JP6193780B2

JP6193780B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP6193780B2
Application number: JP2014031734A
Authority: JP
Inventors: 敏博松野; 誠栗林; 智聡村瀬; 石川　秀樹; 秀樹石川; 山際　勝也; 勝也山際
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2017-09-06
Anticipated expiration: 2034-02-21
Also published as: JP2015158969A

Description

本発明は燃料電池に関する。

従来、燃料電池として、固体電解質（固体酸化物）を用いた固体酸化物形燃料電池（以下ＳＯＦＣとも略す）が知られている。
このＳＯＦＣでは、発電単位として、例えば固体電解質膜の一方の側に燃料ガスに接する燃料極を設けるとともに、他方の側に酸化剤ガス（空気）と接する酸化剤極（空気極）を設けた燃料電池セル（発電セル）が使用されている。さらに、所望の電圧を得るために、インターコネクタを介して複数の発電セルを積層した燃料電池（燃料電池スタック）が開発されている。

酸化剤ガスに硫黄等の汚染物質が含まれていると、空気極が汚染され、燃料電池の性能が低下してしまう。そこで、燃料電池（燃料電池スタック）とは別体のトラップユニットを設け、そのトラプユニットで酸化剤ガス中の汚染物質を除去する技術が提案されている（特許文献１〜３参照）。

特開２００９−１８５７９２号公報特開平９−１８０７４４号公報特表２００７−５０３１０６号公報

燃料電池（燃料電池スタック）とは別体のトラップユニットを用いる方法では、燃料電池を含む燃料電池システム全体としての設計の自由度が低くなってしまう。また、燃料電池（燃料電池スタック）とは別体のトラップユニットを用いる方法では、燃料電池スタックとトラップユニットとの温度差が大きくなることから、実際の燃料電池の運転条件下で燃料電池スタック性能に影響を与える汚染物質の吸着能力が十分ではなかった。本発明は上記の課題を解決することを目的とする。

本発明の燃料電池は、積層された複数の板状の単セルと、隣接する２つの前記単セル間、及び前記複数の単セルのうち前記積層の方向における端に位置する単セルの外側の少なくとも一方に設けられた熱交換部と、前記単セルに燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、前記単セルに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、を備え、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路の少なくとも一方は、前記単セルよりも上流側において、前記熱交換部を通過する熱交換部内流路を含み、前記熱交換部内流路に、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方に含まれる汚染物質を吸着するトラップ部が設けられていることを特徴とする。

本発明の燃料電池は、汚染物質を吸着するトラップ部が熱交換部内流路に設けられているので、汚染物質をトラップするためのユニットを燃料電池とは別に設ける場合に比べて、燃料電池をコンパクト化でき、燃料電池を含むシステム全体としての設計の自由度が向上する。

また、本発明の燃料電池は、汚染物質を吸着してトラップするためのユニットと燃料電池とを別に設ける場合に比べて、燃料電池スタックとトラップ部との温度差が小さいことから、実運転条件下でスタック性能に影響を与える汚染物質の吸着が十分に達成できる。

なお、本明細書の燃料電池においては、複数積層した単セルを有する形態を、燃料電池スタックと言うことがある。
前記燃料電池の前記単セルは、例えば、電解質層と該電解質層を隔てて（該電解質層を間に挟むように）配置された空気極層及び燃料極層とを有し、前記トラップ部は、例えば、前記電解質層、前記空気極層、及び前記燃料極層のうちのいずれかと同じ材料を含むことができる。この場合、触媒電極や三相界面の発電反応場を汚染する物質をトラップする効率が一層向上する。

本発明の燃料電池において、例えば、前記熱交換部内流路のうち、少なくとも上流側に前記トラップ部を設けることができる。この場合、熱交換部内流路における他の位置にトラップ部を設ける場合に比べて、トラップ部の温度が低下する。そのことにより、汚染物質を物理吸着によりトラップする効率が一層向上する。

前記トラップ部は、例えば、前記熱交換部内流路の少なくとも一部に充填されていればよく、形状、体積などに制限はない。
前記トラップ部は、例えば、前記熱交換部内流路の内壁に形成された層とすることができる。この場合、燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路におけるガスの差圧を小さくすることができる。

前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路の少なくとも一方は、例えば、前記熱交換部よりも上流側において、前記汚染物質を吸着するトラップユニットを備えていることができる。この場合、汚染物質をトラップする効率が一層向上する。

燃料電池１の平面図である。図１のII−II断面における側断面図である。図１のIII−III断面における側断面図である。単セル３を分解した状態を表す説明図である。単セル３を分解した状態を表す斜視図である。熱交換器７の構成を表す側断面図である。図７Ａは、空気用部材２６７の上面を表す平面図であり、図７Ｂは空気用部材２６７の下面を表す平面図であり、図７Ｃは、燃料ガス用部材２７１の上面を表す平面図であり、図７Ｄは燃料ガス用部材２７１の下面を表す平面図である。燃料電池１の平面方向における空気の流路を表す説明図である。燃料電池１の平面方向における燃料ガスの流路を表す説明図である。熱交換器７の構成を表す側断面図である。図１１Ａは、空気用部材２６７の上面を表す平面図であり、図１１Ｂは空気用部材２６７の下面を表す平面図であり、図１１Ｃは、燃料ガス用部材２７１の上面を表す平面図であり、図１１Ｄは燃料ガス用部材２７１の下面を表す平面図である。熱交換器７の構成を表す側断面図である。図１３Ａは、空気用部材２６７の上面を表す平面図であり、図１３Ｂは空気用部材２６７の下面を表す平面図であり、図１３Ｃは、燃料ガス用部材２７１の上面を表す平面図であり、図１３Ｄは燃料ガス用部材２７１の下面を表す平面図である。

本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
＜第１の実施形態＞
１．燃料電池１の概略構成
燃料電池１の概略構成を、図１〜図３に基づき説明する。燃料電池１は、固体酸化物形燃料電池であり、燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）との供給を受けて発電を行う装置である。

この燃料電池１は、発電単位である板状の単セル３が複数段（例えば８段）積層された燃料電池スタック５と、燃料電池スタック５を積層方向（図２、図３の上下方向）に貫く複数のボルト１１〜１８と、各ボルト１１〜１８の両端に螺合する各ナット１９（総称）とを備えている。

燃料電池スタック５のうち、図２、図３における上側の４段の単セル３を含む部分を上燃料電池スタック５ａとし、図２、図３における下側の４段の単セル３を含む部分を下燃料電池スタック５ｂとする。燃料電池１は、上燃料電池スタック５ａと、下燃料電池スタック５ｂとの間に、平板状の熱交換器７を備え、一対のエンドプレート６、８に挟まれて固定される。すなわち、熱交換器７は、上燃料電池スタック５ａにおける最も下側の単セル３と、下燃料電池スタック５ｂにおける最も上側の単セル３との間（隣接する２つの単セル３の間）に設けられている。

尚、図２、図３における上側のエンドプレート６は、図２、図３における最も上側の単セル３の外側に位置し、最も上側の単セル３に接触している。また、図２、図３における下側のエンドプレート８は、図２、図３における最も下側の単セル３の外側に位置し、最も下側の単セル３に接触している。

また、ボルト１１〜１８のうち、ボルト１１、１２、１６の内部には、それぞれ、燃料ガスの流路となる燃料ガス管２１、２２、２３が形成されている。また、ボルト１３、１４、１８には、それぞれ、空気の流路となる空気管２４、２５、２６が形成されている。ボルト１５、１７は、燃料電池スタック５の固定のみに使用される。

２．単セル３の構成
単セル３の構成を図４、図５に基づき説明する。単セル３は、いわゆる燃料極支持膜形タイプの板状の発電セルであり、電解質層３５と、電解質層３５を隔てて（該電解質層３５を間に挟むように）配置された空気極３７及び燃料極３３とを有している。単セル３において、燃料ガス流路３１側には、板状の燃料極（アノード）３３が配置されるとともに、燃料極３３の図４上側の表面には、電解質層３５が形成されている。電解質層３５は、薄膜の固体電解質体である。その電解質層３５の空気流路３９側の表面には、薄膜の空気極（カソード）３７が形成されている。なお、燃料極３３と電解質層３５と空気極３７とをセル本体４１と称する。なお、燃料極３３は燃料極層の一実施形態であり、空気極３７は空気極層の一実施形態である。

また、この単セル３は、上下一対のインターコネクタ４３、４３の間に、空気極３７側の板形状のガスシール部４５と、セル本体４１の外縁部の上面に接合して空気流路３９と燃料ガス流路３１との間を遮断するセパレータ４７と、燃料ガス流路３１側に配置された燃料極フレーム４９と、（燃料極フレーム４９より外側（図４下方）に配置された）燃料極３３側の板形状のガスシール部５１とを備えており、それらが積層されて一体に構成されている。

更に、単セル３内には、燃料極３３と図４下側のインターコネクタ４３との間に、燃料極側集電体５３が配置され、各インターコネクタ４３の一方（図４下方）の表面には、空気極側集電体５５が一体に形成されている。

なお、前記燃料電池スタック５は、複数個の単セル３が電気的に直列に接続されたものである。また、単セル３内の空気流路３９においては、図４の左右方向に空気が供給され、燃料ガス流路３１においては、図４の紙面方向に燃料ガスが供給される。

ここで、電解質層３５としては、ＹＳＺ、ＳｃＳＺ、ＳＤＣ、ＧＤＣ、ペロブスカイト系酸化物等の材料が使用できる。また、燃料極３３としては、Ｎｉとセラミックとのサーメットが使用でき、空気極３７としては、ペロブスカイト系酸化物（Ｌａ_1-xＳｒ_xＣｏＯ₃系複合酸化物、Ｌａ_1-xＳｒ_xＦｅＯ₃系複合酸化物、Ｌａ_1-xＳｒ_xＣｏ_1-yＦｅ_yＯ₃系複合酸化物、Ｌａ_1-xＳｒ_xＭｎＯ₃系複合酸化物、Ｐｒ_1-xＢａ_xＣｏＯ₃系複合酸化物、Ｓｍ_1-xＳｒ_xＣｏＯ₃系複合酸化物）等が使用できる。

次に、単セル３を構成する各部材について、図５に基づいて更に詳細に説明する。なお、図５では、熱交換器７の一方の側の単一の単セル３のみを示しているが、実際には、熱交換器７の両側（図５の上下方向）に複数の単セル３が積層されている。

図５に分解して示す様に、インターコネクタ４３は、例えばフェライト系ステンレスからなる板材であり、その外縁部には、ボルト１１〜１８が貫挿される丸孔である挿通孔６１〜６８が、等間隔に形成されている。つまり、インターコネクタ４３の四隅と各辺の中点に対応する位置に、８箇所の挿通孔６１〜６８（なお、各部材における挿通孔には同じ番号を付す：以下同様）が形成されている。

また、前記空気極３７側のガスシール部４５は、例えばマイカ又はバーミキュライトからなり、中心に正方形の開口部７５を有する枠状の板材であり、その四隅の角部及び右辺の縁部には、前記ボルト１１、１３、１５、１７が貫挿される各挿通孔６１、６３、６５、６７が形成されている。

このガスシール部４５の４辺の縁部には、各挿通孔６２、６４、６６、６８と連通するように、その辺に沿って、ガスの流路となる略長方形状の貫通長孔７１〜７４が形成されている。つまり、各貫通長孔７１〜７４は、積層方向から見た場合、各挿通孔６２、６６、６８、６４を含むように形成されている。

ここで、貫通長孔７２は、燃料ガスを外部より燃料電池スタック５内に導入するために用いられる流路であり、貫通長孔７１は、発電後の燃料ガスを燃料電池スタック５外に排出するために用いられる流路であり、貫通長孔７３は、空気を外部から燃料電池スタック５内に導入し、さらには開口部７５に導入するために用いられる流路であり、貫通長孔７４は、発電後の空気を燃料電池スタック５外に排出するために用いられる流路である。

なお、ガスシール部４５には、開口部７５と貫通長孔７３とを連通するように、ガスシール部４５の枠部分に、細径のガス流路となる長方形の切り欠き７７が複数本形成されている。また、ガスシール部４５には、開口部７５と貫通長孔７４と連通するように、ガスシール部４５の枠部分に、細径のガス流路となる長方形の切り欠き７８が複数本形成されている。

この切り欠き７７、７８は、貫通孔ではなく、ガスシール部４５の一方の表面（図５の上方）を掘って形成された溝であり、レーザやプレス加工によって形成することができる。

また、セパレータ４７は、例えばフェライト系ステンレスからなる枠状の板状であり、その中心の正方形の開口部７９には、開口部７９を閉塞するようにセル本体４１が接合されている。

このセパレータ４７においては、各挿通孔６１、６３、６４、６５、６７が形成されるとともに、３辺に沿って各貫通長孔８１〜８３が形成されている。
更に、燃料極フレーム４９は、中心に開口部８５を備えた例えばフェライト系ステンレスからなる枠状の板材であり、セパレータ４７と同様に、各挿通孔６１、６３、６４、６５、６７が形成されるとともに、３辺に沿って各貫通長孔９１〜９３が形成されている。

また、燃料極３３側のガスシール部５１は、空気極３７側のガスシール部４５と同様に、中心に開口部９５を備えた例えばマイカ又はバーミキュライトからなる枠状の板材であり、各挿通孔６１、６３、６４、６５、６７が形成されるとともに、３辺に沿って各貫通長孔１０１〜１０３が形成されている。

このガスシール部５１にも、対向する各枠部分に、開口部９５と貫通長孔１０１、１０２とを連通するように、細径のガス流路となる切り欠き１０５ａ、１０５ｂが、それぞれ複数本設けられている。

なお、上燃料電池スタック５ａの各単セル３は、各インターコネクタ４３によって（図５の上下方向に）電気的に接続され、同様に、下燃料電池スタック５ｂの各単セル３は、各インターコネクタ４３によって電気的に接続されており、上燃料電池スタック５ａと下燃料電池スタック５ｂとは、熱交換器７によって、電気的に接続されている。

３．熱交換器７の構成
熱交換器７の構成を、図６、図７に基づき説明する。熱交換器７は、板状の空気用部材２６７と、板状の燃料ガス用部材２７１とを積層したものである。空気用部材２６７のうち、燃料ガス用部材２７１に対向する面２６７Ａには、空気の流路となる第１溝２６５が形成されている。また、面２６７Ａのうち、第１溝２６５の周囲には、第１溝２６５よりも板厚が厚い部分である枠部２７７が設けられており、その枠部２７７には、挿通孔６１〜６８が形成されている。

第１溝２６５は、面２６７Ａの中央に形成された矩形の中央溝２６５Ａと、中央溝２６５Ａと挿通孔６３とを連通する第１導入溝２６５Ｂと、中央溝２６５Ａと挿通孔６８とを連通する第１排出溝２６５Ｃとから成る。

なお、中央溝２６５Ａには、中央溝２６５Ａが隣接する部材で埋まらないように、平面視で長方形形状の突出部２６６が多数形成されている。この突出部２６６は、空気の流れを挿通孔６８側に導くように、図７Ｂの左右方向に長手方向が揃うように配列されている。

空気用部材２６７と燃料ガス用部材２７１とを積層したとき、図６に示すように、第１溝２６５は、燃料ガス用部材２７１によって蓋をされる。その結果、挿通孔６３から、第１導入溝２６５Ｂ、中央溝２６５Ａ、及び第１排出溝２６５Ｃを経て、挿通孔６８に至る、空気の流路が形成される。

図６、図７Ｂに示すように、中央溝２６５Ａのうち、第１導入溝２６５Ｂ側の一部（空気の流れに関する上流側）に、トラップ部３０１が設けられている。トラップ部３０１は、空気用部材２６７の板厚方向において、中央溝２６５Ａの底面から、燃料ガス用部材２７１まで隙間なく充填されている。また、トラップ部３０１は、第１導入溝２６５Ｂの出口を全てカバーしている。そのため、第１導入溝２６５Ｂから導入された空気は、必ずトラップ部３０１を通過する。

トラップ部３０１の材料は、空気極３７の材料又は電解質層３５の材料を含み、当該材料を焼結して多孔質バルク状としたものである。
すなわち、トラップ部３５の材料としては、電解質層３５の材料であるＹＳＺ、ＳｃＳＺ、ＳＤＣ、ＧＤＣ、ペロブスカイト系酸化物等の材料や、空気極３７の材料であるペロブスカイト系酸化物（Ｌａ_1-xＳｒ_xＣｏＯ₃系複合酸化物、Ｌａ_1-xＳｒ_xＦｅＯ₃系複合酸化物、Ｌａ_1-xＳｒ_xＣｏ_1-yＦｅ_yＯ３系複合酸化物、Ｌａ_1-xＳｒ_xＭｎＯ₃系複合酸化物、Ｐｒ_1-xＢａ_xＣｏＯ₃系複合酸化物、Ｓｍ_1-xＳｒ_xＣｏＯ₃系複合酸化物）等を含む材料等が使用できる。

燃料ガス用部材２７１のうち、空気用部材２６７とは反対側の面２７１Ａには、燃料ガスの流路となる第２溝２６９が形成されている。また、面２７１Ａのうち、第２溝２６９の周囲には、第２溝２６９よりも板厚が厚い部分である枠部２７８が設けられており、その枠部２７８には、挿通孔６１〜６８が形成されている。

第２溝２６９は、面２６９Ａの中央に形成された矩形の中央溝２６９Ａと、中央溝２６９Ａと挿通孔６１とを連通する第２導入溝２６９Ｂと、中央溝２６９Ａと挿通孔６６とを連通する第２排出溝２６９Ｃとから成る。

なお、中央溝２６９Ａには、中央溝２６９Ａが隣接する部材で埋まらないように、平面視で長方形形状の突出部２７０が多数形成されている。この突出部２７０は、燃料ガスの流れを挿通孔６６側に導くように、図７Ｄの上下方向に長手方向が揃うように配列されている。

燃料ガス用部材２７１における面２７１Ａは、図６に示すように、隣接する単セル３のインターコネクタ４３に当接するので、第２溝２６９は、隣接する単セル３のインターコネクタ４３によって蓋をされる。その結果、挿通孔６１から、第２導入溝２６９Ｂ、中央溝２６９Ａ、及び第２排出溝２６９Ｃを経て、挿通孔６６に至る、燃料ガスの流路が形成される。

図６、図７Ｂに示すように、中央溝２６９Ａのうち、第２導入溝２６９Ｂ側の一部（燃料ガスの流れに関する上流側）に、トラップ部３０２が設けられている。トラップ部３０２は、燃料ガス用部材２７１の板厚方向において、中央溝２６９Ａの底面から、隣接する単セル３まで隙間なく充填されている。また、トラップ部３０２は、第２導入溝２６９Ｂの出口を全てカバーしている。そのため、第２導入溝２６９Ｂから導入された燃料ガスは、必ずトラップ部３０２を通過する。

トラップ部３０２の材料は、燃料極３３の材料又は電解質層３５の材料を含み、当該材料を焼結して多孔質バルク状としたものである。
すなわち、トラップ部３５の材料としては、電解質層３５の材料であるＹＳＺ、ＳｃＳＺ、ＳＤＣ、ＧＤＣ、ペロブスカイト系酸化物等の材料や、燃料極３３の材料であるＮｉとセラミックとのサーメットなどを含む材料等が使用できる。

なお、トラップ部３０１、３０２の材料は、汚染物質を吸着する機能を有するものであれば、上記以外の材料であってもよい。例えば、Ｌａ、Ｓｒ、Ｓｍ、Ｇｄ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｃｏ、及びＦｅより成る群から選択される少なくとも１種を含む酸化物が挙げられる。この酸化物としては、例えば、Ｌａ_1-xＳｒ_xＣｏ_1-yＦｅ_yＯ₃等が挙げられる（ｘ、ｙは、独立して、０〜１の数）。

トラップ部３０１、３０２は、ガスを透過させる機能を有する限り、開気孔率、形状などを適宜設計できる。トラップ部３０１、３０２の開気孔率は１０％以上が好ましく、１０〜５０％がさらに好ましい。この開気孔率は、アルキメデス法で測定できる値である。

トラップ部３０１、３０２でトラップできる汚染物質としては、例えば、硫黄化合物、塩素、アルカリ金属、Ｐ、Ｃｒ、カーボン、Ｓｉ、Ｂ等が挙げられる。
４．ガスの流路
本実施形態におけるガスの流路について、図１〜図３、図８、図９に基づいて説明する。

（４−１）空気の流路
図１、図２に示すように、空気は、空気管２４内に導入される。導入された空気は、空気管２４内を、燃料電池スタック５の積層方向（図２における下方向）に流れ、熱交換器７に至る。空気管２４は、空気用部材２６７の挿通孔６３内で、図示しない開口部を有しており、空気管２４内の空気は、その開口部から、挿通孔６３、第１導入溝２６５Ｂを経て、中央溝２６５Ａに導入される。上述したように、中央溝２６５Ａのうち、第１導入溝２６５Ｂ側の一部には、トラップ部３０１が設けられているので、中央溝２６５Ａに導入される空気は、トラップ部３０１を通過する。

中央溝２６５Ａに導入された空気は、上燃料電池スタック５ａ（特に下端の単セル３）と熱交換を行う。つまり、中央溝２６５Ａ内の空気は、熱交換器７に隣接する単セル３によって加熱されて温度が上昇し、逆に、熱交換器７に隣接する単セル３は、冷却されて温度が低下する。

そして、熱交換によって温度が上昇した空気は、第１排出溝２６５Ｃ、挿通孔６８を経て、空気管２６に導入される。なお、空気管２６は、空気用部材２６７の挿通孔６８内で、図示しない開口部を有しており、第１排出溝２６５Ｃ、挿通孔６８を経た空気は、その開口部から、空気管２６に導入される。

空気管２６に導入された空気は、空気管２６に沿って積層方向の両側（図２の上下方向）に分岐して案内され、それぞれ、上燃料電池スタック５ａ及び下燃料電池スタック５ｂの各単セル３の空気流路３９に導入される。

詳しくは、図５に示す様に、空気極３７側のガスシール部４５の貫通長孔７３に到達した空気は、切り欠き７７に導かれて、開口部７５（即ち空気流路３９）内に導入され、空気極３７にて発電のために利用される。

そして、発電後の空気は、開口部７５から、切り欠き７８を通り、貫通長孔７４に導入される。
その後、この貫通長孔７４に案内された空気は、空気管２５を通って、図５の上方に導かれ、外部に排出される。

なお、ここでは、空気管２４、熱交換器７（特に中央溝２６５Ａ）、空気管２６、単セル３の空気流路３９、及び空気管２５を空気が順次流れる経路が酸化剤ガス流路の一実施形態であり、そのうち、熱交換器７内の部分が、熱交換部内流路の一実施形態である。

（４−２）燃料ガスの流路
図１、図３に示すように、燃料ガスは、燃料ガス管２１に導入される。導入された燃料ガスは、燃料ガス管２１内を、燃料電池スタック５の積層方向（図３における下方向）に流れ、熱交換器７に至る。燃料ガス管２１は、燃料ガス用部材２７１の挿通孔６１内で、図示しない開口部を有しており、燃料ガス管２１内の燃料ガスは、その開口部から、挿通孔６１、第２導入溝２６９Ｂを経て、中央溝２６９Ａに導入される。上述したように、中央溝２６９Ａのうち、第２導入溝２６９Ｂ側の一部には、トラップ部３０２が設けられているので、中央溝２６９Ａに導入される燃料ガスは、トラップ部３０２を通過する。

中央溝２６９Ａに導入された燃料ガスは、下燃料電池スタック５ｂ（特に上端の単セル３）と熱交換を行う。つまり、中央溝２６９Ａ内の燃料ガスは、熱交換器７に隣接する単セル３によって加熱されて温度が上昇し、逆に、熱交換器７に隣接する単セル３は、冷却されて温度が低下する。

そして、熱交換によって温度が上昇した燃料ガスは、第２排出溝２６９Ｃ、挿通孔６６を経て、燃料ガス管２３に導入される。なお、燃料ガス管２３は、燃料ガス用部材２７１の挿通孔６６内で、図示しない開口部を有しており、第２排出溝２６９Ｃ、挿通孔６６を経た燃料ガスは、その開口部から、燃料ガス管２３に導入される。

燃料ガス管２３に導入された燃料ガスは、燃料ガス管２３に沿って積層方向の両側（図３の上下方向）に分岐して案内され、それぞれ、上燃料電池スタック５ａ及び下燃料電池スタック５ｂの各単セル３の燃料ガス流路３１に導入される。

詳しくは、図５に示す様に、燃料極３３側のガスシール部５１の貫通長孔１０２に到達した燃料ガスは、切り欠き１０５ｂに導かれて、開口部９５（即ち燃料ガス流路３１）内に導入され、燃料極３３にて発電のために利用される。

そして、単セル３内にて発電に寄与した残余の発電後の燃料ガスは、開口部９５から、切り欠き１０５ａを通り、貫通長孔１０１に導入される。
その後、この貫通長孔１０１に案内された燃料ガスは、燃料ガス管２２を通って、図５の上方に導かれ、外部に排出される。

なお、ここでは、燃料ガス管２１、熱交換器７（特に中央溝２６９Ａ）、燃料ガス管２３、単セル３の燃料ガス流路３１、及び燃料ガス管２２を燃料ガスが順次流れる経路が燃料ガス流路の一実施形態であり、そのうち、熱交換器７内の部分が、熱交換部内流路の一実施形態である。

５．燃料電池１が奏する効果
（１）燃料電池１は、単セル３に空気を供給する酸化剤ガス流路のうち、単セル３よりも上流側にトラップ部３０１を備える。そのため、空気中に含まれる汚染物質をトラップ部３０１でトラップし、単セル３の空気極３７における汚染を抑制できる。

（２）熱交換器７の温度は、燃料電池１の運転温度に近く、運転温度よりもわずかに低い。トラップ部３０１は熱交換器７内に設けられているので、その温度は、燃料電池１の運転温度に近く、運転温度よりもわずかに低い。そのことにより、トラップ部３０１が空気中に含まれる汚染物質をトラップする効果が一層高い。

（３）トラップ部３０１の材料は、空気極３７の材料、電解質層３５の材料、又はその両方の材料を含む。そのため、空気極３７や三相界面を汚染する可能性がある物質を一層効果的にトラップできる。

（４）トラップ部３０１は、中央溝２６５Ａのうち、上流側の部分に充填されている。そのため、熱交換器７の他の部分に設ける場合よりも、トラップ部３０１の温度が低くなり、空気中に含まれる汚染物質を物理吸着によりトラップする効果が一層高い。また、中央溝２６５Ａ全体にトラップ部３０１を充填する場合と比べて、空気供給経路の差圧を小さくすることができる。

（５）燃料電池１は、単セル３に燃料ガスを供給する燃料ガス流路のうち、単セル３よりも上流側にトラップ部３０２を備える。そのため、燃料ガス中に含まれる汚染物質をトラップ部３０２でトラップし、単セル３の燃料極３３や三相界面における汚染を抑制できる。

（６）熱交換器７の温度は、燃料電池１の運転温度に近く、運転温度よりもわずかに低い。トラップ部３０２は熱交換器７内に設けられているので、その温度は、燃料電池１の運転温度に近く、運転温度よりもわずかに低い。そのことにより、トラップ部３０２が燃料ガス中に含まれる汚染物質をトラップする効果が一層高い。

（７）トラップ部３０２の材質は、燃料極３３の材料、電解質層３５の材料、又はその両方の材料を含む。そのため、燃料極３３や三相界面を汚染する可能性がある物質を一層効果的にトラップできる。

（８）トラップ部３０２は、中央溝２６９Ａのうち、上流側の部分に充填されている。そのため、熱交換器７の他の部分に設ける場合よりも、トラップ部３０２の温度が低くなり、燃料ガス中に含まれる汚染物質を物理吸着によりトラップする効果が一層高い。また、中央溝２６９Ａ全体にトラップ部３０２を充填する場合と比べて、燃料ガス供給経路の差圧を小さくすることができる。

（９）燃料電池１は、トラップ部３０１、３０２を熱交換器７内に備えている。そのため、燃料電池１をコンパクト化することができる。
６．燃料電池１の製造方法
燃料電池１の製造方法を説明する。まず、フェライト系ステンレスの板材から上述した形状のインターコネクタ４３、セパレータ４７、及び燃料極フレーム４９を形成する。また、マイカ又はバーミュライトで、上述した形状のガスシール部４５を形成する。

次に、周知の方法で、セル本体４１を形成する。具体的には、燃料極３３となるグリーンシート上に固体電解質体（電解質層３５）となるグリーンシートを積層し、焼成する。さらに、前記固体電解質体上に空気極３７の形成材料を印刷した後、焼成することで、セル本体４１を形成する。このセル本体４１を、セパレータ４７の開口部７９を閉塞するように、セパレータ４７に接合する。セル本体４１とセパレータ４７との接合はロウ付け等により行う。

次に、インターコネクタ４３、ガスシール部４５、セル本体４１を接合済みのセパレータ４７、燃料極フレーム４９、ガスシール部５１、及びインターコネクタ４３を積層して一体化することで、発電セル（単セル３）が完成する。

そして、複数の発電セル、熱交換器７、エンドプレート６、８を図２、図３に示す順番で積層し、孔にボルト１１〜１８を差し込み、ボルト１１〜１８の両端にナット１９を螺合することで、燃料電池１が完成する。
＜第２の実施形態＞
１．燃料電池１の構成
本実施形態の燃料電池１の構成は、基本的には前記第１の実施形態と同様であるが、熱交換器７の構成において相違する。以下では、その相違点を中心に説明する。

図１０、図１１Ｂに示すように、熱交換器７における中央溝２６５Ａの表面全体に、トラップ層４０１が設けられている。トラップ層４０１は、中央溝２６５Ａの内壁に形成された一定の膜厚を有する層であり、その膜厚は、中央溝２６５Ａの深さよりも小さい。そのため、図１０に示すように、燃料ガス用部材２７１における空気用部材２６７側の面２７１Ｂと、トラップ層４０１との間には、隙間が存在し、その隙間を空気が流れることができる。トラップ層４０１の材質は、空気極３７の材質と同じである。

また、図１０、図１１Ｃに示すように、燃料ガス用部材２７１の面２７１Ｂのうち、中央溝２６５Ａに対向する領域には、トラップ層４０２が形成されている。よって、空気用部材２６７と燃料ガス用部材２７１とを積層したとき、図１０に示すように、中央溝２６５Ａの上側にはトラップ層４０１が存在し、下側にはトラップ層４０２が存在する。トラップ層４０２の材質は、空気極３７の材質と同じである。

また、図１０、図１１Ｄに示すように、中央溝２６９Ａの表面全体に、トラップ層４０３が設けられている。トラップ層４０３は、中央溝２６９Ａの内壁に形成された一定の膜厚を有する層であり、その膜厚は、中央溝２６９Ａの深さよりも小さい。そのため、図１０に示すように、隣接する単セル３と、トラップ層４０３との間には、隙間が存在し、その隙間を燃料ガスが流れることができる。トラップ層４０３の材質は、燃料極３３の材質と同じである。

また、図１０に示すように、隣接する単セル３のインターコネクタ４３のうち、中央溝２６９Ａに対向する領域には、トラップ層４０４が形成されている。よって、燃料ガス用部材２７１を隣接する単セル３上に積層したとき、図１０に示すように、中央溝２６９Ａの上側にはトラップ層４０３が存在し、下側にはトラップ層４０４が存在する。トラップ層４０４の材質は、燃料極３３の材質と同じである。

２．燃料電池１が奏する効果
（１）本実施形態の燃料電池１は、前記第１の実施形態と略同様の効果を奏する。
（２）本実施形態では、トラップ層４０１〜４０４を用いることにより、酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路の差圧を小さくすることができる。
＜第３の実施形態＞
１．燃料電池１の構成
本実施形態の燃料電池１の構成は、基本的には前記第１の実施形態と同様であるが、熱交換器７の構成において相違する。以下では、その相違点を中心に説明する。

図１２、図１３Ｂに示すように、トラップ部３０１は、中央溝２６５Ａの全体をカバーしている。また、図１２、図１３Ｄに示すように、トラップ部３０２は、中央溝２６９Ａの全体をカバーしている。

２．燃料電池１が奏する効果
（１）本実施形態の燃料電池１は、前記第１の実施形態と略同様の効果を奏する。
（２）本実施形態では、トラップ部３０１が中央溝２６５Ａの全体をカバーすることにより、空気中に含まれる汚染物質をトラップする効果が一層高い。

（３）本実施形態では、トラップ部３０２が中央溝２６９Ａの全体をカバーすることにより、燃料ガス中に含まれる汚染物質をトラップする効果が一層高い。
＜第４の実施形態＞
１．燃料電池１の構成
本実施形態の燃料電池１の構成は、基本的には前記第１の実施形態と同様であるが、熱交換器７の構成において相違する。以下では、その相違点を中心に説明する。

本実施形態では、燃料電池１とは別体のトラップユニットを備える。空気は、そのトラップユニットを通ってから、燃料電池１の空気管２４に導入される。また、燃料ガスも、上記のトラップユニットを通ってから、燃料ガス管２１に導入される。トラップユニットは、空気及び燃料ガス中の汚染物質のトラップを行う機能を有する。

２．燃料電池１が奏する効果
（１）本実施形態の燃料電池１は、前記第１の実施形態と略同様の効果を奏する。
（２）本実施形態では、トラップユニットを備えることにより、空気及び燃料ガスに含まれる汚染物質をトラップする効果が一層高い。
＜その他の実施形態＞
（１）前記第１〜第４の実施形態において、トラップ部（トラップ層）は、空気流路（中央溝２６５Ａ内）のみに設けてもよいし、燃料ガス流路（中央溝２６９Ａ）のみに設けてもよい。

（２）前記第１〜第４の実施形態において、空気流路（中央溝２６５Ａ内）のトラップ部（トラップ層）の材質は、空気極３７の材質と、他の物質との混合物であってもよいし、他の物質のみであってもよい。

また、燃料ガス流路（中央溝２６９Ａ）のトラップ部（トラップ層）の材質は、燃料極３３の材質と、他の物質との混合物であってもよいし、他の物質のみであってもよい。
（３）前記第１の実施形態において、トラップ部３０１、３０２の位置は、他の位置であってもよい。例えば、トラップ部３０１の位置は、中央溝２６５Ａのうち、第１排出溝２６５Ｃ側の位置であってもよい。また、トラップ部３０２の位置は、中央溝２６９Ａのうち、第２排出溝２６９Ｃ側の位置であってもよい。

（４）前記第１〜第４の実施形態において、燃料電池１は、他のタイプ（例えば、ＭＣＦＣ（溶融炭酸塩形燃料電池））でもよい。
（５）前記第１〜第４の実施形態における構成の全部又は一部を適宜組み合わせてもよい。

（６）前記第１〜第４の実施形態の燃料電池１が備える単セル３の数は、上記の個数に限定されず、適宜設定することができる。また、燃料電池１が備える熱交換器７の数は、上記個数に限定されず、適宜設定することができる。

（７）前記第１〜第４の実施形態の燃料電池１において、熱交換器７の積層方向における位置は、燃料電池１の中央であってもよいし、端部寄りであってもよい。
（８）前記第１〜第４の実施形態の燃料電池１において、熱交換部７の位置は、燃料電池スタックにおける端部（エンドプレート６と図面上最も上側の単セル３との間、又は、エンドプレート８と図面上最も下側の単セル３との間）であってもよいし、単セル３のスタックにおける中央付近であってもよい。

（９）前記各実施形態では、燃料電池１の燃料ガス流路は、ボルトの内部に形成された空洞（中空ボルト）としたが、これに限ることはない。燃料ガス流路は、中実ボルト（内部に空洞が無いボルト）の外表面の外側に形成してもよい。また、燃料電池１に中実ボルトと、中空ボルトとを、併設してもよい。

１…燃料電池、３…単セル、５…燃料電池スタック、５ａ…上燃料電池スタック、５ｂ…下燃料電池スタック、６、８…エンドプレート、７…熱交換器、１１〜１８…ボルト、１９…ナット、２１、２２、２３…燃料ガス管、２４、２５、２６…空気管、３１…燃料ガス流路、３３…燃料極、３５…電解質層、３７…空気極、３９…空気流路、４１…セル本体、４３…インターコネクタ、４５…ガスシール部、４７…セパレータ、４９…燃料極フレーム、５１…ガスシール部、５３…燃料極側集電体、５５…空気極側集電体、６１〜６８…挿通孔、７１〜７４…貫通長孔、７５…開口部、７７、７８…切り欠き、７９…開口部、８１〜８３…貫通長孔、８５…開口部、９１〜９３…貫通長孔、９５…開口部、１０１〜１０３…貫通長孔、１０５ａ、１０５ｂ…切り欠き、２６５…第１溝、２６５Ａ…中央溝、２６５Ｂ…第１導入溝、２６５Ｃ…第１排出溝、２６６…突出部、２６７…空気用部材、２６９…第２溝、２６９Ａ…中央溝、２６９Ｂ…第２導入溝、２６９Ｃ…第２排出溝、２７０…突出部、２７１…燃料ガス用部材、２７７、２７８…枠部、３０１、３０２…トラップ部、４０１〜４０４…トラップ層

Claims

積層された複数の板状の単セルと、
隣接する２つの前記単セル間、及び前記複数の単セルのうち前記積層の方向における端に位置する単セルの外側の少なくとも一方に設けられた熱交換部と、
前記単セルに燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、
前記単セルに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路と、
を備える燃料電池であって、
前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路の少なくとも一方は、前記単セルよりも上流側において、前記熱交換部を通過する熱交換部内流路を含み、
前記熱交換部内流路に、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの少なくとも一方に含まれる汚染物質を吸着するトラップ部が設けられていることを特徴とする燃料電池。
前記単セルは、電解質層と該電解質層を隔てて配置された空気極層及び燃料極層とを有し、
前記トラップ部は、前記電解質層、前記空気極層、及び前記燃料極層のうちのいずれかと同じ材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記熱交換部内流路のうち、少なくとも上流側に前記トラップ部が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
前記トラップ部は、前記熱交換部内流路の少なくとも一部に充填されている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。
前記トラップ部は、前記熱交換部内流路の内壁に形成された層である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。
前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路の少なくとも一方は、前記熱交換部よりも上流側において、前記汚染物質を吸着するトラップユニットを備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。