(57)【要約】【課題】簡単且つコンパクトな構成で、燃料ガスの利用率の向上を図ることができ、高効率な発電を行うことを可能にする。【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、前記プレート６０、６２間には、燃料ガス通路６６と酸化剤ガス通路８４とが区画形成される。電解質・電極接合体５６を構成するアノード電極５４は多孔質層を有し、該多孔質層の内部気孔を連ねて燃料ガス供給流路５７が設けられるとともに、セパレータ５８を構成するプレート６２には、燃料ガス通路６６から前記アノード電極５４の中央部に燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口８０が形成される。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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積層されるとともに、前記セパレータには、前記アノード電極に供給される燃料ガスを流すための燃料ガス通路と、前記カソード電極に供給される酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス通路とが設けられる燃料電池であって、
前記アノード電極は多孔質層を有し、該多孔質層の内部気孔を連ねて燃料ガス供給流路が設けられるとともに、
前記セパレータには、前記燃料ガス通路から前記アノード電極の中央部に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口が形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記セパレータは、互いに積層される第１プレートと第２プレートとを備え、
前記第１及び第２プレート間には、前記燃料ガス通路と前記酸化剤ガス通路とが区画形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池において、前記第１プレートは、前記セパレータの一方の面側に配置される前記電解質・電極接合体のカソード電極に対向するとともに、
前記第２プレートは、前記セパレータの他方の面側に配置される前記電解質・電極接合体のアノード電極に密着し、且つ、該第２プレートに前記燃料ガス導入口が形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池において、前記第２プレートには、前記電解質・電極接合体の前記アノード電極との間に複数の凹部を形成するための複数の窪みが設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項３又は４記載の燃料電池において、前記第１プレートの面内の一部から前記第２プレートに近接する方向に突き出して凸部が設けられるとともに、
前記凸部を前記第２プレートに密着させることにより、前記第２プレートと前記アノード電極とを密着させることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池において、前記凸部は前記第１プレートの面内の一部を切り欠いた折り曲げ部であることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項５記載の燃料電池において、前記凸部は前記第１プレートの面内の一部を突出させたエンボスであることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項１記載の燃料電池において、前記電解質・電極接合体と前記セパレータとが積層された積層体の両端部に、互いに近接する方向に荷重を付与することにより、前記第２プレートと前記アノード電極とを密着させる締め付け荷重付与機構をそれぞれ備えることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【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においてこの酸化剤ガス中の酸素がイオン化（Ｏ２−）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ＣＯ２）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】
上記の燃料電池では、燃料利用率を向上させることが必要であり、例えば、特許文献１に開示されているように、セパレータと電極とを接触させる工夫がなされている。具体的には、図２５に示すように、燃料電池１は、積層された四層、すなわち、セパレータ２、カソード層３、電解質４およびアノード層５を備えている。燃料電池１の中央部には、積層方向に貫通して燃料マニホールド６が設けられるとともに、前記燃料マニホールド６を挟んで空気マニホールド７が２個所に設けられている。
【０００５】
アノード層５には、セパレータ２の表面に沿って多数の微細流路（マイクロチャネル）８が設けられている。この微細流路８は、電極材（アノード電極構成材）製の複数の柱体９を介して形成されており、燃料を効率的に通すために高さの低い流路を構成している。
【０００６】
【特許文献１】
米国特許第６，３６１，８９２Ｂ１号公報（図３）
【０００７】
【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、微細流路８を形成するために、スクリーン印刷、写真平版、プレスあるいはカレンダリング等の方式が採用されている。しかしながら、これらの方式により微細流路８を電極に形成しなければならず、製作工程が複雑化してアノード層５の製造費が相当に高騰するという問題がある。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、燃料ガスの利用率の向上を図ることができ、高効率な発電を行うことが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【０００９】
【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、アノード電極は多孔質層を有し、該多孔質層の内部気孔を連ねて燃料ガス供給流路が設けられるとともに、セパレータには、燃料ガス通路から前記アノード電極の中央部に燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口が形成されている。
【００１０】
ここで、多孔質層の内部気孔は、アノード電極内にランダムに分散しており、この内部気孔を流れる燃料ガスは、前記アノード電極の電極触媒層との接触時間が長くなって前記燃料ガスの反応が有効に促進される。しかも、アノード電極の中央部から燃料ガス供給流路に供給された燃料ガスは、前記アノード電極の周縁に向かって前記燃料ガス供給流路内を放射状に拡散することができる。
【００１１】
従って、アノード電極を構成する電極触媒層に対し燃料ガスを均一に分布させることが可能になり、電解質・電極接合体全体で発電を一様に行うことができるとともに、燃料ガスの利用率が良好に向上する。しかも、アノード電極は、通常のスクリーン印刷により形成可能であり、燃料電池全体を経済的に構成することができる。
【００１２】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、セパレータは、互いに積層される第１プレートと第２プレートとを備え、前記第１及び第２プレート間には、燃料ガス通路と酸化剤ガス通路とが区画形成されている。このため、燃料電池を積層方向に良好に薄型化することができる。
【００１３】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池では、第１プレートは、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に対向するとともに、第２プレートは、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に密着し、且つ、該第２プレートに燃料ガス導入口が形成されている。
【００１４】
これにより、燃料ガス導入口からアノード電極の中央部に供給された燃料ガスは、このアノード電極内部の燃料ガス供給流路に拡散し、前記アノード電極の周縁に向かって前記燃料ガス供給流路内を確実に拡散することができる。その際、燃料ガスの一部は、第２プレートとアノード電極との隙間を通って前記アノード電極の表面を流動する場合があるが、前記燃料ガスは前記アノード電極の中央部から周縁部に向かって流れるため、該燃料ガスを均一に分布させることが可能になる。
【００１５】
さらにまた、本発明の請求項４に係る燃料電池では、第２プレートには、電解質・電極接合体のアノード電極との間に複数の凹部を形成するための複数の窪みが設けられている。従って、燃料ガス供給流路を流れる燃料ガスの流量や圧力が増加すると、この燃料ガスの一部が窪みに進入して前記流量や圧力が調整されるとともに、前記窪みの位置を設定するだけで、前記燃料ガスをアノード電極の中央部から周縁部に向かって放射状に確実に流すことができる。
【００１６】
また、本発明の請求項５に係る燃料電池では、第１プレートの面内の一部から第２プレートに近接する方向に突き出して凸部が設けられるとともに、前記凸部を前記第２プレートに密着させることにより、前記第２プレートとアノード電極とを密着させている。これにより、簡単な構成で、第２プレートとアノード電極とを確実に密着させることが可能になり、燃料ガスの利用率を良好に向上させることができる。
【００１７】
さらに、凸部は、第１プレートの面内の一部を切り欠いた折り曲げ部である（本発明の請求項６に係る燃料電池）。折り曲げ部は、セパレータ全体の剛性の影響、例えば、歪みを受けることがなく、密着力を第２プレートとアノード電極に伝えることが可能になり、両者の密着性を高めることができる。
【００１８】
さらにまた、凸部は、第１プレートの面内の一部を突出させたエンボスである（本発明の請求項７に係る燃料電池）。エンボスは、加工を一層簡便にするため、加工工数を有効に削減して第２プレートとアノード電極との密着性を向上させることが可能になる。
【００１９】
また、本発明の請求項８に係る燃料電池では、電解質・電極接合体とセパレータとが積層された積層体の両端部に、互いに近接する方向に荷重を付与することにより、第２プレートとアノード電極とを密着させる締め付け荷重付与機構をそれぞれ備えている。これにより、セパレータの形状の変更にも容易に対応することができ、種々の形状の異なる燃料電池に所望の締め付け荷重を確実に付与することが可能になる。
【００２０】
【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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
図４及び図５に示すように、燃料電池１０は、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。アノード電極５４の内部気孔を連ねて燃料ガス供給流路５７が設けられる（図８参照）。
【００２５】
アノード電極５４の気孔率が２０％未満では、このアノード電極５４内に進入した新たな燃料ガスと、発電に使用された使用済みの燃料ガスとの入れ替えが円滑に遂行されず、前記アノード電極５４内に燃料ガスの濃度分布が発生してしまう。これにより、燃料ガスの濃度損失が惹起されて発電効率が低下し易い。
【００２６】
一方、アノード電極５４の気孔率が５０％を超えると、このアノード電極５４の強度が低下し、締め付け荷重による拘束や熱応力によって電解質・電極接合体５６の破損が生じてしまう。さらに、アノード電極５４自体が空洞化して発電により発生した電子が集中して電流密度が高くなり、抵抗が増大して前記アノード電極５４の導電率が低下し易い。
【００２７】
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。
【００２８】
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）。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
プレート６０には、凸部、例えば、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）。
【００３２】
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。
【００３３】
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）。
【００３４】
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（凹部）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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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を配置するとともに、締め付け荷重付与機構１０１を介して積層方向に締め付け保持される。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。
【００４１】
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。
【００４２】
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が前記ボルト挿入口１０４ａ、１０４ｂに挿入され、前記ボルト１１２の先端にナット１１４が螺合して締め付け荷重付与機構１０１が構成される。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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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５７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。
【００５０】
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、締め付け荷重付与機構１０１を介して積層方向に締め付け保持されるとともに、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。
【００５１】
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）。
【００５２】
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）。
【００５３】
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）。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
この場合、第１の実施形態では、図８に示すように、アノード電極５４は多孔質層を有し、該多孔質層の内部気孔を連ねて燃料ガス供給流路５７が設けられるとともに、セパレータ５８を構成するプレート６２には、燃料ガス通路６６から前記アノード電極５４の中央部に燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口８０が形成されている。
【００５９】
ここで、多孔質層の内部気孔は、アノード電極５４内でランダムに分散しており、この内部気孔を流れる燃料ガスは、アノード電極５４の電極触媒（図示せず）との接触時間が長くなって前記燃料ガスの反応が有効に促進される。しかも、アノード電極５４の中央部から燃料ガス供給流路５７に供給された燃料ガスは、前記アノード電極５４の周縁に向かって前記燃料ガス供給流路５７内を放射状に拡散することができる。
【００６０】
従って、アノード電極５４を構成する電極触媒層に対し燃料ガスを均一に分布させることが可能になり、電解質・電極接合体５６全体で発電が一様に行われるとともに、燃料ガスの利用率が良好に向上するという効果が得られる。しかも、アノード電極５４は、通常のスクリーン印刷により形成可能であり、燃料電池１０全体を経済的に構成することができる。
【００６１】
また、セパレータ５８は、互いに積層されるプレート６０、６２を備え、前記プレート６０、６２間には、燃料ガス通路６６と酸化剤ガス通路８４とが区画形成されている。このため、燃料電池１０を積層方向に良好に薄型化することができるという利点がある。
【００６２】
さらに、プレート６２は、電解質・電極接合体５６のアノード電極５４に密着し、且つ、該プレート６２に燃料ガス導入口８０が形成されている。これにより、燃料ガス導入口８０からアノード電極５４の中央部に供給された燃料ガスは、このアノード電極５４内部の燃料ガス供給流路５７に拡散し、前記アノード電極５４の周縁に向かって前記燃料ガス供給流路５７内を確実に拡散することができる。その際、燃料ガスの一部は、プレート６２とアノード電極５４との隙間を通って前記アノード電極５４の表面を流動する場合があるが、前記燃料ガスは前記アノード電極５４の中央部から周縁部に向かって流れるため、該燃料ガスを均一に分布させることが可能になる。
【００６３】
さらにまた、プレート６２には、電解質・電極接合体５６のアノード電極５４との間に複数の凹部を形成するために複数の窪み７８が設けられている。従って、燃料ガス供給流路５７を流れる燃料ガスの流量や圧力が増加すると、この燃料ガスの一部が窪み７８に進入して前記流量や圧力が調整されるとともに、前記窪み７８の位置を設定するだけで、前記燃料ガスをアノード電極５４の中央部から周縁部に向かって放射状に確実に流すことができる。
【００６４】
また、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。このため、簡単な構成で、プレート６２とアノード電極５４とを確実に密着させることが可能になり、燃料ガスの利用率を良好に向上させることができる。
【００６５】
さらに、電解質・電極接合体５６とセパレータ５８とが積層された燃料電池スタック１２の両端部に、互いに近接する方向に荷重を付与することにより、プレート６２とアノード電極５４とを密着させる締め付け荷重付与機構１０１を備えている。これにより、セパレータ５８の形状の変更にも容易に対応することができ、種々の形状の異なる燃料電池１０に所望の締め付け荷重を確実に付与することが可能になる。
【００６６】
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。
【００６７】
また、凸部として折り曲げ部６８を用いているが、これに代えてエンボスを使用することができる。このエンボスでは、特に加工が簡便になるため、加工工数を有効に削減しても所望の密着性を確保することが可能になる。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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）。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
図１６及び図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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、多孔質層の内部気孔がアノード電極内にランダムに分散しており、この内部気孔を流れる燃料ガスは、前記アノード電極の電極触媒層との接触時間が長くなって前記燃料ガスの反応が有効に促進される。しかも、アノード電極の中央部から燃料ガス供給流路に供給された燃料ガスは、前記アノード電極の周縁に向かって前記燃料ガス供給流路内を放射状に拡散することができる。
【０１００】
従って、アノード電極を構成する電極触媒層に対し燃料ガスを均一に分布させることが可能になり、電解質・電極接合体全体で発電を一様に行うことができるとともに、燃料ガスの利用率が良好に向上する。さらに、アノード電極は、通常のスクリーン印刷により形成可能であり、燃料電池全体を経済的に構成することができる。
【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
５７…燃料ガス供給流路
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
１０１…締め付け荷重付与機構      １１８ａ、１１８ｂ…出力端子
１２０…電極面締め付け手段        ２００…扇形折り曲げ部
【図１】
2004362991.tif 000003
【図２】
2004362991.tif 000004
【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】
2004362991.tif 000009
【図８】
2004362991.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2004362991.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2004362991.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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