JP4351618B2

JP4351618B2 - Fuel cell

Info

Publication number: JP4351618B2
Application number: JP2004343962A
Authority: JP
Inventors: 弘樹本間
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-12-26
Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2024-11-29
Also published as: JP2005209620A

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、それぞれ１枚のプレートで構成される一対のセパレータ間に配設される燃料電池、及び前記燃料電池が複数積層される燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell in which an electrolyte / electrode assembly composed of an electrolyte sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode is disposed between a pair of separators each composed of a single plate, and the fuel cell The present invention relates to a fuel cell stack in which a plurality of layers are stacked.

通常、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体（単セル）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、単セルとセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。 In general, a solid oxide fuel cell (SOFC) uses an oxide ion conductor, for example, stabilized zirconia, as an electrolyte, and an electrolyte / electrode assembly in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both sides of the electrolyte ( A single cell) is sandwiched between separators (bipolar plates). This fuel cell is normally used as a fuel cell stack in which a predetermined number of single cells and separators are stacked.

上記の燃料電池において、カソード電極に酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されると、前記カソード電極と電解質との界面でこの酸化剤ガス中の酸素がイオン化され、酸化物イオン（Ｏ^2-）が電解質を通ってアノード電極側に移動する。アノード電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）やＣＯが供給されているために、このアノード電極において、酸化物イオン及び水素（又はＣＯ）が反応して水（又はＣＯ₂）が生成される。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。 In the fuel cell, when an oxidant gas, for example, a gas containing mainly oxygen or air (hereinafter also referred to as an oxygen-containing gas) is supplied to the cathode electrode, this oxidation is performed at the interface between the cathode electrode and the electrolyte. Oxygen in the agent gas is ionized, and oxide ions (O ²⁻ ) move to the anode electrode side through the electrolyte. Since the anode electrode is supplied with a fuel gas, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter also referred to as a hydrogen-containing gas) or CO, in this anode electrode, oxide ions and hydrogen (or CO) Reacts to produce water (or CO ₂ ). Electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy.

この種の燃料電池では、積層方向の寸法を減少させるために、セパレータの厚さを小さくするとともに、部品点数を削減すること等を目的として、種々の提案がなされている。例えば、図１７に示すように、特許文献１に開示されている燃料電池用セパレータ１は、薄いシート状のセパレータ本体２と、前記セパレータ本体２の片面に一体成形された多数の第１の微細突起３と、前記セパレータ本体２の他面に一体成形された多数の第２の微細突起４とを有している。セパレータ１と燃料極５との間には、第１の微細突起３を介して燃料ガス通路６が形成される一方、前記セパレータ１と空気極７との間には、第２の微細突起４を介して酸化剤ガス通路８が形成されている。 In this type of fuel cell, various proposals have been made for the purpose of reducing the thickness of the separator and reducing the number of components in order to reduce the dimension in the stacking direction. For example, as shown in FIG. 17, a fuel cell separator 1 disclosed in Patent Document 1 includes a thin sheet-like separator body 2 and a number of first fine bodies integrally formed on one side of the separator body 2. The projection 3 has a large number of second fine projections 4 integrally formed on the other surface of the separator body 2. A fuel gas passage 6 is formed between the separator 1 and the fuel electrode 5 via the first fine protrusion 3, while a second fine protrusion 4 is formed between the separator 1 and the air electrode 7. An oxidant gas passage 8 is formed through the.

特開２００２−７５４０８号公報（図２）Japanese Patent Laying-Open No. 2002-75408 (FIG. 2)

しかしながら、上記の特許文献１では、１枚のセパレータ１の両面に燃料ガス通路６と酸化剤ガス通路８とが形成されているだけであり、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給形態が制限されてしまう。すなわち、燃料ガス及び酸化剤ガスは、燃料極５及び空気極７の一端部から他端部に向かって供給されるだけである。このため、汎用性が低下するとともに、燃料極５や空気極７の形状等によっては、燃料ガスや酸化剤ガスをそれぞれの電極面全面に均一に供給することができないおそれがある。 However, in the above-mentioned Patent Document 1, only the fuel gas passage 6 and the oxidant gas passage 8 are formed on both surfaces of one separator 1, and the supply form of the fuel gas and the oxidant gas is limited. End up. That is, the fuel gas and the oxidant gas are only supplied from one end portion of the fuel electrode 5 and the air electrode 7 toward the other end portion. For this reason, versatility is reduced, and depending on the shape of the fuel electrode 5 and the air electrode 7, the fuel gas and the oxidant gas may not be uniformly supplied to the entire surface of each electrode.

しかも、燃料ガスのシール性及び酸化剤ガスのシール性を良好に維持しなければならず、シール構造が複雑化するという問題がある。 In addition, the sealing performance of the fuel gas and the oxidizing gas must be maintained well, and there is a problem that the sealing structure becomes complicated.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、積層方向の厚みを減らしながら所望のシール性を確実に維持するとともに、効率的な発電を行う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。 The present invention solves this type of problem, and it is a simple and compact structure that can reliably maintain a desired sealing property while reducing the thickness in the stacking direction and can efficiently generate power. An object is to provide a battery and a fuel cell stack.

本発明に係る燃料電池は、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・電極接合体が略台形状に構成され、その複数個がそれぞれ１枚のプレートで構成される一対のセパレータ間に配設されている。セパレータの一方の面には、アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路を形成する第１突起部が設けられるとともに、前記セパレータの他方の面には、カソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路を形成する第２突起部が設けられた台形部が形成される。 In the fuel cell according to the present invention, an electrolyte / electrode assembly configured by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode is configured in a substantially trapezoidal shape, and a plurality of each is configured by one plate. It is arranged between the separators. One surface of the separator is provided with a first protrusion that forms a fuel gas passage for supplying fuel gas along the electrode surface of the anode electrode, and the other surface of the separator is provided with a cathode electrode. trapezoidal portion where the second projection portion forming the oxygen-containing gas channel for supplying an oxidant gas along the electrode surface is provided is Ru is formed.

そして、セパレータの一方の面又は他方の面には、燃料ガス供給部に連通する燃料ガス供給通路を形成する通路部材が設けられ、該燃料ガス供給通路は、前記燃料ガス通路に燃料ガスを導入する燃料ガス導入口に連通し、且つ該燃料ガス導入口は、前記電解質・電極接合体の中間に対し前記酸化剤ガスの流れ方向上流側に離間する位置に設定されている。 A separator member is provided on one surface or the other surface of the separator to form a fuel gas supply passage that communicates with the fuel gas supply section. The fuel gas supply passage introduces fuel gas into the fuel gas passage. The fuel gas introduction port is set at a position that is separated from the middle of the electrolyte / electrode assembly upstream in the flow direction of the oxidant gas.

また、電解質・電極接合体で反応に使用された後の反応ガスを、排ガスとして前記電解質・電極接合体とセパレータとの積層方向に排出する排ガス通路を備え、前記排ガス通路内には、使用前の燃料ガスを前記積層方向に供給する燃料ガス供給部が気密に設けられるとともに、燃料ガス供給通路は、燃料ガス通路と前記燃料ガス供給部とを連通し、且つ前記排ガス通路を前記積層方向に交差するセパレータ面方向に横切って配置されることが好ましい。 In addition, an exhaust gas passage for discharging the reaction gas after being used in the reaction in the electrolyte / electrode assembly as exhaust gas in the stacking direction of the electrolyte / electrode assembly and the separator is provided, The fuel gas supply section for supplying the fuel gas in the stacking direction is provided in an airtight manner, the fuel gas supply passage communicates the fuel gas passage with the fuel gas supply section, and the exhaust gas passage in the stacking direction. It is preferable to be arranged across the crossing separator surface direction.

さらに、排ガス通路は、セパレータの中央部に設けられることが好ましく、さらにまた、燃料ガス供給部は、前記排ガス通路の中央部に気密に設けられることが好ましい。 Furthermore, the exhaust gas passage is preferably provided in the central portion of the separator, and the fuel gas supply portion is preferably provided in an airtight manner in the central portion of the exhaust gas passage.

また、使用前の酸化剤ガスを前記電解質・電極接合体の外周側から酸化剤ガス通路に供給する酸化剤ガス供給部が設けられることが好ましい。 Moreover, it is preferable that an oxidant gas supply unit for supplying an oxidant gas before use to the oxidant gas passage from the outer peripheral side of the electrolyte-electrode assembly is provided.

さらにまた、第１及び第２突起部は、環状突起と山状突起との組み合わせで構成されることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the first and second protrusions are configured by a combination of an annular protrusion and a mountain-shaped protrusion.

ここで、山状突起を、環状突起が突出することに伴って陥没した凹部内に配設することが好ましい。これにより、電解質・電極接合体に締め付け荷重を効率的に伝達することができる。また、ガス通路の容積が過度に小さくなることが回避されるので圧損が過度に上昇することが回避され、このために発電反応を促進させることができる。 Here, it is preferable that the mountain-shaped protrusion is disposed in the recessed portion that is depressed as the annular protrusion protrudes. Thereby, the tightening load can be efficiently transmitted to the electrolyte / electrode assembly. Moreover, since it is avoided that the volume of the gas passage becomes too small, it is avoided that the pressure loss rises excessively, and for this reason, the power generation reaction can be promoted.

そして、この場合、山状突起と環状突起とを同軸に配置することが好ましい。 In this case, it is preferable to arrange the mountain-shaped protrusion and the annular protrusion coaxially.

さらにまた、電解質・電極接合体は、略リング体を所定の角度範囲に分断した略台形状に構成されるとともに、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が好ましい。 Furthermore, it is preferable that the electrolyte / electrode assembly is formed in a substantially trapezoidal shape in which a substantially ring body is divided into a predetermined angle range, and a plurality of concentric circles are arranged with respect to the central portion of the separator.

また、本発明に係る燃料電池スタックは、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複数の電解質・電極接合体が、それぞれ１枚のプレートで構成される一対のセパレータ間に配設されるとともに、前記電解質・電極接合体が、略リング体を所定の角度範囲に分断した略台形状に構成される燃料電池を備え、前記燃料電池が複数積層されている。 In the fuel cell stack according to the present invention, a plurality of electrolyte / electrode assemblies configured by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode are disposed between a pair of separators each configured by a single plate. In addition, the electrolyte / electrode assembly includes a fuel cell having a substantially trapezoidal shape in which a substantially ring body is divided into a predetermined angle range, and a plurality of the fuel cells are stacked.

そして、複数積層される燃料電池に対し、積層方向に締め付け荷重を付与するとともに、積層方向に貫通する燃料ガス供給部が形成される前記燃料電池の中央部に付与される積層方向の荷重が、電解質・電極接合体が配設される前記燃料電池の外周部に付与される積層方向の荷重よりも大きく設定される締め付け荷重付与機構を備えている。 And, for the fuel cells to be stacked in plural, while applying a tightening load in the stacking direction, the load in the stacking direction applied to the central portion of the fuel cell in which the fuel gas supply part penetrating in the stacking direction is formed, A tightening load applying mechanism that is set larger than the load in the stacking direction applied to the outer peripheral portion of the fuel cell in which the electrolyte / electrode assembly is disposed is provided.

本発明では、１枚のセパレータを備え、該セパレータに燃料ガス供給通路を形成する通路部材が設けられるため、簡単な構造で、前記セパレータの積層方向の寸法（厚さ）が有効に短尺化される。しかも、通路部材を設けることにより、電解質・電極接合体を酸化剤ガス雰囲気に配置することができ、酸化剤ガスのシールが不要になってシール材を削減することが可能になる。このため、シール構造が有効に簡素化して製造コストを削減することができる。 In the present invention, since the separator is provided with a passage member that forms a fuel gas supply passage in the separator, the dimension (thickness) in the stacking direction of the separator is effectively shortened with a simple structure. The In addition, by providing the passage member, the electrolyte / electrode assembly can be disposed in the oxidant gas atmosphere, so that the seal of the oxidant gas becomes unnecessary and the sealing material can be reduced. For this reason, a seal structure can be simplified effectively and manufacturing cost can be reduced.

さらに、燃料ガスは、電解質・電極接合体の中間に対し酸化剤ガスの流れ方向上流側に離間した位置から燃料ガス通路に導入されるため、前記燃料ガスの流れ方向が酸化剤ガスの流れ方向に近似する。 Further, since the fuel gas is introduced into the fuel gas passage from a position separated upstream in the flow direction of the oxidant gas with respect to the middle of the electrolyte / electrode assembly, the flow direction of the fuel gas is the flow direction of the oxidant gas. To approximate.

特に、略台形状の電解質・電極接合体では、燃料ガス濃度が高い外周部の面積が内周部の面積に比べて大きいため、該外周部では、燃料ガスの流速が遅く、反応が促進される。一方、内周部では面積が小さくなるため、燃料ガスの流速が速くなり、濃度が低くなった燃料ガスを速やかに排出できる。これにより、反応が促進される有効面積を増大させることができ、コンパクトな構成で、大きな電力を得ることが可能になる。 In particular, in the substantially trapezoidal electrolyte / electrode assembly, since the area of the outer peripheral portion where the fuel gas concentration is high is larger than the area of the inner peripheral portion, the flow rate of the fuel gas is slow in the outer peripheral portion and the reaction is promoted. The On the other hand, since the area is small in the inner peripheral portion, the flow rate of the fuel gas is increased, and the fuel gas having a reduced concentration can be quickly discharged. Thereby, the effective area where the reaction is promoted can be increased, and a large amount of electric power can be obtained with a compact configuration.

また、本発明の燃料電池スタックでは、締め付け荷重付与機構が燃料ガス供給部に対して大きな締め付け荷重を付与することによって、この燃料ガス供給部のシール性が良好に維持される一方、電解質・電極接合体に対して比較的小さな締め付け荷重を付与し、該電解質・電極接合体の損傷を防ぎ且つ集電性を高めることが可能になる。 In the fuel cell stack of the present invention, the tightening load applying mechanism applies a large tightening load to the fuel gas supply unit, so that the sealing property of the fuel gas supply unit is maintained well, while the electrolyte / electrode It is possible to apply a relatively small tightening load to the joined body, to prevent damage to the electrolyte / electrode joined body, and to improve the current collecting property.

しかも、各電解質・電極接合体は、略台形状に構成されており、全体として略リング状に配列される。このため、隣り合う電解質・電極接合体同士の接する長さが長尺となり、前記電解質・電極接合体間を反応に使用されずに流動する燃料ガス及び酸化剤ガスを良好に削減することができる。従って、有効発電面積を増大させることができ、コンパクトな構成で、大きな電力を得ることが可能になる。 Moreover, each electrolyte / electrode assembly is formed in a substantially trapezoidal shape, and is arranged in a substantially ring shape as a whole. For this reason, the contact length between adjacent electrolyte / electrode assemblies becomes long, and the fuel gas and the oxidant gas flowing without being used in the reaction between the electrolyte / electrode assemblies can be favorably reduced. . Therefore, the effective power generation area can be increased, and large power can be obtained with a compact configuration.

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り、図２は、前記燃料電池スタック１２が筐体１４内に収容された燃料電池システム１６の一部断面説明図である。 FIG. 1 is a schematic perspective explanatory view of a fuel cell stack 12 in which a plurality of fuel cells 10 according to the first embodiment of the present invention are stacked in the direction of arrow A, and FIG. 14 is a partial cross-sectional explanatory view of the fuel cell system 16 accommodated in 14. FIG.

燃料電池１０は、固体電解質型燃料電池であり、設置用の他、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、略リング体を所定の角度範囲に分断した略台形状に構成されるとともに、外周部には、酸化剤ガスの進入を阻止するためにバリアー層が設けられている。 The fuel cell 10 is a solid oxide fuel cell, and is used for various applications such as in-vehicle use in addition to installation. As shown in FIGS. 3 and 4, the fuel cell 10 is provided with a cathode electrode 22 and an anode electrode 24 on both surfaces of an electrolyte (electrolyte plate) 20 made of an oxide ion conductor such as stabilized zirconia, for example. The electrolyte / electrode assembly 26 is provided. The electrolyte / electrode assembly 26 is configured to have a substantially trapezoidal shape in which the ring body is substantially divided into a predetermined angle range, and a barrier layer is provided on the outer peripheral portion to prevent the oxidant gas from entering. .

燃料電池１０は、一対のセパレータ２８間に複数、例えば、８個の電解質・電極接合体２６を挟んで構成される。セパレータ２８間には、このセパレータ２８の中心部である燃料ガス供給連通孔（燃料ガス供給部）３０と同心円上に８個の電解質・電極接合体２６が配列される。 The fuel cell 10 is configured by sandwiching a plurality of, for example, eight electrolyte / electrode assemblies 26 between a pair of separators 28. Between the separators 28, eight electrolyte / electrode assemblies 26 are arranged concentrically with the fuel gas supply communication hole (fuel gas supply part) 30 which is the central part of the separator 28.

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を介して台形部３６が一体的に設けられる。台形部３６は、電解質・電極接合体２６と略同一形状に設定され、酸化剤ガスの流れ方向（矢印Ｂ方向）に向かって幅狭になる両側部３７ａ、円弧状の外周部３７ｂ及び略直線状の内周部３７ｃを有する。 As shown in FIG. 3, the separator 28 is formed of, for example, a single metal plate or a carbon plate formed of a sheet metal such as a stainless alloy. The separator 28 has a first small-diameter end portion 32 that forms a fuel gas supply communication hole 30 at the center. A trapezoidal portion 36 is integrally provided via a plurality of first bridge portions 34 that extend radially away from the first small diameter end portion 32 at equal angular intervals outward. The trapezoidal portion 36 is set to have substantially the same shape as the electrolyte / electrode assembly 26, and both side portions 37a, arc-shaped outer peripheral portions 37b, and substantially straight lines that become narrower in the oxidant gas flow direction (arrow B direction). The inner peripheral portion 37c has a shape.

図３及び図５に示すように、各台形部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を形成する第１突起部４８が設けられる。各台形部３６のカソード電極２２に接触する面３６ｂには、前記カソード電極２２の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路５０を形成する第２突起部５２が設けられる（図６参照）。図７に示すように、第１突起部４８と第２突起部５２は、互いに相反する方向に延在するように突出している。 As shown in FIGS. 3 and 5, a fuel gas passage 46 for supplying fuel gas along the electrode surface of the anode electrode 24 is formed on the surface 36 a of the trapezoidal portion 36 that contacts the anode electrode 24. A first protrusion 48 is provided. A second protrusion 52 that forms an oxidant gas passage 50 for supplying an oxidant gas along the electrode surface of the cathode electrode 22 is provided on the surface 36 b of each trapezoidal part 36 that contacts the cathode electrode 22. (See FIG. 6). As shown in FIG. 7, the first protrusion 48 and the second protrusion 52 protrude so as to extend in directions opposite to each other.

本実施の形態では、第１突起部４８はリング状突起を構成するとともに、第２突起部５２は山状突起を構成する。山状突起である第２突起部５２は、リング状突起である第１突起部４８に囲繞されるように配置されている。 In the present embodiment, the first protrusion 48 constitutes a ring-like protrusion, and the second protrusion 52 constitutes a mountain-like protrusion. The second protrusion 52, which is a mountain-shaped protrusion, is disposed so as to be surrounded by the first protrusion 48, which is a ring-shaped protrusion.

ここで、第２突起部５２が突出した面には、第１突起部４８が突出することに対応して陥没した凹部５３が形成されている。従って、第２突起部５２は、この凹部５３内に配置された形態となっている。 Here, on the surface from which the second protrusion 52 protrudes, a recessed portion 53 that is depressed corresponding to the protrusion of the first protrusion 48 is formed. Therefore, the 2nd projection part 52 becomes a form arranged in this crevice 53.

そして、本実施の形態においては、真円のリング状である第１突起部４８の中心軸線Ｌ１と、第２突起部５２の突出中心軸線Ｌ２とが合致するように、換言すれば、第１及び第２突起部４８、５２の中心同士が合致して互いに同軸となるように配置されている。 In the present embodiment, the center axis L1 of the first projecting portion 48, which is a perfect circular ring shape, and the projecting center axis L2 of the second projecting portion 52 are matched, in other words, the first The second protrusions 48 and 52 are arranged so that their centers coincide with each other and are coaxial with each other.

図８及び図９に示すように、第１及び第２突起部４８、５２は、複数形成されており、前記第１突起部４８の高さＨ１と、前記第２突起部５２の高さＨ２とは、Ｈ１＜Ｈ２の関係に設定される。酸化剤ガス通路５０の容積を燃料ガス通路４６の容積よりも大きくするためである。このような形状の第１及び第２突起部４８、５２は、例えば、プレス成形、エッチング成形、切削加工による成形等によって設けることができる。 As shown in FIGS. 8 and 9, a plurality of first and second protrusions 48 and 52 are formed, and the height H1 of the first protrusion 48 and the height H2 of the second protrusion 52 are shown. Is set to a relationship of H1 <H2. This is because the volume of the oxidant gas passage 50 is made larger than the volume of the fuel gas passage 46. The first and second protrusions 48 and 52 having such a shape can be provided by, for example, press molding, etching molding, or molding by cutting.

なお、第１突起部４８を山状突起で構成する一方、第２突起部５２をリング状突起で構成してもよい。その際、リング状突起の高さを山状突起の高さよりも大きく設定することが好ましい。 In addition, while the 1st projection part 48 is comprised with a mountain-shaped protrusion, the 2nd projection part 52 may be comprised with a ring-shaped protrusion. In that case, it is preferable to set the height of the ring-shaped protrusion to be larger than the height of the mountain-shaped protrusion.

図３〜図６に示すように、台形部３６には、アノード電極２４の中央側から燃料ガス通路４６に燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口５４が１以上、例えば、３つ形成される。燃料ガス導入口５４の位置は、台形部３６の形状の他、燃料ガス及び酸化剤ガスの圧力によって決められ、電解質・電極接合体２６の中間に対し酸化剤ガスの流れ方向（矢印Ｂ方向）上流側に離間する位置に設定される。図５に示すように、例えば、台形部３６の径方向（矢印Ｂ方向）の中間位置（外周部３７ｂと内周部３７ｃとの中間位置）Ｐ１を求め（α₁＝α₂）、さらに、この中間位置Ｐ１と外周部３７ｂとの中間位置に燃料ガス導入口５４が設定される。 As shown in FIGS. 3 to 6, the trapezoidal portion 36 is formed with one or more, for example, three fuel gas inlets 54 for supplying fuel gas from the central side of the anode electrode 24 to the fuel gas passage 46. The The position of the fuel gas inlet 54 is determined by the pressure of the fuel gas and the oxidant gas in addition to the shape of the trapezoidal portion 36, and the flow direction of the oxidant gas relative to the middle of the electrolyte / electrode assembly 26 (direction of arrow B). It is set at a position away from the upstream side. As shown in FIG. 5, for example, an intermediate position (intermediate position between the outer peripheral portion 37b and the inner peripheral portion 37c) P1 in the radial direction (arrow B direction) of the trapezoidal portion 36 is obtained (α ₁ = α ₂ ), and The fuel gas inlet 54 is set at an intermediate position between the intermediate position P1 and the outer peripheral portion 37b.

セパレータ２８のカソード電極２２に対向する面には、通路部材５６が、例えば、ろう付けやレーザ溶接等により固着される。通路部材５６は、図１０に示すように、中央部に燃料ガス供給連通孔３０を形成する第２小径端部５８を備える。この第２小径端部５８から放射状に８本の略Ｔ字状の第２橋架部６０が延在するとともに、各第２橋架部６０の先端は、セパレータ２８の第１橋架部３４から台形部３６の面３６ｂに固着される。 A passage member 56 is fixed to the surface of the separator 28 facing the cathode electrode 22 by, for example, brazing or laser welding. As shown in FIG. 10, the passage member 56 includes a second small diameter end portion 58 that forms the fuel gas supply communication hole 30 in the center portion. Eight substantially T-shaped second bridge parts 60 extend radially from the second small diameter end part 58, and the tip of each second bridge part 60 extends from the first bridge part 34 of the separator 28 to a trapezoidal part. It is fixed to the surface 36b of 36.

通路部材５６の接合面において、第２小径端部５８には、燃料ガス供給連通孔３０に連通して複数のスリット６２が放射状に形成される。このスリット６２には、第２小径端部５８を周回してろう材の流れを防止し、且つ、燃料ガスの流れを均一にするための凹部６４が連通する。第１及び第２橋架部３４、６０間には、燃料ガス供給連通孔３０からスリット６２及び凹部６４を介して燃料ガス通路４６に連通する燃料ガス供給通路６６が形成される。図１１に示すように、各通路部材５６は、第２橋架部６０が積層方向（矢印Ａ方向）の荷重に対して該積層方向に弾性変形可能なように断面湾曲形状に構成される。 On the joint surface of the passage member 56, a plurality of slits 62 are formed radially at the second small diameter end portion 58 so as to communicate with the fuel gas supply communication hole 30. A concave portion 64 communicates with the slit 62 to prevent the brazing material from flowing around the second small-diameter end portion 58 and to make the flow of the fuel gas uniform. A fuel gas supply passage 66 communicating with the fuel gas passage 46 from the fuel gas supply communication hole 30 through the slit 62 and the recess 64 is formed between the first and second bridge portions 34 and 60. As shown in FIG. 11, each passage member 56 is configured in a curved cross section so that the second bridge portion 60 can be elastically deformed in the stacking direction with respect to a load in the stacking direction (arrow A direction).

図８及び図９に示すように、酸化剤ガス通路５０は、電解質・電極接合体２６の外周端部と台形部３６の外周部３７ｂとの間から矢印Ａ方向に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部６８に連通する。 As shown in FIGS. 8 and 9, the oxidant gas passage 50 is an oxidant gas that supplies oxidant gas in the direction of arrow A from between the outer peripheral end portion of the electrolyte / electrode assembly 26 and the outer peripheral portion 37 b of the trapezoidal portion 36. It communicates with the agent gas supply unit 68.

各セパレータ２８間には、図８に示すように、燃料ガス供給連通孔３０をシールするための絶縁シール６９が設けられる。絶縁シール６９は、例えば、マイカ材やセラミック材で形成されている。燃料電池１０には、台形部３６の内周部３７ｃの内方に位置して積層方向に延在する排ガス通路６７が形成される。 As shown in FIG. 8, an insulating seal 69 for sealing the fuel gas supply communication hole 30 is provided between the separators 28. The insulating seal 69 is made of, for example, mica material or ceramic material. The fuel cell 10 is formed with an exhaust gas passage 67 that is located inward of the inner peripheral portion 37 c of the trapezoidal portion 36 and extends in the stacking direction.

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１０の積層方向両端に円板状のエンドプレート７０ａ、７０ｂを配置するとともに、締め付け荷重付与機構７２を介して積層方向に締め付け保持される。 As shown in FIGS. 1 and 2, the fuel cell stack 12 includes disk-shaped end plates 70 a and 70 b arranged at both ends in the stacking direction of the plurality of fuel cells 10, and the stacking direction via the tightening load applying mechanism 72. Tightened and held.

締め付け荷重付与機構７２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７４ａ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７４ｂとを備える（Ｔ１＞Ｔ２）。 The tightening load applying mechanism 72 has a first tightening portion 74a that applies a first tightening load T1 to the vicinity of the fuel gas supply communication hole 30, and the electrolyte / electrode assembly 26 more than the first tightening load T1. And a second tightening portion 74b that applies a small second tightening load T2 (T1> T2).

エンドプレート７０ａは、筐体１４に対して絶縁されており、中心部に燃料ガス供給口７６が形成され、この燃料ガス供給口７６が各燃料電池１０の燃料ガス供給連通孔３０に連通する。エンドプレート７０ａには、燃料ガス供給口７６を挟んで２個のボルト挿入口７８ａが形成される。ボルト挿入口７８ａは、燃料電池スタック１２の排ガス通路６７に対応している。 The end plate 70 a is insulated from the housing 14, and a fuel gas supply port 76 is formed at the center, and the fuel gas supply port 76 communicates with the fuel gas supply communication hole 30 of each fuel cell 10. In the end plate 70a, two bolt insertion ports 78a are formed with the fuel gas supply port 76 interposed therebetween. The bolt insertion port 78 a corresponds to the exhaust gas passage 67 of the fuel cell stack 12.

エンドプレート７０ａには、燃料ガス供給口７６を中心とする仮想円に沿って、すなわち、各電解質・電極接合体２６に対応して、８個の略円形開口部８０が形成される。各円形開口部８０には、燃料ガス供給口７６に向かって突出する矩形開口部８２が連通するとともに、前記矩形開口部８２の一部が排ガス通路６７に重なっているため、矩形開口部８２から排ガスが排出される。 Eight substantially circular openings 80 are formed in the end plate 70 a along a virtual circle centered on the fuel gas supply port 76, that is, corresponding to each electrolyte / electrode assembly 26. Each circular opening 80 communicates with a rectangular opening 82 projecting toward the fuel gas supply port 76, and a part of the rectangular opening 82 overlaps the exhaust gas passage 67. Exhaust gas is discharged.

エンドプレート７０ｂは、導電部材で構成されている。図２に示すように、このエンドプレート７０ｂの中央部に接続端子部８４が軸方向に膨出形成されるとともに、前記接続端子部８４を挟んで２個のボルト挿入口７８ｂが形成される。各ボルト挿入口７８ａ、７８ｂは、同軸上に設けられており、２本の締付ボルト（締め付け具）８６が挿入され、締付ボルト８６は、エンドプレート７０ｂと絶縁される。締付ボルト８６の先端にナット８８が螺合して第１締め付け部７４ａが構成され、エンドプレート７０ａ、７０ｂ間に所望の締め付け荷重が付与される。 The end plate 70b is made of a conductive member. As shown in FIG. 2, a connection terminal portion 84 is bulged and formed at the center of the end plate 70b in the axial direction, and two bolt insertion openings 78b are formed with the connection terminal portion 84 interposed therebetween. Each bolt insertion port 78a, 78b is provided coaxially, and two fastening bolts (fastening tools) 86 are inserted, and the fastening bolts 86 are insulated from the end plate 70b. A nut 88 is screwed onto the tip of the tightening bolt 86 to form a first tightening portion 74a, and a desired tightening load is applied between the end plates 70a and 70b.

接続端子部８４は、導線９０を介して出力端子９２ａに電気的に接続され、この出力端子９２ａは、筐体１４に固定される。 The connection terminal portion 84 is electrically connected to the output terminal 92 a through the conductive wire 90, and the output terminal 92 a is fixed to the housing 14.

エンドプレート７０ａの各円形開口部８０には、第２締め付け部７４ｂが配設される。この第２締め付け部７４ｂには、燃料電池スタック１２の積層方向端部に電気的に接触する集電板としての押し付け部材９４が配置される。押し付け部材９４にスプリング９６の一端が当接するとともに、前記スプリング９６の他端が筐体１４の内壁部に支持される。スプリング９６は、第１締め付け荷重Ｔ１よりも低いバネ荷重に設定されるとともに、発電時の熱による影響を回避し、さらに絶縁性を持たせるために、例えば、セラミックスで構成される。 A second tightening portion 74b is disposed in each circular opening 80 of the end plate 70a. A pressing member 94 as a current collecting plate that is in electrical contact with the stacking direction end of the fuel cell stack 12 is disposed in the second tightening portion 74b. One end of the spring 96 abuts on the pressing member 94 and the other end of the spring 96 is supported by the inner wall portion of the housing 14. The spring 96 is set to a spring load lower than the first tightening load T1, and is made of, for example, ceramics in order to avoid the influence of heat during power generation and to provide insulation.

各押し付け部材９４の端部には、筒状導体９８が接続されており、この筒状導体９８と１本の締付ボルト８６の一端とは、導線１００を介して電気的に接続される。この締付ボルト８６の他端（頭部）は、接続端子部８４に近接しており、この他端は、導線１０２を介して出力端子９２ｂに電気的に接続される。出力端子９２ｂは、出力端子９２ａと近接且つ平行して電気的に絶縁されて筐体１４に固定される。 A cylindrical conductor 98 is connected to the end portion of each pressing member 94, and the cylindrical conductor 98 and one end of one tightening bolt 86 are electrically connected via a conducting wire 100. The other end (head) of the tightening bolt 86 is close to the connection terminal portion 84, and the other end is electrically connected to the output terminal 92 b through the conductive wire 102. The output terminal 92b is electrically insulated in parallel with and close to the output terminal 92a and is fixed to the housing 14.

筐体１４内には、出力端子９２ａ、９２ｂに隣接して空気供給口１０４が形成されるとともに、他方のエンドプレート７０ａ側には、排気口１０６が設けられる。排気口１０６に近接して燃料ガス供給口１０８が形成され、排ガスと燃料ガスとが互いに熱交換することができる。この燃料ガス供給口１０８は、必要に応じて改質器１１０を介して燃料ガス供給連通孔３０に連通する。改質器１１０の外方には、熱交換器１１１が配置される。 In the housing 14, an air supply port 104 is formed adjacent to the output terminals 92a and 92b, and an exhaust port 106 is provided on the other end plate 70a side. A fuel gas supply port 108 is formed in the vicinity of the exhaust port 106 so that the exhaust gas and the fuel gas can exchange heat with each other. The fuel gas supply port 108 communicates with the fuel gas supply communication hole 30 through the reformer 110 as necessary. A heat exchanger 111 is disposed outside the reformer 110.

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。 The operation of the fuel cell stack 12 configured as described above will be described below.

燃料電池１０を組み付ける際には、先ず、図３に示すように、セパレータ２８のカソード電極２２に向かう面に通路部材５６が接合される。このため、セパレータ２８と通路部材５６との間には、燃料ガス供給連通孔３０に連通する燃料ガス供給通路６６が形成されるとともに、前記燃料ガス供給通路６６が燃料ガス導入口５４から燃料ガス通路４６に連通する（図８参照）。セパレータ２８には、燃料ガス供給連通孔３０を周回してリング状の絶縁シール６９が設けられる。 When assembling the fuel cell 10, first, as shown in FIG. 3, the passage member 56 is joined to the surface of the separator 28 facing the cathode electrode 22. For this reason, a fuel gas supply passage 66 communicating with the fuel gas supply communication hole 30 is formed between the separator 28 and the passage member 56, and the fuel gas supply passage 66 is connected to the fuel gas introduction port 54 from the fuel gas introduction port 54. It communicates with the passage 46 (see FIG. 8). The separator 28 is provided with a ring-shaped insulating seal 69 around the fuel gas supply communication hole 30.

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１０が得られる。図３及び図４に示すように、各セパレータ２８には、互いに対向する面３６ａ、３６ｂ間に電解質・電極接合体２６が配置され、各アノード電極２４の中央側に３つの燃料ガス導入口５４が配置される。 Thus, a separator 28 is formed, and eight electrolyte / electrode assemblies 26 are sandwiched between the separators 28 to obtain the fuel cell 10. As shown in FIGS. 3 and 4, each separator 28 is provided with an electrolyte / electrode assembly 26 between surfaces 36 a and 36 b facing each other, and three fuel gas inlets 54 are provided at the center of each anode electrode 24. Is placed.

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７０ａ、７０ｂが配置される。図１及び図２に示すように、エンドプレート７０ａ、７０ｂの各ボルト挿入口７８ａ、７８ｂには、締付ボルト８６が挿入され、前記締付ボルト８６の先端にナット８８が螺合する。これによって、燃料電池スタック１２が構成され、この燃料電池スタック１２は、締め付け荷重付与機構７２を介して積層方向に締め付け保持された状態で、筐体１４内に装着される（図２参照）。 A plurality of the fuel cells 10 are stacked in the direction of arrow A, and end plates 70a and 70b are disposed at both ends in the stacking direction. As shown in FIGS. 1 and 2, a tightening bolt 86 is inserted into each of the bolt insertion openings 78 a and 78 b of the end plates 70 a and 70 b, and a nut 88 is screwed onto the tip of the tightening bolt 86. Thus, the fuel cell stack 12 is configured, and the fuel cell stack 12 is mounted in the housing 14 in a state of being clamped and held in the stacking direction via the tightening load applying mechanism 72 (see FIG. 2).

そこで、筐体１４に設けられている燃料ガス供給口１０８から燃料ガス（例えば、水素含有ガス）が供給されるとともに、前記筐体１４の空気供給口１０４から酸化剤ガスである酸素含有ガス（以下、空気ともいう）が供給される。燃料ガスは、改質器１１０を通って燃料電池スタック１２の燃料ガス供給連通孔３０に供給され、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内のスリット６２を介して燃料ガス供給通路６６に導入される（図８参照）。 Therefore, a fuel gas (for example, hydrogen-containing gas) is supplied from a fuel gas supply port 108 provided in the housing 14, and an oxygen-containing gas (oxidant gas) is supplied from the air supply port 104 of the housing 14. (Hereinafter also referred to as air). The fuel gas is supplied to the fuel gas supply communication hole 30 of the fuel cell stack 12 through the reformer 110 and is moved in the stacking direction (arrow A direction), and the slit 62 in the separator 28 constituting each fuel cell 10. Is introduced into the fuel gas supply passage 66 (see FIG. 8).

燃料ガスは、第１及び第２橋架部３４、６０間を燃料ガス供給通路６６に沿って移動し、台形部３６に形成された燃料ガス導入口５４から燃料ガス通路４６に導入される。燃料ガス導入口５４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、あるいは該中心位置から酸化剤ガスの流れ方向（矢印Ｂ方向）上流側に偏心した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５４からアノード電極２４の中央側に供給され、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（図９参照）。 The fuel gas moves between the first and second bridge portions 34 and 60 along the fuel gas supply passage 66 and is introduced into the fuel gas passage 46 from the fuel gas inlet 54 formed in the trapezoidal portion 36. The fuel gas introduction port 54 is set at a substantially center position of the anode electrode 24 of each electrolyte / electrode assembly 26 or a position eccentric from the center position to the upstream side in the oxidant gas flow direction (arrow B direction). . Therefore, the fuel gas is supplied from the fuel gas inlet 54 to the center side of the anode electrode 24 and moves along the fuel gas passage 46 toward the outer periphery of the anode electrode 24 (see FIG. 9).

一方、各燃料電池１０の外周側に設けられている酸化剤ガス供給部６８に供給される酸化剤ガスは、電解質・電極接合体２６の外周端部と台形部３６の外周端部との間から矢印Ｂ方向に流入し、酸化剤ガス通路５０に送られる。図８及び図９に示すように、酸化剤ガス通路５０では、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の一方の外周端部（セパレータ２８の外周端部）側から他方の外周端部（セパレータ２８の中央部側）に向かって酸化剤ガスが流入する。 On the other hand, the oxidant gas supplied to the oxidant gas supply unit 68 provided on the outer peripheral side of each fuel cell 10 is between the outer peripheral end of the electrolyte / electrode assembly 26 and the outer peripheral end of the trapezoidal part 36. Flows in the direction of the arrow B and is sent to the oxidant gas passage 50. As shown in FIGS. 8 and 9, in the oxidant gas passage 50, from the outer peripheral end portion (the outer peripheral end portion of the separator 28) side of the cathode electrode 22 of the electrolyte / electrode assembly 26 to the other outer peripheral end portion (the separator). The oxidant gas flows toward the central portion 28).

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外周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）に向かって酸化剤ガスが供給される（図９参照）。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。 Therefore, in the electrolyte / electrode assembly 26, the fuel gas is supplied from the center side of the electrode surface of the anode electrode 24 toward the outer peripheral side, and also toward one direction (arrow B direction) of the electrode surface of the cathode electrode 22. An oxidant gas is supplied (see FIG. 9). At that time, oxide ions move to the anode electrode 24 through the electrolyte 20, and power is generated by a chemical reaction.

ここで、各燃料電池１０は、矢印Ａ方向（積層方向）に電気的に直列に接続されており、図２に示すように、一方の極は、導電性のエンドプレート７０ｂに設けられた接続端子部８４から導線９０を介して出力端子９２ａに接続される。他方の極は、締付ボルト８６から導線１０２を介して出力端子９２ｂに接続される。このため、出力端子９２ａ、９２ｂ間には、電気エネルギを取り出すことができる。 Here, each fuel cell 10 is electrically connected in series in an arrow A direction (stacking direction), and as shown in FIG. 2, one pole is a connection provided on a conductive end plate 70b. The terminal portion 84 is connected to the output terminal 92a through the conducting wire 90. The other pole is connected to the output terminal 92b from the fastening bolt 86 via the conducting wire 102. For this reason, electrical energy can be taken out between the output terminals 92a and 92b.

一方、各電解質・電極接合体２６の外周に移動した反応後の燃料ガス及び酸化剤ガスが混在する排ガスは、セパレータ２８内に形成される排ガス通路６７を介して積層方向に移動し、筐体１４の排気口１０６から外部に排出される。 On the other hand, the exhaust gas mixed with the reacted fuel gas and oxidant gas moved to the outer periphery of each electrolyte / electrode assembly 26 moves in the stacking direction via the exhaust gas passage 67 formed in the separator 28, and the casing 14 exhaust ports 106 are exhausted to the outside.

この場合、第１の実施形態では、セパレータ２８が１枚のプレートで構成され、このセパレータ２８の各台形部３６の両面３６ａ、３６ｂにそれぞれアノード電極２４及びカソード電極２２に接触する第１及び第２突起部４８、５２が設けられている。そして、セパレータ２８には、通路部材５６が固着され、この通路部材５６によって、燃料ガス供給連通孔３０から燃料ガス導入口５４を介して燃料ガス通路４６に連通する燃料ガス供給通路６６が形成されている。 In this case, in the first embodiment, the separator 28 is composed of a single plate, and the first and second electrodes 36a and 36b of each trapezoidal portion 36 of the separator 28 are in contact with the anode electrode 24 and the cathode electrode 22, respectively. Two protrusions 48 and 52 are provided. A passage member 56 is fixed to the separator 28, and a fuel gas supply passage 66 communicating with the fuel gas passage 46 from the fuel gas supply communication hole 30 through the fuel gas inlet 54 is formed by the passage member 56. ing.

このため、酸化剤ガスを燃料電池１０の外周部から内部に向かって一方向（矢印Ｂ方向）に供給する一方、燃料ガスをアノード電極２４の燃料ガス導入口５４から排ガス通路６７に向かって流すことができる。従って、セパレータ２８の積層方向の寸法（厚さ）が有効に短尺されるばかりでなく、アノード電極２４の電極面全面に対して燃料ガスを均等に分配しながら供給することが可能になる。これにより、セパレータ２８がコンパクトな構成でありながら、電解質・電極接合体２６の発電反応は、発電面全面で均等に行われ、安定した発電が行われるという効果が得られる。 Therefore, the oxidant gas is supplied in one direction (in the direction of arrow B) from the outer peripheral portion of the fuel cell 10 to the inside, while the fuel gas flows from the fuel gas inlet 54 of the anode electrode 24 toward the exhaust gas passage 67. be able to. Therefore, not only the dimension (thickness) of the separator 28 in the stacking direction is effectively shortened but also the fuel gas can be supplied to the entire electrode surface of the anode electrode 24 while being evenly distributed. As a result, while the separator 28 has a compact configuration, the power generation reaction of the electrolyte / electrode assembly 26 is performed uniformly over the entire power generation surface, and an effect that stable power generation is performed is obtained.

しかも、通路部材５６によって燃料ガス供給通路６６を気密に形成するため、各電解質・電極接合体２６は、酸化剤ガス雰囲気中に配置することができ、酸化剤ガス供給部６８にシール材を配置する必要がない。このため、シール部材を有効に削減してシール構造が簡素化し、製造コストの削減を容易に図ることができるという利点がある。 In addition, since the fuel gas supply passage 66 is hermetically formed by the passage member 56, each electrolyte / electrode assembly 26 can be disposed in an oxidant gas atmosphere, and a sealing material is disposed in the oxidant gas supply portion 68. There is no need to do. For this reason, there is an advantage that the sealing member can be effectively reduced by simplifying the sealing structure, and the manufacturing cost can be easily reduced.

さらに、第１の実施形態では、燃料ガス導入口５４が電解質・電極接合体２６の中間に対して酸化剤ガス流れ方向上流側に離間した位置に設定されている。酸化剤ガス通路５０は、酸化剤ガス供給部６８側より排ガス通路６７側で圧力が低いため、燃料ガスは、酸化剤ガスの圧力の影響によって前記セパレータ２８の中央側に戻される傾向がある。このため、燃料ガスの流れ方向が酸化剤ガスの流れ方向に近似する。 Furthermore, in the first embodiment, the fuel gas inlet 54 is set at a position spaced upstream of the middle of the electrolyte / electrode assembly 26 in the oxidant gas flow direction. Since the pressure of the oxidant gas passage 50 is lower on the exhaust gas passage 67 side than on the oxidant gas supply unit 68 side, the fuel gas tends to return to the center side of the separator 28 due to the influence of the pressure of the oxidant gas. For this reason, the flow direction of fuel gas approximates the flow direction of oxidant gas.

特に、略台形状の電解質・電極接合体２６では、燃料ガス濃度が高い外周部の面積が内周部の面積に比べて大きいため、該外周部では、燃料ガスの流速が遅く、反応が促進される。一方、低い内周部では面積が小さくなるため、燃料ガスの流速が速くなり、濃度が低くなった燃料ガスを速やかに排出できる。これにより、各電解質・電極接合体２６は、反応が促進される有効面積を増大させることができ、燃料電池１０は、コンパクトな構成で、大きな電力を得ることが可能になるという効果が得られる。 In particular, in the substantially trapezoidal electrolyte / electrode assembly 26, the area of the outer peripheral portion where the fuel gas concentration is high is larger than the area of the inner peripheral portion. Is done. On the other hand, since the area is small in the lower inner peripheral portion, the flow rate of the fuel gas is increased, and the fuel gas having a reduced concentration can be quickly discharged. As a result, each electrolyte / electrode assembly 26 can increase the effective area in which the reaction is promoted, and the fuel cell 10 has an effect that it is possible to obtain large electric power with a compact configuration. .

しかも、各電解質・電極接合体２６は、セパレータ２８間で全体として略リング状に配列されている。従って、隣り合う電解質・電極接合体２６の側部３７ａ同士の接する長さが長尺となり、前記電解質・電極接合体２６間を反応に使用されずに流動する燃料ガス及び酸化剤ガスを良好に削減することができる。従って、有効発電面積を増大させることができ、コンパクトな構成で、大きな電力を得ることが可能になる。 Moreover, the electrolyte / electrode assemblies 26 are arranged in a substantially ring shape between the separators 28 as a whole. Accordingly, the length of contact between the side portions 37a of the adjacent electrolyte / electrode assemblies 26 is long, and the fuel gas and the oxidant gas flowing between the electrolyte / electrode assemblies 26 without being used in the reaction are favorably improved. Can be reduced. Therefore, the effective power generation area can be increased, and large power can be obtained with a compact configuration.

さらに、各電解質・電極接合体２６において、全体として燃料ガスの流れ方向が酸化剤ガスの流れ方向に近似するため、反応がセパレータ２８に対して同心円状の分布となる。これにより、温度分布も同心円状に変化し、セパレータ２８の周方向の熱応力及び熱歪みが有効に緩和されるという利点がある。 Further, in each electrolyte / electrode assembly 26, the flow direction of the fuel gas as a whole approximates the flow direction of the oxidant gas, so that the reaction has a concentric distribution with respect to the separator 28. As a result, the temperature distribution also changes concentrically, and there is an advantage that the thermal stress and thermal strain in the circumferential direction of the separator 28 are effectively relieved.

また、各台形部３６では、第１突起部４８の高さＨ１を第２突起部５２の高さＨ２よりも低く設定している。第１突起部４８により形成される燃料ガス通路４６の燃料ガス体積流量は、第２突起部５２により形成される酸化剤ガス通路５０の酸化剤ガス体積流量圧力よりも小さいからである。なお、第１及び第２突起部４８、５２の高さＨ１、Ｈ２は、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給圧力等によって種々変更可能である。 In each trapezoidal part 36, the height H1 of the first protrusion 48 is set lower than the height H2 of the second protrusion 52. This is because the fuel gas volume flow rate of the fuel gas passage 46 formed by the first protrusion 48 is smaller than the oxidant gas volume flow pressure of the oxidant gas passage 50 formed by the second protrusion 52. The heights H1 and H2 of the first and second protrusions 48 and 52 can be variously changed depending on the supply pressure of the fuel gas and the oxidant gas.

さらにまた、第１の実施形態では、第１及び第２橋架部３４、６０が排ガス通路６７に設けられており、この第１及び第２橋架部３４、６０間に形成される燃料ガス供給通路６６は、前記排ガス通路６７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ている。従って、燃料ガス供給通路６６を移動する燃料ガスは、排ガス通路６７からの排熱によって有効に温められ、熱効率が向上するという効果がある。 Furthermore, in the first embodiment, the first and second bridge portions 34 and 60 are provided in the exhaust gas passage 67, and the fuel gas supply passage formed between the first and second bridge portions 34 and 60. 66 is disposed across the exhaust gas passage 67 in the separator surface direction intersecting the stacking direction. Therefore, the fuel gas moving through the fuel gas supply passage 66 is effectively warmed by the exhaust heat from the exhaust gas passage 67, and the thermal efficiency is improved.

さらにまた、排ガス通路６７は、セパレータ２８の中央部に設けられており、燃料電池１０は、中央部から周囲に伝熱されることによって均一に加熱され、発電効率の向上を図ることが可能になる。しかも、燃料ガス供給連通孔３０は、排ガス通路６７の中央部に気密に設けられており、排熱を利用して電解質・電極接合体２６に供給される前の燃料ガスを加熱することができ、発電効率の向上が図られる。 Furthermore, the exhaust gas passage 67 is provided in the central portion of the separator 28, and the fuel cell 10 is uniformly heated by being transferred from the central portion to the surroundings, thereby improving the power generation efficiency. . In addition, the fuel gas supply communication hole 30 is airtightly provided in the center of the exhaust gas passage 67 and can heat the fuel gas before being supplied to the electrolyte / electrode assembly 26 using the exhaust heat. The power generation efficiency is improved.

また、第１の実施形態では、図２に示すように、燃料電池スタック１２が締め付け荷重付与機構７２を介して積層方向に締め付け保持されている。この締め付け荷重付与機構７２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７４ａ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７４ｂとを備えている。 In the first embodiment, as shown in FIG. 2, the fuel cell stack 12 is clamped and held in the stacking direction via the clamp load applying mechanism 72. The tightening load applying mechanism 72 includes a first tightening portion 74a for applying a first tightening load T1 to the vicinity of the fuel gas supply communication hole 30, and the first tightening load T1 for the electrolyte / electrode assembly 26. And a second tightening portion 74b that applies a small second tightening load T2.

これにより、燃料ガス供給連通孔３０に対して大きな締め付け荷重（第１締め付け荷重Ｔ１）を付与することによって、この燃料ガス供給連通孔３０のシール性が良好に維持される。一方、電解質・電極接合体２６は、セパレータ２８との密着性を高める程度の荷重でよく、この電解質・電極接合体２６に比較的小さな締め付け荷重（第２締め付け荷重Ｔ２）を付与し、該電解質・電極接合体２６の破損等を防ぎ且つ集電性を高めることが可能になる。 Thus, by applying a large tightening load (first tightening load T1) to the fuel gas supply communication hole 30, the sealing property of the fuel gas supply communication hole 30 is maintained well. On the other hand, the electrolyte / electrode assembly 26 may be a load that increases the adhesion to the separator 28, and a relatively small tightening load (second tightening load T 2) is applied to the electrolyte / electrode assembly 26. -It becomes possible to prevent the electrode assembly 26 from being damaged and to improve the current collecting property.

図１２は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１２０の分解斜視図であり、図１３は、前記燃料電池１２０が複数積層された燃料電池スタック１２２の断面図であり、図１４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、その詳細の説明は省略する。 12 is an exploded perspective view of a fuel cell 120 according to a second embodiment of the present invention, FIG. 13 is a cross-sectional view of a fuel cell stack 122 in which a plurality of the fuel cells 120 are stacked, and FIG. FIG. 3 is a schematic cross-sectional explanatory view for explaining the operation of the fuel cell 120. Note that the same components as those of the fuel cell 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

燃料電池１２０を構成する各セパレータ２８には、アノード電極２４に対向する面に通路部材１２４が固着される。通路部材１２４は、セパレータ２８の第１橋架部３４に固着される略Ｔ字状第２橋架部１２６を備え、この第１及び第２橋架部３４、１２６間に燃料ガス供給通路６６が形成される。各第２橋架部１２６の先端は、電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の中心位置近傍で終端しており、この先端部には、前記アノード電極２４に向かって開口する複数の燃料ガス導入口１２８が形成されている。なお、各セパレータ２８の台形部３６には、第１の実施形態の燃料ガス導入口５４が設けられていない。 In each separator 28 constituting the fuel cell 120, a passage member 124 is fixed to the surface facing the anode electrode 24. The passage member 124 includes a substantially T-shaped second bridge portion 126 fixed to the first bridge portion 34 of the separator 28, and a fuel gas supply passage 66 is formed between the first and second bridge portions 34 and 126. The The tip of each second bridge portion 126 terminates near the center position of the anode electrode 24 of the electrolyte / electrode assembly 26, and a plurality of fuel gas openings that open toward the anode electrode 24 are introduced into this tip portion. A mouth 128 is formed. Note that the trapezoidal portion 36 of each separator 28 is not provided with the fuel gas inlet 54 of the first embodiment.

このように構成される第２の実施形態では、燃料ガス供給連通孔３０に供給された燃料ガスは、各セパレータ２８と通路部材１２４との間に形成される燃料ガス供給通路６６に沿って移動した後、通路部材１２４の先端に形成される複数の燃料ガス導入口１２８からアノード電極２４に向かって供給される。 In the second embodiment configured as described above, the fuel gas supplied to the fuel gas supply communication hole 30 moves along the fuel gas supply passage 66 formed between each separator 28 and the passage member 124. After that, the fuel gas is supplied from the plurality of fuel gas inlets 128 formed at the tip of the passage member 124 toward the anode electrode 24.

このため、アノード電極２４の中央側から外周側に向かって燃料ガスを一層良好且つ均一に供給することができ、発電反応の効率が高まるという効果が得られる。しかも、各セパレータ２８の台形部３６には、燃料ガス導入口５４を設ける必要がなく、前記セパレータ２８の構成が簡素化するとともに、製造コストの削減が容易に図られる。 For this reason, fuel gas can be supplied more satisfactorily and uniformly from the center side of the anode electrode 24 toward the outer peripheral side, and the effect of increasing the efficiency of the power generation reaction can be obtained. In addition, it is not necessary to provide the fuel gas inlet 54 in the trapezoidal portion 36 of each separator 28, so that the configuration of the separator 28 is simplified and the manufacturing cost can be easily reduced.

なお、上記した実施の形態では、図７に示すように、第１突起部４８をリング形状（真円環形状）としているが、例えば、図１５に示すように、楕円環形状となるようにしてもよい。この場合、楕円の長径ａと短径ｂとの交点を第１突起部４８の中心とし、この中心を通る軸線と第２突起部５２の突出中心軸線とが合致している状態を「第１及び第２突起部４８、５２が同軸である」とする。 In the above-described embodiment, as shown in FIG. 7, the first projecting portion 48 has a ring shape (a perfect circular shape). For example, as shown in FIG. May be. In this case, the intersection of the major axis “a” and the minor axis “b” of the ellipse is used as the center of the first protrusion 48, and the state where the axis passing through this center and the projecting central axis of the second protrusion 52 match each other is “first And the second protrusions 48 and 52 are coaxial ”.

また、第２突起部５２として、水平方向の断面（頂面等）が真円形状である円錐台形状のものを図７に例示したが、本発明における「山状突起」は特にこれに限定されるものではなく、高さ方向の断面が台形形状となるものが含まれる。すなわち、例えば、水平方向の断面（頂面等）が楕円形状であるものであってもよい。 Moreover, as the second protrusion 52, a truncated cone shape having a perfectly circular cross section (top surface or the like) is illustrated in FIG. 7, but the “mountain protrusion” in the present invention is particularly limited to this. It is not intended to be included, but includes those whose cross section in the height direction has a trapezoidal shape. That is, for example, the horizontal cross section (top surface or the like) may be elliptical.

さらにまた、図７では、第１及び第２突起部４８、５２が同軸である状態、すなわち、リング形状である第１突起部４８の中心軸線Ｌ１と第２突起部５２の突出中心軸線Ｌ２とが合致した状態を示しているが、中心軸線Ｌ１、Ｌ２同士を合致させる必要、換言すれば、第１及び第２突起部４８、５２が互いに同軸である必要は特にない。例えば、図１６に示すように、第２突起部５２の突出中心軸線Ｌ２が第１突起部４８の中心軸線Ｌ１から偏在していてもよい。勿論、この場合においても、第１突起部４８が楕円環形状であってもよいし、第２突起部５２が、水平方向の断面が楕円形状である山状突起であってもよい。 Furthermore, in FIG. 7, the first and second protrusions 48 and 52 are coaxial, that is, the center axis L1 of the first protrusion 48 having a ring shape and the protrusion center axis L2 of the second protrusion 52. However, it is not necessary that the central axes L1 and L2 are matched with each other, in other words, the first and second protrusions 48 and 52 are not necessarily coaxial with each other. For example, as shown in FIG. 16, the protruding central axis L <b> 2 of the second protrusion 52 may be unevenly distributed from the central axis L <b> 1 of the first protrusion 48. Of course, in this case as well, the first protrusion 48 may be an elliptical ring shape, and the second protrusion 52 may be a mountain-shaped protrusion having an elliptical cross section in the horizontal direction.

本発明の第１の実施の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。1 is a schematic perspective view of a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells according to a first embodiment of the present invention are stacked. 前記燃料電池スタックが筐体内に収容された燃料電池システムの一部断面説明図である。2 is a partial cross-sectional explanatory view of a fuel cell system in which the fuel cell stack is housed in a housing. FIG. 前記燃料電池の分解斜視説明図である。FIG. 3 is an exploded perspective view of the fuel cell. 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。It is a partially exploded perspective view showing the gas flow state of the fuel cell. 前記セパレータの一方の面の説明図である。It is explanatory drawing of one surface of the said separator. 前記セパレータの他方の面の説明図である。It is explanatory drawing of the other surface of the said separator. 前記セパレータに形成される第１及び第２突起部の斜視説明図である。It is a perspective explanatory view of the 1st and 2nd projection parts formed in the separator. 前記燃料電池スタックの断面図である。It is sectional drawing of the said fuel cell stack. 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。It is a schematic cross-sectional explanatory drawing explaining operation | movement of the said fuel cell. 前記セパレータに固着される通路部材の説明図である。It is explanatory drawing of the channel | path member fixed to the said separator. 前記燃料電池スタックの図８中、ＸＩ−ＸＩ線断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view of the fuel cell stack taken along line XI-XI in FIG. 8. 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of the fuel cell which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 前記燃料電池が複数積層された燃料電池スタックの断面図である。2 is a cross-sectional view of a fuel cell stack in which a plurality of the fuel cells are stacked. FIG. 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。It is a schematic cross-sectional explanatory drawing explaining operation | movement of the said fuel cell. 図７とは別形態の第１及び第２突起部の平面説明図である。FIG. 8 is an explanatory plan view of first and second protrusions of a different form from FIG. 7. 図７及び図１５とは別形態の第１及び第２突起部の斜視説明図である。FIG. 16 is a perspective explanatory view of first and second protrusions having a different form from that of FIGS. 7 and 15. 特許文献１の燃料電池用セパレータの断面説明図である。6 is a cross-sectional explanatory view of a fuel cell separator of Patent Document 1. FIG.

Explanation of symbols

１０、１２０…燃料電池１２、１２２…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…セパレータ３０…燃料ガス供給連通孔
３４、６０、１２６…橋架部３６…台形部
３６ａ、３６ｂ…面３７ａ…側部
３７ｂ…外周部３７ｃ…内周部
４６…燃料ガス通路４８、５２…突起部
５０…酸化剤ガス通路５３…凹部
５４、１２８…燃料ガス導入口５６、１２４…通路部材
６６…燃料ガス供給通路６７…排ガス通路
６８…酸化剤ガス供給部６９…絶縁シール
７０ａ、７０ｂ…エンドプレート７２…締め付け荷重付与機構
７４ａ、７４ｂ…締め付け部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 120 ... Fuel cell 12, 122 ... Fuel cell stack 20 ... Electrolyte 22 ... Cathode electrode 24 ... Anode electrode 26 ... Electrolyte electrode assembly 28 ... Separator 30 ... Fuel gas supply communication hole 34, 60, 126 ... Bridge part 36 ... trapezoidal part 36a, 36b ... surface 37a ... side part 37b ... outer peripheral part 37c ... inner peripheral part 46 ... fuel gas passage 48, 52 ... projection part 50 ... oxidant gas passage 53 ... concave part 54, 128 ... fuel gas inlet 56 , 124 ... passage member 66 ... fuel gas supply passage 67 ... exhaust gas passage 68 ... oxidant gas supply portion 69 ... insulating seals 70a, 70b ... end plate 72 ... tightening load applying mechanism 74a, 74b ... tightening portion

Claims

An electrolyte / electrode assembly configured by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode is configured to have a substantially trapezoidal shape in which a substantially ring body is divided into a predetermined angle range, and a plurality of the electrolyte / electrode assemblies And a fuel cell configured by alternately laminating separators composed of one plate,
The separator may, on one surface, said when the center of the electrolyte electrode assembly along the electrode surface of the anode electrode to the outer peripheral edge you supplying a fuel gas together, the reaction in the previous SL electrolyte electrode assembly The exhaust gas passage provided in the central part of the separator is discharged as a waste gas in the stacking direction of the electrolyte / electrode assembly and the separator, and the reaction gas mixed with the fuel gas and the oxidant gas after being used in The cathode electrode is provided with a first protrusion that forms a fuel gas passage for discharging toward the exhaust gas, and on the other surface from the outer peripheral end of the electrolyte / electrode assembly toward the exhaust gas passage trapezoidal portion where the second projection portion forming the oxygen-containing gas channel for supplying an oxidant gas along the electrode surface is provided,
One side or the other side of the separator communicates with a fuel gas supply unit that is provided in a central portion of the separator and the exhaust gas passage and supplies a fuel gas before use in an airtight manner along the stacking direction of the separator. A fuel gas supply passage is formed, the fuel gas supply passage is formed in the trapezoidal portion and communicates with a fuel gas inlet for introducing the fuel gas into the fuel gas passage; and the fuel gas The introduction port is formed in the passage member when the passage member is provided on the one surface of the trapezoidal portion, and is formed in the trapezoidal portion when the passage member is provided on the other surface of the trapezoidal portion. In addition, the fuel cell is characterized in that it is biased from the intermediate position between the outer peripheral portion and the inner peripheral portion of the electrolyte / electrode assembly to the upstream side in the flow direction of the oxidant gas.

The fuel cell according to claim 1 , wherein
Before SL fuel gas supply passage, the fuel gas passage and communicating with said fuel gas supply unit, and a fuel cell, wherein the exhaust gas passage to be positioned across the separator surface direction crossing the stacking direction .

3. The fuel cell according to claim 1, wherein an oxidant gas is supplied to the oxidant gas passage from between an outer peripheral end of the electrolyte / electrode assembly and an outer peripheral end of the trapezoidal part before use. A fuel cell comprising a gas supply unit.

The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the electrolyte electrode assemblies, fuel cell, wherein a plurality of arranged concentrically about the center of the separator.

In the fuel cell according to claim 1, while applying a tightening load in the stacking direction of the electrolyte-electrode assembly and the separator,
A load in the stacking direction applied to the central portion of the fuel cell in which the fuel gas supply portion penetrating in the stacking direction is formed is applied to the trapezoidal portion of the fuel cell in which the electrolyte / electrode assembly is disposed. A fuel cell comprising a tightening load applying mechanism set to be larger than a load in a stacking direction.