JP2009283238A - 燃料電池のガス流路構造及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 酸化剤ガス及び燃料ガスをより効果的に発電反応に寄与させることができる燃料電池のガス流路構造を提供すること。
【解決手段】 このガス流路構造を実現するための燃料電池セルＦＣ１は、複数個組み合わせて燃料電池セルスタックＦＣＳ１として用いられるものであって、隣接する燃料電池セルＦＣ１の燃料極４０に向けて燃料ガスを方向づけるように、段部８０をインターコネクタ部５０上に設けている。
【選択図】図４

Description

本発明の態様は、一般に、燃料電池のガス流路構造及び燃料電池に関する。

従来、このような燃料電池に用いられる燃料電池セルは、電解質を挟んで空気極と燃料極が配置されている。燃料電池の作動原理は、空気極に接した酸化剤ガスとしての空気は空気極内で電子を受け取って酸素イオンとなり、その酸素イオンが電解質中を燃料極側に移動し、燃料極内に入った水素と反応して電子を離して水を生成するものである。従って、発電を継続するためには、空気極には空気を、燃料極には燃料ガスを、それぞれ絶え間なく供給する必要がある。従って、燃料電池セルの内外にガス流路が形成されることになり、そのガス流路に空気及び燃料ガスを流し続ける態様が採用されている（下記特許文献１、特許文献２参照）。
特開２００７−１２８７３９号公報 特開２００６−２０２５１９号公報

ところで、燃料電池セルの形状がいかなるものであれ、その内外に空気や燃料ガスを流して発電する形態を採用した場合、内側に配置した空気極又は燃料極から電気を取り出すためのインターコネクタ部が必要となる。そのインターコネクタ部では上述したような発電反応は行われないことから、各燃料電池セルには上述したような発電反応を行う反応部と、未反応部とが形成される。そのため、燃料電池セル内外に形成されるガス流路においては、反応部に近い領域を流れる空気又は燃料ガスは発電反応に効果的に利用されるものの、未反応部に近い領域を流れる空気又は燃料ガスは発電反応に利用されないまま放出されることになる。

そこで、本発明では、酸化剤ガス及び燃料ガスをより効果的に発電反応に寄与させることができる燃料電池のガス流路構造及び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のガス流路構造は、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複数の燃料電池セルを含む燃料電池のガス流路構造であって、前記第１ガスが通る第１流路と、前記第２ガスが通る第２流路と、前記第１ガスに対応し、前記第１流路に臨んで形成される第１電極と、前記第２ガスに対応し、前記第２流路に臨んで形成される第２電極と、を備え、前記第１流路において前記第１ガスを前記第１電極に向けて方向付ける第１方向付け部及び前記第２流路において前記第２ガスを前記第２電極に向けて方向付ける第２方向付け部の少なくとも一方を備えることを特徴とする。

本発明によれば、酸化剤ガス及び燃料ガスをより効果的に発電反応に寄与させることができる燃料電池のガス流路構造及び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。

本発明に係る燃料電池のガス流路構造は、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複数の燃料電池セルを含む燃料電池のガス流路構造であって、前記第１ガスが通る第１流路と、前記第２ガスが通る第２流路と、前記第１ガスに対応し、前記第１流路に臨んで形成される第１電極と、前記第２ガスに対応し、前記第２流路に臨んで形成される第２電極と、を備え、前記第１流路において前記第１ガスを前記第１電極に向けて方向付ける第１方向付け部及び前記第２流路において前記第２ガスを前記第２電極に向けて方向付ける第２方向付け部の少なくとも一方を備えることを特徴とする。

本発明では、第１流路において第１ガスを第１電極に向けて方向付ける第１方向付け部及び第２流路において第２ガスを第２電極に向けて方向付ける第２方向付け部の少なくとも一方を備えているので、各流路を流れるガスを効率的に電極に誘導することができ、発電反応に寄与せずにガスが流出してしまうことを抑制することができる。

また、本発明に係る燃料電池のガス流路構造では、前記第１流路は隣接する複数の前記燃料電池セル間に形成され、前記第２流路は複数の前記燃料電池セルそれぞれの内部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、燃料電池セル間に流れる第１ガスを第１電極に向けて方向付けすることができると共に、燃料電池セル内部を流れる第２ガスを第２電極に向けて方向付けすることもできる。

また、本発明に係る燃料電池のガス流路構造では、前記第１方向付け部は、隣接する前記燃料電池セルの第１電極に向けて前記第１ガスを方向付けるように、複数の前記燃料電池セルそれぞれに設けられていることも好ましい。この好ましい態様によれば、燃料電池セル間に流れる第１ガスを、隣接する燃料電池セルに設けられている第１方向付け部によって第１電極に誘導することができ、効果的に利用することが可能となる。

また、本発明に係る燃料電池のガス流路構造では、複数の前記燃料電池セルはそれぞれ、前記第１電極と、前記第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２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、隣接する前記燃料電池セルは、一方の燃料電池セルの第１電極が他方の燃料電池セルのインターコネクタ部と対向するように配置されており、前記インターコネクタ部に前記第１方向付け部が設けられていることも好ましい。インターコネクタ部近傍を流れる第１ガスは発電反応に寄与せず、そのまま放出されてしまうので、そのインターコネクタ部に第１方向付け部を設けることでより直接的に第１ガスに働きかけて隣接する燃料電池セルの第１電極へと誘導することができる。

また、本発明に係る燃料電池のガス流路構造では、複数の前記燃料電池セルはそれぞれ、前記第１電極と、前記第２電極に相当し且つ他の部分を支持するための支持体としても機能する電極支持体と、前記第１電極と前記電極支持体との間に配置される電解質部と、前記第２電極と電気的に接続されたインターコネクタ部と、を備え、隣接する前記燃料電池セルは、一方の燃料電池セルの第１電極が他方の燃料電池セルのインターコネクタ部と対向するように配置されており、前記インターコネクタ部に前記第１方向付け部が設けられていることも好ましい。インターコネクタ部近傍を流れる第１ガスは発電反応に寄与せず、そのまま放出されてしまうので、そのインターコネクタ部に第１方向付け部を設けることでより直接的に第１ガスに働きかけて隣接する燃料電池セルの第１電極へと誘導することができる。

また、本発明に係る燃料電池のガス流路構造では、前記第２方向付け部は、前記燃料電池セルの内部に形成された第２流路において、前記第２電極に向けて前記第２ガスを方向付けるように、複数の前記燃料電池セルそれぞれに設けられていることも好ましい。この好ましい態様によれば、燃料電池セル内に流れる第２ガスを、各燃料電池セル内に設けられている第２方向付け部によって第２電極に誘導することができ、効果的に利用することが可能となる。

また、本発明に係る燃料電池のガス流路構造では、複数の前記燃料電池セルはそれぞれ、前記第１電極と、前記第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２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、前記インターコネクタ部に対応した位置の前記第２流路に前記第２方向付け部が設けられていることも好ましい。インターコネクタ部に対応した位置近傍を流れる第２ガスは発電反応に寄与せず、そのまま放出されてしまうので、そのインターコネクタ部に対応した位置に第２方向付け部を設けることでより直接的に第２ガスに働きかけて第２電極へと誘導することができる。

また、本発明に係る燃料電池のガス流路構造では、複数の前記燃料電池セルはそれぞれ、前記第１電極と、前記第２電極に相当し且つ他の部分を支持するための支持体としても機能する電極支持体と、前記第１電極と前記電極支持体との間に配置される電解質部と、前記第２電極と電気的に接続されたインターコネクタ部と、を備え、前記インターコネクタ部に対応した位置の前記第２流路に前記第２方向付け部が設けられていることも好ましい。インターコネクタ部に対応した位置近傍を流れる第２ガスは発電反応に寄与せず、そのまま放出されてしまうので、そのインターコネクタ部に対応した位置に第２方向付け部を設けることでより直接的に第２ガスに働きかけて第２電極へと誘導することができる。

また、本発明に係る燃料電池のガス流路構造では、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１電極が形成されることで第１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。

また、本発明に係る燃料電池のガス流路構造では、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２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２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。

また、上述したガス流路構造を備える燃料電池を構成することで、上述した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５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及びその燃料電池セルＦＣ１を組み合わせた燃料電池セルスタックＦＣＳ１について説明する。この実施形態は、燃料電池セルＦＣ１の外部流路に第１方向付け部を設ける例を示す実施形態である。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に示す燃料電池セルＦＣ１を２つ組み合わせた燃料電池セルスタックＦＣＳ１であって、図１のＡ―Ａ線を含むｘｚ平面における断面図である。図５は、図１に示す燃料電池セルＦＣ１を２つ組み合わせた燃料電池セルスタックＦＣＳ１であって、図１のＢ―Ｂ線を含むｙｚ平面における断面図である。

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６０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、空気極支持体２０（本発明における電極支持体、第２電極に相当する）と、電解質部３０と、燃料極４０（本発明における第１電極に相当する）と、インターコネクタ部５０と、流路６０とを備えている。更にインターコネクタ部５０上には、集電部材７０と、段部８０（本発明における第１方向付け部に相当する）が設けられている。

空気極支持体２０は、電解質部３０、燃料極４０、及びインターコネクタ部５０を支持するための支持体であって、その内部には流路６０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６０が形成されている。本実施形態の場合、流路６０はｙ方向と直交するｘ方向に３つ連なって形成されている。各流路６０は、一端から他端に向けて空気が流れるように形成されている。

電解質部３０は、空気極支持体２０のインターコネクタ部５０が形成されていない三面と、インターコネクタ部５０が形成されている面であってインターコネクタ部５０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３０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４０は、空気極支持体２０のインターコネクタ部５０が形成されていない三面にかけて繋がるように層状に形成されている。燃料極４０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５０は、空気極支持体２０の一面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５０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４０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４０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。

集電部材７０は、図１のｙ方向に２列に並んで形成され、各列は５個のブロック状に分割されている。分割された集電部材７０の間には、段部８０が形成されている。段部８０は、各列ごとの集電部材７０の間に配置されており、列間においてインターコネクタ部５０よりも突出するように形成されている（図２及び図３参照）。従って、燃料電池セルＦＣ１を組み合わせて燃料電池セルスタックＦＣＳ１を形成すると、図４及び図５に示すようになる。図４及び図５に示すように、隣接する燃料電池セルＦＣ１間において、一方の燃料電池セルＦＣ１のインターコネクタ部５０に設けられた段部８０が、他方の燃料電池セルＦＣ１の燃料極４０に向けて突出するように形成されている。従って、燃料電池セルＦＣ１の外側に燃料ガスを流した場合（換言すれば、燃料電池セルＦＣ１の外側を燃料ガスの流路とした場合）、燃料ガスは段部８０によってその流れが乱されて燃料極４０へと方向付けられる。このように構成することで、発電反応に供されないインターコネクタ部５０近傍を流れる燃料ガスが、隣接する燃料電池セルＦＣ１の反応部（本発明の第１反応部に相当する）に導かれて発電反応に供されるため、燃料枯れ等の発生を効果的に低減することができる。

尚、空気極支持体２０を導電性の支持体として構成することも好ましい。この好ましい第二実施形態について、図６〜図１０を参照しながら説明する。図６は、導電性の支持体によって形成された燃料電池セルＦＣ２の外形を説明するための斜視図である。図７は、図６のＣ―Ｃ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８は、図６のＤ―Ｄ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９は、図６に示す燃料電池セルＦＣ２を２つ組み合わせた燃料電池セルスタックＦＣＳ２であって、図６のＣ―Ｃ線を含むｘｚ平面における断面図である。図１０は、図６に示す燃料電池セルＦＣ２を２つ組み合わせた燃料電池セルスタックＦＣＳ２であって、図６のＤ―Ｄ線を含むｙｚ平面における断面図である。

図６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６１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６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、支持体２１（本発明における支持体に相当する）と、電解質部３１と、燃料極４１（本発明における第１電極に相当する）と、空気極９１（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５１と、流路６１とを備えている。更にインターコネクタ部５１上には、集電部材７０と、段部８０（本発明における第１方向付け部に相当する）が設けられている。

支持体２１は、電解質部３１、燃料極４１、空気極９１、及びインターコネクタ部５１を支持するための支持体であって、その内部には流路６１が形成されている。支持体２１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２１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６１が形成されている。本実施形態の場合、流路６１はｙ方向と直交するｘ方向に３つ連なって形成されている。各流路６１は、一端から他端に向けて空気が流れるように形成されている。

電解質部３１は、支持体２１のインターコネクタ部５１が形成されていない三面と、インターコネクタ部５１が形成されている面であってインターコネクタ部５１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３１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４１は、支持体２１のインターコネクタ部５１が形成されていない三面にかけて繋がるように層状に形成されている。燃料極４１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。

空気極９１は、支持体２１のインターコネクタ部５１が形成されていない三面にかけて繋がるように層状に形成されている。空気極９１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。

インターコネクタ部５１は、支持体２１の一面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５１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。

集電部材７０は、第一実施形態と同様に、図６のｙ方向に２列に並んで形成され、各列は５個のブロック状に分割されている。分割された集電部材７０の間には、段部８０が形成されている。段部８０は、各列ごとの集電部材７０の間に配置されており、列間においてインターコネクタ部５０よりも突出するように形成されている（図７及び図８参照）。従って、燃料電池セルＦＣ２を組み合わせて燃料電池セルスタックＦＣＳ２を形成すると、図９及び図１０に示すようになる。図９及び図１０に示すように、隣接する燃料電池セルＦＣ２間において、一方の燃料電池セルＦＣ２のインターコネクタ部５１に設けられた段部８０が、他方の燃料電池セルＦＣ２の燃料極４１に向けて突出するように形成されている。従って、燃料電池セルＦＣ２の外側に燃料ガスを流した場合（換言すれば、燃料電池セルＦＣ２の外側を燃料ガスの流路とした場合）、燃料ガスは段部８０によってその流れが乱されて燃料極４１へと方向付けられる。このように構成することで、発電反応に供されないインターコネクタ部５１近傍を流れる燃料ガスが、隣接する燃料電池セルＦＣ２の反応部（本発明の第２反応部に相当する）に導かれて発電反応に供されるため、燃料枯れ等の発生を効果的に低減することができる。

尚、上述した第一実施形態及び第二実施形態共に、段部８０を燃料電池セルＦＣ１，ＦＣ２の軸方向（ｙ方向）に一様に設けたが、段部８０を設ける態様はこれに限られない。図１１に示すように、外側のガスが流れる方向の上流側のみに設けると、特に外側のガスが燃料の場合、メタンを主成分とする炭化水素燃料を効率良く燃料電池の燃料極表面へ接触させて、燃料の改質による吸熱反応により上流での発電反応の活性を抑制することができ、燃料電池セルの軸方向における燃料の濃度の偏りを抑制できる。図１２に示すように、外側のガスが流れる方向の下流側のみに設けると、外側のガスが燃料または空気のいずれにしても、段部８０を設けた部分において、ガスは隣接する燃料電池セルＦＣ１，ＦＣ２の反応部（本発明の第２反応部に相当する）へと導かれるので、ガスが希薄になりそうな部位で燃料枯れまたは酸素枯れを抑制できる。

上述した第一実施形態及び第二実施形態では、インターコネクタ部５０，５１とは別個の部材として段部８０を設けたが、段部８０をインターコネクタ部と一体的に設けることも好ましい。この好ましい第三実施形態について、図１３〜図１９を参照しながら説明する。

図１３は、燃料電池セルＦＣ３の外形を説明するための斜視図である。図１４は、図１３のＥ―Ｅ線を含むｘｚ平面における燃料電池セルＦＣ３の断面図である。図１５は、図１３のＦ―Ｆ線を含むｘｚ平面における燃料電池セルＦＣ３の断面図である。図１６は、図１３のＧ―Ｇ線を含むｙｚ平面における燃料電池セルＦＣ３の断面図である。図１７は、図１３に示す燃料電池セルＦＣ３を２つ組み合わせた燃料電池セルスタックＦＣＳ３であって、図１３のＥ―Ｅ線を含むｘｚ平面における断面図である。図１８は、図１３に示す燃料電池セルＦＣ３を２つ組み合わせた燃料電池セルスタックＦＣＳ３であって、図１３のＦ―Ｆ線を含むｘｚ平面における断面図である。図１９は、図１３に示す燃料電池セルＦＣ３を２つ組み合わせた燃料電池セルスタックＦＣＳ３であって、図１３のＧ―Ｇ線を含むｙｚ平面における断面図である。

図１３において、燃料電池セルＦＣ３の軸方向（燃料電池セルＦＣ３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ＦＣ３の幅方向（後述する流路６３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ＦＣ３の厚み方向をｚ方向としている。

図１３に示すように、燃料電池セルＦＣ３は、直方体状を成すように形成されている。燃料電池セルＦＣ３は、空気極支持体２３（本発明における電極支持体、第２電極に相当する）と、電解質部３３と、燃料極４３（本発明における第１電極に相当する）と、インターコネクタ部５３と、流路６３とを備えている。更にインターコネクタ部５３上には、集電部材７３が設けられている。

空気極支持体２３は、電解質部３３、燃料極４３、及びインターコネクタ部５３を支持するための支持体であって、その内部には流路６３が形成されている。空気極支持体２３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２３には、燃料電池セルＦＣ３の軸方向（燃料電池セルＦＣ３が延在する方向）であるｙ方向に沿って流路６３が形成されている。本実施形態の場合、流路６３はｙ方向と直交するｘ方向に３つ連なって形成されている。各流路６３は、一端から他端に向けて空気が流れるように形成されている。

空気極支持体２３は、各集電部材７３の間において、外側に部分的に突出し、段部８３を形成するように形成されている。

電解質部３３は、空気極支持体２３のインターコネクタ部５３が形成されていない三面と、インターコネクタ部５３が形成されている面であってインターコネクタ部５３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３３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４３は、空気極支持体２３のインターコネクタ部５３が形成されていない三面にかけて繋がるように層状に形成されている。燃料極４３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５３は、空気極支持体２３の一面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５３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、この第三実施形態では、空気極支持体２３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４３は空気極として構成される。空気極支持体２３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４３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。

集電部材７３は、図１３のｙ方向に２列に並んで形成され、各列は５個のブロック状に分割されている。分割された集電部材７３の間には、上述したように段部８３が形成されている。段部８３は、各列ごとの集電部材７３の間に突出するように形成されている（図１４及び図１６参照）。従って、燃料電池セルＦＣ３を組み合わせて燃料電池セルスタックＦＣＳ３を形成すると、図１７，図１８及び図１９に示すようになる。図１７〜図１９に示すように、隣接する燃料電池セルＦＣ３間において、一方の燃料電池セルＦＣ３のインターコネクタ部５３に設けられた段部８３が、他方の燃料電池セルＦＣ３の燃料極４３に向けて突出するように形成されている。従って、燃料電池セルＦＣ３の外側に燃料ガスを流した場合（換言すれば、燃料電池セルＦＣ３の外側を燃料ガスの流路とした場合）、燃料ガスは段部８３によってその流れが乱されて燃料極４３へと方向付けられる。このように構成することで、発電反応に供されないインターコネクタ部５３近傍を流れる燃料ガスが、隣接する燃料電池セルＦＣ３の反応部（本発明の第１反応部に相当する）に導かれて発電反応に供されるため、燃料枯れ等の発生を効果的に低減することができる。

また、上述した第一実施形態と第二実施形態との関係のように、空気極支持体２３を導電性の支持体とし、空気極を別途層状に設けることも好ましい。

上述した第一実施形態から第三実施形態は、燃料電池セルＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３の外部流路に第１方向付け部を設ける例を示す実施形態であったが、第四実施形態として、内部流路に第２方向付け部を設ける例を説明する。この第四実施形態について、図２０〜図２６を参照しながら説明する。

図２０は、燃料電池セルＦＣ４の外形を説明するための斜視図である。図２１は、図２０のＨ―Ｈ線を含むｘｚ平面における燃料電池セルＦＣ４の断面図である。図２２は、図２０のＩ―Ｉ線を含むｘｚ平面における燃料電池セルＦＣ４の断面図である。図２３は、図２０のＪ―Ｊ線を含むｙｚ平面における燃料電池セルＦＣ４の断面図である。図２４は、図２０に示す燃料電池セルＦＣ４を２つ組み合わせた燃料電池セルスタックＦＣＳ４であって、図２０のＨ―Ｈ線を含むｘｚ平面における断面図である。図２５は、図２０に示す燃料電池セルＦＣ４を２つ組み合わせた燃料電池セルスタックＦＣＳ４であって、図２０のＩ―Ｉ線を含むｘｚ平面における断面図である。図２６は、図２０に示す燃料電池セルＦＣ４を２つ組み合わせた燃料電池セルスタックＦＣＳ４であって、図２０のＪ―Ｊ線を含むｙｚ平面における断面図である。

図２０において、燃料電池セルＦＣ４の軸方向（燃料電池セルＦＣ４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ＦＣ４の幅方向（後述する流路６４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ＦＣ３の厚み方向をｚ方向としている。

図２０に示すように、燃料電池セルＦＣ４は、直方体状を成すように形成されている。燃料電池セルＦＣ４は、燃料極支持体２４（本発明における電極支持体、第２電極に相当する）と、電解質部３４と、空気極４４（本発明における第１電極に相当する）と、インターコネクタ部５４と、流路６４とを備えている。更にインターコネクタ部５４上には、集電部材７４が設けられている。

燃料極支持体２４は、電解質部３４、空気極４４、及びインターコネクタ部５４を支持するための支持体であって、その内部には流路６４が形成されている。燃料極支持体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。

燃料極支持体２４には、燃料電池セルＦＣ４の軸方向（燃料電池セルＦＣ４が延在する方向）であるｙ方向に沿って流路６４が形成されている。本実施形態の場合、流路６４はｙ方向と直交するｘ方向に３つ連なって形成されている。各流路６４は、一端から他端に向けて燃料が流れるように形成されている。

燃料極支持体２４は、各集電部材７４の間において、内側に部分的に突出し、段部８４を形成するように形成されている。

電解質部３４は、燃料極支持体２４のインターコネクタ部５４が形成されていない三面と、インターコネクタ部５４が形成されている面であってインターコネクタ部５４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３４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。

空気極４４は、燃料極支持体２４のインターコネクタ部５４が形成されていない三面にかけて繋がるように層状に形成されている。空気極４４は、ペロブスカイト型酸化物からなる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。

インターコネクタ部５４は、燃料極支持体２４の一面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５３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、この第四実施形態では、燃料極支持体２４として構成したが、空気極支持体として構成しても構わない。その場合、空気極４４は燃料極として構成される。燃料極支持体２４を空気極支持体として構成する場合には、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。その場合、空気極を燃料極として構成するため、多孔質のニッケルとＹＳＺのサーメットにより形成される。

集電部材７４は、図２０のｙ方向に２列に並んで形成され、各列は５個のブロック状に分割されている。分割された集電部材７４の間には、上述したように段部８４が形成されている。段部８４は、各列ごとの集電部材７４の間において、流路６４側に突出するように形成されている（図２１及び図２３参照）。従って、流路６４内を流れる空気は段部８４によってその流れが乱されて、反応部（本発明の第１反応部に相当する）における燃料極支持体２４（換言すれば、空気極４４に対応する位置の燃料極支持体２４）側へと導かれる。このように構成することで、発電反応に供されないインターコネクタ部５４側の燃料極支持体２４近傍を流れる燃料が、反応部（本発明の第１反応部に相当する）における燃料極支持体側へと導かれて発電反応に供されるため、燃料枯れ等の発生を効果的に低減することができる。

段部８４は外側から見れば、各列ごとの集電部材７４の間に陥没するように形成されている（図２１及び図２３参照）。従って、燃料電池セルＦＣ４を組み合わせて燃料電池セルスタックＦＣＳ４を形成すると、図２４，図２５及び図２６に示すようになる。図２４〜図２６に示すように、隣接する燃料電池セルＦＣ４間において、一方の燃料電池セルＦＣ４のインターコネクタ部５４に設けられた段部８４が、他方の燃料電池セルＦＣ４の燃料極４４からは後退して陥没するように形成されている。従って、燃料電池セルＦＣ４の外側に空気を流した場合（換言すれば、燃料電池セルＦＣ４の外側を空気の流路とした場合）、空気は段部８４が形成された場所において流速が遅くなり、結果的にその流れが乱されて隣接する燃料電池セルＦＣ４の空気極４４に対する接触時間が長くなる。このように構成することで、発電反応に供されないインターコネクタ部５４近傍を流れる空気が、隣接する燃料電池セルＦＣ４の反応部（本発明の第１反応部に相当する）に導かれて発電反応に供されるため、酸素枯れ等の発生を効果的に低減することができる。

また、上述した第一実施形態と第二実施形態との関係のように、燃料極支持体２４を導電性の支持体とし、燃料極を別途層状に設けることも好ましい。

上述した燃料電池セルＦＣ１，ＦＣ２，ＦＣ３，ＦＣ４や、燃料電池セルスタックＦＣＳ１，ＦＣＳ２，ＦＣＳ３，ＦＣＳ４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スタックを示す断面図である。 第一実施形態に係る燃料電池セルスタック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スタックを示す断面図である。 第二実施形態に係る燃料電池セルスタックを示す断面図である。 段部の設け方の変形例を示す図である。 段部の設け方の変形例を示す図である。 第三実施形態に係る燃料電池セルを示す斜視図である。 第三実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。 第三実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。 第三実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。 第三実施形態に係る燃料電池セルスタックを示す断面図である。 第三実施形態に係る燃料電池セルスタックを示す断面図である。 第三実施形態に係る燃料電池セルスタックを示す断面図である。 第四実施形態に係る燃料電池セルを示す斜視図である。 第四実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。 第四実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。 第四実施形態に係る燃料電池セルを示す断面図である。 第四実施形態に係る燃料電池セルスタックを示す断面図である。 第四実施形態に係る燃料電池セルスタックを示す断面図である。 第四実施形態に係る燃料電池セルスタックを示す断面図である。

符号の説明

２０：空気極支持体
２１：支持体
３０：電解質部
３１：電解質部
４０：燃料極
４１：燃料極
５０：インターコネクタ部
５１：インターコネクタ部
６０：流路
６１：流路
７０：集電部材
８０：段部
９１：空気極
ＦＣ１：燃料電池セル
ＦＣ２：燃料電池セル
ＦＣＳ１：燃料電池セルスタック
ＦＣＳ２：燃料電池セルスタック

Claims (11)

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複数の燃料電池セルを含む燃料電池のガス流路構造であって、
   前記第１ガスが通る第１流路と、
   前記第２ガスが通る第２流路と、
   前記第１ガスに対応し、前記第１流路に臨んで形成される第１電極と、
   前記第２ガスに対応し、前記第２流路に臨んで形成される第２電極と、を備え、
   前記第１流路において前記第１ガスを前記第１電極に向けて方向付ける第１方向付け部及び前記第２流路において前記第２ガスを前記第２電極に向けて方向付ける第２方向付け部の少なくとも一方を備えることを特徴とする燃料電池のガス流路構造。
2. 前記第１流路は隣接する複数の前記燃料電池セル間に形成され、前記第２流路は複数の前記燃料電池セルそれぞれの内部に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のガス流路構造。
3. 前記第１方向付け部は、隣接する前記燃料電池セルの第１電極に向けて前記第１ガスを方向付けるように、複数の前記燃料電池セルそれぞれに設けられていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池のガス流路構造。
4. 複数の前記燃料電池セルはそれぞれ、前記第１電極と、前記第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２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、
   隣接する前記燃料電池セルは、一方の燃料電池セルの第１電極が他方の燃料電池セルのインターコネクタ部と対向するように配置されており、
   前記インターコネクタ部に前記第１方向付け部が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池のガス流路構造。
5. 複数の前記燃料電池セルはそれぞれ、前記第１電極と、前記第２電極に相当し且つ他の部分を支持するための支持体としても機能する電極支持体と、前記第１電極と前記電極支持体との間に配置される電解質部と、前記第２電極と電気的に接続されたインターコネクタ部と、を備え、
   隣接する前記燃料電池セルは、一方の燃料電池セルの第１電極が他方の燃料電池セルのインターコネクタ部と対向するように配置されており、
   前記インターコネクタ部に前記第１方向付け部が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池のガス流路構造。
6. 前記第２方向付け部は、前記燃料電池セルの内部に形成された第２流路において、前記第２電極に向けて前記第２ガスを方向付けるように、複数の前記燃料電池セルそれぞれに設けられていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池のガス流路構造。
7. 複数の前記燃料電池セルはそれぞれ、前記第１電極と、前記第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２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、
   前記インターコネクタ部に対応した位置の前記第２流路に前記第２方向付け部が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池のガス流路構造。
8. 複数の前記燃料電池セルはそれぞれ、前記第１電極と、前記第２電極に相当し且つ他の部分を支持するための支持体としても機能する電極支持体と、前記第１電極と前記電極支持体との間に配置される電解質部と、前記第２電極と電気的に接続されたインターコネクタ部と、を備え、
   前記インターコネクタ部に対応した位置の前記第２流路に前記第２方向付け部が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池のガス流路構造。
9. 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１電極が形成されることで第１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５又は８に記載の燃料電池のガス流路構造。
10. 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２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２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４又は７に記載の燃料電池のガス流路構造。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載のガス流路構造を備える燃料電池。

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