JP5619482B2

JP5619482B2 - 燃料電池

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Publication number: JP5619482B2
Application number: JP2010137941A
Authority: JP
Inventors: 千栄林; 石川　浩也; 浩也石川; 洋介伊藤; 権田一郎; 一郎権田; 柴田　昌宏; 昌宏柴田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2014-11-05
Anticipated expiration: 2030-06-17
Also published as: JP2012003941A

Description

本発明は、発電反応により電力を発生する燃料電池スタックと、その側面に近接して配置される補助器とを備えた燃料電池に関するものである。

従来より、燃料電池として、例えば固体電解質層（固体酸化物層）を備えた固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell ；ＳＯＦＣ）が知られている。このＳＯＦＣは、燃料ガスに接する燃料極層と酸化剤ガスに接する空気極層とが固体電解質層の両側に配置された発電セルを備えている。また近年では、性能を高めるために、発電セルを複数積層してなる燃料電池スタックを備えたＳＯＦＣが種々提案されている。

なお、ＳＯＦＣは高温型の燃料電池であるため、燃料ガス及び酸化剤ガスを稼動温度（例えば５００℃〜１０００℃）まで加熱したときにはじめて、燃料ガスと酸化剤ガスとの発電反応を起こすことが可能となり、電力を発生させることができる。そこで、例えば、燃料電池スタックの熱（ジュール熱など）を用いて燃料ガス及び酸化剤ガスの予熱を行う予熱器（補助器）を、燃料電池スタックの側面に配置することなどが提案されている（例えば特許文献１参照）。

米国特許７３７４８３４号公報（図５等）

ところで、このような予熱器は、燃料電池スタックの側面に近付けるほど、燃料電池スタックから多くの熱を受けるようになるため、ガスを効率良く予熱することができる。しかし、予熱器を近付け過ぎると、熱サイクルの繰り返しによって、予熱器または燃料電池スタック自体が変形する可能性があるため、予熱器と燃料電池スタックとが接触してショートが発生し、信頼性が低下するおそれがある。そこで、特許文献１に記載の従来技術では、燃料電池スタック（５１）と予熱器であるガスフローパネル（５５）との間に、絶縁性の挿入物（４９）を配置している。

ところが、上記した絶縁性の挿入物を予熱器と燃料電池スタックとの間に配置するためには、通常、例えばボルトなどの固定手段が不可欠となる。その結果、燃料電池の製造時に挿入物や固定手段が必要となるため、部品点数や工数の増加が避けられなくなり、製造コストの上昇に繋がってしまうという問題がある。

また、上記した絶縁性の挿入物を予熱器と燃料電池スタックとの間に配置すると、予熱器に期待されること、具体的には、燃料電池スタックから多くの熱を受けてガスを効率良く予熱することに対し、相反することになるという問題がある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池スタックと補助器との間で起こるショートを防止して信頼性を高くすることができ、かつ、高熱効率化、低コスト化を図ることができる燃料電池を提供することにある。

上記課題を解決するための手段（手段１）としては、電解質層と、その両側に配置され燃料ガスに接する燃料極層及び酸化剤ガスに接する空気極層とを有する発電セルを複数積層してなり発電反応により電力を発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックでの発電反応にあたり、酸化剤及び燃料を含む原料の予熱、発電後の残余燃料ガスの燃焼、液体原料の気化、及び原料の改質の各機能のうちの少なくとも１つの機能を有し、前記燃料電池スタックの側面に近接して配置される補助器とを備えた燃料電池において、前記燃料電池スタックを構成する絶縁部材の一部を前記燃料電池スタックの側面から前記補助器に向けて張り出してなる張出部を備えたことを特徴とする燃料電池がある。

手段１に記載の発明によると、燃料電池は、燃料電池スタックを構成する絶縁部材の一部を燃料電池スタックの側面から補助器に向けて張り出してなる張出部を備えている。その結果、燃料電池スタックと補助器との間隔が張出部を介して一定に保持されるため、両者の接触が回避される。従って、燃料電池スタックと補助器との間で起こるショートが防止されるため、燃料電池の信頼性を高くすることができる。しかも、燃料電池スタックを構成する絶縁部材の一部が張出部となることから、張出部は燃料電池スタックと一体になる。よって、張出部を燃料電池スタックに固定するための固定手段を設けたりしなくても済む。ゆえに、燃料電池の部品点数が少なくなり、製造時の工数も少なくなるため、燃料電池の低コスト化を図ることができる。

また、燃料電池スタックからの熱を確実に補助器に伝導するために、燃料電池スタックと補助器との間の空間を最小限の部品（張出部）で絶縁し、残りの空間を遮蔽物のない構造とすることができるため、効率的に補助器（例えば、補助器が予熱器である場合には、予熱器内のガス）を昇温させることができる。さらに、燃料電池スタックと補助器とを絶縁する最小限の部品を、燃料電池スタックとほぼ同じ温度にすれば、より効率的に補助器を昇温させることができる。

ここで、燃料電池としては、ＺｒＯ_２系セラミックなどを電解質とする固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、高分子電解質膜を電解質とする固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、Ｌｉ−Ｎａ／Ｋ系炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、リン酸を電解質とするリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）などが挙げられる。なお、燃料電池の稼動温度（即ち、イオンが電解質中を移動可能となる温度）は、燃料電池の種類ごとに異なっている。具体的に言うと、ＳＯＦＣの稼動温度は７００℃〜１０００℃程度、ＰＥＦＣの稼動温度は常温〜９０℃程度、ＭＣＦＣの稼動温度は６５０℃〜７００℃程度、ＰＡＦＣの稼動温度は１５０℃〜２００℃程度である。

燃料電池を構成する燃料電池スタックは、発電セルを複数積層してなる。発電セルを構成する電解質層は、燃料極層に接する燃料ガス及び空気極層に接する酸化剤ガスの少なくとも一方の一部がイオンとなって移動する性質（イオン伝導性）を有している。電解質層中を移動するイオンとしては、例えば酸素イオンや水素イオンなどが挙げられる。

燃料電池がＳＯＦＣである場合、電解質層（固体酸化物層）の形成材料としては、例えばＺｒＯ_２系セラミック、ＬａＧａＯ_３系セラミック、ＢａＣｅＯ_３系セラミック、ＳｒＣｅＯ_３系セラミック、ＳｒＺｒＯ_３系セラミック、ＣａＺｒＯ_３系セラミックなどがある。

また、発電セルを構成する燃料極層は、還元剤となる燃料ガスと接触し、発電セルにおける負電極として機能する。ここで、燃料極層の形成材料としては、例えば、希土類元素（Ｓｃ、Ｙなど）により安定化されたＺｒＯ_２系セラミック、及び、希土類元素（Ｓｍ、Ｇｄなど）をドープしたＣｅＯ_２系セラミック等のうち、少なくとも１つのセラミック材料と、金属（Ｎｉ、Ｆｅなど）との混合物が挙げられる。また、燃料極層の形成材料としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｆｅ等の金属材料やそれらの合金が挙げられる。なお、金属材料（または合金）とセラミック材料との混合物（サーメットなど）を選択してもよい。さらに、金属材料（ＮｉやＦｅなど）の酸化物とセラミック材料との混合物を選択してもよい。

また、燃料ガスとしては、例えば、水素ガス、炭化水素ガス、水素ガスと炭化水素ガスとの混合ガスなどが挙げられる。燃料ガスとして炭化水素ガスを選択した場合、炭化水素ガスの種類は特に限定されないが、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等であることが好ましい。なお、水中にガス（水素ガス、炭化水素ガス、混合ガス）を通過させて加湿することによって得られる燃料ガスや、ガス（水素ガス、炭化水素ガス、混合ガス）に水蒸気を混合させることによって得られる燃料ガスを選択してもよい。また、１種類の燃料ガスのみを用いてもよいし、複数種類の燃料ガスを併用してもよい。さらに、燃料ガスは、窒素やアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。また、液体の原料を気化したものを燃料ガスとして使用したり、水素ガス以外のガスを改質して生成した水素ガスを燃料ガスとして使用したりすることもできる。

発電セルを構成する空気極層は、酸化剤となる酸化剤ガスと接触し、発電セルにおける正電極として機能する。ここで、空気極層の形成材料としては、例えば、金属材料、金属の酸化物、金属の複合酸化物などを挙げることができる。金属材料の好適例としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ等やそれらの合金などがある。金属の酸化物の好適例としては、例えば、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅの酸化物（Ｌａ_２Ｏ_３、ＳｒＯ、Ｃｅ_２Ｏ_３、Ｃｏ_２Ｏ_３、ＭｎＯ_２、ＦｅＯ）などがある。金属の複合酸化物の好適例としては、例えば、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎを含有する複合酸化物（Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＦｅＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏ_１−ｙＦｅ_ｙＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３系複合酸化物、Ｐｒ_１−ｘＢａ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物、Ｓｍ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物）などがある。

また、酸化剤ガスとしては、例えば、酸素と他の気体との混合ガスなどが挙げられる。この混合ガスは、窒素やアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。なお、混合ガスは、安全で安価な空気であることが好ましい。

さらに、燃料電池スタックを構成する絶縁部材は、絶縁性、耐熱性、シール性等を考慮して適宜選択することができ、その形成材料としては、例えばセラミック材料などを挙げることができる。セラミック材料の好適例としては、例えばマイカセラミック、アルミナ、ガラスセラミック、結晶化ガラス等の低温焼成材料、窒化アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素などがある。

なお、燃料電池スタックを構成する絶縁部材は、複数の発電セル内に配置して積層されるとともにシール部材を兼ねる絶縁フレームであることが好ましい。このようにすれば、シール部材を絶縁部材と別々に設けなくても済む。その結果、燃料電池の部品点数がよりいっそう少なくなるため、燃料電池のさらなる低コスト化を図ることができる。

なお、燃料電池を構成する補助器としては、酸化剤及び燃料を含む原料の予熱の機能を有する予熱器（熱交換器）、発電後の残余燃料ガスの燃焼の機能を有する発熱器、液体原料の気化の機能を有する気化器、原料の改質の機能を有する改質器などが挙げられる。

また、燃料電池は、燃料電池スタックを構成する絶縁部材の一部を燃料電池スタックの側面から補助器に向けて張り出してなる張出部を備えている。なお、張出部の先端は、補助器に当接されていることが好ましく、特には、補助器に設けられた凹所に嵌合固定されていることが好ましい。このようにすれば、燃料電池スタックと補助器との間隔を一定に保持しやすくなるため、燃料電池の信頼性を確実に高くすることができる。

また、張出部には、積層する方向の両側面を連通させる開口部が形成されていることが好ましい。このようにすれば、例えば燃料電池の起動時において、起動用バーナーで燃料電池スタックを昇温させる際に、高温のバーナー排ガスが開口部を通過するように設定できる。即ち、高温のバーナー排ガスは燃料電池スタックの近傍を通過するため、開口部を通過したバーナー排ガスによって燃料電池スタックが素早く温められて稼動温度に達するようになる。このため、燃料電池の起動時間の短縮を図ることができる。

なお、張出部において開口部が占める割合は、１０％以上９０％以下であることが好ましい。仮に、開口部が占める割合が１０％未満になると、上記した高温のバーナー排ガスが開口部を通過しにくくなるため、開口部を通過したバーナー排ガスによって燃料電池スタックが温められにくくなり、燃料電池の起動時間を短縮できなくなる。一方、開口部が占める割合が９０％よりも大きくなると、張出部の強度が低下して張出部が変形しやすくなるため、燃料電池スタックと補助器との間隔を一定に保持できなくなる。なお、開口部は、１つの張出部に対して１つのみ形成されていてもよいし、１つの張出部に対して複数形成されていてもよい。

上記課題を解決するための別の手段（手段２）としては、電解質層と、その両側に配置され燃料ガスに接する燃料極層及び酸化剤ガスに接する空気極層とを有する発電セルを複数積層してなり発電反応により電力を発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックでの発電反応にあたり、酸化剤及び燃料を含む原料の予熱、発電後の残余燃料ガスの燃焼、液体原料の気化、及び原料の改質の各機能のうちの少なくとも１つの機能を有し、前記燃料電池スタックの側面に近接して配置される補助器とを備えた燃料電池において、前記燃料電池スタックを構成する導電性金属部材の一部を前記燃料電池スタックの側面から前記補助器に向けて張り出してなる張出部を備えるとともに、該張出部に絶縁被膜が一体形成されていることを特徴とする燃料電池がある。

手段２に記載の発明によると、燃料電池は、燃料電池スタックを構成する導電性金属部材の一部を燃料電池スタックの側面から補助器に向けて張り出してなる張出部を備えている。その結果、燃料電池スタックと補助器との間隔が張出部を介して一定に保持されるため、両者の接触が回避される。また、燃料電池スタック及び補助器の両方に接する張出部に絶縁被膜が一体形成されているため、燃料電池スタックと補助器との絶縁が確保される。従って、燃料電池スタックと補助器との間で起こるショートが防止されるため、燃料電池の信頼性を高くすることができる。しかも、燃料電池スタックを構成する導電性金属部材の一部が張出部となることから、張出部は燃料電池スタックと一体になる。よって、張出部を燃料電池スタックに固定するための固定手段を設けたりしなくても済む。ゆえに、燃料電池の部品点数が少なくなり、製造時の工数も少なくなるため、燃料電池の低コスト化を図ることができる。

なお、張出部に一体形成された絶縁被膜の形成材料としては、例えばセラミック材料などが挙げられる。セラミック材料の好適例としては、例えばマイカセラミック、アルミナ、ジルコニア、ガラスセラミック、結晶化ガラス、窒化アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素などがある。なお、絶縁被膜は、酸化物セラミック、即ち、アルミナやジルコニアなどを主体とする耐熱性絶縁被膜であることが好ましい。このようにすれば、張出部の温度が上昇したとしても、絶縁被膜は、溶けることなく張出部を被覆し続けるため、燃料スタックと補助器との間で起こるショートが確実に防止され、燃料電池の信頼性がよりいっそう向上する。なお、張出部に絶縁被膜を一体形成する方法としては、溶射やスプレーコートの終了後に焼成することなどを挙げることができる。

本実施形態における燃料電池を示す分解斜視図。燃料電池を示す概略平面図。図２のＡ−Ａ線断面図。発電セルを示す分解斜視図。発電セルを示す概略断面図。燃料電池のシステム構成を示すブロック図。他の実施形態における上側絶縁フレームを示す概略平面図。他の実施形態における絶縁フレームを示す概略平面図。他の実施形態における絶縁フレームを示す概略平面図。他の実施形態における燃料電池を示す要部断面図。他の実施形態における燃料電池を示す要部断面図。他の実施形態における燃料電池スタックを示す概略斜視図。他の実施形態における燃料電池を示す概略平面図。他の実施形態における燃料電池を示す概略平面図。他の実施形態における燃料電池を示す概略断面図。他の実施形態における燃料電池を示す概略断面図。他の実施形態における燃料電池を示す概略平面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１に示されるように、本実施形態の燃料電池１は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。燃料電池１は、発電反応により電力を発生する燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０の補助器である予熱器２０（熱交換器）と、燃料電池スタック１０を加熱する起動用バーナー３０とを備えている。なお、予熱器２０は、燃料電池スタック１０へ供給するガスを排ガス（例えば、発電後の残余燃料ガスをさらに燃焼させたガス）の熱で加熱する機能、及び、燃料電池スタック１０から放出された熱を吸収する機能のうち少なくとも一方の機能を有している。また、燃料電池スタック１０、予熱器２０及び起動用バーナー３０は、断熱容器２（図６参照）内に収容されている。

図２，図３に示されるように、予熱器２０は、燃料電池スタック１０の側面１４に近接して配置されている。予熱器２０は、耐熱性に優れた材料（例えばステンレス）によって形成され、縦１０ｍｍ×横１８０ｍｍ×高さ２２５ｍｍの略直方体状をなしている。また、予熱器２０は、燃料電池スタック１０での発電反応時に燃料電池スタック１０から発生する熱によって、燃料電池スタック１０への供給前に燃料ガス（本実施形態では炭化水素ガス）及び空気（酸化剤ガス）の温度を上昇させる機能（予熱を行う機能）を有している。そして、予熱器２０は、加熱された燃料ガス及び空気を燃料電池スタック１０に供給するようになっている。なお、本実施形態の予熱器２０は、上下を金属板で挟まれた空間内に多数の金属製フィンからなる熱交換層（図示略）が配置されるとともに、熱交換層の外周が金属板で包囲された装置である。

図１に示されるように、起動用バーナー３０は、略平板状をなし、燃料電池スタック１０及び予熱器２０を下方から支持するようになっている。起動用バーナー３０は、燃料電池スタック１０を稼動温度（例えば７００℃）まで加熱するようになっている。なお、起動用バーナー３０は、フレーム３１、燃焼プレート３２及び配管３３を備えている。燃焼プレート３２は、フレーム３１の上面（表面）に設置されている。燃焼プレート３２は、例えば多孔質のセラミック材料などによって形成され、表面において可燃性ガスと空気との混合ガスが燃焼するようになっている。配管３３は、フレーム３１の側面から突出しており、混合ガスを燃焼プレート３２に供給するようになっている。

図１〜図３に示されるように、燃料電池スタック１０は、発電の最小単位である略矩形板状の発電セル１１を複数積層してなるものである。燃料電池スタック１０は、縦１８０ｍｍ×横１８０ｍｍ×高さ８０ｍｍの略直方体状をなしている。また、燃料電池スタック１０は、同燃料電池スタック１０を厚さ方向に貫通する８つの貫通孔４０を有している。なお、燃料電池スタック１０の四隅にある４つの貫通孔４０に締結ボルト４１を挿通させ、燃料電池スタック１０の下面から突出する締結ボルト４１の下端部分にナット（図示略）を螺着させる。また、残り４つの貫通孔４０にガス流通用締結ボルト４２を挿通させ、燃料電池スタック１０の上面及び下面から突出するガス流通用締結ボルト４２の両端部分にナット４３を螺着させる。その結果、複数の発電セル１１が固定されるようになっている。

図３〜図５に示されるように、発電セル１１は、コネクタプレート５１、空気極フレーム５２、上側絶縁フレーム５３（絶縁部材）、セパレータ５４、空気極層５５、電解質層５６、燃料極層５７、下側絶縁フレーム５８（絶縁部材）、燃料極フレーム５９及びコネクタプレート６０を順番に積層することによって構成されている。

コネクタプレート５１，６０は、耐熱性及び導電性に優れたステンレスなどの金属材料によって略矩形板状に形成され、発電セル１１の上端部及び下端部に配置されている。コネクタプレート５１，６０は、発電セル１１内にガス流路を形成するとともに、隣接する発電セル１１同士を導通させるようになっている。詳述すると、隣接する発電セル１１同士の間に位置するコネクタプレート５１，６０は、いわゆるインターコネクタとなり、隣接する発電セル１１同士を区画するようになっている。なお、本実施形態のコネクタプレート６０は、下側に隣接する発電セル１１のコネクタプレート５１を兼ねている。また、燃料電池スタック１０の上端部に配置されたコネクタプレート５１は上側エンドプレート１２となり、燃料電池スタック１０の下端部に配置されたコネクタプレート６０は下側エンドプレート１３となっている。両エンドプレート１２，１３は、燃料電池スタック１０を挟持しており、燃料電池スタック１０から出力される電流の出力端子となっている。なお、エンドプレート１２，１３となるコネクタプレート５１，６０は、インターコネクタとなるコネクタプレート５１，６０よりも肉厚になっている。

図３〜図５に示されるように、空気極フレーム５２及び燃料極フレーム５９は、ステンレスなどの導電性材料によって略矩形枠状に形成されている。よって、空気極フレーム５２の中央部には、同空気極フレーム５２を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部６１が設けられ、燃料極フレーム５９の中央部には、同燃料極フレーム５９を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部６２が設けられている。また、絶縁フレーム５３，５８は、厚さ０．５ｍｍのマイカシートによって略矩形枠状に形成されている。よって、上側絶縁フレーム５３の中央部には、同上側絶縁フレーム５３を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部６３が設けられ、下側絶縁フレーム５８の中央部には、同下側絶縁フレーム５８を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部６４が設けられている。さらに、セパレータ５４は、ステンレスなどの導電性材料によって略矩形枠状に形成されている。よって、セパレータ５４の中央部には、同セパレータ５４を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部６５が設けられている。

図３〜図５に示されるように、電解質層５６は、例えばＺｒＯ２などのセラミック材料（酸化物）によって矩形板状に形成されている。電解質層５６は、セパレータ５４の下面に固定されるとともに、セパレータ５４の開口部６５を塞ぐように配置されている。電解質層５６は、酸素イオン伝導性固体電解質体として機能するようになっている。また、電解質層５６の上面には、燃料電池スタック１０に供給された空気に接する空気極層５５が貼付され、電解質層５６の下面には、同じく燃料電池スタック１０に供給された燃料ガスに接する燃料極層５７が貼付されている。即ち、空気極層５５及び燃料極層５７は、電解質層５６の両側に配置されている。また、空気極層５５は、セパレータ５４の開口部６５内に配置され、セパレータ５４と接触しないようになっている。なお、空気極層５５は、金属の複合酸化物によって矩形板状に形成され、燃料極層５７は、金属材料とセラミック材料との混合物（本実施形態ではサーメット）によって同じく矩形板状に形成されている。

図３に示されるように、本実施形態の発電セル１１では、下側絶縁フレーム５８の開口部６４、燃料極フレーム５９の開口部６２、及びコネクタプレート６０等により、セパレータ５４の下方に燃料室１５が形成されるようになっている。なお、燃料室１５内には、電解質層５６、燃料極層５７及び燃料極集電体６７が収容されている。

また、本実施形態の発電セル１１では、コネクタプレート５１、空気極フレーム５２の開口部６１、及び、上側絶縁フレーム５３の開口部６３等により、セパレータ５４の上方に空気室１６が形成されるようになっている。そして、空気極層５５及びコネクタプレート５１は、空気極集電体６６によって電気的に接続されている。よって、絶縁フレーム５３，５８は、各発電セル１１内に配置して積層されるとともに、燃料室１５と空気室１６とのシール部材を兼ねている。

また、燃料電池スタック１０は、各発電セル１１の燃料室１５に燃料ガスを供給する燃料供給経路７０と、燃料室１５から燃料ガスを排出する燃料排出経路８０とを備えている。燃料供給経路７０は、ガス流通用締結ボルト４２の中心部において軸方向に沿って延びる燃料供給孔７１と、燃料供給孔７１と燃料室１５とを連通させる燃料供給横孔７２とによって構成されている。また、燃料排出経路８０は、ガス流通用締結ボルト４２の中心部において軸方向に沿って延びる燃料排出孔８１と、燃料排出孔８１と燃料室１５とを連通させる燃料排出横孔８２とによって構成されている。

よって、図３に示されるように、燃料ガスは、燃料供給孔７１及び燃料供給横孔７２を順番に通過して燃料室１５に供給され、燃料排出横孔８２及び燃料排出孔８１を順番に通過して燃料室１５から排出される。なお、燃料供給孔７１及び燃料排出孔８１を有するガス流通用締結ボルト４２の頂部には、ジョイント４４１を介して断熱容器２外に連通するガスパイプ４５１が接続されている。

さらに、燃料電池スタック１０は、各発電セル１１の空気室１６に空気を供給する空気供給経路（図示略）と、空気室１６から空気を排出する空気排出経路（図示略）とを備えている。空気供給経路は、燃料供給経路７０と略同様の構造を有しており、ガス流通用締結ボルト４２の中心部において軸方向に沿って延びる空気供給孔（図示略）と、空気供給孔と空気室１６とを連通させる空気供給横孔（図示略）とによって構成されている。また、空気排出経路は、燃料排出経路８０と略同様の構造を有しており、ガス流通用締結ボルト４２の中心部において軸方向に沿って延びる空気排出孔（図示略）と、空気排出孔と空気室１６とを連通させる空気排出横孔（図示略）とによって構成されている。

よって、空気は、空気供給孔及び空気供給横孔を順番に通過して空気室１６に供給され、空気排出横孔及び空気排出孔を順番に通過して空気室１６から排出される。なお、空気供給孔及び空気排出孔を有するガス流通用締結ボルト４２の頂部には、ジョイント４４２を介して断熱容器２外に連通するガスパイプ４５２が接続されている。

図１〜図５に示されるように、燃料電池１は、上側絶縁フレーム５３の一部を燃料電池スタック１０の側面１４から予熱器２０に向けて張り出してなる張出部９１を備えている。張出部９１は、燃料電池スタック１０を構成する複数の発電セル１１のうち、最上層及び最下層の発電セル１１に設けられている。張出部９１は、長さ（張り出し量）３ｍｍ×幅１８０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍの略矩形板状をなしている。なお、張出部９１の長さは、燃料電池スタック１０と予熱器２０との間隔と等しくなっている。このため、張出部９１の先端は、予熱器２０に当接するようになっている。また、張出部９１の幅は、燃料電池スタック１０の幅（横の長さ）及び予熱器２０の幅（横の長さ）と等しくなっている。このため、張出部９１の先端面全体が予熱器２０に当接するようになっている。さらに、張出部９１の厚さは、絶縁フレーム５３，５８の厚さと等しくなっている。なお、本実施形態の図面では、説明の便宜上、張出部９１を実際よりも大きく示している。

例えば、断熱容器２内を稼動温度に加熱した状態で、燃料供給経路７０から燃料室１５に燃料ガスを導入するとともに、空気供給経路から空気室１６に空気を導入する。その結果、燃料ガス中の水素と空気中の酸素とが電解質層５６を介して反応（発電反応）し、空気極層５５を正極、燃料極層５７を負極とする直流の電力が発生する。なお、本実施形態の燃料電池スタック１０は、発電セル１１を複数積層して直列に接続しているため、空気極層５５に電気的に接続される上側エンドプレート１２が正極となり、燃料極層５７に電気的に接続される下側エンドプレート１３が負極となる。

次に、燃料電池１のシステム構成について説明する。

図６に示されるように、燃料電池１を構成する燃料電池スタック１０には、燃料電池スタック１０に燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路１０１が接続されている。燃料ガス供給流路１０１は、ガスパイプ４５１及びジョイント４４１を介して燃料電池スタック１０の燃料供給経路７０に連通している（図３参照）。また、燃料ガス供給流路１０１上には、電磁弁１０２、脱硫器１０３及び燃料ポンプ１０４が設置されている。電磁弁１０２は、燃料ガス供給流路１０１を開状態または閉状態に切り替えるようになっている。電磁弁１０２は、開状態に切り替えられた際に、燃料ガスとなる原料ガスを下流側に供給可能とするようになっている。なお、本実施形態の電磁弁１０２は、図示しないソレノイドにより作動する電磁弁である。脱硫器１０３は、上流側から供給されてきた原料ガスを脱硫し、脱硫した原料ガスを下流側に供給するようになっている。燃料ポンプ１０４は、脱硫器１０３の下流側に配置されており、脱硫器１０３によって脱硫された原料ガスを燃料電池スタック１０側に供給するようになっている。

また図６に示されるように、燃料電池スタック１０には、燃料電池スタック１０に空気を供給する空気供給流路１１１が接続されている。空気供給流路１１１は、ガスパイプ４５２及びジョイント４４２を介して燃料電池スタック１０の空気供給経路に連通している。また、空気供給流路１１１上には、空気ポンプ１１２が設置されている。空気ポンプ１１２は、外部から取り入れた空気を燃料電池スタック１０側の予熱器２０に供給するようになっている。

一方、原料ガスは、改質器（図示略）によって燃料ガス（水素ガス）に改質された後、燃料電池スタック１０に供給される。それとともに、予熱器２０は、空気ポンプ１１２から供給された空気を燃料電池スタック１０からの熱によって加熱し、加熱した空気を燃料電池スタック１０に供給するようになっている。なお、発電に寄与しないガスや、発電後の使用済みガスは、排出流路１１３を介して燃料電池スタック１０から排出される。

図６に示されるように、燃料電池１を構成する起動用バーナー３０には、起動用バーナー３０に空気及び着火用ガスを供給するガス供給流路１２１が接続されている。ガス供給流路１２１は、上流側において、空気供給管１２２及びガス供給管１２３に分岐している。空気供給管１２２上には、空気ブロワ１２４が設置されている。空気ブロワ１２４は、外部から取り入れた空気を起動用バーナー３０に供給するようになっている。一方、ガス供給管１２３上には、電磁弁１２５が設置されている。電磁弁１２５は、ガス供給管１２３を開状態または閉状態に切り替えるようになっている。電磁弁１２５は、開状態に切り替えられた際に、下流側に着火用ガスを供給可能とするようになっている。なお、本実施形態の電磁弁１２５は、図示しないソレノイドにより作動する電磁弁である。

そして、空気供給管１２２とガス供給管１２３との接続部分には、比例弁１２６が設置されている。比例弁１２６は、空気供給管１２２から起動用バーナー３０に供給される空気の量と、ガス供給管１２３から起動用バーナー３０に供給される着火用ガスの量との割合（空燃比）を調整するようになっている。なお、起動用バーナー３０に送り込まれた空気及び着火用ガスは、図示しない着火源によって着火され、断熱容器２内を加熱するようになっている。

また図６に示されるように、燃料電池１は、システム全体を制御する制御装置１３１を備えている。制御装置１３１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及び入出力回路等により構成されている。ＣＰＵは、電磁弁１０２，１２５、燃料ポンプ１０４、空気ポンプ１１２、空気ブロワ１２４及び比例弁１２６に電気的に接続されており、各種の駆動信号によってそれらを制御する。

次に、燃料電池１の製造方法を説明する。

まず、ステンレス板を打ち抜くことにより、コネクタプレート５１，６０、空気極フレーム５２、セパレータ５４及び燃料極フレーム５９を形成する。また、マイカシートを所定形状に形成することにより、絶縁フレーム５３，５８を製造する。具体的には、市販のマイカシート（マイカと成形用樹脂との複合体からなるシート）を他の部材（コネクタプレート５１，６０、空気極フレーム５２、セパレータ５４及び燃料極フレーム５９など）とほぼ同じ形状（但し、張出部９１を除く）に形成する。なお、マイカシートは、他の部材よりも張出部９１となる部分だけ大きく形成される。また、マイカシートに含まれている樹脂成分は、他の部材と共に積層された後に行われる熱処理によって蒸発する。さらに、マイカシートは、各発電セル１１を積層方向にボルト締めした際に他の部材に挟まれることによって、各部材をシールするようになっている。

次に、発電セル１１を、従来周知の手法に従って形成する。具体的には、燃料極層５７となるグリーンシート上に電解質層５６となるグリーンシートを積層し、焼成する。さらに電解質層５６上に空気極層５５の形成材料を印刷した後、焼成する（この時点で、ＳＯＦＣの単セルが得られる）。なお、電解質層５６は、ロウ付けによってセパレータ５４に対して固定される。そして、コネクタプレート５１，６０、空気極フレーム５２、絶縁フレーム５３，５８、（ＳＯＦＣの単セルがロウ付けにて固定された）セパレータ５４及び燃料極フレーム５９などを積層して一体化する。その結果、発電セル１１が形成される。

次に、各発電セル１１を積層して一体化することにより、燃料電池スタック１０を形成する。詳述すると、燃料電池スタック１０の四隅にある４つの貫通孔４０に締結ボルト４１を挿通させ、燃料電池スタック１０の下面から突出する締結ボルト４１の下端部分にナット（図示略）を螺着させる。また、残り４つの貫通孔４０にガス流通用締結ボルト４２を挿通させ、燃料電池スタック１０の上面及び下面から突出するガス流通用締結ボルト４２の両端部分にナット４３を螺着させる。その結果、各発電セル１１が固定される。

そして、燃料電池スタック１０及び予熱器２０を起動用バーナー３０上に搭載すれば、燃料電池１が完成する。なお、燃料電池スタック１０と予熱器２０との間は、張出部９１を予熱器２０に接触させる。

従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。

（１）本実施形態の燃料電池１は、燃料電池スタック１０を構成する上側絶縁フレーム５３の一部を燃料電池スタック１０の側面１４から予熱器２０に向けて張り出してなる張出部９１を備えている。その結果、燃料電池スタック１０と予熱器２０との間隔が張出部９１を介して一定に保持されるため、例えば熱サイクルの繰り返しで燃料電池スタック１０や予熱器２０が変形したとしても、両者の接触が回避される。従って、燃料電池スタック１０と予熱器２０との間で起こるショートが防止されるため、燃料電池１の信頼性を高くすることができる。しかも、上側絶縁フレーム５３の一部が張出部９１になることから、張出部９１は燃料電池スタック１０と一体になる。よって、張出部９１を燃料電池スタック１０に固定するための固定手段を設けたりしなくても済む。ゆえに、燃料電池１の部品点数が少なくなり、製造時の工数も少なくなるため、燃料電池１の低コスト化を図ることができる。また、張出部９１が燃料電池スタック１０と一体になることによって、張出部９１の強度が向上する。しかも、振動によって張出部９１を有する上側絶縁フレーム５３の位置ずれが防止されるため、張出部９１が当接する予熱器２０の位置ずれが防止される。

（２）本実施形態では、張出部９１が最上層及び最下層の発電セル１１にそれぞれ配置されているため、両張出部９１は互いに離間している。その結果、両張出部９１の先端が予熱器２０の上端部及び下端部に当接するようになるため、燃料電池スタック１０と予熱器２０との間隔を安定的に保持しやすくなる。

（３）本実施形態では、上側絶縁フレーム５３において張出部９１を除く部分の縦、横の長さが燃料電池スタック１０の縦、横の長さと同じ１８０ｍｍであるのに対して、張出部９１の張り出し量（３ｍｍ）がかなり小さくなっている。よって、上側絶縁フレーム５３に張出部９１を形成したとしても、上側絶縁フレーム５３が空気極フレーム５２及びセパレータ５４に挟持されることにより、張出部９１が撓んだりせずに確実に保持される。また、仮に下側絶縁フレーム５８に張出部９１を形成した場合であっても、下側絶縁フレーム５８がセパレータ５４及び燃料極フレーム５９に挟持されることにより、張出部９１が撓んだりせずに確実に保持される。従って、張出部９１の先端を確実に予熱器２０に当接させることができるため、燃料電池１の信頼性が向上する。

なお、本実施形態を以下のように変更してもよい。

・上記実施形態の上側絶縁フレーム５３には、略矩形板状をなす張出部９１が設けられていた。しかし図７に示されるように、発電セル１１が積層する方向の両側面（上面９２及び下面）を連通させる開口部９４が張出部９５に形成された、略矩形環状をなす上側絶縁フレーム９６であってもよい。なお、開口部９４は、縦２ｍｍ×横１７０ｍｍの平面視長方形状をなしている。このため、開口部９４の開口面積は３４０ｍｍ^２となる。また本実施形態では、張出部９５の上面９２（及び下面）の面積が５４０ｍｍ^２（＝３×１８０ｍｍ^２）となり、張出部９５において開口部９４が占める割合が約６２％となる。なお、上側絶縁フレーム５３に加えて下側絶縁フレーム５８にも張出部を設け、下側絶縁フレーム５８に設けた張出部に開口部を形成してもよい。

以上のようにすれば、張出部９５に開口部９４が形成されているため、燃料電池１の起動時や起動後において、起動用バーナー３０から排出される高温のバーナー排ガスや高温の周囲空気が開口部９４を通過するようになる。即ち、高温のバーナー排ガスや周囲空気は燃料電池スタック１０の近傍を通過するため、開口部９４を通過した高温のバーナー排ガスや周囲空気によって燃料電池スタック１０が素早く温められて稼動温度に達するようになる。このため、燃料電池１の起動時間の短縮を図ることができる。しかも、図７に示す開口部９４であれば、開口部９４を形成したとしても、張出部９５の先端全体が予熱器２０に当接するようになるため、燃料電池スタック１０と予熱器２０との間隔を安定的に保持しやすくなる。

・上記実施形態では、張出部９１の幅が上側絶縁フレーム５３の幅（燃料電池スタック１０の幅）と等しくなっていたが、図８，図９に示されるように、張出部２１１，２１２の幅を絶縁フレーム２１３，２１４の幅より小さくしてもよい。このようにした場合、図８に示される絶縁フレーム２１３では、張出部２１１の両端部に、厚さ方向から見て略Ｌ字状をなす切欠部２１５（開口部）が配置されるようになる。切欠部２１５は、張出部２１１の上面２１７及び下面を連通するとともに、張出部２１１の先端及び側縁において開口するようになっている。また、図９に示される絶縁フレーム２１４では、張出部２１２の中央部に、厚さ方向から見て略コ字状をなす切欠部２１６（開口部）が配置されるようになる。切欠部２１６は、張出部２１２の上面２１８及び下面を連通するとともに、張出部２１２の先端において開口するようになっている。

以上のようにすれば、張出部２１１，２１２に切欠部２１５，２１６が形成されているため、燃料電池１の起動時や起動後において、起動用バーナー３０から排出される高温のバーナー排ガスや高温の周囲空気が切欠部２１５，２１６を通過するようになる。即ち、高温のバーナー排ガスや周囲空気は燃料電池スタック１０の近傍を通過するため、切欠部２１５，２１６を通過した高温のバーナー排ガスや周囲空気によって燃料電池スタック１０が素早く温められて稼動温度に達するようになる。このため、燃料電池１の起動時間の短縮を図ることができる。

・上記実施形態の燃料電池１では、上側絶縁フレーム５３に張出部９１が設けられていたが、下側絶縁フレーム５８にも張出部９１を設けてもよい。また、上側絶縁フレーム５３に張出部９１を設ける代わりに、下側絶縁フレーム５８に張出部９１を設けるようにしてもよい。

・上記実施形態の燃料電池１は、上側絶縁フレーム５３の一部を燃料電池スタック１０の側面１４から予熱器２０に向けて張り出してなる張出部９１を備えていた。しかし、図１０に示されるように、導電性金属部材であるコネクタプレート１４１の一部を燃料電池スタック１４２の側面１４３から予熱器１４４に向けて張り出してなる張出部１４５を備えた燃料電池１４０であってもよい。なお、空気極フレーム５２、セパレータ５４、燃料極フレーム５９などを、張出部が形成される導電性金属部材として用いてもよい。

なお、コネクタプレート１４１に張出部１４５を設ける場合、張出部１４５の先端面や、張出部１４５の先端部の上面及び下面には、コネクタプレート１４１と予熱器１４４とを電気的に絶縁させる絶縁被膜１４６が一体形成される。ここで、絶縁被膜１４６は、アルミナなどの酸化物セラミックを主体とする耐熱性絶縁被膜であることが好ましい。また、絶縁被膜１４６は、コネクタプレート１４１の外表面全体に形成されていてもよい。

・上記実施形態の燃料電池１では、張出部９１の先端が予熱器２０に当接されていた。しかし図１１に示されるように、張出部１５１の先端が予熱器１５２に設けられた凹所１５３に嵌合固定された燃料電池１５０であってもよい。

・上記実施形態では、張出部９１が最上層及び最下層の発電セル１１のみに配置されていたが、張出部９１の配置態様を変更してもよい。例えば、張出部９１を、中間層の発電セル１１に配置してもよい。また、張出部９１を、全ての発電セル１１に配置してもよいし、１つの発電セル１１のみに配置してもよい。なお、張出部９１の数を多くすれば、燃料電池スタック１０と予熱器２０との接触をより確実に回避できるため、燃料電池１の信頼性がよりいっそう高くなる。

・上記実施形態では、絶縁フレーム５３，５８（マイカシート）の厚さが０．５ｍｍであって、張出部９１の厚さが絶縁フレーム５３，５８の厚さと等しくなっていた。即ち、最上層の発電セル１１に形成された張出部９１の厚さと、最下層の発電セル１１に形成された張出部９１の厚さとが等しくなっていた。しかし、張出部９１の厚さを適宜変更してもよい。例えば、最上層の発電セル１１に形成された張出部９１を、最下層の発電セル１１に形成された張出部９１より厚くしてもよいし、薄くしてもよい。

・上記実施形態では、絶縁フレーム５３，５８が、厚さ０．５ｍｍのマイカシートによって形成されていた。しかし、絶縁フレーム５３，５８を形成するマイカシートの厚さを、例えば０．３ｍｍ、２ｍｍなどに変更してもよい。また、マイカシートを重ねることにより、より厚い絶縁フレーム５３，５８を形成してもよい。

・図１２に示される燃料電池スタック１６０のように、張出部１６１に設けられた開口部１６２と張出部１６３に設けられた開口部１６４とを、燃料電池スタック１６０の側面１６５に沿った方向（発電セル１１が積層する方向とは直交する方向）にずらして配置してもよい。このようにすれば、起動用バーナー３０から排出される高温のバーナー排ガスや高温の周囲空気が上昇して開口部１６２，１６４を通過する際に、バーナー排ガスや周囲空気が張出部１６１，１６３に当たって蛇行するため、燃料電池スタック１６０をより素早く温めることができる。

・上記実施形態の燃料電池スタック１０は、１つの側面１４に予熱器２０を１つだけ配置していた。しかし、図１３に示されるように、１つの側面１７１に複数個（図１３では２個）の予熱器１７２を配置した燃料電池スタック１７０であってもよい。また図１７に示されるように、互いに隣接する側面１９１，１９２にそれぞれ予熱器１９３を１つずつ配置した燃料電池スタック１９０であってもよい。さらに図１４，図１５に示されるように、互いに反対側に位置する側面１８１，１８２にそれぞれ予熱器１８３，１８４を１つずつ配置した燃料電池スタック１８０であってもよい。この場合、予熱器１８３には、絶縁フレーム１８５の一部を燃料電池スタック１８０の側面１８１から張り出してなる張出部１８６の先端が当接するとともに、予熱器１８４には、絶縁フレーム１８５とは別の絶縁フレーム１８７の一部を燃料電池スタック１８０の側面１８２から張り出してなる張出部１８８の先端が当接する。なお図１６に示されるように、１つの絶縁フレーム２０１に対して、側面１８１から張り出してなる張出部２０２と、側面１８２から張り出してなる張出部２０３とを形成し、張出部２０２の先端を予熱器１８３に当接させるとともに、張出部２０３の先端を予熱器１８４に当接させるようにしてもよい。

・上記実施形態では、絶縁フレーム５３，５８が絶縁部材として用いられていたが、他のものを絶縁部材として用いてもよい。例えば、絶縁フレーム５３，５８を用いる代わりに、セパレータ５４上や燃料極フレーム５９上に貼付された平面視矩形状の絶縁片（図示略）などを絶縁部材として用いてもよい。この場合、張出部は、絶縁片の外周縁から突出し、燃料電池スタック１０の側面１４から予熱器２０に向けて張り出すようになる。

・上記実施形態の燃料電池１では、予熱器２０が燃料電池スタック１０を補助する補助器として用いられていた。しかし、発熱器、気化器及び改質器などを補助器として用いてもよい。詳述すると、発熱器は、燃焼触媒を備え、発電後に燃料電池スタック１０から排出された残余燃料ガスを燃焼させることにより、燃料電池１からの残余燃料ガスの排出を防止する機能を有している。また、気化器は、例えば燃料電池１の起動時において、起動用バーナー３０からの熱や残余燃料ガスの燃焼による熱によって液体原料である水を気化し、気化した水（水蒸気）を燃料電池スタック１０に供給する機能を有している。さらに、改質器は、改質用の触媒（例えばルテニウム、あるいはニッケル）を備え、水蒸気を用いて原料（本実施形態では炭化水素）を改質し、改質した原料を燃料電池スタック１０に供給することにより、燃料極層５７での炭素の析出や温度低下を防止する機能を有している。

次に、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。

（１）上記手段１または２において、前記張出部の幅が前記補助器の幅と等しくなっており、前記張出部の先端面全体が前記補助器に当接することを特徴とする燃料電池。

（２）上記手段１または２において、前記燃料電池スタックは前記絶縁部材を複数有し、前記絶縁部材の厚さは互いに等しいことを特徴とする燃料電池。

１，１４０，１５０…燃料電池
１０，１４２，１６０，１７０，１８０，１９０…燃料電池スタック
１４，１４３，１６５，１７１，１８１，１８２，１９１，１９２…燃料電池スタックの側面
１１…発電セル
２０，１４４，１５２，１７２，１８３，１８４，１９３…補助器としての予熱器
５３，９６…絶縁部材としての上側絶縁フレーム
５５…空気極層
５６…電解質層
５７…燃料極層
５８…絶縁部材としての下側絶縁フレーム
９１，９５，１４５，１５１，１６１，１６３，１８６，１８８，２０２，２０３，２１１，２１２…張出部
９２，２１７，２１８…張出部の側面としての上面
９４，１６２，１６４，２１５，２１６…開口部
１４１…導電性金属部材としてのコネクタプレート
１４６…絶縁被膜
１５３…凹所
１８５，１８７，２０１，２１３，２１４…絶縁部材としての絶縁フレーム

Claims

電解質層と、その両側に配置され燃料ガスに接する燃料極層及び酸化剤ガスに接する空気極層とを有する発電セルを複数積層してなり発電反応により電力を発生する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックでの発電反応にあたり、酸化剤及び燃料を含む原料の予熱、発電後の残余燃料ガスの燃焼、液体原料の気化、及び原料の改質の各機能のうちの少なくとも１つの機能を有し、前記燃料電池スタックの側面に近接して配置される補助器と
を備えた燃料電池において、
前記燃料電池スタックを構成する絶縁部材の一部を前記燃料電池スタックの側面から前記補助器に向けて張り出してなる張出部を備えた
ことを特徴とする燃料電池。
前記燃料電池スタックを構成する絶縁部材は、複数の前記発電セル内に配置して積層されるとともにシール部材を兼ねる絶縁フレームであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記張出部の先端が、前記補助器に当接されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
前記張出部の先端が、前記補助器に設けられた凹所に嵌合固定されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
前記張出部には、前記積層する方向の両側面を連通させる開口部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池。