JP2004199972A - 冷却流体通路付き燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】冷却流体を流通させて効果的な冷却ができる燃料電池を実現する。
【解決手段】燃料電池６０の筺体６１内には、櫛形の電解質膜６２が配置されており、筺体内空間が仕切られている。仕切られた一方の空間は、分流壁ＳＡにより更に空気通路ＰＡと冷却空気通路ＰＰＡとに仕切られ、仕切られた他方の空間は、分流壁ＳＦにより更に燃料通路ＰＦと冷却燃料通路ＰＰＦとに仕切られている。空気は、冷却空気通路ＰＰＡを通過する際に燃料電池の冷却をし、その後に、空気通路ＰＡに供給されて発電に寄与する。燃料は、冷却燃料通路ＰＰＦを通過する際に燃料電池の冷却をし、その後に、燃料通路ＰＦに供給されて発電に寄与する。
【選択図】 図２
【解決手段】燃料電池６０の筺体６１内には、櫛形の電解質膜６２が配置されており、筺体内空間が仕切られている。仕切られた一方の空間は、分流壁ＳＡにより更に空気通路ＰＡと冷却空気通路ＰＰＡとに仕切られ、仕切られた他方の空間は、分流壁ＳＦにより更に燃料通路ＰＦと冷却燃料通路ＰＰＦとに仕切られている。空気は、冷却空気通路ＰＰＡを通過する際に燃料電池の冷却をし、その後に、空気通路ＰＡに供給されて発電に寄与する。燃料は、冷却燃料通路ＰＰＦを通過する際に燃料電池の冷却をし、その後に、燃料通路ＰＦに供給されて発電に寄与する。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用電解質膜の形態ならびに冷却流体通路付き燃料電池に関するものであり、燃料電池の簡単な組立て構造ならびに冷却流体で燃料電池を作動させることで発電効率が向上するように工夫したものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、空気と燃料とを電解質膜を介して電気化学反応させて発電を行なう装置であり、高い効率で電気エネルギーを発生させることができる。この燃料電池から排出される排出空気や排出燃料の温度は高く、この排出空気及び排出燃料の熱で、ガスタービン発電に利用することにより、燃料電池・ガスタービン複合にて高い発電効率を得ることができる。特に、高温型燃料電池では、排出空気や排出燃料の温度が高い。高温型の燃料電池としては、作動温度が約１０００°Ｃの固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell ）や、作動温度が約６５０°Ｃの溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ：Molten carbonate Fuel Cell）がある。
【０００３】
図１６は、燃料電池とガスタービン発電装置とを組み合わせた燃料電池／ガスタービン複合発電プラントの一般的な例を示している。この燃料電池／ガスタービン複合発電プラントは、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）などの高温型の燃料電池１０と、ガスタービン発電装置２０とを組み合わせて構成されている。ガスタービン発電装置２０は、圧縮機２１と燃焼器２２とタービン２３と発電機２４を備えている。
【０００４】
圧縮機２１にて圧縮した圧縮空気は、圧縮空気ラインＬ１を通して、燃料電池１０に供給される。また、天然ガスなどの燃料は燃料ラインＬ２から燃料電池１０に供給される。燃料電池１０では、空気通路と燃料通路との間に電解質膜が配置されており、空気通路に流れる圧縮空気から電解質膜を介して酸素が燃料通路に移動し、そこを流れる燃料との電気化学反応によって発電が行なわれる。
【０００５】
燃料電池１０から排出された排出燃料及び排出空気は高温になっており、それぞれ、排出燃料ラインＬ３及び排出空気ラインＬ４を通って燃焼器２２に送られる。燃焼器２２では、排出燃料と排出空気を燃焼して高温・高圧ガスを発生し、この高温・高圧ガスを高温・高圧ガスラインＬ５を通してタービン２３に送る。高温・高圧ガスはタービン２３にて膨張して出力を発生する。このタービン出力は、発電機２４で電力として取り出される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで従来の燃料電池／ガスタービン複合発電プラントでは、燃料電池１０の温度が適正な運転温度を越えて過熱するのを防止するため、燃料電池１０に多量の空気を供給して冷却をしている。例えば、燃料電池１０において発電に必要な空気量１に対して、その７倍の量の空気を燃料電池１０に供給して冷却をしている場合もある。
このように、発電に寄与しない多量の冷却空気を供給しているため、圧縮機２１の動力が大きくなり、発電プラント全体としての発電効率が阻害されていた。
例えば、空気利用率が１／７≒０．１４の場合、供給した空気のうち６／７は冷却にのみ使用されて発電には寄与しない。
【０００７】
例えば、積層型のＳＯＦＣでは、電解質膜（YSZ ）と燃料極（Ni/YSZサーメット）と空気極（LaSrMnO3）の薄膜３層からなる平坦な電解質膜と、インターコネクタ（LaMgCrO3) から構成されており、電解質膜とインターコネクタとの間に空気通路や燃料通路が形成されているが、冷却用通路は形成されていない。
また、円筒横縞型ＳＯＦＣでは、多孔質のセラミックス基体管の表面に発電素子を形成し、基体管の内側と外側に、燃料と空気をそれぞれ流す構造となっているが、冷却用通路は形成されていない。
更に、積層型ＳＯＦＣや円筒横縞型ＳＯＦＣに、冷却用通路を付加して構成することは、必要性が認識されず、構造的に見ても困難であった。
【０００８】
また、多数のセルを積層したスタック（燃料電池本体）を組み立てる際には、セル間にガスシールを施す必要があると共に、セル間隔を一定にする必要がある。このため、セルを積層してスタックを組み立てるには、熟練を要していた。
なお、作動に必要な圧縮空気等を用いて燃料電池装置を冷却する従来技術としては、特開２００１−３５１６６３や、特開２００１−３５７８６０がある。
【０００９】
本発明は、上記従来技術に鑑み、組み立てが容易であると共に、燃料電池に送る空気量を大幅に減少することができる燃料電池用電解質膜に工夫を加え、冷却流体通路付き燃料電池を提供することを目的とする。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００１−３５１６６３号公報
【特許文献２】
特開２００１−３５７８６０号公報
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の燃料電池用電解質膜の構成は、燃料電池に組み込まれた際に空気通路と燃料通路との境界となる電解質膜であって、
その断面形状は、前記空気通路と前記燃料通路とを対向させその境界面において、前記空気通路と前記燃料通路とが交互に相手側の通路に入り込むように、屈曲ないし湾曲した断面形状となっていることを特徴とする。
【００１２】
また本発明の燃料電池の構成は、筺体の内部に電解質膜を配置することにより、前記筺体の内部空間を２つの流体通路に仕切り分けした燃料電池であって、
その断面形状は、２つの前記流体通路を対向させその境界面において、前記流体通路の一方と他方が交互に相手側の通路に入り込むように、屈曲ないし湾曲した断面形状となっていることを特徴とする。
【００１３】
また本発明の冷却流体通路付き燃料電池の構成は、筺体の内部に電解質膜を配置することにより、前記筺体の内部空間を２つの流体通路に仕切り分けした燃料電池であって、
前記電解質膜の断面形状は、２つの前記流体通路を対向させその境界面において、前記流体通路の一方と他方が交互に相手側の通路に入り込むように、屈曲ないし湾曲した断面形状となっており、
一方の流体通路は第１の分流壁により、電解質膜に沿う空気通路と、電解質膜とは反対側の第１の冷却流体通路とに仕切り分けされ、
他方の流体通路は第２の分流壁により、電解質膜に沿う燃料通路と、電解質膜とは反対側の第２の冷却流体通路とに仕切り分けされていることを特徴とする。
【００１４】
また本発明の燃料電池の構成は、前記第１の分流壁及び第２の分流壁は、前記電解質膜の形状に沿って屈曲ないし湾曲した断面形状となっていたり、
第１の冷却流体通路には、空気が流通され、第２の冷却流体通路には、燃料が流通されたり、
第１の冷却流体通路には、燃料電池の排熱により加熱された空気が流通され、前記空気通路には、第１の冷却流体通路を通過してきた空気が流通し、第２の冷却流体通路には、燃料電池の排熱により加熱された燃料が流通され、前記燃料通路には、第２の冷却流体通路を通過してきた燃料が流通したり、
第１の冷却流体通路には、大気を圧縮した圧縮機吐出のままの空気が流通され、前記空気通路には、第１の冷却流体通路を通過したのち燃料電池の排熱により加熱された空気が流通し、第２の冷却流体通路には、燃料源から供給される燃料が流通され、前記燃料通路には、第２の冷却流体通路を通過してきてから燃料電池の排熱により加熱された燃料が流通したり、
第１の冷却流体通路及び第２の冷却流体通路には、大気を圧縮した圧縮機吐出のままの空気が流通されたり、
第２の冷却流体通路には、大気から取り込んだ圧縮空気が流通され、第１の冷却流体通路には、第２の冷却流体通路を通過してきた空気が流通されることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００１６】
＜燃料電池用電解質膜及び燃料電池の実施の形態＞
図１で本発明の基本構想を示す。燃料電池５０は、筺体５１の内部に、燃料電池用の電解質膜（電解質膜単独および酸素透過素材の上に電解質膜を形成したものを含む、以下同様）５２を配置して筺体５１の内部空間を、空気通路ＰＡと燃料通路ＰＦに仕切り分けした構造である。換言すると、電解質膜５２が、空気通路ＰＡと燃料通路ＰＦとの境界面となっている。そして、空気通路ＰＡには空気が流れ、燃料通路ＰＦには燃料が流れる。空気及び燃料の流れ方向は、図１において紙面に対して垂直方向である。なお、筺体５１の実際の厚さはｍｍ級であり、電解質膜５２の実際の厚さは例えば５００μｍであるが、図では、理解を容易にするため、厚く描いている。他の図でも状況は同様である。
【００１７】
電解質膜５２の断面形状（空気及び燃料の流れ方向に対して直交する面での断面形状）は、屈曲することにより所謂「凹凸形」または所謂「櫛形」になっている。つまり、電解質膜５２の断面形状は、空気通路ＰＡ側と燃料通路ＰＦ側との間で複数回往復するように屈曲している。このように電解質膜５２の断面形状が、櫛形になっているので、空気通路ＰＡと燃料通路ＰＦは、交互に相手側通路に入り込むようになっている。
【００１８】
電解質膜５２は、セラミックスにより全体が一体に成形されて、櫛形になっている。したがって、この１つの電解質膜５２により、従来の積層型燃料電池本体に備える複数枚（この例では６枚）の電解質膜に相当する機能を有していることになる。このように、電解質膜５２は、全体が一体に成形されたものであるため、この電解質膜５２を筺体５１に組み込むだけで、簡単に燃料電池５０を構成することができる。しかも、セル間距離ΔＬは成形時に固定されるので変動することなく、また、セル間にシール材を施さないため、従来のセル間のシール施工の不均一を回避することができる。したがって、熟練者でなくても、簡単に組み立てができ、セル間距離ΔＬが一定で、しかも、シール性が破損する恐れのない高品質な燃料電池５０を製造することができる。
【００１９】
なお、図１の電解質膜５２の断面形状は、空気通路ＰＡ側と燃料通路ＰＦ側との間で複数回往復するような櫛形となっているが、空気通路ＰＡ側と燃料通路ＰＦ側との間で１往復するような「コ字形」であってもよい。
また、電解質膜５２の断面形状は、所謂「ジクザグ形」や「蛇腹形」であってもよい。更に、屈曲した断面形状ばかりでなく、波状に湾曲した断面形状の物であってもよい。つまり、この図１では「燃料通路と空気通路が対向して、お互いの通路に入り込む形状」を基本としている。なお、電解質膜５２の各種の断面形状については、後述する。
【００２０】
なお、部品としては、組み立てが完了した形態の燃料電池５０を一体として見る場合の他、電解質膜５２の単体を部品として見て、筺体５１の中に電解質膜５２を組み込む形態も取り扱う。
【００２１】
＜後冷却型(After-Cooling) の冷却流体通路付き燃料電池の実施の形態＞
図２（ａ）は本発明の実施の形態に係る、後冷却型(After-Cooling) の冷却流体通路付き燃料電池６０の一例を示す断面図である。この燃料電池６０は、ＳＯＦＣ型の燃料電池であり、筺体６１の内部に電解質膜６２が配置されて、筺体６１の内部空間が２つに仕切り分けされている。
【００２２】
更に詳述すると、筺体６１は、断面コ字形の筺体部材６１ａと、板状の筺体部材６１ｂとが組み合わさって構成されている。電解質膜６２は、セラミックス等により全体が一体に成形されており、図１に示す電解質膜５２と同じ形状、つまり、断面形状が所謂「凹凸形」または所謂「櫛形」になっている。このような電解質膜６２を筺体６１の内部に配置することにより、電解質膜６２が境界となって、図２（ａ）において、筺体６１の内部空間が、左側の流体通路と、右側の流体通路に仕切り分けされている。しかも、電解質膜６２の断面形状が、櫛形になっているので、左側の流体通路と右側の流体通路は、交互に相手側の流体通路に入り込むようになっている。
【００２３】
図２（ａ）において、電解質膜６２により仕切り分けされた左側の流体通路には、電解質膜６２の形状に沿った形状の分流壁ＳＡが備えられており、この分流壁ＳＡにより、左側の流体通路が、空気通路ＰＡと冷却空気通路ＰＰＡとに仕切り分けされている。
また、電解質膜６２により仕切り分けされた右側の流体通路には、電解質膜６２の形状に沿った形状の分流壁ＳＦが備えられており、この分流壁ＳＦにより、右側の流体通路が、燃料通路ＰＦと冷却燃料通路ＰＰＦとに仕切り分けされている。
この場合、空気通路ＰＡと燃料通路ＰＦが電解質膜６２側に位置し、冷却空気通路ＰＰＡと冷却燃料通路ＰＰＦが電解質膜６２とは反対側に位置している。
【００２４】
このため、電解質膜６２を空気通路ＰＡと燃料通路ＰＦとで挟み、更に、これら電解質膜６２，空気通路ＰＡ，燃料通路ＰＦを、冷却空気通路ＰＰＡと冷却燃料通路ＰＰＦとで囲む構造が構成されている。
また、分流壁ＳＡ，ＳＦの寸法や形状により電解質膜６２の流体条件（流速他）を調整することができる。
【００２５】
また、分流壁ＳＡには、空気出口ＯＡが形成されている。この空気出口ＯＡは周辺からのまわりこみの他、図２（ａ）のθ部を抽出して示す図２（ｂ）の空気出口ＯＡ１のようにして吹き出すことも可能である。この空気出口ＯＡは、空気の流通方向の下流に位置し、紙面に対して垂直方向に流通するときは、例えば、筺体内部空間の奥の位置に形成されている。この空気出口ＯＡは周辺からのまわりこみの他、図２（ａ）のθ部を抽出して示す図２（ｂ）の空気出口ＯＡ１のようにして吹き出すことも可能である。
一方、分流壁ＳＦには、燃料出口ＯＦが形成されている。この燃料出口ＯＦは、燃料の流通方向（図２では紙面に対して垂直方向）に関して、例えば、筺体内部空間の奥の位置に形成されている。
【００２６】
なお、図２（ａ）の電解質膜６２の断面形状は、空気通路ＰＡ側と燃料通路ＰＦ側との間で複数回往復するような櫛形となっているが、空気通路ＰＡ側と燃料通路ＰＦ側との間で１往復するような「コ字形」であってもよい。
また、電解質膜６２の断面形状は、所謂「ジクザグ形」や「蛇腹形」であってもよい。更に、屈曲した断面形状ばかりでなく、波状に湾曲した断面形状の物であってもよい。
更に、分流壁ＳＡ，ＳＦの形状は自由で、必ずしも、電解質膜６２の形状に沿ったものでなくてもよい。
【００２７】
ここで、冷却流体通路付き燃料電池６０の組み立て方法の一例を、分解斜視図である図３を参照して説明する。同図に示すように、筺体部材６１ａと電解質膜６２と、分流壁ＳＡとを予め組み付けて、第１のパーツとしておく。また、筺体部材６１ｂと分流壁ＳＦとを予め組み付けて、第２のパーツとしておく。そして、第１のパーツと第２のパーツを上下方向（α方向）にスライドさせて両パーツを組み込むことにより、燃料電池６０を組み立てることができる。
【００２８】
このようにスライドさせて組み込むだけで、簡単に製造することができる。しかも、従来技術の６枚の電解質膜（セル）に相当する電解質膜６２全体が、一体に形成されているため、セル間のシールが不要であり、シール性破損の恐れなく信頼性が高い。セル間シールが不要であるため、装置全体としてのシール箇所は、従来装置に比べて少なくすることができ、組立・装置化（分解・点検・再組立）が容易にできる。
【００２９】
なお、図３では、理解を容易にするため一例を示しているが、図３において筺体部材６１ｂの上端面Ａ，筺体部材６１ａの下端面Ｂに位置する筺体部材を備えている。また、組み立て方法はこの方法に限るものではなく、また、電解質膜６２のセル数、筺体６１の形状や構造、分流壁ＳＡ，ＳＦの形状や構造は図示したものに限らないことは勿論である。
【００３０】
以上の構成の冷却流体通路付き燃料電池６０において、空気と燃料の流通態様を以下に示す。
【００３１】
空気はまず、冷却空気通路ＰＰＡに投入される。投入方法はどのような方法であってもよい。また投入位置は、例えば、空気の流通方向（図２では紙面に対して垂直方向）に関して筺体内部空間の手前側の位置とする。投入された空気ａ２は、冷却空気通路ＰＰＡの内部を、平面方向（ａ２２）に移動するとともに、空気の流通方向に関して手前側から奥側に向かって進む。空気ａ２は凹部の先端に投入するなど冷却を高める投入位置は自由に採用できるものとする。そして、空気の流通方向に関して奥に達したら、空気出口ＯＡを通って、空気ａ２は空気通路ＰＡ側に供給される。
【００３２】
空気通路ＰＡ側に供給された空気を符号「ａ３」で示す。この空気ａ３は、空気通路ＰＡの内部を、平面方向（ａ３３）に移動するとともに、空気の流通方向に関して奥側から手前側に向かって進む。そして、空気の流通方向に関して手前側に達したら外部に排出される。外部に排出される空気を符号「ａ４」で示している。排出箇所及び排出方法はどのような方法であってもよい。
【００３３】
燃料はまず、冷却燃料通路ＰＰＦに投入される。投入方法はどのような方法であってもよい。また投入位置は、例えば、燃料の流通方向（図２では紙面に対して垂直方向）に関して筺体内部空間の手前側の位置とする。投入された燃料ｆ２は、冷却燃料通路ＰＰＦの内部を、平面方向（ｆ２２）に移動するとともに、燃料の流通方向に関して手前側から奥側に向かって進む。そして、燃料の流通方向に関して奥に達したら、燃料出口ＯＦを通って、燃料は燃料通路ＰＦ側に供給される。
【００３４】
燃料通路ＰＦ側に供給された空気を符号「ｆ３」で示す。この燃料ｆ３は、燃料通路ＰＦの内部を、平面方向（ｆ３３）に移動するとともに、燃料の流通方向に関して奥側から手前側に向かって進む。そして、燃料の流通方向に関して手前側に達したら外部に排出される。外部に排出される燃料を符号「ｆ４」で示している。排出方法はどのような方法であってもよい。
【００３５】
電解質膜６２を挟む空気通路ＰＡと燃料通路ＰＦに、空気ａ３と燃料ｆ３が流通する過程で電気化学反応にて発電が行われる。この発電に伴い熱が発生するが、発熱する発電部分（電解質膜６２，空気通路ＰＡ，燃料通路ＰＦ）は、これらを取り巻く冷却空気通路ＰＰＡと冷却燃料通路ＰＰＦを流れる空気ａ２と燃料ｆ２によって冷却される。この冷却によって、供給する空気量は、発電に必要な量だけ、若しくは、発電に必要な量に若干量を加えた量だけでよく、冷却のための多量の空気を供給する必要はない。また、空気ａ３と燃料ｆ３の流路には、紙面に垂直方向に「均一なすき間」や「多孔列」など種々の開口部形状を設けて均一に流す他、各種の方法が存在する。つまり、例示した方向に限らない。
【００３６】
また、電解質膜６２は櫛形となっているため、電解質膜６２に発生した熱応力は、電解質膜６２の僅かな形状変化により良好に分散することができる。
【００３７】
このような冷却流体通路付き燃料電池６０を用いて構成した、燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを、図４に示す。図４において、Ｃは圧縮機、Ｔはタービン、ＡＢは後置燃焼器、ＨＲＳＧは排熱回収ボイラ、ＧＥＮは発電機である。また、後置燃焼器ＡＢとタービンＴとの間に燃焼器を介在させるようにしてもよい。なお、冷却流体通路付き燃料電池６０は概念的に示している。
【００３８】
図４に示すように、燃料電池６０から排出された高温の排出空気及び排出燃料は、後置燃焼器ＡＢを通過してからタービンＴに送られ、更にタービン排気からは排熱回収ボイラＨＲＳＧにて排熱が回収されるようになっている。
【００３９】
圧縮機Ｃから供給された圧縮空気ａ１は、後置燃焼器ＡＢに配置した伝熱管（群）を通過することにより、高温の排出空気及び排出燃料の顕熱及び燃焼熱により加熱される。加熱された空気ａ２は、燃料電池６０の冷却空気通路ＰＰＡを通過し、このときに空気ａ２により燃料電池６０の冷却が行われる。冷却空気通路ＰＰＡを通過して空気出口ＯＡから出た空気ａ３は、今度は空気通路ＰＡを通過しつつ発電に寄与し、通過して排出された空気ａ４は後置燃焼器ＡＢに送られる。
【００４０】
燃料ｆ１は、後置燃焼器ＡＢに配置した伝熱管（群）を通過することにより、高温の排出空気及び排出燃料の顕熱及び燃焼熱により加熱される。加熱された燃料ｆ２は、燃料電池６０の冷却燃料通路ＰＰＦを通過し、このときに燃料ｆ２により燃料電池６０の冷却が行われる。冷却燃料通路ＰＰＦを通過して燃料出口ＯＦから出た燃料ｆ３は、今度は燃料通路ＰＦを通過しつつ発電に寄与し、通過して排出された燃料ｆ４は後置燃焼器ＡＢに送られる。
【００４１】
図４に示す燃料電池／ガスタービン複合発電プラントでは、冷却用の空気ａ２及び冷却用の燃料ｆ２は、後置燃焼器ＡＢにて途中温度に加熱されているため、空気ａ１や燃料ｆ１を低温のままで投入するよりは、冷却面（分流壁ＳＡ，ＳＦ）での熱応力を小さく抑制できるという利点がある。
【００４２】
また、発電用の空気ａ３は、後置燃焼器ＡＢの伝熱管（群）及び冷却空気通路ＰＰＡを経由して温度上昇し、発電用の燃料ｆ３は、後置燃焼器ＡＢの伝熱管（群）及び冷却燃料通路ＰＰＦを経由して温度上昇するように作動させることにより、発電部分（電解質膜６２，空気通路ＰＡ，燃料通路ＰＦ）を、発電に好適な運転温度（例えば１０００°Ｃ）に維持する。
【００４３】
更に、圧縮機Ｃから送る空気ａ１の量は、燃料電池６０において、発電に必要な量だけ、若しくは、発電に必要な量に若干量を加えた量だけでよいため、圧縮機Ｃから吐出する空気量を減らすことができる。圧縮機Ｃの駆動力を発電総出力に対して下げることができるため、発電プラント全体としての効率が向上する。
【００４４】
＜先冷却型(Pre-Cooling) の冷却流体通路付き燃料電池の実施の形態＞
図５は本発明の実施の形態に係る、先冷却型(Pre-Cooling) の冷却流体通路付き燃料電池７０の一例を示す断面図である。この燃料電池７０は、ＳＯＦＣ型の燃料電池であり、筒状の筺体７１の内部に電解質膜７２が配置されて、筺体７１の内部空間が２つに仕切り分けされている。
【００４５】
更に詳述すると、筺体７１は、断面コ字形の筺体部材７１ａと、板状の筺体部材７１ｂとが組み合わさって構成されている。電解質膜７２は、セラミックス等により全体が一体に成形されており、図１に示す電解質膜５２と同じ形状、つまり、断面形状が所謂「凹凸形」または所謂「櫛形」になっている。このような電解質膜７２を筺体７１の内部に配置することにより、電解質膜７２が境界となって、図５において、筺体７１の内部空間が、左側の流体通路と、右側の流体通路に仕切り分けされている。しかも、電解質膜７２の断面形状が、櫛形になっているので、左側の流体通路と右側の流体通路は、交互に相手側の流体通路に入り込むようになっている。
【００４６】
図５において、電解質膜７２により仕切り分けされた左側の流体通路には、電解質膜７２の形状に沿った形状の分流壁ＳＡが備えられており、この分流壁ＳＡにより、左側の流体通路が、空気通路ＰＡと冷却空気通路ＰＰＡとに仕切り分けされている。
また、電解質膜７２により仕切り分けされた右側の流体通路には、電解質膜７２の形状に沿った形状の分流壁ＳＦが備えられており、この分流壁ＳＦにより、右側の流体通路が、燃料通路ＰＦと冷却燃料通路ＰＰＦとに仕切り分けされている。 この場合、空気通路ＰＡと燃料通路ＰＦが電解質膜７２側に位置し、冷却空気通路ＰＰＡと冷却燃料通路ＰＰＦが電解質膜７２とは反対側に位置している。
【００４７】
このため、電解質膜７２を空気通路ＰＡと燃料通路ＰＦとで挟み、更に、これら電解質膜７２，空気通路ＰＡ，燃料通路ＰＦを、冷却空気通路ＰＰＡと冷却燃料通路ＰＰＦとで囲む構造が構成されている。
また、分流壁ＳＡ，ＳＦの寸法や形状により電解質膜７２の流体条件（流速他）を調整することができる。
【００４８】
なお、この冷却通路付き燃料電池７０では、図２に示す冷却通路付き燃料電池６０とは異なり、冷却空気通路ＰＰＡから空気通路ＰＡに空気が直接流れ込む空気出口は無く、また、冷却燃料通路ＰＰＦから燃料通路ＰＦに燃料が直接流れ込む燃料出口も無い。
【００４９】
なお、図５の電解質膜７２の断面形状は、空気通路ＰＡ側と燃料通路ＰＦ側との間で複数回往復するような櫛形となっているが、空気通路ＰＡ側と燃料通路ＰＦ側との間で１往復するような「コ字形」であってもよい。
また、電解質膜７２の断面形状は、所謂「ジクザグ形」や「蛇腹形」であってもよい。更に、屈曲した断面形状ばかりでなく、波状に湾曲した断面形状の物であってもよい。
更に、分流壁ＳＡ，ＳＦの形状は、必ずしも、電解質膜７２の形状に沿ったものでなくてもよい。
【００５０】
ここで、冷却流体通路付き燃料電池７０の組み立て方法の一例を、分解斜視図である図６を参照して説明する。同図に示すように、筺体部材７１ａと、分流壁ＳＡを予め組み付けて、第１のパーツとしておく。また、筺体部材７１ｂと分流壁ＳＦと電解質膜７２とを予め組み付けて、第２のパーツとしておく。そして、第１のパーツと第２のパーツを水平方向（β方向）にスライドさせて両パーツを組み込むことにより、燃料電池７０を組み立てることができる。
【００５１】
このようにスライドさせて組み込むだけで、簡単に製造することができる。しかも、従来技術の６枚の電解質膜（セル）に相当する電解質膜７２全体が、一体に形成されているため、セル間のシールが不要であり、シール性破損の恐れなく信頼性が高い。セル間シールが不要であるため、装置全体としてのシール箇所は、従来装置に比べて少なくすることができ、組立・装置化（分解・点検・再組立）が容易にできる。
【００５２】
なお、組み立て方法はこの方法に限るものではなく、また、電解質膜７２のセル数、筺体７１の形状や構造、分流壁ＳＡ，ＳＦの形状や構造は図示したものに限らないことは勿論である。
【００５３】
このような構成となっている冷却流体通路付き燃料電池７０における、空気と燃料の流通態様は次の通りである。
【００５４】
圧縮機から送り込んだ空気はまず、冷却空気通路ＰＰＡに投入される。投入方法はどのような方法であってもよい。また投入位置は、例えば、空気の流通方向（図５では紙面に対して垂直方向）に関して筺体内部空間の手前側の位置とする。投入された空気ａ１１は、冷却空気通路ＰＰＡの内部を、空気の流通方向に関して手前側から奥側に向かって進む。そして、空気の流通方向に関して奥に達したら外部に排出される。外部に排出される空気を符号「ａ１２」で示す。排出方法はどのような方法であってもよい。
【００５５】
排出された空気は、別経路（この経路の一例は図７に後述する）を通ってから、空気通路ＰＡに投入される。投入方法はどのような方法であってもよい。また投入位置は、例えば、空気の流通方向（図５では紙面に対して垂直方向）に関して筺体内部空間の手前側の位置とする。空気通路ＰＡに供給された空気を符号「ａ１３」で示す。この空気ａ１３は、空気通路ＰＡの内部を、空気の流通方向に関して奥側から手前側に向かって進む。そして、空気の流通方向に関して手前に達したら外部に排出される。外部に排出される空気を符号「ａ１４」で示している。排出方法はどのような方法であってもよい。
【００５６】
燃料源から供給された燃料はまず、冷却燃料通路ＰＰＦに投入される。投入方法はどのような方法であってもよい。また投入位置は、例えば、燃料の流通方向（図５では紙面に対して垂直方向）に関して筺体内部空間の手前側の位置とする。投入された燃料ｆ１１は、冷却燃料通路ＰＰＦの内部を、燃料の流通方向に関して手前側から奥側に向かって進む。そして、燃料の流通方向に関して奥に達したら外部に排出される。外部に排出される燃料を符号「ｆ１２」で示す。排出方法はどのような方法であってもよい。
【００５７】
排出された燃料は、別経路（この経路の一例は図７に後述する）を通ってから、燃料通路ＰＦに投入される。投入方法はどのような方法であってもよい。また投入位置は、例えば、燃料の流通方向（図５では紙面に対して垂直方向）に関して筺体内部空間の手前側の位置とする。燃料通路ＰＦに供給された燃料を符号「ｆ１３」で示す。この燃料ｆ１３は、燃料通路ＰＦの内部を、燃料の流通方向に関して奥側から手前側に向かって進む。そして、燃料の流通方向に関して手前に達したら外部に排出される。外部に排出される燃料を符号「ｆ１４」で示している。排出方法はどのような方法であってもよい。
【００５８】
電解質膜７２を挟む空気通路ＰＡと燃料通路ＰＦに、空気ａ１３と燃料ｆ１３が流通する過程で電気化学反応にて発電が行われる。この発電に伴い熱が発生するが、発熱する発電部分（電解質膜７２，空気通路ＰＡ，燃料通路ＰＦ）は、これらを取り巻く冷却空気通路ＰＰＡと冷却燃料通路ＰＰＦを流れる、空気ａ１１と燃料ｆ１１とで冷却される。したがって、効果的に冷却が行われることとなり、供給する空気量は、発電に必要な量だけ、若しくは、発電に必要な量に若干量を加えた量だけでよく、冷却のための多量の空気を供給する必要はない。また空気と燃料の投入位置・排出位置と２流体の流れの方向は自由で、電解質膜７２の冷却に有効な条件で決定する。
【００５９】
また、電解質膜７２は櫛形となっているため、電解質膜７２に発生した熱応力は、電解質膜７２の僅かな形状変化により良好に分散することができる。
【００６０】
このような冷却流通通路付き燃料電池７０を用いて構成した、燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを、図７に示す。図７において、Ｃは圧縮機、Ｔはタービン、ＡＢは後置燃焼器、ＨＲＳＧは排熱回収ボイラ、ＧＥＮは発電機である。また、後置燃焼器ＡＢとタービンＴとの間に燃焼器を介在させるようにしてもよい。なお、冷却流体通路付き燃料電池７０は概念的に示している。
【００６１】
図７に示すように、燃料電池７０から排出された高温の排出空気及び排出燃料は、後置燃焼器ＡＢを通過してからタービンＴに送られ、更にタービン排気からは排熱回収ボイラＨＲＳＧにて排熱が回収されるようになっている。
【００６２】
大気から取り込まれて圧縮機Ｃにより圧縮された圧縮空気ａ１１は、まず、燃料電池７０の冷却空気通路ＰＰＡに供給されて、冷却空気通路ＰＰＡを通過する際に、燃料電池７０の冷却を行い、自らは昇温する。冷却空気通路ＰＰＡから排出された空気ａ１２は、後置燃焼器ＡＢに配置された伝熱管（群）を通過することにより、高温の排出空気（ａ１４）及び排出燃料（ｆ１４）により加熱される。加熱された空気ａ１３は、空気通路ＰＡに供給され、発電に寄与する。空気通路ＰＡから排出された空気ａ１４は、後置燃焼器ＡＢに送られる。
【００６３】
一方、燃料源から供給された燃料ｆ１１は、まず、燃料電池７０の冷却燃料通路ＰＰＦに供給されて、冷却燃料通路ＰＰＦを通過する際に、燃料電池７０の冷却を行い、自らは昇温する。冷却燃料通路ＰＰＦから排出された燃料ｆ１２は、後置燃焼器ＡＢに配置された伝熱管（群）を通過することにより、高温の排出空気（ａ１４）及び排出燃料（ｆ１４）により加熱される。加熱された燃料ｆ１３は、燃料通路ＰＦに供給され、発電に寄与する。燃料通路ＰＦから排出された燃料ｆ１４は、後置燃焼器ＡＢに送られる。
【００６４】
図７に示す燃料電池／ガスタービン複合発電プラントでは、圧縮された空気ａ１１と燃料源から供給されてきた燃料ｆ１１が、まず、燃料電池７０の冷却空気通路ＰＰＡ及び冷却燃料通路ＰＰＦに供給される。空気ａ１１の温度は例えば３５０°Ｃ程度であり、燃料ｆ１１の温度はほぼ常温であり、このように両者の温度が低いので（燃料電池の運転温度である１０００°Ｃに比べて大幅に温度が低いので）、冷却面（分流壁ＳＡ，ＳＦ）の面積が小さくても、効率的な冷却ができるという利点がある。
【００６５】
また、発電用の空気ａ１３は、冷却空気通路ＰＰＡ及び後置燃焼器ＡＢを通過することにより温度上昇し、発電用の燃料ｆ１３は、冷却燃料通路ＰＰＦ及び後置燃焼器ＡＢを通過することにより温度上昇している。このため、発電部分（電解質膜６２，空気通路ＰＡ，燃料通路ＰＦ）を、発電に好適な運転温度（例えば１０００°Ｃ）に維持することが容易にできる。
【００６６】
更に、圧縮機Ｃから送る空気ａ１１の量は、燃料電池７０において、発電に必要な量だけ、若しくは、発電に必要な量に若干量を加えた量だけでよいため、圧縮機Ｃの駆動力を下げることができる。この駆動力は発電機総出力に対して低くできるため、発電プラント全体としての効率が向上する。
【００６７】
＜ダブル先冷却型(Double Pre-Cooling)の冷却流体通路付き燃料電池の実施の形態＞
図８は本発明の実施の形態に係る、ダブル先冷却型(Double Pre-Cooling)の冷却流体通路付き燃料電池７０Ａの一例を示す断面図である。この燃料電池７０Ａの機械的構造は、図５に示す燃料電池７０と同じであるが、流路の使用態様を異ならせている。つまり、図５に示す冷却空気通路ＰＰＡを第１の冷却空気通路ＰＰＡ１とし、図５に示す冷却燃料通路ＰＰＦを第２の冷却空気通路ＰＰＡ２として使用するようにしたものである。
【００６８】
このような冷却流通通路付き燃料電池７０Ａを用いて構成した、燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを、図９に示す。図９において、Ｃは圧縮機、Ｔはタービン、ＡＢは後置燃焼器、ＨＲＳＧは排熱回収ボイラ、ＧＥＮは発電機、ＣＣは燃焼器である。なお燃焼器ＣＣを用いなくてもよい場合があり、燃焼器ＣＣを用いるか否かは、システム全体の熱バランスにより決定する。また、冷却流体通路付き燃料電池７０Ａは概念的に示している。
【００６９】
図９に示すように、燃料電池７０Ａから排出された高温の排出空気（ａ２７）及び排出燃料（ｆ２３）は、後置燃焼器ＡＢで燃焼してから改めて燃焼器ＣＣに投入される燃料で再燃されてから、タービンＴに送られ、更に排熱回収ボイラＨＲＳＧにて排熱が回収されるようになっている。
【００７０】
大気から取り込まれて圧縮機Ｃにより圧縮された空気ａ２１は、空気ａ２２，ａ２３に２分岐され、空気ａ２２は燃料電池７０Ａの冷却空気通路ＰＰＡ１に供給されて、冷却空気通路ＰＰＡ１を通過する際に燃料電池７０Ａの冷却を行い、空気ａ２３は燃料電池７０Ａの冷却空気通路ＰＰＡ２に供給されて、冷却空気通路ＰＰＡ２を通過する際に燃料電池７０Ａの冷却を行う。冷却空気通路ＰＰＡ１，ＰＰＡ２から排出された空気ａ２４，ａ２５は、合流してから後置燃焼器ＡＢに配置された伝熱管（群）を通過することにより、高温の排出空気及び排出燃料の顕熱及び燃焼熱により加熱される。加熱された空気ａ２６は、空気通路ＰＡに供給され、発電に寄与する。空気通路ＰＡから排出された空気ａ２７は、後置燃焼器ＡＢに送られる。
【００７１】
燃料源から供給された燃料ｆ２１は、後置燃焼器ＡＢに配置された伝熱管（群）を通過することにより、高温の排出空気及び排出燃料の顕熱及び燃焼熱により加熱される。加熱された燃料ｆ２２は、燃料電池７０Ａの燃料通路ＰＦに供給され、発電に寄与する。燃料通路ＰＦから排出された燃料ｆ２３は、後置燃焼器ＡＢに送られる。
【００７２】
図９に示す燃料電池／ガスタービン複合発電プラントに組み込んだ燃料電池７０Ａは、２系統の空気ａ２２，ａ２３により冷却される。しかも、空気流量はシステムバランス上、燃料よりも多いため、より効率的な冷却を実現することができる。つまり、発熱量の多い燃料通路ＰＦの冷却を、冷却能力の大きな空気により冷却することができ、また燃料流量に支配されないので、冷却設計の自由度が高くなる。
【００７３】
なお、図８に示す燃料電池７０Ａに、更に、後置燃焼器ＡＢに供給する前の燃料を通過させる、燃料冷却通路を付加するようにしてもよい。
【００７４】
＜先後冷却型の冷却流体通路付き燃料電池の実施の形態＞
図１０は本発明の実施の形態に係る、先後冷却型の冷却流体通路付き燃料電池７０Ｂの一例を示す断面図である。この燃料電池７０Ｂの機械的構造は、図８に示す燃料電池７０Ａの一部を変形したものである。即ち、燃料電池７０Ａに、分流壁ＳＡに空気出口ＯＡを付加したものが、燃料電池７０Ｂである。燃料電池７０Ｂの他の部分の構成は、燃料電池７０Ａと同じである。
【００７５】
図１１に燃料電池７０Ｂを用いた燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを示す。この燃料電池７０Ｂでは、大気から取り込まれて圧縮機Ｃにより圧縮された空気（ａ２３）を、まず冷却空気通路ＰＰＡ２に通し、燃料電池７０Ｂの冷却を行う。冷却空気通路ＰＰＡ２を通過してきた空気（ａ２５）は、外部に取り出され後置燃焼器ＡＢに配置された伝熱管（群）にて加熱される。後置燃焼器ＡＢに配置された伝熱管（群）にて加熱された空気（ａ２６）は、冷却空気通路ＰＰＡ１に通され、燃料電池７０Ｂの冷却を行う。冷却空気通路ＰＰＡ１を通過した空気（ａ２２）は、空気出口ＯＡ（図２）を通って空気通路ＰＡ（図２）に入り、発電に寄与し、空気通路ＰＡを通過してきた空気（ａ２７）は、外部に排出される。一方、燃料通路ＰＦには燃料が流通される。
【００７６】
＜電解質膜の各種形状＞
図１，図２，図５，図８，図１０に示す電解質膜５２，６２，７２の断面形状は、いわゆる「櫛形」（角隅形状：図１２（ｅ））になっているが、これに限るものではなく、「多段折れ」構造（corrugation ）になっていれば、あらゆる形状のものを使用することができる。例えば、図１２（ａ）に示すような丸隅形状であっても、図１２（ｂ）に示すような傾斜形状であっても、図１２（ｃ）に示すような混合形状であっても、図１２（ｄ）に示すような二重波形形状であってもよい。もちろん、図１２（ａ）〜（ｄ）は例示であり、これ以外の形状であってもよい。
【００７７】
図１２（ｄ）に示す二重波形形状では、図１２（ｅ）に示すような縞状や、図１２（ｆ）に示すようなディンプル状の表面形状を併用することができる。この二重波形形状では、電解質膜の表面積を増やすことができ、また、変形に対する柔軟性も向上するのでコンパクト性（高密度配置）に優れている。
【００７８】
結局、
(1) 本発明の電解質膜１枚で、従来の板状の電解質膜を多層にしたのと同じ構成を実現でき、
(2) 本発明の電解質膜は、温度分布，応力分布が生じても拘束箇所を遠ざけているので破壊しにくく、
(3) 本発明の電解質膜は、分流壁ＳＡ，ＳＦの形態にあわせて自由に造形することができる。
【００７９】
＜分流壁の端末形状＞
次に、図２，図５，図８，図１０に示す冷却流体通路付き燃料電池６０，７０，７０Ａ，７０Ｂにおける分流壁ＳＦ，ＳＡの端末形状の各種例を、図１３に示す。なお、分流壁ＳＦと分流壁ＳＡは同様な構造とすることができるので、図１３（ａ）〜（ｄ）では、両分流壁ＳＦ，ＳＡを特に区別していない。また、ｆは燃料を、ａは空気を示している。勿論、図示以外の端末形状としてもよい。
【００８０】
図１３（ａ）に示すスロットタイプでは、燃料ｆ，空気ａの放出端末が溝形となっており、分流壁ＳＦ（ＳＡ）の間隔保持と壁冷却の機能を持つ多ピンＭＰを用いている。燃料ｆ，空気ａの吹出は均一である。
【００８１】
図１３（ｂ）に示すホールタイプは、端板が分流壁ＳＦ（ＳＡ）間隔を保持している。そして、燃料ｆ（空気ａ）の放出のために円孔や楕円孔、その他の「点在する孔」を形成している。燃料ｆ，空気ａの吹出は均一である。
【００８２】
図１３（ｃ）（ｄ）は、燃料ｆ，空気ａの吹出を偏流吹出とするように、吹出孔（吹出開口）の形状を工夫したものである。
【００８３】
＜分流壁の壁面形状＞
次に、図２，図５，図８，図１０に示す冷却流体通路付き燃料電池６０，７０，７０Ａ，７０Ｂにおける分流壁ＳＦ，ＳＡの壁面形状の各種例を、図１４に示す。なお、分流壁ＳＦと分流壁ＳＡは同様な構造とすることができるので、図１４（ａ）（ｂ）（ｃ）では、両分流壁ＳＦ，ＳＡを特に区別していない。また、ｃは冷却流体を、ｒは反応流体を、ＣＥは電解質膜を示している。勿論、図示以外の壁面形状としてもよい。
【００８４】
図１４（ａ）（ｂ）に示すスロットタイプ（開口なし）では、分流壁ＳＦ（ＳＡ）を冷却して流れてきた冷却流体（冷却用の燃料や空気）ｃは、開口部を出た後、電解質膜ＣＥと接して流れる反応流体（発電反応のための燃料や空気）ｒとなる。
【００８５】
図１４（ｃ）（ｄ）に示すマルチホールタイプ（開口あり）では、燃料ｆと空気ａが分流壁ＳＦ，ＳＡと電解質膜ＣＥに挟まれた流路で均一となるように多孔を分流壁ＳＦ及び／または分流壁ＳＡに明ける。
【００８６】
このようにすると、図１４（ｅ）にも示すように、電解質膜ＣＥに対して垂直方向に燃料ｆと空気ａが衝突して冷却効果を発揮するので電解質膜ＣＥの冷却能力が向上すると共に、電解質膜ＣＥから供給されるＯ2 と燃料ｆとの反応が促進される。
【００８７】
なお、例示した電解質膜形状（図１，図１２参照）、分流壁端末形状（図１３参照）、分流壁面形状（図１４参照）のそれぞれの組み合わせは任意である。また、例示していないものとの組み合わせも自由である。
【００８８】
＜電解質膜形状，分流壁端末形状，分流壁面形状を任意に組み合わせて構成した、一例としての冷却流体通路付き燃料電池＞
図１５は、電解質膜形状（図１，図１２参照），分流壁端末形状（図１３参照），分流壁面形状（図１４参照）を任意に組み合わせて構成した、一例としての冷却流体通路付き燃料電池８０を示している。図１５において、ＣＥは電解質膜、ＳＦ，ＳＡは分流壁、ＰＦは燃料通路，ＰＰＦは冷却燃料通路，ＰＡは空気通路，ＰＰＡは冷却空気通路、ｆは燃料、ａは空気である。この例では、電解質膜ＣＥは混合形状であり、分流壁ＳＦ，ＳＡには、多孔が明けられている。
【００８９】
【発明の効果】
以上実施の形態と共に具体的に説明したように本発明の電解質膜は、燃料電池に組み込まれた際に空気通路と燃料通路との境界となる電解質膜であって、前記電解質膜の断面形状は、前記空気通路と前記燃料通路とを対向させその境界面において、前記空気通路と前記燃料通路とが交互に相手側の通路に入り込むように、屈曲ないし湾曲した断面形状となっている構成とした。
このため、セル間シールが不要になる、あるいは、ごく一部の限られた部分のみに備えれば十分になると共に、組み立てが容易になる。
【００９０】
また本発明の燃料電池は、筺体の内部に電解質膜を配置することにより、前記筺体の内部空間を２つの流体通路に仕切り分けした燃料電池であって、前記電解質膜の断面形状は、２つの前記流体通路を対向させその境界面において、前記流体通路の一方と他方が交互に相手側の通路に入り込むように、屈曲ないし湾曲した断面形状となっている構成とした。
このため、セル間シールが不要になる、あるいは、ごく一部の限られた部分のみに備えれば十分になると共に、組み立てが容易になる。
【００９１】
また本発明の冷却流体通路付き燃料電池は、筺体の内部に電解質膜を配置することにより、前記筺体の内部空間を２つの流体通路に仕切り分けした燃料電池であって、前記電解質膜の断面形状は、２つの前記流体通路を対向させその境界面において、前記流体通路の一方と他方が交互に相手側の通路に入り込むように、屈曲ないし湾曲した断面形状となっており、一方の流体通路は第１の分流壁により、電解質膜側の空気通路と、電解質膜とは反対側の第１の冷却流体通路とに仕切り分けされ、他方の流体通路は第２の分流壁により、電解質膜側の燃料通路と、電解質膜とは反対側の第２の冷却流体通路とに仕切り分けされている構成とした。
このため、第１及び第２の冷却流体通路に、空気や燃料を流通させることにより、燃料電池の冷却を効果的に行うことができる。この結果、燃料電池に供給する空気量は、発電に必要な量だけですみ、供給する空気量を従来より大幅に減少することができ、発電プラントとして構成した場合におけるプラント全体としての効率が向上する。
【００９２】
また本発明の冷却流体通路付き燃料電池は、第１の分流壁及び第２の分流壁は、前記電解質膜の形状に沿って屈曲ないし湾曲した断面形状となっていたり、
第１の冷却流体通路には、空気が流通され、第２の冷却流体通路には、燃料が流通されたり、
第１の冷却流体通路には、燃料電池の排熱により加熱された空気が流通され、前記空気通路には、第１の冷却流体通路を通過してきた空気が流通し、第２の冷却流体通路には、燃料電池の排熱により加熱された燃料が流通され、前記燃料通路には、第２の冷却流体通路を通過してきた燃料が流通したり
第１の冷却流体通路には、圧縮機吐出のままの空気が流通され、前記空気通路には、第１の冷却流体通路を通過してきてから燃料電池の排熱により加熱された空気が流通し、第２の冷却流体通路には、燃料源から供給されてきた燃料が流通され、前記燃料通路には、第２の冷却流体通路を通過してきてから燃料電池の排熱により加熱された燃料が流通したり、
第１の冷却流体通路及び第２の冷却流体通路には、圧縮機吐出のままの空気が流通され、空気通路には、第１の冷却流体通路及び第２の冷却流体通路を通過してから燃料電池の排熱により加熱された空気が流通されたり、
第２の冷却通路には圧縮機吐出のままの空気が流通さ、第１の冷却通路には第２の冷却通路を通過してから燃料電池の排熱により加熱された空気が流通し、空気通路には第１の冷却通路を通過してきた空気が流通される構成とした。
このため、第１及び第２の冷却流体通路に、空気や燃料を流通させることにより、燃料電池の冷却を効果的に行うことができる。この結果、燃料電池に供給する空気量は、発電に必要な量だけですみ、供給する空気量を従来の燃料電池より大幅に減少させることができ、発電プラントとして構成した場合のプラント全体効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本構想となる、ＳＯＦＣ型の燃料電池を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る、後冷却型(After-Cooling) の冷却流体通路付き燃料電池の一例を示す断面図である。
【図３】冷却流体通路付き燃料電池の組み立て方法の一例を示す分解斜視図である。
【図４】冷却流体通路付き燃料電池を用いて構成した、燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを示す構成図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る、先冷却型(Pre-Cooling) の冷却流体通路付き燃料電池の一例を示す断面図である。
【図６】冷却流体通路付き燃料電池の組み立て方法の一例を示す分解斜視図である。
【図７】冷却流体通路付き燃料電池を用いて構成した、燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを示す構成図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る、ダブル先冷却型(Double Pre-Cooling)の冷却流体通路付き燃料電池の一例を示す断面図である。
【図９】冷却流体通路付き燃料電池を用いて構成した、燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを示す構成図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係る、先後冷却型の冷却流体通路付き燃料電池の一例を示す断面図である。
【図１１】先後冷却型の冷却流体通路付き燃料電池を用いて構成した、燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを示す構成図である。
【図１２】電解質膜の各種形状を示す構成図である。
【図１３】分流壁の端末形状の各種例を示す構成図である。
【図１４】分流壁の壁面形状の各種例を示す構成図である。
【図１５】電解質膜形状，分流壁端末形状，分流壁形状を自由に組み合わせて構成した一例としての冷却流体通路付き燃料電池を示す構成図である。
【図１６】燃料電池／ガスタービン複合発電プラントの一般的な例を示す構成図である。
【符号の説明】
５０ 燃料電池
６０，７０，７０Ａ，７０Ｂ，８０ 冷却流体通路付き燃料電池
５１，６１，７１ 筺体
５２，６２，７２ 電解質膜
ＰＡ 空気通路
ＰＦ 燃料通路
ＰＰＡ 冷却空気通路
ＰＰＦ 冷却燃料通路
ＳＡ，ＳＦ 分流壁
ＣＥ 電解質膜
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用電解質膜の形態ならびに冷却流体通路付き燃料電池に関するものであり、燃料電池の簡単な組立て構造ならびに冷却流体で燃料電池を作動させることで発電効率が向上するように工夫したものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、空気と燃料とを電解質膜を介して電気化学反応させて発電を行なう装置であり、高い効率で電気エネルギーを発生させることができる。この燃料電池から排出される排出空気や排出燃料の温度は高く、この排出空気及び排出燃料の熱で、ガスタービン発電に利用することにより、燃料電池・ガスタービン複合にて高い発電効率を得ることができる。特に、高温型燃料電池では、排出空気や排出燃料の温度が高い。高温型の燃料電池としては、作動温度が約１０００°Ｃの固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell ）や、作動温度が約６５０°Ｃの溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ：Molten carbonate Fuel Cell）がある。
【０００３】
図１６は、燃料電池とガスタービン発電装置とを組み合わせた燃料電池／ガスタービン複合発電プラントの一般的な例を示している。この燃料電池／ガスタービン複合発電プラントは、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）などの高温型の燃料電池１０と、ガスタービン発電装置２０とを組み合わせて構成されている。ガスタービン発電装置２０は、圧縮機２１と燃焼器２２とタービン２３と発電機２４を備えている。
【０００４】
圧縮機２１にて圧縮した圧縮空気は、圧縮空気ラインＬ１を通して、燃料電池１０に供給される。また、天然ガスなどの燃料は燃料ラインＬ２から燃料電池１０に供給される。燃料電池１０では、空気通路と燃料通路との間に電解質膜が配置されており、空気通路に流れる圧縮空気から電解質膜を介して酸素が燃料通路に移動し、そこを流れる燃料との電気化学反応によって発電が行なわれる。
【０００５】
燃料電池１０から排出された排出燃料及び排出空気は高温になっており、それぞれ、排出燃料ラインＬ３及び排出空気ラインＬ４を通って燃焼器２２に送られる。燃焼器２２では、排出燃料と排出空気を燃焼して高温・高圧ガスを発生し、この高温・高圧ガスを高温・高圧ガスラインＬ５を通してタービン２３に送る。高温・高圧ガスはタービン２３にて膨張して出力を発生する。このタービン出力は、発電機２４で電力として取り出される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで従来の燃料電池／ガスタービン複合発電プラントでは、燃料電池１０の温度が適正な運転温度を越えて過熱するのを防止するため、燃料電池１０に多量の空気を供給して冷却をしている。例えば、燃料電池１０において発電に必要な空気量１に対して、その７倍の量の空気を燃料電池１０に供給して冷却をしている場合もある。
このように、発電に寄与しない多量の冷却空気を供給しているため、圧縮機２１の動力が大きくなり、発電プラント全体としての発電効率が阻害されていた。
例えば、空気利用率が１／７≒０．１４の場合、供給した空気のうち６／７は冷却にのみ使用されて発電には寄与しない。
【０００７】
例えば、積層型のＳＯＦＣでは、電解質膜（YSZ ）と燃料極（Ni/YSZサーメット）と空気極（LaSrMnO3）の薄膜３層からなる平坦な電解質膜と、インターコネクタ（LaMgCrO3) から構成されており、電解質膜とインターコネクタとの間に空気通路や燃料通路が形成されているが、冷却用通路は形成されていない。
また、円筒横縞型ＳＯＦＣでは、多孔質のセラミックス基体管の表面に発電素子を形成し、基体管の内側と外側に、燃料と空気をそれぞれ流す構造となっているが、冷却用通路は形成されていない。
更に、積層型ＳＯＦＣや円筒横縞型ＳＯＦＣに、冷却用通路を付加して構成することは、必要性が認識されず、構造的に見ても困難であった。
【０００８】
また、多数のセルを積層したスタック（燃料電池本体）を組み立てる際には、セル間にガスシールを施す必要があると共に、セル間隔を一定にする必要がある。このため、セルを積層してスタックを組み立てるには、熟練を要していた。
なお、作動に必要な圧縮空気等を用いて燃料電池装置を冷却する従来技術としては、特開２００１−３５１６６３や、特開２００１−３５７８６０がある。
【０００９】
本発明は、上記従来技術に鑑み、組み立てが容易であると共に、燃料電池に送る空気量を大幅に減少することができる燃料電池用電解質膜に工夫を加え、冷却流体通路付き燃料電池を提供することを目的とする。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００１−３５１６６３号公報
【特許文献２】
特開２００１−３５７８６０号公報
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の燃料電池用電解質膜の構成は、燃料電池に組み込まれた際に空気通路と燃料通路との境界となる電解質膜であって、
その断面形状は、前記空気通路と前記燃料通路とを対向させその境界面において、前記空気通路と前記燃料通路とが交互に相手側の通路に入り込むように、屈曲ないし湾曲した断面形状となっていることを特徴とする。
【００１２】
また本発明の燃料電池の構成は、筺体の内部に電解質膜を配置することにより、前記筺体の内部空間を２つの流体通路に仕切り分けした燃料電池であって、
その断面形状は、２つの前記流体通路を対向させその境界面において、前記流体通路の一方と他方が交互に相手側の通路に入り込むように、屈曲ないし湾曲した断面形状となっていることを特徴とする。
【００１３】
また本発明の冷却流体通路付き燃料電池の構成は、筺体の内部に電解質膜を配置することにより、前記筺体の内部空間を２つの流体通路に仕切り分けした燃料電池であって、
前記電解質膜の断面形状は、２つの前記流体通路を対向させその境界面において、前記流体通路の一方と他方が交互に相手側の通路に入り込むように、屈曲ないし湾曲した断面形状となっており、
一方の流体通路は第１の分流壁により、電解質膜に沿う空気通路と、電解質膜とは反対側の第１の冷却流体通路とに仕切り分けされ、
他方の流体通路は第２の分流壁により、電解質膜に沿う燃料通路と、電解質膜とは反対側の第２の冷却流体通路とに仕切り分けされていることを特徴とする。
【００１４】
また本発明の燃料電池の構成は、前記第１の分流壁及び第２の分流壁は、前記電解質膜の形状に沿って屈曲ないし湾曲した断面形状となっていたり、
第１の冷却流体通路には、空気が流通され、第２の冷却流体通路には、燃料が流通されたり、
第１の冷却流体通路には、燃料電池の排熱により加熱された空気が流通され、前記空気通路には、第１の冷却流体通路を通過してきた空気が流通し、第２の冷却流体通路には、燃料電池の排熱により加熱された燃料が流通され、前記燃料通路には、第２の冷却流体通路を通過してきた燃料が流通したり、
第１の冷却流体通路には、大気を圧縮した圧縮機吐出のままの空気が流通され、前記空気通路には、第１の冷却流体通路を通過したのち燃料電池の排熱により加熱された空気が流通し、第２の冷却流体通路には、燃料源から供給される燃料が流通され、前記燃料通路には、第２の冷却流体通路を通過してきてから燃料電池の排熱により加熱された燃料が流通したり、
第１の冷却流体通路及び第２の冷却流体通路には、大気を圧縮した圧縮機吐出のままの空気が流通されたり、
第２の冷却流体通路には、大気から取り込んだ圧縮空気が流通され、第１の冷却流体通路には、第２の冷却流体通路を通過してきた空気が流通されることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００１６】
＜燃料電池用電解質膜及び燃料電池の実施の形態＞
図１で本発明の基本構想を示す。燃料電池５０は、筺体５１の内部に、燃料電池用の電解質膜（電解質膜単独および酸素透過素材の上に電解質膜を形成したものを含む、以下同様）５２を配置して筺体５１の内部空間を、空気通路ＰＡと燃料通路ＰＦに仕切り分けした構造である。換言すると、電解質膜５２が、空気通路ＰＡと燃料通路ＰＦとの境界面となっている。そして、空気通路ＰＡには空気が流れ、燃料通路ＰＦには燃料が流れる。空気及び燃料の流れ方向は、図１において紙面に対して垂直方向である。なお、筺体５１の実際の厚さはｍｍ級であり、電解質膜５２の実際の厚さは例えば５００μｍであるが、図では、理解を容易にするため、厚く描いている。他の図でも状況は同様である。
【００１７】
電解質膜５２の断面形状（空気及び燃料の流れ方向に対して直交する面での断面形状）は、屈曲することにより所謂「凹凸形」または所謂「櫛形」になっている。つまり、電解質膜５２の断面形状は、空気通路ＰＡ側と燃料通路ＰＦ側との間で複数回往復するように屈曲している。このように電解質膜５２の断面形状が、櫛形になっているので、空気通路ＰＡと燃料通路ＰＦは、交互に相手側通路に入り込むようになっている。
【００１８】
電解質膜５２は、セラミックスにより全体が一体に成形されて、櫛形になっている。したがって、この１つの電解質膜５２により、従来の積層型燃料電池本体に備える複数枚（この例では６枚）の電解質膜に相当する機能を有していることになる。このように、電解質膜５２は、全体が一体に成形されたものであるため、この電解質膜５２を筺体５１に組み込むだけで、簡単に燃料電池５０を構成することができる。しかも、セル間距離ΔＬは成形時に固定されるので変動することなく、また、セル間にシール材を施さないため、従来のセル間のシール施工の不均一を回避することができる。したがって、熟練者でなくても、簡単に組み立てができ、セル間距離ΔＬが一定で、しかも、シール性が破損する恐れのない高品質な燃料電池５０を製造することができる。
【００１９】
なお、図１の電解質膜５２の断面形状は、空気通路ＰＡ側と燃料通路ＰＦ側との間で複数回往復するような櫛形となっているが、空気通路ＰＡ側と燃料通路ＰＦ側との間で１往復するような「コ字形」であってもよい。
また、電解質膜５２の断面形状は、所謂「ジクザグ形」や「蛇腹形」であってもよい。更に、屈曲した断面形状ばかりでなく、波状に湾曲した断面形状の物であってもよい。つまり、この図１では「燃料通路と空気通路が対向して、お互いの通路に入り込む形状」を基本としている。なお、電解質膜５２の各種の断面形状については、後述する。
【００２０】
なお、部品としては、組み立てが完了した形態の燃料電池５０を一体として見る場合の他、電解質膜５２の単体を部品として見て、筺体５１の中に電解質膜５２を組み込む形態も取り扱う。
【００２１】
＜後冷却型(After-Cooling) の冷却流体通路付き燃料電池の実施の形態＞
図２（ａ）は本発明の実施の形態に係る、後冷却型(After-Cooling) の冷却流体通路付き燃料電池６０の一例を示す断面図である。この燃料電池６０は、ＳＯＦＣ型の燃料電池であり、筺体６１の内部に電解質膜６２が配置されて、筺体６１の内部空間が２つに仕切り分けされている。
【００２２】
更に詳述すると、筺体６１は、断面コ字形の筺体部材６１ａと、板状の筺体部材６１ｂとが組み合わさって構成されている。電解質膜６２は、セラミックス等により全体が一体に成形されており、図１に示す電解質膜５２と同じ形状、つまり、断面形状が所謂「凹凸形」または所謂「櫛形」になっている。このような電解質膜６２を筺体６１の内部に配置することにより、電解質膜６２が境界となって、図２（ａ）において、筺体６１の内部空間が、左側の流体通路と、右側の流体通路に仕切り分けされている。しかも、電解質膜６２の断面形状が、櫛形になっているので、左側の流体通路と右側の流体通路は、交互に相手側の流体通路に入り込むようになっている。
【００２３】
図２（ａ）において、電解質膜６２により仕切り分けされた左側の流体通路には、電解質膜６２の形状に沿った形状の分流壁ＳＡが備えられており、この分流壁ＳＡにより、左側の流体通路が、空気通路ＰＡと冷却空気通路ＰＰＡとに仕切り分けされている。
また、電解質膜６２により仕切り分けされた右側の流体通路には、電解質膜６２の形状に沿った形状の分流壁ＳＦが備えられており、この分流壁ＳＦにより、右側の流体通路が、燃料通路ＰＦと冷却燃料通路ＰＰＦとに仕切り分けされている。
この場合、空気通路ＰＡと燃料通路ＰＦが電解質膜６２側に位置し、冷却空気通路ＰＰＡと冷却燃料通路ＰＰＦが電解質膜６２とは反対側に位置している。
【００２４】
このため、電解質膜６２を空気通路ＰＡと燃料通路ＰＦとで挟み、更に、これら電解質膜６２，空気通路ＰＡ，燃料通路ＰＦを、冷却空気通路ＰＰＡと冷却燃料通路ＰＰＦとで囲む構造が構成されている。
また、分流壁ＳＡ，ＳＦの寸法や形状により電解質膜６２の流体条件（流速他）を調整することができる。
【００２５】
また、分流壁ＳＡには、空気出口ＯＡが形成されている。この空気出口ＯＡは周辺からのまわりこみの他、図２（ａ）のθ部を抽出して示す図２（ｂ）の空気出口ＯＡ１のようにして吹き出すことも可能である。この空気出口ＯＡは、空気の流通方向の下流に位置し、紙面に対して垂直方向に流通するときは、例えば、筺体内部空間の奥の位置に形成されている。この空気出口ＯＡは周辺からのまわりこみの他、図２（ａ）のθ部を抽出して示す図２（ｂ）の空気出口ＯＡ１のようにして吹き出すことも可能である。
一方、分流壁ＳＦには、燃料出口ＯＦが形成されている。この燃料出口ＯＦは、燃料の流通方向（図２では紙面に対して垂直方向）に関して、例えば、筺体内部空間の奥の位置に形成されている。
【００２６】
なお、図２（ａ）の電解質膜６２の断面形状は、空気通路ＰＡ側と燃料通路ＰＦ側との間で複数回往復するような櫛形となっているが、空気通路ＰＡ側と燃料通路ＰＦ側との間で１往復するような「コ字形」であってもよい。
また、電解質膜６２の断面形状は、所謂「ジクザグ形」や「蛇腹形」であってもよい。更に、屈曲した断面形状ばかりでなく、波状に湾曲した断面形状の物であってもよい。
更に、分流壁ＳＡ，ＳＦの形状は自由で、必ずしも、電解質膜６２の形状に沿ったものでなくてもよい。
【００２７】
ここで、冷却流体通路付き燃料電池６０の組み立て方法の一例を、分解斜視図である図３を参照して説明する。同図に示すように、筺体部材６１ａと電解質膜６２と、分流壁ＳＡとを予め組み付けて、第１のパーツとしておく。また、筺体部材６１ｂと分流壁ＳＦとを予め組み付けて、第２のパーツとしておく。そして、第１のパーツと第２のパーツを上下方向（α方向）にスライドさせて両パーツを組み込むことにより、燃料電池６０を組み立てることができる。
【００２８】
このようにスライドさせて組み込むだけで、簡単に製造することができる。しかも、従来技術の６枚の電解質膜（セル）に相当する電解質膜６２全体が、一体に形成されているため、セル間のシールが不要であり、シール性破損の恐れなく信頼性が高い。セル間シールが不要であるため、装置全体としてのシール箇所は、従来装置に比べて少なくすることができ、組立・装置化（分解・点検・再組立）が容易にできる。
【００２９】
なお、図３では、理解を容易にするため一例を示しているが、図３において筺体部材６１ｂの上端面Ａ，筺体部材６１ａの下端面Ｂに位置する筺体部材を備えている。また、組み立て方法はこの方法に限るものではなく、また、電解質膜６２のセル数、筺体６１の形状や構造、分流壁ＳＡ，ＳＦの形状や構造は図示したものに限らないことは勿論である。
【００３０】
以上の構成の冷却流体通路付き燃料電池６０において、空気と燃料の流通態様を以下に示す。
【００３１】
空気はまず、冷却空気通路ＰＰＡに投入される。投入方法はどのような方法であってもよい。また投入位置は、例えば、空気の流通方向（図２では紙面に対して垂直方向）に関して筺体内部空間の手前側の位置とする。投入された空気ａ２は、冷却空気通路ＰＰＡの内部を、平面方向（ａ２２）に移動するとともに、空気の流通方向に関して手前側から奥側に向かって進む。空気ａ２は凹部の先端に投入するなど冷却を高める投入位置は自由に採用できるものとする。そして、空気の流通方向に関して奥に達したら、空気出口ＯＡを通って、空気ａ２は空気通路ＰＡ側に供給される。
【００３２】
空気通路ＰＡ側に供給された空気を符号「ａ３」で示す。この空気ａ３は、空気通路ＰＡの内部を、平面方向（ａ３３）に移動するとともに、空気の流通方向に関して奥側から手前側に向かって進む。そして、空気の流通方向に関して手前側に達したら外部に排出される。外部に排出される空気を符号「ａ４」で示している。排出箇所及び排出方法はどのような方法であってもよい。
【００３３】
燃料はまず、冷却燃料通路ＰＰＦに投入される。投入方法はどのような方法であってもよい。また投入位置は、例えば、燃料の流通方向（図２では紙面に対して垂直方向）に関して筺体内部空間の手前側の位置とする。投入された燃料ｆ２は、冷却燃料通路ＰＰＦの内部を、平面方向（ｆ２２）に移動するとともに、燃料の流通方向に関して手前側から奥側に向かって進む。そして、燃料の流通方向に関して奥に達したら、燃料出口ＯＦを通って、燃料は燃料通路ＰＦ側に供給される。
【００３４】
燃料通路ＰＦ側に供給された空気を符号「ｆ３」で示す。この燃料ｆ３は、燃料通路ＰＦの内部を、平面方向（ｆ３３）に移動するとともに、燃料の流通方向に関して奥側から手前側に向かって進む。そして、燃料の流通方向に関して手前側に達したら外部に排出される。外部に排出される燃料を符号「ｆ４」で示している。排出方法はどのような方法であってもよい。
【００３５】
電解質膜６２を挟む空気通路ＰＡと燃料通路ＰＦに、空気ａ３と燃料ｆ３が流通する過程で電気化学反応にて発電が行われる。この発電に伴い熱が発生するが、発熱する発電部分（電解質膜６２，空気通路ＰＡ，燃料通路ＰＦ）は、これらを取り巻く冷却空気通路ＰＰＡと冷却燃料通路ＰＰＦを流れる空気ａ２と燃料ｆ２によって冷却される。この冷却によって、供給する空気量は、発電に必要な量だけ、若しくは、発電に必要な量に若干量を加えた量だけでよく、冷却のための多量の空気を供給する必要はない。また、空気ａ３と燃料ｆ３の流路には、紙面に垂直方向に「均一なすき間」や「多孔列」など種々の開口部形状を設けて均一に流す他、各種の方法が存在する。つまり、例示した方向に限らない。
【００３６】
また、電解質膜６２は櫛形となっているため、電解質膜６２に発生した熱応力は、電解質膜６２の僅かな形状変化により良好に分散することができる。
【００３７】
このような冷却流体通路付き燃料電池６０を用いて構成した、燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを、図４に示す。図４において、Ｃは圧縮機、Ｔはタービン、ＡＢは後置燃焼器、ＨＲＳＧは排熱回収ボイラ、ＧＥＮは発電機である。また、後置燃焼器ＡＢとタービンＴとの間に燃焼器を介在させるようにしてもよい。なお、冷却流体通路付き燃料電池６０は概念的に示している。
【００３８】
図４に示すように、燃料電池６０から排出された高温の排出空気及び排出燃料は、後置燃焼器ＡＢを通過してからタービンＴに送られ、更にタービン排気からは排熱回収ボイラＨＲＳＧにて排熱が回収されるようになっている。
【００３９】
圧縮機Ｃから供給された圧縮空気ａ１は、後置燃焼器ＡＢに配置した伝熱管（群）を通過することにより、高温の排出空気及び排出燃料の顕熱及び燃焼熱により加熱される。加熱された空気ａ２は、燃料電池６０の冷却空気通路ＰＰＡを通過し、このときに空気ａ２により燃料電池６０の冷却が行われる。冷却空気通路ＰＰＡを通過して空気出口ＯＡから出た空気ａ３は、今度は空気通路ＰＡを通過しつつ発電に寄与し、通過して排出された空気ａ４は後置燃焼器ＡＢに送られる。
【００４０】
燃料ｆ１は、後置燃焼器ＡＢに配置した伝熱管（群）を通過することにより、高温の排出空気及び排出燃料の顕熱及び燃焼熱により加熱される。加熱された燃料ｆ２は、燃料電池６０の冷却燃料通路ＰＰＦを通過し、このときに燃料ｆ２により燃料電池６０の冷却が行われる。冷却燃料通路ＰＰＦを通過して燃料出口ＯＦから出た燃料ｆ３は、今度は燃料通路ＰＦを通過しつつ発電に寄与し、通過して排出された燃料ｆ４は後置燃焼器ＡＢに送られる。
【００４１】
図４に示す燃料電池／ガスタービン複合発電プラントでは、冷却用の空気ａ２及び冷却用の燃料ｆ２は、後置燃焼器ＡＢにて途中温度に加熱されているため、空気ａ１や燃料ｆ１を低温のままで投入するよりは、冷却面（分流壁ＳＡ，ＳＦ）での熱応力を小さく抑制できるという利点がある。
【００４２】
また、発電用の空気ａ３は、後置燃焼器ＡＢの伝熱管（群）及び冷却空気通路ＰＰＡを経由して温度上昇し、発電用の燃料ｆ３は、後置燃焼器ＡＢの伝熱管（群）及び冷却燃料通路ＰＰＦを経由して温度上昇するように作動させることにより、発電部分（電解質膜６２，空気通路ＰＡ，燃料通路ＰＦ）を、発電に好適な運転温度（例えば１０００°Ｃ）に維持する。
【００４３】
更に、圧縮機Ｃから送る空気ａ１の量は、燃料電池６０において、発電に必要な量だけ、若しくは、発電に必要な量に若干量を加えた量だけでよいため、圧縮機Ｃから吐出する空気量を減らすことができる。圧縮機Ｃの駆動力を発電総出力に対して下げることができるため、発電プラント全体としての効率が向上する。
【００４４】
＜先冷却型(Pre-Cooling) の冷却流体通路付き燃料電池の実施の形態＞
図５は本発明の実施の形態に係る、先冷却型(Pre-Cooling) の冷却流体通路付き燃料電池７０の一例を示す断面図である。この燃料電池７０は、ＳＯＦＣ型の燃料電池であり、筒状の筺体７１の内部に電解質膜７２が配置されて、筺体７１の内部空間が２つに仕切り分けされている。
【００４５】
更に詳述すると、筺体７１は、断面コ字形の筺体部材７１ａと、板状の筺体部材７１ｂとが組み合わさって構成されている。電解質膜７２は、セラミックス等により全体が一体に成形されており、図１に示す電解質膜５２と同じ形状、つまり、断面形状が所謂「凹凸形」または所謂「櫛形」になっている。このような電解質膜７２を筺体７１の内部に配置することにより、電解質膜７２が境界となって、図５において、筺体７１の内部空間が、左側の流体通路と、右側の流体通路に仕切り分けされている。しかも、電解質膜７２の断面形状が、櫛形になっているので、左側の流体通路と右側の流体通路は、交互に相手側の流体通路に入り込むようになっている。
【００４６】
図５において、電解質膜７２により仕切り分けされた左側の流体通路には、電解質膜７２の形状に沿った形状の分流壁ＳＡが備えられており、この分流壁ＳＡにより、左側の流体通路が、空気通路ＰＡと冷却空気通路ＰＰＡとに仕切り分けされている。
また、電解質膜７２により仕切り分けされた右側の流体通路には、電解質膜７２の形状に沿った形状の分流壁ＳＦが備えられており、この分流壁ＳＦにより、右側の流体通路が、燃料通路ＰＦと冷却燃料通路ＰＰＦとに仕切り分けされている。 この場合、空気通路ＰＡと燃料通路ＰＦが電解質膜７２側に位置し、冷却空気通路ＰＰＡと冷却燃料通路ＰＰＦが電解質膜７２とは反対側に位置している。
【００４７】
このため、電解質膜７２を空気通路ＰＡと燃料通路ＰＦとで挟み、更に、これら電解質膜７２，空気通路ＰＡ，燃料通路ＰＦを、冷却空気通路ＰＰＡと冷却燃料通路ＰＰＦとで囲む構造が構成されている。
また、分流壁ＳＡ，ＳＦの寸法や形状により電解質膜７２の流体条件（流速他）を調整することができる。
【００４８】
なお、この冷却通路付き燃料電池７０では、図２に示す冷却通路付き燃料電池６０とは異なり、冷却空気通路ＰＰＡから空気通路ＰＡに空気が直接流れ込む空気出口は無く、また、冷却燃料通路ＰＰＦから燃料通路ＰＦに燃料が直接流れ込む燃料出口も無い。
【００４９】
なお、図５の電解質膜７２の断面形状は、空気通路ＰＡ側と燃料通路ＰＦ側との間で複数回往復するような櫛形となっているが、空気通路ＰＡ側と燃料通路ＰＦ側との間で１往復するような「コ字形」であってもよい。
また、電解質膜７２の断面形状は、所謂「ジクザグ形」や「蛇腹形」であってもよい。更に、屈曲した断面形状ばかりでなく、波状に湾曲した断面形状の物であってもよい。
更に、分流壁ＳＡ，ＳＦの形状は、必ずしも、電解質膜７２の形状に沿ったものでなくてもよい。
【００５０】
ここで、冷却流体通路付き燃料電池７０の組み立て方法の一例を、分解斜視図である図６を参照して説明する。同図に示すように、筺体部材７１ａと、分流壁ＳＡを予め組み付けて、第１のパーツとしておく。また、筺体部材７１ｂと分流壁ＳＦと電解質膜７２とを予め組み付けて、第２のパーツとしておく。そして、第１のパーツと第２のパーツを水平方向（β方向）にスライドさせて両パーツを組み込むことにより、燃料電池７０を組み立てることができる。
【００５１】
このようにスライドさせて組み込むだけで、簡単に製造することができる。しかも、従来技術の６枚の電解質膜（セル）に相当する電解質膜７２全体が、一体に形成されているため、セル間のシールが不要であり、シール性破損の恐れなく信頼性が高い。セル間シールが不要であるため、装置全体としてのシール箇所は、従来装置に比べて少なくすることができ、組立・装置化（分解・点検・再組立）が容易にできる。
【００５２】
なお、組み立て方法はこの方法に限るものではなく、また、電解質膜７２のセル数、筺体７１の形状や構造、分流壁ＳＡ，ＳＦの形状や構造は図示したものに限らないことは勿論である。
【００５３】
このような構成となっている冷却流体通路付き燃料電池７０における、空気と燃料の流通態様は次の通りである。
【００５４】
圧縮機から送り込んだ空気はまず、冷却空気通路ＰＰＡに投入される。投入方法はどのような方法であってもよい。また投入位置は、例えば、空気の流通方向（図５では紙面に対して垂直方向）に関して筺体内部空間の手前側の位置とする。投入された空気ａ１１は、冷却空気通路ＰＰＡの内部を、空気の流通方向に関して手前側から奥側に向かって進む。そして、空気の流通方向に関して奥に達したら外部に排出される。外部に排出される空気を符号「ａ１２」で示す。排出方法はどのような方法であってもよい。
【００５５】
排出された空気は、別経路（この経路の一例は図７に後述する）を通ってから、空気通路ＰＡに投入される。投入方法はどのような方法であってもよい。また投入位置は、例えば、空気の流通方向（図５では紙面に対して垂直方向）に関して筺体内部空間の手前側の位置とする。空気通路ＰＡに供給された空気を符号「ａ１３」で示す。この空気ａ１３は、空気通路ＰＡの内部を、空気の流通方向に関して奥側から手前側に向かって進む。そして、空気の流通方向に関して手前に達したら外部に排出される。外部に排出される空気を符号「ａ１４」で示している。排出方法はどのような方法であってもよい。
【００５６】
燃料源から供給された燃料はまず、冷却燃料通路ＰＰＦに投入される。投入方法はどのような方法であってもよい。また投入位置は、例えば、燃料の流通方向（図５では紙面に対して垂直方向）に関して筺体内部空間の手前側の位置とする。投入された燃料ｆ１１は、冷却燃料通路ＰＰＦの内部を、燃料の流通方向に関して手前側から奥側に向かって進む。そして、燃料の流通方向に関して奥に達したら外部に排出される。外部に排出される燃料を符号「ｆ１２」で示す。排出方法はどのような方法であってもよい。
【００５７】
排出された燃料は、別経路（この経路の一例は図７に後述する）を通ってから、燃料通路ＰＦに投入される。投入方法はどのような方法であってもよい。また投入位置は、例えば、燃料の流通方向（図５では紙面に対して垂直方向）に関して筺体内部空間の手前側の位置とする。燃料通路ＰＦに供給された燃料を符号「ｆ１３」で示す。この燃料ｆ１３は、燃料通路ＰＦの内部を、燃料の流通方向に関して奥側から手前側に向かって進む。そして、燃料の流通方向に関して手前に達したら外部に排出される。外部に排出される燃料を符号「ｆ１４」で示している。排出方法はどのような方法であってもよい。
【００５８】
電解質膜７２を挟む空気通路ＰＡと燃料通路ＰＦに、空気ａ１３と燃料ｆ１３が流通する過程で電気化学反応にて発電が行われる。この発電に伴い熱が発生するが、発熱する発電部分（電解質膜７２，空気通路ＰＡ，燃料通路ＰＦ）は、これらを取り巻く冷却空気通路ＰＰＡと冷却燃料通路ＰＰＦを流れる、空気ａ１１と燃料ｆ１１とで冷却される。したがって、効果的に冷却が行われることとなり、供給する空気量は、発電に必要な量だけ、若しくは、発電に必要な量に若干量を加えた量だけでよく、冷却のための多量の空気を供給する必要はない。また空気と燃料の投入位置・排出位置と２流体の流れの方向は自由で、電解質膜７２の冷却に有効な条件で決定する。
【００５９】
また、電解質膜７２は櫛形となっているため、電解質膜７２に発生した熱応力は、電解質膜７２の僅かな形状変化により良好に分散することができる。
【００６０】
このような冷却流通通路付き燃料電池７０を用いて構成した、燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを、図７に示す。図７において、Ｃは圧縮機、Ｔはタービン、ＡＢは後置燃焼器、ＨＲＳＧは排熱回収ボイラ、ＧＥＮは発電機である。また、後置燃焼器ＡＢとタービンＴとの間に燃焼器を介在させるようにしてもよい。なお、冷却流体通路付き燃料電池７０は概念的に示している。
【００６１】
図７に示すように、燃料電池７０から排出された高温の排出空気及び排出燃料は、後置燃焼器ＡＢを通過してからタービンＴに送られ、更にタービン排気からは排熱回収ボイラＨＲＳＧにて排熱が回収されるようになっている。
【００６２】
大気から取り込まれて圧縮機Ｃにより圧縮された圧縮空気ａ１１は、まず、燃料電池７０の冷却空気通路ＰＰＡに供給されて、冷却空気通路ＰＰＡを通過する際に、燃料電池７０の冷却を行い、自らは昇温する。冷却空気通路ＰＰＡから排出された空気ａ１２は、後置燃焼器ＡＢに配置された伝熱管（群）を通過することにより、高温の排出空気（ａ１４）及び排出燃料（ｆ１４）により加熱される。加熱された空気ａ１３は、空気通路ＰＡに供給され、発電に寄与する。空気通路ＰＡから排出された空気ａ１４は、後置燃焼器ＡＢに送られる。
【００６３】
一方、燃料源から供給された燃料ｆ１１は、まず、燃料電池７０の冷却燃料通路ＰＰＦに供給されて、冷却燃料通路ＰＰＦを通過する際に、燃料電池７０の冷却を行い、自らは昇温する。冷却燃料通路ＰＰＦから排出された燃料ｆ１２は、後置燃焼器ＡＢに配置された伝熱管（群）を通過することにより、高温の排出空気（ａ１４）及び排出燃料（ｆ１４）により加熱される。加熱された燃料ｆ１３は、燃料通路ＰＦに供給され、発電に寄与する。燃料通路ＰＦから排出された燃料ｆ１４は、後置燃焼器ＡＢに送られる。
【００６４】
図７に示す燃料電池／ガスタービン複合発電プラントでは、圧縮された空気ａ１１と燃料源から供給されてきた燃料ｆ１１が、まず、燃料電池７０の冷却空気通路ＰＰＡ及び冷却燃料通路ＰＰＦに供給される。空気ａ１１の温度は例えば３５０°Ｃ程度であり、燃料ｆ１１の温度はほぼ常温であり、このように両者の温度が低いので（燃料電池の運転温度である１０００°Ｃに比べて大幅に温度が低いので）、冷却面（分流壁ＳＡ，ＳＦ）の面積が小さくても、効率的な冷却ができるという利点がある。
【００６５】
また、発電用の空気ａ１３は、冷却空気通路ＰＰＡ及び後置燃焼器ＡＢを通過することにより温度上昇し、発電用の燃料ｆ１３は、冷却燃料通路ＰＰＦ及び後置燃焼器ＡＢを通過することにより温度上昇している。このため、発電部分（電解質膜６２，空気通路ＰＡ，燃料通路ＰＦ）を、発電に好適な運転温度（例えば１０００°Ｃ）に維持することが容易にできる。
【００６６】
更に、圧縮機Ｃから送る空気ａ１１の量は、燃料電池７０において、発電に必要な量だけ、若しくは、発電に必要な量に若干量を加えた量だけでよいため、圧縮機Ｃの駆動力を下げることができる。この駆動力は発電機総出力に対して低くできるため、発電プラント全体としての効率が向上する。
【００６７】
＜ダブル先冷却型(Double Pre-Cooling)の冷却流体通路付き燃料電池の実施の形態＞
図８は本発明の実施の形態に係る、ダブル先冷却型(Double Pre-Cooling)の冷却流体通路付き燃料電池７０Ａの一例を示す断面図である。この燃料電池７０Ａの機械的構造は、図５に示す燃料電池７０と同じであるが、流路の使用態様を異ならせている。つまり、図５に示す冷却空気通路ＰＰＡを第１の冷却空気通路ＰＰＡ１とし、図５に示す冷却燃料通路ＰＰＦを第２の冷却空気通路ＰＰＡ２として使用するようにしたものである。
【００６８】
このような冷却流通通路付き燃料電池７０Ａを用いて構成した、燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを、図９に示す。図９において、Ｃは圧縮機、Ｔはタービン、ＡＢは後置燃焼器、ＨＲＳＧは排熱回収ボイラ、ＧＥＮは発電機、ＣＣは燃焼器である。なお燃焼器ＣＣを用いなくてもよい場合があり、燃焼器ＣＣを用いるか否かは、システム全体の熱バランスにより決定する。また、冷却流体通路付き燃料電池７０Ａは概念的に示している。
【００６９】
図９に示すように、燃料電池７０Ａから排出された高温の排出空気（ａ２７）及び排出燃料（ｆ２３）は、後置燃焼器ＡＢで燃焼してから改めて燃焼器ＣＣに投入される燃料で再燃されてから、タービンＴに送られ、更に排熱回収ボイラＨＲＳＧにて排熱が回収されるようになっている。
【００７０】
大気から取り込まれて圧縮機Ｃにより圧縮された空気ａ２１は、空気ａ２２，ａ２３に２分岐され、空気ａ２２は燃料電池７０Ａの冷却空気通路ＰＰＡ１に供給されて、冷却空気通路ＰＰＡ１を通過する際に燃料電池７０Ａの冷却を行い、空気ａ２３は燃料電池７０Ａの冷却空気通路ＰＰＡ２に供給されて、冷却空気通路ＰＰＡ２を通過する際に燃料電池７０Ａの冷却を行う。冷却空気通路ＰＰＡ１，ＰＰＡ２から排出された空気ａ２４，ａ２５は、合流してから後置燃焼器ＡＢに配置された伝熱管（群）を通過することにより、高温の排出空気及び排出燃料の顕熱及び燃焼熱により加熱される。加熱された空気ａ２６は、空気通路ＰＡに供給され、発電に寄与する。空気通路ＰＡから排出された空気ａ２７は、後置燃焼器ＡＢに送られる。
【００７１】
燃料源から供給された燃料ｆ２１は、後置燃焼器ＡＢに配置された伝熱管（群）を通過することにより、高温の排出空気及び排出燃料の顕熱及び燃焼熱により加熱される。加熱された燃料ｆ２２は、燃料電池７０Ａの燃料通路ＰＦに供給され、発電に寄与する。燃料通路ＰＦから排出された燃料ｆ２３は、後置燃焼器ＡＢに送られる。
【００７２】
図９に示す燃料電池／ガスタービン複合発電プラントに組み込んだ燃料電池７０Ａは、２系統の空気ａ２２，ａ２３により冷却される。しかも、空気流量はシステムバランス上、燃料よりも多いため、より効率的な冷却を実現することができる。つまり、発熱量の多い燃料通路ＰＦの冷却を、冷却能力の大きな空気により冷却することができ、また燃料流量に支配されないので、冷却設計の自由度が高くなる。
【００７３】
なお、図８に示す燃料電池７０Ａに、更に、後置燃焼器ＡＢに供給する前の燃料を通過させる、燃料冷却通路を付加するようにしてもよい。
【００７４】
＜先後冷却型の冷却流体通路付き燃料電池の実施の形態＞
図１０は本発明の実施の形態に係る、先後冷却型の冷却流体通路付き燃料電池７０Ｂの一例を示す断面図である。この燃料電池７０Ｂの機械的構造は、図８に示す燃料電池７０Ａの一部を変形したものである。即ち、燃料電池７０Ａに、分流壁ＳＡに空気出口ＯＡを付加したものが、燃料電池７０Ｂである。燃料電池７０Ｂの他の部分の構成は、燃料電池７０Ａと同じである。
【００７５】
図１１に燃料電池７０Ｂを用いた燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを示す。この燃料電池７０Ｂでは、大気から取り込まれて圧縮機Ｃにより圧縮された空気（ａ２３）を、まず冷却空気通路ＰＰＡ２に通し、燃料電池７０Ｂの冷却を行う。冷却空気通路ＰＰＡ２を通過してきた空気（ａ２５）は、外部に取り出され後置燃焼器ＡＢに配置された伝熱管（群）にて加熱される。後置燃焼器ＡＢに配置された伝熱管（群）にて加熱された空気（ａ２６）は、冷却空気通路ＰＰＡ１に通され、燃料電池７０Ｂの冷却を行う。冷却空気通路ＰＰＡ１を通過した空気（ａ２２）は、空気出口ＯＡ（図２）を通って空気通路ＰＡ（図２）に入り、発電に寄与し、空気通路ＰＡを通過してきた空気（ａ２７）は、外部に排出される。一方、燃料通路ＰＦには燃料が流通される。
【００７６】
＜電解質膜の各種形状＞
図１，図２，図５，図８，図１０に示す電解質膜５２，６２，７２の断面形状は、いわゆる「櫛形」（角隅形状：図１２（ｅ））になっているが、これに限るものではなく、「多段折れ」構造（corrugation ）になっていれば、あらゆる形状のものを使用することができる。例えば、図１２（ａ）に示すような丸隅形状であっても、図１２（ｂ）に示すような傾斜形状であっても、図１２（ｃ）に示すような混合形状であっても、図１２（ｄ）に示すような二重波形形状であってもよい。もちろん、図１２（ａ）〜（ｄ）は例示であり、これ以外の形状であってもよい。
【００７７】
図１２（ｄ）に示す二重波形形状では、図１２（ｅ）に示すような縞状や、図１２（ｆ）に示すようなディンプル状の表面形状を併用することができる。この二重波形形状では、電解質膜の表面積を増やすことができ、また、変形に対する柔軟性も向上するのでコンパクト性（高密度配置）に優れている。
【００７８】
結局、
(1) 本発明の電解質膜１枚で、従来の板状の電解質膜を多層にしたのと同じ構成を実現でき、
(2) 本発明の電解質膜は、温度分布，応力分布が生じても拘束箇所を遠ざけているので破壊しにくく、
(3) 本発明の電解質膜は、分流壁ＳＡ，ＳＦの形態にあわせて自由に造形することができる。
【００７９】
＜分流壁の端末形状＞
次に、図２，図５，図８，図１０に示す冷却流体通路付き燃料電池６０，７０，７０Ａ，７０Ｂにおける分流壁ＳＦ，ＳＡの端末形状の各種例を、図１３に示す。なお、分流壁ＳＦと分流壁ＳＡは同様な構造とすることができるので、図１３（ａ）〜（ｄ）では、両分流壁ＳＦ，ＳＡを特に区別していない。また、ｆは燃料を、ａは空気を示している。勿論、図示以外の端末形状としてもよい。
【００８０】
図１３（ａ）に示すスロットタイプでは、燃料ｆ，空気ａの放出端末が溝形となっており、分流壁ＳＦ（ＳＡ）の間隔保持と壁冷却の機能を持つ多ピンＭＰを用いている。燃料ｆ，空気ａの吹出は均一である。
【００８１】
図１３（ｂ）に示すホールタイプは、端板が分流壁ＳＦ（ＳＡ）間隔を保持している。そして、燃料ｆ（空気ａ）の放出のために円孔や楕円孔、その他の「点在する孔」を形成している。燃料ｆ，空気ａの吹出は均一である。
【００８２】
図１３（ｃ）（ｄ）は、燃料ｆ，空気ａの吹出を偏流吹出とするように、吹出孔（吹出開口）の形状を工夫したものである。
【００８３】
＜分流壁の壁面形状＞
次に、図２，図５，図８，図１０に示す冷却流体通路付き燃料電池６０，７０，７０Ａ，７０Ｂにおける分流壁ＳＦ，ＳＡの壁面形状の各種例を、図１４に示す。なお、分流壁ＳＦと分流壁ＳＡは同様な構造とすることができるので、図１４（ａ）（ｂ）（ｃ）では、両分流壁ＳＦ，ＳＡを特に区別していない。また、ｃは冷却流体を、ｒは反応流体を、ＣＥは電解質膜を示している。勿論、図示以外の壁面形状としてもよい。
【００８４】
図１４（ａ）（ｂ）に示すスロットタイプ（開口なし）では、分流壁ＳＦ（ＳＡ）を冷却して流れてきた冷却流体（冷却用の燃料や空気）ｃは、開口部を出た後、電解質膜ＣＥと接して流れる反応流体（発電反応のための燃料や空気）ｒとなる。
【００８５】
図１４（ｃ）（ｄ）に示すマルチホールタイプ（開口あり）では、燃料ｆと空気ａが分流壁ＳＦ，ＳＡと電解質膜ＣＥに挟まれた流路で均一となるように多孔を分流壁ＳＦ及び／または分流壁ＳＡに明ける。
【００８６】
このようにすると、図１４（ｅ）にも示すように、電解質膜ＣＥに対して垂直方向に燃料ｆと空気ａが衝突して冷却効果を発揮するので電解質膜ＣＥの冷却能力が向上すると共に、電解質膜ＣＥから供給されるＯ2 と燃料ｆとの反応が促進される。
【００８７】
なお、例示した電解質膜形状（図１，図１２参照）、分流壁端末形状（図１３参照）、分流壁面形状（図１４参照）のそれぞれの組み合わせは任意である。また、例示していないものとの組み合わせも自由である。
【００８８】
＜電解質膜形状，分流壁端末形状，分流壁面形状を任意に組み合わせて構成した、一例としての冷却流体通路付き燃料電池＞
図１５は、電解質膜形状（図１，図１２参照），分流壁端末形状（図１３参照），分流壁面形状（図１４参照）を任意に組み合わせて構成した、一例としての冷却流体通路付き燃料電池８０を示している。図１５において、ＣＥは電解質膜、ＳＦ，ＳＡは分流壁、ＰＦは燃料通路，ＰＰＦは冷却燃料通路，ＰＡは空気通路，ＰＰＡは冷却空気通路、ｆは燃料、ａは空気である。この例では、電解質膜ＣＥは混合形状であり、分流壁ＳＦ，ＳＡには、多孔が明けられている。
【００８９】
【発明の効果】
以上実施の形態と共に具体的に説明したように本発明の電解質膜は、燃料電池に組み込まれた際に空気通路と燃料通路との境界となる電解質膜であって、前記電解質膜の断面形状は、前記空気通路と前記燃料通路とを対向させその境界面において、前記空気通路と前記燃料通路とが交互に相手側の通路に入り込むように、屈曲ないし湾曲した断面形状となっている構成とした。
このため、セル間シールが不要になる、あるいは、ごく一部の限られた部分のみに備えれば十分になると共に、組み立てが容易になる。
【００９０】
また本発明の燃料電池は、筺体の内部に電解質膜を配置することにより、前記筺体の内部空間を２つの流体通路に仕切り分けした燃料電池であって、前記電解質膜の断面形状は、２つの前記流体通路を対向させその境界面において、前記流体通路の一方と他方が交互に相手側の通路に入り込むように、屈曲ないし湾曲した断面形状となっている構成とした。
このため、セル間シールが不要になる、あるいは、ごく一部の限られた部分のみに備えれば十分になると共に、組み立てが容易になる。
【００９１】
また本発明の冷却流体通路付き燃料電池は、筺体の内部に電解質膜を配置することにより、前記筺体の内部空間を２つの流体通路に仕切り分けした燃料電池であって、前記電解質膜の断面形状は、２つの前記流体通路を対向させその境界面において、前記流体通路の一方と他方が交互に相手側の通路に入り込むように、屈曲ないし湾曲した断面形状となっており、一方の流体通路は第１の分流壁により、電解質膜側の空気通路と、電解質膜とは反対側の第１の冷却流体通路とに仕切り分けされ、他方の流体通路は第２の分流壁により、電解質膜側の燃料通路と、電解質膜とは反対側の第２の冷却流体通路とに仕切り分けされている構成とした。
このため、第１及び第２の冷却流体通路に、空気や燃料を流通させることにより、燃料電池の冷却を効果的に行うことができる。この結果、燃料電池に供給する空気量は、発電に必要な量だけですみ、供給する空気量を従来より大幅に減少することができ、発電プラントとして構成した場合におけるプラント全体としての効率が向上する。
【００９２】
また本発明の冷却流体通路付き燃料電池は、第１の分流壁及び第２の分流壁は、前記電解質膜の形状に沿って屈曲ないし湾曲した断面形状となっていたり、
第１の冷却流体通路には、空気が流通され、第２の冷却流体通路には、燃料が流通されたり、
第１の冷却流体通路には、燃料電池の排熱により加熱された空気が流通され、前記空気通路には、第１の冷却流体通路を通過してきた空気が流通し、第２の冷却流体通路には、燃料電池の排熱により加熱された燃料が流通され、前記燃料通路には、第２の冷却流体通路を通過してきた燃料が流通したり
第１の冷却流体通路には、圧縮機吐出のままの空気が流通され、前記空気通路には、第１の冷却流体通路を通過してきてから燃料電池の排熱により加熱された空気が流通し、第２の冷却流体通路には、燃料源から供給されてきた燃料が流通され、前記燃料通路には、第２の冷却流体通路を通過してきてから燃料電池の排熱により加熱された燃料が流通したり、
第１の冷却流体通路及び第２の冷却流体通路には、圧縮機吐出のままの空気が流通され、空気通路には、第１の冷却流体通路及び第２の冷却流体通路を通過してから燃料電池の排熱により加熱された空気が流通されたり、
第２の冷却通路には圧縮機吐出のままの空気が流通さ、第１の冷却通路には第２の冷却通路を通過してから燃料電池の排熱により加熱された空気が流通し、空気通路には第１の冷却通路を通過してきた空気が流通される構成とした。
このため、第１及び第２の冷却流体通路に、空気や燃料を流通させることにより、燃料電池の冷却を効果的に行うことができる。この結果、燃料電池に供給する空気量は、発電に必要な量だけですみ、供給する空気量を従来の燃料電池より大幅に減少させることができ、発電プラントとして構成した場合のプラント全体効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本構想となる、ＳＯＦＣ型の燃料電池を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る、後冷却型(After-Cooling) の冷却流体通路付き燃料電池の一例を示す断面図である。
【図３】冷却流体通路付き燃料電池の組み立て方法の一例を示す分解斜視図である。
【図４】冷却流体通路付き燃料電池を用いて構成した、燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを示す構成図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る、先冷却型(Pre-Cooling) の冷却流体通路付き燃料電池の一例を示す断面図である。
【図６】冷却流体通路付き燃料電池の組み立て方法の一例を示す分解斜視図である。
【図７】冷却流体通路付き燃料電池を用いて構成した、燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを示す構成図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る、ダブル先冷却型(Double Pre-Cooling)の冷却流体通路付き燃料電池の一例を示す断面図である。
【図９】冷却流体通路付き燃料電池を用いて構成した、燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを示す構成図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係る、先後冷却型の冷却流体通路付き燃料電池の一例を示す断面図である。
【図１１】先後冷却型の冷却流体通路付き燃料電池を用いて構成した、燃料電池／ガスタービン複合発電プラントを示す構成図である。
【図１２】電解質膜の各種形状を示す構成図である。
【図１３】分流壁の端末形状の各種例を示す構成図である。
【図１４】分流壁の壁面形状の各種例を示す構成図である。
【図１５】電解質膜形状，分流壁端末形状，分流壁形状を自由に組み合わせて構成した一例としての冷却流体通路付き燃料電池を示す構成図である。
【図１６】燃料電池／ガスタービン複合発電プラントの一般的な例を示す構成図である。
【符号の説明】
５０ 燃料電池
６０，７０，７０Ａ，７０Ｂ，８０ 冷却流体通路付き燃料電池
５１，６１，７１ 筺体
５２，６２，７２ 電解質膜
ＰＡ 空気通路
ＰＦ 燃料通路
ＰＰＡ 冷却空気通路
ＰＰＦ 冷却燃料通路
ＳＡ，ＳＦ 分流壁
ＣＥ 電解質膜
Claims (9)
- 燃料電池に組み込まれた際に空気通路と燃料通路との境界となる電解質膜であって、
前記電解質膜の断面形状は、前記空気通路と前記燃料通路とを対向させその境界面において、前記空気通路と前記燃料通路とが交互に相手側の通路に入り込むように、屈曲ないし湾曲した断面形状となっていることを特徴とする燃料電池用電解質膜。 - 筺体の内部に電解質膜を配置することにより、前記筺体の内部空間を２つの流体通路に仕切り分けした燃料電池であって、
前記電解質膜の断面形状は、２つの前記流体通路を対向させその境界面において、前記流体通路の一方と他方が交互に相手側の通路に入り込むように、屈曲ないし湾曲した断面形状となっていることを特徴とする燃料電池。 - 筺体の内部に電解質膜を配置することにより、前記筺体の内部空間を２つの流体通路に仕切り分けした燃料電池であって、
前記電解質膜の断面形状は、２つの前記流体通路を対向させその境界面において、前記流体通路の一方と他方が交互に相手側の通路に入り込むように、屈曲ないし湾曲した断面形状となっており、
一方の流体通路は第１の分流壁により、電解質膜に沿う空気通路と、電解質膜とは反対側の第１の冷却流体通路とに仕切り分けされ、
他方の流体通路は第２の分流壁により、電解質膜に沿う燃料通路と、電解質膜とは反対側の第２の冷却流体通路とに仕切り分けされていることを特徴とする冷却流体通路付き燃料電池。 - 請求項３において、
前記第１の分流壁及び第２の分流壁は、前記電解質膜の形状に沿って屈曲ないし湾曲した断面形状となっていることを特徴とする冷却流体通路付き燃料電池。 - 請求項３または請求項４において、
第１の冷却流体通路には、空気が流通され、第２の冷却流体通路には、燃料が流通されることを特徴とする冷却流体通路付き燃料電池。 - 請求項３または請求項４において、
第１の冷却流体通路には、燃料電池の排熱により加熱された空気が流通され、前記空気通路には、第１の冷却流体通路を通過してきた空気が流通し、
第２の冷却流体通路には、燃料電池の排熱により加熱された燃料が流通され、前記燃料通路には、第２の冷却流体通路を通過してきた燃料が流通することを特徴とする冷却流体通路付き燃料電池。 - 請求項３または請求項４において、
第１の冷却流体通路には、大気を圧縮した圧縮機吐出のままの空気が流通され、前記空気通路には、第１の冷却流体通路を通過したのち燃料電池の排熱により加熱された空気が流通し、
第２の冷却流体通路には、燃料源から供給される燃料が流通され、前記燃料通路には、第２の冷却流体通路を通過してきてから燃料電池の排熱により加熱された燃料が流通することを特徴とする冷却流体通路付き燃料電池。 - 請求項３または請求項４において、
第１の冷却流体通路及び第２の冷却流体通路には、大気を圧縮した圧縮機吐出のままの空気が流通されることを特徴とする冷却流体通路付き燃料電池。 - 請求項３または請求項４において、
第２の冷却流体通路には、大気から取り込んだ圧縮空気が流通され、第１の冷却流体通路には、第２の冷却流体通路を通過してきた空気が流通されることを特徴とする冷却流体通路付き燃料電池。
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|---|---|---|---|
| JP2002366054A JP2004199972A (ja) | 2002-12-18 | 2002-12-18 | 冷却流体通路付き燃料電池 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014155923A (ja) * | 2014-03-20 | 2014-08-28 | Sumitomo Electric Ind Ltd | ガス分解装置及び発電装置 |
-
2002
- 2002-12-18 JP JP2002366054A patent/JP2004199972A/ja not_active Withdrawn
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