JP2007005181A - 燃料電池及び燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、電解質・電極接合体の損傷を有効に阻止するとともに、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１１は、電解質・電極接合体２６を挟持する一対のセパレータ２８を備える。セパレータ２８は、複数の円板部３６を有し、各円板部３６の面３６ａには、アノード電極２４の電極面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス通路４０を形成し、且つ前記アノード電極２４に密着する変形可能な導電性メッシュ部材４２が配設される。円板部３６の面３６ｂには、カソード電極２２に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路４４を形成するための複数の突起部４６が設けられる。
【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・電極接合体とセパレータとが積層される燃料電池、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。

この種の固体電解質型燃料電池としては、例えば、特許文献１に開示されている内部マニホールド形式の平板型固体電解質燃料電池が知られている。この燃料電池は、図３０に示すように、固体電解質層１を挟持して燃料極２と空気極３とが配設される単電池を備え、この単電池の両側には、セパレータ４がスペーサ５を介装して積層されている。燃料極２側には、弾性率の小さな集電体６が配設されている。

セパレータ４には、酸化剤ガス流路凸部７が前記セパレータ４とスペーサ５とのガスシール面８より突起して設けられ、その突起部９と空気極３との厚みの合計は、前記スペーサ５の厚みより大きく設定されている。

これにより、厚みの差分だけ固体電解質層１が燃料極２側に凸となるように湾曲している。従って、集電体６が圧縮されて縮小しても、空気極３とセパレータ４との間の接触を保持することができ、接触の低下を阻止することができる、としている。

特開平１０−７９２５８号公報（図１）

しかしながら、上記の特許文献１では、セパレータ４に設けられている凸部７によって、固体電解質層１が燃料極２側に凸となるように強制的に湾曲されており、この固体電解質層１に歪が発生し易くなって有効に耐久性が低下するという問題がある。特に、固体電解質層１が比較的厚く、燃料極２及び空気極３の厚さが薄い、いわゆる、自立膜型ＭＥＡでは、前記燃料極２が破損し易くなって有効に使用することができないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、電解質・電極接合体の損傷を有効に阻止するとともに、所望の集電性を確保することが可能な燃料電池及び燃料電池スタックを提供することを目的とする。

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、及び前記燃料電池を複数積層する燃料電池スタックである。

燃料電池は、セパレータの一方の面に設けられ、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突起部と、前記セパレータの他方の面に設けられ、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し且つ前記アノード電極に密着する変形可能な弾性通路部と、前記セパレータの一方の面又は他方の面に設けられ、燃料ガス供給部と前記燃料ガス通路に燃料ガスを導入するための燃料ガス導入口と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。使用前の燃料ガスを排ガスの熱により加熱（予熱）することができ、熱効率の向上が図られるからである。

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い。排ガスの熱によってセパレータを中央部から放射状に加熱することが可能になり、熱効率を高めることができるからである。

さらにまた、燃料ガス供給部は、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。燃料ガスと排ガスとの混合を阻止し、前記燃料ガスの不要な消費を防ぐとともに、熱効率の向上を図ることが可能になるからである。

さらに、使用前の酸化剤ガスを電解質・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。排ガスをセパレータの中央部に向かって良好に排出させることができるからである。

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と、使用前の酸化剤ガスを酸化剤ガス通路に供給するために、前記積層方向に流動させる酸化剤ガス供給部とを備え、前記酸化剤ガス供給部内には、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、且つ前記酸化剤ガス供給部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。使用前の燃料ガスを酸化剤ガスにより加熱することができ、熱効率の向上が図られるからである。

また、排ガス通路は、セパレータの外周端部に設けられることが好ましい。排ガス通路が断熱層として作用するためセパレータ部材からの放熱を阻止することが可能になり、熱効率を高めることができるからである。

さらに、燃料ガス供給部は、セパレータの中央部に気密に設けられることが好ましい。燃料ガスの不要な消費を阻止するとともに、熱効率の向上を図ることが可能になるからである。

さらにまた、燃料ガス導入口は、電解質・電極接合体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ことが好ましい。燃料ガス導入口から導入される燃料ガスは、アノード電極の中心から放射状に拡散し易くなり、均一な反応が促進されて燃料利用率が向上するからである。

また、使用前の酸化剤ガスを電解質・電極接合体の内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。使用前の燃料ガスを酸化剤ガスにより加熱することができ、熱効率の向上が図られるからである。

さらに、弾性通路部が設けられる範囲は、カソード電極の発電領域よりも大きな領域に設定されることが好ましい。排ガスが電解質・電極接合体のアノード電極側に回り込んでも、前記アノード電極の外周縁部に対向するカソード電極の外周縁部に発電部が存在することがなく、集電電流の損失を阻止して集電特性を高めることが可能になるからである。

さらにまた、弾性通路部は、導電金属製のメッシュ部材で構成されることが好ましい。構成が簡素化されて経済的であるからである。

また、突起部は、エッチングによりセパレータの一方の面に形成される複数の中実部で構成されることが好ましい。突起部の形状や位置を容易に設けることができるとともに、前記突起部の変形が阻止されて荷重の伝達及び集電性を高めることが可能になるからである。

さらに、電解質・電極接合体は、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。コンパクト化が容易に図られるとともに、熱歪みの影響を回避することができるからである。

本発明によれば、電解質・電極接合体が突起部と弾性通路部とに挟持されるため、前記弾性通路部の弾性変形作用下に、該弾性通路部とアノード電極との密着性が促進される。このため、電解質・電極接合体やセパレータに製造当初から存在する寸法誤差や歪み等を吸収することができ、積層時の損傷を阻止するとともに、接触点数の増加による集電性の向上が図られる。

さらに、突起部により積層方向の荷重が効率的に伝達されるため、少ない荷重で燃料電池を積層することができ、電解質・電極接合体やセパレータの歪みを低減することが可能になる。特に、電解質に比べてアノード電極の厚さが薄い場合にも、弾性通路部が前記アノード電極に作用する応力を良好に緩和することができる。しかも、弾性通路部内で燃料ガスの拡散が促進されるため、前記燃料ガスをアノード電極に均一に分散させることが可能になり、安定且つ良好な発電が遂行される。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を組み込む燃料電池システム１０の一部断面説明図であり、図２は、前記燃料電池システム１０を構成する燃料電池１１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。

燃料電池システム１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池システム１０は、図１に示すように、燃料電池スタック１２と、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック１２に供給する前に加熱する熱交換器１４と、燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器１６と、前記燃料電池スタック１２、前記熱交換器１４及び前記改質器１６を収容する筐体１８とを備える。

筐体１８内では、燃料電池スタック１２の一方の側に、少なくとも熱交換器１４及び改質器１６を含む流体部１９が配置されるとともに、前記燃料電池スタック１２の他方の側に、燃料電池１１の積層方向（矢印Ａ方向）に締め付け荷重を付与する荷重付与機構２１が配設される。流体部１９及び荷重付与機構２１は、燃料電池スタック１２の中心軸に対して軸対称に配設される。

燃料電池１１は、固体電解質型燃料電池であり、この燃料電池１１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、少なくとも内側周端部（セパレータ２８の中央側）には、酸化剤ガスの進入を阻止するためにバリアー層（図示せず）が設けられている。

燃料電池１１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。各円板部３６は、電解質・電極接合体２６と略同一寸法に設定されており、燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口３８が、例えば、前記円板部３６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。

各円板部３６のアノード電極２４に接触する面３６ａは、略平坦面に形成されるとともに、この面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４０を形成し且つ前記アノード電極２４に密着する変形可能な弾性通路部、例えば、導電性メッシュ部材４２が配設される。メッシュ部材４２は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ材）の線材で構成され、略円板状を有する。メッシュ部材４２は、積層方向（矢印Ａ方向）の荷重に対して所望の弾性変形が可能な厚さに設定される。

図５に示すように、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４４を形成する複数の突起部４６が設けられる。突起部４６は、面３６ｂに、例えば、エッチングにより形成される中実部で構成される。突起部４６の断面形状は、矩形状、円形状、三角形状又は長方形状等、種々の形状に設定可能であるとともに、配置位置や密度は、燃料ガスの流れ状態等によって任意に変更される。

第１小径端部３２には、カソード電極２２に向かう面に燃料ガス供給連通孔３０に連通して複数のスリット５０が放射状に形成される。このスリット５０には、凹部５２が連通するとともに、第１橋架部３４には、燃料ガス供給連通孔３０から前記スリット５０及び前記凹部５２を介して燃料ガス導入口３８に連通する燃料ガス供給通路（溝部）５４が形成される。スリット５０、凹部５２及び燃料ガス供給通路５４は、例えば、エッチングにより形成される。

図３に示すように、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、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の面３６ｂに燃料ガス導入口３８を覆って固着される（図６参照）。

図６に示すように、メッシュ部材４２が設けられる範囲は、面３６ｂ側の突起部４６が設けられる範囲、すなわち、カソード電極２２の発電領域よりも大きな領域に設定される。メッシュ部材４２に設けられる酸化剤ガス通路４４は、電解質・電極接合体２６の内側周端部と円板部３６の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部６７に連通する。この酸化剤ガス供給部６７は、各円板部３６の内方と第１橋架部３４との間に位置して積層方向に延在している。

各セパレータ２８間には、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１１には、円板部３６の外方に位置して排ガス通路６８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１１の積層方向両端にエンドプレート７０ａ、７０ｂを配置する。エンドプレート７０ａは、略円板状を有しており、外周部に軸線方向に突出してリング状部７２が設けられる。このリング状部７２の外周部には、周回溝部７４が形成される。リング状部７２の中心部に対応して、円柱状凸部７６がこのリング状部７２と同一方向に膨出形成され、前記凸部７６の中央部に段付き孔部７８が形成される。

エンドプレート７０ａには、凸部７６を中心にして同一仮想円周上に孔部８０とねじ孔８２とが、交互に且つ所定の角度間隔ずつ離間して設けられる。孔部８０及びねじ孔８２は、第１及び第２橋架部３４、６０同士の間に形成される各酸化剤ガス供給部６７に対応して設けられる。エンドプレート７０ｂは、エンドプレート７０ａよりも大径に構成されるとともに、導電性の薄板で形成される。

筐体１８は、荷重付与機構２１を収容する第１筐体部８６ａと、燃料電池スタック１２を収容する第２筐体部８６ｂとを備える。第１及び第２筐体部８６ａ、８６ｂ間は、エンドプレート７０ｂの第２筐体部８６ｂ側に絶縁材を介装してねじ８８及びナット９０により締め付けられる。エンドプレート７０ｂは、流体部１９から荷重付与機構２１に高温の排ガスや空気が流入することを阻止するガス遮蔽部を構成する。

第２筐体部８６ｂには、リング状壁板９２の一端部が接合されるとともに、前記壁板９２の他端部には、ヘッド板９４が固着される。流体部１９は、燃料電池スタック１２の中心軸に対して軸対称に配設される。具体的には、略リング状の熱交換器１４の内側に、略円筒状の改質器１６が同軸的に配設される。

エンドプレート７０ａの周回溝部７４に壁板９６が固定されて流路部材９８が構成されるとともに、この流路部材９８には、熱交換器１４及び改質器１６が直結される。流路部材９８内に形成されるチャンバ９８ａには、熱交換器１４を通って加熱された空気が一旦充填される。孔部８０は、チャンバ９８ａに一旦充填された空気を燃料電池スタック１２に供給するための開口部を構成する。

改質器１６には、燃料ガス供給管１００と改質ガス供給管１０２とが設けられる。燃料ガス供給管１００は、ヘッド板９４を介して外部に延在する一方、改質ガス供給管１０２は、エンドプレート７０ａの段付き孔部７８に嵌挿されて燃料ガス供給連通孔３０に連通する。

ヘッド板９４には、空気供給管１０４と排ガス管１０６とが接続される。筐体１８内には、空気供給管１０４から熱交換器１４を介して流路部材９８に直接開口する通路１０８と、燃料電池スタック１２の排ガス通路６８から熱交換器１４を介して排ガス管１０６に至る通路１１０とが設けられる。

荷重付与機構２１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１１２ａ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１１２ｂとを備える（Ｔ１＞Ｔ２）。

第１締め付け部１１２ａは、エンドプレート７０ａの一方の対角位置に設けられるねじ孔８２、８２に螺合する短尺な第１締め付けボルト１１４ａ、１１４ａを備える。第１締め付けボルト１１４ａ、１１４ａは、燃料電池１１の積層方向に延在するとともに、第１押圧プレート１１６ａに係合する。第１締め付けボルト１１４ａは、セパレータ２８の内部に設けた酸化剤ガス供給部６７内に設けられる。第１押圧プレート１１６ａは、幅狭な板状を有しており、燃料ガス供給連通孔３０を覆ってセパレータ２８の中央部に係合する。

第２締め付け部１１２ｂは、長尺な第２締め付けボルト１１４ｂ、１１４ｂを備え、前記第２締め付けボルト１１４ｂ、１１４ｂは、エンドプレート７０ａの他方の対角位置に設けられるねじ孔８２、８２に螺合する。第２締め付けボルト１１４ｂの端部は、外周湾曲形状の第２押圧プレート１１６ｂを貫通し、この端部にナット１１７が螺合する。第２締め付けボルト１１４ｂは、セパレータ２８の内部に設けた酸化剤ガス供給部６７内に設けられる。第２押圧プレート１１６ｂの各円弧状部には、燃料電池１１の円板部３６に配置される各電解質・電極接合体２６に対応してスプリング１１８及び台座１１９が配設される。スプリング１１８は、例えば、セラミックススプリングにより構成される。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

燃料電池システム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５４が形成されるとともに、前記燃料ガス供給通路５４が燃料ガス導入口３８に連通する（図６参照）。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１１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の略中央部に燃料ガス導入口３８が配置される。セパレータ２８の面３６ａと電解質・電極接合体２６との間には、メッシュ部材４２が介装されることにより、前記メッシュ部材４２の燃料ガス通路４０が燃料ガス導入口３８に連通する（図６参照）。

上記の燃料電池１１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７０ｂ側には、第１締め付け部１１２ａを構成する第１押圧プレート１１６ａが燃料電池１１の中央部側に対応して配置される。

この状態で、短尺な各第１締め付けボルト１１４ａは、第１押圧プレート１１６ａを貫通してエンドプレート７０ｂ側からエンドプレート７０ａ側に挿入される。第１締め付けボルト１１４ａの先端は、エンドプレート７０ａの一方の対角位置にあるねじ孔８２に螺合する。第１締め付けボルト１１４ａの頭部は、第１押圧プレート１１６ａが係合しており、前記第１締め付けボルト１１４ａがねじ孔８２に螺回されることによって、前記第１押圧プレート１１６ａの面圧が調整される。これにより、燃料電池スタック１２には、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が付与される。

次いで、各円板部３６に対応して配置される電解質・電極接合体２６には、それぞれ軸方向にスプリング１１８及び台座１１９が配列されるとともに、一方の台座１１９には、第２締め付け部１１２ｂを構成する第２押圧プレート１１６ｂが係合する。

長尺な各第２締め付けボルト１１４ｂが、第２押圧プレート１１６ｂを貫通してエンドプレート７０ｂ側からエンドプレート７０ａ側に挿入される。第２締め付けボルト１１４ｂの先端は、エンドプレート７０ａの他方の対角位置にあるねじ孔８２に螺合するとともに、前記第２締め付けボルト１１４ｂの端部にナット１１７が螺合する。このため、ナット１１７の螺回状態を調整することにより、各電解質・電極接合体２６には、各スプリング１１８の弾性力を介して第２締め付け荷重Ｔ２が付与される。

燃料電池スタック１２は、エンドプレート７０ｂが筐体１８を構成する第１及び第２筐体部８６ａ、８６ｂ間に挟持された状態で、前記第１及び第２筐体部８６ａ、８６ｂがねじ８８及びナット９０により固定される。第２筐体部８６ｂには、流体部１９が接合されており、この流体部１９を構成する壁板９６がエンドプレート７０ａの周回溝部７４に装着される。これにより、エンドプレート７０ａと壁板９６との間には、流路部材９８が形成される。

次に、燃料電池システム１０では、図１に示すように、燃料ガス供給管１００から燃料（メタン、エタン又はプロパン等）及び必要に応じて水が供給されるとともに、空気供給管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。

燃料が改質器１６を通って改質されることにより燃料ガス（水素含有ガス）が得られ、この燃料ガスは、燃料電池スタック１２の燃料ガス供給連通孔３０に供給される。この燃料ガスは、積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら各燃料電池１１を構成するセパレータ２８内のスリット５０及び凹部５２を介して燃料ガス供給通路５４に導入される（図６参照）。

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５４に沿って移動し、円板部３６の燃料ガス導入口３８からメッシュ部材４２に形成された燃料ガス通路４０に導入される。燃料ガス導入口３８は、各電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の略中心位置に設定されている。このため、燃料ガスは、燃料ガス導入口３８からアノード電極２４の略中心に供給され、燃料ガス通路４０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。

一方、空気は、図１に示すように、空気供給管１０４から熱交換器１４の通路１０８を通って一旦チャンバ９８ａに導入される。この空気は、チャンバ９８ａに連通する孔部８０を通って各燃料電池１１の略中央側に設けられている酸化剤ガス供給部６７に供給される。その際、熱交換器１４では、後述するように、排ガス通路６８に排気される排ガスが通路１１０を通るため、使用前の空気と熱交換が行われ、この空気が予め所望の燃料電池運転温度に加温されている。

酸化剤ガス供給部６７に供給された空気は、電解質・電極接合体２６の内側周端部と円板部３６の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に流入し、複数の突起部４６により形成された酸化剤ガス通路４４に送られる。図６に示すように、酸化剤ガス通路４４では、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の内側周端部（セパレータ２８の中央部）側から外側周端部（セパレータ２８の外側周端部側）に向かって空気が流動する。

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２２の電極面の一方向（矢印Ｂ方向）に向かって空気が供給される。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。

なお、各電解質・電極接合体２６の外周部に排出される排ガスは、排ガス通路６８を介して積層方向に移動し、熱交換器１４の通路１１０を通って空気との間で熱交換を行った後、排ガス管１０６から排出される。

この場合、第１の実施形態では、図６に示すように、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２が、円板部３６の面３６ｂに設けられた複数の突起部４６に当接する一方、前記電解質・電極接合体２６のアノード電極２４が、メッシュ部材４２に当接した状態で、矢印Ａ方向に積層荷重が付与されている。このため、メッシュ部材４２の変形作用下に、前記メッシュ部材４２とアノード電極２４との密着性が促進される。

これにより、電解質・電極接合体２６やセパレータ２８自体に製造当初から存在する寸法誤差や歪み等は、メッシュ部材４２の弾性変形によって良好に吸収される。従って、第１の実施形態では、積層時の損傷を阻止するとともに、接触点数の増加により集電性の向上が図られるという効果が得られる。特に、電解質２０に比べてカソード電極２２及びアノード電極２４が薄い電解質・電極接合体２６（いわゆる、自立膜型ＭＥＡ）でも、メッシュ部材４２が前記アノード電極２４に作用する応力を良好に緩和することができ、破損の削減を図ることが可能になる。

さらに、円板部３６に設けられている複数の突起部４６により、積層方向の荷重が効率的に伝達される。このため、少ない荷重で、燃料電池１１を積層することができ、電解質・電極接合体２６やセパレータ２８の歪みを低減することが可能になる。

しかも、メッシュ部材４２内では、燃料ガスの拡散が促進される。従って、燃料ガスをアノード電極２４に均一に分散させることが可能になり、安定且つ良好な発電が遂行されるという利点がある。

さらにまた、突起部４６は、円板部３６の面３６ｂにエッチング等によって形成される中実部で構成されている。これにより、突起部４６の形状、配置位置及び密度は、例えば、燃料ガスの流れ状態等によって任意且つ容易に変更することができ、経済的であるとともに、前記燃料ガスの良好な流れが達成される。さらに、突起部４６が中実部で構成されるため、この突起部４６の変形が阻止され、荷重の伝達及び集電性を高めることが可能になる。

また、第１の実施形態では、酸化剤ガス供給部６７内には、燃料ガス供給連通孔３０が気密に設けられるとともに、燃料ガス供給通路５４がセパレータ面方向に横切って配置されている。このため、使用前の燃料ガスは、熱交換器１４により熱交換されて高温となった酸化剤ガスにより加熱されることができ、熱効率の向上が図られる。

さらに、排ガス通路６８は、セパレータ２８の外周端部に設けられており、この排ガス通路６８の断熱層として作用するため前記セパレータ２８からの放熱を阻止することが可能になる。さらにまた、燃料ガス導入口３８は、円板部３６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ている。従って、燃料ガス導入口３８から導入される燃料ガスは、アノード電極２４の中心から放射上に拡散し易くなり、均一な反応が促進されて燃料利用率の向上を図ることができる。

また、メッシュ部材４２が設けられる範囲は、カソード電極２２の発電領域よりも大きな領域に設定されている（図６参照）。このため、排ガスが、電解質・電極接合体２６の外周からアノード電極２４側に回り込んでも、前記アノード電極２４の外周縁部に対向するカソード電極２２の外周縁部に発電部が存在しない。これにより、循環電流による燃料消費の増加が抑制され、高い起電力を容易に取り出して集電特性を高めることができるとともに、燃料利用率の向上を図ること可能になる。しかも、弾性通路部としてメッシュ部材４２を用いるだけでよく、構成が簡素化されて経済的である。

さらに、電解質・電極接合体２６は、セパレータ２８の中心部に対して同心円上に８個配列されており、燃料電池１１全体がコンパクト化されるとともに、熱歪の影響を回避することができる。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１２０の分解斜視図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１１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〜第９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。

燃料電池１２０を構成するセパレータ１２２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。図８に示すように、セパレータ１２２には、アノード電極２４に向かう面にスリット５０、凹部５２及び燃料ガス供給通路５４が、例えば、エッチングにより形成される。

図７及び図９に示すように、通路部材１２４は、平板状に構成されるとともに、各第２橋架部６０の先端部には、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１２６が形成される。円板部３６の面３６ａには、弾性通路部、例えば、導電性メッシュ部材１２８が配設される。このメッシュ部材１２８は、略円板状を有しており、第２橋架部６０を避けるための切り欠き部１２８ａを設ける一方、各円板部３６には、燃料ガス導入口３８が不要である。

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に供給される燃料ガスは、各セパレータ１２２と通路部材１２４との間に形成される燃料ガス供給通路５４に沿って移動する。さらに、燃料ガスは、通路部材１２４の各第２橋架部６０の先端部に形成される複数の燃料ガス導入口１２６からメッシュ部材１２８を介してアノード電極２４に向かって供給される。

一方、空気は、酸化剤ガス供給部６７からカソード電極２２と各円板部３６との間に形成された酸化剤ガス通路４４に沿って矢印Ｂ方向に流動し、前記カソード電極２２に供給される。

図１０は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１３０の分解斜視図である。

燃料電池１３０を構成するセパレータ１３２は、カソード電極２２に対向する面に通路部材１３４が固着される。通路部材１３４は、セパレータ１３２に向かう面に燃料ガス供給連通孔３０に連通する複数のスリット５０を有し、このスリット５０には、凹部５２が連通するとともに、第２橋架部６０には、前記凹部５２に連通する燃料ガス供給通路５４が設けられる。スリット５０、凹部５２及び燃料ガス供給通路５４は、例えば、エッチングにより形成されており、第２橋架部６０は、断面略コ字状に構成される。

セパレータ１３２は、図１１に示すように、面３６ｂに複数の突起部４６が、例えば、エッチングにより形成されており、通路部材１３４は、第１小径端部３２から第１橋架部３４及び円板部３６の燃料ガス導入口３８を覆って固着される（図１２参照）。

このように構成される第３の実施形態では、燃料ガス、酸化剤ガス及び排ガスは、図１２に示すように、実質的に第１の実施形態と同様に流動する。

図１３は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１４０の分解斜視図である。

燃料電池１４０を構成するセパレータ１４２には、アノード電極２４に向かう面に通路部材１４４が固着される。通路部材１４４は、上記の通路部材１３４と同様に、燃料ガス供給連通孔３０に連通するスリット５０、凹部５２及び燃料ガス供給通路５４が、例えば、エッチングにより形成される。第２橋架部６０の先端部には、アノード電極２４の中心位置近傍に対応して開口する複数の燃料ガス導入口１４６が形成される。

このように構成される第４の実施形態では、燃料ガス、酸化剤ガス及び排ガスは、図１４に示すように流動し、実質的に第２の実施形態と同様である。

図１５は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システム１５０の一部断面説明図である。

燃料電池システム１５０は、筐体１８内に収容される燃料電池スタック１５２を備える。燃料電池スタック１５２は、矢印Ａ方向に複数積層される燃料電池１５４を備え、前記燃料電池１５４がエンドプレート７０ａ、７０ｂ間に挟持されている。

燃料電池１５４は、図１６及び図１７に示すように、電解質・電極接合体２６を構成するカソード電極２２に沿って供給される酸化剤ガスの流れ方向が、第１〜第４の実施形態とは反対に設定され、この酸化剤ガスは、前記カソード電極２２の外側周端部から内側周端部に向かって矢印Ｃ方向に流動する。

燃料電池１５４を構成するセパレータ１５５では、円板部３６の外方に位置して、酸化剤ガス供給部６７が設けられるとともに、前記円板部３６の内方と第１橋架部３４との間に位置して、排ガス通路６８が積層方向に延在して設けられる。各円板部３６には、両側の円板部３６に向かって突出する突片部１５６ａ、１５６ｂが設けられる。互いに隣り合う突片部１５６ａ、１５６ｂ間には、空間部１５８が形成され、この空間部１５８には、邪魔板部材１６０が積層方向に延在して配設される。

図１８に示すように、酸化剤ガス通路４４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Ｃ方向に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部６７に連通する。この酸化剤ガス供給部６７は、各円板部３６の突片部１５６ａ、１５６ｂ間に設けられる（図１６参照）。

図１５に示すように、エンドプレート７０ａ側には、排ガス通路６８に孔部８０を介して連通するチャンバ１６２ａを設ける流路部材１６２が形成される。チャンバ１６２ａには、燃料電池１５４から排出された排ガスが一旦充填されるとともに、この排ガスは、前記チャンバ１６２ａに直接開口する開口部１６３を通って熱交換器１４内の通路１１０を通過する。

ヘッド板９４には、空気供給管１６４と排ガス管１６６とが接続される。空気供給管１６４は、改質器１６の近傍まで延在する一方、排ガス管１６６の端部は、ヘッド板９４に接続される。

このように構成される第５の実施形態では、燃料ガスは、燃料ガス供給管１００から改質器１６を通って燃料ガス供給連通孔３０に供給される。この燃料ガスは、燃料ガス供給通路５４を通って燃料ガス導入口３８からメッシュ部材４２の燃料ガス通路４０に送られる。一方、酸化剤ガスである空気は、空気供給管１６４から熱交換器１４の通路１０８を通って各燃料電池１５４の外周側に設けられている酸化剤ガス供給部６７に供給される。図１８に示すように、空気は、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Ｃ方向に流入し、酸化剤ガス通路４４に送られる。

これにより、電解質・電極接合体２６では、発電が行われ、この発電に使用された反応後の燃料ガス及び空気が混在する排ガスは、セパレータ１５５内に形成される排ガス通路６８を介して積層方向に移動する。そして、排ガスは、孔部８０を通ってエンドプレート７０ａ側に形成されている流路部材１６２内のチャンバ１６２ａに一旦充填される（図１５参照）。さらに、排ガスは、通路１１０を介して熱交換器１４を通って空気との間で熱交換を行った後、排ガス管１６６から排出される。

上記のように、第５の実施形態では、排ガス通路６８内には、燃料ガス供給連通孔３０が気密に設けられるとともに、燃料ガス供給通路５４は、セパレータの面方向に横切って配置されている。このため、燃料ガス供給連通孔３０を流れる使用前の燃料ガスは、排ガス通路６８に排出される排ガスの熱によって加熱され、熱効率の向上が図られる。

さらに、排ガス通路６８は、セパレータ１５５の中央部に設けられるため、排ガスの熱によってセパレータ１５５を中央部から放射状に加熱することが可能になり、熱効率を高めることができる。

図１９は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池１７０の分解斜視図である。

燃料電池１７０を構成するセパレータ１７２には、アノード電極２４に向かう面に通路部材１７４が固着される。通路部材１７４は、平板状に構成されるとともに、各第２橋架部６０の先端部には、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１７６が形成される。図２０に示すように、セパレータ１７２には、面３６ａ側に燃料ガス供給連通孔３０に連通するスリット５０、凹部５２及び燃料ガス供給通路５４が、例えば、エッチングにより形成される。

このように構成される第６の実施形態では、酸化剤ガス、燃料ガス及び排ガスは、図２１に示すように流動する。

図２２は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池１８０の分解斜視図である。

燃料電池１８０を構成するセパレータ１８２には、カソード電極２２に向かう面に通路部材１８４が固着されるとともに、前記通路部材１８４には、スリット５０、凹部５２及び燃料ガス供給通路５４が、例えば、エッチングにより形成される。セパレータ１８２は、図２３に示すように、面３６ｂに複数の突起部４６が形成される。

このように構成される第７の実施形態では、図２４に示すように、酸化剤ガス、燃料ガス及び排ガスが流動する。

図２５は、本発明の第８の実施形態に係る燃料電池１９０の分解斜視図である。

燃料電池１９０を構成するセパレータ１９２には、アノード電極２４に向かう面に通路部材１９４が固着される。この通路部材１９４には、スリット５０、凹部５２及び燃料ガス供給通路５４が、例えば、エッチングにより形成される。通路部材１９４の各第２橋架部６０の先端には、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１９６が形成される。

このように構成される第８の実施形態では、酸化剤ガス、燃料ガス及び排ガスは、図２６に示すように流動する。

図２７は、本発明の第９の実施形態に係る燃料電池２００の分解斜視説明図である。

燃料電池２００を構成する電解質・電極接合体２６ａは、略台形状に構成されるとともに、８個の前記電解質・電極接合体２６ａが一対のセパレータ２０２間に挟持される。セパレータ２０２は、電解質・電極接合体２６ａの形状に対応する台形部２０４を備え、前記台形部２０４のアノード電極２４に向かう面３６ａは、略平坦面に形成される。

図２８に示すように、セパレータ２０２の面３６ｂ側には、スリット５０、凹部５２及び燃料ガス供給通路５４が、例えば、エッチングにより形成されるとともに、この燃料ガス供給通路５４は、台形部２０４の内側端縁部に形成される燃料ガス導入口３８に連通する。台形部２０４の面３６ｂには、複数の突起部４６が、例えば、エッチングにより形成される。セパレータ２０２には、スリット５０、凹部５２、燃料ガス供給通路５４及び燃料ガス導入口３８を覆って通路部材２０８が固着される。この通路部材２０８は、平坦状に構成される。

図２７に示すように、各台形部２０４の面３６ａ側には、変形可能な弾性通路部、例えば、導線性メッシュ部材２１０が配設される。メッシュ部材２１０は、略台形を有するとともに、台形部２０４の面３６ｂに設けられた突起部４６の領域よりも大きな寸法に設定される。

このように構成される第９の実施形態では、燃料ガスが、燃料ガス供給連通孔３０を通って燃料電池２００を構成するセパレータ２０２のスリット５０及び凹部５２を介して燃料ガス供給通路５４に導入される。この燃料ガスは、図２９に示すように、台形部２０４に形成された燃料ガス導入口３８からメッシュ部材２１０の燃料ガス通路４０に導入される。このため、燃料ガスは、アノード電極２４の内側端縁部から燃料ガス通路４０に沿って前記アノード電極２４の外周部に向かって（矢印Ｂ方向）に移動する。

一方、燃料電池２００の外周部に設けられている酸化剤ガス供給部６７に供給される酸化剤ガスは、電解質・電極接合体２６ａの外周端部と台形部２０４の外周端部との間から矢印Ｃ方向に流入し、酸化剤ガス通路４４に送られる。これにより、電解質・電極接合体２６ａでは、化学反応により発電が行われる。

なお、第９の実施形態では、実質的に第５の実施形態を採用しているが、これに限定されるものではなく、第６〜第８の実施形態を採用してもよく、また、第１〜第４の実施形態（酸化剤ガスが内側から外側に向かう実施形態）を採用してもよい。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの一部断面説明図である。 前記燃料電池システムを構成する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を構成する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。 前記セパレータの正面の説明図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池を構成するセパレータの正面説明図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池を構成するセパレータの正面説明図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 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。 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５の実施形態に係る燃料電池システムの一部断面説明図である。 前記燃料電池システムを構成する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６の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池を構成するセパレータの正面説明図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 本発明の第７の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池を構成するセパレータの正面説明図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 本発明の第８の実施形態に係る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。 本発明の第９の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池を構成するセパレータの正面説明図である。 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の燃料電池の説明図である。

符号の説明

１０、１５０…燃料電池システム
１１、１２０、１３０、１４０、１５４、１７０、１８０、１９０、２００…燃料電池
１２、１５２…燃料電池スタック １４…熱交換器
１６…改質器 １８…筐体
２０…電解質 ２１…荷重付与機構
２２…カソード電極 ２４…アノード電極
２６、２６ａ…電解質・電極接合体
２８、１２２、１３２、１４２、１５５、１７２、１８２、１９２、２０２…セパレータ
３０…燃料ガス供給連通孔 ３６…円板部
３８、１２６、１４６、１７６、１９６…燃料ガス導入口
４０…燃料ガス通路 ４２、１２８、２１０…メッシュ部材
４４…酸化剤ガス通路 ４６…突起部
５０…スリット ５２…凹部
５４…燃料ガス供給通路
５６、１２４、１３４、１４４、１７４、１８４、１９４、２０８…通路部材
６７…酸化剤ガス供給部 ６８…排ガス通路
２０４…台形部

Claims (18)

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に設けられ、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突起部と、
   前記セパレータの他方の面に設けられ、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し且つ前記アノード電極に密着する変形可能な弾性通路部と、
   前記セパレータの一方の面又は他方の面に設けられ、燃料ガス供給部と前記燃料ガス通路に燃料ガスを導入するための燃料ガス導入口と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と、
   使用前の酸化剤ガスを前記酸化剤ガス通路に供給するために、前記積層方向に流動させる酸化剤ガス供給部と、
   を備え、
   前記酸化剤ガス供給部内には、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、且つ前記酸化剤ガス供給部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。
7. 請求項６記載の燃料電池において、前記排ガス通路は、前記セパレータの外周端部に設けられることを特徴とする燃料電池。
8. 請求項６又は７記載の燃料電池において、前記燃料ガス供給部は、前記セパレータ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。
9. 請求項６乃至８のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記燃料ガス導入口は、前記電解質・電極接合体の中心又は中心に対して前記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ことを特徴とする燃料電池。
10. 請求項６乃至９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・電極接合体の内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。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記弾性通路部が設けられる範囲は、前記カソード電極の発電領域よりも大きな領域に設定されることを特徴とする燃料電池。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記弾性通路部は、導電金属製のメッシュ部材で構成されることを特徴とする燃料電池。
13. 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記突起部は、エッチングにより前記セパレータの一方の面に形成される複数の中実部で構成されることを特徴とする燃料電池。
14. 請求項１乃至１３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、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。
15. 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、
    前記燃料電池は、前記セパレータの一方の面に設けられ、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突起部と、
    前記セパレータの他方の面に設けられ、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し且つ前記アノード電極に密着する変形可能な弾性通路部と、
    前記セパレータの一方の面又は他方の面に設けられ、燃料ガス供給部と前記燃料ガス通路に燃料ガスを導入するための燃料ガス導入口とに連通する燃料ガス供給通路を形成する通路部材と、
    を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
16. 請求項１５記載の燃料電池スタックにおいて、前記弾性通路部が設けられる範囲は、前記カソード電極の発電領域よりも大きな領域に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
17. 請求項１５又は１６記載の燃料電池スタックにおいて、前記弾性通路部は、導電金属製のメッシュ部材で構成されることを特徴とする燃料電池スタック。
18. 請求項１５乃至１７のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記突起部は、エッチングにより前記セパレータの一方の面に形成される複数の中実部で構成されることを特徴とする燃料電池スタック。

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