(57)【要約】【課題】燃料電池をカスケード化することで効率を向上させるにあたり、燃料電池内部で燃料ガスの通気方法をカスケード化（減数多段直列化）し、さらに複数のセル群間において、燃料ガスの流れる方向を制御することで高効率な燃料電池を提供することにある。【解決手段】本発明は、固体電解質の両面に電極およびインターコネクタを有するセルが複数積層された積層セルから成る燃料電池２０であって、積層セルは区分されたセル群２１，２２，２３を有し、セル群２１，２２，２３は第１の燃料通路と複数の第２の燃料通路を有し、第１の燃料通路を流れる燃料ガスＧの方向と第２の燃料通路を流れる燃料ガスの方向が逆方向であり、燃料ガスＧは、第１の燃料通路から分岐されて、複数の第２の燃料通路に導入されるように構成されている。【選択図】図１
2011210440.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質の両面に電極およびインターコネクタを有するセルが複数積層された積層セルから成る燃料電池であって、
前記積層セルは区分された第１段目のセル群および複数の第２段目のセル群と、前記第１段目のセル群と前記第２段目のセル群とを接続するガス流路を有し、
前記第２段目の各セル群が前記第１段目のセル群の両側に配置され、前記ガス流路が前記第１段目のセル群から排出された排燃料ガスを分岐して前記第２段目の各セル群に通気する流路であって、前記第２段目の各セル群のセル数が、前記第１段目のセル群のセル数より少ないことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記第１段目のセル群が中央部分に位置する中央部セル群として配置され、前記第２段目のセル群として前記中央部セル群と隣接して設けられる第１の端部セル群および第２の端部セル群を有し、前記中央部セル群から排出された排燃料ガスは、前記中央部セル群を流れる方向と逆方向で前記第１の端部セル群および前記第２の端部セル群に導入されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記インターコネクタ周辺のセパレータに開口部が形成され、前記開口部によって燃料ガスおよび前記排燃料ガスの流路が構成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。
【請求項４】
前記中央部セル群のセル数を全セル数に対して４０％以上９０％以下とし、前記第１の端部セル群および前記第２の端部セル群のセル数の割合を、それぞれ（１００%−中央部セル群割合%）／２としたことを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記積層セルにおいて、空気あるいは酸素が流れる方向は、前記燃料ガスおよび前記排燃料ガスの流れる方向と交差する方向であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記燃料電池が固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形燃料電池、固体酸化物形燃料電池など、燃料と空気あるいは酸素を固体電解質に供給して化学反応させることにより発電を行う燃料電池において、燃料電池内部で燃料ガスの通気方法をカスケード化（減数多段直列化）することにより高効率化が達成された燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池あるいは固体酸化物形燃料電池などの燃料電池は、原理上、単位セルにおける発電電圧が１Ｖ弱程度である。そのため、燃料電池は、複数個のセルを積層することにより構成されており、電気出力は、各々のセルを直列に接続して、最下段および最上段間で外部に電力を取り出すことが一般的に行われている。
【０００３】
その一例を、図７に示す固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の概略図により説明する。図７においては、単位セル１０が１０段積層されてなる燃料電池１を示しており、この燃料電池１では、電流が下部集電板１１および上部集電板１２を介して、単位セル１０間を矢印Ｚ方向（Ｚ軸の負の方向）へ直列に流れるようになっている。単位セル１０は、図８に示すように、固体電解質１０ａの両面に電極であるアノード（燃料電極）１０ｂおよびカソード（空気電極、酸素電極）１０ｃを設けてなる発電膜と、アノード接合部１０ｄおよびカソード接合部１０ｅを介してそれぞれ接合されるインターコネクタ１０ｆとを積層することによって構成されている。
このような燃料電池１において、供給される燃料ガスは、各々の単位セル１０に対して並列に行われるのが一般的であり、図７では、各単位セル１０に対してマニホールド１３により同じ方向から矢印Ｘ方向（Ｘ軸）へ並列に燃料ガスが供給され、同じ方向に排出されるようになっている。
【０００４】
図９は、上述した燃料電池１のカスケードシステムの模式図である。すなわち、第１段目は４つの積層セルから構成されるスタック１ａを、第２段目は２つの積層セルから構成されるスタック１ｂを、第３段目は１つの積層セルからなるスタック１ｃをそれぞれ表している。
スタック１ａで反応を終えた排燃料ガスが積層セル数を減らしたスタック１ｂへと流れ、スタック１ｂで反応を終えた排燃料ガスが同様に積層セル数を減らしたスタック１ｃへと流れるよう構成され、全体として燃料ガスがカスケード利用される構成である。
【０００５】
図９におけるシステムにおいて、第１段目のスタック１ａにより大部分の発電反応は完了するが、第１段目のスタック１ａからの排燃料ガスには反応可能な残余分が必ず存在するから、それを第２段目のスタック１ｂに供給する。第２段目のスタック１ｂでは、反応装置の数を減らしているので、装置を通過する排燃料ガスの流速が増大することにより、低濃度時に起こる可能性がある濃度分極などの悪影響や温度の上昇が排除される。第３段目のスタック１ｃでは、さらに装置数を減少させることによって、同様の効果が引き続いて得られることになる。
【０００６】
かかる燃料電池のシステムとして、例えば、特許文献１（特開平３−２７４６７４号公報）や特許文献２（特許第３６０７７１８号公報）が提供されている。特許文献１では、固体電解質燃料電池を燃料ガスの流れ方向に沿って複数段に分割し、更に分割した固体電解質燃料電池の燃料ガス入口のそれぞれに排燃料ガスを導入することで、燃料電池（ＳＯＦＣ）に与える熱応力を緩和することが開示されている。
【０００７】
また、特許文献２では、固体高分子形燃料電池において、複数の燃料電池を備える設備から陰極側で水および不活性ガスを排出し、および／または陽極側で不活性ガスを排出するために、陰極側のガス混合体中の水および不活性ガス成分または陽極側のガス混合体中の不活性ガス成分をそれぞれのガス混合体の流れ方向へ濃縮することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平３−２７４６７４号公報
【特許文献２】特許第３６０７７１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述した従来のシステムおよび方法では、燃料電池スタックのそれぞれにおける燃料濃度と流量に起因して発生する発生電圧や許容電流が考慮されていないので、燃料電池システム全体として最適な効率を達成できないという問題を有している。
【００１０】
本発明は、このような実状に鑑みてなされたものであり、燃料電池内部で燃料ガスの通気方法を改善することで高効率な燃料利用率を可能とする燃料電池を提供することを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記従来技術の有する課題を解決するために、本発明は、燃料電池内部で燃料ガスの通路となるセル群を段ごとに減らしつつカスケード化（減数多段直列化）し、さらにセル群間において、燃料ガスの流れる方向を制御することで高効率な燃料電池を可能としている。
すなわち、本発明は、固体電解質の両面に電極およびインターコネクタを有するセルが複数積層された積層セルから成る燃料電池であって、前記積層セルは区分された第１段目のセル群および複数の第２段目のセル群と、前記第１段目のセル群と前記第２段目のセル群とを接続するガス流路を有し、前記第２段目の各セル群が前記第１段目のセル群の両側に配置され、前記ガス流路が前記第１段目のセル群から排出された排燃料ガスを分岐して前記第２段目の各ゼル群に通気する流路であって、前記第２段目の各ゼル群のセル数が、前記第１段目のセル群のセル数よりも少ないことを特徴とする。
【００１２】
前記発明においては、前記第１段目のセル群が中央部分に位置する中央部セル群として配置され、前記第２段目のセル群として前記中央部セル群と隣接して設けられる第１の端部セル群および第２の端部セル群を有し、前記中央部セル群から排出された排燃料ガスは、前記中央部セル群を流れる方向と逆方向で前記第１の端部セル群および前記第２の端部セル群に導入されるように構成されていることが好ましい。
【００１３】
本発明において、具体的には次のように構成されていることが好ましい。
（１）前記インターコネクタ周辺のセパレータに開口部が形成され、前記開口部によって燃料ガスおよび前記排燃料ガスの流路が構成されている。
（２）前記中央部セル群のセル数を全セル数に対して４０％以上９０％以下とし、前記第１の端部セル群および前記第２の端部セル群のセル数の割合を、それぞれ（１００%−中央部セル群割合%）／２としている。
（３）前記積層セルにおいて、空気あるいは酸素が流れる方向は、前記燃料ガスおよび排燃料ガスの流れる方向と交差する方向である。
（４）前記燃料電池が固定酸化物形燃料電池である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料通路を内部カスケード化することで、供給燃料の有効活用が図れるので、発電効率が上昇し、高い燃料利用率を達成する燃料電池を提供することができる。また、当該カスケード化により、燃料電池の設置面積自体を変更することなく、高効率の燃料利用率を有する燃料電池を実現することができる。さらに、燃料電池内部での燃料通路が実現可能となるため、負荷制御機構などの設備増加要因がなくなり、低コストで高効率な燃料電池を提供することができる。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池においては、前記第１段目のセル群が中央部分に位置する中央部セル群として配置され、前記第２段目のセル群として前記中央部セル群と隣接して設けられる第１の端部セル群および第２の端部セル群を有し、前記中央部セル群から排出された排燃料ガスは、前記中央部セル群を流れる方向と逆方向で前記第１の端部セル群および前記第２の端部セル群に導入されるように構成されているので、上記発明と同様の効果が得られる。しかも、燃料ガスの温度は、中央部セル群よりも第１の端部セル群および第２の端部セル群の方が高くなっているので、温度の高い燃料ガスを端部から容易に放熱でき、温度分布を均一にして運転することができる。
【００１６】
本発明において、前記インターコネクタ周辺のセパレータに開口部が形成され、前記開口部によって燃料ガスおよび前記排燃料ガスの流路が構成されているので、別途の供給および排出配管が不要となり、一般に破損しやすい配管接合部を少なくすることができ、設備の堅牢性を上げることができる。
【００１７】
また、本発明において、前記中央部セル群のセル数を全セル数に対して４０％以上９０％以下とし、前記中央部セル群と隣接する第１の端部セル群および第２の端部セル群のセル数の割合を、それぞれ（１００%−中央部セル群割合%）／２としているので、セル群のセル数を最適な分配で構成することができる。
【００１８】
さらに、本発明は、前記積層セルにおいて、空気あるいは酸素が流れる方向が、前記燃料ガスおよび前記排燃料ガスの流れる方向と交差する方向であるので、燃料ガスおよび前記排燃料ガスの通路と空気あるいは酸素の通路とがそれぞれセルの異なる辺部に配置でき、これによって、燃料電池の積層構造等を簡単にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る積層した燃料電池を概念的に示すものであって、中央部セル群および上下端部セル群の３部分に分けられる２段カスケードの構成図である。
【図２】上記第１実施形態の燃料電池におけるガスの流れ方法を示すものであって、（ａ）は中央部セルを上から見た断面図、（ｂ）は端部セルを上から見た断面図である。
【図３】上記第１実施形態の燃料電池における積層セルの断面方向のガスの流れ方法を説明する概念図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係るカスケード化された燃料電池の中央部セル群と端部セル群のセル数割合に対する燃料効率向上効果を説明する線図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る積層した燃料電池の５分割３段カスケードを概念的に示すものであって、当該燃料電池の断面方向のガスの流れ方法を説明する概念図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る積層した燃料電池の構成を示すものであって、（ａ）は発電膜の構造の平面図、（ｂ）はインターコネクタの構造の平面図、（ｃ）は中央部セル燃料極での燃料の流れ方向を説明する平面図、（ｄ）は空気極の空気の流れ方向を説明する平面図、（ｅ）は端部セル燃料極での燃料の流れ方向を説明する平面図である。
【図７】従来の燃料電池のセル構造を示す構成図である。
【図８】図７における燃料電池の単位セルを拡大して示す断面図である。
【図９】従来の燃料電池のカスケードシステムを示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
［第１実施形態］
本発明の実施形態に係る燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であり、この固体酸化物形燃料電池は、固体電解質の両面に電極を設けてなる発電膜と、該発電膜の両面に設けたセラミック製のインターコネクタ（セパレータ）とを有する単一セルを複数積層することによって、スタックとして構成されている。図示しないが、固体電解質の一方の面は燃料電極であるアノードが設けられ、固体電解質の他方の面には酸素電極（空気電極）であるカソードが設けられている。かかる燃料電池の燃料通路には、ディンプル型が採用されており、凹凸状に加工した三次元ディンプル形状の発電膜とインターコネクタとの間に設けられる空隙によって通路が形成され、該通路に燃料ガスまたは酸素ガスが流れることにより発電が行われるようになっている。
燃料電池の積層スタックは、電気的に直列に接続される複数のセル群により分割されて構成されている。また、燃料電池の積層スタックは、ガスの供給通路についても同様に分割されて構成されている。
【００２１】
図１は本発明の第１実施形態に係る２段カスケード燃料電池２０を示しているとともに、この燃料電池２０の積層スタック内を流れる燃料ガスの方向を概略的に示している。
この図１において、燃料電池２０を形成するセル群２１，２２，２３は、それぞれ単一セルを複数積層することで構成された積層セルの集合を示しており、セル群２１，２２，２３には、炭化水素または水素からなるアノードガス（燃料ガス）と酸素または空気からなるカソードガスが供給されることで発電が行われている。図１中の矢印Ｇ１、矢印Ｇ２および矢印Ｇ３は、各セル群内を流れる燃料ガスＧの方向を示している。
【００２２】
中央部セル群２１は、積層スタックの中央部に位置するセル群であって、燃料ガスＧが中央部セル群２１内を矢印Ｇ１の方向（図１中の右方向）に流れている。第１の端部セル群２２および第２の端部セル群２３は、中央部セル群２１と隣接して上下両端側に配置されるセル群であって、燃料ガスＧが端部セル群２２，２３内をそれぞれ矢印Ｇ２及び矢印Ｇ３の方向（図１中の左方向）に流れている。この場合、中央部セル群２１に供給される燃料ガスＧが流れる方向（矢印Ｇ１）は、端部セル群２２，２３における燃料ガスＧが流れる方向（矢印Ｇ２および矢印Ｇ３）とは逆方向である。
【００２３】
矢印Ｇ１、矢印Ｇ２及び矢印Ｇ３は、セル群２１，２２，２３のそれぞれの内部を流れる燃料ガスＧの方向を示しているが、それはセル群を構成するそれぞれの単一セルに流れる燃料ガスＧの方向をも示している。つまり、中央部セル群２１において、矢印Ｇ１の方向に燃料ガスＧが流れているので、中央部セル群２１を構成する複数の単一セルでは、矢印Ｇ１の方向に並列して燃料ガスＧが流れていることになる。
【００２４】
中央部セル群２１は、第１の端部セル群２２または第２の端部セル群２３と比較して、積層される単一セルの個数を多くする方が好ましい。それは、中央部セル群２１には活性成分の多い燃料ガスが供給されるからである。一方で、第１の端部セル群２２と第２の端部セル群２３における単一セルの個数は同数としても良く、燃料ガスＧの流量や中央部セル群２１から排出される燃料ガスＧの活性成分量に応じて調整することにより決定しても良い。
【００２５】
次に、燃料電池２０のセル群２１，２２，２３における供給された燃料ガスＧの流れ方を説明する。
まず、燃料ガスＧは、燃料電池２０のスタックの中央部に位置する中央部セル群２１の側面２１ａ側から供給される。中央部セル群２１において、燃料ガスＧは矢印Ｇ１の方向に流れるので、発電により消費された燃料ガスＧは側面２１ｂ側に排出される。そして、中央部セル群２１により消費された燃料ガスＧは、中央部セル群２１の排出側である側面２１ｂで分岐され、それぞれの側面２２ａ，２３ａ側から端部セル群２２，２３に供給される。端部セル群２２，２３に供給される燃料ガスＧは、矢印Ｇ２および矢印Ｇ３の方向に流れるとともに、発電に利用され、それぞれの側面２２ｂ，２３ｂ側に排出されることになる。
【００２６】
図１で示されるセル群２１，２２，２３における燃料ガスＧの流れを実現するための方法を具体的に図２（ａ）および図２（ｂ）を用いて説明する。図２（ａ）および図２（ｂ）は、図１のセル群２１，２２，２３を真上から見た断面図であり、図２（ａ）は中央部セル群２１における発電膜の平面を示し、図２（ｂ）は中央部セル群２１の上部若しくは下部に連結して設けられる端部セル群２２，２３の発電膜の平面を示している。
ここで、図中円形状で示される符号ＡおよびＢは、燃料電池２０の外部から供給される燃料ガスＧをセル群２１，２２，２３に供給するための供給通路である。また、図中円形状で示される符号Ｃは、燃料ガスＧを燃料電池２０の外部へ排出するための排出通路である。なお、供給通路Ａ，Ｂおよび排出通路Ｃの配設の数は任意であり、発電膜の大きさ、強度又はカスケード段数によって適宜選択することが可能である。
【００２７】
中央部セル群２１においては、図２（ａ）で示されるように，側面２１ａ側（図中左側）に設けられた供給通路Ａの孔３１より発電膜部に燃料ガスＧが供給され、発電によって減耗した燃料ガスＧは、側面２１ｂ側（図中右側）に設けられた供給通路Ｂの孔３２に排出される。
また、端部セル群２２，２３においては、図２（ｂ）で示されるように、側面２２ａ，２３ａ側（図中右側）に設けられた供給通路Ｂの孔３２より発電膜部に燃料ガスＧが供給され，発電によって減耗した燃料ガスＧは、側面２２ｂ，２３ｂ側（図中左側）に設けられた排出通路Ｃの孔３３より燃料電池２０の外部へ排出されるようになっている。  
【００２８】
このような燃料ガスＧの流れを燃料電池２０の断面で示したものが図３であり、図３において点線で区分される領域は、中央部分が中央部セル群２１であり、その上下部分が上部端部セル群２３および下部端部セル群２２である。
燃料電池２０の下部から供給通路Ａに流された燃料ガスＧは、まず下部端部セル群２２の部分に入るが、当該下部端部セル群２２の部分には供給通路Ａの孔（開口部）が設けられておらず、また、上部端部セル群２３にも供給通路Ａの孔（開口部）は設けられていないため、端部セル群２２および２３の発電膜に供給されず、矢印で示すように、中央部セル群２１に到達して発電膜に供給される。
【００２９】
次いで、中央部セル群２１において、発電膜に供給された燃料ガスＧは、次段の供給通路となるＢに排出される。そして、図２（ｂ）に示すように、上部端部セル群２３および下部端部セル群２２において、燃料ガスＧは矢印で示すように中央部セル群２１とは逆の方向に流れて上部端部セル群２３および下部端部セル群２２の発電膜にそれぞれ供給され、その後、排出通路Ｃから燃料電池２０の外部に排出されることになる。
なお、電流の流れ方向を図７と同じ積層方向とした場合、図１に示す燃料電池２０の上部がマイナス、燃料電池２０の下部がプラスとなるため、図１の燃料電池２０の上下面に一対の集電板を付設することにより、発電した電力を取り出すことができる。
【００３０】
このように構成された本発明の第１実施形態の燃料電池２０によれば、次のような作用効果が得られる。
すなわち、カスケード化を一つの積層電池により実現することができる。また、従来のカスケード構造で必要であった別途の供給および排出配管が不要となり、設備のコンパクト化およびコストダウンを図ることができる。
しかも、本実施形態の燃料電池２０は、内部でカスケード化を達成することが可能な電池構造であるから、燃料電池２０の内部に設けられた簡略化された通路Ａ，Ｂ，Ｃにより、特に配管等に使用できる金属が制限されるような温度領域で運転する場合において、より効率的な発電システムを提供することができる。  
また、複数のセル群２１，２２，２３は、隣接するセル群と燃料ガスＧの流れる方向が異なるように構成されているので、燃料電池２０の内部においてカスケード化を実現でき、燃料効率を向上させることができる。
【００３１】
さらに、本実施形態の燃料電池２０は、カスケード構造でありながら単一セルのそれぞれは電気的には直列に一体化されているため、電流の流れ方向は全ての単一セルで同一である。それにより、通常の燃料電池と同じく、上下に配設する一対の集電板により電力を迅速かつ確実に取り出すことができる。
また、カスケード構造によって、燃料利用率を従来の燃料電池よりも高くすることができる。従来の燃料電池では、燃料利用率を上げようとすると、電流密度を高くするかあるいは燃料流量を下げざるを得ず、この場合、セルの出口付近では局所的に燃料欠乏が発生して電極の剥離や温度の上昇が避けられなかった。本実施形態の燃料電池２０によれば、残燃料を使用するカスケード後段のセルでは流量を大きくしているので，このような燃料欠乏や過昇温を防止することができる。
【００３２】
一方、本発明の第１実施形態の燃料電池２０において、基本的な構成は図１に示されているものと同じであるが，中央部セル群２１のセル数と端部セル群２２，２３のセル数との割合を種々変えることにより、最適な分配を選択することが可能である。
２段カスケード化した固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）において、全セル積層数を１７０とし、中央部セル群２１と端部セル群２２，２３の単位セル数量の割合を変えて電池試験を行い、その影響を検討した。  
この試験例では、燃料ガスとして都市ガスを改質した改質ガスを用いており、その組成はメタン＝１．３％、ＣＯ＝１０．７％、ＣＯ２＝５．７％、水素＝５２．２％、水蒸気＝３０．２％で流量は５．３Ｎｍ３／ｈ、温度は８５０℃、空気流量は３５Ｎｍ３／ｈであった。  
【００３３】
試験結果を図４に示した。例えば、中央部セル群２１のセル数を１４０、端部セル群２２，２３のセル数を合計で３０（１５×２）とした場合、合計の燃料利用率は９１％に達しており、単段での燃料利用率は約７５％を大きく上回っていることが分かる。
また、図４から明らかなように、通常のシステム構成、すなわち１４０セルに全て並列に燃料ガスＧを供給する非カスケード（単段）方式では、エネルギー効率が４４％程度であったのに対して、カスケード（２段）方式では、エネルギー効率が５０％以上を得ており、本発明の第１実施形態の優位性が容易に理解できる。  
【００３４】
さらに、図４から明らかなように、中央部セル群２１のセル数の全体に対する割合としては、４０％〜９０％が望ましいことが分かる。この場合、端部セル群２２，２３のセル数の割合は、（１００−中央部セル群割合）／２という計算式から、それぞれ３０％〜５％となる。  
【００３５】
［第２実施形態］
図５は、本発明の第２実施形態に係る積層した燃料電池の５分割３段カスケードを概念的に示すものである。
この第２実施形態の燃料電池２０ａは、図２（ａ）および図２（ｂ）に示したガス供給および排出の孔３１，３２をさらに多数設けることにより、３段カスケードも容易に実現できる。３段カスケードの場合には、燃料電池２０ａが５分割されており、上部端部セル群２３および下部端部セル群２２の上下部分には、最上部端部セル群２５および最下部端部セル群２４がさらに設けられている。中央部セル群２１に供給された燃料ガスＧは、２回の折り返しで流れるようになっている。すなわち、燃料ガスＧは最上部端部セル群２５および最下部端部セル群２４において、矢印で示すように上部端部セル群２３および下部端部セル群２２とは逆の方向に流れている。その他の構成は、上記第１実施形態と同様であり、同一の部材は同一の符号で示している。
本発明の第２実施形態の燃料電池２０ａによれば、第１実施形態の燃料電池２０よりもさらに燃料効率を向上させることができる。  
【００３６】
［第３実施形態］
図６（ａ）〜図６（ｄ）は、本発明の第３実施形態に係る内部２段カスケード化燃料電池の詳細な構造を示している。
図６（ａ）に示す発電膜４０は、固体電解質の一方の面に燃料極を設けるとともに、固体電解質の他方の面に空気極を設けることにより形成され（表面側には燃料極が示され、裏面側には空気極が示されている）、図６（ｂ）に示すインターコネクタ４１は、発電膜４０の大きさよりも大きく形成されている。また、インターコネクタ４１の外周縁部分には、燃料通路を構成する開口部４２ａ，４２ｂと、空気通路を構成する開口部４３ａ，４３ｂが設けられており、開口部４２ａ，４３ａと開口部４２ｂ，４３ｂとは、互いに対向して配置されている。
【００３７】
本実施形態の内部２段カスケード化燃料電池では、発電膜４０をインターコネクタ４１上に載せ、図６（ｃ）〜（ｅ）で示すように、シール材４４を所定位置に配置することによって燃料ガスＧの流れ方向を規制する。すなわち、中央部セルを示す図６（ｃ）では、燃料通路の開口部４２ａの１つをシール材４４によって塞ぎ、かつ空気通路の開口部４３ａ，４３ｂの所定箇所にシール材４４を設けることによって空気Ｋの空気通路への流れを全て塞ぐとともに、燃料極側は、燃料通路の開口部４２ａの１つと対向する２つの開口部４２ｂが貫通する設計である。端部セルは、図６（ｅ）に示すように、前記２つの開口部４２ｂと対向する燃料通路の開口部４２ａの１つをシール材４４により塞げば良い。  
【００３８】
このような構造のセルのうち、まず図６（ｅ）の端部セルを複数個配置し、続いて図６（ｃ）の中央部セル複数個積層し、最後に再び図６（ｅ）の端部セルを複数個積層することで内部２段カスケード型燃料電池が完成することになる。なお、空気極側については、図６（ｄ）に示すように、空気Ｋが端部セルも中央部セルも同一方向へ流れることになる。一般に、空気極に流す空気については、空気利用率を高くする必要がないので、図６（ｄ）の構成で特段の問題はないが、必要に応じて図６（ｃ）および図６（ｅ）と同じ構成を空気極側にも採り、空気も内部カスケード流れにすることも可能である。
【００３９】
本発明の第３実施形態の燃料電池によれば、極めて簡単に内部２段カスケード電池を構成することができる。その他の作用効果は、上記第１実施形態と同様である。
【００４０】
以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形および変更が可能である。
例えば、既述の実施形態では、一例として平板型のセル群における燃料電池を示しているが、本発明は、円筒形のセルが積層または配置され、多段化されたセル群や円筒平板型のセルが積層または配列されたセル群を有する燃料電池にも適用することができる。
また、３段以上の内部カスケード燃料電池において、隣接するセル群間の燃料ガスが対向流れとなるよう燃料通路の開口部配置および当該開口部のシール配置を選択することは当業者であれば当然に理解し得る。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、固体高分子形電池、固体酸化物形電池などの燃料電池一般に適用できるが、他の利用方法として固体高分子形水電解装置あるいは固体酸化物形水蒸気電解装置など、水の電気分解により水素と酸素を製造する装置に対しても同様に適用でき、その効果は燃料電池と同等である。
【符号の説明】
【００４２】
１  燃料電池
１０  単位セル
１１  下部集電板
１２  上部集電板
１３  燃料ガス供給マニホールド
２０，２０ａ  燃料電池
２１  中央部セル群
２２，２３，２４，２５  端部セル群
３１，３２，３３  孔
４０  発電膜
４１  インターコネクタ
４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂ  開口部
４４  シール材
Ａ，Ｂ  供給通路
Ｃ  排出通路
Ｋ  空気
Ｇ  燃料ガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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