(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物型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、前記アノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給部又は前記カソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給部を設けるとともに、
少なくとも前記燃料ガス供給部又は前記酸化剤ガス供給部のいずれかには、前記電解質・電極接合体を挟持する前記セパレータ間に位置して、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスをシールするシール部材が配置され、
前記シール部材は、ガスシール性を有し且つ前記セパレータに接着するために、粘土鉱物及び有機高分子が複合化された粘土膜を備え、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスに対する室温におけるガス透過係数が３．２×１０-11ｃｍ2ｓ-1ｃｍＨｇ-1未満であ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、前記シール部材は、厚さが１ｍｍ以下で且つ面積が０．１ｃｍ2以上に設定され、且つ面圧が０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａに設定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、前記シール部材に対し前記燃料電池の積層方向に１０Ｎ〜１０００Ｎの締め付け荷重を付与する締め付け部を備え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、固体酸化物型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。
【背景技術】
【０００２】
通常、固体酸化物型燃料電池（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、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ることにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池では、アノード電極に供給される燃料ガス及びカソード電極に供給される酸化剤ガスを、互いに良好にシールする必要がある。このため、種々の異なる機能を有する多種類のシール材が選択的に採用されている。
【０００４】
シール材は、形態によって、例えば、圧縮型（圧着型）シール材と液状型（接着型）シール材とに分類されている。圧縮型シール材は、主に締め付け力によるシール材の圧縮復元力によってシール性を確保するものであり、金属ガスケットやセラミックス系のマイカ材等が含まれる。
【０００５】
ところで、この圧縮型シール材は、セパレータにおいてシール性を高めようとすると、このセパレータの積層方向への締め付け力を大きくする必要がある。従って、セパレータやＭＥＡに過度の荷重が付与されてしまい、前記セパレータが変形したり、前記ＭＥＡが破損したりするおそれがある。
【０００６】
一方、液状型シール材は、シール材の接着性によってシール性を確保するものであり、この種の性質を有するシール材としては、例えば、ガラス系シール材がある。ガラス系シール材は、ガラスが溶融状態となることにより、セパレータに粘着（接着）して所望のシール性を維持するものである。
【０００７】
その際、特に、ＳＯＦＣでは、発電可能温度域が相当に高いため、高温で接着性を維持できるシール材が必要となる。しかしながら、ガラス系シール材は、高温状態で接着し得るものの、セパレータに比べて熱膨張収縮が大きいため、起動停止等の温度変化を繰り返すと、前記ガラス系シール材が急激に劣化するという問題がある。
【０００８】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている低温作動固体酸化物形燃料電池用シール材では、熱膨張係数が（８．０〜１４.０）×１０-6Ｋ-1、軟化点が５００℃〜１２００℃、接合温度が７５０℃〜１２００℃のガラスからなるか、当該ガラスにセラミックス粉又は金属粉を混合してなるガラスからなることを特徴としている。
【０００９】
また、特許文献２に開示されている固体酸化物形燃料電池用シール材は、構成元素にケイ素を含むガラス粉と酸化マグネシウム粉とマグネシウムのケイ酸塩粉とを混合した混合粉からなることを特徴としている。
【００１０】
さらに、特許文献３に開示されている固体電解質型燃料電池のガスシール構造では、固体電解質板の片面に燃料極を、また反対面に空気極を設けた単電池とセパレータとを交互に積層して固体電解質型燃料電池を形成するに際し、固体電解質板の周縁外側に、該固体電解質板より少々厚肉のセラミックスファイバを周設するとともに、該セラミックスファイバの上下面に位置してニッケル箔を固体電解質板とセパレータとの間に介設し、セパレータとセラミックスファイバとにより挟圧している。
【００１１】
また、特許文献４に開示されている固体酸化物型燃料電池では、固体電解質層及び燃料極セパレータ間の燃料極シール部材が、燃料給排通路と外気とを遮断し、固体電解質層及び空気極セパレータ間の空気極シール部材が、空気給排通路と外気とを遮断するとともに、燃料極シール部材及び空気極シール部材は、合金製のシール本体の両面に、ガラス製材料及び希釈材料の混合体により構成された一対の粘性ガラス体が塗布されている。
【００１２】
さらに、特許文献５に開示されている固体酸化物型燃料電池セル板では、固体酸化物型燃料電池セルを支持するとともに、燃料ガスと空気とを分離するセル支持体と、固体酸化物型燃料電池セルとセル支持体とを接着するための接合部とを備え、セル支持体は、金属製リングと、金属製リング表面をガラスにて被覆した保護被膜層とを備え、接合部は、電解質層に接着された第１のガラス層と、保護被膜層と第１のガラス層との間に配置され、両者を接着する第２のガラス層とを備えている。
【００１３】
【特許文献１】特開２００４−３９５７３号公報
【特許文献２】特開２００７−１４９４３０号公報
【特許文献３】特開平１０−１９９５５５号公報
【特許文献４】特開２００２−１４１０８３号公報
【特許文献５】特開２００７−１１５４８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上記の特許文献１では、ガラスシール材が軟化することによってシール性を発揮するものの、セパレータの積層方向に荷重が付与されるため、この軟化したガラスシール材が飛散し易くなり、耐久性が低下するという問題がある。
【００１５】
また、上記の特許文献２では、シール材の主成分がガラスであるため、熱膨張収縮や積層方向の荷重によって耐久性が低下するという問題がある。
【００１６】
さらに、上記の特許文献３では、セパレータの積層方向に対しガスシール性を維持するための荷重が付与されることにより、ガスシール材やニッケル箔が劣化し易いという問題がある。
【００１７】
さらにまた、上記の特許文献４では、合金製のシール本体と粘性ガラス体とを組合せており、セパレータ間には、ガスシール性を高めるために比較的大きな荷重が付与されている。このため、粘性ガラス体が飛散し、前記粘性ガラス体自体が劣化し易いという問題がある。
【００１８】
また、上記の特許文献５では、ガスシール性を保つためにセル支持体及び接合体を備えているものの、積層方向に荷重が付与される際、ガラス層が劣化し易いという問題がある。
【００１９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料ガスや酸化剤ガスのシール性を良好に維持するとともに、積層方向の荷重を軽減し、しかも長期間にわたって所望のシール性を確保す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】
【００２０】
本発明は、固体酸化物型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。
【００２１】
セパレータは、アノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給部又はカソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給部を設けるとともに、少なくとも前記燃料ガス供給部又は前記酸化剤ガス供給部のいずれかには、前記電解質・電極接合体を挟持する前記セパレータ間に位置して、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスをシールするシール部材が配置され、前記シール部材は、ガスシール性を有し且つ前記セパレータに接着するために、粘土鉱物及び有機高分子が複合化された粘土膜を備え、前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスに対する室温におけるガス透過係数が３．２×１０-11ｃｍ2ｓ-1ｃｍＨｇ-1未満である。
【００２３】
さらに、シール部材は、厚さが１ｍｍ以下で且つ面積が０．１ｃｍ2以上に設定され、且つ面圧が０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａに設定されることが好ましい。従って、シール部材は、ガスとの接触面積が大幅に削減されて耐久性を高めることが可能になる。
【００２４】
さらにまた、燃料電池は、シール部材に対し前記燃料電池の積層方向に１０Ｎ〜１０００Ｎの締め付け荷重を付与する締め付け部を備えることが好ましい。これにより、セパレータの変形及びＭＥＡの破損を阻止することができる。
【発明の効果】
【００２５】
燃料電池のシール材には、ガスの漏れ、ガス同士の混合又はガスと排ガスとの混合を阻止し得る気密状態を維持するためのガスバリア性、発電環境で連続使用することによって劣化し難い耐熱性、及び積層方向の荷重を低減しつつ、シール性を高めるための柔軟性が要求されている。特に、ＳＯＦＣでは、燃料ガス若しくは酸化剤ガスが排ガスと混合しないシール性が要求されるとともに、８００℃〜１０００℃の高温環境で発電されるため、高い耐熱性が要求されている。
【００２６】
そこで、本発明では、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シール部材を用いている。これにより、特に、ＳＯＦＣのシール材として要求される使用環境における高いシール性、高い耐熱性及び少ない荷重でのシール性の維持を図ることが可能になる。
【００２７】
すなわち、シール部材は、粘土鉱物及び有機高分子によって複合化された粘土膜を有しており、圧縮型及び接着型の両方の性質を備えている。従って、高いガスシール性を有するとともに、粘土鉱物を主成分とするため、耐熱性及び絶縁性を有することができ、さらに、柔軟性も備えている。このため、シール部材は、通常の圧縮型シール材に比べてより少ない荷重でシール面に密着することが可能になり、積層方向の荷重を大幅に低減させることができる。
【００２８】
しかも、ＳＯＦＣの高発電温域に昇温する際、シール部材は、セパレータと確実に密着し、ガスシール性を一層向上させることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池２０が、矢印Ａ方向に複数積層された燃料電池スタック２２の概略斜視説明図である。
【００３０】
燃料電池２０は、固体酸化物型燃料電池であり、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２０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）３０の両面に、カソード電極３２及びアノード電極３４が設けられた電解質・電極接合体３６を備える。電解質・電極接合体３６は、円板状に形成され、セパレータ３８により挟持される。
【００３１】
セパレータ３８は、例えば、Ｆｅ系合金（ＳＵＳ）等の金属プレートで構成される。図２に示すように、セパレータ３８は、中央部に積層方向（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（反応ガス供給連通孔）４０を形成する燃料ガス供給部４２を有する。この燃料ガス供給部４２から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に延在する８本の橋架部４４が設けられるとともに、各橋架部４４には、円板状の挟持部４６が一体的に設けられる。
【００３２】
各挟持部４６は、電解質・電極接合体３６と略同一寸法に設定されており、燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口４８が、例えば、前記挟持部４６の中心又は中心に対して酸化剤ガスの流れ方向上流側に偏心した位置に設定される。挟持部４６同士は、切り欠き５０を介して分離されている。
【００３３】
図２及び図４に示すように、各挟持部４６のアノード電極３４に接触する面４６ａ上には、前記アノード電極３４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５２を形成する複数の突起部５４が設けられる。各挟持部４６のカソード電極３２に接触する面４６ｂ上には、前記カソード電極３２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５６を形成する複数の突起部５８が設けられる。
【００３４】
セパレータ３８のカソード電極３２に対向する面には、通路蓋部材６０が、例えば、ろう付けやレーザ溶接等により固着される。通路蓋部材６０は、平板状に構成されるとともに、中央部に燃料ガス供給連通孔４０を形成する燃料ガス供給部６２を備える。燃料ガス供給部６２から放射状に８本の橋架部６４が延在するとともに、各橋架部６４は、セパレータ３８の橋架部４４から挟持部４６の面にわたり燃料ガス導入口４８を覆って固着される。橋架部４４、６４間には、燃料ガス供給連通孔４０から燃料ガス導入口４８に連通する燃料ガス供給通路６５が形成される。
【００３５】
各セパレータ３８間には、燃料ガス供給連通孔４０の外周縁に対応してシール部材６６が配置される。図２及び図４に示すように、シール部材６６は、略リング状を有するとともに、ガスシール性、耐熱性及び柔軟性を有する材料で構成される。このシール部材６６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。
【００３６】
シール部材６６として、例えば、（独）産業技術総合研究所によるクレースト（登録商標）を使用することができ、燃料ガス及び酸化剤ガスに対する室温におけるガス透過係数が３．２×１０-11ｃｍ2ｓ-1ｃｍＨｇ-1未満である。シール部材６６は、厚さが１ｍｍ以下で且つ面積が０．１ｃｍ2以上に設定され、且つ面圧が０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａに設定されており、各セパレータ３８同士の間隔に応じて、所定の枚数だけ積層される。ここで、面圧が０．１ＭＰａ以下であると良好なシール性が得られない。一方、面圧が１０ＭＰａを超えても良好なシール性を得ることができるが、過度の荷重がかかることによって、セパレータ３８や電解質・電極接合体３６が変形したり、破損したりし易くなる。
【００３７】
燃料電池２０には、図２〜図４に示すように、挟持部４６の外方に位置して積層方向（矢印Ａ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通路６８が設けられる一方、燃料ガス供給部４２の周囲には、使用済みの燃料ガス及び酸化剤ガスを排出する排ガス通路７０が形成される。
【００３８】
図１に示すように、燃料電池スタック２２は、複数の燃料電池２０の積層方向両端にエンドプレート７４ａ、７４ｂを配置する。エンドプレート７４ａは、略円板状を有しており、中央部には、燃料ガス供給連通孔４０に対応して孔部７６が設けられる。孔部７６の周囲には、排ガス通路７０に対応して複数の孔部７８が設けられる。
【００３９】
エンドプレート７４ａ、７４ｂ間は、ねじ孔８０に螺合するボルト８２により矢印Ａ方向に締め付けられ、前記ねじ孔８０及び前記ボルト８２により締め付け部８４が構成される。締め付け部８４は、シール部材６６に対し燃料電池スタック２２の積層方向に１０Ｎ〜１０００Ｎの締め付け荷重を付与する。ここで、締め付け荷重が１０Ｎ未満であると、良好なシール性が得られない。一方、締め付け荷重が１０００Ｎを超えると、セパレータ３８に余分な荷重がかかってしまい、このセパレータ３８が変形し易くなる。
【００４０】
このように構成される燃料電池２０を組み込む燃料電池スタック２２の動作について、以下に説明する。
【００４１】
図１に示すように、エンドプレート７４ａの孔部７６から燃料ガス（例えば、水素含有ガス）が供給されるとともに、燃料電池２０の外周側に設けられた酸化剤ガス供給通路６８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。
【００４２】
燃料ガスは、図４に示すように、燃料ガス供給部４２から橋架部４４内の燃料ガス供給通路６５に沿って移動し、挟持部４６に形成された燃料ガス導入口４８から複数の突起部５４により形成された燃料ガス通路５２に導入される。燃料ガス導入口４８は、各電解質・電極接合体３６のアノード電極３４の略中心位置に設定されている。このため、燃料ガスは、燃料ガス導入口４８からアノード電極３４の略中心に供給され、燃料ガス通路５２に沿って該アノード電極３４の外周部に向かって移動する。
【００４３】
一方、酸化剤ガスは、電解質・電極接合体３６の外側周端部と挟持部４６の外側周端部との間から矢印Ｂ方向に流入し、酸化剤ガス通路５６に送られる。酸化剤ガス通路５６では、電解質・電極接合体３６のカソード電極３２の外側周端部（セパレータ３８の外側周端部）側から内側周端部（セパレータ３８の中央部）側に向かって酸化剤ガスが流動する。
【００４４】
従って、電解質・電極接合体３６では、アノード電極３４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３２の電極面の一方向（矢印Ｂ方向）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３０を通ってアノード電極３４に移動し、化学反応により発電が行われる。なお、各電解質・電極接合体３６の外周部に排出される排ガスは、排ガス通路７０を介して積層方向に移動し、燃料電池スタック２２から排出される。
【００４５】
この場合、第１の実施形態では、図４に示すように、セパレータ３８を構成する燃料ガス供給部４２には、燃料ガス供給連通孔４０の外周縁に対応してシール部材６６が配置されている。
【００４６】
このシール部材６６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ている。従って、シール部材６６は、高いガスシール性を有するとともに、主成分である粘土鉱物により高い耐熱性及び絶縁性の他、柔軟性をも備えている。これにより、例えば、マイカ材やセラミックス系シール材等の圧縮性（圧着性）シール材に比べて、積層方向に対して少ない荷重でセパレータ３８のシール面にシール部材６６を密着させることができる。
【００４７】
例えば、マイカ材等のガスケットでは、所望のシール性を得るために、（１〜２）×１０4Ｎの締め付け荷重が必要であるのに対して、第１の実施形態では、シール部材６６を用いることにより、締め付け部８４による締め付け荷重は、１０Ｎ〜１０００Ｎの範囲内に大幅に減少させることが可能になる。
【００４８】
このため、セパレータ３８及び電解質・電極接合体３６には、積層方向に対して必要以上に大きな荷重が付与されることがない。従って、セパレータ３８の変形や、電解質・電極接合体３６の破損を、良好に阻止することができるという効果が得られる。
【００４９】
しかも、シール部材６６は、燃料ガス及び酸化剤ガスに対する室温におけるガス透過係数が３．２×１０-11ｃｍ2ｓ-1ｃｍＨｇ-1未満に設定されている。これにより、燃料ガスと酸化剤ガスとの間や、これらのガスと排ガスとの間で、ガス同士の混合を確実に阻止することが可能になり、長期間にわたって所望のシール性を維持することができる。
【００５０】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１００が、矢印Ａ方向に複数積層された燃料電池スタック１０２の概略斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池２０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〜第９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。
【００５１】
燃料電池１００は、各セパレータ１０３間に８個の電解質・電極接合体３６が、このセパレータ１０３の中心部である燃料ガス供給連通孔４０と同心円上に配列される。
【００５２】
セパレータ１０３は、中央部に燃料ガス供給連通孔４０を形成する燃料ガス供給部１０４を有する。この燃料ガス供給部１０４から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１０６を介し、比較的大径な挟持部１０８が一体的に設けられる。燃料ガス供給部１０４と各挟持部１０８との中心間距離は、同一距離に設定される。
【００５３】
各挟持部１０８のアノード電極３４に接触する面１０８ａには、前記アノード電極３４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５２が形成される。面１０８ａには、燃料ガス通路５２を通って使用された燃料ガスを排出する燃料ガス排出通路１１０と、アノード電極３４に接触するとともに、前記燃料ガスが燃料ガス導入口４８から前記燃料ガス排出通路１１０に直線状に流れることを阻止する迂回路形成用の円弧状壁部１１２とが設けられる。
【００５４】
円弧状壁部１１２は、第１橋架部１０６の端部から二股に分岐する略馬蹄形状を有し、その先端側内部に燃料ガス導入口４８が配置される一方、その基端部側（第１橋架部１０６側）に燃料ガス排出通路１１０が設けられる。面１０８ａには、燃料ガス通路５２側に突出してアノード電極３４の外周縁部に接触する外縁周回用凸部１１４と、前記アノード電極３４に接触する複数の突起部５４とが設けられる。
【００５５】
凸部１１４は、燃料ガス排出通路１１０に対応して一部が切り欠かれた略リング状を有するとともに、突起部５４は、面１０８ａに、例えば、エッチングにより形成される中実部、又はプレスにより形成される中空部で構成される。
【００５６】
円弧状壁部１１２、凸部１１４及び突起部５４は、燃料ガス通路５２における燃料ガスの圧力損失が燃料ガス供給部１０４における前記燃料ガスの圧力損失よりも小さくなるように、高さ寸法が設定される。
【００５７】
各挟持部１０８のカソード電極３２に接触する面１０８ｂは、略平坦面に形成されるとともに、燃料ガス供給部１０４には、燃料ガス供給連通孔４０を周回して複数の燃料ガス絞り口１１６が形成される。燃料ガス絞り口１１６の開口径は、燃料ガス導入口４８の開口径よりも小径に設定される。
【００５８】
セパレータ１０３のカソード電極３２に対向する面には、通路蓋部材１２０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。通路蓋部材１２０は、平板状に構成されるとともに、中央部に燃料ガス供給連通孔４０を形成する燃料ガス供給部６２を備える。燃料ガス供給部６２から放射状に８本の橋架部６４が延在するとともに、各橋架部６４は、セパレータ１０３の第１橋架部１０６から挟持部１０８の面１０８ｂに燃料ガス導入口４８を覆って固着される（図６参照）。
【００５９】
燃料ガス供給部６２から橋架部６４には、燃料ガス供給連通孔４０から燃料ガス導入口４８に連通する燃料ガス供給通路６５が形成される。燃料ガス供給通路６５は、例えば、エッチングにより形成される。燃料ガス供給部６２には、燃料ガス供給連通孔４０を囲繞してリング状凸部１２２が設けられる。この凸部１２２は、燃料ガス供給連通孔４０を燃料ガス供給通路６５に対してシールする。
【００６０】
挟持部１０８の面１０８ｂには、カソード電極３２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５６を形成し且つ前記カソード電極３２に密着する変形可能な弾性通路部、例えば、導電性メッシュ部材１２４が配設される。
【００６１】
メッシュ部材１２４は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ材）の線材で構成され、円板状を有する。このメッシュ部材１２４は、積層方向（矢印Ａ方向）の荷重に対して所望の弾性変形が可能な厚さに設定されて挟持部１０８の面１０８ｂに直接接触するとともに、通路蓋部材１２０を避けるために切り欠き部１２４ａを設ける（図６及び図８参照）。
【００６２】
図８に示すように、メッシュ部材１２４に設けられる酸化剤ガス通路５６は、電解質・電極接合体３６の内側周端部と挟持部１０８の内側周端部との間から矢印Ｃ方向に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給通路６８に連通する。この酸化剤ガス供給通路６８は、各挟持部１０８の内方と第１橋架部１０６との間に位置して積層方向（矢印Ａ方向）に延在している。
【００６３】
各セパレータ１０３間には、燃料ガス絞り口１１６を囲繞するとともに、燃料ガス供給連通孔４０の外周縁に対応してシール部材６６が配置される。このシール部材６６は、第１の実施形態で使用されたシール部材６６と同一に構成されている。
【００６４】
燃料電池１００には、挟持部１０８の外方に位置して排ガス通路７０が形成される。図８に示すように、燃料電池１００が積層される際に、各セパレータ１０３間には、燃料ガス供給連通孔４０から分岐してセパレータ面方向（矢印Ｃ方向）へ向かう分岐通路１２６が設けられる。分岐通路１２６と燃料ガス供給通路６５とは、積層方向（矢印Ａ方向）に連通する燃料ガス絞り口１１６を介して連通する。
【００６５】
図５に示すように、燃料電池スタック１０２は、複数の燃料電池１００の積層方向両端に略円板状のエンドプレート１３０ａ、１３０ｂを配置する。エンドプレート１３０ａの中央部には、燃料ガス供給連通孔４０に対応して孔部７６が設けられるとともに、前記孔部７６の周囲には、酸化剤ガス供給通路６８に対応して複数の孔部１３２が設けられる。
【００６６】
このように構成される燃料電池スタック１０２の動作について、以下に説明する。
【００６７】
図５に示すように、エンドプレート１３０ａの孔部７６から燃料ガス供給連通孔４０に燃料ガスが供給されるとともに、孔部１３２から酸化剤ガス供給通路６８に空気が供給される。
【００６８】
図８に示すように、燃料ガスは、燃料電池スタック１０２の燃料ガス供給連通孔４０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１００に設けられる分岐通路１２６に分岐供給される。このため、燃料ガスは、積層方向からセパレータ面方向（矢印Ｃ方向）に分岐した後、燃料ガス絞り口１１６を通って一旦前記積層方向に向かい、さらに前記燃料ガス絞り口１１６に連通する燃料ガス供給通路６５に沿って前記セパレータ面方向に移動する。
【００６９】
燃料ガスは、燃料ガス供給通路６５から挟持部１０８に形成された燃料ガス導入口４８を通って燃料ガス通路５２に導入される。このため、燃料ガスは、燃料ガス導入口４８からアノード電極３４の略中心に供給された後、燃料ガス通路５２に沿って前記アノード電極３４の外周部に向かって移動する。
【００７０】
その際、図６に示すように、セパレータ１０３を構成する挟持部１０８の面１０８ａには、燃料ガス導入口４８と燃料ガス排出通路１１０とを結ぶ経路上に、第１橋架部１０６の端部から二股に分岐する円弧状壁部１１２が設けられており、この円弧状壁部１１２は、電解質・電極接合体３６のアノード電極３４に接触している。
【００７１】
従って、燃料ガス導入口４８から燃料ガス通路５２に供給される燃料ガスは、円弧状壁部１１２に阻止されて前記燃料ガス導入口４８から燃料ガス排出通路１１０に直線状に流れることがない。燃料ガス通路５２に供給された使用済みの燃料ガスは、燃料ガス排出通路１１０から酸化剤ガス供給通路６８に（矢印Ｂ方向に）排出される。このため、酸化剤ガス供給通路６８では、使用済みの排ガスに含まれる燃料ガスと使用前の酸化剤ガスの一部とが反応することによって、使用前の他の酸化剤ガスが加熱される。
【００７２】
一方、酸化剤ガス供給通路６８に供給された空気は、電解質・電極接合体３６の内側周端部と挟持部１０８の内側周端部との間から矢印Ｃ方向に流入し、メッシュ部材１２４に形成された酸化剤ガス通路５６に送られる。酸化剤ガス通路５６では、電解質・電極接合体３６のカソード電極３２の内側周端部（セパレータ１０３の中央部）側から外側周端部（セパレータ１０３の外側周端部側）に向かって空気が流動する。
【００７３】
従って、電解質・電極接合体３６では、アノード電極３４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３２の電極面の一方向（矢印Ｃ方向）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３０を通ってアノード電極３４に移動し、化学反応により発電が行われる。
【００７４】
なお、各電解質・電極接合体３６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１０２から排出される（図５参照）。
【００７５】
この場合、第２の実施形態では、各セパレータ１０３間には、燃料ガス絞り口１１６を囲繞するとともに、燃料ガス供給連通孔４０の外周縁に対応してシール部材６６が配置されている。従って、この第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７６】
図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１４０が、矢印Ａ方向に複数積層された燃料電池スタック１４２の概略斜視説明図である。
【００７７】
燃料電池１４０は、図１０及び図１１に示すように、単一の電解質・電極接合体３６を挟持するセパレータ１４４を備える。セパレータ１４４は、第１及び第２プレート１４６、１４８と、前記第１及び第２プレート１４６、１４８間に配設される第３プレート１５０とを備える。第１〜第３プレート１４６、１４８及び１５０は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成され、前記第３プレート１５０の両面に、前記第１プレート１４６と前記第２プレート１４８とが、例えば、ろう付けにより接合される。
【００７８】
図１０に示すように、第１プレート１４６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４０が形成される第１燃料ガス供給部１５２を備え、この第１燃料ガス供給部１５２には、幅狭な第１橋架部１５４を介して比較的大径な第１挟持部１５６が一体的に設けられる。第１挟持部１５６は、電解質・電極接合体３６のアノード電極３４と略同一寸法に設定されている。
【００７９】
第１挟持部１５６のアノード電極３４に接触する面には、燃料ガス通路５２を形成するための多数の突起部５４が外周縁部近傍から中心部にわたって設けられるとともに、前記第１挟持部１５６の外周縁部には、略リング状突起部１５７が設けられる。突起部５４及び略リング状突起部１５７は、集電部を構成する。
【００８０】
第１挟持部１５６の中央には、アノード電極３４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４８が形成される。なお、突起部５４は、略リング状突起部１５７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。
【００８１】
第２プレート１４８は、積層方向（矢印Ａ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６８ａが形成される第１酸化剤ガス供給部１５８を備える。この第１酸化剤ガス供給部１５８には、幅狭な第２橋架部１６０を介して比較的大径な第２挟持部１６２が一体的に設けられる。
【００８２】
第２挟持部１６２は、電解質・電極接合体３６のカソード電極３２に接する面に、酸化剤ガス通路５６を形成するための複数の突起部５８が面内全面にわたって形成される（図１２参照）。第２挟持部１６２の中央部には、酸化剤ガスをカソード電極３２の略中央部に向かって供給するための酸化剤ガス導入口１６４が形成される。
【００８３】
第３プレート１５０は、燃料ガス供給連通孔４０が形成される第２燃料ガス供給部１６６と、酸化剤ガス供給連通孔６８ａが形成される第２酸化剤ガス供給部１６８とを備える。第２燃料ガス供給部１６６及び第２酸化剤ガス供給部１６８は、幅狭な第３及び第４橋架部１７０、１７２を介して比較的大径な第３挟持部１７４と一体的に構成される。第３挟持部１７４は、第１及び第２挟持部１５６、１６２と同一直径に設定される。
【００８４】
第３プレート１５０の第１プレート１４６に向かう面において、第２燃料ガス供給部１６６には、燃料ガス供給連通孔４０に連通する複数のスリット状通路１７６が放射状に形成される。燃料ガス供給連通孔４０から通路１７６を介して第３橋架部１７０及び第３挟持部１７４の面内に燃料ガス供給通路６５が形成される。第３挟持部１７４には、複数の突起部１７８が形成され、この突起部１７８は、燃料ガス供給通路６５の一部を構成する。
【００８５】
第３プレート１５０の第２プレート１４８に接する面において、第２酸化剤ガス供給部１６８には、酸化剤ガス供給連通孔６８ａに連通する複数のスリット状通路１８０が放射状に形成される。酸化剤ガス供給連通孔６８ａから通路１８０を介して第３挟持部１７４には、酸化剤ガス供給通路１８２が形成され、この酸化剤ガス供給通路１８２は、前記第３挟持部１７４の周縁部によって閉塞される。
【００８６】
第１プレート１４６が第３プレート１５０の一方の面にろう付けされることにより、第１及び第３プレート１４６、１５０間には、燃料ガス供給連通孔４０に連通する燃料ガス供給通路６５が設けられる。この燃料ガス供給通路６５は、第１及び第３挟持部１５６、１７４間に該第１挟持部１５６を挟んでアノード電極３４の電極面を覆い、且つ燃料ガスが供給されることにより前記第１挟持部１５６を前記アノード電極３４に圧接可能な燃料ガス圧力室１８６を構成する（図１２参照）。電解質・電極接合体３６の外周外方には、使用済みの燃料ガス及び酸化剤ガスを排出する排ガス通路７０が設けられる。
【００８７】
第２プレート１４８が第３プレート１５０にろう付けされることにより、第２及び第３プレート１４８、１５０間には、酸化剤ガス供給連通孔６８ａに連通する酸化剤ガス供給通路１８２が形成される。この酸化剤ガス供給通路１８２は、第２及び第３挟持部１６２、１７４間に該第２挟持部１６２を挟んでカソード電極３２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前記第２挟持部１６２を前記カソード電極３２に圧接可能な酸化剤ガス圧力室１８８を構成する（図１２参照）。
【００８８】
セパレータ１４４は、第１プレート１４６の第１挟持部１５６と、第２プレート１４８の第２挟持部１６２と、第３プレート１５０の第３挟持部１７４とが接合されることにより、円板状の挟持部１９０を構成する。挟持部１９０には、第１及び第３橋架部１５４、１７０が接合されて構成される橋架部１９２と、第２及び第４橋架部１６０、１７２が接合されて構成される橋架部１９４とが連結される。
【００８９】
橋架部１９２には、第１燃料ガス供給部１５２と第２燃料ガス供給部１６６とが接合されて形成される燃料ガス供給部１９６が連結される。橋架部１９４には、第１酸化剤ガス供給部１５８と第２酸化剤ガス供給部１６８とが接合されて形成される酸化剤ガス供給部１９８が連結される。
【００９０】
図１０及び図１２に示すように、各セパレータ１４４間には、燃料ガス供給連通孔４０の外周縁に対応してシール部材１９７が配置されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔６８ａの外周縁に対応してシール部材１９９が配置される。
【００９１】
シール部材１９７、１９９は、第１の実施形態に用いられているシール部材６６と同様に構成されており、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。シール部材１９７、１９９は、好適には、それぞれセパレータ１４４同士の間隔に応じて、所定の枚数だけ積層される。
【００９２】
図９に示すように、燃料電池スタック１４２は、複数の燃料電池１４０の積層方向両端にエンドプレート２００ａ、２００ｂを配置する。エンドプレート２００ａ又はエンドプレート２００ｂは、締付手段２０２と電気的に絶縁される。エンドプレート２００ａには、燃料電池１４０の燃料ガス供給連通孔４０に連通する第１配管２０４と、酸化剤ガス供給連通孔６８ａに連通する第２配管２０６とが接続される。エンドプレート２００ａ、２００ｂには、電解質・電極接合体３６よりも燃料ガス供給連通孔４０及び酸化剤ガス供給連通孔６８ａに近接する位置に、矢印Ａ方向に積層された電解質・電極接合体３６とセパレータ１４４とに積層方向に締付荷重を付与する締付手段２０２が配設される。
【００９３】
締付手段２０２は、燃料ガス供給連通孔４０の両側及び酸化剤ガス供給連通孔６８ａの両側に位置してエンドプレート２００ａ、２００ｂに形成されるボルト孔２０８を備える。各ボルト孔２０８に締付ボルト２１０が挿入されるとともに、各締付ボルト２１０の先端にナット２１２が螺合することによって、燃料電池スタック１４２が締め付け保持される。シール部材１９７、１９９には、積層方向に１０Ｎ〜１０００Ｎの締め付け荷重が付与される。
【００９４】
このように構成される燃料電池スタック１４２の動作について、以下に説明する。
【００９５】
図９に示すように、エンドプレート２００ａに接続されている第１配管２０４から燃料ガス供給連通孔４０に燃料ガスが供給されるとともに、前記エンドプレート２００ａに接続された第２配管２０６から酸化剤ガス供給連通孔６８ａに酸化剤ガスが供給される。
【００９６】
燃料ガス供給連通孔４０に供給された燃料ガスは、図１２に示すように、積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら、各燃料電池１４０を構成するセパレータ１４４内の燃料ガス供給通路６５に供給される。燃料ガスは、燃料ガス供給通路６５に沿って第１及び第３挟持部１５６、１７４間に形成された燃料ガス圧力室１８６に導入され、複数の突起部１７８間を移動して第１挟持部１５６の中央部に形成される燃料ガス導入口４８に導入される。
【００９７】
燃料ガス導入口４８は、各電解質・電極接合体３６のアノード電極３４の中心位置に対応して設けられている。このため、燃料ガスは、燃料ガス導入口４８から燃料ガス通路５２に供給され、アノード電極３４内を中心部から外周部に向かって流動する。
【００９８】
一方、酸化剤ガス供給連通孔６８ａに供給される酸化剤ガスは、セパレータ１４４内の酸化剤ガス供給通路１８２を移動し、第２及び第３挟持部１６２、１７４間に形成された酸化剤ガス圧力室１８８に供給される。さらに、酸化剤ガスは、第２挟持部１６２の中心位置に設けられる酸化剤ガス導入口１６４に導入される。
【００９９】
酸化剤ガス導入口１６４は、各電解質・電極接合体３６のカソード電極３２の中心位置に対応して設けられている。このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口１６４から酸化剤ガス通路５６に供給され、カソード電極３２の中心部から外周部に向かって流動する。
【０１００】
従って、各電解質・電極接合体３６では、アノード電極３４の中心部から外周部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３２の中心部から外周部に向かって酸化剤ガスが供給され、発電が行われる。そして、発電に使用された燃料ガス及び酸化剤ガスは、排ガスとして挟持部１９０の外周部から排気される。
【０１０１】
この場合、第３の実施形態では、図１２に示すように、各セパレータ１４４間には、燃料ガス供給連通孔４０の外周縁に対応してシール部材１９７が配置されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔６８ａの外周縁に対応してシール部材１９９が配置されている。このため、第３の実施形態では、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１０２】
図１３は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池２２０の分解斜視説明図である。
【０１０３】
燃料電池２２０は、第１セパレータ２２２ａ及び第２セパレータ２２２ｂ間に複数、例えば、２個の電解質・電極接合体３６が挟持される。第１セパレータ２２２ａ及び第２セパレータ２２２ｂ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。
【０１０４】
第１セパレータ２２２ａ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２２４ａ及び第２プレート２２６ａを有する。第１プレート２２４ａ及び第２プレート２２６ａは、互いに拡散接合、レーザ溶接又はろう付け等により接合される。
【０１０５】
第１プレート２２４ａ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４０が形成される第１燃料ガス供給部２２８を有する。この第１燃料ガス供給部２２８から外方に延在する２つの第１橋架部２３０ａ、２３０ｂを介して第１挟持部２３２ａ、２３２ｂが一体に設けられる。
【０１０６】
第１挟持部２３２ａ、２３２ｂは、電解質・電極接合体３６と略同一寸法に設定されるとともに、前記第１挟持部２３２ａ、２３２ｂのアノード電極３４に接する面には、それぞれ複数の突起部２３４ａ、２３４ｂが設けられる。突起部２３４ａ、２３４ｂは、アノード電極３４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５２ａ、５２ｂを形成するとともに、集電機能を有する。第１挟持部２３２ａ、２３２ｂの略中央部には、アノード電極３４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４８ａ、４８ｂが形成される。
【０１０７】
第２プレート２２６ａは、燃料ガス供給連通孔４０が形成される第２燃料ガス供給部２３６を有する。この第２燃料ガス供給部２３６から外方に延在する２つの第２橋架部２３８ａ、２３８ｂを介して第２挟持部２４０ａ、２４０ｂが一体に設けられる。第２プレート２２６ａの外周を周回して第１プレート２２４ａ側に突出する周回突起部２４２が設けられ、この周回突起部２４２に前記第１プレート２２４ａが接合される。
【０１０８】
第２燃料ガス供給部２３６、第２橋架部２３８ａ、２３８ｂ及び第２挟持部２４０ａ、２４０ｂの第１プレート２２４ａに向かう面には、前記第１プレート２２４ａ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２４３が形成される。
【０１０９】
第１及び第２橋架部２３０ａ、２３８ａ間と第１及び第２橋架部２３０ｂ、２３８ｂ間には、燃料ガス供給連通孔４０に連通する燃料ガス供給通路６５ａ、６５ｂが形成される。燃料ガス供給通路６５ａ、６５ｂは、第１及び第２挟持部２３２ａ、２４０ａ間と第１及び第２挟持部２３２ｂ、２４０ｂ間に形成される燃料ガス充填室２４８ａ、２４８ｂを介して燃料ガス導入口４８ａ、４８ｂに連通する。
【０１１０】
第２セパレータ２２２ｂは、第１セパレータ２２２ａと同一形状に構成されており、第１プレート２２４ａ及び第２プレート２２６ａに対応する第１プレート２２４ｂ及び第２プレート２２６ｂを有する。第１及び第２プレート２２４ｂ、２２６ｂ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６８ａが形成される第１及び第２酸化剤ガス供給部２５０、２５２を有する。
【０１１１】
第１及び第２プレート２２４ｂ、２２６ｂは、第１及び第２酸化剤ガス供給部２５０、２５２から外方に突出する２つの第１橋架部２５４ａ、２５４ｂ及び第２橋架部２５６ａ、２５６ｂを介して第１挟持部２５８ａ、２５８ｂ及び第２挟持部２６０ａ、２６０ｂが一体に設けられる。
【０１１２】
第１挟持部２５８ａ、２５８ｂのカソード電極３２に接触する面には、複数の突起部２３４ａ、２３４ｂを介し前記カソード電極３２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５６ａ、５６ｂが形成される。第１挟持部２５８ａ、２５８ｂの略中央部には、カソード電極３２の略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導入口１６４ａ、１６４ｂが形成される。
【０１１３】
第２プレート２２６ｂ内には、第１プレート２２４ｂが接合されることにより酸化剤ガス供給連通孔６８ａに連通する酸化剤ガス供給通路１８２ａ、１８２ｂが、第１橋架部２５４ａ、２５４ｂと第２橋架部２５６ａ、２５６ｂとの間に対応して形成される。
【０１１４】
第２挟持部２６０ａ、２６０ｂ内には、酸化剤ガス供給連通孔６８ａと酸化剤ガス供給通路１８２ａ、１８２ｂを介して連通する酸化剤ガス充填室２６６ａ、２６６ｂが形成される。
【０１１５】
図１５に示すように、各燃料電池２２０間には、燃料ガス供給連通孔４０の外周縁に対応してシール部材１９７が配置されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔６８ａの外周縁に対応してシール部材１９９が配置される。
【０１１６】
このように構成される燃料電池２２０の動作について、以下に説明する。
【０１１７】
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２２０を構成する第１セパレータ２２２ａに形成された燃料ガス供給通路６５ａ、６５ｂに導入される（図１４及び図１５参照）。
【０１１８】
燃料ガスは、燃料ガス供給通路６５ａ、６５ｂに沿って移動し、一旦、燃料ガス充填室２４８ａ、２４８ｂに充填される。さらに、燃料ガスは、燃料ガス導入口４８ａ、４８ｂから燃料ガス通路５２ａ、５２ｂに導入される。その際、燃料ガス導入口４８ａ、４８ｂは、各電解質・電極接合体３６のアノード電極３４の略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３４の略中心から燃料ガス通路５２ａ、５２ｂに沿って前記アノード電極３４の外周部に向かって移動する。
【０１１９】
一方、空気は、各燃料電池２２０の酸化剤ガス供給連通孔６８ａに供給される。図１４及び図１５に示すように、酸化剤ガス供給連通孔６８ａに供給された空気は、酸化剤ガス供給通路１８２ａ、１８２ｂに沿って移動し、一旦、酸化剤ガス充填室２６６ａ、２６６ｂに充填される。さらに、酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口１６４ａ、１６４ｂから酸化剤ガス通路５６ａ、５６ｂに導入される。
【０１２０】
酸化剤ガス導入口１６４ａ、１６４ｂは、各電解質・電極接合体３６のカソード電極３２の略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５６ａ、５６ｂに沿ってカソード電極３２の略中央位置から外周部に向かって移動する。
【０１２１】
燃料ガス通路５２ａ、５２ｂを移動した使用済みの燃料ガス、及び酸化剤ガス通路５６ａ、５６ｂを移動した使用済みの空気は、各電解質・電極接合体３６の外周部から排ガス通路７０に導出され、この排ガス通路７０で混合されて比較的高温の排ガスとして排出される。
【０１２２】
この場合、第４の実施形態では、図１５に示すように、各燃料電池２２０間には、燃料ガス供給連通孔４０の外周縁に対応してシール部材１９７が配置されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔６８ａの外周縁に対応してシール部材１９９が配置される。従って、第４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。
【０１２３】
図１６は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池２８０の分解斜視説明図である。
【０１２４】
燃料電池２８０は、２個の電解質・電極接合体３６を挟持するセパレータ２８２を備える。セパレータ２８２は、第３の実施形態に用いられるセパレータ１４４と同様に３枚のプレート（図示せず）により構成される。セパレータ２８２は、それぞれ電解質・電極接合体３６を挟持する円板状の第１挟持部１９０ａと第２挟持部１９０ｂとを備える。
【０１２５】
第１挟持部１９０ａ及び第２挟持部１９０ｂには、橋架部１９２ａ、１９２ｂを介して燃料ガス供給部１９６が連結されるとともに、橋架部１９４ａ、１９４ｂを介して酸化剤ガス供給部１９８に連結される。橋架部１９２ａ、１９２ｂ内には、燃料ガス供給通路６５ａ、６５ｂが形成されるとともに、橋架部１９４ａ、１９４ｂ内には、酸化剤ガス供給通路１８２ａ、１８２ｂが形成される。
【０１２６】
第１挟持部１９０ａと電解質・電極接合体３６との間には、燃料ガス通路５２ａ及び酸化剤ガス通路５６ａが形成される一方、第２挟持部１９０ｂと前記電解質・電極接合体３６との間には、燃料ガス通路５２ｂ及び酸化剤ガス通路５６ｂが形成される。
【０１２７】
各セパレータ２８２では、燃料ガス供給部１９６に燃料ガス供給連通孔４０の外周縁に対応してシール部材１９７が配置されるとともに、酸化剤ガス供給部１９８に酸化剤ガス供給連通孔６８ａの外周縁に対応してシール部材１９９が配置される。
【０１２８】
このように構成される第５の実施形態では、上記の各実施形態と同様の効果を有する。
【０１２９】
図１７は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池２９０の断面説明図である。
【０１３０】
燃料電池２９０は、１個の電解質・電極接合体３６を挟持するセパレータ２９２を備える。図１８に示すように、セパレータ２９２は、中央部に挟持部２９４を有し、前記挟持部２９４の対角位置には、それぞれ橋架部２９６ａ、２９６ｂを介して燃料ガス供給部２９８及び酸化剤ガス供給部３００が一体成形される。
【０１３１】
燃料ガス供給部２９８に設けられる燃料ガス供給連通孔４０は、燃料ガス供給通路６５を介して挟持部２９４の略中央部に設けられる燃料ガス導入口４８に連通する。酸化剤ガス供給部３００に設けられる酸化剤ガス供給連通孔６８ａは、酸化剤ガス供給通路１８２を介して挟持部２９４の略中央部に設けられる酸化剤ガス導入口１６４に連通する。
【０１３２】
図１７に示すように、セパレータ２９２間には、燃料ガス供給連通孔４０の外周縁に対応してシール部材１９７が配置されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔６８ａの外周縁に対応してシール部材１９９が配置される。
【０１３３】
このように構成される第６の実施形態では、上記の各実施形態と同様の効果が得られる。
【０１３４】
図１９は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池３１０の断面説明図である。
【０１３５】
燃料電池３１０は、１個の電解質・電極接合体３１２をセパレータ３１４で挟持する。電解質・電極接合体３１２は、電解質層３１６をカソード電極３２及びアノード電極３４で挟んで構成される。電解質層３１６は、カソード電極３２及びアノード電極３４よりも大きな表面積に設定される。
【０１３６】
セパレータ３１４は、アノード電極３４側の面に燃料ガス通路５２を形成する一方、カソード電極３２側の面に酸化剤ガス通路５６を形成する。セパレータ３１４とアノード電極３４との間には、金属メッシュ３１８が介装される。
【０１３７】
セパレータ３１４と電解質層３１６との間には、燃料ガス供給部３２０を周回してシール部材３２２が介装されるとともに、酸化剤ガス供給部３２４を周回してシール部材３２６が介装される。シール部材３２２、３２６は、上記のシール部材６６と同様に、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。シール部材３２２、３２６は、それぞれ所定の枚数ずつ積層される。
【０１３８】
従って、このように構成される第７の実施形態では、上記の第１〜第６の実施形態と同様の効果を有する。
【０１３９】
図２０は、本発明の第８の実施形態に係る燃料電池３４０の断面説明図である。
【０１４０】
この燃料電池３４０は、実質的に第１の実施形態に係る燃料電池２０と同様に構成されているが、第２〜第７の実施形態においても適用することができる。また、以下に説明する第９の実施形態においても同様である。
【０１４１】
燃料電池３４０は、セパレータ３４２を備えるとともに、このセパレータ３４２は、燃料ガス供給連通孔４０を形成する燃料ガス供給部３４４に前記燃料ガス供給連通孔４０を囲繞して積層方向に突出する突起部３４６を設ける。突起部３４６と隣り合う他のセパレータ３４２との間には、シール部材３４８が介装される。
【０１４２】
シール部材３４８は、その厚さｈが１ｍｍ以下で且つ面積が０．１ｃｍ2以上に設定され、且つ面圧が０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａに設定される。このシール部材３４８は、一方のセパレータ３４２の突起部３４６の頂部と他方のセパレータ３４２との間に、１枚又は２枚以上積層して配置される。
【０１４３】
このように、第８の実施形態では、シール部材３４８を一層薄肉化することができる。これにより、シール部材３４８は、燃料ガスに接する露出面積を大幅に削減することが可能になり、耐久性の向上が図られるという効果が得られる。
【０１４４】
図２１は、本発明の第９の実施形態に係る燃料電池３５０の断面説明図である。
【０１４５】
燃料電池３５０を構成するセパレータ３４２は、燃料ガス供給部４２にスペーサとしてリング部材３５２を配置し、このリング部材３５２の両側には、薄肉状のシール部材６６ａ、６６ａが配設される。従って、シール部材６６ａを一層薄肉化することができ、上記の第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】
【０１４６】
【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】前記燃料電池の分解斜視図である。
【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が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６】前記燃料電池の分解斜視説明図である。
【図７】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８】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９】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１０】前記燃料電池の分解斜視図である。
【図１１】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１４】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１５】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１６】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。
【図１７】本発明の第６の実施形態に係る燃料電池の断面説明図である。
【図１８】前記燃料電池を構成するセパレータの平面図である。
【図１９】本発明の第７の実施形態に係る燃料電池の断面説明図である。
【図２０】本発明の第８の実施形態に係る燃料電池の断面説明図である。
【図２１】本発明の第９の実施形態に係る燃料電池の断面説明図である。
【符号の説明】
【０１４７】
２０、１００、１４０、２２０、２８０、２９０、３１０、３４０、３５０…燃料電池
２２、１０２、１４２…燃料電池スタック
３０…電解質                      ３２…カソード電極
３４…アノード電極                ３６、３１２…電解質・電極接合体
３８、１０３、１４４、２２２ａ、２２２ｂ、２８２、２９２、３１４、３４２…セパレータ
４０…燃料ガス供給連通孔
４２、６２、１０４、１５２、１６６、１９６、２２８、２３６、２９８、３２０、３４４…燃料ガス供給部
４４、６４、１０６、１５４、１６０、１７０、１７２、１９２、１９２ａ、１９２ｂ、１９４、１９４ａ、１９４ｂ、２３０ａ、２３０ｂ、２３８ａ、２３８ｂ、２５４ａ、２５４ｂ、２５６ａ、２５６ｂ、２９６ａ、２９６ｂ…橋架部
４６、１０８、１５６、１６２、１７４、１９０、１９０ａ、１９０ｂ、２３２ａ、２３２ｂ、２４０ａ、２４０ｂ、２５８ａ、２５８ｂ、２６０ａ、２６０ｂ、２９４…挟持部
４８、４８ａ、４８ｂ…燃料ガス導入口
５２、５２ａ、５２ｂ…燃料ガス通路  ５６、５６ａ、５６ｂ…酸化剤ガス通路
６０…通路蓋部材
６５、６５ａ、６５ｂ…燃料ガス供給通路
６６、６６ａ、１９７、１９９、３２２、３２６、３４８…シール部材
７０…排ガス通路                  １１０…燃料ガス排出通路
１４６、１４８、１５０、２２４ａ、２２４ｂ、２２６ａ、２２６ｂ…プレート
１５８、１６８、１９８、２５０、２５２、３２４…酸化剤ガス供給部
１８６…燃料ガス圧力室            １８８…酸化剤ガス圧力室
２４８ａ、２４８ｂ…燃料ガス充填室
２６６ａ、２６６ｂ…酸化剤ガス充填室
３５２…リング部材
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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