JP2004362990A

JP2004362990A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2004362990A
Application number: JP2003161259A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Tsunoda; 正角田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-06-05
Filing date: 2003-06-05
Publication date: 2004-12-24

Abstract

【課題】簡単且つコンパクトな構成で、反応ガスの良好な流れを可能にし、しかも積層方向の薄型化を図る。
【解決手段】燃料電池１０は、電解質・電極接合体５６を一組のセパレータ５８で挟持する。セパレータ５８は、プレート６０、６２を備え、プレート６０には、複数の折り曲げ片７０が形成される。折り曲げ片７０は、プレート６２から離間する方向に突出してカソード電極５２に接触する第１突起部７２ａと、前記プレート６２側に突出して該プレート６２をアノード電極５４に接触させる第２突起部７２ｂと、前記プレート６２側に突出して該プレート６２に接触する第３突起部７２ｃとを設ける。
【選択図】図８

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電解質・電極接合体とセパレータとが交互に積層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及びカソード電極を配設した単セル（電解質・電極接合体）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、単セルとセパレータとが所定数だけ積層された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。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、酸素イオン及び水素（又はＣＯ）が反応して水（又はＣＯ_２）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】
例えば、特許文献１に開示されている固体電解質型燃料電池は、図２５に示すように、発電セル１とセパレータ２とを交互に積層している。発電セル１は、固体電解質層１ａと、この固体電解質層１ａの両面に配設される燃料極層１ｂ及び空気極層１ｃとを設けている。発電セル１と一対のセパレータ２との間には、導電性を有する多孔質の燃料極集電体３及び空気極集電体４が介装されている。
【０００５】
セパレータ２には、燃料供給通路５と空気供給通路６とが形成される。燃料供給通路５及び空気供給通路６は、セパレータ２の略中央部に延在しており、互いに異なる面から燃料極集電体３及び空気極集電体４に臨む燃料孔５ａ及び空気孔６ａに連通している。
【０００６】
このような構成において、燃料ガス（Ｈ_２、ＣＯ等）は、燃料供給通路５を通ってセパレータ２の略中央から燃料極集電体３の中心に向かって吐出される。このため、燃料ガスは、燃料極集電体３内の気孔を通過して燃料極層１ｂの略中心に供給され、さらに図示しないスリットの案内作用下に前記燃料極層１ｂの略中心から外周縁に向かって放射状に流れる。
【０００７】
同時に、空気は、空気供給通路６を通ってセパレータ２の略中央から空気極集電体４の中心に向かって吐出される。従って、空気は、空気極集電体４内の気孔を通過して空気極層１ｃの略中心に供給され、さらに、図示しないスリットの案内作用下に前記空気極層１ｃの略中心から外周縁に向かって放射状に流れる。これにより、各発電セル１で発電が行われる。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−２０３５７９号公報（段落［００３５］〜［００４０］、図４）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の特許文献１では、発電セル１とセパレータ２とが交互に積層されるとともに、前記セパレータ２の剛性が比較的高いため、前記セパレータ２自体が成形歪みや熱歪みによって変形した際に、前記発電セル１上の燃料ガス流路や空気流路が変形するおそれがある。
【００１０】
特に、燃料ガス流路が変形すると、燃料ガスの流れが不均一になって燃料ガス利用率が低下してしまい、発電性能が低下するという問題がある。しかも、集電部の接触面圧が不均一になり、接触抵抗が増加して集電効率が低下するという問題がある。
【００１１】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、反応ガスの良好な流れを可能にし、しかも積層方向の薄型化を図ることができる燃料電池を提供することを目的とする。
【００１２】
【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、セパレータが互いに積層される第１及び第２プレートを備え、前記第１及び第２プレート間には、アノード電極に向かって燃料ガスを供給する燃料ガス通路と、カソード電極に向かって酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路とが形成されている。
【００１３】
そして、第１プレートには、プレート面内の一部を切り欠いて複数の折り曲げ片が設けられている。折り曲げ片は、第２プレートから離間する方向に突出してセパレータの一方の面側に配置される電解質・電極接合体のカソード電極又はアノード電極に接触する第１突起部と、前記第２プレート側に突出して該第２プレートを前記セパレータの他方の面側に配置される電解質・電極接合体のアノード電極又はカソード電極に接触させる第２突起部とを設けている。
【００１４】
このため、燃料電池の積層方向に荷重が作用する際、第１及び第２突起部がこの荷重を受けることにより、折り曲げ片だけを経由して該荷重を電解質・電極接合体に伝達することができる。従って、セパレータ全体の剛性を下げながら、電解質・電極接合体と第２プレートとを互いに密着させて相互の密着性を高め、前記電解質・電極接合体を良好に挟持することが可能になる。これにより、電解質・電極接合体にセパレータ全体の歪みが伝わらず、前記セパレータに作用する面圧を均一化して燃料ガスや酸化剤ガスを円滑且つ確実に流すことができる。
【００１５】
さらに、複数の折り曲げ部を設けることにより、密着性を高める他、集電部の剛性を高めるとともに、集電密度を上げて効率的な集電が遂行される。
【００１６】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、セパレータが互いに積層される第１及び第２プレートを備え、前記第１及び第２プレート間には、アノード電極に向かって燃料ガスを供給する燃料ガス通路と、カソード電極に向かって酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路とが形成されている。
【００１７】
そして、第１プレートには、プレート面内の一部を切り欠いて複数の折り曲げ片が設けられるとともに、第２プレートには、前記第１プレート側に突出する複数の突出部が設けられている。折り曲げ片は、セパレータの一方の面側に配置される電解質・電極接合体のカソード電極又はアノード電極に接触する一方、突出部に接触して第２プレートを前記セパレータの他方の面側に配置される電解質・電極接合体のアノード電極又はカソード電極に接触させている。
【００１８】
複数の突出部を設けることにより、反応ガスの流量や圧力が増加しても、この反応ガスの一部が突出部に進入して前記流量や圧力が調整され、前記反応ガスの圧力損失の低減と該反応ガスの均一な流れとが容易に図られる。
【００１９】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池では、折り曲げ片は、第２プレートから離間する方向に突出してセパレータの一方の面側に配置される電解質・電極接合体のカソード電極又はアノード電極に接触する第１突起部と、前記第２プレート側に突出して突出部に接触し、前記第２プレートを前記セパレータの他方の面側に配置される電解質・電極接合体のアノード電極又はカソード電極に接触させる第２突起部とを設けている。
【００２０】
従って、第２突起部が突出部に接触するため、この突出部の高さ方向の寸法を良好に短尺化することができる。これにより、第２プレートを、例えば、板金加工する際に、加工工数が減少するとともに、突出部の成形密度を高めることが可能になる。
【００２１】
さらにまた、本発明の請求項４に係る燃料電池では、折り曲げ片は、第２プレート側に突出し該第２プレートに接触する第３突起部を設けている。従って、第２及び第３突起部が第２プレートに接触し、折り曲げ片の剛性が有効に向上する。一方、第２プレートの突出部を設けなくても、第１及び第２プレート間に反応ガス通路を形成することができ、例えば、前記第２プレートとアノード電極との接触面積を増加することが可能になる。
【００２２】
また、本発明の請求項５に係る燃料電池では、酸化剤ガス通路は、折り曲げ片を設けた切り欠き開口部を介してカソード電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路に連通している。このため、カソード電極全面に酸化剤ガスを均一に供給することができ、発電効率の向上が図られる。
【００２３】
さらに、本発明の請求項６に係る燃料電池では、セパレータの中央部には、電解質・電極接合体で反応に使用された燃料ガス及び酸化剤ガスを含む排ガスを積層方向に排出する排ガス通路が形成されている。これにより、相当に高温になっている排ガスの排熱を、燃料電池自体を加熱するための熱源として回収することができ、熱効率の向上が可能になる。
【００２４】
さらにまた、本発明の請求項７に係る燃料電池では、排ガス通路の中央部には、燃料ガス通路に連通する燃料ガス供給連通孔が、該排ガス通路からシールされて積層方向に設けられている。従って、排ガスの排熱を利用して燃料ガスを昇温させることにより、燃料電池の迅速な活性化が図られるとともに、電解質・電極接合体の温度低下を阻止して発電効率を有効に向上させることが可能になる。
【００２５】
【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が筐体１９内に収容された燃料電池システム１３の一部断面説明図である。
【００２６】
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、図２に示す燃料電池システム１３と、図３に示すガスタービン１４とが採用されている。
【００２７】
ガスタービン１４を構成するケーシング１６の外周には、燃焼器１８の回りに複数、例えば、８基の燃料電池スタック１２が４５°間隔ずつ離間して装着される。各燃料電池スタック１２は、中央側から燃焼器１８側の室２０に反応後の燃料ガス及び酸化剤ガスが混在す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及び発電器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。
【００２８】
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を介して各燃料電池スタック１２の外周部に連通している。
【００２９】
燃料電池１０は、図４及び図５に示すように、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及びアノード電極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。アノード電極５４は多孔質材で構成されており、このアノード電極５４の気孔率は、例えば、２０％〜５０％、より好ましくは、３０％〜４５％の範囲内に設定される。
【００３０】
燃料電池１０は、一組のセパレータ５８間に複数、例えば、８個の電解質・電極接合体５６を挟んで構成される。セパレータ５８間には、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。
【００３１】
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（図４及び図６参照）。
【００３２】
図４〜図６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及び４つの排ガス通路４６を設けるための橋架部６３ａが形成される。プレート６０には、各排ガス通路４６を周回する４つの内側突起部６４ａがプレート（第２プレート）６２側に膨出成形される。
【００３３】
隣り合う２個の内側突起部６４ａには、プレート６０の外周方向に延在する２つの外側突起部６４ｂが設けられるとともに、内側突起部６４ａと前記外側突起部６４ｂとの間には、燃料ガス供給連通孔４４に連通する燃料ガス通路６６が形成される（図７参照）。外側突起部６４ｂは、それぞれ半径外方向に所定の距離だけ突出し、その先端を結ぶ仮想円に沿って８個の電解質・電極接合体５６が配列される。
【００３４】
プレート６０には、円形状折り曲げ部６８が各電解質・電極接合体５６の形状に対応し仮想円に沿って８カ所に形成される。図７及び図８に示すように、折り曲げ部６８は、プレート６０の面内の一部を切り欠いて複数の折り曲げ片７０を備える。各折り曲げ片７０は、プレート６２から離間する方向に突出して一方の電解質・電極接合体５６を構成するカソード電極５２に接触する第１突起部７２ａと、前記第１突起部７２ａの一端から前記プレート６２側に突出して該プレート６２を他方の電解質・電極接合体５６を構成するアノード電極５４に接触させる第２突起部７２ｂと、前記第１突起部７２ａの他端から前記プレート６２側に突出して該プレート６２に接触する第３突起部７２ｃとを設ける（図８参照）。
【００３５】
具体的には、図９に示すように、プレート６０の面内を略コ字状に切り欠いて折り曲げ片７０が形成され、この折り曲げ片７０を前記プレート６０との境界部位から矢印Ｃ１方向（プレート６２側）に窪ませることにより、第２突起部７２ｂが設けられる。この第２突起部７２ｂから矢印Ｃ２方向に突出させて第１突起部７２ａが設けられるとともに、この第１突起部７２ａから矢印Ｃ１方向に突出させて第３突起部７２ｃが設けられる。プレート６０には、各折り曲げ片７０を設けることによって酸化剤ガスを流すための切り欠き開口部７４が形成される。
【００３６】
図６及び図１０に示すように、プレート６２の中央側には、プレート６０の橋架部６３ａに対向して橋架部６３ｂが形成される。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に向かって突出する内側凹部７６が成形され、前記内側凹部７６が前記プレート６０に接合される際に、前記プレート６０、６２間には、燃料ガス分配通路６６ａが形成される（図１１参照）。
【００３７】
プレート６２には、図４、図６及び図１０に示すように、仮想円に沿って配列される各電解質・電極接合体５６に対応し、前記電解質・電極接合体５６から離間する方向に突出する複数の窪み（突出部）７８が設けられる。なお、プレート６０の外側突起部６４ｂに対応する部位には、窪み７８が設けられていない。
【００３８】
図８に示すように、各窪み７８は、各折り曲げ片７０の第２及び第３突起部７２ｂ、７２ｃに接触する位置に配置される。プレート６２には、各電解質・電極接合体５６の中心位置に対応し、すなわち、外側突起部６４ｂの先端部に対応し、燃料ガス通路６６に連通する燃料ガス導入口８０が貫通形成される。
【００３９】
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に沿ってプレート６０に向かって突出する外側凹部８２が成形される（図６参照）。外側凹部８２がプレート６０に接合されることにより、プレート６０とプレート６２との間には、酸化剤ガス通路８４が形成される（図１２参照）。この酸化剤ガス通路８４は、プレート６０に形成された複数の切り欠き開口部７４に連通する。
【００４０】
各セパレータ５８間には、図１１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が設けられるとともに、図１２に示すように、波形外周部６０ａ、６２ａ間には、絶縁シール９２が設けられる。絶縁シール９０としては、例えば、マイカ材やセラミック材が使用される一方、絶縁シール９２としては、前記絶縁シール９０よりも低剛性な、例えば、セラミック繊維が使用される。
【００４１】
図１３に示すように、電解質・電極接合体５６のアノード電極５４と一方のセパレータ５８を構成するプレート６２とは、互いに密着するとともに、各窪み７８に対応して空間９４が形成される。電解質・電極接合体５６のカソード電極５２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８４から切り欠き開口部７４を介して連通する酸化剤ガス供給流路９６が形成される。酸化剤ガス供給流路９６は、各折り曲げ片７０の第１突起部７２ａの高さ寸法に応じて開口寸法が設定される。
【００４２】
各セパレータ５８は、プレート６０の複数の折り曲げ片７０がプレート６２に接触することにより、前記折り曲げ片７０が集電体として機能するとともに、各燃料電池１０が矢印Ａ方向に沿って直列的に接続される。
【００４３】
図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池１０の積層方向両端に円板状のエンドプレート１００ａ、１００ｂを配置する。エンドプレート１００ａは、絶縁されており、中心部に燃料ガス供給口１０２が形成され、この燃料ガス供給口１０２が各燃料電池１０の燃料ガス供給連通孔４４に連通する。
【００４４】
エンドプレート１００ａには、燃料ガス供給口１０２を挟んで２個のボルト挿入口１０４ａが形成される。ボルト挿入口１０４ａは、燃料電池スタック１２の２つの排ガス通路４６に対応している。エンドプレート１００ａには、燃料ガス供給口１０２を中心とする仮想円に沿って、すなわち、各電解質・電極接合体５６に対応して、８個の円形開口部１０６が形成される。各円形開口部１０６には、燃料ガス供給口１０２に向かって突出する矩形開口部１０８が連通するとともに、前記矩形開口部１０８の一部が排ガス通路４６に重なっている。
【００４５】
エンドプレート１００ｂは、導電部材で構成されている。図２に示すように、このエンドプレート１００ｂの中央部に接続端子部１１０が軸方向に膨出形成されるとともに、前記接続端子部１１０を挟んで２個のボルト挿入口１０４ａ、１０４ｂが形成される。各ボルト挿入口１０４ａ、１０４ｂは、同軸上に設けられており、２本のボルト１１２が挿入され、前記ボルト１１２の先端にナット１１４が螺合してエンドプレート１００ａ、１００ｂ間に所望の締め付け荷重が付与される。接続端子部１１０は、導線１１６を介して出力端子１１８ａに電気的に接続される。出力端子１１８ａは、筐体１９に固定される。
【００４６】
エンドプレート１００ａの各円形開口部１０６には、電極面締め付け手段１２０が配設される。この電極面締め付け手段１２０は、燃料電池スタック１２の積層方向端部に電気的に接触する集電板としての押し付け部材１２４が配置される。押し付け部材１２４にスプリング１２６の一端が当接するとともに、前記スプリング１２６の他端が受け板１２８に支持される。スプリング１２６は、発電時の熱による影響を回避し、さらに絶縁性を有している。この受け板１２８は、筐体１９内に保持されている。
【００４７】
各押し付け部材１２４の端部１２４ａは、燃料電池スタック１２の軸方向に屈曲しており、この端部１２４ａと１本のボルト１１２の一端とは、導線１３０を介して電気的に接続される。このボルト１１２の他端（頭部）は、接続端子部１１０に近接しており、この他端は、導線１３２を介して出力端子１１８ｂに電気的に接続される。出力端子１１８ｂは、出力端子１１８ａと近接且つ平行して筐体１９に固定される。
【００４８】
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。
【００４９】
燃料電池１０を組み付ける際には、先ず、セパレータ５８を構成するプレート６０、６２が接合されるとともに、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又は前記プレート６２に設けられる。一方、プレート６０の波形外周部６０ａ又はプレート６２の波形外周部６２ａには、波形状の絶縁シール９２が設けられる。
【００５０】
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、燃料ガス通路６６と酸化剤ガス通路８４とが形成される（図８及び図１３参照）。さらに、燃料ガス通路６６は、燃料ガス分配通路６６ａ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８４は、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。
【００５１】
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及び図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８個の電解質・電極接合体５６が配置される。このため、図１３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、複数の切り欠き開口部７４を介して酸化剤ガス通路８４に連通する酸化剤ガス供給流路９６が形成される。
【００５２】
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とが密着しており、このアノード電極５４内には、燃料ガス導入口８０を介して燃料ガス通路６６に連通する燃料ガス供給流路１４０が形成される。さらに、セパレータ５８間には、反応後の燃料ガス及び酸化剤ガスを混合して排ガス通路４６に導くための排出通路１４２が形成される。
【００５３】
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１参照）。この燃料電池スタック１２は、図２に示すように、電極面締め付け手段１２０を介して筐体１９内に装着される。
【００５４】
そこで、燃料電池スタック１２を構成するエンドプレート１００ａの燃料ガス供給口１０２から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６６ａに導入される（図１１参照）。
【００５５】
図５及び図６に示すように、燃料ガスは、外側突起部６４ｂに沿って燃料ガス通路６６を移動し、それぞれの先端部から燃料ガス導入口８０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、燃料ガスは前記燃料ガス導入口８０から前記アノード電極５４内に供給され、該アノード電極５４内を中心部から外周に向かって流動する（図１３参照）。
【００５６】
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８４に供給される。この酸化剤ガス通路８４に供給された酸化剤ガスは、各切り欠き開口部７４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の全面に均一に供給される（図５及び図１３参照）。
【００５７】
従って、各電解質・電極接合体５６では、アノード電極５４内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の全面に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。
【００５８】
ここで、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おり、図２に示すように、一方の極は、導電性のエンドプレート１００ｂに設けられた接続端子部１１０から導線１１６を介して出力端子１１８ａに接続される。他方の極は、電極面締め付け手段１２０を構成する押し付け部材１２４及びボルト１１２を介して出力端子１１８ｂに接続される。従って、出力端子１１８ａ、１１８ｂ間に出力を取り出すことができる。
【００５９】
また、複数の電解質・電極接合体５６のうち、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。
【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及び酸化剤ガスが混在する排ガスは、セパレータ５８間に形成される排出通路１４２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。
【００６１】
この場合、第１の実施形態では、プレート６０の面内に、一部を切り欠いて複数の折り曲げ片７０が設けられている。この折り曲げ片７０は、図８及び図１３に示すように、プレート６２から離間する方向に突出して一方の電解質・電極接合体５６を構成するカソード電極５２に接触する第１突起部７２ａと、前記プレート６２側に突出して該プレート６２を他方の電解質・電極接合体５６を構成するアノード電極５４に接触させる第２及び第３突起部７２ｂ、７２ｃとを設けている。
【００６２】
このため、燃料電池１０の積層方向（矢印Ａ方向）に荷重が作用する際、第１〜第３突起部７２ａ、７２ｂ及び７２ｃがこの荷重を受けることにより、該荷重を各折り曲げ片７０に伝達することができる。従って、セパレータ５８全体の剛性を下げながら、電解質・電極接合体５６とプレート（第２プレート）６２とを互いに密着させることによって密着性を高め、前記電解質・電極接合体５６を良好に挟持することが可能になる。これにより、電解質・電極接合体５６にセパレータ５８全体の歪みが伝わらず、前記セパレータ５８に作用する面圧を均一化して、燃料ガスや酸化剤ガスを円滑且つ確実に流すことができる。
【００６３】
さらに、複数の折り曲げ片７０を設けることにより、密着性を高める他、集電部の剛性を高めるとともに、集電密度を上げることができ、効率的な集電が遂行される。
【００６４】
また、プレート６２は、プレート６０側に突出する複数の窪み７８を設けており、この窪み７８は、各折り曲げ片７０の第２及び第３突起部７２ｂ、７２ｃに接触している。このため、酸化剤ガス通路８４が形成されると同時に、プレート６２とアノード電極５４とが密着する。窪み７８を設けることにより、プレート６２とアノード電極５４との間で燃料ガスの流量や圧力が増加しても、この燃料ガスの一部が前記窪み７８に進入して前記流量や前記圧力が調整され、燃料ガスの圧力損失の低減するとともに、燃料ガスの均一な流れを確保することができる。
【００６５】
しかも、第２突起部７２ｂが窪み７８に接触するため、この窪み７８の高さ方向の寸法を良好に短尺化することができる。これにより、プレート６２を、例えば、板金加工する際に、加工工数が減少するとともに、窪み７８の成形密度を高めることが可能になる。その上、第２及び第３突起部７２ｂ、７２ｃが窪み７８に接触するため、各折り曲げ片７０の剛性が有効に向上する。
【００６６】
また、酸化剤ガス通路８４は、各折り曲げ片７０を設ける切り欠き開口部７４を通ってカソード電極５２に酸化剤ガスを供給している。このため、カソード電極５２の全面に酸化剤ガスを均一に供給することができ、発電効率の向上が図られる。
【００６７】
さらに、セパレータ５８の中央部には、電解質・電極接合体５６で反応に使用された燃料ガス及び酸化剤ガスを含む排ガスを積層方向に排出する排ガス通路４６が形成されている。これにより、相当に高温になっている排ガスの排熱を、燃料電池１０自体を加熱するための熱源として回収することができ、熱効率の向上が可能になる。
【００６８】
さらにまた、排ガス通路４６の中央部には、燃料ガス通路６６に連通する燃料ガス供給連通孔４４が、該排ガス通路４６からシールされて積層方向に設けられている。従って、排ガスの排熱を利用して燃料ガスを昇温させることができ、燃料電池１０の迅速な活性化が図られるとともに、電解質・電極接合体５６の温度低下を阻止して発電効率を有効に向上させることが可能になる。
【００６９】
なお、第１の実施形態では、セパレータ５８を構成するプレート６０が一方の電解質・電極接合体５６のカソード電極５２に接触する一方、プレート６２が他方の電解質・電極接合体５６のアノード電極５４に接触しているが、前記プレート６０が前記アノード電極５４に接触する一方、前記プレート６２が前記カソード電極５２に接触するように構成してもよい。
【００７０】
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。
【００７１】
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及び発電器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、高圧且つ所定温度（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。
【００７２】
この熱交換器２２の第１通路３２には、反応後の燃料ガス及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、各燃料電池１０で発電が行われ、反応後の燃料ガス及び酸化剤ガスが混在する排ガスは、ケーシング１６内の室２０に排出される。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
図１４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１５０の分解斜視図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０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〜第９の実施形態でも、同様にその詳細な説明は省略する。
【００７６】
燃料電池１５０は、電解質・電極接合体５６を挟持する一組のセパレータ１５２を備える。このセパレータ１５２は、例えば、２枚のプレート６０、１５４を設ける。プレート１５４は、面内に窪みを形成しておらず、平坦状に構成されている。
【００７７】
これにより、第２の実施形態では、プレート６０、１５４間に燃料ガス通路６６及び酸化剤ガス通路８４を形成することができ、第１の実施形態と同様の効果が得られる。しかも、平坦状のプレート１５４とアノード電極５４との接触面積を一層増加させることが可能になる。
【００７８】
図１５は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータ１６０の分解斜視図である。
【００７９】
セパレータ１６０は、例えば、２枚のプレート１６２、６２を備える。プレート１６２には、各排ガス通路４６を周回する４つの内側突起部６４ａと、この内側突起部６４ａの外方に設けられて前記内側突起部６４ａとの間に燃料ガス通路６６を形成する外側突起部１６４とが形成される。
【００８０】
図１６は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１７０の動作説明図であり、図１７は、前記燃料電池１７０の動作を示す一部分解斜視説明図である。
【００８１】
燃料電池１７０は、一組のセパレータ１７２を介して複数、例えば、１６個の電解質・電極接合体５６を挟んで構成される。セパレータ１７２の面内には、このセパレータ１７２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１６参照）。
【００８２】
セパレータ１７２は、プレート１７４、１７６を備える。図１８に示すように、プレート１７４には、各排ガス通路４６を周回する４つの内側突起部６４ａと、この内側突起部６４ａの外方に設けられて前記内側突起部６４ａとの間に燃料ガス通路１７８を形成する外側突起部１８０とが形成される。
【００８３】
外側突起部１８０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１８２ａと第２壁部１８２ｂとを交互に設けている。第１壁部１８２ａ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１８２ａ間には、この第１壁部１８２ａよりも長尺な第２壁部１８２ｂが設けられ、前記第２壁部１８２ｂ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。
【００８４】
プレート１７４には、内周側配列層Ｐ１と外周側配列層Ｐ２とに配設される電解質・電極接合体５６に対応して円形折り曲げ部１８４が１６カ所に形成される。各円形折り曲げ部１８４は、複数の折り曲げ片７０を備えている。
【００８５】
図１７に示すように、プレート１７６には、内周側配列層Ｐ１と外周側配列層Ｐ２とに沿って配設される電解質・電極接合体５６に対応し、前記電解質・電極接合体５６から離間する方向に突出する複数の窪み（突出部）７８が設けられる。プレート１７６には、各電解質・電極接合体５６の中心位置に対応して燃料ガス導入口８０が１６カ所に形成される。
【００８６】
このように構成される第４の実施形態では、第１の実施形態と同様の効果が得られるとともに、特に燃料電池１７０が１６個の電解質・電極接合体５６を備えており、前記燃料電池１７０の高出力化が容易に図られるという利点がある。
【００８７】
図１９は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池１９０の分解斜視図である。
【００８８】
燃料電池１９０は、電解質・電極接合体１９２を挟持する一組のセパレータ１９４を備える。電解質・電極接合体１９２は、例えば、リングを８等分した形状（扇形状）に設定されている。
【００８９】
図１９及び図２０に示すように、セパレータ１９４は、例えば、２枚のプレート１９６、１９８を設けており、このプレート１９６には、各電解質・電極接合体１９２の形状に対応して扇形折り曲げ部２００が８カ所に形成される。各扇形折り曲げ部２００は、複数の折り曲げ片７０を設けるとともに、前記折り曲げ片７０は、プレート１９６の中心に向かって整列される。プレート１９８には、各電解質・電極接合体１９２の形状に対応して窪み７８が配設される。
【００９０】
このように構成される第５の実施形態では、第１の実施形態と同様の効果が得られるとともに、電解質・電極接合体１９２の発電面積が良好に拡大可能であるという利点がある。
【００９１】
図２１は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池２１０の分解斜視図である。この燃料電池２１０は、リング状の電解質・電極接合体２１２を一組のセパレータ１９４で挟持して構成されている。従って、上記の第５の実施形態と同様の効果が得られる。
【００９２】
図２２は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池２２０の一部省略断面図である。
【００９３】
燃料電池２２０は、電解質・電極接合体５６を挟持する一組のセパレータ２２２を備え、前記セパレータ２２２は、プレート２２４、２２６を設ける。プレート２２４は、複数の折り曲げ片２２８を形成するとともに、前記折り曲げ片２２８は、プレート２２６から離間する方向に突出してカソード電極５２に接触する突起部２３０を有する。突起部２３０は、第１の実施形態の第１突起部７２ａに比べて幅広に構成されており、前記第１突起部７２ａよりも低い剛性に設定される。
【００９４】
プレート２２６には、プレート２２４に向かって突出する複数の窪み（突出部）２３２が形成される。窪み２３２は、第１の実施形態の窪み７８よりも深さが大きく設定されており、この窪み２３２は、突起部２３０の両肩部２３４ａ、２３４ｂに接触して所望の剛性を確保している。
【００９５】
図２３は、本発明の第８の実施形態に係る燃料電池２４０の一部省略断面図である。
【００９６】
燃料電池２４０を構成するセパレータ２４２は、プレート２２４ａ、２２６ａを備える。プレート２２４ａに設けられた折り曲げ片２２８は、プレート２２６ａに設けられた窪み２３２の位置からずれている。すなわち、突起部２３０の肩部２３４ｂのみが窪み２３２に接触しており、セパレータ２４２は、第７の実施形態に比べて剛性を小さく設定することができる。
【００９７】
図２４は、本発明の第９の実施形態に係る燃料電池２５０の一部省略断面図である。
【００９８】
燃料電池２５０を構成するセパレータ２５２は、プレート２５４、６２を備える。プレート２５４に設けられた折り曲げ片２５６は、第１及び第２突起部７２ａ、７２ｂを有するとともに、前記第１突起部７２ａの端部は、カソード電極５２から折り返して窪み７８に接触することなく終端する。
【００９９】
従って、第９の実施形態では、第１突起部７２ａがカソード電極５２に接触する一方、第２突起部７２ｂがプレート６２の窪み７８に接触することにより、第１の実施形態に比べて、セパレータ２５２の剛性を小さく設定することが可能になる。
【０１００】
なお、第７〜第９の実施形態では、プレート２２６、２２６ａ及び６２に窪み２３２及び７８を設けることなく、前記プレート２２６、２２６ａ及び６２を平坦面状に構成してもよい。また、これらを種々組み合わせることにより、所望の剛性を容易に得ることができる。
【０１０１】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、セパレータが第１及び第２プレートを備え、この第１プレートに第１及び第２突起部が設けられるとともに、燃料電池の積層方向に荷重が作用する際、前記第１及び第２突起部がこの荷重を受けることにより、該荷重を折り曲げ片に伝達することができる。従って、セパレータ全体の剛性を下げながら、電解質・電極接合体と第２プレートとを互いに密着させることで密着性を高め、前記電解質・電極接合体を良好に挟持することが可能になる。これにより、電解質・電極接合体にセパレータ全体の歪みが伝わらず、セパレータに作用する面圧を均一化して燃料ガスや酸化剤ガスが円滑且つ確実に流れる。
【０１０２】
さらに、第２突起部と第２プレートとの間には、反応ガス通路が形成される。これにより、燃料電池は、積層方向の寸法を有効に減少させることが可能になる。しかも、複数の折り曲げ部を設けることにより、集電部の剛性を高めるとともに、集電密度を上げて効率的な集電が遂行される。
【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が筐体内に収容された燃料電池システム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】前記燃料電池を構成するセパレータの分解斜視説明図である。
【図７】前記セパレータを構成する一方のプレートの一部拡大正面説明図である。
【図８】前記燃料電池の一部省略断面図である。
【図９】前記セパレータに設けられる折り曲げ片の斜視説明図である。
【図１０】前記セパレータを構成する他方のプレートの一部拡大正面説明図である。
【図１１】前記燃料電池の中心部の拡大断面図である。
【図１２】前記燃料電池の外周縁部の拡大断面図である。
【図１３】前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。
【図１４】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。
【図１５】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータの分解斜視図である。
【図１６】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の動作説明図である。
【図１７】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１８】前記燃料電池のセパレータを構成する一方のプレートの一部拡大正面説明図である。
【図１９】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。
【図２０】前記燃料電池を構成するセパレータの分解斜視図である。
【図２１】本発明の第６の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。
【図２２】本発明の第７の実施形態に係る燃料電池の一部省略断面図である。
【図２３】本発明の第８の実施形態に係る燃料電池の一部省略断面図である。
【図２４】本発明の第９の実施形態に係る燃料電池の一部省略断面図である。
【図２５】特許文献１に係る燃料電池の断面説明図である。
【符号の説明】
１０、１５０、１７０、１９０、２１０、２２０、２４０、２５０…燃料電池
１２…燃料電池スタック１３…燃料電池システム
１４…ガスタービン１９…筐体
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、１９２、２１２…電解質・電極接合体
５８、１５２、１６０、１７２、１９４、２２２、２４２、２５２…セパレータ
６０、６２、１５４、１６２、１７４、１７６、１９６、１９８、２２４、２２４ａ、２２６、２２６ａ、２５４…プレート
６６、１７８…燃料ガス通路６６ａ…燃料ガス分配通路
６８…折り曲げ部７０、２２８、２５６…折り曲げ片
７２ａ〜７２ｃ、２３０…突起部７４…切り欠き開口部
７８、２３２…窪み８０、８８…燃料ガス導入口
９０、９２…絶縁シール９６…酸化剤ガス供給流路
１００ａ、１００ｂ…エンドプレート
１１８ａ、１１８ｂ…出力端子１２０…電極面締め付け手段
１４０…燃料ガス供給流路２００…扇形折り曲げ部

Claims

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・電極接合体とセパレータとが交互に積層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及び第２プレートを備え、
前記第１及び第２プレート間には、前記アノード電極に向かって燃料ガスを供給する燃料ガス通路と、前記カソード電極に向かって酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路とが形成されるとともに、
前記第１プレートは、プレート面内の一部を切り欠いて複数の折り曲げ片を設け、
前記折り曲げ片は、前記第２プレートから離間する方向に突出して前記セパレータの一方の面側に配置される前記電解質・電極接合体の前記カソード電極又は前記アノード電極に接触する第１突起部と、
前記第２プレート側に突出して該第２プレートを前記セパレータの他方の面側に配置される前記電解質・電極接合体の前記アノード電極又は前記カソード電極に接触させる第２突起部と、
を設けることを特徴とする燃料電池。
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・電極接合体とセパレータとが交互に積層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及び第２プレートを備え、
前記第１及び第２プレート間には、前記アノード電極に向かって燃料ガスを供給する燃料ガス通路と、前記カソード電極に向かって酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路とが形成されるとともに、
前記第１プレートは、プレート面内の一部を切り欠いて複数の折り曲げ片を設け、
前記第２プレートは、前記第１プレート側に突出する複数の突出部を設け、
前記折り曲げ片は、前記セパレータの一方の面側に配置される前記電解質・電極接合体の前記カソード電極又は前記アノード電極に接触する一方、前記突出部に接触して前記第２プレートを前記セパレータの他方の面側に配置される前記電解質・電極接合体の前記アノード電極又は前記カソード電極に接触させることを特徴とする燃料電池。
請求項２記載の燃料電池において、前記折り曲げ片は、前記第２プレートから離間する方向に突出して前記セパレータの一方の面側に配置される前記電解質・電極接合体の前記カソード電極又は前記アノード電極に接触する第１突起部と、
前記第２プレート側に突出して前記突出部に接触し、前記第２プレートを前記セパレータの他方の面側に配置される前記電解質・電極接合体の前記アノード電極又は前記カソード電極に接触させる第２突起部と、
を設けることを特徴とする燃料電池。
請求項１又は３記載の燃料電池において、前記折り曲げ片は、前記第２プレート側に突出し該第２プレートに接触する第３突起部を設けることを特徴とする燃料電池。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記酸化剤ガス通路は、前記折り曲げ片を設けた切り欠き開口部を介して前記カソード電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給流路に連通することを特徴とする燃料電池。
請求項１又は２記載の燃料電池において、前記セパレータの中央部には、前記電解質・電極接合体で反応に使用された燃料ガス及び酸化剤ガスを含む排ガスを積層方向に排出する排ガス通路が形成されることを特徴とする燃料電池。
請求項６記載の燃料電池において、前記排ガス通路の中央部には、前記燃料ガス通路に連通する燃料ガス供給連通孔が、該排ガス通路からシールされて積層方向に設けられることを特徴とする燃料電池。