JP2013187005A - 固体酸化物形燃料電池及び燃料電池ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】発電セルの面内の温度分布を均一にすることができ、かつ、部品点数の増加や発電性能の低下を防止することができる固体酸化物形燃料電池を提供すること。
【解決手段】本発明の固体酸化物形燃料電池１が有する燃料電池ユニット１１は、１つのセパレータ４０に２つの発電セル２０，３０が平面方向に沿って配置された構造を有する。発電セル２０，３０及びセパレータ４０はともに平面視矩形状をなす。発電セル２０，３０は、複数の辺２１〜２４，３１〜３４を有するとともに、互いに対向する辺２４，３２が略平行に配置される。辺２４，３２に挟まれた領域Ｂ１には、冷却用流体を通過させるための空気供給流路７０を形成する第１の貫通孔７１が、セパレータ４０の厚さ方向に沿って燃料電池ユニット１１を貫通するように設けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、固体電解質層、空気極層及び燃料極層を有する発電セルと、空気極層に接する酸化剤ガス及び燃料極層に接する燃料ガスを分離するセパレータとを備える固体酸化物形燃料電池及び燃料電池ユニットに関するものである。

従来より、燃料電池として、例えば固体電解質層（固体酸化物層）を備えた固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell ；ＳＯＦＣ）が知られている。このＳＯＦＣは、酸化剤ガスに接する空気極層と燃料ガスに接する燃料極層とが固体電解質層の表面及び裏面にそれぞれ配置された発電セルと、空気極層に接する酸化剤ガス及び燃料極層に接する燃料ガスを分離するセパレータとを備えている。そして、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とが固体電解質層を介して反応（発電反応）することにより、空気極層を正極、燃料極層を負極とする直流の電力が発生するようになる。なお、発電セルは、空気極層の表面に空気極集電体（及びインターコネクタ）を接触させた状態で使用されるため、空気極集電体が正極となる。また、固体電解質層はイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などの材料で形成され、空気極集電体はＬＳＣＦ（Ｌａ_０．６Ｓｒ_０．４ＣＯ_０．２Ｆｅ_０．８Ｏ_３）などの材料で形成され、インターコネクタやセパレータは金属などの材料で形成される。

なお、セパレータ及び発電セルとしては、例えば平面視矩形状をなすものなどが提案されている。図１０は、平面視矩形状をなす１つのセパレータ１０１に対して、同じく平面視矩形状をなす１つの発電セル１０２を配置した具体例を示している。この発電セル１０２は、厚さ方向から見て４つの辺１０３，１０４，１０５，１０６を有している。なお、燃料ガスは、辺１０３側から発電セル１０２内に供給され、発電後に辺１０４側から発電セル１０２外に排出されるようになっている。また、酸化剤ガス（空気）は、辺１０５側から発電セル１０２内に供給され、発電後に辺１０６側から発電セル１０２外に排出されるようになっている。即ち、ガスの流れ方向としては、燃料ガスと酸化剤ガスとが直交する方式（いわゆるクロスフロー）が採用されている。

また、発電セル１０２は、燃料ガスの供給によって高温になるために冷却が必要である。ここで、発電セル１０２を冷却する手法としては、発電セル１０２に対して酸化剤ガスを過剰に流すことなどが考えられる。さらに、発電セル１０２を冷却する他の手法として、複数の発電セルを積層してなる積層体（燃料電池スタック）内に冷却板（及び冷却ガス通路）などの冷却手段を設けることなども従来提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開平１０−２１９４０号公報（図１等）

ところが、発電セル１０２に対して酸化剤ガスを過剰に流す場合、酸化剤ガスの入口近傍の領域Ａ１は効率良く冷却されるが、酸化剤ガスの入口から離間した領域Ａ２をあまり冷却することはできない。この場合、発電セル１０２の面内の温度分布が均一にならないため、温度差に起因して発生する熱応力により、発電セル１０２が変形するおそれがある。また、上記した冷却手段を設ける場合には、部品点数が増加したり、発電セルとインターコネクタとの間に冷却手段が介在することに起因して発電性能が低下したりする可能性がある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、発電セルの面内の温度分布を均一にすることができ、かつ、部品点数の増加や発電性能の低下を防止することができる固体酸化物形燃料電池を提供することにある。

上記課題を解決するための手段（手段１）としては、固体電解質層、前記固体電解質層の第１主面側に配置され酸化剤ガスに接する空気極層、及び、前記固体電解質層の第２主面側に配置され燃料ガスに接する燃料極層を有する発電セルと、前記発電セルを厚さ方向から見たときに前記発電セルの周縁部となる箇所に接続され、前記空気極層に接する酸化剤ガス及び前記燃料極層に接する燃料ガスを分離するセパレータとを備え、１つの前記セパレータに２つの前記発電セルが平面方向に沿って配置される燃料電池ユニットを有する固体酸化物形燃料電池であって、前記発電セル及び前記セパレータはともに平面視矩形状をなしており、平面方向に沿って配置される前記２つの発電セルは、厚さ方向から見て複数の辺を有するとともに、互いに対向する辺が略平行に配置され、かつ、前記２つの発電セルにおいて互いに対向する辺に挟まれた領域に、冷却用流体を通過させるための冷却用流体流路を形成する第１の貫通孔が、前記セパレータの厚さ方向に沿って前記燃料電池ユニットを貫通するように設けられていることを特徴とする固体酸化物形燃料電池がある。

手段１に記載の発明によると、１つのセパレータに２つの発電セルが平面方向に沿って配置され、２つの発電セルにおいて互いに対向する辺に挟まれた領域に、冷却用流体を通過させるための冷却用流体流路を形成する第１の貫通孔が設けられている。なお、両発電セルにおいて第１の貫通孔の近傍の領域は、セパレータの外周部から離間しているため、外部への放熱が少なく、高い温度に維持されやすい。そこで、第１の貫通孔（冷却用流体流路）に冷却用流体を通過させれば、両発電セルにおいて第１の貫通孔の近傍の領域を確実に冷却することができる。一方、両発電セルにおいて第１の貫通孔から離間した領域は、セパレータの外周部に近いため、外部への放熱が多く、冷却されやすい。また、第１の貫通孔（冷却用流体流路）に冷却用流体を通過させれば、第１の貫通孔の近傍の領域を通過する際に温められた冷却用流体により、第１の貫通孔から離間した領域を加熱することもできる。以上のことから、発電セルの面内の温度分布を均一にすることができるため、熱応力の発生に起因した発電セルの変形を防止することができ、固体酸化物形燃料電池の信頼性が高くなる。また、発電セルやセパレータとは別に冷却手段を設けなくても済むため、冷却手段の存在に起因する部品点数の増加や発電性能の低下を防止することができる。

発電セルを構成する固体電解質層は、空気極層に接する酸化剤ガス及び燃料極層に接する燃料ガスなどの一部がイオンとなって移動する性質（イオン電導性）を有している。固体電解質層中を移動するイオンとしては、例えば酸素イオンや水素イオンなどが挙げられる。

固体電解質層（固体酸化物層）の形成材料としては、例えばＺｒＯ_２系セラミック、ＬａＧａＯ_３系セラミック、ＢａＣｅＯ_３系セラミック、ＳｒＣｅＯ_３系セラミック、ＳｒＺｒＯ_３系セラミック、ＣａＺｒＯ_３系セラミックなどがある。

発電セルを構成する空気極層は、酸化剤となる酸化剤ガスと接触し、発電セルにおける正電極として機能する。ここで、空気極層の形成材料としては、例えば、金属材料、金属の酸化物、金属の複合酸化物などを挙げることができる。金属材料の好適例としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ等やそれらの合金などがある。金属の酸化物の好適例としては、例えば、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅの酸化物（Ｌａ_２Ｏ_３、ＳｒＯ、Ｃｅ_２Ｏ_３、Ｃｏ_２Ｏ_３、ＭｎＯ_２、ＦｅＯ）などがある。金属の複合酸化物の好適例としては、例えば、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎを含有する複合酸化物（Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＦｅＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏ_１−ｙＦｅ_ｙＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３系複合酸化物、Ｐｒ_１−ｘＢａ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物、Ｓｍ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物）などがある。

また、酸化剤ガスとしては、例えば、酸素と他の気体との混合ガスなどが挙げられる。この混合ガスは、窒素やアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。なお、混合ガスは、安全で安価な空気であることが好ましい。さらに、混合ガス（酸化剤ガス）が空気である場合、冷却用流体として、酸化剤ガスとしても用いられる空気が兼用されていることが好ましい。このようにすれば、冷却用流体を酸化剤ガスとは別々に準備しなくても済むため、固体酸化物形燃料電池の低コスト化を図ることができる。

また、発電セルを構成する燃料極層は、還元剤となる燃料ガスと接触し、発電セルにおける負電極として機能する。ここで、燃料極層の形成材料としては、例えば、希土類元素（Ｓｃ、Ｙなど）により安定化されたＺｒＯ_２系セラミック、及び、希土類元素（Ｓｍ、Ｇｄなど）をドープしたＣｅＯ_２系セラミック等のうち、少なくとも１つのセラミック材料と、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｆｅ等の金属材料及びそれら金属材料の合金のうちの少なくとも１つと、を混合した金属セラミック材料の混合物（サーメット）を使用することができる。

また、燃料ガスとしては、例えば、水素ガス、炭化水素ガス、水素ガスと炭化水素ガスとの混合ガスなどが挙げられる。燃料ガスとして炭化水素ガスを選択した場合、炭化水素ガスの種類は特に限定されないが、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等であることが好ましい。なお、水中にガス（水素ガス、炭化水素ガス、混合ガス）を通過させて加湿することによって得られる燃料ガスや、ガス（水素ガス、炭化水素ガス、混合ガス）に水蒸気を混合させることによって得られる燃料ガスを選択してもよい。また、１種類の燃料ガスのみを用いてもよいし、複数種類の燃料ガスを併用してもよい。さらに、燃料ガスは、窒素やアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。また、液体の原料を気化したものを燃料ガスとして使用したり、水素ガス以外のガスを改質して生成した水素ガスを燃料ガスとして使用したりすることもできる。

なお、セパレータは平面視長方形状をなすとともに、発電セルは平面視方形状をなしており、セパレータの外形線と発電セルの外形線とが略平行に配置されていることが好ましい。このようにした場合、両発電セルにおいて第１の貫通孔から離間した領域からセパレータの外部への放熱を均等に行うことができ、発電セルの面内の温度分布をよりいっそう均一にすることができる。ゆえに、熱応力の発生に起因した発電セルの変形を確実に防止できるため、固体酸化物形燃料電池の信頼性が高くなる。さらに、平面方向に沿って配置された２つの発電セルのそれぞれの外形線のうち、２つの発電セルにおいて互いに対向する辺を除く他の辺は、それぞれセパレータの外形線までの距離が略同じであることがより好ましい。このようにした場合、両発電セルにおいて第１の貫通孔から離間した領域から、セパレータの外部への放熱がよりいっそう均等に行われるため、発電セルの面内の温度分布をよりいっそう均一にすることができる。ゆえに、熱応力の発生に起因した発電セルの変形をより確実に防止できるため、固体酸化物形燃料電池の信頼性がよりいっそう高くなる。

さらに、２つの発電セルにおいて互いに対向する辺に挟まれた領域には、冷却用流体を通過させるための冷却用流体流路を形成する第１の貫通孔が、セパレータの厚さ方向に沿って燃料電池ユニットを貫通するように設けられている。第１の貫通孔の配置態様は特に限定されないが、２つの発電セルにおいて互いに対向する辺に挟まれた領域の平面視での形状等に合わせて適宜設定されることが好ましい。

なお、セパレータの厚さ方向に沿って複数の燃料電池ユニットが積層される場合、第１の貫通孔に、複数の燃料電池ユニットを積層方向にボルト締めするための締結ボルトが挿通され、第１の貫通孔の内壁面と締結ボルトの外周面との間に設けられた隙間により冷却用流体流路が形成されていることが好ましい。このようにすれば、例えばセパレータの外周部のみで締結ボルトによるボルト締めを行う場合と比較して、発電セルの面内においてより均一に荷重を掛けることができる。その結果、発電セルとセパレータとの均一な接触をより確実に実現できるため、発電セルの面内の温度分布をより確実に均一にすることができる。

ここで、２つの発電セル間の最短距離は、発電セルの一辺の長さの０．２倍以上１．５倍以下に設定され、冷却用流体流路の内径は、発電セルの一辺の長さの０．１倍以上１．０倍以下に設定されていることが好ましい。仮に、２つの発電セル間の最短距離が発電セルの一辺の長さの０．２倍未満になると、冷却用流体流路（第１の貫通孔）と発電セルとが近付き過ぎるため、発電セルにおける冷却用流体流路の近傍の領域が冷却され過ぎてしまい、発電セルの面内の温度分布が不均一になってしまう。一方、２つの発電セル間の最短距離が発電セルの一辺の長さの１．５倍よりも大きくなると、冷却用流体流路と発電セルとが離れ過ぎるため、発電セルにおける冷却用流体流路の近傍の領域をあまり冷却することができず、この場合も、発電セルの面内の温度が不均一になってしまう。また、冷却用流体流路の内径が発電セルの一辺の長さの０．１倍未満になると、冷却用流体流路の断面積が小さくなることから冷却用流体流路内を通過する冷却用流体の流速が速くなるため、発電セルにおける冷却用流体流路の近傍の領域が冷却され過ぎてしまい、発電セルの面内の温度が不均一になってしまう。一方、冷却用流体流路の内径を発電セルの一辺の長さの１．０倍よりも大きく設計すると、冷却用流体流路の断面積が発電セルのサイズよりも大きくなることから、冷却用流体の分配の最適化が複雑になってしまう。また、燃料電池スタックの大型化につながるために好ましくない。

また、セパレータの外周部には、燃料ガスを通過させるための燃料ガス流路を形成する第２の貫通孔が、セパレータの厚さ方向に沿って燃料電池ユニットを貫通するように設けられていてもよい。しかも、セパレータの厚さ方向に沿って複数の燃料電池ユニットが積層される場合、第２の貫通孔に、複数の燃料電池ユニットを積層方向にボルト締めするための締結ボルトが挿通され、第２の貫通孔の内壁面と締結ボルトの外周面との間に設けられた隙間により燃料ガス流路が形成されていることが好ましい。このようにすれば、セパレータの外周部で締結ボルトによるボルト締めを行わなくても済む。ゆえに、固体酸化物形燃料電池の部品点数が少なくなり、製造時の工数も少なくなるため、固体酸化物形燃料電池の低コスト化を図ることができる。なお、第２の貫通孔の配置態様は特に限定されないが、セパレータの外周部の平面視での形状等に合わせて適宜設定されることが好ましい。

上記課題を解決するための別の手段（手段２）としては、固体電解質層、前記固体電解質層の第１主面側に配置され酸化剤ガスに接する空気極層、及び、前記固体電解質層の第２主面側に配置され燃料ガスに接する燃料極層を有する発電セルと、前記発電セルを厚さ方向から見たときに前記発電セルの周縁部となる箇所に接続され、前記空気極層に接する酸化剤ガス及び前記燃料極層に接する燃料ガスを分離するセパレータとを備え、１つの前記セパレータに２つの前記発電セルが平面方向に沿って配置される燃料電池ユニットであって、前記発電セル及び前記セパレータはともに平面視矩形状をなしており、平面方向に沿って配置される前記２つの発電セルは、厚さ方向から見て複数の辺を有するとともに、互いに対向する辺が略平行に配置され、かつ、前記２つの発電セルにおいて互いに対向する辺に挟まれた領域に、冷却用流体を通過させるための冷却用流体流路を形成する第１の貫通孔が、前記セパレータを厚さ方向に貫通するように設けられていることを特徴とする燃料電池ユニットがある。

手段２に記載の発明によると、１つのセパレータに２つの発電セルが平面方向に沿って配置され、２つの発電セルにおいて互いに対向する辺に挟まれた領域に、冷却用流体を通過させるための冷却用流体流路を形成する第１の貫通孔が設けられている。なお、両発電セルにおいて第１の貫通孔の近傍の領域は、セパレータの外周部から離間しているため、外部への放熱が少なく、高い温度に維持されやすい。そこで、第１の貫通孔（冷却用流体流路）に冷却用流体を通過させれば、両発電セルにおいて第１の貫通孔の近傍の領域を確実に冷却することができる。一方、両発電セルにおいて第１の貫通孔から離間した領域は、セパレータの外周部に近いため、外部への放熱が多く、冷却されやすい。また、第１の貫通孔（冷却用流体流路）に冷却用流体を通過させれば、第１の貫通孔の近傍の領域を通過する際に温められた冷却用流体により、第１の貫通孔から離間した領域を加熱することもできる。以上のことから、発電セルの面内の温度分布を均一にすることができるため、熱応力の発生に起因した発電セルの変形を防止することができ、燃料電池ユニットの信頼性が高くなる。また、発電セルやセパレータとは別に冷却手段を設けなくても済むため、冷却手段の存在に起因する部品点数の増加や発電性能の低下を防止することができる。

本実施形態における固体酸化物形燃料電池を示す概略斜視図。 固体酸化物形燃料電池を示す概略平面図。 図２のＡ−Ａ線断面図。 空気及び酸化剤ガスの流れに起因する発電セルの温度分布を説明するための図。 伝熱による放熱に起因する発電セルの温度分布を説明するための図。 他の実施形態における燃料電池ユニットを示す概略平面図。 図６のＢ−Ｂ線における概略断面図。 他の実施形態における燃料電池ユニットを示す概略平面図。 他の実施形態における燃料電池ユニットを示す概略平面図。 従来技術における問題点を示す概略平面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１〜図３に示されるように、本実施形態の燃料電池１は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。燃料電池１は、略直方体状をなす燃料電池スタック１０を備えている。燃料電池スタック１０は、発電反応により電力を発生する燃料電池ユニット１１を複数積層してなるものである。また、燃料電池スタック１０の四隅には、同燃料電池スタック１０を厚さ方向に貫通する４つの貫通孔１２が設けられている。なお、各貫通孔１２に締結ボルト１３を挿通させ、燃料電池スタック１０の下面から突出する締結ボルト１３の下端部分にナット（図示略）を螺着させる。その結果、複数の燃料電池ユニット１１が固定されるようになっている。

図２，図３に示されるように、燃料電池１は、燃料電池ユニット１１と、コネクタプレート５１，６０とを積層配置することによって構成されている。各燃料電池ユニット１１は、平面視長方形状をなしており、空気極絶縁フレーム５２、セパレータ４０、上側絶縁フレーム５３、燃料極フレーム５８及び下側絶縁フレーム５９を順番に積層することによって構成されている。また、各燃料電池ユニット１１は、１つのセパレータ４０に２つの発電セル２０，３０が平面方向に沿って配置される構造を有している。よって、各燃料電池ユニット１１は、セパレータ４０の厚さ方向に沿って積層されている。

コネクタプレート５１，６０は、耐熱性及び導電性に優れたステンレスなどの金属材料によって略矩形板状に形成されている。コネクタプレート５１は、発電セル２０，３０の上側に配置されている。一方、コネクタプレート６０は、発電セル２０，３０の下側に配置されている。そして、コネクタプレート５１，６０は、燃料電池ユニット１１内にガス流路を形成するようになっている。また、コネクタプレート５１，６０は、上側または下側に隣接する発電セル２０同士、上側または下側に隣接する発電セル３０同士、及び、平面方向に隣接する発電セル２０，３０同士を導通させるようになっている。詳述すると、上側または下側に隣接する発電セル２０，３０同士の間に位置するコネクタプレート５１，６０は、いわゆるインターコネクタとなり、上側または下側に積層方向に隣接する発電セル２０，３０同士を区画するようになっている。なお、本実施形態のコネクタプレート６０は、下側に隣接する発電セル２０，３０のコネクタプレート５１を兼ねている。また、燃料電池スタック１０の上端部に配置されたコネクタプレート５１は上側エンドプレート６８となり、燃料電池スタック１０の下端部に配置されたコネクタプレート６０は下側エンドプレート６９となっている。両エンドプレート６８，６９は、燃料電池スタック１０を挟持しており、燃料電池スタック１０から出力される電流の出力端子となっている。なお、エンドプレート６８，６９となるコネクタプレート５１，６０は、インターコネクタとなるコネクタプレート５１，６０よりも肉厚になっている。

図２，図３に示される燃料極フレーム５８は、ステンレスなどの導電性材料によって略矩形枠状に形成されている。よって、燃料極フレーム５８の中央部には、同燃料極フレーム５８を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部６４が設けられている。また、空気極絶縁フレーム５２、上側絶縁フレーム５３及び下側絶縁フレーム５９は、厚さ０．５ｍｍのマイカシートによって略矩形枠状に形成されている。よって、空気極絶縁フレーム５２、上側絶縁フレーム５３及び下側絶縁フレーム５９の中央部には、それぞれ絶縁フレーム５２，５３，５９を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部６１，６３，６２が設けられている。さらに、セパレータ４０は、ステンレスなどの導電性材料によって矩形枠状に形成されている。セパレータ４０は、発電セル２０，３０を厚さ方向から見たときに発電セル２０，３０の周縁部となる箇所に接続されている。よって、セパレータ４０の中央部には、同セパレータ４０を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部６５が設けられている。

図２，図３に示されるように、発電セル２０，３０は、固体電解質層５６、空気極層５５及び燃料極層５７を有している。固体電解質層５６は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などのセラミック材料によって形成され、厚さ０．０１ｍｍの略矩形板状をなしている。固体電解質層５６は、セパレータ４０の下面に固定されるとともに、セパレータ４０の開口部６５を塞ぐように配置されている。固体電解質層５６は、酸素イオン伝導性固体電解質体として機能するようになっている。また、空気極層５５は、固体電解質層５６の第１主面９１（図３では上面）に貼付され、燃料電池スタック１０に供給された空気（酸化剤ガス）に接するようになっている。一方、燃料極層５７は、固体電解質層５６の第２主面９２（図３では下面）に貼付され、同じく燃料電池スタック１０に供給された燃料ガスに接するようになっている。空気極層５５は、セパレータ４０の開口部６５内に配置され、セパレータ４０と接触しないようになっている。また、燃料極層５７は、ニッケルとイットリア安定化ジルコニアとの混合物（Ｎｉ−ＹＳＺ）によって形成され、厚さ０．８ｍｍの平面視矩形状をなしている。なお、セパレータ４０は、空気極層５５に接する空気と燃料極層５７に接する燃料ガスとを分離するようになっている。

図３に示されるように、本実施形態の発電セル２０，３０では、上側絶縁フレーム５３の開口部６３、燃料極フレーム５８の開口部６４、下側絶縁フレーム５９の開口部６２、及びコネクタプレート６０等により、セパレータ４０の下方に燃料室１５が形成されている。そして、コネクタプレート６０と燃料極層５７との間には、燃料極集電体６７が配置されている。燃料極集電体６７は、コネクタプレート６０に電気的に接続されるとともに、燃料極層５７の表面に接触可能となっている。その結果、燃料極層５７及びコネクタプレート６０は、燃料極集電体６７を介して電気的に接続されるようになる。

また、本実施形態の発電セル２０，３０では、コネクタプレート５１、及び空気極絶縁フレーム５２の開口部６１等により、セパレータ４０の上方に空気室１６が形成されるようになっている。そして、コネクタプレート５１と空気極層５５との間には、複数の空気極集電体６６が配置されている。各空気極集電体６６は、コネクタプレート５１に電気的に接続されるとともに、空気極層５５の表面に接触可能となっている。その結果、空気極層５５及びコネクタプレート５１は、空気極集電体６６を介して電気的に接続されるようになる。また、各空気極集電体６６は、空気供給経路７０から空気室１６に供給されて空気排出流路７３から排出される空気が流れる方向に沿って延びるとともに、互いに平行かつ等間隔に配置されている。

図２に示されるように、セパレータ４０は、縦２００ｍｍ×横３７０ｍｍの平面視長方形状をなし、発電セル２０，３０は、縦１００ｍｍ×横１００ｍｍの平面視正方形状をなしている。セパレータ４０は、厚さ方向から見て４つの辺４１，４２，４３，４４（外形線）を有している。また、発電セル２０は、厚さ方向から見て４つの辺２１，２２，２３，２４（外形線）を有し、発電セル３０は、厚さ方向から見て４つの辺３１，３２，３３，３４（外形線）を有している。さらに、セパレータ４０の辺４１，４３と発電セル２０，３０の辺２１，２３，３１，３３とが略平行に配置され、セパレータ４０の辺４２，４４と発電セル２０，３０の辺２２，２４，３２，３４とが略平行に配置されている。よって、２つの発電セル２０，３０において互いに対向する辺２４，３２は、略平行に配置されている。

また、図２に示されるように、両発電セル２０，３０間の最短距離は、互いに対向する辺２４，３２間の距離と等しくなっており、本実施形態では７０ｍｍに設定されている。即ち、最短距離は、発電セル２０，３０の一辺の長さの０．７倍に設定されている。また、両発電セル２０，３０において互いに対向する辺２４，３２を除く他の辺２１〜２３，３１，３３，３４は、それぞれセパレータ４０の外形線までの距離が略同じであり、本実施形態では５０ｍｍに設定されている。具体的に言うと、発電セル２０，３０の辺２１，３１からセパレータ４０の辺４１までの距離、発電セル２０の辺２２からセパレータ４０の辺４２までの距離、発電セル２０，３０の辺２３，３３からセパレータ４０の辺４３までの距離、及び、発電セル３０の辺３４からセパレータ４０の辺４４までの距離は、略等しくなっている。

そして、図１〜図３に示されるように、燃料電池スタック１０は、発電セル２０，３０の空気室１６に空気（冷却用流体）を供給する空気供給流路７０（冷却用流体流路）と、空気室１６から空気を排出する空気排出流路７３とを備えている。つまり、本実施形態の冷却用流体としては、酸化剤ガスとしても用いられる空気が兼用されている。空気供給流路７０は、セパレータ４０の厚さ方向に沿って燃料電池ユニット１１を貫通する第１の貫通孔７１と、第１の貫通孔７１及び空気室１６を連通させる複数の分岐流路７２とによって構成されている。第１の貫通孔７１は、発電セル２０，３０において互いに対向する辺２４，３２に挟まれた領域Ｂ１（図２参照）に配置されている。そして、第１の貫通孔７１の中心軸Ｄ１（図２参照）から辺２４までの最短距離、及び、中心軸Ｄ１から辺３２までの最短距離は互いに等しくなっており、本実施形態では３５ｍｍに設定されている。また、辺２１と辺３１とをつなぐ仮想線から中心軸Ｄ１までの最短距離、及び、辺２３と辺３３とをつなぐ仮想線から中心軸Ｄ１までの最短距離も互いに等しくなっており、本実施形態では５０ｍｍに設定されている。なお、第１の貫通孔７１は、断面円形状をなし、１５ｍｍの内径を有している。即ち、第１の貫通孔７１の内径は、発電セル２０，３０の一辺の長さ（１００ｍｍ）の０．１５倍に設定されている。また、各分岐流路７２は、辺２４，３２を構成する外形線が延びる方向に沿って等間隔に配置されており、セパレータ４０の平面方向であって辺２４，３２とは直交する方向に延びている。なお、各分岐流路７２は、空気極絶縁フレーム５２に切り込みを入れることによって形成された空気導入口からなり、本実施形態においては、幅９ｍｍの空気導入口からなっている。さらに、空気排出流路７３は、燃料電池スタック１０の平面方向に延びており、空気室１６と燃料電池スタック１０の外部とを連通させる流路である。よって、空気は、第１の貫通孔７１及び分岐流路７２を順番に通過して空気室１６に供給され、空気排出流路７３を通過して空気室１６から排出される。

また、図１，図２に示されるように、燃料電池スタック１０は、発電セル２０，３０の燃料室１５に燃料ガスを供給する一対の燃料ガス供給流路８１（燃料ガス流路）と、燃料室１５から燃料ガスを排出する一対の燃料ガス排出流路８２（燃料ガス流路）とを備えている。燃料ガス供給流路８１及び燃料ガス排出流路８２は、燃料電池ユニット１１においてセパレータ４０の周囲を取り囲む枠部Ｂ２に配置され、セパレータ４０の厚さ方向に沿って燃料電池ユニット１１を貫通する第２の貫通孔８３によって形成されている。なお、第２の貫通孔８３は、断面円形状をなし、１５ｍｍの内径を有している。即ち、第２の貫通孔８３の内径は、第１の貫通孔７１の内径と等しくなっている。また、燃料ガス供給流路８１及び燃料ガス排出流路８２は、燃料電池スタック１０の外部と燃料室１５とを連通させる流路である。よって、燃料ガスは、燃料ガス供給流路８１を通過して燃料室１５に供給され、燃料ガス排出流路８２を通過して燃料室１５から排出される。

次に、燃料電池１の製造方法を説明する。

まず、ステンレス板を打ち抜くことにより、コネクタプレート５１，６０、セパレータ４０及び燃料極フレーム５８を形成する。また、マイカシートを所定形状に形成することにより、絶縁フレーム５２，５３，５９を製造する。具体的には、市販のマイカシート（マイカと成形用樹脂との複合体からなるシート）を他の部材（コネクタプレート５１，６０及び燃料極フレーム５８など）とほぼ同じ形状に形成する。なお、マイカシートに含まれている樹脂成分は、他の部材と共に積層された後に行われる熱処理によって蒸発する。さらに、マイカシートは、各発電セル２０，３０を積層方向にボルト締めした際に他の部材に挟まれることによって、各部材をシールするようになっている。

次に、発電セル２０，３０を、従来周知の手法に従って形成する。具体的には、燃料極層５７となるグリーンシート上に固体電解質層５６となるグリーンシートを積層し、焼成する。さらに固体電解質層５６上に空気極層５５の形成材料を印刷した後、焼成する（この時点で、ＳＯＦＣの単セルが得られる）。なお、固体電解質層５６は、ロウ付けによってセパレータ４０に対して固定される。そして、コネクタプレート５１，６０、絶縁フレーム５２，５３，５９、（ＳＯＦＣの単セルがロウ付けにて固定された）セパレータ４０及び燃料極フレーム５８などを積層して一体化する。その結果、燃料電池ユニット１１が形成される。

次に、各燃料電池セル本体１１を積層して一体化することにより、燃料電池スタック１０を形成する。詳述すると、燃料電池スタック１０の四隅にある４つの貫通孔１２に締結ボルト１３を挿通させ、燃料電池スタック１０の下面から突出する締結ボルト１３の下端部分にナット（図示略）を螺着させる。その結果、各燃料電池セル本体１１が固定され、燃料電池１が完成する。

次に、燃料電池１での発電反応について説明する。例えば、燃料電池１を稼働温度に加熱した状態で、空気供給流路７０から空気室１６に空気を供給する。このとき、空気室１６に供給された空気は空気極層５５に到達する。また、燃料ガス供給流路８１から燃料室１５に燃料ガスを導入し、導入した燃料ガスを燃料極層５７に到達させる。その結果、空気中の酸素と燃料ガス中の水素とが固体電解質層５６を介して反応（発電反応）し、空気極層５５を正極、燃料極層５７を負極とする直流の電力が発生する。本実施形態の燃料電池１は、セパレータ４０に発電セル２０，３０が平面方向に沿って配置された燃料電池ユニット１１を複数積層して直列に接続したものであるため、空気極層５５に電気的に接続される上側エンドプレート６８が正極となり、燃料極層５７に電気的に接続される下側エンドプレート６９が負極となる。

ところで、図４に示されるように、燃料ガスは、燃料ガス供給流路８１（図１参照）を通過して辺２１，３１側から発電セル２０，３０内に供給され、発電後に発電セル２０，３０の辺２３，３３側から燃料ガス排出流路８２（図１参照）を通過して燃料電池ユニット１１外に排出される。このとき、発電セル２０，３０は、燃料ガスの供給によって高温になるため、冷却が必要となる。そこで、本実施形態では、発電セル２０，３０において互いに対向する辺２４，３２に挟まれた領域Ｂ１に第１の貫通孔７１（空気供給経路７０）を配置し、第１の貫通孔７１を通過した空気を辺２４，３２側から発電セル２０，３０内に供給することにより、発電セル２０，３０の冷却を行っている。

ところが、発電セル２０，３０における第１の貫通孔７１の近傍の領域Ｃ１は効率良く冷却されるが、発電セル２０，３０における第１の貫通孔７１から離間した領域Ｃ２は殆ど冷却されないため、発電セル２０，３０の面内の温度分布を均一にすることができない。しかし、図５に示されるように、領域Ｃ２は、領域Ｃ１よりもセパレータ４０の外周部（特には辺４２）に近いため、外部への放熱が多く、冷却されやすくなっている。その結果、空気による領域Ｃ１の冷却量と放熱による領域Ｃ２と冷却量とが同等になるため、発電セル２０，３０の面内の温度分布が均一になる。

従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）本実施形態の燃料電池１では、両発電セル２０，３０において第１の貫通孔７１の近傍の領域Ｃ１（図４，図５参照）は、セパレータ４０の外周部から離間しているため、外部の放熱が少なく、高い温度に維持されやすい。そこで、第１の貫通孔７１（空気供給経路７０）に空気を通過させれば、領域Ｃ１を確実に冷却することができる。一方、両発電セル２０，３０において第１の貫通孔７１から離間した領域Ｃ２（図４，図５参照）は、セパレータ４０の外周部に近いため、外部への放熱が多く、冷却されやすい。また、第１の貫通孔７１に空気を通過させれば、領域Ｃ１を通過する際に温められた空気により、第１の貫通孔７１から離間した領域Ｃ２を加熱することもできる。以上のことから、発電セル２０，３０の面内の温度分布を均一にすることができるため、熱応力の発生に起因した発電セル２０，３０の変形を防止することができ、燃料電池１の信頼性が高くなる。また、発電セル２０，３０やセパレータ４０とは別に冷却手段を設けなくても済むため、冷却手段の存在に起因する部品点数の増加や発電性能の低下を防止することができる。

（２）本実施形態では、空気供給経路７０が、第１の貫通孔７１及び空気室１６を連通させる複数の分岐流路７２を有しており、各分岐流路７２は、辺２４，３２を構成する外形線が延びる方向に沿って等間隔に配置されている。このため、第１の貫通孔７１を通過した空気が各分岐流路７２を介して空気室１６内の全体に導かれやすくなるため、発電セル２０，３０の面内の温度分布をよりいっそう均一にすることができる。

なお、本実施形態を以下のように変更してもよい。

図６，図７に示される燃料電池１１０のように、第１の貫通孔１１１に、複数の燃料電池ユニット１１２を積層方向にボルト締めするための締結ボルト１１３を挿通させ、燃料電池１１０の下面から突出する締結ボルト１１３の下端部分にナット１１４を螺着させてもよい。この場合、第１の貫通孔１１１の内壁面と締結ボルト１１３の外周面との間に設けられた隙間により、空気供給流路１１５（冷却用流体流路）が形成される。

さらに、図６，図７に示されるように、セパレータ１１６の外周部に、燃料ガス流路１１７を形成する第２の貫通孔１１８を設け、第２の貫通孔１１８に締結ボルト１１９を挿通させ、燃料電池１１０の下面から突出する締結ボルト１１９の下端部分にナット１２０を螺着させてもよい。この場合、第２の貫通孔１１８の内壁面と締結ボルト１１９の外周面との間に設けられた隙間により、燃料ガス流路１１７が形成される。

なお、燃料電池ユニット（燃料電池）の外周部分の固定方法は、特に限定される訳ではない。例えば、図８に示される燃料電池１３０のように、セパレータ１３１の外周部（四隅）に貫通孔を設け、貫通孔に締結ボルト１３２を挿通させ、燃料電池１３０の下面から突出する締結ボルト１３２の下端部分にナット（図示略）を螺着させてもよい。また、図９に示される燃料電池１４０のように、コネクタプレート１４１にボルト穴１４２を有する張出部１４３を形成し、ボルト穴１４２に締結ボルト１４４を挿通させ、燃料電池１４０の下方に突出する締結ボルト１４４の下端部分にナット（図示略）を螺着させてもよい。

１，１１０，１３０，１４０…固体酸化物形燃料電池（燃料電池）
１１，１１２…燃料電池ユニット
２０，３０…発電セル
２１，２２，２３，２４，３１，３２，３３，３４…発電セルの外形線としての辺
４０，１１６，１３１…セパレータ
４１，４２，４３，４４…セパレータの外形線としての辺
５５…空気極層
５６…固体電解質層
５７…燃料極層
７０，１１５…冷却用流体流路としての空気供給流路
７１，１１１…第１の貫通孔
８１…燃料ガス流路としての燃料ガス供給流路
８２…燃料ガス流路としての燃料ガス排出流路
８３，１１８…第２の貫通孔
９１…第１主面
９２…第２主面
１１３，１１９…締結ボルト
１１７…燃料ガス流路
Ｂ１…互いに対向する辺に挟まれた領域

Claims (8)

1. 固体電解質層、前記固体電解質層の第１主面側に配置され酸化剤ガスに接する空気極層、及び、前記固体電解質層の第２主面側に配置され燃料ガスに接する燃料極層を有する発電セルと、
   前記発電セルを厚さ方向から見たときに前記発電セルの周縁部となる箇所に接続され、前記空気極層に接する酸化剤ガス及び前記燃料極層に接する燃料ガスを分離するセパレータと
   を備え、１つの前記セパレータに２つの前記発電セルが平面方向に沿って配置される燃料電池ユニットを有する固体酸化物形燃料電池であって、
   前記発電セル及び前記セパレータはともに平面視矩形状をなしており、
   平面方向に沿って配置される前記２つの発電セルは、厚さ方向から見て複数の辺を有するとともに、互いに対向する辺が略平行に配置され、かつ、前記２つの発電セルにおいて互いに対向する辺に挟まれた領域に、冷却用流体を通過させるための冷却用流体流路を形成する第１の貫通孔が、前記セパレータの厚さ方向に沿って前記燃料電池ユニットを貫通するように設けられている
   ことを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
2. 前記セパレータは平面視長方形状をなすとともに、前記発電セルは平面視方形状をなしており、
   前記セパレータの外形線と前記発電セルの外形線とが略平行に配置されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物形燃料電池。
3. 平面方向に沿って配置された前記２つの発電セルのそれぞれの前記外形線のうち、前記２つの発電セルにおいて互いに対向する辺を除く他の辺は、それぞれ前記セパレータの外形線までの距離が略同じであることを特徴とする請求項２に記載の固体酸化物形燃料電池。
4. 前記酸化剤ガスは空気であり、
   前記冷却用流体として、前記酸化剤ガスとしても用いられる前記空気が兼用されている
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
5. 前記セパレータの厚さ方向に沿って複数の前記燃料電池ユニットが積層され、
   前記第１の貫通孔に、複数の前記燃料電池ユニットを積層方向にボルト締めするための締結ボルトが挿通されており、
   前記第１の貫通孔の内壁面と前記締結ボルトの外周面との間に設けられた隙間により前記冷却用流体流路が形成されている
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
6. 前記セパレータの外周部に、前記燃料ガスを通過させるための燃料ガス流路を形成する第２の貫通孔が、前記セパレータの厚さ方向に沿って前記燃料電池ユニットを貫通するように設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の固体酸化物形燃料電池。
7. 前記セパレータの厚さ方向に沿って複数の前記燃料電池ユニットが積層され、
   前記第２の貫通孔に、複数の前記燃料電池ユニットを積層方向にボルト締めするための締結ボルトが挿通されており、
   前記第２の貫通孔の内壁面と前記締結ボルトの外周面との間に設けられた隙間により前記燃料ガス流路が形成されている
   ことを特徴とする請求項６に記載の固体酸化物形燃料電池。
8. 固体電解質層、前記固体電解質層の第１主面側に配置され酸化剤ガスに接する空気極層、及び、前記固体電解質層の第２主面側に配置され燃料ガスに接する燃料極層を有する発電セルと、
   前記発電セルを厚さ方向から見たときに前記発電セルの周縁部となる箇所に接続され、前記空気極層に接する酸化剤ガス及び前記燃料極層に接する燃料ガスを分離するセパレータと
   を備え、１つの前記セパレータに２つの前記発電セルが平面方向に沿って配置される燃料電池ユニットであって、
   前記発電セル及び前記セパレータはともに平面視矩形状をなしており、
   平面方向に沿って配置される前記２つの発電セルは、厚さ方向から見て複数の辺を有するとともに、互いに対向する辺が略平行に配置され、かつ、前記２つの発電セルにおいて互いに対向する辺に挟まれた領域に、冷却用流体を通過させるための冷却用流体流路を形成する第１の貫通孔が、前記セパレータを厚さ方向に貫通するように設けられている
   ことを特徴とする燃料電池ユニット。

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