燃料電池セル、及び燃料電池
【課題】 内部のガス流を折り返した構成の燃料電池セルであって、局部的な温度上昇を抑制し、発電反応を均一に行うことができる燃料電池セルを提供すること。
【解決手段】 この燃料電池セルＦＣ１は、空気極支持体２０と、燃料極５０と、電解質部４０と、インターコネクタ部６０と、を備え、空気極支持体２０の内部には空気が流れる流路７０が形成されており、流路７０は、空気が流入する往路７１と、往路７１に流入した空気が折り返して流出する復路７２とを含み、流路７０に沿って延在し、空気極支持体２０よりもガス透過率の低い仕切部３０を備える。
【解決手段】 この燃料電池セルＦＣ１は、空気極支持体２０と、燃料極５０と、電解質部４０と、インターコネクタ部６０と、を備え、空気極支持体２０の内部には空気が流れる流路７０が形成されており、流路７０は、空気が流入する往路７１と、往路７１に流入した空気が折り返して流出する復路７２とを含み、流路７０に沿って延在し、空気極支持体２０よりもガス透過率の低い仕切部３０を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の態様は、一般に、燃料電池セル、及び燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、このような燃料電池セルは、電解質を挟んで空気極と燃料極を配置すべく様々な態様のものが提案されている。一つの態様は、下記特許文献１の図４等に示されているように、有底円筒状のものとして形成されている燃料電池セルである。この燃料電池セルは、空気極支持体の外側に電解質層が形成され、その電解質層に重ねて燃料極層が形成され、空気極支持体に接続されるようにインターコネクタが形成されている。有底円筒状の空気極支持体の内部には空気導入管が挿入され、この空気導入管を介して空気が導入される。また別の態様は、下記特許文献２に示されるように、空気流路又は燃料ガス流路を折り返すように形成した燃料電池セルである。この燃料電池セルの場合、流路の一端から空気又は燃料ガスを流入させ、流路の他端から流出させている。
【特許文献１】特開２００６−６６３８７号公報
【特許文献２】特許３１３７１７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上記特許文献２に記載されているような、燃料電池セル内部の流路を折り返す態様のものは、その折り返し部分において温度が局部的に上昇し発電が安定しない現象が現れる。上記特許文献２では、そのための対策として、往路を流れるガスを復路に拡散するように構成している（上記特許文献２の段落番号００２６〜００２８、図１６参照）。しかしながら、実際にそのような構成の燃料電池セルを用いても、現実には局部的な温度上昇が発生する場合もあり、往路を流れるガスを復路に拡散させる構成は必ずしも局部的な温度上昇を抑制することにはならず、発電反応も均一に行われないことを本発明者らは見出したものである。
【０００４】
そこで、本発明では、内部のガス流を折り返した構成の燃料電池セルであって、局部的な温度上昇を抑制し、発電反応を均一に行うことができる燃料電池セル及びその燃料電池セルによって構成される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】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池セルは、燃料ガス及び酸化剤ガスの一方を含む第１ガスと他方を含む第２ガスとによって作動する燃料電池セルであって、前記第１ガスに対応する第１電極と、前記第２ガスに対応する第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に配置される電解質部と、前記第１電極と電気的に接続されたインターコネクタ部と、前記第１電極、前記第２電極、前記電解質部、及び前記インターコネクタ部を支持するための支持体と、を備え、前記電解質部及び前記電解質部を挟んで形成される前記第１電極及び前記第２電極からなる第１反応部が前記支持体の外表面の一部に形成され、前記インターコネクタ部は、前記支持体の外表面であって前記第１反応部が形成されていない残部に形成され、前記支持体は導電性を有する材料によって形成されると共に、前記支持体の内部には前記第１ガスが流れる流路が形成されており、前記流路は、前記第１ガスが流入する往路と、前記往路に流入した前記第１ガスが折り返して流出する復路とを含み、前記往路と前記復路とは仕切部によって仕切られることで形成されており、前記仕切部のガス透過率が前記支持体のガス透過率よりも低いことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、内部のガス流を折り返した構成の燃料電池セルであって、局部的な温度上昇を抑制し、発電反応を均一に行うことができる燃料電池セル及びその燃料電池セルによって構成される燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明を実施するための最良の形態を説明するのに先立って、本発明の作用効果について説明する。
【０００８】
本発明に係る燃料電池セルは、燃料ガス及び酸化剤ガスの一方を含む第１ガスと他方を含む第２ガスとによって作動する燃料電池セルであって、前記第１ガスに対応する第１電極と、前記第２ガスに対応する第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に配置される電解質部と、前記第１電極と電気的に接続されたインターコネクタ部と、前記第１電極、前記第２電極、前記電解質部、及び前記インターコネクタ部を支持するための支持体と、を備え、前記電解質部及び前記電解質部を挟んで形成される前記第１電極及び前記第２電極からなる第１反応部が前記支持体の外表面の一部に形成され、前記インターコネクタ部は、前記支持体の外表面であって前記第１反応部が形成されていない残部に形成され、前記支持体は導電性を有する材料によって形成されると共に、前記支持体の内部には前記第１ガスが流れる流路が形成されており、前記流路は、前記第１ガスが流入する往路と、前記往路に流入した前記第１ガスが折り返して流出する復路とを含み、前記往路と前記復路とは仕切部によって仕切られることで形成されており、前記仕切部のガス透過率が前記支持体のガス透過率よりも低いことを特徴とする。
【０００９】
本発明の燃料電池セルのように、第１ガスが支持体内へと流入するための往路と、その往路によって支持体内へと流入した第１ガスが折り返して支持体外へと流出するための復路とが形成される場合、往路と復路との仕切りを含む支持体全体を同じ材料で形成すると、支持体はその内部を通る第１ガスを第１電極へと透過させる必要があるため、開気孔率が２０％〜４０％程度となるように仕切りも形成される。往路と復路との仕切りがこのような開気孔率で形成されると、往路へと流入した第１ガスは、実際には復路への折り返し部分へ到達する前に復路側へと透過してしまう。このような透過現象が発生すると、往路から復路への折り返し部への第１ガスの供給が不足すると共に、第１ガスによる熱伝導も十分に行えなくなり、結果として燃料電池セルの軸方向において発電性能がばらついてしまい、燃料電池としての性能を十分に発揮できなくなることを本発明者らは見出したのである。そこで本発明では、往路と復路とを仕切部によって仕切ることで形成し、その仕切部のガス透過率を、支持体のガス透過率よりも低くすることで、往路から復路への無用なガス透過を抑制している。その結果、往路から復路への折り返し部分において、第１ガス中の酸素濃度または水素濃度の低下による酸素枯れまたは燃料枯れを生じ、燃料電池セルの軸方向における発電反応の不均一や燃料電池セルの損傷が抑制できる。また、第１ガスによる熱伝達量の低下による燃料電池セルの軸方向における温度分布の不均一が抑制できる。これにより燃料電池セルの軸方向における発電性能を均一化することができる。従って、燃料電池セル内外の第１ガス及び第２ガスの流れを安定的に保つことができ、この燃料電池セルを複数個組み込んで燃料電池モジュール或いは燃料電池を構成した場合にも実用的で安全かつ高効率な発電性能を得ることができる。
【００１０】
本発明に係る燃料電池セルは、燃料ガス及び酸化剤ガスの一方を含む第１ガスと他方を含む第２ガスとによって作動する燃料電池セルであって、前記第１ガスに対応する第１電極材料によって形成される電極支持体と、前記第２ガスに対応する第２電極と、前記電極支持体と前記第２電極との間に配置される電解質部と、前記電極支持体と電気的に接続されたインターコネクタ部と、を備え、前記電解質部は前記電極支持体の外表面の一部に形成され、当該形成された電解質部に重ねて前記第２電極部が形成されることで第２反応部を形成しており、前記インターコネクタ部は、前記電極支持体の外表面であって前記電解質部が形成されていない残部に形成され、前記電極支持体は、前記第２電極、前記電解質部、及び前記インターコネクタ部を支持すると共に、前記電極支持体の内部には前記第１ガスが流れる流路が形成されており、前記流路は、前記第１ガスが流入する往路と、前記往路に流入した前記第１ガスが折り返して流出する復路とを含み、前記往路と前記復路とは仕切部によって仕切られることで形成されており、前記仕切部のガス透過率が前記支持体のガス透過率よりも低いことを特徴とする。
【００１１】
本発明の燃料電池セルのように、第１ガスが電極支持体内へと流入するための往路と、その往路によって電極支持体内へと流入した第１ガスが折り返して電極支持体外へと流出するための復路とが形成される場合、往路と復路との仕切りを含む電極支持体全体を同じ材料で形成すると、支持体はその内部を通る第１ガスを電解質部へと透過させる必要があるため、開気孔率が２０％〜４０％程度となるように仕切りも形成される。往路と復路との仕切りがこのような開気孔率で形成されると、往路へと流入した第１ガスは、実際には復路への折り返し部分へ到達する前に復路側へと透過してしまう。このような透過現象が発生すると、往路から復路への折り返し部への第１ガスの供給が不足すると共に、第１ガスによる熱伝導も十分に行えなくなり、結果として燃料電池セルの軸方向において発電性能がばらついてしまい、燃料電池としての性能を十分に発揮できなくなることを本発明者らは見出したのである。そこで本発明では、往路と復路とを仕切部によって仕切ることで形成し、その仕切部のガス透過率を、支持体のガス透過率よりも低くすることで、往路から復路への無用なガス透過を抑制している。その結果、往路から復路への折り返し部分において、第１ガス中の酸素濃度または水素濃度の低下による酸素枯れまたは燃料枯れを生じ、燃料電池セルの軸方向における発電反応の不均一や燃料電池セルの損傷が抑制できる。また、第１ガスによる熱伝達量の低下による燃料電池セルの軸方向における温度分布の不均一が抑制できる。これにより燃料電池セルの軸方向における発電性能を均一化することができる。従って、燃料電池セル内外の第１ガス及び第２ガスの流れを安定的に保つことができ、この燃料電池セルを複数個組み込んで燃料電池モジュール或いは燃料電池を構成した場合にも実用的で安全かつ高効率な発電性能を得ることができる。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池セルでは、前記仕切部は、少なくともその一部が緻密体によって形成されていることも好ましい。仕切部の少なくとも一部を緻密体によって形成することで、より確実にガス透過率を低くすることができる。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池セルでは、前記仕切部は、前記往路又は前記復路に接する表面が緻密体によって形成されていることも好ましい。往路又は復路に接する表面を緻密体によって形成することで、第１ガスの透過をより確実に抑制できる。また、仕切部の表面以外の部分を緻密体以外で形成することが可能となるので、例えば、熱膨張係数を支持体や電極支持体と合わせることで、熱の発生による不必要な応力の発生を低減することができる。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池セルを備える燃料電池では、上述したような作用効果を奏する燃料電池を提供することができる。
【００１５】
続いて、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１６】
図１〜図６を参照しながら、本発明の第一実施形態に係る燃料電池セルＦＣ１について説明する。図１は、燃料電池セルＦＣ１の外形を説明するための斜視図である。図２は、図１のＡ―Ａ線を含むｘｚ平面における燃料電池セルＦＣ１の断面図である。図３は、図１のＢ―Ｂ線を含むｙｚ平面における燃料電池セルＦＣ１の断面図である。図４は、図１のＣ―Ｃ線を含むｙｚ平面における燃料電池セルＦＣ１の断面図である。図５は、図１のＤ―Ｄ線（Ｅ−Ｅ線）を含むｘｙ平面における燃料電池セルＦＣ１の断面図である。図６は、図１のＦ―Ｆ線を含むｘｙ平面における燃料電池セルＦＣ１の断面図である。
【００１７】
図１において、燃料電池セルＦＣ１の軸方向（燃料電池セルＦＣ１が延在する方向）をｙ方向とし、ｙ方向に直交する燃料電池セルＦＣ１の幅方向（後述する流路７０が連設される方向）をｘ方向とし、ｙ方向及びｘ方向の双方に直交する方向であって燃料電池セルＦＣ１の厚み方向をｚ方向としている。
【００１８】
図１に示すように、燃料電池セルＦＣ１は、直方体状を成すように形成されている。燃料電池セルＦＣ１は、ｘｙ平面を含む面であって図１においては天面として描かれている第一面１０１と、第一面１０１に対する裏面である第二面１０２と、第一面１０１と第二面１０２とを繋ぐ側面であってｙｚ平面を含む面である第三面１０３及び第四面１０４と、第一面１０１と第二面１０２とを繋ぐ端面であってｘｚ平面を含む面である第五面１０５及び第六面１０６と、によって直方体状を成すように形成されている。第五面１０５は、流路７０が開口されている端面である開口端として形成され、第六面１０６は、流路７０が封止されている端面である封止端として形成されている。
【００１９】
燃料電池セルＦＣ１は、空気極支持体２０（本発明における電極支持体に相当する）と、仕切部３０と、電解質部４０と、燃料極５０（本発明における第２電極に相当する）と、インターコネクタ部６０と、流路７０とを備えている。
【００２０】
空気極支持体２０は、仕切部３０、電解質部４０、燃料極５０、及びインターコネクタ部６０を支持するための支持体であって、その内部には流路７０が形成されている。空気極支持体２０は、ペロブスカイト型酸化物からなる空気極材料によって形成されている。そのような空気極材料としては、例えばＬａＣｏＯ３、ＬａＭｎＯ３、ＬａＦｅＯ３等であって、ＳｒやＣａ等をＬａサイトにドープしたもの、あるいはドープしないもの、又はそれらの複合材等が用いられる。空気極支持体２０の開気孔率は、２０％〜４０％で構成される。尚、開気孔率とは、外気と接続されている気孔の含有率を示し、アルキメデス法により算出するものである。
【００２１】
空気極支持体２０には、燃料電池セルＦＣ１の軸方向（燃料電池セルＦＣ１が延在する方向）であるｙ方向に沿って流路７０が形成されている。本実施形態の場合、流路７０はｙ方向と直交するｘ方向に４つ連なって形成されている。各流路７０は、第１ガスである空気（酸化剤ガス）が流入する往路７１と、流入した空気が流出するための復路７２とを含んでいる。往路７１及び復路７２は、開口端としての第五面１０５から、封止端としての第六面１０６に向けて空気極支持体２０の内部を刳り貫くように形成されている。往路７１及び復路７２は、仕切部３０によって仕切られることで分離形成されている。
【００２２】
このように、往路７１及び復路７２を含む流路７０は、空気極支持体２０内に軸方向であるｙ方向に沿った空洞を形成し、その空洞内に仕切部３０を配置することで形成されている。空気極支持体２０内にｙ方向に沿った空洞を形成するにあたっては、一体的にプレス成型等で形成してもよく、空気極支持体２０を二分割してそれぞれに半円形上の空洞用溝を形成してもよい。
【００２３】
仕切部３０は、上述したように、開口端としての第五面１０５から、封止端としての第六面１０６に向けて形成されている。図２に示すように、燃料電池セルＦＣ１の中ほどにおいても、第五面１０５に現れるのと同様の断面形態を成している。また、図３に示すように、仕切部３０は、封止端である第六面１０６近傍において、往路７１と復路７２とが繋がるように、所定の空間としての接続部７３を形成するように配置されている。また、図６に示すように、仕切部３０は板状体として第五面１０５から接続部７３に至るまで配置されている。図４及び図５に示すように、本実施形態の場合、４つの各流路７０に設けられている接続部７３は互いに連通するように形成されている。従って、各流路７０ごとにみた場合には、接続部７３においてガス流方向に直交する断面積が広がっており、この部分において酸化剤ガスとしての空気の流速は低下するように形成されている。
【００２４】
仕切部３０は、ペロブスカイト型酸化物からなる空気極材料（例えばＬａＣｏＯ３、ＬａＭｎＯ３、ＬａＦｅＯ３等であって、ＳｒやＣａ等をＬａサイトにドープしたもの、あるいはドープしないもの、又はそれらの複合材等）や、銀、金、タングステン、ロジウム、イリジウムを少なくとも１種以上含む合金、またはそれらの複合材などで空気極支持体よりも低い透過率で形成される材料からなり、熱膨張係数が空気極支持体２０と略同一である板状体として形成されている。ここでいう略同一とは、空気極支持体２０の熱膨張係数が約１０．５×１０-6（ｃｍ／ｃｍ・Ｋ-1）に対して、仕切部３０の熱膨張係数が約８．５〜１２．５×１０-6（ｃｍ／ｃｍ・Ｋ-1）である程度を指している。仕切部３０は、その表面に緻密体が層状に形成されている。層状に形成されている緻密体は、仕切部３０の往路７１に臨む面にのみ形成されていてもよく、復路７２に臨む面にのみ形成されていてもよい。尚、仕切部３０全体が緻密体として構成されていてもよい。仕切部３０の開気孔率は、好ましくは０〜２０％未満であり、より好ましくは０〜１０％である。このように仕切部３０の開気孔率を空気極支持体２０の開気孔率よりも低くなるように形成すると、確実にガス透過率を空気極支持体２０よりも低くすることができる。もっとも、仕切部３０のガス透過率を空気極支持体２０よりも低くする態様は、開気孔率の制御によるもののみには限定されない。
【００２５】
電解質部４０は、空気極支持体２０の第二面１０２、第三面１０３、第四面１０４、第六面１０６を覆うように層状に形成されている。空気極支持体２０の第一面１０１においては、インターコネクタ部６０が形成されていない部分を覆うように層状に形成されている。電解質部４０は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
【００２６】
燃料極５０は、空気極支持体２０の第二面１０２、第三面１０３、及び第四面１０４にかけて繋がるように層状に形成されている。燃料極５０は、多孔質のニッケルとＹＳＺのサーメットにより形成されている。
【００２７】
インターコネクタ部６０は、空気極支持体２０の第一面１０１の一部を覆うように層状に形成されている。インターコネクタ部６０は、ＬａＣｒＯ３にＳｒやＣａ等をドープしたものにより形成されている。
【００２８】
尚、この第一実施形態では、空気極支持体２０として構成したが、燃料極支持体として構成しても構わない。その場合、燃料極５０は空気極として構成される。空気極支持体２０を燃料極支持体として構成する場合には、多孔質のニッケルとＹＳＺのサーメットにより形成される。その場合、燃料極５０を空気極として構成するため、例えばＬａＣｏＯ３、ＬａＭｎＯ３、ＬａＦｅＯ３等であって、ＳｒやＣａ等をＬａサイトにドープしたもの、あるいはドープしないもの、又はそれらの複合材等が用いられる。
【００２９】
尚、この第一実施形態では、空気（空気極支持体２０を燃料極支持体とする場合は燃料ガス）を、反応部として形成されている燃料極５０側から導入して、インターコネクタ部６０側から導出しているが、これとは逆に構成することも好ましい。具体的には、空気（空気極支持体２０を燃料極支持体とする場合は燃料ガス）を、インターコネクタ部６０側から導入して、燃料極５０側から導出する態様である。
【００３０】
続いて、図７〜図１２を参照しながら、本発明の第二実施形態に係る燃料電池セルＦＣ２について説明する。図７は、燃料電池セルＦＣ２の外形を説明するための斜視図である。図８は、図７のＡ２―Ａ２線を含むｘｚ平面における燃料電池セルＦＣ２の断面図である。図９は、図７のＢ２―Ｂ２線を含むｙｚ平面における燃料電池セルＦＣ２の断面図である。図１０は、図７のＣ２―Ｃ２線を含むｙｚ平面における燃料電池セルＦＣ２の断面図である。図１１は、図７のＤ２―Ｄ２線（Ｅ２―Ｅ２線）を含むｘｙ平面における燃料電池セルＦＣ２の断面図である。図１２は、図７のＦ２―Ｆ２線を含むｘｙ平面における燃料電池セルＦＣ２の断面図である。
【００３１】
図７において、燃料電池セルＦＣ２の軸方向（燃料電池セルＦＣ２が延在する方向）をｙ方向とし、ｙ方向に直交する燃料電池セルＦＣ２の幅方向（後述する流路７０２が連設される方向）をｘ方向とし、ｙ方向及びｘ方向の双方に直交する方向であって燃料電池セルＦＣ２の厚み方向をｚ方向としている。
【００３２】
図７に示すように、燃料電池セルＦＣ２は、直方体状を成すように形成されている。燃料電池セルＦＣ２は、ｘｙ平面を含む面であって図７においては天面として描かれている第一面１２１と、第一面１２１に対する裏面である第二面１２２と、第一面１２１と第二面１２２とを繋ぐ側面であってｙｚ平面を含む面である第三面１２３及び第四面１２４と、第一面１２１と第二面１２２とを繋ぐ端面であってｘｚ平面を含む面である第五面１２５及び第六面１２６と、によって直方体状を成すように形成されている。第五面１２５は、流路７０２が開口されている端面である開口端として形成され、第六面１２６は、流路７０２が封止されている端面である封止端として形成されている。
【００３３】
燃料電池セルＦＣ２は、支持体２０２（本発明における支持体に相当する）と、仕切部３０２と、空気極９０２（本発明における第１電極に相当する）と、電解質部４０２と、燃料極５０２（本発明における第２電極に相当する）と、インターコネクタ部６０２と、流路７０２とを備えている。
【００３４】
支持体２０２は、仕切部３０２、空気極９０２、電解質部４０２、燃料極５０２、及びインターコネクタ部６０２を支持するための支持体であって、その内部には流路７０２が形成されている。支持体２０２は、導電性の材料によって形成されており、例えばインターコネクタを形成する場合に用いられるＬａＣｒＯ３にＳｒやＣａ等をドープしたものにより形成されている。支持体２０２の開気孔率は、２０％〜４０％で構成される。尚、開気孔率とは、外気と接続されている気孔の含有率を示し、アルキメデス法により算出するものである。
【００３５】
支持体２０２には、燃料電池セルＦＣ２の軸方向（燃料電池セルＦＣ２が延在する方向）であるｙ方向に沿って流路７０２が形成されている。本実施形態の場合、流路７０２はｙ方向と直交するｘ方向に４つ連なって形成されている。各流路７０２は、第１ガスである空気（酸化剤ガス）が流入する往路７１２と、流入した空気が流出するための復路７２２とを含んでいる。往路７１２及び復路７２２は、開口端としての第五面１２５から、封止端としての第六面１２６に向けて支持体２０２の内部を刳り貫くように形成されている。往路７１２及び復路７２２は、仕切部３０２によって仕切られることで分離形成されている。
【００３６】
このように、往路７１２及び復路７２２を含む流路７０２は、支持体２０２内に軸方向であるｙ方向に沿った空洞を形成し、その空洞内に仕切部３０２を配置することで形成されている。支持体２０２内にｙ方向に沿った空洞を形成するにあたっては、一体的にプレス成型等で形成してもよく、支持体２０２を二分割してそれぞれに半円形上の空洞用溝を形成してもよい。
【００３７】
仕切部３０２は、上述したように、開口端としての第五面１２５から、封止端としての第六面１２６に向けて形成されている。図８に示すように、燃料電池セルＦＣ１の中ほどにおいても、第五面１２５に現れるのと同様の断面形態を成している。また、図９に示すように、仕切部３０２は、封止端である第六面１２６近傍において、往路７１２と復路７２２とが繋がるように、所定の空間としての接続部７３２を形成するように配置されている。また、図１５に示すように、仕切部３０２は板状体として第五面１２５から接続部７３２に至るまで配置されている。
【００３８】
図１０及び図１１に示すように、本実施形態の場合、４つの各流路７０２に設けられている接続部７３２は互いに連通するように形成されている。従って、各流路７０２ごとにみた場合には、接続部７３２においてガス流方向に直交する断面積が広がっており、この部分において酸化剤ガスとしての空気の流速は低下するように形成されている。
【００３９】
仕切部３０２は、支持体２０２の内側に供給される第１ガスに対応する電極材料（ペロブスカイト型酸化物からなる空気極材料、例えばＬａＣｏＯ３、ＬａＭｎＯ３、ＬａＦｅＯ３等であって、ＳｒやＣａ等をＬａサイトにドープしたもの、あるいはドープしないもの、又はそれらの複合材等、またはニッケルとＹＳＺのサーメットからなる燃料極材料）、ＬａＣｒＯ３にＳｒやＣａ等をドープしたインターコネクタ材料、銀、金、タングステン、ロジウム、イリジウムを少なくとも１種以上含む合金、またはそれらの複合材などで支持体よりも低い透過率で形成される材料からなり、熱膨張係数が支持体２０２と略同一である板状体として形成されている。ここでいう略同一とは、支持体２０２の熱膨張係数が約１０．５×１０-6（ｃｍ／ｃｍ・Ｋ-1）に対して、仕切部３０２の熱膨張係数が約８．５〜１２．５×１０-6（ｃｍ／ｃｍ・Ｋ-1）である程度を指している。仕切部３０２は、その表面に緻密体が層状に形成されている。層状に形成されている緻密体は、仕切部３０２の往路７１２に臨む面にのみ形成されていてもよく、復路７２２に臨む面にのみ形成されていてもよい。尚、仕切部３０２全体が緻密体として構成されていてもよい。仕切部３０２の開気孔率は、好ましくは０〜２０％未満であり、より好ましくは０〜１０％である。このように仕切部３０２の開気孔率を支持体２０２の開気孔率よりも低くなるように形成すると、確実にガス透過率を支持体２０２よりも低くすることができる。もっとも、仕切部３０２のガス透過率を支持体２０２よりも低くする態様は、開気孔率の制御によるもののみには限定されない。
【００４０】
空気極９０２は、支持体２０２の第二面１２２、第三面１２３、及び第四面１２４にかけて繋がるように層状に形成されている。空気極９０２は、ペロブスカイト型酸化物からなる空気極材料によって形成されている。そのような空気極材料としては、例えばＬａＣｏＯ３、ＬａＭｎＯ３、ＬａＦｅＯ３等であって、ＳｒやＣａ等をＬａサイトにドープしたもの、あるいはドープしないもの、又はそれらの複合材等が用いられる。
【００４１】
電解質部４０２は、支持体２０２の第二面１２２、第三面１２３、第四面１２４、第六面１２６を覆うように層状に形成されている。支持体２０２の第一面１２１においては、インターコネクタ部６０２が形成されていない部分を覆うように層状に形成されている。電解質部４０２は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
【００４２】
燃料極５０２は、支持体２０２の第二面１２２、第三面１２３、及び第四面１２４にかけて繋がるように層状に形成されている。燃料極５０２は、多孔質のニッケルとＹＳＺのサーメットにより形成されている。
【００４３】
インターコネクタ部６０２は、支持体２０２の第一面１２１の一部を覆うように層状に形成されている。インターコネクタ部６０２は、ＬａＣｒＯ３にＳｒやＣａ等をドープしたものにより形成されている。
【００４４】
尚、この第二実施形態では、空気（又は燃料ガス）を、インターコネクタ部６０２側から導入して、反応部として形成されている空気極９０２及び燃料極５０２側から導出しているが、これとは逆に構成することも好ましい。具体的には、空気（又は燃料ガス）を、反応部として形成されている空気極９０２及び燃料極５０２側から導入して、インターコネクタ部６０２側から導出する態様である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】第一実施形態に係る燃料電池セルを示す斜視図である。
【図２】第一実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。
【図３】第一実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。
【図４】第一実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。
【図５】第一実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。
【図６】第一実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。
【図７】第二実施形態に係る燃料電池セルを示す斜視図である。
【図８】第二実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。
【図９】第二実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。
【図１０】第二実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。
【図１１】第二実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。
【図１２】第二実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
２０…空気極支持体
３０…仕切部
４０…電解質部
５０…燃料極
６０…インターコネクタ部
７０…流路
７１…往路
７２…復路
７３…接続部
ＦＣ１…燃料電池セル
【技術分野】
【０００１】
本発明の態様は、一般に、燃料電池セル、及び燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、このような燃料電池セルは、電解質を挟んで空気極と燃料極を配置すべく様々な態様のものが提案されている。一つの態様は、下記特許文献１の図４等に示されているように、有底円筒状のものとして形成されている燃料電池セルである。この燃料電池セルは、空気極支持体の外側に電解質層が形成され、その電解質層に重ねて燃料極層が形成され、空気極支持体に接続されるようにインターコネクタが形成されている。有底円筒状の空気極支持体の内部には空気導入管が挿入され、この空気導入管を介して空気が導入される。また別の態様は、下記特許文献２に示されるように、空気流路又は燃料ガス流路を折り返すように形成した燃料電池セルである。この燃料電池セルの場合、流路の一端から空気又は燃料ガスを流入させ、流路の他端から流出させている。
【特許文献１】特開２００６−６６３８７号公報
【特許文献２】特許３１３７１７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、上記特許文献２に記載されているような、燃料電池セル内部の流路を折り返す態様のものは、その折り返し部分において温度が局部的に上昇し発電が安定しない現象が現れる。上記特許文献２では、そのための対策として、往路を流れるガスを復路に拡散するように構成している（上記特許文献２の段落番号００２６〜００２８、図１６参照）。しかしながら、実際にそのような構成の燃料電池セルを用いても、現実には局部的な温度上昇が発生する場合もあり、往路を流れるガスを復路に拡散させる構成は必ずしも局部的な温度上昇を抑制することにはならず、発電反応も均一に行われないことを本発明者らは見出したものである。
【０００４】
そこで、本発明では、内部のガス流を折り返した構成の燃料電池セルであって、局部的な温度上昇を抑制し、発電反応を均一に行うことができる燃料電池セル及びその燃料電池セルによって構成される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】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池セルは、燃料ガス及び酸化剤ガスの一方を含む第１ガスと他方を含む第２ガスとによって作動する燃料電池セルであって、前記第１ガスに対応する第１電極と、前記第２ガスに対応する第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に配置される電解質部と、前記第１電極と電気的に接続されたインターコネクタ部と、前記第１電極、前記第２電極、前記電解質部、及び前記インターコネクタ部を支持するための支持体と、を備え、前記電解質部及び前記電解質部を挟んで形成される前記第１電極及び前記第２電極からなる第１反応部が前記支持体の外表面の一部に形成され、前記インターコネクタ部は、前記支持体の外表面であって前記第１反応部が形成されていない残部に形成され、前記支持体は導電性を有する材料によって形成されると共に、前記支持体の内部には前記第１ガスが流れる流路が形成されており、前記流路は、前記第１ガスが流入する往路と、前記往路に流入した前記第１ガスが折り返して流出する復路とを含み、前記往路と前記復路とは仕切部によって仕切られることで形成されており、前記仕切部のガス透過率が前記支持体のガス透過率よりも低いことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、内部のガス流を折り返した構成の燃料電池セルであって、局部的な温度上昇を抑制し、発電反応を均一に行うことができる燃料電池セル及びその燃料電池セルによって構成される燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明を実施するための最良の形態を説明するのに先立って、本発明の作用効果について説明する。
【０００８】
本発明に係る燃料電池セルは、燃料ガス及び酸化剤ガスの一方を含む第１ガスと他方を含む第２ガスとによって作動する燃料電池セルであって、前記第１ガスに対応する第１電極と、前記第２ガスに対応する第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に配置される電解質部と、前記第１電極と電気的に接続されたインターコネクタ部と、前記第１電極、前記第２電極、前記電解質部、及び前記インターコネクタ部を支持するための支持体と、を備え、前記電解質部及び前記電解質部を挟んで形成される前記第１電極及び前記第２電極からなる第１反応部が前記支持体の外表面の一部に形成され、前記インターコネクタ部は、前記支持体の外表面であって前記第１反応部が形成されていない残部に形成され、前記支持体は導電性を有する材料によって形成されると共に、前記支持体の内部には前記第１ガスが流れる流路が形成されており、前記流路は、前記第１ガスが流入する往路と、前記往路に流入した前記第１ガスが折り返して流出する復路とを含み、前記往路と前記復路とは仕切部によって仕切られることで形成されており、前記仕切部のガス透過率が前記支持体のガス透過率よりも低いことを特徴とする。
【０００９】
本発明の燃料電池セルのように、第１ガスが支持体内へと流入するための往路と、その往路によって支持体内へと流入した第１ガスが折り返して支持体外へと流出するための復路とが形成される場合、往路と復路との仕切りを含む支持体全体を同じ材料で形成すると、支持体はその内部を通る第１ガスを第１電極へと透過させる必要があるため、開気孔率が２０％〜４０％程度となるように仕切りも形成される。往路と復路との仕切りがこのような開気孔率で形成されると、往路へと流入した第１ガスは、実際には復路への折り返し部分へ到達する前に復路側へと透過してしまう。このような透過現象が発生すると、往路から復路への折り返し部への第１ガスの供給が不足すると共に、第１ガスによる熱伝導も十分に行えなくなり、結果として燃料電池セルの軸方向において発電性能がばらついてしまい、燃料電池としての性能を十分に発揮できなくなることを本発明者らは見出したのである。そこで本発明では、往路と復路とを仕切部によって仕切ることで形成し、その仕切部のガス透過率を、支持体のガス透過率よりも低くすることで、往路から復路への無用なガス透過を抑制している。その結果、往路から復路への折り返し部分において、第１ガス中の酸素濃度または水素濃度の低下による酸素枯れまたは燃料枯れを生じ、燃料電池セルの軸方向における発電反応の不均一や燃料電池セルの損傷が抑制できる。また、第１ガスによる熱伝達量の低下による燃料電池セルの軸方向における温度分布の不均一が抑制できる。これにより燃料電池セルの軸方向における発電性能を均一化することができる。従って、燃料電池セル内外の第１ガス及び第２ガスの流れを安定的に保つことができ、この燃料電池セルを複数個組み込んで燃料電池モジュール或いは燃料電池を構成した場合にも実用的で安全かつ高効率な発電性能を得ることができる。
【００１０】
本発明に係る燃料電池セルは、燃料ガス及び酸化剤ガスの一方を含む第１ガスと他方を含む第２ガスとによって作動する燃料電池セルであって、前記第１ガスに対応する第１電極材料によって形成される電極支持体と、前記第２ガスに対応する第２電極と、前記電極支持体と前記第２電極との間に配置される電解質部と、前記電極支持体と電気的に接続されたインターコネクタ部と、を備え、前記電解質部は前記電極支持体の外表面の一部に形成され、当該形成された電解質部に重ねて前記第２電極部が形成されることで第２反応部を形成しており、前記インターコネクタ部は、前記電極支持体の外表面であって前記電解質部が形成されていない残部に形成され、前記電極支持体は、前記第２電極、前記電解質部、及び前記インターコネクタ部を支持すると共に、前記電極支持体の内部には前記第１ガスが流れる流路が形成されており、前記流路は、前記第１ガスが流入する往路と、前記往路に流入した前記第１ガスが折り返して流出する復路とを含み、前記往路と前記復路とは仕切部によって仕切られることで形成されており、前記仕切部のガス透過率が前記支持体のガス透過率よりも低いことを特徴とする。
【００１１】
本発明の燃料電池セルのように、第１ガスが電極支持体内へと流入するための往路と、その往路によって電極支持体内へと流入した第１ガスが折り返して電極支持体外へと流出するための復路とが形成される場合、往路と復路との仕切りを含む電極支持体全体を同じ材料で形成すると、支持体はその内部を通る第１ガスを電解質部へと透過させる必要があるため、開気孔率が２０％〜４０％程度となるように仕切りも形成される。往路と復路との仕切りがこのような開気孔率で形成されると、往路へと流入した第１ガスは、実際には復路への折り返し部分へ到達する前に復路側へと透過してしまう。このような透過現象が発生すると、往路から復路への折り返し部への第１ガスの供給が不足すると共に、第１ガスによる熱伝導も十分に行えなくなり、結果として燃料電池セルの軸方向において発電性能がばらついてしまい、燃料電池としての性能を十分に発揮できなくなることを本発明者らは見出したのである。そこで本発明では、往路と復路とを仕切部によって仕切ることで形成し、その仕切部のガス透過率を、支持体のガス透過率よりも低くすることで、往路から復路への無用なガス透過を抑制している。その結果、往路から復路への折り返し部分において、第１ガス中の酸素濃度または水素濃度の低下による酸素枯れまたは燃料枯れを生じ、燃料電池セルの軸方向における発電反応の不均一や燃料電池セルの損傷が抑制できる。また、第１ガスによる熱伝達量の低下による燃料電池セルの軸方向における温度分布の不均一が抑制できる。これにより燃料電池セルの軸方向における発電性能を均一化することができる。従って、燃料電池セル内外の第１ガス及び第２ガスの流れを安定的に保つことができ、この燃料電池セルを複数個組み込んで燃料電池モジュール或いは燃料電池を構成した場合にも実用的で安全かつ高効率な発電性能を得ることができる。
【００１２】
また、本発明に係る燃料電池セルでは、前記仕切部は、少なくともその一部が緻密体によって形成されていることも好ましい。仕切部の少なくとも一部を緻密体によって形成することで、より確実にガス透過率を低くすることができる。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池セルでは、前記仕切部は、前記往路又は前記復路に接する表面が緻密体によって形成されていることも好ましい。往路又は復路に接する表面を緻密体によって形成することで、第１ガスの透過をより確実に抑制できる。また、仕切部の表面以外の部分を緻密体以外で形成することが可能となるので、例えば、熱膨張係数を支持体や電極支持体と合わせることで、熱の発生による不必要な応力の発生を低減することができる。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池セルを備える燃料電池では、上述したような作用効果を奏する燃料電池を提供することができる。
【００１５】
続いて、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１６】
図１〜図６を参照しながら、本発明の第一実施形態に係る燃料電池セルＦＣ１について説明する。図１は、燃料電池セルＦＣ１の外形を説明するための斜視図である。図２は、図１のＡ―Ａ線を含むｘｚ平面における燃料電池セルＦＣ１の断面図である。図３は、図１のＢ―Ｂ線を含むｙｚ平面における燃料電池セルＦＣ１の断面図である。図４は、図１のＣ―Ｃ線を含むｙｚ平面における燃料電池セルＦＣ１の断面図である。図５は、図１のＤ―Ｄ線（Ｅ−Ｅ線）を含むｘｙ平面における燃料電池セルＦＣ１の断面図である。図６は、図１のＦ―Ｆ線を含むｘｙ平面における燃料電池セルＦＣ１の断面図である。
【００１７】
図１において、燃料電池セルＦＣ１の軸方向（燃料電池セルＦＣ１が延在する方向）をｙ方向とし、ｙ方向に直交する燃料電池セルＦＣ１の幅方向（後述する流路７０が連設される方向）をｘ方向とし、ｙ方向及びｘ方向の双方に直交する方向であって燃料電池セルＦＣ１の厚み方向をｚ方向としている。
【００１８】
図１に示すように、燃料電池セルＦＣ１は、直方体状を成すように形成されている。燃料電池セルＦＣ１は、ｘｙ平面を含む面であって図１においては天面として描かれている第一面１０１と、第一面１０１に対する裏面である第二面１０２と、第一面１０１と第二面１０２とを繋ぐ側面であってｙｚ平面を含む面である第三面１０３及び第四面１０４と、第一面１０１と第二面１０２とを繋ぐ端面であってｘｚ平面を含む面である第五面１０５及び第六面１０６と、によって直方体状を成すように形成されている。第五面１０５は、流路７０が開口されている端面である開口端として形成され、第六面１０６は、流路７０が封止されている端面である封止端として形成されている。
【００１９】
燃料電池セルＦＣ１は、空気極支持体２０（本発明における電極支持体に相当する）と、仕切部３０と、電解質部４０と、燃料極５０（本発明における第２電極に相当する）と、インターコネクタ部６０と、流路７０とを備えている。
【００２０】
空気極支持体２０は、仕切部３０、電解質部４０、燃料極５０、及びインターコネクタ部６０を支持するための支持体であって、その内部には流路７０が形成されている。空気極支持体２０は、ペロブスカイト型酸化物からなる空気極材料によって形成されている。そのような空気極材料としては、例えばＬａＣｏＯ３、ＬａＭｎＯ３、ＬａＦｅＯ３等であって、ＳｒやＣａ等をＬａサイトにドープしたもの、あるいはドープしないもの、又はそれらの複合材等が用いられる。空気極支持体２０の開気孔率は、２０％〜４０％で構成される。尚、開気孔率とは、外気と接続されている気孔の含有率を示し、アルキメデス法により算出するものである。
【００２１】
空気極支持体２０には、燃料電池セルＦＣ１の軸方向（燃料電池セルＦＣ１が延在する方向）であるｙ方向に沿って流路７０が形成されている。本実施形態の場合、流路７０はｙ方向と直交するｘ方向に４つ連なって形成されている。各流路７０は、第１ガスである空気（酸化剤ガス）が流入する往路７１と、流入した空気が流出するための復路７２とを含んでいる。往路７１及び復路７２は、開口端としての第五面１０５から、封止端としての第六面１０６に向けて空気極支持体２０の内部を刳り貫くように形成されている。往路７１及び復路７２は、仕切部３０によって仕切られることで分離形成されている。
【００２２】
このように、往路７１及び復路７２を含む流路７０は、空気極支持体２０内に軸方向であるｙ方向に沿った空洞を形成し、その空洞内に仕切部３０を配置することで形成されている。空気極支持体２０内にｙ方向に沿った空洞を形成するにあたっては、一体的にプレス成型等で形成してもよく、空気極支持体２０を二分割してそれぞれに半円形上の空洞用溝を形成してもよい。
【００２３】
仕切部３０は、上述したように、開口端としての第五面１０５から、封止端としての第六面１０６に向けて形成されている。図２に示すように、燃料電池セルＦＣ１の中ほどにおいても、第五面１０５に現れるのと同様の断面形態を成している。また、図３に示すように、仕切部３０は、封止端である第六面１０６近傍において、往路７１と復路７２とが繋がるように、所定の空間としての接続部７３を形成するように配置されている。また、図６に示すように、仕切部３０は板状体として第五面１０５から接続部７３に至るまで配置されている。図４及び図５に示すように、本実施形態の場合、４つの各流路７０に設けられている接続部７３は互いに連通するように形成されている。従って、各流路７０ごとにみた場合には、接続部７３においてガス流方向に直交する断面積が広がっており、この部分において酸化剤ガスとしての空気の流速は低下するように形成されている。
【００２４】
仕切部３０は、ペロブスカイト型酸化物からなる空気極材料（例えばＬａＣｏＯ３、ＬａＭｎＯ３、ＬａＦｅＯ３等であって、ＳｒやＣａ等をＬａサイトにドープしたもの、あるいはドープしないもの、又はそれらの複合材等）や、銀、金、タングステン、ロジウム、イリジウムを少なくとも１種以上含む合金、またはそれらの複合材などで空気極支持体よりも低い透過率で形成される材料からなり、熱膨張係数が空気極支持体２０と略同一である板状体として形成されている。ここでいう略同一とは、空気極支持体２０の熱膨張係数が約１０．５×１０-6（ｃｍ／ｃｍ・Ｋ-1）に対して、仕切部３０の熱膨張係数が約８．５〜１２．５×１０-6（ｃｍ／ｃｍ・Ｋ-1）である程度を指している。仕切部３０は、その表面に緻密体が層状に形成されている。層状に形成されている緻密体は、仕切部３０の往路７１に臨む面にのみ形成されていてもよく、復路７２に臨む面にのみ形成されていてもよい。尚、仕切部３０全体が緻密体として構成されていてもよい。仕切部３０の開気孔率は、好ましくは０〜２０％未満であり、より好ましくは０〜１０％である。このように仕切部３０の開気孔率を空気極支持体２０の開気孔率よりも低くなるように形成すると、確実にガス透過率を空気極支持体２０よりも低くすることができる。もっとも、仕切部３０のガス透過率を空気極支持体２０よりも低くする態様は、開気孔率の制御によるもののみには限定されない。
【００２５】
電解質部４０は、空気極支持体２０の第二面１０２、第三面１０３、第四面１０４、第六面１０６を覆うように層状に形成されている。空気極支持体２０の第一面１０１においては、インターコネクタ部６０が形成されていない部分を覆うように層状に形成されている。電解質部４０は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
【００２６】
燃料極５０は、空気極支持体２０の第二面１０２、第三面１０３、及び第四面１０４にかけて繋がるように層状に形成されている。燃料極５０は、多孔質のニッケルとＹＳＺのサーメットにより形成されている。
【００２７】
インターコネクタ部６０は、空気極支持体２０の第一面１０１の一部を覆うように層状に形成されている。インターコネクタ部６０は、ＬａＣｒＯ３にＳｒやＣａ等をドープしたものにより形成されている。
【００２８】
尚、この第一実施形態では、空気極支持体２０として構成したが、燃料極支持体として構成しても構わない。その場合、燃料極５０は空気極として構成される。空気極支持体２０を燃料極支持体として構成する場合には、多孔質のニッケルとＹＳＺのサーメットにより形成される。その場合、燃料極５０を空気極として構成するため、例えばＬａＣｏＯ３、ＬａＭｎＯ３、ＬａＦｅＯ３等であって、ＳｒやＣａ等をＬａサイトにドープしたもの、あるいはドープしないもの、又はそれらの複合材等が用いられる。
【００２９】
尚、この第一実施形態では、空気（空気極支持体２０を燃料極支持体とする場合は燃料ガス）を、反応部として形成されている燃料極５０側から導入して、インターコネクタ部６０側から導出しているが、これとは逆に構成することも好ましい。具体的には、空気（空気極支持体２０を燃料極支持体とする場合は燃料ガス）を、インターコネクタ部６０側から導入して、燃料極５０側から導出する態様である。
【００３０】
続いて、図７〜図１２を参照しながら、本発明の第二実施形態に係る燃料電池セルＦＣ２について説明する。図７は、燃料電池セルＦＣ２の外形を説明するための斜視図である。図８は、図７のＡ２―Ａ２線を含むｘｚ平面における燃料電池セルＦＣ２の断面図である。図９は、図７のＢ２―Ｂ２線を含むｙｚ平面における燃料電池セルＦＣ２の断面図である。図１０は、図７のＣ２―Ｃ２線を含むｙｚ平面における燃料電池セルＦＣ２の断面図である。図１１は、図７のＤ２―Ｄ２線（Ｅ２―Ｅ２線）を含むｘｙ平面における燃料電池セルＦＣ２の断面図である。図１２は、図７のＦ２―Ｆ２線を含むｘｙ平面における燃料電池セルＦＣ２の断面図である。
【００３１】
図７において、燃料電池セルＦＣ２の軸方向（燃料電池セルＦＣ２が延在する方向）をｙ方向とし、ｙ方向に直交する燃料電池セルＦＣ２の幅方向（後述する流路７０２が連設される方向）をｘ方向とし、ｙ方向及びｘ方向の双方に直交する方向であって燃料電池セルＦＣ２の厚み方向をｚ方向としている。
【００３２】
図７に示すように、燃料電池セルＦＣ２は、直方体状を成すように形成されている。燃料電池セルＦＣ２は、ｘｙ平面を含む面であって図７においては天面として描かれている第一面１２１と、第一面１２１に対する裏面である第二面１２２と、第一面１２１と第二面１２２とを繋ぐ側面であってｙｚ平面を含む面である第三面１２３及び第四面１２４と、第一面１２１と第二面１２２とを繋ぐ端面であってｘｚ平面を含む面である第五面１２５及び第六面１２６と、によって直方体状を成すように形成されている。第五面１２５は、流路７０２が開口されている端面である開口端として形成され、第六面１２６は、流路７０２が封止されている端面である封止端として形成されている。
【００３３】
燃料電池セルＦＣ２は、支持体２０２（本発明における支持体に相当する）と、仕切部３０２と、空気極９０２（本発明における第１電極に相当する）と、電解質部４０２と、燃料極５０２（本発明における第２電極に相当する）と、インターコネクタ部６０２と、流路７０２とを備えている。
【００３４】
支持体２０２は、仕切部３０２、空気極９０２、電解質部４０２、燃料極５０２、及びインターコネクタ部６０２を支持するための支持体であって、その内部には流路７０２が形成されている。支持体２０２は、導電性の材料によって形成されており、例えばインターコネクタを形成する場合に用いられるＬａＣｒＯ３にＳｒやＣａ等をドープしたものにより形成されている。支持体２０２の開気孔率は、２０％〜４０％で構成される。尚、開気孔率とは、外気と接続されている気孔の含有率を示し、アルキメデス法により算出するものである。
【００３５】
支持体２０２には、燃料電池セルＦＣ２の軸方向（燃料電池セルＦＣ２が延在する方向）であるｙ方向に沿って流路７０２が形成されている。本実施形態の場合、流路７０２はｙ方向と直交するｘ方向に４つ連なって形成されている。各流路７０２は、第１ガスである空気（酸化剤ガス）が流入する往路７１２と、流入した空気が流出するための復路７２２とを含んでいる。往路７１２及び復路７２２は、開口端としての第五面１２５から、封止端としての第六面１２６に向けて支持体２０２の内部を刳り貫くように形成されている。往路７１２及び復路７２２は、仕切部３０２によって仕切られることで分離形成されている。
【００３６】
このように、往路７１２及び復路７２２を含む流路７０２は、支持体２０２内に軸方向であるｙ方向に沿った空洞を形成し、その空洞内に仕切部３０２を配置することで形成されている。支持体２０２内にｙ方向に沿った空洞を形成するにあたっては、一体的にプレス成型等で形成してもよく、支持体２０２を二分割してそれぞれに半円形上の空洞用溝を形成してもよい。
【００３７】
仕切部３０２は、上述したように、開口端としての第五面１２５から、封止端としての第六面１２６に向けて形成されている。図８に示すように、燃料電池セルＦＣ１の中ほどにおいても、第五面１２５に現れるのと同様の断面形態を成している。また、図９に示すように、仕切部３０２は、封止端である第六面１２６近傍において、往路７１２と復路７２２とが繋がるように、所定の空間としての接続部７３２を形成するように配置されている。また、図１５に示すように、仕切部３０２は板状体として第五面１２５から接続部７３２に至るまで配置されている。
【００３８】
図１０及び図１１に示すように、本実施形態の場合、４つの各流路７０２に設けられている接続部７３２は互いに連通するように形成されている。従って、各流路７０２ごとにみた場合には、接続部７３２においてガス流方向に直交する断面積が広がっており、この部分において酸化剤ガスとしての空気の流速は低下するように形成されている。
【００３９】
仕切部３０２は、支持体２０２の内側に供給される第１ガスに対応する電極材料（ペロブスカイト型酸化物からなる空気極材料、例えばＬａＣｏＯ３、ＬａＭｎＯ３、ＬａＦｅＯ３等であって、ＳｒやＣａ等をＬａサイトにドープしたもの、あるいはドープしないもの、又はそれらの複合材等、またはニッケルとＹＳＺのサーメットからなる燃料極材料）、ＬａＣｒＯ３にＳｒやＣａ等をドープしたインターコネクタ材料、銀、金、タングステン、ロジウム、イリジウムを少なくとも１種以上含む合金、またはそれらの複合材などで支持体よりも低い透過率で形成される材料からなり、熱膨張係数が支持体２０２と略同一である板状体として形成されている。ここでいう略同一とは、支持体２０２の熱膨張係数が約１０．５×１０-6（ｃｍ／ｃｍ・Ｋ-1）に対して、仕切部３０２の熱膨張係数が約８．５〜１２．５×１０-6（ｃｍ／ｃｍ・Ｋ-1）である程度を指している。仕切部３０２は、その表面に緻密体が層状に形成されている。層状に形成されている緻密体は、仕切部３０２の往路７１２に臨む面にのみ形成されていてもよく、復路７２２に臨む面にのみ形成されていてもよい。尚、仕切部３０２全体が緻密体として構成されていてもよい。仕切部３０２の開気孔率は、好ましくは０〜２０％未満であり、より好ましくは０〜１０％である。このように仕切部３０２の開気孔率を支持体２０２の開気孔率よりも低くなるように形成すると、確実にガス透過率を支持体２０２よりも低くすることができる。もっとも、仕切部３０２のガス透過率を支持体２０２よりも低くする態様は、開気孔率の制御によるもののみには限定されない。
【００４０】
空気極９０２は、支持体２０２の第二面１２２、第三面１２３、及び第四面１２４にかけて繋がるように層状に形成されている。空気極９０２は、ペロブスカイト型酸化物からなる空気極材料によって形成されている。そのような空気極材料としては、例えばＬａＣｏＯ３、ＬａＭｎＯ３、ＬａＦｅＯ３等であって、ＳｒやＣａ等をＬａサイトにドープしたもの、あるいはドープしないもの、又はそれらの複合材等が用いられる。
【００４１】
電解質部４０２は、支持体２０２の第二面１２２、第三面１２３、第四面１２４、第六面１２６を覆うように層状に形成されている。支持体２０２の第一面１２１においては、インターコネクタ部６０２が形成されていない部分を覆うように層状に形成されている。電解質部４０２は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。
【００４２】
燃料極５０２は、支持体２０２の第二面１２２、第三面１２３、及び第四面１２４にかけて繋がるように層状に形成されている。燃料極５０２は、多孔質のニッケルとＹＳＺのサーメットにより形成されている。
【００４３】
インターコネクタ部６０２は、支持体２０２の第一面１２１の一部を覆うように層状に形成されている。インターコネクタ部６０２は、ＬａＣｒＯ３にＳｒやＣａ等をドープしたものにより形成されている。
【００４４】
尚、この第二実施形態では、空気（又は燃料ガス）を、インターコネクタ部６０２側から導入して、反応部として形成されている空気極９０２及び燃料極５０２側から導出しているが、これとは逆に構成することも好ましい。具体的には、空気（又は燃料ガス）を、反応部として形成されている空気極９０２及び燃料極５０２側から導入して、インターコネクタ部６０２側から導出する態様である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】第一実施形態に係る燃料電池セルを示す斜視図である。
【図２】第一実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。
【図３】第一実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。
【図４】第一実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。
【図５】第一実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。
【図６】第一実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。
【図７】第二実施形態に係る燃料電池セルを示す斜視図である。
【図８】第二実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。
【図９】第二実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。
【図１０】第二実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。
【図１１】第二実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。
【図１２】第二実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
２０…空気極支持体
３０…仕切部
４０…電解質部
５０…燃料極
６０…インターコネクタ部
７０…流路
７１…往路
７２…復路
７３…接続部
ＦＣ１…燃料電池セル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス及び酸化剤ガスの一方を含む第１ガスと他方を含む第２ガスとによって作動する燃料電池セルであって、
前記第１ガスに対応する第１電極と、前記第２ガスに対応する第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に配置される電解質部と、前記第１電極と電気的に接続されたインターコネクタ部と、前記第１電極、前記第２電極、前記電解質部、及び前記インターコネクタ部を支持するための支持体と、を備え、
前記電解質部及び前記電解質部を挟んで形成される前記第１電極及び前記第２電極からなる第１反応部が前記支持体の外表面の一部に形成され、
前記インターコネクタ部は、前記支持体の外表面であって前記第１反応部が形成されていない残部に形成され、
前記支持体は導電性を有する材料によって形成されると共に、前記支持体の内部には前記第１ガスが流れる流路が形成されており、前記流路は、前記第１ガスが流入する往路と、前記往路に流入した前記第１ガスが折り返して流出する復路とを含み、
前記往路と前記復路とは仕切部によって仕切られることで形成されており、
前記仕切部のガス透過率が前記支持体のガス透過率よりも低いことを特徴とする燃料電池セル。
【請求項２】
燃料ガス及び酸化剤ガスの一方を含む第１ガスと他方を含む第２ガスとによって作動する燃料電池セルであって、
前記第１ガスに対応する第１電極材料によって形成される電極支持体と、前記第２ガスに対応する第２電極と、前記電極支持体と前記第２電極との間に配置される電解質部と、前記電極支持体と電気的に接続されたインターコネクタ部と、を備え、
前記電解質部は前記電極支持体の外表面の一部に形成され、当該形成された電解質部に重ねて前記第２電極部が形成されることで第２反応部を形成しており、
前記インターコネクタ部は、前記電極支持体の外表面であって前記電解質部が形成されていない残部に形成され、
前記電極支持体は、前記第２電極、前記電解質部、及び前記インターコネクタ部を支持すると共に、前記電極支持体の内部には前記第１ガスが流れる流路が形成されており、前記流路は、前記第１ガスが流入する往路と、前記往路に流入した前記第１ガスが折り返して流出する復路とを含み、
前記往路と前記復路とは仕切部によって仕切られることで形成されており、
前記仕切部のガス透過率が前記支持体のガス透過率よりも低いことを特徴とする燃料電池セル。
【請求項３】
前記仕切部は、少なくともその一部が緻密体によって形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セル。
【請求項４】
前記仕切部は、前記往路又は前記復路に接する表面が緻密体によって形成されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池セル。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池セルを複数備え、当該複数の燃料電池セルが互いに電気的に接続されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
燃料ガス及び酸化剤ガスの一方を含む第１ガスと他方を含む第２ガスとによって作動する燃料電池セルであって、
前記第１ガスに対応する第１電極と、前記第２ガスに対応する第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に配置される電解質部と、前記第１電極と電気的に接続されたインターコネクタ部と、前記第１電極、前記第２電極、前記電解質部、及び前記インターコネクタ部を支持するための支持体と、を備え、
前記電解質部及び前記電解質部を挟んで形成される前記第１電極及び前記第２電極からなる第１反応部が前記支持体の外表面の一部に形成され、
前記インターコネクタ部は、前記支持体の外表面であって前記第１反応部が形成されていない残部に形成され、
前記支持体は導電性を有する材料によって形成されると共に、前記支持体の内部には前記第１ガスが流れる流路が形成されており、前記流路は、前記第１ガスが流入する往路と、前記往路に流入した前記第１ガスが折り返して流出する復路とを含み、
前記往路と前記復路とは仕切部によって仕切られることで形成されており、
前記仕切部のガス透過率が前記支持体のガス透過率よりも低いことを特徴とする燃料電池セル。
【請求項２】
燃料ガス及び酸化剤ガスの一方を含む第１ガスと他方を含む第２ガスとによって作動する燃料電池セルであって、
前記第１ガスに対応する第１電極材料によって形成される電極支持体と、前記第２ガスに対応する第２電極と、前記電極支持体と前記第２電極との間に配置される電解質部と、前記電極支持体と電気的に接続されたインターコネクタ部と、を備え、
前記電解質部は前記電極支持体の外表面の一部に形成され、当該形成された電解質部に重ねて前記第２電極部が形成されることで第２反応部を形成しており、
前記インターコネクタ部は、前記電極支持体の外表面であって前記電解質部が形成されていない残部に形成され、
前記電極支持体は、前記第２電極、前記電解質部、及び前記インターコネクタ部を支持すると共に、前記電極支持体の内部には前記第１ガスが流れる流路が形成されており、前記流路は、前記第１ガスが流入する往路と、前記往路に流入した前記第１ガスが折り返して流出する復路とを含み、
前記往路と前記復路とは仕切部によって仕切られることで形成されており、
前記仕切部のガス透過率が前記支持体のガス透過率よりも低いことを特徴とする燃料電池セル。
【請求項３】
前記仕切部は、少なくともその一部が緻密体によって形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セル。
【請求項４】
前記仕切部は、前記往路又は前記復路に接する表面が緻密体によって形成されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池セル。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池セルを複数備え、当該複数の燃料電池セルが互いに電気的に接続されていることを特徴とする燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−２８３２３９（Ｐ２００９−２８３２３９Ａ）
【公開日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１３３１０２（Ｐ２００８−１３３１０２）
【出願日】平成２０年５月２１日（２００８．５．２１）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月２１日（２００８．５．２１）
【出願人】（００００１００８７）ＴＯＴＯ株式会社 (3,889)
【Ｆターム（参考）】
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