JP2010231902A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】未使用の反応ガス（燃料ガス・酸化剤ガス）の無駄な排出を抑制するとともに、アノード電極１４への酸化剤ガスの拡散及びカソード電極１５への燃料ガスの拡散を抑制することが可能な、燃料電池１１を提供する。
【解決手段】セパレータ２０の燃料ガス通路４１には、中心部に燃料ガス供給孔４２が形成され、周縁部に第１周縁凸部４４が形成されている。第１周縁凸部４４には、複数の燃料ガス排出孔４５が形成されている。酸化剤ガス通路５１には、中心部に酸化剤ガス供給孔５２が形成され、周縁部に第２周縁凸部５４が形成されている。第２周縁凸部５４には、複数の酸化剤ガス排出孔５５が形成されている。燃料ガス排出孔４５と酸化剤ガス排出孔５５は、位相を異にして形成されている。
【選択図】図２

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、セパレータ間に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（ＭＥＡ）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。

近時では、平板シールレス型の固体電解質型燃料電池が開発されている。このシールレス型の燃料電池では、シール型の燃料電池に比較して、構造が簡素化され、電解質・電極接合体に付与される荷重も緩和される等の利点がある。

特許文献１には、セパレータのマニホールド部分と発電セルが位置する部分とを繋ぐ連絡部分に荷重に対する可撓性を持たせる技術が開示されている。これにより、セパレータに掛かる荷重はマニホールド部分と発電セルが位置する部分に分離することができ、各々が好適に加重されるようになるとされている。
しかしながら、特許文献１に記載された技術では、発電セルの周縁部から未使用の反応ガス（燃料ガス・酸化剤ガス）が無駄に排出されるので、反応ガスを効率良く利用できないという問題がある。

また特許文献２には、燃料極集電体の外周部を覆うように、ガス排出孔を設けたカバーを配設し、外周部から排出される余剰ガスの排出箇所を制限する技術が開示されている。これにより、燃料極集電体の外周部からの無駄なガスの放出を防止しうるとされている。
しかしながら、特許文献２に記載された技術では、セパレータとは別部品のカバーを配設するので、部品点数が多くなり、製造コストが増加するという問題がある。また、燃料電池の厚さが増すので、燃料電池スタックは積層方向に大型化してしまうという問題もある。

また特許文献３には、ニッケルークロム合金の円形状の薄板をプレス加工してセパレータを成形し、アノード電極側に燃料ガスのマニホールド、ガス流路、ガス流路に連通する絞り溝、および集電突起を備え、また、反対面のカソード電極側に、上記の集電突起に相対して酸化剤ガスのマニホールドとガス流路を、また上記のマニホールドとガス流路に相対して集電突起を備え、側端部にガス流路に連通する絞り溝を備える技術が開示されている。

特開２００６−１２０５８９号公報 特開２００５−８５５２０号公報 特開平１１−４５７２７号公報

しかしながら、特許文献１または３に記載された技術では、カソード電極から排出された酸化剤ガスがアノード電極に拡散するので、アノード電極が酸化されて劣化するとともに、アノード電極から排出された燃料ガスがカソード電極に拡散するので、カソード電極が還元されて劣化するという問題がある。
特に特許文献３では、酸化剤ガスが酸化剤ガス絞り溝から排出されるだけでなく、隣り合う燃料ガス絞り溝の間からも排出されるとともに、燃料ガスが燃料ガス絞り溝から排出されるだけでなく、隣り合う酸化剤ガス絞り溝の間からも排出されるので、上述した問題が顕著になる。また、燃料ガス側のガス流路と酸化剤ガス側のガス流路とが互い違いであり、さらに、燃料ガス側の集電突起と酸化剤ガス側の集電突起と互い違いであるので、セパレータのアノード電極側とカソード電極側とで、積層方向の荷重を確実に伝達することができず、セパレータとＭＥＡとの密着性が損なわれるため、良好な集電効果が得られず、発電効率が低下することになる。

そこで本発明は、未使用の反応ガス（燃料ガス・酸化剤ガス）の無駄な排出を抑制するとともに、アノード電極への酸化剤ガスの拡散及びカソード電極側への燃料ガスの拡散を抑制することが可能な、燃料電池の提供を課題とする。

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、セパレータ間に積層される燃料電池である。
前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持するとともに、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燃料ガス通路及び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酸化剤ガス通路が個別に設けられる挟持部を備えている。
前記挟持部は、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孔と、前記燃料ガス通路側の周縁部に、前記燃料ガス通路側に突出して前記アノード電極の周縁部に接触する第１周縁凸部と、前記燃料ガス通路を通って使用された前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出孔と、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガス供給孔と、前記酸化剤ガス通路側の周縁部に、前記酸化剤ガス通路側に突出して前記カソード電極の周縁部に接触する第２周縁凸部と、前記酸化剤ガス通路を通って使用された前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出孔と、を備えている。
そして、前記燃料ガス排出孔と前記酸化剤ガス排出孔は、位相を異にして形成される。

この発明によれば、燃料ガス供給孔から燃料ガス通路に供給された燃料ガスは、第１周縁凸部によって外部に吹き抜けすることを阻止される。このため、燃料ガスを発電反応に有効に利用することが可能になり、燃料利用率が良好に向上する。しかも、電解質・電極接合体の外方から酸化剤ガスや排ガス等の他のガスが、アノード電極に回り込むことを、第１周縁凸部によって阻止することができる。これにより、アノード電極の酸化による発電効率の低下を防止するとともに、セパレータや電解質・電極接合体の耐久性の向上が容易に図られる。
また、酸化剤ガス供給孔から酸化剤ガス通路に供給された酸化剤ガスは、第２周縁凸部によって外部に吹き抜けすることを阻止される。このため、酸化剤ガスを発電反応に有効に利用することが可能になる。しかも、電解質・電極接合体の外方から燃料ガスや排ガス等の他のガスが、カソード電極に回り込むことを、第２周縁凸部によって阻止することができる。これにより、カソード電極の還元による発電効率の低下を防止するとともに、セパレータや電解質・電極接合体の耐久性の向上が容易に図られる。
さらに、第１周縁凸部及び第２周縁凸部を介して、良好な集電効果が得られる。しかも、第１周縁凸部と第２周縁凸部との間で、積層方向の荷重を確実に伝達することができ、セパレータと電解質・電極接合体との密着性が高まるため、より良好な集電効果が得られ、発電効率の向上が図られる。

そして、燃料ガス排出孔と酸化剤ガス排出孔は位相を異にして形成されているので、電解質・電極接合体の外方から酸化剤ガスや排ガス等の他のガスが、アノード電極に回り込むことを、更に阻止することができる。これにより、アノード電極の酸化による発電効率の低下を防止するとともに、セパレータや電解質・電極接合体の耐久性の更なる向上が容易に図られる。
また、電解質・電極接合体の外方から燃料ガスや排ガス等の他のガスが、カソード電極に回り込むことを、更に阻止することができる。これにより、カソード電極の還元による発電効率の低下を防止するとともに、セパレータや電解質・電極接合体の耐久性の更なる向上が容易に図られる。
しかも、排出された燃料ガス（未使用）と酸化剤ガス（未使用）は、挟持部周辺で燃えるので、燃料電池（挟持部）を予め加熱することができ、熱効率の向上と熱自立の促進とを図ることができる。ここで、熱自立とは、外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみで燃料電池の動作温度を維持することをいう。

前記燃料ガス排出孔の開口断面積の総和は、前記酸化剤ガス排出孔の開口断面積の総和よりも小さく設定されることが好ましい。
また、前記燃料ガス排出孔の数は、前記酸化剤ガス排出孔の数よりも少なく設定されることが好ましい。
この発明によれば、通常、反応ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）＞１．０で運転される燃料電池において、燃料ガスと酸化剤ガスの圧力差・圧力損失差が低減される。そのため、電解質・電極接合体の外方から酸化剤ガスや排ガス等の他のガスが、アノード電極に回り込むことを、更に阻止することができるとともに、電解質・電極接合体の外方から燃料ガスや排ガス等の他のガスが、カソード電極に回り込むことを、更に阻止することができる。これにより、セパレータや電解質・電極接合体の耐久性の更なる向上が容易に図られる。

前記燃料ガス排出孔は、前記挟持部の中央部から前記セパレータの面方向に等角度間隔ずつ離間して放射状に設定されることが好ましい。
また、前記酸化剤ガス排出孔は、前記挟持部の中央部から前記セパレータの面方向に等角度間隔ずつ離間して放射状に設定されることが好ましい。
この発明によれば、燃料ガスがアノード電極全域に行き渡り、且つ、使用された燃料ガスの排出が特定の燃料ガス排出孔に偏ることがない。また、酸化剤ガスがカソード電極全域に行き渡り、且つ、使用された酸化剤ガスの排出が特定の酸化剤ガス排出孔に偏ることがない。そのため、発電時に電解質・電極接合体の表面に、燃料ガスまたは酸化剤ガスの濃度差に起因する発電差が生じ難く、発電差に起因する温度差が生じ難い。したがって、電解質・電極接合体の耐久性の向上が期待できる。

前記燃料ガス供給孔の開口断面積の総和は、前記酸化剤ガス供給孔の開口断面積の総和よりも小さく設定されることが好ましい。
また、前記燃料ガス供給孔の数は、前記酸化剤ガス供給孔の数よりも少なく設定されることが好ましい。
また、前記燃料ガス通路の体積は、前記酸化剤ガス通路の体積よりも小さく設定されることが好ましい。
この発明によれば、通常、反応ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）＞１．０で運転される燃料電池において、燃料ガスと酸化剤ガスの圧力差・圧力損失差が低減される。そのため、電解質・電極接合体の外方から酸化剤ガスや排ガス等の他のガスが、アノード電極に回り込むことを、更に阻止することができるとともに、電解質・電極接合体の外方から燃料ガスや排ガス等の他のガスが、カソード電極に回り込むことを、更に阻止することができる。これにより、セパレータや電解質・電極接合体の耐久性の更なる向上が容易に図られる。

前記挟持部は、前記燃料ガス通路側に突出して前記アノード電極に接触する複数の突起部が設けられることが好ましい。
また、前記挟持部は、前記酸化剤ガス通路側に突出して前記カソード電極に接触する複数の突起部が設けられることが好ましい。
この発明によれば、複数の突起部により良好な集電効果が得られるとともに、各突起部間に形成される燃料ガス通路に沿って、燃料ガス及び燃料排ガスの流通性を向上させることができる。また、各突起部間に形成される酸化剤ガス通路に沿って、酸化剤ガス及び酸化剤排ガスの流通性を向上させることができる。

前記挟持部は、前記燃料ガス通路側に突出して前記アノード電極に接触する複数の突起部が設けられるとともに、前記酸化剤ガス通路側に突出して前記カソード電極に接触する複数の突起部が設けられ、前記アノード電極側の突起部と前記カソード電極側の突起部とは、前記セパレータの積層方向に沿って同一の位相に配列される数が、同一の位相以外に配列される数よりも多数に設定されることが好ましい。
この発明によれば、アノード電極側突起部とカソード電極側突起部との間で、積層方向の荷重を確実に伝達することができ、電解質・電極接合体とセパレータとの密着性が向上するとともに、電解質・電極接合体で発電された電力を効率的に集電することができる。

前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給通路が形成される燃料ガス橋架部と、前記挟持部に連結され、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給通路が形成される酸化剤ガス橋架部と、前記燃料ガス橋架部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給通路に供給するための燃料ガス供給連通孔が積層方向に形成される燃料ガス供給部と、前記酸化剤ガス橋架部に連結され、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給通路に供給するための酸化剤ガス供給連通孔が積層方向に形成される酸化剤ガス供給部と、を備えることが好ましい。
この発明によれば、燃料ガス供給部と挟持部との間で、燃料ガス橋架部を介して積層方向の締め付け荷重が遮断される。また、酸化剤ガス供給部と挟持部との間で、酸化剤ガス橋架部を介して積層方向の締め付け荷重が遮断される。これにより、電解質・電極接合体に所望の荷重を付与することができる。このため、簡単且つコンパクトな構成で、シール性が要求される部位（燃料ガス供給部・酸化剤ガス供給部）には、比較的大きな荷重を付与する一方、電解質・電極接合体には、挟持部との密着性を高める程度の比較的小さな荷重を付与することが可能になる。これにより、燃料ガス供給部及び酸化剤ガス供給部において所望のシール性を確保するとともに、電解質・電極接合体の損傷を可及的に阻止し、効率的な発電及び集電が遂行される。

前記燃料ガス供給通路の断面積の総和は、前記酸化剤ガス供給通路の断面積の総和よりも小さく設定されることが好ましい。
前記燃料ガス供給連通孔の断面積の総和は、前記酸化剤ガス供給連通孔の断面積の総和よりも小さく設定されることが好ましい。
この発明によれば、通常、反応ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）＞１．０で運転される燃料電池において、燃料ガスと酸化剤ガスの圧力差・圧力損失差が低減される。そのため、電解質・電極接合体の外方から酸化剤ガスや排ガス等の他のガスが、アノード電極に回り込むことを、更に阻止することができるとともに、電解質・電極接合体の外方から燃料ガスや排ガス等の他のガスが、カソード電極に回り込むことを、更に阻止することができる。これにより、セパレータや電解質・電極接合体の耐久性の更なる向上が容易に図られる。

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、前記燃料ガス供給部を中心に複数の前記電解質・電極接合体が同心円上に配列されることが好ましい。
この発明によれば、燃料ガス供給部がセパレータの中央部に設けられるので、燃料電池に供給される燃料ガスを発電による発生熱によって良好に加熱可能になる。従って、燃料電池は、熱効率の向上と熱自立の促進とを図ることができる。ここで、熱自立とは、外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみで燃料電池の動作温度を維持することをいう。
その上、燃料ガス供給部を中心に複数の電解質・電極接合体が同心円上に配列されるので、燃料ガス供給部から各電解質・電極接合体に対して燃料ガスを均等に分配することができ、各電解質・電極接合体の発電性能の向上及び安定化が図られる。

複数の前記燃料電池を積層した場合に、前記各燃料電池において同心円上に配列された前記各電解質・電極接合体が、それぞれ前記燃料電池の積層方向に沿って同一の位相に配列されることが好ましい。
この発明によれば、電解質・電極接合体に付与される荷重が不足することがないので、電解質・電極接合体とセパレータとの密着性が向上し、電解質・電極接合体で発電された電力を効率的に集電することができる。

前記挟持部は、前記各電解質・電極接合体に対応した形状を有するとともに、前記各挟持部は、互いに分離して構成されることが好ましい。
この発明によれば、挟持部は電解質・電極接合体に対応した形状を有するため、電解質・電極接合体で発電された電力を効率的に集電することができる。
しかも、各挟持部は互いに分離して構成されるので、隣接する電解質・電極接合体に独立して積層方向の荷重を付与することができる。このため、電解質・電極接合体やセパレータの寸法誤差によって各電解質・電極接合体に発生する異なる荷重を吸収することが可能になる。従って、セパレータ全体に歪みが惹起されることを阻止し、各電解質・電極接合体に対して均等な荷重を付与することができる。その上、各電解質・電極接合体の熱歪み等は、隣接する他の電解質・電極接合体に伝達されることがなく、電解質・電極接合体間には、特別な寸法吸収機構を設ける必要がない。これにより、各電解質・電極接合体同士を近接して配置することが可能になり、燃料電池全体の小型化が容易に図られる。

前記燃料ガス橋架部は、前記燃料ガス供給部から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に構成されることが好ましい。
この発明によれば、燃料ガス供給部から各燃料ガス橋架部を介して各電解質・電極接合体に対して燃料ガスを均等に供給することができ、各電解質・電極接合体の発電性能の向上及び安定化を図ることが可能になる。

前記セパレータは、前記挟持部、前記燃料ガス橋架部及び前記酸化剤ガス橋架部が前記電解質・電極接合体の数に対応する数に設定されることが好ましい。
この発明によれば、燃料ガス供給部から各燃料ガス橋架部及び各挟持部を介して各電解質・電極接合体に燃料ガスを均等に供給することができ、各電解質・電極接合体の発電性能の向上及び安定化を図ることが可能になる。

前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給通路及び前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給通路が形成される橋架部と、前記橋架部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給通路に供給するための燃料ガス供給連通孔及び前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給通路に供給するための酸化剤ガス供給連通孔が積層方向に形成される反応ガス供給部と、を備えることが好ましい。
この発明によれば、反応ガス供給部と挟持部との間は、橋架部を介して積層方向の締め付け荷重が遮断されるため、電解質・電極接合体に所望の荷重を付与することができる。このため、簡単且つコンパクトな構成で、シール性が要求される部位には、比較的大きな荷重を付与する一方、電解質・電極接合体には、挟持部との密着性を高める程度の比較的小さな荷重を付与することが可能になる。これにより、反応ガス供給部において所望のシール性を確保するとともに、電解質・電極接合体の損傷を可及的に阻止し、効率的な発電及び集電が遂行される。
さらに、橋架部には燃料ガス供給通路及び酸化剤ガス供給通路が形成されている。従って、燃料ガス及び酸化剤ガスは、電解質・電極接合体に供給される前に相互の温度差が低減され、電解質・電極接合体の安定した発電が可能になる。
しかも、反応ガス供給部には燃料ガス供給連通孔及び酸化剤ガス供給連通孔が形成されている。このため、燃料ガス及び酸化剤ガスは、電解質・電極接合体に供給される前に相互の温度差が低減され、電解質・電極接合体の安定した発電が可能になる。
その上、シール性が要求される燃料ガス供給連通孔及び酸化剤ガス供給連通孔は、反応ガス供給部に集約されている。これにより、反応ガス供給部に所望のシール性を確保するとともに、電解質・電極接合体の損傷を可及的に阻止し、効率的な発電及び集電が遂行可能になる。

前記燃料ガス供給通路の断面積の総和は、前記酸化剤ガス供給通路の断面積の総和よりも小さく設定されることが好ましい。
前記燃料ガス供給連通孔の断面積の総和は、前記酸化剤ガス供給連通孔の断面積の総和よりも小さく設定されることが好ましい。
この発明によれば、通常、反応ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）＞１．０で運転される燃料電池において、燃料ガスと酸化剤ガスの圧力差・圧力損失差が低減される。そのため、電解質・電極接合体の外方から酸化剤ガスや排ガス等の他のガスが、アノード電極に回り込むことを、更に阻止することができるとともに、電解質・電極接合体の外方から燃料ガスや排ガス等の他のガスが、カソード電極に回り込むことを、更に阻止することができる。これにより、セパレータや電解質・電極接合体の耐久性の更なる向上が容易に図られる。

前記反応ガス供給部は、前記セパレータの中央部に設けられるとともに、前記反応ガス供給部を中心に複数の前記電解質・電極接合体が同心円上に配列されることが好ましい。
この発明によれば、反応ガス供給部がセパレータの中央部に設けられるので、電解質・電極接合体に供給される前の燃料ガス及び酸化剤ガスを、発電による発生熱により良好に加熱することができ、熱効率の向上及び熱自立の促進を図ることが可能になる。
しかも、反応ガス供給部を中心に複数の前記電解質・電極接合体が同心円上に配列されるので、各電解質・電極接合体に燃料ガス及び酸化剤ガスを均等に分配して供給することができ、各電解質・電極接合体の発電性能の向上及び安定化が図られる。

複数の前記燃料電池を積層した場合に、前記各燃料電池において同心円上に配列された前記各電解質・電極接合体が、それぞれ前記燃料電池の積層方向に沿って同一の位相に配列されることが好ましい。
この発明によれば、電解質・電極接合体に付与される荷重が不足することがないので、電解質・電極接合体とセパレータとの密着性が向上し、電解質・電極接合体で発電された電力を効率的に集電することができる。

前記挟持部は、前記各電解質・電極接合体に対応した形状を有するとともに、前記各挟持部は、互いに分離して構成されることが好ましい。
この発明によれば、挟持部は電解質・電極接合体に対応した形状を有するため、電解質・電極接合体で発電された電力を効率的に集電することができる。
しかも、各挟持部は互いに分離して構成されるので、隣接する電解質・電極接合体に独立して積層方向の荷重を付与することができる。このため、電解質・電極接合体やセパレータの寸法誤差によって各電解質・電極接合体に発生する異なる荷重を吸収することが可能になる。従って、セパレータ全体に歪みが惹起されることを阻止し、各電解質・電極接合体に対して均等な荷重を付与することができる。その上、各電解質・電極接合体の熱歪み等は、隣接する他の電解質・電極接合体に伝達されることがなく、電解質・電極接合体間には、特別な寸法吸収機構を設ける必要がない。これにより、各電解質・電極接合体同士を近接して配置することが可能になり、燃料電池全体の小型化が容易に図られる。

前記橋架部は、前記反応ガス供給部から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に構成されることが好ましい。
この発明によれば、反応ガス供給部から橋架部を介して各電解質・電極接合体に対して燃料ガス及び酸化剤ガスを均等に分配することができ、各電解質・電極接合体の発電性能の向上及び安定化が図られる。

前記セパレータは、前記挟持部及び前記橋架部が前記電解質・電極接合体の数に対応する数に設定されることが好ましい。
この発明によれば、反応ガス供給部から橋架部及び挟持部を介して各電解質・電極接合体に燃料ガス及び酸化剤ガスを均等に分配することができ、各電解質・電極接合体の発電性能の向上及び安定化が図られる。

前記燃料ガス供給連通孔は、前記反応ガス供給部の中央部に設けられるとともに、前記燃料ガス供給連通孔を中心に複数の前記酸化剤ガス供給連通孔が同心円上に配列されることが好ましい。
この発明によれば、燃料ガス及び酸化剤ガスは、電解質・電極接合体に供給される前に、互いの温度差を低減することができ、電解質・電極接合体の安定的な発電が遂行可能になる。しかも、酸化剤ガス供給連通孔の全流路断面積が燃料ガス供給連通孔の全流路断面積よりも大きく設定されるので、特にＡ／Ｆの値が大きい燃料電池において、燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力損失の差を低減することが可能になる。これにより、燃料電池の耐久性及び信頼性が良好に向上する。

前記酸化剤ガス供給連通孔は、複数の前記橋架部の間に介在するように設けられることが好ましい。
この発明によれば、燃料電池をより一層簡単且つコンパクトに構成することができる。

前記セパレータは、前記酸化剤ガス供給連通孔が前記電解質・電極接合体の数に対応する数に設定されることが好ましい。
この発明によれば、酸化剤ガス供給連通孔から橋架部及び挟持部を介して各電解質・電極接合体に酸化剤ガスを均等に分配することが可能になり、各電解質・電極接合体の発電性能の向上及び安定化が図られる。

前記燃料ガス供給部又は前記反応ガス供給部は、前記セパレータの中央部に設けられるとともに、前記燃料ガス供給部又は前記反応ガス供給部を中心に４つの前記電解質・電極接合体が同心円上に配列されることが好ましい。
この発明によれば、燃料ガス供給部又は反応ガス供給部がセパレータの中央部に設けられるので、燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスは、発電による発生熱を介して良好に加熱可能になり、燃料電池は、熱効率の向上と熱自立の促進とを図ることができる。ここで、熱自立とは、外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみで燃料電池の動作温度を維持することをいう。
しかも、セパレータの面内には、４つの電解質・電極接合体が同心円上に配列されている。このため、セパレータの面内に２以上の同一形状且つ同一面積の電解質・電極接合体が同心円上に配列される燃料電池構造の中、高い占有率を得ることが可能になる。その上、発電出力当たりのスタック体積が小さくなり、燃料電池スタック全体のコンパクト化が容易に図られる。一方、発電出力当たりのスタック表面積が小さくなり、燃料電池スタックからの放熱を最小化することができ、熱効率の向上及び熱自立の促進を図ることが可能になる。

前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることが好ましい。
この発明によれば、高温型燃料電池である固体酸化物形燃料電池において特に懸念される熱応力による挟持部や電解質・電極接合体の熱歪等が、隣接する他の挟持部や電解質・電極接合体に伝達されることがない。これにより、挟持部間や電解質・電極接合体間には、特別な寸法吸収機構を設ける必要がなく、燃料電池の小型化が容易に図られる。

本発明によれば、燃料ガス供給孔から燃料ガス通路に供給された燃料ガスは、第１周縁凸部によって外部に吹き抜けすることを阻止される。このため、燃料ガスを発電反応に有効に利用することが可能になり、燃料利用率が良好に向上する。しかも、電解質・電極接合体の外方から酸化剤ガスや排ガス等の他のガスが、アノード電極に回り込むことを、第１周縁凸部によって阻止することができる。これにより、アノード電極の酸化による発電効率の低下を防止するとともに、セパレータや電解質・電極接合体の耐久性の向上が容易に図られる。
また、酸化剤ガス供給孔から酸化剤ガス通路に供給された酸化剤ガスは、第２周縁凸部によって外部に吹き抜けすることを阻止される。このため、酸化剤ガスを発電反応に有効に利用することが可能になる。しかも、電解質・電極接合体の外方から燃料ガスや排ガス等の他のガスが、カソード電極に回り込むことを、第２周縁凸部によって阻止することができる。これにより、カソード電極の還元による発電効率の低下を防止するとともに、セパレータや電解質・電極接合体の耐久性の向上が容易に図られる。
さらに、第１周縁凸部及び第２周縁凸部を介して、良好な集電効果が得られる。しかも、第１周縁凸部と第２周縁凸部との間で、積層方向の荷重を確実に伝達することができ、セパレータと電解質・電極接合体との密着性が高まるため、より良好な集電効果が得られ、発電効率の向上が図られる。

そして、燃料ガス排出孔と酸化剤ガス排出孔は位相を異にして形成されているので、電解質・電極接合体の外方から酸化剤ガスや排ガス等の他のガスが、アノード電極に回り込むことを、更に阻止することができる。これにより、アノード電極の酸化による発電効率の低下を防止するとともに、セパレータや電解質・電極接合体の耐久性の更なる向上が容易に図られる。
また、電解質・電極接合体の外方から燃料ガスや排ガス等の他のガスが、カソード電極に回り込むことを、更に阻止することができる。これにより、カソード電極の還元による発電効率の低下を防止するとともに、セパレータや電解質・電極接合体の耐久性の更なる向上が容易に図られる。
しかも、排出された燃料ガス（未使用）と酸化剤ガス（未使用）は、挟持部周辺で燃えるので、燃料電池（挟持部）を予め加熱することができ、熱効率の向上と熱自立の促進とを図ることができる。ここで、熱自立とは、外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみで燃料電池の動作温度を維持することをいう。

第１実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視説明図である。 第１実施形態に係る燃料電池の説明図である。 第１実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。 第１実施形態に係るセパレータの平面図である。 第２実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視説明図である。 第２実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。 第２実施形態に係るセパレータの平面図である。 第３実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。 第３実施形態に係るセパレータの平面図である。 第４実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。 第４実施形態に係るセパレータの底面図である。 第５実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。 第５実施形態に係るセパレータの底面図である。

以下、本発明の実施形態につき図面を参照して説明する。以下に説明する燃料電池スタックは、設置用の他、車載用等の種々の用途に用いることが可能である。

（第１実施形態）
図２は第１実施形態に係る燃料電池１１の説明図であり、図２（ａ）は平面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）または図３のＡ−Ａ線における側面断面図であり、図２（ｃ）は底面図である。図２（ｂ）に示すように、燃料電池１１は、電解質・電極接合体１２と、隣り合う電解質・電極接合体１２，１２の間に配置されるセパレータ２０とを備えている。これらの電解質・電極接合体１２およびセパレータ２０が交互に積層されて、燃料電池スタックが形成される。なお実際のセパレータ２０は薄板状であるが、セパレータ２０に形成されるガス流路等の構造の理解を容易にするため、各図ではセパレータ２０（およびセパレータを構成するプレート３０，４０，５０）の厚さを拡大して記載している。

図２（ｂ）に示すように、電解質・電極接合体１２は、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）１３の両面に、アノード電極１４およびカソード電極１５を配置して、円板状に形成されている。電解質・電極接合体１２の側面には、酸化剤ガスおよび燃料ガスの侵入および漏出を阻止するため、バリヤー層（不図示）が設けられている。

（セパレータ）
図２（ａ）に示すように、セパレータ２０は、電解質・電極接合体１２と同じ大径円形状の挟持部２１を備えている。なお電解質・電極接合体１２は、隣り合うセパレータ２０の挟持部２１によって挟持される。挟持部２１から、狭幅直線状の一対の反応ガス橋架部（燃料ガス橋架部２２および酸化剤ガス橋架部２６）が延設されている。各反応ガス橋架部２２，２６は、挟持部２１の半径方向に沿って相互に逆方向に延設されている。各反応ガス橋架部２２，２６の先端には、小径円形状の反応ガス供給部（燃料ガス供給部２３および酸化剤ガス供給部２７）が設けられている。反応ガス供給部２３，２７の中央部には、反応ガス供給連通孔（燃料ガス供給連通孔２４および酸化剤ガス供給連通孔２８）が形成されている。各反応ガス供給連通孔２４，２８は、燃料電池１１の積層方向に形成されている。

図２（ｂ）に示すように、隣り合うセパレータ２０の反応ガス供給部２３，２７の間には、シール材１８ａ，１８ｂが配置される。シール材（ガスケット）１８ａ，１８ｂは、燃料ガスによる還元雰囲気に強い絶縁材料（例えば、地殻成分系素材や硝子系素材、粘土とプラスチックの複合素材等）で構成されている。シール材１８ａ，１８ｂの高さは、電解質・電極接合体１２の高さと同等に形成されている。

図３は、第１実施形態に係る燃料電池１１の分解斜視図である。燃料電池１１のセパレータ２０は、第１プレート４０、第２プレート５０および第３プレート３０を積層して形成されている。各プレート３０，４０，５０は、例えばステンレス合金等の板金で形成され、相互にロウ付けや拡散接合、レーザー溶接等によって接合されている。各プレート３０，４０，５０は、セパレータ２０を構成する挟持部２１に加え、燃料ガス橋架部２２、燃料ガス供給部２３および燃料ガス供給連通孔２４、並びに、酸化剤ガス橋架部２６、酸化剤ガス供給部２７および酸化剤ガス供給連通孔２８を備えている。

第３プレート３０の第１プレート４０側の表面３０ａには、燃料ガス供給通路３４が形成されている。具体的には、ハーフエッチングやマシニング等の手法により、燃料ガス供給連通孔２４から燃料ガス橋架部２２を通り挟持部２１の中心付近にかけて溝部を形成することで、燃料ガス供給通路３４が形成されている。なお第３プレート３０の表面３０ａに第１プレート４０が接合されて、燃料ガス供給通路３４の上部開口が封止されている。

第３プレート３０の第２プレート５０側の裏面３０ｂには、酸化剤ガス供給通路３５が形成されている。具体的には、ハーフエッチング等の手法により、酸化剤ガス供給連通孔２８から酸化剤ガス橋架部２６を通り挟持部２１の中心付近にかけて溝部を形成することで、酸化剤ガス供給通路３５が形成されている。なお第３プレート３０の裏面３０ｂに第２プレート５０が接合されて、酸化剤ガス供給通路３５の上部開口が封止されている。

（燃料ガス通路）
図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、第１プレート４０における挟持部２１の電解質・電極接合体１２側の表面４０ａには、燃料ガス通路４１が形成されている。具体的には、ハーフエッチング等の手法により、挟持部２１の中央部に凹部を形成することで、燃料ガス通路４１が形成されている。燃料ガス通路４１の中央付近には、第３プレート３０の燃料ガス供給通路３４に連通する燃料ガス供給孔４２が形成されている。

燃料ガス通路４１の内部には複数の突起部４３が形成され、燃料ガス通路４１の周囲には第１周縁凸部４４が形成されている。なお、燃料ガス通路４１となる凹部を選択的に形成することで、突起部４３および第１周縁凸部４４を形成することが可能である。突起部４３および第１周縁凸部４４は、電解質・電極接合体１２のアノード電極１４と接触している。これにより突起部４３および第１周縁凸部４４は、電解質・電極接合体１２で発電された電力の集電部として機能する。なお電解質・電極接合体１２と同形状に挟持部２１が形成され、挟持部２１の全域に突起部４３および第１周縁凸部４４が分布しているので、電解質・電極接合体１２で発電された電力を効率的に集電することができる。

第１プレート４０の第１周縁凸部４４には、複数の燃料ガス排出孔４５が形成されている。具体的には、ハーフエッチング等の手法により、第１周縁凸部４４の内側（燃料ガス通路４１）と外側とを連通する溝部を形成することで、燃料ガス排出孔４５が形成されている。複数の燃料ガス排出孔４５は、挟持部２１の周方向に離間して放射状に配置されている。これにより、燃料ガス通路４１の全域から均等に燃料ガスを排出することができる。

なお、電解質・電極接合体１２のアノード電極１４の周縁部をセパレータ２０でシールしないシールレス型の燃料電池では、未反応の燃料ガスが外部に漏出し易くなるため燃料ガスが無駄になる。また、アノード電極１４の周縁部をセパレータ２０でシールするシール型の燃料電池では、アノード電極１４に対するセパレータ２０の押圧力を管理する必要があり、燃料電池の構造が複雑化する。これに対して本実施形態では、シールレス型とシール型の中間的なセミシール型の燃料電池を採用している。すなわち、第１プレート４０の第１周縁凸部４４とアノード電極１４との間の密着性を確保しつつ、燃料ガス排出孔４５からの燃料ガスの排出を許容する。これにより、燃料ガスを無駄なく利用しつつ、燃料電池の構造を簡略化することができる。

（酸化剤ガス通路）
図２（ｂ）および図２（ｃ）に示すように、第２プレート５０における挟持部２１の電解質・電極接合体１２側の裏面５０ｂには、酸化剤ガス通路５１が形成されている。具体的には、ハーフエッチング等の手法により、挟持部２１の中央部に凹部を形成することで、酸化剤ガス通路５１が形成されている。酸化剤ガス通路５１の中央付近には、第３プレート３０の酸化剤ガス供給通路３５に連通する酸化剤ガス供給孔５２が形成されている。

酸化剤ガス通路５１の内部には複数の突起部５３が形成され、酸化剤ガス通路５１の周囲には第２周縁凸部５４が形成されている。なお、酸化剤ガス通路５１となる凹部を選択的に形成することで、突起部５３および第２周縁凸部５４を形成することが可能である。突起部５３および第２周縁凸部５４は、電解質・電極接合体１２のカソード電極１５と密着している。これにより突起部５３および第２周縁凸部５４は、電解質・電極接合体１２で発電された電力の集電部として機能する。なお電解質・電極接合体１２と同形状に挟持部２１が形成され、挟持部２１の全域に突起部５３および第２周縁凸部５４が分布しているので、電解質・電極接合体１２で発電された電力を効率的に集電することができる。

第２プレート５０の第２周縁凸部５４には、複数の酸化剤ガス排出孔５５が形成されている。具体的には、ハーフエッチング等の手法により、第２周縁凸部５４の内側（酸化剤ガス通路５１）と外側とを連通する溝部を形成することで、酸化剤ガス排出孔５５が形成されている。複数の酸化剤ガス排出孔５５は、挟持部２１の周方向に等角度間隔ずつ離間して放射状に配置されている。これにより、酸化剤ガス通路５１の全域から均等に酸化剤ガスを排出することができる。

図４は、セパレータ２０の平面図である。燃料ガス排出孔４５の数（図４では４個）は、酸化剤ガス排出孔５５の数（図４では６個）よりも少なくなっている。また、複数の燃料ガス排出孔４５の開口断面積の総和は、複数の酸化剤ガス排出孔５５の開口断面積の総和よりも小さく設定されている。
また燃料ガス排出孔４５および酸化剤ガス排出孔５５は、挟持部２１の周方向において異なる位置に（位相が異なるように）配置されている。図４では、隣り合う酸化剤ガス排出孔５５の中間位置（中間位相となる位置）に、燃料ガス排出孔４５が配置されている。

（燃料電池スタック）
図１は、燃料電池スタック１０の概略斜視説明図である。上述した燃料電池１１が矢印Ａ方向に複数積層されて、燃料電池スタック１０が形成されている。燃料電池スタック１０の積層方向の両端部には、それぞれエンドプレート９０ａ、９０ｂが配置されている。一対のエンドプレート９０ａ、９０ｂは、ボルト９８およびナット９９を有する締結手段９５によって連結されている。ボルト９８は、一方のエンドプレート９０ａの外側から一対のエンドプレート９０ａ、９０ｂの貫通孔に挿入され、ナット９９は、他方のエンドプレート９０ｂの外側でボルト９８に螺合している。この締結手段９５により、一対のエンドプレート９０ａ、９０ｂの間に燃料電池スタック１０が挟持され、複数の燃料電池１１に積層方向の荷重（以下、積層荷重という。）が付与されている。一対のエンドプレート９０ａ、９０ｂは、燃料電池スタック１０で発電された電力の取り出し電極として機能する。そのため、一対のエンドプレート９０ａ、９０ｂと締結手段９５との間は電気的に絶縁されている。

一方のエンドプレート９０ａには、燃料電池スタック１０の燃料ガス供給連通孔２４に燃料ガスを供給する第１配管９２と、燃料電池スタック１０の酸化剤ガス供給連通孔２８に酸化剤ガスを供給する第２配管９４とが設けられている。なお燃料電池スタック１０からの排出ガスは、一対のエンドプレート９０ａ、９０ｂの間から放射状に排出される。

上述したように、本実施形態の燃料電池１１では、反応ガス供給部２３，２７および挟持部２１が、狭幅の反応ガス橋架部２２，２６で連結されている。そのため、反応ガス供給部２３，２７および挟持部２１に付与する積層荷重を相互に異ならせることができる。すなわち、反応ガス供給部２３，２７にはシール材とのシール性を確保するための大きな積層荷重を付与し、挟持部２１には電解質・電極接合体との密着性を高める程度の比較的小さな積層荷重を付与することができる。これにより、電解質・電極接合体の破損を防止することができる。なお積層荷重の調整は、締結手段９５を反応ガス供給部２３，２７および挟持部２１の周囲に配置しつつ、各締結手段９５の締結力を調整することによって行うことができる。また、挟持部２１に第１周縁凸部および第２周縁凸部を設けたので、セパレータと電解質・電極接合体との密着性が高まり、積層荷重を確実に伝達することができる。さらに、アノード電極１４側の突起部４３とカソード電極１５側の突起部５３とは、セパレータ２０の積層方向から見て、全て同じ位置に形成されている。そのため積層荷重をより確実に伝達することができ、電解質・電極接合体とセパレータとの密着性が向上するとともに、電解質・電極接合体で発電された電力を効率的に集電することができる。

（作用）
以上のように構成された燃料電池の作用について説明する。
まず、図１に示す燃料電池スタック１０を所定温度に加熱しつつ、第１配管９２に燃料ガス（例えば水素ガス）を供給し、第２配管９４に酸化剤ガス（例えば空気）を供給する。

図１に示す第１配管９２から供給された燃料ガスは、図２に示す燃料ガス供給連通孔２４を流通し、積層された複数のセパレータ２０の燃料ガス供給通路３４に流入する。燃料ガス供給通路３４を通って挟持部２１の中央付近に供給された燃料ガスは、燃料ガス供給孔４２を通って燃料ガス通路４１に流入する。燃料ガス通路４１は電解質・電極接合体１２のアノード電極１４に面しているので、燃料ガスはアノード電極１４の中央付近から周縁部に向かって放射状に流通する。なお、アノード電極１４の周縁部には第１周縁凸部４４が密着しているので、燃料ガスが外部に吹き抜けすることを阻止される。このため、燃料ガスを発電反応に有効に利用することが可能になり、燃料利用率が良好に向上する。

一方、図１に示す第２配管９４から供給された酸化剤ガス（例えば空気）は、図２に示す酸化剤ガス供給連通孔２８を流通し、積層された複数のセパレータ２０の酸化剤ガス供給通路３５に流入する。酸化剤ガス供給通路３５を通って挟持部２１の中央付近に供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給孔５２を通って酸化剤ガス通路５１に流入する。酸化剤ガス通路５１は電解質・電極接合体１２のカソード電極１５に面しているので、酸化剤ガスはカソード電極１５の中央付近から周縁部に向かって放射状に流通する。なお、カソード電極１５の周縁部には第２周縁凸部５４が密着しているので、酸化剤ガスが外部に吹き抜けすることを阻止される。このため、酸化剤ガスを発電反応に有効に利用することが可能になる。

そして、カソード電極１５で酸化剤ガスから生成された酸化物イオンが、電解質１３を通ってアノード電極に移動し、燃料ガスと化学反応して発電が行われる。燃料電池は、反応の継続により熱自立することができる。熱自立とは、外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみで燃料電池の動作温度を維持することをいう。

発電に使用された酸化剤ガスは、挟持部２１の周縁部に形成された酸化剤ガス排出孔５５からカソード電極１５の外側に排出される。ところが、この酸化剤ガスがアノード電極１４に回り込むと、アノード電極１４が酸化されて発電効率が低下するとともに、燃料電池が劣化することになる。
これに対して本実施形態では、電解質・電極接合体１２の外方から酸化剤ガスや排ガス等の他のガスが、アノード電極１４に回り込むことを、第１周縁凸部４４によって阻止することができる。これにより、アノード電極１４の酸化による発電効率の低下を防止するとともに、セパレータや電解質・電極接合体の耐久性の向上が容易に図られる。

また、発電に使用された燃料ガスは、挟持部２１の周縁部に形成された燃料ガス排出孔４５からアノード電極１４の外側に排出される。ところが、この燃料ガスがカソード電極１５に回り込むと、カソード電極１５が還元されて発電効率が低下するとともに、燃料電池が劣化することになる。
これに対して本実施形態では、電解質・電極接合体１２の外方から燃料ガスや排ガス等の他のガスが、カソード電極１５に回り込むことを、第２周縁凸部５４によって阻止することができる。これにより、カソード電極１５の還元による発電効率の低下を防止するとともに、セパレータ２０や電解質・電極接合体１２の耐久性の向上が容易に図られる。

また本実施形態では、燃料ガス排出孔４５と酸化剤ガス排出孔５５は位相を異にして形成されているので、両排出孔４５，５５が同位相に配置されている場合と比べて、電解質・電極接合体１２の外方から酸化剤ガスや排ガス等の他のガスが、燃料ガス排出孔４５に流入してアノード電極１４に回り込むことを、更に阻止することができる。これにより、アノード電極１４の酸化による発電効率の低下を防止するとともに、セパレータ２０や電解質・電極接合体１２の耐久性の更なる向上が容易に図られる。
また、電解質・電極接合体１２の外方から燃料ガスや排ガス等の他のガスが、酸化剤ガス排出孔５５に流入してカソード電極１５に回り込むことを、更に阻止することができる。これにより、カソード電極１５の還元による発電効率の低下を防止するとともに、セパレータ２０や電解質・電極接合体１２の耐久性の更なる向上が容易に図られる。
しかも、排出された燃料ガス（未使用）と酸化剤ガス（未使用）は、挟持部２１の周辺で燃えるので、燃料電池１１（挟持部２１）を予め加熱することができ、熱効率の向上と熱自立の促進とを図ることができる。ここで、熱自立とは、外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみで燃料電池の動作温度を維持することをいう。

一般に燃料電池では、酸化剤ガスと燃料ガスとが一定の比率（Ａ／Ｆ＞１．０）で消費されるが、Ａ／Ｆが小さすぎると燃料ガスが無駄になり、Ａ／Ｆが大きすぎると燃料電池の温度が低下することになる。
そこで本実施形態では、燃料ガスの流路断面積が酸化剤ガスの流路断面積より小さくなっている。具体的には、酸化剤ガスの流路断面積と燃料ガスの流路断面積の比率が、燃料電池のＡ／Ｆにほぼ一致している。すなわち、第２配管９４および第１配管９２、酸化剤ガス供給連通孔２８および燃料ガス供給連通孔２４、酸化剤ガス供給通路３５および燃料ガス供給通路３４、酸化剤ガス供給孔５２および燃料ガス供給孔４２、酸化剤ガス通路５１および燃料ガス通路４１、並びに酸化剤ガス排出孔５５および燃料ガス排出孔４５は、それぞれの流路断面積の比率が燃料電池のＡ／Ｆにほぼ一致するように形成されている。これにより、酸化剤ガスおよび燃料ガスを過不足なく供給することが可能になり、燃料ガスの無駄使いおよび燃料電池の温度低下を防止することができる。また通常、Ａ／Ｆ＞１．０で運転される燃料電池１１において、燃料ガスと酸化剤ガスの圧力差・圧力損失差が低減される。そのため、電解質・電極接合体１２の外方から酸化剤ガスや排ガス等の他のガスが、アノード電極１４に回り込むことを、更に阻止することができるとともに、電解質・電極接合体１２の外方から燃料ガスや排ガス等の他のガスが、カソード電極１５に回り込むことを、更に阻止することができる。これにより、セパレータ２０や電解質・電極接合体１２の耐久性の更なる向上が容易に図られる。

本実施形態の燃料ガス排出孔４５の開口断面積の総和は、酸化剤ガス排出孔５５の開口断面積の総和よりも小さく設定されている。
また燃料ガス排出孔４５の数は、酸化剤ガス排出孔５５の数よりも少なく設定されている。
また燃料ガス供給孔４２の開口断面積の総和は、酸化剤ガス供給孔５２の開口断面積の総和よりも小さく設定されている。
なお燃料ガス供給孔４２の数は、酸化剤ガス供給孔５２の数よりも少なく設定されることが好ましい。
また燃料ガス通路４１の体積は、酸化剤ガス通路５１の体積よりも小さく設定されている。
また燃料ガス供給通路３４の断面積の総和は、酸化剤ガス供給通路３５の断面積の総和よりも小さく設定されている。
また燃料ガス供給連通孔２４の断面積の総和は、酸化剤ガス供給連通孔２８の断面積の総和よりも小さく設定されている。
これにより、通常、Ａ／Ｆ＞１．０で運転される燃料電池１１において、燃料ガスと酸化剤ガスの圧力差・圧力損失差が低減される。そのため、電解質・電極接合体１２の外方から酸化剤ガスや排ガス等の他のガスが、アノード電極１４に回り込むことを、更に阻止することができるとともに、電解質・電極接合体１２の外方から燃料ガスや排ガス等の他のガスが、カソード電極１５に回り込むことを、更に阻止することができる。これにより、セパレータ２０や電解質・電極接合体１２の耐久性の更なる向上が容易に図られる。

本実施形態の燃料ガス排出孔４５は、挟持部２１の中央部からセパレータ２０の面方向に離間して放射状に設定されている。
また酸化剤ガス排出孔５５は、挟持部２１の中央部からセパレータ２０の面方向に等角度間隔ずつ離間して放射状に設定されている。
これにより、燃料ガスがアノード電極１４全域に行き渡り、且つ、使用された燃料ガスの排出が特定の燃料ガス排出孔４５に偏ることがない。また、酸化剤ガスがカソード電極１５全域に行き渡り、且つ、使用された酸化剤ガスの排出が特定の酸化剤ガス排出孔５５に偏ることがない。そのため、発電時に電解質・電極接合体１２の表面に、燃料ガスまたは酸化剤ガスの濃度差に起因する発電差が生じ難く、発電差に起因する温度差が生じ難い。したがって、電解質・電極接合体１２の耐久性の向上が期待できる。

本実施形態の挟持部２１には、燃料ガス通路４１側に突出してアノード電極１４に接触する複数の突起部４３が設けられている。また挟持部２１には、酸化剤ガス通路５１側に突出してカソード電極１５に接触する複数の突起部５３が設けられている。
これにより、複数の突起部４３，５３により良好な集電効果が得られるとともに、各突起部４３間に形成される燃料ガス通路４１に沿って、燃料ガス及び燃料排ガスの流通性を向上させることができる。また、各突起部５３間に形成される酸化剤ガス通路５１に沿って、酸化剤ガス及び酸化剤排ガスの流通性を向上させることができる。

本実施形態の挟持部２１には、燃料ガス通路４１側に突出してアノード電極１４に接触する複数の突起部４３が設けられるとともに、酸化剤ガス通路５１側に突出してカソード電極１５に接触する複数の突起部５３が設けられ、アノード電極１４側の突起部４３およびカソード電極１５側の突起部５３は、セパレータ２０の積層方向に沿って同一の位相に配列される数が、同一の位相以外に配列される数よりも多数に設定されている。すなわち、セパレータ２０の積層方向から見て同じ位置となる個数が、異なる位置となる個数より多くなっている。
これにより、アノード電極１４側突起部４３とカソード電極１５側突起部５３との間で、積層方向の荷重を確実に伝達することができ、電解質・電極接合体１２とセパレータ２０との密着性が向上するとともに、電解質・電極接合体１２で発電された電力を効率的に集電することができる。

本実施形態の燃料電池１１は、挟持部２１と燃料ガス供給部２３との間が燃料ガス橋架部２２により連結され、挟持部２１と酸化剤ガス供給部２７との間が酸化剤ガス橋架部２６により連結されている。
これにより、燃料ガス供給部２３と挟持部２１との間で、燃料ガス橋架部２２を介して積層方向の締め付け荷重が遮断される。また、酸化剤ガス供給部２７と挟持部２１との間で、酸化剤ガス橋架部２６を介して積層方向の締め付け荷重が遮断される。これにより、電解質・電極接合体１２に所望の荷重を付与することができる。このため、簡単且つコンパクトな構成で、シール性が要求される部位（燃料ガス供給部２３および酸化剤ガス供給部２７）には、比較的大きな荷重を付与する一方、電解質・電極接合体１２には、挟持部２１との密着性を高める程度の比較的小さな荷重を付与することが可能になる。これにより、燃料ガス供給部２３及び酸化剤ガス供給部２７において所望のシール性を確保するとともに、電解質・電極接合体１２の損傷を可及的に阻止し、効率的な発電及び集電が遂行される。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る燃料電池について説明する。図３に示す第１実施形態では、燃料ガス供給連通孔２４が燃料ガス供給部２３に、酸化剤ガス供給連通孔２８が酸化剤ガス供給部２７に、それぞれ別々に形成されていたが、図６に示す第２実施形態では、燃料ガス供給連通孔２４および酸化剤ガス供給連通孔２８が一つの反応ガス供給部２３に形成されている点で異なっている。なお、第１実施形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。

図６は、第２実施形態に係る燃料電池１１の分解斜視図である。なお図６のＢ−Ｂ線における断面図は、図２（ｂ）にほぼ一致する。図６に示すように、この燃料電池１１のセパレータ２０では、挟持部２１から半径方向に、一個の反応ガス橋架部２２が延設されている。反応ガス橋架部２２の先端には、一個の反応ガス供給部２３が設けられている。反応ガス供給部２３には、燃料ガス供給連通孔２４および酸化剤ガス供給連通孔２８が並んで形成されている。なお図２に示すように、隣り合うセパレータ２０の反応ガス供給部２３の間には、シール材１８ａが配置される。

図６に示すように、セパレータ２０は、第１プレート４０、第２プレート５０および第３プレート３０を積層して形成されている。第３プレート３０の第１プレート４０側の表面３０ａには、燃料ガス供給連通孔２４から反応ガス橋架部２２を通り挟持部２１の中心付近にかけて、燃料ガス供給通路３４が形成されている。第３プレート３０の第２プレート５０側の裏面３０ｂには、酸化剤ガス供給連通孔２８から反応ガス橋架部２２を通り、挟持部２１の中心付近にかけて、酸化剤ガス供給通路３５が形成されている。

第１プレート４０における挟持部２１の電解質・電極接合体１２側の表面４０ａには、燃料ガス通路４１が形成されている。燃料ガス通路４１の中央付近には、第３プレート３０の燃料ガス供給通路３４に連通する燃料ガス供給孔４２が形成されている。燃料ガス通路４１の内部には複数の突起部４３が形成され、燃料ガス通路４１の周囲には第１周縁凸部４４が形成されている。第１周縁凸部４４には、複数の燃料ガス排出孔４５が周方向に離間して放射状に形成されている。

また、第２プレート５０における挟持部２１の電解質・電極接合体１２側の裏面５０ｂには、酸化剤ガス通路５１が形成されている。酸化剤ガス通路５１の中央付近には、第３プレート３０の酸化剤ガス供給通路３５に連通する酸化剤ガス供給孔５２が形成されている。酸化剤ガス通路５１の内部には複数の突起部５３が形成され、酸化剤ガス通路５１の周囲には第２周縁凸部５４が形成されている。第２周縁凸部５４には、複数の酸化剤ガス排出孔５５が周方向に等角度間隔で離間して放射状に形成されている。

図７は、セパレータ２０の平面図である。燃料ガス排出孔４５および酸化剤ガス排出孔５５は、挟持部２１の周方向において異なる位置に（位相が異なるように）配置されている。

図５は、燃料電池スタック１０の概略斜視説明図である。上述した燃料電池１１が矢印Ａ方向に複数積層されて、燃料電池スタック１０が形成されている。締結手段９５により、一対のエンドプレート９０ａ、９０ｂの間に燃料電池スタック１０が挟持され、複数の燃料電池１１に積層荷重が付与されている。
一方のエンドプレート９０ａには、燃料電池スタック１０に燃料ガスを供給する第１配管９２と、酸化剤ガスを供給する第２配管９４とが設けられている。第２実施形態では、燃料ガス供給連通孔２４および酸化剤ガス供給連通孔２８が一つの反応ガス供給部２３に並んで形成されているので、第１配管９２および第２配管９４も並んで配置されている。

（作用）
第２実施形態に係る燃料電池の作用について説明する。
燃料ガスは、図５に示す第１配管９２、図６に示す燃料ガス供給連通孔２４、燃料ガス供給通路３４、燃料ガス供給孔４２および燃料ガス通路４１を通り、アノード電極１４に供給されて発電に使用される。発電に使用された燃料ガスは、第１周縁凸部４４に形成された燃料ガス排出孔４５からアノード電極１４の外側に排出される。
酸化剤ガスは、図５に示す第２配管９４、図６に示す酸化剤ガス供給連通孔２８、酸化剤ガス供給通路３５、酸化剤ガス供給孔５２および酸化剤ガス通路５１を通り、カソード電極１５に供給されて発電に使用される。発電に使用された酸化剤ガスは、第２周縁凸部５４に形成された酸化剤ガス排出孔５５からカソード電極１５の外側に排出される。

本実施形態の燃料電池においても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

また第２実施形態では、反応ガス供給部２３と挟持部２１との間が、反応ガス橋架部２２により連結されている。
これにより、反応ガス供給部２３と挟持部２１との間は、反応ガス橋架部２２を介して積層方向の締め付け荷重が遮断されるため、電解質・電極接合体１２に所望の荷重を付与することができる。このため、簡単且つコンパクトな構成で、シール性が要求される反応ガス供給部２３には、比較的大きな荷重を付与する一方、電解質・電極接合体１２には、挟持部２１との密着性を高める程度の比較的小さな荷重を付与することが可能になる。これにより、反応ガス供給部２３において所望のシール性を確保するとともに、電解質・電極接合体１２の損傷を可及的に阻止し、効率的な発電及び集電が遂行される。
さらに、反応ガス橋架部２２には燃料ガス供給通路３４及び酸化剤ガス供給通路３５が形成されている。従って、燃料ガス及び酸化剤ガスは、電解質・電極接合体１２に供給される前に相互の温度差が低減され、電解質・電極接合体１２の安定した発電が可能になる。
しかも、反応ガス供給部２３には燃料ガス供給連通孔２４及び酸化剤ガス供給連通孔２８が形成されている。このため、燃料ガス及び酸化剤ガスは、電解質・電極接合体１２に供給される前に相互の温度差が低減され、電解質・電極接合体１２の安定した発電が可能になる。
その上、シール性が要求される燃料ガス供給連通孔２４及び酸化剤ガス供給連通孔２８は、反応ガス供給部２３に集約されている。これにより、反応ガス供給部２３に所望のシール性を確保するとともに、電解質・電極接合体１２の損傷を可及的に阻止し、効率的な発電及び集電が遂行可能になる。

本実施形態の燃料ガス供給通路３４の断面積の総和は、酸化剤ガス供給通路３５の断面積の総和よりも小さく設定されている。
また燃料ガス供給連通孔２４の断面積の総和は、前記酸化剤ガス供給連通孔２８の断面積の総和よりも小さく設定されている。
この発明によれば、通常、反応ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）＞１．０で運転される燃料電池において、燃料ガスと酸化剤ガスの圧力差・圧力損失差が低減される。そのため、電解質・電極接合体１２の外方から酸化剤ガスや排ガス等の他のガスが、アノード電極１４に回り込むことを、更に阻止することができるとともに、電解質・電極接合体１２の外方から燃料ガスや排ガス等の他のガスが、カソード電極１５に回り込むことを、更に阻止することができる。これにより、セパレータ２０や電解質・電極接合体１２の耐久性の更なる向上が容易に図られる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態に係る燃料電池について説明する。図３に示す第１実施形態では、一個のセパレータ２０に一個の挟持部２１が設けられていたが、図８に示す第３実施形態では、一個のセパレータ２０に二個の挟持部２１ａ，２１ｂが設けられている点で異なっている。なお、第１または第２実施形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。

図８は、第３実施形態に係る燃料電池１１の分解斜視図である。なお図８のＣ−Ｃ線における断面図は、図２（ｂ）にほぼ一致する。図８に示すように、この燃料電池１１のセパレータ２０は、一対の電解質・電極接合体１２ａ，１２ｂを挟持する一対の挟持部２１ａ，２１ｂを備えている。第１挟持部２１ａおよび第２挟持部２１ｂの中心点を結ぶ直線の両側に、燃料ガス供給連通孔２４を備えた燃料ガス供給部２３と、酸化剤ガス供給連通孔２８を備えた酸化剤ガス供給部２７とが設けられている。燃料ガス供給部２３は、第１挟持部２１ａとの間を第１燃料ガス橋架部２２ａにより連結され、第２挟持部２１ｂとの間を第２燃料ガス橋架部２２ｂにより連結されている。また酸化剤ガス供給部２７は、第１挟持部２１ａとの間を第１酸化剤ガス橋架部２６ａにより連結され、第２挟持部２１ｂとの間を第２酸化剤ガス橋架部２６ｂにより連結されている。

セパレータ２０は、第１プレート４０、第２プレート５０および第３プレート３０を積層して形成されている。第３プレート３０の第１プレート４０側の表面３０ａには、燃料ガス供給連通孔２４から第１燃料ガス橋架部２２ａを通り第１挟持部２１ａの中心付近にかけて第１燃料ガス供給通路３４ａが形成され、また燃料ガス供給連通孔２４から第１燃料ガス橋架部２２ａを通り第１挟持部２１ａの中心付近にかけて第１燃料ガス供給通路３４ａが形成されている。一方、第３プレート３０の第２プレート５０側の裏面３０ｂには、酸化剤ガス供給連通孔２８から第１酸化剤ガス橋架部２６ａを通り第１挟持部２１ａの中心付近にかけて第１酸化剤ガス供給通路３５ａが形成され、また酸化剤ガス供給連通孔２８から第２酸化剤ガス橋架部２６ｂを通り第２挟持部２１ｂの中心付近にかけて第２酸化剤ガス供給通路３５ｂが形成されている。

第１プレート４０における一対の挟持部２１ａ，２１ｂの表面４０ａには、それぞれ燃料ガス通路４１が形成されている。各燃料ガス通路４１の中央付近には、第３プレート３０の燃料ガス供給通路３４ａ，３４ｂに連通する燃料ガス供給孔４２が形成されている。燃料ガス通路４１の内部には複数の突起部４３が形成され、燃料ガス通路４１の周囲には第１周縁凸部４４が形成されている。第１周縁凸部４４には、複数の燃料ガス排出孔４５が周方向に離間して放射状に形成されている。

また、第２プレート５０における一対の挟持部２１ａ，２１ｂの裏面５０ｂには、それぞれ酸化剤ガス通路５１が形成されている。各酸化剤ガス通路５１の中央付近には、第３プレート３０の酸化剤ガス供給通路３５ａ，３５ｂに連通する酸化剤ガス供給孔５２が形成されている。酸化剤ガス通路５１の内部には複数の突起部５３が形成され、酸化剤ガス通路５１の周囲には第２周縁凸部５４が形成されている。第２周縁凸部５４には、複数の酸化剤ガス排出孔５５が周方向に等角度間隔で離間して放射状に形成されている。

図９は、セパレータ２０の底面図である。燃料ガス排出孔４５および酸化剤ガス排出孔５５は、各挟持部２１ａ，２１ｂの周方向において異なる位置に（位相が異なるように）配置されている。

（作用）
第３実施形態に係る燃料電池の作用について説明する。
燃料ガスは、図８に示す燃料ガス供給連通孔２４から、一対の燃料ガス供給通路３４ａ，３４ｂ、一対の挟持部２１ａ，２１ｂの燃料ガス供給孔４２および燃料ガス通路４１を通り、一対の電解質・電極接合体１２ａ，１２ｂのアノード電極１４に供給されて発電に使用される。発電に使用された燃料ガスは、第１周縁凸部４４に形成された燃料ガス排出孔４５からアノード電極１４の外側に排出される。
酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔２８から、一対の酸化剤ガス供給通路３５ａ，３５ｂ、一対の挟持部２１ａ，２１ｂの酸化剤ガス供給孔５２および酸化剤ガス通路５１を通り、一対の電解質・電極接合体１２ａ，１２ｂのカソード電極１５に供給されて発電に使用される。発電に使用された酸化剤ガスは、第２周縁凸部５４に形成された酸化剤ガス排出孔５５からカソード電極１５の外側に排出される。

本実施形態の燃料電池においても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

一般に、燃料電池スタックの出力は電解質・電極接合体１２の個数に比例するので、実用的な燃料電池スタックでは相当な個数の電解質・電極接合体１２を必要とする。そこで第３実施形態の燃料電池は、一個のセパレータ２０に一対の挟持部２１ａ，２１ｂを備え、隣接するセパレータの間に一対の電解質・電極接合体１２ａ，１２ｂを挟持する構成とした。これにより、第１実施形態に比べて燃料電池スタックを小型化することができる。

本実施形態の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池である。
これにより、高温型燃料電池である固体酸化物形燃料電池において特に懸念される熱応力による各挟持部２１ａ，２１ｂや各電解質・電極接合体１２ａ，１２ｂの熱歪等が、隣接する他の挟持部や電解質・電極接合体に伝達されることがない。これにより、各挟持部２１ａ，２１ｂ間や各電解質・電極接合体１２ａ，１２ｂ間には、特別な寸法吸収機構を設ける必要がなく、燃料電池の小型化が容易に図られる。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態に係る燃料電池について説明する。図３に示す第１実施形態では、一個のセパレータ２０に一個の挟持部２１が設けられていたが、図１０に示す第４実施形態では、一個のセパレータ２０に四個の挟持部２１ａ〜２１ｄが設けられている点で異なっている。なお、第１〜第３実施形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。

図１０は、第４実施形態に係る燃料電池１１の分解斜視図である。なお図１０のＤ−Ｄ線における断面図は、図２（ｂ）にほぼ一致する。図１０に示すように、この燃料電池１１のセパレータ２０は、四個の電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄを挟持する四個の挟持部２１ａ〜２１ｄを備えている。四個の挟持部２１ａ〜２１ｄの中央に、燃料ガス供給連通孔２４を備えた燃料ガス供給部２３が設けられている。燃料ガス供給部２３と各挟持部２１ａ〜２１ｄとの間は、それぞれ燃料ガス橋架部２２で連結されている。一方、四個の挟持部２１ａ〜２１ｄの周囲にリング状の酸化剤ガス供給部２７が設けられている。酸化剤ガス供給部２７と各挟持部２１ａ〜２１ｄとの間は、それぞれ酸化剤ガス橋架部２６で連結されている。酸化剤ガス供給部２７の周方向に沿って等角度間隔に、複数の酸化剤ガス供給連通孔２８が設けられている。

酸化剤ガス供給部２７がシール材を介して積層されると、酸化剤ガス供給部２７は燃料電池を覆う筐体部８０として機能する。なお、筐体部８０に形成された締結孔（不図示）に締結手段のボルト等を相通すれば、筐体部８０に積層荷重を付与することができる。

第３プレート３０の表面３０ａには、燃料ガス供給連通孔２４から各燃料ガス橋架部２２を通り各挟持部２１ａ〜２１ｄの中心付近にかけて、それぞれ燃料ガス供給通路３４が形成されている。また第３プレート３０の筐体部８０の裏面３０ｂには、図１１の底面図に示すように、各酸化剤ガス供給連通孔２８を連通する充填室２９が設けられている。具体的には、筐体部８０の周方向に沿ってリング状の溝部を形成することで、充填室２９が形成されている。その充填室２９から、各酸化剤ガス橋架部２６を通り各挟持部２１ａ〜２１ｄの中心付近にかけて、それぞれ酸化剤ガス供給通路３５が形成されている。

図１０に戻り、第１プレート４０における各挟持部２１ａ〜２１ｄの表面４０ａには、それぞれ燃料ガス通路４１が形成されている。各燃料ガス通路４１の中央付近には、第３プレート３０の燃料ガス供給通路３４に連通する燃料ガス供給孔４２が形成されている。燃料ガス通路４１の内部には複数の突起部４３が形成され、燃料ガス通路４１の周囲には第１周縁凸部４４が形成されている。第１周縁凸部４４には、複数の燃料ガス排出孔４５が周方向に離間して放射状に形成されている。

また、第２プレート５０における一対の挟持部２１ａ，２１ｂの裏面５０ｂには、それぞれ酸化剤ガス通路５１が形成されている。各酸化剤ガス通路５１の中央付近には、第３プレート３０の酸化剤ガス供給通路３５に連通する酸化剤ガス供給孔５２が形成されている。酸化剤ガス通路５１の内部には複数の突起部５３が形成され、酸化剤ガス通路５１の周囲には第２周縁凸部５４が形成されている。第２周縁凸部５４には、複数の酸化剤ガス排出孔５５が周方向に等角度間隔で離間して放射状に形成されている。

図１１は、セパレータ２０の底面図である。燃料ガス排出孔４５および酸化剤ガス排出孔５５は、各挟持部２１ａ〜２１ｄの周方向において異なる位置に（位相が異なるように）配置されている。

（作用）
第４実施形態に係る燃料電池の作用について説明する。
燃料ガスは、図１０に示す燃料ガス供給連通孔２４から、燃料ガス供給通路３４、各挟持部２１ａ〜２１ｄの燃料ガス供給孔４２および燃料ガス通路４１を通り、各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄのアノード電極１４に供給されて発電に使用される。発電に使用された燃料ガスは、第１周縁凸部４４に形成された燃料ガス排出孔４５から筐体部８０の内側空間に排出される。
酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔２８から、充填室２９、酸化剤ガス供給通路３５、各挟持部２１ａ〜２１ｄの酸化剤ガス供給孔５２および酸化剤ガス通路５１を通り、各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄのカソード電極１５に供給されて発電に使用される。発電に使用された酸化剤ガスは、第２周縁凸部５４に形成された酸化剤ガス排出孔５５から筐体部８０の内側空間に排出される。

本実施形態の燃料電池においても、第１および第３実施形態と同様の効果を奏することができる。

本実施形態の燃料ガス供給部２３は、セパレータ２０の中央部に設けられるとともに、燃料ガス供給部２３を中心に複数の電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄが同心円上に配列されている。
燃料ガス供給部２３がセパレータ２０の中央部に設けられるので、燃料電池に供給される燃料ガスを発電による発生熱によって良好に加熱可能になる。従って、燃料電池は、熱効率の向上と熱自立の促進とを図ることができる。ここで、熱自立とは、外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみで燃料電池の動作温度を維持することをいう。
その上、燃料ガス供給部２３を中心に複数の電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄが同心円上に配列されるので、燃料ガス供給部２３から各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄに対して燃料ガスを均等に分配することができ、各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄの発電性能の向上及び安定化が図られる。

本実施形態では、複数の燃料電池を積層した場合に、各燃料電池において同心円上に配列された各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄが、それぞれ燃料電池の積層方向に沿って同一の位相に配列されている。すなわち、燃料電池の積層方向から見て同じ位置に配置されている。
これにより、電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄに付与される荷重が不足することがないので、電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄとセパレータ２０との密着性が向上し、電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄで発電された電力を効率的に集電することができる。

本実施形態の挟持部２１ａ〜２１ｄは、各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄに対応した形状を有するとともに、各挟持部２１ａ〜２１ｄは、互いに分離して構成されることが好ましい。
各挟持部２１ａ〜２１ｄは各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄに対応した形状を有するため、各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄで発電された電力を効率的に集電することができる。
しかも、各挟持部２１ａ〜２１ｄは互いに分離して構成されるので、隣接する電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄに独立して積層方向の荷重を付与することができる。このため、各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄやセパレータ２０の寸法誤差によって各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄに発生する異なる荷重を吸収することが可能になる。従って、セパレータ２０全体に歪みが惹起されることを阻止し、各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄに対して均等な荷重を付与することができる。その上、各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄの熱歪み等は、隣接する他の電解質・電極接合体に伝達されることがなく、電解質・電極接合体間には、特別な寸法吸収機構を設ける必要がない。これにより、各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄ同士を近接して配置することが可能になり、燃料電池全体の小型化が容易に図られる。

本実施形態の燃料ガス橋架部２２は、燃料ガス供給部２３から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に構成されている。
これにより、燃料ガス供給部２３から各燃料ガス橋架部２２を介して各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄに対して燃料ガスを均等に供給することができ、各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄの発電性能の向上及び安定化を図ることが可能になる。

本実施形態のセパレータ２０は、挟持部２１ａ〜２１ｄ、燃料ガス橋架部２２及び酸化剤ガス橋架部２６が、電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄの数に対応する数に設定されている。
これにより、燃料ガス供給部２３から各燃料ガス橋架部２２及び各挟持部２１ａ〜２１ｄを介して各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄに燃料ガスを均等に供給することができ、各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄの発電性能の向上及び安定化を図ることが可能になる。

本実施形態の燃料ガス供給部２３は、セパレータ２０の中央部に設けられるとともに、燃料ガス供給部２３を中心に各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄが同心円上に配列されている。
燃料ガス供給部２３がセパレータ２０の中央部に設けられるので、燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスは、発電による発生熱を介して良好に加熱可能になり、燃料電池は、熱効率の向上と熱自立の促進とを図ることができる。ここで、熱自立とは、外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみで燃料電池の動作温度を維持することをいう。
しかも、セパレータ２０の面内には、各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄが同心円上に配列されている。このため、セパレータ２０の面内に２以上の同一形状且つ同一面積の電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄが同心円上に配列される燃料電池構造の中、高い占有率を得ることが可能になる。その上、発電出力当たりのスタック体積が小さくなり、燃料電池スタック全体のコンパクト化が容易に図られる。一方、発電出力当たりのスタック表面積が小さくなり、燃料電池スタックからの放熱を最小化することができ、熱効率の向上及び熱自立の促進を図ることが可能になる。

本実施形態では、燃料電池を覆う筐体部８０がセパレータ２０に設けられているので、燃料電池を収容する別体のケーシングが不要になり、部品点数を有効に削減して組立作業性の向上を図るとともに、燃料電池をコンパクト且つ安価に製造することができる。
燃料電池からの排出ガスは、筐体部８０の内側空間に一時滞留する。そのため筐体部８０は、燃料電池からの排出ガスが燃料電池の外部に拡散することを阻止する遮蔽部材及び熱エネルギの拡散を阻止する断熱部材として機能する。これにより、燃料電池の保温性や排熱回収による熱効率を高めることができ、断熱構造が一挙に簡素化して経済的である。

本実施形態の筐体部８０は、酸化剤ガス供給連通孔２８から供給される酸化剤ガスが充填される充填室２９を備えている。充填室２９に充填された酸化剤ガスは、燃料電池からの排出ガスにより加温されるため、電解質・電極接合体１２に供給される前の酸化剤ガスを予め加温することができる。したがって、燃料電池１１全体の熱自立運転が促進されるとともに、熱エネルギの効率的な利用が可能になる。なお筐体部８０および充填室２９は環状に構成されているため、充填室２９の内部の酸化剤ガスを均等に加温することができる。

（第５実施形態）
次に、第５実施形態に係る燃料電池について説明する。図６に示す第２実施形態では、一個のセパレータ２０に一個の挟持部２１が設けられていたが、図１２に示す第５実施形態では、一個のセパレータ２０に四個の挟持部２１ａ〜２１ｄが設けられている点で異なっている。なお、第１〜第４実施形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。

図１２は、第５実施形態に係る燃料電池１１の分解斜視図である。なお図１２のＥ−Ｅ線における断面図は、図２（ｂ）にほぼ一致する。図１２に示すように、この燃料電池１１のセパレータ２０は、四個の電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄを挟持する四個の挟持部２１ａ〜２１ｄを備えている。四個の挟持部２１ａ〜２１ｄの中央に、一個の反応ガス供給部２３が設けられている。この反応ガス供給部２３と各挟持部２１ａ〜２１ｄとの間は、それぞれ反応ガス橋架部２２によって連結されている。
反応ガス供給部２３の中心には、燃料ガス供給連通孔２４が形成されている。その燃料ガス供給連通孔２４を中心とする同一円周上に、複数の酸化剤ガス供給連通孔２８が形成されている。各酸化剤ガス供給連通孔２８は、隣り合う反応ガス橋架部２２の間に配置されている。

第３プレート３０の表面３０ａには、燃料ガス供給連通孔２４から各反応ガス橋架部２２を通り各挟持部２１ａ〜２１ｄの中心付近にかけて、それぞれ燃料ガス供給通路３４が形成されている。また第３プレート３０の裏面３０ｂには、図１３の底面図に示すように、各酸化剤ガス供給連通孔２８から、隣り合う各反応ガス橋架部２２を通り各挟持部２１ａ〜２１ｄの中心付近にかけて、それぞれ酸化剤ガス供給通路３５が形成されている。各反応ガス橋架部２２では、燃料ガス供給通路３４を挟んで平行に、一対の酸化剤ガス供給通路３５が形成されている。各挟持部２１ａ〜２１ｄでは、一対の酸化剤ガス供給通路３５を酸化剤ガス通路５１に連通させるため、一対の酸化剤ガス供給孔５２が形成されている。

図１３は、セパレータ２０の底面図である。燃料ガス排出孔４５および酸化剤ガス排出孔５５は、各挟持部２１ａ〜２１ｄの周方向において異なる位置に（位相が異なるように）配置されている。

（作用）
第５実施形態に係る燃料電池の作用について説明する。
燃料ガスは、図１２に示す燃料ガス供給連通孔２４から、燃料ガス供給通路３４、各挟持部２１ａ〜２１ｄの燃料ガス供給孔４２および燃料ガス通路４１を通り、各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄのアノード電極１４に供給されて発電に使用される。発電に使用された燃料ガスは、第１周縁凸部４４に形成された燃料ガス排出孔４５からアノード電極１４の外側に排出される。
酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔２８から、酸化剤ガス供給通路３５、各挟持部２１ａ〜２１ｄの酸化剤ガス供給孔５２および酸化剤ガス通路５１を通り、各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄのカソード電極１５に供給されて発電に使用される。発電に使用された酸化剤ガスは、第２周縁凸部５４に形成された酸化剤ガス排出孔５５からアノード電極１４の外側に排出される。

本実施形態の燃料電池においても、第１〜第４実施形態と同様の効果を奏することができる。

本実施形態の反応ガス供給部２３は、セパレータ２０の中央部に設けられるとともに、反応ガス供給部２３を中心に複数の電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄが同心円上に配列されている。
反応ガス供給部２３がセパレータの中央部に設けられるので、各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄに供給される前の燃料ガス及び酸化剤ガスを、発電による発生熱により良好に加熱することができ、熱効率の向上及び熱自立の促進を図ることが可能になる。
しかも、反応ガス供給部２３を中心に複数の電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄが同心円上に配列されるので、各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄに燃料ガス及び酸化剤ガスを均等に分配して供給することができ、各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄの発電性能の向上及び安定化が図られる。

本実施形態では、複数の燃料電池を積層した場合に、各燃料電池において同心円上に配列された各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄが、それぞれ燃料電池の積層方向に沿って同一の位相に配列されている。すなわち、燃料電池の積層方向から見て同じ位置に配置されている。
これにより、電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄに付与される荷重が不足することがないので、電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄとセパレータ２０との密着性が向上し、電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄで発電された電力を効率的に集電することができる。

本実施形態の挟持部２１ａ〜２１ｄは、各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄに対応した形状を有するとともに、各挟持部２１ａ〜２１ｄは、互いに分離して構成されている。
各挟持部２１ａ〜２１ｄは各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄに対応した形状を有するため、電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄで発電された電力を効率的に集電することができる。
しかも、各挟持部２１ａ〜２１ｄは互いに分離して構成されるので、隣接する電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄに独立して積層方向の荷重を付与することができる。このため、電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄやセパレータ２０の寸法誤差によって各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄに発生する異なる荷重を吸収することが可能になる。従って、セパレータ全体に歪みが惹起されることを阻止し、各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄに対して均等な荷重を付与することができる。その上、各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄの熱歪み等は、隣接する他の電解質・電極接合体に伝達されることがなく、電解質・電極接合体間には、特別な寸法吸収機構を設ける必要がない。これにより、各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄ同士を近接して配置することが可能になり、燃料電池全体の小型化が容易に図られる。

本実施形態の反応ガス橋架部２２は、反応ガス供給部２３から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に構成されている。
これにより、反応ガス供給部２３から反応ガス橋架部２２を介して各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄに対して燃料ガス及び酸化剤ガスを均等に分配することができ、各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄの発電性能の向上及び安定化が図られる。

本実施形態のセパレータ２０は、各挟持部２１ａ〜２１ｄ及び反応ガス橋架部２２が前記電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄの数に対応する数に設定されている。
この発明によれば、反応ガス供給部２３から各反応ガス橋架部２２及び各挟持部２１ａ〜２１ｄを介して各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄに燃料ガス及び酸化剤ガスを均等に分配することができ、各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄの発電性能の向上及び安定化が図られる。

本実施形態の燃料ガス供給連通孔２４は、反応ガス供給部２３の中央部に設けられるとともに、燃料ガス供給連通孔２４を中心に複数の酸化剤ガス供給連通孔２８が同心円上に配列されている。
これにより、燃料ガス及び酸化剤ガスは、電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄに供給される前に、互いの温度差を低減することができ、電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄの安定的な発電が遂行可能になる。しかも、酸化剤ガス供給連通孔２８の全流路断面積が燃料ガス供給連通孔２４の全流路断面積よりも大きく設定されるので、特にＡ／Ｆの値が大きい燃料電池において、燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力損失の差を低減することが可能になる。これにより、燃料電池の耐久性及び信頼性が良好に向上する。

本実施形態の酸化剤ガス供給連通孔２８は、複数の反応ガス橋架部２２の間に介在するように設けられている。
これにより、燃料電池をより一層簡単且つコンパクトに構成することができる。

本実施形態のセパレータ２０は、酸化剤ガス供給連通孔２８が電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄの数に対応する数に設定されている。
これにより、酸化剤ガス供給連通孔２８から反応ガス橋架部２２及び各挟持部２１ａ〜２１ｄを介して各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄに酸化剤ガスを均等に分配することが可能になり、各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄの発電性能の向上及び安定化が図られる。

本実施形態の反応ガス供給部２３は、セパレータ２０の中央部に設けられるとともに、反応ガス供給部２３を中心に各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄが同心円上に配列されている。
反応ガス供給部２３がセパレータ２０の中央部に設けられるので、燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスは、発電による発生熱を介して良好に加熱可能になり、燃料電池は、熱効率の向上と熱自立の促進とを図ることができる。ここで、熱自立とは、外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみで燃料電池の動作温度を維持することをいう。
しかも、セパレータ２０の面内には、各電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄが同心円上に配列されている。このため、セパレータ２０の面内に２以上の同一形状且つ同一面積の電解質・電極接合体１２ａ〜１２ｄが同心円上に配列される燃料電池構造の中、高い占有率を得ることが可能になる。その上、発電出力当たりのスタック体積が小さくなり、燃料電池スタック全体のコンパクト化が容易に図られる。一方、発電出力当たりのスタック表面積が小さくなり、燃料電池スタックからの放熱を最小化することができ、熱効率の向上及び熱自立の促進を図ることが可能になる。

なお、本発明の技術範囲は上述した実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な構造や形状などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。

１０…燃料電池スタック １１…燃料電池
１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ…電解質・電極接合体
１３…電解質 １４…アノード電極 １５…カソード電極
２０…セパレータ
２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ…挟持部
２２…反応ガス橋架部、燃料ガス橋架部 ２３…反応ガス供給部、燃料ガス供給部
２４…燃料ガス供給連通孔
２６…酸化剤ガス橋架部 ２７…酸化剤ガス供給部
２８…酸化剤ガス供給連通孔
３０…第３プレート ３４…燃料ガス供給通路 ３５…酸化剤ガス供給通路
４０…第１プレート
４１…燃料ガス通路 ４２…燃料ガス供給孔 ４３…突起部
４４…第１周縁凸部 ４５…燃料ガス排出孔
５０…第２プレート
５１…酸化剤ガス通路 ５２…酸化剤ガス供給孔 ５３…突起部
５４…第２周縁凸部 ５５…酸化剤ガス排出孔

Claims (32)

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、セパレータ間に積層される燃料電池であって、
   前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持するとともに、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燃料ガス通路及び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酸化剤ガス通路が個別に設けられる挟持部を備え、
   前記挟持部は、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孔と、
   前記燃料ガス通路側の周縁部に、前記燃料ガス通路側に突出して前記アノード電極の周縁部に接触する第１周縁凸部と、
   前記燃料ガス通路を通って使用された前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出孔と、
   前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガス供給孔と、
   前記酸化剤ガス通路側の周縁部に、前記酸化剤ガス通路側に突出して前記カソード電極の周縁部に接触する第２周縁凸部と、
   前記酸化剤ガス通路を通って使用された前記酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出孔と、を備え、
   前記燃料ガス排出孔と前記酸化剤ガス排出孔は、位相を異にして形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、
   前記燃料ガス排出孔の開口断面積の総和は、前記酸化剤ガス排出孔の開口断面積の総和よりも小さく設定され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、
   前記燃料ガス排出孔の数は、前記酸化剤ガス排出孔の数よりも少なく設定されることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、
   前記燃料ガス排出孔は、前記挟持部の中央部から前記セパレータの面方向に等角度間隔ずつ離間して放射状に設定されることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池において、
   前記酸化剤ガス排出孔は、前記挟持部の中央部から前記セパレータの面方向に等角度間隔ずつ離間して放射状に設定されることを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池において、
   前記燃料ガス供給孔の開口断面積の総和は、前記酸化剤ガス供給孔の開口断面積の総和よりも小さく設定されることを特徴とする燃料電池。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池において、
   前記燃料ガス供給孔の数は、前記酸化剤ガス供給孔の数よりも少なく設定されることを特徴とする燃料電池。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池において、
   前記燃料ガス通路の体積は、前記酸化剤ガス通路の体積よりも小さく設定されることを特徴とする燃料電池。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池において、
   前記挟持部は、前記燃料ガス通路側に突出して前記アノード電極に接触する複数の突起部が設けられることを特徴とする燃料電池。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池において、
    前記挟持部は、前記酸化剤ガス通路側に突出して前記カソード電極に接触する複数の突起部が設けられることを特徴とする燃料電池。
11. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池において、
    前記挟持部は、前記燃料ガス通路側に突出して前記アノード電極に接触する複数の突起部が設けられるとともに、前記酸化剤ガス通路側に突出して前記カソード電極に接触する複数の突起部が設けられ、
    前記アノード電極側の突起部と前記カソード電極側の突起部とは、前記セパレータの積層方向に沿って同一の位相に配列される数が、同一の位相以外に配列される数よりも多数に設定されることを特徴とする燃料電池。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池において、
    前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給通路が形成される燃料ガス橋架部と、
    前記挟持部に連結され、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給通路が形成される酸化剤ガス橋架部と、
    前記燃料ガス橋架部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給通路に供給するための燃料ガス供給連通孔が積層方向に形成される燃料ガス供給部と、
    前記酸化剤ガス橋架部に連結され、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給通路に供給するための酸化剤ガス供給連通孔が積層方向に形成される酸化剤ガス供給部と、
    を備えることを特徴とする燃料電池。
13. 請求項１２に記載の燃料電池において、
    前記燃料ガス供給通路の断面積の総和は、前記酸化剤ガス供給通路の断面積の総和よりも小さく設定されることを特徴とする燃料電池。
14. 請求項１２又は１３記載の燃料電池において、
    前記燃料ガス供給連通孔の断面積の総和は、前記酸化剤ガス供給連通孔の断面積の総和よりも小さく設定されることを特徴とする燃料電池。
15. 請求項１２〜１４のいずれか１項に記載の燃料電池において、
    前記燃料ガス供給部は、前記セパレータの中央部に設けられるとともに、
    前記燃料ガス供給部を中心に複数の前記電解質・電極接合体が同心円上に配列されることを特徴とする燃料電池。
16. 請求項１５記載の燃料電池において、
    複数の前記燃料電池を積層した場合に、前記各燃料電池において同心円上に配列された前記各電解質・電極接合体が、それぞれ前記燃料電池の積層方向に沿って同一の位相に配列されることを特徴とする燃料電池。
17. 請求項１５又は１６記載の燃料電池において、
    前記挟持部は、前記各電解質・電極接合体に対応した形状を有するとともに、
    前記各挟持部は、互いに分離して構成されることを特徴とする燃料電池。
18. 請求項１５〜１７のいずれか１項に記載の燃料電池において、
    前記燃料ガス橋架部は、前記燃料ガス供給部から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に構成されることを特徴とする燃料電池。
19. 請求項１５〜１８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、前記挟持部、前記燃料ガス橋架部及び前記酸化剤ガス橋架部が前記電解質・電極接合体の数に対応する数に設定されることを特徴とする燃料電池。
20. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池において、
    前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給通路及び前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給通路が形成される橋架部と、
    前記橋架部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給通路に供給するための燃料ガス供給連通孔及び前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給通路に供給するための酸化剤ガス供給連通孔が積層方向に形成される反応ガス供給部と、
    を備えることを特徴とする燃料電池。
21. 請求項２０に記載の燃料電池において、
    前記燃料ガス供給通路の断面積の総和は、前記酸化剤ガス供給通路の断面積の総和よりも小さく設定されることを特徴とする燃料電池。
22. 請求項２０又は２１記載の燃料電池において、
    前記燃料ガス供給連通孔の断面積の総和は、前記酸化剤ガス供給連通孔の断面積の総和よりも小さく設定されることを特徴とする燃料電池。
23. 請求項２０〜２２のいずれか１項に記載の燃料電池において、
    前記反応ガス供給部は、前記セパレータの中央部に設けられるとともに、
    前記反応ガス供給部を中心に複数の前記電解質・電極接合体が同心円上に配列されることを特徴とする燃料電池。
24. 請求項２３記載の燃料電池において、
    複数の前記燃料電池を積層した場合に、前記各燃料電池において同心円上に配列された前記各電解質・電極接合体が、それぞれ前記燃料電池の積層方向に沿って同一の位相に配列されることを特徴とする燃料電池。
25. 請求項２３又は２４記載の燃料電池において、
    前記挟持部は、前記各電解質・電極接合体に対応した形状を有するとともに、
    前記各挟持部は、互いに分離して構成されることを特徴とする燃料電池。
26. 請求項２３〜２５のいずれか１項に記載の燃料電池において、
    前記橋架部は、前記反応ガス供給部から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に構成されることを特徴とする燃料電池。
27. 請求項２１〜２６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、前記挟持部及び前記橋架部が前記電解質・電極接合体の数に対応する数に設定されることを特徴とする燃料電池。
28. 請求項２１〜２７のいずれか１項に記載の燃料電池において、
    前記燃料ガス供給連通孔は、前記反応ガス供給部の中央部に設けられるとともに、
    前記燃料ガス供給連通孔を中心に複数の前記酸化剤ガス供給連通孔が同心円上に配列されることを特徴とする燃料電池。
29. 請求項２１〜２８のいずれか１項に記載の燃料電池において、
    前記酸化剤ガス供給連通孔は、複数の前記橋架部の間に介在するように設けられることを特徴とする燃料電池。
30. 請求項２１〜２９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、前記酸化剤ガス供給連通孔が前記電解質・電極接合体の数に対応する数に設定されることを特徴とする燃料電池。
31. 請求項１２〜３０のいずれか１項に記載の燃料電池において、
    前記燃料ガス供給部又は前記反応ガス供給部は、前記セパレータの中央部に設けられるとともに、
    前記燃料ガス供給部又は前記反応ガス供給部を中心に４つの前記電解質・電極接合体が同心円上に配列されることを特徴とする燃料電池。
32. 請求項１〜３１のいずれか１項に記載の燃料電池において、
    前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする燃料電池。

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