JP5270385B2 - 固体電解質形燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、固体電解質形燃料電池セルを積層して形成される固体電解質形燃料電池に関する。

従来より、固体電解質形燃料電池は、固体電解質層の両面に電極を配した燃料電池セルの両面に、支燃性ガス（通常空気）と燃料ガス（Ｈ₂、メタン、メタノール等）を供給して、発電を行うようになっている。このような固体電解質形燃料電池は、一個の燃料電池セルで得られる電力量は小さいので、燃料電池セルを複数個使用して大きな電力になるよう設計されている。

この燃料電池セルを複数個使用している構造においては、すべての燃料電池セルで発電させるために、供給する支燃性ガス及び燃料ガスは、すべての燃料電池セルに不足なく供給されなければならない。一方、発電効率を上げるためには、燃料利用率を上げなければならず、すべての燃料電池セルで燃料を無駄なく消費させなければならない。つまり、すべての燃料電池セルに燃料ガスは過不足無く供給されなければならないこととなる。

そのため、すべての燃料電池セルに均等に支燃性ガス及び燃料ガスを供給できる構造とすることで解決する方法（例えば、特許文献１参照）や、各燃料電池セルごとに個別に電力を取り出すことによって、支燃性ガス及び燃料ガスの供給に過不足が生じても燃料電池セルの発電効率を向上させる方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−２０７００８号公報 特開２００５−１９０６７０号公報

ところが、前記特許文献１に記載の様に、すべての燃料電池セルに均等に支燃性ガス及び燃料ガスを供給できる構造とした場合、その構造の特徴から、燃料電池セル数が多くなるに従い支燃性ガス及び燃料ガスをすべての燃料電池セルに均等に供給することが難しくなるという問題があった。

更に、前記特許文献２に記載の様に、個々の燃料電池セルから電力を取り出す方法では、電力を取り出すときの制御や電流の統合が難しいという問題があった。

しかも、この問題とは別に、平板状の燃料電池セルを複数枚積層した燃料電池スタックにおいては、積層方向における温度差によって、燃料電池の性能が低下するという問題があった。

つまり、燃料電池スタックにおいては、設定した作動温度で均一に発電させることが、内部抵抗が小さく電圧の低下が少ないので好ましいが、一般には、燃料電池スタックの積層方向の両端の温度が低く、中央部の温度が高くなり易いという問題があった。

これは、燃料電池スタックの中心部の燃料電池セルでは、ジュール熱により温度が高くなる傾向があり、両端の燃料電池セルでは、燃料電池スタックからの放熱により、温度が低くなりやすいためである。

なお、本発明者等は、特願２００７−１５４１３３号にて、発電効率を高めるために、複数の固体電解質形燃料電池セルを所定方向に積層した第１発電セル群と、第１発電セル群の固体電解質形燃料電池セルの数よりも少ない第２発電セル群と、燃料ガスを第１発電セル群の固体電解質形燃料電池セルに分配供給し、第１発電セル群の固体電解質形燃料電池セルにて反応した後の燃料ガスを統合し、統合した反応後の燃料ガスを第２発電セル群の固体電解質形燃料電池セルへ分配供給する燃料ガス流路を備えた固体電解質形燃料電池を提案している。

しかし、この燃料電池の場合も、スタック全体の温度分布という観点において、改良の余地が残されている。

本発明は、こうした問題に鑑みなされたもので、燃料ガスがすべての燃料電池セルに対し均一に供給されなくても効率よく電力を取り出すことができるとともに、固体電解質形燃料電池セルを積層した場合でも、温度分布の問題を解決することができる固体電解質形燃料電池を提供することを目的とする。

（１）かかる問題を解決するためになされた請求項１の発明は、固体電解質形燃料電池セルに燃料ガスと酸素を含む支燃性ガスとを供給して発電を行う固体電解質形燃料電池において、複数の前記固体電解質形燃料電池セルを所定方向に積層した第１発電セル群と、１又は複数の前記固体電解質形燃料電池セルからなる第２及び第３発電セル群と、前記燃料ガスを前記第１発電セル群の固体電解質形燃料電池セルに分配供給し、該第１発電セル群の固体電解質形燃料電池セルにて反応した後の燃料ガスを統合し、該統合した反応後の燃料ガスを前記第２及び第３発電セル群の固体電解質形燃料電池セルへ分配供給する燃料ガス流路と、を備えるとともに、前記第２及び第３発電セル群の合計の固体電解質形燃料電池セルの数を、前記第１発電セル群の固体電解質形燃料電池セルの数よりも少なくし、且つ、前記第１発電セル群の積層方向の一方の側に前記第２発電セル群を積層するとともに、他方の側に前記第３発電セル群を積層したことを特徴とする。

本発明の固体電解質形燃料電池では、燃料ガスが、まず第１発電セル群の固体電解質形燃料電池セルに分配供給される。そして、第１発電セル群において発電に使われた燃料ガスは、統合され、第２及び第３発電セル群の固体電解質形燃料電池セルへ分配供給され、再度燃料ガスとして利用される。

・このように、第１発電セル群おいて利用された燃料ガスを統合することによって、第１発電セル群の各固体電解質形燃料電池セルに対する燃料ガスの分配に均一性がなくとも、第２及び第３発電セル群において燃料ガスの不均一性を緩和することができるので、固体電解質形燃料電池全体での発電効率を高めることができる。以下詳細に説明する。

固体電解質形燃料電池の発電効率を高めるためには、燃料ガス利用率を上げる必要がある。例えば、燃料ガス利用率９０％で発電させたい場合には、固体電解質形燃料電池を構成する各固体電解質形燃料電池セルに利用率９０％となるように燃料ガスを供給する必要がある。

ここで、各固体電解質形燃料電池セルを例えば電気的に直列接続したとき、各固体電解質形燃料電池セルで消費される燃料の量は同じになるので、燃料ガスは各固体電解質形燃料電池セルすべてにおいて９０％の燃料利用率となるように、均等に配分されるように供給しなければならない。

しかし、実際には各固体電解質形燃料電池セルすべてに均等配分することは難しく、燃料ガス供給量は、固体電解質形燃料電池セル毎にバラツキが出てしまう。

例えば、供給量に１０％以上のバラツキが出たとすると、固体電解質形燃料電池セルによっては利用率１００％以上で動かすことになってしまい、発電が成立しない。このため、このバラツキを考慮し、利用率を平均で８０％程度にして運転させることが一般的である。

これに対し、本発明の固体電解質形燃料電池では、固体電解質形燃料電池セルを第１発電セル群と第２及び第３発電セル群とに分け、第１発電セル群の燃料排ガスを用いて第２及び第３発電セル群を発電させている。

したがって、第１発電セル群における燃料利用率があまり高なくても、第１発電セル群において使用された燃料ガスが第２及び第３発電セル群において再利用されるので、第１発電セル群と第２及び第３発電セル群において、燃料利用率を下げること、つまり、各固体電解質形燃料電池セルの燃料ガス供給量のバラツキの許容量を大きくできる。

また、本発明の固体電解質形燃料電池では、第２及び第３発電セル群の合計の固体電解質形燃料電池セル数を第１発電セル群の固体電解質形燃料電池セル数より少なくしている。これにより、第２及び第３発電セル群の固体電解質形燃料電池セルに供給される燃料ガスは、濃度としては低いものの、流量は第１発電セル群よりも多くできる。こうすることで濃度の薄い燃料でも十分に発電を行うことができる。

・特に本発明では、第１発電セル群の積層方向の一方の側に第２発電セル群を積層するとともに、他方の側に第３発電セル群を積層している。つまり、第１発電セル群の両側に、第２発電セル群と第３発電セル群とを配置している。

これにより、固体電解質形燃料電池の積層方向における温度分布を均一化することができる。

すなわち、第１発電セル群にて使用された燃料の排ガスは、第１発電セル群に投入される前の温度より高い温度であるため、その排ガスが第１発電セル群の両側に配置された第２及び第３発電セル群に投入されると、固体電解質形燃料電池の積層方向の両端側のセル群の温度低下を低減することができる。よって、固体電解質形燃料電池の積層方向における温度分布をより均一に維持することができる。

これにより、固体電解質形燃料電池の内部抵抗のバラツキを小さくできるので、両端の発電セル群の電圧の低下を抑制でき、よって、固体電解質形燃料電池の性能を高めることができる。

また、固体電解質形燃料電池は、その特性上、作動温度は例えば７００〜１０００℃程度と、通常の周囲温度よりかなり高温である。

従って、固体電解質形燃料電池では、周囲温度の影響によって温度分布が大きくなり易いが、本発明では、温度分布を小さくできるので、この種の固体電解質形燃料電池の性能の維持には、極めて好適である。

（２）請求項２の発明は、請求項１に記載の固体電解質形燃料電池において、前記第１発電セル群と前記第２発電セル群と前記第３発電セル群とを、電気的に直列接続したことを特徴とする。

本発明の様に、第１〜第３発電セル群を電気的に直列接続すると、充分な電圧を確保でき、また、個々の固体電解質形燃料電池セルから電力を取り出す必要がないので、電力を取り出すときの制御や電流の統合を行う必要がない。よって、その構造を簡易化できるという利点がある。

（３）請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の固体電解質形燃料電池において、前記第２発電セル群の固体電解質形燃料電池セルの数と前記第３発電セル群の固体電解質形燃料電池セルの数とを、同じとしたことを特徴とする。

これにより、積層方向における温度分布を一層均一にできるという効果がある。

（４）請求項４の発明は、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池において、前記酸素を含む支燃性ガスを前記第１発電セル群の固体電解質形燃料電池セルに分配供給し、該第１発電セル群の固体電解質形燃料電池セルにて反応した後の酸素を含む支燃性ガスを統合し、該統合した反応後の酸素を含む支燃性ガスを、前記第２及び第３発電セル群の固体電解質形燃料電池セルに分配供給することを特徴とする。

本発明では、上述の様に、第１〜第３発電セル群の固体電解質形燃料電池セルに酸素を含む支燃性ガスを分配供給するための経路を備えているので、必要な酸素を含む支燃性ガスを第１〜第３発電セル群に供給することができる。

これにより、すべての固体電解質形燃料電池セルに十分な量の酸素を含む支燃性ガスを供給することができるとともに、第１発電セル群から排出された高温の酸素を含む支燃性ガスを第２及び第３発電セル群に供給するため、固体電解質形燃料電池内の温度分布を均一にすることに寄与する。

（５）請求項５の発明は、請求項１〜請求項４のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池において、前記第１発電セル群の固体電解質形燃料電池セルの数は、前記第２及び第３発電セル群の合計の固体電解質形燃料電池セルの数の２〜１０倍であることを特徴とする。

第１発電セル群の固体電解質形燃料電池セルの数が、第２及び第３発電セル群の合計の固体電解質形燃料電池セルの数の２倍より小さいと、第２及び第３発電セル群において、燃料ガスの供給量が少なくなるので、発電効率が低下してしまう。従って、第１発電セル群の固体電解質形燃料電池セルの数は、第２及び第３発電セル群の合計の固体電解質形燃料電池セルの数の２倍以上であることが好ましい。

一方、第１発電セル群の固体電解質形燃料電池セルの数が、第２及び第３発電セル群の固体電解質形燃料電池セルの数の１０倍より大きいと、第２及び第３発電セル群に供給される燃料ガスの流量が多くなる。そのため、燃料ガスの圧損が大きくなり、燃料ガスの供給が困難になる。従って、第１発電セル群の固体電解質形燃料電池セルの数は、第２及び第３発電セル群の合計の固体電解質形燃料電池セルの数の１０倍以下であることが好ましい。

（ａ）は実施例１の固体電解質形燃料電池の平面図、（ｂ）は固体電解質形燃料電池の側面図である。 固体電解質形燃料電池セルを分解した状態を示す説明図である。 （ａ）は空気極フレーム構成を示す説明図、（ｂ）は第１発電セル群の燃料極フレームの構成を示す説明図、（ｃ）は第２及び第３発電セル群の燃料極フレームの構成を示す説明図である。 ボルトとその使用状態を破断して示す説明図である。 燃料ガス及び空気の流路の概略を示した模式図である。 （ａ）は空気の流路を示す説明図、（ｂ）は燃料ガスの流路を示す説明図である。 実施例２の固体電解質形燃料電池の平面図である。 （ａ）は第１発電セル群の空気極フレームの構成を示す説明図、（ｂ）は第２及び第３発電セル群の空気極フレームの構成を示す説明図、（ｃ）は第１発電セル群の燃料極フレームの構成を示す説明図、（ｄ）は第２及び第３発電セル群の燃料極フレームの構成を示す説明図である。 燃料ガス及び空気の流路の概略を示した模式図である。

以下、本発明が適用された実施例について図面を用いて説明する。

ａ）まず、固体電解質形燃料電池の構成について、図１〜図３に基づいて説明する。

図１に示すように、固体電解質形燃料電池１は、燃料ガス（例えば水素）と支燃性ガス（例えば空気（詳しくは空気中の酸素））との供給を受けて発電を行う装置であり、第１発電セル群１１、第２発電セル群１２、第３発電セル群１３、及びボルト１５〜３３を備えている。

第１発電セル群１１は、１０個の固体電解質形燃料電池セル３が積層されて形成されており、第２発電セル群１２及び第３発電セル群１３は、それぞれ第１発電セル群１１よりも少ない各２個（合計４個）の固体電解質形燃料電池セル３からなる。

また、第２発電セル群１２は、第１発電セル群１１の積層方向の一方の側（図１（ｂ）の上側）に積層されるとともに、第３発電セル群１３は、第１発電セル群１１の積層方向の他方の側（図１（ｂ）の下側）に積層されている。

なお、第１発電セル群１１と第２発電セル群１２と第３発電セル群１３とは、電気的に（図１（ｂ）の上下方向に）直列に接続されている。

図２に分解して示すように、固体電解質形燃料電池セル３は、いわゆる燃料極支持膜形タイプの燃料電池セルであり、燃料ガス流路３５側には、燃料極（アノード）３７が配置されるとともに、燃料極３７の同図上側の表面には薄膜の固体電解質体３９が形成される。その固体電解質体３９の空気流路４３側の表面には、空気極（カソード）４１が形成されている。

固体電解質体３９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３７としては、Ｎｉ及びＮｉとセラミックとのサーメットが使用でき、空気極４１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が使用できる。

空気極４１と上方の金属製のインターコネクタ（発電セル３間の導通を確保するとともにガス流路を遮断する長方形のプレート）４５との間には、その導通を確保するために、例えば、空気極４１と同様なＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルト鉄）、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガネート）等からなる集電体４７が配置されている。なお、ここでは、燃料極３７と固体電解質体３９と空気極４１とをセル本体４９と称する。

更に詳しくは、この固体電解質形燃料電池セル３は、上下一対の金属製のインターコネクタ４５、４５の間に、空気流路４３側の金属製の四角枠状の空気極フレーム５１と、セラミックス製の四角枠状の絶縁フレーム５３と、セル本体４９を接合して配置するとともにガス流路を遮断する金属製の四角枠状のセパレータ５５と、燃料ガス流路３５側の金属製の四角枠状の燃料極フレーム５７とを備えている。

つまり、インターコネクタ（その外周縁部）４５と空気極フレーム５１と絶縁フレーム５３とセパレータ（その外周縁部）５５と燃料極フレーム５７とにより、固体電解質形燃料電池セル３の枠部５９が構成されており、この枠部５９に、ボルト１５〜３３が貫挿される貫通孔６１が形成されている。

このうち、空気極フレーム５１は、図３（ａ）に示すように、同図中の上下両端の３個の孔の中央の孔（空気の流路Ａ１、Ａ２）に空気が誘導されるように形成されている。

また、燃料極フレーム５７には、第１発電セル群１１用と第２及び第３発電セル群１２、１３用とがある。具体的には、図３（ｂ）に示すように、第１発電セル群１１用の燃料極フレーム５７は、同図中の左端の４個の孔の下から２個目の孔（燃料の流路Ｆ１）と右端の４個の孔の上から２個目の孔（燃料の流路Ｆ２）とに燃料を導くように形成されている。一方、図３（ｃ）に示すように、第２及び第３発電セル群１２、１３用の燃料極フレーム５５は、同図中の右端の４個の孔の上から２個目の孔（燃料の流路Ｆ２）と左端の４個の孔の上から２個目の孔（燃料の流路Ｆ３）とに燃料を導くように形成されている。

なお、各フレーム５１、５７などの孔により、空気や燃料の流路となる前記貫通孔６１が形成されている。

前記図１に戻り、前記ボルト１５〜３３は、第１発電セル群１１と第２及び第３発電セル群１２、１３を積層した積層体５を積層方向に押圧して固体電解質形燃料電池セル３を拘束するために用いる部材であり、その構造から２種類のボルト１５〜３３が使用されている。

すなわち、単に固体電解質形燃料電池セル３を押圧するための第１のボルト２５〜３３と、内部に燃料ガス又は空気が流通するガス流路を備えた第２のボルト１５〜２３である。

このうち、第２のボルト１５〜２３には、空気のガス流路を備えた空気用のボルト１５、１７と燃料ガスのガス流路を備えた燃料用のボルト１９〜２３とがある。なお、使用する第２のボルト１５〜２３の本数は、固体電解質形燃料電池１の構造や定格等に応じて適宜選択できる。

ｂ）次に、第２のボルト１５〜２３の基本的な構造について図４に基づいて説明する。なお、第２のボルト１５〜２３の細部は各々異なっているが、異なる部分は後述する「燃料ガスの流路」及び「空気の流路」において説明することとし、ここでは、基本的な構造についてボルト１５を示して説明する。

図４に示すように、ボルト１５は、円柱状の長尺の中空ボルトであり、そのボルト１５の上下両端には、六角形のナット６３、６５が螺合されている。

前記ボルト１５の軸中心には、ガス流路として用いられる有底の中心孔６７が開けられるとともに、その中心孔６７から径方向（同図左右方向）に複数の横穴６９が形成されている。この中心孔６７の形状及び横穴６９が設けられている位置が、各ボルト１５〜２３によって異なっている。

このボルト１５は、積層体５の外周近傍に開けられた前記貫通孔６１に貫挿されており、ボルト１５の外周面と貫通孔６１との内周面との間には、円筒状のガス流路となる空間７１が形成されている。

また、ボルト１５の上下方向には、各ナット６３、６５と積層体５との間に、フランジ形状の絶縁スペーサ（絶縁リング）７３、７５が外嵌されている。

なお、ボルト１５の上端には、ジョイント７７が螺合され、このジョイント７７には、ガス供給（又は排出）用のガスパイプ７９が取り付けられている。

ｃ）次に、空気及び燃料ガスの流路について、図５及び図６に基づいて説明する。

なお、図５及び図６においては、説明を簡単にするために、燃料ガス及び空気について最小限の数のボルトを示している。

（空気の流路）
図５に示すように、支燃性ガスである空気は、空気用のボルト１５の上方から供給され、そのボルト１５の軸中心に形成された中心孔６７に導入され、各横穴６９から第１発電セル１１と第２発電セル１２と第３発電セル１３とに供給される。

詳しくは、ボルト１５の中心孔６７から供給された空気は、図６（ａ）に示すように、ボルト１５の外周側の空間７１から、第１〜第３発電セル１１〜１３の導入孔８１を介して、第１〜第３発電セル１１〜１３の各固体電解質形燃料電池セル３内の空気流路４３側に導入される。

次に、空気流路４３の空気は、排出孔８３を介して、他の空気用（排出用）のボルト１７の外周側の空間７１に排出され、図５に示すように、ボルト１７の横穴８５を介して中心孔８７に導入され、その上方より固体電解質形燃料電池１外に排出される。

（燃料ガスの流路）
図５に示すように、燃料ガスは、燃料用のボルト１９の上方から供給され、ボルト１９の軸中心に形成された中心孔８９に導入され、第１発電セル群１１に対応する位置に設けられた横穴９１から第１発電セル群１１に供給される。換言すれば、ボルト１９では、第１発電セル群１１に燃料ガスが供給される位置に横穴９１が設けられている。

第１発電セル群１１に供給された燃料ガスは、第１発電セル群１１を構成する各固体電解質形燃料電池セル３内の燃料流路３５側に導入される（図６（ｂ）中図参照）。

次に、固体電解質形燃料電池セル３内に導入された燃料流路３５の燃料ガスは、他の燃料中継用のボルト２１の第１発電セル群１１に対応する位置に設けられた横穴９３を介して、ボルト２１の中心孔９７に導入され、ボルト２１の上部に設けられた横穴９４から第２発電セル群１２に供給されるとともに、ボルト２１の下部に設けられた横穴９５から第３発電セル群１３に供給される。

換言すれば、ボルト２１では、第１発電セル群１１に対応する位置と第２及び第３発電セル群１２、１３に対応する位置に横穴９３〜９５が設けられている。なお、ボルト２１からは外部に燃料ガスを排出しないので、中心孔９７は貫通孔とはなっていない。

そして、第２及び第３発電セル群１２、１３に供給された燃料ガスは、第２及び第３発電セル群１２、１３を構成する各固体電解質形燃料電池セル３内の燃料流路３５側に導入される（図６（ｂ）上下図参照）。

燃料流路３５に導入された燃料ガスは、他のボルト２３の第２及び第３発電セル群１２、１３に対応する位置に設けられた横穴９９、１０１を介して、ボルト２１の中心孔１０３に導入され、中心孔１０３の上方より固体電解質形燃料電池１外に排出される。

ｄ）次に、上述した構造の固体電解質形燃料電池１の動作原理について、簡単に説明する。

ここでは、固体電解質体３９として、例えばＹＳＺを用いた例を挙げて説明する。

本実施例の固体電解質形燃料電池１は、使用される固体電解質等の特性上、作動温度は例えば７００〜１０００℃と、通常の周囲温度（大気温）よりかなり高温で使用されるものである。

この固体電解質形燃料電池１では、燃料極３７では、「Ｈ₂＋Ｏ^2-→Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-」の反応が起こり、空気極４１では、「１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｏ^2-」の反応が起こるので、全反応としては、「Ｈ₂＋１／２Ｏ^2-→Ｈ₂Ｏ」となる。

従って、本実施例では、燃料極３７側には水蒸気が発生するので、例えばＰＥＦＣに比べて、燃料極３７側での燃料ガスの体積変化が少ないという特徴がある。

ｅ）次に、固体電解質形燃料電池１の製造方法について、簡単に説明する。

まず、例えばＳＵＳ４３０からなる板材を打ち抜いて、インターコネクタ４５、空気極フレーム５１、燃料極フレーム５７、セパレータ５５を製造した。

また、定法により、アルミナを主成分とするグリーンシートを所定形状に形成し、焼成して、絶縁フレーム５３を製造した。

固体電解質形燃料電池セル３のセル本体４９を、定法に従って製造した。具体的には、燃料極３７のグリーンシート上に、固体電解質体３９の材料を印刷し、その上に空気極４１の材料を印刷し、その後焼成した。なお、セル本体４９は、セパレータ５５にろう付けして固定した。

これとは別に、空気用及び燃料用のボルト１５〜２３を、ザグリ加工等により製造した。

そして、上述したインターコネクタ４５、空気極フレーム５１、燃料極フレーム５７、セル本体４９をろう付けしたセパレータ５５、集電体４７などを一体にして、各固体電解質形燃料電池セル３を組み付けるとともに、各固体電解質形燃料電池セル３を積層して積層体５を構成した。

そして、この積層体５の貫通孔６１にボルト１５〜３３を嵌め込むとともに、それらの両端から絶縁スペーサ７３、７５を嵌め、ボルト１５〜３３の両端にナット６３、６５を螺合させた。

その後、このナット６３、６５を締め付けて、積層体５を押圧して一体化して固定し、固体電解質形燃料電池１を完成した。

ｆ）次に、本実施例の固体電解質形燃料電池１の効果について説明する。

・本実施例の固体電解質形燃料電池１では、燃料ガスが、まず第１発電セル群１１の固体電解質形燃料電池セル３に分配供給される。そして、第１発電セル群１１において発電に使われた燃料ガスは、統合され、第２及び第３発電セル群１２、１３の固体電解質形燃料電池セル３へ分配供給され、再度燃料ガスとして利用される。

このように、第１発電セル群１１おいて利用された燃料ガスを統合することによって、第１発電セル群１１の各固体電解質形燃料電池セル３に対する燃料ガスの分配に均一性がなくとも、第２及び第３発電セル群１２、１３において燃料ガスの不均一性を緩和することができるので、固体電解質形燃料電池１全体での発電効率を高めることができる。

・本実施例の固体電解質形燃料電池１では、第２及び第３発電セル群１２、１３の合計の固体電解質形燃料電池セル数を第１発電セル群１１の固体電解質形燃料電池セル数より少なくしている。これにより、第２及び第３発電セル群１２、１３の固体電解質形燃料電池セル３に供給される燃料ガスは、濃度としては低いものの、流量は第１発電セル群１１よりも多くできる。こうすることで濃度の薄い燃料でも十分に発電を行うことができる。

・本実施例では、第１発電セル群１１の積層方向の一方の側に第２発電セル群１２を積層するとともに、他方の側に第３発電セル群１３を積層している。つまり、第１発電セル群１１の両側に、第２発電セル群１２と第３発電セル群１３とを配置している。

これにより、固体電解質形燃料電池１の積層方向における温度分布を均一化することができる。よって、固体電解質形燃料電池１の内部抵抗のバラツキを小さくできるので、固体電解質形燃料電池１の性能を高めることができる。

特に、この固体電解質形燃料電池１は、その特性上、作動温度は７００〜１０００℃と、通常の周囲温度よりかなり高温であり、周囲温度の影響によって温度分布が大きくなり易いが、本実施例では、温度分布を小さくできるので、この種の固体電解質形燃料電池１の性能の維持には、極めて好適である。

・本実施例では、第２発電セル群１２の固体電解質形燃料電池セル３の数と第３発電セル群１３の固体電解質形燃料電池セル３の数とを、同じにしているので、固体電解質形燃料電池１の積層方向における温度分布を一層均一にできる。

・本実施例では、第１発電セル群１１の固体電解質形燃料電池セル３の数が第２及び第３発電セル群１２、１３の固体電解質形燃料電池セル３の合計の数の２倍より大きい。従って、第２及び第３発電セル群１２、１３において、燃料ガスの供給量が少なくなることがないので、燃料利用率が低下することがない。

また、第１発電セル群１１の固体電解質形燃料電池セル３の数が第２及び第３発電セル群１２、１３の固体電解質形燃料電池セル３の合計の数の１０倍より小さいので、第２及び第３発電セル群１２、１３に供給される燃料ガスの流量が多くなり過ぎない。従って、燃料ガスの圧損が大きくならないので、燃料ガスの供給を容易に行うことができる。

・本実施例では、第１〜第３発電セル群１１〜１３を直列に接続しているので、固体電解質形燃料電池１では、個々の固体電解質形燃料電池セル３から電力を取り出す必要がなく、よって、電力を取り出すときの制御や電流の統合を行う必要がないという利点がある。

ｇ）次に、上述した構造を有する固体電解質形燃料電池の性能を確認した実験例について説明する。

なお、本実験例では、第１発電セル群として１０個の固体電解質形燃料電池セルを積層し、第２及び第３発電セル群として、それぞれ１個の固体電解質形燃料電池セルを積層した固体電解質形燃料電池を用いた。また、電気ヒーターを備えた断熱容器に固体電解質形燃料電池を設置し、容器内を７００℃まで加熱し、ほぼ同じ温度まで予熱した燃料ガスと支燃性ガスを投入し、第１発電セル群の中央側面部と第２及び第３発電セル群の側面部温度も計測できるように熱電対を取り付けた。

・そして、この固体電解質形燃料電池に、燃料ガスとしてＨ₂ガスを７．６Ｌ／ｍｉｎ投入し、７５Ａの電流を取り出して発電した。なお、発電中は断熱容器の電気ヒーターは切り、断熱容器からの放熱と発電によるジュール熱がバランスするようにしているため、概ね７００℃が維持されながら発電が継続される。この状態で、第１発電セル群の中央側面部と第２、第３のセル群の側面部温度を計測した。

この場合、第１発電セル群の１個あたりの平均Ｈ₂ガス流量は０．７６Ｌ／ｍｉｎ、平均利用率は７５％となる。また第２及び第３発電セル群の合計の投入ガス流量は７．６Ｌ／ｍｉｎ、その内Ｈ₂ガス分は０．９５Ｌ／ｍｉｎ、利用率は６０％となる。

このように、第１発電セル群、第２及び第３発電セル群の利用率は低く、セル毎の燃料バラツキの許容量を大きくすることができるにも拘わらず、この燃料電池全体の燃料利用率は９０％と高くすることができる。

・また、この固体電解質形燃料電池の積層方向の温度分布を調べた。

その結果、第１発電セル群の中央側面部(７１０℃)と第２及び第３発電セル群の側面部温度(６９２℃)の温度差は、約２０℃以内で良好であった。

ｈ）次に、従来の固体電解質形燃料電池との比較実験について説明する。

ここでは、従来の固体電解質形燃料電池と比較するために、１２個の固体電解質形燃料電池セルを電気的に直列接続した固体電解質形燃料電池を作製した。なお、その他の条件は、前記実験例と同様である。

・そして、この燃料電池にＨ₂ガスを７．６Ｌ／ｍｉｎ投入し、７５Ａの電流を取り出して発電した。

この場合、１個の固体電解質形燃料電池セルあたりの平均ガス流量は０．６３Ｌ／ｍｉｎ、平均利用率は９０％となる。また、各固体電解質形燃料電池セルに供給されるガス流量が少ないため、固体電解質形燃料電池セルごとの燃料バラツキの許容量は極めて小さいものとなる。

・また、この従来の固体電解質形燃料電池の積層方向の温度分布を、前記実験例と同様にして調べた。

その結果、１２段の中央部となる下から６段目の側面温度（７１０℃）と両端に相当する下から１段目の側面温度(６５２℃)と１２段目の側面温度（６５４℃）には、約６０℃の温度分布があり、両端に近いセルほど電圧低下が大きいことが確認できた。

次に、実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。

なお、本実施例２の固体電解質形燃料電池の基本構造は、前記実施例１と同様であるので、図面は省略する。

本実施例の固体電解質形燃料電池では、第１発電セル群を構成する固体電解質形燃料電池セルを６個、第２及び第３発電セル群を構成する固体電解質形燃料電池セルをそれぞれ１個（合計２個）とした。

そして、実際にこの構成の固体電解質形燃料電池を作製し、Ｈ₂ガスを５．０６Ｌ／ｍｉｎ投入し７５Ａの電流を取り出して発電した。

この場合、第１発電セル群の１個あたりの平均ガス流量は０．８４Ｌ／ｍｉｎ、平均利用率は６７．５％となる。また、第２及び第３発電セル群の投入ガス流量は合計で５．０６Ｌ／ｍｉｎ、その内Ｈ₂ガス分は０．８２Ｌ／ｍｉｎ、利用率は６９．３％となる。

この燃料電池全体の燃料利用率は９０％となる。ただし、この構成では、第１発電セル群の利用率は低くなるが、第２及び第３発電セル群の利用率はあまり低くできないことになる。

本実施例においても、前記実施例１と同様に、固体電解質形燃料電池セルの積層方向における温度分布を小さくできるとう利点がある。

なお、第１発電セル群の固体電解質形燃料電池セルの数は、第２及び第３発電セル群の固体電解質形燃料電池セルの合計の数の２〜１０倍であればよく、例えば、第１発電セル群を１２個、第２及び第３発電セル群を各２個（合計４個）としても、同様な効果が得られる。

次に、実施例３について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。

ａ）まず、本実施例の固体電解質形燃料電池の構成について、図７及び図８に基づいて説明する。

図７に示すように、固体電解質形燃料電池１１１は、第１発電セル群１２１、第２発電セル群１２２、第３発電セル群１２３、及びボルト１２５〜１４７を備えている。

第１発電セル群１２１は、１０個の固体電解質形燃料電池セル１１３が積層されて形成されており、第２発電セル群１２２及び第３発電セル群１２３は、それぞれ第１発電セル群１２１よりも少ない各２個（合計４個）の固体電解質形燃料電池セル１１３からなる。

また、第２発電セル群１２２は、第１発電セル群１２１の積層方向の一方の側（図７（ｂ）の上側）に積層されるとともに、第３発電セル群１２３は、第１発電セル群１２１の積層方向の他方の側（図７（ｂ）の下側）に積層されている。

前記ボルト１２５〜１４７は、第１発電セル群１２１と第２及び第３発電セル群１２２、１２３を積層した積層体１１５を積層方向に押圧して固体電解質形燃料電池セル１１３を拘束するために用いる部材であり、その構造から２種類のボルト１２５〜１４７が使用されている。

すなわち、単に固体電解質形燃料電池セル１１３を押圧するための第１のボルト１３７〜１４７と、内部に燃料ガス又は空気が流通するガス流路を備えた第２のボルト１２５〜１３５である。このうち、第２のボルト１２５〜１４７には、空気のガス流路を備えた空気用のボルト１２５〜１２９と燃料ガスのガス流路を備えた燃料用のボルト１３１〜１３５とがある。

また、固体電解質形燃料電池セル１１３を構成する部材として、前記実施例１と同様に、（図示しないが）セル本体や集電体等があるが、そのうち、図８に示すように、空気極フレーム１４９には、第１発電セル群１２１用と第２及び第３発電セル群１２２、１２３用とがある。

具体的には、図８（ａ）に示すように、第１発電セル群１２１用の空気極フレーム１４９は、同図中の上端の４個の孔の左から２個目の孔（空気の流路Ａ１）と下端の４個の孔の右から２個目の孔（空気の流路Ａ２）とに空気を導くように形成されている。一方、図８（ｂ）に示すように、第２及び第３発電セル群１２２、１２３用の空気極フレーム１４９は、同図中の下端の４個の孔の右から２個目の孔（空気の流路Ａ２）と上端の４個の孔の右から２個目の孔（空気の流路Ａ３）とに空気を導くように形成されている。

同様に、燃料極フレーム１５１には、第１発電セル群１２１用と第２及び第３発電セル群１２２、１２３用とがある。

具体的には、図８（ｃ）に示すように、第１発電セル群１２１用の燃料極フレーム１５１は、同図中の左端の４個の孔の下から２個目の孔（燃料の流路Ｆ１）と右端の４個の孔の上から２個目の孔（燃料の流路Ｆ２）とに燃料を導くように形成されている。一方、図８（ｄ）に示すように、第２及び第３発電セル群１２２、１２３用の燃料極フレーム１５１は、同図中の右端の４個の孔の上から２個目の孔（燃料の流路Ｆ２）と左端の４個の孔の上から２個目の孔（燃料の流路Ｆ３）とに燃料を導くように形成されている。

ｂ）次に、空気及び燃料ガスの流路について、図９に基づいて説明する。

なお、図９においては、説明を簡単にするために、燃料ガス及び空気について最小限の数のボルトを示している。

（空気の流路）
図９に示すように、支燃性ガスである空気は、空気用のボルト１２５の上方から供給され、ボルト１２５の軸中心に形成された中心孔１５３（流路Ａ１）に導入され、第１発電セル群１２１に対応する位置に設けられた横穴１５５から第１発電セル群１２１に供給される。

第１発電セル群１２１に供給された空気は、第１発電セル群１２１を構成する各固体電解質形燃料電池セル１１３内の空気流路１５７（図８（ａ）参照）に導入される。

次に、固体電解質形燃料電池セル１１３内に導入された空気流路１５７の空気は、他の空気中継用のボルト１２７の第１発電セル群１２１に対応する位置に設けられた横穴１５９を介して、ボルト１２７の中心孔１６１（流路Ａ２）に導入され、ボルト１２７の上部に設けられた横穴１６３から第２発電セル群１２２に供給されるとともに、ボルト１２７の下部に設けられた横穴１６５から第３発電セル群１２３に供給される。なお、ボルト１２７からは外部に空気を排出しないので、中心孔１６１は貫通孔とはなっていない。

そして、第２及び第３発電セル群１２２、１２３に供給された空気は、第２及び第３発電セル群１２２、１２３を構成する各固体電解質形燃料電池セル１１３内の空気流路１６７（図８（ｂ）参照）に導入される。

空気流路１６７に導入された空気は、他のボルト１２９の第２及び第３発電セル群１２２、１２３に対応する位置に設けられた横穴１６９、１７１を介して、ボルト１２９の中心孔１７３（流路Ａ３）に導入され、中心孔１７３の上方より固体電解質形燃料電池１１１外に排出される。

（燃料ガスの流路）
燃料ガスは、燃料用のボルト１３５の上方から供給され、ボルト１３５の軸中心に形成された中心孔１７５（流路Ｆ１）に導入され、第１発電セル群１２１に対応する位置に設けられた横穴１７７から第１発電セル群１２１に供給される。

第１発電セル群１２１に供給された燃料ガスは、第１発電セル群１２１を構成する各固体電解質形燃料電池セル１１３内の燃料流路１７９（図８（ｃ）参照）に導入される。

次に、固体電解質形燃料電池セル１１３内に導入された燃料流路１７９の燃料ガスは、他の燃料中継用のボルト１３３の第１発電セル群１２１に対応する位置に設けられた横穴１８１を介して、ボルト１３３の中心孔１８３（流路Ｆ２）に導入され、ボルト１３３の上部に設けられた横穴１８５から第２発電セル群１２２に供給されるとともに、ボルト１３３の下部に設けられた横穴１８７から第３発電セル群１２３に供給される。なお、ボルト１３３からは外部に燃料ガスを排出しないので、中心孔１８３は貫通孔とはなっていない。

そして、第２及び第３発電セル群１２２、１２３に供給された燃料ガスは、第２及び第３発電セル群１２２、１２３を構成する各固体電解質形燃料電池セル１１３内の燃料流路１８９（図８（ｄ）参照）に導入される。

燃料流路１８９に導入された燃料ガスは、他のボルト１３５の第２及び第３発電セル群１２２、１２３に対応する位置に設けられた横穴１９１、１９３を介して、ボルト１３５の中心孔１９５（流路Ｆ３）に導入され、中心孔１９５の上方より固体電解質形燃料電池１１１外に排出される。

ｃ）本実施例の固体電解質形燃料電池１１１は、前記実施例１と同様な効果を奏する。

また、本実施例では、空気を第１発電セル群１２１の固体電解質形燃料電池セル１１３に分配供給し、第１発電セル群１２１の固体電解質形燃料電池セル１１３にて反応した後の空気を統合し、統合した反応後の空気を、第２及び第３発電セル群１２２、１２３の固体電解質形燃料電池セル１１１に分配供給している。

これにより、すべての固体電解質形燃料電池セル１１３に十分な量の空気を供給することができるとともに、第１発電セル群１２１から排出されたより高温の空気を第２及び第３発電セル群１２２、１２３に供給するため、この点からも、固体電解質形燃料電池１１１内の温度分布を均一にすることができる。

以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。

例えば、本発明は、前記実施例１〜３の様に、板状の固体電解質形燃料電池セルを積層した固体電解質形燃料電池に限らず、例えば円筒形状等の筒状の固体電解質形燃料電池セルを所定方向に積層配置した固体電解質形燃料電池に適用することも可能である。また、筒状の固体電解質形燃料電池セルについても、円筒に限らず、例えば扁平な形状で、内部に１又は複数のガス流路が形成された固体電解質形燃料電池セルを採用することができる。

１、１１１…固体電解質形燃料電池
３、１１３…固体電解質形燃料電池セル
５、１１５…積層体
１１、１２１…第１発電セル群
１２、１２２…第２発電セル群
１３、１２３…第３発電セル群
１５、１７、１９、２１、２３、２５、２７、２９、３１、３３、１２５、１２７、１２９、１３１、１３３、１３５、１３７、１３９、１４１、１４３、１４５、１４７、１４９…ボルト
３５、１７９、１８９…燃料流路
３７…燃料極
３９…固体電解質体
４１…空気極
４３、１５７、１６７…空気流路
５１、１４９…空気極フレーム
５７、１５１…燃料極フレーム

Claims (5)

1. 固体電解質形燃料電池セルに燃料ガスと酸素を含む支燃性ガスとを供給して発電を行う固体電解質形燃料電池において、
   複数の前記固体電解質形燃料電池セルを所定方向に積層した第１発電セル群と、
   １又は複数の前記固体電解質形燃料電池セルからなる第２及び第３発電セル群と、
   前記燃料ガスを前記第１発電セル群の固体電解質形燃料電池セルに分配供給し、該第１発電セル群の固体電解質形燃料電池セルにて反応した後の燃料ガスを統合し、該統合した反応後の燃料ガスを前記第２及び第３発電セル群の固体電解質形燃料電池セルへ分配供給する燃料ガス流路と、
   を備えるとともに、
   前記第２及び第３発電セル群の合計の固体電解質形燃料電池セルの数を、前記第１発電セル群の固体電解質形燃料電池セルの数よりも少なくし、
   且つ、前記第１発電セル群の積層方向の一方の側に前記第２発電セル群を積層するとともに、他方の側に前記第３発電セル群を積層したことを特徴とする固体電解質形燃料電池。
2. 請求項１に記載の固体電解質形燃料電池において、
   前記第１発電セル群と前記第２発電セル群と前記第３発電セル群とを、電気的に直列接続したことを特徴とする固体電解質形燃料電池。
3. 請求項１又は請求項２に記載の固体電解質形燃料電池において、
   前記第２発電セル群の固体電解質形燃料電池セルの数と前記第３発電セル群の固体電解質形燃料電池セルの数とを、同じとしたことを特徴とする固体電解質形燃料電池。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池において、
   前記酸素を含む支燃性ガスを前記第１発電セル群の固体電解質形燃料電池セルに分配供給し、該第１発電セル群の固体電解質形燃料電池セルにて反応した後の酸素を含む支燃性ガスを統合し、該統合した反応後の酸素を含む支燃性ガスを、前記第２及び第３発電セル群の固体電解質形燃料電池セルに分配供給することを特徴とする固体電解質形燃料電池。
5. 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池において、
   前記第１発電セル群の固体電解質形燃料電池セルの数は、前記第２及び第３発電セル群の合計の固体電解質形燃料電池セルの数の２〜１０倍であることを特徴とする固体電解質形燃料電池。