(57)【要約】【課題】簡単な構成で、集電性及びガスシール性を高めることができ、発電性能及び耐久性の向上を図ることを可能にする。【解決手段】燃料電池１０は、電解質・電極接合体２６をセパレータ３０で挟持する。電解質・電極接合体２６は、電解質２０の外周部がアノード電極２４の外周面からアノード電極面側の周縁部を被覆する周縁被覆部２０ａを構成する。燃料電池１０は、セパレータ３０と周縁被覆部２０ａとに密着し、前記セパレータ３０と電解質・電極接合体２６のアノード電極２４側との間に形成される空間７８ａを封止する封止部８０ａを備えている。【選択図】図４
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【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、
前記電解質・電極接合体は、前記電解質の外周部が前記アノード電極の外周面からアノード電極面側の周縁部を被覆する周縁被覆部を構成するとともに、
前記燃料電池は、前記セパレータと前記周縁被覆部とに密着し、前記セパレータと前記電解質・電極接合体の前記アノード電極側との間に形成される空間を封止する封止部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、前記封止部は、前記セパレータに密着する第１密着部と、
前記周縁被覆部に密着する第２密着部と、
を有するとともに、
前記第１密着部は、前記封止部の一方の面に設けられ、且つ前記第２密着部は、前記封止部の前記一方の面とは表裏をなす他方の面に設けら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、前記封止部は、フレーム状の金属板であ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、前記第１密着部の密着強度は、前記第２密着部の密着強度よりも大きく設定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６】
請求項５記載の燃料電池において、前記固体酸化物形燃料電池は、平板積層型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。
【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、反応ガスとしてそれぞれ燃料ガス（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】
この種の燃料電池では、良好な集電性を維持して発電性能を向上させるとともに、反応ガスのガスシール性を高めるため、セパレータと電解質・電極接合体との密着性を確保する必要がある。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体酸化物形燃料電池スタックが知られている。この固体酸化物形燃料電池スタックは、図１４に示すように、セル１を備えるとともに、前記セル１は、空気極２、電解質３及び燃料極４からなっている。酸化物からなる電解質３は、空気極２と燃料極４とで挟持されて平板型の構造を有しており、前記電解質３の外周部３ａには、セルフレーム５が平面的に接合されている。
【０００６】
セルフレーム５は、外周部に延在させて設けられた曲げ構造５ａによって接合部が覆われた状態の封止構造とされている。曲げ構造５ａは、セル１と接合した際に、前記セル１の外周に沿って電解質３から燃料極４の側部まで立ち下がった後、前記燃料極４の側部の位置から外側にＬ字状に折れ曲がるクランク形状からなる折れ目構造に成形されている。
【０００７】
このシール構造は、セル１を構成する電解質３の外周部３ａに平面状に接するセルフレーム５を配置し、且つ、前記電解質３と前記セルフレーム５の該電解質３に接する部分とを接合してガスシール性を確保している。さらに、セルフレーム５の電解質３面と当接する部分の外周部には、セル１の外周に沿って延在させて設けた曲げ構造５ａにより、接合部への余計な応力が加わることを抑止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−２１０３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、上記の特許文献１では、セル１に積層方向に荷重が付与される際（図１４中、矢印参照）、このセル１に印加される荷重により、電解質３の外周部３ａからセルフレーム５を剥がす方向に力が作用している。従って、セルフレーム５が、電解質３の外周部３ａから剥がれてしまい、所望のガスシール性及び集電性を確保することができ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、簡単な構成で、集電性及びガスシール性を高めることができ、発電性能及び耐久性の向上を図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】
【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、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。
【００１２】
この燃料電池では、電解質・電極接合体は、電解質の外周部がアノード電極の外周面からアノード電極面側の周縁部を被覆する周縁被覆部を構成するとともに、前記燃料電池は、セパレータと前記周縁被覆部とに密着し、前記セパレータと前記電解質・電極接合体の前記アノード電極側との間に形成される空間を封止する封止部を備えている。
【００１３】
また、この燃料電池では、封止部は、セパレータに密着する第１密着部と、周縁被覆部に密着する第２密着部とを有するとともに、前記第１密着部は、前記封止部の一方の面に設けられ、且つ前記第２密着部は、前記封止部の前記一方の面とは表裏をなす他方の面に設けられることが好ましい。
【００１４】
このため、セパレータと電解質・電極接合体との密着性を高めるために積層方向に付与される荷重により、封止部と前記電解質・電極接合体との密着性を高めるための荷重を印加することができる。従って、電解質・電極接合体とシール部とに個別の荷重付与機構を設ける必要がなく、燃料電池全体の構成が容易に簡素化するとともに、経済的である。
【００１５】
さらに、この燃料電池では、封止部は、フレーム状の金属板であることが好ましい。これにより、封止部自体の弾性力を介して、前記封止部と電解質・電極接合体との密着性を高めるための荷重を増加させることができ、シール性の向上が一層確実に遂行可能になる。
【００１６】
さらにまた、この燃料電池では、第１密着部の密着強度は、第２密着部の密着強度よりも大きく設定されることが好ましい。第１密着部は、封止部とセパレータとを密着させる部位であり、強固に密着させる必要があるからである。一方、第２密着部は、封止部と周縁被覆部とを密着させる部位であり、少なくとも互いに接していればよいからである。
【００１７】
また、この燃料電池は、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挟持部や電解質・電極接合体の熱歪等を良好に抑制することが可能になる。
【００１８】
さらに、この燃料電池は、平板積層型固体酸化物形燃料電池であることが好ましい。このため、特に、平板型ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）のような高温型燃料電池に好適に適用することが可能になる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、セパレータと電解質・電極接合体との密着性を高めるために積層方向に付与される荷重の方向と、封止部と前記電解質・電極接合体との密着性を高めるために作用する荷重の方向とは、同一方向になる。従って、集電性及びガスシール性を確保することができ、簡単な構成で、集電性による発電性能の向上と、ガスシール性による耐久性の向上とを図ることが可能になる。
【００２０】
しかも、空間内に発生する燃料ガスの圧力は、封止部と電解質・電極接合体との密着性を高めるための荷重の方向に作用する。これにより、ガスシール性が一層確実に確保される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【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説明図である。
【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である。
【図４】前記燃料電池の、図２中、ＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【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】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７】前記燃料電池の、図６中、ＶＩＩ−ＶＩＩ線断面説明図である。
【図８】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の要部断面説明図である。
【図９】本発明の第４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説明図である。
【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である。
【図１２】前記燃料電池の概略断面説明図である。
【図１３】前記セパレータを構成する第２プレートの平面説明図である。
【図１４】特許文献１に開示されている燃料電池スタックの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、固体酸化物形燃料電池であり、矢印Ａ方向に複数積層されて燃料電池スタック１２を構成する。この燃料電池スタック１２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１０は、後述するように、平板積層型固体酸化物形燃料電池である。
【００２３】
図２〜図４に示すように、燃料電池１０は、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、図４に示すように、アノード電極２４は、カソード電極２２よりも肉厚に形成され、電解質２０の外周部は、前記アノード電極２４の外周面からアノード電極面側の周縁部を被覆して周縁被覆部２０ａを構成する。
【００２４】
電解質・電極接合体２６には、カソード電極２２に接して円板状カソード集電体２２ａと、アノード電極２４に接して円板状アノード集電体２４ａが配設される。カソード集電体２２ａ及びアノード集電体２４ａは、例えば、発泡金属により構成されるとともに、前記アノード集電体２４ａは、前記カソード集電体２２ａよりも小径に形成される。アノード集電体２４ａは、電解質２０の周縁被覆部２０ａの開口径に対応する径寸法以下に設定される（図４参照）。
【００２５】
燃料電池１０は、一組のセパレータ３０間に２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３０は、２個の電解質・電極接合体２６を挟持する挟持部３２Ａ、３２Ｂと、それぞれの一端が前記挟持部３２Ａ、３２Ｂに連結される幅狭な橋架部３４Ａ、３４Ｂと、前記橋架部３４Ａ、３４Ｂの他端が一体に連結される反応ガス供給部３６とを備える。
【００２６】
挟持部３２Ａ、３２Ｂと電解質・電極接合体２６との間には、カソード集電体２２ａを介装して酸化剤ガス通路３７が形成されるとともに、アノード集電体２４ａを介装して燃料ガス通路３８が形成される。
【００２７】
セパレータ３０は、例えば、２枚のプレートである第１プレート４０及び第２プレート４２を備え、前記第１プレート４０及び前記第２プレート４２は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成され、ろう付け、拡散接合やレーザ溶接等により互いに接合される。なお、セパレータ３０は、３枚以上のプレートを接合して構成してもよい。
【００２８】
図２及び図５に示すように、第１プレート４０は、反応ガス供給部３６を構成する長円形状の第１反応ガス供給部材４４を備える。この第１反応ガス供給部材４４には、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４６、燃料ガス通路３８を流通した前記燃料ガスを導出するための燃料ガス導出連通孔４８、及び酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔５０が形成される。
【００２９】
反応ガス供給部３６は、燃料ガス供給連通孔４６と酸化剤ガス供給連通孔５０との間に、燃料ガス導出連通孔４８が設けられるとともに、前記燃料ガス供給連通孔４６、前記燃料ガス導出連通孔４８及び前記酸化剤ガス供給連通孔５０は、挟持部３２Ａ、３２Ｂの中央と橋架部３４Ａ、３４Ｂとを結ぶ仮想直線Ｌ１（図２中、矢印Ｂ方向）に交差する方向（例えば、直交する方向）に延在する仮想直線Ｌ２（矢印Ｃ方向）に沿って配列される（図２参照）。
【００３０】
図５に示すように、第１反応ガス供給部材４４の両長辺には、幅狭な第１橋架部材５２ａ、５２ｂを介して比較的大径な第１挟持部材５４ａ、５４ｂが一体に設けられる。第１橋架部材５２ａ、５２ｂの電極面に沿う短尺側の幅寸法（図中、寸法ｔ）の内方には、燃料ガス導出連通孔４８が設けられるとともに、前記第１橋架部材５２ａ、５２ｂの前記幅寸法の外方には、燃料ガス供給連通孔４６及び酸化剤ガス供給連通孔５０が設けられる。
【００３１】
燃料ガス供給連通孔４６には、一対の燃料ガス供給通路５６ａ、５６ｂの一端が連通する。燃料ガス供給通路５６ａ、５６ｂの他端は、第１橋架部材５２ａ、５２ｂの長手方向（矢印Ｂ方向）に沿って第１挟持部材５４ａ、５４ｂ内に延在し、前記第１挟持部材５４ａ、５４ｂの中心で終端する。
【００３２】
燃料ガス導出連通孔４８には、一対の燃料ガス戻し通路５８ａ、５８ｂの一端が連通する。燃料ガス戻し通路５８ａ、５８ｂの他端は、第１橋架部材５２ａ、５２ｂの長手方向（矢印Ｂ方向）に沿って第１挟持部材５４ａ、５４ｂの外周縁部まで延在する。
【００３３】
酸化剤ガス供給連通孔５０には、一対の酸化剤ガス供給通路６０ａ、６０ｂの一端が連通する。酸化剤ガス供給通路６０ａ、６０ｂの他端は、第１橋架部材５２ａ、５２ｂの長手方向（矢印Ｂ方向）に沿って第１挟持部材５４ａ、５４ｂ内に延在する。
【００３４】
第１橋架部材５２ａ、５２ｂは、燃料ガス供給通路５６ａ、５６ｂと酸化剤ガス供給通路６０ａ、６０ｂとの間に、燃料ガス戻し通路５８ａ、５８ｂが設けられる。
【００３５】
第１挟持部材５４ａ、５４ｂは、電解質・電極接合体２６の直径よりも大径の円板形状に設定される。第１挟持部材５４ａ、５４ｂには、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給孔６２ａ、６２ｂが、例えば、前記第１挟持部材５４ａ、５４ｂの中心に対して偏心した位置に、少なくとも１つずつ形成される。酸化剤ガス供給孔６２ａ、６２ｂは、酸化剤ガス供給通路６０ａ、６０ｂの他端に連通し、この酸化剤ガス供給通路６０ａ、６０ｂを介して、酸化剤ガス供給連通孔５０に連通する。
【００３６】
図２に示すように、第２プレート４２は、反応ガス供給部３６を構成する長円形状の第２反応ガス供給部材６４を備える。第２反応ガス供給部材６４には、燃料ガス供給連通孔４６、燃料ガス導出連通孔４８及び酸化剤ガス供給連通孔５０が形成される。第２反応ガス供給部材６４の両長辺には、幅狭な第２橋架部材６６ａ、６６ｂを介して比較的大径な第２挟持部材６８ａ、６８ｂが一体に設けられる。
【００３７】
第２挟持部材６８ａ、６８ｂには、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔７０ａ、７０ｂが、例えば、前記第２挟持部材６８ａ、６８ｂの中心に、少なくとも１つずつ形成される。燃料ガス供給孔７０ａ、７０ｂは、燃料ガス供給通路５６ａ、５６ｂの他端に連通し、この燃料ガス供給通路５６ａ、５６ｂを介して、燃料ガス供給連通孔４６に連通する。
【００３８】
第２挟持部材６８ａ、６８ｂには、電解質・電極接合体２６の外周外方を周回して燃料ガス戻し溝７２ａ、７２ｂが設けられる。この燃料ガス戻し溝７２ａ、７２ｂには、燃料ガス通路３８と燃料ガス戻し通路５８ａ、５８ｂとを連通させる燃料ガス戻し孔７４ａ、７４ｂが、それぞれ少なくとも１つ以上連通する。第２挟持部材６８ａ、６８ｂの外周部には、アノード集電体２４ａ側に突出する周回凸部７６ａ、７６ｂが形成される。
【００３９】
図２及び図４に示すように、挟持部３２Ａ、３２Ｂには、前記挟持部３２Ａ、３２Ｂと電解質・電極接合体２６のアノード電極２４側との間に形成される空間７８ａ、７８ｂを封止する封止部材（封止部）８０ａ、８０ｂが設けられる。封止部材８０ａ、８０ｂは、フレーム状、例えば、略リング形状を有する金属板で形成される。
【００４０】
封止部材８０ａ、８０ｂは、セパレータ３０を構成する第２挟持部材６８ａ、６８ｂに密着する第１密着部８２ａ、８２ｂと、各電解質・電極接合体２６の周縁被覆部２０ａに密着する第２密着部８４ａ、８４ｂとを有する。第１密着部８２ａ、８２ｂは、封止部材８０ａ、８０ｂの一方の面に設けられ、且つ第２密着部８４ａ、８４ｂは、前記封止部材８０ａ、８０ｂの前記一方の面とは表裏をなす他方の面に設けられる。
【００４１】
第１密着部８２ａ、８２ｂの密着強度は、第２密着部８４ａ、８４ｂの密着強度よりも大きく設定される。具体的には、第１密着部８２ａ、８２ｂは、第２挟持部材６８ａ、６８ｂの周回凸部７６ａ、７６ｂに対して、例えば、レーザ溶接、ろう付け（銀やニッケル等）又は拡散接合により固着される。
【００４２】
なお、封止部８０ａ、８０ｂは、先ず、第２密着部８４ａ、８４ｂの接合作業が行われた後、第１密着部８２ａ、８２ｂの接合作業（例えば、レーザ溶接）が行われる。また、以下に説明する他の封止部でも、同様に接合作業が行われる。
【００４３】
第２密着部８４ａ、８４ｂは、各電解質・電極接合体２６の周縁被覆部２０ａに対して、例えば、ガラスシールまたはろう付け（銀やニッケル等）により固着され、あるいは、単に当接により密着する。なお、第１密着部８２ａ、８２ｂの密着面積は、第２密着部８４ａ、８４ｂの密着面積よりも大きく設定されることが好ましい。
【００４４】
図１に示すように、燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池１０の積層方向一端にエンドプレート９０を配置するとともに、積層方向他端に押圧プレート９２Ａ、９２Ｂ及び９４を配置する。押圧プレート９２Ａ、９２Ｂは、挟持部３２Ａ、３２Ｂに対応して配置される一方、押圧プレート９４は、反応ガス供給部３６に対応して配置される。
【００４５】
押圧プレート９２Ａ、９２Ｂは、複数のボルト９６によりエンドプレート９０に固定されることによって、矢印Ａ方向に積層された電解質・電極接合体２６及び挟持部３２Ａ、３２Ｂに積層方向に比較的小さな締付荷重を付与する。押圧プレート９４は、複数のボルトによりエンドプレート９０に固定されることによって、矢印Ａ方向に積層された反応ガス供給部３６に積層方向に比較的大きな締付荷重を付与する。
【００４６】
なお、図示しないが、エンドプレート９０、押圧プレート９２Ａ、９２Ｂ及び９４のいずれかに、燃料ガスを供給するための配管、一旦使用された燃料ガスを導出するための配管及び酸化剤ガスを供給するための配管が配設される。
【００４７】
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。
【００４８】
図２及び図３に示すように、燃料ガス供給連通孔４６に燃料ガス（例えば、水素含有ガス）が供給されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔５０に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。燃料ガスは、燃料電池スタック１２の燃料ガス供給連通孔４６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５６ａ、５６ｂに沿ってセパレータ３０の面方向に移動する。
【００４９】
燃料ガスは、燃料ガス供給通路５６ａ、５６ｂから第２挟持部材６８ａ、６８ｂに形成された燃料ガス供給孔７０ａ、７０ｂを通って各燃料ガス通路３８に導入される。
【００５０】
燃料ガス供給孔７０ａ、７０ｂは、電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の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７０ａ、７０ｂから各アノード電極２４の中心に供給された後、燃料ガス通路３８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。
【００５１】
燃料ガス通路３８を流通した燃料ガスは、図３及び図４に示すように、電解質・電極接合体２６の外周外方を周回する燃料ガス戻し溝７２ａ、７２ｂに導入され、前記燃料ガス戻し溝７２ａ、７２ｂに案内されて燃料ガス戻し孔７４ａ、７４ｂに移動する。従って、燃料ガスは、燃料ガス戻し孔７４ａ、７４ｂを通って燃料ガス戻し通路５８ａ、５８ｂに供給され、前記燃料ガス戻し通路５８ａ、５８ｂから燃料ガス導出連通孔４８に導出される。
【００５２】
一方、空気は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス供給連通孔５０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に設けられる酸化剤ガス供給通路６０ａ、６０ｂに沿ってセパレータ３０の面方向に移動する（図２及び図３参照）。
【００５３】
空気は、酸化剤ガス供給通路６０ａ、６０ｂから第１挟持部材５４ａ、５４ｂに形成された酸化剤ガス供給孔６２ａ、６２ｂを通って各酸化剤ガス通路３７に導入される。酸化剤ガス供給孔６２ａ、６２ｂは、各電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の略中心位置に設定されている。このため、空気は、酸化剤ガス供給孔６２ａ、６２ｂから各カソード電極２２の略中心に供給された後、酸化剤ガス通路３７に沿って前記カソード電極２２の外周部に向かって移動する（図４参照）。
【００５４】
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の電極面の略中心側から周端部側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。
【００５５】
この場合、第１の実施形態では、図４に示すように、電解質２０の外周部は、アノード電極２４の外周面からアノード電極面側の周縁部を被覆して周縁被覆部２０ａを構成している。そして、燃料電池１０は、セパレータ３０と各電解質・電極接合体２６の周縁被覆部２０ａとに密着し、前記セパレータ３０と前記電解質・電極接合体２６のアノード電極２４側との間に形成される空間７８ａ、７８ｂを封止する封止部材８０ａ、８０ｂを備えている。
【００５６】
このため、セパレータ３０と電解質・電極接合体２６との密着性を高めるために積層方向に付与される荷重の方向（図４中、矢印参照）と、封止部材８０ａ、８０ｂと前記電解質・電極接合体２６との密着性を高めるために作用する荷重の方向とは、同一方向になる。従って、燃料電池１０は、集電性及びガスシール性を確保することができ、簡単な構成で、集電性による発電性能の向上と、ガスシール性による耐久性の向上とを図ることが可能になるという効果が得られる。
【００５７】
しかも、空間７８ａ、７８ｂ内に発生する燃料ガスの圧力は、封止部材８０ａ、８０ｂと電解質・電極接合体２６との密着性を高めるための荷重の方向に作用する。これにより、特にカソード電極２２側からアノード電極２４側に空気が進入することを阻止することができ、セパレータ３０や電解質・電極接合体２６の耐久性の向上を図ることが可能になるという利点がある。
【００５８】
また、第１の実施形態では、封止部材８０ａ、８０ｂは、セパレータ３０を構成する第２挟持部材６８ａ、６８ｂに密着する第１密着部８２ａ、８２と、各電解質・電極接合体２６の周縁被覆部２０ａに密着する第２密着部８４ａ、８４ｂとを有している。第１密着部８２ａ、８２ｂは、封止部材８０ａ、８０ｂの一方の面に設けられ、且つ第２密着部８４ａ、８４ｂは、前記封止部材８０ａ、８０ｂの前記一方の面とは表裏をなす他方の面に設けられている。
【００５９】
このため、セパレータ３０と電解質・電極接合体２６との密着性を高めるために積層方向に付与される荷重により、封止部材８０ａ、８０ｂと前記電解質・電極接合体２６との密着性を高めるための荷重を印加することができる。従って、電解質・電極接合体２６とガスシール部とに、個別の荷重付与機構を設ける必要がなく、燃料電池１０全体の構成が容易に簡素化するとともに、経済的であるという効果がある。
【００６０】
さらに、封止部材８０ａ、８０ｂは、フレーム状の金属板で構成されている。これにより、封止部材８０ａ、８０ｂ自体の弾性力を介して、前記封止部材８０ａ、８０ｂと電解質・電極接合体２６との密着性を高めるための荷重を増加させることができ、シール性の向上が一層確実に遂行可能になる。
【００６１】
さらにまた、封止部材８０ａ、８０ｂでは、第１密着部８２ａ、８２ｂの密着強度は、第２密着部８４ａ、８４ｂの密着強度よりも大きく設定されている。第１密着部８２ａ、８２ｂは、封止部材８０ａ、８０ｂとセパレータ３０とを密着させる部位であり、強固に密着させる必要があるからである。一方、第２密着部８４ａ、８４ｂは、封止部材８０ａ、８０ｂと周縁被覆部２０ａとを密着させる部位であり、少なくとも互いに接していればよいからである。
【００６２】
また、燃料電池１０は、高温型燃料電池である固体酸化物形燃料電池を構成することにより、特に懸念される熱応力による挟持部３２Ａ、３２Ｂや電解質・電極接合体２６の熱歪等を良好に抑制することが可能になる。
【００６３】
さらに、燃料電池１０は、平板積層型固体酸化物形燃料電池である。このため、特に、平板型ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）のような高温型燃料電池に好適に適用することが可能になる。
【００６４】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１００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以降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。
【００６５】
燃料電池１００は、一組のセパレータ１０２間に２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１０２は、例えば、２枚のプレートである第１プレート４０及び第２プレート１０４を備える。第２プレート１０４を構成する第２挟持部材６８ａ、６８ｂには、周回凸部が設けられていない。
【００６６】
燃料電池１００は、封止部材１０６ａ、１０６ｂを備える。封止部材１０６ａ、１０６ｂは、略リング形状を有し、第２挟持部材６８ａ、６８ｂに燃料ガス戻し溝７２ａ、７２ｂを周回して密着される第１密着部１０８ａ、１０８ｂと、各電解質・電極接合体２６の周縁被覆部２０ａに密着する第２密着部１１０ａ、１１０ｂとを有する。
【００６７】
図６及び図７に示すように、第１密着部１０８ａ、１０８ｂと第２密着部１１０ａ、１１０ｂとは、封止部材１０６ａ、１０６ｂの一方の面と他方の面とに設けられるとともに、前記第１密着部１０８ａ、１０８ｂの密着面積は、前記第２密着部１１０ａ、１１０ｂの密着面積よりも大きく設定される。封止部材１０６ａ、１０６ｂは、第１密着部１０８ａ、１０８ｂと第２密着部１１０ａ、１１０ｂとの間に傾斜部１１２ａ、１１２ｂを設ける。
【００６８】
このように構成される第２の実施形態では、第２密着部１１０ａ、１１０ｂに傾斜部１１２ａ、１１２を設けることにより、第２プレート１０４を構成する第２挟持部材６８ａ、６８ｂには、周回凸部を設ける必要がなく、前記第２プレート１０４の構成が簡素化されるという効果が得られる。さらに、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。
【００６９】
図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１２０の要部断面説明図である。
【００７０】
燃料電池１２０は、第２の実施形態に係る燃料電池１１０の封止部材１０６ａ、１０６ｂに代えて、封止部材１２２ａ、１２２ｂを備える。封止部材１２２ａ、１２２ｂは、略リング形状を有し、第２挟持部材６８ａ、６８ｂに燃料ガス戻し溝７２ａ、７２ｂを周回して密着される第１密着部１２４ａ、１２４ｂと、各電解質・電極接合体２６の周縁被覆部２０ａに密着する第２密着部１２６ａ、１２６ｂとを、それぞれ一方の面と他方の面とに有する。封止部材１２２ａ、１２２ｂは、第１密着部１２４ａ、１２４ｂと第２密着部１２６ａ、１２６ｂとの間に屈曲部１２８ａ、１２８ｂを設ける。
【００７１】
このように構成される第３の実施形態では、上記の第２の実施形態と同様の効果が得られる。なお、第１〜第３の実施形態では、２個の電解質・電極接合体２６を挟持する２つの挟持部３２Ａ、３２Ｂを有しているが、これに限定されるものではなく、例えば、１個の電解質・電極接合体２６を挟持する１つの挟持部や、３個以上、例えば、４個の前記電解質・電極接合体２６を挟持する４つの挟持部を備えていてもよい。
【００７２】
図９は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１３０が複数積層された燃料電池スタック１３２の斜視説明図である。
【００７３】
図１０〜図１２に示すように、燃料電池１３０は、例えば、長円形状（又は楕円形状）に形成される電解質・電極接合体１３４を備えるとともに、前記電解質・電極接合体１３４は、一組のセパレータ１３６間に挟持される。電解質・電極接合体１３４には、カソード電極２２に接して長円形状（又は楕円形状）のカソード集電体２２ａが配設される一方、アノード電極２４に接して長円形状（又は楕円形状）のアノード集電体２４ａが配設される。
【００７４】
セパレータ１３６は、電解質・電極接合体１３４を挟持する挟持部１３８と、第１連結部１４０を介して前記挟持部１３８に連結される幅狭な橋架部１４２と、前記橋架部１４２に第２連結部１４４を介して一体に連結される反応ガス供給部１４６とを備える。第１連結部１４０と第２連結部１４４とは、挟持部１３８を挟んで互いに対向する位置に設定される。
【００７５】
橋架部１４２は、反応ガス供給部１４６と一体に挟持部１３８の外周全周を周回する。橋架部１４２と反応ガス供給部１４６とは、全体として挟持部１３８と同様に、長円形状（又は楕円形状）に形成される。
【００７６】
挟持部１３８と電解質・電極接合体１３４のカソード電極２２との間には、カソード集電体２２ａを介装して酸化剤ガス通路３７が形成されるとともに、前記電解質・電極接合体１３４のアノード電極２４とセパレータ１３６との間には、アノード集電体２４ａを介装して燃料ガス通路３８が形成される。橋架部１４２には、反応ガス供給部１４６と直交する方向に突出して位置決め部１４８が設けられる。
【００７７】
セパレータ１３６は、例えば、３枚のプレートである第１プレート１５０、第２プレート１５２及び第３プレート１５４を備え、前記第１プレート１５０、前記第２プレート１５２及び前記第３プレート１５４は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成され、ろう付け、拡散接合やレーザ溶接等により互いに接合される。なお、セパレータ１３６は、４枚以上のプレートを接合して構成してもよい。
【００７８】
第１プレート１５０は、反応ガス供給部１４６を構成する長方形状又は長円形状の第１反応ガス供給部材１５６を備える。この第１反応ガス供給部材１５６には、積層方向（矢印Ａ方向）に沿って燃料ガス供給連通孔４６、燃料ガス導出連通孔４８及び酸化剤ガス供給連通孔５０が形成される。
【００７９】
反応ガス供給部１４６は、燃料ガス供給連通孔４６と燃料ガス導出連通孔４８との間に、酸化剤ガス供給連通孔５０が設けられるとともに、前記燃料ガス供給連通孔４６、前記酸化剤ガス供給連通孔５０及び前記燃料ガス導出連通孔４８は、挟持部１３８の外形形状に沿って配列される。
【００８０】
第１反応ガス供給部材１５６には、第２連結部１４４ａを介して橋架部１４２を構成する幅狭な第１橋架部材１５８が連結されるとともに、前記第１橋架部材１５８には、第１連結部１４０ａを介して比較的大径な第１挟持部材１６０が一体に設けられる。
【００８１】
第１挟持部材１６０は、挟持部１３８を構成し、電解質・電極接合体１３４の直径よりも大径な長円形状に設定される。第１挟持部材１６０には、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔７０が、例えば、前記第１挟持部材１６０の長円の各中心に対応して、少なくとも２つ形成される。第１挟持部材１６０の外周縁部には、燃料ガス通路３８を流通した燃料ガスを戻すための複数の燃料ガス戻し孔７４が、電解質・電極接合体１３４の外形形状の外周を周回する長円形状（又は楕円形状）の仮想線上に形成される。第１挟持部材１６０の外周部には、アノード集電体２４ａ側に突出する周回凸部７６が形成される。
【００８２】
第２プレート１５２は、反応ガス供給部１４６を構成する長方形状又は長円形状の第２反応ガス供給部材１６２を備える。第２反応ガス供給部材１６２には、燃料ガス供給連通孔４６、酸化剤ガス供給連通孔５０及び燃料ガス導出連通孔４８が設けられる。第２反応ガス供給部材１６２には、第２連結部１４４ｂを介して幅狭な第２橋架部材１６４が連結されるとともに、前記第２橋架部材１６４には、第１連結部１４０ｂを介して比較的大径な第２挟持部材１６６が一体に設けられる。
【００８３】
第２橋架部材１６４の表面側（第１プレート１５０との接合面側）には、第１及び第２連結部１４０ｂ、１４４ｂにより仕切られる各円弧状部分に燃料ガス供給通路５６と燃料ガス戻し通路５８とが設けられる。具体的には、橋架部１４２の一方の辺部１４２ａ側に燃料ガス供給通路５６が形成されるとともに、前記橋架部１４２の他方の辺部１４２ｂ側に燃料ガス戻し通路５８が形成される。
【００８４】
燃料ガス供給通路５６は、一端が燃料ガス供給連通孔４６に連通する一方、他端が第１連結部１４０ｂを通って第２挟持部材１６６内に延在し、前記第２挟持部材１６６の中央部で長円状の燃料ガス室５６ｅを形成する。この燃料ガス室５６ｅには、必要に応じて燃料ガスを改質するための改質触媒（例えば、発泡ニッケルと触媒）１６８が配設される。
【００８５】
燃料ガス戻し通路５８は、一端が燃料ガス導出連通孔４８に連通する一方、他端が第１連結部１４０ｂを通って第２挟持部材１６６内に延在する。この他端は、第１挟持部材１６０の燃料ガス戻し孔７４の位置に対応しており、第２挟持部材１６６の外周縁部に沿って長円形状（又は楕円形状）に形成される。
【００８６】
図１３に示すように、第２橋架部材１６４の裏面側（第３プレート１５４との接合面側）には、酸化剤ガス供給連通孔５０に連通する酸化剤ガス供給通路６０が設けられる。この酸化剤ガス供給通路６０は、第１連結部１４０ｂを通って第２挟持部材１６６内に延在し、前記第２挟持部材１６６の中央部で長円状の終端部６０ｅを形成する。
【００８７】
図１０に示すように、第３プレート１５４は、反応ガス供給部１４６を構成する長方形状又は長円形状の第３反応ガス供給部材１７０を備える。第３反応ガス供給部材１７０には、燃料ガス供給連通孔４６、酸化剤ガス供給連通孔５０及び燃料ガス導出連通孔４８が設けられる。第３反応ガス供給部材１７０には、第２連結部１４４ｃを介して幅狭な第２橋架部材１７２が連結されるとともに、前記第２橋架部材１７２には、第１連結部１４０ｃを介して比較的大径な第３挟持部材１７４が一体に設けられる。
【００８８】
第３挟持部材１７４には、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給孔６２が、例えば、前記第３挟持部材１７４の長円の各中心に対応して、少なくとも２つ形成される。酸化剤ガス供給孔６２は、第２挟持部材１６６の終端部６０ｅに対応する位置に設けられる。
【００８９】
図１０及び図１２に示すように、挟持部１３８には、前記挟持部１３８と電解質・電極接合体１３４のアノード電極２４側との間に形成される空間７８を封止する封止部材１７６が設けられる。封止部材１７６は、第１の実施形態に使用される封止部材８０ａ（８０ｂ）と同様に構成されているが、第２及び第３の実施形態に使用される封止部材１０６ａ（１０６ｂ）又は１２２ａ（１２２ｂ）と同様に構成してもよい。
【００９０】
封止部材１７６は、長円リング形状を有し、セパレータ１３６を構成する第１挟持部材１６０の周回凸部７６に密着する第１密着部１７８ａと、各電解質・電極接合体２６の周縁被覆部２０ａに密着する第２密着部１７８ｂとを有する。第１密着部１７８ａは、封止部材１７６の一方の面に設けられ、且つ第２密着部１７８ｂは、前記封止部材１７６の前記一方の面とは表裏をなす他方の面に設けられる。
【００９１】
図１０に示すように、燃料電池１３０では、挟持部１３８の外周と橋架部１４２及び反応ガス供給部１４６の内周との間に、略リング状の空間部が形成される。この空間部は、酸化剤ガス通路３７を流通した酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔１８０を構成する。
【００９２】
図９に示すように、燃料電池スタック１３２は、複数の燃料電池１３０の積層方向一端（下端）にエンドプレート１８２を配置する。このエンドプレート１８２は、燃料電池１３０の外形形状と相似形状で且つ大きな寸法に設定される。エンドプレート１８２には、燃料ガス供給連通孔４６、燃料ガス導出連通孔４８及び酸化剤ガス供給連通孔５０にそれぞれ連通する燃料ガス供給配管１８４、燃料ガス導出配管１８６及び酸化剤ガス供給配管１８８が設けられる。
【００９３】
エンドプレート１８２には、挟持部１３８に積層方向に締め付け荷重を付与する第１荷重付与機構１９０が設けられる。第１荷重付与機構１９０は、最上位に配置される燃料電池１３０を構成する反応ガス供給部１４６上に配置される押圧部材１９２を備える。エンドプレート１８２上には、複数のボルト１９４が押圧部材１９２に挿入されて前記エンドプレート１８２にねじ込まれることにより、挟持部１３８に所望の締め付け荷重が付与される。各挟持部１３８間には、例えば、シール部材（図示せず）が介装される。エンドプレート１８２には、位置決めピン１９６が立設されており、この位置決めピン１９６が各セパレータ１３６の位置決め部１４８に係合する。
【００９４】
最上位に配置される燃料電池１３０を構成する挟持部１３８上には、第２荷重付与機構として、例えば、錘部材１９８が載置される。矢印Ａ方向に積層された反応ガス供給部１４６には、積層方向に挟持部１３８よりも大きな締付荷重が付与される。なお、第２荷重付与機構としては、錘部材１９８に代えて、例えば、ばね部材の弾性力を使用する構造や、熱により膨張する部材を使用する構造等が採用可能である。
【００９５】
このように構成される燃料電池スタック１３２の動作について、以下に説明する。
【００９６】
図９に示すように、エンドプレート１８２に設けられた燃料ガス供給配管１８４から燃料ガス供給連通孔４６に燃料ガス（例えば、水素含有ガス）が供給されるとともに、酸化剤ガス供給配管１８８から酸化剤ガス供給連通孔５０に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。
【００９７】
図１１及び図１２に示すように、燃料ガスは、燃料電池１３０の燃料ガス供給連通孔４６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１３０に設けられる燃料ガス供給通路５６に沿ってセパレータ１３６の面方向に移動する。
【００９８】
燃料ガスは、挟持部１３８内に形成された燃料ガス室５６ｅに導入され、この燃料ガス室５６ｅに設けられた改質触媒１６８により改質される。改質された燃料ガスは、水素リッチガスとして第１挟持部材１６０に形成された一対の燃料ガス供給孔７０を通って燃料ガス通路３８に導入される。
【００９９】
一対の燃料ガス供給孔７０は、電解質・電極接合体１３４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、一対の燃料ガス供給孔７０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３８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。
【０１００】
燃料ガス通路３８を流通した燃料ガスは、電解質・電極接合体１３４の外周外方に形成された複数の燃料ガス戻し孔７４に移動する。従って、燃料ガスは、燃料ガス戻し孔７４を通って燃料ガス戻し通路５８に供給され、前記燃料ガス戻し通路５８を通って燃料ガス導出連通孔４８に導出される。
【０１０１】
一方、空気は、燃料電池スタック１３２の酸化剤ガス供給連通孔５０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１３０に設けられる酸化剤ガス供給通路６０に沿ってセパレータ１３６の面方向に移動する。
【０１０２】
空気は、酸化剤ガス供給通路６０の終端部６０ｅに流通した後、第３挟持部材１７４に形成された一対の酸化剤ガス供給孔６２を通って酸化剤ガス通路３７に導入される。一対の酸化剤ガス供給孔６２は、電解質・電極接合体１３４のカソード電極２２の略中心位置に設定されている。このため、空気は、酸化剤ガス供給孔６２からカソード電極２２の略中心に供給された後、酸化剤ガス通路３７に沿って前記カソード電極２２の外周部に向かって移動する。
【０１０３】
従って、電解質・電極接合体１３４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の電極面の中心側から周端部側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。
【０１０４】
この場合、第４の実施形態では、図１２に示すように、電解質２０の外周部は、アノード電極２４の外周面からアノード電極面側の周縁部を被覆して周縁被覆部２０ａを構成している。そして、燃料電池１３０は、セパレータ１３６と各電解質・電極接合体１３４の周縁被覆部２０ａとに密着し、前記セパレータ１３６と前記電解質・電極接合体１３４のアノード電極２４側との間に形成される空間７８を封止する封止部材１７６を備えている。
【０１０５】
このため、セパレータ１３６と電解質・電極接合体１３４との密着性を高めるために積層方向に付与される荷重の方向と、封止部材１７６と前記電解質・電極接合体１３４との密着性を高めるために作用する荷重の方向とは、同一方向になる。これにより、第４の実施形態は、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１０６】
なお、第４の実施形態では、電解質・電極接合体１３４及び挟持部１３８は、長円形状（又は楕円形状）に形成されているが、これに限定されるものではなく、例えば、円形状に形成してもよい。
【符号の説明】
【０１０７】
１０、１００、１１０、１２０、１３０…燃料電池
１２、１３２…燃料電池スタック      ２０…電解質
２２…カソード電極                  ２２ａ…カソード集電体
２４…アノード電極                  ２４ａ…アノード集電体
２６、１３４…電解質・電極接合体    ３０、１０２、１３６…セパレータ
３２Ａ、３２Ｂ、１３８…挟持部      ３４Ａ、３４Ｂ、１４２…橋架部
３６、１４６…反応ガス供給部        ３７…酸化剤ガス通路
３８…燃料ガス通路
４０、４２、１０４、１５０、１５２、１５４…プレート
４４、６４、１５６、１６２、１７０…反応ガス供給部材
４６…燃料ガス供給連通孔            ４８…燃料ガス導出連通孔
５０…酸化剤ガス供給連通孔
５２ａ、５２ｂ、６６ａ、６６ｂ、１５８、１６４、１７２…橋架部材
５４ａ、５４ｂ、６８ａ、６８ｂ、１６０、１６６、１７４…挟持部材
５６、５６ａ、５６ｂ…燃料ガス供給通路
５８、５８ａ、５８ｂ…燃料ガス戻し通路
６０、６０ａ、６０ｂ…酸化剤ガス供給通路
６２、６２ａ、６２ｂ…酸化剤ガス供給孔
７０、７０ａ、７０ｂ…燃料ガス供給孔
７２ａ、７２ｂ…燃料ガス戻し溝      ７４、７４ａ、７４ｂ…燃料ガス戻し孔
７６、７６ａ、７６ｂ…周回凸部      ７８、７８ａ、７８ｂ…空間
８０ａ、８０ｂ、１０６ａ、１０６ｂ、１２２ａ、１２２ｂ、１７６…封止部材
８２ａ、８２ｂ、８４ａ、８４ｂ、１０８ａ、１０８ｂ、１１０ａ、１１０ｂ、１２４ａ、１２４ｂ、１２６ａ、１２６ｂ、１７８ａ、１７８ｂ…密着部
９０、１８２…エンドプレート        １１２ａ、１１２ｂ…傾斜部
１２８ａ、１２８ｂ…屈曲部
【図１】
2012129038.tif 000003
【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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