(57)【要約】      （修正有）【課題】溶融炭酸塩形セルコストの低減、セル内電極有効面積比の向上、組立セルの容易分解等が可能な外部マニフォールド型セルを提供する。【解決手段】長方形の金属板の全周辺部に幅の狭い上に凸の台状のシール部を設け、その内側の底面には多数の小孔３４を設けたカソード集電板３１の台状部の内側に、長方形で平板状のカソード電極３７を収納し、その上に電解質板３８をカソード集電板３１全面を覆うように、かつ、カソード集電板の周辺の台状部と接してウェットシールが働くように配置し、その上にアノード電極３９を配置し、更にその上に、燃料ガス通路４１を配置し、その上から、長方形の薄い金属板からなるアノード集電板４４を被せてセルを構成する。このようにして構成したセルはセパレータの部品点数が少なく、かつ、溶接を必要としないことで材料費、加工費が大幅に削減できる。【選択図】図１０
2008103298.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長方形の金属平板の全周辺部が上に凸で幅の狭い台状部を形成し、その台状部の内側の底面には多数の小孔を有し、その台状部の高さはカソード電極の厚さにほぼ等しく、その台状部の内側の形状は長方形平板状のカソード電極より僅かに大きくほぼ同じ形状をした金属薄板製のカソード集電板の台状部の内側に、電子導電性と通気性を有する長方形平板状でほぼ同じ形状のカソード電極を収納し、その上にカソード集電板の投影面積とほぼ同じ面積で、絶縁性とイオン導電性と気密性を有する長方形平板状の電解質板をカソード電極全面を覆うように、かつ、電解質板の各周辺部がカソード集電板の各周辺の台状部と接し、液体電解質によるウェットシール機能を確保できるように配置し、その上に、カソード電極より面積が大きく、電解質板より面積が小さく、電子導電性と通気性を有する長方形で平板状のアノード電極を、その各周辺部がカソード集電板のカソード電極収納部より外側に来るように配置し、その上にアノード電極とほぼ同じ面積を有する金属性の燃料ガス通路を置き、更にその上に、長方形の金属薄板で各周辺部が下に凸で幅の狭い台状部を形成し、その台状部の内側の形状は天井部が平面で、その形状は長方形の平板状で、アノード電極及び燃料ガス通路より僅かに面積が大きく、その台状部の高さはアノード電極と燃料ガス通路を重ねた高さにほぼ等しく、かつ、その台状部の長辺側の両端部に燃料ガスの供給及び吐出のための台状部の高さが低くなった部分を有するアノード集電板を、その台状部が電解質板と接して液体電解質によるウェットシール機能を確保できるように配置し、上記の如く形成された燃料電池のアノード集電板の燃料供給部から燃料ガス通路を介してアノード電極に燃料ガスを、また、カソード集電板の外側にカソードガスを流し、カソード集電板に設けられた多数の小孔を介してカソード電極にカソードガスを供給することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
アノード集電板のアノード電極及び燃料ガス通路の収納部の天井部に多数の独立した上向きの突起部を形成し、多数のセルを積層したスタックにおいて、この突起部がカソードガス通路のためのスペーサの役割を果たすようにしたことを特徴とする請求項１の燃料電池。
【請求項３】
アノード集電板のアノード電極及び燃料ガス通路の収納部の天井部に設けた多数の独立した上向きの突起部の内側に改質触媒を充填したことを特徴とする請求項２の燃料電池。
【請求項４】
カソード集電板のカソード収納部の底面を下に凸のブリッジスクリーンとし、カソードガス通路のための開口部を形成すると同時に、この凸部が多数のセルを積層したスタックにおいて、カソードガス通路のためのスペーサとなるようにしたことを特徴とする請求項１の燃料電池。
【請求項５】
燃料ガス通路としてブリッジスクリーンを使うことを特徴とする請求項１から４の燃料電池。
【請求項６】
燃料ガス通路として金属発泡体を使うことを特徴とする請求項１から４の燃料電池。
【請求項７】
アノード集電板の燃料供給口及びアノード排気口に電解質板の支持部品を配置することを特徴とする請求項１から６の燃料電池。
【請求項８】
請求項１から７の平板状の燃料電池が地面に対して垂直になる方向に複数配置し、前後から全体を締め付け装置で一体化した燃料電池スタックを、アノードへの燃料供給口を上部に、アノード排気口を下部にするように配置し、また、そのスタックの直下に触媒燃焼室を設け、更にその直下にアノード排気と空気の混合室を配置し、アノード排気は混合室に導かれる通路を有し、一方、スタックの４つの側面を取り囲むように板状の空気予熱器を配置し、その上部から空気を供給し、下部から排出された予熱された空気は混合室に導かれ、そこでアノード排気と混合した後触媒燃焼室に導かれ、その中で燃焼触媒と接触してアノード排気中の可燃成分は燃焼され、高温となった燃焼ガスはスタックの下部よりカソード集電板の外側を通って下から上に向かって流れ、その過程でカソード集電板の開口部からカソードに酸素及び二酸化炭素が供給されることによって、アノード中の燃料ガスの流れとカソード中の燃焼ガスの流れを対向流とすることを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項９】
請求項１から７の複数の燃料電池から構成されるスタックにおいて、燃料供給口及びアノード排気口はスタックの２側面にあるが、それぞれの側面にある総て燃料供給口またはアノード排気口に対し、それぞれ１枚の絶縁性を持つ平板状シール材で覆い、そのシール材には各燃料供給口に対応する開口部を設け、その上に金属製の燃料ガスヘッダーを設けることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１０】
カソード集電板の台状部の外側壁面の短辺側に複数の切り欠きを設け、カソードガスの通路とすることを特徴とする請求項１から７の燃料電池。
【請求項１１】
アノード集電板の台状部の外側壁面の短辺側に複数の切り欠きを設け、カソードガスの通路とすることを特徴とする請求項１から７の燃料電池。
【請求項１２】
アノード集電板の台状部の外側壁面とカソード集電板の台状部の外側壁面の少なくとも一部を接合することを特徴とする、複数の請求項１から７の燃料電池から構成される燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明はエネルギー変換装置の分野に属し、燃料の有する化学エネルギーを直接電気に変換する燃料電池に関するものである。特に、溶融炭酸塩形燃料電池のセル及びスタックの構造を一変し、セル及びスタックのコストを大幅に低減し、コストの安い燃料電池発電設備を実現し、それを通じて、エネルギー資源の有効利用や地球環境の改善に貢献することが本発明の主たる目的である。
【背景技術】
【０００２】（１）図１に従来型の溶融炭酸塩型燃料電池（以下、ＭＣＦＣは溶融炭酸塩型燃料電池と同義語として使用する）のセルの構成要素を示す。
図１［Ａ］はセルの鳥瞰図を、また、［Ｂ］はカソード側、アノード側それぞれの側面図を示しているが、説明上の観点から両者には多少の差がある。
図１［Ａ］に示すように、１つのセルの基本構成要素は、セラミックスの粉末を平板状に成形し、その粒子間の空隙に電解質であるアルカリ炭酸塩を充填した電解質板１と、その両側に金属粉末の焼結体等で作られたアノード電極２とカソード電極３の３つで、セルは電解質板を２つの電極アノードとカソードで挟むように相互に密着させた構造である。
通常、セルは単独で使用することはなく、セルを多数積層し、セル間を直列に接続したスタックとして使用される。
この状態では上記３つの構成要素のほかにセパレータと呼ばれる構成要素が必要となる。
セパレータはカソード電極にカソードガス（ＭＣＦＣの場合は酸素と二酸化炭素を含むガス）を流す通路を形成するためのカソードコルゲート板４と、アノード電極にアノードガス（水素等の燃料ガス）を流す通路を形成するためのアノードコルゲート板５と、カソードガスとアノードガスの混合を防止するためのセンタープレート６の３つの構成要素が最低限必要となる。
その外に、セパレータの側面を通してアノードガス及びカソードガスが漏洩または混合しないようにそれぞれマスクプレート７を使用している。
更に、図１［Ｂ］に示すように、必要に応じてカソード電極とカソードコルゲート板の間及びアノード電極とアノードコルゲート板の間にそれぞれカソード集電板８、アノード集電板９を入れる。
これらの集電板は電極を強度的に支持し、同時にセル間の電気抵抗を低減する機能を担っている。
（２）図２は従来型燃料電池のカソード電極及びアノード電極にそれぞれ必要なガスを流す方法に関する説明のための図である。
図２［Ａ］は内部マニフォールド型と呼ばれる方式で、セパレータのセルの有効電極面１０の外側の部分にカソード入口１２、カソード出口１３、アノード入口１４、アノード出口１５を設けたもので、このほかセルとしては、ガスの流量配分を良くするための抵抗部１１やガスが外部に漏洩しないためのシール部１６が設けられている。
図２［Ｂ］は外部マニフォールド型と呼ばれる方式で、長方形である有効電極面１７の４つの側面をガスの供給口、排出口として利用する方式で、カソード入口２０、カソード出口２１、アノード入口２２、アノード出口２３のほかセルとしてはシール部１９と必要に応じてガスの流量配分を良くするための抵抗部１８が設けられる。
（３）図３は従来型の外部マニフォールド型スタックの概念図である。
多数のセル２４を積層して側面にガス供給用のマニフォールド２５を設け、上下に断熱・絶縁材２６を入れて、上下から締め付け装置２７、締め付けロッド２８、スプリング２９を使って一体化させたもので、電流３０はセルの上下端から取り出す構造である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】（１）図１に示す従来のセルは、その基本構成要素が電解質板とそれを両側から挟むように配置されたカソード、アノードの２つの電極で構成されている点は本発明も同じであるが、従来技術はアノード電極及びカソード電極にそれぞれアノードガス、カソードガスを供給するためのセパレータと呼ばれる金属部品が大変複雑な構造で、部品点数が多く、材質も高価な材料が使用されていたため、セルコストの大半がこのセパレータのコストで占められているという欠点があった。
更に、アノード、カソードそれぞれの電極はそれ自体強度の高いものではないので、電極を直接コルゲート板の上に置くと、コルゲート板は波板で、当然、電極が支持される部分と支持されない部分が存在し、締め付けた時に電極が変形する。電極が変形すると各セル構成要素間の密着性が悪くなり、セル性能を低下させることになる。従って、その欠点を防止するために、図１［Ｂ］に示すようにカソード電極とカソードコルゲート板の間に、多数の細かい孔の開いた平板で作られるカソード集電板８を入れている。また、アノード電極とアノードコルゲート板の間にも同様のアノード集電板９を入れている。
従って、セパレータはカソード集電板、カソードコルゲート板、センタープレート、アノードコルゲート板、アノード集電板、マスクプレートと非常に多くの要素で構成されている上に、これらを製造するために必要な金属板のプレス加工や溶接は大変コストと時間の掛かるプロセスである。
更に、アノード側の材料は電解質による腐食を防止するためにニッケルが使用されており、材料費の面からもコストが高くなっている。
この課題に対しては、本発明では、セパレータの部品点数を大幅に削減し、また、部品の構造をシンプルにすると同時に溶接を行わない方式とすることで加工費を下げ、更に、高価なニッケル板材を使用しないことで材料費を下げ、全体としてコストの著しく安いセルを実現する。
（２）また、図２［Ａ］に示す内部マニフォールド型のセルの場合、カソード入口１２、出口１３、アノード入口１４、出口１５をセパレータの有効電極面の外側に設ける必要があることから、セルのコストの大半を占めるセパレータの面積がセルの有効電極面積に較べて著しく大きくなり、セルのコストを引き上げてしまうという大きな欠点があった。一方、アノードガス（燃料ガス）とカソードガス（酸素と二酸化炭素を含むガス）の間で起こる発電反応は発熱反応であるので、一般的にはアノードガスもカソードガスも入口より出口の方が温度が高くなる。スタック内でどのような温度分布が発生するかによって、それに応じた熱応力が発生する。
複雑な熱応力の発生を避けるためには、アノードガスとカソードガスを並流または対向流とすることが好ましく、内部マニフォールド型ではこれらのガスの流れを自由に選択することができるという利点がある。
逆に、図２［Ｂ］に示す外部マニフォールド型の場合は、セパレータの殆どがセルの有効電極面積となるため、コストが安くなる利点があるが、アノードガスとカソードガスは直交流に限られるためスタック内の温度分布が複雑になり、捩じれ等を含む複雑な熱応力によってスタックに損傷を与える可能性があるという大きな欠点がある。
これらの課題に対して、本発明では、セパレータに占める有効電極面積の割合を大きくしてコストを下げると同時に、熱応力的に最も安定で、かつ、スタックの寿命を長くすることのできる対向流方式を取ることのできる新しいセルの構造を考案する。
（３）また、図３に示す従来型のスタックでは、多数のセルを直接積層して強い力で締め付けたもので、セパレータは溶接構造であり、セパレータとセパレータの間に置かれる電解質板は接着性があるので、一度運転に入ったスタックはセル間が密着して一体のものになってしまう。従って、スタックの中の１つのセルの電圧が劣化したり、部分的にセルにクラックが入りガスのリークが発生する等の損傷が起こった場合でも、そのセルだけ交換するということができなかった。
また、電解質板に充填されている電解質は時間とともに次第に減少し、電池の性能が低下していくが、従来型のスタックではスタックを１つ１つのセルに分解することができないので、途中で電解質を補充することができなかった。
この課題に対しては、本発明では、スタックを分解し、劣化したセルの交換や電解質の補充ができるセル及びスタックの構造を考案し、スタックの実質的な寿命を長くすることで、スタックの更なるコスト低減を図ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００４】本発明は、従来のセル、スタックの構造と全く異なる新しい構造の考案であるので、その内容を理解しないと［課題を解決するための手段］を記載することが難しいので、本来は次の［発明を実施するための最良の形態］で記載すべきと思われる図面を引用しての本発明の説明を先行的に記述し、その中で、［課題を解決するための手段］を説明する。
なお、ここでは請求項２または５に対応する燃料電池を基準に説明を行い、次の［発明を実施するための最良の形態］の中で、請求項１から７に対応する各種実施例の違いについて纏めて記述する。【０００５】（１）図４は本発明のカソード集電板３１である。
全体形状は長方形で、薄い金属平板をプレス成形等によって製作する。全周辺部には上に凸で幅の狭い台状部３３があり、その内側はカソード電極収納部３２となっている。即ち、周辺の台状部の上面を基準にすればカソード電極収納部は浅い凹部となる。このカソード電極収納部の底面には多数の小孔３４が設けられている。この小孔を介してカソード電極にカソードガスが供給される。各周辺の台状部３３の上面は平面で、電解質板と接して電解質によるウェットシールをするために設けられている。また、カソード集電板の周辺の台状部の外側壁面３５の短辺側には切り欠き３６が設けられており、カソードガスの入口、出口となる。【０００６】（２）図５はカソード電極３７で、形状は長方形の平板で、大きさはカソード集電板のカソード電極収納部より僅か小さく、厚さは僅か厚い形状である。これは電子導電性と通気性を併せ持つ材料で作られている。
これをカソード集電板のカソード電極収納部に収納すると、カソード集電板の周辺の台状部３３と高さがほぼ等しくなり、全体がほぼ同じ高さの平面を形成することになる。【０００７】（３）図６は電解質板３８で、セラミックス等の粉末で形成される長方形の平板状で、その粒子間の隙間に電解質である炭酸リチウム（Ｌｉ２ＣＯ３）、炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）、炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）等の混合塩が含浸されているもので、運転条件においてイオン導電性、絶縁性、気密性を有するものである。
また、この形状は面積的にカソード集電板の投影面積とほぼ同じで、カソード電極を収納したカソード集電板の上に、カソード電極全体を覆い、かつ、カソード集電板の各周辺の台状部と接して、運転状態において電解質によるウェットシール機能が働くように配置する。【０００８】（４）図７はアノード電極３９で、電子導電性と通気性を有する材料で作られている。
形状は長方形の平板で、面積的にはカソード集電板のカソード電極収納部より少し大きく、かつ、アノード集電板のアノード電極及び燃料ガス通路の収納部より僅かに小さくなっている。なお、全体として見た時は長方形であるが、各コーナーには切り欠き部４０があり、燃料ガスの流れが良好になるよう配慮している。
このアノード電極を電解質板の上に配置した状態では、アノード電極の各周辺部がカソード集電板のカソード電極収納部より外側になるように設計され、また、そのように配置される。
これは、カソード電極とアノード電極の端部が重なると、その部分で電解質板にせん断応力が働き、電解質板が破損しやすくなるで、それを避けるためである。【０００９】（５）図８は金属平板から成形されたブリッジスクリーンを使った燃料ガス通路４１で、［Ａ］は参考のためのブリッジスクリーンのイメージ図である。この場合、ブリッジスクリーンの形状は長方形で、金属薄板をプレス加工したもので、長辺側は切断され、短辺側は切断されずにブリッジ状の形状に塑性加工されたもので、ブリッジの下は長方形の開口部である。図８の燃料ガス通路は全面がブリッジスクリーンとなっており、４２はその１つの形状を示している。燃料通路全体として見た形状は長方形であるが、各コーナーには切り欠き部４３を設けている。ブリッジスクリーンの凸部４２Ａの間の空間には改質触媒を適宜配置する。この燃料ガス通路を平面が下、凸部４２Ａが上になるようにアノード電極の上に置く。
図８は一体の長方形の平板として記載してあるが、目的はアノード電極の支持、集電機能、燃料ガスの通路としてのスペーサ機能であるので、必ずしも全体が一体である必要はなく、分割されていても良い。【００１０】（６）図９はアノード集電板４４で、薄い金属平板をプレス等で加工したもので、周辺部には下に凸の台状部４５がある。この台状部の下面４５は平面で、電解質板と接して、運転条件下で電解質によるウェットシール機能が働くようになっている。また、この台状部の内側４６はアノード電極３９及び燃料ガス通路４１の収納部で、その形状は長方形で、アノード電極及び燃料ガス通路とほぼ同じ形状で僅かに大きく、高さは両者を重ね合わせた高さにほぼ等しく、天井面には多数の上向きの突起部４６Ａを有する。この突起部の内側に適宜改質触媒を充填する。周辺の台状部の長辺側の両端には台状部の高さが低くなっている部分４７及び４７Ａがあり、ここはアノード電極への燃料ガスの供給口及びアノードからの排気口として使われる。この部分にはそれぞれ電解質板支持部品４８が配置され、電解質板が変形・破損しないように、かつ、ガスの通路を維持するように配慮されている。また、台状部の外側壁面４９の短辺側には切り欠き部５０が設けられており、ここはカソードガスの通路となる。
このようなアノード集電板４４のアノード電極及び燃料ガス通路の収納部４６に両者が収納されるように燃料ガス通路の上から置かれる。【００１１】（７）以上は１つのセルの構成とそれぞれのコンポーネントの関係を説明するためにカソード集電板を一番下に置き、その上に順次積み重ねるということで説明してきたが、実際の組立手順としては、アノード側とカソード側はそれぞれ別々に組立、最後に両者を合わせて１つのセルとする方式を取る。
即ち、アノード集電板のアノード電極及び燃料ガス通路の収納部を上に向けて置き、その上に燃料ガス通路のブリッジスクリーンのブリッジ部（凸部）４２Ａを下にして収納し、その上にアノード電極を収納し、その上に電解質板を置く。一方、それとは別にカソード集電板のカソード電極収納部を上にして置き、そこにカソード電極を収納する。この際、両者を仮接着する接着剤を使って一体化し、それを反転して電解質板の上に置くことでセルを完成する。この際に使用する仮接着剤は運転時に消滅するか、少なくとも害のないものを使用する。【００１２】（８）図１０［Ａ］はセルの組立断面図を示している。下から順にカソード集電板３１、カソード電極３７、電解質板３８、アノード電極３９、燃料ガス通路４１、アノード集電板４４となっている。アノード集電板には周辺の台状部に燃料ガス供給口４７があり、この開口部は絶縁兼シール材５２の開口部を介して燃料供給ヘッダー５３の開口部５４と接続されており、燃料ガスはここからアノードに供給される。図１０［Ｂ］はアノードへの燃料ガスの供給とアノードからの排気の状態を説明するための図である。セル上部の両端に燃料供給口５３があり、下部の両端に排気口５５がある。【００１３】（９）上記のように組み立てられたセルの燃料ガス通路は、アノード集電板と電解質板によって平板状のチューブが形成され、基本的に燃料ガスの外部への漏洩はない。ここに燃料供給口４７から燃料ガスを流せばアノード電極に燃料ガスが供給される。一方、アノード集電板とカソード集電板で形成された平板状のセルの外部にカソードガスを流せば、カソード集電板の多数の開口部を介してカソード電極にカソードガスが供給される。
このようにして作られたセルは、両面が金属でできたカソード集電板とアノード集電板であるので、積層しても相互に密着状態になることはなく１つ１つのセルは独立しており、アノード集電板とカソード集電板の間にはアノード集電板の突起部４６Ａがあり、これがカソードガスの通路としてのスペーサーの役割を果たしている。従って、一度スタックとして組み上げ、運転しても、１つのセルは電解質板によって一体化されてしまうが、セルとセルの間は接着されてしまうことはなく、必要に応じて１つ１つのセルに解体することができる。【００１４】（１０）また、このセルは内部マニフォールドを持っておらず、基本的に周辺のシール部以外は総て有効電極面積であるので全セル面積に占める有効電極面積の割合が大きい。
さらにセルの形状が縦長の長方形であり、燃料ガスも空気も流れの方向の幅に対して長さが長く、流量配分改善のための抵抗部を設けなくてもガスの流量配分が均一になる。図１０を見るとセルは縦長ではあるが、縦横比はそれほど大きくないように見えるが、燃料ガスの供給、排出は両側から行われているので、セルの幅は実質的に半分ということになる。
また、幅が狭いので中心部と周辺部の温度差が小さく、ホットスポットや熱応力によるダメージを受けにくい。【００１５】（１１）図１１は図１０Ａのセルを積層したスタックの概念図である。
セル積層部５６の上下に電流取り出し板５７があり、その上下に断熱・絶縁材５８が配置されている。その上下から締め付け装置５９によってスプリング６０を介して締め付けロッド６２で全体を締め付けている。
しかし、１つ１つのセルは上下が金属板であるので相互に密着状態になることはなく、燃料ガスヘッダーと締め付け装置を外せば１つ１つのセルをバラバラにすることができるので、損傷を受けたセルを交換することも可能で、それによって実質的な寿命延長が可能となる。また、バラバラにしなくても、カソード集電板に設けられた多数の開口部を介して電解質を補充することも可能である。
なお、図１１で６１はスプリングカバーを、６３は電流取り出しケーブルを６４はインバータを示している。【００１６】（１２）図１２はスタック周りの機器の配置とカソードガス、アノードガスの流れを示している。スタック６５は燃料入口ヘッダー５３が上部になるように、また、アノード排気ヘッダー５５が下部に来るように配置する。燃料ガスＦＧは燃料ガスヘッダー５３を介して各セルのアノード側に供給される。燃料ガスは上から下へ向かって流れ、スタック下部のアノード排気ヘッダー５５を介して混合室６８に導かれる。一方、空気ＡＩＲはスタックの周辺を取り囲むように配置された平板状の空気予熱器６６で予熱されながら上から下に向かって流れ、下部から混合室に導かれてアノード排気と混合される。次いで、燃焼室６９の中の燃焼触媒７０に接してアノード排気中の可燃成分が燃焼され、ＣＯ２と酸素を含む燃焼ガスがカソード側の通路を通って下から上に向かって流れる。
即ち、燃料ガスは上から下へ、カソードガスは下から上へ向かって流れる対向流方式となる。一般に、発電反応は発熱であるため、アノードガスもカソードガスも入口より出口の温度が高くなるが、対向流では相互に相殺しあい、従って、スタックは全体が最も均一な温度になり、熱応力によるダメージを受けにくい構造である。
この際、カソードガスの温度は燃料利用率を調整することで制御できるので、スタックの温度分布を均一に維持でき、それによってスタックに掛かる熱応力を低減することができる。
【発明の効果】
【００１７】（１）本発明のセルの構造は、セルの中で最もコストに影響を与える１セル当たりのセパレータの金属加工板の数を従来のセルに較べて極端に少なくしており、セルのコストを大幅に引き下げることができる。【００１８】（２）本発明で使用するセルの構成部品は総て単純な長方形で、金属加工板は簡単なプレス加工で、その他のポーラス部品はテープ成形機と連続焼成炉で成形でき、溶接を必要とするところはない。従って、加工時間も短く、セルの加工費を大幅に引き下げることができる。【００１９】（３）本発明のセルの構成部品の形状は単純な長方形で、かつ、幅が狭いので、プレス、テープ成形機、連続焼成炉等生産設備はいずれも幅の狭い小型の設備で済むので設備投資が少なくて済む。【００２０】（４）本発明のスタックは、必要な数のセルを積層して締め付け装置で締め付けるだけの構造で、燃料ガスヘッダーとスタックの締め付け装置を外せば、それぞれのセルに分解することができ、ダメージを受けたセルを交換したり、電解質を補充することが可能である。また、１つ１つのセルをバラバラにしなくても、カソード集電板のカソード電極収納部に設けられた孔を介して電解質を補充することができる。【００２１】（５）本発明のセルは、ガスの流れ方向に対する距離が長く、幅が狭いので、流量配分改善のために抵抗部を設けなくても、ガスの流量配分のバラツキが小さい。【００２２】（６）本発明のセルはカソードガスとアノードガスの流れが対向流であることからもともと全体が一定の温度範囲内にあり、温度分布に起因する熱応力が極めて小さいと同時に、セルの幅が狭く、放熱しやすい構造であるのでホットスポットが発生することはなく、ホットスポットによるセルの劣化がない。【００２３】（７）本発明のセルは内部改質にも外部改質にも適用することができる。
外部改質の場合、カソードへのガス供給量を増大させる必要があるが、カソードガスの通路に電子導電性材料で作られたスペーサを追加することで、セル部分の形状を変えることなく、容易にカソードガス通路を拡大できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】以上、［課題を解決するための手段］という観点から本発明の基本的な内容について図面を使って説明してきたが、ここでは［発明の実施の形態］の観点から今までに記載しなかった部分や発明の背景となる技術的に詳細な部分の説明を行う。【００２５】（１）本発明のセルは図１０に示す通り、基本的にアノード集電板４４と電解質板３８で構成される平板チューブ状の閉じられた空間に燃料ガスを流すことでアノード電極３９に燃料ガスを供給し、アノード集電板４４とカソード集電板３１で構成される平板チューブ状セルの外部に酸素とＣＯ２を含む酸化剤ガスを流すことでカソード集電板に設けられた多数の小孔を介してカソード電極３７に酸化剤ガスを供給し、電解質３８を挟んで配置されたアノード３９、カソード３７両電極の間に起電力を発生させる構造を取っている。この形式のセルの場合、セルを複数積層したスタックにおいて各セルに燃料ガスを供給するヘッダーの構造が非常に重要なポイントとなる。
本発明では、セルは縦長の長方形の薄い箱型の形状をしているが、図１０に示す通り、アノード集電板の薄い側面の長手方向の上部両側に燃料供給用の開口部４７を有しており、側面の下部の両側にアノード排気のための開口部４７Ａを有している。【００２６】（２）本発明のセルは、周辺のシール部以外は有効電極面積となり、全セル面積に占める有効電極面積の割合が大きいことが特徴である。有効電極面積の割合を最大にするのは正方形であるが、一方、この有効電極面積に燃料ガス及び酸化剤ガスを均一に流すためには流れ方向が長く、幅方向が狭い方が好ましい。本発明では、この両方の目的を達成するために、実際のセルの形状は縦長の長方形であるが長さ（Ｌ）と幅（Ｄ）の比（Ｌ／Ｄ）を小さくし、一方、燃料供給口とアノード排気口を１つのセルに２つずつ設けることによって、実質的に長さ（Ｌ）と幅（Ｄ）の比（Ｌ／Ｄ）を大きくすることで、有効電極面積全体に燃料ガスと酸化剤ガスを均一に流し、かつ、経済性を満足するようにしている。【００２７】（３）前記の通り、スタックは上下方向に縦長に配置するが、燃料ガスは上から供給し、アノード排気は底部で排出される。スタック直下にアノード排気中の可燃成分を燃焼するため触媒燃焼室を配置し、更にその直下に空気とアノード排気との混合室が設けられている。空気はスタックの外側を囲うように配置された断熱材の外部に設けられた平板状の空気予熱器６６を通って混合室の下部より混合室に供給される。
触媒燃焼室を出た燃焼ガスはカソード集電板とアノード集電板の間を下から上に向かって流れ、アノード集電板のアノード電極及び燃料ガス通路の収納部に設けられた多数の突起部がカソードガス通路を形成するスペーサーの役目を果たし、カソード集電板に設けられた多数の開口部を介してカソード電極にカソードガスを供給する。
即ち、燃料ガスは上から下へ、酸化剤ガスは下から上へ流れる対向流となる。
一方、発電反応はカソードでＣＯ２＋１／２Ｏ２＋２ｅ−＝ＣＯ３２−の反応で炭酸イオン（ＣＯ３２−）が生成され、炭酸イオンが電解質中をアノードに移動し、そこでＣＯ３２−＋Ｈ２＝ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ−の反応で電子を放出し、電子は外部回路を通って再びカソードに戻る。この反応が継続することで、電子の流れ即ち電流が起こることになるが、この反応は全体として水素の燃焼反応であり、発熱反応であるため、一般にアノードガスもカソードガスも入口温度より出口温度の方が高くなる。
本発明ではアノードガスとカソードガスの流れが対向流であるため、セル内の伝熱によって相互に相殺しあい、セル全体の温度が最も均一になり、温度差に起因する熱応力が発生しにくく、熱応力によるスタックのダメージが起こりにくい。【００２８】（４）また、セルの内部では発電反応によって発熱が起こっており、この発熱と伝熱による温度降下の関係から一般に中心部は温度が高く、周辺部は温度が低くなる。しかし、本発明のセルは幅が狭く、長さが長い形状になっているため、横方向への伝熱から中心部にホットスポットができにくく、ホットスポットによる熱応力の発生や高温自体によるセルのダメージを受けにくい構造となっている。この観点からも幅を狭く、長さを長くしていることは有効である。
なお、図４から１０に記載のものは必ずしも縦横比が大きくなっていないが、アノードへの燃料供給口及びアノード排気口が各セルに２つずつ付いていることから実質的に縦横比が大きくなっていること、また、図は飽くまで一例で、縦長のセルとすることは本発明の１つの目的である。【００２９】（５）既に記載したように、本発明ではアノード電極の大きさをカソード電極より大きくし、アノード電極の周辺部の位置がカソード電極の周辺部と一致することのないように、アノード電極の全周辺部がカソード集電板のカソード収納部の周辺より外側に来るよう、即ち、カソード集電板の周辺部に重なる位置に来る構造とした。これはカソード電極とアノード電極の両方のエッジが一致すると電解質板のその部分にせん断応力が掛かり易く、電解質板にクラックが入る可能性が高くなるためである。
従って、アノード電極とカソード電極のエッジの位置をずらすことで、電解質板の健全性を高めた。【００３０】（６）図１３は本発明の燃料電池発電設備の全体レイアウトを示す。スタック６５の直上には燃焼触媒７１を配置し、万一、スタックから燃料ガスが漏洩した場合に直ぐに酸化することで、設備の安全を確保している。また、その直ぐ上には起動用バーナ７２を配置している。ここに燃料を流し、バーナの着火装置で着火すると、燃焼ガスは上に空気は周辺の空気予熱器を通して継続的に供給され、自然循環で装置を予熱することができる。起動用バーナの上には燃料過熱器７３を配置し、その上には予備改質器７４を、更にその上には燃料予熱器７５を配置している。燃料予熱器の上部には蒸気過熱器７６とミキサー７７が配置され、一番上に蒸気発生器７８が配置される。これらは起動用バーナを着火することで、運転状態に入り、蒸気と燃料を混合し、予備改質された燃料をスタックに供給することができる。
なお、７９は空気ブロワ、８０は給水ポンプ、８１はフィルターサイレンサー、８２はインバータ、８３はガスボンベ、８４はブロータンク、８５は制御装置、８６は汽水分離装置、８７は給水タンクを表わしているが、本発明の主要部ではないので説明は省略する。
【実施例】
【００３１】（１）図１４は本発明のセルの基本形と各種の実施例を示すセルの断面図である。
［Ａ］は請求項１に対応する本発明のセルの基本形で、［課題を解決する手段］の中で、図４から１０を使って説明してきた燃料電池と異なるところはアノード集電板８８だけである。このアノード集電板は、アノード電極及び燃料ガス通路の収納部４６の天井部が平面である点が、これまでの説明と異なる。この形のセルを複数積層してスタックとして使用する場合は、積層するセルとセルの間にカソードガスの通路を形成するための導電性を持つスペーサが必要になる。【００３２】［Ｂ］は［課題を解決する手段］の中で、図４から１０を使って説明してきた燃料電池そのもので、請求項２に対応する。この場合はアノード集電板４４のアノード電極及び燃料ガス通路４６の天井部に多数の上向きの突起部４６Ａが設けられており、複数のセルを積層してスタックとする時に、この突起部がカソードガス通路を形成するためのスペーサの役割を果たす。【００３３】［Ｃ］は請求項４に対応するもので、カソード集電板８９だけが基本形と異なる。このカソード集電板はカソード電極収納部の底面がブリッジスクリーンとなっており、多数の下向きに凸のブリッジ部９０があり、この部分がカソードガス通路のためのスペーサーとなっていると同時にカソードガスのための開口部ともなっている。（図８［Ａ］にブリッジスクリーンのイメージ図がある）【００３４】［Ｄ］は［Ｂ］のアノード集電板の突起部４６Ａの内側に改質触媒５１を充填した場合で、請求項３に対応する。【００３５】［Ｅ］は［Ｄ］の燃料電池のブリッジスクリーン型の燃料ガス通路を発泡金属体の燃料ガス通路９１に置き換えたもので、請求項６に対応するものである。【００３６】以上５つの実施例を図１４で説明したが、（２）または（３）が基本的な実施形態であり、それに各種の応用、組合せが存在するもので、要求される条件によって最良の組合せが決まる。しかし、［課題を解決するための手段］以降これまで説明してきた内容が基本的に最良の実施形態である。
【産業上の利用可能性】
【００３７】燃料電池は燃料ガスの持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変えるエネルギー変換装置であるので、基本的に、直流または交流の発電設備または動力源としてあらゆる分野への適用が可能である。一方、本発明は主として溶融炭酸塩型燃料電池の改良に重点があるので、高温型燃料電池として考えた場合、定置型の発電設備に適している。また、高温型の燃料電池は排熱も高温となるので、コジェネレーションに向いており、産業用や家庭用のコジェネレーション用として適している。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】従来型のセルの構成要素の説明図  ［Ａ］鳥瞰図  ［Ｂ］側面図
【図２】従来型のセルのガス供給方法に関する説明図  ［Ａ］内部マニフォールド型  ［Ｂ］外部マニフォールド型
【図３】従来型のスタックの概念図
【図４】本発明のカソード集電板の構造図
【図５】本発明のカソード電極の構造図
【図６】本発明の電解質板の構造図
【図７】本発明のアノード電極の構造図
【図８】本発明の燃料ガス通路の構造図
【図９】本発明のアノード集電板の構造図
【図１０】本発明のセルの組立断面図  ［Ａ］セル組立断面図  ［Ｂ］燃料供給及び排気ヘッダーの構造図
【図１１】本発明のスタックの組立断面図
【図１２】本発明のスタック周りの組立断面図及びガスの流れ
【図１３】本発明の燃料電池発電設備の配置図
【図１４】本発明のセルの各種実施例
【符号の説明】
【００３９】１．電解質板
２．アノード電極
３．カソード電極
４．カソードガス通路（コルゲート板）
５．アノードガス通路（コルゲート板）
６．センタープレート
７．マスクプレート
８．カソード集電板
９．アノード集電板
１０．内部マニフォールド型セパレータの有効電極部
１１．内部マニフォールド型セパレータの抵抗部
１２．内部マニフォールド型セパレータのカソードガス入口
１３．内部マニフォールド型セパレータのカソードガス出口
１４．内部マニフォールド型セパレータのアノードガス入口
１５．内部マニフォールド型セパレータのアノードガス出口
１６．内部マニフォールド型セパレータのシール部
１７．外部マニフォールド型セパレータの有効電極部
１８．外部マニフォールド型セパレータの抵抗部
１９．外部マニフォールド型セパレータのシール部
２０．外部マニフォールド型セパレータのカソードガス入口ヘッダー
２１．外部マニフォールド型セパレータのカソードガス出口ヘッダー
２２．外部マニフォールド型セパレータのアノードガス入口ヘッダー
２３．外部マニフォールド型セパレータのアノードガス出口ヘッダー
２４．従来型スタックのセル積層部
２５．従来型スタックのヘッダーカバー
２６．従来型スタックの断熱・絶縁材
２７．従来型スタックの締め付け装置
２８．従来型スタックのテンションロッド
２９．従来型スタックの締め付け用スプリング
３０．従来型スタックの電流の取り出し
３１．本発明のカソード集電板
３２．本発明のカソード集電板のカソード電極収納部
３３．本発明のカソード集電板の台状部（シール部）
３４．本発明のカソード集電板のカソード電極収納部に設けられた小孔
３５．本発明のカソード集電板の台状部の外側壁
３６．本発明のカソード集電板の台状部の外側壁の短辺側に設けられた切り欠き
３７．本発明のカソード電極
３８．本発明の電解質板
３９．本発明のアノード電極
４０．本発明のアノード電極の各コーナの切り欠き部
４１．本発明の燃料ガス通路
４２．本発明の燃料ガス通路のブリッジスクリーンのブリッジ部形状
４２Ａ．本発明の燃料ガス通路のブリッジスクリーンのブリッジ部（凸部）
４３．本発明の燃料ガス通路の各コーナの切り欠き部
４４．本発明のアノード集電板
４５．本発明のアノード集電板の台状部（シール部）
４６．本発明のアノード集電板のアノード電極及び燃料ガス通路の収納部
４６Ａ．本発明のアノード集電板に設けられた突起部
４７．本発明のアノード集電板に設けられた燃料供給口
４７Ａ．本発明のアノード集電板に設けられたアノード排気口
４８．本発明の電解質支持部品
４９．本発明のアノード集電板の台状部の外側壁
５０．本発明のアノード集電板の台状部の外側壁に設けられた切り欠き
５１．本発明の改質触媒
５２．本発明の絶縁兼シール材
５３．本発明の燃料供給ヘッダー
５４．本発明の燃料供給ヘッダーの開口部
５５．本発明のアノード排気ヘッダー
５６．本発明のスタックのセル積層部
５７．本発明のスタックの電流取出し板
５８．本発明のスタックの断熱・絶縁材
５９．本発明のスタックの締付け装置
６０．本発明のスタックの締付け用スプリング
６１．本発明のスタックの締付け用スプリングのカバー
６２．本発明のスタックの締付け用テンションロッド
６３．本発明のスタックの電流取出しケーブル
６４．本発明のインバータ
６５．本発明のスタックの配置とその中のガスの流れ
６６．本発明の空気予熱器
６７．本発明の断熱材
６８．本発明のアノード排気と空気の混合室
６９．本発明の燃焼室
７０．本発明の燃焼触媒
７１．本発明の燃焼触媒
７２．本発明の起動用バーナ
７３．本発明の燃料過熱器
７４．本発明の予備改質器
７５．本発明の燃料予熱器
７６．本発明の蒸気過熱器
７７．本発明のミキサー
７８．本発明の蒸気発生器
７９．本発明の空気ブロワ
８０．本発明の給水ポンプ
８１．本発明のフィルターサイレンサ
８２．本発明のインバータ
８３．本発明のボンベ置き場
８４．本発明のブロータンク
８５．本発明の制御装置
８６．本発明の汽水分離器
８７．本発明の給水タンク
８８．本発明のアノード集電板
８９．本発明のカソード集電板
９０．本発明のカソード集電板のブリッジスクリーンの突起部
９１．本発明の発泡金属体
ＡＩＲ  空気
ＦＧ  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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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