JP2007207505A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、積層された各段の電解質・電極接合体に対して反応ガスを均一且つ良好に供給することができ、発電反応を均一化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と交互に積層されるセパレータ２８を備える。セパレータ２８に通路部材６０が接合されることにより、これらの間には、燃料ガス供給通路４４が形成される。燃料ガス供給通路４４は、燃料ガス導入口３８を介して燃料ガス通路４０に連通する一方、内部チャンバ６９に一体に連通する。内部チャンバ６９は、燃料ガス取り入れ口６６を介して燃料ガス貯留室６８に連通し、これらによって燃料ガス供給部７１が構成される。燃料ガス供給部７１は、複数のセパレータ２８が積層された状態で、積層方向に一体に連通するチャンバ７１ａを構成する。
【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）を供給するために、セパレータの面方向に沿って燃料ガス通路及び酸化剤ガス通路が形成されている。その際、燃料電池スタックでは、各燃料ガス通路及び各酸化剤ガス通路に燃料ガス及び酸化剤ガスを分配するために、積層方向に延在する燃料ガス供給連通孔及び酸化剤ガス供給連通孔が設けられた内部マニホールドを構成する場合がある。

例えば、特許文献１に開示されている固体電解質燃料電池では、図２１に示すように、セパレータ１の四隅を貫通してガス吸気孔１ａ及びガス排出孔１ｂが設けられている。このセパレータ１には、燃料ガス又は酸化剤ガスを分配するために複数列の溝部１ｃと突起１ｄとが交互に形成されている。

ガス吸気孔１ａと溝部１ｃとは、三角形へこみ１ｅを介して連通するとともに、ガス排出孔１ｂと前記溝部１ｃとは、三角形へこみ１ｆを介して連通している。三角形へこみ１ｅのガス吸気孔１ａに近接するガス導入部には、ガスの流れを絞るための絞り部２及び／又は障害物３が設けられている。

このため、ガス導入部におけるガスの圧力損失を大きくすることができ、ガス吸気孔１ａ内の圧力損失を無視することが可能になる。これにより、ガス流の中で下流に位置するセパレータ１へのガス流量が減少することがない、としている。

特開平１０−１７２５９４号公報（図２）

上記の特許文献１では、各セパレータ１のガス導入部毎に、絞り部２及び／又は障害物３が設けられている。このため、各セパレータ１の溝部１ｃに対してガス流量を均一化させ得るものの、積層方向の各段のセパレータ１に対してガスを均一に分流させることができず、積層方向に沿って均一な発電を行うことが困難にな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、簡単且つ経済的な構成で、積層された各段の電解質・電極接合体の電極面に対して反応ガスを均一且つ良好に供給することができ、積層方向に沿って発電反応を均一化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（スタック）される燃料電池に関するものである。

この燃料電池は、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、前記セパレータを積層方向に貫通し、前記燃料ガスを前記積層方向に流動させる燃料ガス供給連通孔と、前記セパレータに設けられ、前記燃料ガス供給連通孔から前記燃料ガス通路に分流して供給する燃料ガス供給部とを備えている。そして、燃料ガス供給部は、複数のセパレータが積層された状態で、積層方向に一体に連通するチャンバを構成している。

また、燃料ガス供給部は、燃料ガス供給連通孔に連通する燃料ガス貯留室と、前記燃料ガス貯留室に連通し、前記燃料ガス貯留室から燃料ガスを取り入れる燃料ガス取り入れ口と、前記燃料ガス取り入れ口から取り入れられた前記燃料ガスを燃料ガス通路に供給する燃料ガス供給通路とを備え、セパレータには、前記燃料ガス供給通路と前記燃料ガス通路とを連通し、前記燃料ガスをアノード電極に向かって導入する燃料ガス導入口が設けられるとともに、前記燃料ガス取り入れ口の圧力損失は、前記燃料ガス供給連通孔の圧力損失よりも大きく設定されることが好ましい。燃料ガス取り入れ口で流路断面積を絞ることにより圧力損失を生じさせ、積層方向の各段の燃料ガス供給連通孔に供給される燃料ガスの流量を均等に分配することができるからである。

さらにまた、燃料ガス取り入れ口の開口面積の合計は、燃料ガス供給連通孔の開口面積の合計よりも小さいことが好ましい。

さらに、燃料ガス取り入れ口の圧力損失は、燃料ガス導入口の圧力損失よりも大きく設定することが好ましい。燃料ガス貯留室を等圧に制御することができ、積層方向に複数配置されたセパレータに燃料ガスを均等に分配することが可能になるからである。この他、燃料ガス取り入れ口の開口面積を大きくすることが可能になり、加工し易くなって、加工コストの低減が容易に図られる。

また、燃料ガス取り入れ口における燃料ガスの流量は、燃料ガス導入口における前記燃料ガスの流量よりも多いことが好ましい。上記と同様に、積層方向に複数配置されたセパレータに燃料ガスを均等に分配することが可能になるからである。

さらにまた、燃料ガス供給通路は、燃料ガス供給部から複数に分岐するとともに、セパレータの面方向には、各燃料ガス供給通路に対応して複数の電解質・電極接合体が配設されることが好ましい。燃料ガスは、各燃料ガス供給通路に等圧に調圧されて流れるため、複数の電解質・電極接合体に均等に供給され、均一な発電反応を得ることができるからである。その他、複数の電解質・電極接合体のいずれか１以上が破損した際にも、残りの電解質・電極接合体により均一な発電反応を継続することができるからである。

また、燃料ガス供給部は、セパレータの中央部に設けられるとともに、複数の電解質・電極接合体は、前記燃料ガス供給部を中心に同一円周上に配設されることが好ましい。複数の電解質・電極接合体の温度分布を均一に維持することが可能になるからである。

さらに、燃料ガス供給部は、燃料ガス貯留室に燃料ガス取り入れ口を介して連通する内部チャンバを有し、前記内部チャンバは、複数の燃料ガス供給通路に一体に連通することが好ましい。内部チャンバで等圧に調圧された燃料ガスは、各燃料ガス供給通路を介して各電解質・電極接合体に均等な流量で供給されるからである。

さらにまた、セパレータは、単一のプレートで構成され、前記プレートの一方の面とアノード電極との間に、燃料ガス通路が形成されるとともに、前記プレートの他方の面とカソード電極との間に、酸化剤ガス通路が形成され、前記プレートの他方の面又は一方の面には、燃料ガス供給通路を形成する燃料ガス通路部材に設けられることが好ましい。

また、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プレートと前記カソード電極との間に、酸化剤ガス通路が形成されるとともに、前記第１プレートと前記第２プレートとの間に、燃料ガス供給通路が形成され、前記第３プレートと前記第２プレートとの間に、酸化剤ガス供給通路が形成されることが好ましい。

さらに、燃料電池は、燃料ガス通路と、酸化剤ガス通路と、セパレータを積層方向に貫通し、酸化剤ガスを積層方向に流動させる酸化剤ガス供給連通孔と、前記セパレータに設けられ、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給連通孔から前記酸化剤ガス通路に分流して供給する酸化剤ガス供給部とを備えるとともに、前記酸化剤ガス供給部は、複数の前記セパレータが積層された状態で、前記積層方向に一体に連通するチャンバを構成している。

本発明によれば、各セパレータに設けられて燃料ガス供給連通孔から燃料ガス通路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部は、複数の前記セパレータが積層された状態で、積層方向に一体に連通するチャンバを構成している。このため、チャンバ内では、燃料ガスの圧力が一定圧力になり、積層された複数のセパレータの各段の各燃料ガス供給部には、前記燃料ガスが等圧で貯留されることになる。従って、各燃料ガス供給部から燃料ガス通路に対して燃料ガスを均等の流量で供給することができ、積層方向の発電反応が均一化される。これにより、簡単且つ経済的な構成で、積層された各段の電解質・電極接合体の電極面に対して燃料ガスを均一且つ良好に供給することが可能になり、前記積層方向全体の発電性能が良好に向上する。

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。

燃料電池スタック１２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１０は、固体電解質型燃料電池であり、この燃料電池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、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１０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の中心部と同心円上に配列される。セパレータ２８は、図２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、中央部に同心円上に、例えば、４つの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４０が形成される。この燃料ガス通路４０は、各円板部３６の面３６ａに形成される複数の突起部４２により構成される。

突起部４２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。突起部４２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。以下に説明する他の突起部は、上記の突起部４２と同様に構成される。

図４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４４が形成される。燃料ガス供給通路４４は、例えば、エッチングにより形成される。

図２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（燃料ガス通路部材）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、略平板状に構成されるとともに、中央部に同心円上に４つの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。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５参照）。

図５及び図６に示すように、第２小径端部６２には、各燃料ガス供給連通孔３０を囲繞し且つ接合されるセパレータ２８側の面から突出してリング状凸部６５が設けられる。第２小径端部６２の中央には、接合されるセパレータ２８側とは反対の面から突出してボス部６６ａが設けられ、このボス部６６ａには、燃料ガス取り入れ口６６が形成される。第２小径端部６２には、ボス部６６ａ側の面にリング部６７が別体又は一体に設けられる。リング部６７内には、燃料ガス供給連通孔３０及び燃料ガス取り入れ口６６に連通する燃料ガス貯留室６８が形成される。

第２小径端部６２が第１小径端部３２に接合されると、これらの間には、内部チャンバ６９が形成される。この内部チャンバ６９は、燃料ガス取り入れ口６６を介して燃料ガス貯留室６８に連通するとともに、複数の燃料ガス供給通路４４に一体に連通する。

燃料ガス貯留室６８、燃料ガス取入れ口６６及び内部チャンバ６９により燃料ガス供給部７１が構成される。燃料ガス供給部７１は、各セパレータ２８が矢印Ａ方向に積層された状態で、前記積層方向に一体に連通するチャンバ７１ａを構成する。内部チャンバ６９は、各燃料ガス供給連通孔３０を周回して凸部６５が第１小径端部３２に接合されることにより、前記燃料ガス供給連通孔３０からシールされる。燃料ガス取り入れ口６６の開口面積は、４つの燃料ガス供給連通孔３０の総開口面積よりも小さいとともに、前記燃料ガス取り入れ口６６における圧力損失は、燃料ガス導入口３８における圧力損失よりも大きく設定される。燃料ガス貯留室６８及び燃料ガス取り入れ口６６から複数、例えば、８個の電解質・電極接合体２６に燃料ガスを供給することから、燃料ガス貯留室６８及び燃料ガス取り入れ口６６の燃料ガスの流量が燃料ガス導入口３８における流量より８倍以上に多くなる。従って、たとえ燃料ガス取り入れ口６６の開口面積を燃料ガス導入口３８の開口面積より大きくしたとしても、燃料ガスの流量差によって圧倒的に圧力損失が大きくなるからである。

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。

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２及び図５参照）。

図５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連通孔７４に連通する。この酸化剤ガス供給連通孔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、リング部６７に積層されてリング状の絶縁シール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１０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の積層方向両端に略円板状のエンドプレート８０ａ、８０ｂを配置する。エンドプレート８０ａの中央部には、燃料ガス供給連通孔３０に連通して孔部８２が設けられるとともに、前記孔部８２の周囲には、酸化剤ガス供給連通孔７４に連通して複数の孔部８４が設けられる。エンドプレート８０ａ、８０ｂ間は、ねじ孔８６に螺合する図示しないボルトにより矢印Ａ方向に締め付けられている。なお、孔部８２は、各燃料ガス供給連通孔３０に対応して同心円上に４つ設けてもよい。

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。

燃料電池スタック１２を組み付ける際には、先ず、図２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、内部チャンバ６９及び燃料ガス供給通路４４が形成される。この内部チャンバ６９は、燃料ガス取り入れ口６６を介して燃料ガス貯留室６８に連通し、さらに、前記燃料ガス貯留室６８から４つの燃料ガス供給連通孔３０に連通する（図５参照）。

一方、燃料ガス供給通路４４は、燃料ガス導入口３８から燃料ガス通路４０に連通する。その際、通路部材６０の凸部６５は、第１小径端部３２に接合されるため、セパレータ２８と前記通路部材６０との間では、内部チャンバ６９と燃料ガス供給連通孔３０とが互いに閉塞される。

さらに、各セパレータ２８間には、リング部６７に積層して絶縁シール７６が設けられる。これにより、各セパレータ２８毎に形成される燃料ガス供給部７１は、積層方向に一体に連通してチャンバ７１ａが形成される。

そして、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。その際、図２及び図５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８０ａ、８０ｂが配置されて燃料電池スタック１２が構成される。

次に、燃料電池スタック１２では、図１に示すように、エンドプレート８０ａの孔部８２から各燃料ガス供給連通孔３０に燃料ガス（水素含有ガス）が供給されるとともに、孔部８４から酸化剤ガス供給連通孔７４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。

図５に示すように、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に沿って積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら、各セパレータ２８に設けられる燃料ガス供給部７１を構成する燃料ガス貯留室６８に供給される。このため、燃料ガスは、積層方向からセパレータ面方向（矢印Ｂ方向）に分流した後、燃料ガス取り入れ口６６を通って内部チャンバ６９に供給される。この燃料ガスは、さらに内部チャンバ６９に一体に連通する各燃料ガス供給通路４４に沿ってセパレータ面方向に移動する。

燃料ガスは、各燃料ガス供給通路４４から円板部３６に形成された燃料ガス導入口３８を通って燃料ガス通路４０に導入される。各燃料ガス導入口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。従って、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に沿って前記アノード電極２４の外周部に向かって移動する。

一方、酸化剤ガス供給連通孔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。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使用済みの空気及び使用済みの燃料ガスは、オフガスとして排ガス通路７８を介して燃料電池スタック１２から排出される（図１参照）。

この場合、第１の実施形態では、各セパレータ２８に設けられて、燃料ガス供給連通孔３０から積層方向各段の燃料ガス通路４０に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部７１は、複数の前記セパレータ２８が積層された状態で、積層方向に一体に連通するチャンバ７１ａを構成している。

このため、チャンバ７１ａ内では、燃料ガスの圧力が一定圧力に維持されており、積層された複数のセパレータ２８の各段の各燃料ガス供給部７１の燃料ガス貯留室６８には、前記燃料ガスが等圧で貯留される。従って、各燃料ガス貯留室６８から燃料ガス取り入れ口６６を介して内部チャンバ６９、さらにこの内部チャンバ６９に連通する燃料ガス供給通路４４から各燃料ガス通路４０には、燃料ガスが均等の流量で供給され、積層方向の発電反応が均一化される。

これにより、簡単且つ経済的な構成で、積層された各段の電解質・電極接合体２６の電極面に対して燃料ガスを均一且つ良好に供給することができ、前記積層方向全体にわたって所望の発電性能を確実に維持することが可能になるという効果が得られる。

また、燃料ガス供給部７１は、燃料ガス貯留室６８と燃料ガス取り入れ口６６とを備えるとともに、前記燃料ガス取入れ口６６の圧力損失は、燃料ガス供給連通孔３０の圧力損失よりも大きく設定されている。このため、積層方向の各段の複数の燃料ガス供給通路４４に供給される燃料ガスの流量を均等に分配することができる。

さらに、燃料ガス取り入れ口６６の開口面積は、燃料ガス導入口３８の開口面積よりも小さく設定されている。従って、燃料ガス取り入れ口６６がフィルタとして機能することができ、燃料ガス導入口３８が異物等によって閉塞されることを良好に阻止することが可能になる。

さらにまた、燃料ガス供給部７１を構成する内部チャンバ６９から複数の燃料ガス供給通路４４に分岐するとともに、セパレータ面方向には、各燃料ガス供給通路４４に対応して複数の、例えば、８つの電解質・電極接合体２６が配設されている。これにより、燃料ガスは、各燃料ガス供給通路４４に等圧に調圧されて流動するため、複数の電解質・電極接合体２６に均等に供給され、均一な発電性能を容易に得ることができる。

また、複数の電解質・電極接合体２６が燃料ガス供給部７１を中心に同一円周上に配設されている。従って、複数の電解質・電極接合体２６の温度分布を均一にすることが可能になり、発電性能の低下を阻止することが可能になる。

さらに、第１の実施形態では、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。従って、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。このため、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、円板部３６に設けられている複数の突起部４２により、積層方向の荷重が効率的に伝達される。従って、少ない荷重で、燃料電池１０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。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１００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６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１００を構成するセパレータ１０２には、カソード電極２２に対向する面に酸化剤ガス通路７０が設けられる。この酸化剤ガス通路７０は、各円板部３６の面３６ｂに形成される複数の突起部１０４により構成される（図８及び図９参照）。この突起部１０４は、突起部４２と同様に構成される。

このように構成される第２の実施形態では、積層方向各段の電解質・電極接合体２６に対して燃料ガスを均等且つ良好に供給することができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図１０は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１０６の分解斜視図であり、図１１は、前記燃料電池１０６の動作を説明する概略断面説明図である。

燃料電池１０６を構成するセパレータ１０７では、円板部３６の面３６ａに、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７２が配設される（図１０及び図１１参照）。

このように、第３の実施形態では、メッシュ部材７２の変形作用下に、前記メッシュ部材７２とアノード電極２４との密着性が促進される等の効果が得られる。

図１２は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１０８の分解斜視図であり、図１３は、前記燃料電池１０８の動作を説明する概略断面説明図である。

燃料電池１０８を構成するセパレータ１０９では、アノード電極２４に対向する面に、通路部材６０が固着される。この通路部材６０は、各第２橋架部６４の先端に１つ又は複数の燃料ガス導入口３８が形成される一方、円板部３６には、前記燃料ガス導入口３８が設けられていない。

図１４は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池１１０が矢印Ａ方向に複数積層された燃料電池スタック１１２の概略斜視説明図であり、図１５は、前記燃料電池１１０の分解斜視説明図である。

燃料電池１１０は、一組のセパレータ１１４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１１４は、互いに積層される第１、第２及び第３プレート１１６、１１８及び１２０を備える。第１〜第３プレート１１６、１１８及び１２０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１１８の両面に、前記第１プレート１１６と前記第３プレート１２０とが、例えば、ろう付けにより接合される。

図１５及び図１６に示すように、第１プレート１１６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４つの燃料ガス供給連通孔３０が形成される第１小径端部１２２を備える。第１小径端部１２２には、幅狭な橋架部１２６を介して比較的大径な第１円板部１２８が一体的に設けられる。第１円板部１２８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１２８のアノード電極２４に接触する面には、燃料ガス通路４０を構成する多数の第１突起部１３０が、外周縁部近傍から中心部にわたって設けられる。第１円板部１２８の外周縁部には、略リング状突起部１３２が設けられる。第１突起部１３０及び略リング状突起部１３２は、集電部を構成する。

第１円板部１２８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。なお、第１突起部１３０は、略リング状突起部１３２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。

第３プレート１２０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４つの酸化剤ガス供給連通孔７４と、前記酸化剤ガス供給連通孔７４を囲繞してリング状凸部１３５とが形成される第２小径端部１３４を備える。この第２小径端部１３４の中心には、酸化剤ガス取り入れ口１３６が設けられる。第２小径端部１３４には、幅狭な橋架部１３７を介して比較的大径な第２円板部１３８が一体的に設けられる。

図１７に示すように、第２小径端部１３４にリング部６７ａが別体又は一体に設けられ、このリング部６７ａ内には、酸化剤ガス供給連通孔７４及び酸化剤ガス取り入れ口１３６に連通する酸化剤ガス貯留室６８ａが形成される。酸化剤ガス取入れ口１３６は、内部チャンバ６９ａに連通するとともに、この内部チャンバ６９ａは、凸部１３５を介して酸化剤ガス供給連通孔７４から遮蔽され且つ酸化剤ガス供給通路１６２に連通する。酸化剤ガス貯留室６８ａ、酸化剤ガス取り入れ口１３６及び内部チャンバ６９ａにより酸化剤ガス供給部１３９が構成される。

第２円板部１３８は、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２に接する面に、酸化剤ガス通路７０を構成する複数の第２突起部１４０が面内全面にわたって形成される（図１７参照）。第２突起部１４０は、集電部を構成する。第２円板部１３８の中央部には、酸化剤ガスをアノード電極２４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１４２が形成される。酸化剤ガス取り入れ口１３６の開口面積は、４つの酸化剤ガス供給連通孔７４の総開口面積よりも小さいとともに、前記酸化剤ガス取り入れ口１３６における圧力損失は、酸化剤ガス導入口１４２における圧力損失よりも大きく設定される。酸化剤ガス取り入れ口１３６から複数、例えば、８個の電解質・電極接合体２６に酸化剤ガスを供給することから、酸化剤ガス取り入れ口１３６の酸化剤ガスの流量が酸化剤ガス導入口１４２における流量より８倍以上に多くなる。従って、たとえ酸化剤ガス取り入れ口１３６の開口面積を酸化剤ガス導入口１４２の開口面積より大きくしたとしても、酸化剤ガスの流量差によって圧倒的に圧力損失が大きくなるからである。

図１５に示すように、第２プレート１１８は、４つの燃料ガス供給連通孔３０及び燃料ガス取り入れ口６６が形成される第３小径端部１４４と、４つの酸化剤ガス供給連通孔７４が形成される第４小径端部１４６とを備える。第３及び第４小径端部１４４、１４６は、幅狭な橋架部１４８、１５０を介して比較的大径な第３円板部１５２と一体的に構成される。第３円板部１５２は、第１及び第２円板部１２８、１３８と同一直径に設定される。

第３小径端部１４４には、各燃料ガス供給連通孔３０を囲繞してリング状凸部１５４が形成される。橋架部１２６、１４８間には、燃料ガス導入口３８に連通する燃料ガス供給通路１５６が設けられる（図１７参照）。第３円板部１５２には、複数の第３突起部１５８が形成され、この第３突起部１５８は、燃料ガス供給通路１５６の一部を構成する。橋架部１３７、１５０間には、酸化剤ガス導入口１４２に連通する酸化剤ガス供給通路１６２が設けられる（図１７参照）。

第１プレート１１６が第２プレート１１８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１１６、１１８間には、燃料ガス通路４０に連通する燃料ガス供給通路１５６が設けられる。同様に、第２プレート１１８が第３プレート１２０にろう付けされることにより、第２及び第３プレート１１８、１２０間には、酸化剤ガス通路７０に連通する酸化剤ガス供給通路１６２が形成される。

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１６４ａが設けられるとともに、酸化剤ガス供給連通孔７４をシールするための絶縁シール１６４ｂが設けられる。絶縁シール１６４ａ、１６４ｂは、例えば、マイカ材やセラミック材で形成されている。

図１４に示すように、燃料電池スタック１１２は、複数の燃料電池１１０の積層方向両端にエンドプレート１７０ａ、１７０ｂを配置する。エンドプレート１７０ａには、燃料電池１１０の燃料ガス供給連通孔３０に連通する第１配管１７２と、酸化剤ガス供給連通孔７４に連通する第２配管１７４とが接続される。エンドプレート１７０ａ、１７０ｂは、締付ボルト１７６により締め付け保持されるとともに、前記エンドプレート１７０ａもしくは前記エンドプレート１７０ｂは、前記締付ボルト１７６と電気的に絶縁される。

このように構成される燃料電池スタック１１２の動作について、以下に説明する。

エンドプレート１７０ａに接続されている第１配管１７２から燃料ガス供給連通孔３０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１７０ａに接続された第２配管１７４から酸化剤ガス供給連通孔７４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（図１４参照）。

燃料ガス供給連通孔３０に供給された燃料ガスは、図１７に示すように、積層方向（矢印Ａ方向）に移動し、各セパレータ１１４に設けられる燃料ガス貯留室６８に分流した後、燃料ガス取り入れ口６６を通って内部チャンバ６９から各燃料ガス供給通路１５６に分流して供給される。この燃料ガスは、燃料ガス供給通路１５６から燃料ガス導入口３８を介して燃料ガス通路４０に供給される。

一方、酸化剤ガス供給連通孔７４に供給された酸化剤ガスは、積層方向に移動し、各セパレータ１１４に設けられる酸化剤ガス貯留室６８ａに分流される。この酸化剤ガスは、酸化剤ガス取り入れ口１３６を通って内部チャンバ６９ａから各酸化剤ガス供給通路１６２に分流して供給された後、前記酸化剤ガス供給通路１６２に連通する酸化剤ガス導入口１４２から酸化剤ガス通路７０に導入される。

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及び酸化剤ガスは、排ガスとして第１〜第３円板部１２８、１３８及び１５２の外周部から排ガス通路７８に排気される。

この場合、第５の実施形態では、図１７に示すように、各セパレータ１１４に設けられる酸化剤ガス供給部１３９は、複数の前記セパレータ１１４が積層された状態で、積層方向に一定に連通するチャンバ１３９ａを構成している。このため、チャンバ１３９ａ内では、酸化剤ガスの圧力が一定圧力に維持されており、積層された複数のセパレータ１１４の各酸化剤ガス供給部１３９には、前記酸化剤ガスが等圧で貯留される。これにより、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス供給部１３９から酸化剤ガス供給通路１６２を介して酸化剤ガス通路７０に均等の流量で供給され、積層方向の発電反応が均一化される。

一方、燃料ガス供給部７１においても同様に、積層された各セパレータ１１４にチャンバ７１ａが一体に構成されており、各燃料ガス通路４０に燃料ガスを均等に供給することができる。

これにより、簡単な構成で、発電反応を均一化させて発電効率の向上を図ることが可能になる等、第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。

図１８は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池１８０が、矢印Ａ方向に複数積層された燃料電池スタック１８２の概略斜視説明図であり、図１９は、前記燃料電池１８０の分解斜視図である。なお、第５の実施形態に係る燃料電池１１０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。

燃料電池１８０は、図１９に示すように、一組のセパレータ１８４間に４枚の電解質・電極接合体２６を挟んで構成される。セパレータ１８４は、第１プレート１８６、第２プレート１８８及び一対の第３プレート１９０ａ、１９０ｂを備える。第１〜第３プレート１８６、１８８、１９０ａ及び１９０ｂ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１８８の両面には、前記第１プレート１８６と前記第３プレート１９０ａ、１９０ｂとが、例えば、ろう付けにより接合される。

第１プレート１８６は、４つの燃料ガス供給連通孔３０が形成される第１小径端部１９２を備える。第１小径端部１９２には、幅狭な４つの橋架部１９６を介して比較的大径な４つの第１円板部１９８が一体的に設けられる。

第１円板部１９８のアノード電極２４に接触する面には、燃料ガス通路４０を構成する多数の第１突起部２００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１９８の外周縁部には、略リング状突起部２０２が設けられる。第１突起部２００及び略リング状突起部２０２は、集電部を構成する。

第１円板部１９８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１９８の外周縁部には、略リング状突起部２０２を積層方向に貫通して排出燃料ガス分流口２０４が複数形成される。

第３プレート１９０ａ、１９０ｂは、それぞれ酸化剤ガス供給連通孔７４、凸部１３５及び酸化剤ガス取り入れ口１３６が形成される第２小径端部２０６を備える。第２小径端部２０６には、幅狭なそれぞれ２つの橋架部２１０を介して比較的大径なそれぞれ２つの第２円板部２１２が一体的に設けられる。

第２円板部２１２は、図２０に示すように、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２１４が面内全面にわたって形成される。第２突起部２１４は、集電部を構成する。第２円板部２１２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１４２が形成される。

第２プレート１８８は、燃料ガス供給連通孔３０、凸部１５４及び燃料ガス取り入れ口６６が形成される第３小径端部２１６を備える。第３小径端部２１６には、幅狭な４つの橋架部２２０を介して比較的大径な４つの第３円板部２２２が一体的に設けられる。

各第３円板部２２２には、燃料ガス供給通路２２４が形成されるとともに、各燃料ガス供給通路２２４は、略リング状の凸部により構成される区画部２２６を介して第１及び第２燃料ガス供給通路部２２４ａ、２２４ｂに分割される。第３円板部２２２の面内には、区画部２２６の内方に位置して複数の第３突起部２２８が形成される。

第３円板部２２２には、それぞれ２つの幅狭な橋架部２２９を介して２つの第４小径端部２３０が一体的に設けられる。第４小径端部２３０には、４つの酸化剤ガス供給連通孔７４が形成される。セパレータ１８４間には、燃料ガス供給連通孔３０及び酸化剤ガス供給連通孔７４を囲繞して絶縁シール２３４、２３６が設けられる。

図１８に示すように、燃料電池スタック１８２は、複数の燃料電池１８０の積層方向両端にそれぞれ４枚のエンドプレート２４２ａ、２４２ｂを配置する。燃料ガス供給連通孔３０の矢印Ａ方向両端に対応してプレート２４４が配設され、このプレート２４４には、前記燃料ガス供給連通孔３０に燃料ガスを供給するための第１配管２４６が接続される。

各酸化剤ガス供給連通孔７４の矢印Ａ方向両端に対応してそれぞれ２枚のプレート２４８が配設されるとともに、各プレート２４８には、前記酸化剤ガス供給連通孔７４に空気を供給するための第２配管２５０が接続される。矢印Ａ方向両端のプレート２４４同士及びプレート２４８同士は、締付ボルト２５２により固定される。

このように構成される第６の実施形態では、図１８に示すように、第１配管２４６を介して燃料電池スタック１８２内の燃料ガス供給連通孔３０に燃料ガスが供給されるとともに、各第２配管２５０を介して前記燃料電池スタック１８２内の酸化剤ガス供給連通孔７４に空気が供給される。

燃料ガス供給連通孔３０に供給された燃料ガスは、図２０に示すように、積層方向に移動しながら、各燃料電池１８０を構成する各セパレータ１８４の燃料ガス供給部７１に分流され、燃料ガス取り入れ口６６を通って各燃料ガス供給通路２２４に供給される。燃料ガスは、各燃料ガス供給通路２２４に沿って各第１燃料ガス供給通路部２２４ａに導入される。

このため、各第１燃料ガス供給通路部２２４ａに導入された燃料ガスは、それぞれの燃料ガス導入口３８から各電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の中心位置に対応して供給される。

一方、酸化剤ガス供給連通孔７４に供給された空気は、各セパレータ１８４の酸化剤ガス供給部１３９に分流した後、酸化剤ガス取り入れ口１３６を通って酸化剤ガス供給通路１６２を移動する。さらに、空気は、第２円板部２１２の中心位置に設けられる酸化剤ガス導入口１４２から各電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の中心位置に対応して供給される。

従って、この第６の実施形態では、上記の第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。 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。 前記燃料電池の要部斜視説明図である。 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。 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。 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、１００、１０６、１０８、１１０、１８０…燃料電池
１２、１１２、１８２…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、１０２、１０７、１０９、１１４、１８４…セパレータ
３０…燃料ガス供給連通孔 ３６…円板部
３８…燃料ガス導入口 ４０…燃料ガス通路
４４、１５６…燃料ガス供給通路 ６０…通路部材
６６…燃料ガス取り入れ口 ６７…リング部
６８…燃料ガス貯留室 ６８ａ…酸化剤ガス貯留室
６９、６９ａ…内部チャンバ ７０…酸化剤ガス通路
７１…燃料ガス供給部 ７２…メッシュ部材
７４…酸化剤ガス供給連通孔
７６、１６４ａ、１６４ｂ、２３４、２３６…絶縁シール
７８…排ガス通路
１１６、１１８、１２０、１８６、１８８、１９０ａ、１９０ｂ…プレート
１３６…酸化剤ガス取り入れ口 １３９…酸化剤ガス供給部
１４２…酸化剤ガス導入口 １６２…酸化剤ガス供給通路

Claims (11)

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、
   前記セパレータを積層方向に貫通し、前記燃料ガスを前記積層方向に流動させる燃料ガス供給連通孔と、
   前記セパレータに設けられ、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給連通孔から前記燃料ガス通路に分流して供給する燃料ガス供給部と、
   を備えるとともに、
   前記燃料ガス供給部は、複数の前記セパレータが積層された状態で、前記積層方向に一体に連通するチャンバを構成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、前記燃料ガス供給部は、前記燃料ガス供給連通孔に連通する燃料ガス貯留室と、
   前記燃料ガス貯留室に連通し、前記燃料ガス貯留室から前記燃料ガスを取り入れる燃料ガス取り入れ口と、
   前記燃料ガス取り入れ口から取り入れられた前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給する燃料ガス供給通路と、
   を備え、
   前記セパレータには、前記燃料ガス供給通路と前記燃料ガス通路とを連通し、前記燃料ガスを前記アノード電極に向かって導入する燃料ガス導入口が設けられるとともに、
   前記燃料ガス取り入れ口の圧力損失は、前記燃料ガス供給連通孔の圧力損失よりも大きく設定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、前記燃料ガス取り入れ口の開口面積の合計は、前記燃料ガス供給連通孔の開口面積の合計よりも小さいことを特徴とする燃料電池。
4. 請求項２記載の燃料電池において、前記燃料ガス取り入れ口の圧力損失は、前記燃料ガス導入口の圧力損失よりも大きく設定さ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、前記燃料ガス取り入れ口における前記燃料ガスの流量は、前記燃料ガス導入口における前記燃料ガスの流量よりも多いことを特徴とする燃料電池。
6. 請求項２乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記燃料ガス供給通路は、前記燃料ガス供給部から複数に分岐するとともに、
   前記セパレータの面方向には、各燃料ガス供給通路に対応して複数の前記電解質・電極接合体が配設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、前記燃料ガス供給部は、前記セパレータの中央部に設けられるとともに、
   複数の前記電解質・電極接合体は、前記燃料ガス供給部を中心に同一円周上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、前記燃料ガス供給部は、前記燃料ガス貯留室に前記燃料ガス取り入れ口を介して連通する内部チャンバを有し、
   前記内部チャンバは、複数の前記燃料ガス供給通路に一体に連通することを特徴とする燃料電池。
9. 請求項５乃至８のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記セパレータは、単一のプレートで構成され、
   前記プレートの一方の面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るとともに、
   前記プレートの他方の面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、
   前記プレートの他方の面又は一方の面には、前記燃料ガス供給通路を形成する燃料ガス通路部材に設けられることを特徴とする燃料電池。
10. 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とともに、
    前記第１プレートと前記第２プレートとの間に、前記燃料ガス供給通路が形成され、前記第３プレートと前記第２プレートとの間に、前記酸化剤ガス供給通路が形成されることを特徴とする燃料電池。
11. 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、
    前記セパレータを積層方向に貫通し、前記酸化剤ガスを前記積層方向に流動させる酸化剤ガス供給連通孔と、
    前記セパレータに設けられ、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給連通孔から前記酸化剤ガス通路に分流して供給する酸化剤ガス供給部と、
    を備えるとともに、
    前記酸化剤ガス供給部は、複数の前記セパレータが積層された状態で、前記積層方向に一体に連通するチャンバを構成することを特徴とする燃料電池。

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