JP2002280009A

JP2002280009A - 燃料電池にガスを供給するための構造

Info

Publication number: JP2002280009A
Application number: JP2001075148A
Authority: JP
Inventors: Jun Akikusa; 順秋草; Koji Hoshino; 孝二星野
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2001-03-16
Filing date: 2001-03-16
Publication date: 2002-09-27

Abstract

(57)【要約】【課題】【解決手段】セパレータの厚さを薄くすることによ
り、燃料電池を発電セルの積層方向にコンパクト化す
る。【解決手段】ｉ番目の発電セル１１の燃料極層１１ｂ
とこの燃料極層に隣接する（ｉ＋１）番目の発電セルの
空気極層１１ｃとの間に、導電性を有しかつ板状のセパ
レータ１２を１枚ずつ介装する。これらのセパレータの
セパレータ用基板２１の一方の面にセパレータ用燃料導
入孔１８ａ及びセパレータ用燃料連通孔１８ｃとなるセ
パレータ用燃料凹溝２１ａを形成し、他方の面にセパレ
ータ用空気導入孔１９ａ及びセパレータ用空気連通孔１
９ｃとなるセパレータ用空気凹溝２１ｂを形成する。セ
パレータ用燃料吐出孔１８ｂが形成されたセパレータ用
燃料蓋体２２によりセパレータ用燃料凹溝を被覆し、セ
パレータ用空気吐出孔が形成されたセパレータ用空気蓋
体２３によりセパレータ用空気凹溝を被覆する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料極層及び酸化
剤極層にて固体電解質層を挟持して構成された発電セル
を有する燃料電池に関する。更に詳しくは燃料ガスを燃
料極層に供給し、酸化剤ガスを酸化剤極層に供給するた
めの構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、中央部分が電極を格納可能なフラ
ット面でありかつ周辺部が片面側に盛上げるように屈曲
された２枚の薄いセパレート板を一体的に接合すること
により、周辺部内が空洞となるシェル構造に形成された
燃料電池用セパレータが開示されている（特開昭６３−
２６６７７６号）。この燃料電池用セパレータでは、上
記２枚のセパレート板の周辺部に、燃料ガスの給排用流
路孔と酸化ガスの給排用流路孔とが設けられる。また一
方のセパレート板では燃料ガスが中央部分のフラット面
に流れ、他方のセパレート板では酸化ガスが中央部分の
フラット面に流れるように構成される。このように構成
された燃料電池用セパレータでは、薄板のプレス成形に
より２枚のセパレート板を作製し、これらのセパレート
板を一組として一体化することによりセパレータを形成
したので、軽量化を図ることができる。またセパレータ
の周辺部がシェル構造であるため、量産化が容易であ
り、電極寸法の誤差を吸収でき、更に燃料ガス及び酸化
ガスのシール性を向上できる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の特
開昭６３−２６６７７６号公報に示された燃料電池用セ
パレータでは、セパレータの周辺部に空洞を有するシェ
ル構造であるため、セパレータの厚さが厚くなる不具合
があった。本発明の目的は、セパレータの厚さを薄くす
ることにより、燃料電池を発電セルの積層方向にコンパ
クト化できる、燃料電池にガスを供給するための構造を
提供することにある。本発明の別の目的は、発電セルに
供給される燃料ガスや酸化剤ガスを発電に最適な温度に
制御できる、燃料電池にガスを供給するための構造を提
供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】請求項１に係る発明は、
図１及び図２に示すように、固体電解質層１１ａとこの
固体電解質層１１ａの両面に配設された燃料極層１１ｂ
及び酸化剤極層１１ｃとからなる発電セル１１が（ｎ＋
１）枚（ｎは正の整数である。）積層され、ｉ番目（ｉ
＝１，２，…，ｎ）の発電セル１１の燃料極層１１ｂと
この燃料極層１１ｂに隣接する（ｉ＋１）番目の発電セ
ル１１の酸化剤極層１１ｃとの間に導電性材料により板
状に形成されたセパレータ１２がそれぞれ１枚ずつ合計
ｎ枚介装され、ｎ枚のセパレータ１２が、燃料ガスをセ
パレータ１２外周面に形成されたセパレータ用燃料導入
孔１８ａから導入しセパレータ１２内に形成されたセパ
レータ用燃料連通孔１８ｃを通ってセパレータ１２の燃
料極層１１ｂへの対向面に形成されたセパレータ用燃料
吐出孔１８ｂから吐出させるセパレータ用燃料通路１８
と、酸化剤ガスをセパレータ１２外周面に形成されたセ
パレータ用酸化剤導入孔１９ａから導入しセパレータ１
２内に形成されたセパレータ用酸化剤連通孔１９ｃを通
ってセパレータ１２の酸化剤極層１１ｃへの対向面に形
成されたセパレータ用酸化剤吐出孔１９ｂから吐出させ
るセパレータ用酸化剤通路１９とをそれぞれ有する燃料
電池であって、セパレータ１２が、一方の面にセパレー
タ用燃料導入孔１８ａ及びセパレータ用燃料連通孔１８
ｃとなるセパレータ用燃料凹溝２１ａが形成され、他方
の面にセパレータ用酸化剤導入孔１９ａ及びセパレータ
用酸化剤連通孔１９ｃとなるセパレータ用酸化剤凹溝２
１ｂが形成されたセパレータ用基板２１と、セパレータ
用燃料凹溝２１ａを被覆するとともにセパレータ用燃料
吐出孔１８ｂが形成されたセパレータ用燃料蓋体２２
と、セパレータ用酸化剤凹溝２１ｂを被覆するとともに
セパレータ用酸化剤吐出孔１９ｂが形成されたセパレー
タ用酸化剤蓋体２３とを有することを特徴とする燃料電
池にガスを供給するための構造である。

【０００５】この請求項１に記載された燃料電池にガス
を供給するための構造では、セパレータ用基板２１のセ
パレータ用燃料凹溝２１ａ及びセパレータ用酸化剤凹溝
２１ｂを、セパレータ用燃料蓋体２２及びセパレータ用
酸化剤蓋体２３にてそれぞれ被覆することにより、燃料
ガスが通るセパレータ用燃料通路１８及び酸化剤ガスが
通るセパレータ用酸化剤通路１９がそれぞれ形成され
る。このため各セパレータ１２の厚さを極めて薄くでき
るので、燃料電池１０を発電セル１１の積層方向にコン
パクト化することができる。

【０００６】請求項２に係る発明は、請求項１に係る発
明であって、更に図１及び図２に示すように、セパレー
タ用燃料吐出孔１８ｂがセパレータ用基板２１の中央に
位置するようにセパレータ用燃料蓋体２２に形成され、
セパレータ用酸化剤吐出孔１９ｂが酸化剤ガスをセパレ
ータ用基板２１に対向する酸化剤極層１１ｃに向ってシ
ャワー状に略均一に吐出するようにセパレータ用酸化剤
蓋体２３に形成されたことを特徴とする。請求項３に係
る発明は、請求項１又は２に係る発明であって、更に図
１及び図２に示すように、セパレータ１２の燃料極層１
１ｂに対向する面にセパレータ用燃料吐出孔１８ｂから
渦巻き状に延びる複数のスリットがそれぞれ形成された
ことを特徴とする。この請求項２又は３に記載された燃
料電池にガスを供給するための構造では、燃料ガスをセ
パレータ用燃料通路１８に導入すると、燃料ガスはセパ
レータ用燃料吐出孔１８ｂから燃料極層１１ｂの中央に
向って吐出し、燃料極層１１ｂの中央からスリットに沿
って渦巻き状に流れる。これにより燃料ガスの反応経路
が長くなって、燃料ガスと燃料極層１１ｂとの衝突回数
が増え、燃料電池の出力を向上できる。同時に酸化剤ガ
スをセパレータ用酸化剤通路１９に導入すると、酸化剤
ガスはセパレータ用酸化剤吐出孔１９ｂから酸化剤極層
１１ｃに向ってシャワー状に略均一に吐出し、酸化剤極
層１１ｃ内を固体電解質層１１ａに沿って流れる。これ
により発電セル１１を酸化剤ガスにて均一に加熱・冷却
でき、発電セル１１の局所的な加熱又は冷却による損傷
を防止できる。

【０００７】請求項４に係る発明は、請求項１又は３に
係る発明であって、更にセパレータ用燃料吐出孔がセパ
レータ用基板の中央に位置するようにセパレータ用燃料
蓋体に形成され、セパレータ用酸化剤吐出孔がセパレー
タ用基板の中央に位置するようにセパレータ用酸化剤蓋
体に形成されたことを特徴とする。請求項５に係る発明
は、請求項４に係る発明であって、更にセパレータの酸
化剤極層に対向する面にセパレータ用酸化剤吐出孔から
渦巻き状に延びる複数のスリットがそれぞれ形成された
ことを特徴とする。この請求項４又は５に記載された燃
料電池にガスを供給するための構造では、燃料ガスをセ
パレータ用燃料通路に導入すると、燃料ガスはセパレー
タ用燃料吐出孔から各燃料極層の中央に向って吐出し、
燃料極層の中央からスリットに沿って渦巻き状に流れ
る。これにより燃料ガスの反応経路が長くなって、燃料
ガスと燃料極層との衝突回数が増える。同時に酸化剤ガ
スをセパレータ用酸化剤通路に導入すると、酸化剤ガス
はセパレータ用酸化剤吐出孔から各酸化剤極層の中央に
向って吐出し、酸化剤極層の中央からスリットに沿って
渦巻き状に流れる。これにより酸化剤ガスの反応経路が
長くなって、酸化剤ガスと酸化剤極層との衝突回数が増
える。この結果、燃料電池の出力を向上できる。

【０００８】またセパレータ１２をステンレス鋼、ニッ
ケル基合金又はクロム基合金のいずれかによりそれぞれ
形成し、セパレータ１２の表面にニッケルめっき又は銀
めっきのいずれか一方又は双方を施すことが好ましい。
またセパレータ用燃料供給通路１８に燃料ガスが流通可
能な密度で改質粒子を充填することもできる。

【０００９】請求項８に係る発明は、請求項１に係る発
明であって、更に図２に示すように、セパレータ用基板
２１に、熱電対３６を挿入可能な熱電対挿入溝２１ｇ及
びヒータ３７を挿入可能なヒータ挿入溝２１ｈがそれぞ
れ形成されたことを特徴とする。この請求項８に記載さ
れた燃料電池にガスを供給するための構造では、燃料電
池１０の起動時にヒータ３７を作動させることにより、
セパレータ１２を加熱して燃料電池１０を起動温度まで
上昇させる。燃料電池が起動温度に達すると、この起動
温度を検出する熱電対３６の検出出力に基づいてヒータ
３７が停止される。また燃料電池１０の発電中は、燃料
電池１０にジュール熱が発生して燃料電池１０の温度が
上昇するため、熱電対３６の検出出力に基づいて燃料電
池１０の作動温度より少し低い温度の酸化剤ガスを供給
する。これによりセパレータ１２の温度調節が行われ
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】次に本発明の実施の形態を図面に
基づいて説明する。図１に示すように、発電セル１１は
円板状の固体電解質層１１ａと、この固体電解質層１１
ａの両面に配設された円板状の燃料極層１１ｂ及び空気
極層１１ｃ（酸化剤極層）とからなり、燃料電池１０は
上記発電セル１１を（ｎ＋１）枚積層することにより構
成される。ここで、ｎは正の整数である。上からｉ番目
（ｉ＝１，２，…，ｎ）の発電セル１１の燃料極層１１
ｂとこの燃料極層１１ｂに隣接する上から（ｉ＋１）番
目の発電セル１１の空気極層１１ｃとの間には導電性材
料により形成されたセパレータ１２がそれぞれ１枚ずつ
合計ｎ枚介装される。また上からｉ番目の発電セル１１
の燃料極層１１ｂと上からｊ番目（ｊ＝１，２，…，
ｎ）のセパレータ１２との間には円板状に形成されかつ
導電性を有する多孔質の燃料極集電体１３が介装され、
上から（ｉ＋１）番目の発電セル１１の空気極層１１ｃ
と上からｊ番目のセパレータ１２との間には円板状に形
成されかつ導電性を有する多孔質の空気極集電体１４
（酸化剤極集電体）が介装される。更に上から１番目
（最上段）の発電セル１１の空気極層１１ｃには空気極
集電体１４を介して導電性材料により形成された単一の
空気用端板１６（酸化剤用端板）が積層され、上から
（ｎ＋１）番目（最下段）の発電セル１１の燃料極層１
１ｂには燃料極集電体１３を介して導電性材料により形
成された単一の燃料用端板１７が積層される。上記セパ
レータ１２、空気用端板１６及び燃料用端板１７は燃料
極層１１ｂ等の直径を一辺の長さとする正方形板状にそ
れぞれ形成される。なお、固体電解質層、燃料極層、空
気極層、燃料極集電体及び空気極集電体は円板状ではな
く、四角形板状、六角形板状、八角形板状等の多角形板
状に形成してもよい。また、セパレータ、空気用端板及
び燃料用端板は正方形板状ではなく、円板状、或いは長
方形板状、六角形板状、八角形板状等の多角形板状に形
成してもよい。更に、上記ｊ番目のセパレータとは、ｉ
番目の発電セルと（ｉ＋１）番目の発電セルの間のセパ
レータを意味する。

【００１１】固体電解質層１１ａは次の一般式（１）等
で示される酸化物イオン伝導体により形成される。Ｌｎ１ＡＧａＢ１Ｂ２Ｂ３Ｏ ……（１）また燃料極層１１ｂはＮｉ等の金属により多孔質に形成
され、更に空気極層１１ｃは次の一般式（２）等で示さ
れる酸化物イオン伝導体により多孔質に形成される。Ｌｎ２_1-x Ｌｎ３_x Ｅ_1-y Ｃｏ_y Ｏ_3+d ……（２）上記一般式（１）において、Ｌｎ１はＬａ，Ｃｅ，Ｐ
ｒ，Ｎｄ及びＳｍからなる群より選ばれた１種又は２種
以上の元素であり、ＡはＳｒ，Ｃａ及びＢａからなる群
より選ばれた１種又は２種以上の元素であり、Ｂ１はＭ
ｇ，Ａｌ及びＩｎからなる群より選ばれた１種又は２種
以上の元素であり、Ｂ２はＣｏ，Ｆｅ，Ｎｉ及びＣｕか
らなる群より選ばれた１種又は２種以上の元素であり、
Ｂ３はＡｌ，Ｍｇ，Ｃｏ，Ｎｉ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｚｎ，Ｍ
ｎ及びＺｒからなる群より選ばれた１種又は２種以上の
元素である。また上記一般式（２）において、Ｌｎ２は
Ｌａ又はＳｍのいずれか一方又は双方の元素であり、Ｌ
ｎ３はＢａ，Ｃａ又はＳｒのいずれか一方又は双方の元
素であり、ＥはＦｅ又はＣｕのいずれか一方又は双方の
元素である。なお、固体電解質層をイオン交換樹脂膜に
より形成し、燃料極層及び空気極層を触媒金属粉末若し
くは白金担持カーボン粉末とポリテトラフルオロエチレ
ンとイオン交換樹脂との混合物により形成してもよい。

【００１２】セパレータ１２、空気用端板１６及び燃料
用端板１７はステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム
基合金により形成されることが好ましい。例えば、ＳＵ
Ｓ４３０、インコネル６００、ハステロイＸ（Haynes S
tellite社の商品名）、ヘインズアロイ２１４などが挙
げられる。また燃料極集電体１３はステンレス鋼、ニッ
ケル基合金又はクロム基合金、或いはニッケル、銀又は
銅により多孔質に形成され、空気極集電体１４はステン
レス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いは銀又
は白金により多孔質に形成される。

【００１３】セパレータ１２には、燃料ガスをセパレー
タ１２外周面から導入してセパレータ１２の燃料極集電
体１３への対向面から吐出させるセパレータ用燃料通路
１８と、空気（酸化剤ガス）をセパレータ１２外周面か
ら導入してセパレータ１２の空気極集電体１４への対向
面から吐出させるセパレータ用空気通路１９（セパレー
タ用酸化剤通路）とが形成される（図１〜図３）。セパ
レータ用燃料通路１８は、セパレータ１２外周面に形成
された単一のセパレータ用燃料導入孔１８ａと、セパレ
ータ１２の燃料極集電体１３への対向面中央に形成され
た単一のセパレータ用燃料吐出孔１８ｂと、セパレータ
１２内に形成されセパレータ用燃料導入孔１８ａ及びセ
パレータ用燃料吐出孔１８ｂを連通するセパレータ用燃
料連通孔１８ｃとを有する。またセパレータ用空気通路
１９は、セパレータ１２外周面に形成された単一のセパ
レータ用空気導入孔１９ａ（セパレータ用酸化剤導入
孔）と、セパレータ１２の空気極集電体１４への対向面
に所定の間隔をあけて形成された複数のセパレータ用空
気吐出孔１９ｂ（セパレータ用酸化剤吐出孔）と、セパ
レータ１２内に形成されセパレータ用空気導入孔１９ａ
及びセパレータ用空気吐出孔１９ｂを連通するセパレー
タ用空気連通孔１９ｃ（セパレータ用酸化剤連通孔）と
を有する。

【００１４】一方、セパレータ１２は、上面にセパレー
タ用燃料凹溝２１ａが形成されかつ下面にセパレータ用
空気凹溝２１ｂ（セパレータ用酸化剤凹溝）が形成され
たセパレータ用基板２１と、セパレータ用燃料凹溝２１
ａを被覆するセパレータ用燃料蓋体２２と、セパレータ
用空気凹溝２１ｂを被覆するセパレータ用空気蓋体２３
（セパレータ用酸化剤蓋体）とを有する。セパレータ用
燃料凹溝２１ａはセパレータ用基板２１の一方のコーナ
部から中央に向って直線状に形成され、セパレータ用燃
料蓋体２２は上記セパレータ用燃料凹溝２１ａに相応す
る直線状に形成される。またセパレータ用燃料凹溝２１
ａはセパレータ用燃料蓋体２２にて被覆されることによ
り、セパレータ用燃料導入孔１８ａ及びセパレータ用燃
料連通孔１８ｃとなり、セパレータ用燃料蓋体２２には
セパレータ用基板２１の中央に位置するように上記単一
のセパレータ用燃料吐出孔１８ｂが形成される。

【００１５】セパレータ用空気凹溝２１ｂはセパレータ
用基板２１の他方のコーナ部から一方のコーナ部に向っ
て枝分れする葉脈状に形成され、セパレータ用空気蓋体
２３は上記セパレータ用空気凹溝２１ｂに相応する葉脈
状に形成される。またセパレータ用空気凹溝２１ｂはセ
パレータ用空気蓋体２３にて被覆されることにより、セ
パレータ用空気導入孔１９ａ及びセパレータ用空気連通
孔１９ｃとなり、セパレータ用空気蓋体２３には所定の
間隔をあけて上記複数のセパレータ用空気吐出孔１９ｂ
が形成される。なお、セパレータ用基板２１にセパレー
タ用燃料蓋体２２及びセパレータ用空気蓋体２３を固着
するには、先ずセパレータ用燃料凹溝２１ａの段部２１
ｃ（図３）にセパレータ用燃料蓋体２２を挿入し、セパ
レータ用空気凹溝２１ｂの段部２１ｄ（図３）にセパレ
ータ用空気蓋体２３を挿入し、この状態で上記蓋体２
２，２３を段部２１ｃ，２１ｄにそれぞれスポット溶接
する。次に上記セパレータ用燃料蓋体２２及びセパレー
タ用空気蓋体２３が固着されたセパレータ用基板２１に
Ａｇめっきを施す。このように比較的簡単な作業でセパ
レータ用基板２１にセパレータ用燃料蓋体２２及びセパ
レータ用空気蓋体２３を固着できる。また上記セパレー
タ用燃料凹溝２１ａとセパレータ用空気凹溝２１ｂとは
互いに連通しないようにセパレータ用基板２１にそれぞ
れ形成される。

【００１６】図２に詳しく示すように、セパレータ用燃
料導入孔１８ａが形成されたセパレータ１２の一方のコ
ーナ部には一対の燃料用切欠き２１ｅ，２１ｅが形成さ
れ、これらの切欠き２１ｅ，２１ｅにより上記セパレー
タ１２の一方のコーナ部が図示しない燃料用ディストリ
ビュータの燃料出口に挿入可能に構成される。またセパ
レータ用空気導入孔１９ａが形成されたセパレータ１２
の他方のコーナ部には一対の空気用切欠き２１ｆ，２１
ｆが形成され、これらの切欠き２１ｆ，２１ｆにより上
記セパレータ１２の他方のコーナ部が図示しない空気用
ディストリビュータの空気出口に挿入可能に構成され
る。上記燃料用ディストリビュータは燃料電池１０近傍
にその積層方向に延びて設けられ、燃料ガスを各セパレ
ータ１２及び燃料用端板１７に供給可能に構成される。
また上記空気用ディストリビュータは燃料電池１０に対
して燃料用ディストリビュータとは反対側に燃料電池１
０の積層方向に延びて設けられ、空気を各セパレータ１
２及び空気用端板１６に供給可能に構成される。

【００１７】燃料用端板１７には、燃料ガスを燃料用端
板１７外周面から導入して燃料用端板１７の燃料極集電
体１３への対向面から吐出させる端板用燃料通路２６が
形成される（図１、図４及び図５）。端板用燃料通路２
６は、燃料用端板１７外周面に形成された単一の端板用
燃料導入孔２６ａと、燃料用端板１７の燃料極集電体１
３への対向面中央に形成された単一の端板用燃料吐出孔
２６ｂと、燃料用端板１７内に形成され端板用燃料導入
孔２６ａ及び端板用燃料吐出孔２６ｂを連通する端板用
燃料連通孔２６ｃとを有する。

【００１８】一方、燃料用端板１７は、上面に端板用燃
料凹溝２７ａが形成された端板用燃料基板２７と、端板
用燃料凹溝２７ａを被覆する端板用燃料蓋体２８とを有
する。端板用燃料凹溝２７ａは端板用燃料基板２７の一
方のコーナ部から中央に向って直線状に形成され、端板
用燃料蓋体２８は上記端板用燃料凹溝２７ａに相応する
直線状に形成される。また端板用燃料凹溝２７ａは端板
用燃料蓋体２８にて被覆されることにより、端板用燃料
導入孔２６ａ及び端板用燃料連通孔２６ｃとなり、端板
用燃料蓋体２８には端板用燃料基板２７の中央に位置す
るように上記単一の端板用燃料吐出孔２６ｂが形成され
る。なお、端板用燃料基板２７に端板用燃料蓋体２８を
固着するには、先ず端板用燃料凹溝２７ａの段部２７ｃ
（図５）に端板用燃料蓋体２８を挿入し、この状態で上
記蓋体２８を段部２７ｃにスポット溶接する。次に上記
端板用燃料蓋体２８が固着された端板用基板２７にＡｇ
めっきを施す。このように比較的簡単な作業で端板用燃
料基板２７に端板用燃料蓋体２８を固着できる。また、
図４に詳しく示すように、端板用燃料導入孔２６ａが形
成された燃料用端板１７の一方のコーナ部には一対の燃
料用切欠き２７ｅ，２７ｅが形成され、これらの切欠き
２７ｅ，２７ｅにより上記燃料用端板１７の一方のコー
ナ部が上記燃料用ディストリビュータの燃料出口に挿入
可能に構成される。

【００１９】空気用端板１６には、空気を空気用端板１
６外周面から導入して空気用端板１６の空気極集電体１
４への対向面から吐出させる端板用空気通路３１（端板
用酸化剤通路）が形成される（図１、図６及び図７）。
端板用空気通路３１は、空気用端板１６外周面に形成さ
れた単一の端板用空気導入孔３１ａ（端板用酸化剤導入
孔）と、空気用端板１６の空気極集電体１４への対向面
に所定の間隔をあけて形成された複数の端板用空気吐出
孔３１ｂ（端板用酸化剤吐出孔）と、空気用端板１６内
に形成され端板用空気導入孔３１ａ及び端板用空気吐出
孔３１ｂを連通する端板用空気連通孔３１ｃ（端板用酸
化剤連通孔）とを有する。

【００２０】一方、空気用端板１６は、下面に端板用空
気凹溝３２ａ（端板用酸化剤凹溝）が形成された端板用
空気基板３２（端板用酸化剤基板）と、端板用空気凹溝
３２ａを被覆する端板用空気蓋体３３（端板用酸化剤蓋
体）とを有する。端板用空気凹溝３２ａは端板用空気基
板３２の他方のコーナ部から一方のコーナ部に向って枝
分れする葉脈状に形成され、端板用空気蓋体３３は上記
端板用空気凹溝３２ａに相応する葉脈状に形成される。
また端板用空気凹溝３２ａは端板用空気蓋体３３にて被
覆されることにより、端板用空気導入孔３１ａ及び端板
用空気連通孔３１ｃとなり、端板用空気蓋体３３には所
定の間隔をあけて上記複数の端板用空気吐出孔３１ｂが
形成される。なお、端板用空気基板３２に端板用空気蓋
体３３を固着するには、先ず端板用空気凹溝３２ａの段
部３２ｄ（図７）に端板用空気蓋体３３を挿入し、この
状態で上記蓋体３３を段部３２ｄにスポット溶接する。
次に上記端板用空気蓋体３３が固着された端板用空気基
板３２にＡｇめっきを施す。このように比較的簡単な作
業で端板用空気基板３２に端板用空気蓋体３３を固着で
きる。また、図６に詳しく示すように、端板用空気導入
孔３１ａが形成された空気用端板１６の他方のコーナ部
には一対の空気用切欠き３２ｆ，３２ｆが形成され、こ
れらの切欠き３２ｆ，３２ｆにより上記空気用端板１６
の他方のコーナ部が上記空気用ディストリビュータの空
気出口に挿入可能に構成される。

【００２１】セパレータ１２の燃料極集電体１３に対向
する面には、単一のセパレータ用燃料吐出孔１８ｂから
渦巻き状に延びる複数のスリット（図示せず）がそれぞ
れ形成され、燃料用端板１７の燃料極集電体１３に対向
する面には、単一の端板用燃料吐出孔２６ｂから渦巻き
状に延びる複数のスリット（図示せず）がそれぞれ形成
される。またセパレータ用燃料通路１８のセパレータ用
燃料連通孔１８ｃ及び端板用燃料通路２６の端板用燃料
連通孔２６ｃには、燃料ガスが流通可能な密度で改質粒
子（図示せず）を充填することが好ましい。この改質粒
子は、Ｎｉ、ＮｉＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＭｇＯ、Ｃ
ａＯ、Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｆｅ₃Ｏ₄、Ｖ₂Ｏ₃、ＮｉＡｌ₂Ｏ₄、Ｚ
ｒＯ₂、ＳｉＣ、Ｃｒ₂Ｏ₃、ＴｈＯ₂、Ｃｅ₂Ｏ₃、Ｂ
₂Ｏ₃、ＭｎＯ ₂、ＺｎＯ、Ｃｕ、ＢａＯ及びＴｉＯ₂から
なる群より選ばれた１種又は２種以上を含む元素又は酸
化物により形成される。

【００２２】セパレータ用基板２１には、セパレータ用
燃料凹溝２１ａ及びセパレータ用空気凹溝２１ｂに連通
しないように、熱電対３６を挿入可能な熱電対挿入溝２
１ｇと、ヒータ３７を挿入可能なヒータ挿入溝２１ｈと
がそれぞれ形成される（図２及び図３）。また端板用燃
料基板２７には、端板用燃料凹溝２７ａに連通しないよ
うに、熱電対３６を挿入可能な熱電対挿入溝２７ｇと、
ヒータ３７を挿入可能なヒータ挿入溝２７ｈとがそれぞ
れ形成される（図４）。更に端板用空気基板３２には、
端板用空気凹溝３２ａに連通しないように、熱電対３６
を挿入可能な熱電対挿入溝３２ｇと、ヒータ３７を挿入
可能なヒータ挿入溝３２ｈとがそれぞれ形成される（図
６及び図７）。上記熱電対３６の検出出力は図示しない
コントローラに制御入力に接続され、コントローラの制
御出力はヒータ３７に接続される。

【００２３】このように構成された燃料電池１０の動作
を説明する。燃料電池１０を起動するときには、コント
ローラはヒータ３７を作動させる。これによりセパレー
タ１２、燃料用端板１７及び空気用端板１６はヒータ３
７により加熱されて燃料電池１０が起動温度まで上昇す
る。燃料電池１０が起動温度に達すると、この起動温度
を熱電対３６が検出するので、コントローラはこの熱電
対３６の検出出力に基づいてヒータ３７を停止する。こ
の状態で燃料ガス（例えば、メタンガス（ＣＨ₄））を
水蒸気（Ｈ₂Ｏ）とともにセパレータ用燃料導入孔１８
ａ及び端板用燃料導入孔２６ａに導入すると、燃料ガス
及び水蒸気はセパレータ用燃料連通孔１８ｃ及び端板用
燃料連通孔２６ｃ内を通ってセパレータ用燃料吐出孔１
８ｂ及び端板用燃料吐出孔２６ｂにそれぞれ向う。運転
中の燃料電池１０は高温であるため、上記燃料ガスはセ
パレータ用燃料連通孔１８ｃ及び端板用燃料連通孔２６
ｃを通る間にセパレータ１２及び燃料用端板１７から熱
を吸収し、燃料極層１１ｂでの反応に最適な温度に達す
るとともに、セパレータ用燃料連通孔１８ｃ及び端板用
燃料連通孔２６ｃに充填された改質粒子により改質され
る（例えば、水素ガス（Ｈ₂）に改質される。）。

【００２４】この改質された燃料ガスはセパレータ用燃
料吐出孔１８ｂ及び端板用燃料吐出孔２６ｂから各燃料
極集電体１３の中央に向ってそれぞれ吐出し、各燃料極
集電体１３内の気孔を通過して各燃料極層１１ｂの中央
に速やかに供給され、更にセパレータ用基板２１の燃料
極集電体１３への対向面及び端板用燃料基板２７の燃料
極集電体１３への対向面に形成されたスリットによりそ
れぞれ案内されて各燃料極層１１ｂの中央から外周縁に
向って渦巻き状に流れる。同時に空気をセパレータ用空
気導入孔１９ａ及び端板用空気導入孔３１ａに導入する
と、空気はセパレータ用空気連通孔１９ｃ及び端板用空
気連通孔３１ｃを通って、セパレータ用空気吐出孔１９
ｂ及び端板用空気吐出孔３１ｂから各空気極層１１ｃに
向ってシャワー状に略均一にそれぞれ吐出し、更に各空
気極層１１ｃ内を各固体電解質層１１ａに沿って流れ
る。

【００２５】空気極層１１ｃに供給された空気は空気極
層１１ｃ内の気孔を通って固体電解質層１１ａとの界面
近傍に到達し、この部分で空気中の酸素は空気極層１１
ｃから電子を受け取って、酸化物イオン（Ｏ^2-）にイオ
ン化される。この酸化物イオンは燃料極層１１ｂの方向
に向って固体電解質層１１ａ内を拡散移動し、燃料極層
１１ｂとの界面近傍に到達すると、この部分で燃料ガス
と反応して反応生成物（Ｈ₂Ｏ、ＣＯ₂等）を生じ、燃料
極層１１ｂに電子を放出する。この電子を燃料極集電体
１３により取り出すことにより電流が発生し、電力が得
られる。

【００２６】上記のように燃料ガスがセパレータ用基板
２１の燃料極集電体１３への対向面及び端板用燃料基板
２７の燃料極集電体１３への対向面に形成されたスリッ
トによりそれぞれ案内されて各燃料極層１１ｂの中央か
ら外周縁に向って渦巻き状に流れるので、燃料ガスの反
応経路が長くなって、燃料ガスと各燃料極層１１ｂとの
衝突回数が増える。また空気がセパレータ用空気吐出孔
１９ｂ及び端板用空気吐出孔３１ｂから各空気極層１１
ｃに向ってシャワー状に略均一に吐出するので、各発電
セル１１を空気にて均一に加熱・冷却でき、各発電セル
１１の局所的な加熱又は冷却による損傷を防止できる。

【００２７】セパレータ１２がセパレータ用基板２１の
セパレータ用燃料凹溝２１ａをセパレータ用燃料蓋体２
２にて被覆し、セパレータ用空気凹溝２１ｂをセパレー
タ用空気蓋体２３にて被覆することにより形成され、燃
料用端板１７が端板用燃料基板２７の端板用燃料凹溝２
７ａを端板用燃料蓋体２８にて被覆することにより形成
され、更に空気用端板１６が端板用空気基板３２の端板
用空気凹溝３２ａを端板用空気蓋体３３にて被覆するこ
とにより形成されるので、セパレータ１２、燃料用端板
１７及び空気用端板１６の厚さをそれぞれ極めて薄くで
きる。この結果、燃料電池１０を発電セル１１の積層方
向にコンパクト化することができる。

【００２８】また燃料電池１０の発電中は、燃料電池１
０にジュール熱が発生して燃料電池１０の温度が上昇す
るため、コントローラは熱電対３６の検出出力に基づい
て燃料電池１０の作動温度より少し低い温度の空気をセ
パレータ用空気通路１９及び端板用空気通路３１にそれ
ぞれ供給する。これによりセパレータ１２及び空気用端
板１６の温度調節が行われる。

【００２９】一方、セパレータ用燃料蓋体２２の一部が
セパレータ用基板２１から剥離したり、或いは端板用燃
料蓋体２８の一部が端板用燃料基板２７から剥離して
も、セパレータ用燃料通路１８や端板用燃料通路２６を
通る燃料ガスは空気と混合することなく各発電セル１１
の燃料極層１１ｂに供給される。またセパレータ用空気
蓋体２３の一部がセパレータ用基板２１から剥離した
り、或いは端板用空気蓋体３３の一部が端板用空気基板
３２から剥離しても、セパレータ用空気通路１９や端板
用空気通路３１を通る空気は燃料ガスと混合することな
く各発電セル１１の空気極層１１ｃに供給される。

【００３０】更にセパレータ１２の上面及び燃料用端板
１７の上面に、ニッケルめっき、銀めっき若しくは銅め
っきされたステンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基
合金、或いはニッケル、銀又は銅製の燃料極集電体１３
をそれぞれ接合し、セパレータ１２の下面及び空気用端
板１６の下面に、銀めっき若しくは白金めっきされたス
テンレス鋼、ニッケル基合金又はクロム基合金、或いは
銀又は白金製の空気極集電体１４をそれぞれ接合すれ
ば、セパレータ１２及び空気用端板１６が高温で空気に
曝されても、即ちセパレータ１２及び空気用端板１６が
高温酸化雰囲気に曝されても、セパレータ１２及び空気
極集電体１４の接合部分と、空気用端板１６及び空気極
集電体１４の溶着された接合部分が溶着されているた
め、これらの接合部分の酸化を防止できる。この結果、
セパレータ１２及び燃料極集電体１３の電気的導通と、
燃料用端板１７及び燃料極集電体１３の電気的導通のみ
ならず、セパレータ１２及び空気極集電体１４の電気的
導通と、空気用端板１６及び空気極集電体１４の電気的
導通を上記接合部分を通して長期間保持できるととも
に、上記接合により燃料電池１０の組立作業時間を短縮
し、組立作業性を向上できる。

【００３１】なお、上記接合方法としては銀ろう付け、
スポット溶接又はレーザ溶接等が挙げられる。また上記
セパレータ１２、燃料用端板１７及び空気用端板１６
に、ニッケルめっき又は銀めっきのいずれか一方又は双
方を施せば（銀めっきを施す場合には、下地めっきとし
てニッケルめっきを施す必要がある。）、セパレータ１
２、燃料用端板１７及び空気用端板１６と、燃料極集電
体１３及び空気極集電体１４との電気的導通を更に長期
間保持できる。また、この実施の形態では、酸化剤ガス
として空気を用いたが、酸素又はその他の酸化剤ガスを
用いてもよい。

【００３２】更に、セパレータ用燃料吐出孔をセパレー
タ用基板の中央に位置するようにセパレータ用燃料蓋体
に形成し、セパレータ用空気吐出孔をセパレータ用基板
の中央に位置するようにセパレータ用空気蓋体に形成
し、セパレータの空気極層に対向する面にセパレータ用
空気吐出孔から渦巻き状に延びる複数のスリットをそれ
ぞれ形成してもよい。この場合、燃料ガスは燃料極層の
中央からスリットに沿って渦巻き状に流れるので、燃料
ガスの反応経路が長くなって、燃料ガスと燃料極層との
衝突回数が増える。また空気は空気極層の中央からスリ
ットに沿って渦巻き状に流れるので、空気の反応経路が
長くなって、空気と空気極層との衝突回数が増える。こ
の結果、燃料電池の出力を向上できる。

【００３３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、セ
パレータ用基板に形成されたセパレータ用燃料凹溝及び
セパレータ用酸化剤凹溝を、セパレータ用燃料蓋体及び
セパレータ用酸化剤蓋体にてそれぞれ被覆することによ
り、燃料ガスが通るセパレータ用燃料通路及び酸化剤ガ
スが通るセパレータ用酸化剤通路をそれぞれ形成したの
で、セパレータの厚さを極めて薄くできる。この結果、
燃料電池を発電セルの積層方向にコンパクト化すること
ができる。

【００３４】またセパレータ用燃料吐出孔をセパレータ
用基板の中央に位置するようにセパレータ用燃料蓋体に
形成し、酸化剤ガスをセパレータ用基板に対向する酸化
剤極層に向ってシャワー状に略均一に吐出するようにセ
パレータ用酸化剤吐出孔をセパレータ用酸化剤蓋体に形
成し、セパレータの燃料極層に対向する面にセパレータ
用燃料吐出孔から渦巻き状に延びる複数のスリットをそ
れぞれ形成すれば、燃料ガスの反応経路が長くなって、
燃料ガスと燃料極層との衝突回数が増えるとともに、発
電セルを酸化剤ガスにて均一に加熱・冷却でき、発電セ
ルの局所的な加熱又は冷却による損傷を防止できる。

【００３５】またセパレータ用燃料吐出孔をセパレータ
用基板の中央に位置するようにセパレータ用燃料蓋体に
形成し、セパレータ用酸化剤吐出孔をセパレータ用基板
の中央に位置するようにセパレータ用酸化剤蓋体に形成
し、セパレータの酸化剤極層に対向する面にセパレータ
用酸化剤吐出孔から渦巻き状に延びる複数のスリットを
それぞれ形成すれば、燃料ガスが燃料極層の中央からス
リットに沿って渦巻き状に流れ、酸化剤ガスが酸化剤極
層の中央からスリットに沿って渦巻き状に流れる。これ
により燃料ガスの反応経路が長くなって、燃料ガスと燃
料極層との衝突回数が増え、酸化剤ガスの反応経路が長
くなって、酸化剤ガスと酸化剤極層との衝突回数が増え
る。この結果、燃料電池の出力を向上できる。

【００３６】またセパレータ用溝付薄板に、熱電対を挿
入可能な熱電対挿入溝及びヒータを挿入可能なヒータ挿
入溝をそれぞれ形成すれば、燃料電池の起動時にヒータ
を作動させてセパレータを加熱することにより、燃料電
池を起動温度まで上昇でき、燃料電池が起動温度に達す
ると、熱電対の検出出力に基づいてヒータを停止でき
る。更に燃料電池の発電中は、燃料電池にジュール熱が
発生して燃料電池の温度が上昇するため、熱電対の検出
出力に基づいて燃料電池の作動温度より少し低い温度の
酸化剤ガスを供給する。この結果、セパレータを最適な
温度に調節できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施形態の燃料電池の縦断面図。

【図２】図１のＡ−Ａ線断面図。

【図３】図２のＢ−Ｂ線断面図。

【図４】図１のＣ−Ｃ線断面図。

【図５】図４のＤ−Ｄ線断面図。

【図６】図１のＥ−Ｅ線断面図。

【図７】図６のＦ−Ｆ線断面図。

【符号の説明】

１０燃料電池１１発電セル１１ａ固体電解質層１１ｂ燃料極層１１ｃ空気極層（酸化剤極層）１２セパレータ１８セパレータ用燃料通路１８ａセパレータ用燃料導入孔１８ｂセパレータ用燃料吐出孔１８ｃセパレータ用燃料連通孔１９セパレータ用空気通路（セパレータ用酸化剤通
路）１９ａセパレータ用空気導入孔（セパレータ用酸化剤
導入孔）１９ｂセパレータ用空気吐出孔（セパレータ用酸化剤
吐出孔）１９ｃセパレータ用空気連通孔（セパレータ用酸化剤
連通孔）２１セパレータ用基板２１ａセパレータ用燃料凹溝２１ｂセパレータ用空気凹溝（セパレータ用酸化剤凹
溝）２１ｇ，２７ｇ，３２ｇ熱電対挿入溝２１ｈ，２７ｈ，３２ｈヒータ挿入溝２２セパレータ用燃料蓋体２３セパレータ用空気蓋体（セパレータ用酸化剤蓋
体）３６熱電対３７ヒータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体電解質層(11a)とこの固体電解質層
(11a)の両面に配設された燃料極層(11b)及び酸化剤極層
(11c)とからなる発電セル(11)が（ｎ＋１）枚（ｎは正
の整数である。）積層され、ｉ番目（ｉ＝１，２，…，ｎ）の発電セル(11)の燃料極
層(11b)とこの燃料極層(11b)に隣接する（ｉ＋１）番目
の発電セル(11)の酸化剤極層(11c)との間に導電性材料
により板状に形成されたセパレータ(12)がそれぞれ１枚
ずつ合計ｎ枚介装され、前記ｎ枚のセパレータ(12)が、燃料ガスをセパレータ(1
2)外周面に形成されたセパレータ用燃料導入孔(18a)か
ら導入し前記セパレータ(12)内に形成されたセパレータ
用燃料連通孔(18c)を通って前記セパレータ(12)の前記
燃料極層(11b)への対向面に形成されたセパレータ用燃
料吐出孔(18b)から吐出させるセパレータ用燃料通路(1
8)と、酸化剤ガスを前記セパレータ(12)外周面に形成さ
れたセパレータ用酸化剤導入孔(19a)から導入し前記セ
パレータ(12)内に形成されたセパレータ用酸化剤連通孔
(19c)を通って前記セパレータ(12)の酸化剤極層(11c)へ
の対向面に形成されたセパレータ用酸化剤吐出孔(19b)
から吐出させるセパレータ用酸化剤通路(19)とをそれぞ
れ有する燃料電池であって、前記セパレータ(12)が、一方の面に前記セパレータ用燃
料導入孔(18a)及び前記セパレータ用燃料連通孔(18c)と
なるセパレータ用燃料凹溝(21a)が形成され、他方の面
に前記セパレータ用酸化剤導入孔(19a)及び前記セパレ
ータ用酸化剤連通孔(19c)となるセパレータ用酸化剤凹
溝(21b)が形成されたセパレータ用基板(21)と、前記セ
パレータ用燃料凹溝(21a)を被覆するとともに前記セパ
レータ用燃料吐出孔(18b)が形成されたセパレータ用燃
料蓋体(22)と、前記セパレータ用酸化剤凹溝(21b)を被
覆するとともに前記セパレータ用酸化剤吐出孔(19b)が
形成されたセパレータ用酸化剤蓋体(23)とを有すること
を特徴とする燃料電池にガスを供給するための構造。
【請求項２】セパレータ用燃料吐出孔(18b)がセパレ
ータ用基板(21)の中央に位置するようにセパレータ用燃
料蓋体(22)に形成され、セパレータ用酸化剤吐出孔(19
b)が酸化剤ガスをセパレータ用基板(21)に対向する酸化
剤極層(11c)に向ってシャワー状に略均一に吐出させる
ようにセパレータ用酸化剤蓋体(23)に形成された請求項
１記載の燃料電池にガスを供給するための構造。
【請求項３】セパレータ(12)の燃料極層(11b)に対向
する面にセパレータ用燃料吐出孔(18b)から渦巻き状に
延びる複数のスリットがそれぞれ形成された請求項１又
は２記載の燃料電池にガスを供給するための構造。
【請求項４】セパレータ用燃料吐出孔がセパレータ用
基板の中央に位置するようにセパレータ用燃料蓋体に形
成され、セパレータ用酸化剤吐出孔がセパレータ用基板
の中央に位置するようにセパレータ用酸化剤蓋体に形成
された請求項１又は３記載の燃料電池にガスを供給する
ための構造。
【請求項５】セパレータの酸化剤極層に対向する面に
セパレータ用酸化剤吐出孔から渦巻き状に延びる複数の
スリットがそれぞれ形成された請求項４記載の燃料電池
にガスを供給するための構造。
【請求項６】セパレータ(12)がステンレス鋼、ニッケ
ル基合金又はクロム基合金のいずれかによりそれぞれ形
成され、前記セパレータ(12)の表面にニッケルめっき又
は銀めっきのいずれか一方又は双方が施された請求項１
記載の燃料電池にガスを供給するための構造。
【請求項７】セパレータ用燃料供給通路(18)に燃料ガ
スが流通可能な密度で改質粒子が充填された請求項１記
載の燃料電池にガスを供給するための構造。
【請求項８】セパレータ用基板(21)に、熱電対(36)を
挿入可能な熱電対挿入溝(21g)及びヒータ(37)を挿入可
能なヒータ挿入溝(21h)がそれぞれ形成された請求項１
記載の燃料電池にガスを供給するための構造。