JP2005209619A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つコンパクトな構成で、所望のシール性を確実に維持するとともに、効率的な発電を行うことを可能にする。
【解決手段】燃料電池１０は、電解質・電極接合体２６をそれぞれ１枚のプレートで構成される一対のセパレータ２８間に配設している。セパレータ２８は、複数の円板部３６を備え、前記円板部３６の両面には、電解質・電極接合体２６のアノード電極２４及びカソード電極２２に接する第１及び第２突起部４８、５２が形成される。セパレータ２８のカソード電極２２に対向する面には、通路部材５６が設けられ、各通路部材５６に設けられる第２橋架部６０は、積層方向の荷重に対して該積層方向に弾性変形可能なように断面湾曲形状に構成される。
【選択図】図８

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複数の電解質・電極接合体が、それぞれ１枚のプレートで構成される一対のセパレータ間に配設される燃料電池に関する。

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。

上記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され、酸化物イオン（Ｏ^2-）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、酸化物イオン及び水素（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。

この種の燃料電池では、積層方向の寸法を減少させるために、セパレータの厚さを小さくするとともに、部品点数を削減すること等を目的として、種々の提案がなされている。例えば、図１７に示すように、特許文献１に開示されている燃料電池用セパレータ１は、薄いシート状のセパレータ本体２と、前記セパレータ本体２の片面に一体成形された多数の第１の微細突起３と、前記セパレータ本体２の他面に一体成形された多数の第２の微細突起４とを有している。セパレータ１と燃料極５との間には、第１の微細突起３を介して燃料ガス通路６が形成される一方、前記セパレータ１と空気極７との間には、第２の微細突起４を介して酸化剤ガス通路８が形成されている。

また、特許文献２では、アノード電極、カソード電極、電解質板、アノードガス流路、カソードガス流路等より構成される燃料電池において、アノードガス流路とカソードガス流路が一枚の板によって仕切られている燃料電池が開示されている。

さらにまた、例えば、特許文献３に開示されている固体酸化物型燃料電池が知られている。この特許文献３では、図１８に示すように、セパレータ１ａの両主面２ａ、２ｂに、複数のリブ状部材３ａ、３ｂが放射状に設けられている。セパレータ１ａの両主面２ａ、２ｂには、外周端部から中心部に達する溝４ａ、４ｂが所定の深さに形成されるとともに、前記溝４ａ、４ｂには、燃料ガス供給管５ａ及び酸化剤ガス供給管６ａが挿入されている。燃料ガス供給管５ａ及び酸化剤ガス供給管６ａは、先端を潰して扁平状に構成されており、セパレータ１ａに殆ど埋設した状態で配設されている。

特開２００２−７５４０８号公報（図２） 特開平１０−３２６６２４号公報（図１） 特開平１１−１６５８１号公報（図１）

しかしながら、上記の特許文献１では、１枚のセパレータ１の両面に燃料ガス通路６と酸化剤ガス通路８とが形成されているだけであり、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給形態が制限されてしまう。すなわち、燃料ガス及び酸化剤ガスは、燃料極５及び空気極７の一端部から他端部に向かって供給されるだけである。このため、汎用性が低下するとともに、燃料極５や空気極７の形状等によっては、燃料ガスや酸化剤ガスをそれぞれの電極面全面に均一に供給することができないおそれがある。また、上記の特許文献２においても、特許文献１と同様の問題がある。

このために、特許文献３では、偏平状に構成された燃料ガス供給管５ａ及び酸化剤ガス供給管６ａをセパレータ１ａに埋設しているが、前記燃料ガス供給管５ａ及び前記酸化剤ガス供給管６ａによって積層方向の厚みが増えてしまう問題がある。

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、積層方向の厚みを減らしながら、電解質・電極接合体に所望の荷重を確実に付与することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、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、それぞれ１枚のプレートで構成される一対のセパレータ間に配設されている。セパレータの一方の面と各アノード電極との間には、燃料ガスを流通させるための複数の燃料ガス通路が形成されるとともに、前記セパレータの他方の面と各カソード電極との間には、酸化剤ガスを流通させるための複数の酸化剤ガス通路が形成されている。

そして、セパレータには、燃料ガス供給部から各燃料ガス通路に連通する燃料ガス供給通路を形成する通路部材が設けられ、前記通路部材は、電解質・電極接合体と前記セパレータとの積層方向に荷重が付与された際に、積層方向に弾性変形可能に構成されている。

また、セパレータの一方の面には、アノード電極との間に燃料ガス通路を形成するための複数の第１突起部が設けられるとともに、前記セパレータの他方の面には、カソード電極との間に酸化剤ガス通路を形成するための複数の第２突起部が設けられることが好ましい。

ここで、前記第１又は第２突起部の一方を環状に突出した環状突起部とし、残余の前記第２又は第１突起部を、前記第１又は前記第２突起部が突出することに伴って陥没した凹部内に配設することが好ましい。これにより、電解質・電極接合体に締め付け荷重を効率的に伝達することができる。また、ガス通路の容積が過度に小さくなることが回避されるので圧損が過度に上昇することが回避され、このために発電反応を促進させることができる。

そして、この場合、第１突起部と第２突起部とを同軸に配置することが好ましい。

さらに、通路部材は、断面湾曲形状を有するとともに、第１及び第２突起部よりも低い剛性に設定されることが好ましい。

さらにまた、電解質・電極接合体で反応に使用された後の反応ガスを、排ガスとして前記電解質・電極接合体とセパレータとの積層方向に排出する排ガス通路を備え、燃料ガス供給部は、前記排ガス通路内に気密に設けられて前記積層方向に延在するとともに、通路部材は、前記排ガス通路を前記積層方向に交差するセパレータ面方向に横切って配置されることが好ましい。

本発明では、一方の面に燃料ガス通路を形成し且つ他方の面に酸化剤ガス通路を形成する１枚のセパレータを備え、該セパレータには、燃料ガス供給通路を形成する通路部材が設けられるため、簡単な構造で、前記セパレータの積層方向の寸法（厚さ）が有効に短尺化される。

しかも、通路部材は、電解質・電極接合体とセパレータとの積層方向に荷重が付与された際、該積層方向に弾性変形可能であるため、前記積層方向の荷重を電解質・電極接合体に確実に伝達することができる。これにより、電解質・電極接合体と集電部との密着性を高めることが可能になり、集電効率の向上が容易に図られる。

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り、図２は、前記燃料電池スタック１２が筐体１４内に収容された燃料電池システム１６の一部断面説明図である。

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３及び図４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とともに、外周端部には、酸化剤ガスの進入を阻止するためにバリアー層が設けられている。

燃料電池１０は、一対のセパレータ２８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２８間には、このセパレータ２８の中心部である燃料ガス供給連通孔（燃料ガス供給部）３０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２８は、図３に示すように、例えば、ステンレス合金等の板金で構成される１枚の金属プレートやカーボンプレート等で構成される。セパレータ２８は、中央部に燃料ガス供給連通孔３０を形成する第１小径端部３２を有する。この第１小径端部３２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３４を介して比較的大径な円板部３６が一体的に設けられる。円板部３６は、電解質・電極接合体２６と略同一寸法に設定されている。

図３、図５及び図６に示すように、隣り合う円板部３６は、スリット３８を介して互いに分離されるとともに、それぞれ両側の円板部３６に向かって突出する突片部４０ａ、４０ｂを有する。互いに隣り合う突片部４０ａ、４０ｂ間には、空間部４２が形成され、この空間部４２には、後述する酸化剤ガス通路５０に該酸化剤ガス通路５０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の邪魔板部材４４が配設される。各邪魔板部材４４は、空間部４２に沿って延在するように積層方向に設置している。図３、図５及び図６では、く字状に屈曲した邪魔板部材４４を示したが、酸化剤ガスの進入を防止できればどのような形状であっても構わない。

各円板部３６のアノード電極２４に接触する面３６ａには、前記アノード電極２４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４６を形成する第１突起部４８が設けられる（図５参照）。各円板部３６のカソード電極２２に接触する面３６ｂには、前記カソード電極２２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５０を形成する第２突起部５２が設けられる（図６参照）。図７に示すように、第１突起部４８と第２突起部５２は、互いに相反する方向に延在するように突出している。

本実施の形態では、第１突起部４８はリング状突起を構成するとともに、第２突起部５２は山状突起を構成する。山状突起である第２突起部５２は、リング状突起である第１突起部４８に囲繞されるように配置されている。

ここで、第２突起部５２が突出した面には、第１突起部４８が突出することに対応して陥没した凹部５３が形成されている。従って、第２突起部５２は、この凹部５３内に配置された形態となっている。

そして、本実施の形態においては、真円のリング状である第１突起部４８の中心軸線Ｌ１と、第２突起部５２の突出中心軸線Ｌ２とが合致するように、換言すれば、第１及び第２突起部４８、５２の中心同士が合致して互いに同軸となるように配置されている。

図８及び図９に示すように、第１及び第２突起部４８、５２は、複数形成されており、前記第１突起部４８の高さＨ１と、前記第２突起部５２の高さＨ２とは、Ｈ１＜Ｈ２の関係に設定される。酸化剤ガス通路５０の容積を燃料ガス通路４６の容積よりも大きくするためである。このような形状の第１及び第２突起部４８、５２は、例えば、プレス成形、エッチング成形、切削加工による成形等によって設けることができる。

なお、第１突起部４８を山状突起で構成する一方、第２突起部５２をリング状突起で構成してもよい。その際、リング状突起の高さを山状突起の高さよりも大きく設定することが好ましい。

図３〜図６に示すように、円板部３６には、アノード電極２４の中央側から燃料ガス通路４６に燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口５４が形成される。燃料ガス導入口５４の位置は、燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力によって決められ、例えば、円板部３６の中心位置、あるいは、前記円板部３６の中心に対して酸化剤ガスの流れ方向（矢印Ｂ方向）上流側に偏心した位置に設定される。

セパレータ２８のカソード電極２２に対向する面には、通路部材５６が、例えば、ろう付けやレーザ溶接等により固着される。通路部材５６は、図３に示すように、中央部に燃料ガス供給連通孔３０を形成する第２小径端部５８を備える。この第２小径端部５８から放射状に８本の第２橋架部６０が延在するとともに、各第２橋架部６０は、セパレータ２８の第１橋架部３４から円板部３６の燃料ガス導入口５４まで固着される。

通路部材５６の接合面において、第２小径端部５８には、燃料ガス供給連通孔３０に連通して複数のスリット６２が放射状に形成される。このスリット６２には、第２小径端部５８を周回してろう材の流れを防止し、且つ、燃料ガスの流れを均一にするための凹部６４が連通する。第１及び第２橋架部３４、６０間には、燃料ガス供給連通孔３０からスリット６２及び凹部６４を介して燃料ガス通路４６に連通する燃料ガス供給通路６６が形成される。

図１０及び図１１に示すように、各通路部材５６は、第２橋架部６０が積層方向（矢印Ａ方向）の荷重に対して該積層方向に弾性変形可能なように断面湾曲形状に構成される。好適には、第２橋架部６０は、断面円弧状や断面スロープ状に構成されるとともに、前記第２橋架部６０の剛性は、第１及び第２突起部４８、５２の剛性よりも低く設定されている。

図８及び図９に示すように、酸化剤ガス通路５０は、電解質・電極接合体２６の外周端部と円板部３６の外周端部との間から矢印Ａ方向に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部６８に連通する。この酸化剤ガス供給部６８は、各円板部３６の突片部４０ａ、４０ｂ間に設けられている。突片部４０ａ、４０ｂにある空間部４２に設置された邪魔板部材４４によって酸化剤ガス供給部６８以外から酸化剤ガスは進入できない。

各セパレータ２８間には、図８に示すように、燃料ガス供給連通孔３０をシールするための絶縁シール６９が設けられる。絶縁シール６９は、例えば、マイカ材やセラミック材で形成されている。燃料電池１０には、円板部３６の内方に位置して積層方向に延在する排ガス通路６７が形成される。

図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池１０の積層方向両端に円板状のエンドプレート７０ａ、７０ｂを配置するとともに、締め付け荷重付与機構７２を介して積層方向に締め付け保持される。

締め付け荷重付与機構７２は、燃料ガス供給連通孔３０の近傍に対して第１締め付け荷重Ｔ１を付与する第１締め付け部７４ａと、電解質・電極接合体２６に対して前記第１締め付け荷重Ｔ１よりも小さな第２締め付け荷重Ｔ２を付与する第２締め付け部７４ｂとを備える（Ｔ１＞Ｔ２）。

エンドプレート７０ａは、筐体１４に対して絶縁されており、中心部に燃料ガス供給口７６が形成され、この燃料ガス供給口７６が各燃料電池１０の燃料ガス供給連通孔３０に連通する。エンドプレート７０ａには、燃料ガス供給口７６を挟んで２個のボルト挿入口７８ａが形成される。ボルト挿入口７８ａは、燃料電池スタック１２の排ガス通路６７に対応している。

エンドプレート７０ａには、燃料ガス供給口７６を中心とする仮想円に沿って、すなわち、各電解質・電極接合体２６に対応して、８個の円形開口部８０が形成される。各円形開口部８０には、燃料ガス供給口７６に向かって突出する矩形開口部８２が連通するとともに、前記矩形開口部８２の一部が排ガス通路６７に重なっているため、矩形開口部８２から排ガスが排出される。

エンドプレート７０ｂは、導電部材で構成されている。図２に示すように、このエンドプレート７０ｂの中央部に接続端子部８４が軸方向に膨出形成されるとともに、前記接続端子部８４を挟んで２個のボルト挿入口７８ｂが形成される。各ボルト挿入口７８ａ、７８ｂは、同軸上に設けられており、２本の締付ボルト（締め付け具）８６が挿入され、該締付ボルト８６は、エンドプレート７０ｂと電気的に絶縁される。締付ボルト８６の先端にナット８８が螺合して第１締め付け部７４ａが構成され、エンドプレート７０ａ、７０ｂ間に所望の締め付け荷重が付与される。

接続端子部８４は、導線９０を介して出力端子９２ａに電気的に接続され、この出力端子９２ａは、筐体１４に固定される。

エンドプレート７０ａの各円形開口部８０には、第２締め付け部７４ｂが配設される。この第２締め付け部７４ｂには、燃料電池スタック１２の積層方向端部に電気的に接触する集電板としての押し付け部材９４が配置される。押し付け部材９４にスプリング９６の一端が当接するとともに、前記スプリング９６の他端が筐体１４の内壁部に支持される。スプリング９６は、第１締め付け荷重Ｔ１よりも低いバネ荷重に設定されるとともに、発電時の熱による影響を回避し、さらに絶縁性を持たせるために、例えば、セラミックスで構成される。

各押し付け部材９４の端部には、接続導体部９８が接続されており、この接続導体部９８と１本の締付ボルト８６の一端とは、導線１００を介して電気的に接続される。この締付ボルト８６の他端（頭部）は、接続端子部８４に近接しており、この他端は、導線１０２を介して出力端子９２ｂに電気的に接続される。出力端子９２ｂは、出力端子９２ａと近接且つ平行して電気的に絶縁されて筐体１４に固定される。

筐体１４内には、出力端子９２ａ、９２ｂに隣接して空気供給口１０４が形成されるとともに、他方のエンドプレート７０ａ側には、排気口１０６が設けられる。排気口１０６に近接して燃料ガス供給口１０８が形成され、排ガスと燃料ガスとが互いに熱交換することができる。この燃料ガス供給口１０８は、必要に応じて改質器１１０を介して燃料ガス供給連通孔３０に連通する。改質器１１０の外方には、熱交換器１１１が配置される。

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。

燃料電池１０を組み付ける際には、先ず、図３に示すように、セパレータ２８のカソード電極２２に向かう面に通路部材５６が接合される。このため、セパレータ２８と通路部材５６との間には、燃料ガス供給連通孔３０に連通する燃料ガス供給通路６６が形成されるとともに、前記燃料ガス供給通路６６が燃料ガス導入口５４から燃料ガス通路４６に連通する（図８参照）。セパレータ２８には、燃料ガス供給連通孔３０を周回してリング状の絶縁シール６９が設けられる。

これにより、セパレータ２８が構成され、前記セパレータ２８間には、８個の電解質・電極接合体２６が挟持されて燃料電池１０が得られる。図３及び図４に示すように、各セパレータ２８には、互いに対向する面３６ａ、３６ｂ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５４が配置される。

上記の燃料電池１０が矢印Ａ方向に複数積層され、積層方向両端にエンドプレート７０ａ、７０ｂが配置される。図１及び図２に示すように、エンドプレート７０ａ、７０ｂの各ボルト挿入口７８ａ、７８ｂには、締付ボルト８６が挿入され、前記締付ボルト８６の先端にナット８８が螺合する。これによって、燃料電池スタック１２が構成され、この燃料電池スタック１２は、締め付け荷重付与機構７２を介して積層方向に締め付け保持された状態で、筐体１４内に装着される（図２参照）。

そこで、筐体１４に設けられている燃料ガス供給口１０８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、前記筐体１４の空気供給口１０４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。燃料ガスは、改質器１１０を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス供給連通孔３０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１０を構成するセパレータ２８内のスリット６２を介して燃料ガス供給通路６６に導入される（図８参照）。

燃料ガスは、第１及び第２橋架部３４、６０間を燃料ガス供給通路６６に沿って移動し、円板部３６に形成された燃料ガス導入口５４から燃料ガス通路４６に導入される。燃料ガス導入口５４は、各電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の略中心位置、あるいは該中心位置から酸化剤ガスの流れ方向（矢印Ｂ方向）上流側に偏心した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５４からアノード電極２４の中央側に供給され、燃料ガス通路４６に沿って該アノード電極２４の外周部に向かって移動する（図９参照）。

一方、各燃料電池１０の外周側に設けられている酸化剤ガス供給部６８に供給される酸化剤ガスは、電解質・電極接合体２６の外周端部と円板部３６の外周端部との間から矢印Ｂ方向に流入し、酸化剤ガス通路５０に送られる。図８及び図９に示すように、酸化剤ガス通路５０では、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の一方の外周端部（セパレータ２８の外周端部）側から他方の外周端部（セパレータ２８の中央部側）に向かって酸化剤ガスが流入する。

従って、電解質・電極接合体２６では、アノード電極２４の電極面の中心側から外周側に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極２２の電極面の一方向（矢印Ｂ方向）に向かって酸化剤ガスが供給される（図９及び図１１参照）。その際、酸化物イオンが電解質２０を通ってアノード電極２４に移動し、化学反応により発電が行われる。

ここで、各燃料電池１０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２に示すように、一方の極は、導電性のエンドプレート７０ｂに設けられた接続端子部８４から導線９０を介して出力端子９２ａに接続される。他方の極は、締付ボルト８６から導線１０２を介して出力端子９２ｂに接続される。このため、出力端子９２ａ、９２ｂ間には、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２８内に形成される排ガス通路６７を介して積層方向に移動し、筐体１４の排気口１０６から外部に排出される。

この場合、第１の実施形態では、セパレータ２８が１枚のプレートで構成され、このセパレータ２８の各円板部３６の両面３６ａ、３６ｂには、それぞれアノード電極２４及びカソード電極２２に接触する第１及び第２突起部４８、５２が設けられている。そして、セパレータ２８に通路部材５６が固着され、この通路部材５６によって、燃料ガス供給連通孔３０から燃料ガス導入口５４を介して燃料ガス通路４６に連通する燃料ガス供給通路６６が形成されている。

このため、酸化剤ガスを燃料電池１０の外周部から内部に向かって一方向（矢印Ｂ方向）に供給する一方、燃料ガスをアノード電極２４の中央側から外周側に向かって流すことができる。従って、アノード電極２４の電極面全面に対して燃料ガスを均等に分配しながら供給することが可能になる。これにより、電解質・電極接合体２６の発電反応は、発電面全面で均等に行われ、安定した発電が行われるという効果が得られる。

さらに、第１の実施形態では、図１０及び図１１に示すように、各通路部材５６に設けられている各第２橋架部６０は、積層方向（矢印Ａ方向）の荷重に対して該積層方向に弾性変形可能なように断面湾曲形状に構成されている。すなわち、第２橋架部６０の剛性は、第１及び第２突起部４８、５２の剛性よりも低く設定されている。

従って、燃料電池１０に積層方向に締め付け荷重が付与された際、第２橋架部６０が第１及び第２突起部４８、５２により容易に弾性変形するため、該積層方向の荷重は電解質・電極接合体２６に確実に伝達することができる。このため、第１及び第２突起部４８、５２に均等に荷重が分配され、電解質・電極接合体２６と集電部である前記第１及び第２突起部４８、５２との密着性を高めることができ、集電効率の向上が容易に図られるという効果が得られる。

しかも、第２橋架部６０が断面湾曲形状に成形されるため、この第２橋架部６０とカソード電極２２との接触面積が減少する。これにより、カソード電極２２と酸化剤ガスとの接触面積が増大し、反応効率が有効に向上する。

さらにまた、第１の実施形態では、第１及び第２橋架部３４、６０が排ガス通路６７に設けられており、この第１及び第２橋架部３４、６０間に形成される燃料ガス供給通路６６は、前記排ガス通路６７を積層方向に交差するセパレータ面方向に横切って配置されている。従って、燃料ガス供給通路６６を移動する燃料ガスは、排ガス通路６７からの排熱によって有効に温められ、熱効率が向上するという効果がある。

図１２は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１２０の分解斜視図であり、図１３は、前記燃料電池１２０が複数積層された燃料電池スタック１２２の断面図であり、図１４は、前記燃料電池１２０の動作を説明する概略断面説明図である。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、その詳細の説明は省略する。

燃料電池１２０を構成する各セパレータ２８には、アノード電極２４に対向する面に通路部材１２４が固着される。通路部材１２４は、セパレータ２８の第１橋架部３４に固着される第２橋架部１２６を備え、この第１及び第２橋架部３４、１２６間に燃料ガス供給通路６６が形成される。各第２橋架部１２６の先端は、電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の中心位置近傍で終端しており、この先端部には、前記アノード電極２４に向かって開口する複数の燃料ガス導入口１２８が形成されている。

各通路部材１２４は、第２橋架部１２６が積層方向（矢印Ａ方向）の荷重に対して該積層方向に弾性変形可能なように断面湾曲形状に構成されている。すなわち、第２橋架部１２６の剛性は、第１及び第２突起部４８、５２の剛性よりも低く設定されている。なお、各セパレータ２８の円板部３６には、第１の実施形態の燃料ガス導入口５４が設けられていない。

このように構成される第２の実施形態では、燃料ガス供給連通孔３０に供給された燃料ガスは、各セパレータ２８と通路部材１２４との間に形成される燃料ガス供給通路６６に沿って移動した後、通路部材１２４の先端に形成される複数の燃料ガス導入口１２８からアノード電極２４に向かって供給される。

この場合、燃料電池１２０に積層方向に締め付け荷重が付与された際、第２橋架部１２６が第１及び第２突起部４８、５２により容易に弾性変形するため、積層方向の荷重を電解質・電極接合体２６に確実に伝達することができる。このため、第１及び第２突起部４８、５２に均等に荷重が分配され、電解質・電極接合体２６と集電部である前記第１及び第２突起部４８、５２との密着性を高めて集電効率の向上が容易に図られる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、上記した実施の形態では、図７に示すように、第１突起部４８をリング形状（真円環形状）としているが、例えば、図１５に示すように、楕円環形状となるようにしてもよい。この場合、楕円の長径ａと短径ｂとの交点を第１突起部４８の中心とし、この中心を通る軸線と第２突起部５２の突出中心軸線とが合致している状態を「第１及び第２突起部４８、５２が同軸である」とする。

また、第２突起部５２として、水平方向の断面（頂面等）が真円形状である円錐台形状のものを図７に例示したが、本発明における「山状突起」は特にこれに限定されるものではなく、高さ方向の断面が台形形状となるものが含まれる。すなわち、例えば、水平方向の断面（頂面等）が楕円形状であるものであってもよい。

さらにまた、図７では、第１及び第２突起部４８、５２が同軸である状態、すなわち、リング形状である第１突起部４８の中心軸線Ｌ１と第２突起部５２の突出中心軸線Ｌ２とが合致した状態を示しているが、中心軸線Ｌ１、Ｌ２同士を合致させる必要、換言すれば、第１及び第２突起部４８、５２が互いに同軸である必要は特にない。例えば、図１６に示すように、第２突起部５２の突出中心軸線Ｌ２が第１突起部４８の中心軸線Ｌ１から偏在していてもよい。勿論、この場合においても、第１突起部４８が楕円環形状であってもよいし、第２突起部５２が、水平方向の断面が楕円形状である山状突起であってもよい。

本発明の第１の実施の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。 前記セパレータの一方の面の説明図である。 前記セパレータの他方の面の説明図である。 前記セパレータに形成される第１及び第２突起部の斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの断面図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 前記セパレータに固着される通路部材の一部拡大斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの図８中、ＸＩ−ＸＩ線断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。 前記燃料電池が複数積層された燃料電池スタックの断面図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 図７とは別形態の第１及び第２突起部の平面説明図である。 図７及び図１５とは別形態の第１及び第２突起部の斜視説明図である。 特許文献１の燃料電池の断面説明図である。 特許文献３の燃料電池の斜視説明図である。

符号の説明

１０、１２０…燃料電池 １２、１２２…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…セパレータ ３０…燃料ガス供給連通孔
３４、６０、１２６…橋架部 ３６…円板部
３６ａ、３６ｂ…面 ４２…空間部
４４…邪魔板部材 ４６…燃料ガス通路
４８、５２…突起部 ５０…酸化剤ガス通路
５３…凹部 ５４、１２８…燃料ガス導入口
５６、１２４…通路部材 ６６…燃料ガス供給通路
６７…排ガス通路 ６８…酸化剤ガス供給部
６９…絶縁シール ７０ａ、７０ｂ…エンドプレート
７２…締め付け荷重付与機構 ７４ａ、７４ｂ…締め付け部

Claims (6)

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、それぞれ１枚のプレートで構成される一対のセパレータ間に配設される燃料電池であって、
   前記セパレータの一方の面と各アノード電極との間に形成され、燃料ガスを流通させる複数の燃料ガス通路と、
   前記セパレータの他方の面と各カソード電極との間に形成され、酸化剤ガスを流通させる複数の酸化剤ガス通路と、
   前記セパレータに設けられ、燃料ガス供給部から各燃料ガス通路に連通する燃料ガス供給通路を形成する通路部材と、
   を備え、
   前記通路部材は、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荷重が付与された際に、前記積層方向に弾性変形可能に構成され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、前記セパレータの一方の面には、前記アノード電極との間に前記燃料ガス通路を形成するための複数の第１突起部が設けられるとともに、
   前記セパレータの他方の面には、前記カソード電極との間に前記酸化剤ガス通路を形成するための複数の第２突起部が設けられることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項２記載の燃料電池において、前記第１又は第２突起部の一方が環状に突出した環状突起部であり、残余の前記第２又は第１突起部は、前記第１又は前記第２突起部が突出することに伴って陥没した凹部内に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２突起部が互いに同軸であることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項２乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記通路部材は、断面湾曲形状を有するとともに、前記第１及び第２突起部よりも低い剛性に設定されることを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１乃至５いずれか１項に記載の燃料電池において、前記電解質・電極接合体で反応に使用された後の反応ガスを、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、
   前記燃料ガス供給部は、前記排ガス通路内に気密に設けられて前記積層方向に延在するとともに、
   前記通路部材は、前記排ガス通路を前記積層方向に交差するセパレータ面方向に横切って配置されることを特徴とする燃料電池。

Images