(57)【要約】【課題】燃料電池モジュールの小型化と信頼性の向上を図る。【解決手段】固体電解質層の両面に電極層を配置して発電セル５を構成し、当該発電セル５と内部にガス流路９、１０を有するセパレータ８を交互に複数積層して燃料電池スタック１を構成する。各セパレータ８に、各電極層に反応ガスを供給するためのガス供給管１３、１４を接続する。これらガス供給管１３、１４は、セパレータ８に対して垂直方向に配設する。本構成では、燃料電池のスタック化に際し、スタック側方部の無駄なスペースを無くすことができるため、燃料電池モジュールの小型化が図れる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質層の両面に電極層を配置して発電セルを構成し、当該発電セルと内部にガス流路を有するセパレータを交互に複数積層して燃料電池スタックを構成し、ガス供給管によりセパレータを通して各電極層に反応ガスを供給する固体酸化物形燃料電池において、
前記ガス供給管を、前記セパレータに対して垂直方向に配設したことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
前記各ガス供給管の他端を前記燃料電池スタックの上方または下方においてディストリビュータに接続したことを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記ディストリビュータの一部、または全てをポリ四フッ化エチレン材にて構成したことを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、平板積層型の固体酸化物形燃料電池に関し、特に、ディストリビュータとセパレータを接続するガス供給管の配設構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
前記固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は第三世代の発電用燃料電池として開発が進んでいる。現在、この固体酸化物形燃料電池は、円筒型、モノリス型、及び平板積層型の３種類が提案されており、何れも酸化物イオン伝導体から成る固体電解質を両側から空気極（カソード）と燃料極（アノード）で挟み込んだ積層構造を有する。この積層体から成る発電セルが、間に燃料極集電体と空気極集電体を挟みセパレータと交互に積層されて、燃料電池スタックが構成されている。
【０００３】
固体酸化物形燃料電池では、空気極側に酸素  （空気）  が、燃料極側に燃料ガス（Ｈ２  、ＣＯ、等）  が供給される。空気極と燃料極は、ガスが固体電解質との界面に到達することができるように、いずれも多孔質の層とされている。
空気極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、燃料極の方向に向かって固体電解質層内を拡散移動する。燃料極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（Ｈ２  Ｏ、ＣＯ２  等）を生じ、燃料極に電子を放出する。この電子を外部に起電力として取り出すことができる。
【０００４】
図８は固体酸化物形燃料電池のスタック構造を示している。
この燃料電池スタック１は、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層（酸化剤極層）を配した発電セル５と、発電セル外側の燃料極集電体６と空気極集電体７と、各集電体６、７の外側のセパレータ８をそれぞれ順番に積層した構造を有する。
【０００５】
前記固体電解質層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、前記燃料極層は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、前記空気極層はＬａＭｎＯ３  、ＬａＣｏＯ３  等で構成され、前記燃料極集電体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、前記空気極集電体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、前記セパレータ８はステンレス等で構成されている。
【０００６】
セパレータ８は、発電セル５間を電気接続すると共に、発電セル５に対してガスを供給する機能を有するもので、その内部に、燃料ガスをセパレータ８の外周面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央部から吐出させる燃料ガス通路と、酸化剤ガスをセパレータ８の外周面から導入してセパレータ８の空気極集電体７に対向する面から吐出させる酸化剤ガス通路を有している。
【０００７】
また  燃料電池スタック１の側方には、水平方向に複数の反応ガスの供給管（即ち、燃料ガス供給管１３および酸化剤ガス供給管１４）が接続されており、各セパレータ８の燃料ガス通路に燃料ガス供給管１３を通して燃料ガスを供給する燃料用ディストリビュータ１５と、各セパレータ８の酸化剤ガス通路に酸化剤ガス供給管１４を通して酸化剤ガス（空気）を供給する酸化剤用ディストリビュータ１６とが、発電セル５の積層方向に延在して設けられている。
【０００８】
このような、ガス供給管やディストリビュータの配設構造は特許文献１にも記載されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平６−１３０８８号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記開示技術にも記載されるような、セパレータの側部より水平方向に各々ガス供給管を延設してディストリビュータに接続するといった公知のガス供給構造は、スタック化の際、その側方部に各々ガス供給管を延設するための無駄なスペースを必要とし、これがモジュール小型化の障害となっていた。
【００１１】
本発明は、上記問題点に鑑みて、セパレータに対して垂直方向にガス供給管を配設することにより横方向のスペースを削減してモジュールの小型化を可能にすると共に、流路接続機構を改善して熱サイクルに対するモジュールの信頼性を向上し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。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項１に記載の発明は、固体電解質層の両面に電極層を配置して発電セルを構成し、当該発電セルと内部にガス流路を有するセパレータを交互に複数積層して燃料電池スタックを構成し、ガス供給管によりセパレータを通して各電極層に反応ガスを供給する平板積層型の固体酸化物形燃料電池において、前記ガス供給管を、前記セパレータに対して垂直方向に配設して構成した。
【００１３】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池において、前記各ガス供給管の他端を前記燃料電池スタックの上方または下方においてディストリビュータと接続した。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池において、前記ディストリビュータの一部、または全てをポリ四フッ化エチレン材で構成した。
【００１５】
前記請求項１、請求項２に記載の構成では、スタック化に際し、燃料電池スタックにおける横方向（側方部）の無駄なスペースを無くすことができるため、モジュールの小型化が図れる。
また、請求項３に記載の構成では、絶縁のための複雑な流路接続機構（例えば、図８に示すセラミックス継ぎ手１７）を設けずにセパレータ間の電気的絶縁が得られると共に、セラミックス材で問題となった熱サイクルによる破損を回避でき、モジュールの信頼性を向上できる。特に、ディストリビュータ部分を常温、もしくは１００〜２００℃の低温環境下に配設する場合は、ポリ四フッ化エチレン材は安価であるから好都合である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図７に基づいて本発明の実施形態を説明する。
【００１７】
図１は本発明に係る平板積層型燃料電池スタックの縦断面図、図２はその平面図、図３は図１の燃料電池スタックに用いる各セパレータの平面図、図４は図１とは別の燃料電池スタックの縦断面図、図５はその平面図、図６は図４の燃料電池スタックに用いる各セパレータの平面図、図７は燃料電池モジュールの縦断面図である。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態の燃料電池スタック１は、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配して構成した発電セル５と、燃料極層の外側に配した燃料極集電体６と、空気極層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とで単セルを構成し、これを多数積層してスタック化した筒状体である。
単セルの構成は、図８と同様であるが、本実施形態は、各セパレータ８に接続される燃料ガス供給管１３と酸化剤ガス供給管１４がセパレータ８とほぼ垂直方向、即ち、縦方向に配設される構造が図８と相違している。
【００１９】
ここで、前記セパレータ８は、３．５ｍｍ程の厚さを有する四角形状のステンレス製板材で構成されており、図１に示すように、内部に燃料ガス供給管１３から供給される燃料ガスをセパレータ外周面から導入して中央のガス吐出孔１１から吐出させる燃料ガス通路９と、酸化剤ガス供給管１４から供給される酸化剤ガスをセパレータの対向外周面から導入して中央のガス吐出孔１２から吐出させる酸化剤ガス通路１０とが形成されている。
【００２０】
図２に示すように、各セパレータ８の外周部に、先端部に前記燃料ガス通路９と連通する通孔１９ａを備えた矩形状の燃料ガス用連結部１９と、前記酸化剤ガス通路１０と連通する通孔２０ａを備えた矩形状の酸化剤ガス用連結部２０を各々対向配置して水平方向に延設すると共に、これら連結部の通孔１９ａ、２０ａに連通するように、各連結部１９、１０に対応してステンレス製の燃料ガス供給管１３と酸化剤ガス供給管１４が、例えば、溶接により略垂直状態に固着・接続され、筒状体の側部近傍を上方に向けて延設されている。
【００２１】
図３は各セパレータ８の構造を示している。図３（ａ）はスタックの最下部に位置するセパレータで、図中、四角状セパレータ８の右辺奥側に燃料ガス用連結部１９のみが形成されており、その通孔１９ａと連通する燃料ガス通路９がセパレータ８の中央部に延び、その末端部に上向きに開口した吐出孔１１が形成されている。
また、その上部に位置する図３（ｂ）のセパレータ８には、前記最下部のセパレータ８の燃料ガス用連結部１９と縦に重ならないよう、幾分手前側に位置した形で燃料ガス用連結部１９が形成されていると共に、左辺側には、その対向位置に酸化剤ガス用連結部２０が形成されている。この酸化剤ガス用連結部２０の通孔２０ａと連通する酸化剤ガス通路１０がセパレータ８の中央部に延び、その端部に下向きに開口した吐出孔１２が形成されている。
同様に、図３（ｃ）、（ｄ）においても、隣接セパレータ８の連結部同士が縦方向に重ならないよう各々形成位置をずらした形で燃料ガス用連結部１９と酸化剤ガス用連結部２０が形成され、最上部に位置するものは、図３（ｅ）のように酸化剤ガス用連結部２０のみが形成されたセパレータ８となる。
【００２２】
このように、本実施形態では、積層方向に隣接する各連結部１９、２０の位置がセパレータ８の周方向に連続的にずれるように個々のセパレータ８を配置して筒状にスタック化されている。そして、積層された各セパレータ８の連結部１９、２０に接続される複数の燃料ガス供給管１３と酸化剤ガス供給管１４はそれぞれ互いに接触することなく所定の間隔を持って縦方向に延長され、そして各々ガス供給管１３、１４の端部が燃料電池スタック１の上方に配設された燃料用ディストリビュータ１５と酸化剤用ディストリビュータ１６の側壁に一列状態に固着・接続されている。
【００２３】
また、例えば、セパレータ８の積層数が多くて、セパレータ８の４辺に全ての連結部が重ならないように配設できなくなった場合には、図４、図５に示すように、燃料ガス供給管１３と酸化剤ガス供給管１４をそれぞれ横方向に２列配置とすることができる。
この場合、内側の管配列を構成する図２のセパレータ８に加え、その外側にガス供給管１３、１４を配設できるようにしたセパレータとして、図６（ａ）〜（ｅ）に示す構造の各セパレータ８が追加されることになる。図示のように、本実施形態では、各セパレータ８における燃料ガス用連結部１９と酸化剤ガス用連結部２０の位置関係は図２と同様とし、その長さが幾分長めに設定されている。
【００２４】
本構成のセパレータ８を用いれば、各ガス供給管１３、１４はそれぞれ燃料電池スタック１の周方向と横方向に一定の間隔を持ってセパレータ８の各連結部１９、２０の先端部に連結され、そこから縦方向に延長されて他端部が燃料電池スタック上方の各ディストリビュータ１９、２０の側壁に２列状態で接続されることになる。
【００２５】
このように、各ガス供給管１３、１４の配置を縦構造とすることにより、スタック化に際し、従来、スタック側方部に延設されるガス供給管によって生じた横方向の無駄な配管スペースを無くすことができるため、燃料電池モジュールの小型化が図れる。
【００２６】
尚、この実施形態では、各連結部１９、２０の形成部位として四角状セパレータ８の左辺、右辺のみを使用したが、後辺、前辺を使用することも勿論可能である。例えば、燃料ガス用連結部１９の形成部位は左辺と後辺を使用し、酸化剤ガス用連結部２０は右辺と前辺を使用するといった具合である。また、セパレータ８の積層数に応じて各ガス供給管１３、１４を３列以上の配置とすることも勿論可能であり、セパレータ８の形状も四角状でなく丸形状としても良い。
また、本実施形態では、各ディストリビュータ１５、１６を燃料電池スタック１の上方に配設した例を説明したが、これとは逆に、各セパレータ８の連結部１９、２０よりガス供給管１３、１４を立ち下げる形にして燃料電池スタック１の下方にディストリビュータ１５、１６を配設することもできる。
【００２７】
以上のようなスタック構造において、外部から供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給管１４から酸化剤ガス用連結部２０の通孔２０ａを介して酸化剤ガス通路１０に導入され、通路末端部の酸化剤ガスの吐出孔１２より吐出して対面する空気極集電体７に供給される。一方、外部からの燃料ガスは、燃料ガス供給管１３から燃料ガス用連結部１９の通孔１９ａを介して燃料ガス通路９に導入され、通路末端の燃料ガスの吐出孔１１より吐出して対面する燃料極集電体６に供給される。
【００２８】
また、本実施形態では、前記各々ディストリビュータ１５、１６がポリ四フッ化エチレン材等の電気絶縁部材で構成されているため、従来のセラミックス継手のような絶縁のための複雑な流路接続機構を用いずにセパレータ間の電気的絶縁を得ることができる。これにより、セラミックス材で問題となった熱サイクルにる破損を回避でき、燃料電池モジュールの信頼性が向上する。
【００２９】
特に、ディストリビュータ部分を常温もしくは低温環境下に配設する場合は、ポリ四フッ化エチレン材は安価であるから好都合である。
図７は、その一例を示しており、断熱材、耐熱金属、セラミックス等で構成される函体２１に燃料電池スタック１を収納して燃料電池をモジュール化すると共に、この函体外部に熱的に隔離した室２２を別個に設け、室内に燃料用ディストリビュータ１５と酸化剤用ディストリビュータ１６をそれぞれ設置した構成である。
このように、ディストリビュータ１５、１６を発電炉外に設置したモジュール構造の場合は、室２２を常温もしくは１００〜２００℃といった低い温度に維持することにより、セラミックス材に比べて耐熱性の劣るポリ四フッ化エチレン製のディストリビュータ１５、１６の使用が可能になる。これにより、絶縁のシール部分（各ガス供給管１３、１４と各ディストリビュータ１５、１６の接続部のガスシール、例えば、ガラスシール）の信頼性が飛躍的に向上し、燃料電池ジュールの耐熱サイクル性の向上に繋がる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１、請求項２に記載の発明によれば、ガス供給管をセパレータに対して垂直方向に配設し、各ガス供給管の他端を前記燃料電池スタックの上方または下方においてディストリビュータと接続する構成としたので、燃料電池のスタック化に際してスタック横方向の無駄なスペースを無くすことができ、よって、燃料電池モジュールの小型化が図れる。
【００３１】
また、請求項３に記載の本発明によれば、ディストリビュータの一部、または全てをポリ四フッ化エチレン材にて構成したので、従来のセラミックス継手のような絶縁のための複雑な流路接続機構を用いずセパレータ間の電気的絶縁を得ることができると共に、従来セラミックス材で問題となった熱サイクルにる破損を回避でき、モジュールの信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池スタックの縦断面図。
【図２】図１の燃料電池スタックの平面図。
【図３】図１の燃料電池スタックに用いる各セパレータの平面図。
【図４】図１とは別の燃料電池スタックの縦断面図。
【図５】図４の燃料電池スタックの平面図。
【図６】図４の燃料電池スタックに用いる各セパレータの平面図。
【図７】本発明に係る燃料電池モジュールの構造を示す縦断面図。
【図８】従来の燃料電池スタックの構造を示す図。
【符号の説明】
１  燃料電池スタック
５  発電セル
８  セパレータ
９  ガス流路（燃料ガス通路）
１０  ガス流路（酸化剤ガス通路）
１３  ガス供給管（燃料ガス供給管）
１４  ガス供給管（酸化剤ガス供給管）
１５  ディストリビュータ（燃料用ディストリビュータ）
１６  ディストリビュータ（酸化剤用ディストリビュータ）
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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