JP4453201B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料極層及び酸化剤極層にて固体電解質層を挟持して構成された発電セルを有する固体酸化物型の燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池として、発電セルがアノード、固体電解質及びカソードからなり、セパレート板が上記発電セルに交互に積層され、セパレート板のうちのリブ付多孔質基材に形成されたリブが燃料ガス及び酸化剤ガスを上記アノード及びカソードに個別に分配するように構成された固体電解質型燃料電池が開示されている（特開平３−１２９６７５号）。この燃料電池では、上記リブが反応ガスをリブ付多孔質基材の中央部から周縁部の反応ガス排出口に向って放射状に流すように構成される。また反応ガス排出口はセパレート板と発電セルの積層体であるスタックの周縁部に均一に分布するように配置される。更にスタックの中央部には燃料ガス導入管及び酸化剤ガス導入管が積層方向に貫通して設けられ、これらの導入管から反応ガスがセパレート板に供給されるように構成される。
このように構成された固体電解質型燃料電池では、反応ガスがスタックの中央部から周縁部に向って流れるので、発電セルとセパレート板との間のガスシールが不要になる。また反応ガス排出口から出た反応ガスは燃料電池の周囲で燃焼するけれども、上記排出口の分布が均一であるため、燃料電池の周囲の温度は均一に保たれるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の特開平３−１２９６７５号公報に示された固体電解質型燃料電池では、発電セル及びセパレート板の積層体であるスタックの中央部に燃料ガス導入管及び酸化剤ガス導入管が積層方向に貫通しているため、発電セルの略中心に２個の孔を形成する必要があり、発電に寄与する発電セルの表面積が上記２個の孔の面積分だけ小さくなって、発電効率が低下する不具合があった。
また、上記従来の固体電解質型燃料電池では、セパレート板のリブ付多孔質基材には反応ガスを所定の方向に導くリブが形成されているため、発電に寄与する発電セルの表面積がリブのアノード又はカソードへの接触面積分だけ小さくなって、発電効率が低下する問題点もあった。また上記従来の固体電解質型燃料電池では、アノード等とリブ付多孔質基板とがリブのみで接触しているため、アノード等のセパレート板との電子伝導性が低く、アノード等とリブとが接触する部分近傍のみで反応が起こり易い。即ち、上記リブ間の溝中央部分ではアノード等と接触していないため、反応により生成した電子がリブに到達する前に、アノード等の電気抵抗により消滅してしまい、発電セル全面で反応させることが難しい問題点もあった。
更に、上記従来の固体電解質型燃料電池では、燃料ガス導入管及び酸化剤ガス導入管を貫通させるための通孔がスタックの中央部に形成されるため、燃料ガス導入管及び酸化剤ガス導入管と上記通孔との隙間から燃料ガス及び酸化剤ガスが漏れて混ざり燃焼してしまうおそれがあった。このため燃料電池の発電効率が低下する問題点があった。なお、上記隙間にセラミックセメントを充填する方法が固体電解質型燃料電池（特開平６−１９６１９８号）に記載されているけれども、完全にシールすることは難しかった。
【０００４】
本発明の第１の目的は、発電に寄与する発電セルの表面を全て発電に寄与させることができ、燃料ガス及び酸化剤ガスが発電セルに供給される前、即ち発電前に混ざって燃焼することを防止でき、これらにより発電効率を向上できる、燃料電池を提供することにある。
本発明の第２の目的は、起動時に昇温時間を短縮できるとともに、均一な昇温により発電セルの損傷を防止できる、燃料電池を提供することにある。
本発明の第３の目的は、燃料ガスの燃料極層内での流れを制御することにより、燃料ガスと燃料極層との衝突回数を増大することができ、また酸化剤ガスを酸化剤極層の全体に略均一に流すことにより、発電セルを均一に加熱・冷却できる、燃料電池を提供することにある。
本発明の第４の目的は、ステンレス鋼製などのセパレータ、第１端板及び第２端板に燃料極集電体又は酸化剤極集電体のいずれか一方又は双方を接合し、接合部分が溶着されてその接合部分の酸化を防止することにより、セパレータ、第１端板又は第２端板と、燃料極集電体又は酸化剤極集電体との長期的な電気的導通が得られる、燃料電池を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図１に示すように、酸化物イオン伝導体により形成された固体電解質層１１ａとこの固体電解質層１１ａの両面に配設された燃料極層１１ｂ及び酸化剤極層１１ｃとからなる発電セル１１が（ｎ＋１）個（ｎは正の整数である。）積層された燃料電池１０であって、ｉ番目（ｉ＝１，２，…，ｎ）の発電セル１１の燃料極層１１ｂとこの燃料極層１１ｂに隣接する（ｉ＋１）番目の発電セル１１の酸化剤極層１１ｃとの間に導電性材料により板状に形成されたセパレータ１２がそれぞれ１枚ずつ合計ｎ枚介装され、ｉ番目の発電セル１１の燃料極層１１ｂとｉ番目の発電セル１１及び（ｉ＋１）番目の発電セル１１間に位置するｊ番目（ｊ＝１，２，…，ｎ）のセパレータ１２との間に導電性を有する多孔質の燃料極集電体１３が介装され、（ｉ＋１）番目の発電セル１１の酸化剤極層１１ｃとｉ番目の発電セル１１及び（ｉ＋１）番目の発電セル１１間に位置するｊ番目のセパレータ１２との間に導電性を有する多孔質の酸化剤極集電体１４が介装され、ｎ枚のセパレータ１２が燃料ガスをセパレータ１２の略中心から燃料極集電体１３に向って吐出させる燃料供給通路１６と、酸化剤ガスをセパレータ１２の酸化剤極集電体１３に対向する面から吐出させる酸化剤供給通路１７とをそれぞれ有し、燃料供給通路１６及び酸化剤供給通路１７のいずれにも連通しないようにｎ枚のセパレータ１２のそれぞれに複数の挿入穴１２ａが形成され、複数の挿入穴１２ａにヒータ２３又はヒータ及び温度センサがそれぞれ挿入されるか、或いは複数の挿入穴１２ａが軽量化穴とされ、ｎ枚のセパレータ１２がステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金のいずれかによりそれぞれ形成されたことを特徴とする燃料電池である。
【０００６】
この請求項１に記載された燃料電池では、燃料ガスを燃料供給通路１６，２６に導入すると、燃料ガスはセパレータ１２及び第２端板２２の略中心から燃料極集電体１３の中心に向って吐出し、燃料極集電体１３内を通過して燃料極層１１ｂの略中心から外周縁に向って流れる。同時に酸化剤ガスを酸化剤供給通路１７，２７に導入すると、酸化剤ガスはセパレータ１２の酸化剤極集電体１４への対向面及び第１端板２１の酸化剤極集電体１４への対向面から酸化剤極集電体１４に向って吐出し、酸化剤極集電体１４内を通過して酸化剤極層１１ｃに供給され、更に酸化剤極層１１ｃ内を固体電解質層１１ａに沿って流れる。酸化剤ガスは酸化剤極層１１ｃから電子を受け取って酸化物イオンにイオン化され、この酸化物イオンは固体電解質層１１ａ内を拡散移動して燃料極層１１ｂとの界面近傍に到達する。これにより酸化物イオンは燃料ガスと反応して反応生成物を生じ、燃料極層１１ｂに電子を放出するので、この電子を燃料極集電体１３により取り出すことにより電流が発生し、電力が得られる。
また燃料電池１０の起動時に、ヒータ２３に通電することにより発電セル１１を速やかに昇温できるので、昇温時間を短縮できる。また発電セル１１が均一に昇温し、発電セル１１の中心と外周縁との温度差がなくなって均一に熱膨張するため、発電セル１１の損傷を防止できる。更に温度センサの検出出力に基づいてヒータを制御すれば、セパレータ等の温度をきめ細かく制御できる。
更に複数の挿入穴１２ａを軽量化穴とすることにより、セパレータ１２の重量を小さくできるので、燃料電池１０の軽量化を図ることができる。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、更に図８に示すように、１番目の発電セル１１の酸化剤極層１１ｃに酸化剤極集電体１４を介して導電性材料により板状に形成された単一の第１端板６１が積層され、（ｎ＋１）番目の発電セル１１の燃料極層１１ｂに燃料極集電体１３を介して導電性材料により板状に形成された単一の第２端板６２が積層され、単一の第１端板６１が酸化剤ガスを第１端板６１の酸化剤極集電体１４に対向する面から吐出させる酸化剤供給通路６７を有し、単一の第２端板６２が燃料ガスを第２端板６２の略中心から燃料極集電体１３に向って吐出させる燃料供給通路６６を有し、酸化剤供給通路６７に連通しないように単一の第１端板６１に複数の挿入穴６１ａが形成され、燃料供給通路６６に連通しないように単一の第２端板６２に複数の挿入穴６２ａが形成され、複数の挿入穴６１ａ，６２ａにヒータ６３又はヒータ及び温度センサがそれぞれ挿入されるか、或いは複数の挿入穴６１ａ，６２ａが軽量化穴とされ、単一の第１端板２１及び単一の第２端板２２がステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金のいずれかによりそれぞれ形成されたことを特徴とする。
この請求項２に記載された燃料電池では、燃料電池５０の起動時に、ヒータ６３に通電することにより発電セル１１を速やかに昇温できるので、昇温時間を短縮できる。また発電セル１１が均一に昇温し、発電セル１１の中心と外周縁との温度差がなくなって均一に熱膨張するため、発電セル１１の損傷を防止できる。更に温度センサの検出出力に基づいてヒータを制御すれば、セパレータ等の温度をきめ細かく制御できる。
また、複数の挿入穴６１ａ，６２ａを軽量化穴とすることにより、第１端板６１及び第２端板６２の重量を小さくできるので、燃料電池５０の軽量化を図ることができる。
【００１５】
請求項３に係る発明は、請求項１に係る発明であって、更に図１に示すように、ｎ枚のセパレータ１２の表面にニッケルめっき，クロムめっき又は銀めっきがそれぞれ施されたことを特徴とする。
この請求項３に記載された燃料電池では、セパレータ１２と、燃料極集電体１３又は酸化剤極集電体１４との電気的導通を更に長期間保持できる。
請求項４に係る発明は、請求項２に係る発明であって、更に図１に示すように、単一の第１端板２１の表面及び単一の第２端板２２の表面にニッケルめっき，クロムめっき又は銀めっきがそれぞれ施されたことを特徴とする。
この請求項４に記載された燃料電池では、第１端板２１又は第２端板２２と、燃料極集電体１３又は酸化剤極集電体１４との電気的導通を更に長期間保持できる。
【００１６】
請求項５に係る発明は、請求項１又は３記載の燃料電池に用いられるセパレータである。
請求項６に係る発明は、請求項２又は４記載の燃料電池に用いられる第１端板である。
請求項７に係る発明は、請求項２又は４記載の燃料電池に用いられる第２端板である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に本発明の第１の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、発電セル１１は円板状の固体電解質層１１ａと、この固体電解質層１１ａの両面に配設された円板状の燃料極層１１ｂ及び空気極層１１ｃ（酸化剤極層）とからなり、燃料電池１０は上記発電セル１１を（ｎ＋１）個積層することにより構成される。ここで、ｎは正の整数である。ｉ番目（ｉ＝１，２，…，ｎ）の発電セル１１の燃料極層１１ｂとこの燃料極層１１ｂに隣接する（ｉ＋１）番目の発電セル１１の空気極層１１ｃとの間には導電性材料により正方形板状に形成されたセパレータ１２がそれぞれ１枚ずつ合計ｎ枚介装される。またｉ番目の発電セル１１の燃料極層１１ｂとｊ番目（ｊ＝１，２，…，ｎ）のセパレータ１２との間には円板状に形成されかつ導電性を有する多孔質の燃料極集電体１３が介装され、（ｉ＋１）番目の発電セル１１の空気極層１１ｃとｊ番目のセパレータ１２との間には円板状に形成されかつ導電性を有する多孔質の空気極集電体１４（酸化剤極集電体）が介装される。更に１番目の発電セル１１の空気極層１１ｃには空気極集電体１４を介して導電性材料により正方形板状に形成された単一の第１端板２１が積層され、（ｎ＋１）番目の発電セル１１の燃料極層１１ｂには燃料極集電体１３を介して導電性材料により正方形板状に形成された単一の第２端板２２が積層される。上記セパレータ１２、第１端板２１及び第２端板２２は燃料極層１１ｂ等の直径を１辺とする正方形板状に形成される。なお、固体電解質層、燃料極層、空気極層、燃料極集電体及び空気極集電体は円板状ではなく、四角形板状、六角形板状、八角形板状等の多角形板状に形成してもよい。また、セパレータ、第１端板及び第２端板は正方形板状ではなく、円板状、或いは長方形板状、六角形板状、八角形板状等の多角形板状に形成してもよい。
【００１８】
固体電解質層１１ａは酸化物イオン伝導体により形成される。具体的には、一般式（１）：Ｌｎ１ Ａ Ｇａ Ｂ１ Ｂ２ Ｂ３ Ｏで示される酸化物イオン伝導体である。但し、上記一般式（１）において、Ｌｎ１はＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ及びＳｍからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって４３．６〜５１．２重量％含まれ、ＡはＳｒ，Ｃａ及びＢａからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって５．４〜１１．１重量％含まれ、Ｇａは２０．０〜２３．９重量％含まれ、Ｂ１はＭｇ，Ａｌ及びＩｎからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であり、Ｂ２はＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ及びＣｕからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であり、Ｂ３はＡｌ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｍｎ及びＺｒからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であり、Ｂ１とＢ３又はＢ２とＢ３がそれぞれ同一の元素でないとき、Ｂ１は１．２１〜１．７６重量％含まれ、Ｂ２は０．８４〜１．２６重量％含まれ、Ｂ３は０．２３〜３．０８重量％含まれ、Ｂ１とＢ３又はＢ２とＢ３がそれぞれ同一の元素であるとき、Ｂ１の含有量とＢ３の含有量の合計が１．４１〜２．７０重量％であり、Ｂ２の含有量とＢ３の含有量の合計が１．０７〜２．１０重量％である。
【００１９】
また固体電解質層１１ａを一般式（２）：Ｌｎ１1-x Ａx Ｇａ1-y-z-w Ｂ１y Ｂ２z Ｂ３w Ｏ3-dで示される酸化物イオン伝導体により形成してもよい。但し、上記一般式（２）において、Ｌｎ１はＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ及びＳｍからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって、ＡはＳｒ，Ｃａ及びＢａからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって、Ｂ１はＭｇ，Ａｌ及びＩｎからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって、Ｂ２はＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ及びＣｕからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって、Ｂ３はＡｌ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｍｎ及びＺｒからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって、ｘは０．０５〜０．３、ｙは０．０２５〜０．２９、ｚは０．０１〜０．１５、ｗは０．０１〜０．１５、ｙ＋ｚ＋ｗは０．０３５〜０．３及びｄは０．０４〜０．３である。上記のような酸化物イオン伝導体にて固体電解質層１１を形成することにより、燃料電池１０の発電効率を低下させずに、発電運転を６５０±５０℃と比較的低温で行うことが可能となる。
【００２０】
燃料極層１１ｂはＮｉ等の金属により構成されたり、又はＮｉ−ＹＳＺ等のサーメットにより構成されたり、或いはＮｉと一般式（３）：Ｃｅ1-m Ｄm Ｏ2で表される化合物との混合体により多孔質に形成される。但し、上記一般式（３）において、ＤはＳｍ，Ｇｄ，Ｙ及びＣａからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であり、ｍはＤ元素の原子比であり、０．０５〜０．４、好ましくは０．１〜０．３の範囲に設定される。
【００２１】
空気極層１１ｃは一般式（４）：Ｌｎ２1-x Ｌｎ３x Ｅ1-y Ｃｏy Ｏ3+dで示される酸化物イオン伝導体により多孔質に形成される。 但し、上記一般式（４）において、Ｌｎ２はＬａ又はＳｍのいずれか一方又は双方の元素であり、Ｌｎ３はＢａ，Ｃａ又はＳｒのいずれか一方又は双方の元素であり、ＥはＦｅ又はＣｕのいずれか一方又は双方の元素である。またｘはＬｎ３の原子比であり、０．５を越え１．０未満の範囲に設定される。ｙはＣｏ元素の原子比であり、０を越え１．０以下、好ましくは０．５以上１．０以下の範囲に設定される。ｄは−０．５以上０．５以下の範囲に設定される。
【００２２】
上記発電セル１１の製造方法の一例を下記に示す。先ず原料粉末として、Ｌａ2Ｏ3，ＳｒＣＯ3，Ｇａ2Ｏ3，ＭｇＯ，ＣｏＯの各粉末をＬａ0.8Ｓｒ0.2Ｇａ0.8Ｍｇ0.15Ｃｏ0.05Ｏ2.8となるように秤量して混合した後に、１１００℃で予備焼成して仮焼体を作製する。次いでこの仮焼体を粉砕した後に、所定のバインダ、溶剤などを加えて混合することによりスラリーを調製し、このスラリーをドクタブレード法によりグリーンシートを作製する。次にこのグリーンシートを空気中で十分に乾燥し、所定の寸法に切出した後に、１４５０℃で焼結することにより固体電解質層１１ａを得る。この固体電解質層１１ａの一方の面に、Ｎｉと（Ｃｅ0.8Ｓｍ0.2）Ｏ2が体積比で６：４となるように、ＮｉＯ粉末と（Ｃｅ0.8Ｓｍ0.2）Ｏ2粉末とを混合した後に、この混合粉末を１１００℃で焼付けることにより燃料極層１１ｂを形成する。更に上記固体電解質層１１ａの他方の面に（Ｓｍ0.5Ｓｒ0.5）ＣｏＯ3を１０００℃で焼付けることにより空気極層１１ｃを形成する。このようにして発電セル１１が作製される。
【００２３】
セパレータ１２はステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金により形成されることが好ましい。例えば、ＳＵＳ３１６、インコネル６００、ハステロイＸ（Haynes Stellite社の商品名）、ヘインズアロイ２１４などが挙げられる。またセパレータ１２には燃料供給通路１６と、空気供給通路１７（酸化剤供給通路）と、複数の挿入穴１２ａが形成される（図１及び図２）。燃料供給通路１６はセパレータ１２の外周面から略中心に向う第１燃料穴１６ａと、第１燃料穴１６ａに連通しセパレータ１２の略中心から燃料極集電体１４に臨む第２燃料穴１６ｂとを有する。また空気供給通路１７はセパレータ１２の厚さ方向に直交する方向に延びて形成され基端がセパレータ１２外周面に開口しかつ先端が閉止された単一の第１空気穴１７ａと、セパレータ１２の厚さ方向に直交する方向に延びかつ互いに所定の間隔をあけて形成され単一の第１空気穴１７ａに連通し更に両端が閉止された複数の第２空気穴１７ｂと、セパレータ１２の空気極集電体１４に対向する面に所定の間隔をあけかつ第２空気穴１７ｂに連通するように形成された多数の第３空気穴１７ｃとを有する。
【００２４】
第１燃料穴１６ａの基端には燃料供給パイプ１８が接続され、第１空気穴１７ａの基端には空気供給パイプ１９が接続される。また第２空気穴１７ｂは第１空気穴１７ａの基端が形成されたセパレータ１２の一方の側面に隣接する側面から互いに平行に形成した後に、この隣接する側面に閉止板２４を接合することにより両端が閉止された長穴となる。一方、複数の挿入穴１２ａは燃料供給通路１６及び空気供給通路１７のいずれにも連通しないように第１燃料穴１６ａ及び第２空気穴１７ｂに平行に形成され、これらの挿入穴１２ａにはヒータ２３がそれぞれ挿入される（図２）。またセパレータ１２の燃料極集電体１３に対向する面には３本のスリット１２ｂがセパレータ１２の略中心から渦巻き状にそれぞれ形成され（図３）、これらのスリット１２ｂの深さは全長にわたって同一となるように形成される。なお、上記スリットは３本ではなく、２本又は４本以上であってもよい。また、スリットの深さはセパレータの中心から離れるに従って次第に深く若しくは浅くなるように形成してもよい。
【００２５】
図１に戻って、燃料極集電体１３はステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いはニッケル、銀又は銅により多孔質に形成され、ステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金により形成した場合、ニッケルめっき、銀めっき若しくは銅めっきを施すことが好ましい。空気極集電体１４はステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いは銀又は白金により多孔質に形成され、ステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金により形成した場合、銀めっき若しくは白金めっきを施すことが好ましい。なお、燃料ガスとして炭化水素を用いた場合には、燃料極集電体はニッケルめっきされたステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いはニッケルにより形成され、燃料ガスとして水素を用いた場合には、燃料極集電体は銀めっき若しくは銅めっきされたステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いは銀又は銅により形成される。上記燃料極集電体１３の製造方法の一例を下記に示す。先ずステンレス鋼などのアトマイズ粉末とＨＰＭＣ（水溶性樹脂結合剤）を混練した後に、蒸留水及び添加剤（ｎ−ヘキサン（有機溶剤）、ＤＢＳ（界面活性剤）、グリセリン（可塑剤）など）を加えて混練して混合スラリーを調製する。次にこの混合スラリーをドクタブレード法により成形体を作製した後に、所定の条件で発泡、脱脂及び焼結して多孔質板を得る。更にこの多孔質板を所定の寸法に切出して燃料極集電体１３を作製する。なお、ステンレス鋼のアトマイズ粉末を用いた場合には、表面にニッケルめっき、クロムめっき又は銀めっきが施される。また上記空気極集電体１４も上記燃料極集電体１３とほぼ同様にして作製される。
【００２６】
第１端板２１及び第２端板２２はセパレータ１２と同一材料により同一形状（正方形板状）に形成される。第１端板２１には空気供給通路２７及び複数の挿入穴（図示せず）が形成され、第２端板２２には燃料供給通路２６及び複数の挿入穴（図示せず）が形成される。空気供給通路２７は空気供給通路１８と同様に形成され、第１端板２１の厚さ方向に直交する方向に延びて形成され基端が第１端板２１外周面に開口しかつ先端が閉止された単一の第１空気穴（図示せず）と、第１端板２１の厚さ方向に直交する方向に延びかつ互いに所定の間隔をあけて形成され単一の第１空気穴に連通し更に両端が閉止された複数の第２空気穴２７ｂと、第１端板２１の空気極集電体１４に対向する面に所定の間隔をあけかつ第２空気穴２７ｂに連通するように形成された多数の第３空気穴（図示せず）とを有する。また燃料供給通路２６は燃料供給通路１７と同様に形成され、第２端板２２の外周面から略中心に向う第１燃料穴２６ａと、第１燃料穴２６ａに連通し第２端板２２の略中心から燃料極集電体１３に臨む第２燃料穴２６ｂとを有する。第１空気穴の基端には第１空気穴１７ａと同様に、空気供給パイプが接続され、第１燃料穴２６ａの基端には燃料供給パイプ１８が接続される。
【００２７】
第１端板２１の第２空気穴２７ｂは第１空気穴の基端が形成された第１端板２１の一方の側面に隣接する側面から互いに平行に形成した後に、この隣接する側面に閉止板２４を接合することにより両端が閉止された長穴となる。また第１端板２１の複数の挿入穴は空気供給通路２７に連通しないように第２空気穴２７ｂに平行に形成され、これらの挿入穴にはヒータ（図示せず）がそれぞれ挿入される。また第２端板２２の複数の挿入穴は燃料供給通路２６に連通しないように第１燃料穴２６ａに平行に形成され、これらの挿入穴にはヒータ（図示せず）がそれぞれ挿入される。第２端板２２の上面、即ち第２端板２２の燃料極集電体１３への対向面には３本のスリット２２ｂが第２端板２２の略中心から渦巻き状に形成される（図１）。これらのスリット２２ｂの深さは全長にわたって同一となるように形成される。なお、上記スリットは３本ではなく、２本又は４本以上であってもよい。また、スリットの深さはセパレータの中心から離れるに従って次第に深く若しくは浅くなるように形成してもよい。
【００２８】
更にセパレータ１２、第１端板２１及び第２端板２２の四隅にはボルト（図示せず）を挿通可能な通孔１２ｃが形成される（図２及び図３）。（ｎ＋１）個の発電セル１１と、ｎ枚のセパレータ１２と、（ｎ＋１）個の燃料極集電体１３と、（ｎ＋１）個の空気極集電体１４と、単一の第１端板２１と、単一の第２端板２２とを積層したときに、上記セパレータ１２、第１端板２１及び第２端板２２の四隅に形成された通孔１２ｃにボルトをそれぞれ挿通した後に、これらのボルトの先端にナットをそれぞれ螺合することにより、燃料電池１０が上記積層した状態で固定されるようになっている。
【００２９】
このように構成された燃料電池１０の動作を説明する。
燃料ガス（Ｈ2、ＣＯ等）を燃料供給パイプ１８に導入すると、燃料ガスは燃料供給通路１６，２６を通り、セパレータ１２及び第２端板２２の略中心から燃料極集電体１３の中心に向って吐出する。これにより燃料ガスは燃料極集電体１３内の気孔を通過して燃料極層１１ｂの略中心に速やかに供給され、更にスリット１２ｂ，２２ｂにより案内されて燃料極層１１ｂの略中心から外周縁に向って渦巻き状に流れる。同時に空気（酸化剤ガス）を空気供給パイプ１９に導入すると、空気は空気供給通路１７，２７を通り、セパレータ１２及び第１端板２１の多数の第３空気孔１７ｃからシャワー状に空気局集電体１４に向って吐出する。これにより空気は空気極集電体１４内の気孔を通過して空気極層１１ｃに略均一に供給される。
【００３０】
空気極層１１ｃに供給された空気は空気極層１１ｃ内の気孔を通って固体電解質層１１ａとの界面近傍に到達し、この部分で空気中の酸素は空気極層１１ｃから電子を受け取って、酸化物イオン（Ｏ2-）にイオン化される。この酸化物イオンは燃料極層１１ｂの方向に向って固体電解質層１１ａ内を拡散移動し、燃料極層１１ｂとの界面近傍に到達すると、この部分で燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ2Ｏ、ＣＯ2等）を生じ、燃料極層１１ｂに電子を放出する。この電子を燃料極集電体１３により取り出すことにより電流が発生し、電力が得られる。上記のように燃料ガスがセパレータ１２の略中央及び第２端板２２の略中央から吐出され、かつスリット１２ｂ，２２ｂにより案内されるので、燃料ガスの反応経路が長くなる。この結果、燃料ガスがセパレータ１２及び第２端板２２の外周縁に到達するまでに、燃料ガスが燃料極層１２ｂと極めて多く衝突するので、上記反応回数が増え、燃料電池１０の性能向上を図ることができる。従って、セパレータ１２及び第２端板２２の外径が大きくなればなるほど、燃料ガスの反応経路が長くなり、これに伴って反応回数が増え、燃料電池１０の出力向上に繋がる。
【００３１】
一方、セパレータ１２の下面及び第１端板２１の下面には多数の第３空気穴１７ｃが所定の間隔をあけて並んで形成されているため、空気がセパレータ１２の下面及び第１端板２１の下面から略均一に吐出される。この結果、空気により発電セル１１を均一に加熱・冷却できる。特に、燃料電池１０の発電中におけるジュール熱の発生により、発電セル１１が加熱されて設定温度（例えば、６５０℃）より上昇したときに、この設定温度より僅かに低い温度（例えば、６３０）の空気を上記空気供給通路１７，２７から吐出させることにより、発電セル１１を均一に冷却できるので、発電セル１１の局所的な加熱又は冷却による損傷を防止できる。
【００３２】
また従来の燃料電池、即ち発電セルの略中心に燃料ガス導入管及び酸化剤ガス導入管の挿通用の２個の孔が形成されるため、反応面積が小さくなるとともに反応前に燃料ガスが空気に混ざって、発電効率が低下する燃料電池と比較して、本発明の燃料電池１０は発電セル１１の表面の全てが発電に寄与するとともに、反応前に燃料ガスが空気と混ざることがないため、発電効率が向上する。なお、（ｎ＋１）個の発電セル１１は導電性材料により形成されたセパレータ１２、燃料極集電体１３及び空気極集電体１４を介して直列に接続され、かつ両端に導電性材料により形成された第１端板２１及び第２端板２２が設けられているため、第１端板２１及び第２端板２２から大きな電力を取出すことができる。
【００３３】
また燃料電池１０の起動時には、ヒータ２３に通電することにより発電セル１１を速やかに昇温できるので、昇温時間を短縮できるとともに、発電セル１１が均一に昇温し、発電セル１１の中心と外周縁との温度差がなくなって均一に熱膨張するため、発電セル１１の損傷を防止できる。なお、挿入穴にヒータを挿入しない場合、即ち挿入穴を軽量化穴とした場合には、セパレータ、第１端板及び第２端板の重量を小さくできるので、燃料電池の軽量化を図ることができる。
【００３４】
更にステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金製のセパレータ１２及び第２端板２２の上面に、ニッケルめっき、銀めっき若しくは銅めっきされたステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いはニッケル、銀又は銅製の燃料極集電体１３をそれぞれ接合し、ステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金製のセパレータ１２及び第２端板２２の下面に、銀めっき若しくは白金めっきされたステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いは銀又は白金製の空気極集電体１４をそれぞれ接合すれば、セパレータ１２及び第１端板２１が高温で空気に曝されても、即ちセパレータ１２及び第１端板２１が高温酸化雰囲気に曝されても、セパレータ１２及び空気極集電体１４の接合部分と、第１端板２２及び空気極集電体１４の溶着された接合部分が溶着されているため、これらの接合部分の酸化を防止できる。この結果、セパレータ１２及び燃料極集電体１３の電気的導通と、第２端板２２及び燃料極集電体１３の電気的導通のみならず、セパレータ１２及び空気極集電体１４の電気的導通と、第１端板２１及び空気極集電体１４の電気的導通を上記接合部分を通して長期間保持できるとともに、上記接合により燃料電池１０の組立作業時間を短縮し、組立作業性を向上できる。なお、上記接合方法としては銀ろう付け、スポット溶接又はレーザ溶接等が挙げられる。またステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金製の上記セパレータ１２、第１端板２１及び第２端板２２にニッケルめっき、クロムめっき又は銀めっきを施せば、セパレータ１２、第１端板２１及び第２端板２２と、燃料極集電体１３及び空気極集電体１４との電気的導通を更に長期間保持できる。
【００３５】
図４〜図７は本発明の第２の実施の形態を示す。図４〜図７において図１〜図３と同一符号は同一部品を示す。
この実施の形態では、セパレータ３２、第１端板４１及び第２端板４２が燃料極層１１ｂ等と同一外径を有する円板状に形成される。セパレータ３２には燃料供給通路３６と、空気供給通路３７（酸化剤供給通路）と、複数の挿入穴３２ａが形成される。燃料供給通路３６はセパレータ３２の外周面から略中心に向う第１燃料穴３６ａと、第１燃料穴３６ａの内端に連通しセパレータ３２の略中心から燃料極集電体１３に臨む第２燃料穴３６ｂとを有する。また空気供給通路３７はセパレータ３２の軸線を中心として上記第１燃料穴３６ａの基端とは反対側のセパレータ３２の外周面から略中心に向う第１空気穴３７ａと、第１空気穴３７ａの内端に連通しセパレータ３２の略中心から空気極集電体１４に臨む第２空気穴３７ｂとを有する。
【００３６】
第１燃料穴３６ａの基端には燃料供給パイプ１８が接続され、第１空気穴３７ａの基端には空気供給パイプ１９が接続される。複数の挿入穴１２ａは燃料供給通路３６及び空気供給通路３７のいずれにも連通しないようにセパレータ３２の外周面から略中心に向って求心状に形成され、これらの挿入穴３２ａにはヒータ４３及び温度センサ４５（温度測定用熱電対）がそれぞれ交互に挿入される（図５）。またセパレータ３２の両面には複数のスリット３２ｂがセパレータ３２の略中心から放射状にそれぞれ形成される（図６及び図７）。これらのスリット３２ｂの幅はセパレータ３２の中心から離れるに従って次第に広くなるように形成され、深さは全長にわたって同一となるように形成される。なお、スリットの深さをセパレータの中心から離れるに従って次第に深く若しくは浅くなるように形成してもよい。
【００３７】
第１端板４１及び第２端板４２はセパレータ３２と同一材料により形成される。第１端板４１には空気供給通路４７及び複数の挿入穴（図示せず）が形成され、第２端板４２には燃料供給通路４６及び複数の挿入穴（図示せず）が形成される。空気供給通路４７は第１端板４１の外周面から略中心に向う第１空気穴４７ａと、第１空気穴４７ａの内端に連通し第１端板４１の略中心から空気極集電体１４に臨む第２空気穴４７ｂとを有する。また燃料供給通路４６は第２端板４２の外周面から略中心に向う第１燃料穴４６ａと、第１燃料穴４６ａの内端に連通し第２端板４２の略中心から燃料極集電体１３に臨む第２燃料穴４６ｂとを有する。第１空気穴４７ａの基端には空気供給パイプ１９が接続され、第１燃料穴４６ａの基端には燃料供給パイプ１８が接続される。
【００３８】
第１端板４１の複数の挿入穴は空気供給通路４７に連通しないように第１端板４１の外周面から略中心に向って求心状に形成され、これらの挿入穴にはヒータ（図示せず）がそれぞれ挿入される。また第２端板４２の複数の挿入穴は燃料供給通路４６に連通しないように第２端板４２の外周面から略中心に向って求心状に形成され、これらの挿入穴にはヒータ（図示せず）がそれぞれ挿入される。第１端板４１の下面、即ち第１端板４１の空気極集電体１４への対向面には複数のスリット４１ｂが第１端板４１の略中央から放射状に形成され、第２端板４２の上面、即ち第２端板４２の燃料極集電体１３への対向面には複数のスリット４２ｂが第２端板４２の略中心から放射状に形成される（図７）。これらのスリット４１ｂ，４２ｂは第１端板４１及び第２端板４２の中心から離れるに従って幅が次第に広くなるように形成され、深さは全長にわたって同一となるように形成される。なお、上記スリットの深さを第１端板及び第２端板の中心から離れるに従って次第に深く若しくは浅くなるように形成してもよい。
【００３９】
このように構成された燃料電池３０では、燃料ガス（Ｈ2、ＣＯ等）を燃料供給パイプ１８に導入すると、燃料ガスは燃料供給通路３６，４６を通り、セパレータ３２及び第２端板４２の略中心から燃料極集電体１３の中心に向って吐出する。これにより燃料ガスは燃料極集電体１３内の気孔を通過して燃料極層１１ｂの略中心に速やかに供給され、更にスリット３２ｂ，４２ｂにより案内されて燃料極層１１ｂの略中心から外周縁に向って放射状に流れる。同時に空気（酸化剤ガス）を空気供給パイプ１９に導入すると、空気は空気供給通路３７，４７を通り、セパレータ３２及び第１端板４１の略中心から空気極集電体１４の中心に向って吐出する。これにより空気は空気極集電体１４内の気孔を通過して空気極層１１ｃの略中心に速やかに供給され、更にスリット３２ｂ，４１ｂにより案内されて空気極層１１ｃの略中心から外周縁に向って放射状に流れる。
【００４０】
空気極層１１ｃに供給された空気は空気極層１１ｃ内の気孔を通って固体電解質層１１ａとの界面近傍に到達し、この部分で空気中の酸素は空気極層１１ｃから電子を受け取って、酸化物イオン（Ｏ2-）にイオン化される。この酸化物イオンは燃料極層１１ｂの方向に向って固体電解質層１１ａ内を拡散移動し、燃料極層１１ｂとの界面近傍に到達すると、この部分で燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ2Ｏ、ＣＯ2等）を生じ、燃料極層１１ｂに電子を放出する。この電子を燃料極集電体１３により取り出すことにより電流が発生し、電力が得られる。この結果、燃料ガスは燃料極集電体１３を通って燃料極層１１ｂの全体に拡散するように流れ、空気は空気極集電体１４を通って空気極層１１ｃの全体に拡散するように流れるので、発電効率は比較的に良好である。またセパレータ３２、第１端板４１及び第２端板４２が円板状であり、これらに形成されたスリット３２ｂ，４１ｂ，４２ｂが渦巻き状ではなく放射状であるため、これらの機械加工が比較的容易である。更に温度センサ４５の検出出力に基づいてヒータ４３を制御することにより、セパレータ３２等の温度をきめ細かく制御できる。上記以外の動作は第１の実施の形態の動作と略同様であるので、繰返しの説明を省略する。
【００４１】
図８〜図１１は本発明の第３の実施の形態を示す。図８〜図１１において図１〜図３と同一符号は同一部品を示す。
この実施の形態では、セパレータ５２、第１端板６１及び第２端板６２が第１の実施の形態と同様に燃料極層１１ｂ等の直径を１辺とする正方形板状に形成される。セパレータ５２に形成された燃料供給通路５６（図９及び図１１）はセパレータ５２の１辺中央からセパレータ５２の略中心に向う第１燃料穴５６ａと、第１燃料穴５６ａの内端に連通しセパレータ５２の略中心から燃料極集電体１３に臨む第２燃料穴５６ｂとを有する。またセパレータ５２に形成された空気供給通路５７（図８、図９及び図１１）はセパレータ５２の上記１辺中央から上記第１燃料穴５６ａと平行にセパレータ５２の略中心に向う第１空気穴５７ａと、第１空気穴５７ａの内端に連通しセパレータ５２の略中心から空気極集電体１４に臨む第２空気穴５７ｂとを有する。
【００４２】
セパレータ５２には複数の挿入穴５２ａ（図８、図９及び図１１）が形成され、これらの挿入穴５２ａは燃料供給通路５６及び空気供給通路５７のいずれにも連通しないように上記第１燃料穴５６ａ及び第１空気穴５７ａに平行に形成され、更にこれらの挿入穴５２ａにはヒータ６３がそれぞれ挿入される。またセパレータ５２の両面には複数のスリット５２ｂ（図１０及び図１１）がセパレータ５２の略中心から放射状に形成され、これらのスリット５２の幅はセパレータ５２の中心から離れるに従って次第に広くなるように形成され、深さは全長にわたって同一となるように形成される。なお、スリットの幅をセパレータの中心から離れるに従って次第に広くなるように形成し、スリットの深さをセパレータの中心から離れるに従って次第に深く若しくは浅くなるように形成してもよい。
【００４３】
第１端板６１に形成された空気供給通路６７は第１端板２１の１辺中央から略中心に向う第１空気穴６７ａと、第１空気穴６７ａの内端に連通し第１端板６１の略中心から空気極集電体１４に臨む第２空気穴６７ｂとを有する（図８及び図１１）。また第２端板６２に形成された燃料供給通路６６は第２端板６２の１辺中央から略中心に向う第１燃料穴６６ａと、第１燃料穴６６ａの内端に連通し第２端板６２の略中心から燃料極集電体１３に臨む第２燃料穴６６ｂとを有する（図１１）。
【００４４】
第１端板６１には複数の挿入穴６１ａが形成され、これらの挿入穴６１ａは空気供給通路６７に連通しないように第１端板６１の第１空気穴６７ａに平行に形成され、更にこれらの挿入穴６１ａにはヒータ６３がそれぞれ挿入される（図８及び図１１）。また第２端板６２には複数の挿入穴６２ａが形成され、これらの挿入穴６２ａは燃料供給通路６６に連通しないように第２端板６２の第１燃料穴６６ａに平行に形成され、更にこれらの挿入穴６２ａにはヒータ６３がそれぞれ挿入される（図８及び図１１）。
【００４５】
第１端板６１の下面、即ち第１端板６１の空気極集電体１４への対向面には複数のスリット６１ｂが第１端板６１の略中心から放射状に形成され、これらのスリット６１ｂの幅及び深さは全長にわたってそれぞれ同一となるように形成される（図１１）。また第２端板６２の上面、即ち第２端板６２の燃料極集電体１３への対向面には複数のスリット６２ｂが第２端板６２の略中心から放射状に形成され、これらのスリット６２ｂの幅及び深さは全長にわたってそれぞれ同一となるように形成される（図１１）。更にセパレータ５２、第１端板６１及び第２端板６２の四隅にはボルトを挿通可能な通穴５２ｃが形成される（図９及び図１０）。上記以外は第１の実施の形態と同一に構成される。
【００４６】
このように構成された燃料電池５０では、燃料ガス（Ｈ2、ＣＯ等）を燃料供給パイプ１８に導入すると、燃料ガスは燃料供給通路５６，６６を通り、セパレータ５２及び第２端板６２の略中心から燃料極集電体１３の中心に向って吐出する。これにより燃料ガスは燃料極集電体１３内の気孔を通過して燃料極層１１ｂの略中心に速やかに供給され、更にスリット５２ｂ，６２ｂにより案内されて燃料極層１１ｂの略中心から外周縁に向って放射状に流れる。同時に空気（酸化剤ガス）を空気供給パイプ１９に導入すると、空気は空気供給通路５７，６７を通り、セパレータ５２及び第１端板６１の略中心から空気極集電体１４の中心に向って吐出する。これにより空気は空気極集電体１４内の気孔を通過して空気極層１１ｃの略中心に速やかに供給され、更にスリット５２ｂ，６１ｂにより案内されて空気極層１１ｃの略中心から外周縁に向って放射状に流れる。
【００４７】
空気極層１１ｃに供給された空気は空気極層１１ｃ内の気孔を通って固体電解質層１１ａとの界面近傍に到達し、この部分で空気中の酸素は空気極層１１ｃから電子を受け取って、酸化物イオン（Ｏ2-）にイオン化される。この酸化物イオンは燃料極層１１ｂの方向に向って固体電解質層１１ａ内を拡散移動し、燃料極層１１ｂとの界面近傍に到達すると、この部分で燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ2Ｏ、ＣＯ2等）を生じ、燃料極層１１ｂに電子を放出する。この電子を燃料極集電体１３により取り出すことにより電流が発生し、電力が得られる。この結果、燃料ガスは燃料極集電体１３を通って燃料極層１１ｂの全体に拡散するように流れ、空気は空気極集電体１４を通って空気極層１１ｃの全体に拡散するように流れるので、発電効率は比較的に保たれる。更にセパレータ５２、第１端板６１及び第２端板６２に形成されたスリット５２ｂ，６１ｂ，６２ｂが渦巻き状ではなく放射状であるため、これらの機械加工が比較的容易である。上記以外の動作は第１の実施の形態の動作と略同様であるので、繰返しの説明を省略する。
【００４８】
なお、上記第１〜第３の実施の形態では、酸化剤ガスとして空気を用いたが、酸素又はその他の酸化剤ガスを用いてもよい。
また、上記第１〜第３の実施の形態では、セパレータをステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金により形成したが、ランタンクロマイト（Ｌａ0.9Ｓｒ0.1ＣｏＯ3）等の導電性を有するセラミックにより形成してもよい。
【００４９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、（ｎ＋１）個の発電セルのうちｉ番目の発電セルの燃料極層と（ｉ＋１）番目の発電セルの酸化剤極層との間にセパレータをそれぞれ１枚ずつ合計ｎ枚介装し、燃料極層及びセパレータ間に多孔質の燃料極集電体を介装し、酸化剤極層及びセパレータ間に多孔質の酸化剤極集電体を介装し、各セパレータに燃料供給通路及び酸化剤供給通路を形成し、１番目の発電セルの酸化剤極層に積層された第１端板に酸化剤供給通路を形成し、更に（ｎ＋１）番目の発電セルの燃料極層に積層された第２端板に燃料供給通路を形成したので、燃料ガスが燃料供給通路及び燃料極集電体を通り燃料極層の略中心から外周縁に向って流れ、同時に酸化剤ガスが酸化剤供給通路及び酸化剤極集電体を通り酸化剤極内を固体電解質層に沿って流れる。この結果、発電セルの表面の全てが発電に寄与するので、燃料ガス及び燃料極層の衝突回数と、酸化剤ガス及び酸化剤極層の衝突回数が多くなり、発電効率が向上する。なお、本発明の燃料電池の外径を大きくするに従って反応経路が増大するので、発電性能の向上に繋がる。
【００５０】
またセパレータ又は第１端板に形成された各酸化剤供給通路が酸化剤ガスをセパレータ又は第１端板の外周面から導入してセパレータ又は第１端板の酸化剤極集電体に対向する面からシャワー状に略均一に吐出させるように構成すれば、酸化剤ガスが酸化剤供給通路からシャワー状に酸化剤極集電体に向って略均一に吐出されるので、この酸化剤ガスにより発電セルを均一に加熱・冷却できる。また燃料電池の発電中におけるジュール熱の発生により、発電セルが加熱されて設定温度より上昇したときに、この設定温度より僅かに低い温度の酸化剤ガスを上記酸化剤供給通路から吐出させることにより、発電セルを均一に冷却できるので、発電セルの局所的な加熱又は冷却による損傷を防止できる。
またセパレータ及び第１端板に形成された酸化剤供給通路が各セパレータの外周面からセパレータの略中心に向う単一の第１酸化剤穴と、酸化剤極集電体の略中心に臨む第２酸化剤穴とをそれぞれ有するように構成すれば、酸化剤供給通路が比較的単純な形状であるため、セパレータ及び第１端板の製作工数を低減することができる。
【００５１】
また燃料供給通路及び酸化剤供給通路のいずれにも連通しないようにｎ枚のセパレータ、単一の第１端板及び単一の第２端板のそれぞれに複数の挿入穴を形成し、これらの挿入穴にヒータを挿入すれば、燃料電池の起動時にヒータに通電することにより発電セルを速やかに昇温できるので、昇温時間を短縮できる。また発電セルが均一に昇温し、発電セルの中心と外周縁との温度差がなくなって均一に熱膨張するため、発電セルの損傷を防止できる。また複数の挿入穴にヒータ及び温度センサを挿入すれば、温度センサの検出出力に基づいてヒータを制御することにより、セパレータ等の温度をきめ細かく制御できる。
また燃料供給通路及び酸化剤供給通路のいずれにも連通しないようにｎ枚のセパレータ、単一の第１端板及び単一の第２端板の複数の挿入穴を軽量化穴とすれば、セパレータ、第１端板及び第２端板の重量を小さくできるので、燃料電池の軽量化を図ることができる。
【００５２】
またｎ枚のセパレータの燃料極集電体への対向面及び単一の第２端板の燃料極集電体への対向面に、各セパレータ及び第２端板の中心から渦巻き状に延びる複数のスリットをそれぞれ形成すれば、燃料ガスが上記スリットに沿って渦巻き状に流れ、燃料ガスの反応経路が長くなる。この結果、燃料ガスと燃料極層との衝突回数が増え、燃料電池の出力を向上できる。
またｎ枚のセパレータの燃料極集電体への対向面及び単一の第２端板の燃料極集電体への対向面に、各セパレータ及び第２端板の中心から放射状に延びる複数のスリットをそれぞれ形成すれば、燃料ガスが上記スリットに沿って放射状に流れ、燃料ガスの反応経路が比較的長くなる。この結果、燃料ガスと燃料極層との衝突回数が比較的多くなり、燃料電池の出力を向上できる。
またｎ枚のセパレータの酸化剤極集電体への対向面及び単一の第１端板の酸化剤極集電体への対向面に、各セパレータ及び第１端板の中心から放射状に複数のスリットをそれぞれ形成すれば、酸化剤ガスが上記スリットに沿って放射状に流れ、酸化剤ガスの反応経路が比較的長くなる。この結果、酸化剤ガスと酸化剤極層との衝突回数が比較的多くなり、燃料電池の出力を向上できる。
【００５３】
またニッケルめっきされたステンレス鋼製などの燃料極集電体をステンレス鋼製のセパレータ及び第２端板に接合し、銀めっきされたステンレス鋼製などの酸化剤極集電体をステンレス鋼製などのセパレータ及び第１端板に接合すれば、セパレータ及び第１端板が高温で酸化剤ガスに曝されても、セパレータ及び酸化剤極集電体の接合部分と、第１端板及び酸化剤極集電体の溶着された接合部分が溶着されているため、これらの接合部分の酸化を防止できる。この結果、セパレータ及び燃料極集電体の電気的導通と、第２端板及び燃料極集電体の電気的導通のみならず、セパレータ及び酸化剤極集電体の電気的導通と、第１端板及び酸化剤極集電体の電気的導通を上記接合部分を通して長期間保持できるとともに、燃料電池の組立作業時間を短縮し、組立作業性を向上できる。
更に各セパレータ、第１端板及び第２端板の表面にニッケルめっき等を施せば、セパレータ、第１端板又は第２端板と、燃料極集電体又は酸化剤極集電体との電気的導通を更に長期間保持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明第１実施形態の燃料電池を示す図２のＡ−Ａ線断面図。
【図２】図１のＢ−Ｂ線断面図。
【図３】図１のＣ−Ｃ線断面図。
【図４】本発明の第２実施形態を示す図５のＤ−Ｄ線断面図。
【図５】図４のＥ−Ｅ線断面図。
【図６】図４のＦ−Ｆ線断面図。
【図７】図６のＧ−Ｇ線断面図。
【図８】本発明の第３実施形態を示す図９のＨ−Ｈ線断面図。
【図９】図８のＩ−Ｉ線断面図。
【図１０】図８のＪ−Ｊ線断面図。
【図１１】図１０のＫ−Ｋ線断面図。
【符号の説明】
１０，３０，５０ 燃料電池
１１ 発電セル
１１ａ 固体電解質層
１１ｂ 燃料極層
１１ｃ 空気極層（酸化剤極層）
１２，３２，５２ セパレータ
１２ａ，３２ａ，５２ａ，６１ａ，６２ａ 挿入穴
１２ｂ，２２ｂ，３２ｂ，４１ｂ，４２ｂ，５２ｂ，６１ｂ，６２ｂ スリット
１３ 燃料極集電体
１４ 空気極集電体（酸化剤極集電体）
１６，２６，３６，４６，５６，６６ 燃料供給通路
１７，２７，３７，４７，５７，６７ 空気供給通路（酸化剤供給通路）
１７ａ，３７ａ，４７ａ，５７ａ，６７ａ 第１空気穴（第１酸化剤穴）
１７ｂ，２７ｂ，３７ｂ，４７ｂ，５７ｂ，６７ｂ 第２空気穴（第２酸化剤穴）
１７ｃ 第３空気穴（第３酸化剤穴）
２１，４１，６１ 第１端板
２２，４２，６２ 第２端板
２３，４３，６３ ヒータ
２５ 温度センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料極層及び酸化剤極層にて固体電解質層を挟持して構成された発電セルを有する固体酸化物型の燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池として、発電セルがアノード、固体電解質及びカソードからなり、セパレート板が上記発電セルに交互に積層され、セパレート板のうちのリブ付多孔質基材に形成されたリブが燃料ガス及び酸化剤ガスを上記アノード及びカソードに個別に分配するように構成された固体電解質型燃料電池が開示されている（特開平３−１２９６７５号）。この燃料電池では、上記リブが反応ガスをリブ付多孔質基材の中央部から周縁部の反応ガス排出口に向って放射状に流すように構成される。また反応ガス排出口はセパレート板と発電セルの積層体であるスタックの周縁部に均一に分布するように配置される。更にスタックの中央部には燃料ガス導入管及び酸化剤ガス導入管が積層方向に貫通して設けられ、これらの導入管から反応ガスがセパレート板に供給されるように構成される。
このように構成された固体電解質型燃料電池では、反応ガスがスタックの中央部から周縁部に向って流れるので、発電セルとセパレート板との間のガスシールが不要になる。また反応ガス排出口から出た反応ガスは燃料電池の周囲で燃焼するけれども、上記排出口の分布が均一であるため、燃料電池の周囲の温度は均一に保たれるようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来の特開平３−１２９６７５号公報に示された固体電解質型燃料電池では、発電セル及びセパレート板の積層体であるスタックの中央部に燃料ガス導入管及び酸化剤ガス導入管が積層方向に貫通しているため、発電セルの略中心に２個の孔を形成する必要があり、発電に寄与する発電セルの表面積が上記２個の孔の面積分だけ小さくなって、発電効率が低下する不具合があった。
また、上記従来の固体電解質型燃料電池では、セパレート板のリブ付多孔質基材には反応ガスを所定の方向に導くリブが形成されているため、発電に寄与する発電セルの表面積がリブのアノード又はカソードへの接触面積分だけ小さくなって、発電効率が低下する問題点もあった。また上記従来の固体電解質型燃料電池では、アノード等とリブ付多孔質基板とがリブのみで接触しているため、アノード等のセパレート板との電子伝導性が低く、アノード等とリブとが接触する部分近傍のみで反応が起こり易い。即ち、上記リブ間の溝中央部分ではアノード等と接触していないため、反応により生成した電子がリブに到達する前に、アノード等の電気抵抗により消滅してしまい、発電セル全面で反応させることが難しい問題点もあった。
更に、上記従来の固体電解質型燃料電池では、燃料ガス導入管及び酸化剤ガス導入管を貫通させるための通孔がスタックの中央部に形成されるため、燃料ガス導入管及び酸化剤ガス導入管と上記通孔との隙間から燃料ガス及び酸化剤ガスが漏れて混ざり燃焼してしまうおそれがあった。このため燃料電池の発電効率が低下する問題点があった。なお、上記隙間にセラミックセメントを充填する方法が固体電解質型燃料電池（特開平６−１９６１９８号）に記載されているけれども、完全にシールすることは難しかった。
【０００４】
本発明の第１の目的は、発電に寄与する発電セルの表面を全て発電に寄与させることができ、燃料ガス及び酸化剤ガスが発電セルに供給される前、即ち発電前に混ざって燃焼することを防止でき、これらにより発電効率を向上できる、燃料電池を提供することにある。
本発明の第２の目的は、起動時に昇温時間を短縮できるとともに、均一な昇温により発電セルの損傷を防止できる、燃料電池を提供することにある。
本発明の第３の目的は、燃料ガスの燃料極層内での流れを制御することにより、燃料ガスと燃料極層との衝突回数を増大することができ、また酸化剤ガスを酸化剤極層の全体に略均一に流すことにより、発電セルを均一に加熱・冷却できる、燃料電池を提供することにある。
本発明の第４の目的は、ステンレス鋼製などのセパレータ、第１端板及び第２端板に燃料極集電体又は酸化剤極集電体のいずれか一方又は双方を接合し、接合部分が溶着されてその接合部分の酸化を防止することにより、セパレータ、第１端板又は第２端板と、燃料極集電体又は酸化剤極集電体との長期的な電気的導通が得られる、燃料電池を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、図１に示すように、酸化物イオン伝導体により形成された固体電解質層１１ａとこの固体電解質層１１ａの両面に配設された燃料極層１１ｂ及び酸化剤極層１１ｃとからなる発電セル１１が（ｎ＋１）個（ｎは正の整数である。）積層された燃料電池１０であって、ｉ番目（ｉ＝１，２，…，ｎ）の発電セル１１の燃料極層１１ｂとこの燃料極層１１ｂに隣接する（ｉ＋１）番目の発電セル１１の酸化剤極層１１ｃとの間に導電性材料により板状に形成されたセパレータ１２がそれぞれ１枚ずつ合計ｎ枚介装され、ｉ番目の発電セル１１の燃料極層１１ｂとｉ番目の発電セル１１及び（ｉ＋１）番目の発電セル１１間に位置するｊ番目（ｊ＝１，２，…，ｎ）のセパレータ１２との間に導電性を有する多孔質の燃料極集電体１３が介装され、（ｉ＋１）番目の発電セル１１の酸化剤極層１１ｃとｉ番目の発電セル１１及び（ｉ＋１）番目の発電セル１１間に位置するｊ番目のセパレータ１２との間に導電性を有する多孔質の酸化剤極集電体１４が介装され、ｎ枚のセパレータ１２が燃料ガスをセパレータ１２の略中心から燃料極集電体１３に向って吐出させる燃料供給通路１６と、酸化剤ガスをセパレータ１２の酸化剤極集電体１３に対向する面から吐出させる酸化剤供給通路１７とをそれぞれ有し、燃料供給通路１６及び酸化剤供給通路１７のいずれにも連通しないようにｎ枚のセパレータ１２のそれぞれに複数の挿入穴１２ａが形成され、複数の挿入穴１２ａにヒータ２３又はヒータ及び温度センサがそれぞれ挿入されるか、或いは複数の挿入穴１２ａが軽量化穴とされ、ｎ枚のセパレータ１２がステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金のいずれかによりそれぞれ形成されたことを特徴とする燃料電池である。
【０００６】
この請求項１に記載された燃料電池では、燃料ガスを燃料供給通路１６，２６に導入すると、燃料ガスはセパレータ１２及び第２端板２２の略中心から燃料極集電体１３の中心に向って吐出し、燃料極集電体１３内を通過して燃料極層１１ｂの略中心から外周縁に向って流れる。同時に酸化剤ガスを酸化剤供給通路１７，２７に導入すると、酸化剤ガスはセパレータ１２の酸化剤極集電体１４への対向面及び第１端板２１の酸化剤極集電体１４への対向面から酸化剤極集電体１４に向って吐出し、酸化剤極集電体１４内を通過して酸化剤極層１１ｃに供給され、更に酸化剤極層１１ｃ内を固体電解質層１１ａに沿って流れる。酸化剤ガスは酸化剤極層１１ｃから電子を受け取って酸化物イオンにイオン化され、この酸化物イオンは固体電解質層１１ａ内を拡散移動して燃料極層１１ｂとの界面近傍に到達する。これにより酸化物イオンは燃料ガスと反応して反応生成物を生じ、燃料極層１１ｂに電子を放出するので、この電子を燃料極集電体１３により取り出すことにより電流が発生し、電力が得られる。
また燃料電池１０の起動時に、ヒータ２３に通電することにより発電セル１１を速やかに昇温できるので、昇温時間を短縮できる。また発電セル１１が均一に昇温し、発電セル１１の中心と外周縁との温度差がなくなって均一に熱膨張するため、発電セル１１の損傷を防止できる。更に温度センサの検出出力に基づいてヒータを制御すれば、セパレータ等の温度をきめ細かく制御できる。
更に複数の挿入穴１２ａを軽量化穴とすることにより、セパレータ１２の重量を小さくできるので、燃料電池１０の軽量化を図ることができる。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明であって、更に図８に示すように、１番目の発電セル１１の酸化剤極層１１ｃに酸化剤極集電体１４を介して導電性材料により板状に形成された単一の第１端板６１が積層され、（ｎ＋１）番目の発電セル１１の燃料極層１１ｂに燃料極集電体１３を介して導電性材料により板状に形成された単一の第２端板６２が積層され、単一の第１端板６１が酸化剤ガスを第１端板６１の酸化剤極集電体１４に対向する面から吐出させる酸化剤供給通路６７を有し、単一の第２端板６２が燃料ガスを第２端板６２の略中心から燃料極集電体１３に向って吐出させる燃料供給通路６６を有し、酸化剤供給通路６７に連通しないように単一の第１端板６１に複数の挿入穴６１ａが形成され、燃料供給通路６６に連通しないように単一の第２端板６２に複数の挿入穴６２ａが形成され、複数の挿入穴６１ａ，６２ａにヒータ６３又はヒータ及び温度センサがそれぞれ挿入されるか、或いは複数の挿入穴６１ａ，６２ａが軽量化穴とされ、単一の第１端板２１及び単一の第２端板２２がステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金のいずれかによりそれぞれ形成されたことを特徴とする。
この請求項２に記載された燃料電池では、燃料電池５０の起動時に、ヒータ６３に通電することにより発電セル１１を速やかに昇温できるので、昇温時間を短縮できる。また発電セル１１が均一に昇温し、発電セル１１の中心と外周縁との温度差がなくなって均一に熱膨張するため、発電セル１１の損傷を防止できる。更に温度センサの検出出力に基づいてヒータを制御すれば、セパレータ等の温度をきめ細かく制御できる。
また、複数の挿入穴６１ａ，６２ａを軽量化穴とすることにより、第１端板６１及び第２端板６２の重量を小さくできるので、燃料電池５０の軽量化を図ることができる。
【００１５】
請求項３に係る発明は、請求項１に係る発明であって、更に図１に示すように、ｎ枚のセパレータ１２の表面にニッケルめっき，クロムめっき又は銀めっきがそれぞれ施されたことを特徴とする。
この請求項３に記載された燃料電池では、セパレータ１２と、燃料極集電体１３又は酸化剤極集電体１４との電気的導通を更に長期間保持できる。
請求項４に係る発明は、請求項２に係る発明であって、更に図１に示すように、単一の第１端板２１の表面及び単一の第２端板２２の表面にニッケルめっき，クロムめっき又は銀めっきがそれぞれ施されたことを特徴とする。
この請求項４に記載された燃料電池では、第１端板２１又は第２端板２２と、燃料極集電体１３又は酸化剤極集電体１４との電気的導通を更に長期間保持できる。
【００１６】
請求項５に係る発明は、請求項１又は３記載の燃料電池に用いられるセパレータである。
請求項６に係る発明は、請求項２又は４記載の燃料電池に用いられる第１端板である。
請求項７に係る発明は、請求項２又は４記載の燃料電池に用いられる第２端板である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に本発明の第１の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、発電セル１１は円板状の固体電解質層１１ａと、この固体電解質層１１ａの両面に配設された円板状の燃料極層１１ｂ及び空気極層１１ｃ（酸化剤極層）とからなり、燃料電池１０は上記発電セル１１を（ｎ＋１）個積層することにより構成される。ここで、ｎは正の整数である。ｉ番目（ｉ＝１，２，…，ｎ）の発電セル１１の燃料極層１１ｂとこの燃料極層１１ｂに隣接する（ｉ＋１）番目の発電セル１１の空気極層１１ｃとの間には導電性材料により正方形板状に形成されたセパレータ１２がそれぞれ１枚ずつ合計ｎ枚介装される。またｉ番目の発電セル１１の燃料極層１１ｂとｊ番目（ｊ＝１，２，…，ｎ）のセパレータ１２との間には円板状に形成されかつ導電性を有する多孔質の燃料極集電体１３が介装され、（ｉ＋１）番目の発電セル１１の空気極層１１ｃとｊ番目のセパレータ１２との間には円板状に形成されかつ導電性を有する多孔質の空気極集電体１４（酸化剤極集電体）が介装される。更に１番目の発電セル１１の空気極層１１ｃには空気極集電体１４を介して導電性材料により正方形板状に形成された単一の第１端板２１が積層され、（ｎ＋１）番目の発電セル１１の燃料極層１１ｂには燃料極集電体１３を介して導電性材料により正方形板状に形成された単一の第２端板２２が積層される。上記セパレータ１２、第１端板２１及び第２端板２２は燃料極層１１ｂ等の直径を１辺とする正方形板状に形成される。なお、固体電解質層、燃料極層、空気極層、燃料極集電体及び空気極集電体は円板状ではなく、四角形板状、六角形板状、八角形板状等の多角形板状に形成してもよい。また、セパレータ、第１端板及び第２端板は正方形板状ではなく、円板状、或いは長方形板状、六角形板状、八角形板状等の多角形板状に形成してもよい。
【００１８】
固体電解質層１１ａは酸化物イオン伝導体により形成される。具体的には、一般式（１）：Ｌｎ１ Ａ Ｇａ Ｂ１ Ｂ２ Ｂ３ Ｏで示される酸化物イオン伝導体である。但し、上記一般式（１）において、Ｌｎ１はＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ及びＳｍからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって４３．６〜５１．２重量％含まれ、ＡはＳｒ，Ｃａ及びＢａからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって５．４〜１１．１重量％含まれ、Ｇａは２０．０〜２３．９重量％含まれ、Ｂ１はＭｇ，Ａｌ及びＩｎからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であり、Ｂ２はＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ及びＣｕからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であり、Ｂ３はＡｌ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｍｎ及びＺｒからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であり、Ｂ１とＢ３又はＢ２とＢ３がそれぞれ同一の元素でないとき、Ｂ１は１．２１〜１．７６重量％含まれ、Ｂ２は０．８４〜１．２６重量％含まれ、Ｂ３は０．２３〜３．０８重量％含まれ、Ｂ１とＢ３又はＢ２とＢ３がそれぞれ同一の元素であるとき、Ｂ１の含有量とＢ３の含有量の合計が１．４１〜２．７０重量％であり、Ｂ２の含有量とＢ３の含有量の合計が１．０７〜２．１０重量％である。
【００１９】
また固体電解質層１１ａを一般式（２）：Ｌｎ１1-x Ａx Ｇａ1-y-z-w Ｂ１y Ｂ２z Ｂ３w Ｏ3-dで示される酸化物イオン伝導体により形成してもよい。但し、上記一般式（２）において、Ｌｎ１はＬａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ及びＳｍからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって、ＡはＳｒ，Ｃａ及びＢａからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって、Ｂ１はＭｇ，Ａｌ及びＩｎからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって、Ｂ２はＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ及びＣｕからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって、Ｂ３はＡｌ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｍｎ及びＺｒからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であって、ｘは０．０５〜０．３、ｙは０．０２５〜０．２９、ｚは０．０１〜０．１５、ｗは０．０１〜０．１５、ｙ＋ｚ＋ｗは０．０３５〜０．３及びｄは０．０４〜０．３である。上記のような酸化物イオン伝導体にて固体電解質層１１を形成することにより、燃料電池１０の発電効率を低下させずに、発電運転を６５０±５０℃と比較的低温で行うことが可能となる。
【００２０】
燃料極層１１ｂはＮｉ等の金属により構成されたり、又はＮｉ−ＹＳＺ等のサーメットにより構成されたり、或いはＮｉと一般式（３）：Ｃｅ1-m Ｄm Ｏ2で表される化合物との混合体により多孔質に形成される。但し、上記一般式（３）において、ＤはＳｍ，Ｇｄ，Ｙ及びＣａからなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であり、ｍはＤ元素の原子比であり、０．０５〜０．４、好ましくは０．１〜０．３の範囲に設定される。
【００２１】
空気極層１１ｃは一般式（４）：Ｌｎ２1-x Ｌｎ３x Ｅ1-y Ｃｏy Ｏ3+dで示される酸化物イオン伝導体により多孔質に形成される。 但し、上記一般式（４）において、Ｌｎ２はＬａ又はＳｍのいずれか一方又は双方の元素であり、Ｌｎ３はＢａ，Ｃａ又はＳｒのいずれか一方又は双方の元素であり、ＥはＦｅ又はＣｕのいずれか一方又は双方の元素である。またｘはＬｎ３の原子比であり、０．５を越え１．０未満の範囲に設定される。ｙはＣｏ元素の原子比であり、０を越え１．０以下、好ましくは０．５以上１．０以下の範囲に設定される。ｄは−０．５以上０．５以下の範囲に設定される。
【００２２】
上記発電セル１１の製造方法の一例を下記に示す。先ず原料粉末として、Ｌａ2Ｏ3，ＳｒＣＯ3，Ｇａ2Ｏ3，ＭｇＯ，ＣｏＯの各粉末をＬａ0.8Ｓｒ0.2Ｇａ0.8Ｍｇ0.15Ｃｏ0.05Ｏ2.8となるように秤量して混合した後に、１１００℃で予備焼成して仮焼体を作製する。次いでこの仮焼体を粉砕した後に、所定のバインダ、溶剤などを加えて混合することによりスラリーを調製し、このスラリーをドクタブレード法によりグリーンシートを作製する。次にこのグリーンシートを空気中で十分に乾燥し、所定の寸法に切出した後に、１４５０℃で焼結することにより固体電解質層１１ａを得る。この固体電解質層１１ａの一方の面に、Ｎｉと（Ｃｅ0.8Ｓｍ0.2）Ｏ2が体積比で６：４となるように、ＮｉＯ粉末と（Ｃｅ0.8Ｓｍ0.2）Ｏ2粉末とを混合した後に、この混合粉末を１１００℃で焼付けることにより燃料極層１１ｂを形成する。更に上記固体電解質層１１ａの他方の面に（Ｓｍ0.5Ｓｒ0.5）ＣｏＯ3を１０００℃で焼付けることにより空気極層１１ｃを形成する。このようにして発電セル１１が作製される。
【００２３】
セパレータ１２はステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金により形成されることが好ましい。例えば、ＳＵＳ３１６、インコネル６００、ハステロイＸ（Haynes Stellite社の商品名）、ヘインズアロイ２１４などが挙げられる。またセパレータ１２には燃料供給通路１６と、空気供給通路１７（酸化剤供給通路）と、複数の挿入穴１２ａが形成される（図１及び図２）。燃料供給通路１６はセパレータ１２の外周面から略中心に向う第１燃料穴１６ａと、第１燃料穴１６ａに連通しセパレータ１２の略中心から燃料極集電体１４に臨む第２燃料穴１６ｂとを有する。また空気供給通路１７はセパレータ１２の厚さ方向に直交する方向に延びて形成され基端がセパレータ１２外周面に開口しかつ先端が閉止された単一の第１空気穴１７ａと、セパレータ１２の厚さ方向に直交する方向に延びかつ互いに所定の間隔をあけて形成され単一の第１空気穴１７ａに連通し更に両端が閉止された複数の第２空気穴１７ｂと、セパレータ１２の空気極集電体１４に対向する面に所定の間隔をあけかつ第２空気穴１７ｂに連通するように形成された多数の第３空気穴１７ｃとを有する。
【００２４】
第１燃料穴１６ａの基端には燃料供給パイプ１８が接続され、第１空気穴１７ａの基端には空気供給パイプ１９が接続される。また第２空気穴１７ｂは第１空気穴１７ａの基端が形成されたセパレータ１２の一方の側面に隣接する側面から互いに平行に形成した後に、この隣接する側面に閉止板２４を接合することにより両端が閉止された長穴となる。一方、複数の挿入穴１２ａは燃料供給通路１６及び空気供給通路１７のいずれにも連通しないように第１燃料穴１６ａ及び第２空気穴１７ｂに平行に形成され、これらの挿入穴１２ａにはヒータ２３がそれぞれ挿入される（図２）。またセパレータ１２の燃料極集電体１３に対向する面には３本のスリット１２ｂがセパレータ１２の略中心から渦巻き状にそれぞれ形成され（図３）、これらのスリット１２ｂの深さは全長にわたって同一となるように形成される。なお、上記スリットは３本ではなく、２本又は４本以上であってもよい。また、スリットの深さはセパレータの中心から離れるに従って次第に深く若しくは浅くなるように形成してもよい。
【００２５】
図１に戻って、燃料極集電体１３はステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いはニッケル、銀又は銅により多孔質に形成され、ステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金により形成した場合、ニッケルめっき、銀めっき若しくは銅めっきを施すことが好ましい。空気極集電体１４はステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いは銀又は白金により多孔質に形成され、ステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金により形成した場合、銀めっき若しくは白金めっきを施すことが好ましい。なお、燃料ガスとして炭化水素を用いた場合には、燃料極集電体はニッケルめっきされたステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いはニッケルにより形成され、燃料ガスとして水素を用いた場合には、燃料極集電体は銀めっき若しくは銅めっきされたステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いは銀又は銅により形成される。上記燃料極集電体１３の製造方法の一例を下記に示す。先ずステンレス鋼などのアトマイズ粉末とＨＰＭＣ（水溶性樹脂結合剤）を混練した後に、蒸留水及び添加剤（ｎ−ヘキサン（有機溶剤）、ＤＢＳ（界面活性剤）、グリセリン（可塑剤）など）を加えて混練して混合スラリーを調製する。次にこの混合スラリーをドクタブレード法により成形体を作製した後に、所定の条件で発泡、脱脂及び焼結して多孔質板を得る。更にこの多孔質板を所定の寸法に切出して燃料極集電体１３を作製する。なお、ステンレス鋼のアトマイズ粉末を用いた場合には、表面にニッケルめっき、クロムめっき又は銀めっきが施される。また上記空気極集電体１４も上記燃料極集電体１３とほぼ同様にして作製される。
【００２６】
第１端板２１及び第２端板２２はセパレータ１２と同一材料により同一形状（正方形板状）に形成される。第１端板２１には空気供給通路２７及び複数の挿入穴（図示せず）が形成され、第２端板２２には燃料供給通路２６及び複数の挿入穴（図示せず）が形成される。空気供給通路２７は空気供給通路１８と同様に形成され、第１端板２１の厚さ方向に直交する方向に延びて形成され基端が第１端板２１外周面に開口しかつ先端が閉止された単一の第１空気穴（図示せず）と、第１端板２１の厚さ方向に直交する方向に延びかつ互いに所定の間隔をあけて形成され単一の第１空気穴に連通し更に両端が閉止された複数の第２空気穴２７ｂと、第１端板２１の空気極集電体１４に対向する面に所定の間隔をあけかつ第２空気穴２７ｂに連通するように形成された多数の第３空気穴（図示せず）とを有する。また燃料供給通路２６は燃料供給通路１７と同様に形成され、第２端板２２の外周面から略中心に向う第１燃料穴２６ａと、第１燃料穴２６ａに連通し第２端板２２の略中心から燃料極集電体１３に臨む第２燃料穴２６ｂとを有する。第１空気穴の基端には第１空気穴１７ａと同様に、空気供給パイプが接続され、第１燃料穴２６ａの基端には燃料供給パイプ１８が接続される。
【００２７】
第１端板２１の第２空気穴２７ｂは第１空気穴の基端が形成された第１端板２１の一方の側面に隣接する側面から互いに平行に形成した後に、この隣接する側面に閉止板２４を接合することにより両端が閉止された長穴となる。また第１端板２１の複数の挿入穴は空気供給通路２７に連通しないように第２空気穴２７ｂに平行に形成され、これらの挿入穴にはヒータ（図示せず）がそれぞれ挿入される。また第２端板２２の複数の挿入穴は燃料供給通路２６に連通しないように第１燃料穴２６ａに平行に形成され、これらの挿入穴にはヒータ（図示せず）がそれぞれ挿入される。第２端板２２の上面、即ち第２端板２２の燃料極集電体１３への対向面には３本のスリット２２ｂが第２端板２２の略中心から渦巻き状に形成される（図１）。これらのスリット２２ｂの深さは全長にわたって同一となるように形成される。なお、上記スリットは３本ではなく、２本又は４本以上であってもよい。また、スリットの深さはセパレータの中心から離れるに従って次第に深く若しくは浅くなるように形成してもよい。
【００２８】
更にセパレータ１２、第１端板２１及び第２端板２２の四隅にはボルト（図示せず）を挿通可能な通孔１２ｃが形成される（図２及び図３）。（ｎ＋１）個の発電セル１１と、ｎ枚のセパレータ１２と、（ｎ＋１）個の燃料極集電体１３と、（ｎ＋１）個の空気極集電体１４と、単一の第１端板２１と、単一の第２端板２２とを積層したときに、上記セパレータ１２、第１端板２１及び第２端板２２の四隅に形成された通孔１２ｃにボルトをそれぞれ挿通した後に、これらのボルトの先端にナットをそれぞれ螺合することにより、燃料電池１０が上記積層した状態で固定されるようになっている。
【００２９】
このように構成された燃料電池１０の動作を説明する。
燃料ガス（Ｈ2、ＣＯ等）を燃料供給パイプ１８に導入すると、燃料ガスは燃料供給通路１６，２６を通り、セパレータ１２及び第２端板２２の略中心から燃料極集電体１３の中心に向って吐出する。これにより燃料ガスは燃料極集電体１３内の気孔を通過して燃料極層１１ｂの略中心に速やかに供給され、更にスリット１２ｂ，２２ｂにより案内されて燃料極層１１ｂの略中心から外周縁に向って渦巻き状に流れる。同時に空気（酸化剤ガス）を空気供給パイプ１９に導入すると、空気は空気供給通路１７，２７を通り、セパレータ１２及び第１端板２１の多数の第３空気孔１７ｃからシャワー状に空気局集電体１４に向って吐出する。これにより空気は空気極集電体１４内の気孔を通過して空気極層１１ｃに略均一に供給される。
【００３０】
空気極層１１ｃに供給された空気は空気極層１１ｃ内の気孔を通って固体電解質層１１ａとの界面近傍に到達し、この部分で空気中の酸素は空気極層１１ｃから電子を受け取って、酸化物イオン（Ｏ2-）にイオン化される。この酸化物イオンは燃料極層１１ｂの方向に向って固体電解質層１１ａ内を拡散移動し、燃料極層１１ｂとの界面近傍に到達すると、この部分で燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ2Ｏ、ＣＯ2等）を生じ、燃料極層１１ｂに電子を放出する。この電子を燃料極集電体１３により取り出すことにより電流が発生し、電力が得られる。上記のように燃料ガスがセパレータ１２の略中央及び第２端板２２の略中央から吐出され、かつスリット１２ｂ，２２ｂにより案内されるので、燃料ガスの反応経路が長くなる。この結果、燃料ガスがセパレータ１２及び第２端板２２の外周縁に到達するまでに、燃料ガスが燃料極層１２ｂと極めて多く衝突するので、上記反応回数が増え、燃料電池１０の性能向上を図ることができる。従って、セパレータ１２及び第２端板２２の外径が大きくなればなるほど、燃料ガスの反応経路が長くなり、これに伴って反応回数が増え、燃料電池１０の出力向上に繋がる。
【００３１】
一方、セパレータ１２の下面及び第１端板２１の下面には多数の第３空気穴１７ｃが所定の間隔をあけて並んで形成されているため、空気がセパレータ１２の下面及び第１端板２１の下面から略均一に吐出される。この結果、空気により発電セル１１を均一に加熱・冷却できる。特に、燃料電池１０の発電中におけるジュール熱の発生により、発電セル１１が加熱されて設定温度（例えば、６５０℃）より上昇したときに、この設定温度より僅かに低い温度（例えば、６３０）の空気を上記空気供給通路１７，２７から吐出させることにより、発電セル１１を均一に冷却できるので、発電セル１１の局所的な加熱又は冷却による損傷を防止できる。
【００３２】
また従来の燃料電池、即ち発電セルの略中心に燃料ガス導入管及び酸化剤ガス導入管の挿通用の２個の孔が形成されるため、反応面積が小さくなるとともに反応前に燃料ガスが空気に混ざって、発電効率が低下する燃料電池と比較して、本発明の燃料電池１０は発電セル１１の表面の全てが発電に寄与するとともに、反応前に燃料ガスが空気と混ざることがないため、発電効率が向上する。なお、（ｎ＋１）個の発電セル１１は導電性材料により形成されたセパレータ１２、燃料極集電体１３及び空気極集電体１４を介して直列に接続され、かつ両端に導電性材料により形成された第１端板２１及び第２端板２２が設けられているため、第１端板２１及び第２端板２２から大きな電力を取出すことができる。
【００３３】
また燃料電池１０の起動時には、ヒータ２３に通電することにより発電セル１１を速やかに昇温できるので、昇温時間を短縮できるとともに、発電セル１１が均一に昇温し、発電セル１１の中心と外周縁との温度差がなくなって均一に熱膨張するため、発電セル１１の損傷を防止できる。なお、挿入穴にヒータを挿入しない場合、即ち挿入穴を軽量化穴とした場合には、セパレータ、第１端板及び第２端板の重量を小さくできるので、燃料電池の軽量化を図ることができる。
【００３４】
更にステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金製のセパレータ１２及び第２端板２２の上面に、ニッケルめっき、銀めっき若しくは銅めっきされたステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いはニッケル、銀又は銅製の燃料極集電体１３をそれぞれ接合し、ステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金製のセパレータ１２及び第２端板２２の下面に、銀めっき若しくは白金めっきされたステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いは銀又は白金製の空気極集電体１４をそれぞれ接合すれば、セパレータ１２及び第１端板２１が高温で空気に曝されても、即ちセパレータ１２及び第１端板２１が高温酸化雰囲気に曝されても、セパレータ１２及び空気極集電体１４の接合部分と、第１端板２２及び空気極集電体１４の溶着された接合部分が溶着されているため、これらの接合部分の酸化を防止できる。この結果、セパレータ１２及び燃料極集電体１３の電気的導通と、第２端板２２及び燃料極集電体１３の電気的導通のみならず、セパレータ１２及び空気極集電体１４の電気的導通と、第１端板２１及び空気極集電体１４の電気的導通を上記接合部分を通して長期間保持できるとともに、上記接合により燃料電池１０の組立作業時間を短縮し、組立作業性を向上できる。なお、上記接合方法としては銀ろう付け、スポット溶接又はレーザ溶接等が挙げられる。またステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金製の上記セパレータ１２、第１端板２１及び第２端板２２にニッケルめっき、クロムめっき又は銀めっきを施せば、セパレータ１２、第１端板２１及び第２端板２２と、燃料極集電体１３及び空気極集電体１４との電気的導通を更に長期間保持できる。
【００３５】
図４〜図７は本発明の第２の実施の形態を示す。図４〜図７において図１〜図３と同一符号は同一部品を示す。
この実施の形態では、セパレータ３２、第１端板４１及び第２端板４２が燃料極層１１ｂ等と同一外径を有する円板状に形成される。セパレータ３２には燃料供給通路３６と、空気供給通路３７（酸化剤供給通路）と、複数の挿入穴３２ａが形成される。燃料供給通路３６はセパレータ３２の外周面から略中心に向う第１燃料穴３６ａと、第１燃料穴３６ａの内端に連通しセパレータ３２の略中心から燃料極集電体１３に臨む第２燃料穴３６ｂとを有する。また空気供給通路３７はセパレータ３２の軸線を中心として上記第１燃料穴３６ａの基端とは反対側のセパレータ３２の外周面から略中心に向う第１空気穴３７ａと、第１空気穴３７ａの内端に連通しセパレータ３２の略中心から空気極集電体１４に臨む第２空気穴３７ｂとを有する。
【００３６】
第１燃料穴３６ａの基端には燃料供給パイプ１８が接続され、第１空気穴３７ａの基端には空気供給パイプ１９が接続される。複数の挿入穴１２ａは燃料供給通路３６及び空気供給通路３７のいずれにも連通しないようにセパレータ３２の外周面から略中心に向って求心状に形成され、これらの挿入穴３２ａにはヒータ４３及び温度センサ４５（温度測定用熱電対）がそれぞれ交互に挿入される（図５）。またセパレータ３２の両面には複数のスリット３２ｂがセパレータ３２の略中心から放射状にそれぞれ形成される（図６及び図７）。これらのスリット３２ｂの幅はセパレータ３２の中心から離れるに従って次第に広くなるように形成され、深さは全長にわたって同一となるように形成される。なお、スリットの深さをセパレータの中心から離れるに従って次第に深く若しくは浅くなるように形成してもよい。
【００３７】
第１端板４１及び第２端板４２はセパレータ３２と同一材料により形成される。第１端板４１には空気供給通路４７及び複数の挿入穴（図示せず）が形成され、第２端板４２には燃料供給通路４６及び複数の挿入穴（図示せず）が形成される。空気供給通路４７は第１端板４１の外周面から略中心に向う第１空気穴４７ａと、第１空気穴４７ａの内端に連通し第１端板４１の略中心から空気極集電体１４に臨む第２空気穴４７ｂとを有する。また燃料供給通路４６は第２端板４２の外周面から略中心に向う第１燃料穴４６ａと、第１燃料穴４６ａの内端に連通し第２端板４２の略中心から燃料極集電体１３に臨む第２燃料穴４６ｂとを有する。第１空気穴４７ａの基端には空気供給パイプ１９が接続され、第１燃料穴４６ａの基端には燃料供給パイプ１８が接続される。
【００３８】
第１端板４１の複数の挿入穴は空気供給通路４７に連通しないように第１端板４１の外周面から略中心に向って求心状に形成され、これらの挿入穴にはヒータ（図示せず）がそれぞれ挿入される。また第２端板４２の複数の挿入穴は燃料供給通路４６に連通しないように第２端板４２の外周面から略中心に向って求心状に形成され、これらの挿入穴にはヒータ（図示せず）がそれぞれ挿入される。第１端板４１の下面、即ち第１端板４１の空気極集電体１４への対向面には複数のスリット４１ｂが第１端板４１の略中央から放射状に形成され、第２端板４２の上面、即ち第２端板４２の燃料極集電体１３への対向面には複数のスリット４２ｂが第２端板４２の略中心から放射状に形成される（図７）。これらのスリット４１ｂ，４２ｂは第１端板４１及び第２端板４２の中心から離れるに従って幅が次第に広くなるように形成され、深さは全長にわたって同一となるように形成される。なお、上記スリットの深さを第１端板及び第２端板の中心から離れるに従って次第に深く若しくは浅くなるように形成してもよい。
【００３９】
このように構成された燃料電池３０では、燃料ガス（Ｈ2、ＣＯ等）を燃料供給パイプ１８に導入すると、燃料ガスは燃料供給通路３６，４６を通り、セパレータ３２及び第２端板４２の略中心から燃料極集電体１３の中心に向って吐出する。これにより燃料ガスは燃料極集電体１３内の気孔を通過して燃料極層１１ｂの略中心に速やかに供給され、更にスリット３２ｂ，４２ｂにより案内されて燃料極層１１ｂの略中心から外周縁に向って放射状に流れる。同時に空気（酸化剤ガス）を空気供給パイプ１９に導入すると、空気は空気供給通路３７，４７を通り、セパレータ３２及び第１端板４１の略中心から空気極集電体１４の中心に向って吐出する。これにより空気は空気極集電体１４内の気孔を通過して空気極層１１ｃの略中心に速やかに供給され、更にスリット３２ｂ，４１ｂにより案内されて空気極層１１ｃの略中心から外周縁に向って放射状に流れる。
【００４０】
空気極層１１ｃに供給された空気は空気極層１１ｃ内の気孔を通って固体電解質層１１ａとの界面近傍に到達し、この部分で空気中の酸素は空気極層１１ｃから電子を受け取って、酸化物イオン（Ｏ2-）にイオン化される。この酸化物イオンは燃料極層１１ｂの方向に向って固体電解質層１１ａ内を拡散移動し、燃料極層１１ｂとの界面近傍に到達すると、この部分で燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ2Ｏ、ＣＯ2等）を生じ、燃料極層１１ｂに電子を放出する。この電子を燃料極集電体１３により取り出すことにより電流が発生し、電力が得られる。この結果、燃料ガスは燃料極集電体１３を通って燃料極層１１ｂの全体に拡散するように流れ、空気は空気極集電体１４を通って空気極層１１ｃの全体に拡散するように流れるので、発電効率は比較的に良好である。またセパレータ３２、第１端板４１及び第２端板４２が円板状であり、これらに形成されたスリット３２ｂ，４１ｂ，４２ｂが渦巻き状ではなく放射状であるため、これらの機械加工が比較的容易である。更に温度センサ４５の検出出力に基づいてヒータ４３を制御することにより、セパレータ３２等の温度をきめ細かく制御できる。上記以外の動作は第１の実施の形態の動作と略同様であるので、繰返しの説明を省略する。
【００４１】
図８〜図１１は本発明の第３の実施の形態を示す。図８〜図１１において図１〜図３と同一符号は同一部品を示す。
この実施の形態では、セパレータ５２、第１端板６１及び第２端板６２が第１の実施の形態と同様に燃料極層１１ｂ等の直径を１辺とする正方形板状に形成される。セパレータ５２に形成された燃料供給通路５６（図９及び図１１）はセパレータ５２の１辺中央からセパレータ５２の略中心に向う第１燃料穴５６ａと、第１燃料穴５６ａの内端に連通しセパレータ５２の略中心から燃料極集電体１３に臨む第２燃料穴５６ｂとを有する。またセパレータ５２に形成された空気供給通路５７（図８、図９及び図１１）はセパレータ５２の上記１辺中央から上記第１燃料穴５６ａと平行にセパレータ５２の略中心に向う第１空気穴５７ａと、第１空気穴５７ａの内端に連通しセパレータ５２の略中心から空気極集電体１４に臨む第２空気穴５７ｂとを有する。
【００４２】
セパレータ５２には複数の挿入穴５２ａ（図８、図９及び図１１）が形成され、これらの挿入穴５２ａは燃料供給通路５６及び空気供給通路５７のいずれにも連通しないように上記第１燃料穴５６ａ及び第１空気穴５７ａに平行に形成され、更にこれらの挿入穴５２ａにはヒータ６３がそれぞれ挿入される。またセパレータ５２の両面には複数のスリット５２ｂ（図１０及び図１１）がセパレータ５２の略中心から放射状に形成され、これらのスリット５２の幅はセパレータ５２の中心から離れるに従って次第に広くなるように形成され、深さは全長にわたって同一となるように形成される。なお、スリットの幅をセパレータの中心から離れるに従って次第に広くなるように形成し、スリットの深さをセパレータの中心から離れるに従って次第に深く若しくは浅くなるように形成してもよい。
【００４３】
第１端板６１に形成された空気供給通路６７は第１端板２１の１辺中央から略中心に向う第１空気穴６７ａと、第１空気穴６７ａの内端に連通し第１端板６１の略中心から空気極集電体１４に臨む第２空気穴６７ｂとを有する（図８及び図１１）。また第２端板６２に形成された燃料供給通路６６は第２端板６２の１辺中央から略中心に向う第１燃料穴６６ａと、第１燃料穴６６ａの内端に連通し第２端板６２の略中心から燃料極集電体１３に臨む第２燃料穴６６ｂとを有する（図１１）。
【００４４】
第１端板６１には複数の挿入穴６１ａが形成され、これらの挿入穴６１ａは空気供給通路６７に連通しないように第１端板６１の第１空気穴６７ａに平行に形成され、更にこれらの挿入穴６１ａにはヒータ６３がそれぞれ挿入される（図８及び図１１）。また第２端板６２には複数の挿入穴６２ａが形成され、これらの挿入穴６２ａは燃料供給通路６６に連通しないように第２端板６２の第１燃料穴６６ａに平行に形成され、更にこれらの挿入穴６２ａにはヒータ６３がそれぞれ挿入される（図８及び図１１）。
【００４５】
第１端板６１の下面、即ち第１端板６１の空気極集電体１４への対向面には複数のスリット６１ｂが第１端板６１の略中心から放射状に形成され、これらのスリット６１ｂの幅及び深さは全長にわたってそれぞれ同一となるように形成される（図１１）。また第２端板６２の上面、即ち第２端板６２の燃料極集電体１３への対向面には複数のスリット６２ｂが第２端板６２の略中心から放射状に形成され、これらのスリット６２ｂの幅及び深さは全長にわたってそれぞれ同一となるように形成される（図１１）。更にセパレータ５２、第１端板６１及び第２端板６２の四隅にはボルトを挿通可能な通穴５２ｃが形成される（図９及び図１０）。上記以外は第１の実施の形態と同一に構成される。
【００４６】
このように構成された燃料電池５０では、燃料ガス（Ｈ2、ＣＯ等）を燃料供給パイプ１８に導入すると、燃料ガスは燃料供給通路５６，６６を通り、セパレータ５２及び第２端板６２の略中心から燃料極集電体１３の中心に向って吐出する。これにより燃料ガスは燃料極集電体１３内の気孔を通過して燃料極層１１ｂの略中心に速やかに供給され、更にスリット５２ｂ，６２ｂにより案内されて燃料極層１１ｂの略中心から外周縁に向って放射状に流れる。同時に空気（酸化剤ガス）を空気供給パイプ１９に導入すると、空気は空気供給通路５７，６７を通り、セパレータ５２及び第１端板６１の略中心から空気極集電体１４の中心に向って吐出する。これにより空気は空気極集電体１４内の気孔を通過して空気極層１１ｃの略中心に速やかに供給され、更にスリット５２ｂ，６１ｂにより案内されて空気極層１１ｃの略中心から外周縁に向って放射状に流れる。
【００４７】
空気極層１１ｃに供給された空気は空気極層１１ｃ内の気孔を通って固体電解質層１１ａとの界面近傍に到達し、この部分で空気中の酸素は空気極層１１ｃから電子を受け取って、酸化物イオン（Ｏ2-）にイオン化される。この酸化物イオンは燃料極層１１ｂの方向に向って固体電解質層１１ａ内を拡散移動し、燃料極層１１ｂとの界面近傍に到達すると、この部分で燃料ガスと反応して反応生成物（Ｈ2Ｏ、ＣＯ2等）を生じ、燃料極層１１ｂに電子を放出する。この電子を燃料極集電体１３により取り出すことにより電流が発生し、電力が得られる。この結果、燃料ガスは燃料極集電体１３を通って燃料極層１１ｂの全体に拡散するように流れ、空気は空気極集電体１４を通って空気極層１１ｃの全体に拡散するように流れるので、発電効率は比較的に保たれる。更にセパレータ５２、第１端板６１及び第２端板６２に形成されたスリット５２ｂ，６１ｂ，６２ｂが渦巻き状ではなく放射状であるため、これらの機械加工が比較的容易である。上記以外の動作は第１の実施の形態の動作と略同様であるので、繰返しの説明を省略する。
【００４８】
なお、上記第１〜第３の実施の形態では、酸化剤ガスとして空気を用いたが、酸素又はその他の酸化剤ガスを用いてもよい。
また、上記第１〜第３の実施の形態では、セパレータをステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金により形成したが、ランタンクロマイト（Ｌａ0.9Ｓｒ0.1ＣｏＯ3）等の導電性を有するセラミックにより形成してもよい。
【００４９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、（ｎ＋１）個の発電セルのうちｉ番目の発電セルの燃料極層と（ｉ＋１）番目の発電セルの酸化剤極層との間にセパレータをそれぞれ１枚ずつ合計ｎ枚介装し、燃料極層及びセパレータ間に多孔質の燃料極集電体を介装し、酸化剤極層及びセパレータ間に多孔質の酸化剤極集電体を介装し、各セパレータに燃料供給通路及び酸化剤供給通路を形成し、１番目の発電セルの酸化剤極層に積層された第１端板に酸化剤供給通路を形成し、更に（ｎ＋１）番目の発電セルの燃料極層に積層された第２端板に燃料供給通路を形成したので、燃料ガスが燃料供給通路及び燃料極集電体を通り燃料極層の略中心から外周縁に向って流れ、同時に酸化剤ガスが酸化剤供給通路及び酸化剤極集電体を通り酸化剤極内を固体電解質層に沿って流れる。この結果、発電セルの表面の全てが発電に寄与するので、燃料ガス及び燃料極層の衝突回数と、酸化剤ガス及び酸化剤極層の衝突回数が多くなり、発電効率が向上する。なお、本発明の燃料電池の外径を大きくするに従って反応経路が増大するので、発電性能の向上に繋がる。
【００５０】
またセパレータ又は第１端板に形成された各酸化剤供給通路が酸化剤ガスをセパレータ又は第１端板の外周面から導入してセパレータ又は第１端板の酸化剤極集電体に対向する面からシャワー状に略均一に吐出させるように構成すれば、酸化剤ガスが酸化剤供給通路からシャワー状に酸化剤極集電体に向って略均一に吐出されるので、この酸化剤ガスにより発電セルを均一に加熱・冷却できる。また燃料電池の発電中におけるジュール熱の発生により、発電セルが加熱されて設定温度より上昇したときに、この設定温度より僅かに低い温度の酸化剤ガスを上記酸化剤供給通路から吐出させることにより、発電セルを均一に冷却できるので、発電セルの局所的な加熱又は冷却による損傷を防止できる。
またセパレータ及び第１端板に形成された酸化剤供給通路が各セパレータの外周面からセパレータの略中心に向う単一の第１酸化剤穴と、酸化剤極集電体の略中心に臨む第２酸化剤穴とをそれぞれ有するように構成すれば、酸化剤供給通路が比較的単純な形状であるため、セパレータ及び第１端板の製作工数を低減することができる。
【００５１】
また燃料供給通路及び酸化剤供給通路のいずれにも連通しないようにｎ枚のセパレータ、単一の第１端板及び単一の第２端板のそれぞれに複数の挿入穴を形成し、これらの挿入穴にヒータを挿入すれば、燃料電池の起動時にヒータに通電することにより発電セルを速やかに昇温できるので、昇温時間を短縮できる。また発電セルが均一に昇温し、発電セルの中心と外周縁との温度差がなくなって均一に熱膨張するため、発電セルの損傷を防止できる。また複数の挿入穴にヒータ及び温度センサを挿入すれば、温度センサの検出出力に基づいてヒータを制御することにより、セパレータ等の温度をきめ細かく制御できる。
また燃料供給通路及び酸化剤供給通路のいずれにも連通しないようにｎ枚のセパレータ、単一の第１端板及び単一の第２端板の複数の挿入穴を軽量化穴とすれば、セパレータ、第１端板及び第２端板の重量を小さくできるので、燃料電池の軽量化を図ることができる。
【００５２】
またｎ枚のセパレータの燃料極集電体への対向面及び単一の第２端板の燃料極集電体への対向面に、各セパレータ及び第２端板の中心から渦巻き状に延びる複数のスリットをそれぞれ形成すれば、燃料ガスが上記スリットに沿って渦巻き状に流れ、燃料ガスの反応経路が長くなる。この結果、燃料ガスと燃料極層との衝突回数が増え、燃料電池の出力を向上できる。
またｎ枚のセパレータの燃料極集電体への対向面及び単一の第２端板の燃料極集電体への対向面に、各セパレータ及び第２端板の中心から放射状に延びる複数のスリットをそれぞれ形成すれば、燃料ガスが上記スリットに沿って放射状に流れ、燃料ガスの反応経路が比較的長くなる。この結果、燃料ガスと燃料極層との衝突回数が比較的多くなり、燃料電池の出力を向上できる。
またｎ枚のセパレータの酸化剤極集電体への対向面及び単一の第１端板の酸化剤極集電体への対向面に、各セパレータ及び第１端板の中心から放射状に複数のスリットをそれぞれ形成すれば、酸化剤ガスが上記スリットに沿って放射状に流れ、酸化剤ガスの反応経路が比較的長くなる。この結果、酸化剤ガスと酸化剤極層との衝突回数が比較的多くなり、燃料電池の出力を向上できる。
【００５３】
またニッケルめっきされたステンレス鋼製などの燃料極集電体をステンレス鋼製のセパレータ及び第２端板に接合し、銀めっきされたステンレス鋼製などの酸化剤極集電体をステンレス鋼製などのセパレータ及び第１端板に接合すれば、セパレータ及び第１端板が高温で酸化剤ガスに曝されても、セパレータ及び酸化剤極集電体の接合部分と、第１端板及び酸化剤極集電体の溶着された接合部分が溶着されているため、これらの接合部分の酸化を防止できる。この結果、セパレータ及び燃料極集電体の電気的導通と、第２端板及び燃料極集電体の電気的導通のみならず、セパレータ及び酸化剤極集電体の電気的導通と、第１端板及び酸化剤極集電体の電気的導通を上記接合部分を通して長期間保持できるとともに、燃料電池の組立作業時間を短縮し、組立作業性を向上できる。
更に各セパレータ、第１端板及び第２端板の表面にニッケルめっき等を施せば、セパレータ、第１端板又は第２端板と、燃料極集電体又は酸化剤極集電体との電気的導通を更に長期間保持できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明第１実施形態の燃料電池を示す図２のＡ−Ａ線断面図。
【図２】図１のＢ−Ｂ線断面図。
【図３】図１のＣ−Ｃ線断面図。
【図４】本発明の第２実施形態を示す図５のＤ−Ｄ線断面図。
【図５】図４のＥ−Ｅ線断面図。
【図６】図４のＦ−Ｆ線断面図。
【図７】図６のＧ−Ｇ線断面図。
【図８】本発明の第３実施形態を示す図９のＨ−Ｈ線断面図。
【図９】図８のＩ−Ｉ線断面図。
【図１０】図８のＪ−Ｊ線断面図。
【図１１】図１０のＫ−Ｋ線断面図。
【符号の説明】
１０，３０，５０ 燃料電池
１１ 発電セル
１１ａ 固体電解質層
１１ｂ 燃料極層
１１ｃ 空気極層（酸化剤極層）
１２，３２，５２ セパレータ
１２ａ，３２ａ，５２ａ，６１ａ，６２ａ 挿入穴
１２ｂ，２２ｂ，３２ｂ，４１ｂ，４２ｂ，５２ｂ，６１ｂ，６２ｂ スリット
１３ 燃料極集電体
１４ 空気極集電体（酸化剤極集電体）
１６，２６，３６，４６，５６，６６ 燃料供給通路
１７，２７，３７，４７，５７，６７ 空気供給通路（酸化剤供給通路）
１７ａ，３７ａ，４７ａ，５７ａ，６７ａ 第１空気穴（第１酸化剤穴）
１７ｂ，２７ｂ，３７ｂ，４７ｂ，５７ｂ，６７ｂ 第２空気穴（第２酸化剤穴）
１７ｃ 第３空気穴（第３酸化剤穴）
２１，４１，６１ 第１端板
２２，４２，６２ 第２端板
２３，４３，６３ ヒータ
２５ 温度センサ
Claims (7)
- 酸化物イオン伝導体により形成された固体電解質層(11a)とこの固体電解質層(11a)の両面に配設された燃料極層(11b)及び酸化剤極層(11c)とからなる発電セル(11)が（ｎ＋１）個（ｎは正の整数である。）積層された燃料電池であって、
前記ｉ番目（ｉ＝１，２，…，ｎ）の発電セル(11)の燃料極層(11b)とこの燃料極層(11b)に隣接する（ｉ＋１）番目の発電セル(11)の酸化剤極層(11c)との間に導電性材料により板状に形成されたセパレータ(12,32,52)がそれぞれ１枚ずつ合計ｎ枚介装され、
前記ｉ番目の発電セル(11)の燃料極層(11b)と前記ｉ番目の発電セル(11)及び前記（ｉ＋１）番目の発電セル(11)間に位置する前記ｊ番目（ｊ＝１，２，…，ｎ）のセパレータ(12,32,52)との間に導電性を有する多孔質の燃料極集電体(13)が介装され、
前記（ｉ＋１）番目の発電セル(11)の酸化剤極層(11c)と前記ｉ番目の発電セル(11)及び前記（ｉ＋１）番目の発電セル(11)間に位置する前記ｊ番目のセパレータ(12,32,52)との間に導電性を有する多孔質の酸化剤極集電体(14)が介装され、
前記ｎ枚のセパレータ(12,32,52)が燃料ガスをセパレータ(12,32,52)の略中心から前記燃料極集電体(13)に向って吐出させる燃料供給通路(16,36,56)と、酸化剤ガスを前記セパレータ(12,32,52)の酸化剤極集電体(14)に対向する面から吐出させる酸化剤供給通路(17,37,57)とをそれぞれ有し、
前記燃料供給通路(16,36,56)及び前記酸化剤供給通路(17,37,57)のいずれにも連通しないようにｎ枚のセパレータ(12,32,52)のそれぞれに複数の挿入穴(12a,32a,52a)が形成され、前記複数の挿入穴(12a,32a,52a)にヒータ(23,43)又はヒータ(43)及び温度センサ(45)がそれぞれ挿入されるか、或いは前記複数の挿入穴(12a,32a,52a)が軽量化穴とされ、
前記ｎ枚のセパレータ(12,32,52)がステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金のいずれかによりそれぞれ形成された
ことを特徴とする燃料電池。 - １番目の発電セル(11)の酸化剤極層(11c)に酸化剤極集電体(14)を介して導電性材料により板状に形成された単一の第１端板(21,41,61)が積層され、
（ｎ＋１）番目の発電セル(11)の燃料極層(11b)に燃料極集電体(13)を介して導電性材料により板状に形成された単一の第２端板(22,42,62)が積層され、
前記単一の第１端板(21,41,61)が前記酸化剤ガスを前記第１端板(21,41,61)の酸化剤極集電体(14)に対向する面から吐出させる酸化剤供給通路(27,47,67)を有し、
前記単一の第２端板(22,42,62)が前記燃料ガスを前記第２端板(22,42,62)の略中心から前記燃料極集電体(13)に向って吐出させる燃料供給通路(26,46,66)を有し、
前記酸化剤供給通路(27,47,67)に連通しないように前記単一の第１端板(21,41,61)に複数の挿入穴(61a)が形成され、
前記燃料供給通路(26,46,66)に連通しないように前記単一の第２端板(22,42,62)に複数の挿入穴(62a)が形成され、
前記複数の挿入穴(61a,62a)にヒータ(63)又はヒータ及び温度センサがそれぞれ挿入されるか、或いは前記複数の挿入穴(61a,62a)が軽量化穴とされ、
前記単一の第１端板(21,41,61)及び前記単一の第２端板(22,42,62)がステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金のいずれかによりそれぞれ形成された請求項１記載の燃料電池。 - ｎ枚のセパレータ(12,32,52)の表面にニッケルめっき，クロムめっき又は銀めっきがそれぞれ施された請求項１記載の燃料電池。
- 単一の第１端板(21,41,61)の表面及び単一の第２端板(22,42,62)の表面にニッケルめっき，クロムめっき又は銀めっきがそれぞれ施された請求項２記載の燃料電池。
- 請求項１又は３記載の燃料電池に用いられるセパレータ。
- 請求項２又は４記載の燃料電池に用いられる第１端板。
- 請求項２又は４記載の燃料電池に用いられる第２端板。
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