(57)【要約】      （修正有）【課題】起動停止に伴う加熱冷却の繰り返し等により生じる単セルとガス流路部材の間の隙間から排出されるアノードガス分の発電出力の低下を防止できる燃料電池を提供する。【解決手段】電解質層１Ａを燃料極層１Ｂと空気極層１Ｃとで挟んだ構造を有する単セル１と、燃料極層１Ｂに相対向するセパレータ２と、燃料極層１Ｂとセパレータ２との間に介装した流路形成部材３を備え、流路形成部材３が、アノードガスの導入口１０Ａと、これに隣接した排出口１０Ｂと、単セル１とセパレータ２との間にガス流路を形成するための仕切り部を有し、単セル１における空気極層１Ｃが、その反対面に位置する排出口１０Ｂを含む領域に対応して配置してある燃料電池とすることで、部材間の隙間によりアノードガスの一部が排出口側に漏出しても、発電出力の低下を抑制し得るようにした。【選択図】図２
2013008560.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層を燃料極層と空気極層とで挟んだ構造を有する単セルと、
燃料極層に相対向する状態にして単セルに接合したセパレータと、
燃料極層とセパレータとの間に介装した流路形成部材を備えると共に、
前記流路形成部材が、アノードガスの導入口と、この導入口に隣接した排出口と、単セルとセパレータとの間に導入口から排出口に至る所定形状のガス流路を形成するための仕切り部を有し、
前記単セルにおける空気極層が、その反対面に位置する前記排出口を含む領域に対応して配置してあることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
単セル及びセパレータが円板状であると共に、その中央に流路形成部材が配置してあり、
前記流路形成部材が、外周に沿って導入口及び排出口を交互に配置した円形状の本体部と、この本体部から放射状に配置した仕切り部を有すると共に、単セルとセパレータとの間に導入口から仕切り部の先端を折り返して隣接する排出口に至る形状のガス流路を形成しており、
前記流路形成部材の本体部の直径Ｄｇと、環状の空気極層の内径Ｄｃとの関係が、Ｄｇ≧Ｄｃであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
単セル及びセパレータが円板状であると共に、その中央に流路形成部材が配置してあり、
前記流路形成部材が、外周に沿って導入口及び排出口を交互に配置した回転対称形の本体部と、この本体部から放射状に配置した仕切り部を有すると共に、単セルとセパレータとの間に導入口から仕切り部の先端を折り返して隣接する排出口に至る形状のガス流路を形成しており、
前記流路形成部材の本体部における導入口部分の直径Ｄ１と排出口部分の直径Ｄ２との関係が、Ｄ１＞Ｄ２であると共に、
前記導入口部分の直径Ｄ１と、環状の空気極層の内径Ｄｃとの関係が、Ｄ１≧Ｄｃであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池を、互いに間隙を介して複数積層したことを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単セルとセパレータとの間にアノードガスを流通させる構造を有する固体電解質型の燃料電池の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、上記したような燃料電池としては、例えば、特許文献１に記載されているものがあった。特許文献１に記載の燃料電池は、円板状の単セルと、この単セルの燃料極層に相対向する円板状のセパレータと、燃料極層とセパレータとの間に介装した流路形成部材を備えている。流路形成部材は、単セル及びセパレータの中央に配置した円形状の金属製部材であって、外周に、アノードガス（水素を含む燃料ガスあるいは燃料改質ガス）の導入口と排出口が交互に配置してあると共に、単セル面上に突き出した放射状の複数の仕切り部を有している。
【０００３】
上記の燃料電池は、燃料極層とセパレータの間において、導入口、排出口及び仕切り部を有する流路形成部材により、往路部と復路部を有するガス流路を形成する。アノードガスは、流路形成部材の導入口からガス流路の往路部に導入され、放射状の仕切り部に沿ってセル外周まで流れた後、折り返してガス流路の復路部を単セル中心側に向けて流れ、流路形成部材の排出口を経て排出される。また、流路形成部材の仕切り部と単セルは、双方が異種部材同士であるために単セルにクラックが生じ易くなり、急速起動が困難になるため、全面的に接合していない構造である。
【０００４】
上記の燃料電池は、互いに間隙を介して複数枚を積層することで、燃料電池スタックを構成する。そして、燃料電池は、ガス流路にアノードガスを供給すると共に、隣接する燃料電池との間にカソードガス（空気）を供給することで発電を行い、この際、前記流路形成部材によって燃料極層の全域に対してアノードガスを充分に供給することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１７３０５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところが、上記したような従来の燃料電池にあっては、車載用として使用する場合の急速な起動停止や負荷変動運転を繰り返すことにより、発電出力が不安定になる場合があることが判明してきた。そして、本発明者らが鋭意検討した結果、急激な温度変化やガス流量の変動により、流路形成部材の仕切り部と単セル面との間に隙間が生じることがあり、仕切り部の根元部分で隙間が拡大すると、ガス流量条件にも依存するが、出力が低下する場合があり、燃料電池スタック全体として発電出力制御の安定性が不安定化することになることがわかった。
【０００７】
本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、単セルとセパレータとの間に、アノードガスの導入口、排出口及びガス流路形成用の仕切り部を備えた流路形成部材を介装した構造を有する燃料電池において、特に流路形成部材の導入口及び排出口に近い箇所で、単セルと仕切り部との隙間によりアノードガスの一部がガス流路の入口領域側から出口領域側（従来例では往路部側から復路部側）へ漏出しても、発電出力の低下や不安定化を抑制することができる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】
【０００８】
本発明の燃料電池は、電解質層を燃料極層と空気極層とで挟んだ構造を有する単セルと、燃料極層に相対向する状態にして単セルに接合したセパレータと、燃料極層とセパレータとの間に介装した流路形成部材を備えている。また、燃料電池は、前記流路形成部材が、アノードガスの導入口と、この導入口に隣接した排出口と、単セルとセパレータとの間に導入口から排出口に至る所定形状のガス流路を形成するための仕切り部を有するものとなっている。
【０００９】
そして、燃料電池は、前記単セルにおける空気極層が、その反対面に位置する前記排出口を含む領域に対応して配置してある構成としており、上記の構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の燃料電池によれば、単セルとセパレータとの間に、アノードガスの導入口、排出口及びガス流路形成用の仕切り部を備えた流路形成部材を介装した構造を有する燃料電池において、特に流路形成部材の導入口及び排出口に近い箇所で、単セルと仕切り部との隙間によりアノードガスの一部がガス流路の入口領域側から出口領域側へ漏出しても、発電出力の低下や不安定化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の燃料電池の一実施形態を説明する分解斜視図である。
【図２】図１に示す燃料電池の片側を省略した断面図である。
【図３】図１に示す流路形成部材を説明する平面図である。
【図４】図１に示す燃料電池のアノードガスの流れを説明する平面図である。
【図５】図１に示す燃料電池を積層した燃料電池スタックを説明する斜視図である。
【図６】本発明の燃料電池の他の実施形態を説明する平面図である。
【図７】図６に示す燃料電池の流路形成部材を説明する平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１〜図５は、本発明の燃料電池の一実施形態を説明する図である。図１に示す燃料電池Ｃは、概略として、円板状の単セル１と、同じく円板状のセパレータ２と、単セル１とセパレータ２との間に介装した流路形成部材３を同心状に備えている。
【００１３】
単セル１は、図２に示すように、固体電解質層１Ａを燃料極層１Ｂと空気極層１Ｃとで挟んだ構造を有しており、中央に円形状の開口部４を有している。したがって、各層１Ａ〜１Ｃは環状（円環状）である。また、単セル１において、開口部４の内径Ｄａは、円環状を成す空気極層１Ｃの内径Ｄｃよりも小さい。一例として、固体電解質層１Ａは、８モル％イットリア安定化ジルコニアであり、燃料極層１Ｂは、ニッケル＋イットリア安定化ジルコニアのサーメットであり、空気極層１Ｃは、ランタンストロンチュウムマンガナイトである。
【００１４】
セパレータ２は、金属製であって、一例としてステンレス製である。このセパレータ２は、燃料極層１Ｂに相対向する状態にして単セル１に接合してある。具体的には、図２にも示すように、単セル１の空気極層１Ｃ側の面において、単セル１の外周部に、ガラス接合材やロウ付けなどの接合材５を介して、外周リング部材６を接合する。そして、外周リング部材６とセパレータ２の外周部を拡散接合により気密的に接合する。これにより、単セル１の燃料極層１Ｂとセパレータ２との間には、一定の厚さを有する空間（ガス流路）が形成され、この空間にアノードガス（水素を含む燃料ガスあるいは燃料改質ガス）を流通させる。
【００１５】
単セル１の開口部４には、開口部４の内径Ｄａよりも小さい直径を有する中央流路部材７を同心状に配置する。中央流路部材７は、金属製であって、単セル１と同等の厚さを有し、スペーサとして機能する。
【００１６】
また、単セル１の空気極層１Ｃ側の中央には、開口部４の内径Ｄａよりも大きい直径を有する内周リング部材８を同心状に配置する。内周リング部材８は、金属製であって、中央流路部材７に対して拡散接合により接合され、この際、単セル１の固体電解質層１Ａとの間には接合材９を介装している。
【００１７】
上記のように燃料電池Ｃを組立てた状態において、空気極層１Ｃは，外周リング部材６と内周リング部材８との間で電池外部に露出している。
【００１８】
流路形成部材３は、単セル１の燃料極層１Ｂとセパレータ２との間に介装してあり、アノードガスの導入口と、この導入口に隣接した排出口と、単セル１とセパレータ２との間に導入口から排出口に至る所定形状のガス流路を形成するための仕切り部を有するものである。導入口は、ガス流路にアノードガスを導入する部位であり、排出口は、ガス流路からアノードガスを排出する部位である。
【００１９】
図示例の流路形成部材３は、円板状である単セル１及びセパレータ２に対応して、図３に示すように、外周に沿って複数の導入口１０Ａと複数の排出口１０Ｂを交互に配置した円形状の本体部３Ａと、この本体部３Ａから放射状に配置した複数のリブ状の仕切り部３Ｂを有している。この実施形態では、導入口１０Ａ及び排出口１０Ｂが夫々４つずつであり、これらを互いに隔てるように８本の仕切り部３Ｂが設けてある。仕切り部３Ｂは、単セル１の燃料極層１Ｂ上に突き出しており、単セル１の外周部における周方向のガスの流れを妨げない長さである。
【００２０】
ここで、前記セパレータ２、流路形成部材３、中央流路部材７及び内周リング部材８は、いずれも中心部に中央孔ＨＢを有し、この中央孔ＨＢから離間した位置に、４つの側部孔ＨＡが９０度間隔で形成してある。各中央孔ＨＢは、上記各部材（２，３，７，８）を組立てた状態において、互いに連通してアノードガスの排出路を形成する。また、各側部孔ＨＡは、同じく組立てた状態において、互いに連通してアノードガスの供給路を形成する。なお、供給路と排出路を逆にすることも可能である。
【００２１】
上記の流路形成部材３は、図３に示す単セル１側の面に、多数の溝が放射状に形成してあり、これらの溝を有する面を前記中央流路部材７に接合する。この接合には、例えば拡散接合が用いられる。これにより、前記側部孔ＨＡから本体部３Ａの外周面に至る溝がアノードガスの導入路となり、本体部３Ａの外周面における導入路の開放端が前記導入口１０Ａである。また、前記中央孔ＨＢから本体部３Ａの外周面に至る溝がアノードガスの排出路となり、本体部３Ａの外周面における排出路の開放端が前記排出口１０Ｂである。
【００２２】
このようにして、流路形成部材３は、本体部３Ａの円周方向に沿って、導入口１０Ａと排出口１０Ｂを交互に配置したものとなっている。また、流路形成部材３は、上記の本体部３Ａ及び複数の仕切り部３Ｂを有する構成により、図４に示すように、往路部Ｐ及び復路部Ｑを有するガス流路を形成する。ガス流路は、各導入口１０Ａから往路部Ｐに入り、仕切り部３Ｂに沿って単セル外周に向かい、仕切り部の先端を折り返して隣接する両側の復路部Ｑに入り、単セル中心に向かって排出口１０Ｂに至るものである。これにより、燃料極層１Ｂの全域に対してアノードガスを充分に供給し得る。
【００２３】
そして、燃料電池Ｃは、前記単セル１における空気極層１Ｃが、その反対面に位置する排出口１０Ｂを含む領域に対応して配置してある。すなわち、この実施形態の燃料電池Ｃでは、図２及び図４に示すように、流路形成部材３の本体部３Ａの直径をＤｇとし、円環状の空気極層１Ｃの内径をＤｃとしたときに、その直径Ｄｇと内径Ｄｃとの関係をＤｇ≧Ｄｃとしている。
【００２４】
上記の燃料電池Ｃは、図５に示すように、互いに間隙を介して複数積層し、その積層方向に所定の荷重を付与して燃料電池スタックＳを構成する。このとき、燃料電池スタックＳは、積層方向両端部に配置したエンドプレートや、各燃料電池Ｃの中央孔ＨＢの中心線上を貫通するボルト（図３中の符号６０）により、積層方向の加圧状態が維持される。この燃料電池スタックＳは、図５中に破線で示すケース５０に収容する。そして、燃料電池Ｃは、電池内部の燃料極層１Ｂにアノードガスを供給し、ケース５０内にカソードガス（空気）を導入してこれを電池外部の空気極層１Ｃに供給することで、単セル１における電気化学反応により電気エネルギを発生する。
【００２５】
ここで、上記の燃料電池Ｃにおいて、金属製の流路形成部材３は、同じく金属製の中央流路部材７と接合（拡散接合）してあるが、互いに異種部材である仕切り部３Ｂと単セル１とは接合していない。これは、異種部材同士を接合すると、単セル１にクラックが生じ易くなり、急速起動が困難になるからである。なお、ガス流路は、往路部Ｐと復路部Ｑの圧力差が極めて小さい層流域であるため、燃料電池Ｃは、流路形成部材３の仕切り部３Ｂと単セル１とを接合しなくても、ガスが吹き出るように漏れる現象は生じないため、一定出力の連続運転時における発電出力低下へ及ぼす影響は大きくない。
【００２６】
しかし、この種の燃料電池Ｃでは、起動停止に伴う加熱冷却の繰り返しや負荷変動運転に伴うガス流量変動の繰り返し等により、流路形成部材３の導入口１０Ａ及び排出口１０Ｂに近い部分で、単セル１と仕切り部３Ｂとの隙間が拡大する場合がある。通常のアノードガスの流れは、図４中の矢印Ｆ１で示すように、導入口１０Ａから往路部Ｐに入って単セル外周に向かい、仕切り部３Ｂの先端を折り返して復路部Ｑに入り、単セル中心に向かって排出口１０Ｂに至るのであるが、中心部に近い箇所で隙間が発生した場合には、矢印Ｆ２で示すように、アノードガスの一部が隙間を経て往路部Ｐから復路部Ｑ側に漏出し、発電に使用されずに排出されてしまう率が多くなることになる。
【００２７】
これに対して、上記の燃料電池Ｃは、ガスが流路形成部材３の導入口１０Ａからガス流路の往路部Ｐに出た点において、単セル反対面には空気極層１Ｃが形成された構成、より具体的には、流路形成部材３の本体部３Ａの直径Ｄｇと円環状の空気極層１Ｃの内径Ｄｃとの関係をＤｇ≧Ｄｃとしている。つまり、燃料電池Ｃでは、単セル１において、流路形成部材の導入口１０Ａからガス流路の往路部Ｐに出た直後に、ガス流路の復路部Ｑへガスが漏出しても、この単セル領域の反対面側（図２中で下面側）には必ず空気極層１Ｃが存在する。
【００２８】
したがって、燃料電池Ｃは、上述の如くアノードガスの一部がガス流路の往路部Ｐから復路部Ｑ側に漏出しても、その漏出部分の反対面側に空気極層１Ｃが存在するので、発電に使用しないで排出してしまう割合を減少することができる。よって、燃料電池Ｃは、アノードガスの一部が復路部Ｑ側に漏出しても、発電出力の低下を抑制若しくは阻止することができ、単セル１のクラック発生防止（耐久性向上）の機能と、燃料電池単体での発電効率維持の機能を両立させることができる。
【００２９】
さらに、上記の燃料電池Ｃでは、図２に示すように、ガス流路の往路部Ｐの入口領域（導入口１０Ａの出口側領域）Ａで発電電流密度が大きくなり、発熱量が大きくなる一方、異種部材同士の接合部である単セル１と内周リング部材８との接合部Ｂが、熱衝撃により破損し易い部分である。これに対して、上記の燃料電池Ｃでは、流路形成部材３の排出口１０Ｂと空気極層１Ｃとの位置関係を設定したことで、前記入口領域Ａと接合部Ｂとの距離を確実に離すことができるため、接合部Ｂの耐熱衝撃性が向上する。
【００３０】
上記の燃料電池Ｃは、図５に示す如く燃料電池スタックＳを構成することになるが、この際、上述したように耐久性向上の機能と発電出力低下抑制の機能を併せ持つので、個々の燃料電池Ｃの性能のばらつきが小さくなる。これにより、燃料電池Ｃ及び燃料電池スタックＳは、起動停止の繰り返しや急速起動に充分対応することができるので、例えば、電気自動車等の移動体の電力源として非常に好適なものとなる。
【００３１】
図６及び図７は、本発明の燃料電池の他の実施形態を説明する図である。なお、先の実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３２】
図示の燃料電池Ｃは、単セル１及びセパレータが円板状であると共に、その中央に流路形成部材１３が配置してある。前記流路形成部材１３は、外周に沿って導入口１０Ａ及び排出口１０Ｂを交互に配置した回転対称形の本体部１３Ａと、この本体部１３Ａから放射状に配置した仕切り部１３Ｂを有している。
【００３３】
図示例の流路形成部材１３は、夫々４つの導入口１０Ａ及び排出口１０Ｂと、８本のリブ状の仕切り部１３ＢＡを有している。そして、流路形成部材１３は、往路部Ｐと復路部Ｑを有するガス流路、すなわち各導入口１０Ａから仕切り部１３ＢＡの先端を折り返して両側に隣接する排出口１０Ｂに至る形状のガス流路を形成している。
【００３４】
さらに、図示例の流路形成部材１３は、導入口１０Ａの位置が、排出口１０Ｂの位置よりも半径方向へ突出した回転対称形状を成していて、本体部１３Ａにおける導入口１０Ａの部分の直径Ｄ１と排出口１０Ｂの部分の直径Ｄ２との関係が、Ｄ１＞Ｄ２である。そして、燃料電池Ｃは、前記導入口部分の直径Ｄ１と、円環状の空気極層の内径Ｄｃとの関係が、Ｄ１≧Ｄｃになっている。
【００３５】
上記の燃料電池Ｃは、先の実施形態と同様に、アノードガスの一部がガス流路の往路部Ｐから復路部Ｑ側に漏出しても、発電出力の低下を抑制若しくは阻止することができ、単セル１のクラック発生防止（耐久性向上）の機能と発電出力維持の機能を両立させることができる。
【００３６】
しかも、上記の燃料電池Ｃは、単セル１の発電面積の縮小を最小限に留めたうえで、発熱量が大きいガス流路の往路部Ｐの入口領域（図２中のＡ）と、熱衝撃を受け易い単セル接合部（図２中のＢ）との距離をより大きくすることができる。これにより、耐熱衝撃性が一層向上するので、例えば電気自動車の電力源用燃料電池に要求される急速起動や負荷変動運転に充分に対応し得るものとなる。さらに、上記の燃料電池Ｃは、単セル１全体の温度分布が良好になるので、出力向上を実現することもできる。
【００３７】
本発明の燃料電池は、その構成が上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において構成の細部を適宜変更することが可能である。また、本発明の燃料電池は、その形状がとくに限定されるものではないが、上記各実施形態のように円盤状にすれば、反応用ガスの供給路及び排出路を中心部分に配置して、単セル全域に対して反応用ガスを充分に供給することができ、小型で発電効率の良好なものとなる。これにより、燃料電池スタックも小型となり、車載用の電源としても非常に有用である。
【符号の説明】
【００３８】
１            単セル
１Ａ          電解質層
１Ｂ          燃料極層
１Ｃ          空気極層
２            セパレータ
３  １３      流路形成部材
１０Ａ        導入口
１０Ｂ        排出口
３Ａ  １３Ａ  仕切り部
Ｄ１          本体部の導入口部分の直径
Ｄ２          本体部の排出口部分の直径
Ｄｃ          空気極層の内径
Ｄｇ          本体部の直径
【図１】
2013008560.tif 000003
【図２】
2013008560.tif 000004
【図３】
2013008560.tif 000005
【図４】
2013008560.tif 000006
【図５】
2013008560.tif 000007
【図６】
2013008560.tif 000008
【図７】
2013008560.tif 000009