(57)【要約】 【課題】  セル面内でのガス濃度の均一化を図ることができ、これにより、発電効率を向上させることができると共に、セル面内での温度分布を均一化して発電セルの破損を防止することができる燃料電池用セパレータおよび固体酸化物形燃料電池を提供する。【解決手段】  この燃料電池用のセパレータ８は、反応用ガスを誘導するガス通路１１、１２を有し、ガス通路１１、１２において反応用ガスを噴き付けてガスの流れをＬ形に折流し、ガス吐出口１１ａ、１２ａに誘導するガス誘導部２０を備えている。ガス誘導部２０はガス吐出口１１ａ、１２ａよりガス流方向の奥側に形成する。このガス誘導部２０により、ガス吐出口１１ａ、１２ａからのガス吐出方向を変化させ、発電セルの中心部に反応用ガスを吐出する。【選択図】  図３
2006236597.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電セルと交互に積層配置され、その積層面に反応用ガスを吐出するガス吐出口を有する燃料電池用のセパレータであって、
前記反応用のガスを誘導するガス通路を有し、
当該ガス通路において前記反応用ガスをＬ形に折流して前記ガス吐出口に誘導するガス誘導部を設け、
当該ガス誘導部により、前記ガス吐出口からのガス吐出方向を変化させることを特徴とする燃料電池用のセパレータ。
【請求項２】
前記ガス誘導部を前記ガス吐出口よりガス流方向の奥側に形成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用のセパレータ。
【請求項３】
前記ガス誘導部が凹状部であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用のセパレータ。
【請求項４】
前記ガス誘導部が傾斜部であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用のセパレータ。
【請求項５】
前記ガス誘導部によりガス吐出方向を変化させて、前記発電セルの中心部分に前記反応用ガスを吐出するように構成したことを特徴とする請求項１から請求項４までの何れかに記載の燃料電池用のセパレータ。
【請求項６】
発電セルとセパレータを交互に積層して構成した燃料電池スタックを有し、前記発電セルの各々に反応用ガスを供給して発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池において、前記セパレータとして、請求項１から請求項５までの何れかに記載のセパレータを用いたことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用のセパレータ、および、これを用いた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、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池は、高効率でクリーンな発電装置として注目されている。特に、固体酸化物形燃料電池は、発電効率が高く、且つ、排熱を有効に利用できるなどの多くの利点を有することから、第三世代の発電用燃料電池として研究開発が進めらている。
【０００３】
この固体酸化物形燃料電池は、酸化物イオン導電体から成る固体電解質層を両側から空気極層（カソード）と燃料極層（アノード）で挟み込んだ積層構造を有し、発電時には、反応用ガスとして空気極層側に酸化剤ガス（酸素) が、また燃料極層側に燃料ガス (Ｈ2、ＣＯ、ＣＨ4等) が供給される。空気極層と燃料極層は、反応用ガスが固体電解質層との界面に到達することができるよう、何れも多孔質の層とされている。
【０００４】
発電セル内において、空気極層側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通って固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極層から電子を受け取って酸化物イオン（Ｏ2-）にイオン化される。この酸化物イオンは、燃料極層に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極層との界面近傍に到達した酸化物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ2Ｏ、ＣＯ2等）を生じ、燃料極層に電子を放出する。電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。
【０００５】
平板積層型の固体酸化物形燃料電池は、間に集電体を介在してこれら発電セルとセパレータを、交互に積層することにより構成されている。
上記セパレータは、発電セル間を電気的に接続すると同時に発電セルに対して反応用ガスを供給する機能を有し、その外周部から燃料ガスを導入して燃料極層と対向する面から吐出させる燃料ガス通路と、酸化剤ガスとしての空気を外周部から導入して空気極層と対向する面から吐出させる酸化剤ガス通路とを備えている。
【０００６】
発電セルの外周部にガス漏れ防止シールを有さないシールレス構造の固体酸化物型燃料電池では、図７に示すように、セパレータ８の中心部に燃料ガスや酸化剤ガス（反応用ガス）のガス吐出口１１ａ、１２ａを設け、吐出口付近（ガス誘導部２０）でＬ形に折流されて垂直方向（実線矢印）に吐出された反応用ガスを各集電体を通して発電セルの外周方向に拡散させながら燃料極層及び空気極層の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、この発電反応によって生成されたガスや発電反応に使用されなかった残余のガスを発電セルの外周部から外に放出するようになっている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−３３１８７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、近年、燃料電池の小型化を図るため、係る平板積層型の燃料電池では、セパレータの厚みを薄くして燃料電池スタックを薄型化することが行われている。ところが、セパレータの肉厚が薄くなるに連れて、図７中の破線矢印で示すように、ガス吐出口１１ａ、１２ａからの反応用ガスの吐出方向が垂直方向（実線矢印）に対してガス流方向に傾いた状態となる。これは、反応用ガスがセパレータ内の外周部より中央部分に向かって導入されるからであり、図７のように、吐出口１１ａ、１２ａをセパレータ８の中心部に設けた場合は、発電セルの片側のみにガスが多く供給されてしまうことになる。この結果、セル面内で電極反応が均一に行われずセル面内の電流密度分布に偏りが生じ、発電セルの発電効率が著しく低下するという問題が生じた。
また、発熱反応となる電極反応がセル面内において均一に行われないことにより発電セル内に温度分布が生じ、その際の熱応力によって発電セルが破損する虞もあった。
【０００８】
本発明は、上記問題に鑑みなされたもので、セル面内でのガス濃度の均一化を図ることができ、これにより、発電効率を向上させることができると共に、セル面内での温度分布を均一化して発電セルの破損を防止することができる燃料電池用のセパレータ、およびこれを用いた固体酸化物形燃料電池を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】
【０００９】
すなわち、請求項１に記載の本発明は、発電セルと交互に積層配置され、その積層面に反応用ガスを吐出するガス吐出口を有する燃料電池用のセパレータであって、前記反応用ガスを誘導するガス通路を有し、当該ガス通路において前記反応用ガスをＬ形に折流して前記ガス吐出口に誘導するガス誘導部を設け、当該ガス誘導部により、前記ガス吐出口からのガス吐出方向を変化させることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の燃料電池用のセパレータにおいて、前記ガス誘導部を前記ガス吐出口よりガス流方向の奥側に形成したことを特徴としている。
【００１１】
また、請求項３に記載の本発明は、請求項２に記載の燃料電池用のセパレータにおいて、前記ガス誘導部が凹状部であることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項４に記載の本発明は、請求項２に記載の燃料電池用のセパレータにおいて、前記ガス誘導部が傾斜部であることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項５に記載の本発明は、請求項１から請求項４までの何れかに記載の燃料電池用のセパレータにおいて、前記ガス誘導部によりガス吐出方向を変化させて、前記発電セルの中心部分に前記反応用ガスを吐出するように構成したことを特徴としている。
【００１４】
また、請求項６に記載の本発明は、発電セルとセパレータを交互に積層して構成した燃料電池スタックを有し、前記発電セルの各々に反応用ガスを供給して発電反応を生じさせる固体酸化物形燃料電池において、前記セパレータとして、請求項１から請求項５までの何れかに記載のセパレータを用いたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、セパレータのガス吐出口部分にガス誘導部を設け、ガス吐出口からのガスの吐出方向を変化させ、セパレータのガス通路に導入される反応用ガスを発電セルの中央部に向かって集中的に吐出させるようにしたので、反応用ガスを中央部から周縁部に均一に拡散・移動させることができ、セル面内でのガス濃度を均一化することができる。これにより、発電セルの全面で発電反応を生じさせることができ、発電効率を大幅に向上させることができると共に、セル面内での温度分布を均一化して、熱応力による発電セルの破損を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明が適用された平板積層型の固体酸化物形燃料電池スタックの構成を示し、図２は本発明に係る単セルの構成を示し、図３〜図５はセパレータのガス吐出部分の構造例を示し、図６はセパレータの一例を示している。
【００１７】
図１、図２に示すように、平板積層型の固体酸化物形燃料電池スタック１は、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層４を配した発電セル５と、燃料極層３の外側に配した燃料極集電体６と、空気極層４の外側に配した空気極集電体７と、各集電体６、７の外側に配したセパレータ８とで構成される単セル１０を多数積層してスタック化すると共に、上下両端より積層方向にボルト締め等により荷重を掛けてスタックの各構成要素を相互に圧接・密着させることにより構成されている。この燃料電池スタック１の実施形態では、発電セル５の外周部にガス漏れ防止シールを敢えて設けないシールレス構造を採用している。
【００１８】
単セル１０の構成要素の内、固体電解質層２はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等で構成され、燃料極層３はＮｉ、Ｃｏ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ、Ｃｏ−ＹＳＺ等のサーメットで構成され、空気極層４はＬａＭｎＯ3、ＬａＣｏＯ3等で構成され、燃料極集電体６はＮｉ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体７はＡｇ基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ８はステンレス等で構成されている。
【００１９】
本実施形態のセパレータ８は、厚さ２〜３ｍｍのステンレス板で構成され、発電セル５間を電気的に接続すると共に、発電セル５に対して反応用ガスを供給する機能を有し、内部に燃料ガスをセパレータ８の縁部から導入してセパレータ８の燃料極集電体６に対向する面のほぼ中心部（ガス吐出口１１ａ）から吐出する燃料ガス通路１１と、酸化剤ガスをセパレータ８の縁部から導入してセパレータ８の空気極集電体７に対向する面のほぼ中心部（ガス吐出口１２ａ）から吐出する酸化剤ガス通路１２とを有している。
【００２０】
また、セパレータ８の左右縁部には、板厚方向に貫通する一対のガス孔１３、１４が設けてあり、一方のガス孔１３は燃料ガス通路１１に、他方のガス孔１４は酸化剤ガス通路１２に連通し、各々のガス孔１３、１４からこれらのガス通路１１、１２を通して各発電セル５の各電極面に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給できるようになっている。尚、上下に積層されるセパレータ８のガス孔同士は、それぞれリング状の絶縁性ガスケット１５、１６にて連結されている。
【００２１】
各々のガスケット１５、１６がそれぞれセパレータ８の各ガス孔１３、１４を介して積層方向に連結される（スタック化される）ことにより、スタック内部を積層方向に延びる燃料ガス用の管状マニホールド１７と酸化剤ガス用の管状マニホールド１８が形成される。これらマニホールド１７、１８には外部から供給される燃料ガスと酸化剤ガスが流通し、各ガスが各セパレータ８のガス孔１３、１４より各ガス通路１１、１２を通して各ガス吐出口１１ａ、１２ａより吐出して各発電セル５の各電極に分配・供給されるようになっている。
【００２２】
ところで、係る構造のセパレータ８では、セパレータ８の肉厚が薄くなるに連れて、ガス吐出口１１ａ、１２ａからの反応用ガスの吐出方向がガス流方向に傾いた状態となり、本実施形態のように、セパレータ８の中心部にガス吐出口１１ａ、１２ａを設けても、発電セルの片側のみにガスが多く供給されてしまう不都合が生じることは既述した通りである。
【００２３】
そこで、本発明では、これらガス吐出口１１ａ、１２ａの近傍において、ガス通路１１、１２内に導入された反応用ガスをＬ形に折流してガス吐出口１１ａ、１２ａに誘導するガス誘導部２０を、ガス吐出口１１ａ、１２ａよりガス流方向に向かって奥側に形成するようにして、ガス吐出口１１ａ、１２ａからのガス吐出方向を垂直方向に向かせるようにした。
【００２４】
図３、図４は、ガス誘導部２０を凹状に形成した例で、図３の場合は、ガス誘導部２０を椀状凹部とし、図４で角状凹部としている。また、ガス誘導部２０を上記のように凹状とするのではなく、図５に示すように、反ガス流方向（戻り方向）に向けて傾斜させる構造とすることもできる。
何れの場合も、ガス通路に導入された反応用ガスがガス吐出口近傍においてガス誘導部２０に噴き付けられることによりＬ形に折流されながら、凹状面、あるいは傾斜面に沿って反ガス流方向に誘導されることにより、ガス吐出口１１ａ、１２ａからの反応用ガスの吐出方向を、従来のガス流方向に傾いた状態から垂直方向に変化させることができ、これによりセパレータ８に導入された反応用ガスを発電セル５の中央部に向かって集中的に吐出させることができるようになる。
【００２５】
このように、セパレータ８に導入される反応用ガスを発電セル５の中央部に向かって集中的に吐出させることにより、反応用ガスをセルの中央部から周縁部に均一に拡散・移動させることができ、セル面内でのガス濃度を均一化することができる。
これにより、発電セル５の全面において発電反応を均一に生じさせることができ、発電効率を大幅に向上させることができると共に、セル面内での温度分布を均一化して、熱応力による発電セル５の破損を防止することができる。
特に、酸化剤ガス通路１２においては、空気による冷却が発電セル５の全面において可能になり、これにより、セル面内での温度分布の均一化をより一層確実なものにすることができる。
【００２６】
本実施形態では、図６に示すような四角形状のセパレータ８を用いている。図６において、セパレータ８の内部には、反応用ガスが流通する燃料ガス通路１１と酸化剤ガス通路１２がそれぞれ渦巻状に、且つ、それぞれが交差しないように入れ子状態に形成されていると共に、セパレータ８のほぼ中心部にガス吐出口１１ａ、１２ａが設けられている。また、セパレータ８の左右縁部には一対のガス孔１３、１４が設けられている。
上記セパレータ８では、セパレータ８内に導入された反応用ガスは渦巻状に形成された各ガス通路１１、１２を通してセパレータ８内部の全域に流通する過程でセパレータ８と効率良く熱交換し、セパレータ８は面方向の全域に亘って均一に加熱されるようになる。尚、セパレータは、このような四角形状の他、円板状としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る平板積層型の固体酸化物形燃料電池スタックの構成を示す図。
【図２】本発明に係る単セルの構成を示す図。
【図３】セパレータのガス吐出部分の構造を示す要部断面図。
【図４】セパレータの図３とは別のガス吐出部分の構造を示す要部断面図。
【図５】セパレータの図４とは別のガス吐出部分の構造を示す要部断面図。
【図６】セパレータの一例を示す平面図。
【図７】従来のセパレータのガス吐出部分の構造を示す要部断面図。
【符号の説明】
【００２８】
５  発電セル
８  セパレータ
１１、１２  ガス通路（燃料ガス通路、酸化剤ガス通路）
１１ａ、１２ａ  ガス吐出口
２０  ガス誘導部
【図１】
2006236597.tif 000003
【図２】
2006236597.tif 000004
【図３】
2006236597.tif 000005
【図４】
2006236597.tif 000006
【図５】
2006236597.tif 000007
【図６】
2006236597.tif 000008
【図７】
2006236597.tif 000009