(57)【要約】【課題】排ガスの燃焼領域を有する従来の燃料電池では、一つのセルに対して拡散燃焼による大きな炎が形成され、燃焼領域の温度分布を均一にすることが難しかった。【解決手段】発電利用後の燃料ガス及び酸化ガスを混合燃焼させる燃焼領域Ｑを有する燃料電池ＦＣ１であって、単セルＣ１とセパレータＳ１とを交互に積層した構造を有し、積層方向に隣接する単セルＣ同士の間において、一方の単セル用の燃料ガス流路Ｇ１と他方の単セル用の酸化ガス流路Ｇ２とをセパレータＳ１で区画し、セパレータＳ１の端部に、燃焼領域Ｑに開放された燃料ガス出口Ｅ１及び酸化ガス出口Ｅ２を設け、セパレータＳ１の少なくとも端部に、燃料ガス及び酸化ガスが互いに接触する複数の拡散面を形成する手段を備えた構成にしたことにより、予混合燃焼に近い小さい炎を多数形成し、燃焼領域Ｑの温度分布を均一にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単セルに供給して発電利用した後の燃料ガス及び酸化ガスを混合燃焼させる燃焼領域を有する燃料電池であって、
電解質層を燃料極層及び空気極層で挟持して成る単セルと、セパレータとを交互に積層した構造を有し、
積層方向に隣接する単セル同士の間において、一方の単セル用の燃料ガス流路と他方の単セル用の酸化ガス流路とをセパレータで区画し、
セパレータの端部に、燃料ガス流路及び酸化ガス流路を燃焼領域に開放させる燃料ガス出口及び酸化ガス出口を設け、
セパレータの少なくとも端部に、燃料ガス出口及び酸化ガス出口から流出した燃料ガス及び酸化ガスが互いに接触する複数の拡散面を形成する手段を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
複数の拡散面を形成する手段が、セパレータの端部を屈曲して形成してあることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
複数の拡散面を形成する手段が、セパレータの端部を湾曲して形成してあることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
単セルが、平板状であると共に、セパレータが、表裏反転した波形状であり且つその波形状により複数の拡散面を形成する手段を構成し、
セパレータの一方の面における波形凹部が、燃料ガス流路であると共に、セパレータの他方の面における波形凹部が、酸化ガス流路であり、
セパレータの端部に、その波形状によって燃料ガス出口と酸化ガス出口とが交互に配列してあることを特徴とする請求項２又は３に記載の燃料電池。
【請求項５】
積層方向に隣接するセパレータ同士が、波形凹凸の半ピッチ分だけ互いにずれる状態に配置してあることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
セパレータの波形凹凸の１ピッチ分の長さが、積層方向に隣接する単セル同士の間隔寸法以下であることを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料電池。
【請求項７】
セパレータ端部に、各燃料ガス出口及び各酸化ガス出口に夫々対応する吐出孔を有する出口部材を備えたことを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項８】
出口部材における吐出孔の間隔が、積層方向に隣接する単セル同士の間隔以下であることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
【請求項９】
セパレータの波形凹凸のピッチが、中央領域よりも側部領域で大きいことを特徴とする請求項４〜８のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
セパレータの端部近傍に、流出直前の燃料ガスと酸化ガスとを混合させるための通し孔を設けたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単セルに供給して発電利用した後の燃料ガス及び酸化ガスを混合燃焼させる燃焼領域を有する燃料電池の改良に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の燃料電池としては、例えば、燃料電池組立体の名称で特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載の燃料電池は、内側電極、固体電解質及び外側電極を備え、内部ガス流路が形成された燃料電池セルと、内部ガス流路にガスを供給する内部ガス供給手段と、燃料電池セル外部にガスを供給する外部ガス供給手段とを具備し、内部ガスと外部ガスとが燃料電池セルの出口側端面の上部空間で混合する構造を有している。つまり、燃料電池セルの出口側端面の上部空間が燃焼領域である。
【０００３】
上記の燃料電池組立体において、内部ガスは燃料ガスであり、外部ガスは酸化剤ガスである。そして、上記の燃料電池は、燃料電池セルの出口側に環状部材を設けて、ガスを整流し、その上部空間において、発電利用した後の燃料ガスと酸化剤ガスとを混合燃焼させるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３４６９８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記したような従来の燃料電池にあっては、燃料電池セルの内部を通過した内部ガス（燃料ガス）と、燃料電池セルの外部を流れた外部ガス（酸化ガス）とを混合燃焼させることから、一つの燃料電池セルに対して、拡散燃焼による一つの大きな炎が形成され、燃焼領域の温度分布を均一にすることが難しい。
【０００６】
また、上記の燃料電池では、燃料電池セルの上部空間のみに燃焼領域を配置せざるを得ないので、この配置上の制約が、例えば車載用の燃料電池を考慮した際のレイアウトに影響する。このように、従来の燃料電池にあっては、燃焼領域の温度分布を均一にすることが難しいと共に、燃焼領域を含む構成のレイアウトに制約があり、これらを解決することが課題であった。
【０００７】
本発明は、上記従来の課題に着目して成されたもので、燃焼領域の温度分布を均一にすることができると共に、燃焼領域を含む構成のレイアウトの自由度を高めることができる燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係わる燃料電池は、単セルに供給して発電利用した後の燃料ガス及び酸化ガスを混合燃焼させる燃焼領域を有する燃料電池であって、電解質層を燃料極層及び空気極層で挟持して成る単セルと、セパレータとを交互に積層した構造を有している。この燃料電池は、積層方向に隣接する単セル同士の間において、一方の単セル用の燃料ガス流路と他方の単セル用の酸化ガス流路とをセパレータで区画すると共に、セパレータの端部に、燃料ガス流路及び酸化ガス流路を燃焼領域に開放させる燃料ガス出口及び酸化ガス出口を設けている。そして、燃料電池は、セパレータの端部に、燃料ガス出口及び酸化ガス出口から流出した燃料ガス及び酸化ガスが互いに接触する複数の拡散面を形成する手段を備えたことを特徴としている。
【０００９】
本発明に係わる燃料電池では、セパレータの端部に、燃料ガス出口及び酸化ガス出口から流出した燃料ガス及び酸化ガスが互いに接触する複数の拡散面を形成するので、燃焼領域において、複数の拡散面での酸化反応による発光現象である炎が複数形成される。これにより、燃料電池では、燃焼領域の温度分布が均一なものとなり、燃焼温度の低減も実現し得る。また、上記の燃料電池は、複数の拡散面を形成することで、実質的に予混合燃焼若しくは予混合燃焼に近い小さい炎を形成し、燃焼の温度上昇による対流で炎が鉛直方向へ立ち上がることを極力低減させることが可能になるので、単セルの上部や側部などに燃焼領域を配置することが可能になる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係わる燃料電池は、上記構成を採用したことにより、燃焼領域の温度分布を均一にすることができると共に、燃焼領域を含む構成のレイアウトの自由度を高めることができる。また、燃料電池は、燃焼領域の温度分布の均一化により、単セルに与える熱応力も均一化して、単セルの構成部材の破損を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係わる燃料電池の第１実施形態を説明する斜視図（Ａ）、拡大図付きの要部の平面図（Ｂ）、単セルとセパレータの配置を示す平面図（Ｃ）、及びマニホルド部流路中心での水平断面図（Ｄ）である。
【図２】予混合燃焼を示す説明図（Ａ１）、予混合燃焼の温度分布を示すグラフ（Ａ２）、拡散燃焼を示す説明図（Ｂ１）、及び拡散燃焼の温度分布を示すグラフ（Ｂ２）である。
【図３】図１に示す燃料電池の要部の平面図（Ａ１）、燃焼状態を示す説明図（Ａ２）、比較例としての従来型の燃料電池の要部の平面図（Ｂ１）、燃焼状態を示す説明図（Ｂ２）、及び双方の温度分布を示すグラフ（Ｃ）である。
【図４】本発明に係わる燃料電池の第２実施形態を説明する斜視図（Ａ）、平面図（Ｂ）、、及び図Ｂ中のＡ−Ａ線に基づく水平断面図（Ｃ）である。
【図５】図４に示す燃料電池における単セルの平面図（Ａ）、及び図Ａ中のＡ−Ａ線に基づく断面図（Ｂ）である。
【図６】本発明に係わる燃料電池の第３実施形態を示す要部の平面図である。
【図７】本発明に係わる燃料電池の第４実施形態を示す要部の平面図（Ａ）、及び温度分布を示すグラフ（Ｂ）である。
【図８】本発明に係わる燃料電池の第５実施形態を示す平面図（Ａ）、及び斜視図（Ｂ）である。
【図９】本発明に係わる燃料電池の第６実施形態を示す斜視図（Ａ）、及び温度分布を示すグラフ（Ｂ）である。
【図１０】本発明に係わる燃料電池の第７実施形態を示す斜視図である。
【図１１】本発明に係わる燃料電池の第８実施形態を示す斜視図（Ａ）、及びセパレータの他の例を示す平面図（Ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
〈第１実施形態〉
図１（Ａ）に示す燃料電池ＦＣ１は、単セルＣ１に供給して発電利用した後の燃料ガス及び酸化ガスを混合燃焼させる燃焼領域Ｑを有するものであって、単セルＣ１とセパレータＳ１とを交互に積層した構造を有している。
【００１３】
図示例の燃料電池ＦＣ１は、複数の単セルＣ１とセパレータＳ１とを交互に重ねて積層体（燃料電池スタック）ＦＳを構成し、ガス流路を有するマニホルドＭの上に、積層方向を水平方向にした姿勢で積層体ＦＳを配置している。そして、燃料電池ＦＣ１は、マニホルドＭ上に設けた筐体Ｂで積層体ＦＳを包囲し、筐体Ｂの内部において、積層体ＦＳの上部空間を燃焼領域Ｑとしている。筐体Ｂは、上部に燃焼ガスの排気部Ｄを備えている。
【００１４】
単セルＣ１は、矩形の平板状であって、図１（Ｂ）に示すように、電解質層１を燃料極層（アノード）２及び空気極層（カソード）３で挟持した構造を有し、図示例では、燃料極層２が、支持体としての多孔金属層４を有している。これら各層１〜４には、例えば固体電解質型燃料電池に適用可能な周知の材料を用いることができる。
【００１５】
セパレータＳ１は、積層方向に隣接する単セルＣ１同士の間において、一方の単セル用の燃料ガス流路Ｇ１と他方の単セル用の酸化ガス流路Ｇ２とを区画している。また、セパレータＳ１は、その端部に、燃料ガス流路Ｇ１及び酸化ガス流路Ｇ２を燃焼領域Ｑに開放させる燃料ガス出口Ｅ１及び酸化ガス出口Ｅ２を設けている。さらに、セパレータＳ１は、その端部に、燃料ガス出口Ｅ１及び酸化ガス出口Ｅ２から流出した燃料ガス及び酸化ガスが互いに接触する複数の拡散面を形成する手段を有している。複数の拡散面を形成する手段は、セパレータＳ１の少なくとも端部を屈曲若しくは湾曲して形成したものであり、この実施形態では、屈曲して形成したものを例示している。
【００１６】
燃料ガス（アノードガス）は、炭化水素や一酸化炭素、水素などを含有する。また、酸化ガス（カソードガス）は、酸素ガス若しくは酸素含有ガスであり、一般的には空気である。これらのガスは、単セルに供給されて発電に寄与するので、発電利用後のものは、厳密には炭化水素や一酸化炭素、水素などの他、水蒸気や二酸化炭素も含有する燃料排ガス、及び酸素を含有する酸化排ガスである。
【００１７】
この実施形態のセパレータＳ１は、ステンレス等の金属から成る矩形の板部材であって、全体的に、断面台形の凹凸から成る表裏反転した波形状であり、その端部に、波形状によって複数の拡散面を形成する手段を構成している。このセパレータＳ１は、例えばプレス加工により容易に成形することができる。また、セパレータＳ１は、波形状が水平断面に表れる向きで配置され、一方の面における波形凹部で燃料ガス流路Ｇ１を形成し、他方の面における波形凹部で酸化ガス流路Ｇ２を形成している。
【００１８】
そして、セパレータＳ１は、図１（Ｃ）にも示すように、その上端部に、図１（Ｃ）中に黒丸で示す燃料ガス出口Ｅ１と、同図中に白丸で示す酸化ガス出口Ｅ２とを交互に配列させている。なお、図１（Ｃ）中の黒丸及び白丸は各出口Ｅ１，Ｅ２の配置を示すもので、各出口Ｅ１，Ｅ２の形状は、セパレータＳ１の凹凸形状である台形である。
【００１９】
マニホルドＭは、図１（Ｄ）に示すように、平面矩形状の基盤５と、基盤５の一端部両側に配置した燃料ガス及び酸化ガスの導入部６Ａ，６Ｂとを備えている。基盤５は、その内部両側に、各導入部６Ａ，６Ｂに連通する直線状の主流路７Ａ，７Ｂを互いに平行に有し、両主流路７Ａ，７Ｂには、相手側に向けて延出する複数の枝流路８Ａ，８Ｂが設けてある。各枝流路８Ａ，８Ｂは、燃料ガス用と酸化ガス用とが、互いに平行で且つ所定間隔をおいて交互に配置してある。
【００２０】
上記のマニホルドＭに対して、積層体ＦＳは、その積層方向が枝流路８Ａ，８Ｂの配列方向（図１Ｃ，Ｄ中で上下方向）となる向きで配置される。そして、積層体ＦＳ及びマニホールドＭは、単セルＣ１の夫々の位置において、燃料ガス流路Ｇ１と燃料ガス用の枝流路８Ａとを連通させると共に、酸化ガス流路Ｇ２と酸化ガス用の枝流路８Ｂとを連通させている。また、マニホルドＭの各導入部６Ａ，６Ｂには、燃料ガス及び酸化ガスの各供給手段（図示せず）が夫々接続される。
【００２１】
なお、燃料電池ＦＣ１は、車載用電源としての適用を考慮した場合、運転状態まで急速に昇温させることができるように、熱容量を可能な限り小さくすることが重要である。その対策の一つとしては、セパレータＳ１の薄肉化が挙げられ、例えば、セパレータＳ１の厚さを０．３ｍｍ以下にすることが有効である。このような薄肉のセパレータＳ１は、燃焼領域Ｑ付近の高温化によって歪みなどの熱変形を起こす可能性があるが、上記したような波形状にすることで熱変形を抑制し、発電耐久性を向上させることができる。
【００２２】
上記構成を備えた燃料電池ＦＣ１は、マニホルドＭを介して、燃料ガス（図１中に点線矢印で示す）と酸化ガス（図１中に実線矢印で示す）とを積層体ＦＳの燃料ガス流路Ｇ１及び酸化ガス流路Ｇ２に導入し、これらのガスを各単セルＣ１の燃料極層２及び空気極層３に夫々供給して、電気化学反応により発電を行う。そして、燃料電池ＦＣ１は、発電利用後の燃料ガス（燃料排ガス）及び酸化ガス（酸化排ガス）を燃料ガス出口Ｇ１及び酸化ガス出口Ｇ２から上方に流出させて、燃料領域Ｑにおいて双方を混合燃焼させる。その燃焼ガスは、筐体Ｂの排気部Ｄから排出される。
【００２３】
このとき、燃料電池ＦＣ１は、セパレータＳ１の少なくとも端部に、屈曲した波形状により、燃料ガス出口Ｇ１及び酸化ガス出口Ｇ２から流出した燃料ガス及び酸化ガスが互いに接触する複数の拡散面を形成するので、燃焼領域Ｑにおいて、複数の拡散面での酸化反応による発光現象である炎が複数形成される。つまり、燃料電池ＦＣ１は、上記の如く複数の拡散面を形成することで、燃料ガス及び酸化ガスの分子の衝突する機会を多く設け、一般的な拡散燃焼にならないようにして、実質的に予混合燃焼若しくは予混合燃焼に近い燃焼を行う。
【００２４】
ここで、図２に基づいて、予混合燃焼及び拡散燃焼について説明する。予混合燃焼は、図２（Ａ１）に示すように、燃料ガスと酸化ガスとが予め混合されているために、均質な燃焼となる。また、予混合燃焼では、炎の内部でも反応するため、図２（Ａ２）に示すように、炎の下部（Ａ）、中央部（Ｂ）、及び上部（Ｃ）のいずれでも温度分布が緩慢であり、炎が重力の向きに影響され難くい。
【００２５】
これに対して、拡散燃焼は、図２（Ｂ１）に示すように、内部の燃料ガスと外部の酸化ガスとが接触した界面において、拡散した燃料分子と酸素分子が衝突した領域での燃焼となる。このため、拡散燃焼では、拡散面で反応して高温化し、図２（Ｂ２）に示すように、浮力と対流によって上部になるほど（Ａ→Ｃ）高温になり、炎が鉛直に立ち上がる。
【００２６】
すなわち、図３（Ａ１）に示す燃料電池ＦＣ１は、波形状のセパレータＳ１により、燃料ガス出口Ｅ１と酸化ガス出口Ｅ２とを交互に配列させたので、燃料ガス及び酸化ガスが互いに接触する拡散面を多数形成して実質的に予混合燃焼若しくは予混合燃焼に近い燃焼を行い、図３（Ａ２）に示すように単セルＣ１の上部に低温の小さな炎を多数形成する。
【００２７】
これに対して、図３（Ｂ１）に示す従来型の燃料電池ＰＣでは、燃料ガス流路Ｇ１と酸化ガス流路Ｇ２が平板状のセパレータＳで区画しているので、本発明の燃料電池ＦＣ１に比べて、単セルＣの幅方向のみ単一の拡散面を形成して拡散燃焼を行い、図３（Ｂ２）に示すように単セルＣの上部に高温の大きな炎を形成する。
【００２８】
したがって、燃料電池ＦＣ１は、図３（Ｃ）中に点線で示す拡散燃焼の温度分布に対して、同図中に実線で示すように、燃焼温度が低いうえに温度分布が大幅に均一化されたものとなる。
【００２９】
上記実施形態の燃料電池ＦＣ１では、複数の拡散面により小さい炎を形成するので、燃焼の温度上昇による対流で炎が鉛直方向へ立ち上がることを極力低減させることが可能になる。これにより、燃焼領域Ｑを小さくしたり、後述する第２実施形態のように燃焼領域を単セルＣ１の側部に設けたりすることが可能になる。
【００３０】
このようにして、上記の燃料電池ＦＣ１は、燃焼領域Ｑの温度分布を均一にすることができると共に、燃焼領域Ｑを含む構成のレイアウトの自由度を高めることができる。また、燃料電池ＦＣ１は、燃焼領域Ｑの温度分布の均一化により、単セルＣ１に与える熱応力も均一化して、単セルＣ１の構成部材の破損を防止することができる。
【００３１】
さらに、燃料電池ＦＣ１は、燃焼領域Ｑを小さくすることが可能であるから、上記実施形態のように単セルＣ１の上部に燃焼領域Ｑを有する構成では、具体的には筐体Ｂの高さ寸法を小さくし、燃料電池ＦＣ１の小型軽量化を図ることができる。また、燃料電池ＦＣ１は、実質的に予混合燃焼若しくは予混合燃焼に近い燃焼を行うので、煤の発生などを抑えることもできる。
【００３２】
さらに、燃料電池ＦＣ１は、波形状のセパレータＳ１を採用したことにより、プレス加工により大量生産が容易なセパレータＳ１を用いて、燃料ガス及び酸化ガスが互いに接触する複数の拡散面を形成する手段を得ることができ、製造コストの低減なども実現することができる。
【００３３】
以下、図４〜図１１に基づいて、第２〜第８の実施形態を説明する。なお、以下の各実施形態において、第１実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３４】
〈第２実施形態〉
図４（Ａ）に示す燃料電池ＦＣ２は、図５に示す円盤状の単セルＣ２と同じく円盤状のセパレータＳ２とを交互に積層して、図５（Ｂ）に平面を示す積層体ＦＳを構成し、マニホルドＭの上に、積層方向を鉛直方向にした姿勢で積層体ＦＳを配置すると共に、この積層体ＦＳを筐体Ｂで包囲している。
【００３５】
単セルＣ２及びセパレータＳ２の中央部には、円盤状のガス流路部材１０が配置してある。ガス流路部材１０は、その中心に配置した酸化ガス導入孔１０Ｂと、酸化ガス導入口１０Ａの周囲に９０°間隔で配置した四個の燃料ガス導入孔１０Ａとを備えている。この酸化ガス導入孔１０Ｂ及び各燃料ガス導入孔１０Ａは、半径方向に連通してガス流路部材１０の外周部に開口する流通路（図示せず）を夫々有している。
【００３６】
また、ガス流路部材１０は、単セルＣ２及びセパレータＳ２と共に多段に積層した状態において、燃料ガス導入孔１０Ａ及び酸化ガス導入孔１０Ｂの夫々が互いに連通して、図４（Ｂ）に示すように、積層方向に連続する燃料ガス導入路Ｆ１及び酸化ガス導入路Ｆ２を形成する。
【００３７】
セパレータＳ２は、台形の凹凸から成る屈曲した波形状を成すものであり、図５（Ａ）に示すように、凹部及び凸部が、概略放射状に且つ同一の円周方向（図では時計回り方向）に湾曲した状態に形成してある。このセパレータＳ２は、図５（Ｂ）に示すように、積層方向に隣接する単セルＣ１同士の間において、一方の単セル用の燃料ガス流路Ｇ１と他方の単セル用の酸化ガス流路Ｇ２とを区画している。
【００３８】
すなわち、セパレータＳ２は、一方の面における波形凹部で燃料ガス流路Ｇ１を形成し、他方の面における波形凹部で酸化ガス流路Ｇ２を形成している。そして、セパレータＳ１は、屈曲した波形状により、その外周側の端部に、円周方向にわたって燃料ガス出口Ｅ１と酸化ガス出口Ｅ２とを交互に配列させている。
【００３９】
これにより、セパレータＳ２は、その外周端部に、燃料ガス出口Ｅ１及び酸化ガス出口Ｅ２から流出した燃料ガス及び酸化ガスが互いに接触する複数の拡散面を形成する手段を備えたものとなる。したがって、この実施形態では、単セルＣ２及びセパレータＳの側部である外周側に、燃料ガス及び酸化ガスを混合燃焼させる燃焼領域Ｑが形成される。
【００４０】
マニホルドＭは、図４（Ｂ）（Ｃ）に示すように、矩形状の基盤５と、基盤５の一端部両側に配置した燃料ガス及び酸化ガスの導入部６Ａ，６Ｂと、基盤５の他端部に配置した排気部Ｄとを備えている。基盤５は、その内部に、各導入部６Ａ，６Ｂ及び排気部Ｄに連通する流路７Ａ，７Ｂ，７Ｃを有している。
【００４１】
そして、マニホルドＭは、基盤５上に積層体ＦＳを設置した状態において、燃料ガス導入路Ｆ１の下端部と燃料ガス用の流路７Ａとが連通し、酸化ガス導入路Ｆ２の下端部と酸化ガス用の流路７Ｂとが連通する。また、積層体ＦＳと筐体Ｂとの間には、燃焼領域Ｑを含む環状空間が形成され、マニホルドＭにおいて、環状空間の下端部と排気ガス用の流路７Ｃとが連通する。
【００４２】
上記の燃料電池ＦＣ２は、第１実施形態と同様に、マニホルドＭを介して、燃料ガスと酸化ガスとを積層体ＦＳの燃料ガス流路Ｇ１及び酸化ガス流路Ｇ２に導入し、これらのガスを各単セルＣ２に夫々供給して電気化学反応により発電を行う。そして、燃料電池ＦＣ１は、発電利用後の燃料ガス及び酸化ガスを燃料ガス出口Ｅ１及び酸化ガス出口Ｅ２から積層体ＦＳの横方向に流出させ、燃料領域Ｑにおいて双方を混合燃焼させる。その燃焼ガスは、マニホルドＭの排気部Ｄから排出される。
【００４３】
上記の燃料電池ＦＣ２は、セパレータＳ２の外周端部を屈曲した波形状にして、燃料ガス及び酸化ガスが互いに接触する複数の拡散面を形成するので、燃焼領域Ｑにおいて、実質的に予混合燃焼若しくは予混合燃焼に近い燃焼が行われ、重力の向きに影響され難くい低温で且つ小さな炎を複数形成する。よって、単セルＣ２の側部に燃焼領域Ｑを配置したものとなる。
【００４４】
このようにして、上記の燃料電池ＦＣ２にあっても、燃焼領域Ｑの温度分布を均一にすることができると共に、燃焼領域Ｑを含む構成のレイアウトの自由度を高めることができる。また、燃料電池ＦＣ２は、燃焼領域Ｑの温度分布の均一化により、単セルＣ１に与える熱応力も均一化して、単セルＣ１の構成部材の破損を防止し、このほか、燃料電池ＦＣ１の小型軽量化、煤の発生の抑制、及び製造コストの低減などを実現する。
【００４５】
〈第３実施形態〉
図６に一部を示す燃料電池は、第１実施形態と同様の基本構成を有し、単セルＣ１が平板状であると共に、セパレータＳ１が屈曲した波形状であり、積層方向に隣接するセパレータＳ１同士が、波形凹凸の半ピッチ分だけ互いにずれる状態に配置してある。すなわち、隣接するセパレータＳ１同士において、単セルＣ１を間にして、一方のセパレータＳ１の波形凹部と、他方のセパレータＳ１の波形凹部が対向する配置である。別の表現として、燃料極層２に相対向する一方のセパレータＳ１燃料ガス流路Ｇ１と、空気極層３に相対向する他方のセパレータＳ１酸化ガス流路Ｇ２とが、単セルＣ１を間にして対向配置されている。
【００４６】
上記実施形態の燃料電池にあっても、先の各実施形態と同様の効果を得ることができ、さらには、積層方向に隣接するセパレータＳ１同士を、波形凹凸の半ピッチ分だけ互いにずれる状態に配置したので、単セルＣ１の破損防止や、多孔金属層４を含むや燃料極層２の酸化、及び空気極層３の還元を抑制することができる。
【００４７】
つまり、燃料電池は、先述したように、急速起動を考慮すると単セルＣ１の熱容量も非常に小さくする必要があり、自ずと単セルＣ１を非常に薄くする必要がある。その一方、セパレータＳ１を波形状にして単セルＣ１に密着させる場合、セパレータＳ１を適当な荷重で単セルＣ１に押し付ける必要がある。
【００４８】
そこで、この実施形態では、積層方向に隣接するセパレータＳ１同士を、波形凹凸の半ピッチ分だけ互いにずれる状態に配置して、一方のセパレータＳ１の波形凸部の位置と、他方のセパレータＳ１の波形凸部の位置とを合わせ、両方の波形凸部で単セルＣ１を挟持する。これにより、燃料電池では、薄い単セルＣ１を採用した場合、その単セルＣ１に余計な機械的応力が生じないようにし、単セルＣ１の破損を防止する。換言すれば、薄肉の単セルＣ１の採用を可能にし、単セルＣ１の熱容量の低減、燃料電池の急速起動に貢献し得るものとなる。
【００４９】
また、燃料電池は、積層方向に隣接するセパレータＳ１同士を、波形凹凸の半ピッチ分だけ互いにずれる状態に配置したので、単セルＣ１を挟んで対向する２つの波形凹部に異種のガスが流通する。つまり、相対向するうちの一方の波形凹部に燃料ガスが流通し、他方の波形凹部に酸化ガスが流通する。これにより、単セルＣ１及びセパレータＳ１の端部において、単位容積あたりに吐出される燃料ガス又は酸化ガスの量が偏らないようにし、燃料極層２の酸化や、空気極層３の還元を抑制する。
【００５０】
なお、単セルＣ１の端部（ガス出口側の端部）では、例えば、単位容積あたりの燃料ガスの量が多くなると、吐出された燃料が酸化されずに空気極層３に拡散し、空気極材料を還元して劣化させる可能性がある。また、単位容積あたりの酸化ガスの量が多くなると、支持体である多孔金属層４や、燃料極層２を酸化し，酸化膨張による破損が生じる可能性がある。上記燃料電池は、このようなガス量の偏りによる不具合を解消するのである。
【００５１】
〈第４実施形態〉
図７（Ａ）に一部を示す燃料電池は、第１実施形態と同様の基本構成を有し、単セルＣ１が平板状であると共に、セパレータＳ１が屈曲した波形状であり、セパレータＳ１の波形凹凸の１ピッチ分の長さｂが、積層方向に隣接する単セルＣ１同士の間隔寸法ａ以下（ｂ≦ａ）になっている。
【００５２】
上記の燃料電池にあっても、先の各実施形態と同様の効果を得ることができるほか、セパレータＳ１の波形凹凸の１ピッチ分の長さｂを単セルＣ１同士の間隔寸法ａ以下にしたので、より多くの燃料ガス出口Ｇ１及び酸化ガス出口Ｇ２が配置される。このような燃料電池は、図７（Ｂ）の上側に示すように、燃料ガス及び酸化ガスが互いに接触する拡散面をより多く形成して、予混合燃焼による小さな炎をより多く生じさせる。
【００５３】
これにより、燃料電池は、図７（Ｂ）の下側に示す電池、すなわち炎が少なくて大きい電池の燃焼温度（点線）に比べて、燃焼領域Ｑにおける燃焼温度（実線）が低くなり、燃焼温度のさらなる均一化を図ることができる。
【００５４】
〈第５実施形態〉
図８（Ａ）に一部を示す燃料電池ＦＣ１は、第１実施形態と同様の基本構成を有し、単セルＣ１が平板状であると共に、セパレータＳ１が屈曲した波形状であり、セパレータＳ１の端部に、各燃料ガス出口（図１中の符号Ｅ１）及び各酸化ガス出口図１中の符号Ｅ２）に夫々対応する吐出孔２０Ａ，２０Ｂを有する出口部材２０を備えている。
【００５５】
つまり、各吐出孔吐出孔２０Ａ，２０Ｂは、交互に配置された燃料ガス出口及び各酸化ガス出口に対応して、燃料ガス用と酸化ガス用とが交互に配置されている。また、出口部材２０においては、吐出孔２０Ａ，２０Ｂの間隔ｃが、積層方向に隣接する単セルＣ１同士の間隔ａ以下（ｃ≦ａ）になっている。この場合、セパレータＳ１は、先の第４実施形態のように、波形凹凸の１ピッチ分の長さｂを単セルＣ１同士の間隔寸法ａ以下にしたものであることがより好ましい。
【００５６】
上記の燃料電池ＦＣ１にあっても、先の各実施形態と同様の効果を得ることができると共に、出口部材２０の採用により、単セルＣ１の端面を保護することができる。また、燃料電池ＦＣ１は、吐出孔２０Ａ，２０Ｂの間隔ｃを単セルＣ１同士の間隔ａ以下にしたので、燃料ガス及び酸化ガスが互いに接触する拡散面をより多く形成して、予混合燃焼による小さな炎をより多く生じさせ、燃焼領域Ｑにおける燃焼温度のさらなる低減、燃焼温度のさらなる均一化を図ることができる。
【００５７】
〈第６実施形態〉
図９（Ａ）に一部を示す燃料電池ＦＣ１は、第１実施形態と同様の基本構成を有し、単セルＣ１が平板状であると共に、セパレータＳ１が屈曲した波形状であり、セパレータＳ１の波形凹凸のピッチに関して、中央領域のピッチＰ１よりも側部領域のピッチＰ２が大きくなっている。
【００５８】
上記の燃料電池ＦＣ１にあっても、先の各実施形態と同様の効果を得ることができると共に、燃焼領域Ｑにおける温度分布のさらなる均一化を実現する。すなわち、燃料電池ＦＣ１では、放熱の影響により、中央部の温度が最も高温になる。つまり、セパレータＳ１の波形凹凸のピッチが全体的に同じである場合には、図９（Ｂ）中に点線で示すように、中央領域に対して側部領域の温度が低くなる。
【００５９】
そこで、燃料電池ＦＣ１では、中央領域の波形凹凸のピッチＰ１よりも側部領域のピッチＰ２を大きくすることで、中央領域には予混合燃焼による小さい炎を形成し、側部領域には同燃焼による大きい炎を形成する。これにより、燃料電池ＦＣ１は、図９（Ｂ）に実線で示すように、中央領域に対して側部領域の温度を高め、全体の温度分布のさらなる均一化を実現する。
【００６０】
〈第７実施形態〉
図１０に一部を示す燃料電池ＦＣ１は、第１実施形態と同様の基本構成を有し、単セルＣ１が平板状であると共に、セパレータＳ１が屈曲した波形状であり、セパレータＳ１の波形凹凸のピッチに関して、中央領域のピッチＰ１よりも側部領域のピッチＰ２が大きくなっている。また、燃料電池ＦＣ１は、積層方向においても、中央領域のピッチＰ１よりも側部領域のピッチＰ２が大きくなっている。すなわち、波形凹凸のピッチが異なる複数のセパレータＳ１を用いている。
【００６１】
上記の燃料電池ＦＣ１にあっても、先の各実施形態と同様の効果を得ることができると共に、燃焼領域Ｑにおいて、セパレータＳ１の幅方向の温度分布だけでなく、積層方向の温度分布も均一化し、積層体ＦＳにおける全体的な温度分布の均一化を実現する。
【００６２】
〈第８実施形態〉
図１１（Ａ）に一部を示す燃料電池ＦＣ１は、第１実施形態と同様の基本構成を有し、単セルＣ１が平板状であると共に、セパレータＳ１が屈曲した波形状であり、セパレータＳ１の端部近傍に、流出直前の燃料ガスと酸化ガスとを混合させるための通し孔Ｈを設けた構成である。
【００６３】
上記の燃料電池ＦＣ１にあっても、先の各実施形態と同様の効果を得ることができると共に、セパレータＳ１の端部近傍に通し孔Ｈを設けたので、燃料ガス流路Ｇ１及び酸化ガス流路Ｇ２の末端部で燃料ガスと酸化ガスの混合が行われる。これにより、燃料電池ＦＣ１では、確実に予混合燃焼が行われ、温度分布のさらなる均一化や煤形成の抑制などを実現することができる。
【００６４】
なお、上記の各実施形態では、端部に複数の拡散面を形成する手段を備えたセパレータとして、台形の凹凸から成る屈曲した波形状のセパレータＳ１，Ｓ２を例示したが、図１１（Ｂ）に示すような四角形の凹凸から成る屈曲した波形状のセパレータＳ３を用いたり、湾曲した波形状（正弦波状）などのセパレータを用いることができ、その形状がとくに限定されるものではない。
【００６５】
また、上記各実施形態では、いずれも波形状のセパレータを例示したが、本発明の燃料電池に用いるセパレータは、少なくとも端部に、燃料ガス出口及び酸化ガス出口から流出した燃料ガス及び酸化ガスが互いに接触する複数の拡散面を形成する手段を備えたものであれば良く、ガスの流通方向において異なる断面を有するものでも採用し得る。
【００６６】
そして、本発明の燃料電池は、その構成が上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において構成の細部を適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００６７】
Ｃ，Ｃ２  単セル
Ｅ１  燃料ガス出口
Ｅ２  酸化ガス出口
ＦＣ１，ＦＣ２  燃料電池
Ｇ１  燃料ガス流路
Ｇ２  酸化ガス流路
Ｈ  通し孔
Ｑ  燃焼領域
Ｓ１，Ｓ２  セパレータ
１  電解質層
２  燃料極層
３  空気極層
２０Ａ，２０Ｂ  吐出孔
２０  出口部材
【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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