(57)【要約】 【課題】放出ガスの逆拡散現象を防止し、耐久性、発電効率の向上を図る。【解決手段】反応用ガスを発電セル５に供給して発電反応を生じさせると共に、未反応ガスを発電セル５の外周部より放出して燃焼させるシールレス構造の平板積層型燃料電池に使用され、前記発電セル５と交互に積層されて、その積層面に前記反応用ガスを供給するセパレータ８であって、周辺部に前記反応用ガスの一部、または窒素、または水蒸気を吐出する副吐出口２４を設け、当該副吐出口からの吐出ガスにより、発電セル内へ逆拡散するガスを燃焼、或いは希釈する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応用ガスを発電セルに供給して発電反応を生じさせると共に、未反応ガスを発電セルの外周部より放出して燃焼させるシールレス構造の平板積層型燃料電池に使用され、前記発電セルと交互に積層されて、その積層面に前記反応用ガスを供給するセパレータであって、
周辺部に前記反応用ガスの一部、または窒素、または水蒸気を吐出する副吐出口を設け、前記副吐出口から前記反応用ガスを吐出して発電セル内へ逆拡散するガスを燃焼すること、または、前記副吐出口から前記窒素、または前記水蒸気を吐出して前記逆拡散ガスを希釈することを特徴とする燃料電池用のセパレータ。
【請求項２】
前記副吐出口は、前記発電セルの周縁に沿って環状に配設されている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】
前記副吐出口より、逆拡散ガスの燃焼、または希釈により逆拡散ガス中の酸素分圧が１５ｖｏｌ％以下となるガス吐出量が得られることを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池用のセパレータ。
【請求項４】
中央部分に反応用ガスを前記発電セルに供給するための主吐出口を備えることを特徴とする請求項１から請求項３までの何れかに記載の燃料電池用のセパレータ。
【請求項５】
請求項１から請求項４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、発電セル周辺のガスが発電セル内へ逆拡散するのを防止した燃料電池用のセパレータ、およびこれを用いて構成した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おり、特に、固体酸化物形燃料電池は、第３世代の発電用燃料電池として研究開発が進められている。
【０００３】
平板積層型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、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して燃料極層との界面近傍に到達し、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】
ところで、この種の固体酸化物形燃料電池として、発電セルの外周部にガスシール機構を備えていないシールレス構造が知られている。このシールレス構造の固体酸化物形燃料電池は、発電セルの外周部においてガスのシール機構を無くすことにより構造が単純化され、生産性の向上が図れると共に、構成部材間の熱膨張差に基づくトラブルを無くすことができるというメリットがある。
【０００６】
しかしながら、シールレス構造の固体酸化物形燃料電池は、上述のメリットと共に以下に示すような問題点も残されていた。
【０００７】
すなわち、シールレス構造の場合は、運転時に反応用ガスとして発電セル内に燃料ガスと酸化剤ガス（空気）を供給して発電反応を生じさせると共に、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セル外に自由に放出できるようになっている。
このため、発電セル外に放出される未反応ガスとその周部を流通する空気の線速度に相違が生じていると、発電セル外の空気が逆に燃料極側に巻き込まれる、所謂、逆拡散現象が生じ易く、このことにより、運転時に、この逆拡散ガスと燃料ガスが発電セル内において燃焼反応を起こすと、その分、発電反応に使用するための燃料ガスが無駄に消費され、発電性能が低下するといった問題や、この燃焼反応による局部的な温度上昇で発電セル内の熱応力分布が不均一となり、燃料電池の寿命を著しく短縮させるという問題が発生する。
係る問題に鑑み、出願人らは先に特許文献１を提案している。特許文献１には、シールレス構造の固体酸化物形燃料電池において、燃料極集電体の外周部にガス排出孔を有するカバーを配設して、外周部から排出される余剰ガスの排出箇所を制限する技術が開示されている。当開示技術により、上述のガスの逆拡散現象は防止されるが、一方では、カバーを設けることにより集電体の構造が複雑化するという、生産性に係わる問題を有していた。
【特許文献１】特開２００５−０８５５２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記問題に鑑み成されたもので、ガスの逆拡散現象を防止できるセパレータ、および、これを用いた耐久性や発電効率の向上を図った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、反応用ガスを発電セルに供給して発電反応を生じさせると共に、未反応ガスを発電セルの外周部より放出して燃焼させるシールレス構造の平板積層型燃料電池に使用され、前記発電セルと交互に積層されて、その積層面に前記反応用ガスを供給するセパレータであって、
周辺部に前記反応用ガスの一部、または窒素、または水蒸気を吐出する副吐出口を設け、前記副吐出口から前記反応用ガスを吐出して発電セル内へ逆拡散するガスを燃焼すること、または、前記副吐出口から前記窒素、または前記水蒸気を吐出して前記逆拡散ガスを希釈す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、前記副吐出口は、前記発電セルの周縁に沿って環状に配設されている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１または請求項２の何れかに記載の燃料電池用のセパレータにおいて、前記副吐出口より、逆拡散ガスの燃焼、または希釈により逆拡散ガス中の酸素分圧が１５ｖｏｌ％以下となるガス吐出量が得られ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１から請求項３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、中央部分に反応用ガスを前記発電セルに供給するための主吐出口を備えることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項５に記載の固体酸化物形燃料電池は、請求項１から請求項４までの何れか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】
【００１４】
本発明によれば、セパレータの周縁部に反応用ガス、または窒素、または水蒸気を吐出する副吐出口を設け、この副吐出口からの吐出ガスにより、発電セル内への逆拡散ガスを燃焼、または希釈するようにしたので、逆拡散ガスの酸素分圧を低減し、発電セル周部でのガス逆拡散現象を防止することができる。
また、この副吐出口は発電セルの周縁に沿って環状に形成されているので、発電セルの全周縁部においてガス逆拡散現象は確実に防止できる。
この場合、副吐出口からは、逆拡散ガス中の酸素分圧を１５ｖｏｌ％以下に減少できるガス吐出量が得られることが望ましい。
【００１５】
また、上記セパレータを使用して燃料電池を構成することにより、逆拡散ガスによる発電セル内部での反応用ガス（燃料ガス）の燃焼が防止でき、これにより、発電効率が向上し、高出力化が図れると共に、燃料電池の高寿命化が図れるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。
図１は本発明に係る平板積層型の固体酸化物形燃料電池（燃料電池スタックという）の要部構成を示し、図２は燃料極側のセパレータ構造を示し、図３は燃料電池スタックの要部断面を示し、図４は燃料電池スタックの要部構成とガスの流れを示している。
【００１７】
図１、図４において、符号１は燃料電池スタックを示す。この燃料電池スタック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の外側の燃料極集電体６と、空気極層４の外側の空気極集電体７と、各集電体６、７の外側のセパレータ８をそれぞれ縦方向に多数積層した構造を有する。
【００１８】
固定電解質層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等の金属あるいはＮｉ−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】
セパレータ８は、発電セル５間を電気的に接続すると共に、発電セル５に反応用ガスを供給する機能を有し、図４に示すように、燃料ガスマニホールド１３より供給される燃料ガスをセパレータ８の外周面９から導入してセパレータ８の燃料極集電体６に対向するほぼ中央部より吐出する燃料ガス通路１１と、酸化剤ガスマニホールド１４より供給される酸化剤ガス（空気）をセパレータ８の外周面１０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央部から吐出する酸化剤ガス通路１２とを備えている。
【００２０】
また、この燃料電池スタック１は、発電セル５の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造とされており、運転時には、図４に示すように、燃料ガス通路１１および酸化剤ガス通路１２を通してセパレータ８の略中心部から発電セル５に向けて吐出される燃料ガスおよび酸化剤ガス（空気）を、発電セル５の外周方向に拡散させながら燃料極層３および空気極層４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、この発電反応で消費されなかった未燃ガスを発電セル５の外周部から外部に自由に放出できるようになっている。
尚、各集電体６、７の外周部も外部に開放されていることから、各集電体を６、７内を拡散移動する反応用ガスの一部は集電体６、７の空孔を通して外周部の全面より放出されており、これらの放出未燃ガスは発電セル５の周辺部で燃焼させられる。
【００２１】
ところで、本実施形態のセパレータ８は、図２、図３（ａ）に示すように、燃料極集電体６と接する側の面において、中央部の燃料ガス吐出口２５（主吐出口２５）の他に、周辺部、すなわち、対向する発電セル５の周縁に沿って燃料ガス通路１１に連通する複数の燃料ガス吐出口２４（副吐出口２４）が環状に、且つ、等間隔に配設されており、セパレータ８の外周面９より燃料ガス通路１１を介して導入された燃料ガスをガス吐出口２５より吐出すると共に、導入ガスの一部が環状の連絡通路１５を通して複数の副吐出口２４からも吐出し、これと対面する燃料極集電体６に所定量供給されるようになっている。
【００２２】
また、この場合、図３（ｂ）に示すように、セパレータ８の周辺部に環状の凹溝１６を設けて、この凹溝１６内に上述した複数の副吐出口２４を環状に配設するようにしても良い。こうすることにより、副吐出口２４から吐出したガスが凹溝１６内を整然と流れるようになり、よって、吐出ガスを対面する燃料極集電体６の全周に亘って満遍なく、且つ、均一に供給することができる。
尚、図１に示す燃料スタック１の両端のセパレータ８（８Ａ、８Ｂ）には上記した副吐出口２４は設けていない。
【００２３】
上記構成の燃料電池スタック１では、運転時にセパレータ８の中央部（主吐出口２５）より燃料ガスを燃料極集電体６に吐出・供給すると同時に、その周辺部（副吐出口２４）において燃料ガスの一部を燃料極集電体６の全周部に吐出することにより、放出未燃ガスと発電セル５の外周部を流通するガス（空気）の線速度の相違により燃料極集電体６の周部においてガス逆拡散現象が生じて燃料極側への空気（すなわち、酸素）の巻き込みが生じたとしても、セパレータ８周部の副吐出口２４より吐出された燃料ガス（水素）の一部と逆拡散した空気（酸素）を燃料極集電体６の全外周部Ａ（図３参照）において燃焼させることにより、燃料極側へのガス（酸素）の逆拡散を防止することが可能となる。
【００２４】
本実施形態では、この副吐出口２４については、吐出ガスと酸素の燃焼反応で逆拡散ガス中の酸素分圧を１５ｖｏｌ％以下に減少し得るガス吐出量が得られるよう、副吐出口２４の孔径や孔数、孔位置（発電セル５の周縁より５ｍｍ程度内側の部位に対向するように配設することが望ましい）が設定されている。或いは、燃料ガス通路１１と連絡通路１５の連結部１５ａにオリフィス機構を設けて燃料ガス通路１１より連絡通路１５へ流配されるガス流量を調整するように構成しても良い。
【００２５】
係る構造のセパレータ８を用いた燃料電池スタック１においては、従来のように、ガス逆拡散現象で発電セル内部で生じた燃焼によって発電反応に使用する燃料ガスが無駄に消費されて発電性能が低下するという問題や、燃焼による局部的な温度上昇で発電セル内の熱応力分布が不均一となり、燃料電池の寿命を著しく短縮させるというシールレス構造に起因する問題を解消することができ、これにより、発電効率を向上し、高出力化が図れると共に、燃料電池スタック１の高寿命化が図れる。
【００２６】
以上、本実施形態では、燃料ガスの一部を連絡通路１５に導入して副吐出口２４より吐出させるように構成したが、この吐出ガスとしては、燃料ガスの他、窒素または水蒸気等を用いることも勿論可能である。但し、この場合は、この連絡通路１５を燃料ガス通路１１に代えて窒素または水蒸気を供給する別のライン（図示せず）に接続する必要がある。
このように、窒素または水蒸気等を吐出させることにより、逆拡散ガスを希釈して逆拡散ガス中の酸素分圧を低減できると共に、曳いては、この吐出ガスの流速により、発電セル内へのガスの逆拡散現象を防止することも可能である。
【００２７】
また、本実施形態のセパレータ８は、図３にように、肉厚の金属単板で構成することも勿論可能であるが、例えば、図示しないが、各々ガス通路１１、１５と吐出口２４、２５がそれぞれ別々に形成された複数の金属板を用いた多層構造とすることによりセパレータ８の構造を簡略化することができ、生産性を向上することができる。また、係る多層構造のセパレータ８であれば、ガス通路を渦巻状としてその最外周通路に図２のように複数の副吐出口２４を設けることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係る固体酸化物形燃料電池の要部構成を示す分解斜視図。
【図２】本発明に係る燃料極側のセパレータ構造を示す平面図。
【図３】本発明に係る燃料電池スタックの要部断面図。
【図４】燃料電池スタックの要部構成と運転時のガスの流れを示す説明図。
【符号の説明】
【００２９】
１  固体酸化物形燃料電池（燃料電池スタック）
５  発電セル
８  セパレータ
２４、２５  ガス吐出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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