JP5198797B2

JP5198797B2 - 固体電解質形燃料電池

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Publication number: JP5198797B2
Application number: JP2007136816A
Authority: JP
Inventors: 浩也石川; 昌宏柴田; 秀樹上松; 泰志墨; 泰正小熊
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2007-05-23
Filing date: 2007-05-23
Publication date: 2013-05-15
Anticipated expiration: 2027-05-23
Also published as: JP2008293741A

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。

また、燃料電池セルと隔離セパレータとの接合部分は、燃料電池セルと隔離セパレータとが密着する方向への応力には強いが、特に剥離する方向への応力には抵抗する手段がないため、剥離方向への熱応力などに弱い可能性がある。

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、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セル本体を備えた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のセル本体の周縁部の表裏両面にそれぞれ接合部を設け、該両接合部にてそれぞれ隔離セパレータを接合する構成を有しており、該両隔離セパレータのうちの一方は、前記燃料極の一方の側に存在する前記固体電解質体に接合して、前記燃料極側と空気極側とのガス流通を遮断する隔離セパレータであり、前記両隔離セパレータのうちの他方は、前記燃料極の他方の側に形成された固体電解質接合層を介して接合された燃料極側の隔離セパレータであることを特徴とする。
本発明では、隔離セパレータは、セル本体の周縁部の表裏両面に接合されているので、接合部にかかる応力が分散され、よって、接合の信頼性が向上する。特に２枚の隔離セパレータをセル本体を挟むように配置することにより、上下どちらの方向（厚み方向）の応力にも抵抗できるため、つまり、一方の隔離セパレータに対して剥離方向に応力が加わる場合は、他方の隔離セパレータには密着方向に応力が加わることになるため、セルの信頼性が向上するという顕著な効果を奏する。

なお、両隔離セパレータのうち、固体電解質体に接合される隔離セパレータは、ガスの流通を遮断する機能を有することが必要であるが、燃料極側の隔離セパレータについては、必ずしもその必要はない。

また、本発明では、両隔離セパレータのうちの一方は、燃料極の一方の側に存在する固体電解質体に接合して、燃料極側と空気極側とのガス流通を遮断する隔離セパレータであり、また、両隔離セパレータのうちの他方は、燃料極の他方の側に形成された固体電解質接合層を介して接合された燃料極側の隔離セパレータである。

燃料極の他方の側に形成された固体電解質接合層（即ち固体電解質からなる層）、つまり、固体電解質体から見た場合の燃料極側に形成された固体電解質接合層は、固体電解質体と同様に緻密で強固であるので、燃料極側の隔離セパレータをこの固体電解質接合層に強固に接合することができる。

特に、燃料極は、燃料電池の作動時に還元されて組織が変化するので、本発明のように、燃料極側（裏側）に、燃料電池の作動時も含めて形態が安定した固体電解質接合層を形成することが好適である。

更に、固体電解質接合層を、燃料極を挟んで固体電解質体側と反対側（裏側）に形成することにより、燃料極を挟んで対称に近い構成になり、即ち燃料極支持形セル（詳しくはそのセル本体）の断面形状が対称に近くなり、セル本体の反りによる変形も低減できるという利点がある。

（２）請求項２の発明では、前記燃料極側の隔離セパレータによって、前記燃料極側のガス導入室とガス排出室とが分離されたことを特徴とする。
本発明では、燃料極側の隔離セパレータによって、燃料極側のガス導入室とガス排出室とを分離するので、セル内に導入された燃料ガスの全てが一旦燃料極を通過することになるため、燃料ガスが燃料極を素通りすることがない。よって、燃料ガスが有効利用されるので（燃料利用率が向上するので）、発電出力が向上する。

（３）請求項３の発明では、前記燃料極上の前記燃料極側の隔離セパレータが接合された面に、前記固体電解質接合層以外にも、部分的に固体電解質層を備えたことを特徴とする。
これによって、燃料ガスは、燃料極のほぼ中心から（燃料極内に）導入され、燃料極の周縁部を通って排出されることになる。そのため、セル本体（特に燃料極や固体電解質等）のほぼ全面にフレッシュな燃料ガスが供給されるため、大判セルにおける平面方向の電位差や電流密度差の低減につながり、熱応力の発生を抑制することができる。

（４）請求項４の発明では、前記隔離セパレータの少なくとも一方に、応力を緩和する撓み部を設けたことを特徴とする。
つまり、隔離セパレータに応力が加わった場合には、撓み部にて変形することにより（即ち隔離セパレータの可動範囲が広くなり）接合部にかかる応力を緩和できるので、接合の信頼性が向上する。

（５）請求項５の発明では、前記固体電解質体に接合される一方の隔離セパレータの接
合代が、他方の隔離セパレータの接合代より小さいことを特徴とする。
本発明では、セル本体に２枚の隔離セパレータが接合されているので、固体電解質体に接合される一方の隔離セパレータ（例えば燃料極支持構造では空気極側の隔離セパレータ）の接合代を小さくできる。これにより、例えば発電性能に寄与する空気極の面積を広くできるため、発電性能が向上する。

・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、ＤｕｃｒｌｌｏｙＣＲＦ（９４Ｃｒ５Ｆｅ１Ｙ₂Ｏ₃）等が挙げられる。

・隔離セパレータを接合する材料（接合部を構成する材料）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。例えばロウ材としては、Ｎｉロウ材、Ａｇ、Ａｇを主成分とする合金、及びＡｇやＡｇを主成分とする合金にＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｃｒ₂Ｏ₃、ＣｕＯなどから選ばれる金属酸化物を少量（数質量％）添加したロウ材を採用でき、ガラスとしては、ＣａＯ−Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂を主成分とする結晶化ガラスなどを採用できる。

・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燃料ガス予熱部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。

なお、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の同図上側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。

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。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。

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、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空気極側隔離セパレータ４５及び燃料極側隔離セパレータ４９と、両隔離セパレータ４５、４９の間に配置された金属製の中間フレーム４７と、燃料ガス流路２３側の金属製の燃料極フレーム５１とを備えている。

尚、隣り合う固体電解質形燃料電池セル３の間のセル間セパレータ３３は共有されるので、上下両端の固体電解質形燃料電池セル３以外は、セル間には、１枚のセル間セパレータが配置されるだけである。

従って、空気極フレーム４１と絶縁フレーム４３と空気極側隔離セパレータ（その外周縁部）４５と中間フレーム４７と燃料極側隔離セパレータ（その外周縁部）４９と燃料極フレーム５１等により、ボルト７〜２１が貫く貫通孔５２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。

つまり、固体電解質形燃料電池１（従って固体電解質形燃料電池セル３）は、図２の上方から見ると略正方形であり、その中央に配置されたセル本体３９の周囲を囲むように、略正方形の枠体である、空気極フレーム４１と絶縁フレーム４３と空気極側隔離セパレータ４５と中間フレーム４７と燃料極側隔離セパレータ４９と燃料極フレーム５１が配置されている。

このうち、特に両隔離セパレータ４５、４９は、他のフレーム４１、４３、４７、５１に比べて、中央部の開口部分が少なく、その内縁部がセル本体３９の外縁部の上下の各面に接合されている。

つまり、空気極側隔離セパレータ４５の内縁部の下面は、固体電解質体２７の上面の外縁部の（ロウ材からなる）接合部５５にて、気密するように全周にわたってロウ付け接合されている。尚、固体電解質体２７は、燃料極２５に比べて緻密で硬質であるので、空気極側隔離セパレータ４５は、この固体電解質体２７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。

同様に、燃料極側隔離セパレータ４９の内縁部の上面も、燃料極２５の下面の外縁部の（ロウ材からなる）接合部５７にて、全周にわたってロウ付け接合されている。
このように、両隔離セパレータをセル本体３９の両側から接合する構造により、固体電解質形燃料電池１の積層方向に応力が加わった場合でも、接合部分が剥離しにくくなっている。

また、図３に示す様に（尚、図３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８１、８３及び枠体８５に囲まれた層状の内部空間５６を有し、その内部空間５６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５８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３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。

尚、図３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３（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５９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６１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６３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６５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３（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６７Ａに導入され、燃料ガス予熱部５の連通路６９から内部空間５６に供給される。尚、燃料用のボルト１１の中心孔６７は、下方の中心孔６７Ａと上方の中心孔６７Ｂ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５６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７１から、他の燃料用のボルト１３の中心孔７３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７５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７７を介して、燃料用のボルト１１の中心孔６７Ｂ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、隔離セパレータ４５、４９、中間フレーム４７、燃料極フレーム５１、遮蔽プレート８１、８３、枠体８５、スペーサ５８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、定法に従って製造した。具体的には、燃料極２５のグリーンシート上に、固体電解質体２７の材料を印刷し、その上に空気極２９の材料を印刷し、その後焼成してセル本体３９を製造した。

その後、セル本体３９の外周部（外縁部）を、両隔離セパレータ４５、４９の内縁部で挟む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、空気極側隔離セパレータ４５、中間フレーム４７、燃料極側隔離セパレータ４９、燃料極フレーム５１の順で、ボルト１１〜２１を通す貫通孔５２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。

なお、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３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５８、遮蔽プレート８１、８３、枠体８５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５２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８７（図３（ａ）参照）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４に要部を示す様に、空気極側隔離セパレータ４５の内縁部の下面は、固体電解質体２７の上面の外縁部の接合部５５にて接合され、同様に、燃料極側隔離セパレータ４９の内縁部の上面も、燃料極２５の下面の外縁部の接合部５７にて接合されている。

つまり、両隔離セパレータ４５、４９はセル本体３９の両表面に接合されているので、固体電解質形燃料電池１の積層方向に熱による応力が、上下方向のどちらの方向に加わった場合でも、どちらか一方の接合部５５、５７では、圧着方向に力がかかる。そのため、熱応力が加わった場合でも、接合部分が剥離しにくく、接合の信頼性が高いという効果がある。

なお、本実施例では、燃料極側隔離セパレータ４９は、ガス流通が可能であってもよい。

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、隔離セパレータに応力緩和用の撓み部として波状のリブを設けたものである。

図５（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９１では、前記実施例１と同様に、燃料極９３と固体電解質体９５と空気極９７からなるセル本体９９を備えるとともに、セル本体９９に上下面にそれぞれ接合された空気極側隔離セパレータ１０１と燃料極側セパレータ１０３とを備えている。

特に本実施例では、両隔離セパレータ１０１、１０３には、セル本体９９の周囲を囲む様に、（積層方向から見て）四角枠状に波状の撓み部（リブ）１０５、１０７が形成されている。

よって、本実施例では、両隔離セパレータ１０１、１０３の可動範囲が広くなるので、実施例１よりも大きな応力を吸収できるという利点がある。

次に、実施例３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、燃料極側隔離セパレータとセル本体の接合部分に固体電解質からなる接合層を備えたものである。

図５（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１１１では、前記実施例１と同様に、燃料極１１３と固体電解質体１１５と空気極１１７からなるセル本体１１９を備えるとともに、空気極側隔離セパレータ１２１と燃料極側セパレータ１２３とを備えている。

特に本実施例では、燃料極１１３の下面（裏面）側の外縁部には、（積層方向から見て）四角枠状の固体電解質体１１５と同様な材料からなる固体電解質接合層１２５が形成されており、この固体電解質接合層１２５の表面に、燃料極側隔離セパレータ１２３がロウ付けされている。

なお、固体電解質接合層１２５の形成方法は、固体電解質体１１５の形成方法と同様である。
本実施例では、空気極側隔離セパレータ１２１が緻密な固体電解質体１１５に接合されるだけでなく、燃料極側隔離セパレータ１２３も緻密な固体電解質接合層１２５に接合されているので、接合強度が高いという利点がある。

また、燃料極１１３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、この点からも、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接合層１２５を燃料極１１３の下面（裏面）に形成し、この固体電解質接合層１２５に燃料極側隔離セパレータ１２３を接合することは好適である。

更に、裏面に固体電解質接合層１２５を設けることにより、セル本体１１９の断面形状がより対称に近くなるので、セル本体１１９のそりによる変形を抑制できるという利点もある。

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、空気極側隔離セパレータの接合代を実施例３より小さくしたものである。
図５（ｅ）、（ｆ）に要部を示す様に、本実施例の固体電解質形燃料電池１３１では、前記実施例３と同様に、燃料極１３３と固体電解質体１３５と空気極１３７からなるセル本体１３９を備えるとともに、空気極側隔離セパレータ１４１と燃料極側セパレータ１４３とを備えている。また、燃料極側セパレータ１４３は、固体電解質接合層１４５に接合されている。

特に本実施例では、両隔離セパレータ１４１、１４３は、それぞれ緻密な固体電解質体１３５と固体電解質接合層１４５に接合されて接合強度が高いので、空気極側隔離セパレータ１４１の接合代（同図の左右方向及び紙面に垂直方向の幅）を、前記実施例３より狭くしている。

この接合代を小さくすることによって、固体電解質体１３５の上側の露出面（接合代以外の部分）を広くとることができるので、発電性能に寄与する空気極１３７の面積を広く設定している。これによって、発電出力が向上するという利点がある。

次に、実施例５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、中間フレームに燃料ガスを排出する連通路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１５１では、前記実施例３と同様に、燃料極１５３と固体電解質体１５５と空気極１５７からなるセル本体１５９を備えるとともに、空気極側隔離セパレータ１６１と燃料極側隔離セパレータ１６３とを備えている。また、燃料極側隔離セパレータ１６３は、固体電解質接合層１６５に接合されている。

特に本実施例では、中間フレーム１６７に、燃料ガスを排出する連通路１６９が形成さて、燃料極側隔離セパレータ１６３により、燃料ガスの導入側（燃料ガス流路である同図下層のガス導入室１７１）と排出側の流路（同図中層のガス排出室１７３）が分離されて、ガス流通が遮断されている。

従って、本実施例では、ガス導入室１７１に導入された燃料ガスは全て、一旦燃料極１５３を通過するので、燃料極１５３を素通りする燃料ガスが無い。よって、燃料が有効利用されるので、発電効率が向上するという利点がある。

次に、実施例６について説明するが、前記実施例５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（固体電解質体と反対側の面）に、枠状に固体電解質接合層を設けるとともに、その枠内にも、部分的に固体電解質層を設けたものである。

図６（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１８１では、前記実施例５と同様に、燃料極１８３と固体電解質体１８５と空気極１８７からなるセル本体１８９を備えている。また、空気極側隔離セパレータ１９１と、燃料極側セパレータ１９３と、固体電解質接合層１９５と、中間フレーム１９７の連通路１９９とを備えている。

特に本実施例では、枠状の固体電解質接合層１９５の内側、即ち燃料極１８３の裏側表面に、固体電解質層２０１を露出部分があるように（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、燃料極１８３の中心部分からほぼ全面にフレッシュな燃料が供給され、燃料極１８３の周縁部から（即ち厚み方向の垂直方向に）燃料ガスが排出されることになるので、特に大判セルの平面方向における電位差や電流密度差のバラツキを低減でき、熱応力の発生を抑制できるという利点がある。

次に、実施例７について説明するが、前記実施例６と同様な内容の説明は省略する。
本実施例は、空気極側隔離セパレータの接合代を小さくしたものである。
図６（ｅ）、（ｆ）に要部を示す様に、本実施例の固体電解質形燃料電池２１１では、前記実施例６と同様に、燃料極２１３と固体電解質体２１５と空気極２１７からなるセル本体２１９を備えている。また、空気極側隔離セパレータ２２１と、燃料極側セパレータ２２３と、固体電解質接合層２２５と、中間フレーム２２７の連通路２２９と、固体電解質層２３１を備えている。

特に本実施例では、前記実施例４と同様に、空気極側隔離セパレータ２２１の接合代を、前記実施例６より狭くしている。つまり、接合代を小さくすることによって、空気極２１７の面積を広く設定しているので、発電出力が向上するという利点がある。

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。
（１）例えば、本発明は、空気極支持構造の固体電解質形燃料電池にも適用できる。この場合には、固体電解質体に一方の（ガス流路を遮断する）隔離セパレータを接合し、空気極に他方の隔離セパレータを接合する構成を採用できる。

（２）また、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ことは勿論である。

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。（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、（ｅ）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、（ｆ）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）説明図である。（ａ）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、（ｂ）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、（ｃ）実施例６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６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、（ｅ）実施例７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、（ｆ）実施例７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、９１、１１１、１３１、１５１、１８１…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、９３、１１３、１３３、１５３、１８３…燃料極
２７、９５、１１５、１３５、１５５、１８５…固体電解質体
２９、９７、１１７、１３７、１５７、１８７…空気極
３１…空気流路
３３…セル間セパレータ
３９、９９、１１９、１３９、１５９、１８９…セル本体
４５、１０１、１２１、１４１、１６１、１９１…空気極側隔離セパレータ
４９、１０３、１２３、１４３、１６３、１９３…燃料極側隔離セパレータ
５５、５７…接合部
１０５、１０７…撓み部
１２５、１４５、１６５、１９５…固体電解質接合層
１７１…ガス導入室
１７３…ガス排出室
２０１…固体電解質層

Claims

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セル本体を備えた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のセル本体の周縁部の表裏両面にそれぞれ接合部を設け、該両接合部にてそれぞれ隔離セパレータを接合する構成を有しており、
該両隔離セパレータのうちの一方は、前記燃料極の一方の側に存在する前記固体電解質体に接合して、前記燃料極側と空気極側とのガス流通を遮断する隔離セパレータであり、
前記両隔離セパレータのうちの他方は、前記燃料極の他方の側に形成された固体電解質接合層を介して接合された燃料極側の隔離セパレータであることを特徴とする固体電解質形燃料電池。
前記燃料極側の隔離セパレータによって、前記燃料極側のガス導入室とガス排出室とが分離された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。
前記燃料極上の前記燃料極側の隔離セパレータが接合された面に、前記固体電解質接合層以外にも、部分的に固体電解質層を備えたことを特徴とする請求項２に記載の固体電解質形燃料電池。
前記隔離セパレータの少なくとも一方に、応力を緩和する撓み部を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の固体電解質形燃料電池。
前記固体電解質体に接合される一方の隔離セパレータの接合代が、他方の隔離セパレータの接合代より小さいことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体電解質形燃料電池。