JP2003317743A - 固体電解質型燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 固体電解質体を含む単セルに穴あけ加工をす
ることなく、積層時の位置決めが非常に容易で、熱応力
に対して強い強靭な固体電解質型燃料電池を提供する。 【解決手段】 本燃料電池は、固体電解質体４１と一対
の電極４２，４３とを有する単セル４と、この単セルが
配置される凹部を有する皿状のセパレータ５と、このセ
パレータ５の上面側に設けられ、次に積層される単セル
４の下面に設けられるセパレータ５を配置可能な凹部と
ガス拡散のための貫通孔６１１〜６１４とを有し、かつ
各電極４２，４３間を気密に隔離する隔離セパレータ６
と、を有する複数の燃料電池ユニット１，２を積層して
構成される。さらに、好ましくは、単セル４、セパレー
タ５及び隔離セパレータ６の接触部位に弾性体若しくは
ガラス質又は金属質のシール体を設けて構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、平板型の固体電解
質型燃料電池に関し、更に詳しくは、固体電解質体を含
む単セルに穴あけ加工をすることなく、積層時の位置決
めが非常に容易で、熱応力に対して強い強靭な固体電解
質型燃料電池に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、平板型の固体電解質型燃料電池
（以下、ＳＯＦＣとも記載する。）は、複数の単セルを
積層した構造（以下、スタックとも記載する。）として
使用される。平板型ＳＯＦＣスタックには、スタック内
部にガス通路を備えた「内部マニホールド型」と、スタ
ック外部にガス通路を備えた「外部マニホールド型」と
がある。これらのうち、内部マニホールド型の従来技術
として、例えば、図１３に示すものが知られている。同
図の平板型ＳＯＦＣスタックは、イットリア安定化ジル
コニア（以下、ＹＳＺとも記載する。）からなる平板状
の固体電解質体４１Ａの一方の面にニッケルとＹＳＺか
らなる燃料極を設け、他方の面にペロブスカイト複合酸
化物｛例えば、ランタンストロンチウムマンガナイト
（略称、ＬＳＭ）｝からなる空気極を設けて単セル４Ａ
を構成し、複数の単セル４Ａが、ランタンクロマイト系
複合酸化物もしくは耐熱性金属からなるセパレータ５Ａ
を介して積層された構造をなす。そして、固体電解質体
４１Ａ及びセパレータ５Ａの四隅角部には、ガス通路用
の貫通孔２２Ａが形成され、夫々の貫通孔２２Ａが単セ
ル４Ａの燃料極及び空気極へのガスの出入り口となって
いる。さらに、固体電解質体４１Ａ及びセパレータ５Ａ
はガラス質のシール材で気密シールされる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の平板型ＳＯ
ＦＣスタックでは、下記のような問題点が挙げられる。 加工性の悪いセラミックス材である固体電解質体に穴
あけ加工を施しているので、歩留まりが悪くコスト高と
なる。 上記の穴あけ加工で、固体電解質体の有する構造的な
強度が大きく低下する。 平板状の単セルやセパレータであるため積層時に位置
ズレしやすい。また、室温で位置ズレすることなく積層
したとしても、高温保持時にシール材であるガラスが溶
融したときに再び位置ズレが起きやすく、ガス通路が塞
がってしまう可能性がある。 ガラス質のシール材を使用し、セパレータがランタン
クロマイトである場合には、構成材料の全てが脆性材料
であり熱応力に対して非常に弱い。

【０００４】本発明は、上記従来技術で示した問題点を
解決するため、固体電解質体を含む単セルに穴あけ加工
をすることなく、積層時の位置決めが非常に容易で、熱
応力に対して強い強靭な固体電解質型燃料電池を提供す
ることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の固体電解質型燃
料電池は、固体電解質体の一方の面に燃料極及び他方の
面に空気極が設けられた単セルと、上記単セルが配置さ
れる凹部を有する皿状のセパレータと、上記単セルの上
記セパレータとは反対面側に設けられ、皿状の他のセパ
レータを配置するための凹部を有し、かつ上記燃料極と
上記空気極とを気密に隔離する皿状の隔離セパレータ
と、を有する燃料電池ユニットの１又は２以上を備える
ことを特徴とする。上記「固体電解質体」としては、い
ずれの従来公知の固体電解質を用いてもよい。例えば、
安定化ジルコニア系酸化物（92mol%ＺｒＯ_２-8mol%Ｙ_２
Ｏ_３、89mol%ＺｒＯ_２-11mol%Ｓｃ_２Ｏ_３）、ＬａＧａ
Ｏ_３系酸化物（Ｌａ_0.9Ｓｒ_0.1Ｇａ_{0 .8}Ｍｇ
_0.2Ｏ_３−δ、Ｌａ_0.9Ｓｒ_0.1Ｇａ_0.8Ｍｇ_0.１５Ｃｏ
_0.05Ｏ_３−δ、不定比組成のため酸素欠陥分をδで示
す、０＜δ＜０．３）、ＢａＣｅＯ_３系酸化物（ＢａＣ
ｅ_0.8Ｙ_0.2Ｏ_3-δ、ＢａＣｅ_0.9Ｎｄ_0.1Ｏ_3-δ、不定比
組成のため酸素欠陥分をδで示す、０＜δ＜０．２）な
どを挙げることができる。また、上記「燃料極」として
は、いずれの従来公知の材料でも良いが、例えば、Ａ
ｕ、Ｐｄ、Ｎｉ及びＦｅ等の金属、又は前記金属とＺｒ
Ｏ₂、ＣｅＯ₂、ＭｎＯ₂等の金属酸化物との混合物を挙
げることができる。また、上記「空気極」としては、い
ずれの従来公知の材料でも良いが、例えば、白金、又は
金属酸化物、例えば、酸化ランタン、酸化ストロンチウ
ム、酸化セリウム、酸化コバルト、酸化マンガン、酸化
鉄又はこれらの組合せの複合酸化物等が挙げられる。ま
た、上記「燃料極と空気極とを気密に隔離する」とは、
燃料極へ通気されるガスと、空気極へ通気されるガスと
を気密に隔離することを意味する。

【０００６】また、前記セパレータ及び前記隔離セパレ
ータの何れもが耐熱性金属で構成されていることができ
る。この耐熱性金属としては、例えば、Ｆｅ基合金、Ｎ
ｉ基合金（例えば、インコネル）、Ｍｏ基合金、Ｃｏ基
合金、サーメット、分散強化形合金等を挙げることがで
きる。特に、安価でかつ熱膨張係数がセラミックス材料
に近いためフェライト系ステンレス合金であることが好
ましい。また、前記セパレータの前記凹部側に前記燃料
極が位置するように前記単セルを配置するとともに、前
記燃料極と前記セパレータとの間には第１弾性体が設け
られ、前記空気極と前記他のセパレータとの間には第２
弾性体が設けられ、前記隔離セパレータと前記固体電解
質体との間には第３弾性体が設けられ、前記隔離セパレ
ータと前記セパレータとの間には第４弾性体が設けら
れ、前記隔離セパレータと前記他のセパレータとの間に
は第５弾性体が設けられていることができる。また、前
記単セルは、ニッケルとセラミックスとからなるサーメ
ットを主成分とする燃料極と、ペロブスカイト複合酸化
物を主成分とする空気極とを備えるとともに、前記第１
弾性体がニッケルを主成分としてなり、前記第２弾性体
が耐熱性金属を主成分としてなり、前記第３弾性体、前
記第４弾性体及び前記第５弾性体の何れもがセラミック
スを主成分としてなることができる。ここで、上記サー
メットを主成分とするとは、燃料極を１００質量％とし
た場合に、サーメット成分が８０質量％以上（好ましく
は９０質量％以上、より好ましくは９５質量％以上、特
に好ましくは実質的に１００％）であることを意味す
る。また、上記ペロブスカイト複合酸化物を主成分とす
るとは、空気極を１００質量％とした場合に、ペロブス
カイト複合酸化物成分が８０質量％以上（好ましくは９
０質量％以上、より好ましくは９５質量％以上、特に好
ましくは実質的に１００％）であることを意味する。ま
た、ニッケルを主成分としてなりとは、第１弾性体を１
００重量％とした場合に、ニッケル成分が８０質量％以
上（好ましくは９０質量％以上、より好ましくは９５質
量％以上、特に好ましくは実質的に１００％）であるこ
とを意味する。また、耐熱性金属を主成分としてなりと
は、第２弾性体を１００重量％とした場合に、耐熱性金
属成分が８０質量％以上（好ましくは９０質量％以上、
より好ましくは９５質量％以上、特に好ましくは実質的
に１００％）であることを意味する。さらに、セラミッ
クスを主成分としてなるとは、前記第３弾性体（又は第
４弾性体若しくは第５弾性体）を１００重量％とした場
合に、セラミックス成分が８０質量％以上（好ましくは
９０質量％以上、より好ましくは９５質量％以上、特に
好ましくは実質的に１００％）であることを意味する。
また、前記第１弾性体がニッケルフェルト又はニッケル
発泡体からなることができる。好ましくは、ニッケルフ
ェルトである。また、前記第２弾性体が耐熱性金属繊維
の成形体、耐熱性金属フェルト及び耐熱性金属発泡体の
うちのいずれか一種からなることができる。好ましく
は、耐熱性金属フェルトである。さらに、前記第３弾性
体、前記第４弾性体及び前記第５弾性体の何れもがアル
ミナ、シリカ及びジルコニアのうちの少なくとも一種か
らなる繊維を主成分とする材質から構成されることがで
きる。好ましくは、ムライト質アルミナ繊維マット（アル
ミナ70%-シリカ30%）、アルミナ繊維マット（アルミナ96%-シリカ4
%）である。ここで、繊維を主成分とするとは、第３弾
性体（又は第４弾性体若しくは第５弾性体）を１００重
量％とした場合に、上記繊維成分が８０質量％以上（好
ましくは９０質量％以上、より好ましくは９５質量％以
上、特に好ましくは実質的に１００％）であることを意
味する。また、２以上の前記燃料電池ユニットが積層さ
れ、該２以上の燃料電池ユニットの最上端部の隔離セパ
レータに積層される皿状の蓋体と、該２以上の燃料電池
ユニット、該蓋体及び前記弾性体を積層方向に加圧して
保持する加圧保持手段と、を備えることができる。

【０００７】また、前記セパレータの前記凹部側に前記
燃料極が位置するように前記単セルを配置するととも
に、前記燃料極と前記セパレータとの間には第１弾性体
が設けられ、前記空気極と前記他のセパレータとの間に
は第２弾性体が設けられ、前記隔離セパレータと前記固
体電解質体との間、前記隔離セパレータと前記セパレー
タとの間及び前記隔離セパレータと前記他のセパレータ
との間には溶融形成されたシール体が設けられているこ
とができる。ここで、上記シール体としては、公知の材
料が使用でき、例えば、ＣａＯ−Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２
を主成分とする結晶化ガラス、雲母結晶（ＫＭｇ_３Ａｌ
Ｓｉ_３Ｏ_１０Ｆ_２等）を含有するガラスセラミックス等
のガラス質、又は銀ろう（Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ）、パラジ
ウムろう（Ｐｄ−Ａｇ−Ｃｕ−Ｎｉ）等の金属質からな
るもの等を挙げることができる。また、前記隔離セパレ
ータと前記他のセパレータとの間に設けられる前記シー
ル体は、溶融形成された一対のシール層と、該シール層
間に介在される絶縁層とを有することができる。ここ
で、上記絶縁層としては、例えば、マグネシアとマグネ
シアスピネルとの混合物の焼結体等を挙げることができ
る。なお、例えば、上記シール体として金属質のシール
体を用いる場合には、単セル間の短絡を防止するため
に、上記シール体は上記絶縁層を有する必要がある。一
方、例えば、上記シール体としてガラス質のシール体を
用いる場合には、そのシール体が良好な絶縁性を有する
のであれば、上記シール体は、上記絶縁層を必ずしも有
する必要はないが、単セル間の短絡をより確実に防止す
るために、上記絶縁層を有することが好ましい。また、
前記単セルは、ニッケルとセラミックスとからなるサー
メットを主成分とする燃料極と、ペロブスカイト複合酸
化物を主成分とする空気極とを備えるとともに、前記第
１弾性体がニッケルを主成分としてなり、前記第２弾性
体が耐熱性金属を主成分としてなり、前記シール体がガ
ラス質又は金属質からなることができる。ここで、上記
燃料極、空気極、第１弾性体及び第２弾性体は、上述し
た通りの成分構成であることができる。また、前記第１
弾性体がニッケルフェルト又はニッケル発泡体からなる
ことができる。好ましくは、ニッケルフェルトである。
また、前記第２弾性体が耐熱性金属繊維の成形体、耐熱
性金属フェルト及び耐熱性金属発泡体のうちのいずれか
一種からなることができる。好ましくは、耐熱性金属フ
ェルトである。また、前記絶縁層がマグネシアとマグネ
シアスピネルとの混合物からなることができる。さら
に、積層される２以上の前記燃料電池ユニットと、該２
以上の前記燃料電池ユニットの最上端部に位置する隔離
セパレータに積層される皿状の蓋体と、を備え、前記固
体電解質体と前記隔離セパレータとの間、前記隔離セパ
レータと前記セパレータとの間、前記隔離セパレータと
前記他のセパレータとの間及び前記隔離セパレータと前
記蓋体との間に前記溶融形成された前記シール体が配設
されていることができる。

【０００８】

【発明の効果】本発明の固体電解質型燃料電池による
と、単セルと、単セルが配置される凹部を有する皿状の
セパレータと、このセパレータを配置可能な凹部を有す
る隔離セパレータとを有する燃料電池ユニットを備え、
この燃料電池ユニットを皿状の積層体としたので、積層
時に各部材が自動的に位置決めされ、各部材の位置ズレ
を防止できる。また、ガラス質のシール材を用いた場合
でも、高温保持時のシール材の溶融による各部材の位置
ズレを防止できる。さらに、本発明の固体電解質型燃料
電池を内部マニホールド型として適用しても、燃料電池
ユニットの周縁部にガス通路を形成でき、セラミックス
材である固体電解質体を含む単セルに穴あけ加工する必
要がない。その結果、コスト低減に寄与すると共に、固
体電解質体の構造的な強度の大幅な低下を防止でき、熱
応力に対して強い強靭な固体電解質型燃料電池を実現で
きる等の利点がある。

【０００９】また、セパレータ及び隔離セパレータの何
れをも耐熱性金属で構成することで、その加工性や耐熱
応力性を向上させ、かつコストをより低減することがで
きる。また、単セル、セパレータ及び隔離セパレータの
夫々の接触部位に弾性体を介在させることで、構成材料
の多くが脆性材料であっても、熱応力に対してさらに強
い強靭な固体電解質型燃料電池を実現できる。また、一
般的に弾性体は熱伝導率が低いため、スタック外部の急
激な温度変化による単セルの破損を防止できる。また、
燃料極とセパレータとの間にニッケルを主成分とする第
１弾性体を設けることで、燃料極側では、水素を主成分
とするガス中で安定しかつ優れた電子伝導性を示すこと
ができる。また、空気極とセパレータとの間に耐熱性金
属を主成分とする第２弾性体を設けることで、空気極側
では、高温の空気中で安定しかつ優れた電子伝導性を示
すことができる。さらに、隔離セパレータと固体電解質
体との間にセラミックスを主成分とする第３弾性体を設
け、隔離セパレータとセパレータとの間にセラミックス
を主成分とする第４及び第５弾性体を設けることで、各
セパレータ同士の絶縁性を確保することができる。ま
た、前記第１弾性体をニッケルフェルト又は、ニッケル
発泡体とすることで、燃料極側でより安定しかつ優れた
電子伝導性を示すことができる。また、前記第２弾性体
を耐熱性金属繊維の成形体、耐熱性金属フェルト又は耐
熱性金属発泡体とすることで、空気極側でより安定しか
つ優れた電子伝導性を示すことができる。さらに、前記
第３、第４及び第５弾性体をアルミナ、シリカ、ジルコ
ニアのうちの少なくとも一種からなる繊維を主成分とす
る材質から構成することで、各セパレータ同士の絶縁性
をより確実に確保することができる。さらに、２以上の
燃料電池ユニット、蓋体及び各弾性体を積層方向に加圧
する加圧手段を備えることで、加圧手段の加圧により緻
密化された弾性体で一対のガス拡散電極間を気密に隔離
でき、熱応力に対して強い強靭な積層構造とすることが
できる。

【００１０】また、単セルとセパレータとの接触部位に
弾性体を介在させることで、構成材料の多くが脆性材料
であっても、熱応力に対してさらに強い強靭な固体電解
質型燃料電池を実現できる。また、一般的に弾性体は熱
伝導率が低いため、スタック外部の急激な温度変化によ
る単セルの破損を防止できる。さらに、各セパレータ同
士の接触部位や固体電解質体と隔離セパレータとの接触
部位に溶融形成されたシール体が設けられていること
で、これらシール体によって各接触部位を気密に接合さ
せることができる。また、前記隔離セパレータと前記他
のセパレータとの間に設けられるシール体が、溶融形成
された一対のシール層と、該一対のシール層間に介在さ
れる絶縁層とを有する場合は、単セル間の短絡をより確
実に防止することができる。また、燃料極とセパレータ
との間にニッケルを主成分とする第１弾性体を設けるこ
とで、燃料極側では、水素を主成分とするガス中で安定
しかつ優れた電子伝導性を示すことができる。また、空
気極とセパレータとの間に耐熱性金属を主成分とする第
２弾性体を設けることで、空気極側では、高温の空気中
で安定しかつ優れた電子伝導性を示すことができる。さ
らに、各セパレータ同士の接触部位や固体電解質体と隔
離セパレータとの接触部位にガラス質又は金属質からな
るシール体を設けることで、各接触部位の気密性をより
向上させることができる。また、前記第１弾性体をニッ
ケルフェルト又は、ニッケル発泡体とすることで、燃料
極側でより安定しかつ優れた電子伝導性を示すことがで
きる。また、前記第２弾性体を耐熱性金属繊維の成形
体、耐熱性金属フェルト又は耐熱性金属発泡体とするこ
とで、空気極側でより安定しかつ優れた電子伝導性を示
すことができる。また、前記絶縁層がマグネシアとマグ
ネシアスピネルとの混合物からなる場合は、例えば、各
セパレータにフェライト系ステンレスを用いた際、スタ
ックに熱サイクル（室温〜作動温度）がかかっても気密
シール部の破損を防止することができる。さらに、２以
上の燃料電池ユニットと蓋体とを備え、前記固体電解質
体と前記隔離セパレータとの間、前記隔離セパレータと
前記セパレータとの間、前記隔離セパレータと前記他の
セパレータとの間及び前記隔離セパレータと前記蓋体と
の間に溶融形成されたシール体が配設されている場合
は、一対のガス拡散電極間を気密に隔離でき、熱応力に
対して強い強靭な積層構造とすることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】（第１実施例） （１）固体電解質型燃料電池の構成 以下、実施例により、本発明を図１〜図３より具体的に
説明する。本発明に係る固体電解質型燃料電池の積層構
造（ＳＯＦＣスタック）は、図１に示すように、平面形
状が略正方形の複数（図中２つ）の燃料電池ユニット
１，２を積層し、さらに最上端側に蓋体３を積層して構
成される。これら各燃料電池ユニット１，２は、図２、
３に示すように、皿状のセパレータ５の凹部に単セル４
を積層し、さらに単セル４の上面側に皿状の隔離セパレ
ータ６を積層して、全体として皿状の積層体として形成
されている。また、このＳＯＦＣスタックでは、単セル
４、セパレータ５及び隔離セパレータ６の夫々の接触部
位に、後述する弾性体が介在され、各燃料電池ユニット
１，２及び蓋体３は、その周縁部の８ヶ所でボルト締め
されて積層方向に加圧された状態となっている。

【００１２】上記単セル４は、イットリア安定化ジルコ
ニア（ＹＳＺ）からなる固体電解質体４１の一方の面
に、ランタンストロンチウムマンガナイト（Ｌａ_ｌ−ｘ
Ｓｒ_ｘＭｎＯ_３）からなる空気極４２が形成され、他方
の面に、ニッケルとＹＳＺのサーメットからなる燃料極
４３が形成され、全体として平板状に形成されている。
固体電解質体４１の厚みは５００μｍで、各電極４２，
４３の厚みは５０μｍに設定されている。また、空気極
４２は、固体電解質体４１の平面全域より一回り小さな
領域に形成され、燃料極４３は、固体電解質体４１の平
面全域に形成されている。ここで、上記単セル４は、固
体電解質体４１の厚みが各電極４２，４３より厚く、セ
ル全体の強度を固体電解質体４１で担っているので、電
解質支持型又は自立膜型セルと呼ばれる構造である。こ
のセル構造では、通常、固体電解質体４１の厚みは各電
極４２，４３の厚みの５〜２０倍とされている。

【００１３】上記セパレータ５は、単セル４の平面形状
と略一致する大きさの平板状の底壁部５１と、この底壁
部５１の周縁から積層方向に傾斜して延びる筒状の側壁
部５２と、この側壁部５２の積層方向の端縁から底壁部
５１と平行な方向に延びる環状のつば壁部５３とを有
し、全体として皿状に形成されている。また、このセパ
レータ５の底壁部５１と側壁部５２とで形成される凹部
に単セル４が配置されることとなる。尚、上記蓋体３
は、このセパレータ５と略同じ形状・大きさの底壁部３
１、側壁部３２及びつば壁部３３を有している。また、
セパレータ５、隔離セパレータ６及び蓋体３は、耐熱性
金属であるインコネル６００で形成されている。

【００１４】上記隔離セパレータ６は、セパレータ５の
つば壁部５３の上面側に配置される環状の外側隔離部６
１と、固体電解質体４１の上面の周縁部に配置される環
状の内側隔離部６２と、両隔離部６１，６２を連繋する
側壁部６３とを有している。この側壁部６３は、上記セ
パレータ５の側壁部５２と略同様にして、積層方向に傾
斜して延びる筒状に形成されている。この隔離セパレー
タ６は、次に積層される単セル４の下面に設けられるセ
パレータ５あるいは蓋体３を所定位置に配置できる凹部
を有している。また、セパレータ５、隔離セパレータ６
及び次に積層される単セル４のセパレータ５（あるいは
蓋体３）によって、単セル４の空気極４２と連なる空気
室７と、単セル４の燃料極４３に連なる燃料室８とが形
成されている。両室７，８は、単セル４の周側部を囲み
得る環状の空間として形成されている。

【００１５】尚、近年、ＳＯＦＣの低温作動化の研究が
活発化しており、固体電解質体４１としてＹＳＺよりイ
オン導電率の高いスカンジウム安定化ジルコニアやＬａ
ＧａＯ_３系酸化物（例えば、Ｌａ_0.9Ｓｒ_0.1Ｇａ_0.8Ｍ
ｇ_0.2Ｏ_2.85）を使用したり、後述するように燃料極支
持型ＳＯＦＣのセル構造を使用したりする場合、作動温
度を７５０℃以下に低下させることができ、前記セパレ
ータ５、隔離セパレータ６及び蓋体３の耐熱性金属とし
て、安価で熱膨張係数がセラミックス材料に近いフェラ
イト系ステンレス合金を使用することができる。

【００１６】また、各燃料電池ユニット１，２におい
て、隔離セパレータ６の外側隔離部６１の一側辺（図
２、３中の右側辺）には側辺方向に沿って２ヶ所に貫通
孔６１１，６１２（内部空隙として例示する。）が形成
されている。一方の貫通孔６１１（図２参照）には燃料
導入管１１が接続され、この燃料導入管１１の先端開口
部は燃料室８に臨んでいる。従って、燃料導入管１１か
らの水素ガスを単セル４の燃料極４３に供給できる。ま
た他方の貫通孔６１２（図３参照）には空気排出管１４
が接続され、この空気排出管１４の先端開口部は空気室
７に臨んでいる。また、隔離セパレータ６の外側隔離部
６１の一側辺（図２、３中の左側辺）には、側辺方向に
沿って２ヶ所に貫通孔６１３，６１４（内部空隙として
例示する。）が形成されている。一方の貫通孔６１３
（図２参照）には空気導入管１３が接続され、この空気
導入管１３の先端開口部は空気室７に臨んでいる。ま
た、他方の貫通孔６１４（図３参照）には燃料排出管１
２が接続され、この燃料排出管１２の先端開口部は燃料
室８に臨んでいる。

【００１７】さらに、隔離セパレータ６の内側隔離部６
２の一側辺（図２中の左側辺）には、空気導入管１３か
らの空気を単セル４の空気極４２に供給するための空気
導入孔６２１（内部空隙として例示する。）が形成され
ている。また、隔離セパレータ６の内側隔離部６２の一
側辺（図３中の右側辺）には、単セル４の空気極４２か
らの排ガスを空気排出管１４へ排出するための空気排出
孔６２２（内部空隙として例示する。）が形成されてい
る。ここで、上記各管１１，１２，１３，１４は、燃料
導入管１１及び燃料排出管１２を結ぶ直線と、空気導入
管１３及び空気排出管１４を結ぶ直線とが略直交するよ
うに配置されており、単セル４の燃料極４３側に導入さ
れる水素ガスと、空気極４２側に導入される空気とは、
固体電解質体４１を隔てて互いに概ね直交するように流
れることとなる。

【００１８】次に、各燃料電池ユニット１，２の単セル
４の燃料極４３とセパレータ５の底壁部５１との間には
ニッケルフェルト１５（第１弾性体として例示する。）
が介装されている。また、単セル４の空気極４２と次に
積層される単セル４のセパレータ５の底壁部５１（ある
いは蓋体３の底壁部３１）との間には、インコネル繊維
メッシュの成形体１６（第２弾性体として例示する。）
が介装されている。従って、各積層体１，２を積層した
際、各積層体１，２の単セル４を相互に直列接続できる
構造となっている。また、隔離セパレータ６の内側隔離
部６２と固体電解質体４１の上面の周縁部との間には環
状のセラミックス（ムライト質アルミナ繊維）弾性体１
７（第３弾性体として例示する。）が介装されている。
また、隔離セパレータ６の外側隔離部６１とセパレータ
５のつば壁部５３との間には環状のセラミックス（ムラ
イト質アルミナ繊維）弾性体１９（第４弾性体として例
示する。）が介装されている。また、隔離セパレータ６
の内側隔離部６２と次に積層される単セル４のセパレー
タ５の底壁部５１（あるいは蓋体３の底壁部３１）との
間には環状のセラミックス（ムライト質アルミナ繊維）
弾性体１８（第５弾性体として例示する。）が介装され
ている。さらに、隔離セパレータ６の外側隔離部６１と
次に積層される単セル４のセパレータ５のつば壁部５３
（あるいは蓋体３のつば壁部３３）との間には環状のセ
ラミックス（ムライト質アルミナ繊維）弾性体２０（第
５弾性体として例示する。）が介装されている。

【００１９】そして、上述のように、ＳＯＦＣスタック
が積層方向に加圧されることによって、各セラミックス
弾性体１７，１８，１９，２０が圧縮（緻密化）され、
空気極４２側の空気室７と燃料極４３側の燃料室８と外
部とが気密に隔離されることとなる。さらに、この積層
方向への加圧は、次に積層される単セル４のセパレータ
５（あるいは蓋体３）と成形体１６と空気極４２との
間、及び、セパレータ５とニッケルフェルト１５と燃料
極４３との間の接触抵抗低減にも有効である。ただし、
過度に加圧すると、単セル破損の原因となるため、各部
材の圧縮時の厚みと反発力を充分考慮して各構成部材の
厚さを決める必要がある。尚、前記セラミックス弾性体
１７，１８，１９，２０として、アルミナの含有率の高
い繊維からなる弾性体を使用すると、高温での絶縁性に
優れるため特に好ましい。

【００２０】以上のように構成されるＳＯＦＣスタック
では、所定の作動温度に昇温して保持し、燃料導入管１
１に水素ガスを、空気導入管１３に空気を導入すること
で、空気極４２と燃料極４３との間に起電力が生じ、こ
の電力を外部に取り出すことで発電装置となる。単セル
４で発生した電気のうち、燃料極４３側はニッケルフェ
ルト１５を介してセパレータ５に取り出され、空気極４
２側は成形体１６を介して上層の単セル４のセパレータ
５もしくは蓋体３に取り出される。そして、最終的に
は、蓋体３と最下層のセパレータ５との間でスタック全
体の電力が取り出されることとなる。

【００２１】（２）第１実施例の効果 次に、本実施例に係るＳＯＦＣスタックでは、下記に示
す効果により、熱応力に強い強靭なスタックを低コスト
で実現できる。 加工性の悪いセラミックス材である固体電解質体４１
を含む単セル４にガス通路のための穴加工をすることが
ないので、コスト低減に寄与すると共に、セラミックス
材が有する構造的な強度を大きく低下させることがな
い。 単セル４を収容してなる燃料電池ユニット１，２を皿
状の積層体として形成することにより、各部材間の位置
ズレの心配がなくなる。さらに、従来周知のように、ガ
ラス質のシール材を用いた場合でも、スタックの高温保
持時におけるシール材の溶融による各部材間の位置ズレ
の心配もなくなる。 各燃料電池ユニット１，２内に収容保持される単セル
４は、その周囲がニッケルフェルト１５、インコネル繊
維メッシュの成形体１６及びセラミックス弾性体１７，
１８，１９，２０によって囲まれているので、この単セ
ル４に過大な応力が掛かることがない。 ニッケルフェルト１５、インコネル繊維メッシュの成
形体１６及びセラミックス弾性体１７，１８，１９，２
０は熱伝導率が低いため、スタック外部の急激な温度変
化に対して単セル４の破損を防止する効果がある。 積層方向への加圧によりニッケルフェルト１５、イン
コネル繊維メッシュの成形体１６及びセラミックス弾性
体１７，１８，１９，２０を圧縮変形させたコンプレッ
ションシールであるので、熱膨張係数の異なる材料（例
えば、ジルコニア固体電解質体と耐熱性金属セパレー
タ）であっても、スタックの作動温度までの昇温時に応
力はほとんど発生しない。

【００２２】尚、本発明においては、上記実施例に限ら
ず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した
実施例とすることができる。即ち、上記第１実施例で
は、スタックを構成する積層体１，２及び蓋体３の周縁
部を直接ボルト締めして積層方向へ加圧するように構成
したが、これに限定されず、例えば、スタックの外部で
加圧するようにしてもよい。例えば、図４に示すよう
に、蓋体３の周縁部及び下層側のセパレータ５の周縁部
に沿った形状の一対の保持金具２１を二組用い、スタッ
クの外側で一対の保持金具２１をボルト締めして各積層
体１，２を積層方向へ加圧してもよい。これにより、隔
離セパレータ６、セパレータ５、蓋体３及びセラミック
ス弾性体１９，２０にも、ボルト用の貫通孔を設ける必
要がなく、さらにコスト低減に寄与すると共に、より熱
応力に強い強靭なスタックを提供できる。

【００２３】（第２実施例）以下、固体電解質型燃料電
池の第２実施例について図７〜図１０に従って説明す
る。尚、この第２実施例では、上述の第１実施例におけ
るセラッミクス弾性体の代わりに溶融可能なシール体を
用いていることに特徴があり、第１実施例と同様な構成
については同符号を付け詳細な説明は省略する。

【００２４】（１）固体電解質型燃料電池の構成 先ず、図８及び図９に示すように、隔離セパレータ６の
内側隔離部６２と固体電解質体４１の上面の周縁部との
間には、溶融形成された環状の第１ガラスシール体２３
が設けられている。また、隔離セパレータ６の外側隔離
部６１とセパレータ５のつば壁部５３との間には、溶融
形成された環状の第２ガラスシール体２４が設けられて
いる。また、隔離セパレータ６の内側隔離部６２と次に
積層される単セル４のセパレータ５の底壁部５１（ある
いは蓋体３の底壁部３１）との間には、溶融形成された
環状の第３ガラスシール体２５が設けられている。さら
に、隔離セパレータ６の外側隔離部６１と次に積層され
る単セル４のセパレータ５のつば壁部５３（あるいは蓋
体３のつば壁部３３）との間には、溶融形成された環状
の第４ガラスシール体２６が設けられている。これら第
１〜第４ガラスシール体２３，２４，２５，２６によっ
て、各セパレータ５，６同士の接触部位や隔離セパレー
タ６と固体電解質体４１との接触部位が気密に接合され
る。

【００２５】また、上記第３及び第４ガラスシール体２
５，２６は、図１０に示すように、隔離セパレータ６に
接するシール層２５ａ，２６ａと、次に積層される単セ
ル４のセパレータ５（あるいは蓋体３）に接するシール
層２５ｂ，２６ｂとの２層構造で構成されている。そし
て、これら２層のシール層２５ａ，２５ｂ（２６ａ，２
６ｂ）間には、単セル４間の短絡を防止するための絶縁
層２７が介在されている。この絶縁層２７は、例えば、
ＭｇＯ（マグネシア）とＭｇＡｌ_２Ｏ_４（マグネシアス
ピネル）との混合物からなる焼結体であることができ
る。これにより、例えば、耐熱性金属からなるセパレー
タ５及び隔離セパレータ６としてフェライト系ステンレ
ス合金を採用した場合、これらのセパレータ５，６と上
記絶縁層（焼結体）とは熱膨張係数が近い値であるの
で、スタックに熱サイクル（室温〜作動温度）がかかっ
ても、気密シール部の破損を防止することができる。

【００２６】（２）第２実施例の効果 次に、第２実施例に係るＳＯＦＣスタックにおいても、
上述の第１実施例の効果と略同様な下記に示す効果によ
り、熱応力に強い強靭なスタックを低コストで実現でき
る。 加工性の悪いセラミックス材である固体電解質体４１
を含む単セル４にガス通路のための穴加工をすることが
ないので、コスト低減に寄与すると共に、セラミックス
材が有する構造的な強度を大きく低下させることがな
い。 単セル４を収容してなる燃料電池ユニット１，２を皿
状の積層体として形成することにより、各部材間の位置
ズレの心配がなくなる。さらに、各セパレータ同士等を
気密に接合するために第１〜第４ガラスシール体２３，
２４，２５，２６を用いた場合でも、スタックの高温保
持時におけるシール体の溶融による各部材間の位置ズレ
の心配もなくなる。 各燃料電池ユニット１，２内に収容保持される単セル
４は、その周囲がニッケルフェルト１５、インコネル繊
維メッシュの成形体１６によって囲まれているので、こ
の単セル４に過大な応力が掛かることがない。 ニッケルフェルト１５、インコネル繊維メッシュの成
形体１６は熱伝導率が低いため、スタック外部の急激な
温度変化に対して単セル４の破損を防止する効果があ
る。

【００２７】尚、本発明においては、上記実施例に限ら
ず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で種々変更した
実施例とすることができる。即ち、上記第２実施例で
は、シール体としてガラス質のシール体を例示したが、
これに限定されず、金属質のシール体としてもよい。例
えば、図１１及び図１２に示すように、各セパレータ
５，６間や隔離セパレータ６と固体電解質体４１との間
等に溶融形成された環状の第１〜第４金属シール体１２
３，１２４，１２５，１２６を設けることができる。但
し、このように金属質のシール体を用いる場合、隔離セ
パレータ６と次に積層されるセパレータ５（あるいは蓋
体３）との間に設けられる第３及び第４金属シール体１
２５，１２６を一対のシール層間に絶縁層を介在させて
構成し、この絶縁層によって単セル間の短絡を防止する
必要がある。

【００２８】また、上記実施例では、固体電解質体４１
の厚さを５００μｍ、各電極４２，４３の厚さを５０μ
ｍとし、電解質支持型（自立膜型セル）のセル構造を例
示したが、これに限定されず、例えば、燃料極支持型と
呼ばれるセル構造としてもよい。例えば、図５、図６、
図１１及び図１２に示すように、比較的厚く（例えば、
７００〜２５００μｍ、好ましくは１５００μｍ）形成
された燃料極基板４３の上に、できるだけ薄く（例え
ば、２〜５０μｍ、好ましくは２０μｍ）形成された固
体電解質体４１を設けて構成される。このようなセル構
造では、７００℃程度の作動温度でも電力を取り出すこ
とが可能であり、耐熱性金属からなるセパレータとして
フェライト系ステンレス合金を採用できる。このフェラ
イト系ステンレス合金は、熱膨張係数が燃料極基板と近
くコストも安いため特に好ましい。

【００２９】また、上記実施例では、ＳＯＦＣスタック
として、スタック外部にガス通路（各種管１１〜１４）
を備えてなる外部マニホールド型を例示したが、これに
限定されず、例えば、各燃料電池ユニット１，２及び蓋
体３の周縁部に、即ち、各燃料電池ユニット１，２のセ
パレータ５のつば壁部５３、隔離セパレータ６の外側隔
離部６１、蓋体３のつば壁部３３及びセラミックス弾性
体１９，２０（又はガラスシール体２４，２６若しくは
金属シール体１２４，１２６）に積層方向に沿うガス通
路を形成して内部マニホールド型とすることができる。
さらに、上記実施例では、燃料電池ユニット１，２とし
て平面形状が略正方形のものを例示したが、これに限定
されず、例えば、平面形状が円形や多角形状の積層体と
することもできる。特に、燃料電池ユニットとして平面
形状が円形のものとすると、熱応力や機械的な応力に対
する耐久性が強くなり、より好ましい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る固体電解型燃料電池を示す外観斜
視図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。

【図３】図１のＢ−Ｂ線断面図である。

【図４】固体電解質型燃料電池のその他の態様を示す外
観斜視図である。

【図５】図４のＡ−Ａ線断面図である。

【図６】図４のＢ−Ｂ線断面図である。

【図７】その他の実施例に係る固体電解型燃料電池を示
す外観斜視図である。

【図８】図７のＡ−Ａ線断面図である。

【図９】図７のＢ−Ｂ線断面図である。

【図１０】図８の要部拡大断面図である。

【図１１】固体電解質型燃料電池のその他の態様を説明
するための縦断面図（図７のＡ−Ａ線断面図に対応）で
ある。

【図１２】同じく、固体電解質型燃料電池のその他の態
様を説明するための縦断面図（図７のＢ−Ｂ線断面図に
対応）である。

【図１３】従来の固体電解質型燃料電池を示す分解斜視
図である。

【符号の説明】

１，２：燃料電池ユニット、３：蓋体、４：単セル、４
１：固体電解質体、４２：空気極、４３：燃料極、５：
セパレータ、６：隔離セパレータ、１５：ニッケルフェ
ルト、１６：インコネル繊維メッシュの成形体、１７，
１８，１９，２０：セラミックス弾性体、２３，２４，
２５，２６：ガラスシール体、１２３，１２４，１２
５，１２６：金属シール体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H026 AA06 BB02 CX01 CX02 CX03 CX08 EE02 EE11 EE12 EE13 HH03

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体電解質体の一方の面に燃料極及び他
   方の面に空気極が設けられた単セルと、 上記単セルが配置される凹部を有する皿状のセパレータ
   と、 上記単セルの上記セパレータとは反対面側に設けられ、
   他の皿状のセパレータを配置するための凹部を有し、か
   つ上記燃料極と上記空気極とを気密に隔離する皿状の隔
   離セパレータと、 を有する燃料電池ユニットの１又は２以上を備えること
   を特徴とする固体電解質型燃料電池。
2. 【請求項２】 前記セパレータ及び前記隔離セパレータ
   の何れもが耐熱性金属で構成されている請求項１記載の
   固体電解質型燃料電池。
3. 【請求項３】 前記セパレータの前記凹部側に前記燃料
   極が位置するように前記単セルを配置するとともに、前
   記燃料極と前記セパレータとの間には第１弾性体が設け
   られ、前記空気極と前記他のセパレータとの間には第２
   弾性体が設けられ、前記隔離セパレータと前記固体電解
   質体との間には第３弾性体が設けられ、前記隔離セパレ
   ータと前記セパレータとの間には第４弾性体が設けら
   れ、前記隔離セパレータと前記他のセパレータとの間に
   は第５弾性体が設けられている請求項１又は２記載の固
   体電解質型燃料電池。
4. 【請求項４】 前記単セルは、ニッケルとセラミックス
   とからなるサーメットを主成分とする燃料極と、ペロブ
   スカイト複合酸化物を主成分とする空気極とを備えると
   ともに、 前記第１弾性体がニッケルを主成分としてなり、前記第
   ２弾性体が耐熱性金属を主成分としてなり、前記第３弾
   性体、前記第４弾性体及び前記第５弾性体の何れもがセ
   ラミックスを主成分としてなる請求項３記載の固体電解
   質型燃料電池。
5. 【請求項５】 前記第１弾性体がニッケルフェルト又は
   ニッケル発泡体からなる請求項３又は４記載の固体電解
   質型燃料電池。
6. 【請求項６】 前記第２弾性体が耐熱性金属繊維の成形
   体、耐熱性金属フェルト及び耐熱性金属発泡体のうちの
   いずれか一種からなる請求項３乃至５のいずれか一項に
   記載の固体電解質型燃料電池。
7. 【請求項７】 前記第３弾性体、前記第４弾性体及び前
   記第５弾性体の何れもがアルミナ、シリカ及びジルコニ
   アのうちの少なくとも一種からなる繊維を主成分とする
   材質から構成される請求項３乃至６のいずれか一項に記
   載の固体電解質型燃料電池。
8. 【請求項８】 ２以上の前記燃料電池ユニットが積層さ
   れ、該２以上の燃料電池ユニットの最上端部に位置する
   隔離セパレータに積層される皿状の蓋体と、該２以上の
   燃料電池ユニット、該蓋体及び前記弾性体を積層方向に
   加圧して保持する加圧保持手段と、を備える請求項３乃
   至７のいずれか一項に記載の固体電解質型燃料電池。
9. 【請求項９】 前記セパレータの前記凹部側に前記燃料
   極が位置するように前記単セルを配置するとともに、前
   記燃料極と前記セパレータとの間には第１弾性体が設け
   られ、前記空気極と前記他のセパレータとの間には第２
   弾性体が設けられ、前記隔離セパレータと前記固体電解
   質体との間、前記隔離セパレータと前記セパレータとの
   間及び前記隔離セパレータと前記他のセパレータとの間
   には溶融形成されたシール体が設けられている請求項１
   又は２記載の固体電解質型燃料電池。
10. 【請求項１０】 前記隔離セパレータと前記他のセパレ
    ータとの間に設けられる前記シール体は、溶融形成され
    た一対のシール層と、該一対のシール層間に介在される
    絶縁層とを有する請求項９記載の固体電解質型燃料電
    池。
11. 【請求項１１】 前記単セルは、ニッケルとセラミック
    スとからなるサーメットを主成分とする燃料極と、ペロ
    ブスカイト複合酸化物を主成分とする空気極とを備える
    とともに、 前記第１弾性体がニッケルを主成分としてなり、前記第
    ２弾性体が耐熱性金属を主成分としてなり、前記シール
    体がガラス質又は金属質からなる請求項９又は１０記載
    の固体電解質型燃料電池。
12. 【請求項１２】 前記第１弾性体がニッケルフェルト又
    はニッケル発泡体からなる請求項９乃至１１のいずれか
    一項に記載の固体電解質型燃料電池。
13. 【請求項１３】 前記第２弾性体が耐熱性金属繊維の成
    形体、耐熱性金属フェルト及び耐熱性金属発泡体のうち
    のいずれか一種からなる請求項９乃至１２のいずれか一
    項に記載の固体電解質型燃料電池。
14. 【請求項１４】 前記絶縁層がマグネシアとマグネシア
    スピネルとの混合物からなる請求項１０乃至１３のいず
    れか一項に記載の固体電解質型燃料電池。
15. 【請求項１５】 積層される２以上の前記燃料電池ユニ
    ットと、該２以上の前記燃料電池ユニットの最上端部に
    位置する隔離セパレータに積層される皿状の蓋体と、を
    備え、 前記固体電解質体と前記隔離セパレータとの間、前記隔
    離セパレータと前記セパレータとの間、前記隔離セパレ
    ータと前記他のセパレータとの間及び前記隔離セパレー
    タと前記蓋体との間に前記溶融形成されたシール体が配
    設されている請求項９乃至１４のいずれか一項に記載の
    固体電解質型燃料電池。