JP4366658B2

JP4366658B2 - セパレータ及びこれを用いた固体電解質型燃料電池並びにその製造方法

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Publication number: JP4366658B2
Application number: JP2004295505A
Authority: JP
Inventors: 重夫井深; 圭子櫛引; 靖志中島
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Filing date: 2004-10-08
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2024-10-08
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Description

本発明は、一対の電極間に固体電解質を位置させて成る固体電解質型燃料電池のセパレータ及びこれを用いた固体電解質型燃料電池並びにその製造方法に関するものである。

従来、上記したような固体電解質型燃料電池としては、例えば、セパレータとセルと電気絶縁板を備えていて、セパレータと電気絶縁板とを交互に積層してセルがない領域で絶縁するようにしたものや、絶縁性の耐火煉瓦層及びこの耐火煉瓦層の表面にコーティングされた導電性の緻密質コーティング層を有するセパレータを具備したものがある。
特開平８−２７９３６４号公報特開２０００−３６３１０号公報

ところが、従来の固体電解質型燃料電池においては、前者の固体電解質型燃料電池の場合、電気絶縁板とセパレータとの接合部分のシール性に難があると共に、電気絶縁板の強度確保のために厚さが必要となってパッキング密度を高くすることができず、加えて、耐熱衝撃性が低いという問題があった。

また、後者の固体電解質型燃料電池の場合、その構造上、軽量化及び小型化が不可能であるのに加えて、緻密質コーティング層にシール性を担わせているので、信頼性に欠けるという問題を有しており、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、固体電解質型燃料電池の軽量化及び小型化を実現することが可能であると共に、耐衝撃性及びシール性をいずれも高めることができ、加えて、固体電解質型燃料電池のスタック作製プロセスの簡略化をも実現することが可能であるセパレータを提供することを目的としている。

ここで、固体電解質型燃料電池のスタック構造体を自動車に搭載する場合には、容積や、重量や、熱容量の低減が大きな問題であり、これを解決するべく、金属製のセパレータの導入が検討されている。

この金属製のセパレータを導入した場合、カソード導入ガスに接する部位では、金属表面の酸化が進行して、金属材料の強度が低下する可能性があり、一方、アノード導入ガスに接する部位では、金属表面の水蒸気酸化又は粒界腐食が進行して、上記と同じく金属材料の強度が低下する可能性があることから、本発明において、金属製のセパレータの表面に酸化及び還元に耐性を持つ材料をコーティングすることとした。

また、固体電解質型燃料電池を積層してスタック構造体を形成する場合、一般的には互いに重なり合うセパレータ同士の導通はセルを介してなされるが、スタック構造の状況によっては、互いに重なり合うセパレータ間に設けられる集電体を介してセパレータ同士が短絡することがあるため、これを避けるうえでセパレータの表面に絶縁層を形成する必要がある。しかしながら、例えば、セパレータ間にアルミナ板などの絶縁性の高い板材を挿入すると、パッキング密度が低下してしまうことから、本発明において、上記絶縁層として、電子伝導性の低い電解質材料、すなわち、イオン伝導性を有する薄膜をセパレータの表面に成膜することとした。

さらに、セパレータに絶縁材料をコーティングする場合は、マスキングなどが必要となるため、そのプロセスが複雑になる。一方、金属製のセパレータにセルを接合する場合は、ロウ付けや拡散接合が利用されるが、このような真空加熱が必要な処理を施すと、酸化物である電解質や電極に大量の酸素欠損が導入され、セルの性能劣化を引き起こす。したがって、本発明において、セルを構成する電極基板をセパレータ部材に固定してセパレータを形成した後、セパレータの電極基板を含めた一方側の面に、電解質材料を一括して成膜することとした。

すなわち、本発明は、固体電解質型燃料電池用のセパレータであって、板状の金属製セパレータ部材とガス透過孔を有する多孔質電極基板とを固定して成るセパレータにおいて、上記金属製セパレータ部材と多孔質電極基板との段差にテーパを設けると共に、上記金属製セパレータ部材及び多孔質電極基板の前記テーパを含む各一方側の面をイオン伝導性を有する薄膜で被覆した構成としたことを特徴としており、このセパレータの構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

また、本発明は、固体電解質型燃料電池用のセパレータであって、板状の金属製セパレータ部材と電極を支持するガス透過孔を有する多孔質電極支持基板とを固定して成るセパレータにおいて、上記金属製セパレータ部材と多孔質電極支持基板との段差にテーパを設けると共に、上記金属製セパレータ部材及び多孔質電極支持基板が支持する電極並びに前記テーパを含めた各一方側の面をイオン伝導性を有する薄膜で被覆した構成としたことを特徴としており、このセパレータの構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

さらに、本発明の固体電解質型燃料電池は、上記した板状の金属製セパレータ部材とガス透過孔を有する多孔質電極基板とを固定して成るセパレータを備え、金属製セパレータ部材及び多孔質電極基板の各一方側の面をイオン伝導性を有する薄膜で被覆多孔質電極基板を覆っているイオン伝導性を有する薄膜上に上記多孔質電極基板の対極となる電極を形成したことを特徴としている。

さらにまた、本発明の固体電解質型燃料電池は、上記した板状の金属製セパレータ部材と電極を支持するガス透過孔を有する多孔質電極支持基板とを固定して成るセパレータを備え、金属製セパレータ部材及び多孔質電極支持基板が支持する電極を含めた各一方側の面をイオン伝導性を有する薄膜で被覆すると共に、多孔質電極支持基板が支持する電極を覆っているイオン伝導性を有する薄膜上に上記電極の対極となる電極を形成したことを特徴としている。

一方、本発明の固体電解質型燃料電池の製造方法は、上記した板状の金属製セパレータ部材とガス透過孔を有する多孔質電極基板とを固定して成るセパレータを備えた固体電解質型燃料電池を製造するに際して、板状の金属製セパレータ部材にガス透過孔を有する多孔質電極基板を固定し且つ金属製セパレータ部材と多孔質電極支持基板との段差にテーパを設けてセパレータを形成し、次いで、このセパレータの多孔質電極基板及び前記テーパを含めた一方側の面をイオン伝導性を有する薄膜で被覆した後、多孔質電極基板を覆っているイオン伝導性を有する薄膜上に上記多孔質電極基板の対極となる電極を形成することを特徴としている。

また、本発明の固体電解質型燃料電池の製造方法は、上記した板状の金属製セパレータ部材と電極を支持するガス透過孔を有する多孔質電極支持基板とを固定して成るセパレータを備えた固体電解質型燃料電池を製造するに際して、板状の金属製セパレータ部材に電極を支持するガス透過孔を有する多孔質電極支持基板を固定し且つ金属製セパレータ部材と多孔質電極支持基板との段差にテーパを設けてセパレータを形成し、次いで、このセパレータの多孔質電極支持基板が支持する電極及び前記テーパを含めた一方側の面をイオン伝導性を有する薄膜で被覆した後、多孔質電極支持基板が支持する電極を覆っているイオン伝導性を有する薄膜上に上記電極の対極となる電極を形成することを特徴としている。

本発明のセパレータによれば、上記した構成としているので、電極表面に形成されたイオン伝導性薄膜を電解質として機能させることができ、一方、電極が形成されていない領域のイオン伝導性薄膜を絶縁層として機能させることができ、したがって、セパレータとは別に絶縁板を設けたりセパレータの材料として絶縁性の耐火煉瓦を採用したりする必要がないので、固体電解質型燃料電池の軽量化及び小型化を実現することが可能であると共に、耐衝撃性及びシール性をいずれも高めることができるという非常に優れた効果がもたらされる。また、金属製セパレータ部材と多孔質電極基板（多孔質電極支持基板）との接合部分に亀裂が生じにくくなり、ガスリークの発生を回避することができる。

本発明のセパレータにおいて、板状の金属製セパレータ部材とガス透過孔を有する多孔質電極基板とを固定している場合、多孔質電極基板にはセラミック材料が多く用いられ、その接合には接着剤が用いられるほか、ロウ付けや拡散接合などの接合法が採用される。但し、これらの接合法は金属−金属が前提となっているため、セラミック表面のメタライズが必要な場合がある。

一方、板状の金属製セパレータ部材と電極を支持するガス透過孔を有する多孔質電極支持基板とを固定している場合、多孔質電極支持基板にはパンチングボードや発泡金属や金属繊維の不織布などが用いられ、成膜後にエッチング処理により多孔性を付加することも可能である。そして、上記した多孔質電極支持基板を金属製セパレータ部材に固定した後、イオン伝導性薄膜を形成するが、板状を成す金属製の電極支持基板を使用する場合には、金属製セパレータ部材との接合にレーザ溶接やプロジェクション溶接などを用いることが可能である。

また、本発明のセパレータにおいて、金属製セパレータ部材は、ＳＵＳ４３０やＦｅＣｒＳｉやＦｅＣｒＷなどのＦｅ−Ｃｒ系合金、又は、インコネルＸ７５０やインコネル７１８などのＮｉ−Ｃｒ系合金で形成されていることが望ましく、このように、金属製セパレータ部材を上記合金で形成すると、金属製セパレータ部材をセラミックで形成した場合に比べて、軽量化及び低熱量化を実現し得る。

この金属製セパレータ部材の厚さは、薄ければ薄いほど軽量化及びコンパクト化に貢献することができるが、金属製セパレータ部材自体の強度は低下する。材料の強度及び部材の形状にも依存するが、５０〜１０００μｍとすることが望ましく、１００μｍ程度で十分な強度が確保できる。金属製セパレータ部材として用いる材料に関しては、熱衝撃による剥離などを防ぐため、成膜するイオン伝導性材料と熱膨張率が近いものが望ましい。

さらに、本発明のセパレータにおいて、イオン伝導性薄膜の電子伝導性が高いと、絶縁層としての機能を果たせなくなり、その結果、スタック構造体に適用した場合、互いに重なり合うセパレータ同士が短絡してしまうことから、イオン伝導性薄膜は、酸素イオンを伝導させることが可能で、且つ、電子伝導性が低いことが望ましい。したがって、輸率としては、１．０に近いものとすることが望ましい。このように、高い輸率を持つイオン伝導性薄膜を形成することにより、イオン伝導性薄膜が電解質として機能する領域では高い電池性能を確保することができ、一方、イオン伝導性薄膜が絶縁層として機能する領域では高い絶縁性を確保することができる。

酸素イオン伝導性を有する材料には、ＹＳＺ（イットリア添加安定化ジルコニア），ＬＳＧＭ（（Ｌａ_０．９Ｓｒ_０．１）（Ｇａ_０．８Ｍｇ_０．２）Ｏ_２．８５），ＳＤＣ（Ｓｍ_０．２Ｃｅ_０．８Ｏ_ｘ），ＧＤＣ（Ｇｄ_０．１Ｃｅ_０．９Ｏ_ｘ），ＳＳＺ（Ｓｃ_０．１Ｚｒ_０．９Ｏ_ｘ）などの電解質材料が適している。ここで、各材料の組成は代表的なものを示しており、これらの組成比に限定されるものではない。また、セリア系の材料は６００℃以上の高温になると電子伝導性が高くなることから、動作温度を低温化する必要がある。なお、水素イオン伝導性を有する材料でイオン伝導性薄膜を形成しても、酸素イオン伝導性を有する材料を用いた場合と同様の結果が得られる。例えば、イットリアを添加したＢａＣｅ系ペロブスカイト型酸化物材料を用いることができるが、電子伝導性が高くなりやすいので注意が必要である。

本発明の固体電解質型燃料電池において、多孔質電極基板を燃料極基板として金属製セパレータ部材に固定してセパレータを形成した場合は、このセパレータの燃料極基板を含めた一方側の面をイオン伝導性を有する薄膜で被覆した後、燃料極基板を覆って電解質として機能しているイオン伝導性薄膜上に燃料極基板の対極となる空気極の層を形成すると、この電極を形成した領域が燃料電池として機能する。上記空気極は、ＬＳＣ（Ｓｒ複合ランタンコバルト酸化物），ＬＳＭ（Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２ＭｎＯ_ｘ），ＳＳＣ（Ｓｍ_０．５Ｓｒ_０．５ＣｏＯ_ｘ），ＬＳＣＦ（（Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４）（Ｃｏ_０．２Ｆｅ_０．８）Ｏ_３）などの触媒機能を有したペロブスカイト型酸化物で形成することが望ましく、スパッタや、電子ビーム蒸着や、ＡＤ法や、ＰＬＤ法などで成膜することが可能である。

一方、電極を支持する多孔質電極支持基板を金属製セパレータ部材に固定してセパレータを形成した場合は、両方の電極及び電解質をこの多孔質電極支持基板上に形成する必要がある。空気極については前述した通りであるが、燃料極については、ＮｉＯ−ＹＳＺやＮｉＯ−ＳＤＣなどの材料を用いて、スパッタや、電子ビーム蒸着や、ＡＤ法や、ＰＬＤ法などで成膜することが可能である。多孔質電極支持基板に直に形成する電極を燃料極及び空気極のいずれにするかはスタックの構造に依存するものであり、セルの機能としての差異はない。

ここで、上記したように、板状の金属製セパレータ部材とガス透過孔を有する多孔質電極基板とを固定する場合、接着剤が用いられるほか、ロウ付けや拡散接合などの接合法が採用されるが、多孔質電極基板が既にセルの形態をなしていると、接着剤を用いた接合においては、高温での接着性の向上を図るうえで高温の大気焼成を必要とする場合が多いことから、セパレータが酸化してしまうことがあり、ロウ付けや拡散接合においては、真空中で高温熱処理を施すことから、電極や電解質に酸素欠損を大量に発生させてしまい、セル性能の劣化を引き起こす可能性がある。また、セルの形態を成す多孔質電極基板と金属製セパレータ部材とを接合してから、セパレータ表面に絶縁コーティングを施す場合には、マスキングなどが必要となり、スタック作製プロセスが複雑になる。

これに対して、本発明の固体電解質型燃料電池の製造方法において、板状の金属製セパレータ部材とガス透過孔を有する多孔質電極基板（又は多孔質電極支持基板）とを先に固定してセパレータを形成し、このセパレータの基板を含めた一方側の面をイオン伝導性を有する薄膜で一括して被覆するようにしているので、マスキングを必要としない分だけスタック作製プロセスの簡略化が可能となるのに加えて、プロセスによる性能劣化が少なく抑えられることとなる。

また、電解質材料や電極材料を印刷法などの湿式成膜で形成することも可能だが、１０００℃以上の高温での焼成が必要となるため、セパレータの金属が激しく酸化してしまう。したがって、乾式成膜を利用することが望ましく、本発明の固体電解質型燃料電池の製造方法では、イオン伝導性を有する薄膜をＰＶＤ法，ＣＶＤ法，ＰＬＤ法，ＡＤ法，溶射法などの乾式成膜法により形成することとした。その結果、本発明の固体電解質型燃料電池の製造方法では、高温焼成を必要としないので、金属セパレータを激しく酸化させることなくセルの形成及びコーティングが可能となる。

特に、成膜条件により緻密膜と多孔膜の構造制御が可能なスパッタを用いることが望ましく、例えば、緻密膜を形成する場合は、基板温度を高くして、チャンバー内の真空度を高くすればよく、また、多孔膜を形成する場合は基板温度を室温に保ち、真空度を低くすればよい。イオン伝導性を有する薄膜の必要膜厚は、多孔質基板に形成した薄膜の水素ガスのリーク量に依存する。リーク量は膜構造に大きく依存するが、スパッタの場合は５〜３０μｍ程度の膜厚が必要となる。

固体電解質型燃料電池を積層してスタック構造体を形成する場合、セパレータに絶縁層を形成しないと、スタックの形態によっては互いに重なり合う固体電解質型燃料電池のセパレータ同士が、両燃料電池間に設けた集電体を介して短絡してしまう可能性がある。本発明のスタック構造体では、互いに重なり合う固体電解質型燃料電池のうちの一方の固体電解質型燃料電池のセパレータに設けたイオン伝導性を有する薄膜の電極が形成されていない領域に上記集電体を接触させる、すなわち、積層する固体電解質型燃料電池のセパレータにイオン伝導性を有する薄膜を形成して、セパレータ同士が集電体と薄膜を介して接触するようにしているので、短絡を防止することができる。

また、この絶縁により、互いに重なり合う固体電解質型燃料電池の空隙に集電体を満遍なく設置することが可能となることから、振動や衝撃に強いスタック構造となり、加えて、互いに重なり合う固体電解質型燃料電池間にアルミナ板などを入れずに絶縁できることから、パッキング密度が向上するだけでなく、金属製薄板から成るセパレータであったとしても長期信頼性を確保することができるので、スタック構造体の小型化及び軽量化を実現可能となる。

さらに、例えば、ＳＵＳ４３０にＹＳＺを成膜すると、熱膨張係数が近いことから剥離などが発生しにくく、また、スパッタのように基板との密着が良好な工法を利用することにより、耐振動性にも優れたスタック構造体を形成し得ることとなる。

ここで、スタック構造体が円筒状を成している場合、イオン伝導性を有する薄膜は、ドーナツ状の集電体が接触する可能性がある領域にコーティングされている必要があり、具体的には、互いに重なり合う固体電解質型燃料電池間のスペーサ側面及びこのスペーサからセパレータ外周部までのセパレータ表面が対象となる。スペーサの表面に関しては、固体電解質型燃料電池を積層する際の接合法により、コーティングが必要か否かが決まるが、絶縁性のセラミック接着剤やガラス接着剤を利用する場合は必要ない。また、この際の集電体は、Ｆｅ−ＣｒやＮｉ−Ｃｒ系の耐熱合金の金属細線メッシュ，発泡金属などの多孔質金属，炭素を含有する耐熱性繊維による織物，不織布などで構成する。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
図１は、本発明のセパレータの一実施例を示しており、図１に示すように、この固体電解質型燃料電池用のセパレータ１は、円板状の金属製セパレータ部材２と、ガス透過孔を有する円板状の燃料極基板（多孔質電極基板）３と、イオン伝導性を有する薄膜４を備えており、金属製セパレータ部材２の中心及びその周囲には、ガス流路２ａ，２ｂが形成してあると共に、さらにガス流路２ｂの周りには、複数の開口２ｃが設けてある。円板状の燃料極基板３は、金属製セパレータ部材２の複数の開口２ｃに固定してあり、イオン伝導性を有する薄膜４は、図４（ａ）、図５及び図７に示す燃料電池と同様に、金属製セパレータ部材２の燃料極基板３を固定した面とは反対側の面（図示裏面）に形成してある。

この場合、金属製セパレータ部材２にはＳＵＳ４３０を用い、その径φを１２０ｍｍとすると共に、厚さを０．１ｍｍとし、開口２ｃの径φを２６ｍｍとした。一方、燃料極基板３にはＮｉＯ−８ＹＳＺを用い、その径φを３０ｍｍとすると共に、厚さを０．５ｍｍとし、燃料極基板３にＴｉをスパッタしてメタライズしたうえで、金属製セパレータ部材２の開口２ｃにロウ付け（銀ロウ付け）によって固定した。

また、イオン伝導性を有する薄膜４は、金属製セパレータ部材２の燃料極基板３を固定した面とは反対側の面に、８ＹＳＺをスパッタして成膜してあり、その膜厚を２０μｍとしている。この薄膜４の成膜条件は、基板温度７００℃、チャンバー真空度１Ｐａ、金属ターゲットを用いて酸素を添加しながら成膜した。

これにより、燃料極基板３上に形成された８ＹＳＺの薄膜４が電解質４ａとして機能し、一方、燃料極基板３を除く領域の８ＹＳＺの薄膜４が絶縁層４ｂとして機能する固体電解質型燃料電池用のセパレータ１が形成された。

［実施例２］
図２は、本発明のセパレータの他の実施例を示しており、図２に示すように、この固体電解質型燃料電池用のセパレータ２１が先のセパレータ１と相違するところは、ドーナツ状を成す厚さ０．５ｍｍのＮｉＯ−８ＹＳＺから成る燃料極基板（多孔質電極基板）２３に、中心及びその周囲にガス流路２２ａ，２２ｂを有するＳＵＳ４３０から成るガス流路付きセパレータ部材２２Ａ及びこれと同じくＳＵＳ４３０から成るリング状セパレータ部材２２Ｂを固定した点にあり、燃料極基板２３に対するセパレータ部材２２Ａ，２２Ｂの接合方法や、燃料極基板２３のメタライズや、イオン伝導性を有する薄膜２４の成膜条件などは先のセパレータ１と同じである。

これにより、燃料極基板２３上に形成された８ＹＳＺの薄膜２４が電解質２４ａとして機能し、一方、燃料極基板２３を除く領域の８ＹＳＺの薄膜２４が絶縁層２４ｂとして機能する固体電解質型燃料電池用のセパレータ２１が形成された。

［実施例３］
図３は、本発明のセパレータのさらに他の実施例を示しており、図３に示すように、この固体電解質型燃料電池用のセパレータ３１が先のセパレータ２１と相違するところは、扇形状を成す厚さ０．５ｍｍのＮｉＯ−８ＹＳＺから成る燃料極基板（多孔質電極基板）３３と、中心及びその周囲にガス流路３２ａ，３２ｂを有するＳＵＳ４３０から成るガス流路付きセパレータ部材３２Ａ及び縦横の桟３２ｄを有するＳＵＳ４３０から成るリング状セパレータ部材３２Ｂとを固定した点にあり、燃料極基板３３に対するセパレータ部材３２Ａ，３２Ｂの接合方法や、燃料極基板３３のメタライズや、イオン伝導性を有する薄膜３４の成膜条件なども先のセパレータ２１と同じである。

これにより、燃料極基板３３上に形成された８ＹＳＺの薄膜３４が電解質３４ａとして機能し、一方、燃料極基板３３を除く領域の８ＹＳＺの薄膜３４が絶縁層３４ｂとして機能する固体電解質型燃料電池用のセパレータ３１が形成された。

［参考例１］
図４（ａ）は、本発明の固体電解質型燃料電池の参考例を示しており、図４（ａ）に部分的に示すように、燃料極基板３上に形成された８ＹＳＺの薄膜４の図示下方から、マスクを設置して燃料極基板３と対を成す空気極（ＬＳＣ）５を、基板加熱なし、チャンバー真空度１０Ｐａで成膜した。なお、この空気極５は、マスクを用いずに燃料極基板３上に形成された８ＹＳＺの薄膜４の全面に成膜したとしても、セパレータ１の絶縁性に変化はない。このプロセスにより、セパレータ１の金属製セパレータ部材２の開口２ｃにセルが形成され、また、それ以外のセパレータ１の表面には絶縁層４ｂが形成された、すなわち、セパレータ１を具備した固体電解質型燃料電池４１が形成された。なお、金属製セパレータ部材２の燃料極基板３を固定した面に、イオン伝導性を有する薄膜４及び空気極５を順次形成した構成の固体電解質型燃料電池４１Ａを図４（ｂ）に部分的に示す。

［実施例４］
図５は、本発明の一実施例による固体電解質型燃料電池を示しており、図５に部分的に示すように、この固体電解質型燃料電池５１が先の固体電解質型燃料電池４１と相違するところは、金属製セパレータ部材５２の開口５２ｃの縁部５２ｅにテーパをつけて段差を緩やかにした点にあり、他の構成は先の固体電解質型燃料電池４１と同じである。

この固体電解質型燃料電池５１では、金属製セパレータ部材５２と燃料極基板３との接合部分に亀裂が生じにくくなり、ガスリークの発生が回避されることとなる。

［実施例５］
図６は、本発明の他の実施例による固体電解質型燃料電池を示しており、図６に部分的に示すように、この固体電解質型燃料電池６１が図４（ｂ）に部分的に示す先の固体電解質型燃料電池４１Ａと相違するところは、燃料極基板６３の周縁部６３ｅにテーパをつけて段差を緩やかにした点にあり、他の構成は先の固体電解質型燃料電池４１Ａと同じである。

この固体電解質型燃料電池６１においても、金属製セパレータ部材２と燃料極基板６３との接合部分に亀裂が生じにくくなり、ガスリークの発生が回避されることとなる。

［参考例２］
図７は、本発明の固体電解質型燃料電池の他の参考例を示しており、図７に部分的に示すように、この固体電解質型燃料電池７１が先の固体電解質型燃料電池４１と相違するところは、燃料極基板７３の周縁部を多孔度の低い領域７３ｅとしてガス透過性を低くした点にあり、他の構成は先の固体電解質型燃料電池４１と同じである。この多孔度の低い領域７３ｅは、グリーンシート成形時において、中心部に位置させた造孔剤である炭素を５％程度入れたシートの周囲に、造孔剤を入れていないシートを接合して、焼成して形成した。

この固体電解質型燃料電池７１では、燃料極基板７３の周縁部に多孔度の低い領域７３ｅを設けたことで、ガス透過性が低くなり、金属製セパレータ部材２と接合してもリークの発生が回避されることとなる。

［参考例３］
図８は、本発明の固体電解質型燃料電池のさらに他の参考例を示しており、図８に部分的に示すように、この固体電解質型燃料電池８１が図７に部分的に示す先の固体電解質型燃料電池７１と相違するところは、金属製セパレータ部材２の燃料極基板７３を固定した面に、イオン伝導性を有する薄膜４及び空気極５を順次形成した点にあり、他の構成は先の固体電解質型燃料電池７１と同じである。

この固体電解質型燃料電池８１においても、燃料極基板７３の周縁部に設けた多孔度の低い領域７３ｅにより、ガス透過性が低くなり、金属製セパレータ部材２と接合してもリークの発生が回避されることとなる。

［実施例６］
図９は、本発明の一実施例によるスタック構造体、すなわち、上記した実施例４の固体電解質型燃料電池４１を積層して成るスタック構造体を示しており、図９に部分的に示すように、このスタック構造体９１の互いに重なり合う固体電解質型燃料電池４１，４１間には、インコネルＸ７５０製のメッシュバネ（集電体）９６が設けてあって、このメッシュバネ９６は、重なり合う固体電解質型燃料電池４１，４１のうちの一方の固体電解質型燃料電池４１（図示例では上方の固体電解質型燃料電池４１）の空気極５と接触している。

このスタック構造体９１において、固体電解質型燃料電池４１のセパレータ１に、ダイアフラム状のセパレータ１Ａを重ねて各々の外周縁部同士を接合することにより、両セパレータ１，１Ａ間に袋部分を形成するようにしており、この袋部分の内部には、固体電解質型燃料電池４１，４１間のメッシュバネ９６と同じインコネルＸ７５０製のメッシュバネ９７が封入してあって、このメッシュバネ９７は袋部分の中で燃料極基板３に押し付けられた状態で接触している。

上記燃料極基板３はセパレータ１の金属製セパレータ部材２に固定してあるので、両セパレータ１，１Ａ間のメッシュバネ９７を封入した袋部分は燃料極基板３と等電位である。また、この袋部分は、固体電解質型燃料電池４１，４１間のメッシュバネ９６、すなわち、袋部分の外側に位置するメッシュバネ９６に対して、セパレータ１に設けた薄膜４の空気極５が形成されていない領域の絶縁層４ｂを接触させることで短絡を回避している。

上記したスタック構造体９１では、セパレータ１の中心に位置するガス流路２ａから燃料を導入し、ガス流路２ａの周囲に位置するガス流路２ｂから使用済みの燃料を放出するようにしている。そして、このスタック構造体９１と、セパレータ１の空気極５が形成されていない領域に絶縁層を設けていないスタック構造体との双方に対して発電評価を行ったところ、セパレータ１に絶縁層を設けていないスタック構造体ではＯＣＶが短絡によって０Ｖであったのに対して、上記スタック構造体９１では４Ｖであった。

本発明の固体電解質型燃料電池用セパレータの一実施例を示す平面説明図である。（実施例１）本発明の固体電解質型燃料電池用セパレータの他の実施例を示す平面説明図である。（実施例２）本発明の固体電解質型燃料電池用セパレータのさらに他の実施例を示す平面説明図である。（実施例３）本発明の固体電解質型燃料電池の参考例を示す部分断面説明図（ａ）及びその変形例を示す部分断面説明図（ｂ）である。（参考例１）本発明の固体電解質型燃料電池の一実施例を示す部分断面説明図である。（実施例４）本発明の固体電解質型燃料電池の他の実施例を示す部分断面説明図である。（実施例５）本発明の固体電解質型燃料電池の他の参考例を示す部分断面説明図である。（参考例２）本発明の固体電解質型燃料電池のさらに他の参考例を示す部分断面説明図である。（参考例３）本発明のスタック構造体の一実施例を示す部分断面説明図である。（実施例６）

符号の説明

１，２１，３１セパレータ
２，２２Ａ，２２Ｂ，３２Ａ，３２Ｂ，５２金属製セパレータ部材
３，２３，３３，６３，７３燃料極基板（多孔質電極基板）
４，２４，３４イオン伝導性を有する薄膜
４ａ電解質（薄膜の多孔質電極基板を覆っている領域）
４ｂ絶縁層（薄膜の電極が形成されていない）
５空気極
４１，５１，６１，７１，８１固体電解質型燃料電池
９１スタック構造体
９６メッシュバネ（集電体）

Claims

固体電解質型燃料電池用のセパレータであって、板状の金属製セパレータ部材とガス透過孔を有する多孔質電極基板とを固定して成るセパレータにおいて、上記金属製セパレータ部材と多孔質電極基板との段差にテーパを設けると共に、上記金属製セパレータ部材及び多孔質電極基板の前記テーパを含む各一方側の面をイオン伝導性を有する薄膜で被覆したことを特徴とするセパレータ。
固体電解質型燃料電池用のセパレータであって、板状の金属製セパレータ部材と電極を支持するガス透過孔を有する多孔質電極支持基板とを固定して成るセパレータにおいて、上記金属製セパレータ部材と多孔質電極支持基板との段差にテーパを設けると共に、上記金属製セパレータ部材及び多孔質電極支持基板が支持する電極並びに前記テーパを含めた各一方側の面をイオン伝導性を有する薄膜で被覆したことを特徴とするセパレータ。
金属製セパレータ部材がＦｅを主成分とする合金又はＮｉを主成分とする合金から成っている請求項１又は２に記載のセパレータ。
イオン伝導性を有する薄膜が安定化ジルコニア，酸化セリウム及びランタンガレートを主成分とする材料から成っている請求項1〜３のいずれか一つの項に記載のセパレータ。
請求項１，３，４のいずれかの項に記載のセパレータを備え、多孔質電極基板を覆っているイオン伝導性を有する薄膜上に上記多孔質電極基板の対極となる電極を形成したことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
請求項２〜４のいずれかの項に記載のセパレータを備え、多孔質電極支持基板が支持する電極を覆っているイオン伝導性を有する薄膜上に上記電極の対極となる電極を形成したことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
請求項５に記載の固体電解質型燃料電池を製造するに際して、板状の金属製セパレータ部材にガス透過孔を有する多孔質電極基板を固定し且つ金属製セパレータ部材と多孔質電極支持基板との段差にテーパを設けてセパレータを形成し、次いで、このセパレータの多孔質電極基板及び前記テーパを含めた一方側の面をイオン伝導性を有する薄膜で被覆した後、多孔質電極基板を覆っているイオン伝導性を有する薄膜上に上記多孔質電極基板の対極となる電極を形成することを特徴とする固体電解質型燃料電池の製造方法。
請求項６に記載の固体電解質型燃料電池を製造するに際して、板状の金属製セパレータ部材に電極を支持するガス透過孔を有する多孔質電極支持基板を固定し且つ金属製セパレータ部材と多孔質電極支持基板との段差にテーパを設けてセパレータを形成し、次いで、このセパレータの多孔質電極支持基板が支持する電極及び前記テーパを含めた一方側の面をイオン伝導性を有する薄膜で被覆した後、多孔質電極支持基板が支持する電極を覆っているイオン伝導性を有する薄膜上に上記電極の対極となる電極を形成することを特徴とする固体電解質型燃料電池の製造方法。
イオン伝導性を有する薄膜をＰＶＤ法，ＣＶＤ法，ＰＬＤ法，ＡＤ法，溶射法などの乾式成膜法により形成する請求項７又は８に記載の固体電解質型燃料電池の製造方法。
請求項５又は６に記載の固体電解質型燃料電池を積層して成るスタック構造体であって、互いに重なり合う固体電解質型燃料電池間に集電体を設け、互いに重なり合う固体電解質型燃料電池のうちの一方の固体電解質型燃料電池のセパレータに設けたイオン伝導性を有する薄膜の電極が形成されていない領域に上記集電体を接触させてあることを特徴とするスタック構造体。