(57)【要約】【課題】電解質・電極接合体の外周部外方に排出される排ガスによる影響を回避し、前記電解質・電極接合体とセパレータとの密着性を向上させるとともに、所望の集電性を確保することを可能にする。【解決手段】燃料電池２０は、電解質・電極接合体３６とセパレータ３８とを備える。電解質・電極接合体３６を構成するアノード電極３４のセパレータ３８に向かう面には、前記アノード電極３４が排ガスに曝されることを阻止するための第１保護層３７が形成される。セパレータ３８のアノード電極３４に向かう面には、前記セパレータ３８が排ガスに曝されることを阻止するための第２保護層６７が形成される。第１保護層３７と第２保護層６７との間には、これらが互いに部分的に密着されることにより、アノード電極３４に燃料ガスを供給する燃料ガス通路５２を構成するための空間部５３が形成される。【選択図】図４
2009048787.tif 000002
【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配設されるとともに、前記アノード電極の中心部から外周部に向かって燃料ガスを供給する一方、前記カソード電極に沿って酸化剤ガスを供給し、さらに使用後の前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスが混在する排ガスを、前記電解質・電極接合体の外周部外方に排出する燃料電池であって、
前記アノード電極の前記セパレータに向かう面に形成され、前記アノード電極が前記排ガスに曝されることを阻止するための第１保護層と、
前記セパレータの前記アノード電極に向かう面に形成され、前記セパレータが前記排ガスに曝されることを阻止するための第２保護層と、
を備えるとともに、
前記第１保護層と前記第２保護層との間には、前記第１保護層と前記第２保護層とが部分的に密着されることにより、前記アノード電極に前記燃料ガスを供給する燃料ガス通路を構成するための空間部が形成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、前記セパレータの前記アノード電極に向かう面には、複数の突起部が形成されるとともに、
前記突起部に形成された前記第２保護層が、前記アノード電極に形成された前記第１保護層に密着することにより、前記突起部間の前記第２保護層と前記第１保護層との間に前記空間部が形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池において、前記セパレータの前記アノード電極に向かう面には、複数の突起部が形成されるとともに、
前記突起部が、前記アノード電極に形成された前記第１保護層内に入り込むことにより、前記突起部間の前記第２保護層と前記第１保護層との間に前記空間部が形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項２又は３記載の燃料電池において、前記アノード電極に形成される前記第１保護層は、１μｍ〜１００μｍの膜厚に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記載の燃料電池において、前記第１保護層及び前記第２保護層は、７００℃における導電率が１．０Ｓ／ｃｍ以上の金属又は該金属のサーメット化合物で構成されるとともに、
前記第１保護層の膜厚は、前記第２保護層の膜厚と同等以上に設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池において、前記第１保護層内では、還元作用によって気孔が生成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項５記載の燃料電池において、前記第１保護層には、内部に気孔を生成するための造孔材が添加されることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持する挟持部と、
前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記アノード電極の中心部に供給するための燃料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、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給通路に供給するための燃料ガス供給連通孔が積層方向に形成される燃料ガス供給部と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記セパレータは、金属プレートから構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
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配設されるとともに、前記アノード電極の中心部から外周部に向かって燃料ガスを供給する一方、前記カソード電極に沿って酸化剤ガスを供給し、さらに使用後の前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスが混在する排ガスを、前記電解質・電極接合体の外周部外方に排出する燃料電池の製造方法であって、
前記アノード電極の前記セパレータに向かう面に、前記アノード電極が前記排ガスに曝されることを阻止するための第１保護層を形成する工程と、
前記セパレータの前記アノード電極に向かう面に、前記セパレータが前記排ガスに曝されることを阻止するための第２保護層を形成する工程と、
前記第１保護層と前記第２保護層とを部分的に密着させることにより、前記第１保護層と前記第２保護層との間に、前記アノード電極に前記燃料ガスを供給する燃料ガス通路を構成するための空間部を形成する工程と、
を有することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０記載の製造方法において、前記セパレータの前記アノード電極に向かう面には、複数の突起部が形成されるとともに、
前記突起部が、前記アノード電極に形成された前記第１保護層内に入り込むことにより、前記突起部間の前記第２保護層と前記第１保護層との間に前記空間部が形成されることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項１２】
請求項１０又は１１記載の製造方法において、前記第１保護層は、前記アノード電極の面に形成される一方、
前記第２保護層は、無電解メッキにより前記セパレータの面に形成されることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【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配設されるとともに、前記アノード電極の中心部から外周部に向かって燃料ガスを供給する一方、前記カソード電極に沿って酸化剤ガスを供給し、さらに使用後の前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスが混在する排ガスを、前記電解質・電極接合体の外周部外方に排出する燃料電池及びその製造方法に関する。
【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】
この種の燃料電池では、例えば、シールレス型のセパレータが採用されており、アノード電極に供給された燃料ガス及びカソード電極に供給された酸化剤ガスは、発電反応後に前記セパレータの外周部外方に排出されている。このため、セパレータの外周部外方では、未反応の燃料ガスと空気とが混合して燃焼し、排ガスとして外部に排出されている。
【０００４】
その際、空気の供給流量は、燃料ガスの供給流量よりも多く設定されているため、排ガス中に酸素が残存している。しかも、アノード電極には、未反応の燃料ガスが存在し、さらに発電反応によってアノード電極に水蒸気が生成されている。従って、アノード電極は還元雰囲気でありながら、セパレータや前記アノード電極の外周部は、カソード電極側から回り込む酸素や水蒸気に曝されて酸化や水蒸気酸化され易い。
【０００５】
ここで、アノード電極は、例えば、Ｎｉ−Ｚｒ（ニッケル−ジルコニア）系サーメット材等により構成されており、このアノード電極の外周部が酸化されてＮｉＯとなってしまう。ＮｉＯは、電気抵抗が高く、電気伝導を阻害するとともに、酸化還元反応による局所的な体積変化（膨張や収縮）によってＭＥＡが破損し易くなるという問題がある。
【０００６】
一方、セパレータは、例えば、鉄系合金等の金属セパレータが採用されており、このセパレータの表面に酸化物（Ｆｅ酸化物やＣｒ酸化物）が生成されてしまう。これにより、セパレータの電気伝導が低下するとともに、燃料ガスの圧力損失の増大や燃料ガス流れの不均一の他、酸化物が剥離して燃料電池内に飛散したり、電解質・電極構造体との接触抵抗が増大したりする等の問題が発生するという問題がある。
【０００７】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体電解質型燃料電池用合金セパレータ及びその製造方法では、耐熱合金で構成されたセパレータの燃料極面側に、ニッケルメッキ層を湿式メッキ処理により設けることにより、耐熱合金元素が酸化されることを防止し、電気抵抗の増大を阻止する工夫がなされている。
【０００８】
また、特許文献２に開示されている固体電解質型燃料電池の燃料電極の改善法では、ニッケルとジルコニアを主体とする材料とのサーメットからなる燃料電極を無電解メッキし、前記燃料電極の表面にニッケルからなるメッキ膜を形成させることにより、接点における接触抵抗を減少させて、発電効率を改善する工夫がなされている。
【０００９】
【特許文献１】特開平５−３６４２５号公報
【特許文献２】特開平９−１１５５２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記の特許文献１では、セパレータの燃料極面側にニッケルメッキ層が設けられるものの、ＭＥＡ側の燃料極は、排ガスによって酸化され易いという問題がある。しかも、燃料極に酸化物堆積が発生し、局所的な体積変化により前記燃料極とセパレータとの密着性を十分に確保することができない。これにより、燃料極とセパレータとの接触部分の追随性が低下し、接触抵抗が増大するとともに、メッキ層の剥がれ等が惹起するおそれがある。
【００１１】
また、上記の特許文献２では、燃料電極の表面にニッケルからなるメッキ層を形成するものの、セパレータについては何ら考慮されていない。このため、セパレータの表面に生成する酸化物による皮膜によって集電作用が阻害されるだけでなく、燃料電極とセパレータとの密着性を十分に確保することができず、接触抵抗が増大するという問題がある。
【００１２】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、電解質・電極接合体の外周部外方に排出される排ガスによる影響を可及的に回避し、前記電解質・電極接合体とセパレータとの密着性を向上させるとともに、所望の集電性を確保することが可能な燃料電池及びその製造方法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】
【００１３】
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配設されるとともに、前記アノード電極の中心部から外周部に向かって燃料ガスを供給する一方、前記カソード電極に沿って酸化剤ガスを供給し、さらに使用後の前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスが混在する排ガスを、前記電解質・電極接合体の外周部外方に排出する燃料電池に関するものである。
【００１４】
燃料電池は、アノード電極のセパレータに向かう面に形成され、前記アノード電極が排ガスに曝されることを阻止するための第１保護層と、セパレータの前記アノード電極に向かう面に形成され、前記セパレータが前記排ガスに曝されることを阻止するための第２保護層とを備えるとともに、前記第１保護層と前記第２保護層との間には、前記第１保護層と前記第２保護層とが部分的に密着されることにより、前記アノード電極に前記燃料ガスを供給する燃料ガス通路を構成するための空間部が形成されている。
【００１５】
また、セパレータのアノード電極に向かう面には、複数の突起部が形成されるとともに、前記突起部に形成された第２保護層が、前記アノード電極に形成された第１保護層に密着することにより、前記突起部間の前記第２保護層と前記第１保護層との間に空間部が形成されることが好ましい。
【００１６】
さらに、セパレータのアノード電極に向かう面には、複数の突起部が形成されるとともに、前記突起部が、前記アノード電極に形成された第１保護層内に入り込むことにより、前記突起部間の第２保護層と前記第１保護層との間に空間部が形成されることが好ましい。
【００１７】
さらにまた、アノード電極に形成される第１保護層は、１μｍ〜１００μｍの膜厚に設定されることが好ましい。
【００１８】
また、第１保護層及び第２保護層は、７００℃における導電率が１．０Ｓ／ｃｍ以上の金属又は該金属のサーメット化合物で構成されるとともに、前記第１保護層の膜厚は、前記第２保護層の膜厚と同等以上に設定されることが好ましい。
【００１９】
さらに、第１保護層内では、還元作用によって気孔が生成されることが好ましい。
【００２０】
さらにまた、第１保護層には、内部に気孔を生成するための造孔材が添加されることが好ましい。
【００２１】
また、セパレータは、電解質・電極接合体を挟持する挟持部と、前記挟持部に連結され、燃料ガスをアノード電極の中心部に供給するための燃料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、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給通路に供給するための燃料ガス供給連通孔が積層方向に形成される燃料ガス供給部とを備えることが好ましい。
【００２２】
さらに、セパレータは、金属プレートから構成されることが好ましい。
【００２３】
さらにまた、本発明に係る燃料電池の製造方法は、アノード電極のセパレータに向かう面に、前記アノード電極が排ガスに曝されることを阻止するための第１保護層を形成する工程と、セパレータの前記アノード電極に向かう面に、前記セパレータが前記排ガスに曝されることを阻止するための第２保護層を形成する工程と、前記第１保護層と前記第２保護層とを部分的に密着させることにより、前記第１保護層と前記第２保護層との間に、前記アノード電極に前記燃料ガスを供給する燃料ガス通路を構成するための空間部を形成する工程とを有している。
【００２４】
また、第１保護層は、アノード電極の面に形成される一方、第２保護層は、無電解メッキによりセパレータの面に形成されることが好ましい。
【００２５】
ここで、排ガスとは、アノード電極に発電反応のために供給された燃料ガスのうち、未反応のまま使用済みとなった燃料ガス、未反応のまま使用済みとなった燃料ガスと酸化剤ガスとが燃焼して生成された高温の反応ガス、発電反応によって生成された水蒸気、カソード電極からアノード電極へ回り込んだ酸化剤ガスのいずれか、又はこれらの２以上が混合された混合ガスをいう。
【発明の効果】
【００２６】
本発明では、アノード電極及びセパレータに、第１保護層及び第２保護層が形成されているため、排ガス中の酸化剤ガスが前記アノード電極及び前記セパレータに回り込んだり、水蒸気が存在したりしても、前記アノード電極及び前記セパレータが酸化されることを阻止することができる。従って、アノード電極及びセパレータの耐酸化性が向上するとともに、酸化や水蒸気酸化による堆積物の生成や飛散が抑制され、燃料ガスの円滑な流れが確保される。
【００２７】
しかも、アノード電極に形成された第１保護層と、セパレータに形成された第２保護層とは、互いに良好な状態で密着することができる。このため、アノード電極及びセパレータは、一体化して剛性の向上を図ることが可能になる。これにより、熱変形に対して電解質・電極接合体が破損し難くなるとともに、集電特性が向上し、且つ接触抵抗を有効に低下させることができる。
【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】
なお、第１の実施形態で用いられる電解質・電極接合体３６は、一方の電極を基板として電解質と残りの電極を積層する支持膜型であってもよいし、電解質を基板として両面に電極を積層する自立膜型であってもよい。さらに電解質と電極との間には、中間層を挿入することもできるが、中間層を挿入しない実施形態で説明する。
【００３１】
アノード電極３４は、例えば、Ｎｉ−Ｚｒ系サーメット材で構成される。図４に示すように、アノード電極３４は、カソード電極３２よりも積層方向である矢印Ａ方向に大きな膜厚を有しており、アノード電極３４を基板として電解質３０、カソード電極３２を順次積層することによって、支持膜型の電解質・電極接合体３６を構成する。このアノード電極３４の後述するセパレータ３８に向かう面には、前記アノード電極３４が排ガスに曝されることを阻止するための第１保護層３７が形成される。
【００３２】
第１保護層３７は、７００℃における導電率が１．０Ｓ／ｃｍ以上の金属又は該金属のサーメット化合物からなるコーティング層により構成される。この金属としては、例えば、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｇ（銀）、Ｃｏ（コバルト）、Ｐｄ（パラジウム）又はＰｔ（白金）等が選択される。第１保護層３７は、厚さが１μ〜１００μの膜厚に設定される。気孔は、第１保護層に用いた金属、例えば、ＮｉがＮｉＯからＮｉへ還元され、体積収縮することによって形成される。気孔を形成するために、この他に、予め、カーボンや樹脂等の有機物からなる造孔材を添加してもよい。
【００３３】
一方、サーメット材料、例えば、Ｎｉ−ＹＳＺ（イットリウム安定化ジルコニア）、Ｎｉ−ＳＳＺ（スカンジウム安定化ジルコニア）、Ｎｉ−ＳＤＣ（サマリウム固溶セリア）又はＮｉ−ＧＤＣ（ガドリウム固溶セリア）等が用いられる際には、金属比率が８０ｗｔ％以上に設定される。
【００３４】
なお、第１の実施形態では、後述するように、第１保護層３７がニッケル集電層により構成される。
【００３５】
セパレータ３８は、例えば、Ｆｅ系合金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複数の橋架部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。
【００３６】
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。
【００３７】
図２及び図５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。
【００３８】
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。
【００３９】
図４及び図５に示すように、セパレータ３８のアノード電極３４に向かう面には、前記セパレータ３８が排ガスに曝されることを阻止するための第２保護層６７が形成される。この第２保護層６７は、上記の第１保護層３７と同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。
【００４０】
第１保護層３７と第２保護層６７との間には、前記第１保護層３７と前記第２保護層６７とが部分的に密着されることにより、アノード電極３４に燃料ガスを供給する燃料ガス通路５２を構成するための空間部５３が形成される（図４参照）。
【００４１】
図５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４０をシールするための絶縁シール６６が設けられる。燃料電池２０には、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。
【００４２】
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。エンドプレート７４ａ、７４ｂ間は、ねじ孔８０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。
【００４３】
次いで、燃料電池２０を製造する第１の実施形態に係る製造方法について、以下に説明する。
【００４４】
先ず、電解質・電極接合体３６を構成するアノード電極３４において、セパレータ３８に向かう面に第１保護層３７を形成する工程が行われる。
【００４５】
具体的には、アノード電極３４の面に、ＮｉＯが５５ｗｔ％のペーストをスクリーン印刷し、大気焼成炉を用いて８００℃〜１４００℃の温度で、１時間〜４時間の焼付け処理が行われる。その際、ペーストには、必要に応じて造孔材が添加されており、焼成後のＮｉＯ層には、多数の気孔が存在している。特に、第１保護層３７の膜厚が大きい場合には、気孔率を高めるために造孔材を添加する必要がある。第１の実施形態では、第１保護層３７をセパレータ３８に形成する方法として、スクリーン印刷の例を示したが、これ以外に溶射、スパッタ法、ＰＬＤ法、めっき等を利用することもできる。
【００４６】
上記の焼付け処理によって、アノード電極３４の面には、１μｍ〜１００μｍ、好ましくは、２μｍ〜１０μｍの膜厚を有する第１保護層３７が形成される。なお、Ｎｉ粒子の凝集を防ぐために、例えば、Ｎｉ−８ＹＳＺ等のサーメット材を使用することも可能である。その際、ニッケル比率が８０ｗｔ％以上になるように設定することが好ましい。
【００４７】
一方、セパレータ３８には、少なくとも挟持部４６のアノード電極３４に向かう面に、第２保護層６７が、例えば、無電解メッキにより形成される。セパレータ３８において、円板状の挟持部４６の複数の突起部５４が設けられている面に、必要に応じてマスキングが行われる。このマスキングは、例えば、テープやパラフィン等を用いて行われる。
【００４８】
次に、セパレータ３８には、キシレン等（酸やアルカリを組み合わせた数種類の薬品で行ってもよい。）による脱脂処理や不動態皮膜の除去処理が施される。これにより、活性化されたセパレータ３８の表面には、薄膜状にニッケル電気メッキが施される（ニッケルストライクメッキ）。この電気メッキ層は、後工程のメッキの密着性を向上させるためであり、厚さは１μｍ以下が好ましい。
【００４９】
ニッケル電気メッキ処理が施されたセパレータ３８には、引き続きニッケル無電解メッキ処理が施される。このニッケル無電解メッキ処理は、膜厚が５μｍ以下に設定されることが好ましい。その際、メッキ用ニッケル槽に添加される主な元素は、Ｐ（リン）、Ｗ（タングステン）、Ｂ（ホウ素）又はＣｏ（コバルト）等であるとともに、ニッケル濃度が８０ｗｔ％以上に設定される。
【００５０】
さらに、メッキ処理後のセパレータ３８は、水洗いされた後、１３０℃の温度で１時間の焼成（ベーキング）処理が実施される。これは、メッキ層の密着性を向上させるための焼成処理であり、焼成後はアモルファス＋結晶の複合組織となる。これにより、セパレータ３８には、第２保護層６７が形成される。
【００５１】
そして、セパレータ３８を構成する各挟持部４６に電解質・電極接合体３６が載置されると、アノード電極３４に形成された第１保護層３７に、前記挟持部４６に突起部５４を覆って形成された第２保護層６７が部分的に密着し、これらの間に形成される空間部５３により燃料ガス通路５２が形成される（図４参照）。
【００５２】
このように製造される燃料電池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。
【００５３】
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。
【００５４】
燃料ガスは、図５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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
その際、酸化剤ガスは、通常、各電解質・電極接合体３６に対して空気過剰状態で供給されており、前記電解質・電極接合体３６の外周で未反応の燃料ガスを混在して燃焼する前後、さらに燃焼しながら、酸素が残存した状態でカソード電極３２からアノード電極３４へ回り込んでくる。さらに、アノード電極３４には、発電反応によって水蒸気が生成しており、未反応のまま使用済みとなった燃料ガスも残っている。この酸素や水蒸気、使用済みとなった燃料ガスを含有する高温の排ガスにより、電解質・電極接合体３６やセパレータ３８の外周部は、酸化、水蒸気酸化、還元が同時に進行する厳しい環境となっている。従って、電解質・電極接合体３６の外周部、特にアノード電極３４の外周部及びセパレータ３８が曝されるため、前記アノード電極３４の外周部及び前記セパレータ３８の外周部が酸化及び水蒸気酸化され易く、同時に還元反応も起こり得る。
【００５８】
この場合、第１の実施形態では、図４及び図５に示すように、アノード電極３４及びセパレータ３８には、第１保護層３７及び第２保護層６７が形成されている。このため、排ガス中の酸化剤ガスが、電解質・電極接合体３６の外周を回り込んでアノード電極３４及びセパレータ３８の外周部に入り込み、水蒸気が存在していても、前記アノード電極３４及び前記セパレータ３８が酸化や水蒸気酸化されることを阻止することができる。
【００５９】
従って、アノード電極３４及びセパレータ３８の耐酸化性が向上するとともに、酸化や水蒸気酸化による堆積物の生成や飛散が抑制され、燃料ガス通路５２に沿って燃料ガスの円滑な流れが確保される。
【００６０】
しかも、アノード電極３４に形成された第１保護層３７と、セパレータ３８の挟持部４６に形成された第２保護層６７とは、一体化して剛性が有効に向上するとともに、前記第１保護層３７と前記第２保護層６７とは、同一の材料で構成されており、同一の熱膨張係数を有している。
【００６１】
これにより、第１保護層３７及び第２保護層６７は、同一の熱変形状態を有しており、電解質・電極接合体３６が破損し難くなるとともに、アノード電極３４とセパレータ３８との密着性が高まることによって集電特性が向上し、且つ接触抵抗の低下が有効に可能になるという効果が得られる。
【００６２】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る製造方法の説明図である。なお、第２の実施形態では、第１の実施形態と同様に燃料電池スタック２２を用いている。
【００６３】
この第２の実施形態では、アノード電極３４のセパレータ３８に向かう面に、第１保護層３７ａが形成されるとともに、前記セパレータ３８の前記アノード電極３４に向かう面に、第２保護層６７ａが形成される。
【００６４】
その際、第１保護層３７ａの膜厚は、比較的大きな値に設定されており、システム昇温時（稼動初期段階）において、セパレータ３８の複数の突起部５４が、第１保護層３７ａ内に入り込んでいる。第１保護層３７ａ及び第２保護層６７ａは、共にニッケルを有しており、このニッケル同士の馴染み性が高いからである。
【００６５】
これにより、第２の実施形態では、セパレータ３８の突起部５４が、アノード電極３４に設けられている第１保護層３７ａ内に入り込んで密着するため、互いの動きを抑制することができる。従って、熱変形による電解質・電極接合体３６の破損等を確実に抑制することが可能になるという効果が得られる。
【００６６】
なお、第１保護層３７、３７ａ及び第２保護層６７、６７ａは、１μｍ以下の薄膜に形成することが困難であるとともに、膜厚が薄すぎると、酸化抑制効果が得られない。これにより、膜厚は、好ましくは、１μｍ以上に設定される。
【００６７】
一方、膜厚が厚くなると、電気抵抗が増大して接触抵抗が大きくなり、導通及び集電による損失が大きくなってしまう。さらに、コーティング層の界面で熱膨張係数の差による剥離が発生し易くなるとともに、ピンホール等の形成を防止して安定した皮膜を形成することが困難であり、且つコストが高騰するおそれがある。従って、膜厚上限値を適宜設定することが好ましく、特に、第１保護層３７、３７ａは、１００μｍ以下に設定されることが好ましい。
【００６８】
図７は、本発明の第３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４〜第６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。
【００６９】
燃料電池１００は、図８及び図９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１０４を備える。セパレータ１０４は、第１及び第２プレート１０６、１０８と、前記第１及び第２プレート１０６、１０８間に配設される第３プレート１１０とを備える。第１〜第３プレート１０６、１０８及び１１０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１１０の両面に、前記第１プレート１０６と前記第２プレート１０８とが、例えば、ろう付けにより接合される。
【００７０】
図８に示すように、第１プレート１０６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１１２を備え、この第１燃料ガス供給部１１２には、幅狭な第１橋架部１１４を介して比較的大径な第１挟持部１１６が一体的に設けられる。第１挟持部１１６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。
【００７１】
第１挟持部１１６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５４ａ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１１６の外周縁部には、略リング状突起部５４ｂが設けられる。突起部５４ａ及び略リング状突起部５４ｂは、集電部を構成する。
【００７２】
第１挟持部１１６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５４ａは、略リング状突起部５４ｂ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。第１挟持部１１６のアノード電極３４に向かう面には、突起部５４ａ及び略リング状突起部５４ｂを覆って第２保護層６７が形成される。
【００７３】
第２プレート１０８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１１８を備える。この第１酸化剤ガス供給部１１８には、幅狭な第２橋架部１２０を介して比較的大径な第２挟持部１２２が一体的に設けられる。
【００７４】
第２挟持部１２２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１０参照）。第２挟持部１２２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１２４が形成される。
【００７５】
第３プレート１１０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１２６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１２８とを備える。第２燃料ガス供給部１２６及び第２酸化剤ガス供給部１２８は、幅狭な第３及び第４橋架部１３０、１３２を介して比較的大径な第３挟持部１３４と一体的に構成される。第３挟持部１３４は、第１及び第２挟持部１１６、１２２と同一直径に設定される。
【００７６】
第３プレート１１０の第１プレート１０６に向かう面において、第２燃料ガス供給部１２６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１３６が放射状に形成される。燃料ガス供給連通孔４０から通路１３６を介して第３橋架部１３０及び第３挟持部１３４の面内に燃料ガス供給通路６５が形成される。第３挟持部１３４には、複数の突起部１３８が形成され、この突起部１３８は、燃料ガス供給通路６５の一部を構成する。
【００７７】
第３プレート１１０の第２プレート１０８に接する面において、第２酸化剤ガス供給部１２８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１４０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１４０を介して第３挟持部１３４には、酸化剤ガス供給通路１４２が形成され、この酸化剤ガス供給通路１４２は、前記第３挟持部１３４の周縁部によって閉塞される。
【００７８】
第１プレート１０６が第３プレート１１０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１０６、１１０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１１６、１３４間に該第１挟持部１１６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１１６を前記アノード電極３４に圧接可能な燃料ガス圧力室１４６を構成する（図１０参照）。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。
【００７９】
第２プレート１０８が第３プレート１１０にろう付けされることにより、第２及び第３プレート１０８、１１０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１４２が形成される。この酸化剤ガス供給通路１４２は、第２及び第３挟持部１２２、１３４間に該第２挟持部１２２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１２２を前記カソード電極３２に圧接可能な酸化剤ガス圧力室１４８を構成する（図１０参照）。
【００８０】
セパレータ１０４は、第１プレート１０６の第１挟持部１１６と、第２プレート１０８の第２挟持部１２２と、第３プレート１１０の第３挟持部１３４とが接合されることにより、円板状の挟持部１５０を構成する。挟持部１５０には、第１及び第３橋架部１１４、１３０が接合されて構成される橋架部１５２と、第２及び第４橋架部１２０、１３２が接合されて構成される橋架部１５４とが連結される。
【００８１】
橋架部１５２には、第１燃料ガス供給部１１２と第２燃料ガス供給部１２６とが接合されて形成される燃料ガス供給部１５６が連結される。橋架部１５４には、第１酸化剤ガス供給部１１８と第２酸化剤ガス供給部１２８が接合されて形成される酸化剤ガス供給部１５８が連結される。
【００８２】
図８に示すように、各セパレータ１０４間には、燃料ガス供給連通孔４０をシールするための絶縁シール１５９ａと、酸化剤ガス供給連通孔６８ａをシールするための絶縁シール１５９ｂとが設けられる。絶縁シール１５９ａ、１５９ｂは、例えば、マイカ材やセラミック材で形成されている。
【００８３】
図７に示すように、燃料電池スタック１０２は、複数の燃料電池１００の積層方向両端にエンドプレート１６０ａ、１６０ｂを配置する。エンドプレート１６０ａもしくはエンドプレート１６０ｂは、締付手段１６２と電気的に絶縁される。エンドプレート１６０ａには、燃料電池１００の燃料ガス供給連通孔４０に連通する第１配管１６４と、酸化剤ガス供給連通孔６８ａに連通する第２配管１６６とが接続される。エンドプレート１６０ａ、１６０ｂ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１０４とに積層方向に締付荷重を付与する締付手段１６２が配設される。
【００８４】
締付手段１６２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１６０ａ、１６０ｂに形成されるボルト孔１６８を備える。各ボルト孔１６８に締付ボルト１７０が挿入されるとともに、各締付ボルト１７０の先端にナット１７２が螺合することによって、燃料電池スタック１０２が締め付け保持される。
【００８５】
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。
【００８６】
図７に示すように、エンドプレート１６０ａに接続されている第１配管１６４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１６０ａに接続された第２配管１６６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。
【００８７】
燃料ガス供給連通孔４０に供給された燃料ガスは、図１０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１００を構成するセパレータ１０４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１１６、１３４間に形成された燃料ガス圧力室１４６に導入され、複数の突起部１３８間を移動して第１挟持部１１６の中央部に形成される燃料ガス導入口４８に導入される。
【００８８】
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。
【００８９】
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１０４内の酸化剤ガス供給通路１４２を移動し、第２及び第３挟持部１２２、１３４間に形成された酸化剤ガス圧力室１４８に供給される。さらに、酸化剤ガスは、第２挟持部１２２の中心位置に設けられる酸化剤ガス導入口１２４に導入される。
【００９０】
酸化剤ガス導入口１２４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１２４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。
【００９１】
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１５０の外周部から排気される。
【００９２】
この場合、第３の実施形態では、図１０に示すように、アノード電極３４に第１保護層３７が形成される一方、セパレータ３８を構成する第１プレート１０６の第１挟持部１１６に第２保護層６７が形成されている。このため、第３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。
【００９３】
図１１は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池２００の分解斜視説明図である。
【００９４】
燃料電池２００は、図１１に示すように、一対のセパレータ２０４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４０を中心にして等角度間隔ずつ離間し且つ前記燃料ガス供給連通孔４０と同心円上に４個の電解質・電極接合体３６が配置される。
【００９５】
セパレータ２０４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２０６及び第２プレート２０８を有する。第１プレート２０６及び第２プレート２０８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。第１プレート２０６及び第２プレート２０８は、金属プレートに代えて、例えば、カーボンプレート等（接合方法は省略する）で構成してもよい。
【００９６】
図１１及び図１２に示すように、第１プレート２０６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４０が形成される第１燃料ガス供給部２１０ａを有する。この第１燃料ガス供給部２１０ａ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２１２ａを介し、比較的大径な第１挟持部２１４ａが一体に設けられる。第１挟持部２１４ａ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２１４ａには、短尺な第２橋架部２１６ａを介して環状の第１筐体部２１８ａが一体に設けられる。
【００９７】
第１挟持部２１４ａ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ための燃料ガス通路５２を形成する複数の突起部２２０が設けられる。突起部２２０は、集電部を構成する。第１挟持部２１４ａの略中央には、燃料ガス供給連通孔４０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導入口４８が形成される。第１挟持部２１４ａのアノード電極３４に接触する面には、突起部２２０を覆って第２保護層６７が形成される。
【００９８】
第１筐体部２１８ａは、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給通路１４２に供給するための酸化剤ガス供給連通孔６８ａが積層方向に形成される酸化剤ガス供給部２２２を有する。第１筐体部２１８ａには、複数のボルト挿入用孔部２２４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４０、第１橋架部２１２ａ、第１挟持部２１４ａ、第２橋架部２１６ａ及び酸化剤ガス供給連通孔６８ａは、セパレータ面方向に沿って直線上に配置される。
【００９９】
図１１及び図１３に示すように、第２プレート２０８は、中央部に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２１０ｂを有する。この第２燃料ガス供給部２１０ｂ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２１２ｂを介して比較的大径な第２挟持部２１４ｂが一体に設けられる。第２挟持部２１４ｂは、第１挟持部２１４ａ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２１４ｂには、短尺な第２橋架部２１６ｂを介して環状の第２筐体部２１８ｂが一体に設けられる。
【０１００】
第２燃料ガス供給部２１０ｂの第１燃料ガス供給部２１０ａと接合される面には、燃料ガス供給連通孔４０に連通する複数の溝部２３６が、前記燃料ガス供給連通孔４０を中心にして放射状に形成される。各溝部２３６は、周溝２３８に一体に連通するとともに、前記周溝２３８には、４本の燃料ガス供給通路６５が連通する。各燃料ガス供給通路６５は、各第１橋架部２１２ｂから各第２挟持部２１４ｂの中央部近傍に延在し、第１プレート２０６の燃料ガス導入口４８に対応して終端する。
【０１０１】
第２筐体部２１８ｂには、酸化剤ガス供給連通孔６８ａが積層方向に形成される酸化剤ガス供給部２２２と、ボルト挿入用孔部２２４とが設けられる。この第２筐体部２１８ｂの第１筐体部２１８ａに接合される面には、酸化剤ガス供給連通孔６８ａから供給される酸化剤ガスを充填するための充填室２６０が形成される。
【０１０２】
充填室２６０は、各第２橋架部２１６ｂから各第２挟持部２１４ｂの中央部近傍まで延在する酸化剤ガス供給通路１４２に連通する。酸化剤ガス供給通路１４２の先端には、第２挟持部２１４ｂを貫通する酸化剤ガス導入口１２４が連通する。
【０１０３】
第１プレート２０６には、複数の突起部２２０が、例えば、エッチングにより形成されるとともに、第２プレート２０８には、溝部２３６、周溝２３８、燃料ガス供給通路６５、充填室２６０及び酸化剤ガス供給通路１４２が、例えば、エッチングにより形成される。
【０１０４】
セパレータ２０４は、図１２に示すように、第１プレート２０６の第１挟持部２１４ａと、第２プレート２０８の第２挟持部２１４ｂとが接合されることにより、円板状の挟持部２１４を構成する。挟持部２１４には、第１橋架部２１２ａ、２１２ｂが接合されて構成される第１橋架部２１２と、第２橋架部２１６ａ、２１６ｂが接合されて構成される第２橋架部２１６とが連結される。
【０１０５】
第１橋架部２１２には、第１燃料ガス供給部２１０ａと第２燃料ガス供給部２１０ｂとが接合されて形成される燃料ガス供給部２１０が連結される。第２橋架部２１６には、第１筐体部２１８ａと第２筐体部２１８ｂとが接合されて形成される酸化剤ガス供給部２２２が連結される。
【０１０６】
図１１に示すように、第２プレート２０８のカソード電極３２に向かう面には、変形可能な弾性通路部、例えば、導電性フェルト部材（金属フェルト等の導電性不織布）２６２が配設される。このフェルト部材２６２により、第２挟持部２１４ｂとカソード電極３２との間には、酸化剤ガス通路５６が形成される。なお、フェルト部材２６２に代えて、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を採用してもよい。電解質・電極接合体３６の外周部には、反応後の燃料ガス及び酸化剤ガスを排ガスとして排出するための排ガス通路７０が設けられる。
【０１０７】
図１４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４０をシールするための第１絶縁シール２６３ａと、酸化剤ガス供給連通孔６８ａをシールするための第２絶縁シール２６３ｂとが設けられる。第１絶縁シール２６３ａ及び第２絶縁シール２６３ｂは、シール性が高く、硬質で潰れ難い、例えば、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２６３ｂ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。
【０１０８】
このように構成される燃料電池２００の動作について、以下に説明する。
【０１０９】
燃料ガス供給連通孔４０に供給された燃料ガスは、図１２及び図１４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２００を構成するセパレータ２０４の第２プレート２０８に形成された溝部２３６から周溝２３８を介して各燃料ガス供給通路６５に供給される（図１１参照）。燃料ガスは、燃料ガス供給通路６５に沿って移動した後、第１プレート２０６に形成された燃料ガス導入口４８から燃料ガス通路５２に導入される。
【０１１０】
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の略中心位置に対応して設けられている。従って、燃料ガスは、燃料ガス導入口４８からアノード電極３４に供給され、このアノード電極３４の略中心部から外周部に向かって燃料ガス通路５２を流動する。
【０１１１】
一方、酸化剤ガス供給連通孔６８ａに供給される空気は、第１プレート２０６の第１筐体部２１８ａと第２プレート２０８の第２筐体部２１８ｂとの間に設けられる充填室２６０に一旦充填される。この充填室２６０には、酸化剤ガス供給通路１４２が連通しており、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス供給通路１４２に沿って挟持部２１４の中心側に移動する。
【０１１２】
第２挟持部２１４ｂの中心近傍には、酸化剤ガス導入口１２４が連通するとともに、前記酸化剤ガス導入口１２４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、図１４に示すように、酸化剤ガス導入口１２４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フェルト部材２６２に形成された酸化剤ガス通路５６を流動する。
【０１１３】
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７０に排気される。
【０１１４】
図１５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。
【０１１５】
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、セパレータ１０４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、図１５に示すように、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１５０ａと第２挟持部１５０ｂとを備える。
【０１１６】
第１挟持部１５０ａ及び第２挟持部１５０ｂには、橋架部１５２ａ、１５２ｂを介して燃料ガス供給部１５６が連結されるとともに、橋架部１５４ａ、１５４ｂを介して酸化剤ガス供給部１５８に連結される。橋架部１５２ａ、１５２ｂ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１５４ａ、１５４ｂ内には、酸化剤ガス供給通路１４２ａ、１４２ｂが形成される。
【０１１７】
第１挟持部１５０ａ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１５０ｂ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。
【０１１８】
第１挟持部１５０ａ及び第２挟持部１５０ｂのアノード電極３４に向かう面には、第２保護層６７が形成される。第２保護層６７は、各アノード電極３４に形成された第１保護層３７に部分的に密着し、燃料ガス通路５２ａ、５２ｂが形成される。
【０１１９】
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。さらに、セパレータ２８２は、２つの電解質・電極接合体３６を挟持し、且つ、各電解質・電極接合体３６に燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路６５ａ、６５ｂ及び酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給通路１４２ａ、１４２ｂが、全て同一の長さに設定されている。このため、各電解質・電極接合体３６に対して燃料ガス及び酸化剤ガスを均等に配分することができるとともに、発電出力を高めることが可能になる。
【０１２０】
図１６は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池３００の分解斜視説明図である。
【０１２１】
燃料電池３００は、複数、例えば、１６個の電解質・電極接合体３６をセパレータ３０２により挟んで構成される。セパレータ３０２の面内には、このセパレータ３０２の中心部である燃料ガス供給連通孔４０と同心円上に８個の電解質・電極接合体３６が配列される内周側配列層Ｐ１と、この内周側配列層Ｐ１の外周に８個の電解質・電極接合体３６が配列される外周側配列層Ｐ２とが設けられる。
【０１２２】
セパレータ３０２は、図１６及び図１７に示すように、互いに積層される複数枚、例えば、２枚のプレート３０４、３０６を備える。プレート３０４、３０６は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成されており、それぞれ波形外周部３０４ａ、３０６ａを設ける。
【０１２３】
プレート３０４、３０６の中央側には、燃料ガス供給連通孔４０を形成する第１及び第２燃料ガス供給部３０８ａ、３０８ｂが設けられる。第１及び第２燃料ガス供給部３０８ａ、３０８ｂには、４つの排ガス通路７０を設けるためにそれぞれ４つの第１及び第２橋架部３１０ａ、３１０ｂが連結される。
【０１２４】
図１６及び図１８に示すように、プレート３０４、３０６には、燃料ガス供給連通孔４０に対して放射状に突起部３１２ａ、３１２ｂが設けられるとともに、前記突起部３１２ａ、３１２ｂ間には、前記燃料ガス供給連通孔４０に連通する燃料ガス供給通路６５が形成される。
【０１２５】
図１８に示すように、突起部３１２ａ、３１２ｂは、先端を結ぶ仮想円が内周側配列層Ｐ１の中心線と、外周側配列層Ｐ２の中心線とを形成する。内周側配列層Ｐ１に沿って８個の電解質・電極接合体３６が配列される一方、外周側配列層Ｐ２の中心線に沿って８個の電解質・電極接合体３６が配列される。
【０１２６】
突起部３１２ａの先端側周囲には、それぞれ３個の酸化剤ガス導入口１２４がプレート３０４を貫通して形成される。プレート３０４には、内周側配列層Ｐ１及び外周側配列層Ｐ２に沿って配列される各電解質・電極接合体３６に向かって突出し、各電解質・電極接合体３６に接する第１突起部３１４が膨出成形される。
【０１２７】
プレート３０６には、内周側配列層Ｐ１及び外周側配列層Ｐ２に沿って配列される各電解質・電極接合体３６に向かって突出し、各電解質・電極接合体３６に接する第２突起部３１６が膨出成形される。第２突起部３１６は、第１突起部３１４よりも径方向及び高さ方向の各寸法が小さく設定されている（図１９参照）。プレート３０６には、燃料ガス供給通路６５に連通する燃料ガス導入口４８が貫通形成される。この燃料ガス供給通路６５は、燃料ガス導入口４８から燃料ガス通路５２に連通する。
【０１２８】
プレート３０４とプレート３０６との間には、突起部３１２ａ、３１２ｂとの間に対応して燃料ガス供給通路６５が形成されるとともに、前記突起部３１２ａ、３１２ｂの外方に対応して酸化剤ガス供給通路１４２が形成される。この酸化剤ガス供給通路１４２は、プレート３０４に形成された酸化剤ガス導入口１２４から酸化剤ガス通路５６に連通する。
【０１２９】
セパレータ３０２は、第１及び第２燃料ガス供給部３０８ａ、３０８ｂが接合されることにより燃料ガス供給部を一体に形成するとともに、第１及び第２橋架部３１０ａ、３１０ｂが接合されることにより橋架部を一体に構成する。
【０１３０】
セパレータ３０２の面内には、内周側配列層Ｐ１に沿って配列される８個の電解質・電極接合体３６を挟持する８つの挟持部３２０ａと、外周側配列層Ｐ２に沿って配列される８個の電解質・電極接合体３６を挟持する８つの挟持部３２０ｂとが構成される。セパレータ３０２では、少なくともアノード電極３４に接する挟持部３２０ａ、３２０ｂの面に、第２保護層６７が形成される。
【０１３１】
一方のセパレータ３０２を構成するプレート３０４と他方のセパレータ３０２を構成するプレート３０６とにより、電解質・電極接合体３６が挟持される。具体的には、図１９に示すように、電解質・電極接合体３６を挟んで互いに対向するプレート３０４、３０６には、第１突起部３１４及び第２突起部３１６が膨出成形されており、前記第１突起部３１４と前記第２突起部３１６とによって前記電解質・電極接合体３６が挟持される。
【０１３２】
電解質・電極接合体３６と一方のセパレータ３０２を構成するプレート３０６との間には、燃料ガス供給通路６５から燃料ガス導入口４８を介して連通する燃料ガス通路５２が形成される。電解質・電極接合体３６と他方のセパレータ３０２を構成するプレート３０４との間には、酸化剤ガス供給通路１４２から酸化剤ガス導入口１２４を介して連通する酸化剤ガス通路５６が形成される。
【０１３３】
このように構成される燃料電池３００の動作について、以下に説明する。
【０１３４】
図１７及び図１９に示すように、燃料ガスは、突起部３１２ａ、３１２ｂ間に形成された燃料ガス供給通路６５に沿って移動し、各燃料ガス導入口４８を介して燃料ガス通路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の中心位置に対応して設けられており、燃料ガス通路５２に導入された燃料ガスは、前記アノード電極３４の中心部から外周に向かって流動する。
【０１３５】
一方、酸化剤ガス供給通路１４２に供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口１２４から酸化剤ガス通路５６に導入され、電解質・電極接合体３６のカソード電極３２の中心部から外周に沿って流動する（図１７及び図１９参照）。
【０１３６】
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の中心部から外周に向かって酸化剤ガスが供給される。その際、酸素イオンが電解質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。
【０１３７】
各電解質・電極接合体３６の外周に移動した反応後の燃料ガス及び酸化剤ガス（排ガス）は、セパレータ３０２の中心部側に移動する。セパレータ３０２の中心部近傍には、排ガスマニホールドを構成する４つの排ガス通路７０が形成されており、排ガスがこの排ガス通路７０から外部に排出される。
【０１３８】
この場合、第６の実施形態では、上記の第１〜第５の実施形態と同様の効果が得られる。しかも、セパレータ３０２の中央に設けられている第１及び第２燃料ガス供給部３０８ａ、３０８ｂから内周側配列層Ｐ１に沿って配列される８個の電解質・電極接合体３６に供給される燃料ガスの経路長さを等しくするとともに、外周側配列層Ｐ２に沿って配列される８個の電解質・電極接合体３６に供給される燃料ガスの経路長さを等しくすることができる。これにより、各電解質・電極接合体３６の発電状態を均一に維持することができ、良好な発電出力が効率的に得られるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【０１３９】
【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電解質・電極構造体及びセパレータの説明図である。
【図５】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６】本発明の第２の実施形態に係る製造方法の説明図である。
【図７】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８】前記燃料電池の分解斜視図である。
【図９】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１０】前記燃料電池を構成する電解質・電極構造体及びセパレータの説明図である。
【図１１】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である。
【図１３】セパレータを構成する第２プレートの説明図である。
【図１４】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１５】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１６】本発明の第６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】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】前記セパレータの分解斜視説明図である。
【図１９】前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。
【符号の説明】
【０１４０】
２０、１００、２００、２８０、３００…燃料電池
２２、１０２…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          ３７、３７ａ、６７、６７ａ…保護層
３８、１０４、２０４、２８２、３０２…セパレータ
４０…燃料ガス供給連通孔
４２、６２、１１２、１２６、１５６、２１０、２１０ａ、２１０ｂ、３０８ａ、３０８ｂ…燃料ガス供給部
４４、６４、１１４、１２０、１３０、１３２、１５２、１５２ａ、１５２ｂ、１５４、１５４ａ、１５４ｂ、２１２、２１２ａ、２１２ｂ、２１６、２１６ａ、２１６ｂ、３１０ａ、３１０ｂ…橋架部
４６、１１６、１２２、１３４、１５０、１５０ａ、１５０ｂ、２１４、２１４ａ、２１４ｂ、３２０ａ、３２０ｂ…挟持部
４８…燃料ガス導入口                ５２、５２ａ、５２ｂ…燃料ガス通路
５４、５８、５４ａ、２２０、３１２ａ、３１２ｂ、３１６…突起部
５６、５６ａ、５６ｂ…酸化剤ガス通路
６５…燃料ガス供給通路
６８、１４２、１４２ａ、１４２ｂ…酸化剤ガス供給通路
６８ａ…酸化剤ガス供給連通孔        ７０…排ガス通路
１０６、１０８、１１０、２０６、２０８、３０４、３０６…プレート
１１８、１２８、１５８、２２２…酸化剤ガス供給部
１２４…酸化剤ガス導入口            ２１８ａ、２１８ｂ…筐体部
【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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