(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、第１セパレータ及び第２セパレータ間に配設される燃料電池であって、
前記第１セパレータ及び前記第２セパレータは、互いに前記電解質・電極接合体を挟持する第１挟持部及び第２挟持部を備え、
前記第１挟持部には、前記電解質・電極接合体に対向する面に前記アノード電極の電極面に燃料ガスを供給するための燃料ガス通路が形成される一方、
前記第２挟持部には、前記電解質・電極接合体に対向する面に前記カソード電極の電極面に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路が形成され、
前記第１セパレータは、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連通孔が挟持方向に形成される燃料ガス供給部と、
前記第１挟持部と前記燃料ガス供給部とを連結し、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給連通孔から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、
を備え、
前記第２セパレータは、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酸化剤ガス供給連通孔が前記挟持方向に形成される酸化剤ガス供給部と、
前記第２挟持部と前記酸化剤ガス供給部とを連結し、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給連通孔から前記酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給通路が形成される橋架部と、
を備え、
前記酸化剤ガス通路は、前記第２挟持部に一体に設けられる先細り円錐台形状の複数の突起部により形成されるとともに、
前記複数の突起部の前記カソード電極に接する総面積は、前記カソード電極の前記複数の突起部側の面積であって複数の気孔の面積を含み且つ前記気孔の内表面積を除く電極面積に対する面積率で、３％〜１５％の範囲内に設定され、且つ、前記突起部は、前記カソード電極に接する先端面の直径が１ｍｍ以下に設定されるとともに、任意の互いに隣接する突起部の前記先端面の中心を通る中心線間の間隔が４ｍｍ以下に設定され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、第１セパレータ及び第２セパレータ間に配設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、ＭＥＡ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）を供給するとともに、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを分離させるためにセパレータが配設されている。
【０００４】
セパレータは、ガス分離機能の他に、発電された電流を集電するための集電機能を有している。特に、ＭＥＡと接触する部分は、電流が流れる部分であり、効率的に集電するために、セパレータ上に突起部を用いる構成や、メッシュや繊維状の集電体を用いる構成が採用されている。
【０００５】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池用セパレーターでは、図１１に示すように、セパレーター本体部１ａと、その片面にマトリックス状に一体形成した多数の第１の微細突起２ａと、その他面にマトリックス状に一体形成した多数の第２の微細突起３ａとを有している。そして、多数の第１の微細突起２ａを介してセパレーター４ａと燃料極５ａとで燃料ガス通路６ａが形成されるとともに、多数の第２の微細突起３ａを介してセパレーター４ａと空気極７ａとで酸化ガス通路８ａが形成されている。
【０００６】
これにより、セパレーター４ａの厚さを小さくすること、部品点数を少なくすること、電気的接触抵抗を減らすこと、剛性強度を確保すること、ガス通路設計の自由度を高めること、等ができるとしている。
【０００７】
また、特許文献２に開示されている固体電解質型燃料電池は、図１２に示すように、燃料極１ｂ及び空気極２ｂからなる２つの電極の間に、固体電解質３ｂを介在させたセル４ｂが多数積層されるとともに、この積層されたセル４ｂの間にインターコネクタ５ｂを介して電気的に直列に接続して構成されている。
【０００８】
空気極２ｂに対向するインターコネクタ５ｂの少なくとも一方の表面には、導電性を有する複数の微細な突起部６ｂが設けられている。セル４ｂの空気極２ｂの表面には、複数の微細な突起部６ｂに対向するように、導電性材料及び結合材料を用いて構成した複数の微細な平坦部７ｂが設けられている。そして、突起部６ｂ及び平坦部７ｂから構成された接続部８ｂによって、インターコネクタ５ｂ及びセル４ｂが電気的に接続されている。
【０００９】
これにより、反応場を減少させることなく、電極とインターコネクタ５ｂとの電気的接続の安定性、信頼性を向上させることができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−７５４０８号公報
【特許文献２】特開２０１０−７３５６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
通常、集電特性を高めるためには、集電体の数や量を多くすることにより、電流が流れる通路を増加させることが有効である。一方、集電体は、反応ガスが流通する反応ガス通路部分に設置されている。従って、反応ガスの圧力損失が高くなったり、前記反応ガスの流動性が低下したりする等により該反応ガスが供給され難くなるため、発電反応が低下するという問題がある。その場合、反応に十分な量のガスを供給するためには、燃料ポンプ等の補機の大型化が必要になり、コストアップに繋がるために好ましくない。
【００１２】
その際、上記の特許文献１では、多数の第１の微細突起２ａと多数の第２の微細突起３ａとが、どの程度の数及びどの程度の面積に設定されるか記載されておらず、上記の問題が存在している。また、上記の特許文献２でも同様に、複数の微細な突起部６ｂが設けられているが、前記突起部６ｂの数や面積等について記載されておらず、上記の問題が存在している。
【００１３】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、圧力損失を増加させることがなく、集電性及び耐久性の向上を図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】
【００１４】
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、第１セパレータ及び第２セパレータ間に配設される燃料電池に関するものである。
【００１５】
この燃料電池では、第１セパレータ及び第２セパレータは、互いに電解質・電極接合体を挟持する第１挟持部及び第２挟持部備え、前記第１挟持部には、前記電解質・電極接合体に対向する面にアノード電極の電極面に燃料ガスを供給するための燃料ガス通路が形成される一方、前記第２挟持部には、前記電解質・電極接合体に対向する面にカソード電極の電極面に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路が形成されている。
【００１６】
そして、第１セパレータは、燃料ガスを燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給連通孔が挟持方向に形成される燃料ガス供給部と、第１挟持部と前記燃料ガス供給部とを連結し、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給連通孔から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、を備え、第２セパレータは、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挟持方向に形成される酸化剤ガス供給部と、第２挟持部と前記酸化剤ガス供給部とを連結し、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給連通孔から前記酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給通路が形成される橋架部と、を備え、前記酸化剤ガス通路は、前記第２挟持部に一体に設けられる先細り円錐台形状の複数の突起部により形成されるとともに、前記複数の突起部のカソード電極に接する総面積は、前記カソード電極の前記複数の突起部側の面積であって複数の気孔の面積を含み且つ前記気孔の内表面積を除く電極面積に対する面積率で、３％〜１５％の範囲内に設定され、且つ、前記突起部は、前記カソード電極に接する先端面の直径が１ｍｍ以下に設定されるとともに、任意の互いに隣接する突起部の前記先端面の中心を通る中心線間の間隔が４ｍｍ以下に設定されている。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、複数の突起部のカソード電極に接する総面積は、前記カソード電極の前記複数の突起部側の面積であって複数の気孔の面積を含み且つ前記気孔の内表面積を除く電極面積に対する面積率で、３％〜１５％の範囲内に設定されている。複数の突起部の総面積が３％未満では、各突起部に流れる電流値が高くなり、電圧の降下（劣化率）が大きくなってしまう。しかも、突起部の面積が小さくなると、各突起部の面圧が高くなり、前記突起部がＭＥＡに入り込んでしまい、酸化剤ガス通路が狭められて圧力損失が高くなる。さらに、突起部がＭＥＡに入り込むことで、前記ＭＥＡが破損する確率も高くなる。一方、複数の突起部の総面積が１５％を超えると、前記突起部が密集してしまい、圧力損失が高くなる。
【００２１】
従って、突起部の総面積が、カソード電極の電極面積に対する面積率で、３％〜１５％の範囲内に設定されることにより、前記突起部が酸化剤ガス通路を流通する酸化剤ガスの圧力損失を高めることがない。しかも、集電効率が向上し、発電効率を高く維持することができる。これにより、圧力損失を増加させることがなく、集電性及び耐久性の向上を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの分解斜視説明図である。
【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】前記燃料電池スタックの反応ガスの流れ説明図である。
【図４】前記燃料電池スタックの、図１中、ＩＶ−ＩＶ線断面である。
【図５】前記燃料電池の要部拡大断面図である。
【図６】前記燃料電池を構成する突起部の接触面積と電圧低下率及び圧力損失との関係説明図である。
【図７】本発明に関連する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８】前記燃料電池スタックの反応ガスの流れ説明図である。
【図９】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１０】前記燃料電池スタックの断面説明図である。
【図１１】特許文献１の燃料電池用セパレーターが適用される燃料電池の断面説明図である。
【図１２】特許文献２の固体電解質型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】
【００２３】
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スタック１０は、複数の燃料電池１２が矢印Ａ方向に積層される。燃料電池スタック１０は、定置用の他、可搬用、車載用等の種々の用途に用いられている。
【００２４】
燃料電池１２は、固体電解質型燃料電池であり、この燃料電池１２は、図１〜図３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、発電反応後の酸化剤ガス及び燃料ガスからなる排ガスの進入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。
【００２５】
燃料電池１２は、第１セパレータ２８ａ及び第２セパレータ２８ｂ間に１個の電解質・電極接合体２６が挟持される。第１セパレータ２８ａ及び第２セパレータ２８ｂは、同一形状のセパレータ構造体を互いに１８０°反転させることにより構成される。
【００２６】
第１セパレータ２８ａは、例えば、ステンレス等の板金で構成される第１プレート３０ａ及び第２プレート３２ａを有する。第１プレート３０ａ及び第２プレート３２ａは、互いに拡散接合、レーザー溶接又はろう付け等により接合される。
【００２７】
第１プレート３０ａは、略平板状に形成されるとともに、積層方向（矢印Ａ方向）に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３４が形成される第１燃料ガス供給部３６を有する。この第１燃料ガス供給部３６から外方に延在する第１橋架部３８を介して第１挟持部４０が一体に設けられる。
【００２８】
第１挟持部４０は、電解質・電極接合体２６と同じ寸法もしくは電解質・電極接合体２６よりも大径な寸法に設定されるとともに、前記第１挟持部４０のアノード電極２４に接する面には、複数の突起部４２が設けられる。突起部４２は、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４４を形成するとともに、集電機能を有する。第１挟持部４０の中央部には、アノード電極２４の中央部に向かって燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔４６が形成される。
【００２９】
第２プレート３２ａは、燃料ガス供給連通孔３４が形成される第２燃料ガス供給部４８を有する。この第２燃料ガス供給部４８から外方に延在する第２橋架部５０を介して第２挟持部５２が一体に設けられる。第２プレート３２ａの外周を周回して第１プレート３０ａ側に突出する周回凸部５４が設けられ、この周回凸部５４に前記第１プレート３０ａが接合される。
【００３０】
第２燃料ガス供給部４８、第２橋架部５０及び第２挟持部５２の第１プレート３０ａに向かう面には、前記第１プレート３０ａに接して積層方向の荷重に対する潰れ防止機能を有する複数の突起部５６が形成される。
【００３１】
第１橋架部３８及び第２橋架部５０間には、燃料ガス供給連通孔３４に連通する燃料ガス供給通路５８が形成される。燃料ガス供給通路５８は、第１挟持部４０及び第２挟持部５２間に形成される燃料ガス充填室６０を介して燃料ガス供給孔４６に連通する。
【００３２】
第２セパレータ２８ｂは、第１セパレータ２８ａと同一形状に構成されており、第１プレート３０ａ及び第２プレート３２ａに対応する第１プレート３０ｂ及び第２プレート３２ｂを有する。第１プレート３０ｂ及び第２プレート３２ｂは、積層方向に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔６２が形成される第１酸化剤ガス供給部６４及び第２酸化剤ガス供給部６６を有する。
【００３３】
第１プレート３０ｂ及び第２プレート３２ｂは、第１酸化剤ガス供給部６４及び第２酸化剤ガス供給部６６から外方に突出する第１橋架部６８及び第２橋架部７０を介して第１挟持部７２及び第２挟持部７４が一体に設けられる。
【００３４】
第１挟持部７２のカソード電極２２に接触する面には、複数の突起部４２を介し前記カソード電極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７６が形成される。第１挟持部７２の中央部には、カソード電極２２の中央部に向かって酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給孔７８が形成される。
【００３５】
第２プレート３２ｂ内には、第１プレート３０ｂが接合されることにより酸化剤ガス供給連通孔６２に連通する酸化剤ガス供給通路８０が、第１橋架部６８及び第２橋架部７０間に対応して形成される。第２挟持部７４内には、酸化剤ガス供給連通孔６２と酸化剤ガス供給通路８０を介して連通する酸化剤ガス充填室８２が形成される。
【００３６】
図１及び図２に示すように、第１セパレータ２８ａは、第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部４８により燃料ガス供給部８４を構成し、第１橋架部３８及び第２橋架部５０により橋架部８６を構成し、第１挟持部４０及び第２挟持部５２により第１挟持部８８を構成する。第２セパレータ２８ｂは、第１酸化剤ガス供給部６４及び第２酸化剤ガス供給部６６により酸化剤ガス供給部９０を構成し、第１橋架部６８及び第２橋架部７０により橋架部９２を構成し、第１挟持部７２及び第２挟持部７４により第２挟持部９４を構成する。
【００３７】
積層方向（矢印Ａ方向）に互いに隣接する一対の第１セパレータ２８ａを構成する各燃料ガス供給部８４間には、積層方向の荷重を緩和するとともに、シール機能を有するシール部材９６が設けられる。積層方向に互いに隣接する一対の第２セパレータ２８ｂを構成する各酸化剤ガス供給部９０には、積層方向の荷重を緩和するとともに、シール機能を有するシール部材９８が設けられる。
【００３８】
シール部材９６、９８は、リング形状を有し、ガスシール機能及び絶縁機能、さらに好適には、耐熱性及び柔軟性を有する材料で構成される。具体的には、シール部材９６、９８は、粘土鉱物及び有機高分子が複合化された粘土膜を備える薄膜状シールにより構成されるが、これに限定されるものではない。例えば、ガラス系シール部材も用いることができる。
【００３９】
第１の実施形態では、図５に示すように、酸化剤ガス通路７６は、第２挟持部９４に設けられる複数の突起部４２により形成されるとともに、前記複数の突起部４２のカソード電極２２に接する総面積は、前記カソード電極２２の電極面積に対する面積率で、３％〜１５％の範囲内に設定される。突起部４２は、直径Ｄが１ｍｍ以下に設定されるとともに、各突起部４２間の間隔Ｐが４ｍｍ以下に設定される。
【００４０】
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００４１】
先ず、図１及び図３に示すように、燃料ガス（水素ガス）が燃料電池スタック１０の燃料ガス供給連通孔３４に供給されるとともに、酸化剤ガス（空気）が前記燃料電池スタック１０の酸化剤ガス供給連通孔６２に供給される。
【００４２】
燃料ガスは、積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら各燃料電池１２を構成する第１セパレータ２８ａに形成された燃料ガス供給通路５８に導入される。この燃料ガスは、第１橋架部３８及び第２橋架部５０間を燃料ガス供給通路５８に沿って移動し、一旦、燃料ガス充填室６０に充填される。
【００４３】
さらに、燃料ガスは、燃料ガス供給孔４６から燃料ガス通路４４に導入される。その際、燃料ガス供給孔４６は、各電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の中央位置に設定されている。このため、燃料ガスは、アノード電極２４の中心から燃料ガス通路４４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。
【００４４】
一方、酸化剤ガス供給連通孔６２に供給された酸化剤ガスは、第２セパレータ２８ｂを構成する第１橋架部６８及び第２橋架部７０間に形成された酸化剤ガス供給通路８０に沿って移動し、一旦、酸化剤ガス充填室８２に充填される。さらに、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給孔７８から酸化剤ガス通路７６に導入される。
【００４５】
酸化剤ガス供給孔７８は、各電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の中央位置に設定されている。このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス通路７６に沿ってカソード電極２２の中央位置から外周部に向かって移動する。
【００４６】
これにより、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の電極面の中心側から周端部側に向かって酸化剤ガスが供給される。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。
【００４７】
燃料ガス通路４４を移動した使用済みの燃料ガス、及び酸化剤ガス通路７６を移動した使用済みの酸化剤ガスは、各電解質・電極接合体２６の外周部から導出され、この外周部周辺で混合されて比較的高温の排ガスとして排出される。
【００４８】
この場合、第１の実施形態では、酸化剤ガス通路７６は、第２挟持部９４に設けられる複数の突起部４２により形成されるとともに、前記複数の突起部４２のカソード電極２２に接する総面積は、前記カソード電極２２の電極面積に対する面積率で、３％〜１５％の範囲内に設定されている。
【００４９】
突起部４２とカソード電極２２（電解質・電極接合体２６）との接触面積と、燃料電池１２の電圧低下率とは、図６に示す関係を有している。突起部４２の接触面積が小さくなる程、前記突起部４２を流れる電流値が高くなって電圧低下率が高くなっている。そして、突起部４２の接触面積が３％未満では、各突起部４２に流れる電流値が相当に高くなり、ＩＲ損が増加して電圧の低下率（劣化率）が許容値を超えてしまう。
【００５０】
従って、所望の集電特性を維持させるためには、複数の突起部４２のカソード電極２２に接する総面積は、前記カソード電極２２の電極面積に対する面積率で、３％以上であることが必要である。
【００５１】
一方、突起部４２の総面積（接触面積）と酸化剤ガス通路７６の圧力損失とは、図６に示す関係を有している。接触面積が２％〜１５％の範囲内では、酸化剤ガス通路７６の圧力損失が良好に低くなっている。突起部４２の接触面積が２％未満になると、各突起部４２の面圧が高くなり、前記突起部４２が電解質・電極接合体２６のカソード電極２２内に入り込んで酸化剤ガス通路７６が狭められてしまい、圧力損失が高くなる。また、突起部４２の総面積が１５％を超えると、酸化剤ガス通路７６内に前記突起部４２が密集してしまい、圧力損失が高くなる。
【００５２】
これにより、酸化剤ガス通路７６の圧力損失を低減させるためには、複数の突起部４２の総面積は、カソード電極２２の電極面積に対する面積率で、２％〜１５％であることが必要である。
【００５３】
このため、突起部４２のカソード電極２２に接する総面積が、前記カソード電極２２の電極面積に対する面積率で、３％〜１５％の範囲内に設定されることにより、前記突起部４２が酸化剤ガス通路７６を流通する酸化剤ガスの圧力損失を高めることがない。しかも、集電効率が向上し、発電効率を高く維持することができる。従って、圧力損失を増加させることがなく、集電性及び耐久性の向上を図ることが可能になるという効果が得られる。
【００５４】
また、突起部４２は、直径が１ｍｍ以下に設定されるとともに、各突起部４２間の間隔が４ｍｍ以下に設定されている。このため、突起部４２の数を有効に増加させるとともに、前記突起部４２による全体の集電面積を増加させることができる。従って、各突起部４２にかかる電流値が減少し、ＩＲ損が低減されて第２セパレータ２８ｂの劣化を良好に抑制することが可能になる。
【００５５】
なお、第１セパレータ２８ａにおいても、上記の第２セパレータ２８ｂと同様に構成することにより、同様の効果が得られる。
【００５６】
図７は、本発明に関連する燃料電池スタック１００を構成する燃料電池１１０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スタック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。
【００５７】
図７及び図８に示すように、燃料電池１１０は、例えば、矩形状の電解質（電解質板）１１２の両面に、カソード電極１１４及びアノード電極１１６が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）１１８を備える。
【００５８】
燃料電池１１０は、一組のセパレータ（第１セパレータ及び第２セパレータ）１２０間に単一の電解質・電極接合体１１８を挟んで構成される。セパレータ１２０は、第１プレート１２２及び第２プレート１２４を備え、前記第１プレート１２２及び前記第２プレート１２４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。
【００５９】
セパレータ１２０は、中央部に燃料ガス供給連通孔１２６を形成する燃料ガス供給部１２８を有する。この燃料ガス供給部１２８から外方に延在する橋架部１３０を介して矩形状の挟持部（第１挟持部及び第２挟持部）１３２が一体的に設けられる。挟持部１３２は、電解質・電極接合体１１８と略同一寸法に設定される。
【００６０】
挟持部１３２のカソード電極１１４に接する面には、前記カソード電極１１４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１３４が形成される。挟持部１３２のアノード電極１１６の接する面には、前記アノード電極１１６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１３６が形成される。橋架部１３０には、燃料ガスを燃料ガス供給連通孔１２６から燃料ガス通路１３６に供給するための燃料ガス供給通路１３８が形成される。
【００６１】
図７に示すように、第１プレート１２２は、中央部に燃料ガス供給連通孔１２６が形成される第１円板部１４０と、前記第１円板部１４０に一体に設けられる第１長板部１４２と、前記第１長板部１４２に一体に設けられる第１矩形状部１４４とを有する。第１矩形状部１４４には、第１プレート１２２のカソード電極１１４に向かう面１２２ａ側に、酸化剤ガス通路１３４を形成するとともに、集電機能を有する複数の突起部１４６が形成される。
【００６２】
第２プレート１２４は、中央部に燃料ガス供給連通孔１２６が形成される第２円板部１４８と、前記第２円板部１４８に一体に設けられる第２長板部１５０と、前記第２長板部１５０に一体に設けられる第２矩形状部１５２とを有する。第２プレート１２４に接合される面１２４ａ側において、第２円板部１４８には、円環状に配列される複数の凸部１５４間にスリット１５６が形成され、このスリット１５６は、周溝１５８を介して燃料ガス供給通路１３８の一端側に連通する。燃料ガス供給通路１３８は、第２長板部１５０から第２矩形状部１５２の途上で延在して終端する。
【００６３】
第２矩形状部１５２には、燃料ガス供給通路１３８の周端部近傍に位置して燃料ガス供給孔１６０が形成される。燃料ガス供給孔１６０は、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１５０側に近接した位置に設定される。
【００６４】
図９に示すように、第２プレート１２４のアノード電極１１６に接触する面１２４ｂには、燃料ガス通路１３６を形成するとともに、集電機能を有する複数の突起部１６２が形成される。面１２４ｂには、燃料ガス通路１３６を周回し、アノード電極１１６の外周縁部に接触する外縁周回用凸部１６５が形成される。
【００６５】
面１２４ｂには、燃料ガス通路１３６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１６４に連通する貫通孔１６６が形成される。貫通孔１６６は、第２長板部１５０（橋架部１３０）の延長線と交差する方向に複数配列される。各貫通孔１６６に連通する各燃料ガス排出孔１６４は、挟持部１３２の一辺１３２ａに橋架部１３０の延長線と直交する方向（矢印Ｃ方向）に配列される（図７参照）。
【００６６】
図９に示すように、面１２４ｂには、アノード電極１１６に接触するとともに、燃料ガス供給孔１６０と貫通孔１６６（燃料ガス排出孔１６４）との間に且つ前記燃料ガス供給孔１６０側にＶ字状に折曲し、燃料ガスが前記燃料ガス供給孔１６０から前記貫通孔１６６に直線状に流れることを阻止するための迂回路形成用壁部１６８が設けられる。迂回路形成用壁部１６８は、Ｖ字状の内部領域Ｓを形成し、内部領域Ｓに燃料ガス供給孔１６０が配設される。迂回路形成用壁部１６８は、両端１６８ａ、１６８ｂの延長線が挟持部１３２の両頂部に向かうように設定される。
【００６７】
図７及び図８に示すように、橋架部１３０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１７０が設けられる。酸化剤ガス供給連通孔１７０は、鉛直方向に酸化剤ガスを流通させるとともに、各燃料電池１１０を構成する酸化剤ガス通路１３４に沿って前記酸化剤ガスを矢印Ｂ方向に供給する。
【００６８】
電解質・電極接合体１１８を挟んで配設される一対のセパレータ１２０を構成する各燃料ガス供給部１２８間には、積層方向の荷重を緩和するとともに、シール機能を有するシール部材１７２が設けられる。
【００６９】
燃料電池１１０は、挟持部１３２の矢印Ｂ方向外方に位置して、排ガス排出連通孔１７４が形成される。この排ガス排出連通孔１７４は、電解質・電極接合体１１８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。
【００７０】
燃料電池スタック１００では、図１０に示すように、酸化剤ガス通路１３４は、挟持部１３２に設けられる複数の突起部１４６により形成されるとともに、前記複数の突起部１４６のカソード電極１１４に接する総面積は、前記カソード電極１１４の電極面積に対する面積率で、３％〜１５％の範囲内に設定される。突起部１４６は、直径が１ｍｍ以下に設定されるとともに、各突起部１４６間の間隔が４ｍｍ以下に設定される。
【００７１】
このように構成される燃料電池１１０では、燃料ガス供給連通孔１２６に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔１７０には、酸化剤ガスが供給される。図７及び図８に示すように、燃料ガス供給連通孔１２６に供給された燃料ガスは、各燃料電池１１０を構成するセパレータ１２０において、スリット１５６から周溝１５８を通って、橋架部１３０に形成されている燃料ガス供給通路１３８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス供給通路１３８から燃料ガス供給孔１６０を通って、燃料ガス通路１３６に導入される。
【００７２】
図９に示すように、燃料ガス供給孔１６０は、橋架部１３０側に近接して設けられるとともに、迂回路形成用壁部１６８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１６０から燃料ガス通路１３６に導入された燃料ガスは、迂回路形成用壁部１６８の案内作用下に前記燃料ガス通路１３６を通って、電解質・電極接合体１１８のアノード電極１１６に供給される。使用済みの燃料ガスは、複数の貫通孔１６６から各燃料ガス排出孔１６４を通って排ガス排出連通孔１７４に排出される。
【００７３】
一方、酸化剤ガス供給連通孔１７０に供給された空気は、図８に示すように、各電解質・電極接合体１１８のカソード電極１１４とセパレータ１２０の面１２２ａとの間に形成されている酸化剤ガス通路１３４に導入される。酸化剤ガス通路１３４では、酸化剤ガスは矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質・電極接合体１１８のカソード電極１１４に供給された後、排ガス排出連通孔１７４に排出される。
【００７４】
従って、電解質・電極接合体１１８では、アノード電極１１６に燃料ガスが供給される一方、カソード電極１１４に空気が供給される。これにより、酸化物イオンは、電解質１１２を通ってアノード電極１１６に移動し、化学反応により発電が行われる。
【００７５】
この場合、燃料電池スタック１００では、酸化剤ガス通路１３４は、挟持部１３２に設けられる複数の突起部１４６により形成されるとともに、前記複数の突起部１４６のカソード電極１１４に接する総面積は、前記カソード電極１１４の電極面積に対する面積率で、３％〜１５％の範囲内に設定されている。これにより、圧力損失を増加させることがなく、集電性及び耐久性の向上を図ることが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００７６】
１０、１００…燃料電池スタック      １２、１１０…燃料電池
２０、１１２…電解質                ２２、１１４…カソード電極
２４、１１６…アノード電極          ２６、１１８…電解質・電極接合体
２８ａ、２８ｂ、１２０…セパレータ
３０ａ、３０ｂ、３２ａ、３２ｂ、１２２、１２４…プレート
３４、１２６…燃料ガス供給連通孔    ３６、４８、８４、１２８…燃料ガス供給部
３８、５０、６８、７０、８６、９２、１３０…橋架部
４０、５２、７２、７４、８８、９４、１３２…挟持部
４２、５６、１４６、１６２…突起部  ４４、１３６…燃料ガス通路
４６、１６０…燃料ガス供給孔        ５８、１３８…燃料ガス供給通路
６２、１７０…酸化剤ガス供給連通孔  ６４、６６、９０…酸化剤ガス供給部
７６、１３４…酸化剤ガス通路        ７８…酸化剤ガス供給孔
８０…酸化剤ガス供給通路            １７４…排ガス排出連通孔
【図１】
0005638418.tif 000002
【図２】
0005638418.tif 000003
【図３】
0005638418.tif 000004
【図４】
0005638418.tif 000005
【図５】
0005638418.tif 000006
【図６】
0005638418.tif 000007
【図７】
0005638418.tif 000008
【図８】
0005638418.tif 000009
【図９】
0005638418.tif 000010
【図１０】
0005638418.tif 000011
【図１１】
0005638418.tif 000012
【図１２】
0005638418.tif 000013