(57)【要約】      （修正有）【課題】セパレータの部品点数を大幅に減らし、加工を単純にし、有効面積の割合が大きい状態でもスタックに掛かる熱応力を小さくし、部分的なセルの交換や電解質の補充を可能にする燃料電池ユニットを提供する。【解決手段】金属平板からなるアノード集電板７の両面に平板状の発泡金属体からなる燃料ガス通路を密着させ、それぞれの外面に平板状のアノード電極４を密着させ、それぞれの外面に平板状の電解質板３を密着させ、それぞれの外面に平板状のカソード電極２を密着させ、それぞれの外面に多数の小孔を有する金属平板からなるカソード集電板１を密着させ、この２つのカソード集電板を締め付けボルト等１１で固定することで、並列状態の２つのセルからなる燃料電池ユニット。【選択図】図１
2007188849.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長方形の金属平板の中央部にカソード電極とほぼ同じ面積と同じ深さを持つカソード電極を収納するための凹部を有し、その凹部全面に多数の小孔を有するカソード電極収納部に、電子導電性と通気性を有する長方形平板状のカソード電極を収納し、その上をカソード電極より面積が大きく、カソード集電板よりは小さく、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周辺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、カソード電極より大きく、電解質板より小さい、長方形平板状で電子導電性と通気性を有するアノード電極を、その全周辺部がカソード集電板のカソード収納部より外側に来るように配置し、その上に、アノード電極と同じ面積の長方形平板状で通気性と電子導電性を有する燃料ガス通路を配置し、アノード電極と燃料ガス通路の全周辺部に気密性を有する絶縁体を、電解質板との間にウェットシール機能を確保できるように配置し、その２ヶ所の短い辺の絶縁体の一方に燃料ガスの入口部を設けもう一方に出口部を設けたことを特徴とする燃料電池２組を、長方形で長い辺の寸法は燃料ガス通路と同じ長さで短い辺の寸法は燃料ガス通路より長い金属平板からなるアノード集電板の両側に、互いに外側がカソード集電板となるように合わせるように配置した、一対のセルとアノード集電板から構成される燃料電池。
【請求項２】
長方形電極の有効面積の縦横比が３：１から２０：１の範囲となる形状であることを特徴とする請求項１の燃料電池。
【請求項３】
カソード集電板の凹部に設けられた多数の小孔の開孔率が凹部の面積に対し３〜３０％の範囲となることを特徴とする請求項１の燃料電池。
【請求項４】
アノード電極の面積がカソード電極の面積より大きく、アノード電極の全周辺部の位置がカソード集電板のカソード収納部より外側にくるよう二配置した請求項１の燃料電池
【請求項５】
アノード集電板のアノード電極と接する部分が、その全面に亘って多数の小孔を有し、かつ、その開孔率がアノード電極の面積に対し１０％以下の範囲となることを特徴とする請求項１の燃料電池。
【請求項６】
通気性と電子導電性のあるポーラスな平板状の燃料ガス通路に、平板に対し直角方向に開口部を設け、そこに改質触媒を充填したことを特徴とする請求項１の燃料電池。
【請求項７】
燃料ガス通路の中にある改質触媒を電解質による劣化から保護するために、アノード電極と燃料ガス通路の間に、平均空孔径がアノード電極よりは大きく、燃料ガス通路よりは小さい、電子導電性と通気性を併せ持つ平板でその厚さが燃料ガス通路の半分以下の薄い平板を挿入することを特徴とする請求項１の燃料電池。
【請求項８】
ポーラスな電子導電性材料で作った平板状の燃料ガス通路を、電子導電性を有するコルゲート状等の金属加工板で置き換えたことを特徴とする請求項１の燃料電池。
【請求項９】
片側の端部がアノード集電板に接し、もう一方の端部がカソード集電板に接する２枚の金属板からなるインターコネクターを使い、請求項１の２つの燃料電池の間を、片側はアノード集電板の端部を両側から挟むように、もう一方は２つのカソード集電板の端部を外側から挟むように配置することで、電気的に直列に接続することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１０】
１枚の電子導電性を持つ平板に２つのカソード集電板を成形・加工し、それを折り曲げることで片側の端部が繋がった２つのカソード集電板を１枚の板から製造することを特徴とする請求項１の燃料電池。
【請求項１１】
請求項１に示す一対のセルからなる燃料電池において、アノード集電板が外部に露出しない側の２つのカソード集電板の端部を外側に折り曲げ、そこに全長辺方向に対して開口部を持たない１つの連続した締め付け用の加工板を掛けて締め、他端は一定の間隔を開けて配置した棒状または針金状の部品で２つのセルを一体的に締め付けたことを特徴とする請求項１の燃料電池。
【請求項１２】
カソード集電板はステンレス鋼の板から、カソード電極は酸化ニッケルの粉末から、電解質板はリチウムアルミネートの粉末とアルカリ炭酸塩の粉末から、アノードはニッケル粉末から、燃料ガス通路はニッケル、ハステロイ等の金属の粉末から、アノード集電板はステンレス鋼からそれぞれ製造されたことを特徴とする請求項１の燃料電池。
【請求項１３】
複数の請求項１に示す燃料電池を、同一面内に対しては２枚の金属板からなるインターコネクターでアノード集電板とカソード集電板の間を電気的に接続し、積層方向に対してはカソードガスの供給を妨げないよう配置された絶縁体のスペーサーを介して積層し、積層方向の燃料電池の間はコの字型の２枚の金属板からなるインターコネクターによって電気的に接続し、同一面内及び積層方向の両方を含む多数の燃料電池を直列に接続していることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１４】
長方形である請求項１の燃料電池の短い辺の一方に燃料ガスの入口を設けてアノードに燃料ガスを供給し、もう一方の短い辺に燃料ガスの出口を設けて燃料ガスを長い辺に沿ってアノードの中を流し、アノードからの排気を燃料ガス出口直近に設けた触媒燃焼器に導き、一方、別の通路から触媒燃焼器に空気を供給し、燃焼触媒を使ってアノード排気中の可燃性ガスを空気で燃焼させた後、その燃焼排ガスを請求項１の燃料電池の外側に導き、燃料ガスと触媒燃焼器の排ガスとを対向流で流して発電を行い、発生した電流はガスの流れと直交する短い辺に沿って流すことを特徴とする請求項１の燃料電池を使った発電方法。
【発明の詳細な説明】
［発明の詳細な説明］
［産業上の利用分野］
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レ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。
［従来の技術］
（１）図９に従来型の溶融炭酸塩型燃料電池のセルの構造図を示す。
図９［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９［Ａ］示すように、１つのセルの基本構成要素は、セラミック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４０と、その両側に金属粉末の焼結体等で作られるアノード電極４１とカソード電極４２の３つで、セルはこれらを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（空気と二酸化炭素の混合ガス）を流す通路を形成するためのカソードコルゲート板４３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４４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４５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４６を使用している。
更に、図９［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４７、アノード集電板４８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役割を担っている。
（２）図１０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１０［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４９の外側の部分にカソード入口５１、カソード出口５２、アノード入口５３、アノード出口５４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５０やガスが外部に漏洩しないためのシール部５５が設けられている。
図１０［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５６の４つの側面をガスの供給口として利用する方式で、カソード入口５９、カソード出口６０、アノード入口６１、アノード出口６２のほかセルとしてはシール部５８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５７が設けられる。
（３）図１１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６３を積層して側面にガス供給用のマニフォールド６４を設け、上下に断熱・絶縁材６５を入れて、上下から締め付け装置６６、締め付けロッド６７、スプリング６８を使って一体化させたもので、電流６９はセルの上下端から取り出す構造である。
【発明が解決しようとする課題】
（１）図９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９［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４７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４８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、部品の構造をシンプルにして加工費を下げ、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１０［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５１、出口５２、アノード入口５３、出口５４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（空気と二酸化炭素の混合ガス）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選択することができるという利点がある。
逆に、図１０［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とな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。
この課題に対しては、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１１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るので、セル間は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。
【課題を解決するための手段】
【０００１】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［発明の実施の形態］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。
（１）図１は本発明の燃料電池ユニットの組立断面図を示す。
このユニットは２つのセルから構成されており、２つのセルは共に最外層がカソード集電板となるよう向かい合って配置されている。
図１では、一番上からカソード集電板１、カソード電極２、電解質板３、アノード電極４、燃料ガス通路５の順で配置されている。この５つのセル構成要素２組を、中心に置かれたアノード集電板７を挟んで向かい合うように配置することで１つの独立した燃料電池ユニットが構成されている。
【０００２】図１の左側では、アノード集電板の上下にそれぞれ配置された２つのアノード電極と２つの燃料ガス通路を合わせた厚さに対応した、一体の絶縁体６が配置されており、絶縁体６の上下面は電解質板と密着してウェットシール機能を維持している。また、右側では、アノード集電板が外部まで出ているので、絶縁体８は上下２つに分割されており、絶縁体とアノード集電板の間にはシール材９が配置されている。以上の構成要素を上下２つのカソード集電板で締め付けることで１つの独立した燃料電池ユニットが構成されているが、図１の左側は、長方形のセルの全長辺側に対し開口部のない１つの締め付け板１０で２つのカソード集電板を固定しており、右側は適度な間隔を開けて締め付けボルト１１で固定している。
【０００３】図１の上側のセルで見た時は、長方形平板状のカソード集電板１の中心部にはカソード電極を収納するための上方への凸部が存在し、そのカソード収納部の上面には多数の小孔が設けられカソードガスの通路となっている。凸部の内側の形状は面積、深さ共カソード電極とほぼ同じ大きさで、カソード電極２はそこに収納される。
図２はカソード集電板を図１の上方から見た時の図で、カソード集電板の形状が長方形であることが分かるが、同時にカソード電極の形状はカソード集電板の凸部と同じ形状であるので、図１と図２から燃料電池ユニットの全体構造が推定できる。カソード集電板には多数の小孔１２が設けられているが、横方向の電気抵抗を低減するために小孔の形状は横長の形状となっている。
【０００４】図１の上側のセルの場合、カソード電極の下側は、カソード電極より大きい電解質板３でカソード電極全面を覆うと同時に電解質板の各周辺部がカソード集電板の周辺部に密着して電解質によるウェットシールを形成できるように配置されている。電解質板の下側にはカソード電極より大きく電解質板よりは小さいアノード電極をカソード電極と同心的に配置し、アノード電極の全周辺部はカソード集電板のカソード電極収納部より外側まで延長している。その下側には通気性と電子導電性を有る発泡金属体等で作られた燃料ガス通路が配置されている。この燃料ガス通路は長方形平板状で面積はアノード電極と同じである。カソード電極の周辺とアノード電極の周辺が一致すると電解質板がせん断応力によってエッジ部で切断されやすいので、それを防ぐためにカソード電極よりアノード電極のサイズを大きくして、アノード電極の周辺部がカソード集電板のカソード収納部の外側に来るような構造としている。アノード電極と燃料ガス通路の全周辺部は気密性のある絶縁体が配置されており、この絶縁体が電解質板と密着し、電解質によるウェットシール機能を維持していると同時に、アノード電極及び燃料ガス通路とカソード集電板の間の電気的な絶縁を維持している。
【０００５】図３はアノード電極及び燃料ガス通路の全周辺部に絶縁体が配置されている状態を示しており、上辺部には燃料ガスの入口部１４が、下辺部にはアノード排気の出口部１５が設けられている。
【０００６】図４はアノード集電板を示しており、締め付けボルト１１が通る開口部１３の内側には円筒の絶縁体１７が挿入されている。これによって、カソード集電板とアノード集電板の間の絶縁を維持している。また、アノード集電板には燃料ガスが通れる多数の小孔１６が設けられており、横方向の電気抵抗を低減するために横長の孔としている。
【０００７】図５は各燃料電池ユニットの燃料ガス通路に燃料を供給するための入口ヘッダー及びアノード排気の出口ヘッダーの構造を示している。入口ヘッダー２０及び出口ヘッダー２１は基本的に同じ構造で、共に絶縁性を持つ材料で作られており、燃料電池ユニットはこの部分で外部との絶縁を取っている。
燃料電池ユニットの２つのカソード集電板で形成される角形チューブ状の上下の開口部の蓋板もヘッダーも基本的に上下同じ構造としているので、ここでは上部だけの説明を行う。
上部の開口部は、カソード集電板と同材料の蓋板１８で蓋をされており、蓋板には入口ノズル２４が設けられている。一方、入口ヘッダー２０は上部構造２２と下部構造２３から構成されており、入口ヘッダーの下部構造２３と入口ノズル２４の間にはシール材２５が充填されている。また、蓋板１８と絶縁体の間にはシール材１９が挿入されている。
【０００８】以上、図１から図５までを使って説明してきた燃料電池ユニットにおいて、その燃料ガス通路を介してアノード電極に燃料ガスを供給し、カソード集電板の外側にカソードガスを流すことで、カソード集電板の小孔１２を通してカソード電極にカソードガスを供給することで、カソード集電板とアノード集電板の間に起電力を発生させ、それらを外部回路で結べば電気を発生することができる。
【０００９】この燃料電池の構造を取ることで、いずれの構成要素もシンプルな長方形で、金属板を使っているのは１セル当り１．５枚と従来のセルに較べて著しく構成要素が少なくすることができる。また、これらの構成要素は１回のプレス成形で製作することができ、かつ、セパレータを製作する上で一切溶接を使用する必要性がないので、材料費、加工費共著しく低減することができる。
また、その他の構成要素はいずれも粉末原料からテープ成形機を使って製作できるポーラスな板であり、金属板に較べてコストは著しく安い。
【００１０】（２）図７は複数の燃料電池ユニットを直列に接続する方法を示した図で、同一平面内にある２つの燃料電池ユニットを接続する場合は、２枚の板からなるインターコネクター２８を使い、インターコネクターの片側はアノード集電板を両側から挟むように接続し、もう一方は２つのカソード集電板の外側から締め付けるように接続する。１つの燃料電池ユニット内の２つのセルは構造上並列にならざるを得ないので、２つの燃料電池ユニットを直列に接続した場合、２組の２セル直列スタックができることになる。
積層方向に対しては、２つの燃料電池ユニットの間に絶縁体スペーサー３０を入れ、コの字型のインターコネクター２９を使って、同様にアノード集電板とカソード集電板の間を接続する。
同一平面内のセル数を幾つにするか、積層段数を何段にするかは自由に選択できるので、必要な数の燃料電池ユニットを組み合わせてスタックを作ることができる。
【００１１】図８はスタックの組立図で、同一平面内及び積層方向の燃料電池ユニットを直列に接続し、その上下に金属平板３１、３２を入れ、その上下に断熱・絶縁材３３、３４を入れ、その上下から締め付け装置３５、３６、スプリング３７、スプリングケース３８、締め付けロッド３９を使って締め付けて一体構造のスタックとしている。
このスタックの場合、積層方向の各セル間にある絶縁スペーサーは締め付けてもセルと一体化することはないので、セル間を結合しているのはインターコネクターだけで、締め付け装置を外し、インターコネクターを外せば１つ１つの燃料電池ユニットはバラバラにすることができるので、１部のセルが劣化したり損傷が起こった場合でもその燃料電池ユニットだけを交換することができる。
【００１２】（３）図１は燃料電池ユニットの構成を説明するための概念図で、寸法的には正確なものではないが、図２から図４までに示す構成要素の図は一つの設計例を示している。これを見れば明らかなように、セパレータの面積の殆どが有効電極面積となっている。このセルではアノード、カソード共、ガスは長方形の長辺に沿って流れるので、ガスの流量配分を改善するための抵抗部は不要となる。
【００１３】（４）図１２はスタックの下部を示す構造図である。
カソード集電板１と記載されている部分がスタックの下部を示しており、スタックは絶縁体スペーサ７０を介して、間隔を開けて配置されている角チューブ７１に支持されている。
一方、燃料ガスは図３に示す通りスタックの上から供給され下に向かって流れる。図１２ではスタックの下部だけを記載しているが、アノード出口２１から出たアノード排気ＡＥＧは混合室７２に導かれる。
一方、隔壁兼空気予熱器７３を通って予熱された空気ＡＩＲは底部から多孔板７４を通って混合室７２に入り、アノード排気と混合される。混合したガスは多孔板７５を通って燃焼触媒７６に接触してアノード排気中の可燃性ガスは空気中の酸素によって燃焼し、酸素と二酸化炭素を含んでいる燃焼ガスは多孔板７７を通してカソード集電板１の外側に供給され、下から上に向かって流れる。
即ち、アノードガス（燃料ガス）は上から下へ、カソードガス（燃焼ガス）は下から上へ流れ、対向流となる。
アノードガスは上から下へ向かって温度が上がり、カソードガスは下から上へ向かって温度が上がるので、スタックの温度は上から下まで一定の温度範囲に入り、スタックで発生する熱応力も小さく、スタックがダメージを受けることもなく、かつ、スタック全体が最適な運転温度を取ることができるので、スタックの寿命も長くなる。
【００１４】［発明の実施の形態］
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。
（１）溶融炭酸塩形燃料電池の発電反応は以下の通りで、カソード電極で酸素と二酸化炭素と電子から生成された炭酸イオンが電解質の中をアノード電極に移動し、そこで水素と反応して二酸化炭素と水蒸気を生成すると同時に電子が放出され、それが外部回路を通ってカソード電極に戻ることで電子の流れ、即ち、電流が発生する。
カソード：１／２Ｏ２＋ＣＯ２＋２ｅ＝ＣＯ３２−
アノード：ＣＯ３２−＋Ｈ２＝ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ
図９及び図１１に従来型のセル及びスタックの構造の概念を記載した。これを見ると分かるようにスタックは平板状のセルを多数積層しており、各セル間は直列に接続されている。従って、電流はセル面に対して直角に流れる。従って、セルの全面が電流の通路となり、電流の通路断面積が非常に大きいためスタック内を流れる電流の内部抵抗は非常に小さい。
一方、本発明の場合、カソード電極とアノード電極での発電反応によって発生した電流はセルの面内をガスの流れとは直角方向、即ち、横に流れ、直列に繋がれている次のセルにはインターコネクターを介して電気が流れる。従って、電流の通路断面積が従来形に較べて小さく、内部抵抗による電圧降下がセルの性能を大きく左右することになる。
【００１５】この欠点をカバーする方策として重要なことは、インターコネクターを含めた１セル内の電流のパスが短いほど電気抵抗によるロスは小さくなるということである。即ち、電極の有効面積が同じであれば、図３に示すＬとＷの比Ｌ／Ｗが大きいほどセルの性能は良くなるということである。
一方、本発明のセルは全セル面積に占める有効電極面積の割合が大きいという特徴があるが、それでもなお、有効電極面以外のシール部その他が存在し、これらの部分は正方形に近いほど有効電極面積の割合が大きく経済性が増すことになる。
また、インターコネクター自体を考えてみると、Ｌ／Ｗが大きいほど電流に対する通路断面積が大きくなり、電気抵抗による電圧低下は小さくなるが、セルの単位有効電極面積当りの材料はＬ／Ｗが大きいほど多く必要になり経済的でなくなる。
一方、ガスの流量配分を考えると、Ｌ／Ｗが小さい場合は流量配分のバラツキを小さくするために抵抗部が必要となるが、Ｌ／Ｗが大きい場合には抵抗部が不要となり、有効電極面積の割合が大きくなる。
更に、セル内の温度分布に起因する熱応力を考えると、２点間の温度差をその距離で割ったものが大きいほど熱応力が大きくなるが、Ｌ／Ｗが大きい場合は横方向の距離が短くなるので大きな熱応力は発生しない。
以上の通り、最適なＬ／Ｗは、経済性、セル性能、ガスの流量配分、熱応力を総合的に判断して決める必要があり、本発明ではＬ／Ｗ＝３〜２０の範囲が最適であるとした。
【００１６】（２）また、カソード集電板のカソード収納部には多数の小孔が設けられているが、カソード収納部の全面積に対する開口率は、大きいほどカソードへのガスの供給を良好にし、カソードでの起電力を高めるが、開口率が大きいほど電気抵抗は大きくなる。
前のセルからの電流はアノード集電板からインターコネクターを通してカソード集電板を横に流れ、カソード電極の各部に至ることになるので、電流に対する通路断面積は大きいほど電気抵抗によるロスが小さくなる。従って、カソードへのガスの供給に大きな影響がない範囲で開口率は小さい方が良く、本発明では３〜３０％の範囲が最適であるとした。カソード電極自体の中もガスが流れるが、開口率が３％以下ではカソード電極各部へのガスの供給を遅らせ反応抵抗を増大させる。
また、図２において電気は横方向に流れるので、電気抵抗を最小とする上では小孔の形状は横長であることが好ましく、孔の配置は横方向に対して一直線であることが好ましく、千鳥状の配置はガスの供給からは良いが、電流パスを長くしてしまうので好ましくない。
【００１７】アノード集電板の開口部についても基本思想は上記と同じであるが、１つの燃料電池ユニット内にある２つの燃料ガス通路間でのガスの行き来することの重要性は余り大きくないので、電気抵抗を最小にするために１０％以下とすることが好ましい。
【００１８】（３）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。
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。
【００１９】（４）図６は燃料ガス通路への改質触媒の充填方法に関する説明図である。
平板状の発泡金属体等で構成される燃料ガス通路に対し、平面に直角の開口部を設け、そこに改質触媒２６を充填し、発電反応によって発生する熱を利用して改質を行う。
この場合、燃料はメタンを中心とした炭化水素ガスと水蒸気の混合ガスを直接燃料電池スタックに供給し、スタック内で改質反応（ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ＝ＣＯ＋３Ｈ２）を行わせる方式である。
これによって、外部改質器が全く不要となるか、あるいは小型化することが可能となる。一方、スタック自体のコストアップは殆どなく、システム全体から見たコストダウンを達成することができる。
【００２０】この場合、改質触媒が電解質によって劣化されやすいので、アノード電極と燃料ガス通路の間に改質触媒の劣化を防止するための保護板２７を入れる。
保護板の平均空孔径はアノードの平均空孔径より大きく、燃料ガス通路の平均空孔径より小さいニッケル粉末からの焼結板を使用する。
電解質が液体である時、表面張力によって、孔径が小さい方が引力が大きくなるので、アノード電極よりは引力が小さく、燃料ガス通路よりは引力が大きい平均空孔径を使用することで、燃料ガス通路に電解質が流れ込むことを防止する。
以上の改質触媒の配置の方法は一設計例であって、燃料ガス通路に粉末触媒を添加する等、上記に限定するものではない。
【００２１】（５）アノード電極はニッケル粉末の焼結体で、ある程度の強度を有しているので、燃料ガス通路がコルゲート板に置き換わった場合でも、大きな変形なく使用することができる。特に、改質触媒の保護板が入っている場合は，それが一部アノードの支持体としての機能も果たすので、発泡金属体等で作られた燃料ガス通路を金属加工板に置き換えることも可能である。但し、経済的には金属加工板は不利である。
【００２２】（６）１枚の金属板に２つのカソード集電板をプレス成形し、それを折り曲げて端部が繋がった２つのカソード集電板を作ることは充分可能で、かつ、経済的に有利な方法である。
【発明の効果】
【００２３】（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。
【００２４】（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１工程のプレス加工で、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。
【００２５】（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。
【００２６】（４）本発明のスタックは、燃料電池ユニットを必要な数だけインターコネクターで接続する方式で、スタックの積層方向に対しては絶縁スペーサーを介して積層しているので、スタックの締め付け装置とインターコネクターを外せば、それぞれの燃料電池ユニットに分解することができ、ダメージを受けたものを交換したり、電解質を補充することが可能である。
【００２７】（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。
【００２８】（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。
【００２９】（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、カソードの通路断面積は絶縁スペーサの厚さで決まっているだけなので、金属加工部品の形状等を変えることなく、容易に対応ができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】２セルから構成される本発明の燃料電池ユニットの組立断面を示す説明図
【図２】本発明のカソード集電板を示す説明図
【図３】本発明のアノード電極周辺部に設置する絶縁体の配置を示す説明図
【図４】本発明のアノード集電板を示す説明図
【図５】本発明の燃料電池ユニットへ燃料ガスを供給するヘッダーとアノード排気の出口ヘッダーを示す説明図
【図６】本発明の燃料ガス通路に改質触媒を配置する方法を示す説明図
【図７】複数の本発明の燃料電池ユニットをインターコネクターで接続する方法を示す説明図
【図８】本発明のスタックの組立状態を示す説明図
【図９】従来型のセルの構成を示す説明図
【図１０】従来型のカソード、アノードへのガスの供給方法に関する説明図
【図１１】従来型のスタックの構造を示す説明図
【図１２】本発明のカソードガスの供給方法に関する説明図
【符号の説明】
１．カソード集電板
２．カソード電極
３．電解質板
４．アノード電極
５．燃料ガス通路
６．絶縁体
７．アノード集電板
８．絶縁体
９．シール材
１０．カソード集電板用締め付け板
１１．カソード集電板用締め付けボルト
１２．カソード集電板の小孔
１３．アノード集電板の締め付けボルト貫通部
１４．燃料電池ユニットの燃料ガス入口部
１５．燃料電池ユニットのアノード排気出口部
１６．アノード集電板の小孔
１７．円筒状絶縁体
１８．蓋板
１９．シール材
２０．燃料ガス供給用セラミックヘッダー
２１．アノード排気用セラミックヘッダー
２２．セラミックヘッダー上部構造
２３．セラミックヘッダー下部構造
２４．蓋板の入口ノズル
２５．シール材
２６．改質触媒
２７．改質触媒保護板
２８．インターコネクター
２９．コの字形インターコネクター
３０．絶縁スペーサー
３１、３２．エンドプレート
３３、３４．断熱・絶縁材
３５，３６．締め付け装置
３７．スプリング
３８．スプリングケース
３９．締め付けロッド
４０．従来型セルの電解質板
４１．従来型セルのアノード電極
４２．従来型セルのカソード電極
４３．従来型セパレータのカソードコルゲート板
４４．従来型セパレータのアノードコルゲート板
４５．従来型セパレータのセンタープレート
４６．従来型セパレータのマスクプレート
４７．従来型セパレータのカソード集電板
４８．従来型セパレータのアノード集電板
４９．内部マニフォールド型セパレータの有効電極部
５０．内部マニフォールド型セパレータの抵抗部
５１．内部マニフォールド型セパレータのカソード入口
５２．内部マニフォールド型セパレータのカソード出口
５３．内部マニフォールド型セパレータのアノード入口
５４．内部マニフォールド型セパレータのアノード出口
５５．内部マニフォールド型セパレータのシール部
５６．外部マニフォールド型セパレータの有効電極部
５７．外部マニフォールド型セパレータの抵抗部
５８．外部マニフォールド型セパレータのシール部
５９．外部マニフォールド型セパレータのカソード入口ヘッダー
６０．外部マニフォールド型セパレータのカソード出口ヘッダー
６１．外部マニフォールド型セパレータのアノード入口ヘッダー
６２．外部マニフォールド型セパレータのアノード出口ヘッダー
６３．従来型スタックのセル部
６４．従来型スタックのガスヘッダー
６５．従来型スタックの断熱・絶縁材
６６．従来型スタックの締め付け装置
６７．従来型スタックの締め付けロッド
６８．従来型スタックのスプリング
６９．従来型スタックの電流の取り出し
７０．絶縁スペーサー
７１．スタック支持用角型チューブ
７２．触媒燃焼のための混合室
７３．隔壁兼空気予熱器
７４．多孔板
７５．多孔板
７６．燃焼触媒
７７．多孔板
７８．断熱材
７９．ベースプレート
【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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