(57)【要約】【課題】コンパクト且つ経済的な構成で、良好な熱交換が行われるとともに、熱効率の向上を図ることを可能にする。【解決手段】燃料電池１１は、複数の電解質・電極接合体２６を挟持する一対のセパレータ２８を備えている。セパレータ２８には、アノード電極２４の電極面に沿って矢印Ｂ１方向に燃料ガスを供給するための燃料ガス通路４６を形成する第１突起部４８と、カソード電極２２の電極面に沿って矢印Ｂ２方向に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路５０を形成する第２突起部５２とが設けられる。セパレータ２８に固着される通路部材５６の燃料ガス供給通路６６は、台形部３６の内側端縁部に形成される燃料ガス導入口５４に連通する。アノード電極２４で反応に使用されて燃料ガス通路４６から酸化剤ガス供給部６８に排出された排気燃料ガスは中の未燃の水素は、使用前の酸化剤ガスと混合して燃焼した後、酸化剤ガス通路５０に供給される。【選択図】図３
2006318857.tif 000002
【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、一対のセパレータ間に配設される燃料電池であって、
前記セパレータの一方の面に設けられ、前記アノード電極の電極面に沿って一方向に燃料ガスを供給するための燃料ガス通路を形成する第１突起部と、
前記セパレータの他方の面に設けられ、前記カソード電極の電極面に沿って前記一方向とは反対の他方向に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路を形成する第２突起部と、
前記セパレータの一方の面又は他方の面に設けられ、燃料ガス供給部と前記燃料ガス通路とに連通する燃料ガス供給通路を形成する通路部材と、
前記電解質・電極接合体の中央側から前記燃料ガス供給部に近接する方向に離間して設けられ、前記燃料ガス供給通路に連通して前記燃料ガス通路に燃料ガスを導入する燃料ガス導入口と、
前記アノード電極で反応に使用されて前記燃料ガス通路から排出された排気燃料ガスを、使用前の酸化剤ガスと混合して前記酸化剤ガス通路に供給す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２】
請求項１記載の燃料電池において、前記電解質・電極接合体で反応に使用された後の燃料ガス及び酸化剤ガスを、排ガスとして前記電解質・電極接合体と前記セパレータとの積層方向に排出する排ガス通路を備え、
前記排ガス通路には、使用前の燃料ガスを前記積層方向に供給する前記燃料ガス供給部が気密に設けられるとともに、
前記燃料ガス供給通路は、前記燃料ガス通路と前記燃料ガス供給部とを連通し、且つ前記排ガス通路を前記積層方向に交差するセパレータ面方向に横切って配置されることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池において、前記排ガス通路は、前記セパレータの中央部に設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項２又は３記載の燃料電池において、前記燃料ガス供給部は、前記排ガス通路の中央部に気密に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乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記酸化剤ガス供給部は、使用前の酸化剤ガスと前記排気燃料ガスとの混合ガスを前記電解質・電極接合体の外周面から前記酸化剤ガス通路に供給することを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記第１突起部は、環状突起を有するとともに、
前記第２突起部は、前記環状突起の内部に形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記電解質・電極接合体は、前記セパレータの中心部に対して同心円上に複数配列されることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
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複数の電解質・電極接合体が、それぞれ一対のセパレータ間に配設されるとともに、前記燃料電池を複数積層する燃料電池スタックであって、
前記セパレータの一方の面に設けられ、前記アノード電極の電極面に沿って一方向に燃料ガスを供給するための燃料ガス通路を形成する第１突起部と、
前記セパレータの他方の面に設けられ、前記カソード電極の電極面に沿って前記一方向とは反対の他方向に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路を形成する第２突起部と、
前記セパレータの一方の面又は他方の面に設けられ、燃料ガス供給部と前記燃料ガス通路とに連通する燃料ガス供給通路を形成する通路部材と、
前記電解質・電極接合体の中央側から前記燃料ガス供給部に近接する方向に離間して設けられ、前記燃料ガス供給通路に連通して前記燃料ガス通路に燃料ガスを導入する燃料ガス導入口と、
前記アノード電極で反応に使用されて前記燃料ガス通路から排出された排気燃料ガスを、使用前の酸化剤ガスと混合して前記酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガス供給部と、
前記電解質・電極接合体で反応に使用された後の燃料ガス及び酸化剤ガスを、排ガスとして前記電解質・電極接合体と前記セパレータとの積層方向に排出する排ガス通路と、
を備え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、一対のセパレータ間に配設される燃料電池、及び前記燃料電池が複数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（単セル）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、単セル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、作動温度が８００℃以上と高温となっている。このため、燃料電池スタックの周辺に排気される未燃ガスを含む使用済みの燃料ガス及び酸化剤ガスとが混合して燃焼すると、前記燃料電池スタックの温度が相当に高温になり、安定した運転が遂行されないおそれがある。
【０００４】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体電解質型燃料電池では、図１６に示すように、断熱容器１内にスタック２を配置するスタックチャンバ３と、排ガスの燃焼室４と、熱交換器５ａが配置される熱交換室５とが形成されている。スタックチャンバ３は、スタック２から排出される排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスが導入される燃料ガス排気室３ａ及び酸化剤ガス排気室３ｂが互いに気密に設けられるとともに、前記燃料ガス排気室３ａ及び前記酸化剤ガス排気室３ｂは、断熱壁６に形成される排ガス路６ａを介して燃焼室４に連通している。
【０００５】
この従来技術では、熱交換器５ａを経由して７００℃〜９００℃程度に加熱された燃料ガス及び酸化剤ガスは、それぞれスタック２に供給されて前記スタック２による発電反応に使用されている。そして、スタック２から燃料ガス排気室３ａ及び酸化剤ガス排気室３ｂに排出される排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスは、排ガス路６ａから燃焼室４に導入されている。このため、燃焼室４では、排出燃料ガスと排出酸化剤ガスとが混合して燃焼され、その燃焼ガスは、熱交換器５ａに送られて使用前の燃料ガス及び酸化剤ガスと熱交換を行った後、外部に排出されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−４１２４１号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の従来技術では、スタック２から排出される排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスの混合排気ガスは、相当に高温であり、この混合排気ガス中の未燃の水素が、燃焼室４で後燃え（スタック２で燃焼せずに、このスタック２から排出された後に燃焼することをいう）することによって、前記混合排気ガスの温度がさらに高温となっている。
【０００８】
従って、燃焼室４では、スタック２の動作温度よりもはるかに高温となり、前記燃焼室４を高価な耐熱合金等で構成する必要があり、経済的ではないという問題がある。
【０００９】
さらに、相当に高温な混合排気ガスは、熱交換室５に送られて使用前の酸化剤ガス及び燃料ガスと熱交換が行われている。このため、熱交換器５ａは、高温の混合排気ガスと低温の反応ガス（酸化剤ガス及び燃料ガス）との間で十分な熱量の交換を可能にするために、相当に大型化してしまう。しかも、熱交換器５ａは、高温の混合排気ガスに曝されるため、前記熱交換器５ａを高価な耐熱合金で構成する必要がある。これにより、燃料電池全体が大型化するとともに、経済的ではないという問題がある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、コンパクト且つ経済的な構成で、良好な熱交換が行われるとともに、熱効率の向上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】
【００１１】
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、一対のセパレータ間に配設される燃料電池である。この燃料電池は、セパレータの一方の面に設けられ、アノード電極の電極面に沿って一方向に燃料ガスを供給するための燃料ガス通路を形成する第１突起部と、前記セパレータの他方の面に設けられ、カソード電極の電極面に沿って前記一方向とは反対の他方向に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路を形成する第２突起部とを備えている。
【００１２】
燃料電池は、さらにセパレータの一方の面又は他方の面に設けられ、燃料ガス供給部と燃料ガス通路とに連通する燃料ガス供給通路を形成する通路部材と、電解質・電極接合体の中央側から前記燃料ガス供給部に近接する方向に離間して設けられ、前記燃料ガス供給通路に連通して前記燃料ガス通路に燃料ガスを導入する燃料ガス導入口と、アノード電極で反応に使用されて前記燃料ガス通路から排出された排気燃料ガスを、使用前の酸化剤ガスと混合して酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガス供給部とを備えている。
【００１３】
また、燃料電池は、電解質・電極接合体で反応に使用された後の燃料ガス及び酸化剤ガスを、排ガスとして前記電解質・電極接合体とセパレータとの積層方向に排出する排ガス通路を備えている。排ガス通路には、使用前の燃料ガスを積層方向に供給する燃料ガス供給部が気密に設けられるとともに、燃料ガス供給通路は、燃料ガス通路と前記燃料ガス供給部とを連通し、且つ前記排ガス通路を前記積層方向に交差するセパレータ面方向に横切って配置されることが好ましい。燃料ガス供給通路を流れる燃料ガスは、排ガス通路を流れる高温の排ガスによって加温されるため、発電反応の効率が有効に向上するからである。
【００１４】
さらに、排ガス通路は、セパレータの中央部に設けられることが好ましい。この排ガス通路を流れる高温の排ガスにより、燃料電池全体を均一に温めることができるからである。
【００１５】
さらにまた、燃料ガス供給部は、排ガス通路の中央部に気密に設けられることが好ましい。燃料ガス供給部に送られる燃料ガスは、排ガス通路を流れる高温の反応ガスを介して加温されるため、発電効率を良好に向上させることが可能になる。
【００１６】
また、酸化剤ガス供給部は、使用前の酸化剤ガスと排気燃料ガスとの混合ガスを電解質・電極接合体の外周面から酸化剤ガス通路に供給することが好ましい。燃料ガスと酸化剤ガスとが対向流を構成するため、発電反応が促進されて発電効率が高まるからである。
【００１７】
さらに、第１突起部は、環状突起を有するとともに、第２突起部は、前記環状突起の内部に形成されることが好ましい。第１及び第２突起部を介して電解質・電極接合体の保持及び集電が確実に行われるからである。
【００１８】
さらにまた、電解質・電極接合体は、セパレータの中心部に対して同心円上に複数配列されることが好ましい。電解質・電極接合体に熱歪みや不要な応力が発生することを阻止できるからである。
【００１９】
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複数の電解質・電極接合体が、それぞれ一対のセパレータ間に配設されるとともに、前記燃料電池を複数積層する燃料電池スタックである。この燃料電池スタックは、セパレータの一方の面に設けられ、アノード電極の電極面に沿って一方向に燃料ガスを供給するための燃料ガス通路を形成する第１突起部と、前記セパレータの他方の面に設けられ、カソード電極の電極面に沿って前記一方向とは反対の他方向に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路を形成する第２突起部とを備えている。
【００２０】
燃料電池スタックは、さらにセパレータの一方の面又は他方の面に設けられ、燃料ガス供給部と燃料ガス通路とに連通する燃料ガス供給通路を形成する通路部材と、電解質・電極接合体の中央側から前記燃料ガス供給部に近接する方向に離間して設けられ、前記燃料ガス供給通路に連通して前記燃料ガス通路に燃料ガスを導入する燃料ガス導入口と、前記アノード電極で反応に使用されて前記燃料ガス通路から排出された排気燃料ガスを、使用前の酸化剤ガスと混合して前記酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガス供給部と、前記電解質・電極接合体で反応に使用された後の燃料ガス及び酸化剤ガスを、排ガスとして前記電解質・電極接合体と前記セパレータとの積層方向に排出する排ガス通路とを備えている。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、燃料ガス通路から排出される排気燃料ガス中の未燃の水素は、酸化剤ガス供給部で酸化剤ガスと混合して燃焼（後燃え）した後、酸化剤ガス通路に供給される。このため、後燃えの燃焼熱によってセパレータを直接加熱することができ、熱効率の向上が容易に図られるとともに、起動時間を短縮することが可能になる。
【００２２】
しかも、熱交換器に後燃え直後の高温の排ガスが供給されることがなく、この熱交換器に必要な熱交換量が削減されて前記熱交換器をコンパクトに構成することができる。従って、燃料電池全体の小型化が有効に図られる。
【００２３】
さらに、燃料ガス通路から排出される排気燃料ガス中の未燃の水素は、セパレータの外周端部近傍で燃焼すると同時に、多量の酸化剤ガスにより希釈されて所定の温度まで冷却された後、電解質・電極接合体に供給される。このため、燃料電池全体を温める場合に比べ、断熱材を削減することができるとともに、耐熱部材、例えば、耐熱合金の使用が削減されて経済的である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１１を組み込む燃料電池システム１０の一部断面説明図であり、図２は、前記燃料電池１１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る。
【００２５】
燃料電池システム１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池システム１０は、図１に示すように、燃料電池スタック１２と、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック１２に供給する前に加熱する熱交換器１４と、燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器１６と、前記燃料電池スタック１２、前記熱交換器１４及び前記改質器１６を収容する筐体１８とを備える。
【００２６】
筐体１８内では、燃料電池スタック１２の一方の側に、少なくとも熱交換器１４及び改質器１６を含む流体部１９が配置されるとともに、前記燃料電池スタック１２の他方の側に、燃料電池１１の積層方向（矢印Ａ方向）に締め付け荷重を付与する荷重付与機構２１が配設される。流体部１９及び荷重付与機構２１は、燃料電池スタック１２の中心軸に対して軸対称に配設される。
【００２７】
燃料電池１１は、固体電解質型燃料電池であり、この燃料電池１１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２６を備える。電解質・電極接合体２６は、薄板の略台形状に形成されるとともに、少なくとも外側周端部（セパレータ２８の外周側）には、酸化剤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。
【００２８】
燃料電池１１は、一対のセパレータ２８間に複数、例えば、８個の電解質・電極接合体２６を挟んで構成される。セパレータ２８間には、このセパレータ２８の中心部である燃料ガス供給連通孔（燃料ガス供給部）３０と同心円上に８個の電解質・電極接合体２６が配列される。
【００２９】
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構成される１枚の金属プレートやカーボンプレート等で構成される。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小径端部３２を有する。この第１小径端部３２には、外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に延在する複数の第１橋架部３４を介して台形部３６が一体的に設けられる。
【００３０】
台形部３６は、電解質・電極接合体２６と略同一形状に設定され、酸化剤ガスの流れ方向（矢印Ｂ２方向）に向かって幅狭になる両側部３７ａ、円弧状の外周部３７ｂ及び略直線状の内周部３７ｃを有する。外周部３７ｂの両端には、比較的大きなＲ部３８が形成され、各台形部３６のＲ部３８間には、邪魔板部材４０が積層方向に延在して配設される。邪魔板部材４０は、各台形部３６間に酸化剤ガスが進入することを阻止する。
【００３１】
図３及び図５に示すように、各台形部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の電極面に沿って矢印Ｂ１方向に燃料ガスを供給するための燃料ガス通路４６を形成する第１突起部４８が設けられる。台形部３６には、この台形部３６の外周縁部を周回し且つ外周部３７ｂで終端するシール部４９が形成される。
【００３２】
各台形部３６のカソード電極２２に接触する面３６ｂには、前記カソード電極２２の電極面に沿って矢印Ｂ２方向に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路５０を形成する第２突起部５２が設けられる（図６参照）。この面３６ｂには、好ましくは、耐酸化性材料、例えば、Ｌａ−Ｃｏ系材料でコーティングが施されている。
【００３３】
図７に示すように、第１及び第２突起部４８、５２は、互いに同軸に形成されており、前記第１突起部４８は、環状突起を構成するとともに、前記第２突起部５２は、山状突起を構成して前記環状突起の内部に形成される。図８及び図９に示すように、第１及び第２突起部４８、５２は、複数形成されており、前記第１突起部４８の高さは、前記第２突起部５２の高さよりも低く設定される。酸化剤ガス通路５０の容積を燃料ガス通路４６の容積よりも大きくするためである。
【００３４】
なお、第１突起部４８を山状突起で構成する一方、第２突起部５２をリング状突起で構成してもよい。その際、リング状突起の高さを山状突起の高さよりも大きく設定することが好ましい。
【００３５】
図４に示すように、燃料ガス通路４６は、燃料ガスをアノード電極２４の電極面に沿って矢印Ｂ１方向（一方向）に供給する一方、酸化剤ガス通路５０は、酸化剤ガスをカソード電極２２の電極面に沿って矢印Ｂ２方向（他方向）に供給する。
【００３６】
図３〜図６に示すように、台形部３６には、アノード電極２４の中央側から燃料ガス供給連通孔３０に近接する方向に離間して、すなわち、この台形部３６の内周部３７ｃに近接して燃料ガス通路４６に燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口５４が形成される。
【００３７】
セパレータ２８のカソード電極２２に対向する面には、通路部材５６が、例えば、ろう付けやレーザ溶接等により固着される。通路部材５６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小径端部５８を備える。この第２小径端部５８から放射状に８本の第２橋架部６０が延在するとともに、各第２橋架部６０の先端は、セパレータ２８の第１橋架部３４から台形部３６の面３６ｂに固着される。
【００３８】
通路部材５６の接合面において、第２小径端部５８には、燃料ガス供給連通孔３０に連通して複数のスリット６２が放射状に形成される。このスリット６２には、第２小径端部５８を周回してろう材の流れを防止し、且つ、燃料ガスの流れを均一にするための凹部６４が連通する。
【００３９】
第１及び第２橋架部３４、６０間には、燃料ガス供給連通孔３０からスリット６２及び凹部６４を介して燃料ガス通路４６に連通する燃料ガス供給通路６６が形成される。各通路部材５６は、第２橋架部６０が積層方向（矢印Ａ方向）の荷重に対して該積層方向に弾性変形可能なように断面湾曲形状に構成される。
【００４０】
図８及び図９に示すように、酸化剤ガス通路５０は、電解質・電極接合体２６の外周端部と台形部３６の外周部３７ｂとの間から矢印Ｂ２方向に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部６８に連通する。この酸化剤ガス供給部６８は、アノード電極２４で反応に使用されて燃料ガス通路４６から排出された排気燃料ガスを、使用前の酸化剤ガスと混合して、すなわち、前記排気燃料ガス中の未燃の水素を燃焼（後燃え）して酸化剤ガス通路５０に供給する機能を有する。
【００４１】
各セパレータ２８間には、図８に示すように、燃料ガス供給連通孔３０をシールするための絶縁シール６９が設けられる。絶縁シール６９は、例えば、マイカ材やセラミック材で形成されている。燃料電池１１には、台形部３６の内周部３７ｃの内方に位置して積層方向に延在する排ガス通路６７が形成される。
【００４２】
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１１の積層方向両端に円板状のエンドプレート７０ａ、７０ｂを配置するとともに、荷重付与機構２１を介して積層方向に締め付け保持される。
【００４３】
筐体１８は、荷重付与機構２１を収容する第１筐体部７６ａと、燃料電池スタック１２を収容する第２筐体部７６ｂとを備える（図１参照）。第１及び第２筐体部７６ａ、７６ｂ間は、エンドプレート７０ｂ及び前記エンドプレート７０ｂの第２筐体部７６ｂ側に絶縁材を介装してねじ７８及びナット８０により締め付けられる。エンドプレート７０ｂは、流体部１９から荷重付与機構２１に高温の排ガスや空気が流入することを阻止する遮熱部を構成する。
【００４４】
第２筐体部７６ｂには、リング状壁板８２の一端部が接合されるとともに、前記壁板８２の他端部には、ヘッド板８４が固着される。流体部１９は、燃料電池スタック１２の中心軸に対して軸対称に配設される。具体的には、略リング状の熱交換器１４の内側に、略円筒状の改質器１６が同軸的に配設される。
【００４５】
エンドプレート７０ａの周回溝部７４に壁板８６が固定されてチャンバ部８８が構成されるとともに、このチャンバ部８８には、熱交換器１４及び改質器１６が直結される。チャンバ部８８は、複数の孔部８９を介して排ガス通路６７に連通する。
【００４６】
改質器１６には、燃料ガス供給管９０と改質ガス供給管９２とが設けられる。燃料ガス供給管９０は、ヘッド板８４を介して外部に延在する一方、改質ガス供給管９２は、エンドプレート７０ａの孔部９３に嵌挿されて燃料ガス供給連通孔３０に連通する。
【００４７】
ヘッド板８４には、空気供給管９４と排ガス管９６とが接続される。筐体１８内には、空気供給管９４から熱交換器１４を介して酸化剤ガス供給部６８に直接開口する通路９８と、燃料電池スタック１２の排ガス通路６７から熱交換器１４を介して排ガス管９６に至る通路１００とが設けられる。
【００４８】
荷重付与機構２１は、燃料ガス供給連通孔３０の近傍に対して第１締め付け荷重Ｔ１を付与する第１締め付け部１０２ａと、電解質・電極接合体２６に対して前記第１締め付け荷重Ｔ１よりも小さな第２締め付け荷重Ｔ２を付与する第２締め付け部１０２ｂとを備える（Ｔ１＞Ｔ２）。
【００４９】
第１締め付け部１０２ａは、図１及び図２に示すように、エンドプレート７０ａの一方の対角位置に設けられるねじ孔１０３に螺合する短尺な第１締め付けボルト１０４ａ、１０４ａを備える。第１締め付けボルト１０４ａ、１０４ａは、燃料電池１１の積層方向に延在するとともに、第１押圧プレート１０６ａに係合する。第１締め付けボルト１０４ａは、セパレータ２８の内部に設けられた排ガス通路６７内に設けられる。第１押圧プレート１０６ａは、幅狭な板状を有しており、燃料ガス供給連通孔３０を覆ってセパレータ２８の中央部に係合する。
【００５０】
第２締め付け部１０２ｂは、長尺な第２締め付けボルト１０４ｂ、１０４ｂを備え、前記第２締め付けボルト１０４ｂ、１０４ｂは、エンドプレート７０ａの他方の対角位置に設けられるねじ孔１０３に螺合する。第２締め付けボルト１０４ｂの端部は、外周湾曲形状の第２押圧プレート１０６ｂを貫通し、この端部にナット１０７が螺合する。第２締め付けボルト１０４ｂは、セパレータ２８の内部に設けた排ガス通路６７内に設けられる。第２押圧プレート１０６ｂの各円弧状部には、燃料電池１１の台形部３６に配置される各電解質・電極接合体２６に対応してスプリング１０８及び台座１０９が配設される。スプリング１０８は、例えば、セラミックススプリングにより構成される。
【００５１】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００５２】
燃料電池１１を組み付ける際には、先ず、図３に示すように、セパレータ２８のカソード電極２２に向かう面に通路部材５６が接合される。このため、セパレータ２８と通路部材５６との間には、燃料ガス供給連通孔３０に連通する燃料ガス供給通路６６が形成されるとともに、前記燃料ガス供給通路６６が燃料ガス導入口５４から燃料ガス通路４６に連通する（図８参照）。セパレータ２８には、燃料ガス供給連通孔３０を周回してリング状の絶縁シール６９が設けられる。
【００５３】
これにより、セパレータ２８が構成され、前記セパレータ２８間には、８個の電解質・電極接合体２６が挟持されて燃料電池スタック１２が得られる。図３及び図４に示すように、各セパレータ２８には、互いに対向する面３６ａ、３６ｂ間に電解質・電極接合体２６が配置され、各アノード電極２４の内側端縁部に燃料ガス導入口５４が配置される。
【００５４】
上記の燃料電池１１が矢印Ａ方向に複数積層され、積層方向両端にエンドプレート７０ａ、７０ｂが配置される。図１及び図２に示すように、エンドプレート７０ｂ側には、第１締め付け部１０２ａを構成する第１押圧プレート１０６ａが燃料電池１１の中央部側に対応して配置される。
【００５５】
この状態で、短尺な各第１締め付けボルト１０４ａは、第１押圧プレート１０６ａを貫通してエンドプレート７０ｂ側からエンドプレート７０ａ側に挿入される。第１締め付けボルト１０４ａの先端は、エンドプレート７０ａの一方の対角位置にあるねじ孔１０３に螺合する。第１締め付けボルト１０４ａの頭部は、第１押圧プレート１０６ａが係合しており、前記第１締め付けボルト１０４ａがねじ孔１０３に螺回されることによって、前記第１押圧プレート１０６ａの面圧が調整される。これにより、燃料電池スタック１２には、燃料ガス供給連通孔３０の近傍に対して第１締め付け荷重Ｔ１が付与される。
【００５６】
次いで、各台形部３６に対応して配置される電解質・電極接合体２６には、それぞれ軸方向にスプリング１０８及び台座１０９が配列されるとともに、一方の台座１０９には、第２締め付け部１０２ｂを構成する第２押圧プレート１０６ｂが係合する。
【００５７】
長尺な各第２締め付けボルト１０４ｂが、第２押圧プレート１０６ｂを貫通してエンドプレート７０ｂ側からエンドプレート７０ａ側に挿入される。第２締め付けボルト１０４ｂの先端は、エンドプレート７０ａの他方の対角位置にあるねじ孔１０３に螺合するとともに、前記第２締め付けボルト１０４ｂの端部にナット１０７が螺合する。このため、ナット１０７の螺回状態を調整することにより、各電解質・電極接合体２６には、各スプリング１０８の弾性力を介して第２締め付け荷重Ｔ２が付与される。
【００５８】
燃料電池スタック１２は、エンドプレート７０ｂが筐体１８を構成する第１及び第２筐体部７６ａ、７６ｂ間に挟持された状態で、前記第１及び第２筐体部７６ａ、７６ｂがねじ７８及びナット８０により固定される。第２筐体部７６ｂには、流体部１９が接合されており、この流体部１９を構成する壁板８６がエンドプレート７０ａの周回溝部７４に装着される。これにより、エンドプレート７０ａと壁板８６との間には、チャンバ部８８が形成される。
【００５９】
次に、燃料電池システム１０では、図１に示すように、燃料ガス供給管９０から燃料（メタン、エタン又はプロパン等）及び必要に応じて水が供給されるとともに、空気供給管９４から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】
燃料が改質器１６を通って改質されることにより燃料ガス（水素含有ガス）が得られ、この燃料ガスは、燃料電池スタック１２の燃料ガス供給連通孔３０に供給される。この燃料ガスは、積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら各燃料電池１１を構成するセパレータ２８内のスリット６２を介して燃料ガス供給通路６６に導入される（図８参照）。
【００６１】
燃料ガスは、燃料ガス供給通路６６に沿って移動し、台形部３６に形成された燃料ガス導入口５４から燃料ガス通路４６に導入される。燃料ガス導入口５４は、各電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の内側端縁部に偏心した位置に設定されている。このため、燃料ガスは、燃料ガス導入口５４からアノード電極２４の内側端縁部に供給され、燃料ガス通路４６に沿って該アノード電極２４の外周部に向かって（矢印Ｂ１方向）移動する（図９参照）。
【００６２】
一方、各燃料電池システム１０の外周側に設けられている酸化剤ガス供給部６８に供給される酸化剤ガスは、電解質・電極接合体２６の外周端部と台形部３６の外周端部との間から矢印Ｂ２方向に流入し、酸化剤ガス通路５０に送られる。図８及び図９に示すように、酸化剤ガス通路５０では、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の一方の外周端部（セパレータ２８の外周端部）側から他方の外周端部（セパレータ２８の中央部側）に向かって（矢印Ｂ２方向）酸化剤ガスが流入する。
【００６３】
従って、電解質・電極接合体２６では、アノード電極２４の電極面の内周側から外周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の電極面の外周側から内周側に向かって酸化剤ガスが供給される（図９参照）。その際、酸素イオンが電解質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。
【００６４】
この場合、第１の実施形態では、燃料ガスは、アノード電極２４の電極面に沿って矢印Ｂ１方向に移動し、この燃料ガス中の水素が電解質・電極接合体２６で反応する。これにより、燃料ガスは、高温になってセパレータ２８の外周縁部から外部に、すなわち、酸化剤ガス供給部６８に排出される。
【００６５】
このため、アノード電極２４から酸化剤ガス供給部６８に排出された未燃の水素を含む排気燃料ガスは、前記酸化剤ガス供給部６８に供給される使用前の酸素と混合する。従って、酸化剤ガス供給部６８では、未燃の水素が燃焼するとともに希釈され、燃料電池１１の動作に必要な所定の温度に調整される。
【００６６】
そして、排気燃料ガスが混合して未燃の水素が燃焼（後燃え）した酸化剤ガスは、セパレータ２８の外周側から酸化剤ガス通路５０に流入する。この酸化剤ガスは、カソード電極２２を燃料ガス流れ方向とは対向流をなす方向（矢印Ｂ２方向）に移動し、セパレータ２８の内周側に設けられた排ガス通路６７に排出される。
【００６７】
このように、第１の実施形態では、燃料ガス通路４６から排出される排気燃料ガス中の未燃の水素が、酸化剤ガス供給部６８で酸化剤ガスに混合して燃焼した後、酸化剤ガス通路５０に供給されている。このため、後燃えの燃焼熱によってセパレータ２８を直接加熱することができ、熱効率の向上が容易に図られるとともに、起動時間を短縮することが可能になる。
【００６８】
しかも、熱交換器１４に後燃え直後の高温の排ガスが供給されることがなく、この熱交換器１４に必要な熱交換量が削減される。従って、熱交換器１４をコンパクトに構成することができ、燃料電池システム１０全体の小型化が容易に図られるという効果がある。
【００６９】
さらに、酸化剤ガス供給部６８に排出される排気燃料ガス中の未燃の水素は、セパレータ２８の外周端部近傍で燃焼すると同時に、多量の酸化剤ガスにより希釈されて燃料電池スタック１２の発電に必要な所定の入口温度まで冷却された後、電解質・電極接合体２６に供給されている。これにより、燃料電池スタック１２全体を取り囲む空間全てが高温に加熱されることがなく、断熱材を削減することができるとともに、前記燃料電池システム１０の内部を流れる反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）の最高温度を低くすることが可能になる。
【００７０】
従って、第１の実施形態では、放熱による損失を減少し得るとともに、反応ガスが接触する通路内壁面や熱交換器１４等に対し耐熱材、例えば、耐熱合金の使用を大幅に削減することができ、経済的であるという利点が得られる。
【００７１】
さらにまた、アノード電極２４の電極面を流れる燃料ガスとカソード電極２２の電極面を流れる酸化剤ガスは、互いに対向流に設定されている。このため、電解質・電極接合体２６の略全面に渡って流れ方向に発電反応が均等化されるとともに温度分布が均一化され、発電効率の向上を図るとともに、熱応力による前記電解質・電極接合体２６の破損を良好に阻止することが可能になる。
【００７２】
また、第１の実施形態では、第１及び第２橋架部３４、６０が排ガス通路６７に設けられており、この第１及び第２橋架部３４、６０間に形成される燃料ガス供給通路６６は、前記排ガス通路６７を積層方向に交差するセパレータ面方向に横切って配置されている。従って、燃料ガス供給通路６６を移動する燃料ガスは、排ガス通路６７からの排熱によって有効に温められ、熱効率が向上するという効果がある。
【００７３】
さらに、排ガス通路６７は、セパレータ２８の中央部に設けられており、燃料電池システム１０は、中央部から周囲に伝熱されることによって均一に加熱され、発電効率の向上を図ることが可能になる。しかも、燃料ガス供給連通孔３０は、排ガス通路６７の中央部に気密に設けられており、排熱を利用して電解質・電極接合体２６に供給される前の燃料ガスを加熱することができ、発電効率の向上が図られる。
【００７４】
さらにまた、燃料ガス通路４６を構成する第１突起部４８は、環状突起を有するとともに、酸化剤ガス通路５０を構成する第２突起部５２は、前記環状突起の内部に形成されている。従って、第１及び第２突起部４８、５２を介して電解質・電極接合体２６の保持及び集電が確実に行われる。
【００７５】
また、電解質・電極接合体２６は、セパレータ２８の中心部に対して同心円上に複数配列されている。これにより、電解質・電極接合体２６に熱歪みや不要な応力が発生することを有効に阻止することができる。
【００７６】
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１２０の分解斜視図であり、図１１は、前記燃料電池１２０が複数積層された燃料電池スタック１２２の断面図であり、図１２は、前記燃料電池１２０の動作を説明する概略断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１１と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細の説明は省略する。また、以下に説明する第３及び第４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。
【００７７】
燃料電池１２０を構成する各セパレータ２８には、アノード電極２４に対向する面に通路部材１２４が固着される。通路部材１２４は、セパレータ２８の第１橋架部３４に固着される第２橋架部１２６を備え、この第１及び第２橋架部３４、１２６間に燃料ガス供給通路６６が形成される。各第２橋架部１２６の先端は、電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の内側端縁部近傍で終端しており、この先端部には、前記アノード電極２４に向かって開口する複数の燃料ガス導入口１２８が形成されている。なお、各セパレータ２８の台形部３６には、第１の実施形態の燃料ガス導入口５４が設けられていない。
【００７８】
このように構成される第２の実施形態では、燃料ガス供給連通孔３０に供給された燃料ガスは、各セパレータ２８と通路部材１２４との間に形成される燃料ガス供給通路６６に沿って移動した後、通路部材１２４の先端に形成される複数の燃料ガス導入口１２８からアノード電極２４に向かって供給される。
【００７９】
このため、アノード電極２４の内周側から外周側に向かって燃料ガスを一層良好且つ均一に供給することができ、発電反応の効率が高まるという効果が得られる。しかも、各セパレータ２８の台形部３６には、燃料ガス導入口５４を設ける必要がなく、前記セパレータ２８の構成が簡素化するとともに、製造コストの削減が容易に図られる。
【００８０】
図１３は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータ１４０の正面説明図である。
【００８１】
セパレータ１４０では、燃料ガス通路４６を構成する第１突起部１４２が、円形状に代えて楕円状（又は長円状）に構成されるとともに、前記第１突起部１４２は、燃料ガスの流れ方向に沿ってそれぞれの傾きが設定されている。なお、図示していないが、酸化剤ガス通路を構成する第２突起部も同様に、楕円状（又は長円状）に構成されている。
【００８２】
これにより、第３の実施形態では、燃料ガス通路４６に沿って移動する燃料ガスの流れに整流作用を付与することができ、燃料ガスは、アノード電極２４の周辺から中心まで均一に流れることが可能になる。特に、楕円形状の第１突起部１４２では、流れに対して平行になるように配置するだけで、整流作用を一層良好に向上させることができるという利点がある。
【００８３】
図１４は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１５０の分解斜視説明図であり、図１５は、前記燃料電池１５０のガス流れ状態を示す一部分解斜視説明図である。
【００８４】
燃料電池１５０は、薄板円板状の電解質・電極接合体１５２を一対のセパレータ１５４により挟持して構成される。セパレータ１５４は、第１小径端部３２から放射状に延在する複数の第１橋架部３４を介して円板部１５６が一体的に設けられる。この円板部１５６は、電解質・電極接合体１５２と略同一形状（円板状）に設定され、各円板部１５６の内側（燃料ガス供給連通孔３０側端縁部）に燃料ガス導入口５４が形成される。円板部１５６には、燃料ガス通路４６を形成する第１突起部４８と酸化剤ガス通路５０を形成する第２突起部５２とが設けられるとともに、前記第１及び第２突起部４８、５２は、円形状乃至楕円状に構成される。
【００８５】
このように構成される第４の実施形態では、燃料ガスが燃料ガス通路４６に沿って矢印Ｂ１方向に流れる一方、酸化剤ガスが酸化剤ガス通路５０に沿って矢印Ｂ２方向、すなわち、対向流に流れている。このため、燃料ガス通路４６から排出される排気燃料ガス中の未燃の水素は、酸化剤ガス供給部６８で酸化剤ガスに混合して燃焼した後、酸化剤ガス通路５０に供給される。従って、後燃えの燃焼熱によってセパレータ１５４を直接加熱することができ、熱効率の向上が容易に図れる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの一部断面説明図である。
【図２】前記燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの概略斜視説明図である。
【図３】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】前記セパレータの一方の面の説明図である。
【図６】前記セパレータの他方の面の説明図である。
【図７】前記セパレータに形成される第１及び第２突起部の斜視説明図である。
【図８】前記燃料電池スタックの断面図である。
【図９】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１０】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１１】前記燃料電池が複数積層された燃料電池スタックの断面図である。
【図１２】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１３】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータの一方の面の説明図である。
【図１４】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１５】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１６】特許文献１の燃料電池の概略構成説明図である。
【符号の説明】
【００８７】
１０…燃料電池システム            １１、１２０、１５０…燃料電池
１２、１２２…燃料電池スタック    １４…熱交換器
１６…改質器                      １８…筐体
１９…流体部                      ２０…電解質
２１…荷重付与機構                ２２…カソード電極
２４…アノード電極                ２６…電解質・電極接合体
２８、１４０、１５４…セパレータ  ３０…燃料ガス供給連通孔
３４、６０、１２６…橋架部        ３６…台形部
４６…燃料ガス通路                ４８、５２…突起部
５０…酸化剤ガス通路              ５４、１２８…燃料ガス導入口
５６、１２４…通路部材            ６６…燃料ガス供給通路
６７…排ガス通路                  ６８…酸化剤ガス供給部
６９…絶縁シール                  ７０ａ、７０ｂ…エンドプレート
７６ａ、７６ｂ…筐体部            ８８…チャンバ部
９０…燃料ガス供給管              ９２…改質ガス供給管
９４…空気供給管                  ９６…排ガス管
９８、１００…通路                １５６…円板部
【図１】
2006318857.tif 000003
【図２】
2006318857.tif 000004
【図３】
2006318857.tif 000005
【図４】
2006318857.tif 000006
【図５】
2006318857.tif 000007
【図６】
2006318857.tif 000008
【図７】
2006318857.tif 000009
【図８】
2006318857.tif 000010
【図９】
2006318857.tif 000011
【図１０】
2006318857.tif 000012
【図１１】
2006318857.tif 000013
【図１２】
2006318857.tif 000014
【図１３】
2006318857.tif 000015
【図１４】
2006318857.tif 000016
【図１５】
2006318857.tif 000017
【図１６】
2006318857.tif 000018