JP4555170B2 - Fuel cell and fuel cell stack - Google Patents

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    • Y02E60/50—Fuel cells

Description

本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される燃料電池、及び前記燃料電池が複数積層される燃料電池スタックに関する。   The present invention relates to a fuel cell in which an electrolyte / electrode assembly configured by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode and a separator, and a fuel cell stack in which a plurality of the fuel cells 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 usually used as a fuel cell stack in which a predetermined number of single cells and separators are stacked.

この種の固体電解質型燃料電池としては、例えば、特許文献１に開示されている内部マニホールド形式の平板型固体電解質燃料電池が知られている。この燃料電池は、図３０に示すように、固体電解質層１を挟持して燃料極２と空気極３とが配設される単電池を備え、この単電池の両側には、セパレータ４がスペーサ５を介装して積層されている。燃料極２側には、弾性率の小さな集電体６が配設されている。   As this type of solid oxide fuel cell, for example, a flat solid electrolyte fuel cell of the internal manifold type disclosed in Patent Document 1 is known. As shown in FIG. 30, this fuel cell includes a unit cell in which a fuel electrode 2 and an air electrode 3 are disposed with a solid electrolyte layer 1 interposed therebetween, and separators 4 are spacers on both sides of the unit cell. 5 are stacked. On the fuel electrode 2 side, a current collector 6 having a small elastic modulus is disposed.

セパレータ４には、酸化剤ガス流路凸部７が前記セパレータ４とスペーサ５とのガスシール面８より突起して設けられ、その突起部９と空気極３との厚みの合計は、前記スペーサ５の厚みより大きく設定されている。   The separator 4 is provided with an oxidant gas flow path convex portion 7 protruding from the gas seal surface 8 of the separator 4 and the spacer 5, and the total thickness of the protruding portion 9 and the air electrode 3 is determined by the spacer. The thickness is set to be larger than 5.

これにより、厚みの差分だけ固体電解質層１が燃料極２側に凸となるように湾曲している。従って、集電体６が圧縮されて縮小しても、空気極３とセパレータ４との間の接触を保持することができ、接触の低下を阻止することができる、としている。   Thereby, the solid electrolyte layer 1 is curved so as to be convex toward the fuel electrode 2 by the difference in thickness. Therefore, even if the current collector 6 is compressed and contracted, the contact between the air electrode 3 and the separator 4 can be maintained, and the decrease in contact can be prevented.

特開平１０−７９２５８号公報（図１）Japanese Patent Laid-Open No. 10-79258 (FIG. 1)

しかしながら、上記の特許文献１では、セパレータ４に設けられている凸部７によって、固体電解質層１が燃料極２側に凸となるように強制的に湾曲されており、この固体電解質層１に歪が発生し易くなって有効に耐久性が低下するという問題がある。特に、固体電解質層１が比較的厚く、燃料極２及び空気極３の厚さが薄い、いわゆる、自立膜型ＭＥＡでは、前記燃料極２が破損し易くなって有効に使用することができないという問題がある。   However, in Patent Document 1 described above, the solid electrolyte layer 1 is forcibly curved so as to be convex toward the fuel electrode 2 by the convex portion 7 provided in the separator 4. There is a problem that distortion tends to occur and durability is effectively reduced. In particular, in the so-called self-supporting membrane MEA in which the solid electrolyte layer 1 is relatively thick and the fuel electrode 2 and the air electrode 3 are thin, the fuel electrode 2 is easily damaged and cannot be used effectively. There's a problem.

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、電解質・電極接合体の損傷を有効に阻止するとともに、所望の集電性を確保することが可能な燃料電池及び燃料電池スタックを提供することを目的とする。   The present invention solves this type of problem, and with a simple configuration, can effectively prevent damage to the electrolyte-electrode assembly, and can secure a desired current collecting property and a fuel cell. The purpose is to provide a stack.

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・電極接合体が複数個、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、及び前記燃料電池を複数積層する燃料電池スタックである。各セパレータは、別のセパレータとともに前記電解質・電極接合体の中の１個を挟む部位、すなわち、挟持部を複数個有する。
The present invention provides a fuel cell in which a plurality of electrolyte / electrode assemblies configured by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode and disposed between a pair of separators each configured by a single plate, and A fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked. Each separator has a plurality of portions that sandwich one of the electrolyte / electrode assemblies together with another separator, that is, a plurality of sandwiching portions.

燃料電池は、前記挟持部の一方の面に設けられ、カソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路を形成する突起部と、前記挟持部の他方の面に設けられ、アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路を形成し且つ前記アノード電極に密着する変形可能な弾性通路部と、前記挟持部の一方の面又は他方の面に設けられ、燃料ガス供給部と前記燃料ガス通路に燃料ガスを導入するための燃料ガス導入口とに連通する燃料ガス供給通路を形成する通路部材とを備えている。 The fuel cell is provided on one surface of the clamping portion, and a protruding portion forming the oxygen-containing gas channel for supplying an oxidant gas along the electrode surface of the cathode, the other surface of the clamping portion A deformable elastic passage portion that is provided and forms a fuel gas passage for supplying fuel gas along the electrode surface of the anode electrode and is in close contact with the anode electrode; and one surface or the other surface of the clamping portion And a passage member forming a fuel gas supply passage communicating with a fuel gas supply portion and a fuel gas introduction port for introducing fuel gas into the fuel gas passage.

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。使用前の燃料ガスを排ガスの熱により加熱（予熱）することができ、熱効率の向上が図られるからである。   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. This is because the fuel gas before use can be heated (preheated) by the heat of the exhaust gas, and the thermal efficiency can be improved.

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い。排ガスの熱によってセパレータを中央部から放射状に加熱することが可能になり、熱効率を高めることができるからである。   Furthermore, it is preferable that the exhaust gas passage is provided in the central portion of the separator. This is because the separator can be heated radially from the center by the heat of the exhaust gas, and the thermal efficiency can be increased.

さらにまた、燃料ガス供給部は、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。燃料ガスと排ガスとの混合を阻止し、前記燃料ガスの不要な消費を防ぐとともに、熱効率の向上を図ることが可能になるからである。   Furthermore, it is preferable that the fuel gas supply unit be provided in an airtight manner at the center of the exhaust gas passage. This is because it is possible to prevent the fuel gas and the exhaust gas from being mixed, prevent unnecessary consumption of the fuel gas, and improve the thermal efficiency.

さらに、使用前の酸化剤ガスを電解質・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。排ガスをセパレータの中央部に向かって良好に排出させることができるからである。   Furthermore, it is preferable to provide an oxidant gas supply unit that supplies the oxidant gas before use to the oxidant gas passage from the outer peripheral side of the electrolyte / electrode assembly. This is because the exhaust gas can be discharged well toward the center of the separator.

さらにまた、電解質・電極接合体で反応に使用された後の反応ガスを、排ガスとして電解質・電極接合体とセパレータとの積層方向に排出する排ガス通路と、使用前の酸化剤ガスを酸化剤ガス通路に供給するために、前記積層方向に流動させる酸化剤ガス供給部とを備え、前記酸化剤ガス供給部内には、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、且つ前記酸化剤ガス供給部を前記積層方向に交差するセパレータ面方向に横切って配置されることが好ましい。使用前の燃料ガスを酸化剤ガスにより加熱することができ、熱効率の向上が図られるからである。   Furthermore, the 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, and the oxidant gas before use as the oxidant gas An oxidant gas supply unit that flows in the stacking direction to supply the passage, and a fuel gas supply unit that supplies fuel gas before use in the stacking direction is airtight in the oxidant gas supply unit It is preferable that the fuel gas supply passage is disposed so as to communicate with the fuel gas passage and the fuel gas supply portion and to cross the oxidant gas supply portion in the separator surface direction intersecting the stacking direction. . This is because the fuel gas before use can be heated by the oxidant gas, and the thermal efficiency is improved.

また、排ガス通路は、セパレータの外周端部に設けられることが好ましい。排ガス通路が断熱層として作用するためセパレータ部材からの放熱を阻止することが可能になり、熱効率を高めることができるからである。   The exhaust gas passage is preferably provided at the outer peripheral end of the separator. This is because the exhaust gas passage acts as a heat insulating layer, so that heat release from the separator member can be prevented, and thermal efficiency can be improved.

さらに、燃料ガス供給部は、セパレータの中央部に気密に設けられることが好ましい。燃料ガスの不要な消費を阻止するとともに、熱効率の向上を図ることが可能になるからである。   Furthermore, it is preferable that the fuel gas supply unit is provided in an airtight manner in the central portion of the separator. This is because unnecessary consumption of the fuel gas can be prevented and thermal efficiency can be improved.

さらにまた、燃料ガス導入口は、電解質・電極接合体の中心又は中心に対して酸化剤ガスの流れ方向上流側に偏心した位置に設定されることが好ましい。燃料ガス導入口から導入される燃料ガスは、アノード電極の中心から放射状に拡散し易くなり、均一な反応が促進されて燃料利用率が向上するからである。   Furthermore, the fuel gas inlet is preferably set at a position eccentric to the upstream side in the flow direction of the oxidant gas with respect to the center of the electrolyte / electrode assembly. This is because the fuel gas introduced from the fuel gas inlet is likely to diffuse radially from the center of the anode electrode, promoting a uniform reaction and improving the fuel utilization rate.

また、使用前の酸化剤ガスを電解質・電極接合体の内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。使用前の燃料ガスを酸化剤ガスにより加熱することができ、熱効率の向上が図られるからである。   Moreover, it is preferable that an oxidant gas supply unit for supplying the oxidant gas before use from the inner peripheral side of the electrolyte / electrode assembly to the oxidant gas passage is provided. This is because the fuel gas before use can be heated by the oxidant gas, and the thermal efficiency is improved.

さらに、弾性通路部が設けられる範囲は、カソード電極の発電領域よりも大きな領域に設定されることが好ましい。排ガスが電解質・電極接合体のアノード電極側に回り込んでも、前記アノード電極の外周縁部に対向するカソード電極の外周縁部に発電部が存在することがなく、集電電流の損失を阻止して集電特性を高めることが可能になるからである。   Furthermore, the range in which the elastic passage portion is provided is preferably set to a region larger than the power generation region of the cathode electrode. Even if the exhaust gas wraps around the anode electrode side of the electrolyte / electrode assembly, there is no power generation part at the outer peripheral edge of the cathode electrode opposite to the outer peripheral edge of the anode electrode, thereby preventing the loss of the collected current. This is because the current collection characteristics can be improved.

さらにまた、弾性通路部は、導電金属製のメッシュ部材で構成されることが好ましい。構成が簡素化されて経済的であるからである。   Furthermore, it is preferable that the elastic passage portion is composed of a conductive metal mesh member. This is because the configuration is simplified and economical.

また、突起部は、エッチングによりセパレータの一方の面に形成される複数の中実部で構成されることが好ましい。突起部の形状や位置を容易に設けることができるとともに、前記突起部の変形が阻止されて荷重の伝達及び集電性を高めることが可能になるからである。   Moreover, it is preferable that a projection part is comprised by the some solid part formed in one surface of a separator by an etching. This is because the shape and position of the protruding portion can be easily provided, and deformation of the protruding portion is prevented, so that it is possible to improve load transmission and current collection.

さらに、電解質・電極接合体は、セパレータの中心部に対して同心円上に複数配列されることが好ましい。コンパクト化が容易に図られるとともに、熱歪みの影響を回避することができるからである。   Furthermore, it is preferable that a plurality of electrolyte / electrode assemblies are arranged concentrically with respect to the central portion of the separator. This is because the size can be easily reduced and the influence of thermal distortion can be avoided.

本発明によれば、電解質・電極接合体が突起部と弾性通路部とに挟持されるため、前記弾性通路部の弾性変形作用下に、該弾性通路部とアノード電極との密着性が促進される。このため、電解質・電極接合体やセパレータに製造当初から存在する寸法誤差や歪み等を吸収することができ、積層時の損傷を阻止するとともに、接触点数の増加による集電性の向上が図られる。   According to the present invention, since the electrolyte / electrode assembly is sandwiched between the protrusion and the elastic passage portion, adhesion between the elastic passage portion and the anode electrode is promoted under the elastic deformation action of the elastic passage portion. The For this reason, it is possible to absorb dimensional errors and distortions existing from the beginning of manufacture in the electrolyte / electrode assembly and separator, prevent damage during lamination, and improve the current collecting performance by increasing the number of contact points. .

さらに、突起部により積層方向の荷重が効率的に伝達されるため、少ない荷重で燃料電池を積層することができ、電解質・電極接合体やセパレータの歪みを低減することが可能になる。特に、電解質に比べてアノード電極の厚さが薄い場合にも、弾性通路部が前記アノード電極に作用する応力を良好に緩和することができる。しかも、弾性通路部内で燃料ガスの拡散が促進されるため、前記燃料ガスをアノード電極に均一に分散させることが可能になり、安定且つ良好な発電が遂行される。   Furthermore, since the load in the stacking direction is efficiently transmitted by the protrusion, the fuel cell can be stacked with a small load, and the distortion of the electrolyte / electrode assembly and the separator can be reduced. In particular, even when the anode electrode is thinner than the electrolyte, the stress that the elastic passage portion acts on the anode electrode can be relieved well. Moreover, since the diffusion of the fuel gas is promoted in the elastic passage portion, the fuel gas can be uniformly dispersed in the anode electrode, and stable and good power generation is performed.

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を組み込む燃料電池システム１０の一部断面説明図であり、図２は、前記燃料電池システム１０を構成する燃料電池１１が矢印Ａ方向に複数積層された燃料電池スタック１２の概略斜視説明図である。   FIG. 1 is a partial cross-sectional explanatory view of a fuel cell system 10 incorporating a fuel cell according to a first embodiment of the present invention. FIG. 2 shows a fuel cell 11 constituting the fuel cell system 10 in the direction of arrow A. FIG. 3 is a schematic perspective view of a fuel cell stack 12 that is stacked in layers.

燃料電池システム１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池システム１０は、図１に示すように、燃料電池スタック１２と、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック１２に供給する前に加熱する熱交換器１４と、燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器１６と、前記燃料電池スタック１２、前記熱交換器１４及び前記改質器１６を収容する筐体１８とを備える。   The fuel cell system 10 is used for various purposes such as in-vehicle use as well as stationary use. As shown in FIG. 1, the fuel cell system 10 includes a fuel cell stack 12, a heat exchanger 14 that heats the oxidant gas before supplying it to the fuel cell stack 12, and reforms the fuel to supply the fuel gas. The reformer 16 to be generated, and the fuel cell stack 12, the heat exchanger 14, and a housing 18 that houses the reformer 16 are provided.

筐体１８内では、燃料電池スタック１２の一方の側に、少なくとも熱交換器１４及び改質器１６を含む流体部１９が配置されるとともに、前記燃料電池スタック１２の他方の側に、燃料電池１１の積層方向（矢印Ａ方向）に締め付け荷重を付与する荷重付与機構２１が配設される。流体部１９及び荷重付与機構２１は、燃料電池スタック１２の中心軸に対して軸対称に配設される。   In the housing 18, a fluid part 19 including at least the heat exchanger 14 and the reformer 16 is disposed on one side of the fuel cell stack 12, and the fuel cell is disposed on the other side of the fuel cell stack 12. 11 is provided with a load applying mechanism 21 for applying a tightening load in the laminating direction (arrow A direction). The fluid part 19 and the load applying mechanism 21 are arranged symmetrically with respect to the central axis of the fuel cell stack 12.

燃料電池１１は、固体電解質型燃料電池であり、この燃料電池１１は、図３及び図４に示すように、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質（電解質板）２０の両面に、カソード電極２２及びアノード電極２４が設けられた電解質・電極接合体２６を備える。電解質・電極接合体２６は、円板状に形成されるとともに、少なくとも内側周端部（セパレータ２８の中央側）には、酸化剤ガスの進入を阻止するためにバリアー層（図示せず）が設けられている。   The fuel cell 11 is a solid oxide fuel cell. As shown in FIGS. 3 and 4, the fuel cell 11 is an electrolyte (electrolyte plate) made of an oxide ion conductor such as stabilized zirconia, for example. An electrolyte / electrode assembly 26 provided with a cathode electrode 22 and an anode electrode 24 is provided on both sides of the substrate 20. The electrolyte / electrode assembly 26 is formed in a disk shape, and a barrier layer (not shown) is provided at least on the inner peripheral edge (center side of the separator 28) to prevent the oxidant gas from entering. Is provided.

燃料電池１１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 11 is configured by sandwiching a plurality, 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を介して比較的大径な円板部３６が一体的に設けられる。各円板部３６は、電解質・電極接合体２６と略同一寸法に設定されており、燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口３８が、例えば、前記円板部３６の中心又は中心に対して酸化剤ガスの流れ方向上流側に偏心した位置に設定される。   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 relatively large-diameter disk portion 36 is integrally provided via a plurality of first bridge portions 34 that are radially spaced apart from the first small-diameter end portion 32 at equal angular intervals. Each disk portion 36 is set to have substantially the same dimensions as the electrolyte / electrode assembly 26, and a fuel gas inlet 38 for supplying fuel gas is, for example, the center of the disk portion 36 or the center thereof. Thus, it is set at a position eccentric to the upstream side in the flow direction of the oxidant gas.

各円板部３６のアノード電極２４に接触する面３６ａは、略平坦面に形成されるとともに、この面３６ａには、前記アノード電極２４の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路４０を形成し且つ前記アノード電極２４に密着する変形可能な弾性通路部、例えば、導電性メッシュ部材４２が配設される。メッシュ部材４２は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ材）の線材で構成され、略円板状を有する。メッシュ部材４２は、積層方向（矢印Ａ方向）の荷重に対して所望の弾性変形が可能な厚さに設定される。   A surface 36 a that contacts the anode electrode 24 of each disk portion 36 is formed in a substantially flat surface, and a fuel gas for supplying fuel gas along the electrode surface of the anode electrode 24 to the surface 36 a. A deformable elastic passage portion that forms the passage 40 and is in close contact with the anode electrode 24, for example, a conductive mesh member 42 is disposed. The mesh member 42 is made of, for example, a stainless steel (SUS material) wire and has a substantially disk shape. The mesh member 42 is set to a thickness capable of desired elastic deformation with respect to the load in the stacking direction (arrow A direction).

図５に示すように、各円板部３６のカソード電極２２に接触する面３６ｂ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４４を形成する複数の突起部４６が設けられる。突起部４６は、面３６ｂに、例えば、エッチングにより形成される中実部で構成される。突起部４６の断面形状は、矩形状、円形状、三角形状又は長方形状等、種々の形状に設定可能であるとともに、配置位置や密度は、燃料ガスの流れ状態等によって任意に変更される。   As shown in FIG. 5, an oxidant gas passage 44 for supplying an oxidant gas along the electrode surface of the cathode electrode 22 is formed on the surface 36 b of each disk portion 36 that contacts the cathode electrode 22. A plurality of protrusions 46 are provided. The protrusion 46 is formed of a solid portion formed on the surface 36b by etching, for example. The cross-sectional shape of the protrusion 46 can be set to various shapes such as a rectangular shape, a circular shape, a triangular shape, or a rectangular shape, and the arrangement position and density are arbitrarily changed depending on the flow state of the fuel gas.

第１小径端部３２には、カソード電極２２に向かう面に燃料ガス供給連通孔３０に連通して複数のスリット５０が放射状に形成される。このスリット５０には、凹部５２が連通するとともに、第１橋架部３４には、燃料ガス供給連通孔３０から前記スリット５０及び前記凹部５２を介して燃料ガス導入口３８に連通する燃料ガス供給通路（溝部）５４が形成される。スリット５０、凹部５２及び燃料ガス供給通路５４は、例えば、エッチングにより形成される。   In the first small diameter end portion 32, a plurality of slits 50 are formed radially on the surface facing the cathode electrode 22 so as to communicate with the fuel gas supply communication hole 30. A recess 52 communicates with the slit 50, and a fuel gas supply passage communicates with the first bridge portion 34 from the fuel gas supply communication hole 30 to the fuel gas inlet 38 through the slit 50 and the recess 52. (Groove part) 54 is formed. The slit 50, the recess 52 and the fuel gas supply passage 54 are formed by etching, for example.

図３に示すように、セパレータ２８のカソード電極２２に対向する面には、通路部材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、平板状に構成されるとともに、中央部に燃料ガス供給連通孔３０を形成する第２小径端部５８を備える。この第２小径端部５８から放射状に８本の第２橋架部６０が延在するとともに、各第２橋架部６０は、セパレータ２８の第１橋架部３４から円板部３６の面３６ｂに燃料ガス導入口３８を覆って固着される（図６参照）。   As shown in FIG. 3, 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. The passage member 56 is configured in a flat plate shape and includes a second small-diameter end portion 58 that forms the fuel gas supply communication hole 30 in the central portion. Eight second bridge portions 60 extend radially from the second small-diameter end portion 58, and each second bridge portion 60 is fueled from the first bridge portion 34 of the separator 28 to the surface 36 b of the disc portion 36. The gas inlet 38 is covered and fixed (see FIG. 6).

図６に示すように、メッシュ部材４２が設けられる範囲は、面３６ｂ側の突起部４６が設けられる範囲、すなわち、カソード電極２２の発電領域よりも大きな領域に設定される。メッシュ部材４２に設けられる酸化剤ガス通路４４は、電解質・電極接合体２６の内側周端部と円板部３６の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部６７に連通する。この酸化剤ガス供給部６７は、各円板部３６の内方と第１橋架部３４との間に位置して積層方向に延在している。   As shown in FIG. 6, the range in which the mesh member 42 is provided is set to a range in which the protrusions 46 on the surface 36 b side are provided, that is, a region larger than the power generation region of the cathode electrode 22. The oxidant gas passage 44 provided in the mesh member 42 is an oxidant that supplies an oxidant gas in the direction of arrow B from between the inner peripheral end of the electrolyte / electrode assembly 26 and the inner peripheral end of the disc portion 36. It communicates with the gas supply unit 67. The oxidant gas supply part 67 is located between the inner side of each disk part 36 and the first bridge part 34 and extends in the stacking direction.

各セパレータ２８間には、燃料ガス供給連通孔３０をシールするための絶縁シール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１１には、円板部３６の外方に位置して排ガス通路６８が形成される。   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. In the fuel cell 11, an exhaust gas passage 68 is formed outside the disk portion 36.

図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池１１の積層方向両端にエンドプレート７０ａ、７０ｂを配置する。エンドプレート７０ａは、略円板状を有しており、外周部に軸線方向に突出してリング状部７２が設けられる。このリング状部７２の外周部には、周回溝部７４が形成される。リング状部７２の中心部に対応して、円柱状凸部７６がこのリング状部７２と同一方向に膨出形成され、前記凸部７６の中央部に段付き孔部７８が形成される。   As shown in FIGS. 1 and 2, in the fuel cell stack 12, end plates 70 a and 70 b are arranged at both ends in the stacking direction of the plurality of fuel cells 11. The end plate 70a has a substantially disc shape, and a ring-shaped portion 72 is provided on the outer peripheral portion so as to protrude in the axial direction. A circumferential groove 74 is formed on the outer periphery of the ring-shaped portion 72. Corresponding to the center portion of the ring-shaped portion 72, a columnar convex portion 76 is bulged and formed in the same direction as the ring-shaped portion 72, and a stepped hole portion 78 is formed in the central portion of the convex portion 76.

エンドプレート７０ａには、凸部７６を中心にして同一仮想円周上に孔部８０とねじ孔８２とが、交互に且つ所定の角度間隔ずつ離間して設けられる。孔部８０及びねじ孔８２は、第１及び第２橋架部３４、６０同士の間に形成される各酸化剤ガス供給部６７に対応して設けられる。エンドプレート７０ｂは、エンドプレート７０ａよりも大径に構成されるとともに、導電性の薄板で形成される。   The end plate 70a is provided with holes 80 and screw holes 82 alternately and at predetermined angular intervals on the same virtual circumference with the convex portion 76 as the center. The hole 80 and the screw hole 82 are provided corresponding to each oxidant gas supply part 67 formed between the first and second bridge parts 34 and 60. The end plate 70b has a larger diameter than the end plate 70a and is formed of a conductive thin plate.

筐体１８は、荷重付与機構２１を収容する第１筐体部８６ａと、燃料電池スタック１２を収容する第２筐体部８６ｂとを備える。第１及び第２筐体部８６ａ、８６ｂ間は、エンドプレート７０ｂの第２筐体部８６ｂ側に絶縁材を介装してねじ８８及びナット９０により締め付けられる。エンドプレート７０ｂは、流体部１９から荷重付与機構２１に高温の排ガスや空気が流入することを阻止するガス遮蔽部を構成する。   The housing 18 includes a first housing portion 86 a that houses the load applying mechanism 21 and a second housing portion 86 b that houses the fuel cell stack 12. Between the first and second housing portions 86a and 86b, an insulating material is interposed on the second housing portion 86b side of the end plate 70b and tightened with screws 88 and nuts 90. The end plate 70 b constitutes a gas shielding part that prevents high-temperature exhaust gas or air from flowing from the fluid part 19 into the load application mechanism 21.

第２筐体部８６ｂには、リング状壁板９２の一端部が接合されるとともに、前記壁板９２の他端部には、ヘッド板９４が固着される。流体部１９は、燃料電池スタック１２の中心軸に対して軸対称に配設される。具体的には、略リング状の熱交換器１４の内側に、略円筒状の改質器１６が同軸的に配設される。   One end portion of the ring-shaped wall plate 92 is joined to the second housing portion 86b, and a head plate 94 is fixed to the other end portion of the wall plate 92. The fluid part 19 is arranged symmetrically with respect to the central axis of the fuel cell stack 12. Specifically, a substantially cylindrical reformer 16 is coaxially disposed inside a substantially ring-shaped heat exchanger 14.

エンドプレート７０ａの周回溝部７４に壁板９６が固定されて流路部材９８が構成されるとともに、この流路部材９８には、熱交換器１４及び改質器１６が直結される。流路部材９８内に形成されるチャンバ９８ａには、熱交換器１４を通って加熱された空気が一旦充填される。孔部８０は、チャンバ９８ａに一旦充填された空気を燃料電池スタック１２に供給するための開口部を構成する。   A wall plate 96 is fixed to the circumferential groove portion 74 of the end plate 70a to constitute a flow path member 98, and the heat exchanger 14 and the reformer 16 are directly connected to the flow path member 98. The chamber 98 a formed in the flow path member 98 is once filled with air heated through the heat exchanger 14. The hole 80 constitutes an opening for supplying the air once filled in the chamber 98 a to the fuel cell stack 12.

改質器１６には、燃料ガス供給管１００と改質ガス供給管１０２とが設けられる。燃料ガス供給管１００は、ヘッド板９４を介して外部に延在する一方、改質ガス供給管１０２は、エンドプレート７０ａの段付き孔部７８に嵌挿されて燃料ガス供給連通孔３０に連通する。   The reformer 16 is provided with a fuel gas supply pipe 100 and a reformed gas supply pipe 102. The fuel gas supply pipe 100 extends to the outside via the head plate 94, while the reformed gas supply pipe 102 is fitted into the stepped hole 78 of the end plate 70 a and communicates with the fuel gas supply communication hole 30. To do.

ヘッド板９４には、空気供給管１０４と排ガス管１０６とが接続される。筐体１８内には、空気供給管１０４から熱交換器１４を介して流路部材９８に直接開口する通路１０８と、燃料電池スタック１２の排ガス通路６８から熱交換器１４を介して排ガス管１０６に至る通路１１０とが設けられる。   An air supply pipe 104 and an exhaust gas pipe 106 are connected to the head plate 94. In the housing 18, a passage 108 that opens directly from the air supply pipe 104 to the flow path member 98 through the heat exchanger 14, and an exhaust gas pipe 106 from the exhaust gas passage 68 of the fuel cell stack 12 through the heat exchanger 14. And a passage 110 leading to.

荷重付与機構２１は、燃料ガス供給連通孔３０の近傍に対して第１締め付け荷重Ｔ１を付与する第１締め付け部１１２ａ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１１２ｂとを備える（Ｔ１＞Ｔ２）。   The load applying mechanism 21 is smaller than the first tightening load T1 with respect to the first tightening portion 112a for applying the first tightening load T1 to the vicinity of the fuel gas supply communication hole 30 and the electrolyte / electrode assembly 26. And a second tightening portion 112b for applying a second tightening load T2 (T1> T2).

第１締め付け部１１２ａは、エンドプレート７０ａの一方の対角位置に設けられるねじ孔８２、８２に螺合する短尺な第１締め付けボルト１１４ａ、１１４ａを備える。第１締め付けボルト１１４ａ、１１４ａは、燃料電池１１の積層方向に延在するとともに、第１押圧プレート１１６ａに係合する。第１締め付けボルト１１４ａは、セパレータ２８の内部に設けた酸化剤ガス供給部６７内に設けられる。第１押圧プレート１１６ａは、幅狭な板状を有しており、燃料ガス供給連通孔３０を覆ってセパレータ２８の中央部に係合する。   The first tightening portion 112a includes short first tightening bolts 114a and 114a that are screwed into screw holes 82 and 82 provided at one diagonal position of the end plate 70a. The first fastening bolts 114a and 114a extend in the stacking direction of the fuel cells 11 and engage with the first pressing plate 116a. The first tightening bolt 114 a is provided in an oxidant gas supply unit 67 provided in the separator 28. The first pressing plate 116 a has a narrow plate shape, covers the fuel gas supply communication hole 30, and engages with the central portion of the separator 28.

第２締め付け部１１２ｂは、長尺な第２締め付けボルト１１４ｂ、１１４ｂを備え、前記第２締め付けボルト１１４ｂ、１１４ｂは、エンドプレート７０ａの他方の対角位置に設けられるねじ孔８２、８２に螺合する。第２締め付けボルト１１４ｂの端部は、外周湾曲形状の第２押圧プレート１１６ｂを貫通し、この端部にナット１１７が螺合する。第２締め付けボルト１１４ｂは、セパレータ２８の内部に設けた酸化剤ガス供給部６７内に設けられる。第２押圧プレート１１６ｂの各円弧状部には、燃料電池１１の円板部３６に配置される各電解質・電極接合体２６に対応してスプリング１１８及び台座１１９が配設される。スプリング１１８は、例えば、セラミックススプリングにより構成される。   The second tightening portion 112b includes long second tightening bolts 114b and 114b, and the second tightening bolts 114b and 114b are screwed into screw holes 82 and 82 provided at the other diagonal position of the end plate 70a. To do. The end of the second tightening bolt 114b passes through the second curved pressure plate 116b having a curved outer periphery, and the nut 117 is screwed into this end. The second fastening bolt 114 b is provided in an oxidant gas supply unit 67 provided in the separator 28. In each arc-shaped portion of the second pressing plate 116b, a spring 118 and a pedestal 119 are disposed corresponding to each electrolyte / electrode assembly 26 disposed in the disc portion 36 of the fuel cell 11. The spring 118 is composed of, for example, a ceramic spring.

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。   The operation of the fuel cell system 10 configured as described above will be described below.

燃料電池システム１０を組み付ける際には、先ず、図３に示すように、セパレータ２８のカソード電極２２に向かう面に通路部材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５４が形成されるとともに、前記燃料ガス供給通路５４が燃料ガス導入口３８に連通する（図６参照）。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 the fuel cell system 10 is assembled, first, as shown in FIG. 3, the passage member 56 is joined to the surface of the separator 28 facing the cathode electrode 22. Therefore, a fuel gas supply passage 54 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 54 communicates with the fuel gas introduction port 38. (See FIG. 6). 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１１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の略中央部に燃料ガス導入口３８が配置される。セパレータ２８の面３６ａと電解質・電極接合体２６との間には、メッシュ部材４２が介装されることにより、前記メッシュ部材４２の燃料ガス通路４０が燃料ガス導入口３８に連通する（図６参照）。   Thus, the separator 28 is configured, and the eight electrolyte / electrode assemblies 26 are sandwiched between the separators 28 to obtain the fuel cell 11. As shown in FIG. 3 and FIG. 4, each separator 28 has an electrolyte / electrode assembly 26 disposed between surfaces 36 a and 36 b facing each other, and a fuel gas inlet 38 is formed at a substantially central portion of each anode electrode 24. Be placed. A mesh member 42 is interposed between the surface 36a of the separator 28 and the electrolyte / electrode assembly 26, whereby the fuel gas passage 40 of the mesh member 42 communicates with the fuel gas inlet 38 (FIG. 6). reference).

上記の燃料電池１１が矢印Ａ方向に複数積層され、積層方向両端にエンドプレート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７０ｂ側には、第１締め付け部１１２ａを構成する第１押圧プレート１１６ａが燃料電池１１の中央部側に対応して配置される。   A plurality of the fuel cells 11 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, on the end plate 70 b side, a first pressing plate 116 a constituting the first tightening portion 112 a is disposed corresponding to the center portion side of the fuel cell 11.

この状態で、短尺な各第１締め付けボルト１１４ａは、第１押圧プレート１１６ａを貫通してエンドプレート７０ｂ側からエンドプレート７０ａ側に挿入される。第１締め付けボルト１１４ａの先端は、エンドプレート７０ａの一方の対角位置にあるねじ孔８２に螺合する。第１締め付けボルト１１４ａの頭部は、第１押圧プレート１１６ａが係合しており、前記第１締め付けボルト１１４ａがねじ孔８２に螺回されることによって、前記第１押圧プレート１１６ａの面圧が調整される。これにより、燃料電池スタック１２には、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が付与される。   In this state, each short first tightening bolt 114a is inserted from the end plate 70b side to the end plate 70a side through the first pressing plate 116a. The front end of the first tightening bolt 114a is screwed into the screw hole 82 at one diagonal position of the end plate 70a. The head of the first tightening bolt 114a is engaged with the first pressing plate 116a. When the first tightening bolt 114a is screwed into the screw hole 82, the surface pressure of the first pressing plate 116a is increased. Adjusted. As a result, the first tightening load T <b> 1 is applied to the fuel cell stack 12 in the vicinity of the fuel gas supply communication hole 30.

次いで、各円板部３６に対応して配置される電解質・電極接合体２６には、それぞれ軸方向にスプリング１１８及び台座１１９が配列されるとともに、一方の台座１１９には、第２締め付け部１１２ｂを構成する第２押圧プレート１１６ｂが係合する。   Next, in the electrolyte / electrode assembly 26 arranged corresponding to each disk portion 36, a spring 118 and a base 119 are arranged in the axial direction, respectively, and one base 119 has a second tightening portion 112b. Is engaged with the second pressing plate 116b.

長尺な各第２締め付けボルト１１４ｂが、第２押圧プレート１１６ｂを貫通してエンドプレート７０ｂ側からエンドプレート７０ａ側に挿入される。第２締め付けボルト１１４ｂの先端は、エンドプレート７０ａの他方の対角位置にあるねじ孔８２に螺合するとともに、前記第２締め付けボルト１１４ｂの端部にナット１１７が螺合する。このため、ナット１１７の螺回状態を調整することにより、各電解質・電極接合体２６には、各スプリング１１８の弾性力を介して第２締め付け荷重Ｔ２が付与される。   Each long second fastening bolt 114b passes through the second pressing plate 116b and is inserted from the end plate 70b side to the end plate 70a side. The tip of the second tightening bolt 114b is screwed into the screw hole 82 at the other diagonal position of the end plate 70a, and the nut 117 is screwed into the end of the second tightening bolt 114b. For this reason, the second tightening load T <b> 2 is applied to each electrolyte / electrode assembly 26 through the elastic force of each spring 118 by adjusting the screwed state of the nut 117.

燃料電池スタック１２は、エンドプレート７０ｂが筐体１８を構成する第１及び第２筐体部８６ａ、８６ｂ間に挟持された状態で、前記第１及び第２筐体部８６ａ、８６ｂがねじ８８及びナット９０により固定される。第２筐体部８６ｂには、流体部１９が接合されており、この流体部１９を構成する壁板９６がエンドプレート７０ａの周回溝部７４に装着される。これにより、エンドプレート７０ａと壁板９６との間には、流路部材９８が形成される。   In the fuel cell stack 12, the end plate 70b is sandwiched between the first and second casing portions 86a and 86b constituting the casing 18, and the first and second casing portions 86a and 86b are screws 88. And a nut 90. The fluid part 19 is joined to the second casing part 86b, and a wall plate 96 constituting the fluid part 19 is attached to the circumferential groove part 74 of the end plate 70a. As a result, a flow path member 98 is formed between the end plate 70 a and the wall plate 96.

次に、燃料電池システム１０では、図１に示すように、燃料ガス供給管１００から燃料（メタン、エタン又はプロパン等）及び必要に応じて水が供給されるとともに、空気供給管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。   Next, in the fuel cell system 10, as shown in FIG. 1, fuel (methane, ethane, propane, or the like) is supplied from a fuel gas supply pipe 100 and water as required, and an oxidant is supplied from an air supply pipe 104. An oxygen-containing gas (hereinafter also referred to as air) that is a gas is supplied.

燃料が改質器１６を通って改質されることにより燃料ガス（水素含有ガス）が得られ、この燃料ガスは、燃料電池スタック１２の燃料ガス供給連通孔３０に供給される。この燃料ガスは、積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら各燃料電池１１を構成するセパレータ２８内のスリット５０及び凹部５２を介して燃料ガス供給通路５４に導入される（図６参照）。   Fuel is reformed through the reformer 16 to obtain fuel gas (hydrogen-containing gas), and this fuel gas is supplied to the fuel gas supply communication hole 30 of the fuel cell stack 12. This fuel gas is introduced into the fuel gas supply passage 54 through the slit 50 and the recess 52 in the separator 28 constituting each fuel cell 11 while moving in the stacking direction (arrow A direction) (see FIG. 6).

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５４に沿って移動し、円板部３６の燃料ガス導入口３８からメッシュ部材４２に形成された燃料ガス通路４０に導入される。燃料ガス導入口３８は、各電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の略中心位置に設定されている。このため、燃料ガスは、燃料ガス導入口３８からアノード電極２４の略中心に供給され、燃料ガス通路４０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。   The fuel gas moves between the first and second bridge portions 34 and 60 along the fuel gas supply passage 54, and enters the fuel gas passage 40 formed in the mesh member 42 from the fuel gas inlet 38 of the disc portion 36. be introduced. The fuel gas inlet 38 is set at a substantially central position of the anode electrode 24 of each electrolyte / electrode assembly 26. Therefore, the fuel gas is supplied from the fuel gas inlet 38 to the approximate center of the anode electrode 24 and moves along the fuel gas passage 40 toward the outer periphery of the anode electrode 24.

一方、空気は、図１に示すように、空気供給管１０４から熱交換器１４の通路１０８を通って一旦チャンバ９８ａに導入される。この空気は、チャンバ９８ａに連通する孔部８０を通って各燃料電池１１の略中央側に設けられている酸化剤ガス供給部６７に供給される。その際、熱交換器１４では、後述するように、排ガス通路６８に排気される排ガスが通路１１０を通るため、使用前の空気と熱交換が行われ、この空気が予め所望の燃料電池運転温度に加温されている。   On the other hand, as shown in FIG. 1, the air is once introduced into the chamber 98a from the air supply pipe 104 through the passage 108 of the heat exchanger 14. The air is supplied to an oxidant gas supply unit 67 provided on a substantially central side of each fuel cell 11 through a hole 80 communicating with the chamber 98a. At that time, in the heat exchanger 14, since the exhaust gas exhausted to the exhaust gas passage 68 passes through the passage 110 as will be described later, heat exchange with the air before use is performed, and this air is previously stored at a desired fuel cell operating temperature. It has been heated.

酸化剤ガス供給部６７に供給された空気は、電解質・電極接合体２６の内側周端部と円板部３６の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に流入し、複数の突起部４６により形成された酸化剤ガス通路４４に送られる。図６に示すように、酸化剤ガス通路４４では、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の内側周端部（セパレータ２８の中央部）側から外側周端部（セパレータ２８の外側周端部側）に向かって空気が流動する。   The air supplied to the oxidant gas supply part 67 flows in the direction of arrow B from between the inner peripheral end part of the electrolyte / electrode assembly 26 and the inner peripheral end part of the disc part 36, and a plurality of protrusions 46. To the oxidant gas passage 44 formed by the above. As shown in FIG. 6, in the oxidant gas passage 44, the outer peripheral end portion (outer peripheral end portion of the separator 28) from the inner peripheral end portion (center portion of the separator 28) side of the cathode electrode 22 of the electrolyte / electrode assembly 26. Air) toward the side.

従って、電解質・電極接合体２６では、アノード電極２４の電極面の中心側から周端部側に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極２２の電極面の一方向（矢印Ｂ方向）に向かって空気が供給される。その際、酸化物イオンが電解質２０を通ってアノード電極２４に移動し、化学反応により発電が行われる。   Accordingly, 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 peripheral end side, and in one direction (arrow B direction) of the electrode surface of the cathode electrode 22. Air is supplied in the direction. At that time, oxide ions move to the anode electrode 24 through the electrolyte 20, and power is generated by a chemical reaction.

なお、各電解質・電極接合体２６の外周部に排出される排ガスは、排ガス通路６８を介して積層方向に移動し、熱交換器１４の通路１１０を通って空気との間で熱交換を行った後、排ガス管１０６から排出される。   The exhaust gas discharged to the outer periphery of each electrolyte / electrode assembly 26 moves in the stacking direction via the exhaust gas passage 68 and exchanges heat with air through the passage 110 of the heat exchanger 14. After that, it is discharged from the exhaust gas pipe 106.

この場合、第１の実施形態では、図６に示すように、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２が、円板部３６の面３６ｂに設けられた複数の突起部４６に当接する一方、前記電解質・電極接合体２６のアノード電極２４が、メッシュ部材４２に当接した状態で、矢印Ａ方向に積層荷重が付与されている。このため、メッシュ部材４２の変形作用下に、前記メッシュ部材４２とアノード電極２４との密着性が促進される。   In this case, in the first embodiment, as shown in FIG. 6, the cathode electrode 22 of the electrolyte-electrode assembly 26 abuts on the plurality of protrusions 46 provided on the surface 36 b of the disc part 36, In the state where the anode electrode 24 of the electrolyte / electrode assembly 26 is in contact with the mesh member 42, a stacking load is applied in the direction of arrow A. For this reason, adhesion between the mesh member 42 and the anode electrode 24 is promoted under the deformation action of the mesh member 42.

これにより、電解質・電極接合体２６やセパレータ２８自体に製造当初から存在する寸法誤差や歪み等は、メッシュ部材４２の弾性変形によって良好に吸収される。従って、第１の実施形態では、積層時の損傷を阻止するとともに、接触点数の増加により集電性の向上が図られるという効果が得られる。特に、電解質２０に比べてカソード電極２２及びアノード電極２４が薄い電解質・電極接合体２６（いわゆる、自立膜型ＭＥＡ）でも、メッシュ部材４２が前記アノード電極２４に作用する応力を良好に緩和することができ、破損の削減を図ることが可能になる。   As a result, dimensional errors, distortions, and the like existing from the beginning of manufacture in the electrolyte / electrode assembly 26 and the separator 28 themselves are well absorbed by the elastic deformation of the mesh member 42. Therefore, in the first embodiment, it is possible to obtain the effects of preventing damage during stacking and improving the current collecting property by increasing the number of contact points. In particular, even in an electrolyte / electrode assembly 26 (so-called self-supporting membrane MEA) in which the cathode electrode 22 and the anode electrode 24 are thinner than the electrolyte 20, the stress that the mesh member 42 acts on the anode electrode 24 can be satisfactorily reduced. This makes it possible to reduce damage.

さらに、円板部３６に設けられている複数の突起部４６により、積層方向の荷重が効率的に伝達される。このため、少ない荷重で、燃料電池１１を積層することができ、電解質・電極接合体２６やセパレータ２８の歪みを低減することが可能になる。   Furthermore, the load in the stacking direction is efficiently transmitted by the plurality of protrusions 46 provided on the disc part 36. For this reason, the fuel cells 11 can be stacked with a small load, and the distortion of the electrolyte / electrode assembly 26 and the separator 28 can be reduced.

しかも、メッシュ部材４２内では、燃料ガスの拡散が促進される。従って、燃料ガスをアノード電極２４に均一に分散させることが可能になり、安定且つ良好な発電が遂行されるという利点がある。   Moreover, the diffusion of fuel gas is promoted in the mesh member 42. Accordingly, the fuel gas can be uniformly dispersed in the anode electrode 24, and there is an advantage that stable and good power generation is performed.

さらにまた、突起部４６は、円板部３６の面３６ｂにエッチング等によって形成される中実部で構成されている。これにより、突起部４６の形状、配置位置及び密度は、例えば、燃料ガスの流れ状態等によって任意且つ容易に変更することができ、経済的であるとともに、前記燃料ガスの良好な流れが達成される。さらに、突起部４６が中実部で構成されるため、この突起部４６の変形が阻止され、荷重の伝達及び集電性を高めることが可能になる。   Furthermore, the protruding portion 46 is constituted by a solid portion formed by etching or the like on the surface 36b of the disc portion 36. Thereby, the shape, the arrangement position, and the density of the protrusions 46 can be arbitrarily and easily changed depending on, for example, the flow state of the fuel gas, and the fuel gas can be favorably flowed while being economical. The Furthermore, since the protrusion 46 is formed of a solid part, the deformation of the protrusion 46 is prevented, and load transmission and current collection can be improved.

また、第１の実施形態では、酸化剤ガス供給部６７内には、燃料ガス供給連通孔３０が気密に設けられるとともに、燃料ガス供給通路５４がセパレータ面方向に横切って配置されている。このため、使用前の燃料ガスは、熱交換器１４により熱交換されて高温となった酸化剤ガスにより加熱されることができ、熱効率の向上が図られる。   In the first embodiment, the fuel gas supply communication hole 30 is provided in the oxidant gas supply unit 67 in an airtight manner, and the fuel gas supply passage 54 is disposed across the separator surface. For this reason, the fuel gas before use can be heated by the oxidant gas which is heat-exchanged by the heat exchanger 14 and becomes a high temperature, thereby improving the thermal efficiency.

さらに、排ガス通路６８は、セパレータ２８の外周端部に設けられており、この排ガス通路６８の断熱層として作用するため前記セパレータ２８からの放熱を阻止することが可能になる。さらにまた、燃料ガス導入口３８は、円板部３６の中心又は中心に対して酸化剤ガスの流れ方向上流側に偏心した位置に設定されている。従って、燃料ガス導入口３８から導入される燃料ガスは、アノード電極２４の中心から放射上に拡散し易くなり、均一な反応が促進されて燃料利用率の向上を図ることができる。   Further, the exhaust gas passage 68 is provided at the outer peripheral end portion of the separator 28, and acts as a heat insulating layer of the exhaust gas passage 68, so that heat radiation from the separator 28 can be prevented. Furthermore, the fuel gas introduction port 38 is set at a position eccentric to the center of the disc portion 36 or the upstream side in the flow direction of the oxidant gas with respect to the center. Therefore, the fuel gas introduced from the fuel gas introduction port 38 is easily diffused radially from the center of the anode electrode 24, and a uniform reaction is promoted to improve the fuel utilization rate.

また、メッシュ部材４２が設けられる範囲は、カソード電極２２の発電領域よりも大きな領域に設定されている（図６参照）。このため、排ガスが、電解質・電極接合体２６の外周からアノード電極２４側に回り込んでも、前記アノード電極２４の外周縁部に対向するカソード電極２２の外周縁部に発電部が存在しない。これにより、循環電流による燃料消費の増加が抑制され、高い起電力を容易に取り出して集電特性を高めることができるとともに、燃料利用率の向上を図ること可能になる。しかも、弾性通路部としてメッシュ部材４２を用いるだけでよく、構成が簡素化されて経済的である。   Further, the range in which the mesh member 42 is provided is set to a region larger than the power generation region of the cathode electrode 22 (see FIG. 6). For this reason, even if the exhaust gas circulates from the outer periphery of the electrolyte / electrode assembly 26 toward the anode electrode 24, there is no power generation unit at the outer peripheral edge of the cathode electrode 22 facing the outer peripheral edge of the anode electrode 24. As a result, an increase in fuel consumption due to the circulating current is suppressed, and a high electromotive force can be easily taken out to improve the current collection characteristics, and the fuel utilization rate can be improved. Moreover, it is only necessary to use the mesh member 42 as the elastic passage portion, and the configuration is simplified and economical.

さらに、電解質・電極接合体２６は、セパレータ２８の中心部に対して同心円上に８個配列されており、燃料電池１１全体がコンパクト化されるとともに、熱歪の影響を回避することができる。   Further, eight electrolyte / electrode assemblies 26 are arranged concentrically with respect to the central portion of the separator 28, so that the entire fuel cell 11 can be made compact and the influence of thermal strain can be avoided.

図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１２０の分解斜視図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１１と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３〜第９の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。   FIG. 7 is an exploded perspective view of the fuel cell 120 according to the second embodiment of the present invention. The same components as those of the fuel cell 11 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. Similarly, in the third to ninth embodiments described below, detailed description thereof is omitted.

燃料電池１２０を構成するセパレータ１２２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。図８に示すように、セパレータ１２２には、アノード電極２４に向かう面にスリット５０、凹部５２及び燃料ガス供給通路５４が、例えば、エッチングにより形成される。   A passage member 124 is fixed to the separator 122 constituting the fuel cell 120 on the surface facing the anode electrode 24. As shown in FIG. 8, a slit 50, a recess 52, and a fuel gas supply passage 54 are formed in the separator 122 on the surface facing the anode electrode 24, for example, by etching.

図７及び図９に示すように、通路部材１２４は、平板状に構成されるとともに、各第２橋架部６０の先端部には、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１２６が形成される。円板部３６の面３６ａには、弾性通路部、例えば、導電性メッシュ部材１２８が配設される。このメッシュ部材１２８は、略円板状を有しており、第２橋架部６０を避けるための切り欠き部１２８ａを設ける一方、各円板部３６には、燃料ガス導入口３８が不要である。   As shown in FIGS. 7 and 9, the passage member 124 is configured in a flat plate shape, and a plurality of fuel gas inlets 126 that open toward the anode electrode 24 are provided at the distal ends of the second bridge portions 60. Is formed. An elastic passage portion, for example, a conductive mesh member 128 is disposed on the surface 36 a of the disc portion 36. The mesh member 128 has a substantially disk shape and is provided with a cutout portion 128a for avoiding the second bridge portion 60. On the other hand, each disk portion 36 does not require the fuel gas inlet 38. .

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に供給される燃料ガスは、各セパレータ１２２と通路部材１２４との間に形成される燃料ガス供給通路５４に沿って移動する。さらに、燃料ガスは、通路部材１２４の各第２橋架部６０の先端部に形成される複数の燃料ガス導入口１２６からメッシュ部材１２８を介してアノード電極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 54 formed between each separator 122 and the passage member 124. To do. Further, the fuel gas is supplied toward the anode electrode 24 through the mesh member 128 from a plurality of fuel gas inlets 126 formed at the distal ends of the second bridge portions 60 of the passage member 124.

一方、空気は、酸化剤ガス供給部６７からカソード電極２２と各円板部３６との間に形成された酸化剤ガス通路４４に沿って矢印Ｂ方向に流動し、前記カソード電極２２に供給される。   On the other hand, air flows in the direction of arrow B along the oxidant gas passage 44 formed between the cathode electrode 22 and each disk part 36 from the oxidant gas supply part 67 and is supplied to the cathode electrode 22. The

図１０は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１３０の分解斜視図である。   FIG. 10 is an exploded perspective view of a fuel cell 130 according to the third embodiment of the present invention.

燃料電池１３０を構成するセパレータ１３２は、カソード電極２２に対向する面に通路部材１３４が固着される。通路部材１３４は、セパレータ１３２に向かう面に燃料ガス供給連通孔３０に連通する複数のスリット５０を有し、このスリット５０には、凹部５２が連通するとともに、第２橋架部６０には、前記凹部５２に連通する燃料ガス供給通路５４が設けられる。スリット５０、凹部５２及び燃料ガス供給通路５４は、例えば、エッチングにより形成されており、第２橋架部６０は、断面略コ字状に構成される。   In the separator 132 constituting the fuel cell 130, the passage member 134 is fixed to the surface facing the cathode electrode 22. The passage member 134 has a plurality of slits 50 communicating with the fuel gas supply communication hole 30 on the surface facing the separator 132. The slit 50 communicates with a recess 52, and the second bridge portion 60 includes A fuel gas supply passage 54 communicating with the recess 52 is provided. The slit 50, the concave portion 52, and the fuel gas supply passage 54 are formed by, for example, etching, and the second bridge portion 60 is configured to have a substantially U-shaped cross section.

セパレータ１３２は、図１１に示すように、面３６ｂに複数の突起部４６が、例えば、エッチングにより形成されており、通路部材１３４は、第１小径端部３２から第１橋架部３４及び円板部３６の燃料ガス導入口３８を覆って固着される（図１２参照）。   As shown in FIG. 11, the separator 132 has a plurality of protrusions 46 formed on the surface 36 b by, for example, etching, and the passage member 134 extends from the first small diameter end 32 to the first bridge 34 and the disc. The fuel gas introduction port 38 of the part 36 is covered and fixed (see FIG. 12).

このように構成される第３の実施形態では、燃料ガス、酸化剤ガス及び排ガスは、図１２に示すように、実質的に第１の実施形態と同様に流動する。   In the third embodiment configured as described above, the fuel gas, the oxidant gas, and the exhaust gas flow substantially as in the first embodiment, as shown in FIG.

図１３は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１４０の分解斜視図である。   FIG. 13 is an exploded perspective view of a fuel cell 140 according to the fourth embodiment of the present invention.

燃料電池１４０を構成するセパレータ１４２には、アノード電極２４に向かう面に通路部材１４４が固着される。通路部材１４４は、上記の通路部材１３４と同様に、燃料ガス供給連通孔３０に連通するスリット５０、凹部５２及び燃料ガス供給通路５４が、例えば、エッチングにより形成される。第２橋架部６０の先端部には、アノード電極２４の中心位置近傍に対応して開口する複数の燃料ガス導入口１４６が形成される。   A passage member 144 is fixed to the separator 142 constituting the fuel cell 140 on the surface facing the anode electrode 24. In the passage member 144, similarly to the passage member 134, the slit 50, the recess 52, and the fuel gas supply passage 54 communicating with the fuel gas supply communication hole 30 are formed by, for example, etching. A plurality of fuel gas inlets 146 that open corresponding to the vicinity of the center position of the anode electrode 24 are formed at the tip of the second bridge portion 60.

このように構成される第４の実施形態では、燃料ガス、酸化剤ガス及び排ガスは、図１４に示すように流動し、実質的に第２の実施形態と同様である。   In the fourth embodiment configured as described above, the fuel gas, the oxidant gas, and the exhaust gas flow as shown in FIG. 14 and are substantially the same as those of the second embodiment.

図１５は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システム１５０の一部断面説明図である。   FIG. 15 is a partial cross-sectional explanatory view of a fuel cell system 150 according to the fifth embodiment of the present invention.

燃料電池システム１５０は、筐体１８内に収容される燃料電池スタック１５２を備える。燃料電池スタック１５２は、矢印Ａ方向に複数積層される燃料電池１５４を備え、前記燃料電池１５４がエンドプレート７０ａ、７０ｂ間に挟持されている。   The fuel cell system 150 includes a fuel cell stack 152 accommodated in the housing 18. The fuel cell stack 152 includes a plurality of fuel cells 154 stacked in the direction of arrow A, and the fuel cell 154 is sandwiched between the end plates 70a and 70b.

燃料電池１５４は、図１６及び図１７に示すように、電解質・電極接合体２６を構成するカソード電極２２に沿って供給される酸化剤ガスの流れ方向が、第１〜第４の実施形態とは反対に設定され、この酸化剤ガスは、前記カソード電極２２の外側周端部から内側周端部に向かって矢印Ｃ方向に流動する。   As shown in FIGS. 16 and 17, the fuel cell 154 has a flow direction of an oxidant gas supplied along the cathode electrode 22 constituting the electrolyte / electrode assembly 26 in the first to fourth embodiments. The oxidant gas flows in the direction of arrow C from the outer peripheral end portion of the cathode electrode 22 toward the inner peripheral end portion.

燃料電池１５４を構成するセパレータ１５５では、円板部３６の外方に位置して、酸化剤ガス供給部６７が設けられるとともに、前記円板部３６の内方と第１橋架部３４との間に位置して、排ガス通路６８が積層方向に延在して設けられる。各円板部３６には、両側の円板部３６に向かって突出する突片部１５６ａ、１５６ｂが設けられる。互いに隣り合う突片部１５６ａ、１５６ｂ間には、空間部１５８が形成され、この空間部１５８には、邪魔板部材１６０が積層方向に延在して配設される。   In the separator 155 constituting the fuel cell 154, an oxidant gas supply unit 67 is provided outside the disc portion 36, and between the inside of the disc portion 36 and the first bridge portion 34. The exhaust gas passage 68 is provided extending in the stacking direction. Each disk part 36 is provided with projecting piece parts 156a and 156b protruding toward the disk parts 36 on both sides. A space portion 158 is formed between the projecting piece portions 156a and 156b adjacent to each other, and the baffle plate member 160 is disposed in the space portion 158 so as to extend in the stacking direction.

図１８に示すように、酸化剤ガス通路４４は、電解質・電極接合体２６の外周端部と円板部３６の外周端部との間から矢印Ｃ方向に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部６７に連通する。この酸化剤ガス供給部６７は、各円板部３６の突片部１５６ａ、１５６ｂ間に設けられる（図１６参照）。   As shown in FIG. 18, the oxidant gas passage 44 is an oxidant gas that supplies oxidant gas in the direction of arrow C from between the outer peripheral end of the electrolyte / electrode assembly 26 and the outer peripheral end of the disc portion 36. It communicates with the supply unit 67. The oxidant gas supply unit 67 is provided between the projecting piece portions 156a and 156b of each disk portion 36 (see FIG. 16).

図１５に示すように、エンドプレート７０ａ側には、排ガス通路６８に孔部８０を介して連通するチャンバ１６２ａを設ける流路部材１６２が形成される。チャンバ１６２ａには、燃料電池１５４から排出された排ガスが一旦充填されるとともに、この排ガスは、前記チャンバ１６２ａに直接開口する開口部１６３を通って熱交換器１４内の通路１１０を通過する。   As shown in FIG. 15, a flow path member 162 is provided on the end plate 70 a side to provide a chamber 162 a that communicates with the exhaust gas passage 68 via a hole 80. The chamber 162a is once filled with the exhaust gas discharged from the fuel cell 154, and this exhaust gas passes through the passage 110 in the heat exchanger 14 through the opening 163 that directly opens into the chamber 162a.

ヘッド板９４には、空気供給管１６４と排ガス管１６６とが接続される。空気供給管１６４は、改質器１６の近傍まで延在する一方、排ガス管１６６の端部は、ヘッド板９４に接続される。   An air supply pipe 164 and an exhaust gas pipe 166 are connected to the head plate 94. The air supply pipe 164 extends to the vicinity of the reformer 16, while the end of the exhaust gas pipe 166 is connected to the head plate 94.

このように構成される第５の実施形態では、燃料ガスは、燃料ガス供給管１００から改質器１６を通って燃料ガス供給連通孔３０に供給される。この燃料ガスは、燃料ガス供給通路５４を通って燃料ガス導入口３８からメッシュ部材４２の燃料ガス通路４０に送られる。一方、酸化剤ガスである空気は、空気供給管１６４から熱交換器１４の通路１０８を通って各燃料電池１５４の外周側に設けられている酸化剤ガス供給部６７に供給される。図１８に示すように、空気は、電解質・電極接合体２６の外周端部と円板部３６の外周端部との間から矢印Ｃ方向に流入し、酸化剤ガス通路４４に送られる。   In the fifth embodiment configured as described above, the fuel gas is supplied from the fuel gas supply pipe 100 to the fuel gas supply communication hole 30 through the reformer 16. The fuel gas is sent from the fuel gas inlet 38 to the fuel gas passage 40 of the mesh member 42 through the fuel gas supply passage 54. On the other hand, air, which is an oxidant gas, is supplied from the air supply pipe 164 through the passage 108 of the heat exchanger 14 to the oxidant gas supply unit 67 provided on the outer peripheral side of each fuel cell 154. As shown in FIG. 18, air flows in the direction of arrow C from between the outer peripheral end portion of the electrolyte / electrode assembly 26 and the outer peripheral end portion of the disc portion 36, and is sent to the oxidant gas passage 44.

これにより、電解質・電極接合体２６では、発電が行われ、この発電に使用された反応後の燃料ガス及び空気が混在する排ガスは、セパレータ１５５内に形成される排ガス通路６８を介して積層方向に移動する。そして、排ガスは、孔部８０を通ってエンドプレート７０ａ側に形成されている流路部材１６２内のチャンバ１６２ａに一旦充填される（図１５参照）。さらに、排ガスは、通路１１０を介して熱交換器１４を通って空気との間で熱交換を行った後、排ガス管１６６から排出される。   As a result, the electrolyte / electrode assembly 26 generates power, and the exhaust gas mixed with the reacted fuel gas and air used in the power generation is stacked in the stacking direction via the exhaust gas passage 68 formed in the separator 155. Move to. The exhaust gas is once filled into the chamber 162a in the flow path member 162 formed on the end plate 70a side through the hole 80 (see FIG. 15). Further, the exhaust gas is exhausted from the exhaust gas pipe 166 after exchanging heat with the air through the heat exchanger 14 via the passage 110.

上記のように、第５の実施形態では、排ガス通路６８内には、燃料ガス供給連通孔３０が気密に設けられるとともに、燃料ガス供給通路５４は、セパレータの面方向に横切って配置されている。このため、燃料ガス供給連通孔３０を流れる使用前の燃料ガスは、排ガス通路６８に排出される排ガスの熱によって加熱され、熱効率の向上が図られる。   As described above, in the fifth embodiment, the fuel gas supply passage 30 is provided in the exhaust gas passage 68 in an airtight manner, and the fuel gas supply passage 54 is disposed across the separator surface direction. . For this reason, the fuel gas before use flowing through the fuel gas supply communication hole 30 is heated by the heat of the exhaust gas discharged to the exhaust gas passage 68, so that the thermal efficiency is improved.

さらに、排ガス通路６８は、セパレータ１５５の中央部に設けられるため、排ガスの熱によってセパレータ１５５を中央部から放射状に加熱することが可能になり、熱効率を高めることができる。   Furthermore, since the exhaust gas passage 68 is provided in the central portion of the separator 155, the separator 155 can be heated radially from the central portion by the heat of the exhaust gas, and the thermal efficiency can be improved.

図１９は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池１７０の分解斜視図である。   FIG. 19 is an exploded perspective view of a fuel cell 170 according to the sixth embodiment of the present invention.

燃料電池１７０を構成するセパレータ１７２には、アノード電極２４に向かう面に通路部材１７４が固着される。通路部材１７４は、平板状に構成されるとともに、各第２橋架部６０の先端部には、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１７６が形成される。図２０に示すように、セパレータ１７２には、面３６ａ側に燃料ガス供給連通孔３０に連通するスリット５０、凹部５２及び燃料ガス供給通路５４が、例えば、エッチングにより形成される。   A passage member 174 is fixed to the separator 172 constituting the fuel cell 170 on the surface facing the anode electrode 24. The passage member 174 is configured in a flat plate shape, and a plurality of fuel gas inlets 176 that open toward the anode electrode 24 are formed at the tip of each second bridge portion 60. As shown in FIG. 20, in the separator 172, a slit 50, a recess 52, and a fuel gas supply passage 54 communicating with the fuel gas supply communication hole 30 are formed on the surface 36a side by, for example, etching.

このように構成される第６の実施形態では、酸化剤ガス、燃料ガス及び排ガスは、図２１に示すように流動する。   In the sixth embodiment configured as described above, the oxidant gas, the fuel gas, and the exhaust gas flow as shown in FIG.

図２２は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池１８０の分解斜視図である。   FIG. 22 is an exploded perspective view of a fuel cell 180 according to the seventh embodiment of the present invention.

燃料電池１８０を構成するセパレータ１８２には、カソード電極２２に向かう面に通路部材１８４が固着されるとともに、前記通路部材１８４には、スリット５０、凹部５２及び燃料ガス供給通路５４が、例えば、エッチングにより形成される。セパレータ１８２は、図２３に示すように、面３６ｂに複数の突起部４６が形成される。   A passage member 184 is fixed to the separator 182 constituting the fuel cell 180 on the surface facing the cathode electrode 22, and a slit 50, a recess 52 and a fuel gas supply passage 54 are etched in the passage member 184, for example. It is formed by. As shown in FIG. 23, the separator 182 has a plurality of protrusions 46 formed on the surface 36b.

このように構成される第７の実施形態では、図２４に示すように、酸化剤ガス、燃料ガス及び排ガスが流動する。   In the seventh embodiment configured as described above, the oxidant gas, the fuel gas, and the exhaust gas flow as shown in FIG.

図２５は、本発明の第８の実施形態に係る燃料電池１９０の分解斜視図である。   FIG. 25 is an exploded perspective view of a fuel cell 190 according to the eighth embodiment of the present invention.

燃料電池１９０を構成するセパレータ１９２には、アノード電極２４に向かう面に通路部材１９４が固着される。この通路部材１９４には、スリット５０、凹部５２及び燃料ガス供給通路５４が、例えば、エッチングにより形成される。通路部材１９４の各第２橋架部６０の先端には、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１９６が形成される。   A passage member 194 is fixed to the separator 192 constituting the fuel cell 190 on the surface facing the anode electrode 24. In this passage member 194, a slit 50, a recess 52 and a fuel gas supply passage 54 are formed by etching, for example. A plurality of fuel gas inlets 196 that open toward the anode electrode 24 are formed at the tips of the second bridge portions 60 of the passage member 194.

このように構成される第８の実施形態では、酸化剤ガス、燃料ガス及び排ガスは、図２６に示すように流動する。   In the eighth embodiment configured as described above, the oxidant gas, the fuel gas, and the exhaust gas flow as shown in FIG.

図２７は、本発明の第９の実施形態に係る燃料電池２００の分解斜視説明図である。   FIG. 27 is an exploded perspective view of a fuel cell 200 according to the ninth embodiment of the present invention.

燃料電池２００を構成する電解質・電極接合体２６ａは、略台形状に構成されるとともに、８個の前記電解質・電極接合体２６ａが一対のセパレータ２０２間に挟持される。セパレータ２０２は、電解質・電極接合体２６ａの形状に対応する台形部２０４を備え、前記台形部２０４のアノード電極２４に向かう面３６ａは、略平坦面に形成される。   The electrolyte / electrode assembly 26 a constituting the fuel cell 200 is formed in a substantially trapezoidal shape, and the eight electrolyte / electrode assemblies 26 a are sandwiched between a pair of separators 202. The separator 202 includes a trapezoidal portion 204 corresponding to the shape of the electrolyte / electrode assembly 26a, and a surface 36a of the trapezoidal portion 204 facing the anode electrode 24 is formed in a substantially flat surface.

図２８に示すように、セパレータ２０２の面３６ｂ側には、スリット５０、凹部５２及び燃料ガス供給通路５４が、例えば、エッチングにより形成されるとともに、この燃料ガス供給通路５４は、台形部２０４の内側端縁部に形成される燃料ガス導入口３８に連通する。台形部２０４の面３６ｂには、複数の突起部４６が、例えば、エッチングにより形成される。セパレータ２０２には、スリット５０、凹部５２、燃料ガス供給通路５４及び燃料ガス導入口３８を覆って通路部材２０８が固着される。この通路部材２０８は、平坦状に構成される。   As shown in FIG. 28, on the surface 36 b side of the separator 202, a slit 50, a recess 52 and a fuel gas supply passage 54 are formed by, for example, etching, and the fuel gas supply passage 54 is formed on the trapezoidal portion 204. It communicates with a fuel gas inlet 38 formed at the inner edge. A plurality of protrusions 46 are formed on the surface 36b of the trapezoidal portion 204 by, for example, etching. A passage member 208 is fixed to the separator 202 so as to cover the slit 50, the recess 52, the fuel gas supply passage 54 and the fuel gas inlet 38. The passage member 208 is configured to be flat.

図２７に示すように、各台形部２０４の面３６ａ側には、変形可能な弾性通路部、例えば、導線性メッシュ部材２１０が配設される。メッシュ部材２１０は、略台形を有するとともに、台形部２０４の面３６ｂに設けられた突起部４６の領域よりも大きな寸法に設定される。   As shown in FIG. 27, on the surface 36a side of each trapezoidal portion 204, a deformable elastic passage portion, for example, a conductive mesh member 210 is disposed. The mesh member 210 has a substantially trapezoidal shape and is set to a size larger than the region of the protrusion 46 provided on the surface 36b of the trapezoidal portion 204.

このように構成される第９の実施形態では、燃料ガスが、燃料ガス供給連通孔３０を通って燃料電池２００を構成するセパレータ２０２のスリット５０及び凹部５２を介して燃料ガス供給通路５４に導入される。この燃料ガスは、図２９に示すように、台形部２０４に形成された燃料ガス導入口３８からメッシュ部材２１０の燃料ガス通路４０に導入される。このため、燃料ガスは、アノード電極２４の内側端縁部から燃料ガス通路４０に沿って前記アノード電極２４の外周部に向かって（矢印Ｂ方向）に移動する。   In the ninth embodiment configured as described above, the fuel gas is introduced into the fuel gas supply passage 54 through the slits 50 and the recesses 52 of the separator 202 constituting the fuel cell 200 through the fuel gas supply communication hole 30. Is done. This fuel gas is introduced into the fuel gas passage 40 of the mesh member 210 from the fuel gas introduction port 38 formed in the trapezoidal portion 204 as shown in FIG. For this reason, the fuel gas moves from the inner edge of the anode electrode 24 along the fuel gas passage 40 toward the outer periphery of the anode electrode 24 (in the direction of arrow B).

一方、燃料電池２００の外周部に設けられている酸化剤ガス供給部６７に供給される酸化剤ガスは、電解質・電極接合体２６ａの外周端部と台形部２０４の外周端部との間から矢印Ｃ方向に流入し、酸化剤ガス通路４４に送られる。これにより、電解質・電極接合体２６ａでは、化学反応により発電が行われる。   On the other hand, the oxidant gas supplied to the oxidant gas supply part 67 provided on the outer peripheral part of the fuel cell 200 is from between the outer peripheral end part of the electrolyte / electrode assembly 26 a and the outer peripheral end part of the trapezoidal part 204. It flows in the direction of arrow C and is sent to the oxidant gas passage 44. As a result, the electrolyte / electrode assembly 26a generates power by a chemical reaction.

なお、第９の実施形態では、実質的に第５の実施形態を採用しているが、これに限定されるものではなく、第６〜第８の実施形態を採用してもよく、また、第１〜第４の実施形態（酸化剤ガスが内側から外側に向かう実施形態）を採用してもよい。   In addition, in 9th Embodiment, although 5th Embodiment is employ | adopted substantially, it is not limited to this, You may employ | adopt 6th-8th Embodiment, The first to fourth embodiments (embodiments in which the oxidant gas is directed from the inside to the outside) may be employed.

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの一部断面説明図である。It is a partial cross section explanatory view of the fuel cell system concerning a 1st embodiment of the present invention. 前記燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの概略斜視説明図である。FIG. 2 is a schematic perspective view of a fuel cell stack constituting the fuel cell system. 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視説明図である。2 is an exploded perspective view of a fuel cell constituting the fuel cell stack. FIG. 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. 前記セパレータの正面の説明図である。It is explanatory drawing of the front of the said separator. 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. 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。It is a disassembled perspective explanatory drawing of the fuel cell which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 前記燃料電池を構成するセパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the separator which comprises the said fuel cell. 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. 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。It is a disassembled perspective explanatory drawing of the fuel cell which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 前記燃料電池を構成するセパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the separator which comprises the said fuel cell. 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. 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。It is a disassembled perspective explanatory drawing of the fuel cell which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 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. 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システムの一部断面説明図である。It is a partial cross section explanatory view of the fuel cell system concerning a 5th embodiment of the present invention. 前記燃料電池システムを構成する燃料電池の分解斜視説明図である。It is a disassembled perspective explanatory drawing of the fuel cell which comprises the said fuel cell system. 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. 本発明の第６の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。It is a disassembled perspective explanatory drawing of the fuel cell which concerns on the 6th Embodiment of this invention. 前記燃料電池を構成するセパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the separator which comprises the said fuel cell. 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. 本発明の第７の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。It is a disassembled perspective explanatory drawing of the fuel cell which concerns on the 7th Embodiment of this invention. 前記燃料電池を構成するセパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the separator which comprises the said fuel cell. 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. 本発明の第８の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。It is a disassembled perspective explanatory drawing of the fuel cell which concerns on the 8th Embodiment of this invention. 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. 本発明の第９の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。It is a disassembled perspective explanatory drawing of the fuel cell which concerns on the 9th Embodiment of this invention. 前記燃料電池を構成するセパレータの正面説明図である。It is front explanatory drawing of the separator which comprises the said fuel cell. 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. 特許文献１の燃料電池の説明図である。2 is an explanatory diagram of a fuel cell of Patent Document 1. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

１０、１５０…燃料電池システム
１１、１２０、１３０、１４０、１５４、１７０、１８０、１９０、２００…燃料電池
１２、１５２…燃料電池スタック １４…熱交換器
１６…改質器 １８…筐体
２０…電解質 ２１…荷重付与機構
２２…カソード電極 ２４…アノード電極
２６、２６ａ…電解質・電極接合体
２８、１２２、１３２、１４２、１５５、１７２、１８２、１９２、２０２…セパレータ
３０…燃料ガス供給連通孔 ３６…円板部
３８、１２６、１４６、１７６、１９６…燃料ガス導入口
４０…燃料ガス通路 ４２、１２８、２１０…メッシュ部材
４４…酸化剤ガス通路 ４６…突起部
５０…スリット ５２…凹部
５４…燃料ガス供給通路
５６、１２４、１３４、１４４、１７４、１８４、１９４、２０８…通路部材
６７…酸化剤ガス供給部 ６８…排ガス通路
２０４…台形部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 150 ... Fuel cell system 11, 120, 130, 140, 154, 170, 180, 190, 200 ... Fuel cell 12, 152 ... Fuel cell stack 14 ... Heat exchanger 16 ... Reformer 18 ... Housing 20 ... Electrolyte 21 ... Load application mechanism
22 ... Cathode electrode 24 ... Anode electrode 26, 26a ... Electrolyte / electrode assembly 28, 122, 132, 142, 155, 172, 182, 192, 202 ... Separator 30 ... Fuel gas supply communication hole 36 ... Disc 38, 126, 146, 176, 196 ... fuel gas inlet 40 ... fuel gas passage 42, 128, 210 ... mesh member 44 ... oxidant gas passage 46 ... projection 50 ... slit 52 ... recess 54 ... fuel gas supply passage 56, 124 , 134, 144, 174, 184, 194, 208 ... passage member 67 ... oxidant gas supply part 68 ... exhaust gas passage 204 ... trapezoid part

Claims (14)

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・電極接合体の複数個と、１枚のプレートで構成されるセパレータとが交互に積層されることによって構成される燃料電池であって、
前記セパレータは、別のセパレータとともに１個の前記電解質・電極接合体を挟む挟持部を複数個有し、
前記挟持部の一方の面に設けられ、前記カソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路を形成する突起部と、
前記挟持部の他方の面に設けられ、前記アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路を形成し且つ前記アノード電極に密着する変形可能な弾性通路部と、
を備え、
使用前の酸化剤ガスを前記積層方向に流動させるとともに該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部が前記セパレータの中央部に形成され、且つ前記酸化剤ガス通路が、酸化剤ガスが前記セパレータの中央部から前記挟持部を経由して該セパレータの外方に流動するように形成され、
前記酸化剤ガス供給部内には、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、
さらに、前記挟持部の一方の面又は他方の面に設けられ、前記燃料ガス供給部と、前記挟持部に形成されて前記電解質・電極接合体の中央部から前記燃料ガス通路に燃料ガスを導入するための燃料ガス導入口とに連通する燃料ガス供給通路を形成する通路部材を備え、
前記燃料ガス導入口は、前記通路部材が前記挟持部の前記一方の面に設けられたときには前記通路部材に形成され、前記通路部材が前記挟持部の前記他方の面に設けられたときには前記挟持部に形成されることを特徴とする燃料電池。 A fuel cell configured by alternately laminating a plurality of electrolyte / electrode assemblies formed by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode and a separator formed by a single plate. ,
The separator has a plurality of sandwiching portions that sandwich one electrolyte / electrode assembly together with another separator,
A protrusion that is provided on one surface of the sandwiching portion and forms an oxidant gas passage for supplying an oxidant gas along the electrode surface of the cathode electrode;
A deformable elastic passage portion provided on the other surface of the sandwiching portion , forming a fuel gas passage for supplying fuel gas along the electrode surface of the anode electrode, and being in close contact with the anode electrode;
With
An oxidant gas supply part for flowing the oxidant gas before use in the stacking direction and supplying the oxidant gas to the oxidant gas passage is formed at the center of the separator, and the oxidant gas passage Is formed such that the oxidant gas flows from the central part of the separator to the outside of the separator via the sandwiching part,
In the oxidant gas supply unit, a fuel gas supply unit that supplies the fuel gas before use in the stacking direction is airtightly provided,
Further, it provided on one surface or the other surface of the clamping portion, introducing a fuel gas and the fuel gas supply unit, from a central portion of said electrolyte electrode assembly are formed on the clamping portion to the fuel gas passage includes a passage member forming a fuel gas supply passage communicating with the fuel gas inlet to,
The fuel gas introduction port is formed in the passage member when the passage member is provided on the one surface of the clamping part, and the clamping member is provided when the passage member is provided on the other surface of the clamping part. fuel cell according to claim Rukoto formed in part. 請求項１記載の燃料電池において、前記電解質・電極接合体で反応に使用された後の反応ガスを、排ガスとして前記電解質・電極接合体と前記セパレータとの積層方向に排出する排ガス通路を備え、
前記燃料ガス供給通路は、前記燃料ガス通路と前記燃料ガス供給部とを連通し、且つ前記酸化剤ガス供給部を前記積層方向に交差するセパレータ面方向に横切って配置されることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, further comprising a waste gas passage for discharging the reactive gas after being used in the reaction in the electrolyte electrode assembly, in the stacking direction of the separator and the electrolyte electrode assembly as an exhaust gas ,
The fuel gas supply passage communicates with the fuel gas passage and the fuel gas supply section, and is disposed across the oxidant gas supply section in a separator surface direction intersecting the stacking direction. Fuel cell. 請求項２記載の燃料電池において、前記排ガス通路は、前記セパレータの外周端部に設けられることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 2 , wherein the exhaust gas passage is provided at an outer peripheral end portion of the separator. 請求項２又は３記載の燃料電池において、前記燃料ガス供給部は、前記セパレータの中央部に気密に設けられることを特徴とする燃料電池。 According to claim 2 or 3 fuel cell, wherein the fuel gas supply unit, a fuel cell, characterized by being provided hermetically in a central portion of the separator. 請求項２乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記燃料ガス導入口は、前記電解質・電極接合体の中心又は中心に対して前記酸化剤ガスの流れ方向上流側に偏心した位置に設定されることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 2 to 4, the fuel gas inlet is eccentric in the flow direction upstream side of the oxidizing gas with respect to the center or the center of the electrolyte electrode assembly position A fuel cell characterized by being set to. 請求項２乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池において、使用前の酸化剤ガスを前記電解質・電極接合体の内周側から前記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を特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 2 to 5, the oxidant gas supply unit for supplying the oxidant gas passage oxidant gas from the inner circumferential side of said electrolyte electrode assembly before use provided A fuel cell. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記弾性通路部が設けられる範囲は、前記カソード電極の発電領域よりも大きな領域に設定されることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 6, the range where the elastic channel member is provided is a fuel cell characterized in that it is set in a region larger than the power generation area of the cathode electrode. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記弾性通路部は、導電金属製のメッシュ部材で構成されることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 7, wherein the elastic channel member is a fuel cell characterized in that it is composed of electrically conductive mesh member. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記突起部は、エッチングにより前記セパレータの一方の面に形成される複数の中実部で構成されることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 8, wherein the protrusions, fuel cell characterized in that it is composed of a plurality of solid portions formed on one surface of the separator by etching . 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記電解質・電極接合体は、前記セパレータの中心部に対して同心円上に複数配列されることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 9, wherein the electrolyte electrode assemblies, fuel cell, wherein a plurality of arranged concentrically about the center of the separator. 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・電極接合体の複数個と、１枚のプレートで構成されるセパレータとが交互に積層されることによって構成される燃料電池を備え、前記燃料電池を複数積層する燃料電池スタックであって、
前記セパレータは、別のセパレータとともに１個の前記電解質・電極接合体を挟む挟持部を複数個有し、
前記燃料電池は、前記挟持部の一方の面に設けられ、前記カソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路を形成する突起部と、
前記挟持部の他方の面に設けられ、前記アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路を形成し且つ前記アノード電極に密着する変形可能な弾性通路部と、
を備え、
使用前の酸化剤ガスを前記積層方向に流動させるとともに該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部が前記セパレータの中央部に形成され、且つ前記酸化剤ガス通路が、酸化剤ガスが前記セパレータの中央部から前記挟持部を経由して該セパレータの外方に流動するように形成され、
前記酸化剤ガス供給部内には、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、
さらに、前記挟持部の一方の面又は他方の面に設けられ、前記燃料ガス供給部と、前記挟持部に形成されて前記電解質・電極接合体の中央部から前記燃料ガス通路に燃料ガスを導入するための燃料ガス導入口とに連通する燃料ガス供給通路を形成する通路部材を備え、
前記燃料ガス導入口は、前記通路部材が前記挟持部の前記一方の面に設けられたときには前記通路部材に形成され、前記通路部材が前記挟持部の前記他方の面に設けられたときには前記挟持部に形成されることを特徴とする燃料電池スタック。 Including a fuel cell constructed by a plurality of configured electrolyte electrode assembly across the electrolyte between the anode electrode and the cathode electrode, and is composed of one plate Rousset separator are stacked alternately A fuel cell stack in which a plurality of the fuel cells are stacked,
The separator has a plurality of sandwiching portions that sandwich one electrolyte / electrode assembly together with another separator,
The fuel cell is provided on one surface of the sandwiching portion, and a protrusion that forms an oxidant gas passage for supplying an oxidant gas along the electrode surface of the cathode electrode;
A deformable elastic passage portion provided on the other surface of the sandwiching portion , forming a fuel gas passage for supplying fuel gas along the electrode surface of the anode electrode, and being in close contact with the anode electrode;
With
An oxidant gas supply part for flowing the oxidant gas before use in the stacking direction and supplying the oxidant gas to the oxidant gas passage is formed at the center of the separator, and the oxidant gas passage Is formed such that the oxidant gas flows from the central part of the separator to the outside of the separator via the sandwiching part,
In the oxidant gas supply unit, a fuel gas supply unit that supplies the fuel gas before use in the stacking direction is airtightly provided,
Further, it provided on one surface or the other surface of the clamping portion, introducing a fuel gas and the fuel gas supply unit, from a central portion of said electrolyte electrode assembly are formed on the clamping portion to the fuel gas passage includes a passage member forming a fuel gas supply passage communicating with the fuel gas inlet to,
The fuel gas introduction port is formed in the passage member when the passage member is provided on the one surface of the clamping part, and the clamping member is provided when the passage member is provided on the other surface of the clamping part. fuel cell stack according to claim Rukoto formed in part. 請求項１１記載の燃料電池スタックにおいて、前記弾性通路部が設けられる範囲は、前記カソード電極の発電領域よりも小さな領域に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。 12. The fuel cell stack according to claim 11 , wherein a range in which the elastic passage portion is provided is set to a region smaller than a power generation region of the cathode electrode. 請求項１１又は１２記載の燃料電池スタックにおいて、前記弾性通路部は、導電金属製のメッシュ部材で構成されることを特徴とする燃料電池スタック。 13. The fuel cell stack according to claim 11 or 12 , wherein the elastic passage portion is formed of a conductive metal mesh member. 請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記突起部は、エッチングにより前記セパレータの一方の面に形成される複数の中実部で構成されることを特徴とする燃料電池スタック。 14. The fuel cell stack according to any one of claims 11 to 13 , wherein the protrusion is composed of a plurality of solid portions formed on one surface of the separator by etching. Battery stack.
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