(57)【要約】【課題】セルの変形、破壊を防止する。【解決手段】中心のハブ部５の周囲に、ガス透過性および導電性を有する多孔質体の支持板部７を設ける。支持板部７は、全体としてドーナツ型を呈し、かつ板厚が中心側から外周側に向けて徐々に薄くなるよう下面側をテーパ状に形成する。支持板部７の上面には、固体電解質と正極物質と負極物質との三層で構成する電池要素となるセル９を設け、これをセルユニット１とし、セルユニット１を複数積層してスタック３を構成する。各セルユニット１への反応ガスの供給は、ハブ部５の中心に設けた反応ガス流路５ａを通して行う。【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、このセル板の中心部から反応ガスを導入する燃料電池において、前記支持体を、ガス透過性を有する導電性材料で構成し、この支持体の板厚を外周側より中心側で厚くしたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
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、このセル板の中心部から反応ガスを導入する燃料電池において、前記支持体を、ガス透過性を有する導電性材料で構成し、この支持体の表面にリブを設け、このリブは、前記支持体の表面からの高さを、外周側より中心側で高くしたことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
前記リブは、中心側から外周側に向けて放射状に設けたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記リブは、中心側の肉厚を、外周側の肉厚より厚くしたことを特徴とする請求項２または３記載の燃料電池。
【請求項５】
前記リブに、前記導入する反応ガスを整流するフィンを設けたことを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記支持体に、環状の補強部材を設けたことを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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、このセル板の中心部から反応ガスを導入する燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ドーナツ型のセル板をその中心部で支持し、かつセル板中心部から反応ガスを導入する燃料電池としては、特許文献１に記載されたものがある。
【０００３】
【特許文献１】
ＵＳＰ６３４４２９０
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した従来の燃料電池では、反応ガスを導入する中心側の反応ガス濃度が、外周側より高いことから、電気化学反応量が多くなり、電流密度も高くなって高温化し、結果としてセルが変形し、破壊することがある。
【０００５】
そこで、この発明は、セルの変形、破壊を防止することを目的としている。
【０００６】
【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、このセル板の中心部から反応ガスを導入する燃料電池において、前記支持体を、ガス透過性を有する導電性材料で構成し、この支持体の板厚を外周側より中心側で厚くする構成としてある。
【０００７】
【発明の効果】
この発明によれば、セルを支持する支持体の中心側の板厚を外周側より厚くしたので、反応ガス濃度が外周側に比べて高くなる中心側の熱伝導性、電気伝導性を、外周側より高めることができ、この結果中心側と外周側の温度を均一化でき、セルの変形、破壊を防止することができる。
【０００８】
【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。
【０００９】
図１は、この発明の第１の実施形態に係わる燃料電池の概略を示す側面断面図である。図１に示す燃料電池は、それ自体で燃料電池として機能するセルユニット１を複数（ここでは５個）積層し、スタック３を構成している。各セルユニット１は、中心部に導電性材料からなるハブ部５を備え、このハブ部５を、図１中で上下に隣接するセルユニット１同士で連結している。
【００１０】
ハブ部５の周囲には、図２，図３に示すように、支持体としての支持板部７を設けてある。支持板部７は、全体としてドーナツ型を呈し、かつ板厚が中心側から外周側に向けて徐々に薄くなるよう下面側をテーパ状に形成してある。すなわち、この支持板部７は、板厚を外周側より中心側で厚くしてある。
【００１１】
また、上記した支持板部７は、例えば気孔率６０％で充分なガス透過性および導電性を有する多孔質体で構成する。多孔質体としては、Ｎｉなどの金属粉末焼結体、金属繊維焼結体、金属エッチング材が好適である。
【００１２】
上記した支持板部７の図３（ｂ）中で上面となる水平面には、図４に示すように、その全面にわたり電池要素となるセル９を設けてセル板１１を構成する。セル９は、固体電解質の一方の面に空気極となる負極物質（Ｌａ（Ｓｒ）ＣｏＯ3）を、他方の面に燃料極となる正極物質（Ｎｉ−ＹＳＺ）をそれぞれ備えた３層構造である。セル９の形成は、印刷、グリーンシート、溶射、ＰＶＤなどで行う。
【００１３】
図４（ｂ）に示すように、ハブ部５は、セル板１１に対して上下に突出しており、この状態で、図１に示すように、ハブ部５同士を上下に連結して、セルユニット１を積層する。
【００１４】
また、ハブ部５の中心には、上下方向に貫通するガス供給流路５ａを形成してある。このガス供給流路５ａに供給する反応ガス、例えば酸化剤となる空気は、セル９の上部側に、図５に詳細に示すように、ハブ部５に設けた連通路５ｂを通して供給する。なお、図５では、支持板部７上のセル９は省略してある。
【００１５】
上記したセル９上の反応ガス供給領域と、その上部側のセルユニット１の支持板部７との間（最上段のセルユニット１についてはセル９の上部）には、図示しない導電性のガスセパレータを備えており、このガスセパレータと支持板部７との間（最下段のセルユニット１については支持板部７の下部）には、反応ガス、例えば燃料ガスとして水素を供給する。この水素の供給については、図５に示すように、ハブ部５に設けた燃料ガス流路５ｃおよび連通路５ｄを利用する。
【００１６】
上記した第１の実施形態によれば、セル９を支持する支持板部７の中心側の板厚を外周側より厚くしたので、セルユニット１における反応ガス濃度が高くなる中心側の熱伝導性、電気伝導性を、外周側より高めることができ、中心側と外周側の温度を均一化でき、セル９の変形、破壊や劣化を防止することができる。
【００１７】
また、支持板部７の中心側の板厚を厚くすることで、セルユニット１として機械的強度も高まり、信頼性が向上する。
【００１８】
図６（ａ）は、この発明の第２の実施形態を示す、前記図１および図４におけるセル９を省略した状態のセルユニット１Ａの底面図、図６（ｂ）は同側面断面図、図７は同斜視図である。
【００１９】
この第２の実施形態のセルユニット１Ａは、第１の実施形態における下面をテーパ状とした支持板部７に代えて、板厚が全体で均一な支持板部７０を使用している。この支持板部７０の図６（ｂ）中で下面に、複数のリブ１３を放射状に設けている。支持板部７０の図６（ｂ）中で上面には、図１および図４に示してあるセル９を設ける。
【００２０】
上記した支持板部７０は、前記第１の実施形態における支持板部７と同様に、例えば気孔率６０％で充分なガス透過性および導電性をを有する多孔質体で構成する。一方、リブ１３は、ステンレス製（例えばＳＵＳ３０４）とするが、支持板部７０と同種の材料を用いてもよい。
【００２１】
上記したリブ１３は、円周方向等間隔に複数（ここでは８個）備え、支持板部７の表面からの高さ（図６（ｂ）中で上下方向の高さ）を、中心側から外周側に向けて徐々に低くなるよう形成している。すなわち、リブ１３は、支持板部７の表面からの高さを、外周側より中心側で高くしている。
【００２２】
さらに、上記したリブ１３は、図６（ａ）に示すように、その肉厚（幅）が、中心側から外周側に向けて徐々に薄くなるよう形成している。すなわち、リブ１３は、中心側の肉厚を、外周側の肉厚より厚くしている。
【００２３】
その他の構成は、前記した第１の実施形態と同様であり、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付してある。
【００２４】
上記した第２の実施形態によれば、セル９を支持する支持板部７０に設けたリブ１３の中心側について、その高さを外周側より高く、かつ肉厚も外周側より厚くしたので、セルユニット１Ａにおけるガス濃度が高い中心側の熱伝導性、電気伝導性を、外周側より高めることができ、中心側と外周側の温度を均一化でき、セル９の変形、破壊や劣化を防止することができる。
【００２５】
図８は、この発明の第３の実施形態を示す、前記図１および図４におけるセル９を省略した状態のセルユニット１Ｂの前記図５に対応する側面断面図である。この実施形態は、図６，図７に示した第２の実施形態におけるリブ１３の下縁１３ａを、凹状のＲ形状としている。これにより、リブ１３が軽量化し、セルユニット１全体の軽量化を達成できる。
【００２６】
図９は、この発明の第４の実施形態を示す、前記図１および図４におけるセル９を省略した状態のセルユニット１Ｄの前記図５に対応する側面断面図である。この実施形態は、前記図６，図７に示した第２の実施形態におけるリブ１３に孔１３ａを設けている。この孔１３ａは、中心側から外周側に向けて複数（ここでは３個）設け、外周側のものほど、リブ高さに対応してて小さくしてある。
【００２７】
この実施形態においては、リブ１３に孔１３ａを設けることで、リブ１３が軽量化し、セルユニット１Ｄ全体を軽量化することができる。
【００２８】
図１０（ａ），（ｂ）は、この発明の第５の実施形態を示すセルユニット１Ｅの前記図６（ａ），（ｂ）に対応する底面図，側面断面図である。ただし、この図１０（ｂ）におけるリブ１３０については、断面ではなく側面図として示してある。この実施形態は、前記図６に示した第２の実施形態におけるリブ１３に代えて、リブ１３０を設けている。
【００２９】
このリブ１３０は、その肉厚を全体で均一化した点が図６におけるリブ１３と異なっており、その両面に、反応ガスを整流するフィン１５を設けている。フィン１５は、一つのリブ１３に対し、中心側から外周側に向けて複数（ここではリブ１３の一方の面につき３個）設けてある。
【００３０】
上記したフィン１５は、リブ１３０の図１０（ｂ）中で下縁から上縁の支持板部７０に向けて、上縁側が下縁側より外周側となるよう傾斜し、また外周側のものほど、隣接するリブ１３０相互の間隔が大きくなるに伴い、円周方向の幅寸法を大きくしてある。
【００３１】
この実施形態においては、フィン１５が、連通路５ｄから流出する反応ガスを整流し、支持板部７０全体にほぼ均一に供給することができ、中心側と外周側とで反応ガス濃度を均一化することができる。これにより、中心側と外周側の温度をより均一化でき、セル９の変形、破壊や劣化を確実に防止することができる。
【００３２】
また、この場合、フィン１５が、放熱フィンとしても機能し、中心側と外周側との熱的平準化をより一層高めることができる。
【００３３】
図１１（ａ），（ｂ）は、この発明の第６の実施形態を示すセルユニット１Ｆの前記図６（ａ），（ｂ）に対応する底面図，側面断面図である。この実施形態は、前記図６に示した第２の実施形態に対し、支持板部７０のリブ１３を設けた側に、補強部材としての環状の針金１７を設けてある。
【００３４】
この針金１７は、同心円状に複数（ここでは２本）設けてあり、図１１（ｂ）に示すように、支持板部７０とリブ１３との境界部分に設ける。
【００３５】
上記した針金１７を設けることで、支持板部７０の強度が向上する。また、この針金１７を導電性材料とすることで、支持板部７０での導電性を高めることができる。
【００３６】
図１２は、本発明に対する比較例を示している。これは、ハブ部１０１の周囲に設けた金属板１０３の図示しないセル設置側の表面に、放射状の溝１０３ａおよび環状の溝１０３ｂをそれぞれ設けている。上記した溝１０３ａ，１０３ｂに、反応ガスを供給することで、この反応ガスを図示しないセルの下部側に送り込む。
【００３７】
この場合、金属板１０３により電気伝導性は向上するが、熱容量は大きく、セル中心側と外周側との熱的平準化はできず、重量も重くなってハブ部１０１での金属板１０３の支持が困難となる。
【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スタック構造とした燃料電池の概略を示す側面断面図である。
【図２】図１のスタック構造におけるセルユニットのセルを省略した状態を示す斜視図である。
【図３】（ａ）は図２の構造体の平面図、（ｂ）は同側面断面図である。
【図４】（ａ）は図２の構造体にセルを設けてセルユニットとした状態の平面図、（ｂ）は同側面断面図である。
【図５】図２の構造体の右半分の側面断面図である。
【図６】この発明の第２の実施形態に係わるセルを省略したセルユニットを示すもので、（ａ）は底面図、（ｂ）は側面断面図である。
【図７】図６のセルユニットの斜視図である。
【図８】この発明の第３の実施形態を示すセルユニットの図５に対応する側面断面図である。
【図９】この発明の第４の実施形態を示すセルユニットの図５に対応する側面断面図である。
【図１０】この発明の第５の実施形態に係わるセルを省略したセルユニットを示すもので、（ａ）は底面図、（ｂ）は側面断面図である。
【図１１】この発明の第６の実施形態に係わるセルを省略したセルユニットを示すもので、（ａ）は底面図、（ｂ）は側面断面図である。
【図１２】この発明に対する比較例に係わるセルを省略したセルユニットを示すもので、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面断面図である。
【符号の説明】
７，７０  支持板部（支持体）
９  セル
１１  セル板
１３，１３０  リブ
１５  フィン
１７  針金（補強部材）
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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