(57)【要約】【課題】セパレータ自体の強度を有効に保持するとともに、電解質・電極接合体との接触面積を増大させ、しかも反応ガスの吹き抜けを抑制して発電効率の向上を図ることを可能にする。【解決手段】セパレータ３８は、電解質・電極接合体３６を挟持するとともに、燃料ガス通路５４及び酸化剤ガス通路６８が個別に設けられる挟持部１００と、前記挟持部１００に連結される第１及び第２橋架部１０２、１０４と、前記第１橋架部１０２に連結される燃料ガス供給部１０６と、前記第２橋架部１０４に連結される酸化剤ガス供給部１０８とを備える。挟持部１００には、第１橋架部１０２の延在方向に沿って千鳥状に配列されるとともに、少なくとも燃料ガス通路５４側に突出してアノード電極３４に接触する複数の第１突起部５６が設けられる。【選択図】図２
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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・電極接合体と、セパレータとが交互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、前記セパレータの一方の面側に配置される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セパレータの他方の面側に配置される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、
前記挟持部には、前記橋架部の延在方向に沿って千鳥状に配列されるとともに、少なくとも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、又は前記酸化剤ガス通路側に突出して前記カソ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２】
請求項１記載の燃料電池において、複数の前記突起部は、前記反応ガス供給通路の延在方向に沿って千鳥状に配列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、複数の前記突起部は、前記反応ガス供給部の中心と前記挟持部の重心とを結ぶ直線方向に沿って千鳥状に配列されることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
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、セパレータとが交互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、前記セパレータの一方の面側に配置される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セパレータの他方の面側に配置される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、
前記挟持部には、前記反応ガス供給通路の延在方向に沿って千鳥状に配列されるとともに、少なくとも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、又は前記酸化剤ガス通路側に突出して前記カソ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５】
請求項４記載の燃料電池において、複数の前記突起部は、前記橋架部の延在方向に沿って千鳥状に配列されることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項４又は５記載の燃料電池において、複数の前記突起部は、前記反応ガス供給部の中心と前記挟持部の重心とを結ぶ直線方向に沿って千鳥状に配列され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、セパレータとが交互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、前記セパレータの一方の面側に配置される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セパレータの他方の面側に配置される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、
前記挟持部には、前記反応ガス供給部の中心と前記挟持部の重心とを結ぶ直線方向に沿って千鳥状に配列されるとともに、少なくとも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、又は前記酸化剤ガス通路側に突出して前記カソ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８】
請求項７記載の燃料電池において、複数の前記突起部は、前記橋架部の延在方向に沿って千鳥状に配列されることを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項７又は８記載の燃料電池において、複数の前記突起部は、前記反応ガス供給通路の延在方向に沿って千鳥状に配列されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池において、複数の前記突起部は、前記反応ガス供給部の中心と前記挟持部の中心とを結ぶ直線方向に沿って千鳥状に配列されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池において、複数の前記突起部は、互いに隣接する３つの前記突起部が仮想正三角形の各頂点に配置されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池において、複数の前記突起部は、前記アノード電極に接触する複数の第１突起部と、
前記カソード電極に接触する複数の第２突起部と、
を備え、
前記第１突起部と前記第２突起部とは、前記セパレータの積層方向に沿って同一の位相に配列される数が、同一の位相以外に配列される数よりも多数に設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１３】
請求項１〜１２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。
【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・電極接合体と、セパレータとが交互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た燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池用セパレータ構造が知られている。このセパレータ構造は、セパレータが金属平板を塑性加工により波形を有する波板に形成されるとともに、前記波板に前記波形の表裏両面間を連通する複数の切り欠きを設け、前記波板をガスの流れ方向に前記波形の波の進行方向を一致させて、仕切り板の少なくとも片側に配設接合し形成している。これにより、マニホールド構造が簡素化するとともに、ガス流路途中における流れ不良や目詰まり及び反応ガス濃度の不均一性を解消することができる、としている。
【０００４】
また、特許文献２に開示されている燃料電池用セパレータ及びその製造方法では、図３０に示すように、平板状のセパレータ基板１と、このセパレータ基板１上に形成される多数の突起２とを備えている。突起２は、円錐台形形状を有し、互いに一定の間隔をおいて、縦横に千鳥状に配設されている。各突起２間にガス流路差が形成されている。
【０００５】
さらにまた、特許文献３に開示されている燃料電池用セパレータは、図３１に示すように、金属基板１ａを備えている。この金属基板１ａの表面２ａ及び裏面３ａには、それぞれ複数の金属被覆部４ａ、５ａが形成されている。複数の金属被覆部４ａ、５ａは、表面２ａ及び裏面３ａにおいて、互いに離間し、且つ、等間隔で一致するように、あるいは、前記表面２ａ及び前記裏面３ａにおいて互い違いに位置して分布して形成されている。
【０００６】
【特許文献１】特開昭６３−２６６７７７号公報
【特許文献２】国際公開第ＷＯ００／０３４４６号パンフレット
【特許文献３】特開２００５−２９３８７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の特許文献１では、波板に複数の切り欠きを設けるため、セパレータとＭＥＡとの接触面積が小さくなり易い。このため、反応ガスの吹き抜けが誘発されてしまい、発電効率が低下するおそれがある。しかも、セパレータ自体の強度が低下し、このセパレータに反り等が惹起し易くなるとともに、変形が発生するという問題がある。
【０００８】
また、上記の特許文献２では、セパレータ基板１上に、複数の突起２を千鳥状に配列しているが、燃料電池全体の構成から、ＭＥＡとの接触面積の増加が有効に図られないおそれがある。これにより、発電効率の向上を達成することができないという問題がある。しかも、セパレータの反りの抑制や変形の抑制を十分に図ることができないおそれがある。
【０００９】
さらにまた、上記の特許文献３では、金属基板１ａの表面２ａに、格子状に複数の金属被覆部４ａが設けられる一方、裏面３ａには、同様に、複数の金属被覆部５ａが格子状に設けられており、ＭＥＡとの接触面積を有効に増加させることが困難である。その上、セパレータとしての反りの抑制及び変形の抑制を図ることができず、しかも、反応ガスの吹き抜けが惹起されるおそれがある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、セパレータ自体の強度を有効に保持するとともに、電解質・電極接合体との接触面積を増大させ、しかも反応ガスの吹き抜けを抑制して発電効率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・電極接合体と、セパレータとが交互に積層される燃料電池に関するものである。
【００１２】
セパレータは、電解質・電極接合体を挟持するとともに、前記セパレータの一方の面側に配置される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セパレータの他方の面側に配置される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。
【００１３】
そして、挟持部には、橋架部の延在方向に沿って千鳥状に配列されるとともに、少なくとも燃料ガス通路側に突出してアノード電極に接触する、又は酸化剤ガス通路側に突出してカソード電極に接触する、複数の突起部が設けられている。
【００１４】
また、複数の突起部は、反応ガス供給通路の延在方向に沿って千鳥状に配列されることが好ましい。このため、挟持部には、複数の突起部が格子状に配置される構成に比べて、多数の突起部を効率的に配置することができ、簡単な構成で、セパレータの変形に対する強度を向上させることが可能になり、品質の向上が図られる。しかも、挟持部は、電解質・電極接合体との接触面積が増加するため、発電効率の向上が図られる。その上、突起部同士が近接して設けられるため、反応ガスの吹き抜けを抑制することができ、発電効率を向上させることが可能になる。
【００１５】
さらに、複数の突起部は、反応ガス供給部の中心と挟持部の重心とを結ぶ直線方向に沿って千鳥状に配列されることが好ましい。従って、挟持部には、複数の突起部が格子状に配置される構成に比べて、多数の突起部を効率的に配置することができ、簡単な構成で、セパレータの変形に対する強度を向上させることが可能になり、品質の向上が図られる。しかも、挟持部は、電解質・電極接合体との接触面積が増加するため、発電効率の向上が図られる。その上、突起部同士が近接して設けられるため、反応ガスの吹き抜けを抑制することができ、発電効率を向上させることが可能になる。
【００１６】
さらにまた、本発明に係る燃料電池では、挟持部には、反応ガス供給通路の延在方向に沿って千鳥状に配列されるとともに、少なくとも燃料ガス通路側に突出してアノード電極に接触する、又は酸化剤ガス通路側に突出してカソード電極に接触する、複数の突起部が設けられている。
【００１７】
また、複数の突起部は、橋架部の延在方向に沿って千鳥状に配列されることが好ましい。これにより、挟持部には、複数の突起部が格子状に配置される構成に比べて、多数の突起部を効率的に配置することができ、簡単な構成で、セパレータの変形に対する強度を向上させることが可能になり、品質の向上が図られる。しかも、挟持部は、電解質・電極接合体との接触面積が増加するため、発電効率の向上が図られる。その上、突起部同士が近接して設けられるため、反応ガスの吹き抜けを抑制することができ、発電効率を向上させることが可能になる。
【００１８】
さらに、複数の突起部は、反応ガス供給部の中心と挟持部の重心とを結ぶ直線方向に沿って千鳥状に配列されることが好ましい。このため、挟持部には、複数の突起部が格子状に配置される構成に比べて、多数の突起部を効率的に配置することができ、簡単な構成で、セパレータの変形に対する強度を向上させることが可能になり、品質の向上が図られる。しかも、挟持部は、電解質・電極接合体との接触面積が増加するため、発電効率の向上が図られる。その上、突起部同士が近接して設けられるため、反応ガスの吹き抜けを抑制することができ、発電効率を向上させることが可能になる。
【００１９】
さらにまた、本発明に係る燃料電池では、挟持部には、反応ガス供給部の中心と挟持部の重心とを結ぶ直線方向に沿って千鳥状に配列されるとともに、少なくとも燃料ガス通路側に突出してアノード電極に接触する、又は酸化剤ガス通路側に突出してカソード電極に接触する、複数の突起部が設けられている。
【００２０】
また、複数の突起部は、橋架部の延在方向に沿って千鳥状に配列されることが好ましい。従って、挟持部には、複数の突起部が格子状に配置される構成に比べて、多数の突起部を効率的に配置することができ、簡単な構成で、セパレータの変形に対する強度を向上させることが可能になり、品質の向上が図られる。しかも、挟持部は、電解質・電極接合体との接触面積が増加するため、発電効率の向上が図られる。その上、突起部同士が近接して設けられるため、反応ガスの吹き抜けを抑制することができ、発電効率を向上させることが可能になる。
【００２１】
さらに、複数の突起部は、反応ガス供給通路の延在方向に沿って千鳥状に配列されることが好ましい。これにより、挟持部には、複数の突起部が格子状に配置される構成に比べて、多数の突起部を効率的に配置することができ、簡単な構成で、セパレータの変形に対する強度を向上させることが可能になり、品質の向上が図られる。しかも、挟持部は、電解質・電極接合体との接触面積が増加するため、発電効率の向上が図られる。その上、突起部同士が近接して設けられるため、反応ガスの吹き抜けを抑制することができ、発電効率を向上させることが可能になる。
【００２２】
さらにまた、複数の突起部は、反応ガス供給部の中心と挟持部の中心とを結ぶ直線方向に沿って千鳥状に配列されることが好ましい。このため、特に挟持部が円形状に構成される際に、前記挟持部の面に多数の突起部を効率的に配置することができる。
【００２３】
また、複数の突起部は、互いに隣接する３つの前記突起部が仮想正三角形の各頂点に配置されることが好ましい。従って、互いに隣接する３つの突起部は、トラス構造に設定されるため、高強度を有しており、簡単な構成で、耐変形性に優れるセパレータを得ることができ、品質の向上が図られる。
【００２４】
さらに、複数の突起部は、アノード電極に接触する複数の第１突起部と、カソード電極に接触する複数の第２突起部とを備え、前記第１突起部と前記第２突起部とは、セパレータの積層方向に沿って同一の位相に配列される数が、同一の位相以外に配列される数よりも多数に設定されることが好ましい。これにより、複数の第１突起部及び第２突起部を介して、良好な集電効果が得られる。しかも、第１突起部と第２突起部との間で、積層方向の荷重を確実に伝達することができ、セパレータと電解質・電極接合体との密着性が高まるため、より良好な集電効果が得られ、発電効率の向上が図られる。
【００２５】
さらにまた、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。このため、特に高温型燃料電池における熱による影響を最小限に抑制することが可能になり、簡単な構成で、挟持部の反りを抑制して耐変形性に優れたセパレータが得られ、品質の向上が図られる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明では、挟持部には、複数の突起部が格子状に配置される構成に比べて、多数の突起部を効率的に配置することができ、簡単な構成で、セパレータの反りを抑制して変形に対する強度を向上させることが可能になり、品質の向上が図られる。しかも、挟持部は、電解質・電極接合体との接触面積が増加するため、ＩＲ損が低減されて発電効率の向上が図られる。その上、突起部同士が近接して設けられるため、反応ガスの吹き抜けを抑制することができ、発電効率を向上させることが可能になる。
【００２７】
ここで、ＩＲ損とは、燃料電池のオーム損ともいい、電気的な抵抗、燃料電池の内部抵抗及び接触抵抗を含み、前記燃料電池の電圧を低下させる（抵抗過電圧）。なお、燃料電池の損失は、抵抗過電圧の他、活性化過電圧及び濃度過電圧を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
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。
【００２９】
燃料電池２０は、固体電解質（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、円板状に形成される。
【００３０】
燃料電池２０は、第１の実施形態に係る一組のセパレータ３８間に単一の電解質・電極接合体３６を挟んで構成される。セパレータ３８は、第１及び第２プレート４０、４２と、前記第１及び第２プレート４０、４２間に配設される第３プレート４４とを備える。第１〜第３プレート４０、４２及び４４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４４の両面に、前記第１プレート４０と前記第２プレート４２とが、例えば、ろう付け、レーザ溶接又は拡散接合等により接合される。
【００３１】
図２に示すように、第１プレート４０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が形成される第１燃料ガス供給部４８を備え、この第１燃料ガス供給部４８には、幅狭な第１橋架部５０を介して比較的大径な第１挟持部５２が一体的に設けられる。第１挟持部５２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。
【００３２】
第１挟持部５２のアノード電極３４に接触する面には、燃料ガス通路５４を形成するとともに、集電部を構成するための多数の第１突起部５６が、例えば、エッチング又はプレス等により設けられる。
【００３３】
第１突起部５６は、図４に示すように、少なくとも第１橋架部５０（後述する第１橋架部１０２）の延在方向（矢印Ｘ方向）、後述する燃料ガス供給通路８６の延在方向、又は第１燃料ガス供給部４８（後述する燃料ガス供給部１０６）の中心と前記第１挟持部５２（後述する挟持部１００）の重心（又は中心）とを結ぶ直線方向のいずれかに（第１の実施形態では、全てに）沿って千鳥状に配列される。複数の第１突起部５６は、互いに隣接する３つの前記第１突起部５６が仮想正三角形Ｔの各頂点に配置される。
【００３４】
第１挟持部５２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供給孔５８が形成される。
【００３５】
図２に示すように、第２プレート４２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６０が形成される第１酸化剤ガス供給部６２を備える。この第１酸化剤ガス供給部６２には、幅狭な第２橋架部６４を介して比較的大径な第２挟持部６６が一体的に設けられる。
【００３６】
第２挟持部６６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６８を形成するとともに、集電部を構成するための多数の第２突起部６９が設けられる。第２突起部６９は、例えば、エッチング又はプレス等により設けられる。
【００３７】
第２突起部６９は、図５に示すように、少なくとも第２橋架部６４（後述する第２橋架部１０４）の延在方向（矢印Ｙ方向）、後述する酸化剤ガス供給通路９４の延在方向、又は第１酸化剤ガス供給部６２（後述する酸化剤ガス供給部１０８）の中心と第２挟持部６６（後述する挟持部１００）の重心（又は中心）とを結ぶ直線方向のいずれかに（第１の実施形態では、全てに）沿って千鳥状に配列される。
【００３８】
複数の第２突起部６９は、互いに隣接する３つの前記第２突起部６９が仮想正三角形Ｔの各頂点に配置される。第１突起部５６と第２突起部６９とは、セパレータ３８の積層方向に沿って同一の位相（同一の位置）に配列される数が、同一の位相以外に配列される数よりも多数に設定される。
【００３９】
第２挟持部６６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供給孔７０が形成される。
【００４０】
図２に示すように、第３プレート４４は、燃料ガス供給連通孔４６が形成される第２燃料ガス供給部７２と、酸化剤ガス供給連通孔６０が形成される第２酸化剤ガス供給部７４とを備える。第２燃料ガス供給部７２及び第２酸化剤ガス供給部７４は、幅狭な第１及び第２橋架部７６、７８を介して比較的大径な第３挟持部８０と一体的に構成される。第３挟持部８０は、第１及び第２挟持部５２、６６と同一直径に設定される。
【００４１】
第３プレート４４の第１プレート４０に向かう面において、第２燃料ガス供給部７２には、燃料ガス供給連通孔４６に連通する複数のスリット状通路８２が放射状に形成される。燃料ガス供給連通孔４６から通路８２を介して第１橋架部７６及び第３挟持部８０の面内に燃料ガス供給通路８６が形成される。第３挟持部８０には、複数の第３突起部８８が形成され、この第３突起部８８は、燃料ガス供給通路８６の一部を構成する。
【００４２】
第３プレート４４の第２プレート４２に接する面において、第２酸化剤ガス供給部７４には、酸化剤ガス供給連通孔６０に連通する複数のスリット状通路９０が放射状に形成される。酸化剤ガス供給連通孔６０から通路９０を介して第３挟持部８０には、酸化剤ガス供給通路９４が形成され、この酸化剤ガス供給通路９４は、前記第３挟持部８０の周縁部によって閉塞される。
【００４３】
第１プレート４０が第３プレート４４の一方の面にろう付け、レーザ溶接又は拡散接合等で接合されることにより、第１及び第３プレート４０、４４間には、燃料ガス供給連通孔４６に連通する燃料ガス供給通路８６が設けられる。この燃料ガス供給通路８６は、第１及び第３挟持部５２、８０間に該第１挟持部５２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５２を前記アノード電極３４に圧接可能な燃料ガス圧力室９６を構成する（図６参照）。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９７が設けられる。
【００４４】
第２プレート４２が第３プレート４４にろう付け、レーザ溶接又は拡散接合等で接合されることにより、第２及び第３プレート４２、４４間には、酸化剤ガス供給連通孔６０に連通する酸化剤ガス供給通路９４が形成される。この酸化剤ガス供給通路９４は、第２及び第３挟持部６６、８０間に該第２挟持部６６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６６を前記カソード電極３２に圧接可能な酸化剤ガス圧力室９８を構成する（図６参照）。
【００４５】
セパレータ３８は、第１プレート４０の第１挟持部５２と、第２プレート４２の第２挟持部６６と、第３プレート４４の第３挟持部８０とが接合されることにより、円板状の挟持部１００を構成する。挟持部１００には、第１橋架部５０、７６が接合されて構成される第１橋架部１０２と、第２橋架部６４、７８が接合されて構成される第２橋架部１０４とが連結される。
【００４６】
第１橋架部１０２には、第１燃料ガス供給部４８と第２燃料ガス供給部７２とが接合されて形成される燃料ガス供給部１０６が連結される。第２橋架部１０４には、第１酸化剤ガス供給部６２と第２酸化剤ガス供給部７４が接合されて形成される酸化剤ガス供給部１０８が連結される。
【００４７】
図２に示すように、各セパレータ３８間には、燃料ガス供給連通孔４６をシールするための絶縁シール１０９ａと、酸化剤ガス供給連通孔６０をシールするための絶縁シール１０９ｂとが設けられる。絶縁シール１０９ａ、１０９ｂ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等で形成されている。
【００４８】
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１１０ａ、１１０ｂを配置する。エンドプレート１１０ａもしくはエンドプレート１１０ｂは、締付手段１１２と電気的に絶縁される。エンドプレート１１０ａには、燃料電池２０の燃料ガス供給連通孔４６に連通する第１配管１１４と、酸化剤ガス供給連通孔６０に連通する第２配管１１６とが接続される。エンドプレート１１０ａ、１１０ｂには、電解質・電極接合体３６よりも燃料ガス供給連通孔４６及び酸化剤ガス供給連通孔６０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３８とに積層方向に締付荷重を付与する締付手段１１２が配設される。
【００４９】
締付手段１１２は、燃料ガス供給連通孔４６の両側及び酸化剤ガス供給連通孔６０の両側に位置してエンドプレート１１０ａ、１１０ｂに形成されるボルト孔１１８を備える。各ボルト孔１１８に締付ボルト１２０が挿入されるとともに、各締付ボルト１２０の先端にナット１２２が螺合することによって、燃料電池スタック２２が締め付け保持される。挟持部１００は、第１橋架部１０２及び第２橋架部１０４を介して燃料ガス供給部１０６及び酸化剤ガス供給部１０８に連結されている。締付手段１１２により燃料ガス供給部１０６及び酸化剤ガス供給部１０８の近傍にシール用の締付荷重が付与される際、挟持部１００に挟持されている電解質・電極接合体３６に必要以上に大きな締付荷重が付与されることがない。
【００５０】
このように構成される燃料電池スタック２２の動作について、以下に説明する。
【００５１】
図１に示すように、エンドプレート１１０ａに接続されている第１配管１１４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、前記エンドプレート１１０ａに接続された第２配管１１６から酸化剤ガス供給連通孔６０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。
【００５２】
燃料ガス供給連通孔４６に供給された燃料ガスは、図６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２０を構成するセパレータ３８内の燃料ガス供給通路８６に供給される。燃料ガスは、燃料ガス供給通路８６に沿って第１及び第３挟持部５２、８０間に形成された燃料ガス圧力室９６に導入され、複数の第３突起部８８間を移動して前記第１挟持部５２の中央部に形成される燃料ガス供給孔５８に導入される。
【００５３】
燃料ガス供給孔５８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、燃料ガス供給孔５８から燃料ガス通路５４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。
【００５４】
一方、酸化剤ガス供給連通孔６０に供給される酸化剤ガスは、セパレータ３８内の酸化剤ガス供給通路９４を移動し、第２及び第３挟持部６６、８０間に形成された酸化剤ガス圧力室９８に供給される。さらに、酸化剤ガスは、第２挟持部６６の中心位置に設けられる酸化剤ガス供給孔７０に導入される。
【００５５】
酸化剤ガス供給孔７０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、酸化剤ガス供給孔７０から酸化剤ガス通路６８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。
【００５６】
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１００の外周部から排ガス通路９７に排気される。
【００５７】
この場合、第１の実施形態では、図２及び図４に示すように、挟持部１００（第１挟持部５２）の面には、第１橋架部１０２の延在方向（燃料ガス供給通路８６の延在方向、及び燃料ガス供給部１０６の中心と前記挟持部１００の重心（又は中心）とを結ぶ直線方向）に沿って、千鳥状に配列されるとともに、アノード電極３４に接触する複数の第１突起部５６が設けられる。
【００５８】
ここで、例えば、図７に示す比較例である挟持部６には、第１橋架部７の延在方向（矢印Ｘ方向）に沿って、格子状に複数の第１突起部８が配列されている。複数の第１突起部８は、互いに隣接する４つの前記第１突起部８が仮想正方形Ｓの各頂点に配置される。
【００５９】
そこで、第１の実施形態の第１突起部５６と、比較例の第１突起部８とを比較すると、前記第１突起部５６の数は、前記第１突起部８の数に比べて単位面積当たり約１５％の増加が図られる。従って、第１突起部５６の数の増加に伴って、各燃料電池２０の発電性能の向上が図られる。
【００６０】
すなわち、燃料電池２０のＩ−Ｖ（電流−電圧）曲線は、図８に示すように、電流密度（Ｉ）の増加に伴って、理論起電力（ＯＣＶ）から電圧損失が発生している。この損失は、活性化過電圧、オーム損（ＩＲ損）及び濃度過電圧により発生する。
【００６１】
ここで、オーム損は、金属抵抗、導体間で発生する接触抵抗及び電解質・電極接合体の内部抵抗を含む。この金属抵抗は、図９に示すように、アノード電極３４との接触面積が増加するのに伴って、低下する（Ｒ＝ρ・Ｌ／Ｓ）。
【００６２】
従って、第１の実施形態では、第１突起部５６の数が第１突起部８に比べて単位面積当たり１５％増加することにより、アノード電極３４との接触面積Ｓが増加し、金属抵抗Ｒは、例えば、約１３％だけ削減される。この金属抵抗の削減によりオーム損が削減され、燃料電池２０として数％（例えば、５％程度）の性能の向上が図られるという効果が得られる。
【００６３】
さらに、挟持部１００には、第１突起部８が格子状に配置される構成に比べて、多数の第１突起部５６を効率的に配置することができる。このため、簡単な構成で、セパレータ３８の反りを抑制して変形（反り、圧縮及び引っ張り等）に対する強度を向上させることが可能になり、品質の向上が図られる。
【００６４】
しかも、第１突起部５６同士が近接して設けられている。これにより、第１突起部５６によって形成される燃料ガス通路５４における燃料ガスの吹き抜けを抑制することができ、発電効率を向上させることが可能になるという利点がある。
【００６５】
また、複数の第１突起部５６は、燃料ガス供給部１０６の中心と挟持部１００の中心とを結ぶ直線方向に千鳥状に配列されている。このため、特に、円形状を有する挟持部１００の面に、多数の第１突起部５６を効率的に配置することができる。なお、挟持部１００が円形形状ではなく、例えば、扇形や台形等の場合には、この挟持部１００の重心と燃料ガス供給部１０６の中心とを結ぶ直線上に、複数の第１突起部５６が千鳥状に配列される。これにより、上述した円板状の挟持部１００と同様の効果が得られる。
【００６６】
さらにまた、複数の第１突起部５６は、互いに隣接する３つの前記第１突起部５６が仮想正三角形Ｔの各頂点に配置されている（図４参照）。従って、互いに隣接する３つの第１突起部５６は、トラス構造に設定されるため、高強度を有しており、簡単な構成で、耐変形性に優れるセパレータ３８を得ることができ、品質の向上が図られる。
【００６７】
一方、挟持部１００には、第１突起部５６と同様に、千鳥状に配列される複数の第２突起部６９が設けられている。この第２突起部６９は、上記の第１突起部５６と同様の効果が得られる。
【００６８】
さらにまた、挟持部１００の両方の面には、それぞれ複数の第１突起部５６と複数の第２突起部６９とが設けられるとともに、前記第１突起部５６と前記第２突起部６９とは、セパレータ３８の積層方向に沿って同一の位相に（同一の位置）配列される数が、同一の位相以外に配列される数よりも多数に設定されている。これにより、複数の第１突起部５６がアノード電極３４に接触する一方、複数の第２突起部６９がカソード電極３２に接触し、良好な集電効果が得られる。
【００６９】
しかも、第１突起部５６と第２突起部６９との間で、積層方向の荷重を確実に伝達することができる。従って、セパレータ３８と電解質・電極接合体３６との密着性が高まるため、より良好な集電効果が得られ、発電効率の向上が図られる。
【００７０】
また、燃料電池２０は、固体酸化物形燃料電池で構成されている。このため、高温型燃料電池における熱による影響を最小限に抑制することが可能になり、簡単な構成で、挟持部１００の反りを抑制し、耐変形性に優れたセパレータ３８が得られ、品質の向上が図られる。
【００７１】
図１０は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池２００が積層された燃料電池スタック２０２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７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。
【００７２】
図１１及び図１２に示すように、燃料電池２００は、一組のセパレータ２０４間に複数、例えば、８個の電解質・電極接合体３６を挟んで構成される。セパレータ２０４間には、このセパレータ２０４の中心部である燃料ガス供給連通孔４６と同心円上に８個の電解質・電極接合体３６が配列される。
【００７３】
セパレータ２０４は、例えば、金属プレート等で構成される。セパレータ２０４は、中央部に燃料ガス供給連通孔４６を形成する第１燃料ガス供給部２０６を有する。この第１燃料ガス供給部２０６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２０８が設けられるとともに、各第１橋架部２０８には、円板状の挟持部２１０が一体的に設けられる。
【００７４】
各挟持部２１０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供給孔５８が、例えば、前記挟持部２１０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２１０同士は、切り欠き２１２を介して分離している。
【００７５】
各挟持部２１０の外周側には、酸化剤ガス通路６８に前記酸化剤ガス通路６８の流れ方向（矢印Ｂ方向）以外の異なる方向に向かって酸化剤ガスが進入することを阻止するために、必要応じて邪魔部材２１３が配設される。
【００７６】
各挟持部２１０のアノード電極３４に接触する面２１０ａ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５４を形成する複数の第１突起部５６が設けられる。各挟持部２１０のカソード電極３２に接触する面２１０ｂ上に、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６８を形成する複数の第２突起部６９が設けられる。第１突起部５６及び第２突起部６９は、第１の実施形態と同様に、千鳥状に配列される。
【００７７】
セパレータ２０４のカソード電極３２に対向する面には、通路蓋部材２１６が、例えば、ろう付け、レーザ溶接又は拡散接合等により接合される。通路蓋部材２１６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４６を形成する第２燃料ガス供給部２１８を備える。第２燃料ガス供給部２１８から放射状に８本の第２橋架部２２０が延在するとともに、各第２橋架部２２０は、セパレータ２０４の第１橋架部２０８から挟持部２１０の面に燃料ガス供給孔５８を覆って固着される。第１及び第２燃料ガス供給部２０６、２１８が接合されて燃料ガス供給部１０６が形成されるとともに、第１及び第２橋架部２０８、２２０が接合されて橋架部２２１が形成される。
【００７８】
図１３に示すように、各セパレータ２０４間には、燃料ガス供給連通孔４６をシールするための絶縁シール２２２が設けられる。燃料電池２００には、挟持部２１０の外方に位置して酸化剤ガス供給通路６０ａが設けられる一方、燃料ガス供給部２０６の周囲には、排ガス通路９７が形成される。
【００７９】
図１０に示すように、燃料電池スタック２０２は、複数の燃料電池２００の積層方向両端にエンドプレート２２４ａ、２２４ｂを配置する。エンドプレート２２４ａ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４６に対応して孔部２２６が設けられる。孔部２２６の周囲には、排ガス通路９７に対応して複数の孔部２２８が設けられる。エンドプレート２２４ａ、２２４ｂ間は、ねじ孔２３０に螺合する図示しないボルトにより矢印Ａ方向に締め付けられている。
【００８０】
このように構成される燃料電池スタック２０２の動作について、以下に説明する。
【００８１】
図１０に示すように、エンドプレート２２４ａの孔部２２６から燃料ガスが供給されるとともに、燃料電池２００の外周側に設けられた酸化剤ガス供給通路６０ａから酸化剤ガスが供給される。
【００８２】
燃料ガスは、図１３に示すように、燃料ガス供給部２０６から第１及び第２橋架部２０８、２２０内の燃料ガス供給通路８６に沿って移動し、挟持部２１０に形成された燃料ガス供給孔５８から複数の第１突起部５６により形成された燃料ガス通路５４に導入される。燃料ガス供給孔５８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、燃料ガス供給孔５８からアノード電極３４の略中心に供給され、燃料ガス通路５４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。
【００８３】
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２１０の外側周端部との間から矢印Ｂ方向に流入し、第２突起部６９により形成された酸化剤ガス通路６８に送られる。酸化剤ガス通路６８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２０４の外側周端部）側から内側周端部（セパレータ２０４の中央部）に向かって酸化剤ガスが流動する。
【００８４】
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９７を介して積層方向に移動し、燃料電池スタック２０２から排出される。
【００８５】
この第２の実施形態では、各挟持部２１０には、第１突起部５６及び第２突起部６９がそれぞれ所定の方向に沿って千鳥状に配列されている。従って、セパレータ２０４の変形に対する強度の向上を図るとともに、ＩＲ損が低減して発電効率が向上する等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００８６】
なお、各挟持部２１０では、面２１０ａ上に燃料ガス通路５４を形成する複数の第１突起部５６が設けられる一方、面２１０ｂ上に酸化剤ガス通路６８を形成する複数の第２突起部６９が設けられているが、これに限定されるものではない。例えば、面２１０ｂを平坦状に構成するとともに、この面２１０ｂ側に酸化剤ガス通路６８を形成するフェルト部材（金属フェルト等の導電性不織布）、メッシュ部材（金属メッシュ等の導電性織布）、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（図示せず）を配設してもよい。また、以下の各実施形態においても、同様である。
【００８７】
図１４は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池２４０が積層された燃料電池スタック２４２の概略斜視説明図である。なお、第２の実施形態に係る燃料電池２００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。
【００８８】
図１５及び図１６に示すように、燃料電池２４０は、一組のセパレータ２４４間に複数、例えば、８個の電解質・電極接合体３６を挟んで構成される。セパレータ２４４は、中央部に燃料ガス供給連通孔４６を形成する第１燃料ガス供給部２０６を有する。この第１燃料ガス供給部２０６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２０８が設けられるとともに、各第１橋架部２０８には、円板状の挟持部２４６が一体的に設けられる。
【００８９】
各挟持部２４６のアノード電極３４に接触する面２４６ａには、燃料ガス通路５４を形成する複数の第１突起部５６が設けられる。各挟持部２４６のカソード電極３２に接触する面２４６ｂには、酸化剤ガス通路６８を形成する複数の第２突起部６９が設けられる。
【００９０】
面２４６ａには、燃料ガス通路５４を通って使用された燃料ガスを排出する燃料ガス排出孔２４８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供給孔５８から前記燃料ガス排出孔２４８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２５０とが設けられる。
【００９１】
円弧状壁部２５０は、第１橋架部２０８の端部から二股に分岐する略馬蹄形状を有し、その内部に燃料ガス供給孔５８が配置される一方、その基端部側（第１橋架部２０８側）に燃料ガス排出孔２４８が設けられる。面２４６ａには、燃料ガス通路５４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２５２と、前記アノード電極３４に接触する複数の第１突起部５６とが設けられる。
【００９２】
図１５に示すように、燃料ガス供給部２０６には、燃料ガス供給連通孔４６を周回して複数の燃料ガス絞り口２５４が形成される。燃料ガス絞り口２５４の開口径は、燃料ガス供給孔５８の開口径よりも小径に設定される。
【００９３】
セパレータ２４４のカソード電極３２に対向する面には、通路蓋部材２５６が、例えば、ろう付け、レーザ溶接又は拡散接合等により接合される。通路蓋部材２５６は、平板状に構成されるとともに、燃料ガス供給連通孔４６を囲繞してリング状凸部２５８を設ける。この凸部２５８は、燃料ガス供給連通孔４６を燃料ガス供給通路８６に対してシールする。
【００９４】
燃料電池２４０には、挟持部２４６の外方に位置して排ガス通路９７が形成される。図１７に示すように、燃料電池２４０が積層される際に、各セパレータ２４４間には、燃料ガス供給連通孔４６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２６０が設けられる。分岐通路２６０と燃料ガス供給通路８６とは、積層方向（矢印Ａ方向）に連通する燃料ガス絞り口２５４を介して連通する。
【００９５】
燃料電池スタック２４２は、図１４に示すように、複数の燃料電池２４０の積層方向両端に略円板状のエンドプレート２６２ａ、２６２ｂを配置する。エンドプレート２６２ａの中央部には、燃料ガス供給連通孔４６に対応して孔部２２６が設けられるとともに、前記孔部２２６の周囲には、酸化剤ガス供給連通孔６０ｂに対応して複数の孔部２６４が設けられる。
【００９６】
このように構成される燃料電池スタック２４２の動作について、以下に説明する。
【００９７】
図１４に示すように、エンドプレート２６２ａの孔部２２６から燃料ガス供給連通孔４６に燃料ガスが供給されるとともに、孔部２６４から酸化剤ガス供給連通孔６０ｂに酸化剤ガスが供給される。燃料ガスは、図１７に示すように、燃料電池スタック２４２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２４０に設けられる分岐通路２６０に分岐供給される。
【００９８】
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２５４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２５４に連通する燃料ガス供給通路８６に沿って前記セパレータ面方向に移動する。
【００９９】
燃料ガスは、燃料ガス供給通路８６から挟持部２４６に形成された燃料ガス供給孔５８を通って燃料ガス通路５４に導入される。従って、燃料ガスは、燃料ガス通路５４に沿ってアノード電極３４の外周部に向かって移動する。
【０１００】
その際、図１５に示すように、セパレータ２４４を構成する挟持部２４６の面２４６ａには、円弧状壁部２５０が設けられており、この円弧状壁部２５０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。これにより、燃料ガス通路５４に供給される燃料ガスは、円弧状壁部２５０に阻止されて燃料ガス供給孔５８から燃料ガス排出孔２４８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５４内を迂回しながら流れるため、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。
【０１０１】
一方、酸化剤ガス供給連通孔６０ｂ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２４６の内側周端部との間から矢印Ｃ方向に流入し、酸化剤ガス通路６８に送られる。酸化剤ガス通路６８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２４４の中央部）側から外側周端部（セパレータ２４４の外側周端部側）に向かって空気が流動する。
【０１０２】
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。
【０１０３】
この第３の実施形態では、各挟持部２４６の面２４６ａ、２４６ｂには、複数の第１突起部５６及び複数の第２突起部６９がそれぞれ所定の方向に沿って千鳥状に配列されている。従って、セパレータ２４４の変形に対する強度の向上を図るとともに、ＩＲ損が低減して発電効率が向上する等、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。
【０１０４】
図１８は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池２７０の分解斜視図である。
【０１０５】
燃料電池２７０は、例えば、４個の電解質・電極接合体３６を挟む一組のセパレータ２７２を備える。セパレータ２７２は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成される第１プレート２７４及び第２プレート２７６を有する。
【０１０６】
第１プレート２７４は、中央部に燃料ガス供給連通孔４６が形成される第１燃料ガス供給部２７８を有する。この第１燃料ガス供給部２７８から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に延在する４つの第１橋架部２８０を介し、比較的大径な第１挟持部２８２が一体に設けられる。第１挟持部２８２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、各第１挟持部２８２には、短尺な第２橋架部２８４を介して環状の第１筐体部２８６が一体に設けられる。
【０１０７】
第１挟持部２８２のアノード電極３４に接触する面には、燃料ガス通路５４を形成する複数の第１突起部５６が設けられる。第１挟持部２８２の略中央には、燃料ガス供給連通孔４６側に偏心しアノード電極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供給孔５８が形成される。
【０１０８】
第１筐体部２８６は、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給通路９４に供給するための酸化剤ガス供給連通孔６０が積層方向に形成される酸化剤ガス供給部１０８を有する。第１筐体部２８６には、複数のボルト挿入用孔部２８８が所定角度間隔ずつ離間して設けられる。燃料ガス供給連通孔４６、第１橋架部２８０、第１挟持部２８２、第２橋架部２８４及び酸化剤ガス供給連通孔６０は、セパレータ面方向に沿って直線上に配置される（図１８及び図１９参照）。
【０１０９】
第２プレート２７６は、中央部に燃料ガス供給連通孔４６が形成される第２燃料ガス供給部２９０を有する。この第２燃料ガス供給部２９０から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に延在する４つの第１橋架部２９２を介して比較的大径な第２挟持部２９４が一体に設けられる。第２挟持部２９４は、第１挟持部２８２と同様に、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、各第２挟持部２９４には、短尺な第２橋架部２９６を介して環状の第２筐体部２９８が一体に設けられる。
【０１１０】
第２燃料ガス供給部２９０の第１燃料ガス供給部２７８と接合される面には、燃料ガス供給連通孔４６に連通する溝部３００が、前記燃料ガス供給連通孔４６を中心にして放射状に形成される。溝部３００は、４本の燃料ガス供給通路８６に連通するとともに、各燃料ガス供給通路８６は、各第１橋架部２９２から各第２挟持部２９４の中央部近傍に延在し、第１プレート２７４の燃料ガス供給孔５８に対応して終端する。第２挟持部２９４のカソード電極３２に接触する面には、酸化剤ガス通路６８を形成する複数の第２突起部６９が設けられる。
【０１１１】
第２筐体部２９８には、酸化剤ガス供給連通孔６０が積層方向に形成される酸化剤ガス供給部１０８と、ボルト挿入用孔部２８８とが設けられる。この第２筐体部２９８の第１筐体部２８６に接合される面には、酸化剤ガス供給連通孔６０から供給される酸化剤ガスを充填するための充填室３０２が形成される。
【０１１２】
充填室３０２は、各第２橋架部２９６から各第２挟持部２９４の中央部近傍まで延在する酸化剤ガス供給通路９４に連通する。酸化剤ガス供給通路９４の先端には、第２挟持部２９４を貫通する酸化剤ガス供給孔７０が連通する。
【０１１３】
図２０に示すように、各セパレータ２７２間には、燃料ガス供給連通孔４６をシールするための第１絶縁シール３０４と、酸化剤ガス供給連通孔６０をシールするための第２絶縁シール３０６とが設けられる。第１絶縁シール３０４及び第２絶縁シール３０６は、シール性が高く、硬質で潰れ難い、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等が使用される。また、第２絶縁シール３０６は、熱エネルギの拡散を阻止する断熱部材であることが好ましい。
【０１１４】
このように構成される燃料電池２７０の動作について、以下に説明する。
【０１１５】
燃料ガス供給連通孔４６に供給された燃料ガスは、図１９及び図２０に示すように、積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら、セパレータ２７２の第２プレート２７６に形成された溝部３００から各燃料ガス供給通路８６に供給される。燃料ガスは、燃料ガス供給通路８６に沿って移動した後、第１プレート２７４に形成された燃料ガス供給孔５８から燃料ガス通路５４に導入される。
【０１１６】
一方、酸化剤ガス供給部１０８に供給される空気は、第１プレート２７４の第１筐体部２８６と第２プレート２７６の第２筐体部２９８との間に設けられる充填室３０２に一旦充填される。この充填室３０２には、酸化剤ガス供給通路９４が連通しており、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス供給通路９４に沿って第１挟持部２８２及び第２挟持部２９４の中心側に移動する。
【０１１７】
第２挟持部２９４の中心近傍には、酸化剤ガス供給孔７０が連通するとともに、前記酸化剤ガス供給孔７０は、電解質・電極接合体３６のカソード電極３２の略中心位置に対応して設けられている。これにより、空気は、酸化剤ガス供給孔７０からカソード電極３２に供給され、このカソード電極３２の略中心部から外周部に向かって酸化剤ガス通路６８を流動する。
【０１１８】
従って、各電解質・電極接合体３６では、アノード電極３４の略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の略中心部から外周部に向かって空気が供給され、発電が行われる。そして、発電に使用された燃料ガス及び空気は、排ガスとして各電解質・電極接合体３６の外周部から排ガス通路９７に排気される。
【０１１９】
この第４の実施形態では、第１及び第２挟持部２８２、２９４には、複数の第１突起部５６及び複数の第２突起部６９がそれぞれ所定の方向に沿って千鳥状に配列されている。従って、セパレータ２７２の変形に対する強度の向上を図るとともに、ＩＲ損が低減して発電効率が向上する等、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１２０】
図２１は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池３１０の分解斜視図である。
【０１２１】
燃料電池３１０は、１組のセパレータ３１２間に、複数、例えば、４個の電解質・電極接合体３６を挟んで構成される。セパレータ３１２は、中央部に燃料ガス供給連通孔４６を形成する第１燃料ガス供給部３１４を有する。この第１燃料ガス供給部３１４から外方に等角度間隔ずつ離間して、放射状に４本の第１橋架部３１６が設けられるとともに、各第１橋架部３１６には、円板状の挟持部３１８が一体的に設けられる。
【０１２２】
第１燃料ガス供給部３１４と各挟持部３１８との中心間距離は、同一距離に設定される。各挟持部３１８は、互いに分離して構成され、アノード電極３４に接する面３１８ａには、燃料ガス通路５４を形成する複数の第１突起部５６が設けられる。
【０１２３】
面３１８ａには、第１橋架部３１６の近傍に開口し、燃料ガス通路５４を通って使用された燃料ガスを排出する燃料ガス排出孔３２０と、前記燃料ガスが燃料ガス供給孔５８から前記燃料ガス排出孔３２０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３２２とが設けられる。面３１８ａには、燃料ガス通路５４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３２４が設けられる。
【０１２４】
各挟持部３１８のカソード電極３２に接触する面３１８ｂは、略平坦面に形成されており、この面３１８ｂには、円板状のプレート３２６が接合される。このプレート３２６には、カソード電極３２に接触して酸化剤ガス通路６８を形成する複数の第２突起部６９が設けられる。
【０１２５】
セパレータ３１２のカソード電極３２に対向する面には、通路蓋部材３２８が接合される。通路蓋部材３２８は、中央部に燃料ガス供給連通孔４６を形成する第２燃料ガス供給部３３０を備える。第２燃料ガス供給部３３０には、補強用のボス部３３２が複数設けられる。第２燃料ガス供給部３３０から放射状に４本の第２橋架部３３４が延在するとともに、各第２橋架部３３４は、セパレータ３１２の第１橋架部３１６から挟持部３１８の面３１８ｂに、燃料ガス供給孔５８を覆って接合され、燃料ガス供給通路８６を形成する。なお、通路蓋部材３２８は、プレート３２６と一体に構成してもよい。
【０１２６】
酸化剤ガス通路６８は、電解質・電極接合体３６の内側周端部と挟持部３１８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連通孔６０ｂに連通する。この酸化剤ガス供給連通孔６０ｂは、各挟持部３１８の内方と各第１橋架部３１６との間に位置して積層方向に延在する。
【０１２７】
このように構成される燃料電池３１０では、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４６から燃料ガス供給通路８６を通って、各挟持部３１８に形成された燃料ガス供給孔５８から燃料ガス通路５４に導入される。このため、燃料ガスは、アノード電極３４の略中心に供給された後、燃料ガス通路５４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。
【０１２８】
一方、酸化剤ガス供給連通孔６０ｂ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３１８の内側周端部との間から矢印Ｃ方向に流入し、酸化剤ガス通路６８に送られる。酸化剤ガス通路６８では、電解質・電極接合体３６のカソード電極３２の内側周端部側から外側周端部側に向かって空気が流動する。
【０１２９】
この第５の実施形態では、各挟持部３１８に、それぞれ所定の方向に千鳥状に、複数の第１突起部５６と第２突起部６９とが設けられている。従って、セパレータ３１２の変形に対する強度の向上を図るとともに、ＩＲ損が低減して発電効率が向上する等、上記の第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１３０】
図２４は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池３４０の分解斜視図である。
【０１３１】
燃料電池３４０は、一組のセパレータ３４２間に、単一の電解質・電極接合体３６を挟んで構成される。セパレータ３４２は、第１プレート３４４及び第２プレート３４６を備え、前記第１プレート３４４及び前記第２プレート３４６は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成され、ろう付け、レーザ溶接又は拡散接合等により互いに接合される。
【０１３２】
第１プレート３４４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６０が形成される第１反応ガス供給部３４８を備える。この第１反応ガス供給部３４８には、幅狭な第１橋架部３５０を介して比較的大径な第１挟持部３５２が一体に設けられる。
【０１３３】
第１挟持部３５２は、電解質・電極接合体３６と略同一寸法の円板形状に設定される。第１挟持部３５２には、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔５８が、例えば、前記第１挟持部３５２の中心に対して偏心した位置に設定される。第１挟持部３５２のアノード電極３４に接触する面には、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燃料ガス通路５４を形成するための多数の第１突起部５６が設けられる。
【０１３４】
第２プレート３４６は、燃料ガス供給連通孔４６及び酸化剤ガス供給連通孔６０が形成される第２反応ガス供給部３５４を備える。この第２反応ガス供給部３５４には、幅狭な第２橋架部３５６を介して比較的大径な第２挟持部３５８が一体に設けられる。第２挟持部３５８には、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給孔７０が、例えば、前記第２挟持部３５８の中心に対して燃料ガス供給孔５８とは逆側に偏心した位置に設定される。
【０１３５】
第２橋架部３５６には、燃料ガス供給連通孔４６から燃料ガス供給孔５８に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給通路８６と、酸化剤ガス供給連通孔６０から酸化剤ガス供給孔７０に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給通路９４とが設けられる。なお、燃料ガス供給通路８６及び酸化剤ガス供給通路９４は、第１プレート３４４側の第１橋架部３５０に設けてもよい。
【０１３６】
第２挟持部３５８のカソード電極３２に接触する面には、円板状のプレート３６０が、例えば、ろう付け、レーザ溶接又は拡散接合等により接合される。このプレート３６０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６８を形成するための複数の第２突起部６９が、プレスやエッチング等により設けられる。各セパレータ３４２間には、燃料ガス供給連通孔４６及び酸化剤ガス供給連通孔６０をシールするための絶縁シール３６２が設けられる。
【０１３７】
セパレータ３４２は、第１プレート３４４の第１挟持部３５２と、第２プレート３４６の第２挟持部３５８（プレート３６０を含む）とが接合されることにより、円板状の挟持部３６４を構成する。挟持部３６４には、第１橋架部３５０と第２橋架部３５６とが接合されて構成される橋架部３６６が連結される。橋架部３６６には、第１反応ガス供給部３４８と第２反応ガス供給部３５４とが接合されて形成される反応ガス供給部３６８が連結される。
【０１３８】
第１突起部５６及び第２突起部６９は、橋架部３６６の延在方向に沿って、燃料ガス供給通路８６及び酸化剤ガス供給通路９４の延在方向に沿って、さらに反応ガス供給部３６８の中心と挟持部３６４の重心（又は中心）とを結ぶ直線方向に沿って、千鳥状に配列される。
【０１３９】
このように構成される燃料電池３４０では、図２５及び図２６に示すように、燃料ガスは、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、各燃料ガス供給通路８６に沿ってセパレータ３４２の面方向に移動する。燃料ガスは、燃料ガス供給通路８６から第１挟持部３５２に形成された燃料ガス供給孔５８を通って燃料ガス通路５４に導入される。
【０１４０】
燃料ガス供給孔５８は、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、燃料ガス供給孔５８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５４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。
【０１４１】
一方、空気は、酸化剤ガス供給連通孔６０に沿って積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら、各酸化剤ガス供給通路９４に沿ってセパレータ３４２の面方向に移動する。
【０１４２】
空気は、酸化剤ガス供給通路９４から第２挟持部３５８及びプレート３６０に形成された酸化剤ガス供給孔７０を通って酸化剤ガス通路６８に導入される。酸化剤ガス供給孔７０は、電解質・電極接合体３６のカソード電極３２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７０からカソード電極３２の略中心に供給された後、酸化剤ガス通路６８に沿って前記カソード電極３２の外周部に向かって移動する。
【０１４３】
この第６の実施形態では、第１及び第２挟持部３５２、３５８（プレート３６０）には、複数の第１突起部５６及び複数の第２突起部６９がそれぞれ所定の方向に沿って千鳥状に配列されている。従って、セパレータ３４２の変形に対する強度の向上を図るとともに、ＩＲ損が低減して発電効率が向上する等、上記の第１〜第５の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１４４】
図２７は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池３８０の分解斜視図である。
【０１４５】
燃料電池３８０は、各セパレータ３８２間に４個の電解質・電極接合体３６が、このセパレータ３８２の中心部である反応ガス供給部３６８を中心に同心円上に配列される。
【０１４６】
セパレータ３８２は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成される第１プレート３８４及び第２プレート３８６を備える。第１プレート３８４は、第１反応ガス供給部３８８を設け、この第１反応ガス供給部３８８の中央部には、燃料ガス供給連通孔４６が形成されるととともに、前記燃料ガス供給連通孔４６を中心に複数、例えば、４つの酸化剤ガス供給連通孔６０が同心円上に配列される。４つの酸化剤ガス供給連通孔６０の合計流路断面積は、燃料ガス供給連通孔４６の流路断面積よりも大きく設定される。
【０１４７】
第１反応ガス供給部３８８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３９０を介し、比較的大径な第１挟持部３９２が一体に設けられる。第１反応ガス供給部３８８と各第１挟持部３９２との中心間距離は、同一距離に設定される。各酸化剤ガス供給連通孔６０は、各第１橋架部３９０の間に対応して形成される。
【０１４８】
各第１挟持部３９２は、電解質・電極接合体３６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。第１挟持部３９２には、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔５８が、例えば、前記第１挟持部３９２の中心に設定される。第１挟持部３９２のアノード電極３４に接触する面には、燃料ガス通路５４を形成するための多数の第１突起部５６が設けられる。
【０１４９】
第２プレート３８６は、第２反応ガス供給部３９４を設け、この第２反応ガス供給部３９４の中央部には、燃料ガス供給連通孔４６が形成されるととともに、前記燃料ガス供給連通孔４６を中心に複数、例えば、４つの酸化剤ガス供給連通孔６０が同心円上に配列される。
【０１５０】
第２反応ガス供給部３９４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２橋架部３９６を介し、比較的大径な第２挟持部３９８が一体に設けられる。第２挟持部３９８のカソード電極３２に向かう面には、プレート３６０がろう付け、レーザ溶接又は拡散接合等で接合されることにより、酸化剤ガス通路６８が形成される。
【０１５１】
第２橋架部３９６には、燃料ガス供給連通孔４６から各燃料ガス供給孔５８に燃料ガスを供給するための４つの燃料ガス供給通路８６ａと、酸化剤ガス供給連通孔６０から各酸化剤ガス供給孔７０に酸化剤ガスを供給するための４組の酸化剤ガス供給通路９４ａが設けられる。
【０１５２】
酸化剤ガス供給通路９４ａは、各第２橋架部３９６毎に２本ずつ設けられており、各第２挟持部３９８で一体化されるとともに、燃料ガス供給通路８６ａは、２本の前記酸化剤ガス供給通路９４ａ間に介在する。第２挟持部３９８には、２本の酸化剤ガス供給通路９４ａが合流する部位に、燃料ガス供給孔５８を周回して３つの酸化剤ガス供給孔７０が形成される（図２８参照）。
【０１５３】
セパレータ３８２は、第１プレート３８４と第２プレート３８６とが一体にろう付け、レーザ溶接又は拡散接合等で接合されることにより、４つの円板状の挟持部３６４と、各挟持部３６４に連結される４つの橋架部３６６と、前記橋架部３６６が連結される１つの反応ガス供給部３６８とを備える。セパレータ３８２は、少なくとも１つの挟持部３６４の外側外周部に、４つの電解質・電極接合体３６（すなわち、燃料電池３８０）の発電による電力を取り出すための突出部４００が設けられる。
【０１５４】
このように構成される燃料電池３８０では、燃料ガスは、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、各燃料ガス供給通路８６ａに沿ってセパレータ３８２の面方向に移動する。燃料ガスは、燃料ガス供給通路８６ａから挟持部３６４に形成された燃料ガス供給孔５８を通って燃料ガス通路５４に導入され、前記燃料ガス通路５４に沿ってアノード電極３４の外周部に向かって移動する。
【０１５５】
一方、酸化剤ガス供給連通孔６０に供給された空気は、各酸化剤ガス供給通路９４ａに沿ってセパレータ３８２の面方向に移動する。空気は、酸化剤ガス供給通路９４ａから挟持部３６４に形成された３つの酸化剤ガス供給孔７０を通って酸化剤ガス通路６８に導入され、前記酸化剤ガス通路６８に沿ってカソード電極３２の外周部に向かって移動する。
【０１５６】
この第７の実施形態では、第１及び第２挟持部３９２、３９８（プレート３６０）には、複数の第１突起部５６及び複数の第２突起部６９がそれぞれ所定の方向に沿って千鳥状に配列されている。従って、セパレータ３８２の変形に対する強度の向上を図るとともに、ＩＲ損が低減して発電効率が向上する等、上記の第１〜第６の実施形態と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０１５７】
【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】前記燃料電池を構成する第１プレートの要部拡大説明図である。
【図５】前記燃料電池を構成する第２プレートの要部拡大説明図である。
【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】比較例の挟持部の説明図である。
【図８】前記燃料電池のＩ−Ｖ特性説明図である。
【図９】金属抵抗と接触面積との関係説明図である。
【図１０】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１１】前記燃料電池の分解斜視図である。
【図１２】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１３】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１４】本発明の第３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１５】前記燃料電池の分解斜視図である。
【図１６】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１７】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１８】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１９】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２０】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２１】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。
【図２２】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２３】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２４】本発明の第６の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。
【図２５】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２６】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２７】本発明の第７の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。
【図２８】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２９】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３０】特許文献２に開示されているセパレータの説明図である。
【図３１】特許文献３に開示されているセパレータの説明図である。
【符号の説明】
【０１５８】
２０、２００、２４０、２７０、３１０、３４０、３８０…燃料電池
２２、２０２、２４２…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…電解質・電極接合体
３８、２０４、２４４、２７２、３１２、３４２、３８２…セパレータ
４０、４２、４４、２７４、２７６、３２６、３４４、３４６、３６０、３８４、３８６…プレート
４６…燃料ガス供給連通孔
４８、７２、１０６、２０６、２１８、２７８、２９０、３１４、３３０…燃料ガス供給部
５０、６４、７６、７８、１０２、１０４、２０８、２２０、２２１、２８０、２８４、２９２、２９６、３１６、３３４、３５０、３５６、３６６、３９０、３９６…橋架部
５２、６６、８０、１００、２１０、２４６、２８２、２９４、３１８、３５２、３５８、３６４、３９２、３９８…挟持部
５４…燃料ガス通路                  ５６、６９…突起部
５８…燃料ガス供給孔                ６０…酸化剤ガス供給連通孔
６０ａ、９４、９４ａ…酸化剤ガス供給通路
６２、７４、１０８…酸化剤ガス供給部
６８…酸化剤ガス通路                ７０…酸化剤ガス供給孔
８６、８６ａ…燃料ガス供給通路      ２１６、２５６、３２８…通路蓋部材
２４８、３２０…燃料ガス排出孔      ２５０、３２２…円弧状壁部
２８６、２９８…筐体部
３４８、３５４、３６８、３８８、３９４…反応ガス供給部
【図１】
2009283146.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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【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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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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