JP5211706B2

JP5211706B2 - 固体酸化物形燃料電池

Info

Publication number: JP5211706B2
Application number: JP2008005896A
Authority: JP
Inventors: 順秋草
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2007-01-25
Filing date: 2008-01-15
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2028-01-15
Also published as: JP2008204946A

Description

本発明は、固体電解質層の両面に燃料極層と酸化剤極層を配置した発電セルを備える固体酸化物形燃料電池に関し、特に、同一平面上に並列配置された複数の発電セルとセパレータを交互に積層して成る固体酸化物形燃料電池に関するものである。

近年、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池は高効率でクリーンな発電装置として注目されている。この燃料電池は、酸化物イオン導電体から成る固体電解質層を両側から空気極層（カソード）と燃料極層（アノード）で挟み込んだ積層構造を有する。

発電時、反応用ガスとして空気極層側に酸化剤ガス（酸素) が、また燃料極層側に燃料ガス (Ｈ₂、ＣＯ、ＣＨ₄等) が供給される。空気極層と燃料極層は、反応用ガスが固体電解質層との界面に到達することができるよう、何れも多孔質の層とされている。

発電セル内において、空気極層側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極層から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂等）を生じ、燃料極層に電子を放出する。尚、電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。

平板積層型の燃料電池は、これら発電セルとセパレータを交互に多数積層してスタック化すると共に、その両端より積層方向に荷重を掛けてスタックの各構成要素を相互に圧接・密着させることにより構成される。
また、セパレータは、発電セル間を電気的に接続すると同時に発電セルに対して反応用ガスを供給する機能を有し、その内部に、燃料ガスを燃料極層側に誘導する燃料ガス通路と、酸化剤ガスを空気極層側に誘導する酸化剤ガス通路とを備える。

図９は上記セパレータの一例を示している。当セレータ８は、厚さ数ｍｍの四角形のステンレス製板材で成り、板材の内部には上述した燃料ガス通路１１と酸化剤ガス通路１２がそれぞれ渦巻き状に形成されており、その表面にセパレータ８のほぼ全面を覆うように円形の発電セル５が配設される。

ところで、固体酸化物形燃料電池では、発電出力を高めるために、セパレータとともに発電セルを大きく形成し、固体酸化物形燃料電池を大型化する必要がある。ところが、発電セルを所定以上に大きくすると（通常は、直径１２０ｍｍ程度）発電セルの運転時に温度分布が生じ易くなり、その際の熱応力により熱歪みが生じて発電セル（特に、固体電解質層）が割れ易くなるという問題があった。

このような実状から、従来より、上述の発電セルを同一セパレータ上に複数個配置することにより発電セルを小形化した構造の固体酸化物形燃料電池が提案されており、例えば、特許文献１〜３に開示されている。

特許文献１には、金属セパレータ間に複数の発電セルが配設された内部マニホールド構造の燃料電池が開示されているが、各発電セルの中央に反応用ガス（燃料および空気）の供給口を設ける構造である。この供給口でのシールは必須であるが、シールが発電セルの個数分必要であるためシール構造が複雑化すると共に、運転時の熱膨応力により、これらのシールが破損して燃料ガスと空気が混合し、その際の発熱によって発電セルが割れる不具合があった。

特許文献２は、特許文献１のように、発電セルに反応用ガスの供給口を設けず、燃料および空気はセパレータ内部のガス流路を通って発電セルの中心部に噴出する構造であるため、上述のシール構造の問題は回避されるが、外部マニホールド構造であるため、各セパレータ毎に燃料および空気のガス供給管が必要で反応用ガスの供給構造が極めて複雑化すると共に、セパレータ内において、空気導入部付近の温度が低下し、燃料導入部付近の温度が上昇する傾向にあり、このようなセパレータ内の温度不均一により、発電セルが割れる不具合があった。

特許文献３は、セパレータ中央の空洞に燃料予熱管と空気予熱管が配設されており、反応ガスがこれらを通してマニホールドへ供給される構造であるため、セパレータ内での温度を均一に保つことは可能であるが、セパレータ中央部の空気および燃料の予熱管は筒状であるため、積層された各発電セルから中央部へのガスの流れが無く、このため、発電セルへの燃料と空気の供給が外周部に偏るガスの流れになり、結果として発電性能が低下してしまう不具合がある。加えて、外部マニホールド構造であるため、ガス配管構造は極めて複雑であり、運転時にスタックの構造に不要な熱応力が加わり、発電セルの割れやガス配管の破損等が生じる虞がある。
特開平６−３１０１６４号公報特開２００２−００８６８３号公報特開２００３−１６８４６９号公報

本発明は、上述した従来の問題点に鑑み成されたもので、構造が簡便で、且つ発電セルの破損を防止できる固体酸化物形燃料電池を提供することを目的としている。

すなわち、請求項１に記載の発明は、固体電解質層の両面に燃料極層と酸化剤極層を配置した発電セルが同一平面内で複数並列接続状態で配置され、これら複数の発電セルが内部に燃料ガス通路および酸化剤ガス通路を備えたセパレータを介して複数積層されると共に、当該積層体内に各前記セパレータの酸化剤ガス通路および燃料ガス通路に連通して積層方向に貫通する酸化剤ガスマニホールドおよび燃料ガスマニホールドを備え、前記セパレータには、前記酸化剤ガスマニホールドに連通する酸化剤ガス孔と、前記燃料ガスマニホールドに連通する燃料ガス孔とがそれぞれ設けられ、前記酸化剤ガス通路は、一端が前記酸化剤ガス孔に連通すると共に、当該酸化剤ガス通路が分岐し又は複数設けられることにより、他端側が各前記酸化剤極層と対面する部分において開口されており、前記燃料ガス通路は、一端が前記燃料ガス孔に連通すると共に、当該燃料ガス通路が分岐し又は複数設けられることにより、他端側が各前記燃料極層と対面する部分において開口されていることを特徴としている。

ここで、「当該酸化剤ガス通路が分岐し又は複数設けられる」とは、酸化剤ガス通路が複数設けられ、かつ分岐しているものも含む意味である。同様に、「当該燃料ガス通路が分岐し又は複数設けられる」とは、燃料ガス通路が複数設けられ、かつ分岐しているものも含む意味である。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池において、上記酸化剤ガス通路は、前記セパレータの上記発電セルに囲まれた部位の中央部を経て各前記酸化剤極層と対面する部分に誘導されることを特徴としている。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池において、前記複数の発電セルは、前記セパレータの中央部に縦横対称に配置されるとともに、前記酸化剤ガスマニホールドに連通する酸化剤ガス孔と前記燃料ガスマニホールドに連通する燃料ガス孔とは、前記セパレータの一対向角部に配置されており、且つ前記酸化剤ガス通路は、前記セパレータの縁部より上記複数の発電セルで囲まれた部位の中央部に至り、当該中央部にて分岐して各前記酸化剤極層と対面する部分に誘導されることを特徴としている。

また、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池において、少なくとも前記燃料ガス通路は、流路方向と直行する方向に二股に分岐しながら各前記燃料極層と対向する部分に誘導されることを特徴としている。

また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池において、分岐毎にガス通路の断面積を小さくすることを特徴としている。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池において、前記酸化剤ガスマニホールドに連通する酸化剤ガス孔は、前記発電セルに囲まれた部位に配置されるとともに、前記酸化剤ガス通路は、複数本設けられて、それぞれ上記発電セルに囲まれた部位より各前記酸化剤極層と対面する部分に誘導されることを特徴としている。

また、請求項７に記載の発明は、請求項１から請求項６までの何れかに記載の固体酸化物形燃料電池において、前記発電セルは、発電反応に使用されなかった残余のガスを発電セルの外周部より放出するシールレス構造を有し、且つ、前記複数の発電セルにより囲まれた部位に対応する前記セパレータの中央部分に厚さ方向に貫通するガス排出用の孔部を設けたことを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、複数の発電セルを同一セパレータ上に並列接続状態に配置する構造としたので、セパレータ上に１個の発電セルを配置する場合に比べて、各発電セルのサイズを小さくすることができるため、その分、温度分布を均一化でき、発電セルを割れ難くできる。加えて、複数の発電セルの内の１つが破損した場合であっても、正常な他の発電セルより出力を取り出すことができるため、極端な出力低下を招かず運転を続行できる。
また、酸化剤ガス通路および燃料ガス通路を複数設け或いは分岐して、並列配置された複数の発電セル各々に酸化剤ガスおよび燃料ガスを供給する構造としたので、必要なガスシール箇所は、配設される発電セルの個数に関係なく、酸化剤ガス孔と燃料ガス孔の２カ所のみとすることができ、よって、セパレータのシール構造が簡素化され、運転時の熱応力に対するシール構造の信頼性を向上でき、ひいては発電セルの割れ防止に寄与できる。

請求項２に記載の発明によれば、酸化剤ガス通路がセパレータの発電セルに囲まれた部位の中央部を経て酸化剤極層と対面する部分に誘導されているため、酸化剤ガスの冷却効果により発電セルに囲まれた部位に対応するセパレータ中央部の温度上昇を抑制して、セパレータ面内での温度分布を均一化させることができ、発電セルの割れを防止することができる。

請求項３に記載の発明によれば、酸化剤ガス通路をセパレータの中央部にて分岐させたため、酸化剤ガスを効率的に加熱することができるとともに、その冷却効果により効率的にセパレータ中央部分の温度上昇を抑制して、セパレータ面内での温度分布を均一化させることができ、より確実に発電セルの割れを防止することができる。また、酸化剤ガス孔と燃料ガス孔とをセパレータの一対向角部に配置したため、ガス流路の全長を長くすることができ、酸化剤ガス及び燃料ガスを充分に加熱して、発電セルに導入させることによって発電性能を向上させることができる。

また、請求項４に記載の発明によれば、燃料ガス通路をＴ字状に分岐させるようにしたので、分岐部における燃料ガスの分配を均等にできると共に、ガス流路の全長をより長くすることができ、これにより、各燃料極層への燃料ガスの等流配が可能となり、発電性能を向上できる。

また、請求項５に記載の発明によれば、ガス流路の下流側に向けて分岐毎にガス通路の断面積を小さくして、分岐した各ガス通路の流路抵抗を等しくさせるようにしたので、より確実な燃料ガスの等流配が可能となる。

さらに、請求項６に記載の発明によれば、酸化剤ガス孔を発電セルに囲まれた部位に配置することによって、効率的にセパレータ中央部の温度上昇を抑制できるとともに、酸化剤ガス通路の全長を短くしても酸化剤ガスを等流配でき、セパレータ構造が簡素化されて、燃料電池全体の小型化を可能にすることができる。

また、請求項７に記載の発明によればセパレータの中央部分にガス排出用の孔部を設けたので、発電セルの外周部より排出される反応ガスがパレータ中央付近に滞留することがなく、この孔部より効率良く排出されるため、酸化剤ガスおよび燃料ガスが各電極層の全面に効率良く供給されるようになり、発電性能を向上できる。

以下、図面に基づいて本発明による固体酸化物形燃料電池の第１実施形態を説明する。
図１は本発明が適用された平板積層型の固体酸化物形燃料電池１の構成を示し、図２は図１の一部拡大を示し、図３はセパレータ８の構造を示している。

図２に示すように、単セル１０は、固体電解質層２の両面に燃料極層３と酸化剤極層４を配した複数個（４個）の発電セル５と、各燃料極層３の外側に配した燃料極集電体６と、各酸化剤極層４の外側に配した空気極集電体７と、これら集電体６、７の外側に配した上下２枚のセパレータ８とで構成されている。

これら発電要素の内、固体電解質層２はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層３はＮｉ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、酸化剤極層４はＬａＭｎＯ₃、ＬａＣｏＯ₃等で構成され、燃料極集電体６はＮｉ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体７はＡｇ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成されされている。

セパレータ８は、図３に示すように、厚さ数ｍｍの略方形状のステンレス製の板材で構成されており、上述した複数の発電セル５（５ａ〜５ｄ）と、各集電体６、７が積層される中央部分のセパレータ本体８ｃと、このセパレータ本体８ｃより面方向に延設されて、当セパレータ本体８ｃの対向縁部を２カ所で支持するセパレータアーム８ａ、８ｂとで構成されている。

図３中、一点鎖線で示すように、このセパレータ本体８ｃの中央部分には、直径約６０ｍｍ程の小径の発電セル５ａ〜５ｄが縦横対称に配設される。
セパレータ８は、これらの発電セル５ａ〜５ｄを共通の集電体６、７を介して電気的に並列接続すると共に、各発電セル５ａ〜５ｄに反応用ガス（酸化剤ガス、燃料ガス）を供給する機能を有し、その内部に酸化剤ガス通路１２と燃料ガス通路１１とを有する。

また、各セパレータアーム８ａ、８ｂは、それぞれセパレータ本体８ｃの外周辺に沿って僅かな隙間を持って対向隅角部より延設される細長帯状として、積層方向に可撓性を持たせており、これにより、積層方向の加重がセパレータ本体８ｃの全面に均一に加わるようになされていると共に、これらセパレータアーム８ａ、８ｂの端部には、板厚方向に貫通する一対のガス孔（酸化剤ガス孔１４、燃料ガス孔１３）が設けられている。

酸化剤ガス孔１４は、セパレータ８の酸化剤ガス通路１２に連通し、また、燃料ガス孔１３は、燃料ガス通路１１に連通し、各々のガス孔１４、１３から、これらのガス通路１２、１１を通して通路末端のガス吐出口１２ａ、１１ａより各発電セル５の各電極面（酸化剤極層４、燃料極層３）の中央部に酸化剤ガスおよび燃料ガスを吐出するようなっている。

さらに細述すれば、酸化剤ガス通路１２は、酸化剤ガス孔１４よりセパレータアーム８ａ内を通してセパレータ８の下辺部中央部位Ｐ１に至り、ここから内方に向けてセパレータ本体８ｃの発電セル５ａ〜５ｄで囲まれた中心部位Ｐ２に至り、中心部位Ｐ２において横方向Ｔ字に分岐し、一方の酸化剤ガス通路１２は、発電セル５ａ、５ｂの中間部位Ｐ３に至り、この中間部位Ｐ３においてさらに縦方向Ｔ字に分岐して、それぞれ発電セル５ａ、５ｂの中心部に対応するセパレータ面上に開口された酸化剤ガス吐出１２ａ、１２ａに連通している。
他方、上記中心部位Ｐ２において横方向Ｔ字に分岐した酸化剤ガス通路１２の他方側（図中右側）は、発電セル５ｃ、５ｄの中間部位Ｐ４に至り、この部位Ｐ４においてさらに縦方向Ｔ字に分岐してそれぞれ発電セル５ｃ、５ｄの中心部に対応するセパレータ面上に開口された酸化剤ガス吐出１２ａ、１２ａに連通している。

また、燃料ガス通路１１は、燃料ガス孔１３よりセパレータアーム８ｂ内を通してセパレータ本体８ｃの上辺部中央から発電セル５ｂ、５ｃの中間部位Ｐ５に至り、この中間部位Ｐ５において横方向Ｔ字に分岐し、一方の燃料ガス通路１１は、発電セル５ｂの周縁に沿って発電セル５ａ、５ｂの中間部位Ｐ６に至り、この中間部位Ｐ６においてさらに縦方向Ｔ字に分岐して、それぞれ発電セル５ａ、５ｂの中心部に対応するセパレータ面上に開口された燃料ガス吐出口１１ａ、１１ａに連通している。
他方、上記中間部位Ｐ５においてＴ字状に分岐した燃料ガス通路１１の他方側（図中右側）は、発電セル５ｃの周縁に沿って発電セル５ｃ、５ｄの中間部位Ｐ７に至り、この中間部位Ｐ７においてさらに縦方向Ｔ字に分岐してそれぞれ発電セル５ｃ、５ｄの中心部に対応するセパレータ面上に開口された燃料ガス吐出口１１ａ、１１ａに連通している。

そして、この燃料ガス通路１１については、上述したセパレータ本体８ｃの部位Ｐ５、部位Ｐ６、部位Ｐ７においてガス通路が分岐される毎にその断面積が約１／２に縮小されている。

また、発電セル５ａ〜５ｄにより囲まれた部位に対応するセパレータ本体８ｃの中央部分には、酸化剤ガス通路１２を避けるように、厚さ方向に貫通する３個のガス排出用の孔部３１が形成されている。また、発電セル５ａと発電セル５ｂの間であって、燃料ガス通路１１の分岐部Ｐ６と酸化剤ガス通路１２の分岐部Ｐ３とに挟まれた部位、および、発電セル５ｃと発電セル５ｄの間であって、燃料ガス通路１１の分岐部Ｐ７と酸化剤ガス通路１２の分岐部Ｐ４とに挟まれた部位、および、発電セル５ｂと発電セル５ｃの間であって、燃料ガス通路１１の分岐部Ｐ５とガス排出用の孔部３１に挟まれた部分には、それぞれ厚さ方向に貫通する放熱用の孔部３２が形成されている。

上記構成の単セル１０を、図１、図２に示すように、間にリング状の絶縁性ガスケット１６、１５を介在して順次積層すると共に、この積層体の上下両端にセパレータ８よりサイズの大きい四角形の上締付板２０ａと下締付板２０ｂを配して、その周縁部の４カ所をボルト２１とナット２６にて締め付けることにより、その締め付け荷重により各々のガスケット１６、１５がそれぞれセパレータ８の各ガス孔１４、１３を介して積層方向に連結され、スタック内部に積層方向に延びるガスシール性に優れる２系統の内部マニホールド（酸化剤ガスマニホールド１８と燃料ガスマニホールド１７）が形成される。

そして、運転時には、酸化剤ガスマニホールド１８および燃料ガスマニホールド１７に外部から供給される酸化剤ガス（空気）と燃料ガスが流通し、各反応用ガスが各セパレータ８の酸化剤ガス孔１４、燃料ガス孔１３より酸化剤ガス通路１２、燃料ガス通路１１を介して各発電セル５の酸化剤極層４と燃料極層３に分配・供給され、各発電セル５において発電反応を生じさせるようになっている。

また、この固体酸化物形燃料電池１は、発電セル５の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造であり、運転時には、発電反応で消費されなかった残余のガス（排ガス）を各発電セル５の外周部から外に自由に放出するようになっている。

以上、本実施形態では、発電セル５の形状を円形としたが、この他、発電セル５の形状を図４に示すような六角形、或いは図５に示すような四角形等とすることも可能である。
尚、図４、図５において、図３と共通する部分はそれぞれ同一符号を用いており、８はセパレータ、５ａ〜５ｄは発電セル、１１は燃料ガス通路、１２は酸化剤ガス通路、１３は燃料ガス孔、１４は酸化剤ガス孔、３１はガス排出用の孔部、３２は放熱用の孔部である。

次いで、第２実施形態の固体酸化物形燃料電池を、図６および７を用いて説明する。
尚、第1実施形態と同一の構成については、同一符号を用いることによって説明を省略する。

図６に示すように、単セル４０は、固体電解質層２の両面に燃料極層３と酸化剤極層４を配した複数個（４個）の発電セル５と、各燃料極層３の外側に配した燃料極集電体６と、各酸化剤極層４の外側に配した空気極集電体７と、これら集電体６、７の外側に配した上下２枚のセパレータ９とで構成されている。

セパレータ９は、図７に示すように、厚さ数ｍｍの方形状のステンレス製の板材で構成されており、縦横対称に配設される直径約６０ｍｍ程の小径の発電セル５ａ〜５ｄを覆う大きさに形成されている。そして、これらの発電セル５ａ〜５ｄを共通の集電体６、７を介して電気的に並列接続すると共に、各発電セル５ａ〜５ｄに反応用ガスを供給する機能を有し、その内部に酸化剤ガス通路９２と燃料ガス通路９１とを有する。

さらに、セパレータ９には、複数の発電セル５ａ〜５ｄに囲まれた部位に対応する中央部に、板厚方向に貫通する酸化剤ガス孔４４が設けられるとともに、この酸化剤ガス孔４４を挟むようにして、複数の発電セル５ａ〜５ｂの外方に対応する外周部であって、かつ発電セル５ａ、５ｂ間および発電セル５ｃ、５ｄ間に対応する部位に、それぞれ板厚方向に貫通する燃料ガス孔４３が対になって設けられている。

酸化剤ガス孔４４は、それぞれセパレータ９の四角部方向に向けて延在する直線状の４本の酸化剤ガス通路９２に連通しており、各酸化剤通路９２は、各発電セル５の中央部に対応する位置に開口する末端のガス突出口９２ａより各発電セル５の酸化剤極層４に酸化剤ガスを吐出するようなっている。
他方、各燃料ガス孔４３は、各発電セル５の中央部に向けて延在する直線状の２本の燃料ガス通路９１に連通し、各燃料ガス通路９１は、末端のガス突出口９１ａより各発電セル５の燃料極層３の中央部に燃料ガスを吐出するようなっている。

また、発電セル５ａ〜５ｄにより囲まれた部位に対応するセパレータ９の中央部分には、酸化剤ガス孔４４の周囲における酸化剤ガス通路９２間に各々酸化剤ガス通路９２を避けるように、それぞれ厚さ方向に貫通する４個のガス排出用の孔部９３が形成されている。

上記構成の単セル４０を、第１実施形態と同様に、間にリング状の絶縁性ガスケット１６、１５を介在して順次積層すると共に、この積層体の上下両端にセパレータ９よりサイズの大きい四角形の上締付板２０ａと下締付板２０ｂを配して、その周縁部の４カ所をボルト２１とナット２６にて締め付けることにより、その締め付け荷重により各々のガスケット１６、１５がそれぞれセパレータ９の各ガス孔４４、４３を介して積層方向に連結され、スタック内部に積層方向に延びるガスシール性に優れる２系統の内部マニホールド（酸化剤ガスマニホールドと燃料ガスマニホールド）が形成される。

そして、運転時には、酸化剤ガスマニホールドおよび燃料ガスマニホールドに外部から供給される酸化剤ガス（空気）と燃料ガスが流通し、各反応用ガスが各セパレータ９の酸化剤ガス孔４４、燃料ガス孔４３より酸化剤ガス通路９２、燃料ガス通路９１を介して各発電セル５の酸化剤極層４と燃料極層３に分配・供給され、各発電セル５において発電反応を生じさせるようになっている。

また、この第２実施形態の固体酸化物形燃料電池も、発電セル５の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造であり、運転時には、発電反応で消費されなかった残余のガス（排ガス）を各発電セル５の外周部から外に自由に放出するようになっている。

次いで、第３実施形態の固体酸化物形燃料電池を、図８を用いて説明する。
尚、第２実施形態と同一の構成については、同一符号を用いることによって説明を省略する。

図８に示すように、単セルは、固体電解質層２の両面に燃料極層３と酸化剤極層４を配した複数個の発電セル５と、各燃料極層３の外側に配した燃料極集電体６と、各酸化剤極層４の外側に配した空気極集電体７と、これら集電体６、７の外側に配した上下２枚のセパレータ９５とで構成されている。ここで、発電セル５は、縦方向に複数行（２行）、横方向に偶数列（４列）に配置されることにより、合計８個設けられている。

セパレータ９５は、厚さ数ｍｍの長方形状のステンレス製の板材で構成されて、直径約６０ｍｍ程の小径の発電セル５ａ〜５ｈを覆う大きさに形成されている。そして、これらの発電セル５ａ〜５ｈを共通の集電体６、７を介して電気的に並列接続すると共に、各発電セル５ａ〜５ｈに反応用ガスを供給する機能を有し、その内部に酸化剤ガス通路９７と燃料ガス通路９６とを有する。

さらに、セパレータ９５には、複数の発電セル５ａ〜５ｈに囲まれた部位に対応する中央部に、全ての酸化剤ガス孔４４を配設すべく、複数の発電セル５ａ〜５ｂの外方に対応する外周部であって、かつ発電セル５ａ、５ｂ間および発電セル５ｅ、５ｆ間に対応する部位に、それぞれ板厚方向に貫通する燃料ガス孔４３が対になって設けられている。
これにより、セパレータ９５には、これら発電セル５ａ、５ｂに対する燃料ガス孔４３の反対側の発電セル５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｈに囲まれた部位に対応する位置、およびこれら発電セル５ｅ、５ｆに対する燃料ガス孔４３の反対側である発電セル５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇに囲まれた部位に対応する位置に、それぞれ板厚方向に貫通する酸化剤ガス孔４４が設けられている。
また、セパレータ９５には、これら発電セル５ｃ、５ｈに対する酸化剤ガス孔４４の反対側であって、これら発電セル５ｄ、５ｇに対する酸化剤ガス孔４４の反対側でもある発電セル５ｃ、５ｈ、５ｄ、５ｇに囲まれた部位に対応する位置にも、板厚方向に貫通する燃料ガス孔４３が設けられている。

各酸化剤ガス孔４４は、それぞれ各発電セル５の中央部に向けて延在する直線状の４本の酸化剤ガス通路９７に連通しており、各酸化剤通路９７は、末端のガス突出口９７ａより各発電セル５の酸化剤極層４の中央部に酸化剤ガスを吐出するようなっている。同様に、各燃料ガス孔４３も、各発電セル５の中央部に向けて延在する直線状の４本の燃料ガス通路９６に連通し、各燃料ガス通路９６は、末端のガス突出口９６ａより各発電セル５の燃料極層３の中央部に燃料ガスを吐出するようなっている
ただし、セパレータ９５の発電セル５ａ、５ｂ間および発電セル５ｅ、５ｆ間に対応する部位に対になって設けられた燃料ガス孔４３は、各発電セル５の中央部に向けて延在する直線状の２本の燃料ガス通路９６に連通しており、これらの燃料ガス通路９６も、末端のガス突出口９６ａより各発電セル５の燃料極層３の中央部に燃料ガスを吐出するようなっている。

また、発電セル５ａ〜５ｈにより囲まれた部位に対応するセパレータ９５の中央部分には、各酸化剤ガス孔４４の周囲における酸化剤ガス通路９７間に各々酸化剤ガス通路９７を避けるように４個のガス排出用の孔部９３がそれぞれ厚さ方向に貫通して形成されて、８個のガス排出用の孔部９３が形成されている。また、酸化剤ガス孔４４の周囲における燃料ガス通路９６間に各々燃料ガス通路９６を避けるように、それぞれ厚さ方向に貫通する４個のガス排出用の孔部９３が形成されている。

上記構成の単セルを、第２実施形態と同様に、間にリング状の絶縁性ガスケット１６、１５を介在して順次積層すると共に、この積層体の上下両端にセパレータ９５よりサイズの大きい四角形の上締付板２０ａと下締付板２０ｂを配して、その周縁部の４カ所をボルト２１とナット２６にて締め付けることにより、その締め付け荷重により各々のガスケット１６、１５がそれぞれセパレータ９５の各ガス孔４４、４３を介して積層方向に連結され、スタック内部に積層方向に延びるガスシール性に優れる２系統の内部マニホールド（酸化剤ガスマニホールドと燃料ガスマニホールド）が形成される。

そして、運転時には、酸化剤ガスマニホールドおよび燃料ガスマニホールドに外部から供給される酸化剤ガス（空気）と燃料ガスが流通し、各反応用ガスが各セパレータ９５の酸化剤ガス孔４４、燃料ガス孔４３より酸化剤ガス通路９７、燃料ガス通路９６を介して各発電セル５の酸化剤極層４と燃料極層３に分配・供給され、各発電セル５において発電反応を生じさせるようになっている。
また、この第３実施形態の固体酸化物形燃料電池も、発電セル５の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造である。

尚、第２および第３実施形態では、発電セル５の形状を円形としたが、第1実施形態と同様に発電セル５の形状を四角形或いは六角形等とすることも可能である。

以上、第１実施形態ないし第３実施形態による固体酸化物形燃料電池１では、同一セパレータ８、９、９５上に複数の発電セル５を並列に配置する構造とすることにより、同じ出力を得る場合において、セパレータ８、９、９５上に１個の発電セル５を配置する構造に比べて、発電セル５の径を小さくすることができるため（例えば、直径１２０ｍｍを６０ｍｍとする）、その分、温度分布を均一化でき、発電セル５を割れ難くできる。加えて、各々発電セル５が並列に接続されているため、複数の発電セル５の内の１つが破損した場合であっても、正常な他の発電セル５より出力を取り出すことができ、極端な出力低下を招かずに運転を続行できる。

また、酸化剤ガス通路１２、９２、９７より、セパレータ８、９、９５の中央部分に酸化剤ガス（空気）を導入することにより、その冷却効果により、セパレータ中心部分の温度上昇を抑制してセパレータ面内での温度分布を均一化させることができ、発電セル５の割れを防止することができる。

特に、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池１では、燃料ガスは酸化剤ガスに比べて流量が少ないため、燃料ガスによる冷却効果は得られないが、図３のように、発電セル５の隣接部位に放熱用の孔部３２を設けることにより、セパレータ８隣接部位の放熱効果を助長することができ、セパレータ面内での温度分布の均一化に寄与できる。

また、酸化剤ガス通路１２および燃料ガス通路１１をＴ字状に分岐させていくことにより、分岐部における反応用ガスの分配を均等にでき、且つ、各ガス流路の全長を長くすることができる。これにより、各発電セルへの反応用ガスの等流配が可能となり、発電性能を向上できる。
燃料ガス通路１１においては、ガス流路の下流側に向けて分岐毎にガス通路の断面積を小さくして圧損失を生じさせるようにしたので、燃料ガス通路１１においては、より確実な燃料ガスの等流配が可能となり、より安定した発電性能が得られるようになる。

他方、第２および第３実施形態の固体酸化物形燃料電池では、セパレータ９、９５の複数の発電セル５ａ〜５ｄ、５ａ〜５ｈに囲まれた部位に対応する中央部に設けた酸化剤ガス孔４４によって酸化剤ガスマニホールドを形成したため、この酸化剤ガスマニホールドから酸化剤ガス孔４４を通じて、酸化剤ガスを直接セパレータ９、９５の酸化剤ガス通路９２、９７に供給することによって、効率的にセパレータ中心部分の温度上昇を抑制できる。さらには、セパレータ９、９５の酸化剤ガス通路９２、９７の全長を短くすることによって、セパレータ９、９５の構造が簡素化されて、燃料電池全体の小型化を可能にすることができる。

また、第１実施形態の固体酸化物形燃料電池１では、セパレータ８の中央部分にガス排出用の孔部３１を設けることにより、第２および第３実施形態の固体酸化物形燃料電池では、セパレータ９、９５の中央部分にガス排出用の孔部９３を設けることにより、発電セル５ａ〜５ｄの外周部より排出される反応ガスがパレータ中央付近において滞留することがなく、この孔部３１、９３より効率良く排出されるため、酸化剤ガスおよび燃料ガスが各電極層の全面に効率良く供給されるようになり、発電性能を向上できる。

次に、本発明の効果を確認するため、以下のような発電試験を実施した。

作動温度７５０℃、電流密度５００ｍＡ／ｃｍ²、燃料利用率７５％にて発電試験を実施し、セルの形状および１枚のセパレータ８上に設置する発電セル５の枚数を変化させた時の発電セルの平均出力密度と発電セルの割れを調査し、その結果を表１に示した。上記セルとは、発電セル５をセパレータ８で挟み込んだものを示している。尚、酸化剤ガスとして空気を水素の５倍量を供給した。また、発電セル５には自立膜型ランタンガレート系電解質のＬＳＧＭＣ５を使用し、固体電解質層３の厚さは０．２０〜０．２５ｍｍとした。燃料極層３はＣｅ_0.2Ｓｍ_0.8Ｏ₂とＮｉのサーメット、酸化剤極層４にはＳｍ_0.5Ｓｒ_0.5ＣｏＯ₃を用いた。

実施例１−１（従来型）では、直径１６０ｍｍの円形平板形のセルを５段積層し、燃料ガスとして水素を５Ｎｍｌ／ｃｍ²／ｍｉｎで供給した。ここで、ＮｍｌのＮは０℃を意味する。
この時の平均出力密度は５００ｍＷ／ｃｍ²であり、高い性能が得られたが、室温に降温後、スタックを解体すると５枚のセル中、３枚が割れていた。これは、作動温度７５０℃から室温に降温する際の収縮で生じる引張り応力によるものと推測される。
この割れた発電セル５を再度スタックに組み込み、発電試験を同条件にて実施したところ、平均出力密度は０．１８Ｗ／ｃｍ²まで低下した。このように、スタック中のセルが割れてしまうと発電性能が著しく低下することが確認された。

実施例１−２（従来型）では、円形セルの直径を１２０ｍｍとし、実施例１−１と同様に従来型の１枚のセルを５段積層した時の結果である。セルの単位面積当たりの燃料ガスおよび空気流量を一定とした条件下での平均出力密度は０．５１Ｗ／ｃｍ²であった。発電試験後のセルの割れは５枚中１枚であった。
この割れたセルを再度スタックに組み込み、発電試験を同条件で実施したところ、平均出力密度は０．３６Ｗ／ｃｍ²まで低下した。この場合の、低下率は２９％である。
このように、スタック中の１枚のセルが割れただけで発電性能は急激に低下した。この理由は、５枚のセルが直列に接続されているため、その内の１枚のセルが破損すると、その部分での抵抗が著しく増大し、スタック全体の性能を低下させてしまうためである。

実施例１−３では、円形セルの直径を８０ｍｍとし、１枚のセパレータ８上に４枚の発電セル５を並列配置し、５段積層した時の結果である。この場合の同条件における平均出力密度は０．４９Ｗ／ｃｍ²であり、従来型のセルを用いた実施例１−１に較べて０．０１Ｗ／ｃｍ²の減少となった。
この性能低下の理由は、発電セル５の半径を小さくすることにより、セルの中心部と外周部との距離が減少して、セパレータ８の中心部から吐出される水素と燃料極層３との電気化学反応の頻度が減少したためと推測される。
発電試験後の２０枚のセルの内、割れは１枚であり、割れたセルを再度スタックに組み込み、発電試験を同条件で実施したところ、平均出力密度は０．４５Ｗ／ｃｍ²となり、出力低下は０．０４Ｗ／ｃｍ²、低下率は８％に留まった。
尚、従来型のセルを用いた実施例１−２では、１枚のセルの割れたことによる平均出力密度の低下率は２９％であった。このことにより、セル割れが発生した場合、本実施形態のセパレータ構造では、スタック全体の性能低下を低く抑えることができることが確認された。

実施例１−４では、円形セルの直径を６０ｍｍとし、１セパレータ８上に４枚の発電セル５を並列配置し、５段積層した時の結果である。この場合、同条件における平均出力密度は０．４７Ｗ／ｃｍ²であり、従来型セルを用いた実施例１−１に較べて０．０３Ｗ／ｃｍ²の減少となった。この性能低下の理由は、上述した通りである。
発電試験後の２０枚のセルの内、割れはなく、再度同じセルをスタックに組み込み同条件で発電試験を実施したところ、平均出力密度は０．４７Ｗ／ｃｍ²であり、発電性能の低下は見られなかった。発電セル５を小形化することにより、電流密度６５０ｍＡ／ｃｍ²の高出力条件下にも拘わらず、セル割れを起こさずに昇温・発電・降温することが可能であることが確認された。
これらの発電セル５をそれぞれ未使用セルに入れ換えて比較試験（２）（３）を実施し、降温後のセル割れを確認したところ、２０枚中割れていたセルはなく、発電セル５の小形化がセル割れ防止に効果的であり、且つ、発電セル５の並列接続がその発電性能を維持できることが確認された。

実施例１−５では、円形セルの直径を４０ｍｍとし、実施例１−６では、円形セルの直径を３０ｍｍとし、１枚のセパレータ８上に１６枚のセルを並列配置し、それぞれ５段積層した時の結果である。
この場合、同条件における平均出力密度はそれぞれ０．４５Ｗ／ｃｍ²、０．４３Ｗ／ｃｍ²であり、小形化により発電性能は減少傾向にある。試験後の８０枚のセルの内、実施例１−５、実施例１−６とも割れはなく、かつ、比較試験（２）（３）を実施して降温後のセルの割れを確認したところ、割れは全く見られず、発電セル５の小形化がセルの割れ防止に効果的であることが再度確認された。実施例１−５、６の場合は、１Ａ／ｃｍ²以上の高電流密度においてもセル割れを起こさずに昇温・発電・降温が可能であると推測される。

実施例１−７（従来型）、実施例１−８、実施例１−９では、角形の発電セルを用い、セパレータ８上のセル枚数を変化させ、全セルの合計面積を５００ｃｍ²一定とした時の発電性能および降温後のセル割れの枚数についての試験結果である。
従来型のセルを用いた実施例１−７の場合、比較試験（１）後、５枚のセルの全てが割れており、再度組み立て後の平均出力密度は０．０８Ｗ／ｃｍ²まで減少した。これより、セル形状を角形にすると、円形セルに較べて割れ易くなっていることが分かる。セルを小形化した実施例１−８、実施例１−９の場合、比較試験（１）後のセルの割れがないことが確認された。

実施例１−１０（従来型）、実施例１−１１、実施例１−１２では、六角形の発電セルを用い、セパレータ８上のセル枚数を変化させ、全セルの合計面積を５４０ｃｍ²一定とした時の発電性能および降温後のセル割れについての試験結果である。

従来型のセルを用いた実施例１−１０の場合では、比較試験（１）後、２枚のセルが割れており、組み立て後の平均出力密度は０．２３Ｗ／ｃｍ²まで減少した。セル形状を六角形としたため、上述した角形セルに較べて割れ難くなっているが、円形セルに較べて割
れ易いことが分かる。

実施例１−１１の場合では、比較試験（１）後、１枚のセル割れがあったが、極端な発電性能の低下には至らなかった。４枚のセルの内の３枚が割れていなければ、この３枚のセルにより燃料ガスの少なくとも３／４は電気化学的に消費可能であるため、燃料利用率７５％以上での正常な発電が可能であり、例えば、割れたセル１枚の半分の面積が発電可能であるとすると、概算で燃料利用率８７．５％まで正常発電が可能と推測される。これに対し、実施例１−１０の場合、１枚のセル割れが起こり、仮に割れたセルの５０％の部分が発電可能であるとしても、燃料利用率５０％以上では正常な発電は不可能である。

実施例２では、セパレータ８内部のガス供給流路において、本実施形態の中心部に空気を供給した場合（図３において、セパレータ８の酸化剤ガス通路１２に空気を供給し、燃料ガス通路１１に燃料ガスを供給する）と、燃料ガスと空気の供給を入れ換えてセパレータ８中心部のガス供給路に燃料ガスを供給した場合（すなわち、酸化剤ガス通路１２に燃料ガスを供給し、燃料ガス通路１１に空気を供給する）とで比較試験を行い、その結果を表２に示した。

実施例２−１では、直径６０ｍｍの円形セルを１セパレータ８上に４個並列配置し、５段積層した。この時の平均出力密度は０．４７Ｗ／ｃｍ²である。これに対して、実施例２−２の場合の、燃料と空気の流路を入れ換えた発電試験では、平均出力密度は０．４３Ｗ／ｃｍ²に低下した。
空気がセパレータ中央部に供給されない実施例２−２の場合では、セパレータ中心部の温度は７８８℃程、端部は７３４℃程となり、同一セパレータ上での温度差は５２℃程であった。これは、燃料ガスの流量は空気流量に較べて１／５であるため、セパレータ中心部分での熱交換量が低下して温度が上昇したものと考えられる。これに対し、空気がセパレータ中央部に供給される実施例２−１の場合は、温度差は僅か１２℃程であった。

実施例２−２の場合では、比較試験（４）の降温後のセル割れはなかったが、比較試験（５）、（６）では、２０枚のセルの内、直径６０ｍｍの小型セルを用いたにも拘わらず、比較試験（５）で３枚、比較試験（６）で１枚割れていた。割れがあった時の発電性能が低下していることから、発電中にセパレータ内部で温度差が生じて割れた可能性が大きいと考えられる。
また、発電試験後、セル割れが生じていないのにも拘わらず比較試験（４）の平均出力密度は０．４３Ｗ／ｃｍ²と低かった。この理由は、燃料ガスを、分岐部分において流路幅が狭まっていない酸化剤ガス通路１２に供給したことにより、セパレータ内部での燃料ガスの均等流配が崩れたためと推測される。

実施例３では、セパレータ中心部のガス排出用の孔部３１の有無についての比較試験（７）および比較試験（８）を行い、その結果を表３に示した。
これらの発電試験では、直径６０ｍｍの円形セルをセパレータ上に４個並列配置し、５段積層した。また、空気は通常通り、セパレータ８の酸化剤ガス通路１２より供給した。

排気孔３１を設けた実施例３−１場合では、平均出力密度は０．４７Ｗ／ｃｍ²であった。これに対し、排気孔３１を設けていない実施例３−２の場合の平均出力密度は０．３８Ｗ／ｃｍ²と発電性能の低下が見られた。尚、実施例３−１の場合、同一セパレータ内部での温度差は１２℃程であるのに対して、実施例３−２の場合は、温度差が３１℃程と大きかった。
比較試験（７）および比較試験（８）において、実施例３−２の場合、試験後にセル割れは生じなかったが、発電性能は低かった。この理由は、排気孔３１を設けていないと、発電反応生成物である水蒸気がセパレータ中心部分で排出されずに滞留し、この部分での電気化学反応が著しく低下したためと推定される。よって、セパレータ中心部分に排気孔３１を設けることが、発電性能の向上のために重要であることが確認された。

実施例４では、直径６０ｍｍの円形セルをセパレータ８上に４個並列配置し、５段積層した構造で、発電セル５の固体電解質層４の種類を変えた場合の発電試験を行い、その結果を表４に示した。
すなわち、実施例４−１では、固体電解質層４として厚さが０．２ｍｍ程度の自立膜型のランタンガレートを用い、実施例４−２では、固体電解質層４として厚さ０．０３ｍｍのジルコニア系８ＹＳＺを用い、実施例４−３では、セリア系電解質（ＣｅＯ₂）を用いた。

実施例４−１の場合、平均出力密度が０．４７Ｗ／ｃｍ²と高いが、実施例４−２の場合は、平均出力密度が０．２０Ｗ／ｃｍ²と低かった。
これは、実施例４−２では、燃料極層３にＮｉ−ＣｅＯ₂サーメットを支持基盤として使用し、酸化剤極層４にランタンマンガナイト（ＬａＭｎＯ₃）を使用しており、ＹＳＺ電解質のイオン伝導度に対する電子伝導度の割合がランタンガレートに較べて低いため、開回路起電力は５．５Ｖと高いが薄膜の電解質においても７５０℃では十分なイオン伝導度が得られず、性能が低下したものと推定される。
実施例４−２の場合、３回の比較試験において比較試験（１０）でセル割れが１枚発生したが、全体的にセル割れが少ないことが確認された。

実施例４−３では、Ｎｉ−ＣｅＯ₂サーメットを支持基盤として使用し、酸化剤極層４にランタンマンガナイト（ＬａＭｎＯ₃）を使用した。セリア系電解質であるため、イオン伝導度に対する電子伝導度が高く、電解質部分での内部短絡により開回路起電力が低い結果となった。また、比較試験後、多数のセルが割れたことから、セリア系電解質を用いる場合は、セルの大きさを径６０ｍｍよりもさらに小さくする必要があると考えられる。

第1実施形態の平板積層型の固体酸化物形燃料電池の構成を示す図。図１の一部拡大図。図１のセパレータの構造を示す図。図３とは別のセパレータの構造を示す図。図４とは別のセパレータの構造を示す図。第２実施形態の平板積層型の固体酸化物形燃料電池の一部拡大図。図６のセパレータの構造を示す図。第３実施形態の平板積層型の固体酸化物形燃料電池におけるセパレータの構造を示す図。従来例として示したセパレータの構造を示す図。

符号の説明

１固体酸化物形燃料電池
２固体電解質層
３燃料極層
４酸化剤極層
５発電セル
８、９、９５セパレータ
１１、９１、９６燃料ガス通路
１２、９２、９７酸化剤ガス通路
１３、４３燃料ガス孔
１４、４４酸化剤ガス孔
１７燃料ガスマニホールド
１８酸化剤ガスマニホールド
３１、９３ガス排出用の孔部

Claims

固体電解質層の両面に燃料極層と酸化剤極層を配置した発電セルが同一平面内で複数並列接続状態で配置され、これら複数の発電セルが内部に燃料ガス通路および酸化剤ガス通路を備えたセパレータを介して複数積層されると共に、当該積層体内に各前記セパレータの酸化剤ガス通路および燃料ガス通路に連通して積層方向に貫通する酸化剤ガスマニホールドおよび燃料ガスマニホールドを備え、
前記セパレータには、前記酸化剤ガスマニホールドに連通する酸化剤ガス孔と、前記燃料ガスマニホールドに連通する燃料ガス孔とがそれぞれ設けられ、
前記酸化剤ガス通路は、一端が前記酸化剤ガス孔に連通すると共に、当該酸化剤ガス通路が分岐し又は複数設けられることにより、他端側が各前記酸化剤極層と対面する部分において開口されており、
前記燃料ガス通路は、一端が前記燃料ガス孔に連通すると共に、当該燃料ガス通路が分岐し又は複数設けられることにより、他端側が各前記燃料極層と対面する部分において開口されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
前記酸化剤ガス通路は、前記セパレータの前記発電セルに囲まれた部位の中央部を経て各前記酸化剤極層と対面する部分に誘導されることを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
前記複数の発電セルは、前記セパレータの中央部に縦横対称に配置されるとともに、
前記酸化剤ガス孔と前記燃料ガス孔とは、前記セパレータの一対向角部に配置されており、且つ
前記酸化剤ガス通路は、前記セパレータの縁部より上記複数の発電セルで囲まれた部位の中央部に至り、当該中央部にて分岐して各前記酸化剤極層と対面する部分に誘導されることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池。
少なくとも前記燃料ガス通路は、流路方向と直行する方向に二股に分岐しながら各前記燃料極層と対向する部分に誘導されることを特徴とする請求項３に記載の固体酸化物形燃料電池。
分岐毎にガス通路の断面積を小さくすることを特徴とする請求項４に記載の固体酸化物形燃料電池。
前記酸化剤ガスマニホールドに連通する酸化剤ガス孔は、前記発電セルに囲まれた部位に配置されるとともに、前記酸化剤ガス通路は、複数本設けられて、それぞれ上記発電セルに囲まれた部位より各前記酸化剤極層と対面する部分に誘導されることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体酸化物形燃料電池。
前記発電セルは、発電反応に使用されなかった残余のガスを発電セルの外周部より放出するシールレス構造を有し、且つ、前記複数の発電セルにより囲まれた部位に対応する前記セパレータの中央部分に厚さ方向に貫通するガス排出用の孔部を設けたことを特徴とする請求項１から請求項６までの何れかに記載の固体酸化物形燃料電池。