平板型燃料電池スタック
【課題】単セルの有効電極面積を変えることにより温度分布特性を改善し、平板型燃料電池スタックの耐久性を向上させる。
【解決手段】平板型燃料電池スタック２０は、単セル６、６Ａの有効電極面積が異なる２種類の発電ユニット２、２Ａを多段に積層して構成されている。一方の発電ユニット２の単セル６は、電解質３と、燃料極４および空気極５とで構成されている。他方の発電ユニット２Ａの単セル６Ａは、電解質３と、燃料極４および空気極５Ａとで構成されており、多段に積層された発電ユニット２の最上段と最下段にそれぞれ配置されている。また、他方の発電ユニット２Ａの単セル６Ａの空気極５Ａは、発熱量を大きくするために一方の発電ユニット２の単セル６の空気極５より有効電極面積が小さく設定されている。
【解決手段】平板型燃料電池スタック２０は、単セル６、６Ａの有効電極面積が異なる２種類の発電ユニット２、２Ａを多段に積層して構成されている。一方の発電ユニット２の単セル６は、電解質３と、燃料極４および空気極５とで構成されている。他方の発電ユニット２Ａの単セル６Ａは、電解質３と、燃料極４および空気極５Ａとで構成されており、多段に積層された発電ユニット２の最上段と最下段にそれぞれ配置されている。また、他方の発電ユニット２Ａの単セル６Ａの空気極５Ａは、発熱量を大きくするために一方の発電ユニット２の単セル６の空気極５より有効電極面積が小さく設定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平板型の単セルとこの単セルを収容する収容部材とを備えた平板型燃料電池スタックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
平板型固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ:Solid Oxide Fuel Cell、以下、平板型燃料電池ともいう）は、平板状の電解質層の表裏面に空気極および燃料極をそれぞれ形成してなる単セルと、燃料ガスと酸化剤ガスをそれぞれ給排気する通路を有するインターコネクタとを交互に複数個積層して電気的に直列に接続することにより平板型燃料電池スタックを形成し、前記通路を介して各単セルの燃料極に燃料ガスを供給し、空気極に酸化剤ガスを供給することにより発電を行うようにした燃料電池である（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図９および図１０は、このような平板型燃料電池スタックの従来例を示す図で、図９は平板型燃料電池スタックの概略断面図、図１０は発電ユニットの断面図である。これらの図において、平板型燃料電池スタック１は、同一構造からなる複数の発電ユニット２を積層して電気的に直列に接続することにより構成され、断熱壁で囲まれた断熱容器Ａ内に収納されている。
【０００４】
発電ユニット２は、平板状の電解質３と、この電解質３の両面に形成された燃料極４および空気極５とからなる燃料極支持型の単セル６と、この単セル６を収容する凹部７ａを有する燃料極インターコネクタ（燃料極セパレータ）７と、この燃料極インターコネクタ７と協働して発電ユニット２の収容容器を構成する空気極インターコネクタ（空気極セパレータ）８と、燃料極インターコネクタ７と空気極インターコネクタ８との間に配設された絶縁部材９と、燃料極４と燃料極インターコネクタ７との間に配設された燃料極側集電部材１０と、空気極５と空気極インターコネクタ８との間に配設された空気極側集電部材１１等で構成される。
【０００５】
燃料極４は、燃料極側集電部材１０を介して燃料極インターコネクタ７に電気的に接続され、空気極５は、空気極側集電部材１１を介して空気極インターコネクタ８に電気的に接続されている。燃料極インターコネクタ７と空気極インターコネクタ８とは、それぞれ隣接する燃料極インターコネクタ７または空気極インターコネクタ８に電気的に接続されている。そして、最上段の空気極インターコネクタ８と最下段の燃料極インターコネクタ７とを端子として負荷回路を構成することにより、平板型燃料電池スタック１が構築される。
【０００６】
また、燃料極インターコネクタ７は、燃料流路７ｂ、燃料供給経路７ｃおよび燃料排出経路７ｄを有し、燃料供給経路７ｃが燃料ガスＧ1 を供給する燃料供給マニホールド１２に接続され、燃料排出経路７ｄには単セル６で反応しなかった未反応の燃料ガスＧ1 を排出する燃料排出マニホールド１３が接続されている。空気極インターコネクタ８は、空気経路８ａおよび空気供給経路８ｂを有し、空気供給経路８ｂが酸化剤ガスＧ2 を供給する空気供給マニホールド１４に接続されている。
【０００７】
このような発電ユニット２は、燃料極インターコネクタ７の凹部７ａの底面に形成した燃料流路７ｂ上に、燃料極側集電部材１０、単セル６および空気極側集電部材１１を順次積層した後、空気極インターコネクタ８を絶縁部材９を介して燃料極インターコネクタ７に接合し空気極側集電部材１１を空気極５に押し付けることにより、単セル６と集電部材１０、１１を燃料極インターコネクタ７と空気極インターコネクタ８との間で保持している。
【０００８】
このように形成された平板型燃料電池スタック１は、次のように動作する。まず、平板型燃料電池スタック１を加熱して所定の発電温度（例えば、７００〜１０００℃）に保持し、燃料ガスＧ1 と酸化剤ガスＧ2 を各発電ユニット２の単セル６に供給する。燃料ガスＧ1 は、水素等からなり、燃料供給マニホールド１２から燃料極セパレータ７の燃料供給経路７ｃを通って燃料流路７ｂから各発電ユニット２の燃料極４に供給される。一方、酸化剤ガスＧ2 は、空気等からなり、空気供給マニホールド１４から各発電ユニット２の空気極インターコネクタ８の空気供給経路８ｂを通って空気経路８ａから空気極５に供給される。このように、燃料ガスＧ1 と酸化剤ガスＧ2 を各発電ユニット２の単セル６に供給することにより、燃料極４と空気極５との間に所定の電圧レベルの起電力を発生させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−１１７７３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記した従来の平板型燃料電池スタック１は、全ての発電ユニット２を等しく形成しているため、各発電ユニット２における単セル６の有効電極面積が等しいことから、各単セル６の電流密度も等しく、ほぼ等しい量の熱を放散していた。この結果、平板型燃料電池スタック１の単セル６が集中する中間部分に熱が集中し、上下端においては放熱が起こり、結果としてスタック１内に温度分布が生じ、単セル６の耐久性にばらつきが生じるという問題があった。また、断熱容器Ａ内にスタック１に隣接して収納された他の吸、発熱部分、例えば改質器や熱交換器などの吸熱部分や排気ガス燃焼器などの発熱部分による影響によっても、平板型燃料電池スタック１内に温度分布が生じるため、単セル６の耐久性にばらつきが生じることがあった。具体的には、高温部分の単セル６ほど劣化による抵抗成分の増加が著しく、内部抵抗によるジュール熱が一層高まり、他の部分が正常な状態であるにも拘わらず、壊滅的に劣化することにより、平板型燃料電池スタック１全体が使えなくなることがあった。
【００１１】
そこで、本発明者らは、鋭意検討した結果、積層した各発電ユニットにおける単セルの有効電極面積をスタック内の温度分布に対応させて変更し、特にスタック上下段や吸熱反応を生じる装置に近い部分など熱の奪われやすい部分における発電ユニットの単セルについてはその有効電極面積を小さくし、スタック中央部や発熱反応を生じる装置に近い部分など熱の奪われにくい部分における発電ユニットの単セルについてはその有効電極面積を大きくすることにより、スタック内での温度分布を抑制もしくは平均化することができ、スタックの耐久性を向上させることができることを見出した。
【００１２】
本発明は、上記した従来の問題と検討結果に基づいてなされたもので、その目的とするところは、単セルの有効電極面積を変えることにより温度分布特性を改善し、耐久性の高い平板型燃料電池スタック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】
【００１３】
上記目的を達成するために本発明に係る平板型燃料電池スタックは、固体酸化物からなる電解質の表裏面に燃料極と空気極が形成された平板型の単セルと、前記単セルを収容するとともに、前記燃料極に燃料ガスを供給し、かつ前記空気極に酸化剤ガスを供給する収容部材と、前記単セルと前記収容部材との間に配設された集電部材とを備えた発電ユニットを複数段積層して電気的に直列に接続した平板型燃料電池スタックにおいて、前記発電ユニットを、前記単セルの有効電極面積が異なる少なくとも２種類の発電ユニットから構成したものである。
【００１４】
また、本発明は、上記発明において、前記単セルの有効電極面積を、前記空気極または前記燃料極のうち小さい方の面積によって規定したものである。
【００１５】
また、本発明は、上記発明において、前記単セルの有効電極面積を、前記空気極または前記燃料極のうち、導電性の低い電極側における集電部材の面積によって規定したものである。
【００１６】
また、本発明は、上記発明において、スタック最下段および最上段に配置されている発電ユニットにおける単セルの有効電極面積を、スタック中央部に配置されている発電ユニットにおける単セルの有効電極面積よりも小さくしたものである。
【００１７】
また、本発明は、上記発明において、スタックの周囲に配置された吸熱反応を生じる装置および発熱反応を生じる装置を備え、前記吸熱反応を生じる装置に近い部分に配置されている発電ユニットにおける単セルの有効電極面積を、前記発熱反応を生じる装置に近い部分に配置されている発電ユニットにおける単セルの有効電極面積より小さくしたものである。
【００１８】
また、本発明は、上記発明において、スタックの周囲に配置された発熱反応を生じる装置を備え、当該装置に近い部分に配置されている発電ユニットにおける単セルの有効電極面積を、当該装置から遠い部分に配置されている発電ユニットにおける単セルの有効電極面積より大きくしたものである。
【００１９】
さらに、本発明は、上記発明において、スタックの周囲に配置された吸熱反応を生じる装置を備え、当該装置に近い部分における単セルの有効電極面積を、当該装置から遠い部分に配置されている発電ユニットにおける単セルの有効電極面積より小さくしたものである。
【発明の効果】
【００２０】
発電ユニットを電気的に直列に接続して積層した平板型燃料電池スタックでは、各発電ユニットの単セル中に流れる電流は全て同じである。しかし、単セルの有効電極面積が小さい発電ユニットでは、その単セル中に流れる電流の密度が高くなり、内部抵抗によって放散される発熱量が単セルの有効電極面積が大きい発電ユニットに比べて大きくなる。これにより、スタック内での温度分布を調整ないし抑制することができる。特に、スタックの上下段や吸熱反応を生じる装置に近い部分など熱の奪われやすい部分に配置される発電ユニットにおける単セルの有効電極面積を小さくし、スタック中央部や発熱反応を生じる装置に近い部分など熱の奪われにくい部分に配置される発電ユニットにおける単セルの有効電極面積を大きくしたことにより、スタック内での温度分布が平均化されるため、スタックの耐久性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る平板型燃料電池スタックの第１の実施の形態を示す断面図である。
【図２】本発明の平板型燃料電池スタックに含まれる一方の発電ユニットを示す断面図である。
【図３】本発明の平板型燃料電池スタックに含まれる他方の発電ユニットを示す断面図である。
【図４】本発明に係る平板型燃料電池スタックの第２の実施の形態を示す断面図である。
【図５】本発明に係る平板型燃料電池スタックの第３の実施の形態を示す断面図である。
【図６】本発明に係る平板型燃料電池スタックの第４の実施の形態を示す断面図である。
【図７】本発明に係る平板型燃料電池スタックの第５の実施の形態を示す断面図である。
【図８】本発明に係る平板型燃料電池スタックの第６の実施の形態を示す断面図である。
【図９】従来の平板型燃料電池スタックを示す断面図である。
【図１０】従来の平板型燃料電池スタックに含まれる発電ユニットを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
図１〜図３に示す本発明の第１の実施の形態は、燃料極支持型の平板型燃料電池スタック２０に適用した例を示す。平板型燃料電池スタック（以下単にスタックとも云う）２０は、単セル６、６Ａの有効電極面積が異なる２種類の発電ユニット２、２Ａを複数段積層し、電気的に直列に接続して構成されている点で、図９および図１０に示した従来の平板型燃料電池スタック１と異なっている。
【００２３】
図２において、一方の発電ユニット２は、図９に示した発電ユニット２と同一の構造であって、平板状の電解質３と、電解質３の一方の面に形成された平板な燃料極４、および電解質３の他方の面に形成された平板な空気極５とで構成された燃料極支持型の単セル６と、単セル６を収容する凹部７ａが形成された燃料極インターコネクタ７と、この燃料極インターコネクタ７と協働して発電ユニット２の収容容器を形成する空気極インターコネクタ８と、燃料極インターコネクタ７と空気極インターコネクタ８との間に配設された絶縁部材９と、燃料極４と燃料極インターコネクタ７との間に配設された燃料極側集電部材１０と、空気極５と空気極インターコネクタ８との間に配設された空気極側集電部材１１とを備えている。
【００２４】
燃料極４は、電解質３と同一の面積をもつ大きさで、これより十分に厚肉に形成されている。空気極５は、電解質３および燃料極４より小さく形成され、空気極側集電部材１１と同一の面積をもつ大きさを有している。なお、燃料極側集電部材１０は、燃料極４の面積より面積が大きく形成されている。
【００２５】
このような電解質３、燃料極４および空気極５からなる単セル６を備えた一方の発電ユニット２は、連続して複数段積層され、その最上段と最下段に他方の発電ユニット２Ａがそれぞれ配設されている。
【００２６】
図３において、他方の発電ユニット２Ａは、単セル６Ａを構成する空気極５Ａの有効電極面積が前記単セル６の空気極５の有効電極面積よりも小さい点で前記発電ユニット２と異なり、それ以外は全て同一である。このため、同一構成部品については同一符号をもって示し、その説明を適宜省略する。
【００２７】
このような発電ユニット２Ａは、前記発電ユニット２と同様に形成される。すなわち、まず、燃料極インターコネクタ７の凹部７ａの底面に形成された燃料流路７ｂ上に、燃料極側集電部材１０、単セル６Ａおよび空気極側集電部材１１を順次積層した後、空気極インターコネクタ８を絶縁部材９を介して燃料極インターコネクタ７に接合し空気極側集電部材１１を空気極５に押しつける。これにより、単セル６Ａは、燃料極４側が燃料極側集電部材１０を介して燃料極インターコネクタ７により、空気極５側が空気極側集電部材１１を介して空気極セパレータ６により、それぞれ電解質３側に押圧されることにより燃料極インターコネクタ７と空気極インターコネクタ８との間に保持され、発電ユニット２Ａが形成される。
【００２８】
次に、図１に示すように、図２に示した発電ユニット２を所要段数積層し、最上段および最下段に、図３に示した発電ユニット２Ａを加えて、平板型燃料電池スタック２０を構築する。このような平板型燃料電池スタック２０によれば、発電時において、発電ユニット２、２Ａ中の単セル６、６Ａに流す電流が全て同じであってもスタック２０内の温度分布特性を改善することができる。すなわち、図３に示した発電ユニット２Ａは、空気極５Ａの有効電極面積が図２に示した発電ユニット２の空気極５の有効電極面積に比べて小さく、電流密度が高い単セル６Ａを含んでいるため、内部抵抗によって放散される発熱が発電ユニット２に比べて大きくなる。このため、最上段と最下段の発電ユニット２Ａの温度が高くなって中間部の発電ユニット２と同程度の温度に保つことができる。言い換えれば、スタック２０内での温度分布を平均化することができ、その結果としてスタック２０の耐久性を高めることができる。なお、本実施の形態は、空気極５、５Ａの有効電極面積を異ならせた２種類の発電ユニット２、２Ａを用いた例を示したが、これに限らず燃料極４の有効電極面積を異ならせた２種類の発電ユニットを用いてもよい。つまり、単セル６、６Ａの有効電極面積は、空気極または燃料極のうち小さい方の面積によって規定するか、または、後述するように燃料極側集電部材１０または空気極側集電部材１１のうちの小さい方の面積によって規定すればよい。
【００２９】
図４は、本発明の第２の実施の形態を示す平板型燃料電池スタックの断面図である。
本実施の形態に係る平板型燃料電池スタック２１は、電解質３に形成された空気極５、５Ａ、５Ｂの有効電極面積が異なる単セル６、６Ａ、６Ｂを含む三種類の発電ユニット２、２Ａ、２Ｂを多段に積層することによって構成し、その上に吸熱反応を伴う装置２２を設置したものである。吸熱反応を伴う装置２２としては、例えば燃料ガスＧ1 を触媒で反応させて改質ガスを生成する改質器が用いられる。
【００３０】
吸熱反応を伴う装置２２をスタック２１の最上段に設置した場合は、上記した第１の実施の形態で示した平板型燃料電池スタック１以上に最上段付近の発電ユニットが冷却されるため、最上段の発電ユニット２Ｂについては、その単セル６Ｂの空気極５Ｂの有効電極面積を最も小さくし、上から２段目と最下段に配置される発電ユニット２Ａについては、その単セル６Ａの空気極５Ａの有効電極面積をその次に大きくし、中間に配置される発電ユニット２については、その単セル６の空気極５の有効電極面積を最も大きくする。ここで、発電ユニット２、２Ａは、図１に示した第１の実施の形態の発電ユニット２、２Ａとそれぞれ同一である。一方、残りの発電ユニット２Ｂは、空気極５Ｂの有効電極面積が最も小さい点が発電ユニット２、２Ａと異なるだけで、その他の構成は全く同一である。
【００３１】
このような構造からなる平板型燃料電池スタック２１においても、空気極５、５Ａ、５Ｂの有効電極面積を変えることにより、上記した実施の形態と同様に、発電ユニット２、２Ａ、２Ｂの内部抵抗によって放散される熱が発電ユニット２に比べて大きく、スタック２１内の温度分布を平均化することができるため、スタック２１の耐久性を高めることができる。
【００３２】
なお、吸熱反応を伴う装置２２は、スタック２１の最上段に配置する必要はなく、例えばスタック中央部などに配置した場合でも、当該装置２２に近い発電ユニットに含まれる単セルの有効電極面積を小さくすることで、同様な効果を得ることができる。また、吸熱反応を伴う装置２２として、改質器を用いたが、これに限らず熱交換器など吸熱反応を伴う他の装置を配置した場合も同様の構成を採ることにより、スタック２１の耐久性を向上させることができる。
【００３３】
図５は、本発明の第３の実施の形態を示す平板型燃料電池スタックの断面図である。
本実施の形態に係る平板型燃料電池スタック２３は、電解質支持型の単セル３０、３０Ｂからなる２種類の発電ユニット３１、３１Ａによって構成されている点が、図１および図４に示した第１、第２の実施の形態で示した平板型燃料電池スタック２０、２１と異なり、その他の構成は同一であるため、同一構成部材については同一符号を以て示し、その説明を省略する。
【００３４】
一方の発電ユニット３１は、電解質３Ａと、この電解質３Ａの表裏面に形成された板厚が薄い燃料極４Ｂおよび空気極５とで構成される単セル３０を備えている。電解質３Ａは、上記第１、第２の実施の形態で示した単セル６、６Ａ、６Ｂの電解質３より厚肉に形成されている。
【００３５】
燃料極４Ｂは、上記第１、第２の実施の形態で示した単セル６、６Ａ、６Ｂの燃料極４と同一の面積をもつ大きさではあるが、これより薄肉に形成されている。
【００３６】
空気極５は、上記第１、第２の実施の形態で示した単セル６の空気極５と同一の面積と厚さを有している。
【００３７】
他方の発電ユニット３１Ａは、同じく電解質３Ａと、この電解質３Ａの表裏面に形成された板厚が薄い燃料極４Ｂおよび空気極５Ａとで構成される単セル３０Ａを備えている。空気極５Ａは、一方の発電ユニット３１の燃料極４Ｂおよび空気極５よりも有効電極面積が小さく形成されている。
【００３８】
このような構成からなる平板型燃料電池スタック２３においても、単セル３０、３０Ａが電解質支持型で、上記した第１、第２の実施の形態の燃料極支持型の平板型燃料電池スタック２０、２１と異なるだけで、その他の構成は第１の実施の形態の平板型燃料電池スタック２０と同一であるため、同様な効果が得られるものである。
【００３９】
図６は、本発明の第４の実施の形態を示す平板型燃料電池スタックの断面図である。
本実施の形態に係る平板型燃料電池スタック２４は、上記した第２実施の形態と同様に、燃料極支持型の単セル６、６Ａ、６Ｂからなる３種類の発電ユニット２、２Ａ、２Ｂを多段に積層することによって構成し、最下段に発熱反応を伴う装置２６を配置したものである。発熱反応を伴う装置２６としては、例えば排気ガス燃焼器が用いられる。
【００４０】
発熱反応を伴う装置２６をスタック２４の最下段に設置した場合は、平板型燃料電池スタック２４の最下段の発電ユニット２が最も加熱されるため、最下段の発電ユニット２に含まれる単セル６の空気極５の有効電極面積を最も大きくする。下から２段目と上から２段目間には、単セル６Ａの空気極５Ａの有効電極面積が前記空気極５よりも小さい発電ユニット２Ａを多段に積層する。最上段には、単セル６Ｂの空気極５Ｂの有効電極面積が最も小さい発電ユニット２Ｂを配置する。その他の構成は全く同一である。
【００４１】
このような構造からなる平板型燃料電池スタック２４においても、発熱反応を伴う装置２６に近い発電ユニット２の単セル６の有効電極面積を最も大きくし、当該装置２６から遠い発電ユニット２Ａ、２Ｂの単セル６Ａ、６Ｂの有効電極面積を相対的に小さくしているので、上記した実施の形態と同様に、発電ユニット２、２Ａ、２Ｂの温度を略同程度に保つことができ、スタック２４内の温度分布が抑制され、スタック２４の耐久性を高めることができる。
【００４２】
図７は、本発明の第５の実施の形態を示す平板型燃料電池スタック断面図である。
本実施の形態に係る平板型燃料電池スタック２７は、燃料極支持型の単セル６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃからなる４種類の発電ユニット２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃを多段に積層して構成し、最上段に吸熱反応を伴う装置２２を配置し、最下段に発熱反応を伴う装置２６を配置したものである。
【００４３】
この場合は、平板型燃料電池スタック２７の最下段の発電ユニット２が最も加熱されるため、最下段の発電ユニット２に含まれる単セル６の空気極５の有効電極面積を最も大きくする。下から２段目と上から３段目間に配置される発電ユニット２Ａについては、その単セル６Ａの空気極５Ａの有効電極面積を前記空気極５より小さくする。上から２段目に配置される発電ユニット２Ｂについては、その単セル６Ｂの空気極５Ｂの有効電極面積を前記空気極５Ａよりも小さくする。そして、最上段に配置される発電ユニット２Ｃについては、その単セル６Ｃの空気極５Ｃの有効電極面積を最も小さくする。その他の構成は全く同一である。
【００４４】
このような構造からなる平板型燃料電池スタック２７においても、吸熱反応を生じる装置２２に近い発電ユニット２Ｂ、２Ｃについては単セル６Ｂ、６Ｃの有効電極面積を小さくし、発熱反応を伴う装置２６に近い発電ユニット２の単セル６の有効電極面積を最も大きくしているので、上記した実施の形態と同様に、発電ユニット２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃの温度を略同程度に保つことができ、スタック２７内の温度分布が抑制され、スタック２７の耐久性を高めることができる。なお、必ずしも最上段に吸熱反応を伴う装置２２を配置し、最下段に発熱反応を伴う装置２６を配置する必要はなく、例えばスタック２７の中央部などに配置した場合でも吸熱反応を生じる装置２２の近傍においては発電ユニットに含まれる単セルの有効電極面積を小さくし、発熱反応を生じる装置２６の近傍に配置される発電ユニットについては、その単セルの有効電極面積を大きくすることにより、同様の効果を得ることができる。
【００４５】
ここで、上記した実施の形態は、いずれも単セルの有効電極面積を空気極の面積によって規定した例について説明したが、本発明はこれに限らず、燃料極４もしくは空気極５における集電部材１０、１１の面積によって規定してもよい。以下、その例を図８に示す。
【００４６】
図８は、本発明の第６の実施の形態を示す平板型燃料電池スタックの断面図である。
本実施の形態は、上記した第３実施の形態と同様に電解質支持型の単セル３０、３０Ｃを用いた２種類の発電ユニット３１、３１Ｃによって平板型燃料電池スタック２８を構成したものである。また、本実施の形態は、単セル３０、３０Ｃの有効電極面積を、空気極５の代わりに空気極側集電部材１１、１１Ａの面積によって規定したものである。すなわち、空気極５の導電率が燃料極４の導電率よりも低い平板型燃料電池スタック２８の場合は、図８に示すように、各発電ユニット３１、３１Ｃの燃料極４と空気極５の面積をそれぞれ全て一定に保持し、最上段の発電ユニット３１Ｃの空気極５と空気極インターコネクタ８との間に配設された空気極側集電部材１１Ａの面積を、中間に配置された発電ユニット３１の空気極５と空気極インターコネクタ８との間に配設された空気極側集電部材１１より小さくすることによって、最上段と最下段の発電ユニット３１Ｃの単セル３０Ｃの有効電極面積を変えるようにしたものである。これは、導電率の低い電極では電流が電極内で横流れして有効電極面積が広がる効果が、導電率の高い電極に比べて期待できないためである。
【００４７】
一方の発電ユニット３１は、図５に示した第３の実施の形態の発電ユニット３１と同一であり、その最上段と最下段に他方の発電ユニット３１Ｃがそれぞれ配設されている。
【００４８】
他方の発電ユニット３１Ｃは、空気極側集電部材１１Ａが前記一方の発電ユニット３１の空気極側集電部材１１より面積が小さく形成されている点で異なり、その他の構成は一方の発電ユニット３１と同一である。
【００４９】
このような構成からなる平板型燃料電池スタック２８においても、空気極側集電部材１１１、１Ａによって単セル３０、３０Ｃの有効電極面積を小さくすることができるため、他方の発電ユニット３１Ｃの発熱量を一方の発電ユニット３１の発熱量よりも大きくすることができ、上記した第１〜第５の実施の形態の平板型燃料電池スタック２０、２１、２３、２４、２７と同様な効果が得られるものである。なお、図８に示す平板型燃料電池スタック２８は、電解質支持型の単セル３０、３０Ｃを用いた例を示しているが、燃料極支持型の単セルにも適用可能である。また、空気極５の導電率が燃料極４の導電率よりも低い場合について示したが、燃料極４の導電率が空気極５の導電率よりも低い場合も同様に、燃料極４と燃料極インターコネクタ７との間に配設された燃料極側集電部材１０の面積を小さくすることによって、単セルの有効電極面積を小さくすることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１…平板型燃料電池スタック、２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ…発電ユニット、３、３Ａ…電解質、４…燃料極、５、５Ａ、５Ｂ、…空気極、６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ…単セル、７…燃料極インターコネクタ、７ａ…凹部、７ｂ…燃料流路、７ｃ…燃料供給経路、７ｄ…燃料排出経路、８…空気極インターコネクタ、８ａ…空気経路、８ｂ…空気供給経路、９…絶縁部材、１０…燃料極側集電部材、１１、１１Ａ…空気極側集電部材、２０、２１、２３、２４、２７、２８…平板型燃料電池スタック、２２…吸熱反応を伴う装置、２６…発熱反応を伴う装置、３０、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ…単セル、３１、３１Ａ、３１Ｃ…発電ユニット。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平板型の単セルとこの単セルを収容する収容部材とを備えた平板型燃料電池スタックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
平板型固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ:Solid Oxide Fuel Cell、以下、平板型燃料電池ともいう）は、平板状の電解質層の表裏面に空気極および燃料極をそれぞれ形成してなる単セルと、燃料ガスと酸化剤ガスをそれぞれ給排気する通路を有するインターコネクタとを交互に複数個積層して電気的に直列に接続することにより平板型燃料電池スタックを形成し、前記通路を介して各単セルの燃料極に燃料ガスを供給し、空気極に酸化剤ガスを供給することにより発電を行うようにした燃料電池である（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図９および図１０は、このような平板型燃料電池スタックの従来例を示す図で、図９は平板型燃料電池スタックの概略断面図、図１０は発電ユニットの断面図である。これらの図において、平板型燃料電池スタック１は、同一構造からなる複数の発電ユニット２を積層して電気的に直列に接続することにより構成され、断熱壁で囲まれた断熱容器Ａ内に収納されている。
【０００４】
発電ユニット２は、平板状の電解質３と、この電解質３の両面に形成された燃料極４および空気極５とからなる燃料極支持型の単セル６と、この単セル６を収容する凹部７ａを有する燃料極インターコネクタ（燃料極セパレータ）７と、この燃料極インターコネクタ７と協働して発電ユニット２の収容容器を構成する空気極インターコネクタ（空気極セパレータ）８と、燃料極インターコネクタ７と空気極インターコネクタ８との間に配設された絶縁部材９と、燃料極４と燃料極インターコネクタ７との間に配設された燃料極側集電部材１０と、空気極５と空気極インターコネクタ８との間に配設された空気極側集電部材１１等で構成される。
【０００５】
燃料極４は、燃料極側集電部材１０を介して燃料極インターコネクタ７に電気的に接続され、空気極５は、空気極側集電部材１１を介して空気極インターコネクタ８に電気的に接続されている。燃料極インターコネクタ７と空気極インターコネクタ８とは、それぞれ隣接する燃料極インターコネクタ７または空気極インターコネクタ８に電気的に接続されている。そして、最上段の空気極インターコネクタ８と最下段の燃料極インターコネクタ７とを端子として負荷回路を構成することにより、平板型燃料電池スタック１が構築される。
【０００６】
また、燃料極インターコネクタ７は、燃料流路７ｂ、燃料供給経路７ｃおよび燃料排出経路７ｄを有し、燃料供給経路７ｃが燃料ガスＧ1 を供給する燃料供給マニホールド１２に接続され、燃料排出経路７ｄには単セル６で反応しなかった未反応の燃料ガスＧ1 を排出する燃料排出マニホールド１３が接続されている。空気極インターコネクタ８は、空気経路８ａおよび空気供給経路８ｂを有し、空気供給経路８ｂが酸化剤ガスＧ2 を供給する空気供給マニホールド１４に接続されている。
【０００７】
このような発電ユニット２は、燃料極インターコネクタ７の凹部７ａの底面に形成した燃料流路７ｂ上に、燃料極側集電部材１０、単セル６および空気極側集電部材１１を順次積層した後、空気極インターコネクタ８を絶縁部材９を介して燃料極インターコネクタ７に接合し空気極側集電部材１１を空気極５に押し付けることにより、単セル６と集電部材１０、１１を燃料極インターコネクタ７と空気極インターコネクタ８との間で保持している。
【０００８】
このように形成された平板型燃料電池スタック１は、次のように動作する。まず、平板型燃料電池スタック１を加熱して所定の発電温度（例えば、７００〜１０００℃）に保持し、燃料ガスＧ1 と酸化剤ガスＧ2 を各発電ユニット２の単セル６に供給する。燃料ガスＧ1 は、水素等からなり、燃料供給マニホールド１２から燃料極セパレータ７の燃料供給経路７ｃを通って燃料流路７ｂから各発電ユニット２の燃料極４に供給される。一方、酸化剤ガスＧ2 は、空気等からなり、空気供給マニホールド１４から各発電ユニット２の空気極インターコネクタ８の空気供給経路８ｂを通って空気経路８ａから空気極５に供給される。このように、燃料ガスＧ1 と酸化剤ガスＧ2 を各発電ユニット２の単セル６に供給することにより、燃料極４と空気極５との間に所定の電圧レベルの起電力を発生させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−１１７７３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記した従来の平板型燃料電池スタック１は、全ての発電ユニット２を等しく形成しているため、各発電ユニット２における単セル６の有効電極面積が等しいことから、各単セル６の電流密度も等しく、ほぼ等しい量の熱を放散していた。この結果、平板型燃料電池スタック１の単セル６が集中する中間部分に熱が集中し、上下端においては放熱が起こり、結果としてスタック１内に温度分布が生じ、単セル６の耐久性にばらつきが生じるという問題があった。また、断熱容器Ａ内にスタック１に隣接して収納された他の吸、発熱部分、例えば改質器や熱交換器などの吸熱部分や排気ガス燃焼器などの発熱部分による影響によっても、平板型燃料電池スタック１内に温度分布が生じるため、単セル６の耐久性にばらつきが生じることがあった。具体的には、高温部分の単セル６ほど劣化による抵抗成分の増加が著しく、内部抵抗によるジュール熱が一層高まり、他の部分が正常な状態であるにも拘わらず、壊滅的に劣化することにより、平板型燃料電池スタック１全体が使えなくなることがあった。
【００１１】
そこで、本発明者らは、鋭意検討した結果、積層した各発電ユニットにおける単セルの有効電極面積をスタック内の温度分布に対応させて変更し、特にスタック上下段や吸熱反応を生じる装置に近い部分など熱の奪われやすい部分における発電ユニットの単セルについてはその有効電極面積を小さくし、スタック中央部や発熱反応を生じる装置に近い部分など熱の奪われにくい部分における発電ユニットの単セルについてはその有効電極面積を大きくすることにより、スタック内での温度分布を抑制もしくは平均化することができ、スタックの耐久性を向上させることができることを見出した。
【００１２】
本発明は、上記した従来の問題と検討結果に基づいてなされたもので、その目的とするところは、単セルの有効電極面積を変えることにより温度分布特性を改善し、耐久性の高い平板型燃料電池スタック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】
【００１３】
上記目的を達成するために本発明に係る平板型燃料電池スタックは、固体酸化物からなる電解質の表裏面に燃料極と空気極が形成された平板型の単セルと、前記単セルを収容するとともに、前記燃料極に燃料ガスを供給し、かつ前記空気極に酸化剤ガスを供給する収容部材と、前記単セルと前記収容部材との間に配設された集電部材とを備えた発電ユニットを複数段積層して電気的に直列に接続した平板型燃料電池スタックにおいて、前記発電ユニットを、前記単セルの有効電極面積が異なる少なくとも２種類の発電ユニットから構成したものである。
【００１４】
また、本発明は、上記発明において、前記単セルの有効電極面積を、前記空気極または前記燃料極のうち小さい方の面積によって規定したものである。
【００１５】
また、本発明は、上記発明において、前記単セルの有効電極面積を、前記空気極または前記燃料極のうち、導電性の低い電極側における集電部材の面積によって規定したものである。
【００１６】
また、本発明は、上記発明において、スタック最下段および最上段に配置されている発電ユニットにおける単セルの有効電極面積を、スタック中央部に配置されている発電ユニットにおける単セルの有効電極面積よりも小さくしたものである。
【００１７】
また、本発明は、上記発明において、スタックの周囲に配置された吸熱反応を生じる装置および発熱反応を生じる装置を備え、前記吸熱反応を生じる装置に近い部分に配置されている発電ユニットにおける単セルの有効電極面積を、前記発熱反応を生じる装置に近い部分に配置されている発電ユニットにおける単セルの有効電極面積より小さくしたものである。
【００１８】
また、本発明は、上記発明において、スタックの周囲に配置された発熱反応を生じる装置を備え、当該装置に近い部分に配置されている発電ユニットにおける単セルの有効電極面積を、当該装置から遠い部分に配置されている発電ユニットにおける単セルの有効電極面積より大きくしたものである。
【００１９】
さらに、本発明は、上記発明において、スタックの周囲に配置された吸熱反応を生じる装置を備え、当該装置に近い部分における単セルの有効電極面積を、当該装置から遠い部分に配置されている発電ユニットにおける単セルの有効電極面積より小さくしたものである。
【発明の効果】
【００２０】
発電ユニットを電気的に直列に接続して積層した平板型燃料電池スタックでは、各発電ユニットの単セル中に流れる電流は全て同じである。しかし、単セルの有効電極面積が小さい発電ユニットでは、その単セル中に流れる電流の密度が高くなり、内部抵抗によって放散される発熱量が単セルの有効電極面積が大きい発電ユニットに比べて大きくなる。これにより、スタック内での温度分布を調整ないし抑制することができる。特に、スタックの上下段や吸熱反応を生じる装置に近い部分など熱の奪われやすい部分に配置される発電ユニットにおける単セルの有効電極面積を小さくし、スタック中央部や発熱反応を生じる装置に近い部分など熱の奪われにくい部分に配置される発電ユニットにおける単セルの有効電極面積を大きくしたことにより、スタック内での温度分布が平均化されるため、スタックの耐久性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る平板型燃料電池スタックの第１の実施の形態を示す断面図である。
【図２】本発明の平板型燃料電池スタックに含まれる一方の発電ユニットを示す断面図である。
【図３】本発明の平板型燃料電池スタックに含まれる他方の発電ユニットを示す断面図である。
【図４】本発明に係る平板型燃料電池スタックの第２の実施の形態を示す断面図である。
【図５】本発明に係る平板型燃料電池スタックの第３の実施の形態を示す断面図である。
【図６】本発明に係る平板型燃料電池スタックの第４の実施の形態を示す断面図である。
【図７】本発明に係る平板型燃料電池スタックの第５の実施の形態を示す断面図である。
【図８】本発明に係る平板型燃料電池スタックの第６の実施の形態を示す断面図である。
【図９】従来の平板型燃料電池スタックを示す断面図である。
【図１０】従来の平板型燃料電池スタックに含まれる発電ユニットを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
図１〜図３に示す本発明の第１の実施の形態は、燃料極支持型の平板型燃料電池スタック２０に適用した例を示す。平板型燃料電池スタック（以下単にスタックとも云う）２０は、単セル６、６Ａの有効電極面積が異なる２種類の発電ユニット２、２Ａを複数段積層し、電気的に直列に接続して構成されている点で、図９および図１０に示した従来の平板型燃料電池スタック１と異なっている。
【００２３】
図２において、一方の発電ユニット２は、図９に示した発電ユニット２と同一の構造であって、平板状の電解質３と、電解質３の一方の面に形成された平板な燃料極４、および電解質３の他方の面に形成された平板な空気極５とで構成された燃料極支持型の単セル６と、単セル６を収容する凹部７ａが形成された燃料極インターコネクタ７と、この燃料極インターコネクタ７と協働して発電ユニット２の収容容器を形成する空気極インターコネクタ８と、燃料極インターコネクタ７と空気極インターコネクタ８との間に配設された絶縁部材９と、燃料極４と燃料極インターコネクタ７との間に配設された燃料極側集電部材１０と、空気極５と空気極インターコネクタ８との間に配設された空気極側集電部材１１とを備えている。
【００２４】
燃料極４は、電解質３と同一の面積をもつ大きさで、これより十分に厚肉に形成されている。空気極５は、電解質３および燃料極４より小さく形成され、空気極側集電部材１１と同一の面積をもつ大きさを有している。なお、燃料極側集電部材１０は、燃料極４の面積より面積が大きく形成されている。
【００２５】
このような電解質３、燃料極４および空気極５からなる単セル６を備えた一方の発電ユニット２は、連続して複数段積層され、その最上段と最下段に他方の発電ユニット２Ａがそれぞれ配設されている。
【００２６】
図３において、他方の発電ユニット２Ａは、単セル６Ａを構成する空気極５Ａの有効電極面積が前記単セル６の空気極５の有効電極面積よりも小さい点で前記発電ユニット２と異なり、それ以外は全て同一である。このため、同一構成部品については同一符号をもって示し、その説明を適宜省略する。
【００２７】
このような発電ユニット２Ａは、前記発電ユニット２と同様に形成される。すなわち、まず、燃料極インターコネクタ７の凹部７ａの底面に形成された燃料流路７ｂ上に、燃料極側集電部材１０、単セル６Ａおよび空気極側集電部材１１を順次積層した後、空気極インターコネクタ８を絶縁部材９を介して燃料極インターコネクタ７に接合し空気極側集電部材１１を空気極５に押しつける。これにより、単セル６Ａは、燃料極４側が燃料極側集電部材１０を介して燃料極インターコネクタ７により、空気極５側が空気極側集電部材１１を介して空気極セパレータ６により、それぞれ電解質３側に押圧されることにより燃料極インターコネクタ７と空気極インターコネクタ８との間に保持され、発電ユニット２Ａが形成される。
【００２８】
次に、図１に示すように、図２に示した発電ユニット２を所要段数積層し、最上段および最下段に、図３に示した発電ユニット２Ａを加えて、平板型燃料電池スタック２０を構築する。このような平板型燃料電池スタック２０によれば、発電時において、発電ユニット２、２Ａ中の単セル６、６Ａに流す電流が全て同じであってもスタック２０内の温度分布特性を改善することができる。すなわち、図３に示した発電ユニット２Ａは、空気極５Ａの有効電極面積が図２に示した発電ユニット２の空気極５の有効電極面積に比べて小さく、電流密度が高い単セル６Ａを含んでいるため、内部抵抗によって放散される発熱が発電ユニット２に比べて大きくなる。このため、最上段と最下段の発電ユニット２Ａの温度が高くなって中間部の発電ユニット２と同程度の温度に保つことができる。言い換えれば、スタック２０内での温度分布を平均化することができ、その結果としてスタック２０の耐久性を高めることができる。なお、本実施の形態は、空気極５、５Ａの有効電極面積を異ならせた２種類の発電ユニット２、２Ａを用いた例を示したが、これに限らず燃料極４の有効電極面積を異ならせた２種類の発電ユニットを用いてもよい。つまり、単セル６、６Ａの有効電極面積は、空気極または燃料極のうち小さい方の面積によって規定するか、または、後述するように燃料極側集電部材１０または空気極側集電部材１１のうちの小さい方の面積によって規定すればよい。
【００２９】
図４は、本発明の第２の実施の形態を示す平板型燃料電池スタックの断面図である。
本実施の形態に係る平板型燃料電池スタック２１は、電解質３に形成された空気極５、５Ａ、５Ｂの有効電極面積が異なる単セル６、６Ａ、６Ｂを含む三種類の発電ユニット２、２Ａ、２Ｂを多段に積層することによって構成し、その上に吸熱反応を伴う装置２２を設置したものである。吸熱反応を伴う装置２２としては、例えば燃料ガスＧ1 を触媒で反応させて改質ガスを生成する改質器が用いられる。
【００３０】
吸熱反応を伴う装置２２をスタック２１の最上段に設置した場合は、上記した第１の実施の形態で示した平板型燃料電池スタック１以上に最上段付近の発電ユニットが冷却されるため、最上段の発電ユニット２Ｂについては、その単セル６Ｂの空気極５Ｂの有効電極面積を最も小さくし、上から２段目と最下段に配置される発電ユニット２Ａについては、その単セル６Ａの空気極５Ａの有効電極面積をその次に大きくし、中間に配置される発電ユニット２については、その単セル６の空気極５の有効電極面積を最も大きくする。ここで、発電ユニット２、２Ａは、図１に示した第１の実施の形態の発電ユニット２、２Ａとそれぞれ同一である。一方、残りの発電ユニット２Ｂは、空気極５Ｂの有効電極面積が最も小さい点が発電ユニット２、２Ａと異なるだけで、その他の構成は全く同一である。
【００３１】
このような構造からなる平板型燃料電池スタック２１においても、空気極５、５Ａ、５Ｂの有効電極面積を変えることにより、上記した実施の形態と同様に、発電ユニット２、２Ａ、２Ｂの内部抵抗によって放散される熱が発電ユニット２に比べて大きく、スタック２１内の温度分布を平均化することができるため、スタック２１の耐久性を高めることができる。
【００３２】
なお、吸熱反応を伴う装置２２は、スタック２１の最上段に配置する必要はなく、例えばスタック中央部などに配置した場合でも、当該装置２２に近い発電ユニットに含まれる単セルの有効電極面積を小さくすることで、同様な効果を得ることができる。また、吸熱反応を伴う装置２２として、改質器を用いたが、これに限らず熱交換器など吸熱反応を伴う他の装置を配置した場合も同様の構成を採ることにより、スタック２１の耐久性を向上させることができる。
【００３３】
図５は、本発明の第３の実施の形態を示す平板型燃料電池スタックの断面図である。
本実施の形態に係る平板型燃料電池スタック２３は、電解質支持型の単セル３０、３０Ｂからなる２種類の発電ユニット３１、３１Ａによって構成されている点が、図１および図４に示した第１、第２の実施の形態で示した平板型燃料電池スタック２０、２１と異なり、その他の構成は同一であるため、同一構成部材については同一符号を以て示し、その説明を省略する。
【００３４】
一方の発電ユニット３１は、電解質３Ａと、この電解質３Ａの表裏面に形成された板厚が薄い燃料極４Ｂおよび空気極５とで構成される単セル３０を備えている。電解質３Ａは、上記第１、第２の実施の形態で示した単セル６、６Ａ、６Ｂの電解質３より厚肉に形成されている。
【００３５】
燃料極４Ｂは、上記第１、第２の実施の形態で示した単セル６、６Ａ、６Ｂの燃料極４と同一の面積をもつ大きさではあるが、これより薄肉に形成されている。
【００３６】
空気極５は、上記第１、第２の実施の形態で示した単セル６の空気極５と同一の面積と厚さを有している。
【００３７】
他方の発電ユニット３１Ａは、同じく電解質３Ａと、この電解質３Ａの表裏面に形成された板厚が薄い燃料極４Ｂおよび空気極５Ａとで構成される単セル３０Ａを備えている。空気極５Ａは、一方の発電ユニット３１の燃料極４Ｂおよび空気極５よりも有効電極面積が小さく形成されている。
【００３８】
このような構成からなる平板型燃料電池スタック２３においても、単セル３０、３０Ａが電解質支持型で、上記した第１、第２の実施の形態の燃料極支持型の平板型燃料電池スタック２０、２１と異なるだけで、その他の構成は第１の実施の形態の平板型燃料電池スタック２０と同一であるため、同様な効果が得られるものである。
【００３９】
図６は、本発明の第４の実施の形態を示す平板型燃料電池スタックの断面図である。
本実施の形態に係る平板型燃料電池スタック２４は、上記した第２実施の形態と同様に、燃料極支持型の単セル６、６Ａ、６Ｂからなる３種類の発電ユニット２、２Ａ、２Ｂを多段に積層することによって構成し、最下段に発熱反応を伴う装置２６を配置したものである。発熱反応を伴う装置２６としては、例えば排気ガス燃焼器が用いられる。
【００４０】
発熱反応を伴う装置２６をスタック２４の最下段に設置した場合は、平板型燃料電池スタック２４の最下段の発電ユニット２が最も加熱されるため、最下段の発電ユニット２に含まれる単セル６の空気極５の有効電極面積を最も大きくする。下から２段目と上から２段目間には、単セル６Ａの空気極５Ａの有効電極面積が前記空気極５よりも小さい発電ユニット２Ａを多段に積層する。最上段には、単セル６Ｂの空気極５Ｂの有効電極面積が最も小さい発電ユニット２Ｂを配置する。その他の構成は全く同一である。
【００４１】
このような構造からなる平板型燃料電池スタック２４においても、発熱反応を伴う装置２６に近い発電ユニット２の単セル６の有効電極面積を最も大きくし、当該装置２６から遠い発電ユニット２Ａ、２Ｂの単セル６Ａ、６Ｂの有効電極面積を相対的に小さくしているので、上記した実施の形態と同様に、発電ユニット２、２Ａ、２Ｂの温度を略同程度に保つことができ、スタック２４内の温度分布が抑制され、スタック２４の耐久性を高めることができる。
【００４２】
図７は、本発明の第５の実施の形態を示す平板型燃料電池スタック断面図である。
本実施の形態に係る平板型燃料電池スタック２７は、燃料極支持型の単セル６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃからなる４種類の発電ユニット２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃを多段に積層して構成し、最上段に吸熱反応を伴う装置２２を配置し、最下段に発熱反応を伴う装置２６を配置したものである。
【００４３】
この場合は、平板型燃料電池スタック２７の最下段の発電ユニット２が最も加熱されるため、最下段の発電ユニット２に含まれる単セル６の空気極５の有効電極面積を最も大きくする。下から２段目と上から３段目間に配置される発電ユニット２Ａについては、その単セル６Ａの空気極５Ａの有効電極面積を前記空気極５より小さくする。上から２段目に配置される発電ユニット２Ｂについては、その単セル６Ｂの空気極５Ｂの有効電極面積を前記空気極５Ａよりも小さくする。そして、最上段に配置される発電ユニット２Ｃについては、その単セル６Ｃの空気極５Ｃの有効電極面積を最も小さくする。その他の構成は全く同一である。
【００４４】
このような構造からなる平板型燃料電池スタック２７においても、吸熱反応を生じる装置２２に近い発電ユニット２Ｂ、２Ｃについては単セル６Ｂ、６Ｃの有効電極面積を小さくし、発熱反応を伴う装置２６に近い発電ユニット２の単セル６の有効電極面積を最も大きくしているので、上記した実施の形態と同様に、発電ユニット２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃの温度を略同程度に保つことができ、スタック２７内の温度分布が抑制され、スタック２７の耐久性を高めることができる。なお、必ずしも最上段に吸熱反応を伴う装置２２を配置し、最下段に発熱反応を伴う装置２６を配置する必要はなく、例えばスタック２７の中央部などに配置した場合でも吸熱反応を生じる装置２２の近傍においては発電ユニットに含まれる単セルの有効電極面積を小さくし、発熱反応を生じる装置２６の近傍に配置される発電ユニットについては、その単セルの有効電極面積を大きくすることにより、同様の効果を得ることができる。
【００４５】
ここで、上記した実施の形態は、いずれも単セルの有効電極面積を空気極の面積によって規定した例について説明したが、本発明はこれに限らず、燃料極４もしくは空気極５における集電部材１０、１１の面積によって規定してもよい。以下、その例を図８に示す。
【００４６】
図８は、本発明の第６の実施の形態を示す平板型燃料電池スタックの断面図である。
本実施の形態は、上記した第３実施の形態と同様に電解質支持型の単セル３０、３０Ｃを用いた２種類の発電ユニット３１、３１Ｃによって平板型燃料電池スタック２８を構成したものである。また、本実施の形態は、単セル３０、３０Ｃの有効電極面積を、空気極５の代わりに空気極側集電部材１１、１１Ａの面積によって規定したものである。すなわち、空気極５の導電率が燃料極４の導電率よりも低い平板型燃料電池スタック２８の場合は、図８に示すように、各発電ユニット３１、３１Ｃの燃料極４と空気極５の面積をそれぞれ全て一定に保持し、最上段の発電ユニット３１Ｃの空気極５と空気極インターコネクタ８との間に配設された空気極側集電部材１１Ａの面積を、中間に配置された発電ユニット３１の空気極５と空気極インターコネクタ８との間に配設された空気極側集電部材１１より小さくすることによって、最上段と最下段の発電ユニット３１Ｃの単セル３０Ｃの有効電極面積を変えるようにしたものである。これは、導電率の低い電極では電流が電極内で横流れして有効電極面積が広がる効果が、導電率の高い電極に比べて期待できないためである。
【００４７】
一方の発電ユニット３１は、図５に示した第３の実施の形態の発電ユニット３１と同一であり、その最上段と最下段に他方の発電ユニット３１Ｃがそれぞれ配設されている。
【００４８】
他方の発電ユニット３１Ｃは、空気極側集電部材１１Ａが前記一方の発電ユニット３１の空気極側集電部材１１より面積が小さく形成されている点で異なり、その他の構成は一方の発電ユニット３１と同一である。
【００４９】
このような構成からなる平板型燃料電池スタック２８においても、空気極側集電部材１１１、１Ａによって単セル３０、３０Ｃの有効電極面積を小さくすることができるため、他方の発電ユニット３１Ｃの発熱量を一方の発電ユニット３１の発熱量よりも大きくすることができ、上記した第１〜第５の実施の形態の平板型燃料電池スタック２０、２１、２３、２４、２７と同様な効果が得られるものである。なお、図８に示す平板型燃料電池スタック２８は、電解質支持型の単セル３０、３０Ｃを用いた例を示しているが、燃料極支持型の単セルにも適用可能である。また、空気極５の導電率が燃料極４の導電率よりも低い場合について示したが、燃料極４の導電率が空気極５の導電率よりも低い場合も同様に、燃料極４と燃料極インターコネクタ７との間に配設された燃料極側集電部材１０の面積を小さくすることによって、単セルの有効電極面積を小さくすることができる。
【符号の説明】
【００５０】
１…平板型燃料電池スタック、２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ…発電ユニット、３、３Ａ…電解質、４…燃料極、５、５Ａ、５Ｂ、…空気極、６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ…単セル、７…燃料極インターコネクタ、７ａ…凹部、７ｂ…燃料流路、７ｃ…燃料供給経路、７ｄ…燃料排出経路、８…空気極インターコネクタ、８ａ…空気経路、８ｂ…空気供給経路、９…絶縁部材、１０…燃料極側集電部材、１１、１１Ａ…空気極側集電部材、２０、２１、２３、２４、２７、２８…平板型燃料電池スタック、２２…吸熱反応を伴う装置、２６…発熱反応を伴う装置、３０、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ…単セル、３１、３１Ａ、３１Ｃ…発電ユニット。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物からなる電解質の表裏面に燃料極と空気極が形成された平板型の単セルと、前記単セルを収容するとともに、前記燃料極に燃料ガスを供給し、かつ前記空気極に酸化剤ガスを供給する収容部材と、前記単セルと前記収容部材との間に配設された集電部材とを備えた発電ユニットを複数段積層して電気的に直列に接続した平板型燃料電池スタックにおいて、
前記発電ユニットは、前記単セルの有効電極面積が異なる少なくとも２種類の発電ユニットからなることを特徴とする平板型燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
前記単セルの有効電極面積が、前記空気極または前記燃料極のうち小さい方の面積によって規定されていることを特徴とする平板型燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
前記単セルの有効電極面積が、前記空気極または前記燃料極のうち、導電性の低い電極側における集電部材の面積によって規定されていることを特徴とする平板型燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１、２、３のうちのいずれか一項記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
スタック最下段および最上段に配置されている発電ユニットにおける単セルの有効電極面積がスタック中央部に配置されている発電ユニットにおける単セルの有効電極面積よりも小さいことを特徴とする平板型燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項１、２、３のうちのいずれか一項記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
スタックの周囲に配置された吸熱反応を生じる装置および発熱反応を生じる装置を備え、前記吸熱反応を生じる装置に近い部分に配置されている発電ユニットにおける単セルの有効電極面積が、前記発熱反応を生じる装置に近い部分に配置されている発電ユニットにおける単セルの有効電極面積より小さいことを特徴とする平板型燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項１、２、３のうちのいずれか一項記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
スタックの周囲に配置された発熱反応を生じる装置を備え、当該装置に近い部分に配置されている発電ユニットにおける単セルの有効電極面積が、当該装置から遠い部分に配置されている発電ユニットにおける単セルの有効電極面積より大きいことを特徴とする平板型燃料電池スタック。
【請求項７】
請求項１、２、３のうちのいずれか一項記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
スタックの周囲に配置された吸熱反応を生じる装置を備え、当該装置に近い部分における単セルの有効電極面積が、当該装置から遠い部分に配置されている発電ユニットにおける単セルの有効電極面積より小さいことを特徴とする平板型燃料電池スタック。
【請求項１】
固体酸化物からなる電解質の表裏面に燃料極と空気極が形成された平板型の単セルと、前記単セルを収容するとともに、前記燃料極に燃料ガスを供給し、かつ前記空気極に酸化剤ガスを供給する収容部材と、前記単セルと前記収容部材との間に配設された集電部材とを備えた発電ユニットを複数段積層して電気的に直列に接続した平板型燃料電池スタックにおいて、
前記発電ユニットは、前記単セルの有効電極面積が異なる少なくとも２種類の発電ユニットからなることを特徴とする平板型燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
前記単セルの有効電極面積が、前記空気極または前記燃料極のうち小さい方の面積によって規定されていることを特徴とする平板型燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
前記単セルの有効電極面積が、前記空気極または前記燃料極のうち、導電性の低い電極側における集電部材の面積によって規定されていることを特徴とする平板型燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１、２、３のうちのいずれか一項記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
スタック最下段および最上段に配置されている発電ユニットにおける単セルの有効電極面積がスタック中央部に配置されている発電ユニットにおける単セルの有効電極面積よりも小さいことを特徴とする平板型燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項１、２、３のうちのいずれか一項記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
スタックの周囲に配置された吸熱反応を生じる装置および発熱反応を生じる装置を備え、前記吸熱反応を生じる装置に近い部分に配置されている発電ユニットにおける単セルの有効電極面積が、前記発熱反応を生じる装置に近い部分に配置されている発電ユニットにおける単セルの有効電極面積より小さいことを特徴とする平板型燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項１、２、３のうちのいずれか一項記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
スタックの周囲に配置された発熱反応を生じる装置を備え、当該装置に近い部分に配置されている発電ユニットにおける単セルの有効電極面積が、当該装置から遠い部分に配置されている発電ユニットにおける単セルの有効電極面積より大きいことを特徴とする平板型燃料電池スタック。
【請求項７】
請求項１、２、３のうちのいずれか一項記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
スタックの周囲に配置された吸熱反応を生じる装置を備え、当該装置に近い部分における単セルの有効電極面積が、当該装置から遠い部分に配置されている発電ユニットにおける単セルの有効電極面積より小さいことを特徴とする平板型燃料電池スタック。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−２７２３９２（Ｐ２０１０−２７２３９２Ａ）
【公開日】平成２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２３８９４（Ｐ２００９−１２３８９４）
【出願日】平成２１年５月２２日（２００９．５．２２）
【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２２年１２月２日（２０１０．１２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月２２日（２００９．５．２２）
【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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