JP2006004678A

JP2006004678A - 固体電解質形燃料電池

Info

Publication number: JP2006004678A
Application number: JP2004177576A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Shibata; 昌宏柴田; Atsuo Araki; 敦雄新木; Hiroya Ishikawa; 浩也石川
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2004-06-15
Filing date: 2004-06-15
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2024-06-15
Also published as: JP4658524B2

Abstract

【課題】隔離セパレータ及び単セルが破損しにくく、ガスシール性が高い固体電解質形燃料電池を提供することを課題とする。
【解決手段】本固体電解質形燃料電池は、燃料極と、該燃料極の一面側に設けられた固体電解質層と、該固体電解質層の一面側に設けられた空気極層とを積層した平板状の単セルを備え、該単セルの２つの側面が交差する側方角部は、面取りされていることを特徴とする。
また、上記単セルの隔離セパレータと接合される平面を含む上方角部は、面取りすることができる。更に、上記隔離セパレータは、その周縁部が貫通孔を具備する枠体に固定されており、該枠体の内側端部から貫通孔の外縁までの最短距離Ｗを一定以上とすることができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、セパレータの損傷を防止することで長期使用しても接合部からガスが漏れにくい単セルを備える固体電解質形燃料電池に関する。本発明は、各種の構造を備える固体電解質形燃料電池において広く利用することができる。

固体電解質形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」と略記することもある。）は、低温で発電できるようになってきており、近年では、ステンレス鋼等を用いた隔離セパレータを用いて燃料ガスと支燃性ガスとを隔離している。また、隔離セパレータは、軽量等の要望のために、薄く形成されることが多い。

しかし、薄い隔離セパレータは、固体電解質層、燃料極及び空気極等から構成されるセラミックスの単セルと接触をして破損し、破損箇所からガスが混合してしまう場合がある。このために、薄い隔離セパレータであっても破損しにくくする手段が望まれていた。また、単セルが隔離セパレータに接触した際に、単セルの一部が欠ける等の破損を起こす場合がある。
更に、図９に示すように枠体８２に配管のための貫通孔８０３を設けることがあるが、枠体８２の内側端部から貫通孔８０３の外縁までの最短距離Ｗが他の部位と比較して短いため、その周辺のガスシール性を高めることが望まれていた。
本発明は、上記問題点を解決するものであり、隔離セパレータ及び単セルが破損しにくく、ガスシール性が高い固体電解質形燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の固体電解質形燃料電池は、以下の通りである。
１．燃料極と、該燃料極の一面側に設けられた固体電解質層と、該固体電解質層の一面側に設けられた空気極層とを積層した平板状の単セルを備え、該単セルの２つの側面が交差する側方角部は、面取りされていることを特徴とする固体電解質形燃料電池。
２．上記単セルの隔離セパレータと接合される平面を含む上方角部は、面取りされている上記１．に記載の固体電解質形燃料電池。
３．上記側方角部の面取り部分は丸められており、その半径Ｒは、０．２５ｍｍ以上である上記１．又は２．に記載の固体電解質形燃料電池。
４．上記側方角部の面取り部分は斜面で構成されており、該面取りの深さＣは、０．２５ｍｍ以上である上記１．又は２．に記載の固体電解質形燃料電池。
５．上記隔離セパレータは、その周縁部が貫通孔を具備する枠体に固定されており、該枠体の内側端部から貫通孔の外縁までの最短距離Ｗは２．４ｍｍである上記１．乃至４．のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池。

本発明の固体電解質形燃料電池は、単セルの側方角部を面取りしたため、単セルが隔離セパレータに接触して、隔離セパレータが破損したり、単セルが欠けたりすることを防止することができる。
単セルの上方角部を面取りする場合は、隔離セパレータが破損したり、単セルが欠けたりすることを防止することができる。
丸められている面取り部分の丸め半径を所定の範囲にする場合は、隔離セパレータ及び単セルの破損を適切に防止できる面取り部分とすることができる。
斜面を形成する面取り部分の斜面の長さを所定の範囲にする場合は、隔離セパレータ及び単セルの破損を適切に防止できる面取り部分とすることができる。
枠体に貫通孔が設けられており、枠体の内側端部から貫通孔の外縁までの最短距離Ｗを一定以上にする場合は、枠体と隔離セパレータとのガスシール性を向上させることができる。

以下、本発明の固体電解質形燃料電池を図１〜９を用いて詳細に説明する。
１．固体電解質形燃料電池の構成
本発明の固体電解質形燃料電池１の一例を図１〜５に示す。この固体電解質形燃料電池１は燃料極支持型であり、燃料極１２、固体電解質層１１及び空気極１３がこの順に積層される平板状の単セル１００を備える。また、燃料極１２と空気極１３の間が隔離セパレータ２３で隔離される構造である。更に、例示したものは燃料極１２が固体電解質層１１及び空気極１３を支持する燃料極支持型であるが、これに限らず固体電解質層１１又は空気極１３が他の層を支持する構成としてもよい。

また、固体電解質形燃料電池１は、各種の構造のものがあり、例えば複数の発電層１０が金属製のセル間セパレータ２１を介して積層され、形成されているものを挙げることができる。この燃料電池１において各々の発電層１０は単セル１００を備える。
更に、各々の単セル１００の燃料極１２及び空気極１３とセル間セパレータ２１とは、それぞれ燃料極側集電体４１及び空気極側集電体４２により電気的に接続することができる。また、各々の発電層１０は、燃料ガスの流路と、支燃性ガスの流路とを隔離するための隔離セパレータ２３を備える。更に、各発電層１０は、枠体８１〜８６によって挟さみこまれるように固定される。また、電気的に絶縁するため、セラミック等の絶縁体からなる絶縁板７等が、積層方向の所定部分に配設されることもある。

上記「単セル」は、燃料極１２、固体電解質層１１及び空気極１３の積層体である。また、固体電解質層１１と空気極１３との間等に反応防止層等を設けることができる。
この単セルは通常四角形状の平板であるがこれに限られず、五角形、六角形等の多角形板であってもよい。また、正多角形に限られず、任意の形状に変形したものであっても良い。
この単セルが具備する「側方角部」は、面取りされている。側方角部は、単セル１００の積層方向に対して略平行の面である２つの側面が交差する位置に該当する部位である。また、上記「面取り」は、丸みを持ったもの（例えば、図５の側方角部１０１ａを参照）でもよいし、斜面（例えば、図７の角部１０１ｂを参照。）でもよい。
丸められた側方角部の面取り部分の丸め半径Ｒは、０．２５ｍｍ以上（特に好ましくは０．２８ｍｍ以上、更に好ましくは０．３ｍｍ以上）が好ましい。また、斜面で構成された側方角部の面取り部分の深さＣは、０．２５ｍｍ以上（特に好ましくは０．２８ｍｍ以上、更に好ましくは０．３ｍｍ以上）が好ましい。これらの面取りとすることで、隔離セパレータ及び単セルの破損を適切に防止できる面取り部分とすることができる。また、丸め半径Ｒ及び面取り部分の深さＣは、単セルの形状が略円形にならない任意の大きさ以下にすることができるが、通常は単セルの長さの３分の１以下とすることができる。例えば、単セルの大きさが１００ｍｍ〜２５０ｍｍ角である場合、丸め半径Ｒ及び面取り部分の深さＣは、３３〜８３ｍｍ以下が好ましいとすることができる。

この単セルが具備する「上方角部」は、面取りされたものとすることができる。上方角部は、単セルの隔離セパレータと接合される面の周縁に該当する（例えば、図２、３の上方角部１０２を参照。）。また、上記面取り形状は、丸みを持ったものでもよいし、斜面でもよい。
丸められた上方角部の面取り部分の丸め半径Ｒは、０．２５ｍｍ以上（特に好ましくは０．２８ｍｍ以上、更に好ましくは０．３ｍｍ以上）が好ましい。また、斜面で構成された上方角部の面取り部分の深さＣは、０．２５ｍｍ以上（特に好ましくは０．２８ｍｍ以上、更に好ましくは０．３ｍｍ以上）が好ましい。これらの面取りとすることで、隔離セパレータ及び単セルの破損を適切に防止できる面取り部分とすることができる。また、丸め半径Ｒ及び面取り部分の深さＣは、単セルの厚さ以下の任意の大きさにすることができるが、通常は単セルの厚さの２分の１以下とすることができる。

固体電解質層１１は、ＺｒＯ_２、ＢａＣｅＯ₃系酸化物、及びＬａＧａＯ₃系酸化物のうち、少なくとも一つからなることが好ましい。また、これらのうち、ＺｒＯ_２系酸化物を用いた固体電解質が特に好ましい。
この固体電解質層１１は、本固体電解質形燃料電池１の動作時に燃料極１２に導入される燃料ガス又は空気極１３に導入される支燃性ガスのうち一方の少なくとも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。どのようなイオンを伝導することができるかは特に限定されないが、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。
尚、この固体電解質層１１の厚さは電気抵抗と強度とを勘案し、５〜１００μｍ、特に５〜５０μｍ、更には５〜３０μｍとすることができる。

燃料極１２は水素源となる燃料ガスと接触し、単セル１００における負電極として機能する。また、燃料極１２は、Ｎｉ及びＦｅ等の金属の酸化物（ＮｉＯ、Ｆｅ₂Ｏ₃等）と、ジルコニア系セラミック（好ましくはイットリア等により安定化又は部分安定化されたジルコニア）、セリア及び酸化マンガン等のセラミックとの混合物などを用いることができる。更に、各種の金属、及び金属とセラミックとの混合物などを用いることもできる。
金属としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ及びＦｅ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。また、金属とセラミックとの混合物としては、これらの金属又は合金と、ジルコニア系セラミック（好ましくはイットリア等により安定化又は部分安定化されたジルコニア）、セリア及び酸化マンガン等との混合物などが挙げられる。これらのうちでは、酸化ニッケル（ＳＯＦＣの作動時には還元されてＮｉとなる。）と、ジルコニア系セラミックとの混合物が好ましく、このジルコニア系セラミックが、希土類元素の酸化物、特にＹ₂Ｏ₃、Ｓｃ₂Ｏ₃を用いて安定化又は部分安定化されたものであることがより好ましい。
また、燃料極１２の平面形状は特に限定されない。更に、燃料極１２の厚さは特に限定されないが、０．５〜５ｍｍ、特に１〜３ｍｍ、更に１．２〜２．５ｍｍとすることができる。燃料極１２の厚さが０．５〜５ｍｍであれば、固体電解質層等を支持するための十分な機械的強度等を有する支持基板とすることができる。

空気極１３は、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。例えばＬａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３系複合酸化物等により形成することができる。この空気極１３は、酸素源となる支燃性ガスと接触し、単セル１００における正電極として機能する。
また、空気極１３の形成に用いる材料はＬａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３系複合酸化物に限定されず、固体電解質形燃料電池１の使用条件等により適宜選択することができる。この材料としては、例えば、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ及びＲｈ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、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ及びＦｅ等の酸化物（例えば、Ｌａ_２Ｏ_３、ＳｒＯ、Ｃｅ_２Ｏ_３、Ｃｏ_２Ｏ_３、ＭｎＯ_２及びＦｅＯ等）が挙げられる。また、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＭｎ等のうちの少なくとも１種を含有する各種の複合酸化物（例えば、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＦｅＯ_３系複酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏ_１−ｙＦｅ_ｙＯ_３系複酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３系複酸化物、Ｐｒ_１−ｘＢａ_ｘＣｏ_１−ｙＦｅ_ｙＯ_３系複酸化物及びＳｍ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏ_１−ｙＦｅ_ｙＯ_３系複酸化物等）が挙げられる。
この空気極１３の厚さは特に限定されないが、１０〜１００μｍ、特に１５〜７０μｍ、更に２０〜５０μｍであることが好ましい。空気極１３の厚さが１０〜１００μｍであれば、電極として十分に機能し、且つ厚すぎて焼成時に剥離することもない。

燃料極側集電体４１の材質は、金属が好ましく、例えばＮｉ又はＮｉ基合金等により形成することができる。この燃料極側集電体４１の形態は、多孔体、発泡体及び金属繊維からなるフェルト又はメッシュ等を挙げることができる。
空気極側集電体４２の材質は、金属及び導電性セラミックを用いることができる。この金属としては、燃料極側集電体４１と同様のものを用いることができるが、非弾性の緻密な板状体であってもかまわない。

空気極側集電体４２は一面で空気極１３と接触し、他面でセル間セパレータ２１と接触するように設けることができる。また、セル間セパレータ２１と接触する面の少なくとも一部において、空気極側集電体４２及びセル間セパレータ２１をロウ材等の導電性接合材を用いて接合することができる。このような接合材は、空気極側集電体４２とセル間セパレータ２１とを密着させ、安定して接触させ、接触抵抗が増大することを防止することができる限り特に限定されない。
尚、固体電解質形燃料電池１では、空気極側集電体４２とセル間セパレータ２１との間等、同様に接合材等により気密にシールする必要のある部分が多くあり、これらの接合操作の際に同時に接合することができる。また、ガラス接合を用いることもできる。
更に、これらの集電体４１、４２は１種の材料のみからなっていてもよく、２種以上の材料からなっていてもよい。また、異なる材料からなるブロックの集合体であってもよい。

上記「隔離セパレータ」は、用途に合わせて任意の金属を選択することができる。例えば、固体電解質形燃料電池の隔離セパレータとして用いる場合は、使用時の温度である５００〜９００℃の範囲で劣化することなく、燃料ガス及び支燃性ガスが混合しないように隔離することができる金属を選択することができる。このような金属として、ステンレス鋼、ニッケル基合金及びクロム基合金を例示することができる。
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以外に、ＳＵＳ４３４及び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及び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（９４Ｃｒ５Ｆｅ１Ｙ_２Ｏ_３）等が挙げられる。これらの各種の耐熱合金は、それぞれ固体電解質形燃料電池の用途等によって選択することができる。

隔離セパレータは、その周縁部を枠体によって挟持するように固定されるが、その固定幅は、５ｍｍ以上（特に好ましくは６ｍｍ以上、更に好ましくは７ｍｍ以上）が好ましい。５ｍｍ以下であると、十分なガスシール性が得られないからである。また、固定幅の最大値は特に限定されないが、通常用いられる１００〜２５０ｍｍ角の単セルの場合は、２５ｍｍ以下（特に好ましくは２０ｍｍ以下、更に好ましくは１８ｍｍ以下）が好ましい。
特に、枠体の角部に燃料ガス導入管９１、燃料ガス排気管９２、支燃性ガス導入管９３及び支燃性ガス排気管９４等を貫通させるための貫通孔を設ける場合、該枠体の内側端部から貫通孔の外縁までの最短距離Ｗが２．５ｍｍ以上（特に好ましくは２．６ｍｍ以上、更に好ましくは２．７ｍｍ以上）となるように枠体の内側の角部を面取りにするのが好ましい（図４、５に例示する枠体角部８０１ａ、図６、７に例示する枠体角部８０１ｂを参照）。この枠体角部の面取り形状は、丸みを持ったものでもよいし、斜面でもよい。また、最短距離Ｗの最大値は特に限定されないが、通常用いられる１００〜２５０ｍｍ角の単セルの場合は、１０ｍｍ以下（特に好ましくは９ｍｍ以下、更に好ましくは７ｍｍ以下）が好ましい。
この枠体の材質は特に限定されず、金属及びセラミックス等を用いることができる。これらのうち、通常は金属、特に、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が用いられる。
更に、枠体の角部以外に燃料ガス導入管９１等が設けられている場合は、燃料ガス導入管９１等の周縁に該枠体の内側端部から貫通孔の外縁までの最短距離Ｗが２．５ｍｍ以上（特に好ましくは２．６ｍｍ以上、更に好ましくは２．７ｍｍ以上）となる延伸部を設けることが好ましい（図８に例示する延伸部８０２を参照）。

セル間セパレータ２１の材質は金属、特に、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により形成される。尚、セル間セパレータ２１の上面に更に他の発電層が積層されない場合は、蓋部材２２として機能し、セル間セパレータ２１の下面に更に他の発電層が積層されない場合は底部材２６として機能する。
更に、固体電解質形燃料電池１の構造によっては、燃料ガス又は支燃性ガスの流路が形成されたセル間セパレータ２１を用いることができる。
上記枠体８１〜８６の材質は特に限定されないが、金属、特に、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により形成される。

燃料ガスは、水素、水素源となる炭化水素、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。更に、メタン、エタン、プロパン、ブタン及びペンタン等の炭素数が１〜１０、好ましくは１〜７、より好ましくは１〜４の飽和炭化水素、並びにエチレン及びプロピレン等の不飽和炭化水素を主成分とするものが好ましく、飽和炭化水素を主成分とするものが更に好ましい。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。

支燃性ガスは、酸素と他の気体との混合ガス等が挙げられる。また、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。これらの支燃性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。

以下、実施例により本発明の固体電解質形燃料電池１を具体的に説明する。
１．固体電解質形燃料電池１の構造
（１）単セル１００及び各種セパレータ等
本実施例１の固体電解質形燃料電池は図１〜３に示すように、３個の発電層１０（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ）が積層されている。また、隔離セパレータ２３は撓みのない水平の状態で配設されている。尚、発電層１０の数は３に限られず、１以上の任意の数で構成することができる。
この固体電解質形燃料電池１では、３個の発電層１０ａ〜１０ｃがセル間セパレータ２１を介して積層されている。各々の発電層１０が備える単セル１００は、燃料極１２を基体とし、その上に固体電解質層１１及び空気極１３が積層されている。
また、単セル１００は、図５に示すように略四角形状で１５０ｍｍ角の平板であり、側方角部１０１ａが丸めによる面取りがされている。また、図２、３に示すように、上方角部１０２が丸めによる面取りがされている。これらの丸め半径Ｒは、側方角部１０１ａでは３ｍｍ、上方角部１０２では０．５ｍｍである。

固体電解質層１１は、８ＹＳＺからなり、平面形状が正方形であり、厚さが３０μｍである。
燃料極１２は、Ｎｉ及び８ＹＳＺとからなり、平面方向の形状、寸法が固体電解質層１１と同じであり、厚さが２ｍｍである。
空気極１３は、ＬＳＭ（Ｌａ_0.8Ｓｒ_0.2ＭｎＯ₃）からなり、平面方向の形状が固体電解質層１１と同じであり、寸法が固体電解質層１１より小さく、厚さが３０μｍである。

上部の発電層１０ａは、セル間セパレータ２１の上面に配設されたニッケルフェルトからなる燃料極側集電体４１、単セル１００、インコネル繊維メッシュからなる空気極側集電体４２及び蓋部材２２をこの順に備える。この空気極側集電体４２と蓋部材２２とは、これらが接触する面の全面において、ロウ付けがされており、接合部６が形成されている。
また、上部発電層１０ａは、それぞれ接合部６を介して下面が固体電解質層１１及び金属製枠体８２と接合され、上面が絶縁性セラミックであるＭｇＯ−ＭｇＡｌ_２Ｏ_４焼結体からなる絶縁板７及び金属製枠体８１を介して蓋部材２２と接合されている隔離セパレータ２３を更に有する。

中間部の発電層１０ｂは、セル間セパレータ２１の上面に配設された燃料極側集電体４１、単セル１００及び空気極側集電体４２をこの順に備える。この空気極側集電体４２は、セル間セパレータ２１の下面と上部発電層１０ａの場合と同様にしてロウ付けされ、接合部６が形成されている。
また、中間部発電層１０ｂは、それぞれ接合部６を介して下面が固体電解質層１１及び金属製枠体８４と接合され、上面が絶縁板７及び金属製枠体８３を介してセル間セパレータ２１と接合されている隔離セパレータ２３を更に有する。

下部の発電層１０ｃは、底部材２６の上面に配設された燃料極側集電体４１、単セル１００及び空気極側集電体４２をこの順に備える。この空気極側集電体４２は、セル間セパレータ２１の下面と上部発電層１０ａの場合と同様にしてロウ付けされ、接合部６が形成されている。
また、下部発電層１０ｃは、それぞれ接合部６を介して下面が固体電解質層１１及び金属製枠体８６と接合され、上面が絶縁板７及び金属製枠体８５を介してセル間セパレータ２１と接合されている隔離セパレータ２３を更に有する。

セル間セパレータ２１、蓋部材２２、隔離セパレータ２３、底部材２６及び金属製枠体８１〜８６は、いずれもＳＵＳ４３０によって形成されている。単セルと、それぞれ熱膨張率が略一致する耐熱合金であるからである。更に、隔離セパレータ２３の大きさは２５０ｍｍ角、厚さは０．２ｍｍである。
更に、蓋部材２２と金属製枠体８１、上部発電層用隔離セパレータ２３と金属製枠体８２、金属製枠体８２とセル間セパレータ２１、セル間セパレータ２１と金属製枠体８３、中間発電層用隔離セパレータ２３と金属製枠体８４、金属製枠体８４とセル間セパレータ２１、セル間セパレータ２１と金属製枠体８５、下部発電層用隔離セパレータ２３と金属製枠体８６、金属製枠体８６と底部材２６はそれぞれ接合材により接合され、接合部６が形成されている。また、各金属製枠体と絶縁板７、隔離セパレータ２３と絶縁板７もそれぞれ接合材により接合され、接合部６が形成されている。
隔離セパレータ２３と単セル１００との接合代の幅は１０ｍｍである。また、隔離セパレータ２３の端から１６ｍｍの幅の周縁部を金属製枠体８１〜８６によって挟持されている。更に、金属製枠体８１〜８６の四隅には図４、５に示すように、燃料ガス導入管９１、燃料ガス排気管９２、支燃性ガス導入管９３及び支燃性ガス排気管９４を貫通させるための貫通孔８０３が設けられているが、内側端部の枠体角部８０１ａを丸めによる面取りがされているため、貫通孔の外縁までの最短距離Ｗを２．４ｍｍ以上として、十分なガスシール性を備えることができる。

（２）ガス導入管及び排出管等
上部発電層１０ａにおいて図２に示すように、上部発電層１０ａの隔離セパレータ２３とセル間セパレータ２１との間に形成された空間には、上部発電層１０ａの燃料極１２に燃料ガスを導入するための燃料ガス導入管９１が開口している。また、この空間の燃料ガス導入管９１の開口部と対向する側には、上部発電層１０ａの燃料極１２から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出管９２が開口している。更に、図３に示すように、蓋部材２２と隔離セパレータ２３との間に形成された空間には、上部発電層１０ａの空気極１３に支燃性ガスを導入するための支燃性ガス導入管９３が開口している。また、この空間の支燃性ガス導入管９３の開口部と対向する側には、上部発電層１０ａの空気極１３から支燃性ガスを排出するための支燃性ガス排出管９４が開口している。

また、中間部発電層１０ｂにおいて図２に示すように、隔離セパレータ２３とセル間セパレータ２１との間に形成された空間には、中間部発電層１０ｂの燃料極１２に燃料ガスを導入するための燃料ガス導入管９１が開口している。更に、この空間の燃料ガス導入管９１の開口部と対向する側には、中間部発電層１０ｂの燃料極１２から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出管９２が開口している。また、図３に示すように、セル間セパレータ２１と隔離セパレータ２３との間に形成された空間には、中間部発電層１０ｂの空気極１３に支燃性ガスを導入するための支燃性ガス導入管９３が開口している。更に、この空間の支燃性ガス導入管９３の開口部と対向する側には、中間部発電層１０ｂの空気極１３から支燃性ガスを排出するための支燃性ガス排出管９４が開口している。

更に、下部発電層１０ｃにおいて図２に示すように、隔離セパレータ２３と底部材２６との間に形成された空間には、下部発電層１０ｃの燃料極１２に燃料ガスを導入するための燃料ガス導入管９１が開口している。また、この空間の燃料ガス導入管９１の開口部と対向する側には、下部発電層１０ｃの燃料極１２から燃料ガスを排出するための燃料ガス排出管９２が開口している。更に、図３に示すように、セル間セパレータ２１と隔離セパレータ２３との間に形成された空間には、下部発電層の空気極１３に支燃性ガスを導入するための支燃性ガス導入管９３が開口している。また、この空間の支燃性ガス導入管９３の開口部と対向する側には、下部発電層１０ｃの空気極１３から支燃性ガスを排出するための支燃性ガス排出管９４が開口している。

また、各発電層１０ａ〜１０ｃの各々に燃料ガス又は支燃性ガスを導入し、又は排出するためのそれぞれの管は、本管に側管が取り付けられた構造であり、各発電層１０ａ〜１０ｃの各々の単セルに燃料ガス及び支燃性ガスが同時に導入され、且つ排出される。更に、燃料ガス導入管と燃料ガス排出管、及び支燃性ガス導入管と支燃性ガス排出管は、この実施例１の場合は、燃料ガス及び支燃性ガスがそれぞれ対向方向に流通するような位置に取り付けられている。これにより、各発電層１０ａ〜１０ｃのそれぞれの単セル１００の各々の燃料極と燃料ガス、及び空気極と支燃性ガスをそれぞれ効率よく接触させることができる。

２．燃料ガス及び支燃性ガス
実施例１の固体電解質形燃料電池を用いて発電させる場合、燃料極側には燃料ガスを導入し、空気極側には支燃性ガスを導入する。

３．固体電解質形燃料電池の発電及び電力の取り出し
この固体電解質形燃料電池１は、上部発電層１０ａの空気極１３が、空気極側集電体４２を介して蓋部材２２に電気的に接続されている。上部発電層１０ａの燃料極１２は、燃料極側集電体４１を介してセル間セパレータ２１と電気的に接続されている。また、このセル間セパレータ２１は、空気極側集電体４２を介して中間部発電層１０ｂの空気極１３と接続されている。更に、中間部発電層１０ｂの燃料極１２は、燃料極側集電体４１を介してセル間セパレータ２１と電気的に接続されている。また、このセル間セパレータ２１は、空気極側集電体４２を介して下部発電層１０ｃの空気極１３と電気的に接続されている。更に、下部発電層１０ｃの燃料極１２は、燃料極側集電体４１を介して底部材２６に電気的に接続されている。このように発電層１０ａ〜１０ｃは各々直列に接続されており、蓋部材２２及び底部材２６から電力を取り出すことができる。
また、本固体電解質形燃料電池１を所定の動作温度に昇温させ、燃料ガス導入管９１に水素等の燃料ガスを導入して燃料極１２と接触させ、支燃性ガス導入管９３に空気等の支燃性ガスを導入して空気極１３と接触させることにより、燃料電池として機能することができる。
本固体電解質形燃料電池１は、３個の単セルがそれぞれ燃料極支持型であり、この構造の場合、５００℃以上の動作温度でも電流を取り出すことができる。

４．破損性の評価
面取りの有無による固体電解質形燃料電池の隔離セパレータ２３及び単セル１００の破損しやすさの違いを評価するために、隔離セパレータ２３、単セル１００及び金属枠体８４等を接合したセラミックス接合体の作製時の破損数によって評価した。
このセラミックス接合体は、図４、５に示すように、金属製枠体８３、絶縁板７、単セル１００が接合された隔離セパレータ２３、及び金属製枠体８４を積層し、接合部６を介して接合して作製されたものである。また、比較例として、図９に示す面取りがされていないセラミックス接合体を同様に作製した。尚、単セル１００等の形状及び材質は、上記「１．固体電解質形燃料電池１の構造」で説明したものと同じである。

このようなセラミックス接合体を面取りの形状（丸め又は斜面）及び面取りの大きさを変えた実施例と、比較例とをそれぞれ１００個作製し、隔離セパレータ２３にガス漏れにつながる孔等が生じた破損品が何個あるかどうかを調べた。また、面取りは、側方角部及び上方角部を、同じ形状及び同じ大きさ（丸め半径Ｒ、深さＣ）で行った。更に、面取りの大きさは、側方角部及び上方角部の面取り大きさの平均値が、０．２５〜０．２７ｍｍ、０．２８〜０．２９ｍｍ、０．３〜０．４ｍｍの３つの範囲のものを用いた。
破損品かどうかの判断は、ヘリウムリークディテクタ（ライボルト株式会社製ＵＬ５００）を用い、リーク量が１×１０^−９Ｐａ・ｍ^３/sec以上の場合を破損品とすることで行った。この結果を表１に示す。

表１に示すように、面取りを行わなかった比較例では、１００個のうち６２個破損していたが、０．２５〜０．２７ｍｍの丸めの面取りを行ったところ１６個まで破損品が何個を大幅に減らすことができた。また、０．２８〜０．２９ｍｍでは９個となり、０．３〜０．４ｍｍでは破損品が見られなかった。更に、斜面の面取りでは、０．２５〜０．２７ｍｍでは１３個、０．２８〜０．２９ｍｍでは１０個、０．３〜０．４ｍｍでは２個と、丸めの面取りと同様の効果が得られた。
以上より、側方角部１０１ａ及び上方角部１０２の面取りを行うことで、隔離セパレータ２３が破損したり、単セル１００が欠けたりすることを防止することができることが分かった。
また、枠体角部８０１ａを備え、金属製枠体８１〜８６の内側端部から貫通孔８０３の外縁までの最短距離Ｗを一定以上にすることで、十分なガスシール性を得られることが分かった。

尚、本発明では上記の実施例に限られず、目的、用途等によって本発明の範囲内において種々変更した実施例とすることができる。例えば、本実施例では、丸みを持った面取りを備える側方角部１０１ａ及び上方角部１０２としたが、これに限られず、斜面を備えた面取りを備える側方角部１０１ｂ（図７を参照）及び上方角部（図示せず）とすることができる。また、枠体角部も、丸みを持った面取りを備える枠体角部８０１ａに限られず、図６、７に示す斜面を枠体角部８０１ｂとすることができる。

蓋部材、各セパレータ、底部材を形成する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以外に、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及び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（９４Ｃｒ５Ｆｅ１Ｙ_２Ｏ_３）等が挙げられる。これらの各種の耐熱合金は、それぞれ積層体の用途等によって選択することができる。

空気極は、単セルの強度を支持する基板として形成することもできる。空気極支持型である場合は、空気極の厚さは固体電解質層の２０倍以上の厚さであることが好ましい。２０倍未満であると単セルの機械的強度が不十分となる傾向にある。この空気極の厚さは２００〜３０００μｍ、特に５００〜２０００μｍであることが好ましい。２００μｍ未満であると基板として有効に機能せず、３０００μｍを越えると、体積当たりの発電効率が低下する傾向にある。一方、燃料極支持型である場合は、空気極の厚さは１０〜１００μｍ、特に２０〜５０μｍであることが好ましい。１０μｍ未満であると電極として十分に機能しないことがあり、１００μｍを越えると固体電解質層から剥離することがある。

本セラミックス接合体を用いた固体電解質形燃料電池の構成を説明するための模式斜視図である。本セラミックス接合体を用いた固体電解質形燃料電池の構成を説明するための図１におけるＡ−Ａ断面図である。本セラミックス接合体を用いた固体電解質形燃料電池の構成を説明するための図１におけるＢ−Ｂ断面図である。金属製枠体、隔離セパレータ及び単セルが接合され、丸めの面取りがされた接合体の外観を示す模式斜視図である。金属製枠体、隔離セパレータ及び単セルが接合され、丸めの面取りがされた接合体の外観を示す模式底面図である。金属製枠体、隔離セパレータ及び単セルが接合され、斜面状の面取りがされた接合体の外観を示す模式斜視図である。金属製枠体、隔離セパレータ及び単セルが接合され、斜面状の面取りがされた接合体の外観を示す模式底面図である。金属製枠体、隔離セパレータ及び単セルが接合され、延伸部が設けられた接合体の外観を示す模式底面図である。従来の金属製枠体、隔離セパレータ及び単セルが接合された接合体の外観を示す模式底面図である。

符号の説明

１；固体電解質形燃料電池、１０；発電層、１００；単セル、１０１ａ、１０１ｂ；側方角部、１０２；上方角部、１１；固体電解質層、１２；燃料極、１３；空気極、２１；セル間セパレータ、２２；蓋部材（セル間セパレータ）、２３；隔離セパレータ、２６；底部材（セル間セパレータ）、３１；燃料ガスの流路、３２；支燃性ガスの流路、３３；枠取り付け位置、３４；単セル接触位置、４１；燃料極側集電体、４２；空気極側集電体、６；接合部、７；絶縁板、８１、８２、８３、８４、８５、８６；金属製枠体、８０１ａ、８０１ｂ；枠体角部、８０２；延伸部、８０３；貫通孔、９１；燃料ガス導入管、９２；燃料ガス排気管、９３；支燃性ガス導入管、９４；支燃性ガス排気管。

Claims

燃料極１２と、該燃料極１２の一面側に設けられた固体電解質層１１と、該固体電解質層１１の一面側に設けられた空気極層１３とを積層した平板状の単セル１００を備え、
該単セル１００の２つの側面が交差する側方角部は、面取りされていることを特徴とする固体電解質形燃料電池。
上記単セル１００の隔離セパレータ２３と接合される平面を含む上方角部１０２は、面取りされている請求項１に記載の固体電解質形燃料電池。
上記側方角部１０１ａの面取り部分は丸められており、その半径Ｒは、０．２５ｍｍ以上である請求項１又は２に記載の固体電解質形燃料電池。
上記側方角部１０１ｂの面取り部分は斜面で構成されており、該面取りの深さＣは、０．２５ｍｍ以上である請求項１又は２に記載の固体電解質形燃料電池。
上記隔離セパレータ２３は、その周縁部が貫通孔８０３を具備する枠体に固定されており、該枠体の内側端部から貫通孔８０３の外縁までの最短距離Ｗは２．４ｍｍ以上である請求項１乃至４のいずれか一項に記載の固体電解質形燃料電池。