固体酸化物形燃料電池
【課題】生産効率を向上させることができる固体酸化物形燃料電池を提供する。
【解決手段】セルホルダ４と空気極セパレータとの位置合わせを行うだけで、各単セル３と酸化剤流路６ａおよび突出部６ｃとの位置合わせが行われるので、単セル３毎の位置合わせが不要となるため、組立が容易となる。結果として生産効率を向上させることができる。
【解決手段】セルホルダ４と空気極セパレータとの位置合わせを行うだけで、各単セル３と酸化剤流路６ａおよび突出部６ｃとの位置合わせが行われるので、単セル３毎の位置合わせが不要となるため、組立が容易となる。結果として生産効率を向上させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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、燃料電池が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、並列または直列に複数重ね合わせたスタック構造を用いている。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。
【０００３】
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型や、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。
【０００４】
固体高分子形燃料電池では、作動温度が高々９０℃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。
【０００５】
これに対して、固体酸化物形燃料電池は、作動温度が６００℃以上と高温であるが、発電効率が４５％以上と高効率である。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、タービン発電などと組み合わせてより高効率のコジェネレーションシステムを構築できるという利点を有しており、発電所への用途などに期待されている。
【０００６】
このような固体酸化物形燃料電池において、発電能力を増加させるための１つの方法としては、単セルの大口径化が挙げられる。ところが、固体酸化物形燃料電池の単セルは、セラミックスから構成されるために、歩留まり、平坦性の担保、熱サイクル耐性などの観点から大口径化を実現することが技術的に困難であった。そこで、小型の単セルを並列に配設したマイクロセルアレイ化により、発電能力を増加させることが提案されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】田川博章、固体酸化物燃料電池と地球環境、株式会社 アグネ承風社、第１版第１刷、Ｐ２４−Ｐ２５、１９９８年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、マイクロセルアレイ化は、熱サイクル耐性や生産時の歩留まりが向上する一方、複数の単セルを用いるためにマイクロセルアレイの内部構造が複雑になるという新たな問題が発生していた。すなわち、マイクロセルアレイ化を実現する場合には、多数の単セルを収容し、かつ、各単セルに燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する流路を備えたセパレータが用いられるが、各単セルとセパレータとの電気的な接続を行ったり、燃料ガスや酸化剤ガスの混合を防止したりするために、各単セルをセパレータ内の所定の位置に正確に配設する必要がある。ところが、小型の単セルを多数設けるので、各単セルを正確に配設することに手間がかかるため、生産効率を向上させることが困難であった。
【０００９】
そこで、本発明は、生産効率を向上させることができる固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述したような課題を解決するために、本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、電解質、この電解質の一方の面に設けられた燃料極、および、電解質の他方の面に設けられた空気極からなる固体酸化物形燃料電池用の複数の単セルと、燃料極に対向して設けられ、単セルそれぞれの燃料極に燃料ガスを供給する第１の流路を備えた第１のセパレータと、空気極に対向して設けられ、単セルそれぞれの空気極に酸化剤ガスを供給する第２の流路を備えた第２のセパレータと、第１のセパレータと第２のセパレータの間に介在し、複数の単セルを第１の流路から燃料ガスが供給されかつ第２の流路から酸化剤ガスが供給される位置に配設する板状のセルホルダとを備えたことを特徴とするものである。
【００１１】
上記固体酸化物形燃料電池において、セルホルダは、複数の開口を有し、単セルは、当該開口から空気極が露出した状態でセルホルダに固定されるようにしてもよい。ここで、単セルは、レーザ溶接またはガラスシールによりセルホルダに固定されるようにしてもよい。
【００１２】
また、上記固体酸化物形燃料電池において、セルホルダは、このセルホルダに複数の単セルが固定されることにより、燃料極と空気極との間をガス不透過とするようにしてもよい。
【００１３】
また、上記固体酸化物形燃料電池において、セルホルダを複数備え、複数のセルホルダを互いに連結する連結部材をさらに備えるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、複数の単セルを第１の流路から燃料ガスが供給されかつ第２の流路から酸化剤ガスが供給される位置に配設する板状のセルホルダを設けることにより、各単セルを固体酸化物形燃料電池内部に正確に配設することができるので、組立が容易になり、結果として、生産効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の要部断面図である。
【図２】図２は、セルホルダの一構成例を示す平面図である。
【図３】図３は、単セルを保持したセルホルダの状態を示す平面図である。
【図４】図４は、レーザ溶接により単セルを固定したセルホルダの状態を示す平面図である。
【図５】図５は、連結部材により複数のセルホルダを連結した状態を示す要部断面図である。
【図６】図６は、連結部材により複数のセルホルダを連結するとともにスタック化した状態を示す要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１７】
図１に示すように、本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池は、板状の燃料極セパレータ１と、この燃料極セパレータ１の上面に配設された集電体２と、この集電体２上に配設される複数の単セル３と、この単セル３を所定の位置に配設するセルホルダ４と、このセルホルダ４と単セル３ａ〜３ｎとの間に配設されるガラスシール５と、単セル３ａ〜３ｎ上に配設される板状の空気極セパレータ６と備えている。なお、図１では、燃料極セパレータ１については、後述する燃料流路１ａを横断する断面を、空気極セパレータ６については、後述する酸化剤流路６ａを横断する断面をそれぞれ示している。
【００１８】
燃料極セパレータ１は、例えば、クロムが１６〜２５％程度含まれているフェライト系の耐熱合金からなる直方体の板の形状を有し、燃料流路１ａおよび一対の燃料ガス配管１ｂが形成されている。燃料流路１ａは、燃料極セパレータ１上面の中央部に形成され、外部から供給された燃料ガスを集電体２を介して単セル３の燃料極に向けて送出したり、単セル１で酸化されなかった（未反応の）燃料ガス（以下、「未反応ガス」という）等を外部に排出したりする。燃料ガス配管１ｂは、燃料極セパレータ１の両短辺近傍に形成され、この燃料流路１ａに外部から供給された燃料を送出したり、燃料流路１ａから未反応ガスを外部に導出したりする。ここで、燃料流路１ａは、両方の燃料ガス配管１ｂを結ぶように、燃料極セパレータ１の長辺方向に沿って形成されている。
【００１９】
集電体２は、白金、銀、金、パラジウム、イリジウム、ロジウム等の金属、フェライト系耐熱合金の細線からなるメッシュや不織布、エキスパンドメタル、発泡金属など、電子伝導性が高く、６００〜１０００℃で化学的に安定な材料から構成される。
【００２０】
単セル３は、平面視矩形の燃料極支持型の単セルからなり、平板状の電解質３１、この電解質３１の一方の面に形成された平板状の燃料極３２、および電解質３１の他方の面に形成された平板状の空気極３３から構成される。ここで、電解質３１および燃料極３２の外径は、空気極３３よりも大きく形成されている。また、空気極３３は、電解質３１の中央部に形成される。したがって、電解質３１上面の周縁部、すなわち電解質３１の空気極３３が設けられた側の面の周縁部は、空気極３３が形成されておらず露出している。
【００２１】
電解質３１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）などのジルコニア系の材料から構成される。
【００２２】
燃料極３２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）などの金属Ｎｉと上述した電解質１を構成する材料との混合物などから構成される。
【００２３】
空気極３３は、例えば、タンランニッケルフェライト(Ｌａ(Ｎｉ,Ｆｅ)Ｏ3)、ランタンストロンチウムマンガネート((Ｌａ,Ｓｒ)ＭｎＯ3)、ランタンストロンチウムコバルタイト((Ｌａ,Ｓｒ)ＣｏＯ3)など、ペロブスカイト酸化物から構成される。
【００２４】
セルホルダ４は、金属製の平板からなり、燃料極セパレータ１および空気極セパレータ６と同等の平面視長方形の形状を有する。このようなセルホルダ４は、図２に示すように、短辺および長辺に沿ってマトリクス状に設けられた複数のセル配設孔４１を備えている。また、一方の短辺に沿って酸化剤ガス供給孔４２ａ，４２ｂが設けられ、他方の短辺に沿って酸化剤ガス排出孔４３ａ，４３ｂが設けられている。さらに、燃料排出孔４４が酸化剤ガス供給孔４２ａ，４２ｂの間に設けられ、燃料供給孔４５が酸化剤ガス排出孔４３ａ，４３ｂの間に設けられている。ここで、酸化剤ガス供給孔４２ａと酸化剤ガス排出孔４３ａ，酸化剤ガス供給孔４２ｂと空気排出口４３ｂ、燃料排出口４２と燃料供給孔４５は、それぞれ長辺に沿った延長線上に位置するように配設されている。また、酸化剤ガス供給孔４２ａ，４２ｂおよび酸化剤ガス排出孔４３ａ，４３ｂは、燃料排出孔４４および燃料供給孔４５よりも平面形状が大きく形成されている。
【００２５】
セル配設孔４１は、単セル３よりも小さい平面視矩形に形成されている。各セル配設孔４１の位置は、燃料ガスを供給する燃料極セパレータ１の燃料流路１ａの位置、酸化剤ガスを供給する空気極セパレータ６の酸化剤流路６ａの位置、および、当該セル配設孔４１に配設される単セル３と接触する突出部６ｃの位置に対応している。本実施の形態において、セル配設孔４１は、セルホルダ４の短辺方向に３個、セルホルダ４の長辺方向に６個形成されている。また、セル配設孔４１は、酸化剤ガス供給孔４２ａと酸化剤ガス排出孔４３ａ，酸化剤ガス供給孔４２ｂと空気排出口４３ｂ、または、燃料排出口４２と燃料供給孔４５とを結ぶ直線上に位置するように配設されている。
【００２６】
ガラスシール５は、例えば、ホウ珪酸ガラスなどの軟化点が動作温度付近のガラス材料から構成されている。このようなガラスシール５は、単セル３とセルホルダ４との間に設けられている。より具体的には、セルホルダ４下面のセル配設孔４１の縁部、言い換えると、単セル３の電解質３２の上面の縁部に配設されている。
【００２７】
空気極セパレータ６は、直方体の板の形状を有し、下面の中央部に形成され、外部から供給された酸化剤ガスを空気極３３に向けて送出したり、単セル３で未反応の酸化剤ガス等を外部に排出したりする酸化剤流路６ａと、空気極セパレータ６の両短辺近傍に２つずつ形成され、酸化剤流路６ａに外部から供給される酸化剤ガスを送出する酸化剤ガス配管６ｂとを備えている。また、酸化剤流路６ａには、単セル３の燃料極３３上面と接触する、空気極セパレータ６の下面側に突出した突出部６ｃが設けられている。ここで、酸化剤流路６ａは、両方の酸化剤ガス配管６ｂを結ぶように、空気極セパレータ６の長辺方向に沿って形成されている。このような空気極セパレータ６は、例えば、クロムが１６〜２５％程度含まれているフェライト系の耐熱合金から構成されている。
【００２８】
＜固体酸化物形燃料電池の組立方法＞
次に、固体酸化物形燃料電池の組立方法の一例について説明する。
【００２９】
まず、燃料流路１ａおよび燃料ガス配管１ｂとが形成された燃料極セパレータ１を用意し、この燃料極セパレータ１の燃料流路１ａが形成されている面上に、例えばニッケルの発泡体である発泡ニッケルからなる集電体２を載置する。
【００３０】
また、酸化剤ガス供給孔４２ａ，４２ｂ、燃料排出孔４４、酸化剤ガス排出孔４３ａ，４３ｂ、燃料供給孔４５およびセル配設孔４１が形成されたセルホルダ４を用意し、それぞれのセル配設孔４１に単セル３を配設する。
【００３１】
具体的には、電解質３１の上面の周縁部にガラスシール５を塗布し、燃料極３３をセル配設孔４１からその上面側に突出させた状態で、ガラスシール５とセルホルダ４下面におけるセル配設孔４１の周縁部とを接触させる。これにより、単セル３の電解質３１の上面とセルホルダ４の下面とがガラスシール５により接着され、セルホルダ４に単セル３が固定されることとなる。このとき、図３に示すように、セルホルダ４をその上面側から見たとき、セル配設孔４１からは、ガラスシール５，電解質３１および燃料極３２が露出した状態となる。このようにして、単セル３は、セルホルダ４の所定の位置に正確に配設される。また、セルホルダ４に配設された単セル３の燃料極３２と空気極３３との間には、電解質３１、セルホルダ４およびガラスシール５が介在することになる。
【００３２】
集電体２を載置した燃料極セパレータ１と、単セル３を配設したセルホルダ４とを準備し、集電体２上に単セル３の燃料極３２の下面が位置するように、セルホルダ４を燃料極セパレータ１上に載置する。このとき、一方の燃料ガス配管１ｂと燃料排出口４２、他方の燃料ガス配管１ｂと燃料供給孔４５とが鉛直方向に連続するように、燃料極セパレータ１とセルホルダ４の位置関係が調整される。これにより、単セル３の燃料極３２は、集電体２を介して燃料極セパレータ１の燃料流路１ａから燃料ガスの供給を得ることが可能となる。
【００３３】
セルホルダ４を載置すると、単セル３の空気極３３の上面と空気極セパレータ６の突出部６ｃとが接触するように、このセルホルダ４の上面に空気極セパレータ６を載置する。このとき、空気極セパレータ６における一方の短辺側の酸化剤ガス配管６ｂと酸化剤ガス供給孔４２ａ，４２ｂ、他方の短辺側の酸化剤ガス配管６ｂと酸化剤ガス排出孔４３ａ，４３ｂとが、鉛直方向に連続するように、セルホルダ４と空気極セパレータ６との位置関係が調整される。このようにして空気極セパレータ６を載置すると、単セル３の空気極３３は、空気極セパレータ６の対応する突出部６ｃに接触するとともに、対応する酸化剤流路６ａから酸化剤ガスの供給が得られる箇所に位置することとなる。このように、セルホルダ４と空気極セパレータ６との位置合わせを行うだけで、各単セル３と酸化剤流路６ａおよび突出部６ｃとの位置合わせが行われるので、単セル３毎の位置合わせが不要となるため、組立が容易となる。
【００３４】
なお、燃料極セパレータ１と空気極セパレータ６との対向する周縁部により形成される隙間には、絶縁材料からなるスペーサ（図示せず）も配設される。これにより、燃料極セパレータ１と空気極セパレータ６との間の空間の気密性を確保することが可能となる。
【００３５】
空気極セパレータ６を載置すると、空気極セパレータ６から燃料極セパレータ１に向けて荷重をかけることにより、セルホルダ４により保持された複数の単セル３が、燃料極セパレータ１と空気極セパレータ６との間に配設された固体酸化物形燃料電池が完成する。ここで、荷重をかけることにより、燃料極３２と空気極セパレータ６とがそれぞれ集電体２と空気極３３とに密着することとなるので、単セル３と燃料極セパレータ１および空気極セパレータ６との電気的接続が良好となる。
【００３６】
このような単セル３を２次元的に並べた固体酸化物形燃料電池では、燃料極セパレータ１と空気極セパレータ６とを端子として負荷回路に接続することにより、電力を取り出すことができる。また、単セル３を挟む燃料極セパレータ１と空気極セパレータ６とを１組として、これらを複数積層したスタックを構成するようにしてもよい。このスタックでは、燃料極セパレータ１は下に隣接するセルの空気極セパレータ６、空気極セパレータ６は上に隣接するセルの燃料極セパレータ１に、それぞれ電気的に接続されている。したがって、固体酸化物形燃料電池スタックの上端の空気極セパレータ６と下端の燃料極セパレータ１とを端子として負荷回路に接続することにより、電力を取り出すことができることとなる。
【００３７】
＜固体酸化物形燃料電池の発電動作＞
次に、上述したような手順で組み立てられる固体酸化物形燃料電池の発電動作は、以下に示す手順で行われる。
【００３８】
まず、ドライ水素等の燃料ガスは、図１の符号ａで示すように、燃料極セパレータ１の一方の燃料ガス配管１ｂから燃料流路１ａを通り、集電体２を経由して、単セル３の燃料極３２に供給される。ここで、燃料流路１ａは、一方の燃料ガス配管１ｂから他方の燃料ガス配管１ｂに亘って形成されている。したがって、燃料流路１ａに到達した燃料ガスは、図１の符号ｂで示すように、燃料流路１ａに沿って燃料極セパレータ１の長辺方向に流れていくこととなる。このとき、隣り合う単セル３の間は、電解質３１の縁部上面に設けられたガラスシール５およびセルホルダ４により塞がれており、燃料極３１と空気極３３との間がガス不透過とされている。したがって、燃料ガスは、空気極３３の側に流入することなく、燃料流路１ａを流れていくこととなる。
【００３９】
一方、空気等の酸化剤ガスは、図１の符号ｃで示すように、空気極セパレータ６の酸化剤ガス配管６ｂから酸化剤流路６ａを通り、単セル３の空気極３３に供給される。ここで、酸化剤流路６ａは、空気極セパレータ６の一方の短辺側の酸化剤ガス配管６ｂから他方の短辺側の酸化剤ガス流路６ｂに亘って形成されている。したがって、酸化剤流路６ａに到達した酸化剤ガスは、図１の符号ｄで示すように、酸化剤流路６ａに沿って空気極セパレータ６の長辺方向に流れていくこととなる。また、上述したように隣り合う単セル３の間は、電解質３１の縁部上面に設けられたガラスシール５およびセルホルダ４により塞がれており、燃料極３１と空気極３３との間がガス不透過とされている。したがって、酸化剤ガスは、燃料極２２の側に流入することなく、酸化剤流路６ａを流れていくこととなる。
【００４０】
このように燃料ガスおよび酸化剤ガスが所定の動作温度下において単セル３に供給されると、燃料極３２と空気極３３とにおいて電気化学反応が発生する。このような状態で、上述したように固体酸化物形燃料電池スタックの上端の空気極セパレータ６と下端の燃料極セパレータ１とを端子として負荷回路に接続すると、電力を取り出すことができる。
【００４１】
なお、未反応ガスは、図１の符号ｅで示すように、燃料流路１ａを通って他方の燃料ガス配管１ｂに到達し、この燃料ガス配管１ｂからスタック外部の排ガス回収装置（図示せず）に排出されることとなる。
【００４２】
同様に、未反応の酸化剤ガスは、図１の符号ｆで示すように、酸化剤流路６ａを通って他方の短辺側の酸化剤ガス配管６ｂに到達し、この酸化剤ガス配管６ｂからスタック外部に排出されることとなる。
【００４３】
以上説明したように、本実施の形態によれば、セルホルダ４を設けることにより、各単セル３を固体酸化物形燃料電池内部に正確に配設することが可能となるので、より容易に組み立てることができ、結果として生産効率を向上させることができる。これにより、マイクロセルアレイ化を容易に実現することが可能となり、発電能力の増大も容易に実現することができる。
【００４４】
なお、この単セル３をセルホルダ４に配設する方法は、ガラスシール５により単セル３をセルホルダ４に固定する方法に限定されず、各種方法を適用することができる。例えば、図４に示すように、レーザ溶接により単セル３をセルホルダ４に固定するようにしてもよい。この場合、セルホルダ４自体が薄い場合は、直接単セル３とセルホルダ４との接合部分にレーザ光を照射して、局部的にセルホルダ４の一部を融点以上とすればよい。一方、セルホルダ４自体が厚く、単セル３が小さい場合には、単セル３とセルホルダ４とをつなぐ様にドーナツ状の金属薄層を用意し、この金属薄層と単セル３およびセルホルダ４とをレーザ光を用いて接合するのが望ましい。電解質３１の上面の周縁部とセル配設孔４１の周縁部とが公知のレーザ溶接により溶着され、この溶着部７により固定されることとなる。
【００４５】
また、本実施の形態では、セルホルダ４を１つ設ける場合を例に説明したが、セルホルダは複数設けるようにしてもよい。この場合、例えば、図５に示すように、セルホルダ４同士を連結する枠状の連結部材１０を設け、これによりセルホルダ４を２次元的に連結するようにしてもよい。これにより、大面積の固体酸化物形燃料電池を実現することができる。また、曲げに対する強度が要求される場合であっても、セルホルダ４や連結部材１０を曲げに対する強度が高い材料を用いることにより、対応することが可能となる。さらに、連結部材１０により、セルホルダ４同士を密着させて連結するのではなく、ある程度間隔をあけた状態で連結することにより、熱膨張などによりセルホルダ４が撓んだ場合であっても、この撓みを吸収することも可能となる。なお、セルホルダ４と連結部材１０とは、図４に示すようなガラスシール１１やレーザ溶接等により溶着される。また、隣り合う単セル３の電解質３１の縁部同士は、金属膜１２により連結されている。これにより、燃料ガスと酸化剤ガスとが混合するのを防ぐことができる。
【００４６】
この図５などの場合において、単セル３は、上部メッシュ１３および下部メッシュ１４により、セルホルダ４に配設されるようにしてもよい。この場合、図５に示すように、セルホルダ４は、平面方向に対して垂直な断面が、セル配設孔４１の上縁部（空気極３３と近接する側）と下縁部（燃料極３２と近接する側）がセル配設孔４１の中央部に向かって延在した、略Ｉの字の形状を有するに形成される。なお、連結部材１０との接続部分については、セル配設孔４１の上縁部が連結部材１０の側に突出した形状に形成される。空気極３３側に設けられる上部メッシュ１３は、セル配設孔４１の対向する一対の辺の上縁部近傍のみに配設される。したがって、セル配設孔４１の上縁部側の開口は、その一対の辺近傍を除く部分が露出することとなる。一方、下部メッシュ１４は、周縁部がセル配設孔４１の下縁部に接続され、セル配設孔４１全体を覆うように設けられる。この下部メッシュ１４は、セルホルダ４と一体形成するようにしてもよい。この下部メッシュ１４は、燃料極３２と燃料極セパレータ１との接触面積が大きくなるよう、メッシュの目が粗くなるよう形成されるのが望ましい。このような構成を採ることにより、単セル３は、丈夫メッシュ１３および下部メッシュ１４により挟持された状態でセル配設孔４１に固定されることとなる。なお、このような上部メッシュ１３および下部メッシュ１４により単セル３をセル配設孔４１に配設する構成は、図１に示したようなセルホルダ１を１つのみ設ける場合にも適用できることは言うまでもない。
【００４７】
また、図６に示すように、図５に示したように連結部材１０により複数のセルホルダ４を２次元的に連結した場合においても、スタック化するようにしてもよい。この場合、燃料極セパレータ１および空気極セパレータ６を連結したセルホルダ４の平面形状に対応した大きさに形成するとともに、各単セル３に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給できるよう燃料流路１ａおよび酸化剤流路６ａを形成するようにすればよい。
【００４８】
また、本実施の形態では、燃料ガス配管１ｂおよび酸化剤ガス配管６ｂを、燃料極セパレータ１および空気極セパレータ６の短辺近傍に設ける場合を例に説明したが、さらに燃料極セパレータ１および空気極セパレータ６の中央部に燃料ガス配管１ｂや酸化剤ガス配管６ｂを設けるようにしてもよい。これにより、連結部材１０を用いて大口径の固体酸化物形燃料電池を実現した場合において、ガス流路を短縮するとともにし、ガス流路に沿った圧力損を低減することができる。
【００４９】
また、本実施の形態では、燃料極支持型の単セル３に適用した場合を例に説明したが、電解質支持型の単セルに適用するようにしてもよい。また、正方形の平面形状を有する単セル３について適用した場合を例に説明したが、単セル３の平面形状は正方形に限定されず、例えば、長方形、六角形、円形など適宜自由に設定することができる。なお、何れの平面形状の場合でも、セルホルダ４のセル配設孔４１の形状を単セルの平面形状と同等にすることにより、実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
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。
【符号の説明】
【００５１】
１…燃料極セパレータ、１ａ…燃料流路、１ｂ…燃料ガス配管、２…集電体、３…単セル、４…セルホルダ、５…ガラスシール、６ａ…酸化剤流路、６ｂ…酸化剤配管、６ｃ…突出部、７…溶着部、１０…連結部材、１１…ガラスシール、１２…金属膜、３１…電解質、３２…燃料極、３３…空気極、４１…セル配設孔、４２ａ，４２ｂ…酸化剤ガス供給孔、４３ａ，４３ｂ…酸化剤ガス排出孔、４４…燃料排出孔、４５…燃料供給孔。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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、燃料電池が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、並列または直列に複数重ね合わせたスタック構造を用いている。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。
【０００３】
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型や、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。
【０００４】
固体高分子形燃料電池では、作動温度が高々９０℃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。
【０００５】
これに対して、固体酸化物形燃料電池は、作動温度が６００℃以上と高温であるが、発電効率が４５％以上と高効率である。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、タービン発電などと組み合わせてより高効率のコジェネレーションシステムを構築できるという利点を有しており、発電所への用途などに期待されている。
【０００６】
このような固体酸化物形燃料電池において、発電能力を増加させるための１つの方法としては、単セルの大口径化が挙げられる。ところが、固体酸化物形燃料電池の単セルは、セラミックスから構成されるために、歩留まり、平坦性の担保、熱サイクル耐性などの観点から大口径化を実現することが技術的に困難であった。そこで、小型の単セルを並列に配設したマイクロセルアレイ化により、発電能力を増加させることが提案されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】田川博章、固体酸化物燃料電池と地球環境、株式会社 アグネ承風社、第１版第１刷、Ｐ２４−Ｐ２５、１９９８年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、マイクロセルアレイ化は、熱サイクル耐性や生産時の歩留まりが向上する一方、複数の単セルを用いるためにマイクロセルアレイの内部構造が複雑になるという新たな問題が発生していた。すなわち、マイクロセルアレイ化を実現する場合には、多数の単セルを収容し、かつ、各単セルに燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給する流路を備えたセパレータが用いられるが、各単セルとセパレータとの電気的な接続を行ったり、燃料ガスや酸化剤ガスの混合を防止したりするために、各単セルをセパレータ内の所定の位置に正確に配設する必要がある。ところが、小型の単セルを多数設けるので、各単セルを正確に配設することに手間がかかるため、生産効率を向上させることが困難であった。
【０００９】
そこで、本発明は、生産効率を向上させることができる固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述したような課題を解決するために、本発明に係る固体酸化物形燃料電池は、電解質、この電解質の一方の面に設けられた燃料極、および、電解質の他方の面に設けられた空気極からなる固体酸化物形燃料電池用の複数の単セルと、燃料極に対向して設けられ、単セルそれぞれの燃料極に燃料ガスを供給する第１の流路を備えた第１のセパレータと、空気極に対向して設けられ、単セルそれぞれの空気極に酸化剤ガスを供給する第２の流路を備えた第２のセパレータと、第１のセパレータと第２のセパレータの間に介在し、複数の単セルを第１の流路から燃料ガスが供給されかつ第２の流路から酸化剤ガスが供給される位置に配設する板状のセルホルダとを備えたことを特徴とするものである。
【００１１】
上記固体酸化物形燃料電池において、セルホルダは、複数の開口を有し、単セルは、当該開口から空気極が露出した状態でセルホルダに固定されるようにしてもよい。ここで、単セルは、レーザ溶接またはガラスシールによりセルホルダに固定されるようにしてもよい。
【００１２】
また、上記固体酸化物形燃料電池において、セルホルダは、このセルホルダに複数の単セルが固定されることにより、燃料極と空気極との間をガス不透過とするようにしてもよい。
【００１３】
また、上記固体酸化物形燃料電池において、セルホルダを複数備え、複数のセルホルダを互いに連結する連結部材をさらに備えるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、複数の単セルを第１の流路から燃料ガスが供給されかつ第２の流路から酸化剤ガスが供給される位置に配設する板状のセルホルダを設けることにより、各単セルを固体酸化物形燃料電池内部に正確に配設することができるので、組立が容易になり、結果として、生産効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池の要部断面図である。
【図２】図２は、セルホルダの一構成例を示す平面図である。
【図３】図３は、単セルを保持したセルホルダの状態を示す平面図である。
【図４】図４は、レーザ溶接により単セルを固定したセルホルダの状態を示す平面図である。
【図５】図５は、連結部材により複数のセルホルダを連結した状態を示す要部断面図である。
【図６】図６は、連結部材により複数のセルホルダを連結するとともにスタック化した状態を示す要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１７】
図１に示すように、本実施の形態に係る固体酸化物形燃料電池は、板状の燃料極セパレータ１と、この燃料極セパレータ１の上面に配設された集電体２と、この集電体２上に配設される複数の単セル３と、この単セル３を所定の位置に配設するセルホルダ４と、このセルホルダ４と単セル３ａ〜３ｎとの間に配設されるガラスシール５と、単セル３ａ〜３ｎ上に配設される板状の空気極セパレータ６と備えている。なお、図１では、燃料極セパレータ１については、後述する燃料流路１ａを横断する断面を、空気極セパレータ６については、後述する酸化剤流路６ａを横断する断面をそれぞれ示している。
【００１８】
燃料極セパレータ１は、例えば、クロムが１６〜２５％程度含まれているフェライト系の耐熱合金からなる直方体の板の形状を有し、燃料流路１ａおよび一対の燃料ガス配管１ｂが形成されている。燃料流路１ａは、燃料極セパレータ１上面の中央部に形成され、外部から供給された燃料ガスを集電体２を介して単セル３の燃料極に向けて送出したり、単セル１で酸化されなかった（未反応の）燃料ガス（以下、「未反応ガス」という）等を外部に排出したりする。燃料ガス配管１ｂは、燃料極セパレータ１の両短辺近傍に形成され、この燃料流路１ａに外部から供給された燃料を送出したり、燃料流路１ａから未反応ガスを外部に導出したりする。ここで、燃料流路１ａは、両方の燃料ガス配管１ｂを結ぶように、燃料極セパレータ１の長辺方向に沿って形成されている。
【００１９】
集電体２は、白金、銀、金、パラジウム、イリジウム、ロジウム等の金属、フェライト系耐熱合金の細線からなるメッシュや不織布、エキスパンドメタル、発泡金属など、電子伝導性が高く、６００〜１０００℃で化学的に安定な材料から構成される。
【００２０】
単セル３は、平面視矩形の燃料極支持型の単セルからなり、平板状の電解質３１、この電解質３１の一方の面に形成された平板状の燃料極３２、および電解質３１の他方の面に形成された平板状の空気極３３から構成される。ここで、電解質３１および燃料極３２の外径は、空気極３３よりも大きく形成されている。また、空気極３３は、電解質３１の中央部に形成される。したがって、電解質３１上面の周縁部、すなわち電解質３１の空気極３３が設けられた側の面の周縁部は、空気極３３が形成されておらず露出している。
【００２１】
電解質３１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）などのジルコニア系の材料から構成される。
【００２２】
燃料極３２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）などの金属Ｎｉと上述した電解質１を構成する材料との混合物などから構成される。
【００２３】
空気極３３は、例えば、タンランニッケルフェライト(Ｌａ(Ｎｉ,Ｆｅ)Ｏ3)、ランタンストロンチウムマンガネート((Ｌａ,Ｓｒ)ＭｎＯ3)、ランタンストロンチウムコバルタイト((Ｌａ,Ｓｒ)ＣｏＯ3)など、ペロブスカイト酸化物から構成される。
【００２４】
セルホルダ４は、金属製の平板からなり、燃料極セパレータ１および空気極セパレータ６と同等の平面視長方形の形状を有する。このようなセルホルダ４は、図２に示すように、短辺および長辺に沿ってマトリクス状に設けられた複数のセル配設孔４１を備えている。また、一方の短辺に沿って酸化剤ガス供給孔４２ａ，４２ｂが設けられ、他方の短辺に沿って酸化剤ガス排出孔４３ａ，４３ｂが設けられている。さらに、燃料排出孔４４が酸化剤ガス供給孔４２ａ，４２ｂの間に設けられ、燃料供給孔４５が酸化剤ガス排出孔４３ａ，４３ｂの間に設けられている。ここで、酸化剤ガス供給孔４２ａと酸化剤ガス排出孔４３ａ，酸化剤ガス供給孔４２ｂと空気排出口４３ｂ、燃料排出口４２と燃料供給孔４５は、それぞれ長辺に沿った延長線上に位置するように配設されている。また、酸化剤ガス供給孔４２ａ，４２ｂおよび酸化剤ガス排出孔４３ａ，４３ｂは、燃料排出孔４４および燃料供給孔４５よりも平面形状が大きく形成されている。
【００２５】
セル配設孔４１は、単セル３よりも小さい平面視矩形に形成されている。各セル配設孔４１の位置は、燃料ガスを供給する燃料極セパレータ１の燃料流路１ａの位置、酸化剤ガスを供給する空気極セパレータ６の酸化剤流路６ａの位置、および、当該セル配設孔４１に配設される単セル３と接触する突出部６ｃの位置に対応している。本実施の形態において、セル配設孔４１は、セルホルダ４の短辺方向に３個、セルホルダ４の長辺方向に６個形成されている。また、セル配設孔４１は、酸化剤ガス供給孔４２ａと酸化剤ガス排出孔４３ａ，酸化剤ガス供給孔４２ｂと空気排出口４３ｂ、または、燃料排出口４２と燃料供給孔４５とを結ぶ直線上に位置するように配設されている。
【００２６】
ガラスシール５は、例えば、ホウ珪酸ガラスなどの軟化点が動作温度付近のガラス材料から構成されている。このようなガラスシール５は、単セル３とセルホルダ４との間に設けられている。より具体的には、セルホルダ４下面のセル配設孔４１の縁部、言い換えると、単セル３の電解質３２の上面の縁部に配設されている。
【００２７】
空気極セパレータ６は、直方体の板の形状を有し、下面の中央部に形成され、外部から供給された酸化剤ガスを空気極３３に向けて送出したり、単セル３で未反応の酸化剤ガス等を外部に排出したりする酸化剤流路６ａと、空気極セパレータ６の両短辺近傍に２つずつ形成され、酸化剤流路６ａに外部から供給される酸化剤ガスを送出する酸化剤ガス配管６ｂとを備えている。また、酸化剤流路６ａには、単セル３の燃料極３３上面と接触する、空気極セパレータ６の下面側に突出した突出部６ｃが設けられている。ここで、酸化剤流路６ａは、両方の酸化剤ガス配管６ｂを結ぶように、空気極セパレータ６の長辺方向に沿って形成されている。このような空気極セパレータ６は、例えば、クロムが１６〜２５％程度含まれているフェライト系の耐熱合金から構成されている。
【００２８】
＜固体酸化物形燃料電池の組立方法＞
次に、固体酸化物形燃料電池の組立方法の一例について説明する。
【００２９】
まず、燃料流路１ａおよび燃料ガス配管１ｂとが形成された燃料極セパレータ１を用意し、この燃料極セパレータ１の燃料流路１ａが形成されている面上に、例えばニッケルの発泡体である発泡ニッケルからなる集電体２を載置する。
【００３０】
また、酸化剤ガス供給孔４２ａ，４２ｂ、燃料排出孔４４、酸化剤ガス排出孔４３ａ，４３ｂ、燃料供給孔４５およびセル配設孔４１が形成されたセルホルダ４を用意し、それぞれのセル配設孔４１に単セル３を配設する。
【００３１】
具体的には、電解質３１の上面の周縁部にガラスシール５を塗布し、燃料極３３をセル配設孔４１からその上面側に突出させた状態で、ガラスシール５とセルホルダ４下面におけるセル配設孔４１の周縁部とを接触させる。これにより、単セル３の電解質３１の上面とセルホルダ４の下面とがガラスシール５により接着され、セルホルダ４に単セル３が固定されることとなる。このとき、図３に示すように、セルホルダ４をその上面側から見たとき、セル配設孔４１からは、ガラスシール５，電解質３１および燃料極３２が露出した状態となる。このようにして、単セル３は、セルホルダ４の所定の位置に正確に配設される。また、セルホルダ４に配設された単セル３の燃料極３２と空気極３３との間には、電解質３１、セルホルダ４およびガラスシール５が介在することになる。
【００３２】
集電体２を載置した燃料極セパレータ１と、単セル３を配設したセルホルダ４とを準備し、集電体２上に単セル３の燃料極３２の下面が位置するように、セルホルダ４を燃料極セパレータ１上に載置する。このとき、一方の燃料ガス配管１ｂと燃料排出口４２、他方の燃料ガス配管１ｂと燃料供給孔４５とが鉛直方向に連続するように、燃料極セパレータ１とセルホルダ４の位置関係が調整される。これにより、単セル３の燃料極３２は、集電体２を介して燃料極セパレータ１の燃料流路１ａから燃料ガスの供給を得ることが可能となる。
【００３３】
セルホルダ４を載置すると、単セル３の空気極３３の上面と空気極セパレータ６の突出部６ｃとが接触するように、このセルホルダ４の上面に空気極セパレータ６を載置する。このとき、空気極セパレータ６における一方の短辺側の酸化剤ガス配管６ｂと酸化剤ガス供給孔４２ａ，４２ｂ、他方の短辺側の酸化剤ガス配管６ｂと酸化剤ガス排出孔４３ａ，４３ｂとが、鉛直方向に連続するように、セルホルダ４と空気極セパレータ６との位置関係が調整される。このようにして空気極セパレータ６を載置すると、単セル３の空気極３３は、空気極セパレータ６の対応する突出部６ｃに接触するとともに、対応する酸化剤流路６ａから酸化剤ガスの供給が得られる箇所に位置することとなる。このように、セルホルダ４と空気極セパレータ６との位置合わせを行うだけで、各単セル３と酸化剤流路６ａおよび突出部６ｃとの位置合わせが行われるので、単セル３毎の位置合わせが不要となるため、組立が容易となる。
【００３４】
なお、燃料極セパレータ１と空気極セパレータ６との対向する周縁部により形成される隙間には、絶縁材料からなるスペーサ（図示せず）も配設される。これにより、燃料極セパレータ１と空気極セパレータ６との間の空間の気密性を確保することが可能となる。
【００３５】
空気極セパレータ６を載置すると、空気極セパレータ６から燃料極セパレータ１に向けて荷重をかけることにより、セルホルダ４により保持された複数の単セル３が、燃料極セパレータ１と空気極セパレータ６との間に配設された固体酸化物形燃料電池が完成する。ここで、荷重をかけることにより、燃料極３２と空気極セパレータ６とがそれぞれ集電体２と空気極３３とに密着することとなるので、単セル３と燃料極セパレータ１および空気極セパレータ６との電気的接続が良好となる。
【００３６】
このような単セル３を２次元的に並べた固体酸化物形燃料電池では、燃料極セパレータ１と空気極セパレータ６とを端子として負荷回路に接続することにより、電力を取り出すことができる。また、単セル３を挟む燃料極セパレータ１と空気極セパレータ６とを１組として、これらを複数積層したスタックを構成するようにしてもよい。このスタックでは、燃料極セパレータ１は下に隣接するセルの空気極セパレータ６、空気極セパレータ６は上に隣接するセルの燃料極セパレータ１に、それぞれ電気的に接続されている。したがって、固体酸化物形燃料電池スタックの上端の空気極セパレータ６と下端の燃料極セパレータ１とを端子として負荷回路に接続することにより、電力を取り出すことができることとなる。
【００３７】
＜固体酸化物形燃料電池の発電動作＞
次に、上述したような手順で組み立てられる固体酸化物形燃料電池の発電動作は、以下に示す手順で行われる。
【００３８】
まず、ドライ水素等の燃料ガスは、図１の符号ａで示すように、燃料極セパレータ１の一方の燃料ガス配管１ｂから燃料流路１ａを通り、集電体２を経由して、単セル３の燃料極３２に供給される。ここで、燃料流路１ａは、一方の燃料ガス配管１ｂから他方の燃料ガス配管１ｂに亘って形成されている。したがって、燃料流路１ａに到達した燃料ガスは、図１の符号ｂで示すように、燃料流路１ａに沿って燃料極セパレータ１の長辺方向に流れていくこととなる。このとき、隣り合う単セル３の間は、電解質３１の縁部上面に設けられたガラスシール５およびセルホルダ４により塞がれており、燃料極３１と空気極３３との間がガス不透過とされている。したがって、燃料ガスは、空気極３３の側に流入することなく、燃料流路１ａを流れていくこととなる。
【００３９】
一方、空気等の酸化剤ガスは、図１の符号ｃで示すように、空気極セパレータ６の酸化剤ガス配管６ｂから酸化剤流路６ａを通り、単セル３の空気極３３に供給される。ここで、酸化剤流路６ａは、空気極セパレータ６の一方の短辺側の酸化剤ガス配管６ｂから他方の短辺側の酸化剤ガス流路６ｂに亘って形成されている。したがって、酸化剤流路６ａに到達した酸化剤ガスは、図１の符号ｄで示すように、酸化剤流路６ａに沿って空気極セパレータ６の長辺方向に流れていくこととなる。また、上述したように隣り合う単セル３の間は、電解質３１の縁部上面に設けられたガラスシール５およびセルホルダ４により塞がれており、燃料極３１と空気極３３との間がガス不透過とされている。したがって、酸化剤ガスは、燃料極２２の側に流入することなく、酸化剤流路６ａを流れていくこととなる。
【００４０】
このように燃料ガスおよび酸化剤ガスが所定の動作温度下において単セル３に供給されると、燃料極３２と空気極３３とにおいて電気化学反応が発生する。このような状態で、上述したように固体酸化物形燃料電池スタックの上端の空気極セパレータ６と下端の燃料極セパレータ１とを端子として負荷回路に接続すると、電力を取り出すことができる。
【００４１】
なお、未反応ガスは、図１の符号ｅで示すように、燃料流路１ａを通って他方の燃料ガス配管１ｂに到達し、この燃料ガス配管１ｂからスタック外部の排ガス回収装置（図示せず）に排出されることとなる。
【００４２】
同様に、未反応の酸化剤ガスは、図１の符号ｆで示すように、酸化剤流路６ａを通って他方の短辺側の酸化剤ガス配管６ｂに到達し、この酸化剤ガス配管６ｂからスタック外部に排出されることとなる。
【００４３】
以上説明したように、本実施の形態によれば、セルホルダ４を設けることにより、各単セル３を固体酸化物形燃料電池内部に正確に配設することが可能となるので、より容易に組み立てることができ、結果として生産効率を向上させることができる。これにより、マイクロセルアレイ化を容易に実現することが可能となり、発電能力の増大も容易に実現することができる。
【００４４】
なお、この単セル３をセルホルダ４に配設する方法は、ガラスシール５により単セル３をセルホルダ４に固定する方法に限定されず、各種方法を適用することができる。例えば、図４に示すように、レーザ溶接により単セル３をセルホルダ４に固定するようにしてもよい。この場合、セルホルダ４自体が薄い場合は、直接単セル３とセルホルダ４との接合部分にレーザ光を照射して、局部的にセルホルダ４の一部を融点以上とすればよい。一方、セルホルダ４自体が厚く、単セル３が小さい場合には、単セル３とセルホルダ４とをつなぐ様にドーナツ状の金属薄層を用意し、この金属薄層と単セル３およびセルホルダ４とをレーザ光を用いて接合するのが望ましい。電解質３１の上面の周縁部とセル配設孔４１の周縁部とが公知のレーザ溶接により溶着され、この溶着部７により固定されることとなる。
【００４５】
また、本実施の形態では、セルホルダ４を１つ設ける場合を例に説明したが、セルホルダは複数設けるようにしてもよい。この場合、例えば、図５に示すように、セルホルダ４同士を連結する枠状の連結部材１０を設け、これによりセルホルダ４を２次元的に連結するようにしてもよい。これにより、大面積の固体酸化物形燃料電池を実現することができる。また、曲げに対する強度が要求される場合であっても、セルホルダ４や連結部材１０を曲げに対する強度が高い材料を用いることにより、対応することが可能となる。さらに、連結部材１０により、セルホルダ４同士を密着させて連結するのではなく、ある程度間隔をあけた状態で連結することにより、熱膨張などによりセルホルダ４が撓んだ場合であっても、この撓みを吸収することも可能となる。なお、セルホルダ４と連結部材１０とは、図４に示すようなガラスシール１１やレーザ溶接等により溶着される。また、隣り合う単セル３の電解質３１の縁部同士は、金属膜１２により連結されている。これにより、燃料ガスと酸化剤ガスとが混合するのを防ぐことができる。
【００４６】
この図５などの場合において、単セル３は、上部メッシュ１３および下部メッシュ１４により、セルホルダ４に配設されるようにしてもよい。この場合、図５に示すように、セルホルダ４は、平面方向に対して垂直な断面が、セル配設孔４１の上縁部（空気極３３と近接する側）と下縁部（燃料極３２と近接する側）がセル配設孔４１の中央部に向かって延在した、略Ｉの字の形状を有するに形成される。なお、連結部材１０との接続部分については、セル配設孔４１の上縁部が連結部材１０の側に突出した形状に形成される。空気極３３側に設けられる上部メッシュ１３は、セル配設孔４１の対向する一対の辺の上縁部近傍のみに配設される。したがって、セル配設孔４１の上縁部側の開口は、その一対の辺近傍を除く部分が露出することとなる。一方、下部メッシュ１４は、周縁部がセル配設孔４１の下縁部に接続され、セル配設孔４１全体を覆うように設けられる。この下部メッシュ１４は、セルホルダ４と一体形成するようにしてもよい。この下部メッシュ１４は、燃料極３２と燃料極セパレータ１との接触面積が大きくなるよう、メッシュの目が粗くなるよう形成されるのが望ましい。このような構成を採ることにより、単セル３は、丈夫メッシュ１３および下部メッシュ１４により挟持された状態でセル配設孔４１に固定されることとなる。なお、このような上部メッシュ１３および下部メッシュ１４により単セル３をセル配設孔４１に配設する構成は、図１に示したようなセルホルダ１を１つのみ設ける場合にも適用できることは言うまでもない。
【００４７】
また、図６に示すように、図５に示したように連結部材１０により複数のセルホルダ４を２次元的に連結した場合においても、スタック化するようにしてもよい。この場合、燃料極セパレータ１および空気極セパレータ６を連結したセルホルダ４の平面形状に対応した大きさに形成するとともに、各単セル３に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給できるよう燃料流路１ａおよび酸化剤流路６ａを形成するようにすればよい。
【００４８】
また、本実施の形態では、燃料ガス配管１ｂおよび酸化剤ガス配管６ｂを、燃料極セパレータ１および空気極セパレータ６の短辺近傍に設ける場合を例に説明したが、さらに燃料極セパレータ１および空気極セパレータ６の中央部に燃料ガス配管１ｂや酸化剤ガス配管６ｂを設けるようにしてもよい。これにより、連結部材１０を用いて大口径の固体酸化物形燃料電池を実現した場合において、ガス流路を短縮するとともにし、ガス流路に沿った圧力損を低減することができる。
【００４９】
また、本実施の形態では、燃料極支持型の単セル３に適用した場合を例に説明したが、電解質支持型の単セルに適用するようにしてもよい。また、正方形の平面形状を有する単セル３について適用した場合を例に説明したが、単セル３の平面形状は正方形に限定されず、例えば、長方形、六角形、円形など適宜自由に設定することができる。なお、何れの平面形状の場合でも、セルホルダ４のセル配設孔４１の形状を単セルの平面形状と同等にすることにより、実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
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。
【符号の説明】
【００５１】
１…燃料極セパレータ、１ａ…燃料流路、１ｂ…燃料ガス配管、２…集電体、３…単セル、４…セルホルダ、５…ガラスシール、６ａ…酸化剤流路、６ｂ…酸化剤配管、６ｃ…突出部、７…溶着部、１０…連結部材、１１…ガラスシール、１２…金属膜、３１…電解質、３２…燃料極、３３…空気極、４１…セル配設孔、４２ａ，４２ｂ…酸化剤ガス供給孔、４３ａ，４３ｂ…酸化剤ガス排出孔、４４…燃料排出孔、４５…燃料供給孔。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質、この電解質の一方の面に設けられた燃料極、および、前記電解質の他方の面に設けられた空気極からなる固体酸化物形燃料電池用の複数の単セルと、
前記燃料極に対向して設けられ、前記単セルそれぞれの燃料極に燃料ガスを供給する第１の流路を備えた第１のセパレータと、
前記空気極に対向して設けられ、前記単セルそれぞれの空気極に酸化剤ガスを供給する第２の流路を備えた第２のセパレータと、
前記第１のセパレータと前記第２のセパレータの間に介在し、複数の前記単セルを前記第１の流路から前記燃料ガスが供給されかつ前記第２の流路から前記酸化剤ガスが供給される位置に配設する板状のセルホルダと
を備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記セルホルダは、複数の開口を有し、
前記単セルは、当該開口から前記空気極が露出した状態で前記セルホルダに固定される
ことを特徴とする請求項１記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記単セルは、レーザ溶接またはガラスシールにより前記セルホルダに固定される
ことを特徴とする請求項２記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
前記セルホルダは、当該セルホルダに複数の前記単セルが固定されることにより、前記燃料極と前記空気極との間をガス不透過とする
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
前記セルホルダを複数備え、
複数の前記セルホルダを互いに連結する連結部材をさらに備える
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項１】
電解質、この電解質の一方の面に設けられた燃料極、および、前記電解質の他方の面に設けられた空気極からなる固体酸化物形燃料電池用の複数の単セルと、
前記燃料極に対向して設けられ、前記単セルそれぞれの燃料極に燃料ガスを供給する第１の流路を備えた第１のセパレータと、
前記空気極に対向して設けられ、前記単セルそれぞれの空気極に酸化剤ガスを供給する第２の流路を備えた第２のセパレータと、
前記第１のセパレータと前記第２のセパレータの間に介在し、複数の前記単セルを前記第１の流路から前記燃料ガスが供給されかつ前記第２の流路から前記酸化剤ガスが供給される位置に配設する板状のセルホルダと
を備えたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記セルホルダは、複数の開口を有し、
前記単セルは、当該開口から前記空気極が露出した状態で前記セルホルダに固定される
ことを特徴とする請求項１記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記単セルは、レーザ溶接またはガラスシールにより前記セルホルダに固定される
ことを特徴とする請求項２記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
前記セルホルダは、当該セルホルダに複数の前記単セルが固定されることにより、前記燃料極と前記空気極との間をガス不透過とする
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
前記セルホルダを複数備え、
複数の前記セルホルダを互いに連結する連結部材をさらに備える
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１１９２０９（Ｐ２０１２−１１９２０９Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６９１１０（Ｐ２０１０−２６９１１０）
【出願日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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