JP2002141081A

JP2002141081A - 平板形固体酸化物形燃料電池

Info

Publication number: JP2002141081A
Application number: JP2000337709A
Authority: JP
Inventors: Fusayuki Nanjo; 房幸南條; Koichi Takenobu; 弘一武信; Kazuhiro Yoshimoto; 和博吉本
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2000-11-06
Filing date: 2000-11-06
Publication date: 2002-05-17

Abstract

(57)【要約】【課題】電池構成部材間に発生する熱応力を効果的に
低減し、当該熱応力に起因する構成部材の損傷を効果的
に防止して燃料電池を長期にわたり安定して作動させる
ことのできる平板形固体酸化物形燃料電池を提供するこ
と。【解決手段】発電膜２を備える平板形固体酸化物形燃
料電池１０において、アノード側に設けられており、ア
ノードに燃料ガスを供給するための燃料ガス入口４５ａ
と、これに対向するように設けられた燃料ガス出口４５
ｂと、カソード側で燃料ガスの流通方向Ｌ１に沿って互
いに対抗し合う一対の側縁部のうち、一方の側縁部の燃
料ガス入口側の少なくとも２ヶ所に設けられたカソード
に空気を供給するための空気入口４２ａ及び４３ｂと、
空気入口に対向するカソード側の他方の側縁部の燃料ガ
ス出口側に設けられた第２反応ガス出口４４ａとを備え
ることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、平板形の固体酸化
物形燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池（ＦＣ；Fuel Cells）は、燃料
ガス（アノード反応ガス）と酸化用ガス（カソード反応
ガス）とを電極活物質として利用した電気化学反応によ
って発生する電気エネルギーを直接取り出すものであ
り、カルノー効率の制約を受ける熱機関と比較して高い
発電効率を有する。更に、燃料電池は、電気化学反応に
よって発生する熱エネルギーを、電池本体と電池から排
出される排ガスとから容易に回収することが出来るの
で、高い総合エネルギー効率を得ることが可能である。

【０００３】特に、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ;S
olid Oxide Fuel Cells）は、約８００〜１０００℃と
いう高温で作動させるため、ガスタービン、蒸気タービ
ンなどのボトミングサイクルと組み合わせた複合発電シ
ステムに利用することができる。そして、このような複
合発電システムは、ＳＯＦＣの排熱を効率よく回収して
発電に利用することで、非常に高い複合発電効率を達成
することが可能となる。このようなＳＯＦＣは、円筒型
と平板形の２種類のタイプの開発が進められている。円
筒型ＳＯＦＣに対して平板形ＳＯＦＣは、その形状の面
で、電池の積層化による出力密度の向上と大型化とを比
較的容易に図ることが可能であることからその実用化が
期待されている。

【０００４】従来、積層化された平板形ＳＯＦＣとして
は、例えば、国際公開ＷＯ９９／２６３０４号公報に開
示されている構造ものが知られている。

【０００５】すなわち、単位セルとなる平板状の発電膜
（単位セル；active layer）が、インターコネクタ（ガ
スセパレータ）を介して所定数積層された一体構造を有
している。この発電膜とインターコネクタとからなる積
層体は、スタックと呼ばれ、例えば、１０個の発電膜を
有するスタックは１０段スタックと呼ばれる。そして、
このスタックの両端部には、各単位セル内の電池反応に
より発生する電荷を集電するための集電板が電気的に接
続される。

【０００６】また、平板状の発電膜は、Ｏ^2-イオン伝導
性の固体酸化物からなる固体電解質膜と、当該固体電解
質膜の片面に形成されたアノードと、もう一方の面に形
成されたカソードとから構成されている。更に、インタ
ーコネクタ或いは発電膜とインターコネクタとの間に配
置されるシール材に溝を形成することにより、発電膜の
両側の電極面にはそれぞれ所定のガス流路が形成されて
いる。そして、アノード側のガス流路には還元剤となる
カソード反応ガスが供給され、カソード側のガス流路に
は酸化剤となるアノード反応ガスが供給される。このよ
うにして、それぞれの電極面上をガス流路の入口から出
口に向けて所定の方向に進行する反応ガスが電極反応を
起すことになる。

【０００７】固体酸化物形燃料電池（以下「ＳＯＦＣ」
という）は、その作動温度領域が８００〜１０００℃と
高いので、特に複数の発電膜（単位セル）を積層してス
タックを構成する場合において、構成部材間に生じる熱
応力に起因する各構成部材の損傷が電池のガスシール性
を低下させてしまうと共に電池の長寿命化を図る上で大
きな問題の一つとなる。このため、インターコネクタ、
シール材等のスタック構成材料は、各々の熱膨張率を発
電膜の熱膨張率にほぼ一致させるようにして形成され
る。このようにすることにより構成部材間に働く熱応力
の低減が図られている。

【０００８】しかしながら、固体酸化物形燃料電池は、
その作動温度領域が高いことに加えて電池反応が発熱反
応であるため、作動中の電極において、反応ガス入口付
近では低温域、反応ガス出口付近では高温域となるよう
な温度分布が定常的に生じてしまう。このように、反応
ガス入口付近と反応ガス出口付近との温度差が大きくな
ると、発電膜、インターコネクタ、シール材等の構成部
材間に働く熱応力が大きくなり各構成部材の損傷を招く
危険性があった。更に、大きな熱応力がかかる場合に
は、各構成部材にクラックが生じて発電不能の状態に陥
る場合があった。

【０００９】特に、複数の発電膜（単位セル）を積層し
てスタックを構成する場合には、上記の問題は、電池の
ガスシール性の向上を図ると共に電池の長寿命化を図る
上で大きな問題の一つとなっていた。

【００１０】そのため、国際公開ＷＯ９９／２６３０４
号公報には、発電膜の面方向に発生する熱応力を低減す
るために、発電膜のアノード側の面に互いに対向するよ
うに設けられた燃料ガス入口と燃料ガス出口とを有し、
かつ、カソード側の面に燃料ガスの流通方向に沿って互
いに対向する側縁部のうちの一方の側縁部の燃料ガス入
口に近接する側に設けられた空気入口と、他方の側縁部
の燃料ガス出口に近接する側に設けられた空気出口とを
有する平板形ＳＯＦＣが提案されている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者らは、国際公開ＷＯ９９／２６３０４号公報に記載の
平板形ＳＯＦＣであっても、発電膜の反応ガス入口付近
の温度と反応ガス出口付近の温度との差が大きくなって
しまい、発電膜、インターコネクタ、シール材等の構成
部材間に働く熱応力が大きくなり各構成部材の損傷を招
く危険性があり、未だ十分なものではないことを見出し
た。

【００１２】そこで、本発明は、電池構成部材間に発生
する熱応力を効果的に低減し、当該熱応力に起因する構
成部材の損傷を効果的に防止して燃料電池を長期にわた
り安定して作動させることのできる平板形固体酸化物形
燃料電池を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の平板形固体酸化
物形燃料電池は、第１の電極と、第２の電極と、第１の
電極と第２の電極との間に配置された固体電解質とを有
する発電膜を備える平板形固体酸化物形燃料電池におい
て、第１の電極側に設けられており、第１の電極に第１
の反応ガスを供給するための第１反応ガス入口と、第１
反応ガス入口と対向するように設けられた第１反応ガス
出口と、第２の電極側で第１の反応ガスの流通方向に沿
って互いに対抗し合う一対の側縁部のうち、一方の側縁
部の第１反応ガス入口側の少なくとも２ヶ所に設けられ
ており、第２の電極に第２の反応ガスを供給するための
第２反応ガス入口と、第２の電極側で第１の反応ガスの
流通方向に沿って互いに対向し合う一対の側縁部のう
ち、他方の側縁部の第１反応ガス出口側に設けられた第
２反応ガス出口とを備えることを特徴とする。

【００１４】このように、第２反応ガス入口を少なくと
も２ヶ所設けることにより、第１の電極における第１反
応ガス入口付近と第１反応ガス出口付近との間の温度
差、及び第２の電極における第２反応ガス入口付近と第
２反応ガス出口付近との間の温度差を共に十分に低減す
ることが可能となるので、平板形固体酸化物形燃料電池
の構成部材間に発生する熱応力を効果的に低減すること
ができる。従って、当該熱応力に起因する構成部材の損
傷を効果的に防止して平板形固体酸化物形燃料電池を長
期にわたり安定して作動させることができる。

【００１５】また、本発明の平板形固体酸化物形燃料電
池は、第２の電極側で第１の反応ガスの流通方向に沿っ
て互いに対抗し合う一対の側縁部のうち、一方の側縁部
には、各第２反応ガス入口よりも第１反応ガス出口側に
位置するように第２反応ガス出口が更に設けられてお
り、他方の側縁部には、各第２反応ガス出口よりも第１
反応ガス入口側に位置するように第２反応ガス入口が更
に設けられていてもよい。

【００１６】このような構成を採用すれば、発電膜と当
該発電膜に接触する構成部材との間に発生する熱応力を
各発電膜ごとに独立に低減することが容易にできるよう
になる。従って、作動中に発生する構成部材間の熱応力
に起因する当該構成部材の損傷を効果的に防止して平板
形固体酸化物形燃料電池を長期にわたり安定して作動さ
せることがより容易にできるようになる。

【００１７】更に、また、本発明の平板形固体酸化物形
燃料電池は、第１の電極はアノードであり、第２の電極
はカソードであることが好ましい。このような構成を採
用すれば、作動中に発生する構成部材間の熱応力に起因
する当該構成部材の損傷を効果的に防止することに加え
て、アノード反応ガスの利用率を高いレベルに保持した
状態で平板形固体酸化物形燃料電池を作動させることが
容易にできるようになる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
による平板形固体酸化物形燃料電池の好適な実施形態に
ついて詳細に説明する。

【００１９】［第一実施形態］図１は、本発明の平板形
固体酸化物形燃料電池の第一実施形態を示す構造展開図
である。同図に示す平板形固体酸化物形燃料電池（以
下、平板形ＳＯＦＣという）１０は、水素を含む燃料ガ
ス（アノード反応ガス）と、酸化剤となる空気（カソー
ド反応ガス）とを利用した電気化学反応によって電気エ
ネルギーを発生する。

【００２０】この平板形ＳＯＦＣ１０は、単位セルとな
る矩形平板状の発電膜２と、発電膜２の外周部に取り付
けられるシール材３からなるユニットがインターコネク
タ１を介して複数個積層化した構造を有する。この発電
膜２がインターコネクタ１を介して複数個積層された積
層体１２を、「スタック」１２として以下の説明に記述
する。また、この平板形ＳＯＦＣ１０には、各発電膜２
の電池反応により発生する電荷を集電する金属製の集電
板７０が、スタック１２の両端に配置されるインターコ
ネクタ１の外側の面に設けられている。更に、この集電
板７０には、金属製の集電棒８０が電気的に接続されて
いる。

【００２１】以下、図１に示した平板形ＳＯＦＣ１０の
各構成要素について詳細に説明する。図２は、図１に示
す平板形ＳＯＦＣ１０のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。

【００２２】発電膜２は、固体電解質膜２０の一方の面
がアノード（第１の電極）２４として機能する面であ
り、他方の面がカソード（第２の電極）２３として機能
する面である。この平板形ＳＯＦＣ１０の場合、スタッ
クを構成する複数の発電膜２は、それぞれのアノード２
４の面、カソード２３の面をすべて同方向となるように
積層されている。なお、以下の説明においては、必要に
応じてカソード２３の面を「表面」、アノード２４の面
を「裏面」として記述する。

【００２３】更に、図１及び図２に示すように、発電膜
２は、その両面に凹凸型のディンプル部が形成されてい
る。以下の説明においては、カソード２３の面（「表
面」）からみた場合を基準として、「凸ディンプル部２
１」と「凹ディンプル部２２」として記述する。この凸
ディンプル部２１と凹ディンプル部２２は、アノード２
４における燃料ガスの反応サイトとカソード２３におけ
る空気の反応サイトを増大させると共に、カソード２３
及びアノード２４のそれぞれの面上を流れる各反応ガス
の流通方向を制御するためのものである。

【００２４】また、図１に示すように、この発電膜２
は、反応ガスの通過する入口および出口の部分を除いて
その周囲をシール材３で囲まれている。このシール材３
は、発電膜２の両面に反応ガス流路を形成すると共に当
該反応ガス流路以外の方向への反応ガスの漏洩を阻止す
るためのものである。そして、図２に示すように、シー
ル材３を取り付けられた各発電膜２がインターコネクタ
１を介して複数個積層化される際に、各発電膜２の両側
のそれぞれの面上には、各発電膜２の両側の面と、イン
ターコネクタ１の面と、シール材３とによって空気流路
４０と燃料ガス流路４１が形成される。

【００２５】更に、図１に示した平板形ＳＯＦＣ１０の
各発電膜２には、取り付けられるシール材により、燃料
ガスの流通方向Ｌ１に対して異なる流通方向Ｌ２を有す
る空気流路が形成された発電膜２ａと発電膜２ｂとがあ
る。そして、発電膜２ａと発電膜２ｂとは互いに交互に
積層されている。

【００２６】この異なる流通方向Ｌ２を有する２つの空
気流路が形成された発電膜２ａと発電膜２ｂにおける空
気の流れについて図３及び図４を用いて説明する。

【００２７】図３（ａ）は、図１に示す平板形ＳＯＦＣ
１０の発電膜２ａを有するユニットをカソード２３側か
らみた平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＸ１
−Ｘ１線に沿う断面図である。また、図３（ｃ）は、図
１に示す平板形ＳＯＦＣ１０の発電膜２ａを有するユニ
ットをアノード２４側からみた平面図であり、図３
（ｄ）は、図３（ｃ）のＹ１−Ｙ１線に沿う断面図であ
る。

【００２８】更に、図４（ａ）は、図１に示す平板形Ｓ
ＯＦＣ１０の発電膜２ｂを有するユニットをカソード２
３側からみた平面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）
のＸ２−Ｘ２線に沿う断面図である。また、図４（ｃ）
は、図１に示す平板形ＳＯＦＣ１０の発電膜２ａを有す
るユニットをアノード２４側からみた平面図であり、図
４（ｄ）は、図４（ｃ）のＹ２−Ｙ２線に沿う断面図で
ある。

【００２９】ここで、図３（ａ）、図３（ｃ）、図４
（ａ）及び図４（ｃ）に示す発電膜２ａの両側の面及び
発電膜２ｂの両側の面にそれぞれ形成されるカソード２
３及びアノード２４の電極反応を起こす部分は、一般的
には有効発電部と呼ばれ、その面積を有効発電面積と呼
ぶ。

【００３０】図３（ｃ）及び図４（ｃ）にそれぞれ示す
ように、発電膜２ａと発電膜２ｂのそれぞれのアノード
２４側の面の四辺のうちの一辺には、そのほぼ全長にわ
たって開口した燃料ガス入口（第１反応ガス入口）４５
ａ及び４５ｂがそれぞれ設けられている。そして、これ
らの燃料ガス入口４５ａ及び４５ｂと対向する辺には、
そのほぼ全長にわたり開口した燃料ガス出口（第１反応
ガス出口）４６ａ及び４６ｂがそれぞれ設けられてい
る。更に、発電膜２ａと発電膜２ｂのアノード２４側の
面のそれぞれのその他の四周の部分はシール材３で囲ま
れている。

【００３１】また、図３（ａ）及び図４（ａ）にそれぞ
れ示すように、発電膜２ａと発電膜２ｂのそれぞれのカ
ソード２３側の面には、燃料ガスの流通方向Ｌ１に沿っ
て互いに対抗し合う一対の側縁部のうちの一方の側縁部
の燃料ガス入口４５ａ及び４５ｂ側の２ヶ所に、空気入
口（第２反応ガス入口）４２ａ、４３ａ、４２ｂ、及び
４３ｂが仕切を隔ててそれぞれ設けられている。そし
て、これらの空気入口４２ａ、４３ａ、４２ｂ、及び４
３ｂと対向する辺には、燃料ガス出口４６ａ及び４６ｂ
の側に、空気出口（第２反応ガス出口）４４ａ及び４４
ｂがそれぞれ設けられている。また、カソード２３側の
面の上記の開口部以外の四周の部分はシール材３で囲ま
れている。

【００３２】更に、発電膜２ａのカソード２３の面上に
供給される空気は、図３（ａ）中、アノード２４の面を
流れる燃料ガスの流通方向Ｌ１に対して上流側に位置す
る空気入口４２ａとその下流側に位置する４３ａとから
導入され、アノード２４の面を流れる燃料ガスの流通方
向Ｌ１に対して下流側に位置する空気出口４４ａに向け
て導かれる。同様に、発電膜２ｂのカソード２３の面上
に供給される空気は、図４（ａ）中、アノード２４の面
を流れる燃料ガスの流通方向Ｌ１に対して上流側に位置
する空気入口４２ｂとその下流側に位置する４３ｂとか
ら導入され、アノード２４の面を流れる燃料ガスの流通
方向Ｌ１に対して下流側に位置する空気出口４４ｂに向
けて導かれる。一方、図３（ｃ）、及び、図４（ｃ）に
示すように、発電膜２ａおよび発電膜２ｂのそれぞれの
アノード２４側の面上に供給される燃料ガスは、いずれ
も図中上方に位置する燃料ガス入口４５ａ及び４５ｂか
ら導入され、下方に位置する燃料ガス出口４６ａ及び４
６ｂへ導かれる。

【００３３】すなわち、発電膜２ａおよび発電膜２ｂの
それぞれのカソード２３側の面上に供給される空気は、
固体電解質膜２０を介し、いずれもアノード２４側の面
上に供給される燃料ガスの流通方向Ｌ１に対して、その
燃料ガスの一方の縁の上流側のから他方の縁の下流側へ
向けて斜めに横断するように、その流通方向Ｌ２を設定
されている。然も、発電膜２ａの空気の流れと発電膜２
ｂの空気の流れは、互いに燃料ガスの流通方向Ｌ１につ
いて略対称となっている。つまり、図３（ａ）と図４
（ａ）に示すように、発電膜２ａおよび２ｂは、燃料ガ
ス流路４２は同じ構造であり、空気流路４１が燃料ガス
の流通方向Ｌ１の軸に対して、左右対称となる２種類の
構造を有している。

【００３４】図５は、図１に示す平板形ＳＯＦＣ１０に
ガス供給、排出のためのマニホールドを取り付けた場合
の斜視図である。

【００３５】第５図中、空気入口マニホールド５３ａ
は、発電膜２ａのカソード側へ全投入空気量の略１／２
の空気が供給されるよう取り付けられており、一方の空
気出口マニホールド５４ａは、発電膜２ａを通過した空
気がすべて排出されるように取り付けられている。同様
に、発電膜２ｂのカソード２３側には全投入空気量の残
り、略１／２の量の空気が、供給、排出されるように空
気入口マニホールド５３ｂおよび空気出口マニホールド
５４ｂが取り付けられている。一方、発電膜２ａおよび
２ｂのすべての発電膜のアノード２４側へは全投入燃料
ガスが供給されるように燃料入口ガスマニホールド５５
が取り付けられ、燃料出口ガスマニホールド５６は、電
池反応を行なった後の燃料排ガスがすべて排出されるよ
う取り付けられている。

【００３６】図５に示すように、この平板形ＳＯＦＣは
横置型であり、燃料ガス入口マニホールド５５が、横置
型スタック１２（図１参照）の下部（地側）に取り付け
られ、燃料ガス出口マニホールド５６が横置型スタック
１２の上部（天側）に取り付けられ、空気入口マニホー
ルド５３ａ、５３ｂは横置型スタック１２の側面の燃料
ガス入口マニホールド５５に近い、下部側の略１／２の
部分に、空気出口マニホールド５４ａ、５４ｂは横置型
スタック１２の側面の燃料ガス出口マニホールド５６に
近い上部側の略１／２の部分に取り付けられている。

【００３７】この平板形ＳＯＦＣ１０を作動させるに
は、従来のＳＯＦＣと同様に８００℃〜１０００℃の温
度条件下に保持し、空気および燃料ガスをそれぞれの流
路へ流せばよい。

【００３８】図１、図２、図３及び図５で示した発電膜
２ａの場合には、空気は空気入口マニホールド５３ａか
ら供給され、空気入口４２ａ及び４３ａを通って、発電
膜２ａの両電極を形成した有効発電部で発熱を伴う電池
反応をした後、残りの空気（以下排空気）は空気出口４
４ａを通過して、空気出口マニホールド５４ａへ排出さ
れる。

【００３９】次に、図１、図２、図４及び図５で示した
発電膜２ｂの場合には、空気は、空気入口マニホールド
５３ｂから供給され、空気入口４２ｂ及び４３ｂを通っ
て、発電膜２ｂの両電極を形成した有効発電部で発熱を
伴う電池反応をした後、排空気は空気出口４４ｂを通過
して、空気出口マニホールド５４ｂへ排出される。

【００４０】一方、燃料ガスは、燃料ガス入口マニホー
ルド５５から供給され、燃料ガス入口４５ａ及び４５ｂ
を通って、発電膜２ａ及び発電膜２ｂの有効発電部で発
熱を伴う電池反応をした後、燃料排ガスは燃料ガス出口
４６ａ及び４６ｂを経て、燃料ガス出口マニホールド５
６へと排出される。

【００４１】このように、発電膜２ａ及び発電膜２ｂの
有効発電部に各反応ガスがそれぞれ供給されて電極反応
が進行すると、この電池反応による発熱に伴い各発電膜
２毎にその面方向に温度分布が生じ、反応ガス供給部近
傍が低温、反応ガス排出部近傍が高温となる。この温度
分布は、電極の特性、各々の反応ガスの投入温度、投入
量によって異なるが、その典型的な一例を以下、図６
（ａ）〜図６（ｃ）を用いて説明する。

【００４２】図６（ａ）は、発電膜２ａの面方向の温度
分布を示す等温線図であり、図６（ｂ）は、発電膜２ｂ
の面方向の温度分布を示す等温線図であり、図６（ｃ）
は、図６（ａ）と図６（ｂ）との等温線図を合成した場
合の等温線図である。なお、この図６（ｃ）は、スタッ
ク１２全体の中の一つの発電膜２に注目した場合のその
面方向の温度分布に相当する。

【００４３】図６（ａ）中の発電膜２ａの面方向の温度
分布を示す等温線の％表示はガス入口と出口の温度差が
１００％とした場合の割合を示し、供給されるガスの流
量や温度等の条件が変化して温度差が異なっても等温線
図の形状は略相似となる。一方、図６（ｂ）に示す発電
膜２ｂの面方向の温度分布を示す等温線図は、燃料ガス
の流れは発電膜２ａと同一方向であり、空気流路が、発
電膜２ａに対し、燃料ガスの流通方向Ｌ１を対称軸とし
て左右対称となる。

【００４４】これら図６（ａ）、図６（ｂ）に示した等
温線図は、例えば、国際公開ＷＯ９９／２６３０４号公
報に開示されている平板形ＳＯＦＣの燃料ガス及び空気
の流通方式に比べて各反応ガスの入口付近（低温部）と
各反応ガスの出口付近（高温部）との間に生じる温度勾
配が小さくなり、発生する熱応力を低減できる。そのた
め、平板形ＳＯＦＣ１０は、各発電膜２と各インターコ
ネクタの電気的接合やシール部のずれ、剥離等による電
池性能の低下を抑制できる。また、局部的な熱応力によ
る発電膜２やインターコネクタ１の割れ等の損傷も抑制
できるため、電池の健全性が向上し電池の長寿命化が可
能となる。

【００４５】更に、この平板形ＳＯＦＣ１０内の発電膜
２ａおよび発電膜２ｂは、それぞれの発電膜へ供給する
ガスの流量や温度等の条件を同一とすれば、図６（ａ）
と図６（ｂ）に示した等温線図は、燃料ガスの流通方向
Ｌ１を対称軸として左右を逆転させたものと等しくなる
ことから、図１、図５の如く、発電膜２ａ及び発電膜２
ｂをインターコネクタ１を介して交互に積層したスタッ
ク１２を電池反応させた場合、積層方向（高さ方向）の
熱交換を捉し、スタック１２全体の温度が平均化され
る。

【００４６】すなわち、図１、図５の如く発電膜２ａ及
び発電膜２ｂが積層されたスタック１２全体において
は、図６（ｃ）に示す等温線図が描け、図６（ａ）と図
６（ｂ）に示した等温線図に比べ、更に各発電膜２の面
方向発生する熱応力も小さくなり、平板形ＳＯＦＣ１０
の健全性を確保できる。

【００４７】ところで、この平板形ＳＯＦＣ１０におい
ては、各発電膜２の面方向には、燃料ガスの流れの方向
に沿って、図６（ａ）又は図６（ｂ）に示すような温度
勾配を有する温度分布が以前として存在することにな
る。同様に、各発電膜２を積層したスタック１２全体に
も、燃料ガスの流通方向Ｌ１に沿って、図６（ａ）又は
（ｂ）に示すような温度勾配を有する温度分布が以前と
して存在することになる。しかしこの平板形ＳＯＦＣ１
０の場合には、前述した各反応ガスの流通構造を採用し
ているので、各反応ガスの入口付近（低温部）と各反応
ガスの出口付近（高温部）との間に生じる温度勾配が従
来の平板形ＳＯＦＣよりも小さくなり、発生する熱応力
を低減できる。その典型的な例を以下図７に示す。

【００４８】図７は、発電膜２ａの温度分布を、ガス入
口４５ａからガス出口４６ａまでの燃料ガスの流通方向
Ｌ１に沿った温度プロフィールとして模式的に示したグ
ラフである。ここで、発電膜２の温度分布を示す温度プ
ロフィールＬＵＣ２は、複数の発電膜２を積層化したス
タック１２を構成する場合においては、発電膜２と同等
の熱膨張率を有するインターコネクタ１、シール材３等
のスタック構成部材も含めた温度分布を示すものとす
る。

【００４９】図７に示すように、反応ガスの電極反応は
反応ガス流路の下流側の領域においてより活発に進行す
るようになるので、発電膜２の温度分布を示す温度プロ
フィールＬＵＣ２及び従来の平板形ＳＯＦＣの発電膜の
温度分布を示す温度プロフィールＬＵＣ１は、各反応ガ
ス入口から各反応ガス出口にかけてともに上昇する。し
かし、従来の平板形ＳＯＦＣの発電膜の温度プロフィー
ルＬＵＣ１に比較して、本実施形態の平板形ＳＯＦＣ１
０の発電膜２の温度プロフィールＬＵＣ２は、各反応ガ
スの入口付近と各反応ガスの出口付近との間に生じる温
度勾配が従来の平板形ＳＯＦＣよりも小さくなり温度勾
配が低減されることになる。そして発電膜２の面方向に
発生する熱応力を低減できることになる。

【００５０】更に、上記の平板形ＳＯＦＣ１０の発電膜
２の面方向の温度分布の各反応ガスの入口付近と各反応
ガスの出口付近との間に生じる温度勾配は、カソード２
２側の空気入口４２ａ、４３ａ、４２ｂ、及び４３ｂに
供給する空気の流量、圧力を制御することにより精密に
制御することができる。

【００５１】例えば、図８（ａ）に示すように、発電膜
２ａにおいての空気入口４２ａ及び４３ａからそれぞれ
導入する空気の圧力をそれぞれ独立に制御する場合に
は、空気入口４２ａ及び４３ａの開口面積を同じにして
発電膜２ａの各反応ガスの入口付近と各反応ガスの出口
付近との間に生じる温度勾配が最小となるように空気入
口４２ａに供給する空気の圧力Ｐ４２と空気入口４３ａ
に供給する空気の圧力Ｐ４３との比を設定する。この場
合、Ｐ４２とＰ４３との比がＰ４２：Ｐ４３＝１．５：
１となるように設定することが好ましい。一方、例え
ば、図８（ｂ）に示すように、発電膜２ａにおいての空
気入口４２ａ及び４３ａからそれぞれ導入する空気の圧
力を等しく一定に制御する場合には、空気入口４２ａの
開口面積の大きさＳ４２と空気入口４３ａの開口面積の
大きさＳ４３との比を変化させて発電膜２ａの各反応ガ
スの入口付近と各反応ガスの出口付近との間に生じる温
度勾配が最小となるように空気入口４２ａに供給する空
気の流量と空気入口４３ａに供給する空気の流量とを設
定する。この場合、Ｓ４２とＳ４３との比がＳ４２：Ｓ
４３＝１．５：１となるように設定することが好まし
い。なお、このように空気の圧力を等しく一定に制御す
る場合には、空気入口４２ａと空気入口４３ａは、仕切
りを隔てずに連結されて形成されていてもよい。

【００５２】また、平板形ＳＯＦＣ１０においては、発
生する熱応力をさらに低減し、電池の健全性を高めるに
は、積層方向の熱交換をより促進させることが有効であ
ることから、インターコネクタ１は図１に示す如く平板
状で薄い方が望ましいが、例えばインターコネクタを溝
加工するなど、反応ガスと直接的に接する表面積を増加
させて熱交換を促進する手段をとることで、本発明にお
ける熱応力の低減効果が顕著に得られる。

【００５３】更に、平板形ＳＯＦＣ１０においては、い
わゆる従来の並行流方式のＳＯＦＣに比べ、ガス整流の
ための発電に寄与しないヘッダを必要としないため、固
体電解質の広範囲にカソード、アノードを施工でき、発
電可能な有効面積を増加させることができる。すなわ
ち、ヘッダに要するスペースの範囲が発電有効面積に転
用可能となり、本実施形態の平板形ＳＯＦＣ１０は、ヘ
ッダを有する並行流方式に対し、１０％〜２５％増の発
電有効面積が確保できる。よって、この平板形ＳＯＦＣ
１０は、ヘッダを有する並行流方式と同じ発電出力を得
るには略８０％〜９０％の量の単位セルで可能となる。
従って、図５及び図２で示した如く、平板形ＳＯＦＣ１
０においては、コンパクト性に優れたスタック１２に、
マニホールド、集電部品を設けた場合にも充分なコンパ
クト性を確保可能であり、経済性に優れた平板形ＳＯＦ
Ｃを提供できる。

【００５４】更に、上記の説明において、平板形ＳＯＦ
Ｃ１０は図５に示したように横置型としたが、いわゆる
縦置き型としてもよい。平板形ＳＯＦＣ１０を横置型と
した場合には、図２に示すように低温部となる反応ガス
入口（図１の４２ａ、４２ｂ、４３ａ、４３ｂ、４５ａ
及び４５ｂ）を横置型スタック１２の下部側（天地のう
ちの地方向）に、発熱を伴う電池反応により高温部とな
る反応ガス出口（図１の４４ａ、４４ｂ、４６ａ及び４
６ｂ）を横置型スタック１２の上部側（天地のうちの天
方向）に配置している。このような配置とした場合、空
気は全投入量の略１／２の量が空気入口マニホールド５
３ａから、発電膜２ａのカソード側に供給され、電池反
応による発電膜２ａの発熱によって徐々に加熱された
後、空気出口マニホールド５４ａへと排出される。同様
に、全投入空気量の残りの略１／２の量は、空気入口マ
ニホールド５３ｂから発電膜２ｂのカソード側へ供給さ
れ、電池反応によって徐々に加熱された後、空気出口マ
ニホールド５４ｂへと排出される。一方、燃料ガスも空
気と同様に、燃料ガス入口マニホールド５５から、発電
膜２ａ、２ｂのアノード側に供給され、電池反応によっ
て徐々に加熱された後、燃料出口マニホールド５６へと
排出される。

【００５５】すなわち、図２で示したように、縦置き型
にくらべ、平板形ＳＯＦＣ１０を横置型とした場合に
は、空気および燃料ガスが下部から上部へと導かれるよ
うにガス流路が形成されており、電池反応によって生ず
る発熱により加熱され、温度上昇した空気および燃料ガ
スは比重が小さくなることで浮力が生じるので、下部か
ら上部へと流れるガス流れを、縦置式に比べて、よりス
ムーズにする効果がある。従って、横置型とする場合に
は、本発明の平板形ＳＯＦＣは、縦置型に比べて、電池
に発生する各反応ガス入口付近と出口付近との間の温度
差を低減し、発生する熱応力を抑制でき、さらに信頼性
の高い平板形ＳＯＦＣを提供できるばかりでなく、ガス
供給に必要なエネルギーを低く抑えることができるた
め、さらに経済性に優れた平板形ＳＯＦＣを提供でき
る。

【００５６】以上の如く、平板形ＳＯＦＣ１０は、電池
反応による発熱によって発生する発電膜の面方向の温度
分布を従来の平板形ＳＯＦＣに比べて十分に抑制できる
ため、発電膜とインターコネクタの電気的接合部やシー
ル部の損傷、発電膜やインターコネクタの割れ等を低減
することが可能であり、信頼性の高いＳＯＦＣを提供で
きる。また、平板形ＳＯＦＣ１０は、並行流方式の問題
点であるガス流れを整流させるための区間（非発電部
分）を必要とせず、いわゆる直交流方式と同等の発電有
効面積が確保できることから、コンパクト性、経済性に
優れた平板形ＳＯＦＣを提供できる。

【００５７】以上、本発明の第一実施形態について説明
したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではな
い。例えば、上記の第一実施形態においては、図１に示
すように発電膜のカソードを第２の電極とし、アノード
を第１の電極とする構造について説明したが、本発明の
平板形ＳＯＦＣはこれに限定されるものではなく、発電
膜のカソードを第１の電極とし、アノードを第２の電極
とする構造を有していてもよい。この場合にも同等の作
用効果が得られる。

【００５８】更に、平板形ＳＯＦＣ１０は、図１に示す
全面に凹凸ディンプル部を形成した発電膜を例示して説
明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、い
かなる形式の燃料電池においても適用するこができるこ
とはいうまでもない。例えば、インタコネクタに溝を形
成したものを介して発電膜を積層したものであってもよ
い。また、図５に示す平板形ＳＯＦＣ１０を一つのユニ
ットとし、そのユニットを複数個連結した平板形ＳＯＦ
Ｃモジュールとしてもよい。

【００５９】［第二実施形態］以下、図９を参照しなが
ら、本発明の平板形固体酸化物形燃料電池の第二実施形
態について説明する。なお、上述した第一実施形態に関
して説明した要素と同一の要素については同一の符号を
付し、重複する説明は省略する。

【００６０】図９は、本発明の平板形固体酸化物形燃料
電池の第二実施形態を示す構造展開図である。この平板
形固体酸化物形燃料電池の第二実施形態の平板形ＳＯＦ
Ｃ１１は、各発電膜２に形成する各反応ガスの入口と出
口の配置以外の構造を上述した第一実施形態の平板形Ｓ
ＯＦＣ１０と同様にするものである。

【００６１】スタック１２を構成する複数の発電膜２
は、それぞれのアノード２４の面、カソード２３の面を
すべて同方向となるように積層されている。各発電膜２
には、取り付けられるシール材により、燃料ガスの流通
方向Ｌ１に対して流通方向Ｌ２を有する空気流路が形成
されている。

【００６２】この流通方向Ｌ２を有する空気流路が形成
された発電膜２における空気の流れについて図１０を用
いて説明する。図１０（ａ）は、図９に示す平板形ＳＯ
ＦＣ１１の発電膜２を有するユニットをカソード２３側
からみた平面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）
のＸ３−Ｘ３線に沿う断面図である。また、図１０
（ｃ）は、図９に示す平板形ＳＯＦＣ１１の発電膜２を
有するユニットをアノード２４側からみた平面図であ
り、図１０（ｄ）は、図１０（ｃ）のＹ３−Ｙ３線に沿
う断面図である。

【００６３】図１０（ｃ）に示すように、発電膜２のア
ノード２４側の面の四辺のうちの一辺には、そのほぼ全
長にわたって開口した燃料ガス入口（第１反応ガス入
口）４５が設けられている。そして、これらの燃料ガス
入口４５と対向する辺には、そのほぼ全長にわたり開口
した燃料ガス出口（第１反応ガス出口）４６が設けられ
ている。更に、発電膜２のアノード２４側の面のそれぞ
れのその他の四周の部分はシール材３で囲まれている。

【００６４】また、図１０の（ａ）に示すように、発電
膜２のカソード２３側の面には、燃料ガスの流通方向Ｌ
１に沿って互いに対抗し合う一対の側縁部のうちの一方
の側縁部の燃料ガス入口４５側の２ヶ所に、空気入口
（第２反応ガス入口）４２及び４３が仕切を隔ててそれ
ぞれ設けられている。そして、これらの空気入口４２及
び４３よりも燃料ガス出口４６側に位置するように空気
出口４９が更に設けられている。一方、発電膜２のカソ
ード２３側の面の空気入口４２及び４３と対向する辺に
は、燃料ガス入口４５側の２ヶ所に、空気入口（第２反
応ガス入口）４７及び４８が仕切を隔ててそれぞれ設け
られている。そして、これらの空気入口４７及び４８よ
りも燃料ガス出口４６側に位置するように空気出口４４
が更に設けられている。更に、カソード２３側の面の上
記の開口部以外の四周の部分はシール材３で囲まれてい
る。

【００６５】更に、発電膜２のカソード２３の面上に供
給される空気は、図１０（ａ）中、アノード２４の面を
流れる燃料ガスの流通方向Ｌ１に沿って互いに対抗し合
う一対の側縁部の燃料ガス入口４５側に設けられた空気
入口４２、４３、４７及び４８から導入され、側縁部の
燃料ガス出口４６側に設けられた空気出口４４及び４６
に向けて導かれる。一方、図１０（ｃ）に示すように、
発電膜２のアノード２４側の面上に供給される燃料ガス
は、図中上方に位置する燃料ガス入口４５から導入さ
れ、下方に位置する燃料ガス出口４６へ導かれる。

【００６６】すなわち、発電膜２のカソード２３側の面
上に供給される空気のうち、空気入口４２及び４３から
導入される空気は、発電膜２のカソード２３の面内にお
いて図１０（ａ）に示す流通方向Ｌ２に沿って進行し、
空気入口４２及び４３と同じ側の縁部に設けられた空気
出口４９から排出される。同様に、発電膜２のカソード
２３側の面上に供給される空気のうち空気入口４７及び
４８から導入される空気は、発電膜のカソードの面内に
おいて図１０（ａ）に示す流通方向Ｌ２に沿って進行
し、空気入口４７及び４８と同じ側の縁部に設けられた
空気出口４４から排出される。然も、空気入口４２及び
４３から導入される空気の流れと空気入口４７及び４８
から導入される空気の流れは、互いに燃料ガスの流通方
向Ｌ１について略対称となっている。

【００６７】このように、発電膜２の有効発電部に各反
応ガスがそれぞれ供給されて電極反応が進行すると、こ
の電池反応による発熱に伴い各発電膜２毎にその面方向
に温度分布が生じ、ガス供給部近傍が低温、ガス排出部
近傍が高温となる。この温度分布は、電極の特性、各々
のガスの投入温度、投入量によって異なるが、その典型
的な一例を以下、図１１を用いて説明する。

【００６８】図１１は、発電膜２の面方向の温度分布を
示す等温線図である。図示した等温線図は、例えば、国
際公開ＷＯ９９／２６３０４号公報に開示されている平
板形ＳＯＦＣの燃料ガス及び空気の流通方式に比べて各
反応ガスの入口付近（低温部）と各反応ガスの出口付近
（高温部）との間に生じる温度勾配が小さくなり、発生
する熱応力を低減できる。然も、平板形ＳＯＦＣ１１は
各発電膜２毎に独立に当該発電膜２に接触する構成部材
との間に発生する熱応力を低減することができる。そし
て、平板形ＳＯＦＣ１１は、平板形ＳＯＦＣ１０と同様
に各発電膜２と各インターコネクタの電気的接合やシー
ル部のずれ、剥離等による電池性能の低下を抑制でき
る。また、局部的な熱応力による発電膜２やインターコ
ネクタ１の割れ等の損傷も抑制できるため、電池の健全
性が向上し電池の長寿命化が可能となる。

【００６９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の平板形固
体酸化物形燃料電池によれば、作動中の平板形固体酸化
物形燃料電池の電極において定常的に発生する反応ガス
入口付近と反応ガス出口付近との温度差を十分に低減す
ることができるので、平板形固体酸化物形燃料電池の構
成部材間に発生する熱応力を効果的に低減することがで
きる。従って、当該熱応力に起因する構成部材の損傷を
効果的に防止して平板形固体酸化物形燃料電池を長期に
わたり安定して作動させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の平板形固体酸化物形燃料電池の第一実
施形態を示す構造展開図である。

【図２】図１に示す平板形ＳＯＦＣのＸ−Ｘ線に沿う断
面図である。

【図３】（ａ）は、図１に示す平板形ＳＯＦＣの発電膜
２ａを有するユニットをカソード２３側からみた平面図
であり、（ｂ）は、（ａ）のＸ１−Ｘ１線に沿う断面図
であり、（ｃ）は、図１に示す平板形ＳＯＦＣの発電膜
２ａを有するユニットをアノード２４側からみた平面図
であり、（ｄ）は、（ｃ）のＹ１−Ｙ１線に沿う断面図
である。

【図４】（ａ）は、図１に示す平板形ＳＯＦＣの発電膜
２ｂを有するユニットをカソード２３側からみた平面図
であり、（ｂ）は、（ａ）のＸ２−Ｘ２線に沿う断面図
であり、（ｃ）は、図１に示す平板形ＳＯＦＣの発電膜
２ａを有するユニットをアノード２４側からみた平面図
であり、（ｄ）は、（ｃ）のＹ２−Ｙ２線に沿う断面図
である。

【図５】図１に示す平板形ＳＯＦＣにガス供給、排出の
ためのマニホールドを取り付けた場合の斜視図である。

【図６】（ａ）は、図１の発電膜２ａの面方向の温度分
布を示す等温線図であり、（ｂ）は、発電膜２ｂの面方
向の温度分布を示す等温線図であり、（ｃ）は、（ａ）
と（ｂ）との等温線図を合成した場合の等温線図であ
る。

【図７】それぞれ図１に示す平板形ＳＯＦＣの発電膜の
温度分布を、ガス導入口からガス排出口までのアノード
反応ガスの流れ方向に沿った温度プロフィールとして模
式的に示したグラフである。

【図８】（ａ）は、図１に示す平板形ＳＯＦＣの発電膜
に導入する空気の圧力を各空気入口ごとに独立に制御す
る場合の２つの空気入口の構造を示す断面図、（ｂ）
は、導入する空気の圧力を等しく一定に制御する場合の
２つの空気入口の構造を示す断面図である。

【図９】本発明の平板形固体酸化物形燃料電池の第二実
施形態を示す構造展開図である。

【図１０】（ａ）は、図９に示す平板形ＳＯＦＣの発電
膜２を有するユニットをカソード２３側からみた平面図
であり、（ｂ）は、（ａ）のＸ３−Ｘ３線に沿う断面図
であり、（ｃ）は、図９に示す平板形ＳＯＦＣの発電膜
２を有するユニットをアノード２４側からみた平面図で
あり、（ｄ）は、（ｃ）のＹ３−Ｙ３線に沿う断面図で
ある。

【図１１】図９の発電膜２の面方向の温度分布を示す等
温線図である。

【符号の説明】

１…インターコネクタ、２，２ａ，２ｂ…発電膜、３…
シール材、１０，１１…平板形ＳＯＦＣ、１２…スタッ
ク、２０…固体電解質膜、２１…凸ディンプル部、２２
…凹ディンプル部、２３…カソード、２４…アノード、
４０…空気流路、４１…燃料ガス流路、４２，４２ａ，
４２ｂ…空気入口、４３，４３ａ，４３ｂ…空気入口、
４４，４４ａ，４４ｂ…空気出口、４５，４５ａ，４５
ｂ…燃料ガス入口、４６，４６ａ，４６ｂ…燃料ガス出
口、４７…空気入口、４８…空気入口、４９…空気出
口、７０…集電板、８０…集電棒、Ｌ１…燃料ガスの流
通方向、Ｌ２…空気の流通方向。

フロントページの続き (72)発明者吉本和博兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１号三菱重工業株式会社神戸造船所内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１の電極と、第２の電極と、前記第１
の電極と前記第２の電極との間に配置された固体電解質
とを有する発電膜を備える平板形固体酸化物形燃料電池
において、前記第１の電極側に設けられており、前記第１の電極に
第１の反応ガスを供給するための第１反応ガス入口と、前記第１反応ガス入口と対向するように設けられた第１
反応ガス出口と、前記第２の電極側で前記第１の反応ガスの流通方向に沿
って互いに対抗し合う一対の側縁部のうち、一方の側縁
部の前記第１反応ガス入口側の少なくとも２ヶ所に設け
られており、前記第２の電極に第２の反応ガスを供給す
るための第２反応ガス入口と、前記第２の電極側で前記第１の反応ガスの流通方向に沿
って互いに対向し合う一対の側縁部のうち、他方の側縁
部の前記第１反応ガス出口側に設けられた第２反応ガス
出口とを備えることを特徴とする平板形固体酸化物形燃
料電池。
【請求項２】前記一方の側縁部には、前記各第２反応
ガス入口よりも前記第１反応ガス出口側に位置するよう
に第２反応ガス出口が更に設けられており、前記他方の
側縁部には、前記各第２反応ガス出口よりも前記第１反
応ガス入口側に位置するように第２反応ガス入口が更に
設けられていることを特徴とする請求項１に記載の平板
形固体酸化物形燃料電池。
【請求項３】前記第１の電極はアノードであり、前記
第２の電極はカソードであることを特徴とする請求項１
又は２に記載の平板形固体酸化物形燃料電池。