JP2009123711A

JP2009123711A - 燃料電池セル、燃料電池セルスタック、燃料電池装置及び電子機器

Info

Publication number: JP2009123711A
Application number: JP2009021255A
Authority: JP
Inventors: Tadao Yamamoto; 忠夫山本; Shinichi Miyamoto; 宮本　　慎一
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2009-02-02
Filing date: 2009-02-02
Publication date: 2009-06-04

Abstract

【課題】発電セル内の流路の圧力損失を低減する。
【解決手段】電解質８１の一方の面に燃料極８２、他方の面に酸素極８３が形成された単電池８０と、燃料極８２側に配置され、燃料極８２に燃料ガスを供給する燃料供給流路８６が形成された燃料極セパレータ８４と、酸素極８３側に配置され、酸素極８３に酸素を供給する酸素供給流路８７が形成された酸素極セパレータ８５とを備える燃料電池セル８である。燃料供給流路８６または酸素供給流路８７のうち少なくとも一方が略矩形状であるので、発電セル内の流路の圧力損失を低減することができる。また、ガスの流入部および流出部を結ぶ線分に対して線対称、または、前記線分の中点に対して点対称であるので、燃料および空気中の酸素を全体に均一に供給することができる。
【選択図】図１６

Description

本発明は、燃料ガスと酸素の電気化学反応により電力を取り出す燃料電池セル、燃料電池セルスタック、燃料電池装置及び電子機器に関する。

燃料電池は水素と酸素の電気化学反応により電力を取り出すものであり、次世代の主流となる電源システムとして、燃料電池の研究・開発が広く行われており、中でも、高温作動のため発電効率が高い固体酸化物型燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，以下ＳＯＦＣという）の開発が進められている。

ＳＯＦＣでは固体酸化物型電解質の一方の面に燃料極が、他方の面に酸素極が形成された発電セルが用いられる（例えば、特許文献１参照）。
酸素極に供給された酸素はイオン（Ｏ^2-）となり固体酸化物型電解質を透過し燃料極に到達する。Ｏ^2-は燃料極に供給された燃料ガスを酸化し電子を放出する。ここで、燃料ガスは主に水素ガスであり、例えばメタノール等の水素原子を組成中に含む燃料を改質した水素ガスや副生成物の一酸化炭素が用いられる。

電子は燃料極と接続されたアノード出力電極より外部回路を経て酸素極と接続されたカソード出力電極より酸素極に戻り、酸素をイオン化する。以上により、燃料ガスと酸素の化学エネルギーが電気エネルギーに変換される。
また、出力電圧を高める必要がある場合には、複数の発電セルを直列に接続することも行われる。

特開２００６−８５９８２号公報

従来、ＳＯＦＣは、コ・ジェネレーション・システムに代表される据え置き型の発電システムに活用されている。一方、近年、携帯型電子機器などに利用することが期待される、ＳＯＦＣを用いた比較的小型の発電システムの開発が行われている。このような携帯型の発電システムに活用される発電セルの要求特性は、当然ながら従来の据え置き型の発電システムのものとは異なる。

例えば、発電セルの大きさについては、従来の据え置き型の発電システムの発電セルは、比較的高出力が要求されるためその大きさは比較的大きいものであり、携帯して使用することはできない。このような発電セルにおいては、流路全体のサイズが大きく、流路の高さは５００μｍより大きいものとなっている。この場合、流路の粘性が流路断面内全体に亘って影響するといった壁面効果が薄いため、セパレータに流入した燃料ガスまたは空気は流入する方向に対して横方向へ拡散されにくい。従って、燃料ガス及び空気中の酸素の反応効率を上げるためには、セパレータ内に隔壁を設けて葛折り状の流路を形成する必要があった。なお、従来の据え置き型の発電システムにおいて上述の壁面効果を得るために、流路の高さを５００μｍ以下とすることは、電力量等の要求特性の面からも実施可能性が低く、十分検討されているとは言い難い。

一方、このような大型の発電システムで用いられる葛折り状の流路構造をそのまま小型の発電システムに適用した場合、発電セルが小さいため、上述の壁面効果の影響が比較的大きく現れることにより、比較的圧力損失が大きくなってしまっていた。

このように、従来、小型の発電システムにおいても、流路を葛折り状としていたため、流路の幅が比較的狭く、且つ、流路全体の長さが比較的長くなっていた。ここで、流路が長いほど、又は、流路が狭いほど圧力損失が増大するため、この圧力損失が発電効率に与える影響が大きいことが、小型の発電システムにおいて問題となっていた。

また、燃料ガス及び空気中の酸素の反応効率を上げるため、それぞれが同形状の流路を備える複数の発電セルを積層し、燃料ガスがこれら複数の発電セルを通過するように流路を形成する場合がある。このとき、発電セルの個数が多いほど、流路における圧力損失が増大する。

このように圧力損失が増大すると、これらの発電セルに燃料ガス及び空気を送り込むためのポンプによって発生させる圧力を大きくすることになるので、燃料電池装置全体としての発電効率が低減したり、ポンプ並びに燃料電池装置が大型化、重量化してしまうという問題がある。

さらに、従来、個々の発電セルは、各発電セルに燃料ガス又は空気を供給するための流路を少なくとも一つずつ備える構成とされているので、同形状の流路を備える燃料電池装置同士で比較した場合、発電セルの個数が多いほど、燃料ガス又は空気を供給するための流路がより多く必要となり、ひいては、装置が大型化するという問題がある。

本発明の課題は、発電セル内の流路の圧力損失を低減することである。また、燃料電池セル、燃料電池セルスタックの小型化を図り、ひいては、燃料電池装置及びそれを備える電子機器の小型化を図ることである。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、電解質の一方の面に燃料極、他方の面に酸素極が形成された単電池と、燃料極側に配置され、燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給流路が形成された燃料極セパレータと、酸素極側に配置され、酸素極に酸素を供給する酸素供給流路が形成された酸素極セパレータとを備える燃料電池セルにおいて、前記燃料供給流路または前記酸素供給流路のうち少なくとも一方が、略矩形状であり、且つ、ガスの流入部および流出部を結ぶ線分に対して線対称、または、前記線分の中点に対して点対称であることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池セルであって、前記略矩形状とされた少なくとも一方の流路の高さは５００μｍ以下であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の燃料電池セルを複数積層してなることを特徴とする燃料電池セルスタックである。

請求項４に記載の発明は、電解質の一方の面に燃料極、他方の面に酸素極が形成された単電池を複数積層してなる燃料電池セルスタックであって、隣接する単電池を燃料極同士、酸素極同士が対向するように配置し、絶縁体からなる絶縁枠の両面に導体からなるインターコネクトが設けられた隔壁材を、隣接する単電池の燃料極同士、酸素極同士で挟持し、対向する燃料極と隔壁材とにより燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給流路が形成され、対向する酸素極と隔壁材とにより酸素極に酸素を供給する酸素供給流路が形成されることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の燃料電池セルスタックであって、前記燃料供給流路または前記酸素供給流路のうち少なくとも一方が、略矩形状であり、且つ、ガスの流入部および流出部を結ぶ線分に対して線対称、または、前記線分の中点に対して点対称であることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の燃料電池セルスタックであって、前記略矩形状とされた少なくとも一方の流路の高さは５００μｍ以下であることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１または２に記載の燃料電池セル、または、請求項３〜６のいずれか一項に記載の燃料電池セルスタックを備えることを特徴とする燃料電池装置である。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の燃料電池装置を備えることを特徴とする電子機器である。

請求項１に記載の発明によれば、略矩形状の流路であるので、発電セル内の流路の圧力損失を低減することができる。また、ガスの流入部および流出部を結ぶ線分に対して線対称、または、前記線分の中点に対して点対称であるので、燃料および空気中の酸素を全体に均一に供給することができる。

また、請求項４に記載の発明によれば、隣接する単電池の燃料極同士、酸素極同士を対向させ、隔壁材を、隣接する単電池の燃料極同士、酸素極同士で挟持し、対向する燃料極と隔壁材とにより燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給流路が形成され、対向する酸素極と隔壁材とにより酸素極に酸素を供給する酸素供給流路が形成されるので、燃料電池セル、燃料電池セルスタックの小型化を図り、ひいては、燃料電池装置及びそれを備える電子機器の小型化を図ることができる。

燃料電池装置を搭載した携帯用の電子機器を示すブロック図である。（ａ）は発電セルの模式図であり、（ｂ）は複数の発電セルを直列に接続したセルスタックの模式図である。断熱パッケージの斜視図である。断熱パッケージの内部構造を示す透視図である。図４の断熱パッケージの内部構造を下側から見た斜視図である。図３のVI−VI矢視断面図である。連結部、改質器、連結部、燃料電池部の下面図である。図７のVIII−VIII矢視断面図である。図７のIX−IX矢視断面図である。図９のX−X矢視断面図である。定常運転時の断熱パッケージ内の温度分布を示す模式図である。断熱パッケージ内の流路構造を示す斜視図である。アノード側の流路を示す斜視図である。カソード側の流路を示す斜視図である。燃料電池部の内の流路構造を示す斜視図である。（ａ）は燃料供給流路内の改質ガスの流れを示す模式図であり、（ｂ）は酸素供給流路内の空気の流れを示す模式図である。流路の高さが５００μｍよりも大きい場合の（ａ）燃料供給流路内の改質ガスの流れ、（ｂ）酸素供給流路内の空気の流れを示す模式図である。（ａ）燃料供給流路、（ｂ）酸素供給流路内の改質ガス、空気の流れをシミュレーションした結果である。（ａ）〜（ｅ）は各流路の他の形態を示す模式図である。（ａ）は発電セルのスタック構造の変形例を示す模式図であり、（ｂ）は（ａ）の回路図である。（ａ）は燃料極の上に重ねられた隔壁材を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）の正面図である。（ａ）は酸素極の上に重ねられた隔壁材を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）の正面図である。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

図１は燃料電池装置１を搭載した携帯用の電子機器１００を示すブロック図である。この電子機器１００はノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ、電子手帳、デジタルカメラ、携帯電話機、腕時計、レジスタ及びプロジェクタ等といった携帯型の電子機器である。

電子機器１００は、燃料電池装置１と、燃料電池装置１により生成された電気エネルギーを適切な電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ９０２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０２に接続される２次電池９０３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０２より電気エネルギーが供給される電子機器本体９０１と、を備える。

燃料電池装置１は後述するように、電気エネルギーを生成しＤＣ／ＤＣコンバータ９０２に出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ９０２は燃料電池装置１により生成された電気エネルギーを適切な電圧に変換したのちに電子機器本体９０１に供給する機能の他に、燃料電池装置１により生成された電気エネルギーを２次電池９０３に充電し、燃料電池装置１が動作していない時に、２次電池９０３に蓄電された電気エネルギーを電子機器本体９０１に供給する機能も果たせるようになっている。

次に、燃料電池装置１について詳細に説明する。この燃料電池装置１は、燃料容器２、ポンプ３、断熱パッケージ１０等を備える。燃料電池装置１の燃料容器２は電子機器１００に対して着脱可能に設けられており、ポンプ３、断熱パッケージ１０は電子機器１００の本体に内蔵されている。

燃料容器２には、液体の原燃料（例えば、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル）と水との混合液が貯留されている。なお、液体の原燃料と水とを別々の容器に貯留してもよい。
ポンプ３は、燃料容器２内の混合液を吸引して、断熱パッケージ１０内の気化部４に送液するものである。

箱状の断熱パッケージ１０内の気圧は真空圧（例えば、１０Ｐａ以下）に保たれており、内部には気化部４、改質部６、燃料電池部２０が収容されている。気化部４は気化器４１と熱交換器４２とが一体に設けられてなり、改質部６は改質器６１と熱交換器６２とが一体に設けられてなり、燃料電池部２０は発電セル８が収納されている。

また、気化部４、改質部６、燃料電池部２０には、それぞれ電気ヒータ兼温度センサ４ａ，６ａ，８ａが設けられている。電気ヒータ兼温度センサ４ａ，６ａ，８ａの電気抵抗値は温度に依存するので、この電気ヒータ兼温度センサ４ａ，６ａ，８ａが気化部４、改質部６、燃料電池部２０の温度を測定する温度センサとしても機能する。

気化器４１はポンプ３から送られた混合液を電気ヒータ兼温度センサ４ａや熱交換器４２の熱により約１１０〜１６０℃程度に加熱し、気化させる。気化器４１で気化した混合気は改質器６１へ送られる。

改質器６１の内部の流路の壁面に触媒が担持されている。改質器６１は気化器４１から送られる混合気を、電気ヒータ兼温度センサ６ａや熱交換器６２の熱により約３００〜４００℃程度に加熱し、流路内の触媒により改質反応を起こさせる。すなわち、原燃料と水の触媒反応によって燃料としての水素、二酸化炭素、及び、副生成物である微量な一酸化炭素等の混合気体（改質ガス）が生成される。なお、原燃料がメタノールの場合、改質器６１では主に次式（１）に示すような水蒸気改質反応が起こる。
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂ …（１）

一酸化炭素は化学反応式（１）についで逐次的に起こる次式（２）のような式によって微量に副生される。
Ｈ₂＋ＣＯ₂→Ｈ₂Ｏ＋ＣＯ …（２）
生成した改質ガスは発電セル８に送出される。

図２（ａ）は発電セル８の模式図である。発電セル８は、固体酸化物電解質８１の両面に燃料極８２（アノード）及び酸素極８３（カソード）が形成された単電池８０と、燃料極８２に接合してその接合面に燃料供給流路８６を形成した燃料極セパレータ８４と、酸素極８３に接合してその接合面に酸素供給流路８７を形成した酸素極セパレータ８５とを備える。

固体酸化物電解質８１には、ジルコニア系の（Ｚｒ_1-xＹ_x）Ｏ_2-x/2（ＹＳＺ）、ランタンガレード系の（Ｌａ_1-xＳｒ_x）（Ｇａ_1-y-zＭｇ_yＣｏ_z）Ｏ₃等を、燃料極８２にはＬａ_0.84Ｓｒ_0.16ＭｎＯ₃、Ｌａ（Ｎｉ，Ｂｉ）Ｏ₃、（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ₃、Ｉｎ₂Ｏ₃＋ＳｎＯ₂、ＬａＣｏＯ₃等を、酸素極８３にはＮｉ、Ｎｉ＋ＹＳＺ等を、燃料極セパレータ８４及び酸素極セパレータ８５にはＬａＣｒ（Ｍｇ）Ｏ₃、（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｒＯ₃、ＮｉＡｌ＋Ａｌ₂Ｏ₃等を、それぞれ用いることができる。

発電セル８は電気ヒータ兼温度センサ８ａの熱により約５００〜１０００℃程度に加熱され、後述する電気化学反応が起こる。
酸素極８３には、酸素極セパレータ８５の酸素供給流路８７を介して空気が送られる。
酸素極８３では空気中の酸素とカソード出力電極２１ｂより供給される電子により、次式（３）に示すように酸素イオンが生成される。
Ｏ₂＋４ｅ^-→２Ｏ^2- …（３）
固体酸化物電解質８１は酸素イオンの透過性を有し、酸素極８３で生成された酸素イオンを透過させて燃料極８２に到達させる。

燃料極８２には燃料極セパレータ８４の燃料供給流路８６を介して改質器６１から送出された改質ガスが送られる。酸素極８３では固体酸化物電解質８１を透過した酸素イオンと改質ガスとの次式（４）、（５）のような反応が起こる。
Ｈ₂＋Ｏ^2-→Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^- …（４）
ＣＯ＋Ｏ^2-→ＣＯ₂＋２ｅ^- …（５）

燃料極セパレータ８４はアノード出力電極２１ａに接続されており、酸素極セパレータ８５は後述するようにカソード出力電極２１ｂと導通している。アノード出力電極２１ａ、カソード出力電極２１ｂはＤＣ／ＤＣコンバータ９０２に接続されている。このため、燃料極８２において生成される電子はアノード出力電極２１ａ、ＤＣ／ＤＣコンバータ９０２等の外部回路、カソード出力電極２１ｂを経て、酸素極セパレータ８５に供給される。

なお、図２（ｂ）に示すように、燃料極セパレータ８４、燃料極８２、固体酸化物電解質８１、酸素極８３、酸素極セパレータ８５からなる複数の発電セル８を直列に接続したセルスタックとしてもよい。複数の発電セル８を直列に接続することにより、出力電圧を高めることができる。この場合、図２（ｂ）に示すように、直列に接続された一方の端部の発電セル８の燃料極セパレータ８４をアノード出力電極２１ａに、他方の端部の発電セル８の酸素極セパレータ８５をカソード出力電極２１ｂに接続する。

熱交換器４２，６２には、燃料極セパレータ８４の燃料供給流路８６を通過した未反応の改質ガス（排気ガス１）及び酸素極セパレータ８５の酸素供給流路８７を通過した未反応の空気（排気ガス２）の流路が形成されている。排気ガス１及び排気ガス２は、熱交換器４２，６２に形成された排出流路を通して排出される。熱交換器４２，６２は排気ガス１及び排気ガス２が通過する際に放出される熱により、改質器６１及び気化器４１を昇温させる。
熱交換器４２，６２内の排出流路を通過した排気ガス１及び排気ガス２は、断熱パッケージ１０外へ放出される。

次に、断熱パッケージ１０の具体的な構成について説明する。
図３は断熱パッケージ１０の斜視図であり、図４は断熱パッケージ１０の内部構造を示す透視図であり、図５は図４の断熱パッケージ１０の内部構造を下側から見た斜視図であり、図６は図３のVI−VI矢視断面図である。図３に示すように、断熱パッケージ１０の一つの壁面を気化部４に備えられた気化器４１の入口、連結部５、アノード出力電極２１ａ、カソード出力電極２１Ｂが貫通している。

図４〜図６に示すように、断熱パッケージ１０内には、気化部４及び連結部５、改質部６、連結部７、燃料電池部２０がこの順番に配列されている。なお、図４〜６では、アノード出力電極２１ａ、カソード出力電極２１ｂ、及び、これらの電極と燃料電池部２０とを接続するための構成は、図面の簡略化のため、記載を省略している。

気化部４、連結部５、改質部６、連結部７、燃料電池部２０内の発電セル８、断熱パッケージ１０、アノード出力電極２１ａ及びカソード出力電極２１ｂは高温耐久性と適度な熱伝導性がある金属からなり、例えばインコネル７８３等のＮｉ系の合金インコネルを用いて形成することができる。

断熱パッケージ１０の内壁面には輻射防止膜１１が、気化部４、連結部５、改質部６、連結部７、燃料電池部２０の外壁面には、輻射防止膜１２が形成されている。輻射防止膜１１，１２は輻射による伝熱を防止するものであり、例えばＡｕ、Ａｇ等を用いることができる。輻射防止膜１１，１２は少なくとも一方を設けることが好ましく、両方設けることがより好ましい。

気化部４は連結部５とともに断熱パッケージ１０を貫通しており、連結部５により気化部４と改質部６とが接続されている。改質部６と燃料電池部２０とは連結部７により接続されている。

図４，図５に示すように、気化部４、連結部５、改質部６、連結部７、燃料電池部２０は一体に形成されており、連結部５、改質部６、連結部７、燃料電池部２０の下面は面一に形成されている。

図７は連結部５、改質部６、連結部７、燃料電池部２０の下面図であり、図８は図７のVIII−VIII矢視断面図である。なお、図７，図８では、アノード出力電極２１ａ及びカソード出力電極２１ｂを省略している。

また、改質部６の連結部７と接続される箇所は、燃料電池部２０に対向する面に対して後退している。このため、連結部７を長くして燃料電池部２０から改質部６への熱伝導を低減しながら、燃料電池部２０と改質部６との距離を短くして装置を小型化することができる。

図７に示すように、連結部５、改質部６、連結部７、燃料電池部２０の下面には、セラミック等で絶縁処理が施された後に配線パターン１３が形成されている。配線パターン１３は、気化部４の下部、改質部６の下部、燃料電池部２０の下部に葛折り状に形成され、それぞれ電気ヒータ兼温度センサ４ａ，６ａ，８ａとなる。電気ヒータ兼温度センサ４ａ，６ａ，８ａの一端は共通の端子１３ａに接続され、他端は独立した３つの端子１３ｂ，１３ｃ，１３ｄにそれぞれ接続されている。これら４つの端子１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄは、連結部５の断熱パッケージ１０よりも外側となる端部に形成されている。
なお、連結部５の断熱パッケージ１０を貫通する部分には、電気ヒータ兼温度センサ４ａ，６ａ，８ａが断熱パッケージ１０と導通しないように絶縁処理が施されている。

図９は図７のIX−IX矢視断面図であり、図１０は図９のX−X矢視断面図である。
連結部５，７には発電セル８の酸素極８３に供給する空気の供給流路５１，７１、燃料電池部２０から排出される排気ガス１の排出流路５２ａ，７２ａ、排気ガス２の排出流路５２ｂ，７２ｂが設けられている。また、連結部５には気化部４から改質部６に送出される気体燃料の供給流路５３が設けられ、連結部７には改質部６から発電セル８の燃料極８２に送出される改質ガスの供給流路７３が設けられている。

図１１は定常運転時の断熱パッケージ１０内の温度分布を示す模式図である。図１１に示すように、例えば燃料電池部２０を約８００℃程度に保つと、燃料電池部２０から連結部７を介して改質器６１に、改質器６１から連結部５を介して気化部４、断熱パッケージ１０の外に熱が移動する。その結果、改質器６１は約３８０℃程度、気化部４は約１５０℃程度に保たれる。

アノード出力電極２１ａ、カソード出力電極２１ｂは、燃料電池部２０から引き出され、断熱パッケージ１０の気化部４、連結部５が貫通しているのと同一の壁面を貫通している。このため、アノード出力電極２１ａ、カソード出力電極２１ｂによる伝熱経路を長くし、アノード出力電極２１ａ、カソード出力電極２１ｂを介して断熱パッケージ１０の外に移動する燃料電池部２０の熱を低減することができる。

次に、断熱パッケージ１０内の流路構造について説明する。図１２は、断熱パッケージ１０内の流路構造を示す斜視図であり、図１３はアノード側の流路、図１４はカソード側の流路を示す斜視図である。

図１３に示すように、気化部４、改質部６のうち、アノード側の流路が気化器４１、改質器６１となる。また、図１４に示すように、気化部４、改質部６のうち、カソード側の流路が熱交換器４２，６２となる。

図１５は燃料電池部２０の筐体内の流路構造を示す斜視図である。図１３〜図１５に示すように、燃料電池部２０の筐体内には、燃料極セパレータ８４に形成された燃料供給流路８６と、酸素極セパレータ８５に形成された酸素供給流路８７とが交互に配置されている。なお、図１３〜図１５には示さないが、固体酸化物電解質８１及びその両面に形成された燃料極８２、酸素極８３（カソード）は、燃料供給流路８６が形成された燃料極セパレータ８４と、酸素供給流路８７が形成された酸素極セパレータ８５との間に挟持された構造を備えている。発電セル８は、この挟持された構造が複数積層されたスタック構造となっている。

図１６（ａ）は燃料供給流路８６内の改質ガスの流れを示す模式図であり、図１６（ｂ）は酸素供給流路８７内の空気の流れを示す模式図である。図１６（ａ），（ｂ）に示すように、燃料供給流路８６，酸素供給流路８７は正方形状に形成されており、その対角の位置にガスの流入部８６ａ，８７ａ、流出部８６ｂ，８７ｂが設けられている。複数の発電セル８を積層したスタック構造とすることを考慮して、燃料供給流路８６と酸素供給流路８７とでは、流入部８６ａ，８７ａ、流出部８６ｂ，８７ｂが同位置とならないようにしている。
燃料供給流路８６，酸素供給流路８７の高さ（各流路に対応する部分における、燃料極８２と燃料極セパレータ８４との隙間、および、酸素極８３と酸素極セパレータ８５との隙間）は５００μｍ以下である。なお、燃料供給流路８６，酸素供給流路８７は矩形状であればよく、正方形状に限らない。

一般に、流路の高さが５００μｍよりも大きいと、図１７（ａ），（ｂ）に実線矢印で示すように、ガスは角の流入部より直進し、矩形状の壁面に沿って流れ、角で方向を変えて流入部の対角の流出部より流出する。このため、流入部から流出部へ向かう方向や、流入方向に垂直な方向（図１７（ａ），（ｂ）破線矢印）へのガスの流れが生じない。

しかし、燃料供給流路８６，酸素供給流路８７の高さが５００μｍ以下であると、改質ガスの燃料極８２や燃料極セパレータ８４の近傍の粘性や、空気の酸素極８３や酸素極セパレータ８５の近傍の粘性が、流路の高さ方向の全域に影響する。このため、図１６（ａ），（ｂ）に示すように、ガスの流れが流入方向から直進する方向だけでなく、流入部８６ａ，８７ａから流出部８６ｂ，８７ｂへ向かう方向や、流入方向に垂直な方向にも進み、流路全域に広がる。したがって、改質ガスや空気を燃料極８２や酸素極８３全体に均一に供給することができる。

図１８（ａ），（ｂ）は燃料供給流路８６，酸素供給流路８７内の改質ガス、空気の流れをシミュレーションした結果であり、図の矢印は流れの方向と、流速を示すベクトルである。燃料供給流路８６，酸素供給流路８７内のいずれにおいても、改質ガス、空気が流路全体に広がり、流入部８６ａ，８７ａから流出部８６ｂ，８７ｂへ向かって流れることがわかる。

このように、本実施の形態によれば、葛折状の流路ではなく、対角方向にガスを流す矩形状の燃料供給流路８６，酸素供給流路８７としたことで、流路を比較的短く、且つ、比較的幅広くすることができ、これにより圧力損失を低減することができる。
また、燃料供給流路８６，酸素供給流路８７の高さを５００μｍ以下とすることで、壁面効果が大きくなるため、改質ガス、空気が矩形状の燃料供給流路８６，酸素供給流路８７の全域に均一に広がり、改質ガスや空気を燃料極８２や酸素極８３全体に均一に供給することができる。

また、本実施の形態では、各流路を矩形状としたが、図１９（ａ）〜（ｅ）に示すように、必ずしも矩形状である必要はない。図１９（ａ）は角部を曲線に変形させた矩形状であり、（ｂ）は円形状であり、（ｃ）は略楕円形状（フットボール型）であり、（ｄ）および（ｅ）は所々に隔壁を設けたものである。ここで、上述の本実施の形態に係る矩形状や図１９（ａ）〜（ｅ）に示す各形状を、何れも「略矩形状」と称するものとする。
図１９（ｄ）および（ｅ）に示すように、必要に応じて、燃料ガスおよび空気中の酸素の流れを大きく妨げない位置に１つ以上の隔壁を設けてもよい。
また、燃料および空気中の酸素を全体に均一に供給するため、図１９（ａ）〜（ｅ）に示したように、流路は、流入部と流出部とを結ぶ線分に対して線対称、または、この線分の中点に対して点対称であることが好ましいが、必ずしも厳密に対称とする必要はない。

＜変形例＞
図２０（ａ）は発電セルのスタック構造の変形例を示す模式図であり、図２０（ｂ）は図２０（ａ）の回路図である。図２０では、燃料極、固体酸化物電解質、酸素極からなる３つの単電池１８０，２８０，３８０を直列に接続して用いられているが、中央の単電池２８０は他の２つの単電池１８０，３８０とは積層方向が異なっている。

すなわち、図２０（ａ）では、上から、酸素極セパレータ８５、酸素極１８３、固体酸化物電解質１８１、燃料極１８２、隔壁材９０、燃料極２８２、固体酸化物電解質２８１、酸素極２８３、隔壁材１９０、酸素極３８３、固体酸化物電解質３８１、燃料極３８２、燃料極セパレータ８４の順に積層されてセルスタック８００が形成されている。

図２１（ａ）は燃料極２８２の上に重ねられた隔壁材９０を示す平面図であり、図２１（ｂ）は図２１（ａ）の正面図である。
隔壁材９０は矩形枠状に配置され、対角の位置に改質ガスの流入部９４ａ、流出部９４ｂが設けられた矩形状の燃料供給流路９４を燃料極１８２，２８２の間に形成する。
隔壁材９０は絶縁体からなる絶縁枠９１の両面に導体からなるインターコネクト９２，９３が設けられてなる。インターコネクト９２は燃料極１８２と、インターコネクト９３は燃料極２８２とそれぞれ当接する。

図２２（ａ）は酸素極３８３の上に重ねられた隔壁材１９０を示す平面図であり、図２２（ｂ）は図２２（ａ）の正面図である。
隔壁材１９０は矩形枠状に配置され、対角の位置に空気の流入部１９４ａ、流出部１９４ｂが設けられた矩形状の酸素供給流路１９４を酸素極２８３，３８３の間に形成する。
隔壁材１９０は絶縁体からなる絶縁枠１９１の両面に導体からなるインターコネクト１９２，１９３が設けられてなる。インターコネクト１９２は酸素極２８３と、インターコネクト１９３は酸素極３８３とそれぞれ当接する。

インターコネクト９２とインターコネクト１９２とは、導線９５により導通される。同様に、インターコネクト９３とインターコネクト１９３とは、導線１９５により導通される。

酸素供給流路８７及び酸素供給流路１９４は空気を供給する図示しない空気供給流路に接続される。酸素供給流路８７，１９４に空気が供給されることで、酸素極１８３，２８３，３８３に酸素が供給される。
燃料供給流路８６及び燃料供給流路９４は改質ガスを供給する図示しない改質ガス供給路に接続される。燃料供給流路８６，９４に改質ガスが供給されることで、燃料極１８２，２８２，３８２に改質ガスが供給される。
セルスタック８００を約５００〜１０００℃程度に加熱した状態で改質ガス、空気を供給することで、上述の電気化学反応が生じ、セルスタック８００による発電が行われる。

このように、本変形例によれば、隣接する単電池の燃料極同士、酸素極同士を対向させ、隣接する電極間に流路を形成するため、上述の実施形態と同様の形状である流路の個数を減らすことができるため、更に、圧力損失を低減することができる。また、壁面効果を大きくするために、流路の高さを上述の実施形態と同じとすると、セルスタック８００の全体の厚さを減らして燃料電池装置の小型化を図ることができる。

なお、以上の実施形態においては、固体酸化物型燃料電池について説明したが、本発明はこれに限ることはなく、固体高分子型燃料電池や他の種類の燃料電池についても適用することができる。

１燃料電池装置
８発電セル
１０断熱パッケージ（断熱容器）
２０燃料電池部
８０単電池
８１固体酸化物電解質（電解質）
８２燃料極
８３酸素極
８４燃料極セパレータ
８５酸素極セパレータ
８６，９４燃料供給流路
８７，１９４酸素供給流路
１００電子機器
８００セルスタック

Claims

電解質の一方の面に燃料極、他方の面に酸素極が形成された単電池と、
燃料極側に配置され、燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給流路が形成された燃料極セパレータと、
酸素極側に配置され、酸素極に酸素を供給する酸素供給流路が形成された酸素極セパレータとを備える燃料電池セルにおいて、
前記燃料供給流路または前記酸素供給流路のうち少なくとも一方が、略矩形状であり、且つ、ガスの流入部および流出部を結ぶ線分に対して線対称、または、前記線分の中点に対して点対称であることを特徴とする燃料電池セル。
前記燃料供給流路または前記酸素供給流路のうち前記略矩形状とされた少なくとも一方の流路の高さは５００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
請求項１または２に記載の燃料電池セルを複数積層してなることを特徴とする燃料電池セルスタック。
電解質の一方の面に燃料極、他方の面に酸素極が形成された単電池を複数積層してなる燃料電池セルスタックであって、
隣接する単電池を燃料極同士、酸素極同士が対向するように配置し、
絶縁体からなる絶縁枠の両面に導体からなるインターコネクトが設けられた隔壁材を、隣接する単電池の燃料極同士、酸素極同士で挟持し、
対向する燃料極と隔壁材とにより燃料極に燃料ガスを供給する燃料供給流路が形成され、
対向する酸素極と隔壁材とにより酸素極に酸素を供給する酸素供給流路が形成されることを特徴とする燃料電池セルスタック。
前記燃料供給流路または前記酸素供給流路のうち少なくとも一方が、略矩形状であり、且つ、ガスの流入部および流出部を結ぶ線分に対して線対称、または、前記線分の中点に対して点対称であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池セルスタック。
前記燃料供給流路または前記酸素供給流路のうち前記略矩形状とされた少なくとも一方の流路の高さは５００μｍ以下であることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池セルスタック。
請求項１または２に記載の燃料電池セル、または、請求項３〜６のいずれか一項に記載の燃料電池セルスタックを備えることを特徴とする燃料電池装置。
請求項７に記載の燃料電池装置を備えることを特徴とする電子機器。