JP2004039254A - 燃料電池および燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】所望の発電性能を維持するとともに、有効に小型化かつ簡素化することを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０は、セパレータ５８間に複数の電解質・電極接合体５６を挟持している。電解質・電極接合体５６は、小径円形状に構成され、円形孔部４４と同心円上にそれぞれ８個ずつ配列される内周側配列層Ｐ１と外周側配列層Ｐ２とが設けられる。セパレータ５８は、互いに積層されるプレート６０、６２を備え、前記プレート６０、６２間には、アノード電極５４に燃料ガスを供給するための燃料ガス通路６７と、カソード電極５２に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路８２とが形成される。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される円板状電解質・電極接合体が円板状セパレータ間に配設される燃料電池、および燃料電池を連続的に積層する燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この電解質の両側にアノード電極およびカソード電極を対設して構成される単セル（電解質・電極接合体）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成されている。この燃料電池は、通常、所定数だけ連続的に積層して燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、カソード電極に酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されると、前記カソード電極と電解質との界面でこの酸化剤ガス中の酸素がイオン化（Ｏ^２−）され、酸素イオンが電解質を通ってアノード電極側に移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、アノード電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）やＣＯが供給されているために、このアノード電極において、酸素イオン、電子および水素（またはＣＯ）が反応して水（またはＣＯ_２）が生成される。
【０００４】
一般的に、固体電解質型燃料電池は、作動温度が８００℃〜１０００℃と高温であるため、高温の排熱を利用して燃料ガスの内部改質が可能であるとともに、例えば、ガスタービンを回して発電することができる。従って、固体電解質型燃料電池は、各種燃料電池の中でも、最も高い発電効率を示しており、ガスタービンとの組み合わせの他、車載用としての利用が望まれている。
【０００５】
ところで、安定化ジルコニアは、イオン導電率が低いため、大電流を得ようとすると、前記安定化ジルコニアを薄膜状に構成する必要がある。しかしながら、安定化ジルコニアの機械的強度が弱くなり、固体電解質型燃料電池の大型化を図ることができないという不具合が指摘されている。
【０００６】
そこで、例えば、特開平５−２６６９１０号公報に開示されているように、セパレータとセパレータとの間の同一平面に、複数のセルが配された固体電解質型燃料電池システムが知られている。この従来技術では、一平面におけるセルの総面積を増大することができ、大電流を取り出すことができるとともに、電解質板の破損を阻止して電池の信頼性を向上させることができる、としている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来技術では、図１１に具体的に示すように、セパレータ１に４個のセル２が配置された状態で、前記セパレータ１および前記セル２が複数積層されており、積層体の最下層に燃料ガス給排プレート３が配置され、最上層に酸化剤ガス給排プレート４が配置されている。
【０００８】
セパレータ１には、積層方向に貫通して各セル２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給内部マニホールド５ａ、５ｂ、反応後の燃料ガスを排出する燃料ガス排出内部マニホールド５ｃ、５ｄ、前記セル２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給内部マニホールド６ａ、６ｂ、および反応後の酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出内部マニホールド６ｃ、６ｄが形成されている。
【０００９】
燃料ガス給排プレート３は、燃料ガス供給内部マニホールド５ａ、５ｂに連通する燃料ガス供給管７ａ、７ｂと、燃料ガス排出内部マニホールド５ｃ、５ｄに連通する燃料ガス排出管７ｃ、７ｄとを設けている。酸化剤ガス給排プレート４は、同様に、酸化剤ガス供給内部マニホールド６ａ、６ｂに連通する酸化剤ガス供給管８ａ、８ｂと、酸化剤ガス排出内部マニホールド６ｃ、６ｄに連通する酸化剤ガス排出管８ｃ、８ｄとを設けている。
【００１０】
このような構成において、例えば、燃料ガス給排プレート３では、燃料ガス供給管７ａ、７ｂに供給された燃料ガスは、セパレータ１の燃料ガス供給内部マニホールド５ａ、５ｂを通って積層方向一方向に流れる間に、各セル２のアノードに分配されている。そして、反応後の燃料ガスは、燃料ガス排出内部マニホールド５ｃ、５ｄを通って積層方向他方向に流れ、燃料ガス排出管７ｃ、７ｄを介して外部に排出されている。なお、酸化剤ガス給排プレート４においても同様に、酸化剤ガスの供給および排出が行われている。
【００１１】
上記のように、積層方向に燃料ガス給排プレート３および酸化剤ガス給排プレート４が配設されており、積層方向に沿って流れる燃料ガスおよび酸化剤ガスは、各セパレータ１において、それぞれ４つのセル２毎に供給される。これにより、反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）の洩れを防止するためのシール構造が４つのセル２毎に必要になっており、このシール構造が相当に複雑化してしまう。
【００１２】
しかも、燃料ガス給排プレート３には、燃料ガス供給管７ａ、７ｂと燃料ガス排出管７ｃ、７ｄとが接続される一方、酸化剤ガス給排プレート４には、酸化剤ガス供給管８ａ、８ｂと酸化剤ガス排出管８ｃ、８ｄとが接続されている。これにより、燃料電池システム全体が相当に大型化するという問題が指摘されている。
【００１３】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、所望の発電性能を維持するとともに、有効に小型化および簡素化することが可能な燃料電池および燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、セパレータの中心部と同心円上に複数の電解質・電極接合体が配列される配列層を備えている。これにより、セパレータ面内には、多数の電解質・電極接合体が配列され、コンパクトな構成で、燃料電池の高出力化が容易に図られるばかりでなく、複数の電解質・電極接合体のうちのいずれかの電解質・電極接合体が断線しても、残りの電解質・電極接合体が通電可能であり、発電の信頼性を向上させることができる。
【００１５】
さらに、セパレータは、互いに積層される複数枚のプレートを備えており、前記プレート間には、アノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス通路、およびカソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路が形成されている。
【００１６】
従って、セパレータの内部に、燃料ガス通路および酸化剤ガス通路が形成されるため、積層方向に反応ガス通路（燃料ガス通路および／または酸化剤ガス通路）を形成する構成に比べ、シール構造が簡素化されるとともに、所望のシール性を確実に維持することが可能になる。その上、燃料電池全体を有効に小型化することができ、集電効率の向上が容易に遂行される。
【００１７】
しかも、電解質・電極接合体自体をコンパクトかつ薄肉に構成し、電極面内での温度差を小さくして温度分布のばらつきを減少させることができる。特に、固体電解質が使用される際に、熱応力による前記固体電解質の破損を阻止するとともに、抵抗分極を低減して出力の向上を図ることができる。
【００１８】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、セパレータの中心部と同心円上に複数の電解質・電極接合体が配列される２以上の配列層を備えている。これにより、セパレータ面内には、多数の電解質・電極接合体が配列され、コンパクトな構成で、燃料電池の高出力化が容易に図られる。しかも、電解質・電極接合体自体をコンパクトかつ薄肉に構成し、電極面内での温度差を小さくして温度分布のばらつきを減少させることができる。
【００１９】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池では、内周側配列層の電解質・電極接合体と外周側配列層の電解質・電極接合体とが、互いに位相をずらして配列されている。このため、複数の電解質・電極接合体を、互いに密に配列することができ、所望の発電性能を維持しながら、燃料電池のコンパクト化が確実に遂行可能になる。この他にも、反応後の燃料ガスおよび酸化剤ガス（以下、排ガスともいう）は、内周側配列層の電解質・電極接合体に衝突することにより生じる乱流の発生を回避することができ、排ガスを円滑に排気孔に導くことが可能になる。
【００２０】
さらにまた、本発明の請求項４に係る燃料電池では、内周側配列層の電解質・電極接合体間に対応して、外周側配列層の電解質・電極接合体が配列されている。これにより、複数の電解質・電極接合体が、互いに密に配列されて燃料電池を効果的にコンパクト化することが可能になる。
【００２１】
また、本発明の請求項５に係る燃料電池では、燃料ガス通路および酸化剤ガス通路の出口が、各配列層に配列されている電解質・電極接合体のそれぞれの両面中心部に対応して設けられている。従って、電解質・電極接合体の中心部から外周部に向かって燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されるため、各電解質・電極接合体の温度分布が小さくなって熱応力による破損を回避するとともに、発電面全体における化学反応が均一化する。
【００２２】
しかも、各電解質・電極接合体に供給される燃料ガスの流量を均一化することができ、燃料ガスの利用率を高めることが可能になるとともに、全表面積を有効に利用して発電性能の向上が図られる。その上、電解質・電極接合体の両面中心部にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給され、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスが前記両面外周側に向かって放射状に移動する。これにより、電解質・電極接合体とセパレータとの間に、燃料ガスと酸化剤ガスとのシール構造が不要になり、構成の簡素化が図られる。
【００２３】
さらに、本発明の請求項６に係る燃料電池では、燃料ガス通路および酸化剤ガス通路が、セパレータの同一面上に設けられている。このため、燃料電池スタックを構成する際に、レイアウトが簡素化するとともに、積層方向の厚さを有効に薄肉化することができる。
【００２４】
さらにまた、本発明の請求項７に係る燃料電池では、排ガスを排出する排出通路が、燃料ガス通路および酸化剤ガス通路が設けられる面とは異なる面上に設けられている。これにより、特別な部品を取り付ける必要がなく、セパレータを介して酸化剤ガスおよび燃料ガスの供給マニホールドと排出マニホールドとを設けることができ、燃料電池スタックの構成を容易に簡素化することが可能になる。
【００２５】
また、本発明の請求項８に係る燃料電池では、セパレータの中心部に排ガス排出用の円形孔部が形成されるとともに、電解質・電極接合体が、円板状に構成されており、前記円形孔部の周囲に、該円形孔部と同心円上に複数の前記電解質・電極接合体が配列される配列層を備えている。従って、中心部に存在する排ガス排出用の円形孔部の周囲のみをシールするだけでよく、シール構造の簡素化が図られる。その上、排ガスが中心部に向かってのみ流れるため、前記排ガスの流量分布が均一化され、複数の電解質・電極接合体から排ガスが円滑かつ確実に排出される。
【００２６】
さらに、本発明の請求項９に係る燃料電池では、円形孔部の周囲に、該円形孔部と同心円上に複数の電解質・電極接合体が配列される配列層が２以上設けられている。従って、複数の電解質・電極接合体を密に配置して燃料電池全体の小型化および高出力化を図るとともに、セパレータを軽量化することができる。
【００２７】
さらにまた、本発明の請求項１０に係る燃料電池スタックでは、円板状セパレータの面内に、前記セパレータの中心部と同心円上に複数の円板状電解質・電極接合体が配列される配列層が設けられるとともに、最外周の配列層に配列される前記電解質・電極接合体間に対応してスタック締め付け用ボルトを挿通するための孔部が形成されている。このため、燃料電池スタック全体の外形寸法が縮小され、前記燃料電池スタックの小型化が容易に図られる。
【００２８】
また、本発明の請求項１１に係る燃料電池スタックでは、セパレータの中心部と同心円上に複数の電解質・電極接合体が配列される配列層が２以上設けられている。これにより、セパレータ面内には、多数の電解質・電極接合体が配列され、コンパクトな構成で、燃料電池スタック全体の高出力化が容易に図られる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池１０が複数積層された燃料電池スタック１２の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池スタック１２の一部断面説明図である。
【００３０】
燃料電池１０は、固体電解質型燃料電池であり、設置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。本実施形態では、燃料電池スタック１２の適用例として、例えば、ガスタービン１４に組み込む構成が、図３に示されている。なお、図３では、ガスタービン１４に組み込むために、図１および図２に示す燃料電池スタック１２とは異なる形状とされているが、実質的な構成は同一である。
【００３１】
ガスタービン１４を構成するケーシング１６内には、燃焼器１８を中心にして、燃料電池スタック１２が組み込まれており、この燃料電池スタック１２の中央側から前記燃焼器１８側の室２０に反応後の燃料ガスおよび酸化剤ガスである排ガスが排出される。室２０は、排ガスの流れ方向（矢印Ｘ方向）に向かって幅狭となり、その先端側外周部に熱交換器２２が外装されている。室２０の前端側にタービン（出力タービン）２４が配設されており、このタービン２４にコンプレッサ２６および発電器２８が同軸に連結されている。ガスタービン１４は、全体として軸対称に構成されている。
【００３２】
タービン２４の排出通路３０は、熱交換器２２の第１通路３２に連通するとともに、コンプレッサ２６の供給通路３４は、前記熱交換器２２の第２通路３６に連通する。第２通路３６は、加熱エア導入通路３８を介して燃料電池スタック１２の外周部に連通している。
【００３３】
図１に示すように、燃料電池スタック１２は、外周波形円板状の複数の燃料電池１０を矢印Ａ方向に積層するとともに、その積層方向両端には、エンドプレート４０ａ、４０ｂが配置され、複数本、例えば、８本の締め付け用ボルト４２を介して一体的に締め付け保持されている。燃料電池スタック１２の中心部には、排ガス排出用の円形孔部４４がエンドプレート４０ｂを底部として矢印Ａ方向に形成される（図２参照）。
【００３４】
この円形孔部４４の周囲には、同心円上に複数、例えば、４つの燃料ガス供給連通孔４６が、エンドプレート４０ａを底部としてエンドプレート４０ｂから矢印Ａ方向に形成される。エンドプレート４０ａ、４０ｂには、それぞれ出力端子４８ａ、４８ｂが設けられる。
【００３５】
図４および図５に示すように、燃料電池１０は、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質（電解質板）５０の両面に、カソード電極５２およびアノード電極５４が設けられた電解質・電極接合体５６を備える。電解質・電極接合体５６は、比較的小径な円板状に形成される。
【００３６】
複数、例えば、１６個の電解質・電極接合体５６を挟んで一組のセパレータ５８が配設されることにより、燃料電池１０が構成される。セパレータ５８の面内には、このセパレータ５８の中心部である円形孔部４４と同心円上に８個の電解質・電極接合体５６が配列される内周側配列層Ｐ１と、この内周側配列層Ｐ１の外周に８個の電解質・電極接合体５６が配列される外周側配列層Ｐ２とが設けられる。
【００３７】
セパレータ５８は、互いに積層される複数枚、例えば、２枚のプレート６０、６２を備える。プレート６０、６２は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成されており、それぞれ波形外周部６０ａ、６２ａを設けている。
【００３８】
図６乃至図８に示すように、プレート６０は、円形孔部４４に沿って周回する内側突起部６４がプレート６２側に膨出成形され、燃料ガス供給連通孔４６の周囲には、前記プレート６２から離間する方向に突出する凹部６５が形成される。プレート６０には、内側突起部６４と同心円上に外側突起部６６が設けられるとともに、前記内側突起部６４と前記外側突起部６６との間には、燃料ガス供給連通孔４６に連通する燃料ガス通路６７が形成される。
【００３９】
外側突起部６６は、それぞれ半径外方に所定の距離だけ突出する複数の第１壁部６８および第２壁部７０を交互に設けている。第１壁部６８は、先端を結ぶ仮想円が内周側配列層Ｐ１の中心線を形成し、この内周側配列層Ｐ１に沿って８個の電解質・電極接合体５６が配列される。第１壁部６８間に第２壁部７０が設けられ、前記第２壁部７０の先端を通る仮想円により外周側配列層Ｐ２の中心線が形成される。この外周側配列層Ｐ２の中心線に沿って８個の電解質・電極接合体５６が配列される。
【００４０】
第１壁部６８および第２壁部７０の先端側周囲には、それぞれ３個の酸化剤ガス導入口７８がプレート６０の面方向に貫通して形成される。プレート６０には、内周側配列層Ｐ１および外周側配列層Ｐ２に沿って配列される各電解質・電極接合体５６側に突出し、各電解質・電極接合体５６に接する第１ボス部８０が膨出成形される。
【００４１】
プレート６０とプレート６２との間には、内側突起部６４と外側突起部６６との間に対応して燃料ガス通路６７が形成されるとともに、前記外側突起部６６の外方に対応して酸化剤ガス通路８２が形成される。この酸化剤ガス通路８２は、プレート６０に形成された酸化剤ガス導入口７８に連通する。
【００４２】
図６、図７および図９に示すように、プレート６２は、燃料ガス供給連通孔４６の周囲にプレート６０から離間する方向に突出する凸部８４が成形される。プレート６２には、内周側配列層Ｐ１および外周側配列層Ｐ２に沿って配置される各電解質・電極接合体５６側に突出して前記電解質・電極接合体５６に接する第２ボス部８６が設けられる。第２ボス部８６は、第１ボス部８０よりも径方向および高さ方向の各寸法が小さく設定されている。プレート６２には、プレート６０に成形された第１および第２壁部６８、７０の先端部内側に連通する燃料ガス導入口８８が貫通形成される。
【００４３】
セパレータ５８には、燃料ガス供給連通孔４６をシールするための絶縁シール９０が設けられる。この絶縁シール９０は、例えば、セラミックスの板材を配置する、あるいはセラミックスをプレート６０または６２に溶射することにより構成される。プレート６０、６２の波形外周部６０ａ、６２ａは、互いに離間する方向に膨出成形されており（図６参照）、前記波形外周部６０ａまたは前記波形外周部６２ａには、セラミックス等の絶縁シール９２が介装あるいは溶射により設けられる。
【００４４】
図５および図６に示すように、一方のセパレータ５８を構成するプレート６０と他方のセパレータ５８を構成するプレート６２とにより、電解質・電極接合体５６が挟持される。具体的には、電解質・電極接合体５６を挟んで互いに対向するプレート６０、６２には、第１ボス部８０および第２ボス部８６が膨出成形されており、前記第１ボス部８０と前記第２ボス部８６とによって前記電解質・電極接合体５６が挟持される。
【００４５】
図１０に示すように、電解質・電極接合体５６と一方のセパレータ５８を構成するプレート６２との間には、燃料ガス通路６７から燃料ガス導入口８８を介して連通する燃料ガス供給流路９４が形成される。電解質・電極接合体５６と他方のセパレータ５８を構成するプレート６０との間には、酸化剤ガス通路８２から酸化剤ガス導入口７８を介して連通する酸化剤ガス供給流路９６が形成される。燃料ガス供給流路９４および酸化剤ガス供給流路９６は、第２ボス部８６および第１ボス部８０の各高さ寸法に応じて開口寸法が設定されている。燃料ガスの流量が酸化剤ガスの流量よりも少ないために、第２ボス部８６が第１ボス部８０よりも小さな寸法に設定されている。
【００４６】
図６に示すように、燃料ガス通路６７は、同一のセパレータ５８を構成するプレート６０、６２間に形成されて中心部に設けられた燃料ガス供給連通孔４６に連通する。酸化剤ガス通路８２は、燃料ガス通路６７と同一の面上に形成されており、同一のセパレータ５８を構成するプレート６０、６２の波形外周部６０ａ、６２ａ間を介して外部に開放されている。
【００４７】
各セパレータ５８は、積層方向に沿って第１および第２ボス部８０、８６が電解質・電極接合体５６を挟持することにより、集電体として機能するとともに、前記プレート６０の外側突起部６６が前記プレート６２に接触することにより、各燃料電池１０が矢印Ａ方向に沿って直列的に接続されている。
【００４８】
図１および図２に示すように、上記のように構成される燃料電池１０が矢印Ａ方向に積層されて、その積層方向両端にエンドプレート４０ａ、４０ｂが配置される。エンドプレート４０ａ、４０ｂには、プレート６０、６２の波形外周部６０ａ、６２ａが内方に湾曲する部分に対応して孔部１００ａ、１００ｂが形成される。孔部１００ａ、１００ｂには、絶縁材１０２ａ、１０２ｂが装着されており、締め付け用ボルト４２がこの絶縁材１０２ａ、１０２ｂに挿入されて端部にナット１０４が螺合することにより、積層されている各燃料電池１０に所望の締め付け力が付与されている。
【００４９】
このように構成される燃料電池スタック１２の動作について、以下に説明する。
【００５０】
まず、燃料電池１０を組み付ける際には、セパレータ５８を構成するプレート６０、６２が接合される。具体的には、図６に示すように、プレート６０に一体成形されている外側突起部６６がプレート６２にろう付けにより固定されるとともに、リング状の絶縁シール９０が燃料ガス供給連通孔４６を周回して前記プレート６０または前記プレート６２に、例えば、溶射等によって設けられる。一方、プレート６０の波形外周部６０ａまたはプレート６２の波形外周部６２ａの端面に、波形状の絶縁シール９２が、例えば、溶射によって設けられる。
【００５１】
これにより、セパレータ５８が構成され、プレート６０、６２間には、同一面上に位置して燃料ガス通路６７と酸化剤ガス通路８２とが形成される。さらに、燃料ガス通路６７が燃料ガス供給連通孔４６に連通する一方、酸化剤ガス通路８２がそれぞれの波形外周部６０ａ、６２ａ間から外部に開放されている。
【００５２】
次いで、セパレータ５８間に電解質・電極接合体５６が挟持される。図４および図５に示すように、各セパレータ５８は、互いに対向する面、すなわち、プレート６０、６２間に内周側配列層Ｐ１に対応して８個の電解質・電極接合体５６が配置されるとともに、外周側配列層Ｐ２に沿って８個の電解質・電極接合体５６が配置される。各電解質・電極接合体５６の配置位置には、互いに近接する方向に突出して第１および第２ボス部８０、８６が形成されており、前記第１および第２ボス部８０、８６によって前記電解質・電極接合体５６が挟持される。
【００５３】
このため、図１０に示すように、電解質・電極接合体５６のカソード電極５２とプレート６０との間には、酸化剤ガス導入口７８を介して酸化剤ガス通路８２に連通する酸化剤ガス供給流路９６が形成される。一方、電解質・電極接合体５６のアノード電極５４とプレート６２との間には、燃料ガス導入口８８を介して燃料ガス通路６７に連通する燃料ガス供給流路９４が形成される。さらに、セパレータ５８間には、反応後の燃料ガスおよび酸化剤ガスを混合して円形孔部４４に導くための排出通路１０６が形成される。
【００５４】
上記のように組み付けられた燃料電池１０が矢印Ａ方向に積層されて、燃料電池スタック１２が組み立てられる（図１および図２参照）。
【００５５】
そこで、燃料電池スタック１２を構成するエンドプレート４０ｂの燃料ガス供給連通孔４６に燃料ガス（例えば、水素含有ガス）が供給されるとともに、前記燃料電池スタック１２の外周部側から加圧された酸化剤ガスである酸素含有ガス（以下、空気ともいう）が供給される。燃料ガス供給連通孔４６に供給された燃料ガスは、積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら、各燃料電池１０を構成するセパレータ５８内の燃料ガス通路６７に導入される（図６参照）。
【００５６】
図５に示すように、燃料ガスは、外側突起部６６を構成する第１および第２壁部６８、７０に沿って移動し、前記第１および第２壁部６８、７０の先端部から燃料ガス導入口８８を介して燃料ガス供給流路９４に導入される。燃料ガス導入口８８は、各電解質・電極接合体５６のアノード電極５４の中心位置に対応して設けられており、前記燃料ガス供給流路９４に導入された前記燃料ガスは、前記アノード電極５４の中心部から外周に向かって流動する（図１０参照）。
【００５７】
一方、各燃料電池１０の外周側から供給される酸化剤ガスは、各セパレータ５８のプレート６０、６２間に形成されている酸化剤ガス通路８２に供給される。この酸化剤ガス通路８２に供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口７８から酸化剤ガス供給流路９６に導入され、電解質・電極接合体５６のカソード電極５２の中心部から外周に沿って流動する（図５および図１０参照）。
【００５８】
従って、各電解質・電極接合体５６では、アノード電極５４の中心部から外周に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極５２の中心部から外周に向かって酸化剤ガスが供給される。その際、酸素イオンが電解質５０を通ってアノード電極５４に移動し、化学反応により発電が行われる。
【００５９】
ここで、各電解質・電極接合体５６は、第１および第２ボス部８０、８６により挟持されており、前記第１および第２ボス部８０、８６が集電体として機能する。このため、各燃料電池１０は、矢印Ａ方向（積層方向）に電気的に直列に接続されて出力端子４８ａ、４８ｂ間に出力を取り出すことができる。また、複数の電解質・電極接合体５６のうちのいずれかの電解質・電極接合体５６が断線しても、残りの電解質・電極接合体５６で通電することが可能であり、発電の信頼性を向上させることができる。
【００６０】
一方、各電解質・電極接合体５６の外周に移動した反応後の燃料ガスおよび酸化剤ガス（排ガス）は、セパレータ５８間に形成される排出通路１０６を介して前記セパレータ５８の中心部側に移動する。セパレータ５８の中心部には、排ガスマニホールドを構成する円形孔部４４が形成されており、排ガスがこの円形孔部４４から外部に排出される。
【００６１】
この場合、本実施形態では、比較的小径な円形状の電解質・電極接合体５６を備え、複数個、例えば、１６個の前記電解質・電極接合体５６をセパレータ５８間に配置している。このため、電解質・電極接合体５６を薄肉化することができ、抵抗分極の低減を図るとともに、温度分布が小さくなり、熱応力による破損を回避することが可能になる。従って、燃料電池１０の発電性能を有効に向上させることができる。
【００６２】
さらに、セパレータ５８の中心部である円形孔部４４と同心円上に８個の電解質・電極接合体５６が配列される内周側配列層Ｐ１と、この内周側配列層Ｐ１の外周側に８個の前記電解質・電極接合体５６が配列される外周側配列層Ｐ２とが設けられている。その際、外周側配列層Ｐ２の電解質・電極接合体５６は、内周側配列層Ｐ１の電解質・電極接合体５６に対し互いに位相をずらして配列している。より具体的には、外周側配列層Ｐ２の電解質・電極接合体５６は、内周側配列層Ｐ１の電解質・電極接合体５６間に対応して配列されている。
【００６３】
これにより、複数の電解質・電極接合体５６を互いに密に配列することができ、所望の発電性能を維持しつつ、燃料電池１０全体のコンパクト化が容易に図られるという利点が得られる。この他にも、排ガスは、内周側配列層Ｐ１の電解質・電極接合体５６に衝突することにより生じる乱流の発生を回避することができ、この排ガスを円滑に円形孔部４４に導くことが可能になる。しかも、排ガスがセパレータ５８の中心部である円形孔部４４に向かって排出されるため、複数の電解質・電極接合体５６からの排ガスの流れに乱れが生じ難くなり、流量が一定となり易い。このため、燃料電池１０内での圧力損失を低減し、発電効率を高めることができる。
【００６４】
また、セパレータ５８は、２枚のプレート６０、６２を備えており、前記プレート６０、６２間に燃料ガス通路６７および酸化剤ガス通路８２が形成されている。従って、反応ガス通路を積層方向に形成する構造に比べ、燃料電池１０のシール構造が有効に簡素化されるとともに、所望のシール性を確実に確保することが可能になる。しかも、燃料電池１０全体を有効に小型化することができ、集電効率の向上が容易に遂行される。
【００６５】
さらにまた、本実施形態では、燃料ガス通路６７および酸化剤ガス通路８２の出口である燃料ガス導入口８８および酸化剤ガス導入口７８が、各電解質・電極接合体５６のそれぞれの両面中心部に対応して設けられている（図１０参照）。従って、電解質・電極接合体５６の中心部から外周に向かって燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されるため、各電解質・電極接合体５６の温度分布が小さくなって、熱応力による破損を回避するとともに、発電面全体における化学反応が均一化する。
【００６６】
しかも、各電解質・電極接合体５６に供給される燃料ガスの流量を均一化することができ、燃料ガスの利用率を高めることが可能になるとともに、全表面積を有効に利用して発電性能の向上が図られるという効果が得られる。
【００６７】
その上、電解質・電極接合体５６の両面中心部に、それぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給され、前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスが前記両面外周側に向かって放射状に移動している。これにより、電解質・電極接合体５６とセパレータ５８との間には、燃料ガスと酸化剤ガスとのシール構造が不要になり、構成の簡素化が容易に図られるという利点がある。
【００６８】
また、セパレータ５８では、燃料ガス通路６７および酸化剤ガス通路８２が同一面上、すなわち、同一空間内に設けられている。このため、燃料電池スタック１２を構成する際に、レイアウトが簡素化するとともに、積層方向の厚さを有効に薄肉化することができる。
【００６９】
さらに、排ガスを排出するための排出通路１０６が、燃料ガス通路６７および酸化剤ガス通路８２が設けられる面とは異なる面上、すなわち、セパレータ５８間に設けられている（図１０参照）。従って、セパレータ５８を介して燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給マニホールドと排出マニホールドとを設けることができ、特別な部品を取り付ける必要がなく、燃料電池スタック１２を容易に構成することが可能になる。
【００７０】
さらにまた、本実施形態では、セパレータ５８を構成するプレート６０、６２の形状を波形外周部６０ａ、６２ａに設定するとともに、円形孔部４４の中心部側に湾曲する部分、すなわち、外周側配列層Ｐ２に配列されている電解質・電極接合体５６間に対応する部分に締め付け用ボルト４２が設けられている（図１参照）。このため、燃料電池スタック１２全体の外形寸法が有効に縮小され、前記燃料電池スタック１２の小型化が容易に図られる。
【００７１】
さらに、波形外周部６０ａ、６２ａ側は、比較的低温の空気取り入れ口を構成している。これにより、締め付け用ボルト４２が高温になることがなく、この締め付け用ボルト４２の耐久性を向上させることが可能になる。
【００７２】
次に、燃料電池スタック１２を、図２に示すガスタービン１４に組み込んだ場合の動作について、概略的に説明する。
【００７３】
図３に示すように、このガスタービン１４では、始動時に燃焼器１８が駆動されてタービン２４が回転され、コンプレッサ２６および発電器２８が駆動される。コンプレッサ２６の駆動によって外気が供給通路３４に導入され、高圧かつ所定温度（例えば、２００℃）になった空気が熱交換器２２の第２通路３６に送られる。
【００７４】
この熱交換器２２の第１通路３２には、反応後の燃料ガスおよび酸化剤ガスである高温の排ガスが供給されており、熱交換器２２の第２通路３６に導入された空気が加熱される。この加熱された空気は、加熱エア導入通路３８を通って燃料電池スタック１２を構成する各燃料電池１０の外周部に導入される。このため、燃料電池１０で発電が行われ、反応後の燃料ガスおよび酸化剤ガスである排ガスが、ケーシング１６内の室２０に排出される。
【００７５】
その際、固体電解質型燃料電池である燃料電池１０から排出される排ガスは、８００℃〜１０００℃の高温となっており、この排ガスがタービン２４を回転させて発電器２８による発電が行われるとともに、熱交換器２２に送られて吸入される外部空気の加熱を行うことができる。これにより、燃焼器１８を使用する必要がなく、燃料電池スタック１２から排出される排ガスを用いてタービン２４を回転させることが可能になる。
【００７６】
しかも、排ガスが８００℃〜１０００℃と高温となっており、燃料電池スタック１２に供給される燃料の内部改質を行うことができる。従って、燃料として、例えば、天然ガスやブタン、あるいはガソリン系等の種々の燃料を使用して内部改質を行うことが可能になる。
【００７７】
なお、本実施形態では、燃料電池スタック１２をガスタービン１４に組み込んで使用する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、燃料電池スタック１２を車載用として使用することも可能である。
【００７８】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、セパレータ間に複数の電解質・電極接合体が配列されるとともに、前記セパレータが、互いに積層される複数枚のプレートを備えており、前記プレート間には、燃料ガス通路および酸化剤ガス通路が形成されている。このため、電解質・電極接合体自体をコンパクトかつ薄肉に構成し、電極面内での温度差を小さくして温度分布のばらつきを減少させることができる。
【００７９】
特に、固体電解質が使用される際に、前記固体電解質の破損を阻止するとともに、抵抗分極を低減して出力の向上を図ることができる。さらに、セパレータの内部に、燃料ガス通路および酸化剤ガス通路が形成されるため、シール構造が簡素化されるとともに、所望のシール性を確実に維持することが可能になる。しかも、燃料電池全体を有効に小型化することができ、集電効率の向上が容易に遂行される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池が複数積層された燃料電池スタックの概略斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックの一部断面説明図である。
【図３】前記燃料電池スタックを組み込むガスタービンの概略構成を示す断面説明図である。
【図４】前記燃料電池の分解斜視図である。
【図５】前記燃料電池の動作を示す一部分解斜視説明図である。
【図６】前記燃料電池スタックの一部省略断面図である。
【図７】前記燃料電池を構成するセパレータの分解斜視説明図である。
【図８】前記セパレータを構成する一方のプレートの正面説明図である。
【図９】前記セパレータを構成する他方のプレートの正面説明図である。
【図１０】前記燃料電池の動作説明図である。
【図１１】従来技術に係る燃料電池システムの分解斜視説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池　　　　　　　　　１２…燃料電池スタック
１４…ガスタービン　　　　　　　１８…燃焼器
２２…熱交換器　　　　　　　　　２４…タービン
２６…コンプレッサ　　　　　　　２８…発電器
５０…電解質　　　　　　　　　　５２…カソード電極
５４…アノード電極　　　　　　　５６…電解質・電極接合体
５８…セパレータ　　　　　　　　６０、６２…プレート
６０ａ、６２ａ…波形外周部　　　６６…外側突起部
６７…燃料ガス通路　　　　　　　７８…酸化剤ガス導入口
８０、８６…ボス部　　　　　　　８２…酸化剤ガス通路
８８…燃料ガス導入口　　　　　　９４…燃料ガス供給流路
９６…酸化剤ガス供給流路

Claims (11)

1. 電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体がセパレータ間に配設される燃料電池であって、
   前記セパレータは、互いに積層される複数枚のプレートを備え、前記プレート間には、前記アノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス通路、および前記カソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路が形成されるとともに、
   前記セパレータの面内には、該セパレータの中心部と同心円上に複数の前記電解質・電極接合体が配列される配列層が設けられることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記セパレータの面内には、該セパレータの中心部と同心円上に複数の前記電解質・電極接合体が配列される配列層が２以上設けられることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１記載の燃料電池において、内周側配列層の前記電解質・電極接合体と外周側配列層の前記電解質・電極接合体とは、互いに位相をずらして配列されることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１記載の燃料電池において、内周側配列層の前記電解質・電極接合体間に対応して、外周側配列層の前記電解質・電極接合体が配列されることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１記載の燃料電池において、前記燃料ガス通路および前記酸化剤ガス通路の出口は、各配列層に配列される前記電解質・電極接合体のそれぞれの両面中心部に対応して設けられることを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１記載の燃料電池において、前記燃料ガス通路および前記酸化剤ガス通路は、前記セパレータの同一面上に設けられることを特徴とする燃料電池。
7. 請求項６記載の燃料電池において、反応後の前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスを排出する排出通路は、前記燃料ガス通路および前記酸化剤ガス通路が設けられる面とは異なる面上に設けられることを特徴とする燃料電池。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記セパレータは、中心部に排ガス排出用の円形孔部が形成されるとともに、前記電解質・電極接合体は、円板状に構成されており、
   前記円形孔部の周囲に、該円形孔部と同心円上に複数の前記電解質・電極接合体が配列される配列層を設けることを特徴とする燃料電池。
9. 請求項８記載の燃料電池において、前記円形孔部の周囲に、該円形孔部と同心円上に複数の前記電解質・電極接合体が配列される配列層が２以上設けられることを特徴とする燃料電池。
10. 電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される円板状電解質・電極接合体が円板状セパレータ間に配設される燃料電池を連続的に積層し、積層方向両端にエンドプレートを配設する燃料電池スタックであって、
    前記セパレータの面内には、該セパレータの中心部と同心円上に複数の前記電解質・電極接合体が配列される配列層が設けられるとともに、
    前記エンドプレートには、最外周の配列層に配列される前記電解質・電極接合体間に対応してスタック締め付け用ボルトを挿通するための孔部が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
11. 請求項１０記載の燃料電池スタックにおいて、前記セパレータの面内には、該セパレータの中心部と同心円上に複数の前記電解質・電極接合体が配列される配列層が２以上設けられることを特徴とする燃料電池スタック。

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