JP2005183079A - 燃料電池及び燃料電池スタック - Google Patents

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Abstract

【課題】簡単且つコンパクトな構成で、電解質・電極接合体と集電部との面圧を均等に維持す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とセパレータ２８とを備える。セパレータ２８は、互いに積層される第１〜第３プレート３０、３２及び３４を備える。第１及び第３プレート３０、３４間には、燃料ガス供給連通孔３６に連通する燃料ガス通路７６が形成され、この燃料ガス通路７６は、第１及び第３円板部４２、７０間に燃料ガス圧力室８６を構成する。第２及び第３プレート３２、３４間には、酸化剤ガス供給連通孔５０に連通する酸化剤ガス通路８４が形成され、この酸化剤ガス通路８４は、第２及び第３円板部５６、７０間に酸化剤ガス圧力室８８を構成する。
【選択図】図２

Description

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及び燃料電池スタックに関する。
通常、固体電解質型燃料電池（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（単セル）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、単セル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。
この種の燃料電池において、カソード電極に酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されると、前記カソード電極と電解質との界面でこの酸化剤ガス中の酸素がイオン化（Ｏ2-）され、酸素イオンが電解質を通ってアノード電極側に移動する。アノード電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）やＣＯが供給されているために、このアノード電極において、酸素イオン及び水素（又はＣＯ）が反応して水（又はＣＯ2）が生成される。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。
ところで、電解質・電極接合体で発生する電気エネルギは、例えば、セパレータに設けられた集電部を介してターミナルプレートに送られるため、前記集電部と前記電解質・電極接合体とを所望の接触状態に維持する必要がある。しかしながら、加工精度等に起因して集電部の高さや電解質・電極接合体の厚さにばらつきが発生し易く、特に集電部の剛性が高いために電解質・電極接合体に破損が惹起されるおそれがある。
そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体電解質燃料電池が知られている。この特許文献１では、図２１に示すように、複数の固体電解質燃料電池１が積層されるとともに、前記固体電解質燃料電池１は、平板型単電池２と、第１スペーサ３と、第２スペーサ４と、集電板５とを備えている。集電板５は、金属平板６と、この金属平板６の両面に設けられる金属薄板７とを備え、前記金属薄板７に形成された凸部７ａが単電池２の燃料極、若しくは、空気極の表面に接触している。
凸部７ａは、適度な弾性を有している。このため、凸部７ａに過大な荷重が加えられた場合、前記凸部７ａは、接している燃料極や空気極等に損傷を与えることがなく、好適に変形して荷重を緩和するようになっている、としている。
特開２００１−６８１３２号公報（図１）
しかしながら、上記の特許文献１では、金属平板６の表面にそれぞれ凸部７ａを設けた金属薄板７を取り付けた集電板５が用いられている。金属薄板７は、ばね性を有するため、変形の小さな集電部で面圧が小さくなる一方、変形が大きな集電部で面圧が大きくなる。これにより、面圧の不均衡が発生するという問題がある。
その上、金属薄板７自体のばね性を利用しているが、熱等の影響によってばね性が損なわれ易く、所望の応力緩和機能が発揮できない場合がある。
さらに、ばね性の変化により金属薄板７が変形することで各流体通路の形状が不均一になり、反応ガス等の流れが均等化し難い。
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、電解質・電極接合体と集電部との面圧を均等に維持し、反応ガス等の流れを均等化することが可能な燃料電池及び燃料電池スタックを提供することを目的とする。
本発明では、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とともに、前記セパレータは、互いに積層される第１及び第２プレートを備えている。第１及び第２プレート間には、アノード電極に向かって燃料ガスを供給する燃料ガス通路と、カソード電極に向かって酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路とが形成されている。
燃料ガス通路は、第１プレートを挟んでアノード電極の電極面を覆い且つ燃料ガスが供給されることにより該第１プレートを該アノード電極に圧接可能な燃料ガス圧力室を構成する一方、酸化剤ガス通路は、第２プレートを挟んでカソード電極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該第２プレートを該カソード電極に圧接可能な酸化剤ガス圧力室を構成している。
また、第１プレートには、アノード電極の中央部に向かって燃料ガス圧力室から燃料ガスを導入する燃料ガス導入口が形成されるとともに、第２プレートには、カソード電極の中央部に向かって酸化剤ガス圧力室から酸化剤ガスを導入する酸化剤ガス導入口が形成されることが好ましい。
さらに、第１及び第２プレート間には、燃料ガス通路と酸化剤ガス通路とを仕切る第３プレートが配設されることが好ましい。
さらにまた、第１及び第３プレート間には、使用前の燃料ガスを電解質・電極接合体及びセパレータの積層方向に供給する燃料ガス供給連通孔と燃料ガス通路とを連通する燃料ガス分配通路が形成されるととともに、第２及び第３プレート間には、使用前の酸化剤ガスを前記積層方向に供給する酸化剤ガス供給連通孔と前記酸化剤ガス通路とを連通する酸化剤ガス分配通路が形成されることが好ましい。
また、セパレータは、電解質・電極接合体に供給されて反応に使用された燃料ガス及び酸化剤ガスを、排ガスとして前記電解質・電極接合体と前記セパレータとの積層方向に排出する排ガス通路を備え、前記排ガス通路内には、燃料ガス通路を形成し前記電解質・電極接合体を保持する燃料ガス通路部材と、酸化剤ガス通路を形成し前記電解質・電極接合体を保持する酸化剤ガス通路部材とが配設されることが好ましい。
さらに、第１及び第２プレートは、互いに異なる方向に突出する第１及び第２突起部を備え、一方のセパレータの前記第１突起部と他方のセパレータの前記第２突起部とで電解質・電極接合体を挟持することが好ましい。さらにまた、第１及び第２突起部は、電解質・電極接合体に発生する電気エネルギを集電する集電部を構成することが好ましい。
また、第３プレートには、第１プレートに向かって突出する第３突起部が設けられることが好ましい。
本発明では、燃料ガス通路に供給された燃料ガスが燃料ガス圧力室に導入されると、この燃料ガス圧力室の内圧が高められて膨張し、第１プレートがアノード電極に圧接する。同様に、酸化剤ガス通路に供給された酸化剤ガスが酸化剤ガス圧力室に導入されると、この酸化剤ガス圧力室の内圧が高められて膨張し、第２プレートがカソード電極に圧接する。
このため、セパレータや電解質・電極接合体の寸法のばらつきを吸収することができ、簡単且つコンパクトな構成で、前記電解質・電極接合体と集電部である第１及び第２プレートとの面圧を均等に維持することが可能になる。しかも、電解質・電極接合体の電極面全面に集電部を均等な面圧で密着させることができるとともに、接触集電抵抗を低減して発電効率の向上が容易に図られる。
さらに、電解質・電極接合体に局部的な過大面圧が付与されることがなく、この電解質・電極接合体の損傷を阻止することが可能になる。さらにまた、外部に設置した締め付け手段がなくても、電解質・電極接合体を保持することができる。
この他にも、電解質・電極接合体と集電部との間に形成される流体通路の形状を均等に維持することができ、反応ガス等の流れが均等化されて発電効率が向上される。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０が矢印Ａ方向に複数積層された燃料電池スタック１２の概略斜視説明図である。
燃料電池１０は、固体電解質型燃料電池であり、設置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池１０は、図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）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２６を備える。電解質・電極接合体２６は、円板状に形成される。
燃料電池１０は、一組のセパレータ２８間に電解質・電極接合体２６を挟んで構成される。セパレータ２８は、第１及び第２プレート３０、３２と、前記第１及び第２プレート３０、３２間に配設される第３プレート３４とを備える。第１〜第３プレート３０、３２及び３４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３４の両面に、前記第１プレート３０と前記第２プレート３２とが、例えば、ろう付けにより接合される。
図２に示すように、第１プレート３０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３６が形成される第１小径端部３８を備え、この第１小径端部３８には、幅狭な橋架部４０を介して比較的大径な第１円板部４２が一体的に設けられる。第１円板部４２は、電解質・電極接合体２６のアノード電極２４と略同一寸法に設定されている。
第１円板部４２のアノード電極２４に接触する面には、多数の第１凸部４４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円板部４２の外周縁部には、略リング状凸部４６が設けられる。第１凸部４４及び略リング状凸部４６は、集電部を構成する。第１円板部４２の中央には、アノード電極２４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、第１凸部４４は、略リング状凸部４６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２プレート３２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５０が形成される第２小径端部５２を備える。この第２小径端部５２には、幅狭な橋架部５４を介して比較的大径な第２円板部５６が一体的に設けられる。
第２円板部５６は、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２に接する面に、図４に示すように、複数の第２凸部５８が面内全面にわたって形成される。第２凸部５８は、集電部を構成する。第２円板部５６の中央部には、酸化剤ガスをアノード電極２４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６０が形成される。
第３プレート３４は、図２に示すように、燃料ガス供給連通孔３６が形成される第３小径端部６２と、酸化剤ガス供給連通孔５０が形成される第４小径端部６４とを備える。第３及び第４小径端部６２、６４は、幅狭な橋架部６６、６８を介して比較的大径な第３円板部７０と一体的に構成される。第３円板部７０は、第１及び第２円板部４２、５６と同一直径に設定される。
図２及び図５に示すように、第３プレート３４の第１プレート３０に向かう面において、第３小径端部６２には、燃料ガス供給連通孔３６に連通する複数のスリット７２が放射状に形成され、このスリット７２には、前記第３小径端部６２を周回して凹部７４が連通する。凹部７４は、スリット７２と該凹部７４の内側にろう材が流れることを防止する。燃料ガス供給連通孔３６からスリット７２を介して橋架部６６及び第３円板部７０の面内に燃料ガス通路７６が形成される。第３円板部７０には、複数の第３凸部７８が形成され、この第３凸部７８は、燃料ガス通路７６の一部を構成する。
図６に示すように、第３プレート３４の第２プレート３２に接する面において、第４小径端部６４には、酸化剤ガス供給連通孔５０に連通する複数のスリット８０が放射状に形成されるとともに、前記スリット８０には、凹部８２が連通する。凹部８２は、スリット８０と該凹部８２の内側にろう材が流れることを防止する。酸化剤ガス供給連通孔５０からスリット８０を介して第３円板部７０には、酸化剤ガス通路８４が形成され、この酸化剤ガス通路８４は、前記第３円板部７０の周縁部によって閉塞される。
第１プレート３０が第３プレート３４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３０、３４間には、燃料ガス供給連通孔３６に連通する燃料ガス通路７６が設けられる。第１プレート３０の橋架部４０と第３プレート３４の橋架部６６とが接合されて燃料ガス通路部材が構成されるとともに、この燃料ガス通路部材内には、燃料ガス通路７６を構成する燃料ガス分配通路７６ａが形成される（図７参照）。
この燃料ガス通路７６は、第１及び第３円板部４２、７０間に該第１円板部４２を挟んでアノード電極２４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円板部４２を前記アノード電極２４に圧接可能な燃料ガス圧力室８６を構成する（図７及び図８参照）。
第２プレート３２が第３プレート３４にろう付けされることにより、第２及び第３プレート３２、３４間には、酸化剤ガス供給連通孔５０に連通する酸化剤ガス通路８４が形成される（図８参照）。第２プレート３２の橋架部５４と第３プレート３４の橋架部６８とが接合されて酸化剤ガス通路部材が構成されるとともに、この酸化剤ガス通路部材内には、酸化剤ガス通路８４を構成する酸化剤ガス分配通路８４ａが形成される。
この酸化剤ガス通路８４は、第２及び第３円板部５６、７０間に該第２円板部５６を挟んでカソード電極２２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円板部５６を前記カソード電極２２に圧接可能な酸化剤ガス圧力室８８を構成する（図７及び図８参照）。
各セパレータ２８間には、燃料ガス供給連通孔３６をシールするための絶縁シール８９ａが設けられるとともに、酸化剤ガス供給連通孔５０をシールするための絶縁シール８９ｂが設けられる。絶縁シール８９ａ、８９ｂは、例えば、マイカ材やセラミック材で形成されている。
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の積層方向両端にエンドプレート９０ａ、９０ｂを配置する。エンドプレート９０ａもしくはエンドプレート９０ｂは、締付ボルト９８と電気的に絶縁される。エンドプレート９０ａには、燃料電池１０の燃料ガス供給連通孔３６に連通する第１配管９２と、酸化剤ガス供給連通孔５０に連通する第２配管９４とが接続される。エンドプレート９０ａ、９０ｂには、燃料ガス供給連通孔３６の上下両側及び酸化剤ガス供給連通孔５０の上下両側にボルト孔９６が形成される。各ボルト孔９６に締付ボルト９８が挿入され、各締付ボルト９８の先端にナット９９が螺合することによって、燃料電池スタック１２が締め付け保持される。
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。
図２に示すように、燃料電池１０を組み付ける際には、先ず、セパレータ２８を構成する第１プレート３０が第３プレート３４の一方の面に接合されるとともに、第２プレート３２が前記第３プレート３４の他方の面に接合される。このため、セパレータ２８内には、第３プレート３４に仕切られて燃料ガス供給連通孔３６に連通する燃料ガス通路７６と、酸化剤ガス供給連通孔５０に連通する酸化剤ガス通路８４とが独立して形成される（図３参照）。
さらに、第１及び第３円板部４２、７０間には、燃料ガス圧力室８６が形成される一方、第２及び第３円板部５６、７０間には、酸化剤ガス圧力室８８が形成される（図９参照）。
次いで、セパレータ２８と電解質・電極接合体２６とが交互に積層され、積層方向両端にエンドプレート９０ａ、９０ｂが配置される。エンドプレート９０ａもしくはエンドプレート９０ｂは、締付ボルト９８と電気的に絶縁される。エンドプレート９０ａ、９０ｂの各ボルト孔９６には、締付ボルト９８が挿入され、前記締付ボルト９８の先端にナット９９が螺合することによって、燃料電池スタック１２が構成される（図１参照）。
そこで、エンドプレート９０ａに接続されている第１配管９２から燃料ガス供給連通孔３６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９０ａに接続された第２配管９４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。
燃料ガス供給連通孔３６に供給された燃料ガスは、図７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１０を構成するセパレータ２８内の燃料ガス通路７６に供給される。燃料ガスは、燃料ガス通路７６に沿って第１及び第３円板部４２、７０間に形成された燃料ガス圧力室８６に導入され、複数の第３凸部７８間を移動して第１円板部４２の中央部に形成される燃料ガス導入口４８に導入される。
燃料ガス導入口４８は、各電解質・電極接合体２６のアノード電極２４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、図９に示すように、燃料ガス導入口４８からアノード電極２４に供給され、該アノード電極２４内を中心部から外周部に向かって流動する。
一方、酸化剤ガス供給連通孔５０に供給される酸化剤ガスは、図８に示すように、セパレータ２８内の酸化剤ガス通路８４を移動し、第２及び第３円板部５６、７０間の酸化剤ガス圧力室８８に供給される。さらに、酸化剤ガスは、第２円板部５６の中心位置に設けられる酸化剤ガス導入口６０に導入される。
酸化剤ガス導入口６０は、各電解質・電極接合体２６のカソード電極２２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、図９に示すように、酸化剤ガス導入口からカソード電極２２に供給され、該カソード電極２２の中心部から外周部に向かって流動する。
従って、各電解質・電極接合体２６では、アノード電極２４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２２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、排ガスとして第１〜第３円板部４２、５６及び７０の外周部から排気される。
この場合、第１の実施形態では、セパレータ２８において、第１及び第３円板部４２、７０間には、前記第１円板部４２を挟んでアノード電極２４の電極面を覆って燃料ガス圧力室８６が構成される一方、第２及び第３円板部５６、７０間には、前記第２円板部５６を挟んでカソード電極２２の電極面を覆って酸化剤ガス圧力室８８が構成されている。
このため、図９に示すように、燃料ガス通路７６に供給された燃料ガスは、燃料ガス圧力室８６に導入される。導入された燃料ガスが燃料ガス導入口４８によって絞られることにより、この燃料ガス圧力室８６の内圧が高められて膨張し、薄板状の第１円板部４２がアノード電極２４に圧接される。同様に、酸化剤ガス通路８４に供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス圧力室８８に導入される。導入された酸化剤ガスが酸化剤ガス導入口６０によって絞られると、この酸化剤ガス圧力室８８の内圧が高められて膨張し、薄板状の第２円板部５６がカソード電極２２に圧接する。
従って、セパレータ２８や電解質・電極接合体２６の寸法のばらつきを吸収することができ、簡単且つコンパクトな構成で前記電解質・電極接合体２６と集電部である第１及び第２円板部４２、５６との面圧を均等に維持することが可能になる。しかも、電解質・電極接合体２６を構成するアノード電極２４及びカソード電極２２の各電極面全面に第１及び第２円板部４２、５６を均等な面圧で密着させることができるとともに、接触集電抵抗を低減して発電効率の向上が容易に図られるという効果が得られる。
さらに、電解質・電極接合体２６に局部的な過大面圧が付与されることがなく、この電解質・電極接合体２６の損傷を良好に阻止することが可能になる。さらにまた、電解質・電極接合体２６と集電部との間に形成される燃料ガス通路７６及び酸化剤ガス通路８４の形状を均等に維持することができ、燃料ガス及び酸化剤ガスの流れが均等化されて発電効率が向上される。
また、第１の実施形態では、第１及び第２プレート３０、３２間に第３プレート３４が介装されており、この第３プレート３４を介して燃料ガス通路７６と、酸化剤ガス通路８４とが分離される。これにより、燃料ガス圧力室８６と酸化剤ガス圧力室８８を確実に分離することができ、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスの供給によって内圧を確実に高めることが可能になる。
その上、燃料ガスは、図９に示すように、燃料ガス導入口４８からアノード電極２４の中心部に向かって導入する一方、酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口６０からカソード電極２２の中心部に向かって導入している。このため、燃料ガス及び酸化剤ガスは、アノード電極２４及びカソード電極２２の中心部から外周部に向かって確実に供給され、ガス利用率が有効に向上するという利点がある。
さらに、第３プレート３４には、第１プレート３０側に突出する第３凸部７８が設けられている。従って、燃料ガス通路７６よりも高圧となる酸化剤ガス通路８４によって、第３プレート３４に歪みや潰れが発生することを阻止し、前記燃料ガス通路７６を一定形状に維持して安定した燃料ガスの供給が行われる。
図１０は、本発明の第２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り、図１１は、前記燃料電池スタック１０２が筐体１０４内に収容された燃料電池システム１０６の一部断面説明図である。
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の実施の形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
燃料電池１００は、図１２及び図１３に示すように、一組のセパレータ１０８間に複数、例えば、８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１０８間には、このセパレータ１０８の中心部である燃料ガス供給連通孔３６と同心円上に８個の電解質・電極接合体２６が配列される。
セパレータ１０８は、互いに積層される第１及び第２プレート１１０、１１２と、前記第１及び第２プレート１１０、１１２間に配設される第３プレート１１４とを備える。第１〜第３プレート１１０、１１２及び１１４は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成されている。
第１プレート１１０は、中央部に燃料ガス供給連通孔３６を形成する第１小径端部１１６を備える。この第１小径端部１１６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１１８を介して比較的大径な第１円板部１２０が一体的に設けられる。第１円板部１２０の周囲から内方にかけて、排ガス通路１２２が形成される。
各第１円板部１２０には、電解質・電極接合体２６のアノード電極２４に接触する面に複数の第１凸部４４と略リング状凸部４６とが設けられるとともに、前記第１円板部１２０の中心には、燃料ガス導入口４８が形成される。
第２プレート１１２は、波状外周部１２４を備え、前記波状外周部１２４の各円弧状部分には、内方に突出する橋架部１２６を介して比較的大径な第２円板部１２８が一体的に設けられる。第２円板部１２８は、第１プレート１１０の第１円板部１２０と同様に等角度間隔ずつ離間して８個設けられる。各第２円板部１２８には、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２に接触する面に複数の第２凸部５８が設けられるとともに、それぞれの中心には、酸化剤ガス導入口６０が形成される。
第３プレート１１４は、中央部に燃料ガス供給連通孔３６を形成する第２小径端部１３０を備え、この第２小径端部１３０から放射状に８本の橋架部１３２が延在するとともに、各橋架部１３２の先端には、比較的大径な第３円板部１３４が一体的に設けられる。各第３円板部１３４には、橋架部１３２の延長線上に橋架部１３６が設けられ、全ての橋架部１３６が波状外周部１３８に一体的に連結される。
第３円板部１３４の第１プレート１１０に向かう面には、複数の第３凸部７８が面内全面にわたって形成される。第２小径端部１３０には、スリット７２及び凹部７４が形成されるとともに、各橋架部１３２に燃料ガス通路７６を構成する燃料ガス分配通路７６ａが形成される。
図１４に示すように、第３プレート１１４の第２プレート１１２に向かう面において、波状外周部１３８には、各第３円板部１３４に対応して空気取り込み用の複数のスリット１４０が形成されるとともに、ろう材の流れを防止するための凹部１４２が前記波状外周部１３８の形状に沿って周回形成される。
図１５に示すように、第１プレート１１０が第３プレート１１４にろう付けされると、各橋架部１１８、１３２が接合されて燃料ガス通路部材が構成されるとともに、この燃料ガス流路部材内には、燃料ガス通路７６を構成する燃料ガス分配通路７６ａが形成される。この燃料ガス通路７６は、第１及び第３円板部１２０、１３４間に形成される燃料ガス圧力室８６を構成する。
図１６に示すように、第２プレート１１２が第３プレート１１４にろう付け固定されることにより、橋架部１２６、１３６が接合されて酸化剤ガス通路部材が構成されるとともに、この酸化剤ガス通路部材内には、酸化剤ガス通路８４を構成する酸化剤ガス分配通路８４ａが形成される。この酸化剤ガス通路８４は、第２及び第３円板部１２８、１３４間に形成される酸化剤ガス圧力室８８を有する。
各セパレータ１０８間には、図１５に示すように、燃料ガス供給連通孔３６をシールするための絶縁シール１４４が設けられるとともに、図１６示すように、波状外周部１２４、１３８間には、絶縁シール１４６が設けられる。絶縁シール１４４、１４６としては、例えば、マイカ材やセラミック材が使用される。
図１０及び図１１に示すように、燃料電池スタック１０２は、複数の燃料電池１００の積層方向両端に円板状のエンドプレート１５０ａ、１５０ｂを配置する。エンドプレート１５０ａは、絶縁されており、中心部に燃料ガス供給口１５２が形成され、この燃料ガス供給口１５２が各燃料電池１００の燃料ガス供給連通孔３６に連通する。
エンドプレート１５０ａには、燃料ガス供給口１５２を挟んで２個のボルト挿入口１５４ａが形成される。ボルト挿入口１５４ａは、燃料電池スタック１０２の排ガス通路１２２内に配置される。エンドプレート１５０ａには、各電解質・電極接合体２６間に対応して、８個のボルト挿入口１５６ａが形成される。
エンドプレート１５０ｂは、導電部材で構成されている。図１１に示すように、このエンドプレート１５０ｂの中央部には、接続端子部１６０が軸方向に膨出形成されるとともに、前記接続端子部１６０を挟んで２個のボルト挿入口１５４ｂが形成される。各ボルト挿入口１５４ａ、１５４ｂは、同軸上に設けられており、２本のボルト１６２が挿入されて前記ボルト１６２の先端にナット１６４が螺合する。ボルト１６２は、エンドプレート１５０ｂと電気的に絶縁されている。
エンドプレート１５０ｂには、エンドプレート１５０ａのボルト挿入口１５６ａと同軸上に８個のボルト挿入口１５６ｂが形成される。各ボルト挿入口１５６ａ、１５６ｂにボルト１６６が挿入され、前記ボルト１６６の先端にナット１６８が螺合する。ボルト１６６の頭部は、導線１７０を介して出力端子１７２ａに電気的に接続される一方、接続端子部１６０は、導線１７４を介して出力端子１７２ｂに電気的に接続される。
出力端子１７２ａ、１７２ｂは、互いに近接し且つ平行して筐体１０４に固定される。筐体１０４内には、出力端子１７２ａ、１７２ｂの間に位置して空気供給口１７６が形成されるとともに、前記筐体１０４の他端側には、排気口１７８が設けられる。この排気口１７８に近接して燃料ガス供給口１８０が形成され、この燃料ガス供給口１８０は、必要に応じて改質器１８２を介して燃料ガス供給連通孔３６に連通する。改質器１８２の外方には、熱交換器１８４が配置される。筐体１０４内には、二重構造部１８６が設けられ、この二重構造部１８６内に燃料電池スタック１０２が収容される。
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。
燃料電池１００を組み付ける際には、先ず、図１２に示すように、セパレータ１０８を構成する第３プレート１１４の両面に第１プレート１１０と第２プレート１１２とが、例えば、ろう付けにより接合される。さらに、リング状の絶縁シール１４４が、燃料ガス供給連通孔３６を周回して第１プレート１１０又は第３プレート１１４に設けられる（図１５参照）。一方、第２プレート１１２の波状外周部１２４又は第３プレート１１４の波状外周部１３８には、波形状の絶縁シール１４６が設けられる（図１６参照）。
これにより、セパレータ１０８が構成され、第１及び第２プレート１１０、１１２間には、第３プレート１１４に仕切られて燃料ガス通路７６及び酸化剤ガス通路８４が形成される（図１７参照）。また、燃料ガス通路７６は、燃料ガス分配通路７６ａを介して燃料ガス供給連通孔３６に連通する一方、酸化剤ガス通路８４は、スリット１４０を介して外部に開放されており、酸化剤ガスが導入される。
次いで、セパレータ１０８間には、８個の電解質・電極接合体２６が挟持される。図１２に示すように、各セパレータ１０８は、互いに対向する第１及び第２円板部１２０、１２８間に電解質・電極接合体２６が配置され、各アノード電極２４の中央部に燃料ガス導入口４８が配置される一方、各カソード電極２２の中央部に酸化剤ガス導入口６０が配置される。
上記のように付けられた燃料電池１００が矢印Ａ方向に積層され、エンドプレート１５０ａ、１５０ｂ間に締め付け保持されて燃料電池スタック１０２が組立られる（図１０参照）。この燃料電池スタック１０２は、図１１に示すように、筐体１０４内に装着される。
そこで、筐体１０４に設けられている燃料ガス供給口１８０から燃料ガスが供給されるとともに、前記筐体１０４の空気供給口１７６から空気が供給される。燃料ガスは、必要に応じて改質器１８２を通って燃料電池スタック１０２の燃料ガス供給連通孔３６に供給され、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１０８内の燃料ガス分配通路７６ａに導入される（図１５参照）。
燃料ガスは、燃料ガス分配通路７６ａに沿って移動し、燃料ガス通路７６を構成する燃料ガス圧力室８６に送られる。送られた燃料ガスが燃料ガス導入口４８によって絞られることで、この燃料ガス圧力室８６では、燃料ガスの内圧が高くなり、図１７に示すように、燃料ガス導入口４８から電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の中心に向かって燃料ガスが導入される。この燃料ガスは、アノード電極２４の中心部から外周に向かって流動する。
一方、各燃料電池１００の外周側から供給される酸化剤ガスは、各セパレータ１０８の外周部に形成されているスリット１４０を介して酸化剤ガス通路８４に供給される（図１６参照）。この酸化剤ガス通路８４に供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス圧力室８８に送られる。送られた酸化剤ガスが酸化剤ガス導入口６０によって絞られることで、この圧力室８８では、酸化剤ガスの内圧が高くなる。酸化剤ガス導入口６０から電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の中心部に導入され、前記カソード電極２２の外周に向かって流動する（図１７参照）。
従って、電解質・電極接合体２６では、アノード電極２４の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２２の中心部から外周に向かって酸化剤ガスが供給される（図１７参照）。その際、酸素イオンが電解質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。
ここで、各燃料電池１００は、矢印Ａ方向（積層方向）に電気的に直列に接続されており、図１１に示すように、一方の極は、導電性のエンドプレート１５０ｂに設けられた接続端子部１６０から導線１７４を介して出力端子１７２ｂに接続される。他方の極は、ボルト１６６から導線１７０を介して出力端子１７２ａに接続される。このため、出力端子１７２ａ、１７２ｂ間に電気エネルギを取り出すことができる。
一方、各電解質・電極接合体２６の外周に移動した反応後の燃料ガス及び酸化剤ガスが混在する排ガスは、セパレータ１０８内に形成される排ガス通路１２２を介して積層方向に移動し、排気口１７８から筐体１０４の外部に排出される。
この場合、第２の実施形態では、第１及び第３プレート１１０、１１４が接合されることにより、これらの間には、燃料ガス供給連通孔３６に連通する燃料ガス通路７６が形成されるとともに、この燃料ガス通路７６は、互いに接合された第１及び第３円板部１２０、１３４間に燃料ガス圧力室８６を構成している。
このため、燃料ガス通路７６に供給された燃料ガスが、燃料ガス圧力室８６に導入される。導入された燃料ガスが燃料ガス導入口４８によって絞られるため、この燃料ガス圧力室８６の内圧が高められて膨張し、第１プレート１１０の第１円板部１２０は、電解質・電極接合体２６のアノード電極２４に押圧される（図１７参照）。
同様に、第２及び第３プレート１１２、１１４が接合されることにより、これらの間には、酸化剤ガス通路８４が形成されるとともに、第２及び第３円板部１２８、１３４間には、酸化剤ガス圧力室８８が構成される。従って、酸化剤ガス通路８４に供給された酸化剤ガスが、酸化剤ガス圧力室８８に導入される。導入された酸化剤ガスが酸化剤ガス導入口６０によって絞られるため、この酸化剤ガス圧力室８８の内圧が高められて膨張し、第２プレート１１２を構成する第２円板部１２８がカソード電極２２に押圧される。
このため、セパレータ１０８や電解質・電極接合体２６の寸法にばらつきが発生していても、第１円板部１２０の全面がアノード電極２４の電極面に密着する一方、第２円板部１２８の全面がカソード電極２２の発電面に密着することができる。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、電解質・電極接合体２６と集電部である第１及び第２円板部１２０、１２８との面圧を均等に維持することが可能になるという効果が得られる。
しかも、電解質・電極接合体２６の電極面全面に第１及び第２円板部１２０、１２８を均等な面圧で密着させることができるとともに、接触集電抵抗を低減して発電効率の向上が容易に図られる。
さらに、第１及び第２プレート１１０、１１２に介装される第３プレート１１４を介し、燃料ガスと酸化剤ガスとを気密に分離可能となり、発電効率の向上が容易に図られる。その上、アノード電極２４及びカソード電極２２の中心部に向かって燃料ガス及び酸化剤ガスを導入するため、燃料ガス及び酸化剤ガスを有効に使用することができ、ガス利用率を高めることが可能になる。
さらにまた、セパレータ１０８内に各電解質・電極接合体２６を覆って排ガス通路１２２が形成されている。このため、排ガス通路１２２に排出される排ガスの熱を利用して、電解質・電極接合体２６を温めることができ、熱効率の改善が容易に図られる。
また、第１及び第２円板部１２０、１２８には、複数の第１及び第２凸部４４、５８が集電部として設けられており、集電効率を向上させることが可能になる。さらに、第３プレート１１４には、第１プレート１１０側に突出する第３凸部７８が設けられている。従って、燃料ガス通路７６よりも圧力が高くなる酸化剤ガス通路８４によって、第３プレート１１４に歪みや潰れが発生することを阻止し、前記燃料ガス通路７６を一定形状に維持して安定した燃料ガスの供給が行われる。この他にも、各圧力室８６、８８の内圧が高められて膨張することによって押圧荷重が発生するため、外部に配置した締め付け手段がなくても、電解質・電極接合体２６を保持して集電に必要な面圧を発生することができる。
図１８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池２００が矢印Ａ方向に複数積層された燃料電池スタック２０２の概略斜視説明図であり、図１９は、前記燃料電池２００の分解斜視説明図である。
燃料電池２００は、一組のセパレータ２０８間に複数、例えば、１５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２０８は、互いに積層される第１及び第３プレート２１０、２１２と、前記第１及び第２プレート２１０、２１２間に配設される第３プレート２１４とを備える。第１〜第３プレート２１０、２１２及び２１４は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成されている。
第１プレート２１０は、燃料ガス供給連通孔３６を形成する第１小径端部２１５を備え、この第１小径端部２１５には、幅狭な橋架部２１６を介して第１円板部２１８が一体的に設けられる。第１円板部２１８は、積層方向である矢印Ａ方向に直行する矢印Ｂ方向及び矢印Ｃ方向にそれぞれ３個及び５個ずつ、合計で１５個設けられており、前記第１円板部２１８が橋架部２２０により連結されている。
なお、矢印Ｂ方向両端部の第１円板部２１８は、矢印Ｂ方向中央部の第１円板部２１８に対して橋架部２２０のみにより連結されているが、例えば、矢印Ｃ方向に隣り合う第１円板部２１８同士を前記橋架部２２０により連結してもよい。
各第１円板部２１８の電解質・電極接合体２６のアノード電極２４に接する面には、複数の第１凸部４４と、略リング状凸部４６とが形成されるとともに、面内中央部に燃料ガス導入口４８が形成される。
第２プレート２１２は、酸化剤ガス供給連通孔５０が形成される第２小径端部２２２を備え、前記第２小径端部２２２には、橋架部２２４を介して第２円板部２２６が一体的に設けられる。
第２円板部２２６には、橋架部２２８を介して第２円板部２２６が一体的に設けられており、前記第２円板部２２６は、第１円板部２１８と同様に矢印Ｂ方向に３個で且つ矢印Ｃ方向に５個の、合計１５個設けられている。第２円板部２２６のカソード電極２２に接する面内には、複数の第２凸部５８が形成されるとともに、面内中央部には、酸化剤ガス導入口６０が形成される。
第３プレート２１４は、燃料ガス供給連通孔３６が形成される第３小径端部２３０と、酸化剤ガス供給連通孔５０が形成される第４小径端部２３２とを備えるとともに、前記第３及び第４小径端部２３０、２３２に橋架部２３４、２３６を介して第３円板部２３８が連結される。
第３円板部２３８は、矢印Ｂ方向に３個で且つ矢印Ｃ方向に５個の、合計１５個設けられ、各第３円板部２３８が橋架部２４０を介して連結される。各第３円板部２３８には、第１プレート２１０に向かう面に複数の第３凸部７８が形成される。
第１プレート２１０が第３プレート２１４に、例えば、ろう付けにより接合されることにより、これらの間に燃料ガス通路７６が形成され、この燃料ガス通路７６は、橋架部２１６、２３４間に形成される燃料ガス分配通路７６ａと、第１及び第３円板部２１８、２３８間に形成される燃料ガス圧力室８６とを有する（図２０参照）。
第２プレート２１２が第３プレート２１４に、例えば、ろう付けにより接合されることにより、これらの間に酸化剤ガス通路８４が形成される。この酸化剤ガス通路８４は、橋架部２２４、２３６間に形成される酸化剤ガス分配通路８４ａと、第２及び第３円板部２２６、２３８間に形成される酸化剤ガス圧力室８８とを有する（図２０参照）。
図１８に示すように、燃料電池スタック２０２は、複数の燃料電池２００の積層方向両端に略長方形状のエンドプレート２４２ａ、２４２ｂを配置する。エンドプレート２４２ａには、燃料ガス供給連通孔３６に連通する第１配管２４４が接続されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔５０に連通する第２配管２４６が接続される。エンドプレート２４２ａ、２４２ｂには、燃料ガス供給連通孔３６の両側及び酸化剤ガス供給連通孔５０の両側にボルト挿入口２４８が形成される。エンドプレート２４２ａもしくはエンドプレート２４２ｂは、ボルト２５０と電気的に絶縁される。ボルト挿入口２４８にボルト２５０が挿入されて、該ボルト２５０の先端部にナットが螺合することにより、燃料電池スタック２０２が締め付け保持される。
このように構成される第３の実施形態では、第１及び第３プレート２１０、２１４が接合されることにより、第１及び第３円板部２１８、２３８間に燃料ガス圧力室８６が形成されるとともに、第２及び第３プレート２１２、２１４が接合されることにより、第２及び第３円板部２２６、２３８間に酸化剤ガス圧力室８８が形成されている。
このため、燃料ガス供給連通孔３６から燃料ガス通路７６に供給された燃料ガスは、燃料ガス圧力室８６に導入され、この燃料ガス圧力室８６の内圧が高められて膨張し、第１円板部２１８が電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の電極面全面に圧接する。同様に、酸化剤ガス供給連通孔５０に供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス通路８４から酸化剤ガス圧力室８８に供給され、この酸化剤ガス圧力室８８の内圧が高められて膨張し、第２円板部２２６がカソード電極２２の電極面全面に圧接する。
従って、簡単且つコンパトな構成で、電解質・電極接合体２６と集電部である第１及び第２円板部２１８、２２６との面圧を均等に維持することができ、発電効率の向上が容易に図られる等、第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
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。 前記燃料電池の分解斜視図である。 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。 前記燃料電池を構成する第２プレートの正面説明図である。 前記燃料電池を構成する第３プレートの一方の面の一部省略説明図である。 前記第３プレートの他方の面の一部省略説明図である。 前記燃料電池の燃料ガス供給連通孔近傍の拡大断面図である。 前記燃料電池の酸化剤ガス供給連通孔近傍の拡大断面図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 本発明の第２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。 前記燃料電池スタックが筐体内に収容された燃料電池システムの一部断面説明図である。 前記燃料電池を構成するセパレータの分解斜視説明図である。 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。 前記セパレータを構成する第３プレートの一方の面の説明図である。 前記燃料電池の中心部の拡大断面図である。 前記燃料電池の外周縁部の拡大断面図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 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。 前記燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 特許文献１の固体電解質燃料電池の断面説明図である。
符号の説明
１０、１００、２００…燃料電池 １２、１０２、２０２…燃料電池スタック
２０…電解質 ２２…カソード電極
２４…アノード電極 ２６…電解質・電極接合体
２８、１０８、２０８…セパレータ
３０、３２、３４、１１０、１１２、１１４、２１０、２１２、２１４…プレート
３６…燃料ガス供給連通孔
４０、５４、６６、６８、１１８、１２６、１３２、１３６、２１６、２２０、２２４、２２８、２３４、２３６、２４０…橋架部
４２、５６、７０、１２０、１２８、１３４、２１８、２２６、２３８…円板部
４４、５８、７８…凸部 ４６…略リング状凸部
４８…燃料ガス導入口 ５０…酸化剤ガス供給連通孔
６０…酸化剤ガス導入口 ７２、８０、１４０…スリット
７６ａ…燃料ガス分配通路 ８４…酸化剤ガス通路
８４ａ…酸化剤ガス分配通路 ８６…燃料ガス圧力室
８８…酸化剤ガス圧力室
９０ａ、９０ｂ、１５０ａ、１５０ｂ、２４２ａ、２４２ｂ…エンドプレート
１０４…筐体 １０６…燃料電池システム
１２２…排ガス通路 １２４、１３８…波状外周部

Claims (9)

  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、互いに積層される第１及び第２プレートを備え、
    前記第１及び第２プレート間には、前記アノード電極に向かって燃料ガスを供給する燃料ガス通路と、前記カソード電極に向かって酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路とが形成されるとともに、
    前記燃料ガス通路は、前記第１プレートを挟んで前記アノード電極の電極面を覆い且つ燃料ガスが供給されることにより該第１プレートを該アノード電極に圧接可能な燃料ガス圧力室を構成する一方、
    前記酸化剤ガス通路は、前記第２プレートを挟んで前記カソード電極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該第２プレートを該カソード電極に圧接可能な酸化剤ガス圧力室を構成することを特徴とする燃料電池。
  2. 請求項１記載の燃料電池において、前記第１プレートには、前記アノード電極の中央部に向かって前記燃料ガス圧力室から燃料ガスを導入する燃料ガス導入口が形成されるとともに、
    前記第２プレートには、前記カソード電極の中央部に向かって前記酸化剤ガス圧力室から酸化剤ガスを導入する酸化剤ガス導入口が形成されることを特徴とする燃料電池。
  3. 請求項１又は２記載の燃料電池において、前記第１及び第２プレート間には、前記燃料ガス通路と前記酸化剤ガス通路とを仕切る第３プレートが配設されることを特徴とする燃料電池。
  4. 請求項３記載の燃料電池において、前記第１及び第３プレート間には、使用前の燃料ガスを前記電解質・電極接合体及び前記セパレータの積層方向に供給する燃料ガス供給連通孔と前記燃料ガス通路とを連通する燃料ガス分配通路が形成されるととともに、
    前記第２及び第３プレート間には、使用前の酸化剤ガスを前記積層方向に供給する酸化剤ガス供給連通孔と前記酸化剤ガス通路とを連通する酸化剤ガス分配通路が形成されることを特徴とする燃料電池。
  5. 請求項１乃至４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・電極接合体に供給されて反応に使用された燃料ガス及び酸化剤ガスを、排ガスとして前記電解質・電極接合体と前記セパレータとの積層方向に排出する排ガス通路を備え、
    前記排ガス通路内には、前記燃料ガス通路を形成し前記電解質・電極接合体を保持する燃料ガス通路部材と、
    前記酸化剤ガス通路を形成し前記電解質・電極接合体を保持する酸化剤ガス通路部材と、
    が配設されることを特徴とする燃料電池。
  6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記第１及び第２プレートは、互いに異なる方向に突出する第１及び第２突起部を備え、
    一方のセパレータの前記第１突起部と他方のセパレータの前記第２突起部とで前記電解質・電極接合体を挟持することを特徴とする燃料電池。
  7. 請求項６記載の燃料電池において、前記第１及び第２突起部は、前記電解質・電極接合体に発生する電気エネルギを集電する集電部を構成することを特徴とする燃料電池。
  8. 請求項６記載の燃料電池において、前記第３プレートには、前記第１プレートに向かって突出する第３突起部が設けられることを特徴とする燃料電池。
  9. 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・電極接合体が一対のセパレータ間に配設される燃料電池を備え、前記燃料電池を複数積層するとともに、積層方向両端にエンドプレートが配設される燃料電池スタックであって、
    前記セパレータ間には、前記アノード電極に向かって燃料ガスを供給する燃料ガス通路と、前記カソード電極に向かって酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路とが形成されるとともに、
    前記燃料ガス通路は、前記第１プレートを挟んで前記アノード電極の電極面を覆い且つ燃料ガスが供給されることにより該第１プレートを該アノード電極に圧接可能な燃料ガス圧力室を構成する一方、
    前記酸化剤ガス通路は、前記第２プレートを挟んで前記カソード電極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該第２プレートを該カソード電極に圧接可能な酸化剤ガス圧力室を構成することを特徴とする燃料電池スタック。

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