JPWO2012133175A1

JPWO2012133175A1 - 燃料電池

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Publication number: JPWO2012133175A1
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Inventors: 修横倉
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Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2014-07-28
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Abstract

発電効率の高い固体酸化物形燃料電池を提供する。燃料電池１は、固体酸化物電解質層３１と、第１の電極３２ａ、第２の電極３３ａとを有する発電要素３０と、第１のセパレータ１０と、第２のセパレータ５０と、第１の多孔質体２０とを備えている。第１のセパレータ１０は、第１の電極３２ａの上に配されている第１のセパレータ本体１１と、複数の第１の流路形成部１２ｃとを有する。複数の第１の流路形成部１２ｃは、第１のセパレータ本体１１から第１の電極３２ａ側に向かって突出するように相互に間隔をおいて配されている。複数の第１の流路形成部１２ｃは、第１のセパレータ本体１１と第１の電極３２ａとの間に複数の第１の流路１２ａを区画形成している。第１の多孔質体２０は、第１の流路形成部１２ｃと、第１の電極３２ａとの間に配されている。

Description

本発明は、燃料電池に関する。特に、本発明は、固体酸化物形燃料電池に関する。

近年、新たなエネルギー源として、燃料電池に対する注目が大きくなってきている。燃料電池には、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：ＳｏｌｉｄＯｘｉｄｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）、溶融炭酸塩形燃料電池、リン酸形燃料電池、固体高分子形燃料電池等がある。これらの燃料電池の中でも、固体酸化物形燃料電池では、液体の構成要素を用いる必要が必ずしもなく、炭化水素燃料を用いるときに内部での改質も可能である。このため、固体酸化物形燃料電池に対する研究開発が盛んに行われている。

例えば、下記の特許文献１には、図１５に示す固体酸化物形燃料電池が開示されている。図１５に示すように、特許文献１に記載の固体酸化物形燃料電池１００は、積層された複数の発電要素１０１を備えている。複数の発電要素１０１のそれぞれは、固体酸化物電解質層１０２を備えている。固体酸化物電解質層１０２は、空気極１０３と、燃料極１０４とにより挟持されている。隣り合う発電要素１０１の間には、セパレータ１０５が設けられている。

セパレータ１０５の空気極１０３側の表面には、第１の方向に沿って延びる複数の溝１０５ａが形成されている。複数の溝１０５ａは、酸化剤ガスの流路を区画形成している。この複数の溝１０５ａにより区画形成された酸化剤ガスの流路を経由して空気極１０３に酸化剤ガスが供給される。一方、セパレータ１０５の燃料極１０４側の表面には、複数の溝１０５ｂが形成されている。この複数の溝１０５ｂのそれぞれは、第１の方向に対して垂直な第２の方向に沿って延びている。複数の溝１０５ｂは、燃料ガスの流路を区画形成している。この複数の溝１０５ｂにより区画形成された燃料ガスの流路を経由して燃料極１０４に燃料ガスが供給される。

燃料電池１００では、セパレータ１０５は、導電性を有するランタンクロマイト系セラミックスにより形成されている。

特開平１１−３２９４６２号公報

ところで、近年、燃料電池の発電効率をさらに向上したいという要望が高まってきている。

本発明は、斯かる点に鑑みて成されたものであり、その目的は、発電効率の高い固体酸化物形燃料電池を提供することにある。

本発明に係る燃料電池は、発電要素と、第１のセパレータと、第２のセパレータと、第１の多孔質体とを備えている。発電要素は、固体酸化物電解質層と、第１の電極と、第２の電極とを有する。第１の電極は、固体酸化物電解質層の一主面の上に配されている。第２の電極は、固体酸化物電解質層の他主面の上に配されている。第１のセパレータは、第１のセパレータ本体と、複数の第１の流路形成部とを有する。第１のセパレータ本体は、第１の電極の上に配されている。複数の第１の流路形成部は、第１のセパレータ本体から第１の電極側に向かって突出するように、相互に間隔をおいて配されている。複数の第１の流路形成部は、第１のセパレータ本体と第１の電極との間に複数の第１の流路を区画形成している。第２のセパレータは、第２のセパレータ本体と、複数の第２の流路形成部とを有する。第２のセパレータ本体は、第２の電極の上に配されている。複数の第２の流路形成部は、第２のセパレータ本体から第２の電極側に向かって突出するように、相互に間隔をおいて配されている。複数の第２の流路形成部は、第２のセパレータ本体と第２の電極との間に複数の第２の流路を区画形成している。第１の多孔質体は、第１の流路形成部と、第１の電極との間に配されている。

本発明に係る燃料電池のある特定の局面では、第１の多孔質体は、第１の電極の第１の流路と面している部分を覆うように設けられている。

本発明に係る燃料電池の他の特定の局面では、燃料電池は、第２の流路形成部と第２の電極との間に配された第２の多孔質体をさらに備えている。

本発明に係る燃料電池の別の特定の局面では、第２の多孔質体は、第２の電極の第２の流路と面している部分を覆うように設けられている。

本発明に係る燃料電池のさらに他の特定の局面では、第１及び第２の多孔質体は、同じ材料からなる。

本発明に係る燃料電池のさらに別の特定の局面では、第１のセパレータは、第１の流路形成部の第１のセパレータ本体とは反対側の表面から、前記第１のセパレータ本体の第１の流路形成部とは反対側の表面にまで至るビアホール電極を有する。第１の多孔質体は、導電部材により構成されている。

本発明に係る燃料電池のまた他の特定の局面では、第１の多孔質体は、導電性セラミックスからなる。

本発明に係る燃料電池のまた別の特定の局面では、第１の多孔質体は、第１の電極と同じ材料からなる。

本発明に係る燃料電池のさらにまた他の特定の局面では、第１のセパレータは、第１の流路形成部の第１のセパレータ本体とは反対側の表面から、前記第１のセパレータ本体の第１の流路形成部とは反対側の表面にまで至るビアホール電極を有する。第１の多孔質体は、絶縁部材により構成されている多孔質体本体と、多孔質体本体の内部に形成されており、ビアホール電極と第１の電極とを電気的に接続している電極とを有する。

本発明に係る燃料電池のまたさらに他の特定の局面では、多孔質体本体は、第１の流路形成部と同じ材料からなる。

本発明に係る燃料電池のまたさらに別の特定の局面では、多孔質体本体は、第１のセパレータ本体と同じ材料からなる。

本発明に係る燃料電池のさらに異なる特定の局面では、多孔質体本体は、第１の流路形成部及び第１のセパレータ本体と同じ材料からなる。

本発明によれば、発電効率の高い固体酸化物形燃料電池を提供することができる。

図１は、第１の実施形態に係る燃料電池の略図的分解斜視図である。図２は、第１の実施形態における第１のセパレータ本体の略図的平面図である。図３は、第１の実施形態における第１の流路形成部の略図的平面図である。図４は、第１の実施形態における第１の多孔質体の略図的平面図である。図５は、第１の実施形態における空気極層の略図的平面図である。図６は、第１の実施形態における固体酸化物電解質層の略図的平面図である。図７は、第１の実施形態における燃料極層の略図的平面図である。図８は、第１の実施形態における第２の多孔質体の略図的平面図である。図９は、第１の実施形態における第２の流路形成部の略図的平面図である。図１０は、第１の実施形態における第２のセパレータ本体の略図的平面図である。図１１は、図３の線ＸＩ−ＸＩにおける略図的断面図である。図１２は、図９の線ＸＩＩ−ＸＩＩにおける略図的断面図である。図１３は、第２の実施形態に係る燃料電池の略図的断面図である。図１４は、第２の実施形態に係る燃料電池の略図的断面図である。図１５は、特許文献１に記載の固体酸化物形燃料電池の略図的分解斜視図である。

以下、本発明を実施した好ましい形態の一例について説明する。但し、下記の実施形態は、単なる例示である。本発明は、下記の実施形態に何ら限定されない。

また、実施形態等において参照する各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照することとする。また、実施形態等において参照する図面は、模式的に記載されたものであり、図面に描画された物体の寸法の比率などは、現実の物体の寸法の比率などとは異なる場合がある。図面相互間においても、物体の寸法比率等が異なる場合がある。具体的な物体の寸法比率等は、以下の説明を参酌して判断されるべきである。

図１は、第１の実施形態に係る燃料電池の略図的分解斜視図である。図２は、第１の実施形態における第１のセパレータ本体の略図的平面図である。図３は、第１の実施形態における第１の流路形成部の略図的平面図である。図４は、第１の実施形態における第１の多孔質体の略図的平面図である。図５は、第１の実施形態における空気極層の略図的平面図である。図６は、第１の実施形態における固体酸化物電解質層の略図的平面図である。図７は、第１の実施形態における燃料極層の略図的平面図である。図８は、第１の実施形態における第２の多孔質体の略図的平面図である。図９は、第１の実施形態における第２の流路形成部の略図的平面図である。図１０は、第１の実施形態における第２のセパレータ本体の略図的平面図である。図１１は、図３の線ＸＩ−ＸＩにおける略図的断面図である。図１２は、図９の線ＸＩＩ−ＸＩＩにおける略図的断面図である。

図１、図１１及び図１２に示すように、本実施形態の燃料電池１は、第１のセパレータ１０と、第１の多孔質体２０と、発電要素３０と、第２の多孔質体４０と、第２のセパレータ５０とを有する。燃料電池１では、第１のセパレータ１０と、第１の多孔質体２０と、発電要素３０と、第２の多孔質体４０と、第２のセパレータ５０とがこの順番で積層されている。

なお、本実施形態の燃料電池１は、第１及び第２の多孔質体２０，４０並びに発電要素３０の積層体をひとつのみ有している。但し、本発明は、この構成に限定されない。本発明の燃料電池は、例えば、第１及び第２の多孔質体及び発電要素の積層体を複数有していてもよい。その場合、隣り合う積層体は、セパレータにより隔離される。

（発電要素３０）
発電要素３０は、酸化剤ガス流路（酸化剤ガス用マニホールド）６１から供給される酸化剤ガスと、燃料ガス流路（燃料ガス用マニホールド）６２から供給される燃料ガスとが反応し、発電が行われる部分である。ここで、酸化剤ガスは、例えば、空気や酸素ガス等の有酸素ガスにより構成することができる。また、燃料ガスは、水素ガスや、一酸化炭素ガスなどの炭化水素ガス等を含むガスとすることができる。

（固体酸化物電解質層３１）
発電要素３０は、固体酸化物電解質層３１を備えている。固体酸化物電解質層３１は、イオン導電性が高いものであることが好ましい。固体酸化物電解質層３１は、例えば、安定化ジルコニアや、部分安定化ジルコニアなどにより形成することができる。安定化ジルコニアの具体例としは、１０ｍｏｌ％イットリア安定化ジルコニア（１０ＹＳＺ）、１１ｍｏｌ％スカンジア安定化ジルコニア（１１ＳｃＳＺ）等が挙げられる。部分安定化ジルコニアの具体例としは、３ｍｏｌ％イットリア部分安定化ジルコニア（３ＹＳＺ）、等が挙げられる。また、固体酸化物電解質層３１は、例えば、ＳｍやＧｄ等がドープされたセリア系酸化物や、ＬａＧａＯ_３を母体とし、ＬａとＧａとの一部をそれぞれＳｒ及びＭｇで置換したＬａ_０．８Ｓｒ_０．２Ｇａ_０．８Ｍｇ_０．２Ｏ_{（３−δ）}などのペロブスカイト型酸化物などにより形成することもできる。

なお、固体酸化物電解質層３１には、図６に示すように、流路６１，６２の一部を構成している貫通孔３１ａ、３１ｂが形成されている。

固体酸化物電解質層３１は、空気極層３２と燃料極層３３とにより挟持されている。すなわち、固体酸化物電解質層３１の一主面の上に空気極層３２が形成されており、他主面の上に燃料極層３３が形成されている。

（空気極層３２）
図５に示すように、空気極層３２は、空気極３２ａと、周辺部３２ｂとを有する。周辺部３２ｂには、流路６１，６２の一部を構成している貫通孔３２ｃ、３２ｄが形成されている。

空気極３２ａは、カソードである。空気極３２ａにおいては、酸素が電子を取り込んで、酸素イオンが形成される。空気極３２ａは、多孔質で、電子伝導性が高く、かつ、高温において固体酸化物電解質層３１等と固体間反応を起こしにくいものであることが好ましい。空気極３２ａは、例えば、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、Ｓｎをドープした酸化インジウム、ＰｒＣｏＯ_３系酸化物、ＬａＣｏＯ_３系酸化物、ＬａＭｎＯ_３系酸化物などにより形成することができる。ＬａＭｎＯ_３系酸化物の具体例としては、例えば、Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２ＭｎＯ_３（通称：ＬＳＭ）、Ｌａ_０．８Ｓｒ_０．２Ｃｏ_０．２Ｆｅ_０．８Ｏ_３（通称：ＬＳＣＦ）や、Ｌａ_０．６Ｃａ_０．４ＭｎＯ_３（通称：ＬＣＭ）等が挙げられる。

周辺部３２ｂは、例えば、下記の第１及び第２のセパレータ本体１１，５１と同様の材料により形成することができる。

（燃料極層３３）
図７に示すように、燃料極層３３は、燃料極３３ａと、周辺部３３ｂとを有する。周辺部３３ｂには、流路６１，６２の一部を構成している貫通孔３３ｃ、３３ｄが形成されている。

燃料極３３ａは、アノードである。燃料極３３ａにおいては、酸素イオンと燃料ガスとが反応して電子を放出する。燃料極３３ａは、多孔質で、電子伝導性が高く、かつ、高温において固体酸化物電解質層３１等と固体間反応を起こしにくいものであることが好ましい。燃料極３３ａは、例えば、ＮｉＯ、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）・ニッケル金属の多孔質サーメットや、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）・ニッケル金属の多孔質サーメット等により構成することができる。

（第１のセパレータ１０）
図１、図１１及び図１２に示すように、発電要素３０の空気極層３２の上には、第１のセパレータ１０が配置されている。この第１のセパレータ１０は、酸化剤ガス流路６１から供給される酸化剤ガスを空気極３２ａに供給するための流路１２ａを形成する機能と、空気極３２ａを燃料電池１の外部に引き出す機能とを有している。また、複数の発電要素を備える燃料電池においては、第１のセパレータは、燃料ガスと酸化剤ガスとを分離する機能も兼ね備えている。

第１のセパレータ１０は、第１のセパレータ本体１１と、線状凸部により構成されている第１の流路形成部１２とを有する。第１のセパレータ本体１１は、空気極３２ａの上に配されている。第１のセパレータ本体１１には、流路６１，６２の一部を構成している貫通孔１１ａ、１１ｂが形成されている。

第１の流路形成部１２は、第１のセパレータ本体１１と空気極層３２との間に配されている。第１の流路形成部１２は、周辺部１２ｂと、複数の流路形成部１２ｃとを有する。周辺部１２ｂには、燃料ガス流路６２の一部を構成している貫通孔１２ｄが形成されている。

複数の流路形成部１２ｃのそれぞれは、第１のセパレータ本体１１の空気極層３２側の表面から、空気極層３２側に向かって突出するように設けられている。複数の流路形成部１２ｃのそれぞれは、ｘ方向に沿って直線状に設けられている。複数の流路形成部１２ｃは、ｙ方向に沿って相互に間隔をおいて配置されている。隣接する流路形成部１２ｃの間と、流路形成部１２ｃと周辺部１２ｂとの間に、上記流路１２ａが区画形成されている。

第１のセパレータ本体１１及び第１の流路形成部１２の材料は、特に限定されない。第１のセパレータ本体１１及び第１の流路形成部１２のそれぞれは、例えば、安定化ジルコニアや、部分安定化ジルコニア等により形成することができる。また、第１のセパレータ本体１１及び第１の流路形成部１２のそれぞれは、例えば、希土類金属が添加されたランタンクロマイトやチタン酸ストロンチウムなどの導電性セラミックスやアルミナやケイ酸ジルコニウムなどの絶縁性セラミックスなどによっても形成することができる。

複数の流路形成部１２ｃのそれぞれには、複数のビアホール電極１２ｃ１が埋設されている。複数のビアホール電極１２ｃ１は、複数の流路形成部１２ｃをｚ方向に貫通するように形成されている。また、第１のセパレータ本体１１には、複数のビアホール電極１２ｃ１の位置に対応して複数のビアホール電極１１ｃが形成されている。複数のビアホール電極１１ｃは、第１のセパレータ本体１１を貫通するように形成されている。これら複数のビアホール電極１１ｃ及び複数のビアホール電極１２ｃ１により、流路形成部１２ｃの第１のセパレータ本体１１とは反対側の表面から第１のセパレータ本体１１の流路形成部１２ｃとは反対側の表面にまで至る複数のビアホール電極が構成されている。

ビアホール電極１１ｃ及びビアホール電極１２ｃ１の材質は、特に限定されない。ビアホール電極１１ｃ及びビアホール電極１２ｃ１のそれぞれは、例えば、Ａｇ−Ｐｄ合金、Ａｇ−Ｐｔ合金、アルカリ土類金属を添加したランタンクロマイト（ＬａＣｒＯ_３）、ランタンフェレート（ＬａＦｅＯ_３）や、ランタンストロンチウムマンガナイト（ＬＳＭ：ＬａｎｔｈａｎｕｍＳｔｒｏｎｔｉｕｍＭａｎｇａｎｉｔｅ）等により形成することができる。

（第２のセパレータ５０）
発電要素３０の燃料極層３３の上には、第２のセパレータ５０が配置されている。この第２のセパレータ５０は、燃料ガス流路６２から供給される燃料ガスを燃料極３３ａに供給するための流路５２ａを形成する機能と、燃料極３３ａを燃料電池１の外部に引き出す機能とを有している。また、複数の発電要素を備える燃料電池においては、第２のセパレータは、燃料ガスと酸化剤ガスとを分離する機能も兼ね備えている。

第２のセパレータ５０は、第２のセパレータ本体５１と、線状凸部により構成されている第２の流路形成部５２とを有する。第２のセパレータ本体５１は、燃料極３３ａの上に配されている。第２のセパレータ本体５１には、流路６１，６２の一部を構成している貫通孔５１ａ、５１ｂが形成されている。

第２の流路形成部５２は、第２のセパレータ本体５１と燃料極層３３との間に配されている。第２の流路形成部５２は、周辺部５２ｂと、複数の流路形成部５２ｃとを有する。周辺部５２ｂには、燃料ガス流路６２の一部を構成している貫通孔５２ｄが形成されている。

複数の流路形成部５２ｃのそれぞれは、第２のセパレータ本体５１の燃料極層３３側の表面から、燃料極層３３側に向かって突出するように設けられている。複数の流路形成部５２ｃのそれぞれは、流路形成部１２ｃの延びる方向に対して垂直なｙ方向に沿って直線状に設けられている。複数の流路形成部５２ｃは、ｘ方向に沿って相互に間隔をおいて配置されている。隣接する流路形成部５２ｃの間と、流路形成部５２ｃと周辺部５２ｂとの間に、上記流路５２ａが区画形成されている。このため、流路５２ａの延びる方向と、流路１２ａの延びる方向とは直交している。

第２のセパレータ本体５１及び第２の流路形成部５２の材料は、特に限定されない。第２のセパレータ本体５１及び第２の流路形成部５２のそれぞれは、例えば、安定化ジルコニアや、部分安定化ジルコニア等により形成することができる。また、第２のセパレータ本体５１及び第２の流路形成部５２のそれぞれは、例えば、希土類金属が添加されたランタンクロマイトやチタン酸ストロンチウムなどの導電性セラミックス、アルミナやケイ酸ジルコニウムなどの絶縁性セラミックスなどによっても形成することができる。

複数の流路形成部５２ｃのそれぞれには、複数のビアホール電極５２ｃ１が埋設されている。複数のビアホール電極５２ｃ１は、複数の流路形成部５２ｃをｚ方向に貫通するように形成されている。また、第２のセパレータ本体５１には、複数のビアホール電極５２ｃ１の位置に対応して複数のビアホール電極５１ｃが形成されている。複数のビアホール電極５１ｃは、第２のセパレータ本体５１を貫通するように形成されている。これら複数のビアホール電極５１ｃ及び複数のビアホール電極５２ｃ１により、流路形成部５２ｃの第２のセパレータ本体５１とは反対側の表面から第２のセパレータ本体５１の流路形成部５２ｃとは反対側の表面にまで至る複数のビアホール電極が構成されている。

ビアホール電極５１ｃ及びビアホール電極５２ｃ１の材質は、特に限定されない。ビアホール電極５１ｃ及びビアホール電極５２ｃ１のそれぞれは、例えば、Ａｇ−Ｐｄ合金、Ａｇ−Ｐｔ合金、ニッケル金属、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）・ニッケル金属や、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）・ニッケル金属等により形成することができる。

（第１の多孔質体２０及び第２の多孔質体４０）
第１の流路形成部１２ｃと、空気極３２ａとの間には、第１の多孔質体２０が配されている。第１の多孔質体２０は、空気極３２ａの流路１２ａと面している部分を覆うように形成されている。具体的には、本実施形態では、第１の多孔質体２０は、空気極３２ａの全体を実質的に覆うように形成されている。

一方、第２の流路形成部５２ｃと、燃料極３３ａとの間には、第２の多孔質体４０が配されている。第２の多孔質体４０は、燃料極３３ａの流路５２ａと面している部分を覆うように形成されている。具体的には、本実施形態では、第２の多孔質体４０は、燃料極３３ａの全体を実質的に覆うように形成されている。

なお、本発明においては、第１の多孔質体が第１の流路形成部と空気極との間に配されていればよい。例えば、第１の多孔質体が第１の流路形成部と空気極との間にのみ配されていてもよい。また、第２の多孔質体が第２の流路形成部と燃料極との間に配されていればよい。例えば、第２の多孔質体が第２の流路形成部と燃料極との間にのみ配されていてもよい。

第１及び第２の多孔質体２０，４０のそれぞれには、流路６１，６２の一部を構成している貫通孔２０ａ、２０ｂ、４０ａ、４０ｂが形成されている。

本実施形態においては、第１及び第２の多孔質体２０，４０のそれぞれは、連続気泡を有している。第１及び第２の多孔質体２０，４０それぞれの気孔率は、５％〜７０％であることが好ましく、１５％〜６０％であることがより好ましい。また、第１及び第２の多孔質体２０，４０それぞれの厚みは、同じであってもよく、また異なっていてもよい。電極、セパレータや多孔質体を構成する材料により、燃料電池の要求特性を考慮し、任意に設定することができる。

第１及び第２の多孔質体２０，４０のそれぞれの材質は、特に限定されない。本実施形態では、第１及び第２の多孔質体２０，４０のそれぞれは、導電部材により構成されている。このため、空気極３２ａは、第１の多孔質体２０を介してビアホール電極１２ｃ１，１１ｃに電気的に接続されている。燃料極３３ａは、第２の多孔質体４０を介してビアホール電極５２ｃ１，５１ｃに電気的に接続されている。

第１の多孔質体２０は、導電性セラミックスや空気極３２ａと同じ材料で構成することができる。第２の多孔質体４０は、導電性セラミックスや燃料極３３ａと同じ材料で構成することができる。導電性セラミックスとしては、希土類金属が添加されたランタンクロマイトやチタン酸化合物などによって成形できる。

ところで、特許文献１に記載の燃料電池１００では、複数の溝１０５ａ、１０５ｂを経由して酸化剤ガスや燃料ガスが空気極１０３や燃料極１０４に供給される。このため、空気極１０３や燃料極１０４のうち、溝１０５ａ、１０５ｂに面している部分には、酸化剤ガスや燃料ガスが供給される。しかしながら、空気極１０３や燃料極１０４のうち、セパレータ１０５と接触している部分には、酸化剤ガスや燃料ガスが実質的に供給されない。このため、空気極１０３や燃料極１０４のうち、セパレータ１０５と接触している部分の発電への寄与が小さい。

それに対して、本実施形態では、空気極３２ａと第１の流路形成部１２ｃとの間に第１の多孔質体２０が配されている。このため、流路１２ａからの酸化剤ガスは、第１の多孔質体２０内を、ｚ方向に向かって拡散しつつ、ｘ方向及びｙ方向に向かっても拡散していく。その結果、空気極３２ａの流路１２ａの下方に位置する部分のみならず、第１の流路形成部１２ｃの下方に位置する部分にも酸化剤ガスが供給される。

また、本実施形態では、燃料極３３ａと第２の流路形成部５２ｃとの間に第２の多孔質体４０が配されている。このため、流路５２ａからの燃料ガスは、第２の多孔質体４０内を、ｚ方向に向かって拡散しつつ、ｘ方向及びｙ方向に向かっても拡散していく。その結果、燃料極３３ａの流路５２ａの下方に位置する部分のみならず、第２の流路形成部５２ｃの下方に位置する部分にも燃料ガスが供給される。

従って、本実施形態では、空気極３２ａ及び燃料極３３ａの流路形成部１２ｃ、５２ｃの下方に位置する部分の発電への寄与が大きい。すなわち、空気極３２ａ及び燃料極３３ａの実質的に全体が発電に大きく寄与する。よって、高い発電効率を実現することができる。

また、本実施形態では、第１の多孔質体２０が空気極３２ａの流路１２ａに面している部分を覆うように設けられている。このため、第１の多孔質体２０が空気極３２ａと第１の流路形成部１２ｃとの間にのみ設けられている場合よりも、空気極３２ａの第１の流路形成部１２ｃの下方に位置する部分に酸化剤ガスを効率的に供給することができる。また、第２の多孔質体４０が燃料極３３ａの流路５２ａに面している部分を覆うように設けられている。このため、第２の多孔質体４０が燃料極３３ａと第２の流路形成部５２ｃとの間にのみ設けられている場合よりも、燃料極３３ａの第２の流路形成部５２ｃの下方に位置する部分に燃料ガスを効率的に供給することができる。従って、より高い発電効率を実現することができる。

また、本実施形態では、多孔質体２０，４０を空気極３２ａ、燃料極３３ａの流路１２ａ、５２ａと面している部分を覆うように設けられている。すなわち、多孔質体２０，４０が面状に設けられている。このため、例えば、多孔質体２０，４０が流路形成部１２ｃ、５２ｃの下方にのみストライプ状に設けられている場合と比べて、発電要素３０の剛性を高めることができる。よって、発電要素３０に反り等の変形が発生することを抑制することができる。よって、燃料電池１の長期信頼性を向上することができる。

特に、本実施形態では、空気極３２ａ、燃料極３３ａの表面が、第１または第２の多孔質体２０，４０と焼結するため、空気極３２ａ、燃料極３３ａがより変形しにくい。従って、燃料電池１の長期信頼性をより効果的に向上することができる。

また、発電要素３０の剛性を大きく低下させることなく固体酸化物電解質層３１を薄くすることができる。よって、発電効率をさらに向上することができる。特に、初期発電効率をさらに向上することができる。

発電要素３０の反りをより効果的に抑制する観点からは、第１の多孔質体２０と第２の多孔質体４０とが、同じ材料からなることが好ましい。また、発電部２０の剛性を高める観点からは、発電部２０の材料の焼成収縮率が発電部３０の焼成収縮率に比べ大きく、かつ発電部２０の材料の線熱膨張係数は発電部３０の焼成収縮率に比べ小さいことが好ましい。このことにより、発電部２０に圧縮応力がかかり、合成が向上する。

ここで、「同じ材料からなる」とは、主成分が同じであることを意味し、不純物まで含めて完全に一致していることに必ずしも限定されない。

なお、本実施形態では、第１及び第２の多孔質体２０，４０の両方が設けられている例について説明した。但し、本発明は、この構成に限定されない。本発明においては、例えば、第１及び第２の多孔質体の一方のみが設けられていてもよい。

以下、本発明を実施した好ましい形態の他の例について説明する。以下の説明において、上記第１の実施形態と実質的に共通の機能を有する部材を共通の符号で参照し、説明を省略する。

（第２の実施形態）
図１３は、第２の実施形態に係る燃料電池の略図的断面図である。図１４は、第２の実施形態に係る燃料電池の略図的断面図である。

図１３及び図１４に示す本実施形態の燃料電池２は、第１及び第２の多孔質体２０，４０の構成を除いては、上記第１の実施形態の燃料電池１と実質的に同様の構成を有する。このため、ここでは、本実施形態における第１及び第２の多孔質体２０，４０の構成について説明し、その他については、第１の実施形態の記載を援用するものとする。

本実施形態では、第１の多孔質体２０は、多孔質体本体２０ｃと、複数のビアホール電極２０ｄとを有する。多孔質体本体２０ｃは、絶縁部材により構成されている。本実施形態では、多孔質体本体２０ｃは、第１の流路形成部１２ｃと同じ材料からなる。

複数のビアホール電極２０ｄは、多孔質体本体２０ｃ内に形成されている。複数のビアホール電極２０ｄのそれぞれは、多孔質体本体２０ｃを貫通している。複数のビアホール電極２０ｄは、ビアホール電極１２ｃ１の位置に対応した位置に設けられている。この複数のビアホール電極２０ｄによって空気極３２ａとビアホール電極１２ｃ１とが電気的に接続されている。本実施形態では、複数のビアホール電極２０ｄは、ビアホール電極１２ｃ１と同じ材料からなる。

第２の多孔質体４０は、多孔質体本体４０ｃと、複数のビアホール電極４０ｄとを有する。多孔質体本体４０ｃは、絶縁部材により構成されている。本実施形態では、多孔質体本体４０ｃは、第２の流路形成部５２ｃと同じ材料からなる。

複数のビアホール電極４０ｄは、多孔質体本体４０ｃ内に形成されている。複数のビアホール電極４０ｄのそれぞれは、多孔質体本体４０ｃを貫通している。複数のビアホール電極４０ｄは、ビアホール電極５２ｃ１の位置に対応した位置に設けられている。この複数のビアホール電極４０ｄによって燃料極３３ａとビアホール電極５２ｃ１とが電気的に接続されている。本実施形態では、複数のビアホール電極４０ｄは、ビアホール電極５２ｃ１と同じ材料からなる。

本実施形態においても、上記第１の実施形態と同様に、高い発電効率を実現することができる。また、発電要素３０の反りを抑制することができる。

１，２…燃料電池
１０…第１のセパレータ
１１…第１のセパレータ本体
１１ａ、１１ｂ…貫通孔
１１ｃ…ビアホール電極
１２…第１の流路形成部
１２ａ…第１の流路
１２ｂ…周辺部
１２ｃ…第１の流路形成部
１２ｃ１…ビアホール電極
１２ｄ…貫通孔
２０…第１の多孔質体
２０ａ、２０ｂ、４０ａ、４０ｂ…貫通孔
２０ｃ…多孔質体本体
２０ｄ…ビアホール電極
３０…発電要素
３１…固体酸化物電解質層
３１ａ、３１ｂ…貫通孔
３２…空気極層
３２ａ…空気極
３２ｂ…周辺部
３２ｃ、３２ｄ…貫通孔
３３…燃料極層
３３ａ…燃料極
３３ｂ…周辺部
３３ｃ、３３ｄ…貫通孔
４０…第２の多孔質体
４０ｃ…多孔質体本体
４０ｄ…ビアホール電極
５０…第２のセパレータ
５１…第２のセパレータ本体
５１ａ、５１ｂ…貫通孔
５１ｃ…ビアホール電極
５２…第２の流路形成部
５２ａ…第２の流路
５２ｂ…周辺部
５２ｃ…第２の流路形成部
５２ｃ１…ビアホール電極
５２ｄ…貫通孔
６１…酸化剤ガス通路
６２…燃料ガス流路

Claims

固体酸化物電解質層と、前記固体酸化物電解質層の一主面の上に配された第１の電極と、前記固体酸化物電解質層の他主面の上に配された第２の電極とを有する発電要素と、
前記第１の電極の上に配された第１のセパレータ本体と、前記第１のセパレータ本体から前記第１の電極側に向かって突出するように相互に間隔をおいて配されており前記第１のセパレータ本体と前記第１の電極との間に複数の第１の流路を区画形成している複数の第１の流路形成部と、を有する第１のセパレータと、
前記第２の電極の上に配された第２のセパレータ本体と、前記第２のセパレータ本体から前記第２の電極側に向かって突出するように相互に間隔をおいて配されており前記第２のセパレータ本体と前記第２の電極との間に複数の第２の流路を区画形成している複数の第２の流路形成部と、を有する第２のセパレータと、
前記第１の流路形成部と、前記第１の電極との間に配された第１の多孔質体と、
を備える、燃料電池。
前記第１の多孔質体は、前記第１の電極の前記第１の流路と面している部分を覆うように設けられている、請求項１に記載の燃料電池。
前記第２の流路形成部と前記第２の電極との間に配された第２の多孔質体をさらに備える、請求項１または２に記載の燃料電池。
前記第２の多孔質体は、前記第２の電極の前記第２の流路と面している部分を覆うように設けられている、請求項３に記載の燃料電池。
前記第１及び第２の多孔質体は、同じ材料からなる、請求項３または４に記載の燃料電池。
前記第１のセパレータは、前記第１の流路形成部の前記第１のセパレータ本体とは反対側の表面から、前記第１のセパレータ本体の前記第１の流路形成部とは反対側の表面にまで至るビアホール電極を有し、
前記第１の多孔質体は、導電部材により構成されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池。
前記第１の多孔質体は、導電性セラミックスからなる、請求項６に記載の燃料電池。
前記第１の多孔質体は、前記第１の電極と同じ材料からなる、請求項６または７に記載の燃料電池。
前記第１のセパレータは、前記第１の流路形成部の前記第１のセパレータ本体とは反対側の表面から、前記第１のセパレータ本体の前記第１の流路形成部とは反対側の表面にまで至るビアホール電極を有し、
前記第１の多孔質体は、絶縁部材により構成されている多孔質体本体と、前記多孔質体本体の内部に形成されており、前記ビアホール電極と前記第１の電極とを電気的に接続している電極とを有する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池。
前記多孔質体本体は、前記第１の流路形成部と同じ材料からなる、請求項９に記載の燃料電池。
前記多孔質体本体は、前記第１のセパレータ本体と同じ材料からなる、請求項９に記載の燃料電池。
前記多孔質体本体、前記第１の流路形成部及び前記第１のセパレータ本体が同じ材料からなる、請求項１１に記載の燃料電池。