(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し、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端板８Ａ、８Ｂを配して燃料電池スタック１を構成する。この燃料電池スタック１の両端に位置する端板８Ａ、８Ｂの表面に、前記セパレータ８より熱伝導率の低いセラミック被膜を形成する。本構成では、セラミック被膜の断熱効果によりスタック中段部分に比べてスタック端部での熱の放散が大幅に抑制されて、燃料電池スタック１の積層方向の温度分布が均一化されるため、効率的な発電が可能となる。【選択図】    図１
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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端板を配して燃料電池スタックを構成し、当該燃料電池スタック内へ反応用ガスを供給して発電反応を生じさせる燃料電池において、
前記端板の表面に、前記セパレータの材料より熱伝導率の低いセラミック被膜を形成したことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
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端板を配して燃料電池スタックを構成し、当該燃料電池スタック内へ反応用ガスを供給して発電反応を生じさせる燃料電池において、
前記端板を、前記セパレータの材料より熱伝導率の低いセラミックにより構成したことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
前記端板の前記発電セル側の面に金属製薄板を配設し、当該金属製薄板に電極端子を接続したことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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に関する。
【背景技術】
【０００２】
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燃料電池スタックを構成できる。
【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。この電子を別ルートの外部回路にて電力として取り出す。
【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。
空気極：  １／２  Ｏ2 ＋          ２ｅ-   →  Ｏ2-
燃料極：          Ｈ2 ＋          Ｏ2-   →  Ｈ2 Ｏ＋２ｅ- 
全体  ：          Ｈ2 ＋  １／２  Ｏ2    →  Ｈ2 Ｏ
【０００５】
ところで、平板積層型の燃料電池スタックでは、図４の実線に示すように、積層方向の温度分布において、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傾向がある。これは、燃料電池スタックの端部は中段部分に比べて発電セルのジュール熱が外側に放散され易いためである。温度が低下した発電セルは、高温の発電セルに比べて電極反応が活発に行われないため、発電性能が低下する。
【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技術として特許文献１が開示されている。
【特許文献１】特開昭６０−２５４５６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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、燃料電池スタックの積層方向に上記した両肩下がりの温度分布が生じると、燃料電池全体の発電性能が低温部での発電セルの発電性能で制限されるため、効率的な発電が行えなくなるという問題がある。
【０００８】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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端板を配して燃料電池スタックを構成し、当該燃料電池スタック内へ反応用ガスを供給して発電反応を生じさせる燃料電池において、前記端板の表面に、前記セパレータの材料より熱伝導率の低いセラミック被膜を形成したことを特徴としている。
【００１０】
また、請求項２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端板を配して燃料電池スタックを構成し、当該燃料電池スタック内へ反応用ガスを供給して発電反応を生じさせる燃料電池において、前記端板を、前記セパレータの材料より熱伝導率の低いセラミックにより構成したことを特徴としている。
【００１１】
また、請求項３に記載の本発明は、請求項２に記載の燃料電池において、前記端板の前記発電セル側の面に金属製薄板を配設し、当該金属製薄板に電極端子を接続したことを特徴としている。
【００１２】
ここで、請求項１または請求項２に記載の構成では、セラミックの断熱効果によりスタック中段部分に比べてスタック端部での熱放散が抑制されて燃料電池スタックの積層方向の温度分布が均一化されるため、効率的な発電が可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
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部に位置する端板の表面にセパレータ材料より熱伝導率の低いセラミック被膜を形成したので、セラミックの断熱効果によりスタック中段部分に比べてスタック端部においてジュール熱の放散が大幅に抑制され、燃料電池スタックの積層方向の温度分布を均一化できる。これにより、効率的な発電が可能となり、電流出力を増大できる。また、端板をセラミック製とすることにより、熱放散の抑制効果をより一層大きいものにできる。
【００１４】
また、セラミック製の端板を用いる場合は、発電セル側の面に金属製の薄板を配設し、外部接続用の電極端子をこの金属板に簡単に固定することにより、電極端子の取り付け構造を簡略化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図１〜図３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構成を示し、図２、図３は本発明に係る端板の構成を示している。
【００１６】
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。
【００１７】
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８はステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金等で構成されている。
【００１８】
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に反応ガスを導入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（空気）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。
【００１９】
但し、燃料電池スタック１の両端のセパレータ８（８Ａ、８Ｂ）は、燃料通路１１または酸化剤通路１２の何れか一方のみを有することから、これらを他のセパレータ８と区別して特に端板８Ａ、端板８Ｂと呼んでいる。
本実施形態では、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。
端板８Ａ、８Ｂの材料はセパレータ８と同じ金属材料が使用されている。
【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に燃料接続管１３を通して燃料ガスを供給する燃料マニホールド１５と、各セパレータ８および端板８Ｂの酸化剤通路１２に酸化剤接続管１４を通して酸化剤ガス（空気）を供給する酸化剤マニホールド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を断熱材等の保温用部材を付装した筒状のハウジング（図示せず）内に収納してモジュール化することによって、固体酸化物形燃料電池が構成される。
尚、燃料電池からの電力の取り出しは、上記した上下一対の端板８Ａ、８Ｂを介して外部回路（負荷）を接続することにより可能であり、例えば、外部接続用に各端板８Ａ、８Ｂの中央より図示しない一対の電極端子をハウジングの外に突出させる構造とすることができる。
【００２２】
ところで、上記構成のような平板積層型の燃料電池スタック１では、発電セル５の積層方向において、図４の実線に示すように、燃料電池スタック１の両端付近の温度がスタックの中段部分に比べて極端に低下するという傾向が見られ、この温度不均一が電池性能に大きく影響していることは従来技術の欄で述べた通りである。
【００２３】
そこで、本発明では、燃料電池スタック１の両端に配置される端板８Ａ、８Ｂの表面にセパレータ８の材料より熱伝導率の低い多孔質セラミックによる被膜２０を形成し（セラミックコーティング）し、そのセラミック被膜２０による断熱効果で、スタック端部の発電セル５に発生するジュール熱の放散を抑制するようにした。一方、燃料電池スタック１の端部を除く部分のジュール熱は、セラミックより熱伝導率の高い金属製のセパレータ８を介して活発に放散される。
このように、中段部分に比べて温度の低い燃料電池スタック１の端部での熱の放散を抑制することにより、積層方向の温度分布は均一化されて効率的な発電が可能となり、電流出力を増大することができる。
【００２４】
本実施形態では、セパレータ８の材料であるステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金等より熱伝導率が低く、且つ、耐熱性に優れるセラミック材料として、例えば、アルミナ系、ジルコニア系セラミックを用いて端板８Ａ、８Ｂの上面部をコーティングしている。
コーティングは、上記セラミック材料を金属表面に溶融噴射することで行うことができる。
【００２５】
また、コーティングの箇所は図２（ａ）、（ｂ）に示すような各端板８Ａ、８Ｂの上面部だけでなく、図示しないが、端板８Ａ、８Ｂの周側部にも施す方が熱放散の抑制効果は大きくなるので好ましい。
更には、端板８Ａ、８Ｂを多孔質セラミックで構成しても構わない。これにより、熱放散の抑制効果は、より一層大きいものとなる。
このようにして、燃料電池スタック１における周側部の熱放散性を積層方向に変えることができる。
【００２６】
また、図３に示すように、端板８Ａ、８Ｂを多孔質セラミック２２で構成した場合は、この多孔質セラミック２２の発電セル側の面に、セパレータ８と同じ金属材料（ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金等）による薄い金属板２１を配設し、上記した外部接続用の電極端子２３、２４をこの金属板２１を利用して簡単に固定することにより、電極端子２３、２４の取り付け構造を簡略化できるため、都合が良い。
【００２７】
図４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。
【００２８】
図４に示すように、従来型では、実線で示すように燃料電池スタック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（端板）の熱放散を抑制するように構成すると、破線で示すように高温部と低温部の温度差を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る。
【００２９】
以上、本実施形態では、本発明を燃料電池スタック１の両端に配置される端板８Ａ、８Ｂの両方に適用した場合を説明したが、燃料電池スタック１の温度分布の状態に応じて何れか一方の端板のみに適用しても勿論構わない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【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構成を示す断面図。
【図３】本発明に係る図２とは別の端板の構成を示す断面図。
【図４】燃料電池スタックの積層方向の温度分布を示す図。
【符号の説明】
【００３１】
１  燃料電池スタック
５  発電セル
８  セパレータ
８Ａ、８Ｂ  端板
２０  セラミック被膜
２１  金属製薄板
２２  セラミック
２３、２４  電極端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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