JP2009283237A - 燃料電池セル、及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数個組み込んで燃料電池モジュール或いは燃料電池とした場合に構造的な燃料偏流の発生を低減することができる燃料電池セルを提供すること。
【解決手段】 この燃料電池セルＦＣ１は、空気極支持体２０と、燃料極５０と、電解質部４０と、インターコネクタ部６０と、を備え、空気極支持体２０の内部には空気が流れる流路７０が形成されており、流路７０は、空気が流入する往路７１と、往路７１に流入した空気が折り返して流出する復路７２とを含み、流路７０に沿って延在し、空気極支持体２０を構成する材料よりも熱伝導性の高い材料によって形成されている熱交換部材３０を備える。
【選択図】図１

Description

本発明の態様は、一般に、燃料電池セル、及び燃料電池に関する。

従来、このような燃料電池セルは、電解質を挟んで空気極と燃料極を配置すべく様々な態様のものが提案されている。一つの態様は、下記特許文献１の図４等に示されているように、有底円筒状のものとして形成されている燃料電池セルである。この燃料電池セルは、空気極支持体の外側に電解質層が形成され、その電解質層に重ねて燃料極層が形成され、空気極支持体に接続されるようにインターコネクタが形成されている。有底円筒状の空気極支持体の内部には空気導入管が挿入され、この空気導入管を介して空気が導入される。また別の態様は、下記特許文献２に示されるように、空気流路又は燃料ガス流路を折り返すように形成した燃料電池セルである。この燃料電池セルの場合、流路の一端から空気又は燃料ガスを流入させ、流路の他端から流出させている。
特開２００６−６６３８７号公報 特開２００６−２１６４０８号公報

ところで、いかなる態様の燃料電池セルを採用する場合であっても、燃料電池セルを複数個電気的に接続しハウジング内に収めて燃料電池モジュール或いは燃料電池とする場合には、燃料電池セルが延びる方向と、これと直交する方向と、における偏熱の課題が生じる。具体的には、複数個の燃料電池セルを組み込んだ燃料電池を形成すると、前者の偏熱は燃料電池セルの端の部分における温度よりも中央の部分の温度が上昇し、後者の偏熱は外側の部分における温度よりも内側の部分における温度が上昇してしまう。このような偏熱状態となると、燃料電池セルの温度に依存する材料抵抗の不均一、内側における燃料ガス又は空気の濃度低下、などにより発電性能の低下を生じる。

そこで、本発明では、複数個組み込んで燃料電池モジュール或いは燃料電池とした場合に構造的なガス偏流の発生を低減することができる燃料電池セル及びその燃料電池セルによって構成される燃料電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池セルは、燃料ガス及び酸化剤ガスの一方を含む第１ガスと他方を含む第２ガスとによって作動する燃料電池セルであって、前記第１ガスに対応する第１電極と、前記第２ガスに対応する第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に配置される電解質部と、前記第１電極と電気的に接続されたインターコネクタ部と、前記第１電極、前記第２電極、前記電解質部、及び前記インターコネクタ部を支持するための支持体と、を備え、前記支持体の内部には前記第１ガスが流れる流路が形成されており、前記流路は、前記第１ガスが流入する往路と、前記往路に流入した前記第１ガスが折り返して流出する復路とを含み、前記流路に沿って延在し、前記支持体を構成する材料よりも熱伝導性の高い材料によって形成されている均熱部材を備えることを特徴とする。

本発明によれば、複数個組み込んで燃料電池モジュール或いは燃料電池とした場合に構造的な燃料電池の偏熱を低減することができる燃料電池セル及びその燃料電池セルによって構成される燃料電池を提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態を説明するのに先立って、本発明の作用効果について説明する。上記目的を達成するため、本発明者は様々な角度からガス偏流の低減について検討を重ねた。その結果、直接的にガス偏流を解決すべく燃料ガスや空気の流し方等に対策を施すのではなく、燃料電池セルの構造を工夫することで上記目的を達成することが可能であることを発見し、その知見に基づいて本発明を成し得たものである。

本発明に係る燃料電池セルは、燃料ガス及び酸化剤ガスの一方を含む第１ガスと他方を含む第２ガスとによって作動する燃料電池セルであって、前記第１ガスに対応する第１電極と、前記第２ガスに対応する第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に配置される電解質部と、前記第１電極と電気的に接続されたインターコネクタ部と、前記第１電極、前記第２電極、前記電解質部、及び前記インターコネクタ部を支持するための支持体と、を備え、前記支持体の内部には前記第１ガスが流れる流路が形成されており、前記流路は、前記第１ガスが流入する往路と、前記往路に流入した前記第１ガスが折り返して流出する復路とを含み、前記流路に沿って延在し、前記支持体を構成する材料よりも熱伝導性の高い材料によって形成されている均熱部材を備えることを特徴とする。

本発明の燃料電池セルのように、支持体の内部に第１ガスが流れる流路が形成され、その流路は、第１ガスが支持体内へと流入するための往路と、その往路によって支持体内へと流入した第１ガスが折り返して支持体外へと流出するための復路とを備えている場合、折り返す部分や往路への流入口部分や復路からの流出口部分の近傍において、第１ガスや第２ガスの温度が低下する。このような燃料電池セルが延在する方向における温度の不均一は、温度が低い部分における発電性能の低下をも引き起こしてしまう。そこで本発明では、支持体を構成する材料よりも熱伝導性の高い材料によって均熱部材を形成し、流路に沿って延在するように配置することで、第１ガスの温度が高い領域で受け取った熱を第１ガスの温度が低い領域まで伝熱している。その結果、支持体及び燃料電池セルの延在する方向における均熱化が図られ、燃料電池セルの温度に依存する材料抵抗の不均一性が抑制され、燃料電池セルの発電性能をその延在方向において均一化することができる。従って、燃料電池セル内外の第１ガス及び第２ガスの流れを安定的に保つことができ、この燃料電池セルを複数個組み込んで燃料電池モジュール或いは燃料電池を構成した場合にも実用的で安全かつ高効率な発電性能を得ることができる。

また、本発明に係る燃料電池セルでは、前記電解質部及び前記電解質部を挟んで形成される前記第１電極及び前記第２電極からなる第１反応部が前記支持体の外表面の一部に形成され、前記インターコネクタ部は、前記支持体の外表面であって前記第１反応部が形成されていない残部に形成され、前記支持体は導電性を有する材料によって形成されていることも好ましい。

このように、導電性材料によって支持体を形成する構成を採用し、電解質部、第１電極及び第２電極を含む反応部をまとめて支持体の外表面の一部に形成した場合であっても、上述したように、支持体及び燃料電池セルの延在する方向における均熱化が図られ、燃料電池セルの温度に依存する材料抵抗の不均一性が抑制され、燃料電池セルの発電性能をその延在方向において均一化することができる。また、インターコネクタ部を支持体の外表面に配置する構成としているため、支持体内部のみならずその部分にも均熱部材を配置することが可能なように構成されている。

また、本発明に係る燃料電池セルでは、燃料ガス及び酸化剤ガスの一方を含む第１ガスと他方を含む第２ガスとによって作動する燃料電池セルであって、前記第１ガスに対応する第１電極材料によって形成される電極支持体と、前記第２ガスに対応する第２電極と、前記電極支持体と前記第２電極との間に配置される電解質部と、前記電極支持体と電気的に接続されたインターコネクタ部と、を備え、前記電極支持体は、前記第２電極、前記電解質部、及び前記インターコネクタ部を支持し、前記電極支持体の内部には前記第１ガスが流れる流路が形成されており、前記流路は、第１ガスが流入する往路と、前記往路に流入した前記第１ガスが折り返して流出する復路とを含み、前記流路に沿って延在し、前記電極支持体を構成する材料よりも熱伝導性の高い材料によって形成されている均熱部材を備えることを特徴とする。

本発明の燃料電池セルのように、電極支持体の内部に第１ガスが流れる流路が形成され、その流路は、第１ガスが支持体内へと流入するための往路と、その往路によって支持体内へと流入した第１ガスが折り返して支持体外へと流出するための復路とを備えている場合、折り返す部分や往路への流入口部分や復路からの流出口部分の近傍において、第１ガスや第２ガスの温度が低下する。このような燃料電池セルが延在する方向における温度の不均一は、温度が低い部分における発電性能の低下をも引き起こしてしまう。そこで本発明では、電極支持体を構成する材料よりも熱伝導性の高い材料によって均熱部材を形成し、流路に沿って延在するように配置することで、第１ガスの温度が高い領域で受け取った熱を第１ガスの温度が低い領域まで伝熱している。その結果、電極支持体及び燃料電池セルの延在する方向における均熱化が図られ、燃料電池セルの温度に依存する材料抵抗の不均一性が抑制され、燃料電池セルの発電性能をその延在方向において均一化することができる。従って、燃料電池セル内外の第１ガス及び第２ガスの流れを安定的に保つことができ、この燃料電池セルを複数個組み込んで燃料電池モジュール或いは燃料電池を構成した場合にも実用的で安全かつ高効率な発電性能を得ることができる。

また、本発明に係る燃料電池セルでは、前記電解質部は前記電極支持体の外表面の一部に形成され、当該形成された電解質部に重ねて前記第２電極部が形成されることで第２反応部を形成しており、前記インターコネクタ部は、前記電極支持体の外表面であって前記電解質部が形成されていない残部に形成されることも好ましい。

このような構成を採用した場合であっても、上述したように、支持体及び燃料電池セルの延在する方向における均熱化が図られ、燃料電池セルの温度に依存する材料抵抗の不均一性が抑制され、燃料電池セルの発電性能をその延在方向において均一化することができる。また、インターコネクタ部を支持体の外表面に配置する構成としているため、電極支持体内部のみならずその部分にも均熱部材を配置することが可能なように構成されている。

また、本発明に係わる燃料電池セルでは、前記往路と前記復路との間に前記均熱部材が配置されていることも好ましい。

この好ましい態様では、往路と復路との間に均熱部材を配置しているので、均熱部材に直接第１ガスを接触させることができる。従って、第１ガスの温度が高い領域で受け取った熱を第１ガスの温度が低い領域まで伝熱する際の効率をより高めることができる。また、往路及び復路の一方において第１ガスの温度が低く、他方において温度が高い場合に、均熱部材を介して熱の授受を行うことができる。その結果、支持体及び燃料電池セルの延在する方向及びその方向に交わる方向における均熱化がより一層図られ、燃料電池セルの温度に依存する材料抵抗の不均一性がより効果的に抑制され、燃料電池セルの発電性能をその延在方向において均一化することができる。

また、本発明に係る燃料電池セルでは、前記第１反応部は前記往路に対応した位置に形成され、前記インターコネクタ部は前記復路に対応した位置に形成されていることも好ましい。

この好ましい態様では、第１反応部が往路に対応した位置に形成されているので、往路に流入した第１ガスは、反応部の熱を吸熱し均熱部材へと熱を放熱しながら折り返す部分へと進む。折り返して復路に入った第１ガスは、均熱部材から熱を吸熱し支持体へと熱を放熱しながら進む。従って、支持体及び燃料電池セルの延在する方向及びその方向に交わる方向における均熱化がより一層図られ、燃料電池セルの温度に依存する材料抵抗の不均一性がより効果的に抑制され、燃料電池セルの発電性能をその延在方向において均一化することができる。更に、支持体内に第１ガスが流入する部分に近い往路に対応した位置に第１反応部が形成されているので、例えば負荷変動等で何らかの条件変化が生じても、支持体内へと流入する第１ガスと均熱部材との熱の授受が早く効果的に伝熱できるので、反応部の温度変化に応答良く対応することができる。

また、本発明に係る燃料電池セルでは、前記第２反応部は前記往路に対応した位置に形成され、前記インターコネクタ部は前記復路に対応した位置に形成されていることも好ましい。

この好ましい態様では、第２反応部が往路に対応した位置に形成されているので、往路に流入した第１ガスは、反応部の熱を吸収し均熱部材へと熱を放熱しながら折り返す部分へと進む。折り返して復路に入った第１ガスは、均熱部材から熱を吸熱し支持体へと熱を放熱しながら進む。従って、電極支持体及び燃料電池セルの延在する方向及びその方向に交わる方向における均熱化がより一層図られ、燃料電池セルの温度に依存する材料抵抗の不均一性がより効果的に抑制され、燃料電池セルの発電性能をその延在方向において均一化することができる。更に、支持体内に第１ガスが流入する部分に近い往路に対応した位置に第１反応部が形成されているので、例えば負荷変動等で何らかの条件変化が生じても、支持体内へと流入する第１ガスと均熱部材との熱の授受が早く効果的に伝熱できるので、反応部の温度変化に応答良く対応することができる。

また、本発明に係わる燃料電池セルでは、前記インターコネクタ部は前記往路に対応した位置に形成され、前記第１反応部は前記復路に対応した位置に形成されていることも好ましい。

この好ましい態様では、インターコネクタ部が往路に対応した位置に形成されているので、往路に流入した第１ガスは、インターコネクタ部の熱を吸熱し均熱部材へと熱を放熱しながら折り返す部分へと進む。折り返して復路に入った第１ガスは、均熱部材から熱を吸熱し支持体へと熱を放熱しながら進む。従って、支持体及び燃料電池セルの延在する方向及びその方向に交わる方向における均熱化がより一層図られ、燃料電池セルの温度に依存する材料抵抗の不均一性がより効果的に抑制され、燃料電池セルの発電性能をその延在方向において均一化することができる。更に、支持体内に供給される第１ガスの温度が低い場合であっても、インターコネクタ部に対応する往路において熱が与えられるので、復路に対応する第１反応部においては十分な温度の第１ガスを供給することができる。このため、この燃料電池セルを用いて燃料電池を構成した場合には、第１ガスの予熱器容量を小さなものとすることができる。

また、本発明に係わる燃料電池セルでは、前記インターコネクタ部は前記往路に対応した位置に形成され、前記第２反応部は前記復路に対応した位置に形成されていることも好ましい。

この好ましい態様では、インターコネクタ部が往路に対応した位置に形成されているので、往路に流入した第１ガスは、インターコネクタ部の熱を吸熱し均熱部材へと熱を放熱しながら折り返す部分へと進む。折り返して復路に入った第１ガスは、均熱部材から熱を吸熱し電極支持体へと熱を放熱しながら進む。従って、電極支持体及び燃料電池セルの延在する方向及びその方向に交わる方向における均熱化がより一層図られ、燃料電池セルの温度に依存する材料抵抗の不均一性がより効果的に抑制され、燃料電池セルの発電性能をその延在方向において均一化することができる。更に、電極支持体内に供給される第１ガスの温度が低い場合であっても、インターコネクタ部に対応する往路において熱が与えられるので、復路に対応する第２反応部においては十分な温度の第１ガスを供給することができる。このため、この燃料電池セルを用いて燃料電池を構成した場合には、第１ガスの予熱器容量を小さなものとすることができる。

また、本発明に係る燃料電池セルでは、前記流路には、前記第１ガスの流速を低下させる滞留部が形成されていることも好ましい。この好ましい態様では、滞留部において第１ガスの流速が低下するので、その部分において第１ガスから均熱部材へと熱を効果的に伝熱させることができる。従って、例えば滞留部を活性の高い反応部の近傍に設けると、その反応部において発生する熱を均熱部材に効果的に伝熱することで局所的な反応活性の高まりを抑制することができる。また滞留部を第１ガスまたは第２ガスの流入口部分などの温度が比較的低い部位に設けると、その部位において反応部で発生する熱を均熱部材より効果的に授熱することで反応活性を高めることができる。

また、本発明に係る燃料電池セルでは、前記流路には、前記第１ガスの流速を低下させる滞留部が形成され、前記滞留部は、前記往路及び前記復路にそれぞれ第１滞留部及び第２滞留部として形成されており、前記第１滞留部と前記第２滞留部とは前記均熱部材を介して隣接していることも好ましい。

この好ましい態様では、第１ガスの温度が比較的低い状態の往路と、第１ガスの温度が比較的高い状態の復路とのそれぞれに、第１滞留部と第２滞留部とが形成されている。更に、第１滞留部と第２滞留部とは、均熱部材を介して隣接しているので、第１滞留部及び第２滞留部において流速が低下する第１ガスが相互に熱交換をすることができ、流路全体における均熱化が図れる。従って、支持体及び燃料電池セルの延在する方向及びその方向に交わる方向における均熱化がより一層図られ、燃料電池セルの温度に依存する材料抵抗の不均一性がより効果的に抑制され、燃料電池セルの発電性能をその延在方向において均一化することができる。

また、本発明に係る燃料電池セルを備える燃料電池では、上述したような作用効果を奏する燃料電池を提供することができる。

続いて、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１〜図６を参照しながら、本発明の第一実施形態に係る燃料電池セルＦＣ１について説明する。図１は、燃料電池セルＦＣ１の外形を説明するための斜視図である。図２は、図１のＡ―Ａ線を含むｘｚ平面における燃料電池セルＦＣ１の断面図である。図３は、図１のＢ―Ｂ線を含むｙｚ平面における燃料電池セルＦＣ１の断面図である。図４は、図１のＣ―Ｃ線を含むｙｚ平面における燃料電池セルＦＣ１の断面図である。図５は、図１のＤ―Ｄ線を含むｘｙ平面における燃料電池セルＦＣ１の断面図である。図６は、図１のＦ―Ｆ線を含むｘｙ平面における燃料電池セルＦＣ１の断面図である。

図１において、燃料電池セルＦＣ１の軸方向（燃料電池セルＦＣ１が延在する方向）をｙ方向とし、ｙ方向に直交する燃料電池セルＦＣ１の幅方向（後述する流路７０が連設される方向）をｘ方向とし、ｙ方向及びｘ方向の双方に直交する方向であって燃料電池セルＦＣ１の厚み方向をｚ方向としている。

図１に示すように、燃料電池セルＦＣ１は、直方体状を成すように形成されている。燃料電池セルＦＣ１は、ｘｙ平面を含む面であって図１においては天面として描かれている第一面１０１と、第一面１０１に対する裏面である第二面１０２と、第一面１０１と第二面１０２とを繋ぐ側面であってｙｚ平面を含む面である第三面１０３及び第四面１０４と、第一面１０１と第二面１０２とを繋ぐ端面であってｘｚ平面を含む面である第五面１０５及び第六面１０６と、によって直方体状を成すように形成されている。第五面１０５は、流路７０が開口されている端面である開口端として形成され、第六面１０６は、流路７０が封止されている端面である封止端として形成されている。

燃料電池セルＦＣ１は、空気極支持体２０（本発明における電極支持体に相当する）と、熱交換部材３０（本発明における均熱部材に相当する）と、電解質部４０と、燃料極５０（本発明における第２電極に相当する）と、インターコネクタ部６０と、流路７０とを備えている。

空気極支持体２０は、熱交換部材３０、電解質部４０、燃料極５０、及びインターコネクタ部６０を支持するための支持体であって、その内部には流路７０が形成されている。空気極支持体２０は、ペロブスカイト型酸化物からなる空気極材料によって形成されている。そのような空気極材料としては、例えばＬａＣｏＯ_３、ＬａＭｎＯ_３、ＬａＦｅＯ_３等であって、ＳｒやＣａ等をＬａサイトにドープしたもの、あるいはドープしないもの、又はそれらの複合材等が用いられる。

空気極支持体２０には、燃料電池セルＦＣ１の軸方向（燃料電池セルＦＣ１が延在する方向）であるｙ方向に沿って流路７０が形成されている。本実施形態の場合、流路７０はｙ方向と直交するｘ方向に４つ連なって形成されている。各流路７０は、第１ガスである空気（酸化剤ガス）が流入する往路７１と、流入した空気が流出するための復路７２とを含んでいる。往路７１及び復路７２は、開口端としての第五面１０５から、封止端としての第六面１０６に向けて空気極支持体２０の内部を刳り貫くように形成されている。往路７１及び復路７２は、熱交換部材３０によって仕切られることで分離形成されている。

このように、往路７１及び復路７２を含む流路７０は、空気極支持体２０内に軸方向であるｙ方向に沿った空洞を形成し、その空洞内に熱交換部材３０を配置することで形成されている。空気極支持体２０内にｙ方向に沿った空洞を形成するにあたっては、一体的にプレス成型等で形成してもよく、空気極支持体２０を二分割してそれぞれに半円形上の空洞用溝を形成してもよい。

熱交換部材３０は、上述したように、開口端としての第五面１０５から、封止端としての第六面１０６に向けて形成されている。図２に示すように、燃料電池セルＦＣ１の中ほどにおいても、第五面１０５に現れるのと同様の断面形態を成している。尚、熱交換部材３０は、往路７１及び復路７２を含む流路７０の近傍に沿って、流路７０が延在する方向に沿って配置されていればよく、その取りうる態様は図２に示すものに限られない。例えば、図１８に示すように、空気極支持体２０を第１空気極支持体２０３ａと第２空気極支持体２０３ｂとに分割し、第１空気極支持体２０３ａには復路７２を、第２空気極支持体２０３ｂには往路７１を形成した上で、復路７２に沿って第１空気極支持体２０３ａ側に熱交換部材３０３を設けることも好ましい。

また、図３に示すように、熱交換部材３０は、封止端である第六面１０６近傍において、往路７１と復路７２とが繋がるように、所定の空間としての接続部７３を形成するように配置されている。また、図６に示すように、熱交換部材３０は板状体として第五面１０５から接続部７３に至るまで配置されている。図４及び図５に示すように、本実施形態の場合、４つの各流路７０に設けられている接続部７３は互いに連通するように形成されている。従って、各流路７０ごとにみた場合には、接続部７３においてガス流方向に直交する断面積が広がっており、この部分において酸化剤ガスとしての空気の流速は低下するように形成されている。従って、接続部７３は本発明の滞留部として機能している。

熱交換部材３０は、銀、金、タングステン、ロジウム、イリジウムを少なくとも１種以上含む合金からなり、熱膨張係数が空気極支持体２０と略同一である金属板として形成されている。ここでいう略同一とは、空気極支持体２０の熱膨張係数が約１０．５×１０^-6（ｃｍ／ｃｍ・Ｋ^-1）に対して、熱交換部材３０の熱膨張係数が約８．５〜１２．５×１０^-6（ｃｍ／ｃｍ・Ｋ^-1）である程度を指している。

電解質部４０は、空気極支持体２０の第二面１０２、第三面１０３、第四面１０４、第六面１０６を覆うように層状に形成されている。空気極支持体２０の第一面１０１においては、インターコネクタ部６０が形成されていない部分を覆うように層状に形成されている。電解質部４０は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。

燃料極５０は、空気極支持体２０の第二面１０２、第三面１０３、及び第四面１０４にかけて繋がるように層状に形成されている。燃料極５０は、多孔質のニッケルとＹＳＺのサーメットにより形成されている。

インターコネクタ部６０は、空気極支持体２０の第一面１０１の一部を覆うように層状に形成されている。インターコネクタ部６０は、ＬａＣｒＯ_３にＳｒやＣａ等をドープしたものにより形成されている。

尚、この第一実施形態では、空気極支持体２０として構成したが、燃料極支持体として構成しても構わない。その場合、燃料極５０は空気極として構成される。空気極支持体２０を燃料極支持体として構成する場合には、多孔質のニッケルとＹＳＺのサーメットにより形成される。その場合、燃料極５０を空気極として構成するため、例えばＬａＣｏＯ_３、ＬａＭｎＯ_３、ＬａＦｅＯ_３等であって、ＳｒやＣａ等をＬａサイトにドープしたもの、あるいはドープしないもの、又はそれらの複合材等が用いられる。

尚、この第一実施形態では、空気（空気極支持体２０を燃料極支持体とする場合は燃料ガス）を、反応部として形成されている燃料極５０側から導入して、インターコネクタ部６０側から導出しているが、これとは逆に構成することも好ましい。具体的には、空気（空気極支持体２０を燃料極支持体とする場合は燃料ガス）を、インターコネクタ部６０側から導入して、燃料極５０側から導出する態様である。

上述したように構成した燃料電池セルＦＣ１を実際に燃料電池として運転した場合のシミュレーション結果を図７及び図８に示す。図７は、燃料電池セルＦＣ１内に供給される空気の温度と、燃料電池セルＦＣ１の外側を流れるように供給される燃料ガス（例えば、都市ガス等を改質したもの）の温度との関係を示した図である。図８は、その場合の燃料電池セルＦＣ１の発電性能を示した図である。図７及び図８において、実線は熱交換部材３０を設けた燃料電池セルＦＣ１の場合を示し、破線は熱交換部材３０を設けない場合を比較対象として示している。

図７及び図８に示すように、熱交換部材３０を設けない場合は、燃料電池セル内を流れる空気の温度は反応部（本発明の第２反応部に相当する）においてやや上昇するものの、十分には昇温されずに進行する。燃料電池セル外を流れる燃料ガスについても同様の傾向を示している。一方、熱交換部材３０を設けた場合には、燃料電池セルＦＣ１の軸方向における均熱化が図られ、発電性能も軸方向におけるばらつきが抑制され、全体として向上する。

より具体的には、本実施形態の燃料電池セルＦＣ１のように、空気極支持体２０の内部に第１ガスとしての空気が流れる流路７０が形成され、その流路７０は、空気が空気極支持体２０内へと流入するための往路７１と、その往路７１によって空気極支持体２０内へと流入した空気が折り返して空気極支持体２０外へと流出するための復路７２とを備えている場合、折り返す部分や往路７１への流入口部分や復路７２からの流出口部分の近傍において、第１ガスとしての空気や第２ガスとしての燃料ガスの温度が低下する。このような燃料電池セルＦＣ１が延在する方向における温度の不均一は、温度が低い部分における発電性能の低下をも引き起こしてしまう。そこで本実施形態では、空気極支持体２０を構成する材料よりも熱伝導性の高い材料によって均熱部材としての熱交換部材３０を形成し、流路７０に沿って延在するように配置することで、空気の温度が高い領域で受け取った熱を空気の温度が低い領域まで伝熱している。その結果、空気極支持体２０及び燃料電池セルＦＣ１の延在する方向における均熱化が図られ、燃料電池セルＦＣ１の温度に依存する材料抵抗の不均一性が抑制され、燃料電池セルＦＣ１の発電性能をその延在方向において均一化することができる。従って、燃料電池セルＦＣ１内外の空気及び燃料ガスの流れを安定的に保つことができ、この燃料電池セルＦＣ１を複数個組み込んで燃料電池モジュール或いは燃料電池を構成した場合にも実用的で安全かつ高効率な発電性能を得ることができる。

更に、本実施形態では、流路７０が空気極支持体２０の内部に複数（４つ）連設されているので、連接されているそれぞれの流路７０の間においては、空気極支持体２０が熱交換部材３０を介して連続した状態となっている。従って、燃料極５０とインターコネクタ部６０との間を流れる電流のパスが最短経路となるように構成することができるので、流路を単一に形成した場合に比較して内部抵抗が小さく、発電性能がより向上する。

また、流路を拡大して流速を低下させる態様の滞留部を、例えば流路７０の途中における反応部（本発明の第２反応部に相当する）近傍に設けると、その滞留部を設けた部分においては、空気極支持体２０から熱交換部材３０を介して繋がる電気のパスが無くなり、局所的に電気抵抗が増大する。その結果、反応部（本発明の第２反応部に相当する）に局所的な反応活性が高まることを抑制できる。

続いて、図９〜図１５を参照しながら、本発明の第二実施形態に係る燃料電池セルＦＣ２について説明する。図９は、燃料電池セルＦＣ２の外形を説明するための斜視図である。図１０は、図９のＡ２―Ａ２線を含むｘｚ平面における燃料電池セルＦＣ２の断面図である。図１１は、図９のＢ２―Ｂ２線を含むｙｚ平面における燃料電池セルＦＣ２の断面図である。図１２は、図９のＣ２―Ｃ２線を含むｙｚ平面における燃料電池セルＦＣ２の断面図である。図１３は、図９のＥ２―Ｅ２線を含むｘｙ平面における燃料電池セルＦＣ２の断面図である。図１４は、図９のＤ２―Ｄ２線（Ｅ２−Ｅ２線）を含むｘｙ平面における燃料電池セルＦＣ２の断面図である。図１５は、図９のＦ２−Ｆ２線を含むｘｙ平面における燃料電池セルＦＣ２の断面図である。

図９において、燃料電池セルＦＣ２の軸方向（燃料電池セルＦＣ２が延在する方向）をｙ方向とし、ｙ方向に直交する燃料電池セルＦＣ２の幅方向（後述する流路７０２が連設される方向）をｘ方向とし、ｙ方向及びｘ方向の双方に直交する方向であって燃料電池セルＦＣ２の厚み方向をｚ方向としている。

図９に示すように、燃料電池セルＦＣ２は、直方体状を成すように形成されている。燃料電池セルＦＣ２は、ｘｙ平面を含む面であって図９においては天面として描かれている第一面１２１と、第一面１２１に対する裏面である第二面１２２と、第一面１２１と第二面１２２とを繋ぐ側面であってｙｚ平面を含む面である第三面１２３及び第四面１２４と、第一面１２１と第二面１２２とを繋ぐ端面であってｘｚ平面を含む面である第五面１２５及び第六面１２６と、によって直方体状を成すように形成されている。第五面１２５は、流路７０２が開口されている端面である開口端として形成され、第六面１２６は、流路７０２が封止されている端面である封止端として形成されている。

燃料電池セルＦＣ２は、支持体２０２（本発明における支持体に相当する）と、熱交換部材３０２（本発明における均熱部材に相当する）と、空気極９０２（本発明における第１電極に相当する）と、電解質部４０２と、燃料極５０２（本発明における第２電極に相当する）と、インターコネクタ部６０２と、流路７０２とを備えている。

支持体２０２は、熱交換部材３０２、空気極９０２、電解質部４０２、燃料極５０２、及びインターコネクタ部６０２を支持するための支持体であって、その内部には流路７０２が形成されている。支持体２０２は、導電性の材料によって形成されており、例えばインターコネクタを形成する場合に用いられるＬａＣｒＯ_３にＳｒやＣａ等をドープしたものにより形成されている。

支持体２０２には、燃料電池セルＦＣ２の軸方向（燃料電池セルＦＣ２が延在する方向）であるｙ方向に沿って流路７０２が形成されている。本実施形態の場合、流路７０２はｙ方向と直交するｘ方向に４つ連なって形成されている。各流路７０２は、第１ガスである空気（酸化剤ガス）が流入する往路７１２と、流入した空気が流出するための復路７２２とを含んでいる。往路７１２及び復路７２２は、開口端としての第五面１２５から、封止端としての第六面１２６に向けて支持体２０２の内部を刳り貫くように形成されている。往路７１２及び復路７２２は、熱交換部材３０２によって仕切られることで分離形成されている。

このように、往路７１２及び復路７２２を含む流路７０２は、支持体２０２内に軸方向であるｙ方向に沿った空洞を形成し、その空洞内に熱交換部材３０２を配置することで形成されている。支持体２０２内にｙ方向に沿った空洞を形成するにあたっては、一体的にプレス成型等で形成してもよく、支持体２０２を二分割してそれぞれに半円形上の空洞用溝を形成してもよい。

熱交換部材３０２は、上述したように、開口端としての第五面１２５から、封止端としての第六面１２６に向けて形成されている。図１０に示すように、燃料電池セルＦＣ１の中ほどにおいても、第五面１２５に現れるのと同様の断面形態を成している。また、図１１に示すように、熱交換部材３０２は、封止端である第六面１２６近傍において、往路７１２と復路７２２とが繋がるように、所定の空間としての接続部７３２を形成するように配置されている。また、図１５に示すように、熱交換部材３０２は板状体として第五面１２５から接続部７３２に至るまで配置されている。

図１２及び図１３に示すように、本実施形態の場合、４つの各流路７０２に設けられている接続部７３２は互いに連通するように形成されている。従って、各流路７０２ごとにみた場合には、接続部７３２においてガス流方向に直交する断面積が広がっており、この部分において酸化剤ガスとしての空気の流速は低下するように形成されている。従って、接続部７３２は本発明の滞留部として機能している。更に本実施形態の場合、往路７１２は、開口端近傍に設けられた滞留部７４２（第一滞留部）、開口端と封止端との中間部分に設けられた滞留部７５２（第一滞留部）を有している。また、復路７２２は、開口端近傍に設けられた滞留部７６２（第二滞留部）を有している。滞留部７４２と滞留部７６２とは、熱交換部材３０２を介して隣接するように形成されており、この部分において流入するガスと流出するガスとの間で効果的に熱交換可能なように構成されている。

熱交換部材３０２は、銀、金、タングステン、ロジウム、イリジウムを少なくとも１種以上含む合金からなり、熱膨張係数が支持体２０２と略同一である金属板として形成されている。ここでいう略同一とは、支持体２０２の熱膨張係数が約１０．５×１０^-6（ｃｍ／ｃｍ・Ｋ^-1）に対して、熱交換部材３０２の熱膨張係数が約８．５〜１２．５×１０^-6（ｃｍ／ｃｍ・Ｋ^-1）である程度を指している。

空気極９０２は、支持体２０２の第二面１２２、第三面１２３、及び第四面１２４にかけて繋がるように層状に形成されている。空気極９０２は、ペロブスカイト型酸化物からなる空気極材料によって形成されている。そのような空気極材料としては、例えばＬａＣｏＯ_３、ＬａＭｎＯ_３、ＬａＦｅＯ_３等であって、ＳｒやＣａ等をＬａサイトにドープしたもの、あるいはドープしないもの、又はそれらの複合材等が用いられる。

電解質部４０２は、支持体２０２の第二面１２２、第三面１２３、第四面１２４、第六面１２６を覆うように層状に形成されている。支持体２０２の第一面１２１においては、インターコネクタ部６０２が形成されていない部分を覆うように層状に形成されている。電解質部４０２は、例えば、Ｙ、Ｓｃ等の希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたジルコニア、希土類元素から選ばれる少なくとも一種をドープしたセリア、Ｓｒ、Ｍｇから選ばれる少なくとも一種をドープしたランタンガレート、の少なくとも一種から形成される。

燃料極５０２は、支持体２０２の第二面１２２、第三面１２３、及び第四面１２４にかけて繋がるように層状に形成されている。燃料極５０２は、多孔質のニッケルとＹＳＺのサーメットにより形成されている。

インターコネクタ部６０２は、支持体２０２の第一面１２１の一部を覆うように層状に形成されている。インターコネクタ部６０２は、ＬａＣｒＯ_３にＳｒやＣａ等をドープしたものにより形成されている。

尚、この第二実施形態では、空気（又は燃料ガス）を、インターコネクタ部６０２側から導入して、反応部（本発明の第１反応部に相当する）として形成されている空気極９０２及び燃料極５０２側から導出しているが、これとは逆に構成することも好ましい。具体的には、空気（又は燃料ガス）を、反応部（本発明の第１反応部に相当する）として形成されている空気極９０２及び燃料極５０２側から導入して、インターコネクタ部６０２側から導出する態様である。

尚、本発明における滞留部の形成態様としては、上述したものに限られない。滞留部の形成態様の変形例を図１６及び図１７に示す。図１６に示す滞留部の形成態様は、流路７０３の途中に、通過するガスが蛇行するような滞留部７７３が設けられるように、支持体２０３を形成したものである。より具体的には、流路７０３の両側面から所定距離をおいた一対の突出部７０３ａを設け、この一対の突出部７０３ａの間に十字状の島部７０３ｂを設けている。このように通過するガスが蛇行するような流路を形成すると、ガスの通過する道程が実質的に長くなり、流路７０３が伸びるｙ方向においては流速が低下するものである。

図１７に示す滞留部の形成態様は、流路７０４の途中に、通過するガスの流れが乱れるような滞留部７７４が設けられるように、支持体２０４を形成したものである。より具体的には、流路７７４の途中に円柱状の突出部７０４ａを多数個（図示している例の場合は１８個）設けている。このように通過するガスの流れが乱れるような流路を形成すると、ガスの流速が低下する。

このような滞留部７７３，７７４は、燃料電池セルＦＣ１，ＦＣ２の活性の高い反応部に形成することが好ましい。そのような部分に滞留部７７３，７７４を形成すると、ガスの流速低下やガスとの実質的な接触面積の拡大により熱交換量を増大することができる。その結果、反応部の熱を熱交換部材３０，３０２へ効果的に放熱して局所的な反応活性が高まることを抑制できる。

上述した燃料電池セルＦＣ１及びＦＣ２を用いて、モジュール容器内に収め、断熱材や集電部材を配置し、更にガスを供給するためのヘッダやガスタンクを設けて燃料電池モジュールを構成することができることは、詳細に説明するまでもなく当然のことである。また、そのような燃料電池モジュールを用いて、制御装置や空気供給装置やガス供給装置、並びに電力取り出し装置等を装着し、燃料電池システムを構成することができることも、詳細に説明するまでもなく当然のことである。

第一実施形態に係る燃料電池セルを示す斜視図である。 第一実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。 第一実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。 第一実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。 第一実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。 第一実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。 第一実施形態に係る燃料電池セルを用いた場合のシミュレーション結果を示す図である。 第一実施形態に係る燃料電池セルを用いた場合のシミュレーション結果を示す図である。 第二実施形態に係る燃料電池セルを示す斜視図である。 第二実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。 第二実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。 第二実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。 第二実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。 第二実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。 第二実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。 滞留部の例を示す断面図である。 滞留部の例を示す断面図である。 第一実施形態に係る燃料電池セルの変形例を示す断面図である。

符号の説明

２０…空気極支持体
３０…熱交換部材
４０…電解質部
５０…燃料極
６０…インターコネクタ部
７０…流路
７１…往路
７２…復路
７３…接続部
２０２…支持体
２０３…支持体
２０４…支持体
３０２…熱交換部材
４０２…電解質部
５０２…燃料極
６０２…インターコネクタ部
７０２…流路
７０３…流路
７０３ａ…突出部
７０３ｂ…島部
７０４…流路
７０４ａ…突出部
７１２…往路
７２２…復路
７３２…接続部
７４２…滞留部
７５２…滞留部
７６２…滞留部
７７３，７７４…滞留部
７７４…流路
９０２…空気極
ＦＣ１，ＦＣ２…燃料電池セル

Claims (12)

1. 燃料ガス及び酸化剤ガスの一方を含む第１ガスと他方を含む第２ガスとによって作動する燃料電池セルであって、
   前記第１ガスに対応する第１電極と、前記第２ガスに対応する第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間に配置される電解質部と、前記第１電極と電気的に接続されたインターコネクタ部と、前記第１電極、前記第２電極、前記電解質部、及び前記インターコネクタ部を支持するための支持体と、を備え、
   前記支持体の内部には前記第１ガスが流れる流路が形成されており、前記流路は、前記第１ガスが流入する往路と、前記往路に流入した前記第１ガスが折り返して流出する復路とを含み、
   前記流路に沿って延在し、前記支持体を構成する材料よりも熱伝導性の高い材料によって形成されている均熱部材を備えることを特徴とする燃料電池セル。
2. 前記電解質部及び前記電解質部を挟んで形成される前記第１電極及び前記第２電極からなる第１反応部が前記支持体の外表面の一部に形成され、
   前記インターコネクタ部は、前記支持体の外表面であって前記第１反応部が形成されていない残部に形成され、
   前記支持体は導電性を有する材料によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
3. 燃料ガス及び酸化剤ガスの一方を含む第１ガスと他方を含む第２ガスとによって作動する燃料電池セルであって、
   前記第１ガスに対応する第１電極材料によって形成される電極支持体と、前記第２ガスに対応する第２電極と、前記電極支持体と前記第２電極との間に配置される電解質部と、前記電極支持体と電気的に接続されたインターコネクタ部と、を備え、
   前記電極支持体は、前記第２電極、前記電解質部、及び前記インターコネクタ部を支持し、
   前記電極支持体の内部には前記第１ガスが流れる流路が形成されており、前記流路は、第１ガスが流入する往路と、前記往路に流入した前記第１ガスが折り返して流出する復路とを含み、
   前記流路に沿って延在し、前記電極支持体を構成する材料よりも熱伝導性の高い材料によって形成されている均熱部材を備えることを特徴とする燃料電池セル。
4. 前記電解質部は前記電極支持体の外表面の一部に形成され、当該形成された電解質部に重ねて前記第２電極部が形成されることで第２反応部を形成しており、
   前記インターコネクタ部は、前記電極支持体の外表面であって前記電解質部が形成されていない残部に形成されることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池セル。
5. 前記往路と前記復路との間に前記均熱部材が配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
6. 前記第１反応部は前記往路に対応した位置に形成され、
   前記インターコネクタ部は前記復路に対応した位置に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池セル。
7. 前記第２反応部は前記往路に対応した位置に形成され、
   前記インターコネクタ部は前記復路に対応した位置に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池セル。
8. 前記インターコネクタ部は前記往路に対応した位置に形成され、
   前記第１反応部は前記復路に対応した位置に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池セル。
9. 前記インターコネクタ部は前記往路に対応した位置に形成され、
   前記第２反応部は前記復路に対応した位置に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池セル。
10. 前記流路には、前記第１ガスの流速を低下させる滞留部が形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
11. 前記流路には、前記第１ガスの流速を低下させる滞留部が形成され、
    前記滞留部は、前記往路及び前記復路にそれぞれ第１滞留部及び第２滞留部として形成されており、
    前記第１滞留部と前記第２滞留部とは前記均熱部材を介して隣接していることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池セル。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池セルを複数備え、当該複数の燃料電池セルが互いに電気的に接続されていることを特徴とする燃料電池。

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