(57)【要約】【課題】脆弱な固体電解質の割れを防止する。【解決手段】固体電解質の一方の面に正極物質を、同他方の面に負極物質をそれぞれ設けたセル３９を、多孔質金属板３７の上面に設けて、ドーナツ型のセル板１１を構成する。セル板１１と導電性のガスセパレータ１３との間にガス流路１７を形成する。ガス流路１７には、電気的に低抵抗な多孔質体１９を充填する。セル板１１の内周縁には、多孔質金属板３７と同材料からなる環状のバルク材料４７を設け、このバルク材料４７部分を介してセル板1１およびガスセパレータ１３をホルダ部１５により保持する。ホルダ部１５は、上側電極部分５９と、下側電極部分６１と、各電極部分５９，６１相互間に配置する絶縁部分６３とを有し、内部に空気供給流路２１および空気排出流路２３をそれぞれ備える【選択図】      図１
2004207028.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質の一方の面に正極物質を、同他方の面に負極物質をそれぞれ設けたセルを支持体の一方の面に支持させてセル板を構成し、このセル板の少なくとも一方の側に、前記セル板との間でガス流路を形成する導電性のガスセパレータを設け、前記セル板およびガスセパレータに対してその一部を保持するホルダ部を設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記セル板，ガスセパレータおよびホルダ部からなるセルユニットを複数積層してスタックを構成し、このスタックの積層方向両端の前記ホルダ部に対して積層方向に圧力を付加し、前記複数のセルユニットを電気的に接続することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記支持体の周縁に、前記固体電解質とほぼ同等の熱膨張係数を有するガス透過性のない金属部材を設け、この金属部材の前記セル側に、前記固体電解質とほぼ同等の熱膨張係数を有す絶縁部材を設け、前記セル板および前記ガスセパレータに対し、前記金属部材および絶縁部材に対応する部分を、前記ホルダ部により保持することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記ホルダ部に、前記ガス流路にガスを供給するガス供給路を設けたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記ガスセパレータを前記セル板の一方の側に設け、このガスセパレータの外周縁部を前記セル板に気密接合して前記ガス流路を密閉し、前記ホルダ部に、前記ガス流路にガスを供給するガス供給路および、前記ガス流路からガスを排出するガス排出路をそれぞれ設け、一方のガスを、前記ガス供給路から前記ガス流路に供給して前記ガス排出路から排出し、他方のガスを前記セル板の前記ガスセパレータと反対側に供給することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記ガスセパレータをセル板の一方の側に設け、このガスセパレータの外周縁部を前記セル板に対して離間させて前記ガス流路を開放し、前記ホルダ部に、前記ガス流路にガスを供給するガス供給路を設け、このガス供給路から前記ガス流路に供給した一方のガスを前記セル板の外周縁部から排出し、他方のガスを、前記セル板の前記ガスセパレータと反対側に供給することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記ガスセパレータをセル板の一方の側に設け、このガスセパレータの外周縁部を前記セル板に対して離間させて前記ガス流路を開放し、前記ホルダ部に、前記ガス流路に一方のガスを供給する第１のガス供給路および、前記セル板の前記ガスセパレータと反対側に他方のガスを供給する第２のガス供給路をそれぞれ設け、前記一方のガスを、前記第１のガス供給路を通して前記ガス流路に供給し、前記他方のガスを、前記第２のガス供給路を通して前記セル板の前記ガスセパレータと反対側に供給し、前記供給したそれぞれのガスを、前記セル板の外周縁部から排出することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記ガスセパレータをセル板の両方の側に設けてセル板の両側に前記ガス流路をそれぞれ形成し、前記各ガスセパレータの外周縁部を前記セル板に対して離間させて前記各ガス流路を開放し、前記ホルダ部に、前記一方のガス流路に一方のガスを供給する第１のガス供給路および、前記セル板の前記ガスセパレータと反対側のガス流路に他方のガスを供給する第２のガス供給路をそれぞれ設け、前記一方のガスを、前記第１のガス供給路を通して前記ガス流路に供給し、前記他方のガスを、前記第２のガス供給路を通して前記セル板の前記ガスセパレータと反対側のガス流路に供給し、前記供給したそれぞれのガスを、前記セル板の外周縁部から排出することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項９】
前記ホルダ部は、前記セル板の一方の側に配置する導電性を有する第１の部材と、前記セル板の他方の側に配置する導電性を有する第２の部材とを有し、前記第１，第２の各部材相互を電気的絶縁材を介して接合することを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記ガスセパレータを前記セル板の一方の側に設けるとともに、前記ホルダ部を電気的絶縁材料で構成し、前記セル板，ガスセパレータおよびホルダ部からなるセルユニットを複数積層してスタックを構成し、このスタックにおける互いに隣接するセルユニット相互間に導電体を設けて前記セルユニット同士を電気的に接続することを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記ガスセパレータを前記セル板の両方の側に設けるとともに、前記ホルダ部を電気的絶縁材料で構成し、前記セル板，ガスセパレータおよびホルダ部からなるセルユニットを複数積層してスタックを構成し、このスタックにおける互いに隣接する前記ガスセパレータ同士を電気的に接続することを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記ホルダ部と前記ガスセパレータとを同一材料で構成し、これら相互を拡散接合により接合することを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記ホルダ部と、前記ガスセパレータおよび前記セル板との相互の接触部を、鏡面状に形成したことを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１４】
前記ホルダ部と、前記ガスセパレータおよび前記セル板との相互の接触部に、低硬度かつ低電気抵抗の薄膜を形成したことを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１５】
前記ホルダ部は、前記セル板および前記ガスセパレータに対してその一部を弾性的に保持することを特徴とする請求項１ないし１４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１６】
前記セル板の外周縁部を除く内部に開口部を設け、この開口部に前記ホルダ部を配置することを特徴とする請求項１ないし１５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１７】
前記ホルダ部は、正５角形以上の多角形若しくは円形であり、前記セル板は、正５角形以上の多角形若しくは円形の前記開口部を有するとともに、正５角形以上の多角形若しくは円形の外形を有することを特徴とする請求項１６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】
この発明は、固体電解質の一方の面に正極物質を、同他方の面に負極物質をそれぞれ備えた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、固体電解質型の燃料電池は、周縁部を除く内側にガス流路を形成した厚い方形の２種類の触媒層の板を、電解質層の両面に設け、さらにその両面に集電体層を配置したものを多数積層してスタックを構成し、このスタックに対し積層方向に大きな荷重を印加してガスシールと電気的接続を確保する方式を用いている。
【０００３】
この場合、特に動作温度が高い固体酸化物型の燃料電池（SOFC）では、電解質層として用いるイットリア安定ジルコニア（『ＹＳＺ』と略される）などの材料が非常に脆弱であり、熱応力に対しても強度を持たせるために、周辺の関連部材も含めてミリメートルレベルの厚い部材を用いている。
【０００４】
一方、この熱応力に対抗するため、特許文献１のように、燃料電池全体をドーナツ型に形成し、ガスを中心部より供給するものがある。
【０００５】
【特許文献１】
ＵＳＰ６３４４２９０
【０００６】
これは、ガス供給を行う中心部の外側領域において、多孔質導電体の上に負極物質・固体電解質・正極物質を順次に形成し、これらを波形のガスセパレータを介して多数積層してスタックを構成している。そして、上記負極物質・固体電解質・正極物質を有する発電領域を含むスタック全体に対し、積層方向に圧力を付加し、全体の電気的接合を確保している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の燃料電池では、発電領域を含むスタック全体に対して圧力を付加しており、しかもガスセパレータの波形の凸部により、発電領域に対して不均等に応力が印加され、脆弱な固体電解質に割れが発生するものとなる。特に、固体酸化物型の燃料電池においては、運転時に高温と低温の繰り返しにより、上記した不具合が顕著なものとなる。
【０００８】
そこで、この発明は、固体電解質の割れを防止することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、固体電解質の一方の面に正極物質を、同他方の面に負極物質をそれぞれ設けたセルを支持体の一方の面に支持させてセル板を構成し、このセル板の少なくとも一方の側に、前記セル板との間でガス流路を形成する導電性のガスセパレータを設け、前記セル板およびガスセパレータに対してその一部を保持するホルダ部を設けた構成としてある。
【００１０】
【発明の効果】
この発明によれば、固体電解質の一方の面に正極物質を、同他方の面に負極物質をそれぞれ備えたセルを、支持体の一方の面に支持させてセル板を構成し、このセル板に対してその一部をホルダ部により保持するようにしたため、ホルダ部による保持力が、固体電解質を含むセルに対して大きく作用することがなく、固体電解質の割れを防止することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１２】
図１は、この発明の第１の実施形態に係わる燃料電池の内部構造を示す断面図である。この燃料電池は、それ自体で燃料電池として機能する円盤状のセルユニット１を図中で上下方向に複数積層し、スタック３を構成している。したがって、スタック３の全体の外観は、円筒形状を呈している。図２は、このスタック３をケース５内に収容した状態を示す斜視図である。
【００１３】
上記したスタック３を、下部側のガス供給配管５のフランジ部５ａと、上部側のガス排出配管７のフランジ部７ａとで挟持固定する。下部側のガス供給配管５を、図２に示すケース５の底部に固定し、上部側のガス排出配管７に設けたスプリング９により、セルユニット１相互間を所定の圧力を付与して弾性的に保持する。
【００１４】
それぞれのセルユニット１は、セル板１１と、その上部に設けた導電性のガスセパレータ１３と、セル板１１およびガスセパレータ１３の一部を上下から挟んで保持するホルダ部１５とから構成している。前記したガス供給配管５とガス排出側管７とによるセルユニット１に対する固定保持は、このホルダ部１５に対して行う。
【００１５】
セル板１１とガスセパレータ１３との間には、ガス流路１７となる空隙を形成し、この空隙には、導電体としての電気的に低抵抗の銀製の多孔質体１９を充填してある。
【００１６】
上記したガス流路１７には、ガス供給配管５から、積層した複数のホルダ部１５の中心部に設けてある空気供給流路２１を経て一方のガスとしての空気を供給し、使用済みの空気を空気供給流路２１の側部に設けてある空気排出流路２３を経てガス排出配管７に排出する。
【００１７】
また、上下に隣接するセルユニット１相互間には、燃料ガス流路２５を形成し、燃料ガス流路２５には、図２に示したケース５内に、雰囲気ガスとして他方のガスとしての燃料である水素を供給することで、水素が流入する。
【００１８】
前記したケース５は、スタック３を収容するケース本体部５ａに、燃料を供給するための燃料供給部５ｂおよび、発電反応により消費された燃料を排出する燃料排出部５ｃをそれぞれ一体に備えている。
【００１９】
ケース５には、配管ユニット２７を接続してある。配管ユニット２７は、燃料供給部５ｂに接続する燃料供給管部２７ａと、燃料排出部５ｃに接続する燃料排出管部２７ｂと、これら燃料供給管部２７ａと燃料排出管部２７ｂとを互いに接続する燃料循環管部２７ｃとをそれぞれ備えている。
【００２０】
燃料供給管部２７ａの燃料循環管部２７ｃより上流側には、燃料注入管２９を接続し、燃料循環管部２７ｃには、燃料排出管部２７ｂから燃料供給管部２７ａに燃料を循環させるブロワ３１を設ける。燃料排出管部２７ｂの出口３３から排出するガスは、図示しない排出ガス処理系で処理し、処理後のガスを燃料供給管部２７ａに入口３５から戻す。
【００２１】
したがって、スタック３には、燃料注入管２９からの燃料ガスと、ブロワ３１によって強制循環させた排出ガスと、排出ガス処理系で処理後のガスを、それぞれ供給することになる。
【００２２】
上記したブロワ３１により強制循環させる燃料ガスの流速は、できる限り速い方がセルユニット１表面でのガス交換と熱交換の面で効率と安定性が向上し、発熱がこもりやすいセルユニット１中心の冷却に好ましい。ところが、この流速を得るためにはエネルギを消費するので、流速はセルユニット１相互の積層間の寸法と発電効率と消費エネルギのバランスから決めるとよい。
【００２３】
次に、セルユニット１におけるセル板１１について説明する。図３は、セル板１１およびガスセパレータ１３の拡大した断面図であり、主に円盤状の内周側および外周側を図示し、中央部分は省略してある。
【００２４】
セル板１１は、支持体としてのドーナツ型の多孔質金属板３７と、多孔質金属板３７の一方の面となる上面に設けたセル３９とをそれぞれ備えている。上記したドーナツ型となるセル板１１の中心の開口部に、前記したホルダ部１５を配置する。図４（ａ）が多孔質金属３７の平面図、図４（ｂ）が図４（ａ）のＡ−Ａ断面図である。セル３９は、多孔質金属板３７側から、正極物質４１，固体酸化物電解質（以下、単に固体電解質と呼ぶ）４３，負極物質４５を順に積層する。
【００２５】
これら三層は、図３で示すように、上層が下層から外側へはみ出さないようにする。すなわち、最下層の負極物質４１は多孔質金属板３７のほぼ全面に形成し、固体電解質４３は、負極物質４１より内側に形成し、最上層の正極物質４５は、固体電解質４３よりさらに内側に形成する。
【００２６】
上記した多孔質金属板３７は、固体電解質４３とほぼ同等の熱膨張係数を有し、この多孔質金属板３７の内周側および外周側には、多孔質金属板３７と同材料からなるガス透過性のない金属部材としての環状のバルク材料４７および４９をそれぞれ固定してある。
【００２７】
さらに、バルク材料４７，４９の上には、絶縁部材としてのセラミック絶縁板５１，５３を、セラミック接着剤５５，５７を用いてそれぞれ貼付する。セラミック絶縁板５１，５３およびセラミック接着剤５５，５７は、熱膨張係数をバルク材料４７，４９とほぼ同等とし、固体電解質４３がＹＳＺの場合には、ジルコニウム酸化物系のものがよい。
【００２８】
またセラミック接着剤５５，５７による接着領域は、多孔質金属板３７の内周側および外周側の各端部の通気領域を覆うように、固体電解質４３を含むセル３９の側部に密着させ、ガスシール性を確保する。なお、セラミック絶縁板５１，５３の上面は、鏡面研磨してある。
【００２９】
上記した外周側のセラミック絶縁板５３の上面には、ガスセパレータ１３の外周部分を接合する。
【００３０】
ここでセラミックス接着剤５５，５７は、ホルダ部１５とセル板１１の組立を行った後に、セル板１１上にガスセパレータ１３を設けて気密封止を行うために必要なものであるが、使用量は極力少なくする方が好ましい。
【００３１】
あるいは、セラミックス接着剤５５，５７の代わりに、ろう材を挟んでバルク材料４７，４９とセラミック絶縁板５１，５３とを超音波接合してもよい。
【００３２】
次に、セルユニット１におけるホルダ部１５について説明する。ホルダ部１５は、図５，図６に示す第１の部材としての上側電極部分５９と、図７，図８に示す第２の部材としての下側電極部分６１と、前記上側，下側各電極部分５９，６１相互を電気的に絶縁しつつ接合するための図９に示す電気的絶縁材となる絶縁部分６３との３つの部材で構成してある。
【００３３】
上記した上側，下側各電極部分５９，６１は、セル板１１の表裏とそれぞれ電気的接続を確保する。
【００３４】
図５は上側電極部分５９の上面図、図６（ａ）は上側電極部分５９の下面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＢ−Ｂ断面図、図６（ｃ）は図６（ａ）のＣ−Ｃ断面図、図６（ｄ）は図６（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。なお、図６（ｂ），（ｃ），（ｄ）では、絶縁部分６３も位置的整合の理解を容易とするために併記している。
【００３５】
上側電極部分５９は、中央に円形の中央貫通孔５９ａを備えている。この中央貫通孔５９ａは、前記図１に示した空気供給流路２１を構成する。さらに、上側電極部分５９の底面には、図６（ａ）に示すように、下側電極部分６１に向けて突出するガス仕切壁５９ｂを円周方向等間隔に複数設けてある。
【００３６】
そして、この仕切壁５９ｂ相互間の平板部５９ｃの内周側には、円周方向に沿って一つ置きに側部貫通孔５９ｄを設けてある。この側部貫通孔５９ｄは、前記図１に示した空気排出流路路２３を構成する。
【００３７】
上記したガス仕切壁５９ｂは、中央貫通孔５９ａに通ずるガス流路部６５と、側部貫通孔５９ｄに通ずるガス流路部６７とを、互いに仕切っている。
【００３８】
また、上側電極部分５９の上面の側部貫通孔５９ｄより外側には、環状の凸部５９ｅを設けてある。この凸部５９ｅは、図１に示すように、上部に隣接するセルユニット１の下部側電極部分６１の凹部６９ａに、ガスセパレータ１３の上方へ屈曲する屈曲部１３ａを間に挟んではめ込むものである。また、最上部のセルユニット１の上側電極部分５９の凸部５９ｅについては、ガス排出配管７のフランジ部７ａの下面に形成してある凹部７ｂに、ガスセパレータ１３の上記屈曲部１３ａを間に挟んではめ込む。
【００３９】
すなわち、上側電極部分５９がガスセパレータ１３に電気的に接続されるとともに、ガスセパレータ１３が上記した凸部５９ｅと、凹部７ｂまたは凹部６９ａを跨ぐことで、ガスシールがなされる。
【００４０】
図７は下側電極部分６１の上面図、図８（ａ）は下側電極部分６１の下面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のＥ−Ｅ断面図、図８（ｃ）は図８（ａ）のＦ−Ｆ断面図である。
【００４１】
下側電極部分６１は、電極本体６９と、電極本体６９の外周側の上側電極部分５９と反対側に装着するリング７１とを有する。電極本体６９には、上記した上側電極部分５９の中央貫通孔５９ａに整合する円形の中央貫通孔６９ｂを中央に備えるとともに、側部貫通孔５９ｄに整合する側部貫通孔６９ｃを、中央貫通孔６９ｂの周囲に複数備える。この中央貫通孔６９ｂは、前記図１に示した空気供給流路路２１を構成し、側部貫通孔６９ｃは、同空気排出流路２３を構成する。
【００４２】
この下側電極部分６１の上面の側部貫通孔６９ｃ相互間に、上側電極部分５９の下面のガス仕切壁５９ｂを、後述する絶縁部分６３を介して押さえ付けることで、前記図６に示したガス流路部６５，６７をそれぞれ形成する。
【００４３】
リング７１は、セル板１１の前記図３に示したバルク材料４７に対応する内周側部分を、上側電極部分５９と下側電極部分６１とで挟んだ状態で、上側電極部分５９と反対側から押さえ付けて保持する。このように、リング７１を電極本体６９と別体とすることにより、セルユニット１の組立が容易となる。
【００４４】
上記したリング７１と電極本体６９と相互の接触部および、リング７１とバルク材料４７との相互の接触部は、いずれも鏡面研磨しておく。このように、相互の接触部を鏡面状態とすることで、１００ＭＰａ〜２００ＭＰａ程度の圧力で、面接合により実用上充分にシールを行うことができ、かつシール部分を固定しないため、応力発生時には、接触部がすべることにより応力を開放できので、破壊を未然に防ぎ、信頼性が向上する。
【００４５】
なお、上記した上下各電極部分５９，６１は、多孔質金属３７と同等の熱膨張係数を有する金属であることが好ましい。
【００４６】
図９（ａ）は絶縁部分６３の平面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）のＧ−Ｇ断面図、図９（ｃ）は図９（ａ）のＨ−Ｈ断面図、図９（ｄ）は図９（ａ）のＩ−Ｉ断面図である。なお、図９では、下側電極部分６１も位置的整合の理解を容易とするために併記している。
【００４７】
絶縁部分６３は、下側電極部分６１の中央貫通孔６９ｂに整合する円形の中央貫通孔６３ａを中央に備えている。また、外周側には、図９（ｂ）に示すように、下側電極部分６１の電極本体６９の外周側上部に位置するリング部６３ｂを備え、上側電極部分５９のガス仕切壁５９ｂに接触する放射部６３ｃを備える。
【００４８】
なお、上記した絶縁部分６３は、上下各電極部分５９，６１と同等の熱膨張係数を有するのが好ましい。
【００４９】
前記した上下各電極部分５９，６１および絶縁部分６３の各中央貫通孔５９ａ，６９ｂ，６３ａと、上下各電極部分５９，６１相互間のガス流路部６５とで、ガス流路１７にガス（空気）を供給するガス供給路を構成している。また、上下各電極部分５９，６１の各側部貫通孔５９ｄ，６９ｃおよび、絶縁部材６３の各側部貫通孔５９ｄ，６９ｃに対応する部分と、上下各電極部分５９，６１相互間のガス流路部６７とで、ガス流路１７からガス（空気）を排出するガス排出路を構成している。
【００５０】
前記した上下各電極部分５９，６１および絶縁部分６３からなるホルダ部１５は、下側電極部分６１のリング７１を除き、上側電部分極５９と下側電極部分６１と絶縁部分６３の３つの部材を、あらかじめろう付けなどにて気密接合しておき、この気密接合した３つの部材に対し、セル板１１およびガスセパレータ１３を組み込んだ後、リング７１でセル板１１の内周側端部におけるバルク材料４７押さえてガスシールを確保する。
【００５１】
ホルダ部１５を、上記のような組み合わせとした場合、セル板１１とホルダ部１５との相互の寸法関係に自由度があり、積層時に加圧することにより厚さのばらつきを吸収して組立がなされる。
【００５２】
厚さのばらつき吸収が不要の場合、若しくは、ホルダ部１５の組立をセル板１およびガスセパレータ１３と同時に実施できる場合には、リング７１を別体にする必要はなく、文字通り３つの部材でホルダ部１５を構成してもよい。
【００５３】
図１０は、セルユニット１の上面図で、ガスセパレータ１３の図１０中で左下４分の１を切り開いて内部を覗かせている。なお、図１０において多孔質体１９は省略してある。ガスセパレータ１３の下部には、その中心にホルダ部１５の上側電極部分５９が覗き、固体電解質４３および負極物質４１が見えかつ、正極物質４５および多孔質金属板３７が隠れているセル板１１が覗く。
【００５４】
図１１(ａ）は図１０のＪ−Ｊ断面図であり、ガス流路１７にガス流路部６７を通して空気排出流路２３が連通する部分の断面構造を示す。図１１(ｂ）は図１０のＬ−Ｌ面図であり、上側電極５９のガス仕切壁５９ｂに対応する部分の断面構造を示す。図１１(ｃ）は図１０のＫ−Ｋ断面図であり、ガス流路１７にガス流路部６５を通して空気供給流路２１が連通する部分の断面構造を示す。
【００５５】
上記した構成の燃料電池では、図１および図２に示すように、下部側のガス供給配管５からスタック３内の空気供給流路２１に空気を供給し、この供給した空気を、上側電極部分５９と下側電極部分６１との間のガス流路部６５を経て、多孔質体１９を収容してあるガス流路１７に供給する。
【００５６】
一方、配管ユニット２７の燃料供給管部２７ａから、スタック３を収容するケース５内に、燃料である水素を雰囲気ガスとして供給し、このガスをスタック３の周囲から、互いに隣接するセルユニット１のセル板１１とセパレータ１３との間の燃料ガス流路２５に供給する。
【００５７】
このように、セル板１１の一方側に空気を、他方側に燃料をそれぞれ供給することで、燃料電池として発電がなされる。
【００５８】
ガス流路１７に供給した反応後の空気は、ガス流路部６７を経て空気排出流路２３に流出し、さらにガス排出配管７からスタック３の外部に排出する。
【００５９】
一方、スタック３の周囲に雰囲気ガスとして供給した燃料の排出ガスは、燃料排出部５ｃから燃料排出管部２７ｂを経て、一部は燃料循環管部２７ｃへ、他の一部は出口３３から排出されて、図示しない排出ガス処理系で処理し、処理後のガスを燃料供給管部２７ａに入口３５から戻して再度スタック３に供給する。
【００６０】
上記した燃料電池によれば、次のような効果を奏する。
【００６１】
（１）固体電解質４３の一方の面に正極物質４５を、同他方の面に負極物質４１をそれぞれ設けたセル３９を構成し、このセル３９を支持体である多孔質金属板３７の一方の面に支持させたセル板１１に対してその一部（バルク材料４７に対応する部位）をホルダ部１５により保持するようにしたため、ホルダ部１５による保持力が、固体電解質４３を含むセル３９に対して大きく作用することがなく、固体電解質４３の割れを防止することができ、発電能力の低下を防止することができる。
【００６２】
（２）固体電解質４３の割れを防ぐために、強度を必要以上に持たせる必要がないので、セル３９を薄くすることが可能で、熱容量・重量ともに著しく軽減することができる。
【００６３】
（３）シールについても、セル板１１に対する固定部分を発電領域である固体電解質４３と異なる部分とし、脆弱な固体電解質４３や多孔質金属板１１上で行わないので、熱膨張の影響が著しく小さくなり、長期にガスシールを維持することができる。
【００６４】
（４）ホルダ部１５内の空気供給流路２１に必要量の空気を供給することで、消費後の空気は、空気排出流路２３を経て捨て流しをすることができるので、制御が非常に簡単になるほか、固体酸化物電解質型の燃料電池においては、空気側には反応生成物が搬出されず、空気側排出ガスは大量のＮ2であり、環境や人体に影響を与えることなく、排出ガスの触媒処理などの必要もなく、システムを簡素化できる。
【００６５】
（５）燃料側のガス流においては、空気側排出ガス中のＮ2が混入しないので、流量を少なく抑えることができ、燃料側の排出ガス処理の規模を極めて小さくできるほか、ガス種が少なくなり、システム構築を単純化することができる。
【００６６】
（６）本実施形態における燃料電池は、一つのセルユニット１あたりの取り出しうる電力の最も高効率の出力電圧が１Ｖ程度であるので、電気的接続部の接触抵抗が出力電圧に対して大きな影響を与えることは広く関係者の間では知られている。
【００６７】
そこで、各セルユニット１の電気的接続面が酸素に曝される部位、本実施形態ではホルダ部１５の上側電極部分５９表面と、これに接するガスセパレータ１３の上部電極部分５９側の表面には、比較的柔らかく、高温にて酸化膜を表面に形成し難い銀などの薄膜を蒸着などを用いて形成することで、電気的接触を良好に維持することができる。
【００６８】
上記の銀などの柔らかくかつ高温で酸化物を形成しない材料の蒸着は、上記の部位に限らず、面接合法を用いてガスシールを行う界面の少なくとも一方に施すことにより、母材表面の微細な凹凸を埋めて接合でき、界面のシール性と電気的接合の改善に非常に効果が高い。
【００６９】
またホルダ部１５とガスセパレータ１３との接合に関しては、上記の界面に銀を蒸着する他、拡散接合法を用いて接合することも選択可能である。この場合には、特に両者の材質が同一であれば応力がほとんど発生せず，かつガスリークも生じないので信頼性が向上する。
【００７０】
なお、本発明においては、ホルダ部１５や、セル板１１およびガスセパレータ１３の形状は、円形のほか、楕円形や多角形でもよい。またホルダ部１５がセル板１１の外周縁部を含まない内側、特に面重心においてセル板１１およびガスセパレータ１３を固定することが好ましく、またこれら形状が正５角形以上の正多角形もしくは真円である場合が最も応力に対するバランスがよく、振動が発生する自動車への搭載が特に適している。
【００７１】
図１２は、この発明の第２の実施形態を示すセルユニット１０を２段重ねた断面図である。前記した第１の実施形態は、一方のガスとなる空気を、図１における下部側のガス供給配管５から上部側のガス排出配管７に排出する構成であるのに対し、本実施形態は、ホルダ部１５０の中心に形成したガス供給孔７３に供給した空気を、セルユニット１０の外周側から放出する構成である。
【００７２】
セルユニット１０は、第１の実施形態と同様に、セル板１１０とガスセパレータ１３０とホルダ部１５０とを有し、セル板１１０とガスセパレータ１３０との間のガス流路１７０には多孔質体１９０を充填し、セルユニット１０相互間にも、多孔質体１９０と同様な多孔質体７７を充填してある。
【００７３】
ホルダ部１５０は、第１の実施形態と同様に、上側電極部分５９０，下側電極部分６１０および、これら両電極部分５９０，６１０相互間の絶縁部分６３０を備えている。そして、これら両電極部分５９０，６１０相互間に、ガス供給孔７３とガス流路１７０とを連通するガス流路部７５を設ける一方、ガス流路１７０の外周側は外部に開放している。
【００７４】
上記したガス供給孔７３とガス流路部７５とで、ガス流路１７０にガスを供給するガス供給路を構成している。
【００７５】
他方のガスとなる燃料は、図１および図２に示した第１の実施形態と同様に、スタックを収容するケース内に雰囲気ガスとして供給する。
【００７６】
なお、セル板１１０は、多孔質金属板３７０とセル３９０との組み合わせとして簡略化して示している。
【００７７】
この場合、多孔質金属板３７０の内周側にバルク材料４７０を設け、このバルク材料４７０に対応する部分を、ホルダ部１５０によって保持する。
【００７８】
上記した第２の実施形態においても、セル板１１０に対してその一部をホルダ部１５０により保持するようにしたため、ホルダ部１５０による保持力が、固体電解質を含むセル３９０に対して大きく作用することがなく、固体電解質の割れを防止することができる。
【００７９】
また、本実施形態によると、セル板１１０は、中央部を固定し、外周側の端部をセパレータ１３０に固定していないため、セル板１１０の径方向に応力が印加されることがなく、第１の実施形態に比べ、応力や熱衝撃に対する高い耐性を備える。
【００８０】
さらに、この実施形態では、多孔質体７７が、外周側の端部を固定していないガスセパレータ１３０の雰囲気ガス流に起因する振動発生を吸収することができ、かつセルユニット１０相互間の電気的接続抵抗が多孔質体７７によって低下する。
【００８１】
なお、上記セルユニット１０相互間に挿入する多孔質体７７は、前記した第１の実施形態に適用しても、セルユニット１相互間の電気的接続抵抗を低減することができる。
【００８２】
図１３は、この発明の第３の実施形態を示すセルユニット１０Ａを２段重ねた断面図である。この実施形態は、燃料を、ホルダ部１５０Ａの中心部に設けた燃料供給流路７９から燃料ガス流路部８５を経て、セル板１１０Ａの下部側の燃料ガス流路２５０Ａに供給し、外周縁部より放出する。
【００８３】
一方、空気は、上記した燃料供給流路７９の外側に設けた空気供給流路８１からガス流路部８３を経て、セル板１１０Ａの上部側のガス流路１７０Ａに供給し、外周縁部より放出する。
【００８４】
上記した空気供給流路８１とガス流路部８３とで、一方のガス流路１７０Ａに一方のガスを供給する第１のガス供給路を構成している。また、燃料供給流路７９と燃料ガス流路部８５とで、セル板１１０Ａのセパレータ１３０Ａと反対側のガス流路２５０Ａに他方のガスを供給する第２のガス供給路を構成している。
【００８５】
セルユニット１０Ａは、第１の実施形態と同様に、セル板１１０Ａとガスセパレータ１３０Ａとホルダ部１５０Ａとを有し、セル板１１０Ａとガスセパレータ１３０Ａとの間のガス流路１７０Ａには、多孔質体１９０Ａを充填し、セルユニット１０Ａ相互間にも、多孔質体１９０Ａと同様な多孔質体７７Ａを充填してある。
【００８６】
ホルダ部１５０Ａは、第１の実施形態と同様に、上側電極部分５９０Ａ，下側電極部分６１０Ａおよび、これら両電極部分５９０Ａ，６１０Ａ相互間の絶縁部分６３０Ａをそれぞれ備えている。
【００８７】
そして、これら両電極部分５９０Ａ，６１０Ａ相互間に、空気供給流路８１とガス流路１７０Ａとを連通するガス流路部８３を設ける一方、ガス流路１７０Ａの外周側は外部に開放している。さらに、上記した両電極部分５９０Ａ，６１０Ａ相互間に、燃料供給流路７９と燃料ガス流路２５０Ａとを連通する燃料ガス流路部８５を設ける一方、燃料ガス流路２５０Ａの外周側は外部に開放している。
【００８８】
なお、セル板１１０Ａは多孔質金属板３７０Ａとセル３９０Ａとの組み合わせとして簡略化して示してある。
【００８９】
この場合、多孔質金属板３７０Ａの内周側にバルク材料４７０Ａを設け、このバルク材料４７０Ａに対応する部分を、ホルダ部１５０Ａによって保持する。
【００９０】
上記した第３の実施形態においても、セル板１１０Ａに対してその一部をホルダ部１５０Ａにより保持するようにしたため、ホルダ部１５０Ａによる保持力が、固体電解質を含むセル３９０Ａに対して大きく作用することがなく、固体電解質の割れを防止することができる。
【００９１】
この第３の実施形態によれば、第２の実施形態と同様に、ガスセパレータ１３０Ａを、一つのセルユニット１０Ａにつき１枚で済むため、構造が簡単にも拘わらず、スタックの発電に必要な空気および燃料の両ガスを、中央のホルダ部１５０Ａより強制的に供給できるので、ガス流の制御による運転制御が容易である。
【００９２】
なお、本実施形態においても、セル板１１０Ａと、隣接するセルユニット１０Ａのガスセパレータ１３０Ａとの間に多孔質板７７Ａを挿入することで、セルユニット１０Ａ相互間の電気的接続抵抗を低減するために有効である。
【００９３】
図１４は、この発明の第４の実施形態を示すセルユニット１０Ｂを２段重ねた断面図である。この実施形態は、燃料を、ホルダ部１５０Ｂの中心部に設けた燃料供給流路７９Ｂから燃料ガス流路部８５Ｂを経て、セル板１１０Ｂの下部側の燃料ガス流路２５０Ｂに供給し、外周縁部より放出する。
【００９４】
一方、空気は、上記した燃料供給流路７９Ｂの外側に設けた空気供給流路８１Ｂからガス流路部８３Ｂを経て、セル板１１０Ｂの上部側のガス流路１７０Ｂに供給し、外周縁部より放出する。
【００９５】
上記した空気供給流路８１Ｂとガス流路部８３Ｂとで、一方のガス流路１７０Ｂに一方のガスを供給する第１のガス供給路を構成している。また、燃料供給流路７９Ｂと燃料ガス流路部８５Ｂとで、セル板１１０Ｂのセパレータ１３０Ｂと反対側のガス流路２５０Ｂに他方のガスを供給する第２のガス供給路を構成している。
【００９６】
セルユニット１０Ｂは、第１の実施形態と同様に、セル板１１０Ｂとガスセパレータ１３０Ｂとホルダ部１５０Ｂとを有し、セル板１１０Ｂとガスセパレータ１３０Ｂとの間のガス流路１７０Ｂには、多孔質体１９０Ｂを充填し、セルユニット１０Ｂ相互間にも、多孔質体１９０Ｂと同様な多孔質体７７Ｂを充填してある。
【００９７】
ホルダ部１５０Ｂは、第１の実施形態と同様に、上側電極部分５９０Ｂ，下側電極部分６１０Ｂおよび、これら両電極部分５９０Ｂ，６１０Ｂ相互間の絶縁部分６３０Ｂをそれぞれ備えている。
【００９８】
そして、これら両電極部分５９０Ｂ，６１０Ｂ相互間に、空気供給流路８１Ｂとガス流路１７０Ｂとを連通するガス流路部８３Ｂを設ける一方、ガス流路１７０Ｂの外周側は外部に開放している。さらに、上記した両電極部分５９０Ｂ，６１０Ｂ相互間に、燃料供給流路７９Ｂと燃料ガス流路２５０Ｂとを連通する燃料ガス流路部８５Ｂを設ける一方、燃料ガス流路２５０Ｂの外周側は外部に開放している。
【００９９】
なお、セル板１１０Ｂは多孔質金属板３７０Ｂとセル３９０Ｂとの組み合わせとして簡略化して示してある。
【０１００】
この場合、多孔質金属板３７０Ｂの内周側にバルク材料４７０Ｂを設け、このバルク材料４７０Ｂに対応する部分を、ホルダ部１５０Ｂによって保持する。
【０１０１】
上記した第４の実施形態においても、セル板１１０Ｂに対してその一部をホルダ部１５０Ｂにより保持するようにしたため、ホルダ部１５０Ｂによる保持力が、固体電解質を含むセル３９０Ｂに対して大きく作用することがなく、固体電解質の割れを防止することができる。
【０１０２】
上記した第４の実施形態によれば、ガスセパレータ１３０Ｂをセル板１１０Ｂの両面に設け、かつ外周側の端部を固定していないため、セル板１１０Ｂ上にはセル１１０Ｂ単体以外の応力が印加されず、応力のバランスが前記した第１から第３の各実施形態に比べて最もよく、また熱伝導の面でも、セル板１１０Ｂ表裏のバランスがよい。
【０１０３】
なお、前記した各実施形態において、互いに隣接するセルユニット相互の電気的接続を、上記した低抵抗の多孔質体を隣接するセルユニット相互間に設けることで、発電領域で確保できる場合には、第１の実施形態で示してあるリング７１は必要なく、第５の実施形態として、ホルダ部を電気的絶縁材料として例えばセラミックスの一体成形により製作し、ガスセパレータをホルダ部上に重ねて組立を行えばよい。
【０１０４】
この場合ホルダ部の部品点数の削減が可能で、コストダウンが図られる。
【０１０５】
また、図１４に示した隣接するセルユニット１０Ｂ相互間の電気的接続を、第６の実施形態として、ガスセパレータ１３０Ｂ同士で行っても、ホルダ部を上記したようにセラミックスの一体成形により製作できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態に係わる燃料電池の内部構造を示す断面図である。
【図２】図１の燃料電池におけるスタックをケース内に収容した状態を示す斜視図である。
【図３】図１の燃料電池におけるセル板およびガスセパレータの拡大した断面図である。
【図４】（ａ）は図１の燃料電池における多孔質金属板の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図５】図１の燃料電池における上側電極部分の上面図である。
【図６】（ａ）は上側電極部分の下面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図、（ｄ）は（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。
【図７】下側電極部分の上面図である。
【図８】（ａ）は下側電極部分の下面図、（ｂ）は（ａ）のＥ−Ｅ断面図、（ｄ）は（ａ）のＦ−Ｆ断面図である。
【図９】（ａ）は絶縁部分の平面図、（ｂ）は（ａ）のＧ−Ｇ断面図、（ｃ）は（ａ）のＨ−Ｈ断面図、（ｄ）は（ａ）のＩ−Ｉ断面図である。
【図１０】図１の燃料電池におけるセパレータの一部を切り開いた状態のセルユニットの上面図である。
【図１１】（ａ）は図１０のＪ−Ｊ断面図、(ｂ）は図１０のＬ−Ｌ面図、(ｃ）は図１０のＫ−Ｋ断面図である。
【図１２】この発明の第２の実施形態を示すセルユニットを２段重ねた断面図である。
【図１３】この発明の第３の実施形態を示すセルユニットを２段重ねた断面図である。
【図１４】この発明の第４の実施形態を示すセルユニットを２段重ねた断面図である。
【符号の説明】
１，１０，１０Ａ，１０Ｂ  セルユニット
１１，１１０，１１０Ａ，１１０Ｂ  セル板
１３，１３０，１３０Ａ，１３０Ｂ  ガスセパレータ
１５，１５０，１５０Ａ，１５０Ｂ  ホルダ部
１７，１７０，１７０Ａ，１７０Ｂ  ガス流路
２５０Ａ，２５０Ｂ  燃料ガス流路
３７，３７０，３７０Ａ，３７０Ｂ  多孔質金属板（支持板）
３９，３９０，３９０Ａ，３９０Ｂ  セル
４１  負極物質
４３  固体酸化物電解質
４５  正極物質
５９  上側電極部分（第１の部材）
５９ａ，６３ａ，６９ｂ  中央貫通孔（ガス供給路）
５９ｄ，６９ｃ  側部貫通孔（ガス排出路）
６１  下側電極部分（第２の部材）
６３  絶縁部分（電気的絶縁材）
６５  ガス流路部（ガス供給路）
６７  ガス流路部（ガス排出路）
７３  ガス供給孔（ガス供給路）
７５  ガス流路部（ガス供給路）
７９，７９Ｂ  燃料供給流路（第２のガス供給路）
８１，８１Ｂ  空気供給流路（第１のガス供給路）
８３，８３Ｂ  ガス流路部（第１のガス供給路）
８５，８５Ｂ  燃料ガス流路部（第２のガス供給路）
【図１】
2004207028.tif 000003
【図２】
2004207028.tif 000004
【図３】
2004207028.tif 000005
【図４】
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【図５】
2004207028.tif 000007
【図６】
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【図７】
2004207028.tif 000009
【図８】
2004207028.tif 000010
【図９】
2004207028.tif 000011
【図１０】
2004207028.tif 000012
【図１１】
2004207028.tif 000013
【図１２】
2004207028.tif 000014
【図１３】
2004207028.tif 000015
【図１４】
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