(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及び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及び前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給通路に供給するための酸化剤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、
前記反応ガス供給部は、前記セパレータの中央部に設けられるとともに、前記反応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、
前記挟持部は、複数の前記電解質・電極接合体に対応して円板形状を有し、且つ、前記反応ガス供給部を中心に複数の挟持部が互いに分離して構成され、
前記橋架部は、複数の前記挟持部に対応して複数設けられ、個々の前記橋架部にはそれぞれ前記燃料ガス供給通路及び前記酸化剤ガス供給通路が形成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、前記燃料ガス通路と前記燃料ガス供給通路とを連通させる燃料ガス供給孔が少なくとも１つ以上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、前記挟持部には、前記燃料ガス通路側の周縁部に、前記燃料ガス通路側に突出して前記アノード電極の周縁部に接触する周縁凸部が設けら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、前記挟持部には、前記酸化剤ガス通路と前記酸化剤ガス供給通路とを連通させる酸化剤ガス供給孔が少なくとも１つ以上設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項１〜５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、前記挟持部には、前記酸化剤ガス通路側の周縁部に、前記酸化剤ガス通路側に突出して前記カソード電極の周縁部に接触する周縁凸部が設けら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、前記挟持部には、前記酸化剤ガス通路側に前記カソード電極に接触する導電性不織布又は導電性織布が設けら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、前記挟持部の少なくとも１つ以上には、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、前記橋架部は、複数設けられるとともに、前記反応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、前記橋架部には、複数の前記酸化剤ガス供給通路と、
複数の前記酸化剤ガス供給通路の間に介在する前記燃料ガス供給通路と、
が形成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、前記セパレータは、前記挟持部及び前記橋架部が複数の前記電解質・電極接合体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、前記反応ガス供給部には、該反応ガス供給部の中央部に前記燃料ガス供給連通孔が設けられるとともに、
前記燃料ガス供給連通孔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、前記橋架部は、複数設けられるとともに、前記酸化剤ガス供給連通孔は、各橋架部の間に対応して形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１５】
請求項１〜１４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、前記酸化剤ガス供給連通孔が複数の前記電解質・電極接合体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、前記反応ガス供給部は、前記セパレータの中央部に設けられるとともに、
前記反応ガス供給部を中心に４つの前記電解質・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１７】
請求項１〜１６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。
【請求項１８】
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積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックであって、
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及び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及び前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給通路に供給するための酸化剤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、
前記反応ガス供給部は、前記セパレータの中央部に設けられるとともに、前記反応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、
前記挟持部は、複数の前記電解質・電極接合体に対応して円板形状を有し、且つ、前記反応ガス供給部を中心に複数の挟持部が互いに分離して構成され、
前記橋架部は、複数の前記挟持部に対応して複数設けられ、個々の前記橋架部にはそれぞれ前記燃料ガス供給通路及び前記酸化剤ガス供給通路が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項１９】
請求項１８記載の燃料電池スタックにおいて、複数の前記燃料電池に積層方向に荷重を付与する荷重付与機構を備え、
前記荷重付与機構は、前記反応ガス供給部の近傍に付与される積層方向の荷重が、前記電解質・電極接合体に付与される前記積層方向の荷重よりも大きく設定可能に構成されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２０】
請求項１８又は１９記載の燃料電池スタックにおいて、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スタック。
【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、及び複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックに関する。
【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に開示されている平板積層型燃料電池は、図１７に示すように、発電セルに積層されるセパレータ１を備えている。セパレータ１は、左右のマニホールド部分２ａ、２ａと、発電セルを配置する中央の部分２ｂとが、連結部分２ｃ、２ｃにより連結されており、この連結部分２ｃが可撓性を有している。
【０００５】
マニホールド部分２ａ、２ａには、ガス孔３、４が設けられており、一方のガス孔３は、燃料ガス通路３ａに連通するとともに、他方のガス孔４は、酸化剤ガス通路４ａに連通している。燃料ガス通路３ａ及び酸化剤ガス通路４ａは、部分２ｂ内にらせん状に延在しており、この部分２ｂ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。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１２０５８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、この特許文献１では、セパレータ１の中央に電解質・電極接合体を配置する部分２ｂ(挟持部)が設けられており、この部分２ｂを中心に２つのマニホールド部分２ａ、２ａが対角線上に配置されている。このため、燃料電池の発電による発生熱を介して、ガス孔３、４を流通する使用前の燃料ガス及び酸化剤ガスを良好に加熱することができない。従って、電解質・電極接合体に供給される前の燃料ガス及び酸化剤ガスの温度差を低減することができず、前記電解質・電極接合体の安定した発電が遂行されないという問題がある。
【０００８】
しかも、高いシール性が要求されている２つのマニホールド部分２ａ、２ａが互いに離間して配置されている。これにより、電解質・電極接合体に過度のシール圧が付与され易く、前記電解質・電極接合体の損傷が誘発されて効率的な発電及び集電が阻止されるおそれがある。
【０００９】
さらに、セパレータ１では、電解質・電極接合体を配置する部分２ｂ、すなわち、発電部分を周回して連結部分２ｃ、２ｃが設けられている。このため、発電反応後の排ガスを、電解質・電極接合体の周縁から円滑に排出させることが困難になる。
【００１０】
さらにまた、セパレータ１の各マニホールド部分２ａ、２ａから発電部分に至る燃料ガス及び酸化剤ガスの流路は、直線的に設けられていない。従って、発電部分への燃料ガス及び酸化剤ガスの供給が円滑に遂行されず、効率的ではないという問題がある。
【００１１】
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、ガスシール性を確保し、しかも電解質・電極接合体を良好に配置するとともに、熱効率の向上及び熱自立の促進を図ることが可能な燃料電池及び燃料電池スタック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】
【００１２】
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。
【００１３】
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及び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及び前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給通路に供給するための酸化剤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。
【００１４】
また、反応ガス供給部は、セパレータの中央部に設けられるとともに、前記反応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、電解質・電極接合体に供給される前の燃料ガス及び酸化剤ガスを、発電による発生熱を介して良好に加熱することができ、熱効率の向上及び熱自立の促進を図ることが可能になる。しかも、各電解質・電極接合体に燃料ガス及び酸化剤ガスを均等に分配して供給することができ、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。
【００１５】
さらに、挟持部は、複数の電解質・電極接合体に対応して円板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。挟持部は、電解質・電極接合体に対応して円板形状を有するため、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できる。
【００１６】
しかも、各挟持部は、互いに分離しており、積層方向の荷重は、隣接する各電解質・電極接合体毎に独立して伝えられる。このため、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。従って、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。
【００１７】
その上、各電解質・電極接合体の熱歪み等は、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、特別な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。
【００１８】
さらにまた、挟持部には、燃料ガス通路と燃料ガス供給通路とを連通させる燃料ガス供給孔が少なくとも１つ以上設けられることが好ましい。燃料ガス供給孔の数は、電解質・電極接合体の面積に応じて設定可能であるため、前記電解質・電極接合体の電極面内における燃料ガス濃度を均等化して燃料枯渇を抑制することができる。
【００１９】
このため、電解質・電極接合体の電極面内における電流密度分布に偏りが発生することを阻止し、発電効率の向上及び安定化が可能になる。しかも、燃料ガス供給孔が複数設定されると、電解質・電極接合体の電極面に対して燃料ガスを雨浴状（シャワー状）に供給することができ、前記電解質・電極接合体における発熱反応となる発電反応が均等化される。これにより、電解質・電極接合体における温度勾配の発生を抑制し、熱応力による前記電解質・電極接合体の発電不良（損傷や劣化等）を有効に抑制することが可能になる。
【００２０】
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複数の突起部が設けられることが好ましい。複数の突起部により良好な集電効果が得られるとともに、各突起部間に形成される燃料ガス通路に沿って、燃料ガス及び排出燃料ガスの流通性を向上させることができる。
【００２１】
さらに、挟持部には、燃料ガス通路側の周縁部に、前記燃料ガス通路側に突出してアノード電極の周縁部に接触する周縁凸部が設けられることが好ましい。従って、電解質・電極接合体の外方からアノード電極に排ガスや酸化剤ガスが進入することを阻止し、アノードの酸化による発電性能の低下を防止するとともに、セパレータや前記電解質・電極接合体の耐久性の向上を図ることが可能になる。
【００２２】
さらにまた、挟持部には、酸化剤ガス通路と酸化剤ガス供給通路とを連通させる酸化剤ガス供給孔が少なくとも１つ以上設けられることが好ましい。酸化剤ガス供給孔の数は、電解質・電極接合体の面積に応じて設定されるため、前記電解質・電極接合体の電極面内における酸化剤ガス濃度が均等化されて空気枯渇を抑制することができる。
【００２３】
このため、電解質・電極接合体の電極面内における電流密度分布に偏りが発生することを阻止し、発電効率の向上及び安定化が可能になる。しかも、酸化剤ガス供給孔が複数設定されると、電解質・電極接合体の電極面に対して酸化剤ガスを雨浴状に供給することができ、前記電解質・電極接合体における発熱反応となる発電反応が均等化される。これにより、電解質・電極接合体における温度勾配の発生を抑制し、熱応力による前記電解質・電極接合体の発電不良を有効に抑制することが可能になる。
【００２４】
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。複数の突起部により良好な集電効果が得られるとともに、各突起部間に形成される酸化剤ガス通路に沿って、酸化剤ガス及び排出酸化剤ガスの流通性を向上させることができる。
【００２５】
さらに、挟持部には、酸化剤ガス通路側の周縁部に、前記酸化剤ガス通路側に突出してカソード電極の周縁部に接触する周縁凸部が設けられることが好ましい。従って、電解質・電極接合体の外方からカソード電極に排ガスや燃料ガスが進入することを阻止し、カソードの還元による発電性能の低下を防止するとともに、セパレータや前記電解質・電極接合体の耐久性の向上を図ることが可能になる。
【００２６】
さらにまた、挟持部には、酸化剤ガス通路側にカソード電極に接触する導電性不織布又は導電性織布が設けられることが好ましい。セパレータの構成が一層簡素化する。
【００２７】
また、挟持部の少なくとも１つ以上には、電解質・電極接合体の発電による電力を取り出すための突出部が設けられることが好ましい。電解質・電極接合体の異常（劣化や損傷等）を迅速に検知することができるとともに、燃料電池の小型化及びコンパクト化に対応した薄板板金製セパレータに適した端子として利用することが可能になる。
【００２８】
さらに、橋架部は、複数設けられるとともに、反応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。反応ガス供給部から橋架部を介して各電解質・電極接合体に対して燃料ガス及び酸化剤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】
さらにまた、橋架部には、複数の酸化剤ガス供給通路と、複数の前記酸化剤ガス供給通路の間に介在する燃料ガス供給通路とが形成されることが好ましい。このため、酸化剤ガス供給通路の全流路断面積は、燃料ガス供給通路の全流路断面積よりも大きく設定され、特にＡ／Ｆ（空気／燃料ガス）の値が大きい燃料電池において、燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力損失の差を低減することが可能になる。これにより、燃料電池の耐久性及び信頼性が良好に向上する。
【００３０】
また、セパレータは、挟持部及び橋架部が複数の電解質・電極接合体に対応する数に設定されることが好ましい。このため、反応ガス供給部から橋架部及び挟持部を介して各電解質・電極接合体に燃料ガス及び酸化剤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。
【００３１】
さらに、反応ガス供給部の中央部には、燃料ガス供給連通孔が設けられるとともに、前記燃料ガス供給連通孔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ることが好ましい。これにより、燃料ガス及び酸化剤ガスは、電解質・電極接合体に供給される前に、互いの温度差を低減することができ、前記電解質・電極接合体の安定的な発電が遂行可能になる。しかも、酸化剤ガス供給連通孔の全流路断面積は、燃料ガス供給連通孔の全流路断面積よりも大きく設定され、特にＡ／Ｆの値が大きい燃料電池において、燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力損失の差を低減することが可能になる。これにより、燃料電池の耐久性及び信頼性が良好に向上する。
【００３２】
さらにまた、橋架部は、複数設けられるとともに、酸化剤ガス供給連通孔は、各橋架部の間に対応して形成されることが好ましい。従って、燃料電池は、より一層簡単且つコンパクトに構成することができる。
【００３３】
また、セパレータは、酸化剤ガス供給連通孔が複数の電解質・電極接合体に対応する数に設定されることが好ましい。このため、酸化剤ガス供給連通孔から橋架部及び挟持部を介して各電解質・電極接合体に酸化剤ガスを均等に分配することが可能になり、各電解質・電極接合体の発電性能の向上及び安定化が図られる。
【００３４】
さらに、反応ガス供給部は、セパレータの中央部に設けられるとともに、前記反応ガス供給部を中心に４つの電解質・電極接合体が同心円上に配列されることが好ましい。従って、燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスは、発電による発生熱を介して良好に加熱可能になり、前記燃料電池は、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。
【００３５】
しかも、セパレータの面内には、４つの電解質・電極接合体が同心円上に配列されている。このため、セパレータの面内に２以上の同一形状且つ同一面積の電解質・電極接合体が同心円上に配列される燃料電池構造の中、高い占有率を得ることが可能になる。
【００３６】
その上、発電出力当たりのスタック体積が小さくなり、燃料電池スタック全体のコンパクト化が容易に図られる。一方、発電出力当たりのスタック表面積が小さくなり、燃料電池スタックからの放熱を最小化することができ、熱効率の向上及び熱自立の促進を図ることが可能になる。
【００３７】
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、特に懸念される熱応力による挟持部や電解質・電極接合体の熱歪等が、隣接する他の挟持部や電解質・電極接合体に伝達されることがない。これにより、挟持部間や電解質・電極接合体間には、特別な寸法吸収機構を設ける必要がなく、燃料電池の小型化が容易に図られる。
【００３８】
また、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積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックに関するものである。
【００３９】
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及び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及び前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給通路に供給するための酸化剤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。
【００４０】
さらに、燃料電池スタックは、複数の燃料電池に積層方向に荷重を付与する荷重付与機構を備え、前記荷重付与機構は、反応ガス供給部の近傍に付与される積層方向の荷重が、電解質・電極接合体に付与される前記積層方向の荷重よりも大きく設定可能に構成されることが好ましい。
【００４１】
その際、反応ガス供給部と挟持部とは、橋架部を介して積層方向の締め付け荷重が遮断されている。これにより、反応ガス供給部には、比較的大きな締め付け荷重が付与されることによって、前記反応ガス供給部のシール性を良好に維持することができる。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締め付け荷重が付与されることによって、前記電解質・電極接合体の破損等を阻止するとともに、集電性を高めることが可能になる。
【００４２】
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、特に懸念される熱応力による挟持部や電解質・電極接合体の熱歪等が、隣接する他の挟持部や電解質・電極接合体に伝達されることがない。これにより、挟持部間や電解質・電極接合体間には、特別な寸法吸収機構を設ける必要がなく、燃料電池スタックの小型化が容易に図られる。
【発明の効果】
【００４３】
本発明によれば、反応ガス供給部と挟持部とは、橋架部を介して積層方向の締め付け荷重が遮断されるため、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。このため、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。
【００４４】
さらに、橋架部には、燃料ガス供給通路及び酸化剤ガス供給通路が形成されている。従って、燃料ガス及び酸化剤ガスは、電解質・電極接合体に供給される前に相互の温度差が低減され、前記電解質・電極接合体の安定した発電が可能になる。
【００４５】
しかも、反応ガス供給部には、燃料ガス供給連通孔及び酸化剤ガス供給連通孔が形成されている。このため、燃料ガス及び酸化剤ガスは、電解質・電極接合体に供給される前に相互の温度差が低減され、前記電解質・電極接合体の安定した発電が可能になる。その上、シール性が要求される燃料ガス供給連通孔及び酸化剤ガス供給連通孔は、反応ガス供給部に集約されている。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可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０が矢印Ａ方向に複数積層された燃料電池スタック１２の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池スタック１２の分解斜視説明図である。
【００４７】
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。燃料電池１０は、図２及び図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、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。
【００４８】
燃料電池１０は、一組のセパレータ２８間に単一の電解質・電極接合体２６を挟んで構成される。セパレータ２８は、第１プレート３０及び第２プレート３２を備え、前記第１プレート３０及び前記第２プレート３２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。
【００４９】
第１プレート３０は、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及び酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３６が形成される第１反応ガス供給部３８を備える。この第１反応ガス供給部３８には、幅狭な第１橋架部４０を介して比較的大径な第１挟持部４２が一体に設けられる。
【００５０】
第１挟持部４２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る。第１挟持部４２には、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔４４が、例えば、前記第１挟持部４２の中心に対して偏心した位置に設定される。第１挟持部４２のアノード電極２４に接触する面には、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燃料ガス通路４６を形成するための多数の突起部４８が設けられる。突起部４８は、例えば、エッチングにより形成され、集電部を構成する。
【００５１】
第２プレート３２は、燃料ガス供給連通孔３４及び酸化剤ガス供給連通孔３６が形成される第２反応ガス供給部５０を備える。この第２反応ガス供給部５０には、幅狭な第２橋架部５２を介して比較的大径な第２挟持部５４が一体に設けられる。第２挟持部５４には、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給孔５６が、例えば、前記第２挟持部５４の中心に対して燃料ガス供給孔４４とは逆側に偏心した位置に設定される。
【００５２】
第２橋架部５２には、燃料ガス供給連通孔３４から燃料ガス供給孔４４に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給通路５８と、酸化剤ガス供給連通孔３６から酸化剤ガス供給孔５６に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給通路６０とが設けられる。なお、燃料ガス供給通路５８及び酸化剤ガス供給通路６０は、第１プレート３０側の第１橋架部４０に設けてもよい。また、以下の第２の実施形態以降においても、同様である。
【００５３】
第２挟持部５４のカソード電極２２に接触する面には、円板状のプレート６２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。このプレート６２には、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６４を形成するための複数の突起部６６が、プレスやエッチング等により設けられる。突起部６６は、集電部を構成する。プレート６２には、酸化剤ガス供給孔５６が形成される。
【００５４】
各セパレータ２８間には、燃料ガス供給連通孔３４及び酸化剤ガス供給連通孔３６をシールするための絶縁シール６８が設けられる。絶縁シール６８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。燃料電池１０には、第１挟持部４２及び第２挟持部５４の外方に位置して排ガス通路７０が形成される。
【００５５】
図２に示すように、セパレータ２８は、第１プレート３０の第１挟持部４２と、第２プレート３２の第２挟持部５４（プレート６２を含む）とが接合されることにより、円板状の挟持部７２を構成する。挟持部７２には、第１橋架部４０と第２橋架部５２とが接合されて構成される橋架部７４が連結される。橋架部７４には、第１反応ガス供給部３８と第２反応ガス供給部５０とが接合されて形成される反応ガス供給部７６が連結される。
【００５６】
図１に示すように、燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池１０の積層方向両端にエンドプレート８０ａ、８０ｂを配置する。エンドプレート８０ａもしくはエンドプレート８０ｂは、締付手段８２と電気的に絶縁される。エンドプレート８０ａには、燃料電池１０の燃料ガス供給連通孔３４に連通する第１配管８４と、酸化剤ガス供給連通孔３６に連通する第２配管８６とが接続される。エンドプレート８０ａ、８０ｂには、矢印Ａ方向に積層された電解質・電極接合体２６とセパレータ２８とに積層方向に締付荷重を付与する締付手段８２が配設される。
【００５７】
締付手段８２は、エンドプレート８０ａ、８０ｂに形成されるボルト孔８８を備える。各ボルト孔８８に締付ボルト９０が挿入されるとともに、各締付ボルト９０の先端にナット９２が螺合することによって、燃料電池スタック１２が締め付け保持される。締付手段８２により第１反応ガス供給部３８及び第２反応ガス供給部５０の近傍にシール用の締付荷重が付与される際、第１挟持部４２及び第２挟持部５４に挟持されている電解質・電極接合体２６に必要以上に大きな締付荷重が付与されることがない。
【００５８】
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。
【００５９】
図１に示すように、エンドプレート８０ａに接続されている第１配管８４から燃料ガス供給連通孔３４に燃料ガス（例えば、水素含有ガス）が供給されるとともに、前記エンドプレート８０ａに接続されている第２配管８６から酸化剤ガス供給連通孔３６に酸化剤ガスである酸素含有ガス（以下、空気ともいう）が供給される。
【００６０】
図３及び図４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３４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５８に沿ってセパレータ２８の面方向に移動する。
【００６１】
燃料ガスは、燃料ガス供給通路５８から第１挟持部４２に形成された燃料ガス供給孔４４を通って燃料ガス通路４６に導入される。燃料ガス供給孔４４は、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４４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４６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。
【００６２】
一方、空気は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス供給連通孔３６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に設けられる酸化剤ガス供給通路６０に沿ってセパレータ２８の面方向に移動する。
【００６３】
空気は、酸化剤ガス供給通路６０から第２挟持部５４及びプレート６２に形成された酸化剤ガス供給孔５６を通って酸化剤ガス通路６４に導入される。酸化剤ガス供給孔５６は、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の略中心位置に設定されている。このため、空気は、酸化剤ガス供給孔５６からカソード電極２２の略中心に供給された後、酸化剤ガス通路６４に沿って前記カソード電極２２の外周部に向かって移動する。
【００６４】
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の電極面の中心側から周端部側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。
【００６５】
なお、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通路７０を介して燃料電池スタック１２から排出される（図１参照）。
【００６６】
この場合、第１の実施形態では、反応ガス供給部７６と挟持部７２とは、橋架部７４を介して積層方向の締め付け荷重が遮断されるため、電解質・電極接合体２６に所望の荷重を付与することができる。このため、燃料電池１０及び燃料電池スタック１２では、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付与する一方、電解質・電極接合体２６には、挟持部７２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。
【００６７】
これにより、反応ガス供給部７６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２６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という利点がある。
【００６８】
さらに、橋架部７４には、燃料ガス供給通路５８及び酸化剤ガス供給通路６０が形成されている。従って、燃料ガス及び酸化剤ガスは、電解質・電極接合体２６に供給される前に相互の温度差が低減され、前記電解質・電極接合体２６の安定した発電が可能になるという効果が得られる。
【００６９】
しかも、反応ガス供給部７６には、燃料ガス供給連通孔３４及び酸化剤ガス供給連通孔３６が形成されている。このため、燃料ガス及び酸化剤ガスは、電解質・電極接合体２６に供給される前に相互の温度差が低減され、前記電解質・電極接合体２６の安定した発電が可能になる。
【００７０】
その上、シール性が要求される燃料ガス供給連通孔３４及び酸化剤ガス供給連通孔３６は、反応ガス供給部７６に集約されている。これにより、反応ガス供給部７６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２６の損傷を可及的に阻止し、効率的な発電及び集電が遂行可能になる。
【００７１】
さらにまた、挟持部７２には、燃料ガス通路４６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。このため、複数の突起部４８により良好な集電効果が得られるとともに、各突起部４８間に形成される燃料ガス通路４６に沿って燃料ガス及び排出燃料ガスの流通性を向上させることが可能になる。
【００７２】
また、挟持部７２には、酸化剤ガス通路６４側に突出してカソード電極２２に接触する複数の突起部６６が設けられている。従って、複数の突起部６６により良好な集電効果が得られるとともに、各突起部６６間に形成される酸化剤ガス通路６４に沿って酸化剤ガス及び排出酸化剤ガスの流通性を向上させることができる。
【００７３】
さらに、燃料電池１０は、固体酸化物形燃料電池である。高温型燃料電池に適用することにより、特に懸念される熱応力による挟持部７２や電解質・電極接合体２６の熱歪等は、隣接する他の挟持部７２や電解質・電極接合体２６に伝達されることがない。これにより、挟持部７２間や電解質・電極接合体２６間には、特別な寸法吸収機構を設ける必要がなく、燃料電池１０及び燃料電池スタック１２の小型化が容易に図られる。
【００７４】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１００の分解斜視図である。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以降の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００７５】
燃料電池１００は、セパレータ２８を備えるとともに、このセパレータ２８を構成する第２プレート３２のカソード電極２２に向かう面には、プレート６２に代えてメッシュ部材（金属メッシュ等の導電性織布）１０２が配設される。このメッシュ部材１０２内には、酸化剤ガス通路６４が形成される。
【００７６】
このように構成される第２の実施形態では、セパレータ２８の構成が一層簡素化する他、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。なお、第２の実施形態では、メッシュ部材１０２に用いているが、これに代えて、導電性フェルト部材（金属フェルト等の導電性不織布）１０４、発泡金属、エキスパンドメタル、パンチングメタル又はプレスエンボスメタル等を採用してもよい。
【００７７】
図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１１０が矢印Ａ方向に複数積層された燃料電池スタック１１２の概略斜視説明図であり、図７は、前記燃料電池スタック１１２の、図６中、ＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。
【００７８】
燃料電池１１０は、図８に示すように、各セパレータ１１４間に４個の電解質・電極接合体２６が、このセパレータ１１４の中心部である反応ガス供給部７６を中心に同心円上に配列される。
【００７９】
セパレータ１１４は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成される第１プレート１１６及び第２プレート１１８を備える。第１プレート１１６は、第１反応ガス供給部１２０を設け、この第１反応ガス供給部１２０の中央部には、燃料ガス供給連通孔３４が形成されるととともに、前記燃料ガス供給連通孔３４を中心に複数、例えば、４つの酸化剤ガス供給連通孔３６が同心円上に配列される。４つの酸化剤ガス供給連通孔３６の合計流路断面積は、燃料ガス供給連通孔３４の流路断面積よりも大きく設定される。
【００８０】
第１反応ガス供給部１２０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１２２を介し、比較的大径な第１挟持部１２４が一体に設けられる。第１反応ガス供給部１２０と各第１挟持部１２４との中心間距離は、同一距離に設定される。各酸化剤ガス供給連通孔３６は、各第１橋架部１２２の間に対応して形成される。
【００８１】
各第１挟持部１２４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１２４には、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔４４が、例えば、前記第１挟持部１２４の中心に設定される。第１挟持部１２４のアノード電極２４に接触する面には、燃料ガス通路４６を形成するための多数の突起部４８が設けられる。
【００８２】
第２プレート１１８は、第２反応ガス供給部１２６を設け、この第２反応ガス供給部１２６の中央部には、燃料ガス供給連通孔３４が形成されるととともに、前記燃料ガス供給連通孔３４を中心に複数、例えば、４つの酸化剤ガス供給連通孔３６が同心円上に配列される。
【００８３】
第２反応ガス供給部１２６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２橋架部１２８を介し、比較的大径な第２挟持部１３０が一体に設けられる。第２挟持部１３０のカソード電極２２に向かう面には、プレート６２が接合されることにより、酸化剤ガス通路６４が形成される。
【００８４】
第２橋架部１２８には、燃料ガス供給連通孔３４から各燃料ガス供給孔４４に燃料ガスを供給するための４つの燃料ガス供給通路５８ａと、酸化剤ガス供給連通孔３６から各酸化剤ガス供給孔５６に酸化剤ガスを供給するための４組の酸化剤ガス供給通路６０ａが設けられる。
【００８５】
酸化剤ガス供給通路６０ａは、各第２橋架部１２８毎に２本ずつ設けられており、各第２挟持部１３０で一体化されるとともに、燃料ガス供給通路５８ａは、２本の前記酸化剤ガス供給通路６０ａ間に介在する。第２挟持部１３０には、２本の酸化剤ガス供給通路６０ａが合流する部位に、燃料ガス供給孔４４を周回して３つの酸化剤ガス供給孔５６が形成される（図９参照）。
【００８６】
セパレータ１１４は、第１プレート１１６と第２プレート１１８とが一体に接合されることにより、４つの円板状の挟持部７２と、各挟持部７２に連結される４つの橋架部７４と、前記橋架部７４が連結される１つの反応ガス供給部７６とを備える。セパレータ１１４は、少なくとも１つの挟持部７２の外側外周部に、４つの電解質・電極接合体２６（すなわち、燃料電池１１０）の発電による電力を取り出すための突出部１３２が設けられる。
【００８７】
図６及び図７に示すように、燃料電池スタック１１２は、複数の燃料電池１１０の積層方向一端に、略円板状の第１エンドプレート１３４ａが配置されるとともに、積層方向他端に、隔壁１３５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１３４ｂと、大径且つ略リング状の固定リング１３４ｃとが配置される。隔壁１３５は、排ガスが燃料電池１１０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１３４ｂ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。
【００８８】
第１エンドプレート１３４ａ及び固定リング１３４ｃは、複数の孔部１３６を有する。孔部１３６及びボルト挿入用カラー部材１３７に挿入されるボルト１３８及び前記ボルト１３８に螺合するナット１４０を介し、第１エンドプレート１３４ａと固定リング１３４ｃとが締め付け固定される。
【００８９】
第１エンドプレート１３４ａには、燃料ガス供給連通孔３４に連通する単一の燃料ガス供給パイプ１４２と、各酸化剤ガス供給連通孔３６に連通するキャビティ１４３ａを設けるケーシング１４３と、前記ケーシング１４３に接続されて前記キャビティ１４３ａに連通する単一の酸化剤ガス供給パイプ１４４とが設けられる。
【００９０】
第１エンドプレート１３４ａには、複数のボルト１３８、ナット１４８ａ、１４８ｂ及び板状カラー部材１５０を介して支持プレート１５２が固定される。支持プレート１５２と第１エンドプレート１３４ａとの間には、反応ガス供給部７６に締め付け荷重を付与する第１荷重付与部１５４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１５８とが設けられ、これらにより荷重付与機構が構成される。第１荷重付与部１５４は、第２荷重付与部１５８よりも大きな荷重を付与するように設定される。
【００９１】
第１荷重付与部１５４は、反応ガス供給部７６から燃料ガス及び酸化剤ガスが漏れることを阻止するために燃料電池１１０の中央部に配置される押圧部材１６０を備え、この押圧部材１６０は、４つの第２エンドプレート１３４ｂの配列中心近傍に位置して前記燃料電池１１０に隔壁１３５を介して押圧する。押圧部材１６０には、第１受け部材１６２ａ及び第２受け部材１６２ｂを介して第１スプリング１６４が配置される。第２受け部材１６２ｂには、第１押圧ボルト１６６の先端が当接する。第１押圧ボルト１６６は、支持プレート１５２に形成された第１ねじ孔１６８に螺合するとともに、第１ナット１７０を介して位置調整可能に固定される。
【００９２】
第２荷重付与部１５８は、第２エンドプレート１３４ｂ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１７２ａを備える。第３受け部材１７２ａは、ピン１７４を介して第２エンドプレート１３４ｂに位置決め支持される。第３受け部材１７２ａに第２スプリング１７６の一端が当接する一方、前記第２スプリング１７６の他端が第４受け部材１７２ｂに当接する。第４受け部材１７２ｂには、第２押圧ボルト１７８の先端が当接する。第２押圧ボルト１７８は、支持プレート１５２に形成された第２ねじ孔１８０に螺合するとともに、第２ナット１８２を介して位置調整可能に固定される。
【００９３】
このように構成される燃料電池スタック１１２の動作について、以下に説明する。
【００９４】
図６に示すように、第１エンドプレート１３４ａに接続されている燃料ガス供給パイプ１４２から燃料ガス供給連通孔３４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１４４からキャビティ１４３ａを介して各酸化剤ガス供給連通孔３６には、酸素含有ガスである空気が供給される。
【００９５】
図９及び図１０に示すように、燃料ガスは、燃料電池スタック１１２の燃料ガス供給連通孔３４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１１０にそれぞれ設けられる燃料ガス供給通路５８ａに沿ってセパレータ１１４の面方向に移動する。燃料ガスは、燃料ガス供給通路５８ａから挟持部７２に形成された燃料ガス供給孔４４を通って燃料ガス通路４６に導入され、前記燃料ガス通路４６に沿ってアノード電極２４の外周部に向かって移動する。
【００９６】
一方、酸化剤ガス供給連通孔３６に供給された空気は、各燃料電池１１０にそれぞれ設けられる酸化剤ガス供給通路６０ａに沿ってセパレータ１１４の面方向に移動する。空気は、酸化剤ガス供給通路６０ａから挟持部７２に形成された３つの酸化剤ガス供給孔５６を通って酸化剤ガス通路６４に導入され、前記酸化剤ガス通路６４に沿ってカソード電極２２の外周部に向かって移動する。
【００９７】
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の電極面の略中心側から周端部側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。
【００９８】
この場合、第３の実施形態では、セパレータ１１４の中央部に、反応ガス供給部７６が設けられるとともに、前記反応ガス供給部７６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、電解質・電極接合体２６に供給される前の燃料ガス及び酸化剤ガスは、前記電解質・電極接合体２６の発電による発生熱で良好に加熱され、熱効率の向上及び熱自立の促進を図ることが可能になる。
【００９９】
しかも、各電解質・電極接合体２６に燃料ガス及び酸化剤ガスを均等に分配して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が図られるという利点がある。
【０１００】
さらに、挟持部７２は、各電解質・電極接合体２６に対応して円板形状を有するとともに、各挟持部７２は、互いに分離して構成されている。これにより、挟持部７２は、電解質・電極接合体２６に対応して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。
【０１０１】
しかも、各挟持部７２は、互いに分離しており、積層方向の荷重は、隣接する各電解質・電極接合体２６毎に独立して伝えられ、前記電解質・電極接合体２６やセパレータ１１４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１１４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。
【０１０２】
その上、各電解質・電極接合体２６の熱歪み等は、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、特別な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１１０及び燃料電池スタック１１２全体の小型化が容易に図られる。
【０１０３】
さらにまた、セパレータ１１４には、少なくとも１つの挟持部７２に電解質・電極接合体２６の発電による電力を取り出すための突出部１３２が設けられている。このため、電解質・電極接合体２６の異常（劣化や損傷等）を迅速に検出することができるとともに、燃料電池１１０及び燃料電池スタック１１２の小型化及びコンパクト化に対応した薄板板金製のセパレータ１１４に適した端子として利用することが可能になる。
【０１０４】
また、橋架部７４は、例えば、４つ設けられるとともに、反応ガス供給部７６から外方に等角度間隔ずつ（９０°ずつ）離間して放射状に構成されている。従って、反応ガス供給部７６から各橋架部７４を介して各電解質・電極接合体２６に対し燃料ガス及び酸化剤ガスを均等に分配することができ、各電解質・電極接合体２６の発電性能の向上及び安定化が図られる。
【０１０５】
さらに、橋架部７４には、例えば、２つの酸化剤ガス供給通路６０ａと、各酸化剤ガス供給通路６０ａ間に介在する燃料ガス供給通路５８ａとが形成されている。このため、酸化剤ガス供給通路６０ａの全流路断面積は、燃料ガス供給通路５８ａの全流路断面積よりも大きく設定される。これにより、特に、Ａ／Ｆ（空気／燃料ガス）の値が大きい燃料電池１１０において、燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力損失の差を低減することが可能になり、前記燃料電池１１０の耐久性及び信頼性が良好に向上する。
【０１０６】
さらにまた、セパレータ１１４では、挟持部７２及び橋架部７４が、電解質・電極接合体２６の数に対応する数（例えば、４つ）に設定されている。このため、反応ガス供給部７６から各橋架部７４及び各挟持部７２を介して各電解質・電極接合体２６毎に燃料ガス及び酸化剤ガスを均等に分配することができ、各電解質・電極接合体２６の発電性能の向上及び安定化が図られる。
【０１０７】
また、反応ガス供給部７６の中央部には、燃料ガス供給連通孔３４が設けられるとともに、前記燃料ガス供給連通孔３４を中心に複数（例えば、４つ）の酸化剤ガス供給連通孔３６が同心円状に配列されている。従って、燃料ガス及び酸化剤ガスは、電解質・電極接合体２６に供給される前に、互いの温度差を低減することができ、前記電解質・電極接合体２６の安定的な発電が遂行可能になる。その際、４つの酸化剤ガス供給連通孔３６の合計流路断面積は、燃料ガス供給連通孔３４の流路断面積よりも大きく設定される。これにより、特に、Ａ／Ｆ（空気／燃料ガス）の値が大きい燃料電池１１０において、燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力損失の差を低減することが可能になり、前記燃料電池１１０の耐久性及び信頼性が良好に向上する。
【０１０８】
さらに、橋架部７４は、複数設けられるとともに、酸化剤ガス供給連通孔３６は、各橋架部７４の間に対応して形成されている。これにより、燃料電池１１０及び燃料電池スタック１１２は、より一層簡単且つコンパクトに構成される。
【０１０９】
その上、酸化剤ガス供給連通孔３６は、電解質・電極接合体２６の数に対応する数（例えば、４つ）に設定されている。従って、酸化剤ガス供給連通孔３６から橋架部７４及び挟持部７２を介して各電解質・電極接合体２６に酸化剤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。
【０１１０】
さらにまた、反応ガス供給部７６は、セパレータ１１４の中央部に設けられるとともに、前記反応ガス供給部７６を中心に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１１０に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスは、発電による発生熱を介して良好に加熱可能になり、前記燃料電池１１０は、熱効率の向上と熱自立の促進とを図ることができる。
【０１１１】
しかも、セパレータ１１４の面内には、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。これにより、セパレータ１１４の面内に２以上の同一形状且つ同一面積の電解質・電極接合体２６が同心円状に配列される燃料電池構造の中、高い占有率を得ることが可能になる。
【０１１２】
その上、発電出力当たりのスタック体積が小さくなり、燃料電池スタック１１２全体のコンパクト化が容易に図られる。一方、発電出力当たりのスタック表面積が小さくなり、燃料電池スタック１１２からの放熱を最小化することができ、熱効率の向上及び熱自立の促進を図ることが可能になる。
【０１１３】
また、燃料電池スタック１１２は、複数の燃料電池１１０に積層方向に荷重を付与する荷重付与機構を構成する第１荷重付与部１５４及び第２荷重付与部１５８を備えている。その際、反応ガス供給部７６の近傍に付与される積層方向の荷重（第１荷重付与部１５４による荷重）は、電解質・電極接合体２６に付与される積層方向の荷重（第２荷重付与部１５８による荷重）よりも大きく設定されるとともに、反応ガス供給部７６と挟持部７２とは、橋架部７４を介して積層方向の締め付け荷重が遮断されている。
【０１１４】
これにより、反応ガス供給部７６には、比較的大きな締め付け荷重が付与されることによって、前記反応ガス供給部７６のシール性を良好に維持することができる。一方、電解質・電極接合体２６には、挟持部７２との密着性を高める程度の比較的小さな締め付け荷重が付与されることによって、前記電解質・電極接合体２６の破損等を阻止するとともに、集電性を高めることが可能になる。
【０１１５】
図１１は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１９０の分解斜視図であり、この燃料電池１９０が矢印Ａ方向に積層されて燃料電池スタック１９２が構成される。
【０１１６】
燃料電池１９０は、セパレータ１９４を備えるとともに、前記セパレータ１９４は、第１プレート１９６及び第２プレート１１８を有する。第１プレート１９６を構成する第１挟持部１２４には、燃料ガス通路４６側に突出してアノード電極２４の外周縁部に接触する周縁凸部１９８が設けられる。周縁凸部１９８は、突起部４８と同様に、例えば、エッチングにより形成される。
【０１１７】
このように構成される第４の実施形態では、第１挟持部１２４に燃料ガス通路４６側の外周縁部に周縁凸部１９８が設けられている。従って、電解質・電極接合体２６の外方からアノード電極２４に排ガスや酸化剤ガスが侵入することを阻止し、アノードの酸化による発電性能の低下を防止するとともに、セパレータ１９４や前記電解質・電極接合体２６の耐久性の向上を図ることができる。
【０１１８】
なお、プレート６２の外周縁部に酸化剤ガス通路６４側に突出してカソード電極２２の周縁部に接触する周縁凸部２００を設けてもよい。これにより、電解質・電極接合体２６の外方からカソード電極２２に排ガスや燃料ガスが浸入することを阻止し、カソードの還元による発電性能の低下を防止するとともに、前記電解質・電極接合体２６の耐久性の向上を図ることができる。
【０１１９】
図１２は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池２１０の分解斜視説明図である。燃料電池２１０は、矢印Ａ方向に複数積層されることにより、燃料電池スタック２１２が構成される。
【０１２０】
燃料電池２１０を構成するセパレータ２１４は、第１プレート１１６と第２プレート２１６とを備え、前記第２プレート２１６には、各燃料ガス供給通路５８ａを挟んで２本の酸化剤ガス供給通路６０ｂ、６０ｂが第２橋架部１２８毎に形成される。酸化剤ガス供給通路６０ｂは、各挟持部７２の略中央部で終端してそれぞれ酸化剤ガス供給孔５６に連通する。
【０１２１】
このように構成される第５の実施形態では、上記の第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１２２】
図１３は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池２２０の分解斜視説明図であり、複数の前記燃料電池２２０が矢印Ａ方向に積層されて燃料電池スタック２２２が構成される。
【０１２３】
燃料電池２２０を構成するセパレータ２２４は、第１プレート２２６と第２プレート２２８とを備える。第１プレート２２６では、第１挟持部１２４に複数の燃料ガス供給孔４４が形成される。
【０１２４】
第２プレート２２８は、燃料ガス供給連通孔３４から第２挟持部１３０側に延在する燃料ガス供給通路５８ｂと、酸化剤ガス供給連通孔３６から前記第２挟持部１３０側に延在する酸化剤ガス供給通路６０ｃとを有する。燃料ガス供給通路５８ｂは、燃料ガス供給連通孔３４から第２挟持部１３０の略中央部まで延在する直線状部分と、この直線状部分の端部から延在する円弧状部分とを有する。第１挟持部１２４に設けられる複数の燃料ガス供給孔４４は、燃料ガス供給通路５８ｂの形状に沿って設けられる。
【０１２５】
酸化剤ガス供給通路６０ｃは、燃料ガス供給通路５８ｂを挟んで酸化剤ガス供給連通孔３６から第２挟持部１３０に延在する一対の直線状部分と、前記燃料ガス供給通路５８ｂの円弧状部分を周回する円弧状部分とを有する。第２挟持部１３０及びプレート６２には、酸化剤ガス供給通路６０ｃの形状に沿って複数の酸化剤ガス供給孔５６が形成される。
【０１２６】
このように構成される第６の実施形態では、燃料ガス供給連通孔３４から燃料ガス供給通路５８ｂに導入される燃料ガスは、この燃料ガス供給通路５８ｂに沿って第１挟持部１２４側に移動する。
【０１２７】
そして、燃料ガスは、燃料ガス供給通路５８ｂから第１挟持部１２４に形成された複数の燃料ガス供給孔４４を通ってアノード電極２４に雨浴状（シャワー状）に供給される。一方、空気は、酸化剤ガス供給連通孔３６から酸化剤ガス供給通路６０ｃに導入され、第２挟持部１３０及びプレート６２に形成された複数の酸化剤ガス供給孔５６からカソード電極２２に雨浴状に供給される。
【０１２８】
このように、第６の実施形態では、燃料ガス供給孔４４の数は、例えば、電解質・電極接合体２６の面積に応じて設定される。従って、電解質・電極接合体２６の電極面内における燃料ガス濃度を均等化し、燃料枯渇を抑制することができるという効果がある。これにより、電解質・電極接合体２６の電極面内における電流密度分布に偏りが発生することを阻止し、発電効率の向上及び安定化が可能になる。
【０１２９】
同様に、酸化剤ガス供給孔５６の数は、電解質・電極接合体２６の面積に応じて設定可能である。このため、電解質・電極接合体２６の電極面内における酸化剤ガス濃度を均等化し、空気枯渇を抑制することができる。これにより、電解質・電極接合体２６の電極面内における電流密度分布に偏りが発生することを阻止し、発電効率の向上及び安定化が可能になる。
【０１３０】
しかも、電解質・電極接合体２６の電極面に対して燃料ガス及び酸化剤ガスを雨浴状に供給することができ、前記電解質・電極接合体２６における発熱反応となる発電反応を均等化することが可能になる。従って、電解質・電極接合体２６における温度勾配の発生を抑制し、熱応力による前記電解質・電極接合体２６の発電不良を抑制することができるという利点がある。
【０１３１】
図１４は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池２３０の分解斜視説明図であり、前記燃料電池２３０が矢印Ａ方向に複数積層されて燃料電池スタック２３２が構成される。
【０１３２】
燃料電池２３０を構成するセパレータ２３４は、第１プレート２３６と第２プレート２３８とを有する。第１プレート２３６には、第１挟持部１２４に複数の燃料ガス供給孔４４が形成される。第２プレート２３８は、燃料ガス供給通路５８ｃ及び酸化剤ガス供給通路６０ｄを有する。
【０１３３】
燃料ガス供給通路５８ｃは、燃料ガス供給連通孔３４から第２挟持部１３０に延在する直線状部分と、前記直線状部分から略櫛刃状に延在する部分とを設ける。燃料ガス供給孔４４は、燃料ガス供給通路５８ｃの形状に沿って配置される。酸化剤ガス供給通路６０ｄは、燃料ガス供給通路５８ｃを挟んで延在する一対の直線部分と、前記直線部分から略櫛刃状に延在する部分とを有する。第２挟持部１３０及びプレート６２には、酸化剤ガス供給通路６０ｄの形状に沿って複数の酸化剤ガス供給孔５６が形成される。
【０１３４】
従って、このように構成される第７の実施形態では、燃料ガス及び酸化剤ガスが雨浴状に電解質・電極接合体２６に供給されるため、上記の第６の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１３５】
図１５は、本発明の第８の実施形態に係る燃料電池２４０の分解斜視説明図であり、前記燃料電池２４０が矢印Ａ方向に複数積層されることにより燃料電池スタック２４２が構成される。
【０１３６】
燃料電池２４０を構成するセパレータ２４４は、第１プレート１１６と第２プレート２４６とを備える。第２プレート２４６は、燃料ガス供給通路５８ａと酸化剤ガス供給通路６０ｅとを有する。
【０１３７】
酸化剤ガス供給通路６０ｅは、燃料ガス供給通路５８ａを挟んで１組ずつ設けられており、酸化剤ガス供給連通孔３６から延在する直線状部分と、この直線状部分から第２挟持部１３０の面方向に直交して延在する複数の直線状部分とを有する。第２挟持部１３０及びプレート６２には、酸化剤ガス供給通路６０ｅの形状に沿って複数の酸化剤ガス供給孔５６が形成される。
【０１３８】
このように構成される第８の実施形態では、上記の第６及び第７の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１３９】
図１６は、本発明の第９の実施形態に係る燃料電池２５０の分解斜視説明図であり、前記燃料電池２５０が矢印Ａ方向に複数積層されることにより燃料電池スタック２５２が構成される。
【０１４０】
燃料電池２５０は、セパレータ２５４を備え、このセパレータ２５４は、第１プレート２５６と第２プレート２５８とを有する。第１プレート２５６は、第１挟持部１２４に複数の燃料ガス供給孔４４が形成される。第２プレート２５８は、燃料ガス供給通路５８ｄと酸化剤ガス供給通路６０ｆとを設ける。
【０１４１】
燃料ガス供給通路５８ｄは、燃料ガス供給連通孔３４から第２挟持部１３０に向かって延在する直線状部分と、この直線状部分の端部に連通するリング状部分とを有し、燃料ガス供給孔４４は、このリング状部分に対応する範囲内に形成される。酸化剤ガス供給通路６０ｆは、燃料ガス供給通路５８ｄを挟んで設けられるとともに、直線状部分と、第２挟持部１３０と同心円状のリング状部分とを有する。このリング状部分内には、複数の酸化剤ガス供給孔５６が形成される一方、プレート６２も同様に、複数の酸化剤ガス供給孔５６が形成される。
【０１４２】
このように構成される第９の実施形態では、燃料ガス及び酸化剤ガスは、各電解質・電極接合体２６に雨浴状に供給され、上記の第６〜第８の実施形態と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０１４３】
【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】前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。
【図６】本発明の第３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７】前記燃料電池スタックの、図６中、ＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。
【図８】前記燃料電池の分解斜視説明図である。
【図９】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１０】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１１】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。
【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図である。
【図１３】本発明の第６の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。
【図１４】本発明の第７の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。
【図１５】本発明の第８の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。
【図１６】本発明の第９の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。
【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。
【符号の説明】
【０１４４】
１０、１００、１１０、１９０、２１０、２２０、２３０、２４０、２５０…燃料電池
１２、１１２、１９２、２１２、２２２、２３２、２４２、２５２…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、１１４、１９４、２１４、２２４、２３４、２４４、２５４…セパレータ
３０、３２、６２、１１６、１１８、１９６、２１６、２２６、２２８、２３６、２３８、２４６、２５６、２５８…プレート
３４…燃料ガス供給連通孔            ３６…酸化剤ガス供給連通孔
３８、５０、７６、１２０、１２６…反応ガス供給部
４０、５２、７４、１２２、１２８…橋架部
４２、５４、７２、１２４、１３０…挟持部
４４…燃料ガス供給孔                ４８、６６…突起部
５６…酸化剤ガス供給孔
５８、５８ａ〜５８ｄ…燃料ガス供給通路
６０、６０ａ〜６０ｆ…酸化剤ガス供給通路
６４…酸化剤ガス通路                ８２…締付手段
１０２…メッシュ部材                １０４…導電性フェルト部材
１３２…突出部                      １５４、１５８…荷重付与部
１９８、２００…周縁凸部
【図１】
0005383051.tif 000002
【図２】
0005383051.tif 000003
【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】
0005383051.tif 000008
【図８】
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【図９】
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【図１０】
0005383051.tif 000011
【図１１】
0005383051.tif 000012
【図１２】
0005383051.tif 000013
【図１３】
0005383051.tif 000014
【図１４】
0005383051.tif 000015
【図１５】
0005383051.tif 000016
【図１６】
0005383051.tif 000017
【図１７】
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