JP4897301B2 - 固体酸化物形燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、固体酸化物形燃料電池に関するものである。

近年、固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cells、以下、ＳＯＦＣとする）の低温動作化が進み、様々なＳＯＦＣセルスタックの開発が盛んに行われている。特に平面セルまたは平板型セル（以後、平板型セルと呼ぶ）と呼ばれるセルを用いたスタックは、外部マニホールド方式と内部マニホールド方式に大きく分かれ、様々な形式が提案されている。例えば、外部マニホールド方式としては、モノリスと呼ばれる方式や、外部に配置した酸化剤ガスおよび燃料ガスのマニホールドとセルを格納するセルホルダの上下に配置されるセパレータとを管などで接続し、酸化剤ガスおよび燃料ガスを供給・排出することを特徴としているものがある。また、内部マニホールド方式としては、セルホルダやセパレータに酸化剤ガスおよび燃料ガスのマニホールド部を形成し、セルホルダやセパレータ間を適当にシールしつつ積層することにより、各セルホルダやセパレータのマニホールド部を接続してマニホールド全体を形成することを特徴としているものがある（例えば、非特許文献１参照）。

田川博章著，「固体酸化物形燃料電池と地球環境」，アグネ承風社，ｐ．２６８，１９９８年

外部マニホールド方式や内部マニホールド方式により、各ＳＯＦＣセルに酸化剤ガスおよび燃料ガスを供給して、発電電流を取り出すことが可能である。しかしながら、従来のＳＯＦＣセルスタックには、以下のような問題点があった。
まず、外部マニホールド方式では、マニホールドとセパレータとを何らかの方式で接合しなければならない。例えば、モノリス型では、積層したセルホルダおよびセパレータとマニホールドとの間を絶縁部材を介して接合する必要がある。また、マニホールドとセパレータとの間を管を用いて接続する場合、管とマニホールドを接合すると共に管とセパレータを接合する必要がある。管にセラミックスなどの絶縁材料を用い、マニホールドおよびセパレータに金属材料を用いる場合、異種材料の接合になるために、熱膨張率の違いまたは使用する接合剤によってガスシール性が損なわれ、管とマニホールドの接合部あるいは管とセパレータの接合部からガスが漏れることが十分に考えられる。管の材料を金属とし、マニホールドおよびセパレータにも金属材料を用いる場合、その接合方法としては溶接やロウ付けが用いられる。以上の外部マニホールド方式のいずれにおいても、部品点数が多くなり、全ての部材を個々に加工する必要があり、加工に関わる費用によりセルスタックの製造コストが上昇してしまうという問題点があった。

一方、内部マニホールド方式では、同一の部材にセルホルダとマニホールド、またはセパレータとマニホールドを同時に加工できるため、外部マニホールド方式に比べて部品点数および加工に関わる費用の点で優位性があると考えられる。しかし、内部マニホールド方式のスタックでは、アノードセパレータ、カソードセパレータおよびセルホルダを貫通する孔によってマニホールドを構成するため、それぞれの部材間全てをシールする必要があり、シールが不完全な場合、燃料ガスまたは酸化剤ガスが漏洩する可能性があった。特にＳＯＦＣセルスタックの昇温時にセルに微小な反りが生じ、この反りに起因して部材間に隙間が生じて、燃料ガスまたは酸化剤ガスが漏洩する可能性があった。このような問題を解決するためには、アノード集電体やカソード集電体に靭性や弾性を持たせ、セルスタックの上下から圧力を加える方法があるが、ＳＯＦＣセルの反りが大きい場合には対応が困難な場合が多い。また、ＳＯＦＣセルの検査基準を厳しくし、反りの少ないセルのみを使用する方法も考えられるが、この場合にはＳＯＦＣセルスタックの歩留まりが低下し、セルスタックの製造コストが上昇してしまうという問題点があった。

また、従来の内部マニホールド方式では、アノードセパレータ、カソードセパレータおよびセルホルダそのものを加工してマニホールドを形成する方式であるため、マニホールドの流路断面を大きくすることに限界があった。このため、燃料ガスもしくは酸化剤ガスの流量がある程度大きくなると、ガスの供給圧力がマニホールド内の各部位で不均一となり、個々のＳＯＦＣセルヘの燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給量にバラつきが生じる可能性があった。これにより、例えば燃料ガスが不足したセルではアノードの酸化やこれに起因するセルの破壊が生じる可能性があり、燃料ガスが過剰に供給されたセルでは未反応の燃料ガスの割合が高くなり、発電効率の低下を招く可能性があった。このような問題を解決するためには、マニホールドの断面積を十分に大きくし、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給量に比較してマニホールドの体積を十分大きくし、供給圧力の不均一を低減する方法が考えられるが、この場合には燃料ガスおよび酸化剤ガスのシール部分がさらに大きくなり、燃料ガスおよび酸化剤ガスが漏洩する可能性がさらに高まるという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、製造コストを抑制しつつ、酸化剤ガスおよび燃料ガスのシール性を高めることができる固体酸化物形燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の固体酸化物形燃料電池は、固体酸化物形燃料電池セルと、このセルのカソード側の面に積層されるカソードセパレータと、前記セルのアノード側の面に積層されるアノードセパレータとを備えると共に、前記積層の方向に沿って前記セルの周囲に配設される酸化剤ガス供給用マニホールド部材と酸化剤ガス排出用マニホールド部材と燃料ガス供給用マニホールド部材と燃料ガス排出用マニホールド部材とを備え、さらに、加圧機構を備える。加圧機構は、前記セル、前記酸化剤ガス供給用マニホールド、前記酸化剤ガス排出用マニホールド、前記燃料ガス供給用マニホールド、および前記燃料ガス排出用マニホールドを独立に前記積層方向に沿って加圧する。
また、本発明の固体酸化物形燃料電池の１構成例は、前記カソードセパレータの酸化剤ガス供給用貫通孔と、管状の前記酸化剤ガス供給用マニホールド部材により前記酸化剤ガス供給用マニホールドが形成され、前記カソードセパレータの酸化剤ガス排出用貫通孔と、管状の前記酸化剤ガス排出用マニホールド部材により前記酸化剤ガス排出用マニホールドが形成され、前記アノードセパレータの燃料ガス供給用貫通孔と、管状の前記燃料ガス供給用マニホールド部材により前記燃料ガス供給用マニホールドが形成され、前記アノードセパレータの燃料ガス排出用貫通孔と、管状の前記燃料ガス排出用マニホールド部材により前記燃料ガス排出用マニホールドが形成されることを特徴とする。

また、本発明の固体酸化物形燃料電池の１構成例は、前記カソードセパレータと前記アノードセパレータとの間に配置され、中央部に前記セルを収納するセルホルダを備える。このセルホルダには酸化剤ガス供給用貫通孔及び酸化剤ガス排出用貫通孔か、燃料ガス供給用貫通孔及び燃料ガス排出用貫通孔のどちらか一組の貫通孔が設けられ、前記セルホルダに前記酸化剤ガス供給用貫通孔及び酸化剤ガス排出用貫通孔が設けられている場合には、前記カソードセパレータの酸化剤ガス供給用貫通孔と、前記セルホルダの酸化剤ガス供給用貫通孔と、前記酸化剤ガス供給用マニホールド部材により前記酸化剤ガス供給用マニホールドが構成され、前記カソードセパレータの酸化剤ガス排出用貫通孔と、前記セルホルダの酸化剤ガス排出用貫通孔と、前記酸化剤ガス排出用マニホールド部材により前記酸化剤ガス排出用マニホールドが構成され、前記アノードセパレータの燃料ガス供給用貫通孔と、前記燃料ガス供給用マニホールド部材により前記燃料ガス供給用マニホールドが構成され、前記アノードセパレータの燃料ガス排出用貫通孔と、前記燃料ガス排出用マニホールド部材により前記燃料ガス排出用マニホールドが構成され、前記セルホルダに前記燃料ガス供給用貫通孔及び燃料ガス排出用貫通孔が設けられている場合には、前記カソードセパレータの酸化剤ガス供給用貫通孔と、前記酸化剤ガス供給用マニホールド部材により前記酸化剤ガス供給用マニホールドが構成され、前記カソードセパレータの酸化剤ガス排出用貫通孔と、前記酸化剤ガス排出用マニホールド部材により前記酸化剤ガス排出用マニホールドが構成され、前記アノードセパレータの燃料ガス供給用貫通孔と、前記セルホルダの燃料ガス供給用貫通孔と、前記燃料ガス供給用マニホールド部材により前記燃料ガス供給用マニホールドが構成され、前記アノードセパレータの燃料ガス排出用貫通孔と、前記セルホルダの燃料ガス排出用貫通孔と、前記燃料ガス排出用マニホールド部材により前記燃料ガス排出用マニホールドが構成される。
また、本発明の固体酸化物形燃料電池の１構成例において、前記カソードセパレータは、酸化剤ガスの流路が形成された板状部材から構成され、前記アノードセパレータは、燃料ガスの流路が形成された板状部材から構成される。
また、本発明の固体酸化物形燃料電池の１構成例は、セルの中央部に相当する前記カソードセパレータの位置に酸化剤ガスのセルへの供給口を設け、セルの中央部に相当する前記アノードセパレータの位置に燃料ガスのセルへの供給口を設ける。

本発明によれば、カソードセパレータとアノードセパレータに酸化剤ガスと燃料ガスのマニホールドを形成する内部マニホールド方式を採用することにより、外部マニホールド方式に比べて部品点数も少なく、加工行程も少なくすることができるため、固体酸化物形燃料電池の製造コストを低減することができる。また、本発明では、セル、酸化剤ガス供給用マニホールド、酸化剤ガス排出用マニホールド、燃料ガス供給用マニホールド、および燃料ガス排出用マニホールドを独立に積層方向に沿って加圧する加圧機構を設けることにより、それぞれのマニホールドの箇所を独立に加圧固定することができるので、従来の内部マニホールド方式に比べてガスシール性を向上させることができる。また、本発明では、酸化剤ガスが流れる流路と燃料ガスが流れる流路を完全に分離しているため、万一シール性が低下して、酸化剤ガスまたは燃料ガスが漏れたとしても、酸化剤ガスと燃料ガスが混合して燃焼することはなく、他の部分に影響を及ぼすことはない。また、本発明では、マニホールドと独立にセルの箇所を加圧することにより、セルに最適な密着条件で加圧することが可能である。さらに、本発明では、マニホールドの断面を十分に大きくし、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給量に比較してマニホールドの体積を十分大きくし、供給圧力の不均一を低減することが可能である。

また、本発明では、カソードセパレータとアノードセパレータをそれぞれ複数の板状部材から構成することにより、ガスの供給口を自由に設定することができる。

また、本発明では、セルの中央部に相当するカソードセパレータの位置に酸化剤ガスのセルへの供給口を設け、セルの中央部に相当するアノードセパレータの位置に燃料ガスのセルへの供給口を設けることにより、セルのカソードへの空気の供給を均一にすることができると共に、セルのアノードへの燃料ガスの供給を均一にすることができ、固体酸化物形燃料電池の発電性能を向上させることができる。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係るＳＯＦＣセルスタックの構成を示す平面図、図２は図１のＩ−Ｉ線断面図、図３は図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。なお、図１では、後述するカソードセパレータの下にあるＳＯＦＣセルを透視しているものとする。また、図２（Ａ）、図３（Ａ）はＳＯＦＣセルスタックの各構成部材を分離した状態を示し、図２（Ｂ）、図３（Ｂ）は各構成部材を積層した状態を示している。

本実施の形態のＳＯＦＣセルスタックは、ＳＯＦＣセル１０、セルホルダ２０、カソードセパレータ３０、アノードセパレータ４０、カソード集電体５０、アノード集電体６０、空気供給用マニホールド部材７１、空気排出用マニホールド部材８１、燃料ガス供給用マニホールド部材９１、および燃料ガス排出用マニホールド部材１０１から構成される。

金属または絶縁性のセラミックスからなる板状のセルホルダ２０の中央に設けられた開口領域２１には、ＳＯＦＣセル１０が収納される。ＳＯＦＣセル１０は、例えばセラミックス製の電解質の一方の面に空気極を配置し、電解質の反対側の面に燃料極を配置した構成を有する。図２、図３の例では、上側に空気極が配置され、下側に燃料極が配置されている。また、ＳＯＦＣセル１０の周囲のセルホルダ２０には、燃料ガス供給用マニホールドの一部を構成する燃料ガス供給用の貫通孔２２と、燃料ガス排出用マニホールドの一部を構成する燃料ガス排出用の貫通孔２３が設けられている。

カソードセパレータ３０は、金属からなる板状の第１のカソードセパレータ３１と、同じく金属からなる板状の第２のカソードセパレータ３２とから構成される。第１のカソードセパレータ３１には、空気（酸化剤ガス）の流路３３が設けられている。そして、後述のようにＳＯＦＣセルスタックの各構成部材を積層していくときに、第２のカソードセパレータ３２がセルホルダ２０と第１のカソードセパレータ３１との間にあって第１のカソードセパレータ３１を支えるようになっている。また、第１のカソードセパレータ３１と第２のカソードセパレータ３２には、空気供給用マニホールドの一部を構成する空気供給用貫通孔３４と、空気排出用マニホールドの一部を構成する空気排出用貫通孔３５が設けられており、これらの貫通孔３４，３５は流路３３と繋がっている。

金属からなる板状のアノードセパレータ４０には、燃料ガスの流路４１が設けられている。また、アノードセパレータ４０には、燃料ガス供給用マニホールドの一部を構成する燃料ガス供給用貫通孔４２と、燃料ガス排出用マニホールドの一部を構成する燃料ガス排出用貫通孔４３が設けられており、これらの貫通孔４２，４３は流路４１と繋がっている。
カソード集電体５０とアノード集電体６０は、共に導電性材料からなる。空気供給用マニホールド部材７１、空気排出用マニホールド部材８１、燃料ガス供給用マニホールド部材９１、および燃料ガス排出用マニホールド部材１０１は、金属または絶縁性のセラミックスからなる管である。

以上のようなＳＯＦＣセルスタックの各構成部材を以下のように積層する。まず、アノードセパレータ４０の上にセルホルダ２０を積層する。前述のようにセルホルダ２０には開口領域２１が設けられており、この開口領域２１の底にアノードセパレータ４０の上面が露出しているので、このアノードセパレータ４０の上にアノード集電体６０とＳＯＦＣセル１０を積層する。そして、アノードセパレータ４０とセルホルダ２０の周囲に空気供給用マニホールド部材７１と空気排出用マニホールド部材８１を配置する。

続いて、ＳＯＦＣセル１０の中央部にカソード集電体５０を積層し、ＳＯＦＣセル１０の周辺部とセルホルダ２０と空気供給用マニホールド部材７１と空気排出用マニホールド部材８１との上に第２のカソードセパレータ３２を積層して、第２のカソードセパレータ３２の上に第１のカソードセパレータ３１を積層する。そして、カソードセパレータ３１，３２の周囲のセルホルダ２０上に燃料ガス供給用マニホールド部材９１と燃料ガス排出用マニホールド部材１０１を配置する。

以上のような積層により、空気供給用マニホールド部材７１と第１、第２のカソードセパレータ３１，３２の空気供給用貫通孔３４によって空気供給用マニホールド７０が形成され、空気排出用マニホールド部材８１と第１、第２のカソードセパレータ３１，３２の空気排出用貫通孔３５によって空気排出用マニホールド８０が形成され、燃料ガス供給用マニホールド部材９１とセルホルダ２０の貫通孔２２とアノードセパレータ４０の燃料ガス供給用貫通孔４２によって燃料ガス供給用マニホールド９０が形成され、燃料ガス排出用マニホールド部材１０１とセルホルダ２０の貫通孔２３とアノードセパレータ４０の燃料ガス排出用貫通孔４３によって燃料ガス排出用マニホールド１００が形成される。

そして、積層後に図示しない加圧機構によって図２、図３の上下方向から圧力を加えることにより、各構成部材を加圧固定する。これにより、図２（Ｂ）、図３（Ｂ）に示すようなＳＯＦＣセルスタックが完成する。圧力を加える点は、図１に示すＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅの５箇所である。加圧機構の構成は、ボルトを利用するもの、ガス圧を利用するもの、耐熱性バネを利用するもの、荷重部品を利用するものなどが考えられるが、本発明ではその構成は問わない。

なお、図２（Ｂ）、図３（Ｂ）では記載を容易にするために単セルの状態で示しているが、実際のＳＯＦＣセルスタックは、実用上十分な発電電力を得るために図２（Ｂ）、図３（Ｂ）の構成を複数積層する。各ＳＯＦＣセル１０は、カソードセパレータ３０とアノードセパレータ４０により電気的に接続される。

本実施の形態のＳＯＦＣセルスタックにおけるガスの流れは以下のとおりである。発電に必要な酸化剤ガスとしての空気は、図２（Ｂ）の矢印で示すように空気供給用マニホールド７０に供給され、ＳＯＦＣセル１０毎に設けられたカソードセパレータ３０の流路３３に流入し、各ＳＯＦＣセル１０のカソードに供給される。カソード上で未反応の空気は、流路３３を介して空気排出用マニホールド８０に排出される。なお、空気排出用マニホールド８０を介さずに、空気をそのままスタック外部に放出してもよい。

一方、燃料ガスは、図３（Ｂ）の矢印で示すように燃料ガス供給用マニホールド９０に供給され、ＳＯＦＣセル１０毎に設けられたアノードセパレータ４０の流路４１に流入し、各ＳＯＦＣセル１０のアノードに供給される。アノード上で未反応の燃料ガスとアノード上で発生する水蒸気は、流路４１を介して燃料ガス排出用マニホールド１００に排出され、回収される。
こうして、所望の温度下にてＳＯＦＣセルスタックの各ＳＯＦＣセル１０に空気と燃料ガスを供給して、発電電流を取り出すことができる。

本実施の形態では、空気および燃料ガスの供給排出方式として内部マニホールド方式を採用することにより、外部マニホールド方式に比べて部品点数も少なく、加工行程も少なくすることができるため、ＳＯＦＣセルスタックの製造コストを低減することができる。
また、従来の内部マニホールド方式のＳＯＦＣセルスタックでは、マニホールド部分においてガスシールの長さが大きく、燃料ガスおよび空気が漏洩する可能性があり、特にＳＯＦＣ昇温時に生じるセルの微小な反りなどに起因して部材間に隙間が生じやすいという問題があったが、本実施の形態では、空気供給用マニホールド７０と空気排出用マニホールド８０と燃料ガス供給用マニホールド９０と燃料ガス排出用マニホールド１００の箇所をそれぞれ上下方向から加圧する加圧機構を設けることにより、それぞれのマニホールドの箇所を独立に加圧固定することができるので、従来の内部マニホールド方式に比べてガスシール性を向上させることができる。

また、本実施の形態では、空気が流れる流路と燃料ガスが流れる流路を完全に分離しているため、万一シール性が低下して、空気または燃料ガスが漏れたとしても、空気と燃料ガスが混合して燃焼することはなく、他の部分に影響を及ぼすことはない。また、本実施の形態では、マニホールドと独立にカソードセパレータ３０とアノードセパレータ４０の中央部のＳＯＦＣセル１０の箇所を上下方向から加圧することにより、ＳＯＦＣセル１０に最適な密着条件で加圧することが可能である。

さらに、従来の内部マニホールド方式のＳＯＦＣセルスタックでは、マニホールドそのものの流路断面を大きくすることに限界があり、燃料ガスもしくは空気の流量がある程度大きくなると、ガスの供給圧力がマニホールド内の各部位で不均一となり、個々のＳＯＦＣセルヘの燃料ガスおよび空気の供給量にバラつきが生じる可能性があったが、本実施の形態では、マニホールドをセル部分の外側に設置しているため、任意の面積の流路断面を容易に得られる。これにより、マニホールドの断面を十分に大きくし、燃料ガスおよび空気の供給量に比較してマニホールドの体積を十分大きくし、供給圧力の不均一を低減することが可能である。

なお、本実施の形態では、セルホルダ２０に空気供給用マニホールドおよび空気排出用マニホールドの一部となる貫通孔を形成していないが、燃料ガスの場合と同様にセルホルダ２０に貫通孔を形成して、セルホルダ２０が空気供給用マニホールドおよび空気排出用マニホールドの一部を構成するようにしてもよい。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図４、図５は本発明の第２の実施の形態に係るＳＯＦＣセルスタックの構成を示す断面図であり、図１〜図３と同一の構成には同一の符号を付してある。図４は本実施の形態のＳＯＦＣセルスタックを図１のＩ−Ｉ線で切断したときの断面図、図５はＳＯＦＣセルスタックを図１のＩＩ−ＩＩ線で切断したときの断面図である。

本実施の形態のＳＯＦＣセルスタックは、ＳＯＦＣセル１０、セルホルダ２０ａ、カソードセパレータ３０ａ、アノードセパレータ４０ａ、カソード集電体５０、アノード集電体６０、空気供給用マニホールド部材７１ａ、空気排出用マニホールド部材８１ａ、燃料ガス供給用マニホールド部材９１ａ、および燃料ガス排出用マニホールド部材１０１ａから構成される。

ＳＯＦＣセル１０、アノード集電体６０、およびカソード集電体５０の構成は、第１の実施の形態と同じである。
金属または絶縁性のセラミックスからなるセルホルダ２０ａには、第１の実施の形態と同様にＳＯＦＣセル１０を収納する開口領域が設けられている。

カソードセパレータ３０ａは、金属からなる板状の第１のカソードセパレータ３１ａと、同じく金属からなる板状の第２のカソードセパレータ３２ａとから構成される。第１のカソードセパレータ３１ａには、空気の流路３６ａが設けられ、第２のカソードセパレータ３２ａには、積層時に流路３６ａと繋がる流路３７ａが設けられている。また、第１のカソードセパレータ３１ａと第２のカソードセパレータ３２ａには、空気供給用マニホールドの一部を構成する空気供給用貫通孔３４ａと、空気排出用マニホールドの一部を構成する空気排出用貫通孔３５ａが設けられており、貫通孔３４ａは流路３６ａと繋がっている。

アノードセパレータ４０ａは、金属からなる板状の第１のアノードセパレータ４４ａと、同じく金属からなる板状の第２のアノードセパレータ４５ａとから構成される。第１のアノードセパレータ４４ａには、燃料ガスの供給用の流路４６ａと排出用の流路４７ａが設けられている。また、第１のアノードセパレータ４４ａと第２のアノードセパレータ４５ａには、燃料ガス供給用マニホールドの一部を構成する貫通孔４８ａと、燃料ガス排出用マニホールドの一部を構成する貫通孔４９ａが設けられており、貫通孔４８ａは流路４６ａと繋がり、貫通孔４９ａは流路４７ａと繋がっている。
第１の実施の形態と同様に、空気供給用マニホールド部材７１ａ、空気排出用マニホールド部材８１ａ、燃料ガス供給用マニホールド部材９１ａ、および燃料ガス排出用マニホールド部材１０１ａは、金属または絶縁性のセラミックスからなる管である。

以上のようなＳＯＦＣセルスタックの各構成部材を以下のように積層する。まず、第２のアノードセパレータ４５ａの上に第１のアノードセパレータ４４ａを積層し、第１のアノードセパレータ４４ａの上にセルホルダ２０ａを積層し、セルホルダ２０ａの開口領域に露出している第１のアノードセパレータ４４ａの上にアノード集電体６０とＳＯＦＣセル１０を積層する。そして、アノードセパレータ４４ａ，４５ａとセルホルダ２０ａの周囲に空気供給用マニホールド部材７１ａと空気排出用マニホールド部材８１ａを配置する。

続いて、ＳＯＦＣセル１０の中央部にカソード集電体５０を積層し、カソード集電体５０と空気供給用マニホールド部材７１ａと空気排出用マニホールド部材８１ａとの上に第２のカソードセパレータ３２ａを積層して、第２のカソードセパレータ３２ａの上に第１のカソードセパレータ３１ａを積層する。そして、セルホルダ２０ａとカソードセパレータ３１ａ，３２ａの周囲のアノードセパレータ４４ａ上に燃料ガス供給用マニホールド部材９１ａと燃料ガス排出用マニホールド部材１０１ａを配置する。

以上のような積層により、空気供給用マニホールド部材７１ａと第１、第２のカソードセパレータ３１ａ，３２ａの空気供給用貫通孔３４ａによって空気供給用マニホールド７０ａが形成され、空気排出用マニホールド部材８１ａと第１、第２のカソードセパレータ３１ａ，３２ａの空気排出用貫通孔３５ａによって空気排出用マニホールド８０ａが形成され、燃料ガス供給用マニホールド部材９１ａと第１、第２のアノードセパレータ４４ａ，４５ａの貫通孔４８ａによって燃料ガス供給用マニホールド９０ａが形成され、燃料ガス排出用マニホールド部材１０１ａと第２のアノードセパレータ４４ａ，４５ａの貫通孔４９ａによって燃料ガス排出用マニホールド１００ａが形成される。

なお、本実施の形態では、セルホルダ２０ａに燃料ガス供給用マニホールドおよび燃料ガス排出用マニホールドの一部となる貫通孔を形成していないが、第１の実施の形態と同様に貫通孔を形成して、セルホルダ２０ａが燃料ガス供給用マニホールドおよび燃料ガス排出用マニホールドの一部を構成するようにしてもよい。また、セルホルダ２０ａに空気供給用マニホールドおよび空気排出用マニホールドの一部となる貫通孔を設けてもよい。積層後の加圧の仕方は第１の実施の形態と同じである。

本実施の形態のＳＯＦＣセルスタックにおけるガスの流れは以下のとおりである。酸化剤ガスである空気は、図４（Ｂ）の矢印で示すように空気供給用マニホールド７０ａに供給され、ＳＯＦＣセル１０毎に設けられたカソードセパレータ３０ａの流路３６ａ，３７ａに流入し、各ＳＯＦＣセル１０のカソードに供給される。カソード上で未反応の空気は、流路３７ａを介してスタック外部に排出される。本実施の形態では、空気を直接排出しているが、空気排出用マニホールド８０ａを使用して排出してもよいことは言うまでもない。

一方、燃料ガスは、図５（Ｂ）の矢印で示すように燃料ガス供給用マニホールド９０ａに供給され、ＳＯＦＣセル１０毎に設けられたアノードセパレータ４０ａの流路４６ａに流入し、各ＳＯＦＣセル１０のアノードに供給される。アノード上で未反応の燃料ガスとアノード上で発生する水蒸気は、流路４７ａを介して燃料ガス排出用マニホールド１００ａに排出され、回収される。

こうして、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、本実施の形態では、空気および燃料ガスをＳＯＦＣセル１０の中央部から供給することにより、ＳＯＦＣセル１０のカソード面への空気の供給を均一にすることができると共に、ＳＯＦＣセル１０のアノード面への燃料ガスの供給を均一にすることができるので、ＳＯＦＣセルスタックの発電性能を第１の実施の形態よりも向上させることができる。

なお、第１、第２の実施の形態において、空気供給用マニホールド部材７１，７１ａ、空気排出用マニホールド部材８１，８１ａ、燃料ガス供給用マニホールド部材９１，９１ａおよび燃料ガス排出用マニホールド部材１０１，１０１ａに金属材料を用いる場合は、これらのマニホールド部材７１，７１ａ，８１，８１ａ，９１，９１ａ，１０１，１０１ａが各ＳＯＦＣセル１０同士を接続する電気的な経路とならないように、マニホールド部材７１，７１ａ，８１，８１ａ，９１，９１ａ，１０１，１０１ａの一部に絶縁材料を用いる必要がある。
また、第１、第２の実施の形態では、空気供給用マニホールド７０，７０ａと空気排出用マニホールド８０，８０ａと燃料ガス供給用マニホールド９０，９０ａと燃料ガス排出用マニホールド１００，１００ａとを設けるようにしているが、これらのマニホールドのうち少なくとも１つを設けるようにしてもよい。この場合、加圧機構は、設置されたマニホールドとＳＯＦＣセル１０についてのみ独立に上下方向から圧力を加えることになる。

本発明は、固体酸化物形燃料電池に適用することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るＳＯＦＣセルスタックの構成を示す平面図である。 図１のＳＯＦＣセルスタックの断面図である。 図１のＳＯＦＣセルスタックの断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係るＳＯＦＣセルスタックの構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係るＳＯＦＣセルスタックの構成を示す断面図である。

符号の説明

１０…ＳＯＦＣセル、２０…セルホルダ、３０，３０ａ…カソードセパレータ、３４，３４ａ…空気供給用貫通孔、３５，３５ａ…空気排出用貫通孔、４０，４０ａ…アノードセパレータ、４２…燃料ガス供給用貫通孔、４３…燃料ガス排出用貫通孔、５０…カソード集電体、６０…アノード集電体、７０，７０ａ…空気供給用マニホールド、７１，７１ａ…空気供給用マニホールド部材、８０，８０ａ…空気排出用マニホールド、８１，８１ａ…空気排出用マニホールド部材、９０，９０ａ…燃料ガス供給用マニホールド、９１，９１ａ…燃料ガス供給用マニホールド部材、１００，１００ａ…燃料ガス排出用マニホールド、１０１，１０１ａ…燃料ガス排出用マニホールド部材。

Claims (5)

1. 固体酸化物形燃料電池セルと、
   このセルのカソード側の面に積層され、前記セルに酸化剤ガスを供給するカソードセパレータと、
   前記セルのアノード側の面に積層され、前記セルに燃料ガスを供給するアノードセパレータと、
   前記積層の方向に沿って前記セルの周囲に配設され、前記カソードセパレータと当接して前記カソードセパレータの酸化剤ガス供給用貫通孔と共に酸化剤ガス供給用マニホールドを形成する酸化剤ガス供給用マニホールド部材と、
   前記積層の方向に沿って前記セルの周囲に配設され、前記カソードセパレータと当接して前記カソードセパレータの酸化剤ガス排出用貫通孔と共に酸化剤ガス排出用マニホールドを形成する酸化剤ガス排出用マニホールド部材と、
   前記積層の方向に沿って前記セルの周囲に配設され、前記アノードセパレータと当接して前記アノードセパレータの燃料ガス供給用貫通孔と共に燃料ガス供給用マニホールドを形成する燃料ガス供給用マニホールド部材と、
   前記積層の方向に沿って前記セルの周囲に配設され、前記アノードセパレータと当接して前記アノードセパレータの燃料ガス排出用貫通孔と共に燃料ガス排出用マニホールドを形成する燃料ガス排出用マニホールド部材と、
   前記セル、前記酸化剤ガス供給用マニホールド、前記酸化剤ガス排出用マニホールド、前記燃料ガス供給用マニホールド、および前記燃料ガス排出用マニホールドを独立に前記積層方向に沿って加圧する加圧機構とを備えることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
2. 請求項１記載の固体酸化物形燃料電池において、
   前記カソードセパレータの酸化剤ガス供給用貫通孔と、管状の前記酸化剤ガス供給用マニホールド部材により前記酸化剤ガス供給用マニホールドが形成され、
   前記カソードセパレータの酸化剤ガス排出用貫通孔と、管状の前記酸化剤ガス排出用マニホールド部材により前記酸化剤ガス排出用マニホールドが形成され、
   前記アノードセパレータの燃料ガス供給用貫通孔と、管状の前記燃料ガス供給用マニホールド部材により前記燃料ガス供給用マニホールドが形成され、
   前記アノードセパレータの燃料ガス排出用貫通孔と、管状の前記燃料ガス排出用マニホールド部材により前記燃料ガス排出用マニホールドが形成されることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
3. 請求項１または２記載の固体酸化物形燃料電池において、
   さらに、前記カソードセパレータと前記アノードセパレータとの間に配置され、中央部に前記セルを収納するセルホルダを備え、
   前記セルホルダには酸化剤ガス供給用貫通孔及び酸化剤ガス排出用貫通孔か、燃料ガス供給用貫通孔及び燃料ガス排出用貫通孔のどちらか一組の貫通孔が設けられ、
   前記セルホルダに前記酸化剤ガス供給用貫通孔及び酸化剤ガス排出用貫通孔が設けられている場合には、
   前記カソードセパレータの酸化剤ガス供給用貫通孔と、前記セルホルダの酸化剤ガス供給用貫通孔と、前記酸化剤ガス供給用マニホールド部材により前記酸化剤ガス供給用マニホールドが構成され、
   前記カソードセパレータの酸化剤ガス排出用貫通孔と、前記セルホルダの酸化剤ガス排出用貫通孔と、前記酸化剤ガス排出用マニホールド部材により前記酸化剤ガス排出用マニホールドが構成され、
   前記アノードセパレータの燃料ガス供給用貫通孔と、前記燃料ガス供給用マニホールド部材により前記燃料ガス供給用マニホールドが構成され、
   前記アノードセパレータの燃料ガス排出用貫通孔と、前記燃料ガス排出用マニホールド部材により前記燃料ガス排出用マニホールドが構成され、
   前記セルホルダに前記燃料ガス供給用貫通孔及び燃料ガス排出用貫通孔が設けられている場合には、
   前記カソードセパレータの酸化剤ガス供給用貫通孔と、前記酸化剤ガス供給用マニホールド部材により前記酸化剤ガス供給用マニホールドが構成され、
   前記カソードセパレータの酸化剤ガス排出用貫通孔と、前記酸化剤ガス排出用マニホールド部材により前記酸化剤ガス排出用マニホールドが構成され、
   前記アノードセパレータの燃料ガス供給用貫通孔と、前記セルホルダの燃料ガス供給用貫通孔と、前記燃料ガス供給用マニホールド部材により前記燃料ガス供給用マニホールドが構成され、
   前記アノードセパレータの燃料ガス排出用貫通孔と、前記セルホルダの燃料ガス排出用貫通孔と、前記燃料ガス排出用マニホールド部材により前記燃料ガス排出用マニホールドが構成されることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
4. 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において、
   前記カソードセパレータは、酸化剤ガスの流路が形成された板状部材から構成され、
   前記アノードセパレータは、燃料ガスの流路が形成された板状部材から構成されることを特徴とする固体酸化物形燃料電池。
5. 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において、
   前記カソードセパレータは、前記酸化剤ガス供給用マニホールドから供給された酸化剤ガスの前記セルへの供給口を前記セルの中央部に有し、
   前記アノードセパレータは、前記燃料ガス供給用マニホールドから供給された燃料ガスの前記セルへの供給口を前記セルの中央部に有することを特徴とする固体酸化物形燃料電池。

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