JP4249960B2 - 燃料電池セル - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池セルに関し、更に詳細には固体電解質層を挟み込むカソード層とアノード層とに、燃料ガスと空気とが混合された混合ガスが供給される燃料電池セルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池セルとしての円筒型燃料電池セルは、特開平７−２８２８２３号公報に提案されている。この円筒型燃料電池セルは、図１７に示す様に、多孔性セラミックから成る円筒状基体１００と、円筒状基体１００の外周に形成された多孔性のアノード層（空気極）１０２と、アノード層１０２の外周面に形成されたイットリア添加安定化ジルコニアから成る固体電解質１０４と、固体電解質１０４の外周面に形成されたカソード層（燃料極）１０６とが同心円状に形成されている。
更に、この円筒型燃料電池セルには、インターコネクター１０８が、固体電解質１０４を貫通してアノード層１０２と接続し、カソード層１０６と非接触状態でセルの表面が露出している。
かかる円筒型燃料電池セルでは、９００〜１０００℃の雰囲気下で円筒状基体１００内に空気を流すと共に、カソード層１０６の外周面に沿ってメタンや水素等の燃料ガスを流すことによって、空気中の酸素と燃料ガス中の燃料成分との電気化学的な反応に基づく起電力を発生させることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
図１７に示す円筒型燃料電池セルによれば、平板型燃料電池セルに比較して、小型化できると共に、円筒状基体１００内を流す空気と、カソード層１０６の外周面に沿って流す燃料ガスとの分離を容易に行うことができる。
しかし、円筒型燃料電池セルでも、その発電効率を向上すべく、アノード層１０２及びカソード層１０６の空気又は燃料ガスと接触する接触面積を拡大せんとすると、セルの直径を大径とせざるを得ず、燃料電池装置が大型化する。
そこで、本発明の課題は、アノード層及びカソード層の空気や燃料ガスと接触する接触面積を拡大しても、セルの大型化を防止し得る燃料電池セルを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、前記課題を解決すべく検討したところ、空気と燃料ガスとを確実に分離することを要する場合には、燃料電池セルの大きさは、アノード層とカソード層との空気や燃料ガスとの接触面積と比例する。
ところで、SCIENCE，Vol.288（2000），p2031-2033には、固体電解質層の両面側にカソード層とアノード層とが形成された燃料電池用セルを、メタンガスと酸素とが混合された混合燃料ガス内に載置しても、燃料電池用セルに起電力が発生することが報告されている。
このため、本発明者等は、空気と燃料ガスとが混合された混合ガスを用いれば、アノード層側に流す空気流とカソード層側に流す燃料流とを分離することを要せず、固体電解質層の両面側にカソード層とアノード層とが形成された燃料電池セルの形状を自由に変更できるものと考え検討した。その結果、混合ガスとの接触面積を可及的に増加し得る燃料電池セルを見出し、本発明に到達した。
【０００５】
すなわち、本発明は、固体電解質層を挟み込むカソード層とアノード層とに、燃料ガスと空気とが混合された混合ガスが供給される燃料電池セルであって、該燃料電池セルは、前記カソード層、固体電解質層及びアノード層が積層されたシングルセル層又は複数層の前記シングルセル層が積層された積層体が渦巻状に巻かれて渦巻体に形成されていると共に、前記渦巻体の中心方向に互いに隣接する上層と下層とのシングルセル層又は積層体との対向面を形成するカソード層とアノード層とが、電気絶縁体を介して配設され、前記電気絶縁体が、混合ガスが通過し得る多孔質の電気絶縁体であることを特徴とする燃料電池セルにある。
また、本発明は、固体電解質層を挟み込むカソード層とアノード層とに、燃料ガスと空気とが混合された混合ガスが供給される燃料電池セルであって、該燃料電池セルは、前記カソード層、固体電解質層及びアノード層が積層されたシングルセル層又は複数層の前記シングルセル層が積層された積層体が、前記シングルセル層又は積層体の表面を形成するカソード層又はアノード層の表面同士が互いに対向するように折り畳まれた状態で渦巻状に巻き込まれて渦巻体に形成され、前記渦巻体の中心方向に互いに隣接する上層と下層とのシングルセル層又は積層体との対向面が、カソード層同士又はアノード層同士とによって形成されていると共に、前記カソード層及びアノード層に、又は前記上層と下層とのシングルセル層又は積層体との対向面の間に、前記混合ガスが通過し得るガス通路が形成されていることを特徴とする燃料電池セルにある。
更に、本発明は、固体電解質層を挟み込むカソード層とアノード層とに、燃料ガスと空気とが混合された混合ガスが供給される燃料電池セルであって、該燃料電池セルは、前記カソード層、固体電解質層及びアノード層が積層されたシングルセル層又は複数層の前記シングルセル層が積層された積層体がジグザグ状に折り畳まれた折畳体に形成されていると共に、前記折畳体の互いに隣接するシングルセル層又は積層体の各対向面が前記カソード層同士又はアノード層同士で形成され、且つ互いに隣接する前記シングルセル層又は積層体の各対向面の間に、混合ガスが通過するガス通路が形成されるようにスペース部材が配設されていることを特徴とする燃料電池セルにある。
【０００６】
本発明に係る燃料電池セルは、カソード層、固体電解質層及びアノード層が積層されたシングルセル層又は複数層のシングルセル層が積層された積層体が、渦巻状に巻かれた渦巻体又はジグザグ状に折り畳まれた折畳体に形成されている。
更に、この渦巻体及び折畳体を構成するシングルセル層又は積層体のカソード層及びアノード層に、又は互いに隣接するシングルセル層又は積層体の対向面の間に、空気と燃料ガスが混合された混合ガスが通過し得るガス通路が形成されている。
また、かかる燃料電池セルには、空気と燃料ガスとの混合ガスが供給されるため、空気と燃料ガスとを分離することを要しない。
このため、シングルセル層又は積層体のアノード層及びカソード層の混合ガスとの接触面積を容易に拡大できる。
しかも、シングルセル層又は積層体のアノード層及びカソード層の混合ガスとの接触面積を拡大しても、シングルセル層又は積層体が渦巻状に巻かれた渦巻体又はジグザグ状に折り畳まれた折畳体であるため、そのサイズは急激に増大せず、セルの大型化を防止できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る燃料電池セルの参考例を図１に示す。図１において、図１（ａ）は燃料電池セル１０の側面図であり、図１（ｂ）は燃料電池セル１０の横断面図である。
図１（ａ）（ｂ）に示す燃料電池セル１０は、ヒータ１４で加熱されるセラミック等の耐熱性を有する円筒状の筒状容器１２内に、渦巻体１６が収容されている。
この渦巻体１６は、その部分断面図である図２に示す様に、固体電解質層１８ａがカソード層１８ｂとアノード層１８ｃとに挟み込まれるように、固体電解質層１８ａ、カソード層１８ｂ及びアノード層１８ｃが積層されたシングルセル層１８が、電気絶縁体２０を介して渦巻状に巻き込まれている。
【０００８】
かかる固体電解質層１８ａは、酸素イオン誘導体であって、イットリウム（Ｙ）やスカンジウム（Ｓｃ）等の周期律表第３族元素により部分安定化されたジルコニア酸化物、或いはサマリウム（Ｓｍ）やガドリウム（Ｇｄ）等がドープされたセリウム酸化物によって形成される。
更に、カソード層１８ｂは、ストロンチウム（Ｓｒ）等の周期律表第３族元素が添加されたランタンのマンガン、ガリウム又はコバルト酸化化合物から形成され、アノード層１８ｃは、固体電解質層１８ａを形成する固体電解質が１０〜３０wt％添加されたニッケルサーメット又は白金担持体によって形成されている。
この様にして形成されたカソード層１８ｂ及びアノード層１８ｃは、多孔質層であって、その開気孔率を２０％以上、好ましくは３０〜７０％、特に４０〜５０％とすることが好ましい。
尚、この様に、シングルセル層１８を形成するカソード層１８ｂ及びアノード層１８ｃが多孔質層であるため、電気絶縁体２０は緻密層とすることができる。
【０００９】
図１及び図２に示す多層の燃料電池用セル１０を形成する渦巻体１６は、以下の手順で製造できる。
先ず、固体電解質層１８ａを形成するグリーンシートを、カソード層１８ｂを形成するグリーンシートとアノード層１８ｃを形成するグリーンシートとによって挟み込み、シングルセル層１８を形成するシングルセル層用グリーンシートを形成する。
更に、シングルセル層グリーンシートと、電気絶縁体２０を形成するアルミナ等から成るグリーンシートとを積層した多層グリーンシートを、その一端側から他端側に巻き込んで捲込体を形成する。
次いで、捲込体を、緻密な固体電解質層１８ａ及び電気絶縁体２０が形成される雰囲気条件下で焼成することによって、図１（ｂ）及び図２に示す渦巻体１６を得ることができる。
【００１０】
得られた渦巻体１６は、図１（ｂ）に示す様に、筒状容器１２内に収容する。
筒状容器１２内に収容された渦巻体１６は、筒状容器１２を囲うように配設されたヒータ１４，１４によって所定温度に加熱されつつ、筒状容器１２の一端側から、空気と燃料ガスとが混合された混合ガスを供給する。
供給された混合ガスは、シングルセル層１８を形成する、多孔質のカソード層１８ｂ及びアノード層１８ｃを通過し、筒状容器１２の他端側から排出される。この際に、カソード層１８ｂでイオン化された酸素イオンは、固体電解質層１８ａを伝導されてアノード層１８ｃの燃料ガスと電気化学的反応をし、カソード層１８ｂとアノード層１８ｃとから起電力を取出すことができる。この起電力の取出しは、渦巻体１６の最上層を形成するシングルセル層１８のカソード層１８ｂとアノード層１８ｃとから行うことが好ましい。
尚、アノード層１８ｃで固体電解質層１８ａを伝導してきた酸素イオンと燃料ガスとが反応した反応ガスは、混合ガスと共に、筒状容器１２の他端側から排出される。
【００１１】
図２に示す渦巻体１６は、電気絶縁体２０，２０の間に、固体電解質層１８ａ、カソード層１８ｂ及びアノード層１８ｃが積層されたシングルセル層１８の一層が挟み込まれている。これに対し、図３に示す様に、電気絶縁体２０，２０の間に、二層のシングルセル層１８，１８が積層されて成る積層体が挟み込まれていてもよい。この場合、積層体を形成するシングルセル層１８，１８の一方を形成するアノード層１８ｃと、他方のシングルセル層１８を形成するカソード層１８ｂとが接触するように積層する。
図２に示す渦巻体１６では、電気絶縁体２０が緻密層に形成されているが、本発明に係る燃料電池セルの一例の様に、電気絶縁体２０を多孔質層に形成し、固体電解質層１８ａ、カソード層１８ｂ及びアノード層１８ｃを緻密層に形成してもよい。この場合、多孔質層である電気絶縁体２０の開気孔率を２０％以上、好ましくは３０〜７０％、特に４０〜５０％とすることが、混合ガスをシングルセル層１８のカソード層１８ｂ及びアノード層１８ｃに充分に供給でき好ましい。
また、図２及び図３に示す渦巻体１６では、シングルセル層１８を形成する固体電解質層１８ａ、カソード層１８ｂ及びアノード層１８ｃ、及び電気絶縁体２０の全てを、その開気孔率が２０％以上、好ましくは３０〜７０％、特に４０〜５０％となる多孔質層に形成してもよい。
【００１２】
ここで、図２及び図３に示す渦巻体１６において、そのカソード層１８ｂ及びアノード層１８ｃの開気孔率が不充分となって、混合ガスの通過量が不足する場合や緻密層から成るシングルセル層１８を用いる場合には、電気絶縁体２０に代えて、本発明に係る燃料電池セルの他の例である図４に示す様に、シングルセル層１８，１８の間に、複数のスペーサ部材３０，３０・・を配設して混合ガスの通路を形成してもよい。図４に示すスペーサ部材３０は、アルミナセラミック等の電気絶縁体から成るものを用いる。シングルセル層１８，１８の互いに対向する対向面を形成する層が、アノード層１８ｃとカソード層１８ｂとであるため、両層の電気的な短絡を防止することが必要だからである。
このスペーサ部材３０，３０・・の形状は、渦巻体１６の長手方向に延出された棒状体であってもよく、点状であってもよい。
【００１３】
図２及び図３に示す渦巻体１６には、シングルセル層１８同士の電気的な短絡を防止する電気絶縁体２０又は電気絶縁体から成るスペーサ部材３０が必要であるが、本発明に係る燃料電池セルの他の例である図５に示す渦巻体１６では、その部分断面図である図６に示す様に、電気絶縁体２０を不要にできる。
図５及び図６に示す渦巻体１６は、その中心方向に互いに隣接する上層のシングルセル層１８と下層のシングルセル層１８とが、カソード層１８ｂ，１８ｂ同士又はアノード層１８ｃ，１８ｃ同士で接触しているからである。
この図５及び図６に示す渦巻体１６では、図２及び図３に示すシングルセル層１８を形成する固体電解質層１８ａ、カソード層１８ｂ及びアノード層１８ｃと同一組成とすることができるが、少なくともカソード層１８ｂ及びアノード層１８ｃを混合ガスが通過し得る多孔質層とする。この多孔質層としては、その開気孔率が２０％以上、好ましくは３０〜７０％、特に４０〜５０％のものが好ましい。
また、この渦巻体１６は、図５に示す様に、シングルセル層１８の両端部が、渦巻体１６の最上面側に位置するため、起電力を取出す取出線との接続を容易とすることができる。
【００１４】
図５及び図６に示す渦巻体１６を形成するには、固体電解質層１８ａを形成するグリーンシートを、カソード層１８ｂを形成するグリーンシートとアノード層１８ｃを形成するグリーンシートとによって挟み込み、シングルセル層１８を形成するシングルセル層用グリーンシートを形成する。
次いで、図７に示す様に、シングルセル層用グリーンシート２８を、カソード層１８ｂを形成するグリーンシート又はアノード層１８ｃを形成するグリーンシートの表面同士が互いに対向するように、その中央部近傍で折り返して二つ折りとする。
更に、折り返した端部から矢印Ｂ方向に巻き込み、グリーンシートから成る渦巻体を得る。
次いで、グリーンシートから成る渦巻体を所定温度で焼成することによって、図５及び図６に示す渦巻体１６を形成できる。
尚、シングルセル層１８を形成する固体電解質層１８ａを多孔質層に形成してもよく、図３に示す様に、シングルセル層１８を多層に積層した積層体を折り畳んでもよい。
【００１５】
図６に示す構造の渦巻体１６は、図８に示す製造方法でも形成できる。この製造方法では、先ず、図８（ａ）に示す様に、二枚のシングルセル層用グリーンシート２８，２８を準備する。次いで、二枚のシングルセル層用グリーンシート２８，２８を、図８（ｂ）に示す様に、アノード層１８ｃを形成するグリーンシート２８ｃが互いに接するように積層して積層体とする。その後、積層体を、その一端側から他端側方向に巻き込み、グリーンシートから成る渦巻体を得た後、所定温度で焼成することによって、図６に示す構造の渦巻体１６を形成できる。
ここで、二枚のシングルセル層用グリーンシート２８，２８を積層する際に、図８（ａ）に示す様に、長さの異なるシングルセル層用グリーンシート２８，２８を用い、長いシングルセル層用グリーンシート２８の一端側が、短いシングルセル層用グリーンシート２８の一端側よりもはみだすように積層する。この様に積層した積層体を、シングルセル層用グリーンシート２８，２８の端部が揃えられている他端側から巻き込むことによって、図９に示す渦巻体１６を得ることができる。図９に示す渦巻体１６は、その最外周を形成するシングルセル層１８，１８のうち、内周側のシングルセル層１８の端部が、外周側のシングルセル層１８の端部よりもはみだす。このため、内周側のシングルセル層１８のアノード層１８ｃと、外周側のシングルセル層１８のカソード層１８ｂとから取出線１９ｂ，１９ｃを容易に引き出すことができる。
尚、図８では、二枚のシングルセル層用グリーンシート２８，２８を、アノード層１８ｃを形成するグリーンシート２８ｃが互いに接するように積層して積層体としているが、カソード層１８ｂを形成するグリーンシート２８ｂが互いに接するように積層して積層体としてもよい。
【００１６】
図５、図６及び図９に示す渦巻体１６のカソード層１８ｂ及びアノード層１８ｃの開気孔率が不充分となって、混合ガスの通過量が不足する場合や緻密層から成るシングルセル層１８を用いる場合には、図１０に示す様に、シングルセル層１８，１８の間に、複数のスペーサ部材３０，３０・・を配設して混合ガスの通路を形成する。
この図１０に示すスペーサ部材３０は、シングルセル層１８，１８の互いに対向する対向面を形成する層が、アノード層１８ｃ同士又はカソード層１８ｂ同士であるため、電気絶縁体であってもよく、導電体であってもよい。その形状も、渦巻体１６の長手方向に延出された棒状体であってもよく、点状であってもよい。
【００１７】
図１（ｂ）、図５及び図９に示す渦巻体１６は、図１（ａ）や図９に示す様に、アノード層１８ｃとカソード層１８ｂから起電力を取出す取出線を引き出し、ヒータ１４で囲まれた耐熱性を有する円筒状の筒状容器１２内に収容し、ヒータ１４で所定温度に加熱しつつ、筒状容器１２の一方側から混合ガスを矢印Ａ方向に供給することによって発電することができる。
かかる渦巻体１６を用いた燃料電池セルから成る燃料電池は、図１に示す様に、単一の燃料電池であってもよいが、所望の電圧、電流を得べく、図１１（ａ）（ｂ）に示す様に、渦巻体１６を収容した複数個の筒状容器１２，１２・・を並列状又は直列状に電気的に接続して配設できる。
【００１８】
図１〜図１１では、円筒状の筒状容器１２内に収容する渦巻体１６について説明してきたが、本発明に係る燃料電池セルの参考例としては、図１２に示す様に、カソード層４２ｂ、固体電解質層４２ａ及びアノード層４２ｃが積層されたシングルセル層４２がジグザグ状に折り畳まれた折畳体４０を用いることができる。
この折畳体４０では、図１３（参考例）に示す様に、互いに上下方向に隣接するシングルセル層４２，４２・・とは、カソード層４２ｂ同士又はアノード層４２ｃ同士で接触している。
更に、かかるカソード層４２ｂ及びアノード層４２ｃは、混合ガスが通過し得る多孔質層である。この多孔質層としては、その開気孔率が２０％以上、好ましくは３０〜７０％、特に４０〜５０％のものが好ましい。
このカソード層４２ｂ及びアノード層４２ｃが露出する折畳体４０の側端面の一方側から供給された混合ガスは、折畳体４０のカソード層４２ｂ及びアノード層４２ｃを通過し、電気化学的反応によって酸素と燃料ガスとが消費されつつ、電気化学的反応によって生成した生成ガスと共に、図１２（参考例）に示す矢印Ｄに示す様に、折畳体４０の他方の側端面から排出される。
かかる折畳体４０は、図３に示す様に、複数層のシングルセル層４２が積層された積層体をジグザグ状に折り畳んでもよい。
また、第１の折畳体４０ａと第２の折畳体４０ｂとが、図１４（参考例）に示す様に、直列状に接続されて配設されていてもよい。この直列状の配設は、折畳体４０ａの最下層を形成するアノード層４２ｃと第２の折畳体４０ｂを形成する最上層のカソード層４２ｂとが、接触して為されている。
【００１９】
図１３（参考例）及び図１４（参考例）に示す折畳体４０は、固体電解質層４２ａを形成するグリーンシートを、カソード層４２ｂを形成するグリーンシートとアノード層４２ｃを形成するグリーンシートとによって挟み込み、シングルセル層４２を形成するシングルセル層用グリーンシートを形成する。
更に、シングルセル層グリーンシートを、ジグザグ状に折り畳み予備成形品を成形する。
次いで、この予備成形品を所定の雰囲気条件下で焼成することによって、図１３及び図１４に示す折畳体４０を得ることができる。
尚、図１３（参考例）及び図１４（参考例）に示す折畳体４０では、固体電解質層４２ａは、緻密質層であっても、多孔質層であってもよい。
【００２０】
図１３（参考例）及び図１４（参考例）に示す折畳体４０では、互いに上下方向に隣接するシングルセル層４２，４２・・は、カソード層４２ｂ同士又はアノード層４２ｃ同士が接触している。このため、カソード層４２ｂ及びアノード層４２ｃは多孔質層であることが必要であり、カソード層４２ｂ及びアノード層４２ｃが緻密層であるシングルセル層４２には適用できない。
これに対し本発明に係る燃料電池セルの他の例で用いる図１５及び図１６に示す折畳体４０の場合には、互いに上下方向に隣接するシングルセル層４２，４２・・の間に、混合ガスが通過する通路が形成されているため、カソード層４２ｂ及びアノード層４２ｃが緻密層であるシングルセル層４２であっても、折畳体４０を形成できる。
ここで、図１５に示す折畳体４０では、混合ガスが通過する通路は、互いに上下方向に隣接するシングルセル層４２，４２・・の間に多孔質層４４に形成されている。この多孔質層４４は、その開気孔率が２０％以上、好ましくは３０〜７０％、特に４０〜５０％のアルミナ等のセラミックから成るものが好ましい。
【００２１】
この図１５に示す折畳体４０を成形するには、多孔質層用のグリーンシートを焼成して、所定の開気孔率の多孔質層４４を得る。次いで、シングルセル層グリーンシートを、予め焼成しておいた多孔質層４４を挟みつつ、ジグザグ状に折り畳み予備成形品を成形する。その後、シングルセル層グリーンシートが緻密化する焼成条件で焼成することによって、図１５に示す折畳体４０を得ることができる。
また、図１６に示す折畳体４０では、シングルセル層４２，４２・・の間に、複数のスペーサ部材４６，４６・・を配設して混合ガスの通路を形成している。
この図１６に示すスペーサ部材４６は、シングルセル層４２，４２・・の互いに対向する対向面を形成する層が、アノード層４２ｃ同士又はカソード層４２ｂ同士であるため、電気絶縁体であってもよく、導電体であってもよい。その形状も、折畳体４０の幅方向に延出された棒状体であってもよく、点状であってもよい。
【００２２】
図１２〜図１４（参考例）、本発明に係る燃料電池セルの他の例である図１５及び図１６に示す折畳体４０は、アノード層４２ｃとカソード層４２ｂから起電力を取出す取出線を引き出し、ヒータで囲まれた耐熱性を有する矩形状の筒状容器内に収容し、ヒータで所定温度に加熱しつつ、筒状容器の一方側から混合ガスを矢印Ｄ方向［図１２（参考例）］に供給することによって発電できる。
この場合も、図１１（ａ）（ｂ）に示す様に、折畳体４０を収容した複数個の筒状容器を並列状又は直列状に配設できる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池セルは、カソード層、固体電解質層及びアノード層が積層されたシングルセル層又は複数層のシングル層が積層された積層体が渦巻状に巻かれた渦巻体又はジグザグ状に折り畳まれた折畳体である。このため、渦巻体又は折畳体のサイズを急激に増大することなく、アノード層及びカソード層の混合ガスと接触する接触面積を容易に拡大できる。その結果、本発明に係る燃料電池セルを用いた燃料電池は、その小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る燃料電池セルの参考例を説明する側面図及び横断面図である。
【図２】 図１に示す燃料電池セルの渦巻体の部分断面図である。
【図３】 図１に示す燃料電池セルを形成する渦巻体の他の例を説明するための部分断面図である。
【図４】 本発明に係る燃料電池セルの一例を説明するための部分断面図である。
【図５】 本発明に係る燃料電池セルの他の例を説明するための横断面図である。
【図６】 図５に示す渦巻体の構造を説明するための部分断面図である。
【図７】 図５に示す構造の渦巻体の製造方法を説明するための説明図である。
【図８】 図６に示す構造の渦巻体を製造する他の製造方法を説明する説明図である。
【図９】 図８に示す製造方法で得られた渦巻体の部分断面図である。
【図１０】 図５に示す渦巻体の他の例を説明する部分断面図である。
【図１１】 図１（ｂ）、図５又は図９に示す渦巻体１６を用いた燃料電池セルから成る燃料電池の概略を説明する概略図である。
【図１２】 本発明に係る燃料電池セルの参考例を説明する斜視図である。
【図１３】 図１２（参考例）に示す燃料電池セルの折畳体の断面図である。
【図１４】 図１２（参考例）に示す燃料電池セルの折畳体の他の例を示す断面図である。
【図１５】 本発明に係る燃料電池セルの他の例で用いる折畳体を示す断面図である。
【図１６】 本発明に係る燃料電池セルの他の例で用いる折畳体を示す断面図である。
【図１７】 従来の燃料電池セルを説明する斜視図である。
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池セルに関し、更に詳細には固体電解質層を挟み込むカソード層とアノード層とに、燃料ガスと空気とが混合された混合ガスが供給される燃料電池セルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池セルとしての円筒型燃料電池セルは、特開平７−２８２８２３号公報に提案されている。この円筒型燃料電池セルは、図１７に示す様に、多孔性セラミックから成る円筒状基体１００と、円筒状基体１００の外周に形成された多孔性のアノード層（空気極）１０２と、アノード層１０２の外周面に形成されたイットリア添加安定化ジルコニアから成る固体電解質１０４と、固体電解質１０４の外周面に形成されたカソード層（燃料極）１０６とが同心円状に形成されている。
更に、この円筒型燃料電池セルには、インターコネクター１０８が、固体電解質１０４を貫通してアノード層１０２と接続し、カソード層１０６と非接触状態でセルの表面が露出している。
かかる円筒型燃料電池セルでは、９００〜１０００℃の雰囲気下で円筒状基体１００内に空気を流すと共に、カソード層１０６の外周面に沿ってメタンや水素等の燃料ガスを流すことによって、空気中の酸素と燃料ガス中の燃料成分との電気化学的な反応に基づく起電力を発生させることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
図１７に示す円筒型燃料電池セルによれば、平板型燃料電池セルに比較して、小型化できると共に、円筒状基体１００内を流す空気と、カソード層１０６の外周面に沿って流す燃料ガスとの分離を容易に行うことができる。
しかし、円筒型燃料電池セルでも、その発電効率を向上すべく、アノード層１０２及びカソード層１０６の空気又は燃料ガスと接触する接触面積を拡大せんとすると、セルの直径を大径とせざるを得ず、燃料電池装置が大型化する。
そこで、本発明の課題は、アノード層及びカソード層の空気や燃料ガスと接触する接触面積を拡大しても、セルの大型化を防止し得る燃料電池セルを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、前記課題を解決すべく検討したところ、空気と燃料ガスとを確実に分離することを要する場合には、燃料電池セルの大きさは、アノード層とカソード層との空気や燃料ガスとの接触面積と比例する。
ところで、SCIENCE，Vol.288（2000），p2031-2033には、固体電解質層の両面側にカソード層とアノード層とが形成された燃料電池用セルを、メタンガスと酸素とが混合された混合燃料ガス内に載置しても、燃料電池用セルに起電力が発生することが報告されている。
このため、本発明者等は、空気と燃料ガスとが混合された混合ガスを用いれば、アノード層側に流す空気流とカソード層側に流す燃料流とを分離することを要せず、固体電解質層の両面側にカソード層とアノード層とが形成された燃料電池セルの形状を自由に変更できるものと考え検討した。その結果、混合ガスとの接触面積を可及的に増加し得る燃料電池セルを見出し、本発明に到達した。
【０００５】
すなわち、本発明は、固体電解質層を挟み込むカソード層とアノード層とに、燃料ガスと空気とが混合された混合ガスが供給される燃料電池セルであって、該燃料電池セルは、前記カソード層、固体電解質層及びアノード層が積層されたシングルセル層又は複数層の前記シングルセル層が積層された積層体が渦巻状に巻かれて渦巻体に形成されていると共に、前記渦巻体の中心方向に互いに隣接する上層と下層とのシングルセル層又は積層体との対向面を形成するカソード層とアノード層とが、電気絶縁体を介して配設され、前記電気絶縁体が、混合ガスが通過し得る多孔質の電気絶縁体であることを特徴とする燃料電池セルにある。
また、本発明は、固体電解質層を挟み込むカソード層とアノード層とに、燃料ガスと空気とが混合された混合ガスが供給される燃料電池セルであって、該燃料電池セルは、前記カソード層、固体電解質層及びアノード層が積層されたシングルセル層又は複数層の前記シングルセル層が積層された積層体が、前記シングルセル層又は積層体の表面を形成するカソード層又はアノード層の表面同士が互いに対向するように折り畳まれた状態で渦巻状に巻き込まれて渦巻体に形成され、前記渦巻体の中心方向に互いに隣接する上層と下層とのシングルセル層又は積層体との対向面が、カソード層同士又はアノード層同士とによって形成されていると共に、前記カソード層及びアノード層に、又は前記上層と下層とのシングルセル層又は積層体との対向面の間に、前記混合ガスが通過し得るガス通路が形成されていることを特徴とする燃料電池セルにある。
更に、本発明は、固体電解質層を挟み込むカソード層とアノード層とに、燃料ガスと空気とが混合された混合ガスが供給される燃料電池セルであって、該燃料電池セルは、前記カソード層、固体電解質層及びアノード層が積層されたシングルセル層又は複数層の前記シングルセル層が積層された積層体がジグザグ状に折り畳まれた折畳体に形成されていると共に、前記折畳体の互いに隣接するシングルセル層又は積層体の各対向面が前記カソード層同士又はアノード層同士で形成され、且つ互いに隣接する前記シングルセル層又は積層体の各対向面の間に、混合ガスが通過するガス通路が形成されるようにスペース部材が配設されていることを特徴とする燃料電池セルにある。
【０００６】
本発明に係る燃料電池セルは、カソード層、固体電解質層及びアノード層が積層されたシングルセル層又は複数層のシングルセル層が積層された積層体が、渦巻状に巻かれた渦巻体又はジグザグ状に折り畳まれた折畳体に形成されている。
更に、この渦巻体及び折畳体を構成するシングルセル層又は積層体のカソード層及びアノード層に、又は互いに隣接するシングルセル層又は積層体の対向面の間に、空気と燃料ガスが混合された混合ガスが通過し得るガス通路が形成されている。
また、かかる燃料電池セルには、空気と燃料ガスとの混合ガスが供給されるため、空気と燃料ガスとを分離することを要しない。
このため、シングルセル層又は積層体のアノード層及びカソード層の混合ガスとの接触面積を容易に拡大できる。
しかも、シングルセル層又は積層体のアノード層及びカソード層の混合ガスとの接触面積を拡大しても、シングルセル層又は積層体が渦巻状に巻かれた渦巻体又はジグザグ状に折り畳まれた折畳体であるため、そのサイズは急激に増大せず、セルの大型化を防止できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明に係る燃料電池セルの参考例を図１に示す。図１において、図１（ａ）は燃料電池セル１０の側面図であり、図１（ｂ）は燃料電池セル１０の横断面図である。
図１（ａ）（ｂ）に示す燃料電池セル１０は、ヒータ１４で加熱されるセラミック等の耐熱性を有する円筒状の筒状容器１２内に、渦巻体１６が収容されている。
この渦巻体１６は、その部分断面図である図２に示す様に、固体電解質層１８ａがカソード層１８ｂとアノード層１８ｃとに挟み込まれるように、固体電解質層１８ａ、カソード層１８ｂ及びアノード層１８ｃが積層されたシングルセル層１８が、電気絶縁体２０を介して渦巻状に巻き込まれている。
【０００８】
かかる固体電解質層１８ａは、酸素イオン誘導体であって、イットリウム（Ｙ）やスカンジウム（Ｓｃ）等の周期律表第３族元素により部分安定化されたジルコニア酸化物、或いはサマリウム（Ｓｍ）やガドリウム（Ｇｄ）等がドープされたセリウム酸化物によって形成される。
更に、カソード層１８ｂは、ストロンチウム（Ｓｒ）等の周期律表第３族元素が添加されたランタンのマンガン、ガリウム又はコバルト酸化化合物から形成され、アノード層１８ｃは、固体電解質層１８ａを形成する固体電解質が１０〜３０wt％添加されたニッケルサーメット又は白金担持体によって形成されている。
この様にして形成されたカソード層１８ｂ及びアノード層１８ｃは、多孔質層であって、その開気孔率を２０％以上、好ましくは３０〜７０％、特に４０〜５０％とすることが好ましい。
尚、この様に、シングルセル層１８を形成するカソード層１８ｂ及びアノード層１８ｃが多孔質層であるため、電気絶縁体２０は緻密層とすることができる。
【０００９】
図１及び図２に示す多層の燃料電池用セル１０を形成する渦巻体１６は、以下の手順で製造できる。
先ず、固体電解質層１８ａを形成するグリーンシートを、カソード層１８ｂを形成するグリーンシートとアノード層１８ｃを形成するグリーンシートとによって挟み込み、シングルセル層１８を形成するシングルセル層用グリーンシートを形成する。
更に、シングルセル層グリーンシートと、電気絶縁体２０を形成するアルミナ等から成るグリーンシートとを積層した多層グリーンシートを、その一端側から他端側に巻き込んで捲込体を形成する。
次いで、捲込体を、緻密な固体電解質層１８ａ及び電気絶縁体２０が形成される雰囲気条件下で焼成することによって、図１（ｂ）及び図２に示す渦巻体１６を得ることができる。
【００１０】
得られた渦巻体１６は、図１（ｂ）に示す様に、筒状容器１２内に収容する。
筒状容器１２内に収容された渦巻体１６は、筒状容器１２を囲うように配設されたヒータ１４，１４によって所定温度に加熱されつつ、筒状容器１２の一端側から、空気と燃料ガスとが混合された混合ガスを供給する。
供給された混合ガスは、シングルセル層１８を形成する、多孔質のカソード層１８ｂ及びアノード層１８ｃを通過し、筒状容器１２の他端側から排出される。この際に、カソード層１８ｂでイオン化された酸素イオンは、固体電解質層１８ａを伝導されてアノード層１８ｃの燃料ガスと電気化学的反応をし、カソード層１８ｂとアノード層１８ｃとから起電力を取出すことができる。この起電力の取出しは、渦巻体１６の最上層を形成するシングルセル層１８のカソード層１８ｂとアノード層１８ｃとから行うことが好ましい。
尚、アノード層１８ｃで固体電解質層１８ａを伝導してきた酸素イオンと燃料ガスとが反応した反応ガスは、混合ガスと共に、筒状容器１２の他端側から排出される。
【００１１】
図２に示す渦巻体１６は、電気絶縁体２０，２０の間に、固体電解質層１８ａ、カソード層１８ｂ及びアノード層１８ｃが積層されたシングルセル層１８の一層が挟み込まれている。これに対し、図３に示す様に、電気絶縁体２０，２０の間に、二層のシングルセル層１８，１８が積層されて成る積層体が挟み込まれていてもよい。この場合、積層体を形成するシングルセル層１８，１８の一方を形成するアノード層１８ｃと、他方のシングルセル層１８を形成するカソード層１８ｂとが接触するように積層する。
図２に示す渦巻体１６では、電気絶縁体２０が緻密層に形成されているが、本発明に係る燃料電池セルの一例の様に、電気絶縁体２０を多孔質層に形成し、固体電解質層１８ａ、カソード層１８ｂ及びアノード層１８ｃを緻密層に形成してもよい。この場合、多孔質層である電気絶縁体２０の開気孔率を２０％以上、好ましくは３０〜７０％、特に４０〜５０％とすることが、混合ガスをシングルセル層１８のカソード層１８ｂ及びアノード層１８ｃに充分に供給でき好ましい。
また、図２及び図３に示す渦巻体１６では、シングルセル層１８を形成する固体電解質層１８ａ、カソード層１８ｂ及びアノード層１８ｃ、及び電気絶縁体２０の全てを、その開気孔率が２０％以上、好ましくは３０〜７０％、特に４０〜５０％となる多孔質層に形成してもよい。
【００１２】
ここで、図２及び図３に示す渦巻体１６において、そのカソード層１８ｂ及びアノード層１８ｃの開気孔率が不充分となって、混合ガスの通過量が不足する場合や緻密層から成るシングルセル層１８を用いる場合には、電気絶縁体２０に代えて、本発明に係る燃料電池セルの他の例である図４に示す様に、シングルセル層１８，１８の間に、複数のスペーサ部材３０，３０・・を配設して混合ガスの通路を形成してもよい。図４に示すスペーサ部材３０は、アルミナセラミック等の電気絶縁体から成るものを用いる。シングルセル層１８，１８の互いに対向する対向面を形成する層が、アノード層１８ｃとカソード層１８ｂとであるため、両層の電気的な短絡を防止することが必要だからである。
このスペーサ部材３０，３０・・の形状は、渦巻体１６の長手方向に延出された棒状体であってもよく、点状であってもよい。
【００１３】
図２及び図３に示す渦巻体１６には、シングルセル層１８同士の電気的な短絡を防止する電気絶縁体２０又は電気絶縁体から成るスペーサ部材３０が必要であるが、本発明に係る燃料電池セルの他の例である図５に示す渦巻体１６では、その部分断面図である図６に示す様に、電気絶縁体２０を不要にできる。
図５及び図６に示す渦巻体１６は、その中心方向に互いに隣接する上層のシングルセル層１８と下層のシングルセル層１８とが、カソード層１８ｂ，１８ｂ同士又はアノード層１８ｃ，１８ｃ同士で接触しているからである。
この図５及び図６に示す渦巻体１６では、図２及び図３に示すシングルセル層１８を形成する固体電解質層１８ａ、カソード層１８ｂ及びアノード層１８ｃと同一組成とすることができるが、少なくともカソード層１８ｂ及びアノード層１８ｃを混合ガスが通過し得る多孔質層とする。この多孔質層としては、その開気孔率が２０％以上、好ましくは３０〜７０％、特に４０〜５０％のものが好ましい。
また、この渦巻体１６は、図５に示す様に、シングルセル層１８の両端部が、渦巻体１６の最上面側に位置するため、起電力を取出す取出線との接続を容易とすることができる。
【００１４】
図５及び図６に示す渦巻体１６を形成するには、固体電解質層１８ａを形成するグリーンシートを、カソード層１８ｂを形成するグリーンシートとアノード層１８ｃを形成するグリーンシートとによって挟み込み、シングルセル層１８を形成するシングルセル層用グリーンシートを形成する。
次いで、図７に示す様に、シングルセル層用グリーンシート２８を、カソード層１８ｂを形成するグリーンシート又はアノード層１８ｃを形成するグリーンシートの表面同士が互いに対向するように、その中央部近傍で折り返して二つ折りとする。
更に、折り返した端部から矢印Ｂ方向に巻き込み、グリーンシートから成る渦巻体を得る。
次いで、グリーンシートから成る渦巻体を所定温度で焼成することによって、図５及び図６に示す渦巻体１６を形成できる。
尚、シングルセル層１８を形成する固体電解質層１８ａを多孔質層に形成してもよく、図３に示す様に、シングルセル層１８を多層に積層した積層体を折り畳んでもよい。
【００１５】
図６に示す構造の渦巻体１６は、図８に示す製造方法でも形成できる。この製造方法では、先ず、図８（ａ）に示す様に、二枚のシングルセル層用グリーンシート２８，２８を準備する。次いで、二枚のシングルセル層用グリーンシート２８，２８を、図８（ｂ）に示す様に、アノード層１８ｃを形成するグリーンシート２８ｃが互いに接するように積層して積層体とする。その後、積層体を、その一端側から他端側方向に巻き込み、グリーンシートから成る渦巻体を得た後、所定温度で焼成することによって、図６に示す構造の渦巻体１６を形成できる。
ここで、二枚のシングルセル層用グリーンシート２８，２８を積層する際に、図８（ａ）に示す様に、長さの異なるシングルセル層用グリーンシート２８，２８を用い、長いシングルセル層用グリーンシート２８の一端側が、短いシングルセル層用グリーンシート２８の一端側よりもはみだすように積層する。この様に積層した積層体を、シングルセル層用グリーンシート２８，２８の端部が揃えられている他端側から巻き込むことによって、図９に示す渦巻体１６を得ることができる。図９に示す渦巻体１６は、その最外周を形成するシングルセル層１８，１８のうち、内周側のシングルセル層１８の端部が、外周側のシングルセル層１８の端部よりもはみだす。このため、内周側のシングルセル層１８のアノード層１８ｃと、外周側のシングルセル層１８のカソード層１８ｂとから取出線１９ｂ，１９ｃを容易に引き出すことができる。
尚、図８では、二枚のシングルセル層用グリーンシート２８，２８を、アノード層１８ｃを形成するグリーンシート２８ｃが互いに接するように積層して積層体としているが、カソード層１８ｂを形成するグリーンシート２８ｂが互いに接するように積層して積層体としてもよい。
【００１６】
図５、図６及び図９に示す渦巻体１６のカソード層１８ｂ及びアノード層１８ｃの開気孔率が不充分となって、混合ガスの通過量が不足する場合や緻密層から成るシングルセル層１８を用いる場合には、図１０に示す様に、シングルセル層１８，１８の間に、複数のスペーサ部材３０，３０・・を配設して混合ガスの通路を形成する。
この図１０に示すスペーサ部材３０は、シングルセル層１８，１８の互いに対向する対向面を形成する層が、アノード層１８ｃ同士又はカソード層１８ｂ同士であるため、電気絶縁体であってもよく、導電体であってもよい。その形状も、渦巻体１６の長手方向に延出された棒状体であってもよく、点状であってもよい。
【００１７】
図１（ｂ）、図５及び図９に示す渦巻体１６は、図１（ａ）や図９に示す様に、アノード層１８ｃとカソード層１８ｂから起電力を取出す取出線を引き出し、ヒータ１４で囲まれた耐熱性を有する円筒状の筒状容器１２内に収容し、ヒータ１４で所定温度に加熱しつつ、筒状容器１２の一方側から混合ガスを矢印Ａ方向に供給することによって発電することができる。
かかる渦巻体１６を用いた燃料電池セルから成る燃料電池は、図１に示す様に、単一の燃料電池であってもよいが、所望の電圧、電流を得べく、図１１（ａ）（ｂ）に示す様に、渦巻体１６を収容した複数個の筒状容器１２，１２・・を並列状又は直列状に電気的に接続して配設できる。
【００１８】
図１〜図１１では、円筒状の筒状容器１２内に収容する渦巻体１６について説明してきたが、本発明に係る燃料電池セルの参考例としては、図１２に示す様に、カソード層４２ｂ、固体電解質層４２ａ及びアノード層４２ｃが積層されたシングルセル層４２がジグザグ状に折り畳まれた折畳体４０を用いることができる。
この折畳体４０では、図１３（参考例）に示す様に、互いに上下方向に隣接するシングルセル層４２，４２・・とは、カソード層４２ｂ同士又はアノード層４２ｃ同士で接触している。
更に、かかるカソード層４２ｂ及びアノード層４２ｃは、混合ガスが通過し得る多孔質層である。この多孔質層としては、その開気孔率が２０％以上、好ましくは３０〜７０％、特に４０〜５０％のものが好ましい。
このカソード層４２ｂ及びアノード層４２ｃが露出する折畳体４０の側端面の一方側から供給された混合ガスは、折畳体４０のカソード層４２ｂ及びアノード層４２ｃを通過し、電気化学的反応によって酸素と燃料ガスとが消費されつつ、電気化学的反応によって生成した生成ガスと共に、図１２（参考例）に示す矢印Ｄに示す様に、折畳体４０の他方の側端面から排出される。
かかる折畳体４０は、図３に示す様に、複数層のシングルセル層４２が積層された積層体をジグザグ状に折り畳んでもよい。
また、第１の折畳体４０ａと第２の折畳体４０ｂとが、図１４（参考例）に示す様に、直列状に接続されて配設されていてもよい。この直列状の配設は、折畳体４０ａの最下層を形成するアノード層４２ｃと第２の折畳体４０ｂを形成する最上層のカソード層４２ｂとが、接触して為されている。
【００１９】
図１３（参考例）及び図１４（参考例）に示す折畳体４０は、固体電解質層４２ａを形成するグリーンシートを、カソード層４２ｂを形成するグリーンシートとアノード層４２ｃを形成するグリーンシートとによって挟み込み、シングルセル層４２を形成するシングルセル層用グリーンシートを形成する。
更に、シングルセル層グリーンシートを、ジグザグ状に折り畳み予備成形品を成形する。
次いで、この予備成形品を所定の雰囲気条件下で焼成することによって、図１３及び図１４に示す折畳体４０を得ることができる。
尚、図１３（参考例）及び図１４（参考例）に示す折畳体４０では、固体電解質層４２ａは、緻密質層であっても、多孔質層であってもよい。
【００２０】
図１３（参考例）及び図１４（参考例）に示す折畳体４０では、互いに上下方向に隣接するシングルセル層４２，４２・・は、カソード層４２ｂ同士又はアノード層４２ｃ同士が接触している。このため、カソード層４２ｂ及びアノード層４２ｃは多孔質層であることが必要であり、カソード層４２ｂ及びアノード層４２ｃが緻密層であるシングルセル層４２には適用できない。
これに対し本発明に係る燃料電池セルの他の例で用いる図１５及び図１６に示す折畳体４０の場合には、互いに上下方向に隣接するシングルセル層４２，４２・・の間に、混合ガスが通過する通路が形成されているため、カソード層４２ｂ及びアノード層４２ｃが緻密層であるシングルセル層４２であっても、折畳体４０を形成できる。
ここで、図１５に示す折畳体４０では、混合ガスが通過する通路は、互いに上下方向に隣接するシングルセル層４２，４２・・の間に多孔質層４４に形成されている。この多孔質層４４は、その開気孔率が２０％以上、好ましくは３０〜７０％、特に４０〜５０％のアルミナ等のセラミックから成るものが好ましい。
【００２１】
この図１５に示す折畳体４０を成形するには、多孔質層用のグリーンシートを焼成して、所定の開気孔率の多孔質層４４を得る。次いで、シングルセル層グリーンシートを、予め焼成しておいた多孔質層４４を挟みつつ、ジグザグ状に折り畳み予備成形品を成形する。その後、シングルセル層グリーンシートが緻密化する焼成条件で焼成することによって、図１５に示す折畳体４０を得ることができる。
また、図１６に示す折畳体４０では、シングルセル層４２，４２・・の間に、複数のスペーサ部材４６，４６・・を配設して混合ガスの通路を形成している。
この図１６に示すスペーサ部材４６は、シングルセル層４２，４２・・の互いに対向する対向面を形成する層が、アノード層４２ｃ同士又はカソード層４２ｂ同士であるため、電気絶縁体であってもよく、導電体であってもよい。その形状も、折畳体４０の幅方向に延出された棒状体であってもよく、点状であってもよい。
【００２２】
図１２〜図１４（参考例）、本発明に係る燃料電池セルの他の例である図１５及び図１６に示す折畳体４０は、アノード層４２ｃとカソード層４２ｂから起電力を取出す取出線を引き出し、ヒータで囲まれた耐熱性を有する矩形状の筒状容器内に収容し、ヒータで所定温度に加熱しつつ、筒状容器の一方側から混合ガスを矢印Ｄ方向［図１２（参考例）］に供給することによって発電できる。
この場合も、図１１（ａ）（ｂ）に示す様に、折畳体４０を収容した複数個の筒状容器を並列状又は直列状に配設できる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池セルは、カソード層、固体電解質層及びアノード層が積層されたシングルセル層又は複数層のシングル層が積層された積層体が渦巻状に巻かれた渦巻体又はジグザグ状に折り畳まれた折畳体である。このため、渦巻体又は折畳体のサイズを急激に増大することなく、アノード層及びカソード層の混合ガスと接触する接触面積を容易に拡大できる。その結果、本発明に係る燃料電池セルを用いた燃料電池は、その小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る燃料電池セルの参考例を説明する側面図及び横断面図である。
【図２】 図１に示す燃料電池セルの渦巻体の部分断面図である。
【図３】 図１に示す燃料電池セルを形成する渦巻体の他の例を説明するための部分断面図である。
【図４】 本発明に係る燃料電池セルの一例を説明するための部分断面図である。
【図５】 本発明に係る燃料電池セルの他の例を説明するための横断面図である。
【図６】 図５に示す渦巻体の構造を説明するための部分断面図である。
【図７】 図５に示す構造の渦巻体の製造方法を説明するための説明図である。
【図８】 図６に示す構造の渦巻体を製造する他の製造方法を説明する説明図である。
【図９】 図８に示す製造方法で得られた渦巻体の部分断面図である。
【図１０】 図５に示す渦巻体の他の例を説明する部分断面図である。
【図１１】 図１（ｂ）、図５又は図９に示す渦巻体１６を用いた燃料電池セルから成る燃料電池の概略を説明する概略図である。
【図１２】 本発明に係る燃料電池セルの参考例を説明する斜視図である。
【図１３】 図１２（参考例）に示す燃料電池セルの折畳体の断面図である。
【図１４】 図１２（参考例）に示す燃料電池セルの折畳体の他の例を示す断面図である。
【図１５】 本発明に係る燃料電池セルの他の例で用いる折畳体を示す断面図である。
【図１６】 本発明に係る燃料電池セルの他の例で用いる折畳体を示す断面図である。
【図１７】 従来の燃料電池セルを説明する斜視図である。
Claims (10)
- 固体電解質層を挟み込むカソード層とアノード層とに、燃料ガスと空気とが混合された混合ガスが供給される燃料電池セルであって、
該燃料電池セルは、前記カソード層、固体電解質層及びアノード層が積層されたシングルセル層又は複数層の前記シングルセル層が積層された積層体が渦巻状に巻かれて渦巻体に形成されていると共に、
前記渦巻体の中心方向に互いに隣接する上層と下層とのシングルセル層又は積層体との対向面を形成するカソード層とアノード層とが、電気絶縁体を介して配設され、
前記電気絶縁体が、混合ガスが通過し得る多孔質の電気絶縁体であることを特徴とする燃料電池セル。 - 電気絶縁体が、電気絶縁材料から成る複数のスペース部材であって、互いに隣接する前記スペース部材の間には、混合ガスが通過するガス通路が形成されている請求項１記載の燃料電池セル。
- シングルセル層のカソード層及びアノード層が、混合ガスが通過し得る多孔質層である請求項１又は請求項２記載の燃料電池セル。
- シングルセル層のカソード層、固体電解質層及びアノード層が、混合ガスが通過し得る多孔質層として形成されている請求項１〜３のいずれか一項記載の燃料電池セル。
- 固体電解質層を挟み込むカソード層とアノード層とに、燃料ガスと空気とが混合された混合ガスが供給される燃料電池セルであって、
該燃料電池セルは、前記カソード層、固体電解質層及びアノード層が積層されたシングルセル層又は複数層の前記シングルセル層が積層された積層体が、前記シングルセル層又は積層体の表面を形成するカソード層又はアノード層の表面同士が互いに対向するように折り畳まれた状態で渦巻状に巻き込まれて渦巻体に形成され、
前記渦巻体の中心方向に互いに隣接する上層と下層とのシングルセル層又は積層体との対向面が、カソード層同士又はアノード層同士とによって形成されていると共に、
前記カソード層及びアノード層に、又は前記上層と下層とのシングルセル層又は積層体との対向面の間に、前記混合ガスが通過し得るガス通路が形成されていることを特徴とする燃料電池セル。 - カソード層及びアノード層の各々が、混合ガスが通過し得る多孔質層として形成されている請求項５記載の燃料電池セル。
- 上層と下層とのシングルセル層又は積層体との対向面の間に、混合ガスが通過するガス通路が形成されるようにスペース部材が配設されている請求項５又は請求項６記載の燃料電池セル。
- 固体電解質層を挟み込むカソード層とアノード層とに、燃料ガスと空気とが混合された混合ガスが供給される燃料電池セルであって、
該燃料電池セルは、前記カソード層、固体電解質層及びアノード層が積層されたシングルセル層又は複数層の前記シングルセル層が積層された積層体がジグザグ状に折り畳まれた折畳体に形成されていると共に、
前記折畳体の互いに隣接するシングルセル層又は積層体の各対向面が前記カソード層同士又はアノード層同士で形成され、
且つ互いに隣接する前記シングルセル層又は積層体の各対向面の間に、混合ガスが通過するガス通路が形成されるようにスペース部材が配設されていることを特徴とする燃料電池セル。 - カソード層及びアノード層の各々が、混合ガスが通過し得るように多孔質層として形成されている請求項８記載の燃料電池セル。
- 互いに隣接するシングルセル層又は積層体の各対向面の間に、混合ガスが通過し得るように多孔に形成された多孔体を配設する請求項８又は請求項９記載の燃料電池セル。
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