JP4598514B2 - 燃料電池及び燃料電池スタック - Google Patents

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交互に積層される燃料電池及び燃料電池スタックに関する。

通常、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体（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。

この種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（Ｏ^2-）され、酸素イオン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、酸素イオン及び水素（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。

ところで、固体電解質型燃料電池の発電反応（Ｈ₂＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ）は、発熱反応であり、相当に高温になっている。一方、改質器により炭化水素を水蒸気改質する燃料改質反応（例えば、メタンでは、ＣＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋４Ｈ₂）は、吸熱反応である。このため、セルの発電反応による発熱量分布と、改質器の水蒸気改質反応による吸熱量分布とを略一致させることが望まれており、例えば、特許文献１の固体電解質型燃料電池が知られている。

この特許文献１では、図１４に示すように、ニッケル系触媒等の改質触媒に炭化水素燃料ガスを通して水蒸気改質を行う改質器１と、電解質層２Ｂを燃料極２Ａ及び空気極２Ｃで挟持したセル２とを交互に積層し、固体酸化物型燃料電池３が構成されている。

改質器１は、中空部分に改質触媒が充填される触媒充填流路４を形成するとともに、前記改質器１の上面には、改質ガスを流す燃料極側流路５が形成されている。改質器１の下面には、空気極側流路６が形成されている。

燃料極側流路５の改質ガス流入口５ａは、触媒充填流路４の炭化水素燃料ガス流入口４ａに隣接して設けられている。一方、触媒充填流路４の改質ガス流出口４ｂは、リターン流路７を介して燃料極側流路５の改質ガス流入口５ａに連通している。

特開２００３−３１７７８５号公報（図１）

上記の特許文献１では、改質器１とセル２とが積層されるとともに、触媒充填流路４と燃料極側流路５とが隣接して設けられている。このため、触媒充填流路４の改質ガス流出口４ｂと、燃料極側流路５の改質ガス流入口５ａとが、リターン流路７を介して連通するように構成されている。これにより、構造が複雑になるとともに、固体酸化物型燃料電池３は、全体として幅方向の寸法が相当に大型化するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、温度分布を均一に維持して内部改質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。

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複数の電解質・電極接合体と複数のセパレータとを備え、前記電解質・電極接合体と前記セパレータとが交互に積層される燃料電池、及び積層方向両端にエンドプレートが配設される燃料電池スタックである。

セパレータは、第１プレート、第２プレート及び第３プレートを備え、前記第１及び第２プレート間には、前記第３プレートが配設されて互いに平行に積層されるとともに、前記第２及び第３プレート間には、カソード電極に向かって酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路が形成され、前記第１及び第３プレート間には、アノード電極に向かって燃料ガスを供給する燃料ガス通路が形成されている。

そして、酸化剤ガス通路は、第２プレートを挟んでカソード電極の電極面を覆う部分に、酸化剤ガス圧力室を有する一方、燃料ガス通路は、第１プレートを挟んでアノード電極の電極面を覆う部分に、燃料ガス圧力室を有している。燃料ガス圧力室は、区画部を介して複数の圧力室に分割され、少なくとも１つの圧力室には、使用前の炭化水素系燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質触媒が設けられている。具体的には、改質触媒は、ペレット状に構成されて圧力室に配置されてもよく、また、この圧力室内にコーティングされていてもよい。

さらに、第１プレートには、アノード電極の中央部に向かって燃料ガス圧力室から燃料ガスを導入する燃料ガス導入口が形成されるとともに、前記燃料ガス圧力室は、前記燃料ガス導入口に連通する内側圧力室と、前記内側圧力室を囲繞して形成され、改質触媒が配設される外側圧力室とに分割されることが好ましい。これにより、燃料ガスは、先ず、外側圧力室に導入されて改質触媒により改質された後、内側圧力室を通って燃料ガス導入口からアノード電極の中央部に供給される。

さらにまた、区画部には、内側圧力室と外側圧力室とを連通するスリットが設けられることが好ましい。その際、スリットは、所定の間隔ずつ離間して複数設けることが好ましい。

また、第１及び第２プレートは、互いに異なる方向に突出する第１及び第２突起部を備え、前記第１突起部は、アノード電極の内周側に接触する複数の凸部と、前記複数の凸部を囲繞して前記アノード電極の外周側に接触する略リング状凸部とを設けるとともに、前記略リング状凸部の裏側と区画部とにより又は前記略リング状凸部の裏側と前記区画部と前記複数の凸部の裏側の一部とにより、外側圧力室が形成されることが好ましい。

さらに、第１及び第２突起部は、電解質・電極接合体に発生する電気エネルギを集電する集電部を構成することが好ましい。

また、第１及び第３プレート間には、使用前の燃料ガスを電解質・電極接合体及びセパレータの積層方向に供給する燃料ガス供給連通孔と燃料ガス通路とを連通する燃料ガス分配通路が形成されるととともに、第２及び第３プレート間には、使用前の酸化剤ガスを積層方向に供給する酸化剤ガス供給連通孔と酸化剤ガス通路とを連通する酸化剤ガス分配通路が形成されることが好ましい。

本発明では、アノード電極の電極面を覆う燃料ガス圧力室が、複数の圧力室に分割されており、少なくとも１つの圧力室に設けられる改質触媒を介して使用前の炭化水素系燃料が改質され、改質ガスが生成されている。このため、アノード電極の面上における発電反応（発熱反応）と燃料ガス圧力室における内部改質反応（吸熱反応）とが行われ、吸熱反応及び発熱反応によるそれぞれの熱は、相互に補完し合ってセパレータの温度分布が均一化され、前記セパレータや電解質・電極接合体に熱歪みが発生することを有効に阻止することができる。

しかも、炭化水素系燃料がセパレータ内を通過する際に順次改質され、余分な通路を形成することがなく、改質によって生成された燃料ガスをアノード電極に導入することができる。従って、燃料電池及び燃料電池スタックは、構成の簡素化を図るとともに、コンパクト化が容易に遂行可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０が矢印Ａ方向に複数積層された燃料電池スタック１２の概略斜視説明図である。

燃料電池１０は、固体電解質型燃料電池であり、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２及び図３に示すように、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質（電解質板）２０の両面に、カソード電極２２及びアノード電極２４が設けられた電解質・電極接合体２６を備える。電解質・電極接合体２６は、円板状に形成される。

燃料電池１０は、一組のセパレータ２８間に電解質・電極接合体２６を挟んで構成される。セパレータ２８は、第１及び第２プレート３０、３２と、前記第１及び第２プレート３０、３２間に配設される第３プレート３４とを備える。第１〜第３プレート３０、３２及び３４は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成され、前記第３プレート３４の両面に、前記第１プレート３０と前記第２プレート３２とが、例えば、ろう付けにより接合される。

図２に示すように、第１プレート３０は、積層方向（矢印Ａ方向）に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３６が形成される第１小径端部３８を備え、この第１小径端部３８には、幅狭な橋架部４０を介して比較的大径な第１円板部４２が一体的に設けられる。第１円板部４２は、電解質・電極接合体２６のアノード電極２４と略同一寸法に設定されている。

第１円板部４２のアノード電極２４に接触する面には、多数の第１凸部４４が外周縁部近傍から中心部にわたって設けられるとともに、前記第１円板部４２の外周縁部には、略リング状凸部４６が設けられる。第１凸部４４及び略リング状凸部４６は、集電部を構成する。

第１円板部４２の中央には、アノード電極２４の略中央部に向かって燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口４８が形成される。なお、第１凸部４４は、略リング状凸部４６と同一平面内に複数の凹部を形成することによって構成してもよい。

第２プレート３２は、積層方向（矢印Ａ方向）に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔５０が形成される第２小径端部５２を備える。この第２小径端部５２には、幅狭な橋架部５４を介して比較的大径な第２円板部５６が一体的に設けられる。

第２円板部５６は、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２に接する面に、図４に示すように、複数の第２凸部５８が面内全面にわたって形成される。第２凸部５８は、集電部を構成する。第２円板部５６の中央部には、酸化剤ガスをカソード電極２２の略中央部に向かって供給するための酸化剤ガス導入口６０が形成される。

第３プレート３４は、図２に示すように、燃料ガス供給連通孔３６が形成される第３小径端部６２と、酸化剤ガス供給連通孔５０が形成される第４小径端部６４とを備える。第３及び第４小径端部６２、６４は、幅狭な橋架部６６、６８を介して比較的大径な第３円板部７０と一体的に構成される。第３円板部７０は、第１及び第２円板部４２、５６と同一直径に設定される。

図２及び図５に示すように、第３プレート３４の第１プレート３０に向かう面において、第３小径端部６２には、燃料ガス供給連通孔３６に連通する複数のスリット７２が放射状に形成され、このスリット７２には、前記第３小径端部６２の外周縁部を周回して形成された凹部７４が連通する。凹部７４は、スリット７２と該凹部７４の内側にろう材が流れることを防止する。

第３小径端部６２、橋架部６６及び第３円板部７０の外周縁部には、突起部７５ａが設けられることにより、燃料ガス供給連通孔３６からスリット７２を介して前記第３小径端部６２、前記橋架部６６及び前記第３円板部７０の面内には、後述するように燃料ガス通路７６が形成される。

第３円板部７０の面内には、この第３円板部７０の中心と同軸上に複数、例えば、４つの円弧状凸部（区画部）７７が同心円上に設けられるとともに、各円弧状凸部７７同士の間には、所定の間隙を有してスリット７７ａが形成される。図５に示すように、所定の円弧状凸部７７は、後述する燃料ガス分配通路７６ａに対向して配置される。第３円板部７０の面内には、円弧状凸部７７の内方に位置して複数の第３凸部７８が形成される。

図６に示すように、第３プレート３４の第２プレート３２に接する面において、第４小径端部６４には、酸化剤ガス供給連通孔５０に連通する複数のスリット８０が放射状に形成されるとともに、前記スリット８０には、凹部８２が連通する。凹部８２は、スリット８０と該凹部８２の内側にろう材が流れることを防止する。

第４小径端部６４、橋架部６８及び第３円板部７０の外周縁部には、突起部７５ｂが設けられることにより、酸化剤ガス供給連通孔５０からスリット８０を介して前記第４小径端部６４、前記橋架部６８及び前記第３円板部７０の面内には、後述するように酸化剤ガス通路８４が形成される。

第１プレート３０が第３プレート３４の一方の面にろう付けされることにより、第１及び第３プレート３０、３４間には、燃料ガス供給連通孔３６に連通する燃料ガス通路７６が設けられる。第１プレート３０の橋架部４０と第３プレート３４の橋架部６６とが接合されて燃料ガス通路部材が構成されるとともに、この燃料ガス通路部材内には、燃料ガス通路７６を構成する燃料ガス分配通路７６ａが形成される（図７参照）。

燃料ガス通路７６は、第１及び第３円板部４２、７０間に該第１円板部４２を挟んでアノード電極２４の電極面を覆い、且つ燃料ガスが供給されることにより前記第１円板部４２を前記アノード電極２４に圧接可能な燃料ガス圧力室８６を構成する（図７及び図８参照）。燃料ガス圧力室８６は、区画部である複数の円弧状凸部７７を介して複数の圧力室、例えば、内側圧力室８６ａと外側圧力室８６ｂとに分割される。図９では、外側圧力室８６ｂが、略リング状凸部４６の裏側と円弧状凸部（区画部）７７と多数の第１凸部４４の一部に対応する裏面とから形成される例を示したが、前記外側圧力室８６ｂは、前記略リング状凸部４６の裏側と前記円弧状凸部（区画部）７７とから形成することもできる。

内側圧力室８６ａは、燃料ガス導入口４８に連通する一方、前記内側圧力室８６ａを囲繞する外側圧力室８６ｂには、例えば、ニッケル系触媒である改質触媒８７が配設される。改質触媒８７は、例えば、ペレット状に構成されているが、これに限定されるものではなく、外側圧力室８６ｂに充填される形状であればよく、また、この外側圧力室８６ｂに対応して第３円板部７０にコーティングにより形成してもよい。

第２プレート３２が第３プレート３４にろう付けされることにより、第２及び第３プレート３２、３４間には、酸化剤ガス供給連通孔５０に連通する酸化剤ガス通路８４が形成される（図８参照）。第２プレート３２の橋架部５４と第３プレート３４の橋架部６８とが接合されて酸化剤ガス通路部材が構成されるとともに、この酸化剤ガス通路部材内には、酸化剤ガス通路８４を構成する酸化剤ガス分配通路８４ａが形成される。

この酸化剤ガス通路８４は、第２及び第３円板部５６、７０間に該第２円板部５６を挟んでカソード電極２２の電極面を覆い、且つ酸化剤ガスが供給されることにより前記第２円板部５６を前記カソード電極２２に圧接可能な酸化剤ガス圧力室８８を構成する（図７及び図８参照）。

各セパレータ２８間には、燃料ガス供給連通孔３６をシールするための絶縁シール８９ａが設けられるとともに、酸化剤ガス供給連通孔５０をシールするための絶縁シール８９ｂが設けられる。絶縁シール８９ａ、８９ｂは、例えば、マイカ材やセラミック材で形成されている。

図１に示すように、燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池１０の積層方向両端にエンドプレート９０ａ、９０ｂを配置する。エンドプレート９０ａもしくはエンドプレート９０ｂは、締付ボルト９８と電気的に絶縁される。エンドプレート９０ａには、燃料電池１０の燃料ガス供給連通孔３６に連通する第１配管９２と、酸化剤ガス供給連通孔５０に連通する第２配管９４とが接続される。

エンドプレート９０ａ、９０ｂには、燃料ガス供給連通孔３６の上下両側及び酸化剤ガス供給連通孔５０の上下両側にボルト孔９６が形成される。各ボルト孔９６に締付ボルト９８が挿入され、各締付ボルト９８の先端にナット９９が螺合することによって、燃料電池スタック１２が締め付け保持される。

このように構成される燃料電池スタック１２の動作について、以下に説明する。

図２に示すように、燃料電池１０を組み付ける際には、先ず、セパレータ２８を構成する第１プレート３０が第３プレート３４の一方の面に接合されるとともに、第２プレート３２が前記第３プレート３４の他方の面に接合される。このため、セパレータ２８内には、第３プレート３４に仕切られて燃料ガス供給連通孔３６に連通する燃料ガス通路７６と、酸化剤ガス供給連通孔５０に連通する酸化剤ガス通路８４とが独立して形成される（図３、図７〜図９参照）。

さらに、第１及び第３円板部４２、７０間には、燃料ガス圧力室８６が形成される一方、第２及び第３円板部５６、７０間には、酸化剤ガス圧力室８８が形成される（図９参照）。

次いで、セパレータ２８と電解質・電極接合体２６とが交互に積層され、積層方向両端にエンドプレート９０ａ、９０ｂが配置される。エンドプレート９０ａもしくはエンドプレート９０ｂは、締付ボルト９８と電気的に絶縁される。エンドプレート９０ａ、９０ｂの各ボルト孔９６には、締付ボルト９８が挿入され、前記締付ボルト９８の先端にナット９９が螺合することによって、燃料電池スタック１２が構成される（図１参照）。

そこで、エンドプレート９０ａに接続されている第１配管９２から燃料ガス供給連通孔３６には、炭化水素系燃料（例えば、都市ガス）が供給されるとともに、前記エンドプレート９０ａに接続された第２配管９４から酸化剤ガス供給連通孔５０には、酸化剤ガスである酸素含有ガス（以下、空気ともいう）が供給される。

燃料ガス供給連通孔３６に供給された炭化水素系燃料は、図７に示すように、積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら、各燃料電池１０を構成するセパレータ２８内の燃料ガス通路７６に供給される。炭化水素系燃料は、燃料ガス通路７６に沿って第１及び第３円板部４２、７０間に形成された燃料ガス圧力室８６に導入される。この燃料ガス圧力室８６は、円弧状凸部７７を介して内側圧力室８６ａと外側圧力室８６ｂとに分割されるとともに、所定の円弧状凸部７７は、燃料ガス分配通路７６ａに対向して配置されている。

このため、燃料ガス分配通路７６ａを通って第３円板部７０側に移動する炭化水素系燃料は、所定の円弧状凸部７７に阻止されて内側圧力室８６ａに直接導入されることがなく、一旦、外側圧力室８６ｂに供給される。この外側圧力室８６ｂには、複数の改質触媒８７が配置されており、前記改質触媒８７では、炭化水素系燃料と水とが反応して水蒸気改質が行われ、改質ガス（以下、燃料ガスともいう）が生成される。

次いで、改質ガスは、円弧状凸部７７間のスリット７７ａを通って内側圧力室８６ａに供給される。この改質ガスは、内側圧力室８６ａに設けられている複数の第３凸部７８間を移動し、第１円板部４２の中央部に形成される燃料ガス導入口４８に導入される。

燃料ガス導入口４８は、各電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の中心位置に対応して設けられている。従って、改質ガスは、図９に示すように、燃料ガス導入口４８からアノード電極２４に供給され、このアノード電極２４内を中心部から外周部に向かって流動する。

一方、酸化剤ガス供給連通孔５０に供給される空気は、図８に示すように、セパレータ２８内の酸化剤ガス通路８４を移動し、第２及び第３円板部５６、７０間の酸化剤ガス圧力室８８に供給される。さらに、空気は、第２円板部５６の中心位置に設けられる酸化剤ガス導入口６０に導入される。

酸化剤ガス導入口６０は、各電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の中心位置に対応して設けられている。これにより、空気は、図９に示すように、酸化剤ガス導入口からカソード電極２２に供給され、このカソード電極２２の中心部から外周部に向かって流動する。

従って、各電解質・電極接合体２６では、アノード電極２４の中心部から外周部に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極２２の中心部から外周部に向かって空気が供給され、発電が行われる。そして、発電に使用された燃料ガス及び空気は、排ガスとして第１〜第３円板部４２、５６及び７０の外周部から排気される。

この場合、第１の実施形態では、燃料ガス圧力室８６が、円弧状凸部７７を介して内側圧力室８６ａと外側圧力室８６ｂとに分割されるとともに、前記外側圧力室８６ｂに複数の改質触媒８７が配設されている。このため、アノード電極２４の面上における発電反応（発熱反応）と、燃料ガス圧力室８６における内部改質反応（吸熱反応）とが行われ、それぞれの熱が相互に補完し合ってセパレータ２８の温度分布が均一化され、前記セパレータ２８や電解質・電極接合体２６に熱歪みが発生することを阻止することができるという効果が得られる。

ここで、ニッケル成分を含むアノード電極２４によって改質反応を行う比較例１（電極上での直接改質）と、外部で炭化水素系燃料を改質して生成された燃料ガスをアノード電極に導入する比較例２（外部改質）と、本発明の第１の実施形態（実施例）とを用いて、第１円板部４２の中心部（燃料ガス導入口４８に対応する位置）から前記第１円板部４２の最外周に至る面内における温度を検出する実験を行った。

その結果が、図１０に示されており、比較例１では、第１円板部４２の中心部からアノード電極２４に炭化水素系燃料が導入されると、このアノード電極２４で改質反応が惹起された。このため、改質反応の吸熱作用下に、アノード電極２４の中心部の温度が急激に低下した。そして、アノード電極２４の外周側に向かうに従って、改質反応によって生成された燃料ガスによる発電反応が起こり、前記アノード電極２４の中央側から外周側に向かって温度が上昇し、急激な温度勾配が発生してしまった。

一方、比較例２では、外部の改質反応によって生成された燃料ガスがアノード電極２４に直接導入されるため、このアノード電極２４では、改質反応が起こらず、発電反応のみが進行した。従って、アノード電極２４及び第１円板部４２には、発電反応時の発熱反応により顕著な温度上昇が発生し、急激な温度勾配を示した。

これに対して、実施例では、第１円板部４２と第３円板部７０との間に形成される外側圧力室８６ｂで改質反応が発生し、生成された燃料ガスがアノード電極２４に導入されて発熱反応である発電反応が起こった。これにより、発電反応によって第１円板部４２の外側が最も温度が高くなり易いが、外側圧力室８６ｂで生じた改質反応によって発電反応の熱が利用されるため、前記第１円板部４２の最外側付近の温度上昇を低減できる。さらに、事前に外側圧力室８６ｂで改質されて生成した燃料ガスが、アノード電極２４に導入されることになるため、急激な改質反応がアノード電極２４上で起こらず、急激な温度低下も発生しない。これらから、吸熱反応と発熱反応とによって熱量が相殺され、第１円板部４２の中心部から最外周に向かって比較的緩やかな温度勾配が得られた。

このように、第１の実施形態では、第１円板部４２の温度分布が均一化され、前記第１円板部４２やアノード電極２４に熱歪が発生することを有効に阻止することができる。しかも、燃料電池１０及び燃料電池スタック１２は、炭化水素系燃料がセパレータ内を通過する際に順次改質され、余分な通路を形成することがなく、改質によって生成された燃料ガスをアノード電極に導入され、構成の簡素化を図るとともに、コンパクト化が容易に遂行可能になるという利点が得られる。

なお、第１の実施形態では、第３プレート３４の第３円板部７０に、区画部として複数の円弧状凸部７７を設けているが、これに代えて、第１プレート３０の第１円板部４２に、前記第３プレート３４に向かって突出する複数の円弧状凸部（図示せず）を設けてもよい。また、４つの円弧状凸部７７を用いているが、この円弧状凸部７７は、任意の数に設定可能である。

図１１は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１１０が、矢印Ａ方向に複数積層された燃料電池スタック１１２の概略斜視説明図であり、図１２は、前記燃料電池１１０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１００及び燃料電池スタック１０２と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

燃料電池１１０は、図１２及び図１３に示すように、一組のセパレータ１１４間に４枚の電解質・電極接合体２６を挟んで構成される。セパレータ１１４は、第１プレート１１６、一対の第２プレート１１８ａ、１１８ｂ及び第３プレート１２０を備える。第１〜第３プレート１１６、１１８ａ、１１８ｂ及び１２０は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成され、前記第３プレート１２０の両面には、前記第１プレート１１６と前記第２プレート１１８ａ、１１８ｂとが、例えば、ろう付けにより接合される。

第１プレート１１６は、燃料ガス供給連通孔３６が形成される第１小径端部３８を備え、この第１小径端部３８には、幅狭な４つの橋架部４０ａを介して比較的大径な４つの第１円板部４２ａが一体的に設けられる。

第２プレート１１８ａ、１１８ｂは、それぞれ酸化剤ガス供給連通孔５０が形成される第２小径端部５２を備える。各第２小径端部５２には、幅狭なそれぞれ２つの橋架部５４ａ、５４ｂを介して比較的大径なそれぞれ２つの第２円板部５６ａ、５６ｂが一体的に設けられる。

第３プレート１２０は、燃料ガス供給連通孔３６が形成される第３小径端部６２と、それぞれ酸化剤ガス供給連通孔５０が形成される２つの第４小径端部６４とを備える。第３小径端部６２には、幅狭な４つの橋架部６６ａを介して比較的大径な４つの第３円板部７０ａが一体的に設けられる。２つの第４小径端部６４には、それぞれ２つの幅狭な橋架部６８ａを介して４つの第３円板部７０ａが一体的に設けられる。

各第３円板部７０ａには、燃料ガス通路７６が形成されるとともに、各燃料ガス通路７６は、それぞれ第１プレート１１６の各第１円板部４２ａを挟んでアノード電極２４の電極面を覆う燃料ガス圧力室８６を構成する。この燃料ガス圧力室８６は、それぞれ円弧状凸部７７を介して内側圧力室８６ａと外側圧力室８６ｂとに分割されるとともに、前記外側圧力室８６ｂに複数の改質触媒８７が配設される。

図１１に示すように、燃料電池スタック１１２は、複数の燃料電池１１０の積層方向両端にそれぞれ４枚のエンドプレート１２２ａ、１２２ｂを配置する。燃料ガス供給連通孔３６に対応してプレート１２４が配設され、このプレート１２４には、前記燃料ガス供給連通孔３６に炭化水素系燃料を供給するための管体１２６が接続される。各酸化剤ガス供給連通孔５０に対応して２枚のプレート１２８が配設されるとともに、各プレート１２８には、前記酸化剤ガス供給連通孔５０に空気を供給するための管体１３０が接続される。

このように構成される第２の実施形態では、管体１２６を介して燃料電池スタック１１２内の燃料ガス供給連通孔３６に炭化水素系燃料が供給されるとともに、各管体１３０を介して前記燃料電池スタック１１２内の酸化剤ガス供給連通孔５０に空気が供給される。

燃料ガス供給連通孔３６に供給された炭化水素系燃料は、積層方向に移動しながら、各燃料電池１１０を構成するセパレータ１１４内の４つの燃料ガス通路７６に供給される。炭化水素系燃料は、各燃料ガス通路７６に沿って第１及び第３円板部４２ａ、７０ａ間に形成された各燃料ガス圧力室８６に導入される。

このため、各燃料ガス圧力室８６では、外側圧力室８６ｂに配設されている改質触媒８７を介して水蒸気改質が行われる。そして、改質反応によって生成された改質ガスは、それぞれの燃料ガス導入口４８から各電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の中心位置に対応して供給される。

一方、２つの酸化剤ガス供給連通孔５０に供給された空気は、セパレータ１１４内の酸化剤ガス通路８４を移動し、第２及び第３円板部５６ａ、５６ｂと７０ａ、７０ａとの間に形成された酸化剤ガス圧力室８８に供給される。さらに、空気は、第２円板部５６ａ、５６ｂの中心位置に設けられる酸化剤ガス導入口６０から各電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の中心位置に対応して供給される。

これにより、第２の実施形態では、各第１及び第３円板部４２ａ、７０ａ間に形成された各燃料ガス圧力室８６が、円弧状凸部７７を介して内側圧力室８６ａと外側圧力室８６ｂとに分割されるとともに、前記外側圧力室８６ｂに改質触媒８７が配設されている。従って、セパレータ１１４の温度分布が均一化され、前記セパレータ１１４や電解質・電極接合体２６に熱歪が発生することを有効に阻止することができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池が複数積層された燃料電池スタックの概略斜視説明図である。 前記燃料電池の分解斜視図である。 前記燃料電池のガス流れ状態を示す一部分解斜視説明図ある。 前記燃料電池を構成する第２プレートの正面説明図である。 前記燃料電池を構成する第３プレートの一方の面の一部省略説明図である。 前記第３プレートの他方の面の一部省略説明図である。 前記燃料電池の燃料ガス供給連通孔近傍の拡大断面図である。 前記燃料電池の酸化剤ガス供給連通孔近傍の拡大断面図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 実施例、比較例１及び比較例２における第１円板部の中心部と最外周との温度説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池が複数積層された燃料電池スタックの概略斜視説明図である。 前記燃料電池の分解斜視図である。 前記燃料電池のガス流れ状態を示す一部分解斜視説明図である。 特許文献１の固体電解質燃料電池の概略斜視説明図である。

符号の説明

１０、１００、１１０…燃料電池 １２、１０２、１１２…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、１１４…セパレータ
３０、３２、３４、１１６、１１８ａ、１１８ｂ、１２０…プレート
３６…燃料ガス供給連通孔
４０、４０ａ、５４、５４ａ、５４ｂ、６６、６６ａ、６８、６８ａ…橋架部
４２、４２ａ、５６、５６ａ、５６ｂ、７０、７０ａ…円板部
４４、５８、７８…凸部 ４６…略リング状凸部
４８…燃料ガス導入口 ５０…酸化剤ガス供給連通孔
６０…酸化剤ガス導入口 ７２、７７ａ、８０…スリット
７５ａ、７５ｂ…突起部 ７６…燃料ガス通路
７６ａ…燃料ガス分配通路 ７７…円弧状凸部
８４…酸化剤ガス通路 ８４ａ…酸化剤ガス分配通路
８６…燃料ガス圧力室 ８６ａ…内側圧力室
８６ｂ…外側圧力室 ８７…改質触媒
８８…酸化剤ガス圧力室

Claims (7)

1. 電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される複数の電解質・電極接合体と複数のセパレータとを備え、前記電解質・電極接合体と前記セパレータとが交互に積層される燃料電池であって、
   前記セパレータは、第１プレート、第２プレート及び第３プレートを備え、前記第１及び第２プレート間には、前記第３プレートが配設されて互いに平行に積層されるとともに、
   前記第２及び第３プレート間には、前記カソード電極に向かって酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路が形成され、
   前記第１及び第３プレート間には、前記アノード電極に向かって燃料ガスを供給する燃料ガス通路が形成され、
   前記酸化剤ガス通路は、前記第２プレートを挟んで前記カソード電極の電極面を覆う部分に、酸化剤ガス圧力室を有する一方、
   前記燃料ガス通路は、前記第１プレートを挟んで前記アノード電極の電極面を覆う部分に、燃料ガス圧力室を有し、
   前記燃料ガス圧力室は、区画部を介して複数の圧力室に分割され、少なくとも１つの圧力室には、使用前の炭化水素系燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質触媒が設けられることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記第１プレートには、前記アノード電極の中央部に向かって前記燃料ガス圧力室から燃料ガスを導入する燃料ガス導入口が形成されるとともに、
   前記燃料ガス圧力室は、前記燃料ガス導入口に連通する内側圧力室と、
   前記内側圧力室を囲繞して形成され、前記改質触媒が配設される外側圧力室と、
   に分割されることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項２記載の燃料電池において、前記区画部には、前記内側圧力室と前記外側圧力室とを連通するスリットが設けられることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記第１及び第２プレートは、互いに異なる方向に突出する第１及び第２突起部を備え、
   前記第１突起部は、前記アノード電極の内周側に接触する複数の凸部と、
   前記複数の凸部を囲繞して前記アノード電極の外周側に接触する略リング状凸部と、
   を設けるとともに、
   前記略リング状凸部の裏側と前記区画部とにより、又は前記略リング状凸部の裏側と前記区画部と前記複数の凸部の裏側の一部とにより、前記外側圧力室が形成されることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項４記載の燃料電池において、前記第１及び第２突起部は、前記電解質・電極接合体に発生する電気エネルギを集電する集電部を構成することを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記第１及び第３プレート間には、使用前の燃料ガスを前記電解質・電極接合体及び前記セパレータの積層方向に供給する燃料ガス供給連通孔と前記燃料ガス通路とを連通する燃料ガス分配通路が形成されるととともに、
   前記第２及び第３プレート間には、使用前の酸化剤ガスを前記積層方向に供給する酸化剤ガス供給連通孔と前記酸化剤ガス通路とを連通する酸化剤ガス分配通路が形成されることを特徴とする燃料電池。
7. 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・電極接合体と複数のセパレータ間とを備え、前記電解質・電極接合体と前記セパレータとが交互に積層されるとともに、積層方向両端にエンドプレートが配設される燃料電池スタックであって、
   前記セパレータは、第１プレート、第２プレート及び第３プレートを備え、前記第１及び第２プレート間には、前記第３プレートが配設されて互いに平行に積層されるとともに、
   前記第２及び第３プレート間には、前記カソード電極に向かって酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路が形成され、
   前記第１及び第３プレート間には、前記アノード電極に向かって燃料ガスを供給する燃料ガス通路が形成され、
   前記酸化剤ガス通路は、前記第２プレートを挟んで前記カソード電極の電極面を覆う部分に、酸化剤ガス圧力室を有する一方、
   前記燃料ガス通路は、前記第１プレートを挟んで前記アノード電極の電極面を覆う部分に、燃料ガス圧力室を有し、
   前記燃料ガス圧力室は、区画部を介して複数の圧力室に分割され、少なくとも１つの圧力室には、使用前の炭化水素系燃料を改質して燃料ガスを生成するための改質触媒が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。

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