(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質層(11a)とこの固体電解質層の両面に配設された燃料極層(11b)及び酸化剤極層(11c)とからなる発電セル(11)が（ｎ＋１）枚（ｎは正の整数である。）積層され、
ｉ番目（ｉ＝１，２，…，ｎ）の発電セル(11)の燃料極層(11b)とこの燃料極層に隣接する（ｉ＋１）番目の発電セル(11)の酸化剤極層(11c)との間に導電性材料により板状に形成されたセパレータ(15)がそれぞれ１枚ずつ合計ｎ枚介装され、
前記ｉ番目の発電セル(11)の燃料極層(11b)と前記ｉ番目の発電セル(11)及び前記（ｉ＋１）番目の発電セル(11)間に位置するｊ番目（ｊ＝１，２，…，ｎ）のセパレータ(15)との間に導電性及び延性を有する多孔質の燃料極集電体(14)が介装され、
前記ｎ枚のセパレータ(15)に燃料ガスを前記燃料極集電体(14)に供給するセパレータ用燃料通路(27)がそれぞれ形成された燃料電池であって、
前記セパレータ用燃料通路(27)が前記セパレータ(15)の外周面に形成されたセパレータ用燃料導入口(27c)と、前記セパレータ用燃料導入口に連通し前記セパレータ(15)の前記燃料極集電体(14)への対向面の中央に形成されたセパレータ用燃料吐出口(27d)とを有し、
前記セパレータ(15)の前記燃料極集電体(14)への対向面に前記セパレータ(15)の中央から渦巻き状に延びかつ前記セパレータ用燃料吐出口(27d)に連通するセパレータ用燃料溝(15a)が形成され、
前記セパレータ(15)を前記燃料極集電体(14)に押付けて前記燃料極集電体を圧縮することにより、前記燃料極集電体(14)のうちセパレータ用燃料溝(15a)に収容された部分が多孔質の状態に保たれ、前記セパレータ用燃料溝(15a)に収容されなかった部分が押し潰されて内部が詰った状態になるとともに、前記燃料極集電体(14)が前記燃料極層(11b)表面に密着した状態で前記燃料極層(11b)表面を被覆する
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
固体電解質層(11a)とこの固体電解質層の両面に配設された燃料極層(11b)及び酸化剤極層(11c)とからなる発電セル(11)が（ｎ＋１）枚（ｎは正の整数である。）積層され、
ｉ番目（ｉ＝１，２，…，ｎ）の発電セル(11)の燃料極層(11b)とこの燃料極層に隣接する（ｉ＋１）番目の発電セル(11)の酸化剤極層(11c)との間に導電性材料により板状に形成されたセパレータ(15)がそれぞれ１枚ずつ合計ｎ枚介装され、
前記（ｉ＋１）番目の発電セル(11)の酸化剤極層(11c)と前記ｉ番目の発電セル(11)及び前記（ｉ＋１）番目の発電セル(11)間に位置するｊ番目（ｊ＝１，２，…，ｎ）のセパレータ(15)との間に導電性及び延性を有する多孔質の酸化剤極集電体(16)が介装され、
前記ｎ枚のセパレータ(15)に酸化剤ガスを前記酸化剤極集電体(16)に供給するセパレータ用酸化剤通路(28)がそれぞれ形成された燃料電池であって、
前記セパレータ用酸化剤通路(28)が前記セパレータ(15)の外周面に形成されたセパレータ用酸化剤導入口(28c)と、前記セパレータ用酸化剤導入口に連通し前記セパレータ(15)の前記酸化剤極集電体(16)への対向面の中央に形成されたセパレータ用酸化剤吐出口(28d)とを有し、
前記セパレータ(15)の前記酸化剤極集電体(16)への対向面に前記セパレータ(15)の中央から渦巻き状に延びかつ前記セパレータ用酸化剤吐出口(28d)に連通するセパレータ用酸化剤溝(15b)が形成され、
前記セパレータ(15)を前記酸化剤極集電体(16)に押付けて前記酸化剤極集電体を圧縮することにより、前記酸化剤極集電体(16)のうちセパレータ用酸化剤溝(15b)に収容された部分が多孔質の状態に保たれ、前記セパレータ用酸化剤溝(15b)に収容されなかった部分が押し潰されて内部が詰った状態になるとともに、前記酸化剤極集電体(16)が前記酸化剤極層(11c)表面に密着した状態で前記酸化剤極層(11c)表面を被覆する
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
固体電解質層(11a)とこの固体電解質層の両面に配設された燃料極層(11b)及び酸化剤極層(11c)とからなる発電セル(11)が（ｎ＋１）枚（ｎは正の整数である。）積層され、
ｉ番目（ｉ＝１，２，…，ｎ）の発電セル(11)の燃料極層(11b)とこの燃料極層に隣接する（ｉ＋１）番目の発電セル(11)の酸化剤極層(11c)との間に導電性材料により板状に形成されたセパレータ(15)がそれぞれ１枚ずつ合計ｎ枚介装され、
前記ｉ番目の発電セル(11)の燃料極層(11b)と前記ｉ番目の発電セル(11)及び前記（ｉ＋１）番目の発電セル(11)間に位置するｊ番目（ｊ＝１，２，…，ｎ）のセパレータ(15)との間に導電性及び延性を有する多孔質の燃料極集電体(14)が介装され、
前記（ｉ＋１）番目の発電セル(11)の酸化剤極層(11c)と前記ｉ番目の発電セル(11)及び前記（ｉ＋１）番目の発電セル(11)間に位置するｊ番目（ｊ＝１，２，…，ｎ）のセパレータ(15)との間に導電性及び延性を有する多孔質の酸化剤極集電体(16)が介装され、
前記ｎ枚のセパレータ(15)に燃料ガスを前記燃料極集電体(14)に供給するセパレータ用燃料通路(27)と、酸化剤ガスを前記酸化剤極集電体(16)に供給するセパレータ用酸化剤通路(28)とがそれぞれ形成された燃料電池であって、
前記セパレータ用燃料通路(27)が前記セパレータ(15)の外周面に形成されたセパレータ用燃料導入口(27c)と、前記セパレータ用燃料導入口に連通し前記セパレータ(15)の前記燃料極集電体(14)への対向面の中央に形成されたセパレータ用燃料吐出口(27d)とを有し、
前記セパレータ(15)の前記燃料極集電体(14)への対向面に前記セパレータ(15)の中央から渦巻き状に延びかつ前記セパレータ用燃料吐出口(27d)に連通するセパレータ用燃料溝(15a)が形成され、
前記セパレータ(15)を前記燃料極集電体(14)に押付けて前記燃料極集電体を圧縮することにより、前記燃料極集電体(14)のうちセパレータ用燃料溝(15a)に収容された部分が多孔質の状態に保たれ、前記セパレータ用燃料溝(15a)に収容されなかった部分が押し潰されて内部が詰った状態になるとともに、前記燃料極集電体(14)が前記燃料極層(11b)表面に密着した状態で前記燃料極層(11b)表面を被覆し、
前記セパレータ用酸化剤通路(28)が前記セパレータ(15)の外周面に形成されたセパレータ用酸化剤導入口(28c)と、前記セパレータ用酸化剤導入口に連通し前記セパレータ(15)の前記酸化剤極集電体(16)への対向面の中央に形成されたセパレータ用酸化剤吐出口(28d)とを有し、
前記セパレータ(15)の前記酸化剤極集電体(16)への対向面に前記セパレータ(15)の中央から渦巻き状に延びかつ前記セパレータ用酸化剤吐出口(28d)に連通するセパレータ用酸化剤溝(15b)が形成され、
前記セパレータ(15)を前記酸化剤極集電体(16)に押付けて前記酸化剤極集電体を圧縮することにより、前記酸化剤極集電体(16)のうちセパレータ用酸化剤溝(15b)に収容された部分が多孔質の状態に保たれ、前記セパレータ用酸化剤溝(15b)に収容されなかった部分が押し潰されて内部が詰った状態になるとともに、前記酸化剤極集電体(16)が前記酸化剤極層(11c)表面に密着した状態で前記酸化剤極層(11c)表面を被覆する
ことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料極層及び酸化剤極層にて固体電解質層を挟持して構成された発電セルを有する燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池として、平板状の固体電解質体をアノードとカソードにて挟持することにより発電セルが形成され、アノード及びカソードに燃料ガス及び酸化剤ガスを分離して供給するセパレータ板を発電セルと交互に積層することによりセルスタックが形成され、更に発電セルとセパレータ板の中央部に単一のマニホルドが形成された固体電解質形燃料電池が開示されている（特開平５−８９８９５号）。この燃料電池では、セパレータ板上面に形成されたリブにアノードが接することにより燃料ガス流路が形成され、セパレータ下面に形成されたリブがカソードに接することにより酸化剤ガス流路が形成される。また燃料ガスはマニホルド及び燃料ガス流路を通ってアノードに供給され、酸化剤ガスはセルスタックの外部から酸化剤ガス流路を通ってカソードに供給されるように構成される。
【０００３】
このように構成された固体電解質形燃料電池では、燃料ガスはセパレータ板中央のマニホルドからセパレータ板上面に形成された燃料ガス流路に沿って最外周の出口スリットまで流れ、この間に燃料ガスの大部分は反応により消費されて水蒸気が発生する。この水蒸気は少量の余剰燃料ガスとともに出口スリットより外部に排出される。一方、酸化剤ガスはセルスタックの外部からセパレータ板下面に形成された酸化剤ガス流路に沿って流れることによりカソード反応や冷却に使用される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の特開平５−８９８９５号公報に示された固体電解質形燃料電池では、セパレータ板にリブが形成されており、上記リブに沿って燃料ガスが外周方向に流れる。従って、燃料ガスとアノードとの反応経路は増大し、燃料ガスとアノードとの衝突回数は増加する。
しかしながら、上記公報に示された発明では、セパレータ板とアノードとの間に多孔質集電体が介装されていないため、実際に燃料電池の反応が起きているのはアノード上のリブが接触している付近のみである。即ち、リブにより形成された燃料ガスの通路の中央部分では、燃料ガスとリブとの距離が長いため、リブに電子が到達せず、燃料電池全体の反応が遅くなって燃料利用率が低くなる不具合があり、またリブがアノードに面接触している部分では、燃料ガスが流れていないため、反応が起らず反応面積が上記面接触している面積分だけ減少する問題点もあった。更に酸化剤ガスとカソードとの間においても上記と同様の現象が生じており、酸化剤利用率が低くなる問題点があった。
本発明の目的は、燃料利用率又は酸化剤利用率のいずれか一方又は双方を高めることにより、性能の向上を図ることができる、燃料電池を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図１に示すように、固体電解質層１１ａとこの固体電解質層の両面に配設された燃料極層１１ｂ及び酸化剤極層１１ｃとからなる発電セルが（ｎ＋１）枚（ｎは正の整数である。）積層され、ｉ番目（ｉ＝１，２，…，ｎ）の発電セル１１の燃料極層１１ｂとこの燃料極層に隣接する（ｉ＋１）番目の発電セル１１の酸化剤極層１１ｃとの間に導電性材料により板状に形成されたセパレータ１５がそれぞれ１枚ずつ合計ｎ枚介装され、ｉ番目の発電セル１１の燃料極層１１ｂとこのｉ番目の発電セル１１及び（ｉ＋１）番目の発電セル１１間に位置するｊ番目（ｊ＝１，２，…，ｎ）のセパレータ１５との間に導電性及び延性を有する多孔質の燃料極集電体１４が介装され、ｎ枚のセパレータ１５に燃料ガスを燃料極集電体１４に供給するセパレータ用燃料通路２７がそれぞれ形成された燃料電池である。
その特徴ある構成は、セパレータ用燃料通路２７がセパレータ１５の外周面に形成されたセパレータ用燃料導入口２７ｃと、セパレータ用燃料導入口に連通しセパレータ１５の燃料極集電体１４への対向面の中央に形成されたセパレータ用燃料吐出口２７ｄとを有し、セパレータ１５の燃料極集電体１４への対向面にセパレータ１５の中央から渦巻き状に延びかつセパレータ用燃料吐出口２７ｄに連通するセパレータ用燃料溝１５ａが形成され、セパレータ１５を燃料極集電体１４に押付けて燃料極集電体を圧縮することにより、燃料極集電体１４のうちセパレータ用燃料溝１５ａに収容された部分が多孔質の状態に保たれ、セパレータ用燃料溝１５ａに収容されなかった部分が押し潰されて内部が詰った状態になるとともに、燃料極集電体１４が燃料極層１１ｂ表面に密着した状態で燃料極層１１ｂ表面を被覆するところにある。
【０００６】
この請求項１に記載された燃料電池では、セパレータ１５中央の燃料吐出口２７ｄから吐出した燃料ガスが渦巻き状のセパレータ用燃料溝１５ａ内を流れるので、燃料ガスの反応経路を飛躍的に増大させることができる。また従来の燃料電池のようなリブがセパレータ１５に形成されていないため、燃料極層１１ｂの全ての表面において反応可能となる。更に延性を有する多孔質の燃料極集電体１４、即ち目が細かく柔らかい燃料極集電体１４により燃料極層１１ｂ表面が被覆されているため、燃料極層１１ｂ表面における反応によって生成された電子が燃料極集電体１４に容易に到達する。この結果、燃料極層１１ｂ全体の反応が非常に効率良くなるので、燃料利用率が向上して燃料電池１０の性能が飛躍的に向上する。
【０００７】
請求項２に係る発明は、図１に示すように、固体電解質層１１ａとこの固体電解質層の両面に配設された燃料極層１１ｂ及び酸化剤極層１１ｃとからなる発電セル１１が（ｎ＋１）枚（ｎは正の整数である。）積層され、ｉ番目（ｉ＝１，２，…，ｎ）の発電セル１１の燃料極層１１ｂとこの燃料極層に隣接する（ｉ＋１）番目の発電セル１１の酸化剤極層１１ｃとの間に導電性材料により板状に形成されたセパレータ１５がそれぞれ１枚ずつ合計ｎ枚介装され、（ｉ＋１）番目の発電セル１１の酸化剤極層１１ｃと上記ｉ番目の発電セル１１及び（ｉ＋１）番目の発電セル１１間に位置するｊ番目（ｊ＝１，２，…，ｎ）のセパレータ１５との間に導電性及び延性を有する多孔質の酸化剤極集電体１６が介装され、ｎ枚のセパレータ１５に酸化剤ガスを酸化剤極集電体１６に供給するセパレータ用酸化剤通路２８がそれぞれ形成された燃料電池である。
その特徴ある構成は、セパレータ用酸化剤通路２８がセパレータ１５の外周面に形成されたセパレータ用酸化剤導入口２８ｃと、セパレータ用酸化剤導入口に連通しセパレータ１５の酸化剤極集電体１６への対向面の中央に形成されたセパレータ用酸化剤吐出口２８ｄとを有し、セパレータ１５の酸化剤極集電体１６への対向面にセパレータ１５の中央から渦巻き状に延びかつセパレータ用酸化剤吐出口２８ｄに連通するセパレータ用酸化剤溝１５ｂが形成され、セパレータ１５を酸化剤極集電体１６に押付けて酸化剤極集電体を圧縮することにより、酸化剤極集電体１６のうちセパレータ用酸化剤溝１５ｂに収容された部分が多孔質の状態に保たれ、セパレータ用酸化剤溝１５ｂに収容されなかった部分が押し潰されて内部が詰った状態になるとともに、酸化剤極集電体１６が酸化剤極層１１ｃ表面に密着した状態で酸化剤極層１１ｃ表面を被覆するところにある。
【０００８】
この請求項２に記載された燃料電池では、セパレータ１５中央の酸化剤吐出口２８ｄから吐出した酸化剤ガスが渦巻き状のセパレータ用酸化剤溝１５ｂ内を流れるので、酸化剤ガスの反応経路を飛躍的に増大させることができる。また従来の燃料電池のようなリブがセパレータ１５に形成されていないため、酸化剤極層１１ｃの全ての表面において反応可能となる。更に延性を有する多孔質の酸化剤極集電体１６、即ち目が細かく柔らかい酸化剤極集電体１６により酸化剤極層１１ｃ表面が被覆されているため、酸化剤極層１１ｃ表面における反応によって、酸化剤ガスは酸化剤極集電体１６を介して酸化剤極層１１ｃから放出された電子を受取って容易に酸化物イオンにイオン化される。この結果、酸化剤極層１１ｃ全体の反応が非常に効率良くなるので、酸化剤利用率が向上して燃料電池１０の性能が飛躍的に向上する。
【０００９】
請求項３に係る発明は、図１に示すように、セパレータ用燃料通路２７がセパレータ１５の外周面に形成されたセパレータ用燃料導入口２７ｃと、セパレータ用燃料導入口に連通しセパレータ１５の燃料極集電体１４への対向面の中央に形成されたセパレータ用燃料吐出口２７ｄとを有し、セパレータ１５の燃料極集電体１４への対向面にセパレータ１５の中央から渦巻き状に延びかつセパレータ用燃料吐出口２７ｄに連通するセパレータ用燃料溝１５ａが形成され、セパレータ１５を燃料極集電体１４に押付けて燃料極集電体を圧縮することにより、燃料極集電体１４のうちセパレータ用燃料溝１５ａに収容された部分が多孔質の状態に保たれ、セパレータ用燃料溝１５ａに収容されなかった部分が押し潰されて内部が詰った状態になるとともに、燃料極集電体１４が燃料極層１１ｂ表面に密着した状態で燃料極層１１ｂ表面を被覆し、セパレータ用酸化剤通路２８がセパレータ１５の外周面に形成されたセパレータ用酸化剤導入口２８ｃと、セパレータ用酸化剤導入口に連通しセパレータ１５の酸化剤極集電体１６への対向面の中央に形成されたセパレータ用酸化剤吐出口２８ｄとを有し、セパレータ１５の酸化剤極集電体１６への対向面にセパレータ１５の中央から渦巻き状に延びかつセパレータ用酸化剤吐出口２８ｄに連通するセパレータ用酸化剤溝１５ｂが形成され、セパレータ１５を酸化剤極集電体１６に押付けて酸化剤極集電体を圧縮することにより、酸化剤極集電体１６のうちセパレータ用酸化剤溝１５ｂに収容された部分が多孔質の状態に保たれ、セパレータ用酸化剤溝１５ｂに収容されなかった部分が押し潰されて内部が詰った状態になるとともに、酸化剤極集電体１６が酸化剤極層１１ｃ表面に密着した状態で酸化剤極層１１ｃ表面を被覆することを特徴とする。
【００１０】
この請求項３に記載された燃料電池では、セパレータ１５中央の燃料吐出口２７ｄから吐出した燃料ガスが渦巻き状のセパレータ用燃料溝１５ａ内を流れ、セパレータ１５中央の酸化剤吐出口２８ｄから吐出した酸化剤ガスが渦巻き状のセパレータ用酸化剤溝１５ｂ内を流れるので、燃料ガス及び酸化剤ガスの反応経路をそれぞれ飛躍的に増大させることができる。また従来の燃料電池のようなリブがセパレータ１５に形成されていないため、燃料極層１１ｂ及び酸化剤極層１１ｃの全ての表面においてそれぞれ反応可能となる。更に延性を有する多孔質の燃料極集電体１４及び酸化剤極集電体１６、即ち目が細かく柔らかい燃料極集電体１４及び酸化剤極集電体１６により燃料極層１１ｂ表面及び酸化剤極層１１ｃ表面がそれぞれ被覆されているため、燃料極層１１ｂ表面における反応によって生成された電子が燃料極集電体１４に容易に到達するとともに、酸化剤極層１１ｃ表面における反応によって、酸化剤ガスは酸化剤極集電体１６を介して酸化剤極層１１ｃから放出された電子を受取って容易に酸化物イオンにイオン化される。この結果、燃料極層１１ｂ全体及び酸化剤極層１１ｃ全体の反応がそれぞれ非常に効率良くなるので、燃料利用率及び酸化剤利用率がそれぞれ向上して燃料電池１０の性能が飛躍的に向上する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、燃料電池１０は、固体電解質層１１ａ、燃料極層１１ｂ及び空気極層１１ｃ（酸化剤極層）の積層体からなる発電セル１１を（ｎ＋１）枚積層することにより構成される。ここで、ｎは正の整数である。上からｉ番目（ｉ＝１，２，…，ｎ）の発電セル１１の燃料極層１１ｂとこの燃料極層１１ｂに隣接する（ｉ＋１）番目の発電セル１１の空気極層１１ｃとの間には導電性材料により形成されたセパレータ１５がそれぞれ１枚ずつ合計ｎ枚介装される。また上からｉ番目の発電セル１１の燃料極層１１ｂとｊ番目（ｊ＝１，２，…，ｎ）のセパレータ１５との間には導電性及び延性を有する多孔質の燃料極集電体１４が介装され、上から（ｉ＋１）番目の発電セル１１の空気極層１１ｃとｊ番目のセパレータ１５との間には導電性及び延性を有する多孔質の空気極集電体１６が介装される。更に上から１番目、即ち最上段の発電セル１１の空気極層１１ｃには空気極集電体１６を介して導電性材料により形成された単一の空気用端板１３が積層され、上から（ｎ＋１）番目、即ち最下段の発電セル１１の燃料極層１１ｂには燃料極集電体１４を介して導電性材料により形成された単一の燃料用端板１２が積層される。上記セパレータ１５、空気用端板１３及び燃料用端板１２は燃料極層１１ｂ等の直径を１辺とする正方形板状に形成される（図２〜図５）。
【００１２】
なお、固体電解質層、燃料極層、空気極層、燃料極集電体及び空気極集電体は円板状ではなく、四角形板状、六角形板状、八角形板状等の多角形板状に形成してもよい。また、セパレータ、第１端板及び第２端板は正方形板状ではなく、円板状、或いは長方形板状、六角形板状、八角形板状等の多角形板状に形成してもよい。更に、上記ｊ番目のセパレータとは、上からｉ番目の発電セルと上から（ｉ＋１）番目の発電セルとの間のセパレータを意味する。
【００１３】
固体電解質層１１ａは酸化物イオン伝導体により形成される。具体的には、次の一般式（１）で示される酸化物イオン伝導体である。
Ｌｎ１ Ａ Ｇａ Ｂ１ Ｂ２ Ｂ３ Ｏ    ……（１）
但し、上記一般式（１）において、Ｌｎ１はＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ及びＳｍからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって４３．６〜５１．２重量％含まれ、ＡはＳｒ，Ｃａ及びＢａからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって５．４〜１１．１重量％含まれ、Ｇａは２０．０〜２３．９重量％含まれ、Ｂ１はＭｇ，Ａｌ及びＩｎからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であり、Ｂ２はＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ及びＣｕからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であり、Ｂ３はＡｌ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｍｎ及びＺｒからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であり、Ｂ１とＢ３又はＢ２とＢ３がそれぞれ同一の元素でないとき、Ｂ１は１．２１〜１．７６重量％含まれ、Ｂ２は０．８４〜１．２６重量％含まれ、Ｂ３は０．２３〜３．０８重量％含まれ、Ｂ１とＢ３又はＢ２とＢ３がそれぞれ同一の元素であるとき、Ｂ１の含有量とＢ３の含有量の合計が１．４１〜２．７０重量％であり、Ｂ２の含有量とＢ３の含有量の合計が１．０７〜２．１０重量％である。
【００１４】
また固体電解質層１１ａを次の一般式（２）で示される酸化物イオン伝導体により形成してもよい。
Ｌｎ１1-x Ａx Ｇａ1-y-z-w Ｂ１y Ｂ２z Ｂ３w Ｏ3-d  ……（２）
但し、上記一般式（２）において、Ｌｎ１はＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ及びＳｍからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって、ＡはＳｒ，Ｃａ及びＢａからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって、Ｂ１はＭｇ，Ａｌ及びＩｎからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって、Ｂ２はＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ及びＣｕからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって、Ｂ３はＡｌ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｍｎ及びＺｒからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって、ｘは０．０５〜０．３、ｙは０．０２５〜０．２９、ｚは０．０１〜０．１５、ｗは０．０１〜０．１５、ｙ＋ｚ＋ｗは０．０３５〜０．３及びｄは０．０４〜０．３である。上記のような酸化物イオン伝導体にて固体電解質層１１ａを形成することにより、燃料電池１０の発電効率を低下させずに、発電運転を６５０±５０℃と比較的低温で行うことが可能となる。
【００１５】
燃料極層１１ｂはＮｉ等の金属により構成されたり、又はＮｉ−ＹＳＺ等のサーメットにより構成されたり、或いはＮｉと次の一般式（３）で表される化合物との混合体により多孔質に形成される。
Ｃｅ1-m Ｄm Ｏ2    ……（３）
但し、上記一般式（３）において、ＤはＳｍ，Ｇｄ，Ｙ及びＣａからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であり、ｍはＤ元素の原子比であり、０．０５〜０．４、好ましくは０．１〜０．３の範囲に設定される。
【００１６】
空気極層１１ｃは次の一般式（４）で示される酸化物イオン伝導体により多孔質に形成される。
Ｌｎ２1-x Ｌｎ３x Ｅ1-y Ｃｏy Ｏ3+d    ……（４）
但し、上記一般式（４）において、Ｌｎ２はＬａ又はＳｍのいずれか一方又は双方の元素であり、Ｌｎ３はＢａ，Ｃａ又はＳｒのいずれか一方又は双方の元素であり、ＥはＦｅ又はＣｕのいずれか一方又は双方の元素である。またｘはＬｎ３の原子比であり、０．５を越え１．０未満の範囲に設定される。ｙはＣｏ元素の原子比であり、０を越え１．０以下、好ましくは０．５以上１．０以下の範囲に設定される。ｄは−０．５以上０．５以下の範囲に設定される。
【００１７】
上記発電セル１１の製造方法の一例を下記に示す。先ず原料粉末として、Ｌａ2Ｏ3，ＳｒＣＯ3，Ｇａ2Ｏ3，ＭｇＯ，ＣｏＯの各粉末をＬａ0.8Ｓｒ0.2Ｇａ0.8Ｍｇ0.15Ｃｏ0.05Ｏ2.8となるように秤量して混合した後に、１１００℃で予備焼成して仮焼体を作製する。次いでこの仮焼体を粉砕した後に、所定のバインダ、溶剤などを加えて混合することによりスラリーを調製し、このスラリーをドクタブレード法によりグリーンシートを作製する。次にこのグリーンシートを空気中で十分に乾燥し、所定の寸法に切出した後に、１４５０℃で焼結することにより固体電解質層１１ａを得る。この固体電解質層１１ａの一方の面に、Ｎｉと（Ｃｅ0.8Ｓｍ0.2）Ｏ2が体積比で６：４となるように、ＮｉＯ粉末と（Ｃｅ0.8Ｓｍ0.2）Ｏ2粉末とを混合した後に、この混合粉末を１１００℃で焼付けることにより燃料極層１１ｂを形成する。更に上記固体電解質層１１ａの他方の面に（Ｓｍ0.5Ｓｒ0.5）ＣｏＯ3を１０００℃で焼付けることにより空気極層１１ｃを形成する。このようにして発電セル１１が作製される。
【００１８】
なお、上記発電セルを用いた燃料電池は固体酸化物形燃料電池であるが、本発明は固体高分子電解質形燃料電池にも適用できる。この固体高分子電解質形燃料電池は、イオン交換樹脂膜からなる固体電解質層と、この固体電解質層の両面に一体にそれぞれ接合されかつ触媒金属粉末若しくは白金担持カーボン粉末とポリテトラフルオロエチレンとイオン交換樹脂との混合物からなる酸化剤極層及び燃料極層とを有する。
【００１９】
セパレータ１５はステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金により形成されることが好ましい。例えば、ＳＵＳ４３０、インコネル６００、ハステロイＸ（Haynes Stellite社の商品名）、ヘインズアロイ２１４などが挙げられる。またセパレータ１５には、隣接する燃料極層１１ｂに燃料ガスを供給するセパレータ用燃料通路１７と、隣接する空気極層１１ｃに空気を供給するセパレータ用空気通路２８（セパレータ用酸化剤通路）とが形成される。またセパレータ用燃料通路２７はセパレータ１５の上面に形成された深さの比較的浅い燃料供給溝２７ａの開口部を燃料供給蓋２７ｂにより塞ぐことにより構成され、セパレータ用空気通路２８はセパレータ１５の下面に形成された深さの比較的浅い空気供給溝２８ａの開口部を空気供給蓋２８ｂにより塞ぐことにより構成される。
【００２０】
セパレータ用燃料通路２７はセパレータ１５の外周面に形成されたセパレータ用燃料導入口２７ｃと、セパレータ１５の燃料極集電体１４への対向面の中央（中心又は中心近傍）に形成されたセパレータ用燃料吐出口２７ｄと、セパレータ１５の内部に形成されセパレータ用燃料導入口２７ｃ及びセパレータ用燃料吐出口２７ｄを連通するセパレータ用燃料連通部２７ｅとを有する。またセパレータ用空気通路２８はセパレータ１５の外周面に形成されたセパレータ用空気導入口２８ｃ（セパレータ用酸化剤導入口）と、セパレータ１５の空気極集電体１６への対向面の中央（中心又は中心近傍）に形成されたセパレータ用空気吐出口２８ｄ（セパレータ用酸化剤吐出口）と、セパレータ１５の内部に形成されセパレータ用空気導入口２８ｃ及びセパレータ用空気吐出口２８ｄを連通するセパレータ用空気連通部２８ｅとを有する。セパレータ用燃料導入口２７ｃには燃料供給パイプ（図示せず）が接続され、セパレータ用空気導入口２８ｃには空気供給パイプ（図示せず）が接続される。
【００２１】
セパレータ１５の燃料極集電体１４への対向面、即ちセパレータ１５の上面にはセパレータ１５の中央（中心又は中心近傍）から渦巻き状に延びかつセパレータ用燃料吐出口２７ｄに連通するセパレータ用燃料溝１５ａが形成され（図１及び図３）、セパレータ１５の空気極集電体１６への対向面、即ちセパレータ１５の下面にはセパレータ１５の中央（中心又は中心近傍）から渦巻き状に延びかつセパレータ用空気吐出口２８ｄに連通するセパレータ用空気溝２５ｂ（セパレータ用酸化剤溝）が形成される（図１及び図２）。セパレータ用燃料溝１５ａは３本形成され、これらの溝１５ａの深さは全長にわたって同一となるように形成される。なお、上記セパレータ用燃料溝は３本ではなく、１本、２本又は４本以上であってもよく、溝の深さはセパレータの中央から離れるに従って次第に深く若しくは浅くなるように形成してもよい。またセパレータ用空気溝１５ｂも３本形成され、これらの溝１５ｂの深さは全長にわたって同一となるように形成される。なお、上記セパレータ用空気溝は３本ではなく、１本、２本又は４本以上であってもよく、溝の深さはセパレータの中央から離れるに従って次第に深く若しくは浅くなるように形成してもよい。
【００２２】
燃料用端板１２及び空気用端板１３は、上記セパレータ１５と同様に、ステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金により形成されることが好ましい。例えば、ＳＵＳ３１６、インコネル６００、ハステロイＸ（Haynes Stellite社の商品名）、ヘインズアロイ２１４などが挙げられる。また燃料用端板１２には燃料ガスを燃料極層１１ｂに供給する端板用燃料通路１７が形成され、空気用端板１３には空気（酸化剤ガス）を空気極層１１ｃに供給する端板用空気通路１８（端板用酸化剤通路）が形成される。また端板用燃料通路１７は燃料用端板１２の上面に形成された深さの比較的浅い燃料供給溝１７ａの開口面を燃料供給蓋１７ｂにより塞ぐことにより構成され、端板用空気通路１８は空気側端板１３の下面に形成された空気供給溝１８ａの開口面を空気供給蓋１８ｂにより塞ぐことにより構成される。
【００２３】
端板用燃料通路１７は燃料用端板１２の外周面に形成された端板用燃料導入口１７ｃと、端板用燃料用端板１２の燃料極集電体１４への対向面の中央（中心又は中心近傍）に形成された端板用燃料吐出口１７ｄと、燃料用端板１２の内部に形成され端板用燃料導入口１７ｃ及び端板用燃料吐出口１７ｄを連通する端板用燃料連通部１７ｅとを有する。また端板用空気通路１８は空気用端板１３の外周面に形成された端板用空気導入口１８ｃ（端板用酸化剤導入口）と、端板用空気用端板１３の空気極集電体１６への対向面の中央（中心又は中心近傍）に形成された端板用空気吐出口１８ｄ（端板用酸化剤吐出口）と、空気用端板１３の内部に形成され端板用空気導入口１８ｃ及び端板用空気吐出口１８ｄを連通する端板用空気連通部１８ｅとを有する。端板用燃料導入口１７ｃには燃料供給パイプ（図示せず）が接続され、端板用空気導入口１８ｃには空気供給パイプ（図示せず）が接続される。
【００２４】
燃料用端板１２の燃料極集電体１４への対向面、即ち燃料用端板１２の上面には燃料用端板１２の中央（中心又は中心近傍）から渦巻き状に延びかつ端板用燃料吐出口１７ｄに連通する端板用燃料溝１２ａが形成され（図１及び図５）、空気用端板１３の空気極集電体１６への対向面、即ち空気用端板１３の下面には空気用端板１３の中央（中心又は中心近傍）から渦巻き状に延びかつ端板用空気吐出口１８ｄに連通する端板用空気溝１３ａ（端板用酸化剤溝）が形成される（図１及び図４）。端板用燃料溝１２ａは３本形成され、これらの溝１２ａの深さは全長にわたって同一となるように形成される。なお、上記端板用燃料溝は３本ではなく、１本、２本又は４本以上であってもよく、溝の深さは燃料用端板の中央から離れるに従って次第に深く若しくは浅くなるように形成してもよい。また端板用空気溝１３ａも３本形成され、これらの溝１３ａの深さは全長にわたって同一となるように形成される。なお、上記端板用空気溝は３本ではなく、１本、２本又は４本以上であってもよく、溝の深さは燃料用端板の中央から離れるに従って次第に深く若しくは浅くなるように形成してもよい。
【００２５】
一方、燃料極集電体１４はステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いはニッケル、銀又は銅により多孔質に形成され、ステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金により形成した場合、ニッケルめっき、銀めっき若しくは銅めっきを施すことが好ましい。空気極集電体１６はステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いは銀又は白金により多孔質に形成され、ステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金により形成した場合、銀めっき若しくは白金めっきを施すことが好ましい。なお、燃料ガスとして炭化水素を用いた場合には、燃料極集電体はニッケルめっきされたステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いはニッケルにより形成され、燃料ガスとして水素を用いた場合には、燃料極集電体は銀めっき若しくは銅めっきされたステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いは銀又は銅により形成される。
【００２６】
上記燃料極集電体１４の製造方法の一例を下記に示す。先ずステンレス鋼などのアトマイズ粉末とＨＰＭＣ（水溶性樹脂結合剤）を混練した後に、蒸留水及び添加剤（ｎ−ヘキサン（有機溶剤）、ＤＢＳ（界面活性剤）、グリセリン（可塑剤）など）を加えて混練して混合スラリーを調製する。次にこの混合スラリーをドクタブレード法により成形体を作製した後に、所定の条件で発泡、脱脂及び焼結して多孔質板を得る。更にこの多孔質板を所定の寸法に切出して燃料極集電体１４を作製する。なお、ステンレス鋼のアトマイズ粉末を用いた場合には、表面にニッケルめっき、クロムめっき又は銀めっきが施される。また上記空気極集電体１６も上記燃料極集電体１４とほぼ同様にして作製される。このように製造された燃料極集電体１４及び空気極集電体１６は柔らかく比較的小さい力で変形する性質、即ち弾性限界を越えた力を受けても破壊されずに引き延ばされる性質（延性）を有する。
【００２７】
セパレータ１５の上面には上記燃料極集電体１４が接合され、この状態でセパレータ１５を燃料極集電体１４に所定の圧力で押付けて燃料極集電体１４を圧縮することにより、燃料極集電体１４の一部がセパレータ用燃料溝１５ａに収容される（図１及び図３）。この燃料極集電体１４のうちセパレータ用燃料溝１５ａに収容された部分は多孔質の状態に保たれ、セパレータ用燃料溝１５ａに収容されなかった部分は押し潰されて内部が詰った状態になる。またセパレータ１５の下面には空気極集電体１６が接合され、この状態でセパレータ１５を空気極集電体１６に所定の圧力で押付けて空気極集電体１６を圧縮することにより、空気極集電体１６の一部がセパレータ用空気溝１５ｂに収容される（図１及び図２）。この空気極集電体１６のうちセパレータ用空気溝１５ｂに収容された部分は多孔質の状態に保たれ、セパレータ用空気溝１５ｂに収容されなかった部分は押し潰されて内部が詰った状態になる。
【００２８】
燃料用端板１２の上面には燃料極集電体１４が接合され、この状態で燃料用端板１２を燃料極集電体１４に所定の圧力で押付けて燃料極集電体１４を圧縮することにより、燃料極集電体１４の一部が端板用燃料溝１２ａに収容される（図１及び図５）。この燃料極集電体１４のうち端板用燃料溝１２ａに収容された部分は多孔質の状態に保たれ、端板用燃料溝１２ａに収容されなかった部分は押し潰されて内部が詰った状態になる。また空気用端板１３の下面には空気極集電体１６が接合され、この状態で空気用端板１３を空気極集電体１６に所定の圧力で押付けて空気極集電体１６を圧縮することにより、空気極集電体１６の一部が端板用空気溝１３ａに収容される（図１及び図４）。この空気極集電体１６のうち端板用空気溝１３ａに収容された部分は多孔質の状態に保たれ、端板用空気溝１３ａに収容されなかった部分は押し潰されて内部が詰った状態になる。
【００２９】
なお、上記セパレータ及び燃料極集電体の圧縮と、燃料用端板と燃料極集電体の圧縮により、燃料極集電体と燃料極層との接触面積が増大するので、燃料極集電体及び燃料極層間の接触抵抗（電気抵抗）を低減することが可能となる。また上記セパレータ及び空気極集電体の圧縮と、空気用端板と空気極集電体の圧縮により、空気極集電体と空気極層との接触面積が増大するので、空気極集電体及び空気極層間の接触抵抗（電気抵抗）を低減することが可能となる。
【００３０】
更にセパレータ１５、燃料用端板１２及び空気用端板１３の四隅にはボルト（図示せず）を挿通可能な通孔１５ｃ，１２ｂ，１３ｂがそれぞれ形成される（図２〜図５）。燃料用端板１２と、燃料極集電体１４と、発電セル１１と、セパレータ１５と、空気極集電体１６と、空気用端板１３とを積層したときに、上記セパレータ１５、燃料用端板１２及び空気用端板１３の四隅に形成された通孔１５ｃ，１２ｂ，１３ｂにボルトをそれぞれ挿通した後に、これらのボルトの先端にナットをそれぞれ螺合することにより、燃料電池１０が上記積層した状態で固定されるようになっている。
【００３１】
このように構成された燃料電池１０の動作を説明する。
燃料ガス（Ｈ2、ＣＯ等）を燃料供給パイプに導入すると、燃料ガスはセパレータ用燃料通路２７及び端板用燃料通路１７を通って、セパレータ用燃料吐出口２７ｄ及び端板用燃料吐出口１７ｄからそれぞれ吐出し、セパレータ用燃料溝１５ａ及び端板用燃料溝１２ａにより案内されて燃料極層１１ｂの中央から外周縁に向ってそれぞれ渦巻き状に流れる。これは燃料極集電体１４のうちセパレータ用燃料溝１５ａ及び端板用燃料溝１２ａに収容された部分がそれぞれ多孔質の状態に保たれ、セパレータ用燃料溝１５ａ及び端板用燃料溝１２ａに収容されなかった部分が押し潰されてそれぞれ内部が詰った状態になっているためである。同時に空気を空気供給パイプに導入すると、空気はセパレータ用空気通路２８及び端板用空気通路１８を通って、セパレータ用空気吐出口２８ｄ及び端板用空気吐出口１８ｄからそれぞれ吐出し、セパレータ用空気溝１５ｂ及び端板用空気溝１３ａにより案内されて空気極層１１ｃの中央から外周縁に向ってそれぞれ渦巻き状に流れる。これは空気極集電体１６のうちセパレータ用空気溝１５ｂ及び端板用空気溝１３ａに収容された部分がそれぞれ多孔質の状態に保たれ、セパレータ用空気溝１５ｂ及び端板用空気溝１３ａに収容されなかった部分が押し潰されてそれぞれ内部が詰った状態になっているためである。
【００３２】
空気極層１１ｃに供給された空気は空気極層１１ｃ内の気孔を通って固体電解質層１１ａとの界面近傍に到達し、この部分で空気中の酸素は空気極層１１ｃ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層１１ｂの方向に向って固体電解質層１１ａ内を拡散移動し、燃料極層１１ｂとの界面近傍に到達すると、この部分で燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ2Ｏ、ＣＯ2等）を生じ、燃料極層１１ｂに電子を放出する。この電子を燃料極集電体１４により取り出すことにより電流が発生し、電力が得られる。
【００３３】
即ち、セパレータ１５中央の燃料吐出口２７ｄから吐出した燃料ガスが渦巻き状のセパレータ用燃料溝１５ａ内を流れ、セパレータ１５中央の酸化剤吐出口２８ｄから吐出した酸化剤ガスが渦巻き状のセパレータ用酸化剤溝１５ｂ内を流れるので、燃料ガス及び酸化剤ガスの反応経路をそれぞれ飛躍的に増大させることができる。また従来の燃料電池のようなリブがセパレータ１５に形成されていないため、燃料極層１１ｂ及び酸化剤極層１１ｃの全ての表面においてそれぞれ反応可能となる。更に延性を有する多孔質の燃料極集電体１４及び酸化剤極集電体１６、即ち目が細かく柔らかい燃料極集電体１４及び酸化剤極集電体１６により燃料極層１１ｂ表面及び酸化剤極層１１ｃ表面がそれぞれ被覆されているため、燃料極層１１ｂ表面における反応によって生成された電子が燃料極集電体１４に容易に到達するとともに、酸化剤極層１１ｃ表面における反応によって、酸化剤ガスは酸化剤極集電体１６を介して酸化剤極層１１ｃから放出された電子を受取って容易に酸化物イオンにイオン化される。この結果、燃料極層１１ｂ全体及び酸化剤極層１１ｃ全体の反応がそれぞれ非常に効率良くなるので、燃料利用率及び空気利用率（酸化剤利用率）がそれぞれ向上して燃料電池１０の性能が飛躍的に向上する。
【００３４】
なお、上記第１及び第２の実施の形態では、酸化剤ガスとして空気を用いたが、酸素又はその他の酸化剤ガスを用いてもよい。
また、上記第１及び第２の実施の形態では、セパレータをステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金により形成したが、ランタンクロマイト（Ｌａ0.9Ｓｒ0.1ＣｏＯ3）等の導電性を有するセラミックにより形成してもよい。
【００３５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、セパレータの燃料極集電体への対向面にセパレータの中央から渦巻き状に延びかつセパレータ用燃料吐出口に連通するセパレータ用燃料溝を形成し、セパレータを燃料極集電体に押付けて燃料極集電体を圧縮することにより燃料極集電体の一部をセパレータ用燃料溝に収容したので、燃料ガスが渦巻き状のセパレータ用燃料溝により案内され、燃料ガスの反応経路が長くなる。また従来の燃料電池のようなリブがセパレータに形成されていないため、燃料極層の全ての表面において反応可能となる。更に目が細かく柔らかい燃料極集電体により燃料極層表面が被覆されているため、燃料極層表面における反応によって生成された電子が燃料極集電体に容易に到達する。この結果、燃料極層全体の反応が非常に効率良くなるので、燃料利用率が向上して燃料電池の性能が飛躍的に向上する。
【００３６】
またセパレータの酸化剤極集電体への対向面にセパレータの中央から渦巻き状に延びかつセパレータ用酸化剤吐出口に連通するセパレータ用酸化剤溝を形成し、セパレータを酸化剤極集電体に押付けて酸化剤極集電体を圧縮することにより酸化剤極集電体の一部をセパレータ用酸化剤溝に収容すれば、酸化剤ガスが渦巻き状のセパレータ用酸化剤溝により案内されるので、酸化剤ガスの反応経路が長くなる。また従来の燃料電池のようなリブがセパレータに形成されていないため、酸化剤極層の全ての表面において反応可能となる。更に目が細かく柔らかい酸化剤極集電体により酸化剤極層表面が被覆されているため、酸化剤極層表面における反応によって、酸化剤ガスは酸化剤極集電体を介して酸化剤極層から放出された電子を受取って容易に酸化物イオンにイオン化される。この結果、酸化剤極層全体の反応が非常に効率良くなるので、酸化剤利用率が向上して燃料電池の性能が飛躍的に向上する。
【００３７】
更にセパレータに隣接する燃料極集電体の一部をセパレータ用燃料溝収容し、セパレータに隣接する酸化剤極集電体の一部を端板用酸化剤溝に収容すれば、燃料ガスが渦巻き状のセパレータ用燃料溝により案内され、酸化剤ガスが渦巻き状のセパレータ用酸化剤溝により案内されるので、燃料ガス及び酸化剤ガスの反応経路が長くなる。また従来の燃料電池のようなリブがセパレータに形成されていないため、燃料極層及び酸化剤極層の全ての表面においてそれぞれ反応可能となる。更に目が細かく柔らかい燃料極集電体及び酸化剤極集電体により燃料極層表面及び酸化剤極層表面がそれぞれ被覆されているため、燃料極層表面における反応によって生成された電子が燃料極集電体に容易に到達するとともに、酸化剤極層表面における反応によって、酸化剤ガスは酸化剤極集電体を介して酸化剤極層から放出された電子を受取って容易に酸化物イオンにイオン化される。この結果、燃料極層全体及び酸化剤極層全体の反応がそれぞれ非常に効率良くなるので、燃料利用率及び酸化剤利用率がそれぞれ向上して燃料電池の性能が飛躍的に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明第１実施形態燃料電池のガス案内構造を示す図２のＡ−Ａ線断面図。
【図２】図１のＢ−Ｂ線断面図。
【図３】図１のＣ−Ｃ線断面図。
【図４】図１のＤ−Ｄ線断面図。
【図５】図１のＥ−Ｅ線断面図。
【符号の説明】
１０  燃料電池
１１  発電セル
１１ａ  固体電解質層
１１ｂ  燃料極層
１１ｃ  空気極層（酸化剤極層）
１４  燃料極集電体
１５  セパレータ
１５ａ  セパレータ用燃料溝
１５ｂ  セパレータ用空気溝（セパレータ用酸化剤溝）
１６  空気極集電体（酸化剤極集電体）
２７  セパレータ用燃料通路
２７ｃ  セパレータ用燃料導入口
２７ｄ  セパレータ用燃料吐出口
２８  セパレータ用空気通路（セパレータ用酸化剤通路）
２８ｃ  セパレータ用空気導入口（セパレータ用酸化剤導入口）
２８ｄ  セパレータ用空気吐出口（セパレータ用酸化剤吐出口）
【図１】
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【図２】
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【図３】
0004258985.tif 000004
【図４】
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【図５】
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