JP5393918B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料極と空気極が固体酸化物電解質を間に挟んで形成された燃料電池セル（以下、単に「セル」と称することがある）に水素などの可燃性ガスと酸素を含む酸化性ガスとを供給して発電を行う固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」と称する）が知られている。このＳＯＦＣは高温動作であることから燃料ガスの改質および廃熱を利用したガスタービン発電と組み合わせることにより発電効率が高く、また純水素以外の燃料ガスでも発電可能なことから次世代の燃料電池として期待されている。

ＳＯＦＣでは燃料ガスと酸化ガスが互いに混入しないようにシールすることが必要であり、従来は主にガラス系のシール材が用いられてきている。

特許文献１には、セルとそれを支持する支持体との間の熱膨張率をマッチングさせ、ガスシール性を有したガラスや金属などの接着材が提案されている。

また、特許文献２には、セルを支持体のセル挿入口に差し込んでその隙間にガラスペースト等を充填し過熱する手段が提案されている。

さらに、特許文献３には、膨張黒鉛からなる耐熱性のガスケット（シール複合体）が提案されている。

特開２０１０−２０５５３４号公報 特開２０１１−７１１３１号公報 特開２０１２−３１９６７号公報

シール材の熱膨張率を燃料電池セルの熱膨張率および支持体の熱膨張率と完全に一致させることは困難であり、ガラスシール材を用いると稼動停止時の常温の状態と稼動時の高温（例えば８００℃）の状態との間での熱サイクルにより、シールが破損してガスがリークし電極を劣化させるおそれがある。また、セルと支持体との間の熱膨張収縮緩和が不充分となりセルの破壊に至るおそれもある。特に近年開発が活発な家庭用定置型の燃料電池の場合、大容量発電型の燃料電池と比べ起動停止回数が増加するため、上記の問題がさらに顕著になるおそれがある。

尚、ここでは、ＳＯＦＣを取り挙げて説明したが、上記の問題は、ＳＯＦＣに限らず、起動／停止により温度変化が生じ、あるいは設置環境により温度変化が生じる燃料電池において一般に成り立つ問題である。

本発明は、上記事情に鑑み、温度変化に強いシール構造を持った燃料電池を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成する本発明の燃料電池は、 電解質を間に挟んで形成された、第１の気体が接する第１極と第２の気体が接する第２極とを有し、かつ円形に湾曲し一周に渡って繋がった曲面からなる第１の円周面を有する燃料電池セルと、 円形に湾曲し一周に渡って繋がった曲面からなり上記第１の円周面に一周に渡って対面する第２の円周面を有し、燃料電池セルを保持する保持部材と、 上記第１の円周面と上記第２の円周面との間に介在し、それら第１の円周面と第２の円周面とのうちの少なくとも一方の面には固着されずに熱膨張収縮時に少なくとも一方の面との間での滑動が自在な、第１の気体の流路と第２の気体の流路を互いに隔離する円環形状のシール材とを備えたことを特徴とする。

本発明の燃料電池は、第１の気体の流路と第２の気体の流路を互いに隔離する円環形状のシール材を備え、そのシール材が、第１の円周面と第２の円周面とのうちの少なくとも一方の面には固着されずに熱膨張収縮時に少なくとも一方の面との間での滑動が自在であるため、熱膨張率が相違していても、熱膨張収縮時の寸法変化による歪みが滑動により緩和され、シールの破損やセルの破壊が防止され、良好なシール性が維持される。

ここで、上記本発明の燃料電池セルにおいて、上記シール材が、保持部材の第２の円周面の部分の材料と同一の材料で形成され、少なくとも第１の円周面には固着されずに少なくとも第１の円周面との間での滑動が自在なものであるものとする。

シール材を第２の円周面の部分の材料と同一の材料で形成すると、保持部材との間では温度変化による歪みは発生しない。また、第１の円周面との間では熱膨張収縮時に滑動することにより歪みが緩和される。

また、上記本発明の燃料電池において、第１の円周面と第２の円周面のうちの凸面に形成された一方の円周面に周回方向に一周する溝が形成され、シール材が合い口を有しその溝に嵌め込まれたものであることが好ましい。

凸曲面に溝を形成してシール材を嵌め込む構造を採用すると、シール材をセルや保持部材とは別途に製造することができ、また、溝に嵌め込んだ後のシール材の位置ずれが防止される。

ここで、上記燃料電池セルは、周縁が円形の、第１極として作用する第１面と、周縁が円形の、第２極が形成された第２面と、第１面と第２面の周縁どうしを繋いで一周する周面とを有する円盤形状の燃料電池セルであってその周面が第１の円周面であり、その周面に溝が形成されたものであることが好ましい。

このような円盤形状のセルの場合、周面に溝を形成してその溝にシール材を嵌め込む構造を採用することができる。

また、上記燃料電池セルは、周縁が円形の、第１極が形成された第１面と、周縁が円形の、第２極が形成された第２面と、第１面と第２面の周縁どうしを繋いで一周する周面とを有する円盤形状の燃料電池セルであって、さらに第１極として作用する内壁面に囲まれた内部空間が形成され、周面に内部空間に繋がる気体流路が設けられた燃料電池セルであってその周面が第１の円周面であり、その周面の、気体流路よりも第１面寄りの部分と第２面寄りの部分との双方に、溝が形成されたものであることも好ましい構造である。

このような構造のセルについても本発明を適用することができる。

さらに、上記燃料電池セルは、第１極として作用する内周面と第２極が形成された外周面とを有し内部空間に繋がる開口が少なくとも一端に形成された円筒形状の燃料電池セルであってその内周面が第１の円周面であり、 上記保持部材は、上記開口に差し込まれる、気体流路が形成された円柱形状の差込部を有し、その差込部の外周面が第２の円周面であって、その差込部の外周面に溝が形成されたものであることも好ましい構造である。

このように、円筒形状のセルについても本発明を適用することができる。

以上の通り、本発明によれば、熱サイクルなどの温度変化に強いシール構造を持った燃料電池が構成される。

本発明の第１実施形態としての燃料電池の、セル１つ分のユニットの構造を示す分解斜視図である １つのセルの模式斜視図である。 図２に示す矢印Ａ−Ａに沿う断面図である。 図１に示す矢印Ｂ−Ｂに沿う断面図である。 シール材の、合い口の部分の模式図である。 本発明の第２実施形態の燃料電池の外観斜視図である。 図６に示す矢印Ｃ−Ｃに沿う断面図である。 本発明の第２実施形態におけるセル１つ分の側面図である。 本発明の第３実施形態の燃料電池の外観斜視図である。 図９に示す矢印Ｄ−Ｄに沿う断面図である。 実験結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の第１実施形態としての燃料電池の、セル１つ分のユニットの構造を示す分解斜視図である。

図１には、セル１１と、シール材１２と、セルホルダ１３と、２枚のセパレータ１４Ａ，１４Ｂとからなるユニット１０が示されている。

ここでは先ず、このユニット１０を構成する１つのセル１１について説明する。

図２は、１つのセル１１の模式斜視図である。

このセル１１は、周縁が円形の、アノードとして作用する第１面１１ａと、同じく周縁が円形の、カソードとして作用する第２面１１ｂと、それら第１面１１ａと第２面１１ｂの周縁どうしを繋いで一周する周面１１ｃとを有する円盤形状のセルである。この周面１１ｃは、円形に湾曲し一周に渡って繋がった凸曲面であって、本発明にいう第１の円周面の一例に相当する。この周面１１ｃには、周回方向に一周する溝１１ｄが形成されている。この溝１１ｄには、シール材１２（図１参照）が嵌め込まれる。

図３は、図２に示す矢印Ａ−Ａに沿う断面図である。

このセル１１はアノード支持型であり、多孔質セラミックスをアノード活物質で覆った微細構造の支持体１１１を有する。

図３に示すセル１１は、この支持体１１１と、この支持体１１１上に積層された、支持体１１１の厚みと比べて薄い電解質１１２と、その電解質１１２上に積層された、これも支持体１１１の厚みと比べて薄い、カソードとして作用する対極１１３とからなり、支持体１１１自体とほとんど同じ形状および寸法を有する。

この支持体１１１は、セル１１の外形とほぼ同様の外形を有し、周縁が円形の第１面１１１ａと、同じく周縁が円形の第２面１１１ｂと、それら第１面１１１ａと第２面１１１ｂの周縁どうしを繋いで一周する周面１１１ｃとを有する円盤形状の支持体である。この支持体１１１の周面１１１ｃには、周回方向に一周する溝１１１ｄが形状されている。

この支持体の第１面１１１ａは、そのまま、燃料ガスが接触するアノードとして作用する、セル１１の第１面１１ａとなる。また、この支持体１１１の第１面１１１ａを除く第２面１１１ｂと周面１１１ｃは電解質１１２で覆われており、これにより、第１面１１ａに触れた燃料ガスが支持体１１１を通過して洩れることが防止されている。

さらに、この支持体１１１の第２面１１１ｂには、電解質１１２を間に挟んで、カソードとして作用する対極１１３が積層され、セル１１の第２面１１ｂを形成している。

図４は、図１に示す矢印Ｂ−Ｂに沿う断面図である。ただし、図１は、１つのユニット１０の分解斜視図であり、図４は、複数のユニットが積み重ねられた構造の断面図である。具体的には、この図４にはユニットが３段積み重ねられた構造が示されている。また、図１には、セル１１を挟む２枚のセパレータ１４Ａ，１４Ｂが示されているが、これは、説明の便宜のためであり、実際のセパレータは、図４に示す通り、互いに隣接する２つのユニットのセパレータ１４Ａ，１４Ｂが結合した形状のセパレータ１４である。以下、主に図１と図４を参照しながら、この第１実施形態の燃料電池についてさらに説明する。

セル１１は、図２，図３を参照して説明した形状および構造を示し、このセル１１の周面１１ｃの溝１１ｄ（図２，図３参照）には、シール材１２が嵌め込まれる。

セルホルダ１３は、セル１１と同一の厚さを有する板形状を有し、このセルホルダ１３には、セル１１が嵌め込まれる穴１３ａが形成されている。この穴１３ａを区画する周面は、円形に湾曲して一周に渡って繋がった凹曲面からなり、この穴１３ａにセル１１が嵌め込まれた状態ではセル１１の周面１１ｃに一周に渡って対面しており、この穴１３ａの周面が本発明にいう第２の円周面の一例に相当する。

シール材１２は、セル１１の周面１１ｃとセルホルダ１３の穴１３ａの周面との間に介在し、セル１１のアノードとして作用する第１面１１ａに触れる径路を通って流れる燃料ガスの流路と、セル１１のカソードとして作用する第２面１１ｂに触れる径路を通って流れる酸化ガスの流路を互いに隔離する役割りを担っている。

図５は、シール材１２の、合い口の部分の模式図である。

シール材１２は、この図５に示すような段付きの合い口１２１を有し、セル１
１の周面１１ｃの溝１１ｄに嵌め込む際にはこの合い口１２１が一旦弾性的に押し広げられて溝１１ｄに嵌め込まれ、溝１１ｄに嵌め込まれた状態では、合い口１２１の段１２１ａ，１２１ｂが互いに重なり、確実なシール性能を発揮する形状となる。

このシール材１２は、セル１１にもセルホルダ１３にも固着されておらず、熱膨張収縮時には、セル１１の周面１１ｃやセルホルダ１３の穴１３ａの周面との間での滑動が可能である。したがって、シール材１２の熱膨張係数がセル１１やセルホルダ１３の熱膨張係数と異なっていても、熱膨張収縮時には、セル１１とシール材１２との間およびシール材１２とセルホルダ１３との間で滑動する。このため熱膨張収縮による寸法変化分が吸収されてシール性が維持され、また従来のようなガラスシール材による接着の場合のようなシールの破損等が防止される。

ここで、シール材１２は、セル１１の熱膨張係数とセルホルダ１３の熱膨張係数の中間的な熱膨張係数の材料で作製される。こうすることによりセル１１とシール材１２との間、およびシール材１２とセルホルダ１３との間が均等に滑動し、熱膨張収縮による歪みが、セル１１との間、およびセルホルダ１３との間で均等に緩和される。あるいは、シール材１２をセルホルダ１３の材料と同一の材料で作製してもよい。この場合は、熱膨張収縮による歪みは、セル１１とシール材１２との間の滑動によって緩和される。また、この場合、熱膨張収縮があってもシール材１２とセルホルダ１３との間は滑動せず、したがってシール材１２はセルホルダ１３に固着されていてもよい。本実施形態では、セルホルダ１３は鉄ベースの金属材料からなり、シール材１２も、鉄ベースの、熱膨張係数が１０〜２０×１０^−６／℃の金属材料で作製されている。

図１，図４を参照して、セルホルダ１３やセパレータ１４（１４Ａ，１４Ｂ）の構造について説明する。

セルホルダ１３には、セル１１が嵌め込まれる穴１３ａのほか、その周囲に４つの穴が形成されている。図１にはそれら４つの穴のうちの３つの穴１３ｂ，１３ｃ，１３ｄが示されていて、もう１つの穴は、セルホルダ１４Ａに隠れた位置であって、穴１３ａを間に挟んだ穴１３ｄの反対側の位置にある。

図４は図１の矢印Ｂ−Ｂに沿う断面図であるが、この図４には２つの穴１３ｂ，１３ｃが示されている。

穴１３ｂは、燃料ガスの導入路を形成する穴であり、穴１３ｃは燃料ガスの排出路を形成する穴である。また、穴１３ｄは、酸化ガスの導入路を形成する穴であり、図１においてセパレータ１４Ａに隠れた位置にある穴は酸化ガスの排出路を形成する穴である。

またセパレータ１４Ａ，１４Ｂは、それぞれが板形状を有し、それらのセパレータ１４Ａ，１４Ｂにも、それぞれ４つの穴１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅが形成されている。これら４つの穴１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅは、セルホルダ１３の３つの穴１３ｂ，１３ｃ，１３ｄと図１においてセパレータ１４Ａに隠れたもう１つの穴にそれぞれ連通している。すなわち、セパレータ１４Ａ，１４Ｂの４つの穴１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅは、それぞれ、燃料ガス導入路、燃料ガス排出路、酸化ガス導入路、および酸化ガス排出路を形成している。図４には、互いに隣接するユニットを構成するセパレータ１４Ａ，１４Ｂが合体した形状のセパレータ１４が示されており、このセパレータ１４Ａの穴１４ｂ，１４ｃがセルホルダ１３の穴１３ｂ，１３ｃにそれぞれ連通して、燃料ガス導入路１５１と燃料ガス排出路１５２を形成していることが示されている。

セパレータ１４Ａには、そのセパレータ１４Ａを構成する板材の、セル１１側の面が抉られた形状の燃料ガス通路１４１を有する。この燃料ガス通路１４１の途中には、抉られずに残された４つの支え部１４２が形成されている。この支え部１４２は、図４に示すようにセル１１の第１面１１ａに当たり、セル１１を支える役割りを担っている。燃料電池外部の、図示しない燃料ガス供給路を通ってこの燃料電池に供給されてきた燃料ガスは、燃料ガス導入路１５１を通りながら各ユニットの燃料ガス通路１４１に流入して、各セル１１の、アノードを成す第１面１１ａに接し、燃料ガス排出路１５２を経由し、さらに燃料電池外部の、図示しない燃料ガス排気路を通って排気される。

またセパレータ１４Ｂには、セパレータ１４Ａにおける燃料ガス通路１４１と同様、そのセパレータ１４Ｂを構成する板材の、セル１１側の面が抉られた形状の酸化ガス通路１４３を有する。この酸化ガス通路１４３は、酸化ガス導入路を形成する穴１４ｄと酸化ガス排気路を担う穴１４ｅに繋がっていて、この酸化ガス通路１４３には、酸化ガス導入路を経由して導入されてきた酸化ガスが流入し、各セル１１の、カソードを成す第２面１１ｂに接し、酸化ガス排出路を経由して排気される。このセパレータ１４Ｂにも、酸化ガス通路１４３の途中に抉られずに残された４つの支え部１４４が形成されており、これらの支え部１４４はセル１１の第２面１１ｂに当たり、セル１１を支える役割りを担っている。

この第１実施形態の燃料電池は、図４に示すように複数のユニットが積み重ねられ、さらにそれらの積み重ねられた複数のユニット全体が、ネジ止め等により、図４の上下方向から締め付けられる。これにより、積み重ねられたセルホルダ１３とセパレータ１４が互いに密着した状態となり、セルホルダ１３とセパレータ１４との間のシール性が確保される。あるいは、セルホルダ１３とセパレータ１４との間に、燃料ガス導入路や燃料ガス通路などの通路を塞がないように穴が開けられた薄いマイラ板や耐熱金属板など、適度な弾性を持つ耐熱材料からなる薄い板材を挟んで全体を締め付ける構成を採用してもよい。この場合、セルホルダ１３とセパレータ１４との間のシール性がさらに向上する。

この第１実施形態の燃料電池は、セル１１の周面１１ｃの溝１１ｄに嵌め込まれた円環形状のシール材１２を有し、このシール材１２は、セル１１やセルホルダ１３には固着されておらず熱膨張収縮時にセル１１との間およびセルホルダ１３との間が滑動可能となっている。このため熱膨張収縮時の歪みが緩和され、熱膨張収縮があってもシール性が維持され、かつ従来のガラスシール材による接着を採用した場合のようなシールの破損やそのシールの破損によるセル１１の劣化等が防止される。

次に第２実施形態の燃料電池について説明する。

図６は、本発明の第２実施形態の燃料電池の外観斜視図、図７は、図６に示す矢印Ｃ−Ｃに沿う断面図である。ただし、図７には、ユニット３つ分の断面が示されている。さらに、図８は、セル１つ分の側面図である。

図６に示すように、この燃料電池２は、複数のユニット２０が基台２０１上に立設した構造を有する。各ユニット２０は、２本のネジ２９で基台２０１上に固定されている。また、図７に示すように、各ユニット２０は、セル２１と、２本のシール材２２と、セルホルダ２３とを有する。

このセル２１は、図８に示すように、周縁が円形の第１面２１１と、周縁が同じく円形の第２面２１２と、それら第１面２１１と第２面２１２の周縁どうしを繋いで一周する周面２１３とを有する円盤形状であって、さらに図７の断面図に示すように、内壁面２１ａに囲まれた内部空間２１ｂが形成されている。さらに、この周面２１３の下部には、その内部空間２１ｂへの燃料ガスの導入口２１３ａが形成され、周面２１３の上部にはその内部空間２１ｂからの燃料ガスの排出口２１３ｂが形成されている。また、この周面２１３の、燃料ガスの導入口２１３ａおよび排出口２１３ｂよりも第１面２１１寄りの部分と第２面２１２寄りの部分との双方に、シール材２２が嵌め込まれる溝２１３ｄが形成されている。この周面２１３は、円形に湾曲し一周に渡って繋がった凸曲面であって、本発明にいう第１の円周面の一例に相当する。

ここで、このセル２１は、前述の第１実施形態の場合と同様アノード支持型であり、多孔質セラミックスをアノード活物質で覆った微細構造の支持体２１９（図７参照）を有する。セル２１の内部空間２１ｂは、その支持体２１９が剥き出しになっており、内部空間２１ｂを形成している内壁面２１ａがアノードとして作用する。また、この支持体２１９の第１面２１９ａにはアノード電極２１５が積層されてセル２１の第１面２１１（図８参照）を形成している。また、支持体２１９の、アノード電極２１５が積層された領域以外の全域が電解質（図示省略）で覆われている。これにより、内部空間２１ｂに流入した燃料ガスが支持体２１９を通過して洩れ出ることが防止されている。また、支持体２１９の第２面２１９ｂには、電解質（図示せず）の上に、カソードとして作用する対極２１６が形成されて、セル２１の第２面２１２（図８参照）を形成している。このセル２１の周面２１３に形成されている２本の溝２１３ｄのそれぞれには、円環形状のシール材２２が嵌め込まれる。このシール材２２は、第１実施形態におけるシール材と同様であり、ここでの重複説明は省略する。

セルホルダ２３は、セル２１を保持する役割りを担っており、このセルホルダ２３は、セル２１を保持した状態でネジ２９（図６参照）により基台２０１に密着するように固定されている。これによりセルホルダ２３と基台２０１との間が密着し、それらの間からのガス洩れが防止されている。さらには、上述の第１実施形態の場合と同様、セルホルダ２３と基台２０１との間にマイラ板や耐熱金属板などの薄い板材を挟んで、セルホルダ２３を基台２０１に締め付ける構成としていもよい。

セルホルダ２３には、セル２１が嵌め込まれる穴２３ａ（図７参照）が形成されている。この穴２３ａは、この穴２３ａにセル２１が嵌め込まれた状態においてそのセル２１の周面２１３に一周に渡って対面しており、本発明にいう第２の円周面の一例に相当する。

シール材２２は、セル２１の周面２１３とセルホルダ２３の穴２３ａの周面との間に介在し、アノードとして作用する内壁面２１ａに触れる燃料ガスの流路、すなわち内部空間２１ｂを通って流れる燃料ガスの流路と、セル２１の、カソードとして作用する第２面２１２に触れて流れる酸化ガスの流路とを互いに隔離する役割りを担っている。

また、隣接するセル２１どうしの間には、導電性発泡材あるいは金属製の多数本の細線の組合せ等からなる導電材２４が配置されている。この導電材２４は、セル２１の第１面２１１とそのセル２１に隣接するセルの第２面２１２とを電気的に接続する役割りを担っている。ただし、単に電気的に接続するだけでなく、カソードとして作用する第２面２１２に酸化ガスが十分触れるように酸化ガスの進入を妨げない構造となっている。

セルホルダ２３には、セル２１が嵌め込まれる穴２３ａのほかに、セルホルダ２３の下部にセル２１の内部空間２１ｂに燃料ガスを導入するための燃料ガス導入路２３ｂが形成され、セルホルダ２３の上部には、セル２１の内部空間２１ｂからの燃料ガス排出路２３ｃが形成されている。さらに基台２０１にも、セルホルダ２３の燃料ガス導入路２３ｂに連通する燃料ガス導入口２０１ａが形成されている。燃料ガスは、この燃料電池外部の、図示しない燃料ガス供給路を通ってこの燃料電池に供給され、基台２０１に形成された燃料ガス導入口２０１ａおよびセルホルダ２３に形成された燃料ガス導入路２３ｂを通り、さらにセル２１に形成された導入口２１３ａを通ってセル２１の内部空間２１ｂに導入される。このセル２１の内部空間２１ｂからセル２１に形成された排出口２１３ｂを通って排出された燃料ガスは、セルホルダ２３に形成された燃料ガス排出路２３ｃを通り、さらに図示しない、外部の燃料ガス排出路を通って排出される。

酸化ガスは、これも図示しない外部の酸化ガス供給路を通って供給され、セル２１の第２面２１２に触れ、さらに図示しない酸化ガス
排出路を通って排出される。あるいは、この酸化ガスとして周囲環境に存在する空気を利用するときは、外部の酸化ガス供給路や酸化ガス排出路としての特段の設備は不要であり、ファンで空気を送り込むなど、周囲環境の空気がセル２１の第２面２１２に常に触れるようにするだけであってもよい。

前述の第１実施形態の燃料電池の場合と同様、この第２実施形態の燃料電池は、セル２１の周面２１３の２本の溝２１３ｄそれぞれに嵌め込まれた円環形状の２本のシール材２２を有し、これら２本のシール材２２は、セル２１やセルホルダ２３には固着されておらず、熱膨張収縮時に、セル２１との間、およびセルホルダ２３との間が滑動可能となっている。このため熱膨張収縮時の歪みが緩和され、熱膨張収縮があっても常にシール性が維持される。また、熱膨張収縮によるシール材２２の破損やガス漏れによる性能劣化が防止される。

次に本発明の第３実施形態の燃料電池について説明する。

図９は、本発明の第３実施形態の燃料電池の外観斜視図、図１０は、図９に示す矢印Ｄ−Ｄに沿う断面図である。ただし、図１０には、セル１つ分の断面が示されている。

図９に示すように、この燃料電池３は、複数のセル３１が、上下分かれたセルホルダ３３Ａ、３３Ｂに支持された構成を有する。

図１０に示すように、セル３１は、内周面３１ａと外周面３１ｂとを有し、内部空間３１ｃに繋がる開口３１ｄ，３１ｅが形成された円筒形状のセルである。このセル３１の内周面３１ａは、円形に湾曲し一周に渡って繋がった凹曲面であって、本発明にいう第１の円周面の一例に相当する。

ここで、このセル３１は、前述の第１実施形態および第２実施形態の場合と同様、アノード支持型であり、多孔質セラミックスをアノード活物質で覆った微細構造の支持体３１１（図１０参照）を有する。このセル３１の内周面３１ａはその支持体３１１が剥き出しになっており、その内周面３１ａがアノードとして作用する。この支持体３１１の内周面３１ａの両端の開口３１ｄ，３１ｅの近傍、この支持体３１１の両端面、およびこの支持体３１１の外周面は電解質（図示せず）で覆われている。支持体３１１のこれらの領域を電解質で覆っていることにより、内周面３１ａに触れた燃料ガスが多孔質の支持体３１１を通過して洩れ出ることが防止されている。また、支持体３１１の外周面３１１ｂに積層された電解質（図示せず）の上に、カソードとして作用する対極３１２が形成されている。

セルホルダ３３Ａ，３３Ｂは、セル３１の両端の開口３１ｄ、３１ｅのそれぞれに差し込まれる円柱形状の差込部３３１Ａ，３３１Ｂを有する。これらの差込部３３１Ａ，３３１Ｂのうちの下側のセルホルダ３３Ａに設けられた差込部３３１Ａには、燃料ガスをセル３１の内部空間３１ｃに導入するための導入開口３３２Ａが形成されており、上側のセルホルダ３３Ｂに設けられた差込部３３１Ｂには、セル３１の内部空間３１ｃに導入された燃料ガスを排出する排出開口３３２Ｂが形成されている。これらの差込部３３１Ａ，３３１Ｂは、円形に湾曲し一周に渡って繋がった凸曲面からなる外周面３３１ａＡ，３３１ａＢを有する。これらの外周面３３１ａＡ，３３１ａＢは、セル３１の内周面３１ａに一周に渡って対面しており、本発明にいう第２の円周面の一例に相当する。この差込部３３１Ａ，３３１Ｂの外周面３３１ａＡ，３３１ａＢには、上下の差込部３３１Ａ，３３１Ｂのそれぞれについて２本ずつ、その外周面３３１ａＡ，３３１ａＢを周回する方向に一周する溝３３１ｂＡ，３３１ｂＢが形成されている。これら合計４本の溝３３１ｂＡ，３３１ｂＢのそれぞれには、円環形状のシール材３２が嵌め込まれている。差込部３３１Ａの外周面３３１ａＡの溝３３１ｂＡに嵌め込まれた２本のシール材３２は合い口が互いに１８０°異なる位置となるように嵌め込まれている。差込部３３１Ｂに嵌め込まれた２本のシール材３２についても同様である。このように合い口を互いに１８０°異なる位置とすることによってシール性が一層高められる。これらのシール材３２は、前述の第１実施形態におけるシール材と同様であり、重複説明は省略する。

これらのシール材３２は、セル３１の内周面３１ａとセルホルダ３３Ａ，３３Ｂの差込部３３１Ａ，３３１Ｂの外周面３３１ａＡ，３３１ａＢとの間に介在し、アノードとして作用する内壁面３１ａに触れる燃料ガスの流路、すなわち内部空間３１ｃを通って流れる燃料ガスの流路と、セル３１の、カソードとして作用する外周面３１ｂに触れて流れる酸化ガスの流路とを互いに隔離する役割りを担っている。この第３実施形態では、上下２本ずつのシール材３２でシールすることによりシール性をさらに向上させている。

燃料ガスは、この燃料電池外部の、図示しない燃料ガス供給路を通ってこの燃料電池に供給され、下側のセルホルダ３３Ａの差込部３３１Ａに形成された導入開口３３２Ａを通ってセル３１の内部空間３１ｃに導入される。そしてこのセル３１の内部空間３１ｃに導入された燃料ガスは、上側のセルホルダ３３Ｂの差込部３３１Ｂに形成された排出開口３３２Ｂを通り、さらに図示しない、外部の燃料ガス排出路を通って排出される。

酸化ガスは、セル３１どうしの隙間に入り込み、セル３１の、カソードとして作用する外周面３１ｂに触れながら通過する流路を通る。

この第３実施形態の燃料電池は、上述の通り、セルホルダ３３Ａ，３３Ｂの差込部３３１Ａ，３３１Ｂの外周面３３１ａＡ，３３１ａＢの溝３３１ｂＡ，３３１ｂＢに嵌め込まれた円環形状の合計４本のシール材３２を有する。これらのシール材３２は、セル３１やセルホルダ２３には固着されておらず、熱膨張収縮時にセル３１との間およびセルホルダ３３Ａ，３３Ｂとの間で滑動可能となっている。この滑動により熱膨張収縮時に材料の熱膨張率の差から発生する応力や歪みが緩和されシール性が常に維持される。また、熱膨張収縮によるシール材３２の破損やガス漏れによる性能劣化も防止される。

次に、熱膨張収縮によるシール性能の劣化の有無に関する実験結果を例示する。

図１１は、以下に説明する実験結果を示す図である。

（実施例１） 図１に示す平板型のＳＯＦＣセル１１を作製し、平板型のＳＯＦＣセル１１に図５に示す形状の合い口を有するシール材１２を装着してセルホルダ１３に固定し両側からセパレータ１４Ａ、１４Ｂで挟んだ構造のユニット１０を作製した。

ここで、セルホルダ１３の材料は、耐熱金属の１つである日立金属ＺＭＧ２３２、熱膨張係数は１０〜１２×１０^−６１／Ｋ、セルホルダ１３の径は１５０ｍｍφである。また、ここではシール材１２についても、セルホルダと１３と同じく、日立金属ＺＭＧ２３２を採用している。シール材１２の外径はセルホルダ１３の径と同じく１５０ｍｍφである。シール材１２の断面寸法は、溝１１ｄの寸法と同一であって、深さ方向２ｍｍ、幅方向１ｍｍである。シール材１２は、作動温度である８００℃においてセルホルダ１３の穴１３ａの径と一致するように作製した。

そしてガス洩れ以外の劣化要因を取り除くために、このユニット１０を窒素雰囲気に置いて窒素パージしながら４時間で８００℃まで昇温し、８００℃でアノードとカソードにそれぞれ５％加温水素と酸素を流して、負荷を接続しない開回路における電圧を測定した。その後、窒素パージしたまま、室温まで４時間かけてユニット１０を冷却した。

図１１に示す通り、このサイクルを５０回繰り返しても、開回路電圧の低下は認められなかった。シール材１２からのガス漏れが生じると開回路電圧が低下することが知られており、開回路電圧の低下が認められないということはシール性が保たれていることを意味している。

（実施例２） 図９に示すような円筒形のＳＯＦＣセル３１を作製し、セルホルダ３１Ａ，３１Ｂの差込部３１１Ａ，３１１Ｂの外周面３１１ａＡ，３１１ａＢに設けられた上下２本ずつの溝３３１ｂＡ，３３１ｂＢに、シール材３２を、それらの合い口が互いに１８０°異なる向きとなるように装着し、さらにセルホルダ３１Ａ、３１Ｂにセル３１を装着した。

ここで、セルホルダ３１Ａ、３１Ｂの材料は、上述の実施例１の場合と同じく、日立金属ＺＭＧ２３２、セルホルダ３１Ａ、３１Ｂの差込部３３１Ａ，３３１Ｂの外径は２０ｍｍφである。シール材３２についてもセルホルダ３１Ａ、３１Ｂと同じく、日立金属ＺＭＧ２３２を採用しており、シール材３２の外径はセルホルダ３１Ａ、３１Ｂの差込部３３１Ａ，３３１Ｂの外径と同じく２０ｍｍφである。シール材３２の断面寸法、および溝３３１ｂＡ，３３１ｂＢの断面寸法も、実施例１と同様、深さ方向２ｍｍ、幅方向１ｍｍである。シール材３２は、作動温度である８００℃においてセル３１の内周面３１ａの径と一致するように作製した。

そして、窒素パージしながら、４時間でセル３１を８００℃まで昇温し、８００℃でアノードとカソードにそれぞれ５％加温水素と酸素を流して、負荷を接続しない開回路における電圧を測定した。その後、窒素パージしたまま、室温まで４時間かけてセル３１を冷却した。

図１１に示す通り、このサイクルを５０回繰り返しても、開回路電圧の低下は認められなかった。

以上の通り、上述の各実施形態では、円環形状のシール材を装着し、熱膨張収縮時に滑動する構造を有するため、熱サイクル等の温度変化が繰り返されてもシール性が維持される。

３ 燃料電池１０，２０ ユニット１１，２１，３１ セル１１ａ，１１１ａ，２１１，２１９ａ 第１面１１ｂ，１１１ｂ，２１２，２１９ｂ 第２面１１ｃ，１１１ｃ，２１３ 周面１１ｄ，１１１ｄ，２１３ｄ，３３１ｂＡ，３３１ｂＢ 溝１２，２２，３２ シール材１３，１３Ａ，１３Ｂ，２３，３１Ａ，３１Ｂ，３３Ａ，３３Ｂ セルホルダ１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，２３ａ，３３ａ 穴１４，１４Ａ，１４Ｂ セパレータ２１ａ 内壁面２１ｂ，３１ｃ 内部空間２４ 導電材２３ｂ，１５１ 燃料ガス導入路２３ｃ，１５２ 燃料ガス排出路２９ ネジ３１ａ 内周面３１ｂ，３１１ｂ，３３１ａＡ，３３１ａＢ 外周面３１ｄ，３１ｅ 開口１１１，２１９，３１１ 支持体１１２ 電解質１１３，２１６，３１２ 対極１２１ 合い口１２１ａ，１２１ｂ 段１４１ 燃料ガス通路１４２ 支え部１４３ 酸化ガス通路１４４ 支え部２０１ 基台２１３ａ 導入口２１３ｂ 排出口２１５ アノード電極２０１ａ 燃料ガス導入口３１１Ａ，３１１Ｂ，３３１Ａ，３３１Ｂ 差込部３３２Ａ 導入開口３３２Ｂ 排出開口

Claims (9)

1. 電解質を間に挟んで形成された、第１の気体が接する第１極と第２の気体が接する第２極とを有し、かつ円形に湾曲し一周に渡って繋がった曲面からなる第１の円周面を有する燃料電池セルと、
   円形に湾曲し一周に渡って繋がった曲面からなり前記第１の円周面に一周に渡って対面する第２の円周面を有し、前記燃料電池セルを保持する保持部材と、
   前記保持部材の前記第２の円周面の部分の材料と同一の材料で形成され、前記第１の円周面と前記第２の円周面との間に介在し、該第１の円周面と該第２の円周面とのうちの少なくとも前記第１の円周面には固着されずに熱膨張収縮時に少なくとも前記第１の円周面との間での滑動が自在な、前記第１の気体の流路と前記第２の気体の流路を互いに隔離する円環形状のシール材とを備えたことを特徴とする燃料電池。
2. 前記第１の円周面と前記第２の円周面のうちの凸面に形成された一方の円周面に周回方向に一周する溝が形成され、前記シール材が合い口を有し該溝に嵌め込まれたものであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記燃料電池セルは、周縁が円形の、第１極として作用する第１面と、周縁が円形の、第２極が形成された第２面と、該第１面と該第２面の周縁どうしを繋いで一周する周面とを有する円盤形状の燃料電池セルであって該周面が前記第１の円周面であり、該周面に前記溝が形成されたものであることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記燃料電池セルは、周縁が円形の、第１極が形成された第１面と、周縁が円形の、第２極が形成された第２面と、該第１面と該第２面の周縁どうしを繋いで一周する周面とを有する円盤形状の燃料電池セルであって、さらに第１極として作用する内壁面に囲まれた内部空間が形成され、該周面に該内部空間に繋がる気体流路が設けられた燃料電池セルであって該周面が前記第１の円周面であり、該周面の、前記気体流路よりも前記第１面寄りの部分と前記第２面寄りの部分との双方に、前記溝が形成されたものであることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
5. 前記燃料電池セルは、第１極として作用する内周面と第２極が形成された外周面とを有し内部空間に繋がる開口が少なくとも一端に形成された円筒形状の燃料電池セルであって該内周面が前記第１の円周面であり、
   前記保持部材は、前記開口に差し込まれる、気体流路が形成された円柱形状の差込部を有し、該差込部の外周面が前記第２の円周面であって、該差込部の外周面に前記溝が形成されたものであることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
6. 電解質を間に挟んで形成された、第１の気体が接する第１極と第２の気体が接する第２極とを有し、かつ円形に湾曲し一周に渡って繋がった曲面からなる第１の円周面を有する燃料電池セルと、
   円形に湾曲し一周に渡って繋がった曲面からなり前記第１の円周面に一周に渡って対面する第２の円周面を有し、前記燃料電池セルを保持する保持部材と、
   前記第１の円周面と前記第２の円周面との間に介在し、該第１の円周面と該第２の円周面とのうちの少なくとも一方の面には固着されずに熱膨張収縮時に該少なくとも一方の面との間での滑動が自在な、前記第１の気体の流路と前記第２の気体の流路を互いに隔離する円環形状のシール材とを備え、
   前記第１の円周面と前記第２の円周面のうちの凸面に形成された一方の円周面に周回方向に一周する溝が形成され、前記シール材が合い口を有し該溝に嵌め込まれたものであることを特徴とする燃料電池。
7. 前記燃料電池セルは、周縁が円形の、第１極として作用する第１面と、周縁が円形の、第２極が形成された第２面と、該第１面と該第２面の周縁どうしを繋いで一周する周面とを有する円盤形状の燃料電池セルであって該周面が前記第１の円周面であり、該周面に前記溝が形成されたものであることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
8. 前記燃料電池セルは、周縁が円形の、第１極が形成された第１面と、周縁が円形の、第２極が形成された第２面と、該第１面と該第２面の周縁どうしを繋いで一周する周面とを有する円盤形状の燃料電池セルであって、さらに第１極として作用する内壁面に囲まれた内部空間が形成され、該周面に該内部空間に繋がる気体流路が設けられた燃料電池セルであって該周面が前記第１の円周面であり、該周面の、前記気体流路よりも前記第１面寄りの部分と前記第２面寄りの部分との双方に、前記溝が形成されたものであることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
9. 前記燃料電池セルは、第１極として作用する内周面と第２極が形成された外周面とを有し内部空間に繋がる開口が少なくとも一端に形成された円筒形状の燃料電池セルであって該内周面が前記第１の円周面であり、
   前記保持部材は、前記開口に差し込まれる、気体流路が形成された円柱形状の差込部を有し、該差込部の外周面が前記第２の円周面であって、該差込部の外周面に前記溝が形成されたものであることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。