[第1実施形態]
 第1~第3実施形態は、本発明の第1の態様に対 応するものである。
 以下、図面に基づいて本発明による固体酸� ��物形燃料電池の第1実施形態を説明する。
 図1は本発明が適用された平板積層型の固体 酸化物形燃料電池1の構成を示し、図2は図1の 一部拡大を示し、図3はセパレータ8の構造を� ��している。

 図2に示すように、単セル10は、固体電解� ��層2の両面に燃料極層3と酸化剤極層4を配し� ��複数個(4個)の発電セル5と、各燃料極層3の� �側に配した燃料極集電体6と、各酸化剤極層4 の外側に配した空気極集電体7と、これら集� �体6、7の外側に配した上下2枚のセパレータ8� ��で構成されている。

 これら発電要素の内、固体電解質層2はイッ トリアを添加した安定化ジルコニア(YSZ)等で� ��成され、燃料極層3はNi等の金属あるいはNi-Y SZ等のサーメットで構成され、酸化剤極層4は LaMnO ₃ 、LaCoO ₃ 等で構成され、燃料極集電体6はNi等のスポン ジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極 集電体7はAg等のスポンジ状の多孔質焼結金属 板で構成されされている。

 セパレータ8は、図3に示すように、厚さ� �mmの略方形状のステンレス製の板材で構成さ れており、上述した複数の発電セル5(5a~5d)と� ��各集電体6、7が積層される中央部分のセパ� �ータ本体8cと、このセパレータ本体8cより面� ��向に延設されて、当セパレータ本体8cの対� �縁部を2カ所で支持するセパレータアーム8a� �8bとで構成されている。

 図3中、一点鎖線で示すように、このセパレ ータ本体8cの中央部分には、直径約60mm程の小 径の発電セル5a~5dが縦横対称に配設される。
 セパレータ8は、これらの発電セル5a~5dを共� ��の集電体6、7を介して電気的に並列接続す� �と共に、各発電セル5a~5dに反応用ガス(酸化� �ガス、燃料ガス)を供給する機能を有し、そ� ��内部に酸化剤ガス通路12と燃料ガス通路11と を有する。

 また、各セパレータアーム8a、8bは、それ ぞれセパレータ本体8cの外周辺に沿って僅か� ��隙間を持って対向隅角部より延設される細� ��帯状として、積層方向に可撓性を持たせて� ��り、これにより、積層方向の加重がセパレ� ��タ本体8cの全面に均一に加わるようになさ� �ていると共に、これらセパレータアーム8a、 8bの端部には、板厚方向に貫通する一対のガ� ��孔(酸化剤ガス孔14、燃料ガス孔13)が設けら� ��ている。

 酸化剤ガス孔14は、セパレータ8の酸化剤� ��ス通路12に連通し、また、燃料ガス孔13は、 燃料ガス通路11に連通し、各々のガス孔14、13 から、これらのガス通路12、11を通して通路� �端のガス吐出口12a、11aより各発電セル5の各� ��極面(酸化剤極層4、燃料極層3)の中央部に酸 化剤ガスおよび燃料ガスを吐出するようなっ ている。

 さらに細述すれば、酸化剤ガス通路12は、� �化剤ガス孔14よりセパレータアーム8a内を通� ��てセパレータ8の下辺部中央部位P1に至り、� ��こから内方に向けてセパレータ本体8cの発� �セル5a~5dで囲まれた中心部位P2に至り、中心� ��位P2において横方向T字に分岐し、一方の酸� ��剤ガス通路12は、発電セル5a、5bの中間部位P 3に至り、この中間部位P3においてさらに縦方 向T字に分岐して、それぞれ発電セル5a、5bの� ��心部に対応するセパレータ面上に開口され� ��酸化剤ガス吐出12a、12aに連通している。
 他方、上記中心部位P2において横方向T字に� ��岐した酸化剤ガス通路12の他方側(図中右側) は、発電セル5c、5dの中間部位P4に至り、この 部位P4においてさらに縦方向T字に分岐してそ れぞれ発電セル5c、5dの中心部に対応するセ� �レータ面上に開口された酸化剤ガス吐出12a� �12aに連通している。

 また、燃料ガス通路11は、燃料ガス孔13より セパレータアーム8b内を通してセパレータ本� ��8cの上辺部中央から発電セル5b、5cの中間部� ��P5に至り、この中間部位P5において横方向T� �に分岐し、一方の燃料ガス通路11は、発電セ ル5bの周縁に沿って発電セル5a、5bの中間部位 P6に至り、この中間部位P6においてさらに縦� �向T字に分岐して、それぞれ発電セル5a、5bの 中心部に対応するセパレータ面上に開口され た燃料ガス吐出口11a、11aに連通している。
 他方、上記中間部位P5においてT字状に分岐� ��た燃料ガス通路11の他方側(図中右側)は、発 電セル5cの周縁に沿って発電セル5c、5dの中間 部位P7に至り、この中間部位P7においてさら� �縦方向T字に分岐してそれぞれ発電セル5c、5d の中心部に対応するセパレータ面上に開口さ れた燃料ガス吐出口11a、11aに連通している。

 そして、この燃料ガス通路11については� �上述したセパレータ本体8cの部位P5、部位P6� �部位P7においてガス通路が分岐される毎にそ の断面積が約1/2に縮小されている。

 また、発電セル5a~5dにより囲まれた部位� �対応するセパレータ本体8cの中央部分には、 酸化剤ガス通路12を避けるように、厚さ方向� ��貫通する3個のガス排出用の孔部31が形成さ� ��ている。また、発電セル5aと発電セル5bの間 であって、燃料ガス通路11の分岐部P6と酸化� �ガス通路12の分岐部P3とに挟まれた部位、お� ��び、発電セル5cと発電セル5dの間であって、 燃料ガス通路11の分岐部P7と酸化剤ガス通路12 の分岐部P4とに挟まれた部位、および、発電� ��ル5bと発電セル5cの間であって、燃料ガス通 路11の分岐部P5とガス排出用の孔部31に挟まれ た部分には、それぞれ厚さ方向に貫通する放 熱用の孔部32が形成されている。

 上記構成の単セル10を、図1、図2に示すよ うに、間にリング状の絶縁性ガスケット16、1 5を介在して順次積層すると共に、この積層� �の上下両端にセパレータ8よりサイズの大き� ��四角形の上締付板20aと下締付板20bを配して� ��その周縁部の4カ所をボルト21とナット26に� �締め付けることにより、その締め付け荷重� �より各々のガスケット16、15がそれぞれセパ� ��ータ8の各ガス孔14、13を介して積層方向に� �結され、スタック内部に積層方向に延びる� �スシール性に優れる2系統の内部マニホール� ��(酸化剤ガスマニホールド18と燃料ガスマニ� ��ールド17)が形成される。

 そして、運転時には、酸化剤ガスマニホ� ��ルド18および燃料ガスマニホールド17に外部 から供給される酸化剤ガス(空気)と燃料ガス� ��流通し、各反応用ガスが各セパレータ8の酸 化剤ガス孔14、燃料ガス孔13より酸化剤ガス� �路12、燃料ガス通路11を介して各発電セル5の 酸化剤極層4と燃料極層3に分配・供給され、� ��発電セル5において発電反応を生じさせるよ うになっている。

 また、この固体酸化物形燃料電池1は、発 電セル5の外周部にガス漏れ防止シールを設� �ないシールレス構造であり、運転時には、� �電反応で消費されなかった残余のガス(排ガ� ��)を各発電セル5の外周部から外に自由に放� �するようになっている。

 以上、第1実施形態による固体酸化物形燃 料電池1では、同一セパレータ8上に複数の発� ��セル5を並列に配置する構造とすることによ り、同じ出力を得る場合において、セパレー タ8上に1個の発電セル5を配置する構造に比べ て、発電セル5の径を小さくすることができ� �ため(例えば、直径120mmを60mmとする)、その分 、温度分布を均一化でき、発電セル5を割れ� �くできる。加えて、各々発電セル5が並列に� ��続されているため、複数の発電セル5の内の 1つが破損した場合であっても、正常な他の� �電セル5より出力を取り出すことができ、極� ��な出力低下を招かずに運転を続行できる。

 また、酸化剤ガス通路12より、セパレータ8� ��中央部分に酸化剤ガス(空気)を導入するこ� �により、その冷却効果により、セパレータ� �心部分の温度上昇を抑制してセパレータ面� �での温度分布を均一化させることができ、� �電セル5の割れを防止することができる。
 また、燃料ガスは酸化剤ガスに比べて流量� ��少ないため、燃料ガスによる冷却効果は得� ��れないが、図3のように、発電セル5の隣接� �位に放熱用の孔部32を設けることにより、セ パレータ8隣接部位の放熱効果を助長するこ� �ができ、セパレータ面内での温度分布の均� �化に寄与できる。

 また、酸化剤ガス通路12および燃料ガス通� �11をT字状に分岐させていくことにより、分� �部における反応用ガスの分配を均等にでき� �且つ、各ガス流路の全長を長くすることが� �きる。これにより、各発電セルへの反応用� �スの等流配が可能となり、発電性能を向上� �きる。
 特に、燃料ガス通路11においては、ガス流� �の下流側に向けて分岐毎にガス通路の断面� �を小さくして圧損失を生じさせるようにし� �ので、燃料ガス通路11においては、より確実 な燃料ガスの等流配が可能となり、より安定 した発電性能が得られるようになる。

 また、セパレータ8の中央部分にガス排出 用の孔部31を設けることにより、発電セル5a~5 dの外周部より排出される反応ガスがパレー� �中央付近において滞留することがなく、こ� �孔部31より効率良く排出されるため、酸化剤 ガスおよび燃料ガスが各電極層の全面に効率 良く供給されるようになり、発電性能を向上 できる。

 以上、本実施形態では、発電セル5の形状を 円形としたが、この他、発電セル5の形状を� �4に示すような六角形、或いは図5に示すよう な四角形等とすることも可能である。
 尚、図4、図5において、図3と共通する部分� ��それぞれ同一符号を用いており、8はセパレ ータ、5a~5dは発電セル、11は燃料ガス通路、12 は酸化剤ガス通路、13は燃料ガス孔、14は酸� �剤ガス孔、31はガス排出用の孔部、32は放熱� ��の孔部である。

 次に、本発明の効果を確認するため、以� ��のような発電試験を実施した。

 <実施例1>
 作動温度750℃、電流密度500mA/cm ² 、燃料利用率75%にて発電試験を実施し、セル の形状および1枚のセパレータ8上に設置する� ��電セル5の枚数を変化させた時の発電セルの 平均出力密度と発電セルの割れを調査し、そ の結果を表1に示した。上記セルとは、発電� �ル5をセパレータ8で挟み込んだものを示して いる。尚、酸化剤ガスとして空気を水素の5� �量を供給した。また、発電セル5には自立膜� ��ランタンガレート系電解質のLSGMC5を使用し� ��固体電解質層2の厚さは0.20~0.25mmとした。燃� ��極層3はCe _0.2 Sm _0.8 O ₂ とNiのサーメット、酸化剤極層4にはSm _0.5 Sr _0.5 CoO ₃ を用いた。

 実施例1-1(従来型)では、直径160mmの円形平板 形のセルを5段積層し、燃料ガスとして水素� �5Nml/cm ² /minで供給した。ここで、NmlのNは0℃を意味す る。
 この時の平均出力密度は500mW/cm ² であり、高い性能が得られたが、室温に降温 後、スタックを解体すると5枚のセル中、3枚� ��割れていた。これは、作動温度750℃から室� ��に降温する際の収縮で生じる引張り応力に� ��るものと推測される。
 この割れた発電セル5を再度スタックに組み 込み、発電試験を同条件にて実施したところ 、平均出力密度は0.18W/cm ² まで低下した。このように、スタック中のセ ルが割れてしまうと発電性能が著しく低下す ることが確認された。

 実施例1-2(従来型)では、円形セルの直径を12 0mmとし、実施例1-1と同様に従来型の1枚のセ� �を5段積層した時の結果である。セルの単位� ��積当たりの燃料ガスおよび空気流量を一定� ��した条件下での平均出力密度は0.51W/cm ² であった。発電試験後のセルの割れは5枚中1� ��であった。
 この割れたセルを再度スタックに組み込み� ��発電試験を同条件で実施したところ、平均� ��力密度は0.36W/cm ² まで低下した。この場合の、低下率は29%であ る。
 このように、スタック中の1枚のセルが割れ ただけで発電性能は急激に低下した。この理 由は、5枚のセルが直列に接続されているた� �、その内の1枚のセルが破損すると、その部� ��での抵抗が著しく増大し、スタック全体の� ��能を低下させてしまうためである。

 実施例1-3では、円形セルの直径を80mmとし、 1枚のセパレータ8上に4枚の発電セル5を並列� �置し、5段積層した時の結果である。この場� ��の同条件における平均出力密度は0.49W/cm ² であり、従来型のセルを用いた実施例1-1に較 べて0.01W/cm ² の減少となった。
 この性能低下の理由は、発電セル5の半径を 小さくすることにより、セルの中心部と外周 部との距離が減少して、セパレータ8の中心� �から吐出される水素と燃料極層3との電気化� ��反応の頻度が減少したためと推測される。
 発電試験後の20枚のセルの内、割れは1枚で� ��り、割れたセルを再度スタックに組み込み� ��発電試験を同条件で実施したところ、平均� ��力密度は0.45W/cm ² となり、出力低下は0.04W/cm ² 、低下率は8%に留まった。
 尚、従来型のセルを用いた実施例1-2では、1 枚のセルの割れたことによる平均出力密度の 低下率は29%であった。このことにより、セル 割れが発生した場合、第1実施形態のセパレ� �タ構造では、スタック全体の性能低下を低� �抑えることができることが確認された。

 実施例1-4では、円形セルの直径を60mmとし、 1セパレータ8上に4枚の発電セル5を並列配置� �、5段積層した時の結果である。この場合、� ��条件における平均出力密度は0.47W/cm ² であり、従来型セルを用いた実施例1-1に較べ て0.03W/cm ² の減少となった。この性能低下の理由は、上 述した通りである。
 発電試験後の20枚のセルの内、割れはなく� �再度同じセルをスタックに組み込み同条件� �発電試験を実施したところ、平均出力密度� �0.47W/cm ² であり、発電性能の低下は見られなかった。 発電セル5を小形化することにより、電流密� �650mA/cm ² の高出力条件下にも拘わらず、セル割れを起 こさずに昇温・発電・降温することが可能で あることが確認された。
 これらの発電セル5をそれぞれ未使用セルに 入れ換えて比較試験(2)(3)を実施し、降温後の セル割れを確認したところ、20枚中割れてい� ��セルはなく、発電セル5の小形化がセル割れ 防止に効果的であり、且つ、発電セル5の並� �接続がその発電性能を維持できることが確� �された。

 実施例1-5では、円形セルの直径を40mmとし、 実施例1-6では、円形セルの直径を30mmとし、1� ��のセパレータ8上に16枚のセルを並列配置し� ��それぞれ5段積層した時の結果である。
 この場合、同条件における平均出力密度は� ��れぞれ0.45W/cm ² 、0.43W/cm ² であり、小形化により発電性能は減少傾向に ある。試験後の80枚のセルの内、実施例1-5、� ��施例1-6とも割れはなく、かつ、比較試験(2)( 3)を実施して降温後のセルの割れを確認した� ��ころ、割れは全く見られず、発電セル5の小 形化がセルの割れ防止に効果的であることが 再度確認された。実施例1-5、6の場合は、1A/cm ² 以上の高電流密度においてもセル割れを起こ さずに昇温・発電・降温が可能であると推測 される。

 実施例1-7(従来型)、実施例1-8、実施例1-9で� �、角形の発電セルを用い、セパレータ8上の� ��ル枚数を変化させ、全セルの合計面積を500c m ² 一定とした時の発電性能および降温後のセル 割れの枚数についての試験結果である。
 従来型のセルを用いた実施例1-7の場合、比� ��試験(1)後、5枚のセルの全てが割れており、 再度組み立て後の平均出力密度は0.08W/cm ² まで減少した。これより、セル形状を角形に すると、円形セルに較べて割れ易くなってい ることが分かる。セルを小形化した実施例1-8 、実施例1-9の場合、比較試験(1)後のセルの割 れがないことが確認された。

 実施例1-10(従来型)、実施例1-11、実施例1-12� �は、六角形の発電セルを用い、セパレータ8� ��のセル枚数を変化させ、全セルの合計面積� ��540cm ² 一定とした時の発電性能および降温後のセル 割れについての試験結果である。

 従来型のセルを用いた実施例1-10の場合では 、比較試験(1)後、2枚のセルが割れており、� �み立て後の平均出力密度は0.23W/cm ² まで減少した。セル形状を六角形としたため 、上述した角形セルに較べて割れ難くなって いるが、円形セルに較べて割れ易いことが分 かる。

 実施例1-11の場合では、比較試験(1)後、1� �のセル割れがあったが、極端な発電性能の� �下には至らなかった。4枚のセルの内の3枚が 割れていなければ、この3枚のセルにより燃� �ガスの少なくとも3/4は電気化学的に消費可� �であるため、燃料利用率75%以上での正常な� �電が可能であり、例えば、割れたセル1枚の� ��分の面積が発電可能であるとすると、概算� ��燃料利用率87.5%まで正常発電が可能と推測� �れる。これに対し、実施例1-10の場合、1枚の セル割れが起こり、仮に割れたセルの50%の部 分が発電可能であるとしても、燃料利用率50% 以上では正常な発電は不可能である。

 <実施例2>
 実施例2では、セパレータ8内部のガス供給� �路において、第1実施形態の中心部に空気を� ��給した場合(図3において、セパレータ8の酸� ��剤ガス通路12に空気を供給し、燃料ガス通� �11に燃料ガスを供給する)と、燃料ガスと空� �の供給を入れ換えてセパレータ8中心部のガ� ��供給路に燃料ガスを供給した場合(すなわち 、酸化剤ガス通路12に燃料ガスを供給し、燃� ��ガス通路11に空気を供給する)とで比較試験� ��行い、その結果を表2に示した。

 実施例2-1では、直径60mmの円形セルを1セパ� �ータ8上に4個並列配置し、5段積層した。こ� �時の平均出力密度は0.47W/cm ² である。これに対して、実施例2-2の場合の、 燃料と空気の流路を入れ換えた発電試験では 、平均出力密度は0.43W/cm ² に低下した。
 空気がセパレータ中央部に供給されない実� ��例2-2の場合では、セパレータ中心部の温度� ��788℃程、端部は734℃程となり、同一セパレ� ��タ上での温度差は52℃程であった。これは� �燃料ガスの流量は空気流量に較べて1/5であ� �ため、セパレータ中心部分での熱交換量が� �下して温度が上昇したものと考えられる。� �れに対し、空気がセパレータ中央部に供給� �れる実施例2-1の場合は、温度差は僅か12℃程 であった。

 実施例2-2の場合では、比較試験(4)の降温後� ��セル割れはなかったが、比較試験(5)、(6)で� ��、20枚のセルの内、直径60mmの小型セルを用� ��たにも拘わらず、比較試験(5)で3枚、比較試 験(6)で1枚割れていた。割れがあった時の発� �性能が低下していることから、発電中にセ� �レータ内部で温度差が生じて割れた可能性� �大きいと考えられる。
 また、発電試験後、セル割れが生じていな� ��のにも拘わらず比較試験(4)の平均出力密度� ��0.43W/cm ² と低かった。この理由は、燃料ガスを、分岐 部分において流路幅が狭まっていない酸化剤 ガス通路12に供給したことにより、セパレー� ��内部での燃料ガスの均等流配が崩れたため� ��推測される。

 <実施例3>
 実施例3では、セパレータ中心部のガス排出 用の孔部31の有無についての比較試験(7)およ� ��比較試験(8)を行い、その結果を表3に示した 。
 これらの発電試験では、直径60mmの円形セル をセパレータ上に4個並列配置し、5段積層し� ��。また、空気は通常通り、セパレータ8の酸 化剤ガス通路12より供給した。

 排気孔31を設けた実施例3-1場合では、平均� �力密度は0.47W/cm ² であった。これに対し、排気孔31を設けてい� ��い実施例3-2の場合の平均出力密度は0.38W/cm ² と発電性能の低下が見られた。尚、実施例3-1 の場合、同一セパレータ内部での温度差は12� ��程であるのに対して、実施例3-2の場合は、� ��度差が31℃程と大きかった。
 比較試験(7)および比較試験(8)において、実� ��例3-2の場合、試験後にセル割れは生じなか� ��たが、発電性能は低かった。この理由は、� ��気孔31を設けていないと、発電反応生成物� �ある水蒸気がセパレータ中心部分で排出さ� �ずに滞留し、この部分での電気化学反応が� �しく低下したためと推定される。よって、� �パレータ中心部分に排気孔31を設けることが 、発電性能の向上のために重要であることが 確認された。

 <実施例4>
 実施例4では、直径60mmの円形セルをセパレ� �タ8上に4個並列配置し、5段積層した構造で� �発電セル5の固体電解質層2の種類を変えた場 合の発電試験を行い、その結果を表4に示し� �。
 すなわち、実施例4-1では、固体電解質層2と して厚さが0.2mm程度の自立膜型のランタンガ� ��ートを用い、実施例4-2では、固体電解質層2 として厚さ0.03mmのジルコニア系8YSZを用い、� �施例4-3では、セリア系電解質(CeO ₂ )を用いた。

 実施例4-1の場合、平均出力密度が0.47W/cm ² と高いが、実施例4-2の場合は、平均出力密度 が0.20W/cm ² と低かった。
 これは、実施例4-2では、燃料極層3にNi-CeO ₂ サーメットを支持基盤として使用し、酸化剤 極層4にランタンマンガナイト(LaMnO ₃ )を使用しており、YSZ電解質のイオン伝導度� �対する電子伝導度の割合がランタンガレー� �に較べて低いため、開回路起電力は5.5Vと高� ��が薄膜の電解質においても750℃では十分な� ��オン伝導度が得られず、性能が低下したも� ��と推定される。
 実施例4-2の場合、3回の比較試験において比 較試験(10)でセル割れが1枚発生したが、全体� ��にセル割れが少ないことが確認された。

 実施例4-3では、Ni-CeO ₂ サーメットを支持基盤として使用し、酸化剤 極層4にランタンマンガナイト(LaMnO ₃ )を使用した。セリア系電解質であるため、� �オン伝導度に対する電子伝導度が高く、電� �質部分での内部短絡により開回路起電力が� �い結果となった。また、比較試験後、多数� �セルが割れたことから、セリア系電解質を� �いる場合は、セルの大きさを径60mmよりもさ� ��に小さくする必要があると考えられる。

[第2実施形態]
 次いで、第2実施形態の固体酸化物形燃料電 池を、図6および7を用いて説明する。
 尚、第1実施形態と同一の構成については、 同一符号を用いることによって説明を省略す る。

 図6に示すように、単セル40は、固体電解� ��層2の両面に燃料極層3と酸化剤極層4を配し� ��複数個(4個)の発電セル5と、各燃料極層3の� �側に配した燃料極集電体6と、各酸化剤極層4 の外側に配した空気極集電体7と、これら集� �体6、7の外側に配した上下2枚のセパレータ9� ��で構成されている。

 セパレータ9は、図7に示すように、厚さ� �mmの方形状のステンレス製の板材で構成され ており、縦横対称に配設される直径約60mm程� �小径の発電セル5a~5dを覆う大きさに形成され ている。そして、これらの発電セル5a~5dを共� ��の集電体6、7を介して電気的に並列接続す� �と共に、各発電セル5a~5dに反応用ガスを供給 する機能を有し、その内部に酸化剤ガス通路 92と燃料ガス通路91とを有する。

 さらに、セパレータ9には、複数の発電セ ル5a~5dに囲まれた部位に対応する中央部に、� ��厚方向に貫通する酸化剤ガス孔44が設けら� �るとともに、この酸化剤ガス孔44を挟むよう にして、複数の発電セル5a~5bの外方に対応す� ��外周部であって、かつ発電セル5a、5b間およ び発電セル5c、5d間に対応する部位に、それ� �れ板厚方向に貫通する燃料ガス孔43が対にな って設けられている。

 酸化剤ガス孔44は、それぞれセパレータ9の� ��角部方向に向けて延在する直線状の4本の酸 化剤ガス通路92に連通しており、各酸化剤ガ� ��通路92は、各発電セル5の中央部に対応する� ��置に開口する末端のガス突出口92aより各発� ��セル5の酸化剤極層4に酸化剤ガスを吐出す� �ようなっている。
 他方、各燃料ガス孔43は、各発電セル5の中� ��部に向けて延在する直線状の2本の燃料ガス 通路91に連通し、各燃料ガス通路91は、末端� �ガス突出口91aより各発電セル5の燃料極層3の 中央部に燃料ガスを吐出するようなっている 。

 また、発電セル5a~5dにより囲まれた部位� �対応するセパレータ9の中央部分には、酸化� ��ガス孔44の周囲における酸化剤ガス通路92間 に各々酸化剤ガス通路92を避けるように、そ� ��ぞれ厚さ方向に貫通する4個のガス排出用の 孔部93が形成されている。

 上記構成の単セル40を、第1実施形態と同� ��に、間にリング状の絶縁性ガスケット16、15 を介在して順次積層すると共に、この積層体 の上下両端にセパレータ9よりサイズの大き� �四角形の上締付板20aと下締付板20bを配して� �その周縁部の4カ所をボルト21とナット26にて 締め付けることにより、その締め付け荷重に より各々のガスケット16、15がそれぞれセパ� �ータ9の各ガス孔44、43を介して積層方向に連 結され、スタック内部に積層方向に延びるガ スシール性に優れる2系統の内部マニホール� �(酸化剤ガスマニホールドと燃料ガスマニホ� ��ルド)が形成される。

 そして、運転時には、酸化剤ガスマニホ� ��ルドおよび燃料ガスマニホールドに外部か� ��供給される酸化剤ガス(空気)と燃料ガスが� �通し、各反応用ガスが各セパレータ9の酸化� ��ガス孔44、燃料ガス孔43より酸化剤ガス通路 92、燃料ガス通路91を介して各発電セル5の酸� ��剤極層4と燃料極層3に分配・供給され、各� �電セル5において発電反応を生じさせるよう� ��なっている。

 また、この第2実施形態の固体酸化物形燃 料電池も、発電セル5の外周部にガス漏れ防� �シールを設けないシールレス構造であり、� �転時には、発電反応で消費されなかった残� �のガス(排ガス)を各発電セル5の外周部から� �に自由に放出するようになっている。

[第3実施形態]
 次いで、第3実施形態の固体酸化物形燃料電 池を、図8を用いて説明する。
 尚、第2実施形態と同一の構成については、 同一符号を用いることによって説明を省略す る。

 単セルは、第2実施形態と同様、固体電解 質層2の両面に燃料極層3と酸化剤極層4を配し た複数個の発電セル5と、各燃料極層3の外側� ��配した燃料極集電体6と、各酸化剤極層4の� �側に配した空気極集電体7と、これら集電体6 、7の外側に配した上下2枚のセパレータ95と� �構成されている。ここで、発電セル5は、図8 に示すように、縦方向に複数行(2行)、横方向 に偶数列(4列)に配置されることにより、合計 8個設けられている。

 セパレータ95は、厚さ数mmの長方形状のス テンレス製の板材で構成されて、直径約60mm� �の小径の発電セル5a~5hを覆う大きさに形成さ れている。そして、これらの発電セル5a~5hを� ��通の集電体6、7を介して電気的に並列接続� �ると共に、各発電セル5a~5hに反応用ガスを供 給する機能を有し、その内部に酸化剤ガス通 路97と燃料ガス通路96とを有する。

 さらに、セパレータ95には、複数の発電セ� �5a~5hに囲まれた部位に対応する中央部に、全 ての酸化剤ガス孔44を配設すべく、複数の発� ��セル5a~5bの外方に対応する外周部であって� �かつ発電セル5a、5b間および発電セル5e、5f間 に対応する部位に、それぞれ板厚方向に貫通 する燃料ガス孔43が対になって設けられてい� ��。
 これにより、セパレータ95には、これら発� �セル5a、5bに対する燃料ガス孔43の反対側の� �電セル5a、5b、5c、5hに囲まれた部位に対応す る位置、およびこれら発電セル5e、5fに対す� �燃料ガス孔43の反対側である発電セル5d、5e� �5f、5gに囲まれた部位に対応する位置に、そ� ��ぞれ板厚方向に貫通する酸化剤ガス孔44が� �けられている。
 また、セパレータ95には、これら発電セル5c 、5hに対する酸化剤ガス孔44の反対側であっ� �、これら発電セル5d、5gに対する酸化剤ガス� ��44の反対側でもある発電セル5c、5h、5d、5gに 囲まれた部位に対応する位置にも、板厚方向 に貫通する燃料ガス孔43が設けられている。

 各酸化剤ガス孔44は、それぞれ各発電セル5� ��中央部に向けて延在する直線状の4本の酸化 剤ガス通路97に連通しており、各酸化剤ガス� ��路97は、末端のガス突出口97aより各発電セ� �5の酸化剤極層4の中央部に酸化剤ガスを吐出 するようなっている。同様に、各燃料ガス孔 43も、各発電セル5の中央部に向けて延在する 直線状の4本の燃料ガス通路96に連通し、各燃 料ガス通路96は、末端のガス突出口96aより各� ��電セル5の燃料極層3の中央部に燃料ガスを� �出するようなっている
 ただし、セパレータ95の発電セル5a、5b間お� ��び発電セル5e、5f間に対応する部位に対にな って設けられた燃料ガス孔43は、各発電セル5 の中央部に向けて延在する直線状の2本の燃� �ガス通路96に連通しており、これらの燃料ガ ス通路96も、末端のガス突出口96aより各発電� ��ル5の燃料極層3の中央部に燃料ガスを吐出� �るようなっている。

 また、発電セル5a~5hにより囲まれた部位� �対応するセパレータ95の中央部分には、各酸 化剤ガス孔44の周囲における酸化剤ガス通路9 7間に各々酸化剤ガス通路97を避けるように4� �のガス排出用の孔部93がそれぞれ厚さ方向に 貫通して形成されて、8個のガス排出用の孔� �93が形成されている。また、酸化剤ガス孔44� ��周囲における燃料ガス通路96間に各々燃料� �ス通路96を避けるように、それぞれ厚さ方向 に貫通する4個のガス排出用の孔部93が形成さ れている。

 上記構成の単セルを、第2実施形態と同様 に、間にリング状の絶縁性ガスケット16、15� �介在して順次積層すると共に、この積層体� �上下両端にセパレータ95よりサイズの大きい 四角形の上締付板20aと下締付板20bを配して、 その周縁部の4カ所をボルト21とナット26にて� ��め付けることにより、その締め付け荷重に� ��り各々のガスケット16、15がそれぞれセパレ ータ95の各ガス孔44、43を介して積層方向に連 結され、スタック内部に積層方向に延びるガ スシール性に優れる2系統の内部マニホール� �(酸化剤ガスマニホールドと燃料ガスマニホ� ��ルド)が形成される。

 そして、運転時には、酸化剤ガスマニホー� ��ドおよび燃料ガスマニホールドに外部から� ��給される酸化剤ガス(空気)と燃料ガスが流� �し、各反応用ガスが各セパレータ95の酸化剤 ガス孔44、燃料ガス孔43より酸化剤ガス通路97 、燃料ガス通路96を介して各発電セル5の酸化 剤極層4と燃料極層3に分配・供給され、各発� ��セル5において発電反応を生じさせるように なっている。
 また、この第3実施形態の固体酸化物形燃料 電池も、発電セル5の外周部にガス漏れ防止� �ールを設けないシールレス構造である。

 尚、第2および第3実施形態では、発電セ� �5の形状を円形としたが、第1実施形態と同様 に発電セル5の形状を四角形或いは六角形等� �することも可能である。

 以上、第2実施形態および第3実施形態に� �る固体酸化物形燃料電池1においても、第1実 施形態と同様、同一セパレータ9、95上に複数 の発電セル5を並列に配置する構造とするこ� �により、同じ出力を得る場合において、セ� �レータ9、95上に1個の発電セル5を配置する構 造に比べて、発電セル5の径を小さくするこ� �ができるため(例えば、直径120mmを60mmとする) 、その分、温度分布を均一化でき、発電セル 5を割れ難くできる。加えて、各々発電セル5� ��並列に接続されているため、複数の発電セ� ��5の内の1つが破損した場合であっても、正� �な他の発電セル5より出力を取り出すことが� ��き、極端な出力低下を招かずに運転を続行� ��きる。

 また、酸化剤ガス通路92、97より、セパレ ータ9、95の中央部分に酸化剤ガス(空気)を導� ��することにより、その冷却効果により、セ� ��レータ中心部分の温度上昇を抑制してセパ� ��ータ面内での温度分布を均一化させること� ��でき、発電セル5の割れを防止することがで きる。

 また、第2および第3実施形態の固体酸化� �形燃料電池では、セパレータ9、95の複数の� �電セル5a~5d、5a~5hに囲まれた部位に対応する� ��央部に設けた酸化剤ガス孔44によって酸化� �ガスマニホールドを形成したため、この酸� �剤ガスマニホールドから酸化剤ガス孔44を通 じて、酸化剤ガスを直接セパレータ9の酸化� �ガス通路92、97に供給することによって、効� ��的にセパレータ中心部分の温度上昇を抑制� ��きる。さらには、セパレータ9、95の酸化剤� ��ス通路92、97の全長を短くすることによって 、セパレータ9、95の構造が簡素化されて、燃 料電池全体の小型化を可能にすることができ る。

 また、第2および第3実施形態の固体酸化� �形燃料電池では、セパレータ9、95の中央部� �にガス排出用の孔部93を設けることにより、 発電セル5a~5dの外周部より排出される反応ガ� ��がパレータ中央付近において滞留すること� ��なく、この孔部93より効率良く排出される� �め、酸化剤ガスおよび燃料ガスが各電極層� �全面に効率良く供給されるようになり、発� �性能を向上できる。

[第4実施形態]
 第4実施形態は、本発明の第2の態様に対応� �るものである。
 以下、図9~図11に基づいて本発明に係る燃料 電池スタックの第4実施形態を説明する。
 図9は本実施形態による固体酸化物形燃料電 池スタックの内部構造を示す模式図、図10は� ��端板の上面図、図11はセパレータの構造を� �す図である。

 本実施形態による固体酸化物形燃料電池ス� ��ックは、図9の要部拡大図ように、固体電解 質層102の両面に燃料極層103と空気極層104を配 して成る複数の発電セル105(105a~105d)と、燃料� ��層103の外側の燃料極集電体106と、空気極層1 04の外側の空気極集電体107と、各集電体106、1 07の外側のセパレータ108をそれぞれ順番に多� ��縦方向に積層した構造を有する。
 上記積層体(スタック)の構成要素の内、固� �電解質層102はイットリアを添加した安定化� �ルコニア(YSZ)等で構成され、燃料極層103はNi� ��の金属、或いはNi-YSZ等のサーメットで構成� ��れ、空気極層104はLaMnO ₃ 、或いはLaCoO ₃ 等で構成され、燃料極集電体106はNi等のスポ� ��ジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気� ��集電体107はAg等のスポンジ状の多孔質焼結� �属板で構成されている。

 また、セパレータ108は、図11に示すよう� �、厚さ数mmの略四角形状のステンレス板で成 り、上述した複数の発電セル105と各発電セル 105の外側の各集電体106、107等が配設されるセ パレータ本体108aと、このセパレータ本体108a� ��り面方向に延設されて、当セパレータ本体1 08aの対向縁部を2カ所で支持するアーム部108b� ��108bとで構成されている。

 本実施形態では、図11中、一点鎖線で示す� �うに、セパレータ本体108aの中央部分に、平� ��視円形の4個の発電セル105a~105dが同一平面上 に縦横対称に配設される。
 セパレータ108は、これらの同一平面上に配� ��された発電セル105a~105dを集電体106、107を介� ��て電気的に並列接続すると共に、並列に接� ��されたこれら発電セル群(105a~105d)を積層方� �に直列に接続していく。
 また、セパレータ108は、各発電セル105a~105d� ��ぞれぞれに反応用ガスとしての燃料ガス及� ��空気を供給する機能を有し、内部に燃料ガ� ��が流通する燃料ガス流路111と空気が流通す� ��空気流路112が形成されている。また、各ア� ��ム部108b、108bの端部には、厚さ方向に貫通� �る燃料導入口113と空気導入口114が対向位置� �設けられ、燃料導入口113は上記燃料ガス流� �111に連通し、空気導入口114は上記空気流路11 2に連通している。

 さらに詳しく述べれば、図11に示すように� �上記空気流路112は、空気導入口114より一方� �アーム部108bの内部を通してセパレータ108の� ��辺中央部位P1に至り、ここから内方に向け� �発電セル105a~105dで囲まれたセパレータ本体10 8aの中心部位P2に至り、P2において横T字に分� �し、一方(左方向)の空気流路112は発電セル105 aと発電セル105bの中間部位P3に至り、P3におい て更に縦T字に分岐して、それぞれ発電セル10 5a、105bの中心部に対応するセパレータ面上に 開口した空気吐出口112a、112aに連通している� ��
 一方、P2において、他方(右側)の空気流路112 は、発電セル105cと発電セル105dの中間部位P4� �至り、P4において更に縦T字に分岐してそれ� �れ発電セル105c、105dの中心部に対応するセパ レータ面上に開口した空気吐出口112a、112aに� ��通している。

 また、燃料ガス流路111は、燃料導入口113よ� ��上記とは別のアーム部108b内を通してセパレ ータ108の上辺部中央から発電セル105cと発電� �ル105dの中間部位P5に至り、P5において横T字� �分岐し、一方(左側)の燃料ガス流路111は、発 電セル105bの周縁に沿って発電セル105aと発電� ��ル105bの中間部位P6に至り、P6において更に� �T字に分岐して、それぞれ発電セル105a、105b� �中央部に対応するセパレータ面上に開口し� �燃料吐出口111a、111aに連通している。
 一方、P5において他方(右側)の燃料ガス流路 111は、発電セル105cの周縁に沿って発電セル10 5cと発電セル105dの中間部位P7に至り、P7にお� �て更に横T字に分岐してそれぞれ発電セル105c 、105dの中央部に対応するセパレータ面上に� �口した燃料吐出口111a、111aに連通している。
 尚、この燃料ガス流路111については、セパ� ��ータ本体108a上の各部位P5、P6、P7においてガ ス流路が分岐される毎にその断面積を縮小す るようにして、各発電セル105a~105dへの燃料ガ スの等配流を可能にしている。

 また、発電セル105aと発電セル105bの間で� �って、燃料ガス流路111の分岐部P6と空気流路 112の分岐路P3とに挟まれた部位、および発電� ��ル105cと発電セル105dの間であって、燃料ガ� �流路111の分岐部P5とガス排出孔131に挟まれた 部分に、それぞれ厚さ方向に貫通する細長の 孔部132が形成されている。これらの孔部132は 、セパレータ隣接部分の放熱性を向上する効 果があるため、セパレータ面内の温度分布を 低減することができる。

 ところで、本実施形態のセパレータ108で特� ��すべきは、発電セル105a~105dによって囲まれ� ��部位に対応する各セパレータ108の中央部分� ��厚さ方向に貫通する排ガス排出用のガス排� ��孔131が形成されている点である。このガス� ��出孔131は、セパレータ本体108aの中央部分の 空気流路112を囲むように形成された三角形や 台形で成る計3個の貫通孔である。これらの� �ス排出孔131を有するセパレータ108が多数積� �されることにより、図9に示すように、スタ� ��クの中央部に縦方向に貫通する排ガス流路1 30が形成される。
 そして、本実施形態では、スタック上端部� ��位置するセパレータ108のガス排出孔131の大� ��さ(上記した3個の貫通孔のトータル面積)は� ��下方に位置する他のセパレータ108のガス排� ��孔131の大きさより小さく設定されている。

 また、図9に示すように、スタックの上下両 端に絶縁性のマニホールドリング115、116を介 在してステンレス製の上端板109aと下端板109b� ��配設されており、これら上下端板109a、109b� �より、スタックが積層方向に締結されてい� �。
 上端板109aの中央部には、丸孔119が設けられ 、この丸孔119を通してスタック上端のセパレ ータ108の上面に円筒形の錘120が載置されてい る。この錘120による荷重でスタックが下方に 押圧されることにより、各構成要素(発電セ� �105、集電体106、107、セパレータ108)がそれぞ� ��相互に密着して一体的に固定されている。
 この錘120の底部には、脚120aが設けられ、錘 120の下面とセパレータ108の上面との間に空間 部が生じるようになっている。従って、上記 排ガス流路130内を上方に向かう排ガスは、ス タック上端(排ガス流路130の上端部)において� ��パレータ108のガス排出孔131より上記空間部� ��放出され、この空間部を流通して燃料電池� ��タック101の側方より外に排出される。

 また、スタックの対向縁部に管状の燃料� ��スマニホールド117と空気マニホールド118が� ��方向に延設されている。これらマニホール� ��117、118は、各セパレータ108の燃料導入口113� ��および空気導入口114同士を上下で連結させ� ��ために各セパレータ108間に介装されたマニ� ��ールドリング115、116により構成されており� ��燃料ガスマニホールド117は、スタック内に� ��いて各セパレータ108の燃料導入口113を介し� ��燃料ガス流路111と連通し、空気マニホール� ��118は、各セパレータ108の空気導入口114を介� ��て空気流路112と連通している。

 また、図9、図10に示すように、下端板109bの 一側部であって、上記空気マニホールド118の 下端近傍には、外部空気が導入される空気配 管125が設けられていると共に、下端板109bの� �側部であって、燃料ガスマニホールド117の� �端近傍には、外部燃料ガスが導入される燃� �ガス配管124が設けられている。空気配管125� �、下端板109b内に形成された空気通路123を介� ��て空気マニホールド118の下端部で連通し、� ��料ガス配管124は、下端板109b内に形成された 燃料通路122を介して燃料ガスマニホールド117 の下端部で連通している。
 また、下端板109bの中央部には、上記排ガス 流路130内を下方に流通する排ガスをスタック 外に排出するためのガス排出口121が設けられ ている。下端板109bの下面には、脚部126が設� �られ、図示しない設置面との間にガス排出� �121から排出される排ガスが流通可能な空間� �確保されている。

 上記構成の燃料電池スタック101では、運� ��時、空気マニホールド118と燃料ガスマニホ� ��ルド117に空気配管125と燃料ガス配管124を通� ��て外部より供給される空気と燃料ガスが流� ��し、これら反応用ガスが各セパレータ108の� ��入口113、114より燃料ガス流路111および空気� ��路112を通して末端の燃料吐出口111aおよび空 気吐出口112aより燃料極集電体106側と空気極� �電体107側に吐出され、これら集電体の内部� �拡散・移動して各発電セル105の各電極面(燃� ��極層103、空気極層104)に誘導されることによ り、発電反応が生じる。

 この発電反応によって、各発電セル105にジ� ��ール熱が発生し、その熱エネルギーが各セ� ��レータ108を介して外部に放出される。また� ��発電セル105は外周部にガス漏れ防止シール� ��設けないシールレス構造であり、発電反応� ��消費されなかった残余のガス(排ガス)を各� �電セル105の外周部から放出するようなって� �る。
 従って、複数の発電セル105a~105dで囲まれた� ��パレータ108の中央部分においては、各発電� ��ル105a~105dの側部より放出された排ガスが各� ��パレータ108のガス排出孔131を通して排ガス� ��路130内に流入し、排ガス流路130内を縦方向� ��流通する。
 排ガス流路130内を上方に流れる排ガスにつ� ��ては、排ガス流路130の上端部において、最� ��段のセパレータ108のガス排出孔131より放出� ��れ、セパレータ108の上面と錘120の下面との� ��の空間部を流通してスタック外に排出され� ��。他方、下方に流れる排ガスは、排ガス流� ��130の下端部において、最下段のセパレータ1 08のガス排出孔131より放出され、主として下� ��板109bのガス排出口121を通してスタック外に 排出される。

 以上、本実施形態では、4個の発電セル105 a~105dに囲まれた部位に対応するセパレータ108 の中央部分にガス排出孔131を設けたので、発 電セル105a~105dの外周部より放出される排ガス をセパレータ108の中央付近に滞留させること なく、このガス排出孔131を通して排ガス流路 130内を縦方向に流通させることができる。

 これにより、各発電セル105に外部からの� ��応用ガスがスムーズに供給されるようにな� ��、各発電セル105a~105dの発電性能を向上でき� ��と共に、比較的温度の高いスタック中段部� ��おいては、上記ガス排出孔131への排ガスの� ��れにより、発電セル105a~105dの熱発散性が向� ��してスタック中段部の温度を低下でき、発� ��セル105a~105dやセパレータ108等、各構成部品� ��対する熱的ストレスが緩和されるため、燃� ��電池スタック101の耐久性や信頼性を向上で� ��ると共に、温度の低いスタック端部におい� ��は、上下に流通する排ガスの熱により加熱� ��れてスタック温度が上昇し、スタック積層� ��向の温度分布を低減する(均熱化)ことがで� �る。

 特に、スタック上端部に位置するセパレー� ��108のガス排出孔131の大きさを他のガス排出� ��131より小さくしたので、排ガス流路130を上� ��に抜ける排ガスの流量が減少し、これによ� ��、排ガス流路130に下向きの排ガスの流れを� ��じさせることができる。
 この下方へ流れる排ガスの熱により、図13� �C2に示すように、最も温度の低いスタック下 端部が加熱され、その部位の温度を上昇させ ることが可能となり、その結果、スタック下 端部の発電セル105a~105dの発電性能が向上し、 燃料電池スタック101の総合的な発電性能を向 上できる。

 また、下端板109bに、排ガス流路130の下端 部より放出される排ガスをスタック外に排出 するガス排出口121を設けたので、排ガス流路 130内における下方への排ガスの流れがスムー ズになり、スタック下端部の温度を効率良く 上昇させることができる。

 この場合、図9に示すように、スタック上端 部に位置するセパレータ108のガス排出孔131を 覆う板状の蓋機構129を移動可能に設けてガス 排出孔131の開度を調整可能にすることも可能 である。
 この蓋機構129により、ガス排出孔131の開度� ��スタック積層方向の温度分布の状態(すなわ ち、スタックの積層段数や電気的出力密度)� �応じて調整し、排ガス流路130内における上� �へのガス流通量と下方へのガス流通量を適� �調整することにより、スタック両端部の温� �をバランス良く調整することができ、スタ� �ク積層方向の温度分布をより確実に低減す� �ことができるようになる。

 また、本実施形態では、縦設置型の燃料� ��池スタック101について説明したが、本発明� ��、スタックの積層方向を横にした横設置型� ��燃料電池スタックにも勿論適用可能であり� ��この場合は、スタックの内部に発電反応後� ��排ガスが横方向に流通する排ガス流路が形� ��される。本構成の燃料電池スタックにおい� ��も、比較的温度の高くなるスタック中段部� ��おいては、発電セルの放熱性が向上してス� ��ック中段部の温度を低下できると共に、温� ��が低くなるスタック端部においては、横方� ��に流通する排ガスの熱によりスタック端部� ��温度が上昇し、スタック積層方向の温度分� ��を低減することができる。