JP5486743B2 - 燃料電池セル及び燃料電池スタック若しくは燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、板状の電解質の上下面に二つの極を設け、一方の極（以下燃料極という。）に燃料ガスを供給すると共にもう一方の極（以下空気極という。）に酸化剤ガスを供給して発電する燃料電池セルと、その燃料電池セルを複数個積層して固定した燃料電池スタックと、その燃料電池スタックを使用して発電する燃料電池装置に関する。

板状の電解質の上下面に燃料極と空気極を設け、燃料極側に燃料ガス（例えば水素含有ガス）を供給すると共に空気極側に酸化剤ガス（例えば空気）を供給して発電するようにした燃料電池セルが、例えば特許文献１に記載されている。
燃料電池は、この燃料電池セルを複数個積層して燃料電池スタックを形成し、該燃料電池スタックを耐熱性の容器に収めたものである。
さらに前記燃料電池セルは、上下両面に位置する一対のインターコネクタと、該インターコネクタと電解質の空気極との間に形成される空気室と、インターコネクタと電解質の燃料極との間に形成される燃料室と、空気室の内部に空気を供給する空気供給部と、空気室から使用済みの空気を排出する空気排気部と、燃料室に燃料ガスを供給する燃料供給部と、燃料室から使用済みの燃料ガスを排出する燃料排気部と、を備えており、空気室の空気と、燃料室の燃料ガスが電解質を介して反応することによって電気エネルギを発生する。

特開２００８−５２９４２号公報

燃料電池セルの空気極とインターコネクタは空気室内に設けた空気極集電体で電気的に接続されている。しかし、燃料電池を長時間稼働させたとき、空気極と空気極集電体の間で電気的な接続不良が発生し、内部抵抗が上昇して特性が劣化してしまうという問題があった。かかる問題の原因について発明者が探求した結果、次のような結論に達した。
まず、燃料電池セルの空気室には、燃料室に供給される燃料ガスの約３倍の流量の空気が供給されている。
一方、燃料電池セルの空気室に空気を供給する空気供給部と、空気室から空気を排出する空気排気部と、燃料室に燃料ガスを供給する燃料供給部と、燃料室から燃料ガスを排出する燃料排気部の構造は全て同じになっている。
したがって、流量が多い空気室の方が燃料室に比べてガスの流速が大きくなる。圧力損失は、Fanningの式で示されているようにガス流速の２乗に比例するため、空気室内のガス圧の方が燃料室内のガス圧より大きくなる。そうするとその圧力差で電解質が燃料室側に押されるため、空気極と電気極集電体の接続が不良になる場合があった。

本発明は、上記に鑑みなされたもので、その目的は、長時間使用しても空気極と空気極集電体との接続不良が発生しにくい燃料電池セル及び燃料電池スタック若しくは燃料電池装置を提供する。

上記の目的を達成するため本発明は、請求項１に記載したように、上下両面に位置する一対のインターコネクタと、
前記インターコネクタ間に位置し、一方のインターコネクタの内面に対向する面に空気極が形成され、他方のインターコネクタの内面に対向する面に燃料極が形成された電解質と、
前記インターコネクタと前記空気極の間に形成された空気室と、
前記インターコネクタと前記燃料極の間に形成された燃料室と、
前記空気室の内部に配置され、前記空気極と前記インターコネクタとを電気的に接続する空気極集電体と、
前記燃料室の内部に配置され、前記燃料極と前記インターコネクタとを電気的に接続する燃料極集電体と、
前記空気室の内部に供給されるガスが通過する流路を含む空気供給部と、
前記空気室から排出されるガスが通過する流路を含む空気排気部と、
前記燃料室の内部に供給される燃料ガスが通過する流路を含む燃料供給部と、
前記燃料室から排出される燃料ガスが通過する流路を含む燃料排気部と、を備えた燃料電池セルにおいて、
前記燃料室内のガスの圧力を前記空気室内のガスの圧力と同等か又はそれより大きく設定した燃料電池セルを提供する。

また、請求項２に記載したように、前記空気室のガスの圧力を、前記空気室に直接接続された空気供給部の流路の断面積が、前記空気室に直接接続された空気排気部の流路の断面積よりも小さくなるように設定して前記燃料室内のガスの圧力と同等か又はそれよ小さくした請求項１記載の燃料電池セルを提供する。

また、請求項３に記載したように、前記燃料室のガスの圧力を、前記燃料室に直接接続された燃料供給部の流路の断面積が、前記燃料室に直接接続された燃料排気部の流路の断面積よりも大きくなるように設定して前記空気室内のガスの圧力と同等か又はそれより大きくした請求項１又は２に記載の燃料電池セルを提供する。

また、請求項４に記載したように、前記空気極集電体は前記空気室の内部に間隔をおいて複数配置され、前記空気室のガスの圧力を、前記空気極集電体間に形成されるガス流路に流れるガスの流れ方向と直交する方向の前記ガス流路の断面積を調整することにより設定した請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池セルを提供する。

また、請求項５に記載したように、空気の流れ方向と直交する方向の前記空気室の幅Ａと、平行に並べた前記空気極集電体間に形成されるガス流路の幅Ｂを、０.０１５＜Ｂ／Ａ≦０.１に設定した請求項４記載の燃料電池セルを提供する。

また、請求項６に記載したように、前記空気極集電体の高さＣを、０.６ｍｍ＜Ｃ≦５ｍｍに設定した請求項４記載の燃料電池セルを提供する。

また、請求項７に記載したように、前記燃料室のガスの圧力を、前記燃料排気部を構成する燃料排気流路に圧力損失を生じさせる圧損手段を設けて調整するように設定した請求項１記載の燃料電池セルを提供する。

また、請求項８に記載したように、前記圧損手段は、前記燃料供給部の燃料供給流路の断面積より小さい断面積の前記燃料排気部の燃料排気流路である請求項７記載の燃料電池セルを提供する。

また、請求項９に記載したように、請求項８に記載の燃料排気部の燃料排気流路は管状であり、管径Ｄが、３ｍｍ≦Ｄ＜１６ｍｍである燃料電池セルを提供する。

また、請求項１０に記載したように前記圧損手段は、前記燃料排気部の燃料排気流路の途中に設けた流量調節弁である請求項７記載の燃料電池セルを提供する。

また、請求項１１に記載したように、請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池セルを複数個積層して固定部材で固定してなる燃料電池スタックを提供する。

また、請求項１２に記載したように、請求項１０に記載の燃料電池セルを複数個積層して固定部材で固定した燃料電池スタックと、
前記燃料排気部の燃料排気流路の途中に設けた前記流量調節弁を調節する流量調節手段と、
前記燃料供給部に燃料ガスを供給する燃料供給流路のガス圧を検出する圧力センサ（Pa_in）と、
前記燃料排気部から燃料ガスを排出する燃料排気流路のガス圧を検出する圧力センサ（Pa_out）と、
前記空気供給部に空気を供給する空気供給流路のガス圧を検出する圧力センサ（Pc_in）と、
前記空気排気部から空気を排出する空気排気流路のガス圧を検出する圧力センサ（Pc_out）と、
前記燃料供給流路と前記燃料排気流路の燃料側圧力差と、前記空気供給流路と前記空気排気流路の空気側圧力差を比較する比較手段を備え、
前記流量調節手段で流量調節弁を調節して前記燃料側圧力差が前記空気側圧力差と同等か又はそれより大きくなるように制御するものである燃料電池装置を提供する。

本発明の燃料電池セルは、燃料室内のガスの圧力を空気室内のガスの圧力と同等か又はそれより大きく設定したことにより、電解質に空気極集電体から離れる方向の力が作用しない。したがって、空気極と空気極集電体の接続不良が起きにくくなり、耐久性が向上する。なお、斯かる効果は、請求項２〜１０で特定した燃料電池セルにより、或はそれらの燃料電池セルを複数個積層して固定した請求項１１に記載の燃料電池スタックにより確実に達成し得る。また、請求項１２に記載の燃料電池装置は、長時間の安定した発電が可能になる効果がある。

燃料電池の斜視図である。 燃料電池セルの斜視図である。 燃料電池セルの分解斜視図である。 分解パーツを絞った燃料電池セルの分解斜視図である。 燃料電池セルの縦断面図である。 図５を分解して示す縦断面図である。 図５のＥ−Ｅ線断面図である。 図５のＦ−Ｆ線断面図である。 実施形態２の燃料電池セルを示す図５のＥ−Ｅ線相当断面図である。 実施形態２の燃料電池セルを示す図５のＦ−Ｆ線相当断面図である。 実施形態３の燃料電池セルを示す図５のＦ−Ｆ線相当断面図である。 実施形態４の一つの燃料電池セルを示す図５のＥ−Ｅ線相当断面図である。 実施形態４の一つの燃料電池セルの分解パーツを絞った分解縦断面図である。 実施形態４の他の燃料電池セルを示す縦断面図である。 実施形態４の他の燃料電池セルを示す分解縦断面図である。 実施形態５の燃料電池装置を説明するフローチャートである。 試作セル１〜３についての実験結果を示すグラフである。 試作セル１〜３についての実験結果を示すグラフである。

現在、燃料電池には電解質の材質により大別して、高分子電解質膜を電解質とする固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）と、リン酸を電解質とするリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）と、Ｌｉ−Ｎａ／Ｋ系炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）と、例えばＺｒＯ_２系セラミックを電解質とする固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の４タイプがある。各タイプは、作動温度（イオンが電解質中を移動できる温度）が異なるのであって、現時点において、ＰＥＦＣは常温〜約９０℃、ＰＡＦＣは約１５０℃〜２００℃、ＭＣＦＣは約６５０℃〜７００℃、ＳＯＦＣは約７５０℃〜１０００℃である。

[実施形態１]
図１〜図８に示した実施形態１の燃料電池１は、例えばＺｒＯ_２系セラミックを電解質２とするＳＯＦＣである。この燃料電池１は、発電の最小単位である燃料電池セル３と、該燃料電池セル３に空気を供給する空気供給流路４と、その空気を外部に排出する空気排気流路５と、同じく燃料電池セル３に燃料ガスを供給する燃料供給流路６と、その燃料ガスを外部に排出する燃料排気流路７と、該燃料電池セル３を複数セット積層してセル群となし該セル群を固定して燃料電池スタック８となす固定部材９と、燃料電池スタック８を納める容器１０と、燃料電池スタック８で発電した電気を出力する出力部材１１と、から概略構成される。

［燃料電池セル］
燃料電池セル３は平面視正方形であり、図３に示したように上下両面に位置する一対のインターコネクタ１２，１３と、上下のインターコネクタ１２，１３のほぼ中間に位置すると共に上のインターコネクタ１２の内面（下面）に対向する面に空気極１４を形成し下のインターコネクタ１３の内面（上面）に対向する面に燃料極１５を形成した電解質２と、上のインターコネクタ１２と空気極１４との間に形成された空気室１６と、下のインターコネクタ１３と燃料極１５との間に形成された燃料室１７と、空気室１６の内部に配置され空気極１４と上のインターコネクタ１２とを電気的に接続する空気極集電体１８と、前記燃料室１７の内部に配置され燃料極１５と下のインターコネクタ１３とを電気的に接続する燃料極集電体１９と、を有し、正方形のコーナー部分に前記固定部材９の後述する締付ボルト４６ａ〜４６ｄを通すコーナー通孔２０，２０…を貫通状態に形成したものである。

この燃料電池セル３をさらに詳しく図３，図４により説明すると、燃料電池セル３は、四角い板形態で導電性を有する上のインターコネクタ１２と、同じく四角い板形態で導電性を有する下のインターコネクタ１３と、該下のインターコネクタ１３の上面中央に複数本を間隔をおいて平行に並べて配置した燃料極集電体１９と、下のインターコネクタ１３の上面に設置され前記燃料極集電体１９の周りを四角く囲って燃料室１７を形成する四角い額縁形態の燃料極ガス流路形成用絶縁フレーム（以下、「燃料極絶縁フレーム」ともいう。）２１と、四角い額縁形態で前記燃料極絶縁フレーム２１の上面に設置される燃料極フレーム２２と、四角い板形態で前記燃料極フレーム２２の内部にあって前記燃料極集電体１９の上面に燃料極１５を介して接する電解質２と、四角い額縁形態であって導電性を有し下面に前記電解質２を取着した薄い金属製のセパレータ２３と、前記電解質２の上面の空気極１４と前記上のインターコネクタ１２の下面（内面）に当接する状態にして複数本を間隔をおいて平行に並べて配置した空気極集電体１８と、前記セパレータ２３と上のインターコネクタ１２の間に設置され前記空気極集電体１８の周りを四角く囲って空気室１６を形成する四角い額縁形態の空気極ガス流路形成用絶縁フレーム（以下、「空気極絶縁フレーム」ともいう。）２４と、から構成される。

なお、前記電解質２は、ＺｒＯ_２系セラミックの他、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系セラミック等で形成される。

また、前記燃料極１５の材質は、Ｎｉ及びＦｅ等の金属と、Ｓｃ、Ｙ等の希土類元素のうちの少なくとも１種により安定化されたジルコニア等のＺｒＯ_２系セラミック、ＣｅＯ_２系セラミック等のセラミックのうちの少なくとも１種との混合物が挙げられる。また、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｂ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ及びＦｅ等の金属でもよく、これらの金属は１種のみでもよいし、２種以上の合金にしてもよい。さらに、これらの金属及び／又は合金と、上記セラミックの各々の少なくとも１種との混合物（サーメットを含む。）が挙げられる。また、Ｎｉ及びＦｅ等の金属の酸化物と、上記セラミックの各々の少なくとも１種との混合物等が挙げられる。

また、前記空気極１４の材質は、例えば各種の金属、金属の酸化物、金属の複酸化物等を用いることができる。金属としてはＰt、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｂ、Ｉｒ、Ｒｕ及びＲｈ等の金属又は２種以上の金属を含有する合金が挙げられる。さらに、金属の酸化物としては、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ及びＦｅ等の酸化物（Ｌａ_２Ｏ_３、ＳｒＯ、Ｃｅ_２Ｏ_３、Ｃｏ_２Ｏ_３、ＭｎＯ_２及びＦｅＯ等）が挙げられる。また、複酸化物としては、少なくともＬａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＭｎ等を含有する複酸化物（Ｌａ_１−ＸＳｒ_ＸＣｏＯ_３系複酸化物、Ｌａ_１−ＸＳｒ_ＸＦｅＯ_３系複酸化物、Ｌａ_１−ＸＳｒ_ＸＣｏ_１−ｙＦｅＯ_３系複酸化物、Ｌａ_１−ＸＳｒ_ＸＭｎＯ_３系複酸化物、Ｐｒ_１−ＸＢａ_ＸＣｏＯ_３系複酸化物及びＳｍ_１−ＸＳｒ_ＸＣｏＯ_３系複酸化物等）が挙げられる。

また、前記空気極集電体１８は、緻密な導電部材である例えばステンレス材で形成され、一方、前記燃料極集電体１９は、発泡構造で変形可能な多孔質金属材で形成される。

以上のように燃料電池セル３は、下のインターコネクタ１３と、燃料極絶縁フレーム２１と、燃料極フレーム２２と、セパレータ２３と、空気極絶縁フレーム２４と、上のインターコネクタ１２との組合せによって燃料室１７と空気室１６を形成し、その燃料室１７と空気室１６を電解質２で仕切って相互に独立させ、さらに、燃料極絶縁フレーム２１と空気極絶縁フレーム２４で燃料極１５側と空気極１４側を電気的に絶縁している。

また、燃料電池セル３は、前記空気室１６の内部に空気を供給する前記空気供給流路４を含む空気供給部２５と、空気室１６から空気を外部に排出する空気排気流路５を含む空気排気部２６と、燃料室１７の内部に燃料ガスを供給する燃料供給流路６を含む燃料供給部２７と、燃料室１７から排出される燃料排気流路７を含む燃料排気部２８と、を備えている。

［空気供給部］
空気供給部２５は、四角い燃料電池セル３の一辺側中央に上下方向に開設した空気供給通孔２９と、該空気供給通孔２９に連通するように空気極絶縁フレーム２４に開設した長孔状の空気供給連絡室３０と、該空気供給連絡室３０と空気室１６の間を仕切る隔壁３１の上面を複数個等間隔に窪ませて形成した空気供給連絡部３２と、前記空気供給通孔２９に挿通して外部から前記空気供給連絡室３０に空気を供給する前記空気供給流路４と、を備えている。

［空気排気部］
空気排気部２６は、燃料電池セル３の空気供給部２５の反対側の一辺側中央に上下方向に開設した空気排気通孔３３と、該空気排気通孔３３に連通するように空気極絶縁フレーム２４に開設した長孔状の空気排気連絡室３４と、該空気排気連絡室３４と空気室１６の間を仕切る隔壁３５の上面を複数個等間隔に窪ませて形成した空気排気連絡部３６と、前記空気排気通孔３３に挿通して空気排気連絡室３４から外部に空気を排出する管状の前記空気排気流路５と、を備えている。

［燃料供給部］
燃料供給部２７は、四角い燃料電池セル３の残り二辺のうちの一辺側中央に上下方向に開設した燃料供給通孔３７と、該燃料供給通孔３７に連通するように燃料極絶縁フレーム２１に開設した長孔状の燃料供給連絡室３８と、該燃料供給連絡室３８と燃料室１７の間を仕切る隔壁３９の上面を複数個等間隔に窪ませて形成した燃料供給連絡部４０と、前記燃料供給通孔３７に挿通して外部から前記燃料供給連絡室３８に燃料ガスを供給する管状の前記燃料供給流路６と、を備えている。

［燃料排気部］
燃料排気部２８は、燃料電池セル３の燃料供給部２７の反対側の一辺側中央に上下方向に開設した燃料排気通孔４１と、該燃料排気通孔４１に連通するように燃料極絶縁フレーム２１に開設した長孔状の燃料排気連絡室４２と、該空気排気連絡室３４と燃料室１７の間を仕切る隔壁４３の上面を複数個等間隔に窪ませて形成した燃料排気連絡部４４と、前記燃料排気通孔４１に挿通して燃料排気連絡室４２から外部に燃料ガスを排出する管状の前記燃料排気流路７と、を備えている。

［燃料電池スタック］
燃料電池スタック８は、前記燃料電池セル３を複数セット積層してセル群となし、該セル群を固定部材９で固定して構成される。この固定部材９は、セル群の上下を挟む一対のエンドプレート４５ａ，４５ｂと、該エンドプレート４５ａ，４５ｂとセル群をエンドプレート４５ａ，４５ｂのコーナー孔（図示せず）とセル群の前記コーナー通孔２０に挿通して締め付ける四組の締付ねじ４６ａ〜４６ｄとナット４７ａ〜４７ｄと、を組み合わせたものである。

この燃料電池スタック８に対し前記空気供給流路４は、エンドプレート４５ａ，４５ｂの通孔（図示せず）とセル群の前記空気供給通孔２９を上下に貫く状態にして取り付けられており、管状流路の端部を閉じ前記空気供給連絡室３０毎に対応させて図７に示したように横孔４８を設けることにより、該横孔４８を介して空気供給連絡室３０に空気が供給されるようになっている。
同様に空気排気流路５は空気排気連絡室３４毎に対応させた横孔４９から空気を取り込んで外部に排出し、燃料供給流路６は図８に示したように燃料供給連絡室３８毎に対応させた横孔５０から燃料ガスを供給し、燃料排気流路７は燃料排気連絡室４２毎に対応させた横孔５１から燃料ガスを取り込んで外部に排出する。

［容器］
燃料電池スタック８を収める容器１０は、耐熱且つ密閉構造であって、開口部にフランジ５２ａ，５２ｂを有する二個の半割体５３ａ，５３ｂを向かい合わせにして接合したものである。この容器１０の頂部から前記固定部材９の締付ねじ４６ａ〜４６ｄが外部に突出しており、この締付ねじ４６ａ〜４６ｄの突出部分にナット５４を螺合させて燃料電池スタック８を容器１０内に固定する。また、容器１０の頂部から前記空気供給流路４、空気排気流路５、燃料供給流路６、燃料排気流路７も外部に突出しており、その突出部分に空気や燃料ガスの供給源等が接続されている。

［出力部材］
燃料電池スタック８で発電した電気を出力する出力部材１１は、燃料電池スタック８のコーナー部分に位置する前記固定部材９の締付ねじ４６ａ〜４６ｄと前記エンドプレート４５ａ，４５ｂであって、対角線上で向かい合う一対の締付ねじ４６ａ，４６ｃを正極である上のエンドプレート４５ａに電気的に接続し、また、他の一対の締付ねじ４６ｂ，４６ｄを負極である下のエンドプレート４５ｂに電気的に接続する。もちろん正極に接続した締付ねじ４６ａ，４６ｄや負極に接続した締付ねじ４６ｂ，４６ｃは、他極のエンドプレート４５ａ（４５ｂ）に対しては絶縁座金５５（図１参照）を介在させ、また、燃料電池スタック８に対してはコーナー通孔２０との間に隙間を設けるなどして絶縁されている。よって、固定部材９の締付ねじ４６ａ，４６ｃは、上のエンドプレート４５ａにつながった正極の出力端子としても機能し、また、他の締付ねじ４６ｂ，４６ｄは、下のエンドプレート４５ｂにつながった負極の出力端子としても機能する。

［発電］
上記燃料電池１の空気供給流路４に空気を供給すると、その空気は、図７の右側から左側に流れて、右側の空気供給流路４と、空気供給連絡室３０と、空気供給連絡部３２とからなる空気供給部２５を通って空気室１６に供給され、この空気室１６の空気極集電体１８同士の間のガス流路５６を通り抜け、さらに空気排気連絡部３６と、空気排気連絡室３４と、空気排気流路５とからなる空気排気部２６を通って外部に排出される。

同時に燃料電池１の燃料供給流路６に燃料ガスとして例えば水素を供給すると、その燃料ガスは、図８の上側から下側に流れて、上側の燃料供給流路６と、燃料供給連絡室３８と、燃料供給連絡部４０とからなる燃料供給部２７を通って燃料室１７に供給され、この燃料室１７の燃料極集電体１９同士の間のガス流路５７を通り抜け、さらに燃料排気連絡部４４と、燃料排気連絡室４２と、燃料排気流路７とからなる燃料排気部２８を通って外部に排気される。

以上のような空気と燃料ガスの供給・排気を、前記容器１０内を作動温度に高めた状態で行うと、それらが空気極１４と電解質２と燃料極１５を介して反応を起こすため、空気極１４を正極、燃料極１５を負極とする直流の電気エネルギが発生する。前記のように燃料電池スタック８は複数の燃料電池セル３を積層して直列に接続した状態であるから、上のエンドプレート４５ａが正極で、下のエンドプレート４５ｂが負極になる。なお、燃料電池セル３内で電気エネルギが発生する原理は周知であるため説明を省略する。

さて、本発明の燃料電池セル３は、前記燃料室１７内のガスの圧力を前記空気室１６内のガスの圧力と同等か又はそれより大きく設定したものである。
そのため実施形態１の燃料電池セル３は、図７に示したように、空気供給部２５の流路中、空気室１６に直接接続された空気供給連絡部３２の断面積（窪んだ通路部分。以下同じ。）が、空気排気部２６の流路中、空気室１６に直接接続された空気排気連絡部３６の断面積よりも小さくなるように設定されている。これにより空気室１６内における空気の流速が減少し、Fanningの式により知られているようにガスの流速の２乗に比例して圧力損失が減少するため、空気室１６内のガスの圧力が減少する。
一方、図８に示したように、燃料電池セル３の燃料供給連絡部４０の断面積と燃料排気連絡部４４の断面積は従来型から変更なく同一であるため、燃料室１７のガスの圧力も従来と同程度である。
したがって、空気室１６に直接接続された空気供給連絡部３２と空気排気連絡部３６の断面積の差を調整して空気室１６内のガスの圧力を下げることにより、相対的に燃料室１７内のガスの圧力を空気室１６内のガスの圧力と同等か又はそれより大きくすることができる。

以上のようにして燃料室１７内のガスの圧力を空気室１６内のガスの圧力と同等に設定することにより、電解質２が空気極集電体１８と燃料極集電体１９のいずれの側にも変位しないため、電解質２と両集電体１８，１９の電気接点が良好に保たれる。
また、燃料室１７内のガスの圧力を空気室１６内のガスの圧力より大きく設定した場合、その圧力差で電解質２が空気極集電体１８側に押されるが、空気極集電体１８は、例えばステンレス材のような緻密で変形しにくい導電材でできているため、電解質２は変位しない。よって電解質２と両集電体１８，１９の電気接点が良好に保たれる。

［実施形態２］
実施形態１の燃料電池セル３は、空気室１６内のガスの圧力を調整したものであるのに対し、実施形態２の燃料電池セル３は、燃料室１７内のガスの圧力を調整するものである。

そのため実施形態２の燃料電池セル３は、図１０に示したように、燃料供給部２７の流路中、燃料室１７に直接接続された燃料供給連絡部４０の断面積が、燃料排気部２８の流路中、燃料室１７に直接接続された燃料排気連絡部４４の断面積よりも大きくなるように設定されている。これにより燃料排気連絡部４４を通る燃料ガスの流速が増加し、Fanningの式により知られているようにガスの流速の２乗に比例して圧力損失が増加するため、燃料室１７内のガスの圧力が増加する。
一方、図９に示したように、燃料電池セル３の空気供給連絡部３２の断面積と空気排気連絡部３６の断面積は同一で従来と変わらないため、空気室１６のガスの圧力も従来と同じである。
したがって、燃料室１７に直接接続された燃料供給連絡部４０と燃料排気連絡部４４の断面積の差を調整して燃料室１７内のガスの圧力を上げることにより、燃料室１７内のガスの圧力を空気室１６内のガスの圧力と同等か又はそれより大きくすることができ、これにより実施形態１と同様の作用・効果を得ることができる。

［実施形態３］
実施形態３は、図１１の拡大図に示したように、燃料供給部２７の流路中、燃料供給連絡部４０に接続された燃料供給流路６の断面積（管径Ｄ１）が、燃料排気部２８の流路中、燃料排気連絡部４４に接続された燃料排気流路７の断面積（管径Ｄ）よりも大きくなるように設定したものである。具体的には、燃料供給流路６の管径Ｄ１を標準的な１６ｍｍに設定し、燃料排気流路７の管径Ｄを前記管径Ｄ１より小さい３ｍｍ≦Ｄ＜１６ｍｍに設定することが挙げられる。この場合、燃料排気流路７が圧損手段になって圧力損失を生じさせるから確実に燃料室１７のガスの圧力を高めることができる。よって、実施形態３の燃料電池セル３も実施形態２と同様の作用・効果を得ることができる。
なお、本実施形態３において燃料供給連絡部４０の断面積と燃料排気連絡部４４の断面積は図１１に示したように同一であり、また、空気供給連絡部３２の断面積と空気排気連絡部３６の断面積も燃料供給連絡部４０の断面積と同一である。

この実施形態３の前記圧損手段は、燃料排気流路７の管径Ｄを細くすることなく、該燃料排気流路７の途中に後述する流量調節弁５８（図１６参照。）を設けて該流量調節弁５８で実質的に管径Ｄを絞ったのと同等の効果が得られるようにしてもよい。なお、この点については実施形態５で詳述する。

［実施形態４］
実施形態４の燃料電池セル３は、図１２〜図１５に示したように、空気室１６の内部に配置された複数の空気極集電体１８に対し、空気極集電体１８同士の間に形成されるガス流路５６のガスの流れ方向と直交する方向の断面積を大きくして空気の流速を減少させ、そうして実施形態１と同じく空気室１６内のガスの圧力を下げ、実施形態１と同じ効果が得られるようにしたものである。

図１２，図１３の燃料電池セル３は、空気極集電体１８の本数を減らして間隔Ｂを広くし、そうしてガス流路５６の断面積を大きくしたものであり、具体的には、空気室１６の幅Ａとガス流路５６の幅Ｂの比が、従来Ｂ／Ａ＝０.０１５であるものを０.０１５＜Ｂ／Ａ≦０.１に設定することが挙げられる。そうすることで空気室１６内のガスの圧力は従来との比較において確実に低下させることができる。なお、前記Ｂ／Ａの値を０.１より大きくすると、空気極１４及びインターコネクタ１２との接触面積が減少して集電率が低下するおそれがあるため好ましくない。

一方、図１４，図１５の燃料電池セル３は、空気極１４の本数を従来のまま維持すると共に（これにより高い集電率が維持できる。）、空気極集電体１８の高さＣを高くすることによってガス流路５６の断面積を大きくしたものであり、具体的には空気極集電体１８の高さＣを０.６ｍｍ＜Ｃ≦５ｍｍに設定するとよい。従来の燃料電池セル３は、図６に符合Ｃ１で示した空気極集電体１８の高さが０.６ｍｍであるから、それより高くすることで空気室１６内のガスの圧力を従来との比較において確実に低下させることができる。なお、空気極集電体１８の高さＣを５ｍｍより大きくすると、燃料電池セル３の高さが増して燃料電池スタック８の高さが大きくなりすぎるため好ましくない。

［実施形態１〜４の組み合わせ］
実施形態１〜４は、それぞれ単独で実施可能であるが、これらを適宜組み合わせるようにしてもよい。例えば、空気供給部２５と空気排気部２６に係る実施形態１及び／又は４と、燃料供給部２７と燃料排気部２８に係る実施形態２及び／又は燃料供給流路６と燃料排気流路７に係る実施形態３の組合せが考えられる。そうすることにより空気室１６のガスの圧力の低下と、燃料室１７のガスの圧力の上昇が相乗的に作用して広い範囲での圧力調整が可能になる。

［実施形態５］
図１６は、長時間の安定的な発電を可能にした燃料電池装置を示したものである。この燃料電池装置は、燃料電池セル３を複数個積層して固定部材９で固定した燃料電池スタック８を使用し、前記実施形態３で説明したように圧損手段として燃料排気流路７の途中に流量調節弁５８（図１６参照。）を設けてなる。そしてさらにこの燃料電池装置は、前記流量調節弁５８の流量を調節する流量調節手段と、前記燃料供給流路６のガス圧を検出する圧力センサ（Pa_in）と、前記燃料排気流路７のガス圧を検出する圧力センサ（Pa_out）と、前記空気供給流路４のガス圧を検出する圧力センサ（Pc_in）と、前記空気排気流路５のガス圧を検出する圧力センサ（Pc_out）と、燃料供給流路６と燃料排気流路７の燃料側圧力差と、空気供給流路４と空気排気流路５の空気側圧力差を算出して比較する比較手段を備えている。

以上のように構成される燃料電池装置は、図１６に示したフローチャートのように、発電時に前記圧力センサ（Pa_in），（Pa_out）で燃料供給流路６のガス圧と燃料排気流路７のガス圧を計測し（ステップＳ１）、また、圧力センサ（Pc_in），（Pc_out）で空気供給流路４のガス圧と空気排気流路５のガス圧を計測し（ステップＳ２）、そうして燃料側圧力差（（Pa_in）−（Pa_out））と空気側圧力差（（Pc_in）−（Pc_out））を算出して比較手段で比較し（ステップＳ３）、ここで燃料側圧力差が前記空気側圧力差と同等か又はそれより大きければ正常と判断してステップＳ１に戻る。一方、ステップＳ３で燃料側圧力差が空気側圧力差より小さければ異常と判断し、流量調節弁５８を絞って燃料室１７の圧力を上昇させ（ステップＳ４）、燃料側圧力差が空気側圧力差と同等か又はそれより大きくなるように制御してステップＳ１に戻る。
なお、実施形態５で使用する燃料電池セル３は、実施形態１〜４で説明した燃料電池セル３か或は実施形態１〜４の燃料電池セルを適宜組み合わせたものでよい。

本発明の効果を確認するため、空気室１６と燃料室１７の図１３中寸法Ａに相当する幅１００ｍｍ、図１３中寸法Ｂに相当する空気極集電体１８同士の間のガス流路５６の幅１.５ｍｍ、空気供給連絡部３２、空気排気連絡部３６、燃料供給連絡部４０、燃料排気連絡部４４の窪みの１つ分の幅１.７ｍｍ、燃料供給流路６と燃料排気流路７の管径が１６ｍｍである従来型の燃料電池セル（以下、従来セルともいう。）をベースにして、以下の燃料電池セル（以下、試作セルともいう。）１〜３を製造した。
［試作セル１］
空気排気連絡部３６の幅を大きくする実施形態１と、燃料排気連絡部４４の幅Ｂを小さくする実施形態２を組み合わせたもので、空気供給連絡部３２の幅＝１.７ｍｍ、空気排気連絡部３６の幅＝３.５ｍｍ、燃料供給連絡部４０の幅＝１.７ｍｍ、燃料排気連絡部４４の幅＝０.３ｍｍに設定した。それ以外は従来セルと同じである。
［試作セル２］
実施形態４（前者）に対応するもので、空気室１６の幅Ａと、空気極集電体１８同士の間のガス流路５６の幅Ｂとの比を、Ｂ／Ａ＝０.０６５に設定した。それ以外は従来セルと同じである。
［試作セル３］
実施形態３に対応するもので、燃料排気流路７の管径５ｍｍに設定した。それ以外は従来セルと同じである。
以上の試作セル１〜３と従来セルを温度７００℃、０．７５Ａ／ｃｍ２の条件で３０００時間連続作動させ、５００時間ごとにセル電圧と内部抵抗を測定した。
その結果を図１７と図１８のグラフに示す。この耐久試験により試作セル１〜３の十分な耐久性が確認できた。

１ …燃料電池
２ …電解質
３ …燃料電池セル
４ …空気供給流路
５ …空気排気流路
６ …燃料供給流路
７ …燃料排気流路
９ …固定部材
１２，１３…インターコネクタ
１４…空気極
１５…燃料極
１６…空気室
１７…燃料室
１８…空気極集電体
１９…燃料極集電体
２５…空気供給部
２６…空気排気部
２７…燃料供給部
２８…燃料排気部
５６…ガス流路
５８…流量調節弁（圧損手段）
Ａ …空気室１６の幅
Ｂ …ガス流路５６の幅
Ｃ …空気極集電体１８の高さ
Ｄ …燃料排気流路７の管径
Pa_in …圧力センサ
Pa_out …圧力センサ
Pc_in …圧力センサ
Pc_out …圧力センサ

Claims (12)

1. 上下両面に位置する一対のインターコネクタと、
   前記インターコネクタ間に位置し、一方のインターコネクタの内面に対向する面に空気極が形成され、他方のインターコネクタの内面に対向する面に燃料極が形成された電解質と、
   前記インターコネクタと前記空気極の間に形成された空気室と、
   前記インターコネクタと前記燃料極の間に形成された燃料室と、
   前記空気室の内部に配置され、前記空気極と前記インターコネクタとを電気的に接続する空気極集電体と、
   前記燃料室の内部に配置され、前記燃料極と前記インターコネクタとを電気的に接続する燃料極集電体と、
   前記空気室の内部に供給されるガスが通過する空気供給流路を含む空気供給部と、
   前記空気室から排出されるガスが通過する空気排気流路を含む空気排気部と、
   前記燃料室の内部に供給される燃料ガスが通過する燃料供給流路を含む燃料供給部と、
   前記燃料室から排出される燃料ガスが通過する燃料排気流路を含む燃料排気部と、を備えた燃料電池セルにおいて、
   前記燃料室内のガスの圧力を前記空気室内のガスの圧力と同等か又はそれより大きく設定したことを特徴とする燃料電池セル。
2. 前記空気室のガスの圧力を、前記空気室に直接接続された空気供給部の流路の断面積が、前記空気室に直接接続された空気排気部の流路の断面積よりも小さくなるように設定して前記燃料室内のガスの圧力と同等か又はそれよ小さくしたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池セル。
3. 前記燃料室のガスの圧力を、前記燃料室に直接接続された燃料供給部の流路の断面積が、前記燃料室に直接接続された燃料排気部の流路の断面積よりも大きくなるように設定して前記空気室内のガスの圧力と同等か又はそれより大きくしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セル。
4. 前記空気極集電体は前記空気室の内部に間隔をおいて複数配置され、
   前記空気室のガスの圧力を、前記空気極集電体間に形成されるガス流路に流れるガスの流れ方向と直交する方向の前記ガス流路の断面積を調整することにより設定したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
5. 空気の流れ方向と直交する方向の前記空気室の幅Ａと、平行に並べた前記空気極集電体間に形成されるガス流路の幅Ｂを、０.０１５＜Ｂ／Ａ≦０.１に設定したことを特徴とする請求項４記載の燃料電池セル。
6. 前記空気極集電体の高さＣを、０.６ｍｍ＜Ｃ≦５ｍｍに設定したことを特徴とする請求項４記載の燃料電池セル。
7. 前記燃料室のガスの圧力を、前記燃料排気部を構成する燃料排気流路に圧力損失を生じさせる圧損手段を設けて調整するように設定したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池セル。
8. 前記圧損手段は、前記燃料供給部の燃料供給流路の断面積より小さい断面積の前記燃料排気部の燃料排気流路であることを特徴とする請求項７記載の燃料電池セル。
9. 請求項８に記載の燃料排気部の燃料排気流路は管状であり、管径Ｄが、３ｍｍ≦Ｄ＜１６ｍｍであることを特徴とする燃料電池セル。
10. 前記圧損手段は、前記燃料排気部の燃料排気流路の途中に設けた流量調節弁であることを特徴とする請求項７記載の燃料電池セル。
11. 請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池セルを複数個積層して固定部材で固定してなることを特徴とする燃料電池スタック。
12. 請求項１０に記載の燃料電池セルを複数個積層して固定部材で固定した燃料電池スタックと、
    前記燃料排気部の燃料排気流路の途中に設けた前記流量調節弁を調節する流量調節手段と、
    前記燃料供給部に燃料ガスを供給する燃料供給流路のガス圧を検出する圧力センサ（Pa_in）と、
    前記燃料排気部から燃料ガスを排出する燃料排気流路のガス圧を検出する圧力センサ（Pa_out）と、
    前記空気供給部に空気を供給する空気供給流路のガス圧を検出する圧力センサ（Pc_in）と、
    前記空気排気部から空気を排出する空気排気流路のガス圧を検出する圧力センサ（Pc_out）と、
    前記燃料供給流路と前記燃料排気流路の燃料側圧力差と、前記空気供給流路と前記空気排気流路の空気側圧力差を比較する比較手段を備え、
    前記流量調節手段で流量調節弁を調節して前記燃料側圧力差が前記空気側圧力差と同等か又はそれより大きくなるように制御するものであることを特徴とする燃料電池装置。

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