(57)【要約】【課題】簡単且つ経済的な構成で、ガスの不要な回り込みを抑制し、耐久性の向上を図るとともに、熱効率の向上及び熱自立の促進を可能にする。【解決手段】燃料電池１０は、電解質・電極接合体２６を挟持するセパレータ２８を備える。セパレータ２８は、中央部に燃料ガス供給連通孔３０を形成する第１及び第２燃料ガス供給部３２、５２と、前記第１及び第２燃料ガス供給部３２、５２に連結される第１及び第２橋架部３４、５４と、前記第１及び第２橋架部３４、５４に連結される第１及び第２挟持部３６、５８とを備える。各第１挟持部３６には、燃料ガス通路４０を通って使用された燃料ガスを排出するそれぞれ一対の燃料ガス排出通路４２ａ、４２ｂ及び４２ｃが設けられる。燃料ガス排出通路４２ａ、４２ｂ及び４２ｃは、燃料ガスのガス流れ方向下流側の通路断面積が、ガス流れ方向上流側の通路断面積よりも大きく設定される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体と、セパレータとが交互に積層される燃料電池であって、
前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持するとともに、一方の前記電解質・電極接合体の前記アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス通路及び他方の前記電解質・電極接合体の前記カソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路が個別に設けられる挟持部と、
前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給通路が形成される橋架部と、
前記橋架部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給通路に供給するための燃料ガス供給連通孔が積層方向に形成される燃料ガス供給部と、
を備え、
前記挟持部には、前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給する燃料ガス供給孔と、
前記燃料ガス通路側に突出して前記アノード電極の外周縁部に接触する外縁周回用凸部と、
前記燃料ガス通路を通って使用された前記燃料ガスを排出するために、前記挟持部と前記橋架部との連結部側に少なくとも１つ以上設けられる燃料ガス排出通路と、
が形成されるとともに、
前記燃料ガス排出通路は、前記燃料ガスのガス流れ方向下流側の通路断面積が、ガス流れ方向上流側の通路断面積よりも大きく設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記挟持部には、前記燃料ガス通路側に突出して前記アノード電極に接触するとともに、前記燃料ガスが前記燃料ガス供給孔から前記燃料ガス排出通路に直線状に流れることを阻止する迂回路形成用壁部が設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池において、前記燃料ガス排出通路のガス流れ方向は、前記燃料ガス供給部と前記燃料ガス排出通路とを繋ぐ直線に対して交差する方向に設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１又は２記載の燃料電池において、前記燃料ガス排出通路のガス流れ方向は、前記燃料ガス供給部と前記燃料ガス排出通路とを繋ぐ直線と同一の方向に設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記燃料ガス排出通路は、前記外縁周回用凸部よりも内側に前記挟持部を貫通して形成される排出孔を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池において、前記燃料ガス排出通路は、前記アノード電極とは反対の面側に設けられ、一端側が前記排出孔に連通し且つ他端側が外部に開放される通路部を有し、
前記通路部は、前記排出孔から前記外部に向かって通路断面積が大きく設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記燃料ガス排出通路は、前記外縁周回用凸部に形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記燃料ガス供給部は、前記セパレータの中央部に設けられるとともに、
前記燃料ガス供給部を中心に複数の前記電解質・電極接合体が同心円上に配列されることを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記挟持部は、各電解質・電極接合体に対応した形状を有するとともに、
複数の前記挟持部は、互いに分離して構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池において、複数の前記橋架部は、前記燃料ガス供給部から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
請求項１〜１０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、前記挟持部及び前記橋架部が前記電解質・電極接合体の数に対応する数に設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記挟持部には、前記燃料ガス通路側に突出して前記アノード電極に接触する複数の突起部が設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記挟持部には、前記酸化剤ガス通路側に突出して前記カソード電極に接触する複数の突起部が設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記挟持部の少なくとも１つには、前記電解質・電極接合体の発電による電力を取り出すため又は前記電解質・電極接合体の状態を計測するための突出部が設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項１５】
請求項１４記載の燃料電池において、前記突出部は、前記挟持部の外周縁部に且つ複数の前記燃料ガス排出通路の間に設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記電解質・電極接合体に供給されて反応に使用された前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを、排ガスとして排出するための排ガス排出連通孔が前記積層方向に形成される排ガス排出部と、
前記電解質・電極接合体に供給される前の前記酸化剤ガスを、前記酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給連通孔が前記積層方向に形成される酸化剤ガス供給部と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項１７】
請求項１６記載の燃料電池において、前記燃料ガス供給部は、前記セパレータの中央部に設けられるとともに、
前記燃料ガス供給部を中心に複数の前記酸化剤ガス供給連通孔が同心円上に配列され、且つ、前記酸化剤ガス供給連通孔は、複数の前記橋架部の間に配列されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１８】
請求項１７記載の燃料電池において、前記燃料ガス排出通路は、前記電解質・電極接合体に供給されて反応に使用された前記燃料ガスを、燃料排ガスとして前記酸化剤ガス供給連通孔に排出することを特徴とする燃料電池。
【請求項１９】
請求項１６記載の燃料電池において、前記燃料ガス供給部は、前記セパレータの中央部に設けられるとともに、
前記燃料ガス供給部を中心に複数の前記排ガス排出連通孔が同心円上に配列され、且つ、前記排ガス排出連通孔は、複数の前記橋架部の間に配列されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２０】
請求項１９記載の燃料電池において、前記燃料ガス排出通路は、前記電解質・電極接合体に供給されて使用された前記燃料ガスを、燃料排ガスとして前記排ガス排出連通孔に排出することを特徴とする燃料電池。
【請求項２１】
請求項１６記載の燃料電池において、前記酸化剤ガス通路は、前記電解質・電極接合体に供給されて使用された前記酸化剤ガスを、酸化剤排ガスとして前記排ガス排出連通孔に排出することを特徴とする燃料電池。
【請求項２２】
請求項１〜２１のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、セパレータ間に積層される燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、固体電解質形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体（ＭＥＡ）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、電解質・電極接合体とセパレータとが所定の数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
例えば、特許文献１に開示されている平板型固体電解質燃料電池では、図１７に示すように、単電池（図示せず）と交互に配設されるセパレータ１ａを備えている。このセパレータ１ａは、四隅にガス給気孔２ａａ、３ａａとガス排気孔２ａｂ、３ａｂとが積層方向に設けられるとともに、複数列のガス流通溝４ａａと突起４ａｂとが交互に面方向に沿って形成されている。
【０００４】
ガス流通溝４ａａは、三角凹み５ａａ、５ａｂを介してガス給気孔２ａａ及びガス排気孔２ａｂに連通している。三角凹み５ａａには、ガス給気孔２ａａに近接するガス導入部にガスの流れを絞るための手段として絞り部６ａ及び障害物７ａが設けられている。この絞り部６ａ及び障害物７ａは、ガス給気孔２ａａからガス導入部に流入するガスを均等に分配するように圧力損失を増加させる作用を有している。
【０００５】
さらに、ガス流通溝４ａａの両端側には、溝深さを浅くしてガス流通導入口部８ａａ及びガス流通導出口部８ａｂが設けられており、ガス流の圧力損失機能を持たせている。
【０００６】
また、特許文献２に開示されている固体酸化物形燃料電池では、図１８に示すように、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配した発電セル１ｂと、燃料極層の外側の燃料極集電体２ｂと、空気極層の外側の空気極集電体３ｂと、各集電体２ｂ、３ｂの外側のセパレータ４ｂを順番に積層している。集電体２ｂを構成する円形の多孔質金属体の外周部を覆うように、その周側部の全周にわたって多数のガス排出孔が所定の間隔で形成されているリング状の金属カバー（図示せず）が配設されている。
【０００７】
このため、多孔質金属体内を拡散する燃料ガスが、その外周部全体より排出されることが回避されて、発電反応に寄与しない燃料ガスの外周部からの排出量を抑えるととともに、その分燃料ガスを効率的に発電セル１ｂ側に供給することができるようになる、としている。
【０００８】
さらにまた、特許文献３に開示されている平板積層型燃料電池は、図１９に示すように、発電セルに積層されるセパレータ１ｃを備えている。セパレータ１ｃは、左右のマニホールド部分２ｃ、２ｃと、中央の発電セルを配置する部分３ｃとが、連結部分４ｃ、４ｃにより連結されており、この連結部分４ｃが可撓性を有している。
【０００９】
マニホールド部分２ｃ、２ｃには、ガス孔５ｃ、６ｃが設けられており、一方のガス孔５ｃは、燃料ガス通路７ｃに連通するとともに、他方のガス孔６ｃは、酸化剤ガス通路８ｃに連通している。燃料ガス通路７ｃ及び酸化剤ガス通路８ｃは、部分３ｃ内にらせん状に延在しており、この部分３ｃの中央部近傍で、図示しない燃料極集電体及び空気極集電体に開放されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１０−１７２５９４号公報
【特許文献２】特開２００５−８５５２０号公報
【特許文献３】特開２００６−１２０５８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、上記の特許文献１では、シールありの構造であるため、シールなしの構造と比較すると、ＭＥＡに過大な荷重が付与されてしまい、前記ＭＥＡに割れや破損等が惹起するという問題がある。しかも、燃料ガス、酸化剤ガス又は排ガスが、不要な部位に回り込むことを良好に阻止するための工夫に関するものではない。
【００１２】
また、上記の特許文献２では、その周側部の全周にわたって多数のガス排出孔が所定の間隔で形成されているリング状の金属カバーを、セパレータとは別部品として構成している。従って、部品点数が増加するとともに、構造が複雑化してコストが高騰するという問題がある。しかも、組み立て工数が多くなり、作業効率が低下するおそれがある。その上、燃料電池の厚さ方向の寸法が増加し、スタック全体の積層方向の長さが増大するという問題がある。
【００１３】
さらにまた、上記の特許文献３では、燃料ガス、酸化剤ガス又は排ガスが不要な部位に回り込み易く、電極の劣化や発電性能の低下が惹起されるという問題がある。さらに、各セパレータ１ｃ毎に１つの発電セルが配置されており、ＭＥＡを中心にしてマニホールドが外方に設けられている。従って、発電による発生熱が放熱し易く、熱効率が低下して熱自立の促進を図ることができないという問題がある。
【００１４】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、ガスの不要な回り込みを抑制し、耐久性の向上を図るとともに、熱効率の向上及び熱自立の促進が可能な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】
【００１５】
本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体と、セパレータとが交互に積層される燃料電池に関するものである。
【００１６】
セパレータは、電解質・電極接合体を挟持するとともに、一方の前記電解質・電極接合体のアノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス通路及び他方の前記電解質・電極接合体のカソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路が個別に設けられる挟持部と、前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給通路が形成される橋架部と、前記橋架部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給通路に供給するための燃料ガス供給連通孔が積層方向に形成される燃料ガス供給部とを備えている。
【００１７】
そして、挟持部には、燃料ガスを燃料ガス通路に供給する燃料ガス供給孔と、前記燃料ガス通路側に突出してアノード電極の外周縁部に接触する外縁周回用凸部と、前記燃料ガス通路を通って使用された前記燃料ガス（以下、燃料排ガスともいう）を排出するために、前記挟持部と橋架部との連結部側に少なくとも１つ以上設けられる燃料ガス排出通路とが形成されるとともに、前記燃料ガス排出通路は、前記燃料ガスのガス流れ方向下流側の通路断面積が、ガス流れ方向上流側の通路断面積よりも大きく設定されている。
【００１８】
また、挟持部には、燃料ガス通路側に突出してアノード電極に接触するとともに、燃料ガスが燃料ガス供給孔から燃料ガス排出通路に直線状に流れることを阻止する迂回路形成用壁部が設けられることが好ましい。これにより、迂回路形成用壁部がアノード電極に接触するため、良好な集電効果が得られる。しかも、燃料ガスは、燃料ガス通路内を迂回しながら流れるため、前記燃料ガスがアノード電極の電極面に沿って流れる時間が長くなる。従って、燃料ガスを発電反応に有効に利用することが可能になり、燃料利用率が良好に向上する。
【００１９】
さらに、燃料ガス排出通路のガス流れ方向は、燃料ガス供給部と前記燃料ガス排出通路とを繋ぐ直線に対して交差する方向に設定されることが好ましい。このため、特に酸化剤ガスが燃料ガス排出通路側からカソード電極に向かって流される場合に、電解質・電極接合体の外方から酸化剤ガスや排ガス等の他のガスがアノード電極に回り込むことを阻止できる。
【００２０】
これにより、アノード電極の酸化による発電効率の低下を防止するとともに、セパレータや電解質・電極接合体の耐久性の向上が図られる。その上、酸化剤ガス流による負圧効果を介して燃料ガス排出通路からの燃料排ガスの排出が促進され、効率的な運転が遂行可能になる。
【００２１】
さらにまた、燃料ガス排出通路のガス流れ方向は、燃料ガス供給部と前記燃料ガス排出通路とを繋ぐ直線と同一の方向に設定されることが好ましい。従って、特に酸化剤ガスが燃料ガス排出通路とは反対側からカソード電極に向かって流される場合に、電解質・電極接合体の外方から酸化剤ガスや排ガス等の他のガスがアノード電極に回り込むことを阻止できる。
【００２２】
このため、アノード電極の酸化による発電効率の低下を防止するとともに、セパレータや電解質・電極接合体の耐久性の向上が図られる。その上、酸化剤ガス流による負圧効果を介して燃料ガス排出通路からの燃料排ガスの排出が促進され、効率的な運転が遂行可能になる。
【００２３】
また、燃料ガス排出通路は、外縁周回用凸部よりも内側に挟持部を貫通して形成される排出孔を有することが好ましい。これにより、燃料ガスが外部に吹き抜けることを抑制することができ、前記燃料ガスを発電反応に有効に利用することが可能になって、燃料利用率が良好に向上する。
【００２４】
しかも、電解質・電極接合体の外方から酸化剤ガスや排ガス等の他のガスが、アノード電極に回り込むことを抑制することができる。従って、アノード電極の酸化による発電効率の低下を防止するとともに、セパレータや電解質・電極接合体の耐久性の向上が容易に図られる。
【００２５】
さらに、燃料ガス排出通路は、アノード電極とは反対の面側に設けられ、一端側が排出孔に連通し且つ他端側が外部に開放される通路部を有し、前記通路部は、前記排出孔から前記外部に向かって通路断面積が大きく設定されることが好ましい。このため、燃料ガスが外部に吹き抜けすることを抑制する一方、電解質・電極接合体の外方から酸化剤ガスや排ガス等の他のガスが、アノード電極に回り込むことを抑制することができる。これにより、燃料利用率が良好に向上し、しかもアノード電極の酸化による発電効率の低下を防止するとともに、セパレータや電解質・電極接合体の耐久性の向上が容易に図られる。
【００２６】
さらにまた、燃料ガス排出通路は、外縁周回用凸部に形成されることが好ましい。従って、燃料ガス排出通路は、外縁周回用凸部に直接形成されるスリット等で構成され、構造が比較的簡素化するとともに、製造コストの低減及び部品点数の削減が可能になる。
【００２７】
また、燃料ガス供給部は、セパレータの中央部に設けられるとともに、前記燃料ガス供給部を中心に複数の電解質・電極接合体が同心円上に配列されることが好ましい。このため、燃料電池に供給される燃料ガスは、発電による発生熱を介して良好に加熱可能になる。これにより、燃料電池は、熱効率の向上と熱自立の促進とを図ることができる。ここで、熱自立とは、外部から熱を加えることなく、自ら発生する熱のみで燃料電池の動作温度を維持することをいう。
【００２８】
その上、燃料ガス供給部から各電解質・電極接合体に対して燃料ガスを均等に分配することができ、各電解質・電極接合体の発電性能の向上及び安定化が図られる。
【００２９】
さらに、挟持部は、各電解質・電極接合体に対応した形状を有するとともに、複数の前記挟持部は、互いに分離して構成されることが好ましい。従って、挟持部は、電解質・電極接合体に対応した形状を有しており、前記電解質・電極接合体で発電された電力を効率的に集電することが可能になる。
【００３０】
しかも、各挟持部は、互いに分離しており、電解質・電極接合体やセパレータの寸法誤差によって各電解質・電極接合体に発生する異なる荷重を吸収することが可能になる。このため、セパレータ全体に歪みが惹起されることを阻止し、各電解質・電極接合体に対して均等な荷重を付与することができる。その上、各電解質・電極接合体の熱歪み等が隣接する他の電解質・電極接合体に伝達されることがなく、前記電解質・電極接合体間には、個別の寸法吸収機構を設ける必要がない。これにより、各電解質・電極接合体同士を近接して配置することが可能になり、燃料電池全体の小型化が容易に図られる。
【００３１】
さらにまた、複数の橋架部は、燃料ガス供給部から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に構成されることが好ましい。従って、燃料ガス供給部から各橋架部を介して各電解質・電極接合体に対して燃料ガスを均等に供給することができ、前記各電解質・電極接合体の発電性能の向上及び安定化を図ることが可能になる。
【００３２】
また、セパレータは、挟持部及び橋架部が電解質・電極接合体の数に対応する数に設定されることが好ましい。このため、燃料ガス供給部から各橋架部及び各挟持部を介して各電解質・電極接合体に燃料ガスを均等に供給することができ、前記各電解質・電極接合体の発電性能の向上及び安定化を図ることが可能になる。
【００３３】
さらに、挟持部には、燃料ガス通路側に突出してアノード電極に接触する数の突起部が設けられることが好ましい。これにより、複数の突起部を介して良好な集電効果が得られる。
【００３４】
さらにまた、挟持部には、酸化剤ガス通路側に突出してカソード電極に接触する複数の突起部が設けられることが好ましい。従って、複数の突起部を介して良好な集電効果が得られる。
【００３５】
また、挟持部の少なくとも１つには、電解質・電極接合体の発電による電力を取り出すため又は前記電解質・電極接合体の状態を計測するための突出部が設けられることが好ましい。このため、燃料電池の電力取り出しや電力又は温度等の計測が容易に行われる。しかも、突出部を利用して、燃料電池の積層時に枚数確認及び位置決めを正確且つ容易に行うことが可能になる。
【００３６】
さらに、突出部は、挟持部の外周縁部に且つ複数の燃料ガス排出通路の間に設けられることが好ましい。これにより、突出部は、燃料排ガスに直接曝される位置からずらすことができ、高温の前記燃料排ガスによる過熱が抑制され、セパレータや電解質・電極接合体の温度測定等が高精度に遂行可能になる。
【００３７】
さらにまた、燃料電池は、電解質・電極接合体に供給されて反応に使用された燃料ガス及び酸化剤ガスを、排ガスとして排出するための排ガス排出連通孔が積層方向に形成される排ガス排出部と、前記電解質・電極接合体に供給される前の前記酸化剤ガスを、酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給連通孔が前記積層方向に形成される酸化剤ガス供給部とを備えることが好ましい。従って、燃料電池全体の小型化が容易に図られる。
【００３８】
また、燃料ガス供給部は、セパレータの中央部に設けられるとともに、前記燃料ガス供給部を中心に複数の酸化剤ガス供給連通孔が同心円上に配列され、且つ、前記酸化剤ガス供給連通孔は、複数の橋架部の間に配列されることが好ましい。このため、燃料電池に供給される燃料ガスは、発電による発生熱を介して良好に加熱可能になる。これにより、燃料電池は、熱効率の向上と熱自立の促進とを図ることができる。
【００３９】
さらに、燃料ガス排出通路は、電解質・電極接合体に供給されて反応に使用された燃料ガスを、燃料排ガスとして酸化剤ガス供給連通孔に排出することが好ましい。従って、使用前の酸化剤ガスは、燃料排ガス中に残存する未使用燃料ガスとの反応によって加熱され、熱効率の向上が図られる。
【００４０】
さらにまた、燃料ガス供給部は、セパレータの中央部に設けられるとともに、前記燃料ガス供給部を中心に複数の排ガス排出連通孔が同心円上に配列され、且つ、前記排ガス排出連通孔は、複数の橋架部の間に配列されることが好ましい。このため、燃料電池に供給される燃料ガスは、発電による発生熱及び排ガスを介して良好に加熱可能になる。これにより、燃料電池は、熱効率の向上と熱自立の促進とを図ることができる。
【００４１】
また、燃料ガス排出通路は、電解質・電極接合体に供給されて使用された燃料ガスを、燃料排ガスとして排ガス排出連通孔に排出することが好ましい。従って、燃料排ガス中に残存する未使用燃料ガスと未使用酸化剤ガスとの反応によって、排ガスをさらに加熱することが可能になり、熱効率の向上が図られる。
【００４２】
さらに、酸化剤ガス通路は、電解質・電極接合体に供給されて使用された酸化剤ガスを、酸化剤排ガスとして排ガス排出連通孔に排出することが好ましい。このため、排ガス中に残存する未使用燃料ガスと未使用酸化剤ガスとの反応によって、排ガスをさらに加熱することが可能になり、熱効率の向上が図られる。
【００４３】
さらにまた、燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることが好ましい。高温型燃料電池に適用することにより、簡単な構成で、アノード電極への酸化剤ガス及び排ガスの回り込みを抑制するとともに、排ガスを分散させて温度分布を均等にすることができる。これにより、耐久性の向上を図るとともに、熱自立の促進が可能になる。
【発明の効果】
【００４４】
本発明によれば、セパレータは、電解質・電極接合体を挟持する挟持部と、前記挟持部に連結された橋架部と、前記橋架部に連結された燃料ガス供給部とを備えている。このため、燃料ガス供給部と電解質・電極接合体とに付与される積層方向の締め付け荷重が、互いに遮断される。従って、簡単且つコンパクトな構成で、シール性が要求される部位には、大きな荷重を付与する一方、電解質・電極接合体には、比較的小さな荷重を付与することができる。これにより、電解質・電極接合体の損傷を阻止して効率的な発電及び集電が遂行可能になる。
【００４５】
さらに、燃料ガス供給孔から燃料ガス通路に供給された燃料ガスは、前記燃料ガス通路側に突出してアノード電極の外周縁部に接触する外縁周回用凸部を介し、外部に吹き抜けすることを阻止されている。このため、燃料ガスを発電反応に有効に利用することが可能になり、燃料利用率が良好に向上する。
【００４６】
しかも、電解質・電極接合体の外方から酸化剤ガスや排ガス等の他のガスが、アノード電極に回り込むことを、阻止することができる。これにより、アノード電極の酸化による発電効率の低下を防止するとともに、セパレータや電解質・電極接合体の耐久性の向上が容易に図られる。
【００４７】
さらにまた、燃料ガス供給孔から燃料ガス通路に供給された燃料ガスは、反応後に、挟持部と橋架部との連結部側に少なくとも１つ以上設けられる燃料ガス排出通路から排出されている。従って、燃料排ガスは、橋架部の燃料ガス供給通路及び燃料ガス供給部の燃料ガス供給連通孔を流動する燃料ガスを、予め加熱することができ、熱自立を促進することが可能になる。
【００４８】
また、燃料ガス供給孔から燃料ガス通路に供給された燃料ガスは、下流側の通路断面積が大きくなる燃料ガス排出通路から排出されている。このため、燃料ガスが外部に吹き抜けすることを抑制することができ、前記燃料ガスを発電反応に有効に利用することが可能になり、燃料利用率が良好に向上する。
【００４９】
その上、電解質・電極接合体の外方から酸化剤ガスや排ガス等の他のガスが、アノード電極に回り込むことを、抑制することができる。これにより、アノード電極の酸化による発電効率の低下を防止するとともに、セパレータや電解質・電極接合体の耐久性の向上が容易に図られる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【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、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】前記燃料電池の分解斜視説明図である。
【図４】前記燃料電池のガス流れ状態を示す一部分解斜視説明図である。
【図５】前記燃料電池を構成するセパレータの一部説明図である。
【図６】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７】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。
【図８】前記燃料電池を構成するセパレータの一部説明図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。
【図１０】前記燃料電池を構成するセパレータの一部説明図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。
【図１２】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。
【図１３】前記燃料電池のガス流れ状態を示す一部分解斜視説明図である。
【図１４】前記燃料電池を構成するセパレータの一部説明図である。
【図１５】前記セパレータの、図１４中、ＸＶ−ＸＶ線断面図である。
【図１６】本発明の第６の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。
【図１７】特許文献１の燃料電池を構成するセパレータの説明図である。
【図１８】特許文献２の燃料電池の一部断面説明図である。
【図１９】特許文献３の燃料電池を構成するセパレータの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、矢印Ａ方向に複数積層されて燃料電池スタック１２を構成する。この燃料電池１０は、固体電解質形燃料電池であり、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。
【００５２】
燃料電池１０は、図３及び図４に示すように、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）２０の両面に、カソード電極２２及びアノード電極２４が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）２６を備える。電解質・電極接合体２６は、円板状に形成されるとともに、少なくとも外周端面部には、酸化剤ガス及び燃料ガスの進入や排出を阻止するためにバリアー層（図示せず）が設けられている。
【００５３】
燃料電池１０は、各セパレータ２８間に複数、例えば、４個の電解質・電極接合体２６が、このセパレータ２８の中心部である燃料ガス供給連通孔３０を中心に同心円上に配列される。
【００５４】
セパレータ２８は、図３に示すように、例えば、ステンレス合金等の板金である金属プレートやカーボンプレート等の第１プレート２８ａ及び第２プレート２８ｂが接合されて構成される。第１プレート２８ａは、中央部に燃料ガス供給連通孔３０を形成する第１燃料ガス供給部３２を有する。この第１燃料ガス供給部３２から外方に等角度間隔（９０゜間隔）ずつ離間して放射状に延在する４本の第１橋架部３４を介して、比較的大径な第１挟持部３６が一体的に設けられる。第１燃料ガス供給部３２と各第１挟持部３６との中心間距離は、同一距離に設定される。
【００５５】
各第１挟持部３６は、電解質・電極接合体２６と略同一寸法の円板形状に設定されており、互いに分離して構成される。第１挟持部３６には、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔３８が、例えば、前記第１挟持部３６の中心又は中心に対して酸化剤ガスの流れ方向上流側に偏心した位置に設定される。
【００５６】
各第１挟持部３６のアノード電極２４に接触する面３６ａには、前記アノード電極２４の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路４０が形成される。面３６ａには、燃料ガス通路４０を通って使用された燃料ガスを排出するそれぞれ一対の燃料ガス排出通路４２ａ、４２ｂ及び４２ｃと、アノード電極２４に接触するとともに、前記燃料ガスが燃料ガス供給孔３８から前記燃料ガス排出通路４２ａ、４２ｂ及び４２ｃに直線状に流れることを阻止する迂回路形成用の円弧状壁部４４とが設けられる。
【００５７】
燃料ガス排出通路４２ａ、４２ｂ及び４２ｃは、図５に示すように、第１挟持部３６と第１橋架部３４との連結部側に且つ前記第１橋架部３４を挟んで両側にそれぞれ等間隔ずつ離間して設けられる。燃料ガス排出通路４２ａ、４２ｂ及び４２ｃは、燃料ガス通路４０に沿って燃料ガスのガス流れ方向下流側の通路断面積が、ガス流れ方向上流側の通路断面積よりも大きく設定される。
【００５８】
具体的には、面３６ａには、燃料ガス通路４０側に突出してアノード電極２４の外周縁部に接触する外縁周回用凸部４６と、前記アノード電極２４に接触する複数の突起部４８とが設けられる。外縁周回用凸部４６には、前記外縁周回用凸部４６を直接切り欠いて燃料ガス排出通路４２ａ、４２ｂ及び４２ｃが形成される。
【００５９】
燃料ガス排出通路４２ａ、４２ｂ及び４２ｃは、外縁周回用凸部４６の内周面側の幅寸法Ｈ１よりも、前記外縁周回用凸部４６の外周面側の幅寸法Ｈ２が大きく設定される（Ｈ１＜Ｈ２）。燃料ガス排出通路４２ａ、４２ｂ及び４２ｃは、深さ方向の寸法が全面にわたって同一に設定されることにより、ガス流れ方向下流側の通路断面積が、ガス流れ方向上流側の通路断面積よりも大きく設定される。
【００６０】
図３に示すように、円弧状壁部４４は、略馬蹄形状（一部を切り欠いた円弧状）を有し、その内部に燃料ガス供給孔３８が配置される。突起部４８は、面３６ａに、例えば、エッチングにより形成される中実部、又はプレスにより形成される中空部で構成される。
【００６１】
第１挟持部３６には、電解質・電極接合体２６の発電による電力を取り出すため又は前記電解質・電極接合体２６の状態を計測するための突出部５０が設けられる。突出部５０は、第１挟持部３６の外周縁部や燃料ガス排出通路４２ａ、４２ｂ間に設けられる。
【００６２】
図３及び図６に示すように、各第１挟持部３６のカソード電極２２側の面３６ｂは、略平坦面に形成されており、この面３６ｂ側には、第２プレート２８ｂが、例えば、ろう付け、拡散接合やレーザ溶接等により固着される。
【００６３】
第２プレート２８ｂは、図３に示すように、中央部に燃料ガス供給連通孔３０を形成する第２燃料ガス供給部５２を備える。第２燃料ガス供給部５２には、補強用のボス部５３が所定数だけ設けられる。第２燃料ガス供給部５２から放射状に４本の第２橋架部５４が延在するとともに、前記第２燃料ガス供給部５２から各第２橋架部５４には、燃料ガス供給連通孔３０から燃料ガス供給孔３８に連通する燃料ガス供給通路５６が形成される。燃料ガス供給通路５６は、例えば、エッチング又はプレスにより形成される。
【００６４】
各第２橋架部５４には、比較的大径な第２挟持部５８が一体的に設けられ、前記第２挟持部５８には、エッチング又はプレスにより複数の突起部６０が設けられる。第１挟持部３６の面３６ｂ側には、突起部６０によりカソード電極２２の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路６２が形成されるとともに、前記突起部６０は、集電部を構成する（図３及び図６参照）。
【００６５】
図６に示すように、酸化剤ガス通路６２は、電解質・電極接合体２６の内側周端部と第１及び第２挟持部３６、５８の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給連通孔６８に連通する。この酸化剤ガス供給連通孔６８は、各第１及び第２挟持部３６、５８の内方と各第１及び第２橋架部３４、５４との間に位置して積層方向（矢印Ａ方向）に延在し、酸化剤ガス供給部を構成している。
【００６６】
各セパレータ２８間には、燃料ガス供給連通孔３０をシールするための絶縁シール７０が設けられる。絶縁シール７０は、例えば、マイカ材やセラミック材等、地殻成分系素材、硝子系素材、粘土とプラスチックの複合素材で形成されている。絶縁シール７０は、燃料ガス供給連通孔３０を電解質・電極接合体２６に対してシールする機能を有する。
【００６７】
燃料電池１０には、第１及び第２挟持部３６、５８の外方に位置して排ガス排出連通孔７２が形成される。この排ガス排出連通孔７２は、電解質・電極接合体２６に供給されて反応に使用された燃料ガス及び酸化剤ガスを、排ガスとして積層方向に排出する排ガス排出部を構成する。各第１及び第２挟持部３６、５８間には、必要に応じて、空気制御板７３が配設される（図３参照）。
【００６８】
図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池１０の積層方向一端に、略円板状の第１エンドプレート７４ａが配置されるとともに、積層方向他端に、隔壁７５を介装して小径且つ略円板状の複数の第２エンドプレート７４ｂと、大径且つ略リング状の固定リング７４ｃとが配置される。隔壁７５は、排ガスが燃料電池１０の外部に拡散することを阻止する機能を有する一方、第２エンドプレート７４ｂは、各電解質・電極接合体２６の積層位置に対応して４つ配設される。
【００６９】
第１エンドプレート７４ａ及び固定リング７４ｃは、複数の孔部７６を有する。孔部７６及びボルト挿入用カラー部材７７に挿入されるボルト７８及び前記ボルト７８に螺合するナット８０を介し、第１エンドプレート７４ａと固定リング７４ｃとが締め付け固定される。
【００７０】
第１エンドプレート７４ａには、燃料ガス供給連通孔３０に連通する単一の燃料ガス供給パイプ８２と、各酸化剤ガス供給連通孔６８に連通するキャビティ８３ａを設けるケーシング８３と、前記ケーシング８３に接続されて前記キャビティ８３ａに連通する単一の酸化剤ガス供給パイプ８４とが設けられる。
【００７１】
第１エンドプレート７４ａには、複数のボルト７８、ナット８８ａ、８８ｂ及び板状カラー部材９０を介して支持プレート９２が固定される。支持プレート９２と第１エンドプレート７４ａとの間には、第１及び第２燃料ガス供給部３２、５２に締め付け荷重を付与する第１荷重付与部９４と、各電解質・電極接合体２６に締め付け荷重を付与する第２荷重付与部９８とが設けられ、これらにより荷重付与機構が構成される。
【００７２】
第１荷重付与部９４は、燃料ガス供給連通孔３０から燃料ガスが漏れることを阻止するために燃料電池１０の中央部（第１及び第２燃料ガス供給部３２、５２の中央部）に配置される押圧部材１００を備え、この押圧部材１００は、４つの第２エンドプレート７４ｂの配列中心近傍に位置して前記燃料電池１０に隔壁７５を介して押圧する。押圧部材１００には、第１受け部材１０２ａ及び第２受け部材１０２ｂを介して第１スプリング１０４が配置される。第２受け部材１０２ｂには、第１押圧ボルト１０６の先端が当接する。第１押圧ボルト１０６は、支持プレート９２に形成された第１ねじ孔１０８に螺合するとともに、第１ナット１１０を介して位置調整可能に固定される。
【００７３】
第２荷重付与部９８は、第２エンドプレート７４ｂに各電解質・電極接合体２６に対応して配置される第３受け部材１１２ａを備える。第３受け部材１１２ａは、ピン１１４を介して第２エンドプレート７４ｂに位置決め支持される。第３受け部材１１２ａに第２スプリング１１６の一端が当接する一方、前記第２スプリング１１６の他端が第４受け部材１１２ｂに当接する。第４受け部材１１２ｂには、第２押圧ボルト１１８の先端が当接する。第２押圧ボルト１１８は、支持プレート９２に形成された第２ねじ孔１２０に螺合するとともに、第２ナット１２２を介して位置調整可能に固定される。
【００７４】
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。
【００７５】
図１に示すように、第１エンドプレート７４ａに接続されている燃料ガス供給パイプ８２から燃料ガス供給連通孔３０には、燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給パイプ８４からキャビティ８３ａを介して各酸化剤ガス供給連通孔６８には、酸素含有ガスである空気が供給される。
【００７６】
図６に示すように、燃料ガスは、燃料電池スタック１２の燃料ガス供給連通孔３０に沿って積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら、各燃料電池１０に設けられる燃料ガス供給通路５６に沿ってセパレータ２８の面方向に移動する。
【００７７】
燃料ガスは、燃料ガス供給通路５６から第１挟持部３６に形成された燃料ガス供給孔３８を通って燃料ガス通路４０に導入される。燃料ガス供給孔３８は、各電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の略中心位置に設定されている。このため、燃料ガスは、燃料ガス供給孔３８からアノード電極２４の略中心に供給された後、燃料ガス通路４０に沿って前記アノード電極２４の外周部に向かって移動する。
【００７８】
一方、酸化剤ガス供給連通孔６８に供給された空気は、電解質・電極接合体２６の内側周端部と第１及び第２挟持部３６、５８の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に流入し、酸化剤ガス通路６２に送られる。酸化剤ガス通路６２では、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の内側周端部（セパレータ２８の中央部）側から外側周端部（セパレータ２８の外側周端部側）に向かって空気が流動する。
【００７９】
従って、電解質・電極接合体２６では、アノード電極２４の電極面の中心側から周端部側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２２の電極面の一方向（矢印Ｂ方向）に向かって空気が供給される。その際、酸化物イオンが電解質２０を通ってアノード電極２４に移動し、化学反応により発電が行われる。
【００８０】
なお、各電解質・電極接合体２６の外周部に排出される主に発電反応後の空気を含む排ガスは、オフガスとして排ガス排出連通孔７２を介して燃料電池スタック１２から排出される（図１参照）。
【００８１】
この場合、第１の実施形態では、セパレータ２８は、電解質・電極接合体２６を挟持する第１及び第２挟持部３６、５８と、前記第１及び第２挟持部３６、５８に連結された第１及び第２橋架部３４、５４と、前記第１及び第２橋架部３４、５４に連結された第１及び第２燃料ガス供給部３２、５２とを備えている。
【００８２】
このため、第１及び第２燃料ガス供給部３２、５２と電解質・電極接合体２６とに付与される積層方向の締め付け荷重が、互いに遮断される。従って、簡単且つコンパクトな構成で、シール性が要求される部位には、大きな荷重を付与する一方、電解質・電極接合体２６には、比較的小さな荷重を付与することができる。これにより、電解質・電極接合体２６の損傷を阻止して効率的な発電及び集電が遂行可能になる。
【００８３】
さらに、第１挟持部３６の面３６ａには、アノード電極２４の外周縁部に接触する外縁周回用凸部４６が設けられている。このため、燃料ガス供給孔３８から燃料ガス通路４０に供給された燃料ガスは、外部に吹き抜けすることを阻止されている。従って、燃料ガスを発電反応に有効に利用することが可能になり、燃料利用率が良好に向上する。
【００８４】
しかも、電解質・電極接合体２６の外方から酸化剤ガスや排ガス等の他のガスが、アノード電極２４に回り込むことを、阻止することができる。これにより、アノード電極２４の酸化による発電効率の低下を防止するとともに、セパレータ２８や電解質・電極接合体２６の耐久性の向上が容易に図られる。
【００８５】
さらにまた、第１挟持部３６の面３６ａには、前記第１挟持部３６と第１橋架部３４との連結部側に且つ前記第１橋架部３４を挟んで両側にそれぞれ燃料ガス排出通路４２ａ、４２ｂ及び４２ｃが設けられている。このため、燃料ガス供給孔３８から燃料ガス通路４０に供給された燃料ガスは、反応後に、複数の燃料ガス排出通路４２ａ、４２ｂ及び４２ｃから分散して排出されている。
【００８６】
従って、セパレータ２８のカソード面には、水蒸気や未使用燃料ガスが特定箇所（中心部分）に集中することがなく、酸化剤ガスの供給不足による性能低下を良好に阻止することができる。このため、燃料電池１０の温度分布を均一化することが可能になり、前記燃料電池１０の耐久性を向上させることができる。
【００８７】
しかも、燃料排ガスは、燃料ガス供給連通孔３０及び燃料ガス供給通路５６を流動する燃料ガスを、予め加熱することができる。これにより、熱自立を促進することが可能になる。
【００８８】
また、燃料ガス排出通路４２ａ、４２ｂ及び４２ｃは、外縁周回用凸部４６の内周面側の幅寸法Ｈ１よりも、前記外縁周回用凸部４６の外周面側の幅寸法Ｈ２が大きく設定される（Ｈ１＜Ｈ２）。従って、燃料ガス排出通路４２ａ、４２ｂ及び４２ｃは、ガス流れ方向下流側の通路断面積が、ガス流れ方向上流側の通路断面積よりも大きく設定されている。このため、燃料ガスが外部に吹き抜けすることを抑制することができ、前記燃料ガスを発電反応に有効に利用することが可能になり、燃料利用率が良好に向上するという効果が得られる。
【００８９】
その上、電解質・電極接合体２６の外方から酸化剤ガスや排ガス等の他のガスが、アノード電極２４に回り込むことを抑制することができる。これにより、アノード電極２４の酸化による発電効率の低下を防止するとともに、セパレータ２８や電解質・電極接合体２６の耐久性の向上が容易に図られる。
【００９０】
さらに、第１の実施形態では、図３に示すように、セパレータ２８を構成する第１挟持部３６の面３６ａには、燃料ガス供給孔３８と燃料ガス排出通路４２ａ〜４２ｃとを結ぶ経路上に、円弧状壁部４４が設けられている。この円弧状壁部４４は、電解質・電極接合体２６のアノード電極２４に接触しており、良好な集電効果が得られる。
【００９１】
しかも、燃料ガス供給孔３８から燃料ガス通路４０に供給される燃料ガスは、円弧状壁部４４に阻止されて前記燃料ガス供給孔３８から燃料ガス排出通路４２ａ〜４２ｃに直線状に流れることがない。このため、燃料ガスは、燃料ガス通路４０内を迂回しながら流れるため、前記燃料ガスがアノード電極２４に沿って流れる流路長が長尺化し、すなわち、流れる時間が長くなり、前記燃料ガスを発電反応に有効に利用することが可能となる。これにより、燃料利用率が有効に向上する。
【００９２】
さらにまた、燃料ガス排出通路４２ａ〜４２ｃは、外縁周回用凸部４６に形成されるスリット等で構成されている。従って、構成が比較的簡素化するとともに、製造コストの低減及び部品点数の削減が可能になる。
【００９３】
また、第１及び第２燃料ガス供給部３２、５２は、セパレータ２８の中央部に設けられるとともに、前記第１及び第２燃料ガス供給部３２、５２を中心に、複数（例えば、４つ）の電解質・電極接合体２６が同心円状に配列されている。このため、燃料電池１０（及び燃料電池スタック１２）に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスは、発電による発生熱及び燃料ガス排出通路４２ａ、４２ｂ及び４２ｃから酸化剤ガス供給連通孔６８に排出される残存燃料ガスと、前記酸化剤ガス供給連通孔６８を流れる酸化剤ガスとの反応による発生熱により、良好に加熱されている。従って、燃料電池１０（及び燃料電池スタック１２）は、熱効率の向上と熱自立の促進とを図ることができる。
【００９４】
その上、第１及び第２燃料ガス供給部３２、５２から各電解質・電極接合体２６に対して燃料ガスを均等に分配することが可能になり、各電解質・電極接合体２６の発電性能の向上及び安定化が図られる。
【００９５】
さらに、第１及び第２挟持部３６、５８は、各電解質・電極接合体２６に対応した形状を有するとともに、複数の前記第１及び第２挟持部３６、５８は、互いに分離して構成されている。これにより、第１及び第２挟持部３６、５８は、電解質・電極接合体２６に対応した形状（例えば、円板形状）を有するため、前記電解質・電極接合体２６で発電された電力を効率的に集電することができる。
【００９６】
しかも、各第１及び第２挟持部３６、５８は、互いに分離しており、電解質・電極接合体２６やセパレータ２８の寸法誤差によって各電解質・電極接合体２６に発生する異なる荷重を吸収することが可能になる。従って、セパレータ２８全体に歪みが惹起されることを阻止し、各電解質・電極接合体２６に対して均等な荷重を付与することができる。
【００９７】
その上、各電解質・電極接合体２６の熱歪み等が隣接する他の電解質・電極接合体２６に伝達されることがなく、前記電解質・電極接合体２６間には、個別の寸法吸収機構を設ける必要がない。これにより、各電解質・電極接合体２６同士を近接して配置することが可能になり、燃料電池１０全体の小型化が容易に図られる。
【００９８】
さらにまた、複数の第１及び第２橋架部３４、５４は、第１及び第２燃料ガス供給部３２、５２から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に構成されている。このため、第１及び第２燃料ガス供給部３２、５２から第１及び第２橋架部３４、５４を介して各電解質・電極接合体２６に対して燃料ガスを均等に供給することができ、各電解質・電極接合体２６の発電性能の向上及び安定化を図ることが可能になる。
【００９９】
また、セパレータ２８は、第１及び第２挟持部３６、５８と第１及び第２橋架部３４、５４とが電解質・電極接合体２６の数に対応する数に設定されている。従って、第１及び第２燃料ガス供給部３２、５２から各第１及び第２橋架部３４、５４並びに第１及び第２挟持部３６、５８を介して各電解質・電極接合体２６に燃料ガスを均等に供給することができ、前記各電解質・電極接合体２６の発電性能の向上及び安定化を図ることが可能になる。
【０１００】
さらに、第１挟持部３６には、燃料ガス通路４０側に突出してアノード電極２４に接触する複数の突起部４８が設けられている。これにより、複数の突起部４８により、良好な発電効果を得ることができる。
【０１０１】
さらにまた、第２挟持部５８には、酸化剤ガス通路６２側に突出してカソード電極２２に接触する複数の突起部６０が設けられている。このため、複数の突起部６０を介して、良好な集電効果が得られる。
【０１０２】
また、第１挟持部３６には、突出部５０が設けられている。従って、突出部５０を介して、例えば、電解質・電極接合体２６の発電による電力の取り出しや、前記電解質・電極接合体２６の温度等の状態を容易に計測することができる。
【０１０３】
しかも、突出部５０は、第１挟持部３６の外周に、且つ、燃料ガス排出通路４２ａ、４２ｂ間に設けられている。これにより、突出部５０は、燃料排ガスに直接曝される位置からずらすことができ、高温の前記燃料排ガスによる過熱が抑制され、セパレータ２８や電解質・電極接合体２６の温度測定等が高精度に遂行可能になる。
【０１０４】
さらに、燃料電池１０は、排ガス排出連通孔７２が積層方向に形成される排ガス排出部と、電解質・電極接合体２６に供給される前の酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給連通孔６８が形成される酸化剤ガス供給部とを備えている。このため、燃料電池１０全体の小型化が容易に図られる。
【０１０５】
さらにまた、第１及び第２燃料ガス供給部３２、５２は、セパレータ２８の中央部に設けられるとともに、前記第１及び第２燃料ガス供給部３２、５２を中心に、複数（例えば、４つ）の酸化剤ガス供給連通孔６８が同心円状に配列され、且つ、前記酸化剤ガス供給連通孔６８は、複数（例えば、４つ）の第１及び第２橋架部３４、５４の間に配列されている。従って、燃料電池１０（及び燃料電池スタック１２）に供給される燃料ガスは、発電による発生熱を介して良好に加熱可能になる。これにより、燃料電池１０や燃料電池スタック１２は、熱効率の向上と熱自立の促進とを図ることができる。
【０１０６】
また、燃料ガス排出通路４２ａ、４２ｂ及び４２ｃは、電解質・電極接合体２６に供給されて反応に使用された燃料ガスを酸化剤ガス供給連通孔６８に排出している。このため、使用前の酸化剤ガスは、燃料排ガス中に残存する未使用燃料ガスとの反応によって加熱され、熱効率の向上が図られる。
【０１０７】
さらに、燃料電池１０は、固体酸化物形燃料電池であり、簡単な構成で、アノード電極２４への酸化剤ガス及び排ガスの回り込みを抑制することができる。しかも、排ガスを分散させて温度分布を均等にすることにより、耐久性の向上を図るとともに、熱自立の促進が可能になる。
【０１０８】
なお、第１の実施形態では、第１挟持部３６と第１橋架部３４との連結部側に、且つ、前記第１橋架部３４を挟んで両側に、それぞれ３つの燃料ガス排出通路４２ａ、４２ｂ及び４２ｃが設けられているが、これに限定されるものではない。例えば、それぞれ２つ以上の燃料ガス排出通路を設けることができ、該燃料ガス排出通路が形成される範囲は、各第１挟持部３６の内側１８０°の範囲が好適である（図５参照）。その際、空気制御板７３により、燃料ガス排出通路の範囲を規制することが好ましい。
【０１０９】
また、セパレータ２８は、第１プレート２８ａ及び第２プレート２８ｂにより構成されているが、例えば、第２プレート２８ｂを円板状のプレート部と十字形状のプレート部とに２分割して構成してもよい。
【０１１０】
図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１４０の分解斜視説明図である。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の実施形態以降においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【０１１１】
燃料電池１４０は、セパレータ１４２を備えるとともに、前記セパレータ１４２は、第１プレート１４２ａと第２プレート１４２ｂとを接合して構成される。第１プレート１４２ａを構成する各第１挟持部３６の面３６ａには、燃料ガス通路４０を通って使用された燃料ガスを排出するそれぞれ一対の燃料ガス排出通路１４４ａ、１４４ｂ及び１４４ｃが設けられる。
【０１１２】
燃料ガス排出通路１４４ａ、１４４ｂ及び１４４ｃは、第１挟持部３６と第１橋架部３４との連結部側に、且つ、前記第１橋架部３４を挟んで両側にそれぞれ等間隔ずつ離間して設けられる。燃料ガス排出通路１４４ａ、１４４ｂ及び１４４ｃは、燃料ガス通路４０に沿って燃料ガスのガス流れ方向下流側の通路断面積が、ガス流れ方向上流側の通路断面積よりも大きく設定される。
【０１１３】
燃料ガス排出通路１４４ａ、１４４ｂ及び１４４ｃのガス流れ方向（矢印Ｃ方向）は、第１燃料ガス供給部３２と前記燃料ガス排出通路１４４ａ、１４４ｂ及び１４４ｃとを繋ぐ直線に対して交差する方向に設定される（図８参照）。
【０１１４】
このように構成される第２の実施形態では、酸化剤ガスが矢印Ｂ方向に向かって流される際、この酸化剤ガスの流れ方向に対して燃料ガス排出通路１４４ａ、１４４ｂ及び１４４ｃの流れ方向（矢印Ｃ方向）が交差している。このため、電解質・電極接合体２６の外方から酸化剤ガスや排ガス等の他のガスがアノード電極２４に回り込むことを阻止できる。従って、アノード電極２４の酸化による発電効率の低下を阻止するとともに、セパレータ１４２や電解質・電極接合体２６の耐久性の向上が図られる。
【０１１５】
その上、酸化剤ガスの流れによる負圧効果によって、燃料ガス排出通路１４４ａ、１４４ｂ及び１４４ｃからの燃料排ガスの排出が促進される。これにより、効率的な運転が遂行可能になるという効果が得られる。
【０１１６】
図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１５０の分解斜視説明図である。
【０１１７】
燃料電池１５０では、第１及び第２挟持部３６、５８の外方に位置して酸化剤ガス供給連通孔６８が形成される。第１及び第２燃料ガス供給部３２、５２を中心に複数の排ガス排出連通孔７２が同心円状に配列され、各前記排ガス排出連通孔７２は、複数の第１及び第２橋架部３４、５４の間に配列される。すなわち、酸化剤ガスは、各第１及び第２挟持部３６、５８の外方から矢印Ｄ方向（矢印Ｂ方向とは逆方向）に供給され、前記各第１及び第２挟持部３６、５８の内側周端部側の排ガス排出連通孔７２に排出される。
【０１１８】
燃料電池１５０は、セパレータ１５２を備えるとともに、前記セパレータ１５２は、第１プレート１５２ａと第２プレート１５２ｂとを接合して構成される。第１プレート１５２ａを構成する各第１挟持部３６の面３６ａには、燃料ガス通路４０を通って使用された燃料ガスを排出するそれぞれ一対の燃料ガス排出通路１５４ａ、１５４ｂ及び１５４ｃが設けられる。
【０１１９】
燃料ガス排出通路１５４ａ、１５４ｂ及び１５４ｃは、第１挟持部３６と第１橋架部３４との連結部側に、且つ、第１橋架部３４を挟んで両側にそれぞれ等間隔ずつ離間して設けられる。燃料ガス排出通路１５４ａ、１５４ｂ及び１５４ｃは、燃料ガス通路４０に沿って燃料ガスのガス流れ方向下流側の通路断面積が、ガス流れ方向上流側の通路断面積よりも大きく設定される。
【０１２０】
燃料ガス排出通路１５４ａ、１５４ｂ及び１５４ｃのガス流れ方向（矢印Ｅ方向）は、第１燃料ガス供給部３２と前記燃料ガス排出通路１５４ａ、１５４ｂ及び１５４ｃとを繋ぐ直線と同一の方向に設定される（図１０参照）。
【０１２１】
このように構成される第３の実施形態では、酸化剤ガスは、各第１及び第２挟持部３６、５８の外方から第１及び第２燃料ガス供給部３２、５２側に向かって、カソード電極２２に沿って流動する。その際、電解質・電極接合体２６の外方から酸化剤ガスや排ガス等の他のガスが、アノード電極２４に回り込むことを阻止できる。従って、アノード電極２４の酸化による発電効率の低下を防止するとともに、セパレータ１５２や電解質・電極接合体２６の耐久性の向上が図られる。
【０１２２】
その上、酸化剤ガスが、矢印Ｄ方向に流動するとともに、燃料ガス排出通路１５４ａ、１５４ｂ及び１５４ｃのガス流れ方向が、矢印Ｅ方向に設定されている。このため、矢印Ｄ方向と矢印Ｅ方向は同一の方向に設定されるので、酸化剤ガスの流れによる負圧効果を介し、燃料ガス排出通路１５４ａ、１５４ｂ及び１５４ｃからの燃料排ガスの排出が促進される等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１２３】
さらに、第３の実施形態では、第１及び第２燃料ガス供給部３２、５２を中心に、複数の排ガス排出連通孔７２が同心円状に配列され、且つ、前記排ガス排出連通孔７２は、複数の第１及び第２橋架部３４、５４の間に配列されている。これにより、燃料電池１５０（及び燃料電池スタック）に供給される燃料ガスは、発電による発生熱及び排ガスを介して良好に加熱可能になり、熱効率の向上と熱自立の促進とを図ることができる。
【０１２４】
さらにまた、燃料ガス排出通路１５４ａ、１５４ｂ及び１５４ｃは、電解質・電極接合体２６に供給されて使用された燃料ガスを、排ガス排出連通孔７２に排出している。このため、燃料排ガス中に残存する未使用燃料ガスと未使用酸化剤ガスとの反応によって、排ガスをさらに加熱することが可能になり、熱効率の向上が図られる。
【０１２５】
また、酸化剤ガス通路６２は、電解質・電極接合体２６に供給されて使用された酸化剤ガスを、排ガス排出連通孔７２に排出している。従って、排ガス中に残存する未使用燃料ガスと未使用酸化剤ガスとの反応によって、排ガスをさらに加熱することが可能になり、熱効率の向上が図られる。
【０１２６】
図１１は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１６０の分解斜視説明図である。
【０１２７】
燃料電池１６０は、セパレータ１６２を備えるとともに、前記セパレータ１６２は、第１プレート１６２ａと第２プレート１６２ｂとを接合して構成される。第１プレート１６２ａを構成する各第１挟持部３６の面３６ａには、渦巻き状壁部１６４が設けられる。この渦巻き状壁部１６４の中心近傍には、燃料ガス供給孔３８が設けられる。
【０１２８】
面３６ａには、第１挟持部３６と第１橋架部３４との連結部側に１つの燃料ガス排出通路４２が形成される。燃料ガス排出通路４２は、燃料ガス通路４０に沿って燃料ガスのガス流れ方向下流側の通路断面積が、ガス流れ方向上流側の通路断面積よりも大きく設定される。
【０１２９】
このように構成される第４の実施形態では、燃料ガス供給孔３８を通って燃料ガス通路４０に導入される燃料ガスは、渦巻き状壁部１６４の案内作用下に面３６ａの略全面に供給された後、単一の燃料ガス排出通路４２から排出される。従って、この第４の実施形態では、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１３０】
図１２は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池１７０の分解斜視説明図である。
【０１３１】
燃料電池１７０は、セパレータ１７２を備えるとともに、前記セパレータ１７２は、第１プレート１７２ａと第２プレート１７２ｂとを接合して構成される。第１プレート１７２ａを構成する各第１挟持部３６には、燃料ガス通路４０を通って使用された燃料ガスを排出する燃料ガス排出通路１７４ａ、１７４ｂが設けられる（図１２及び図１３参照）。
【０１３２】
各第１挟持部３６の面３６ａには、外縁周回用凸部４６が連続して周回形成されるとともに、燃料ガス排出通路１７４ａ、１７４ｂは、前記外縁周回用凸部４６よりも内側に、第１挟持部３６を貫通して形成される排出孔１７６ａ、１７６ｂを有する（図１４及び図１５参照）。
【０１３３】
第１挟持部３６の面３６ａとは反対の面３６ｂには、カバー部材１７８ａ、１７８ｂが固着される。カバー部材１７８ａ、１７８ｂは、平面視略台形状を有し、拡開する先端側を除いて３辺にフランジ部１８０ａ、１８０ｂが設けられる。フランジ部１８０ａ、１８０ｂは、第１挟持部３６の面３６ｂに排出孔１７６ａ、１７６ｂを内包して固着される。
【０１３４】
カバー部材１７８ａ、１７８ｂと面３６ｂとの間には、一端側が排出孔１７６ａ、１７６ｂに連通し、且つ他端側が外部に開放される通路部１８２ａ、１８２ｂが形成される。通路部１８２ａ、１８２ｂは、排出孔１７６ａ、１７６ｂから外部に向かって通路断面積が大きく設定されており、前記排出孔１７６ａ、１７６ｂ側の幅寸法Ｈ３は、前記外部に開放される端部側の幅寸法Ｈ４よりも小さな寸法を有する（図１４参照）。
【０１３５】
図１２に示すように、第２プレート１７２ｂを構成する第２挟持部５８は、第２橋架部５４の両側にカバー部材１７８ａ、１７８ｂを挿入するための切り欠き部１８４ａ、１８４ｂを設ける。
【０１３６】
このように構成される第５の実施形態では、燃料ガス供給孔３８から燃料ガス通路４０に供給された燃料ガスは、反応後に燃料ガス排出通路１７４ａ、１７４ｂを構成する排出孔１７６ａ、１７６ｂを通って面３６ｂ側に移動し、カバー部材１７８ａ、１７８ｂ内に形成される通路部１８２ａ、１８２ｂに導入される。さらに、排出燃料ガスは、通路部１８２ａ、１８２ｂを通って開放側端部から酸化剤ガス供給連通孔６８に排出される。
【０１３７】
このように、第５の実施形態では、燃料ガス排出通路１７４ａ、１７４ｂは、外縁周回用凸部４６よりも内側に、第１挟持部３６を貫通して形成される排出孔１７６ａ、１７６ｂを有している。このため、燃料ガスが燃料ガス通路４０から外部に吹き抜けすることを抑制することができ、前記燃料ガスを発電反応に有効に利用することが可能になり、燃料利用率が有効に向上する。
【０１３８】
しかも、電解質・電極接合体２６の外方から酸化剤ガスや排ガス等の他のガスがアノード電極２４に回り込むことを抑制することができる。従って、アノード電極２４の酸化による発電効率の低下を防止するとともに、セパレータ１７２や電解質・電極接合体２６の耐久性の向上が容易に図られる。
【０１３９】
さらに、燃料ガス排出通路１７４ａ、１７４ｂは、一端側が排出孔１７６ａ、１７６ｂに連通し、且つ他端側が外部に開放される通路部１８２ａ、１８２ｂを有している。そして、通路部１８２ａ、１８２ｂは、排出孔１７６ａ、１７６ｂから外部に向かって通路断面積が大きく設定されている。
【０１４０】
これにより、電解質・電極接合体２６の外方から酸化剤ガスや排ガス等の他のガスが通路部１８２ａ、１８２ｂを通ってアノード電極２４に回り込むことを抑制することができ、前記アノード電極２４の酸化による発電効率の低下を防止するとともに、セパレータ１７２や電解質・電極接合体２６の耐久性の向上が容易に図られる。
【０１４１】
なお、通路部１８２ａ、１８２ｂは、外部側の端部幅寸法Ｈ４を内方側の幅寸法Ｈ３よりも大きく設定する他、必要に応じて、図１５に示すように、積層方向に対して外部側の寸法を内部側の寸法より大きく設定することもできる。また、幅方向の寸法又は積層方向の寸法のいずれかを、外部側が内部側よりも大きくなるように構成してもよい。
【０１４２】
図１６は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池１９０の分解斜視説明図である。
【０１４３】
なお、第５の実施形態に係る燃料電池１７０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。
【０１４４】
燃料電池１９０は、セパレータ１９２を備えるとともに、前記セパレータ１９２は、第１プレート１９２ａと第２プレート１９２ｂとを接合して構成される。第１プレート１９２ａを構成する各第１挟持部３６の面３６ａには、円弧状壁部が設けられておらず、燃料ガス供給孔３８が外方側（セパレータ１９２の中心から離間する方向）に偏心して設けられる。第２プレート１９２ｂは、燃料ガス供給孔３８の位置に対応して燃料ガス供給通路５６が第２挟持部５８の中心から外方に延在して設けられる。
【０１４５】
このように構成される第６の実施形態では、燃料ガス供給孔３８が、各第１挟持部３６の中心から外方に偏心して設けられている。このため、円弧状壁部を設けることがなく、燃料ガス供給孔３８から燃料ガス通路４０に導入される燃料ガスは、この燃料ガス通路４０全面にわたって供給された後、燃料ガス排出通路１７４ａ、１７４ｂに排出される。これにより、第６の実施形態では、上記の第５の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【０１４６】
１０、１４０、１５０、１６０、１７０、１９０…燃料電池
１２…燃料電池スタック              ２０…電解質
２２…カソード電極                  ２４…アノード電極
２６…電解質・電極接合体
２８、１４２、１５２、１６２、１７２、１９２…セパレータ
２８ａ、２８ｂ、１４２ａ、１４２ｂ、１５２ａ、１５２ｂ、１６２ａ、１６２ｂ、１７２ａ、１７２ｂ、１９２ａ、１９２ｂ…プレート
３０…燃料ガス供給連通孔            ３２、５２…燃料ガス供給部
３４、５４…橋架部                  ３６、５８…挟持部
３８…燃料ガス供給孔                ４０…燃料ガス通路
４２、４２ａ〜４２ｃ、１４４ａ〜１４４ｃ、１５４ａ〜１５４ｃ、１７４ａ、１７４ｂ…燃料ガス排出通路
４４…円弧状壁部                    ４６…外縁周回用凸部
４８、６０…突起部                  ５０…突出部
５６…燃料ガス供給通路              ６２…酸化剤ガス通路
６８…酸化剤ガス供給連通孔          ７３…空気制御板
１６４…渦巻き状壁部                １７６ａ、１７６ｂ…排出孔
１７８ａ、１７８ｂ…カバー部材      １８２ａ、１８２ｂ…通路部
【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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