JP2004146344A - 燃料電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】複数の電解質・電極接合体を配列して所望の発電性能を維持するとともに、簡単な構成で燃料ガスの漏れによるクロスリークを確実に阻止することを可能にする。
【解決手段】複数の電解質・電極接合体５６を挟持するセパレータ５８は、プレート６０、６２を備え、前記プレート６０、６２間には、燃料ガス通路６７および酸化剤ガス通路８２が形成される。セパレータ５８は、排ガスを積層方向に排出する排ガス通路４６と、前記排ガス通路４６内に配置され、使用前の燃料ガスを供給する燃料ガス供給連通孔４４と、前記燃料ガス供給連通孔４４と前記燃料ガス通路６７を連通する燃料ガス分配通路６７ａとを備える。
【選択図】図６

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複数の電解質・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。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。その間に生じた電子は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。
【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有しており、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、結果的に固体電解質型燃料電池の大電流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、特許文献１に開示されているように、金属製セパレータに小面積の単セルが複数個配列されるとともに、前記単セルの中央部に燃料ガス供給孔および酸化剤ガス供給孔が形成された固体電解質型燃料電池が知られている。
この特許文献１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るとともに、基板の破損を阻止して信頼性を向上させることが可能になる、としている。
【０００７】
しかしながら、上記の特許文献１では、単セルの略中央部に燃料ガス供給孔および酸化剤ガス供給孔が貫通形成されるとともに、燃料ガス通流溝または酸化剤ガス通流溝が形成されている。このため、単セル自体の機械的強度が低下してしまい、例えば、燃料電池の運転時に熱破壊が発生し易いという問題が指摘されている。
【０００８】
そこで、例えば、特許文献２に開示された固体電解質型燃料電池では、図１６に示すように、無孔平板である単セル１がセパレータ２により挟持されるとともに、前記セパレータ２はスペーサ３を介して積層されている。セパレータ２には、積層方向に貫通して燃料ガス導入孔４および空気導入孔５が形成されている。
【０００９】
燃料ガス導入孔４は、燃料ガス分配流路６を介して単セル１の一方の面中央部に燃料ガスを供給するように構成されている。空気導入孔５は、空気分配流路７を介して単セル１の他方の面中央部に空気を供給するように構成されている。
【００１０】
このように構成される特許文献２では、単セル１が無孔平板で構成されるため、その機械的強度が増大するとともに、反応ガスが単セル１の両面中央部から電池反応部の周辺に向かって流れ、２つの反応ガスが相互に分離された状態に維持される、としている。
【００１１】
【特許文献１】
特開平６−３１０１６４号公報（段落［００３２］、図１）
【特許文献２】
特開平８−２７９３６４号公報（段落［００２８］、図３）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の特許文献２では、燃料ガス導入孔４から燃料ガスが漏洩（クロスリーク）するおそれがあり、この燃料ガスが、例えば、単セル１の空気極側に導入され易い。これにより、空気極側で燃料ガスと空気とが反応して局部的な発熱が惹起され、単セル１やセパレータ２が損傷するという問題がある。
【００１３】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、複数の電解質・電極接合体を配列して所望の発電性能を維持するとともに、簡単な構成で、燃料ガスの漏れによるクロスリークを確実に阻止することが可能な燃料電池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、複数の電解質・電極接合体を挟持するセパレータが、互いに積層される第１および第２プレートを備え、前記第１および第２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。
【００１５】
セパレータは、複数の電解質・電極接合体で反応に使用された後の燃料ガスおよび酸化剤ガスを、排ガスとして積層方向に排出する排ガス通路と、前記排ガス通路内に配置され、使用前の燃料ガスを前記積層方向に供給する燃料ガス供給連通孔と、前記燃料ガス供給連通孔と前記燃料ガス通路とを連通するとともに、前記排ガス通路を前記積層方向に交差するセパレータ面方向に横切って配置される燃料ガス分配通路とを備えている。
【００１６】
このため、使用前の燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔を介して積層方向に供給され、この燃料ガス供給連通孔に連通する燃料ガス分配通路を通って燃料ガス通路に供給される。その際、燃料ガス供給連通孔に燃料ガスの漏れが発生すると、この燃料ガスは前記燃料ガス供給連通孔を周回している排ガス通路に導入される。従って、漏洩した燃料ガスが酸化剤ガス通路側に移動することがなく、局部的な発熱による電解質・電極接合体の損傷等を良好に阻止することができる。しかも、排ガス通路に、燃料ガスを検知する、例えば、水素検知機を設置するだけで、燃料ガスの漏洩を確実に検出することが可能になる。
【００１７】
さらに、燃料ガスは、排ガス通路内を移動する際に、この排ガス通路に排出される高温な排ガスを介して暖められるため、排熱の回収が容易に行われる。一方、燃料ガスは、排ガスにより昇温された後にアノード電極に供給される。これにより、初期始動時や燃料ガスの内部改質に適することができ、電解質・電極接合体を迅速に活性化させることが可能になる。
【００１８】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、高温の排ガス通路がセパレータの中央部に設けられているため、セパレータの周部からの放熱を防止できるとともに、前記セパレータ全体に熱が伝わり易くなり、温度分布を均一にすることができる。さらに、排ガス通路の周囲のみをシールするだけでよく、シール構造を簡素化することができる。その他、排ガスが中央部にのみ向かって流れるため、排ガスの流れの乱れを阻止でき、該排ガスを円滑に排出することが可能になる。
【００１９】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池では、燃料ガス供給連通孔が、排ガス通路の中央部に設けられている。従って、燃料ガスを介して排ガスからの熱回収が確実に行われ、前記燃料ガスを所望の温度、すなわち、燃料電池の作動温度に昇温させることが可能になる。その上、燃料ガス供給連通孔が、セパレータの中央部に設けられるため、各電解質・電極接合体に燃料ガスを均一に供給することができ、発電性能を良好に維持することが可能になる。
【００２０】
さらにまた、本発明の請求項４に係る燃料電池では、排ガス通路が、燃料ガス通路および酸化剤ガス通路が設けられている面側とは異なる面側に、かつ前記燃料ガス通路および前記酸化剤ガス通路と隣接して設けられている。このため、燃料電池のレイアウトを簡素化するとともに、積層方向の厚さを有効に減少させることができる。しかも、排ガス通路が燃料ガス通路および酸化剤ガス通路と隣接しており、高温の排ガスと燃料ガスおよび酸化剤ガスとの熱交換が良好に遂行可能になる。
【００２１】
また、本発明の請求項５に係る燃料電池では、第１および第２プレートが、それぞれの一方の面に第１および第２凸部を設け、前記第１および第２プレートの他方の面同士を接合することにより、前記第１および第２凸部間に形成される空間部を燃料ガス供給連通孔として構成している。
【００２２】
これにより、第１および第２プレート自体に燃料ガス供給連通孔が一体的に設けられ、工程の簡素化を図るとともに、部品点数の削減が可能になる。しかも、第１および第２プレートに設けられた第１および第２凸部間に空間部が形成されるため、前記第１および第２凸部の高さ、すなわち、絞り量を小さくすることができる。このため、第１および第２プレートの成形性が有効に向上する。
【００２３】
さらに、本発明の請求項６に係る燃料電池では、複数のセパレータを積層するとともに、一方のセパレータを構成する第１プレートの第１凸部と他方のセパレータを構成する第２プレートの第２凸部との間に、空間部をシールするためのシール部が介装されている。従って、シール部を第１および第２凸部で挟持することにより剛性が向上し、シールが確実に行われる。
【００２４】
さらにまた、本発明の請求項７に係る燃料電池では、第１および第２プレートが、それぞれの他方の面に第１および第２突起部を設け、前記第１および第２突起部同士を接合することにより、前記第１および第２プレート間に燃料ガス通路および燃料ガス分配通路が形成されている。これにより、第１および第２プレート自体に燃料ガス通路および燃料ガス分配通路が一体的に設けられ、工程の簡素化を図るとともに、パイプ等が不要になって部品点数の削減が可能になる。
【００２５】
しかも、第１および第２プレートに設けられた第１および第２突起部同士を接合しているため、前記第１および第２突起部の高さ、すなわち、絞り量を小さくすることができる。このため、第１および第２プレートの成形性が有効に向上する。その上、第１および第２突起部は、第１および第２凸部とは反対方向に突出成形されている。従って、第１および第２凸部の剛性が向上し、この第１および第２凸部間に形成される空間部を強固に保持することができ、この空間部の潰れを抑制して燃料ガスの供給量を一定に確保する他、シールを確実に行う機能を付加することが可能になり、高い発電性能を維持することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１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。
【００２７】
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。第１の実施形態では、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。
【００２８】
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（図３中、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。
【００２９】
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。
【００３０】
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、フランジ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、円形の燃料ガス供給連通孔４４がフランジ４０ａを底部として矢印Ａ方向に形成される（図２参照）。
【００３１】
燃料ガス供給連通孔４４の周囲には、複数、例えば、４つの排ガス通路４６が、フランジ４０ｂを底部として矢印Ａ方向に形成される。フランジ４０ａ、４０ｂとエンドプレート９７ａ、９７ｂとの間は、絶縁プレート９８ａ、９８ｂで絶縁されており、前記エンドプレート９７ａ、９７ｂからそれぞれ出力端子４８ａ、４８ｂが設けられている。
【００３２】
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。
【００３３】
複数、例えば、１６個の電解質・電極接合体５６を挟んで一対のセパレータ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の中心部である燃料ガス供給連通孔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（図４参照）。
【００３４】
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が設けられている（図７および図８参照）。
【００３５】
図６、図７および図９に示すように、プレート（第１プレート）６０の中央側には、燃料ガス供給連通孔４４および４つの排ガス通路４６を設けるためのリブ部６３ａが形成される。プレート６０には、リブ部６３ａから内周部に沿って、各排ガス通路４６を周回する４つの内側突起部（第１突起部）６４ａがプレート（第２プレート）６２に向かって膨出成形される。プレート６０の燃料ガス供給連通孔４４の周囲には、プレート６２から離間する方向（内側突起部６４ａとは反対方向）に向かって突出する凸部（第１凸部）６５ａが成形される。
【００３６】
プレート６０には、燃料ガス供給連通孔４４に対して放射状に外側突起部（第１突起部）６６ａが設けられるとともに、内側突起部６４ａと前記外側突起部６６ａとの間には、燃料ガス分配通路６７ａを介して前記燃料ガス供給連通孔４４に連通する燃料ガス通路６７が形成される。この燃料ガス分配通路６７ａは、リブ部６３ａに沿って、すなわち、各排ガス通路４６を積層方向に交差するセパレータ面方向（矢印Ｂ方向）に横切って配置され、燃料ガス供給連通孔４４と燃料ガス通路６７とを連通する。
【００３７】
外側突起部６６ａには、それぞれ半径外方向に向かって所定の距離だけ突出する複数の第１壁部６８ａおよび第２壁部７０ａが交互に設けられている。図９に示すように、第１壁部６８ａ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６８ａ間に第２壁部７０ａが設けられ、前記第２壁部７０ａ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。
【００３８】
第１壁部６８ａおよび第２壁部７０ａ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を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に向かって突出し、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。
【００３９】
図６、図８および図９に示すように、プレート６０の波形外周部６０ａの内方近傍には、この波形外周部６０ａと同一形状を有しプレート６２から離間する方向に向かって突出して第１周回凸部８３ａが成形される。プレート６０には、この第１周回凸部８３ａを挟んで両側に互いに対向して（あるいは、互いに位置をずらして）、外周突起部８５ａおよび内周突起部８７ａがそれぞれ所定の間隔離間して複数ずつ設けられる。
【００４０】
図６、図７および図１０に示すように、プレート６２の中央側には、プレート６０のリブ部６３ａに対向してリブ部６３ｂが形成されるとともに、前記プレート６０に向かって突出して４つの内側突起部（第２突起部）６４ｂが膨出成形される。プレート６２の燃料ガス供給連通孔４４の周囲には、プレート６０から離間する方向に向かって突出する凸部（第２凸部）６５ｂが成形される。プレート６０、６２が接合される際、互いに逆方向に向かって突出する凸部６５ａ、６５ｂ間に形成される空間部が、燃料ガス供給連通孔４４を構成する。
【００４１】
プレート６２には、外側突起部６６ａに対向しプレート６０に向かって突出する外側突起部（第２突起部）６６ｂが設けられる。プレート６０、６２では、内側突起部６４ａ、６４ｂと外側突起部６６ａ、６６ｂとが互いに接合することにより、燃料ガス供給連通孔４４に燃料ガス分配通路６７ａを介して連通する燃料ガス通路６７が形成される。外側突起部６６ｂには、それぞれ半径外方向に向かって所定の距離だけ突出する複数の第１壁部６８ｂおよび第２壁部７０ｂが交互に設けられている。
【００４２】
プレート６２には、内周側配列層Ｐ１および外周側配列層Ｐ２に沿って配列される各電解質・電極接合体５６に向かって突出し、各電解質・電極接合体５６に接する第２ボス部８６が膨出成形される。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、燃料ガス通路６７に連通する燃料ガス導入口８８が貫通形成される。
【００４３】
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、それぞれ８個の電解質・電極接合体５６を位置決め配置するための位置決め突起部８１が設けられる。位置決め突起部８１は、各電解質・電極接合体５６を周回する位置に対応して３個以上、第１の実施形態では、例えば、３個ずつ設けられるとともに、前記電解質・電極接合体５６が前記位置決め突起部８１間に非接触状態で収容可能な位置に設定される。位置決め突起部８１は、第２ボス部８６よりも高さ方向の寸法が大きく設定される（図６参照）。
【００４４】
図６、図８および図１０に示すように、プレート６２の波形外周部６２ａの内方近傍には、この波形外周部６２ａと同一形状を有しプレート６０から離間する方向に向かって突出して第２周回凸部８３ｂが成形される。プレート６２には、この第２周回凸部８３ｂを挟んで両側に互いに対向して（あるいは、互いに位置をずらして）、外周突起部８５ｂおよび内周突起部８７ｂがそれぞれ所定の間隔離間して複数ずつ設けられる。
【００４５】
プレート６０とプレート６２との間には、内側突起部６４ａ、６４ｂと外側突起部６６ａ、６６ｂ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６６ａ、６６ｂの外方に対応して酸化剤ガス通路８２が形成される（図１１参照）。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。
【００４６】
セパレータ５８には、図６に示すように、燃料ガス供給連通孔４４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の凸部６５ａまたはプレート６２の凸部６５ｂに溶射することにより構成される。プレート６０、６２の第１および第２周回凸部８３ａ、８３ｂは、互いに離間する方向に膨出成形されており、前記第１周回凸部８３ａまたは前記第２周回凸部８３ｂ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。
【００４７】
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。
【００４８】
図１１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。
【００４９】
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の凸部６５ａ、６５ｂ間に形成された燃料ガス供給連通孔４４に連通する。酸化剤ガス通路８２は、燃料ガス通路６７と同一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の第１および第２周回凸部８３ａ、８３ｂ間を介して外部に開放されている。
【００５０】
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、プレート６０、６２の内側突起部６４ａ、６４ｂおよび外側突起部６６ａ、６６ｂが互い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。
【００５１】
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９７ａ、９７ｂが配置される。エンドプレート９７ａ、９７ｂの外方には、絶縁プレート９８ａ、９８ｂを介装してフランジ４０ａ、４０ｂが積層される。このフランジ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、締め付け用ボルト４２が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。
【００５２】
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。
【００５３】
燃料電池１０を組み付ける際には、まず、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、６２に一体成形されている内側突起部６４ａ、６４ｂおよび外側突起部６６ａ、６６ｂがろう付け等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４４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の第１周回凸部８３ａまたはプレート６２の第２周回凸部８３ｂ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。
【００５４】
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が燃料ガス分配通路６７ａを介して燃料ガス供給連通孔４４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。
【００５５】
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。
【００５６】
その際、各電解質・電極接合体５６の配置位置には、それぞれ３個の位置決め突起部８１が設けられており、３個の前記位置決め突起部８１間に前記電解質・電極接合体５６が収容される。位置決め突起部８１内には、互いに近接する方向に向かって突出して第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によって電解質・電極接合体５６が挟持される。
【００５７】
このため、図１１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燃料ガス供給連通孔４４に導くための排出通路１０６が形成される。
【００５８】
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）。
【００５９】
そこで、燃料電池スタック１２を構成するフランジ４０ｂの燃料ガス供給連通孔４４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４４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内の燃料ガス分配通路６７ａに導入される（図６参照）。
【００６０】
図５に示すように、燃料ガスは、外側突起部６６ａ、６６ｂを構成する第１壁部６８ａ、６８ｂおよび第２壁部７０ａ、７０ｂに沿って燃料ガス通路６７を移動し、それぞれ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、燃料ガス供給流路９４に導入された燃料ガスは、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１１参照）。
【００６１】
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１１参照）。
【００６２】
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。
【００６３】
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が断線した際にも、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。
【００６４】
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の中心部近傍には、排ガスマニホールドを構成する４つの排ガス通路４６が形成されており、排ガスがこの排ガス通路４６から外部に排出される。
【００６５】
この場合、第１の実施形態では、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。
【００６６】
さらに、セパレータ５８の中心部である燃料ガス供給連通孔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。
【００６７】
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。
【００６８】
さらにまた、第１の実施形態では、セパレータ５８の中心部近傍に排ガスを積層方向に排出するための排ガス通路４６が設けられるとともに、この排ガス通路４６内には、使用前の燃料ガスを積層方向に供給する燃料ガス供給連通孔４４が配置されている。そして、この燃料ガス供給連通孔４４は、排ガス通路４６をセパレータ面方向（矢印Ｂ方向）に横切って配置される燃料ガス分配通路６７ａを介して燃料ガス通路６７に連通している。
【００６９】
このため、使用前の燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４４を介して積層方向に供給され、各セパレータ５８内でこの燃料ガス供給連通孔４４に連通する燃料ガス分配通路６７ａを通って燃料ガス通路６７に供給される。
【００７０】
その際、燃料ガス供給連通孔４４に燃料ガスの漏れが発生すると、この燃料ガスは前記燃料ガス供給連通孔４４を周回している排ガス通路４６に導入される。
従って、漏洩した燃料ガスは、例えば、酸化剤ガス通路８２側に移動することがなく、クロスリークを確実に阻止することが可能になる。これにより、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応によって局部的な発熱が発生することがなく、例えば、電解質・電極接合体５６が損傷することを良好に阻止することができるという効果が得られる。しかも、排ガス通路４６に、例えば、燃料ガスを検知するための燃料ガス検知機を設置するだけで、燃料ガスの漏洩を確実に検出することが可能になる。
【００７１】
また、燃料ガスは、排ガス通路４６内を燃料ガス供給連通孔４４に沿って移動する際に、この排ガス通路４６に排出される高温の排ガスを介して暖められるため、排熱の回収が容易に行われる。一方、燃料ガスは、排ガスにより昇温された後に、燃料ガス供給流路９４に導入されてアノード電極５４に供給される。これにより、特に、初期始動時や燃料ガスの内部改質に適することができ、電解質・電極接合体５６を迅速に活性化させることが可能になるという利点がある。
【００７２】
しかも、排ガス通路４６がセパレータ５８の中央部に設けられるため、高温になる排ガス通路４６の熱が前記セパレータ５８の周部から逃げることを防止でき、前記セパレータ５８全体に熱が伝わり易くなるため、温度分布を均一にすることが可能になる。その他、排ガス通路４６の周囲のみをシールするだけでよく、シール構造が簡素化されるとともに、排ガスが中央部にのみ向かって流れるため、排ガスの流れの乱れを阻止でき、該排ガスを円滑に排出することができる。
【００７３】
さらに、燃料ガス供給連通孔４４がセパレータ５８の中央部に設けられるため、各電解質・電極接合体５６に燃料ガスを均一に供給することができ、発電性能を良好に維持することが可能になる。
【００７４】
さらにまた、排ガス通路４６に連通する排出通路１０６は、燃料ガス通路６７および酸化剤ガス通路８２が設けられている面側とは異なる面側に、かつ互いに隣接して設けられている（図１１参照）。このため、燃料電池１０のレイアウトを簡素化するとともに、積層方向の厚さを有効に減少させることができる。しかも、排出通路１０６は、燃料ガス通路６７および酸化剤ガス通路８２と隣接しており、高温の排ガスと燃料ガスおよび酸化剤ガスとの熱交換が良好に遂行可能になる。
【００７５】
また、プレート６０、６２では、それぞれの一方の面に凸部６５ａ、６５ｂを設けるとともに、他方の面同士を対向させることにより、前記凸部６５ａ、６５ｂ間に燃料ガス供給連通孔４４が形成されている。さらに、プレート６０、６２のそれぞれの他方の面には、内側突起部６４ａ、６４ｂと外側突起部６６ａ、６６ｂとが設けられており、これらを接合することによってプレート６０、６２間には、燃料ガス通路６７および燃料ガス分配通路６７ａが形成されている。
【００７６】
これにより、プレート６０、６２自体に燃料ガス供給連通孔４４、燃料ガス分配通路６７ａおよび燃料ガス通路６７が一体的に設けられている。従って、作業工程の簡素化を図るとともに、パイプ等が不要になって部品点数を大幅に削減することが可能になる。
【００７７】
しかも、凸部６５ａ、６５ｂの高さや内側突起部６４ａ、６４ｂおよび外側突起部６６ａ、６６ｂの高さ、すなわち、それぞれの絞り量を小さくすることができる。このため、プレート６０、６２の成形性が有効に向上するという効果がある。その際、凸部６５ａ、６５ｂと内側突起部６４ａ、６４ｂとは互いに異なる方向に向かって突出しており、前記凸部６５ａ、６５ｂの接合剛性が向上し、空間部である燃料ガス供給連通孔４４の潰れを抑制することができる。従って、燃料ガスの供給量を一定に確保するだけでなく、シールを確実に行う機能を付加し、高い発電性能を維持することが可能になる。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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℃と高温となっており、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。
【００８２】
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。
【００８３】
図１２は、比較的小型な燃料電池スタック１２ａが適用される第２の実施形態に係るガスタービン１２０の概略構成を示す断面説明図であり、図１３は、前記ガスタービン１２０の正面説明図である。なお、第１の実施形態に係るガスタービン１４と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態でも、同様にその詳細な説明は省略する。
【００８４】
ガスタービン１２０を構成するケーシング１２２の外周には、燃焼器１８の回りに８基の燃料電池スタック１２ａが４５°間隔ずつ離間して装着される。各燃料電池スタック１２ａは、筐体１２４により囲繞されるとともに、前記筐体１２４内には、加熱エア導入通路１２６が形成される。
【００８５】
このように構成されるガスタービン１２０では、８基の燃料電池スタック１２ａが、ケーシング１２２の外周に４５°間隔ずつ離間して装着されている。このため、起電力が増大するとともに、ガスタービン１２０の全長が有効に短尺化されるという効果が得られる。
【００８６】
図１４は、比較的大型な燃料電池スタック１２ｂが適用される第３の実施形態に係るガスタービン１３０の概略構成を示す断面説明図であり、図１５は、前記ガスタービン１３０の正面説明図である。
【００８７】
ガスタービン１３０を構成するケーシング１３２の外周には、軸方向（矢印Ｘ方向）に所定の距離だけ離間する２つの円周上に、それぞれ燃焼器１８の回りに４基の燃料電池スタック１２ｂが９０°間隔ずつ離間して装着される。各円周上に装着されるそれぞれの燃料電池スタック１２ｂは、各燃料電池スタック１２ｂ同士が重ならないように、互いに４５°ずつ位相をずらしている。各燃料電池スタック１２ｂは、筐体１３４により囲繞されるとともに、前記筐体１３４内には、加熱エア導入通路１３６が形成される。
【００８８】
このように構成されるガスタービン１３０では、それぞれ４基の燃料電池スタック１２ｂが、ケーシング１３２の外周に９０°間隔ずつ離間し、かつ互いに４５°ずつ位相をずらして装着されている。このため、比較的大型な燃料電池スタック１２ｂを多数（８基）配置することができ、発電効率の向上を図るとともに、ガスタービン１３０全体の外周寸法が有効に削減されて前記ガスタービン１３０の小型化を図ることが可能になるという効果が得られる。
【００８９】
なお、第１〜第３の実施形態では、燃料電池スタック１２、１２ａおよび１２ｂをガスタービン１４、１２０および１３０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、前記燃料電池スタック１２、１２ａおよび１２ｂを車載用として使用することも可能である。
【００９０】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、燃料ガス供給連通孔に燃料ガスの漏れが発生すると、この燃料ガスは前記燃料ガス供給連通孔を周回している排ガス通路に導入される。従って、漏洩した燃料ガスが酸化剤ガス通路側に移動することがなく、局部的な発熱による電解質・電極接合体の損傷等を良好に阻止することができる。
しかも、排ガス通路に、例えば、燃料ガス検知機を設置するだけで、燃料ガスの漏洩を確実に検出することが可能になる。
【００９１】
さらに、燃料ガスは、排ガス通路内を移動する際に、この排ガス通路に排出される高温な排ガスを介して暖められるため、排熱の回収が容易に行われる。一方、燃料ガスは、排ガスにより昇温された後にアノード電極に供給されるため、特に、初期始動時や燃料ガスの内部改質に適することができ、電解質・電極接合体を迅速に活性化させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１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】前記燃料電池の一部拡大分解斜視図である。
【図９】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１０】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１１】前記燃料電池の動作説明図である。
【図１２】比較的小型な燃料電池スタックが適用される第２の実施形態に係るガスタービンの概略構成を示す断面説明図である。
【図１３】前記ガスタービンの正面説明図である。
【図１４】
比較的大型な燃料電池スタックが適用される第３の実施形態に係るガスタービンの概略構成を示す断面説明図である。
【図１５】前記ガスタービンの正面説明図である。
【図１６】特許文献２に係る燃料電池の断面説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池　　　　　　　　　１２、１２ａ、１２ｂ…燃料電池スタック
１４、１２０、１３０…ガスタービン
１６、１２２、１３２…ケーシング
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　　　　　　　　　　３８、１２６、１３６…加熱エア導入通路
４０ａ、４０ｂ…フランジ　　　　４４…燃料ガス供給連通孔
４６…排ガス通路　　　　　　　　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
６４ａ、６４ｂ…内側突起部　　　６５ａ、６５ｂ…凸部
６６ａ、６６ｂ…外側突起部　　　６７…燃料ガス通路
６７ａ…燃料ガス分配通路　　　　７８…酸化剤ガス導入口
８０、８６…ボス部　　　　　　　８１…位置決め突起部
８２…酸化剤ガス通路　　　　　　８３ａ、８３ｂ…周回凸部
８８…燃料ガス導入口　　　　　　９０、９２…絶縁シール
９４…燃料ガス供給流路　　　　　９６…酸化剤ガス供給流路

Claims (7)

  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複数の電解質・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、互いに積層される第１および第２プレートを備え、
    前記第１および第２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ており、
    前記セパレータは、前記複数の電解質・電極接合体で反応に使用された後の燃料ガスおよび酸化剤ガスを、排ガスとして積層方向に排出する排ガス通路と、
    前記排ガス通路内に配置され、使用前の燃料ガスを前記積層方向に供給する燃料ガス供給連通孔と、
    前記燃料ガス供給連通孔と前記燃料ガス通路とを連通するとともに、前記排ガス通路を前記積層方向に交差するセパレータ面方向に横切って配置される燃料ガス分配通路と、
    を備え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、前記排ガス通路は、前記セパレータの中央部に設けられることを特徴とする燃料電池。
  3. 請求項１または２記載の燃料電池において、前記燃料ガス供給連通孔は、前記排ガス通路の中央部に設けられることを特徴とする燃料電池。
  4. 請求項１または２記載の燃料電池において、前記排ガス通路は、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ている面側とは異なる面側に、かつ該燃料ガス通路および該酸化剤ガス通路と隣接した位置に設けら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、前記第１および第２プレートは、それぞれの一方の面に第１および第２凸部を設け、
    前記第１および第２プレートの他方の面同士を対向させることにより、前記第１および第２凸部間に形成される空間部を前記燃料ガス供給連通孔として構成することを特徴とする燃料電池。
  6. 請求項５記載の燃料電池において、複数の前記セパレータを積層するとともに、一方のセパレータを構成する第１プレートの第１凸部と他方のセパレータを構成する第２プレートの第２凸部との間に、前記空間部をシールするためのシール部が介装されることを特徴とする燃料電池。
  7. 請求項５または６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、それぞれの他方の面に第１および第２突起部を設け、
    前記第１および第２突起部同士を接合することにより、前記第１および第２プレート間に前記燃料ガス通路および前記燃料ガス分配通路を形成することを特徴とする燃料電池。
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