JP2012129060A - 平板型ｓｏｆｃスタック - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータの厚さを削減しつつ、燃料および空気を単セルの中心部へ適切に供給する。
【解決手段】隣接する発電ユニット間に、燃料を一方の発電ユニットへ供給する燃料中心供給経路１１と、空気を他方の発電ユニットへ供給する空気中心供給経路１２とを有する共通セパレータ１０を設ける。燃料中心供給経路１１を、燃料流路板４と接する面１０Ａに溝形状で中心部へ向けて延設するとともに、空気中心供給経路１２を、空気流路板５と接する面１０Ｂに、燃料中心供給経路１１と立体的に交差しないように、溝形状で中心部へ向けて延設する。燃料流路板４に、先端開口部１１Ａと燃料流路４Ｂの中心部とを接続する燃料供給穴４Ａを設け、空気流路板５に、先端開口部１２Ａと空気流路５Ｂの中心部とを接続する空気供給穴５Ａを設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は、平板型固体酸化物形燃料電池を含む単セルを複数積層した平板型固体酸化物形燃料電池スタックに関する。

平板型燃料電池は、平板からなる電解質と、この電解質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で単セルを挟み込んだ状態で介装してなる発電ユニットを、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。

図１４は、従来の平板型固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell：以下、平板型ＳＯＦＣという）スタックで用いる発電ユニットの平面図、図１５は、従来の平板型ＳＯＦＣスタックで用いる発電ユニットのＡＡ断面図、図１６は、従来の平板型ＳＯＦＣスタックの積層例（断面図）である。
平板型ＳＯＦＣスタック３００の発電ユニット３０１は、単セル１、セルホルダ２、絶縁部材３、燃料流路板４、空気流路板５、燃料中心供給板３１、および空気中心供給板３２から構成されている。

単セル１は、全体として円板形状（ディスク形状）をなす燃料極支持型のセルであり、平板からなる電解質１Ｃ、この電解質１Ｃの一方の面に形成された平板からなる燃料極１Ａ、および電解質１Ｃの他方の面に形成された平板からなる空気極１Ｂから構成されている。

この単セル１は、セルホルダ２の支持穴２Ａで支持されて、燃料流路板４と空気流路板５と間の所定の位置に配設されている。単セル１の燃料極１Ａは、燃料流路板４により電解質１Ｃ側に押圧されて保持されており、単セル１の空気極１Ｂは、空気流路板５により電解質１Ｃ側に押圧されて保持されている。セルホルダ２と空気流路板５との間には両者を電気的に絶縁するとともに、空気と燃料との混合を封止するための絶縁部材３が設けられている。

セルホルダ２、絶縁部材３、燃料流路板４、空気流路板５、燃料中心供給板３１、および空気中心供給板３２は、全体として平面視略矩形をなしており、その中心部に配置される単セル１の周囲に、これらの積層方向に沿って、略円形断面を有する複数の貫通孔が形成されている。これら貫通孔は、燃料供給マニホールド２１、空気供給マニホールド２２、燃料排気マニホールド２３、および空気排気マニホールド２４として用いられる。
また、燃料流路板４、空気流路板５、燃料中心供給板３１、および空気中心供給板３２の各セパレータは、例えば、エッチング、切削加工、プレス加工によって様々なパターンを設けた金属板で構成されている。

燃料中心供給板３１は、燃料流路板４の単セル１と反対側の面に設けられており、燃料中心供給板３１のうち燃料流路板４側の面には、燃料供給マニホールド２１から単セル１の中心部に向けて燃料を供給する燃料中心供給経路３１Ａが設けられている。これにより、燃料は、燃料供給マニホールド２１から、燃料中心供給経路３１Ａを通って単セル１の中心部まで供給された後に、燃料流路板４の中心部に設けられた燃料供給穴４Ａを通って、燃料極１Ａの中心部に供給される。

また、燃料流路板４のうち単セル１側の面には、燃料を燃料極１Ａ面上に分配すると同時に燃料極１Ａから電気を取り出す燃料流路４Ｂが設けられている。これにより、燃料供給穴４Ａから供給された燃料は、燃料流路４Ｂ内を燃料極１Ａの中心部から周辺部に向かって流れる間に発電に利用され、燃料排出経路４Ｃを通って燃料排気マニホールド２３へ排出される。なお、燃料の排気については、上記以外の排気構造を持つものであってもよい。

空気中心供給板３２は、空気流路板５の単セル１と反対側の面に設けられており、空気中心供給板３２のうち空気流路板５側の面には、空気供給マニホールド２２から単セル１の中心部に向けて空気を供給する空気中心供給経路３２Ａが設けられている。これにより、空気は、空気供給マニホールド２２から、空気中心供給経路３２Ａを通って単セル１の中心部まで供給された後に、空気流路板５の中心部に設けられた空気供給穴５Ａを通って、空気極１Ｂの中心部に供給される。

また、空気流路板５のうち単セル１側の面には、空気を空気極１Ｂ面上に分配すると同時に空気極１Ｂから電気を取り出すための空気流路５Ｂが設けられている。これにより、空気供給穴５Ａから供給された空気は、空気流路５Ｂ内を空気極１Ｂの中心部から周辺部に向かって流れる間に発電に利用され、空気排出経路５Ｃを通って空気排気マニホールド２４へ排出される。なお、空気の排気については、上記以外の排気構造を持つものであってもよい。

横尾雅之，田畑嘉隆，吉田吉晃，大類姫子，林克也，野沢和彦，野崎洋介，荒井創、「NTTにおける内部マニホールド型SOFCスタックの開発」、第16回SOFC研究発表会 講演要旨集、pp. 2-5、2003

図１５に示したように、平板型ＳＯＦＣの単セル１が全体として円板形状をなす場合、燃料および空気のセル面内分布およびこれら燃料および空気の封止の観点から、燃料および空気を単セル１の中心部へ供給してから単セル１の周辺部へ配分することが望ましい。また、省スペースおよび圧力損失低下の観点から、セパレータに設ける溝の深さは少しでも深くすること、具体的には少なくともセパレータの厚さの半分以上にすることが望ましい。

このような点を考慮して、前述した従来技術では、図１５に示すように、燃料および空気を単セル１の中心部に供給するために、燃料中心供給経路３１Ａおよび空気中心供給経路３２Ａを形成するセパレータとして、燃料中心供給板３１および空気中心供給板３２をそれぞれ１枚ずつ用いていた。
しかしながら、この構造では、燃料中心供給板３１および空気中心供給板３２の厚さに応じて、発電ユニット２０１の積層方向の高さ（厚さ）が増大するため、平板型ＳＯＦＣスタック全体をコンパクト化することが難しいという問題があった。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、セパレータの厚さを削減しつつ、燃料および空気を単セルの中心部へ適切に供給できる平板型ＳＯＦＣスタックを提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、本発明にかかる平板型ＳＯＦＣスタックは、燃料極、空気極、および個体酸化物の電解質から構成される平板型固体酸化物形燃料電池（以下、平板型ＳＯＦＣという）の単セルと、燃料および空気を単セルへ供給するための経路が設けられたセパレータとを備えた発電ユニットを互いに積層して電気的に直列接続することにより形成された平板型ＳＯＦＣスタックであって、セパレータは、燃料極へ燃料を供給する燃料流路が設けられた燃料流路板と、空気極へ空気を供給する空気流路が設けられた空気流路板とを備え、セパレータとは別個に、積層により隣接する２つの発電ユニットのセパレータ間に設けられて、燃料供給マニホールドから燃料を一方の発電ユニットへ供給する燃料中心供給経路と、空気供給マニホールドから空気を他方の発電ユニットへ供給する空気中心供給経路とを有する共通セパレータを備えている。

そして、燃料中心供給経路は、共通セパレータのうち一方の発電ユニットの燃料流路板と接する第１の面に、溝形状で燃料供給マニホールドから共通セパレータの中心部へ向けて延設し、空気中心供給経路は、共通セパレータのうち他方の発電ユニットの空気流路板と接する、第１の面とは反対側の第２の面に、燃料中心供給経路と立体的に交差しないように、溝形状で空気供給マニホールドから共通セパレータの中心部へ向けて延設し、燃料流路板は、燃料極の略中心部と対向する位置に設けられて、燃料中心供給経路の先端開口部と燃料流路の中心部とを接続する燃料供給穴を有し、空気流路板は、空気極の略中心部と対向する位置に設けられて、空気中心供給経路の先端開口部と空気流路の中心部とを接続する空気供給穴を有している。

この際、燃料供給穴を、燃料極の中心から燃料中心供給経路の先端開口部までを含む半径を有する円形状の穴で形成し、空気供給穴を、空気極の中心から空気中心供給経路の先端開口部までを含む半径を有する円形状の穴で形成してもよい。

また、燃料供給穴を、燃料極の中心から燃料中心供給経路の先端開口部までを含む長径を有する楕円形状または長円形状の穴で形成し、空気供給穴を、空気極の中心から空気中心供給経路の先端開口部までを含む長径を有する楕円形状または長円形状の穴で形成してもよい。

また、燃料中心供給経路および空気中心供給経路のいずれか一方または両方を、共通セパレータの第１の面と第２の面とを貫通するスリット形状で形成してもよい。

本発明によれば、セパレータの厚さを増やすことなく、燃料および空気の供給路を構成するためのセパレータの枚数を半減することができ、結果として、平板型ＳＯＦＣスタックをコンパクト化することが可能となる。また、１つの共通セパレータの両面に燃料および空気の供給路を別個に形成した場合でも、これら供給路を立体的に交差させることなく、燃料流路や空気流路の中心部へ燃料や空気を供給することができる。したがって、平板型ＳＯＦＣスタックをコンパクト化した場合でも、燃料および空気を単セルの中心部へ適切に供給することができ、高い発電効率を得ることが可能となる。

第１の実施の形態にかかる平板型ＳＯＦＣスタックの構成を示すブロック図である。 図１のII−II断面図である。 図１のIII−III断面図である。 第１の実施の形態にかかる平板型ＳＯＦＣスタックの積層例（断面図）である。 セルホルダの平面図である。 絶縁部材の平面図である。 燃料流路板の説明図である。 空気流路板の説明図である。 共通セパレータの説明図である。 第２の実施の形態にかかる平板型ＳＯＦＣスタックの構成を示すブロック図である。 図１０のXI−XI断面図である。 第２の実施の形態で用いる燃料流路板の説明図である。 第２の実施の形態で用いる空気流路板の説明図である。 従来の平板型ＳＯＦＣスタックで用いる発電ユニットの平面図である。 従来の平板型ＳＯＦＣスタックで用いる発電ユニットのＡＡ断面図である。 従来の平板型ＳＯＦＣスタックの積層例（断面図）である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
まず、図１〜図４を参照して、本発明の第１の実施の形態にかかる平板型ＳＯＦＣスタックについて説明する。図１は、第１の実施の形態にかかる平板型ＳＯＦＣスタックの構成を示すブロック図である。図２は、図１のII−II断面図である。図３は、図１のIII−III断面図である。図４は、第１の実施の形態にかかる平板型ＳＯＦＣスタックの積層例（断面図）である。これら図１〜図４において、前述の図１４〜図１６と同じまたは同等部分には同一符号を付してある。

平板型ＳＯＦＣスタック１００は、燃料極、空気極、および個体酸化物の電解質から構成される平板型ＳＯＦＣの単セルと、燃料および空気を単セルへ供給するための経路が設けられたセパレータとを備えた発電ユニットを互いに積層して電気的に直列接続することにより形成されている。

［発明の原理］
一般に、ＳＯＦＣでは、単セル当たりで得られる発電電圧、いわゆるセル電圧は０．７Ｖ前後であり、実用的な電圧を得るには多くの単セルを積層する必要がある。このため、平板型ＳＯＦＣスタックをコンパクト化するには、セパレータの厚さを極力薄くする必要がある。
一方、それぞれの単セルで効率よく発電するには、十分な量の燃料や空気を供給する必要がある。したがって、セパレータを必要以上に薄くすればセパレータに設けた供給路の断面積が小さくなって燃料や空気の供給量が減るため、発電効率が低下する。

また、平板型ＳＯＦＣスタックでは、燃料や空気のシーリングのため積層したセパレータが押圧されており、またＳＯＦＣ自体が７００℃〜１０００℃という高温で動作する。このため、セパレータを必要以上に薄くすれば、高温でセパレータの強度が低下するため、セパレータに設けた供給路が変形して閉塞する場合もある。
したがって、セパレータの厚さは、十分な量の燃料や空気を供給できる供給路を形成するのに必要な厚さに設計する必要がある。

本発明は、従来、発電ユニットごとに別個のセパレータを用いて燃料および空気の供給路を構成していた点に着目し、発電ユニットとは独立した別個の共通セパレータを各発電ユニット間に新たに設けて、隣接する２つの発電ユニットのうちの一方の発電ユニットの燃料供給路と、他方の発電ユニットの空気供給路とを、１つの共通セパレータで構成するようにしたものである。

また、制限された厚さのセパレータに効率よく供給路を形成するために、燃料および空気の供給路を、共通セパレータの２つの面、すなわち表面および裏面にそれぞれ別個に形成し、互いの供給路が平面視で立体的に交差しないように形成したものである。これにより、従来のセパレータと同じ厚さで、燃料および空気の両方の供給路を形成することができる。この際、制限された厚さのセパレータに効率よく供給路を形成するために、供給路の深さを共通セパレータの厚さの半分以上の深さとしてもよい。

したがって、セパレータの厚さを増やすことなく、燃料および空気の供給路を構成するためのセパレータの枚数を半減することができ、結果として、平板型ＳＯＦＣスタックをコンパクト化することが可能となる。

また、前述したように、平板型ＳＯＦＣの単セルが全体として円板形状をなす場合、燃料および空気のセル面内分布およびこれら燃料および空気の封止の観点から、燃料および空気を単セルの中心部へ供給してから単セルの周辺部へ配分することが望ましい。

しかし、燃料および空気の各供給路を、燃料排気マニホールドや空気供給マニホールドから燃料流路や空気流路の中心部まで設けた場合、中心部で燃料および空気の供給路が立体的に交差することになる。

このため、本発明では、発電ユニットのうち燃料流路を構成するセパレータ、すなわち燃料流路板のうち、単セルの燃料極の略中心部と対向する位置に、燃料流路の中心部と共通セパレータの燃料供給路の先端開口部とを接続する燃料供給穴を設けるとともに、発電ユニットのうち空気流路を構成するセパレータ、すなわち空気流路板のうち、単セルの空気極の略中心部と対向する位置に、空気流路の中心部と共通セパレータの空気供給路の先端開口部とを接続する空気供給穴を設けたものである。

これにより、１つの共通セパレータの両面に燃料および空気の供給路を別個に形成した場合でも、これら供給路を立体的に交差させることなく、燃料流路や空気流路の中心部へ燃料や空気を供給することができる。
したがって、平板型ＳＯＦＣスタックをコンパクト化した場合でも、燃料および空気を単セルの中心部へ適切に供給することができ、高い発電効率を得ることが可能となる。

本実施の形態は、このような発明の原理に基づいて、次のような構成を備えている。
すなわち、セパレータとして、燃料極へ燃料を供給する燃料流路が設けられた燃料流路板と、空気極へ空気を供給する空気流路が設けられた空気流路板とを備えるとともに、このセパレータとは別個に、積積層により隣接する２つの発電ユニットのセパレータ間に設けられて、燃料供給マニホールドから燃料を一方の発電ユニットへ供給する燃料中心供給経路と、空気供給マニホールドから空気を他方の発電ユニットへ供給する空気中心供給経路とを有する共通セパレータを備えている。

そして、燃料中心供給経路を、共通セパレータのうち一方の発電ユニットの燃料流路板と接する第１の面に、溝形状で燃料供給マニホールドから共通セパレータの中心部へ向けて延設するとともに、空気中心供給経路を、共通セパレータのうち他方の発電ユニットの空気流路板と接する、第１の面とは反対側の第２の面に、燃料中心供給経路と立体的に交差しないように、溝形状で空気供給マニホールドから共通セパレータの中心部へ向けて延設し、燃料流路板に、燃料極の略中心部と対向する位置に設けられて、燃料中心供給経路の先端開口部と燃料流路の中心部とを接続する燃料供給穴を設けるとともに、空気流路板に、空気極の略中心部と対向する位置に設けられて、空気中心供給経路の先端開口部と空気流路の中心部とを接続する空気供給穴を設けたものである。

［第１の実施の形態の構成］
次に、図１〜図４を参照して、本実施の形態にかかる平板型ＳＯＦＣスタック１００の構成について詳細に説明する。
平板型ＳＯＦＣスタック１００の発電ユニット１０１は、単セル１、セルホルダ２、絶縁部材３、燃料流路板４、および空気流路板５から構成されている。また、これら発電ユニット１０１（１０１Ｍ）は、隣接する発電ユニット１０１（１０１Ｎ）との間に共通セパレータ１０を挟んで互いに積層されている。

単セル１は、全体として円板形状（ディスク形状）をなす燃料極支持型のセルであり、平板からなる電解質１Ｃ、この電解質１Ｃの一方の面に形成された平板からなる燃料極１Ａ、および電解質１Ｃの他方の面に形成された平板からなる空気極１Ｂから構成されている。
この単セル１は、セルホルダ２の支持穴２Ａで支持されて、燃料流路板４と空気流路板５と間の所定の位置に配設されている。単セル１の燃料極１Ａは、燃料流路板４により電解質１Ｃ側に押圧されて保持されており、単セル１の空気極１Ｂは、空気流路板５により電解質１Ｃ側に押圧されて保持されている。

セルホルダ２、絶縁部材３、燃料流路板４、空気流路板５、および共通セパレータ１０は、全体として平面視略矩形をなしており、それぞれの中心が単セル１、さらには燃料極１Ａおよび空気極１Ｂの中心軸に位置合わせされて配置されている。
このうち、セルホルダ２、燃料流路板４、空気流路板５、および共通セパレータ１０は、例えば、エッチング、切削加工、プレス加工によって様々な穴や溝などのパターンを形成した金属板で構成されている。

また、セルホルダ２、絶縁部材３、燃料流路板４、空気流路板５、および共通セパレータ１０の中心部に位置する単セル１の周囲に、これらの積層方向に沿って、略円形断面を有する複数の貫通孔が形成されている。これら貫通孔は、燃料や空気の給排気を行うための各経路、すなわち燃料供給マニホールド２１、空気供給マニホールド２２、燃料排気マニホールド２３、および空気排気マニホールド２４として用いられる。

図５は、セルホルダの平面図である。セルホルダ２には、その中心部に単セル１を支持するための支持穴２Ａが設けられている。なお、セルホルダ２は、燃料流路板４の周縁部の高さを高くすることにより、燃料流路板４と一体に形成してもよい。

図６は、絶縁部材の平面図である。絶縁部材３は、平面視ドーナツ板形状をなす電気的絶縁部材であり、アノード極を形成する燃料極１Ａと電気的に接続されているセルホルダ２と、カソード極を形成する空気極１Ｂと電気的に接続されている空気流路板５とを電気的に絶縁する機能と、空気と燃料との混合を封止する機能とを有している。

図７は、燃料流路板の説明図であり、図７（ａ）は、燃料流路板の平面図、図７（ｂ）は、燃料流路板の底面図である。燃料流路板４は、燃料極１Ａの略中心部と対向する位置に設けられた燃料供給穴４Ａと、燃料極１Ａと対向する位置に形成されて、燃料供給穴４Ａから燃料極１Ａへ燃料を配分供給する燃料流路４Ｂと、燃料流路４Ｂと燃料排気マニホールド２３とを接続する燃料排出経路４Ｃとを有している。なお、燃料の排気については、上記以外の排気構造を持つものであってもよい。

また、燃料供給穴４Ａは、共通セパレータ１０の燃料中心供給経路１１の先端開口部１１Ａと燃料流路４Ｂの中心部とを接続する形状をなしている。図７には、燃料供給穴４Ａを、燃料極１Ａの中心Ｐから燃料中心供給経路１１の先端開口部１１Ａまでを含む半径を有する円形状の穴で構成した場合の例が示されている。これにより、燃料流路板４の中心に、円形状の穴を設けるという極めて簡素な加工処理で、燃料供給穴４Ａを形成することができ、製造コストを大幅に削減できる。

図８は、空気流路板の説明図であり、図８（ａ）は、空気流路板の平面図、図８（ｂ）は、空気流路板の底面図である。空気流路板５は、空気極１Ｂの略中心部と対向する位置に設けられた空気供給穴５Ａと、空気極１Ｂと対向する位置に形成されて、空気供給穴５Ａから空気極１Ｂへ空気を配分供給する空気流路５Ｂと、この空気流路５Ｂと空気排気マニホールド２４とを接続する空気排出経路５Ｃとを有している。なお、空気の排気については、上記以外の排気構造を持つものであってもよい。

また、空気供給穴５Ａは、共通セパレータ１０の空気中心供給経路１２の先端開口部１２Ａと空気流路５Ｂの中心部とを接続する形状をなしている。図８には、空気供給穴５Ａを、空気極１Ｂの中心Ｐから空気中心供給経路１２の先端開口部１２Ａまでを含む半径を有する円形状の穴で構成した場合の例が示されている。これにより、空気流路板５の中心に、円形状の穴を設けるという極めて簡素な加工処理で、空気供給穴５Ａを形成することができ、製造コストを大幅に削減できる。

図９は、共通セパレータの説明図であり、図９（ａ）は、共通セパレータの平面図、図９（ｂ）は、共通セパレータの底面図である。
共通セパレータ１０は、隣接する発電ユニット１０１Ｍおよび発電ユニット１０１Ｎのうち、燃料供給マニホールド２１から燃料を一方の発電ユニット１０１Ｍの燃料供給穴４Ａへ供給する燃料中心供給経路１１と、空気供給マニホールド２２から空気を他方の発電ユニット１０１Ｎの空気供給穴５Ａへ供給する空気中心供給経路１２とを有している。

共通セパレータ１０には、一方の発電ユニット１０１Ｍの燃料流路板４と接する面１０Ａ（第１の面）に、燃料供給マニホールド２１から共通セパレータ１０の中心部へ向けて、燃料流路板４側に開口する溝形状の燃料中心供給経路１１が延設されている。この燃料中心供給経路１１の延設した先端開口部１１Ａは、共通セパレータ１０の中心部で、一方の発電ユニット１０１Ｍの燃料供給穴４Ａと接続されている。

また、共通セパレータ１０には、他方の発電ユニット１０１Ｎの空気流路板５と接する、面１０Ａとは反対側の面１０Ｂ（第２の面）に、空気供給マニホールド２２から共通セパレータ１０の中心部へ向けて、燃料中心供給経路１１と立体的に交差しないように、空気流路板５側に開口する溝形状の空気中心供給経路１２が延設されている。この空気中心供給経路１２の延設した先端開口部１２Ａは、共通セパレータ１０の中心部で、他方の発電ユニット１０１Ｎの空気供給穴５Ａと接続されている。

これら燃料中心供給経路１１および空気中心供給経路１２は、断面矩形状あるいは湾曲形状の溝形状をなしている。これら燃料中心供給経路１１および空気中心供給経路１２の場や深さ（高さ）については、発電ユニット１に供給させる燃料や空気の圧力損失低下を考慮して、それぞれの設計範囲の値を選択すればよい。

燃料中心供給経路１１および空気中心供給経路１２の深さ（高さ）については、例えば共通セパレータ１０の厚さの半分以上とすることにより、前述したような各種条件で制限された厚さの共通セパレータにおいて、圧力損失を抑制しつつ、より多くの量の燃料や空気を供給できる供給路を形成することができる。
また、燃料中心供給経路１１および空気中心供給経路１２は、立体的に交差しないため、共通セパレータ１０の面１０Ａ，１０Ｂを貫通するスリット形状であってもよい。

燃料中心供給経路１１および空気中心供給経路１２は、互いに立体的に交差しない位置に配置されている。燃料中心供給経路１１と空気中心供給経路１２に貫通穴ができると、燃料と空気が単セル１に供給される前に燃焼し、発電性能が大幅に低下してしまうので、燃料中心供給経路１１と空気中心供給経路１２とは、互いに干渉しないように配置してある。

なお、燃料中心供給経路１１と空気中心供給経路１２とは、共通セパレータ１０の中心部で接近する。図９の例では、燃料中心供給経路１１と空気中心供給経路１２の両方が、共通セパレータ１０の中心まで届かない構造となっているが、互いに干渉しなければ、どちらか一方だけが中心まで届かない構造となっても構わない。
また、燃料流路板４および空気流路板５のうち、共通セパレータ１と接する面に、溝形状の補助的経路を形成して、燃料中心供給経路１１や空気中心供給経路１２を補助することにより、燃料や空気の圧力損失の低下をはかってもよい。

［第１の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態は、燃料流路板４や空気流路板５などのセパレータとは別個に、積層により隣接する２つの発電ユニット１０１Ｍ，１０１Ｎのセパレータ間に設けられて、燃料供給マニホールド２１から燃料を一方の発電ユニット１０１Ｍへ供給する燃料中心供給経路１１と、空気供給マニホールド２２から空気を他方の発電ユニット１０１Ｎへ供給する空気中心供給経路１２とを有する共通セパレータ１０を備えたものである。

そして、燃料中心供給経路１１を、共通セパレータ１０のうち一方の発電ユニット１０１Ｍの燃料流路板４と接する面１０Ａに、溝形状で燃料供給マニホールド２１から共通セパレータ１０の中心部へ向けて延設するとともに、空気中心供給経路１２を、共通セパレータ１０のうち他方の発電ユニット１０１Ｎの空気流路板５と接する、面１０Ａとは反対側の面１０Ｂに、燃料中心供給経路１１と立体的に交差しないように、溝形状で空気供給マニホールド２２から共通セパレータ１０の中心部へ向けて延設し、燃料流路板４に、燃料極１Ａの略中心部と対向する位置に、燃料中心供給経路１１の先端開口部１１Ａと燃料流路４Ｂの中心部とを接続する燃料供給穴４Ａを設けるとともに、空気流路板５には、空気極１Ｂの略中心部と対向する位置に、空気中心供給経路１２の先端開口部１２Ａと空気流路５Ｂの中心部とを接続する空気供給穴５Ａを設けたものである。

これにより、セパレータの厚さを増やすことなく、燃料および空気の供給路を構成するためのセパレータの枚数を半減することができ、結果として、平板型ＳＯＦＣスタックをコンパクト化することが可能となる。
また、１つの共通セパレータの両面に燃料および空気の供給路を別個に形成した場合でも、これら供給路を立体的に交差させることなく、燃料流路や空気流路の中心部へ燃料や空気を供給することができる。したがって、平板型ＳＯＦＣスタックをコンパクト化した場合でも、燃料および空気を単セルの中心部へ適切に供給することができ、高い発電効率を得ることが可能となる。

また、本実施の形態では、セルホルダ２、絶縁部材３、燃料流路板４、空気流路板５、および共通セパレータ１０の周辺部に設けた貫通穴を、燃料供給マニホールド２１、空気供給マニホールド２２、燃料排気マニホールド２３、および空気排気マニホールド２４として用いる場合を例として説明したが、燃料および空気については、このような貫通穴を用いず、平板型ＳＯＦＣスタック１００の外部に設けたマニホールドにより、給排気するようにしてもよい。

この場合、共通セパレータ１０において、燃料中心供給経路１１は、共通セパレータ１０の外周部に設けた燃料取入口から共通セパレータ１０の中心部へ向けて延設すればよく、空気中心供給経路１２は、共通セパレータ１０の外周部に設けた空気取入口から共通セパレータ１０の中心部へ向けて延設すればよい。

［第２の実施の形態］
次に、図１０および図１１を参照して、本発明の第２の実施の形態にかかる平板型ＳＯＦＣスタック１００について説明する。図１０は、第２の実施の形態にかかる平板型ＳＯＦＣスタックの構成を示すブロック図である。図１１は、図１０のXI−XI断面図である。

第１の実施の形態では、燃料流路板４の燃料供給穴４Ａおよび空気流路板５の空気供給穴５Ａを円形状で構成した場合を例として説明した。本実施の形態では、これら燃料供給穴４Ａおよび空気供給穴５Ａを、楕円形状で構成した場合を例として説明する。
なお、本実施の形態において、これら燃料供給穴４Ａおよび空気供給穴５Ａ以外の構成については、前述した第１の実施の形態と同様であり、ここでの詳細な説明は省略する。

図１２は、第２の実施の形態で用いる燃料流路板の説明図であり、図１２（ａ）は、燃料流路板の平面図、図１２（ｂ）は、燃料流路板の底面図である。燃料流路板４に設けられた燃料供給穴４Ａは、共通セパレータ１０の燃料中心供給経路１１の先端開口部１１Ａと燃料流路４Ｂの中心部とを接続する形状をなしている。図１２には、燃料供給穴４Ａを、燃料極１Ａの中心Ｐから燃料中心供給経路１１の先端開口部１１Ａまでを含む長径を有する楕円形状の穴で構成した場合の例が示されている。

図１３は、第２の実施の形態で用いる空気流路板の説明図であり、図１３（ａ）は、空気流路板の平面図、図１３（ｂ）は、空気流路板の底面図である。空気流路板５に設けられた空気供給穴５Ａは、共通セパレータ１０の空気中心供給経路１２の先端開口部１２Ａと空気流路５Ｂの中心部とを接続する形状をなしている。図１３には、空気供給穴５Ａを、空気極１Ｂの中心Ｐから空気中心供給経路１２の先端開口部１２Ａまでを含む長径を有する円形状の穴で構成した場合の例が示されている。

燃料流路板４の燃料流路４Ｂは、燃料を単セル１の燃料極１Ａへ供給する機能だけでなく、単セル１で発生した起電力を集電する機能も有している。このため、燃料流路４Ｂを形成する発砲金属などの集電体を介して、燃料流路板４で起電力を効率よく集電する必要がある。したがって、集電体と燃料流路板４との電気的な接触面積が大きいほど集電効率が高い。

また、空気流路板５の空気流路５Ｂは、燃料を単セル１の空気極１Ｂへ供給する機能だけでなく、単セル１で発生した起電力を集電する機能も有している。このため、空気流路５Ｂを形成する発砲金属などの集電体を介して、空気流路板５で起電力を効率よく集電する必要がある。したがって、集電体と空気流路板５との電気的な接触面積が大きいほど集電効率が高い。

本実施の形態では、第１の実施の形態と比較して、燃料供給穴４Ａや空気供給穴５Ａの面積を小さくすることができるため、集電体と燃料流路板４や空気流路板５との電気的な接触面積を大きくすることができ、集電効率を高めることができる。また、燃料や空気が燃料流路４Ｂや空気流路５Ｂへ供給される箇所を中心部に集中させることができ、中心部以外から供給される割合を低減できるため、燃料極１Ａや空気極１Ｂに対して、その中心から周辺方向へ、より多くの燃料や空気を流すことができ、発電効率を高めることができる。

［第２の実施の形態の効果］
このように、本実施の形態では、燃料流路板４の燃料供給穴４Ａを、燃料極１Ａの中心から燃料中心供給経路１１の先端開口部１１Ａまでを含む長径を有する楕円形状の穴で構成し、空気流路板５の空気供給穴５Ａを、空気極１Ｂの中心から空気中心供給経路１２の先端開口部１２Ａまでを含む長径を有する楕円形状の穴で構成したので、集電体と燃料流路板４や空気流路板５との電気的な接触面積を大きくすることができ、集電効率を高めることができる。
また、燃料流路板４や空気流路板５に、楕円形状の穴を設けるという極めて簡素な加工処理で、燃料供給穴４Ａや空気供給穴５Ａを形成することができ、製造コストを大幅に削減できる。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態にかかる平板型ＳＯＦＣスタック１００について説明する。
第２の実施の形態では、燃料流路板４の燃料供給穴４Ａおよび空気流路板５の空気供給穴５Ａを楕円形状で構成した場合を例として説明したが、楕円形状に代えて長円形状であってもよい。

すなわち、本実施の形態において、燃料流路板４の燃料供給穴４Ａは、燃料極１Ａの中心Ｐから燃料中心供給経路１１の先端開口部１１Ａまでを含む長径を有する長円形状の穴から構成されている。
また、空気流路板５の空気供給穴５Ａは、空気極１Ｂの中心Ｐから空気中心供給経路１２の先端開口部１２Ａまでを含む長径を有する長円形状の穴から構成されている。

［第３の実施の形態の効果］
これにより、第２の実施の形態と同様に、集電体と燃料流路板４や空気流路板５との電気的な接触面積を大きくすることができ、集電効率を高めることができる。
また、燃料流路板４や空気流路板５に、長円形状の穴を設けるという極めて簡素な加工処理で、燃料供給穴４Ａや空気供給穴５Ａを形成することができ、製造コストを大幅に削減できる。

［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。

１００…平板型ＳＯＦＣスタック、１０１，１０１Ｍ，１０１Ｎ…発電ユニット、１Ａ…燃料極、１Ｂ…空気極、１Ｃ…電解質、２…セルホルダ、３…絶縁部材、４…燃料流路板、４Ａ…燃料供給穴、４Ｂ…燃料流路、４Ｃ…燃料排出経路、５…空気流路板、５Ａ…空気供給穴、５Ｂ…空気流路、５Ｃ…空気排出経路、１０…共通セパレータ、１１…燃料中心供給経路、１１Ａ…先端開口部、１２…空気中心供給経路、１２Ａ…先端開口部、２１…燃料供給マニホールド、２２…空気供給マニホールド、２３…燃料排気マニホールド、２４…空気排気マニホールド。

Claims (4)

1. 燃料極、空気極、および個体酸化物の電解質から構成される平板型固体酸化物形燃料電池（以下、平板型ＳＯＦＣという）の単セルと、燃料および空気を前記単セルへ供給するための経路が設けられたセパレータとを備えた発電ユニットを互いに積層して電気的に直列接続することにより形成された平板型ＳＯＦＣスタックであって、
   前記セパレータは、前記燃料極へ前記燃料を供給する燃料流路が設けられた燃料流路板と、前記空気極へ前記空気を供給する空気流路が設けられた空気流路板とを備え、
   前記セパレータとは別個に、前記積層により隣接する２つの前記発電ユニットのセパレータ間に設けられて、燃料供給マニホールドから前記燃料を一方の発電ユニットへ供給する燃料中心供給経路と、空気供給マニホールドから前記空気を他方の発電ユニットへ供給する空気中心供給経路とを有する共通セパレータを備え、
   前記燃料中心供給経路は、前記共通セパレータのうち前記一方の発電ユニットの前記燃料流路板と接する第１の面に、溝形状で前記燃料供給マニホールドから前記共通セパレータの中心部へ向けて延設され、
   前記空気中心供給経路は、前記共通セパレータのうち前記他方の発電ユニットの前記空気流路板と接する、前記第１の面とは反対側の第２の面に、前記燃料中心供給経路と立体的に交差しないように、溝形状で前記空気供給マニホールドから前記共通セパレータの中心部へ向けて延設され、
   前記燃料流路板は、前記燃料極の略中心部と対向する位置に設けられて、前記燃料中心供給経路の先端開口部と前記燃料流路の中心部とを接続する燃料供給穴を有し、
   前記空気流路板は、前記空気極の略中心部と対向する位置に設けられて、前記空気中心供給経路の先端開口部と前記空気流路の中心部とを接続する空気供給穴を有している
   ことを特徴とする平板型ＳＯＦＣスタック。
2. 請求項１に記載の平板型ＳＯＦＣスタックにおいて、
   前記燃料供給穴は、前記燃料極の中心から前記燃料中心供給経路の先端開口部までを含む半径を有する円形状の穴からなり、
   前記空気供給穴は、前記空気極の中心から前記空気中心供給経路の先端開口部までを含む半径を有する円形状の穴からなる
   ことを特徴とする平板型ＳＯＦＣスタック。
3. 請求項１に記載の平板型ＳＯＦＣスタックにおいて、
   前記燃料供給穴は、前記燃料極の中心から前記燃料中心供給経路の先端開口部までを含む長径を有する楕円形状または長円形状の穴からなり、
   前記空気供給穴は、前記空気極の中心から前記空気中心供給経路の先端開口部までを含む長径を有する楕円形状または長円形状の穴からなる
   ことを特徴とする平板型ＳＯＦＣスタック。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の平板型ＳＯＦＣスタックにおいて、
   前記燃料中心供給経路および前記空気中心供給経路のいずれか一方または両方は、前記共通セパレータの前記第１の面と前記第２の面とを貫通するスリット形状をなすことを特徴とする平板型ＳＯＦＣスタック。

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