(57)【要約】【課題】本発明は、矩形板状のセルとセパレータからなるセパラータ付セルを並置したセル集合体からなる固体酸化物形燃料電池を対象とし、耐久性の低下を防止しながら、燃料利用率を高め、出力を更に増大させることができる燃料電池を提供するものである。【解決手段】  本発明は、燃料極側流路の流路入口側に、原燃料ガスを導入するための原燃料ガス噴出し口を複数個設け、燃料極側流路が、原燃料ガスが燃料極表面に供給された後、流路入口側の１辺のセル周縁部と直角をなす一対の辺のセル周縁部と、流路入口側の１辺のセル周縁部と対向する１辺のセル周縁部とのコーナー部付近に流路出口を設け、流路入口から流路出口に向けて原燃料ガスを流動させるように構成するものである。【選択図】図６
2007141468.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層の一方の面に酸素極を備え且つ他方の面に燃料極を備えた矩形板状のセルの複数が、互いに間隔を隔てて厚み方向に並置されてセル集合体が構成され、そのセル集合体が、前記セルの酸素極側に酸素極側流路を形成し且つ燃料極側に燃料極側流路を形成するように区画する導電性流路形成部材を、隣接するセル間に位置させるように構成され、前記燃料極側流路に炭化水素系の原燃料ガスを供給し且つ前記酸素極側流路に酸素極側反応用ガスを供給して、前記燃料極側流路内で前記原燃料ガスを水素含有ガスに改質させながら発電させるように構成された固体酸化物形燃料電池であって、前記燃料極側流路の流路入口側に、前記原燃料ガスを導入するための原燃料ガス噴出し口をガス通路構成部材に複数個設け、前記燃料極側流路が、前記原燃料ガスが燃料極表面に供給された後、前記流路入口側の１辺のセル周縁部と直角をなす一対の辺のセル周縁部と、前記流路入口側の１辺のセル周縁部と対向する１辺のセル周縁部とのコーナー部付近に流路出口を設け、前記流路入口から前記流路出口に向けて前記原燃料ガスを流動させるように構成されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項２】
電解質層の一方の面に酸素極を備え且つ他方の面に燃料極を備えた矩形板状のセルの複数が、互いに間隔を隔てて厚み方向に並置されてセル集合体が構成され、そのセル集合体が、前記セルの酸素極側に酸素極側流路を形成し且つ燃料極側に燃料極側流路を形成するように区画する導電性流路形成部材を、隣接するセル間に位置させるように構成され、前記燃料極側流路に炭化水素系の原燃料ガスを供給し且つ前記酸素極側流路に酸素極側反応用ガスを供給して、前記燃料極側流路内で前記原燃料ガスを水素含有ガスに改質させながら発電させるように構成された固体酸化物形燃料電池であって、前記燃料極側流路の流路入口側に、前記原燃料ガスを導入するための原燃料ガス噴出しスリットをガス通路構成部材に設け、前記燃料極側流路が、前記原燃料ガスが燃料極表面に供給された後、前記流路入口側の１辺のセル周縁部と直角をなす一対の辺のセル周縁部と、前記流路入口側の１辺のセル周縁部と対向する１辺のセル周縁部とのコーナー部付近に流路出口を設け、前記流路入口から前記流路出口に向けて前記原燃料ガスを流動させるように構成されていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】
前記原燃料ガス噴出し口もしくは前記原燃料ガス噴出しスリットの最下部の高さ（Ｈｆ）が、前記燃料極表面の高さ（Ｈａ）との関係において、０≦Ｈｆ−Ｈａ≦２ｍｍとなるように構成されている請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記燃料極側流路に対応させて気体の通流を許容する柔軟性導電材が配置された外側に、流路出口以外の周縁部から前記原燃料ガスが排出されないように金属箔を配置した請求項１〜３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、電解質層の一方の面に酸素極を備え且つ他方の面に燃料極を備えた板状のセルの複数が、互いに間隔を隔てて厚み方向に並置されてセル集合体が構成され、そのセル集合体が、前記セルの酸素極側に酸素極側流路を形成し且つ燃料極側に燃料極側流路を形成するように区画する導電性流路形成部材を、隣接するセル間に位置させるように構成され、前記燃料極側流路に炭化水素系の原燃料ガスを供給し且つ前記酸素極側流路に酸素極側反応用ガスを供給して、前記
燃料極側流路内で前記原燃料ガスを水素含有ガスに改質させながら発電させるように構成された固体酸化物形燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
かかる固体酸化物形燃料電池は、燃料極側流路に、炭化水素系の原燃料ガスを水素含有ガスに改質させながら流動させ、並びに、酸素極側流路に、酸素極側反応用ガスである酸素含有ガスを流動させ、それら水素含有ガス中の水素と酸素含有ガス中の酸素とにより発電反応を起こさせて発電させる、所謂、内部改質型の燃料電池である。従来は、例えば特開平９−２７３２５号公報に記載されている如く、セルが矩形板状である場合は、燃料極側流路と酸素極側流路はそれぞれ、流路入口及び流路出口を、セル周縁における互いに対向する部分に、各別に備えるように、前記セルが並置されるセル並置方向視において、直交するように構成されていた。そして、原燃料ガスを、流路入口から流路出口へ向けて燃料極側流路内を流動させて、その流動過程で、原燃料ガスを水素含有ガスに改質させるように構成していた。
【０００３】
また、特許公報３５２０００５号には、前記燃料極側流路が、前記セルが並置されるセル並置方向視において、その中央側に供給される原燃料ガスをセル周縁側に流動させるように構成され、前記セルが矩形板状であり、前記燃料極側流路が、前記セル並置方向視において、セル周縁を形成する４辺のうちの対向する一対の辺に相当するセル周縁部分の夫々を流路出口とし、それら一対の流路出口の間に相当する箇所に、前記流路出口の形成方向と略平行な原燃料導入路を備えて、前記原燃料導入路に導入される原燃料ガスをその原燃料導入路の長手方向各部から前記一対の流路出口に向けて流動させるように構成された燃料電池が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２７３２５号公報
【特許文献２】特許公報３５２０００５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、セルにおける発電反応は発熱反応であり、その発電反応熱の放熱は、セルにおける面方向での中央部ほどし難い。一方、燃料極側流路内で原燃料ガスを水素含有ガスに改質させる改質反応は吸熱反応である。そして、従来では、原燃料ガスは、セル周縁の一部分に形成される流路入口から、それに対向するセル周縁の一部分に形成される流路出口に向かって燃料極側流路を流動するので、改質反応量は、流路入口側ほどが多く、流路出口側ほど少なくなる。従って、従来では、セルの温度は、面方向の中央部ほど高くなる傾向があり、セルの面方向での温度分布が大きくなり易かった。
【０００６】
一方、燃料電池の出力を増大させるには、発電反応量を多くする必要があるが、発電反応量が多くなるに伴って、面方向での温度分布が更に大きくなって、セルの内部応力が大きくなるので、耐久性の低下を招く虞がある。従って、特開平９−２７３２５号公報に記載の直交流方式では、燃料電池の出力を増大させるにしても耐久性の面で限度があり、出力を増大させるという面において、改善の余地があった。
【０００７】
一方、特許公報３５２０００５号は、上記課題に対してなされたもので、原燃料ガスは、セル並置方向視において、中央側からセル周縁側に向かって燃料極側流路を流動するので、原燃料ガスの改質反応量は、セルにおけるセル並置方向視での中央側が多く、セル周縁側ほど少なくなるため、発電反応熱の放熱がし難いセルにおける面方向での中央部が、改質反応による吸熱量が多くなって、効果的に冷却されることとなり、セルにおける面方向での温度分布が小さくなり、耐久性の低下を防止しながら、出力を増大させる効果が認められるものである。しかしながら、原燃料噴出し口はセル周縁部中央から１つだけであり、また、燃料極側流路を、セル周縁の全周又は略全周が流路出口となるようにしているため、原燃料ガスがそのまま燃料極に達することなくセル周縁から散逸、排出される割合が多く、そのためか燃料利用率が期待するほど十分でなく、出力もまた予想よりも低いものであった。特に、流路入口側のセル周縁部付近は原燃料ガスがほとんど流れてこない箇所が一部あり、電極有効面積の減少と言う問題も指摘されるものであった。本発明は、かかる実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、固体酸化物形燃料電池において、耐久性の低下を防止しながら、燃料利用率を高め、出力を更に増大させることができるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（本出願に係る第一の発明）
第一の発明は、前記燃料極側流路の流路入口側に、前記原燃料ガスを導入するための原燃料ガス噴出し口をガス通路構成部材に複数個設け、前記燃料極側流路が、前記原燃料ガスが燃料極表面に供給された後、前記流路入口側の１辺のセル周縁部と直角をなす一対の辺のセル周縁部と、前記流路入口側の１辺のセル周縁部と対向する１辺のセル周縁部とのコーナー部付近に流路出口を設け、前記流路入口から前記流路出口に向けて前記原燃料ガスを流動させるように構成されていることにある。
【０００９】
原燃料ガスは、セル周縁部の複数個設けられた原燃料噴出し口から分散して流れるので、セル燃料極の面方向の略全域にわたって流動することになる。しかも、噴出し口が１つの場合よりも、噴出し口が複数あることによって原燃料ガスの流路入口付近の線速度は小さくなり、よりセル燃料極の面方向の略全域にわたって流動されやすくなり原燃料ガスの改質効果が高まると共に、電気化学反応をする燃料極領域が広くなる効果がある。従って、耐久性の低下を防止しながら、出力を更に増大させることができるようになった。
【００１０】
又、原燃料導入路に導入された原燃料ガスは、前記流路入口側の１辺のセル周縁部と直角をなす一対の辺のセル周縁部と、前記流路入口側の１辺と対向する１辺のセル周縁部とのコーナー部付近に設けられた流路出口に向かって流動するので、セル周縁の全周又は略全周が燃料極側流路の流路出口となることによって原燃料ガスが燃料極表面に行きわたることなく散逸飛散してしまうことを防止でき、原燃料ガスはセルの面方向の略全域にわたって流動することになり、更にセルの面方向の略全域にわたって発電反応を起こさせることができる。従って、耐久性の低下を防止しながら出力を増大させるという課題を達成するための構成を簡略化する上で好適な具体構成を、提供することができるようになった。
【００１１】
（本願に係る第二の発明）
第二の発明は、前記燃料極側流路の流路入口側に、前記原燃料ガスを導入するための原燃料ガス噴出しスリットをガス通路構成部材に設け、前記燃料極側流路が、前記原燃料ガスが燃料極表面に供給された後、前記流路入口側の１辺のセル周縁部と直角をなす一対の辺のセル周縁部と、前記流路入口側の１辺のセル周縁部と対向する１辺のセル周縁部とのコーナー部付近に流路出口を設け、前記流路入口から前記流路出口に向けて前記原燃料ガスを流動させるように構成されていることにある。
【００１２】
原燃料ガス噴出し口を複数個設ける代わりにスリット状の噴出し口にすることによって、燃料極側流路へ原燃料噴出しスリットからより均一な原燃料ガスの流配ができ、出力を更に増大させるという課題を達成するための構成を簡略化する上で好適な具体構成を、提供することができるようになった。
（本願に係る第三発明）
第三の発明は、前記原燃料ガス噴出し口あるいは前記原燃料噴出しスリットの最下部の高さ（Ｈｆ）が、前記燃料極表面の高さ（Ｈａ）との関係において、０≦Ｈｆ−Ｈａ≦２ｍｍとなるように構成されていることにある。請求項３に記載の特徴構成によれば、ＨｆとＨａとの差を最大１ｍｍ以下にすることによって、より好ましくは０≦Ｈｆ−Ｈａ≦１ｍｍ、さらに好ましくはＨｆ−Ｈａの高さの差がゼロとなる同一高さにすることによって、燃料極側流路に存在する原燃料ガスが燃料極表面に容易に到達できるようにするとともに、電気化学反応に関与せずそのまま散逸飛散される原燃料ガスの割合を少なくでき、さらに、出力を更に増大させるという課題を達成するための構成を簡略化する上で好適な具体構成を、提供することができるようになった。
【００１３】
（本願に係る第四発明）
第四の発明は、前記燃料極側流路に対応させて気体の通流を許容する柔軟性導電材が配置された外側に、流路出口以外の周縁部から前記原燃料ガスが排出されないように金属箔を配置することにある。
【００１４】
柔軟性導電材の外側に金属箔を配置することによって、柔軟性導電材で作製した原燃料ガス散逸飛散の防止用に設けたセル周縁部の流路形成では完全に防止できなかった問題が解決でき、前記流路入口側の１辺のセル周縁部と直角をなす一対の辺のセル周縁部から飛散排出されるのを防止して前記流路出口のみから排出されることになり、電気化学反応に使用される原燃料ガスが更に多くなることによって高い出力が得られることになり、好適な具体構成を提供することができるようになった。
【発明の効果】
【００１５】
本発明を用いることで、耐久性の低下を防止しながら、出力を更に増大させることができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
まず、図１〜図３に基づいて、本発明の固体酸化物形燃料電池の形態を説明する。図１は本発明の燃料電池に使用されるセルの一例である。平面形状が矩形板状固体電解質層１の一方の面に、固体電解質層１における向かい合う一対の側縁夫々に側縁全長にわたる電解質層露出部１ａを形成する状態で、膜状の酸素極２を一体的に付設し、且つ、他方の面に膜状の燃料極３を、全面又はほぼ全面にわたって一体的に付設して、酸素極２と燃料極３とから起電力を得るための矩形板状３層膜のセルＣ’を形成してある。そして、セルＣ’における酸素極２側に、酸素極側流路ｓを形成すべく、導電性セパレータ４を付設して、矩形板状のセパレータ付セルＣを形成してある。
【００１７】
更に説明を加えると、導電性セパレータ４は、板状部４ａと、その板状部４ａの両端に夫々位置する一対の帯状突起部４ｂと、それら一対の帯状突起部４ｂの間に位置する複数の凸条部４ｃを備える状態で導電性接合材料にて一体形成してある。その導電性セパレータ４を、複数の凸条部４ｃ夫々が酸素極２と接触する状態で、一対の帯状突起部４ｂ夫々を両電解質層露出部１ａ夫々に貼り付けることにより、セパレータ付セルＣを形成してある。そして、酸素極２と導電性セパレータ４とを導電状態に接続するとともに、酸素極２と導電性セパレータ４との間に、セパレータ付セルＣにおけるセル周縁を形成する４辺のうちの一方の対向する一対の辺に対応するセル周縁部分において開いた酸素極側流路ｓを形成してある。つまり、セパレータ付セルＣは、導電性セパレータ４によって、セパレータ付セルにおける一方の対向する一対のセル周縁部分が酸素極側流路ｓが開いて酸素極側流路ｓの流路入口ｓｉ又は流路出口ｓｏとなる開口周縁部分となり、且つ、他方の向かい合う一対の周縁部分が酸素極側流路ｓが閉じた閉塞周縁部分となるように構成してある。固体電解質層１は、燃料電池セルで用いられる一般的なものであればよい。
【００１８】
例えば、ジルコニアに加えて、ＭｇＯ、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＢａＯなどのアルカリ土類金属酸化物、Ｙ２Ｏ３、Ｌａ２Ｏ３、ＣｅＯ２、Ｐｒ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、Ｓｍ２Ｏ３、Ｅｕ２Ｏ３、Ｇｄ２Ｏ３、Ｔｂ２Ｏ３、Ｄｙ２Ｏ３、Ｈｏ２Ｏ３、Ｅｒ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３等の希土類金属酸化物、Ｓｃ２Ｏ、Ｂｉ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３などを１種もしくは２種以上含有するジルコニア系セラミックを用いることができる。また、ＣｅＯまたはＢｉＯに加えて上記アルカリ土類金属酸化物、上記希土類金属酸化物、Ｓｃ２Ｏ２、Ｉｎ２Ｏ２、ＰｂＯ、ＷＯ３、ＭｏＯ３、Ｖ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５などを１種もしくは２種以上含有するセリア系またはビスマス系セラミックを用いることができる。
【００１９】
その他に、ペロブスカイト構造を有するＡＺｒＯ（Ａ：Ｓｒなどのアルカリ土類金属）に、ＩｎやＧａなどをドープしたもの；ＬａＧａＯ３に、上記アルカリ土類金属酸化物、上記希土類金属酸化物Ｓｃ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ｖ２Ｏ５、Ｃｒ２Ｏ３、Ｍｎ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｃｏ３Ｏ４、ＮｉＯ、ＣｕＯ、ＺｎＯ、Ｎｂ２Ｏ５、ＷＯ３等の遷移金属酸化物、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｉｎ２Ｏ３、Ｓｂ２Ｏ３、Ｂｉ２Ｏ３等の典型金属酸化物当をドープまたは分散強化したランタンガレート系セラミック；ブラウンミレライト構造を有するＢａ２Ｉｎ２Ｏ５等のインジウム系セラミック；を例示することがきる。これらセラミック中には、さらに他の酸化物としてＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＧｅＯ２、Ｓｂ２Ｏ３、ＰｂＯ、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５等を含むものであってもよい。これらの中でも特に好ましいのは、Ｙ、Ｃｅ、Ｓｍ、Ｐｒ、Ｙｂ、Ｓｃの１以上で安定化されたジルコニア電解質であり、さらにＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２およぴＴｉＯ２よりなる群から選択される少なくとも１種が０．０１〜５質量％配合されたものも好ましいものとして推奨される。中でもとりわけ電解質として好ましいのは、３〜１０モル％のＹ２Ｏ３、または４〜１２モル％のＳｃ２Ｏ３または４〜１５モル％のＹｂ２Ｏ３で安定化されたジルコニアであり、さらに、０．０１〜２質量％程度のＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＣｅＯ２等が添加されたジルコニアである。
【００２０】
電解質の厚さは特に制限されないが、イオン導電性と強度を考慮して５０〜５００μｍが好ましく、より好ましくは８０〜３００μｍである。また、電解質形状は矩形が好ましいがこれに限定はされない。その大きさは、システムの容量、耐熱応力性等の観点から１辺が１００〜４００ｍｍが好ましく、より好ましくは１辺１２０〜３００ｍｍである。
【００２１】
又、導電性セパレータ４は、耐酸化性及び耐還元性に優れたＬａＣｒＯ３をベースにして、Ｌａサイトの一部をＳｒ、Ｃａ等で、Ｃｒサイトの一部をＡｌ、Ｃｏ、Ｔｉ、Ｖ等で置換したペロブスカイト複合酸化物から成る。図２、３に図１のセパレータ付セルを組み込んだ燃料電池のセル集合体の構成を示す。３層膜セルＣ’の複数を、互いに間隔を隔てて厚み方向に並置して、セル集合体ＮＣを構成してある。そのセル集合体ＮＣは、セルＣ’の酸素極２側に酸素極側流路ｓを形成し、且つ、燃料極３側に燃料極側流路ｆを形成するように区画する導電性流路形成部材としての導電性セパレータ４を、隣接するセルＣ間に位置させるように構成してある。そして、燃料極側流路ｆに炭化水素系の原燃料ガスとして例えば天然ガスを供給し且つ酸素極側流路ｓに酸素極側反応ガスとして例えば空気を供給して、燃料極側流路ｆ内で原燃料ガスを水素含有ガスに改質させながら発電させるように構成してある。
【００２２】
次に、セパレータ付セルＣの複数を、電気的に直列接続する状態で厚み方向に並置する構成、及び、各セパレータ付セルＣの酸素極側流路ｓ及び燃料極側流路ｆに対するガス給排構成について説明する。厚み方向に並置された複数のセパレータ付セルＣの４つの周縁部分にて形成される、セル集合体ＮＣの４つの外周部分のうち、燃料極側流路ｆの流路入口ｆｉが存在する外周部分のセル並置方向に沿って、そのセル並置方向に沿って形成される燃料極用主流路Ｆｍと、その燃料極用主流路Ｆｍと複数のセパレータ付セルＣ夫々に対応する燃料極側流路ｆの流路入口ｆｉとを連通接続する複数の燃料極用補助流路Ｆａと、セル並置方向に沿って形成される酸素極用主流路Ｓｍと、その酸素極用主流路Ｓｍと複数のセパレータ付セルＣ夫々に対応する酸素極側流路ｓの流路出口ｓｏとを連通接続する複数の酸素極用補助流路Ｓａとを備えた両用ガス通路構成部Ｔｄを設けてある。又、セル集合体ＮＣの４外周部分のうち、燃料極側流路ｆの流路入口ｆｉが存在する外周部分に対向する外周部分のセル並置方向に沿って、そのセル並置方向に沿って形成される酸素極用主流路Ｓｍと、その酸素極用主流路Ｓｍと複数のセパレータ付セルＣ夫々に対応する酸素極側流路ｓの流路入口ｓｉとを連通接続する複数の酸素極用補助流路Ｓａとを備えた酸素極用ガス通路構成部Ｔｓを設けてある。
【００２３】
両用ガス通路構成部Ｔｄは、各セパレータ付セルＣに対して１個ずつ設けられて、セル並置方向に沿って密着状態に並設される複数の両用ガス通路構成部材６にて構成し、酸素極用ガス通路構成部Ｔｓは、各セパレータ付セルＣに対して１個ずつ設けられて、セル並置方向に沿って密着状態に並設される複数の酸素極用ガス通路構成部材７にて構成する。
【００２４】
両用ガス通路構成部材６は、矩形板状体に、下記のように、燃料極用主流路Ｆｍを形成するための燃料極用主流路形成用孔６ａ、酸素極用主流路Ｓｍを形成するための酸素極用主流路形成用孔６ｂ、セパレータ付セルＣの厚みと同一又は略同一の深さを有して、セパレータ付セルＣの開口周縁部分が入れられると共に、酸素極用補助流路Ｓａを形成するための凹部６ｃと、その凹部６ｃが形成された残りの薄肉部分６ｅに位置して、燃料極用補助流路Ｆａを形成する燃料極用補助流路形成用孔６ｄとを備えさせて、構成してある。即ち、厚み方向に貫通する２個の酸素極用主流路形成用孔６ｂを、矩形板状体におけるセパレータ付セルＣの側に位置する端縁の延びる方向に、間隔が開いて並ぶ状態で備えさせ、厚み方向に貫通する燃料極用主流路形成用孔６ａを、それら２個の酸素極用主流路形成用孔６ｂの間に備えさせる。又、凹部６ｃは、矩形板状体の一方の面に、燃料極用主流路形成用孔６ａとは間隔が開き、２個の酸素極用主流路形成用孔６ｂに連なって、セパレータ付セルＣの側に位置する端縁に達する状態で、セパレータ付セルＣの開口周縁部分が入れられるように、深さをセパレータ付セルＣの厚みと同一又は略同一にし、幅をセパレータ付セルＣの幅と同一又は略同一にした溝状に備えさせる。又、燃料極用補助流路形成用孔６ｄは、矩形板状体における凹部６ｃを形成した残りの薄肉部分６ｅを貫通して、燃料極用主流路形成用孔６ａの内面と矩形板状体におけるセパレータ付セルＣの側の端面における長手方向の中央部とに開くように備えさせる。
【００２５】
酸素極用ガス通路構成部材７は、矩形板状体に、酸素極用主流路Ｓｍを形成するための酸素極用主流路形成用孔７ｂを厚み方向に貫通する状態で備えさせ、セパレータ付セルＣの開口周縁部分を入れると共に、酸素極用補助流路Ｓａを形成するための凹部７ｃを、矩形板状体の一方の面に、酸素極用主流路形成用孔７ｂに連なって、セパレータ付セルＣの側に位置する端縁に達する状態で、深さをセパレータ付セルＣの厚みと同一又は略同一にし、幅をセパレータ付セルＣの幅と同一又は略同一にした溝状に備えさせる。そして、セパレータ付セルＣの一方の開口周縁部分を両用ガス通路構成部材６の凹部６ｃに入れ、且つ、他方の開口周縁部分を酸素極用ガス通路構成部材７の凹部７ｃに入れて、両用ガス通路構成部材６及び酸素極用ガス通路構成部材７にて１枚のセパレータ付セルＣを保持する状態で、両用ガス通路構成部材６及び酸素極用ガス通路構成部材７夫々を厚み方向に密着状態で積み重ねることにより、複数のセパレータ付セルＣを互いに間隔を隔てて並置する。セル並置方向に隣接するセパレータ付セルＣ間の間隔は、両用ガス通路構成部材６の薄肉部分６ｅ及び酸素極用ガス通路構成部材７の薄肉部分７ｅにて保持される。そして、セル並置方向に隣接するセパレータ付セルＣ間に、セパレータ付セルＣにおける一対の閉塞周縁部分夫々の側の流路入口側の１辺のセル周縁部と直角をなす一対の辺のセル周縁部と、前記流路入口側の１辺のセル周縁部と対向する１辺のセル周縁部とのコーナー部付近に形成される開口部分夫々を流路出口ｆｏとし、燃料極用補助流路形成用孔６ｄの開口部分を流路入口ｆｉとする燃料極側流路ｆを形成する。
【００２６】
セル並置方向に隣接するセパレータ付セルＣ間に、気体の通流を許容する柔軟性導電材５を充填してある。その柔軟性導電材５には、原燃料導入路Ｒとして機能させる通路５ｒを、一方の面に、その一方の対向する一対の端縁間の中央を通って、他方の一対の端縁間にわたり、燃料極用補助流路形成用孔６ｄの開口部分に連通する状態で形成してある。両用ガス通路構成部材６及び酸素極用ガス通路構成部材７は、耐熱性及び電気絶縁性を備えたセラミック材から成る。又、柔軟性導電性部材５は、耐熱性及び耐還元性に優れたＮｉのフェルト状材から成る。柔軟性導電材の気孔率としては通気性と保形性のから気孔率は３０〜９７％が好ましい。気孔率が３０％未満の場合は、原燃料ガスが柔軟性導電材の内部を通過して燃料極表面へ到達しにくくなるため、電気化学反応のための燃料利用率が低下する結果、出力も低下することになる。
【００２７】
逆に、気孔率が９７％を超える場合は、ガス通気性は十分であるが柔軟性導電材の強度、保形性が劣るためその使用量を多くしなければならず、セル集合体の並置方向の厚さが増すことになりコンパクト性に問題が生じる。より好ましい気孔率は４０〜９０％、さらに好ましくは５０〜８０％である。そして、両用ガス通路構成部材６の２個の酸素極用主流路形成用孔６ｂ夫々をセル並置方向に一連に連ならせて、酸素極用主流路Ｓｍを形成すると共に、その酸素極用主流路Ｓｍと、各セパレータ付セルＣ夫々に対応する酸素極側流路ｓの流路出口ｓｏとを酸素極用補助流路Ｓａとして機能する凹部６ｃにて連通接続し、並びに、燃料極用主流路形成用孔６ａをセル並置方向に一連に連ならせて、燃料極用主流路Ｆｍを形成すると共に、その燃料極用主流路Ｆｍと、各セパレータ付セルＣ夫々に対応する燃料極側流路ｆの流路入口ｆｉとを燃料極用補助流路Ｆａとして機能する燃料極用補助流路形成用孔６ｄにて連通接続する。
【００２８】
又、酸素極用ガス通路構成部材７の酸素極用主流路形成用孔６ｂをセル並置方向に一連に連ならせて、酸素極用主流路Ｓｍを形成すると共に、その酸素極用主流路Ｓｍと、各セパレータ付セルＣ夫々に対応する酸素極側流路ｓの流路入口ｓｉとを酸素極用補助流路Ｓａとして機能する凹部７ｃにて連通接続する。
【００２９】
そして、図２において実線の矢印にて示すように、積層状態の両用ガス通路構成部材６にて形成される燃料極用主流路Ｆｍに、水蒸気を含有させた炭化水素系の原燃料ガスを供給すると、水蒸気混合原燃料ガスは、各燃料極用補助流路Ｆａを通じて、各セパレータ付セルＣの燃料極側流路ｆの流路入口ｆｉから原燃料導入路Ｒとして機能する柔軟性導電材５の通路５ｒに導入され、その通路５ｒの長手方向各部から、その柔軟性導電材５の内部を通って、両側の流路出口ｆｏに向かって流動するように燃料極側流路ｆ内を流動し、燃料極側排ガスは、各流路出口ｆｏからセル外に流出する。そして、そのように燃料極側流路ｆ内を流動する過程で、燃料極３を構成するサーメット中のＮｉ、及び、柔軟性導電材５を構成するＮｉの触媒作用により改質反応して、水素含有ガスが生成されるのである。
【００３０】
又、図２において破線の矢印にて示すように、積層状態の酸素極用ガス通路構成部材７にて形成される酸素極用主流路Ｓｍに、酸素極側反応ガスとして空気等の酸素含有ガスを供給すると、酸素含有ガスは、各酸素極用補助流路Ｓａを通じて、各セパレータ付セルＣの酸素極側流路ｓの流路入口ｓｉから酸素極側流路ｓに流入して、酸素極側流路ｓを通流し、酸素極側排ガスは、流路出口ｓｏから、積層状態の両用ガス通路構成部材６にて形成される各酸素極用補助流路Ｓａを通じて、酸素極用主流路Ｓｍに対して流出して、酸素極用主流路Ｓｍから外部に排出される。燃料極３においては、原燃料ガスが改質された水素含有ガス中の水素と固体電解質層１を通過してきた酸素イオンとにより、下記の反応式１にて発電反応する。又、原燃料ガスが例えばメタンの場合は、原燃料ガスは、それに含まれて供給されてきた水分、及び、下記の反応式１の如き発電反応にて生成した水分とにより、下記の反応式２にて改質反応して、水素含有ガスが生成される。
【００３１】
【化１】
2007141468.tif 000003
【００３２】
図６は本発明の第１の実施形態にかかるセルの燃料極側流路、酸素極側流路の構成の１例を示す平面図であり、図７は両用ガス流路構成部材の構成の１例を示す平面図である。参考として、図４に原燃料噴出し口が１つであり、燃料流路出口ｆｏがセル周縁部全面にわたっで構成されている特許公報３５２０００５号のセルの燃料極側流路および酸素極側流路の構成を、図５に特許公報３５２０００５号の両用ガス流路構成部材の構成を示す。
【００３３】
図７に示す両用ガス流路構成部材には、燃料極用主流路形成用孔６ａから燃料極用補助流路形成用孔６ｄを通して原燃料噴出し口が３個設けられた例を点線で示している。原燃料噴出し口ｎから燃料極側流路入口ｆｉに流入した原燃料ガスは、柔軟性導電材で形成された原燃料導入炉を通過してセル燃料極表面に達し、原燃料ガスは改質されて水素含有ガスとなって電気化学反応がおこり、電気化学反応ガス、電気化学未反応水素含有ガス、未改質原燃料ガスが流路入口側の１辺のセル周縁部と直角をなす一対の辺のセル周縁部と、流路入口側の１辺のセル周縁部と対向する１辺のセル周縁部とのコーナー部付近に流路出口ｆｏから排出されることになる。
【００３４】
本発明の原燃料噴出し口の形状は、円形、楕円形、四角形等が特に限定されないが、その大きさは、直径、長径、一辺は０．５〜３ｍｍが好ましく、さらに好ましくは１〜２ｍｍである。３ｍｍを超える場合はセル集合体の間隔が大きくなり燃料電池自体の容量が大きくなるとともにセル間の集電にも問題が生じる。また、０．５ｍｍ未満では圧損が大きくなって所定の原燃料ガス流量が流れなくなる。噴出し個数は２〜１０個が好ましい。個数は多いほうが原燃料ガスの均一分配にはより好ましいが、１０個を超える場合は噴出し口の加工が煩雑になる。なお、複数の噴出し口の形状、寸法は同一である必要はなく、より均一流配になるように適宜調整して設定される。そこで、１１個以上噴出し口を設ける場合は、本発明の第２の実施形態である図８と図９に示す酸素極側流路の構成と両用ガス流路構成部材の構成のように原燃料噴出し口をスリット状にして噴出しスリットｎｓを設けることによって解決できる。図８、９では、原燃料ガスの燃料極用補助流路形成用孔は略３角形となっているが、燃料極用補助流路形成用孔は図７と同様にして噴出し口のみをスリット状にすることも可能である。
【００３５】
第３の発明の実施形態は、図１２に示す両用ガス通路構成材とセパレータ付きセルの構成のように、燃料ガス噴出し口と前記原燃料ガス噴出し口ｎもしくは前記原燃料ガス噴出しスリットｎｆの最下部の高さ（Ｈｆ）が、前記燃料極表面の高さ（Ｈａ）との関係が、電気化学反応に利用される原燃料ガスの割合を高め燃料利用率を向上させることに大きな影響を与えることが判明してなされたもので、その関係は０≦Ｈｆ−Ｈａ≦２ｍｍとなるように構成されることが好ましい。これは、原燃料ガス噴出し口ｎから燃料流路入口ｆｉにスムーズに原燃料ガスを流動させ、さらに原燃料ガスが柔軟性導電材の流路を通ってそのまま流路出口ｆｏを流動されてしまう割合を少なくして、燃料極表面に流れやすくして燃料改質反応と電気化学反応を起こしやすくするための設定である。そのためには原燃料ガス噴出し口ｎもしくは前記原燃料ガス噴出しスリットｎｆの最下部の高さ（Ｈｆ）が、前記燃料極表面の高さ（Ｈａ）と同じ高さであること、つまりがＨｆ−Ｈａ＝０が最も好ましいが、セパレータ付セルを並置してセル集合体としていくには困難であり、その最大許容範囲を定めている。Ｈｆ−Ｈａが２ｍｍを超える場合は原燃料ガスが燃料極表面に流れ込む割合が少なくなり、特に電気化学反応にける燃料利用率が低下しやすくなる。
【００３６】
第４の発明の実施形態は、図６および図８のセルの燃料極側流路、酸素極側流路の構成の平面図に示すように、柔軟性導電材の上部およびセル周縁部側面に金属箔をカバーするように設け、セル周縁部から散逸される原燃料ガスの割合をさらに少なくするために配置されるものである。この金属箔はガス透過性がなく、セル周縁部側面と金属箔との間に僅かにできる隙間から散逸する以外は、原燃料ガス等を流路入口側の１辺のセル周縁部と直角をなす一対の辺のセル周縁部と、流路入口側の１辺のセル周縁部と対向する１辺のセル周縁部とのコーナー部付近に設けられた流路出口ｆｏに流動させることによって、他への散逸排出が防げ燃料利用率の向上が確実なものとなった。ここで、使用する金属箔は耐酸化性、加工性、強度を備えておればよく、Ｎｉ箔が好適に使用される。金属箔の厚さは、０．０１〜０．３ｍｍ、さらに好ましくは０．０３〜０．１５ｍｍである。本発明の実施形態からなる燃料電池の原燃料ガス流路方法と、特許公報３５２０００号に記載の燃料電池（図４）の原燃料ガス流路方法を比較するために、１辺が１２０ｍｍ厚さが１００μｍの正方形４モル％スカンジア安定化ジルコニア（４ＳｃＳＺ）電解質に、燃料極としてＮｉ/８モル％イットリア安定化ジルコニア（８ＹＳＺ）、酸素極にＬａ０.６Ｓｒ０.４Ｍｎからなる３層膜セルとランタンクロマイト系の溝付セパレータとを用いて、セパレータ付セルを作製し、単セルスタック発電試験を行なった。
【００３７】
なお、燃料ガスは１３Ａ天然ガス＋窒素（３％水蒸気）、酸化剤ガスは空気を用い、発電温度は１０００℃である。表１にそれらの結果を示す。
【００３８】
【表１】
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【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】第１実施形態にかかるセパレータ付セルの構成を示す斜視図
【図２】第１実施形態にかかる燃料電池のセル集合体の構成を示す斜視図
【図３】第１実施形態にかかる燃料電池のセル集合体の構成を示す縦断面図
【図４】従来技術（特許公報３５２０００５号）にかかるセルの燃料極側流路、酸素極側流路の構成の示す平面図
【図５】従来技術（特許公報３５２０００５号）にかかる両用ガス通路構成材の構成を示す平面図
【図６】第１実施形態にかかるセルの燃料極側流路、酸素極側流路の構成を示す平面図
【図７】第１実施形態にかかる両用ガス通路構成材の構成を示す平面図
【図８】第２実施形態にかかるセルの燃料極側流路、酸素極側流路の構成を示す平面図
【図９】第２実施形態にかかる両用ガス通路構成材の構成を示す平面図
【図１０】別実施形態にかかる燃料電池の全体構成を示す平面図
【図１１】図１０における中央矢印にかかる矢視図
【図１２】第３実施形態にかかる両用ガス通路構成材とセパレータ付きセルの構成を示横断平面図
【符号の説明】
【００４０】
１          電解質層
２          酸素極
３          燃料極
４          導電性流路形成部材
５          柔軟性導電材
５ｒ        通路
６，７      ガス通路構成部材
６ａ        燃料極用主導入流路形成用孔
６ｂ        酸素極用主排出流路形成用孔
６ｃ，７ｃ  凹部
６ｄ        燃料極用補助導入流路形成用孔
６ｅ，７ｅ 薄肉部分
７ｂ        酸素極用主導入流路形成用孔
８          金属箔
ｆ          燃料極側流路
ｆｉ        燃料極流路入口
ｆｏ        燃料極流路出口
ｓ          酸素極側流路
ｓｉ        酸素極側流路入口
ｓｏ        酸素極側流路出口
Ｃ          流路形成部材付セル
Ｃ’        セル
Ｆａ        燃料極用補助流路
Ｆｍ        燃料極用主流路
ＮＣ        セル集合体
Ｒ          原燃料導入路
Ｓａ        酸素極用補助流路
Ｓｍ        酸素極用主流路
Ｔｄ        ガス通路構成部
ｎ          原燃料ガス噴出し口
ｎｓ        原燃料ガス噴出しスリット
【図１】
2007141468.tif 000005
【図２】
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【図３】
2007141468.tif 000007
【図４】
2007141468.tif 000008
【図５】
2007141468.tif 000009
【図６】
2007141468.tif 000010
【図７】
2007141468.tif 000011
【図８】
2007141468.tif 000012
【図９】
2007141468.tif 000013
【図１０】
2007141468.tif 000014
【図１１】
2007141468.tif 000015
【図１２】
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