(57)【要約】【課題】電解質・電極接合体のアノード電極が排ガス中の酸素による影響を受けることがなく、簡単な構成で、発電効率の向上を図ることを可能にする。【解決手段】燃料電池は、電解質５０の両面にカソード電極５２およびアノード電極５４が設けられた電解質・電極接合体５６を備える。アノード電極５４は、例えば、Ｎｉを構成材料とする多孔質材であり、このアノード電極５４の外周部周面には、排ガスが前記アノード電極５４の内部に進入することを阻止するための保護層である緻密層５４ａが緻密化処理によって一体的に設けられる。緻密層５４ａは、アノード電極５４の外周部をレーザ等によって焼き付けることにより形成される。【選択図】図６
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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・電極接合体がセパレータ間に配設され、前記アノード電極の中心部から該アノード電極の外周部に向かって燃料ガスを供給する一方、前記カソード電極に向かって酸化剤ガスを供給し、使用後の燃料ガスおよび酸化剤ガスが混在する排ガスを前記電解質・電極接合体の外周部外方に排出する燃料電池であって、
前記アノード電極の外周部には、前記排ガスが前記アノード電極の内部に進入することを阻止するための保護層が一体的に設けら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、前記アノード電極は、多孔質材で構成されるとともに、
前記保護層は、前記アノード電極の外周部周面に緻密化処理が施されることにより設けられる緻密層を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池において、前記アノード電極は、多孔質材で構成されるとともに、
前記保護層は、前記アノード電極の外周部に設けられ、該アノード電極の内部よりも低い気孔率に設定される低気孔率層を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池において、前記アノード電極は、多孔質材で構成されるとともに、
前記保護層は、少なくとも前記アノード電極の外周部周面の一部を覆って一体化される電解質層を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
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・電極接合体がセパレータ間に配設され、前記アノード電極の中心部から該アノード電極の外周部に向かって燃料ガスを供給する一方、前記カソード電極に向かって酸化剤ガスを供給し、使用後の燃料ガスおよび酸化剤ガスが混在する排ガスを前記電解質・電極接合体の外周部外方に排出する燃料電池であって、
前記アノード電極は、多孔質材で構成されるとともに、
前記アノード電極の外周部の少なくとも一部を覆って配設され、前記排ガスが前記アノード電極の内部に進入することを阻止するための阻止部材を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に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および第２プレートを備え、
前記第１および第２プレート間には、該セパレータの一方の面に対向する前記アノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス通路と、
該セパレータの他方の面に対向する前記カソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路と、
が形成され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・電極接合体がセパレータ間に配設された燃料電池に関する。
【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およ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、所定数だけ積層し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（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。なお、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、および水素（またはＣＯ）が反応して水（または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】
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１９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および空気極層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および空気極集電体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および空気供給通路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および空気極集電体４に臨む燃料孔５ａおよび空気孔６ａに連通している。
【０００６】
このような構成において、燃料ガス（Ｈ２、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、燃料ガスは、燃料極層１ｂの略中心から外周縁に向かって流れる一方、空気は、空気極層１ｃの略中心から外周縁に向かって流れている。このため、発電セル１の外周部外方では、未反応の燃料ガスと空気とが混合して燃焼し、排ガスとして外部に排出される。その際、空気の供給流量は、燃料ガスの供給流量よりも多く設定されているため、排ガス中に酸素が残存しており、発電セル１の外周部がこの酸素に曝され易い。
【００１０】
ここで、燃料極層１ｂは、ニッケル（Ｎｉ）等の金属により構成されており、この燃料極層１ｂの外周部が酸化されてＮｉＯとなってしまう。さらに、酸素を含んだ排ガスが燃料極集電体３内を移動することによって、燃料極層１ｂのＮｉＯの還元が阻止されてしまう。ＮｉＯは、電気抵抗が高く、発電に使用するアノードの有効面積を減少させてしまうため、発電セル１全体の発電性能（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、電解質・電極接合体のアノード電極が排ガス中の酸素による影響を受けることがなく、簡単な構成で、発電効率の向上を図ることが可能な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、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・電極接合体がセパレータ間に配設され、前記アノード電極の中心部から該アノード電極の外周部に向かって燃料ガスを供給する一方、前記カソード電極に向かって酸化剤ガスを供給し、使用後の燃料ガスおよび酸化剤ガスが混在する排ガスを前記電解質・電極接合体の外周部外方に排出している。
【００１３】
そこで、アノード電極の外周部には、排ガスが前記アノード電極の内部に進入することを阻止するための保護層が一体的に設けられている。このため、酸素を含む排ガスは、前記アノード電極の外周部から前記アノード電極の内部に進入することがなく、アノード電極の構成材料（例えば、ＮｉＯ）が前記酸素により還元を阻止されることがない。従って、ＮｉＯが還元されてＮｉの状態に維持されるため、アノード電極全体を良好に使用することができ、電解質・電極接合体の発電面積が拡大して燃料利用率が向上し、発電効率を有効に高めることが可能になる。
【００１４】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、アノード電極は、多孔質材で構成されるとともに、保護層は、前記アノード電極の外周部周面に緻密化処理が施されることにより設けられる緻密層を備えている。この緻密層は、例えば、アノード電極の外周部をレーザ等によって焼き付けることにより、簡単な作業で、薄肉状に形成することができる。しかも、緻密層はアノード電極の組成成分からなっており、発電を阻害することがなく、前記アノード電極の有効発電面積が減少することがない。このため、燃料利用率を一定に維持して発電効率の低下を阻止することが可能になる。
【００１５】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池では、アノード電極は、多孔質材で構成されるとともに、保護層は、前記アノード電極の外周部に設けられ、該アノード電極の内部よりも低い気孔率に設定される低気孔率層を備えている。これにより、アノード電極の内部は気孔率が高くなって、燃料ガスが前記アノード電極の内部を容易かつ円滑に流れる。一方、アノード電極の外周部は気孔率が低くなって、排ガス中の酸素が前記アノード電極の内部に進入することを確実に阻止することができる。
【００１６】
さらにまた、本発明の請求項４に係る燃料電池では、アノード電極は、多孔質材で構成されるとともに、保護層は、少なくとも前記アノード電極の外周部周面の一部を覆って一体化される電解質層を備えている。具体的には、アノード電極層に電解質層およびカソード電極層を、順次、塗布して電解質・電極接合体を作成する際に、前記アノード電極の外周部周面まで前記電解質層を塗布している。従って、アノード電極の内部に排ガス中の酸素が進入することを阻止するとともに、有効発電面積を良好に維持して発電効率の向上を図ることができる。
【００１７】
また、本発明の請求項５に係る燃料電池では、アノード電極は、多孔質材で構成されるとともに、前記アノード電極の外周部の少なくとも一部を覆って配設され、排ガスが前記アノード電極の内部に進入することを阻止するための阻止部材を備えている。阻止部材としては、例えば、セラミックスファイバやセラミックスウール等の断熱性の多孔質材の他、多孔質煉瓦や前記セラミックスファイバまたは前記セラミックスウール等からなる低気孔率の成形体が好ましい。このため、阻止部材を用いるだけでよく、構成の簡素化を図るとともに、経済的である。
【００１８】
さらに、本発明の請求項６に係る燃料電池では、セパレータは、互いに積層される第１および第２プレートを備え、前記第１および第２プレート間には、該セパレータの一方の面に対向するアノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス通路と、該セパレータの他方の面に対向するカソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路とが形成される。これにより、セパレータのコンパクト化が容易に図られるとともに、発電反応の均一化が遂行される。
【００１９】
【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の一部断面説明図である。
【００２０】
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、ガスタービン１４に組み込む構成が、図３に示されている。
【００２１】
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、筐体１９により囲繞されており、前記燃料電池スタック１２の中央側から燃焼器１８側の室２０に反応後の燃料ガスおよ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および発電器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。
【００２２】
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。
【００２３】
図１に示すように、燃料電池スタック１２は、外周波形円板状の複数の燃料電池１０を矢印Ａ方向に積層するとともに、その積層方向両端には、フランジ４０ａ、４０ｂが配置され、複数、例えば、８本の締め付け用ボルト４２を介して一体的に締め付け保持されている。燃料電池スタック１２の中心部には、円形の燃料ガス供給連通孔４４がフランジ４０ａを底部として矢印Ａ方向に形成される（図２参照）。
【００２４】
燃料ガス供給連通孔４４の周囲には、複数、例えば、４つの排ガス通路４６が、フランジ４０ｂを底部として矢印Ａ方向に形成される。フランジ４０ａ、４０ｂとエンドプレート９７ａ、９７ｂとの間は、絶縁プレート９８ａ、９８ｂで絶縁されており、前記エンドプレート９７ａ、９７ｂからそれぞれ出力端子４８ａ、４８ｂが設けられる。
【００２５】
図４および図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およびアノード電極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。
【００２６】
図６に示すように、アノード電極５４は、例えば、Ｎｉを構成材料とする多孔質材であり、このアノード電極５４の外周部周面には、緻密層５４ａが緻密化処理によって一体的に設けられる。緻密層５４ａは、排ガスがアノード電極５４の内部に進入することを阻止するための保護層であり、前記アノード電極５４の外周部をレーザ等によって焼き付けることにより形成される。
【００２７】
図４および図５に示すように、複数、例えば、１６個の電解質・電極接合体５６を挟んで一組のセパレータ５８が配設されることにより、燃料電池１０が構成される。セパレータ５８の面内には、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４参照）。
【００２８】
セパレータ５８は、互いに積層される複数、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８および図９参照）。
【００２９】
図７、図８および図１０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および４つの排ガス通路４６を設けるためのリブ部６３ａが形成される。プレート６０には、リブ部６３ａから内周部に沿って、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。プレート６０の燃料ガス供給連通孔４４の周囲には、プレート６２から離間する方向（内側突起部６４ａとは反対方向）に突出する凸部６５ａが成形される。
【００３０】
プレート６０には、燃料ガス供給連通孔４４に対して放射状に外側突起部６６ａが設けられるとともに、内側突起部６４ａと前記外側突起部６６ａとの間には、燃料ガス分配通路６７ａを介して前記燃料ガス供給連通孔４４に連通する燃料ガス通路６７が形成される。この燃料ガス分配通路６７ａは、リブ部６３ａに沿って、すなわち、各排ガス通路４６を積層方向に交差するセパレータ面方向（矢印Ｂ方向）に横切って配置され、燃料ガス供給連通孔４４と燃料ガス通路６７とを連通する。
【００３１】
外側突起部６６ａ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６８ａおよび第２壁部７０ａを交互に設けている。図１０に示すように、第１壁部６８ａ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６８ａ間に第２壁部７０ａが設けられ、前記第２壁部７０ａ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。
【００３２】
第１壁部６８ａおよび第２壁部７０ａの先端側周囲には、それぞれ３個の酸化剤ガス導入口７８がプレート６０を貫通して形成される。プレート６０には、内周側配列層Ｐ１および外周側配列層Ｐ２に沿って配列される各電解質・電極接合体５６側に突出し、各電解質・電極接合体５６に接する第１ボス部８０が膨出成形される。
【００３３】
図７、図９および図１０に示すように、プレート６０の波形外周部６０ａの内方近傍には、この波形外周部６０ａと同一形状を有しプレート６２から離間する方向に突出して第１周回凸部８３ａが成形される。プレート６０には、この第１周回凸部８３ａを挟んで両側に互いに対向して、外周突起部８５ａおよび内周突起部８７ａがそれぞれ所定の間隔離間して複数ずつ形成される。
【００３４】
図７、図８および図１１に示すように、プレート６２の中央側には、プレート６０のリブ部６３ａに対向してリブ部６３ｂが形成されるとともに、前記プレート６０側に突出して４つの内側突起部６４ｂが膨出成形される。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から離間する方向に突出する凸部６５ｂが成形される。プレート６０、６２が接合される際に、互いに逆方向に突出する凸部６５ａ、６５ｂ間に形成される空間部が、燃料ガス供給連通孔４４を構成する。
【００３５】
プレート６２には、外側突起部６６ａに対向しプレート６０側に突出する外側突起部６６ｂが設けられる。プレート６０、６２では、内側突起部６４ａ、６４ｂと外側突起部６６ａ、６６ｂとが互いに接合することにより、燃料ガス供給連通孔４４に燃料ガス分配通路６７ａを介して連通する燃料ガス通路６７が形成される。外側突起部６６ｂ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６８ｂおよび第２壁部７０ｂを交互に設けている。
【００３６】
プレート６２には、内周側配列層Ｐ１および外周側配列層Ｐ２に沿って配列される各電解質・電極接合体５６側に突出し、各電解質・電極接合体５６に接する第２ボス部８６が膨出成形される。第２ボス部８６は、第１ボス部８０よりも径方向および高さ方向の各寸法が小さく設定されている。プレート６２には、燃料ガス通路６７に連通する燃料ガス導入口８８が貫通形成される。
【００３７】
プレート６２には、内周側配列層Ｐ１および外周側配列層Ｐ２に沿って、それぞれ８個の電解質・電極接合体５６を位置決め配置するための位置決め突起部８１が設けられる。位置決め突起部８１は、各電解質・電極接合体５６を周回する位置に対応して３個以上、例えば、３個ずつ設けられるとともに、前記電解質・電極接合体５６が前記位置決め突起部８１間に非接触状態で収容可能な位置に設定される。位置決め突起部８１は、第２ボス部８６よりも高さ方向の寸法が大きく設定される（図７参照）。
【００３８】
図７、図９および図１１に示すように、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と同一形状を有しプレート６０から離間する方向に突出して第２周回凸部８３ｂが成形される。プレート６２には、この第２周回凸部８３ｂを挟んで両側に互いに対向して、外周突起部８５ｂおよび内周突起部８７ｂがそれぞれ所定の間隔離間して複数ずつ設けられる。
【００３９】
プレート６０とプレート６２との間には、内側突起部６４ａ、６４ｂと外側突起部６６ａ、６６ｂとの間に対応して燃料ガス通路６７が形成されるとともに、前記外側突起部６６ａ、６６ｂの外方に対応して酸化剤ガス通路８２が形成される（図１２参照）。この酸化剤ガス通路８２は、プレート６０に形成された酸化剤ガス導入口７８に連通する。
【００４０】
セパレータ５８には、図７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。この絶縁シール９０は、例えば、セラミックスの板材を配置する、あるいはセラミックスをプレート６０の凸部６５ａまたはプレート６２の凸部６５ｂに溶射することにより構成される。プレート６０、６２の第１および第２周回凸部８３ａ、８３ｂは、互いに離間する方向に膨出成形されており、前記第１および第２周回凸部８３ａ、８３ｂ間に形成される空間部を酸化剤ガス通路８２として構成している。第１周回凸部８３ａまたは第２周回凸部８３ｂには、セラミックス等の絶縁シール９２が介装あるいは溶射により設けられる。
【００４１】
図５および図７に示すように、一方のセパレータ５８を構成するプレート６０と他方のセパレータ５８を構成するプレート６２とにより、電解質・電極接合体５６が挟持される。具体的には、電解質・電極接合体５６を挟んで互いに対向するプレート６０、６２には、第１ボス部８０および第２ボス部８６が膨出成形されており、前記第１ボス部８０と前記第２ボス部８６とによって前記電解質・電極接合体５６が挟持される。
【００４２】
図１２に示すように、電解質・電極接合体５６と一方のセパレータ５８を構成するプレート６２との間には、燃料ガス通路６７から燃料ガス導入口８８を介して連通する燃料ガス供給流路９４が形成される。電解質・電極接合体５６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８２から酸化剤ガス導入口７８を介して連通する酸化剤ガス供給流路９６が形成される。燃料ガス供給流路９４および酸化剤ガス供給流路９６は、第２ボス部８６および第１ボス部８０の各高さ寸法に応じて開口寸法が設定されている。燃料ガスの流量が酸化剤ガスの流量よりも少ないために、第２ボス部８６が第１ボス部８０よりも小さな寸法に設定されている。
【００４３】
図７に示すように、燃料ガス通路６７は、同一のセパレータ５８を構成するプレート６０、６２の凸部６５ａ、６５ｂ間に形成された燃料ガス供給連通孔４４に連通する。酸化剤ガス通路８２は、燃料ガス通路６７と同一の面上に形成されており、同一のセパレータ５８を構成するプレート６０、６２の第１および第２周回凸部８３ａ、８３ｂ間を介して外部に開放されている。
【００４４】
各セパレータ５８は、積層方向に沿って第１および第２ボス部８０、８６が電解質・電極接合体５６を挟持することにより、集電体として機能するとともに、プレート６０、６２の内側突起部６４ａ、６４ｂおよび外側突起部６６ａ、６６ｂが互いに接触することにより、各燃料電池１０が矢印Ａ方向に沿って直列的に接続されている。
【００４５】
図１および図２に示すように、上記のように構成される燃料電池１０が矢印Ａ方向に積層されて、その積層方向両端にエンドプレート９７ａ、９７ｂが配置される。エンドプレート９７ａ、９７ｂの外方には、絶縁プレート９８ａ、９８ｂを介装してフランジ４０ａ、４０ｂが積層される。このフランジ４０ａ、４０ｂには、プレート６０、６２の波形外周部６０ａ、６２ａが内方に湾曲する部分に対応して孔部１００ａ、１００ｂが形成される。孔部１００ａ、１００ｂに締め付け用ボルト４２の挿入される端部にナット１０４が螺合することにより、積層されている各燃料電池１０に所望の締め付け力が付与されている。
【００４６】
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。
【００４７】
燃料電池１０を組み付ける際には、まず、セパレータ５８を構成するプレート６０、６２が接合される。具体的には、図７に示すように、プレート６０、６２に一体成形されている内側突起部６４ａ、６４ｂおよび外側突起部６６ａ、６６ｂがろう付け等により固定されるとともに、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または前記プレート６２に、例えば、溶射によって設けられる。一方、プレート６０の第１周回凸部８３ａまたはプレート６２の第２周回凸部８３ｂに、波形状の絶縁シール９２が、例えば、溶射によって設けられる。
【００４８】
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、同一面上に位置して燃料ガス通路６７と酸化剤ガス通路８２とが形成される。さらに、燃料ガス通路６７が燃料ガス分配通路６７ａ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８２が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。
【００４９】
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および図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間に内周側配列層Ｐ１に対応して８個の電解質・電極接合体５６が配置されるとともに、外周側配列層Ｐ２に沿って８個の電解質・電極接合体５６が配置される。
【００５０】
その際、各電解質・電極接合体５６の配置位置には、それぞれ３個の位置決め突起部８１が設けられており、３個の前記位置決め突起部８１間に前記電解質・電極接合体５６が収容される。位置決め突起部８１内には、互いに近接する方向に突出して第１および第２ボス部８０、８６が形成されており、前記第１および第２ボス部８０、８６によって電解質・電極接合体５６が挟持される（図７参照）。
【００５１】
このため、図１２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、酸化剤ガス導入口７８を介して酸化剤ガス通路８２に連通する酸化剤ガス供給流路９６が形成される。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との間には、燃料ガス導入口８８を介して燃料ガス通路６７に連通する燃料ガス供給流路９４が形成される。さらに、セパレータ５８間には、反応後の燃料ガスおよび酸化剤ガスを混合して燃料ガス供給連通孔４４に導くための排出通路１０６が形成される。
【００５２】
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および図２参照）。
【００５３】
そこで、燃料電池スタック１２を構成するフランジ４０ｂの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６７ａに導入される（図７参照）。
【００５４】
図５に示すように、燃料ガスは、外側突起部６６ａ、６６ｂを構成する第１壁部６８ａ、６８ｂおよび第２壁部７０ａ、７０ｂに沿って燃料ガス通路６７を移動し、それぞれの先端部から燃料ガス導入口８８を介して燃料ガス供給流路９４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、燃料ガス供給流路９４に導入された燃料ガスは、前記アノード電極５４の中心部から外周に向かって流動する（図１２参照）。
【００５５】
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８２に供給される。この酸化剤ガス通路８２に供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口７８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の中心部から外周に沿って流動する（図５および図１２参照）。
【００５６】
従って、各電解質・電極接合体５６では、アノード電極５４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の中心部から外周に向かって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。
【００５７】
ここで、各電解質・電極接合体５６は、第１および第２ボス部８０、８６により挟持されており、前記第１および第２ボス部８０、８６が集電体として機能する。このため、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出力端子４８ａ、４８ｂ間に出力を取り出すことができる。また、複数の電解質・電極接合体５６のうちのいずれかの電解質・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。
【００５８】
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およ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１０６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。
【００５９】
その際、酸化剤ガスは、通常、各電解質・電極接合体５６に対して空気過剰状態で供給されており、前記電解質・電極接合体５６の外周で未反応の燃料ガスを混在して燃焼した後、酸素が残存している。この酸素を含有する排ガスにより、電解質・電極接合体５６の外周、特にアノード電極５４の外周が曝されるため、前記アノード電極５４の外周が酸化され易い。
【００６０】
この場合、第１の実施形態では、図６に示すように、アノード電極５４の外周部周面には、レーザ等によって焼き付けることにより緻密層５４ａが一体的に形成されている。従って、排ガスは、緻密層５４ａに阻止されてアノード電極５４の内部に進入することがなく、前記アノード電極５４の構成材料、例えば、ＮｉＯが前記排ガス中の酸素により還元を阻止されることがない。
【００６１】
このため、ＮｉＯが還元されてＮｉの状態に維持されるため、アノード電極５４全体を良好に使用することができる。これにより、電解質・電極接合体５６の発電面積が拡大して燃料利用率が向上し、各燃料電池１０の発電効率を有効に高めることが可能になるという効果が得られる。
【００６２】
さらに、緻密層５４ａは、例えば、アノード電極５４の外周部をレーザ等によって焼き付けることにより、簡単な作業で、薄肉状に形成することができる。しかも、緻密層５４ａはアノード電極５４の組成成分からなっており、発電を阻害することがなく、前記アノード電極５４の有効発電面積が減少することがない。従って、各電解質・電極接合体５６は、燃料利用率を一定に維持して発電効率の低下を阻止することが可能になる。
【００６３】
次いで、アノード電極５４の外周部周面に緻密層５４ａを設けた燃料電池（実施例）と、この緻密層５４ａを設けない燃料電池（比較例）とを用意して、燃料利用率と比発電効率とを比較した。その結果が図１３に示されている。ここで、燃料利用率は、電流密度から推定される使用された水素量を計算で求め、この水素量を実際に投入された全水素量で割ることにより求められる。また、発電効率は、測定時の電流密度×電圧で求めたエネルギを、投入した全水素が持つエンタルピーから蒸発潜熱を除いたエネルギによって除すことにより求められる。
【００６４】
図１３から諒解されるように、燃料利用率が低い場合には、発電面の中央部だけが発電に利用され、実施例と比較例とで発電特性に差が生じなかった。一方、燃料利用率を高めようとすると、より広い発電面積が必要となり、発電面積の差によって発電効率が異なった。すなわち、比較例では、アノード電極５４の外周縁がＮｉの還元を阻止されてＮｉＯとなっており、発電に利用されるアノード電極５４の電極面積が狭くなって、発電特性の向上が図られなかった。
【００６５】
これに対して、実施例では、アノード電極５４の外周部周面に緻密層５４ａが設けられている。このため、アノード電極５４のより広い電極面積を利用することができ、発電特性が有効に向上した。換言すると、電流−電圧（ＩＶ）特性は、電流密度が低い場合に実施例と比較例とで差が生じない一方、電流密度が高い場合に実施例の電圧が高くなって発電特性が有効に向上した。
【００６６】
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。
【００６７】
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および発電器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、高圧かつ所定温度（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。
【００６８】
この熱交換器２２の第１通路３２には、反応後の燃料ガスおよ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、反応後の燃料ガスおよ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。
【００６９】
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。
【００７０】
しかも、排ガスが８００℃〜１０００℃の高温となっており、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。
【００７１】
図１４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１２０の動作を説明する概略断面説明図である。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および第４の実施形態でも、同様にその詳細な説明は省略する。
【００７２】
燃料電池１２０は、一組のセパレータ５８に挟持される電解質・電極接合体１２２を備える。この電解質・電極接合体１２２は、アノード電極１２４を設けるとともに、前記アノード電極１２４は、例えば、Ｎｉを構成材料とする多孔質材であり、このアノード電極１２４の外周部には、保護層である低気孔率層１２４ａが一体的に設けられる。低気孔率層１２４ａは、アノード電極１２４の内部よりも低い気孔率に設定されており、排ガスが前記アノード電極１２４の内部に進入することを阻止する機能を有する。
【００７３】
このように構成される第２の実施形態では、アノード電極１２４の内部の気孔率が高くなり、燃料ガスが前記アノード電極１２４の内部を容易かつ円滑に流れる。一方、アノード電極１２４の外周部は気孔率が低い低気孔率層１２４ａを構成しており、排ガス中の酸素が前記アノード電極１２４の内部に進入することを確実に阻止することができる。
【００７４】
これにより、第２の実施形態では、電解質・電極接合体１２２の発電面積が拡大して燃料利用率が向上し、発電効率を有効に高めることが可能になる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７５】
図１５は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１４０の動作を説明する概略断面説明図である。
【００７６】
燃料電池１４０は、一組のセパレータ５８に挟持される電解質・電極接合体１４２を備える。この電解質・電極接合体１４２は、アノード電極１４４を設けるとともに、前記アノード電極１４４は、例えば、Ｎｉを構成材料とする多孔質材であり、このアノード電極１４４の外周部周面には、保護層である電解質層１４６が設けられる。
【００７７】
具体的には、アノード電極１４４に電解質５０およびカソード電極５２を、順次、塗布して電解質・電極接合体１４２を作成する際に、前記アノード電極１４４の外周部周面まで前記電解質５０を塗布して電解質層１４６を設けている。アノード電極１４４の外周面には、未塗布部位１４４ａが設けられており、使用済みの燃料ガスの排気が良好に遂行される。
【００７８】
このように構成される第３の実施形態では、電解質層１４６の作用下にアノード電極１４４の内部に排ガス中の酸素が進入することを阻止するとともに、有効発電面積を良好に維持して発電効率の向上を図ることができる等、第１および第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７９】
図１６は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１６０の動作を説明する概略断面説明図である。
【００８０】
この燃料電池１６０は、電解質・電極接合体５６を構成するアノード電極５４の外周部を覆って配設される阻止部材１６２を備える。この阻止部材１６２は、例えば、セラミックスファイバやセラミックスウール等の断熱性多孔質材で構成されており、図１７に示すように、リング状に設定される。
【００８１】
図１６に示すように、阻止部材１６２は、アノード電極５４の外周部および電解質５０の外周部を覆って、カソード電極５２の下端面近傍の高さ位置に設定される。カソード電極５２の外周部から使用済みの酸化剤ガスの排気を良好に行うとともに、この酸化剤ガス中の酸素がアノード電極５４の外周部から内部に透過することを阻止するためである。
【００８２】
一方、阻止部材１６２の内周径と電解質・電極接合体５６の外周径とは、略同一寸法に設定される。阻止部材１６２と電解質・電極接合体５６との隙間から排ガスが進入することを阻止するためである。排ガスが横切る方向に対する阻止部材１６２の厚さは、材質によって種々変更され、例えば、この阻止部材１６２の気孔率が高い場合には、排ガスの進入を防ぐために厚みを大きく設定する必要がある。
【００８３】
これにより、第４の実施形態では、略リング状の阻止部材１６２を用いるだけでよく、構成の簡素化を図るとともに、経済的であるという効果が得られる。
【００８４】
なお、上記の阻止部材１６２に代替して、多孔質レンガやセラミックスファイバまたはセラミックスウール等からなる低気孔率の成形体で構成される阻止部材１６２ａを用いる場合には、図１８に示すように、複数の開口部１６４を設けておく必要がある。このため、アノード電極５４の外周から使用済みの燃料ガスを円滑かつ確実に外部に排気することができる。この開口部１６４の形状は、種々選択可能であり、また、阻止部材１６２ａは、予め複数に分割された円弧部材を配列することにより構成してもよい。
【００８５】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、アノード電極の外周部には、排ガスが前記アノード電極の内部に進入することを阻止するための保護層が一体的に設けられている。このため、酸素を含む排ガスは、アノード電極の外周部から前記アノード電極の内部に進入することがなく、アノード電極の構成材料（例えば、ＮｉＯ）が前記酸素により還元を阻止されることがない。従って、ＮｉＯが還元されてＮｉの状態に維持されるため、アノード電極全体を良好に使用することができ、電解質・電極接合体の発電面積が拡大して燃料利用率が向上し、発電効率を有効に高めることが可能になる。
【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電解質・電極接合体の断面図である。
【図７】前記燃料電池スタックの一部省略断面図である。
【図８】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９】前記燃料電池の一部拡大分解斜視図である。
【図１０】前記セパレータを構成する一方のプレートの正面説明図である。
【図１１】前記セパレータを構成する他方のプレートの正面説明図である。
【図１２】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１３】実施例および比較例の燃料利用率と比発電効率との関係説明図である。
【図１４】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。
【図１５】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。
【図１６】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。
【図１７】前記燃料電池を構成する電解質・電極接合体と阻止部材の平面説明図である。
【図１８】前記電解質・電極接合体と別の阻止部材の平面説明図である。
【図１９】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、１２０、１４０、１６０…燃料電池
１２…燃料電池スタック      １４…ガスタービン
１６…ケーシング            １８…燃焼器
２２…熱交換器              ２４…タービン
２６…コンプレッサ          ２８…発電器
３８…加熱エア導入通路      ４０ａ、４０ｂ…フランジ
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、１２４、１４４…アノード電極
５４ａ…緻密層              ５６、１２２、１４２…電解質・電極接合体
５８…セパレータ            ６０、６２…プレート
６０ａ、６２ａ…波形外周部  ６４ａ、６４ｂ…内側突起部
６５ａ、６５ｂ…凸部        ６６ａ、６６ｂ…外側突起部
６７…燃料ガス通路          ６７ａ…燃料ガス分配通路
７８…酸化剤ガス導入口      ８１…位置決め突起部
８０、８６…ボス部          ８２…酸化剤ガス通路
８３ａ、８３ｂ…周回凸部    ８５ａ、８５ｂ…外周突起部
８７ａ、８７ｂ…内周突起部  ８８…燃料ガス導入口
９０、９２…絶縁シール      ９４…燃料ガス供給流路
９６…酸化剤ガス供給流路    １２４ａ…低気孔率層
１４４ａ…未塗布部位        １４６…電解質層
１６２、１６２ａ…阻止部材
【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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【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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