(57)【要約】【課題】燃料電池スタックの積層方向の温度分布を均一化することにより、発電の効率化を図る。【解決手段】発電セル５とセパレータ８を交互に積層すると共に、当該積層体の両端に一対の端板８Ａ、８Ｂを配置して燃料電池スタック１を構成する。端板８Ａ、８Ｂの内の少なくとも一方を、中央部で連結された上板２１と下板２２で成る断面エの字状の２段構造とし、上板２１の外周部より下板２２の中央部に貫通するガス通路１２を設ける。上板２１に抜き部２４を設け、上板２１と下板２２の隙間２５から抜き部２４を通過する排ガス流路Ａを形成する。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電セルとセパレータを交互に積層すると共に、当該積層体の両端に一対の端板を配置して燃料電池スタックを構成し、前記セパレータおよび端板のガス通路を通して各発電セルに反応用ガスを供給するように構成した燃料電池において、
前記一対の端板の内の少なくとも一方を、中央部で連結された上板と下板で成る断面エの字状の２段構造とすると共に、前記上板の外周部より前記下板の中央下部に貫通するガス通路を設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記ガス通路を前記上板内において面方向に蛇行・周回させたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記上板に厚さ方向の抜き部を設け、上板と下板の隙間から前記抜き部を通過する排ガス流路を形成したことを特徴とする請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池。
【請求項４】
前記上板と対向する前記下板の表面に多数の溝を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３までの何れかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料電池スタックの中段部より冷空気を供給することを特徴とする請求項１から請求項４までの何れかに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記燃料電池スタックの中段部より冷空気を供給すると共に、前記燃料電池スタックの端部より温空気を供給することを特徴とする請求項１から請求項４までの何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】
本発明は、発電セルとセパレータを交互に積層したスタック構造を有する燃料電池に関し、特に、燃料電池スタックにおける積層方向の温度分布を均一化することにより発電の効率化を図った燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体酸化物形燃料電池は、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、および平板積層型の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空気極層と燃料極層との間に挟んだ積層構造を有する。この積層体から成る発電セルとセパレータを交互に積層することにより所定出力の燃料電池スタックが構成できる。
【０００３】
発電セルには、空気極側に酸化剤ガスとしての酸素（空気）が、燃料極側に燃料ガス（Ｈ２  、ＣＯ、ＣＨ４  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。
【０００４】
燃料に水素を用いた場合の電極反応は次のようになる。
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【０００５】
ところで、特に平板積層型の燃料電池スタックでは、発電セルの積層方向において燃料電池スタック両端付近の温度が中段部分に比べて極端に低下するという傾向が見られる（図３参照）。これは、燃料電池スタックの両端を除く部分は各発電セルが別の発電セルにより上下で挟まれる構造であるため、運転時の発電セルのジュール熱が外に発散し難く、セル内部に蓄積され易くなっており、一方、燃料電池スタック両端部の発電セルはモジュール内雰囲気に直接接触しているためジュール熱が発散し易いことに起因している。温度が低い部分の発電セルは、高温部分の発電セルに比べて電極反応が活発に行われないため、発電性能（電流密度）が低下している。
【０００６】
燃料電池スタックの積層方向における温度分布の均一化を図るための技術として特許文献１が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開昭６０−２５４５６８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
複数の発電セルを直列に接続して構成される燃料電池スタックでは、発電セルの積層方向に上記したような両肩下がりの温度分布が生じていると、燃料電池の発電性能が低温部の発電セルの発電性能で制限されることになり、よって、燃料電池スタック中段部分の発電セルに高い発電性能が得られていても総合的にみると性能向上に与らない全く無意味な発電になってしまう。
【０００９】
そこで、本発明は、燃料電池スタックの積層方向の温度分布を均一化することにより、発電の効率化を図った燃料電池を提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
すなわち、請求項１に記載の本発明は、発電セルとセパレータを交互に積層すると共に、当該積層体の両端に一対の端板を配置して燃料電池スタックを構成し、前記セパレータおよび端板のガス通路を通して各発電セルに反応用ガスを供給するように構成した燃料電池において、前記一対の端板の内の少なくとも一方を、中央部で連結された上板と下板で成る断面エの字状の２段構造とすると共に、前記上板の外周部より前記下板の中央下部に貫通するガス通路を設けたことを特徴としている。
本構成のように、端板を２段構造とすることにより、排ガスとの熱交換面積が増大し、端板を効率良く加熱することができると共に、ガス通路を流通する過程で熱交換された反応用ガスが発電セル内に導入されることにより、発電セルを内部より加熱することができ、燃料電池スタックの端部を積極的に昇温することができる。これにより、燃料電池スタックの積層方向の温度分布は均一化され、効率的な発電が可能となる。
【００１１】
また、請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の燃料電池において、前記ガス通路を前記上板内部において面方向に蛇行・周回させたことを特徴としている。
本構成のように、ガス通路を上板内の全体に蛇行・周回させて反応用ガスの流路長を長くすることにより、ガス通路を流通する過程で反応用ガスを十分加熱することができ、燃料電池スタックの温度分布をより効果的に均一化することができる。
【００１２】
また、請求項３に記載の本発明は、請求項１または請求項２の何れかに記載の燃料電池において、前記上板に厚さ方向の抜き部を設け、上板と下板の隙間から前記抜き部を通過する排ガス流路を形成したことを特徴としている。
本構成では、排ガス流路を流通する高温の排ガスによって端板全体が効率良く満遍なく加熱されるため、燃料電池スタックの温度分布をより効果的に均一化することができる。
【００１３】
また、請求項４に記載の本発明は、請求項１から請求項３までの何れかに記載の燃料電池において、前記上板と対向する前記下板の表面に多数の溝を設けたことを特徴としている。
多数の溝を設けることにより、排ガスとの熱交換面積が増大し、端板をより効率良く昇温することができ、燃料電池スタックの温度分布をより効果的に均一化することができる。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４までの何れかに記載の燃料電池において、前記燃料電池スタックの中段部より冷空気を供給することを特徴としている。
通常、燃料電池においては、反応用ガス（燃料ガス、および酸化剤ガスとしての空気）は発電セルの積層方向に延設した各マニホールドを介して各発電セルおよび端板に供給されるように構成されている。従って、本構成では、請求項１〜請求項４の作用効果に加え、燃料電池スタック中段部の発電セルは冷空気により冷却されることになるため、燃料電池スタックの温度分布をより効果的に均一化することができる。
【００１５】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１から請求項４までの何れかに記載の燃料電池において、前記燃料電池スタックの中段部より冷空気を供給すると共に、前記燃料電池スタックの端部より温空気を供給することを特徴としている。
本構成では、上記請求項５の作用効果に加え、更に端板には温空気が導入されるため、スタック端部の昇温効果が向上し、燃料電池スタックの温度分布をより効果的に均一化することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図１、図２に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の内部概略構成を示し、図２は本発明に係る端板の内部構造を示している。
【００１７】
図１中、符号１は燃料電池スタックを示し、固体電解質層２の両面に燃料極層３と空気極層（酸化剤極層）４を配した発電セル５と、燃料極層３の外側の燃料極集電体６と、空気極層４の外側の空気極集電体（酸化剤極集電体）７と、各集電体６、７の外側のセパレータ８を順番に積層した構造を有する。
【００１８】
ここで、固体電解質層２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、燃料極層３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、空気極層４はＬａＭｎＯ３  、ＬａＣｏＯ３  等で構成され、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、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、セパレータ１８はステンレス等で構成されている。
【００１９】
セパレータ８は、発電セル５間を電気的に接続すると共に、発電セル５に対して反応ガスを供給する機能を有するもので、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通路１１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通路１２を有している。ただし、燃料電池スタック１両端のセパレータ８（８Ａ、８Ｂ）は、燃料通路１１または酸化剤１２の何れか一方を有するため、これらをセパレータ８と区別して特に端板８Ａ、８Ｂと呼んでいる。即ち、端板８Ａは燃料通路１１のみを有し、端板８Ｂは酸化剤通路１２のみを有する。
【００２０】
また  図１に示すように、燃料電池スタック１の側方には、各セパレータ８および端板８Ａの燃料通路１１に接続管１３を通して燃料ガスを供給する燃料用マニホールド１５と、各セパレータ８および端板８Ｂの酸化剤通路１２に接続管１４を通して酸化剤ガスを供給する酸化剤用マニホールド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。
【００２１】
これら、燃料電池スタック１や各マニホールド１５、１６を断熱材を付装した筒状のハウジング（図示せず）内に収納することにより、固体酸化物形燃料電池が構成される。
本実施形態においてこの固体酸化物形燃料電池は、発電セル５の外周部にガス漏れ防止シールを設けないシールレス構造とされており、運転時には、燃料通路１１および酸化剤通路１２を通してセパレータ８の略中心部から発電セル５に向けて供給される燃料ガスおよび酸化剤ガス（空気）を、発電セル５の外周方向に拡散させながら燃料極層３および空気極層４の全面に良好な分布で行き渡らせて発電反応を生じさせると共に、発電反応で消費されなかった余剰ガス（排ガス）を発電セル５の外周部から外側に自由に放出するようになっている。
【００２２】
ところで、本発明では、上記した一対の端板８Ａ、８Ｂの内の少なくとも一方を図２に示す２段構造することにより、燃料電池スタック１における積層方向の温度分布の均一化が図られている。
【００２３】
以下、図２に基づいて本実施形態の端板の構造について説明する。
図２中、符号８Ｂは図１における燃料電池スタック１の上部末端部に配置された端板の一実施形態を示している。図２（ｂ）に示すように、この端板８Ｂは、所定の隙間２５を持って対面する上下２枚の円形板部材２１、２２で構成され、双方が中央部分で連結された断面エの字状の２段構造となされている。この板部材２１、２２はセパレータ８と同様にステンレス等で構成されている。
【００２４】
図２（ａ）に示すように、この端板８Ｂの上板２１の中央４カ所が円弧状に均等に中抜きされており、且つ、下板２２の上板２１と対面する上面全体に複数の凹溝２３が形成されている。上板２１を中抜き構造とすることにより、上板２１と下板２２の隙間２５から各抜き部２４を通して上方に流通する排ガス流路Ａが形成される（破線で示す矢印）。
【００２５】
また、上板２１の内部には、各抜き部２４の周囲を周回するように一連の酸化剤通路１２が形成されている。この酸化剤通路１２の一端部は上板２１の外周部に開口すると共に、他端は上板２１内を蛇行・周回し、中央部の連結部２０を経て下板２２の中央裏側に貫通し、空気極集電体７側に開口している。
尚、上板２１外周部の開口部は接続管１４により酸化剤用マニホールド１６（図１参照）に接続される。
【００２６】
上記構成の固体酸化物形燃料電池では、運転時、発電セル５の外周部から放出される余剰ガス（高温の排ガス）が図示しないハウジングの排気口より電池外部に排出される過程で燃料電池スタック１の周辺を積層方向に流通する。本実施形態では、燃料電池スタック１の端板８Ｂを上板２１と下板２２による２段構造とし、且つ、下板２２に多数の凹溝２３を設けることにより排ガスとの接触面積（即ち、熱交換面積）を増大しているため、この排ガスの熱を積極的に利用して端板８Ｂを効率良く加熱することができる。
加えて、排ガスは、ハウジングの排気口に達する過程で、端板の側部だけでなく上板２１と下板２２の隙間２５から上板２１の抜き部２４に通ずる排ガス流路Ａをも流通するため、排ガスとの熱交換により上下板２１、２２の全体が満遍なく加熱される。
【００２７】
一方、外部からの空気は、酸化剤用マニホールド１６から接続管１４を通して上板２１の外周部より酸化剤通路１２内を上板２１の面方向の全域に亘って蛇行・周回しながら流通する過程で加熱された端板８Ｂ内で熱交換されて高温の空気が酸化剤通路１２の吐出口２６から吐出し、対面する空気極集電体７を拡散して発電セル内に導入され、発電セル５を内部からも加熱する。
【００２８】
このように、本実施形態では、温度低下の著しい燃料電池スタック１の端部を積極的に昇温することができ、これにより燃料電池スタック１の積層方向の温度分布は均一化され、効率的な発電が可能となる。
【００２９】
また、図１に示すように、本実施形態では、空気供給管２７を通して酸化剤用マニホールド１６の長手中央より外部の冷却用空気が導入されると共に、酸化剤用マニホールド１６の端部には排ガスの熱を利用した公知の熱交換機構等により予熱された温空気が予熱空気供給管２８を通して導入されるように構成されている。
【００３０】
酸化剤用マニホールド１６と各セパレータ８および端板８Ｂとは、各々接続管１４を介して接続されているため、燃料電池スタック１の中段部に当たる発電セル５には中央部分の接続管１４を通して空気供給管２７からの冷空気が直接導入されると共に、スタック両端部の端板８Ｂには、この冷空気が酸化剤用マニホールド１６の中央部から末端部に流通する過程で排ガスと熱交換して暖められた温空気と、予熱空気供給管２８を通して供給される温空気との合流空気が導入されることになる。
【００３１】
このように、本構成では、温度の高い燃料電池スタック中段部のセパレータ８には外部の冷空気が導入されて積極的に冷却されることになり、且つ、温度の低い燃料電池スタック１の端板８Ｂにあっては、上記した端板構造による昇温効果と、温空気による昇温効果の相乗効果により、スタック端部の昇温効果が著しく向上することになり、燃料電池スタック１の積層方向の温度分布はより効果的に均一化することができるようになる。
【００３２】
以上、本実施形態では、本発明を端板８Ｂに適用した場合について述べたが、端板８Ａにも適用可能であることは勿論である。尚、温度特性の肩下がり傾向は、予熱された燃料ガスが流通する端板８Ａよりも空気が流通する端板８Ｂの方が顕著であるため、本発明の端板構造は少なくとも端板８Ｂには適用されることが好ましい。
また、本実施形態では、端板を上下２枚の板部材で構成した２段構造としたが、２枚以上の板部材を用いた多段構造とすることも可能である。
【００３３】
図３は運転時の燃料電池スタック１における積層方向の温度分布を示しており、実線は従来の場合、破線は本発明の構成によるものである。
図３に示すように、従来型の場合は燃料電池スタック１の積層方向の温度分布が両肩下がりの特性となっているが、本発明のように燃料電池スタックの低温部分（端部）を昇温し、且つ、高温部分（中段部分）を冷却することにより、高温部と低温部の温度差を極力少なくして積層方向の全域に亘ってほぼ均一な温度分布を得ることができ、これにより、発電の効率化が図れると共に、高温部の発電セルの温度を低減することにより、熱応力による燃料極層３の剥離等、発電セル５の破損が防止でき、燃料電池の耐久性（熱サイクル特性）を向上することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃料電池スタックの端板を上下２枚の板材で構成した２段構造としたので、排ガスとの熱交換面積が増大し、排ガスを積極的に利用して端板を効率良く加熱することができる。さらに、板材の隙間に排ガス流路を設けて排ガスが上板と下板の隙間から上板の抜き部を通して流通するように構成したので、端板全体がより効率良く加熱されようになる。
これにより、燃料電池スタックの端部を積極的に昇温することができ、燃料電池スタックの積層方向の温度分布は均一化され、効率的な発電が可能となる。
【００３５】
また、燃料電池スタックの中段部に冷空気を供給し、端部に温空気を供給するように構成したので、燃料電池スタックの積層方向の温度分布をより効果的に均一化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の内部概略構成を示す断面図。
【図２】本発明に係る端板の内部構造を示し、（ａ）は平断面図、（ｂ）は正断面図。
【図３】燃料電池スタックにおける発電セルの積層方向の温度分布を示す図。
【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
８Ａ、８Ｂ  端板
１１、１２  ガス通路（燃料通路、酸化剤通路）
２１  上板
２２  下板
２３  溝（凹溝）
２４  抜き部
２５  隙間
Ａ  排ガス流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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