CN102906920A - 固体氧化物燃料电池 - Google Patents

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Abstract

公开了一种燃料电池单元，包括：空气电极侧气体密封部分、隔板、燃料电极框架以及燃料电极侧气体密封单元，以上所有均被设置在一对内部连接器（即，上部内部连接器以及下部内部连接器）之间。所述气体密封单元包括：第一气体流径，该第一气体流径沿堆叠方向穿透所述燃料电池单元并且组成一部分气体流径；以及第二气体流径，该第二气体流径沿所述气体密封部分的平面方向延伸。在所述气体密封部分中，第一气体流径和第二气体流径彼此不连通，并且将第一气体流径连接到第二气体流径的第三气体流径被设置在堆叠于所述气体密封部分的至少一个厚度方向侧上的构件上。

Description

固体氧化物燃料电池
相关申请的交叉引用
本国际申请要求2010年5月26日在日本专利局提交的日本专利申请第2010-120839号的权益，日本专利申请第2010-120839号的全部公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及固体氧化物燃料电池，该固体氧化物燃料电池包括燃料电极、氧化剂电极和固体氧化物。
背景技术
作为燃料电池，已熟知使用固体电解质（固体氧化物）的固体氧化物燃料电池（下文中也称为SOFC）。
在SOFC中，用作电力产生单元的是发电单元（燃料电池单元），其中，例如在固体氧化物层的一侧中设置与燃料气体接触的燃料电极，并且在固体氧化物层的另一侧中设置与氧化剂气体（大气）接触的氧化剂电极（空气电极）。此外，为了获得期望电压，已研制出堆叠（燃料电池堆），在该堆叠中多个燃料电池单元通过内部连接器堆叠分层。将上述燃料电池堆构造成使得从与燃料电池单元的堆叠方向垂直的横向方向供应用于发电的燃料气体或空气。然后，燃料气体或空气沿燃料电极和空气电极的表面流动。其后，从横向方向排出已使用的燃料气体或空气。
此外，传统上，为了将燃料气体或空气引入燃料电池单元的内部（与燃料电极和空气电极接触的内部空间），在组成燃料电池单元的金属框架或内部连接器中设置气体引入孔（或气体排出孔）和与该气体引入孔连通的气体流径（参见专利文献1至3）。
在上述传统技术中，平板式堆叠型的燃料电池堆需要包括：气体流径（第一气体流径），该气体流径沿燃料电池堆的堆叠方向穿透燃料电池单元，以向每个燃料电池单元供应空气或燃料气体；以及流径（第二气体流径），该流径沿燃料电池单元的平面方向（即，垂直于堆叠方向）延伸，以将来自第一空气流径的相应的气体供应到每个燃料电池单元的平板式电极（燃料电极和空气电极）。通常，第二气体流径形成在内部连接器或保持燃料电池单元的金属框架上。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本未审专利申请公开特开2009-93835
专利文献2：日本未审专利申请公开特开11-26007
专利文献3：日本未审专利申请公开特开2004-319291
发明内容
本发明将解决的问题
然而，在平板式电极的整个电极平面上均匀供应气体的情况下，如果第二气体流径具有简单构造，则气体就不在电极平面内均匀流动，因此降低空气或燃料气体的利用率。因而，形成具有复杂几何形状的第二气体流径是必要的。
然而，当具有复杂几何形状的流径（第二气体流径）由例如金属框架形成时，可考虑使用堆叠金属框架的方法或蚀刻金属框架的方法。然而，为了不降低燃料电池堆的强度，使金属框架的厚度增加一个与流径的厚度对应的厚度是必要的。此外，当在内部连接器中形成流径（复杂流径，诸如第二气体流径）时，上述相同问题也存在。
因此，发生如下问题：其中由于燃料电池堆的厚度增大，所以当发电时，燃料电池堆的中央部分和端部部分（外周侧）或沿燃料电池堆的堆叠方向的两端部分之间的温度差变得更大；因此，操作控制变得效率低，并且在一些情况下，趋向发生故障。此外，由于热容量随着燃料电池堆的重量增大而增大，所以也存在诸如延迟的预热时间或成本增加的问题。
此外，在堆叠金属框架等以形成流径的情况下，需要铜焊步骤。在执行蚀刻工艺的情况下，需要蚀刻工艺。因此，在任一上述情况下，都存在工作步骤变得复杂，导致成本增加的问题。
考虑到上述问题作出本发明。本发明的目标是提供一种固体氧化物燃料电池，通过该固体氧化物燃料电池能够降低燃料电池堆的厚度，并且能够简化制造步骤。
解决问题的手段
（1）在本发明的第一方面，固体氧化物燃料电池包括燃料电池堆，该燃料电池堆由在该燃料电池堆中通过内部连接器堆叠起来的板状发电单元组成。每个板状发电单元均被一隔板分为设置有空气电极的一侧和设置有燃料电极的一侧。空气电极将与氧化剂气体接触。燃料电极将与燃料气体接触。固体氧化物燃料电池包括分别用于使氧化剂气体和燃料气体沿堆叠的方向流动的堆叠分层气体流径。在该固体氧化物燃料电池中，在设置空气电极的那一侧和设置燃料电极的那一侧中的至少一侧上，内部连接器和隔板之间布置和堆叠了板状气体密封部件。该气体密封部件包括：第一气体流径，该第一气体流径沿堆叠的方向穿透该气体密封部件，以组成一部分堆叠分层的气体流径；以及第二气体流径，该第二气体流径沿气体密封部件的平面方向延伸。此外，在该气体密封部件中，第一气体流径和第二气体流径彼此不连通。此外，在气体密封部件沿该气体密封部件的厚度方向的两侧中的至少一侧上堆叠的构件中形成第三气体流径，第一气体流径通过该第三气体流径与第二气体流径连通。
在本发明中，沿燃料电池堆的堆叠方向穿透气体密封部件的第一气体流径和沿发电单元的平面方向（平面的方向）延伸的第二气体流径形成在气体密封部件中，该气体密封部件布置在内部连接器和隔板之间。然而，在气体密封部件中，第一气体流径和第二气体流径彼此不连通。同时，在诸如将被堆叠在气体密封部件的厚度方向上的内部连接器等构件中，形成具有简单构造的第三气体流径，并且第一气体流径通过该第三气体流径与第二气体流径连通。也就是说，使第一气体流径通过而与第二气体流径连通的第三气体流径不在气体密封部件中形成，而是在邻近气体密封部件的另一构件中形成。
通过该构造，能够省去使用传统上必需的、设置在空气电极所设置的那一侧的金属框架（例如，用以形成流径的若干层形成的金属框架）。此外，由于不需要在内部连接器中形成复杂流径，诸如传统第二气体流径，所以能够将内部连接器的厚度做得更薄。
因此，由于燃料电池的厚度能够更薄，所以当发电时，能够实现在燃料电池堆的中央部分和端部部分（外周侧）或在燃料电池的沿堆叠方向的两个端部的均匀温度分布。此外，能够缩短从开始运行燃料电池到温度达到额定温度的时间段。
此外，能够减少在金属框架或内部连接器中形成复杂流径所需要的工作步骤或加工成本。同样地，能够省略传统金属框架的铜焊步骤等。
传统上，为了形成复杂流径而同时确保燃料电池的强度，具有形成复杂流径的厚金属框架或厚内部连接器是必要的。然而，在本发明中，由于第一气体流径和第二气体流径在气体密封部件中形成，所以即使内部连接器等是薄的，也能够确保燃料电池的足够强度。
（2）在本发明的第二方面，可将气体密封部件布置成与隔板接触。
换句话说，代替连接至隔板的传统金属框架，能够布置上述气体密封部件。
（3）在本发明的第三方面，从气体密封部件的厚度方向观察该气体密封部件，形成在气体密封部件中的第二气体流径可关于第一气体流径左右对称地设置。
这使得能够使气体例如在设有燃料电极的一侧中的流径中或在氧化剂气体侧中的流径中更均匀地流动。
（4）在本发明的第四方面，第三气体流径可在分支点A处从第一气体流径分支，并且在第一气体流径中的分支点A的下游侧上的压降指数（ΔPA1）可比在第三气体流径中的分支点A的下游侧上的压降指数（ΔPA3）小。
也就是说，如下文将进行解释的图10中所示，上述构造使得能够以如下优选方式供应气体：气体从第一气体流径中的分支点A达到终端侧中的流径（即，流动至分支点A的下游侧中的另外的第三气体流径）。
其中，通过下列公式（1）定义压降指数。
压降指数=（流径长度/流径的截面的等同圆直径）×（流速）2....（1）
此时，流速[m/秒]通过流量[升/分钟]/（1000×60×流径的截面面积[m2]）表达。因而，能够通过下列公式（2）表达压降指数。
压降指数=（流径长度[m]/流径的截面的等同圆直径[m]）×（流量[升/分钟]/（1000×60×流径的截面面积[m2]）2....（2）
这里，能够通过使用λ和γ作为系数，经下文已知的范宁公式（3）获得压降指数。下文的管道指的是流径。
ΔP=λ×(L/D)×(γV2/2)....(3)
这里，ΔP：压降           [Pa]
λ：管道摩擦系数
L：管长                   [m]
D：管径                   [m]
γ：管道中的气体密度      [kg/m3]
V：管道中的流速           [m/秒]
（5）在本发明的第五方面，第二气体流径可在分支点B处从第三气体流径分支，并且在第三气体流径的分支点B的下游侧上的压降指数（ΔPB3）可比在第二气体流径中的分支点B的下游侧上的压降指数（ΔPB2）小。
也就是说，如下文将进行解释的图11中所示，上述构造使得能够以如下优选方式供应气体：气体从第三气体流径中的分支点B达到终端侧中的流径（即，流动至分支点B的下游侧中的另外的第二气体流径）。
（6）在本发明的第六方面，可在气体密封部件沿该气体密封部件的厚度方向的两侧中的至少一侧上，在至少对应于第二气体流径的位置处布置绝缘构件。
通过布置上述绝缘构件，能够防止第二气体流径的厚度方向上的两侧中的对应构件彼此接触并且导致短路。尤其是，如果使用薄金属板作为分离燃料气体的流径和氧化剂气体的流径的隔板的材料，就存在隔板进入第二气体流径并且与内部连接器接触的可能性。然而，通过布置上述绝缘构件，能够防止形成这样的短路。
（7）在本发明的第七方面，可将绝缘构件布置在设置有空气电极的一侧处。
这使得能够有效地防止在设置有空气电极的一侧中形成短路。
（8）在根据本发明的第八方面，可使用云母或蛭石作为绝缘构件的材料。
（9）在本发明的第九方面，可使用云母或蛭石作为气体密封部件的材料。
（10）在本发明的第十方面，关于气体密封部件，可将通过压制加工或激光处理形成的流径用作第一气体流径和第二气体流径或第用作三气体流径。
（11）在本发明的第十一方面，固体氧化物燃料电池包括燃料电池堆，该燃料电池堆由在该燃料电池堆中通过内部连接器堆叠起来的板状发电单元组成。每个板状发电单元均被一隔板分为设置有空气电极的一侧和设置有燃料电极的一侧。空气电极将与氧化剂气体接触。燃料电极将与燃料气体接触。该固体氧化物燃料电池包括堆叠分层气体流径，该堆叠分层气体流径分别用于使氧化剂气体和燃料气体沿堆叠的方向流动。在该固体氧化物燃料电池中，在设置空气电极的一侧和设置燃料电极的一侧中的至少一侧上，内部连接器和隔板之间布置和堆叠了板状气体密封部件。该气体密封部件包括：第一气体流径，该第一气体流径沿堆叠的方向穿透气体密封部件，以组成一部分堆叠分层气体流径；以及第二气体流径，该第二气体流径与第一气体流径连通并且沿气体密封部件的平面方向延伸。此外，气体密封部件由云母或蛭石组成。
在本发明中，在布置于内部连接器和隔板之间的气体密封部件中形成第一气体流径和第二气体流径，该第一气体流径沿燃料电池堆的堆叠方向穿透气体密封部件，该第二气体流径沿发电单元的平面方向（平面的方向）延伸。此外，该气体密封部件由云母或蛭石组成。
通过该构造，能够省去使用传统上必需的在设置空气电极的一侧设置的金属框架（例如，用以形成流径的若干层形成的金属框架）。同样地，由于不需要在内部连接器中形成复杂流径，诸如传统第二气体流径，所以能够将内部连接器的厚度做得更薄。
因此，能够将整个燃料电池的厚度做得更薄。因此，当发电时，能够在燃料电池的中央部分和端部部分（外周侧）或在燃料电池沿堆叠方向的两个端部处实现均匀温度分布。此外，能够缩短从开始运行燃料电池到温度达到额定温度的时间段。
此外，能够减少在金属框架或内部连接器中形成复杂流径必需的工作步骤或加工成本。同样地，能够省略传统金属框架的铜焊步骤等。
传统上，为了形成复杂流径而同时确保燃料电池的强度，具有形成复杂流径的厚金属框架或厚内部连接器是必要的。然而，在本发明中，由于第一气体流径和第二气体流径在气体密封部件中形成，所以即使内部连接器和其它组件薄，也能够确保燃料电池的足够强度。
（12）在本发明的第十二方面，可将气体密封部件布置成与隔板接触。
换句话说，代替连接至隔板的传统金属框架，能够布置上述气体密封部件。
（13）在本发明的第十三方面，从气体密封部件的厚度方向观察该气体密封部件，形成在气体密封部件中的第二气体流径可关于第一气体流径左右对称地设置。
通过该构造，能够使气体例如在设置有燃料电极的一侧的流径中或氧化剂气体侧中的流径中更均匀地流动。
（14）在本发明的第十四方面，可在气体密封部件沿该气体密封部件的厚度方向的两侧中的至少一侧上，在至少对应于第二气体流径的位置处布置绝缘构件。
通过如上所述地布置绝缘构件，能够抑制沿第二气体流径的厚度方向的两侧中的相应的构件彼此接触并且导致短路。特别地，如果将薄金属板用作分离燃料气体的流径和氧化剂气体的流径的隔板材料，则存在隔板进入第二气体流径并且接触内部连接器的可能性。然而，通过布置上述绝缘构件，能够抑制形成这样的短路。
（15）在本发明的第十五方面，可在设置空气电极的一侧处布置绝缘构件。
通过该构造，能够有效地抑制在设置空气电极的一侧中形成短路。
（16）在本发明的第十六方面，可使用云母或蛭石作为绝缘构件的材料。
（17）在本发明的第十七方面，关于气体密封部件，可将通过压制加工或激光处理形成的流径用作第一气体流径和第二气体流径。
本文中，本发明的气体密封部件是如下构件：该构件与内部连接器和隔板紧密接触，并且该构件提供内部连接器和隔板之间的气体密封。同样地，本发明的气体密封部件不是硬质金属材料，诸如传统的金属板，而是诸如云母或蛭石形成的构件（压缩密封），该构件由于压缩应力（沿堆叠方向）变形，并且该构件与周围部件紧密接触，因此提供气体密封。也能够在内部连接器和隔板之间置入其它构件（能够提供气体密封），诸如上述绝缘构件。
附图说明
图1是根据第一实施例的固体氧化物燃料电池的平面图；
图2是从图1中的方向II观察的，根据第一实施例的固体氧化物燃料电池的侧视图；
图3是示出根据第一实施例的燃料电池单元的分解解释图；
图4是示出根据第一实施例的燃料电池单元的分解透视图；
图5是示出一部分气体密封部件的放大平面图；
图6A是示出沿位于空气电极一侧的气体密封部件的表面截取的解释性截面图，示出空气电极一侧的空气的流动，并且图6B是示出沿位于燃料电极一侧的气体密封部件的表面截取的解释性截面图，示出燃料电极一侧的燃料气体的流动；
图7是示出根据第二实施例的燃料电池单元的分解解释图；
图8是示出根据第二实施例的燃料电池单元的分解透视图；
图9A是示出沿位于空气电极一侧的气体密封部件的表面截取的解释性截面图，示出空气电极一侧的空气的流动，并且图9B是示出沿位于燃料电极一侧的气体密封部件的表面截取的解释性截面图，示出燃料电极一侧的燃料气体的流动；
图10是示出沿固体氧化物燃料电池的堆叠方向的第一气体流径和第三气体流径的分支的解释图；
图11是示出沿气体密封部件的平面方向的第三气体流径和第二气体流径的分支的解释图；
图12是示出根据第三实施例的燃料电池单元的分解解释图；
图13是示出根据第三实施例的燃料电池单元的分解透视图；
图14是示出根据第一对照例的燃料电池单元的分解解释图；
图15A是示出空气电极一侧的空气的流动的解释图，并且图15B是示出燃料电极一侧的燃料气体的流动的解释图；
图16是示出根据第二对照例的燃料电池单元的分解解释图；以及
图17A是示出空气电极一侧的空气的流动的解释图，并且图17B是示出燃料电极一侧的燃料气体的流动的解释图。
附图标记说明
1…固体氧化物燃料电池
3、201、301、413、511…燃料电池单元
5…燃料电池堆
33、205、305…燃料电极
35、207、307…固体氧化物
37、209、309…空气电极
43、215、315、401、501、502…内部连接器
45、51、217、223、317、323…气体密封部件
47、219、319、407、505…隔板
49、221、321、409、507…燃料电极框架
61、62、63、64、65、66、67、68、231、232、234、235、236、237、238、331、332、333、334、335、336、337、338…插入孔
71、72、73、74、81、82、83、84、91、92、93、94、101、102、103、104、251、252、253、254、261、262、263、264、341、342…通孔
77、105、241、267、345…切口
325…绝缘框架
具体实施方式
下文中将参考附图解释本发明应用的固体氧化物燃料电池的实施例。
第一实施例
a）首先将描述根据本发明的固体氧化物燃料电池的示意性构造。
如图1和图2中所示，固体氧化物燃料电池1是一种当供应燃料气体（例如，氢气）和氧化剂气体（例如，大气）时发电的设备。
固体氧化物燃料电池1包括：燃料电池堆5，其中以堆叠分层方式布置每个作为发电的单元（发电单元）的多个（例如，十八个）平板状燃料电池单元3；多个螺栓11至18，该多个螺栓11至18穿透燃料电池堆5；以及螺母19（统称），该螺母19被旋拧到螺栓11至19的端部上。
如图1中所示，在螺栓11至18中，第二螺栓12包括将燃料气体供应到固体氧化物燃料电池1的燃料气体引入管21；第四螺栓14包括将空气供应到固体氧化物燃料电池1的空气引入管23；第六螺栓16包括燃料气体排出管25，该燃料气体排出管25在发电后从固体氧化物燃料电池1排出使用过的燃料气体；第八螺栓18包括空气排出管27，该空气排出管27在发电后从固体氧化物燃料电池1排出使用过的空气。
在下文中，将描述每种构造。
-如图3中以分解方式所示，燃料电池单元3为所谓的燃料电极支撑膜型的板状燃料电池单元。在设置燃料气体流径31的一侧中布置板状燃料电极（阳极）33。在燃料电极33的表面（图3中的上侧）上，固体电解质（固体氧化物）35以薄膜形成。在固体氧化物35的位于设置空气流径39的一侧中的表面上，空气电极（阴极）37以薄膜形成。将燃料电极33、固体氧化物35和空气电极37一起称为电池本体41。
燃料电池单元3包括一对上部和下部内部连接器43，并且在内部连接器43之间还包括在设置空气电极37的一侧中的板状气体密封部件45、隔板47、在设置燃料气体流径31的一侧中布置的燃料电极框架49以及在设置燃料电极33的一侧中的板状气体密封部件51（板状气体密封部件51布置在燃料电极框架49的外侧（图3中的下侧））。隔板47连接至电池本体41的外周部分的上表面，以便分离空气流径39和燃料气体流径31。内部连接器43、气体密封部件45、隔板47、燃料电极框架49和气体密封部件51全部堆叠在一起成为一体，以组成燃料电池单元3。
此外，在燃料电池单元3内部，燃料电极侧集电器53布置在燃料电极33和位于图3中的下侧的下部内部连接器43之间，并且空气电极侧集电器55以集成方式形成在每个内部连接器43的一侧（图3中的下侧）的表面上。燃料电池堆5由串联电连接的多个燃料电池单元3组成。
这里，作为固体氧化物35的材料，能够使用YSZ、ScSZ、SDC、GDC、钙钛矿氧化物等。作为燃料电极33的材料，能够使用Ni或由Ni和陶瓷制成的金属陶瓷。作为空气电极37的材料，能够使用钙钛矿氧化物、各种贵金属或由贵金属和陶瓷制成的金属陶瓷。
-下文中，将更详细描述组成燃料电池单元3的每个构件。燃料电池单元3在平面中具有正方形形状；因此，组成燃料电池单元3的每个构件在平面中也具有正方形形状。
如图4中以分解方式所示，每个内部连接器43例如均为由铁素体不锈钢制成并且具有0.3-2.0mm厚度的板状构件。在每个内部连接器43的外侧上，彼此等间隔间隔开地形成插入孔（第一插入孔至第八插入孔）61至68，每个插入孔例如均为具有10mm直径的圆孔。通过插入孔61至68分别插入螺栓11至18。也就是说，插入孔61至68形成在如下八个位置处：内部连接器43的四个边角的位置，以及内部连接器各个边上的中点位置（这里，上述相同附图标记分配给形成在每个构件上的插入孔：下文中，以相同方式分配附图标记）。
在设置空气电极37的一侧中的气体密封部件45例如为由云母或蛭石制成并且具有0.2-1.0mm厚度的框架状板状构件。在气体密封部件45的四个边角部分上形成有供螺栓11、13、15和17分别插入通过的插入孔61、63、65和67。
在气体密封部件45的四个边的端部部分上，沿各个边形成通孔（第一通孔至第四通孔）71至74，以便分别与供螺栓12、14、16和18分别插入通过的插入孔62、64、66和68连通。每个通孔71至74均具有大致矩形形状（长度100mm×宽度10mm），并且被构造为气体流径（第一气体流径）。换句话说，当从堆叠方向观察时，通孔71至74被形成为分别包括插入孔62、64、66和68。
这里，第一通孔71为如下第一气体流径（该第一通孔71沿堆叠方向穿透组成燃料电池单元3的每个构件）：该第一通孔71用于将燃料气体从外部引入固体氧化物电池1。第三通孔73为如下第一气体流径：该第三通孔73用于在发电后将使用后的燃料气体排出到固体氧化物燃料电池1的外部。第二通孔72是如下第一气体流径：该第二通孔72用于将空气引入固体氧化物燃料电池1。第四通孔74为如下第一气体流径：该第四通孔74用于在发电后将使用过的空气排出到固体氧化物燃料电池1的外部。
当从内部连接器43的板厚度方向观察时，通孔71至74形成为关于一个点和一条线对称。点对称的中心为重心（对角线的交叉点）。线对称的中心轴线为连接该内部连接器43的相应的相对边上的中点的连线。
尤其是在气体密封部件45中，每个均具有小尺寸（长度20mm×宽度5mm）并且被构造成气体流径（第二气体流径）的四个细长切口77形成在气体密封部件45的右侧框架部分和左侧框架部分中的每一个上，以便使得中央区域中的正方形开口75能够与分别位于开口75的右侧和左侧中的第二通孔72和第四通孔74连通（参见图5）。
每个切口77均不是通孔，而是通过切割气体密封部件45的一侧（图5的绘图纸的表面侧上）的表面而形成的凹槽，并且切口77能够通过激光作业或压制作业形成。
将切口77的相对其中的气体流径的流动方向（图4中的左右方向）的总的截面面积（即，沿垂直于流动方向的方向的截面面积）设定成小于通孔72和74的相对通孔72和74中的流动方向（图4中的上下方向：堆叠方向）的总的截面面积（即，沿垂直于流动方向的方向的截面面积）。此外，将每个切口77均布置成关于作为线对称的中心的一条线对称，该条线连接左边和右边的中点；然而，可以以适当方式设置多个切口77，并且每一侧可能为例如六个或更多个。
隔板47例如为由铁素体不锈钢制成并且具有0.02-0.30mm厚度的框架状板状构件。隔板47在其中央区域中具有正方形开口79，并且电池本体41以堵塞开口79的方式联接至隔板47。
与气体密封部件45中的方式相同，隔板47具有在隔板47的四个边角的边角部分上形成的插入孔61、63、65和67，该插入孔61、63、65和67具有与气体密封部件45中的插入孔相同的形状。隔板47具有沿隔板47的各个四个边形成的通孔81至84（被构造成第一气体流径），该通孔81至84具有与气体密封部件45中的通孔相同的形状。
此外，燃料电极框架49在其中央区域中具有开口85，并且例如为由铁素体不锈钢制成并且具有0.5-2.0mm厚度的框架状板状构件。与隔板47中的方式相同，燃料电极框架49具有在燃料电极框架49的四个边角的边角部分上形成的具有相同的形状的插入孔61、63、65和67。燃料电极框架49具有沿燃料电极框架49的各个四个边形成的具有相同的形状的通孔91至94（被构造成第一气体流径）。
与设置空气电极37的一侧中的气体密封部件45中的方式相同，在设置燃料电极33的一侧中的气体密封部件51在其中央区域中具有开口95，并且该气体密封部件51例如为由云母或蛭石制成并且具有0.2-1.0mm厚度的框架状板状构件。气体密封部件51具有在该气体密封部件51的四个边角的边角部分上形成的具有相同形状的插入孔61、63、65和67。气体密封部件51具有沿该气体密封部件51的各个四个边形成的具有相同的形状的通孔101至104（被构造成第一气体流径）。
同样地，在气体密封部件51中，每个均具有小尺寸（长度20mm×宽度5mm）并且被构造成气体流径（第二气体流径）的四个切口105形成在气体密封部件51的相对框架部分中的每一个上，以便开口95能够与第一通孔101和第三通孔103连通。这里，气体密封部件45具有与气体密封部件51相同的平面形状。如果将气体密封部件45绕作为中心的重心沿平面旋转90°，则气体密封部件45和气体密封部件51具有相同平面形状。
由于堆叠每个构件的上述构造，所以具有以上相同形状并且在堆叠方向上沿燃料电池单元3的四个边设置的通孔71至74、81至84、91至94和101至104能够形成组成第一气体流径的四边形柱状空间（以使气体沿堆叠方向流动）。
具体地，通孔72、82、92和102（该通孔72、82、92和102的突出形状沿堆叠方向彼此匹配）形成将空气引入其中的空间。通孔74、84、94和104（该通孔74、84、94和104以与上文相同的方式彼此匹配）形成将空气排入其中的空间。通孔71、81、91和101（该通孔71、81、91和101以与上文相同的方式彼此匹配）形成将燃料气体引入其中的空间。通孔73、83、93和103（该通孔73、83、93和103以与上文相同的方式彼此匹配）形成将燃料气体排入其中的空间。
b）然后，将给出关于通过螺栓11至18固定等的解释。
如图1中所示，螺栓11至18和螺母19为以可分离方式将燃料电池堆5连接并且固定为一体的连接构件。
因此，如果通过螺栓11至18和螺母19沿堆叠方向紧固固体氧化物燃料电池1，则能够将组成燃料电池堆5的燃料电池单元3（以及组成燃料电池单元3的每个构件）固定为一体。另一方面，如果松开通过螺栓11至18和螺母19的固定，则能够使组成燃料电池堆5的燃料电池单元3（以及组成燃料电池单元3的每个构件）分离。
在螺栓11至18中，分别布置在固体氧化物燃料电池1的四个边角上的四个螺栓11、13、15和17仅用于固定燃料电池堆5。
另一方面，其它螺栓12、14、16和18用于固定燃料电池堆5，并且也用作使气体流动的流径。具体地，如下文详细所述，其中分别插入第四螺栓14和第八螺栓18的第四插入孔64和第八插入孔68用作空气流径，而其中分别插入第二螺栓12和第六螺栓16的第二插入孔62和第六插入孔66用作燃料气体流径。
c）然后，将解释本实施例中的气体流径。
<空气流径>
如示出从设置空气电极37的一侧观察到的内部状态的图6A中所示，从空气引入管23引入燃料电池堆5的空气经由第四螺栓14所插入的第四插入孔64（第一气体流径）被进一步引入空间111（第一气体流径）。空间111由各个构件的矩形第二插入孔72、82、92和102形成。
然后，空气从第一气体流径的空间111经由在图6A中的右侧示出的每个均具有小尺寸的切口77（第二气体流径）被引入设置空气电极37的一侧中的空气流径39。
其后，已有助于在燃料电池单元3内发电的剩余空气经由在图6A中的左侧示出的每个均具有小尺寸的切口77（第二气体流径）被排出至空间113（第一气体流径）。空间113由各个构件的矩形第四插入孔74、84、94和104形成。
然后，剩余空气从第一气体流径的空间113经由第八螺栓18所插入的第八插入孔68（第一气体流径）以及其它构件被排出，并且然后从空气排出管27排出到燃料电池堆5的外部。
<燃料气体流径>
如示出从设置燃料电极33的一侧观察到的内部状态的图6B中所示，从气体引入管21引入燃料电池堆5的燃料气体经由第二螺栓12所插入的第二插入孔62（第一气体流径）被进一步引入空间115（第一气体流径）。空间115由各个构件的矩形第一插入孔71、81、91和101形成。
然后，燃料气体从第一气体流径的空间115经由在图6B中的上侧示出的每个均具有小尺寸的切口105（第二气体流径）被引入设置燃料电极33的一侧中的燃料气体流径31。
其后，已有助于在燃料电池单元3内发电的剩余燃料气体经由在图6B中的下侧示出的每个均具有小尺寸的切口105（第二气体流径）排出至空间117（第一气体流径）。空间117由各个构件的矩形第三插入孔73、83、93和103形成。
剩余燃料气体从第一空气流径的空间117经由第六螺栓16所插入的第六插入孔66（第一气体流径）以及其它构件被排出，并且然后从燃料气体排出管25排出到燃料电池堆5的外部。
d）将解释本发明的效果。
在本发明中，在每个气体密封部件45和51中形成第一气体流径和第二气体流径。通过该构造，能够在设置空气电极37的一侧中省略使用传统上必需的金属框架（用以形成流径的若干层）。同样地，由于不需要形成复杂的流径以用作内部连接器43中的第二气体流径，所以能够将内部连接器43的厚度做地更薄。
因此，能够将固体氧化物燃料电池1的厚度做地更薄。所以，当发电时，能够在固体氧化物燃料电池1的中央部分和端部部分（外周部）或在固体氧化物燃料电池1沿堆叠方向的两个端部实现均匀温度分布。此外，能够缩短从开始运行固体氧化物燃料电池1到温度达到额定温度的时间段。
此外，能够减少在金属框架或内部连接器43中形成复杂流径必需的工作步骤或加工成本。此外，能够省略传统金属框架的铜焊步骤等。
为了形成复杂流径而同时确保固体氧化物燃料电池1的强度，传统上使形成流径的金属框架或内部连接器43厚是必要的。然而，在本实施例中，在气体密封部件45和51中的每个中形成第一气体流径和第二气体流径；因此，即使内部连接器43薄，也能够足以确保固体氧化物燃料电池1的强度。
此外，分别在气体密封部件45和气体密封部件51的各个边上的四个切口77和四个切口105（第二气体流径）被形成为关于作为第一气体流径的布置的中心的线对称（换句话说，连接相应的相对边上的中点的连线，作为线对称的中心）。因此，能够使空气或燃料气体关于空气电极37或燃料电极33均匀流动。
第二实施例
现在将解释第二实施例；然而，将不再重复与第一实施例中的解释相同的解释。
在本实施例中，气体密封部件包括第一气体流径和第二气体流径，并且隔板和燃料电极框架中的每个均包括第三气体流径，第一气体流径通过该第三气体流径与第二气体流径连通。
a）首先，将给出关于组成本实施例中的固体氧化物燃料电池的燃料电池单元的构造的解释。
如图7中所示，组成本实施例中的固体氧化物燃料电池的燃料电池单元201以与第一实施例相同的方式如下地形成：在设置燃料气体流径203的一侧中布置燃料电极205；在燃料电极205的图7中的上侧的表面上形成固体氧化物207；以及，在固体氧化物207的设置空气流径213的一侧中的表面上形成空气电极209。将燃料电极205、固体氧化物207和空气电极209一起称为电池本体211。
以和第一实施例相同的方式，燃料电池单元201包括一对上部和下部内部连接器215，并且在内部连接器215之间还包括在设置空气电极209的一侧中的气体密封部件217、电池本体211所联接到的隔板219、燃料电极框架221以及在设置燃料电极205的一侧中的气体密封部件223。
具体地，如图8中以分解方式示出，每个内部连接器215例如均为由铁素体不锈钢制成并且具有0.3-2.0mm厚度的板状构件。在每个内部连接器215的外侧上，以和第一实施例相同的方式分别在八个位置处形成插入孔（第一插入孔至第八插入孔）231至238。
此外，在设置空气电极209的一侧中的气体密封部件217例如为由云母或蛭石制成并且具有0.5mm厚度的框架状板状构件。在气体密封部件217的外周侧上，以和内部连接器215相同的方式分别在八个位置处形成插入孔231至238。
此外，在气体密封部件217中，四个切口241（被构造成第二气体流径）形成在开口239的右侧和左侧中的每一侧中，并且沿图8的左右方向延伸，以便与气体密封部件217的中央区域中的开口239连通。
这里，在气体密封部件217中，插入孔231至238（被构造成第一气体流径）不与切口241（被构造成第二气体流径）连通。
切口241形成为沿气体密封部件217的板厚度方向穿透气体密封部件217，并且形成为关于作为线对称的中心的一条线对称，该线连接气体密封部件217的左边和右边的中点。此外，切口241沿左右方向从开口239向外延伸。切口241的边缘分别在隔板219的右侧和左侧上形成为达到该边缘与第二通孔252和第四通孔254（该第二通孔252和第四通孔254组成下文解释的第三气体流径）重叠的位置。
此外，隔板219例如为由铁素体不锈钢制成并且具有0.02-0.30mm厚度的框架状板状构件。隔板219具有以和气体密封部件217相同的方式分别在八个位置处形成的插入孔231至238。
在插入孔231至238中，第二插入孔232、第四插入孔234、第六插入孔226和第八插入孔238中的每个均包括具有矩形形状（条状）（长度100mm×宽度10mm）的通孔（第一通孔至第四通孔）251至254，通孔251至254中的每个均组成第三气体流径。
此外，燃料电极框架221具有位于其中央区域中的开口255，并且例如为由铁素体不锈钢制成并且具有0.5-2.0mm厚度的框架状板状构件。以和隔板211相同的方式，燃料电极框架221具有分别在该燃料电极框架221的八个位置处形成的插入孔231至238，并且也在四个位置处具有通孔261至264，该通孔261至264中的每个均具有和通孔251至254相同的形状（以便匹配通孔251至254的形状）。
此外，以和在设置气体电极209的一侧中的气体密封部件239相同的方式，在设置燃料电极205的一侧中的气体密封部件223具有处于其中央区域中的开口265并且该气体密封部件223例如为由云母制成并且具有0.2-1.0mm厚度的框架状板状构件。在气体密封部件223的外周部上，插入孔231至238以和气体密封部件239中相同的方式形成在八个位置处。
同样地，在气体密封部件223中，四个切口267（被构造成第二气体流径）以朝气体密封部件223的外侧边延伸的形式形成在气体密封部件223的每个相对框架部分上，以便与开口265连通。
这里，在气体密封部件223中，插入孔231至238（被构造成第一气体流径）不与切口267（被构造成第二气体流径）连通。此外，切口241形成为沿气体密封部件217的板厚度方向穿透气体密封部件217。
气体密封部件217具有与气体密封部件223相同的平面形状。如果将气体密封部件217绕作为中心的重心沿平面旋转90°，则气体密封部件217和气体密封部件223具有相同平面形状。
此外，切口267从开口265向外延伸。切口267的边缘分别在燃料电极框架221的上侧和下侧上形成为达到该边缘与第一通孔261和第三通孔263（该第一通孔261和第三通孔263组成第三气体流径）重叠的位置。
b）然后，将解释本实施例中的气体流径。
<空气流径>
如示出从设置空气电极209的一侧观察到的内部状态的图9A中所示，从外部引入固体氧化物燃料电池的空气经由第四插入孔234（第一气体流径）被进一步引入通孔252（第三气体流径）。
然后，空气从作为第三气体流径的第二通孔252经由在图9A中的右侧示出的每个均具有小尺寸的切口241（第二气体流径）被引入设置空气电极209的一侧中的空气流径213。
其后，已有助于在燃料电池单元201内发电的剩余空气经由在图9A中的左侧示出的每个均具有小尺寸的切口241（第二气体流径）被排出至隔板219的第四通孔254（第三空气流径）。
然后，剩余空气从作为第三气体流径的第四通孔254经由第八插入孔238（第一气体流径）被排出至固体氧化物燃料电池的外部。
<燃料气体流径>
如示出从设置燃料电极205的一侧观察到的内部状态的图9B中所示，从外部引入固体氧化物燃料电池的燃料气体经由第二插入孔232（第一气体流径）被进一步引入第一通孔261（第三气体流径）。
然后，燃料气体从作为第三气体流径的第一通孔261经由在图9B中的上侧示出的每个均具有小尺寸的切口265（第二气体流径），被引入在设置燃料电极205的一侧中的燃料气体流径203。
其后，已有助于在燃料电池单元201内发电的剩余燃料气体经由在图9B中的下侧示出的每个均具有小尺寸的切口267（第二气体流径）被排出至燃料电极框架221的第三通孔263（第三气体流径）。
然后，剩余燃料气体从作为第三气体流径的第三通孔263经由第六插入孔236（第一气体流径）被排出至固体氧化物燃料电池的外部。
c）然后，将给出关于第一气体流径至第三气体流径中的气体压力关系的解释。
由于在本实施例中形成第一气体流径至第三气体流径，所以将解释第一气体流径至第三气体流径中的气体压力的关系。
-如图10中示意性所示，在本实施例中，第三气体流径沿固体氧化物燃料电池的堆叠方向，在分支点A从第一气体流径分支，并且第一气体流径的位于分支点A的下游侧上的压降指数（ΔPA1）比在第三气体流径的位于分支点A的下游侧上的压降指数（ΔPA3）小。
也就是说，在图10中的虚线内的区域中，气体（燃料气体或空气）分支为第三气体流径和第一气体流径；在该情况下，如果第一气体流径的压降指数比第三气体流径的压降指数大，则不太可能将气体供应到位于分支点A下游侧（终端侧）处的另外的第三气体流径。这就是在本实施例中如上所述设定压降指数的原因。
然后，将通过实际限定固体氧化物燃料电池中的每个值解释压降指数的上述关系是必要的原因。
现在，将给出对图10中所示情况的考虑，其中，第一气体流径的终端中的气体流量和最接近该终端的第三气体流径中的气体流量的比为1：1。在该情况下，如下限定尺寸等的值。
Figure GDA00002468099800251
因此，基于上述公式（2），压降指数（ΔPA3）表达为33.2。
Figure GDA00002468099800252
因此，基于上述公式（2），压降指数（ΔPA1）表达为0.069.2。
因而，能够理解，压降指数（ΔPA3）>压降指数（ΔPA1）。
-同样地，如图11中示意性示出，在本实施例中，第二气体流径沿垂直于堆叠方向的平面方向，在分支点B从第三气体流径分支，并且将第三气体流径在分支点B的下游侧上的压降指数（ΔPB3）设定成比第二气体流径在分支点B的下游侧上的压降指数（ΔPB2）小。
也就是说，在图11中的虚线内的区域中，气体分支为第二气体流径和第三气体流径；在该情况下，如果第三气体流径的压降指数比第二气体流径的压降指数大，则不太可能将气体供应到位于分支点B下游侧（终端侧）处的另外的第二气体流径。这就是在本实施例中如上所述设定压降指数的原因。
然后，将通过实际限定固体氧化物燃料电池中的每个值解释压降指数的上述关系是必要的原因。
现在，将给出对图11中所示情况的考虑，其中，第三气体流径的终端中的气体流量和最接近该终端的第二气体流径中的气体流量的比为1：1。
在该情况下，如下限定尺寸等的值。
Figure GDA00002468099800261
因此，基于上述公式（2），压降指数（ΔPA2）表达为1390。
Figure GDA00002468099800262
因此，基于上述公式（2），压降指数（ΔPA3）表达为14.18。
因而，能够理解，压降指数（ΔPA2）>压降指数（ΔPA3）。
d）在本实施例中，第一气体流径和第二气体流径形成在气体密封部件217和223的每个中。同样地，使第一气体流径通过而与第二气体流径连通的第三气体流径形成在分别邻近气体密封部件217和223的隔板219和燃料电极框架221中的每个中。换句话说，第一气体流径和第二气体流径在气体密封部件217和223中彼此不连通。因此，根据本实施例，能够获得和第一实施例相同的效果。
第三实施例
然后，将解释第三实施例；然而，将不再重复与第二实施例中的解释相同的解释。
在本实施例中，气体密封部件包括第一气体流径和第二气体流径，并且隔板和燃料电极框架中的每个均包括第三气体流径，第一气体流径通过该第三气体流径与第二气体流径连通。此外，邻近气体密封部件布置绝缘构件。
a）首先将给出关于组成本实施例中的固体氧化物燃料电池的燃料电池单元的构造的解释。
如图12中所示，组成本实施例中的固体氧化物燃料电池的燃料电池单元301以与第二实施例相同的方式如下地形成：在设置燃料气体流径303的一侧中布置燃料电极305；在燃料电极305的在图12中的上侧的表面上形成固体氧化物307；以及在固体氧化物307的设置空气流径313的一侧中的表面上形成空气电极309。将燃料电极305、固体氧化物307和空气电极309一起称为电池本体311。
以和第二实施例相同的方式，燃料电池单元301包括一对上部和下部内部连接器315，并且在内部连接器315之间还包括在设置空气电极309的一侧中的气体密封部件317、电池本体311与其联接的隔板319、燃料电极框架321以及在设置燃料电极305的一侧中的气体密封部件323。在本实施例中，特别地是，燃料电池单元301还包括在气体密封部件317和隔板319之间的绝缘框架325。如下文所述，绝缘框架325作为绝缘构件，提供电断开。
具体地，如图13中以分解方式示出，本实施例中的内部连接器313和315、气体密封部件317、隔板319、燃料电极框架321以及气体密封部件323的材料和形状与第二实施例中相同。本实施例中的内部连接器313和315、气体密封部件317、隔板319、燃料电极框架321以及气体密封部件323包括与第二实施例相同方式的如下部分：组成第一气体流径的插入孔、组成第三气体流径的通孔、组成第二气体流径的切口，以及其它构件。
在本实施例中，特别地是，绝缘框架325例如为由云母或蛭石制成，并且具有0.12mm厚度的正方形框架状板状构件。在绝缘框架325中的正方形开口327的外周侧上，以与内部连接器315和其它构件相同的方式在八个位置处形成插入孔（第一插入孔至第八插入孔）331至338。
在绝缘框架325中，条状连通孔341和342以如下方式形成：从分别位于绝缘框架325的右侧和左侧上的第四插入孔334和第八插入孔338分别沿绝缘框架325的边延伸。连通孔341和342分别与第四插入孔334和第八插入孔338连通。连通孔341和342与隔板319和燃料电极框架321的右侧和左侧上的连通孔的形状相同，以便形成单个空间。
绝缘框架325被构造成用以抑制为薄膜形式的隔板319进入气体密封部件317的小尺寸开口345从而与内部连接器315接触，并且因此抑制形成短路。因为该原因，绝缘框架325的宽度（框架部分的宽度）形成为比气体密封部件317的宽度大，以便覆盖气体密封部件317中的切口345的全部区域。
如上所述，本实施例能够实现和第二实施例相同的效果，并且提供抑制在隔板319和内部连接器315之间形成短路的优点。
[实验]
现在将给出关于实验的解释，进行了该实验以验证本发明的效果。
制作具有第一对照例和第二对照例中所示的构造的固体氧化物燃料电池组，并且研究其性能。
（1）第一对照例
第一对照例的固体氧化物燃料电池由十八层燃料电池单元413形成。如图14中所示，燃料电池单元413包括：内部连接器410，该内部连接器410由铁素体不锈钢制成并且具有0.3-2.0mm的厚度；气体密封部件403，该气体密封部件403由云母制成，并且具有0.2-1.0mm的厚度（然而，不形成第二气体流径）；空气电极框架405，该空气电极框架405由铁素体不锈钢制成并且具有0.3-1.5mm的厚度，第二气体流径形成在该空气电极框架405中；隔板407，该隔板407由铁素体不锈钢制成并且具有0.02-0.30mm的厚度；燃料电极框架409，该燃料电极框架409由铁素体不锈钢制成并且具有1.0-3.0mm的厚度，第二气体流径形成在该燃料电极框架409中；气体密封部件411，该气体密封部件411由云母制成并且具有0.2-1.0mm的厚度（然而，不形成第二气体流径）等。
在第一对照例中，如图15A至图15B中所示，在空气电极框架405和燃料电极框架409中形成第二气体流径，该第二气体流径为空气或燃料气体的流径。然而，第二气体流径不沿空气电极框架405和燃料电极框架409的各自的板厚度方向将该空气电极框架405和该燃料电极框架409穿透；第二气体流径形成为在空气电极框架405和燃料电极框架409的各自的表面上形成的凹槽415和417。
然后，通过使用第一对照例的固体氧化物燃料电池，在运行条件700°C和65A下执行发电。
在第一对照例中，电极框架405的数目增大，并且因此堆叠厚度增大。因此，发电时，与第一实施例相比，堆叠的中央部分和侧边缘部分之间的温度分布中的差异较大。
具体地，在第一实施例中，温度分布差异约为30°C，而在第一对照例中，温度分布差异约为80°C。
此外，与第一实施例相比，从该堆叠开始运行到温度达到额定温度的时间段增加。
具体地，在第一实施例中，达到作为开始发电的温度的700°C的预热时间为2小时。另一方面，在第一对照例中，该预热时间为4小时。
（2）第二对照例
第二对照例的固体氧化物燃料电池由十八层燃料电池单元511形成。如图16中所示，燃料电池单元511包括：内部连接器501和502，该内部连接器501和502由铁素体不锈钢制成并且具有0.8-2.5mm的厚度；气体密封部件503，该气体密封部件503由云母制成，并且具有0.2-1.0mm的厚度（然而，不形成第二气体流径）；隔板505，该隔板505由铁素体不锈钢制成并且具有0.02-0.30mm的厚度；燃料电极框架507，该燃料电极框架507由铁素体不锈钢制成并且具有0.5-2.0mm的厚度；气体密封部件509，该气体密封部件509由云母制成并且具有0.2-1.0mm的厚度（然而，不形成第二气体流径）等。
在该第二实例中，如图17A至图17B中所示，在内部连接器501和502中形成第二气体流径，该第二气体流径为空气或燃料气体的流径。然而，第二气体流径不沿内部连接器501和502的各自的板厚度方向穿透该内部连接器501和502；第二气体流径形成为在内部连接器501和502的表面上形成（通过半蚀刻）的凹槽513和515。这里，在内部连接器501和502的以灰色突出显示的中央部分分别为在设置空气电极的一侧中的集电器521和在设置燃料电极的一侧中的集电器523。
然后，通过使用第二对照例的固体氧化物燃料电池，在运行条件700°C和65A下执行发电。
在第二对照例中，由于必需在内部连接器501和502中形成流径，所以内部连接器501和502的厚度增加，并且因此堆叠的厚度增大。因此，发电时，与第一实施例相比，堆叠的中央部分和侧边缘部分之间的温度分布中的差异较大。
具体地，在第一实施例中，温度分布差异约为30°C，而在第二对照例中，温度分布差异约为80°C。
此外，与第一实施例相比，从该堆叠开始运行到温度达到额定温度的时间段增加。
具体地，在第一实施例中，达到作为开始发电的温度的700°C的预热时间为2小时。另一方面，在第二对照例中，该预热时间为4小时。
如上所述，已解释了本发明的实施例。然而，本发明不应限于上述实施例，而是可以以各种形式实践。
例如，在第三实施例中使用的绝缘构件通过被布置在相同位置处（例如，在气体密封部件和隔板之间，在设置空气电极的一侧或在设置燃料电极的一侧处）而可被用在第一实施例和第二实施例中。

Claims (17)

1.一种固体氧化物燃料电池，包括：
燃料电池堆，所述燃料电池堆由在所述燃料电池堆中通过内部连接器堆叠起来的板状发电单元组成，每个所述板状发电单元均被一隔板分为设置有空气电极的一侧和设置有燃料电极的一侧，所述空气电极将与氧化剂气体接触，所述燃料电极将与燃料气体接触；以及
堆叠分层气体流径，所述堆叠分层气体流径分别用于使所述氧化剂气体和所述燃料气体沿堆叠的方向流动，
其中在设置所述空气电极的所述一侧和设置所述燃料电极的所述一侧中的至少一侧上，所述内部连接器和所述隔板之间布置和堆叠了板状气体密封部件，
其中所述气体密封部件包括第一气体流径和第二气体流径，所述第一气体流径沿所述堆叠的方向穿透所述气体密封部件，以组成一部分所述堆叠分层气体流径，而所述第二气体流径则沿所述气体密封部件的平面方向延伸，
其中在所述气体密封部件中，所述第一气体流径和所述第二气体流径彼此不连通，并且
其中在所述气体密封部件沿所述气体密封部件的厚度方向的两侧中的至少一侧上堆叠的构件中形成第三气体流径，所述第一气体流径通过所述第三气体流径与所述第二气体流径连通。
2.根据权利要求1所述的固体氧化物燃料电池，其中所述气体密封部件与所述隔板接触。
3.根据权利要求1或2所述的固体氧化物燃料电池，其中从所述气体密封部件的所述厚度方向观察所述气体密封部件，形成在所述气体密封部件中的所述第二气体流径关于所述第一气体流径左右对称地设置。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的固体氧化物燃料电池，
其中所述第三气体流径在分支点A处从所述第一气体流径分支，并且
其中在所述第一气体流径中的所述分支点A的下游侧上的压降指数(ΔPA1)比在所述第三气体流径中的分支点A的下游侧上的压降指数(ΔPA3)小。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的固体氧化物燃料电池，
其中所述第二气体流径在分支点B处从所述第三气体流径分支，并且
其中在所述第三气体流径的分支点B的下游侧上的压降指数(ΔPB3)比在所述第二气体流径中的分支点B的下游侧上的压降指数(ΔPB2)小。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的固体氧化物燃料电池，
其中在所述气体密封部件沿所述气体密封部件的所述厚度方向的所述两侧中的至少一侧上，在至少对应于所述第二气体流径的位置处布置绝缘构件。
7.根据权利要求6所述的固体氧化物燃料电池，其中在设置所述空气电极的所述一侧处布置所述绝缘构件。
8.根据权利要求6或7所述的固体氧化物燃料电池，其中所述绝缘构件由云母或蛭石组成。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的固体氧化物燃料电池，其中所述气体密封部件由云母或蛭石组成。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的固体氧化物燃料电池，
其中通过压制加工或激光处理形成所述气体密封部件的所述第一气体流径和所述第二气体流径或形成所述第三气体流径。
11.一种固体氧化物燃料电池，包括：
燃料电池堆，所述燃料电池堆由在所述燃料电池堆中通过内部连接器堆叠起来的板状发电单元组成，每个所述板状发电单元均被一隔板分为设置有空气电极的一侧和设置有燃料电极的一侧，所述空气电极将与氧化剂气体接触，所述燃料电极将与燃料气体接触；以及
堆叠分层气体流径，所述堆叠分层气体流径分别用于使所述氧化剂气体和所述燃料气体沿堆叠的方向流动，
其中在设置所述空气电极的所述一侧和设置所述燃料电极的所述一侧中的至少一侧上，所述内部连接器和所述隔板之间布置和堆叠了板状气体密封部件，
其中所述气体密封部件包括第一气体流径和第二气体流径，所述第一气体流径在所述堆叠的方向上穿透所述气体密封部件，以组成一部分所述堆叠分层气体流径，所述第二气体流径与所述第一气体流径连通并且沿所述气体密封部件的平面方向延伸，并且
其中所述气体密封部件由云母或蛭石组成。
12.根据权利要求11所述的固体氧化物燃料电池，其中所述气体密封部件与所述隔板接触。
13.根据权利要求11或12所述的固体氧化物燃料电池，其中从所述气体密封部件的厚度方向观察所述气体密封部件，形成在所述气体密封部件中的所述第二气体流径关于所述第一气体流径左右对称地设置。
14.根据权利要求11至13中的任一项所述的固体氧化物燃料电池，
其中在所述气体密封部件沿所述气体密封部件的厚度方向的两侧中的至少一侧上，在至少对应于所述第二气体流径的位置处布置绝缘构件。
15.根据权利要求14所述的固体氧化物燃料电池，其中在设置所述空气电极的所述一侧处布置所述绝缘构件。
16.根据权利要求14或15所述的固体氧化物燃料电池，其中所述绝缘构件由云母或蛭石组成。
17.根据权利要求11至16中的任一项所述的固体氧化物燃料电池，
其中通过压制加工或激光处理形成所述气体密封部件的所述第一气体流径和所述第二气体流径。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105531863A (zh) * 2013-09-10 2016-04-27 日本特殊陶业株式会社 燃料电池及燃料电池堆

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5701697B2 (ja) * 2011-06-15 2015-04-15 日本特殊陶業株式会社 燃料電池及びその製造方法
KR102076865B1 (ko) * 2012-06-08 2020-02-13 주식회사 미코 연료 전지용 스택 구조물 및 그의 구성
JP2013257989A (ja) * 2012-06-11 2013-12-26 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 固体酸化物形燃料電池
WO2014050715A1 (ja) * 2012-09-27 2014-04-03 株式会社 村田製作所 固体電解質形燃料電池
FR3000108B1 (fr) * 2012-12-21 2015-02-27 Commissariat Energie Atomique Cadre d'isolation electrique et d'etancheite pour reacteur d'electrolyse de l'eau (soec) ou pile a combustible (sofc).
JP6356150B2 (ja) * 2013-01-21 2018-07-11 フレキシタリック インベストメンツ インコーポレイテッドＦｌｅｘｉｔａｌｌｉｃ Ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔｓ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ 燃料電池用ガスケット
CN104969393B (zh) * 2013-01-31 2017-12-05 日本特殊陶业株式会社 燃料电池单元和燃料电池堆
EP2953197B1 (en) * 2013-01-31 2018-06-13 NGK Sparkplug Co., Ltd. Fuel cell and fuel cell stack
CN104981932B (zh) * 2013-02-07 2017-10-13 日本特殊陶业株式会社 燃料电池
KR102123715B1 (ko) * 2016-08-16 2020-06-16 주식회사 엘지화학 고체 산화물 연료전지
KR102350940B1 (ko) 2017-05-04 2022-01-13 버사 파워 시스템스 리미티드 콤팩트한 고온 전기화학 셀 스택 아키텍처
US10790519B2 (en) * 2018-06-05 2020-09-29 Saudi Arabian Oil Company Solid oxide fuel cell stack with reduced-leakage unit cells
JP7232224B2 (ja) * 2020-09-17 2023-03-02 森村Ｓｏｆｃテクノロジー株式会社 電気化学反応セルスタック

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07114936A (ja) * 1993-10-15 1995-05-02 Ngk Insulators Ltd 発電装置
JPH11111312A (ja) * 1997-09-30 1999-04-23 Sanyo Electric Co Ltd 固体電解質型燃料電池
US6103415A (en) * 1997-06-30 2000-08-15 Aisin Seki Kabushiki Kaisha Fuel cell with rectifying plates for uniform gas flow
JP2004319291A (ja) * 2003-04-16 2004-11-11 Tokyo Gas Co Ltd 支持膜式固体酸化物形燃料電池スタック及びその作製方法
JP2008287983A (ja) * 2007-05-16 2008-11-27 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 固体酸化物形燃料電池スタック
JP2009043550A (ja) * 2007-08-08 2009-02-26 Ngk Spark Plug Co Ltd 固体電解質型燃料電池
JP2009093835A (ja) * 2007-10-04 2009-04-30 Ngk Spark Plug Co Ltd 燃料改質形燃料電池
CN101490890A (zh) * 2006-08-28 2009-07-22 丰田自动车株式会社 燃料电池模块
JP2009217960A (ja) * 2008-03-07 2009-09-24 Tokyo Electric Power Co Inc:The 平板型固体酸化物形燃料電池スタック
JP2009238651A (ja) * 2008-03-28 2009-10-15 Toho Gas Co Ltd ガス給排マニホールドおよび固体酸化物形燃料電池バンドル

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6805990B2 (en) * 2001-10-24 2004-10-19 Fuelcell Energy, Ltd. Flat plate fuel cell stack
US7222406B2 (en) * 2002-04-26 2007-05-29 Battelle Memorial Institute Methods for making a multi-layer seal for electrochemical devices
US7270906B2 (en) 2002-06-24 2007-09-18 Delphi Technologies, Inc. Solid-oxide fuel cell module for a fuel cell stack
EP1732154A1 (en) * 2005-06-10 2006-12-13 Atomic Energy Council - Institute of Nuclear Energy Research Flow Channel on Interconnect of Planar Solid Oxide Fuel Cell
WO2007138984A1 (ja) * 2006-05-29 2007-12-06 Ngk Spark Plug Co., Ltd. 固体電解質形燃料電池スタック
JP2009259780A (ja) * 2008-03-19 2009-11-05 Hitachi Cable Ltd 燃料電池用金属製セパレータ

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07114936A (ja) * 1993-10-15 1995-05-02 Ngk Insulators Ltd 発電装置
US6103415A (en) * 1997-06-30 2000-08-15 Aisin Seki Kabushiki Kaisha Fuel cell with rectifying plates for uniform gas flow
JPH11111312A (ja) * 1997-09-30 1999-04-23 Sanyo Electric Co Ltd 固体電解質型燃料電池
JP2004319291A (ja) * 2003-04-16 2004-11-11 Tokyo Gas Co Ltd 支持膜式固体酸化物形燃料電池スタック及びその作製方法
CN101490890A (zh) * 2006-08-28 2009-07-22 丰田自动车株式会社 燃料电池模块
JP2008287983A (ja) * 2007-05-16 2008-11-27 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 固体酸化物形燃料電池スタック
JP2009043550A (ja) * 2007-08-08 2009-02-26 Ngk Spark Plug Co Ltd 固体電解質型燃料電池
JP2009093835A (ja) * 2007-10-04 2009-04-30 Ngk Spark Plug Co Ltd 燃料改質形燃料電池
JP2009217960A (ja) * 2008-03-07 2009-09-24 Tokyo Electric Power Co Inc:The 平板型固体酸化物形燃料電池スタック
JP2009238651A (ja) * 2008-03-28 2009-10-15 Toho Gas Co Ltd ガス給排マニホールドおよび固体酸化物形燃料電池バンドル

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105531863A (zh) * 2013-09-10 2016-04-27 日本特殊陶业株式会社 燃料电池及燃料电池堆
US9728797B2 (en) 2013-09-10 2017-08-08 Ngk Spark Plug Co., Ltd. Fuel cell and fuel cell stack
CN105531863B (zh) * 2013-09-10 2017-10-24 日本特殊陶业株式会社 燃料电池及燃料电池堆

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KR101388318B1 (ko) 2014-04-22
EP2579371A1 (en) 2013-04-10
US9406952B2 (en) 2016-08-02
CA2800518A1 (en) 2011-12-01
US20130130144A1 (en) 2013-05-23
JP5330532B2 (ja) 2013-10-30

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