(57)【要約】【課題】  燃料電池スタック全体の温度を均一化し、積層部材の相互密着性や内部マニホールドのガスシール性を備えた燃料電池を提供する。【解決手段】  発電セル１と、燃料ガス流路２ａ及び酸化剤流路２ｂが形成されたセパレータ２とを、交互に複数段積層するとともに、積層方向の中段部のセパレータ間に、発電セルの換わりに改質触媒３ａを有する内部改質器３を介装した。また、セパレータの外周部に設けられた燃料ガスマニホールド５ａ、酸化剤ガスマニホールド５ｂと、内部改質器の外周部に設けられた未改質ガスマニホールド５ｃとを、各々周方向の異なる位置に積層方向に連通させて形成した。さらに、上記燃料ガス流路と燃料ガスマニホールド、上記酸化剤流路と酸化剤ガスマニホールド、及び上記内部改質器の供給部と未改質ガスマニホールドとの接続部分２２、３３に、少なくとも上記積層方向に変位可能となる可撓性を付与した。【選択図】  図１
2007103343.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電セルと、この発電セルより大きく、内部に上記発電セルに向けて燃料ガスを供給するための燃料ガス流路及び空気を供給するための酸化剤流路が形成されたセパレータとが、上記発電セルを上記セパレータの中央部に位置させて交互に複数段積層されるとともに、当該積層方向の中段部の上記セパレータ間に、改質触媒を有する内部改質器が介装された平板積層形燃料電池スタックであって、
上記積層されたセパレータの外周部に設けられ、上記燃料ガス流路に連通する燃料ガスマニホールド及び上記酸化剤流路に連通する酸化剤ガスマニホールドと、上記内部改質器の外周部に設けられ、その供給部に連通する未改質ガスマニホールドとを、各々周方向の異なる位置に上記積層方向に連通させて形成し、
かつ、上記燃料ガス流路と燃料ガスマニホールドとの接続部分、上記酸化剤流路と酸化剤ガスマニホールドとの接続部分、及び上記内部改質器の供給部と未改質ガスマニホールドとの接続部分を構成する部材に、それぞれ少なくとも上記積層方向に変位可能となる可撓性を付与したことを特徴とする平板積層形燃料電池スタック。
【請求項２】
上記内部改質器は、その排出部に連通して、上記燃料ガスマニホールドに接続される改質燃料ガスマニホールドが外周部に設けられ、かつ、上記排出部と改質ガスマニホールドとの接続部分を構成する部材に、少なくとも上記積層方向に変位可能となる可撓性を付与してなり、
上記セパレータに設けられたマニホールド及び上記内部改質器に設けられたマニホールドは、方形柱状からなる上記積層構造の四隅に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の平板積層形燃料電池スタック。
【請求項３】
上記発電セルにおける反応により放出される排ガスが当該発電セルの外周部より放出されるシールレス構造であり、かつ、
上記セパレータの燃料ガスマニホールドの供給口と、上記改質器の改質燃料ガスマニホールドの排出口とが、上部及び下部において接続されていることを特徴とする請求項２に記載の平板積層形燃料電池スタック。
【請求項４】
上記内部改質器は、その排出部に連通する上記燃料ガスマニホールドと、上記酸化剤ガスマニホールドとが外周部に設けられるとともに、上記燃料ガスマニホールドと上記排出部との接続部分、及び上記酸化剤ガスマニホールドと上記改質触媒を有する中央部との接続部分を構成する部材に、少なくとも上記積層方向に変位可能となる可撓性を付与してなり、
上記セパレータは、その外周部に上記未改質ガスマニホールドが設けられるとともに、上記未改質ガスマニホールドと、上記酸化剤流路及び燃料ガス流路が形成された中央部との接続部分を構成する部材に、少なくとも上記積層方向に変位可能となる可撓性を付与してなり、かつ
上記燃料ガスマニホールド、酸化剤ガスマニホールド及び上記未改質ガスマニホールドは、各々周方向の異なる位置に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の平板積層形燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の平板積層形燃料電池スタックを備えていることを特徴とする平板積層形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部改質器が設けられた平板積層形燃料電池スタック及びこれを用いた平板積層形燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、発電用燃料電池の一種として、例えば特許文献１に示すように、固体電解質層の両側を空気極層（カソード）及び燃料極層（アノード）で挟んだ積層構造を有する発電セルと、セパレータとが交互に複数積層された燃料電池スタックを具備する平板積層形燃料電池が開発されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−３３５１６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この平板積層形燃料電池は、安定した発電性能を確保するために、上記積層部材を相互に密着させることが要求される。
このため、平板積層形燃料電池スタックは、例えば、上部及び下部に固定板を配設して、上部固定板に荷重が加えられることにより、積層方向に密着させられている。
【０００５】
しかしながら、この平板積層形燃料電池は、特に、セパレータの外周部に燃料極層又は空気極層に通ずるマニホールドを有する内部マニホールド構造の場合、セパレータ間には、中央部に発電セルが介装され、この発電セルの介装により生じた外周部の隙間にリング等が介装されることにより、積層方向に連続する内部マニホールドが構成されている。そして、この内部マニホールドのガスシール性を確保するために、ボルト・ナット等によって上下部固定板の外周部同士が固定されている。
このため、発電セルが介装された中央部と、リングが介装された外周部とに高さ違いが生じた場合、外周部のリングの高さに合わせて上記ボルト及びナットを締めた際、上記リングの方が発電セルより高さがあると、中央部の積層部材の相互密着性が不十分になるという問題がある。また、発電時に伴う高熱雰囲気によって、発電セルやリングに熱膨張量の差違が生じた場合に、上記積層部材の相互密着性や内部マニホールドのガスシール性が不十分になる。
【０００６】
ところで、この種の平板積層形燃料電池には、上記燃料極層にメタンガス等の燃料ガスを改質して水素を供給するための改質器が設けられている。この改質器による改質反応は、吸熱反応であり、改質温度が高いほど水素への転化率が高くなることが知られている。
一方、平板積層形燃料電池スタックは、特にシールレス構造の場合に、端部において発電セルの発電反応で生じたジュール熱が発散し易いため、積層方向の温度分布がスタック両端付近で極端に低下することが知られている。そのため、温度の低い両端部分では、高温度の中段部分に比較して、発電性能が低下し、発電セルが直列的に接続されているため、発電性能が低い部分により燃料電池全体の発電性能が制約されて、効率的な発電が行えなくなるという問題がある。
【０００７】
そこで、発電反応による温度の不均一を改善し、発電効率を上げるため、吸熱反応を行う上記改質器を、平板積層形燃料電池スタック内の中段部分に介在させる方法が考えられる。
この方法は、平板積層形燃料電池スタック内で最も高温になる中段部に改質器を介在させるため、水素への転化率が高く、充分な発電効率が得られるという利点がある。
【０００８】
しかしながら、平板積層形燃料電池スタック内に内部改質器を介在させた場合には、内部改質器が設けられていない空間にリングを介装して、積層方向に連続する内部マニホールドを構成する必要がある。
【０００９】
このため、セパレータ及び内部改質器の積層部材の相互密着性が不十分になるという問題や、発電時の熱膨張により、上記相互密着性やガスシール性が不十分になるという問題が再び出現する。
【００１０】
よって、積層部材の相互密着性を向上させると共に、発電時に、燃料電池スタック全体の温度を均一化し、かつ、積層部材の相互密着性や内部マニホールドのガスシール性を保持することにより、安定した発電性能を有する燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このため、上記請求項１に記載の発明は、発電セルと、この発電セルより大きく、内部に上記発電セルに向けて燃料ガスを供給するための燃料ガス流路及び空気を供給するための酸化剤流路が形成されたセパレータとが、上記発電セルを上記セパレータの中央部に位置させて交互に複数段積層されるとともに、当該積層方向の中段部の上記セパレータ間に、改質触媒を有する内部改質器が介装された平板積層形燃料電池スタックであって、上記積層されたセパレータの外周部に設けられ、上記燃料ガス流路に連通する燃料ガスマニホールド及び上記酸化剤流路に連通する酸化剤ガスマニホールドと、上記内部改質器の外周部に設けられ、その供給部に連通する未改質ガスマニホールドとを、各々周方向の異なる位置に上記積層方向に連通させて形成し、かつ、上記燃料ガス流路と燃料ガスマニホール
ドとの接続部分、上記酸化剤流路と酸化剤ガスマニホールドとの接続部分、及び上記内部改質器の供給部と未改質ガスマニホールドとの接続部分を構成する部材に、それぞれ少なくとも上記積層方向に変位可能となる可撓性を付与したことを特徴とする平板積層形燃料電池スタックである。
【００１２】
上述の請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の平板積層形燃料電池スタックにおいて、上記内部改質器は、その排出部に連通して、上記燃料ガスマニホールドに接続される改質燃料ガスマニホールドが外周部に設けられ、かつ、上記排出部と改質ガスマニホールドとの接続部分に、少なくとも上記積層方向に変位可能となる可撓性を付与してなり、上記セパレータに設けられたマニホールド及び上記内部改質器に設けられたマニホールドは、方形柱状からなる上記積層構造の四隅に配設されていることを特徴とするものである。
【００１３】
上述の請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の平板積層形燃料電池スタックにおいて、上記発電セルにおける反応により放出される排ガスが当該発電セルの外周部より放出されるシールレス構造であり、かつ、上記セパレータの燃料ガスマニホールドの供給口と、上記改質器の改質燃料ガスマニホールドの排出口とが、上部及び下部において接続されていることを特徴とするものである。
【００１４】
上述の請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の平板積層形燃料電池スタックにおいて、上記内部改質器には、その排出部に連通する上記燃料ガスマニホールドと、上記酸化剤ガスマニホールドとが外周部に設けられるとともに、上記燃料ガスマニホールドと上記排出部との接続部分、及び上記酸化剤ガスマニホールドと上記改質触媒を有する中央部との接続部分を構成する部材に、少なくとも上記積層方向に変位可能となる可撓性を付与してなり、上記セパレータには、その外周部に上記未改質ガスマニホールドが設けられるとともに、上記未改質ガスマニホールドと、上記酸化剤流路及び燃料ガス流路が形成された中央部との接続部分を構成する部材に、少なくとも上記積層方向に変位可能となる可撓性を付与してなり、かつ上記燃料ガスマニホールド、酸化剤ガスマニホールド及び上記未改質ガスマニホールドは、各々周方向の異なる位置に配設されていることを特徴とするものである。
【００１５】
上述の請求項５に記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の平板積層形燃料電池スタックを備えていることを特徴とする平板積層形燃料電池である。
【発明の効果】
【００１６】
上述の請求項１に記載の発明によれば、平板積層形燃料電池スタックの積層方向の中段部に、セパレータ間に改質触媒を有する内部改質器を介装したため、中段部の温度が冷却されることにより、中段部と両端部との温度差を低減して、両端部によって全体の発電性能が制約されることを防止することができる。
【００１７】
また、燃料ガス流路に連通する燃料ガスマニホールド及び酸化剤流路に連通する酸化剤ガスマニホールドを備えたセパレータは、燃料ガス流路と燃料ガスマニホールドとの接続部分及び酸化剤流路と酸化剤ガスマニホールドとの接続部分に、少なくとも平板積層形燃料電池スタックの積層方向に変位可能となる可撓性を付与したため、積層部材が異なる中央部と外周部とが独立して変位可能となり、それぞれに適した押圧力を付与することができる。
【００１８】
このため、発電セルが介装された中央部と、上記マニホールドが位置する外周部とが高さ違いを有する場合も、中央部の積層部材に適した押圧力を付与することにより相互密着性を向上させることができる。
さらに、発電時に中央部の積層部材と外周部の積層部材とが熱膨張した場合に、両者の熱膨張量に差違が生じても、両者が積層方向に独立して変位可能であるため、積層部材の相互密着性やガスマニホールドのガスシール性が阻害されない。
【００１９】
また、供給部に連通する未改質ガスマニホールドが設けられた内部改質器は、内部改質器の供給部と未改質ガスマニホールドとの接続部分に同様の可撓性を付与したため、セパレータと同様に、積層部材が異なる中央部と外周部とが独立して変位可能となる。
その結果、平板積層形燃料電池スタックは、セパレータ及び内部改質器の中央部と外周部とが独立して変位可能となり、それぞれに適した押圧力を付与して、セパレータ及び内部改質器が互いに他方による密着性不十分の悪影響を受けることなく、中央部の積層部材全ての相互密着性を向上させることができ、発電時にも上記相互密着性やガスシール性が阻害されないことにより、安定した発電性能を確保することができる。
【００２０】
上述の請求項２に記載の発明によれば、セパレータに設けられたマニホールド及び内部改質器に設けられたマニホールドは、方形柱状からなる上記積層構造の四隅に配設されているため、中央部に対して均等に配設されている。このため、上述の積層部材の相互密着性や上記マニホールドのガスシール性が向上して、より安定した発電性能を有する平板積層形燃料電池スタックを提供することができる。
【００２１】
上述の請求項３に記載の発明によれば、シールレス構造であり、かつ、燃料ガスマニホールドの供給口と改質燃料ガスマニホールドの排出口とが、上部及び下部において接続されているため、改質された燃料ガスは、上部又は下部に移動する間、発電セルの外周部から放出された排ガスにより温められて、上部及び下部において燃料電池スタックを加温することができ、平板積層形燃料電池スタックの中段部及び両端部における温度差を積極的に改善することができる。
【００２２】
他方、上述の請求項４に記載の発明によれば、内部改質器の外周部に、内部改質器の排出部に連通する燃料ガスマニホールドと酸化剤ガスマニホールドとを設け、かつ上記燃料ガスマニホールドと上記排出部との接続部分、及び上記酸化剤ガスマニホールドと改質触媒を有する内部改質器の中央部との接続部分を構成する部材に積層方向に変位可能となる可撓性を付与したため、積層部材が異なる外周部と中央部とに適した押圧力を付与することができるとともに、内部改質器の隙間に介装されるリング等が不要となり、リング等の介装物を減少させることができる。その結果、より大きな積層部材の積層方向への可撓性を付与して、積層部材の相互密着性や各ガスマニホールドのガスシール性を向上させることにより、より安定した発電性能を確保することができる
【００２３】
さらに、セパレータの外周部に未改質ガスマニホールドを設け、かつ上記未改質ガスマニホールドと、上記酸化剤流路及び燃料ガス流路が形成された中央部との接続部分を構成する部材に、積層方向に変位可能となる可撓性を付与したため、積層部材が異なる中央部と外周部とに適した押圧力を付与することができるとともに、セパレータの隙間に介装されるリング等が不要となり、リング等の介装物を著しく減少させることができる。その結果、より大きな積層部材の積層方向への可撓性を付与して、積層部材の相互密着性や各ガスマニホールドのガスシール性を一層向上させることにより、確実に安定した発電性能を確保することができる
従って、請求項１〜４に記載の発明は、請求項５に記載するように、特に平板積層形燃料電池に好適に用いられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明に係る平板積層形燃料電池スタックの最良の形態である第１の実施形態及び第２の実施形態について、図１ないし図６を用いて説明する。
まず、第１の実施形態における平板積層形燃料電池スタックについて、図１ないし図４を用いて説明する。
【００２５】
第１の実施形態における平板積層形燃料電池スタックは、円形の発電セル１と、この発電セルより外法が大きく形成されたセパレータ２とが、発電セル１をセパレータ２の中央部に位置させて交互に複数段積層されることにより、略直方体（立方体を含む）状に組まれたものである。そして、この中段部のセパレータ２間には、発電セル１の換わりにセパレータ２と略同一形状の内部改質器３が介装されている。
【００２６】
上記発電セル１は、図２に示すように固体電解質層１１を燃料極層１２と空気極層１３とで挟んだ積層構造からなり、この燃料極層１２の外側に燃料極集電体１２ａが、空気極層１３の外側に空気極集電体１３ｂが各々設けられている。また、外周部にガス漏れ防止用シールを敢えて設けないシールレス構造を採用しており、発電セル１からの排ガスが外周部より放出されるようになっている。
【００２７】
ここで、固体電解質層１１はイットリアを添加した安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等、燃料極層１２はＮｉ等の金属あるいはＮｉ−ＹＳＺ等のサーメット、空気極層１３はＬａＭｎＯ3、ＬａＣｏＯ3等で各々構成されている。また、燃料極集電体１２ａはＮｉ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板（発泡金属板）、空気極集電体１３ｂはＡｇ等のスポンジ状の多孔質焼結金属板（発泡金属板）で各々構成されている。
【００２８】
これらの集電体１２ａ、１３ｂにより挟まれた発電セル１を間に介装するセパレータ２は、図３（ａ）に示すように、厚さ数ｍｍ程度の略方形状の熱伝導性に優れるステンレス板（部材）で構成されており、略８角形の中央内部に燃料ガスが流通する燃料ガス流路２ａと、酸化剤ガス（一般的には空気）が流通する酸化剤流路２ｂとが形成されている。ここで、これら燃料ガス流路２ａ及び酸化剤流路２ｂの上流側は、それぞれセパレータ２の外周辺に沿って対角線上に位置する角隅部まで形成されている。
【００２９】
そして、このセパレータ２は、対角線上に位置する上記角隅部に、各々燃料ガス流路２ａの上流側に連通する燃料ガス穴５０ａと、酸化剤流路２ｂの上流側に連通する酸化剤ガス穴５０ｂとが形成されている。
そして、このセパレータ２の一方の角隅部を包含する外周部（燃料ガス流路２ａと燃料ガスマニホールド５ａとの接続部分を構成する部材）２２は、燃料ガス穴５０ａと上記燃料ガス流路２ａの上流側とを内包し、上記角隅部から外周部に沿って隣接する角隅部近傍まで、中央部２０との間に切り込みが入れられることにより、上記積層方向に可撓性が付与されている。
また、他方の角隅部を包含する外周部（酸化剤流路２ｂと酸化剤ガスマニホールド５ｂとの接続部分を構成する部材）２２も、同様に酸化剤ガス穴５０ｂと上記酸化剤流路２ｂの上流側とを内包し、同様に中央部２０との間に切り込みが入れられることにより、可撓性が付与されている。
【００３０】
そして、図１に示すようにセパレータ２間に発電セル１が介装されることにより生じた燃料ガス穴５０ａ間の隙間に、同一内径のマニホールドリング５１が介装されており、このマニホールドリング５１と、燃料ガス穴５０ａとにより、上記積層方向にセパレータ２を連通する燃料ガスマニホールド５ａが構成されている。
同様に、酸化剤ガス穴５０ｂと、酸化剤ガス穴５０ｂの間の隙間に介装された同一内径のマニホールドリング５１とにより、上記積層方向にセパレータ２を連通する酸化剤ガスマニホールド５ｂが構成されている。
【００３１】
一方、平板積層形燃料電池スタックは、中段部のセパレータ２間に内部改質器３が介装されている。この内部改質器３は、図３（ｂ）に示すようにセパレータ２と同様に略方形状の熱伝導性に優れるステンレス板で構成されており、中央部３０（略８角形）に設けた８角形の凹部に改質触媒層３ａが配設されている。この改質触媒層３ａには、多孔質金属体（例えば、Ｎｉ発泡金属）に炭化水素改質触媒粒が担持されている。なお、多孔質金属体に限られず、セラミック小片（例えば、ペレットや球状、フレーク状）であってもよい。
【００３２】
この内部改質器３は、上記ガス穴５０ａ、５０ｂと異なる対角線上に位置する角隅部に、供給部３１の上流側に連通して、改質触媒層３ａに未改質燃料ガスを供給する未改質ガス穴５０ｃと、排出部３２の下流側に連通して、改質触媒層３ａにより改質された燃料ガスを排出する改質ガス穴５０ｄとが各々対向して配設されている。
【００３３】
そして、この一方の角隅部を包含する内部改質器３の外周部（内部改質器の供給部３１と未改質ガスマニホールド５ｃとの接続部分を構成する部材）３３は、未改質ガス穴５０ｃと供給部３１とを内包し、上記角隅部から外周部に沿って隣接する角隅部近傍まで、中央部３０との間に切り込みが入れられることにより、上記積層方向に可撓性が付与されている。また、他方の角隅部を包含する内部改質器３の外周部（内部改質器の排出部３２と改質ガスマニホールド５ｄとの接続部分を構成する部材）３３は、改質ガス穴５０ｄと排出部３２とを内包し、同様に中央部３０との間に切り込みが入れられることにより、可撓性が付与されている。
【００３４】
そして、図１に示すように、改質ガス穴５０ｄと、内部改質器３の改質ガス穴５０ｄ間の隙間に介装された同一内径のマニホールドリング５１と、最上段に位置するガス穴５０ｄ上部から上方に延在するマニホールド管５２と、最下段に位置するガス穴５０ｃ下部から下方に延在するマニホールド管５２とにより、上記積層方向に内部改質器３を連通して、改質ガスマニホールド５ｄが構成されている。
同様に、未改質ガス穴５０ｃと、内部改質器３の未改質ガス穴５０ｃ間の隙間に介装された同一内径のマニホールドリング５１と、最上段に位置する内部改質器３のガス穴５０ｃ上部から上方に延在するマニホールド管５２と、最下段に位置する内部改質器３のガス穴５０ｃ下部から下方に延在するマニホールド管５２とにより、上記積層方向に内部改質器３を連通して、未改質ガスマニホールド５ｃが構成されている。
【００３５】
さらに、上記セパレータ２及び内部改質器３は、図３（ｃ）に示すように、上記中央部２０，３０が同一形状であり、セパレータ２の外周部２２と、内部改質器３の外周部３３とが、交互に上記中央部２０，３０から外方に突出して設けられている。
【００３６】
なお、上述の内部改質器３は、図４（ｂ）に示すように、中央部３０を上記セパレータ２の中央部２０（略８角形）の内接円形状にして、上記供給部３１及び排出部３２にチューブ（接続部分）を用いてもよい。
この場合には、供給部３１及び排出部３２が、図４（ｃ）に示すように、セパレータ２の外方へ突出するため、供給部３１及び排出部３２を内部改質器３の外周部に設けた場合（図３（ｃ））よりも平板積層形燃料電池スタックの取り扱いが非容易となる。その反面、チューブが上記積層方向以外にも可撓性を有するため、未改質ガスマニホールド５ｃ及び改質ガスマニホールド５ｄの設置位置を変更することが可能となる。
【００３７】
上述の積層部材が複数積層された平板積層形燃料電池スタックは、上部及び下部に、セパレータ２より外法の大きいフランジ４が設けられており、これらのフランジ４外周部の複数箇所（例えば、四隅）間にボルト４１が挿通され、その両端部にナット４２が螺合されている。このフランジ４と、両端部にナット４２を螺合したボルト４１とによって、上述のマニホールドリング５１やマニホールド管５２を一部介装した上記ガスマニホールド５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄのガスシール性が担保されている。
また、これらのガスマニホールドのうち、改質ガスマニホールド５ｄの排出口と上記燃料ガスマニホールド５ａの供給口とが、上記フランジ４内部に形成されたガス供給路５ｅにより接続されている。
【００３８】
そして、上部のフランジ４には、中央部に発電セル１の外法より大きい穴４４が設けられており、この穴４４には、最上段のセパレータ２上に載置された発電セル１と略同一の大きさの錘６が配置されている。この錘６により、集電体１２ａ、１３ｂに挟まれた発電セル１とセパレータ２との相互密着性及び内部改質器３とセパレータ２との相互密着性が担保されている。
【００３９】
上述の平板積層形燃料電池スタックの外部に、水蒸気発生器、必要により改質器等が設けられて、平板積層形燃料電池が概略構成される。
【００４０】
次いで、第１の実施形態における平板積層形燃料電池スタックの作用について、説明する。
まず、燃料ガスとして、都市ガスを未改質ガスマニホールド５ｃに供給するとともに、酸化剤ガスとして、空気を酸化剤ガスマニホールド５ｂに供給する。
【００４１】
すると、未改質ガスマニホールド５ｃに供給された都市ガスは、未改質ガス穴５０ｃを介し、中段部に介装された内部改質器３に供給され、供給部３１から改質器３の凹部に行き渡ることにより、改質触媒層３ａに接触し、水素リッチな燃料ガスに改質される。その際、都市ガスは、スタックの中段部分が発電反応によって高温になっているため、高温雰囲気において効率的に改質される。また、この改質反応が吸熱反応であるため、スタックの中段部が冷却される。
【００４２】
次いで、燃料ガスは、排出部３２から改質ガス穴５０ｄを介して改質ガスマニホールド５ｄに供給される。すると、改質ガスマニホールド５ｄにおいて上下方向に流通し、発電セル１の外周部から放出された排ガスにより温められて、上部及び下部においてスタック燃料電池スタックを加熱する。これにより、スタック内の中段部及び両端部における温度差を積極的に改善しつつ、フランジ４内のガス供給路５ｅを介して燃料ガスマニホールド５ａに供給される。
【００４３】
この燃料ガスマニホールド５ａに供給された燃料ガスは、燃料ガス穴５０ａを介して、セパレータ２の燃料ガス流路２ａに供給され、燃料ガス流路２ａの開口から発電セル１の燃料極集電体１２ａに供給され、燃料極集電体１２ａ内を流通し、燃料極層１２に供給される。
【００４４】
他方、酸化剤ガスマニホールド５ｂに供給された空気は、酸化剤ガス穴５０ｂを介して、セパレータ２の酸化剤流路２ｂに供給され、酸化剤流路２ｂの開口から発電セル１の空気極集電体１３ｂに供給される。
すると、空気極集電体１３ｂ内を流通し、空気極層１３に供給され、この空気極層１３において電子を受け取ることにより、酸素イオン（Ｏ2-）にイオン化されつつ、固体電解質層１１に供給される。そして、この酸素イオンが固体電解質層１１内において、燃料極層１２に向けて拡散し、燃料極との界面近傍において、燃料ガス中の水素と反応し、反応生成物（Ｈ2Ｏ、ＣＯ2等）を外部に放出するとともに、燃料極層１２に電子を放出する。この放出された電子は、起電力として取り出され、平板積層形燃料電池スタックは、燃料電池として作用する。
【００４５】
次いで、第２の実施形態における平板積層形燃料電池スタックについて図５及び図６を用いて説明する。
第２の実施形態における平板積層形燃料電池スタックは、第１の実施形態と同一の円形の発電セル１と、この発電セルより外法が大きく形成された平面視略三角形状のセパレータ７とが、発電セル１をセパレータ７の中央部に位置させて交互に複数段積層されることにより、三角柱状に組まれたものである。そして、この中段部のセパレータ７間には、一部発電セル１の換わりにセパレータ７と略同一形状の内部改質器８が介装され、発電セル１と内部改質器８とが交互に介装されている。また、外周部にガス漏れ防止用シールを敢えて設けないシールレス構造を採用しており、発電セル１からの排ガスが外周部より放出されるようになっている。
【００４６】
セパレータ７は、図６（ａ）に示すように、厚さ数ｍｍ程度の略三角形状の熱伝導性に優れるステンレス板（部材）で構成されており、正六角形の中央部７２内に燃料ガスが流通する燃料ガス流路７ａと、酸化剤ガス（一般的には空気）が流通する酸化剤流路７ｂとが形成されている。また、各角隅部には、各々燃料ガス流路７ａの上流側に連通する燃料ガス穴７０ａと、酸化剤流路７ｂの上流側に連通する酸化剤ガス穴７０ｂと、当該セパレータ７内の流通に供しない未改質ガス穴７０ｃとが形成されている。
【００４７】
この三角形の一角隅部を包含するセパレータ７の外周部（燃料ガス流路７ａと燃料ガスマニホールド９ａとの接続部分を構成する部材）７７は、燃料ガス穴７０ａと燃料ガス流路７ａの上流側とを内包し、未改質ガス穴７０ｃが配設された角隅部の近傍まで、中央部７２との間に切り込みが入れられることにより、上記積層方向に可撓性が付与されている。同様に、他の一角隅部を包含するセパレータ７の外周部（酸化剤流路７ｂと酸化剤ガスマニホールド９ｂとの接続部分を構成する部材）７７は、酸化剤ガス穴７０ｂと酸化剤流路７ｂの上流側とを内包し、燃料ガス穴７０ａが配設された角隅部の近傍まで、中央部７２との間に切り込みが入れられることにより、上記積層方向に可撓性が付与されている。そして、残部の角隅部を包含するセパレータ７の外周部（未改質ガスマニホールド９ｃと中央部７２との接続部分を構成する部材）７７は、未改質ガス穴７０ｃのみを内包し、酸化剤ガス穴７０ｂが配設された角隅部の近傍まで、中央部７２との間に切り込みが入れられることにより、上記積層方向に可撓性が付与されている。
【００４８】
これにより、燃料ガス流路７ａは、外周部７７の燃料ガス穴７０ａから中央部７２の中心上部に形成された開口に連通するように形成されている。同様に、酸化剤流路７ｂは、外周部７７の酸化剤ガス穴７０ｂから中央部７２の中心下部に形成された開口に連通するように形成されている。
【００４９】
一方、平板積層形燃料電池スタックは、中段部のセパレータ７間に内部改質器８が介装されている。この内部改質器８は、図６（ｂ）に示すようにセパレータ２と同様に略三角形状の熱伝導性に優れるステンレス板で構成されており、中央部８１（正六角形）に設けた円形の凹部に改質触媒層３ａが配設されている。また、各角隅部には、この凹部の上流側に連通する未改質ガス穴８０ｃと、凹部の下流側に連通する燃料ガス穴８０ａと、当該内部改質器８内の流通に供しない酸化剤ガス穴８０ｂとが形成されている。
【００５０】
この三角形の一角隅部を包含する内部改質器８の外周部（内部改質器の供給部８３と未改質ガスマニホールド９ｃとの接続部分を構成する部材）８８は、未改質ガス穴８０ｃと供給部８３とを内包し、酸化剤ガス穴８０ｂが配設された角隅部の近傍まで、中央部８１との間に切り込みが入れられることにより、上記積層方向に可撓性が付与されている。同様に、他の角隅部を包含する内部改質器８の外周部（燃料ガスマニホールド９ａと内部改質器の排出部８４との接続部分を構成する部材）８８は、燃料ガス穴８０ａと排出部８４とを内包し、未改質ガス穴８０ｃが配設された角隅部の近傍まで、中央部８１との間に切り込みが入れられることにより、上記積層方向に可撓性が付与されている。そして、残部の角隅部を包含する内部改質器８の外周部（酸化剤ガスマニホールド９ｂと中央部８１との接続部分を構成する部材）８８は、酸化剤ガス穴８０ｂのみを包含し、燃料ガス穴８０ａが配設された角隅部の近傍まで、中央部８１との間に切り込みが入れられることにより、上記積層方向に可撓性が付与されている。
【００５１】
そして、セパレータ７間には、図５に示すように、発電セル１が介装されることにより生じた燃料ガス穴７０ａ間の隙間に、同一内径のマニホールドリング９１が介装されている。このマニホールドリング９１と、燃料ガス穴７０ａ、８０ａとにより、上記積層方向にセパレータ７及び内部改質器８を連通する燃料ガスマニホールド９ａが構成されている。同様に、酸化剤ガス穴７０ｂ、８０ｂと、酸化剤ガス穴７０ｂの間の隙間に介装された同一内径のマニホールドリング９１とにより、上記積層方向にセパレータ７及び内部改質器８を連通する酸化剤ガスマニホールド９ｂが構成されており、未改質ガス穴７０ｃ、８０ｃと、未改質ガス穴７０ｃの間の隙間に介装された同一内径のマニホールドリング９１とにより、上記積層方向にセパレータ７及び内部改質器８を連通する未改質ガスマニホールド９ｃが構成されている。
【００５２】
上述の積層部材が複数積層された平板積層形燃料電池スタックは、第１の実施形態と同様に、上部及び下部に、セパレータ２より外法の大きいフランジ９４が設けられており、これらのフランジ９４外周部の複数箇所（例えば、三隅）間にボルト９５が挿通され、その両端部にナット９６が螺合されている。このフランジ９４と、両端部にナット９６を螺合したボルト９５とによって、上述のマニホールドリング９１を一部介装した上記ガスマニホールド９ａ、９ｂ、９ｃのガスシール性が担保されている。
【００５３】
そして、上部のフランジ９４には、中央部に発電セル１の外法より大きい穴９７が設けられ、この穴９７には錘９８が配置されている。この錘９８により、集電体１２ａ、１３ｂに挟まれた発電セル１とセパレータ７との相互密着性及び内部改質器８とセパレータ７との相互密着性が担保されている。
【００５４】
次いで、第２の実施形態における平板積層形燃料電池スタックの作用について、説明する。
まず、燃料ガスとして、都市ガスを未改質ガスマニホールド９ｃに供給するとともに、酸化剤ガスとして、空気を酸化剤ガスマニホールド９ｂに供給する。
【００５５】
すると、未改質ガスマニホールド９ｃに供給された都市ガスは、未改質ガス穴８０ｃを介し、中段部に介装された内部改質器８に供給され、供給部８３から改質器８の凹部に行き渡ることにより、改質触媒層３ａに接触し、水素リッチな燃料ガスに改質される。その際、この改質反応が吸熱反応であることにより、発電反応によって高温に加熱されているスタックの中段部が冷却される。
【００５６】
次いで、燃料ガスは、排出部８４から燃料ガス穴８０ａを介して燃料ガスマニホールド９ａに供給される。すると、この燃料ガスマニホールド９ａに供給された燃料ガスは、燃料ガス穴７０ａを介してセパレータ７の燃料ガス流路７ａに供給され、燃料ガス流路７ａの開口から発電セル１の燃料極集電体１２ａに供給され、燃料極集電体１２ａ内を流通し、燃料極層１２に供給される。
【００５７】
他方、酸化剤ガスマニホールド９ｂに供給された空気は、第１の実施形態と同様に、酸化剤ガス穴７０ｂを介して、セパレータ７の酸化剤流路７ｂに供給され、酸化剤流路７ｂの開口から発電セル１の空気極集電体１３ｂに供給される。
すると、第１の実施形態と同様に、燃料極層１２との界面近傍において、燃料ガス中の水素と反応し、反応生成物（Ｈ2Ｏ、ＣＯ2等）を外部に放出するとともに、燃料極層１２に電子を放出する。
【００５８】
以上のように、平板積層形燃料電池スタックは、セパレータ２、７の外周部２２、７７と、内部改質器３、８の外周部３３、８８又は上記供給部３１、排出部３２としてのチューブとが、少なくとも上記積層方向に変位可能となる可撓性を有するため、積層部材が異なる中央部２０、３０、７２、８１と、外周部２２、３３、７７、８８又は上記チューブとが個々に押圧される。その結果、上記フランジ４、９４と、両端部にナット４２、９６を螺合したボルト４１、９５との締付け力により、ガスマニホールド５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄのガスシール性が担保されると共に、最上段のセパレータ２の中央部上に載置された錘６、９８により、積層部材の相互密着性が向上する。
【００５９】
特に、燃料ガスマニホールド５ａ、９ａ、酸化剤ガスマニホールド５ｂ、９ｂ、未改質ガスマニホールド５ｃ、９ｃ及び改質ガスマニホールド５ｄが、四隅等の角隅部に配設されているため、上記可撓性を有するセパレータ２、７及び内部改質器３、８が上記積層方向に変位することにより、高さ違いを吸収し易く、安定した発電性能が確保される。
【００６０】
また、第１の実施形態の平板積層形燃料電池スタックは、発電セル１の外周部にガス漏れ防止用シールを敢えて設けないシールレス構造を採用しており、かつ、上部及び下部に配設されたフランジ４内部において、改質ガスマニホールド５ｄの排出口と燃料ガスマニホールド５ａの供給口とが接続されているため、内部改質器３において改質された燃料ガスは、上部又は下部に移動する間に発電セル１の外周部から放出された排ガスにより温められて、上部及び下部において燃料電池スタックを加温して、中段部及び両端部における温度差を積極的に改善するため、平板積層形燃料電池スタック全体において効率の高い発電が行われる。
【００６１】
他方、第２の実施形態の平板積層形燃料電池スタックは、セパレータ７及び内部改質器８の外周部７７、８８とされる角隅部に、内部改質器８の排出部８４に燃料ガスマニホールド９ａと、酸化剤ガスマニホールド９ｂ及び未改質ガスマニホールド９ｃを設けたため、セパレータ７の隙間及び内部改質器８の隙間に介装されるマニホールドリング９１が不要となり、マニホールドリング９１数を減少させることができる。その結果、より大きな積層方向への可撓性を付与し、確実に安定した発電性能を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明に係る第１の実施形態における燃料電池スタックの正面模式図である。
【図２】（ａ）は、図１の一部拡大図であり、（ｂ）は、（ａ）の背面模式図である。
【図３】図１のセパレータ及び／又は内部改質器の平面模式図であり、（ａ）はセパレータの説明図であり、（ｂ）は内部改質器の説明図であり、（ｃ）は（ａ）のセパレータと（ｂ）の内部改質器とを積層した状態の説明図である。
【図４】図１の内部改質器のその他の一実施形態を示した平面模式図であり、（ａ）はセパレータの説明図であり、（ｂ）は内部改質器の説明図であり、（ｃ）は（ａ）のセパレータと（ｂ）の内部改質器とを積層した状態の説明図である。
【図５】本発明に係る第２の実施形態における燃料電池スタックの正面模式図である。
【図６】図５のセパレータ又は内部改質器の平面模式図であり、（ａ）はセパレータの説明図であり、（ｂ）は内部改質器の説明図である。
【符号の説明】
【００６３】
２、７・・・セパレータ
２ａ、７ａ・・・燃料ガス流路
２ｂ、７ｂ・・・酸化剤流路
３、８・・・内部改質器
３ａ・・・改質触媒層
５ａ、９ａ・・・燃料ガスマニホールド
５ｂ、９ｂ・・・酸化剤ガスマニホールド
５ｃ、９ｃ・・・未改質ガスマニホールド
５ｄ・・・改質ガスマニホールド
２０、３０、７２、８１・・・中央部
５０ａ、７０ａ・・・燃料ガス穴
５０ｂ、７０ｂ・・・酸化剤ガス穴
５０ｃ、７０ｃ・・・未改質ガス穴
５０ｄ・・・改質ガス穴
【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】
2007103343.tif 000007
【図６】
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