固体電解質型燃料電池
【課題】ガス濃度の均一化を図った固体電解質型燃料電池を得る。
【解決手段】固体電解質体２の一方の側に燃料ガスに接する燃料極４を他方の側に酸化剤ガスに接する空気極６を設けた単セル１を備えている。燃料極４側に、単セル１を間に燃料ガスが供給される流入孔５４と燃料ガスが排出される流出孔３８とを対向して配置する。また、流入孔５４からの燃料ガスを燃料極４の表面に分散して導く整流部材４０を設ける。流入孔５４に連通したガス流入層６２と流出孔３８に連通したガス流出層４４とを形成すると共に、ガス流出層４４に燃料極４を配置し、また、整流部材４０は板状で、ガス流入層６２とガス流出層４４とを整流部材４０により仕切ると共に、整流部材４０に複数の通過孔４６を形成した。
【解決手段】固体電解質体２の一方の側に燃料ガスに接する燃料極４を他方の側に酸化剤ガスに接する空気極６を設けた単セル１を備えている。燃料極４側に、単セル１を間に燃料ガスが供給される流入孔５４と燃料ガスが排出される流出孔３８とを対向して配置する。また、流入孔５４からの燃料ガスを燃料極４の表面に分散して導く整流部材４０を設ける。流入孔５４に連通したガス流入層６２と流出孔３８に連通したガス流出層４４とを形成すると共に、ガス流出層４４に燃料極４を配置し、また、整流部材４０は板状で、ガス流入層６２とガス流出層４４とを整流部材４０により仕切ると共に、整流部材４０に複数の通過孔４６を形成した。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質体の一方の側に燃料ガスに接する燃料極を他方の側に酸化剤ガスに接する空気極を設けた固体電解質型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、固体電解質型燃料電池では、固体電解質体の一方の側に燃料ガスに接する燃料極を他方の側に酸化剤ガスに接する空気極を設けた単セルを構成し、一つの単セルでは高い電圧が得られないので、例えば、平板型の固体電解質型燃料電池では、単セルとインターコネクタ板とを交互に積層してスタック化している。
【０００３】
燃料ガスや酸化剤ガスは、積層方向と直交する横方向から燃料極や空気極に接するように燃料極や空気極の表面に沿って流れ、使用に供された燃料ガスや酸化剤ガスは、同様に横方向から排出される。そして、発電時には単セル自体が抵抗発熱するが、上流側が燃料が濃いので発熱が大きく、下流側は燃料が薄くなって発熱が小さくなる。このため、温度分布に差が生じ、熱応力等により、単セルが破損する場合がある。
【０００４】
そこで、特許文献１にあるように、同一面内に複数の単セルを設けて、面内の温度分布に応じて単セルの形状、サイズを異ならせて、温度分布が均一になるようにしている。また、特許文献２にあるように、燃料ガスの流路と、酸化剤ガスの流路とが直交するガスフロータイプの固体電解質型燃料電池において、酸化剤ガスの流れを折り返すことにより、あるいは、燃料ガスの流れを折り返すことにより、温度分布が均一になるようにしている。
【特許文献１】特開２００２−２７０１９８号公報
【特許文献２】特開２００２−２０８４１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、こうした特許文献１のものでも特許文献２のものでも、上流側では燃料が濃く、下流側では燃料が薄くなることに違いはなく、同一セル面内での発電量の不均一を解消できない。そのため、温度分布の均一化に限界があり、同一セル面内での発電量の不均一の解消や、セルの破損等に対する耐久性の改善が十分でないという問題があった。
【０００６】
また、セルの発電量を決定する際、下流側の特性を基準として算出するので、セルの出力密度を低く設定しなければならず、セルが大型化してしまうという問題もあった。
本発明の課題は、ガス濃度の均一化を図った固体電解質型燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる課題を達成すべく、本発明は課題を解決するため次の手段を取った。即ち、
固体電解質体の一方の側に燃料ガスに接する燃料極を他方の側に酸化剤ガスに接する空気極を設けた単セルを備えた固体電解質型燃料電池において、
少なくとも前記燃料極又は前記空気極の一方の極側で、前記単セルを間に前記ガスが供給される流入孔と前記ガスが排出される流出孔とを対向して配置すると共に、前記流入孔からの前記ガスを前記極の表面に分散して導く整流部材を設けたことを特徴とする固体電解質型燃料電池がそれである。
【０００８】
前記流入孔に連通したガス流入層と前記流出孔に連通したガス流出層とを形成すると共に、前記ガス流出層に前記極を配置し、また、前記整流部材は板状で、前記ガス流入層と前記ガス流出層とを前記整流部材により仕切ると共に、前記整流部材に複数の通過孔を形成した構成としてもよい。その際、前記ガス流入層に改質触媒を配置した構成としてもよい。あるいは、前記ガス流入層に金属メッシュ又は発泡金属を配置した構成としてもよい。また、前記整流部材は導電性を有し、かつ、前記整流部材の少なくとも一部が前記整流部材との間に前記ガス流入層を形成するインターコネクタ板及び前記極に接している構成としてもよい。
【０００９】
更には、前記整流部材の前記流入孔側には、前記整流部材の前記流出孔側よりも多くの前記通過孔を形成した構成としてもよい。あるいは、前記整流部材の前記流入孔側に形成した前記通過孔の断面積は、前記整流部材の前記流出孔側に形成した前記通過孔の断面積よりも大きい構成としてもよい。また、前記整流部材の縁側に形成した前記通過孔の断面積は、前記整流部材の中央側に形成した前記通過孔の断面積よりも大きい構成としてもよい。前記流出孔の総断面積≧前記流入孔の総断面積≧前記通過孔の総断面積となる関係に形成してもよい。
【００１０】
また、前記流入孔に連通したガス流入層と前記流出孔に連通したガス流出層とを形成すると共に、前記ガス流出層に前記極を配置し、かつ、前記ガス流入層に金属メッシュ又は発泡金属からなる前記整流部材を配置した構成としてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の固体電解質型燃料電池は、整流部材がガスを極の表面に分散して導くので、ガス濃度の均一化を図ることができ、これにより、温度分布が均一化されてセルの破損等を防止できるという効果を奏する。
【００１２】
また、複数の通過孔を設けた板状の整流部材によりガス流入層とガス流出層とを仕切ることにより、極の表面にガスを分散して導くことができる。更に、従来技術は、発電に必要な燃料（または空気）を電極面に対して、平行に供給しているが、複数の通過孔を設けた板状の整流部材によりガス流入層とガス流出層とに仕切ることにより供給するガスを電極面に対して垂直方向に供給することができるので、ガス濃度の均一化を図ることができる。
【００１３】
また、ガス流入層に改質触媒を配置することにより、小型化を図ることができる。また、通過孔の配置や断面積の大きさを変えることにより、よりガス濃度の均一化を図ることができる。
【００１４】
流出孔の総断面積≧流入孔の総断面積≧通過孔の総断面積となる関係に形成することにより、流入孔から流出孔へガスが流れる際に、各通過孔に分散して流れ整流効果をより確実に得ることができる。
【００１５】
更に、整流部材に金属メッシュや発泡金属を用いることにより、より細かくガス濃度の均一化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１に示すように、１は単セルで、単セル１は、平板状の固体酸化物を用いた固体電解質体２を備え、固体電解質体２の一方の側に燃料極４が、固体電解質体２の他方の側に空気極６が設けられている。
【００１７】
空気極６は、気相の酸素が電子と反応して酸素イオンになる場であり、酸素が空気極６上に吸着・解離し、電子と反応場において結合し、酸素イオンとなる。空気極６には多孔質体が用いられ、その材料としては、例えば、各種の金属、金属の酸化物、金属の複酸化物等を用いることができる。
【００１８】
金属としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ及びＲｈ等の金属又は２種以上の金属を含有する合金が挙げられる。更に、金属の酸化物としては、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ及びＦｅ等の酸化物（Ｌａ2Ｏ3、ＳｒＯ、Ｃｅ2Ｏ3、Ｃｏ2Ｏ3、ＭｎＯ2及びＦｅＯ等）が挙げられる。また、複酸化物としては、少なくともＬａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＭｎ等を含有する複酸化物（Ｌａ1-xＳｒxＣｏＯ3系複酸化物、Ｌａ1-xＳｒxＦｅＯ3系複酸化物、Ｌａ1-xＳｒxＣｏ1-yＦｅyＯ3系複酸化物、Ｌａ1-xＳｒxＭｎＯ3系複酸化物、Ｐｒ1-xＢａxＣｏＯ3系複酸化物及びＳｍ1-xＳｒxＣｏＯ3系複酸化物等）が挙げられる。
【００１９】
固体電解質体２は、空気極６から燃料極４に酸素イオンを運ぶ働きをし、空気極６において生成する酸素イオンは固体電解質体２に移動し、固体電解質体２の酸素空孔と位置を交換しながら燃料極４側に移動する。固体電解質体２は酸素イオン導電性酸化物であり、電子導電性はなく、気相の水素と酸素とを物理的に隔離する。
【００２０】
固体電解質体２の材料としては、例えばＺｒＯ2系セラミック、ＬａＧａＯ3系セラミック、ＢａＣｅＯ3系セラミック、ＳｒＣｅＯ3系セラミック、ＳｒＺｒＯ3系セラミック、及びＣａＺｒＯ3系セラミック等が挙げられる。
【００２１】
燃料極４は、水素が酸素イオンと反応して水蒸気と電子を生成する反応場であり、水素は燃料極４上に吸着・解離して水素原子になり、更に固体電解質体２の酸素イオンと反応して水蒸気になる。
【００２２】
燃料極４には多孔質体が用いられ、その材料としては、例えば、Ｎｉ及びＦｅ等の金属と、Ｓｃ、Ｙ等の希土類元素のうちの少なくとも１種により安定化されたジルコニア等のＺｒＯ2系セラミック、ＣｅＯ2系セラミック等のセラミックのうちの少なくとも１種との混合物などが挙げられる。
【００２３】
また、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ及びＦｅ等の金属が挙げられる。これらの金属は１種のみでもよいし、２種以上の金属の合金でもよい。更に、これらの金属や合金と、上記セラミックの各々の少なくとも１種との混合物（サーメットを含む）が挙げられる。また、Ｎｉ及びＦｅ等の金属の酸化物と、上記セラミックの各々の少なくとも１種との混合物などが挙げられる。
【００２４】
本実施形態では、燃料極４の厚さを厚く形成して、燃料極４で支持するように構成されており、いわゆる支持膜式といわれる構成である。図２に示すように、単セル１は、金属製のセパレータ８に取り付けられており、セパレータ８はほぼ矩形に形成されて、中央には矩形状の貫通窓９が形成されている。貫通窓９は空気極６よりも大きく、固体電解質体２よりも小さく形成されており、空気極６が貫通窓９を通して臨むように単セル１がセパレータ８に取り付けられている。
【００２５】
また、セパレータ８には、４個の取付孔１０がセパレータ８の四隅にそれぞれ貫通形成されると共に、セパレータ８には、セパレータ８の縁に沿って、４個の流路孔１１−１〜１１−４が四隅の各取付孔１０の中間に貫通形成されている。
【００２６】
セパレータ８には、中央に中抜き孔１２が形成された枠状の絶縁板１３が積層されており、電気絶縁性を有する絶縁板１３にも取付孔１４及び流路孔１５−１〜１５−４が、セパレータ８の取付孔１０及び流路孔１１−１〜１１−４と同じ位置に設けられている。絶縁板１３には空気極フレーム１６が積層されており、空気極フレーム１６は中央に中抜き孔１７が形成された枠状に形成されると共に、その周囲に取付孔１８及び流路孔１９−１〜１９−４がセパレータ８の取付孔１０及び流路孔１１−１〜１１−４と同じ位置に設けられている。
【００２７】
本実施形態では、複数の流路孔１９−１〜１９−４のうちの単セル１を間に対向する２つの流路孔１９−１，１９−２に連通して流入孔２０と流出孔２２とが形成されている。流入孔２０と流出孔２２とは、空気極フレーム１６の絶縁板１３側の平坦面が溝状に窪まされて、流路孔１９−１，１９−２と空気極フレーム１６の中抜き孔１７とが連通されるように形成されている。尚、複数の流路孔１９−１〜１９−４のうち、添字−１の流路孔１９−１には流入孔２０が連通し、添字−２の流路孔１９−２には、流出孔２２が連通していることを示す。前述及び後述する各流路孔１１−１，１１−２，１５−１，１５−２，２６−１，２６−２，３６−１，３６−２，４２−１，４２−２，５２−１，５２−２，５８−１，５８−２についても同様である。
【００２８】
空気極フレーム１６には平板状のインターコネクタ板２４が積層されており、インターコネクタ板２４は電気導電性を有する金属板等により形成されている。インターコネクタ板２４にも取付孔２５及び流路孔２６−１〜２６−４が形成されており、セパレータ８の取付孔１０及び流路孔１１−１〜１１−４と同じ位置に設けられている。
【００２９】
インターコネクタ板２４と空気極６との間には、電気導電性を有する金属メッシュや目の粗い発泡金属等からなる集電体２８が配置されて、インターコネクタ板２４と空気極６とが集電体２８を介して導通されている。
【００３０】
絶縁板１３の中抜き孔１２と空気極フレーム１６の中抜き孔１７とが、単セル１、セパレータ８、インターコネクタ板２４により閉塞されて、ガス流出入層３０が形成されており、ガス流出入層３０に露出した空気極６に、ガス流出入層３０内の酸化剤ガスが接することができるように構成されている。
【００３１】
また、セパレータ８の燃料極４側の面には、中央に中抜き孔３２が形成された枠状のガス流出層用フレーム３４が重ね合わされ、セパレータ８とガス流出層用フレーム３４とが積層されている。
【００３２】
中抜き孔３２は、燃料極４よりも大きく形成されて、中抜き孔３２内に燃料極４が収納できるように形成されている。ガス流出層用フレーム３４の厚さは、固体電解質体２と燃料極４との合計厚さとほぼ同じに形成されている。
【００３３】
ガス流出層用フレーム３４にも複数の取付孔３５及び流路孔３６−１〜３６−４が、セパレータ８の取付孔１０及び流路孔１１−１〜１１−４と同じ位置に設けられている。複数の流路孔３６−１〜３６−４のうちの一つの流路孔３６−３に連通して流出孔３８が形成されている。流出孔３８はセパレータ８と反対側の平坦面が溝状に窪まされて、流路孔３６−３とガス流出層用フレーム３４の中抜き孔３２とが連通されるように形成されている。ガス流出層用フレーム３４の流出孔３８は、空気極フレーム１６の流出孔２２とは位相が９０度異なるように形成されている。流出孔３８は、１個に限らず、並列に複数個形成してもよい。尚、複数の流路孔３６−１〜３６−４のうち、添字−３の流路孔３６−３は流出孔３８に連通していることを示す。前述及び後述する各流路孔１１−３，１５−３，１９−３，２６−３，４２−３，５２−３，５８−３についても同様である。
【００３４】
ガス流出層用フレーム３４には、更に、板状の整流部材４０が重ね合わされて、ガス流出層用フレーム３４と整流部材４０とが積層されている。整流部材４０にも取付孔４１及び流路孔４２−１〜４２−４が、セパレータ８の取付孔１０及び流路孔１１−１〜１１−４と同じ位置に設けられている。
【００３５】
ガス流出層用フレーム３４の中抜き孔３２が、単セル１、セパレータ８、整流部材４０により閉塞されて、ガス流出層４４が形成されており、ガス流出層４４に固体電解質体２と燃料極４とが収納されている。整流部材４０は電気導電性を有する金属等により形成されており、整流部材４０は燃料極４の表面に接触するように配置されている。また、整流部材４０には、燃料極４の表面に対向して多数の通過孔４６がほほ均等に分散して配置されている。
【００３６】
整流部材４０には、中央に中抜き孔４８が形成された枠状のガス流入層用フレーム５０が重ね合わされて、整流部材４０とガス流入層用フレーム５０とが積層されている。ガス流入層用フレーム５０の中抜き孔４８は、ガス流出層用フレーム３４の中抜き孔３２とほぼ同じ大きさに形成されている。
【００３７】
ガス流入層用フレーム５０にも複数の取付孔５１及び流路孔５２−１〜５２−４が、セパレータ８の取付孔１０及び流路孔１１−１〜１１−４と同じ位置に設けられている。複数の流路孔５２−１〜５２−４のうちの一つの流路孔５２−４に連通して流入孔５４が形成されている。流入孔５４は整流部材４０と反対側の平坦面が溝状に窪まされて、流路孔５２−４とガス流入層用フレーム５０の中抜き孔４８とが連通されるように形成されている。ガス流入層用フレーム５０の流入孔５４は、ガス流出層用フレーム３４の流出孔３８と単セル１を間にして対向して形成されている。流入孔５４は、１個に限らず、並列に複数個形成してもよい。
【００３８】
尚、複数の流路孔５２−１〜５２−４のうち、添字−４の流路孔５２−４は流入孔５４に連通していることを示す。前述及び後述する各流路孔１１−４，１５−４，１９−４，２６−４，３６−４，４２−４，５８−４についても同様である。また、流出孔３８、流入孔５４、通過孔４６との流路断面積の大きさが、流出孔３８の総断面積≧流入孔５４の総断面積≧通過孔４６の総断面積となる関係に形成するとよい。
【００３９】
ガス流入層用フレーム５０には、平板状のインターコネクタ板５６が重ね合わされて、ガス流入層用フレーム５０とインターコネクタ板５６とが積層されている。インターコネクタ板５６は電気導電性を有する金属板等により形成されている。インターコネクタ板５６にも取付孔５７及び流路孔５８−１〜５８−４が形成されており、セパレータ８の取付孔１０及び流路孔１１−１〜１１−４と同じ位置に設けられている。
【００４０】
整流部材４０とインターコネクタ板５６との間には、電気導電性を有する金属メッシュや目の粗い発泡金属等からなる集電体６０が配置されて、整流部材４０とインターコネクタ板５６とが集電体６０を介して導通されている。尚、集電体６０を設けることなく、燃料極４とインターコネクタ板５６とを整流部材４０及びガス流入層用フレーム５０を介して導通するようにしてもよいが、整流部材４０の厚さが薄いので、その際には、電気抵抗が増加する。
【００４１】
ガス流入層用フレーム５０の中抜き孔４８は、整流部材４０とインターコネクタ板５６とにより閉塞されて、ガス流入層６２が形成されている。尚、集電体６０に、メタンガスを改質する改質触媒を担持するようにしてもよい。これにより、燃料ガスとして都市ガスを用いた際に、燃料ガスに含まれるメタンガスを改質できる。
【００４２】
インターコネクタ板２４、空気極フレーム１６、絶縁板１３、セパレータ８、ガス流出層用フレーム３４、整流部材４０、ガス流入層用フレーム５０、インターコネクタ板５６の各取付孔２５，１８，１４，１０，３５，４１，５１，５７には、それぞれ図示しないボルトが挿入され、また、これらの各流路孔２６，１９，１５，１１，３６，４２，５２，５８にも図示しないボルトが絶縁されて挿入され、これらが積層固定されている。尚、これらが複数交互に積層されて燃料電池が構成されている。
【００４３】
また、空気極フレーム１６の流入孔２０に連通する各流路孔２６−１，１９−１，１５−１，１１−１，３６−１，４２−１，５２−１，５８−１には、酸化剤ガスが供給されて、流入孔２０からガス流出入層３０に流入する。空気極フレーム１６の流出孔２２に連通する各流路孔２６−２，１９−２，１５−２，１１−２，３６−２，４２−２，５２−２，５８−２には、ガス流出入層３０からの消費された酸化剤ガスが流出する。
【００４４】
更に、ガス流入層用フレーム５０の流入孔５４に連通する各流路孔２６−４，１９−４，１５−４，１１−４，３６−４，４２−４，５２−４，５８−４には、燃料ガスが供給されて、流入孔５４からガス流入層６２に流入する。ガス流出層用フレーム３４の流出孔３８に連通している各流路孔２６−３，１９−３，１５−３，１１−３，３６−３，４２−３，５２−３，５８−３からは、ガス流出層４４からの消費された燃料ガスが流出する。尚、各取付孔１０，１４，１８，２５，３５，４１，５１，５７では、ガスの給排は行われない。
【００４５】
次に、前述した本実施形態の固定電解質型燃料電池の作動について説明する。
まず、空気極フレーム１６の流入孔２０に、本実施形態では、空気を用いた酸化剤ガスが供給されると、酸化剤ガスは流入孔２０からガス流出入層３０に流入する。そして、空気極６に接した酸化剤ガスは、酸素が電子と反応して酸素イオンになり、生成された酸素イオンが固体電解質体２に移動し、固体電解質体２の酸素空孔と位置を交換しながら燃料極４側に移動する。空気のうち、酸素が消費された酸化剤ガスはガス流出入層３０から流出孔２２を通り、排出される。
【００４６】
一方、ガス流入層用フレーム５０の流入孔５４に流入した燃料ガスは、流入孔５４からガス流入層６２に流入する。そして、整流部材４０の各通過孔４６を通り、ガス流出層４４内の燃料極４に供給される。
【００４７】
燃料極４に供給された燃料ガスは、本実施形態では燃料ガスとして用いた水素が酸素イオンと反応して水蒸気と電子を生成する。その際、１モルの水素が消費されると、１モルの水蒸気が生成される。水素が消費され、生成された水蒸気が一部の未消費の燃料ガスに混じり合いながら、ガス流出層４４及びガス流出層用フレーム３４の流出孔３８から、排出される。
【００４８】
ガスが流入孔５４から流出孔３８に流れる間に、流入孔５４に近い側の燃料極４では、燃料ガス濃度がほぼ１００％の燃料ガスが燃料極４に接して消費され、かわりに生成された水蒸気が燃料ガスに混じり合う。水蒸気が混合した分、燃料ガス中の燃料ガス濃度が低下する。
【００４９】
流出孔３８に近づくほど、燃料ガスには上流側で生成された水蒸気が混じり合っているので、燃料ガス中の燃料ガス濃度が低くなる。しかし、流入孔５４からガス流入層６２に流入した燃料ガスは、ガス流入層６２から各通過孔４６に供給される。各通過孔４６は、本実施形態では、燃料極４の表面に対向してほぼ均等に分散した配置されているので、各通過孔４６からは、燃料ガス濃度がほぼ１００％の燃料ガスが燃料極４に供給される。
【００５０】
流出孔３８に近づくに従って、より多くの水蒸気が生成されて燃料ガスに混じり合い、燃料ガス濃度が低下するが、各通過孔４６から燃料ガス濃度がほぼ１００％の燃料ガスが燃料極４に供給されるので、燃料極４内での燃料ガスの燃料ガス濃度の低下が抑制される。従って、燃料極４の各部分での発電量のばらつきを抑制できるので、温度分布の不均衡を抑制できる。これにより、温度分布の不均衡による単セル１の破損を防止できる。
【００５１】
流出孔３８の総断面積≧流入孔５４の総断面積≧通過孔４６の総断面積となる関係に形成することにより、ガス流入層６２の圧力がガス流出層４４の圧力よりも低くなることを防止でき、流入孔５４から流出孔３８へガスが流れる際に、各通過孔４６に分散して流れ整流効果をより確実に得ることができる。
【００５２】
本実施形態では、図３（イ）に示すように、整流部材４０に燃料極４の表面に対向して通過孔４６をほぼ均等に分散して配置しているが、これに限らず、図３（ロ）に示すように、整流部材４０の流入孔５４側には、即ち、整流部材４０の中心を基準に流入孔５４に近い領域には、通過孔４６の配置が密となるように多くの通過孔４６を形成し、整流部材４０の流出孔３８側には、即ち、整流部材４０の中心を基準に流出孔３８に近い領域には、流入孔５４側よりも通過孔４６の配置が粗になるように少ない数の通過孔４６を形成するようにしてもよい。これにより、流入孔５４に近い側（上流側）に多くの燃料ガスを供給して、燃料ガス濃度をより均一化できる。
【００５３】
また、図３（ハ）に示すように、整流部材４０の流入孔５４側では、即ち、整流部材４０の中心を基準に流入孔５４に近い領域では、通過孔４６の断面積を大きく形成し、整流部材４０の流出孔３８側では、即ち、整流部材４０の中心を基準に流出孔３８に近い領域では、通過孔４６の断面積を小さく形成してもよい。これによっても、流入孔５４に近い側（上流側）に多くの燃料ガスを供給して、燃料ガス濃度をより均一化できる。
【００５４】
更に、図３（ニ）に示すように、整流部材４０の縁側に形成した通過孔４６の断面積を、即ち、整流部材４０の最外部に形成した通過孔４６の断面積を、整流部材４０の中央側に形成した通過孔４６の断面積よりも、即ち、整流部材４０の中心に一番近くに形成した通過孔４６の断面積よりも、大きく形成してもよい。これにより、流入孔５４から流出孔３８に至る流路から離れた縁側の燃料極４の表面に燃料ガスを確実に供給する。よって、燃料ガス濃度をより均一化できる。
【００５５】
前述した実施形態では、ガス流入層用フレーム５０には中抜き孔４８を形成したが、図４に示すように、整流部材４０の各通過孔４６に連通するように、流入孔７４から流出孔３８に向かって複数の溝７２を形成して、ガス流入層を形成するようにしても同様に実施可能である。
【００５６】
また、前述した実施形態では、整流部材４０とインターコネクタ板５６との間に集電体６０を配置したが、これに限らず、整流部材４０により集電体を兼用するようにしてもよい。例えば、図５に示すように、電気導電性を有する板状の整流部材４０に燃料極４側に突出し燃料極４に接するディンプル部７６とインターコネクタ板５６側に突出しインターコネクタ板５６に接するディンプル部７８とを複数形成すると共に、前述したと同様に複数の通過孔４６を形成する。これにより、整流部材４０のディンプル部７６，７８を介して、燃料極４とインターコネクタ板５６とが導通され、部品点数を低減できる。尚、このようなディンプル部７６，７８を設けた整流部材４０は、燃料極４側に限らず、空気極６側でも同様に実施可能である。
【００５７】
次に、前述した本実施形態と異なる第２実施形態の固体電解質型燃料電池について、図６、図７によって説明する。尚、前述した実施形態と同じ部材については同一番号を付して詳細な説明を省略する。以下同様。
【００５８】
本第２実施形態では、前述したガス流入層用フレーム５０を用いることなく、整流部材８０のほぼ中央に、燃料極４の表面に対向して、燃料極４側に突出した突部８２を形成している。突部８２には、前述したと同様の多数の通過孔８４をほぼ均等に分散して配置している。
【００５９】
整流部材８０と燃料極４との間には、突部８２の外周よりも大きな枠状の集電体８６を設けている。整流部材８０には直接、板状のインターコネクタ板８８が重ね合わされて、整流部材８０とインターコネクタ板８８とが積層されている。
【００６０】
このインターコネクタ板８８と整流部材８０の突部８２とによりガス流入層９０が形成されており、本第２実施形態では、ガス流入層９０にはメタンガスを改質する改質触媒９２が収納されている。改質触媒９２は、多孔性のＮｉ−ＴＳＺ板により形成されている。尚、改質触媒９２は必要に応じて設ければよい。インターコネクタ板８８には、流路孔５８−４とガス流入層９０とを連通する溝状の流入孔９４が形成されている。
【００６１】
この第２実施形態の固体電解質型燃料電池でも、流入孔９４に供給された燃料ガスは、流入孔９４からガス流入層９０に流入し、改質触媒９２を通って、各通過孔８４から燃料極４に供給される。燃料ガスが燃料極４で消費されて、ガス流出層４４から流出孔３８を通り、排出される。
【００６２】
流出孔３８に近づくに従って、より多くの水蒸気が生成されて燃料ガスに混じり合い、燃料ガス濃度が低下するが、各通過孔８４から燃料ガス濃度がほぼ１００％の燃料ガスが燃料極４に供給されるので、燃料極４内での燃料ガスの燃料ガス濃度の低下が抑制される。従って、燃料極４の各部分での発電量のばらつきを抑制できるので、温度分布の不均衡を解消できる。
【００６３】
次に、第３実施形態の固体電解質型燃料電池について、図８によって説明する。
本第３実施形態では、図８（イ）に示すように、ガス流出層用フレーム１００の中抜き孔１０２は、燃料極４を収納でき、燃料極４の大きさより僅かに大きく形成して、燃料極４とガス流出層用フレーム１００との間には大きな隙間ができないように形成している。
【００６４】
また、ガス流入層用フレーム１０４は、その中抜き孔１０６がガス流出層用フレーム１００の中抜き孔１０２よりも、流入孔５４側に大きく形成されている。この中抜き孔１０６により形成されるガス流入層には、電気導電性を有する金属メッシュや発泡金属からなる整流部材１０８が配置されている。尚、整流部材１０８内のガスの流動抵抗は、燃料極４内のガスの流動抵抗よりも小さくなるように、整流部材１０８は目を荒く形成する。
【００６５】
流入孔５４に供給された燃料ガスは、ガス流入層の整流部材１０８内を通って燃料極４に供給される。燃料ガスは整流部材１０８を通って燃料極４の表面に供給され、流出孔３８に近づくに従って、より多くの水蒸気が生成されて燃料ガスに混じり合い、燃料ガス濃度が低下するが、整流部材１０８内を通って燃料ガス濃度がほぼ１００％の燃料ガスが燃料極４の表面に分散して供給されるので、燃料極４内での燃料ガスの燃料ガス濃度の低下が抑制される。しかも、整流部材１０８に金属メッシュや発泡金属を用いることにより、前述した実施形態の通過孔４６，８４よりも細かく燃料ガス濃度の均一化を図ることができる。従って、燃料極４の各部分での発電量のばらつきを抑制できるので、温度分布の不均衡を解消できる。尚、この際、整流部材１０８にメタンガスを改質する改質触媒を担持するようにしてもよい。
【００６６】
また、図８（ロ）に示すように、ガス流入層用フレーム１１０の中抜き孔１１２の大きさを、流出孔３８側では、燃料極４の中程までの大きさとして、燃料極４の流出孔３８側の一部表面はガス流入層用フレーム１１０により覆われるように形成する。これにより、下流側に過剰の燃料ガスが供給されるのを防止できる。
【００６７】
更に、図８（ハ）に示すように、中抜き孔１１２に連接して、流出孔３８側に燃料極４の表面に対向する溝１１４を形成する。中抜き孔１１２と溝１１４にも整流部材１０８を配置する。溝１１４を介して、より下流側の燃料極４に燃料ガスが供給されるが、溝１１４の流路断面積は小さく、下流側への燃料ガスの供給は絞られるので、下流側へ過剰な燃料ガスが供給されるのを防止すると共に、燃料ガス濃度の均一化を図ることができる。
【００６８】
尚、前述した実施形態では、燃料極４側に整流部材４０を設けた場合を例としたが、これに限らず、空気極６側のガス流出入層３０を前述した整流部材４０と同様の整流部材によりガス流入層とガス流出層とに仕切っても、同様に実施可能である。また、板状の整流部材４０に限らず、金属メッシュや発泡金属からなる整流部材をガス流入層に設けても同様に実施可能である。
【００６９】
以上本発明はこの様な実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得る。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の一実施形態としての固体電解質型燃料電池の断面図である。
【図２】本実施形態の固体電解質型燃料電池の分解斜視図である。
【図３】本実施形態の整流部材の例を示す正面図である。
【図４】本実施形態のガス流入層用フレームの他の例を示す斜視図である。
【図５】本実施形態の整流部材の別の例を示す固体電解質型燃料電池の燃料極側の断面図である。
【図６】第２実施形態としての固体電解質型燃料電池の断面図である。
【図７】第２実施形態の固体電解質型燃料電池の分解斜視図である。
【図８】第３実施形態の固体電解質型燃料電池の断面図である。
【符号の説明】
【００７１】
１…単セル ２…固体電解質体
４…燃料極 ６…空気極
８…セパレータ
１０，１４，１８，２５，３５，４１，５１，５７…取付孔
１１−１〜１１−４，１５−１〜１５−４，１９−１〜１９−４，２６−１〜２６−４，３６−１〜３６−４，４２−１〜４２−４，５２−１〜５２−４，５８−１〜５８−４…流路孔
１３…絶縁板 １６…空気極フレーム
２０…流入孔 ２２…流出孔
２４，５６，８８…インターコネクタ板
２８，６０，８６…集電体
３０…ガス流出入層
３４，１００…ガス流出層用フレーム
３８…流出孔
４０，８０，１０８…整流部材
４４…ガス流出層 ４６，８４…通過孔
５０，１０４，１１０…ガス流入層用フレーム
５４，７４，９４…流入孔
６２，９０…ガス流入層
８２…突部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質体の一方の側に燃料ガスに接する燃料極を他方の側に酸化剤ガスに接する空気極を設けた固体電解質型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、固体電解質型燃料電池では、固体電解質体の一方の側に燃料ガスに接する燃料極を他方の側に酸化剤ガスに接する空気極を設けた単セルを構成し、一つの単セルでは高い電圧が得られないので、例えば、平板型の固体電解質型燃料電池では、単セルとインターコネクタ板とを交互に積層してスタック化している。
【０００３】
燃料ガスや酸化剤ガスは、積層方向と直交する横方向から燃料極や空気極に接するように燃料極や空気極の表面に沿って流れ、使用に供された燃料ガスや酸化剤ガスは、同様に横方向から排出される。そして、発電時には単セル自体が抵抗発熱するが、上流側が燃料が濃いので発熱が大きく、下流側は燃料が薄くなって発熱が小さくなる。このため、温度分布に差が生じ、熱応力等により、単セルが破損する場合がある。
【０００４】
そこで、特許文献１にあるように、同一面内に複数の単セルを設けて、面内の温度分布に応じて単セルの形状、サイズを異ならせて、温度分布が均一になるようにしている。また、特許文献２にあるように、燃料ガスの流路と、酸化剤ガスの流路とが直交するガスフロータイプの固体電解質型燃料電池において、酸化剤ガスの流れを折り返すことにより、あるいは、燃料ガスの流れを折り返すことにより、温度分布が均一になるようにしている。
【特許文献１】特開２００２−２７０１９８号公報
【特許文献２】特開２００２−２０８４１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、こうした特許文献１のものでも特許文献２のものでも、上流側では燃料が濃く、下流側では燃料が薄くなることに違いはなく、同一セル面内での発電量の不均一を解消できない。そのため、温度分布の均一化に限界があり、同一セル面内での発電量の不均一の解消や、セルの破損等に対する耐久性の改善が十分でないという問題があった。
【０００６】
また、セルの発電量を決定する際、下流側の特性を基準として算出するので、セルの出力密度を低く設定しなければならず、セルが大型化してしまうという問題もあった。
本発明の課題は、ガス濃度の均一化を図った固体電解質型燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる課題を達成すべく、本発明は課題を解決するため次の手段を取った。即ち、
固体電解質体の一方の側に燃料ガスに接する燃料極を他方の側に酸化剤ガスに接する空気極を設けた単セルを備えた固体電解質型燃料電池において、
少なくとも前記燃料極又は前記空気極の一方の極側で、前記単セルを間に前記ガスが供給される流入孔と前記ガスが排出される流出孔とを対向して配置すると共に、前記流入孔からの前記ガスを前記極の表面に分散して導く整流部材を設けたことを特徴とする固体電解質型燃料電池がそれである。
【０００８】
前記流入孔に連通したガス流入層と前記流出孔に連通したガス流出層とを形成すると共に、前記ガス流出層に前記極を配置し、また、前記整流部材は板状で、前記ガス流入層と前記ガス流出層とを前記整流部材により仕切ると共に、前記整流部材に複数の通過孔を形成した構成としてもよい。その際、前記ガス流入層に改質触媒を配置した構成としてもよい。あるいは、前記ガス流入層に金属メッシュ又は発泡金属を配置した構成としてもよい。また、前記整流部材は導電性を有し、かつ、前記整流部材の少なくとも一部が前記整流部材との間に前記ガス流入層を形成するインターコネクタ板及び前記極に接している構成としてもよい。
【０００９】
更には、前記整流部材の前記流入孔側には、前記整流部材の前記流出孔側よりも多くの前記通過孔を形成した構成としてもよい。あるいは、前記整流部材の前記流入孔側に形成した前記通過孔の断面積は、前記整流部材の前記流出孔側に形成した前記通過孔の断面積よりも大きい構成としてもよい。また、前記整流部材の縁側に形成した前記通過孔の断面積は、前記整流部材の中央側に形成した前記通過孔の断面積よりも大きい構成としてもよい。前記流出孔の総断面積≧前記流入孔の総断面積≧前記通過孔の総断面積となる関係に形成してもよい。
【００１０】
また、前記流入孔に連通したガス流入層と前記流出孔に連通したガス流出層とを形成すると共に、前記ガス流出層に前記極を配置し、かつ、前記ガス流入層に金属メッシュ又は発泡金属からなる前記整流部材を配置した構成としてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の固体電解質型燃料電池は、整流部材がガスを極の表面に分散して導くので、ガス濃度の均一化を図ることができ、これにより、温度分布が均一化されてセルの破損等を防止できるという効果を奏する。
【００１２】
また、複数の通過孔を設けた板状の整流部材によりガス流入層とガス流出層とを仕切ることにより、極の表面にガスを分散して導くことができる。更に、従来技術は、発電に必要な燃料（または空気）を電極面に対して、平行に供給しているが、複数の通過孔を設けた板状の整流部材によりガス流入層とガス流出層とに仕切ることにより供給するガスを電極面に対して垂直方向に供給することができるので、ガス濃度の均一化を図ることができる。
【００１３】
また、ガス流入層に改質触媒を配置することにより、小型化を図ることができる。また、通過孔の配置や断面積の大きさを変えることにより、よりガス濃度の均一化を図ることができる。
【００１４】
流出孔の総断面積≧流入孔の総断面積≧通過孔の総断面積となる関係に形成することにより、流入孔から流出孔へガスが流れる際に、各通過孔に分散して流れ整流効果をより確実に得ることができる。
【００１５】
更に、整流部材に金属メッシュや発泡金属を用いることにより、より細かくガス濃度の均一化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１に示すように、１は単セルで、単セル１は、平板状の固体酸化物を用いた固体電解質体２を備え、固体電解質体２の一方の側に燃料極４が、固体電解質体２の他方の側に空気極６が設けられている。
【００１７】
空気極６は、気相の酸素が電子と反応して酸素イオンになる場であり、酸素が空気極６上に吸着・解離し、電子と反応場において結合し、酸素イオンとなる。空気極６には多孔質体が用いられ、その材料としては、例えば、各種の金属、金属の酸化物、金属の複酸化物等を用いることができる。
【００１８】
金属としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ及びＲｈ等の金属又は２種以上の金属を含有する合金が挙げられる。更に、金属の酸化物としては、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ及びＦｅ等の酸化物（Ｌａ2Ｏ3、ＳｒＯ、Ｃｅ2Ｏ3、Ｃｏ2Ｏ3、ＭｎＯ2及びＦｅＯ等）が挙げられる。また、複酸化物としては、少なくともＬａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＭｎ等を含有する複酸化物（Ｌａ1-xＳｒxＣｏＯ3系複酸化物、Ｌａ1-xＳｒxＦｅＯ3系複酸化物、Ｌａ1-xＳｒxＣｏ1-yＦｅyＯ3系複酸化物、Ｌａ1-xＳｒxＭｎＯ3系複酸化物、Ｐｒ1-xＢａxＣｏＯ3系複酸化物及びＳｍ1-xＳｒxＣｏＯ3系複酸化物等）が挙げられる。
【００１９】
固体電解質体２は、空気極６から燃料極４に酸素イオンを運ぶ働きをし、空気極６において生成する酸素イオンは固体電解質体２に移動し、固体電解質体２の酸素空孔と位置を交換しながら燃料極４側に移動する。固体電解質体２は酸素イオン導電性酸化物であり、電子導電性はなく、気相の水素と酸素とを物理的に隔離する。
【００２０】
固体電解質体２の材料としては、例えばＺｒＯ2系セラミック、ＬａＧａＯ3系セラミック、ＢａＣｅＯ3系セラミック、ＳｒＣｅＯ3系セラミック、ＳｒＺｒＯ3系セラミック、及びＣａＺｒＯ3系セラミック等が挙げられる。
【００２１】
燃料極４は、水素が酸素イオンと反応して水蒸気と電子を生成する反応場であり、水素は燃料極４上に吸着・解離して水素原子になり、更に固体電解質体２の酸素イオンと反応して水蒸気になる。
【００２２】
燃料極４には多孔質体が用いられ、その材料としては、例えば、Ｎｉ及びＦｅ等の金属と、Ｓｃ、Ｙ等の希土類元素のうちの少なくとも１種により安定化されたジルコニア等のＺｒＯ2系セラミック、ＣｅＯ2系セラミック等のセラミックのうちの少なくとも１種との混合物などが挙げられる。
【００２３】
また、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ及びＦｅ等の金属が挙げられる。これらの金属は１種のみでもよいし、２種以上の金属の合金でもよい。更に、これらの金属や合金と、上記セラミックの各々の少なくとも１種との混合物（サーメットを含む）が挙げられる。また、Ｎｉ及びＦｅ等の金属の酸化物と、上記セラミックの各々の少なくとも１種との混合物などが挙げられる。
【００２４】
本実施形態では、燃料極４の厚さを厚く形成して、燃料極４で支持するように構成されており、いわゆる支持膜式といわれる構成である。図２に示すように、単セル１は、金属製のセパレータ８に取り付けられており、セパレータ８はほぼ矩形に形成されて、中央には矩形状の貫通窓９が形成されている。貫通窓９は空気極６よりも大きく、固体電解質体２よりも小さく形成されており、空気極６が貫通窓９を通して臨むように単セル１がセパレータ８に取り付けられている。
【００２５】
また、セパレータ８には、４個の取付孔１０がセパレータ８の四隅にそれぞれ貫通形成されると共に、セパレータ８には、セパレータ８の縁に沿って、４個の流路孔１１−１〜１１−４が四隅の各取付孔１０の中間に貫通形成されている。
【００２６】
セパレータ８には、中央に中抜き孔１２が形成された枠状の絶縁板１３が積層されており、電気絶縁性を有する絶縁板１３にも取付孔１４及び流路孔１５−１〜１５−４が、セパレータ８の取付孔１０及び流路孔１１−１〜１１−４と同じ位置に設けられている。絶縁板１３には空気極フレーム１６が積層されており、空気極フレーム１６は中央に中抜き孔１７が形成された枠状に形成されると共に、その周囲に取付孔１８及び流路孔１９−１〜１９−４がセパレータ８の取付孔１０及び流路孔１１−１〜１１−４と同じ位置に設けられている。
【００２７】
本実施形態では、複数の流路孔１９−１〜１９−４のうちの単セル１を間に対向する２つの流路孔１９−１，１９−２に連通して流入孔２０と流出孔２２とが形成されている。流入孔２０と流出孔２２とは、空気極フレーム１６の絶縁板１３側の平坦面が溝状に窪まされて、流路孔１９−１，１９−２と空気極フレーム１６の中抜き孔１７とが連通されるように形成されている。尚、複数の流路孔１９−１〜１９−４のうち、添字−１の流路孔１９−１には流入孔２０が連通し、添字−２の流路孔１９−２には、流出孔２２が連通していることを示す。前述及び後述する各流路孔１１−１，１１−２，１５−１，１５−２，２６−１，２６−２，３６−１，３６−２，４２−１，４２−２，５２−１，５２−２，５８−１，５８−２についても同様である。
【００２８】
空気極フレーム１６には平板状のインターコネクタ板２４が積層されており、インターコネクタ板２４は電気導電性を有する金属板等により形成されている。インターコネクタ板２４にも取付孔２５及び流路孔２６−１〜２６−４が形成されており、セパレータ８の取付孔１０及び流路孔１１−１〜１１−４と同じ位置に設けられている。
【００２９】
インターコネクタ板２４と空気極６との間には、電気導電性を有する金属メッシュや目の粗い発泡金属等からなる集電体２８が配置されて、インターコネクタ板２４と空気極６とが集電体２８を介して導通されている。
【００３０】
絶縁板１３の中抜き孔１２と空気極フレーム１６の中抜き孔１７とが、単セル１、セパレータ８、インターコネクタ板２４により閉塞されて、ガス流出入層３０が形成されており、ガス流出入層３０に露出した空気極６に、ガス流出入層３０内の酸化剤ガスが接することができるように構成されている。
【００３１】
また、セパレータ８の燃料極４側の面には、中央に中抜き孔３２が形成された枠状のガス流出層用フレーム３４が重ね合わされ、セパレータ８とガス流出層用フレーム３４とが積層されている。
【００３２】
中抜き孔３２は、燃料極４よりも大きく形成されて、中抜き孔３２内に燃料極４が収納できるように形成されている。ガス流出層用フレーム３４の厚さは、固体電解質体２と燃料極４との合計厚さとほぼ同じに形成されている。
【００３３】
ガス流出層用フレーム３４にも複数の取付孔３５及び流路孔３６−１〜３６−４が、セパレータ８の取付孔１０及び流路孔１１−１〜１１−４と同じ位置に設けられている。複数の流路孔３６−１〜３６−４のうちの一つの流路孔３６−３に連通して流出孔３８が形成されている。流出孔３８はセパレータ８と反対側の平坦面が溝状に窪まされて、流路孔３６−３とガス流出層用フレーム３４の中抜き孔３２とが連通されるように形成されている。ガス流出層用フレーム３４の流出孔３８は、空気極フレーム１６の流出孔２２とは位相が９０度異なるように形成されている。流出孔３８は、１個に限らず、並列に複数個形成してもよい。尚、複数の流路孔３６−１〜３６−４のうち、添字−３の流路孔３６−３は流出孔３８に連通していることを示す。前述及び後述する各流路孔１１−３，１５−３，１９−３，２６−３，４２−３，５２−３，５８−３についても同様である。
【００３４】
ガス流出層用フレーム３４には、更に、板状の整流部材４０が重ね合わされて、ガス流出層用フレーム３４と整流部材４０とが積層されている。整流部材４０にも取付孔４１及び流路孔４２−１〜４２−４が、セパレータ８の取付孔１０及び流路孔１１−１〜１１−４と同じ位置に設けられている。
【００３５】
ガス流出層用フレーム３４の中抜き孔３２が、単セル１、セパレータ８、整流部材４０により閉塞されて、ガス流出層４４が形成されており、ガス流出層４４に固体電解質体２と燃料極４とが収納されている。整流部材４０は電気導電性を有する金属等により形成されており、整流部材４０は燃料極４の表面に接触するように配置されている。また、整流部材４０には、燃料極４の表面に対向して多数の通過孔４６がほほ均等に分散して配置されている。
【００３６】
整流部材４０には、中央に中抜き孔４８が形成された枠状のガス流入層用フレーム５０が重ね合わされて、整流部材４０とガス流入層用フレーム５０とが積層されている。ガス流入層用フレーム５０の中抜き孔４８は、ガス流出層用フレーム３４の中抜き孔３２とほぼ同じ大きさに形成されている。
【００３７】
ガス流入層用フレーム５０にも複数の取付孔５１及び流路孔５２−１〜５２−４が、セパレータ８の取付孔１０及び流路孔１１−１〜１１−４と同じ位置に設けられている。複数の流路孔５２−１〜５２−４のうちの一つの流路孔５２−４に連通して流入孔５４が形成されている。流入孔５４は整流部材４０と反対側の平坦面が溝状に窪まされて、流路孔５２−４とガス流入層用フレーム５０の中抜き孔４８とが連通されるように形成されている。ガス流入層用フレーム５０の流入孔５４は、ガス流出層用フレーム３４の流出孔３８と単セル１を間にして対向して形成されている。流入孔５４は、１個に限らず、並列に複数個形成してもよい。
【００３８】
尚、複数の流路孔５２−１〜５２−４のうち、添字−４の流路孔５２−４は流入孔５４に連通していることを示す。前述及び後述する各流路孔１１−４，１５−４，１９−４，２６−４，３６−４，４２−４，５８−４についても同様である。また、流出孔３８、流入孔５４、通過孔４６との流路断面積の大きさが、流出孔３８の総断面積≧流入孔５４の総断面積≧通過孔４６の総断面積となる関係に形成するとよい。
【００３９】
ガス流入層用フレーム５０には、平板状のインターコネクタ板５６が重ね合わされて、ガス流入層用フレーム５０とインターコネクタ板５６とが積層されている。インターコネクタ板５６は電気導電性を有する金属板等により形成されている。インターコネクタ板５６にも取付孔５７及び流路孔５８−１〜５８−４が形成されており、セパレータ８の取付孔１０及び流路孔１１−１〜１１−４と同じ位置に設けられている。
【００４０】
整流部材４０とインターコネクタ板５６との間には、電気導電性を有する金属メッシュや目の粗い発泡金属等からなる集電体６０が配置されて、整流部材４０とインターコネクタ板５６とが集電体６０を介して導通されている。尚、集電体６０を設けることなく、燃料極４とインターコネクタ板５６とを整流部材４０及びガス流入層用フレーム５０を介して導通するようにしてもよいが、整流部材４０の厚さが薄いので、その際には、電気抵抗が増加する。
【００４１】
ガス流入層用フレーム５０の中抜き孔４８は、整流部材４０とインターコネクタ板５６とにより閉塞されて、ガス流入層６２が形成されている。尚、集電体６０に、メタンガスを改質する改質触媒を担持するようにしてもよい。これにより、燃料ガスとして都市ガスを用いた際に、燃料ガスに含まれるメタンガスを改質できる。
【００４２】
インターコネクタ板２４、空気極フレーム１６、絶縁板１３、セパレータ８、ガス流出層用フレーム３４、整流部材４０、ガス流入層用フレーム５０、インターコネクタ板５６の各取付孔２５，１８，１４，１０，３５，４１，５１，５７には、それぞれ図示しないボルトが挿入され、また、これらの各流路孔２６，１９，１５，１１，３６，４２，５２，５８にも図示しないボルトが絶縁されて挿入され、これらが積層固定されている。尚、これらが複数交互に積層されて燃料電池が構成されている。
【００４３】
また、空気極フレーム１６の流入孔２０に連通する各流路孔２６−１，１９−１，１５−１，１１−１，３６−１，４２−１，５２−１，５８−１には、酸化剤ガスが供給されて、流入孔２０からガス流出入層３０に流入する。空気極フレーム１６の流出孔２２に連通する各流路孔２６−２，１９−２，１５−２，１１−２，３６−２，４２−２，５２−２，５８−２には、ガス流出入層３０からの消費された酸化剤ガスが流出する。
【００４４】
更に、ガス流入層用フレーム５０の流入孔５４に連通する各流路孔２６−４，１９−４，１５−４，１１−４，３６−４，４２−４，５２−４，５８−４には、燃料ガスが供給されて、流入孔５４からガス流入層６２に流入する。ガス流出層用フレーム３４の流出孔３８に連通している各流路孔２６−３，１９−３，１５−３，１１−３，３６−３，４２−３，５２−３，５８−３からは、ガス流出層４４からの消費された燃料ガスが流出する。尚、各取付孔１０，１４，１８，２５，３５，４１，５１，５７では、ガスの給排は行われない。
【００４５】
次に、前述した本実施形態の固定電解質型燃料電池の作動について説明する。
まず、空気極フレーム１６の流入孔２０に、本実施形態では、空気を用いた酸化剤ガスが供給されると、酸化剤ガスは流入孔２０からガス流出入層３０に流入する。そして、空気極６に接した酸化剤ガスは、酸素が電子と反応して酸素イオンになり、生成された酸素イオンが固体電解質体２に移動し、固体電解質体２の酸素空孔と位置を交換しながら燃料極４側に移動する。空気のうち、酸素が消費された酸化剤ガスはガス流出入層３０から流出孔２２を通り、排出される。
【００４６】
一方、ガス流入層用フレーム５０の流入孔５４に流入した燃料ガスは、流入孔５４からガス流入層６２に流入する。そして、整流部材４０の各通過孔４６を通り、ガス流出層４４内の燃料極４に供給される。
【００４７】
燃料極４に供給された燃料ガスは、本実施形態では燃料ガスとして用いた水素が酸素イオンと反応して水蒸気と電子を生成する。その際、１モルの水素が消費されると、１モルの水蒸気が生成される。水素が消費され、生成された水蒸気が一部の未消費の燃料ガスに混じり合いながら、ガス流出層４４及びガス流出層用フレーム３４の流出孔３８から、排出される。
【００４８】
ガスが流入孔５４から流出孔３８に流れる間に、流入孔５４に近い側の燃料極４では、燃料ガス濃度がほぼ１００％の燃料ガスが燃料極４に接して消費され、かわりに生成された水蒸気が燃料ガスに混じり合う。水蒸気が混合した分、燃料ガス中の燃料ガス濃度が低下する。
【００４９】
流出孔３８に近づくほど、燃料ガスには上流側で生成された水蒸気が混じり合っているので、燃料ガス中の燃料ガス濃度が低くなる。しかし、流入孔５４からガス流入層６２に流入した燃料ガスは、ガス流入層６２から各通過孔４６に供給される。各通過孔４６は、本実施形態では、燃料極４の表面に対向してほぼ均等に分散した配置されているので、各通過孔４６からは、燃料ガス濃度がほぼ１００％の燃料ガスが燃料極４に供給される。
【００５０】
流出孔３８に近づくに従って、より多くの水蒸気が生成されて燃料ガスに混じり合い、燃料ガス濃度が低下するが、各通過孔４６から燃料ガス濃度がほぼ１００％の燃料ガスが燃料極４に供給されるので、燃料極４内での燃料ガスの燃料ガス濃度の低下が抑制される。従って、燃料極４の各部分での発電量のばらつきを抑制できるので、温度分布の不均衡を抑制できる。これにより、温度分布の不均衡による単セル１の破損を防止できる。
【００５１】
流出孔３８の総断面積≧流入孔５４の総断面積≧通過孔４６の総断面積となる関係に形成することにより、ガス流入層６２の圧力がガス流出層４４の圧力よりも低くなることを防止でき、流入孔５４から流出孔３８へガスが流れる際に、各通過孔４６に分散して流れ整流効果をより確実に得ることができる。
【００５２】
本実施形態では、図３（イ）に示すように、整流部材４０に燃料極４の表面に対向して通過孔４６をほぼ均等に分散して配置しているが、これに限らず、図３（ロ）に示すように、整流部材４０の流入孔５４側には、即ち、整流部材４０の中心を基準に流入孔５４に近い領域には、通過孔４６の配置が密となるように多くの通過孔４６を形成し、整流部材４０の流出孔３８側には、即ち、整流部材４０の中心を基準に流出孔３８に近い領域には、流入孔５４側よりも通過孔４６の配置が粗になるように少ない数の通過孔４６を形成するようにしてもよい。これにより、流入孔５４に近い側（上流側）に多くの燃料ガスを供給して、燃料ガス濃度をより均一化できる。
【００５３】
また、図３（ハ）に示すように、整流部材４０の流入孔５４側では、即ち、整流部材４０の中心を基準に流入孔５４に近い領域では、通過孔４６の断面積を大きく形成し、整流部材４０の流出孔３８側では、即ち、整流部材４０の中心を基準に流出孔３８に近い領域では、通過孔４６の断面積を小さく形成してもよい。これによっても、流入孔５４に近い側（上流側）に多くの燃料ガスを供給して、燃料ガス濃度をより均一化できる。
【００５４】
更に、図３（ニ）に示すように、整流部材４０の縁側に形成した通過孔４６の断面積を、即ち、整流部材４０の最外部に形成した通過孔４６の断面積を、整流部材４０の中央側に形成した通過孔４６の断面積よりも、即ち、整流部材４０の中心に一番近くに形成した通過孔４６の断面積よりも、大きく形成してもよい。これにより、流入孔５４から流出孔３８に至る流路から離れた縁側の燃料極４の表面に燃料ガスを確実に供給する。よって、燃料ガス濃度をより均一化できる。
【００５５】
前述した実施形態では、ガス流入層用フレーム５０には中抜き孔４８を形成したが、図４に示すように、整流部材４０の各通過孔４６に連通するように、流入孔７４から流出孔３８に向かって複数の溝７２を形成して、ガス流入層を形成するようにしても同様に実施可能である。
【００５６】
また、前述した実施形態では、整流部材４０とインターコネクタ板５６との間に集電体６０を配置したが、これに限らず、整流部材４０により集電体を兼用するようにしてもよい。例えば、図５に示すように、電気導電性を有する板状の整流部材４０に燃料極４側に突出し燃料極４に接するディンプル部７６とインターコネクタ板５６側に突出しインターコネクタ板５６に接するディンプル部７８とを複数形成すると共に、前述したと同様に複数の通過孔４６を形成する。これにより、整流部材４０のディンプル部７６，７８を介して、燃料極４とインターコネクタ板５６とが導通され、部品点数を低減できる。尚、このようなディンプル部７６，７８を設けた整流部材４０は、燃料極４側に限らず、空気極６側でも同様に実施可能である。
【００５７】
次に、前述した本実施形態と異なる第２実施形態の固体電解質型燃料電池について、図６、図７によって説明する。尚、前述した実施形態と同じ部材については同一番号を付して詳細な説明を省略する。以下同様。
【００５８】
本第２実施形態では、前述したガス流入層用フレーム５０を用いることなく、整流部材８０のほぼ中央に、燃料極４の表面に対向して、燃料極４側に突出した突部８２を形成している。突部８２には、前述したと同様の多数の通過孔８４をほぼ均等に分散して配置している。
【００５９】
整流部材８０と燃料極４との間には、突部８２の外周よりも大きな枠状の集電体８６を設けている。整流部材８０には直接、板状のインターコネクタ板８８が重ね合わされて、整流部材８０とインターコネクタ板８８とが積層されている。
【００６０】
このインターコネクタ板８８と整流部材８０の突部８２とによりガス流入層９０が形成されており、本第２実施形態では、ガス流入層９０にはメタンガスを改質する改質触媒９２が収納されている。改質触媒９２は、多孔性のＮｉ−ＴＳＺ板により形成されている。尚、改質触媒９２は必要に応じて設ければよい。インターコネクタ板８８には、流路孔５８−４とガス流入層９０とを連通する溝状の流入孔９４が形成されている。
【００６１】
この第２実施形態の固体電解質型燃料電池でも、流入孔９４に供給された燃料ガスは、流入孔９４からガス流入層９０に流入し、改質触媒９２を通って、各通過孔８４から燃料極４に供給される。燃料ガスが燃料極４で消費されて、ガス流出層４４から流出孔３８を通り、排出される。
【００６２】
流出孔３８に近づくに従って、より多くの水蒸気が生成されて燃料ガスに混じり合い、燃料ガス濃度が低下するが、各通過孔８４から燃料ガス濃度がほぼ１００％の燃料ガスが燃料極４に供給されるので、燃料極４内での燃料ガスの燃料ガス濃度の低下が抑制される。従って、燃料極４の各部分での発電量のばらつきを抑制できるので、温度分布の不均衡を解消できる。
【００６３】
次に、第３実施形態の固体電解質型燃料電池について、図８によって説明する。
本第３実施形態では、図８（イ）に示すように、ガス流出層用フレーム１００の中抜き孔１０２は、燃料極４を収納でき、燃料極４の大きさより僅かに大きく形成して、燃料極４とガス流出層用フレーム１００との間には大きな隙間ができないように形成している。
【００６４】
また、ガス流入層用フレーム１０４は、その中抜き孔１０６がガス流出層用フレーム１００の中抜き孔１０２よりも、流入孔５４側に大きく形成されている。この中抜き孔１０６により形成されるガス流入層には、電気導電性を有する金属メッシュや発泡金属からなる整流部材１０８が配置されている。尚、整流部材１０８内のガスの流動抵抗は、燃料極４内のガスの流動抵抗よりも小さくなるように、整流部材１０８は目を荒く形成する。
【００６５】
流入孔５４に供給された燃料ガスは、ガス流入層の整流部材１０８内を通って燃料極４に供給される。燃料ガスは整流部材１０８を通って燃料極４の表面に供給され、流出孔３８に近づくに従って、より多くの水蒸気が生成されて燃料ガスに混じり合い、燃料ガス濃度が低下するが、整流部材１０８内を通って燃料ガス濃度がほぼ１００％の燃料ガスが燃料極４の表面に分散して供給されるので、燃料極４内での燃料ガスの燃料ガス濃度の低下が抑制される。しかも、整流部材１０８に金属メッシュや発泡金属を用いることにより、前述した実施形態の通過孔４６，８４よりも細かく燃料ガス濃度の均一化を図ることができる。従って、燃料極４の各部分での発電量のばらつきを抑制できるので、温度分布の不均衡を解消できる。尚、この際、整流部材１０８にメタンガスを改質する改質触媒を担持するようにしてもよい。
【００６６】
また、図８（ロ）に示すように、ガス流入層用フレーム１１０の中抜き孔１１２の大きさを、流出孔３８側では、燃料極４の中程までの大きさとして、燃料極４の流出孔３８側の一部表面はガス流入層用フレーム１１０により覆われるように形成する。これにより、下流側に過剰の燃料ガスが供給されるのを防止できる。
【００６７】
更に、図８（ハ）に示すように、中抜き孔１１２に連接して、流出孔３８側に燃料極４の表面に対向する溝１１４を形成する。中抜き孔１１２と溝１１４にも整流部材１０８を配置する。溝１１４を介して、より下流側の燃料極４に燃料ガスが供給されるが、溝１１４の流路断面積は小さく、下流側への燃料ガスの供給は絞られるので、下流側へ過剰な燃料ガスが供給されるのを防止すると共に、燃料ガス濃度の均一化を図ることができる。
【００６８】
尚、前述した実施形態では、燃料極４側に整流部材４０を設けた場合を例としたが、これに限らず、空気極６側のガス流出入層３０を前述した整流部材４０と同様の整流部材によりガス流入層とガス流出層とに仕切っても、同様に実施可能である。また、板状の整流部材４０に限らず、金属メッシュや発泡金属からなる整流部材をガス流入層に設けても同様に実施可能である。
【００６９】
以上本発明はこの様な実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得る。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の一実施形態としての固体電解質型燃料電池の断面図である。
【図２】本実施形態の固体電解質型燃料電池の分解斜視図である。
【図３】本実施形態の整流部材の例を示す正面図である。
【図４】本実施形態のガス流入層用フレームの他の例を示す斜視図である。
【図５】本実施形態の整流部材の別の例を示す固体電解質型燃料電池の燃料極側の断面図である。
【図６】第２実施形態としての固体電解質型燃料電池の断面図である。
【図７】第２実施形態の固体電解質型燃料電池の分解斜視図である。
【図８】第３実施形態の固体電解質型燃料電池の断面図である。
【符号の説明】
【００７１】
１…単セル ２…固体電解質体
４…燃料極 ６…空気極
８…セパレータ
１０，１４，１８，２５，３５，４１，５１，５７…取付孔
１１−１〜１１−４，１５−１〜１５−４，１９−１〜１９−４，２６−１〜２６−４，３６−１〜３６−４，４２−１〜４２−４，５２−１〜５２−４，５８−１〜５８−４…流路孔
１３…絶縁板 １６…空気極フレーム
２０…流入孔 ２２…流出孔
２４，５６，８８…インターコネクタ板
２８，６０，８６…集電体
３０…ガス流出入層
３４，１００…ガス流出層用フレーム
３８…流出孔
４０，８０，１０８…整流部材
４４…ガス流出層 ４６，８４…通過孔
５０，１０４，１１０…ガス流入層用フレーム
５４，７４，９４…流入孔
６２，９０…ガス流入層
８２…突部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質体の一方の側に燃料ガスに接する燃料極を他方の側に酸化剤ガスに接する空気極を設けた単セルを備えた固体電解質型燃料電池において、
少なくとも前記燃料極又は前記空気極の一方の極側で、前記単セルを間に前記ガスが供給される流入孔と前記ガスが排出される流出孔とを対向して配置すると共に、前記流入孔からの前記ガスを前記極の表面に分散して導く整流部材を設けたことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項２】
前記流入孔に連通したガス流入層と前記流出孔に連通したガス流出層とを形成すると共に、前記ガス流出層に前記極を配置し、また、前記整流部材は板状で、前記ガス流入層と前記ガス流出層とを前記整流部材により仕切ると共に、前記整流部材に複数の通過孔を形成したことを特徴とする請求項１に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項３】
前記ガス流入層に改質触媒を配置したことを特徴とする請求項２に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項４】
前記ガス流入層に金属メッシュ又は発泡金属を配置したことを特徴とする請求項２に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項５】
前記整流部材は導電性を有し、かつ、前記整流部材の少なくとも一部が前記整流部材との間に前記ガス流入層を形成するインターコネクタ板及び前記極に接していることを特徴とする請求項２に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項６】
前記整流部材の前記流入孔側には、前記整流部材の前記流出孔側よりも多くの前記通過孔を形成したことを特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項７】
前記整流部材の前記流入孔側に形成した前記通過孔の断面積は、前記整流部材の前記流出孔側に形成した前記通過孔の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項８】
前記整流部材の縁側に形成した前記通過孔の断面積は、前記整流部材の中央側に形成した前記通過孔の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項９】
前記流出孔の総断面積≧前記流入孔の総断面積≧前記通過孔の総断面積となる関係に形成したことを特徴とする請求項２ないし請求項８のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項１０】
前記流入孔に連通したガス流入層と前記流出孔に連通したガス流出層とを形成すると共に、前記ガス流出層に前記極を配置し、かつ、前記ガス流入層に金属メッシュ又は発泡金属からなる前記整流部材を配置したことを特徴とする請求項１に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項１】
固体電解質体の一方の側に燃料ガスに接する燃料極を他方の側に酸化剤ガスに接する空気極を設けた単セルを備えた固体電解質型燃料電池において、
少なくとも前記燃料極又は前記空気極の一方の極側で、前記単セルを間に前記ガスが供給される流入孔と前記ガスが排出される流出孔とを対向して配置すると共に、前記流入孔からの前記ガスを前記極の表面に分散して導く整流部材を設けたことを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項２】
前記流入孔に連通したガス流入層と前記流出孔に連通したガス流出層とを形成すると共に、前記ガス流出層に前記極を配置し、また、前記整流部材は板状で、前記ガス流入層と前記ガス流出層とを前記整流部材により仕切ると共に、前記整流部材に複数の通過孔を形成したことを特徴とする請求項１に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項３】
前記ガス流入層に改質触媒を配置したことを特徴とする請求項２に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項４】
前記ガス流入層に金属メッシュ又は発泡金属を配置したことを特徴とする請求項２に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項５】
前記整流部材は導電性を有し、かつ、前記整流部材の少なくとも一部が前記整流部材との間に前記ガス流入層を形成するインターコネクタ板及び前記極に接していることを特徴とする請求項２に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項６】
前記整流部材の前記流入孔側には、前記整流部材の前記流出孔側よりも多くの前記通過孔を形成したことを特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項７】
前記整流部材の前記流入孔側に形成した前記通過孔の断面積は、前記整流部材の前記流出孔側に形成した前記通過孔の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項８】
前記整流部材の縁側に形成した前記通過孔の断面積は、前記整流部材の中央側に形成した前記通過孔の断面積よりも大きいことを特徴とする請求項２ないし請求項５のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項９】
前記流出孔の総断面積≧前記流入孔の総断面積≧前記通過孔の総断面積となる関係に形成したことを特徴とする請求項２ないし請求項８のいずれかに記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項１０】
前記流入孔に連通したガス流入層と前記流出孔に連通したガス流出層とを形成すると共に、前記ガス流出層に前記極を配置し、かつ、前記ガス流入層に金属メッシュ又は発泡金属からなる前記整流部材を配置したことを特徴とする請求項１に記載の固体電解質型燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−４２５３（Ｐ２００９−４２５３Ａ）
【公開日】平成２１年１月８日（２００９．１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１６５１５８（Ｐ２００７−１６５１５８）
【出願日】平成１９年６月２２日（２００７．６．２２）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１月８日（２００９．１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年６月２２日（２００７．６．２２）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
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