JP2009135113A

JP2009135113A - 平板型固体酸化物形燃料電池のスタック構造

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Publication number: JP2009135113A
Application number: JP2009062740A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Sugita; 敏杉田; So Arai; 創荒井; Masayasu Arakawa; 正泰荒川; Shinko Ogusu; 真弘小楠; Koichi Kawasaki; 公一川崎; Shinji Saito; 慎二斎藤; Takashi Kayamoto; 隆司茅本
Original assignee: NHK Spring Co Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NHK Spring Co Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2009-03-16
Publication date: 2009-06-18
Anticipated expiration: 2025-07-19
Also published as: JP4418013B2

Abstract

【課題】電極の全面に対してガスを略均等に分配して供給することができ、発電効率を向上させることができる平板型固体酸化物形燃料電池のスタック構造を提供する。
【解決手段】平板型の単セル２とセパレータ３を交互に複数枚積層して一体的に結合すると共に電気的に接続することによりスタック１を形成する。セパレータ３は、積層されたセンタープレート１０、燃料極側プレート１１および空気極側プレート１２で構成されている。センタープレート１０の表面に燃料ガス供給流路１７を設け、燃料極側プレート１１に前記燃料ガス供給流路１７にそれぞれ連通する複数個の燃料ガス噴射用貫通孔４５を設ける。センタープレート１０の裏面に酸化剤ガス供給流路３１を設け、空気極側プレート１２に前記酸化剤ガス供給流路３１にそれぞれ連通する複数個の酸化剤ガス噴射用貫通孔５２を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、平板型の固体酸化物からなる電解質層を備えた平板型固体酸化物形燃料電池のスタック構造に関し、特に単セルとともに交互に積層されるセパレータの構造の改良に関するものである。

平板型固体酸化物形燃料電池（SOFC:Solid Oxide Fuel Cell）は、平板型の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された空気極および燃料極とからなる平板型の単セルと、セパレータとを交互に複数枚積層して電気的に直列に接続することによりスタックを構成し、前記セパレータを介して燃料極に燃料ガスを給排気し、空気極に酸化剤ガスを給排気することにより発電を行なうようにした燃料電池である。この固体酸化物形燃料電池は、他の燃料電池に比べて発電効率が高く、また作動温度が高い（７００℃〜１０００℃）ため高温の熱を利用することができるという利点を有している。

複数の単セルとセパレータを積層してスタック化する際に、単セルどうしを電気的に接続し、かつセルの燃料極に燃料を、空気極に酸化剤ガスを供給する機能を担うセパレータには、通常単セルどうしの電気的な接続を損なわずに効率よく酸化剤ガスと燃料ガスを空気極と燃料極に供給するために、セルと対向する面に形成されたガス流路を備えている。この場合、ガス流路の形状、供給流路、排出流路の形成位置等によってガスの濃度勾配が発生すると、ガスを空気極と燃料極の全面に対して均一に分配して供給することができず、セルの面内での発電特性が不均一になる。この不均一により、セルの最良の出力が得られなくなるばかりか、セル面内の温度の分布にむらができ、高温部ではセルが劣化したり破損し、低温部では発電効率が低下するなどの問題が生じるため、最適なガス流路の設計が要求される。

このため従来は、セルとセパレータを重ねたものの特定の側面に、セパレータの流路の開口部を設けておき、その開口部を覆うようにガス供給のためのマニホールドを設けてセパレータの外縁部の流路の開口部を通じてセルにガスを供給するものや、セパレータのガス流路の一部に１個もしくはたかだか１０個程度のガスの流入孔を設けておき、ガスをセルに供給するものがあった。

しかしながら、上記したような従来の平板型固体酸化物形燃料電池のセパレータにおいては、流路の開口部や流入孔に近いところではガスの濃度が高いのに比べ、ここから下流側に行くにしたがってガスの濃度が低下するため、結果として燃料電池セルの面内での出力に偏りが生じ、十分な電力を取り出すことが困難であった。

そこで、本発明者等はガス流路の最適設計について鋭意検討し、実験を行なった結果、従来の通路によってガスを供給、分配する方式に代えて小孔によってガスをシャワー状に供給すると、ガスの濃度分布にむらが発生せず、電極の表面全体に略均等に分配して供給することができることを見出した。

具体的には、セルとセパレータとの間に形成した空間全体にガスを均等に分配するためのガス流路と発電に使われたガス（廃ガス）を回収するための排気ガス用の流路とを独立にセパレータのセルと対向する面に設け、この流路をガス供給用の貫通孔および排気ガス用の貫通孔をそれぞれ複数個設けたプレートで覆い、これらの貫通孔よりセルの燃料極と空気極に対して燃料ガスと酸化剤ガスをシャワー状に供給することにより、ガス濃度の分布のむらを最小限に留め、最大の出力を取り出すようにしたものである。

本発明は上記したような従来の問題および検討結果に基づいてなされたもので、その目的とするところは、電極の全面に対してガスを略均等に分配して供給することができ、発電効率を向上させることができる平板型固体酸化物形燃料電池のスタック構造を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、平板型固体酸化物からなる電解質層の表裏面に空気極と燃料極が形成された平板型の単セルとセパレータを交互に複数枚積層し、前記セパレータを介して前記燃料極に燃料ガスを給排気し、前記空気極に酸化剤ガスを給排気する平板型固体酸化物形燃料電池のスタック構造において、前記セパレータを、センタープレートと、このセンタープレートの表裏面にそれぞれ配設された燃料極側プレートおよび空気極側プレートとで構成し、前記センタープレートの一方の面に少なくとも燃料ガスが供給される燃料ガス供給流路と、この燃料ガス供給流路に連通する燃料ガス供給通路を形成し、他方の面に少なくとも酸化剤ガスが供給される酸化剤ガス供給流路と、この酸化剤ガス供給流路に連通する酸化剤ガス供給通路を形成し、前記燃料極側プレートに前記センタープレートの燃料ガス供給流路にそれぞれ連通する複数個の燃料ガス噴射用貫通孔を形成するとともに、前記センタープレートとは反対側の面に前記燃料ガス噴射用貫通孔に連通する燃料ガス給排気用溝と、この燃料極側プレートに相対するセルの燃料極に接触する複数個の突起とを形成し、前記空気極側プレートに前記センタープレートの酸化剤ガス供給流路にそれぞれ連通する複数個の酸化剤ガス噴射用貫通孔を形成するとともに、前記センタープレートとは反対側の面に前記酸化剤ガス噴射用貫通孔に連通する酸化剤ガス給排気用溝と、この空気極側プレートに相対するセルの空気極に接触する複数個の突起とを形成したものである。

また、本発明は、スタックを積層する際のセパレータ間の隙間によって、燃料ガスおよび酸化剤ガスの排気用流路を構成したものである。

また、本発明は、前記センタープレートの燃料ガス供給流路の設けられた面に、前記燃料ガス供給流路とは仕切壁によって仕切られた燃料ガス排出流路と、この燃料ガス排出流路に連通する燃料ガス排出通路をさらに形成し、前記燃料極側プレートに前記燃料ガス排出流路と前記燃料ガス給排気用溝に連通する複数個の燃料ガス排気用貫通孔を形成し、さらに、スタックを積層する際のセパレータ間の隙間によって酸化剤ガスの排気用流路を構成したものである。

また、本発明は、前記センタープレートの燃料ガス供給流路の設けられた面に、前記燃料ガス供給流路とは仕切壁によって仕切られた燃料ガス排出流路と、この燃料ガス排出流路に連通する燃料ガス排出通路を形成し、前記燃料極側プレートに前記燃料ガス排出流路と前記燃料ガス給排気用溝に連通する複数個の燃料ガス排気用貫通孔を形成し、前記センタープレートの酸化剤ガス供給流路の設けられた面に、前記酸化剤ガス供給流路とは仕切壁によって仕切られた酸化剤ガス排出流路と、この酸化剤ガス排出流路に連通する酸化剤ガス排出通路をさらに形成し、前記空気極側プレートに前記酸化剤ガス排出流路と前記酸化剤ガス給排気用溝に連通する複数個の酸化剤ガス排気用貫通孔を形成したものである。

また、本発明は、前記センタープレートの燃料ガス供給流路と燃料ガス排出流路とを仕切る仕切壁は、センタープレートの中心を通る仮想線を挟んで左右対称的な蛇行状に形成されていて、両端が前記燃料ガス供給流路と燃料ガス排出流路の流路壁にそれぞれ接続されているものである。

また、本発明は、前記センタープレートの酸化剤ガス供給流路と酸化剤ガス排出流路とを仕切る仕切壁は、センタープレートの中心を通る仮想線を挟んで左右対称的な蛇行状に形成されていて、両端が前記酸化剤ガス供給流路と酸化剤ガス排出流路の流路壁にそれぞれ接続されているものである。

また、本発明は、前記センタープレートの燃料ガス供給流路と燃料ガス排出流路を仕切る仕切壁と、センタープレートの酸化剤ガス供給流路と酸化剤ガス排出流路とを仕切る仕切壁とは、互いに重なり合うように形成されているものである。

さらに、本発明は、前記燃料極側プレートの燃料ガス噴射用貫通孔と、燃料ガス給排気用溝および燃料極に接触する突起と、前記空気極側プレートの酸化剤ガス噴射用貫通孔と、酸化剤ガス給排気用溝および空気極に接触する突起とは、それぞれ互いに重なり合うように形成されているものである。

本発明によるスタック構造によれば、複数個の燃料ガス噴射用貫通孔から燃料ガスを燃料極に向けてシャワー状に噴射するので、燃料ガスの濃度分布にむらが生じず、燃料極の表面に対して燃料ガスを略均一に分配して供給することができる。

また、複数個の酸化剤ガス噴射用貫通孔から酸化剤ガスを空気極に向けてシャワー状に噴射するので、酸化剤ガスの濃度分布にもむらが生じず、空気極の表面に対して酸化剤ガスを略均一に分配して供給することができる。したがって、セルの耐久性および発電性能を向上させることができる。

また、セパレータ間の隙間によって酸化剤ガスの排気用流路や燃料ガスの排気用流路を形成したスタック構造においては、プレートの製作が容易で、製造コストを低減することができる。

さらに、センタープレートの燃料ガス供給流路と燃料ガス排出流路を仕切る仕切壁と、センタープレートの酸化剤ガス供給流路と酸化剤ガス排出流路とを仕切る仕切壁を互いに重なり合うように形成し、燃料極側プレートの燃料ガス噴射用貫通孔と、燃料ガス給排気用溝および燃料極に接触する複数個の突起と、空気極側プレートの酸化剤ガス噴射用貫通孔と、酸化剤ガス給排気用溝および空気極に接触する突起をそれぞれ互いに重なり合うように形成したスタック構造においては、電気抵抗を小さくすることができ、より一層発電性能を向上させることができる。

本発明に係る平板型固体酸化物形燃料電池のスタック構造の一実施の形態を示す断面図である。単セルの断面図である。（ａ）、（ｂ）はセンタープレートの平面図および断面図である。同センタープレートの底面図である。（ａ）、（ｂ）は燃料極側プレートの平面図および断面図である。（ａ）、（ｂ）は空気極側プレートの底面図および断面図である。センタープレートの他の実施の形態を示す底面図および断面図である。空気極側プレートの他の実施の形態を示す底面図および断面図である。

以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１において、参照符号１で示す平板型固体酸化物形燃料電池のスタック構造は、平板型の単セル２とセパレータ３を交互に複数枚積層して一体的に結合すると共に電気的に接続することにより形成されている。なお、図１は、３枚の単セル２とセパレータ３を交互に積層した状態を示している。

図２において、単セル２は、燃料極７と、この燃料極７の上に積層形成された電解質層５および空気極６とからなり、これらによって燃料極支持型の単セルを構成している。

電解質層５の材質としては、電子を通さず、酸素イオンの導伝特性が高いセラミックス材料、例えば酸化スカンジウム（Ｓｃ₂Ｏ₃）および酸化アルミ（Ａｌ₂Ｏ₃）安定化ＺｒＯ₂ （ＳＡＳＺ）やイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などのジルコニア材料が用いられる。

空気極６の材質としては、高温酸化雰囲気下で安定で、触媒能が高く、かつ高い電子導電性を有する酸化物あるいは金属、例えば銀（Ａｇ）や白金（Ｐｔ）、電気伝導性酸化物であるストロンチウム添加ランタンマンガナイト（Ｌａ，Ｓｒ）ＭｎＯ₃ ，ＬＳＭ）やランタンニッケル鉄酸化物（Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ₃ ，ＬＮＦ）などの材料が用いられる。

燃料極７としては、電子導電性を有する酸化物あるいは貴金属、例えばニッケル（Ｎｉ）−ＹＳＺサーメット、Ｐｔ等の材料が用いられる。

再び図１において、前記セパレータ３は、センタープレート１０と、このセンタープレート１０の２つの主面のうちの一方の主面（以下、表面という）１５側に配設された燃料極側プレート１１と、センタープレート１０の他方の主面（以下、裏面という）１６側に配設された空気極側プレート１２とで構成されている。

センタープレート１０は、ＳＵＳ４３０等のフェライト系ステンレスによって円板状に形成され、その表面１５側には図３（ａ）に示すように燃料ガスＧ１が供給される燃料ガス供給流路１７と、発電に使われた燃料ガスＧ₁ の排ガスＧ₁ ^'を排出する流路（以下、燃料ガス排出流路という）１８と、燃料ガス供給流路１７に連通する燃料ガス供給通路２０と、前記燃料ガス排出流路１８に連通し前記排ガスＧ₁ ’を排出する通路（以下、燃料ガス排出通路という）２１と、燃料ガス供給流路１７と燃料ガス排出流路１８を仕切る仕切壁１９および凹陥部２３が形成されている。

前記凹陥部２３は、センタープレート１０の表面中央部に形成された円形の凹部からなり、内部に前記燃料ガス供給流路１７、燃料ガス排出流路１８および仕切壁１９が形成されている。仕切壁１９は、センタープレート１０の表面側の中心Ｏ₁ を通る仮想線２４を挟んで対称的な蛇行状（櫛歯状）に形成されることにより、両端１９ａ，１９ｂが前記燃料ガス供給流路１７と燃料ガス排出流路１８の流路壁を構成する凹陥部２３の内壁にそれぞれ接続されている。このため、仕切壁１９は、仮想線２４と直交する複数の直線壁１９ｃと、隣り合う２つの直線壁１９ｃ，１９ｃの端部を連結する円弧壁１９ｄとで構成されている。また、各直線壁１９ｃは、凹陥部２３の内壁付近にまで延在することにより、平面視の輪郭形状が円形で、センタープレート１０の中央において最も長く、仕切壁１９の両端１９ａ，１９ｂに至るにしたがって短くなっている。

燃料ガス供給通路２０と燃料ガス排出通路２１は、センタープレート１０の表面外周部にそれぞれ形成された溝で構成されている。燃料ガス供給通路２０の一端２０ａは、センタープレート１０の外周面に開放し、他端は凹陥部２３の内壁に開口して燃料ガス供給流路１７に連通している。また、この燃料ガス供給通路２０の他端２０ｂは、センタープレート１０の中央に位置する２本の直線部１９ｃ，１９ｃの端部を連結する円弧壁１９ｄと対向している。

燃料ガス排出通路２１の一端２１ａは、同じくセンタープレート１０の外周面に開放し、他端２１ｂは、前記燃料ガス供給通路２０の他端開口部２０ｂと仕切壁１９を挟んで対向するように凹陥部２３の内壁に開口している。

図４において、センタープレート１０の裏面１６側には酸化剤ガスＧ₂ が供給される２つの酸化剤ガス供給流路３１，３２と、これらの酸化剤ガス供給流路３１，３２に連通する酸化剤ガス供給通路３３と、２つの酸化剤ガス供給流路３１，３２を仕切る仕切壁３５および凹陥部３７が形成されている。

前記凹陥部３７は、センタープレート１０の裏面中央部に形成された円形の凹部からなり、内部に前記酸化剤ガス供給流路３１，３２と仕切壁３５が形成されている。

前記仕切壁３５は、センタープレート１０の裏面側の中心Ｏ₂ を通る仮想線３８を挟んで左右対称的な蛇行状（櫛歯状）に形成されることにより、両端３５ａ，３５ｂが前記酸化剤ガス供給流路３１，３２の流路壁を構成する凹陥部３７の内壁にそれぞれ接続されている。また、仕切壁３５は、図３に示した表面１５側の仕切壁１９と全く同一形状で、かつ重なり合うように形成されている。

ここで、図１および図４においては、センタープレート１０の裏面１６側に酸化剤ガス供給流路３１，３２と酸化剤ガス供給通路３３のみを設け、酸化剤ガスＧ₂ の排ガスを排気する流路３４（図１）をセル２とセパレータ３を交互に積層した際にできるセパレータ間の隙間によって構成しセンタープレート１０の外周に開放させた例を示している。このため、センタープレート１０の裏面１６側には溝等からなる格別な酸化剤ガス排出用の流路と通路を設ける必要がなく、センタープレート１０の製作を容易にする。

これに対して、酸化剤ガスＧ₂ の排ガスＧ₂ ^'を排気する酸化剤ガス排出流路と酸化剤ガス排出通路をセンタープレート１０に設ける場合は、図７に示すようにセンタープレート１０の裏面１６の中央部に凹陥部３７と、この凹陥部３７内に仕切壁３５によって仕切られた酸化剤ガス供給流路３１Ｂと酸化剤ガス排出流路３４とを形成し、裏面１６の外周縁部に前記酸化剤ガス供給流路３１Ｂに連通する酸化剤ガス供給通路３３と、前記酸化剤ガス排出流路３４に連通する酸化剤ガス排出通路３６を形成すればよい。このとき、酸化剤ガス供給流路３１Ｂ、酸化剤ガス排出流路３４、酸化剤ガス供給通路３３、酸化剤ガス排出通路３６および仕切壁３５は、図３に示した酸化剤ガス供給流路１７、酸化剤ガス排出流路１８、酸化剤ガス供給通路２０、酸化剤ガス排出通路２１および仕切壁１９と、互いに重なり合うように鏡面対称に形成されることが好ましい。

再び図４において、前記酸化剤ガス供給通路３３は、センタープレート１０の裏面１６の外周部に形成された溝で構成されている。この酸化剤ガス供給通路３３は、一端３３ａがセンタープレート１０の外周面に開放し、他端側が左右２つに分岐されることによりそれぞれ凹陥部３７を取り囲む略１／４円弧状の分路通路３３Ａ，３３Ｂを形成しており、その内端３３ｂ，３３ｃが凹陥部３７の内壁にセンタープレート１０の中心Ｏ₂ を挟んで互いに対向する位置に開口している。このため、図４において、下側の分岐通路３３Ａの内端３３ｂは一方の酸化剤ガス供給流路３１に連通し、上側の分岐通路３３Ｂの内端３３ｃは他方の酸化剤ガス供給流路３２に連通している。

図５において、前記燃料極側プレート１１は、同じくＳＵＳ４３０等のフェライト系ステンレスによって円板状に形成され、センタープレート１０の表面１５にろう付け等によって接合されている。燃料極側プレート１１のセンタープレート１０とは反対側の面（以下、表面という）４０の中央には円形の凹陥部４２が形成され、センタープレート１０に接触する面（以下、裏面という）４１は全面にわたって平坦面に形成されている。凹陥部４２は、センタープレート１０の凹陥部２３，３７と略同一の大きさで燃料ガス給排気用溝を形成している。凹陥部４２の内底面には、センタープレート１０の燃料ガス供給流路１７にそれぞれ連通する複数個の燃料ガス噴射用貫通孔４５と、燃料ガス排出流路１８にそれぞれ連通する複数個の燃料ガス排気用貫通孔４６と、セル２の燃料極７が接触する複数個の突起４７が形成されている。燃料ガス噴射用貫通孔４５と燃料ガス排気用貫通孔４６は、凹陥部４２の底面を貫通する小孔によってそれぞれ形成されている。

図６において、前記空気極側プレート１２は、同じくＳＵＳ４３０等のフェライト系ステンレスによってセンタープレート１０側の面（以下、表面という）５０が全面にわたって平坦な円板状に形成され、中央にセンタープレート１０の酸化剤ガス供給流路３１，３２にそれぞれ連通する複数個の酸化剤ガス噴射用貫通孔５２が形成されている。これらの酸化剤ガス噴射用貫通孔５２は、空気極側プレート１２を貫通する小孔によってそれぞれ形成されている。一方、空気極プレート１２のセンタープレート１０側とは反対側の面（以下、裏面という）５１には、複数個の突起５４が一体に突設されており、その先端面が下方に位置するセル２の空気極６の表面に接触している。空気極側プレート１２の裏面で突起５４間の隙間は、酸化剤ガス噴射用貫通孔５２どうしを連通する溝を形成し、セパレータ３間の隙間で構成される前記酸化剤ガス排気用流路３４（図１）に連通している。なお、酸化剤ガス噴射用貫通孔５２の下端側開口部は、突起５４間に開口している。

以上は図４に示すようにセンタープレート１０の裏面１６に格別な酸化剤ガス排出流路と排出通路を設けない場合の空気極側プレート１２の説明であるが、図７に示すようにセンタープレート１０の裏面側に酸化剤ガス供給流路３１Ｂと酸化剤ガス排出流路３４を共に設ける場合であっても、空気極側プレート１２の基本的な構成は同じである。すなわち、図８において、空気極側プレート１２の表面５０の中央にはセンタープレート１０の酸化剤ガス供給流路３１Ｂにそれぞれ連通する複数個の酸化剤ガス噴射用貫通孔５２が裏面５１側に貫通して形成され、裏面５１側には酸化剤ガス排出流路３４にそれぞれ連通する複数個の酸化剤ガス排気用貫通孔５３が形成されるとともに、複数個の突起５４が一体に突設されており、この突起５４の隙間が酸化剤ガス噴射用貫通孔５２と燃料ガス排気用貫通孔５３に連通する酸化剤ガス排気用溝５５を形成している。

このような空気極側プレート１２は、燃料極側プレート１１と略同一に形成されている。このため、空気極側プレート１２の酸化剤ガス噴射用貫通孔５２と、酸化剤ガス排気用貫通孔５３と、酸化剤ガス給排気用溝５５および突起５４は、燃料極側プレート１１の燃料ガス噴射用貫通孔４５と、燃料ガス排気用貫通孔４６と、燃料ガス給排気用溝４２および突起４７とそれぞれ一致し互いに重なり合うように形成されている。

このような構造からなる平板型固体酸化物形燃料電池のスタック構造１において、燃料ガスＧ₁ は、センタープレート１０の燃料ガス供給通路２０−燃料ガス供給流路１７−燃料極側プレート１１の燃料ガス噴射用貫通孔４５を通って燃料ガス給排気用溝４２に供給される。燃料ガス噴射用貫通孔４５は小孔で形成されているため、燃料ガスＧ₁ が通過するときこの燃料ガスＧ₁ を燃料ガス給排気用溝４２にシャワー状に噴射する。このため、燃料ガスＧ₁ は燃料極７の表面全体にわたって略均一な濃度分布をもってシャワー状に噴射される。

一方、酸化剤ガスＧ₂ は、センタープレート１０の酸化剤ガス供給通路３３−酸化剤ガス供給流路３１，３２−空気極側プレート１２の酸化剤ガス噴射用貫通孔５２を通って酸化剤ガス給排気用溝５５に供給される。酸化剤ガス噴射用貫通孔５２は小孔で形成されているため、酸化剤ガスＧ₂ が通過するときこの酸化剤ガスＧ₂ を酸化剤ガス給排気用溝５５にシャワー状に噴射する。このため、酸化剤ガスＧ₂ は空気極６の表面全体にわたって略均一な濃度分布をもってシャワー状に噴射される。

このように、単セル２においては、空気極６と燃料極７との雰囲気が電解質層５を介して隔離されており、セパレータ３を介して燃料極７には水素と一酸化炭素が燃料ガスＧ₁ として供給され、空気極６には酸化剤ガスＧ₂ がそれぞれ供給されるものである。

電解質層５と空気極６の界面では、電極反応に寄与する三層界面が形成されており、酸化剤ガスＧ₂ がセパレータ３を通って供給されると、下記（１）式に示す空気極反応により酸化剤ガスＧ₂ 中の酸素と電子が反応して酸素イオンに変わる。そして、この空気極６で生成した酸素イオンは、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などの電解質層５の内部を移動して燃料極７に到達する。

（空気極反応）
１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｏ^2- ・・・（１）

燃料極７では、Ｎｉ−ＹＳＺサーメット、Ｐｔ等から形成された燃料極７の働きで、空気極６から電解質層５の内部を通って移動してきた酸素イオンが下記（２）式および（３）式に示す燃料極反応により燃料極７に供給された水素および一酸化炭素と反応し、水蒸気または二酸化炭素と電子が生成する。そして、燃料極７で生成した電子は、外部回路を移動し、空気極６に到達する。空気極６に到達した電子は、空気極反応により酸素と反応する。この電子が外部回路を移動する過程で、電気エネルギーを出力として取り出すことができる。

（燃料極反応）
Ｈ₂ ＋Ｏ^2- →Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^- ・・・（２）
ＣＯ＋Ｏ^2- →ＣＯ₂＋２ｅ^- ・・・（３）

燃料極反応によって生成された燃料ガス給排気用溝４２内の排ガスＧ₁ ^'は、燃料ガス排気用貫通孔４６−センタープレート１０の燃料ガス排出流路１８−燃料ガス排出通路２１を通って燃料ガス排気用マニホールド（図示せず）に排出される。

一方、空気極反応によって生成された酸化剤ガス給排気用溝５５内の排ガスＧ₂ ^'は、酸化剤ガス排気用貫通孔５３−セパレータ間の隙間である酸化剤ガス排気用流路３４を通ってスタック１の外部へ排出される。

このように本発明においては、燃料ガスＧ₁ と酸化剤ガスＧ₂ をセル２の燃料極７と空気極６に対してノズル状の燃料ガス噴射用貫通孔４５と酸化剤噴射用貫通孔５２によってシャワー状に噴射して供給するように構成したので、燃料極７と空気極６の表面全体に燃料ガスＧ₁ と酸化剤ガスＧ₂ を略均一に分配して供給することができる。このため、ガスの濃度分布にむらが生じず、空気極６と燃料極７の温度を全面にわたって略均一に維持することができ、セル２の耐久性および発電性能を向上させることができる。

また、本発明においては、センタープレート１０の表裏面に設けた凹陥部２３，３７内に仕切壁１９，３５を互いに重なり合うように同一位置にそれぞれ突設し、燃料極側プレート１１の突起４７と空気極側プレート１２の突起５４を同じくセンタープレート１０を挟んで互いに重なり合うように同一位置に形成したので、セパレータ３の電気抵抗を小さくすることができ、一層発電性能を向上させることができる。

なお、上記した実施の形態では燃料極支持型の単セル２を用いた例を示したが、本発明はこれに何ら特定されるものではなく、電解質支持型または空気極支持型の単セルにも適用することができる。

また、上記した実施の形態では、センタープレート１０に燃料ガス排出流路１８を設けた例を示したが、空気極側プレート１２と同じように燃料ガス排出流路を設けないようにすることができる。

さらに、酸化剤ガス排出流路と燃料ガス排出流路を設けないようにすることも可能である。特に、電解質支持型のセルを用いた場合は、酸化剤ガス排出流路と燃料ガス排出通路をともに設けないようにすることができ、製造コストの一層の低減と信頼性の確保に効果がある。

１…スタック、２…単セル、３…セパレータ、５…電解質層、６…空気極、７…燃料極、１０…センタープレート、１１…燃料極側プレート、１２…空気極側プレート、１７…燃料ガス供給通路、１８…燃料ガス排出流路、２０…燃料ガス供給通路、２１…燃料ガス排出通路、３１，３１Ｂ，３２…酸化剤ガス供給流路、３３，３３Ａ，３３Ｂ……酸化剤ガス供給通路、３４…酸化剤ガス排気用流路、４２…燃料ガス給排気用溝、４５…燃料ガス噴射用貫通孔、４６…燃料ガス排気用貫通孔、５２…酸化剤ガス噴射用貫通孔、５３…酸化剤ガス排気用貫通孔、５５…酸化剤ガス給排気用溝、Ｇ₁ …燃料ガス、Ｇ₂ …酸化剤ガス。

Claims

平板型固体酸化物からなる電解質層の表裏面に空気極と燃料極が形成された平板型の単セルとセパレータを交互に複数枚積層し、前記セパレータを介して前記燃料極に燃料ガスを給排気し、前記空気極に酸化剤ガスを給排気する平板型固体酸化物形燃料電池のスタック構造において、
前記セパレータを、センタープレートと、このセンタープレートの表裏面にそれぞれ配設された燃料極側プレートおよび空気極側プレートとで構成し、
前記センタープレートの一方の面に少なくとも燃料ガスが供給される燃料ガス供給流路と、この燃料ガス供給流路に連通する燃料ガス供給通路を形成し、他方の面に少なくとも酸化剤ガスが供給される酸化剤ガス供給流路と、この酸化剤ガス供給流路に連通する酸化剤ガス供給通路を形成し、
前記燃料極側プレートに前記センタープレートの燃料ガス供給流路にそれぞれ連通する複数個の燃料ガス噴射用貫通孔を形成するとともに、前記センタープレートとは反対側の面に前記燃料ガス噴射用貫通孔に連通する燃料ガス給排気用溝と、この燃料極側プレートに相対するセルの燃料極に接触する複数個の突起とを形成し、
前記空気極側プレートに前記センタープレートの酸化剤ガス供給流路にそれぞれ連通する複数個の酸化剤ガス噴射用貫通孔を形成するとともに、前記センタープレートとは反対側の面に前記酸化剤ガス噴射用貫通孔に連通する酸化剤ガス給排気用溝と、この空気極側プレートに相対するセルの空気極に接触する複数個の突起とを形成したことを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
請求項１記載の平板型固体酸化物形燃料電池のスタック構造において、
スタックを積層する際のセパレータ間の隙間によって、燃料ガスおよび酸化剤ガスの排気用流路を構成したことを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
請求項１記載の平板型固体酸化物形燃料電池のスタック構造において、
前記センタープレートの燃料ガス供給流路の設けられた面に、前記燃料ガス供給流路とは仕切壁によって仕切られた燃料ガス排出流路と、この燃料ガス排出流路に連通する燃料ガス排出通路をさらに形成し、
前記燃料極側プレートに前記燃料ガス排出流路と前記燃料ガス給排気用溝に連通する複数個の燃料ガス排気用貫通孔を形成し、
さらに、スタックを積層する際のセパレータ間の隙間によって酸化剤ガスの排気用流路を構成したことを構成したことを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
請求項１記載の平板型固体酸化物形燃料電池のスタック構造において、
前記センタープレートの燃料ガス供給流路の設けられた面に、前記燃料ガス供給流路とは仕切壁によって仕切られた燃料ガス排出流路と、この燃料ガス排出流路に連通する燃料ガス排出通路を形成し、
前記燃料極側プレートに前記燃料ガス排出流路と前記燃料ガス給排気用溝に連通する複数個の燃料ガス排気用貫通孔を形成し、
前記センタープレートの酸化剤ガス供給流路の設けられた面に、前記酸化剤ガス供給流路とは仕切壁によって仕切られた酸化剤ガス排出流路と、この酸化剤ガス排出流路に連通する酸化剤ガス排出通路をさらに形成し、
前記空気極側プレートに前記酸化剤ガス排出流路と前記酸化剤ガス給排気用溝に連通する複数個の酸化剤ガス排気用貫通孔を形成したことを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
請求項３または４記載の平板型固体酸化物形燃料電池のスタック構造において、
前記センタープレートの燃料ガス供給流路と燃料ガス排出流路とを仕切る仕切壁は、センタープレートの中心を通る仮想線を挟んで左右対称的な蛇行状に形成されていて、両端が前記燃料ガス供給流路と燃料ガス排出流路の流路壁にそれぞれ接続されていることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
請求項４記載の平板型固体酸化物形燃料電池のスタック構造において、
前記センタープレートの酸化剤ガス供給流路と酸化剤ガス排出流路とを仕切る仕切壁は、センタープレートの中心を通る仮想線を挟んで左右対称的な蛇行状に形成されていて、両端が前記酸化剤ガス供給流路と酸化剤ガス排出流路の流路壁にそれぞれ接続されていることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
請求項４記載の平板型固体酸化物形燃料電池のスタック構造において、
前記センタープレートの燃料ガス供給流路と燃料ガス排出流路を仕切る仕切壁と、センタープレートの酸化剤ガス供給流路と酸化剤ガス排出流路とを仕切る仕切壁とは、互いに重なり合うように形成されていることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池のスタック構造。
請求項１〜７のうちのいずれか１つに記載の平板型固体酸化物形燃料電池のスタック構造において、
前記燃料極側プレートの燃料ガス噴射用貫通孔と、燃料ガス給排気用溝および燃料極に接触する突起と、前記空気極側プレートの酸化剤ガス噴射用貫通孔と、酸化剤ガス給排気用溝および空気極に接触する突起とは、それぞれ互いに重なり合うように形成されていることを特徴とする平板型固体酸化物形燃料電池のスタック構造。