WO2014050714A1 - 固体電解質形燃料電池 - Google Patents

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Murata Manufacturing Co Ltd
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Definitions

  • the present invention relates generally to a solid oxide fuel cell, and more particularly to a solid oxide fuel cell having anode gas and cathode gas supply paths.
  • a flat solid electrolyte fuel cell (also referred to as a solid oxide fuel cell (SOFC)) includes a plurality of flat plate-shaped power generation elements each composed of an anode (negative electrode), a solid electrolyte, and a cathode (positive electrode). And a separator (also referred to as an interconnector) disposed between a plurality of cells.
  • the separator is a fuel gas as an anode gas specifically supplied to the anode in order to electrically connect the plurality of cells in series with each other and to separate the gas supplied to each of the plurality of cells.
  • hydrogen hydrogen
  • oxidant gas for example, air
  • the separator is formed of a conductive ceramic material such as lanthanum chromite (LaCrO 3 ).
  • a separator is formed using such a conductive material, a member that performs the functions of electrical connection and gas separation can be formed using a single material.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 6-52872 discloses a structure of a sealing material for a solid oxide fuel cell.
  • a fuel cell unit cell integrally laminated in a flat plate shape is composed of a separator, a fuel electrode layer, a solid electrolyte layer, an air electrode layer, and a separator that are sequentially laminated and combined.
  • an air supply manifold is connected to a side surface serving as an air supply surface
  • a fuel gas supply manifold is connected to a side surface serving as a fuel gas supply surface
  • a side surface serving as a fuel gas discharge surface A fuel gas discharge manifold for discharging the fuel gas is connected
  • an air discharge manifold for discharging air is connected to a side surface serving as an air discharge surface.
  • the separator is made of La (Cr ⁇ Mg) O 3 which is a conductive ceramic material.
  • Each manifold for gas passages is made of zirconia containing a rare earth element oxide.
  • the fuel cell unit and each electrically insulating manifold are hermetically coupled using a sealing material made of an electrically insulating ceramic material.
  • the separator is made of a ceramic material.
  • a separator made of a ceramic material can be configured to substantially match the thermal expansion behavior of a cell made of a fuel electrode layer, a solid electrolyte layer, and an air electrode layer, but has a low thermal conductivity. For this reason, it is difficult to dissipate heat generated by power generation to the outside through the separator. Thereby, due to the heat generated by the power generation, there is a problem that the temperature of the separator rises locally and consequently the temperature in the cell rises locally.
  • the separator and the three layers of the fuel electrode layer, the solid electrolyte layer, and the air electrode layer are integrally formed, even if the separator absorbs the above heat generation as thermal expansion (thermal strain), its thermal expansion Accordingly, it becomes difficult to deform the separator and the cell.
  • a separator made of a ceramic material has a large Young's modulus, when the heat generation is absorbed as thermal strain, a large thermal stress is generated in the separator.
  • the separator and the cell cannot be deformed in accordance with the large thermal stress, there is a problem that they are easily destroyed.
  • the temperature of the separator and the cell rises locally due to the heat generated by the power generation, so that the separator cannot be deformed according to the thermal expansion due to the heat generation, and thus the cell may be destroyed. .
  • an object of the present invention is to provide a solid oxide fuel cell capable of suppressing a local temperature rise of the separator and the cell even when a separator made of a ceramic material is used.
  • the solid oxide fuel cell according to the present invention includes a battery structure, an inter-cell separator, and a gas supply path structure.
  • the battery structure includes a plurality of cells each consisting of an anode, a solid electrolyte, and a cathode.
  • the inter-cell separator is disposed between the plurality of cells and is formed from a material containing ceramics.
  • the gas supply path structure includes an anode gas supply path that supplies an anode gas to the cell, and a cathode gas supply path that supplies a cathode gas to the cell. At least one of the anode gas supply path and the cathode gas supply path is disposed inside the battery structure.
  • the solid oxide fuel cell of the present invention since at least one of the anode gas supply path and the cathode gas supply path is arranged inside the cell structure, at least one of the anode gas and the cathode gas is It flows from the inside to the outside of the battery structure. For this reason, it can suppress that the temperature of the isolation
  • the anode gas and the cathode gas flows from the inside of the battery structure portion to the outside, it acts as a gas for cooling the heat generated by the power generation. For this reason, the temperature rise inside a battery structure part can be suppressed.
  • the locations where heat is generated by power generation are dispersed. can do. Thereby, the temperature rise inside a battery structure part can be suppressed.
  • the inside of the battery structure portion is located on the inner side of the battery structure portion at a distance of 1/3 or more of the width dimension from the side surface of the battery structure portion.
  • the gas supply path structure and the inter-cell separator are integrally formed.
  • the gas supply path structure that functions as a manifold and the inter-cell separator that functions as a separator are integrally formed. Are formed continuously. For this reason, the sealing member between separators and between cell-manifolds required in the conventional solid oxide fuel cell becomes unnecessary. Thereby, the sealing performance with respect to the gas as the whole battery can be improved, the number of members can be reduced, and as a result, the number of manufacturing steps can be reduced.
  • the gas supply path structure and the solid electrolyte are integrally formed.
  • This configuration eliminates the need for sealing with glass or the like at the portion where the gas supply path structure and the solid electrolyte are in contact.
  • the inter-cell separator is made of ceramics, and an electric insulator for separating the anode gas and the cathode gas supplied to each of the plurality of cells, and the electric insulator It is preferably formed from an electrical conductor that is formed and electrically connects a plurality of cells to each other.
  • At least one of the anode gas supply path and the cathode gas supply path may include an opening extending in one direction, or arranged at an interval in one direction. A plurality of openings may be included.
  • the present invention even when a separator made of a ceramic material is used, the local temperature rise of the separator and the cell generated by power generation can be suppressed, so that the separator and the cell are prevented from being destroyed. can do.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a solid oxide fuel cell including a plurality of unit modules of FIG. 1.
  • 1 is a plan view showing a schematic configuration of a unit module of a solid oxide fuel cell as Embodiment 1 of the present invention. It is a perspective view which shows a part of support structure containing the cell separation part of Embodiment 1 of this invention, and an anode and cathode gas supply path. It is a perspective view which shows a part of support structure containing the cell separation part of Embodiment 1 of this invention, an anode gas supply path, and a flow path.
  • FIG. 2 It is a top view which shows schematic structure of the unit module of the solid oxide fuel cell as Embodiment 2 of this invention. It is a perspective view which shows a part of support structure containing the cell separation part of Embodiment 2 of this invention, and an anode and a cathode gas supply path. It is a perspective view which shows a part of support structure containing the cell separation part of Embodiment 2 of this invention, an anode gas supply path, and a flow path. It is a perspective view which shows a part of supporting structure containing the cell separation part of Embodiment 2 of this invention, a cathode gas supply path, and a flow path.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a unit module of a solid oxide fuel cell as an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a solid oxide fuel cell including a plurality of unit modules of FIG.
  • a unit module (solid electrolyte fuel cell module) 1 of a solid oxide fuel cell 1 includes a solid oxide fuel cell support structure (hereinafter referred to as “support structure”) 20.
  • support structure On one surface of the support structure 20, a fuel electrode layer 11 having a thickness of 100 to 300 ⁇ m as an anode layer constituting the cell, a solid electrolyte layer 12 having a thickness of 10 to 50 ⁇ m, and a thickness as a cathode layer.
  • a single battery structure includes a cell composed of a fuel electrode layer 11, a solid electrolyte layer 12, and an air electrode layer 13.
  • a unit module is configured by sequentially forming a fuel electrode layer 11, a solid electrolyte layer 12, and an air electrode layer 13 as a battery structure part on the surface of one side of the support structure 20.
  • the unit module may be configured by sequentially forming the air electrode layer 13, the solid electrolyte layer 12, and the fuel electrode layer 11.
  • the solid oxide fuel cell 100 has a plurality of cells 10 as a battery structure, and the cell located at the top is a current collector having a thickness of 10 to 20 ⁇ m via a support structure 20.
  • the plate 30 is disposed so as to be electrically connected, and the current collector plate 40 having a thickness of 10 to 20 ⁇ m is disposed so as to be electrically connected to the cell located at the bottom via the support structure 20.
  • Each of the plurality of cells 10 includes a fuel electrode layer 11, a solid electrolyte layer 12, and an air electrode layer 13 that are sequentially stacked.
  • the support structure 20 includes an inter-cell separation portion 21a made of a material containing ceramics having a thickness of about 100 ⁇ m and disposed between the plurality of cells 10, and a gas supply path structure portion 21b made of ceramics.
  • the inter-cell separator 21a electrically isolates the fuel gas as the anode gas supplied to each of the plurality of cells and the air as the oxidant gas as the cathode gas.
  • the body 21 and a plurality of electrical conductors 22 formed in the electrical insulator 21 and electrically connecting the plurality of cells 10 to each other are formed.
  • the current collector plate 30 is electrically connected to the fuel electrode layer 11 of the uppermost cell through the electric conductor 22, and the current collector plate 40 is electrically connected to the air electrode layer 13 of the lowermost cell through the electric conductor 22. Has been.
  • the main body of the gas supply path structure portion 21b that is, the wall portion forming the fuel gas supply path 23 and the air supply path 24 is made of ceramics and forms an inter-cell separation portion 21a. It consists of the same electrical insulator as the electrical insulator 21, and is formed continuously with the electrical insulator 21 that forms the inter-cell isolation part 21a. That is, the gas supply path structure portion 21b and the inter-cell separation portion 21a are integrally formed. Further, the gas supply path structure 21b and the solid electrolyte layer 12 are integrally formed.
  • the electrical insulator 21 is, for example, zirconia (ZrO 2 ) (yttria stabilized zirconia: YSZ) stabilized with yttria (Y 2 O 3 ) with an addition amount of 3 mol%, ceria with an addition amount of 12 mol% (YSZ). It is formed using zirconia (ZrO 2 ) (ceria stabilized zirconia: CeSZ) stabilized with CeO 2 ).
  • the electric conductor 22 is formed using, for example, a silver (Ag) -platinum (Pt) alloy, a silver (Ag) -palladium (Pd) alloy, or the like.
  • the solid electrolyte layer 12 includes, for example, zirconia (ZrO 2 ) (scandia ceria stabilized zirconia stabilized with 10 mol% scandia (Sc 2 O 3 ) and 1 mol% ceria (CeO 2 ). ScCeSZ), zirconia (ZrO 2 ) stabilized with scandia (Sc 2 O 3 ) with an addition amount of 11 mol% (scandia stabilized zirconia: ScSZ), and the like.
  • the fuel electrode layer 11 is made of, for example, nickel oxide (NiO), zirconia (ZrO 2 ) stabilized with scandia (Sc 2 O 3 ) added at 10 mol% and ceria (CeO 2 ) added at 1 mol%. It is formed using a mixture with (scandiaceria stabilized zirconia: ScCeSZ) or the like.
  • the air electrode layer 13 includes, for example, La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 , zirconia (ZrO 2 ) stabilized with 10 mol% scandia (Sc 2 O 3 ) and 1 mol% ceria (CeO 2 ). ) (Scandiaceria stabilized zirconia: ScCeSZ) or the like.
  • the current collector plates 30 and 40 are made of, for example, silver (Ag).
  • FIG. 3 is a plan view showing a schematic configuration of the unit module of FIG. The cross section seen from the direction along the line II-II in FIG. 3 corresponds to FIG. 1 and FIG.
  • a single cell constituting the battery structure section includes two fuel electrode layers 11a and 11b and two air electrode layers 13a and 13b.
  • a solid electrolyte layer is interposed between the two fuel electrode layers 11a and 11b and the two air electrode layers 13a and 13b.
  • the gas supply path structure portion 21b which is a part of the support structure 20, supplies two fuel gas supply paths 23a and 23b as anode gas supply paths for supplying fuel gas to the cells and air to the cells.
  • One air supply path 24 is formed as a cathode gas supply path for this purpose.
  • Each of the fuel gas supply paths 23a and 23b and the air supply path 24 is formed by an opening extending in one direction, that is, an elongated through hole.
  • two fuel gas supply paths 23 a and 23 b and one air supply path 24 are also formed in the solid electrolyte layer having the same size as the support structure 20.
  • the fuel gas supply path 23a is disposed so as to contact a side surface on one side (left side in FIG. 3) of the fuel electrode layer 11a, and the fuel gas supply path 23b is disposed on one side (left side in FIG. 3) of the fuel electrode layer 11b. It arrange
  • the air supply path 24 is interposed between the air electrode layer 13a and the air electrode layer 13b, is disposed so as to contact one side surface (lower side in FIG. 3) of the air electrode layer 13a, and the air electrode. It arrange
  • the fuel gas flows from the fuel gas supply paths 23a and 23b arranged on the left side to the fuel electrode layers 11a and 11b toward the right.
  • the air flows upward from the air supply path 24 arranged in or inside the battery structure portion to the air electrode layer 13a and flows downward from the air supply path 24 to the air electrode layer 13b.
  • the flow of fuel gas and the flow of air are orthogonal.
  • FIG. 4 shows a portion 20a1 constituting the portion 20a of the support structure 20 shown in FIG.
  • two fuel gas supply passages 23a and 23b and one air supply passage 24 are formed in the portion 20a1.
  • Each of the fuel gas supply paths 23a and 23b and the air supply path 24 is formed by an opening extending in one direction, that is, an elongated through hole.
  • each of the fuel gas supply paths 23a, 23b and the air supply path 24 has a plurality of openings arranged at intervals in one direction, that is, a plurality of circular shapes. May be formed by through holes.
  • FIG. 12 is a plan view showing a schematic configuration of the unit module of FIG. The cross section seen from the direction along line II-II in FIG. 12 corresponds to FIG. 1 and FIG.
  • a single cell constituting the battery structure portion includes four fuel electrode layers 11a, 11b, 11c, and 11d and four air electrode layers 13a, 13b, 13c, and 13d.
  • solid electrolyte layers are interposed between the four fuel electrode layers 11a, 11b, 11c, and 11d and the four air electrode layers 13a, 13b, 13c, and 13d.
  • the gas supply path structure portion 21b which is a part of the support structure 20, supplies two fuel gas supply paths 23a and 23b as anode gas supply paths for supplying fuel gas to the cells and air to the cells.
  • Two air supply passages 24a and 24b are formed as cathode gas supply passages.
  • Each of the fuel gas supply passages 23a and 23b and the air supply passages 24a and 24b is formed with an opening extending in one direction, that is, an elongated through hole.
  • two fuel gas supply passages 23 a and 23 b and two air supply passages 24 a and 24 b are also formed in the solid electrolyte layer having the same size as the support structure 20.
  • the fuel gas supply path 23a is interposed between the fuel electrode layer 11a and the fuel electrode layer 11b, is disposed so as to contact one side surface (right side in FIG. 12) of the fuel electrode layer 11a, and the fuel electrode. It arrange
  • the fuel gas supply path 23b is interposed between the fuel electrode layer 11c and the fuel electrode layer 11d, is disposed so as to contact one side surface (right side in FIG. 12) of the fuel electrode layer 11c, and the fuel electrode. It arrange
  • the air supply path 24a is interposed between the air electrode layer 13a and the air electrode layer 13c, is disposed so as to contact one side surface (lower side in FIG. 12) of the air electrode layer 13a, and the air electrode It arrange
  • the air supply path 24b is interposed between the air electrode layer 13b and the air electrode layer 13d, is disposed so as to contact one side surface (lower side in FIG. 12) of the air electrode layer 13b, and the air electrode It arrange
  • the fuel gas flows to the fuel electrode layers 11a, 11b, 11c, and 11d in the left-right direction from the fuel gas supply paths 23a and 23b arranged in the center or the center of the battery structure.
  • Air flows from the air supply paths 24a and 24b arranged in the center or the center of the battery structure portion to the air electrode layers 13a, 13b, 13c, and 13d in the vertical direction.
  • the flow of fuel gas and the flow of air are orthogonal.
  • FIG. 13 shows a portion 20a1 constituting the portion 20a of the support structure 20 shown in FIG.
  • two fuel gas supply paths 23a and 23b and two air supply paths 24a and 24b are formed in the portion 20a1.
  • Each of the fuel gas supply passages 23a and 23b and the air supply passages 24a and 24b is formed with an opening extending in one direction, that is, an elongated through hole.
  • each of the fuel gas supply passages 23a and 23b and the air supply passages 24a and 24b has a plurality of openings arranged at intervals in one direction, that is, a plurality of openings. You may form with a circular through-hole.
  • the fuel gas since at least one of the fuel gas supply passages 23a and 23b and the air supply passages 24a and 24b is disposed inside the battery structure portion, the fuel gas Alternatively, at least one of air flows from the inside of the battery structure portion to the outside. For this reason, it can suppress that the temperature of the cell isolation
  • At least any one of the fuel electrode layers 11a to 11d and the air electrode layers 13a to 13d is provided by at least one of the fuel gas supply passages 23a and 23b and the air supply passages 24, 24a and 24b arranged inside the battery structure. Since one of them is divided, the places where heat is generated by power generation can be dispersed. Thereby, the temperature rise inside a battery structure part can be suppressed.
  • the gas supply path structure portion 21b and the inter-cell separation portion 21a are integrally formed.
  • the gas supply path structure portion 21b that functions as a manifold and the inter-cell separation portion 21a that functions as a separator are integrally formed.
  • the part to fulfill is formed continuously. For this reason, the sealing member between separators and between cell-manifolds required in the conventional solid oxide fuel cell becomes unnecessary. Thereby, the sealing performance with respect to the gas as the whole battery can be improved, the number of members can be reduced, and as a result, the number of manufacturing steps can be reduced.
  • the gas supply path structure 21b and the solid electrolyte layer 12 are integrally formed. With this configuration, it is not necessary to use glass or the like to seal the portion where the gas supply path structure 21b and the solid electrolyte layer 12 are in contact with each other.
  • Example 1 First, the material powder of each member constituting the unit module of the solid oxide fuel cell of Embodiment 1 shown in FIGS. 1 to 3 was prepared as follows.
  • Fuel electrode layers 11a and 11b Zirconia (ZrO) stabilized with 60% by weight of nickel oxide (NiO), 10% by mole of scandia (Sc 2 O 3 ) and 1% by mole of ceria (CeO 2 ) 2 ) Mixture with 40% by weight of (scandiaceria stabilized zirconia: ScCeSZ)
  • Solid electrolyte layer 12 addition of 10 mol% of scandia (Sc2 O3) and amount 1 mol% of ceria stabilized zirconia (CeO 2) (ZrO 2) ( scan Kanji Aseria stabilized zirconia: ScCeSZ)
  • Air electrode layer 13a, 13b La 0.8 Sr 0.2 MnO 3 60 wt% and the addition amount 10 mol% of scandia (Sc 2 O 3) and zirconia stabilized with the addition of 1 mol% of ceria (CeO 2) ( ZrO 2 ) (scandiaceria stabilized zirconia: ScCeSZ) with 40% by weight
  • ZrSiO 4 zircon
  • ZrO 2 zirconia
  • CeSZ ceria stabilized zirconia
  • the green sheets of three types of shapes for the portions 20 a, 20 b and 20 c constituting the solid oxide fuel cell support structure 20 are as follows: It produced as follows.
  • the portion 20a is configured by stacking a portion 20a2 (see FIG. 5), a portion 20a1 (see FIG. 4A), and a portion 20a3 (FIG. 6) in order from the bottom.
  • Portion 20b is shown in FIG.
  • Portion 20c is shown in FIG.
  • elongated through holes are formed in the portions 20a1, 20a2, and 20a3 to form the fuel gas supply passages 23a and 23b and the air supply passage 24. .
  • fuel gas flow passage forming layers 231a and 231b made of polyethylene terephthalate (PET) are connected to the through holes for forming the fuel gas supply passages 23a and 23b. Formed.
  • the fuel gas flow passage forming layers 231a and 231b disappear after firing so as to communicate with the fuel gas supply passages 23a and 23b for supplying the fuel gas and to allow the fuel gas to flow through the fuel electrode layers 11a and 11b. It becomes a gas flow passage.
  • air flow passage formation layers 241a, 241b, and 241c made of polyethylene terephthalate (PET) are formed so as to be connected to the through holes for forming the air supply passage 24. did.
  • the air flow passage forming layers 241a, 241b, and 241c disappear after firing, thereby leading to an air supply passage 24 for supplying air and serving as an air flow passage through which air flows to the air electrode layers 13a and 13b. .
  • the green sheet of the portion 20 b can be fitted with the green sheets of the air electrode layers 13 a and 13 b with a gap for forming the air supply path 24 shown in FIG. 3.
  • a sheet made of the substantially U-shaped electrical insulator 21 was produced. Also, as shown in FIGS. 2 and 3, elongated through holes for forming the fuel gas supply passages 23 (23a, 23b) are formed in the electrical insulator 21 in the green sheet of the portion 20b.
  • the gaps for forming the fuel gas supply passages 23a and 23b shown in FIG. 3 are present so that the green sheets of the fuel electrode layers 11a and 11b can be fitted together in FIG.
  • a sheet made of a substantially W-shaped electrical insulator 21 was produced.
  • elongated through holes for forming the air supply path 24 in the electrical insulator 21 were formed in the green sheet of the portion 20c.
  • green sheets of the air electrode layers 13a and 13b and the fuel electrode layers 11a and 11b shown in FIG. 3 and the solid electrolyte layer 12 shown in FIGS. 1 and 2 were produced as follows.
  • the solid electrolyte layer 12 After mixing the material powder of the solid electrolyte layer 12, the polyvinyl butyral binder, and a mixture of ethanol and toluene as an organic solvent (weight ratio is 1: 4), the solid electrolyte layer 12 is mixed by a doctor blade method. A green sheet was prepared.
  • green sheets of the fuel electrode layers 11a and 11b are produced in the shape shown in FIG. 9, a green sheet of the solid electrolyte layer 12 is produced in the shape shown in FIG. 10, and the air electrode layer 13a in the shape shown in FIG. , 13b green sheets were produced.
  • the green sheet of the solid electrolyte layer 12 elongated through holes for forming the fuel gas supply paths 23a and 23b and the air supply path 24 were formed as shown in FIG.
  • the green sheets of the portions 20c, 20a and 20b of the solid oxide fuel cell support structure 20 produced as described above are laminated in order, and the air electrode layers 13a and 13b, the solid electrolyte layer 12 and the fuel are further laminated thereon.
  • the green sheets of the electrode layers 11a and 11b are sequentially fitted and laminated to form a solid electrolyte fuel cell support structure 20 (thickness of the inter-cell separation part 21a after firing: 100 ⁇ m) / air electrode layer 13 shown in FIG.
  • Thickness after firing 200 ⁇ m / Solid electrolyte layer 12 (thickness after firing: 20 ⁇ m) / Fuel electrode layer 11 (thickness after firing: 200 ⁇ m)
  • a portion 20a of the solid oxide fuel cell support structure 20 in which no gas supply path is formed is laminated on the upper part.
  • This laminate was pressure bonded by cold isostatic pressing at a pressure of 1000 kgf / cm 2 and a temperature of 80 ° C. for 2 minutes.
  • the pressure-bonded body was degreased at a temperature in the range of 400 to 500 ° C., and then baked by holding at a temperature in the range of 1300 to 1400 ° C. for 2 hours. In this way, a sample of the solid oxide fuel cell of Example 1 (planar area 85 mm ⁇ 85 mm) was produced.
  • Example 2 First, the fuel electrode layers 11a to 11d, the solid electrolyte layer 12, the air electrode layers 13a to 13b, which are members constituting the unit module of the solid electrolyte fuel cell according to the second embodiment shown in FIGS.
  • the material powder of the parts 20a to 20c was prepared in the same manner as in Example 1.
  • the green sheets of three types of shapes for the portions 20 a, 20 b and 20 c constituting the solid oxide fuel cell support structure 20 are as follows: It produced as follows.
  • the portion 20a is formed by stacking a portion 20a2 (see FIG. 14), a portion 20a1 (see FIG. 13A), and a portion 20a3 (FIG. 15) in order from the bottom.
  • Portion 20b is shown in FIG.
  • Portion 20c is shown in FIG.
  • the green sheets of the portions 20a1, 20a2, and 20a3 were produced in the same manner as in Example 1.
  • the portions 20a1, 20a2 and 20a3 have elongated through holes for forming the fuel gas supply passages 23a and 23b and the air supply passages 24a and 24b. Formed.
  • fuel gas flow passage forming layers 231a and 231b made of polyethylene terephthalate (PET) are connected to the through holes for forming the fuel gas supply passages 23a and 23b. Formed.
  • the fuel gas flow passage forming layers 231a and 231b disappear after firing, thereby leading to the fuel gas supply passages 23a and 23b for supplying the fuel gas and the fuel gas flowing through the fuel electrode layers 11a to 11d. It becomes a gas flow passage.
  • air flow passage formation layers 241a and 241b made of polyethylene terephthalate (PET) are formed so as to be connected to through holes for forming the air supply passages 24a and 24b. did.
  • the air flow passage forming layers 241a and 241b disappear after firing, and lead to the air supply passages 24a and 24b for supplying air and become air flow passages through which air flows to the air electrode layers 13a to 13d. .
  • the green sheet of the portion 20b is shown in FIG. 16 so that the green sheets of the air electrode layers 13a to 13d can be fitted together by providing gaps for forming the air supply paths 24a and 24b shown in FIG. A sheet made of the electrical insulator 21 having such a shape was produced. Further, as shown in FIGS. 2 and 12, elongated through holes for forming the fuel gas supply passages 23 (23a, 23b) are formed in the electrical insulator 21 in the green sheet of the portion 20b.
  • the gaps for forming the fuel gas supply paths 23a and 23b shown in FIG. 12 are present so that the green sheets of the fuel electrode layers 11a to 11d can be fitted together in FIG.
  • a sheet made of the electrical insulator 21 having a shape as shown was produced. Further, as shown in FIG. 12, elongated through holes for forming the air supply paths 24a and 24b in the electrical insulator 21 were formed in the green sheet of the portion 20c.
  • green sheets of the fuel electrode layers 11a to 11d are produced in the shape shown in FIG. 18, a green sheet of the solid electrolyte layer 12 is produced in the shape shown in FIG. 19, and the air electrode layer 13a is formed in the shape shown in FIG. A green sheet of ⁇ 13d was produced.
  • elongated through holes for forming the fuel gas supply paths 23a and 23b and the air supply paths 24a and 24b were formed as shown in FIG.
  • the green sheets of the portions 20c, 20a and 20b of the solid electrolyte fuel cell support structure 20 produced as described above are laminated in order, and the air electrode layers 13a and 13b, the solid electrolyte layer 12 and the fuel are further laminated thereon.
  • the green sheets of the electrode layers 11a and 11b are sequentially fitted and laminated, so that the solid oxide fuel cell support structure 20 shown in FIG. 2 (thickness of the inter-cell separation part 21a after firing: 100 ⁇ m) / air electrode layer 13 is obtained.
  • Thickness after firing 200 ⁇ m / Solid electrolyte layer 12 (thickness after firing: 20 ⁇ m) / Fuel electrode layer 11 (thickness after firing: 200 ⁇ m)
  • a portion 20a of the solid oxide fuel cell support structure 20 in which no gas supply path is formed is laminated on the upper part. This laminate was pressed in the same manner as in Example 1 by cold isostatic pressing. The pressure-bonded body was degreased in the same manner as in Example 1 and then baked. In this way, a sample of the solid oxide fuel cell of Example 2 (planar area 85 mm ⁇ 85 mm) was produced.
  • FIG. 21 is a plan view showing a schematic configuration of the unit module of FIG. The cross section seen from the direction along the line II-II in FIG. 21 corresponds to FIG. 1 and FIG.
  • the gas supply path structure portion 21 b is in contact with one side surface of each fuel electrode layer 11 of the plurality of cells 10.
  • a fuel gas supply path 23 as an anode gas supply path for supplying fuel gas, and a cathode for supplying air, arranged so as to be in contact with one side surface of the air electrode layer 13.
  • an air supply path 24 as a gas supply path.
  • the fuel gas flows from the fuel gas supply path 23 disposed on the left side toward the right, and the air flows downward from the air supply path 24 disposed on the upper side.
  • the fuel gas supply path 23 and the air supply path 24 are arranged outside the cell structure.
  • the green sheets of three types of shapes for the portions 20 a, 20 b and 20 c constituting the solid oxide fuel cell support structure 20 are as follows: It produced as follows.
  • the portion 20a is configured by stacking a portion 20a2 (see FIG. 23), a portion 20a1 (see FIG. 22), and a portion 20a3 (FIG. 24) in order from the bottom.
  • Portion 20b is shown in FIG.
  • Portion 20c is shown in FIG.
  • the green sheets of the portions 20a1, 20a2, and 20a3 were produced in the same manner as in Example 1.
  • the conductive paste filling layer for forming the plurality of electrical conductors 22 on the electrical insulator 21 is the same as that of Example 1. It produced similarly.
  • elongated through holes are formed in the portions 20 a 1, 20 a 2, and 20 a 3 in order to form the fuel gas supply path 23 and the air supply path 24.
  • fuel gas flow passage forming layers 231a, 231b, 231c made of polyethylene terephthalate (PET) are connected to the through holes for forming the fuel gas supply passage 23. Formed.
  • the fuel gas flow passage forming layers 231 a, 231 b, and 231 c are lost after firing, leading to the fuel gas supply passage 23 for supplying the fuel gas and the fuel gas flow for flowing the fuel gas to the fuel electrode layer 11. Become a road.
  • air flow passage forming layers 241a, 241b, and 241c made of polyethylene terephthalate (PET) are formed so as to be connected to the through holes for forming the air supply path 24. did.
  • the air flow passage forming layers 241 a, 241 b, and 241 c are lost after firing, thereby forming an air flow passage that leads to the air supply path 24 that supplies air and allows air to flow through the air electrode layer 13.
  • the green sheet of the fuel electrode layer 11 can be fitted with a gap for forming the fuel gas supply path 23 shown in FIG.
  • a sheet made of a substantially U-shaped electrical insulator 21 was produced. Further, as shown in FIG. 21, an elongated through hole for forming the air supply path 24 in the electrical insulator 21 was formed in the green sheet of the portion 20c.
  • a green sheet of the fuel electrode layer 11 is manufactured in the shape shown in FIG. 27, a green sheet of the solid electrolyte layer 12 is manufactured in the shape shown in FIG. 28, and the green sheet of the air electrode layer 13 is formed in the shape shown in FIG. A sheet was produced.
  • the green sheet of the solid electrolyte layer 12 elongated through holes for forming the fuel gas supply path 23 and the air supply path 24 were formed as shown in FIG.
  • the green sheets of the portions 20c, 20a, and 20b of the solid oxide fuel cell support structure 20 produced as described above are sequentially laminated, and further, the air electrode layer 13, the solid electrolyte layer 12, and the fuel electrode layer are further stacked thereon. 11 are sequentially fitted and laminated to form a solid oxide fuel cell support structure 20 (the thickness of the inter-cell separation part 21a after firing: 100 ⁇ m) / the air electrode layer 13 (after firing).
  • 4 solid oxide fuel cell unit modules each having a thickness: 200 ⁇ m) / solid electrolyte layer 12 / fuel electrode layer 11 (thickness after firing: 200 ⁇ m) are stacked, and no solid gas supply channel is formed at the top.
  • the portion 20a of the electrolyte fuel cell support structure 20 was laminated.
  • This laminate was pressed in the same manner as in Example 1 by cold isostatic pressing.
  • the pressure-bonded body was degreased in the same manner as in Example 1 and then baked. In this way, a sample of a solid electrolyte fuel cell of a comparative example (planar area is 85 mm ⁇ 85 mm) was produced.
  • current collector plates 30 and 40 made of silver and having a thickness of 20 ⁇ m were fixed to the upper and lower surfaces of the sample of the solid oxide fuel cell of the comparative example manufactured as described above.
  • the obtained fuel cells of the samples of Examples 1 and 2 and the comparative example were heated to 800 ° C., and hydrogen gas containing 5% water vapor and air were respectively supplied to the fuel gas supply path 23 (23a, 23b). And the air supply path 24 (24a, 24b) to generate electricity. In addition, the current density obtained by power generation was increased by increasing the supply amounts of hydrogen gas and air.
  • Example 1 it can be seen from FIG. 30 that even if the current density is increased to 0.3 A / cm 2 , the temperature difference is suppressed to about 50 ° C., and breakage such as cracks occurs in the cell during power generation. There wasn't.
  • Example 2 from FIG. 31, even if the current density was increased to 0.3 A / cm 2 , the temperature difference was suppressed to about 30 ° C., and the current density was further increased to 0.5 A / cm 2. However, the temperature difference was suppressed to about 50 ° C., and no damage such as cracks occurred in the cell during power generation.
  • Example 1 air flows from the inside of the cell to the outside, that is, in the direction toward both end portions, from the air supply path 24 (FIG. 3) arranged inside the battery structure. Due to the heat generated by the above, it is possible to suppress the local rise in the temperature of the inter-cell separation portion 21a that functions as a separator and the cell, and the temperature difference can be suppressed. Thereby, since the thermal stress which arises in the cell separation part 21a can be made small, it can prevent that the cell separation part 21a and a cell destroy.
  • Example 1 since air flows from the inside of the cell to the outside, it acts as a gas for cooling the heat generated by the power generation. For this reason, the temperature rise inside a battery structure part can be suppressed.
  • Example 1 since the air electrode layer as the high temperature part is divided into the air electrode layer 13a and the air electrode layer 13b by the air supply path 24 arranged inside the battery structure part, heat is generated by power generation. Can be dispersed, and the direction of heat dissipation can be two paths. Thereby, the local temperature rise inside a battery structure part can be suppressed more effectively, and a temperature difference can be suppressed more.
  • Example 2 hydrogen and air are transferred from the inside of the cell to the outside, that is, on the outer peripheral side, from the fuel gas supply passages 23a and 23b and the air supply passages 24a and 24b (FIG. 12) arranged inside the battery structure. Since it flows in the direction toward the end, it is possible to suppress the local increase in the temperature of the cell separation part 21a that performs the function of the separator and the cell due to the heat generated by the power generation, and the temperature difference can be reduced. Can be suppressed. Thereby, since the thermal stress which arises in the cell separation part 21a can be made small, it can prevent that the cell separation part 21a and a cell destroy.
  • Example 2 since air flows from the inside of the cell to the outside, it acts as a gas for cooling the heat generated by the power generation. For this reason, the temperature rise inside a battery structure part can be suppressed.
  • the fuel electrode layer and the air electrode layer as the high temperature portion are respectively formed into the fuel electrode layer by the fuel gas supply passages 23a and 23b and the air supply passages 24a and 24b arranged inside the battery structure portion. Since the air electrode layers 13a to 13d are divided into four parts 11a to 11d, portions where heat is generated by power generation can be dispersed, and heat can be diffused in four directions. Thereby, the local temperature rise inside a battery structure part can be suppressed further effectively, and a temperature difference can be further suppressed.
  • the present invention since the local temperature rise of the separator and the cell generated by power generation can be suppressed and the separator and the cell can be prevented from being destroyed, the present invention is a separator made of a ceramic material. It can be applied to various types of solid oxide fuel cells using

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Description

固体電解質形燃料電池
　本発明は、一般的には固体電解質形燃料電池に関し、特にアノードガスとカソードガスの供給路を有する固体電解質形燃料電池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、ランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ3）等の導電性のセラミックス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。
　たとえば、特開平６－５２８７２号公報（以下、特許文献１という）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。
　特許文献１では、平板状に一体に積層された燃料電池単電池は、順次、積層合体されたセパレータ、燃料電極層、固体電解質層、空気電極層およびセパレータによって構成される。燃料電池単電池の４側面のうち空気供給面となる側面には空気供給マニホールドが連結され、燃料ガス供給面となる側面には燃料ガス供給マニホールドが連結され、燃料ガス排出面となる側面には燃料ガスを排出するための燃料ガス排出マニホールドが連結され、空気排出面となる側面には空気を排出するための空気排出マニホールドが連結されている。セパレータは、導電性のセラミックス材料であるＬａ（Ｃｒ・Ｍｇ）Ｏ3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。
特開平６－５２８７２号公報
　上述したように、特許文献１に開示された平板状固体電解質形燃料電池では、セパレータはセラミックス材料からなる。セラミックス材料からなるセパレータは、燃料電極層、固体電解質層および空気電極層からなるセルに対して熱膨張の挙動をほぼ一致させるように構成され得るが、熱伝導率が低い。このため、発電によって発生する熱を、セパレータを通じて外部に放散することが困難である。これにより、発電によって発生する熱に起因して、セパレータの温度が局所的に上昇し、ひいてはセル内の温度が局所的に上昇するという問題がある。
　また、セパレータと燃料電極層、固体電解質層および空気電極層の三層とが一体的に形成されると、セパレータは、上記の発熱を熱膨張（熱歪）として吸収しても、その熱膨張に応じて、セパレータとセルは変形することが困難になる。
　さらに、セラミックス材料からなるセパレータはヤング率が大きいので、上記の発熱を熱歪として吸収すると、セパレータには大きな熱応力が生じる。しかし、上述したように、その大きな熱応力に応じてセパレータとセルは変形することができないので、破壊されやすいという問題がある。
　したがって、発電によって発生する熱に起因してセパレータとセルの温度が局所的に上昇することにより、セパレータが発熱による熱膨張に応じて変形することができずに、ひいてはセルが破壊する恐れがある。
　そこで、本発明の目的は、セラミックス材料からなるセパレータを用いても、セパレータとセルの局所的な温度上昇を抑制することが可能な固体電解質形燃料電池を提供することである。
　本発明に従った固体電解質形燃料電池は、電池構造部と、セル間分離部と、ガス供給路構造部とを備える。電池構造部は、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を含む。セル間分離部は、複数のセルの間に配置され、セラミックスを含む材料から形成されている。ガス供給路構造部は、セルにアノードガスを供給するアノードガス供給路と、セルにカソードガスを供給するカソードガス供給路とを有する。アノードガス供給路またはカソードガス供給路の少なくともいずれか一方が電池構造部の内部に配置されている。
　本発明の固体電解質形燃料電池においては、アノードガス供給路またはカソードガス供給路の少なくともいずれか一方が電池構造部の内部に配置されているので、アノードガスまたはカソードガスの少なくともいずれか一方が、電池構造部の内部から外部に流れる。このため、セパレータの機能を果たすセル間分離部とセルの温度が発電によって発生する熱に起因して局所的に上昇するのを抑制することができる。これにより、セル間分離部に生じる熱応力を小さくすることができるので、セル間分離部とセルが破壊するのを防止することができる。
　また、アノードガスまたはカソードガスの少なくともいずれか一方が、電池構造部の内部から外部に流れるので、発電によって発生する熱を冷却するガスとして作用する。このため、電池構造部の内部の温度上昇を抑制することができる。
　さらに、電池構造部の内部に配置されたアノードガス供給路またはカソードガス供給路の少なくともいずれか一方によって、アノードまたはカソードの少なくともいずれか一方が分断されるため、発電によって熱が発生する箇所を分散することができる。これにより、電池構造部の内部の温度上昇を抑制することができる。
　本発明の固体電解質形燃料電池において、電池構造部の内部は、電池構造部の側面から内方に向かって電池構造部の幅寸法の１／３以上離れた内側にあることが好ましい。
　本発明の固体電解質形燃料電池において、ガス供給路構造部とセル間分離部とが一体的に形成されていることが好ましい。
　このように構成することにより、マニホールドの機能を果たすガス供給路構造部と、セパレータの機能を果たすセル間分離部とが一体的に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。
　また、本発明の固体電解質形燃料電池において、ガス供給路構造部と固体電解質とが一体的に形成されていることが好ましい。
　このように構成することにより、ガス供給路構造部と固体電解質が接する部分においてガラス等を用いてシールする必要がなくなる。
　さらに、本発明の固体電解質形燃料電池において、セル間分離部は、セラミックスからなり、かつ、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ていることが好ましい。
　なお、本発明の固体電解質形燃料電池において、アノードガス供給路またはカソードガス供給路の少なくともいずれか一方が、一方向に延在する開口を含んでもよく、あるいは、一方向に間隔をあけて配置された複数の開口を含んでもよい。
　以上のように本発明によれば、セラミックス材料からなるセパレータを用いても、発電によって発生するセパレータとセルの局所的な温度上昇を抑制することができるので、セパレータとセルが破壊するのを防止することができる。
本発明の実施形態または比較の形態として、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。 本発明の実施形態１としての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平面図である。 本発明の実施形態１のセル間分離部とアノードおよびカソードガス供給路とを含む支持構造体の一部分を示す斜視図である。 本発明の実施形態１のセル間分離部とアノードガス供給路および流通路とを含む支持構造体の一部分を示す斜視図である。 本発明の実施形態１のセル間分離部とカソードガス供給路および流通路とを含む支持構造体の一部分を示す斜視図である。 本発明の実施形態１のアノードガス供給路を含む支持構造体の一部分を示す斜視図である。 本発明の実施形態１のカソードガス供給路を含む支持構造体の一部分を示す斜視図である。 本発明の実施形態１の燃料極層を示す斜視図である。 本発明の実施形態１の固体電解質層を示す斜視図である。 本発明の実施形態１の空気極層を示す斜視図である。 本発明の実施形態２としての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平面図である。 本発明の実施形態２のセル間分離部とアノードおよびカソードガス供給路とを含む支持構造体の一部分を示す斜視図である。 本発明の実施形態２のセル間分離部とアノードガス供給路および流通路とを含む支持構造体の一部分を示す斜視図である。 本発明の実施形態２のセル間分離部とカソードガス供給路および流通路とを含む支持構造体の一部分を示す斜視図である。 本発明の実施形態２のアノードガス供給路を含む支持構造体の一部分を示す斜視図である。 本発明の実施形態２のカソードガス供給路を含む支持構造体の一部分を示す斜視図である。 本発明の実施形態２の燃料極層を示す斜視図である。 本発明の実施形態２の固体電解質層を示す斜視図である。 本発明の実施形態２の空気極層を示す斜視図である。 本発明の比較の形態としての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平面図である。 本発明の比較の形態のセル間分離部とアノードおよびカソードガス供給路とを含む支持構造体の一部分を示す斜視図である。 本発明の比較の形態のセル間分離部とアノードガス供給路および流通路とを含む支持構造体の一部分を示す斜視図である。 本発明の比較の形態のセル間分離部とカソードガス供給路および流通路とを含む支持構造体の一部分を示す斜視図である。 本発明の比較の形態のアノードガス供給路を含む支持構造体の一部分を示す斜視図である。 本発明の比較の形態のカソードガス供給路を含む支持構造体の一部分を示す斜視図である。 本発明の比較の形態の燃料極層を示す斜視図である。 本発明の比較の形態の固体電解質層を示す斜視図である。 本発明の比較の形態の空気極層を示す斜視図である。 本発明の実施例１の固体電解質形燃料電池において発電によって発生する熱に起因した電池構造部内の温度分布を示す図である。 本発明の実施例２の固体電解質形燃料電池において発電によって発生する熱に起因した電池構造部内の温度分布を示す図である。 本発明の比較例の固体電解質形燃料電池において発電によって発生する熱に起因した電池構造部内の温度分布を示す図である。
　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
　図１は、本発明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。単一の電池構造部は、燃料極層１１、固体電解質層１２および空気極層１３からなるセルを含む。なお、図１では、支持構造体２０の一方側の表面上に、電池構造部として、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、電池構造部として複数のセル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程度のセラミックスを含む材料からなるセル間分離部２１ａと、セラミックスからなるガス供給路構造部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２１ａ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１と図２に示すように、ガス供給路構造部２１ｂの本体、すなわち、燃料ガス供給路２３と空気供給路２４を形成する壁部は、セラミックスからなり、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。すなわち、ガス供給路構造部２１ｂとセル間分離部２１ａとが一体的に形成されている。また、ガス供給路構造部２１ｂと固体電解質層１２とが一体的に形成されている。
　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（Ｙ2Ｏ3）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ2）（イットリア安定化ジルコニア：ＹＳＺ）、添加量１２モル％のセリア（ＣｅＯ2）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ2）（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（Ｓｃ2Ｏ3）と添加量１モル％のセリア（ＣｅＯ2）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ2）（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（Ｓｃ2Ｏ3）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ2）（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（Ｓｃ2Ｏ3）と添加量１モル％のセリア（ＣｅＯ2）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ2）（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、Ｌａ0.8Ｓｒ0.2ＭｎＯ3と、添加量１０モル％のスカンジア（Ｓｃ2Ｏ3）と添加量１モル％のセリア（ＣｅＯ2）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ2）（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。
　（実施形態１）
　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。図３のＩＩ－ＩＩ線に沿った方向から見た断面が図１と図２に対応する。
　図３に示すように、電池構造部を構成する単一のセルは、２つの燃料極層１１ａ、１１ｂと２つの空気極層１３ａ、１３ｂを備えている。図示されていないが、２つの燃料極層１１ａ、１１ｂと２つの空気極層１３ａ、１３ｂの間には、固体電解質層が介在している。支持構造体２０の一部であるガス供給路構造部２１ｂには、セルに燃料ガスを供給するためのアノードガス供給路としての２つの燃料ガス供給路２３ａ、２３ｂと、セルに空気を供給するためのカソードガス供給路としての１つの空気供給路２４とが形成されている。燃料ガス供給路２３ａ、２３ｂおよび空気供給路２４のそれぞれは、一方向に延在する開口、すなわち、細長い貫通孔で形成されている。図示されていないが、支持構造体２０と同じ大きさの固体電解質層にも、２つの燃料ガス供給路２３ａ、２３ｂと１つの空気供給路２４とが形成されている。
　燃料ガス供給路２３ａは燃料極層１１ａの一方側（図３にて左側）の側面に接触するように配置され、燃料ガス供給路２３ｂは燃料極層１１ｂの一方側（図３にて左側）の側面に接触するように配置されている。空気供給路２４は、空気極層１３ａと空気極層１３ｂの間に介在し、空気極層１３ａの一方側の側面（図３にて下側）に接触するように配置され、かつ、空気極層１３ｂの一方側の側面（図３にて上側）に接触するように配置されている。この配置により、空気供給路２４が電池構造部の内部に配置されている。
　図３において、燃料ガスは、左側に配置された燃料ガス供給路２３ａ、２３ｂのそれぞれから右に向かって燃料極層１１ａ、１１ｂのそれぞれに流れる。空気は、電池構造部の内部または中央部に配置された空気供給路２４から上に向かって空気極層１３ａに流れるとともに、空気供給路２４から下に向かって空気極層１３ｂに流れる。このように、実施形態１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４は、図２に示す支持構造体２０の部分２０ａを構成する部分２０ａ１を示す。図４（Ａ）に示すように、部分２０ａ１には、２つの燃料ガス供給路２３ａ、２３ｂと１つの空気供給路２４とが形成されている。燃料ガス供給路２３ａ、２３ｂおよび空気供給路２４のそれぞれは、一方向に延在する開口、すなわち、細長い貫通孔で形成されている。変形例として、図４（Ｂ)に示すように、燃料ガス供給路２３ａ、２３ｂおよび空気供給路２４のそれぞれは、一方向に間隔をあけて配置された複数の開口、すなわち、複数の円形状の貫通孔で形成されてもよい。
　（実施形態２）
　図１２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。図１２のＩＩ－ＩＩ線に沿った方向から見た断面が図１と図２に対応する。
　図１２に示すように、電池構造部を構成する単一のセルは、４つの燃料極層１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄと４つの空気極層１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄを備えている。図示されていないが、４つの燃料極層１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄと４つの空気極層１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄの間には、固体電解質層が介在している。支持構造体２０の一部であるガス供給路構造部２１ｂには、セルに燃料ガスを供給するためのアノードガス供給路としての２つの燃料ガス供給路２３ａ、２３ｂと、セルに空気を供給するためのカソードガス供給路としての２つの空気供給路２４ａ、２４ｂとが形成されている。燃料ガス供給路２３ａ、２３ｂおよび空気供給路２４ａ、２４ｂのそれぞれは、一方向に延在する開口、すなわち、細長い貫通孔で形成されている。図示されていないが、支持構造体２０と同じ大きさの固体電解質層にも、２つの燃料ガス供給路２３ａ、２３ｂと２つの空気供給路２４ａ、２４ｂとが形成されている。
　燃料ガス供給路２３ａは、燃料極層１１ａと燃料極層１１ｂの間に介在し、燃料極層１１ａの一方側の側面（図１２にて右側）に接触するように配置され、かつ、燃料極層１１ｂの一方側の側面（図１２にて左側）に接触するように配置されている。燃料ガス供給路２３ｂは、燃料極層１１ｃと燃料極層１１ｄの間に介在し、燃料極層１１ｃの一方側の側面（図１２にて右側）に接触するように配置され、かつ、燃料極層１１ｄの一方側の側面（図１２にて左側）に接触するように配置されている。この配置により、燃料ガス供給路２３が電池構造部の内部に配置されている。
　空気供給路２４ａは、空気極層１３ａと空気極層１３ｃの間に介在し、空気極層１３ａの一方側の側面（図１２にて下側）に接触するように配置され、かつ、空気極層１３ｃの一方側の側面（図１２にて上側）に接触するように配置されている。空気供給路２４ｂは、空気極層１３ｂと空気極層１３ｄの間に介在し、空気極層１３ｂの一方側の側面（図１２にて下側）に接触するように配置され、かつ、空気極層１３ｄの一方側の側面（図１２にて上側）に接触するように配置されている。この配置により、空気供給路２４が電池構造部の内部に配置されている。
　図１２において、燃料ガスは、電池構造部の内部または中央部に配置された燃料ガス供給路２３ａ、２３ｂのそれぞれから左右方向に燃料極層１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄのそれぞれに流れる。空気は、電池構造部の内部または中央部に配置された空気供給路２４ａ、２４ｂのそれぞれから上下方向に空気極層１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄのそれぞれに流れる。このように、実施形態２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１３は、図２に示す支持構造体２０の部分２０ａを構成する部分２０ａ１を示す。図１３（Ａ）に示すように、部分２０ａ１には、２つの燃料ガス供給路２３ａ、２３ｂと２つの空気供給路２４ａ、２４ｂが形成されている。燃料ガス供給路２３ａ、２３ｂおよび空気供給路２４ａ、２４ｂのそれぞれは、一方向に延在する開口、すなわち、細長い貫通孔で形成されている。変形例として、図１３（Ｂ)に示すように、燃料ガス供給路２３ａ、２３ｂおよび空気供給路２４ａ、２４ｂのそれぞれは、一方向に間隔をあけて配置された複数の開口、すなわち、複数の円形状の貫通孔で形成されてもよい。
　以上のように構成された固体電解質形燃料電池１００においては、燃料ガス供給路２３ａ、２３ｂまたは空気供給路２４ａ、２４ｂの少なくともいずれか一方が電池構造部の内部に配置されているので、燃料ガスまたは空気の少なくともいずれか一方が、電池構造部の内部から外部に流れる。このため、セパレータの機能を果たすセル間分離部２１ａとセルの温度が発電によって発生する熱に起因して局所的に上昇するのを抑制することができる。これにより、セル間分離部２１ａに生じる熱応力を小さくすることができるので、セル間分離部２１ａとセルが破壊するのを防止することができる。
　また、燃料ガスまたは空気の少なくともいずれか一方が、電池構造部の内部から外部に流れるので、発電によって発生する熱を冷却するガスとして作用する。このため、電池構造部の内部の温度上昇を抑制することができる。
　さらに、電池構造部の内部に配置された燃料ガス供給路２３ａ、２３ｂまたは空気供給路２４、２４ａ、２４ｂの少なくともいずれか一方によって、燃料極層１１ａ～１１ｄまたは空気極層１３ａ～１３ｄの少なくともいずれか一方が分断されるため、発電によって熱が発生する箇所を分散することができる。これにより、電池構造部の内部の温度上昇を抑制することができる。
　本発明の固体電解質形燃料電池１００において、ガス供給路構造部２１ｂとセル間分離部２１ａとが一体的に形成されている。このように構成することにより、マニホールドの機能を果たすガス供給路構造部２１ｂと、セパレータの機能を果たすセル間分離部２１ａとが一体的に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。
　また、本発明の固体電解質形燃料電池１００において、ガス供給路構造部２１ｂと固体電解質層１２とが一体的に形成されている。このように構成することにより、ガス供給路構造部２１ｂと固体電解質層１２が接する部分においてガラス等を用いてシールする必要がなくなる。
　以下、本発明の固体電解質形燃料電池を作製した実施例１、２と、本発明の構造と比較するために固体電解質形燃料電池を作製した比較例について説明する。
　（実施例１）
　まず、図１～図３に示す実施形態１の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１１ａ、１１ｂ：酸化ニッケル（ＮｉＯ）６０重量％と、添加量１０モル％のスカンジア（Ｓｃ2Ｏ3）と添加量１モル％のセリア（ＣｅＯ2）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ2）（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（ＣｅＯ2）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ2）（スカンジアセリア安定化ジルコニア：ＳｃＣｅＳＺ）
　空気極層１３ａ、１３ｂ：Ｌａ0.8Ｓｒ0.2ＭｎＯ3６０重量％と、添加量１０モル％のスカンジア（Ｓｃ2Ｏ3）と添加量１モル％のセリア（ＣｅＯ2）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ2）（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、電気絶縁材料を作製するために以下に示す材料粉末を準備した。
　添加量１２モル％のセリア（ＣｅＯ2）で安定化されたジルコニア（ＺｒＯ2）（セリア安定化ジルコニア：ＣｅＳＺ）に１０重量％のジルコン（ＺｒＳｉＯ4）を添加したもの
　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は、下から順に、部分２０ａ２（図５参照）、部分２０ａ１（図４（Ａ）参照）および部分２０ａ３（図６）が積層されて構成される。部分２０ｂは図７に示されている。部分２０ｃは図８に示されている。
　部分２０ａ１、２０ａ２、２０ａ３については、電気絶縁材料粉末と、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２０ａ１、２０ａ２、２０ａ３のグリーンシートを作製した。
　部分２０ａ１、２０ａ２、２０ａ３のグリーンシートでは、図４（Ａ）、図５、図６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。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、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作製した。
　また、図４（Ａ）、図５、図６に示すように、部分２０ａ１、２０ａ２、２０ａ３には、燃料ガス供給路２３ａ、２３ｂと空気供給路２４を形成するために細長い貫通孔を形成した。
　部分２０ａ２のグリーンシートでは、図５に示すように、燃料ガス供給路２３ａ、２３ｂを形成するための貫通孔に接続するように、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）からなる燃料ガス流通路形成層２３１ａ、２３１ｂを形成した。この燃料ガス流通路形成層２３１ａ、２３１ｂは、焼成後において消失することにより、燃料ガスを供給する燃料ガス供給路２３ａ、２３ｂに通じ、かつ、燃料極層１１ａ、１１ｂに燃料ガスを流通させる燃料ガス流通路になる。
　部分２０ａ３のグリーンシートでは、図６に示すように、空気供給路２４を形成するための貫通孔に接続するように、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）からなる空気流通路形成層２４１ａ、２４１ｂ、２４１ｃを形成した。この空気流通路形成層２４１ａ、２４１ｂ、２４１ｃは、焼成後において消失することにより、空気を供給する空気供給路２４に通じ、かつ、空気極層１３ａ、１３ｂに空気を流通させる空気流通路になる。
　次に、部分２０ｂについては、電気絶縁材料粉末と、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に示す空気供給路２４を形成するための隙間を存在させて空気極層１３ａ、１３ｂ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７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に燃料ガス供給路２３（２３ａ、２３ｂ）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、電気絶縁材料粉末と、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３に示す燃料ガス供給路２３ａ、２３ｂを形成するための隙間を存在させて燃料極層１１ａ、１１ｂ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８に示すように、ほぼＷ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に空気供給路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３に示す空気極層１３ａ、１３ｂおよび燃料極層１１ａ、１１ｂ、ならびに図１と図２に示す固体電解質層１２のグリーンシートを以下のようにして作製した。
　燃料極層１１ａ、１１ｂと空気極層１３ａ、１３ｂのそれぞれの材料粉末と、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、燃料極層１１ａ、１１ｂと空気極層１３ａ、１３ｂのグリーンシートを作製した。
　固体電解質層１２の材料粉末と、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９に示す形状で燃料極層１１ａ、１１ｂのグリーンシートを作製し、図１０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１１に示す形状で空気極層１３ａ、１３ｂ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１０に示すように、燃料ガス供給路２３ａ、２３ｂと空気供給路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、さらにこれらに、空気極層１３ａ、１３ｂ、固体電解質層１２および燃料極層１１ａ、１１ｂのグリーンシートを順に嵌め合わせて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（焼成後の厚み：２０μｍ）／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４組積層し、最上部にはガス供給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／ｃｍ2の圧力、８０℃の温度にて２分間、冷間静水圧成形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。このようにして実施例１の固体電解質形燃料電池の試料（平面積が８５ｍｍ×８５ｍｍ）を作製した。
　以上のようにして作製された実施例１の固体電解質形燃料電池の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。
　（実施例２）
　まず、図１、図２、図１２に示す実施形態２の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である燃料極層１１ａ～１１ｄ、固体電解質層１２、空気極層１３ａ～１３ｂ、部分２０ａ～２０ｃの材料粉末を実施例１と同様にして準備した。
　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は、下から順に、部分２０ａ２（図１４参照）、部分２０ａ１（図１３（Ａ）参照）および部分２０ａ３（図１５）が積層されて構成される。部分２０ｂは図１６に示されている。部分２０ｃは図１７に示されている。
　部分２０ａ１、２０ａ２、２０ａ３のグリーンシートを実施例１と同様にして作製した。
　部分２０ａ１、２０ａ２、２０ａ３のグリーンシートでは、図１３（Ａ）、図１４、図１５に示すように、電気絶縁体２１に複数の電気導電体２２を形成するための導電性ペースト充填層を実施例１と同様にして作製した。
　また、図１３（Ａ）、図１４、図１５に示すように、部分２０ａ１、２０ａ２、２０ａ３には、燃料ガス供給路２３ａ、２３ｂと空気供給路２４ａ、２４ｂを形成するために細長い貫通孔を形成した。
　部分２０ａ２のグリーンシートでは、図１４に示すように、燃料ガス供給路２３ａ、２３ｂを形成するための貫通孔に接続するように、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）からなる燃料ガス流通路形成層２３１ａ、２３１ｂを形成した。この燃料ガス流通路形成層２３１ａ、２３１ｂは、焼成後において消失することにより、燃料ガスを供給する燃料ガス供給路２３ａ、２３ｂに通じ、かつ、燃料極層１１ａ～１１ｄに燃料ガスを流通させる燃料ガス流通路になる。
　部分２０ａ３のグリーンシートでは、図１５に示すように、空気供給路２４ａ、２４ｂを形成するための貫通孔に接続するように、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）からなる空気流通路形成層２４１ａ、２４１ｂを形成した。この空気流通路形成層２４１ａ、２４１ｂは、焼成後において消失することにより、空気を供給する空気供給路２４ａ、２４ｂに通じ、かつ、空気極層１３ａ～１３ｄに空気を流通させる空気流通路になる。
　次に、部分２０ｂのグリーンシートを実施例１と同様にして作製した。
　部分２０ｂのグリーンシートでは、図１２に示す空気供給路２４ａ、２４ｂを形成するための隙間を存在させて空気極層１３ａ～１３ｄ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１６に示すような形状の電気絶縁体２１からなるシートを作製した。また、図２と図１２に示すように電気絶縁体２１に燃料ガス供給路２３（２３ａ、２３ｂ）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のグリーンシートを実施例１と同様にして作製した。
　部分２０ｃのグリーンシートでは、図１２に示す燃料ガス供給路２３ａ、２３ｂを形成するための隙間を存在させて燃料極層１１ａ～１１ｄ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１７に示すような形状の電気絶縁体２１からなるシートを作製した。また、図１２に示すように電気絶縁体２１に空気供給路２４ａ、２４ｂ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１２に示す空気極層１３ａ～１３ｄおよび燃料極層１１ａ～１１ｄ、ならびに図１と図２に示す固体電解質層１２のグリーンシートを実施例１と同様にして作製した。
　具体的には図１８に示す形状で燃料極層１１ａ～１１ｄのグリーンシートを作製し、図１９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２０に示す形状で空気極層１３ａ～１３ｄ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１９に示すように、燃料ガス供給路２３ａ、２３ｂと空気供給路２４ａ、２４ｂ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、さらにこれらに、空気極層１３ａ、１３ｂ、固体電解質層１２および燃料極層１１ａ、１１ｂのグリーンシートを順に嵌め合わせて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（焼成後の厚み：２０μｍ）／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４組積層し、最上部にはガス供給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、実施例１と同様にして、冷間静水圧成形することにより圧着した。この圧着体を、実施例１と同様にして、脱脂処理を施した後、焼成した。このようにして実施例２の固体電解質形燃料電池の試料（平面積が８５ｍｍ×８５ｍｍ）を作製した。
　以上のようにして作製された実施例２の固体電解質形燃料電池の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。
　（比較例）
　まず、図１、図２、図２１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である燃料極層１１、固体電解質層１２、空気極層１３、部分２０ａ～２０ｃの材料粉末を実施例１と同様にして準備した。
　なお、図２１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。図２１のＩＩ－ＩＩ線に沿った方向から見た断面が図１と図２に対応する。本発明の比較の形態としての固体電解質形燃料電池では、図２１に示すように、ガス供給路構造部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供給路としての燃料ガス供給路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供給路としての空気供給路２４とを有する。図２１において、燃料ガスは、左側に配置された燃料ガス供給路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供給路２４から下に向かって流れる。このように、この比較の形態の固体電解質形燃料電池１００では、燃料ガス供給路２３と空気供給路２４とが電池構造部の外側に配置されている。
　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は、下から順に、部分２０ａ２（図２３参照）、部分２０ａ１（図２２参照）および部分２０ａ３（図２４）が積層されて構成される。部分２０ｂは図２５に示されている。部分２０ｃは図２６に示されている。
　部分２０ａ１、２０ａ２、２０ａ３のグリーンシートを実施例１と同様にして作製した。
　部分２０ａ１、２０ａ２、２０ａ３のグリーンシートでは、図２２、図２３、図２４に示すように、電気絶縁体２１に複数の電気導電体２２を形成するための導電性ペースト充填層を実施例１と同様にして作製した。
　また、図２２、図２３、図２４に示すように、部分２０ａ１、２０ａ２、２０ａ３には、燃料ガス供給路２３と空気供給路２４を形成するために細長い貫通孔を形成した。
　部分２０ａ２のグリーンシートでは、図２３に示すように、燃料ガス供給路２３を形成するための貫通孔に接続するように、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）からなる燃料ガス流通路形成層２３１ａ、２３１ｂ、２３１ｃを形成した。この燃料ガス流通路形成層２３１ａ、２３１ｂ、２３１ｃは、焼成後において消失することにより、燃料ガスを供給する燃料ガス供給路２３に通じ、かつ、燃料極層１１に燃料ガスを流通させる燃料ガス流通路になる。
　部分２０ａ３のグリーンシートでは、図２４に示すように、空気供給路２４を形成するための貫通孔に接続するように、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）からなる空気流通路形成層２４１ａ、２４１ｂ、２４１ｃを形成した。この空気流通路形成層２４１ａ、２４１ｂ、２４１ｃは、焼成後において消失することにより、空気を供給する空気供給路２４に通じ、かつ、空気極層１３に空気を流通させる空気流通路になる。
　次に、部分２０ｂのグリーンシートを実施例１と同様にして作製した。
　部分２０ｂのグリーンシートでは、図２１に示す空気供給路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２５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２１に示すように電気絶縁体２１に燃料ガス供給路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のグリーンシートを実施例１と同様にして作製した。
　部分２０ｃのグリーンシートでは、図２１に示す燃料ガス供給路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２６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２１に示すように電気絶縁体２１に空気供給路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２１に示す空気極層１３および燃料極層１１、ならびに図１と図２に示す固体電解質層１２のグリーンシートを実施例１と同様にして作製した。
　具体的には図２７に示す形状で燃料極層１１のグリーンシートを作製し、図２８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２９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２８に示すように、燃料ガス供給路２３と空気供給路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、さらにこれらに、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嵌め合わせて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４組積層し、最上部にはガス供給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、実施例１と同様にして、冷間静水圧成形することにより圧着した。この圧着体を、実施例１と同様にして、脱脂処理を施した後、焼成した。このようにして比較例の固体電解質形燃料電池の試料（平面積が８５ｍｍ×８５ｍｍ）を作製した。
　以上のようにして作製された比較例の固体電解質形燃料電池の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。
　得られた実施例１、２と比較例の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、燃料ガス供給路２３（２３ａ、２３ｂ）と空気供給路２４（２４ａ、２４ｂ）とを通じて供給することにより、発電した。また、水素ガスと空気の供給量を増加させることにより、発電によって得られる電流密度を増大させた。
　各電流密度［Ａ／ｃｍ2］について、実施例１、２と比較例の各試料の燃料電池の内部における温度を測定した。なお、温度は、垂直方向では図２に示すＭの位置にて、平面的には、実施例１では図３、実施例２では図１２、および、比較例では図２１において、それぞれ、○で囲んだ数字が示す位置にて測定した。その測定結果を実施例１については図３０、実施例２については図３１、比較例については図３２に示す。なお、図３１～図３３には最大温度と最小温度の差ΔＴも示す。
　実施例１では、図３０から、電流密度を０．３Ａ／ｃｍ2まで増大させても、温度差は５０℃程度に抑制されていることがわかり、発電中にセルにクラック等の破損は生じなかった。
　実施例２では、図３１から、電流密度を０．３Ａ／ｃｍ2まで増大させても、温度差は３０℃程度に抑制されており、さらに電流密度を０．５Ａ／ｃｍ2まで増大させても、温度差は５０℃程度に抑制されており、発電中にセルにクラック等の破損は生じなかった。
　上記の実施例１、２に対して、比較例では、図３２から、電流密度を０．３Ａ／ｃｍ2まで増大させると、８０℃程度の温度差が生じていることがわかり、発電中にセルにクラック等の破損は生じた。
　以上の結果から、実施例１では、電池構造部の内部に配置された空気供給路２４（図３）から、空気がセルの内部から外部へ、すなわち両側端部に向かう方向に流れるので、発電によって発生する熱に起因して、セパレータの機能を果たすセル間分離部２１ａとセルの温度が局所的に上昇するのを抑制することができ、温度差を抑制することができる。これにより、セル間分離部２１ａに生じる熱応力を小さくすることができるので、セル間分離部２１ａとセルが破壊するのを防止することができる。
　また、実施例１では、空気が、セルの内部から外部へ流れるので、発電によって発生する熱を冷却するガスとして作用する。このため、電池構造部の内部の温度上昇を抑制することができる。
　さらに、実施例１では、電池構造部の内部に配置された空気供給路２４によって、高温部としての空気極層が空気極層１３ａと空気極層１３ｂとに２分割されるため、発電によって熱が発生する箇所を分散することができるとともに、熱の放散方向を２経路にすることができる。これにより、電池構造部の内部の局所的な温度上昇をより効果的に抑制することができ、温度差をより抑制することができる。
　実施例２では、電池構造部の内部に配置された燃料ガス供給路２３ａ、２３ｂと空気供給路２４ａ、２４ｂ（図１２）とから、水素と空気とがセルの内部から外部へ、すなわち外周側端部に向かう方向に流れるので、発電によって発生する熱に起因して、セパレータの機能を果たすセル間分離部２１ａとセルの温度が局所的に上昇するのを抑制することができ、温度差を抑制することができる。これにより、セル間分離部２１ａに生じる熱応力を小さくすることができるので、セル間分離部２１ａとセルが破壊するのを防止することができる。
　また、実施例２では、空気が、セルの内部から外部へ流れるので、発電によって発生する熱を冷却するガスとして作用する。このため、電池構造部の内部の温度上昇を抑制することができる。
　さらに、実施例２では、電池構造部の内部に配置された燃料ガス供給路２３ａ、２３ｂと空気供給路２４ａ、２４ｂによって、高温部としての燃料極層と空気極層が、それぞれ、燃料極層１１ａ～１１ｄに、空気極層１３ａ～１３ｄに、４分割されるため、発電によって熱が発生する箇所を分散することができるとともに、熱の放散方向を４経路にすることができる。これにより、電池構造部の内部の局所的な温度上昇をさらに効果的に抑制することができ、温度差をさらに抑制することができる。
　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、請求の範囲によって示され、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と変形を含むものであることが意図される。
　本発明によれば、発電によって発生するセパレータとセルの局所的な温度上昇を抑制することができ、セパレータとセルが破壊するのを防止することができるので、本発明は、セラミックス材料からなるセパレータを用いた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。
　１：固体電解質形燃料電池の単位モジュール、１１、１１ａ～１１ｄ：燃料極層、１２：固体電解質層、１３、１３ａ～１３ｄ：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：ガス供給路構造部、２２：電気導電体、２３、２３ａ、２３ｂ：燃料ガス供給路、２４、２４ａ、２４ｂ：空気供給路、１００：固体電解質形燃料電池。

                                                                                

Claims (7)

  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を含む電池構造部と、
    　複数のセルの間に配置され、セラミックスを含む材料から形成されたセル間分離部と、
    　前記セルにアノードガスを供給するアノードガス供給路と、前記セルにカソードガスを供給するカソードガス供給路とを有するガス供給路構造部とを備え、
    　前記アノードガス供給路または前記カソードガス供給路の少なくともいずれか一方が前記電池構造部の内部に配置されている、固体電解質形燃料電池。
  2. 　前記電池構造部の内部が、前記電池構造部の側面から内方に向かって前記電池構造部の幅寸法の１／３以上離れた内側にある、請求項１に記載の固体電解質形燃料電池。
  3. 　前記ガス供給路構造部と前記セル間分離部とが一体的に形成されている、請求項１または請求項２のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池。
  4. 　前記ガス供給路構造部と前記固体電解質とが一体的に形成されている、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の固体電解質形燃料電池。
  5. 　前記セル間分離部は、セラミックスからなり、かつ、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ている、請求項１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。
  6. 　前記アノードガス供給路または前記カソードガス供給路の少なくともいずれか一方が、一方向に延在する開口を含む、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の固体電解質形燃料電池。
  7. 　前記アノードガス供給路または前記カソードガス供給路の少なくともいずれか一方が、一方向に間隔をあけて配置された複数の開口を含む、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の固体電解質形燃料電池。

                                                                                    
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