特開 2024-34705 燃料電池、燃料電池システム、発電装置、及び航空機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024034705

(43)【公開日】2024-03-13

(54)【発明の名称】燃料電池、燃料電池システム、発電装置、及び航空機

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/2465 20160101AFI20240306BHJP

   H01M 8/248 20160101ALI20240306BHJP

   H01M 8/0247 20160101ALI20240306BHJP

   H01M 8/12 20160101ALI20240306BHJP

   H01M 8/2425 20160101ALI20240306BHJP

   H01M 8/2475 20160101ALI20240306BHJP

   H01M 8/00 20160101ALI20240306BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20240306BHJP

   H01M 8/04111 20160101ALI20240306BHJP

【ＦＩ】

H01M8/2465

H01M8/248

H01M8/0247

H01M8/12 101

H01M8/12 102A

H01M8/2425

H01M8/2475

H01M8/00 Z

H01M8/04 Z

H01M8/04111

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022139142

(22)【出願日】2022-09-01

(71)【出願人】

【識別番号】503361400

【氏名又は名称】国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構

(74)【代理人】

【識別番号】110003339

【氏名又は名称】弁理士法人南青山国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小島 孝之

(72)【発明者】

【氏名】岡井 敬一

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126AA22

5H126AA23

5H126AA25

5H126BB06

5H126FF10

5H127AA07

5H127AB04

5H127AB28

5H127BA02

5H127BA22

5H127BA40

5H127BA59

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB20

5H127BB37

(57)【要約】

【課題】圧力変化に対する耐久性が高い燃料電池、燃料電池システム、発電装置、及び航空機を提供すること。
【解決手段】本発明の一形態に係る燃料電池は、少なくとも１つのセルユニットと、セルブロックと、圧力差影響抑制部とを具備する。前記少なくとも一つのセルユニットは、電解質層を燃料電極と酸化剤電極とで挟んだ発電セルと、前記燃料電極側に燃料ガスの流路を形成する第１のセパレータと、前記酸化剤電極側に酸化剤ガスの流路を形成する第２のセパレータとを有する。前記セルブロックは、前記少なくとも１つのセルユニットからなる。前記圧力差影響抑制部は、前記セルブロックにおいて最も外側に配置される前記第１のセパレータ及び前記第２のセパレータの少なくとも一方を対象セパレータとして、前記対象セパレータの変形を抑制する。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電解質層を燃料電極と酸化剤電極とで挟んだ発電セルと、前記燃料電極側に燃料ガスの流路を形成する第１のセパレータと、前記酸化剤電極側に酸化剤ガスの流路を形成する第２のセパレータとを有する少なくとも一つのセルユニットと、
前記少なくとも１つのセルユニットからなるセルブロックと、
前記セルブロックにおいて最も外側に配置される前記第１のセパレータ及び前記第２のセパレータの少なくとも一方を対象セパレータとして、前記対象セパレータに対する圧力差による影響を抑制する圧力差影響抑制部と
を具備する燃料電池。

【請求項2】

請求項１に記載の燃料電池であって
前記圧力差影響抑制部は、圧力差による前記対象セパレータの変形、及び圧力差による前記対象セパレータ周りでの漏洩の少なくとも一方を抑制する機構である
燃料電池。

【請求項3】

請求項１に記載の燃料電池であって、
前記少なくとも１つのセルユニットは、複数のセルユニットであり、
前記セルブロックは、前記燃料ガスの流路と前記酸化剤ガスの流路とが交互に形成されるように前記複数のセルユニットを積層した積層体である
燃料電池。

【請求項4】

請求項１から３のうちいずれか１項に記載の燃料電池であって、
前記圧力差影響抑制部は、前記対象セパレータの外側から圧力を作用させる圧力機構である
燃料電池。

【請求項5】

請求項４に記載の燃料電池であって、
前記圧力機構は、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスのうち前記発電セルを挟んで前記対象セパレータとは反対側に流れる対象ガスと同等の圧力を前記対象セパレータの外側から作用させる
燃料電池。

【請求項6】

請求項５に記載の燃料電池であって、
前記圧力機構は、前記対象セパレータの外側から圧力を作用させる作用ガスの流路を前記対象セパレータの外側に形成する
燃料電池。

【請求項7】

請求項６に記載の燃料電池であって、
前記作用ガスは、前記対象ガスであり、
前記圧力機構は、前記作用ガスの流路を、前記対象ガスと共通する流入路及び流出路に接続する
燃料電池。

【請求項8】

請求項７に記載の燃料電池であって、
前記圧力機構は、前記作用ガスの流路として、前記発電セルに沿った前記対象ガスの流路と同様の流路を形成する
燃料電池。

【請求項9】

請求項１から３のうちいずれか１項に記載の燃料電池であって、
前記圧力差影響抑制部は、前記対象セパレータに沿って設けられ前記対象セパレータの剛性を補強する補強機構である
燃料電池。

【請求項10】

請求項９に記載の燃料電池であって、
前記補強機構は、前記対象セパレータに沿って設けられた溝部又はリブ部を含む
燃料電池。

【請求項11】

請求項１から３のうちいずれか１項に記載の燃料電池であって、
前記電解質層は、固体酸化物電解質により構成される
燃料電池。

【請求項12】

請求項１から３のうちいずれか１項に記載の燃料電池であって、
加圧容器内に配置される
燃料電池。

【請求項13】

加圧容器と、
電解質層を燃料電極と酸化剤電極とで挟んだ発電セルと、前記燃料電極側に燃料ガスの流路を形成する第１のセパレータと、前記酸化剤電極側に酸化剤ガスの流路を形成する第２のセパレータとを有する少なくとも一つのセルユニットと、
前記少なくとも１つのセルユニットからなるセルブロックと、
前記セルブロックにおいて最も外側に配置される前記第１のセパレータ及び前記第２のセパレータの少なくとも一方を対象セパレータとして、前記対象セパレータに対する圧力差による影響を抑制する圧力差影響抑制部とを有し、前記加圧容器に格納される燃料電池と、
前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する第１の供給ラインと、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する第２の供給ラインと
を具備する燃料電池システム。

【請求項14】

加圧容器と、
電解質層を燃料電極と酸化剤電極とで挟んだ発電セルと、前記燃料電極側に燃料ガスの流路を形成する第１のセパレータと、前記酸化剤電極側に酸化剤ガスの流路を形成する第２のセパレータとを有する少なくとも一つのセルユニットと、
前記少なくとも１つのセルユニットからなるセルブロックと、
前記セルブロックにおいて最も外側に配置される前記第１のセパレータ及び前記第２のセパレータの少なくとも一方を対象セパレータとして、前記対象セパレータに対する圧力差による影響を抑制する圧力差影響抑制部とを有し、前記加圧容器に格納される燃料電池と、
発電機と、
空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された空気と前記燃料ガスとを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスを駆動源として前記圧縮機及び前記発電機を駆動するタービンとを有するガスタービンと、
前記燃料電池に前記燃料ガスを供給し、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記燃焼器に供給する第１の供給ラインと、
前記燃料電池に前記酸化剤ガスとして前記圧縮機により圧縮された空気を供給し、前記加圧容器に加圧ガスとして前記圧縮機により圧縮された空気を供給し、前記燃料電池から排出された空気を前記燃焼器に供給する第２の供給ラインと
を具備する発電装置。

【請求項15】

請求項１４に記載の発電装置を具備する
航空機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池、燃料電池システム、発電装置、及び航空機に関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池は、電解質の両面を電極で挟んだ発電用のセルを用いて構成される。この発電用のセルの両面には燃料となる気体及び酸化剤となる気体を通す流路がそれぞれ形成される。例えば特許文献１には、平板型のセル本体を積層した四辺形の燃料電池スタックについて記載されている。この燃料電池スタックでは、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給・排出する４つのガスマニホールドが四辺形の４隅にそれぞれ設けられる。またセル本体の一方の面側に形成された燃料ガス流路には、燃料ガスを供給・排出するマニホールドが接続され、セル本体の他方の面側に形成された酸化剤ガス流路には、酸化剤ガスを供給・排出するマニホールドが接続される（特許文献１の明細書段落［００２６］［００３１］図１、図３等）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１９－１１７７０７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

燃料電池は、航空機、自動車、発電といった様々な分野での応用が期待されている。一方で燃料電池の用途や使用状況等によっては、発電用のセルの周辺を流れる気体の圧力が変化し、燃料電池が破損する可能性がある。このため、圧力変化に対する耐久性を向上することが可能な技術が求められている。

【0005】

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、圧力変化に対する耐久性が高い燃料電池、燃料電池システム、発電装置、及び航空機を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る燃料電池は、少なくとも１つのセルユニットと、セルブロックと、圧力差影響抑制部とを具備する。
前記少なくとも一つのセルユニットは、電解質層を燃料電極と酸化剤電極とで挟んだ発電セルと、前記燃料電極側に燃料ガスの流路を形成する第１のセパレータと、前記酸化剤電極側に酸化剤ガスの流路を形成する第２のセパレータとを有する。
前記セルブロックは、前記少なくとも１つのセルユニットからなる。
前記圧力差影響抑制部は、前記セルブロックにおいて最も外側に配置される前記第１のセパレータ及び前記第２のセパレータの少なくとも一方を対象セパレータとして、前記対象セパレータに対する圧力差による影響を抑制する。

【0007】

この燃料電池では、少なくとも１つのセルユニットによりセルブロックが構成される。各セルユニットでは、発電セルを構成する電解質層の燃料電極側及び酸化剤電極側に、燃料ガスの流路を形成する第１のセパレータ及び酸化剤ガスの流路を形成する第２のセパレータがそれぞれ配置される。また燃料電池には、セルブロックの最も外側に配置される第１及び第２のセパレータの少なくとも一方を対象セパレータとして、圧力差による変形や漏洩等の影響を抑制する圧力差影響抑制部が設けられる。これにより、例えば対象セパレータに隣接する発電セルの圧力による変形等が抑制され、圧力変化に対する耐久性を高くすることが可能となる。

【0008】

前記圧力差影響抑制部は、圧力差による前記対象セパレータの変形、及び圧力差による前記対象セパレータ周りでの漏洩の少なくとも一方を抑制する機構であってもよい。

【0009】

前記少なくとも１つのセルユニットは、複数のセルユニットであってもよい。この場合、前記セルブロックは、前記燃料ガスの流路と前記酸化剤ガスの流路とが交互に形成されるように前記複数のセルユニットを積層した積層体であってもよい。

【0010】

前記圧力差影響抑制部は、前記対象セパレータの外側から圧力を作用させる圧力機構であってもよい。

【0011】

前記圧力機構は、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスのうち前記発電セルを挟んで前記対象セパレータとは反対側に流れる対象ガスと同等の圧力を前記対象セパレータの外側から作用させてもよい。

【0012】

前記圧力機構は、前記対象セパレータの外側から圧力を作用させる作用ガスの流路を前記対象セパレータの外側に形成してもよい。

【0013】

前記作用ガスは、前記対象ガスであってもよい。この場合、前記圧力機構は、前記作用ガスの流路を、前記対象ガスと共通する流入路及び流出路に接続してもよい。

【0014】

前記圧力機構は、前記作用ガスの流路として、前記発電セルに沿った前記対象ガスの流路と同様の流路を形成してもよい。

【0015】

前記圧力差影響抑制部は、前記対象セパレータに沿って設けられ前記対象セパレータの剛性を補強する補強機構であってもよい。

【0016】

前記補強機構は、前記対象セパレータに沿って設けられた溝部又はリブ部を含んでもよい。

【0017】

前記電解質層は、固体酸化物電解質により構成されてもよい。

【0018】

加圧容器内に配置されてもよい。

【0019】

本発明の一形態に係る燃料電池システムは、加圧容器と、燃料電池と、第１の供給ラインと、第２の供給ラインとを具備する。
前記燃料電池は、
電解質層を燃料電極と酸化剤電極とで挟んだ発電セルと、前記燃料電極側に燃料ガスの流路を形成する第１のセパレータと、前記酸化剤電極側に酸化剤ガスの流路を形成する第２のセパレータとを有する少なくとも一つのセルユニットと、
前記少なくとも１つのセルユニットからなるセルブロックと、
前記セルブロックにおいて最も外側に配置される前記第１のセパレータ及び前記第２のセパレータの少なくとも一方を対象セパレータとして、前記対象セパレータに対する圧力差による影響を抑制する圧力差影響抑制部とを有し、前記加圧容器に格納される。
前記第１の供給ラインは、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給する。
前記第２の供給ラインは、前記燃料電池に前記酸化剤ガスを供給する。

【0020】

本発明の一形態に係る発電装置は、加圧容器と、燃料電池と、発電機と、ガスタービンと、第１の供給ラインと、第２の供給ラインとを具備する。
前記燃料電池は、
電解質層を燃料電極と酸化剤電極とで挟んだ発電セルと、前記燃料電極側に燃料ガスの流路を形成する第１のセパレータと、前記酸化剤電極側に酸化剤ガスの流路を形成する第２のセパレータとを有する少なくとも一つのセルユニットと、
前記少なくとも１つのセルユニットからなるセルブロックと、
前記セルブロックにおいて最も外側に配置される前記第１のセパレータ及び前記第２のセパレータの少なくとも一方を対象セパレータとして、前記対象セパレータに対する圧力差による影響を抑制する圧力差影響抑制部とを有し、前記加圧容器に格納される。
前記ガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された空気と前記燃料ガスとを燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスを駆動源として前記圧縮機及び前記発電機を駆動するタービンとを有する。
前記第１の供給ラインは、前記燃料電池に前記燃料ガスを供給し、前記燃料電池から排出された前記燃料ガスを前記燃焼器に供給する。
前記第２の供給ラインは、前記燃料電池に前記酸化剤ガスとして前記圧縮機により圧縮された空気を供給し、前記加圧容器に加圧ガスとして前記圧縮機により圧縮された空気を供給し、前記燃料電池から排出された空気を前記燃焼器に供給する。

【0021】

本発明の一形態に係る航空機は、前記発電装置を具備する。

【発明の効果】

【0022】

以上のように、本発明によれば、圧力変化に対する耐久性が高い燃料電池、燃料電池システム、発電装置、及び航空機を提供することが可能となる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】本発明の一実施形態に係る燃料電池を含む発電装置の構成例を示す模式図である。

【図2】燃料電池のセルユニットの構成例を示す模式図である。

【図3】燃料電池のセルユニットの構成例を示す模式図である。

【図4】燃料電池の構成例を示す模式図である。

【図5】圧力機構の構成例を示す模式図である。

【図6】比較例として挙げる燃料電池の構成例を示す模式図である。

【図7】ガスタービン起動時の圧力変化を示すグラフである。

【図8】セルユニットごとの電流電圧特性を示すグラフである。

【図9】図４に示す燃料電池における圧力状態の一例を示す模式図である。

【図10】図４に示す燃料電池における圧力状態の他の一例を示す模式図である。

【図11】圧力機構の他の構成例を示す模式図である。

【図12】圧力機構の他の構成例を示す模式図である。

【図13】圧力機構の他の構成例を示す模式図である。

【図14】複合発電ジェットエンジンを搭載した航空機の一例を示す模式図である。

【図15】複合発電ジェットエンジンの構成例を示す模式図である。

【図16】他の実施形態に係る圧力差影響抑制部の一例を示す模式図である。

【図17】他の実施形態に係る圧力差影響抑制部の一例を示す模式図である。

【図18】他の実施形態に係る圧力差影響抑制部の一例を示す模式図である。

【図19】他の実施形態に係る地上設置型の発電装置の一例を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、本発明に係る実施形態を、図面を参照しながら説明する。

【0025】

［発電装置］
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池を含む発電装置の構成例を示す模式図である。発電装置１００は、燃料電池１０とガスタービン１３とを組み合わせたコンバインド発電を行う装置である。発電装置１００を構成する燃料電池１０及びガスタービン１３では、共通の酸化剤ガス及び燃料ガスが用いられる。

【0026】

発電装置１００では、燃料電池１０に供給する酸化剤ガスがガスタービン１３の圧縮機５１により抽出される。この酸化剤ガスは燃料ガスとともに燃料電池１０に供給される。燃料電池１０での発電後、燃料電池１０から排出された余剰の酸化剤ガス及び燃料ガスは、ガスタービン１３の燃焼器５２に供給される。燃焼器５２から噴出する燃焼ガスによりガスタービン１３に設けられたタービン５３が回転し、タービン５３に接続された発電機１２が駆動される。このように、発電装置１００は、燃料電池１０による発電とガスタービン１３による発電とを行うコンバインド発電システムとして構成される。

【0027】

図１に示す発電装置１００は、航空機に搭載される。発電装置１００により生成される電力は、例えば航空機の推進ファンの動力となるモータ等を駆動するために用いられる。
図１に示すように、発電装置１００は、燃料電池１０と、加圧容器１１と、発電機１２と、ガスタービン１３と、燃料タンク１４と、燃料用供給ライン１５と、空気用供給ライン１６とを有する。

【0028】

燃料電池１０には、平板型の発電セル２０が用いられる。発電セル２０は電解質の両面に電極を設けた構造を有する。一方の電極には燃料ガスが供給され、他方の電極には酸化剤ガスが供給される。
燃料電池１０は、典型的には、複数の発電セル２０を積層した積層体（セルスタック）として構成される。平板型の燃料電池１０は、円筒型に比べ燃料電池１０の本体の体積を抑えることが可能であり、この点で航空機へ適用する形態として好ましい。
なお、図１には、燃料電池１０として、１つの発電セル２０を含むセルユニット５が模式的に図示されている。セルユニット５は、燃料電池１０の基本単位である。実際の燃料電池１０は、複数のセルユニット５を積層して構成される。複数のセルユニット５を積層したセルスタックの構成については、図４を参照して後述する。

【0029】

本実施形態では、燃料電池１０の電解質層２１が、固体酸化物電解質により構成される。従って燃料電池１０は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）となる。また、発電装置１００は、ＳＯＦＣとＧＴ（ガスタービン１３）とを組み合わせたＳＯＦＣ－ＧＴ複合発電ジェットエンジンの一部として機能する。
ＳＯＦＣは、例えば７００℃から１０００℃程度の比較的高温で運転される電池であり、高温の廃熱を回収することが期待できる。またＳＯＦＣを構成する部材は全て固体であることから、装置の構成が簡単になり、安定した性能や長寿命化が期待できる。
航空機では、ＳＯＦＣの利用により、ジェット燃料等を利用した従来のターボファンエンジンと比べ、熱効率や推進効率を大幅に向上した推進機関を実現することが可能である。

【0030】

本実施形態では、燃料電池１０に供給される燃料ガスとして水素ガス１が用いられる。また酸化剤ガスとして空気２が用いられる。水素と空気との化学反応により発電を行う燃料電池１０からは、水（Ｈ₂Ｏ）と化学反応せずに残る水素及び酸素だけが排出される。
なお燃料ガスや酸化剤ガスの種類は限定されない。例えば燃料ガスとして、各種の炭化水素、アルコール、一酸化炭素等が用いられてもよい。また酸化剤ガスとして、空気が用いられてもよい。

【0031】

燃料電池１０には、水素ガス１の入口となる水素入口２４、水素ガス１の出口となる水素出口２５、空気２の入口となる空気入口２６、及び空気２の出口となる空気出口２７がそれぞれ設けられる。水素入口２４及び水素出口２５は、燃料用供給ライン１５に接続され、空気入口２６及び空気出口２７は、空気用供給ライン１６に接続される。水素ガス１及び空気２は、エンジン（ガスタービン１３）の運転と連動して供給され、作動圧力、温度、流量が変化していく。燃料電池１０（スタック本体）は、加圧容器１１に格納される。燃料電池１０の具体的な構成については、後に詳しく説明する。

【0032】

加圧容器１１は、燃料電池１０を格納する容器である。加圧容器１１は、容器内部の気圧が容器外部の気圧よりも高い状態（加圧雰囲気）を維持できるように構成される。
図１に示すように、加圧容器１１には、容器内部に連通するように、空気用供給ライン１６と容器放圧弁１７とが接続される。空気用供給ライン１６からは、容器内部に圧縮された空気２が供給される。容器放圧弁１７は、容器内部の高圧の空気２を容器外部に放出する弁である。容器放圧弁１７としては、例えば容器内部の圧力が所定の圧力以上となった場合に圧力を逃がす圧力調整弁（安全弁）や遠隔操作の自動弁等が用いられる。
この他、加圧容器１１の隔壁を貫通して燃料電池１０につながる各種の配管（水素ガス１や空気２を供給・排出するための配管等）が設けられる。

【0033】

発電機１２は、ガスタービン１３に接続される。具体的には、発電機１２は、ガスタービン１３に設けられた回転軸５０に接続され、回転軸５０により回転駆動されることで電力を発生させる。発電機１２の種類は限定されず、任意の形式の発電機を用いることが可能である。発電機１２により生成された電力は、燃料電池１０により生成された電力とともに、モータやバッテリー等に供給される。

【0034】

ガスタービン１３は、圧縮機５１と、燃焼器５２と、タービン５３とを有する。
本実施形態では、ガスタービン１３として、水素ガス１を燃料とする水素ガスタービンが用いられる。また、ガスタービン１３は、発電機１２を駆動するための動力源である。従ってガスタービン１３及び発電機１２により、水素ガスタービン発電機が構成される。

【0035】

なお、ガスタービン１３は、燃焼ガスの噴流（ジェット）により推進力を得るジェットエンジンとして構成されてもよい。例えば、ガスタービン１３は、ターボファンエンジンとして構成されてもよい。この他、本発明に係るジェットエンジンには、噴流を生成し、タービン５３を用いて回転力を生成しプロペラやファンによる推進力として変換し用いる場合も含まれる。

【0036】

圧縮機５１は、ガスタービン１３に取り込まれた空気２を圧縮する。圧縮機５１は、回転軸５０を介してタービン５３と接続され、タービン５３（回転軸５０）の回転によって駆動される圧縮機である。圧縮機５１の具体的な構成は限定されず、例えば軸流式圧縮機、遠心式圧縮機、斜流圧縮機等の任意の形式の圧縮機が用いられてよい。
燃焼器５２は、水素ガス１を燃焼させる水素燃焼器である。燃焼器５２は、圧縮機５１により圧縮された空気２（圧縮空気）と水素ガス１とを燃焼させ、高温高圧の燃焼ガスを生成する。燃焼器５２から噴出した燃焼ガスは、燃焼器５２の下流に配置されたタービン５３に送り込まれる。
タービン５３は、回転軸５０に接続され、燃焼器５２からの燃焼ガスを駆動源として圧縮機５１及び発電機１２を駆動する。燃焼ガスを受けたタービン５３は回転軸５０とともに回転し、回転軸５０により圧縮機５１及び発電機１２が回転駆動される。

【0037】

燃料タンク１４は、燃料電池１０及びガスタービン１３（燃焼器５２）の燃料を貯蔵するタンクである。本実施形態では、燃料タンク１４は、水素を貯蔵する水素タンクである。これに限定されず、例えば液化水素を貯蔵可能なように構成され、高圧の断熱容器や低圧の断熱容器内に燃料昇圧用のポンプが備え付けられたタンク等が燃料タンク１４として用いられてもよい。

【0038】

燃料用供給ライン１５は、燃料電池１０に水素ガス１を供給し、燃料電池１０から排出された水素ガス１をガスタービン１３の燃焼器５２に供給する。本実施形態では、燃料用供給ライン１５は、第１の供給ラインに相当する。
燃料用供給ライン１５は、水素配管５５ａと、流量調整弁５６ａと、水素配管５５ｂとを有する。また燃料用供給ライン１５は、後述する空気用供給ライン１６と共通の配管として、合流配管５７を有する。なお図１では、水素ガス１が通る経路を太い点線で模式的に図示している。

【0039】

水素配管５５ａは、水素を貯蔵する燃料タンク１４と燃料電池１０の水素入口２４とをつなぐ配管である。燃料タンク１４に貯蔵された水素ガスもしくは液化水素は、例えば臨界状態のまま水素配管５５ａ内を圧送される。また液化水素は、水素配管５５ａを通過する過程で気化し、水素入口２４には水素ガス１が供給される。
流量調整弁５６ａは、水素配管５５ａに設けられ、燃料電池１０や燃焼器５２に対する水素ガス１の供給量を調整する。流量調整弁５６ａとしては、例えば極低温用の電磁流量調整弁等が用いられる。

【0040】

水素配管５５ｂは、燃料電池１０の水素出口２５と合流配管５７とをつなぐ配管である。燃料電池１０から排出された高温の水素ガス１は、水素配管５５ｂを通過して合流配管５７に供給される。
合流配管５７は、水素配管５５ｂを通過した水素ガス１と後述する空気配管５８ｂを通過した空気２とが合流する配管である。なお燃焼器５２に挿入する部位によっては、水素ガス１と空気２とを合流せずに個別の配管として接続してもよい。

【0041】

空気用供給ライン１６は、燃料電池１０に酸化剤ガスとして圧縮機５１により圧縮された空気２（圧縮空気）を供給し、燃料電池１０から排出された空気２を燃焼器５２に供給する。
また、空気用供給ライン１６は、加圧容器１１に加圧ガスとして圧縮機５１により圧縮された空気２を供給する。本実施形態では、空気用供給ライン１６は、第２の供給ラインに相当する。
空気用供給ライン１６は、空気配管５８ａと、流量調整弁５６ｂと、流路制御弁５９と、流量計４６と、空気配管５８ｂと、容器加圧弁４７と、外部空気源４８と、流量調整弁５６ｃとを有する。

【0042】

空気配管５８ａは、ガスタービン１３の圧縮機５１と燃料電池１０の空気入口２６とをつなぐ配管である。空気配管５８ａには、圧縮機５１の出口側から空気入口２６にかけて、流量調整弁５６ｂ、流路制御弁５９、及び流量計４６がこの順番で接続される。
流量調整弁５６ｂは、圧縮機５１から空気配管５８ａへの空気２（圧縮空気）の供給量を調整する。流量調整弁５６ｂとしては、例えば高圧ガス用の電磁流量調整弁等が用いられる。
流路制御弁５９は、圧縮機５１から空気配管５８ａへ供給される空気２の流路を開閉する。流量調整弁５６ｂとしては、例えば電磁遮断弁等が用いられる。
流量計４６は、空気配管５８ａから燃料電池１０に供給される空気２の流量を測定する。

【0043】

空気配管５８ｂは、燃料電池１０の空気出口２７と合流配管５７とをつなぐ配管である。燃料電池１０から排出された高温の空気２は、空気配管５８ｂを通過して合流配管５７に供給される。また合流配管５７は、ガスタービン１３の燃焼器５２に接続される。従って、合流配管５７は、燃料電池１０から排出された高温の水素ガス１及び空気２が混合された混合ガスを燃焼器５２に供給する。

【0044】

容器加圧弁４７は、空気配管５８ａを加圧容器１１の容器内部に接続する配管上に設けられ、空気配管５８ａ内の圧縮空気により加圧容器１１を加圧する弁である。容器加圧弁４７としては、例えば空気配管５８ａ側の圧力を調整して加圧容器１１側に供給する圧力調整弁（減圧弁）等が用いられる。
このように発電装置１００は、容器加圧弁４７及び容器放圧弁１７により加圧容器１１の圧力を調整して、燃料電池１０の内圧と外圧とを均圧させる構成となっている。

【0045】

外部空気源４８は、ガスタービン１３とは独立して空気２を取り込む装置であり、空気配管５８ａに接続される。外部空気源４８としては、例えば外部から取り込んだ空気２を圧縮して排出する空気圧縮機が用いられる。外部空気源４８は、例えば発電装置１００の起動時にガスタービン１３（圧縮機５１）に代えて空気配管５８ａに空気２を供給する。
流量調整弁５６ｃは、外部空気源４８と空気配管５８ａとの間に設けられ、外部空気源４８から空気配管５８ａへの空気２の供給量を調整する。流量調整弁５６ｃとしては、例えば高圧ガス用の電磁流量調整弁等が用いられる。

【0046】

発電装置１００では、圧縮機５１又は外部空気源４８から空気配管５８ａへ空気２が供給される。
例えば、発電装置１００の起動時に、圧縮機５１（回転軸５０）の回転数が低い状態では圧縮機５１は十分な圧力の圧縮空気を発生させることができない。この場合、流路制御弁５９により圧縮機５１からの空気２の流路がカットされ、空気配管５８ａには外部空気源４８から空気２が供給される。また例えば圧縮機５１から十分な圧力の空気２が供給可能になった場合、流路制御弁５９が開き圧縮機５１からの空気配管５８ａに空気２が供給される。この時、流量調整弁５６ｃは外部空気源４８から空気配管５８ａへの空気２の供給をカットする。このように通常の運転時には、圧縮機５１からの空気２が燃料電池１０に供給される。

【0047】

また圧縮機５１や外部空気源４８から空気配管５８ａに供給された空気２の流量（供給量）は、空気入口２６の前段に設けられた流量計４６により測定され、その測定結果に基づいて上流の流量調整弁５６ｂや流量調整弁５６ｃによる空気２の流量調整が行われる。
圧縮機５１又は外部空気源４８から空気配管５８ａへ空気２の供給は、排他的に切り替えられてもよいし、一時的に併用されてもよい。

【0048】

［燃料電池のセルユニットの構成］
図２及び図３は、燃料電池１０のセルユニット５の構成例を示す模式図である。図２には、加圧容器１１に格納されたセルユニット５を示す断面図が模式的に図示されている。また図３には、セルユニット５の一部を拡大した斜視図が模式的に図示されている。
セルユニット５は、燃料電池１０の基本単位であり、各セルユニット５が発電機能を備えている。セルユニット５は、上記した発電セル２０と、第１のインターコネクタ３１と、第２のインターコネクタ３２と、シール部３３と、第１の集電材３４と、第２の集電材３５とを有する。

【0049】

発電セル２０は、電解質層２１と、燃料極（アノード）２２と、空気極（カソード）２３とを有する。電解質層２１、燃料極２２、及び空気極２３は、いずれも平板状に構成される。発電セルは、電解質層２１を燃料極２２と空気極２３とで挟んだ構造となっている。本実施形態では、燃料極２２は、燃料電極に相当し、空気極２３は、酸化剤電極に相当する。

【0050】

電解質層２１は、高温で酸素イオンの導電性の良い材料であり、例えばジルコニア系材料、セリア系材料、ペロブスカイト系材料の酸化物が用いられる。また、高温で高いイオン導電性を持つものであれば、例えばプロトン伝導性酸化物等の他の形式でもよい。燃料極２２は、水素ガス１に接する電極である。燃料極２２の材料には、例えばＮｉ、Ｃｏ等の金属やそれらを用いた多孔質サーメットが用いられる。空気極２３は、空気２に接する電極である。空気極２３は、高温の酸化性雰囲気にさらされるため、そのような環境でも化学的に安定した材料で構成される。空気極２３の材料には、例えば電気伝導性の高いペロブスカイト型の酸化物材料が用いられる。

【0051】

図２に示す発電セル２０では、燃料極２２の一方の面（燃料極２２の図中上側の面）に、その面内に収まるように電解質層２１が形成される。また電解質層２１の燃料極２２とは反対側の面（電解質層２１の図中上側の面）に、その面内に収まるように空気極２３が形成される。従って、発電セル２０は、燃料極２２により電解質層２１及び空気極２３を支持する燃料極サポート型のセルとなる。この場合、図示を省略した支持部材（セルホルダ）に燃料極２２が固定される。
なお、空気極２３により電解質層２１及び燃料極２２を支持する空気極サポート型の発電セル２０や、強度や靭性の高い薄膜の耐熱金属を挟むメタルサポート型の発電セル２０等が用いられてもよい。

【0052】

電解質層２１、燃料極２２、及び空気極２３の平面形状は、例えば円形状であり、それぞれの中心が平面視で重なるように配置して円板型の発電セル２０が構成される。発電セル２０の直径は、例えば５ｃｍ～３０ｃｍの範囲で適宜設定される。また発電セル２０の厚み（燃料極２２、電解質層２１、及び空気極２３を積層した合計の厚み）は、例えば０．５ｍｍ程度である。図２では、発電セル２０の平面サイズに対して厚みが強調して図示されているが、実際には発電セル２０は非常に薄い部材となる。
なお、発電セル２０（電解質層２１、燃料極２２、及び空気極２３）の平面形状や厚み等は限定されず、要求される発電性能や装置重量等に応じて適宜設定されてよい。

【0053】

第１のインターコネクタ３１は、発電セル２０の燃料極２２と対向して配置される板状の部材である。第１のインターコネクタ３１は、燃料極２２側に水素ガス１の流路を形成する。
第２のインターコネクタ３２は、発電セル２０の空気極２３と対向して配置される板状の部材である。第２のインターコネクタ３２は、空気極２３側に空気２の流路を形成する。
第１のインターコネクタ３１及び第２のインターコネクタ３２は、セルユニット５において水素ガス１及び空気２の流れを分離するセパレータとして機能する。本実施形態では、第１のインターコネクタ３１は、第１のセパレータに相当し、第２のインターコネクタ３２は、第２のセパレータに相当する。

【0054】

第１のインターコネクタ３１の燃料極２２に向けられる面には、水素ガス１の流路となる水素流路部３６が形成される。水素流路部３６には、例えば水素ガス１を通過させるための隙間や溝が含まれる。また第２のインターコネクタ３２の空気極２３に向けられる面には、空気２の流路となる空気流路部３７が形成される。空気流路部３７には、例えば空気２を通過させるための隙間や溝が含まれる。
水素流路部３６及び空気流路部３７に設けられる流路パターンは、互いに同じパターンであってもよいし、互いに異なるパターンであってもよい。

【0055】

図３に示す例では、水素流路部３６（空気流路部３７）として、第１のインターコネクタ３１（第２のインターコネクタ３２）の表面に互いに離間した複数の凸部３８が設けられる。複数の凸部３８は、薄い円柱型の突起であり、一定の間隔で格子状に配置される。水素流路部３６（空気流路部３７）を設けることで、燃料極２２（空気極２３）の全面にわたって水素ガス１（空気２）の流路を確保することが可能となる。凸部３８を用いた流路パターンにより、水素ガス１や空気２を流路全体に拡散することが可能となる。また、溝を形成するような場合と比べ、軽量化を図ることが可能となる。

【0056】

なお、水素流路部３６や空気流路部３７のパターンは限定されない。例えば直線状の溝（図１２及び図１３等参照）や曲線状の溝により流路が構成されてもよい。また分散して配置された凸部や溝を組み合わせて流路が形成されてもよい。

【0057】

また第１のインターコネクタ３１の水素流路部３６が形成される面とは反対側の面、及び第２のインターコネクタ３２の空気流路部３７が形成される面とは反対側の面は、それぞれ他のセルユニット５と接続される接続面として機能する。接続面は、典型的には平面として構成される。

【0058】

また第１のインターコネクタ３１及び第２のインターコネクタ３２は、高い電気伝導性を持つ材料により構成される。第１のインターコネクタ３１は、後述する第１の集電材３４を介して燃料極２２に電気的に接続される。また第２のインターコネクタ３２は、後述する第２の集電材３５を介して空気極２３に電気的に接続される。従ってセルユニット５において、第１のインターコネクタ３１は、アノード（燃料極）に接続された電極として機能し、第２のインターコネクタ３２は、カソード（空気極）に接続された電極として機能する。

【0059】

シール部３３は、発電セル２０を挟んで流れる水素ガス１及び空気２が漏れないように、第１のインターコネクタ３１及び第２のインターコネクタ３２の間に設けられた封止部材である。またシール部３３は、第１のインターコネクタ３１及び第２のインターコネクタ３２を電気的に分離する絶縁部材としても機能する。
シール部３３としては、絶縁性のシート材料（マイカシート等）や、絶縁性の材料と金属等を組み合わせた複合部材等が用いられる。

【0060】

第１の集電材３４は、発電セル２０の燃料極２２と第１のインターコネクタ３１との間に設けられ、燃料極２２と第１のインターコネクタ３１とを電気的に接続する。第２の集電材３５は、発電セル２０の空気極２３と第２のインターコネクタ３２との間に設けられ、空気極２３と第２のインターコネクタ３２とを電気的に接続する。
第１の集電材３４及び第２の集電材３５を設けることで、発電セル２０が発電する電力を効率的に取り出すことが可能となる。

【0061】

第１の集電材３４及び第２の集電材３５は、水素ガス１及び空気２の流れを阻害しないように通気性のある部材を用いて構成される。、例えば、金属メッシュ、エキスパンドメタル、ポーラスメタル等が第１の集電材３４及び第２の集電材３５として用いられる。なお、第１の集電材３４及び第２の集電材３５を必ずしも設ける必要はない。例えば第１のインターコネクタ３１と燃料極２２とを直接接続してもよいし、第２のインターコネクタ３２と空気極２３とを直接接続してもよい。また第１の集電材３４及び第２の集電材３５のどちらか一方を設けるような構成も可能である。

【0062】

図２に示すように、第１のインターコネクタ３１と燃料極２２との間の空間には、水素入口２４と水素出口２５とが接続され、第１の集電材３４を通過する水素ガス１の流路が形成される。また第２のインターコネクタ３２と空気極２３との間の空間には、空気入口２６と空気出口２７とが接続され、第２の集電材３５を通過する空気２の流路が形成される。

【0063】

なお図２に示す第１のインターコネクタ３１には、厚み方向から見て発電セル２０と重なる位置に、水素入口２４に接続される貫通孔と、水素出口２５に接続される貫通孔とが模式的に図示されている。また第２のインターコネクタ３２には、厚み方向から見て発電セル２０と重なる位置に、空気入口２６に接続される貫通孔と、空気出口２７に接続される貫通孔とが模式的に図示されている。実際のセルユニット５には、発電セル２０と重なるような貫通孔は設けられず、セルユニット５は、後述する水素供給路、水素排出路、空気供給路、及び空気排出路に接続される。

【0064】

また、図３に示すように、本実施形態では、水素ガス１が流れる方向と、空気２が流れる方向とが厚み方向から見て互いに直交するように設定される。これにより、水素ガス１用の入出路と空気２用の入出路を互いに離れた位置に配置することが可能となる。なお、水素ガス１及び空気２の流れる方向を、厚み方向から見て互いに同一方向（平行流）に設定することや反対方向（対抗流）に設定することも可能である。

【0065】

このようにセルユニット５は、電解質層２１、燃料極２２、及び空気極２３を積層した平板型の発電セル２０の両サイドに燃料（水素ガス１）と空気２がそれぞれ流れる構造となる。このようなセルユニット５を数１０枚から１００枚程度重ね合わせることによりスタック構造の燃料電池１０が構成される。

【0066】

［燃料電池の全体の構成］
図４は、燃料電池１０の構成例を示す模式図である。
燃料電池１０は、セルスタック６と、水素供給路４０と、水素排出路４１と、空気供給路４２と、空気排出路４３と、電力取り出し部４５と、圧力差影響抑制部６０とを有する。なお図４では、加圧容器１１の図示を省略している。また図４では、水素ガス１及び空気２の流れが、それぞれ点線のライン及び実線のラインにより模式的に図示されている。

【0067】

セルスタック６は、セルユニット５からなるセルブロックであり、セルユニット５が複数重なって構成される。具体的には、セルスタック６は、水素ガス１の流路と空気２の流路とが交互に形成されるように複数のセルユニット５を積層した積層体である。これは、あるセルユニット５の第１のインターコネクタ３１と、他のセルユニット５の第２のインターコネクタ３２とが接するように複数のセルユニット５を積層した形態である。従って、セルスタック６には、水素ガス１の流路と、発電セル２０と、空気２の流路とが、この順番で繰り返し配置される。

【0068】

以下では、図中の上側及び下側を、セルスタック６（燃料電池１０）の上側及び下側として説明する。なお、上側及び下側といった記載は、セルスタック６の配置や姿勢を限定するものではない。
また図４では各セルユニット５は、第１のインターコネクタ３１（水素ガス１の流路）が下側となり、第２のインターコネクタ３２（空気２の流路）が上側となるように配置される。これに限定されず、第１のインターコネクタ３１が上側となり、第２のインターコネクタ３２が下側となるような配置も可能である。またセルスタック６の積層方向は、上下方向に限定されず、積層方向が左右方向（水平方向）となるようにセルスタック６が配置されてもよい。

【0069】

図４には、３つのセルユニット５を積層したセルスタック６が模式的に図示されている。このうち、最も上側に配置されるセルユニット５を最上セルユニット５ａと記載し、最も下側に配置されるセルユニット５を最下セルユニット５ｂと記載する。また最上セルユニット５ａと最下セルユニット５ｂとの間のセルユニット５を中間セルユニット５ｃと記載する。
セルスタック６では、最上セルユニット５ａの第１のインターコネクタ３１と、中間セルユニット５ｃの第２のインターコネクタ３２とが接続される。また中間セルユニット５ｃの第１のインターコネクタ３１と、最下セルユニット５ｂの第２のインターコネクタ３２とが接続される。
なおセルユニット５の積層数はこれに限定されず、任意の個数のセルユニット５が積層されてよい。

【0070】

また図４に示す例では、隣合うセルユニット５のうち、一方のセルユニット５において第１のインターコネクタ３１となる部材と、他方のセルユニット５において第２のインターコネクタ３２となる部材が別々の部材であった。これに限定されず、一方のセルユニット５において第１のインターコネクタ３１となる部材と、他方のセルユニット５において第２のインターコネクタ３２となる部材とを１つの部材として構成してもよい。

【0071】

例えば、隣合うセルユニット５に共通の部材として、一方の面に水素流路部３６が形成され、他方の面に空気流路部３７が形成された板状のセパレータが用いられる。この場合、共通の部材は、一方のセルユニット５にとっては第１のインターコネクタ３１として機能し、他方のセルユニット５にとっては第２のインターコネクタ３２として機能する。このような構成により、燃料電池１０の軽量化を図ることが可能となる。

【0072】

水素供給路４０は、水素入口２４に接続され各セルユニット５に水素ガス１を供給する流路である。水素排出路４１は、水素出口２５に接続され各セルユニット５から水素ガス１を排出する流路である。水素供給路４０及び水素排出路４１は、各セルユニット５の第１のインターコネクタ３１と発電セル２０との間の空間にそれぞれ接続される。

【0073】

空気供給路４２は、空気入口２６に接続され各セルユニット５に空気２を供給する流路である。空気排出路４３は、空気出口２７に接続され各セルユニット５から空気２を排出する流路である。空気供給路４２及び空気排出路４３は、各セルユニット５の第２のインターコネクタ３２と発電セル２０との間の空間にそれぞれ接続される。

【0074】

水素供給路４０及び空気供給路４２は、水素ガス１及び空気２を分配して供給するガスマニホールドであり、水素排出路４１及び空気排出路４３は、水素ガス１及び空気２を集約して排出するガスマニホールドである。
水素供給路４０、水素排出路４１、空気供給路４２、空気排出路４３は、例えばセルスタック６の積層方向から見て、発電セル２０と重ならない周辺部分に設けられる。また例えば、外部配管等を用いて構成されてもよい。

【0075】

電力取り出し部４５は、セルスタック６として構成された燃料電池１０から電力を取り出す端子である。ここでは、セルスタック６の最も外側に配置される第２のインターコネクタ３２（最上セルユニット５ａの第２のインターコネクタ３２）にプラス極側の電力取り出し部４５ａが設けられる。また、セルスタック６の最も外側に配置される第１のインターコネクタ３１（最下セルユニット５ｂの第１のインターコネクタ３１）にマイナス極側の電力取り出し部４５ｂが設けられる。

【0076】

１つのセルユニット５は、第２のインターコネクタ３２がプラス側の電極となり、第１のインターコネクタ３１がマイナス側の電極となる電池と見做すことが可能である。従って図４に示すように複数のセルユニット５を積層したセルスタック６は、複数の電池（セルユニット５）が直列に接続された１つの電池として機能する。またプラス極側の電力取り出し部４５ａ及びマイナス極側の電力取り出し部４５ｂは、燃料電池１０全体の電力を取り出すための端子となる。このように、燃料電池１０は、最上端のインターコネクタおよび最下端のインターコネクタより電流を取り出す構成となっている。

【0077】

圧力差影響抑制部６０は、対象インターコネクタ３０に対する圧力差による影響を抑制する。ここで、対象インターコネクタ３０は、圧力差による影響を抑制する対象となるインターコネクタである。具体的には、セルスタック６において最も外側に配置される第１のインターコネクタ３１及び第２のインターコネクタ３２の少なくとも一方が対象インターコネクタ３０となる。本実施形態では、対象インターコネクタ３０は、対象セパレータに相当する。

【0078】

図４に示す例では、セルスタック６の最も外側に配置される第１のインターコネクタ３１（最下セルユニット５ｂの第１のインターコネクタ３１）と、セルスタック６の最も外側に配置される第２のインターコネクタ３２（最上セルユニット５ａの第２のインターコネクタ３２）との両方が対象インターコネクタ３０となる。これら２つの対象インターコネクタ３０に対して、その変形を抑制する圧力差影響抑制部６０がそれぞれ設けられる。
以下では、対象インターコネクタ３０となる、第１のインターコネクタ３１を、第１のインターコネクタ３１ｔと記載する。また対象インターコネクタ３０となる、第２のインターコネクタ３２を、第２のインターコネクタ３２ｔと記載する。

【0079】

また対象インターコネクタ３０に対する圧力差とは、例えば対象インターコネクタ３０の内側及び外側での圧力の違いである。対象インターコネクタ３０の内側は、対象インターコネクタ３０の発電セル２０に向けられる側であり、外側は発電セル２０に向けられる側とは反対側を意味する。

【0080】

対象インターコネクタ３０に圧力差がかかることで、例えば対象インターコネクタ３０が変形するといった影響や、対象インターコネクタ３０の周りで水素ガスや空気等が漏洩するといった影響が考えれる。
圧力差影響抑制部６０は、このような圧力差による対象インターコネクタ３０の変形、及び圧力差による対象インターコネクタ３０周りでの漏洩を抑制する機構である。

【0081】

本実施形態では、圧力差影響抑制部６０は、対象インターコネクタ３０の外側から圧力を作用させる圧力機構６１である。図４に示す燃料電池１０には、第２のインターコネクタ３２ｔに対して図中上側の面から圧力を作用させる圧力機構６１ａと第１のインターコネクタ３１ｔに対して図中下側の面から圧力を作用させる圧力機構６１ｂとが設けられる。

【0082】

圧力機構６１は、対象ガスと同等の圧力を対象インターコネクタ３０の外側から作用させる。ここで対象ガスとは、水素ガス１及び空気２のうち発電セル２０を挟んで対象インターコネクタ３０とは反対側に流れるガスである。つまり、圧力機構６１は、セルスタック６の最も外側に配置される発電セル２０の内側を流れるガス（対象ガス）と同等の圧力を対象インターコネクタ３０に加える機構である。

【0083】

例えば、圧力機構６１ａでは、最上セルユニット５ａの発電セル２０を挟んで第２のインターコネクタ３２ｔとは反対側に流れる水素ガス１が、対象ガスとなる。従って、圧力機構６１ａは、水素ガス１と同様の圧力を第２のインターコネクタ３２ｔに外側から作用させる。また、圧力機構６１ｂでは、最下セルユニット５ｂの発電セル２０を挟んで第１のインターコネクタ３１ｔとは反対側に流れる空気２が、対象ガスとなる。従って、圧力機構６１ｂは、空気２と同様の圧力を第２のインターコネクタ３２ｔに外側から作用させる。
このように対象インターコネクタ３０に圧力を作用させることで、発電セル２０及び対象インターコネクタ３０に対して外向きにかかる圧力をキャンセルすることが可能となる。

【0084】

具体的には、圧力機構６１は、対象インターコネクタ３０の外側から圧力を作用させる作用ガスの流路を対象インターコネクタ３０の外側に形成する。ここで作用ガスとは、圧力機構６１において対象ガスと同等の圧力を発生させるためのガスである。作用ガスの種類は限定されず、任意のガスを用いることが可能である。
図４に示すように、圧力機構６１は、作用ガスの流路となる最外流路６２を有する。最外流路６２は、平面的に広がる流路である。最外流路６２の平面形状及び平面サイズは、例えばセルユニット５内に形成される水素ガス１や空気２の流路と同様の平面形状及び平面サイズに設定される。

【0085】

また作用ガスは、典型的には、対象ガスである。この場合、圧力機構６１は、作用ガスの流路である最外流路６２を、対象ガスと共通する流入路及び流出路に接続する。対象ガスと共通する流入路とは、水素供給路４０又は空気供給路４２である。また対象ガスと共通する流出路とは、水素排出路４１又は空気排出路４３である。

【0086】

例えば、セルスタック６上側の圧力機構６１ａの最外流路６２は、水素供給路４０及び水素排出路４１に接続され、作用ガスとして圧力機構６１ａの対象ガスである水素ガス１が流れる流路となる。また、セルスタック６下側の圧力機構６１ｂの最外流路６２は、空気供給路４２及び空気排出路４３に接続され、圧力機構６１ｂの対象ガスである空気２が流れる流路となる。
最外流路６２を対象ガスの流入路及び流出路に接続することで、対象ガスと同等の圧力を容易に発生させることが可能となる。ただし、最外流路には対象ガスの流れは必須ではなく、圧力が作用すればよいため、流入路、流出路のどちらかを塞いでもよい。

【0087】

図５は、圧力機構６１の構成例を示す模式図である。ここでは、図４の最上セルユニット５ａの第２のインターコネクタ３２ｔに設けられる圧力機構６１ａについて説明する。なお、ここで記載する圧力機構６１ａについての説明は、圧力機構６１ｂについての説明として適宜読み替えることが可能である。
図５に示すように、圧力機構６１は、流路部材６３と、蓋部材６４とを有する。

【0088】

流路部材６３は、最外流路６２を形成する板状の部材である。流路部材６３の一方の面には、作用ガス流路部６５が形成される。作用ガス流路部６５には、作用ガス（図５では圧力機構６１ａの対象ガスである水素ガス１）を通過させるための隙間や溝が含まれる。これらの隙間や溝のパターンが作用ガスの流路パターンとなる。
蓋部材６４は、流路部材６３の作用ガス流路部６５に対向して配置される平板状の部材であり、作用ガス流路部６５を閉じる蓋として機能する。

【0089】

本実施形態では、第１のインターコネクタ３１と同様の部材が、流路部材６３として用いられる。従って、作用ガス流路部６５には、第１のインターコネクタ３１に設けられる水素流路部３６と同様の流路パターンが形成される。ここでは、作用ガス流路部６５として、互いに離間した複数の凸部３８が設けられる。

【0090】

流路部材６３は、作用ガス流路部６５を外側（図中の上側）に向けて、対象インターコネクタ３０である第２のインターコネクタ３２ｔに接続される。また作用ガス流路部６５に対向して蓋部材６４が配置される。蓋部材６４と流路部材６３（作用ガス流路部６５）との間の空間が最外流路６２となる。
このように、圧力機構６１は、最外流路６２として、発電セル２０に沿った対象ガス（図５では水素ガス１）の流路と同様の流路を形成する。これにより、図５では、最上セルユニット５ａの発電セル２０（最上セル）に対して、セルスタック６の他の発電セル２０と同様に水素ガス１の圧力に応じた荷重を加えることが可能となる。

【0091】

［発電セルに加わる荷重］
以下では、燃料電池を流れるガス（水素ガス１や空気２）によって、発電セル２０に加わる荷重について説明する。
図６は、比較例として挙げる燃料電池の構成例を示す模式図である。図６に示す燃料電池１０５には、図４と同様に構成されたセルスタック６が設けられる。なお燃料電池１０５には、圧力差影響抑制部６０（圧力機構６１）は設けられない。ここでは、一例として水素ガス１の圧力により発電セル２０に加わる荷重について説明する。

【0092】

セルユニット５には、発電セル２０（燃料極２２）と第１のインターコネクタ３１（水素流路部３６）との間に水素ガス１の流路が形成される。水素ガス１の圧力は、流路の内側から外側に向けて流路の壁面を押す力（荷重）を発生させる。このため、発電セル２０に対しては図中の上向きに荷重が加わり、第１のインターコネクタ３１に対しては図中の下向きに荷重が加わる。図６では、水素ガス１の圧力により発生する荷重が白抜きの矢印を用いて模式的に図示されている。

【0093】

セルユニット５を積層したセルスタック６では、セルユニット５内の発電セル２０に対して、隣接する他のセルユニット５を流れる水素ガス１の圧力に応じた荷重が加わることが考えられる。なお、他のセルユニット５を流れる水素ガス１に起因する荷重は、他のセルユニット５の第１のインターコネクタ３１を介して間接的に伝えられる荷重である。

【0094】

例えば、最下セルユニット５ｂの発電セル２０（最下セル）には、最下セルユニット５ｂ内を流れる水素ガス１により上向きに荷重が加わるとともに、中間セルユニット５ｃ内を流れる水素ガス１により下向きに荷重が加わる。
同様に、中間セルユニット５ｃの発電セル２０（中間セル）には、中間セルユニット５ｃ内を流れる水素ガス１により上向きに荷重が加わるとともに、最上セルユニット５ａ内を流れる水素ガス１により下向きに荷重が加わる。

【0095】

このように、最下セル及び中間セルに対しては、水素ガス１の圧力に応じた上向き及び下向き双方の荷重が加わることになる。従って、最下セル及び中間セルに加わる水素ガス１の圧力による荷重は実質的にキャンセルされる。

【0096】

一方で、最上セルユニット５ａの発電セル２０（最上セル）には、最上セルユニット５ａ内を流れる水素ガス１により上向きに荷重が加わるが、最上セルユニット５ａの上側には水素ガス１の流路は設けられていないため、最上セルに対して、水素ガス１による下向きの荷重が加わることはない。
このように、最上セルに対しては、水素ガス１の圧力に応じた上向きの荷重だけが加わることになる。このため、水素ガス１の圧力によっては、最上セルの変形や破損が生じる可能性がある。また最上セルユニット５ａに供給される水素ガス１が漏洩する可能性も考えられる。

【0097】

また、セルユニット５を流れる空気２の圧力により各発電セル２０に加わる荷重についても水素ガス１の場合と同様に説明可能である。例えば最上セル及び中間セルに対しては、空気２の圧力に応じた上向き及び下向きの荷重が加わることになり、空気２の圧力による荷重がキャンセルされる。一方で、最下セルに対しては、空気２の圧力に応じた下向きの荷重だけが加わることになる。このため、空気２の圧力によっては、最下セルの変形や破損が生じる可能性がある。また最下セルユニット５ｂに供給される空気２が漏洩する可能性も考えられる。

【0098】

図１を参照して説明したように、燃料電池とガスタービンとを組み合わせて発電を行うシステムでは、燃料電池に用いられる水素ガス１及び空気２の流路は、ガスタービンにも接続される。このため、水素ガス１及び空気２の圧力は、ガスタービンの動作に連動して変化する。以下ではガスタービンと組み合わせた燃料電池の実験結果について説明する。

【0099】

図７は、ガスタービン起動時の圧力変化を示すグラフである。このグラフは、実験用の燃料電池を用いて測定したデータである。実験用の燃料電池は、図６に示す燃料電池１０５と同様に、圧力差影響抑制部６０（圧力機構６１）を設けていないセルスタック６を２つ組み合わせて構成されている。従って、実験用の燃料電池には、最上セルが２つ含まれ最下セルが２つ含まれる。
またデータの測定は、図１を参照して説明した発電装置１００と同様のシステムに実験用の燃料電池を接続して行った。

【0100】

図７には、ガスタービン１３を起動する際の実験用の燃料電池の水素入口２４（SOFC Hydrogen Inlet）における水素ガス１の圧力Ｐ１、空気入口２６（SOFC Air Inlet）における空気２の圧力Ｐ２、加圧容器１１（Chamber）の圧力Ｐ３の時間変化がプロットされている。またガスタービン１３に設けられた圧縮機５１の回転速度（HPC Rotational Speed）の時間変化がプロットされている。
また、図７の横軸は時間（ｓｅｃ）であり、左側の縦軸は圧力（ｋＰａＡ（絶対圧））であり、右側の縦軸は回転速度（ｒｐｍ）である。

【0101】

ここでは、圧縮機５１の回転速度が０の状態から、ガスタービン１３を６０秒でアイドリング状態（回転速度が約４．５×１０⁴ｒｐｍとなる状態）にする起動動作を行った。ガスタービン１３の起動時は、圧縮機５１が十分に動作していない。このため流路制御弁５９を閉じ、外部空気源４８から空気２を供給するモードによりガスタービン１３を起動した。

【0102】

また、実験用の燃料電池における、水素ガス１の圧力Ｐ１、空気２の圧力Ｐ２、及び加圧容器１１の圧力Ｐ３について、各圧力の差圧が５ｋＰａ以内に抑制した。つまり、Ｐ１とＰ２との差圧、Ｐ２とＰ３との差圧、及びＰ１とＰ３との差圧が、いずれも５ｋＰａ以内となるように各圧力を制御した。これは容器加圧弁４７や容器放圧弁１７等を適宜調整することで実現可能である。このように、差圧を５ｋＰａ以内に抑制した場合には、実験用の燃料電池を破損させることなく動作させることが可能であった。

【0103】

一方で、差圧が大きい場合には、燃料電池が破損する可能性がある。
図１に示すシステムでは、ガスタービン１３の起動や出力変化等の運転状態に合わせて水素ガス１及び空気２の圧力や流量が変化し、これとともに加圧容器１１内の圧力も変化する。この時、急激な出力変化を行うと、水素流路圧力（水素ガス１の圧力Ｐ１）、空気流路圧力（空気２の圧力Ｐ２）、及び加圧容器１１の圧力Ｐ３がつりあわず、各差圧により発電セル２０の破損や集電材の剥離が発生することが考えられる。
図６を参照して説明したように、特に最上セル及び最下セルには、非対称な圧力荷重が作用する。このため、最上セルまたは最下セルが破壊される可能性が高い。

【0104】

図８は、セルユニットごとの電流電圧特性を示すグラフである。図８の横軸は発電セル２０を流れる電流（Ａ）であり、縦軸は発電セル２０に発生する電圧（Ｖ）である。図８には、不調になった実験用の燃料電池に含まれるセルユニット５ごとに発電セル２０の電流電圧特性がプロットされている。

【0105】

実験では、水素ガス１の圧力Ｐ１、空気２の圧力Ｐ２、及び加圧容器１１の圧力Ｐ３の差圧が１０ｋＰａを超えるような運転をした場合に、実験用の燃料電池が不調になった。なお燃料電池が不調になっているか否かの判定は、各セルユニット５（発電セル２０）の電圧をモニタリングすることで行った。

【0106】

図８には、互いに同様の電流電圧特性をもったセルユニット５のグループ＃０がある。このグループ＃０は、発電セル２０が通常動作を行っているグループであり、破損等が発生していないと考えられる。
一方で、不調になった発電セル２０では、内部抵抗が増大するため、電流を流した時に電圧低下が顕著に起こる。図８に示すｃｈＡのセルユニット５及びｃｈＢのセルユニット５では、グループ＃０に対して電流を増加させた場合に著しく電圧が低下しており、発電セル２０が破損していることがわかる。

【0107】

今回、ｃｈＡのセルユニット５及びｃｈＢのセルユニット５は、ともにセルスタック６の最も上側に配置された最上セルユニット５ａ（最上セル）であった。これは、１０ｋＰａを超える差圧が発生するオペレーションの過程で、最上セルに対して非対称な圧力荷重が作用したことで、最上セルが破損したものと考えられる。

【0108】

例えば産業用のガスタービンと燃料電池とを組み合わせる場合、数十分から数時間のオーダーで長い時間をかけて起動、停止、出力調整を行っている。これにより、圧力の急激な変化をなくし発電セル２０の破壊を回避することが出来る。
これに対し、航空機にガスタービンと燃料電池とを組み合わせた発電装置を適用する場合、急速な起動や加速・減速に対応する出力制御が必要である。このため、地上用発電と異なり作動環境が急激に変化することが考えられる。例えば発電装置を航空機の動力として用いるためには、離陸時や上昇時に数１０秒で出力を調整する必要がある。

【0109】

このような急激な圧力変化は、上記したように発電セル２０の破損をもたらし、燃料電池の動作を損ねる可能性がある。特に平板型の燃料電池を用いる場合には、その上端もしくは下端のセル（最上セルや最下セル）に対して非対称の圧力荷重が加わることとなり、非対称な変形により破壊に至ることが多い。このため、急激な圧力変化に対する燃料電池の耐久性を確保する必要があった。

【0110】

［圧力機構の動作］
図９は、図４に示す燃料電池における圧力状態の一例を示す模式図である。図９では、圧力機構６１を設けた燃料電池１０において、水素ガス１の圧力により発電セル２０に加わる荷重について説明する。
水素ガス１に注目した場合、最下セルユニット５ｂの発電セル２０（最下セル）及び中間セルユニット５ｃの発電セル（中間セル）には、図６と同様に、水素ガス１の圧力に応じた上向き及び下向きの荷重が加わる。これにより、最下セル及び中間セルに加わる水素ガス１の圧力による荷重は実質的にキャンセルされる。

【0111】

一方、最上セルユニット５ａの上側には水素ガス１が流れる最外流路６２を形成する圧力機構６１ａが設けられる。最外流路６２を流れる水素ガス１の圧力により、最外流路６２の内側から外側に向けて流路の壁面を押す力（荷重）が発生する。ここでは、最外流路６２の上側の壁面を形成する蓋部材６４に対して上向きに荷重が加わり、下側の壁面を形成する流路部材６３に対して下向きに荷重が加わる。このうち下向きの荷重は、最上セルユニット５ａの第２のインターコネクタ３２を介して最上セルユニット５ａの発電セル２０（最上セル）にも作用する。

【0112】

すなわち最上セルに対しては、その直下を通る水素ガス１から上向きの荷重が加わり、圧力機構６１ａの最外流路６２を通る水素ガス１から下向きの荷重が加わることになる。この結果、最上セルに加わる水素ガス１の圧力による荷重は、最下セルや中間セルの場合と同様に実質的にキャンセルされる。

【0113】

このように、圧力機構６１ａは、セルスタック６の上端に設けられた発電セル２０（最上セル）に対して、上下方向から作用する圧力（荷重）を均等にするセル均圧機構として機能する。なお、本開示において均圧機構とは、ガスの圧力を均等にする機構ではなく、発電セル２０に加わる圧力（荷重）を均等にする機構のことである。
圧力機構６１ａを設けることで、例えば空気２の圧力や加圧容器１１の圧力に対する水素ガス１の圧力の差圧が大きくなった場合でも、最上セルに非対称な圧力荷重が加わる事態を防ぐことが可能となる。

【0114】

また図１０には、空気２の圧力により発電セル２０に加わる荷重が模式的に図示されている。図１０に示すように、空気２に注目した場合、最下セルに対しては、その直上を通る空気２から下向きの荷重が加わり、圧力機構６１ｂの最外流路６２を通る空気２から上向きの荷重が加わることになる。この結果、最下セルに加わる空気２の圧力による荷重は、最上セルや中間セルの場合と同様に実質的にキャンセルされる。

【0115】

このように、圧力機構６１ｂは、セルスタック６の下端に設けられた発電セル２０（最下セル）に対して、上下方向から作用する圧力（荷重）を均等にするセル均圧機構として機能する。
圧力機構６１ｂを設けることで、例えば水素ガス１の圧力や加圧容器１１の圧力に対する空気２の圧力の差圧が大きくなった場合でも、最下セルに非対称な圧力荷重が加わる事態を防ぐことが可能となる。

【0116】

このように、本実施形態に係る燃料電池１０では、最上セルユニット５ａの発電セル２０（最上セル）の上側にある空気流路のさらに上側に、水素流路を形成する圧力機構６１ａが設けられる。また最下セルユニット５ｂの発電セル２０（最下セル）の下側にある水素流路のさらに下側に、空気流路を形成する圧力機構６１ｂが設けられる。
圧力機構６１ａ及び６１ｂは、最上セル及び最下セルに加わる圧力の均圧化を目的としたセル均圧機構である。

【0117】

これにより、水素側もしくは空気側だけに加圧や減圧が発生した場合に、最上セル及び最下セルを含む全ての発電セル２０に対して、同じように、上下双方から圧迫される方向に圧力荷重を作用させることが可能となる。これにより、セルスタック６において発生する非対称な圧力荷重に対し、最上セル及び最下セルの耐久性を向上させることが可能となる。

【0118】

具体的には、最上セルや最下セルについて、非対称な変形が発生することを防止し、各セルの破損を回避することが可能となる。また例えば、最上セルや最下セルについて、インターコネクタ及び集電材との密着度が低下するといった事態を防止することが可能となり、各セルの集電効率が低下するといった事態を回避することが可能となる。
さらに、圧力機構６１ａ及び６１ｂにより、上側及び下側の対象インターコネクタ３０（最上セルユニット５ａの第２のインターコネクタ３２ｔ及び最下セルユニット５ｂの第１のインターコネクタ３１ｔ）における圧力差が抑制される。これにより、最上セルユニット５ａ及び最下セルユニット５ｂのシール性能が向上し、水素ガス１や空気２の漏洩を抑制することが可能となる。
このように、圧力機構６１ａ及び６１ｂを設けることで、圧力変化に対し耐久性の高い平板形の燃料電池１０を実現することが可能となる。

【0119】

例えば図７及び図８を参照して説明したように、圧力機構６１を設けない実験用の燃料電池では、１０ｋＰａ程度の差圧発生時に最上セルが損傷した。これに対し、本実施形態に係る圧力機構６１を設けることで、数十ｋＰａ程度の差圧が発生しても損傷しない燃料電池１０が実現可能である。
これにより、圧力変化に対する耐久性を高く、急速な起動や出力制御が必要となる航空機にも十分に適用可能な平板型の燃料電池１０を提供することが可能となる。

【0120】

［圧力機構の他の構成例］
図１１～図１３は、圧力機構の他の構成例を示す模式図である。図１１～図１３では、最上セルユニット５ａの第２のインターコネクタ３２ｔに設けられる圧力機構１１０、１１１、１１２について説明する。なお、ここで記載する圧力機構１１０、１１１、１１２についての説明は、最下セルユニット５ｂの第１のインターコネクタ３１ｔに設けられる圧力機構の説明として適宜読み替えることが可能である。

【0121】

図１１に示す圧力機構１１０は、流路部材６３を用いて構成される。なお圧力機構１１０には、図５等に示す蓋部材６４は用いられない。
板状の流路部材６３は、複数の凸部３８からなる作用ガス流路部６５が形成された面を、最上セルユニット５ａの第２のインターコネクタ３２ｔに向けて配置される。この場合、流路部材６３（作用ガス流路部６５）と第２のインターコネクタ３２ｔとの間の空間が、最外流路６２となる。また流路部材６３としては、各インターコネクタと同様の部材を用いることが可能である。
圧力機構１１０は、蓋部材を用いない分、図５に示す圧力機構６１と比べて軽量である。

【0122】

図１２では、第１のインターコネクタ３１及び第２のインターコネクタ３２として、一方の面に複数の平行な溝３９が形成された板状の部材が用いられる。第１のインターコネクタ３１に形成された溝３９は、水素流路部３６として機能し、第２のインターコネクタ３２に形成された溝３９は、空気流路部３７として機能する。このように、水素ガス１や空気２の流路として平行な溝３９が設けられてもよい。
また、第１のインターコネクタ３１及び第２のインターコネクタ３２は、溝３９の方向が水素ガス１及び空気２の流れる方向となるように配置される。従って、第１のインターコネクタ３１及び第２のインターコネクタ３２の溝３９の方向は、厚み方向からみて直交する。
平行な溝３９を用いた流路パターンにより、流れが阻害されにくいため、水素ガス１や空気２を流路全体にスムーズに供給することが可能となる。また、溝３９の構造により第１のインターコネクタ３１や第２のインターコネクタ３２を曲がりにくくすることが可能となる。

【0123】

図１２に示す圧力機構１１１は、複数の平行な溝３９からなる作用ガス流路部６５が形成された流路部材６３と、平板上の蓋部材６４とを用いて構成される。流路部材６３としては、各インターコネクタと同様の部材を用いることが可能である。
流路部材６３は、作用ガス流路部６５を外側（図中の上側）に向けて、第２のインターコネクタ３２ｔに接続される。また作用ガス流路部６５に対向して蓋部材６４が配置される。この場合、流路部材６３（作用ガス流路部６５）と蓋部材６４との間の空間が、最外流路６２となる。なお、流路部材６３の溝３９の方向は、第１のインターコネクタ３１の溝３９の方向と平行に配置される。
圧力機構１１１の最外流路６２は、第１のインターコネクタ３１と発電セル２０との間に形成される水素ガス１の流路と同様の流路となる。これにより、水素ガス１により発電セル２０にかかる荷重を十分にキャンセルすることが可能となる。

【0124】

図１３に示す圧力機構１１２は、図１２に示す圧力機構１１１を変形した実施例である。圧力機構１１２は、図１２と同様の流路部材６３を用いて構成される。なお圧力機構１１２には、蓋部材６４は用いられない。
板状の流路部材６３は、複数の平行な溝３９からなる作用ガス流路部６５が形成された面を、最上セルユニット５ａの第２のインターコネクタ３２ｔに向けて配置される。この場合、流路部材６３（作用ガス流路部６５）と第２のインターコネクタ３２ｔとの間の空間が、最外流路６２となる。
また、流路部材６３の内側には、最外流路６２に対する変形を抑制するための複数の平行な溝３９を設けているが、流路部材６３の外側に溝を追加してもよい。
圧力機構１１２は、蓋部材を用いない分、図１２に示す圧力機構６１と比べ軽量である。

【0125】

この他、圧力機構の具体的な構成は限定されない。例えば、流路部材６３に設けられる流路パターンは、必ずしもインターコネクタに設けられる流路パターンと同じである必要は無い。従って、複数の凸部３８が形成されたインターコネクトを使用したセルスタック６に対して、平行な溝３９が形成された流路部材６３を用いて圧力機構を構成してもよい。逆に、平行な溝３９が形成されたインターコネクトを使用したセルスタック６に対して、複数の凸部３８が形成された流路部材６３を用いて圧力機構を構成してもよい。

【0126】

［発電装置１００を搭載した航空機］
近年、脱炭素化の動きに合わせ、水素を燃料に利用した航空機の開発や、航空機を電動化する研究が盛んに進められている。このような、航空機への水素適用や電動化に合わせ、燃料電池を利用した電動航空機が注目されている。

【0127】

一般に、燃料電池を航空機へ適用するメリットとしては、燃料から高い効率で電気エネルギーを得られる点に加え、発電時の損失として発生する熱を回収することにより新たなエネルギー源として利用することが可能である点が挙げられる。このため、航空機に燃料電池を適用する際には、ガスタービン等の内燃機関とのコンバインド発電に用いることが有望である。以下では、本実施形態に係る燃料電池１０を適用した航空機について説明する。

【0128】

図１４は、複合発電ジェットエンジンを搭載した航空機７０の一例を示す模式図である。航空機７０は、胴体７１と、主翼７２と、尾翼７３と、複数の電動ファン７４とを有する。また航空機７０には、燃料電池１０（ＳＯＦＣ）とガスタービン１３とをコンバインド化させ水素燃料により発電する複合発電ジェットエンジン７５が搭載される。上記した電動ファン７４は、複合発電ジェットエンジン７５の推進機構となる。

【0129】

図１４に示す航空機７０は、胴体７１と翼（主翼７２及び尾翼７３）を一体的に設計したブレンデッドウィングボディ型の機体形状を備え、扁平な胴体７１の側面に左右の主翼７２が設けられ、胴体７１の後側に左右の尾翼７３が設けられる。左右の尾翼７３の間には、複数の電動ファン７４が配置される。ここでは８つの電動ファン７４が設けられるが、電動ファン７４の数は限定されない。

【0130】

図１５は、複合発電ジェットエンジンの構成例を示す模式図である。
複合発電ジェットエンジン７５は、発電装置１００と、電力制御部７６と、複数の電動ファン７４とを有する。このうち、発電装置１００は、例えば図１を参照して説明したように、燃料電池１０及びガスタービン１３を組み合わせたコンバインド発電を行う装置である。
なお、燃料電池１０には、水素燃料タンク７７から水素燃料（水素ガス１）が供給される。水素燃料タンク７７は図１に示す燃料タンク１４に相当する。またガスタービン１３には、燃料電池１０から排出された水素燃料と、ジェット燃料タンク７８から供給されるジェット燃料とが供給される。
燃料の組み合わせは水素燃料とジェット燃料の双方を利用する方式としているが、全てを水素燃料として、ガスタービン１３には燃料電池１０から排出された水素燃料のみが供給されるような方式としてもよい。また、水素燃料の代替として都市ガス、ＬＰガスなど炭化水素系の燃料を用いてもよい。

【0131】

電力制御部７６は、発電装置１００の燃料電池１０及びガスタービン１３により生成された電力の変換、合成、分配等の電力制御を行う。例えば燃料電池１０が生成する直流の電力は、合成分配部８０にそのまま入力される。またガスタービン１３に接続された発電機１２が生成する交流の電力は、コンバータ７９により直流の電力に変換されて、合成分配部８０に入力される。

【0132】

合成分配部８０は、バッテリー８１に接続される。バッテリー８１は、発電装置１００からの電力で充電されるとともに、必要に応じて合成分配部８０に電力を供給する。
また合成分配部８０は、燃料電池１０、ガスタービン１３（発電機１２）、及びバッテリー８１からの電力を合成し、複数の電動ファン７４ごとに対応して設けられた複数のインバータ８２に分配する。各インバータ８２は、合成分配部８０からの直流の電力を交流に変換して電動ファン７４のモータ８３に出力する。

【0133】

複数の電動ファン７４は、各々がモータ８３と、ギア８４と、ファン８５とを有する。モータ８３は、インバータ８２から供給される電力により回転する。ギア８４は、モータ８３の回転を所定のギア比でファン８５に伝える。モータ８３がギア８４を介してファン８５が回転することで推進力が発生する。

【0134】

複合発電ジェットエンジン７５において水素ガス１を燃料とした場合、燃料電池１０及びガスタービン１３では、二酸化炭素が発生しない。従って、複合発電ジェットエンジン７５を搭載した航空機７０は、二酸化炭素等の温室効果ガスの発生を抑制したエミッションフリー航空機となる。

【0135】

この推進システムは、既存のジェットエンジンよりも、推進効率及び熱効率が向上すると期待される。具体的には、電動ファン７４の多発分散化により、機械エネルギーから推進エネルギーへの変換効率である推進効率が向上する。また燃料電池１０を用いたガスタービン１３の複合化により、燃料の発熱エネルギーから機械エネルギーへの変換効率である熱効率が向上する。
これにより、航空機７０の搭載水素量を減らし、水素タンクの小型化を図ることが可能となる。この結果、エミッションフリー航空機は既存の航空機よりも長距離の航空輸送を実現することが可能となる。

【0136】

本発明は、平板型の燃料電池１０において、水素ガス１や空気２の圧力が急激に変化するような場合に最上セルや最下セルに非対称な荷重が加わることを抑制したものである。このような燃料電池１０を複合発電ジェットエンジン７５に適用することで、航空機７０に要求される圧力範囲で安定して動作可能な発電システムを提供可能であり、信頼性の高いエミッションフリー航空機を実現することが可能となる。

【0137】

以上、本実施形態に係る燃料電池１０では、複数のセルユニット５によりセルスタック６が構成される。各セルユニット５では、発電セル２０を構成する電解質層２１の燃料極２２側及び空気極２３側に、水素ガス１の流路を形成する第１のインターコネクタ３１及び空気２の流路を形成する第２のインターコネクタ３２がそれぞれ配置される。また燃料電池１０には、セルスタック６の最も外側に配置される第１のインターコネクタ３１及び第２のインターコネクタ３２の両方を対象インターコネクタ３０として、圧力差による変形や漏洩等の影響を抑制する圧力差影響抑制部６０が設けられる。これにより、例えば対象インターコネクタ３０に隣接する発電セル２０（最上セル及び最下セル）の圧力による変形等が抑制され、圧力変化に対する耐久性を高くすることが可能となる。

【0138】

＜その他の実施形態＞
本発明は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。

【0139】

上記した実施形態では、圧力差影響抑制部６０として、セル均圧機構として機能する圧力機構が設けられた。また圧力機構において、圧力を作用させる作用ガスとしては、セルユニット５を流れる水素ガス１や空気２が利用された。
これに限定されず、セルユニット５を流れる水素ガス１や空気２とは別の作用ガスが用いられてもよい。この場合、燃料電池１０において燃料や酸化剤として消費されるガスとは別のガスが作用ガスとして用いられる。作用ガスの種類は、水素や空気でもよいし、窒素等の他の不活性ガスが混入してもよい。

【0140】

圧力機構６１（最外流路６２）内での作用ガスの圧力は、水素ガス１や空気２の圧力に応じて設定される。例えば水素ガス１（空気２）の圧力が測定される。そして、水素ガス１（空気２）と同様の圧力にするべき作用ガスについては、その圧力が測定した水素ガス１の同様の圧力に調整される。このように、水素ガス１や空気２の圧力に応じて、作用ガスの圧力をアクティブに調整してもよい。これにより、発電セル２０に加わる荷重を細かく調整することが可能となる。

【0141】

また上記では圧力機構を構成する部材として、溝や凸部による流路パターンが形成された流路部材を用いる場合について説明した。例えば流路パターンが形成されていない平板部材だけを用いて圧力機構を構成してもよい。これは、上記した各圧力機構において、流路部材の代わりに平板部材を用いた構成である。このように流路パターンがない場合でも、対象インターコネクタに圧力を作用させることが可能である。

【0142】

また圧力機構において、対象インターコネクタに圧力を作用させる方法は限定されない。例えば水や油等の液体を使って圧力を加える機構が用いられてもよい。また、ピストンやモータ等を使って機械的に圧力をかける機構が用いられてもよい。これらの機構は、水素ガス１や空気２の圧力に応じて適宜制御される。

【0143】

圧力差影響抑制部６０は、必ずしも対象インターコネクタに圧力を作用させる機構である必要はない。圧力差影響抑制部６０は、対象インターコネクタに沿って設けられ対象インターコネクタの剛性を補強する補強機構であってもよい。

【0144】

図１６～図１８は、他の実施形態に係る圧力差影響抑制部の一例を示す模式図である。図１６～図１８に示す圧力差影響抑制部６０は、いずれも対象インターコネクタ３０の機械的な剛性を高めるために設けられた補強機構である。補強機構を設けることで、対象インターコネクタ３０自身の変形が抑制され、結果として対象インターコネクタ３０に隣接する発電セル２０の変形を抑制することが可能となる。また対象インターコネクタ３０が変形しにくくなるため、その周辺のシール性能が向上し、水素ガス１や空気２の漏洩を抑制することも可能である。
以下では、最上セルユニット５ａの第２のインターコネクタ３２ｔが対象インターコネクタ３０である場合について説明する。なお、ここで記載する説明は、最下セルユニット５ｂの第１のインターコネクタ３１ｔが対象インターコネクタ３０である場合にも適用可能である。

【0145】

図１６に示す補強機構６６ａは、対象インターコネクタ３０に沿って設けられた溝部６７を含む。溝部６７は、対象インターコネクタ３０の外側（発電セル２０に向けられる側とは反対側）に形成された複数の溝である。例えば互いに平行な直線状の溝が溝部６７として形成される。また例えば、対象インターコネクタ３０に曲がりやすい軸方向がある場合には、その軸方向と直交するように溝が形成される。

【0146】

例えば対象インターコネクタ３０の内側の流路パターンが平行な溝パターンである場合（図１２及び図１３等参照）、溝パターンの延在方向が対象インターコネクタ３０が曲がりやすくなる軸方向となる。この場合、対象インターコネクタ３０の外側には、内側の溝パターンの延在方向と直交するように溝部６７が設けられる。これにより、対象インターコネクタ３０の変形を十分に抑制することが可能となる。

【0147】

この他、溝部６７の具体的な構成は限定されず、対象インターコネクタ３０の変形を抑制可能なように、曲線状の溝や折れ曲がりのある溝等が適宜用いられてもよい。
溝部６７を含む補強機構６６ａは、対象インターコネクタ３０の厚みを大幅に増大させることなく、その剛性を効果的に高めることが可能である。また、切削加工やプレス加工を用いることで容易に製造することが可能である。

【0148】

図１７に示す補強機構６６ｂは、対象インターコネクタ３０に沿って設けられたリブ部６８を含む。リブ部６８は、対象インターコネクタ３０の外側に形成された複数のリブである。例えば互いに平行な直線状の突出部がリブ部６８として形成される。また溝部６７の場合と同様に、対象インターコネクタ３０に曲がりやすい軸方向がある場合には、その軸方向と直交するように平行な突出部が形成される。

【0149】

リブ部６８の具体的な構成は限定されない。例えば曲線状の突出部や折れ曲がりのある突出部等が適宜用いられてもよい。また、線状の突出部に限らず、例えば格子状の突出部がリブ部６８として形成されてもよい。
リブ部６８を含む補強機構６６ｂは、対象インターコネクタ３０の厚みが比較的薄いままでも剛性を効果的に高めることが可能である。これにより、軽量でありながら変形しにくい対象インターコネクタ３０を実現することが可能となる。

【0150】

図１８に示す補強機構６６ｃは、対象インターコネクタ３０よりも剛性の高い補強部材６９である。ここでは、対象インターコネクタ３０の平面形状と同形同大の平板部材が補強部材６９として用いられる。補強部材６９は、対象インターコネクタ３０よりも剛性の高い材質で構成されるか、剛性の高い構造となるように構成される。
このように、補強部材６９を追加するだけでも、対象インターコネクタ３０の変形を容易に抑制することが可能である。

【0151】

ここまでの実施例では、主に最上セルユニット５ａ及び最下セルユニット５ｂの両方に圧力差影響抑制部６０（圧力機構６１や補強機構６６）が設けられた。これに限定されず、圧力差影響抑制部６０を最上セルユニット５ａ及び最下セルユニット５ｂのどちらか一方に設けた構成も可能である。すなわちセルスタック６において最も外側に配置される第１のインターコネクタ３１及び第２のインターコネクタ３２のどちらか一方を対象として、圧力差影響抑制部６０が設けられてもよい。例えば圧力変化により破損しやすい側にだけ圧力差影響抑制部６０を設けるといったことも可能である。

【0152】

また、燃料電池１０は複数のセルユニット５を積層したセルスタック６として構成されなくてもよく、例えば単一のセルユニット５により燃料電池１０が構成されてもよい。この場合、セルユニット５を構成する第１のインターコネクタ３１及び第２のインターコネクタ３２の少なくとも一方に対して、圧力差影響抑制部６０が設けられる。

【0153】

燃料電池１０は、航空機以外に搭載されてもよい。例えば、燃料電池１０を自動車、列車、船舶等に搭載してもよい。また航空ドローンや宇宙機等の飛翔体に燃料電池１０を搭載してもよい。この他、本発明は任意の移動体の電力源として適用可能である。
また燃料電池１０は、移動体に搭載する場合に限定されず、定置型の発電装置に用いられてもよい。

【0154】

図１９は、他の実施形態に係る地上設置型の発電装置の一例を示す模式図である。
図１９に示す発電装置２００は、定置発電用複合サイクルシステムであり、燃料電池２１０（ＳＯＦＣ）とマイクロガスタービン２１３とを組み合わせたハイブリットシステムである。発電装置２００は、都市ガスやＬＰガス等を改質して得られる水素ガス１を燃料として発電を行う装置である。ここでは水素ガス１及び空気２の流れが細い点線の矢印及び細い実線の矢印で模式的に図示されている。

【0155】

都市ガスのラインから水素ガス１が供給され、その一部は燃料電池２１０に供給され、他の一部はマイクロガスタービン２１３の燃焼器５２に供給される。燃料電池２１０を通過して高温になった水素ガス１は、一部が燃焼器５２に供給され、他の一部は再度燃料電池２１０に供給される（再循環ブロワ）。再循環ブロワにより、燃料電池２１０における発電効率を向上することが可能である。

【0156】

マイクロガスタービン２１３の圧縮機５１で圧縮された空気２は、再生熱交換器８６を介して燃料電池２１０に供給される。燃料電池２１０を通過して高温になった空気２は、燃焼器５２に供給され、水素ガス１とともに燃焼される。このときの燃焼ガスによりマイクロガスタービン２１３のタービン５３が回転される。また再生熱交換器８６は、タービン５３から排出される燃焼ガスと、圧縮機５１から出た空気２との熱交換を行い、空気２を加熱して排出する。さらに、再生熱交換器８６から排出された燃焼ガスは、廃熱回収部８７により熱エネルギーとして回収される。この熱エネルギーは、例えば給湯システムや暖房システム等に利用される。

【0157】

例えば、従来の発電システムでは、ガスタービン起動後に数百時間程度で燃料電池が定格出力に到達するような運転を行っていた。これは、急激な圧力変化による燃料電池の破損を回避するためのオペレーションである。

【0158】

これに対し、本発明を適用した発電装置２００には、圧力差影響抑制部６０が設けられた燃料電池２１０が用いられるため、圧力変化に対する耐久性が高い。
これにより、例えば緊急時の急激な起動・停止を可能とする高効率なガスタービン発電機やガスタービンエンジンを実現することが可能となる。
また、家庭用に用いられる発電システムでは、システムの頻繁なＯＮ・ＯＦＦが想定されるが、本発明を適用することで急激な起動・停止が可能な家庭用燃料電池システムを実現することが可能となる。

【0159】

上記では、主に燃料電池とガスタービンとを組み合わせたコンバインド発電システムについて説明した。燃料電池は、ガスタービンと組み合わせて用いる必要は無い。例えば燃料電池が単体で用いられる場合にも、本発明を適用することで、圧力変化に対する燃料電池の耐久性を向上することが可能である。

【0160】

上記では、主に燃料電池として固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を用いる場合について説明した。これに限定されず、他の種類の燃料電池に対して本発明を適用することも可能である。例えば、固体高分子形燃料電池（PEFC：Polymer Electrolyte Fuel Cell）、リン酸形燃料電池（PAFC：Phosphoric Acid Fuel Cell）、溶融炭酸塩形燃料電池（MCMF：Molten Carbonate Fuel Cell）等の他のタイプの燃料電池に本発明が適用されてもよい。

【0161】

以上説明した本発明に係る特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせることも可能である。すなわち各実施形態で説明した種々の特徴部分は、各実施形態の区別なく、任意に組み合わされてもよい。また上記で記載した種々の効果は、あくまで例示であって限定されるものではなく、また他の効果が発揮されてもよい。

【符号の説明】

【0162】

１…水素ガス
２…空気
５…セルユニット
６…セルスタック
１０、２１０…燃料電池
１１…加圧容器
１２…発電機
１３…ガスタービン
２０…発電セル
３０…対象インターコネクタ
３１…第１のインターコネクタ
３２…第２のインターコネクタ
５１…圧縮機
５２…燃焼器
５３…タービン
６０…圧力差影響抑制部
６１、６１ａ、６１ｂ、１１０、１１１、１１２…圧力機構
６６ａ、６６ｂ、６６ｃ…補強機構
７０…航空機
１００、２００…発電装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】