(57)【要約】【課題】  供給ガスと反応後の排気ガスとの混合を防止し、発電領域全面に亘り供給ガスの実効濃度を維持して固体酸化物型燃料電池の発電効率を向上させる。【解決手段】  発電要素２０は、固体酸化物型の電解質層２１の両面に酸化剤極２２と燃料極２３が形成されている。セパレータ２は、酸化ガス供給マニホルド２、燃料ガス供給マニホルド４、図示しない酸化ガス排出マニホルド５及び燃料ガス排出マニホルド６が形成されている。酸化ガス供給マニホルド３から供給された酸化ガスは、セパレータ２内の酸化ガス供給流路７を介して複数の酸化ガス供給分岐流路９に分岐し、酸化ガス供給分岐流路９の先端部のガス吹出し口１２から酸化剤極２２の第１種の領域へ吹き出される。反応済み（使用済み）の酸化ガスは、第１種の領域とは異なる第２種の領域から酸化ガス排出流路１３を介して酸化ガス排出マニホルドへ排出される。燃料ガスの流路も同様。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平坦な固体酸化物型電解質の一方の面に多孔質の酸化剤極、他方の面に多孔質の燃料極を有する発電要素と、
前記発電要素の平面と間隙を挟んで対向するガス供給流路と、
前記ガス供給流路から分岐して前記発電要素の平面の第１種の領域に当接して開口する複数のガス供給分岐流路と、
前記発電要素の平面の第１種の領域とは異なる第２種の領域に連通するガス排出流路と、
を備えたことを特徴とする固体酸化物型燃料電池。
【請求項２】
前記ガス供給流路は、隣接するセル間に供給する燃料ガス及び酸化ガスを分離するとともにセル間の電気的接続を行うセパレータに形成されたことを特徴とする請求項１記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項３】
前記ガス供給流路、前記ガス供給分岐流路、及び前記ガス排出流路は、隣接するセル間の燃料ガス及び酸化ガスを分離するとともにセル間の電気的接続を行うセパレータに形成されたことを特徴とする請求項１記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項４】
前記発電要素は、酸化剤極または燃料極の表面に多孔質導電材からなる集電層を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項５】
前記ガス供給流路は、セパレータ外板とセパレータ内板からなり、
前記ガス供給分岐流路は、前記発電要素の平面に垂直な導電性のチューブからなり、
該チューブの開口部の一端が前記ガス供給流路を形成するセパレータ内板に気密接続され、且つ該チューブの開口部の他端が前記発電要素の平面の第１種の領域に接触して電気的接続を為し、
前記発電要素の平面と前記ガス供給流路を形成するセパレータ内板との間隙が前記ガス排出流路であることを特徴とする請求項２記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項６】
前記電極表面に接触するチューブの開口部には、前記発電要素の平面の第１種の領域を覆い且つ該領域に電気的に接続された鍔を有することを特徴とする請求項５記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項７】
前記チューブの先端と前記発電要素との間に多孔質の集電体を具備し、前記ガス供給流路と該集電体間に間隙を残存させたことを特徴とする請求項５または請求項６記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項８】
前記ガス供給流路内には前記セパレータ内板と前記セパレータ外板とを電気的に接続する突起を有することを特徴とする請求項５乃至請求項７の何れか１項に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項９】
前記ガス供給流路内に多孔質導電体を備えたことを特徴とする請求項５乃至請求項７の何れか１項に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項１０】
前記発電要素と、該発電要素の一方の面から該発電要素に燃料ガスを供給する前記ガス供給流路及び前記チューブを備えた燃料ガス供給部と、該発電要素の他方の面から該発電要素に酸化ガスを供給する前記ガス供給流路及び前記チューブを備えた酸化ガス供給部とを一組の燃料電池セルとし、該燃料電池セルを複数積層しつつ加圧したセルスタックと、
前記燃料ガス供給部に並列に燃料ガスを分配供給する第１の接続管と、
前記酸化ガス供給部に並列に酸化ガスを分配供給する第２の接続管と、
を具備してなることを特徴とする請求項５乃至請求項９の何れか１項に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項１１】
前記燃料電池セルをドーナツ状に形成し、
前記第１、第２の接続管を前記ドーナツ状の中心部に具備し、
前記ガス排出流路をドーナツ状の周縁に開口してなることを特徴とする請求項１０に記載の固体酸化物型燃料電池。
【請求項１２】
前記ガス排出流路の圧力を減圧する減圧手段を備えたことを特徴とする請求項５乃至請求項１１の何れか１項に記載の固体酸化物型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体酸化物型燃料電池に係り、特に電解質面に均一に反応ガスを供給して発電効率を向上させることができる固体酸化物型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素ガスなどの燃料ガスと酸素を有する酸化ガスとを電解質を介して電気化学的に反応させ、電解質両面に設けた電極間から電気エネルギを直接取り出すものである。燃料電池は、電解質の種類により、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体高分子型燃料電池（ＰＥＣＦ）に分類される。
【０００３】
この中で固体酸化物型燃料電池は、電解質として酸素イオン導電性の固体酸化物を用いるため取り扱いが容易であること、発電効率が高く、高温度の廃熱が得られること、利用可能な燃料ガスの範囲が広い等の理由により、移動体用電源やオンサイト用コジェネレーションシステムへの応用が期待されている。
【０００４】
従来の固体酸化物型燃料電池スタックは、構造上の特徴から円筒構造型と平板構造型に分類される。円筒構造型は、円筒状の電解質の内面及び外面にそれぞれ電極を形成したものである。平板構造型は、方形または円形の平板状電解質の両面に電極を形成したものであり、円筒構造型より高出力密度化できる可能性が大きい。
【０００５】
従来の平板構造型燃料電池においては、電解質層の両面に燃料極層と空気極層とを積層した平板状の発電要素と、一方の面に燃料ガス流路、他方の面に空気流路を形成したセパレータ兼インターコネクタとを交互に積層した後、積層方向に大きな加重を印加してガスシールと電気的接続を確保している。
【０００６】
また燃料電池の内部抵抗を減少するため、電解質層を薄膜化する際に、多孔質の燃料極あるいは空気極のいずれか一方の電極層を支持体として、この支持体の上に電解質層と他方の電極層を形成した電極支持型構造も提案されている。
【０００７】
上記構成の固体酸化物型燃料電池においては、ガス供給流路とガス排出流路とが分離していないため、燃料ガスや酸化ガスを反応面に対して略平行に供給すると、排ガスや使用済みガスは供給ガスと混合されて各反応点に到達する。
【０００８】
このためガス供給の上流に近い反応点では反応律速傾向があり、下流に近い反応点では原料ガス濃度が低下した状態となっているため、全体の発電効率が低下する傾向がある。
【０００９】
上記の如きガス供給の均一性に関する問題点に着目して、固体酸化物型電解質の両面に電極を形成した発電要素の各平面に対して、複数の吹出口からシャワー状に原料ガスが供給される構造が提案された（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００２−２０３５７９号公報（第７頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら上記従来の技術では、発電面に対して反応ガスをシャワー状に均一に供給しようとしているが、ガス供給流路とガス排出流路とが分離していないために、反応後の排気ガスは供給ガスと混合してしまうという問題点があった。
【００１１】
従って、ガス供給の下流側に位置する電解質の部位では、未反応の燃料ガスまたは酸化ガス濃度が低下して発電効率が低下するとともに、未反応ガスも反応後のガスと混合して排出されることとなり、燃料ガスの利用効率が低下するという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は上記従来の問題点を解決するためになされたもので、平坦な固体酸化物型電解質の一方の面に多孔質の酸化剤極、他方の面に多孔質の燃料極を有する発電要素と、前記発電要素の平面と間隙を有して対向する導電材料からなるガス供給流路と、前記ガス供給流路から分岐して前記発電要素の平面の第１種の領域に当接して開口する導電材料からなる複数のガス供給分岐流路と、前記発電要素の平面の第１種の領域とは異なる第２種の領域に連通するガス排出流路と、を備えたことを要旨とする固体酸化物型燃料電池である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、発電要素にガスを供給するガス供給流路と、発電に使用した後のガスを排出するガス排出流路とが分離され、供給ガスと反応後の排気ガスとが混合することがないので、発電領域全面に亘り供給ガスの実効濃度が維持され、固体酸化物型燃料電池の発電効率が向上するという効果がある。
【００１４】
また、発電領域内に均一に反応ガスが供給されるので、発電領域内での発電電圧が一定となり、燃料ガス濃度差により生じる局部電池による劣化や電力の自己消費も解消され、さらに発電効率が向上するという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、特に限定されないが、以下に示す各実施例は、移動体用電源やオンサイト用コジェネレーションシステムに好適な発電効率の高い固体酸化物型燃料電池である。
【実施例１】
【００１６】
次に、図１乃至図３を参照して、本発明に係る固体酸化物型燃料電池の実施例１を説明する。図１（ａ）は、実施例１におけるセパレータの平面図、図１（ｂ）は、Ａ−Ａ’線に沿う断面図、図１（ｃ）は、Ｂ−Ｂ’線に沿う断面図、図１（ｄ）は、Ｃ−Ｃ’線に沿う断面図である。
【００１７】
図１において、セパレータ２は、例えばフェライト系ステンレスなどの耐熱金属からなり、複数のセルを積層化してスタックを構成した場合に、各層に酸化ガスを供給するための酸化ガス供給マニホールド３と、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給マニホールド４と、各層で使い終わったガスをスタック外へ排気するための酸化ガス排出マニホールド５と、燃料ガス排出マニホールド６とを備えている。
【００１８】
またセパレータ２の内部には、セパレータ２の下に配置される図示しない発電要素に酸化ガスを供給する酸化ガス供給流路７と、セパレータ２の上に配置される図示しない発電要素に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路８とを備えている。
【００１９】
酸化ガス供給流路７は、複数の酸化ガス供給分岐流路９に分岐し、それぞれの酸化ガス供給分岐流路９の下端部は、セパレータ２の下面に設けられた複数のガス吹出し口１２として開口している。
【００２０】
同様に、燃料ガス供給流路８は、複数の燃料ガス供給分岐流路１０に分岐し、それぞれの燃料ガス供給分岐流路１０の上端部は、セパレータ２の上面に設けられた複数のガス吹出し口１２として開口している。
【００２１】
本実施例では、セパレータ２の上面及び下面に設けられたガス吹出し口１２は、各面それぞれ４行×４列の計１６としているが、ガス吹出し口１２の個数は、セパレータ及び発電要素の寸法やガス消費率等に基づいて適宜決定することができる。
【００２２】
各ガス吹出し口１２の間には、酸化ガス排出流路１３，または燃料ガス排出流路１４が縦横に溝状に形成されている。これらの酸化ガス排出流路１３または燃料ガス排出流路１４の溝状の凹部により、各ガス吹出し口１２の周囲には、それぞれ方形の突起部１１が形成されている。
【００２３】
セパレータ２と図示しない発電要素とが交互に積層されてスタックが構成されたとき、突起部１１は発電要素に密接して、その中央部のガス吹出し口１２から発電要素に燃料ガスまたは酸化ガスを供給する。
【００２４】
図２は、セパレータ上面における燃料ガス供給及び反応済みガス排出の流れを説明する模式図であり、図２（ａ）は、セパレータ上面を示す平面図、（ｂ）はＡ−Ａ’線に沿う断面図、（ｃ）はＢ−Ｂ’線に沿う断面図である。
【００２５】
同図において、燃料ガス供給マニホールド４から供給された燃料ガスは、燃料ガス供給流路８を経て、複数の燃料ガス供給分岐流路１０に分岐し、さらにガス吹出し口１２から吹き出す。各ガス吹出し口１２から発電要素の燃料極側へ向かって吹き出された燃料ガスは、ガス吹出し口１２の周囲に拡散して燃料極で発電のための電気化学反応に利用される。反応済みのガスは、燃料ガス排出流路１４を通って、燃料ガス排出マニホールド６から排出される。尚、図示しないが酸化ガスについても同様の流れとなる。
【００２６】
図３は、電解質支持型のセルに適用してスタック化した場合の断面構造およびセル酸化剤極近傍のガスフロー模式図を示す。
【００２７】
発電要素２０は、構造的に支持部材を兼ねる電解質層２１と、その両面に形成された酸化剤極２２，燃料極２３からなる。
【００２８】
発電要素２０は、例えば電解質層２１として、８〔mol%〕イットリア安定化ジルコニア（以下８ＹＳＺと略す）、電解質層２１上面に酸化剤極２２としてLaxSr1-xCoO3（以下ＬＳＣと略す）、同下面に燃料極２３としてNiO-YSZ サーメットが焼き付けられている。この発電要素２０の両面に、ステンレススチール等の耐熱金属からなる金属メッシュ等の多孔質導電体を用いた集電層２４，２５を介してセパレータ２が積層されている。
【００２９】
このセパレータ２においては、例えば酸化ガスは酸化ガスガス供給マニホールド３を経由して各セパレータ内の酸化ガス供給流路７に分配され、その後酸化ガス供給分岐流路９を経て、ガス吹出し口１２からこれに対向する位置の発電要素平面の領域（第１種の領域）に吹き出されることになる。
【００３０】
そして酸化ガスは、発電要素２０の表面において、その酸素がイオン化しセルに取り込まれる。そして、酸素濃度の低下した使用済ガスは、前記第１種の領域とは異なる第２種の領域から酸化ガス排出流路１３を通り、酸化ガス排出マニホールド５（図２）を経由してスタックの外へ排出されることになる。
【００３１】
このようなガスのフローは、燃料極側でも同様であり、燃料ガスは燃料ガス供給マニホールド４→燃料ガス供給流路８→燃料ガス供給分岐流路１０→ガス吹出し口１２を経由して発電要素に供給される。発電要素に供給された燃料ガスは、燃料極２３の表面において酸素イオンと反応し、その有効なガス成分の濃度が低下したガスは燃料ガス排出流路１４→燃料ガス排出マニホールド６を経由してスタック外へ排出される。
【００３２】
尚、本実施例では図示しなかったが、酸化ガス排出マニホールド５または燃料ガス排出マニホールド６を経由してスタック外に排出された排ガス（反応済みガス）を吸引するポンプを備えて、排ガス流路を減圧して運転するようにしてもよい。このような排ガス流路の減圧運転により、排ガスを高速に排気し、スタック全体の温度バランスを向上させるとともに、反応部での排ガス拡散速度を上げ、供給ガスの多孔質電極への供給を改善することができるという効果がある。
【００３３】
以上説明したように本実施例によれば、ガス供給流路から分岐した複数のガス供給分岐流路により反応ガスを発電要素の第１種の領域に供給するとともに、この第１種の領域とは異なる第２種の領域に連通するガス排出流路を介して反応済みのガスを排出する構成としているので、発電要素に供給するガスが反応済みガスと直接混合することなく、発電要素の全面に亘ってほぼ均一に供給することができる。
【００３４】
また本実施例によれば、供給されるガスがセパレータ内のガス供給流路部において余熱されるとともに、その濃度を発電要素面内で均質に供給することができる。
【００３５】
また、従来の燃料電池であれば、セル中心付近で反応に寄与した使用済ガスは外側に向かってセル上をフローするため、セル面内でガス濃度を均一に供給したとしても外周部では供給されたガスと中心部で使用された使用済ガスが交じり合うことになり濃度勾配を生じさせることになる。
【００３６】
しかし、本発明に係る固体電解質型燃料電池では、使用済ガスは供給されたフレッシュなガスに押し出され、反応場であるセル表面からガス排出流路を経由して外へ排出される。そのためセル面内でのマクロなガス濃度勾配は解消され、セル表面のガス濃度を均質化することができる。このように本発明では十分余熱されたガスを面内で均質な濃度で供給するとともに、供給されたフレッシュなガスが使用済ガスと交じり合うことが防止できるため、結果としてセル面内での濃度勾配が解消される。
【００３７】
これにより、セル面内においてガスの温度分布、ガスの濃度分布の両方を均質化でき、その反応も均質化されることからセル面内の温度分布、ひいてはスタック全体の温度分布が改善さる。これによりセル面内、スタック全体での熱応力の発生も抑制されることからスタックの信頼性、長寿命化を図ることができる。
【００３８】
この実施例では燃料ガス、酸化ガス両方に吹出し口、排気流路を設けているがどちらか一方でも従来のものに比べ温度分布の改善は可能である。
【００３９】
また、この実施例においては四角形のセル構造について適用しているが、このセル形状に限定されるものではなく、円形等平板タイプのセルであれば適用可能であることは明らかである。
【実施例２】
【００４０】
次に、図４を参照して、本発明の実施例２を説明する。この実施例はセルの形態が電極支持型（アノード支持）である点が実施例１とは異なっている。
【００４１】
本実施例では、発電要素２０の支持部材を兼ねる多孔質の燃料極２３の上に、電解質層２１，酸化剤極２２が順次積層されて、発電要素２０が形成されている。電解質層２１の上に酸化剤極２２を積層する場合、電解質層２１の端部を避けて酸化剤極２２が形成されている。電解質層２１の端部は、接合材２７を介して耐熱金属等からなる支持フレーム２６に接合されている。本実施例では、酸化剤極２２は、集電層２４を介してセパレータ２に接しているが、燃料極２１は、直接セパレータ２に接している。その他の構成やセパレータ２の形状は、実施例１と同様である。本実施例によれば、電極支持構造の固体酸化物型燃料電池においても実施例１と同様な効果が得られる。
【００４２】
尚、本実施例では、燃料極支持型について説明したが、本実施例の変形例として、酸化剤極支持型の構造にも本発明を適用できることは明らかである。
【実施例３】
【００４３】
次に、本発明の実施例３について図５〜図１２を参照して以下に詳述する。
【００４４】
図５は、実施例３の固体酸化物型燃料電池のスタックの構造を説明する部分断面を併用した斜視図である。本実施例は、略円盤状のセルを複数積層したスタック１を示し、スタック全体としては円筒形状を呈している。
【００４５】
同図において、スタック１は、円盤状のセルの中央部に形成した酸化ガス供給マニホールド３，燃料ガス供給マニホールド４を支持体として、複数のセルが接合されている。
【００４６】
本実施例では、燃料電池の構成単位であるセルは、電解質層２１の両面に酸化剤極２２及び燃料極２３を形成した発電要素２０と、発電要素２０の下面から酸化ガスを供給する酸化ガス側セパレータ２ａと、発電要素２０の上面から燃料ガスを供給する燃料ガス側セパレータ２ｂとを備えている。
【００４７】
酸化ガス側セパレータ２ａと燃料ガス側セパレータ２ｂとは、例えばフェライト系ステンレスなどの耐熱金属で形成され、隣接するセル間に電流を通じる導電性を有している。
【００４８】
酸化ガス側セパレータ２ａと燃料ガス側セパレータ２ｂとのそれぞれの中央部には、セラミックなどの耐熱性絶縁材料で酸化ガス供給マニホールド３，燃料ガス供給マニホールド４が形成されている。
【００４９】
各セルの酸化ガス供給マニホールド３，燃料ガス供給マニホールド４は、スタック１の上から下まで一直線上に連通し、スタックの端部で配管により外部で接続されている。これら酸化ガス供給マニホールド３，燃料ガス供給マニホールド４から各セルへ反応ガスが分配されて並列運転すると共に、各セルは電気的に直列に接続された構造である。
【００５０】
酸化ガス側セパレータ２ａの内部には、発電要素平面に平行な酸化ガス供給流路７が設けられている。酸化ガス側セパレータ２ａの上面には、多数のチューブ４３が設けられ、チューブ４３の先端部は対向する発電要素２０の酸化剤極に接し、そこから発電要素２０に酸化ガスを供給する。酸化ガス側セパレータ２ａの上面のチューブ４３が設けられていない部分と発電要素２０との間隙は、酸化ガス排出流路１３となっている。
【００５１】
同様に、燃料ガス側セパレータ２ｂの内部には、発電要素平面に平行な燃料ガス供給流路８が設けられている。燃料ガス側セパレータ２ｂの下面には、多数のチューブ４３が設けられ、チューブ４３の先端部は対向する発電要素２０の燃料極に接し、そこから発電要素２０に燃料ガスを供給する。燃料ガス側セパレータ２ｂの下面のチューブ４３が設けられていない部分と発電要素２０との間隙は、燃料ガス排出流路１４となっている。
【００５２】
上記ガス供給及び排出構造を発電要素２０からみれば、チューブ４３の先端部が接している領域が反応ガスが供給される第１種の領域であり、この第１種の領域とは異なる第２種の領域から反応済みのガス（或いは反応ガスが消費された残余のガス）がガス排出流路１３，１４に流れ出すようになっている。
【００５３】
次に、セル領域４０に関して図６〜１０を用いて詳述する。
【００５４】
図６は、本実施例における固体酸化物型燃料電池のセル部分を拡大した斜視図を併用した断面図である。発電要素２０は、電解質層２１の一方の面に酸化剤極２２、他方の面に燃料極２３が形成されている。発電要素２０の各部の材質及び製造方法は、実施例１と同様である。
【００５５】
発電要素２０の両面には、細く且つ並列に配置されたチューブ４３が接触し、かつガス供給流路である燃料ガス側セパレータ２ｂ及び酸化ガス側セパレータ２ａに気密接続されて、上記電極へガスをそれぞれ供給すると共に電気的接続をとる。
【００５６】
燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド４（図５）から、燃料ガス側セパレータ２ｂのセパレータ外板４１とセパレータ内板４２との間隙が構成する燃料ガス供給流路８を介して、上記チューブ４３へ供給される。
【００５７】
同様に酸化ガスは、酸化ガス供給マニホールド３（図５）から、酸化ガス側セパレータ２ａのセパレータ外板４１とセパレータ内板４２との間隙が構成する酸化ガス供給流路７を介して、上記チューブ４３へ供給される。
【００５８】
ここで、発電要素２０と燃料ガス側セパレータ２ｂのセパレータ内板４２との間隙が燃料ガス排出流路１４となり、発電要素２０と酸化ガス側セパレータ２ａのセパレータ内板４２との間隙が酸化ガス排出流路１３となる。
【００５９】
セパレータ内板４２には、多数のチューブ４３が気密接続され、チューブ４３の一端は、孔４４によりセパレータ内部のガス供給流路７，８に連通している。チューブ４３の他端にはラッパ状の鍔（またはフランジ）４５が設けられ、鍔４５の周縁が発電要素２０に気密接触するとともに、チューブ４３を介して酸化ガスまたは燃料ガスを発電要素２０に供給するようになっている。
【００６０】
次に、図７〜８を参照して、本発明の固体酸化物型燃料電池におけるガスの流れを更に詳細に説明する。図７は、図５〜６における燃料ガス側流路と電極を抜き出して拡大した図である。
【００６１】
上述の様に、燃料ガス供給マニホールド４（図５）から燃料ガス供給流路８を介して供給された燃料ガスが、燃料ガス側セパレータ２ｂのセパレータ内板４２に開口された孔４４に接続されたチューブ４３を経由して多孔質の燃料極２３に供給されている。
【００６２】
燃料極２３表面にはチューブ４３に接合した鍔４５を用いて蓋をするように燃料極２３内でのガスの流れを強制すると電極内での反応効率が向上し、無駄なガス流を排除し流量を低減する。燃料極２３を通過したガスは鍔４５が無い部分で並立する他のチューブ４３から供給されたガスと衝突して燃料ガス排出流路１４に放出されて排気される。
【００６３】
ガスは燃料極２３内を通過して流せる量しか流さないので、燃料ガス供給流路８内において各チューブ４３への分配が均一に行いさえすればよいし、多孔質の燃料極２３のガス透過性は他の多孔質金属等の部材を対象としても格段に小さいので、そのガス分配は容易である。
【００６４】
チューブ４３より供給されたガスの鍔４５と電極との界面での平面配置での様子の例を模式的に図８に示す。鍔４５の隣接する同士の端部の間隔は電極０７２内でのイオンの横方向拡散長程度に押さえるのが最も性能が向上する。尚、燃料ガス側に対して上述したが酸化ガス側に対しても全く同様である。
【００６５】
次に、図９を用いて燃料電池の１セル分のガスの供給と排気を説明する。図９は、図５に示したスタック１の一層分のセル部分の断面図である。セル中央部の酸化ガス供給マニホールド３、燃料ガス供給マニホールドガス４にそれぞれ開口するガス供給口４６，４７よりガスがセパレータ２ａ、２ｂの内部へ流入する。流入したガスは、セパレータ２ａ，２ａの内部のガス供給流路７，８内で分配されつつ、チューブ４３を経由して酸化剤極２２，燃料極２３の表面に供給される。酸化剤極２２，燃料極２３で消費した後の排気ガスは、酸化ガス排出流路１３，燃料ガス排出流路１４よりまとめてセルの外周部４８，４９より排出される。
【００６６】
また、酸化ガス側セパレータ２ａと燃料ガス側セパレータ２ｂの内周側１９が発電要素２０の電解質層２１の内周部を挟んで構成することにより、酸化ガス供給流路７と燃料ガス供給流路８との両ガス流路間のガスシーリングと、同一セル内の酸化ガス側セパレータ２ａと燃料ガスガス側セパレータ２ｂ間の電気的絶縁を実現している。
【００６７】
このため、本実施例では、発電要素２０と、その両側の酸化ガス側セパレータ２ａと燃料ガス側セパレータ２ｂとからなるセルを多層に積み重ねるだけで、燃料電池セルの直列接続、及びガス供給マニホールドの形成が可能となる。
【００６８】
図１０は、ガス供給流路のつぶれ防止と導電性改善を図る為のもので、２つの手法を混合して描画している。上記の説明ではガス供給流路７，８は、ガスを各チューブ４３に均一に分配するだけの機能が要求されているが、実際には上述の様に積層して使用するために上下に機械的な圧力を印加する。このときガス供給流路７，８の内部は、空間のままであるとつぶれてしまうと同時に電気的な接続性も芳しくない。
【００６９】
このため、酸化剤極側セパレータ２ａまたは燃料極側セパレータ２ｂのセパレータ外板４１とセパレータ内板４２と何れか一方または双方に両者の間の加重を支える突起６０を設ける方法、または、強度の高い発泡金属等の多孔質金属５１をガス供給流路７，８の内部に充填する方法により、ガス供給流路７，８の規定内高を維持するとともに、電気抵抗を低減して接続性を向上させることができる。
【００７０】
以上説明したように本実施例によれば、ガス供給流路から分岐した複数のガス供給分岐流路により反応ガスを発電要素の第１種の領域に供給するとともに、この第１種の領域とは異なる第２種の領域に連通するガス排出流路を介して反応済みのガスを排出する構成としているので、発電要素に供給するガスが反応済みガスと直接混合することなく、発電要素の全面に亘ってほぼ均一に供給することができる。
【００７１】
また本実施例によれば、供給されるガスがセパレータ内のガス供給流路部において余熱されるとともに、その濃度を発電要素面内で均質に供給することができるので、発電面内の温度分布を均一化することができる。
【００７２】
また本実施例によれば、発電要素面内で供給ガス濃度が均一となるため燃料ガス濃度差に起因する局部電池による劣化や電力の自己消費も解消され、さらに発電効率が向上する。
【００７３】
また本実施例によれば、ガス供給路の上流側に無駄なガス流量を確保する為の流路断面積を確保する必要が無く、また、発電部においても発電点に強制的にガスを吹き付け、吹き抜けさせることにより、従来ガス流路と反応面間には境膜と呼ばれるガス分子が拡散で移動する領域を薄くすることによる反応効率の向上があるため全体のガス供給量を減ずることが可能となり、スタック構造体を小型化することができる。
【００７４】
このスタック構造体の小型化と発電面積が変わらないことにより供給ガスと排気ガスとの熱交換効率が向上し、運転温度の維持に大きく寄与する。
【００７５】
またガス流量の減少はガスを供給する為のコンプレッサー等の運転エネルギーも節約可能である。
【００７６】
また排気抵抗が減少するので排気流速が上がり、チューブから供給される新規ガスと反応済みの排気との熱交換効率が向上する。
【００７７】
また、発電要素の電極表面に接触するチューブの開口部には、電極表面の一部を覆い且つ電極表面に電気的に接続された鍔を設けたので、供給ガスが電極表面及び多孔質内を流れる流路長を強制的に作り出し、反応効率を向上させることができるという効果がある。
【００７８】
また前記鍔により、導電性のチューブと電極との接触面積が増大して接触抵抗を低減させ、燃料電池系における抵抗性成分による電力の自己消費を抑制して発電出力が増加し、さらにガス供給流路とガス排出流路とをさらに分離しつつ熱交換効率を向上させるという効果がある。
【実施例４】
【００７９】
図１１は、チューブ４３または鍔４５と、発電要素２０の酸化剤極２２または燃料極２３との間に、多孔質集電体５２を挿入する場合の実施例４を示す。本実施例によれば、酸化剤極２２，燃料極２３とチューブ４３若しくは鍔４５との電気抵抗を削減し電気的接続を改善することができるという効果がある。
【００８０】
次に、図１２を参照して、上記実施例３，４に共通のガス供給マニホールドの詳細を説明する。図１２において、スタック１にガス供給を行う酸化ガス供給マニホールド３及び燃料ガス供給マニホールド４が形成される円形燃料電池の中心部分の積層型配管構造が模式的に表されている。図１２（ａ）は酸化ガス流路の平面図、（ｂ）は（ａ）の横方向の開口部の状況を示し、（ｃ）は燃料ガス流路の平面図、（ｄ）は（ｃ）の横方向の開口部の状況を示す。
【００８１】
それぞれ中央部には、一つの断面積が比較的大きい燃料ガス供給マニホールド４が設けられ、その周囲には、４つのそれぞれ断面積が比較的小さい酸化ガス供給マニホールド３が設けられている。酸化ガス供給マニホールド３は、ガス供給口４６に連通し、燃料ガス供給マニホールド４は、ガス供給口４７に連通している。これにより燃料電池の２種類のガスを中心部より別個に供給できる。尚、燃料ガス供給マニホールド４を周辺側に配置して、酸化ガス供給マニホールド３を中心側に配置するように変更することも可能である。
【００８２】
このように、酸化ガス側セパレータ、発電要素、及び燃料ガス側セパレータを一組のドーナツ状のセルとして、ドーナツ状の中心部から各ガス供給流路に並列にガスを分配供給する接続管をそのドーナツ状の中心部に具備し、上記ガス排出流路をドーナツ状の周縁に開口するようにしたので、熱の流れがドーナツ状の軸に対して回転対称に丸く拡散することになるので、応力の分散に優れ、また、各層間はチューブで支えているのでこれが傾くことにより変形を吸収して構造を維持するので、極めて応力に強い構造となるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】（ａ）本発明に係る固体酸化物型燃料電池の実施例１に用いられるセパレータの平面図、（ｂ）Ａ−Ａ’断面図、（ｃ）Ｂ−Ｂ’断面図、（ｄ）Ｃ−Ｃ’断面図である。
【図２】（ａ）実施例１におけるセパレータでの燃料ガスの流れを説明する平面図、（ｂ）Ａ−Ａ’断面図、（ｃ）Ｂ−Ｂ’断面図である。
【図３】（ａ）実施例１におけるスタック断面図、（ｂ）酸化剤極表面でのガスフロー模式図である。
【図４】（ａ）実施例２におけるスタック断面図、（ｂ）燃料極支持型セルの支持構造を説明する詳細断面図、（ｃ）スタック端部の断面及びガスフローを模式的に示す断面図である。
【図５】実施例３の固体酸化物型燃料電池のスタックの構造を説明する部分断面図を併用した斜視図である。
【図６】実施例３のセル領域の詳細を示す部分断面図を併用した斜視図である。
【図７】実施例３の燃料極付近のガスの流れを説明するガスフロー模式図である。
【図８】チューブ及び鍔から燃料極／酸化剤極へ吹き出すガスフローの模式図である。
【図９】実施例３におけるの燃料電池１層分のガスの供給排出を説明する図である。
【図１０】実施例３の変形例を説明する要部断面図である。
【図１１】実施例４のセル構造を説明する断面図である。
【図１２】酸化ガス供給マニホールド及び燃料ガス供給マニホールドによるガス供給を説明する図である。
【符号の説明】
【００８４】
１…スタック
２…セパレータ
３…酸化ガス供給マニホールド
４…燃料ガス供給マニホールド
５…酸化ガス排出マニホールド
６…燃料ガス排出マニホールド
７…酸化ガス供給流路
８…燃料ガス供給流路
９…酸化ガス供給分岐流路
１０…燃料ガス供給分岐流路
１１…突起部
１２…ガス吹出し口
１３…酸化ガス排出流路
１４…燃料ガス排出流路
２０…発電要素
２１…電解質層
２２…酸化剤極
２３…燃料極
２４…集電層
【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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