JP2007122999A

JP2007122999A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2007122999A
Application number: JP2005312379A
Authority: JP
Inventors: Yosuke Nozaki; 洋介野崎; Katsuya Hayashi; 克也林; Yoshitaka Tabata; 嘉隆田畑; Masayuki Yokoo; 雅之横尾
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2005-10-27
Filing date: 2005-10-27
Publication date: 2007-05-17
Anticipated expiration: 2025-10-27
Also published as: JP4851160B2

Abstract

【課題】低コストを実現できる燃料電池を提供する。
【解決手段】空気供給マニホールド５１、燃料供給マニホールド６１および燃料排出マニホールド７１は、セルスタックと独立して形成されている。これにより、従来のように各セパレータにマニホールドを加工する必要がないので、低コスト化を実現することができる。また、従来のように各セパレータにマニホールドを加工していた場合と比べて気密封止をする部分が少ないので、燃料ガスおよび酸化剤ガスが漏出する可能性が小さくなり、歩留まりの向上や高コスト化の防止を実現することができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、燃料電池に関するものである。

固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cells:SOFC)は、固体酸化物からなる電解質層と、この電解質層の表裏面にそれぞれ形成した空気極および燃料極とで単セルを形成し、燃料極と空気極に燃料ガスと酸化剤ガスをそれぞれ給排気する通路を有するセパレータと単セルとを交互に複数個積層して電気的に直列に接続することにより燃料電池セルスタック（以下、「セルスタック」という。）を形成し、上記通路を介して各単セルの各極に燃料ガスと酸化剤ガスを供給することにより発電を行うようにした燃料電池である。このような従来の固体酸化物型燃料電池のセルスタック（以下、「ＳＯＦＣセルスタック」という。）を図１０〜１２に示す。

図１０〜１２に示すように、従来のＳＯＦＣセルスタック１００は、直方体の形状を有するベース１１０と、このベース上面にベースシール材１１１を介して配設されボルト１１６によりベース１１０に固定された略直方体の形状を有するベースセパレータ１１２と、このベースセパレータ１１２上に配設された略直方体の形状を有するアノードセパレータ１２０と、このアノードセパレータ１２０上に平面視略コの字状の空気シール材１３０を介して配設された略直方体の形状を有するカソードセパレータ１４０とを備える。アノードセパレータ１２０、空気シール材１３０およびカソードセパレータ１４０は、この順番で１つずつ設けられたものを１組として、複数組重ねて設けられる。これらは、最上部のカソードセパレータ１４０上に設置された圧縮ばねと、この圧縮ばね上に設置されたプレートと、このプレート、ベースシール材１１１，ベースセパレータ１１２，アノードセパレータ１２０，空気シール材１３０およびカソードセパレータ１４０を上下方向に貫通して設けられた４つの支持穴をそれぞれ貫通し、一端がベース１１０に螺着された４本のロッドと、このロッドの他端に螺着されたナットとで構成される加圧機構により、上下方向に加圧された状態でベース１１０上に固定される。これにより、ＳＯＦＣセルスタック１００は、全体として略立方体または略直方体の形状を有するように構成される。

このようなＳＯＦＣセルスタック１００において、その１側面側には、ベースセパレータ１１２、アノードセパレータ１２０およびカソードセパレータ１４０を上下方向に貫通する断面略矩形の空気供給マニホールド１５１が形成されている。
また、ＳＯＦＣセルスタック１００の空気供給マニホールド１５１が形成された側面と隣接する一側面側には、ベースセパレータ１１２、アノードセパレータ１２０、空気シール材１３０およびカソードセパレータ１４０を上下方向に貫通する断面略矩形の燃料供給マニホールド１５２が形成されている。
また、ＳＯＦＣセルスタック１００の燃料供給マニホールド１５２が形成された側面側と対向する側面側には、ベースセパレータ１１２、アノードセパレータ１２０、空気シール材１３０およびカソードセパレータ１４０を上下方向に貫通する断面略矩形の燃料排出マニホールド１５３が形成されている。

また、アノードセパレータ１２０の上面側には、アノード集電体１６１および単セル１６２を収容する開口が形成されている。アノードセパレータ１２０の下面側には、燃料供給マニホールド１５２と上記開口とを連通する第１の溝と、燃料排出マニホールド１５３と上記開口とを連通する第２の溝とが形成されている。
一方、カソードセパレータ１４０の上面側には、一端が燃料供給マニホールド１５２に接続された第３の溝と、一端が燃料排出マニホールド１５３に接続された第４の溝とが形成されている。
このように形成されたアノードセパレータ１２０の下面とカソードセパレータ１４０の上面とを重ね合わせると、上記第１の溝と上記第３の溝は、燃料供給マニホールド１５２と上記開口とを連通する燃料供給口１２１を構成する。同様に、上記第２の溝と上記第４の溝は、上記開口と燃料排出マニホールド１５３とを連通する燃料排出口１２２を構成する。

また、単セル１６２の上面で、空気シール材１３０の間隙に相当する部分には、メッシュ状のカソード集電体１６３が配置される。このカソード集電体１６３が配置されるアノードセパレータ１２０、空気シール材１３０およびカソードセパレータ１４０により構成される空隙の一端側は、空気供給マニホールド１５１に接続され、カソード集電体１６３と空気供給マニホールド１５１とを連通する空気供給口１３１として機能する。また、上記空隙の他端側は、ＳＯＦＣセルスタック１００の外部に接続され、カソード集電体１６３とＳＯＦＣセルスタック１００外部とを連通する空気排出口１３２として機能する。

このようなＳＯＦＣセルスタック１００は、以下の通りに動作する。
まず、空気等の酸化剤ガスは、ベース１１０に設けられた空気供給穴１１３から空気供給マニホールド１５１を介して各空気供給口１３１に導かれ、カソード集電体１６３から単セル１６２の空気極に供給される。この単セル１６２の空気極で未反応の空気は、空気排出口１３２からＳＯＦＣセルスタック１００外部に放出される。
一方、水素等の燃料ガスは、ベース１１０に設けられた燃料供給穴１１４から燃料供給マニホールド１５２を介して各燃料供給口１２１に導かれアノード集電体１６１から単セル１６２の燃料極に供給される。この単セル１６２の燃料極で未反応の燃料ガスと空気極上で発生する水蒸気は、燃料排出口１２２から燃料排出マニホールド１５３を介して燃料排出穴１１５に導かれて回収される。
このように、従来のＳＯＦＣセルスタック１００では、アノードセパレータ１２０、空気シール材１３０およびカソードセパレータ１４０等を貫通して形成された空気供給マニホールド１５１および燃料供給マニホールド１５２を介して、各単セル１６２に酸化剤ガスまたは燃料ガスを供給する。また、これらと同様に各セパレータを貫通して形成された燃料排出マニホールド１５３を介して各単セルから未反応の燃料ガスを回収する。

上述したように空気および燃料ガスが所定の温度下において単セル１６２に供給されると、単セル１６２の空気極と燃料極との間に起電力が発生する。単セル１６２の空気極は、カソード集電体１６３を介してカソードセパレータ１４０と電気的に接続され、単セル１６２の燃料極はアノード集電体１６１を介してアノードセパレータ１２０に電気的に接続されている。また、アノードセパレータ１２０とカソードセパレータ１４０とは、それぞれ隣接するカソードセパレータ１４０またはアノードセパレータ１２０に電気的に接続されている。したがって、ＳＯＦＣセルスタック１００の上端のカソードセパレータ１４０と下端のアノードセパレータ１２０とを端子として負荷回路を構成することにより、ＳＯＦＣセルスタック１００は、所定の電圧レベルの電力を発生させることができる。

第９回ＳＯＦＣ研究発表会講演要旨集２０００年東京ガスにおける平板型ＳＯＦＣの開発研究（４２〜４３頁）

上述したような従来のＳＯＦＣセルスタックでは、以下のような問題がある。

まず、空気供給マニホールド、燃料供給マニホールドおよび燃料排出マニホールドは、セルスタックのアノードセパレータ、カソードセパレータおよび空気シール材を貫通するように構成されているため、全ての部材を個々に加工する必要があるので、加工に要する費用が高価である。

また、各マニホールドがアノードセパレータ、カソードセパレータおよび空気シール材を貫通するように構成されているので、各部材間の継ぎ目が多いため、各部材間を気密封止するのが困難であった。特に、ＳＯＦＣセルスタックは、駆動時の温度の影響により各部材に微小な反りが生じ、各部材間に隙間が生じやすい。これを防ぐために、アノード集電体やカソード集電体に靭性や弾性を持たせ、上下から圧力を加えたり、ＳＯＦＣセルスタックを構成する各部材の検査基準を厳しくし、反りの少ない部材のみを使用したりすると、ＳＯＦＣセルスタックの歩留まりの低下や製作コストの上昇という新たな問題を招いてしまう。

さらに、従来のＳＯＦＣセルスタックでは、アノードセパレータ、カソードセパレータおよび空気シール材に貫通孔を形成することによりマニホールドを形成するため、マニホールドの流路断面を大きくすることに物理的な限界があった。このため、燃料ガスまたは空気の流量が所定の値より大きくなると、マニホールド内の部位によって供給圧力に不均一が生じ、各単セルへの燃料ガスが不足し、結果として、セルの破壊や発電効率の低下が発生していた。これを防ぐために、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給量に比べてマニホールドの体積を十分に大きくし、供給圧力の不均一を低減すると、マニホールドの断面積が大きくなるために、各部材間を気密封止する部分がさらに大きくなり、結果として燃料ガスおよび酸化剤ガスが漏出する可能性がさらに高まってしまう。

そこで、本願発明は上述したような課題を解決するためになされたものであり、低コストを実現できる燃料電池を提供することを第１の目的とする。

また、気密封止を容易に行うことができる燃料電池を提供することを第２の目的とする。

また、発電効率を向上させることができる燃料電池を提供することを第３の目的とする。

上述したような課題を解決するために、本発明にかかる燃料電池は、単セルと、この単セルの燃料極側に配置されたアノードセパレータと、単セルの空気極側に配置されたカソードセパレータとからなるセルスタックと、このセルスタックに絶縁板を介して接続されるマニホールドとを備えたことを特徴とする。

上記燃料電池において、セルスタックは、単セルに連通する連通孔を有し、マニホールドは、絶縁板に形成された穴を介して連通孔に接続される開口を有するようにしてもよい。

上記燃料電池において、セルスタックは、単セル、アノードセパレータおよびカソードセパレータからなる複数のユニットが積層され、かつ、単セル毎に形成された複数の連通孔を有し、絶縁板の穴は、連通孔毎に形成され、マニホールドの開口は、穴毎に形成されるようにしてもよい。ここで、マニホールドは、燃料ガスの給気および排気の少なくとも何れか一方を行うようにしてもよい。このとき、マニホールドは、燃料ガスを供給する燃料供給マニホールドと燃料ガスを排気する燃料排出マニホールドとを含み、燃料供給マニホールドと燃料排出マニホールドとをセルスタックに押圧して固定する固定手段をさらに備えるようにしてもよい。

また、上記燃料電池において、セルスタックは、単セル、アノードセパレータおよびカソードセパレータからなる複数のユニットが積層され、かつ、単セル毎に形成された複数の連通孔を有し、絶縁板の穴は、複数の連通孔と接続されるようにしてもよい。ここで、マニホールドは、酸化剤ガスの給気および排気の少なくとも何れか一方を行うようにしてもよい。このとき、マニホールドは、酸化剤ガスを供給する空気供給マニホールドを含み、空気供給マニホールドをセルスタックに押圧して固定する固定手段をさらに備えるようにしてもよい。また、マニホールドは、酸化剤ガスを排気する空気排出マニホールドをさらに含み、固定手段は、空気供給マニホールドと空気排出マニホールドとをセルスタックに押圧して固定するようにしてもよい。

上記燃料電池において、単セルは、平板および円盤の何れか一方の形状を有するようにしてもよい。

上記燃料電池において、単セルとカソードセパレータとの間に配設され、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｓｉのうち少なくとも１つを主原料とするステンレス系金属の不織布、メッシュおよび綿状マットのうちの何れか１つからなるカソード集電体をさらに備えるようにしてもよい。

上記燃料電池において、単セルとアノードセパレータとの間に配設され、発泡ニッケルのマット、Ｎｉ系金属の不織布およびＮｉ系金属のメッシュのうちの何れか１つからなるアノード集電体をさらに備えるようにしてもよい。

上記燃料電池において、ユニットを積層した方向にセルスタックを加圧する加圧手段をさらに備えるようにしてもよい。

本発明によれば、マニホールドをセルスタックと独立して設けることにより、セルスタックの各部材を個々に加工しなくてよいため、加工の要する費用が低下し、結果として低コストを実現することができる。

また、本発明によれば、マニホールドをセルスタックと独立して設けることにより、セルスタックの各部材間の継ぎ目が少なくなるので、気密封止を容易に行うことができる。

また、本発明によれば、セルスタックと独立したマニホールドを設けることにより、マニホールドの流路断面を大きくできるので、各単セルへ燃料ガスおよび酸化剤ガスを均一に供給することができ、結果として、発電効率を向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１〜３に示すように、ＳＯＦＣセルスタック１は、ベース１１と、このベース１１の上面にベースシール材１２を介して配設されボルト１３によりベース１１に固定されたベースセパレータ１４と、このベースセパレータ１４上に配設され単セル２およびアノード集電体３を収容するアノードセパレータ２０と、このアノードセパレータ２０上に空気シール材３０を介して配設されアノードセパレータ２０および空気シール材３０と協働してカソード集電体４を収容するカソードセパレータ４０とを備える。アノードセパレータ２０、２つの空気シール材３０およびカソードセパレータ４０は、この順番で１つずつ設けられ、内部にアノード集電体３、単セル２およびカソード集電体４を収容したものを１組（以下、「単セルユニット」と呼ぶ。）として、これを複数組重ねることによりセルスタック１０が構成される。なお、本実施の形態では、１０組の単セルユニットが積層されている。なお、以下において、図１を正面視したとき、上下方向を「上下方向」、左右方向を「水平方向」という。

また、図４〜６に示すように、セルスタック１０の一側面には、空気供給マニホールド用絶縁板５０を介して空気供給マニホールド５１が配設されている。また、セルスタック１０の空気供給マニホールド５１が設けられた側面に隣接する側面には、燃料供給マニホールド用絶縁板６０を介して燃料供給マニホールド６１が配設されている。また、セルスタック１０の燃料供給マニホールド６１が設けられた側面の反対側の側面には、燃料排出マニホールド用絶縁板７０を介して燃料排出マニホールド７１が配設されている。

ベース１１上のセルスタック１０は、最上部のカソードセパレータ４０上に設置された圧縮ばね８０と、この圧縮ばね８０上に設置されたプレート８１と、このプレート８１、ベースシール材１２，ベースセパレータ１４，アノードセパレータ２０，空気シール材３０およびカソードセパレータ４０を上下方向に貫通して設けられた４つの支持穴８２をそれぞれ貫通し、一端がベース１１に螺着された４本のロッド８４と、このロッド８４の他端に螺着されたナット８５とで構成される加圧機構により、上下方向に加圧された状態でベース１１上に固定される。なお、加圧機構によりセルスタック１０に加えられる荷重は、各ロッド８４に螺着されているナット８５を締め付けるまたは弛めて圧縮ばね８０の弾発力を変えることによって適宜自由に調整することができる。

空気供給マニホールド５１の空気供給マニホールド用絶縁板５０が設けられた反対側の面には、固定プレート８６が設けられている。この固定プレート８６は、ボルト８７により下端に形成された鍔がベース１１に固定されている。また、固定プレート８６は、上端近傍に形成された穴にボルト８８が挿着されており、このボルト８８は、一端がロッド８４に挿着された部材８９の他端に螺着されている。ボルト８８を締め付けることにより、空気供給マニホールド５１は、セルスタック１０の一側面側に、空気供給マニホールド用絶縁板５０を介して圧着され、セルスタック１０に密着して固定されるので、空気供給マニホールド５１とセルスタック１０との間の気密性が確保される。

燃料供給マニホールド６１および燃料排出マニホールド７１の燃料供給マニホールド用絶縁板６０または燃料排出マニホールド用絶縁板７０が設けられた反対側の面には、固定プレート９０，９１が配置されている。この固定プレート９０，９１には、両側辺の上端および下端近傍に形成された穴に４本のロッド９２が挿通されており、このロッド９２の両端にナット９３を螺着することにより、燃料排出マニホールド６１および燃料排出マニホールド７１を狭持するような状態でセルスタック１０に固定される。ナット９３をロッド９２にねじ込んでいくと、燃料供給マニホールド６１および燃料排出マニホールド７１は、セルスタック１０の一側面に、燃料供給マニホールド用絶縁板６０または燃料排出マニホールド用絶縁板７０を介してセルスタック１０を狭持するような状態でセルスタック１０に密着して固定される。これにより、燃料供給マニホールド６１および燃料排出マニホールド７１とセルスタック１０との間の気密性がそれぞれ確保される。

次に、ＳＯＦＣセルスタック１の各部の構成等を図１〜９に基づいて詳述する。
単セル２は、全体として円盤の形状を有し、燃料極と、この燃料極上に積層形成された平板型固体酸化物からなる電解質層および空気極とからなる。このような単セル２の構成材料としては、一般に開発が行われている全ての材料系を適用することができる。電解質層の材料としては、例えば、Ｓｃ₂Ｏ₃およびＡｌ₂Ｏ₃を添加した安定化ＺｒＯ₂（ＳＡＳＺ）やイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などのジルコニア系材料を用いることができる。また、燃料極の材料としては、例えば、上記ジルコニア系材料と酸化ニッケルとの混合サーメットを用いることができる。また、空気極の材料としては、例えば、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ）、ランタンニッケルフェライト（ＬＮＦ）、ランタンストロンチウムコバルト（ＬＳＣｏ）などの用いることができる。

アノード集電体３は、円盤の形状を有し、単セル２の下面側に配設される。このようなアノード集電体３の構成材料としては、ニッケルの多孔体や発泡体、メッシュ等を用いることができる。また、銀の多孔体、発泡体、メッシュ等を用いるようにしてもよい。

カソード集電体４は、円盤の形状を有し、単セル２の上面側に配設される。このようなカソード集電体４の構成材料としては、Ｃｒ，Ｆｅ，Ｓｉ等を主原料とするステンレス系金属の不織布、メッシュ、綿状マット、多孔体、発泡体などを用いることができる。また、金、銀、白金などの貴金属の多孔体、発泡体、メッシュ等を用いるようにしてもよい。

このようなアノード集電体３およびカソード集電体４を設けることにより、単セル２の燃料極および空気極とアノードセパレータ２０またはカソードセパレータ４０との電気的な接続を行うことができる。

ベース１１は、図１〜５によく示されるように、略直方体の形状を有し、ベース１１を上下方向に貫通する空気供給孔１５，燃料供給孔１６および燃料排出孔１７が形成されている。空気供給孔１５は、ベース１１の下面に接続される空気供給ノズル９４から供給される酸化剤ガスを空気供給マニホールド５１に導入する。燃料供給孔１６は、ベース１１の下面に接続される燃料供給ノズル９５から供給される燃料ガスを燃料供給マニホールド６１に導入する。燃料排出孔１７は、ベース１１の下面に接続される燃料排出ノズル９６に燃料排出マニホールド７１から排出される未反応の燃料ガスや水蒸気を導出する。これら空気供給孔１５，燃料供給孔１６および燃料排出孔１７は、ベースシール材１２にも形成されている。このようなベース１１の材料としては、ＳＵＳ４３０等のフェライト系ステンレス材料をはじめとする各種耐熱金属材料等を用いることができる。

アノードセパレータ２０は、図１，２，７によく示されるように、略直方体の形状を有し、その上面にはアノード集電体３および単セル２を収容する開口２１が形成されている。また、下面には、開口２１の底面と燃料供給マニホールド６１と対向する側面とを連通する第１の溝２２と、開口２１の底面と燃料排出マニホールド７１側の側面とを連通する第２の溝２３とが形成されている。

空気シール材３０は、図１，２，７によく示されるように、略直方体の形状を有する。この空気シール材３０は、１つの単セルユニットに対して２つ配設される。

カソードセパレータ４０は、図１，２，７によく示されるように、略直方体の形状を有し、上面の略中央部から燃料供給マニホールド６１と対向する側面にかけて第３の溝４１が形成され、上面の略中央部から燃料排出マニホールド７１と対向する側面にかけて第４の溝４２が形成されている。

アノードセパレータ２０およびカソードセパレータ４０の材料としては、ＳＵＳ４３０等のフェライト系ステンレスをはじめとする各種耐熱金属材料等を用いることができる。また、空気シール材３０の材料としては、例えば、ほう珪酸ガラスなどの絶縁材料を用いることができる。

図７に示すように、１つの単セルユニットは、アノードセパレータ２０の開口２１にアノード集電体３および単セル２を収容し、単セル２の上面にカソード集電体４を配置し、アノードセパレータ２０の上面の燃料排出マニホールド用絶縁板６０および燃料排出マニホールド用絶縁板７０側の端部にカソード集電体４を挟み込むような状態で２つの空気シール材３０を載置し、カソード集電体４および空気シール材３０の上面にカソードセパレータ４０を配置することにより構成される。このとき、カソード集電体４が配置されるアノードセパレータ２０、空気シール材３０およびカソードセパレータ４０で形成される空隙の一端側は、単セルユニットの空気供給マニホールド５１側の側面に露出し、カソード集電体４と空気供給マニホールド５１とを接続する連通孔として機能する空気供給口５を構成する。また、上記空隙の他端側は、ＳＯＦＣセルスタック１の外部に露出し、カソード集電体４とＳＯＦＣセルスタック１外部とを接続する連通孔として機能する空気排出口６を構成する。また、アノードセパレータ２０の第１の溝２２とカソードセパレータ４０の第３の溝４１は、燃料供給マニホールド６１と開口２１とを接続する連通孔として機能する燃料供給口７を構成する。また、アノードセパレータ２０の第２の溝２３とカソードセパレータ４０の第４の溝４２は、燃料排出マニホールド７１と開口２１とを接続する連通孔として機能する燃料排出口８を構成する。

このような単セルユニットは、必要な段数積層されることによりセルスタック１０を構成する。このセルスタック１０は、上述した加圧機構によって所定の荷重がかけられる。加圧機構によってセルスタック１０を加圧すると、カソードセパレータ４０は各カソード集電体４を各単セル２の空気極に押しつけ、各単セル２の燃料極がアノード集電体３をアノードセパレータ２０の開口２１の底面に押しつける。このため、積層されている全ての単セル２の空気極とカソード集電体４、および単セル２の燃料極とアノード集電体３がそれぞれ密着して電気的に接続され、これにより発電時に高い電圧が得られる。

なお、ベースセパレータ１４の上面には、第３の溝４１および第４の溝４２と同等の溝が形成されている。また、最上部のカソードセパレータ４０の上面には、第３の溝４１および第４の溝４２は形成されない。

空気供給マニホールド用絶縁板５０は、図８（ａ）に示すように、平面視略矩形の板状の形状を有し、その略中央部に平面視略矩形の穴５０ａが形成されている。この穴５０ａの上辺は、セルスタック１０の最上部の空気供給口５の上辺に対応し、穴５０ａの下辺は、セルスタック１０の最下部の空気供給口５の下辺に対応し、穴５０ａの側辺は、セルスタック１０の全ての空気供給口５の側辺に対応する。したがって、空気供給マニホールド用絶縁板５０をセルスタック１０の空気供給口５が設けられた側面に当接させると、全ての空気供給口５が穴５０ａから露出する。

燃料供給マニホールド用絶縁板６０は、図８（ｂ）に示すように、平面視略矩形の板状の形状を有し、上下方向に所定間隔離間して形成された孔６０ａが形成されている。この孔６０ａは、燃料供給口７の断面形状に対応する同等の形状を有し、燃料供給マニホールド用絶縁板６０をセルスタック１０の燃料供給口７が設けられた側面に当接させると、各燃料供給口７と対応する孔６０ａとが一致し、燃料供給口７を介して単セル２と孔６０ａとを接続する一つの連通孔を構成する位置に形成される。

同様に、燃料排出マニホールド用絶縁板７０も、平面視略矩形の板状の形状を有し、上下方向に所定間隔離間して形成された孔７０ａが形成されている。この孔７０ａは、燃料排出口８の断面形状に対応する同等の形状を有し、燃料排出マニホールド用絶縁板７０をセルスタック１０の燃料排出口８が設けられた側面に当接させると、各燃料排出口８と対応する孔７０ａとが一致し、燃料排出口８を介して単セル２と孔７０ａとを接続する一つの連通孔を構成する位置に形成される。

上述した空気供給マニホールド用絶縁板５０、燃料供給マニホールド用絶縁板６０および燃料排出マニホールド用絶縁板７０の構成材料としては、電気絶縁性、気密性、弾性に優れた材料で構成され、例えば、マイカ（雲母）や、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、ジルコニア（ＺｒＯ₂）、カルシニア（ＣａＯ）、マグネシア（ＭｇＯ）、シリカ（ＳｉＯ₂）等を主成分とするセラミックスや複合セラミックスなどが用いられる。

空気供給マニホールド５１は、図９（ａ）に示すように、一側面に開口５１ａを有する筐体の形状を有し、底面には空気供給孔１５から供給される酸化剤ガスを内部に導入するの空気導入穴５１ｂが形成される。開口５１ａは、空気供給マニホールド用絶縁板５０の穴５０ａと同等の形状を有する。したがって、セルスタック１０の空気供給口５が設けられた側面に当接した空気供給マニホールド用絶縁板５０に空気供給マニホールド５１を当接させると、開口５１ａが孔５０ａと一致し、孔５０ａおよび全ての空気供給孔５を介して開口５１ａと全ての単セル２とを接続する複数の連通孔を構成する。

燃料供給マニホールド６１は、図９（ｂ）に示すように、一側面に複数の開口６１ａを有する筐体の形状を有し、底面には燃料供給孔１６から供給される酸化剤ガスを内部に導入する燃料導入穴６１ｂが形成される。各開口６１ａは、対応する燃料供給マニホールド用絶縁板６０の孔６０ａと同じ形状および同じ位置に形成される。したがって、セルスタック１０の燃料供給口７が設けられた側面に当接した燃料供給マニホールド用絶縁板６０に燃料供給マニホールド６１の開口６１ａが形成された一側面を当接させると、孔６０ａと開口６１ａとが一致する。これにより、燃料供給口７、この燃料供給口７に対応する孔６０ａおよびこの孔６０ａに対応する開口６１ａによって、燃料供給マニホールド６１と単セル２の燃料極とを連通する１つの連通孔が構成される。

同様に、燃料排出マニホールド７１は、一側面に複数の開口７１ａを有する筐体の形状を有し、底面には燃料排出孔１７に未反応の燃料ガスや水蒸気を排出する燃料導出穴７１ｂが形成される。各開口７１ａは、対応する燃料排出マニホールド用絶縁板７０の孔７０ａと同じ形状および同じ位置に形成される。したがって、セルスタック１０の燃料排出口８が設けられた側面に当接した燃料排出マニホールド用絶縁板７０に燃料排出マニホールド７１の開口７１ａが形成された一側面を当接させると、孔７０ａと開口７１ａとが一致する。これにより、燃料排出口８、この燃料供給口８に対応する孔７０ａおよびこの孔７０ａに対応する開口７１ａによって、燃料排出マニホールド７１と単セル２の燃料極とを連通する１つの連通孔が構成される。

上述した空気供給マニホールド６１、燃料供給マニホールド７１および燃料排出マニホールド８１の構成材料としては、ＳＵＳ４３０等のフェライト系ステンレスをはじめとする各種耐熱金属材料等を用いることができる。

次に、上述したＳＯＦＣセルスタック１の動作について説明する。
まず、空気等の酸化剤ガスは、コンプレッサ等により加圧され、空気供給ノズル９４からベース１１の空気供給孔１５および空気供給マニホールド５１の空気導入穴５１ｂを介して筐体の形状を有する空気供給マニホールド５１内部に導入される。空気供給マニホールド５１内部に導入された酸化剤ガスは、空気供給マニホールド５１の開口５１ａから空気供給マニホールド用絶縁板５０の穴５０ａを介して各単セルユニットの空気供給口５に導かれ、カソード集電体４から単セル２の空気極に供給される。この単セル２の空気極で未反応の酸化剤ガスは、空気排出口６からＳＯＦＣセルスタック１外部に放出される。

一方、水素や一酸化炭素等の燃料ガスは、コンプレッサ等により加圧され、燃料供給ノズル９５からベース１１の燃料供給孔１６および燃料供給マニホールド６１の燃料導入穴６１ｂを介して筐体の形状を有する燃料供給マニホールド６１内部に導入される。燃料供給マニホールド６１内部に導入された燃料ガスは、燃料供給マニホールド６１の各開口６１ａから対応する燃料供給マニホールド用絶縁板６０の孔６０ａを介して各単セルユニットの対応する燃料供給口７に導かれ、アノード集電体３から単セル２の燃料極に供給される。この単セル２で未反応の燃料ガスと空気極で発生する水蒸気は、各燃料排出口８から燃料排出マニホールド用絶縁板７０の対応する孔７０ａを介して筐体の形状を有する燃料排出マニホールド７１の対応する開口７１ａから燃料排出マニホールド７１内部に導かれる。燃料排出マニホールド７１内部に導かれた未反応の燃料ガスと水蒸気は、燃料排出マニホールド７１の燃料導出穴７１ｂからベース１１の燃料排出孔１７を介して燃料排出ノズル９５に導かれて回収される。

上述したように酸化剤ガスおよび燃料ガスが所定の温度下において単セル２に供給されると、単セル２の空気極と燃料極との間に起電力が発生する。単セル２の空気極は、カソード集電体４を介してカソードセパレータ４０と電気的に接続され、単セル２の燃料極はアノード集電体３を介してアノードセパレータ２０に電気的に接続されている。また、アノードセパレータ２０とカソードセパレータ４０とは、それぞれ隣接するカソードセパレータ４０またはアノードセパレータ２０に電気的に接続されている。したがって、ＳＯＦＣセルスタック１の上端のカソードセパレータ４０と下端のアノードセパレータ２０とを端子として負荷回路を構成することにより、ＳＯＦＣセルスタック１は、所定の電圧レベルの電力を発生させることができる。

本実施の形態において、空気供給マニホールド５１、燃料供給マニホールド６１および燃料排出マニホールド７１は、セルスタック１０と独立して形成されている。これにより、従来のように各セパレータにマニホールドを加工する必要がないので、低コスト化を実現することができる。

また、本実施の形態では、各マニホールドをセルスタック１０と独立して設けているので、従来のように各セパレータにマニホールドを加工していた場合と比べて気密封止をする部分が少ないので、燃料ガスおよび酸化剤ガスが漏出する可能性が小さくなり、歩留まりの向上や高コスト化の防止を実現することができる。また、マニホールドとセパレータとが分離して構成されるので、セパレータのみを加圧機構で加圧することができるので、単セルに最適な条件で各セパレータを加圧することができる。

また、本実施の形態では、マニホールドをセパレータと独立して形成することにより、マニホールドの形状を任意に設定して、マニホールドの流路断面の面積を十分に大きくすることができる。これにより、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流量に対してマニホールドの体積を十分に大きくして、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給圧力の不均一を低減できるので、セルの破壊や発電効率の低下を防ぐことができる。

また、本実施の形態では、絶縁板を介して各マニホールドをセルスタックに押圧して固定することにより、絶縁板によりマニホールドとセルスタックとの間の気密性が確保される。１つのマニホールドに対して１つの絶縁板でそのマニホールドの気密性を確保でき、構造が単純なため、低コスト化を実現することができる。

なお、本実施の形態において、空気排出口の側にもマニホールドを設けるようにしてもよい。この場合、ベース１１に空気供給孔１５と同等の空気排出穴を設け、この空気排出穴に空気排出口６から排出される未反応の酸化剤ガスを回収する空気排出ノズルを接続し、セルスタック１０の空気排出口６が設けられた側面で、かつ、上記空気排出穴が形成されたベース１１の上面に空気供給マニホールド５１と同等の空気排出マニホールドを配設し、この空気排出マニホールドの空気排出穴と上記空気排出穴とを接続することにより実現することができる。このとき、空気供給マニホールド５１と空気排出マニホールドとは、燃料供給マニホールド６１と燃料排出マニホールド７１の場合と同じように、固定プレート９０，９１、ロッド９２およびナット９３により、セルスタック１０を狭持するような状態でセルスタック１０に密着して固定するようにしてもよい。

また、本実施の形態では、単セル２は、円盤の形状を有するようにしたが、単セル２の形状はこれに限定されず、例えば平板型など適宜自由に設定することができる。また、単セルユニットの形状も、平面視略矩形の形状を有するようにしたが、単セルユニットの形状はこれに限定されず、例えば平面視略円形など適宜自由に設定することができる。

また、本実施の形態では、単セルユニットを１０組積層するようにしたが、積層する単セルユニットの数量は１０組に限定されず、単数や複数を問わず適宜自由に設定することができる。

また、本実施の形態において、各マニホールドは、断面略矩形の筐体の形状を有するようにしたが、各マニホールド用絶縁板を介してセルスタック１０の側面に密着して当接させることができるならば、各マニホールドの形状は上記断面略矩形の筐体の形状に限定されず、例えば円、半円、多角形等の断面形状を有する筐体など適宜自由に設定することができる。また、セルスタック１０の形状も、各マニホールドの開口を有する面と密着して当接することができるのであれば、直方体形状に限定されず、例えば、円や多角形等の断面形状を有する立体形状など適宜自由に設定することができる。

また、本実施の形態において、各マニホールドは絶縁板を介してセルスタックに密着して固定するようにしたが、各マニホールドと絶縁板との間や絶縁板とセルスタックとの間にシール部材などさらに部材を挟んで固定するようにしてもよい。これにより、気密性等をさらに向上させることが可能となる。また、各マニホールドの開口の縁部をセルスタック側に突出させるようにしてもよい。これにより、マニホールドと単セルとを接続する連通孔の気密性を確保するのがより容易となる。

本発明は、燃料電池のマニホールドに適用することができる。

本発明のＳＯＦＣセルスタックの内部構成を示す正面図である。本発明のＳＯＦＣセルスタックの内部構成を示す側面図である。本発明のＳＯＦＣセルスタックの内部構成を示す平面図である。本発明のＳＯＦＣセルスタックの構成を示す正面図である。本発明のＳＯＦＣセルスタックの構成を示す側面図である。本発明のＳＯＦＣセルスタックの構成を示す平面図である。単セルユニットの構成を示す分解斜視図である。（ａ）空気供給マニホールド用絶縁板、（ｂ）燃料供給マニホールド用絶縁板および燃料排出マニホールド用絶縁板の構成を示す斜視図である。（ａ）空気供給マニホールド、（ｂ）燃料供給マニホールドおよび燃料排出マニホールドの構成を示す斜視図である。従来のＳＯＦＣセルスタックの内部構成を示す正面図である。従来のＳＯＦＣセルスタックの内部構成を示す側面図である。従来のＳＯＦＣセルスタックの内部構成を示す平面図である。

符号の説明

１…ＳＯＦＣセルスタック、２…単セル、３…アノード集電体、４…カソード集電体、５…空気供給口、６…空気排出口、７…燃料供給口、８…燃料排出口、１０…セルスタック、１１…ベース、１２…ベースシール材、１３…ボルト、１４…ベースセパレータ、１５…空気供給孔、１６…燃料供給孔、１７…燃料排出孔、２０…アノードセパレータ、２１…開口、２２…第１の溝、２３…第２の溝、３０…空気シール材、４０…カソードセパレータ、４１…第３の溝、４２…第４の溝、５０…空気供給マニホールド用絶縁板、５０ａ…穴、５１…空気供給マニホールド、５１ａ…開口、５１ｂ…空気導入穴、６０…燃料供給マニホールド用絶縁板、６０ａ…孔、６１…燃料供給マニホールド、６１ａ…開口、６１ｂ…燃料導入穴、７０…燃料排出マニホールド用絶縁板、７０ａ…孔、７１…燃料排出マニホールド、７１ａ…開口、７１ｂ…燃料導出穴、８０…圧縮ばね、８１…プレート、８２…支持穴、８４…ロッド、８５…ナット、８６…固定プレート、８７，８８…ボルト、８９…部材、９０，９１…固定プレート、９２…ロッド、９３…ナット、９４…空気供給ノズル、９５…燃料供給ノズル、９６…燃料排出ノズル。

Claims

単セルと、この単セルの燃料極側に配置されたアノードセパレータと、前記単セルの空気極側に配置されたカソードセパレータとからなるセルスタックと、
このセルスタックに絶縁板を介して接続されるマニホールドと
を備えたことを特徴とする燃料電池。
前記セルスタックは、前記単セルに連通する連通孔を有し、
前記マニホールドは、前記絶縁板に形成された穴を介して前記連通孔に接続される開口を有する
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
前記セルスタックは、前記単セル、前記アノードセパレータおよび前記カソードセパレータからなる複数のユニットが積層され、かつ、前記単セル毎に形成された複数の連通孔を有し、
前記絶縁板の前記穴は、前記連通孔毎に形成され、
前記マニホールドの前記開口は、前記穴毎に形成される
ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
前記マニホールドは、前記燃料ガスの給気および排気の少なくとも何れか一方を行う
ことを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
前記マニホールドは、前記燃料ガスを供給する燃料供給マニホールドと前記燃料ガスを排気する燃料排出マニホールドとを含み、
前記燃料供給マニホールドと前記燃料排出マニホールドとを前記セルスタックに押圧して固定する固定手段をさらに備える
ことを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
前記セルスタックは、前記単セル、前記アノードセパレータおよび前記カソードセパレータからなる複数のユニットが積層され、かつ、前記単セル毎に形成された複数の連通孔を有し、
前記絶縁板の前記穴は、複数の前記連通孔と接続される
ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
前記マニホールドは、前記酸化剤ガスの給気および排気の少なくとも何れか一方を行う
ことを特徴とする請求項６記載の燃料電池。
前記マニホールドは、前記酸化剤ガスを供給する空気供給マニホールドを含み、
前記空気供給マニホールドを前記セルスタックに押圧して固定する固定手段をさらに備える
ことを特徴とする請求項７記載の燃料電池。
前記マニホールドは、前記酸化剤ガスを排気する空気排出マニホールドをさらに含み、
前記固定手段は、前記空気供給マニホールドと前記空気排出マニホールドとを前記セルスタックに押圧して固定する
ことを特徴とする請求項８記載の燃料電池。
前記単セルは、平板および円盤の何れか一方の形状を有する
ことを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の燃料電池。
前記単セルと前記カソードセパレータとの間に配設され、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｓｉのうち少なくとも１つを主原料とするステンレス系金属の不織布、メッシュおよび綿状マットのうちの何れか１つからなるカソード集電体
をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の燃料電池。
前記単セルと前記アノードセパレータとの間に配設され、発泡ニッケルのマット、Ｎｉ系金属の不織布およびＮｉ系金属のメッシュのうちの何れか１つからなるアノード集電体
をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項に記載の燃料電池。
前記ユニットを積層した方向に前記セルスタックを加圧する加圧手段をさらに備える
ことを特徴とする請求項３乃至１２の何れか１項に記載の燃料電池。