JP2014086274A

JP2014086274A - 固体酸化物形燃料電池の単セルスタック

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Publication number: JP2014086274A
Application number: JP2012234425A
Authority: JP
Inventors: Kotoe Mizuki; 琴絵水木; Satoshi Sugita; 敏杉田; Yoshiaki Yoshida; 吉晃吉田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-10-24
Filing date: 2012-10-24
Publication date: 2014-05-12
Anticipated expiration: 2032-10-24
Also published as: JP5529946B2

Abstract

【課題】ガラスシールを用いた内部マニホールド型の単セルスタックによる固体酸化物形燃料電池における空気極の劣化が抑制できるようにする。
【解決手段】第１マニホールド孔１１１ａの周囲に設けられ連続した帯状のスリットである貫通溝１１０を備える。貫通溝１１０は、セルホルダー板１０１を貫通している。ここで、貫通溝１１０は、少なくとも第１マニホールド孔１１１ａと第３マニホールド孔１１２ａとの間から、第１マニホールド孔１１１ａとセル収容開口部１１３との間にかけて形成されていることが重要である。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気極側のインターコネクタ板，燃料極側のインターコネクタ板，および単セルから構成される固体酸化物形燃料電池の単セルスタックに関する。

従来より、固体酸化物からなる平板状の電解質層と、電解質層の一方の面に形成した空気極と、電解質層の他方の面に形成した燃料極とで単セルを形成した固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cells：ＳＯＦＣ）が知られている。このような燃料電池では、燃料極に燃料ガスを供給し、空気極に酸化剤ガスを供給して酸化還元反応を行わせることにより、水の電気分解の逆の反応を利用して発電している。固体酸化物形燃料電池は、高いエネルギー変換効率を有するとともに、二酸化炭素の排出を抑えた発電が行えるため、多くの研究機関で開発が盛んに行われている。

固体酸化物形燃料電池を実際に動作させる際には、実用上十分な発電量を得るために単セルを積み重ねてスタック化して直列接続している。このようなスタック構造では、燃料極側を還元雰囲気に、空気極側を酸化雰囲気に保つとともに、十分な発電効率を得るために電解質のイオン伝導性を確保して容易に電気化学反応が起こる８００−１０００℃程度の高温に燃料電池本体を保つ必要がある。これを実現するために、隣り合う単セル間で互いに異なる雰囲気に晒される燃料極と空気極との間を、ガス不透過でかつ電気伝導性のある部品で電気的に接続し、各電極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを適正に分配および供給する目的で、各単セル間に金属で作られたインターコネクタ（セパレータ）が配置される。また、単セルとインターコネクタとの間には、これらの電気的な接続を確実にするために金属からなる集電部材が配設されている。

単セルと、この単セルを収容するインターコネクタと、単セルとインターコネクタとの間に配設される集電部材とを備えた単セルスタックを積み重ね、インターコネクタを介してマニホールドから供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスを各単セルに供給する。この状態で、スタックの一端および他端のインターコネクタを端子とする電池の電気回路を構成することにより、固体酸化物形燃料電池は、所定のレベルの電圧を生成することができる。

上述した固体酸化物形燃料電池で用いられるインターコネクタには、セラミックの作製工程で生じる単セルの微妙な形状の差異によることなく燃料ガスを単セルの反応界面まで均一に供給するために、集電部材や接触する面に複数個の溝や柱状の突起物が形成されている。この面に導かれた燃料ガスは、形成されている溝や突起物の配置に沿ってインターコネクタと集電部材との間を流れていくことにより、面内に一様に広がる。このように一様に広がった後、燃料ガスや酸化剤ガスは、集電部材を透過して単セルに到達する。これにより、燃料ガスまたは酸化剤ガスは、単セルの燃料極または空気極に対して均一に供給されることとなる。

また、インターコネクタのガス流路に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するには、燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する配管を、使用する単セルと同数分岐し、また、分岐した配管とインターコネクタのガス流路溝とを接続する配管部品が必要となる。この部品は、マニホールドと呼ばれ、上述したように燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給配管を直接溝に連結するタイプを外部マニホールドと呼ぶ。

また、マニホールドには、構造をより簡単にした内部マニホールドと呼ぶ形式のものがある。内部マニホールドは、ガス流路を形成したインターコネクタに貫通した孔を設け、ガス流路の出入り口をこの孔に連結し、この孔から反応ガスを供給し、生成ガスを排出するものである。

さらに、同じ単セルの空気極側に配置されるインターコネクタと、燃料極側に配置されるインターコネクタとは、絶縁分離されていることが重要となる。このインターコネクタ間の絶縁方法には、物理的にインターコネクタ同士を離間して配置する方法と、絶縁部材を挟んで配置する方法とがある。前述したようにスタック化する場合には、絶縁部材を用いる方法が一般的である。

ここで、単セルスタックの構成例について図４を用いて簡単に説明する。図４は、固体酸化物形燃料電池の単セルスタックの構成例を示す斜視図である。単セルスタックは、セルホルダー板４０１，空気極インターコネクタ板４０２，燃料極インターコネクタ板４０３，およびセルホルダー板４０１に収容される単セル４０４から構成されている。セルホルダー板４０１は、絶縁材料の板部材から構成され、空気極インターコネクタ板４０２，燃料極インターコネクタ板４０３は、ステンレス鋼などの金属材料の板部材から構成されている。

単セル４０４は、電解質層４４１，燃料極４４２，空気極４４３から構成され、電解質層４４１の一方の面（図中裏面）に燃料極４４２が形成され、電解質層４４１の他方の面（図中上面）に空気極４４３が形成されている。この例では、燃料極支持型他である。なお、図４では、単セルが収容されたセルホルダー板４０１，空気極インターコネクタ板４０２，および燃料極インターコネクタ板４０３を、各々離間させた状態で示しているが、実際には、積層して用いられる。

セルホルダー板４０１は、第１マニホールド孔４１１ａ，第２マニホールド孔４１１ｂ，第３マニホールド孔４１２ａ，第４マニホールド孔４１２ｂ，およびセル収容開口部４１３を備える。単セル４０４は、セル収容開口部４１３に収容される。また、第１マニホールド孔４１１ａ，第２マニホールド孔４１１ｂ，第３マニホールド孔４１２ａ，第４マニホールド孔４１２ｂは、セル収容開口部４１３の周囲に配置される。

この例では、第１マニホールド孔４１１ａおよび第３マニホールド孔４１２ａは、セル収容開口部４１３を挟む２つの領域の一方に配置され、第２マニホールド孔４１１ｂおよび第４マニホールド孔４１２ｂは、セル収容開口部４１３を挟む２つの領域の他方に配置されている。また、この例では、セル収容開口部４１３は、平面視矩形であり、単セル４０４も平面視矩形である。

空気極インターコネクタ板４０２は、第１マニホールド孔４１１ａと同じ領域に形成された第５マニホールド孔４２１ａ、第２マニホールド孔４１１ｂと同じ領域に形成された第６マニホールド孔４２１ｂと、第３マニホールド孔４１２ａと同じ領域に形成された第７マニホールド孔４２２ａ、第４マニホールド孔４１２ｂと同じ領域に形成された第８マニホールド孔４２２ｂを備える。また、空気極インターコネクタ板４０２は、第５マニホールド孔４２１ａから第６マニホールド孔４２１ｂにかけて形成された溝部からなる空気極流路領域４２３を備える。

燃料極インターコネクタ板４０３は、第１マニホールド孔４１１ａ（第５マニホールド孔４２１ａ）と同じ領域に形成された第９マニホールド孔４３１ａ、第２マニホールド孔４１１ｂ（第６マニホールド孔４２１ｂ）と同じ領域に形成された第１０マニホールド孔４３１ｂ、第３マニホールド孔４１２ａ（第７マニホールド孔４２２ａ）と同じ領域に形成された第１１マニホールド孔４３２ａ、第４マニホールド孔４１２ｂ（第８マニホールド孔４２２ｂ）と同じ領域に形成された第１２マニホールド孔４３２ｂを備える。また、燃料極インターコネクタ板４０３は、第９マニホールド孔４３１ａから第１０マニホールド孔４３１ｂにかけて形成された溝部からなる燃料極流路領域４３３を備える。

この単セルスタックでは、まず、第５マニホールド孔４２１ａ−第１マニホールド孔４１１ａ−第９マニホールド孔４３１ａによる連通口（空気供給マニホールド）に供給された空気は、空気極インターコネクタ板４０２の空気極流路領域４２３を流れて空気極４４３に供給される。また、空気極４４３に供給された空気は、第６マニホールド孔４２１ｂに到達し、第６マニホールド孔４２１ｂ−第２マニホールド孔４１１ｂ−第１０マニホールド孔４３１ｂによる連通口（排空気回収マニホールド）に回収される。

また、第７マニホールド孔４２２ａ−第３マニホールド孔４１２ａ−第１１マニホールド孔４３２ａによる連通口（燃料ガス供給マニホールド）に供給された燃料ガスは、燃料極インターコネクタ板４０３の燃料極流路領域４３３を流れて燃料極４４２に供給される。このようにして燃料極４４２に供給された燃料ガスは、第８マニホールド孔４２２ｂ−第４マニホールド孔４１２ｂ−第１２マニホールド孔４３２ｂによる連通口（排燃料ガス回収マニホールド）に回収される。

ところで、金属部材からなるインターコネクタ同士は、界面がほぼ滑面で、高温下における拡散接合により接合するためにガス気密性も高い。一方で、絶縁部材とインターコネクタとの界面では拡散接合は見込めず、また絶縁部材の表面も粗いため、単に当接して配置する状態では、高いガス気密性が得られない。

このため、図４に示すように、絶縁部材であるセルホルダー板４０１と空気極インターコネクタ板４０２との間にガラスシール４１６を配置し、セルホルダー板４０１と燃料極インターコネクタ板４０３にガラスシール４１７を配置してガス気密性を得るようにしている。ガラスシール４１６は、燃料ガスが通過する第３マニホールド孔４１２ａおよび第４マニホールド孔４１２ｂの周囲に設ける。また、ガラスシール４１７は、第３マニホールド孔４１２ａおよび第４マニホールド孔４１２ｂから、燃料極流路領域４３３を形成する溝部の周囲に設ける。

このようなガラスシールには、７００℃〜９００℃の雰囲気で揮発せず、かつ軟化して弾力性を有する特性が求められる。ガラスシールの成分としては、例えば、二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）、酸化カリウム（Ｋ₂Ｏ）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化鉛（ＰｂＯ）、酸化ホウ素（Ｂ₂Ｏ₃）、酸化ナトリウム（Ｎａ₂Ｏ）などが知られている（特許文献１参照）。

特開２００７−１４９４３０号公報特開２００８−１１７７３７号公報

ところで、上述したガラスシールの存在により、例えばランタンニッケル鉄酸化物を用いた空気極の劣化が加速することが確認されている。これは、運転動作時の高温状態でガラスシールより発生するガス成分の影響と考えられる。このため、上述したように、ガラスシールは、燃料ガスが通過する領域の周囲に限定し、空気などの酸化剤ガスの通過する領域や空気極が配置される領域の周囲には配置しないようにしている。

しかしながら、前述した内部マニホールド型として燃料ガスの通過する領域と酸化剤ガスが通過する領域を同一の板部材に形成した構成では、上述したようにガラスシールを配置しても、空気極を劣化させて固体酸化物形燃料電池の発電性能が維持できない場合あることが発明者らにより確認された。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ガラスシールを用いた内部マニホールド型の単セルスタックによる固体酸化物形燃料電池における空気極の劣化が抑制できるようにすることを目的とする。

本発明に係る固体酸化物形燃料電池の単セルスタックは、電解質層と、電解質層の一方の面に形成された燃料極と、電解質層の他方の面に形成された空気極とから構成されて積み重ねられて用いられる単セルと、単セルの空気極側に配置された空気極インターコネクタ板および単セルの燃料極側に配置された燃料極インターコネクタ板と、単セルを挟んで配置された燃料極インターコネクタ板および空気極インターコネクタ板の間に配置され、セル収容開口部を備えてセル収容開口部に単セルを収容するセルホルダー板と、セルホルダー板のセル収容開口部の周囲に形成された第１マニホールド孔，第２マニホールド孔，第３マニホールド孔，第４マニホールド孔と、第１マニホールド孔，第２マニホールド孔，第３マニホールド孔，および第４マニホールド孔と同じ領域の空気極インターコネクタ板に形成された第５マニホールド孔，第６マニホールド孔，第７マニホールド孔，および第８マニホールド孔と、第１マニホールド孔，第２マニホールド孔，第３マニホールド孔，および第４マニホールド孔と同じ領域の燃料極インターコネクタ板に形成された第９マニホールド孔，第１０マニホールド孔，第１１マニホールド孔，および第１２マニホールド孔と、空気極インターコネクタ板の第５マニホールド孔から第６マニホールド孔にかけて形成された溝部からなる空気極流路領域と、燃料極インターコネクタ板の第９マニホールド孔から第１０マニホールド孔にかけて形成された溝部からなる燃料極流路領域と、セルホルダー板と空気極インターコネクタ板との間に配置され、第３マニホールド孔および第４マニホールド孔の周囲に帯状に設けられた第１ガラスシールと、セルホルダー板と燃料極インターコネクタ板に配置され、第３マニホールド孔および第４マニホールド孔から燃料極流路領域を形成する溝部の周囲に帯状に設けられた第２ガラスシールと、第１マニホールド孔の周囲に設けられてセルホルダー板を貫通して連続した帯状の貫通溝とを備え、貫通溝は、少なくとも第１マニホールド孔と第３マニホールド孔との間から第１マニホールド孔とセル収容開口部との間にかけて形成されている。

上記固体酸化物形燃料電池の単セルスタックにおいて、第１マニホールド孔と第３マニホールド孔との間の部分の一端および第１マニホールド孔とセル収容開口部の間の部分の一端は、セルホルダー板の外周端に到達しているとよい。また、貫通溝は、第１マニホールド孔を囲う状態に形成されているようにしてもよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、ガラスシールを用いた内部マニホールド型の単セルスタックによる固体酸化物形燃料電池における空気極の劣化が抑制できるようになる。

図１は、本発明の実施の形態における固体酸化物形燃料電池の単セルスタックの構成を示す斜視図である。図２は、実際に作製した単セルスタックを用いた連続発電実験による出力電圧の経時変化を測定した結果を示す特性図である。図３は、本発明の実施の形態における固体酸化物形燃料電池の単セルスタックの一部構成を示す平面図である。図４は、内部マニホールド型の固体酸化物形燃料電池の単セルスタックの構成を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における固体酸化物形燃料電池の単セルスタックの構成を示す斜視図である。

単セルスタックは、セルホルダー板１０１，空気極インターコネクタ板１０２，燃料極インターコネクタ板１０３，およびセルホルダー板１０１に収容される単セル１０４から構成されている。セルホルダー板１０１は、絶縁材料の板部材から構成され、空気極インターコネクタ板１０２，燃料極インターコネクタ板１０３は、ステンレス鋼などの金属材料の板部材から構成されている。

単セル１０４は、電解質層１４１，燃料極１４２，空気極１４３から構成され、電解質層１４１の一方の面（図中裏面）に燃料極１４２が形成され、電解質層１４１の他方の面（図中上面）に空気極１４３が形成されている。この例では、燃料極支持型他である。なお、図１では、単セルが収容されたセルホルダー板１０１，空気極インターコネクタ板１０２，および燃料極インターコネクタ板１０３を、各々離間させた状態で示しているが、実際には、積層して用いられる。また、ここでは、燃料極１４２および空気極１４３は、表面に形成される集電層や金属メッシュなどの集電体などを含んだ電極構造体を示している。

セルホルダー板１０１は、第１マニホールド孔１１１ａ，第２マニホールド孔１１１ｂ，第３マニホールド孔１１２ａ，第４マニホールド孔１１２ｂ，およびセル収容開口部１１３を備える。単セル１０４は、セル収容開口部１１３に収容される。また、第１マニホールド孔１１１ａ，第２マニホールド孔１１１ｂ，第３マニホールド孔１１２ａ，第４マニホールド孔１１２ｂは、セル収容開口部１１３の周囲に配置される。

この例では、第１マニホールド孔１１１ａおよび第３マニホールド孔１１２ａは、セル収容開口部１１３を挟む２つの領域の一方に配置され、第２マニホールド孔１１１ｂおよび第４マニホールド孔１１２ｂは、セル収容開口部１１３を挟む２つの領域の他方に配置されている。また、この例では、セル収容開口部１１３は、平面視矩形であり、単セル１０４も平面視矩形である。

空気極インターコネクタ板１０２は、第１マニホールド孔１１１ａと同じ領域に形成された第５マニホールド孔１２１ａ、第２マニホールド孔１１１ｂと同じ領域に形成された第６マニホールド孔１２１ｂと、第３マニホールド孔１１２ａと同じ領域に形成された第７マニホールド孔１２２ａ、第４マニホールド孔１１２ｂと同じ領域に形成された第８マニホールド孔１２２ｂを備える。また、空気極インターコネクタ板１０２は、第５マニホールド孔１２１ａから第６マニホールド孔１２１ｂにかけて形成された溝部からなる空気極流路領域１２３を備える。

燃料極インターコネクタ板１０３は、第１マニホールド孔１１１ａ（第５マニホールド孔１２１ａ）と同じ領域に形成された第９マニホールド孔１３１ａ、第２マニホールド孔１１１ｂ（第６マニホールド孔１２１ｂ）と同じ領域に形成された第１０マニホールド孔１３１ｂ、第３マニホールド孔１１２ａ（第７マニホールド孔１２２ａ）と同じ領域に形成された第１１マニホールド孔１３２ａ、第４マニホールド孔１１２ｂ（第８マニホールド孔１２２ｂ）と同じ領域に形成された第１２マニホールド孔１３２ｂを備える。また、燃料極インターコネクタ板１０３は、第９マニホールド孔１３１ａから第１０マニホールド孔１３１ｂにかけて形成された溝部からなる燃料極流路領域１３３を備える。

この単セルスタックでは、まず、第５マニホールド孔１２１ａ−第１マニホールド孔１１１ａ−第９マニホールド孔１３１ａによる連通口（空気供給マニホールド）に供給された空気は、空気極インターコネクタ板１０２の空気極流路領域１２３を流れて空気極１４３に供給される。また、空気極１４３に供給された空気は、第６マニホールド孔１２１ｂに到達し、第６マニホールド孔１２１ｂ−第２マニホールド孔１１１ｂ−第１０マニホールド孔１３１ｂによる連通口（排空気回収マニホールド）に回収される。

また、第７マニホールド孔１２２ａ−第３マニホールド孔１１２ａ−第１１マニホールド孔１３２ａによる連通口（燃料ガス供給マニホールド）に供給された燃料ガスは、燃料極インターコネクタ板１０３の燃料極流路領域１３３を流れて燃料極１４２に供給される。このようにして燃料極１４２に供給された燃料ガスは、第８マニホールド孔１２２ｂ−第４マニホールド孔１１２ｂ−第１２マニホールド孔１３２ｂによる連通口（排燃料ガス回収マニホールド）に回収される。

また、絶縁材料から構成されたセルホルダー板１０１と、金属部材からなる空気極インターコネクタ板１０２および燃料極インターコネクタ板１０３との間で高いガス気密性を得るために、ガラスシール１１６およびガラスシール１１７を形成している。ガラスシール１１６は、セルホルダー板１０１と空気極インターコネクタ板１０２との間に配置している。また、ガラスシール１１７は、セルホルダー板１０１と燃料極インターコネクタ板１０３に配置している。

ガラスシール１１６は、燃料ガスが通過する第３マニホールド孔１１２ａおよび第４マニホールド孔１１２ｂの周囲に帯状に設けている。また、ガラスシール１１７は、第３マニホールド孔１１２ａおよび第４マニホールド孔１１２ｂから、燃料極流路領域１３３を形成する溝部の周囲に帯状に設けている。なお、説明の便宜上、図１では、ガラスシール１１６をセルホルダー板１０１の上に配置し、ガラスシール１１７を燃料極インターコネクタ板１０３の上に配置した状態で示している。

加えて、実施の形態における単セルスタックは、第１マニホールド孔１１１ａの周囲に設けられ連続した帯状のスリットである貫通溝１１０を備える。貫通溝１１０は、セルホルダー板１０１を貫通している。ここで、貫通溝１１０は、少なくとも第１マニホールド孔１１１ａと第３マニホールド孔１１２ａとの間から、第１マニホールド孔１１１ａとセル収容開口部１１３との間にかけて形成されていることが重要である。

図１に示す例では、貫通溝１１０は、第１マニホールド孔１１１ａと第３マニホールド孔１１２ａとの間の部分の一端、および第１マニホールド孔１１１ａとセル収容開口部１１３の間の部分の一端が、セルホルダー板１０１の外周端に到達している。従って、第１マニホールド孔１１１ａが形成されている部分１０５は、セルホルダー板１０１の本体より分離した状態となっている。

この単セルスタックを積み重ねて用いることで、実用上十分な発電量が得られる状態とする。例えば、セルホルダー板１０１のセル収容開口部１１３に未焼成の状態の複数の単セル１０４を収容し、セルホルダー板１０１にガラスシール１１６およびガラスシール１１７となる部分にガラスシール材を塗布し、これらを空気極インターコネクタ板１０２および燃料極インターコネクタ板１０３に挟む。用いるガラスシール材は、例えば、軟化点が７００℃以上であればよい。このように組み立てた状態の所定数の単セルスタックを積み重ねてスタック構造とし、これを燃料電池システム構造体に組み込み、動作時と同様の温度状態（７５０〜９００℃の雰囲気）として単セル１０４をおよびガラスシール材を焼成して固体酸化物形燃料電池とすればよい。

熱処理により、異なる単セル間の空気極インターコネクタ板１０２と燃料極インターコネクタ板１０３とは、各々の接触部分が拡散接合して一体となる。また、セルホルダー板１０１と空気極インターコネクタ板１０２は、燃料ガスが通過する領域の接続部分が、ガラスシール１１６によりシールされる。また、セルホルダー板１０１と燃料極インターコネクタ板１０３は、燃料ガスが通過する領域の接続部分が、ガラスシール１１７によりシールされる。

ここで、実施の形態によれば、貫通溝１１０を設けているので、ガラスシール１１６およびガラスシール１１７が溶融した流体は、貫通溝１１０に貯留されて第１マニホールド孔１１１ａに到達することが抑制されるようになる。

発明者らの検討により、燃料ガスの通過する領域と酸化剤ガスが通過する領域を同一の板部材に形成した内部マニホールド型では、ガラスシール１１６およびガラスシール１１７を燃料ガスが通過する領域に限定して形成して場合においても、空気極１４３を劣化させ、固体酸化物形燃料電池の発電性能が維持できない場合あることを確認した。これば、空気極１４３が、ランタンニッケル鉄酸化物を含んで構成されている場合に顕著である。

このようなガラスシール１１６およびガラスシール１１７を燃料ガスが通過する領域に限定して形成している場合にも発生する空気極１４３の劣化は、ガラスシール１１６およびガラスシール１１７が溶融した流体が、第１マニホールド孔１１１ａに到達するために発生しているものと考えられる。第１マニホールド孔１１１ａに到達したガラスシール材は、第１マニホールド孔１１１ａより構成される空気供給マニホールドを通過する酸化剤ガスに接触可能な状態となる。この状態では、動作時の高温状態で発生するガラスシール材の成分の気体が、空気極１４３に到達することになる。この結果、上述した空気極１４３の劣化が発生しているものと考えられる。

これに対し、貫通溝１１０を設けることで、ガラスシール１１６およびガラスシール１１７が溶融した流体の第１マニホールド孔１１１ａへの到達を抑制すれば、第１マニホールド孔１１１ａより構成される空気供給マニホールドを通過する酸化剤ガスへのガラスシール材の接触が防止できるようになる。この結果、空気極１４３の劣化が防止できるようになる。

ここで、実際に作製した単セルスタックを用いた連続発電実験による出力電圧の経時変化を測定した結果を図２に示す。図２において、実線（ａ）は、実施の形態１における単セルスタックの結果を示し、点線（ｂ）は、図４を用いて説明した単セルスタックの結果（比較例）を示している。比較例では、電圧低下が顕著であるが、実施の形態の単セルスタックでは、初期発電開始後の４０時間の電圧降下が１％以内と安定した発電性能を示している。

以上に説明したように、本発明によれば、セルホルダー板のセル収容開口部の周囲に形成された酸化剤ガスが通過するマニホールドとなる第１マニホールド孔の周囲に帯状の貫通溝を設けるようにしたので、第１マニホールド孔へのガラスシール材の到達が抑制できるようになる。この結果、ガラスシールを用いた内部マニホールド型の単セルスタックによる固体酸化物形燃料電池における空気極の劣化が抑制できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、図３の（ａ）に示すように、セルホルダー板１０１の外周端に到達しない状態の貫通孔１１０ａを、セルホルダー板１０１の第１マニホールド孔１１１ａの周囲に設けるようにしてもよい。また、図３の（ｂ）に示すように、第１マニホールド孔１１１ａを囲う状態の貫通溝１１０ｂを形成してもよい。

ただし、図１に示したように、貫通溝１１０の、第１マニホールド孔１１１ａと第３マニホールド孔１１２ａとの間の部分の一端、および第１マニホールド孔１１１ａとセル収容開口部１１３の間の部分の一端を、セルホルダー板１０１の外周端に到達している状態とすることで、貫通溝１１０に到達したガラスシールが溶融した流体を、貫通溝１１０に沿ってセルホルダー板１０１の外に排出することが可能となる。この状態であれば、貫通溝１１０に到達した流体で、貫通溝１１０が埋まることがなくなり、流体が貫通溝１１０よりあふれて第１マニホールド孔１１１ａの側に侵入することがほぼ完全に防止できるようになる。

また、単セルは、平面視矩形の場合に限るものではなく、平面視円形の単セルであっても同様である。また、単セルは、燃料極支持型に限らず、例えば、電解質支持型であっても同様である。また、上述では、スタックの構成を単セルの外周からガスを供給する方法（サイドフロー）を例に説明したが、インターコネクタの中心部より、燃料極に燃料を供給し、空気極に酸化剤を供給する中心吹き出し構造としてもよい（特許文献２参照）。

１０１…セルホルダー板、１０２…空気極インターコネクタ板、１０３…燃料極インターコネクタ板、１０４…単セル、１０５…部分、１１０…貫通溝、１１１ａ…第１マニホールド孔、１１１ｂ…第２マニホールド孔、１１２ａ…第３マニホールド孔、１１２ｂ…第４マニホールド孔、１１３…セル収容開口部、１１６，１１７…ガラスシール、１２１ａ…第５マニホールド孔、１２１ｂ…第６マニホールド孔、１２２ａ…第７マニホールド孔、１２２ｂ…第８マニホールド孔、１２３…空気極流路領域、１３１ａ…第９マニホールド孔、１３１ｂ…第１０マニホールド孔、１３２ａ…第１１マニホールド孔、１３２ｂ…第１２マニホールド孔、１３３…燃料極流路領域、１４１…電解質層、１４２…燃料極、１４３…空気極。

Claims

電解質層と、前記電解質層の一方の面に形成された燃料極と、前記電解質層の他方の面に形成された空気極とから構成されて積み重ねられて用いられる単セルと、
前記単セルの前記空気極側に配置された空気極インターコネクタ板および前記単セルの前記燃料極側に配置された燃料極インターコネクタ板と、
前記単セルを挟んで配置された前記燃料極インターコネクタ板および前記空気極インターコネクタ板の間に配置され、セル収容開口部を備えて前記セル収容開口部に前記単セルを収容するセルホルダー板と、
前記セルホルダー板の前記セル収容開口部の周囲に形成された第１マニホールド孔，第２マニホールド孔，第３マニホールド孔，第４マニホールド孔と、
前記第１マニホールド孔，前記第２マニホールド孔，前記第３マニホールド孔，および第４マニホールド孔と同じ領域の前記空気極インターコネクタ板に形成された第５マニホールド孔，第６マニホールド孔，第７マニホールド孔，および第８マニホールド孔と、
前記第１マニホールド孔，前記第２マニホールド孔，前記第３マニホールド孔，および第４マニホールド孔と同じ領域の前記燃料極インターコネクタ板に形成された第９マニホールド孔，第１０マニホールド孔，第１１マニホールド孔，および第１２マニホールド孔と、
前記空気極インターコネクタ板の前記第５マニホールド孔から前記第６マニホールド孔にかけて形成された溝部からなる空気極流路領域と、
前記燃料極インターコネクタ板の前記第９マニホールド孔から前記第１０マニホールド孔にかけて形成された溝部からなる燃料極流路領域と、
前記セルホルダー板と前記空気極インターコネクタ板との間に配置され、前記第３マニホールド孔および前記第４マニホールド孔の周囲に帯状に設けられた第１ガラスシールと、
前記セルホルダー板と前記燃料極インターコネクタ板に配置され、前記第３マニホールド孔および前記第４マニホールド孔から前記燃料極流路領域を形成する溝部の周囲に帯状に設けられた第２ガラスシールと、
前記第１マニホールド孔の周囲に設けられて前記セルホルダー板を貫通して連続した帯状の貫通溝と
を備え、
前記貫通溝は、少なくとも前記第１マニホールド孔と前記第３マニホールド孔との間から前記第１マニホールド孔と前記セル収容開口部との間にかけて形成されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池の単セルスタック。
請求項１記載の固体酸化物形燃料電池の単セルスタックにおいて、
前記第１マニホールド孔と前記第３マニホールド孔との間の部分の一端および前記第１マニホールド孔と前記セル収容開口部の間の部分の一端は、セルホルダー板の外周端に到達していることを特徴とする固体酸化物形燃料電池の単セルスタック。
請求項１記載の固体酸化物形燃料電池の単セルスタックにおいて、
前記貫通溝は、前記第１マニホールド孔を囲う状態に形成されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池の単セルスタック。