JP2007207500A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】使用済みの燃料ガス及び酸化剤ガスが電解質・電極接合体の近傍で接触することがなく、排ガスの燃焼による発電効率及び耐久性の低下を確実に阻止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間には、電解質・電極接合体２６の外周部を周回し、且つアノード電極２４で使用後の第１排ガスＦＧｏｆｆを前記電解質・電極接合体２６の外方に排出する溝部９６を設ける周回部材９０と、カソード電極２２側で、前記電解質・電極接合体２６の外周端縁部と前記セパレータ２８との間から前記周回部材９０と前記セパレータ２８との間まで延在するリング箔９２とが配設される。
【選択図】図５

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、電解質・電極接合体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、電解質・電極接合体を構成するアノード電極及びカソード電極に、それぞれ燃料ガス（例えば、水素ガス）及び酸化剤ガス（例えば、空気）を供給するとともに、発電反応に使用されなかった残余の燃料ガス（オフガス）及び酸化剤ガスを、この燃料電池の外周部から外方に放出するシールレス構造が採用される場合が多い。その際、燃料電池の外部に排出された空気は、アノード電極側に巻き込まれて逆拡散が発生し、この逆拡散された空気とアノード電極に供給される燃料ガスとが燃焼反応するというおそれがある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体酸化物型燃料電池が知られている。この燃料電池は、図２２に示すように、固体電解質層１ａの両面に燃料極層１ｂと酸化剤極層１ｃとを配置した発電セル１を備えている。この発電セル１には、燃料極集電体２と酸化剤極集電体３とが配置されるとともに、前記燃料極集電体２及び前記酸化剤極集電体３の外側にセパレータ４が配置されてシールレス構造の燃料電池が構成されている。そして、燃料極層１ｂ及び燃料極集電体２の外周部を覆うように、ガス排出孔５ａを有する絶縁性カバー５が配設されている。

このように、燃料極集電体２の外周面が、絶縁性カバー５により覆われることによって、前記燃料極集電体２の外周部から排出されるオフガスの排出箇所が、ガス排出孔５ａに制限され、発電反応に寄与しない燃料ガスの排出量を抑えることができる、としている。

特開２００５−８５５２１号公報（図１）

しかしながら、上記の特許文献１では、燃料極集電体２の外周部から排出される燃料ガスと、酸化剤極集電体３の外周部から排出される酸化剤ガスとが、発電セル１の外周部近傍で接触し易い。このため、発電セル１の外周近傍で燃料ガスと酸化剤ガスとが燃焼してしまい、前記発電セル１の外周部に局部的な温度上昇等が発生し、熱応力により発電セル１が破損するおそれがある。さらに、絶縁性カバー５は、発電セル１や酸化剤極集電体３に対して異種材料であるため、線膨張係数の相違によって割れや接触不良による接触抵抗の増加が生じ、発電効率及び耐久性の低下が惹起され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、使用済みの燃料ガス及び酸化剤ガスが電解質・電極接合体の近傍で接触することがなく、排ガスの燃焼による発電効率及び耐久性の低下を確実に阻止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。この燃料電池は、電解質・電極接合体の外周端縁部とセパレータとの間から前記セパレータの外周側まで延在して配設される封止部材を備え、前記封止部材は、アノード電極又はカソード電極の一方の電極で使用後の第１排ガスが、前記一方の電極とは反対の他方の電極側に導入されることを阻止し、且つ前記他方の電極で使用後の第２排ガスを前記電解質・電極接合体の外方に排出させるように構成されている。

また、封止部材は、他方の電極側に配設されるとともに、セパレータ間には、一方の電極で使用後の第１排ガスを、電解質・電極接合体の外方に排出する開口部を設ける周回部材が配設されることが好ましい。

さらに、本発明の燃料電池は、セパレータ間に配設され、電解質・電極接合体の外周部を周回し、且つアノード電極又はカソード電極の一方の電極で使用後の第１排ガスを前記電解質・電極接合体の外方に排出する開口部を設ける周回部材と、前記一方の電極とは反対の他方の電極側で、前記電解質・電極接合体の外周端縁部と前記セパレータとの間から前記周回部材と前記セパレータとの間まで延在して配設され、前記第１排ガスが前記他方の電極側に導入されることを阻止し、且つ前記他方の電極で使用後の第２排ガスを前記電解質・電極接合体の外方に排出するための封止部材とを備えている。

また、セパレータには、アノード電極の電極面中心から電極面外周に向かって燃料ガスを供給する燃料ガス通路と、カソード電極の電極面中心から電極面外周に向かって酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路とが設けられることが好ましい。燃料ガス及び酸化剤ガスの流れが均一化されるため、発電反応が均一になって熱歪の発生を低減させるとともに、燃料ガスの利用率が向上するからである。

さらに、セパレータは、互いに積層される第１、第２及び第３プレートを備え、前記第１プレートとアノード電極との間に、燃料ガス通路が形成され、前記第３プレートとカソード電極との間に、酸化剤ガス通路が形成されることが好ましい。

さらにまた、第１プレートと第２プレートとの間には、燃料ガスを加圧充填可能な燃料ガス圧力室と、アノード電極の電極面中心に対応して前記燃料ガス圧力室と燃料ガス通路とを連通する燃料ガス導入口とが形成されるとともに、前記第２プレートと第３プレートとの間には、酸化剤ガスを加圧充填可能な酸化剤ガス圧力室と、カソード電極の電極面中心に対応して前記酸化剤ガス圧力室と酸化剤ガス通路とを連通する酸化剤ガス導入口とが形成されることが好ましい。

また、周回部材は、電解質・電極接合体の外周面から離間して前記電解質・電極接合体を周回することにより、前記周回部材の内周面と前記電解質・電極接合体の外周面との間には、第１排ガスを貯留可能なチャンバが形成されることが好ましい。周回部材と電解質・電極接合体とは、直接接触することがなく、互いの熱膨張差による変形や損傷を回避するとともに、チャンバ内の第１排ガスの圧力を外部圧力よりも高圧に維持することができ、前記チャンバ内に外部雰囲気の逆流を防止することが可能になるからである。

さらに、周回部材は、絶縁性を有する部材で構成されることが好ましく、さらにまた、前記絶縁性を有する部材は、絶縁体、絶縁層を有する金属部材、あるいは、絶縁体と金属の複合部材で構成されることが好ましい。また、周回部材とセパレータとの間又は前記周回部材の間には、絶縁体が介装されることが好ましい。アノード電極とカソード電極との短絡を阻止することができるからである。

さらにまた、封止部材は、金属箔製のリング部材で構成されることが好ましい。周回部材により燃料電池に付与される荷重を受けて位置決めすることができる一方、さらに封止部材に荷重を付与することにより前記封止部材が電解質・電極接合体、セパレータ及び周回部材に密着してシール性及び集電性が向上するからである。

さらに、金属箔製のリング部材の一部に絶縁層を設けることが好ましく、さらにまた、前記絶縁層は、電解質、アノード電極又はカソード電極のいずれか一つに接することが好ましい。

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、一方の電極で使用後の第１排ガスが、他方の電極側に導入することを阻止するとともに、前記他方の電極で使用後の第２排ガスが、前記第１排ガスに接触することがなく、前記電解質・電極接合体の外方に排出される。

また、本発明によれば、一方の電極で使用後の第１排ガスは、周回部材の開口部を通って電解質・電極接合体の外方に排出されるとともに、他方の電極で使用後の第２排ガスは、封止部材を介して前記第１排ガスに接触することがなく、前記電解質・電極接合体の外方に排出される。

これにより、電解質・電極接合体の外周近傍で第１及び第２排ガスによる燃焼が惹起されることを確実に阻止することができ、前記電解質・電極接合体の発電効率及び耐久性を良好に向上させ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る。

燃料電池１０は、固体電解質型燃料電池であり、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とともに、カソード電極２２の外周面は、酸化剤ガスの洩れを阻止するために緻密化されている。

図２及び図３に示すように、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、第２及び第３プレート３０、３２及び３４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２プレート３２の両面（図２及び図４参照）に、前記第１プレート３０と前記第３プレート３４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よりも所定の寸法だけ大径に設定される。

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、前記凸部４４を周回して略リング状凸部４６が設けられる。凸部４４及び略リング状凸部４６は、集電部である第１突起部４７を構成する。図５に示すように、凸部４４及び略リング状凸部４６は、アノード電極（一方の電極）２４に向かって突出し、且つ前記アノード電極２４との間に燃料ガスを流す燃料ガス通路４９を形成する。

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、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。

図２に示すように、第３プレート３４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、カソード電極２２よりも所定の寸法だけ大径に設定される。

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、複数の第２突起部５８が面内全面にわたって形成される。第２突起部５８は、集電部を構成する。図５に示すように、第２突起部５８は、カソード電極（他方の電極）２２に向かって突出し、且つ前記カソード電極２２との間に酸化剤ガスを流す酸化剤ガス通路５９を形成する。第２円板部５６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６０が形成される。

第２プレート３２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。

第２プレート３２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の面内に燃料ガス供給通路７６が形成される（図５参照）。第３円板部７０には、複数の第３突起部７８が形成され、この第３突起部７８は、燃料ガス供給通路７６の一部を構成する。

図４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、酸化剤ガス供給通路８４が形成され、この酸化剤ガス供給通路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２プレート３２の一方の面にろう付けされることにより、第１及び第２プレート３０、３２間には、燃料ガス供給連通孔３６に連通する燃料ガス供給通路７６が設けられる。

燃料ガス供給通路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５参照）。燃料ガス圧力室８６は、燃料ガス導入口４８を介して燃料ガス通路４９に連通する。

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供給通路８４が形成される（図５参照）。

酸化剤ガス供給通路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。酸化剤ガス圧力室８８は、酸化剤ガス導入口６０を介して酸化剤ガス通路５９に連通する。

図２及び図５に示すように、セパレータ２８間には、電解質・電極接合体２６の外周部を周回してリング状周回部材９０が配設されるとともに、前記電解質・電極接合体２６の外周端縁部と前記セパレータ２８との間から前記周回部材９０と前記セパレータ２８との間まで延在してリング箔（封止部材）９２が配設される。

周回部材９０は、アルミナ又はニッケル、ステンレス材等の金属に絶縁体を介装させたり、前記金属にセラミックス等の絶縁コーティングを施したりして構成されており、前記周回部材９０の内周面９０ａと電解質・電極接合体２６の外周面との間には、所定の寸法Ｈを有するリング状チャンバ９４が形成される。チャンバ９４には、アノード電極２４で使用後の燃料ガス（第１排ガス）を貯留可能であるとともに、前記第１排ガスを燃料電池１０の外部に排出するための複数の溝部９６が所定間隔ずつ離間して設けられる。

リング箔９２は、ニッケルやステンレスあるいは白金等の貴金属からなる金属箔で構成される。このリング箔９２の内周端縁部は、電解質・電極接合体２６を構成するカソード電極２２の外周縁部に接触する一方、前記リング箔９２の外周端縁部は、周回部材９０に接触する。周回部材９０は、剛体構造を有する一方、リング箔９２は、柔構造を有している。

リング箔９２に用いられる金属箔には、絶縁層を付与して構成してもよい。絶縁層は、リング箔９２と同様な絶縁体からなる箔状の部材、あるいは、金属箔に直接絶縁体をコーティングして形成してもよい。その際、絶縁層は、電解質２０又はカソード電極２２の外周縁部に接触するように配置する。

図５に示すように、電解質・電極接合体２６では、アノード電極２４の厚さが電解質２０及びカソード電極２２の厚さに比べて相当に大きな寸法に設定されているアノード電極サポートセル（ＡＳＣ）を用いている。カソード電極２２の外周面には、酸化剤ガスの漏れを阻止するための緻密化処理が施されている。なお、図６に示すように、カソード電極２２の直径が電解質２０の直径よりも小さな直径に設定されることにより、リング箔９２が前記電解質２０の外周縁部に直接接触するように構成してもよい。

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９８ａ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９８ｂが設けられる（図２及び図５参照）。絶縁シール９８ａ、９８ｂ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１００ａ、１００ｂを配置する。エンドプレート１００ａもしくはエンドプレート１００ｂは、締付ボルト１０８と電気的に絶縁される。エンドプレート１００ａ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１０２と、酸化剤ガス供給連通孔５０に連通する第２配管１０４とが接続される。エンドプレート１００ａ、１００ｂ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１０６が形成される。各ボルト孔１０６に締付ボルト１０８が挿入され、各締付ボルト１０８の先端にナット１１０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２プレート３２の一方の面に接合されるとともに、第３プレート３４が前記第２プレート３２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２プレート３２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供給通路７６と、酸化剤ガス供給連通孔５０に連通する酸化剤ガス供給通路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５参照）。

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るとともに、前記セパレータ２８を構成する第１円板部４２上に周回部材９０が配置される。この周回部材９０上及び電解質・電極接合体２６を構成するカソード電極２２の外周端縁部（又は、図６に示す電解質２０の外周端縁部）には、リング箔９２が載置される。

そして、所定数の燃料電池１０が積層された後、積層方向両端にエンドプレート１００ａ、１００ｂが配置される。エンドプレート１００ａ、１００ｂの各ボルト孔１０６には、締付ボルト１０８が挿入され、前記締付ボルト１０８の先端にナット１１０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）。

ここで、第１の実施形態では、図５に示すように、各セパレータ２８間に周回部材９０が介装されるとともに、電解質・電極接合体２６の外周端縁部と前記セパレータ２８の間から前記周回部材９０と前記セパレータ２８との間まで延在してリング箔９２が配設されている。

この状態で、燃料電池スタック１２に締付ボルト１０８を介して積層方向に締め付け荷重が付与されると、先ず、剛体構造である周回部材９０に前記締め付け荷重のほとんどが伝達される。従って、各セパレータ２８間の位置決め及びシール性を確保することができる。

一方、リング箔９２は、柔構造であるため、比較的小さな荷重によって加圧変形可能である。このため、リング箔９２は、さらに付与されるわずかな締め付け荷重により電解質・電極接合体２６とセパレータ２８との間、及び周回部材９０と前記セパレータ２８との間に密着し、シール性を確保することが可能になる。

次に、図１に示すように、エンドプレート１００ａに接続されている第１配管１０２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１００ａに接続された第２配管１０４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５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内の燃料ガス供給通路７６に供給される。燃料ガスは、燃料ガス供給通路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に供給され、複数の第３突起部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、燃料ガス導入口４８から燃料ガス通路４９に供給され、前記燃料ガス通路４９内をアノード電極２４の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、セパレータ２８内の酸化剤ガス供給通路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、酸化剤ガス導入口６０から酸化剤ガス通路５９に供給され、前記酸化剤ガス通路５９内をカソード電極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（以下、第１排ガスＦＧｏｆｆという）及び発電に使用された酸化剤ガス（以下、第２排ガスＯＧｏｆｆという）は、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、図５に示すように、電解質・電極接合体２６の外周と周回部材９０の内周面９０ａとの間には、チャンバ９４が形成されており、前記電解質・電極接合体２６のアノード電極２４から排出される第１排ガスＦＧｏｆｆがこのチャンバ９４に一旦貯留される。

一方、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２から排出される第２排ガスＯＧｏｆｆは、この電解質・電極接合体２６の外周端縁部に密着するリング箔９２と、セパレータ２８を構成する第２円板部５６との間を通って、燃料電池スタック１２の外方に放出される。また、チャンバ９４内の第１排ガスＦＧｏｆｆは、周回部材９０に形成されている溝部９６を通って燃料電池スタック１２の外部に放出される。

このように、アノード電極２４から放出される第１排ガスＦＧｏｆｆは、チャンバ９４から周回部材９０の溝部９６を通って電解質・電極接合体２６の外方に排出されるとともに、カソード電極２２から放出される第２排ガスＯＧｏｆｆは、リング箔９２を介して前記第１排ガスＦＧｏｆｆに接触することがなく、前記電解質・電極接合体２６の外方に排出される。

このため、電解質・電極接合体２６の外周近傍で、第１排ガスＦＧｏｆｆと第２排ガスＯＧｏｆｆとによる燃焼が惹起されることを確実に阻止することができ、前記電解質・電極接合体２６の発電効率及び耐久性を良好に向上させることが可能になるという効果が得られる。

また、周回部材９０とリング箔９２とは、電気的に絶縁されている。これにより、アノード電極２４とカソード電極２２との短絡を有効に阻止することができる。

さらに、セパレータ２８には、アノード電極２４の電極面中心から電極面外周に向かって燃料ガスを供給する燃料ガス通路４９と、カソード電極２２の電極面中心から電極面外周に向かって酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路５９とが設けられている。このため、燃料ガス及び酸化剤ガスの流れが均一化され、発電反応が均一になって熱歪の発生を低減させるとともに、燃料ガスの利用率が向上するという利点がある。

さらにまた、セパレータ２８内には、燃料ガスが供給されることにより、第１円板部４２をアノード電極２４に圧接可能な燃料ガス圧力室８６と、酸化剤ガスが供給されることにより、第２円板部５６をカソード電極２２に圧接可能な酸化剤ガス圧力室８８とが構成されている。従って、燃料ガス圧力室８６及び酸化剤ガス圧力室８８にそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスが圧入されると、リング箔９２に付与される荷重が増加し、前記リング箔９２によるシール性が一層向上して第１排ガスＦＧｏｆｆと第２排ガスＯＧｏｆｆとの分離性が高まるという効果がある。

また、周回部材９０は、燃料電池スタック１２に積層方向に付与される締め付け荷重のほとんどを受けるため、電解質・電極接合体２６に付与される荷重を良好に削減することができる。従って、燃料電池スタック１２に高荷重の締め付け荷重が付与される際に、電解質・電極接合体２６が破損することがなく、作業性の向上を図るとともに、シール性の向上が容易に遂行可能になる。

さらにまた、第１の実施形態では、周回部材９０は、電解質・電極接合体２６の外周面から離間して配設されることにより、前記電解質・電極接合体２６の外周面と前記周回部材９０の内周面９０ａとの間に、チャンバ９４が形成されている。このため、周回部材９０と電解質・電極接合体２６とが直接接触することがなく、互いに熱膨張差による変形や損傷を回避することができる。

しかも、チャンバ９４に一旦貯留される第１排ガスＦＧｏｆｆの圧力は、外部圧力よりも高圧に維持されている。これにより、チャンバ９４内の第１排ガスＦＧｏｆｆを周回部材９０の複数の溝部９６から外部に均等に排出するとともに、前記チャンバ９４内に外部雰囲気が逆流することを阻止することができる。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１２０の分解斜視説明図であり、図８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、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３〜第７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１２０は、上記の第１の実施形態とは逆に、リング箔９２上に周回部材９０が載置されて構成される。リング箔９２の内周側端部は、セパレータ２８を構成する第１プレート３０と電解質・電極接合体２６を構成するアノード電極２４の外周端縁部との間に密着されるとともに、前記リング箔９２の外周側端部は、周回部材９０と前記第１プレート３０との間に密着される。

第１プレート３０には、リング箔９２との間からオフガスを外部に放出するための溝１２２が形成される。周回部材９０に設けられている溝部９６は、セパレータ２８を構成する第３プレート３４の外周端縁部に配置され、チャンバ９４から前記溝部９６を介して外部に開放される。

電解質・電極接合体２６は、電解質２０の厚さがカソード電極２２及びアノード電極２４の厚さに比べて相当に大きく設定されるとともに、前記アノード電極２４の外周面には、燃料ガスの漏れを阻止するための緻密化処理が施されている。

このように構成される第２の実施形態では、カソード電極２２で使用後の第２排ガスＯＧｏｆｆは、このカソード電極２２の外周端面からチャンバ９４に導入された後、周回部材９０の溝部９６を通って燃料電池１２０の外方に放出される。一方、アノード電極２４で使用後の第１排ガスＦＧｏｆｆは、リング箔９２と第１プレート３０の溝１２２との間を通って燃料電池１２０の外方に放出される。

従って、第１排ガスＦＧｏｆｆは、チャンバ９４に進入することがなく、このチャンバ９４内で第１排ガスＦＧｏｆｆと第２排ガスＯＧｏｆｆとが燃焼することを可及的に阻止することができる。これにより、電解質・電極接合体２６の発電効率及び耐久性を良好に向上させることができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１３０の分解斜視説明図であり、図１０は、前記燃料電池１３０の動作を説明する概略断面説明図である。

燃料電池１３０は、一組のセパレータ１３２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１３２は、第１、第２及び第３プレート３０、３２、１３４を備え、前記第３プレート１３４のカソード電極２２に向かう面には、導電性メッシュ部材１３６が配設される。メッシュ部材１３６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１３６は、積層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第２円板部５６の面に直接接触するとともに、前記メッシュ部材１３６内に酸化剤ガス通路５９が形成される。

このように構成される第３の実施形態では、図１０に示すように、メッシュ部材１３６に形成されている酸化剤ガス通路５９に供給された酸化剤ガスは、反応に使用された後、このメッシュ部材１３６内を通って燃料電池１３０の外方に放出される。その際、リング箔９２がメッシュ部材１３６とチャンバ９４との間を遮蔽して配置されている。このため、第２排ガスＯＧｏｆｆは、チャンバ９４に導入されることがなく、このチャンバ９４内での燃焼を良好に阻止することができ、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

図１１は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１４０の分解斜視説明図であり、図１２は、前記燃料電池１４０の動作を説明する概略断面説明図である。

燃料電池１４０は、一組のセパレータ１４２間に電解質・電極接合体２６を介装して構成される。セパレータ１４２は、第１、第２及び第３プレート１４４、３２及び１４６を備える。第１プレート１４４のアノード電極２４に対向する面には、第１メッシュ部材１４８とリング部１５０とが一体に配設されるとともに、第３プレート１４６のカソード電極２２に向かう面には、第２メッシュ部材１５２が配設される。

第１及び第２メッシュ部材１４８、１５２は、円板状を有し、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ材）の線材で構成される。第１メッシュ部材１４８内に燃料ガス通路４９が形成される一方、第２メッシュ部材１５２内に酸化剤ガス通路５９が形成される。各セパレータ１４２間には、周回部材１５４とリング箔９２とが介装される。

周回部材１５４は、例えば、ニッケル（金属）にセラミックコーティングを施しており、所定の間隔ずつ離間して複数の溝部１５８が形成される。周回部材１５４は、リング部１５０に対応して第１プレート１４４の第１円板部４２上に配置される。リング箔９２は、周回部材１５４上に載置される。

このように構成される第４の実施形態では、アノード電極２４で使用された燃料ガスが、第１排ガスＦＧｏｆｆとして第１メッシュ部材１４８からチャンバ９４に導入された後、周回部材１５４の溝部１５８を通って燃料電池１４０の外部に放出される。一方、カソード電極２２で使用された酸化剤ガスは、第２排ガスＯＧｏｆｆとして第２メッシュ部材１５２内を通るとともに、リング箔９２によってチャンバ９４への漏洩を阻止されて、燃料電池１４０の外方に放出される。従って、チャンバ９４での燃焼が可及的に阻止される。

図１３は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池１７０の分解斜視説明図であり、図１４は、前記燃料電池１７０の動作を説明する概略断面説明図である。

燃料電池１７０では、各セパレータ２８間に、周回部材１７２、絶縁リング１７４及びリング箔９２が介装される。周回部材１７２は、例えば、ニッケルで構成されるとともに、絶縁リング１７４は、例えば、マイカ等によって構成され、前記周回部材１７２とリング箔９２とを電気的に絶縁している。

これにより、第５の実施形態では、積層されるセパレータ２８間に、周回部材１７２、絶縁リング１７４及びリング箔９２が介装されるため、前記セパレータ２８間の電気的な絶縁を一層確実に行うことができるという効果が得られる。

図１５は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池１８０の分解斜視説明図であり、図１６は、前記燃料電池１８０の動作を説明する概略断面説明図である。

燃料電池１８０は、各セパレータ２８間に周回部材１８２、絶縁リング１８４及びリング箔９２が介装される。周回部材１８２は、例えば、ニッケルで構成されており、内方に突出する内側フランジ部１８６を有する。この内側フランジ部１８６上には、比較的薄肉状の絶縁リング１８４が載置され、さらに、この絶縁リング１８４上にはリング箔９２が載置される。

このため、周回部材１８２は、薄肉な絶縁リング１８４をリング箔９２に対して良好に押圧保持することが可能になるとともに、電気的絶縁性を一層向上させることができる。

図１７は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池２００が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る。

燃料電池２００は、図１８及び図１９に示すように、一組のセパレータ２０８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２０８間には、このセパレータ２０８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２０８は、互いに積層される第１、第２及び第３プレート２１０、２１２及び２１４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、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２１６を備える。この第１小径端部２１６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２１８を介して比較的大径な第１円板部２２０が一体的に設けられる。第１円板部２２０の周面から内方にかけて、積層方向に延在して排ガス通路２２２が形成される。

各第１円板部２２０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凸部４４と略リング状凸部４６とを有する第１突起部４７が設けられるとともに、前記第１円板部２２０の中心には、燃料ガス通路４９に連通する燃料ガス導入口４８が形成される。

第３プレート２１４は、波状外周部２２４を備え、前記波状外周部２２４の各円弧状部分には、内方に突出する橋架部２２６を介して比較的大径な第２円板部２２８が一体的に設けられる。第２円板部２２８は、第１プレート２１０の第１円板部２２０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２２８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突起部５８が設けられるとともに、それぞれの中心には、酸化剤ガス通路５９に連通する酸化剤ガス導入口６０が形成される。

第２プレート２１２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２３０を備え、この第２小径端部２３０から放射状に８本の橋架部２３２が延在するとともに、各橋架部２３２の先端には、比較的大径な第３円板部２３４が一体的に設けられる。各第３円板部２３４には、橋架部２３２の延長線上に橋架部２３６が設けられ、全ての橋架部２３６が波状外周部２３８に一体的に連結される。

第３円板部２３４の第１プレート２１０に向かう面には、複数の第３突起部７８が面内全面にわたって形成される。第２小径端部２３０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２３２に燃料ガス供給通路７６の一部が形成される。

図２０に示すように、第２プレート２１２の第２プレート２１２に向かう面において、波状外周部２３８には、各第３円板部２３４に対応して空気取り込み用の複数のスリット２４０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２４２が前記波状外周部２３８の形状に沿って周回形成される。

第１プレート２１０が第２プレート２１２にろう付けされると、各橋架部２１８、２３２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、燃料ガス供給通路７６の一部が形成される。この燃料ガス供給通路７６は、第１及び第３円板部２２０、２３４間に形成される燃料ガス圧力室８６を構成する。

第２プレート２１２が第３プレート２１４にろう付け固定されることにより、橋架部２２６、２３６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、酸化剤ガス供給通路８４の一部が形成される。この酸化剤ガス供給通路８４は、第２及び第３円板部２２８、２３４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２０８を構成する第１円板部２２０上に周回部材９０が配置される。この周回部材９０上及び電解質・電極接合体２６を構成するカソード電極２２の外周端縁部に、リング箔９２が載置される。

各セパレータ２０８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２４４が設けられるとともに、波状外周部２２４、２３８間には、絶縁シール２４６が設けられる。絶縁シール２４４、２４６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１７に示すように、燃料電池スタック２０２は、複数の燃料電池２００の積層方向両端に円板状のエンドプレート２５０ａ、２５０ｂを配置する。エンドプレート２５０ａは、絶縁されており、中心部に燃料ガス供給口２５２が形成され、この燃料ガス供給口２５２が各燃料電池２００の燃料ガス供給連通孔３６に連通する。エンドプレート２５０ａ、２５０ｂは、ボルト２６６を介して積層方向に締め付けられる。

このように構成される燃料電池スタック２０２の動作について、以下に説明する。

燃料電池２００を組み付ける際には、先ず、図１８に示すように、セパレータ２０８を構成する第２プレート２１２の両面に第１プレート２１０と第３プレート２１４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２４４が、燃料ガス供給連通孔３６を周回して第１プレート２１０又は第３プレート２１４に設けられる。一方、第２プレート２１２の波状外周部２２４又は第３プレート２１４の波状外周部２３８には、波形状の絶縁シール２４６が設けられる。

これにより、セパレータ２０８が構成され、第１及び第３プレート２１０、２１４間には、第２プレート２１２に仕切られて燃料ガス供給通路７６及び酸化剤ガス供給通路８４が形成される（図２１参照）。また、燃料ガス供給通路７６は、燃料ガス分配供給通路７６ａを介して燃料ガス供給連通孔３６に連通する一方、酸化剤ガス供給通路８４は、スリット２４０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２０８間には、８個の電解質・電極接合体２６が挟持される。図１８に示すように、各セパレータ２０８は、互いに対向する第１及び第２円板部２２０、２２８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。

なお、各セパレータ２０８を構成する第１円板部２２０上に周回部材９０が配置され、この周回部材９０上及び電解質・電極接合体２６を構成するカソード電極２２の外周端縁部に、リング箔９２が載置される。

上記のように付けられた燃料電池２００が矢印Ａ方向に積層され、エンドプレート２５０ａ、２５０ｂ間に締め付け保持されて燃料電池スタック２０２が組み立てられる（図１７参照）。

そこで、燃料電池スタック２０２の燃料ガス供給連通孔３６に燃料ガスが供給されると、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２００を構成するセパレータ２０８内の燃料ガス供給通路７６に導入される（図２１参照）。

燃料ガスは、燃料ガス供給通路７６を構成する燃料ガス圧力室８６に送られると、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る。このため、燃料ガスは、燃料ガス導入口４８から燃料ガス通路４９に供給され、前記燃料ガス通路４９内をアノード電極２４の中心部から外周部に向かって流動する。

一方、各燃料電池２００の外周側から供給される酸化剤ガスは、各セパレータ２０８の外周部に形成されているスリット２４０を介して酸化剤ガス供給通路８４に供給される。この酸化剤ガス供給通路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、この酸化剤ガス圧力室８８では、酸化剤ガスの内圧が高くなる。従って、酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口６０から酸化剤ガス通路５９に供給され、前記酸化剤ガス通路５９内をカソード電極２２の中心部から外周部に向かって流動する。

これにより、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２１参照）。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。

この場合、第７の実施形態では、上記の第１〜第６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３プレート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。 異なる構成の電解質・電極接合体を組み込む燃料電池の説明図である。 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７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２プレートの一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。 特許文献１の固体酸化物型燃料電池の断面説明図である。

符号の説明

１０、１２０、１３０、１４０、１７０、１８０、２００…燃料電池
１２、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、１３２、１４２、２０８…セパレータ
３０、３２、３４、１３４、１４４、１４６、２１０、２１２、２１４…プレート
３６…燃料ガス供給連通孔 ４８…燃料ガス導入口
４９…燃料ガス通路 ５０…酸化剤ガス供給連通孔
５９…酸化剤ガス通路 ６０…酸化剤ガス導入口
７６…燃料ガス供給通路 ８４…酸化剤ガス供給通路
８６…燃料ガス圧力室 ８８…酸化剤ガス圧力室
９０、１５４、１７２、１８２…周回部材
９２…リング箔 ９４…チャンバ
９６…溝部 １２２…溝
１３６、１４８、１５２…メッシュ部材 １７４、１８４…絶縁リング

Claims (13)

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、
   前記電解質・電極接合体の外周端縁部と前記セパレータとの間から前記セパレータの外周側まで延在して配設される封止部材を備え、
   前記封止部材は、前記アノード電極又は前記カソード電極の一方の電極で使用後の第１排ガスが、前記一方の電極とは反対の他方の電極側に導入されることを阻止し、且つ前記他方の電極で使用後の第２排ガスを前記電解質・電極接合体の外方に排出させるよう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、前記封止部材は、前記他方の電極側に配設されるとともに、
   前記セパレータ間には、前記一方の電極で使用後の前記第１排ガスを、前記電解質・電極接合体の外方に排出する開口部を設ける周回部材が配設されることを特徴とする燃料電池。
3. 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、
   前記セパレータ間に配設され、前記電解質・電極接合体の外周部を周回し、且つ前記アノード電極又は前記カソード電極の一方の電極で使用後の第１排ガスを前記電解質・電極接合体の外方に排出する開口部を設ける周回部材と、
   前記一方の電極とは反対の他方の電極側で、前記電解質・電極接合体の外周端縁部と前記セパレータとの間から前記周回部材と前記セパレータとの間まで延在して配設され、前記第１排ガスが前記他方の電極側に導入されることを阻止し、且つ前記他方の電極で使用後の第２排ガスを前記電解質・電極接合体の外方に排出するための封止部材と、
   を備えることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記セパレータには、前記アノード電極の電極面中心から電極面外周に向かって燃料ガスを供給する燃料ガス通路と、
   前記カソード電極の電極面中心から電極面外周に向かって酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路と、
   が設けられることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項４記載の燃料電池において、前記セパレータは、互いに積層される第１、第２及び第３プレートを備え、
   前記第１プレートと前記アノード電極との間に、前記燃料ガス通路が形成され、前記第３プレートと前記カソード電極との間に、前記酸化剤ガス通路が形成されることを特徴とする燃料電池。
6. 請求項５記載の燃料電池において、前記第１プレートと前記第２プレートとの間には、前記燃料ガスを加圧充填可能な燃料ガス圧力室と、
   前記アノード電極の電極面中心に対応して前記燃料ガス圧力室と前記燃料ガス通路とを連通する燃料ガス導入口と、
   が形成されるとともに、
   前記第２プレートと前記第３プレートとの間には、前記酸化剤ガスを加圧充填可能な酸化剤ガス圧力室と、
   前記カソード電極の電極面中心に対応して前記酸化剤ガス圧力室と前記酸化剤ガス通路とを連通する酸化剤ガス導入口と、
   が形成されることを特徴とする燃料電池。
7. 請求項４乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記周回部材は、前記電解質・電極接合体の外周面から離間して前記電解質・電極接合体を周回することにより、前記周回部材の内周面と前記電解質・電極接合体の外周面との間には、前記第１排ガスを貯留可能なチャンバが形成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、前記周回部材は、絶縁性を有する部材で構成されることを特徴とする燃料電池。
9. 請求項８記載の燃料電池において、前記絶縁性を有する部材は、絶縁体、絶縁層を有する金属部材、あるいは、絶縁体と金属の複合部材で構成されることを特徴とする燃料電池。
10. 請求項７記載の燃料電池において、前記周回部材と前記セパレータとの間又は前記周回部材の間には、絶縁体が介装されることを特徴とする燃料電池。
11. 請求項７記載の燃料電池において、前記封止部材は、金属箔製のリング部材で構成されることを特徴とする燃料電池。
12. 請求項１１記載の燃料電池において、前記金属箔製のリング部材の一部に絶縁層を設け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、前記絶縁層は、前記電解質、前記アノード電極又は前記カソード電極のいずれか一つに接することを特徴とする燃料電池。

Images