(57)【要約】      （修正有）【課題】移動体用での変動する負荷、頻繁な起動、停止の繰り返し等の運転条件において、電池としての劣化度合いが少ない平板型固体電解質型燃料電池を提供する。【解決手段】非導電性の非金属材料で作られた燃料極フレーム０２の両端面に２つの平板型セルの燃料極面が内側に相向き合う様対向配置し、前記セルの各々の空気極面外方部に非導電性の非金属材料で作られた空気極フレーム０３を配置してなるセル・ユニットの集合体であるセル・スタックとする。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板型固体電解質型燃料電池セル（以下「セル」という）の一対を、各々の燃料極面を内側に向け、かつ一定空間を隔てて対向配置し、前記一定空間を燃料層空間とし、また前記セルの各々の空気極面外方部に空間を設けてなる平板型固体電解質型燃料電池セル・ユニット（以下「セル・ユニット」という）を備えてなることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載のセル・ユニットの複数個を、同セル・ユニットの空気極面同士を一定空間を隔てて対向配置して連設し、前記燃料極面同士の一定空間を燃料層空間とし、前記空気極面同士間の一定空間を空気層空間としてなる固体電解質型燃料電池セル・スタック（以下「セル・スタック」という）を備えてなることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
【請求項３】
前記燃料極周縁部に配置される枠型形状の燃料極フレームと、前記空気極周縁部に配置される枠型形状の空気極フレームを備えてなり、各々のフレームが燃料層空間及び空気層空間を形成するシール体を構成することを特徴とする請求項２に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項４】
燃料極フレームが、該フレームの外部にある燃料供給部と連通する燃料導入孔と該フレームの外部にある排気通路に連通する排気流出孔とを有してなり、
また、空気極フレームが、該フレームの外部にある空気供給用の空気通路に連通する空気導入孔と、前記排気通路に連通する空気流出孔とを有してなることを特徴とする請求項２又は３のいずれか１項に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項５】
燃料導入孔が燃料供給用のマニホールドに連接されてなることを特徴とする請求項４記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項６】
燃料導入孔がセル・スタックを構成する燃料極フレーム及び
空気極フレームに設けた燃料共穴に連通されてなることを特徴とする請求項４記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項７】
セル・ユニットの燃料極周縁部に枠型形状の導電性を有する燃料極集電体を、また空気極周縁部に枠型形状の導電性を有する燃料極集電体を各々接触配置してなることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項８】
セル・ユニットの燃料極周縁部に、枠型形状の導電性を有する燃料極集電体を、また空気極周縁部に枠型形状の導電性を有する燃料極集電体を各々ガスシールに必要とされる押圧力を与える弾性体を介して摺動可能に圧接配置されてなることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項９】
燃料層空間又は／及び空気層空間の中央部にバッフルプレートを挿設してなることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の固体電解質型燃料電池。
【請求項１０】
セル・スタックの空気通路及び排気通路に面していない外周面及びセル・スタックの外周部に設けた空気通路及び排気通路の外周面の全体を断熱材で包被してなることを特徴とする請求項４〜９のいずれか１項に記載の固体電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体電解質形燃料電池（以下「ＳＯＦＣ」とも記す）に係わり、特にコンパクトで、冷態時からの急速起動が可能で、速い熱自立、高い負荷変動追従能力、及び長期間の出力安定性を有し、更に高い生産性及び整備性を有する固体電解質形燃料電池の提供に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
産業革命以来、各々の世紀毎に、固体燃料（石炭）による蒸気機関、液体燃料（石油）による内燃機関と化石燃料とこれを動力に変換する機構は変化し、２１世紀に入った現在は気体燃料による燃料電池へと変化していく過程にある。
【０００３】
燃料電池の中でも、ＳＯＦＣは燃料選択性がなく、貴金属を使用せず、発電効率も高く、且つ高い排気温度故の高い排熱利用率、更に発電に伴う排気ガスは水とＣＯ２のみである事より他の化石燃料を使う動力機構に比べ、近い将来必要と推定される二酸化炭素貯留への適応性も高い、等の多くのメリット故に世界的な開発競争が前世紀より繰り広げられている。
【０００４】
ＳＯＦＣは、酸素をイオンとして取り込む空気極、気体を通さず酸素イオンのみを移動させる固体電解質、及び燃料を取り込みイオン化する燃料極よりなる３つの発電要素の連結体を最小の発電単位であるセルとし、該セルの集合体として定義される。電気は前記３の発電要素で構成される３層界面での燃料の酸化反応により生成され、発電に当たっては、固体電解質の酸素イオンの移動速度を大きく、更に各電極での反応速度も高く保つため、ＳＯＦＣの作動温度は一般的に６５０°Ｃから９００°Ｃ程度とされる。
この高温に対応する為にその全発電要素にはセラミック材が使用される。ＳＯＦＣの実現の為の最大の課題は、セラミック材料の、臨界応力係数が金属に比しほぼ１／１００と小さい事であり、これへの対応がＳＯＦＣの基本課題である。
【０００５】
特許文献１にもある如く全ての燃料電池は、イオン移動膜により仕切られた２つの燃料極空間と空気極空間で形成され、ＳＯＦＣにおいては大別して自身の閉じた空間を有する円筒型及び何らかの空間を閉じる要素を必用とする平板型に分類されるが、共に各セルの電気的な連結と気体のシールの為にインターコネクタが必要とされる。近年、ＳＯＦＣの作動温度が８００°Ｃ以下の場合は金属製のインターコネクタを用いる例も増加している。
【０００６】
全ての熱機関と同じくＳＯＦＣにおいても発電に消費される燃料の全エネルギーが動力即ち電力に変換されることは無く、未利用分の熱ネルギーは高温な排気ガスとして外部に放出される。
しかし、その熱の一部はセル及びセルを取り巻く各要素を経由して外部に伝達され、その熱流により生ずる温度差とこれに伴う熱膨張、更に漏れ防止の為の封止による部分的なセルの接着拘束等も含めて、セル内に熱応力が生じ、これが機械工学での応力腐蝕と同様の現象でセルを劣化させる要因になっていると推定される。
【０００７】
定常運転における負荷は一定としても、場所による発電反応分布の不均一さ、更にはセル周辺部の構成部品の、材質、形状、熱容量、熱伝達率、等の不均一さによりセル内に不均一な温度分布が生じ、結果として熱応力が生ずる。
劣化現象としては、シンタリング（電極微細構造変化）、レドックス（燃料極酸化還元に伴う体積変化）、クロム被毒（クロム蒸気による抵抗増加）、あるいは硫黄被毒等があげられ、劣化の要因としては温度のみでなく、燃料利用率、セルの過電圧、あるいは酸素分圧等も総合的に判断する上での重要な因子ではあるが、温度環境が室温から６００°Ｃ〜９００°Ｃと変化する中では、不均一な温度分布とこれに伴う熱応力は劣化の大きな要因の一つと推定される。
定常運転では、これ等の場所的な不均一性に伴う熱応力も時間的には変化せず一定であるといえ、市場において、一定条件での運転では、無論膨大な研究開発の結果として、数万時間を越える耐久例が多数見られることより、内部的な温度分布は均一でなく熱応力が働くとしても、その不均一さがある値以下であれば耐久性は得られると言い得る。
一方、負荷変動と起動停止の繰り返しの運転条件では残念ながら移動体にも利用できる例は現状では見当たらない。これは、セルに供給される燃料及び空気量も時間的に大きく変化し、これに伴う発熱量の時間的変化により生ずる内部熱応力は一定条件運転に比べ、大きなものとなる。更に、スタート温度が室温からの起動においても、暖気過程における温度差が大きく、これも大きな熱応力が発生する要因である。
【０００８】
特許文献１による燃料電池の平板型及び円筒型の分類比較において、平板型ＳＯＦＣは平らなセルで構成されその両面の燃料極面上及び空気極面上に閉じた空間を形成する必要があるが、セル単体としては生産性も高くコスト的には有利である。
また、一般の平板型ＳＯＦＣにおいては複数のセルを直列に連結する為に、各セルのいずれか一つの極が全て同一方向に向くよう配置し、更に隣接する各セルに供給される空気及び燃料を相互に完全分離すると共に、電気的に連結するための導電性を有するインターコネクタを配置するが、相隣り合うインターコネクタは電気的に絶縁される必要がある。
一方円筒型は自身で閉じた空間を有し且つ、熱的な周辺条件は平板に比べるとほぼ一定と言え、セラミックの臨界係数の低さへの対応には平板型に比べ有利である。しかし安価な金属インターコネクタが使いにくい、連結した複数セルの両端の支持が難しい、などの理由で、発電面積に比べ全燃料電池の占める容積が大きくなり、変動負荷への対応の機会が少ない定置、大型高温のＳＯＦＣに使われている例が多いと推定される。
【０００９】
図２２に平板型金属インターコネクタ付きＳＯＦＣ００５の例を示す。セル５１が装着されるインターコネクタ５０の各々の面には燃料連通路５０−１及び空気連通路５０−２が配置されそれぞれ中心に対し対称の位置にある通路とで出及び入りの対をなして内部マニホールドを形成している。
相隣り合う２つのセルの燃料極と空気極とは一つのインターコネクタで電気的に連結されているが、隣り合うインターコネクタ同士は電気的に絶縁する必要があり、この為にその接合面にはガラス系の封止材で接着されている。
【００１０】
本発明はコスト的にも有利と推定される平板型ＳＯＦＣを基本とし、狙いとする温度領域は低温から高温までの全領域であるが、欧州も含めて開発例が多いと推定される低温から中温型の００５に示した内部マニホールドを備えた金属インターコネクタ付き平板型ＳＯＦＣを比較の対象とする。
以下これを「内部マニホールド付きＳＯＦＣ」と称し、本発明のＳＯＦＣは、「２セル対向配置型ＳＯＦＣ」と称することもある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１２−１４８５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
｛大きい熱慣性｝
ＳＯＦＣにおいて、定常負荷条件での発電は数万時間以上の耐久性を示す例は多数あるが、移動体に要求される変動する負荷条件において満足の行く走行結果が得られたとは、現状では言い難いと推定され、その理由の一つとして、セルの内部的な熱慣性が大きい事が原因と考えられる。
図２２に示す如く、内部マニホールド付きＳＯＦＣは各セル間に金属インターコネクタが配置さている。この図において、セルの熱容量を１とすると周辺のインターコネクタは推定その約２０倍あり、たとえセルとインターコネクタの熱膨張率を合わせたとしても速い温度変化過程では両者の熱慣性の差による温度差が生じ、これにより発生する熱応力がセルの劣化にいたる大きな一要因であると考えられる。変動負荷への対応能力を上げる為にはインターコネクタの有する熱慣性の大幅低減が必要とされる。
【００１３】
｛通路配置による不均一な熱分布｝
図２２に示す如く内部マニホールド付きＳＯＦＣのインターコネクタには、その各４辺それぞれに燃料及び空気の供給及び排出路が設けられている。発電反応に伴う熱は燃料極で発生し、この熱により最も高温となるのは燃料排気通路である。この熱分布のアンバランスによるインターコネクタの熱変形により、セルにも変形が生じ、これにより発生するセル内応力も、劣化の要因となる事が考えられる。セル周辺のサポート部の温度分布の均一化が必要である。
【００１４】
｛シール材によるインターコネクタ同士の固定｝
図２２に示す如く内部マニにホールド付きＳＯＦＣにおいて、相隣り合うインターコネクタは電気的な絶縁と共に、インターコネクタの４通路周辺の気体の漏れ防止の為に、接着機能を有するシール材が用いられる例が多い。しかし、００１３で示す如く、各通路の熱的アンバランスによる変形のために、特に温度の高い燃料の発電に伴う排気流出口近辺でのリークが懸念される。
【００１５】
｛シール材によるセルとインターコネクタの封止締結｝
図２３に示す内部マニホールド付きＳＯＦＣにおいて、セルの表裏それぞれの燃料及び空気の空間と隣接する空気及び燃料の空間の間で漏れのない完全シールを行う為に相接しているセルとインターコネクタの接合部を接合剤により封止締結が行なわれている。
これを図２３のセル接着部燃料５１−１及びセル接着部空気５１−２に示す。
セルとインターコネクタの熱容量は大きく異なりたとえ熱膨張率は整合できたとしても過渡状態においては温度差が生じ大きな熱応力がセル側に発生する。このシールの為の封止締結は温度変化の大きい過渡状態における劣化の要因と考えられる。
セルの内部熱応力を低減するためにはセル周辺のサポート部が固定されず、ある程度のスライド機能を有する事による熱膨張による変形を吸収できる接合面のシール方式の創出が必要である。
【００１６】
｛クロム被毒｝
クロム被毒はセル劣化の要因である。運転中のクロム蒸気の発散元である内部マニホールド付きＳＯＦＣの金属製インターコネクタの存在はクロム被毒を引き起こす。金属製インターコネクは使用しないことが必要である。
【００１７】
｛生産性、整備性｝
図２３に示す内部マニホールド付きＳＯＦＣは個々のインターコネクタ及びセルが接着されており、生産ライン、或いは市場において、直列に連結された複数のセルの一つに問題がある場合も、電気的連結部が高温領域にあり、その特定が難しい。
更に特定できた場合でもインターコネクタ及びセルは個々に接着により結合されている為に単品交換が難しく、高額な費用を要する全セル・スタックの交換となる可能性が高い。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明者等は鋭意研究の結果、前記課題を全て解決することに成功した。すなわち本願発明は、下記構成の固体電解質形燃料電池である。
（１）平板型固体電解質型燃料電池セル（以下「セル」という）の一対を、各々の燃料極面を内側に向け、かつ一定空間を隔てて対向配置し、前記一定空間を燃料層空間とし、また前記セルの各々の空気極面外方部に空間を設けてなる平板型固体電解質型燃料電池セル・ユニット（以下「セル・ユニット」という）を備えてなることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
（２）前記（１）記載のセル・ユニットの複数個を、同セル・ユニットの空気極面同士を一定空間を隔てて対向配置して連設し、前記燃料極面同士の一定空間を燃料層空間とし、前記空気極面同士間の一定空間を空気層空間としてなる固体電解質型燃料電池セル・スタック（以下「セル・スタック」という）を備えてなることを特徴とする固体電解質型燃料電池。
（３）前記燃料極周縁部に配置される枠型形状の燃料極フレームと、前記空気極周縁部に配置される枠型形状の空気極フレームを備えてなり、各々のフレームが燃料層空間及び空気層空間を形成するシール体を構成することを特徴とする前記（２）に記載の固体電解質型燃料電池。
（４）燃料極フレームが、該フレームの外部にある燃料供給部と連通する燃料導入孔と該フレームの外部にある排気通路に連通する排気流出孔とを有してなり、また、空気極フレームが、該フレームの外部にある空気供給用の空気通路に連通する空気導入孔と、前記排気通路に連通する空気流出孔とを有してなることを特徴とする前記（２）又は（３）のいずれか１項に記載の固体電解質型燃料電池。
（５）燃料導入孔が燃料供給用のマニホールドに連接されてなることを特徴とする前記（４）記載の固体電解質型燃料電池。
（６）燃料導入孔がセル・スタックを構成する燃料極フレーム及び空気極フレームに設けた燃料共穴に連通されてなることを特徴とする前記（４）記載の固体電解質型燃料電池。
（７）セル・ユニットの燃料極周縁部に枠型形状の導電性を有する燃料極集電体を、また空気極周縁部に枠型形状の導電性を有する燃料極集電体を各々接触配置してなることを特徴とする前記（３）〜（６）のいずれか１項に記載の固体電解質型燃料電池。
（８）セル・ユニットの燃料極周縁部に、枠型形状の導電性を有する燃料極集電体を、また空気極周縁部に枠型形状の導電性を有する燃料極集電体を各々ガスシールに必要とされる押圧力を与える弾性体を介して摺動可能に圧接配置されてなることを特徴とする前記（３）〜（６）のいずれか１項に記載の固体電解質型燃料電池。
（９）燃料層空間又は／及び空気層空間の中央部にバッフルプレートを挿設してなることを特徴とする前記（１）〜（８）のいずれか１項に記載の固体電解質型燃料電池。
（１０）セル・スタックの空気通路及び排気通路に面していない外周面及びセル・スタックの外周部に設けた空気通路及び排気通路の外周面の全体を断熱材で包被してなることを特徴とする前記（４）〜（９）のいずれか１項に記載の固体電解質型燃料電池。
【００１９】
また、別の態様として表現すれば下記のとおりである。
（１）平板型固体電解質形燃料電池（以下「セル」という）の一対を、各々の燃料極面を内側に向け、かつ一定空間を隔てて対向配置し、前記一定空間を燃料層空間とし、また前記セルの各々の空気極面外方部にその最外端面が開かれた一定空間を設けてなる平板型固体電解質形燃料電池セル・ユニット（以下「セル・ユニット」という）を備えてなることを特徴とする固体電解質形燃料電池
（２）（１）に記載の２つのセル・ユニットを、該セル・ユニットの各々の空気極外方部に設けた一定空間の開かれた最外端面を接合してなる閉じた空気極面同士間の一定空間を空気層空間とし、複数のセル・ユニットを、前記最外端面を連接してなる、セルを介して交互に燃料層空間及び空気層空間が連成されてなる固体電解質形燃料電池セル・スタック（以下「セル・スタック」という）を備えてなることを特徴とする固体電解質形燃料電池
（３）前記燃料極周縁部に配置される枠型形状の燃料極フレーム及び前記空気極周縁部に配置される枠型形状の空気極フレームを備えてなり、燃料極フレームは燃料層空間を形成するシール体を構成し、空気極フレームは２つのセル・ユニットの接合により構成される空気層空間を形成するシール体を構成することを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の固体電解質形燃料電池。
（４）燃料極フレームが、該フレームの外部にある燃料供給部と連通する燃料導入孔と該フレームの外周部にある排気通路に連通する排気流出孔を有してなり、また、空気極フレームが、該フレームの外周部にある空気供給用の空気通路に連通する空気導入孔と、前記排気通路に連通する空気流出孔とを有してなる事を特徴とする（１）〜（３）のいずれか１項に記載の固体電解質形燃料電池。
（５）燃料導入孔がセル・スタックの外部にある燃料供給用の燃料マニホールドに連接されてなる事を特徴とする（４）に記載の固体電解質形燃料電池
（６）燃料導入孔がセル・スタックを構成する全燃料極フレーム及び空気極フレームを貫通するセル・スタックに内蔵された燃料供給用の共通孔に連通されてなる事を特徴とする（４）に記載の固体電解質形燃料電池
（７）（１）におけるセルの燃料極面周縁部に枠状の導電性を有する燃料極集電体を、更に空気極面周縁部に枠状の導電性を有する空気極集電体を配し、更にセルの燃料極面とこれに接する燃料極集電体面間は集電及びガスシールに必要とされる押圧力を与える弾性体スペーサースプリングを介して接合されることを特徴とする固体電解質形燃料電池
（８）（４）のセル・スタックの空気通路及び排気通路に面していない外周面及びセル・スタックの外周部に設けた空気通路及び排気通路の外周面を連続した断熱材で包被してなることを特徴とする固体電解質形燃料電池
（９）（４）の排気通路内の適切な位置に一個または複数個の酸化触媒を配することを特徴とする固体電解質形燃料電池。
（１０）バッフルプレート燃料あるいはバッフルプレート空気をそれぞれ（２）の燃料層空間内あるいは空気層空間内の中央部に配置する事を特徴とする固体電解質形燃料電池。
（１１）（４）のセル・スタックにおいて、高温気体が通過する排気通路内に空気あるいは燃料通路を配することにより、あるいは高温気体が通過する排気通路を空気あるいは燃料通路内に配する事により各気体間での熱交換を行うことを特徴とする固体電解質形燃料電池。
（１２）本発明の平板２セル対向配置型固体電解質形燃料電池のレイアウトをオールセラミックとする固体電解質形燃料電池にも適用することを含むものとする固体電解質形燃料電池。
【００２０】
更に別の態様としては下記のごとくである。
本発明者は上記に鑑み鋭意研究の結果、設計的手段により課題を解決すると共に、更に将来的な移動体への応用を目指した新機構を生み出している。
前記〔００１１〕に対応内部マニホールド付きＳＯＦＣの熱容量の大きいインターコネクタを廃止し、インターコネクタが存在した部分に新たにセルを配し、２つのセルの燃料極が相互に向かい合い、且つ適切な間隔を持つよう配置し、該２つの対向配置されたセル間の空間の周辺を、非導電性、非金属製の（例セラミック）材料で作られた枠型形状の燃料極フレームで閉じる事で出来る空間を燃料層空間とし、更に両サイドのセルの空気極面それぞれに接する非導電性、非金属製の枠型形状の空気極フレームを配し、これ等の要素の組み合わせをセル・ユニットとし、２つの該セル・ユニットを空気極フレームの端面を接合して出来る閉じた空間を空気層空間とする。
複数のセル・ユニットの空気極フレーム面を接合して形成される集合体をセル・スタックとし、これ等のセル・スタック内それぞれの燃料極空間及び連結により形成される空気極空間それぞれに燃料及び空気を供給する事で、従来の金属製の熱容量の大きいインターコネクタを必要とせずに発電を行う事を特徴とする固体電解質形燃料電池。
【００２１】
前記００１２に対応複数のセル・ユニットの集合体に燃料供給系、更には空気の供給系及び排気系を加えたセル・スタックにおいて、それぞれのセル・ユニットに属する燃料極空間及び空気極空間からの排出ガスは、セル・ユニットとは分離されその周辺に配置された排気通路に排出され、大気への排出過程において、従来の内部マニホールド付き金属製インターコネクタを有するＳＯＦＣと異なり、排出されたガスが直接的にセルに熱的影響を及ぼすことが無い事を特徴とする固体電解質形燃料電池。
【００２２】
前記００１３に対応複数のセル・ユニットの集合体であるセル・スタックにおいて、各セル・ユニットの燃料極フレーム内の燃料供給路に燃料マニホールドより直接燃料を供給する。この場合はセル・ユニットの各要素の接合面には燃料通路開口部は存在しない為燃料リークは生じない。
更に、各セル・ユニットを連通する燃料共通孔を使う場合は、各フレームの接合面にガスケットホールを設けここにガスケット収納する事で完全なシールが可能となる。
従来の内部マニホールド付きＳＯＦＣに必要とされる燃料及び空気の４箇所の入出通路を有するインターコネクタ間の接合面での接着剤によるシール機構は必要としない事を特徴とする固体電解質形燃料電池。
【００２３】
前記００１３、００１４に対応請求項１のセル・ユニットにおけるセル周りの漏れの可能性のある面は、燃料極空間における燃料極フレームと燃料極集電体及び該集電体とセルの燃料極との接合面である。これ等の接合面は請求項７に示す如くスペーサスプリングにより、集電及びシールに必要とされ且つセルの熱膨張による横方向の動きは阻害しない適切な圧接力で接合されており、完全固着ではないことより温度差による熱応力の発生は極小に抑え、且つ集電とガスシールを実現している固体電解質形燃料電池。
更に燃料極空間と空気極空間は近接した位置にあり且つ同一の排気通路に開口しており両空間の圧力差を極小とする事により燃料のリークを更に確実に抑えている。
なお、燃料極集電体と燃料極フレームはリークパス低減の為に接着することも含むものとする。
【００２４】
前記００１５に対応００１９項で述べた如くクロムを含有する金属インターコネクタを使用しない事より、クロム被毒の可能性を低減したことを特徴とする固体電解質形燃料電池。
【００２５】
前記００１６に対応セル・ユニットは、周辺を高温雰囲気とし、セル・ユニット内の燃料極空間に燃料を供給することで容易に単独での発電機能の確認が可能である。
よって、セル・スタックを構成するセル・ユニットの事前の機能確認によりこれ等の集合体としての製品においても高いレベルでの品質確保が可能となる。
更に市場においても問題が発生した場合も、セル・ユニット毎の容易な性能確認と必要に応じセル・ユニット単独での交換が容易に行なえ、廉価、迅速、確実な整備が可能となることを特徴とする固体電解質形燃料電池。
【発明の効果】
【００２６】
｛金属製マニホールド付きインターコネクタの廃止｝
本発明における請求項１、２、３における２セル対向配置型ＳＯＦＣの基本要素であるセル・ユニットは、発電の為の２つのセル及び燃料層空間及び空気層空間を形成するセラミック材のフレームで構成され、これにより、従来方式に比べ大幅な軽量化と共に内部的な高い均一性が得られる。
一方、従来の金属製の内部マニホールド付きインターコネクタとセラミック製セルとの組み合わせは内部的な均一性は非常に低いとと言いうる。
ここで負荷変動に伴う発生熱量の急激な増加が起きた場合、熱容量の小さいセル温度は短時間で上昇するが、これと接続する金属製のマニホールドの温度上昇は遅く両者間に大きな温度差が生じこれにより局部的に高い熱応力が発生する。
本発明の２セル対向配置型ＳＯＦＣは内部的均一性が高く、従来の不均一な温度分布に起因する熱応力による劣化が大きく軽減できると期待される。将来的な移動体への適用にはこの軽量化と内部的な均一性は必要条件である。
【００２７】
｛クロム被毒による劣化の低減｝
請求項１のセル・ユニットにおいて、クロムの発生源であった金属製マニホールド付きインターコネクタの不使用により、クロム被毒に起因する劣化の低減が期待できる。
【００２８】
｛セル周辺のシール箇所の低減と関連応力の低減｝
請求項１及び２のセル・ユニットにおける、燃料層空間及び空気層空間の構成において、ガスシールはセルー枚当たり最少閉じた燃料層空間周辺一箇所のみで必要とされ、空気層空間周辺はすべて接合面を介して大商気空間と接する為接合面での接触シール以上の特別なシールは不要である。
一方従来の内部マニホールド付きＳＯＦＣにおけるインターコネクタ方式では多くの接合面では電気的絶縁性も含めて接着剤による結合シールが必要とされる。この結合にはセルも含まれ、固着に伴う熱応力の発生の一因ともなっている。
【００２９】
｛容易な複数連結｝
請求項２のセル・スタックにおいて、セル・ユニット数の増加により出力を増す事は、容易に実現が可能である。
更に請求項４の空気通路及び排気通路はセル・スタックとは分離されたその外周部に形成されるため、セル・ユニットの増加に伴う各通路の面積拡大も容易に行ない得る。
一方、従来の内部マニホールド付きＳＯＦＣにおけるセルと金属製インターコネクタの組み合わせによる発電方式では、セルを含む発電部分と気体移送のための４通路は全て金属製のインターコネクタ内に配置されており、単純にインターコネクタとセルを増やした場合も、気体通路形状の拡大、全発熱量の増加に伴う金属製のインターコネクタの熱的なバランスの再調整等が必要とされ、本インターコネクタ方式のセル数増加が可能な数には制限がある。
よって、請求項２のセル・スタックにおける、セル・ユニット数の変更による出力変更への柔軟性は本発明の２節対向配置型ＳＯＦＣが高いと言える。
【００３０】
｛セル・スタックへの漏れのない容易な燃料供給｝
請求項４、５、６においてセル・スタックにおける燃料の個々の燃料層空間への供給経路として、燃料極フレームに固定された燃料供給パイプに直結された外付けの燃料マニホールドによる場合は、セル・ユニットの各要素の接合面に燃料通路開口部が存在しない為燃料リークは生じない。
更に燃料供給経路として全セル・スタックを貫通する共通孔による場合も、各接合面の共通孔部にガスケットホールを設け、ここにガスケット燃料フローを配置する事により燃料リークの全く無い燃料供給が可能となる。
なおここで使用するガスケットは、燃料による還元性雰囲気にある事より高温雰囲気でも高いシール機能を有するグラファイト系のガスケットも利用の一例としてあげられる。
但し、共通孔使用の場合は共通孔の最大径が周辺形状によりほぼ決められるため、出力変化への対応性は低い。コスト的には共通孔が有利と推定され両者を適宜使い分ける必要がある。
【００３１】
｛気体通路とセルとの熱的分離｝
請求項４のセル・スタックにおいて、該セル・スタック内の各セル・ユニットの占める空間の外周部に、空気通路、及び排気通路を配置する事により発電部と気体通路部が熱伝導率の低いセラミック製フレームにより分離配置される。これにより２セル対向配置型ＳＯＦＣにおいては、従来の熱伝導率の高い金属製の内部マニホールド付きＳＯＦＣの発電部と気体通路部とを一体化したことによるセル周辺の気体通路からの熱的影響が抑えられ、セルの内部的な温度分布の均一性を高めることが可能となる。
【００３２】
｛設計自由度の大きい気体通路｝
請求項４のセル・スタックにおける個々の空気層空間への空気供給は、空気通路より空気極フレーム内の空気導入孔より行われる。また排気通路には、それぞれ燃料層空間、及ぴ空気層空間より排気流出孔及び空気流出孔よりそれぞれ高温の気体が排出される。
両通路とも、本発明の２セル対向配置型ＳＯＦＣのレイアウトを有効に使い、発電の最小単位であるセル・ユニットの外周部に位置する故、そのサイズも含め設計的な自由度が大きい。
これによる広い通路は、通気抵抗が少なく、通路における流れ方向の圧力分布はほぼ一定となり、セル・スタックにおける各々のセル・ユニットの位置によらず同じ量の気体の供給及び排気が可能となる。この均一性もセルにとっては耐久的に重要なファクターである。
【００３３】
｛全体断熱｝
請求項８の空気通路及び排気通路の外周面、セル・スタックの両側面及び前後面を一体化した断熱構造体により覆う事により、該セル・アセンブル表面からの熱の移動を抑え、排熱の利用度を高めると共に、セル劣化の要因であるセル・アセンブル内部の不均一な温度分布の低減が可能となり、セルの機能向上と寿命の延長の一助となる。
【００３４】
｛酸化触媒の追加｝
請求項９の排気通路への酸化触媒の追加は、未利用ガスの外部排出を防ぎ且つ酸化により生ずる熱を燃料の改質及び吸入空気の予熱に利用し発電効率を上げる一助となる。
【００３５】
｛集電体による燃料リークのない集電｝
請求項７のセルからの集電は、セルの両端面周縁部に配置され、且つ空気極側に配置されたスペーサスプリングで押圧された、燃料極集電体及び空気極集電体により行われる。
該スペーサスプリング及び各集電体は、燃料極フレーム及び空気極フレーム間に形成された凹部に収納され、該凹部の合計深さは、セル両面の２つの集電体の厚さ、セルの厚さ、及びスペーサスプリングの必要圧縮代を差し引いたばね高さの合計とし、燃料極フレームと空気極フレームとが完全に相接する密着状態におけるスペーサスプリングの押し力は、セルの熱膨張によるセル周縁部の変形を大きく拘束することなく、且つ集電及び燃料リーク防止の為のセルと集電体間の押圧力が必要とされる値になるように設定されている。
これによりセル内に発生する燃料リークを抑えつつ集電を行い且つ、接合面間の微小移動が許容され熱応力の低減を実現している。
この熱膨張によるセルの変形を拘束する力の低減は内部的な応力低減効果があり、セル寿命を延ばす有効な手段となる。
更にこの集電方式は、セル・ユニットあるいはセル・スタック構成のための結合力によらず、セルに掛かる集電とシールのための押圧力は一定に保たれ、これもセルの寿命延長に有効に作用する。
なお、燃料リーク経路の減少のため、燃料極フレームと燃料極集電体との接合面は接着する場合も含むものとする。
【００３６】
｛セル・ユニットの締結｝
請求項３での燃料極フレーム及び空気極フレームのセル・ユニット構成の為の連結は接着あるいは機械的結合のいずれの方式も可能であり、以下に機械的結合の一例を示す。
締結バンドによるセル・ユニットの締結部は、請求項８の断熱構造体の外部にありセル・スタック内部の高温からは隔離され、且つ締結部の締結剛性は比較的低く設定されており、高温に晒される各フレームの熱膨張による変形が吸収されることにより、セル・ユニット群の寿命に影響を及ぼさず且つ緩みのない安定した締結を提供する。本機械的締結は温度的あるいは化学的に接着剤が利用できない場合の対応手段である。
【００３７】
｛断熱空間外でのセル間の電気的結合｝
請求項７による集電体の他と連結する為の端子部は、セル周辺の断熱構造体に設けた微小空間を通りほぼ室温となる外部にまで延長され、各端子部の連結は高温腐食の懸念がない銅等の高い導電性を有する金属の利用が可能となり、導電部のオーム抵抗の低減による発電効率の向上が期待できる。
更にセルの出力端子部の室温並みの温度環境においては、容易な配電、あるいはセルの機能チェック、更には不具合のときのバイパス路回の追加等の高温を嫌う制御系部品の装備等も容易に行いうる。
【００３８】
｛バッフルプレート燃料｝
請求項１０におけるバッフルプレート燃料は、該バッフルプレート表面に設けた凹凸のあるパターンにより、それぞれの燃料極層と相対するバッフルプレート燃料の表面間の燃料流に乱れを作り、セルと燃料との接触機会を増やすと共に反応生成物質のセル表面からの分離を促進しこれにより発電出力を増すと同時に燃料利用率の向上が図りうる。
更に燃料極フレーム内の燃料導入口に連結した燃料バイパスをバッフルプレート燃料内部に設け、この燃料バイパスに連通し且つバッフルプレート燃料の外側面に開口部を持つ複数の燃料ブランチにより、発電面に対して垂直方向に且つセルに対し２次元的に燃料を供給することで、強い乱れの形成と適切な燃料分布により発電に伴う熱発生の均一化と燃料利用率の向上が得られる。
【００３９】
｛バッフルプレート空気｝
請求項１０におけるバッフルプレート空気は、該バッフルプレート表面に設けた凹凸のあるパターンにより、それぞれの空気極層とこれと相対するバッフルプレート表面間の空気流に乱れを作り、セル表面への酸素供給を促進すると共に、空気の流れによる冷却効果により不均一なセルの温度分布の低減が図りうる。
更にバッフルプレート内部に設けた空気バイパス及びこれに連通し且つバッフルプレートの外側面に開口部を持つ複数の空気ブランチを、発電反応に伴う発生熱発が集まる領域に配置し、比較的低温の空気バイパスからの空気を、該領域の温度分布の不均さ低減を目的とし、２次元的な広がりを有する空気供給を行い得る。
従来の内部マニホールド付きＳＯＦＣの一次元的な空気供給に比べセル表面の温度分布を平準化しセル表面の熱応力の発生を抑えることが可能となる。
なお、燃料極空間においても同一であるが、２次元的な気体の供給は、本発明の２セル対応配置型ＳＯＦＣ特有のセルが相互に向き合う事及びインターコネクタがないことによる空間の有効利用の結果として可能となるものである。
【００４０】
｛集電メッシュの利用｝
温度などの理由によりセル表面の通電機能が不十分な場合は、セル表面に可僥性を有し且つ通電性を有するメッシュ等を配しこれにより集電を行う場合、メッシュ上に突部を儲け、これと相対する請求項１０のバッフルプレート上にボスを配置し、このボスがメッシュ上の突部をセルの発電層に向かい押圧する事によりメッシュとセルの発電層との接合力の低下を防ぎセル出力を維持することが可能となる。なお本発明の２セル対応配置型ＳＯＦＣ固有の対向配置されたセルの特性を生かしバッフルプレートを介さずメッシュ同士が押圧しあう例も含まれるものとする。
【００４１】
｛熱交換器｝
一般的にＳＯＦＣは空気側は吸気温度の上昇による効率の向上を、また燃料側は燃料改質を目的とし、排気の熱により空気および燃料の予熱を行う。
請求項１１の熱交換機は、本発明の２セル対向配置型ＳＯＦＣ固有の気体通路の設計的自由度が大きい事を利用したもので、高温側を排気通路、低温側を吸気及び燃料通路とし、高温側の通路内部に低温側の通路を、あるいは、低温側通路内部に高温側通路を配置する事により高温側と低温側とで熱交換を行なうを示している。
従来の内部マニホールド付きＳＯＦＣは別体の熱交換器をセル・アセンブルの外部に配置するが、本案は、各気体通路を直接熱交換の場とするため途中の移送ロスがなく、高い熱交換率が得られと共にスペース的にも非常にコンパクトな固体酸化物型燃料電池が実現できる。
更に、本レイアウトでは、セル・スタックにおいて排気通路側と空気通路側との温度差が生ずる可能性がある。これへの対応として排気通路をセル・スタックの後端部において空気通路方向に屈曲延長し、更に空気通路部分で空気通路入り口部分まで屈曲延長し、セル・スタックの空気通路周辺部をここに設けた排気通路により加熱することが挙げられ、これによりセル・スタック内部での温度勾配は大幅に低減される。
なお、図２１に上記対応案に、延長された排気通路内に吸気通路を配し吸気余熱を行なうとともに、上部の排気通路で燃料加熱を行なう例を示している。
【００４２】
｛オールセラミック化｝
本発明において、請求項４の断熱構造体内部での金属部品は各集電体及びスペーサスプリングであるが、温度的には利用可能な上限がある。
しかし、高温領域における高効率なセルを目指し、各々の集電体は高温導電性を有するセラミックの適用とスライド部分は単純な接着固定に置き換えることにより、請求項８におけるオールセラミックＳＯＦＣにも本発明の基本レイアウトである２セル対向配置型ＳＯＦＣに適用することは可能である。
この場合、ある程度の速い応答性は犠牲にしても、より高い効率が期待できると共に２セル対向配置型ＳＯＦＣの持つ簡易な構造、コンパクト性、高い整備性と生産性などのメリットを生かすことは可能である。
なお高温部から低温部への通電は密閉されたグラファイトを介する場合を一例としてあげておく。
【００４３】
｛分解組み立て整備性｝
請求項１、請求項３においてセル・ユニツトの燃料極フレームと空気極フレームとは接着材による結合としセル・スタックでの各セル・ユニットの連結は断熱構造体の外部において、スプリング付きボルトで固定する物とする。これにより初期のセル・スタック単独での機能確認が可能となる。またセル・アセンブルの状態においても運転は可能であり、各セル・ユニットの機能のチェックと共に問題のあるセル・ユニットは単独での交換も可能であり、従来の内部マニホールド付きＳＯＦＣに比べ機能確認、分解組み立て、セル・ユニットの整備、交換は容易に行い得る。
【００４４】
｛セル材料｝
使用材料は温度により異なるが下記の表１を参考に選択する。
【００４５】
【表１】
2016162567.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】セル・ユニット概念図
【図２】セル・スタック概念図
【図３】セル・ユニット００２の実体構成図
【図４】２つのセル・ユニットによる燃料層及び空気層空間の形成
【図５】セル・ユニットの分解斜視図
【図６】セル・ユニット集電部及びガスシール部詳細
【図７】セル・ユニット電気的連結
【図８】セル・ユニットバンド締結００１１の構成
【図９】セル・スタック００２の構成
【図１０】セル・スタック内のセル・ユニットの固定方式詳細
【図１１】セル・アセンブルの燃料極空間中央部断面図
【図１２】セル・アセンブルの空気極空間中央部断面図
【図１３】セル・アセンブルの外観図
【図１４】セル・ユニット燃料供給孔００１２の構成
【図１５】セル・ユニット燃料供給孔内臓ＯＯ１２燃料極空間断面図
【図１６】バッフルプレート燃料３０断面斜視図
【図１７】バッフルプレート空気３１断面斜視図
【図１８】集電体用メタルメッシュ詳細
【図１９】フローコントロールによる、メタルメッシュの浮き防止例
【図２０】排気熱による燃料改質
【図２１】排気熱による吸気予熱
【図２２】平板型金属インターコネクタ付きＳＯＦＣ分解斜視図
【図２３】平板型金属インターコネクタ付きＳＯＦＣ１／４カット斜視図
【図２４】円筒型ＳＯＦＣ部分断面図
【発明を実施するための形態】
【００４７】
｛セル・ユニット概念図｝
図１に請求項１に示すセル・ユニット００１の概念図を示す。左右２つのセル０１はそれぞれ燃料極０１−２、電解質０１−１、空気極０１−３が積層してなり、２つのセルの燃料極面が内側に相向き合う様に配置され、これにより閉じた燃料層空間Ａが形成され、両側面にある空気極面側の外側部には請求項１に示す空気極面外方部にその最端面が開かれた一定空間が形成される。
【００４８】
｛セル・スタック概念図｝
図２に複数のセル・ユニット００１を請求項１の空気極面外方部一定空間の最端面が相互に接する様配列する事により形成される請求項２のセル・スタック００２の基本構成図を示す。隣接する前記空気極面外方部一定空間は連接に伴い合体し両側面を空気極面とする閉じた空間、空気層空間Ｂを形成する。
これにより、それぞれにセル０１を介して交互に複数の燃料層空間及び空気層空間が連成された、本発明の主題である平板２セル対向配置型固体電解質形燃料電池が形成される。
【００４９】
｛セル・ユニット００１の一実施例｝
図３は請求項３に示す周辺にシール機能を有する燃料極フレーム０２を請求項１で示す燃料層空間内に配置し、更に請求項３のシール機能を有する空気極フレーム０３を、２つのセルのそれぞれの空気極面上に外方に向けて配置することによりセル・ユニット００１を形成する一例を示す。なお、ユニット内の各フレーム間の接合は機械的な結合をのぞき接着で行なう事を基本とする。
【００５０】
｛空気層空間の形成｝
図４に２つのセル・ユニット００１の接合による空気層空間Ｂの一形成例を示す。
内容的には図２と同じである。２つのセル・ユニット００１の相向きあい接合された２つの空気極フレーム０３により形成され、且つその両端面はそれぞれのセルの空気極面とする閉じた空間を空気層空間Ｂとする。
【００５１】
｛燃料及び空気の供給｝
請求項４における気体の流入、流出に関する一実施例を図４に示す。燃料極フレーム０２内の燃料層空間Ａへの燃料は、外部の燃料供給部より適切な圧に調整された後、燃料極フレーム０２に設けた適切なオリフィス効果を有する燃料導入孔０２−１より供給される。また燃料層空間内の発電反応生成物及び残留燃料は適切なオリフィス効果を有する排気流出孔０２−２より該フレーム外周部にある排気通路に排出される。
また空気層空間Ｂへの空気は、外部の空気供給部より適切な圧に調整された後、空気極フレーム０３の外周部にある空気通路より、該空気層空間を構成する２つの連接した空気極フレーム０３で形成され且つ内部に適切なオリフィス効果を有する空気導入孔０３−１より供給され、未反応空気は同じく２つの連接した空気極フレーム０３で形成され適切なオリフィス効果を有する空気流出孔０３−２より前記排気通路に排出される。
【００５２】
｛セル・ユニット分解図｝
図５にセル・ユニット００１の一実施例の分解図を示す。ここには図３に示す燃料極フレーム０２及び空気極フレーム０３及び２つのセル０１に加え、それぞれのセルの燃料極面に接する燃料極集電体０４、空気極面に接する空気極集電体０５、及び空気極集電体のセルの空気極フレーム面に接するよう配置されスプリング作用を有するスペーサ・スプリング０６を示す。セルを含むこれ等は、燃料極フレーム凹部０２−３、及び空気極フレーム凹部０３−３で形成される空間内に配置される（各フレームに設けた凹部は一方のフレームのみに形成される場合も含むものとする）。
【００５３】
｛セル・ユニット集電及びガスシール部詳細｝
図６に請求項７に示すセル・ユニット００１の集電とガスシールの一例を示す。ここには図５の分解図が示す燃料極凹部０２−３および空気極凹部０３−３で形成される空間内に燃料極集電体０４、セル０１、空気極集電体０５及びスペーサ・スプリング０６が配置された例を示す。
前記空間内に配置される各要素の厚み方向合計幅は、該空間の幅より大きく設定されており、両幅の差分だだけ各要素の装着に伴いスペーサ・スプリング０６が圧縮され各要素の接合面に押圧力を生じさせる。
この押圧力により、セルの各々の発電層と対応する各集電体間は電気的に連結され、且つ燃料リーク経路となる燃料極集電体０４と燃料極フレーム０１の接合面及びセル０１の燃料極層との接合面からのリークが防止される。
【００５４】
図７にセル・ユニット００１の電気的な連結の一例を示す。セル・ユニット００１内の燃料極集電体端子０４−１及び空気極集電体端子０５−１はユニット内部コネクタ０７により連結され、他の連結されていないセル０１それぞれの空気極集電体端子及び燃料極集電体端子は、左右に隣接するそれぞれのセル・ユニット００１の燃料極集電体端子及び空気極集電体端子にユニット外部コネクタ０８により連結される。これにより各セル・ユットは直列に結合される。
なお、図中下端にあるの燃料供給パイプ０９は、燃料導入孔０２−１の入り口に接着固定されており、請求項５に対応した外部配置された燃料マニホールド１６と連結され、燃料極空間に燃料を供給する。
【００５５】
｛セル・ユニット要素結合方式｝
セル・ユニット００１の燃料極フレーム０１及び両サイドの空気極フレーム０３との結合は機械的結合を利用しない場合は耐熱性接着材によるものとする。
【００５６】
｛セル・ユニット要素の機械的結合｝
図８に燃料極及び空気極の２種のフレームを機械的に結合する例の一つとして、セル；ユニット・バンド締結００１１を示す。これは生産工程における温度的な条件で耐熱性接着剤の利用が困難な場合等において、セル・ユニットの締結を機械的に行うことを目的としている。
本セル・ユニット・バンド締結００１１は、図８に示す如く両側面中央部に燃料極締結ボス０２１−１を有する燃料極フレーム・バンド締結０２１、及び両側面中央部に空気極締結ボス０３１−１を有する空気極フレーム・バンド締結０３１を締結バンド１０により締結する。これにより本セル・ユニット・バンド締結００１１はセル・ユニット００１と同じ機能を有する。
【００５７】
｛セル・スタック００２の構成｝
図９に請求項２のセル・スタック００２の例として１０個のセル・ユニット００１を連結した場合を示す。積層されたセル・ユニット００１の前部にエンドプレートｆ１１を、後部にエンドプレートｒ１２を配置し、スプリング付きボルト１３により４箇所で締結されている。
セル・スタック００２においては燃料層空間及び空気層空間が交互に並び、セル・スタック両端面の空気層空間は、それぞれエンドプレートｆ１１およびエンドプレートｒ１２により完全に閉鎖される。
本図での燃料供給は、請求項５に示すもので、各セル・ユニット００１の燃料極フレーム０２に固定された図７の燃料供給パイプ０９にセル・ユニットの外部に配置された燃料マニホールド１６を連結することで行われる。
本燃料マニホールドは配管途中にフレキシブルなベローズを有し燃料供給パイプの微妙な寸法誤差等に伴う配管にかかる曲げ応力の発生を防止している。
【００５８】
｛セル・スタック内のセル・ユニットの固定方式詳細｝
図１０にセル・ユニット００１の固定方法の一実施例を示す。図中、参考に配置された一つのセル・ユニット００１が示す如く、各セルユニットはその下辺に配置されている２つのセル・ロアサポート１４により支えられている。またこのセル・ロアサポート１４はその内部を貫通しているスプリング付きボルト１３により支持されている。
４本のスプリング付きボルト１３により全セル・ニットは締結固定されており、その締結力はスプリング付きボルト１３のスプリングにより、セル・ユニットの熱変形等による寸法変化の吸収も含めて常に必要とされる値に維持されている。
なお、セル・スタック００２におけるセル・ユニット００１間の接合は両端のエンドプレートも含めスプリング付きボルト１３締結力によるもののみとし特に必要とされる場合を除き接着材は使用しないものとする。
セル・ロアサポート１４の全長は、全セル・ユニットの全長より短く設定されており、スプリング付きボルト１３の締結力は全てセル・ユニットに働く。セル・ロアサポート１４と２つのエンドプレート間の間隙は柔軟性のあるガスケット・セルサポート１５により埋められている。
【００５９】
｛セル・アセンブル｝
図１１は請求項４に、５又は６、７〜１１を含む例をセル・アセンブルとしその縦断面図を示す。図１１で表示された断面はセル・ユニットの燃料極フレーム０２の中心を通っており、図中セルの発電部は燃料層空間Ａを示す。
セル・アセンブルには請求項４のセル・スタックに、燃料極集電体０４、空気極集電体０５、極空気通路１７、及び排気通路１８が、更に、最外周面には請求項８の空気通路断熱材１９、排気通路断熱材２０、セルサイド断熱材１２１、セルサイド断熱材ｒ２２を含み、燃料マニホールド断熱材２３が必要に応じ追加される。
燃料は燃料マニホールド１６、燃料供給パイプ０９、燃料フレーム０２に設けた燃料導入孔０２−１を経由して燃料層空間に導入される。発電反応に伴う生成物及び未反応ガスは、排気流出孔０２−２より排気通路１８に排出される。
請求項８の各断熱材は外部への特定箇所からの放熱による熱分布の不均一化を抑えたセルの熱応力の低減、及び排気熱の有効利用による発電効率向上等を目的としてる。
【００６０】
図１２に前項００５８のセル・アセンブル内のセル・ユニットの空気層空間中央部での断面図を示す。発電用の空気は下部の空気通路１７より空気極フレーム０３の空気導入孔０３−１より空気層空間Ｂに導入され、反応後の残留空気は上部の空気流出孔０３−２より１８の排気通路に排出される。
【００６１】
図１３に前項００５８のセル・アセンブルの外観の一例を示す。本図の燃料供給はマニホールド方式であり供給は燃料供給口２４、空気供給は空気供給口２５、より行われ、残余の燃料、空気及び発電による生成気体はまとめて排出口２６より排出される。
図中燃料極集電体端子０４−１及び空気極集電体端子０５−１は共に周辺の断熱材に設けた細孔を通過し断熱材の外部にまで延長されており、高温を避けたほぼ室温に近い空間において、各端子部は内部コネクタ０７及び外部コネクタ０８により連結される。
【００６２】
図１４に請求項６の燃料供給孔が内蔵型のセル・ユニット燃料供給孔内蔵００１２の例を示す。燃料極フレーム・内蔵０２２に設けた燃料極・共通孔０２２−１、及び両サイドの空気極フレーム・内蔵０３２に設けた空気極・共通孔０３２−１は、各フレームを連結したセル・ユニットを形成する事により連通した燃料供給路を形成する。
セル・ユニットにおける各フレームの結合方式が接着あるいは機械的な固定のいずれの場合も、燃料極及び空気極フレームの接合面には図１４に示す如く、ガスケットホール２８−１内にガスケット・燃料フロー２８を配置する。
【００６３】
図１５に請求項６のセル・ユニット００１２燃料供給孔内蔵の燃料極フレーム・内蔵０２２の燃料層空間の中央部でセル・ユニット００１２の断面図を示す。燃料は燃料極・共通孔０２２−１より、図で横方向に伸び且つ空気層空間に連通した燃料導入孔０２−１を経由して燃料極空間Ａに入り、発電後は０２−２の排気流出孔より排出される。なお燃料導入孔０２−１の後端はプラグ・燃料２９により閉じられている。
【００６４】
図１６にバッフルプレート燃料３０の断面斜視図を示す。本例は、バッフルプレートは燃料極空間の中央に配置され、バッフルプレート両側面に設けた燃料凹凸面３０−１によりセルの燃料極面とバッフルプレートで形成される燃料通路内の燃料流に乱れを作り発電反応の促進を図る。
更にバッフルプレート内部に、燃料極空間に燃料を供給する燃料極フレーム０２内の燃料導入口０２−１に連通する燃料バイパス３０−２を設け、これと連結し且つ先の燃料通路に開口した複数の通路面積が異なる燃料パスブランチ３０−３により、発電が行われる燃料極層に、その場所に応じた適切な量の燃料が供給される。
なお、本方式は、内部燃料バイパスは用いず、流れの制御としてバッフルプレートにより分流した流れの凹凸面による乱れのみとする場合も含まれるものとする。
なお図中ボス燃料３０−４は集電にメタルメッシュ３２を利用する場合のメタルメッシュ３２のセル表面からの分離を防止するものである。
【００６５】
図１７にバッフルプレート空気３１の一実施例を示す。バッフルプレート燃料３０と同様にセルの空気層とバッフルプレート上の空気凹凸面３１−１による流れの乱れにより空気極層への活発な酸素補給を行う。
更にパッフルプレート空気３１内に空気極フレーム０３の空気導入孔０３−１の上部に開口部を持つ空気バイパス３１−２を設け、該空気バイパス上部に設けた空気極空間と連通する複数の空気パスブランチ３１−３によるバイパス回路によりセル表面に２次元的な広がりを有する空気供給を行なう。
なお図中ボス空気３１−４は集電にメタルメッシュ３２を利用する場合のメタルメッシュ３２のセル表面からの分離を防止するものである。
【００６６】
図１８に金属集電体、メタルメッシュ３２を利用する一例を示す。比較的低温でセル表面の導電機能が充分期待できない場合には金属製のメッシュによる集電を行う。図１８はメッシュなしの図３にメタルメッシュ３２を追加したものである。メタルメッシュ３２の集電面はそれぞれのセルの燃料あるいは空気極面に接するよう、またその周縁部分はそれぞれの集電体のセル０１との接触面の反対側に接するよう配置される。メタルメッシュ３２周縁部の集電体と接しないもう一方の面は燃料極では燃料極フレームに、空気極側ではスペーサースプリングと接するよう配置される。
メタルメッシュ３２利用の場合は、燃料漏れ防止の為、燃料極集電体とメタルメッシュは事前に溶接などにより電気的な結合体とし、メッシュ部を埋め込む形で燃料極フレーム接着するものとする。
【００６７】
図１９にメタルメッシュ３２の浮き防止の一例を示す。各メタルメッシュ３２のメッシュ突部３２−１は、それぞれ相対するバッフルプレート燃料あるいは空気のボス燃料３０−４あるいはボス空気３１−４によりセルと離れる方向の動きは規制され、長期間使用にともなう浮き上がりを防止している。
【００６８】
｛燃料改質｝
図２０に燃料を排気通路１８内の排気熱により加熱することで改質を行う一例を示す。燃料は燃料供給口改質２４−１より熱交換器改質３３に導かれ、排気通路改質１８−１内の高温ガスにより加熱改質が行われる。改質器を構成するパイプは排気通路内でＵターンをし、入り口のある燃料供給口側より燃料マニホールド１６に連結される。
【００６９】
図２１に上記００６１に述べた燃料改質と同時に吸入空気の排気熱による予熱を行う一例を示す。セル上部の排気通路内の高温ガスを下部の吸気通路に送り吸気を加熱する方式である。
排気通路改質１８−１内の排気ガスは排気通路下降１８−２より下方にある排気通路予熱１８−３に入り熱交換器予熱３４内の空気を加熱しつつ終端の排気通路横移動１８−４を経て排気口予熱２６−１より外部に排出される。
空気は空気供給口予熱２５−１より熱交換器予熱３４の熱交換器を形成するパイプ内の空気通路熱交換１７−１に入りここで加熱された後、空気通路予熱１７−２に入り、加熱された空気として空気極フレーム０３の空気流入孔０３−１より個々の空気層空間に供給される。
空気通路予熱１７−２と排気通路予熱１８−３とはセパレータプレート３５で完全に分割されているが、このセパレートプレートを介しても空気側に熱が伝達され更に熱交換率を高めることが可能となる。また、排気側に比べて温度の低い空気、燃料を含めた気体の流入側に熱交換器を配置し高温ガスを通過させる事により、全体的な温度分布の均一化が図りうる。
【００７０】
なお、本発明に利用するセラミック部品は形状的に単純なスタンプ方式での形成が難しい場合は部品の複数分割成型と接着剤あるいはレーザによる結合、あるいはマシなブルセラミックによる加工によるものとする。
【符号の説明】
【００７１】
Ａ  燃料層空間
Ｂ  空気層空間
００１  セル・ユニット
００１１  セル・ユニットバンド締結
００１２  セル・ユニット燃料供給孔内蔵
００２  セル・スタック
００３  セル・アセンブル
００５  平板型金属インターコネクタ付きＳＯＦＣ
００６  円筒型ＳＯＦＣ
０１  セル
０１−１  電解質
０１−２  燃料極
０１−３  空気極
０２  燃料極フレーム
０２−１  燃料導入孔
０２−２  排気流出孔
０２−３  燃料極フレーム凹部
０２１  燃料極フレーム・バンド締結
０２１−１  燃料極締結ボス
０２２  燃料極フレーム・内蔵
０２２−１  燃料極・共通孔
０３  空気極フレーム
０３−１  空気導入孔
０３−２  空気流出孔
０３−３  空気極フレーム凹部
０３１  空気極フレーム・バンド締結
０３１−１  空気極締結ボス
０３２  空気極フレーム・内蔵
０３２−１  空気極・共通孔
０４  燃料極集電体
０４−１  燃料極集電体端子
０５  空気極集電体
０５−１  空気極集電体端子
０６  スペーサ・スプリング
０７  ユニット内部コネクタ
０８  ユニット外部コネクタ
０９  燃料供給パイプ
１０  締結バンド
１１  エンドプレートｆ
１２  エンドプレートｒ
１３  スプリング付きボルト
１４  セル・ロアサポート
１５  ガスケット・セルサポート
１６  燃料マニホールド
１７  空気通路
１７−１  空気通路熱交換
１７−２  空気通路予熱
１８  排気通路
１８−１  排気通路改質
１８−２  排気通路下降
１８−３  排気通路予熱
１８−４  排気通路横移動
１９  空気通路断熱材
２０  排気通路断熱材
２０−１  排気通路断熱材改質
２０−２  排気通路断熱材予熱
２１  セルサイド断熱材１
２２  セルサイド断熱材ｒ
２３  燃料マニホールド断熱材
２４  燃料供給口
２４−１  燃料供給口改質
２５  空気供給口
２５−１  空気供給口予熱
２６  排気口
２６−１  排気口予熱
２７  出力端子
２８  ガスケット・燃料フロー
２８−１  ガスケットホール
２９  プラグ・燃料
３０  バッフルプレート燃料
３０−１  燃料凹凸面
３０−２  燃料バイパス
３０−３  燃料パスブランチ
３０−４  ボス燃料
３１  バッフルプレート空気
３１−１  空気凹凸面
３１−２  空気バイパス
３１−３  空気パスブランチ
３１−４  ボス空気
３２  メタルメッシュ
３２−１  メッシュ突部
３３  熱交換器改質
３４  熱交換器予熱
３５  セパレータプレート
３６  フロント断熱材
３７  リヤ断熱材
５０  金属インターコネクタ
５０−１  燃料通路
５０−２  空気通路
５１  金属インターコネクタ用セル
５１−１  セル接着部燃料
５１−２  セル接着部空気
６０  円筒型電解質
６１  円筒型燃料極
６２  円筒型空気極
６３  円筒型セラミックインターコネクタ
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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