JP2007179926A - 燃料電池及び燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】シールレス構造で、電解質・電極接合体及びセパレータがオフガスと発電反応後の酸化剤ガスと反応により発生する排ガスと接触することを確実に阻止し、燃料電池スタックの温度分布を低減するとともに、前記電解質・電極接合体及び前記セパレータの損傷を有効に阻止し、発電性能を向上させることを可能にする。
【解決手段】燃料電池１１は、セパレータ２８を備える。このセパレータ２８を構成する円板部３６の面３６ａには、アノード電極２４に燃料ガスを供給する燃料ガス通路４６が設けられるとともに、面３６ｂには、カソード電極２２に空気を供給する酸化剤ガス通路７０が設けられる。燃料ガス通路４６は、アノード電極２４の外周縁部で終端し、この終端部には、使用された燃料ガスを電解質・電極接合体２６の外周部から外方に離間する位置で、酸化剤ガス供給部７４に開放される燃料ガス排出通路６１が連通する。
【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、シールレス構造の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。

上記の燃料電池では、作動温度が８００℃以上と高温となっている。このため、燃料電池スタックの周辺に排気される未反応ガスを含む使用済みの燃料ガス（オフガス）及び酸化剤ガスとが混合して燃焼すると、前記燃料電池スタックの温度が局所的に相当に高温になり、燃料電池の耐久性を低下させ、安定した運転が遂行されないおそれがある。しかも、燃焼した後の排ガスが作動温度以上の高温となるため、燃料電池スタックに供給される発電反応前の酸化剤ガスと排ガスとの温度差が非常に大きくなる。このため、燃料電池スタックに大きな温度分布が発生し、発電性能が低下するという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体酸化物形燃料電池が知られている。この燃料電池は、図２３に示すように、固体電解質層１ａの両面に燃料極層１ｂと空気極層１ｃを配した発電セル１と、前記燃料極層１ｂの外側の燃料極集電体２と、前記空気極層１ｃの外側の空気極集電体３と、各集電体２、３の外側のセパレータ４ａ、４ｂとを積層して構成されている。

一方のセパレータ４ａには、燃料ガスを燃料極集電体２に対向する面の略中央部から突出させる燃料ガス通路５が設けられるとともに、他方のセパレータ４ｂには、酸化剤ガスを空気極集電体３に対向する面から突出させる酸化剤ガス通路６が設けられている。

燃料極集電体２は、図示しないが、円形の多孔質金属体の外周部を覆うようにリング状の金属カバーが配設されて構成され、このカバーの周側部の全周にわたって多数のガス排出孔７が設けられている。

これにより、燃料極集電体２の外周部から排出されるガスの排出箇所をガス排出孔７に制限することができる。このため、多孔質金属体内を拡散する燃料ガスは、燃料極集電体２の外周部全体より排出されることが阻止され、発電反応に寄与しない燃料ガスの外周部からの排出量を抑えるとともに、燃料極側への空気の逆拡散現象を防止することが可能になる、としている。

特開２００５−８５５２０号公報（図４）

しかしながら、上記の特許文献１では、燃料極集電体２に積層してセパレータ４ａが配置されており、ガス排出孔７から排出された排ガスは、前記セパレータ４の近傍で燃焼して排ガスの温度が相当に高くなる。これにより、酸化剤ガスが供給される入口付近と排ガスが排出される出口付近とでは、温度差が大きくなり、セパレータ４に大きな温度分布が生じ、発電性能が低下してしまうという問題がある。

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、排ガスの極度の温度上昇を防止でき、電解質・電極接合体及びセパレータ、さらに燃料電池スタックの温度分布が発生することを確実に阻止し、前記電解質・電極接合体及び前記セパレータの損傷を有効に阻止し、発電性能を向上させ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・電極接合体と、セパレータとが積層される燃料電池に関するものである。燃料電池は、セパレータの一方の面に設けられ、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と、前記セパレータの他方の面に設けられ、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と、前記セパレータの一方の面又は他方の面に設けられ、使用前の燃料ガスを積層方向に流動させる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ている。

燃料ガス通路は、電解質・電極接合体の外周縁部に対応する位置に終端部を有し、前記終端部には、前記電解質・電極接合体で発電反応に使用された燃料ガスを、前記電解質・電極接合体の外周部から外方に離間する位置で、酸化剤ガス供給部に放出させる燃料ガス排出通路が連通している。

また、燃料ガス通路は、セパレータの一方の面に設けられる通路部を有するとともに、前記通路部は、燃料ガス導入口から燃料ガス排出通路に連通することが好ましい。

さらに、燃料ガス排出通路は、セパレータを貫通する貫通孔と、前記セパレータの他方の面に設けられるとともに、前記貫通孔に連通し且つ前記電解質・電極接合体の外方に延在して前記酸化剤ガス供給部に開放される排出溝部により構成されることが好ましい。

さらにまた、燃料ガス排出通路は、セパレータの一方の面に設けられ、燃料ガス通路の終端部と酸化剤ガス供給部とに連通する排出溝部と、前記セパレータの一方の面に設けられ、前記排出溝部を閉塞する蓋部材とにより構成されることが好ましい。

また、セパレータの一方の面には、アノード電極の外周部に密着するリング状凸部が設けられることが好ましい。アノード電極の外周部からの排ガス（使用済みの燃料ガス及び使用済みの酸化剤ガスを含む）の進入を阻止することができ、前記アノード電極の酸化による劣化を防止することが可能になるからである。

さらに、通路部は、溝部、複数の突起部又はアノード電極に密着する変形可能な弾性通路部材により形成されることが好ましい。

さらにまた、酸化剤ガス通路は、セパレータの他方の面に配設されてカソード電極に密着する変形可能な弾性通路部材により形成されることが好ましい。カソード電極とセパレータとが良好に密着することができ、集電特性の向上が図られるからである。

また、弾性通路部が設けられる範囲は、アノード電極の発電領域よりも小さ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、弾性通路部は、導電金属製のメッシュ部材又はフェルト状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。

さらにまた、酸化剤ガス通路は、セパレータの他方の面に設けられる複数の突起部により形成されることが好ましい。突起部により積層方向の荷重を確実に伝達することができ、集電特性の向上が図られるからである。

さらに、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。

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、酸化剤ガス供給部には、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、セパレータの外周端部に設けられることが好ましい。排ガスの熱により燃料電池の外周を断熱することができ、熱効率の向上が図られるからである。

さらにまた、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とともに、酸化剤ガス供給部は、前記セパレータの内周部に設けられることが好ましい。酸化剤ガスがセパレータの内側から外側に向かって流れるため、排ガスを前記セパレータの外側外方に良好に排出することが可能になるからである。また、燃料ガス導入口は、電解質・電極接合体の中心に設定されることが好ましい。

さらに、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、前記排ガス通路には、燃料ガス供給部及び前記酸化剤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一方、前記酸化剤ガス通路と前記酸化剤ガス供給部とを連通し、且つ前記排ガス通路を前記セパレータ面方向に横切って酸化剤ガス供給通路が配置されることが好ましい。

さらにまた、燃料ガス通路は、燃料ガスが供給されることにより、アノード電極の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、酸化剤ガスが供給されることにより、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が好ましい。

また、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、各電解質・電極接合体に熱が均等に伝わるため、熱歪みの影響を回避することができるからである。

さらに、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を備え、前記燃料電池を複数積層する燃料電池スタックに関するものである。燃料電池は、セパレータの一方の面に設けられ、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と、前記セパレータの他方の面に設けられ、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と、前記セパレータの一方の面又は他方の面に設けられ、使用前の燃料ガスを積層方向に流動させる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ている。

そして、燃料ガス通路は、電解質・電極接合体の外周縁部に対応する位置に終端部を有し、前記終端部には、前記電解質・電極接合体で発電反応に使用された燃料ガスを、前記電解質・電極接合体の外周部から外方に離間する位置で、酸化剤ガス供給部に放出させる燃料ガス排出通路が連通している。

ここで、アノード電極に発電反応のために供給された燃料ガスのうち、未反応ガスを含む使用済みの燃料ガスをオフガスという。

本発明によれば、電解質・電極接合体で使用された燃料ガスを、前記電解質・電極接合体の外周部から外方に離間する位置で放出させている。このため、電解質・電極接合体及びセパレータには、排ガスを排出する付近と酸化剤ガスを供給する付近との温度差を小さくすることが可能になる。

これにより、セパレータは、温度分布を低減することができ、前記セパレータの耐久性が向上するとともに、発電性能も向上する。しかも、排ガスの極度の温度上昇を阻止することができ、セパレータや燃料電池スタックの損傷や性能の劣化を良好に防止することが可能になる。

さらに、オフガスが酸化剤ガス供給部に放出されるため、前記オフガスと前記酸化剤ガス供給部の酸化剤ガスとが反応して燃焼が惹起されるとともに、前記オフガスが希釈される。従って、酸化剤ガス供給部に供給される酸化剤ガスは、電解質・電極接合体に供給される直前で加熱されるため、熱効率が良好に向上する。これにより、排ガスの極度の温度上昇やセパレータの局所的な加熱を防止することができ、前記セパレータや燃料電池スタックの温度分布を均一に維持す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１１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、少なくとも外周端面部には、酸化剤ガス及び燃料ガスの進入や排出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、各セパレータ２８間に複数、例えば、８個の電解質・電極接合体２６が、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が形成される。図５に示すように、燃料ガス通路４６は、円板部３６に燃料ガス導入口３８を中心にして同心円上に形成される複数のリング状溝部４８ａ〜４８ｆを有する。最小直径のリング状溝部４８ａは、燃料ガス導入口３８に直線状溝部５０を介して連通するとともに、リング状溝部４８ａ〜４８ｆは、順次、直径寸法が大きく設定される。リング状溝部４８ａ〜４８ｆは、それぞれ矢印Ｂ方向前方及び後方に交互に延在する連結溝部５２を介して連通する。

最大直径のリング状溝部４８ｆの矢印Ｂ方向後方の端部（セパレータ２８の内周部）には、排出孔部（貫通孔）５４ａ、５４ｂが連通する。リング状溝部４８ａ〜４８ｆは、燃料ガス導入口３８から排出孔部５４ａ、５４ｂを介して後述する燃料ガス排出通路６１に連続して連通する。各円板部３６の外周縁部には、電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の外周部に密着するリング状凸部５６が設けられる。

図６及び図７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は、略平坦面に形成されるとともに、第１小径端部３２から第１橋架部３４には、燃料ガス供給連通孔３０から燃料ガス導入口３８に連通する燃料ガス供給通路５８が形成される。燃料ガス供給通路５８は、例えば、エッチングにより形成される。

第１橋架部３４には、各円板部３６の内側端部からセパレータ２８の中央側に突出して板状突起部５７ａ、５７ｂが一体に設けられる。円板部３６の面３６ｂから板状突起部５７ａ、５７ｂには、排出孔部５４ａ、５４ｂに連通する排出溝部５９ａ、５９ｂが形成される。排出溝部５９ａ、５９ｂは、板状突起部５７ａ、５７ｂの側部から後述する酸化剤ガス供給部７４に開放される（図８参照）。

排出孔部５４ａ、５４ｂと排出溝部５９ａ、５９ｂとにより、燃料ガス排出通路６１が構成される。燃料ガス排出通路６１の端部と電解質・電極接合体２６の外周面との距離Ｈは、セパレータ２８及び前記電解質・電極接合体２６がオフガスと酸化剤ガスとの燃焼ガスによる影響を良好に回避することが可能な距離に設定される。

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６０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６０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６２を備える。この第２小径端部６２から放射状に８本の第２橋架部６４が延在するとともに、各第２橋架部６４の途上には、各円板部３６の板状突起部５７ａ、５７ｂに対応して幅広部６６ａ、６６ｂが設けられる。各第２橋架部６４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７参照）。幅広部６６ａ、６６ｂは、各円板部３６の板状突起部５７ａ、５７ｂに固着される。

円板部３６の面３６ｂには、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７０を形成し且つ前記カソード電極２２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７２が配設される。なお、メッシュ部材７２に代えて、例えば、フェルト状部材を用いてもよい。

メッシュ部材７２は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ材）の線材で構成され、円板状を有する。このメッシュ部材７２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て円板部３６の面３６ｂに直接接触するとともに、通路部材６０を避けるために切り欠き部７２ａを設ける。

図７に示すように、メッシュ部材７２が設けられる範囲は、アノード電極２４の発電領域よりも小さな領域に設定される。メッシュ部材７２に設けられる酸化剤ガス通路７０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７４に連通する。この酸化剤ガス供給部７４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（矢印Ａ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７６が設けられる。絶縁シール７６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７８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８０ａ、８０ｂを配置する。エンドプレート８０ａ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８２が設けられる。このリング状部８２の外周部には、周回溝部８４が形成される。リング状部８２の中心部に対応して、円柱状凸部８６がこのリング状部８２と同一方向に膨出形成され、前記凸部８６の中央部に段付き孔部８８が形成される。

エンドプレート８０ａには、凸部８６を中心にして同一仮想円周上に孔部９０とねじ孔９２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９０及びねじ孔９２は、第１及び第２橋架部３４、６４同士の間に形成される各酸化剤ガス供給部７４に対応して設けられる。エンドプレート８０ｂは、エンドプレート８０ａ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９６ａと、燃料電池スタック１２を収容する第２筐体部９６ｂとを備える。第１及び第２筐体部９６ａ、９６ｂ間は、エンドプレート８０ｂの第２筐体部９６ｂ側に絶縁材を介装してねじ９８及びナット１００により締め付けられる。エンドプレート８０ｂ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９６ｂには、リング状壁板１０２の一端部が接合されるとともに、前記壁板１０２の他端部には、ヘッド板１０４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８０ａの周回溝部８４に壁板１０６が固定されて流路部材１０８が構成されるとともに、この流路部材１０８には、熱交換器１４及び改質器１６が直結される。流路部材１０８内に形成されるチャンバ１０８ａ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９０は、チャンバ１０８ａ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１１０と改質ガス供給管１１２とが設けられる。燃料ガス供給管１１０は、ヘッド板１０４を介して外部に延在する一方、改質ガス供給管１１２は、エンドプレート８０ａの段付き孔部８８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１０４には、空気供給管１１４と排ガス管１１６とが接続される。筐体１８内には、空気供給管１１４から熱交換器１４を介して流路部材１０８に直接開口する通路１１８と、燃料電池スタック１２の排ガス通路７８から熱交換器１４を介して排ガス管１１６に至る通路１２０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１２２ａ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１２２ｂとを備える（Ｔ１＞Ｔ２）。

第１締め付け部１２２ａは、エンドプレート８０ａの一方の対角位置に設けられるねじ孔９２、９２に螺合する短尺な第１締め付けボルト１２４ａ、１２４ａを備える。第１締め付けボルト１２４ａ、１２４ａ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１２６ａに係合する。第１締め付けボルト１２４ａは、セパレータ２８の内部に設けた酸化剤ガス供給部７４内に設けられる。第１押圧プレート１２６ａ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１２２ｂは、長尺な第２締め付けボルト１２４ｂ、１２４ｂを備え、前記第２締め付けボルト１２４ｂ、１２４ｂは、エンドプレート８０ａの他方の対角位置に設けられるねじ孔９２、９２に螺合する。第２締め付けボルト１２４ｂの端部は、外周湾曲形状の第２押圧プレート１２６ｂを貫通し、この端部にナット１２７が螺合する。第２締め付けボルト１２４ｂは、セパレータ２８の内部に設けた酸化剤ガス供給部７４内に設けられる。第２押圧プレート１２６ｂ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１２８及び台座１２９が配設される。スプリング１２８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６０が接合される。このため、セパレータ２８と通路部材６０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５８が形成されるとともに、前記燃料ガス供給通路５８が燃料ガス導入口３８から燃料ガス通路４６に連通する（図７参照）。

一方、各第２橋架部６４の幅広部６６ａ、６６ｂは、各円板部３６の板状突起部５７ａ、５７ｂに固着される。従って、セパレータ２８と通路部材６０との間には、排出孔部５４ａ、５４ｂと排出溝部５９ａ、５９ｂとが連通して燃料ガス排出通路６１が形成される（図５及び図８参照）。さらに、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７６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。その際、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３６ｂと電解質・電極接合体２６との間には、メッシュ部材７２が介装されるとともに、前記メッシュ部材７２の切り欠き部７２ａは、通路部材６０に対応して配置される。

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８０ａ、８０ｂが配置される。図１及び図２に示すように、燃料電池１１には、荷重付与機構２１を介して矢印Ａ方向に所望の締め付け荷重が付与される。

燃料電池スタック１２は、エンドプレート８０ｂが筐体１８を構成する第１及び第２筐体部９６ａ、９６ｂ間に挟持された状態で、前記第１及び第２筐体部９６ａ、９６ｂがねじ９８及びナット１００により固定される。第２筐体部９６ｂ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１０６がエンドプレート８０ａの周回溝部８４に装着される。これにより、エンドプレート８０ａと壁板１０６との間には、流路部材１０８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１１０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１１４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内を通って燃料ガス供給通路５８に導入される（図７参照）。

燃料ガスは、第１及び第２橋架部３４、６４間を燃料ガス供給通路５８に沿って移動し、円板部３６に形成された燃料ガス導入口３８から燃料ガス通路４６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。

具体的には、図５に示すように、燃料ガス通路４６は、複数のリング状溝部４８ａ〜４８ｆを有しており、先ず、燃料ガス導入口３８に連通する直線状溝部５０を介してリング状溝部４８ａに燃料ガスが供給される。このリング状溝部４８ａに沿って流動した燃料ガスは、連結溝部５２を介して一旦外方に移動した後、リング状溝部４８ａの外方に位置するリング状溝部４８ｂに供給されて、このリング状溝部４８ｂに沿って移動する。

さらに、連結溝部５２から外方に配置されているリング状溝部４８ｃに供給された燃料ガスは、連結溝部５２から外方に配置されているリング状溝部４８ｄ〜４８ｆに沿って、順次、移動した後、排出孔部５４ａ、５４ｂに至る。従って、燃料ガスは、各リング状溝部４８ａ〜４８ｆに沿って移動することにより、アノード電極２４に略中心から外周に向かって供給され、使用済みの燃料ガスが排出孔部５４ａ、５４ｂに導出される。

排出孔部５４ａ、５４ｂに導出された使用済みの燃料ガスは、図８に示すように、面３６ｂ側に移動して排出溝部５９ａ、５９ｂに導入される。これにより、使用済みの燃料ガスは、燃料ガス排出通路６１に沿って矢印Ｃ方向（矢印Ｂ方向とは反対方向）に移動し、前記燃料ガス排出通路６１の端部から酸化剤ガス供給部７４に放出される。

一方、空気は、図１に示すように、空気供給管１１４から熱交換器１４の通路１１８を通って一旦チャンバ１０８ａに導入される。この空気は、チャンバ１０８ａに連通する孔部９０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７４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７８に排気される排ガスが通路１２０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７４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、メッシュ部材７２に形成された酸化剤ガス通路７０に送られる。図７に示すように、酸化剤ガス通路７０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反応後の空気は、排ガスとして排ガス通路７８を介して積層方向に移動する。そして、排ガスは、熱交換器１４の通路１２０を通って空気との間で熱交換を行った後、排ガス管１１６から排出される（図１参照）。

この場合、第１の実施形態では、図５に示すように、燃料ガス通路４６は、一端が電解質・電極接合体２６の中央位置に開放される燃料ガス導入口３８を始端部とする一方、前記電解質・電極接合体２６の外周縁部に対応する位置を終端部としている。この終端部位置には、電解質・電極接合体２６で使用された燃料ガスを燃料ガス通路４６から排出するための排出孔部５４ａ、５４ｂが連通している。

そして、排出孔部５４ａ、５４ｂに排出されたオフガスは、排出溝部５９ａ、５９ｂにより構成される燃料ガス排出通路６１に導入され、この燃料ガス排出通路６１内を矢印Ｃ方向に移動して、セパレータ２８及び電解質・電極接合体２６の外周部から内方に所定の距離Ｈだけ離間した位置で、酸化剤ガス供給部７４に放出されている。

このため、オフガスと反応後酸化剤ガスとが混合される部位（反応部位）は、電解質・電極接合体２６及びセパレータ２８の外周部から相当に離間している。従って、電解質・電極接合体２６及びセパレータ２８は、オフガスと空気とが混合した燃焼ガスがセパレータ２８に直接接触することを阻止することができる。

これにより、セパレータ２８や電解質・電極接合体２６は、燃料ガス導入口３８付近とリング状凸部５６付近との温度差を小さくすることが可能になり、前記セパレータ２８の耐久性が向上するという効果が得られる。しかも、電解質・電極接合体２６では、特にアノード電極２４の酸化を阻止することができ、前記電解質・電極接合体２６の損傷や性能の劣化を良好に防止す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、オフガスは、燃料ガス排出通路６１を通って酸化剤ガス供給部７４に放出されている。このため、オフガスと酸化剤ガス供給部７４の酸化剤ガスとが反応して燃焼が惹起されるとともに、前記燃焼ガスが希釈される。これにより、セパレータ２８の周囲では、燃焼ガスの局所的な燃焼を阻止し、前記セパレータ２８の局所的な加熱を防止することができ、前記セパレータ２８の温度分布を均一に維持することが可能になるという効果が得られる。

従って、酸化剤ガス供給部７４に供給される酸化剤ガスは、電解質・電極接合体２６に供給される直前で加熱されるため、前記オフガス中に含まれる未反応の燃料ガスによる熱を排熱回収することができる。これにより、熱効率が良好に向上する。

また、第１の実施形態では、図３及び図７に示すように、各円板部３６の面３６ａには、電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の外周部に密着するリング状凸部５６が設けられている。このため、アノード電極２４の外周部からの排ガスの進入を阻止することができ、シールレス構造で、前記アノード電極２４の酸化による劣化を確実に防止することが可能になるという効果がある。

さらに、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２は、メッシュ部材７２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７２の変形作用下に、前記メッシュ部材７２とカソード電極２２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７２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。

さらにまた、第１の実施形態では、酸化剤ガス供給部７４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５８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。

また、排ガス通路７８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７８によって前記セパレータ２８の内部からの放熱を阻止することが可能になる。さらに、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７２が設けられる範囲は、アノード電極２４の発電領域よりも小さ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７２を用いるだけでよく、構成が簡素化されて経済的である。

特に、電解質２０やカソード電極２２が薄く、強度が低い電解質・電極接合体２６（いわゆる、支持膜型ＭＥＡ）でも、メッシュ部材７２が前記電解質２０や前記カソード電極２２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、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。

なお、第１の実施形態では、燃料ガス通路４６が互いに同心状に配置された複数のリング状溝部４８ａ〜４８ｆと、これらを交互に対角位置に連結する連結溝部５２とを有しているが、種々の形状が選択可能であり、例えば、渦巻き状等の形状を用いてもよい。

図９は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１４０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１４０を構成するセパレータ１４２には、カソード電極２２に対向する面に酸化剤ガス通路１４４が設けられる。この酸化剤ガス通路１４４は、各円板部３６の面３６ｂに形成される複数の突起部１４６により構成される（図１０及び図１１参照）。

突起部１４６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１４６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、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。

このように、構成される第２の実施形態では、円板部３６に設けられている複数の突起部１４６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１４０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１４２の歪みを低減することが可能になる。

さらに、突起部１４６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１４６の形状、配置位置及び密度は、例えば、酸化剤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、前記酸化剤ガスの良好な流れが達成されるという利点がある。しかも、突起部１４６が中実部で構成されるため、この突起部１４６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。

図１２は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１６０の分解斜視図である。

燃料電池１６０を構成するセパレータ１６２は、アノード電極２４に対向する面に燃料ガス排出通路１６４が形成される。図１２及び図１３に示すように、燃料ガス排出通路１６４は、各円板部３６の面３６ａに設けられ、燃料ガス通路４６に連通する排出溝部１６６ａ、１６６ｂと、前記排出溝部１６６ａ、１６６ｂを閉塞する蓋部材１６８とにより構成される。

排出溝部１６６ａ、１６６ｂは、排出孔部５４ａ（第３の実施形態では不要）に対応する位置から板状突起部５７ａ、５７ｂに沿って形成され、酸化剤ガス供給部７４に開放される。排出溝部１６６ａ、１６６ｂには、段部（図示せず）が設けられており、この段部に蓋部材１６８が配設されることによって、前記蓋部材１６８の表面は、リング状凸部５６と同一平面上に配置される。

このように構成される第３の実施形態では、図１４に示すように、燃料ガス通路４６を移動して電解質・電極接合体２６のアノード電極２４に供給された燃料ガスは、使用後に前記アノード電極２４の外周端部近傍に設けられている排出溝部１６６ａ、１６６ｂに導入され、燃料ガス排出通路１６４に沿って矢印Ｃ方向に排出される（図１３参照）。

従って、使用済みの燃料ガスは、電解質・電極接合体２６の外周部から外方に所定の距離Ｈだけ離間した位置で、酸化剤ガス供給部７４に放出される。このため、セパレータ１６２及び電解質・電極接合体２６の損傷や劣化等を阻止することができるとともに、使用前の酸化剤ガスを良好に加熱することが可能になる等、第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第１〜第３の実施形態では、酸化剤ガスである空気は、セパレータ２８、１４２及び１６２の中央側から外方に向かって供給されているが、例えば、これとは逆に外方側から内方に向かって空気を供給するように構成してもよい。その際、使用済みの燃料ガスは、外側に設けられる酸化剤ガス供給部（図示せず）に放出されるように構成される。

図１５は、本発明の第４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、アノード電極２４に対向する面に燃料ガス通路４６が設けられる。この燃料ガス通路４６は、各円板部３６の面３６ａに形成される複数の突起部１８６により構成される（図１５及び図１６参照）。突起部１８６は、面３６ａ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。

図１７は、本発明の第５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は、セパレータ１９２を備える。このセパレータ１９２を構成する円板部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ための燃料ガス通路４６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１９６が配設される（図１７及び図１８参照）。

図１９は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池２００が矢印Ａ方向に積層された燃料電池スタック２０２の概略斜視説明図である。

図２０に示すように、燃料電池２００は、一組のセパレータ２０４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２０４は、第１、第２及び第３プレート２０６、２０８及び２１０を備える。第１〜第３プレート２０６、２０８及び２１０は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成され、前記第２プレート２０８の両面に、前記第１プレート２０６と前記第３プレート２１０とが、例えば、ろう付けにより接合される。

図２０及び図２１に示すように、第１プレート２０６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３０が形成される第１小径端部２１２ａと、前記積層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部７４が形成される第２小径端部２１２ｂとを備える。第１及び第２小径端部２１２ａ、２１２ｂは、幅狭な橋架部２１４ａ、２１４ｂを介して比較的大径な第１円板部２１６と一体的に構成される。第１円板部２１６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２１６のアノード電極２４に接触する面には、燃料ガス通路４６を構成する多数の第１突起部２２０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２１６の外周縁部には、略リング状突起部２２２が設けられる。

第１突起部２２０は、電解質・電極接合体２６のアノード電極２４に当接するとともに、前記アノード電極２４との間には、前記アノード電極２４に燃料ガスを供給する燃料ガス通路４６が形成される。第１突起部２２０及び略リング状突起部２２２は、集電部を構成する。

第１円板部２１６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３８が形成される。第１円板部２１６の略リング状突起部２２２には、複数の排出孔部（貫通孔）２２４が形成される。なお、第１突起部２２０は、略リング状突起部２２２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。

図２０に示すように、第３プレート２１０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部７４が形成される第３小径端部２２８を備える。この第３小径端部２２８には、幅狭な橋架部２３０を介して比較的大径な第２円板部２３２が一体的に設けられる。

第２円板部２３２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２２に示すように、複数の第２突起部２３４が面内全面にわたって形成される。第２突起部２３４は、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２に当接するとともに、前記カソード電極２２との間には、前記カソード電極２２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路７０が形成される。第２突起部２３４は、集電部を構成する。第２円板部２３２の中央部には、酸化剤ガスをカソード電極２２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２３６が形成される。

第２プレート２０８は、図２０に示すように、燃料ガス供給連通孔３０が形成される第４小径端部２３８と、酸化剤ガス供給部７４が形成される第５小径端部２４０とを備える。第４及び第５小径端部２３８、２４０は、幅狭な橋架部２４２、２４４を介して比較的大径な第３円板部２４６と一体的に構成される。第３円板部２４６は、第１及び第２円板部２１６、２３２と同一直径に設定される。

橋架部２１４ａ、２４２間には、燃料ガス供給通路５８が形成されるとともに、橋架部２１４ｂ、２４４間には、排出孔部２２４に連通し且つ酸化剤ガス供給部７４に開放される排出溝部２５０が形成される（図２２参照）。排出孔部２２４及び排出溝部２５０により燃料ガス排出通路が構成される。橋架部２３０、２４４間には、酸化剤ガス供給通路２５２が形成される。この酸化剤ガス供給通路２５２は、酸化剤ガス導入口２３６に連通する。

第３円板部２４６の第１プレート２０６に向かう面内には、この第３円板部２４６の中心と同軸上に区画部２５４が設けられる。区画部２５４は、略リング状の凸部により構成されるとともに、燃料ガス供給通路５８は、前記区画部２５４を介して第１及び第２燃料ガス通路部５８ａ、５８ｂに分割される。第３円板部２４６の面内には、区画部２５４の内方に位置して複数の第３突起部２５６が形成される。

図２２に示すように、第１プレート２０６が第２プレート２０８の一方の面にろう付けされる。これにより、第１及び第２プレート２０６、２０８間には、燃料ガス供給連通孔３０と燃料ガス導入口３８とに連通する燃料ガス供給通路５８と、排出孔部２２４に連通する排出溝部２５０とが設けられる。

第１燃料ガス通路部５８ａは、燃料ガスが供給されることにより第１円板部２１６をアノード電極２４に圧接可能な第１燃料ガス圧力室２５８ａを構成する。第２燃料ガス通路部５８ｂは、第１燃料ガス圧力室２５８ａを周回するとともに、燃料ガスが供給されることにより第１円板部２１６をアノード電極２４に圧接可能な第２燃料ガス圧力室２５８ｂを構成する。

第２プレート２０８が第３プレート２１０にろう付けされることにより、第２及び第３プレート２０８、２１０間には、酸化剤ガス供給部７４と酸化剤ガス導入口２３６とに連通する酸化剤ガス供給通路２５２が形成される。酸化剤ガス供給通路２５２は、酸化剤ガスが供給されることにより第２円板部２３２をカソード電極２２に圧接可能な酸化剤ガス圧力室２６０を構成する。なお、図２０に示すように、各セパレータ２０４間には、燃料ガス供給連通孔３０及び酸化剤ガス供給部７４を囲繞して絶縁シール７６ａ、７６ｂが介装される。

図１９に示すように、燃料電池スタック２０２は、複数の燃料電池２００の積層方向両端にエンドプレート２７０ａ、２７０ｂを配置する。エンドプレート２７０ａもしくはエンドプレート２７０ｂは、締付ボルト２７２と電気的に絶縁される。エンドプレート２７０ａには、燃料電池２００の燃料ガス供給連通孔３０に連通する第１配管２７４と、酸化剤ガス供給部７４に連通する第２配管２７６とが接続される。

このように構成される燃料電池スタック２０２では、エンドプレート２７０ａに接続されている第１配管２７４から燃料ガス供給連通孔３０には、燃料ガスが供給される。一方、エンドプレート２７０ａに接続された第２配管２７６から酸化剤ガス供給部７４には、酸素含有ガスである空気が供給される。

燃料ガス供給連通孔３０に供給された燃料ガスは、図２２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２００を構成するセパレータ２０４内の燃料ガス供給通路５８に供給される。燃料ガスは、燃料ガス供給通路５８に沿って第１燃料ガス通路部５８ａに導入される。この第１燃料ガス通路部５８ａの中央部には、燃料ガス導入口３８が形成されており、燃料ガスは、前記燃料ガス導入口３８から燃料ガス通路４６に導入される。

一方、酸化剤ガス供給部７４に供給される空気は、セパレータ２８内の酸化剤ガス供給通路２５２を移動し、酸化剤ガス圧力室２６０に供給される。さらに、空気は、第２円板部２３２の中心位置に設けられる酸化剤ガス導入口２３６に導入される。

酸化剤ガス導入口２３６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。これにより、空気は、図２２に示すように、酸化剤ガス導入口２３６から酸化剤ガス通路７０に供給され、カソード電極２２の中心部から外周部に向かって前記酸化剤ガス通路７０を流動する。

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空気が供給され、発電が行われる。そして、発電に使用された燃料ガス及び空気は、排ガスとして排ガス通路７８に排気される。

この場合、第６の実施形態では、燃料ガス通路４６は、一端が電解質・電極接合体２６の中央位置に開放される燃料ガス導入口３８を始端部とする一方、前記電解質・電極接合体２６の外周縁部に対応する位置である略リング状突起部２２２を終端部としている。この終端部位置には、電解質・電極接合体２６で使用された燃料ガスを燃料ガス通路４６から排出するための複数の排出孔部２２４が連通している。

そして、排出孔部２２４に排出されたオフガスは、橋架部２１４ｂ、２４４間に形成された排出溝部２５０に導入され、この排出溝部２５０内を矢印Ｂ方向に移動して、セパレータ２０４及び電解質・電極接合体２６の外周部から外方に所定の距離だけ離間した位置で酸化剤ガス供給部７４に放出されている。

このため、オフガスと反応後の酸化剤ガスとが混合される部位（反応部位）は、電解質・電極接合体２６及びセパレータ２０４の外周部から相当に離間している。従って、電解質・電極接合体２６及びセパレータ２０４の周囲では、燃焼ガスの局所的な燃焼により局所的に加熱されることを防止し、前記セパレータ２０４の温度分布を均一に維持することができる等、第１〜第５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。 セパレータの一方の面の一部拡大説明図である。 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。 前記セパレータの一部拡大分解斜視説明図である。 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。 前記セパレータの一方の面の一部拡大説明図である。 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６の実施形態に係る燃料電池が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。 セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池の、図２１中、ＸＸＩＩ−ＸＸＩＩ線断面説明図である。 特許文献１の燃料電池の説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム
１１、１４０、１６０、１８０、１９０、２００…燃料電池
１２、２０２…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…電解質・電極接合体
２８、１４２、１６２、１８２、１９２、２０４…セパレータ
３０…燃料ガス供給連通孔 ３６、２１６、２３２、２４６…円板部
３８…燃料ガス導入口 ４６…燃料ガス通路
４８ａ〜４８ｆ…リング状溝部 ５０…直線状溝部
５２…連結溝部 ５４ａ、５４ｂ、２２４…排出孔部
５６…リング状凸部 ５７ａ、５７ｂ…板状突起部
５８…燃料ガス供給通路
５９ａ、５９ｂ、１６６ａ、１６６ｂ、２５０…排出溝部
６０…通路部材 ６１、１６４…燃料ガス排出通路
６６ａ、６６ｂ…幅広部 ７０、１４４…酸化剤ガス通路
７２、９６…メッシュ部材 ７４…酸化剤ガス供給部
８０ａ、８０ｂ…エンドプレート １４６…突起部
１６８…蓋部材

Claims (21)

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、セパレータとが積層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と、
   前記セパレータの他方の面に設けられ、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と、
   前記セパレータの一方の面又は他方の面に設けられ、使用前の燃料ガスを積層方向に流動させる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、
   を備えるとともに、
   前記燃料ガス通路は、前記電解質・電極接合体の外周縁部に対応する位置に終端部を有し、前記終端部には、前記電解質・電極接合体で使用された前記燃料ガスを、前記電解質・電極接合体の外周部から外方に離間する位置で、前記酸化剤ガス供給部に放出させる燃料ガス排出通路が連通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、前記燃料ガス通路は、前記セパレータの一方の面に設けられる通路部を有するとともに、
   前記通路部は、前記燃料ガス導入口から前記燃料ガス排出通路に連続して連通す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、前記燃料ガス排出通路は、前記セパレータを貫通する貫通孔と、
   前記セパレータの他方の面に設けられるとともに、前記貫通孔に連通し且つ前記電解質・電極接合体の外方に延在して前記酸化剤ガス供給部に開放される排出溝部と、
   により構成されることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１又は２記載の燃料電池において、前記燃料ガス排出通路は、前記セパレータの一方の面に設けられ、前記燃料ガス通路の終端部と前記酸化剤ガス供給部とに連通する排出溝部と、
   前記セパレータの一方の面に設けられ、前記排出溝部を閉塞する蓋部材と、
   により構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、前記セパレータの一方の面には、前記アノード電極の外周部に密着するリング状凸部が設けられることを特徴とする燃料電池。
6. 請求項２記載の燃料電池において、前記通路部は、溝部により形成されることを特徴とする燃料電池。
7. 請求項２記載の燃料電池において、前記通路部は、複数の突起部により形成されることを特徴とする燃料電池。
8. 請求項２記載の燃料電池において、前記通路部は、前記アノード電極に密着する変形可能な弾性通路部材により形成されることを特徴とする燃料電池。
9. 請求項１記載の燃料電池において、前記酸化剤ガス通路は、前記セパレータの他方の面に配設されて前記カソード電極に密着する変形可能な弾性通路部材により形成されることを特徴とする燃料電池。
10. 請求項９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、前記アノード電極の発電領域よりも小さな領域に設定されることを特徴とする燃料電池。
11. 請求項１０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又はフェルト状部材で構成されることを特徴とする燃料電池。
12. 請求項１記載の燃料電池において、前記酸化剤ガス通路は、前記セパレータの他方の面に設けられる複数の突起部により形成されることを特徴とする燃料電池。
13. 請求項１２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、
    前記酸化剤ガス供給部には、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。
15. 請求項１４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。
16. 請求項１４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とともに、
    前記酸化剤ガス供給部は、前記セパレータの内周部に設けられることを特徴とする燃料電池。
17. 請求項１４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・電極接合体の中心に設定されることを特徴とする燃料電池。
18. 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、
    前記排ガス通路には、前記燃料ガス供給部及び前記酸化剤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一方、
    前記酸化剤ガス通路と前記酸化剤ガス供給部とを連通し、且つ前記排ガス通路を前記セパレータ面方向に横切って酸化剤ガス供給通路が配置されることを特徴とする燃料電池。
19. 請求項１８記載の燃料電池において、前記燃料ガス通路は、前記燃料ガスが供給されることにより、前記アノード電極の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、前記酸化剤ガスが供給されることにより、前記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。
20. 請求項１乃至１９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。
21. 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と、
    前記セパレータの他方の面に設けられ、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と、
    前記セパレータの一方の面又は他方の面に設けられ、使用前の燃料ガスを積層方向に流動させる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、
    を備えるとともに、
    前記燃料ガス通路は、前記電解質・電極接合体の外周縁部に対応する位置に終端部を有し、前記終端部には、前記電解質・電極接合体で使用された前記燃料ガスを、前記電解質・電極接合体の外周部から外方に離間する位置で、前記酸化剤ガス供給部に放出させる燃料ガス排出通路が連通することを特徴とする燃料電池スタック。

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