(57)【要約】【課題】電極付き固体電解質及びインターコネクタの中心部にガス流通孔を設けた構造であるにもかかわらず、そのガス流通孔の周縁を起点とする熱応力割れを効果的に防止できる燃料電池を提供する。【解決手段】電極付き固体電解質及びインターコネクタの円板中心部に燃料ガス流通孔及び酸化ガス流通孔の一方を設けると共に、該一方を取り囲むように他方を設ける。他方の各ガス流通孔を、円板径方向寸法より円板周方向寸法が大きくなるように円板周方向に長く延び、延長方向両端部が少なくとも１の円弧を含む滑らかな端縁形状に形成された長孔とする。長孔の円板周方向の寸法Ａを円板径方向の寸法Ｂの１．５〜３倍とし、両端縁を形成する円弧の最小径Ｒを円板径方向の寸法Ｂの１／４〜３／４倍とする。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
円板状の電極付き固体電解質を挟み、その両面側に電池反応空間が形成されるように、円板状のインターコネクタを板厚方向に積層し、電極付き固体電解質を挟む一方の電池反応空間に燃料ガスを中心部から周辺部へかけて流通させ、他方の電池反応空間に酸化ガスを中心部から周辺部へかけて流通させる平板タイプの固体電解質型燃料電池において、
前記電極付き固体電解質及び前記インターコネクタの円板中心部に燃料ガス流通孔及び酸化ガス流通孔の一方を設けると共に、該一方を取り囲むように他方を設け、他方の各ガス流通孔を、円板径方向寸法より円板周方向寸法が大きくなるように円板周方向に長く延び、延長方向両端部が少なくとも１の円弧を含む滑らかな端縁形状に形成された長孔としたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記長孔の円板周方向の寸法Ａが円板径方向の寸法Ｂの１．５〜３倍であり、両端縁を形成する円弧の最小径Ｒが円板径方向の寸法Ｂの１／４〜３／４倍である請求項１に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池、特に、ＳＯＦＣ（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌｓ）などと呼ばれる固体電解質型の燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体電解質型の燃料電池の典型的なセル形式として、円板状の電極付き固体電解質を挟み、その両面側に電池反応空間が形成されるように、円板状のインターコネクタを板厚方向に積層スタック配置する平板タイプが知られている。
【０００３】
円板状の電極付き固体電解質は、イットリア安定化ジルコニアなどからなる薄く脆い固体電解質板の一方の表面にアノード電極層を形成し、他方の表面にカソード電極層を形成した円形薄体である。アノード電極層とこれに対向するインターコネクタとの間は燃料ガス側の電池反応空間であり、外周側に開放している。ここには、燃料ガスとしての水素ガスがセル中心部からセル外周部へ向けて流通される。カソード電極層とこれに対向するインターコネクタとの間は酸化ガス側の電池反応空間であり、やはり外周側に開放している。ここには空気等の酸化ガスがセル中心部からセル外周部へ向けて流通される。
【０００４】
燃料ガス及び酸化ガスの流通のために、通常は電極付き固体電解質及びインターコネクタの円板中心部にガス流通孔が設けられる。具体的には、各円板の中心に酸化ガス流通孔を設け、これを取り囲むように複数の原料ガス流通孔を設けるのが一般的である。そして、それぞれの対応する流通孔は、セル積層方向に連通して積層方向のマニホールドを形成する。円板中心部にガス流通孔を設けた中心孔形式の平板型燃料電池は、例えば特許文献１に記載されている。
【０００５】
【特許文献１】
国際公開第０３／０１２９０３号パンフレット
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
平板タイプの固体電解質型燃料電池では、円板状の電極付き固体電解質の両面側に形成された２つの電池反応空間を、燃料ガス及び酸化ガスがセル中心部からセル外周部へ並行流的に流れることにより、発電が行われる。両側の電池反応空間には、通気構造の導電体が集電体及びセパレータを兼ねて配置される。インターコネクタはステンレス鋼などからなる集電体であり、ガス分離板を兼ねることからセパレータとも呼ばれる。
【０００７】
このような平板タイプの固体電解質型燃料電池で問題となる現象の一つは、電極付き固体電解質に生じる熱応力である。即ち、電極付き固体電解質の両面側に形成された２つの電池反応空間をセル中心部からセル外周部へ並行流的に流れる燃料ガス及び酸化ガスは、反応の進行につれて温度が上昇し、電池反応空間から排出された時点で両ガスが合流して燃焼反応を起こす。その結果、電極付き固体電解質の中心部から外周部にかけて温度が上昇し、中心部近傍に特に大きな熱応力が生じる。そして、電極付き固体電解質の中心部にガス流通孔が形成されている場合には、そのガス流通孔の周囲、特に中心回りに設けられた複数のガス流通孔の各周囲に局部的に大きな熱応力が発生し、ここを起点とする割れが発生しやすい。
【０００８】
本発明の目的は、電極付き固体電解質及びインターコネクタの中心部にガス流通孔を設けた構造であるにもかかわらず、そのガス流通孔の周縁を起点とする熱応力割れを効果的に防止できる燃料電池を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、円板状の電極付き固体電解質を挟み、その両面側に電池反応空間が形成されるように、円板状のインターコネクタを板厚方向に積層し、電極付き固体電解質を挟む一方の電池反応空間に燃料ガスを中心部から周辺部へかけて流通させ、他方の電池反応空間に酸化ガスを中心部から周辺部へかけて流通させる平板タイプの固体電解質型燃料電池において、前記電極付き固体電解質及び前記インターコネクタの円板中心部に燃料ガス流通孔及び酸化ガス流通孔の一方を設けると共に、該一方を取り囲むように他方を設け、他方の各ガス流通孔を、円板径方向寸法より円板周方向寸法が大きくなるように円板周方向に長く延び、延長方向両端部が少なくとも１の円弧を含む滑らかな端縁形状に形成された長孔としたものである。
【００１０】
長孔形状のガス流通孔の具体的形状については、円板周方向の寸法Ａが円板径方向の寸法Ｂの１．５〜３倍、両端縁を形成する円弧の最小径Ｒが円板径方向の寸法Ｂの１／４〜３／４倍が好ましい。
【００１１】
なお、燃料ガス流通孔及び酸化ガス流通孔を円板中心部に設けることの利点は以下のとおりである。燃料ガスと酸化ガスとが混合しないようにガスシールが必要であるが、中央部では起動停止時の温度変化に対する熱膨脹による変位が少なくシールが容易である。また熱膨脹による変位が大きい外周部では電池反応がほぼ終了しているため、シール性能は中心部ほど必要とされない。このため燃料電池を簡単かつコンパクトな構造とすることかできる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態を示す燃料電池セルの縦断面図、図２は同燃料電池セルに使用された電極付き固体電解質の平面図、図３は同燃料電池に使用されたインターコネクタの平面図及び底面図である。
【００１３】
本実施形態の燃料電池は、図１に示すように、円板状の電極付き固体電解質１０を間に挟み、その両面側に電池反応空間２０Ａ，２０Ｂを形成するように、所定枚数のインターコネクタ３０が板厚方向に所定間隔で積層されたセル構造を有している。
【００１４】
電極付き固体電解質１０は、図２に示すように、イットリア安定化ジルコニアなどからなる薄い固体電解質板の一方の表面にアノード電極層を形成し、他方の表面にカソード電極層を形成した円形薄板である。電極付き固体電解質１０の厚みは通常０．０５〜０．５ｍｍである。
【００１５】
電極付き固体電解質１０の中心部には、大径の酸化ガス流通孔１１が中心に位置して設けられている。また、酸化ガス流通孔１１を取り囲むようにして複数の原料ガス流通孔１２，１２・・が設けられている。酸化ガス流通孔１１は円形の貫通孔である。複数の原料ガス流通孔１２，１２・・は、小径の貫通孔であり、酸化ガス流通孔１１を包囲する同心円位置に等間隔で設けられている。
【００１６】
個々の原料ガス流通孔１２は、円板周方向の寸法Ａが円板径方向の寸法Ｂより大となるように丸孔を円板周方向へ拡大した空豆形状の長孔であり、両端の半円を電極付き固体電解質１０の内円（酸化ガス流通孔１１）と同心の２本の円弧で繋いだ長孔である〔図４（ａ）参照〕。そして、長孔の円板周方向の寸法Ａは円板径方向の寸法Ｂの１．５〜３倍、両端の半円の半径Ｒは円板径方向の寸法Ｂの１／４〜３／４倍に設定されている。
【００１７】
インターコネクタ３０は、図３に示すように、耐食性、耐熱性に優れたステンレス鋼などの導電性材料からなる円形薄板である。インターコネクタ３０の中心部には、酸化ガス流通孔１１に対応する円形の酸化ガス流通孔３１が設けられている。酸化ガス流通孔３１の周囲には、複数の原料ガス流通孔１２，１２・・に対応する複数の長孔形状の原料ガス流通孔３２，３２・・が、酸化ガス流通孔３１を取り囲むように対称的に設けられている。
【００１８】
インターコネクタ３０の一方の表面には、酸化ガス流通孔３１を遮蔽する環状の第１凸部３３が酸化ガス流通孔３１を包囲するように設けられている。第１凸部３３の外周側には、複数の原料ガス流通孔３２，３２・・から流入する原料ガスを、周方向へ蛇行させながら外周側へ導くために、径方向リブと周方向リブを組み合わせた流路形成用の第２凸部３４が設けられている。
【００１９】
インターコネクタ３０の他方の表面には、複数の原料ガス流通孔３２，３２・・を各遮蔽する環状の第３凸部３５，３５・・が、原料ガス流通孔３２，３２・・を各包囲するように設けられている。複数の第３凸部３５，３５・・は、酸化ガス流通孔３１から流入する酸化ガスの流れを阻害しいように円板周方向に隙間をあけて配置されている。第３凸部３５，３５・・の外周側には、直径が小さい多数のスペーサ用の第４凸部３６，３６・・が、酸化ガス流通孔３１から流入する酸化ガスの流れを阻害しいように分散して設けられている。
【００２０】
第２凸部３４及び第４凸部３６，３６・・は、通気構造の集電体を構成している。第４凸部以外の凸部（第１凸部〜第３凸部）もスペーサを兼ねている。これらの凸部は、凸部以外の部分をエッチングなどによって減肉することにより簡単に形成することができる。
【００２１】
電極付き固体電解質１０を挟んでインターコネクタ３０を板厚方向へ積層し、シール材などで固定することにより、電極付き固体電解質１０と一方の側のインターコネクタ３０との間に電池反応空間２０Ａが形成され、電極付き固体電解質１０と他方の側のインターコネクタ３０との間には電池反応空間２０Ｂが形成されている。また、電極付き固体電解質１０の酸化ガス流通孔１１及びインターコネクタ３０の酸化ガス流通孔３１が積層方向に連通・連続することにより、電池反応空間２０Ｂに連通する１本の酸化ガス導入用マニホールド４０Ｂが積層体内の中心部に形成され、電極付き固体電解質１０の原料ガス流通孔１２，１２・・及びインターコネクタ３０の原料ガス流通孔３２，３２・・が積層方向に連通・連続することにより、電池反応空間２０Ａに連通する複数本の原料ガス導入用マニホールド４０Ａ，４０Ａ・・が、積層体内の酸化ガス導入用マニホールド４０Ｂの周囲に形成されている。
【００２２】
酸化ガス流通孔１１，３１及び原料ガス流通孔１２，３２の開口面積はガス流通量、孔数等に応じて適宜設定される。
【００２３】
次に、本実施形態の燃料電池の機能について説明する。
【００２４】
燃料ガス導入用マニホールド４０Ａに燃料ガスとしての水素ガスが導入され、酸化ガス導入用マニホールド４０Ｂに酸化ガスとしての空気が導入される。マニホールド４０Ａに導入された水素ガスは、電池反応空間２０Ａの中心部に流入し、この電池反応空間２０Ａを中心部から外周部に向けて流通する。一方、酸化ガス用マニホールド４０Ｂに導入された空気は、電池反応空間２０Ｂの中心部に流入し、この電池反応空間２０Ｂを中心部から外周部に向けて流通する。
【００２５】
これにより、電極付き固体電解質１０を挟む電池反応空間２０Ａ，２０Ｂを水素ガス及び空気が中心部から外周部へ並行流的に流通することになり、その結果、発電が行われ、これらを挟む１組のインターコネクタ３０，３０間に起電力が生じる。
【００２６】
電池反応空間２０Ａ，２０Ｂを中心部から外周部へ放射状に流通する水素ガス及び空気は、中心部から外周部へ至るにつれて温度を上げ、電池反応空間２０Ａ，２０Ｂの外側に排出された段階で燃焼反応を起こす。このような水素ガス及び空気の温度勾配が原因で電極付き固体電解質１０には径方向の温度勾配が生じ、電極付き固体電解質１０の中心回りに等角配置される燃料ガス流通孔１２，１２・・の各周縁部に大きな熱応力を生じることが割れの大きな原因になるが、本実施形態の燃料電池では、燃料ガス流通孔１２，１２・・が従来の丸孔から電極付き固体電解質１０の周方向に延びた長孔に変更されている。このため、燃料ガス流通孔１２，１２・・の各周縁部に生じる熱応力が小さくなり、割れの危険性が低下する。
【００２７】
電極付き固体電解質の中心回りに等角配置される燃料ガス流通孔が丸孔の場合と長孔の場合について熱応力分布を解析計算した結果を図５及び図６に示す。
【００２８】
図５は燃料ガス流通孔が丸孔の場合、図６は燃料ガス流通孔が長孔の場合であり、両図とも（ａ）は解析計算におるシェル要素（ＦＥＭメッシュ）、（ｂ）は温度分布、（ｃ）は応力分布（Ｍｉｓｅｓ相当応力）を示している。いずれの場合も、電極付き固体電解質の半径は６０ｍｍ、肉厚は０．１ｍｍ、中心孔（酸化ガス流通孔）の直径は２２ｍｍとし、燃料ガス流通孔は半径３０ｍｍの同心円上に４５度の等間隔で８個形成した。燃料ガス流通孔の形状は、図５では直径４ｍｍ（半径２ｍｍ）の円形である。図６では直径４ｍｍ（半径２ｍｍ）の半円を内円と同心の円弧で繋いだ空豆形状の長円であり、円板周方向の寸法Ａは８ｍｍで円板径方向の寸法Ｂ（４ｍｍ）の２倍、両端の半円の半径Ｒ（２ｍｍ）は円板径方向の寸法Ｂ（４ｍｍ）の１／２である。
【００２９】
電極付き固体電解質１０の中心回りに設けられた複数の燃料ガス流通孔１２，１２・・が丸孔の場合、その周囲に局部的に大きな熱応力が生じ、これが割れの原因になる。しかし、これを内円からの距離が等間隔になる空豆形状の長孔に変更すれば、各孔周囲の局部的に大きな熱応力が除去され、その熱応力分布が均一化される。この理由は次のように考えられる。孔の回りの熱応力は主に円周方向の応力であるため、内円からの距離が等間隔になる空豆形状の長孔とすることにより、円周方向の熱応力の応力集中が小さくでき、孔の熱有力がより均一化され、最大応力値が全体として小さくなる。
【００３０】
なお、上記実施形態では円板中心に酸化ガス流通孔を設け、その周囲に複数の原料ガス流通孔を設けたが、円板中心に原料ガス流通孔を設け、その周囲に酸化ガス流通孔を設けてもよい。円板の中心回りに設けるガス流通孔の長孔形状は、上記実施形態では両端の半円を内円と同心の円弧で繋いだ空豆形状の長円としたが、図４（ｂ）に示すように丸孔を円板の接線に平行な方向へ拡大した長孔、即ち両端の半円を平行な２本の直線で繋いだ純粋な長円（トラック形状）でもよい。また、図４（ｃ）に示すように半径が異なる複数の円弧を繋いだ楕円のような形状や、図４（ｄ）に示すように両方の端部が直線と複数の円弧で形成された長円などでもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明の燃料電池は、電極付き固体電解質及びインターコネクタの円板中心部に燃料ガス流通孔及び酸化ガス流通孔の一方を設けると共に、該一方を取り囲むように他方を設け、他方の各ガス流通孔を、円板径方向寸法より円板周方向寸法が大きくなるように円板周方向に延長され、延長方向両端部が少なくとも１の円弧を含む滑らかな端縁形状に形成された長孔とすることにより、電極付き固体電解質の中心回りに形成されたガス流通孔の周縁における熱応力分布を均一化でき、その応力分布に起因する固体電解質の割れを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料電池セルの縦断面図である。
【図２】同燃料電池セルに使用された電極付き固体電解質の平面図である。
【図３】（ａ）は同燃料電池に使用さたインターコネクタの平面図、（ｂ）は同インターコネクタの底面図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）はガス流通孔の拡大図である。
【図５】電極付き固体電解質の中心回りに設けられるガス流通孔が丸孔の場合の熱応力分布の解析計算結果を示し、（ａ）は解析計算におるシェル要素（ＦＥＭメッシュ）、（ｂ）は温度分布、（ｃ）は応力分布（Ｍｉｓｅｓ相当応力）を示す。
【図６】電極付き固体電解質の中心回りに設けられるガス流通孔が長孔の場合の熱応力分布の解析計算結果を示し、（ａ）は解析計算におるシェル要素（ＦＥＭメッシュ）、（ｂ）は温度分布、（ｃ）は応力分布（Ｍｉｓｅｓ相当応力）を示す。
【符号の説明】
１０  電極付き固体電解質
１１  酸化ガス流通孔
１２  原料ガス流通孔
２０Ａ，２０Ｂ  電池反応空間
３０  インターコネクタ
３１  酸化ガス流通孔
３２  原料ガス流通孔
３３〜３６  突起
４０Ａ，４０Ｂ  マニホールド
【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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