JP2014041705A - 固体酸化物形燃料電池とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】空気極側セパレータと空気極との電気的接続を確保しつつ、マニホールド部の十分なガスシール性能を実現する。
【解決手段】空気極側セパレータ１０５は、空気極側の面に内部が空洞の突起部１１１が形成され、突起部１１１の空気極側の先端には、空洞と連通する貫通穴が形成されている。突起部１１１の高さは、燃料極側セパレータ１０４とセルホルダ１１４と絶縁体１１７と空気極側セパレータ１０５とを積層したときに、突起部１１１の先端と空気極１０１との間に空隙が形成されるように設定されている。突起部１１１の空洞内に充填され突起部１１１の貫通穴から外に出た導電性の微細粉末からなる接続材１１３によって、空気極側セパレータ１０５と空気極１０１とが電気的に接続される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料極支持型の平板型の固体酸化物形燃料電池セルとマニホールドが配置された複数枚の金属板とで構成された固体酸化物形燃料電池とその製造方法に関するものである。

近年、規模の大小にかかわらず高い効率が得られることから、次世代のコジェネレーションシステムに用いられる発電手段として、燃料電池が注目されている。燃料電池は、酸素などの酸化剤ガスと水素などの燃料ガスとの化学反応を利用した電池であり、空気極と呼ばれる陽極と、燃料極と呼ばれる陰極とで電解質の層を挟んだ単セルを、複数重ね合わせて用いている。一組のセル（単セル）で得られる電気の電圧は、約０．７Ｖ程度であるが、複数の単セルを重ね合わせて用いることで、所望とする電圧の供給が可能である。このような燃料電池には、高分子材料を電解質層に用いる固体高分子形や、セラミックスなどの酸化物を電解質層に用いる固体酸化物形がある。

固体高分子形燃料電池では、作動温度が高々９０℃程度であり、自動車用や家庭用コジェネレーションシステムに適用可能とされている。これに対し、固体酸化物形燃料電池は、作動温度が６００℃以上と高温であり、発電効率が４５％以上と高いという特徴を備えている。このため、複数の単セルを組み合わせたスタック構造の固体酸化物形燃料電池は、タービン発電などを組み合わせてより高い効率のコジェネレーションシステムが構築できるという利点を有し、発電所としての用途などが期待されている（非特許文献１参照）。

ところで、固体酸化物形燃料電池において実用的な出力を得るためには、固体酸化物形燃料電池セル（以降、単セル）を複数個直列に、または並列に接続する必要がある。このとき、各単セルの燃料極側に供給される燃料ガスと空気極側に供給される酸化剤ガスとが混合しない状態で、各単セルを電気的に接続する必要がある。このようにガスの混合を防いだ状態で各単セルを電気的に接続するために、セパレータやインターコネクターなどと呼ばれ、ガスが透過せず、電気伝導度が高い材料からなる部材が用いられている。

近年、発電温度の低温動作化により、金属材料をセパレータに使用できるようになった。金属製のセパレータは、セラミックス製のセパレータに比べると加工性が良く、電気電導度や熱電導度が高いが、高温酸化雰囲気化において表面に電気電導度の低い酸化被膜が形成されるという問題がある。そこで、最近ではセパレータとして、Ｃｒが１６〜２４％程度含まれたフェライト系の耐熱性ステンレス鋼が用いられる傾向にある。

田川博章 著，「固体酸化物燃料電池と地球環境」，アグネ承風社，１９９８年，ｐ．２５−３０

平板型の固体酸化物形燃料電池セルと複数枚の金属製のセパレータとで構成された固体酸化物形燃料電池では、セパレータごとにガス供給・排気配管が設置された外部マニホールド方式とセパレータ内にガス供給・排気配管が設置された内部マニホールド方式とがある。このうち、内部マニホールド方式では、マニホールドのガスシールと、セパレータと電極（空気極、燃料極）の電気的接続とを両立させるのが難しいという問題がある。特に、燃料極によって機械的強度を担保する燃料極支持型のセルは焼結時に空気極側に凸になるような形状で反り易いため、空気極側セパレータと空気極とが接触して電気的接続は得られるが、マニホールド部に十分な荷重がかかり難くなり、マニホールド部の十分なガスシール性能が確保できないという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、空気極側セパレータと空気極との電気的接続を確保しつつ、マニホールド部の十分なガスシール性能を実現することができる固体酸化物形燃料電池とその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の固体酸化物形燃料電池は、平板型の固体酸化物形燃料電池セルと、このセルの燃料極側の面に積層され、前記セルの燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を備えた燃料極側セパレータと、前記セルの空気極側の面に積層され、前記セルの空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を備えた空気極側セパレータと、前記燃料極側セパレータと前記空気極側セパレータとの間に配置され、中央部に前記セルを収納するセルホルダと、前記セルホルダと前記空気極側セパレータとの間に配置される絶縁体とを備え、前記燃料極側セパレータと前記空気極側セパレータと前記セルホルダと前記絶縁体の各々に形成された貫通穴の連結によって、前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホ−ルドと、燃料ガスを排出する燃料ガス排出マニホ−ルドと、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給マニホ−ルドと、酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出マニホールドとのうち少なくとも１つが形成され、前記空気極側セパレータは、空気極側の面に内部が空洞の突起部が形成され、前記突起部の空気極側の先端には、前記空洞と連通する貫通穴が形成され、前記突起部の高さは、前記燃料極側セパレータと前記セルホルダと前記絶縁体と前記空気極側セパレータとを積層したときに、前記突起部の先端と前記空気極との間に空隙が形成されるように設定され、前記突起部の空洞内に充填され前記突起部の貫通穴から外に出た導電性の微細粉末からなる接続材によって、前記空気極側セパレータと前記空気極とが電気的に接続されることを特徴とするものである。

また、本発明の固体酸化物形燃料電池の１構成例において、前記空気極側セパレータは、板状の第１の空気極側セパレータと、この第１の空気極側セパレータの上に搭載される板状の第２の空気極側セパレータとから構成され、前記第１の空気極側セパレータは、空気極側の面に形成された前記突起部と、前記空気極と反対側の面から前記突起部の位置に設けられた、前記空洞を形成する凹部と、前記突起部の空気極側の先端に形成され、前記空洞と連通する前記貫通穴とを有することを特徴とするものである。
また、本発明の固体酸化物形燃料電池の１構成例において、前記接続材は、ＬａＳｒ_xＣｏ_1-xＯ₃、ＬａＮｉ_xＦｅ_1-xＯ₃、およびＬａ_xＳｒ_1-xＣｏ_yＦｅ_1-yＯ₃（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）のうち少なくとも１つを含む化合物の微細粉末からなる。
また、本発明の固体酸化物形燃料電池の１構成例において、前記接続材は、Ａｇの微細粉末からなる。
また、本発明の固体酸化物形燃料電池の１構成例において、前記接続材は、Ａｇを含む合金の微細粉末からなる。

また、本発明の固体酸化物形燃料電池の製造方法は、固体酸化物形燃料電池セルの燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を備えた燃料極側セパレータの上に、平板型の前記セルを搭載するセル搭載工程と、前記セルが搭載される前記燃料極側セパレータの面上に、中央部に前記セルを収納する貫通穴が形成されたセルホルダを搭載するセルホルダ搭載工程と、前記セルホルダの上に、中央部に前記セルを収納する貫通穴が形成された絶縁体を搭載する絶縁体搭載工程と、前記絶縁体の上に、前記セルの空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を備えた空気極側セパレータを搭載する空気極側セパレータ搭載工程とを備え、前記燃料極側セパレータと前記空気極側セパレータと前記セルホルダと前記絶縁体の各々に形成された貫通穴の連結によって、前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホ−ルドと、燃料ガスを排出する燃料ガス排出マニホ−ルドと、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給マニホ−ルドと、酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出マニホールドとのうち少なくとも１つが形成され、前記空気極側セパレータは、空気極側の面に内部が空洞の突起部が形成され、前記突起部の空気極側の先端には、前記空洞と連通する貫通穴が形成され、前記突起部の高さは、前記燃料極側セパレータと前記セルホルダと前記絶縁体と前記空気極側セパレータとを積層したときに、前記突起部の先端と前記空気極との間に空隙が形成されるように設定され、前記空気極側セパレータ搭載工程は、前記突起部の空洞内に導電性の微細粉末からなる接続材を充填する工程を含み、前記突起部の空洞内に充填され前記突起部の貫通穴から外に出た前記接続材によって、前記空気極側セパレータと前記空気極とが電気的に接続されることを特徴とするものである。

また、本発明の固体酸化物形燃料電池の製造方法の１構成例において、前記空気極側セパレータは、板状の第１の空気極側セパレータと、この第１の空気極側セパレータの上に搭載される板状の第２の空気極側セパレータとから構成され、前記第１の空気極側セパレータは、空気極側の面に形成された前記突起部と、前記空気極と反対側の面から前記突起部の位置に設けられた、前記空洞を形成する凹部と、前記突起部の空気極側の先端に形成され、前記空洞と連通する前記貫通穴とを有し、前記空気極側セパレータ搭載工程は、前記絶縁体の上に前記第１の空気極側セパレータを搭載する工程と、前記空気極と反対側の面から前記空洞内に前記接続材を充填する工程と、前記第１の空気極側セパレータの上に前記第２の空気極側セパレータを搭載する工程とを含むことを特徴とするものである。

本発明によれば、燃料極側セパレータとセルホルダと絶縁体と空気極側セパレータとを積層したときに、これらの部材が密着した状態で、突起部の先端と空気極との間に空隙が形成されるように突起部の高さが設定されている。したがって、本発明では、単セルが空気極側に凸になるような形状で反っていたとしても、燃料極側セパレータとセルホルダと絶縁体と空気極側セパレータとを密着させることができ、マニホールド部の十分なガスシール性能を確保することができる。また、本発明では、空気極側セパレータと空気極との電気的接続については、突起部の先端と空気極との間の空隙を埋める接続材によって実現することができる。その結果、本発明では、電気伝導やガス供給に関するロスの削減による燃料電池の発電効率向上が可能となる。また、本発明では、空気極側セパレータの上から強い荷重をかけなくても、燃料極側セパレータとセルホルダと絶縁体と空気極側セパレータの十分な密着が得られるので、荷重が強すぎることによる単セルへの圧力の集中を緩和することができ、単セルの破損を防止することができる。

また、本発明では、接続材として、ＬａＳｒ_xＣｏ_1-xＯ₃、ＬａＮｉ_xＦｅ_1-xＯ₃、およびＬａ_xＳｒ_1-xＣｏ_yＦｅ_1-yＯ₃（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）のうち少なくとも１つを含む化合物の微細粉末を用いることにより、空気極側セパレータと空気極との十分な電気的接続を実現することができる。

また、本発明では、接続材として、電子伝導性の高いＡｇの微細粉末を用いることにより、空気極側セパレータと空気極との十分な電気的接続を実現することができる。

また、本発明では、接続材として、電子伝導性が高くＡｇよりも安価な、Ａｇを含む合金の微細粉末を用いることにより、空気極側セパレータと空気極との低コストで十分な電気的接続を実現することができる。

本発明の実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池の単セルの構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池スタックの構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係るスタックベースの平面図である。 本発明の実施の形態に係る燃料供給板の平面図である。 本発明の実施の形態に係る空気極側セパレータの下面図である。 本発明の実施の形態に係る空気極側セパレータの構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係るセルホルダの平面図である。 本発明の実施の形態に係る金属箔の平面図である。 本発明の実施の形態に係る絶縁体の平面図である。 本発明の実施の形態の効果を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池の単セルの構成を示す断面図である。固体酸化物形燃料電池の単セルは、平板型の燃料極１００と平板型の空気極１０１で平板型の酸化物からなる電解質１０２を狭持し、空気極１０１上に集電層１０３が配置された構造となっている。
電解質１０２の材料としては、例えばスカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、サマリア安定化ジルコニア（ＳＳＺ）、コバルト添加ランタンガレート系酸化物（ＬＳＧＭＣ）などがある。

空気極１０１の材料としては、例えばランタンニッケルフェライト（ＬＮＦ）、ランタンマンガネート（ＬＳＭ）、ランタンストロンチウムコバルタイト（ＬＳＣ）、ランタンストロンチウムコバルタイトフェライト（ＬＳＣＦ）、ランタンストロンチウムフェライト（ＬＳＦ）、サマリウムストロンチウムコバルタイト（ＳＳＣ）などがある。
燃料極１００の材料としては、金属Ｎｉと前記電解質１０２を構成する材料との混合物などがある。これらの混合物としては、例えばニッケル添加イットリア安定化ジルコニア（Ｎｉ−ＹＳＺ）、ニッケル添加サマリア安定化ジルコニア（Ｎｉ−ＳＳＺ）、ニッケル添加スカンジア安定化ジルコニア（Ｎｉ−ＳｃＳＺ）などがある。

図２（Ａ）は本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池スタックの構成を示す断面図である。図２（Ｂ）は図２（Ａ）の１２０の部分を拡大した断面図である。図１に示した固体酸化物形燃料電池の単セルから高い発電出力を得るために、図２（Ａ）に示すように燃料極側セパレータ１０４および空気極側セパレータ１０５を介して単セルを積層する。本実施の形態では、燃料極側セパレータ１０４および空気極側セパレータ１０５の材料として金属を使用している。このような金属としては例えばフェライト系の耐熱性ステンレスがある。

燃料極側セパレータ１０４には、酸化剤ガス供給マニホ−ルド１０６と、ガス流路１０８と、酸化剤ガス排出マニホールド１０９と、燃料ガス供給マニホ−ルド（不図示）と、使用済み燃料ガス排出マニホ−ルド（不図示）とが形成されている。
燃料極側セパレータ１０４は、金属からなる板状のスタックベース１０４０と、同じく金属からなる燃料供給板１０４１との積層構造からなる。図３はスタックベース１０４０を上側から見た平面図、図４は燃料供給板１０４１を上側から見た平面図である。

スタックベース１０４０には、酸化剤ガス供給マニホ−ルド１０６を構成する貫通穴１０６０と、酸化剤ガス排出マニホールド１０９を構成する貫通穴１０９０と、燃料ガス供給マニホ−ルドを構成する貫通穴１１００と、使用済み燃料ガス排出マニホ−ルドを構成する貫通穴１１０１とが形成されている。燃料供給板１０４１には、酸化剤ガス供給マニホ−ルド１０６を構成する貫通穴１０６０と、酸化剤ガス排出マニホールド１０９を構成する貫通穴１０９０と、燃料ガス供給マニホ−ルドから使用済み燃料ガス排出マニホ−ルドに向かって燃料ガスが流れる貫通穴であるガス流路１０８とが形成されている。

図５は空気極側セパレータ１０５を下側から見た下面図である。空気極側セパレータ１０５には、酸化剤ガス供給マニホ−ルド１０６を構成する貫通穴１０６０と、酸化剤ガス排出マニホールド１０９を構成する貫通穴１０９０と、燃料ガス供給マニホ−ルドを構成する貫通穴１１００と、使用済み燃料ガス排出マニホ−ルドを構成する貫通穴１１０１と、空気極１０１と接触する（正確には空気極１０１の上に配置された集電層１０３と接触する）部分である突起部１１１と、隣り合う突起部１１１に挟まれた空間であり、酸化剤ガスが流れる空間であるガス流路１１２とが形成されている。

空気極側セパレータ１０５は、金属からなる板状の第１の空気極側セパレータ１０５０と、同じく金属からなる板状の第２の空気極側セパレータ１０５１との積層構造からなる。図６（Ａ）は第１の空気極側セパレータ１０５０と第２の空気極側セパレータ１０５１の構造を示す断面図である。第１の空気極側セパレータ１０５０には、貫通穴１０６０，１０９０，１１００，１１０１が形成されており、また第１の空気極側セパレータ１０５０の空気極側の面には、突起部１１１が設けられている。突起部１１１の位置には空気極と反対側の面から凹部１１１０が形成されており、突起部１１１の内部は空洞になっている。また突起部１１１の空気極側の先端には凹部１１１０と連通する貫通穴１１１１が形成されている。第２の空気極側セパレータ１０５１には、貫通穴１０６０，１０９０，１１００，１１０１が形成されている。

突起部１１１の高さＨは、固体酸化物形燃料電池の積層時にマニホールド周辺の部材が密着した状態で、突起部１１１の先端と空気極１０１の表面（正確には集電層１０３の表面）との間に空隙が形成されるように設定されている。固体酸化物形燃料電池の積層時に突起部１１１の内部には、図６（Ｂ）に示すように導電性の微細粉末からなる粘土状の接続材１１３が充填される。このとき、接続材１１３は、凹部１１１０から一部が溢れ出す程度の多めの量が充填される。

接続材１１３の材料としては、ＬａＳｒ_xＣｏ_1-xＯ₃、ＬａＮｉ_xＦｅ_1-xＯ₃、Ｌａ_xＳｒ_1-xＣｏ_yＦｅ_1-yＯ₃（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）といった化合物の微細粉末がある。中でもＬａＣｏＯ₃やＬａＳｒ_0.4Ｃｏ_0.6Ｏ₃といった化合物が好ましい。また、接続材１１３として、Ａｇの微細粉末を用いてもよく、Ａｇを含む合金（例えば銀ろう等）の微細粉末を用いてもよい。このような接続材１１３は、固体酸化物形燃料電池の動作温度においても焼結したり溶融したりせず、微細な粉末からなる粘土状の状態を維持することができる。

第１の空気極側セパレータ１０５０の上には第２の空気極側セパレータ１０５１が積層されるので、積層後に第２の空気極側セパレータ１０５１に荷重をかけると、図６（Ｂ）に示すように突起部１１１の先端の貫通穴１１１１から接続材１１３が押し出されて突起部１１１と集電層１０３との間の空隙を埋めるので、空気極１０１と空気極側セパレータ１０５とを集電層１０３および接続材１１３を介して電気的に接続することができる。

次に、１枚のセルを用いた固体酸化物形燃料電池の組み立て手順をより詳細に説明する。上記のとおり、燃料極側セパレータ１０４は、スタックベース１０４０と、このスタックベース１０４０の上に配置される燃料供給板１０４１との積層構造からなる。燃料極側セパレータ１０４のガス流路１０８が配置された面に、燃料極１００と燃料極側セパレータ１０４との電気的接続を良くするための集電体１２１を配置し、この集電体１２１の上に図１に示したような単セルを搭載する。集電体１２１としては、燃料ガスを通すパンチングメタルや発泡金属が使用される。

また、集電体１２１が搭載される燃料極側セパレータ１０４の同じ面上には、単セルを収納するためのセルホルダ１１４が配置される。図７はセルホルダ１１４を上側から見た平面図である。セルホルダ１１４には、酸化剤ガス供給マニホ−ルド１０６を構成する貫通穴１０６０と、酸化剤ガス排出マニホールド１０９を構成する貫通穴１０９０と、燃料ガス供給マニホ−ルドを構成する貫通穴１１００と、使用済み燃料ガス排出マニホ−ルドを構成する貫通穴１１０１と、単セル収納用の例えば正方形の貫通穴１１４０とが形成されている。セルホルダ１１４の材料としては、例えば燃料極側セパレータ１０４および空気極側セパレータ１０５と同じフェライト系の耐熱性ステンレスがある。セルホルダ１１４の厚さは、燃料極１００と電解質１０２の厚さに集電体１２１の厚さを加えた値と同程度に設定されている。貫通穴１１４０の径は、単セルの外径よりも少し大きい寸法に設定されており、この貫通穴１１４０の中に単セルが配置される。

図２（Ｂ）に示すように、燃料極側セパレータ１０４と単セルの端部との隙間、およびセルホルダ１１４と単セルの端部との隙間には、シール材１１５が配置される。このシール材１１５によって燃料ガスおよび排ガスの漏れを防ぐことができる。シール材１１５の材料としては、ペースト状のホウ珪酸ガラスなどの、軟化点温度が８００℃以下のガラス材料がある。シール材１１５は、発電環境において十分な流動性を担保するために、軟化点が固体酸化物型燃料電池の動作温度付近であることが好ましく、軟化点温度が６００℃から７００℃のガラスであることが好ましい。なお、シール材１１５として銀ろうを用いてもよい。

電解質１０２の端部とセルホルダ１１４とシール材１１５との上には金属箔１１６が配置される。金属箔１１６の厚みは、例えば１０μｍ〜５０μｍである。金属箔１１６の厚みを１０μｍ〜５０μｍとすることで、セル周辺部が平坦でなくてもセル周辺部での燃料ガスと酸化剤ガスとの混合を抑制することが可能となる。

図８は金属箔１１６を上側から見た平面図である。金属箔１１６には、酸化剤ガス供給マニホ−ルド１０６を構成する貫通穴１０６０と、酸化剤ガス排出マニホールド１０９を構成する貫通穴１０９０と、燃料ガス供給マニホ−ルドを構成する貫通穴１１００と、使用済み燃料ガス排出マニホ−ルドを構成する貫通穴１１０１と、単セル収納用の例えば正方形の貫通穴１１６０とが形成されている。貫通穴１１６０の径は、セルホルダ１１４の貫通穴１１４０よりも小さい寸法に設定されており、金属箔１１６が電解質１０２の端部に掛かるように設定されている。なお、図８における１１５０はシール材１１５の位置を示している。

金属箔１１６は、スタック構成部材の凹凸やシール材１１５の不均一な分布に対応するために柔軟性を有している。金属箔１１６としては、例えばＳＵＳ４３０やＳＵＳ４４５等の、セル電解質１０２の熱膨張係数と同等のフェライト系ステンレス鋼を用いることが好ましく、高温雰囲気下においてアルミナ等の不動態膜を形成するものが好ましい。

さらに、金属箔１１６の上には、金属箔１１６を固定するカバーとなる絶縁体１１７が配置される。図９は絶縁体１１７を上側から見た平面図である。絶縁体１１７には、燃料ガス供給マニホ−ルドを構成する貫通穴１１００と、使用済み燃料ガス排出マニホ−ルドを構成する貫通穴１１０１と、単セル収納用の例えば長方形の貫通穴１１７０とが形成されている。貫通穴１１７０の径は、貫通穴１１００，１１０１が存在する方向（図９左右方向）の径が金属箔１１６の貫通穴１１６０の径と同程度に設定されており、酸化剤ガス供給マニホ−ルド１０６および酸化剤ガス排出マニホールド１０９が存在する方向（図９上下方向）の径がガスマニホ−ルド１０６，１０９と連通する程度の大きさに設定されている。

絶縁体１１７は、燃料ガス供給マニホ−ルドの周囲の位置と使用済み燃料ガス排出マニホ−ルドの周囲の位置と酸化剤ガス供給マニホ−ルド１０６の外側の位置と酸化剤ガス排出マニホールド１０９の外側の位置と単セルの端部の位置とで金属箔１１６を固定する役割を担っている。このように、絶縁体１１７は、固体酸化物形燃料電池スタックの積層方向（図２（Ａ）、図２（Ｂ）上下方向）に掛けられる圧力を金属箔全体に伝達して、金属箔１１６を固定し、単セルやセルホルダ１１４と金属箔１１６との密着性を確保するために、金属箔１１６よりも高い剛性を有している必要がある。また、絶縁体１１７は、燃料極１００と空気極１０１間の短絡を防止する役割を担っている。絶縁体１１７の材料としては、例えば窒化ホウ素、マグネシア、アルミナ、またはマイカ等がある。中でもマイカやアルミナが好ましい。

次に、絶縁体１１７の上に第１の空気極側セパレータ１０５０を載せる。そして、第１の空気極側セパレータ１０５０の空気極１０１とは反対側の面から凹部１１１０の中に導電性の微細粉末からなる粘土状の接続材１１３を充填する。このとき、凹部１１１０の中に接続材１１３が十分に入るようにスパチュラーなどの工具を使って押し込むようにする。続いて、第１の空気極側セパレータ１０５０の上に第２の空気極側セパレータ１０５１を載せる。こうして、絶縁体１１７の上に第１の空気極側セパレータ１０５０と第２の空気極側セパレータ１０５１とからなる空気極側セパレータ１０５を載せることによって、金属箔１１６と絶縁体１１７と単セルの端部と空気極側セパレータ１０５とによって囲まれる酸化剤ガス流路である空間１１９が形成される。

上記のとおり、空気極側セパレータ１０５に上から荷重をかけると、突起部１１１の先端の貫通穴１１１１から接続材１１３が押し出されて突起部１１１と集電層１０３との間の空隙を埋めるので、空気極１０１と空気極側セパレータ１０５とを集電層１０３および接続材１１３を介して電気的に接続することができる。こうして、図２（Ａ）に示した固体酸化物形燃料電池の単スタックの組み立てが完了する。高い発電出力を得るためには、図２（Ａ）の単スタックを複数積層すればよい。

次に、酸化剤ガスと燃料ガスの流れについて簡単に説明する。酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給マニホ−ルド１０６から絶縁体１１７の貫通穴１１７０を通って空間１１９に供給され、ガス流路１１２および集電層１０３を通って空気極１０１に供給される。このとき、シール材１１５は絶縁体１１７で固定された金属箔１１６によって覆われているので、シール材１１５が空間１１９内に露出することはなく、空間１１９に流入する酸化剤ガスがシール材１１５と接触することはない。使用済みの酸化剤ガスは、絶縁体１１７の貫通穴１１７０を通って酸化剤ガス排出用のガスマニホ−ルド１０９から外部に排出される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給マニホ−ルドから燃料極側セパレータ１０４のガス流路１０８に供給され、ガス流路１０８および集電体１２１を通って燃料極１００に供給される。使用済みの燃料ガスは、ガス流路１０８を通って使用済み燃料ガス排出マニホ−ルドから外部に排出される。

以上のように、本実施の形態では、燃料極側セパレータ１０４とセルホルダ１１４と金属箔１１６と絶縁体１１７と空気極側セパレータ１０５とを積層したときに、これらの部材が密着した状態で、突起部１１１の先端と空気極１０１の表面（正確には集電層１０３の表面）との間に空隙が形成されるように突起部１１１の高さが設定されている。したがって、図１０（Ａ）に示すように単セルが空気極側に凸になるような形状で反っていたとしても、燃料極側セパレータ１０４とセルホルダ１１４と金属箔１１６と絶縁体１１７と空気極側セパレータ１０５とを密着させることができ、マニホールド部の十分なガスシール性能を確保することができる。また、上記のとおり、空気極１０１と空気極側セパレータ１０５との電気的接続については、接続材１１３によって実現することができる。

一方、突起部１１１が不適切な高さに設定されていると、接続材１１３によって空気極１０１と空気極側セパレータ１０５との電気的接続が得られたとしても、図１０（Ｂ）に示すように突起部１１１の高さのために絶縁体１１７と空気極側セパレータ１０５との間に隙間ができてしまい、空気極側セパレータ１０５の上から荷重をかけたとしても、燃料極側セパレータ１０４とセルホルダ１１４と金属箔１１６と絶縁体１１７と空気極側セパレータ１０５の密着が得られなくなり、マニホールド部の十分なガスシール性能が確保できなくなる。

また、本実施の形態では、空気極側セパレータ１０５の上から強い荷重をかけなくても、燃料極側セパレータ１０４とセルホルダ１１４と金属箔１１６と絶縁体１１７と空気極側セパレータ１０５の十分な密着が得られるので、荷重が強すぎることによる単セルへの圧力の集中を緩和することができ、単セルの破損を防止することができる。

本実施の形態の効果を評価するために、空気極側セパレータ１０５の突起部１１１が空気極１０１と直接接触する場合と、本実施の形態のように接続材１１３を介して接触する場合とで発電出力と開回路電圧とを比較した。表１に結果を示す。

本実施の形態のように接続材１１３を用いる方が、開回路電圧が高く、高い発電出力が得られることが分かる。以上の結果から、本実施の形態の効果を証明できた。
なお、本実施の形態では、酸化剤ガスが流入する流路に露出したシール材１１５の部分を金属箔１１６で覆うようにしている。これにより、酸化剤ガスがシール材１１５と接触することを防止することができ、シール材１１５中のアルカリ金属や銀が空気極１０１の特性を劣化させることを抑止できるが、本発明において金属箔１１６を設けることは必須の構成要件ではない。すなわち、セルホルダ１１４の上に直接、絶縁体１１７を載せるようにしてもよい。

本発明は、固体酸化物形燃料電池に適用することができる。

１００…燃料極、１０１…空気極、１０２…電解質、１０３…集電層、１０４…燃料極側セパレータ、１０５…空気極側セパレータ、１０６，１０９…マニホ−ルド，１０８，１１２…ガス流路、１１１…突起部、１１３…接続材、１１４…セルホルダ、１１５…シール材、１１６…金属箔、１１７…絶縁体、１２１…集電体、１０４０…スタックベース、１０４１…燃料供給板、１０５０…第１の空気極側セパレータ、１０５１…第２の空気極側セパレータ、１０６０，１０９０，１１００，１１０１，１１１１，１１４０，１１６０，１１７０…貫通穴、１１１０…凹部。

Claims (7)

1. 平板型の固体酸化物形燃料電池セルと、
   このセルの燃料極側の面に積層され、前記セルの燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を備えた燃料極側セパレータと、
   前記セルの空気極側の面に積層され、前記セルの空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を備えた空気極側セパレータと、
   前記燃料極側セパレータと前記空気極側セパレータとの間に配置され、中央部に前記セルを収納するセルホルダと、
   前記セルホルダと前記空気極側セパレータとの間に配置される絶縁体とを備え、
   前記燃料極側セパレータと前記空気極側セパレータと前記セルホルダと前記絶縁体の各々に形成された貫通穴の連結によって、前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホ−ルドと、燃料ガスを排出する燃料ガス排出マニホ−ルドと、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給マニホ−ルドと、酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出マニホールドとのうち少なくとも１つが形成され、
   前記空気極側セパレータは、空気極側の面に内部が空洞の突起部が形成され、
   前記突起部の空気極側の先端には、前記空洞と連通する貫通穴が形成され、
   前記突起部の高さは、前記燃料極側セパレータと前記セルホルダと前記絶縁体と前記空気極側セパレータとを積層したときに、前記突起部の先端と前記空気極との間に空隙が形成されるように設定され、
   前記突起部の空洞内に充填され前記突起部の貫通穴から外に出た導電性の微細粉末からなる接続材によって、前記空気極側セパレータと前記空気極とが電気的に接続されることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
2. 請求項１記載の固体酸化物形燃料電池において、
   前記空気極側セパレータは、
   板状の第１の空気極側セパレータと、
   この第１の空気極側セパレータの上に搭載される板状の第２の空気極側セパレータとから構成され、
   前記第１の空気極側セパレータは、
   空気極側の面に形成された前記突起部と、
   前記空気極と反対側の面から前記突起部の位置に設けられた、前記空洞を形成する凹部と、
   前記突起部の空気極側の先端に形成され、前記空洞と連通する前記貫通穴とを有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
3. 請求項１または２記載の固体酸化物形燃料電池において、
   前記接続材は、ＬａＳｒ_xＣｏ_1-xＯ₃、ＬａＮｉ_xＦｅ_1-xＯ₃、およびＬａ_xＳｒ_1-xＣｏ_yＦｅ_1-yＯ₃（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）のうち少なくとも１つを含む化合物の微細粉末からなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
4. 請求項１または２記載の固体酸化物形燃料電池において、
   前記接続材は、Ａｇの微細粉末からなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
5. 請求項１または２記載の固体酸化物形燃料電池において、
   前記接続材は、Ａｇを含む合金の微細粉末からなることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
6. 固体酸化物形燃料電池セルの燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を備えた燃料極側セパレータの上に、平板型の前記セルを搭載するセル搭載工程と、
   前記セルが搭載される前記燃料極側セパレータの面上に、中央部に前記セルを収納する貫通穴が形成されたセルホルダを搭載するセルホルダ搭載工程と、
   前記セルホルダの上に、中央部に前記セルを収納する貫通穴が形成された絶縁体を搭載する絶縁体搭載工程と、
   前記絶縁体の上に、前記セルの空気極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を備えた空気極側セパレータを搭載する空気極側セパレータ搭載工程とを備え、
   前記燃料極側セパレータと前記空気極側セパレータと前記セルホルダと前記絶縁体の各々に形成された貫通穴の連結によって、前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホ−ルドと、燃料ガスを排出する燃料ガス排出マニホ−ルドと、前記酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給マニホ−ルドと、酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出マニホールドとのうち少なくとも１つが形成され、
   前記空気極側セパレータは、空気極側の面に内部が空洞の突起部が形成され、
   前記突起部の空気極側の先端には、前記空洞と連通する貫通穴が形成され、
   前記突起部の高さは、前記燃料極側セパレータと前記セルホルダと前記絶縁体と前記空気極側セパレータとを積層したときに、前記突起部の先端と前記空気極との間に空隙が形成されるように設定され、
   前記空気極側セパレータ搭載工程は、前記突起部の空洞内に導電性の微細粉末からなる接続材を充填する工程を含み、
   前記突起部の空洞内に充填され前記突起部の貫通穴から外に出た前記接続材によって、前記空気極側セパレータと前記空気極とが電気的に接続されることを特徴とする固体酸化物形燃料電池の製造方法。
7. 請求項６記載の固体酸化物形燃料電池の製造方法において、
   前記空気極側セパレータは、
   板状の第１の空気極側セパレータと、
   この第１の空気極側セパレータの上に搭載される板状の第２の空気極側セパレータとから構成され、
   前記第１の空気極側セパレータは、
   空気極側の面に形成された前記突起部と、
   前記空気極と反対側の面から前記突起部の位置に設けられた、前記空洞を形成する凹部と、
   前記突起部の空気極側の先端に形成され、前記空洞と連通する前記貫通穴とを有し、
   前記空気極側セパレータ搭載工程は、
   前記絶縁体の上に前記第１の空気極側セパレータを搭載する工程と、
   前記空気極と反対側の面から前記空洞内に前記接続材を充填する工程と、
   前記第１の空気極側セパレータの上に前記第２の空気極側セパレータを搭載する工程とを含むことを特徴とする固体酸化物形燃料電池の製造方法。

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