(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板型燃料電池とガス流路を備えたセパレータとを交互に積層した平板型燃料電池スタックにおいて、
複数の前記セパレータのうちの一部は第１のセパレータであり、前記複数のセパレータのうちの残りは前記第１のセパレータと異なる第２のセパレータであり、
前記第１のセパレータは、第１の酸化剤ガス流路と、この第１の酸化剤ガス流路とつながる少なくとも１つの第１の酸化剤ガス供給口と、前記第１の酸化剤ガス流路とつながる少なくとも１つの第１の酸化剤ガス排出口とを有し、
前記第２のセパレータは、第２の酸化剤ガス流路と、この第２の酸化剤ガス流路とつながる少なくとも１つの第２の酸化剤ガス供給口と、前記第２の酸化剤ガス流路とつながる少なくとも１つの第２の酸化剤ガス排出口とを有し、
前記第１の酸化剤ガス供給口と前記第１の酸化剤ガス排出口とは、平板型燃料電池の電解質面と直交して平板型燃料電池を対称に分割する分割面を挟んで互いに反対側に位置するように配置され、
前記第２の酸化剤ガス供給口は、前記分割面に対して前記第１の酸化剤ガス排出口と同じ側に配置され、前記第２の酸化剤ガス排出口は、前記分割面に対して前記第１の酸化剤ガス供給口と同じ側に配置されることを特徴とする平板型燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１に記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
前記第１のセパレータと前記第２のセパレータとは、１枚おき又は複数枚おきに積層されることを特徴とする平板型燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１または２に記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
さらに、前記第１のセパレータに酸化剤ガスを供給する少なくとも１つの第１の酸化剤ガス供給主経路と、
前記第２のセパレータに酸化剤ガスを供給する少なくとも１つの第２の酸化剤ガス供給主経路と、
前記第１のセパレータからの酸化剤ガスを排出する少なくとも１つの第１の酸化剤ガス排出主経路と、
前記第２のセパレータからの酸化剤ガスを排出する少なくとも１つの第２の酸化剤ガス排出主経路と、
前記第１のセパレータ毎に配置された、前記第１のセパレータの第１の酸化剤ガス供給口と前記第１の酸化剤ガス供給主経路とをつなぐ少なくとも１つの第１の酸化剤ガス供給分岐経路と、
前記第２のセパレータ毎に配置された、前記第２のセパレータの第２の酸化剤ガス供給口と前記第２の酸化剤ガス供給主経路とをつなぐ少なくとも１つの第２の酸化剤ガス供給分岐経路と、
前記第１のセパレータ毎に配置された、前記第１のセパレータの第１の酸化剤ガス排出口と前記第１の酸化剤ガス排出主経路とをつなぐ少なくとも１つの第１の酸化剤ガス排出分岐経路と、
前記第２のセパレータ毎に配置された、前記第２のセパレータの第２の酸化剤ガス排出口と前記第２の酸化剤ガス排出主経路とをつなぐ少なくとも１つの第２の酸化剤ガス排出分岐経路とを有することを特徴とする平板型燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項３に記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
前記第１、第２の酸化剤ガス供給主経路と前記第１、第２の酸化剤ガス排出主経路とは、前記平板型燃料電池の積層方向に沿って配置されることを特徴とする平板型燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項１または２に記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
さらに、前記第１のセパレータに酸化剤ガスを供給する少なくとも１つの第１の酸化剤ガス供給主経路と、
前記第２のセパレータに酸化剤ガスを供給する少なくとも１つの第２の酸化剤ガス供給主経路と、
前記第１のセパレータ毎に配置された、前記第１のセパレータの第１の酸化剤ガス供給口と前記第１の酸化剤ガス供給主経路とをつなぐ少なくとも１つの第１の酸化剤ガス供給分岐経路と、
前記第２のセパレータ毎に配置された、前記第２のセパレータの第２の酸化剤ガス供給口と前記第２の酸化剤ガス供給主経路とをつなぐ少なくとも１つの第２の酸化剤ガス供給分岐経路とを有し、
前記酸化剤ガスを前記第１のセパレータの第１の酸化剤ガス排出口および前記第２のセパレータの第２の酸化剤ガス排出口から、平板型燃料電池スタックを収納する容器内に排出することを特徴とする平板型燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項５に記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
前記第１、第２の酸化剤ガス供給主経路は、前記平板型燃料電池の積層方向に沿って配置されることを特徴とする平板型燃料電池スタック。
【請求項７】
請求項４または６に記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
さらに、前記第１のセパレータは、第１の燃料ガス流路と、この第１の燃料ガス流路とつながる少なくとも１つの第１の燃料ガス供給口と、前記第１の燃料ガス流路とつながる少なくとも１つの第１の燃料ガス排出口とを有し、
前記第２のセパレータは、第２の燃料ガス流路と、この第２の燃料ガス流路とつながる少なくとも１つの第２の燃料ガス供給口と、前記第２の燃料ガス流路とつながる少なくとも１つの第２の燃料ガス排出口とを有することを特徴とする平板型燃料電池スタック。
【請求項８】
請求項７に記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
さらに、前記第１のセパレータと前記第２のセパレータに燃料ガスを供給する少なくとも１つの燃料ガス供給主経路と、
前記第１のセパレータと前記第２のセパレータからの燃料ガスを排出する少なくとも１つの燃料ガス排出主経路と、
前記第１、第２のセパレータ毎に配置された、前記第１のセパレータの第１の燃料ガス供給口または前記第２のセパレータの第２の燃料ガス供給口と前記燃料ガス供給主経路とをつなぐ少なくとも１つの燃料ガス供給分岐経路と、
前記第１、第２のセパレータ毎に配置された、前記第１のセパレータの第１の燃料ガス排出口または前記第２のセパレータの第２の燃料ガス排出口と前記燃料ガス排出主経路とをつなぐ少なくとも１つの燃料ガス排出分岐経路とを有することを特徴とする平板型燃料電池スタック。
【請求項９】
請求項８に記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
前記燃料ガス供給主経路と前記燃料ガス排出主経路とは、前記平板型燃料電池の積層方向に沿って配置されることを特徴とする平板型燃料電池スタック。
【請求項１０】
請求項９に記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
前記第１、第２の酸化剤ガス供給主経路と前記第１、第２の酸化剤ガス排出主経路と前記第１、第２の酸化剤ガス供給分岐経路と前記第１、第２の酸化剤ガス排出分岐経路と前記燃料ガス供給主経路と前記燃料ガス排出主経路と前記燃料ガス供給分岐経路と前記燃料ガス排出分岐経路の少なくとも一部に絶縁材料を用いることにより、前記第１、第２の酸化剤ガス供給主経路と前記第１、第２の酸化剤ガス排出主経路と前記第１、第２の酸化剤ガス供給分岐経路と前記第１、第２の酸化剤ガス排出分岐経路と前記燃料ガス供給主経路と前記燃料ガス排出主経路と前記燃料ガス供給分岐経路と前記燃料ガス排出分岐経路が各平板型燃料電池同士の電気的な経路とならないようにしたことを特徴とする平板型燃料電池スタック。
【請求項１１】
請求項１０に記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給排出方式として外部マニホールド方式を採用し、
前記第１、第２の酸化剤ガス供給主経路と前記第１、第２の酸化剤ガス排出主経路と前記燃料ガス供給主経路と前記燃料ガス排出主経路を、それぞれ金属からなる管と絶縁材料からなる管とを交互に積層して管状に成形することにより、前記第１、第２の酸化剤ガス供給主経路と前記第１、第２の酸化剤ガス排出主経路と前記第１、第２の酸化剤ガス供給分岐経路と前記第１、第２の酸化剤ガス排出分岐経路と前記燃料ガス供給主経路と前記燃料ガス排出主経路と前記燃料ガス供給分岐経路と前記燃料ガス排出分岐経路が各平板型燃料電池同士の電気的な経路とならないようにしたことを特徴とする平板型燃料電池スタック。
【請求項１２】
請求項１０に記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給排出方式として外部マニホールド方式を採用し、
前記第１、第２の酸化剤ガス供給主経路と前記第１、第２の酸化剤ガス排出主経路と前記燃料ガス供給主経路と前記燃料ガス排出主経路を、それぞれ絶縁材料を用いて管状に成形することにより、前記第１、第２の酸化剤ガス供給主経路と前記第１、第２の酸化剤ガス排出主経路と前記第１、第２の酸化剤ガス供給分岐経路と前記第１、第２の酸化剤ガス排出分岐経路と前記燃料ガス供給主経路と前記燃料ガス排出主経路と前記燃料ガス供給分岐経路と前記燃料ガス排出分岐経路が各平板型燃料電池同士の電気的な経路とならないようにしたことを特徴とする平板型燃料電池スタック。
【請求項１３】
請求項１０に記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給排出方式として外部マニホールド方式を採用し、
前記第１、第２の酸化剤ガス供給分岐経路と前記第１、第２の酸化剤ガス排出分岐経路と前記燃料ガス供給分岐経路と前記燃料ガス排出分岐経路を、それぞれ絶縁材料を用いて管状に成形することにより、前記第１、第２の酸化剤ガス供給主経路と前記第１、第２の酸化剤ガス排出主経路と前記第１、第２の酸化剤ガス供給分岐経路と前記第１、第２の酸化剤ガス排出分岐経路と前記燃料ガス供給主経路と前記燃料ガス排出主経路と前記燃料ガス供給分岐経路と前記燃料ガス排出分岐経路が各平板型燃料電池同士の電気的な経路とならないようにしたことを特徴とする平板型燃料電池スタック。
【請求項１４】
請求項１０に記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給排出方式として内部マニホールド方式を採用し、
前記第１、第２の酸化剤ガス供給主経路と前記第１、第２の酸化剤ガス排出主経路と前記燃料ガス供給主経路と前記燃料ガス排出主経路を、それぞれ各セパレータに設けられた貫通穴と各セパレータ間に存在する絶縁部材に設けられた貫通穴とによって管状に成形することにより、前記第１、第２の酸化剤ガス供給主経路と前記第１、第２の酸化剤ガス排出主経路と前記第１、第２の酸化剤ガス供給分岐経路と前記第１、第２の酸化剤ガス排出分岐経路と前記燃料ガス供給主経路と前記燃料ガス排出主経路と前記燃料ガス供給分岐経路と前記燃料ガス排出分岐経路が各平板型燃料電池同士の電気的な経路とならないようにしたことを特徴とする平板型燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平板型燃料電池とセパレータを交互に積層した平板型燃料電池スタックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１２は、従来のクロスフロー型平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。図１２において、３は酸化剤ガス、４は酸化剤ガスの供給分岐経路、５は酸化剤ガスの排出分岐経路、６は燃料ガスの供給主経路、７は燃料ガスの排出主経路、８は燃料ガス、９は燃料ガスの供給分岐経路、１０は燃料ガスの排出分岐経路、１２は平板型燃料電池、１３は平板型燃料電池１２を対称に分割する分割線、１４は酸化剤ガスの供給口、１５は酸化剤ガスの排出口、１６は燃料ガスの供給口、１７は燃料ガスの排出口、１９は酸化剤ガスの供給主経路、２０は酸化剤ガスの排出主経路、２１はセパレータである。
【０００３】
燃料極と空気極がセラミックスの電解質を介して配置され、水素を始めとする燃料ガスと空気を始めとする酸化剤ガスとを供給することにより発電する燃料電池において、実用上十分な発電電力を得るためには、平板型燃料電池１２を複数個、電気的に接続することが必要となる。隣り合う平板型燃料電池１２の燃料ガスと酸化剤ガスとを分離して、燃料電池１２の燃料極に燃料ガスを供給し、かつ空気極に酸化剤ガスを供給しつつ、個々の燃料電池１２を電気的に接続するために、電気伝導性の高いセパレータ２１を用い、平板型燃料電池１２をセパレータ２１を介して複数個接続するようにしている。セパレータ２１は、片面に燃料ガスの流路を有し、且つその反対側の面に酸化剤ガスの流路を有する。
【０００４】
燃料ガス８は、燃料ガスの供給主経路６および燃料ガスの供給分岐経路９を介して、平板型燃料電池スタックを構成する各セパレータ２１の燃料ガスの供給口１６に供給される。燃料ガスの供給口１６に供給された燃料ガス８は、各セパレータ２１に設けられた燃料ガスの流路を流れて燃料ガスの排出口１７に到達するまでに発電に利用される。発電に利用された後の燃料ガス８は、燃料ガスの排出分岐経路１０および燃料ガスの排出主経路７を介して排出される。
【０００５】
一方、酸化剤ガス３は、酸化剤ガスの供給主経路１９および酸化剤ガスの供給分岐経路４を介して、平板型燃料電池スタックを構成する各セパレータ２１の酸化剤ガスの供給口１４に供給される。酸化剤ガスの供給口１４に供給された酸化剤ガス３は、各セパレータ２１に設けられた酸化剤ガスの流路を流れて酸化剤ガスの排出口１５に到達するまでに発電に利用される。発電に利用された後の酸化剤ガス３は、酸化剤ガスの排出分岐経路５および酸化剤ガスの排出主経路２０を介して排出される。
【０００６】
以上のような燃料ガス８および酸化剤ガス３の供給方式は、外部マニホールド方式と呼ばれる。従来の平板型燃料電池スタックでは、平板型燃料電池を対称に分割する分割線１３を境界に右側と左側を区別した場合に、酸化剤ガスの供給口１４は全て右側にあり、酸化剤ガスの排出口１５は全て左側にあった。すなわち、酸化剤ガス３がセパレータ２１内を流れる方向は１方向であった。
【０００７】
図１３は、従来の平板型燃料電池スタックにおける平板型燃料電池１２の電解質の温度分布のシミュレーション結果を示す図である。図１３は、電解質の最高温度を１０７３Ｋとした場合の温度分布を示している。図１３の縦軸は、平板型燃料電池１２の電解質の温度Ｔである。図１３の横軸は、平板型燃料電池１２上の位置ｘ／Ｒであり、このｘ／Ｒは、分割線１３と直交し且つ平板型燃料電池１２の中心を通る線を、平板型燃料電池１２の上面および底面に対して平行に設定したときに、この線上の位置ｘを平板型燃料電池１２の半径Ｒで規格化した値であり、平板型燃料電池１２の中心位置を０としている。図１３の横軸に記載された「右」は図１２の右側に相当し、「左」は図１２の左側に相当する。したがって、ｘ／Ｒ＝１は図１２の平板型燃料電池１２の右端を示し、ｘ／Ｒ＝−１は平板型燃料電池１２の左端を示している。
【０００８】
ここでは、燃料ガス８を水素とし、酸化剤ガス３を空気とし、平板型燃料電池１２の電解質を固体酸化物形電解質とした。平板型燃料電池スタックを構成する平板型燃料電池（セル）１２の数は３である。図１３のセル番号は、各平板型燃料電池１２に対して図１２の下側から順にセル１、セル２、セル３と割り振ったものである。
【０００９】
電解質の温度分布のシミュレーションは、燃料ガス８の３次元方向の速度と圧力の方程式に境界条件を与えてフルーエント（FLUENT）社の流体解析ソフトウェアを用いて方程式を解くことにより、燃料ガス流のシミュレーションを行うと共に、酸化剤ガス３の３次元方向の速度と圧力の方程式に境界条件を与えて前記流体解析ソフトウェアを用いて方程式を解くことにより、酸化剤ガス流のシミュレーションを行い、この燃料ガス流と酸化剤ガス流のシミュレーション結果に基づいて平板型燃料電池１２の電解質の電気化学反応のシミュレーションを前記流体解析ソフトウェアを用いて行うことにより、電解質の温度を計算上で求めたものである。
【００１０】
図１３によれば、酸化剤ガス３の流れる方向に沿って、電解質に大きな温度勾配が生じていることが分かる。平板型燃料電池１２は最高温度（図１３の例では１０７３Ｋ）を規定して発電するので、電解質の温度勾配が大きいと、電解質面内の温度勾配に応じて最低温度が低くなる。低温部分のセル性能は低いので、電解質の温度勾配が大きくなることは平板型燃料電池１２の性能が低下することにつながる。３つの平板型燃料電池１２を直列に接続したときのスタック電圧を、図１３のシミュレーション結果に基づいて計算すると、１．７Ｖであった。
【００１１】
【非特許文献１】田川博章，「固体酸化物形燃料電池」，アグネ承風社，１９９８年，ｐ．２７１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
以上のように、従来の平板型燃料電池スタックでは、各平板型燃料電池の電解質面内の温度勾配が大きいために、平板型燃料電池スタックの性能が低下するという問題点があった。
【００１３】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、各平板型燃料電池の電解質面内の温度勾配を小さくして、平板型燃料電池スタックの性能を向上させることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の平板型燃料電池スタックでは、燃料極に燃料ガスが供給され、かつ空気極に酸化剤ガスが供給される平板型燃料電池と、片面に燃料ガスの流路を有し、かつ反対側の面に酸化剤ガスの流路を有するセパレータとを、平板型燃料電池の燃料極とセパレータの燃料ガス流路とが相対し、かつ平板型燃料電池の空気極とセパレータの酸化剤ガス流路とが相対するように積層している。そして、本発明は、このような平板型燃料電池スタックにおいて、複数の前記セパレータのうちの一部は第１のセパレータであり、前記複数のセパレータのうちの残りは前記第１のセパレータと異なる第２のセパレータであり、前記第１のセパレータは、第１の酸化剤ガス流路と、この第１の酸化剤ガス流路とつながる少なくとも１つの第１の酸化剤ガス供給口と、前記第１の酸化剤ガス流路とつながる少なくとも１つの第１の酸化剤ガス排出口とを有し、前記第２のセパレータは、第２の酸化剤ガス流路と、この第２の酸化剤ガス流路とつながる少なくとも１つの第２の酸化剤ガス供給口と、前記第２の酸化剤ガス流路とつながる少なくとも１つの第２の酸化剤ガス排出口とを有し、前記第１の酸化剤ガス供給口と前記第１の酸化剤ガス排出口とは、平板型燃料電池の電解質面と直交して平板型燃料電池を対称に分割する分割面を挟んで互いに反対側に位置するように配置され、前記第２の酸化剤ガス供給口は、前記分割面に対して前記第１の酸化剤ガス排出口と同じ側に配置され、前記第２の酸化剤ガス排出口は、前記分割面に対して前記第１の酸化剤ガス供給口と同じ側に配置されることを特徴とするものである。
【００１５】
また、本発明の平板型燃料電池スタックの１構成例において、前記第１のセパレータと前記第２のセパレータとは、１枚おき又は複数枚おきに積層されるものである。
また、本発明の平板型燃料電池スタックの１構成例は、さらに、前記第１のセパレータに酸化剤ガスを供給する少なくとも１つの第１の酸化剤ガス供給主経路と、前記第２のセパレータに酸化剤ガスを供給する少なくとも１つの第２の酸化剤ガス供給主経路と、前記第１のセパレータからの酸化剤ガスを排出する少なくとも１つの第１の酸化剤ガス排出主経路と、前記第２のセパレータからの酸化剤ガスを排出する少なくとも１つの第２の酸化剤ガス排出主経路と、前記第１のセパレータ毎に配置された、前記第１のセパレータの第１の酸化剤ガス供給口と前記第１の酸化剤ガス供給主経路とをつなぐ少なくとも１つの第１の酸化剤ガス供給分岐経路と、前記第２のセパレータ毎に配置された、前記第２のセパレータの第２の酸化剤ガス供給口と前記第２の酸化剤ガス供給主経路とをつなぐ少なくとも１つの第２の酸化剤ガス供給分岐経路と、前記第１のセパレータ毎に配置された、前記第１のセパレータの第１の酸化剤ガス排出口と前記第１の酸化剤ガス排出主経路とをつなぐ少なくとも１つの第１の酸化剤ガス排出分岐経路と、前記第２のセパレータ毎に配置された、前記第２のセパレータの第２の酸化剤ガス排出口と前記第２の酸化剤ガス排出主経路とをつなぐ少なくとも１つの第２の酸化剤ガス排出分岐経路とを有するものである。
また、本発明の平板型燃料電池スタックの１構成例において、前記第１、第２の酸化剤ガス供給主経路と前記第１、第２の酸化剤ガス排出主経路とは、前記平板型燃料電池の積層方向に沿って配置されるものである。
【００１６】
また、本発明の平板型燃料電池スタックの１構成例は、さらに、前記第１のセパレータに酸化剤ガスを供給する少なくとも１つの第１の酸化剤ガス供給主経路と、前記第２のセパレータに酸化剤ガスを供給する少なくとも１つの第２の酸化剤ガス供給主経路と、前記第１のセパレータ毎に配置された、前記第１のセパレータの第１の酸化剤ガス供給口と前記第１の酸化剤ガス供給主経路とをつなぐ少なくとも１つの第１の酸化剤ガス供給分岐経路と、前記第２のセパレータ毎に配置された、前記第２のセパレータの第２の酸化剤ガス供給口と前記第２の酸化剤ガス供給主経路とをつなぐ少なくとも１つの第２の酸化剤ガス供給分岐経路とを有し、前記酸化剤ガスを前記第１のセパレータの第１の酸化剤ガス排出口および前記第２のセパレータの第２の酸化剤ガス排出口から、平板型燃料電池スタックを収納する容器内に排出することを特徴とするものである。
また、本発明の平板型燃料電池スタックの１構成例において、前記第１、第２の酸化剤ガス供給主経路は、前記平板型燃料電池の積層方向に沿って配置されるものである。
また、本発明の平板型燃料電池スタックの１構成例において、前記第１のセパレータは、第１の燃料ガス流路と、この第１の燃料ガス流路とつながる少なくとも１つの第１の燃料ガス供給口と、前記第１の燃料ガス流路とつながる少なくとも１つの第１の燃料ガス排出口とを有し、前記第２のセパレータは、第２の燃料ガス流路と、この第２の燃料ガス流路とつながる少なくとも１つの第２の燃料ガス供給口と、前記第２の燃料ガス流路とつながる少なくとも１つの第２の燃料ガス排出口とを有するものである。
また、本発明の平板型燃料電池スタックの１構成例は、さらに、さらに、前記第１のセパレータと前記第２のセパレータに燃料ガスを供給する少なくとも１つの燃料ガス供給主経路と、前記第１のセパレータと前記第２のセパレータからの燃料ガスを排出する少なくとも１つの燃料ガス排出主経路と、前記第１、第２のセパレータ毎に配置された、前記第１のセパレータの第１の燃料ガス供給口または前記第２のセパレータの第２の燃料ガス供給口と前記燃料ガス供給主経路とをつなぐ少なくとも１つの燃料ガス供給分岐経路と、前記第１、第２のセパレータ毎に配置された、前記第１のセパレータの第１の燃料ガス排出口または前記第２のセパレータの第２の燃料ガス排出口と前記燃料ガス排出主経路とをつなぐ少なくとも１つの燃料ガス排出分岐経路とを有するものである。
また、本発明の平板型燃料電池スタックの１構成例において、前記燃料ガス供給主経路と前記燃料ガス排出主経路とは、前記平板型燃料電池の積層方向に沿って配置されるものである。
【００１７】
また、本発明の平板型燃料電池スタックの１構成例は、前記第１、第２の酸化剤ガス供給主経路と前記第１、第２の酸化剤ガス排出主経路と前記第１、第２の酸化剤ガス供給分岐経路と前記第１、第２の酸化剤ガス排出分岐経路と前記燃料ガス供給主経路と前記燃料ガス排出主経路と前記燃料ガス供給分岐経路と前記燃料ガス排出分岐経路の少なくとも一部に絶縁材料を用いることにより、前記第１、第２の酸化剤ガス供給主経路と前記第１、第２の酸化剤ガス排出主経路と前記第１、第２の酸化剤ガス供給分岐経路と前記第１、第２の酸化剤ガス排出分岐経路と前記燃料ガス供給主経路と前記燃料ガス排出主経路と前記燃料ガス供給分岐経路と前記燃料ガス排出分岐経路が各平板型燃料電池同士の電気的な経路とならないようにしたものである。
また、本発明の平板型燃料電池スタックの１構成例は、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給排出方式として外部マニホールド方式を採用し、前記第１、第２の酸化剤ガス供給主経路と前記第１、第２の酸化剤ガス排出主経路と前記燃料ガス供給主経路と前記燃料ガス排出主経路を、それぞれ金属からなる管と絶縁材料からなる管とを交互に積層して管状に成形することにより、前記第１、第２の酸化剤ガス供給主経路と前記第１、第２の酸化剤ガス排出主経路と前記第１、第２の酸化剤ガス供給分岐経路と前記第１、第２の酸化剤ガス排出分岐経路と前記燃料ガス供給主経路と前記燃料ガス排出主経路と前記燃料ガス供給分岐経路と前記燃料ガス排出分岐経路が各平板型燃料電池同士の電気的な経路とならないようにしたものである。
また、本発明の平板型燃料電池スタックの１構成例は、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給排出方式として外部マニホールド方式を採用し、前記第１、第２の酸化剤ガス供給主経路と前記第１、第２の酸化剤ガス排出主経路と前記燃料ガス供給主経路と前記燃料ガス排出主経路を、それぞれ絶縁材料を用いて管状に成形することにより、前記第１、第２の酸化剤ガス供給主経路と前記第１、第２の酸化剤ガス排出主経路と前記第１、第２の酸化剤ガス供給分岐経路と前記第１、第２の酸化剤ガス排出分岐経路と前記燃料ガス供給主経路と前記燃料ガス排出主経路と前記燃料ガス供給分岐経路と前記燃料ガス排出分岐経路が各平板型燃料電池同士の電気的な経路とならないようにしたものである。
【００１８】
また、本発明の平板型燃料電池スタックの１構成例は、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給排出方式として外部マニホールド方式を採用し、前記第１、第２の酸化剤ガス供給分岐経路と前記第１、第２の酸化剤ガス排出分岐経路と前記燃料ガス供給分岐経路と前記燃料ガス排出分岐経路を、それぞれ絶縁材料を用いて管状に成形することにより、前記第１、第２の酸化剤ガス供給主経路と前記第１、第２の酸化剤ガス排出主経路と前記第１、第２の酸化剤ガス供給分岐経路と前記第１、第２の酸化剤ガス排出分岐経路と前記燃料ガス供給主経路と前記燃料ガス排出主経路と前記燃料ガス供給分岐経路と前記燃料ガス排出分岐経路が各平板型燃料電池同士の電気的な経路とならないようにしたものである。
また、本発明の平板型燃料電池スタックの１構成例は、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給排出方式として内部マニホールド方式を採用し、前記第１、第２の酸化剤ガス供給主経路と前記第１、第２の酸化剤ガス排出主経路と前記燃料ガス供給主経路と前記燃料ガス排出主経路を、それぞれ各セパレータに設けられた貫通穴と各セパレータ間に存在する絶縁部材に設けられた貫通穴とによって管状に成形することにより、前記第１、第２の酸化剤ガス供給主経路と前記第１、第２の酸化剤ガス排出主経路と前記第１、第２の酸化剤ガス供給分岐経路と前記第１、第２の酸化剤ガス排出分岐経路と前記燃料ガス供給主経路と前記燃料ガス排出主経路と前記燃料ガス供給分岐経路と前記燃料ガス排出分岐経路が各平板型燃料電池同士の電気的な経路とならないようにしたものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、複数のセパレータのうちの一部を第１のセパレータとし、残りを第２のセパレータとして、第１のセパレータに、平板型燃料電池の電解質面と平行な第１の方向に配置された第１の酸化剤ガス供給口と、第１の方向と反対の第２の方向に配置された第１の酸化剤ガス排出口とを設け、第２のセパレータに、第２の方向に配置された第２の酸化剤ガス供給口と、第１の方向に配置された第２の酸化剤ガス排出口とを設けることにより、平板型燃料電池に対する酸化剤ガスの供給排出方向が第１のセパレータと第２のセパレータで反転するので、酸化剤ガスの供給排出方向に沿って生じる電解質の温度勾配を第１のセパレータと第２のセパレータで打ち消し合うようにすることができる。その結果、本発明では、従来の平板型燃料電池スタックと比較して電解質の温度勾配を低減することができ、平板型燃料電池の平均温度を高くすることができ、平板型燃料電池スタックの性能を従来よりも向上させることができる。また、本発明では、電解質の温度勾配を低減できることから、電解質の劣化を抑制でき、平板型燃料電池の大口径化も可能となる。
【００２０】
また、本発明では、第１、第２の酸化剤ガス供給主経路と第１、第２の酸化剤ガス排出主経路と第１、第２の酸化剤ガス供給分岐経路と第１、第２の酸化剤ガス排出分岐経路と燃料ガス供給主経路と燃料ガス排出主経路と燃料ガス供給分岐経路と燃料ガス排出分岐経路の少なくとも一部に絶縁材料を用いることにより、第１、第２の酸化剤ガス供給主経路と第１、第２の酸化剤ガス排出主経路と第１、第２の酸化剤ガス供給分岐経路と第１、第２の酸化剤ガス排出分岐経路と燃料ガス供給主経路と燃料ガス排出主経路と燃料ガス供給分岐経路と燃料ガス排出分岐経路が各平板型燃料電池同士の電気的な経路とならないようにすることができ、セパレータによる各平板型燃料電池間の電気的な接続を損なうことのないようにすることができる。
【００２１】
また、本発明では、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給排出方式として外部マニホールド方式を採用する場合に、第１、第２の酸化剤ガス供給主経路と第１、第２の酸化剤ガス排出主経路と燃料ガス供給主経路と燃料ガス排出主経路を、それぞれ金属からなる管と絶縁材料からなる管とを交互に積層して管状に成形することにより、第１、第２の酸化剤ガス供給主経路と第１、第２の酸化剤ガス排出主経路と第１、第２の酸化剤ガス供給分岐経路と第１、第２の酸化剤ガス排出分岐経路と燃料ガス供給主経路と燃料ガス排出主経路と燃料ガス供給分岐経路と燃料ガス排出分岐経路が各平板型燃料電池同士の電気的な経路とならないようにすることができる。
【００２２】
また、本発明では、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給排出方式として外部マニホールド方式を採用する場合に、第１、第２の酸化剤ガス供給主経路と第１、第２の酸化剤ガス排出主経路と燃料ガス供給主経路と燃料ガス排出主経路を、それぞれ絶縁材料を用いて管状に成形することにより、第１、第２の酸化剤ガス供給主経路と第１、第２の酸化剤ガス排出主経路と第１、第２の酸化剤ガス供給分岐経路と第１、第２の酸化剤ガス排出分岐経路と燃料ガス供給主経路と燃料ガス排出主経路と燃料ガス供給分岐経路と燃料ガス排出分岐経路が各平板型燃料電池同士の電気的な経路とならないようにすることができる。
【００２３】
また、本発明では、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給排出方式として外部マニホールド方式を採用する場合に、第１、第２の酸化剤ガス供給分岐経路と第１、第２の酸化剤ガス排出分岐経路と燃料ガス供給分岐経路と燃料ガス排出分岐経路を、それぞれ絶縁材料を用いて管状に成形することにより、第１、第２の酸化剤ガス供給主経路と第１、第２の酸化剤ガス排出主経路と第１、第２の酸化剤ガス供給分岐経路と第１、第２の酸化剤ガス排出分岐経路と燃料ガス供給主経路と燃料ガス排出主経路と燃料ガス供給分岐経路と燃料ガス排出分岐経路が各平板型燃料電池同士の電気的な経路とならないようにすることができる。
【００２４】
また、本発明では、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給排出方式として内部マニホールド方式を採用する場合に、第１、第２の酸化剤ガス供給主経路と第１、第２の酸化剤ガス排出主経路と燃料ガス供給主経路と燃料ガス排出主経路を、それぞれ各セパレータに設けられた貫通穴と各セパレータ間に存在する絶縁部材に設けられた貫通穴とによって管状に成形することにより、第１、第２の酸化剤ガス供給主経路と第１、第２の酸化剤ガス排出主経路と第１、第２の酸化剤ガス供給分岐経路と第１、第２の酸化剤ガス排出分岐経路と燃料ガス供給主経路と燃料ガス排出主経路と燃料ガス供給分岐経路と燃料ガス排出分岐経路が各平板型燃料電池同士の電気的な経路とならないようにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。図１において、１は燃料電池スタックに対して酸化剤ガスを図１の左側から供給する左供給主経路（第１の酸化剤ガス供給主経路）、１’は燃料電池スタックに対して酸化剤ガスを図１の右側から供給する右供給主経路（第２の酸化剤ガス供給主経路）、２は燃料電池スタックの右側から排出された酸化剤ガスが流入する右排出主経路（第１の酸化剤ガス排出主経路）、２’は燃料電池スタックの左側から排出された酸化剤ガスが流入する左排出主経路（第２の酸化剤ガス排出主経路）、３は酸化剤ガス、４は酸化剤ガスの左供給分岐経路（第１の酸化剤ガス供給分岐経路）、４’は酸化剤ガスの右供給分岐経路（第２の酸化剤ガス供給分岐経路）、５は酸化剤ガスの右排出分岐経路（第１の酸化剤ガス排出分岐経路）、５’は酸化剤ガスの左排出分岐経路（第２の酸化剤ガス排出分岐経路）、６は燃料ガスの供給主経路、７は燃料ガスの排出主経路、８は燃料ガス、９は燃料ガスの供給分岐経路、１０は燃料ガスの排出分岐経路、１１は酸化剤ガス３の供給を左側から受けて酸化剤ガス３を右側に排出する左供給右排出セパレータ（第１のセパレータ）、１１’は酸化剤ガス３の供給を右側から受けて酸化剤ガス３を左側に排出する右供給左排出セパレータ（第２のセパレータ）、１２は平板型燃料電池、１３は平板型燃料電池１２を対称に分割する分割線、１４，１４’は酸化剤ガスの供給口、１５，１５’は酸化剤ガスの排出口、１６は燃料ガスの供給口、１７は燃料ガスの排出口である。
【００２６】
本実施の形態では、平板型燃料電池１２を対称に分割する分割線１３を境界として右側と左側を区別する。左供給右排出セパレータ１１は、左側に酸化剤ガスの供給口（第１の酸化剤ガス供給口）１４を有し、右側に酸化剤ガスの排出口（第１の酸化剤ガス排出口）１５を有する。右供給左排出セパレータ１１’は、右側に酸化剤ガスの供給口（第２の酸化剤ガス供給口）１４’を有し、左側に酸化剤ガスの排出口（第２の酸化剤ガス排出口）１５’を有する。また、各セパレータ１１，１１’は、燃料ガスの供給口と燃料ガスの排出口を１つずつ有する。左供給右排出セパレータ１１と右供給左排出セパレータ１１’とは、１枚おきに積層される。
【００２７】
図２は、平板型燃料電池スタックの平板型燃料電池１２およびセパレータ１１，１１’の断面図である。図２に示すように、各平板型燃料電池１２は、セラミックス製の電解質１２０の一方の面に燃料極１２１を配置し、電解質１２０の反対側の面に空気極１２２を配置した構成を有する。左供給右排出セパレータ１１と右供給左排出セパレータ１１’は、それぞれ導電性のセラミックスまたは金属からなり、一方の面に燃料ガス流路１１０，１１０’が形成され、反対側の面に酸化剤ガス流路１１１，１１１’が形成されている。
【００２８】
本実施の形態では、平板型燃料電池１２とセパレータは交互に積層され、かつセパレータが左供給右排出セパレータ１１→右供給左排出セパレータ１１’→左供給右排出セパレータ１１→右供給左排出セパレータ１１’・・・・というように周期的に変わる構造となっている。
【００２９】
このとき、平板型燃料電池１２の燃料極１２１とセパレータ１１，１１’の燃料ガス流路１１０，１１０’とが相対し、かつ平板型燃料電池１２の空気極１２２とセパレータ１１，１１’の酸化剤ガス流路１１１，１１１’とが相対するように積層される。これにより、セパレータ１１，１１’の燃料ガス流路１１０，１１０’を通じて平板型燃料電池１２の燃料極１２１に燃料ガスが供給され、セパレータ１１，１１’の酸化剤ガス流路１１１，１１１’を通じて平板型燃料電池１２の空気極１２２に酸化剤ガスが供給される。
【００３０】
本実施の形態の燃料ガス８および酸化剤ガス３の供給排出方式は、いわゆる外部マニホールド方式である。
本実施の形態が図１２に示した従来の平板型燃料電池スタックと大きく異なる点は、酸化剤ガス３の供給排出方向が周期的に略反転することである。
【００３１】
酸化剤ガス３は、酸化剤ガスの左供給主経路１および左供給分岐経路４を介して各セパレータ１１の酸化剤ガスの供給口１４に供給される。供給口１４に供給された酸化剤ガス３は、各セパレータ１１に設けられた酸化剤ガスの流路を流れて酸化剤ガスの排出口１５に到達するまでに発電に利用される。発電に利用された後の酸化剤ガス３は、酸化剤ガスの右排出分岐経路５および右排出主経路２を介して排出される。また、酸化剤ガス３は、酸化剤ガスの右供給主経路１’および右供給分岐経路４’を介して各セパレータ１１’の酸化剤ガスの供給口１４’に供給される。供給口１４’に供給された酸化剤ガス３は、各セパレータ１１’に設けられた酸化剤ガスの流路を流れて酸化剤ガスの排出口１５’に到達するまでに発電に利用される。発電に利用された後の酸化剤ガス３は、酸化剤ガスの左排出分岐経路５’および左排出主経路２’を介して排出される。
【００３２】
燃料ガス８は、燃料ガスの供給主経路６および供給分岐経路９を介して各セパレータ１１，１１’の燃料ガスの供給口１６に供給される。供給口１６に供給された燃料ガス８は、各セパレータ１１，１１’に設けられた燃料ガスの流路を流れて燃料ガスの排出口１７に到達するまでに発電に利用される。発電に利用された後の燃料ガス８は、燃料ガスの排出分岐経路１０および排出主経路７を介して排出される。
【００３３】
酸化剤ガスの供給主経路１，１’、酸化剤ガスの排出主経路２，２’、燃料ガスの供給主経路６および燃料ガスの排出主経路７は、それぞれ金属製の管と電気的絶縁材料からなる管とを交互に積層して管状に成形したものである。このように金属からなる管と絶縁材料からなる管とを交互に積層することにより、供給主経路１，１’，６と排出主経路２，２’，７とを平板型燃料電池スタックに取り付けたときに、これらの経路が各平板型燃料電池１２同士を接続する電気的な経路とならないようにしている。
【００３４】
なお、酸化剤ガスの供給主経路１，１’、酸化剤ガスの排出主経路２，２’、燃料ガスの供給主経路６および燃料ガスの排出主経路７を、それぞれ電気的絶縁材料により管状に成形するようにしてもよい。これにより、供給主経路１，１’，６と排出主経路２，２’，７とを平板型燃料電池スタックに取り付けたときに、これらの経路が各平板型燃料電池１２同士を接続する電気的な経路とならないようにすることができる。
【００３５】
また、酸化剤ガスの供給分岐経路４，４’、酸化剤ガスの排出分岐経路５，５’、燃料ガスの供給分岐経路９および燃料ガスの排出分岐経路１０を、それぞれ電気的絶縁材料により管状に成形するようにしてもよい。これにより、供給主経路１，１’，６と排出主経路２，２’，７が金属製であっても、これらの経路が各平板型燃料電池１２同士を接続する電気的な経路とならないようにすることができる。
【００３６】
図３は、本実施の形態の平板型燃料電池スタックにおける平板型燃料電池１２の電解質の温度分布のシミュレーション結果を示す図である。図３は、電解質の最高温度を１０７３Ｋとした場合の温度分布を示している。図３の縦軸は、平板型燃料電池１２の電解質の温度Ｔである。図３の横軸は、平板型燃料電池１２上の位置ｘ／Ｒであり、このｘ／Ｒは、分割線１３と直交し且つ平板型燃料電池１２の中心を通る線を、平板型燃料電池１２の上面および底面に対して平行に設定したときに、この線上の位置ｘを平板型燃料電池１２の半径Ｒで規格化した値であり、平板型燃料電池１２の中心位置を０としている。図３の横軸に記載された「右」は図１の右側に相当し、「左」は図１の左側に相当する。したがって、ｘ／Ｒ＝１は図１の平板型燃料電池１２の右端を示し、ｘ／Ｒ＝−１は平板型燃料電池１２の左端を示している。
【００３７】
ここでは、燃料ガス８を水素とし、酸化剤ガス３を空気とし、平板型燃料電池１２の電解質を固体酸化物形電解質とした。平板型燃料電池スタックを構成する平板型燃料電池（セル）１２の数は３である。図３のセル番号は、各平板型燃料電池１２に対して図１の下側から順にセル１、セル２、セル３と割り振ったものである。電解質の温度分布のシミュレーションは、図１３の例と同様の手法により行っている。
【００３８】
図３から明らかなように、本実施の形態では、図１２に示した従来の平板型燃料電池スタックよりも電解質の温度勾配が小さくなり、またｘ／Ｒ＝０を中点とする酸化剤ガス流の前半区間（セル１とセル３の場合はｘ／Ｒ＝１〜０の区間、セル２の場合はｘ／Ｒ＝−１〜０の区間）および後半区間（セル１とセル３の場合はｘ／Ｒ＝０〜−１の区間、セル２の場合はｘ／Ｒ＝０〜１の区間）での温度勾配も小さくなっていることが分かる。最低温度と最高温度の差は、図１３の例と比較して６０Ｋ小さくなっている。
【００３９】
平板型燃料電池１２は最高温度（図３の例では１０７３Ｋ）を規定して発電するので、電解質の温度勾配が大きいと、電解質面内の温度勾配に応じて最低温度が低くなる。本実施の形態では、従来の平板型燃料電池スタックと比較して電解質の温度勾配が小さいので、平板型燃料電池１２の平均温度が高くなっている。
【００４０】
以上のように、本実施の形態では、平板型燃料電池１２に対する酸化剤ガス３の供給排出方向を周期的に反転させることにより、酸化剤ガス３の供給排出方向に沿って生じる電解質の温度勾配が互いに打ち消しあうため、酸化剤ガス３の供給排出方向が１方向しかない従来の平板型燃料電池スタックと比較して電解質面内の温度勾配を低減でき、平板型燃料電池１２の平均温度を高くできることが、シミュレーションにより明らかとなった。これにより、本実施の形態では、平板型燃料電池スタックの性能を従来よりも向上させることができる。３つの平板型燃料電池１２を直列に接続したときのスタック電圧を、図３のシミュレーション結果に基づいて計算すると、図１３のシミュレーション結果よりも高い１．９０Ｖであった。
【００４１】
また、本実施の形態では、電解質の温度勾配を低減できることから、電解質の膨張収縮の歪みを緩和することができるので、電解質の劣化を抑制でき、電解質の長期安定性が増すばかりでなく、平板型燃料電池１２の大口径化も可能となる。
【００４２】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図４は、本発明の第２の実施の形態に係る平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。第１の実施の形態では、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給排出方式として外部マニホールド方式を採用したが、本実施の形態は燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給排出方式として内部マニホールド方式を採用したものである。
【００４３】
図４において、１は酸化剤ガスの左供給主経路、１’は酸化剤ガスの右供給主経路、２は酸化剤ガスの右排出主経路、２’は酸化剤ガスの左排出主経路、３は酸化剤ガス、４は酸化剤ガスの左供給分岐経路、４’は酸化剤ガスの右供給分岐経路、５は酸化剤ガスの右排出分岐経路、５’は酸化剤ガスの左排出分岐経路、６は燃料ガスの供給主経路、７は燃料ガスの排出主経路、８は燃料ガス、９は燃料ガスの供給分岐経路、１０は燃料ガスの排出分岐経路、１１は左供給右排出セパレータ、１１’は右供給左排出セパレータ、１８は絶縁部材である。
【００４４】
内部マニホールド方式では、セパレータ１１，１１’と絶縁部材１８とを積層した図４の円筒形の中心部の領域に平板型燃料電池（不図示）が配置されている。すなわち、セパレータ１１と１１’間にそれぞれ平板型燃料電池が配置され、この平板型燃料電池の周りを取り囲むように絶縁部材１８が配置されている。これにより、図４の円筒形の内部で平板型燃料電池とセパレータとが交互に積層され、かつセパレータが左供給右排出セパレータ１１→右供給左排出セパレータ１１’→左供給右排出セパレータ１１→右供給左排出セパレータ１１’・・・・というように周期的に変わる構造が実現されている。
【００４５】
各セパレータ１１，１１’は、各平板型燃料電池を電気的に接続する役割を持つと共に、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給・排出の役割を持っている。すなわち、各セパレータ１１，１１’には、それぞれ６つの貫通穴が形成され、この６つの貫通穴が酸化剤ガスの供給主経路１，１’、酸化剤ガスの排出主経路２，２’、燃料ガスの供給主経路６および燃料ガスの排出主経路７を構成している。
【００４６】
また、左供給右排出セパレータ１１には、酸化剤ガスの左供給分岐経路４、酸化剤ガスの右排出分岐経路５、燃料ガスの供給分岐経路９および燃料ガスの排出分岐経路１０がそれぞれ管状若しくは溝状に形成されている。これにより、酸化剤ガスの左供給主経路１とセパレータ１１の酸化剤ガスの流路とが左供給分岐経路４を介して接続され、セパレータ１１の酸化剤ガスの流路と酸化剤ガスの右排出主経路２とが右排出分岐経路５を介して接続され、燃料ガスの供給主経路６とセパレータ１１の燃料ガスの流路とが供給分岐経路９を介して接続され、セパレータ１１の燃料ガスの流路と燃料ガスの排出主経路７とが排出分岐経路１０を介して接続されている。
【００４７】
同様に、右供給左排出セパレータ１１’には、酸化剤ガスの右供給分岐経路４’、酸化剤ガスの左排出分岐経路５’、燃料ガスの供給分岐経路９および燃料ガスの排出分岐経路１０がそれぞれ管状若しくは溝状に形成されている。これにより、酸化剤ガスの右供給主経路１’とセパレータ１１’の酸化剤ガスの流路とが右供給分岐経路４’を介して接続され、セパレータ１１’の酸化剤ガスの流路と酸化剤ガスの左排出主経路２’とが左排出分岐経路５’を介して接続され、燃料ガスの供給主経路６とセパレータ１１’の燃料ガスの流路とが供給分岐経路９を介して接続され、セパレータ１１’の燃料ガスの流路と燃料ガスの排出主経路７とが排出分岐経路１０を介して接続されている。
【００４８】
セパレータ１１，１１’と同様に、各絶縁部材１８には、それぞれ６つの貫通穴が形成され、この６つの貫通穴が酸化剤ガスの供給主経路１，１’、酸化剤ガスの排出主経路２，２’、燃料ガスの供給主経路６および燃料ガスの排出主経路７を構成している。各平板型燃料電池の周囲に絶縁部材１８を設け、この絶縁部材１８に酸化剤ガスの供給主経路１，１’、酸化剤ガスの排出主経路２，２’、燃料ガスの供給主経路６および燃料ガスの排出主経路７の役割を持たせることで、供給主経路１，１’，６と排出主経路２，２’，７が各平板型燃料電池の燃料極と空気極を接続する電気的な経路とならないようにすることができる。
【００４９】
第１の実施の形態と同様に、酸化剤ガス３は、酸化剤ガスの左供給主経路１および左供給分岐経路４を介して各セパレータ１１の酸化剤ガスの流路に供給され、酸化剤ガスの右排出分岐経路５および右排出主経路２を介して排出される。また、酸化剤ガス３は、酸化剤ガスの右供給主経路１’および右供給分岐経路４’を介して各セパレータ１１’の酸化剤ガスの流路に供給され、酸化剤ガスの左排出分岐経路５’および左排出主経路２’を介して排出される。
【００５０】
燃料ガス８は、燃料ガスの供給主経路６および供給分岐経路９を介して各セパレータ１１，１１’の燃料ガスの流路に供給され、燃料ガスの排出分岐経路１０および排出主経路７を介して排出される。
こうして、内部マニホールド方式の平板型燃料電池スタックにおいても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００５１】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図５は、本発明の第３の実施の形態に係る平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図であり、図１と同様の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態の燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給排出方式は、外部マニホールド方式である。
【００５２】
本実施の形態が図１２に示した従来の平板型燃料電池スタックと大きく異なる点は、酸化剤ガス３の供給排出方向が周期的に略反転することであり、さらに本実施の形態が第１の実施の形態と異なる点は、酸化剤ガスの左供給主経路１と右供給主経路１’とを２つずつ設け、またセパレータ１１，１１’の酸化剤ガスの供給口と左供給分岐経路４と右供給分岐経路４’とをセパレータ毎に２つずつ設けたことである。
【００５３】
第１の実施の形態と同様に、平板型燃料電池１２を対称に分割する分割線１３を境界として右側と左側を区別すると、左供給右排出セパレータ１１は、左側に２つの酸化剤ガスの供給口１４を有し、右側に１つの酸化剤ガスの排出口１５を有する。右供給左排出セパレータ１１’は、右側に２つの酸化剤ガスの供給口１４’を有し、左側に１つの酸化剤ガスの排出口１５’を有する。また、各セパレータ１１，１１’は、燃料ガスの供給口と燃料ガスの排出口を１つずつ有する。左供給右排出セパレータ１１と右供給左排出セパレータ１１’とは、１枚おきに積層される。
【００５４】
本実施の形態では、酸化剤ガスの１つの左供給主経路１および左供給分岐経路４を介して各セパレータ１１の一方の供給口１４に酸化剤ガス３を供給すると同時に、酸化剤ガスのもう１つの左供給主経路１および左供給分岐経路４を介して各セパレータ１１の他方の供給口１４に酸化剤ガス３を供給し、また酸化剤ガスの１つの右供給主経路１’および右供給分岐経路４’を介して各セパレータ１１’の一方の供給口１４’に酸化剤ガス３を供給すると同時に、酸化剤ガスのもう１つの右供給主経路１’および右供給分岐経路４’を介して各セパレータ１１’の他方の供給口１４’に酸化剤ガス３を供給する。
【００５５】
そして、２つの供給口１４に供給された酸化剤ガス３は、各セパレータ１１に設けられた酸化剤ガスの流路を流れ、酸化剤ガスの右排出分岐経路５および右排出主経路２を介して排出される。また、２つの供給口１４’に供給された酸化剤ガス３は、各セパレータ１１’に設けられた酸化剤ガスの流路を流れ、酸化剤ガスの左排出分岐経路５’および左排出主経路２’を介して排出される。
燃料ガス８の供給排出経路は第１の実施の形態と同じである。
【００５６】
酸化剤ガスの供給主経路１，１’、酸化剤ガスの排出主経路２，２’、酸化剤ガスの供給分岐経路４，４’、酸化剤ガスの排出分岐経路５，５’、燃料ガスの供給主経路６、燃料ガスの排出主経路７、燃料ガスの供給分岐経路９および燃料ガスの排出分岐経路１０は、第１の実施の形態と同様の材料を用いて構成すればよい。
【００５７】
図６は、本実施の形態の平板型燃料電池スタックにおける平板型燃料電池１２の電解質の温度分布のシミュレーション結果を示す図である。図６は、電解質の最高温度を１０７３Ｋとした場合の温度分布を示している。図６の縦軸は、平板型燃料電池１２の電解質の温度Ｔである。図６の横軸は、平板型燃料電池１２上の位置ｘ／Ｒであり、このｘ／Ｒは、分割線１３と直交し且つ平板型燃料電池１２の中心を通る線を、平板型燃料電池１２の上面および底面に対して平行に設定したときに、この線上の位置ｘを平板型燃料電池１２の半径Ｒで規格化した値であり、平板型燃料電池１２の中心位置を０としている。図６の横軸に記載された「右」は図５の右側に相当し、「左」は図５の左側に相当する。
【００５８】
ここでは、燃料ガス８を水素とし、酸化剤ガス３を空気とし、平板型燃料電池１２の電解質を固体酸化物形電解質とした。平板型燃料電池スタックを構成する平板型燃料電池１２の数は３である。図６のセル番号は、各平板型燃料電池１２に対して図５の下側から順にセル１、セル２、セル３と割り振ったものである。電解質の温度分布のシミュレーションは、図１３の例と同様の手法により行っている。
【００５９】
図６から明らかなように、本実施の形態では、図１２に示した従来の平板型燃料電池スタックよりも電解質の温度勾配が小さくなり、またｘ／Ｒ＝０を中点とする酸化剤ガス流の前半区間（セル１とセル３の場合はｘ／Ｒ＝−１〜０の区間、セル２の場合はｘ／Ｒ＝１〜０の区間）および後半区間（セル１とセル３の場合はｘ／Ｒ＝０〜１の区間、セル２の場合はｘ／Ｒ＝０〜−１の区間）での温度勾配も小さくなっていることが分かる。また、電解質面内の端部付近（ｘ／Ｒ＝−１とｘ／Ｒ＝１の付近）の温度が高いため、高温度領域の面積が従来よりも大きくなっていることが分かる。最低温度と最高温度の差は、図１３の例と比較して７０Ｋ小さくなっている。
【００６０】
平板型燃料電池１２は最高温度（図６の例では１０７３Ｋ）を規定して発電するので、電解質の温度勾配が大きいと、電解質面内の温度勾配に応じて最低温度が低くなる。本実施の形態では、従来の平板型燃料電池スタックと比較して平板型燃料電池１２の平均温度が高くなっている。
【００６１】
以上のように、本実施の形態では、平板型燃料電池１２に対する酸化剤ガス３の供給排出方向を周期的に反転させ、また各セパレータ１１，１１’の酸化剤ガスの供給口をセパレータ毎に２つずつ設けることにより、従来の平板型燃料電池スタックと比較して電解質面内の温度勾配を低減でき、平板型燃料電池１２の平均温度を高くできることが、シミュレーションにより明らかとなった。これにより、本実施の形態では、平板型燃料電池スタックの性能を従来よりも向上させることができる。３つの平板型燃料電池１２を直列に接続したときのスタック電圧を、図６のシミュレーション結果に基づいて計算すると、１．９３Ｖであった。
【００６２】
また、本実施の形態では、電解質の温度勾配を低減できることから、電解質の劣化を抑制でき、平板型燃料電池１２の大口径化も可能となる。
なお、酸化剤ガスの左供給主経路１と右供給主経路１’とを３つ以上設け、またセパレータ１１，１１’の酸化剤ガスの供給口と左供給分岐経路４と右供給分岐経路４’とをセパレータ毎に３つ以上設けるようにしてもよい。
【００６３】
［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図７は、本発明の第４の実施の形態に係る平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図であり、図４と同様の構成には同一の符号を付してある。第３の実施の形態では、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給排出方式として外部マニホールド方式を採用したが、本実施の形態は燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給排出方式として内部マニホールド方式を採用したものである。
【００６４】
本実施の形態においても、平板型燃料電池スタックの構成は第２の実施の形態とほぼ同様であるが、本実施の形態では、第３の実施の形態と同様に、酸化剤ガスの左供給主経路１と右供給主経路１’とを２つずつ設け、また酸化剤ガスの左供給分岐経路４と右供給分岐経路４’とをセパレータ毎に２つずつ設けている。
【００６５】
酸化剤ガス３は、１つの左供給主経路１および左供給分岐経路４を介して各セパレータ１１の酸化剤ガスの流路に流入すると同時に、もう１つの左供給主経路１および左供給分岐経路４を介して各セパレータ１１の酸化剤ガスの流路に流入する。また、酸化剤ガス３は、１つの右供給主経路１’および右供給分岐経路４’を介して各セパレータ１１’の酸化剤ガスの流路に流入すると同時に、もう１つの右供給主経路１’および右供給分岐経路４’を介して各セパレータ１１’の酸化剤ガスの流路に流入する。そして、各セパレータ１１，１１’の酸化剤ガスの流路に供給された酸化剤ガス３は、第２の実施の形態と同様の経路を通って排出される。
【００６６】
燃料ガス８の供給排出経路は第２の実施の形態と同じである。こうして、内部マニホールド方式の平板型燃料電池スタックにおいても、第３の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００６７】
［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。図８は、本発明の第５の実施の形態に係る平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図であり、図１、図５と同様の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態の燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給排出方式は、外部マニホールド方式である。
【００６８】
本実施の形態が図１２に示した従来の平板型燃料電池スタックと大きく異なる点は、酸化剤ガス３の供給排出方向が周期的に略反転することであり、さらに本実施の形態が第１の実施の形態と異なる点は、酸化剤ガスの右排出主経路２と左排出主経路２’とを２つずつ設け、またセパレータ１１，１１’の酸化剤ガスの排出口と右排出分岐経路５と左排出分岐経路５’とをセパレータ毎に２つずつ設けたことである。
【００６９】
第１の実施の形態と同様に、平板型燃料電池１２を対称に分割する分割線１３を境界として右側と左側を区別すると、左供給右排出セパレータ１１は、左側に１つの酸化剤ガスの供給口１４を有し、右側に２つの酸化剤ガスの排出口１５を有する。右供給左排出セパレータ１１’は、右側に１つの酸化剤ガスの供給口１４’を有し、左側に２つの酸化剤ガスの排出口１５’を有する。また、各セパレータ１１，１１’は、燃料ガスの供給口と燃料ガスの排出口を１つずつ有する。左供給右排出セパレータ１１と右供給左排出セパレータ１１’とは、１枚おきに積層される。
【００７０】
第１の実施の形態と同様の経路で各セパレータ１１の酸化剤ガスの流路に流入した酸化剤ガス３は、各セパレータ１１の１つの排出口１５から酸化剤ガスの一方の右排出分岐経路５および右排出主経路２を介して排出されると同時に、各セパレータ１１のもう１つの排出口１５から酸化剤ガスの他方の右排出分岐経路５および右排出主経路２を介して排出される。また、第１の実施の形態と同様の経路で各セパレータ１１’の酸化剤ガスの流路に流入した酸化剤ガス３は、各セパレータ１１’の１つの排出口１５’から酸化剤ガスの一方の左排出分岐経路５’および左排出主経路２’を介して排出されると同時に、各セパレータ１１’のもう１つの排出口１５’から酸化剤ガスの他方の左排出分岐経路５’および左排出主経路２’を介して排出される。
燃料ガス８の供給排出経路は第１の実施の形態と同じである。
【００７１】
酸化剤ガスの供給主経路１，１’、酸化剤ガスの排出主経路２，２’、酸化剤ガスの供給分岐経路４，４’、酸化剤ガスの排出分岐経路５，５’、燃料ガスの供給主経路６、燃料ガスの排出主経路７、燃料ガスの供給分岐経路９および燃料ガスの排出分岐経路１０は、第１の実施の形態と同様の材料を用いて構成すればよい。
【００７２】
以上のように、本実施の形態では、平板型燃料電池１２に対する酸化剤ガス３の供給排出方向を周期的に反転させ、また各セパレータ１１，１１’の酸化剤ガスの排出口をセパレータ毎に２つずつ設けている。本実施の形態では、平板型燃料電池１２の電解質の温度分布のシミュレーション結果を明示していないが、従来の平板型燃料電池スタックと比較して電解質面内の温度勾配を低減できることをシミュレーションで確認している。
なお、酸化剤ガスの右排出主経路２と左排出主経路２’とを３つ以上設け、またセパレータ１１，１１’の酸化剤ガスの排出口と右排出分岐経路５と左排出分岐経路５’とをセパレータ毎に３つ以上設けるようにしてもよい。
【００７３】
［第６の実施の形態］
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。図９は、本発明の第６の実施の形態に係る平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図であり、図４、図７と同様の構成には同一の符号を付してある。第５の実施の形態では、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給排出方式として外部マニホールド方式を採用したが、本実施の形態は燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給排出方式として内部マニホールド方式を採用したものである。
【００７４】
本実施の形態においても、平板型燃料電池スタックの構成は第２の実施の形態とほぼ同様であるが、本実施の形態では、第５の実施の形態と同様に、酸化剤ガスの右排出主経路２と左排出主経路２’とを２つずつ設け、また酸化剤ガスの右排出分岐経路５と左排出分岐経路５’とをセパレータ毎に２つずつ設けている。
【００７５】
第２の実施の形態と同様の経路で各セパレータ１１の酸化剤ガスの流路に流入した酸化剤ガス３は、酸化剤ガスの一方の右排出分岐経路５および右排出主経路２を介して排出されると同時に、酸化剤ガスの他方の右排出分岐経路５および右排出主経路２を介して排出される。また、第２の実施の形態と同様の経路で各セパレータ１１’の酸化剤ガスの流路に流入した酸化剤ガス３は、酸化剤ガスの一方の左排出分岐経路５’および左排出主経路２’を介して排出されると同時に、酸化剤ガスの他方の左排出分岐経路５’および左排出主経路２’を介して排出される。
【００７６】
燃料ガス８の供給排出経路は第２の実施の形態と同じである。こうして、内部マニホールド方式の平板型燃料電池スタックにおいても、第５の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００７７】
［第７の実施の形態］
次に、本発明の第７の実施の形態について説明する。図１０は、本発明の第７の実施の形態に係る平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図であり、図１、図５、図８と同様の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態の燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給排出方式は、外部マニホールド方式である。
【００７８】
本実施の形態が図１２に示した従来の平板型燃料電池スタックと大きく異なる点は、酸化剤ガス３の供給排出方向が周期的に略反転することである。また、第１〜第６の実施の形態では、平板型燃料電池スタックを収納する容器について明記していないが、酸化剤ガス３および燃料ガス８を排出主経路２，２’，７を介して容器の外部に排出するのに対し、本実施の形態では、酸化剤ガス３をセパレータ１１，１１’の排出口から容器（不図示）の内部に排出する。
【００７９】
第１の実施の形態と同様に、平板型燃料電池１２を対称に分割する分割線１３を境界として右側と左側を区別すると、左供給右排出セパレータ１１は、左側に１つの酸化剤ガスの供給口１４を有し、右側に１つの酸化剤ガスの排出口１５を有する。右供給左排出セパレータ１１’は、右側に１つの酸化剤ガスの供給口１４’を有し、左側に１つの酸化剤ガスの排出口１５’を有する。左供給右排出セパレータ１１と右供給左排出セパレータ１１’とは、１枚おきに積層される。
【００８０】
第１の実施の形態と同様の経路で各セパレータ１１の酸化剤ガスの流路に流入した酸化剤ガス３は、各セパレータ１１の排出口１５から容器内に排出される。また、第１の実施の形態と同様の経路で各セパレータ１１’の酸化剤ガスの流路に流入した酸化剤ガス３は、各セパレータ１１’の排出口１５’から容器内に排出される。
燃料ガス８の供給排出経路は第１の実施の形態と同じである。
【００８１】
酸化剤ガスの供給主経路１，１’、酸化剤ガスの供給分岐経路４，４’、燃料ガスの供給主経路６、燃料ガスの排出主経路７、燃料ガスの供給分岐経路９および燃料ガスの排出分岐経路１０は、第１の実施の形態と同様の材料を用いて構成すればよい。
【００８２】
以上のように、本実施の形態では、平板型燃料電池１２に対する酸化剤ガス３の供給排出方向を周期的に反転させ、また酸化剤ガス３を各セパレータ１１，１１’の排出口から容器内に排出している。本実施の形態では、平板型燃料電池１２の電解質の温度分布のシミュレーション結果を明示していないが、従来の平板型燃料電池スタックと比較して電解質面内の温度勾配を低減できることをシミュレーションで確認している。
【００８３】
［第８の実施の形態］
次に、本発明の第８の実施の形態について説明する。図１１は、本発明の第８の実施の形態に係る平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図であり、図４、図７、図９と同様の構成には同一の符号を付してある。第７の実施の形態では、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給排出方式として外部マニホールド方式を採用したが、本実施の形態は燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給排出方式として内部マニホールド方式を採用したものである。
【００８４】
本実施の形態においても、平板型燃料電池スタックの構成は第２の実施の形態とほぼ同様であるが、本実施の形態では、第７の実施の形態と同様に、酸化剤ガス３をセパレータ１１，１１’の排出口から、平板型燃料電池スタックを収納する容器（不図示）の内部に排出する。
【００８５】
第２の実施の形態と同様の経路で各セパレータ１１の酸化剤ガスの流路に流入した酸化剤ガス３は、各セパレータ１１の排出口１５から容器内に排出される。また、第２の実施の形態と同様の経路で各セパレータ１１’の酸化剤ガスの流路に流入した酸化剤ガス３は、各セパレータ１１’の排出口１５’から容器内に排出される。
燃料ガス８の供給排出経路は第２の実施の形態と同じである。こうして、内部マニホールド方式の平板型燃料電池スタックにおいても、第７の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００８６】
なお、第１〜第８の実施の形態では、燃料ガスの供給主経路６と排出主経路７とを１つずつ設け、また各セパレータの燃料ガスの供給口と排出口と供給分岐経路９と排出分岐経路１０とをセパレータ毎に１つずつ設けているが、供給主経路６と排出主経路７とを複数設け、また各セパレータの燃料ガスの供給口と排出口と供給分岐経路９と排出分岐経路１０とをセパレータ毎に複数設けるようにしてもよい。
また、第１〜第８の実施の形態では、左供給右排出セパレータ１１と右供給左排出セパレータ１１’とを１枚おきに積層しているが、例えばセパレータ１１→セパレータ１１→セパレータ１１’→セパレータ１１’→セパレータ１１・・・・といったように複数枚おきに積層するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８７】
本発明は、燃料電池に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る平板型燃料電池スタックの平板型燃料電池およびセパレータの断面図である。
【図３】図１の平板型燃料電池スタックにおける平板型燃料電池の電解質の温度分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態に係る平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。
【図６】図５の平板型燃料電池スタックにおける平板型燃料電池の電解質の温度分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係る平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。
【図８】本発明の第５の実施の形態に係る平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。
【図９】本発明の第６の実施の形態に係る平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。
【図１０】本発明の第７の実施の形態に係る平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。
【図１１】本発明の第８の実施の形態に係る平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。
【図１２】従来のクロスフロー型平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。
【図１３】従来の平板型燃料電池スタックにおける平板型燃料電池の電解質の温度分布のシミュレーション結果を示す図である。
【符号の説明】
【００８９】
１…酸化剤ガスの左供給主経路、１’…酸化剤ガスの右供給主経路、２…酸化剤ガスの右排出主経路、２’…酸化剤ガスの左排出主経路、３…酸化剤ガス、４…酸化剤ガスの左供給分岐経路、４’…酸化剤ガスの右供給分岐経路、５…酸化剤ガスの右排出分岐経路、５’…酸化剤ガスの左排出分岐経路、６…燃料ガスの供給主経路、７…燃料ガスの排出主経路、８…燃料ガス、９…燃料ガスの供給分岐経路、１０…燃料ガスの排出分岐経路、１１…左供給右排出セパレータ、１１’…右供給左排出セパレータ、１２…平板型燃料電池、１３…分割線、１４，１４’…酸化剤ガスの供給口、１５，１５’…酸化剤ガスの排出口、１６…燃料ガスの供給口、１７…燃料ガスの排出口、１８…絶縁部材、１１０，１１０’…燃料ガス流路、１１１，１１１’…酸化剤ガス流路、１２０…電解質、１２１…燃料極、１２２…空気極。
【図１】
0004704878.tif 000002
【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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【図１３】
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