JP5835991B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、板状のセル本体と、枠体状のフレームと、燃料ガス流路と酸化剤ガス流路とを隔離する隔離セパレータとを備えた燃料電池に関するものである。

従来から、固体電解質層の両側に燃料極層と空気極層とを配置した板状のセル本体と、燃料極層に供給される燃料ガスの流路と空気極層に供給される酸化剤ガス（空気）の流路とを隔離する隔離セパレータとを備えた燃料電池が知られている。このような燃料電池においては、例えば、薄い金属板からなる隔離セパレータに開口部を形成し、セル本体の表面の周縁部を隔離セパレータの内周側に接合するとともにセル本体の側面を枠体状のフレームで取り囲む構造が採用される。そして、燃料ガス及び空気のそれぞれの流路構造をフレームに形成することで、外部から導入した燃料ガス及び空気をフレームの流路構造を経由してセル本体の燃料極層と空気極層のそれぞれに供給することができる。上記従来の燃料電池においては、平坦な断面形状を有する隔離セパレータを用いる構造が一般的であるが、燃料電池の強度の確保や電気的性能の向上など多様な目的から、湾曲形状等の非平坦な断面形状を有する隔離セパレータを用いる構造も提案されている（例えば、特許文献１〜５参照）。

特開２００５−２０３２８３号公報 特開２００６−３３１９４４号公報 国際公開第２００９／０５９５７９号パンフレット 特開２００５−３２２４５１号公報 特開平１１−２６００７号公報

上記従来の燃料電池において、隔離セパレータに接合されたセル本体の近辺の構造に着目すると、隔離セパレータに接合されたセル本体の側面とフレームの内周側面との間には空間が存在する。例えば、セル本体が燃料極層によって支持される構造を想定すると、フレームの一端に燃料ガス流路の供給口部が設けられ、この燃料ガス流路を流れる燃料ガスが供給口部から燃料極層に供給されることになる。この場合、セル本体にはある程度の厚みがあるので、燃料ガス流路の供給口部の位置が隔離セパレータに近接していると、供給口部から排出される燃料ガスの流れに対してセル本体の側面が障壁となるので、燃料極層の表面に対して供給される燃料ガスの流れを妨げて、発電に寄与する燃料ガスの量が減少するという第１の問題がある。また、隔離セパレータから下方の位置に供給口部を設けたとしても、その近傍に上記空間があるので、供給口部から排出される燃料ガスが上記空間内に滞留して燃料極層の表面に対して燃料ガスを円滑に供給できなくなり、発電に寄与する燃料ガスの量が不安定になるという第２の問題がある。一方、湾曲形状等の非平坦な断面形状を有する隔離セパレータを用いたとしても、特許文献１〜５に開示された構造から明らかなように、セル本体の側面とフレームの内周側面との間の上記空間の体積が大きいために燃料ガスの滞留は避けられず、第１の問題は解消されない。また、燃料ガスの供給口部の位置に応じてセル本体の側面が障壁となる構造は同様であり、これにより燃料ガスの流れが妨げられるので、第２の問題も解消されない。かかる問題は、燃料ガスを酸化剤ガスに置き換えても同様である。このように、上記従来の構造の隔離セパレータを備えた燃料電池においては、ガス流路からセル本体への安定的なガス供給を実現するための構造が十分に確立されていない。

本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、セル本体及びフレームとの配置に応じて隔離セパレータの断面形状を最適化し、セル本体に対する安定的なガス供給を実現することで、発電効率の向上と信頼性の確保が可能な燃料電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池は、少なくとも、燃料ガスに接する燃料極層と、酸化剤ガスに接する空気極層と、一方の面側に前記燃料極層が配置され他方の面側に前記空気極層が配置された板状の固体電解質層とが積層された板状のセル本体と、前記セル本体（前記燃料極層又は前記空気極層）の側面を取り囲む枠体状のフレームと、内周側が前記セル本体の第１の表面の周縁部に接合されるとともに、外周側が前記第１の表面と積層方向で同一側にある前記フレームの一方の表面に配置され、前記燃料ガスを前記燃料極層に導く燃料ガス流路と前記酸化剤ガスを前記空気極層に導く酸化剤ガス流路とを隔離する隔離セパレータと、を備えた燃料電池において、前記隔離セパレータには、前記セル本体の側面と前記フレームの内周側面との間で前記セル本体の前記第１の表面と対向する第２の表面の側に突出した断面形状を有する突出部が形成され、前記セル本体の側面と、前記フレームの前記内周側面と、前記突出部と、前記セル本体の前記第２の表面を前記突出部に対向する領域に延長したときの第１仮想平面とによって囲まれる滞留空間は、前記セル本体の側面と、前記フレームの前記内周側面と、前記隔離セパレータの前記内周側のうちの前記突出部の側の端部と前記隔離セパレータの前記外周側のうちの前記突出部の側の端部とを平面で結んだときの第２仮想平面と、前記第１仮想平面とによって囲まれる仮想空間の体積の略半分以下の体積を有し、前記フレームは、積層された複数のフレーム単層からなり、かつ、２以上の前記フレーム単層が前記セル本体の前記燃料極層の側面を取り囲むように配置されていることを特徴としている。

本発明の燃料電池によれば、隔離セパレータは、内周側がセル本体の第１の表面の周縁部に接合され、外周側が枠体状のフレームの表面に配置された状態で、セル本体の側面とフレームの内周側面との間で、セル本体の第２の表面の側に突出した断面形状を有する突出部が形成されている。そして、上下の第１仮想平面及び第２仮想平面と、セル本体の側面及びフレームの内周側面とによって規定される仮想空間に対し、この仮想空間の第２仮想平面を隔離セパレータの突出部で置き換えた滞留空間の体積（Ｖａ）は、仮想空間の体積（Ｖ１）の略半分以下に設定される（Ｖａ＜（Ｖ１／２））。よって、滞留空間においてガス流路から供給されるガスが滞留する体積が抑制されるので、その分だけセル本体の第２の表面（燃料極層又は空気極層）に効率的にガスを供給して、発電反応に寄与するガスの量を安定化することができる。

本発明において、前記フレームの内周側に、前記燃料極層（前記空気極層）に前記燃料ガス（前記酸化剤ガス）を供給する前記燃料ガス流路（前記酸化剤ガス流路）の供給口部を形成してもよい。この場合、前記突出部の前記断面形状において、前記突出部の突出した先端部分と前記セル本体の側面との面方向の距離（Ｘ１）を、前記先端部分と前記フレームの前記内周側面との面方向の距離（Ｘ２）よりも短く設定し（Ｘ１＜Ｘ２）、かつ、前記先端部分と前記第１仮想平面との積層方向の距離（Ｙ１）を、前記供給口部と前記第１仮想平面との積層方向の距離（Ｙ２）よりも短く設定する（Ｙ１＜Ｙ２）ことが望ましい。これにより、隔離セパレータの付近の断面構造において、供給口部から排出されるガスは、突出部によってセル本体の第２の表面の側に流れるようになり、セル本体の側面が障壁となることを防止し、発電反応に寄与する十分なガスの量を確保することができる。

本発明において、前記突出部の前記断面形状が、前記セル本体の前記第２の表面における外周端部と前記供給口部とを結ぶ仮想直線と部分的に重なるようにしてもよい。これにより、隔離セパレータの付近の断面構造において、供給口部から排出される燃料ガスがセル本体の第２の表面に向かって流れる経路の上方を突出部が遮ることになるので、燃料ガスに対してセル本体の側面が障壁となることを防止し、発電反応に寄与する十分なガスの量を確保することができる。

前記隔離セパレータは、外周側を前記フレームの一方の表面に配置する場合に限られず、外周側の前記フレームの一方の表面に対向する他方の表面に配置してもよい。これにより、隔離セパレータの外周側の領域が突出部の先端部分に近い高さになり、滞留空間を縮小するための適した構造を実現することができる。

前記フレームは、１つのフレームから構成する場合に限らず、複数のフレーム単層を積層して構成してもよい。この場合、枠体状のフレームにおける２以上の前記フレーム単層を、前記セル本体（前記燃料極層又前記空気極層）の側面を取り囲むように配置することが望ましい。複数のフレーム単層には、例えば、絶縁材料からなり、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスをシールするガスシール部材を含めてもよい。なお、ガス流路の供給口部は、枠体状のフレームのうちの所望のフレーム単層に形成可能である。

本発明によれば、隔離セパレータに突出部を設け、ガス流路を経由してセル本体に供給されるガスの流れを最適化して発電反応に寄与するガスの量を安定化することができる。すなわち、セル本体の側面とフレームの内周側面との間の滞留空間の体積を抑制するか、あるいは、突出部の断面形状に基づいてガスが流れるときにセル本体の側面がガス障壁となる事態を防止することができる。このような構造によりセル本体に供給されるガスの量を安定化させ、燃料電池における発電効率の向上と信頼性の確保を図ることができる。

本実施形態の固体酸化物形燃料電池の側面図である。 図１の固体酸化物形燃料電池の上面図である。 １個の単位セルに関し、各構成要素を分解した状態の模式的な断面構造図である。 単位セル内のインターコネクタの平面構造図である。 単位セル内の金属フレームの平面構造図である。 単位セル内の隔離セパレータの平面構造図である。 単位セル内のセル本体の平面構造図である。 単位セル内のガスシール部材の平面構造図である。 本実施形態の単位セルにおける断面構造の第１の構造例を示す図である。 第１の構造例における条件及び効果について説明する断面構造図である。 本実施形態の単位セルにおける断面構造の第２の構造例を示す図である。 第２の構造例における金属フレームの平面構造図である。 第２の構造例におけるガスシール部材の平面構造図である。 第２の構造例における条件及び効果について説明する断面構造図である。 図１４の断面構造図を下方から見たときの模式的な平面図である。 本実施形態の第１の変形例の断面構造図である。 本実施形態の第２の変形例の断面構造図である 本実施形態の第３の変形例の断面構造図である。 本実施形態の第４の変形例の断面構造図である

以下、本発明を適用した燃料電池の一例である固体酸化物形燃料電池の好適な実施形態について具体的に説明する。図１は、本実施形態の固体酸化物形燃料電池１の側面図を示し、図２は、図１の固体酸化物形燃料電池１の上面図を示している。なお、図１は、図２の矢印Ａ方向から見た側面図に対応する。

図１及び図２に示すように、本実施形態の固体酸化物形燃料電池１は、基本的な構成単位である燃料電池セル（以下、単位セルと呼ぶ）３を複数個積層した燃料電池スタック２を備えている。また、燃料電池スタック２は、複数のボルトＢ１〜Ｂ８及び複数のナットによって一体的に固定されている。各ボルトＢ１〜Ｂ８のうち、図２の方形平面内の四隅に位置する４個のボルトＢ１、Ｂ３、Ｂ５、Ｂ７は、燃料電池スタック２を固定する連結部材としてのみ用いられる。一方、各ボルトＢ１〜Ｂ８のうち、図２の方形平面内の四辺に位置する４個のボルトＢ２、Ｂ４、Ｂ６、Ｂ８は、上記連結部材に加えて、積層方向に沿う貫通孔に連通し、それぞれ燃料ガスの流路（燃料ガス流路）又は酸化剤ガスの流路（空気流路）の一部として機能する。具体的には、ボルトＢ２は燃料ガス流路の入口側の燃料ガス導入管Ｆｉｎに連通し、ボルトＢ２の対向位置のボルトＢ６は燃料ガス流路の出口側の燃料ガス排出管Ｆｏｕｔに連通する。また、ボルトＢ４は空気流路の入口側の空気導入管Ａｉｎに連通し、ボルトＢ４の対向位置のボルトＢ８は空気流路の出口側の空気排出管Ａｏｕｔに連通する。

次に、図１の固体酸化物形燃料電池１に含まれる単位セル３の基本構造について説明する。図３は、１個の単位セル３に関し、各構成要素を分解した状態の模式的な断面構造を示している。図３に示す単位セル３は、発電機能を担う板状のセル本体１０を備えている。セル本体１０は、下層側から順に、燃料極層１１と、固体電解質層１２と、空気極層１３とが積層形成されてなる。また、単位セル３は、上下１対のインターコネクタ２０、２１と、下側のインターコネクタ２０と燃料極層１１との間に配置された燃料極側集電体２２と、上側のインターコネクタ２１と空気極層１３との間に配置された空気極側集電体２３と、燃料極層１１の側面を取り囲む金属フレーム２４と、セル本体１０と一体的に接合され、燃料極層１１の側の燃料ガスの流路と空気極層１３の側の空気の流路とを隔離する隔離セパレータ２５と、金属フレーム２４と下側のインターコネクタ２０との間に配置されたガスシール部材２６と、隔離セパレータ２５と上側のインターコネクタ２１との間に配置されたガスシール部材２７とを備えている。なお、金属フレーム２４及びガスシール部材２６、２７は一体的に本発明の枠体状のフレームを構成している。

燃料極層１１は、水素源となる燃料ガスに接触し、単位セル３のアノードとして機能する。図３の例では、燃料極層１１がセル本体１０を支持する支持基体層となるので、機械的強度を確保できる程度の十分な厚みで形成することが望ましい。例えば、燃料極層１１の材料としては、Ｎｉ等の金属粒子とセラミック粒子からなるサーメットを用いることができる。固体電解質層１２は、イオン導電性を有する各種の固体電解質からなる。例えば、固体電解質層１２の材料としては、ＹＳＺ、ＳｃＳＺ、ＳＤＣ、ＧＤＣ、ペロブスカイト系酸化物等を用いることができる。空気極層１３は、酸素源となる空気ガスに接触し、単位セル３のカソードとして機能する。例えば、空気極層１３の材料としては、ペロブスカイト系酸化物、各種貴金属及び貴金属とセラミックとのサーメットを用いることができる。なお、燃料極層１１、固体電解質層１２、空気極層１３は、いずれも方形（例えば、正方形）の平面形状を有する。

以下、単位セル３内の主な構成部材の構造について、図４〜図８を参照して説明する。なお、図４〜図８に示す各部材の平面構造は、いずれも図２と平面内で方向が一致する。まず、下側のインターコネクタ２０は下層に隣接する単位セル３との電気的接続を担い、上側のインターコネクタ２１は上層に隣接する単位セル３との電気的接続を担う。図４に示すように、インターコネクタ２０、２１は、例えばフェライト系ステンレスからなる薄型の金属板であり、その外縁部には上記ボルトＢ１〜Ｂ８が貫通する８つの丸孔が形成されている。また、下側のインターコネクタ２０に接合された燃料極側集電体２２は、例えば、通気性を有するＮｉフェルトからなり、上側のインターコネクタ２１に接合された空気極側集電体２３は、例えば、金属及び導電性セラミックからなる。

金属フレーム２４は、例えばフェライト系ステンレス等の金属材料からなり、セル本体１０及び隔離セパレータ２５を単位セル３に固定する役割がある。図５に示すように、金属フレーム２４の中央には方形の開口部３０が形成されている。また、金属フレーム２４の４辺に沿って４つの開口部３１が形成され、四隅には上記ボルトＢ１、Ｂ３、Ｂ５、Ｂ７に対応する４つの丸孔が形成されている。４つの開口部３１は、インターコネクタ２０、２１の各辺中央に位置する丸孔に重なる部分から辺方向の両側に延びる溝状に形成されている。

隔離セパレータ２５は、可撓性を有する金属材料として、例えばフェライト系ステンレス等の金属材料を用いて、厚み０．０２〜０．３ｍｍ程度の枠体状の薄板に形成されている。図６に示すように、隔離セパレータ２５の中央には方形の開口部３２が形成され、４辺に沿って４つの開口部３３が形成され、四隅には上記ボルトＢ１、Ｂ３、Ｂ５、Ｂ７に対応する４つの丸孔が形成されている。このうち、４つの開口部３３及び４つの丸孔については、金属フレーム２４と同位置及び同形状に形成されている。一方、中央の開口部３２は、金属フレーム２４の開口部３０よりもサイズが小さい方形であり、厚み方向で金属フレーム２４の開口部３０に対向する位置関係にある。さらに、隔離セパレータ２５は、図３の断面構造に示すように、平坦な板状の断面形状ではなく、開口部３２を取り囲む帯状の所定領域が下方に突出した断面形状（突出部）を有しているが、詳しくは後述する。

セル本体１０は、図７に示すように、方形の外周形状を有する。セル本体１０の周縁部は、隔離セパレータ２５に接合されるので、隔離セパレータ２５の外周形状よりサイズが小さく、かつ隔離セパレータ２５の開口部３２よりもサイズが大きい方形の外周形状を有する。一方、セル本体１０の上層の空気極層１３の外周形状は、セル本体１０の外周形状よりもサイズが小さく、さらには隔離セパレータ２５の開口部３２よりもサイズが小さい方形に形成されている。これにより、図３の断面構造に示すように、セル本体１０の外周側が隔離セパレータ２５に接合された状態で、開口部３２から空気極層１３が露出可能な構造を実現することができる。

下側のガスシール部材２６は、例えば、マイカ等の絶縁材料からなり、燃料極層１１の周囲の燃料ガスをシールする役割がある。図８に示すように、ガスシール部材２６の中央には開口部３４が形成されるとともに、周縁部には上記ボルトＢ１〜Ｂ８が貫通する８つの丸孔が形成されている。また、開口部３４には、方形の対向する２辺において、周縁部に延伸される各４本の切り欠き部３４ａが形成されている。開口部３４に形成される切り欠き部３４ａは、枠体状のフレームにおける後述の燃料ガス流路Ｆｐの一部となる。なお、上側のガスシール部材２７は、図８のガスシール部材２６を、平面内で９０度回転させた平面構造を有するので、その説明は省略する。この場合、上側のガスシール部材２７の開口部３４に形成される切り欠き部３４ａは、枠体状のフレームにおける後述の空気流路Ａｐの一部となる。

次に、本実施形態の単位セル３の特徴的な構造について説明する。図９は、図３の単位セル３の断面構造において、セル本体１０、金属フレーム２４、隔離セパレータ２５、ガスシール部材２６を含む部分の第１の構造例を示している。第１の構造例においては、隔離セパレータ２５の内周側が、セル本体１０の固体電解質層１２の表面（本発明の第１の表面）の周縁部と例えばロウ材等を介して接合されるとともに、隔離セパレータ２５の外周側が金属フレーム２４の一方の表面に密着した状態で配置されている。また、隔離セパレータ２５のうちの内周側及び外周側に挟まれた部分には、セル本体１０の燃料極層１１の表面（本発明の第２の表面）の側に突出した突出部２５ａが形成されている。この突出部２５ａの断面形状は、燃料ガスに対する滞留空間を最適化するように設定されるが、詳しくは後述する。

一方、燃料ガス導入管Ｆｉｎ（図１）に連通する導入側の燃料ガス流路Ｆｐは、隔離セパレータ２５の開口部３３と、金属フレーム２４の開口部３１と、ガスシール部材２６の切り欠き部３４ａとをそれぞれ含んで構成されている。燃料ガス流路Ｆｐに流れる燃料ガスは、ガスシール部材２６の表面における切り欠き部３４ａに沿う供給口部を経由して燃料極層１１の表面に供給される。なお、燃料ガス排出管Ｆｏｕｔ（図１）に連通する排出側の燃料ガス流路Ｆｐについては図示を省略しているが、図９の導入側の燃料ガス流路Ｆｐと対称的な構造を有している。

ここで、図９に示す第１の構造例における条件及び効果について、図１０を参照して説明する。図１０（Ａ）は、図９の第１の構造例のうち、隔離セパレータ２５の突出部２５ａの近辺を拡大して模式的に示した断面構造図であり、図１０（Ｂ）は、図９の隔離セパレータ２５の突出部２５ａの部分を平坦な断面構造で置き換えた比較例としての断面構造図である。まず、図１０（Ａ）に示すように、第１の構造例において、セル本体１０の周縁部は、上部の表面１０ａ（固体電解質層１２の表面）が隔離セパレータ２５の内周部２５ｂに接合され、セル本体１０の下部の表面１０ｂ（燃料極層１１の表面）及び側面１０ｃはいずれも露出した状態にある。また、金属フレーム２４は、上部の表面が隔離セパレータ２５の外周部２５ｃと接し、内周側面２４ａがセル本体１０ｃと対向する位置において露出した状態にある。さらに、ガスシール部材２６のうちの露出した部分が、上述したようにガス流路Ｆｐにおける供給口部Ｆｅを形成している。

図１０の隔離セパレータ２５の突出部２５ａの近辺において、仮想空間Ｓ１と滞留空間Ｓａをそれぞれ以下のように定義する。仮想空間Ｓ１は、セル本体１０の側面１０ｃと、金属フレーム２４の内周側面２４ａと、下方の仮想平面Ｐ１（本発明の第１仮想平面）と、上方の仮想平面Ｐ２（本発明の第２仮想平面）とによって囲まれた断面矩形のリング状の空間である。このうち、下方の仮想平面Ｐ１は、セル本体１０の上記表面１０ｂを突出部２５ａが存在する領域に延長した平面であり、上方の仮想平面Ｐ２は、隔離セパレータ２５の内周部２５ｂ及び外周部２５ｃとの間を結ぶ平面である。図１０（Ａ）の断面構造では、両方の仮想平面Ｐ１、Ｐ２がともに直線で表される。一方、図１０（Ａ）に示す滞留空間Ｓａは、セル本体１０の側面１０ｃと、金属フレーム２４の内周側面２４ａと、下方の仮想平面Ｐ１と、上方の突出部２５ａとによって囲まれた空間であって、突出部２５ａによって内周と外周とに分断された２つのリング状の空間である。これに対し、図１０（Ｂ）の比較例に示す滞留空間Ｓａは、隔離セパレータ２５の突出部２５ａが設けられず平坦であって、上記の仮想空間Ｓ１と完全に一致していることがわかる。

第１の構造例の特徴は、上記の仮想空間Ｓ１が体積Ｖ１を有し、上記の滞留空間Ｓａが体積Ｖａを有するとしたとき、（１）式を満たす点である。
Ｖａ＜（Ｖ１／２） （１）

すなわち、図１０（Ａ）に示すように、滞留空間Ｓａの体積Ｖａが、仮想空間Ｓ１の体積Ｖ１の略半分以下となるように寸法条件が設定される。なお、図１０（Ａ）は、体積Ｖａが体積Ｖ１の半分より僅かに小さい場合の例である。これに対し、図１０（Ｂ）の場合は、上記の（１）式を満たすことなく、Ｖａ＝Ｖ１の関係にある。このような相違は、図１０（Ａ）、（Ｂ）にそれぞれ矢印で示すように、ガスシール部材２６の供給口部Ｆｅからの燃料ガスの流れ方の違いに反映される。具体的には、Ｖａ＝Ｖ１を満たす図１０（Ｂ）の比較例の構造を採用すると、供給口部Ｆｅから排出される燃料ガスの多くが上方の滞留空間Ｓａに流れ込んで滞留し、セル本体１０の表面１０ｂに達する燃料ガスの量が不十分になる。これに対し、Ｖａ＜（Ｖ１／２）の関係を満たす図１０（Ａ）の構造を採用すると、供給口部Ｆｅから排出される燃料ガスのうち上方の滞留空間Ｓａに流れ込む量が減少し、相対的にセル本体１０の表面１０ｂに達する燃料ガスの量が増加する。従って、図１０（Ａ）に示す第１の構造例を採用すれば、図１０（Ｂ）に示す比較例に比べると、燃料極層１１（表面１０ｂ）に対して十分な燃料ガスを安定的に供給し、発電効率と信頼性を高めることが可能となる。

次に図１１は、本実施形態の単位セル３における断面構造の第２の構造例を示している。第２の構造例では、単位セル１０及び隔離セパレータ２５の構造は図９と同様であるが、金属フレーム２４及びガスシール部材２６の構造が図９とは異なっている。すなわち、図１１に示す金属フレーム２４及びガスシール部材２６における燃料ガス流路Ｆｐの形成方法に違いがある。第２の構造例における金属フレーム２４及びガスシール部材２６のそれぞれの構造に関し、図１２及び図１３を参照して説明する。まず、図１２に示すように、金属フレーム２４における中央の開口部３０、４辺の４つの開口部３１、４隅の丸孔については、図５と同じ構造であるが、これらに加えて、対向する２辺の各開口部３１から中央の開口部３０にかけて各４つの貫通孔３０ａが形成されている。これらの貫通孔３０ａは、後述するように、開口部３０に沿う内周側面２４ａのうち積層方向の略中央に位置し、図８のガスシール部材２６の各切り欠き部３４ａと同様、枠体状のフレームにおける燃料ガス流路Ｆｐの一部となる。一方、図１３に示すように、ガスシール部材２６においては、図８とは異なり、矩形の開口部３４のみが形成され、切り欠き部３４ａが形成されていない。

ここで、図１１に示す第２の構造例における条件及び効果について、図１４を参照して説明する。図１４（Ａ）は、図１１の第２の構造例のうち、図１０（Ａ）と同様の領域を拡大して模式的に示した断面構造図であり、図１４（Ｂ）は、図１０（Ｂ）と同様に突出部２５ａの部分を平坦な断面構造で置き換えた比較例としての断面構造図である。第２の構造例においては、金属フレーム２４の内周側面２４ａに、上述したように図１２の貫通孔３０ａに対応する部分がガス流路Ｆｐにおける供給口部Ｆｅを形成している。なお、図１４（Ａ）では省略しているが、図１０（Ａ）と同様の仮想空間Ｓ１及び滞留空間Ｓａとそれらの体積Ｖ１、Ｖａを想定したとき、（１）式を満たしている。

第２の構造例の特徴は、（１）式に加えて、次の（２）式及び（３）式を満たす点である。
Ｘ１＜Ｘ２ （２）
Ｙ１＜Ｙ２ （３）

ただし、４つの距離Ｘ１、Ｘ２、Ｙ１、Ｙ２の意味は以下の通りである。すなわち、図１４（Ａ）の隔離セパレータ２５の断面形状において、距離Ｘ１は、突出部２５ａの先端部分とセル本体１０の側面１０ｃとの面方向（図１４（Ａ）の紙面横方向）の距離である。距離Ｘ２は、突出部２５ａの先端部分と金属フレーム２４の内周側面２４ａとの面方向の距離である。また、距離Ｙ１は、突出部２５ａの先端部分と仮想平面Ｐ１との積層方向（図１４（Ａ）の紙面縦方向）の距離である。距離Ｙ２は、供給口部Ｆｅ（の中央位置）と仮想平面Ｐ１との積層方向の距離である。

また、上記（２）式及び（３）に加えて、第２の構造例においては、セル本体１０の表面１０ｂにおける外周端部と供給口部Ｆｅ（の中央位置）とを結ぶ仮想直線Ｌ１を想定したとき、突出部２５ａの断面形状が仮想直線Ｌ１と部分的に交差している（重なっている）。これに対し、図１４（Ｂ）の場合は、隔離セパレータ２５の突出部２５ａが設けられていないので、（２）式及び（３）式を満たすことなく、かつ隔離セパレータ２５の断面形状が仮想直線Ｌ１と重なることはない。このような相違は、図１４（Ａ）、（Ｂ）にそれぞれ矢印で示すように、金属フレーム２４の供給口部Ｆｅからの燃料ガスの流れ方の違いに反映される。具体的には、図１４（Ａ）の構造を採用すると、供給口部Ｆｅから排出される燃料ガスの流れが突出部２５ａによって妨げられるため、その分だけセル本体１０の表面１０ｂに達する燃料ガスの量が増加する。一方、突出部２５ａが存在しない図１４（Ｂ）の構造を採用すると、供給口部Ｆｅから排出される燃料ガスがセル本体１０の側面１０ｃに向かって流れ、その近辺で滞留するか、あるいは後述する他の側面に回り込むため、相対的にセル本体１０の表面１０ｂに達する燃料ガスの量が不十分になる。

さらに、図１５は、第２の構造例の効果を明確化すべく、図１４の断面構造図を下方から見たときの模式的な平面図を示している。図１５（Ａ）は、図１４（Ａ）に対応する平面図であり、図１５（Ｂ）は、図１４（Ｂ）に対応する平面図であり、それぞれの燃料ガスの流れを太さの異なる矢印にて表している。図１５（Ａ）に示す第２の構造例によれば、供給口部Ｆｅから供給される燃料ガスの多くがセル本体１０の表面１０ｂを流れるとともに、セル本体１０の側面１０ｃから、これに直交する両側の２つの側面１０ｄ、１０ｅに流れ込む燃料ガスの量は少ない。これに対し、図１５（Ｂ）に示す比較例によれば、供給口部Ｆｅから供給される燃料ガスがセル本体１０の側面１０ｃに妨げられて、表面１０ｂに流れ込む燃料ガスの量が少なくなり、両側の２つの側面１０ｄ、１０ｅに流れ込む燃料ガスの量が増加する。以上のように、第２の構造例を採用すれば、上述の比較例に比べ、燃料極層１１（表面１０ｂ）に供給される燃料ガスの流れ方を適切に制御し、発電効率を一層高めることが可能となる。

なお、第２の構造例として、上記（１）、（２）、（３）式の各条件と上記仮想直線に関する条件をそれぞれ満たす例を説明したが、これらの条件を全て満たさないとしても本発明の適用は可能である。例えば、上記（１）、（２）、（３）式の各条件を満たし上記仮想直線に関する条件を満たさない構造や、上記（１）、（２）、（３）式の各条件を満たさずに上記仮想直線に関する条件を満たす構造に対しても本発明を適用することができる。また、上記（２）、（３）式の各条件のみを満たし、他の条件を満たさない構造に対しても本発明の適用の余地がある。

本実施形態において、上記第１及び第２の構造例をそれぞれ挙げて具体的に説明したが、これらは本発明を適用可能な構造の具体例であり、以下に挙げる多様な変形例に対して本発明を適用することができる。図１６には、第１の変形例の断面構造を示している。第１の変形例は、図９の第１の構造例を基本としつつ、隔離セパレータ２５の断面形状を変更したものである。すなわち、図９の場合は、隔離セパレータ２５の内周部２５ｂと外周部２５ｃが同じ高さに配置されているのに対し、図１６の場合は、隔離セパレータ２５の内周部２５ｂよりも外周部２５ｃが低い位置に配置されている。そして、図１６の金属フレーム２４は、図９と比べて小さい厚さで形成され、隔離セパレータ２５の外周部２５ｃの上部に配置されるガスシール部材２７は、部分的にセル本体１０を取り囲む位置まで下がっている。第１の変形例においても、第１の構造例と同様、上記（１）式を満たしており、その効果も共通である。

図１７には、第２の変形例の断面構造を示している。第２の変形例は、図１１の第２の構造例を基本としつつ、隔離セパレータ２５の断面形状を、図１６と同様に変更したものである。図１７の金属フレーム２４は図１６と同様であって、図１１と比べると小さい厚さで形成されているが、供給口部Ｆｅは金属フレーム２４の積層方向の中央より上方の位置に形成されている。第２の変形例においても、第２の構造例と同様、上記（１）式に加えて、上記（２）式及び（３）式を満たしており、その効果も共通である。

図１８には、第３の変形例の断面構造を示している。第３の変形例は、図９の第１の構造例を基本としつつ、セル本体１０の積層順を逆にしたものである。すなわち、図１８のセル本体１０は、下層側から順に、支持基体層としての空気極層１３と、固体電解質層１２と、燃料極層１１とが積層形成されてなる。そのため、金属フレーム２４及びガスシール部材２６には空気流路Ａｐの一部が形成され、下側のガスシール部材２６の切り欠き部３４ａに対応して空気の供給口部Ａｅが形成される。隔離セパレータ２５及び上側のガスシール部材２７の構造については第１の構造例と同様である。なお、図１〜図３の構造に対応させるには、図１８の断面構造として、平面内で９０度回転させた状態を想定すればよい。第３の変形例は、セル本体１０への空気の流れに関して、第１の構造例の燃料ガスと同様の効果を得ることができる。

図１９には、第４の変形例の断面構造を示している。第４の変形例は図１１の第２の構造例を基本としつつ、図１８と同様、セル本体１０の積層順を逆にしたものである。図１９に示すように、セル本体１０、隔離セパレータ２５、上側のガスシール部材２７の構造については第２の構造例と同様である。また、金属フレーム２４及び下側のガスシール部材２６の構造については、上述したように、図１１のガス流路Ｆｐ及びその供給口部Ｆｅを、空気流路Ａｐ及びその供給口部Ａｅで置き換え、かつ平面内で９０度回転させた状態を想定すればよい。第４の変形例は、セル本体１０への空気の流れに関して、第２の構造例の燃料ガスと同様の効果を得ることができる。

以上のように、本実施形態の単位セル３の特徴的な構造について説明したが、本実施形態の単位セル３を所定の積層数だけ積層すれば、図１の構造を有する燃料電池スタック２に対して本発明を適用することができる。燃料電池スタック２及び複数の単位セル３のそれぞれは周知の製造方法によって作製することができる。この場合、突出部２５ａを有する隔離セパレータ２５を形成するには、例えば、突出部２５ａに対応する所定の断面形状を有する金型等で金属薄板をプレスすればよい。

以上、本実施形態に基づき本発明の内容を具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で多様な変更を施すことができる。例えば、突出部２５ａを有する隔離セパレータ２５は、本発明の作用及び効果を得られる限り、多様な構造で形成することが可能である。さらに、燃料ガス流路Ｆｐや空気流路Ａｐについても、本実施形態の構造には制約されず、多様な構造で形成することができる。さらに、本発明は、固体酸化物形燃料電池に限られることなく、板状のセル本体を備える多様な燃料電池に対して適用することができる。その他の点についても上記各実施形態により本発明の内容が限定されるものではなく、本発明の作用効果を得られる限り、適宜に変更可能である。

１…固体酸化物形燃料電池
２…燃料電池スタック
３…単位セル（燃料電池セル）
１０…セル本体
１１…燃料極層
１２…固体電解質層
１３…空気極層
２０、２１…インターコネクタ
２２…燃料極側集電体
２３…空気極側集電体
２４…金属フレーム
２５…隔離セパレータ
２５ａ…突出部
２６、２７…ガスシール部材
Ｂ１〜Ｂ８…ボルト
Ａｉｎ…空気導入管
Ａｏｕｔ…空気排出管
Ａｐ…空気流路
Ａｅ…供給口部
Ｆｉｎ…燃料ガス導入管
Ｆｏｕｔ…燃料ガス排出管
Ｆｐ…燃料ガス流路
Ｆｅ…供給口部

Claims (11)

1. 少なくとも、燃料ガスに接する燃料極層と、酸化剤ガスに接する空気極層と、一方の面側に前記燃料極層が配置され他方の面側に前記空気極層が配置された板状の固体電解質層とが積層された板状のセル本体と、
   前記セル本体のうちの前記燃料極層の側面を取り囲む枠体状のフレームと、
   内周側が前記セル本体の第１の表面の周縁部に接合されるとともに、外周側が前記第１の表面と積層方向で同一側にある前記フレームの一方の表面に配置され、前記燃料ガスを前記燃料極層に導く燃料ガス流路と前記酸化剤ガスを前記空気極層に導く酸化剤ガス流路とを隔離する隔離セパレータと、
   を備えた燃料電池において、
   前記隔離セパレータには、前記セル本体の側面と前記フレームの内周側面との間で前記セル本体の前記第１の表面と対向する第２の表面の側に突出した断面形状を有する突出部が形成され、
   前記セル本体の側面と、前記フレームの前記内周側面と、前記突出部と、前記セル本体の前記第２の表面を前記突出部に対向する領域に延長したときの第１仮想平面とによって囲まれる滞留空間は、前記セル本体の側面と、前記フレームの前記内周側面と、前記隔離セパレータの前記内周側のうちの前記突出部の側の端部と前記隔離セパレータの前記外周側のうちの前記突出部の側の端部とを平面で結んだときの第２仮想平面と、前記第１仮想平面とによって囲まれる仮想空間の体積の略半分以下の体積を有し、
   前記フレームは、積層された複数のフレーム単層からなり、かつ、２以上の前記フレーム単層が前記セル本体の前記燃料極層の側面を取り囲むように配置されていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記フレームの内周側には、前記燃料極層に前記燃料ガスを供給する前記燃料ガス流路の供給口部が形成され、
   前記突出部の前記断面形状において、前記突出部の突出した先端部分と前記セル本体の側面との面方向の距離が、前記先端部分と前記フレームの前記内周側面との面方向の距離よりも短く、かつ、前記先端部分と前記第１仮想平面との積層方向の距離が、前記供給口部と前記第１仮想平面との積層方向の距離よりも短く設定されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 少なくとも、燃料ガスに接する燃料極層と、酸化剤ガスに接する空気極層と、一方の面側に前記燃料極層が配置され他方の面側に前記空気極層が配置された板状の固体電解質層とが積層された板状のセル本体と、
   前記セル本体のうちの前記空気極層の側面を取り囲む枠体状のフレームと、
   内周側が前記セル本体の第１の表面の周縁部に接合されるとともに、外周側が前記第１の表面と積層方向で同一側にある前記フレームの一方の表面に配置され、前記燃料ガスを前記燃料極層に導く燃料ガス流路と前記酸化剤ガスを前記空気極層に導く酸化剤ガス流路とを隔離する隔離セパレータと、
   を備えた燃料電池において、
   前記隔離セパレータには、前記セル本体の側面と前記フレームの内周側面との間で前記セル本体の前記第１の表面と対向する第２の表面の側に突出した断面形状を有する突出部が形成され、
   前記セル本体の側面と、前記フレームの前記内周側面と、前記突出部と、前記セル本体の前記第２の表面を前記突出部に対向する領域に延長したときの第１仮想平面とによって囲まれる滞留空間は、前記セル本体の側面と、前記フレームの前記内周側面と、前記隔離セパレータの前記内周側のうちの前記突出部の側の端部と前記隔離セパレータの前記外周側のうちの前記突出部の側の端部とを平面で結んだときの第２仮想平面と、前記第１仮想平面とによって囲まれる仮想空間の体積の略半分以下の体積を有することを特徴とする燃料電池。
4. 前記フレームの内周側には、前記空気極層に前記酸化剤ガスを供給する前記酸化剤ガス流路の供給口部が形成され、
   前記突出部の前記断面形状において、前記突出部の突出した先端部分と前記セル本体の側面との面方向の距離が、前記先端部分と前記フレームの前記内周側面との面方向の距離よりも短く、かつ、前記先端部分と前記第１仮想平面との積層方向の距離が、前記供給口部と前記第１仮想平面との積層方向の距離よりも短く設定されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
5. 前記フレームは、積層された複数のフレーム単層からなり、かつ、２以上の前記フレーム単層が前記セル本体の前記空気極層の側面を取り囲むように配置されていることを特徴とする請求項３または４に記載の燃料電池。
6. 少なくとも、燃料ガスに接する燃料極層と、酸化剤ガスに接する空気極層と、一方の面側に前記燃料極層が配置され他方の面側に前記空気極層が配置された板状の固体電解質層とが積層された板状のセル本体と、
   前記セル本体のうちの前記燃料極層の側面を取り囲む枠体状のフレームと、
   内周側が前記セル本体の第１の表面の周縁部に接合されるとともに、外周側が前記セル本体の前記第１の表面と積層方向で同一側にある前記フレームの一方の表面に対向する他方の表面に配置され、前記燃料ガスを前記燃料極層に導く燃料ガス流路と前記酸化剤ガスを前記空気極層に導く酸化剤ガス流路とを隔離する隔離セパレータと、
   を備えた燃料電池において、
   前記隔離セパレータには、前記セル本体の側面と前記フレームの内周側面との間で前記セル本体の前記第１の表面と対向する第２の表面の側に突出した断面形状を有する突出部が形成され、
   前記セル本体の側面と、前記フレームの前記内周側面と、前記突出部と、前記セル本体の前記第２の表面を前記突出部に対向する領域に延長したときの第１仮想平面とによって囲まれる滞留空間は、前記セル本体の側面と、前記フレームの前記内周側面と、前記隔離セパレータの前記内周側のうちの前記突出部の側の端部と前記隔離セパレータの前記外周側のうちの前記突出部の側の端部とを平面で結んだときの第２仮想平面と、前記第１仮想平面とによって囲まれる仮想空間の体積の略半分以下の体積を有することを特徴とする燃料電池。
7. 前記フレームは、積層された複数のフレーム単層からなり、かつ、２以上の前記フレーム単層が前記セル本体の前記燃料極層の側面を取り囲むように配置されていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
8. 少なくとも、燃料ガスに接する燃料極層と、酸化剤ガスに接する空気極層と、一方の面側に前記燃料極層が配置され他方の面側に前記空気極層が配置された板状の固体電解質層とが積層された板状のセル本体と、
   前記セル本体のうちの前記空気極層の側面を取り囲む枠体状のフレームと、
   内周側が前記セル本体の第１の表面の周縁部に接合されるとともに、外周側が前記セル本体の前記第１の表面と積層方向で同一側にある前記フレームの一方の表面に対向する他方の表面に配置され、前記燃料ガスを前記燃料極層に導く燃料ガス流路と前記酸化剤ガスを前記空気極層に導く酸化剤ガス流路とを隔離する隔離セパレータと、
   を備えた燃料電池において、
   前記隔離セパレータには、前記セル本体の側面と前記フレームの内周側面との間で前記セル本体の前記第１の表面と対向する第２の表面の側に突出した断面形状を有する突出部が形成され、
   前記セル本体の側面と、前記フレームの前記内周側面と、前記突出部と、前記セル本体の前記第２の表面を前記突出部に対向する領域に延長したときの第１仮想平面とによって囲まれる滞留空間は、前記セル本体の側面と、前記フレームの前記内周側面と、前記隔離セパレータの前記内周側のうちの前記突出部の側の端部と前記隔離セパレータの前記外周側のうちの前記突出部の側の端部とを平面で結んだときの第２仮想平面と、前記第１仮想平面とによって囲まれる仮想空間の体積の略半分以下の体積を有することを特徴とする燃料電池。
9. 前記フレームは、積層された複数のフレーム単層からなり、かつ、２以上の前記フレーム単層が前記セル本体の前記空気極層の側面を取り囲むように配置されていることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
10. 少なくとも、燃料ガスに接する燃料極層と、酸化剤ガスに接する空気極層と、一方の面側に前記燃料極層が配置され他方の面側に前記空気極層が配置された板状の固体電解質層とが積層された板状のセル本体と、
    前記セル本体の側面を取り囲む枠体状のフレームと、
    内周側が前記セル本体の第１の表面の周縁部に接合されるとともに、外周側が前記第１の表面と積層方向で同一側にある前記フレームの一方の表面に配置され、前記燃料ガスを前記燃料極層に導く燃料ガス流路と前記酸化剤ガスを前記空気極層に導く酸化剤ガス流路とを隔離する隔離セパレータと、
    前記フレームの内周側に形成され、前記燃料極層に前記燃料ガスを供給する前記燃料ガス流路の供給口部と、
    を備えた燃料電池において、
    前記隔離セパレータには、前記セル本体の側面と前記フレームの内周側面との間で前記セル本体の第１の表面と対向する第２の表面の側に突出した断面形状を有する突出部が形成され、
    前記突出部の前記断面形状は、前記セル本体の前記第２の表面における外周端部と前記供給口部とを結ぶ仮想直線と部分的に重なり、
    前記フレームは、積層された複数のフレーム単層からなり、かつ、２以上の前記フレーム単層が前記セル本体の側面を取り囲むように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
11. 前記セル本体の前記第２の表面を前記突出部に対向する領域に延長したときの平面を第１仮想平面として、
    前記突出部の前記断面形状において、前記突出部の突出した先端部分と前記セル本体の側面との面方向の距離が、前記先端部分と前記フレームの前記内周側面との面方向の距離よりも短く、かつ、前記先端部分と前記第１仮想平面との積層方向の距離が、前記供給口部と前記第１仮想平面との積層方向の距離よりも短く設定されていることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池。