JPWO2008044429A1 - 固体電解質形燃料電池支持構造体とそれを備えた固体電解質形燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

セパレータ間とセル‐マニホールド間にシール部材を配置する必要性をなくすことが可能な固体電解質形燃料電池の支持構造体とそれを備えたモジュールを提供する。固体電解質形燃料電池支持構造体(20)は、各々が燃料極層(11)、固体電解質層(12)および空気極層(13)からなる複数のセル(10)の間に配置されるセル間分離部(21a)と、各セル(10)に、燃料ガスを供給するために燃料ガス通路(23)と、空気を供給するための空気通路(24)とを有するガス通路構造部(21b)とを備える。セル間分離部(21a)は、燃料ガスと空気とを分離する電気絶縁体(21)と、電気絶縁体(21)内に形成され、複数のセル(10)を相互に電気的に接続する電気導電体(22)とから形成される。ガス通路構造部(21b)の本体が、セル間分離部(21a)を形成する電気絶縁体(21)からなり、セル間分離部(21a)を形成する電気絶縁体(21)に連続して形成されている。

Description

この発明は、一般的には固体電解質形燃料電池支持構造体とそれを備えた固体電解質形燃料電池モジュールに関するものである。

一般的に、平板型の固体電解質形燃料電池（固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）ともいう）は、各々がアノード（負極）、固体電解質およびカソード（正極）からなる発電要素としての平板状の複数のセルと、複数のセルの間に配置されるセパレータ（インタコネクタともいう）とから構成される。セパレータは、複数のセルを相互に電気的に直列に接続し、かつ、複数のセルの各々に供給されるガスを分離するために、具体的にはアノードに供給されるアノードガスとしての燃料ガス（たとえば水素）と、カソードに供給されるカソードガスとしての酸化剤ガス（たとえば空気）とを分離するために複数のセルの間に配置される。

従来から、セパレータは、耐熱性の金属材料またはランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ_３）などの導電性のセラミック材料から形成されている。このような導電性材料を用いてセパレータを形成すると、一種類の材料で上記の電気的接続とガスの分離という機能を果たす部材を構成することができる。

一方、セパレータは、セルを構成する三層の部材、すなわち、アノード（燃料極）、電解質およびカソード（空気極）を構成する三層の部材に接合され、かつ、燃料ガスと酸化剤ガスの漏れを防止するためにセパレータと三層の部材の周縁部が気密にシールされて配置される。

また、セパレータとセルとからなる積層体は、複数のセルの各々に燃料ガスと酸化剤ガスを供給するためにマニホールドに接続される。この場合においても、燃料ガスと酸化剤ガスの漏れを防止するためにセパレータおよび三層の部材の周縁部とマニホールドとの間、さらにマニホールド間が気密にシールされて配置される。

たとえば、特開平８−５０９１１号公報（特許文献１）には、平板状固体電解質燃料電池の構造が開示されている。

図１８は、上記の公報に開示された平板状固体電解質燃料電池の単位セルを示す分解斜視図である。

図１８に示すように、平板状の固体電解質板５２１の両面には、電極としてのカソード５２２とアノード５２３が形成されている。固体電解質板５２１は、酸化物イオン導電性を有する電解質、たとえば、部分安定化ジルコニア、安定化ジルコニアなど公知の固体電解質材料で作った板状物からなる。カソード５２２とアノード５２３は導電性材料からなる。各セルにおいて、両面にカソード５２２とアノード５２３が形成された固体電解質板５２１は、ガス通路と電気的接合体（集電体）を兼ねたセパレータ５２４を介して積層される。セパレータ５２４は、金属またはたとえばＬａ_ｘＳｒ_１−ｘＣｒＯ_３などの導電性セラミックスで形成される。セパレータ５２４の両面には、酸化剤ガス流路５２４ａと燃料ガス流路５２４ｂを構成する溝が形成され（図では溝を片面だけ示している）、上下のセパレータ５２４の酸化剤ガス流路５２４ａと燃料ガス流路５２４ｂが交差するように配置されている。酸化剤ガス流路５２４ａと燃料ガス流路５２４ｂが交差する位置に固体電解質板５２１が位置するように積層され、セパレータ５２４間の固体電解質板５２１がない部分は絶縁性のＡｌ_２Ｏ_３を主成分とした無機質多孔体からなるガスケット５２５を挟み込んでガス封止されている。

このように構成された単位セルの複数個からなる電池本体の燃料ガスの入口・出口、酸化剤ガスの入口・出口には、それぞれ、セラミックス製のマニホールド（図示せず）が装着される。電池本体とマニホールドとの間は、ガスケットでガスシールされる。

以上のように、導電性材料からなるセパレータの間で固体電解質板５２１がない部分はガスケットでシールされ、電池本体と電気絶縁性のマニホールドとの間もガスケットでシールされている。

また、たとえば、特開平６−５２８７２号公報（特許文献２）には、固体電解質形燃料電池用封着材の構造が開示されている。

図１９は、上記の公報に開示された封着材が適用される平板状固体電解質形燃料電池とガス通路用マニホールドとの封着連結状態を示す図である。

図１９に示すように、平板状に一体に積層された燃料電池単電池６１４は、順次、積層合体されたセパレータ６０８ａ、燃料電極層６１１、固体電解質層６１０、空気電極層６０９およびセパレータ６０８ｂによって構成される。燃料電池単電池６１４の４側面のうち空気供給面となる側面Ａには空気供給マニホールド（図示せず）が連結され、燃料ガス供給面となる側面Ｂには燃料ガス供給マニホールド（図示せず）が連結され、燃料ガス排出面となる側面Ｃには燃料ガスを矢印６０７の方向に排出するための燃料ガス排出マニホールド６１５ａが連結され、空気排出面となる側面Ｄには空気を矢印６０６の方向に排出するための空気排出マニホールド６１５ｂが連結されている。セパレータは、導電性のＬａ（Ｃｒ・Ｍｇ）Ｏ_３材料から形成される。各ガス通路用マニホールドは、希土類元素の酸化物を含むジルコニア製である。燃料電池単電池６１４と電気絶縁性の各マニホールドとは、電気絶縁性のセラミックス材料からなる封着材を用いて密封連結されている。

さらに、たとえば、特開２００５−２５９４９０号公報（特許文献３）には、固体電解質形燃料電池スタックと固体電解質形燃料電池が開示されている。

図２０は、上記の公報に開示された固体電解質形燃料電池スタックの概要を示す図である。

図２０に示すように、固体電解質形燃料電池スタック８０１は、電子通路材薄膜７２０を有する空気極集電体７１１と、固体電解質薄膜７１３を有する燃料極集電体７１５とを積層して一つのユニット７４０とし、このユニット７４０を複数積層することによって形成されている。電池の最小構成単位であるセル７１０は、平板状の空気極集電体７１１と燃料極集電体７１５との間に固体電解質薄膜７１３が挟み込まれた構造からなる。空気極集電体７１１と燃料極集電体７１５には、ガス流路として空洞７５１が形成されている。セパレータとしての電子通路材薄膜７２０は、導電性セラミックスである緻密なランタンクロマイトからなり、ガスセパレータ機能によって二つのセル７１０間（互いに隣接する空気極集電体７１１と燃料極集電体７１５）でのガスの移動を防止するとともに、電子通路として機能する。

図２１は、図２０に示す固体電解質形燃料電池スタック８０１に接続されるマニホールド部分を示す図である。

図２１に示すように、マニホールド７８１ｂは、金属で形成され、その内部には、金属製の酸化材ガス導入管７８５と燃料ガス排出管７８７が配備されている。酸化材ガス導入管７８５は、接続部８３０を介してスタック８０１の空気極集電体７１１のガス流路としての空洞７５１に連通している。燃料ガス排出管７８７は、接続部８３０を介して燃料極集電体７１５のガス流路としての空洞７５１に連通している。接続部８３０は、スタック８０１と同様の熱膨張係数を有する導電性セラミックス材料から構成されている。接続部８３０には、金属製の導電部材８２０が接合されている。マニホールド７８１ｂとスタック８０１との間には、断熱手段としての断熱部材７９１が配備ざれている。また、マニホールド７８１ｂとスタック８０１との間（マニホールド７８１ｂと断熱部材７９１との間、および、断熱部材７９１とスタック８０１との間の接続部８３０の周囲）には、絶縁シール部７７０が形成されている。絶縁シール部７７０は、シール材により封止された部分であり、これによってガスシール性と電気絶縁性が確保される。

以上のように、固体電解質形燃料電池スタックと電気導電性のマニホールドとの間は、シール材により封止されている。
特開平８−５０９１１号公報 特開平６−５２８７２号公報 特開２００５−２５９４９０号公報

上述したように、特開平８−５０９１１号公報（特許文献１）に開示された平板状固体電解質燃料電池では、導電性材料からなるセパレータの間で固体電解質板がない部分をガスケットでシールし、電池本体と電気絶縁性のマニホールドとの間もガスケットでシールする必要がある。

また、特開平６−５２８７２号公報（特許文献２）に開示された平板状固体電解質形燃料電池では、燃料電池単電池と電気絶縁性のマニホールドとの間を封着材でシールする必要がある。

さらに、特開２００５−２５９４９０号公報（特許文献３）に開示された固体電解質形燃料電池スタックと固体電解質形燃料電池では、複数のセルからなる固体電解質形燃料電池スタックと電気導電性のマニホールドとの間をシール材で封止する必要がある。

このように、従来の固体電解質形燃料電池では、複数のセルの間に配置される電気導電性のセル間分離体としてのセパレータの間をシールする必要があり、また、セルと電気絶縁性または電気導電性のマニホールドとの間もシールする必要がある。このため、従来の固体電解質形燃料電池では、シール部材を配置する必要があるので部材点数が多くなり、複雑な構造になるという問題がある。

そこで、この発明の目的は、セパレータ間とセル‐マニホールド間にシール部材を配置する必要性をなくすことが可能な固体電解質形燃料電池支持構造体と、それを備えた固体電解質形燃料電池モジュールを提供することである。

この発明に従った固体電解質形燃料電池支持構造体は、各々がアノード、固体電解質およびカソードからなる複数のセルの間に配置されるセル間分離部と、複数のセルの各々にアノードガスを供給するためにアノードガス通路と、複数のセルの各々にカソードガスを供給するためのカソードガス通路とを有するガス通路構造部とを備える。セル間分離部は、複数のセルの各々に供給されるアノードガスとカソードガスとを分離する電気絶縁体と、電気絶縁体内に形成され、かつ、複数のセルを相互に電気的に接続する電気導電体とから形成される。ガス通路構造部の本体が、セル間分離部を形成する電気絶縁体からなり、セル間分離部を形成する電気絶縁体に連続して形成されている。

この発明の固体電解質形燃料電池支持構造体においては、マニホールドの機能を果たすガス通路構造部の本体が、セパレータの機能を果たすセル間分離部を形成する電気絶縁体からなり、セル間分離部を形成する電気絶縁体に連続して形成されているので、セパレータとマニホールドの二つの機能を果たす部分が連続して形成されている。このため、従来の固体電解質形燃料電池において必要であった、セパレータ間とセル‐マニホールド間のシール部材が不要となる。これにより、電池全体としてのガスに対するシール性を高めることができ、部材点数を少なくすることができ、その結果として製造工程数を削減することができる。

この発明に従った固体電解質形燃料電池モジュールは、上述の特徴を有する固体電解質形燃料電池支持構造体と、この固体電解質形燃料電池支持構造体のセル間分離部の表面の上に配置され、カソード層、固体電解質層およびアノード層からなるセルとを備える。

このように構成することにより、セルが固体電解質形燃料電池支持構造体のセル間分離部によって支持されるので、固体電解質の厚みを薄くすることができる。その結果、固体電解質層の電気抵抗を低くすることができる。

この発明の固体電解質形燃料電池モジュールにおいて、セル間分離部の表面は、ほぼ平坦であることが好ましい。

このようにセル間分離部の表面は、ほぼ平坦で、ガス流路を構成する溝等が形成されないので、セル間分離部の機械的強度を低下させることがなく、セル間分離部の厚みを薄くすることができる。また、セル間分離部の表面がほぼ平坦であるので、製造が容易になり、その表面上に形成されるカソード層、固体電解質層およびアノード層の形成も容易になる。

また、この発明の固体電解質形燃料電池モジュールにおいて、固体電解質層と電気絶縁体を構成する材料は、安定化ジルコニアまたは部分安定化ジルコニアを主成分として含むことが好ましい。

このようにすることにより、固体電解質形燃料電池支持構造体の電気絶縁体を構成する材料と、固体電解質を構成する材料とにおいて、熱膨張係数の差を小さくすることができるので、運転時等にヒートサイクルが与えられても、固体電解質に作用する熱応力が小さいため、熱応力による固体電解質の破壊を抑制することができる。

また、固体電解質形燃料電池支持構造体の電気絶縁体を構成する材料と、固体電解質を構成する材料とにおいて、焼結挙動を近づけることができるので、割れや反りを生じさせることなく、固体電解質形燃料電池支持構造体の電気絶縁体と固体電解質とを共焼結により製造することができる。

さらに、この発明の固体電解質形燃料電池モジュールにおいて、固体電解質形燃料電池支持構造体とセルとが共焼結によって形成されていることが好ましい。

このようにすることにより、固体電解質形燃料電池支持構造体のセル間分離部とセルの固体電解質層とが接する部分等においてガラス等を用いてシールする必要がなくなる。

以上のようにこの発明によれば、従来の固体電解質形燃料電池において必要であった、セパレータ間とセル‐マニホールド間のシール部材が不要となるので、電池全体としてのガスに対するシール性を高めることができ、部材点数を少なくすることができ、その結果として製造工程数を削減することができる。

この発明の一つの実施の形態として、固体電解質形燃料電池の単位モジュールの概略的な構成を示す断面図である。 図１の単位モジュールを複数備えた固体電解質形燃料電池の概略的な構成を示す断面図である。 図１の単位モジュールの概略的な構成を示す平面図である。 固体電解質形燃料電池支持構造体の一部分を示す斜視図である。 固体電解質形燃料電池支持構造体の一部分を示す斜視図である。 固体電解質形燃料電池支持構造体の一部分を示す斜視図である。 燃料極層を示す斜視図である。 固体電解質層を示す斜視図である。 燃料極層を示す斜視図である。 本発明の固体電解質形燃料電池モジュールの製造方法の一つの実施の形態を示す斜視図である。 固体電解質形燃料電池支持構造体の一部分を示す断面図である。 この発明のもう一つの実施の形態として、固体電解質形燃料電池の概略的な構成を示す平面図である。 単位モジュールを複数備えた固体電解質形燃料電池の概略的な構成として図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿った方向から見た断面を示す断面図である。 単位モジュールを複数備えた固体電解質形燃料電池の概略的な構成として図１２のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿った方向から見た断面を示す断面図である。 この発明のさらにもう一つの実施の形態として、固体電解質形燃料電池の概略的な構成を示す平面図である。 単位モジュールを複数備えた固体電解質形燃料電池の概略的な構成として図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿った方向から見た断面を示す断面図である。 単位モジュールを複数備えた固体電解質形燃料電池の概略的な構成として図１５のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線に沿った方向から見た断面を示す断面図である。 従来の平板状固体電解質燃料電池の単位セルを示す分解斜視図である。 封着材が適用される従来の平板状固体電解質形燃料電池とガス通路用マニホールドとの封着連結状態を示す斜視図である。 固体電解質形燃料電池スタックの概要を示す斜視図である。 図２０に示す固体電解質形燃料電池スタックに接続されるマニホールド部分を示す部分断面図である。

符号の説明

１：固体電解質形燃料電池の単位モジュール、１１：燃料極層、１２：固体電解質層、１３：空気極層、２０：固体電解質形燃料電池支持構造体、２１：電気絶縁体、２１ａ：セル間分離部、２１ｂ：ガス通路構造部、２２：電気導電体、２３：燃料ガス通路、２４：空気通路、１００，２００，３００：固体電解質形燃料電池。

以下、この発明の一つの実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、この発明の一つの実施の形態として、固体電解質形燃料電池の単位モジュールの概略的な構成を示す断面図である。図２は、図１の単位モジュールを複数備えた固体電解質形燃料電池の概略的な構成を示す断面図である。図３は、図１の単位モジュールの概略的な構成を示す平面図である。この実施の形態の固体電解質形燃料電池は、燃料ガスの流れと空気の流れが直交するタイプ（直交流タイプ）である。

図１に示すように、固体電解質形燃料電池の単位モジュール（固体電解質形燃料電池モジュール）１は、固体電解質形燃料電池支持構造体（以下、「支持構造体」という）２０を備える。支持構造体２０の一方側の表面上には、セルを構成するアノード層としての厚みが１００〜３００μｍの燃料極層１１と、厚みが１０〜５０μｍの固体電解質層１２と、カソード層としての厚みが１００〜３００μｍの空気極層１３とが形成されている。なお、図１では、支持構造体２０の一方側の表面上に、燃料極層１１、固体電解質層１２および空気極層１３が順に形成されることによって単位モジュールが構成されているが、空気極層１３、固体電解質層１２および燃料極層１１が順に形成されることによって単位モジュールが構成されてもよい。

図２に示すように、固体電解質形燃料電池１００は、複数のセル１０を有し、最上部に位置するセルには支持構造体２０を介して厚みが１０〜２０μｍの集電板３０が電気的に接続するように配置され、最下部に位置するセルには支持構造体２０を介して厚みが１０〜２０μｍの集電板４０が電気的に接続するように配置されている。複数のセル１０の各々は、順に積層された燃料極層１１と固体電解質層１２と空気極層１３とからなる。支持構造体２０は、複数のセル１０の間に配置される厚みが１００μｍ程度のセル間分離部２１ａと、ガス通路構造部２１ｂとから構成される。

図１と図２に示すように、セル間分離部２０は、複数のセルの各々に供給されるアノードガスとしての燃料ガスと、カソードガスとしての酸化剤ガスである空気とを分離する電気絶縁体２１と、電気絶縁体２１内に形成され、かつ、複数のセル１０を相互に電気的に接続する複数の電気導電体２２とから形成される。集電板３０は電気導電体２２を通じて最上部のセルの燃料極層１１に電気的に接続され、集電板４０は電気導電体２２を通じて最下部のセルの空気極層１３に電気的に接続されている。

図３に示すように、ガス通路構造部２１ｂは、複数のセル１０の各々の燃料極層１１の一方側の側面に接触するように配置された、燃料ガスを供給するためのアノードガス通路としての燃料ガス通路２３と、空気極層１３の一方側の側面に接触するように配置された、空気を供給するためのカソードガス通路としての空気通路２４とを有する。図３において、燃料ガスは、左側に配置された燃料ガス通路２３から右に向かって流れるとともに、空気は、上側に配置された空気通路２４から下に向かって流れる。このように、この実施の形態の固体電解質形燃料電池１００では、燃料ガスの流れと空気の流れが直交する。

図１と図２に示すように、ガス通路構造部２１ｂの本体、すなわち、燃料ガス通路２３と空気通路２４を形成する壁部は、セル間分離部２１ａを形成する電気絶縁体２１と同じ電気絶縁体からなり、セル間分離部２１ａを形成する電気絶縁体２１に連続して形成されている。

なお、電気絶縁体２１は、たとえば、添加量３モル％のイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ_２）（イットリア安定化ジルコニア：ＹＳＺ）、添加量１２モル％のセリア（ＣｅＯ_２）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ_２）（セリア安定化ジルコニア：ＣｅＳＺ）等を用いて形成される。電気導電体２２は、たとえば、銀（Ａｇ）‐白金（Ｐｔ）合金、銀（Ａｇ）‐パラジウム（Ｐｄ）合金等を用いて形成される。固体電解質層１２は、たとえば、添加量１０モル％のスカンジア（Ｓｃ_２Ｏ_３）と添加量１モル％のセリア（ＣｅＯ_２）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ_２）（スカンジアセリア安定化ジルコニア：ＳｃＣｅＳＺ）、添加量１１モル％のスカンジア（Ｓｃ_２Ｏ_３）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ_２）（スカンジア安定化ジルコニア：ＳｃＳＺ）等を用いて形成される。燃料極層１１は、たとえば、酸化ニッケル（ＮｉＯ）と、添加量１０モル％のスカンジア（Ｓｃ_２Ｏ_３）と添加量１モル％のセリア（ＣｅＯ_２）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ_２）（スカンジアセリア安定化ジルコニア：ＳｃＣｅＳＺ）との混合物等を用いて形成される。空気極層１３は、たとえば、Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２ＭｎＯ_３と、添加量１０モル％のスカンジア（Ｓｃ_２Ｏ_３）と添加量１モル％のセリア（ＣｅＯ_２）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ_２）（スカンジアセリア安定化ジルコニア：ＳｃＣｅＳＺ）との混合物等を用いて形成される。集電板３０と４０は、たとえば、銀（Ａｇ）から形成される。

以上のように構成された本発明の固体電解質形燃料電池支持構造体２０においては、マニホールドの機能を果たすガス通路構造部２１ｂの本体が、セパレータの機能を果たすセル間分離部２１ａを形成する電気絶縁体２１からなり、セル間分離部２１ａを形成する電気絶縁体２１に連続して形成されているので、セパレータとマニホールドの二つの機能を果たす部分が連続して形成されている。このため、従来の固体電解質形燃料電池において必要であった、セパレータ間とセル‐マニホールド間のシール部材が不要となる。これにより、電池全体としてのガスに対するシール性を高めることができ、部材点数を少なくすることができ、その結果として製造工程数を削減することができる。

この発明に従った固体電解質形燃料電池モジュール１は、上述の特徴を有する固体電解質形燃料電池支持構造体２０と、この固体電解質形燃料電池支持構造体２０のセル間分離部２１ａの表面の上に配置された空気極層１３と、空気極層１３の上に形成された固体電解質層１２と、固体電解質層１２の上に形成された燃料極層１１とを備え、セル１０が固体電解質形燃料電池支持構造体２０のセル間分離部２１ａによって支持されるので、固体電解質１２の厚みを、たとえば、１００μｍ以下に薄くすることができる。その結果、固体電解質層１２の電気抵抗を低くすることができる。

この発明の固体電解質形燃料電池モジュール１においては、セル間分離部２１ａの表面は、ほぼ平坦で、ガス流路を構成する溝等が形成されていないので、セル間分離部２１ａの機械的強度を低下させることがなく、セル間分離部２１ａの厚みを薄くすることができる。また、セル間分離部２１ａの表面がほぼ平坦であるので、製造が容易になり、その表面上に形成される空気極層１３、固体電解質層１２および燃料極層１１の形成も容易になる。

また、この発明の固体電解質形燃料電池モジュール１において、固体電解質層１２と電気絶縁体２１を構成する材料は、安定化ジルコニアまたは部分安定化ジルコニアを主成分として含むことにより、固体電解質形燃料電池支持構造体２０の電気絶縁体２１を構成する材料と、固体電解質層１２を構成する材料とにおいて、熱膨張係数の差を小さくすることができるので、運転時等にヒートサイクルが与えられても、固体電解質層１２に作用する熱応力が小さいため、熱応力による固体電解質層１２の破壊を抑制することができる。

また、固体電解質形燃料電池支持構造体２０の電気絶縁体２１を構成する材料と、固体電解質層１２を構成する材料とにおいて、焼結挙動を近づけることができるので、割れや反りを生じさせることなく、固体電解質形燃料電池支持構造体２０の電気絶縁体２１と固体電解質層１２、ひいては、固体電解質形燃料電池支持構造体２０の電気絶縁体２１と固体電解質層１２を含むセル１０とを共焼結により製造することができる。

図１２は、この発明のもう一つの実施の形態として、固体電解質形燃料電池の概略的な構成を示し、特に燃料極層１１、固体電解質層１２、空気極層１３の平面的な配置を示す平面図である。図１３は、単位モジュールを複数備えた固体電解質形燃料電池の概略的な構成として図１２のＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線に沿った方向から見た断面を示す断面図である。図１４は、単位モジュールを複数備えた固体電解質形燃料電池の概略的な構成として図１２のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿った方向から見た断面を示す断面図である。この実施の形態の固体電解質形燃料電池は、燃料ガスと空気が同じ方向に流れるタイプ（並行流タイプ）である。

図１２〜図１４に示すように、固体電解質形燃料電池２００では、燃料ガス通路２３は、複数のセル１０の各々の燃料極層１１の一方側の側面の一部に接触するように配置されている。空気通路２４は、複数のセル１０の各々の空気極層１３の一方側の側面の一部に接触するように配置されている。燃料ガスは燃料ガス通路２３を通じて供給され、空気は空気通路２４を通じて供給される。燃料ガスと空気は、図１２において左から右に向かって同じ方向に流れる。その他の構成は、図２に示される固体電解質形燃料電池１００と同様である。

図１５は、この発明のさらにもう一つの実施の形態として、固体電解質形燃料電池の概略的な構成を示し、特に燃料極層１１、固体電解質層１２、空気極層１３の平面的な配置を示す平面図である。図１６は、単位モジュールを複数備えた固体電解質形燃料電池の概略的な構成として図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿った方向から見た断面を示す断面図である。図１７は、単位モジュールを複数備えた固体電解質形燃料電池の概略的な構成として図１５のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線に沿った方向から見た断面を示す断面図である。この実施の形態の固体電解質形燃料電池は、燃料ガスと空気が互いに逆の方向に流れるタイプ（対向流タイプ）である。

図１５〜図１７に示すように、固体電解質形燃料電池３００では、燃料ガス通路２３は、複数のセル１０の各々の燃料極層１１の両側面の一部に接触するように配置されている。空気通路２４は、複数のセル１０の各々の空気極層１３の両側面の一部に接触するように配置されている。燃料ガスは燃料ガス通路２３を通じて供給され、空気は空気通路２４を通じて供給される。図１５において、燃料ガスは、左側に配置された燃料ガス通路２３から右に向かって流れるとともに、右側に配置された燃料ガス通路２３から左に向かって流れる。一方、図１５において、空気は左側に配置された空気通路２４から右に向かって流れるとともに、右側に配置された空気通路２４から左に向かって流れる。その他の構成は、図２に示される固体電解質形燃料電池１００と同様である。

以下、この発明の実施例について説明する。

まず、図１〜図３に示す固体電解質形燃料電池の単位モジュールを構成する各部材の材料粉末を以下のとおり準備した。

燃料極層１１：酸化ニッケル（ＮｉＯ）６０重量％と、添加量１０モル％のスカンジア（Ｓｃ_２Ｏ_３）と添加量１モル％のセリア（ＣｅＯ_２）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ_２）（スカンジアセリア安定化ジルコニア：ＳｃＣｅＳＺ）４０重量％との混合物。

固体電解質層１２：添加量１０モル％のスカンジア（Ｓｃ２Ｏ３）と添加量１モル％のセリア（ＣｅＯ_２）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ_２）（スカンジアセリア安定化ジルコニア：ＳｃＣｅＳＺ）。

空気極層１３：Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２ＭｎＯ_３６０重量％と、添加量１０モル％のスカンジア（Ｓｃ_２Ｏ_３）と添加量１モル％のセリア（ＣｅＯ_２）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ_２）（スカンジアセリア安定化ジルコニア：ＳｃＣｅＳＺ）４０重量％との混合物。

図１に示す固体電解質形燃料電池支持構造体２０にて部分２０ａ、部分２０ｂおよび部分２０ｃ（図２）については、次の材料を作製するための各種原材料粉末を準備した。

添加量１２モル％のセリア（ＣｅＯ_２）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ_２）（セリア安定化ジルコニア：ＣｅＳＺ）に１０重量％のジルコン（ＺｒＳｉＯ_４）を添加したもの（電気絶縁材料）。

以上のように準備された材料を用いて、まず、図２に示すように、固体電解質形燃料電池支持構造体２０を構成する部分２０ａ、２０ｂおよび２０ｃについて３種類の形状の各グリーンシートを以下のように作製した。

部分２０ａについては、各種原材料粉末と、ポリビニルブチラール系バインダーと、有機溶媒としてのエタノールとトルエンとの混合物（重量比率で混合比が１：４）とを混合した後、ドクターブレード法により固体電解質形燃料電池支持構造体２０の部分２０ａのグリーンシートを作製した。

部分２０ａのグリーンシートでは、図４の（Ａ）に示すように、電気絶縁体２１に複数の電気導電体２２を形成するための貫通孔を形成した。

具体的には、図１１の（Ｂ）に示すように、２枚のシート２５ａと２５ｂに互いの貫通孔の位置が重ならないように２種類の配置の貫通孔を形成し、これらの貫通孔に５０重量％の銀と５０重量％のパラジウムとからなるペーストを充填することにより、２種類の位置に配置された電気導電体２２ａと２２ｂを形成するための導電性ペースト充填層を作製した。電気導電体２２ａと２２ｂを形成するための導電性ペースト充填層同士が接続するように、電気導電体２２ｂを形成するための導電性ペースト充填層が配置されたシート２５ｂの表面上に、別のシート２５ａに電気導電体２２ａを形成するために配置された導電性ペースト充填層に接続するように、上記と同じ組成のペーストを印刷した。その後、図１１の（Ｂ）に示すように、２枚のシート２５ａと２５ｂを積層することにより、部分２０ａのグリーンシートを作製した。

なお、図１１の（Ａ）に示すように、部分２０ａのグリーンシートとして、１枚のシート２５に、１種類の配置の電気導電体２２を形成するための導電性ペースト充填層を形成してもよい。

また、図４（Ｂ）に示すように、部分２０ａには、燃料ガス通路２３と空気通路２４を形成するために細長い貫通孔を形成した。

次に、部分２０ｂについては、各種原材料粉末と、ポリビニルブチラール系バインダーと、有機溶媒としてのエタノールとトルエンとの混合物（重量比率で混合比が１：４）とを混合した後、ドクターブレード法により固体電解質形燃料電池支持構造体２０の部分２０ｂのグリーンシートを作製した。

部分２０ｂのグリーンシートでは、図３に示す空気通路２４を形成するための隙間を存在させて空気極層１３のグリーンシートを嵌め合わせすることができるように、図５に示すように、ほぼＵ字形状の電気絶縁体２１からなるシートを作製した。また、図２と図３に示すように電気絶縁体２１に燃料ガス通路２３を形成するための細長い貫通孔を部分２０ｂのグリーンシートに形成した。

そして、部分２０ｃについては、各種原材料粉末と、ポリビニルブチラール系バインダーと、有機溶媒としてのエタノールとトルエンとの混合物（重量比率で混合比が１：４）とを混合した後、ドクターブレード法により固体電解質形燃料電池支持構造体２０の部分２０ｃのグリーンシートを作製した。

部分２０ｃのグリーンシートでは、図２と図３に示す燃料ガス通路２３を形成するための隙間を存在させて燃料極層１１のグリーンシートを嵌め合わせすることができるように、図６に示すように、ほぼＵ字形状の電気絶縁体２１からなるシートを作製した。また、図３に示すように電気絶縁体２１に空気通路２４を形成するための細長い貫通孔を部分２０ｃのグリーンシートに形成した。

次に、図１と図２に示す空気極層１３、固体電解質層１２および燃料極層１１のグリーンシートを以下のようにして作製した。

焼成後、ガス拡散に必要な気孔が十分に形成されるように、燃料極層１１と空気極層１３のそれぞれの材料粉末１００重量部に対してカーボン粉末を２０〜４０重量部添加した。この混合粉末と、ポリビニルブチラール系バインダーと、有機溶媒としてのエタノールとトルエンとの混合物（重量比率で混合比が１：４）とを混合した後、ドクターブレード法により、燃料極層１１と空気極層１３のグリーンシートを作製した。

固体電解質層１２の各種原材料粉末と、ポリビニルブチラール系バインダーと、有機溶媒としてのエタノールとトルエンとの混合物（重量比率で混合比が１：４）とを混合した後、ドクターブレード法により固体電解質層１２のグリーンシートを作製した。

具体的には図７に示す形状で燃料極層１１のグリーンシートを作製し、図８に示す形状で固体電解質層１２のグリーンシートを作製し、図９に示す形状で空気極層１３のグリーンシートを作製した。固体電解質層１２のグリーンシートには、図８に示すように、燃料ガス通路２３と空気通路２４を形成するための細長い貫通孔を形成した。

以上のようにして作製された、固体電解質形燃料電池支持構造体２０の部分２０ｃ、２０ａおよび２０ｂのグリーンシートを順に積層し、さらにこの上に、空気極層１３、固体電解質層１２および燃料極層１１のグリーンシートを順に積層することにより、図２に示す固体電解質形燃料電池支持構造体２０（焼成後のセル間分離部２１ａの厚み：１００μｍ）／空気極層１３（焼成後の厚み：２００μｍ）／固体電解質層１２／燃料極層１１（焼成後の厚み：２００μｍ）からなる固体電解質形燃料電池単位モジュールを５組積層し、最上部にはガス通路を形成していない固体電解質形燃料電池支持構造体２０の部分２０ａを積層した。この積層体を１０００ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力、８０℃の温度にて２分間、冷間静水圧成形（ＣＩＰ）することにより圧着した。この圧着体を温度４００〜５００℃の範囲内で脱脂処理を施した後、温度１３００℃〜１４００℃の範囲内で２時間保持することにより、焼成した。このようにして固体電解質形燃料電池の試料として、以下の実施例１〜２を作製した。

実施例１：固体電解質層１２の厚みが２０μｍのもの。

実施例２：固体電解質層１２の厚みが５０μｍのもの。

以上のようにして作製された固体電解質形燃料電池の各試料の上面と下面に、図２に示すように、銀からなる厚みが２０μｍの集電板３０と４０を固着した。

得られた各試料の初期状態の割れの有無を観察した。また、各試料における固体電解質層１２の単位面積あたりの電気抵抗（Ω・ｃｍ^２）を測定した。

さらに、各試料の燃料電池の開回路電圧（open circuit voltage：ＯＣＶ）を測定した。具体的には、各試料の燃料電池を８００℃に昇温して、５％の水蒸気を含む水素ガスと空気とをそれぞれ、燃料ガス通路２３と空気通路２４とを通じて供給し、空気を常圧（１ａｔｍ）で供給した場合の開回路電圧と、空気を加圧（１．５ａｔｍ）して供給した場合の開回路電圧とを測定した。そして、各試料にクラックやガス漏れがないかどうかを確認した。

また、１００℃／ｍｉｎの速度で温度８００℃と温度１００℃との間で昇温と降温を繰り返すヒートサイクル試験を１０回行った後に各試料の燃料電池の開回路電圧を測定した。そして、各試料にクラックやガス漏れがないかどうかを確認した。

測定結果を表１に示す。

表１から、実施例１〜２の加圧下とヒートサイクル試験後の開回路電圧は常圧時の開回路電圧よりも低下することがないので、本発明の固体電解質形燃料電池支持構造体を採用することにより、電池全体としてのシール性を高めることができることがわかる。

なお、上記の実施例とは異なり、図１０に示すように、グリーンシートを作製して積層し、圧着し、焼成することによって燃料電池モジュールを作製してもよい。

図１０の（Ａ）に示すように、燃料ガス通路２３と空気通路２４を形成するための細長い貫通孔を形成した固体電解質層１２のグリーンシートを作製する。その後、図１０の（Ｂ）に示すように、固体電解質層１２のグリーンシートに空気極層１３のグリーンシートを重ね合わせて積層する。

一方、図１０の（Ｃ）に示すように、電気絶縁体２１に電気導電体２２を形成するためのペースト充填層が形成された固体電解質形燃料電池支持構造体２０のグリーンシートを作製する。その後、図１０の（Ｄ）に示すように、燃料ガス通路２３と空気通路２４を形成するための細長い貫通孔を形成する。そして、図１０の（Ｅ）に示すように、固体電解質形燃料電池支持構造体２０のグリーンシートに燃料極層１１のグリーンシートを重ね合わせて積層する。

最後に、図１０の（Ｆ）に示すように、図１０の（Ｂ）と（Ｅ）で得られた積層体を重ね合わせて積層し、圧着し、焼成することによって燃料電池モジュールを作製する。

今回開示された実施の形態と実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は以上の実施の形態と実施例ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものであることが意図される。

この発明の固体電解質形燃料電池支持構造体とそれを備えた固体電解質形燃料電池モジュールは、従来の固体電解質形燃料電池において必要であった、セパレータ間とセル‐マニホールド間のシール部材が不要となるので、電池全体としてのガスに対するシール性を高めることができ、部材点数を少なくすることができ、その結果として製造工程数を削減することができ、種々のタイプの固体電解質形燃料電池に適用することができる。

Claims (5)

1. 各々がアノード、固体電解質およびカソードからなる複数のセルの間に配置されるセル間分離部と、
   前記複数のセルの各々にアノードガスを供給するためにアノードガス通路と、前記複数のセルの各々にカソードガスを供給するためのカソードガス通路とを有するガス通路構造部とを備え、
   前記セル間分離部は、前記複数のセルの各々に供給されるアノードガスとカソードガスとを分離する電気絶縁体と、前記電気絶縁体内に形成され、かつ、前記複数のセルを相互に電気的に接続する電気導電体とから形成され、
   前記ガス通路構造部の本体が、前記セル間分離部を形成する前記電気絶縁体からなり、前記セル間分離部を形成する前記電気絶縁体に連続して形成されていることを特徴とする、固体電解質形燃料電池支持構造体。
2. 請求項１に記載の固体電解質形燃料電池支持構造体と、
   前記固体電解質形燃料電池支持構造体の前記セル間分離部の表面の上に配置され、カソード層、固体電解質層およびアノード層からなるセルとを備えた、固体電解質形燃料電池モジュール。
3. 前記セル間分離部の表面は、ほぼ平坦である、請求項２に記載の固体電解質形燃料電池モジュール。
4. 前記固体電解質層と前記電気絶縁体を構成する材料は、安定化ジルコニアまたは部分安定化ジルコニアを主成分として含む、請求項２または請求項３に記載の固体電解質形燃料電池モジュール。
5. 前記固体電解質形燃料電池支持構造体と前記セルとが共焼結によって形成されている、請求項２から請求項４までのいずれか１項に記載の固体電解質形燃料電池モジュール。

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