(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体が、セパレータ間に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、前記アノード電極に接する一方の面に、複数の突起部により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が設けられ、前記カソード電極に接する他方の面に、複数の突起部により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設けられる矩形状の挟持部と、
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又は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反応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、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記反応ガス供給通路に供給するための反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される反応ガス供給部と、
を備え、
前記挟持部には、前記一方の面又は前記他方の面に前記積層方向に形成され、前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス通路に供給する１以上の反応ガス供給孔と、
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又は前記酸化剤ガス通路側に突出して前記カソード電極の外周縁部に接触する外縁周回用凸部と、
該挟持部の端部から前記積層方向に交差する方向に向かって外部に開放され、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又は前記酸化剤ガス通路を通って使用された前記酸化剤ガスを排出する反応ガス排出孔と、
前記アノード電極に接触する又は前記カソード電極に接触するとともに、前記反応ガス供給孔と前記反応ガス排出孔との間に且つ前記反応ガス供給孔側にＶ字状に折曲し、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスが前記反応ガス供給孔から前記反応ガス排出孔に直線状に流れることを阻止する１以上の迂回路形成用壁部と、
が設けられ、
少なくとも１つの前記迂回路形成用壁部は、前記Ｖ字状の内部領域に、少なくとも１つの前記反応ガス供給孔が配設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、少なくとも１つの前記迂回路形成用壁部は、少なくとも一端の延長線が前記挟持部の頂部に向かうように設定さ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、前記迂回路形成用壁部は、前記反応ガス供給孔と前記反応ガス排出孔との距離が長い程、Ｖ字状壁面間の折曲角度が大きく設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記反応ガス排出孔は、前記橋架部の延長線に交差する前記挟持部の１辺に形成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、前記反応ガス排出孔は、前記橋架部の延長線に交差する前記挟持部の１辺に複数設けられるとともに、
各反応ガス排出孔は、前記橋架部の延長線に交差する位置から離間する程、開口断面積が小さく設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記反応ガス排出孔は、前記橋架部の延長線に交差する前記挟持部の１辺に複数設けられるとともに、
各反応ガス排出孔は、前記橋架部の延長線に交差する位置から離間する程、互いの間隔が広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１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記反応ガス供給部には、互いに反対方向に延在して一対の前記橋架部が連結されるとともに、
一対の前記橋架部には、前記反応ガス供給部を中心に対称位置にそれぞれ前記挟持部が連結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、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この電解質の両側にアノード電極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】
上記の燃料電池では、電解質・電極接合体を構成するアノード電極及びカソード電極に、それぞれ燃料ガス（例えば、水素ガス）及び酸化剤ガス（例えば、空気）を供給するために、セパレータの面方向に沿って燃料ガス通路及び酸化剤ガス通路が形成されている。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されている固体電解質燃料電池では、図３３に示すように、単電池１ａとセパレータ２ａとが交互に積層されてスタック３ａが構成されている。セパレータ２ａの一端縁部には、空気給気孔４ａと燃料給気孔５ａとが交互に複数形成されるとともに、前記セパレータ２ａの他端縁部には、空気排気孔６ａと燃料排気孔７ａとが交互に複数形成されている。燃料と空気とは、各単電池１ａの表裏にそれぞれ同一方向に流れる並行流式が採用されている。
【０００５】
特許文献２に開示されている平板型固体電解質燃料電池は、図３４に示すように、単電池と交互に積層されるセパレータ１ｂを備えている。セパレータ１ｂの四隅には、ガスの給気孔２ｂとガスの排気孔３ｂとが設けられるとともに、前記セパレータ１ｂの両面には、それぞれのガスの流通溝４ｂが形成されている。
【０００６】
ガスは、給気孔２ｂから三角形凹み５ｂを流れてガス流通溝４ｂに流入するとともに、前記三角形凹み５ｂのガスの給気孔２ｂに近い部分にガス導入部が構成されている。ガス導入部には、ガスの流れを絞るための手段として、絞り部６ｂ又は障害物７ｂのいずれか一方又は両方が設けられている。絞り部６ｂ及び障害物７ｂは、給気孔２ｂからガス導入部に流入するガスの圧力損失を増加させる作用を有している。
【０００７】
特許文献３に開示されている平板型固体酸化物型燃料電池のスタック構造は、図３５に示すように、平板型の単セル１ｃとセパレータ２ｃとが、交互に複数枚積層されて構成されている。セパレータ２ｃは、積層されたセンタープレート３ｃ、燃料極側プレート４ｃ及び空気極側プレート５ｃで構成されている。
【０００８】
センタープレート３ｃの表面には、燃料ガス供給流路６ｃが設けられる一方、燃料極側プレート４ｃには、前記燃料ガス供給流路６ｃにそれぞれ連通する複数個の燃料ガス噴射用貫通孔７ｃが設けられている。センタープレート３ｃの裏面には、酸化剤ガス供給流路８ｃが設けられ、空気極側プレート５ｃには、前記酸化剤ガス供給流路８ｃにそれぞれ連通する複数個の酸化剤ガス噴射用貫通孔９ｃが設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平５−１２９０３３号公報
【特許文献２】特開平１０−１７２５９４号公報
【特許文献３】特開２００７−０２６９２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記の特許文献１では、セパレータ２ａの辺部に、それぞれ複数の給気孔４ａ、燃料給気孔５ａ、空気排気孔６ａ及び燃料排気孔７ａが形成されている。このため、各ガス流通孔（各給気孔及び各排気孔）の総開口面積を等しくした際には、孔部の製造公差によって、空気と燃料ガスとに供給のばらつき（不均等流速、不均等流量）が発生し、所望の発電反応が遂行されないおそれがある。
【００１１】
しかも、単電池１ａ及びセパレータ２ａのガス漏れを防止するために、シール用パッキンが設けられている。従って、単電池１ａのＭＥＡに過大な荷重が付与され、このＭＥＡに割れや破損等が惹起するという問題がある。特に、ガス漏れに対するシール性を優先する必要性から、ＭＥＡに過大な荷重がかかるからである。
【００１２】
また、上記の特許文献２では、給気孔２ｂから三角形凹み５ｂに至る領域には、ガス導入部が設けられるとともに、このガス導入部には、絞り部６ｂ及び障害物７ｂが設けられている。これにより、セパレータ１ｂの面内には、発電に寄与しない部分が相当に広い範囲にわたって存在しており、スペース効率が低下して燃料電池全体の小型化が容易に図れないという問題がある。
【００１３】
しかも、ガス漏れ防止用のシール構造を採用している。このため、ＭＥＡに過大な荷重がかかってしまい、前記ＭＥＡに割れや破損等が惹起するという問題がある。
【００１４】
さらにまた、特許文献３では、複数の燃料ガス噴射用貫通孔７ｃが設けられており、各開口面積を等しくしようとする際に、前記燃料ガス噴射用貫通孔７ｃの製造公差によって、燃料ガスの供給にばらつきが惹起されてしまう。従って、各単セル１ｃの発電面全面に燃料ガスを均等に分配供給することができないという問題がある。
【００１５】
しかも、ガス漏れ防止用のシール性を考慮すると、ＭＥＡに過大な荷重がかかることになる。これにより、ＭＥＡに割れや破損等が発生するおそれがある。
【００１６】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、反応ガスの供給にばらつきが惹起することがなく、発電面全面に前記反応ガスを均一に供給すること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】
【００１７】
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ものである。
【００１８】
セパレータは、電解質・電極接合体を挟持するとともに、アノード電極に接する一方の面に、複数の突起部により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が設けられ、前記カソード電極に接する他方の面に、複数の突起部により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設けられる矩形状の挟持部と、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又は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反応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、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記反応ガス供給通路に供給するための反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される反応ガス供給部とを備えている。
【００１９】
そして、挟持部には、一方の面又は他方の面に積層方向に形成され、燃料ガスを燃料ガス通路に又は酸化剤ガスを酸化剤ガス通路に供給する１以上の反応ガス供給孔と、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又は前記酸化剤ガス通路側に突出してカソード電極の外周縁部に接触する外縁周回用凸部と、該挟持部の端部から前記積層方向に交差する方向に向かって外部に開放され、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又は前記酸化剤ガス通路を通って使用された前記酸化剤ガスを排出する反応ガス排出孔と、前記アノード電極に接触する又は前記カソード電極に接触するとともに、前記反応ガス供給孔と前記反応ガス排出孔との間に且つ前記反応ガス供給孔側にＶ字状に折曲し、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスが前記反応ガス供給孔から前記反応ガス排出孔に直線状に流れることを阻止する１以上の迂回路形成用壁部とが設けられている。
【００２０】
ここで、少なくとも１つの迂回路形成用壁部は、Ｖ字状の内部領域に、少なくとも１つの反応ガス供給孔が配設されている。
【００２１】
また、少なくとも１つの迂回路形成用壁部は、少なくとも一端の延長線が挟持部の頂部に向かうように設定されることが好ましい。このため、反応ガス、例えば、燃料ガスは、迂回路形成用壁部の形状に沿って燃料ガス通路内全域にわたって確実に流れるため、前記燃料ガスがアノード電極の電極面全域に沿って流れる時間を長くすることができる。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。
【００２２】
一方、反応ガス、例えば、酸化剤ガスは、迂回路形成用壁部の形状に沿って酸化剤ガス通路全域にわたって確実に流れるため、前記酸化剤ガスがカソード電極の電極面全域に沿って流れる時間を長くすることができる。これにより、酸化剤ガスを発電反応に有効に利用することが可能になり、空気利用率が良好に向上する。
【００２３】
しかも、反応ガス供給孔から供給される反応ガスは、迂回路形成用壁部の案内作用下に、矩形状の挟持部の頂部近傍にも良好に供給される。このため、例えば、１つの反応ガス供給孔であっても、電極面全面にわたって反応ガスを均一に供給することができる。
【００２４】
さらに、迂回路形成用壁部は、反応ガス供給孔と反応ガス排出孔との距離が長い程、Ｖ字状壁面間の折曲角度が大きく設定されることが好ましい。従って、反応ガス供給孔の位置が変更されても、迂回路形成用壁部の折曲角度を変更するだけでよく、簡単且つ経済的な構成で、反応ガスを均一且つ良好に供給することが可能になる。
【００２５】
さらにまた、反応ガス排出孔は、橋架部の延長線に交差する挟持部の１辺に形成されることが好ましい。これにより、使用済みの反応ガスは、橋架部の延長線方向に排出されるため、排熱の回収が容易に遂行される。
【００２６】
また、反応ガス排出孔は、橋架部の延長線に交差する挟持部の１辺に複数設けられるとともに、各反応ガス排出孔は、前記橋架部の延長線に交差する位置から離間する程、開口断面積が小さく設定されることが好ましい。このため、反応ガスが流通し難い中央側に前記反応ガスが流れ易くなり、簡単且つ経済的な構成で、反応ガスを均一且つ良好に供給することが可能になる。
【００２７】
さらに、反応ガス排出孔は、橋架部の延長線に交差する挟持部の１辺に複数設けられるとともに、各反応ガス排出孔は、前記橋架部の延長線に交差する位置から離間する程、互いの間隔が広く設定されることが好ましい。従って、反応ガスが流通し難い中央側に前記反応ガスが流れ易くなり、簡単且つ経済的な構成で、反応ガスを均一且つ良好に供給することが可能になる。
【００２８】
さらにまた、この燃料電池は、反応ガス供給部には、互いに反対方向に延在して一対の橋架部が連結されるとともに、一対の前記橋架部には、前記反応ガス供給部を中心に対称位置にそれぞれ挟持部が連結されることが好ましい。これにより、簡単且つ経済的な構成で、同一平面内に２つの電解質・電極接合体を挟持することができる。
【００２９】
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。このため、固体酸化物形燃料電池のような高温型燃料電池に最適に使用することが可能になる。特に、懸念される熱応力による影響を良好に回避することができ、燃料電池の小型化が容易に図られる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、反応ガス供給部と電解質・電極接合体を挟持する挟持部とは、橋架部を介して積層方向の締め付け荷重を遮断することが可能になり、前記電解質・電極接合体に所望の荷重を付与することができる。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、比較的大きな荷重を選択的に付与する一方、電解質・電極接合体には、挟持部との密着性を高める程度の比較的小さな荷重を付与することが可能になる。これにより、反応ガス供給部に所望のシール性を確保するとともに、電解質・電極接合体の損傷を可及的に阻止し、効率的な発電及び集電が遂行される。
【００３１】
さらに、例えば、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、挟持部に設けられた外縁周回用凸部を介して外部に吹き抜けることを阻止される。このため、燃料ガスを発電反応に有効に利用することができ、燃料利用率が良好に向上する。
【００３２】
しかも、電解質・電極接合体の外方から、例えば、酸化剤ガスや排ガス等の燃料ガス以外のガスが、アノード電極に回り込むことを阻止することが可能になる。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。
【００３３】
さらにまた、例えば、酸化剤ガス供給孔から酸化剤ガス通路に供給された酸化剤ガスは、挟持部に設けられた外縁周回用凸部を介して外部に吹き抜けることを阻止される。これにより、酸化剤ガスを発電反応に有効に利用することができ、空気（酸化剤ガス）利用率が良好に向上する。
【００３４】
その上、電解質・電極接合体の外方から、例えば、燃料ガスや排ガス等の酸化剤ガス以外のガスが、カソード電極に回り込むことを阻止することが可能になる。このため、カソード電極の還元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。
【００３５】
また、迂回路形成用壁部は、例えば、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を長くすることができる。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。
【００３６】
一方、迂回路形成用壁部は、例えば、カソ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、酸化剤ガスは、酸化剤ガス通路内を迂回しながら流れるため、前記酸化剤ガスがカソード電極の電極面に沿って流れる時間を長くすることができる。これにより、酸化剤ガスを発電反応に有効に利用することが可能になり、空気利用率が良好に向上する。
【００３７】
さらに、迂回路形成用壁部は、反応ガス供給孔と反応ガス排出孔との間に且つ前記反応ガス供給孔側にＶ字状に折曲して設けられている。このため、製造精度が要求される反応ガス供給孔の個数が一挙に削減され、経済的であるとともに、複数の反応ガス供給孔を設ける場合と同等に、反応ガスを電極面に沿って均一に供給することができる。
【００３８】
さらにまた、迂回路形成用壁部は、Ｖ字状の内部領域に、少なくとも１つの反応ガス供給孔が配設されている。従って、反応ガス、例えば、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より長くなる。これにより、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。
【００３９】
一方、反応ガス、例えば、酸化剤ガスは、酸化剤ガス通路内を迂回しながら流れるため、前記酸化剤ガスがカソード電極の電極面に沿って流れる時間がより長くなる。このため、酸化剤ガスを発電反応に有効に利用することが可能になり、空気利用率が良好に向上する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視説明図である。
【図３】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４】前記燃料電池を構成する第２プレートの説明図である。
【図５】前記燃料電池の、図４中、Ｖ−Ｖ線断面図である。
【図６】前記燃料電池が筐体に収容された状態の一部切り欠き斜視説明図である。
【図７】前記燃料電池が収容された前記筐体の平面説明図である。
【図８】前記筐体内部の分解斜視説明図である。
【図９】燃料ガス供給孔の位置と迂回路形成用壁部の折曲角度との関係説明図である。
【図１０】前記燃料ガス供給孔の位置と前記迂回路形成用壁部の折曲角度との関係説明図である。
【図１１】前記燃料ガス供給孔の位置と前記迂回路形成用壁部の折曲角度との関係説明図である。
【図１２】各燃料ガス排出孔の面積が異なる際の説明図である。
【図１３】各燃料ガス排出孔の間隔が異なる際の説明図である。
【図１４】前記燃料ガス供給孔と前記迂回路形成用壁部との関係説明図である。
【図１５】前記燃料ガス供給孔と前記迂回路形成用壁部との関係説明図である。
【図１６】前記燃料ガス供給孔と前記迂回路形成用壁部との関係説明図である。
【図１７】前記燃料ガス供給孔と前記迂回路形成用壁部との関係説明図である。
【図１８】前記燃料ガス供給孔と前記迂回路形成用壁部との関係説明図である。
【図１９】前記燃料ガス供給孔と前記迂回路形成用壁部との関係説明図である。
【図２０】前記燃料ガス供給孔と前記迂回路形成用壁部との関係説明図である。
【図２１】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２２】前記燃料電池を構成する第２プレートの説明図である。
【図２３】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２４】前記燃料電池を構成する第２プレートの説明図である。
【図２５】前記燃料電池が筐体に収容された状態の一部切り欠き斜視説明図である。
【図２６】前記燃料電池が収容された前記筐体の平面説明図である。
【図２７】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックの一部切り欠き斜視説明図である。
【図２８】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２９】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３０】前記燃料電池を構成する第２プレートの説明図である。
【図３１】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３２】前記燃料電池を構成する第２プレートの説明図である。
【図３３】特許文献１の固体電解質燃料電池の斜視説明図である。
【図３４】特許文献２のセパレータの斜視説明図である。
【図３５】特許文献３の燃料電池の断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０を組み込む燃料電池システム１２は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。
【００４２】
燃料電池システム１２は、燃料ガス（水素ガスにメタン、一酸化炭素が混合した気体）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する燃料電池モジュール（ＳＯＦＣモジュール）１４と、前記燃料電池モジュール１４に炭化水素を主体とする原燃料（例えば、都市ガス）を供給する原燃料供給装置（燃料ガスポンプを含む）１６と、前記燃料電池モジュール１４に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給装置（空気ポンプを含む）１８と、前記燃料電池モジュール１４に水を供給する水供給装置（水ポンプを含む）２０と、前記燃料電池モジュール１４の発電量を制御する制御装置２２とを備える。
【００４３】
燃料電池モジュール１４は、酸化剤ガスを燃料電池スタック１０に供給する前に加熱する熱交換器２４と、原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器２６と、前記混合燃料を改質して改質ガスを生成する予備改質器２８とを備える。
【００４４】
予備改質器２８は、都市ガス中に含まれるエタン（Ｃ2Ｈ6）、プロパン（Ｃ3Ｈ8）及びブタン（Ｃ4Ｈ10）等の高級炭化水素（Ｃ2+）を、主としてメタン（ＣＨ4）を含む原燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。
【００４５】
熱交換器２４は、燃料電池スタック１０から排出される使用済み反応ガス（以下、排ガス又は燃焼排ガスともいう）と、被加熱流体である空気とを、互いに対向流に流して熱交換を行う。熱交換後の空気は、酸化剤ガスとして燃料電池スタック１０に供給される。
【００４６】
蒸発器２６の入口には、水供給装置２０と原燃料供給装置１６とが接続されるとともに、前記蒸発器２６の出口は、予備改質器２８の入口に連結される。予備改質器２８の出口は、燃料電池スタック１０の燃料ガス供給連通孔（後述する）に連通する。
【００４７】
燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池３０が、例えば、鉛直方向（矢印Ａ方向）に積層されるとともに、積層方向両端には、図示しないエンドプレートが配設される。図２及び図３に示すように、燃料電池３０は、固体電解質形（固体酸化物形）燃料電池であり、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）３２の両面に、カソード電極３４及びアノード電極３６が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）３８を備える。
【００４８】
電解質・電極接合体３８は、矩形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。電解質・電極接合体３８は、正方形に設定してもよく、又は後述する橋架部の延長線に平行する周縁長が、前記延長線に直交する周縁長よりも大きい長方形に設定してもよい。
【００４９】
燃料電池３０は、一組のセパレータ４０間に単一の電解質・電極接合体３８を挟んで構成される。セパレータ４０は、第１プレート４２及び第２プレート４４を備え、前記第１プレート４２及び前記第２プレート４４は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成され、ろう付け、拡散接合やレーザ溶接等により互いに接合される。
【００５０】
セパレータ４０は、中央部に燃料ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）４６を形成する燃料ガス供給部（反応ガス供給部）４８を有する。この燃料ガス供給部４８から外方に延在する橋架部５０には、矩形状の挟持部５２が一体的に設けられる。挟持部５２は、電解質・電極接合体３８と略同一寸法に設定されるとともに、橋架部５０の延長線に平行する周縁長Ｌ１が、前記延長線に直交する周縁長Ｌ２よりも大きく設定される（Ｌ１＞Ｌ２）。
【００５１】
挟持部５２のカソード電極３４に接する面には、前記カソード電極３４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５４が形成される。挟持部５２のアノード電極３６の接する面には、前記アノード電極３６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５６が形成される（図２及び図４参照）。橋架部５０には、燃料ガスを燃料ガス供給連通孔４６から燃料ガス通路５６に供給するための燃料ガス供給通路５８が形成される。
【００５２】
第１プレート４２には、中央部に燃料ガス供給連通孔４６が形成される第１円板部６０と、前記第１円板部６０に一体に設けられる第１長板部６２と、前記第１長板部６２に一体に設けられる第１矩形状部６４とを設ける。第１矩形状部６４のカソード電極３４に向かう面には、酸化剤ガス通路５４を形成するための複数の突起部６６が形成される。
【００５３】
第２プレート４４は、中央部に燃料ガス供給連通孔４６が形成される第２円板部６８と、前記第２円板部６８に一体に設けられる第２長板部７０と、前記第２長板部７０に一体に設けられる第２矩形状部７２とを備える。第２プレート４４の第１プレート４２に接合される面側において、第２円板部６８に円環状に配列される複数の凸部７４間にスリット７６が形成され、このスリット７６は、周溝７８を介して燃料ガス供給通路５８の一端側に連通する。燃料ガス供給通路５８の他端側は、第２長板部７０から第２矩形状部７２の途上まで延在して終端する。
【００５４】
第２矩形状部７２には、燃料ガス供給通路５８の終端部近傍に位置して燃料ガス供給孔８０が形成される。燃料ガス供給孔８０は、図４に示すように、後述する酸化剤ガスの流れ方向（矢印Ｂ方向）上方側に近接し、すなわち、第２長板部７０側に近接した位置に設定される。
【００５５】
第２プレート４４のアノード電極３６に接触する面側には、燃料ガス通路５６を形成するための複数の突起部８２と、前記燃料ガス通路５６を周回し、前記アノード電極３６の外周縁部に接触する外縁周回用凸部８５とが形成される（図４参照）。
【００５６】
第２矩形状部７２の先端側には、燃料ガス通路５６を通って使用された燃料ガスを排出する燃料ガス排出孔８４に連通する貫通孔８６が形成される。貫通孔８６は、第２長板部７０（橋架部５０）の延長線に交差する方向に複数配列される。各貫通孔８６に連通する各燃料ガス排出孔８４は、挟持部５２の一辺４０ａに橋架部５０の延長線に直交する方向（矢印Ｃ方向）に配列される（図２参照）。
【００５７】
図４に示すように、第２矩形状部７２には、アノード電極３６に接触するとともに、燃料ガス供給孔８０と貫通孔８６（燃料ガス排出孔８４）との間に且つ前記燃料ガス供給孔８０側にＶ字状に折曲し、前記燃料ガスが前記燃料ガス供給孔８０から前記貫通孔８６に直線状に流れることを阻止する迂回路形成用壁部８８が設けられる。
【００５８】
迂回路形成用壁部８８は、Ｖ字状の内部領域Ｓに燃料ガス供給孔８０が配設される。迂回路形成用壁部８８は、両方の壁面８８ａ、８８ｂの延長線Ｐ１、Ｐ２が挟持部５２の両方の頂部５２Ｐ１、５２Ｐ２に向かうように設定される。
【００５９】
図２及び図３に示すように、橋架部５０の両側には、酸化剤ガスを矢印Ａ方向に流通させるための酸化剤ガス供給連通孔９０が設けられる。酸化剤ガス供給連通孔９０は、例えば、鉛直上方向に酸化剤ガスを流通させるとともに、各燃料電池３０を構成する酸化剤ガス通路５４に沿って、前記酸化剤ガスを矢印Ｂ方向に供給する。
【００６０】
電解質・電極接合体３８を挟んで配設される一対のセパレータ４０において、各燃料ガス供給部４８間には、燃料ガス供給連通孔４６をシールするための絶縁シール９２が設けられる。絶縁シール９２は、例えば、マイカ材やセラミック材等の地殻成分系素材、ガラス系素材、粘土とプラスチックの複合素材で形成される。
【００６１】
燃料電池３０には、挟持部５２の矢印Ｂ方向外方に位置して、排ガス排出連通孔９４が形成される。この排ガス排出連通孔９４は、電解質・電極接合体３８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。
【００６２】
燃料電池スタック１０は、図６に示すように、複数の燃料電池３０が鉛直方向に積層された積層体９５を備える。積層体９５は、第１締め付け荷重付与機構９６及び第２締め付け荷重付与機構９８を介して筺体１００内に収容される。
【００６３】
筺体１００は、平板状の基台１０２を備え、この基台１０２には、ケーシング部材１０４が配置される。ケーシング部材１０４のフランジ部１０６と基台１０２の外周縁部とには、複数のボルト１０８が締め付けられることにより、前記ケーシング部材１０４が前記基台１０２に固定される。基台１０２には、図６及び図７に示すように、燃料電池３０の燃料ガス供給連通孔４６に連通する１つの燃料ガス用孔部１０９と、酸化剤ガス供給連通孔９０に連通する２つの空気用孔部１１０ａ、１１０ｂと、排ガス排出連通孔９４に連通する１つの排ガス用孔部１１２とが形成される。
【００６４】
ケーシング部材１０４内には、積層体９５（燃料電池３０）の両側部に橋架部５０の延長線に平行に側部断熱部材１１４ａ、１１４ｂが配置されるとともに、前記燃料電池３０の先端側には、先端部断熱部材１１６が配置される。側部断熱部材１１４ａ、１１４ｂ及び先端部断熱部材１１６は、それぞれ矩形平板状を有し、例えば、マイカ等の断熱材で構成される。側部断熱部材１１４ａ、１１４ｂ及び先端部断熱部材１１６は、ケーシング部材１０４の内壁に密着して配置される。
【００６５】
第１締め付け荷重付与機構９６は、図６〜図８に示すように、燃料ガス供給連通孔４６における燃料ガスのシール性を確保するために、燃料ガス供給部４８に配置される押圧部材１１８を備える。押圧部材１１８は、燃料ガス供給連通孔４６を覆う円板部１２０の両側から板状部１２２が突出形成される。各板状部１２２には、それぞれボルト１２４が挿入され、前記ボルト１２４が基台１０２に形成されているねじ穴１２６に螺合される。
【００６６】
第２締め付け荷重付与機構９８は、各挟持部５２に電解質・電極接合体３８との積層位置に対応して配置される上端部断熱部材１２８を備える。上端部断熱部材１２８の四隅近傍には、段付孔部１３０が形成され、各段付孔部１３０に挿入されるボルト１３２は、基台１０２に形成されるねじ穴１３４に螺合される。上端部断熱部材１２８は、側部断熱部材１１４ａ、１１４ｂ及び先端部断熱部材１１６により形成される空間内に、矢印Ａ方向に移動自在に配置される。
【００６７】
側部断熱部材１１４ａ、１１４ｂの内面と、各燃料電池３０の挟持部５２の両側面との間は、常温時には所定の隙間を形成し、且つ運転による高温時には、熱膨張等により前記内面と前記両側部とが接触するように設定される。先端部断熱部材１１６と各燃料電池３０の挟持部５２の先端部との間には、排ガス排出連通孔９４を構成する空間部が形成され、この排ガス排出連通孔９４が排ガス用孔部１１２に連通する。
【００６８】
このように構成される燃料電池システム１２の動作について、以下に説明する。
【００６９】
図１に示すように、原燃料供給装置１６の駆動作用下に、蒸発器２６には、例えば、都市ガス（ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、Ｃ4Ｈ10を含む）等の原燃料が供給される。一方、水供給装置２０の駆動作用下に、蒸発器２６には、水が供給されるとともに、熱交換器２４には、酸化剤ガス供給装置１８を介して酸化剤ガスである、例えば、空気が供給される。
【００７０】
蒸発器２６では、原燃料に水蒸気が混在されて混合燃料が得られ、この混合燃料は、予備改質器２８に供給される。混合燃料は、予備改質器２８内で水蒸気改質され、Ｃ2+の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする改質ガスが得られる。この改質ガスは、燃料ガス用孔部１０９から燃料電池スタック１０の燃料ガス供給連通孔４６に供給される。
【００７１】
一方、熱交換器２４に供給される空気は、この熱交換器２４に沿って移動する際、排ガス排出連通孔９４から排ガス用孔部１１２に排出された後述する排ガスとの間で熱交換が行われ、所望の温度に予め加温されている。熱交換器２４で加温された空気は、空気用孔部１１０ａ、１１０ｂから燃料電池スタック１０の酸化剤ガス供給連通孔９０に供給される。
【００７２】
図２及び図３に示すように、燃料ガス供給連通孔４６に供給された燃料ガスは、各燃料電池３０を構成するセパレータ４０において、スリット７６から周溝７８を通って橋架部５０に形成されている燃料ガス供給通路５８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス供給通路５８から燃料ガス供給孔８０を通って燃料ガス通路５６に導入される。
【００７３】
図４に示すように、燃料ガス供給孔８０は、橋架部５０側に近接して設けられるとともに、迂回路形成用壁部８８の内部領域Ｓに配置されている。このため、燃料ガス供給孔８０から燃料ガス通路５６に導入された燃料ガスは、迂回路形成用壁部８８の案内作用下に、前記燃料ガス通路５６を通って電解質・電極接合体３８のアノード電極３６に供給された後、複数の貫通孔８６から各燃料ガス排出孔８４を通って排ガス排出連通孔９４に排出される。
【００７４】
一方、酸化剤ガス供給連通孔９０に供給された空気は、各電解質・電極接合体３８のカソード電極３４とセパレータ４０との間に形成されている酸化剤ガス通路５４に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス通路５４を矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質・電極接合体３８のカソード電極３４に供給された後、排ガス排出連通孔９４に排出される。
【００７５】
従って、電解質・電極接合体３８では、アノード電極３６に燃料ガスが供給される一方、カソード電極３４に空気が供給され、酸化物イオンが電解質３２を通って、アノード電極３６に移動し、化学反応により発電が行われる。
【００７６】
排ガス排出連通孔９４に排出された排ガス（使用済みの燃料ガス及び使用済みの空気）は、筺体１００内を複数の燃料電池３０の積層方向に移動した後、排ガス用孔部１１２から熱交換器２４に供給される。従って、熱交換器２４では、廃熱回収が良好に行われ、使用前の空気を良好に昇温させることができる。
【００７７】
この場合、第１の実施形態では、燃料ガス供給部４８と電解質・電極接合体３８を挟持する挟持部５２とは、長板状の橋架部５０を介して積層方向の締め付け荷重を遮断することができる。このため、電解質・電極接合体３８に所望の荷重を付与することが可能になる。
【００７８】
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燃料ガス供給部４８には、第１締め付け荷重付与機構９６を介して比較的大きな荷重を付与する一方、電解質・電極接合体３８には、第２締め付け荷重付与機構９８を介して挟持部５２との密着性を高める程度の比較的小さな荷重を付与することができる。これにより、燃料ガス供給部４８に所望のシール性を確保するとともに、電解質・電極接合体３８の損傷を可及的に阻止し、効率的な発電及び集電が遂行される。
【００７９】
さらに、図４に示すように、燃料ガス供給孔８０から燃料ガス通路５６に供給された燃料ガスは、挟持部５２に設けられた外縁周回用凸部８５を介して外部に吹き抜けることを阻止される。このため、燃料ガスを発電反応に有効に利用することができ、燃料利用率が良好に向上する。
【００８０】
しかも、電解質・電極接合体３８の外方から、酸化剤ガスや排ガス等の燃料ガス以外のガスが、アノード電極３６に回り込むことを阻止することが可能になる。従って、アノード電極３６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４０や電解質・電極接合体３８の耐久性の向上が容易に図られる。
【００８１】
さらにまた、迂回路形成用壁部８８は、アノード電極３６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５６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３６の電極面に沿って流れる時間を長くすることができる。従って、燃料ガスは、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。
【００８２】
さらに、迂回路形成用壁部８８は、燃料ガス供給孔８０と燃料ガス排出孔８４との間に、且つ前記燃料ガス供給孔８０側にＶ字状に屈曲して設けられている。このため、製造精度が要求される燃料ガス供給孔８０の個数が一挙に削減され、経済的であるとともに、複数の燃料ガス供給孔８０を設ける場合と同様に、燃料ガスを電極面に沿って均一に供給することができる。
【００８３】
さらにまた、迂回路形成用壁部８８は、Ｖ字状の内部領域Ｓに燃料ガス供給孔８０を配設している。従って、燃料ガスは、燃料ガス通路５６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３６の電極面に沿って流れる時間がより長くなる。これにより、燃料ガスは、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】
また、迂回路形成用壁部８８は、両端８８ａ、８８ｂの延長線Ｐ１、Ｐ２が挟持部５２の頂部５２Ｐ１、５２Ｐ２に向かうように設定されている。このため、燃料ガスは、燃料ガス通路５６内全域にわたって迂回しながら流れるため、前記燃料ガスがアノード電極３６の電極面全面に沿って流れる時間を長くすることができる。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。しかも、単一の燃料ガス供給孔８０を用いるだけで、電極面全域にわたって燃料ガスを均一に供給することができる。
【００８５】
さらに、燃料ガス排出孔８４は、橋架部５０の延長線に交差する挟持部５２の一辺に形成されている。これにより、使用済みの燃料ガスは、橋架部５０の延長線方向に排出され、排熱の回収は容易に遂行される。
【００８６】
また、燃料電池３０は、固体酸化物形燃料電池であり、高温型燃料電池に最適に使用することが可能になる。特に懸念される熱応力による影響を良好に回避することができ、燃料電池３０の小型化が容易に図られる。
【００８７】
次いで、迂回路形成用壁部８８では、燃料ガス供給孔８０と燃料ガス排出孔８４との距離に応じて、Ｖ字状の折曲角を変更することが可能である。例えば、図９に示すセパレータ４０Ａでは、燃料ガス供給孔８０が燃料ガス排出孔８４側に近接しており、前記燃料ガス供給孔８０と前記燃料ガス排出孔８４とが距離ｔ１だけ離間する場合に、迂回路形成用壁部８８ＡのＶ字状壁面間の折曲角度α１°が小さく設定される。
【００８８】
図１０に示すセパレータ４０Ｂでは、燃料ガス供給孔８０と燃料ガス排出孔８４との距離ｔ２が、略中間位置に設定されている際（ｔ２＞ｔ１）、迂回路形成用壁部８８ＢのＶ字状壁面間の折曲角度α２°が比較的大きく設定される（α２°＞α１°）。
【００８９】
さらに、図１１に示すセパレータ４０Ｃでは、燃料ガス供給孔８０と燃料ガス排出孔８４との距離ｔ３が大きく設定されている際（ｔ３＞ｔ２）、迂回路形成用壁部８８ＣのＶ字状壁面間の折曲角度α３°は、相当に大きな角度に設定される（α３°＞α２°）。
【００９０】
従って、燃料ガス供給孔８０の位置が変更されても、迂回路形成用壁部８８Ａ、８８Ｂ又は８８Ｃの折曲角度α１°、α２°又はα３°に変更するだけでよい。このため、簡単且つ経済的な構成で、燃料ガスを均一且つ良好に供給することが可能になる。
【００９１】
さらにまた、燃料ガス排出孔８４は、橋架部５０の延長線に交差する挟持部５２の一辺に複数設けられている。例えば、図１２に示す第２プレート４４Ａでは、第２長板部７０（橋架部５０）の延長線に交差する位置に燃料ガス排出孔８４ａが設けられ、この交差位置から離間する両方向に燃料ガス排出孔８４ｂ、８４ｃ及び８４ｄが設けられる。
【００９２】
その際、燃料ガス排出孔８４ａ〜８４ｄの開口幅ｔ４、ｔ５、ｔ６及びｔ７は、順次、小さくなることにより（ｔ４＞ｔ５＞ｔ６＞ｔ７）、各開口断面積が交差位置から離間する程、小さくなるように設定される。
【００９３】
これにより、特に燃料ガスが流通し難い中央側の燃料ガス排出孔８４ａの開口断面積は、前記燃料ガスが流通し易い両端部側の燃料ガス排出孔８４ｄの開口断面積よりも大きく設定される。このため、簡単且つ経済的な構成で、燃料ガスを均一且つ良好に供給することが可能になる。
【００９４】
また、図１３に示す第２プレート４４Ｂでは、第２長板部７０（橋架部５０）の延長線に交差する方向に複数の燃料ガス排出孔８４が設けられるとともに、各燃料ガス排出孔８４は、前記延長線に交差する位置から離間する程、互いの間隔ｔ８、ｔ９、ｔ１０及びｔ１１が広く設定される。従って、上記の第２プレート４４Ａと同様に、簡単且つ経済的な構成で、燃料ガスを均一且つ良好に供給することが可能になる。
【００９５】
さらに、第１の実施形態では、迂回路形成用壁部８８及び燃料ガス供給孔８０を１つずつ設けているが、これに限定されるものではない。例えば、図１４に示すように、２つの燃料ガス供給孔８０ａ、８０ｂが設けられるとともに、各燃料ガス供給孔８０ａ、８０ｂを囲むようにしてＶ字状の迂回路形成用壁部１３０ａ、１３０ｂが設けられる。
【００９６】
さらにまた、図１５に示すように、３つの燃料ガス供給孔８０ａ、８０ｂ及び８０ｃが形成されるとともに、前記燃料ガス供給孔８０ａ、８０ｂ及び８０ｃに対応して３つのＶ字状を有する迂回路形成用壁部１３２ａ、１３２ｂ及び１３２ｃが設けられる。
【００９７】
また、図１６に示すように、単一の燃料ガス供給孔８０を覆ってＶ字状の迂回路形成用壁部８８が設けられるとともに、前記迂回路形成用壁部８８の近傍には、Ｖ字状の迂回路形成用壁部１３４ａ、１３４ｂが設けられる。
【００９８】
さらに、図１７に示すように、単一の燃料ガス供給孔８０を収容してＶ字状の迂回路形成用壁部８８が形成され、前記迂回路形成用壁部８８の各辺に対応して、迂回路形成用壁部１３４ａ、１３４ｂが設けられるとともに、さらに、各迂回路形成用壁部１３４ａ、１３４ｂの各辺に対応して、迂回路形成用壁部１３６ａ、１３６ｂ、１３６ｃ及び１３６ｄが設けられる。
【００９９】
さらにまた、図１８は、２つの燃料ガス供給孔８０ａ、８０ｂを内部領域に収容して単一のＶ字状を有する迂回路形成用壁部１３８が設けられる。
【０１００】
また、図１９に示すように、２つの燃料ガス供給孔８０ａ、８０ｂが挟持部５２の延長方向に配列されるとともに、前記燃料ガス供給孔８０ａ、８０ｂを内部領域に収容して単一のＶ字状を有する迂回路形成用壁部１３８が設けられる。
【０１０１】
さらに、図２０に示すように、単一の迂回路形成用壁部１３８の内部領域に３つの燃料ガス供給孔８０ａ、８０ｂ及び８０ｃが設けられる。
【０１０２】
なお、図１４〜図２０において、迂回路形成用壁部の少なくとも一端の延長線が、挟持部の頂部に向かうように設定される。また、迂回路形成用壁部が、下段に配列される際には、上段の迂回路形成用壁部の両端から流れ方向に引いた線上を跨ぐように、下段の迂回路形成用壁部が配置される。
【０１０３】
図２１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り、複数の前記燃料電池１４０が積層されて燃料電池スタック１４２が構成される。
【０１０４】
なお、第１の実施形態に係る燃料電池３０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。
【０１０５】
燃料電池１４０は、電解質・電極接合体３８を挟持する一組のセパレータ１４４を備える。セパレータ１４４は、第１プレート１４６及び第２プレート１４８を備え、前記第１プレート１４６は、上述した第１プレート４２と同様に構成される。
【０１０６】
第２プレート１４８では、燃料ガス供給孔８０が第２矩形状部７２の先端側に形成されるとともに、燃料ガス排出孔８４が前記第２矩形状部７２の内側端部、すなわち、第２長板部７０側の辺に複数設けられる。
【０１０７】
図２２に示すように、Ｖ字状の迂回路形成用壁部８８は、燃料ガス供給孔８０と燃料ガス排出孔８４との間に位置し、且つ前記燃料ガス供給孔８０側にＶ字状に折曲して設けられる。挟持部５２の一辺側に酸化剤ガス供給連通孔９０が設けられ、酸化剤ガスはこの酸化剤ガス供給連通孔９０から酸化剤ガス通路５４に沿って、矢印Ｄ方向に供給される。橋架部５０の両側部には、排ガス排出連通孔９４が形成される（図２１参照）。
【０１０８】
このように構成される第２の実施形態では、酸化剤ガス及び燃料ガスの流れ方向が矢印Ｄ方向であり、第１の実施形態の矢印Ｂ方向とは、逆方向に設定されている。従って、第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる他、燃料ガス供給連通孔４６を流通する燃料ガスを有効に昇温させることができる。
【０１０９】
図２３は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１６０の分解斜視説明図である。複数の燃料電池１６０が積層されることにより、燃料電池スタック１６２が構成される。
【０１１０】
燃料電池１６０は、同一平面状に２つの電解質・電極接合体３８を挟持する一組のセパレータ１６４を備える。セパレータ１６４は、第１プレート１６６と第２プレート１６８とを備える。セパレータ１６４は、中央部に燃料ガス供給連通孔４６が形成される燃料ガス供給部４８を有し、前記燃料ガス供給部４８には、互いに反対方向に延在して一対の橋架部５０Ａ、５０Ｂが連結されるとともに、一対の前記橋架部５０Ａ、５０Ｂには、前記燃料ガス供給部４８を中心に対称位置にそれぞれ挟持部５２Ａ、５２Ｂが一体に設けられる。
【０１１１】
第１プレート１６６は、燃料ガス供給連通孔４６が形成される第１円板部６０を有し、前記第１円板部６０から互いに反対方向に延在して、第１長板部６２Ａ、６２Ｂが一体に設けられる。第１及び第２長板部６２Ａ、６２Ｂには、第１矩形状部６４Ａ、６４Ｂが一体に設けられる。第１矩形状部６４Ａ、６４Ｂの各カソード電極３４に対向する面部には、複数の突起部６６Ａ、６６Ｂを介して、それぞれ酸化剤ガス通路５４Ａ、５４Ｂが形成される。
【０１１２】
第２プレート１６８は、中央に燃料ガス供給連通孔４６が形成される第２円板部６８を有し、第２円板部６８には、互いに逆方向に延在して、第２長板部７０Ａ、７０Ｂが一体に設けられる。第２長板部７０Ａ、７０Ｂには、それぞれ第２矩形状部７２Ａ、７２Ｂが一体に設けられる。
【０１１３】
各第２長板部７０Ａ、７０Ｂから各第２矩形状部７２Ａ、７２Ｂの途上に延在して、燃料ガス供給通路５８Ａ、５８Ｂが形成されるとともに、前記燃料ガス供給通路５８Ａ、５８Ｂの終端縁部には、燃料ガス供給孔８０Ａ、８０Ｂが形成される。第２矩形状部７２Ａ、７２Ｂには、燃料ガス供給通路５８Ａ、５８Ｂが形成される面側に、それぞれ複数の燃料ガス排出孔８４Ａ、８４Ｂが形成される。
【０１１４】
図２４に示すように、第２矩形状部７２Ａ、７２Ｂのアノード電極３６に接触する面側には、複数の突起部８２Ａ、８２Ｂを介して燃料ガス通路５６Ａ、５６Ｂが形成される。燃料ガス通路５６Ａ、５６Ｂは、外縁周回用凸部８５Ａ、８５Ｂにより周回されるとともに、それぞれ燃料ガス排出孔８４Ａ、８４Ｂに連通する貫通孔８６Ａ、８６Ｂが形成される。燃料ガス供給孔８０Ａ、８０Ｂと燃料ガス排出孔８４Ａ、８４Ｂとの間には、Ｖ字状の迂回路形成用壁部８８が形成される。
【０１１５】
燃料電池スタック１６２は、図２５に示すように、複数の燃料電池１６０が積層された積層体１６９を収容する筺体１７０を備える。筺体１７０は、基台１７２とケーシング部材１７４とを備え、これらが複数のボルト１７６を介して固定される。ケーシング部材１７４内には、複数の燃料電池１６０が第１締め付け荷重付与機構９６と左右一対の第２締め付け荷重付与機構９８Ａ、９８Ｂとによりそれぞれ所望の荷重が付与された状態で収容される。
【０１１６】
図２６に示すように、ケーシング部材１７４内には、各挟持部５２Ａ、５２Ｂに対応して側部断熱部材１１４ａ、１１４ｂ及び先端部断熱部材１１６が一組ずつ配置される。
【０１１７】
このように構成される第３の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる他、同一平面内に２つの電解質・電極接合体３８が一対のセパレータ１６４により挟持されている。従って、燃料電池１６０の出力を有効に向上させることができるという利点がある。
【０１１８】
図２７は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタック１８０の概略斜視説明図である。
【０１１９】
燃料電池スタック１８０は、複数の燃料電池１６０が積層された積層体１６９を並列して配置する筐体１８２を備える。筐体１８２は、基台１８４にケーシング部材１８６をボルト１８８を介して固定される。所定数の燃料電池１６０が積層された各積層体１６９は、燃料ガス供給部４８を第１締め付け荷重付与機構９６により締め付け保持されるとともに、各挟持部５２Ａ、５２Ｂを第２締め付け荷重付与機構９８Ａ、９８Ｂにより締め付け保持される。
【０１２０】
各積層体１６９は、例えば、３列に収容配置されるとともに、各燃料電池１６０の積層体間には、例えば、セラミックス、マイカ、ガラス等の絶縁材で構成される絶縁シート１８９が介装される。隣接する燃料電池１６０同士が、電気的に接続されることを阻止するためである。
【０１２１】
このように構成される第４の実施形態では、各燃料電池１６０が矩形状の挟持部５２Ａ、５２Ｂを有し、前記挟持部５２Ａ、５２Ｂが燃料ガス供給部４８を中心に対称位置に配置されている。
【０１２２】
従って、複数の燃料電池１６０が積層された積層体１６９同士を互いに近接して並列させることができ、前記燃料電池１６０の収容スペースを可及的に狭小化させることが可能になるという効果が得られる。
【０１２３】
図２８は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池１９０の要部分解斜視説明図である。
【０１２４】
燃料電池１９０は、図２８及び図２９に示すように、複数積層されて燃料電池スタック１９２が構成される。燃料電池１９０は、一組のセパレータ１９４間に単一の電解質・電極接合体３８を挟んで構成される。セパレータ１９４は、互いに接合される第１プレート１９６及び第２プレート１９８を備える。
【０１２５】
セパレータ１９４は、燃料ガス供給連通孔４６及び酸化剤ガス供給連通孔９０が形成される反応ガス供給部２００を備える。この反応ガス供給部２００には、幅狭な橋架部２０２を介して、矩形状の挟持部２０４が一体に設けられる。
【０１２６】
第１プレート１９６は、それぞれ半円形状を有する燃料ガス供給連通孔４６及び酸化剤ガス供給連通孔９０が形成される第１円板部２０６と、橋架部２０２を構成する第１長板部２０８と、挟持部２０４を構成する第１矩形状部２１０とを一体に設ける。第１矩形状部２１０は、電解質・電極接合体３８のカソード電極３４に接触する面に、複数の突起部６６を介して酸化剤ガス通路５４を設けるとともに、この酸化剤ガス通路５４を周回し、カソード電極３４の外周縁部に接触する外縁周回用凸部２１２が形成される。
【０１２７】
第１矩形状部２１０には、酸化剤ガス通路５４内で第１長板部２０８側に近接して酸化剤ガス供給孔２１４が形成される。第１矩形状部２１０の先端部には、酸化剤ガス通路５４を通って使用された酸化剤ガスを排出する複数の酸化剤ガス排出孔２１６が、第１長板部２０８の延長線に直交する方向に複数配列される。各酸化剤ガス排出孔２１６は、第１長板部２０８の延長線に交差する位置から離間する程、開口断面積が小さく設定される。なお、延長線に交差する位置から離間する程、互いの間隔を広く設定してもよい。
【０１２８】
酸化剤ガス供給孔２１４と酸化剤ガス排出孔２１６との間には、前記酸化剤ガス供給孔２１４側にＶ字状に折曲し、酸化剤ガスが前記酸化剤ガス供給孔２１４から前記酸化剤ガス排出孔２１６に直線状に流れることを阻止する迂回路形成用壁部２１８が設けられる。迂回路形成用壁部２１８は、Ｖ字状の内部領域に酸化剤ガス供給孔２１４が配設されるとともに、両方の壁面２１８ａ、２１８ｂの延長線が第１矩形状部２１０の頂部に向かうように設定される。
【０１２９】
第２プレート１９８は、それぞれ開口形状半円形の燃料ガス供給連通孔４６及び酸化剤ガス供給連通孔９０を形成する第２円板部２２０と、幅狭な第２長板部２２２と、第２矩形状部２２４とを一体に設ける。第２円板部２２０には、第１プレート１９６に対向する面側に、燃料ガス供給連通孔４６に連通するスリット２２６及び周溝２２８と、酸化剤ガス供給連通孔９０に連通するスリット２３０及び周溝２３２とが形成される。
【０１３０】
第２長板部２２２には、周溝２２８に一端側が連通し、他端側が第２矩形状部２２４内に延在する燃料ガス供給通路５８と、周溝２３２に一端側が連通し、他端側が前記第２矩形状部２２４内に延在する酸化剤ガス供給通路２３４とが、互いに平行に形成される。燃料ガス供給通路５８の終端部には、燃料ガス供給孔８０が形成される一方、酸化剤ガス供給通路２３４の終端部には、第１プレート１９６に形成された酸化剤ガス供給孔２１４が連通する。酸化剤ガス供給孔２１４と燃料ガス供給孔８０とは、橋架部２０２の中心線上から左右に等間隔で離間している。
【０１３１】
図３０に示すように、第２プレート１９８のアノード電極３６に接触する面側には、複数の突起部８２により燃料ガス通路５６が形成される。第２矩形状部２２４の先端側には、複数の燃料ガス排出孔８４が開口面積、又は、離間間隔が設定されて形成される。図２８に示すように、各セパレータ１９４間には、反応ガス供給部２００に挟持されて絶縁リング９２ａが介装される。この絶縁リング９２ａは、燃料ガス供給連通孔４６及び酸化剤ガス供給連通孔９０をそれぞれシールする機能を有する。
【０１３２】
このように構成される第５の実施形態では、各セパレータ１９４を構成する反応ガス供給部２００に形成される燃料ガス供給連通孔４６及び酸化剤ガス供給連通孔９０には、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスが積層方向に流通する。燃料ガスは、橋架部２０２内に形成されている燃料ガス供給通路５８を通って、燃料ガス供給孔８０から燃料ガス通路５６に導入される。燃料ガスは、迂回路形成用壁部８８の案内作用下に、燃料ガス通路５６に沿って均一に流通し、アノード電極３６に供給される。そして、使用済みの燃料ガスは、燃料ガス排出孔８４から排ガス排出連通孔９４に排出される。
【０１３３】
一方、酸化剤ガスは、橋架部２０２内に形成されている酸化剤ガス供給通路２３４を通って、酸化剤ガス供給孔２１４から酸化剤ガス通路５４に導入される。この酸化剤ガスは、迂回路形成用壁部２１８の案内作用下に、酸化剤ガス通路５４に沿って均一に流通し、カソード電極３４に供給される。使用済みの酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出孔２１６から排ガス排出連通孔９４に排出される。
【０１３４】
この場合、第５の実施形態では、酸化剤ガス通路５４側に突出してカソード電極３４の外周縁部に接触する外縁周回用凸部２１２が設けられている。このため、酸化剤ガス供給孔２１４から酸化剤ガス通路５４に供給された酸化剤ガスは、外縁周回用凸部２１２に阻止されて外部に吹き抜けることを阻止される。これにより、酸化剤ガスを発電反応に有効に利用することができ、酸化剤ガス利用率が良好に向上する。
【０１３５】
その上、電解質・電極接合体３８の外方から、燃料ガスや排ガス等の酸化剤ガス以外のガスが、カソード電極３４に回り込むことを阻止することが可能になる。従って、カソード電極３４の還元による発電効率の低下を防止するとともに、セパレータ１９４や電解質・電極接合体３８の耐久性の向上が容易に計られる。  しかも、迂回路形成用壁部２１８は、カソード電極３４に接触するため、良好な集電効果が得られる。その上、酸化剤ガスは、酸化剤ガス通路５４内を迂回して流れるため、前記酸化剤ガスがカソード電極３４の電極面に沿って流れる時間を長くすることができる。これにより、酸化剤ガスを発電反応に有効に利用することが可能になり、空気利用率が有効に向上する。
【０１３６】
さらにまた、迂回路形成用壁部２１８は、酸化剤ガス供給孔２１４側にＶ字状に折曲して設けられている。このため、製造精度が要求される酸化剤ガス供給孔２１４の個数が一挙に削減され、経済的であるとともに、複数の酸化剤ガス供給孔２１４を設ける場合と同様に、酸化剤ガスを電極面に沿って均一に供給することができる。
【０１３７】
さらに、迂回路形成用壁部２１８は、Ｖ字状の内部領域に少なくとも１つの酸化剤ガス供給孔２１４が配設されている。従って、酸化剤ガスは、酸化剤ガス通路５４内を迂回しながら流れるため、前記酸化剤ガスがカソード電極３４の電極面に沿って流れる時間がより長くなる。このため、酸化剤ガスを発電反応に有効に利用することが可能になり、空気利用率が良好に向上する。
【０１３８】
また、迂回路形成用壁部２１８は、両端２１８ａ、２１８ｂが挟持部２０４の頂部に向かうように設定されている。このため、酸化剤ガスが酸化剤ガス通路５４の全域にわたって迂回しながら流れるため、前記酸化剤ガスがカソード電極３４の電極面全域に沿って流れる時間を長くすることができる。これにより、酸化剤ガスを発電反応に有効に利用することが可能になり、空気利用率が良好に向上する。
【０１３９】
さらに、酸化剤ガス排出孔２１６は、橋架部２０２の延長線に交差する位置から離間する程、開口断面積が小さくなるように、又は、互いの間隔が広くなるように設定されている。従って、簡単且つ経済的な構成で、酸化剤ガスを均一且つ良好に供給することが可能になる。その他、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１４０】
図３１は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池２４０の要部分解斜視説明図である。
【０１４１】
複数の燃料電池２４０が積層されて燃料電池スタック２４２が構成される。燃料電池２４０は、同一平面状に２枚の電解質・電極接合体３８を挟持する一対のセパレータ２４４を備える。セパレータ２４４は、反応ガス供給部２００から互いに逆方向に延在して橋架部２０２Ａ、２０２Ｂを一体に設けるとともに、各橋架部２０２Ａ、２０２Ｂには、矩形状を有する挟持部２０４Ａ、２０４Ｂが一体に設けられる。セパレータ２４４は、第１プレート２４６と第２プレート２４８とを備える。
【０１４２】
第１プレート２４６は、第１円板部２０６から互いに逆方向に延在する第１長板部２０８Ａ、２０８Ｂを一体に有し、前記第１長板部２０８Ａ、２０８Ｂには、第１矩形状部２１０Ａ、２１０Ｂが一体に設けられる。第１矩形状部２１０Ａ、２１０Ｂには、複数の突起部６６Ａ、６６Ｂを介して酸化剤ガス通路５４Ａ、５４Ｂが形成されるとともに、酸化剤ガス供給孔２１４Ａ、２１４Ｂが第１円板部２０６側に近接して形成される。
【０１４３】
第１矩形状部２１０Ａ、２１０Ｂの先端側には、それぞれ複数の酸化剤ガス排出孔２１６Ａ、２１６Ｂが排ガス排出連通孔９４に連通して形成される。酸化剤ガス供給孔２１４Ａ、２１４Ｂに近接して迂回路形成用壁部２１８が設けられる。
【０１４４】
第２プレート２４８は、第２円板部２２０に互いに逆方向に延在して、第２長板部２２２Ａ、２２２Ｂが一体に設けられるとともに、前記第２長板部２２２Ａ、２２２Ｂに、第２矩形状部２２４Ａ、２２４Ｂが一体に設けられる。第２長板部２２２Ａ、２２２Ｂには、燃料ガス供給通路５８Ａ、５８Ｂと酸化剤ガス供給通路２３４Ａ、２３４Ｂとが、互いに平行に設けられる。燃料ガス供給通路５８Ａ、５８Ｂの先端縁部には、燃料ガス供給孔８０Ａ、８０Ｂが連通する。
【０１４５】
図３２に示すように、第２矩形状部２２４Ａ、２２４Ｂには、複数の突起部８２Ａ、８２Ｂを介して燃料ガス通路５６Ａ、５６Ｂが形成される。外縁周回用凸部８５Ａ、８５Ｂには、それぞれ複数の燃料ガス排出孔８４Ａ、８４Ｂが形成され、前記燃料ガス排出孔８４Ａ、８４Ｂと燃料ガス供給孔８０Ａ、８０Ｂとの間には、迂回路形成用壁部８８が設けられる。
【０１４６】
このように構成される第６の実施形態では、セパレータ２４４間に２枚の電解質・電極接合体３８が挟持され、出力の増大が図れる他、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】
【０１４７】
１０、１４２、１６２、１８０、１９２、２４２…燃料電池スタック
１２…燃料電池システム                １４…燃料電池モジュール
１６…原燃料供給装置                  １８…酸化剤ガス供給装置
２０…水供給装置                      ２２…制御装置
２４…熱交換器                        ２６…蒸発器
２８…予備改質器                      
３０、１４０、１６０、１９０、２４０…燃料電池
３２…電解質                          ３４…カソード電極
３６…アノード電極                    ３８…電解質・電極接合体
４０、１４４、１６４、１９４、２４４…セパレータ
４２、４４、１４６、１４８、１６６、１６８、１９６、１９８、２４６、２４８…プレート
４６…燃料ガス供給連通孔              ４８…燃料ガス供給部
５０、５０Ａ、５０Ｂ、２０２、２０２Ａ、２０２Ｂ…橋架部
５２、５２Ａ、５２Ｂ、２０４、２０４Ａ、２０４Ｂ…挟持部
５４、５４Ａ、５４Ｂ…酸化剤ガス通路  ５６、５６Ａ、５６Ｂ…燃料ガス通路
５８、５８Ａ、５８Ｂ…燃料ガス供給通路
６０、６８、２０６、２２０…円板部
６２、６２Ａ、６２Ｂ、７０、７０Ａ、７０Ｂ、２０８、２０８Ａ、２０８Ｂ、２２２、２２２Ａ、２２２Ｂ…長板部
６４、６４Ａ、６４Ｂ、７２、７２Ａ、７２Ｂ、２１０、２１０Ａ、２１０Ｂ、２２４、２２４Ａ、２２４Ｂ…矩形状部  
６６、６６Ａ、６６Ｂ、８２、８２Ａ、８２Ｂ…突起部
８０、８０Ａ、８０Ｂ…燃料ガス供給孔  ８４、８４Ａ、８４Ｂ…燃料ガス排出孔
８５、８５Ａ、８５Ｂ、２１２…外縁周回用凸部
８６、８６Ａ、８６Ｂ…貫通孔          ８８、２１８…迂回路形成用壁部
８８ａ、８８ｂ…両端                  ９０…酸化剤ガス供給連通孔
９６、９８、９８Ａ、９８Ｂ…荷重付与機構
１００、１７０、１８２…筐体          １１４ａ、１１４ｂ…側部断熱部材
１１６…先端部断熱部材                １６９…積層体
１８９…絶縁シート                    ２００…反応ガス供給部 
２３４、２３４Ａ、２３４Ｂ…酸化剤ガス供給通路
２１４、２１４Ａ、２１４Ｂ…酸化剤ガス供給孔
２１６、２１６Ａ、２１６Ｂ…酸化剤ガス排出孔
【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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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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