JP5844167B2

JP5844167B2 - 固体酸化物形燃料電池

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Publication number: JP5844167B2
Application number: JP2012017629A
Authority: JP
Inventors: 敏博松野; 柴田　昌宏; 昌宏柴田; 圭三古崎
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2016-01-13
Anticipated expiration: 2032-01-31
Also published as: JP2013157234A

Description

本発明は、固体電解質層と第１電極層と第２電極層とを有する燃料電池セル本体、第１電極層の表面に対向して配置されるコネクタプレート、及び、コネクタプレートと第１電極層との間に配置される金属集電体を備えた固体酸化物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、例えば固体電解質層（固体酸化物層）を備えた固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell ；ＳＯＦＣ）が知られている。このＳＯＦＣは、燃料ガスに接する燃料極層と酸化剤ガスに接する空気極層とが固体電解質層の表面及び裏面にそれぞれ配置された燃料電池セル本体を備えている。そして、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とが固体電解質層を介して反応（発電反応）することにより、空気極層を正極、燃料極層を負極とする直流の電力が発生するようになる。なお、燃料電池セル本体は、空気極層の表面に金属集電体（及びインターコネクタ）を接触させた状態で使用されるため、金属集電体が正極となる。

ところで、一般的に、固体電解質層はイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などの材料で形成され、インターコネクタは金属などの材料で形成され、金属集電体はＬＳＣＦ（Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４ＣＯ_０．２Ｆｅ_０．８Ｏ_３）などの材料で形成される。しかし、これらの材料は比較的硬くて脆い材料であるため、燃料電池セル本体を複数積層してなる燃料電池スタックをボルトの締め付けによって構成しようとすると、固体電解質層が割れる可能性がある。そこで、弾性を有する材料やスポンジ状の材料を用いてインターコネクタや金属集電体を形成することにより、固体電解質層の割れを防止する技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２００５−２５９５８１号公報（図１等）

ところが、燃料電池の起動時や起動後に周囲の空気が高温になると、金属集電体の弾性が低下したり、インターコネクタが熱変形したりする可能性が高い。その結果、空気極層と金属集電体とが離間して導通しなくなり、燃料電池が機能しなくなるという問題が生じてしまう。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、第１電極層と金属集電体との導通を安定的に確保することにより、信頼性を高くすることが可能な固体酸化物形燃料電池を提供することにある。

上記課題を解決するための手段（手段１）としては、固体電解質層と、前記固体電解質層の表面に配置されて第１発電用ガスに接する第１電極層と、前記固体電解質層の裏面に配置されて第２発電用ガスに接する第２電極層とを有し、発電反応により電力を発生する燃料電池セル本体と、前記第１電極層の表面に対向して配置されるコネクタプレートと、前記コネクタプレートに電気的に接続されるとともに、前記コネクタプレートと前記第１電極層との間に配置され、前記第１電極層の表面に接触可能な金属集電体とを備えた固体酸化物形燃料電池であって、前記金属集電体は金属箔を備え、前記コネクタプレートの裏面と、前記金属箔における前記第１電極層とは反対側に位置する面とにより、内部空間が区画され、前記金属箔は、前記内部空間内の前記第１発電用ガスの圧力によって前記第１電極層側に膨らむように変形可能に構成されるとともに、前記第１電極層に接触する接触部を有し、さらに、前記金属箔は、前記内部空間内の前記第１発電用ガスを前記第１電極層側に通過させるための貫通孔を備え、前記第１電極層の厚さ方向から見たときに前記第１電極層の外形線で区画される表面領域内に、前記貫通孔と前記接触部とが配置されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池がある。

手段１に記載の発明によると、コネクタプレートと金属箔とによって区画された内部空間内の第１発電用ガスが貫通孔を介して第１電極層側に通過すると、金属箔は、内部空間内の第１発電用ガスの圧力によって第１電極層側に膨らむように変形する。その結果、固体酸化物形燃料電池の起動時には、金属箔が第１電極層の表面に常時接触するようになるため、例えばコネクタプレートや燃料電池セル本体などが変形した場合であっても、第１電極層と金属箔（金属集電体）との導通を安定的に確保することができる。しかも、金属箔は、第１発電用ガスを第１電極層側に通過させるための貫通孔を備えるため、第１電極層への第１発電用ガスの供給を、第１発電用ガスの圧力による金属箔の変形（導通の確保）と同時に行うことができる。従って、固体酸化物形燃料電池を確実に機能させることが可能になるため、固体酸化物形燃料電池の信頼性を高くすることができる。

燃料電池セル本体を構成する固体電解質層は、電極層に接する発電用ガスの一部がイオンとなって移動する性質（イオン伝導性）を有している。なお、固体電解質層中を移動するイオンとしては、例えば酸素イオンや水素イオンなどが挙げられる。また、第１電極層は、固体電解質層の表面側に配置され第１発電用ガスである酸化剤ガスに接する空気極層であり、第２電極層は、固体電解質層の裏面側に配置され第２発電用ガスである燃料ガスに接する燃料極層であることがよい。この場合、金属集電体は、コネクタプレートと空気極層との間に配置されるようになる。

固体電解質層（固体酸化物層）の形成材料としては、例えばＺｒＯ_２系セラミック、ＬａＧａＯ_３系セラミック、ＢａＣｅＯ_３系セラミック、ＳｒＣｅＯ_３系セラミック、ＳｒＺｒＯ_３系セラミック、ＣａＺｒＯ_３系セラミックなどがある。

また、燃料電池セル本体を構成する燃料極層は、例えば還元剤となる燃料ガスと固体電解質層内を移動してきた酸素イオンとを反応させる機能を有することにより、燃料電池セル本体における負電極として機能する。ここで、燃料極層の形成材料としては、例えば、希土類元素（Ｓｃ、Ｙなど）により安定化されたＺｒＯ_２系セラミック、及び、希土類元素（Ｓｍ、Ｇｄなど）をドープしたＣｅＯ_２系セラミック等のうち、少なくとも１つのセラミック材料と、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｆｅ等の金属材料及びそれら金属材料の合金のうちの少なくとも１つと、を混合した金属セラミック材料の混合物（サーメット）を使用することができる。

また、燃料ガスとしては、例えば、水素ガス、炭化水素ガス、水素ガスと炭化水素ガスとの混合ガスなどが挙げられる。燃料ガスとして炭化水素ガスを選択した場合、炭化水素ガスの種類は特に限定されないが、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等であることが好ましい。なお、水中にガス（水素ガス、炭化水素ガス、混合ガス）を通過させて加湿することによって得られる燃料ガスや、ガス（水素ガス、炭化水素ガス、混合ガス）に水蒸気を混合させることによって得られる燃料ガスを選択してもよい。また、１種類の燃料ガスのみを用いてもよいし、複数種類の燃料ガスを併用してもよい。さらに、燃料ガスは、窒素やアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。また、液体の原料を気化したものを燃料ガスとして使用したり、水素ガス以外のガスを改質して生成した水素ガスを燃料ガスとして使用したりすることもできる。

燃料電池セル本体を構成する空気極層は、酸化剤となる酸化剤ガスと接触し、燃料電池セル本体における正電極として機能する。ここで、空気極層の形成材料としては、例えば、金属材料、金属の酸化物、金属の複合酸化物などを挙げることができる。金属材料の好適例としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ等やそれらの合金などがある。金属の酸化物の好適例としては、例えば、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅの酸化物（Ｌａ_２Ｏ_３、ＳｒＯ、Ｃｅ_２Ｏ_３、Ｃｏ_２Ｏ_３、ＭｎＯ_２、ＦｅＯ）などがある。金属の複合酸化物の好適例としては、例えば、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎを含有する複合酸化物（Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＦｅＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏ_１−ｙＦｅ_ｙＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３系複合酸化物、Ｐｒ_１−ｘＢａ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物、Ｓｍ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物）などがある。

また、酸化剤ガスとしては、例えば、酸素と他の気体との混合ガスなどが挙げられる。この混合ガスは、窒素やアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。なお、混合ガスは、安全で安価な空気であることが好ましい。

また、金属集電体は、コネクタプレートとともに第１発電用ガスが流れる内部空間を区画する金属箔を備えている。ここで、金属箔の形成材料としては、例えばアルミニウム、銅、銀、鉄、コバルト、ニッケル、及び、ＺＭＧ２３２Ｌ（日立金属株式会社の登録商標）などが挙げられる。なお、金属箔の厚さは、例えば５μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。このようにすれば、金属箔の厚さが５μｍ以上であることにより、金属箔の強度が確保されるため、内部空間内の第１発電用ガスの圧力に起因する金属箔の破損を防止することができる。また、金属箔の厚さが１００μｍ以下であることにより、金属箔が変形しやすい厚さとなるため、第１発電用ガスの流量が少ない場合においても金属箔を確実に膨らませることができる。

さらに、金属箔は、内部空間内の第１発電用ガスを第１電極層側に通過させるための貫通孔を備えている。なお、金属箔の全面積に対して貫通孔が占める割合は、１０％以上９０％以下であることが好ましい。仮に、金属箔の全面積に対して貫通孔が占める割合が１０％未満になると、内部空間内の第１発電用ガスが貫通孔を介して第１電極層側に通過しにくくなる。その結果、第１発電用ガスを第１電極層にあまり接触させることができないため、燃料電池セル本体の発電性能が低下してしまう。一方、金属箔の全面積に対して貫通孔が占める割合が９０％よりも高くなると、内部空間内の第１発電用ガスが多く貫通孔を通過するため、内部空間内の第１発電用ガスの圧力が低くなる。この場合、金属箔があまり第１電極層側に膨らまなくなるため、金属箔が第１電極層の表面に接触しにくくなり、第１電極層と金属箔との導通を安定的に確保できなくなる。ここで、「金属箔の全面積」とは、金属箔において第１電極層に接触する領域の面積をいう。

また、貫通孔の配置態様は特に限定されないが、燃料電池セル本体の平面視での形状等に合わせて適宜設定されることが好ましい。例えば、燃料電池セル本体が平面視矩形状をなす場合、貫通孔はアレイ状に配置されていることが好ましい。このようにすれば、多くの貫通孔を効率良く配置することができる。また、貫通孔は、金属箔において第１電極層と接触する部分に少なくとも１個以上配置されることがよいが、さらには金属箔において第１電極層と接触しない部分に配置されていてもよい。

さらに、内部空間内には、金属箔とコネクタプレートとの熱による固着を防止する焼き付け防止部材が配置されることが好ましい。このようにすれば、固体酸化物形燃料電池の起動時や起動後に周囲の温度が高温になったとしても、金属箔とコネクタプレートとの固着を防止でき、ひいては、第１電極層と金属箔との導通をよりいっそう安定的に確保することができる。なお、焼き付け防止部材は、高温（７００℃〜８００℃程度）時でも変形したり溶けたりしない程度の耐熱性を有する材料によって形成されることが好ましい。また、焼き付け防止部材は、内部空間の一部分のみを占める比較的小さなものであってもよいし、内部空間の殆どを占める比較的大きなものであってもよい。特に、焼き付け防止部材が比較的大きなものである場合、焼き付け防止部材は、第１発電用ガスの流通を妨げにくい多孔質体によって形成されることが好ましい。なお、焼き付け防止部材が多孔質体ではない場合、焼き付け防止部材は、第１発電用ガスの流通を妨げにくい形状、例えば、表面に多数の溝を有する形状などに形成されることが好ましい。

また、金属箔は、第１電極層側に位置する面から第１電極層側に突出する凸部を備えるとともに、凸部の先端部が第１電極層に接触するものであってもよい。このようにすれば、金属箔が凸部を介して第１電極層に接触するため、第１電極層と金属箔との間には隙間が生じるようになる。従って、貫通孔を通過した第１発電用ガスを、生じた隙間を介して第１電極層の表面全体に行き渡らせることができるため、固体酸化物形燃料電池をより確実に機能させることができる。なお、凸部の形状としては、平面視四角形状、平面視長方形状、平面視円形状、平面視楕円形状などが挙げられる。

本実施形態における固体酸化物形燃料電池を示す概略斜視図。図１のＡ−Ａ線断面図。燃料電池セル本体を示す概略断面図。金属箔を示す概略平面図。図４のＢ−Ｂ線断面図。空気の流れを説明するための図。他の実施形態における燃料電池セル本体を示す要部断面図。他の実施形態における金属箔を示す概略平面図。図８のＣ−Ｃ線断面図。他の実施形態における金属箔を示す概略平面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１，図２に示されるように、本実施形態の燃料電池１は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。燃料電池１は、縦１８０ｍｍ×横１８０ｍｍ×高さ８０ｍｍの略直方体状をなす燃料電池スタック１０を備えている。燃料電池スタック１０は、発電反応により電力を発生する燃料電池セル本体１１を複数積層してなるものである。また、燃料電池スタック１０は、同燃料電池スタック１０を厚さ方向に貫通する８つの貫通孔４０を有している。なお、燃料電池スタック１０の四隅にある４つの貫通孔４０に締結ボルト４１を挿通させ、燃料電池スタック１０の下面から突出する締結ボルト４１の下端部分にナット（図示略）を螺着させる。また残り４つの貫通孔４０にガス流通用締結ボルト４２を挿通させ、燃料電池スタック１０の上面及び下面から突出するガス流通用締結ボルト４２の両端部分にナット４３を螺着させる。その結果、複数の燃料電池セル本体１１が固定されるようになっている。

図２，図３に示されるように、燃料電池１は、燃料電池セル本体１１と、コネクタプレート５１，６０と、空気極集電体６６（金属集電体）とを積層配置することによって構成されている。燃料電池セル本体１１は、平面視矩形状をなしており、空気極絶縁フレーム５２、セパレータ５４、空気極層５５（電極層）、固体電解質層５６、燃料極層５７（電極層）、上側絶縁フレーム５３、燃料極フレーム５８及び下側絶縁フレーム５９を順番に積層することによって構成されている。

コネクタプレート５１，６０は、耐熱性及び導電性に優れたステンレスなどの金属材料によって略矩形板状に形成されている。コネクタプレート５１は、燃料電池セル本体１１の上側に配置されるとともに、空気極層５５の表面に対向して配置されている。一方、コネクタプレート６０は、燃料電池セル本体１１の下側に配置されるとともに、燃料極層５７の表面に対向して配置されている。そして、コネクタプレート５１，６０は、燃料電池セル本体１１内にガス流路を形成するとともに、隣接する燃料電池セル本体１１同士を導通させるようになっている。詳述すると、隣接する発電セル１１同士の間に位置するコネクタプレート５１，６０は、いわゆるインターコネクタとなり、隣接する燃料電池セル本体１１同士を区画するようになっている。なお、本実施形態のコネクタプレート６０は、下側に隣接する発電セル１１のコネクタプレート５１を兼ねている。また、燃料電池スタック１０の上端部に配置されたコネクタプレート５１は上側エンドプレート１２となり、燃料電池スタック１０の下端部に配置されたコネクタプレート６０は下側エンドプレート１３となっている。両エンドプレート１２，１３は、燃料電池スタック１０を挟持しており、燃料電池スタック１０から出力される電流の出力端子となっている。なお、エンドプレート１２，１３となるコネクタプレート５１，６０は、インターコネクタとなるコネクタプレート５１，６０よりも肉厚になっている。

図２，図３に示される燃料極フレーム５８は、ステンレスなどの導電性材料によって略矩形枠状に形成されている。よって、燃料極フレーム５８の中央部には、同燃料極フレーム５８を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部６４が設けられている。また、空気極絶縁フレーム５２、上側絶縁フレーム５３、下側絶縁フレーム５９は、厚さ０．５ｍｍのマイカシートによって略矩形枠状に形成されている。よって、空気極絶縁フレーム５２の中央部には、同空気極フレーム５２を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部６１が設けられている。また、上側絶縁フレーム５３の中央部には、同上側絶縁フレーム５３を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部６３が設けられ、下側絶縁フレーム５９の中央部には、同下側絶縁フレーム５９を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部６２が設けられている。さらに、セパレータ５４は、ステンレスなどの導電性材料によって矩形枠状に形成されている。よって、セパレータ５４の中央部には、同セパレータ５４を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部６５が設けられている。

図２，図３に示されるように、固体電解質層５６は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などのセラミック材料によって形成され、厚さ０．０１ｍｍの矩形板状をなしている。固体電解質層５６は、セパレータ５４の下面に固定されるとともに、セパレータ５４の開口部６５を塞ぐように配置されている。固体電解質層５６は、酸素イオン伝導性固体電解質体として機能するようになっている。また、固体電解質層５６の表面９１（図２，図３では上面）には、燃料電池スタック１０に供給された発電用ガスである空気（酸化剤ガス）に接する空気極層５５が貼付されている。一方、固体電解質層５６の裏面９２（図２，図３では下面）には、同じく燃料電池スタック１０に供給された発電用ガスである燃料ガスに接する燃料極層５７が貼付されている。空気極層５５は、セパレータ５４の開口部６５内に配置され、セパレータ５４と接触しないようになっている。また、燃料極層５７は、ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとの混合物（Ｎｉ−ＹＳＺ）によって形成され、厚さ０．８ｍｍの平面視矩形状をなしている。

図２，図３に示されるように、本実施形態の燃料電池セル本体１１では、上側絶縁フレーム５３の開口部６３、下側絶縁フレーム５９の開口部６２、燃料極フレーム５８の開口部６４、及びコネクタプレート６０等により、セパレータ５４の下方に燃料室１５が形成されている。なお、燃料室１５内には、固体電解質層５６、燃料極層５７及び燃料極集電体６７が収容されている。

また、本実施形態の燃料電池セル本体１１では、コネクタプレート５１、及び空気極絶縁フレーム５２の開口部６１等により、セパレータ５４の上方に空気室１６が形成されるようになっている。そして、コネクタプレート５１と空気極層５５との間には、空気極集電体６６が配置されている。空気極集電体６６は、コネクタプレート５１に電気的に接続されるとともに、空気極層５５の表面に接触可能となっている。その結果、空気極５５及びコネクタプレート５１は、空気極集電体６６を介して電気的に接続されるようになる。

図３〜図５に示されるように、本実施形態の空気極集電体６６は、コネクタプレート５１とともに空気が流れる内部空間２０を区画する金属箔２１である。本実施形態の金属箔２１は、厚さ５０μｍのアルミニウム箔をプレス成形することによって平面視略矩形状に形成されている。また、金属箔２１は、内部空間２０内の空気の圧力によって空気極層５５側に膨らむように変形可能に構成されている。

詳述すると、金属箔２１の外周部は、コネクタプレート５１に溶接されている。また、金属箔２１の外周部には、同金属箔２１を厚さ方向に貫通する８つの開口部２８が設けられている。各開口部２８は、円形状をなし、燃料電池スタック１０を貫通する貫通孔４０の一部を構成している。よって、金属箔２１の四隅にある４つの開口部２８には締結ボルト４１が挿通され、残り４つの開口部２８にはガス流通用締結ボルト４２が挿通されるようになっている。

また、図３〜図５に示されるように、金属箔２１の中央部には、金属箔２１のコネクタプレート５１側の面２９において開口する平面視正方形状の凹部３０が形成されている。凹部３０の底部３１は、金属箔２１の外周部よりも空気極層５５側に突出しており、底部３１の空気極層５５側の面が空気極層５５に接触する接触面２２となっている。また、底部３１は、側壁部を介して金属箔２１の外周部に接続されている。側壁部は、底部３１及び金属箔２１の外周部に対して垂直に配置されている。さらに、金属箔２１の外周部には、面２９において開口するとともに、凹部３０の内部領域と金属箔２１の外側領域とを連通させる連通凹部３２が設けられている。連通凹部３２の深さは凹部３０の深さよりも浅くなっており、連通凹部３２の幅は凹部３０の一辺の長さ（縦及び横の長さ）よりも短くなっている。なお、連通凹部３２の底部には、ガス流通用締結ボルト４２が挿通される４つの開口部２８のうちの１つが配置されている。よって、連通凹部３２の幅は、開口部２８の外径よりも大きくなっている。なお、本実施形態では、連通凹部３２の深さを凹部３０の深さよりも浅くしているが、連通凹部３２の深さは、凹部３０の深さと等しくてもよいし、凹部３０の深さより深くてもよい。また、本実施形態では、連通凹部３２の幅を凹部３０の一辺の長さよりも短くしているが、連通凹部３２の幅は凹部３０の一辺の長さと等しくてもよい。

さらに、凹部３０の底部３１には、平面視矩形状をなす貫通孔形成領域２５が設定されている。そして、貫通孔形成領域２５内には、複数の貫通孔２４がアレイ状に配置されている。本実施形態では、説明の便宜上、貫通孔２４を５列×５列で図示したが、実際にはさらに多くの列（例えば、５０列×５０列や９列×９列など）が存在している。また、各貫通孔２４は、内部空間２０内の空気を空気極層５５側に通過させる機能を有している。各貫通孔２４は、円形状をなし、外径が１ｍｍ以上１０ｍｍ以下（本実施形態では１０ｍｍ）に設定されている。なお、貫通孔形成領域２５は、空気極層５５の厚さ方向から見たときに空気極層５５の外形線２６（図４参照）で区画される表面領域２７（図４参照）内に配置されている。即ち、貫通孔形成領域２５の面積は、表面領域２７の面積よりも小さく設定されている。さらに、金属箔２１の全面積（ここでは、金属箔２１において空気極層５５に接触する領域の面積）に対して貫通孔２４が占める割合は、本実施形態では２０％程度となっている。

さらに、図２，図３に示されるように、燃料電池スタック１０は、各燃料電池セル本体１１の空気室１６に空気を供給する空気供給経路７０と、空気室１６から空気を排出する空気排出経路８０とを備えている。空気供給経路７０は、ガス流通用締結ボルト４２の中心部において軸方向に沿って延びる空気供給孔７１と、空気供給孔７１及び空気室１６を連通させる空気供給横孔７２とによって構成されている。また、空気排出経路８０は、ガス流通用締結ボルト４２の中心部において軸方向に沿って延びる空気排出孔８１と、空気排出孔８１及び空気室１６を連通させる空気排出横孔８２とによって構成されている。よって、空気は、空気供給孔７１及び空気供給横孔７２を順番に通過して空気室１６に供給され、空気排出横孔８２及び空気排出孔８１を順番に通過して空気室１６から排出される。

また、燃料電池スタック１０は、各燃料電池セル本体１１の燃料室１５に燃料ガスを供給する燃料供給経路（図示略）と、燃料室１５から燃料ガスを排出する燃料排出経路（図示略）とを備えている。燃料供給経路は、空気供給経路７０と略同様の構造を有しており、ガス流通用締結ボルト４２の中心部において軸方向に沿って延びる燃料供給孔（図示略）と、燃料供給孔及び燃料室１５を連通させる燃料供給横孔（図示略）とによって構成されている。また、燃料排出経路は、空気排出経路８０と略同様の構造を有しており、ガス流通用締結ボルト４２の中心部において軸方向に沿って延びる燃料排出孔（図示略）と、燃料排出孔及び燃料室１５を連通させる燃料排出横孔（図示略）とによって構成されている。よって、燃料ガスは、燃料供給孔及び燃料供横孔を順番に通過して燃料室１５に供給され、燃料排出横孔及び燃料排出孔を順番に通過して燃料室１５から排出される。

次に、燃料電池１での発電反応について説明する。例えば、燃料電池１を稼働温度に加熱した状態で、空気供給経路７０から空気室１６に空気を供給する。このとき、空気室１６（内部空間２０）に供給された空気は、図６に示されるように、コネクタプレート５１と金属箔２１との間を通過して、金属箔２１の凹部３０内に到達する。そして、凹部３０内に到達した空気は、金属箔２１に設けられた貫通孔２４を通過して空気極層５５に到達する。また、金属箔２１は、凹部３０内に到達した空気の圧力によって空気極層５５側に膨らむように変形する。その結果、金属箔２１が空気極層５５の表面に接触するようになるため、例えばコネクタプレート５１が変形して中央部分が盛り上がるなどした場合（図３，図６参照）であっても、空気極層５５と金属箔２１との導通が安定的に確保される。

また、燃料供給経路から燃料室１５に燃料ガスを導入し、導入した燃料ガスを燃料極層５７に到達させる。その結果、空気中の酸素と燃料ガス中の水素とが固体電解質層５６を介して反応（発電反応）し、空気極層５５を正極、燃料極層５７を負極とする直流の電力が発生する。なお、本実施形態の燃料電池スタック１０は、燃料電池セル本体１１を複数積層して直列に接続しているため、空気極層５５に電気的に接続される上側エンドプレート１２が正極となり、燃料極層５７に電気的に接続される下側エンドプレート１３が負極となる。

次に、燃料電池１の製造方法を説明する。

まず、ステンレス板を打ち抜くことにより、コネクタプレート５１，６０、セパレータ５４及び燃料極フレーム５８を形成する。また、マイカシートを所定形状に形成することにより、絶縁フレーム５２，５３，５９を製造する。具体的には、市販のマイカシート（マイカと成形用樹脂との複合体からなるシート）を他の部材（コネクタプレート５１，６０、セパレータ５４及び燃料極フレーム５８など）とほぼ同じ形状に形成する。なお、マイカシートに含まれている樹脂成分は、他の部材と共に積層された後に行われる熱処理によって蒸発させるか、もしくは事前の処理、例えば事前の熱処理などによって蒸発させることで除去できる。さらに、マイカシートは、各燃料電池セル本体１１を積層方向にボルト締めした際に他の部材に挟まれることによって、各部材をシールするようになっている。また、アルミニウム箔をプレス成形することにより、金属箔２１を形成する。

次に、燃料電池セル本体１１を、従来周知の手法に従って形成する。具体的には、燃料極層５７となるグリーンシート上に固体電解質層５６となるグリーンシートを積層し、焼成する。さらに固体電解質層５６上に空気極層５５の形成材料を印刷した後、焼成する（この時点で、ＳＯＦＣの単セルが得られる）。なお、固体電解質層５６は、ロウ付けによってセパレータ５４に対して固定される。そして、コネクタプレート５１，６０、金属箔２１、空気極絶縁フレーム５２、絶縁フレーム５３，５９、（ＳＯＦＣの単セルがロウ付けにて固定された）セパレータ５４及び燃料極フレーム５８などを積層して一体化する。その結果、燃料電池セル本体１１が形成される。

次に、各燃料電池セル本体１１を積層して一体化することにより、燃料電池スタック１０を形成する。詳述すると、燃料電池スタック１０の四隅にある４つの貫通孔４０に締結ボルト４１を挿通させ、燃料電池スタック１０の下面から突出する締結ボルト４１の下端部分にナット（図示略）を螺着させる。また、残り４つの貫通孔４０にガス流通用締結ボルト４２を挿通させ、燃料電池スタック１０の上面及び下面から突出するガス流通用締結ボルト４２の両端部分にナット４３を螺着させる。その結果、各燃料電池セル本体１１が固定され、燃料電池１が完成する。

従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）本実施形態の燃料電池１では、コネクタプレート５１と金属箔２１とによって区画された内部空間２０内の空気が貫通孔２４を介して空気極層５５側に通過すると、金属箔２１は、内部空間２０内の空気の圧力によって空気極層５５側に膨らむように変形する。その結果、燃料電池１の起動時には、金属箔２１が空気極層５５の表面に常時接触するようになるため、コネクタプレート５１が変形した場合（図３，図６参照）や燃料電池セル本体１１が変形した場合などであっても、空気極層５５と金属箔２１との導通を安定的に確保することができる。しかも、金属箔２１は、空気を電極層５５側に通過させるための貫通孔２４を備えるため、電極層５５への空気の供給を、空気の圧力による金属箔２１の変形（導通の確保）と同時に行うことができる。従って、燃料電池１を確実に機能させることが可能になるため、燃料電池１の信頼性を高くすることができる。

（２）本実施形態の金属箔２１は凹部３０を備え、凹部３０の底部３１の空気極層５５側の面は、空気極層５５に接触する接触面２２となっている。そして、底部３１は、金属箔２１の外周部よりも空気極層５５側に突出しているため、接触面２２から空気極層５５までの距離は、凹部３０が存在しない場合よりも短くなる。よって、金属箔２１が空気極層５５に接触しやすくなるため、空気極層５５と金属箔２１との導通がより安定的に確保される。しかも、コネクタプレート５１と金属箔２１との間を流れてきた空気は、貫通孔２４を通過する前に、一旦凹部３０内に溜まるようになっている。その結果、凹部３０内に溜まった多量の空気を貫通孔２４を介して空気極層５５に導くことができるため、燃料電池１をより確実に機能させることができる。さらに、多量の空気が凹部３０内に溜まることにより、凹部３０内の空気の圧力を高めやすくなるため、より強い力で金属箔２１を空気極層５５に接触させることができる。従って、空気極層５５と金属箔２１との導通をより安定的に確保することができる。

なお、本実施形態を以下のように変更してもよい。

図７に示されるように、内部空間２０内（具体的には凹部３０内）に、金属箔２１とコネクタプレート５１との熱による固着を防止する焼き付け防止部材１０１を配置してもよい。このようにすれば、燃料電池１の起動時や起動後に周囲の温度が高温になったとしても、金属箔２１とコネクタプレート５１との固着を防止でき、ひいては、空気極層５５と金属箔２１との導通をよりいっそう安定的に確保することができる。なお、焼き付け防止部材１０１としては、部材本体の全面に対してアルミナのペーストを塗布したものや、アルミナからなる板材などが挙げられる。また、焼き付け防止部材１０１は、多孔質体によって形成されることが好ましい。このようにすれば、焼き付け防止部材１０１が、内部空間２０を流れる空気の圧力損失を生じさせる部材（いわゆる圧損体）となるため、焼き付け防止部材１０１は貫通孔２４と同じ機能を有するようになる。

上記実施形態の金属箔２１を用いる代わりに、空気極層５５側の接触面１２２から空気極層５５側に突出する凸部１２３を備えるとともに、凸部１２３の先端部が空気極層５５に接触する金属箔１２１（図８，図９参照）を用いてもよい。なお、各凸部１２３は、金属箔１２１と同じ材料（アルミニウム）によって平面視長方形状に形成され、隣接する貫通孔１２４間に配置されている。このようにすれば、金属箔１２１が凸部１２３を介して空気極層５５に接触するため、空気極層５５と金属箔１２１との間には隙間が生じるようになる。従って、貫通孔１２４を通過した空気を、生じた隙間を介して空気極層５５の表面全体に行き渡らせることができるため、燃料電池１をより確実に機能させることができる。

上記実施形態の金属箔２１を用いる代わりに、空気極層５５と接触する部分（図１０に示す領域Ａ１）に複数の貫通孔２２２が配置されるとともに、空気極層５５と接触しない部分（ここでは、底部２２３の四隅）にも貫通孔２２４が配置された金属箔２２１（図１０参照）を用いてもよい。

上記実施形態の燃料電池１では、コネクタプレート５１と空気極層５５との間に、空気極層５５に接触可能な金属箔２１が設けられていたが、それに加えて、コネクタプレート６０と燃料極層５７との間に、燃料極層５７に接触可能な金属箔を設けてもよい。また、コネクタプレート５１と空気極層５５との間に金属箔２１を設ける代わりに、コネクタプレート６０と燃料極層５７との間に金属箔を設けるようにしてもよい。

上記実施形態では、金属箔２１が全ての燃料電池セル本体１１に配置されていたが、金属箔２１の配置態様を変更してもよい。例えば、金属箔２１を、最上層及び最下層の燃料電池セル本体１１のみに配置してもよいし、中間層の燃料電池セル本体１１のみに配置してもよい。また、金属箔２１を、１つの燃料電池セル本体１１のみに配置してもよい。なお、金属箔２１の数を多くすれば、燃料電池１の起動時に金属箔２１が空気極層５５から離間するという問題をより確実に回避できるため、燃料電池１の信頼性がよりいっそう高くなる。

１…固体酸化物形燃料電池（燃料電池）
１１…燃料電池セル本体
２０…内部空間
２１，１２１，２２１…金属箔
２２，１２２…接触面
２４，１２４，２２２，２２４…貫通孔
２５…貫通孔形成領域
２６…外形線
２７…表面領域
５１，６０…コネクタプレート
５５…電極層としての空気極層
５６…固体電解質層
５７…電極層としての燃料極層
６６…金属集電体としての空気極集電体
９１…固体電解質層の表面
９２…固体電解質層の裏面
１０１…焼き付け防止部材
１２３…凸部

Claims

固体電解質層と、前記固体電解質層の表面に配置されて第１発電用ガスに接する第１電極層と、前記固体電解質層の裏面に配置されて第２発電用ガスに接する第２電極層とを有し、発電反応により電力を発生する燃料電池セル本体と、
前記第１電極層の表面に対向して配置されるコネクタプレートと、
前記コネクタプレートに電気的に接続されるとともに、前記コネクタプレートと前記第１電極層との間に配置され、前記第１電極層の表面に接触可能な金属集電体と
を備えた固体酸化物形燃料電池であって、
前記金属集電体は金属箔を備え、
前記コネクタプレートの裏面と、前記金属箔における前記第１電極層とは反対側に位置する面とにより、内部空間が区画され、
前記金属箔は、前記内部空間内の前記第１発電用ガスの圧力によって前記第１電極層側に膨らむように変形可能に構成されるとともに、前記第１電極層に接触する接触部を有し、
さらに、前記金属箔は、前記内部空間内の前記第１発電用ガスを前記第１電極層側に通過させるための貫通孔を備え、
前記第１電極層の厚さ方向から見たときに前記第１電極層の外形線で区画される表面領域内に、前記貫通孔と前記接触部とが配置されている
ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
前記金属箔の全面積に対して貫通孔が占める割合は、１０％以上９０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
前記金属箔は、前記第１電極層側に位置する面から前記第１電極層側に突出する凸部を備えるとともに、前記凸部の先端部が前記第１電極層に接触することを特徴とする請求項１または２に記載の固体酸化物形燃料電池。
前記燃料電池セル本体は平面視矩形状をなしており、前記貫通孔はアレイ状に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
前記第１電極層は、前記固体電解質層の表面側に配置され前記第１発電用ガスである酸化剤ガスに接する空気極層であり、
前記第２電極層は、前記固体電解質層の裏面側に配置され前記第２発電用ガスである燃料ガスに接する燃料極層であり、
前記金属集電体は、前記コネクタプレートと前記空気極層との間に配置されている
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。