの関係で、各ボルトの中心孔から連通路などに至る横穴等の構成は省略して流路を模式的に示してある（以下同様）。
(1)空気の流路（空気の流れを実線の矢印で示す）
図４（ａ）に示す様に、空気用のボルト７の上方から供給された空気は、そのボルト７の軸中心に形成された中心孔７１に導入され、各固体電解質形燃料電池セル３の側方にあけられた連通路７３等を介してセル内の空気流路３１側に導入される。

次に、セル内の空気流路３１の空気は、他の連通路７５から、前記と同様な図示しない横穴等を介して、他の空気用（排出用）のボルト９の中心孔７７に排出され、その上方よりスタック外に排出される。

(2)燃料の流路（燃料の流れを破線の矢印で示す）
図４（ｂ）に示す様に、燃料用のボルト１１の下方から供給された燃料ガスは、そのボルト１１の軸中心に形成された中心孔８１Ａに導入され、燃料ガス予熱部５の連通路８３
から内部空間６７に供給される。尚、燃料用のボルト１１の中心孔８１は、下方の中心孔８１Ａと上方の中心孔８１Ｂとからなり、燃料ガス予熱部５と固体電解質形燃料電池スタック４との間にて閉塞されている。

次に、燃料ガス予熱部５の内部空間６７に供給された燃料ガスは、周囲からの熱を受けて予熱され、予熱後の燃料ガスは、同様な他の連通路８５から、他の燃料用のボルト１３の中心孔８７に導入される。

次に、燃料ガスは、固体電解質形燃料電池スタック４の各連通路８９から、各セル内の燃料ガス流路２３に供給される。
次に、各セル内の燃料ガス流路２３の燃料ガスは、同様な他の連通路９１を介して、燃料用のボルト１１の中心孔８１Ｂに排出され、その上方よりスタック外に排出される。

ｃ）次に、固体電解質形燃料電池１の製造方法について、簡単に説明する。
まず、例えばＳＵＳ４３０からなる板材を打ち抜いて、セル間セパレータ３３、空気極フレーム４１、中間フレーム４５、隔離セパレータ４７、燃料極フレーム４９、遮蔽プレート６１、６３、枠体６５、スペーサ６９を製造した。

また、定法により、ＭｇＯとスピネルを主成分とするグリーンシートを所定形状に形成し、焼成して、絶縁フレーム４３を製造した。
更に、固体電解質形燃料電池セル３のセル本体３９を製造した。具体的には、燃料極２５のグリーンシートの一方の表面（表面側）に、表面側全体を覆うように、固体電解質体２７の材料を印刷し、また、グリーンシートの他方の表面（裏面側）に、その外縁部の全周を覆うように、所定幅（例えば１５０ｍｍ×１５０ｍｍのグリーンシートに所定幅１５ｍｍ（焼成後には□１２０ｍｍのセル本体に、幅１２ｍｍで裏面にも固体電解質材が形成される））にて、固体電解質体２７の材料を印刷し、一旦焼成する。その後空気極２９の材料を印刷し、焼成してセル本体３９を製造した。

尚、グリーンシートの両面に固体電解質体２７の材料を印刷することにより、グリーンシートの側方へも固体電解質体２７の材料が塗布されることになり、結果として、（焼成後の）燃料極２５の裏面側の露出部分以外の全てが覆われるように、グリーンシートの表面は、袋状に固体電解質体２７の材料が塗布されることになる。

また、燃料極２５の厚さによっては、別途燃料極グリーンシートの側面に固体電解質材を塗布する工程を設けても良い。
その後、セル本体３９の裏側面の周縁部（外縁部）、即ち裏側固体電解質層５５の表面に、隔離セパレータ４７の内縁部が接するように配置するとともに、枠部５３を形成するように、空気極フレーム４１、絶縁フレーム４３、中間フレーム４５、隔離セパレータ４７、燃料極フレーム４９の順で、ボルト１１〜２１を通す貫通孔５１が一致するように重ね合わせ、治具を用いて組み付けて、その接触部分をロウ材により接合一体化した。

尚、ロウ材としては、例えばＡｇを主成分とする合金（Ａｇ９５質量％−Ｐｄ５質量％）を用いることができ、ロウ付け方法としては、例えばロウ材箔を接合する部材間に配置して加熱するなど、周知の方法を採用できる。

次に、上述のように接合一体化した部材を用い、前記図４の固体電解質形燃料電池１の
構成となるように、セル間セパレータ３３、空気極側集電体３５、燃料極側集電体３７、スペーサ６９、遮蔽プレート６１、６３、枠体６５などを、積層して一体にして、固体電解質形燃料電池１を組み付けた。

そして、この固体電解質形燃料電池１の枠部５３に形成した貫通孔５３にボルト７〜２１を嵌め込むとともに、それらの両端からナット９３を螺合させて締め付け、固体電解質形燃料電池１を押圧して一体化した。

尚、燃料ガスや空気をモジュール外に排出（又はモジュール内に導入）しないボルトには、有底のナットを使用して開口部を封鎖する。
ｃ）次に、本実施例の効果について説明する。

本実施例では、図５に要部を示す様に、燃料極２５の表面は、固体電解質体２７により、裏側の露出部分を除いて袋状に覆われており、緻密で強固な裏側固体電解質層５５に隔離セパレータ４７が接合されている。

つまり、隔離セパレータ４７は、空気極２９が形成された表側ではなく、その反対側に形成された裏側固体電解質層５５に接合されている。
従って、隔離セパレータ４７のセル本体３９との接合代を燃料極２５側に設けているため、空気極２９の面積は、特に制限されないので、空気極２９は、燃料極２５と略同サイズにまで拡大可能なため、高い発電出力を確保することができる。また、裏側固体電解質層５５による十分な接合部を確保することができるため、隔離セパレータ４７とセル本体３９との接合強度を高めることができる。

更に、本実施例では、裏側固体電解質層５５の幅は、固体電解質形燃料電池１の寿命を考慮して広めに設定することも可能であり、その点からも、接合部分の信頼性が向上するという利点がある。

また、燃料極２５は、固体電解質形燃料電池１の作動時に還元されて組織が変化するので、燃料極２５の裏側にも、固体電解質形燃料電池１の作動時も含めて形状的に安定な固体電解質体（即ち裏側固体電解質層５５）を形成し、この裏側固体電解質層５５に隔離セパレータ４７を接合することは好適である。

更に、裏側面に裏側固体電解質層５５を設けることにより、セル本体３９の断面形状がより対称に近くなるので、セル本体３９のそりによる変形を抑制できるという利点もある。

その上、本実施例では、積層方向における空気極２９の面積は、積層方向における燃料極２５の面積の７０〜１００％であるので、高い発電出力が得られる。

次に、実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例は、燃料極の裏側固体電解質層の枠内にも、部分的に固体電解質層を設けたものである。

図６（ａ）、（ｂ）に要部を示す様に、本実施例の固体電解質形燃料電池１０１では、前記実施例１と同様に、燃料極１０３と（裏側固体電解質層１０９を含む）固体電解質体
１０５と空気極１０７からなるセル本体１１１を備えている。また、裏側固体電解質層１０９に隔離セパレータ１１３が接合されている。

特に本実施例では、枠状の裏側固体電解質層１０９の内側（枠内）における燃料極１０３表面にて、燃料極側集電体１１５と接触する露出部分があるように、固体電解質体１０５と同様な材料からなる内側固体電解質層１１７を、（積層方向から見て）メッシュ状に形成している。

これによって、更にセル本体１１１の断面形状がより対称に近くなるので、セル本体１１７のそりによる変形を一層抑制できるという利点もある。

次に、実施例３について説明するが、前記実施例２と同様な内容の説明は省略する。
本実施例は、燃料極の裏面側の穴部（凹部）を形成したものである。
図６（ｃ）、（ｄ）に要部を示す様に、本実施例の固体電解質形燃料電池１２１では、前記実施例２と同様に、燃料極１２３と（裏側固体電解質層１２９を含む）固体電解質体１２５と空気極１２７からなるセル本体１３１を備えるとともに、内側固体電解質層１３３を備えている。また、裏側固体電解質層１２９に隔離セパレータ１３５が接合されている。

特に本実施例では、燃料極１２３の裏側の露出部分、即ち裏側固体電解質層１２９や内側固体電解質層１３３が形成されていない部分には、凹状に形成された小径の穴部１３７が形成されている。尚、穴部１３７の底は、燃料極１２３の表面側には達していない。

この穴部１３７は、燃料極１２３と燃料極側集電体１３９との接触を妨げないように、燃料極１２３の裏側の露出部分の一部に、分散して多数形成されている。
これにより、燃料ガスが効率的に反応場に到達するため、燃料利用率が高い条件でも、十分に燃料ガスの供給が可能になり、出力低下を低減できる。

次に、実施例４について説明するが、前記実施例３と同様な内容の説明は省略する。
本実施例は、燃料極フレームの開口部分を小さくしたものである。
図７（ａ）、（ｂ）に要部を示す様に、本実施例の固体電解質形燃料電池１４１では、前記実施例３と同様に、燃料極１４３と（裏側固体電解質層１４９を含む）固体電解質体１４５と空気極１４７からなるセル本体１５１を備えるとともに、内側固体電解質層１５３や穴部１５５を備えている。また、裏側固体電解質層１４９に隔離セパレータ１５７が接合されている。

特に本実施例では、燃料極フレーム１５９の開口部１６１の開口面積が（実施例３より）小さく、燃料極フレーム１５９の内縁部は、隔離セパレータ１５７の開口部１６３の内縁部近くまで迫っている。

これにより、燃料極側集電体１６３の周囲の空間が狭くなるので、燃料ガスが燃料極１４３を素通りする部分が少なくなる。よって、ガス通過を邪魔する空間充填材の必要が無くなり、また、燃料ガスが有効利用されるので、発電効率が向上する。

尚、燃料極フレーム１５９の開口部１６１は、燃料極側集電体１６５より僅かに大きいサイズまで小さくすると、一層効果的で好ましい。

次に、実施例５について説明するが、前記実施例４と同様な内容の説明は省略する。
本実施例は、セル間セパレータに凹部を設けて燃料極側集電体の一部を収容したものである。

図７（ｃ）、（ｄ）に要部を示す様に、本実施例の固体電解質形燃料電池１７１では、前記実施例４と同様に、燃料極１７３と（裏側固体電解質層１７９を含む）固体電解質体１７５と空気極１７７からなるセル本体１８１を備えるとともに、内側固体電解質層１８３や穴部１８５を備えている。また、裏側固体電解質層１７９に隔離セパレータ１８７が接合されている。

特に本実施例では、セル間セパレータ１８９に、同図の下側に張り出す凹部１９１が形成されており、この凹部１９１に燃料極側集電体１９３の底部が収容されている。
また、隔離セパレータ１８７とセル間セパレータ１８９との間には、燃料極プレートの代わりにマイカシート１９５が配置されている。尚、マイカシート１９５は省略可能である。ここでは、燃料極プレートとセル間セパレータ１８９を一体化した構造としてもよいが、別体でもよい。

これにより、セル間セパレータ１８９の剛性が高くなるので、セル間セパレータ１８９で、強固にセル内部の構造物（セル本体１８１や空気極側集電体１９７や燃料極側集電体１８３等）を密着させることができる。よって、（電気的な）接触抵抗が低減するとともに、気密性も向上する。

尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば、固体酸化物燃料電池としては、上述した様な中空ボルトを用いて、ガスの流通とスタックの固定を行うもの以外に、例えば特願２００６−１９４２４５号の図１〜図８等に記載の様に、ロウ材等によってセル等を接合し、そのセルの枠部を貫通するように設けたガス流路を利用して、空気や燃料を供給したり排出する構成の（帯状のマニホールドタイプの）固体電解質形燃料電池にも、本発明を適用できる。

実施例１の固体電解質形燃料電池を示す斜視図である。 固体電解質形燃料電池セルを分解した状態を示す説明図である。 燃料極及び隔離プレートを分解し裏側から見た状態を示す斜視図である。 （ａ）図１のＡ−Ａ断面において空気の流路を示す説明図、（ｂ）図１のＢ−Ｂ断面において燃料ガスの流路を示す説明図である。 （ａ）図１のＡ−Ａ断面の固体電解質形燃料電池セルを示す説明図、（ｂ）図１のＢ−Ｂ断面の燃料ガスの流路を示す説明図である。 （ａ）実施例２における固体電解質形燃料電池セルを示す（図１のＡ−Ａ断面の）説明図、（ｂ）実施例２における固体電解質形燃料電池セルを示す（図１のＢ−Ｂ断面の）説明図、（ｃ）実施例３における固体電解質形燃料電池セルを示す（図１のＡ−Ａ断面の）説明図、（ｄ）実施例３における固体電解質形燃料電池セルを示す（図１のＢ−Ｂ断面の）説明図である。 （ａ）実施例４における固体電解質形燃料電池セルを示す（図１のＡ−Ａ断面の）説明図、（ｂ）実施例４における固体電解質形燃料電池セルを示す（図１のＢ−Ｂ断面の）説明図、（ｃ）実施例５における固体電解質形燃料電池セルを示す（図１のＡ−Ａ断面の）説明図、（ｄ）実施例５における固体電解質形燃料電池セルを示す（図１のＢ−Ｂ断面の）説明図である。

符号の説明

１、１０１、１２１、１４１、１７１…固体電解質形燃料電池モジュール
３…固体電解質形燃料電池セル
４…固体電解質形燃料電池スタック
７、９、１１、１３、１５、１７、１９、２１…ボルト
２３…燃料ガス流路
２５、１０３、１２３、１４３、１７３…燃料極
２７、１０５、１２５、１４５、１７５…固体電解質体
２９、１０７、１２７、１４７、１７７…空気極
３１…空気流路
３３…セル間セパレータ
３９、１１１、１３１、１５１、１７１…セル本体
４７、１１３、１３５、１４１、１５７、１８７…隔離セパレータ
５５、１０９、１２９、１４９、１７９…裏側固体電解質層
１１７、１３３、１５３、１８１…内側固体電解質層
１３７、１５５、１８３…穴部
１９１…凹部

Claims (7)

1. 固体電解質体と、該固体電解質体の一面に設けられ、燃料ガスに接する燃料極と、該固体電解質体の他面に設けられ、酸化剤ガスに接する空気極とを有する固体電解質形燃料電池セルを、ガスの流通を遮断するセル間セパレータを介して、複数積層した固体電解質形燃料電池であって、
   前記固体電解質形燃料電池セルは、
   前記燃料極の表面全体を、前記固体電解質体によって、前記空気極と反対側の裏側面の一部を除いて袋状に覆うとともに、
   前記裏側面の前記固体電解質体の表面に、ガスの流通を遮断する隔離セパレータを接合したことを特徴とする固体電解質形燃料電池。
2. 前記固体電解質形燃料電池セルの積層方向における前記空気極の面積が、前記積層方向における前記燃料極の面積の７０〜１００％であることを特徴とする請求項１に記載の固体電解質形燃料電池。
3. 前記裏側面の前記固体電解質体は、前記裏面側の周縁部を覆う枠状であり、該枠状の固体電解質体に前記隔離セパレータを接合したことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体電解質形燃料電池。
4. 前記燃料極の裏側面において、前記枠状に形成された固体電解質体の内側に、部分的に固体電解質体を形成したことを特徴とする請求項３に記載の固体電解質形燃料電池。
5. 前記燃料極の裏側面のうち、前記固体電解質体の形成されていない露出部分に穴部を形成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池。
6. 前記燃料極の周囲に配置される枠状のスペーサである燃料極フレームと、前記空気極の周囲に配置される枠状のスペーサである空気極フレームとを備えるとともに、
   前記燃料極フレームの前記積層方向における開口面積を、前記空気極フレームの前記積層方向における開口面積より小さくしたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池。
7. 前記燃料極の裏側面に、前記燃料極と接触する燃料極側集電体を配置するとともに、前記燃料極側のセル間セパレータに、前記積層方向の外側に張り出すように凹部を設け、該凹部に前記燃料極側集電体の一部を収容したことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池。

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