(57)【要約】      （修正有）【課題】セルとの接触性を向上させるとともに、セルの面内温度分布による変形に追従できるセパレータを有する円形固体酸化物燃料電池を提供する。【解決手段】円板型の燃料電池セル１とセパレータ２とを交互に積層してスタックを構成し、しかも、スタックを挟み込むように端板部材３を設け、上側の端板部材３の中央部を貫通してスタックに燃料を供給する燃料供給部４と、上側の端板部材３の中央部を貫通してスタックに空気を供給する空気供給部５とを設け、前記セパレータ２は、半径方向の複数箇所において同心状に逆Ｖ字状に屈曲されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円板型セルとセパレータとを交互に積層して燃料電池スタックを構成してなる固体酸化物型燃料電池であって、
前記セパレータは、金属薄板のプレス加工で製造され、円周方向および積層方向に弾性を持つ形状を有している
ことを特徴とする円板型固体酸化物型燃料電池。
【請求項２】
前記セパレータは、同心円状の複数のリブを有している請求項１に記載の円板型固体酸化物型燃料電池。
【請求項３】
前記リブは、鞍部に窪みを持つ形状を有している請求項２に記載の円板型固体酸化物型燃料電池。
【請求項４】
前記セパレータは、各々が複数の穴およびリブ鞍部を横切る切欠の少なくとも一方を有する同心円状の複数のリブを含む集電板とセパレータ板とを有している請求項１に記載の円板型固体酸化物型燃料電池。
【請求項５】
前記リブは、片面の穴または切欠を他面の穴または切欠よりも大きく設定したものである請求項４に記載の円板型固体酸化物型燃料電池。
【請求項６】
前記リブは、半径方向の流れ抵抗より、円周に沿った流れ抵抗を小さくする形状を有している請求項３または請求項４に記載の円板型固体酸化物型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、円板型の平板セルをセパレータと共に積層してなる円板型固体酸化物型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体酸化物型燃料電池の内、平板型のものは発電の電力密度が高い特徴を有していることが知られている。
【０００３】
そして、この平板型の固体酸化物型燃料電池を、シール部を少なくしながらコンパクトに平板セルを配置してスタック化することにより製造する方法として、円板型の平板セルをセパレータと共に積層し、円板周囲のシールは行わないようにする方法が知られており、セル外周で反応後の燃料ガスと酸化剤を含むガスを混合、燃焼させるように構成している（特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１の平板型の固体酸化物型燃料電池では、セル中央部を貫通して燃料と空気を供給し、セル中央から外周に向かって燃料と空気を流して、発電を行い、外周部で発電後の燃料、空気を混合して燃焼するようにしている。
【０００５】
しかし、特許文献１に記載されているセパレータは、金属板からの削り出しのため剛性が高く、平板セルに製造時の歪や厚みの分布があると、部分的に密着しない部分ができ、接触抵抗が高くなって性能が低下するという問題、平板セルとセパレータとの熱膨張率の差や起動停止時の温度分布により生じた応力の緩和がされにくく、サーマルサイクルによる劣化を起こしやすいという問題がある。
【０００６】
これらの問題を解決するために、シール構造を有する平板型の燃料電池であって、弾性のある金属薄板によりセパレータを構成したものが提案されている（特許文献２、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開平６−２９０７９８号公報
【特許文献２】特開２００１−３５５１４号公報
【特許文献３】特開２００１−６８１３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献２、特許文献３には、
突起、凹凸の断面形状が、波型、矩形状、ディンプル状、紡錘状、短冊状の何れか、または組み合わせ、
平板型燃料電池は正方形に限らず、長方形、円形、楕円形状等形状は限定せず
と記載しているだけで、
燃料電池形状（正方形、円形等）に対し、突起の平面形状をどのようにすべきかについていえば、具体的に示されているのは正方形について４例のみであり、
（１）接触性、応力緩和性は向上しているものの、平面内の温度分布に起因する応力発生に対して応力緩和性能の高い平面形状であるかどうかは記載されていない。
【０００８】
例えば、特許文献２には、図２の突起を散在させた平面形状と、図７、図８の平行溝を並べた形状の二つが示されているが、発電ガスの面内温度分布がある時に、夫々がどのような応力に対し応力緩和効果があるかが説明されておらず、結局、平面形状の適切化という観点からの提案はないと判断できる。
（２）燃料や空気をセル全体に均一に流すという分配性能に課題がある。
【０００９】
例えば、特許文献２の図３、特許文献３の図３、図９では、突起部が散在する形であるため、燃料や空気の流れを均一化する効果が少ないと考えられ、発電ガス（燃料ガス、酸化剤ガス）は供給口から排気口へ向かう最短流路付近を多く流れ、これから横にそれたコーナー部では流れが少ないと予想でき、特許文献２、特許文献３の両者の図７、図８では、発電ガスの供給口に近い溝通路部に発電ガスが多く流れ、その他の溝通路では少ないという問題があった。
【００１０】
円形のセルについては、実施例も示されておらず、燃料や空気をセル全体に均一に流すという分配性能も含めた適切な平面形状について、具体的に示されていなかった。
【００１１】
この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、セルとの接触性を向上させるとともに、セルの面内温度分布による変形に追従できるセパレータを有する円板型固体酸化物型燃料電池と提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１の円板型固体酸化物型燃料電池は、円板型セルとセパレータとを交互に積層して燃料電池スタックを構成してなる固体酸化物型燃料電池であって、前記セパレータは、金属薄板のプレス加工で製造され、円周方向および積層方向に弾性を持つ形状を有しているものである。
【００１３】
この場合には、積層方向の弾性を有するセパレータとセルとの接触性を向上させることができるとともに、セルの面内温度分布による変形に、積層方向の弾性および半径方向の弾性を有するセパレータが追従でき、この結果、サーマルサイクルに強く、コンパクトな円板型固体酸化物型燃料電池を実現することができる。
【００１４】
請求項２の円板型固体酸化物型燃料電池は、前記セパレータとして、同心円状の複数のリブを有するものを採用するものである。
【００１５】
この場合には、半径方向の熱収縮に対し、応力の緩和効果を高くすることができる。
【００１６】
さらに説明する。
【００１７】
燃料や酸化剤を含む発電用ガスを流す場合、温度を均一にするために対称性を確保するには半径方向に均一に流すのが最も良いが、この際に、リブの谷間が発電用ガスの円周方向の流路となり、マニフォールドの配置上の制約等で、ガスの流れの対称性が崩れた場合にも、ガスの流れを均一化する効果があり、温度分布を対称にすることで、同心円状リブでの応力緩和を実現し易い構造を実現することができる。
【００１８】
請求項３の円板型固体酸化物型燃料電池は、前記リブとして、鞍部に窪みを持つ形状を有するものを採用するものである。
【００１９】
この場合には、セパレータを単一の部材で構成することができ、部材点数を減らし、スタック厚みの低減によるコンパクト化や、コンパクト化による熱ロスの低減を達成することができる。
【００２０】
請求項４の円板型固体酸化物型燃料電池は、前記セパレータとして、各々が複数の穴およびリブ鞍部を横切る切欠の少なくとも一方を有する同心円状の複数のリブを含む集電板とセパレータ板とを有するものを採用するものである。
【００２１】
この場合には、集電板に燃料、空気の分離機能を持たせる必要がなくなるため、自由に穴や切り込み等の形状を選択することが可能となり、熱応力の緩和、集電性能や流量分布特性を向上させることができる。
【００２２】
請求項５の円板型固体酸化物型燃料電池は、前記リブとして、片面の穴または切欠を他面の穴または切欠よりも大きく設定したものを採用するものである。
【００２３】
この場合には、リブの片面または鞍部は発電ガスの均一な分配のための抵抗要素として残しながら、リブの剛性を減じることができ、ひいては応力の緩和効果を高めることができる。
【００２４】
請求項６の円板型固体酸化物型燃料電池は、前記リブとして、半径方向の流れ抵抗より、円周に沿った流れ抵抗を小さくする形状を有するものを採用するものである。
【００２５】
この場合には、セルへの燃料供給のアンバランスを、円周に沿った流れによって補償し、可及的に均一な燃料ガスの面内分布を得ることができる。
【発明の効果】
【００２６】
請求項１の発明は、セパレータとセルとの接触性を向上させるとともに、セルの面内温度分布による変形にセパレータが追従でき、この結果、サーマルサイクルに強く、コンパクトな円板型固体酸化物型燃料電池を実現することができるという特有の効果を奏する。
【００２７】
請求項２の発明は、半径方向の熱収縮に対し、応力の緩和効果を高くすることができるという特有の効果を奏する。
【００２８】
請求項３の発明は、セパレータを単一の部材で構成することができ、部材点数を減らし、スタック厚みの低減によるコンパクト化や、コンパクト化による熱ロスの低減を達成することができるという特有の効果を奏する。
【００２９】
請求項４の発明は、集電板に燃料、空気の分離機能を持たせる必要がなくなるため、自由に穴や切り込み等の形状を選択することが可能となり、熱応力の緩和、集電性能や流量分布特性を向上させることができるという特有の効果を奏する。
【００３０】
請求項５の発明は、応力の緩和効果を高めることができるという特有の効果を奏する。
【００３１】
請求項６の発明は、可及的に均一な燃料ガスの面内分布を得ることができるという特有の効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、添付図面を参照して、この発明の円板型固体酸化物型燃料電池の実施の形態を詳細に説明する。
【００３３】
図１はこの発明の円板型固体酸化物型燃料電池の一実施形態を概略的に示す縦断面図、図２は図１のＡ−Ａ矢視図である。
【００３４】
この円板型固体酸化物型燃料電池は、円板型の燃料電池セル１とセパレータ２とを交互に積層してスタックを構成し、しかも、スタックを挟み込むように端板部材３を設けている。そして、上側の端板部材３の中央部を貫通してスタックに燃料を供給する燃料供給部４と、上側の端板部材３の中央部を貫通してスタックに空気を供給する空気供給部５とを設けている。
【００３５】
また、前記セパレータ２は、半径方向の複数箇所において同心状に逆Ｖ字状に屈曲されている。以下では、この屈曲部をリブと称する。
【００３６】
なお、燃料電池の発電動作は従来公知であるから、詳細な説明を省略する。
【００３７】
この場合には、リブに起因して積層方向の弾性を有するセパレータとセルとの接触性を向上させることができるとともに、セルの面内温度分布による変形に、リブに起因して積層方向の弾性および半径方向の弾性を有するセパレータが追従でき、この結果、サーマルサイクルに強く、コンパクトな円板型固体酸化物型燃料電池を実現することができる。
【００３８】
また、燃料や酸化剤を含む発電用ガスを流す場合、温度を均一にするために対称性を確保するには半径方向に均一に流すのが最も良いが、この際に、リブの谷間が発電用ガスの円周方向の流路となり、マニフォールドの配置上の制約等で、ガスの流れの対称性が崩れた場合にも、ガスの流れを均一化する効果があり、温度分布を対称にすることで、同心円状リブでの応力緩和を実現し易い構造を実現することができる。
【００３９】
図３はセパレータの構成の一例を示す部分斜視図である。
【００４０】
このセパレータは、リブ６の鞍部に窪み７を形成することによって、発電ガス（燃料ガス、空気）の半径方向の流路を形成することができる。
【００４１】
この場合には、セパレータを単一の部材で構成することができ、部材点数を減らし、スタック厚みの低減によるコンパクト化や、コンパクト化による熱ロスの低減を達成することができる。
【００４２】
図４はセパレータの構成の他の例を示す部分斜視図である。
【００４３】
このセパレータは、リブ６の所定位置に孔８を形成してなる集電板９とセパレータ板１０とを一体化することにより構成され、この構成によって、発電ガス（燃料ガス、空気）の半径方向の流路を形成することができる。
【００４４】
この場合には、集電板に燃料、空気の分離機能を持たせる必要がなくなるため、自由に穴や切り込み等の形状を選択することが可能となり、熱応力の緩和、集電性能や流量分布特性を向上させることができる。
【００４５】
図５はセパレータの構成のさらに他の例を示す部分斜視図である。
【００４６】
このセパレータが図４のセパレータと異なる点は、リブ６の所定位置に孔８を形成する代わりに、リブ６の鞍部を横切る切欠１１を設けた点のみである。
【００４７】
この場合にも、集電板に燃料、空気の分離機能を持たせる必要がなくなるため、自由に穴や切り込み等の形状を選択することが可能となり、熱応力の緩和、集電性能や流量分布特性を向上させることができる。
【００４８】
ただし、孔８と切欠１１の両者を設けることも可能である。
【００４９】
図６はセパレータの構成のさらに他の例を示す部分斜視図である。
【００５０】
このセパレータは、リブ６の両面に切欠１２、１３を設け、しかも、一方の面に設けられた切欠１２よりも、他方の面に設けられた切欠１３を大きくしている。
【００５１】
この場合には、リブの片面または鞍部は発電ガスの均一な分配のための抵抗要素として残しながら、リブの剛性を減じることができ、ひいては応力の緩和効果を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】この発明の円板型固体酸化物型燃料電池の一実施形態を概略的に示す縦断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視図である。
【図３】セパレータの構成の一例を示す部分斜視図である。
【図４】セパレータの構成の他の例を示す部分斜視図である。
【図５】セパレータの構成のさらに他の例を示す部分斜視図である。
【図６】セパレータの構成のさらに他の例を示す部分斜視図である。
【符号の説明】
【００５３】
１    円板型セル
２    セパレータ
６    リブ
７    窪み
８    孔
１１    切欠
１２    切欠
１３    切欠
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2006302659.tif 000007
【図６】
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