(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又は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反応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、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記反応ガス供給通路に供給するための反応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、前記挟持部及び前記電解質・電極接合体は、円板形状を有するとともに、
前記反応ガス供給部を中心に４つの前記電解質・電極接合体が互いに接するようにして同心円上に等角度に配列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、前記挟持部及び前記橋架部は、前記電解質・電極接合体の数に対応して４つ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、前記挟持部には、前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給する燃料ガス供給孔と、
前記燃料ガス通路を通って使用された前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出通路と、
前記アノード電極に接触するとともに、前記燃料ガスが前記燃料ガス供給孔から前記燃料ガス排出通路に直線状に流れることを阻止する迂回路形成用壁部と、
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７】
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又は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反応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、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記反応ガス供給通路に供給するための反応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、前記挟持部及び前記電解質・電極接合体は、円板形状を有するとともに、
前記反応ガス供給部を中心に４つの前記電解質・電極接合体が互いに接するようにして同心円上に等角度に配列されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項８】
請求項７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９】
請求項７又は８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２２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、中央の発電セルを配置する部分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の中央に発電セルを配置する部分２ｂが設けられており、燃料電池の発電による発生熱でガス孔３、４を流通する燃料ガスや酸化剤ガスを良好に加熱することができない。このため、熱効率の向上及び熱自立の促進を図ることができないという問題がある。
【０００８】
さらに、各セパレータ１毎に１つの発電セルが配置されている。従って、高出力を得るためには、多数の発電セルを積層する必要があり、燃料電池全体が積層方向に相当に長尺化する。しかも、１つの発電セルに発電不良が発生した際、燃料電池全体が発電不良になり、効率的な発電が遂行されないという問題がある。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、熱効率の向上及び熱自立の促進を図るとともに、効率的な発電を維持し、最良の空間効率を得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】
【００１０】
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。
【００１１】
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又は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反応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、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記反応ガス供給通路に供給するための反応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。
【００１２】
そして、反応ガス供給部は、セパレータの中央部に設けられ、前記挟持部及び前記電解質・電極接合体は、円板形状を有するとともに、前記反応ガス供給部を中心に４つの電解質・電極接合体が互いに接するようにして同心円上に等角度に配列されている。
【００１３】
また、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。
【００１４】
しかも、各挟持部は、互いに分離しており、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。その上、各電解質・電極接合体の熱歪み等が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、個別の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。
【００１５】
さらに、反応ガス供給部から各橋架部を介して各電解質・電極接合体に対して反応ガスを均等に供給することができ、前記各電解質・電極接合体の発電性能の向上及び安定化を図ることが可能になる。
【００１６】
さらにまた、挟持部及び橋架部は、電解質・電極接合体の数に対応して４つに設定されることが好ましい。反応ガス供給部から各橋架部及び各挟持部を介して各電解質・電極接合体に反応ガスを均等に供給することができ、前記各電解質・電極接合体の発電性能の向上及び安定化を図ることが可能になる。
【００１７】
また、挟持部には、燃料ガスを燃料ガス通路に供給する燃料ガス供給孔と、前記燃料ガス通路を通って使用された前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出通路と、アノード電極に接触するとともに、前記燃料ガスが前記燃料ガス供給孔から前記燃料ガス排出通路に直線状に流れることを阻止する迂回路形成用壁部とが設けられることが好ましい。
【００１８】
従って、燃料ガス供給孔から燃料ガス通路に供給される燃料ガスは、迂回路形成用壁部に阻止されて前記燃料ガス供給孔から燃料ガス排出通路に直線状に流れることがない。このため、燃料ガスは、燃料ガス通路内を迂回しながら流れるため、前記燃料ガスがアノード電極の電極面に沿って流れる時間が長くなり、前記燃料ガスを発電反応に有効に利用することができ、燃料利用率を良好に向上させることが可能になる。
【００１９】
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。これにより、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、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できる。
【００２０】
さらにまた、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。従って、複数の突起部により良好な集電効果が得られる。
【００２１】
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影響を良好に回避することができ、燃料電池の小型化が容易に図られる。
【００２２】
さらに、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。
【００２３】
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又は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反応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、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記反応ガス供給通路に供給するための反応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。
【００２４】
そして、反応ガス供給部は、セパレータの中央部に設けられ、前記挟持部及び前記電解質・電極接合体は、円板形状を有するとともに、前記反応ガス供給部を中心に４つの電解質・電極接合体が互いに接するようにして同心円上に等角度に配列されている。
【００２５】
さらにまた、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。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、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。
【００２６】
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影響を良好に回避することができ、燃料電池の小型化が容易に図られる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、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ているため、燃料電池や燃料電池スタックに供給される反応ガスは、発電による発生熱を介して良好に加熱可能になる。従って、燃料電池や燃料電池スタックは、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や燃料電池スタックの動作温度を維持することをいう。
【００２８】
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できる。
【００２９】
具体的には、４つの電解質・電極接合体の外接円面積に占める前記電解質・電極接合体の専有面積は、例えば、３つ以下の電解質・電極接合体の外接円面積に占める前記電解質・電極接合体の専有面積よりも大きくなる。これにより、電解質・電極接合体の非専有率を最小化することができ、セパレータの面内での空間効率の向上が図られる。
【００３０】
一方、発電出力当たりのスタック体積は、例えば、５つ以上の電解質・電極接合体が配列される燃料電池スタックのスタック体積よりも小さくなる。従って、同一の発電出力を得るために必要な燃料電池が積層された燃料電池スタックでは、スタック体積が小さくなり、前記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。
【００３１】
しかも、発電出力当たりのスタック表面積は、例えば、５つ以上の電解質・電極接合体が配列される燃料電池スタックのスタック表面積よりも小さくなる。このため、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
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、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【００３３】
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（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。
【００３４】
燃料電池１０は、各セパレータ２８間に４個の電解質・電極接合体２６が、このセパレータ２８の中心部である燃料ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）３０を中心に同心円上に配列される。
【００３５】
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を形成する燃料ガス供給部（反応ガス供給部）３２を有する。この燃料ガス供給部３２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３４を介して比較的大径な挟持部３６が一体的に設けられる。燃料ガス供給部３２と各挟持部３６との中心間距離は、同一距離に設定される。
【００３６】
各挟持部３６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。挟持部３６には、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔３８が、例えば、前記挟持部３６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。
【００３７】
各挟持部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の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路４０が形成される。面３６ａには、燃料ガス通路４０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４２と、アノード電極２４に接触するとともに、前記燃料ガスが燃料ガス供給孔３８から前記燃料ガス排出通路４２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４４とが設けられる。
【００３８】
円弧状壁部４４は、略馬蹄形状を有し、その先端側内部に燃料ガス供給孔３８が配置される一方、その基端部側（第１橋架部３４側）に燃料ガス排出通路４２が設けられる。面３６ａには、燃料ガス通路４０側に突出してアノード電極２４の外周縁部に接触する外縁周回用凸部４６と、前記アノード電極２４に接触する複数の突起部４８とが設けられる。
【００３９】
凸部４６は、燃料ガス排出通路４２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４８は、面３６ａ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。
【００４０】
図５及び図６に示すように、各挟持部３６のカソード電極２２に接触する面３６ｂは、略平坦面に形成されており、この面３６ｂには、円板状のプレート５０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５０には、プレス等により複数の突起部５２が設けられる。挟持部３６の面３６ｂ側には、突起部５２によりカソード電極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５４が形成されるとともに、前記突起部５２は、集電部を構成する。
【００４１】
図３に示すように、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６０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３０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には、補強用のボス部６３が所定数だけ設けられる。
【００４２】
燃料ガス供給部６２から放射状に４本の第２橋架部６４が延在するとともに、各第２橋架部６４は、セパレータ２８の第１橋架部３４から挟持部３６の面３６ｂに燃料ガス供給孔３８を覆って固着される（図６参照）。
【００４３】
燃料ガス供給部６２から第２橋架部６４には、燃料ガス供給連通孔３０から燃料ガス供給孔３８に連通する燃料ガス供給通路（反応ガス供給通路）６６が形成される。燃料ガス供給通路６６は、例えば、エッチング又は、プレスにより形成される。
【００４４】
図６に示すように、酸化剤ガス通路５４は、電解質・電極接合体２６の内側周端部と挟持部３６の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）６８に連通する。この酸化剤ガス供給連通孔６８は、各挟持部３６の内方と第１橋架部３４との間に位置して積層方向（矢印Ａ方向）に延在している。
【００４５】
各セパレータ２８間には、燃料ガス供給連通孔３０をシールするための絶縁シール７０が設けられる。絶縁シール７０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。絶縁シール７０は、燃料ガス供給連通孔３０を電解質・電極接合体２６に対してシールする機能を有する。燃料電池１０には、挟持部３６の外方に位置して排ガス通路７２が形成される。
【００４６】
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１０の積層方向一端に、略円板状の第１エンドプレート７４ａが配置されるとともに、積層方向他端に、隔壁７５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７４ｂと、大径且つ略リング状の固定リング７４ｃとが配置される。隔壁７５は、排ガスが燃料電池１０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７４ｂ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。
【００４７】
第１エンドプレート７４ａ及び固定リング７４ｃは、複数の孔部７６を有する。孔部７６及びボルト挿入用カラー部材７７に挿入されるボルト７８及び前記ボルト７８に螺合するナット８０を介し、第１エンドプレート７４ａと固定リング７４ｃとが締め付け固定される。
【００４８】
第１エンドプレート７４ａには、燃料ガス供給連通孔３０に連通する単一の燃料ガス供給パイプ８２と、各酸化剤ガス供給連通孔６８に連通するキャビティ８３ａを設けるケーシング８３と、前記ケーシング８３に接続されて前記キャビティ８３ａに連通する単一の酸化剤ガス供給パイプ８４とが設けられる。
【００４９】
第１エンドプレート７４ａには、複数のボルト７８、ナット８８ａ、８８ｂ及び板状カラー部材９０を介して支持プレート９２が固定される。支持プレート９２と第１エンドプレート７４ａとの間には、燃料ガス供給部３２、６２に締め付け荷重を付与する第１荷重付与部９４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９８とが設けられ、これらにより荷重付与機構が構成される。
【００５０】
第１荷重付与部９４は、燃料ガス供給連通孔３０から燃料ガスが漏れることを阻止するために燃料電池１０の中央部（燃料ガス供給部３２、６２の中央部）に配置される押圧部材１００を備え、この押圧部材１００は、４つの第２エンドプレート７４ｂの配列中心近傍に位置して前記燃料電池１０に隔壁７５を介して押圧する。押圧部材１００には、第１受け部材１０２ａ及び第２受け部材１０２ｂを介して第１スプリング１０４が配置される。第２受け部材１０２ｂには、第１押圧ボルト１０６の先端が当接する。第１押圧ボルト１０６は、支持プレート９２に形成された第１ねじ孔１０８に螺合するとともに、第１ナット１１０を介して位置調整可能に固定される。
【００５１】
第２荷重付与部９８は、第２エンドプレート７４ｂ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１１２ａを備える。第３受け部材１１２ａは、ピン１１４を介して第２エンドプレート７４ｂに位置決め支持される。第３受け部材１１２ａに第２スプリング１１６の一端が当接する一方、前記第２スプリング１１６の他端が第４受け部材１１２ｂに当接する。第４受け部材１１２ｂには、第２押圧ボルト１１８の先端が当接する。第２押圧ボルト１１８は、支持プレート９２に形成された第２ねじ孔１２０に螺合するとともに、第２ナット１２２を介して位置調整可能に固定される。
【００５２】
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。
【００５３】
図１に示すように、第１エンドプレート７４ａに接続されている燃料ガス供給パイプ８２から燃料ガス供給連通孔３０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８４からキャビティ８３ａを介して各酸化剤ガス供給連通孔６８には、酸素含有ガスである空気が供給される。
【００５４】
図６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３０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６６に沿ってセパレータ２８の面方向に移動する。
【００５５】
燃料ガスは、燃料ガス供給通路６６から挟持部３６に形成された燃料ガス供給孔３８を通って燃料ガス通路４０に導入される。燃料ガス供給孔３８は、各電解質・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３８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４０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。
【００５６】
一方、酸化剤ガス供給連通孔６８に供給された空気は、電解質・電極接合体２６の内側周端部と挟持部３６の内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５４に送られる。酸化剤ガス通路５４では、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の内側周端部（セパレータ２８の中央部）側から外側周端部（セパレータ２８の外側周端部側）に向かって空気が流動する。
【００５７】
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の電極面の一方向（矢印Ｂ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。
【００５８】
なお、各電解質・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７２を介して燃料電池スタック１２から排出される（図１参照）。
【００５９】
この場合、第１の実施形態では、燃料ガス供給部３２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１０（燃料電池スタック１２）に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスは、発電による発生熱及び燃料ガス排出通路４２から酸化剤ガス供給連通孔６８に排出される残存燃料ガスと、前記酸化剤ガス供給連通孔６８を流れる酸化剤ガスとの反応による発生熱により、良好に加熱されている。従って、燃料電池１０（燃料電池スタック１２）は、熱効率の向上と熱自立の促進とを図ることができる。
【００６０】
しかも、セパレータ２８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。ここで、図７に示すように、４つの電解質・電極接合体２６を互いに接するようにして配置した際、前記電解質・電極接合体２６の外接円１３０の直径をＤとし、所望の発電出力を得るために所定の段数だけ積層したスタック１３２の積層方向の寸法をＬとする。
【００６１】
同様に、図８に示すように、同一面内に２つの電解質・電極接合体２６を互いに接して配置し、所定の発電出力に対応する段数だけ積層されたスタック１３２ａと、図９に示すように、同一面内に６つの電解質・電極接合体２６を互いに接して配置し、所定の発電出力に対応する段数だけ積層されたスタック１３２ｂと、図１０に示すように、同一面内に８つの電解質・電極接合体２６を互いに接して配置し、所定の発電出力に対応する段数だけ積層されたスタック１３２ｃとが用意される。
【００６２】
そこで、スタック１３２、１３２ａ〜１３２ｃにおいて、それぞれの外接円１３０内で電解質・電極接合体２６の外接円面積に占める占有面積（占有率）は、図１１に示されている。これにより、４つの電解質・電極接合体２６を用いた場合に、３つ以下の電解質・電極接合体２６を配列した構成に比べ、前記電解質・電極接合体２６の占有面積を大きくすることができる。このため、本願の燃料電池１０は、電解質・電極接合体２６の非占有率を最小化することができ、セパレータ２８の面内での空間効率の向上が図られる。
【００６３】
次に、同一の発電出力を実現するために必要な燃料電池を積層したスタック１３２、１３２ａ〜１３２ｃにおいて、それぞれのスタック体積（πＤ2×Ｌ／４）が、図１２に示されている。これにより、４つの電解質・電極接合体２６が配列されたスタック１３２では、他のスタック１３２ａ〜１３２ｃよりもスタック体積が小さく設定される。従って、本願の燃料電池スタック１２は、スタック体積を最小に設定することができ、コンパクト化が容易に図られるという効果がある。
【００６４】
さらに、スタック１３２、１３２ａ〜１３２ｃのスタック表面積（πＤ2／２＋πＤ×Ｌ）が、図１３に示されている。このため、スタック１３２は、スタック１３２ａ〜１３２ｃに比べてスタック表面積が小さくなる。これにより、本願の燃料電池スタック１２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。
【００６５】
このように、第１の実施形態では、セパレータ２８の面内に、４つの電解質・電極接合体２６を同心円状に配列することにより、同一面内に前記電解質・電極接合体２６を３つ以下、あるいは、５つ以上配列する構造に比べて最適な空間効率を得ることができるという効果が得られる。
【００６６】
また、第１の実施形態では、図３に示すように、セパレータ２８を構成する挟持部３６の面３６ａには、燃料ガス供給孔３８と燃料ガス排出通路４２とを結ぶ経路上に、円弧状壁部４４が設けられており、この円弧状壁部４４は、電解質・電極接合体２６のアノード電極２４に接触している。
【００６７】
従って、燃料ガス供給孔３８から燃料ガス通路４０に供給される燃料ガスは、円弧状壁部４４に阻止されて前記燃料ガス供給孔３８から燃料ガス排出通路４２に直線状に流れることがない。このため、燃料ガスは、燃料ガス通路４０内を迂回しながら流れるため、前記燃料ガスがアノード電極２４に沿って流れる流路長が長尺化し、すなわち、流れる時間が長くなり、前記燃料ガスを発電反応に有効に利用することが可能となる。これにより、燃料利用率が有効に良好する。
【００６８】
ここで、挟持部３６の面３６ａには、アノード電極２４の外周縁部に接触する凸部４６が設けられている。このため、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進入することによる酸化を阻止することが可能になる。これにより、アノード電極２４は、酸化による発電効率の低下を防止するとともに、セパレータ２８や電解質・電極接合体２６の耐久性を向上させることができるという利点がある。
【００６９】
さらに、挟持部３６には、燃料ガス通路４０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。従って、複数の突起部４８により良好な集電効果を得ることができる。
【００７０】
さらにまた、燃料ガス通路４０に供給された使用済みの燃料ガスは、燃料ガス排出通路４２から酸化剤ガス供給連通孔６８に排出される。このため、酸化剤ガス供給連通孔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。これにより、予め加熱された酸化剤ガスを酸化剤ガス通路５４に供給することができ、熱効率が向上するという効果がある。
【００７１】
また、挟持部３６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可能になる。
【００７２】
しかも、各挟持部３６は、互いに分離しており、電解質・電極接合体２６やセパレータ２８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２８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。その上、各電解質・電極接合体２６の熱歪み等が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、個別の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１０全体の小型化が容易に図られる。
【００７３】
さらに、第１橋架部３４は、燃料ガス供給部３２から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に構成されている。このため、燃料ガス供給部３２から第１橋架部３４を介して各電解質・電極接合体２６に対して燃料ガスを均等に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を図ることが可能になる。
【００７４】
さらに、燃料電池スタック１２では、第１荷重付与部９４を介して、燃料ガス供給部３２、６２に付与される締め付け荷重が第２荷重付与部９８を介して、電解質・電極接合体２６に付与される締め付け荷重よりも大きく設定可能である。
【００７５】
これにより、燃料ガス供給部３２、６２は、比較的大きな締め付け荷重が付与されてシール性が良好に維持される一方、電解質・電極接合体２６には、比較的小さな締め付け荷重が付与されて損傷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。
【００７６】
図１４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１４０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１４０は、セパレータ２８を備えるとともに、このセパレータ２８を構成する各挟持部３６の面３６ｂには、プレート５０に代えてメッシュ部材（金属メッシュ等の導電性織布）１４２が配設される（図１４及び図１５参照）。このメッシュ部材１４２内には、酸化剤ガス通路５４が形成されるとともに、通路部材６０の第２橋架部６４に対応して切り欠き部１４２ａが形成される。
【００７８】
このように構成される第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。なお、第２の実施形態では、メッシュ部材１４２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）、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。
【００７９】
図１６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１５０の分解斜視図であり、図１７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。
【００８０】
燃料電池１５０は、セパレータ１５２を備えるとともに、前記セパレータ１５２は、燃料ガス供給部３２、４本の第１橋架部３４及び各第１橋架部３４に設けられる挟持部１５４を一体に有する。
【００８１】
各挟持部１５４のアノード電極２４に接触する面１５４ａ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ための燃料ガス通路４０ａが形成される。面１５４ａには、第１の実施形態の円弧状壁部４４及び凸部４６が設けられていない。
【００８２】
各挟持部１５４の面１５４ａとは反対の面１５４ｂには、プレート５０を介して酸化剤ガス通路５４が形成される。なお、プレート５０に代えて、メッシュ部材１４２や図示しない導電性フェルト部材等を用いてもよい。
【００８３】
このように構成される第３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、燃料電池１５０に設けられる燃料ガス供給通路６６に沿ってセパレータ１５２の面方向に移動する。
【００８４】
燃料ガスは、燃料ガス供給通路６６から挟持部１５４に形成された燃料ガス供給孔３８を通って、燃料ガス通路４０ａに導入される。このため、燃料ガスは、燃料ガス供給孔３８からアノード電極２４の略中心に供給され、燃料ガス通路４０に沿って該アノード電極２４の外周側に向かって移動する（図１７参照）。
【００８５】
一方、酸化剤ガス供給連通孔６８に供給された空気は、酸化剤ガス通路５４に送られ、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の内側周端部側から外側周端部に向かって流動する（図１７参照）。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供給される燃料ガスと、カソード電極２２の電極面の一方向に向かって供給される空気との化学反応により、発電が行われる。
【００８６】
このように構成される第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。
【００８７】
図１９は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１６０の分解斜視図であり、図２０は、前記燃料電池１６０のガス流れ状態を示す一部分解斜視説明図である。
【００８８】
燃料電池１６０は、セパレータ１６２を備える。このセパレータ１６２は、中央部に酸化剤ガス供給連通孔６８を形成する酸化剤ガス供給部（反応ガス供給部）１６４を有する。酸化剤ガス供給部１６４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１６６を介して挟持部１６８が一体的に設けられる。
【００８９】
挟持部１６８には、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給孔１７０が、例えば、前記挟持部１６８の中心又は中心に対して燃料ガスの流れ方向上流側に偏心した位置に設定される。
【００９０】
各挟持部１６８のカソード電極２２に接触する面１６８ｂには、複数の突起部１７２を介して酸化剤ガス通路５４が形成される。各挟持部１６８のアノード電極２４に接触する面１６８ａには、燃料ガス通路４０が形成される。第１橋架部１６６と通路部材６０の第２橋架部６４との間には、酸化剤ガス供給連通孔６８から酸化剤ガス供給孔１７０に連通する酸化剤ガス供給通路１７４が形成される。
【００９１】
このように構成される第４の実施形態では、燃料電池１６０の中央部に設けられている酸化剤ガス供給連通孔６８に供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給通路１７４を介してセパレータ１６２の面方向に移動した後、各挟持部１６８の中央又は中央近傍に形成される酸化剤ガス供給孔１７０からカソード電極２２の中央部に供給され、このカソード電極２２の外周に向かって移動する。
【００９２】
一方、燃料ガス供給連通孔３０に供給された燃料ガスは、図２１に示すように、電解質・電極接合体２６の内側周端部と挟持部１６８の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に流入し、燃料ガス通路４０に送られる。燃料ガス通路４０では、電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の内側周端部側から外側周端部に向かって燃料ガスが流動する。従って、電解質・電極接合体２６では、アノード電極２４の電極面の一方向（矢印Ｂ方向）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（図２０参照）。
【００９３】
このように構成される第４の実施形態では、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【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、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】前記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】前記燃料電池を構成するセパレータの平面説明図である。
【図６】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７】４枚の電解質・電極接合体が互いに摺接して所定段数積層されたスタックの斜視説明図である。
【図８】２つの電解質・電極接合体が互いに摺接して所定段数積層されたスタックの斜視説明図である。
【図９】６つの電解質・電極接合体が互いに摺接して所定段数積層されたスタックの斜視説明図である。
【図１０】８つの電解質・電極接合体が互いに摺接して所定段数積層されたスタックの斜視説明図である。
【図１１】電解質・電極接合体の外接円面積に対する占有率の説明図である。
【図１２】各スタックのスタック体積の説明図である。
【図１３】各スタックのスタック表面積の説明図である。
【図１４】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３の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。
【図１７】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１８】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１９】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２０】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２１】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２２】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】
【００９５】
１０、１４０、１５０、１６０…燃料電池        １２…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、１５２、１６２…セパレータ              ３０…燃料ガス供給連通孔
３２、６２…燃料ガス供給部                    ３４、６４、１６６…橋架部
３６、１５４、１６８…挟持部                  ３８…燃料ガス供給孔
４０…燃料ガス通路                            ４２…燃料ガス排出通路
４４…円弧状壁部                              ４６…凸部
４８、５２、１７２…突起部                    ５０…プレート
５４…酸化剤ガス通路                          ６０…通路部材
６６…燃料ガス供給通路                        ６８…酸化剤ガス供給連通孔
９４、９８…荷重付与部                        １４２…メッシュ部材
１６４…酸化剤ガス供給部                      １７０…酸化剤ガス供給孔
１７４…酸化剤ガス供給通路
【図１】
0005220379.tif 000002
【図２】
0005220379.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
0005220379.tif 000006
【図６】
0005220379.tif 000007
【図７】
0005220379.tif 000008
【図８】
0005220379.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0005220379.tif 000011
【図１１】
0005220379.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
0005220379.tif 000016
【図１６】
0005220379.tif 000017
【図１７】
0005220379.tif 000018
【図１８】
0005220379.tif 000019
【図１９】
0005220379.tif 000020
【図２０】
0005220379.tif 000021
【図２１】
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【図２２】
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