(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・電極接合体の複数個が、３枚のプレートが積層されることで構成されるセパレータ同士の間に同時に介装されることによって複数個の単位セルが同一平面内に形成され、且つ前記複数個の単位セルの前記アノード電極同士、及び前記カソード電極同士のそれぞれが同一方向を向く燃料電池であって、
前記セパレータは、第１プレートと、第２プレートと、前記第１プレートと前記第２プレートの間に介在される第３プレートとを備え、
前記セパレータ中の前記アノード電極に臨むセパレータでは、前記第１プレートが前記アノード電極に最も近接するとともに、前記第２プレートが前記アノード電極から最も離間し、
前記第１プレートと前記第３プレートの間に、燃料ガスが流通する燃料ガス通路が形成され、且つ前記第１プレートには、前記燃料ガス通路を流通した前記燃料ガスを前記アノード電極に供給するための燃料ガス導入口が形成される一方、
前記セパレータ中の前記カソード電極に臨むセパレータでは、前記第１プレートが前記カソード電極から最も離間するとともに、前記第２プレートが前記カソード電極に最も近接し、
前記第２プレートと前記第３プレートの間に、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス通路が形成され、且つ前記第２プレートには、前記酸化剤ガス通路を流通した前記酸化剤ガスを前記カソード電極に供給するための酸化剤ガス導入口が形成され、
前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの各々が、複数個の前記電解質・電極接合体における前記各アノード電極及び前記各カソード電極に個別に供給されるとき、前記燃料ガス通路を流通する前記燃料ガスの圧力によって膨張した前記第１プレートが前記各アノード電極に圧接するとともに、前記酸化剤ガス通路を流通する前記酸化剤ガスの圧力によって膨張した前記第２プレートが前記各カソード電極に圧接す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、前記燃料ガス導入口が、前記燃料ガス通路を流通した前記燃料ガスが前記アノード電極の中央部に向かって供給されるように前記第１プレートに形成されるとともに、
前記酸化剤ガス導入口が、前記酸化剤ガス通路を流通した前記酸化剤ガスが前記カソード電極の中央部に向かって供給されるように前記第２プレートに形成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、前記第１プレート及び前記第３プレート間には、使用前の燃料ガスを前記電解質・電極接合体及び前記セパレータの積層方向に供給する燃料ガス供給連通孔と前記燃料ガス通路とを連通する燃料ガス分配通路が形成されるととともに、
前記第２プレート及び前記第３プレート間には、使用前の酸化剤ガスを前記積層方向に供給する酸化剤ガス供給連通孔と前記酸化剤ガス通路とを連通する酸化剤ガス分配通路が形成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、前記セパレータは、前記電解質・電極接合体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、
前記排ガス通路内には、前記燃料ガス通路を形成し前記電解質・電極接合体を保持する燃料ガス通路部材と、
前記酸化剤ガス通路を形成し前記電解質・電極接合体を保持する酸化剤ガス通路部材と、
が配設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、前記第１プレート及び前記第２プレートは、互いに異なる方向に突出する第１突起部及び第２突起部を備え、
一方のセパレータの前記第１突起部と他方のセパレータの前記第２突起部とで前記電解質・電極接合体を挟持することを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池において、前記第１突起部及び前記第２突起部は、前記電解質・電極接合体に発生する電気エネルギを集電する集電部を構成することを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項５又は６記載の燃料電池において、前記第３プレートには、前記第１プレートに向かって突出する第３突起部が設けら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電解質・電極接合体の複数個が、３枚のプレートが積層されることで構成されるセパレータ同士の間に同時に介装されることによって複数個の単位セルが同一平面内に形成され、且つ前記複数個の単位セルの前記アノード電極同士、及び前記カソード電極同士のそれぞれが同一方向を向く燃料電池を備え、前記燃料電池を複数積層するとともに、積層方向両端にエンドプレートが配設される燃料電池スタックであって、
前記セパレータは、第１プレートと、第２プレートと、前記第１プレートと前記第２プレートの間に介在される第３プレートとを備え、
前記セパレータ中の前記アノード電極に臨むセパレータでは、前記第１プレートが前記アノード電極に最も近接するとともに、前記第２プレートが前記アノード電極から最も離間し、
前記第１プレートと前記第３プレートの間に、燃料ガスが流通する燃料ガス通路が形成され、且つ前記第１プレートには、前記燃料ガス通路を流通した前記燃料ガスを前記アノード電極に供給するための燃料ガス導入口が形成される一方、
前記セパレータ中の前記カソード電極に臨むセパレータでは、前記第１プレートが前記カソード電極から最も離間するとともに、前記第２プレートが前記カソード電極に最も近接し、
前記第２プレートと前記第３プレートの間に、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス通路が形成され、且つ前記第２プレートには、前記酸化剤ガス通路を流通した前記酸化剤ガスを前記カソード電極に供給するための酸化剤ガス導入口が形成され、
前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの各々が、複数個の前記電解質・電極接合体における前記各アノード電極及び前記各カソード電極に個別に供給されるとき、前記燃料ガス通路を流通する前記燃料ガスの圧力によって膨張した前記第１プレートが前記各アノード電極に圧接するとともに、前記酸化剤ガス通路を流通する前記酸化剤ガスの圧力によって膨張した前記第２プレートが前記各カソード電極に圧接す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・電極接合体の複数個が一組のセパレータ間に同時に介装されることによって構成された燃料電池及び燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン伝導体からなる電解質を有し、この電解質の両端面にアノード電極及びカソード電極がそれぞれ配設されて電解質・電極接合体が構成される。通常のＳＯＦＣでは、１個の電解質・電極接合体が一組のセパレータ（バイポーラ板）間に挟持されることにより１個の単位セルが形成され、さらに、該単位セルが所定数だけ積層されることにより燃料電池スタックが設けられる。
【０００３】
この種のＳＯＦＣにおいて、カソード電極に酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気が供給されると、該カソード電極と電解質との界面でこの酸化剤ガス中の酸素がイオン化され、酸化物イオン（Ｏ2-）が生成する。この酸化物イオンは、電解質を経由してアノード電極側に移動する。
【０００４】
一方のアノード電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガスやＣＯが供給されている。このため、該アノード電極において、酸化物イオンと水素（又はＣＯ）が反応して水（又はＣＯ2）が生成する。その間に生じた電子は、外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。
【０００５】
ところで、電解質・電極接合体で発生する電気エネルギは、例えば、セパレータに設けられた集電部を介してターミナルプレートに送られるため、前記集電部と前記電解質・電極接合体とを所望の接触状態に維持する必要がある。しかしながら、加工精度等に起因して集電部の高さや電解質・電極接合体の厚さにばらつきが発生し易く、特に集電部の剛性が高いために電解質・電極接合体に破損が惹起されることがある。
【０００６】
そこで、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が知られている。この特許文献１では、図１５に示すように、複数の固体電解質燃料電池１が積層されるとともに、前記固体電解質燃料電池１は、平板型単電池２と、第１スペーサ３と、第２スペーサ４と、集電板５とを備えている。集電板５は、金属平板６と、この金属平板６の両面に設けられる金属薄板７とを備え、前記金属薄板７に形成された凸部７ａが単電池２の燃料極、若しくは、空気極の表面に接触している。
【０００７】
凸部７ａは、適度な弾性を有している。特許文献１によれば、このため、凸部７ａに過大な荷重が加えられた場合、前記凸部７ａは、接している燃料極や空気極等に損傷を与えることがなく、好適に変形して荷重を緩和するようになっている、とされている。
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−６８１３２号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記の特許文献１では、金属平板６の表面にそれぞれ凸部７ａを設けた金属薄板７を取り付けた集電板５が用いられている。金属薄板７は、ばね性を有するため、変形の小さな集電部で面圧が小さくなる一方、変形が大きな集電部で面圧が大きくなる。これにより、面圧の不均衡が発生するという問題がある。
【００１０】
その上、金属薄板７自体のばね性を利用しているが、熱等の影響によってばね性が損なわれ易く、所望の応力緩和機能が発揮できない場合がある。
【００１１】
さらに、ばね性の変化により金属薄板７が変形することで各流体通路の形状が不均一になり、反応ガス等の流れが均等化し難い。
【００１２】
さらにまた、燃料電池の発電量を増加させるには電解質・電極接合体の面積を大きくすればよいが、この場合、上記した面圧の不均衡がより大きくなるだけではなく、反応ガス等の流れが一層均等化し難くなるという不具合を招く。
【００１３】
燃料電池の発電量を増加させるべく、電解質・電極接合体を複数個設けるようにすることも想起される。しかしながら、この場合、各々の電解質・電極接合体に反応ガスを均等に供給することが困難であるという不具合がある。
【００１４】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、電解質・電極接合体と集電部との面圧を均等に維持して反応ガスの流れを均等化することが可能であり、大きな発電量が得られる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】
【００１５】
前記の目的を達成するために、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・電極接合体の複数個が一組のセパレータ間に同時に介装されることによって構成された燃料電池であって、
前記セパレータは、互いに積層される第１プレート及び第２プレートを備え、
前記第１プレート及び第２プレート間には、前記アノード電極に燃料ガスを供給する燃料ガス通路と、前記カソード電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路とが形成され、
前記燃料ガス通路は、前記第１プレートを挟んで前記アノード電極の電極面を覆い且つ燃料ガスが供給されることにより該第１プレートを該アノード電極に圧接可能な燃料ガス圧力室を構成する一方、
前記酸化剤ガス通路は、前記第２プレートを挟んで前記カソード電極の電極面を覆い且つ酸化剤ガスが供給されることにより該第２プレートを該カソード電極に圧接可能な酸化剤ガス圧力室を構成し、
前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの各々が、複数個の前記電解質・電極接合体における前記各アノード電極及び前記各カソード電極に個別に供給されることを特徴とする。
【００１６】
すなわち、本発明においては、同一平面上に単位セルが複数個存在する。このような構成とすることにより、発電量を大きくすることができる。
【００１７】
本発明では、燃料ガス通路に供給された燃料ガスが燃料ガス圧力室に導入されると、この燃料ガス圧力室の内圧が高められ、その結果、第１プレートが膨張してアノード電極に圧接する。同様に、酸化剤ガス通路に供給された酸化剤ガスが酸化剤ガス圧力室に導入されると、この酸化剤ガス圧力室の内圧が高められて第２プレートが膨張し、カソード電極に圧接する。
【００１８】
このため、セパレータや電解質・電極接合体の寸法にばらつきがあったとしても、電解質・電極接合体と集電部である第１プレート及び第２プレートとの面圧を均等に維持することが可能になる。しかも、電解質・電極接合体の電極面全面に集電部を均等な面圧で密着させることができる。また、接触集電抵抗を低減させ、発電効率を向上させることもできる。
【００１９】
その上、電解質・電極接合体に局部的な過大面圧が作用することがないので、この電解質・電極接合体が損傷することがない。さらにまた、外部に設置した締め付け手段がなくても、電解質・電極接合体を保持することができる。
【００２０】
さらに、電解質・電極接合体と集電部との間に形成される流体通路の形状を均等に維持することができるので、反応ガス等の流れが均等化されて発電効率が向上する。
【００２１】
さらにまた、上記のように構成することにより、各燃料ガス圧力室及び各酸化剤ガス圧力室における圧力がすべて同等となるので、該燃料ガス圧力室及び該酸化剤ガス圧力室に配設された各電解質・電極接合体への反応ガスの供給量がすべて同等となる。換言すれば、すべての単位セルに反応ガスが同一量で供給されるので、単位セルにおける発電性能を均等化することができる。
【００２２】
その上、圧力室が連通部を介して連通されているので、単位セルを用途に適合する任意の形状に設定することもできる。
【００２３】
なお、燃料ガス圧力室及び酸化剤ガス圧力室を電解質・電極接合体と同一個数に区画し、隣接する圧力室同士を互いに連通してもよい。この場合、電解質・電極接合体の各々を、区画された燃料ガス圧力室及び酸化剤ガス圧力室の各々に配設すればよい。
【００２４】
このように構成することにより、区画された各圧力室同士における圧力が同等となる。換言すれば、各圧力室における圧力を均一とすることができ、このために各電解質・電極接合体に反応ガスを同一量で供給することができる。従って、単位セル間で発電性能にばらつきが生じることを抑制することができる。
【００２５】
そして、区画された圧力室同士が連通されているので、各単位セルを任意の形状に設定することができる。このため、用途に応じた形状の燃料電池を作製することができる。
【００２６】
ここで、第１プレートに、アノード電極の中央部に向かって燃料ガス圧力室から燃料ガスを導入する燃料ガス導入口を形成するとともに、第２プレートに、カソード電極の中央部に向かって酸化剤ガス圧力室から酸化剤ガスを導入する酸化剤ガス導入口を形成するようにしてもよい。この場合、燃料ガス及び酸化剤ガスは、各電極の中心部から端部に向かって流通する。これにより、電極面の全面にわたって反応を生じさせることができるので、結局、単位セルの発電効率を向上させることができる。
【００２７】
また、第１プレート及び第２プレート間に、燃料ガス通路と酸化剤ガス通路とを仕切る第３プレートを配設することが好ましい。これにより、燃料ガス通路と酸化剤ガスとを確実に分離することができる。
【００２８】
この場合、第１プレート及び第３プレート間に、使用前の燃料ガスを電解質・電極接合体及び前記セパレータの積層方向に供給する燃料ガス供給連通孔と前記燃料ガス通路とを連通する燃料ガス分配通路を形成し、その一方で、第２プレート及び第３プレート間には、使用前の酸化剤ガスを積層方向に供給する酸化剤ガス供給連通孔と前記酸化剤ガス通路とを連通する酸化剤ガス分配通路を形成すればよい。ガス通路とガス分配通路とを同一平面内に形成することにより、燃料電池の積層方向の厚みを小さくすることができる。
【００２９】
また、セパレータとしては、電解質・電極接合体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、排ガス通路内に、燃料ガス通路を形成し電解質・電極接合体を保持する燃料ガス通路部材と、酸化剤ガス通路を形成し電解質・電極接合体を保持する酸化剤ガス通路部材とが配設されたものであることが好ましい。
【００３０】
この場合、排ガスがセパレータに接触する。このため、該セパレータ間に保持された電解質・電極接合体の温度を排熱によって上昇させることができる。換言すれば、排熱を有効利用することによって電解質・電極接合体を予熱することができるので、燃料電池を運転する際の加熱手段を小規模なものとすることができる。その結果、燃料電池システムを小型化することもできる。
【００３１】
いずれの場合においても、第１プレート及び第２プレートに、互いに異なる方向に突出する第１突起部及び第２突起部を設け、一方のセパレータの前記第１突起部と他方のセパレータの前記第２突起部とで電解質・電極接合体を挟持することが好ましい。このような構成とすることにより、電解質・電極接合体に反応ガスを供給するための通路を確実に設けることができる。
【００３２】
これら第１突起部及び第２突起部を、前記電解質・電極接合体に発生する電気エネルギを集電する集電部として機能させるようにしてもよい。これにより、集電効率を向上させることができる。
【００３３】
なお、第３プレートに、前記第１プレートに向かって突出する第３突起部を設けるようにしてもよい。
【００３４】
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・電極接合体の複数個が一組のセパレータ間に同時に介装されることによって構成された燃料電池を備え、前記燃料電池を複数積層するとともに、積層方向両端にエンドプレートが配設される燃料電池スタックであって、
前記セパレータは、互いに積層される第１プレート及び第２プレートを備え、
前記第１プレート及び第２プレート間には、前記アノード電極に燃料ガスを供給する燃料ガス通路と、前記カソード電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路とが形成され、
前記燃料ガス通路は、前記第１プレートを挟んで前記アノード電極の電極面を覆い且つ燃料ガスが供給されることにより該第１プレートを該アノード電極に圧接可能な燃料ガス圧力室を構成する一方、
前記酸化剤ガス通路は、前記第２プレートを挟んで前記カソード電極の電極面を覆い且つ酸化剤ガスが供給されることにより該第２プレートを該カソード電極に圧接可能な酸化剤ガス圧力室を構成し、
前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスの各々が、複数個の前記電解質・電極接合体における前記各アノード電極及び前記各カソード電極に個別に供給されることを特徴とする。
【００３５】
すなわち、この燃料電池スタックは、上記した燃料電池が複数個積層されたものである。このように、上記燃料電池を積層した上で燃料電池スタックとして使用することもできる。
【００３６】
勿論、燃料ガス圧力室及び酸化剤ガス圧力室を電解質・電極接合体と同一個数に区画して隣接する圧力室同士を互いに連通し、且つ前記電解質・電極接合体の各々を、区画された燃料ガス圧力室及び酸化剤ガス圧力室の各々に配設するようにしてもよい。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、同一平面上に単位セルを複数個存在させるので、発電量を大きくすることができる。各圧力室における圧力が同等となるため、各単位セルに同一量の反応ガスを供給することができ、結局、単位セル間で性能にばらつきが生じることを抑制することができる。
【００３８】
また、燃料ガス圧力室及び酸化剤ガス圧力室の内圧が高められて第１プレート及び第２プレートが膨張し、各プレートがアノード電極及びカソード電極にそれぞれ圧接するので、電解質・電極接合体と集電部である第１プレート及び第２プレートとの面圧を均等に維持することが可能になる。すなわち、面圧が不均衡となることを回避することができる。
【００３９】
さらに、電解質・電極接合体と集電部との間に形成される流体通路の形状を均等に維持することができるので、反応ガス等の流れが均等化されて発電効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、本発明に係る燃料電池につき燃料電池スタックとの関係で好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００４１】
図１は、本発明の第１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が筐体１４内に収容された燃料電池システム１６の一部断面説明図である。
【００４２】
１個の燃料電池１０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伝導体からなる電解質板（電解質）２０の両端面に、カソード電極２２及びアノード電極２４がそれぞれ配設された円板形状の電解質・電極接合体２６を８個備える。すなわち、燃料電池１０はＳＯＦＣであり、燃料電池スタック１２は、設置用の他、車載用等の種々の用途に用いられる。なお、８個の電解質・電極接合体２６は、仮想的な同一円周上に、互いに４５°の角度で等間隔に離間して配置される。
【００４３】
燃料電池１０において、８個のこれら電解質・電極接合体２６は、一組のセパレータ３０、３０間に介装される。すなわち、第１実施形態に係る燃料電池１０では、一組のセパレータ３０、３０間に８個の電解質・電極接合体２６が同時に介装され、これにより８個の単位セルが構成される。このように、一組のセパレータ３０、３０間に複数の電解質・電極接合体２６が介装される点は、後述する他の実施形態においても同様である。
【００４４】
各セパレータ３０は、互いに積層される第１プレート３２及び第２プレート３４と、これら第１プレート３２と第２プレート３４の間に配設される第３プレート３６とを備える。これら第１〜第３プレート３２、３４、３６は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成されている。
【００４５】
第１プレート３２は、燃料ガス供給連通孔３８が中心部に形成された第１小径端部４０を備える。また、第１プレート３２には、仮想的な円周上に互いに等間隔で離間して存在する比較的大径な８個の第１円板部４２が、幅狭な連結部４４を介して一体的に設けられている。この第１円板部４２は、電解質・電極接合体２６のアノード電極２４と略同一寸法に設定されている。
【００４６】
前記第１小径端部４０は、８個の第１円板部４２の中の２個に近接して配設されるとともに、連結部４６を介してこれら２個の第１円板部４２、４２に連結されている。換言すれば、第１小径端部４０は、８個の第１円板部４２同士を結ぶ仮想的な円の中心から外れた位置に設けられている。
【００４７】
そして、第１円板部４２の周囲から内方にかけて、排ガス通路４８が形成される。また、各第１円板部４２には、電解質・電極接合体２６のアノード電極２４に接触する面に複数の第１凸部５０とリング状凸部５２が設けられる。これら第１凸部５０及びリング状凸部５２は、集電部を構成する。なお、第１凸部５０は、リング状凸部５２と同一平面内に複数の凹部を形成することによって構成してもよい。
【００４８】
第１円板部４２の中央には、アノード電極２４の略中央部に向かって燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口５３が形成される。
【００４９】
第２プレート３４は、波状外周部５４を備え、前記波状外周部５４の各円弧状部分には、内方に突出する連結部５６を介して、前記第１円板部４２の直径に対応する直径の第２円板部５８が一体的に設けられる。８個の第２円板部５８の各々は、第１円板部４２の位置に対応する位置に設けられる。また、各第２円板部５８には、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２に接触する面に複数の第２凸部６０が設けられるとともに、それぞれの中心に酸化剤ガス導入口６２が形成される。
【００５０】
第３プレート３６は、第１小径端部４０の位置に対応する位置に配設されるとともに燃料ガス供給連通孔３８が中心部に形成された第２小径端部６４と、第１円板部４２及び第２円板部５８の位置に対応する位置に配設された比較的大径な第３円板部６６とを備える。第２小径端部６４は、この第３円板部６６の中の２個と連結部６７を介して連結されている。また、互いに等角度で離間した第３円板部６６同士は、第２小径端部６４に連結された２個を除き、連結部６８を介して円環状に連結されている。さらに、各第３円板部６６は、連結部７０によって波状外周部７２に一体的に連結される。
【００５１】
第３円板部６６の第１プレート３２に臨む面には、複数の第３凸部７４が面内全面にわたって形成される。これら第３凸部７４は、図４に示す燃料ガス通路７６の一部を構成する。
【００５２】
一方、第２小径端部６４の第１プレート３２に臨む面には、燃料ガス供給連通孔３８に連通する複数のスリット７８が放射状に形成され、このスリット７８には、前記第２小径端部６４を周回して凹部８０が連通する。この凹部８０は、スリット７８と該凹部８０の内側にろう材が流れることを防止する。
【００５３】
そして、燃料ガス供給連通孔３８からスリット７８を介して連結部６７に燃料ガス通路７６を構成する燃料ガス分配通路７６ａが形成されるとともに、連結部６８、７０及び第３円板部６６の面内に燃料ガス通路７６が形成される。
【００５４】
図５に示すように、第３プレート３６の第２プレート３４に臨む面において、波状外周部７２には、各第３円板部６６に対応して空気取り込み用の複数のスリット８４が形成されるとともに、ろう材の流れを防止するための凹部８６が前記波状外周部７２の形状に沿って周回形成される。
【００５５】
第１プレート３２が第３プレート３６にろう付けされると、連結部４４、６８が接合されて燃料ガス通路部材が構成されるとともに、図６に示すように、この燃料ガス流路部材内に、燃料ガス分配通路７６ａを有する燃料ガス通路７６が形成される。この燃料ガス通路７６は、第１円板部４２及び第３円板部６６間に形成される燃料ガス圧力室８８を構成する。
【００５６】
その一方で、第２プレート３４が第３プレート３６にろう付け固定されることにより、図７に示すように、連結部５６、７０が接合されて酸化剤ガス通路部材が構成される。この酸化剤ガス通路部材内には、酸化剤ガス分配通路９０ａを有する酸化剤ガス通路９０が形成される。この酸化剤ガス通路９０は、第２円板部５８及び第３円板部６６間に形成される酸化剤ガス圧力室９２を有する。
【００５７】
各セパレータ３０間には、図６に示すように、燃料ガス供給連通孔３８をシールするための絶縁シール９４が設けられる。その一方で、波状外周部５４、７２間には、図７に示すように、絶縁シール９６が設けられる。絶縁シール９４、９６としては、例えば、マイカ材やセラミックス材が使用される。
【００５８】
図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１２では、燃料電池１０の積層方向両端に円板状のエンドプレート９８ａ、９８ｂが配置される。エンドプレート９８ａは絶縁されており、また、各燃料電池１０における燃料ガス供給連通孔３８と同軸上に燃料ガス供給口１００が形成される。すなわち、燃料ガス供給口１００は、燃料ガス供給連通孔３８に連通する。
【００５９】
エンドプレート９８ａには、燃料ガス供給口１００を挟んで２個のボルト挿入口１０２ａが形成される。ボルト挿入口１０２ａは、燃料電池スタック１２の排ガス通路４８内に配置される。また、エンドプレート９８ａには、電解質・電極接合体２６同士の間となる位置に、８個のボルト挿入口１０４ａが形成される。
【００６０】
エンドプレート９８ｂは、導電部材で構成されている。図２に示すように、このエンドプレート９８ｂの中央部には、接続端子部１０６が軸方向に膨出形成されるとともに、前記接続端子部１０６を挟んで２個のボルト挿入口１０２ｂが形成される。各ボルト挿入口１０２ａ、１０２ｂは同軸上に設けられており、これらボルト挿入口１０２ａ、１０２ｂに挿入されたボルト１０８の先端には、ナット１１０が螺合される。ボルト１０８は、エンドプレート９８ｂと電気的に絶縁されている。その一方で、ボルト１０８の頭部は、導線１１２を介して出力端子１１４ａに電気的に接続される一方、接続端子部１０６は、導線１１６を介して出力端子１１４ｂに電気的に接続される。
【００６１】
なお、図１及び図２中、参照符号１０７は、排ガスを排出するための排気口を示す。
【００６２】
エンドプレート９８ｂには、エンドプレート９８ａのボルト挿入口１０４ａと同軸上に８個のボルト挿入口１０４ｂが形成される。各ボルト挿入口１０４ａ、１０４ｂにボルト１１８が挿入され、前記ボルト１１８の先端にナット１２０が螺合する。
【００６３】
出力端子１１４ａ、１１４ｂは、互いに近接し且つ平行して筐体１４に固定される。筐体１４内には、出力端子１１４ａ、１１４ｂの間に位置して空気供給口１２２が形成されるとともに、前記筐体１４の他端側に排気口１２４が設けられる。この排気口１２４に近接して燃料ガス供給口１２６が形成され、この燃料ガス供給口１２６は、必要に応じて改質器１２８を介して燃料ガス供給連通孔３８に連通する。改質器１２８の外方には、熱交換器１３０が配置される。筐体１４内には、二重構造部１３２が設けられ、この二重構造部１３２内に燃料電池スタック１２が収容される。
【００６４】
この燃料電池スタック１２においては、第１小径端部４０及び第２小径端部６４が中央部から外れた位置に偏在する。従って、燃料電池スタック１２は、中心部に孔部１３４が設けられた形態となっており、この場合、該孔部１３４には、始動用燃焼器１３６が配設されている。
【００６５】
次に、上記したように構成された燃料電池スタック１２の動作につき説明する。
【００６６】
燃料電池１０を組み付ける際には、先ず、図３に示すように、セパレータ３０を構成する第３プレート３６の両面に第１プレート３２と第２プレート３４とが、例えば、ろう付けにより接合される。さらに、リング状の絶縁シール９４が、燃料ガス供給連通孔３８を周回して第１プレート３２又は第３プレート３６に設けられる（図６参照）。一方、第２プレート３４の波状外周部５４又は第３プレート３６の波状外周部７２には、波形状の絶縁シール９６が設けられる（図７参照）。
【００６７】
これによりセパレータ３０が構成され、第１プレート３２及び第２プレート３４間には、図８に示すように、第３プレート３６に仕切られて燃料ガス通路７６及び酸化剤ガス通路９０が形成される。また、燃料ガス通路７６は、燃料ガス分配通路７６ａを介して燃料ガス供給連通孔３８に連通する一方、酸化剤ガス通路９０は、スリット８４を介して外部に開放されている。従って、酸化剤ガスは、図１に示すように、燃料電池スタック１２の外方から導入される。
【００６８】
次いで、セパレータ３０、３０間に、８個の電解質・電極接合体２６が挟持される。すなわち、図３に示すように、各セパレータ３０において、互いに対向する第１円板部４２及び第２円板部５８間に電解質・電極接合体２６が配置され、各アノード電極２４の中央部に燃料ガス導入口５３が配置される一方、各カソード電極２２の中央部に酸化剤ガス導入口６２が配置される。
【００６９】
上記のように組み付けられた燃料電池１０が矢印Ａ方向に積層され、エンドプレート９８ａ、９８ｂ間に締め付け保持されて燃料電池スタック１２が組立られる（図１参照）。この燃料電池スタック１２は、図２に示すように、筐体１４内に装着される。
【００７０】
燃料電池スタック１２を運転するに対しては、先ず、始動用燃焼器１３６が付勢され、これにより該燃料電池スタック１２が運転温度まで昇温することが支援される。
【００７１】
このように、第１実施形態によれば、第１小径端部４０及び第２小径端部６４を中央部から離間して設けることにより燃料電池スタック１２内の中央部に孔部１３４（室）を設けることができる。この孔部１３４に、通常は筐体１４の外部に配設される始動用燃焼器１３６を挿入することにより、燃料電池システム１６の小型化を図ることができる。また、始動用燃焼器１３６によって燃料電池スタック１２が速やかに昇温されるので、各燃料電池１０から所定の発電性能を得ることができる。勿論、始動用燃焼器１３６以外の機器を孔部１３４に配設するようにしてもよい。
【００７２】
そして、筐体１４に設けられている燃料ガス供給口１２６から燃料ガスが供給されるとともに、前記筐体１４の空気供給口１２２から空気が供給される。燃料ガスは、必要に応じて改質器１２８を経由して燃料電池スタック１２の燃料ガス供給連通孔３８に供給され、積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら各燃料電池１０を構成するセパレータ３０内の燃料ガス分配通路７６ａに導入される（図６参照）。
【００７３】
燃料ガスは、燃料ガス分配通路７６ａに沿って移動し、燃料ガス通路７６を構成する燃料ガス圧力室８８に送られる。送られた燃料ガスが燃料ガス導入口５３によって絞られることで、この燃料ガス圧力室８８では、燃料ガスの内圧が高くなり、図４及び図８に示すように、燃料ガス導入口５３から電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の中心に向かって燃料ガスが導入される。この燃料ガスは、アノード電極２４の中心部から外周に向かって流動する。
【００７４】
一方、二重構造部１３２から回り込んで各燃料電池１０の外周側から供給される酸化剤ガスは、各セパレータ３０の外周部に形成されているスリット８４を介して酸化剤ガス通路９０に供給される（図７参照）。この酸化剤ガス通路９０に供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス圧力室９２に送られる。送られた酸化剤ガスが酸化剤ガス導入口６２によって絞られることで、この酸化剤ガス圧力室９２では、酸化剤ガスの内圧が高くなる。酸化剤ガス導入口６２から電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の中心部に導入され、前記カソード電極２２の外周に向かって流動する（図８参照）。
【００７５】
すなわち、電解質・電極接合体２６では、アノード電極２４の中心部から外周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の中心部から外周に向かって酸化剤ガスが供給される（図８参照）。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。
【００７６】
ここで、各燃料電池１０は、矢印Ａ方向（積層方向）に電気的に直列に接続されており、図２に示すように、一方の極は、導電性のエンドプレート９８ｂに設けられた接続端子部１０６から導線１１６を介して出力端子１１４ｂに接続される。他方の極は、ボルト１０８から導線１１２を介して出力端子１１４ａに接続される。このため、出力端子１１４ａ、１１４ｂ間に電気エネルギを取り出すことができる。
【００７７】
各燃料ガス圧力室８８及び各酸化剤ガス圧力室９２毎に１つの電解質・電極接合体２６に燃料ガス及び酸化剤ガスが供給され、これにより、すべての電解質・電極接合体２６で反応が生じる。各電解質・電極接合体２６に供給されて該電解質・電極接合体２６の外周に移動した余剰の燃料ガス及び酸化剤ガスは、排ガスとして排出される。
【００７８】
各電解質・電極接合体２６から排出された排ガスは、第１〜第３円板部４２、５８、６６の外周部から排気される。そして、セパレータ３０内に形成される排ガス通路４８を介して積層方向に移動し、エンドプレート９８ａの排気口１０７から燃料電池スタック１２の外部へ排出され、さらに、筐体１４の排気口１２４から燃料電池システム１６の外部に排出される。
【００７９】
この第１実施形態では、第１プレート３２及び第３プレート３６が接合されることにより、これらの間に燃料ガス供給連通孔３８に連通する燃料ガス通路７６が形成される。この燃料ガス通路７６は、互いに接合された第１円板部４２及び第３円板部６６間に燃料ガス圧力室８８を構成している。
【００８０】
このため、燃料ガス通路７６に供給された燃料ガスが、燃料ガス圧力室８８に導入される。導入された燃料ガスが燃料ガス導入口５３によって絞られるため、この燃料ガス圧力室８８の内圧が高められて膨張し、第１プレート３２の第１円板部４２は、電解質・電極接合体２６のアノード電極２４に押圧される（図８参照）。
【００８１】
同様に、第２プレート３４及び第３プレート３６が接合されることにより、これらの間に酸化剤ガス通路９０が形成されるとともに、第２円板部５８及び第３円板部６６間に酸化剤ガス圧力室９２が構成される。従って、酸化剤ガス通路９０に供給された酸化剤ガスが、酸化剤ガス圧力室９２に導入される。導入された酸化剤ガスが酸化剤ガス導入口６２によって絞られるため、この酸化剤ガス圧力室９２の内圧が高められて膨張し、第２プレート３４を構成する第２円板部５８がカソード電極２２に押圧される。
【００８２】
このため、セパレータ３０や電解質・電極接合体２６の寸法にばらつきが発生していても、第１円板部４２の全面がアノード電極２４の電極面に密着する一方、第２円板部５８の全面がカソード電極２２の発電面に密着することができる。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、電解質・電極接合体２６と集電部である第１円板部４２及び第２円板部５８との面圧を均等に維持することが可能になるという効果が得られる。
【００８３】
しかも、電解質・電極接合体２６の電極面全面に第１円板部４２及び第２円板部５８を均等な面圧で密着させることができるとともに、接触集電抵抗を低減して発電効率の向上が容易に図られる。
【００８４】
さらに、第１プレート３２及び第２プレート３４に介装される第３プレート３６を介し、燃料ガスと酸化剤ガスとを気密に分離可能となり、発電効率の向上が容易に図られる。その上、アノード電極２４及びカソード電極２２の中心部に向かって燃料ガス及び酸化剤ガスを導入するため、燃料ガス及び酸化剤ガスを有効に使用することができ、ガス利用率を高めることが可能になる。
【００８５】
さらにまた、セパレータ３０内に各電解質・電極接合体２６を覆って排ガス通路４８が形成されている。このため、排ガス通路４８に排出される排ガスの熱を利用して、電解質・電極接合体２６を温めることができ、熱効率の改善が容易に図られる。
【００８６】
また、第１円板部４２及び第２円板部５８には、複数の第１凸部５０及び第２凸部６０が集電部として設けられており、集電効率を向上させることが可能になる。さらに、第３プレート３６には、第１プレート３２側に突出する第３凸部７４が設けられている。従って、燃料ガス通路７６よりも圧力が高くなる酸化剤ガス通路９０によって、第３プレート３６に歪みや潰れが発生することを阻止し、前記燃料ガス通路７６を一定形状に維持して安定した燃料ガスの供給が行われる。この他にも、各圧力室８８、９２の内圧が高められて膨張することによって押圧荷重が発生するため、外部に配置した締め付け手段がなくても、電解質・電極接合体２６を保持して集電に必要な面圧を発生することができる。
【００８７】
次に、本発明に係る第２実施形態につき説明する。
【００８８】
図９は、第２実施形態に係る燃料電池２００が矢印Ａ方向に複数積層された燃料電池スタック２０２の概略斜視説明図であり、図１０は、前記燃料電池２００の分解斜視説明図である。
【００８９】
この場合、燃料電池２００は、１３個の電解質・電極接合体２６を有し、これら１３個の電解質・電極接合体２６が同時に一組のセパレータ２０８、２０８間に介装される。
【００９０】
セパレータ２０８は、互いに積層される第１プレート２１０及び第２プレート２１２と、前記第１プレート２１０及び第２プレート２１２間に配設される第３プレート２１４とを備える。第１〜第３プレート２１０、２１２、２１４は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成されている。
【００９１】
第１プレート２１０は、燃料ガス供給連通孔３８が中央部に形成された第１小径端部２１５を一端部に備え、該第１小径端部２１５からは、３本の幅狭な連結部２１６が放射状に突出している。このうち、積層方向であるＡ方向に直交する矢印Ｃ方向に対して傾斜した２本の連結部２１６には第１円板部２１８がそれぞれ一体的に設けられており、これら第１円板部２１８、２１８と第１小径端部２１５は、仮想的な２等辺３角形の各頂点に位置している。
【００９２】
また、第１円板部２１８は、矢印Ａ方向に直交するＣ方向に沿って３列に並列されている。最外方の２列には５個の第１円板部２１８が並列されており、これら２列間の中央列には３個の第１円板部２１８が並列されている。前記第１小径端部２１５は、該第１小径端部２１５から矢印Ｃ方向に沿って突出した連結部２１６を介して、中央列の第１円板部２１８のうち第１小径端部２１５に最近接する先頭と連結されている。
【００９３】
なお、隣接する第１円板部２１８同士は、矢印Ｂ方向又はＣ方向に沿って延在する連結部２２０を介して連結されている。
【００９４】
各第１円板部２１８の電解質・電極接合体２６のアノード電極２４に接する面には、複数の第１凸部５０と、リング状凸部５２とが形成されるとともに、面内中央部に燃料ガス導入口５３が形成される。
【００９５】
第２プレート２１２は、酸化剤ガス供給連通孔２２１が中央部に形成された第２小径端部２２２を備え、該第２小径端部２２２には、矢印Ｂ方向に３列に配置された第２円板部２２６が放射状に突出形成された３本の連結部２２４を介して一体的に設けられる。なお、第２小径端部２２２は、前記第１小径端部２１５とは逆側の端部に設けられている。
【００９６】
各第２円板部２２６は、前記第１円板部２１８に対応する位置に配設されており、合計１３個設けられている。隣接する第２円板部２２６同士は、矢印Ｂ方向又はＣ方向に沿って延在する連結部２２８によって連結されている。この第２円板部２２６のカソード電極２２に接する面内には、複数の第２凸部６０が形成されるとともに、面内中央部に酸化剤ガス導入口６２が形成される。
【００９７】
第３プレート２１４は、燃料ガス供給連通孔３８が形成された第３小径端部２３０と、酸化剤ガス供給連通孔２２１が形成された第４小径端部２３２とを各端部に備える。これら第３小径端部２３０及び第４小径端部２３２には、連結部２３４、２３６をそれぞれ介して第３円板部２３８が連結される。勿論、この第３円板部２３８は、第１円板部２１８及び第２円板部２２６に対応する位置に設けられている。なお、各第３円板部２３８には、第１プレート２１０に臨む面に複数の第３凸部７４が形成される。
【００９８】
第１プレート２１０が第３プレート２１４に、例えば、ろう付けにより接合されることにより、図１１に示すように、これらの間に燃料ガス通路７６が形成される。この燃料ガス通路７６は、連結部２１６、２３４間に形成される燃料ガス分配通路７６ａと、第１円板部２１８及び第３円板部２３８間に形成される燃料ガス圧力室８８とを有する。
【００９９】
同様に、第２プレート２１２が第３プレート２１４に、例えば、ろう付けにより接合されることにより、これらの間に酸化剤ガス通路９０が形成される。この酸化剤ガス通路９０は、連結部２２４、２３６間に形成される酸化剤ガス分配通路９０ａと、第２円板部２２６及び第３円板部２３８間に形成される酸化剤ガス圧力室９２とを有する。
【０１００】
図９に示すように、燃料電池スタック２０２において、燃料電池２００の積層方向（矢印Ａ方向）両端には、略長方形状のエンドプレート２４２ａ、２４２ｂが配置される。エンドプレート２４２ａには、燃料ガス供給連通孔３８に連通する第１配管２４４が接続されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔２２１に連通する第２配管２４６が接続される。その一方で、図１２に示すように、エンドプレート２４２ｂには排気孔２４７が設けられる。
【０１０１】
エンドプレート２４２ａ、２４２ｂには、燃料ガス供給連通孔３８の両側及び酸化剤ガス供給連通孔２２１の両側にボルト挿入口２４８が形成される。なお、燃料ガス供給連通孔３８から最外列の第１円板部２１８に橋架された連結部２１６と、酸化剤ガス供給連通孔２２１から第２円板部２２６に橋架された連結部２２４が矢印Ｂ方向に対して傾斜しており、ボルト挿入口２４８は、該ボルト挿入口２４８に挿入されたボルト２５０が連結部２２０、２２４に干渉しない位置に設けられている。
【０１０２】
エンドプレート２４２ａもしくはエンドプレート２４２ｂは、ボルト２５０と電気的に絶縁される。ボルト挿入口２４８にボルト２５０が挿入されて、該ボルト２５０の先端部にナットが螺合することにより、燃料電池スタック２０２が締め付け保持される。
【０１０３】
このように構成される第２実施形態に係る燃料電池スタック２０２では、第１プレート２１０及び第３プレート２１４が接合されることにより、第１円板部２１８及び第３円板部２３８間に燃料ガス圧力室８８が形成されるとともに、第２プレート２１２及び第３プレート２１４が接合されることにより、第２円板部２２６及び第３円板部２３８間に酸化剤ガス圧力室９２が形成されている（図１１参照）。
【０１０４】
このため、燃料ガス供給連通孔３８から燃料ガス通路７６に供給された燃料ガスは、燃料ガス圧力室８８に導入され、この燃料ガス圧力室８８の内圧が高められて膨張し、第１円板部２１８が電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の電極面全面に圧接する。同様に、酸化剤ガス供給連通孔２２１に供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス通路９０から酸化剤ガス圧力室９２に供給され、この酸化剤ガス圧力室９２の内圧が高められて膨張し、第２円板部２２６がカソード電極２２の電極面全面に圧接する。
【０１０５】
従って、簡単且つコンパトな構成で、電解質・電極接合体２６と集電部である第１円板部２１８及び第２円板部２２６との面圧を均等に維持することができ、発電効率の向上が容易に図られる等、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【０１０６】
また、燃料電池スタック２０２を概ね直方体とすることができるので、安定に設置することができる。しかも、該燃料電池スタック２０２を筐体に容易に収容することができるので、燃料電池システムを作製することが容易であるという利点がある。
【０１０７】
さらに、各電解質・電極接合体２６から排出された排ガスが、エンドプレート２４２ｂに設けられた排気孔２４７を介して燃料電池スタック２０２の外部へ排出されるので、排気効率を向上させることもできる。
【０１０８】
次に、第３実施形態に係る燃料電池につき、その平面図である図１３を参照して説明する。この燃料電池３００のセパレータ３０２は、第１プレート３０４と第２プレート３０６との間に第３プレート３０８が介装されて構成されている。
【０１０９】
第１プレート３０４、第３プレート３０８、第２プレート３０６をこの順序で積層した状態の平面図である図１３に示すように、燃料電池３００は、仮想的な円周上に互いに等角度で離間した８個の内周側単位セル３１０と、該内周側単位セル３１０の外方に同心円状に配置された８個の外周側単位セル３１２とを有する。内周側単位セル３１０及び外周側単位セル３１２のいずれにおいても、電解質・電極接合体２６（図３及び図１０参照）が一組のセパレータ３０２、３０２間に介装されている。
【０１１０】
ここで、第１プレート３０４に設けられた第１円板部３１６及び第１小径端部３１８、第２プレート３０６に設けられた第２円板部３２０、第３プレート３０８に設けられた第３円板部３２２及び第２小径端部３２４は、上記第１実施形態及び第２実施形態における第１円板部４２、２１８、第１小径端部４０、２１５、第２円板部５８、２２６、第３円板部６６、２３８及び第２小径端部６４、２２２とそれぞれ同様に構成されており、その詳細な説明を省略する。
【０１１１】
この場合、第１プレート３０４に設けられた第１小径端部３１８、及び第３プレート３０８に設けられた第２小径端部３２４は、前記同心円の中央に配置されて互いに積層される。このうち、第１小径端部３１８の中心部には、燃料ガス供給連通孔３８が形成されている。また、該第１小径端部３１８からは連結部３２６が放射状に突出しており、内周側単位セル３１０を構成する第１円板部３１６はこの連結部３２６によって第１小径端部３１８と連結されている。
【０１１２】
一方、外周側単位セル３１２を構成する第１円板部３１６は、内周側単位セル３１０において隣接する第１円板部３１６、３１６同士の間となる位置の外方に配置されており、且つこれら内周側単位セル３１０の隣接する２個の第１円板部３１６、３１６に連結部３２８を介して連結されている。
【０１１３】
第２プレート３０６では、外周側単位セル３１２を構成する第２円板部３２０が連結部３３０を介して円環状外周部３３１に連結されている。この第２円板部３２０は、連結部３３２によって内周側単位セル３１０を構成する第２円板部３２０と連結される。すなわち、連結部３３２は、前記連結部３２８に対応する位置に設けられている。
【０１１４】
第３プレート３０８を構成する円環状外周部３３４の第２プレート３０６に臨む面において、外周側単位セル３１２を構成する第３円板部３２２に対応して空気取り込み用の複数のスリットが形成される。また、円環状外周部３３４には、ろう材の流れを防止するための凹部が周回形成される。
【０１１５】
外周側単位セル３１２を構成する第３円板部３２２は、連結部３３６を介してこの円環状外周部３３４に連結されている。また、外周側単位セル３１２の第３円板部３２２は、前記連結部３２８、３３２に対応する位置に設けられた連結部３３８によって内周側単位セル３１０の第３円板部３２２に連結されている。
【０１１６】
さらに、第２小径端部３２４は、前記連結部３２６に対応する位置に設けられた連結部３４０によって内周側単位セル３１０の第３円板部３２２に連結されている。
【０１１７】
このように、第３実施形態に係る燃料電池３００は、単位セル３１０、３１２を多数含む。従って、上記した各効果が得られるのは勿論のこと、発電量の大きい燃料電池３００を構成することができるという利点がある。
【０１１８】
さらにまた、内周側単位セル３１０及び外周側単位セル３１２を同心円状に配置するので、燃料電池３００における直径方向の温度が略均等となる。換言すれば、燃料電池３００の直径方向に温度差が生じ難くなる。このため、内周側単位セル３１０と外周側単位セル３１２とで熱膨張に差が生じることを回避することができ、結局、内周側単位セル３１０と外周側単位セル３１２との熱膨張差に起因して第１〜第３プレート３０４、３０６、３０８等が破損することを回避することができる。
【０１１９】
勿論、この燃料電池３００を複数個積層することにより、燃料電池スタックを構成することもできる。
【０１２０】
次に、第４実施形態に係る燃料電池につき、その平面図である図１４を参照して説明する。この燃料電池４００のセパレータ４０２は、第１プレート４０４と第２プレート４０６との間に第３プレート４０８が介装されて構成されている。
【０１２１】
この場合、第１プレート４０４は、第１〜第３実施形態における第１円板部４２、２１８、３１６と同様に構成されて且つ螺旋状に周回した複数個の第１円板部４１０と、第１小径端部２１５と同様に構成された第１小径端部４１２とを有する。第１小径端部４１２と第１円板部４１０とは連結部４１４を介して連結されており、第１円板部４１０同士は連結部４１６を介して連結されている。
【０１２２】
また、第２プレート４０６は、第１〜第３実施形態における第２円板部５８、２２６、３２０と同様に構成されるとともに前記第１円板部４１０に対応する位置に配置された第２円板部４１８を有する。第２円板部４１８同士は、連結部４２０を介して連結されている。
【０１２３】
この第２円板部４１８には、前記第２小径端部２２２と同様に構成された第２小径端部４２２が連結部４２４によって連結されている。
【０１２４】
そして、第３プレート４０８には、第１〜第３実施形態における第３円板部６６、２３８、３２２と同様に構成されて第１円板部４１０及び第２円板部４１８に介装される第３円板部４２６が設けられている。すなわち、第３円板部４２６も、前記連結部４１６、４２０に対応する位置に設けられた連結部４２８を介して、螺旋状に周回形成されている。
【０１２５】
第３プレート４０８は、前記第３小径端部２３０及び第４小径端部２３２とそれぞれ同様に構成された第３小径端部４３０、第４小径端部４３２を有する。これら第３小径端部４３０及び第４小径端部４３２は、連結部４３４、４３６によって第３円板部４２６に連結されている。
【０１２６】
第１〜第３プレート４０４、４０６、４０８が積層されると、第１小径端部４１２と第３小径端部２３０、第２小径端部４２２と第４小径端部２３２、連結部４１４と連結部４３４、連結部４２４と連結部４３６がそれぞれ積層され、その結果、燃料ガス通路と酸化剤ガス通路が形成される。ここで、燃料ガス通路と酸化剤ガス通路は、一方が燃料電池４００の積層方向に沿う軸線方向から若干離間するように設けられており、従って、燃料ガス供給連通孔３８も、酸化剤ガス供給連通孔２２１が設けられた軸線上から若干離間した位置に配置される。
【０１２７】
以上のように構成されたセパレータ４０２、４０２間に、電解質・電極接合体２６（図３及び図１０参照）が介装されることにより、単位セル４３８が螺旋状に連結された燃料電池４００が構成される。この燃料電池４００を複数個積層すれば、燃料電池スタックが得られる。
【０１２８】
この燃料電池４００における螺旋状に連結する単位セル４３８の個数を増加すれば、燃料電池スタックの積層方向の厚みを小さくすることができ、該燃料電池スタックの設置スペースを狭小化することができる。すなわち、この第４実施形態に係る燃料電池４００には、上記した各効果が得られる他、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給する導入口が螺旋状に連結した単位セル４３８の中心部に位置するため、予熱した反応ガスを燃料電池スタックに供給することができる。従って、熱効率が向上するので、積層方向の厚みが小さいながらも発電量が大きな燃料電池スタックが容易に得られるという利点がある。
【０１２９】
なお、上記した第１〜第４実施形態では燃料ガス通路がそれぞれ１個であり、この中の第１実施形態及び第３実施形態では燃料電池スタックの外部から酸化剤ガスとしての空気が取り入れられるので（図１参照）、酸化剤ガス通路を設ける必要は特にない。また、残余の第２実施形態及び第４実施形態では酸化剤ガス通路がそれぞれ１個である。このように、本発明においては反応ガスの通路をそれぞれ１個設ければ十分であるので、該通路からの反応ガスの漏洩を防止するためのシール材の量を低減することができるとともに、燃料電池を組み付ける際にシール材に印加する荷重を集中させることができる。このため、シール性を高めることができ、反応ガスの利用率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１３０】
【図１】第１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】図１の燃料電池スタックが筐体内に収容された燃料電池システムの一部断面説明図である。
【図３】図１の燃料電池を構成するセパレータの分解斜視説明図である。
【図４】図１の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】図３のセパレータを構成する第３プレートの一方の面の説明図である。
【図６】図１の燃料電池における燃料ガス供給連通孔の近傍の拡大断面図である。
【図７】図１の燃料電池における外周縁部の拡大断面図である。
【図８】図１の燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。
【図９】第２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１０】図９の分解斜視説明図である。
【図１１】図９の燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。
【図１２】図９の燃料電池スタックにおけるエンドプレート側からの平面説明図である。
【図１３】第３実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータにおける第３プレートの一方の面の説明図である。
【図１４】第４実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータにおける第４プレートの一方の面の説明図である。
【図１５】特許文献１の固体電解質燃料電池の断面説明図である。
【符号の説明】
【０１３１】
１０、２００、３００、４００…燃料電池    １２、２０２…燃料電池スタック
１４…筐体                                １６…燃料電池システム
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
３０、２０８、３０２、４０２…セパレータ
３２、３４、３６、２１０、２１２、２１４、３０４、３０６、３０８、４０４、４０６、４０８…プレート
３８…燃料ガス供給連通孔
４０、６４、２１５、２２２、２３０、２３２、３１８、３２４、４１２、４２２…小径端部
４２、５８、６６、２１８、２２６、２３８、３１６、３２０、３２２、４１０、４１８、４２２…円板部
４４、４６、５６、６７、６８、７０、２１６、２２０、２２４、２２８、２３４、２３６、３２６、３２８、３３０、３３２、３３６、３３８、４１４、４１６、４２０、４２４、４２８、４３４、４３６…連結部
４８…排ガス通路                          ５０、６０、７４…凸部
５２…リング状凸部                        ５３…燃料ガス導入口
５４、７２…波状外周部                    ６２…酸化剤ガス導入口
７６…燃料ガス通路                        ７６ａ…燃料ガス分配通路
７８、８４…スリット                      ８８…燃料ガス圧力室
９０…酸化剤ガス通路                      ９０ａ…酸化剤ガス分配通路
９２…酸化剤ガス圧力室                    １３４…孔部
２２１…酸化剤ガス供給連通孔
【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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