JP2005209620A - 燃料電池及び燃料電池スタック - 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２８間に配設される。セパレータ２８は、複数の台形部３６を備え、前記台形部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。台形部３６には、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は、電解質・電極接合体２６の中間に対し酸化剤ガスの流れ方向上流側に離間する位置に設定される。
【選択図】図３

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、及び前記燃料電池が複数積層される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。

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。

特開２００２−７５４０８号公報（図２）

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。

しかも、燃料ガスのシール性及び酸化剤ガスのシール性を良好に維持しなければならず、シール構造が複雑化するという問題がある。

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には、アノード電極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を形成する第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を形成する第２突起部が設けられている。

そして、セパレータの一方の面又は他方の面には、燃料ガス供給部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、該燃料ガス供給通路は、前記燃料ガス通路に燃料ガスを導入する燃料ガス導入口に連通し、且つ該燃料ガス導入口は、前記電解質・電極接合体の中間に対し前記酸化剤ガスの流れ方向上流側に離間する位置に設定されている。

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、前記排ガス通路内には、使用前の燃料ガスを前記積層方向に供給する燃料ガス供給部が気密に設けられるとともに、燃料ガス供給通路は、燃料ガス通路と前記燃料ガス供給部とを連通し、且つ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。

さらに、排ガス通路は、セパレータの中央部に設けられることが好ましく、さらにまた、燃料ガス供給部は、前記排ガス通路の中央部に気密に設けられることが好ましい。

また、使用前の酸化剤ガスを前記電解質・電極接合体の外周側から酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガス供給部が設けられることが好ましい。

さらにまた、第１及び第２突起部は、環状突起と山状突起との組み合わせで構成されることが好ましい。

ここで、山状突起を、環状突起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、山状突起と環状突起とを同軸に配置することが好ましい。

さらにまた、電解質・電極接合体は、略リング体を所定の角度範囲に分断した略台形状に構成されるとともに、前記セパレータの中心部に対して同心円上に複数配列されることが好ましい。

また、本発明に係る燃料電池スタックは、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とともに、前記電解質・電極接合体が、略リング体を所定の角度範囲に分断した略台形状に構成される燃料電池を備え、前記燃料電池が複数積層されている。

そして、複数積層される燃料電池に対し、積層方向に締め付け荷重を付与するとともに、積層方向に貫通する燃料ガス供給部が形成される前記燃料電池の中央部に付与される積層方向の荷重が、電解質・電極接合体が配設される前記燃料電池の外周部に付与される積層方向の荷重よりも大きく設定される締め付け荷重付与機構を備えている。

本発明では、１枚のセパレータを備え、該セパレータに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、通路部材を設けることにより、電解質・電極接合体を酸化剤ガス雰囲気に配置することができ、酸化剤ガスのシールが不要になってシール材を削減することが可能になる。このため、シール構造が有効に簡素化して製造コストを削減することができる。

さらに、燃料ガスは、電解質・電極接合体の中間に対し酸化剤ガスの流れ方向上流側に離間した位置から燃料ガス通路に導入されるため、前記燃料ガスの流れ方向が酸化剤ガスの流れ方向に近似する。

特に、略台形状の電解質・電極接合体では、燃料ガス濃度が高い外周部の面積が内周部の面積に比べて大きいため、該外周部では、燃料ガスの流速が遅く、反応が促進される。一方、内周部では面積が小さくなるため、燃料ガスの流速が速くなり、濃度が低くなった燃料ガスを速やかに排出できる。これにより、反応が促進される有効面積を増大させることができ、コンパクトな構成で、大きな電力を得ることが可能になる。

また、本発明の燃料電池スタックでは、締め付け荷重付与機構が燃料ガス供給部に対して大きな締め付け荷重を付与することによって、この燃料ガス供給部のシール性が良好に維持される一方、電解質・電極接合体に対して比較的小さな締め付け荷重を付与し、該電解質・電極接合体の損傷を防ぎ且つ集電性を高めることが可能になる。

しかも、各電解質・電極接合体は、略台形状に構成されており、全体として略リング状に配列される。このため、隣り合う電解質・電極接合体同士の接する長さが長尺となり、前記電解質・電極接合体間を反応に使用されずに流動する燃料ガス及び酸化剤ガスを良好に削減することができる。従って、有効発電面積を増大させることができ、コンパクトな構成で、大きな電力を得ることが可能になる。

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、略リング体を所定の角度範囲に分断した略台形状に構成されるとともに、外周部には、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を介して台形部３６が一体的に設けられる。台形部３６は、電解質・電極接合体２６と略同一形状に設定され、酸化剤ガスの流れ方向（矢印Ｂ方向）に向かって幅狭になる両側部３７ａ、円弧状の外周部３７ｂ及び略直線状の内周部３７ｃを有する。

図３及び図５に示すように、各台形部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。各台形部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、台形部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１以上、例えば、３つ形成される。燃料ガス導入口５４の位置は、台形部３６の形状の他、燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力によって決められ、電解質・電極接合体２６の中間に対し酸化剤ガスの流れ方向（矢印Ｂ方向）上流側に離間する位置に設定される。図５に示すように、例えば、台形部３６の径方向（矢印Ｂ方向）の中間位置（外周部３７ｂと内周部３７ｃとの中間位置）Ｐ１を求め（α₁＝α₂）、さらに、この中間位置Ｐ１と外周部３７ｂとの中間位置に燃料ガス導入口５４が設定される。

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１０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本の略Ｔ字状の第２橋架部６０が延在するとともに、各第２橋架部６０の先端は、セパレータ２８の第１橋架部３４から台形部３６の面３６ｂに固着される。

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。

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の外周端部と台形部３６の外周部３７ｂ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。

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、台形部３６の内周部３７ｃ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個の略円形開口部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、締付ボルト８６は、エンドプレート７０ｂと絶縁される。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、筒状導体９８が接続されており、この筒状導体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の中央側に３つの燃料ガス導入口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、台形部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の外周端部と台形部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の各台形部３６の両面３６ａ、３６ｂに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には、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の燃料ガス導入口５４から排ガス通路６７に向かって流すことができる。従って、セパレータ２８の積層方向の寸法（厚さ）が有効に短尺されるばかりでなく、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、セパレータ２８がコンパクトな構成でありながら、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。

しかも、通路部材５６によって燃料ガス供給通路６６を気密に形成するため、各電解質・電極接合体２６は、酸化剤ガス雰囲気中に配置することができ、酸化剤ガス供給部６８にシール材を配置する必要がない。このため、シール部材を有効に削減してシール構造が簡素化し、製造コストの削減を容易に図ることができるという利点がある。

さらに、第１の実施形態では、燃料ガス導入口５４が電解質・電極接合体２６の中間に対して酸化剤ガス流れ方向上流側に離間した位置に設定されている。酸化剤ガス通路５０は、酸化剤ガス供給部６８側より排ガス通路６７側で圧力が低いため、燃料ガスは、酸化剤ガスの圧力の影響によって前記セパレータ２８の中央側に戻される傾向がある。このため、燃料ガスの流れ方向が酸化剤ガスの流れ方向に近似する。

特に、略台形状の電解質・電極接合体２６では、燃料ガス濃度が高い外周部の面積が内周部の面積に比べて大きいため、該外周部では、燃料ガスの流速が遅く、反応が促進される。一方、低い内周部では面積が小さくなるため、燃料ガスの流速が速くなり、濃度が低くなった燃料ガスを速やかに排出できる。これにより、各電解質・電極接合体２６は、反応が促進される有効面積を増大させることができ、燃料電池１０は、コンパクトな構成で、大きな電力を得ることが可能になるという効果が得られる。

しかも、各電解質・電極接合体２６は、セパレータ２８間で全体として略リング状に配列されている。従って、隣り合う電解質・電極接合体２６の側部３７ａ同士の接する長さが長尺となり、前記電解質・電極接合体２６間を反応に使用されずに流動する燃料ガス及び酸化剤ガスを良好に削減することができる。従って、有効発電面積を増大させることができ、コンパクトな構成で、大きな電力を得ることが可能になる。

さらに、各電解質・電極接合体２６において、全体として燃料ガスの流れ方向が酸化剤ガスの流れ方向に近似するため、反応がセパレータ２８に対して同心円状の分布となる。これにより、温度分布も同心円状に変化し、セパレータ２８の周方向の熱応力及び熱歪みが有効に緩和されるという利点がある。

また、各台形部３６では、第１突起部４８の高さＨ１を第２突起部５２の高さＨ２よりも低く設定している。第１突起部４８により形成される燃料ガス通路４６の燃料ガス体積流量は、第２突起部５２により形成される酸化剤ガス通路５０の酸化剤ガス体積流量圧力よりも小さいからである。なお、第１及び第２突起部４８、５２の高さＨ１、Ｈ２は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給圧力等によって種々変更可能である。

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。

さらにまた、排ガス通路６７は、セパレータ２８の中央部に設けられており、燃料電池１０は、中央部から周囲に伝熱されることによって均一に加熱され、発電効率の向上を図ることが可能になる。しかも、燃料ガス供給連通孔３０は、排ガス通路６７の中央部に気密に設けられており、排熱を利用して電解質・電極接合体２６に供給される前の燃料ガスを加熱することができ、発電効率の向上が図られる。

また、第１の実施形態では、図２に示すように、燃料電池スタック１２が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ている。この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とを備えている。

これにより、燃料ガス供給連通孔３０に対して大きな締め付け荷重（第１締め付け荷重Ｔ１）を付与することによって、この燃料ガス供給連通孔３０のシール性が良好に維持される。一方、電解質・電極接合体２６は、セパレータ２８との密着性を高める程度の荷重でよく、この電解質・電極接合体２６に比較的小さな締め付け荷重（第２締め付け荷重Ｔ２）を付与し、該電解質・電極接合体２６の破損等を防ぎ且つ集電性を高めることが可能になる。

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に固着される略Ｔ字状第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。なお、各セパレータ２８の台形部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。

このため、アノード電極２４の中央側から外周側に向かって燃料ガスを一層良好且つ均一に供給することができ、発電反応の効率が高まるという効果が得られる。しかも、各セパレータ２８の台形部３６には、燃料ガス導入口５４を設ける必要がなく、前記セパレータ２８の構成が簡素化するとともに、製造コストの削減が容易に図られる。

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の燃料電池用セパレータの断面説明図である。

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…台形部
３６ａ、３６ｂ…面 ３７ａ…側部
３７ｂ…外周部 ３７ｃ…内周部
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 (10)

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には、前記電解質・電極接合体の中央側から外周側に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ための燃料ガス通路を形成する第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、前記電解質・電極接合体の外周側から一方向に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ための酸化剤ガス通路を形成する第２突起部が設けられ、
   前記セパレータの一方の面又は他方の面には、燃料ガス供給部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、該燃料ガス供給通路は、前記燃料ガス通路に燃料ガスを導入する燃料ガス導入口に連通し、且つ該燃料ガス導入口は、前記電解質・電極接合体の中間に対し前記酸化剤ガスの流れ方向上流側に離間する位置に設定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、
   前記排ガス通路内には、使用前の燃料ガスを前記積層方向に供給する前記燃料ガス供給部が気密に設けられるとともに、
   前記燃料ガス供給通路は、前記燃料ガス通路と前記燃料ガス供給部とを連通し、且つ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。
3. 請求項２記載の燃料電池において、前記排ガス通路は、前記セパレータの中央部に設けられることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項２又は３記載の燃料電池において、前記燃料ガス供給部は、前記排ガス通路の中央部に気密に設けら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、使用前の酸化剤ガスを前記電解質・電極接合体の外周側から前記酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガス供給部が設けら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突起部は、環状突起と山状突起との組み合わせで構成され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、前記山状突起は、前記環状突起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。
8. 請求項７記載の燃料電池において、前記山状突起及び前記環状突起が互いに同軸であることを特徴とする燃料電池。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記電解質・電極接合体は、略リング体を所定の角度範囲に分断した略台形状に構成されるとともに、
   前記セパレータの中心部に対して同心円上に複数配列されることを特徴とする燃料電池。
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一対のセパレータ間に配設されるとともに、前記電解質・電極接合体が、略リング体を所定の角度範囲に分断した略台形状に構成される燃料電池を備え、前記燃料電池を複数積層する燃料電池スタックであって、
    複数積層される前記燃料電池に対し、積層方向に締め付け荷重を付与するとともに、
    積層方向に貫通する燃料ガス供給部が形成される前記燃料電池の中央部に付与される積層方向の荷重が、前記電解質・電極接合体が配設される前記燃料電池の外周部に付与される積層方向の荷重よりも大きく設定される締め付け荷重付与機構を備えることを特徴とする燃料電池スタック。

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