(57)【要約】【課題】燃料電池を複数積層して燃料電池モジュールを構成したときに、簡易な構成で各燃料電池に均等にガスを供給することができる固体酸化物形燃料電池及び燃料電池モジュールを提供する。【解決手段】本発明による固体酸化物形燃料電池１００は、管状の固体電解質１０５と、固体電解質１０５の内面に設けられた内側電極１０６と、固体電解質１０５で囲まれた空間の内部に設けられ、内側電極１０６へ供給されるガスが流れる内側ガス流路１０７と、固体電解質１０５の外面に設けられた外側電極１０４と、固体電解質１０５の外側に設けられ、外側電極１０４へ供給されるガスが流れる外側ガス流路１０８と、少なくとも固体電解質１０５と内側電極１０６と内側ガス流路１０７とを貫通するように設けられ、外側電極１０４へ供給されるガスが流れるバイパス流路１２１、１２２を備える。【選択図】図１Ａ
2015076164.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
管状の固体電解質と、
前記固体電解質の内面に設けられた内側電極と、
前記固体電解質で囲まれた空間の内部に設けられ、前記内側電極へ供給されるガスが流れる内側ガス流路と、
前記固体電解質の外面に設けられた外側電極と、
前記固体電解質の外側に設けられ、前記外側電極へ供給されるガスが流れる外側ガス流路と、
少なくとも前記固体電解質と前記内側電極と前記内側ガス流路とを貫通するように設けられ、前記外側電極へ供給される前記ガスが流れるバイパス流路と、
を備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記固体電解質と前記内側電極と前記内側ガス流路とを有し、前記固体酸化物形燃料電池の長さ方向の両端部にある支持部と、
前記固体電解質と前記内側電極と前記内側ガス流路と前記外側電極と前記外側ガス流路とを有し、前記固体酸化物形燃料電池の長さ方向の中央部にある発電部と、を備え、
前記支持部での前記固体電解質の外側は、前記外側電極へ供給される前記ガスが流れる外側ガス流路領域であり、
前記バイパス流路は、前記支持部に設けられ、前記固体電解質と前記内側電極と前記内側ガス流路とを貫通し、前記外側ガス流路領域を接続する請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記固体電解質と前記内側電極と前記内側ガス流路とを有し、前記固体酸化物形燃料電池の長さ方向の両端部にある支持部と、
前記固体電解質と前記内側電極と前記内側ガス流路と前記外側電極と前記外側ガス流路とを有し、前記固体酸化物形燃料電池の長さ方向の中央部にある発電部と、を備え、
前記バイパス流路は、前記発電部に設けられ、前記外側電極と前記固体電解質と前記内側電極と前記内側ガス流路とを貫通し、前記外側ガス流路を接続する請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項４】
前記バイパス流路は、リング状のセラミックス材で形成される請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項５】
前記固体電解質に設けられ、前記内側電極と電気的に接続するインターコネクタをさらに備え、
前記バイパス流路は、前記内側ガス流路を流れる前記ガスの流れ方向に平行で前記インターコネクタを通る線上に位置する請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項６】
請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池を、複数積層して構成したことを特徴とする燃料電池モジュール。
【請求項７】
前記固体酸化物形燃料電池の前記バイパス流路は、個数、位置、及び直径のうち少なくとも１つが、前記燃料電池モジュール内での前記固体酸化物形燃料電池の位置に応じて異なる請求項６に記載の燃料電池モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物形燃料電池、及び固体酸化物形燃料電池を備える燃料電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池（「燃料電池セル」とも呼ぶ）は、アノード（燃料極）、カソード（空気極）及びこれらに挟まれた電解質を備え、アノードには燃料を、カソードには酸化剤を供給し、電解質を介して燃料と酸化剤を電気化学的に反応させることにより発電する発電装置である。燃料電池の種類の一つである固体酸化物形燃料電池は、電解質にイットリア（Ｙ２Ｏ３）や酸化ネオジウム（Ｎｄ２Ｏ３）のような酸化物イオン導電性を備えた固体酸化物材料を用い、燃料極にはＬａ（Ｓｒ）ＭｎＯやＬａ（Ｓｒ）ＣｏＯなどのペロブスカイト構造の酸化物材料を用い、空気極にはＮｉと電解質材の多孔性サーメット材を用い、燃料にはメタンや水素などの燃料ガスを、酸化剤には空気を用いる。
【０００３】
固体酸化物形燃料電池セル（ＳＯＦＣ）は、大きく円筒形と平板形に分類でき、これらは、燃料ガスと酸化剤ガスから電気化学反応により電気エネルギーを取り出すメカニズムは同じであるが、ガス流路の形状や電気化学反応を司る電極や電解質の形状が異なる。
【０００４】
円筒形ＳＯＦＣは、密閉された円筒の内側に燃料ガスが流れ、円筒の外側を酸化剤ガスである空気が流れる。円筒形という形状のため、特別なガスシール構造を必要とせず、サーマルサイクルに対して優れた特性を持つという利点があり、モジュール信頼性の点で実用化しやすい。しかし、円筒形ＳＯＦＣは、電流パスが直線的ではなく円周方向に沿って形成されて長くなるため、電気的な内部抵抗が大きくなり、発電効率の低下が懸念される。また、円筒形ＳＯＦＣは、円筒形状のために体積当たりの電極面積が小さく、出力密度を上げられないなどの短所を持つ。
【０００５】
これらの課題を解決するために、扁平円筒形ＳＯＦＣが発明された（例えば、特許文献１）。扁平円筒形ＳＯＦＣは、円筒形ＳＯＦＣを平たくした形状を持ち、円筒形ＳＯＦＣの優れたシール性を継承しつつ、電流パスを短くすることができる。この結果、内部電気抵抗を低減し、発電効率を向上させることが可能である。さらに、扁平円筒形ＳＯＦＣは、形状の扁平性から、体積当たりの電極面積が円筒形ＳＯＦＣに比べ大きくなり、体積出力密度を向上させることができる。
【０００６】
一般に、ＳＯＦＣは、起電力が１Ｖ程度と小さく、産業用には、複数のＳＯＦＣを直列に接続し、積層したスタック構造で使用することが多い。
【０００７】
図８Ａ、図８Ｂは、扁平円筒形ＳＯＦＣの概略図である。図８Ａは、扁平円筒形ＳＯＦＣ８０１の平面図であり、図８Ｂは、図８Ａの線Ａ−Ａにおける断面図である。図８Ａに示すように、扁平円筒形ＳＯＦＣ８０１は、発電部８０７と支持部８０８とを備え、支持部８０８は発電部８０７の両側に設けられて燃料ガス流路を兼ねている。図８Ｂに示すように、発電部８０７は、中空の扁平円筒形の固体複合体８０３、固体複合体８０３の内側に位置する燃料ガス流路８０５、固体複合体８０３の外側に位置する空気流路８０６、及び複数のインターコネクタ８０４を備える。固体複合体８０３は、固体電解質をアノードとカソードで挟んで形成され、内側にアノードを、外側にカソードを備える。燃料ガス流路８０５には燃料ガスが流れ、空気流路８０６には空気が流れる。インターコネクタ８０４は、固体電解質とカソードに設けた開口部に設置され、アノードに接続される。
【０００８】
発電セルである扁平円筒形ＳＯＦＣ８０１は、起電力が１Ｖ程度と小さいため、産業用には、複数の発電セルを直列に接続して積層した燃料電池モジュールが用いられる。
【０００９】
図９Ａ、図９Ｂは、固体酸化物形燃料電池モジュールの概略図である。図９Ａは、固体酸化物形燃料電池モジュール９０１の外観を示し、図９Ｂは、固体酸化物形燃料電池モジュール９０１の内部を示す。固体酸化物形燃料電池モジュール９０１は、図８Ａ、図８Ｂに示した扁平円筒形ＳＯＦＣを４０個備え、２０個の扁平円筒形ＳＯＦＣを直列に接続して積層したものが２列に並置されている。
【００１０】
図９Ａに示すように、固体酸化物形燃料電池モジュール９０１は、発電セルである扁平円筒形ＳＯＦＣを格納する断熱性の筺体９０２を備える。筺体９０２には、燃料供給管９０３、空気排出管９０４、空気供給管９０５、及び燃料排出管９０６が接続されている。燃料ガス９０７は、燃料供給管９０３から固体酸化物形燃料電池モジュール９０１に供給され、燃料排出管９０６から排出される。空気９０８は、空気供給管９０５から固体酸化物形燃料電池モジュール９０１に供給され、空気排出管９０４から排出される。このように、筺体９０２の上部から燃料ガス９０７を、下部から空気９０８を供給することで、固体酸化物形燃料電池モジュール９０１の内部では、燃料ガス９０７と空気９０８が対向流になり、発電に伴う温度上昇の不均一性を緩和することができる。
【００１１】
図９Ｂに示すように、固体酸化物形燃料電池モジュール９０１の内部には、燃料ガス９０７と空気９０８が混じらないように２枚の敷居板９１１が設けられる。燃料ガス９０７と空気９０８は、２枚の敷居板９１１に隔てられて、固体酸化物形燃料電池モジュール９０１の中の個々の扁平円筒形ＳＯＦＣを流れる。筺体９０２に格納された扁平円筒形ＳＯＦＣの上下の空間は、ガス溜まりとして機能し、扁平円筒形ＳＯＦＣのそれぞれに均等に燃料ガス９０７と空気９０８を供給するためのマニホールド９０９となる。マニホールド９０９は、敷居板９１１に仕切られ、一方の空間では燃料ガス９０７が、他方の空間では空気９０８が流れる。
【００１２】
図９Ｂに示すように、燃料ガス９０７は、燃料供給管９０３からマニホールド９０９を経由し、固体酸化物形燃料電池モジュール９０１の各発電セルを流れる。一方、空気９０８は、空気供給管９０５からマニホールド９０９を経由し、敷居板９１１に沿って発電セル間を縫うようにして流れる。しかし、発電セルの形状が扁平円筒形のため、空気９０８は、流れがさえぎられてスムーズに流れない。これは、扁平円筒形の発電セルが隙間なく積層されているからである。空気９０８は、発電セルを周り込んで流れないと各発電セルに行き渡らない。このため、固体酸化物形燃料電池モジュール９０１は、内部での空気９０８の流れが不均一になり、設置位置により空気９０８が十分に供給されない発電セルが生じ、既定の性能が得られないという課題がある。
【００１３】
特許文献２には、この課題を課題するために、発電セルに均一にガスを供給する手段として、マニホールドと発電セルとの間に複数の連通路を設け、各連通路にガス供給絞りを設置し、絞りを制御することで各発電セルに均一にガスを供給する燃料電池が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２０１０−１８２４２５号公報
【特許文献２】特開２００５−２１６６４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
燃料電池モジュールでは、各発電セルに均一に燃料と酸化剤のガスを供給する必要があるが、上述したように、構造上、各発電セルに均一にガスを供給するのが困難な場合がある。
【００１６】
特許文献２に記載の燃料電池のように、マニホールドと発電セルとの間に複数の連通路を設け、各連通路にガス供給絞りを設置すると、燃料電池モジュールの構造が複雑で製作コストが高くなるという課題がある。また、燃料電池モジュール内に連通路とガス供給絞りを設けるには、そのためのスペースが必要であり、燃料電池モジュールのサイズが大きくなるという課題もある。
【００１７】
本発明の目的は、燃料電池を複数積層して燃料電池モジュールを構成したときに、簡易な構成で各燃料電池に均等にガスを供給することができる固体酸化物形燃料電池及び燃料電池モジュールを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明による固体酸化物形燃料電池は、管状の固体電解質と、前記固体電解質の内面に設けられた内側電極と、前記固体電解質で囲まれた空間の内部に設けられ、前記内側電極へ供給されるガスが流れる内側ガス流路と、前記固体電解質の外面に設けられた外側電極と、前記固体電解質の外側に設けられ、前記外側電極へ供給されるガスが流れる外側ガス流路と、少なくとも前記固体電解質と前記内側電極と前記内側ガス流路とを貫通するように設けられ、前記外側電極へ供給される前記ガスが流れるバイパス流路とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、燃料電池を複数積層して燃料電池モジュールを構成したときに、簡易な構成で各燃料電池に均等にガスを供給することができる固体酸化物形燃料電池及び燃料電池モジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１Ａ】本発明の実施例による固体酸化物形燃料電池セルを模式的に示す平面図。
【図１Ｂ】図１Ａの線Ａ−Ａにおける断面図。
【図２Ａ】本実施例による固体酸化物形燃料電池セルの平面図。
【図２Ｂ】図２Ａに示した部分Ａを拡大して示す図。
【図２Ｃ】固体酸化物形燃料電池セルを図２Ｂの矢印Ｃの方向から見た側面図。
【図２Ｄ】図２Ｂの線Ｂ−Ｂにおける断面図。
【図３】固体酸化物形燃料電池セルの支持部とバイパス流路を示す概略図。
【図４Ａ】固体酸化物形燃料電池セルの作製方法のステップ１を示す図。
【図４Ｂ】固体酸化物形燃料電池セルの作製方法のステップ２を示す図。
【図４Ｃ】固体酸化物形燃料電池セルの作製方法のステップ３を示す図。
【図４Ｄ】固体酸化物形燃料電池セルの作製方法のステップ４を示す図。
【図４Ｅ】固体酸化物形燃料電池セルの作製方法のステップ５を示す図。
【図４Ｆ】固体酸化物形燃料電池セルの作製方法のステップ６を示す図。
【図５Ａ】固体酸化物形燃料電池スタックの分解図。
【図５Ｂ】固体酸化物形燃料電池スタックの概略図。
【図６】固体酸化物形燃料電池モジュールの一部を示す概略図。
【図７】リング状の流路部材７０１を示す図。
【図８Ａ】扁平円筒形ＳＯＦＣの概略を示す平面図。
【図８Ｂ】図８Ａの線Ａ−Ａにおける断面図。
【図９Ａ】固体酸化物形燃料電池モジュールの外観を示す概略図。
【図９Ｂ】固体酸化物形燃料電池モジュールの内部を示す概略図。
【図１０Ａ】数値シミュレーション用に作成した燃料電池モジュールの流路形状モデルの概念図。
【図１０Ｂ】バイパス流路を備える燃料電池セルで構成した燃料電池モジュールの流路形状モデルにおいて、燃料電池セルの支持部の位置の切断面での断面図。
【図１０Ｃ】バイパス流路を備えない従来の燃料電池セルで構成した燃料電池モジュールの流路形状モデルにおいて、燃料電池セルの支持部の位置の切断面での断面図。
【図１１】数値シミュレーションによる解析結果をまとめたグラフ。
【図１２Ａ】固体酸化物形燃料電池スタックを構成する複数の固体酸化物形燃料電池セルを示す図。
【図１２Ｂ】固体酸化物形燃料電池セルのバイパス流路の条件を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明による固体酸化物形燃料電池は、管状の固体電解質と、この固体電解質で囲まれて形成された空間の内部に設けられた内側電極及び内側ガス流路と、この固体電解質の外側に設けられた外側電極及び外側ガス流路と、内側ガス流路を貫通するように設けられ外側電極へ供給されるガスが流れるバイパス流路とを備える。バイパス流路は、少なくとも内側ガス流路と内側電極と固体電解質を貫通し、外側ガス流路又は後述する外側ガス流路領域を接続する。バイパス流路により、外側ガス流路又は外側ガス流路領域のガスが流れやすくなる。このため、複数の燃料電池を積層して構成される燃料電池モジュールでは、従来の燃料電池モジュールと比べてマニホールドでのガスの流れが改善されて滑らかになり、各燃料電池へ均一にガスを供給することができる。本発明による固体酸化物形燃料電池及び燃料電池モジュールは、構成が簡易であり、製作コストの上昇やサイズの増大を招くことなく、各燃料電池へ供給するガスの量をより均一にすることができる。
【００２２】
なお、本発明において、燃料電池（以下、「燃料電池セル」又は「発電セル」とも呼ぶ）の形状は、円筒形状、扁平円筒形状、楕円形状、直方体形状、及び立方体形状などであってもよい。また、本発明による燃料電池は、管状の固体電解質の内面と外面にそれぞれ内側電極と外側電極とが形成されており、アノード用の電極（以下、「アノード」と称する）が内側電極でカソード用の電極（以下、「カソード」と称する）が外側電極であってもよいし、アノードが外側電極でカソードが内側電極であってもよい。
【００２３】
以下、本発明の実施例による固体酸化物形燃料電池と燃料電池モジュールを、図面を参照して説明する。以下の実施例では、燃料電池セルが扁平円筒形である場合、すなわち固体電解質が中空の扁平円筒状である場合を例に挙げて説明する。また、アノードが内側電極で、カソードが外側電極である例について説明する。
【００２４】
図１Ａと図１Ｂは、本発明の実施例による固体酸化物形燃料電池セルの模式図である。図１Ａは、本実施例による固体酸化物形燃料電池セル１００の平面図であり、図１Ｂは、図１Ａの線Ａ−Ａにおける断面図である。
【００２５】
図１Ａに示すように、固体酸化物形燃料電池セル１００は、長さ方向の中央部にある発電部１０１と、長さ方向の一端部にある支持部１０２と、長さ方向の他端部にある支持部１０３とを備える。発電部１０１の長さは２５０ｍｍであり、支持部１０２、１０３の長さは２５ｍｍである。
【００２６】
図１Ｂに示すように、固体酸化物形燃料電池セル１００は、中空の扁平円筒状の固体電解質１０５を備える。発電部１０１では、固体電解質１０５の内面にアノード１０６が、外面にカソード１０４が設けられ、アノード１０６とカソード１０４とで固体電解質１０５を挟んでいる。
【００２７】
固体電解質１０５及びカソード１０４には開口部１１３が設けられ、開口部１１３にはインターコネクタ１１０が設置されている。本実施例では、インターコネクタ１１０は、燃料電池セル１００の長さ方向に延在し、燃料電池セル１００の長さ方向に３個、幅方向に３個、それぞれ設けられている。インターコネクタ１１０は、アノード１０６と電気的に接続し、アノード１０６に電流を流すための接続子である。また、インターコネクタ１１０とカソード１０４とが電気的に接続しないように、インターコネクタ１１０とカソード１０４との間、及びインターコネクタ１１０と固体電解質１０５との間には、絶縁材１１１が設置されている。インターコネクタ１１０は、複数の燃料電池セル１００を電気的に接続して燃料電池モジュールを形成したときに、ある１つの燃料電池セルの内側のアノード１０６と、この燃料電池セルに隣接する燃料電池セルのカソード１０４とを電気的に接続する。
【００２８】
アノード１０６の内部、すなわち固体電解質１０５で囲まれた空間の内部には、アノード１０６へ燃料ガスを供給する内側ガス流路１０７が備えられ、燃料ガスは、アノード１０６に沿って内側ガス流路１０７を流れる。カソード１０４の外部には、カソード１０４へ空気などの酸化剤ガスを供給する外側ガス流路１０８が備えられ、酸化剤ガスは、カソード１０４に沿って外側ガス流路１０８を流れる。酸化剤ガス中の酸素は、カソード１０４で酸素イオンとなり、この酸素イオンは、固体電質１０５を通り抜け、アノード１０６で燃料ガス中の水素と反応し、水と電力が生成される。アノード１０６で生成された電力は、接続するインターコネクタ１１０を介して外部に取り出すことができ、仕事に用いることができる。
【００２９】
電気抵抗の低減とガス拡散性の改善のために、内側ガス流路１０７及び外側ガス流路１０８に導電性多孔質体を設置してもよい。燃料ガスと酸化剤ガスは、導電性多孔質体を流れる。この場合には、外側ガス流路１０８の外側（導電性多孔質体の外面）に、ガスシール材１０９を設置し、導電性多孔質材による燃料電池セル同士の電気的ショートを防ぐ。ただし、ガスシール材１０９は、インターコネクタ１１０が存在する領域と、複数の燃料電池セル１００を電気的に接続して燃料電池モジュールを形成したときに隣接する燃料電池セルのインターコネクタ１１０が接続する領域とには設けない。
【００３０】
図１Ａに示した支持部１０２、１０３は、発電部１０１と共通の内側ガス流路１０７を内部に備える。燃料ガスは、支持部１０２、１０３の内側ガス流路１０７を流れて、発電部１０１の内側ガス流路１０７へ又は内側ガス流路１０７から流れる。酸化剤ガスは、支持部１０２、１０３の外側の領域を、支持部１０２、１０３に沿って流れ、発電部１０１の外側ガス流路１０８へ又は外側ガス流路１０８から流れる。以下では、酸化剤ガスが流れる支持部１０２、１０３の外側の領域を、「外側ガス流路領域１１２」と呼ぶ。
【００３１】
図１Ａに示すように、支持部１０２には、固体電解質１０５とアノード１０６と内側ガス流路１０７とを貫通し、支持部１０２の一方の面と他方の面とを接続するバイパス流路１２１が設けられ、支持部１０３には、固体電解質１０５とアノード１０６と内側ガス流路１０７とを貫通し、支持部１０３の一方の面と他方の面とを接続するバイパス流路１２２が設けられる。酸化剤ガスは、支持部１０２の一方の面から、バイパス流路１２１を通り、支持部１０２の他方の面へと流れるとともに、支持部１０３の一方の面から、バイパス流路１２２を通り、支持部１０３の他方の面へと流れる。バイパス流路１２１、１２２を流れる酸化剤ガスと内側ガス流路１０７を流れる燃料ガスとが混ざらないように、バイパス流路１２１、１２２の側面は固体電解質で形成する。また、図７を用いて後述するように、リング状（管状）の流路部材を用いてバイパス流路１２１、１２２の側面を形成し、これらのガスが混ざらないようにしてもよい。
【００３２】
本実施例による燃料電池セル１００は、内側ガス流路１０７を貫通するようにバイパス流路１２１、１２２を設けたことが特徴であり、バイパス流路１２１、１２２を設けることにより、複数の燃料電池セル１００を積層したときに生じる、外側ガス流路１０８と外側ガス流路領域１１２を流れるガス（酸化剤ガス）の流れにくさを改善することができる。
【００３３】
バイパス流路１２１、１２２は、本実施例では固体酸化物形燃料電池セル１００の支持部１０２、１０３に設置されているが、発電部１０１を含む領域に設置してもよい。バイパス流路１２１、１２２を発電部１０１を含む領域に設置すると、バイパス流路１２１、１２２は、カソード１０４と固体電解質１０５とアノード１０６と内側ガス流路１０７とを貫通し、発電部１０１の一方の面と他方の面とを接続する。
【００３４】
すなわち、バイパス流路１２１、１２２は、内側ガス流路１０７を貫通し、外側ガス流路領域１１２又は外側ガス流路１０８を流れるガスが燃料電池セル１００の一方の面から他方の面へバイパス流路１２１、１２２を通って流れるように設置すればよい。また、バイパス流路１２１、１２２の形状、数、及び設置位置は、任意に定めることができる。
【００３５】
図２Ａ〜図２Ｄは、バイパス流路の構造について説明する概略図である。図２Ａは、図１Ａと同様の、本実施例による固体酸化物形燃料電池セル１００の平面図である。図２Ｂは、図２Ａに示した部分Ａを拡大して示す図であり、支持部１０３にあるバイパス流路１２２を示す図である。図２Ｃは、固体酸化物形燃料電池セル１００を図２Ｂの矢印Ｃの方向から見た側面図である。図２Ｄは、図２Ｂの線Ｂ−Ｂにおける断面図である。
【００３６】
図２Ｃに示すように、固体電解質１０５の内部には内側ガス流路１０７が、外部には外側ガス流路１０８と外側ガス流路領域１１２とが、それぞれ形成されている。パイパス流路１２２は、内側ガス流路１０７を貫通するように設置されているので、図２Ｃでは、内側ガス流路１０７内に、パイパス流路１２２の側面２１０を示している。
【００３７】
また、図２Ｄに示すように、内側ガス流路１０７は、バイパス流路１２２が貫通するため、一部の領域がバイパス流路１２２にさえぎられている。バイパス流路１２２は、燃料電池セル１００の一方の面にある外側ガス流路領域１１２と他方の面にある外側ガス流路領域１１２とを接続し、外側ガス流路領域１１２を流れるガス（酸化剤ガス）が燃料電池セル１００の一方の面から他方の面へ通り抜けられるようになっている。
【００３８】
図２Ａに示すように、バイパス流路１２１、１２２は、インターコネクタ１１０の位置を通り、内側ガス流路１０７を流れるガス（燃料ガス）の流れ方向（燃料電池セル１００の長さ方向、すなわちインターコネクタ１１０の長さ方向）に平行な線２３１、２３２、２３３上に配置するのが好ましい。この理由を以下に説明する。
【００３９】
図２Ｃを見ると、内側ガス流路１０７では、燃料ガスの流れは、パイパス流路の側面２１０により妨げられるのが分かる。ところで、インターコネクタ１１０の設置されている部分は、固体電解質１０５とカソード１０４に開口部１１３が設けられている部分であるため発電作用が起こらず、内側ガス流路１０７を通る燃料ガスは消費されない。このため、インターコネクタ１１０の位置を通り、インターコネクタ１１０の長さ方向に平行な線上（線２３１、２３２、２３３上）では、燃料ガスの輸送を必要としない。したがって、線２３１、２３２、２３３上にバイパス流路１２１、１２２を設けると、バイパス流路１２１、１２２を設置したことによって燃料ガスの流れが妨げられても、発電作用に影響することはない。
【００４０】
図３は、固体酸化物形燃料電池セル１００の支持部１０３とバイパス流路１２２を示す概略図である。支持部１０３には、燃料電池セル１００の幅方向のインターコネクタ１１０の数に対応して、３個のバイパス流路１２２が設けられている。外側ガス流路領域１１２を流れるガスは、図３の矢印のようにバイパス流路１２２を通り、燃料電池セル１００の一方の面から他方の面へ通り抜けることができる。
【００４１】
図４Ａ〜図４Ｆは、図１Ａに示した固体酸化物形燃料電池セル１００の作製方法を工程ごとに示す図である。作製の工程は、以下の６つのステップで構成される。
【００４２】
図４Ａに示すステップ１では、内側ガス流路１０７に用いる、長さ３００ｍｍ、幅５５ｍｍ、厚さ２ｍｍの多孔質体４０１に、バイパス流路１２１、１２２を設置するための穴４１１、４１２を設ける。多孔質体４０１は、本実施例では扁平円筒形状であるが、作製する燃料電池セルの形状に合わせて、円筒形状、楕円形状、直方体形状、又は立方体形状とすることができる。また、穴４１１、４１２の形状は、本実施例では図４Ａに示したように楕円形であるが、円形、扁平円形、多角形などと、任意の形状にすることができる。
【００４３】
多孔質体４０１は、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ジルコニア（ＺｒＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、ムライト（３Ａｌ２Ｏ３・ＳｉＯ２）、及びコーディエライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ２Ｏ３・５ＳｉＯ２）などに代表される耐熱衝撃性に優れたファインセラミックスで形成され、支持体として必要な強度を持たせるために、気孔率が３０％〜９５％であるのが望ましい。本実施例では、窒化ケイ素セラミックス粉末に焼結助剤を添加・混合し、焼却可能な短繊維からなる気孔形成材の粉体を加え、水系泥しょう鋳込みにより成型体を作製し、不活性ガス下で加熱し分散した短繊維を焼却除去すると、繊維状の貫通気孔と支持体として必要な強度を有する、気孔率８５％の窒化ケイ素セラミックス多孔体を得る。
【００４４】
鋳込みにより成型体を作製するときには、バイパス流路１２１、１２２のための穴４１１、４１２を設ける。本実施例では、多孔質体４０１の長さ方向の両端部に、穴４１１、４１２を３つずつ設ける。上述したように、穴４１１、４１２の側面は固体電解質で形成し、バイパス流路１２１、１２２を流れるガスと内側ガス流路１０７を流れるガスとが混ざらないようにする。穴４１１、４１２には、リング状（管状）の流路部材をはめ込んでもよい。穴４１１、４１２に流路部材をはめ込んでバイパス流路１２１、１２２を流路部材で構成することで、ガスの混合を防止できるとともに、バイパス流路１２１、１２２の側面を強固に形成でき、支持部１０２、１０３の機械的強度を高めることができる。
【００４５】
図７は、穴４１１、４１２にはめ込むリング状（管状）の流路部材７０１を示す図である。図７のうち、上図は流路部材７０１の上面図、下図は流路部材７０１の側面図である。流路部材７０１は、セラミックス材で作製するのが好ましい。本実施例では、流路部材７０１は、窒化ケイ素セラミックス材で作製する。流路部材７０１は、穴４１１、４１２の形状に合わせた楕円形のリング状であり、長軸の長さが１０ｍｍ、短軸の長さが５ｍｍであり、流路の長さ（高さ）が２〜３ｍｍであり、厚さ（外径と内径の差）が１ｍｍである。流路部材７０１の厚さは、支持部１０２、１０３の強度を確保するために、０．１ｍｍ以上、２ｍｍ以下であればよい。
【００４６】
図４Ｂに示すステップ２では、内側ガス流路１０７となる多孔質体４０１の周囲に、アノード電極層４０２を設ける。アノード電極層４０２は、Ｎｉとセラミック材料とのコンポジット材料（Ｎｉ−ＳｃＳＺサーメット）からなる複合電極層である。スラリー状に加工した電極材料を、厚さが５０μｍになるようにスクリーン印刷法で多孔質体４０１の周囲に塗布することで、アノード電極層４０２を多孔質体４０１の周囲に設ける。
【００４７】
図４Ｃに示すステップ３では、アノード電極層４０２の周囲に固体電解質層を設け、多孔質体４０１を支持体とするアノード電極層４０２と固体電解質層との積層焼結体４０３を得る。固体電解質層は、厚さが１０μｍであり、イットリア（Ｙ２Ｏ３）や酸化ネオジウム（Ｎｄ２Ｏ３）のような酸化物イオン導電性を備えた固体酸化物材料からなる。この固体酸化物材料からなるスラリー状の固体電解質を、アノード電極層４０２に、インターコネクタ１１０を設置するための開口部をマスクで覆って、スクリーン印刷法又はディップ法により塗布することで、固体電解質層が形成される。固体電解質層が形成されたアノード電極層４０２を、温度１４００［℃］の高温状態に保持し、所定時間（例えば、１時間）焼結することにより、積層焼結体４０３を得る。
【００４８】
図４Ｄに示すステップ４では、積層焼結体４０３の周囲に、カソード電極層４０４を形成する。カソード電極層４０４は、厚さが１ｍｍであり、Ｌａ（Ｓｒ）ＭｎＯやＬａ（Ｓｒ）ＣｏＯなどのペロブスカイト構造の酸化物材料からなる。この酸化物材料からなるスラリー状の電極材料を、積層焼結体４０３の周囲に、インターコネクタ１１０を設置するための開口部をマスクで覆って、スクリーン印刷法又はディップ法により塗布する。この後、温度１２００［℃］の高温状態に保持し、所定時間（例えば、１時間）焼結することにより、カソード電極層４０４を得る。ただし、スラリー状の電極材料は、積層焼結体４０３の長さ方向の両端からの距離が２５ｍｍ以内の領域には塗布しない。すなわち、積層焼結体４０３の両端からの距離が２５ｍｍ以内の領域には、カソード電極層４０４を形成しない。
【００４９】
図４Ｅに示すステップ５では、インターコネクタ１１０を設置するための開口部の中央に、インターコネクタ１１０を設置する。インターコネクタ１１０は、Ｆｅ−２２Ｃｒを主成分としたフェライト系合金、ＳｒＴｉＯ３系ペロブスカイト材、又はランタンクロマイド材からなる。
【００５０】
図４Ｆに示すステップ６では、インターコネクタ１１０を設置した開口部の隙間を、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、シリカ（ＳｉＯ２）、又はカルシア（ＣａＯ）を主成分とする結晶化ガラス材からなる絶縁材で埋めた後、所定時間（例えば、１時間）温度９５０［℃］の高温状態に保持し、絶縁材を結晶化させて開口部の隙間に密着させる。
【００５１】
以上の６つのステップにより、固体酸化物形燃料電池セル１００を作製することができる。なお、ステップ６の後、カソード電極層４０４の表面に、上述したガスシール材１０９（図１Ｂを参照）を設けてもよい。ただし、上述したように、インターコネクタ１１０が存在する領域と、複数の燃料電池セル１００を電気的に接続して燃料電池モジュールを形成したときに隣接する燃料電池セルのインターコネクタ１１０が接続する領域とには、ガスシール材１０９を設けない。
【００５２】
図５Ａと図５Ｂは、固体酸化物形燃料電池セル１００を複数積み重ねて構成する固体酸化物形燃料電池スタックを示す図である。図５Ａは、固体酸化物形燃料電池スタック５０１の分解図であり、図５Ｂは、固体酸化物形燃料電池スタック５０１の概略図である。図５Ｂの上図は、固体酸化物形燃料電池スタック５０１の上面図、下図は固体酸化物形燃料電池スタック５０１の側面図である。
【００５３】
固体酸化物形燃料電池セル１００は、起電力が１Ｖ程度と小さく、産業用には、複数の燃料電池セル１００を直列に積層して高い電圧で用いる場合が多い。図５Ａと図５Ｂでは、図１Ａに示した燃料電池セル１００を２０個直列接続したものを２つ用意し、これらを並列に並べて作製した固体酸化物形燃料電池スタック５０１（以下、「燃料電池スタック５０１」とも称する）を示す。
【００５４】
固体酸化物形燃料電池セル１００の上部と下部を、窒化ケイ素セラミックス材で作製した敷居板５０２、５０３でそれぞれ束ね、固体酸化物形燃料電池セル１００の前後を、Ｆｅ−２２Ｃｒが主成分のフェライト系合金製集電板５０４、５０５でそれぞれ挟んで、燃料電池スタック５０１を作製する。敷居板５０２、５０３は、スリット状の開口部を有し、この開口部で固体酸化物形燃料電池セル１００の支持部１０２、１０３を挟み込む。集電板５０４、５０５には、電流端子５０８が付いている。
【００５５】
敷居板５０２、５０３は、固体酸化物形燃料電池セル１００に設けられたバイパス流路１２１、１２２よりも長さ方向の外側（端部側）に位置するように、設ける必要がある。すなわち、図５Ａにおいて、敷居板５０２はバイパス流路１２１よりも上部に、敷居板５０３はバイパス流路１２２よりも下部に、それぞれ設ける必要がある。また、敷居板５０２、５０３には、発電に用いる燃料ガスと空気などの酸化剤ガスが混じらないようにガスシール性が要求される。このため、固体酸化物形燃料電池セル１００の支持部１０２、１０３を挟み込む開口部の隙間を、結晶化ガラス材からなる絶縁材で埋めた後、所定時間（例えば、１時間）温度９５０［℃］の高温状態に保持し、絶縁材を結晶化させて開口部の隙間に密着させる。
【００５６】
図６は、固体酸化物形燃料電池モジュールの一部を示す概略図である。固体酸化物形燃料電池モジュール６００は、固体酸化物形燃料電池スタック５０１と、断熱材からなり燃料電池スタック５０１を格納する筺体６１０とを備える。図６では、固体酸化物形燃料電池モジュール６００の上部のみを示しているが、下部も同様に形成されている。筺体６１０の断熱材には、ＷａｃｋｅｒＣｈｅｍｉｅＧｍｂＨ社が開発したＰＯＲＥＸＴＨＥＲＭ  ＷＤＳ（登録商標）を使用する。
【００５７】
筺体６１０に格納された燃料電池スタック５０１の上部と下部には、隙間が存在する。この隙間は、ガス溜まりとして機能し、各燃料電池セル１００に均等にガスを供給するためのマニホールド６０４となる。マニホールド６０４は、燃料電池スタック５０１の敷居版５０２により上下に２つの部屋に仕切られる。上側の部屋には、燃料供給管６０２が接続され、燃料ガスが供給される。下側の部屋には、酸化剤ガス排出管６０３が接続され、酸化剤ガス（空気）が排出される。
【００５８】
図１２Ａは、固体酸化物形燃料電池スタック５０１を構成する複数の固体酸化物形燃料電池セルを示す図である。図１２Ａでは、一例として、６個の固体酸化物形燃料電池セル１２０１〜１２０６を示している。図１２Ａに示すように、６個の燃料電池セル１２０１、１２０２、１２０３、１２０４、１２０５、及び１２０６は、この順番に積層され、燃料電池スタック５０１を構成するものとする。また、燃料電池スタック５０１を筺体６１０に格納して固体酸化物形燃料電池モジュール６００を構成する場合には、固体酸化物形燃料電池モジュール６００の燃料電池セル１２０１の位置する側に、燃料供給管と酸化剤ガス供給管とを接続するものとする。したがって、燃料電池セル１２０１から燃料電池セル１２０６に向かってガス（燃料と酸化剤ガス）が流れ、燃料電池セル１２０１にはガスが供給されやすいが、燃料供給管と酸化剤ガス供給管から最も離れた位置にある燃料電池セル１２０６にはガスが届きにくいことが予想される。
【００５９】
本実施例による固体酸化物形燃料電池セル１２０１〜１２０６は、燃料電池スタック５０１内での位置に応じて、バイパス流路の条件（例えば、個数、位置、及び流路径のうち少なくとも１つ）が異なり、マニホールドにおけるガスの流れを制御し、燃料電池セル１２０１〜１２０６に均等にガスが供給されるようにしている。
【００６０】
図１２Ｂは、固体酸化物形燃料電池セル１２０１〜１２０６のバイパス流路の条件を示す図である。図１２Ｂでは、バイパス流路の条件として、バイパス流路の個数、位置、及び流路径（直径）を定めている。「位置Ａ」、「位置Ｂ」、及び「位置Ｃ」は、それぞれ、インターコネクタ１２１４、１２１５、１２１６の中心を通り、内側ガス流路１０７を流れるガスの流れ方向（燃料電池セル１２０１〜１２０６の長さ方向、すなわちインターコネクタ１２１４、１２１５、１２１６の長さ方向）に平行な線上（線１２１１、１２１２、１２１３上）の位置である。また、図１２Ｂの位置Ａ、Ｂ、及びＣの欄において、バイパス流路を配置する場合は「○」を、配置しない場合は「×」を記した。
【００６１】
図１２Ｂに示すように、燃料電池セル１２０１には、流路径が２ｍｍであるバイパス流路を１個、位置Ｂに配置する。燃料電池セル１２０２には、流路径が２ｍｍであるバイパス流路を２個、位置Ａ、Ｃに配置する。燃料電池セル１２０３、１２０４には、流路径が３ｍｍであるバイパス流路を３個、位置Ａ、Ｂ、Ｃに配置する。燃料電池セル１２０５、１２０６には、流路径が５ｍｍであるバイパス流路を３個、位置Ａ、Ｂ、Ｃに配置する。
【００６２】
図１２Ｂに示したバイパス流路の条件に従って、燃料電池スタック５０１内での燃料電池セル１２０１〜１２０６の位置に応じてバイパス流路の条件を変えると、燃料供給管と酸化剤ガス供給管に最も近い位置にある燃料電池セル１２０１にはガスの供給を制限するとともに、燃料供給管と酸化剤ガス供給管から最も離れた位置にある燃料電池セル１２０６にはガスが流れやすくすることができる。このようにして、燃料供給管と酸化剤ガス供給管に最も近い位置にある燃料電池セル１２０１にはガスの供給を減らし、燃料供給管と酸化剤ガス供給管から最も離れた位置にある燃料電池セル１２０６にはガスの供給を増やすことで、各燃料電池セル１２０１〜１２０６にガスを均一に供給することができる。
【００６３】
なお、図１２Ａ、図１２Ｂでは６個の燃料電池セル１２０１〜１２０６を備える固体酸化物形燃料電池スタック５０１を例に挙げて説明したが、燃料電池スタック５０１が備える燃料電池セルの数は、６個に限定されるものではない。
【００６４】
次に、数値シミュレーションによる解析を用いて、本発明による固体酸化物形燃料電池モジュールの効果を説明する。本発明の効果を明らかにするために、図１Ａに示したバイパス流路１２１、１２２を備える固体酸化物形燃料電池セル１００で構成した燃料電池モジュールと、バイパス流路を設けていない従来の固体酸化物形燃料電池セルで構成した燃料電池モジュールとについて数値シミュレーションによる解析を実施し、これらの燃料電池モジュールにおいて、各燃料電池セルに供給されるガスの流量のバラツキを比較した。
【００６５】
図１０Ａは、数値シミュレーション用に作成した燃料電池モジュールの流路形状モデルの概念図である。図１０Ａにおいて、流路形状モデル１００１は、燃料電池モジュールについて、燃料電池モジュール内の固体酸化物形燃料電池セルの外側ガス流路１０８と、外側ガス流路１０８に接続するマニホールドとを合わせた流れ領域をモデル化したものである。また、流路形状モデル１００１には、シミュレーションの計算時間を短縮するために、燃料電池モジュールの内部の流れ場が中央面１００７で左右対称であると仮定し、燃料電池モジュールを中央面１００７に沿って２つに切断したときの一方の形状からなる２分の１モデルを用いた。
【００６６】
流路形状モデル１００１には、バイパス流路を備える燃料電池セル１００で構成した燃料電池モジュールのモデルと、バイパス流路を設けていない従来の燃料電池セルで構成した燃料電池モジュールのモデルという、２種類のモデルを用意した。
【００６７】
図１０Ｂは、バイパス流路を備える燃料電池セル１００で構成した燃料電池モジュールの流路形状モデルにおいて、図１０Ａに示した燃料電池セルの支持部の位置の切断面１００２での断面図１００３である。図１０Ｃは、バイパス流路を備えない従来の燃料電池セルで構成した燃料電池モジュールの流路形状モデルにおいて、図１０Ａに示した燃料電池セルの支持部の位置の切断面１００２での断面図１００４である。図１０Ｂと図１０Ｃにおいて、燃料電池セルの酸化剤ガス（空気）の流路に、１から２０までの番号１００５を付けた。流路の番号１００５は、酸化剤ガス供給管と酸化剤ガス排出管を下にしたときの流路形状モデル１００１に対し、上から順に１から２０までを割り当てた。
【００６８】
図１０Ｂの断面図１００３に示すように、バイパス流路を備える燃料電池セル１００で構成した燃料電池モジュールでは、パイバス流路１００８が外側の流れ領域１００９に接続している。このため、供給された酸化剤ガス（空気）１００６が酸化剤ガス供給管に最も近い２０番の流路から酸化剤ガス供給管から最も離れた１番の流路に向かって流れる経路が、多数存在する。
【００６９】
一方、図１０Ｃの断面図１００４に示すように、バイパス流路を備えない従来の燃料電池セルで構成した燃料電池モジュールでは、供給された酸化剤ガス（空気）１００６が酸化剤ガス供給管に最も近い２０番の流路から酸化剤ガス供給管から最も離れた１番の流路に向かって流れる経路は、外側の流れ領域１００９だけであり、数が少ない。
【００７０】
図１１は、数値シミュレーションによる解析結果をまとめたグラフである。数値シミュレーションは、上述した２種類の流路形状モデル１００１を用い、市販のシミュレーションソフトであるＡＮＳＹＳ社の熱流体解析プログラムＦＬＵＥＮＴを用いて行った。流路形状モデル１００１の中央面１００７（図１０Ａを参照）を対称境界条件として設定し、運転電流密度が０．２Ａ／ｃｍ２の発電を想定し、酸素利用率が２０％のときの流量の酸化剤ガスを酸化剤ガス供給管から流し、燃料電池セルの酸化剤ガスの流路（１番〜２０番）ごとに、酸化剤ガスの流量を求めた。
【００７１】
図１１に示すグラフは、横軸に、燃料電池セルの酸化剤ガスの流路に割り当てた番号１００５（図１０Ｂ、図１０Ｃを参照）をとり、縦軸に、それぞれの流路の流量のバラツキとり、これらの値をプロットしたものである。流路の流量のバラツキは、番号１００５に対応する流路の流量と酸化剤ガスの全ての流路の平均流量との差を、この平均流量で割った値である。プロットを結んだ線１１０１は、バイパス流路を備えない従来の燃料電池セルで構成した燃料電池モジュールについて解析した結果を示し、プロットを結んだ線１１０２は、バイパス流路を備える燃料電池セル１００で構成した燃料電池モジュールについて解析した結果を示す。
【００７２】
プロットを結んだ線１１０１から、バイパス流路を備えない従来の燃料電池セルで構成した燃料電池モジュールでは、酸化剤ガス供給管に近い酸化剤ガスの流路（番号が大きい流路）ほど流量が多いことが分かる。例えば、２０番の酸化剤ガスの流路は、他の流路に比べて、著しく多くの酸化剤ガスが流れていることが分かる。
【００７３】
一方、プロットを結んだ線１１０２から、バイパス流路を備える燃料電池セル１００で構成した燃料電池モジュールでは、バイパス流路を備えない場合に比べ、酸化剤ガスの流路における流量のバラツキが減少していることが分かる。特に、２０番の酸化剤ガスの流路では、過剰に供給されている酸化剤ガスの量は、プロットを結んだ線１１０１で表したバイパス流路を備えない場合に比べ、５０％以上減少している。
【００７４】
以上に示した数値シミュレーションによる解析結果から、本実施例による燃料電池モジュールでは、内側ガス流路を貫通して外側ガス流路領域を接続するバイパス流路を燃料電池セルに設けることにより、外側ガス流路領域のガスが流れやすくなり、従来の燃料電池モジュールと比べてマニホールドでのガスの流れを改善し、各燃料電池セルへ供給するガスの量をより均一にできることが検証できた。
【００７５】
なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形例を含む。例えば、上記の実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、本発明は、必ずしも説明した全ての構成を備える態様に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００７６】
１００、１２０１〜１２０６…固体酸化物形燃料電池セル、１０１…発電部、１０２、１０３…支持部、１０４…カソード、１０５…固体電解質、１０６…アノード、１０７…内側ガス流路、１０８…外側ガス流路、１０９…ガスシール材、１１０、１２１４、１２１５、１２１６…インターコネクタ、１１１…絶縁材、１１２…外側ガス流路領域、１１３…開口部、１２１、１２２…バイパス流路、２１０…パイパス流路の側面、２３１、２３２、２３３、１２１１、１２１２、１２１３…インターコネクタを通る線、５０１…固体酸化物形燃料電池スタック、５０２、５０３…敷居板、５０４、５０５…集電板、５０８…電流端子、６００…固体酸化物形燃料電池モジュール、６０２…燃料供給管、６０３…酸化剤ガス排出管、６０４…マニホールド、６１０…筺体、７０１…流路部材。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2015076164.tif 000011
【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図４Ｆ】
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【図５Ａ】
2015076164.tif 000016
【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
2015076164.tif 000020
【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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