JP2004039259A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】所望の発電性能を維持するとともに、シール構造を可及的に簡素化し、小型化および簡素化を図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。セパレータ５８は、互いに積層されて第２空間部Ｓ２を形成するプレート６０、６２を備え、前記第２空間部Ｓ２は、外側突起部６６を介して燃料ガス通路６７と酸化剤ガス通路８２とに仕切られる。燃料ガス通路６７は、燃料ガス導入口８８を介して第１空間部Ｓ１側の燃料ガス供給流路９４に連通する一方、酸化剤ガス通路８２は、酸化剤ガス導入口７８を介して前記第１空間部Ｓ１とは異なる第１空間部Ｓ１側の酸化剤ガス供給流路９６に連通する。
【選択図】図５
【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。セパレータ５８は、互いに積層されて第２空間部Ｓ２を形成するプレート６０、６２を備え、前記第２空間部Ｓ２は、外側突起部６６を介して燃料ガス通路６７と酸化剤ガス通路８２とに仕切られる。燃料ガス通路６７は、燃料ガス導入口８８を介して第１空間部Ｓ１側の燃料ガス供給流路９４に連通する一方、酸化剤ガス通路８２は、酸化剤ガス導入口７８を介して前記第１空間部Ｓ１とは異なる第１空間部Ｓ１側の酸化剤ガス供給流路９６に連通する。
【選択図】図５
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（Ｏ２−）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ＣＯ２ ）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、単セルとセパレータとの間には、アノード電極およびカソード電極に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスをシールするために、通常、ガラスリング等のシール部材が介装されている。このため、構成が複雑化するとともに、燃料電池全体が積層方向に大型化するという問題がある。特に、高温で使用される固体電解質型燃料電池では、シール部材が熱による影響を受け易く、所望のシール性を確保することが困難となっている。
【０００６】
そこで、例えば、特開平１１−１６５８１号公報に開示されている固体酸化物型燃料電池が知られている。この従来技術では、図１１に示すように、セパレータ１の両主面２ａ、２ｂに、複数のリブ状部材３ａ、３ｂが放射状に設けられている。セパレータ１の両主面２ａ、２ｂには、外周端部から中心部に達する溝４ａ、４ｂが所定の深さに形成されるとともに、前記溝４ａ、４ｂには、燃料ガス供給管５および酸化剤ガス供給管６が挿入されている。燃料ガス供給管５および酸化剤ガス供給管６は、先端を潰して扁平状に構成されており、セパレータ１に殆ど埋設した状態で配設されている。
【０００７】
このような構成において、燃料ガス供給管５に供給される燃料ガスは、セパレータ１の主面２ａの中心部に導出される一方、酸化剤ガス供給管６に供給される酸化剤ガスは、前記セパレータ１の主面２ｂの中心部に導出される。燃料ガスは、主面２ａ側に配置される電解質・電極接合体（図示せず）の中心部から外周側に沿って移動するとともに、酸化剤ガスは、主面２ｂ側に配置される他の電解質・電極接合体（図示せず）の中心部から外周側に沿って移動する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、燃料ガス供給管５および酸化剤ガス供給管６をレイアウトするために、両主面２ａ、２ｂに外周端部から中心部に達する溝４ａ、４ｂが所定の深さに形成されている。このため、特に、セパレータ１には、熱応力により変形や破損が惹起し易くなるとともに、燃料ガス供給管５および酸化剤ガス供給管６の存在により電解質・電極接合体で化学反応が均一化されないという問題が指摘されている。また、多数のセルを積層して燃料電池スタックを構成すると、燃料ガス供給管５および酸化剤ガス供給管６の厚さにより前記燃料電池スタックが積層方向に長尺化してしまうという懸念がある。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、供給管を用いることなく燃料ガスと酸化剤ガスとを分離しながら所望の発電性能を維持するとともに、シール構造を可及的に簡素化し、小型化および簡素化を図ることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【００１０】
【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、セパレータ間に電解質・電極接合体を配置する第１空間部が設けられるとともに、前記セパレータは、互いに積層されて第２空間部を形成する第１および第２プレートを備えている。第２空間部は、区画部を介して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と、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とに仕切られている。
【００１１】
このため、セパレータでは、区画部を介して燃料ガス通路と酸化剤ガス通路とをシールすることができ、専用のシール部材を使用する必要がない。従って、セパレータの簡素化および軽量化を図るとともに、積層方向の寸法を有効に短尺化することが可能になる。
【００１２】
さらに、燃料ガス通路は、第１空間部に配置される電解質・電極接合体に燃料ガスを供給する燃料ガス導入口に連通する一方、酸化剤ガス通路は、前記第１空間部とは異なる第１空間部に配置される電解質・電極接合体に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス導入口に連通している。これにより、セパレータと電解質・電極接合体とのシール構造が可及的に簡素化され、シール部材を大幅に削減して構成の簡素化が容易に図られる。
【００１３】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、区画部が、第１または第２プレートに形成されて前記第２または第１プレートに接触する突起部を備えている。このため、セパレータ自体がシール機能を有するため、構成部品間で熱膨張差が惹起されることがなく、熱応力が良好に緩和される。しかも、簡単な構成で、確実なシール機構を有することができ、燃料ガスおよび酸化剤ガスを良好に供給することが可能になる。
【００１４】
さらにまた、本発明の請求項３に係る燃料電池では、燃料ガス導入口が、第１空間部に配置される電解質・電極接合体の中心部に対応して設けられるとともに、酸化剤ガス導入口が、前記第１空間部とは異なる第１空間部に配置される電解質・電極接合体の中心部に対応して設けられている。
【００１５】
従って、セパレータ間に配置されている電解質・電極接合体には、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。これにより、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し、発電効率を高めることが可能になる。
【００１６】
しかも、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。
【００１７】
その上、電解質・電極接合体の中心部に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電解質・電極接合体の外周側に向かって放射状に移動する。そして、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、電解質・電極接合体の周囲から混合して排出される。このため、電解質・電極接合体とセパレータとの間に、燃料ガスおよび酸化剤ガスと排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。
【００１８】
また、本発明の請求項４に係る燃料電池では、第１および第２プレートが、互いに対向して突出する第１および第２ボス部を備え、前記第１および第２ボス部間で電解質・電極接合体を挟持している。従って、第１および第２ボス部を介して電解質・電極接合体の保持が最小限の接触で行われ、前記電解質・電極接合体での化学反応を妨げることがない。
【００１９】
さらに、本発明の請求項５に係る燃料電池では、第１および第２ボス部が、電解質・電極接合体の両面に燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されることにより発生する電気エネルギを集電する集電体を構成している。これにより、各燃料電池で発生する電気エネルギを確実に集電することができる。
【００２０】
さらにまた、本発明の請求項６に係る燃料電池では、酸化剤ガス供給側の第１ボス部は、燃料ガス供給側の第２ボス部に比べて突出寸法が大きく構成されている。カソード電極に供給される酸化剤ガスは、アノード電極に供給される燃料ガスよりも流量が大きい。このため、第１ボス部を第２ボス部よりも大きく設定することにより、酸化剤ガスの圧力損失を抑えることができる。特に、燃料電池とガスタービンとを組み合わせた場合、酸化剤ガスの供給側にあるコンプレッサの加圧損失を低減することができる。
【００２１】
【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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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（排出マニホールド）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）。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
複数個、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間には第１空間部Ｓ１が設けられる。この第１空間部Ｓ１には、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。
【００２９】
セパレータ５８は、互いに積層されて第２空間部Ｓ２を形成する複数枚、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。
【００３０】
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（区画部）６４がプレート６２側に膨出成形されるとともに、各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（区画部）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。
【００３１】
外側突起部６６は、それぞれ半径外方向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。
【００３２】
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、第１空間部Ｓ１に内周側配列層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。
【００３３】
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。酸化剤ガス導入口７８は、内周側配列層Ｐ１および外周側配列層Ｐ２の中心線上に設けられており、上記の第１空間部Ｓ１とは異なる第１空間部Ｓ１に前記内周側配列層Ｐ１および前記外周側配列層Ｐ２に沿って配列される各電解質・電極接合体５６のカソード電極５２の中心部に対応して開口している。
【００３４】
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寸法が小さく設定されている。
【００３５】
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。燃料ガス導入口８８は、酸化剤ガス導入口７８と同様に、内周側配列層Ｐ１および外周側配列層Ｐ２に配列される各電解質・電極接合体５６のアノード電極５４側の中心部に対応して開口している。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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の高さ寸法に応じて各開口寸法が設定されている。酸化剤ガスの流速が燃料ガスの流速よりも大きいために、第１ボス部８０が第２ボス部８６よりも大きな寸法に設定されている。
【００３９】
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側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。
【００４０】
各セパレータ５８は、積層方向（矢印Ａ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方向に沿って電気的に直列に接続されている。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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、排ガスとして円形孔部４４に導くための排出通路１０６が形成される。
【００４７】
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）。
【００４８】
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）。
【００４９】
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の中心部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）。
【００５０】
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）。
【００５１】
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。
【００５２】
本実施形態では、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で発生する電気エネルギを確実に集電することができるとともに、前記燃料電池１０が矢印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可能になる。
【００５３】
さらに、第１および第２ボス部８０、８６を介して電解質・電極接合体５６の保持が最小限の接触で行われるため、前記電解質・電極接合体５６での化学反応を妨げることがない。
【００５４】
しかも、酸化剤ガス供給側の第１ボス部８０は、燃料ガス供給側の第２ボス部８６に比べて突出寸法が大きく構成されている（図１０参照）。酸化剤ガス供給流路９６に供給される酸化剤ガスは、燃料ガス供給流路９４に供給される燃料ガスよりも流量が大きいため、第１ボス部を第２ボス部よりも大きく設定することにより、前記酸化剤ガス供給流路９６の流量を増加しても酸化剤ガスの圧力損失を抑えることができる。これは、特に、燃料電池１０とガスタービン１４とを組み合わせた場合に有効である。
【００５５】
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。これにより、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の構成を有効に簡素化することが可能になる。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。
【００５６】
この場合、本実施形態では、セパレータ５８が２枚のプレート６０、６２を備えており、前記プレート６０、６２間に第２空間部Ｓ２が形成されるとともに、前記第２空間部Ｓ２は、区画部である外側突起部６６を介して燃料ガス通路６７と酸化剤ガス通路８２とに仕切られている。
【００５７】
従って、外側突起部６６が燃料ガス通路６７と酸化剤ガス通路８２とのシール機能を有し、専用のシール部材が不要になる。このため、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、前記燃料電池１０全体の積層方向の寸法を良好に短尺化することができるという効果が得られる。
【００５８】
さらに、外側突起部６６がプレート６０に一体的に成形されている。これにより、セパレータ５８自体がシール機能を有するため、構成部品間で熱膨張差が惹起されることがなく、熱応力が良好に緩和される。しかも、簡単な構成で、確実なシール機構を有することができ、燃料ガスおよび酸化剤ガスを良好に供給することが可能になる。
【００５９】
さらにまた、燃料ガス通路６７は、第１空間部Ｓ１に配置される電解質・電極接合体５６に燃料ガスを供給する燃料ガス導入口８８に連通する一方、酸化剤ガス通路８２は、前記第１空間部Ｓ１とは異なる第１空間部Ｓ１に配置される電解質・電極接合体５６に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス導入口７８に連通している。このため、従来の供給管等の付加的なシール部材が大幅に削減され、セパレータ５８と電解質・電極接合体５６とのシール構造が可及的に簡素化されることで、構成の簡素化が容易に図られるとともに、積層方向の寸法を有効に短尺化することができるという利点がある。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
その上、電解質・電極接合体５６の中心部に、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電解質・電極接合体５６の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。
【００６３】
次に、燃料電池スタック１２を、図３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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、セパレータを構成する第１および第２プレート間に第２空間部が形成されるとともに、前記第２空間部が、区画部を介して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と、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とに仕切られている。
【００７０】
このため、セパレータでは、区画部を介して燃料ガス通路と酸化剤ガス通路とをシールすることができ、専用のシール部材を使用する必要がない。従って、セパレータの簡素化および軽量化を図るとともに、積層方向の寸法を有効に短尺化することが可能になる。
【００７１】
さらに、燃料ガス通路は、第１空間部に配置される電解質・電極接合体に燃料ガスを供給する燃料ガス導入口に連通する一方、酸化剤ガス通路は、前記第１空間部とは異なる第１空間部に配置される電解質・電極接合体に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス導入口に連通している。これにより、セパレータと電解質・電極接合体とのシール構造が可及的に簡素化され、シール部材を大幅に削減して構成の簡素化が容易に図られる。
【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の斜視説明図である。
【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 ６４…内側突起部
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
【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（Ｏ２−）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ＣＯ２ ）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、単セルとセパレータとの間には、アノード電極およびカソード電極に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスをシールするために、通常、ガラスリング等のシール部材が介装されている。このため、構成が複雑化するとともに、燃料電池全体が積層方向に大型化するという問題がある。特に、高温で使用される固体電解質型燃料電池では、シール部材が熱による影響を受け易く、所望のシール性を確保することが困難となっている。
【０００６】
そこで、例えば、特開平１１−１６５８１号公報に開示されている固体酸化物型燃料電池が知られている。この従来技術では、図１１に示すように、セパレータ１の両主面２ａ、２ｂに、複数のリブ状部材３ａ、３ｂが放射状に設けられている。セパレータ１の両主面２ａ、２ｂには、外周端部から中心部に達する溝４ａ、４ｂが所定の深さに形成されるとともに、前記溝４ａ、４ｂには、燃料ガス供給管５および酸化剤ガス供給管６が挿入されている。燃料ガス供給管５および酸化剤ガス供給管６は、先端を潰して扁平状に構成されており、セパレータ１に殆ど埋設した状態で配設されている。
【０００７】
このような構成において、燃料ガス供給管５に供給される燃料ガスは、セパレータ１の主面２ａの中心部に導出される一方、酸化剤ガス供給管６に供給される酸化剤ガスは、前記セパレータ１の主面２ｂの中心部に導出される。燃料ガスは、主面２ａ側に配置される電解質・電極接合体（図示せず）の中心部から外周側に沿って移動するとともに、酸化剤ガスは、主面２ｂ側に配置される他の電解質・電極接合体（図示せず）の中心部から外周側に沿って移動する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、燃料ガス供給管５および酸化剤ガス供給管６をレイアウトするために、両主面２ａ、２ｂに外周端部から中心部に達する溝４ａ、４ｂが所定の深さに形成されている。このため、特に、セパレータ１には、熱応力により変形や破損が惹起し易くなるとともに、燃料ガス供給管５および酸化剤ガス供給管６の存在により電解質・電極接合体で化学反応が均一化されないという問題が指摘されている。また、多数のセルを積層して燃料電池スタックを構成すると、燃料ガス供給管５および酸化剤ガス供給管６の厚さにより前記燃料電池スタックが積層方向に長尺化してしまうという懸念がある。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、供給管を用いることなく燃料ガスと酸化剤ガスとを分離しながら所望の発電性能を維持するとともに、シール構造を可及的に簡素化し、小型化および簡素化を図ることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【００１０】
【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、セパレータ間に電解質・電極接合体を配置する第１空間部が設けられるとともに、前記セパレータは、互いに積層されて第２空間部を形成する第１および第２プレートを備えている。第２空間部は、区画部を介して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と、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とに仕切られている。
【００１１】
このため、セパレータでは、区画部を介して燃料ガス通路と酸化剤ガス通路とをシールすることができ、専用のシール部材を使用する必要がない。従って、セパレータの簡素化および軽量化を図るとともに、積層方向の寸法を有効に短尺化することが可能になる。
【００１２】
さらに、燃料ガス通路は、第１空間部に配置される電解質・電極接合体に燃料ガスを供給する燃料ガス導入口に連通する一方、酸化剤ガス通路は、前記第１空間部とは異なる第１空間部に配置される電解質・電極接合体に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス導入口に連通している。これにより、セパレータと電解質・電極接合体とのシール構造が可及的に簡素化され、シール部材を大幅に削減して構成の簡素化が容易に図られる。
【００１３】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、区画部が、第１または第２プレートに形成されて前記第２または第１プレートに接触する突起部を備えている。このため、セパレータ自体がシール機能を有するため、構成部品間で熱膨張差が惹起されることがなく、熱応力が良好に緩和される。しかも、簡単な構成で、確実なシール機構を有することができ、燃料ガスおよび酸化剤ガスを良好に供給することが可能になる。
【００１４】
さらにまた、本発明の請求項３に係る燃料電池では、燃料ガス導入口が、第１空間部に配置される電解質・電極接合体の中心部に対応して設けられるとともに、酸化剤ガス導入口が、前記第１空間部とは異なる第１空間部に配置される電解質・電極接合体の中心部に対応して設けられている。
【００１５】
従って、セパレータ間に配置されている電解質・電極接合体には、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。これにより、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し、発電効率を高めることが可能になる。
【００１６】
しかも、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。
【００１７】
その上、電解質・電極接合体の中心部に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電解質・電極接合体の外周側に向かって放射状に移動する。そして、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、電解質・電極接合体の周囲から混合して排出される。このため、電解質・電極接合体とセパレータとの間に、燃料ガスおよび酸化剤ガスと排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。
【００１８】
また、本発明の請求項４に係る燃料電池では、第１および第２プレートが、互いに対向して突出する第１および第２ボス部を備え、前記第１および第２ボス部間で電解質・電極接合体を挟持している。従って、第１および第２ボス部を介して電解質・電極接合体の保持が最小限の接触で行われ、前記電解質・電極接合体での化学反応を妨げることがない。
【００１９】
さらに、本発明の請求項５に係る燃料電池では、第１および第２ボス部が、電解質・電極接合体の両面に燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されることにより発生する電気エネルギを集電する集電体を構成している。これにより、各燃料電池で発生する電気エネルギを確実に集電することができる。
【００２０】
さらにまた、本発明の請求項６に係る燃料電池では、酸化剤ガス供給側の第１ボス部は、燃料ガス供給側の第２ボス部に比べて突出寸法が大きく構成されている。カソード電極に供給される酸化剤ガスは、アノード電極に供給される燃料ガスよりも流量が大きい。このため、第１ボス部を第２ボス部よりも大きく設定することにより、酸化剤ガスの圧力損失を抑えることができる。特に、燃料電池とガスタービンとを組み合わせた場合、酸化剤ガスの供給側にあるコンプレッサの加圧損失を低減することができる。
【００２１】
【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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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（排出マニホールド）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）。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
複数個、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間には第１空間部Ｓ１が設けられる。この第１空間部Ｓ１には、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。
【００２９】
セパレータ５８は、互いに積層されて第２空間部Ｓ２を形成する複数枚、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。
【００３０】
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（区画部）６４がプレート６２側に膨出成形されるとともに、各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（区画部）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。
【００３１】
外側突起部６６は、それぞれ半径外方向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。
【００３２】
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、第１空間部Ｓ１に内周側配列層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。
【００３３】
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。酸化剤ガス導入口７８は、内周側配列層Ｐ１および外周側配列層Ｐ２の中心線上に設けられており、上記の第１空間部Ｓ１とは異なる第１空間部Ｓ１に前記内周側配列層Ｐ１および前記外周側配列層Ｐ２に沿って配列される各電解質・電極接合体５６のカソード電極５２の中心部に対応して開口している。
【００３４】
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寸法が小さく設定されている。
【００３５】
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。燃料ガス導入口８８は、酸化剤ガス導入口７８と同様に、内周側配列層Ｐ１および外周側配列層Ｐ２に配列される各電解質・電極接合体５６のアノード電極５４側の中心部に対応して開口している。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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の高さ寸法に応じて各開口寸法が設定されている。酸化剤ガスの流速が燃料ガスの流速よりも大きいために、第１ボス部８０が第２ボス部８６よりも大きな寸法に設定されている。
【００３９】
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側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。
【００４０】
各セパレータ５８は、積層方向（矢印Ａ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方向に沿って電気的に直列に接続されている。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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、排ガスとして円形孔部４４に導くための排出通路１０６が形成される。
【００４７】
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）。
【００４８】
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）。
【００４９】
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の中心部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）。
【００５０】
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）。
【００５１】
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。
【００５２】
本実施形態では、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で発生する電気エネルギを確実に集電することができるとともに、前記燃料電池１０が矢印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可能になる。
【００５３】
さらに、第１および第２ボス部８０、８６を介して電解質・電極接合体５６の保持が最小限の接触で行われるため、前記電解質・電極接合体５６での化学反応を妨げることがない。
【００５４】
しかも、酸化剤ガス供給側の第１ボス部８０は、燃料ガス供給側の第２ボス部８６に比べて突出寸法が大きく構成されている（図１０参照）。酸化剤ガス供給流路９６に供給される酸化剤ガスは、燃料ガス供給流路９４に供給される燃料ガスよりも流量が大きいため、第１ボス部を第２ボス部よりも大きく設定することにより、前記酸化剤ガス供給流路９６の流量を増加しても酸化剤ガスの圧力損失を抑えることができる。これは、特に、燃料電池１０とガスタービン１４とを組み合わせた場合に有効である。
【００５５】
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。これにより、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の構成を有効に簡素化することが可能になる。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。
【００５６】
この場合、本実施形態では、セパレータ５８が２枚のプレート６０、６２を備えており、前記プレート６０、６２間に第２空間部Ｓ２が形成されるとともに、前記第２空間部Ｓ２は、区画部である外側突起部６６を介して燃料ガス通路６７と酸化剤ガス通路８２とに仕切られている。
【００５７】
従って、外側突起部６６が燃料ガス通路６７と酸化剤ガス通路８２とのシール機能を有し、専用のシール部材が不要になる。このため、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、前記燃料電池１０全体の積層方向の寸法を良好に短尺化することができるという効果が得られる。
【００５８】
さらに、外側突起部６６がプレート６０に一体的に成形されている。これにより、セパレータ５８自体がシール機能を有するため、構成部品間で熱膨張差が惹起されることがなく、熱応力が良好に緩和される。しかも、簡単な構成で、確実なシール機構を有することができ、燃料ガスおよび酸化剤ガスを良好に供給することが可能になる。
【００５９】
さらにまた、燃料ガス通路６７は、第１空間部Ｓ１に配置される電解質・電極接合体５６に燃料ガスを供給する燃料ガス導入口８８に連通する一方、酸化剤ガス通路８２は、前記第１空間部Ｓ１とは異なる第１空間部Ｓ１に配置される電解質・電極接合体５６に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス導入口７８に連通している。このため、従来の供給管等の付加的なシール部材が大幅に削減され、セパレータ５８と電解質・電極接合体５６とのシール構造が可及的に簡素化されることで、構成の簡素化が容易に図られるとともに、積層方向の寸法を有効に短尺化することができるという利点がある。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
その上、電解質・電極接合体５６の中心部に、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電解質・電極接合体５６の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。
【００６３】
次に、燃料電池スタック１２を、図３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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、セパレータを構成する第１および第２プレート間に第２空間部が形成されるとともに、前記第２空間部が、区画部を介して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と、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とに仕切られている。
【００７０】
このため、セパレータでは、区画部を介して燃料ガス通路と酸化剤ガス通路とをシールすることができ、専用のシール部材を使用する必要がない。従って、セパレータの簡素化および軽量化を図るとともに、積層方向の寸法を有効に短尺化することが可能になる。
【００７１】
さらに、燃料ガス通路は、第１空間部に配置される電解質・電極接合体に燃料ガスを供給する燃料ガス導入口に連通する一方、酸化剤ガス通路は、前記第１空間部とは異なる第１空間部に配置される電解質・電極接合体に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス導入口に連通している。これにより、セパレータと電解質・電極接合体とのシール構造が可及的に簡素化され、シール部材を大幅に削減して構成の簡素化が容易に図られる。
【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の斜視説明図である。
【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 ６４…内側突起部
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 (6)
- 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、
前記セパレータ間には、前記電解質・電極接合体が配置される第１空間部が設けられ、
前記セパレータは、互いに積層されて第２空間部を形成する第１および第２プレートを備えるとともに、
前記第２空間部は、区画部を介して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と、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とに仕切られており、
前記燃料ガス通路は、前記第１空間部に配置される前記電解質・電極接合体に前記燃料ガスを供給する燃料ガス導入口に連通する一方、
前記酸化剤ガス通路は、前記第１空間部とは異なる第１空間部に配置される前記電解質・電極接合体に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス導入口に連通することを特徴とする燃料電池。 - 請求項１記載の燃料電池において、前記区画部は、前記第１または第２プレートに形成されて前記第２または第１プレートに接触する突起部を備えることを特徴とする燃料電池。
- 請求項１記載の燃料電池において、前記燃料ガス導入口は、前記第１空間部に配置される前記電解質・電極接合体の中心部に対応して設けられるとともに、
前記酸化剤ガス導入口は、前記第１空間部とは異なる第１空間部に配置される前記電解質・電極接合体の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。 - 請求項１記載の燃料電池において、前記第１および第２プレートは、互いに対向して突出する第１および第２ボス部を備え、
前記第１および第２ボス部間で前記電解質・電極接合体を挟持することを特徴とする燃料電池。 - 請求項４記載の燃料電池において、前記第１および第２ボス部は、前記電解質・電極接合体の両面に前記燃料ガスおよび前記酸化剤ガスが供給されることにより発生する電気エネルギを集電する集電体を構成することを特徴とする燃料電池。
- 請求項４または５記載の燃料電池において、前記酸化剤ガス供給側の前記第１ボス部は、前記燃料ガス供給側の第２ボス部に比べて突出寸法が大きく設定されることを特徴とする燃料電池。
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