JP4963590B2 - 燃料電池 - 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複数の電解質・電極接合体が、セパレータ間に配設される燃料電池に関する。

通常、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池では、電解質・電極接合体を構成するアノード電極及びカソード電極に、それぞれ燃料ガス（例えば、水素ガス）及び酸化剤ガス（例えば、空気）を供給するために、セパレータの面方向に沿って燃料ガス通路及び酸化剤ガス通路が形成されている。

例えば、特許文献１に開示されている平板積層型燃料電池は、図１４に示すように、発電セル（図示せず）に積層されるセパレータ１を備えている。セパレータ１は、左右のマニホールド部分２ａ、２ａと、中央の発電セルを配置する部分２ｂとが、連結部分２ｃ、２ｃにより連結されており、この連結部分２ｃが可撓性を有している。

マニホールド部分２ａ、２ａには、ガス孔３、４が設けられており、一方のガス孔３は、燃料ガス通路３ａに連通するとともに、他方のガス孔４は、酸化剤ガス通路４ａに連通している。燃料ガス通路３ａ及び酸化剤ガス通路４ａは、部分２ｂ内にらせん状に延在しており、この部分２ｂの中央部近傍で、図示しない燃料極集電体及び空気極集電体に開放されている。

特開２００６−１２０５８９号公報（図４）

ところで、上記の特許文献１では、セパレータ１と発電セルとを積層してスタックを構成しており、このスタックは、通常、別体で形成された筐体（ケーシング）内に収容されている。

このため、部品点数が比較的多くなっており、組立作業性が低下するとともに、製造コストが高騰するという問題がある。しかも、スタックが別体の筐体により覆われており、このスタック自体の保温性が低下し易く、例えば、専用の断熱構造を採用しなければならない。これにより、コストが高騰するとともに、設備全体が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、部品点数を有効に削減して組立作業性の向上を図るとともに、コンパクト且つ安価な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体が、セパレータ間に積層される燃料電池に関するものである。

セパレータは、電解質・電極接合体を挟持するとともに、少なくとも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供給孔又はカソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給孔が設けられる挟持部と、前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に供給するための反応ガス供給通路が形成される橋架部と、前記橋架部に連結され、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記反応ガス供給通路に供給するための反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される反応ガス供給部とを備えている。そして、セパレータには、電解質・電極接合体を収容するための筐体部が一体に設けられている。

また、セパレータは、挟持部及び筐体部に連結され、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給孔に又は燃料ガスを燃料ガス供給孔に供給するための他の反応ガス供給通路が形成される他の橋架部を備えることが好ましい。挟持部と筐体部とは、他の橋架部により積層方向の荷重が互いに遮断されており、シール性が要求される前記筐体部には、前記挟持部よりも大きな面圧（単位面積あたりの荷重）を発生させることができるからである。このため、筐体部における所望のシール性を確保するとともに、電解質・電極接合体の損傷を阻止することが可能になる。

さらに、筐体部は、酸化剤ガス又は燃料ガスを他の反応ガス供給通路に供給するための他の反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される他の反応ガス供給部を有することが好ましい。反応ガス供給部と他の反応ガス供給部とにおいて、それぞれ電解質・電極接合体に供給される反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）の流量調整が厳密に遂行され、発電に寄与しない反応ガスが良好に低減され、効率的且つ経済的な運転が可能になるからである。

しかも、筐体部は、発電反応に使用された反応済みの高温反応ガス（以下、排ガスもという）により加温されるため、電解質・電極接合体に供給される前の反応ガスを予め加温することができる。これにより、燃料電池全体の熱自立運転が促進されるとともに、熱エネルギの効率的な利用が可能になる。

さらにまた、筐体部は、他の反応ガス供給連通孔から供給される酸化剤ガス又は燃料ガスを充填するための充填室を形成することが好ましい。充填室内では、酸化剤ガス又は燃料ガスが排ガスによって加温されるため、燃料電池全体の熱自立運転が促進されるとともに、熱エネルギの効率的な利用が可能になるからである。

また、セパレータは、燃料ガス供給孔が形成される第１プレートと、酸化剤ガス供給孔、反応ガス供給通路、他の反応ガス供給通路及び充填室が形成される第２プレートとを有し、前記第１プレートと前記第２プレートとが積層されることが好ましい。第１プレートの加工が一挙に簡素化し、第２プレートのみに加工工程を集中することにより、加工工程の多少によって第１プレートと第２プレートとを別体に構成することができ、製造コストの削減及び歩留まりの向上が容易に図られるからである。

さらに、筐体部は、環状に構成されることが好ましい。排ガスからの排熱を筐体部全体に均等に伝熱することができ、電解質・電極接合体に供給される前の反応ガスを、均等に加温することが可能になるからである。また、スタックの温度分布が均一になり、発電性能の向上と安定化が図られる。

さらにまた、電解質・電極接合体は、反応ガス供給部を中心にして等角度間隔ずつ離間して配置されることが好ましい。反応ガス供給部から各電解質・電極接合体に対して反応ガスを均等に分配することができ、各電解質・電極接合体の発電性能の向上及び安定化が図られるからである。

また、電解質・電極接合体は、反応ガス供給部と同心円上に配置されることが好ましい。反応ガス供給部から各電解質・電極接合体に対して反応ガスを均等に分配することができ、各電解質・電極接合体の発電性能の向上及び安定化が図られるからである。

さらに、橋架部は、電解質・電極接合体と同数に設定されることが好ましい。反応ガス供給部から各橋架部を介して各電解質・電極接合体に反応ガスを均等に分配することができ、発電性能の向上と安定化が図られるからである。

さらにまた、挟持部は、電解質・電極接合体と同数に設定されることが好ましい。各挟持部及び各電解質・電極接合体に対して、反応ガス供給部からの反応ガスを均等に分配することができ、発電性能の向上と安定化が図られるからである。

また、他の橋架部は、電解質・電極接合体と同数に設定されることが好ましい。挟持部と筐体部とは、他の橋架部により積層方向の荷重が互いに遮断されており、シール性が要求される前記筐体部には、前記挟持部よりも大きな面圧（単位面積あたりの荷重）を発生させることができるからである。これにより、筐体部における所望のシール性を確保するとともに、電解質・電極接合体の損傷を阻止することが可能になる。

さらに、他の反応ガス供給連通孔は、電解質・電極接合体と同数に設定されることが好ましい。他の反応ガス供給連通孔は、各電解質・電極接合体に対して反応ガスを均等に分配することができ、発電性能の向上と安定化が図られるからである。

さらにまた、反応ガス供給連通孔、橋架部及び挟持部は、セパレータ面方向に沿って直線上に配置されることが好ましい。挟持部に挟持されている電解質・電極接合体に対し、反応ガス供給連通孔から所望の反応ガスを良好に供給することができ、発電性能の向上と安定化が図られるからである。

また、反応ガス供給連通孔、橋架部、挟持部及び他の橋架部は、セパレータ面方向に沿って直線上に配置されることが好ましい。挟持部に挟持されている電解質・電極接合体に対し、反応ガス供給連通孔から所望の反応ガスを良好に供給することができ、発電性能の向上と安定化が図られるからである。しかも、酸化剤ガス又は燃料ガスを加温することができ、熱エネルギの効率的な利用が図られるからである。

さらに、反応ガス供給連通孔、橋架部、挟持部、他の橋架部及び他の反応ガス供給連通孔は、セパレータ面方向に沿って直線上に配置されることが好ましい。挟持部に挟持されている電解質・電極接合体に対し、反応ガス供給連通孔及び他の反応ガス供給連通孔からそれぞれ所望の反応ガスを良好に供給することができ、発電性能の向上と安定化が図られるからである。

本発明では、セパレータに筐体部が一体に設けられるため、前記セパレータの外形形状が燃料電池全体の外形寸法となる。従って、燃料電池を収容する別体のケーシングが不要になり、部品点数を有効に削減して組立作業性の向上を図るとともに、前記燃料電池をコンパクト且つ安価に製造することが可能になる。

しかも、筐体部は、燃料電池から排出される排ガスが前記燃料電池の外部に拡散することを阻止する遮蔽部材及び熱エネルギの拡散を阻止する断熱部材としての機能を有する。これにより、燃料電池の保温性や排熱回収による熱効率を高めることができ、断熱構造が一挙に簡素化して経済的である。

さらに、反応ガス供給部と挟持部とは、橋架部により積層方向の荷重が互いに遮断されている。このため、簡単且つコンパクトな構成で、シール性が要求される反応ガス供給部には、挟持部よりも大きな面圧（単位面積あたりの荷重）を発生させることができる一方、電解質・電極接合体には、比較的小さな面圧（単位面積あたりの荷重）を発生させることが可能になる。従って、反応ガス供給部における所望のシール性を確保するとともに、電解質・電極接合体の損傷を阻止することができ、効率的な発電が遂行可能になる。

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り、図２は、前記燃料電池スタック１２の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。

燃料電池１０は、固体電解質型燃料電池であり、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池１０は、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。

燃料電池１０は、図３に示すように、一対のセパレータ２８間に複数（例えば、４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３０を中心にして等角度間隔ずつ離間し且つ前記燃料ガス供給連通孔３０と同心円上に４個の電解質・電極接合体２６が配置される。

セパレータ２８は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成される第１プレート３２及び第２プレート３４を有する。第１プレート３２及び第２プレート３４は、互いに拡散接合、レーザ溶接又はろう付け等により接合される。第１プレート３２及び第２プレート３４は、金属プレートに代えて、例えば、カーボンプレート等（接合方法は省略する）で構成してもよい。

図３及び図５に示すように、第１プレート３２は、中央部に積層方向（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（反応ガス供給連通孔）３０が形成される第１燃料ガス供給部（反応ガス供給部）３６を有する。この第１燃料ガス供給部３６から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に延在する４つの第１橋架部３８を介し、比較的大径な第１挟持部４０が一体に設けられる。第１挟持部４０は、電解質・電極接合体２６と略同一寸法に設定されるとともに、各第１挟持部４０には、短尺な第２橋架部（他の橋架部）４２を介して環状の第１筐体部４４が一体に設けられる。

第１挟持部４０のアノード電極２４に接触する面には、前記アノード電極２４の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路４６を形成する複数の突起部４８が設けられる。突起部４８は、集電部を構成する。第１挟持部４０の略中央には、燃料ガス供給連通孔３０側に偏心しアノード電極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供給孔５２が形成される。

第１筐体部４４は、酸化剤ガスを後述する酸化剤ガス供給通路７８に供給するための酸化剤ガス供給連通孔（他の反応ガス供給連通孔）５４が積層方向に形成される酸化剤ガス供給部（他の反応ガス供給部）５６を有する。第１筐体部４４には、複数のボルト挿入用孔部５８が所定角度間隔ずつ離間して設けられる。燃料ガス供給連通孔３０、第１橋架部３８、第１挟持部４０、第２橋架部４２及び酸化剤ガス供給連通孔５４は、セパレータ面方向に沿って直線上に配置される。

図３及び図６に示すように、第２プレート３４は、中央部に燃料ガス供給連通孔３０が形成される第２燃料ガス供給部（反応ガス供給部）６０を有する。この第２燃料ガス供給部６０から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に延在する４つの第１橋架部６２を介して比較的大径な第２挟持部６４が一体に設けられる。第２挟持部６４は、第１挟持部４０と同様に、電解質・電極接合体２６と略同一寸法に設定されるとともに、各第２挟持部６４には、短尺な第２橋架部（他の橋架部）６６を介して環状の第２筐体部６８が一体に設けられる。

第２燃料ガス供給部６０の第１燃料ガス供給部３６と接合される面には、燃料ガス供給連通孔３０に連通する複数の溝部７０が、前記燃料ガス供給連通孔３０を中心にして放射状に形成される。各溝部７０は、周溝７２に一体に連通するとともに、前記周溝７２には、４本の燃料ガス供給通路（反応ガス供給通路）７４が連通する。各燃料ガス供給通路７４は、各第１橋架部６２から各第２挟持部６４の中央部近傍に延在し、第１プレート３２の燃料ガス供給孔５２に対応して終端する。

第２筐体部６８には、酸化剤ガス供給連通孔５４が積層方向に形成される酸化剤ガス供給部５６と、ボルト挿入用孔部５８とが設けられる。この第２筐体部６８の第１筐体部４４に接合される面には、酸化剤ガス供給連通孔５４から供給される酸化剤ガスを充填するための充填室７６が形成される。

充填室７６は、各第２橋架部６６から各第２挟持部６４の中央部近傍まで延在する酸化剤ガス供給通路（他の反応ガス供給通路）７８に連通する。酸化剤ガス供給通路７８の先端には、第２挟持部６４を貫通する酸化剤ガス供給孔８０が連通する。

第１プレート３２には、複数の突起部４８が、例えば、エッチングにより形成されるとともに、第２プレート３４には、溝部７０、周溝７２、燃料ガス供給通路７４、充填室７６及び酸化剤ガス供給通路７８が、例えば、エッチングにより形成される。

図３に示すように、第２プレート３４のカソード電極２２に向かう面には、変形可能な弾性通路部、例えば、導電性フェルト部材（金属フェルト等の導電性不織布）８４が配設される。このフェルト部材８４により、第２挟持部６４とカソード電極２２との間には、酸化剤ガス通路８６が形成される。なお、フェルト部材８４に代えて、メッシュ部材（金属メッシュ等の導電性織布）、発泡金属、エキスパンドメタル、パンチングメタル又はプレスエンボスメタル等を採用してもよい。電解質・電極接合体２６の外周部には、反応後の燃料ガス及び酸化剤ガスを排ガスとして排出するための排ガス通路８８が設けられる。

図７に示すように、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第１絶縁シール９０と、酸化剤ガス供給連通孔５４をシールするための第２絶縁シール９２とが設けられる。第１絶縁シール９０及び第２絶縁シール９２は、シール性が高く、硬質で潰れ難い、例えば、地殻成分系素材、硝子系素材、粘土とプラスチックの複合素材等が使用される。また、第２絶縁シール９２は、熱エネルギの拡散を阻止する断熱部材であることが好ましい。

図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池１０の積層方向一端に、略円板状の第１エンドプレート９４ａが配置されるとともに、積層方向他端に、隔壁９５を介装して小径且つ略円板状の複数の第２エンドプレート９４ｂと、大径且つ略リング状の固定リング９４ｃとが配置される。隔壁９５は、排ガスが燃料電池１０の外部に拡散することを阻止する機能を有する一方、第２エンドプレート９４ｂは、各電解質・電極接合体２６の積層位置に対応して４つ配設される。

第１エンドプレート９４ａ及び固定リング９４ｃは、セパレータ２８のボルト挿入用孔部５８に連通する複数の孔部９６を有する。孔部９６からボルト挿入用孔部５８に挿入されるボルト９８及び前記ボルト９８に螺合するナット１００を介し、セパレータ２８の第１筐体部４４及び第２筐体部６８が第１エンドプレート９４ａに締め付け固定される。

第１エンドプレート９４ａには、燃料ガス供給連通孔３０に連通する単一の燃料ガス供給パイプ１０２と、各酸化剤ガス供給連通孔５４に連通する４本の酸化剤ガス供給パイプ１０４と、排ガス通路８８に連通する４本の排ガス排出パイプ１０５とが設けられる。

第１エンドプレート９４ａは、複数のボルト９８、ナット１０８ａ、１０８ｂ及び板状カラー部材１１０を介して支持プレート１１２が固定される。支持プレート１１２と第１エンドプレート９４ａとの間には、第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部６０に締め付け荷重を付与する第１荷重付与部１１４と、酸化剤ガス供給部５６に締め付け荷重を付与する第２荷重付与部１１６と、各電解質・電極接合体２６に締め付け荷重を付与する第３荷重付与部１１８とが設けられる。

第１荷重付与部１１４は、燃料ガス供給連通孔３０から燃料ガスが漏れることを阻止するために燃料電池１０の中央部（第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部６０の中央部）に配置される押圧部材１２０を備え、この押圧部材１２０は、４つの第２エンドプレート９４ｂの配列中心近傍に位置して前記燃料電池１０に隔壁９５を介して押圧する。押圧部材１２０には、第１受け部材１２２ａ及び第２受け部材１２２ｂを介して第１スプリング１２４が配置される。第２受け部材１２２ｂには、第１押圧ボルト１２６の先端が当接する。第１押圧ボルト１２６は、支持プレート１１２に形成された第１ねじ孔１２８に螺合するとともに、第１ナット１３０を介して位置調整可能に固定される。

第２荷重付与部１１６は、孔部９６からボルト挿入用孔部５８に挿入されるボルト９８と、前記ボルト９８に螺合するナット１００とを備え、酸化剤ガス供給部５６から酸化剤ガスが漏れることを阻止する機能を有する。

第３荷重付与部１１８は、第２エンドプレート９４ｂに各電解質・電極接合体２６に対応して配置される第３受け部材１３２ａを備える。第３受け部材１３２ａは、ピン１３４を介して第２エンドプレート９４ｂに位置決め支持される。第３受け部材１３２ａに第２スプリング１３６の一端が当接する一方、前記第２スプリング１３６の他端が第４受け部材１３２ｂに当接する。第４受け部材１３２ｂには、第２押圧ボルト１３８の先端が当接する。第２押圧ボルト１３８は、支持プレート１１２に形成された第２ねじ孔１４０に螺合するとともに、第２ナット１４２を介して位置調整可能に固定される。

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１に示すように、第１エンドプレート９４ａに接続されている燃料ガス供給パイプ１０２から燃料ガス供給連通孔３０には、燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給パイプ１０４から酸化剤ガス供給部５６には、酸素含有ガスである空気が供給される。

燃料ガス供給連通孔３０に供給された燃料ガスは、図４及び図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の第２プレート３４に形成された溝部７０から周溝７２を介して各燃料ガス供給通路７４に供給される。燃料ガスは、燃料ガス供給通路７４に沿って移動した後、第１プレート３２に形成された燃料ガス供給孔５２から燃料ガス通路４６に導入される。

燃料ガス供給孔５２は、各電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の略中心位置に対応して設けられている。従って、燃料ガスは、燃料ガス供給孔５２からアノード電極２４に供給され、このアノード電極２４の略中心部から外周部に向かって燃料ガス通路４６を流動する。

一方、酸化剤ガス供給部５６に供給される空気は、第１プレート３２の第１筐体部４４と第２プレート３４の第２筐体部６８との間に設けられる充填室７６に一旦充填される。この充填室７６には、酸化剤ガス供給通路７８が連通しており、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス供給通路７８に沿って第１挟持部４０及び第２挟持部６４の中心側に移動する。

第２挟持部６４の中心近傍には、酸化剤ガス供給孔８０が連通するとともに、前記酸化剤ガス供給孔８０は、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の略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７に示すように、酸化剤ガス供給孔８０からカソード電極２２に供給され、このカソード電極２２の略中心部から外周部に向かってフェルト部材８４に形成された酸化剤ガス通路８６を流動する。

従って、各電解質・電極接合体２６では、アノード電極２４の略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の略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、排ガスとして各電解質・電極接合体２６の外周部から排ガス通路８８に排気される。

この場合、第１の実施形態では、セパレータ２８に第１筐体部４４及び第２筐体部６８が一体に設けられており、前記セパレータ２８の外形形状が、燃料電池１０全体の外形寸法となっている。従って、燃料電池１０を収容する別体のケーシングが不要になり、部品点数を有効に削減して組立作業性の向上を図るとともに、前記燃料電池１０をコンパクト且つ安価な製造することが可能になるという効果が得られる。

しかも、第１筐体部４４及び第２筐体部６８は、燃料電池１０から排出される排ガスが前記燃料電池１０の外部に拡散することを阻止する遮蔽部材及び熱エネルギの拡散を阻止する断熱部材としての機能を有している。これにより、燃料電池１０の保温性や排熱回収による熱効率を高めることができ、断熱構造が一挙に簡素化して経済的である。

さらに、第１燃料ガス供給部３６と第１挟持部４０とは、第１橋架部３８により積層方向の荷重が互いに遮断されている。同様に、第２燃料ガス供給部６０と第２挟持部６４とは、第１橋架部６２により積層方向の荷重が互いに遮断されている。このため、燃料ガスのシール性が要求される第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部６０には、第１荷重付与部１１４を介して第１挟持部４０及び第２挟持部６４よりも大きな面圧（単位面積あたりの荷重）を発生させることができる一方、電解質・電極接合体２６には、第３荷重付与部１１８を介して比較的小さな面圧（単位面積あたりの荷重）を発生させることが可能になる。

従って、第１荷重付与部１１４を介して第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部６０における所望のシール性を確保するとともに、電解質・電極接合体２６の損傷を阻止することができる。このため、簡単且つコンパクトな構成で、効率的な発電が遂行可能になるという利点がある。

また、第１の実施形態では、第１挟持部４０と第１筐体部４４とは、第２橋架部４２により積層方向の荷重が互いに遮断されている。同様に、第２挟持部６４と第２筐体部６８とは、第２橋架部６６により積層方向の荷重が互いに遮断されている。これにより、シール性が要求される第１筐体部４４及び第２筐体部６８には、第１挟持部４０及び第２挟持部６４よりも大きな面圧（単位面積あたりの荷重）を発生させることができ、前記第１筐体部４４及び前記第２筐体部６８における所望のシール性を確保するとともに、電解質・電極接合体２６の損傷を阻止することが可能になる。

さらに、第１筐体部４４及び第２筐体部６８は、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給通路７８に供給するための酸化剤ガス供給連通孔５４が積層方向に形成される酸化剤ガス供給部５６を有している。従って、第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部６０と酸化剤ガス供給部５６とにおいて、それぞれ電解質・電極接合体２６に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの流量調整が厳密に遂行される。このため、発電に寄与しない燃料ガス及び酸化剤ガスが良好に低減され、効率的且つ経済的な運転が可能になる。

しかも、第１筐体部４４及び第２筐体部６８は、発電反応に使用されて排ガス通路８８に排出された排ガスにより加温されるため、電解質・電極接合体２６に供給される前の酸化剤ガスを予め加温することができる。

その際、第１筐体部４４及び第２筐体部６８間には、酸化剤ガス供給連通孔５４から供給される酸化剤ガスを一旦充填するための充填室７６が形成されている。これにより、充填室７６内では、酸化剤ガスが排ガスによって良好に加温されるため、燃料電池１０全体の熱自立運転が促進されるとともに、熱エネルギの効率的な利用が可能になる。

また、セパレータ２８は、燃料ガス供給孔５２が形成される第１プレート３２と、燃料ガス供給通路７４、酸化剤ガス供給孔８０、酸化剤ガス供給通路７８及び充填室７６が形成される第２プレート３４とを有し、前記第１プレート３２と前記第２プレート３４とは、例えば、拡散接合により一体に積層されている。

従って、第１プレート３２の加工が一挙に簡素化し、第２プレート３４のみに加工工程を集中することにより、加工工程の多少によって第１プレート３２と第２プレート３４とを別体に構成することができ、製造コストの削減及び歩留まりの向上が容易に図られる。

さらに、第１筐体部４４及び第２筐体部６８は、環状に構成されている。このため、排ガスからの排熱を第１筐体部４４及び第２筐体部６８全体に均等に伝熱することができる。このため、電解質・電極接合体２６に供給される前の酸化剤ガスを、均等に加温することが可能になる。

さらにまた、電解質・電極接合体２６は、燃料ガス供給連通孔３０を中心にして等角度間隔ずつ離間して配置されている。これにより、燃料ガス供給連通孔３０から各電解質・電極接合体２６に対して燃料ガスを均等に分配することができ、各電解質・電極接合体２６の発電性能の向上及び安定化が容易に図られる。

また、電解質・電極接合体２６は、燃料ガス供給連通孔３０と同心円上に配置されている。従って、燃料ガス供給連通孔３０から各電解質・電極接合体２６に対して燃料ガスを均等に分配することができ、各電解質・電極接合体２６の発電性能の向上及び安定化が容易に図られる。

さらに、第１橋架部３８、６２は、電解質・電極接合体２６と同数に設定されている。このため、燃料ガス供給連通孔３０から各第１橋架部３８、６２間の燃料ガス供給通路７４を介して各電解質・電極接合体２６に燃料ガスを均等に分配することができ、発電性能の向上と安定化が図られる。

さらにまた、第１挟持部４０及び第２挟持部６４は、電解質・電極接合体２６と同数に設定されている。これにより、第１挟持部４０及び第２挟持部６４と各電解質・電極接合体２６に対して、燃料ガス供給連通孔３０からの燃料ガスを均等に分配することができ、発電性能の向上と安定化が図られる。

また、第１挟持部４０及び第２挟持部６４と第１筐体部４４及び第２筐体部６８とは、第２橋架部４２、６６により積層方向の荷重が互いに遮断されている。従って、シール性が要求される第１筐体部４４及び第２筐体部６８には、第１挟持部４０及び第２挟持部６４よりも大きな面圧（単位面積あたりの荷重）を発生させることができる。このため、第１筐体部４４及び第２筐体部６８における所望のシール性を確保するとともに、電解質・電極接合体２６の損傷を阻止することが可能になる。

さらに、酸化剤ガス供給連通孔５４は、電解質・電極接合体２６と同数に設定されている。これにより、酸化剤ガス供給連通孔５４は、各電解質・電極接合体２６に対して酸化剤ガスを均等に分配することができ、発電性能の向上と安定化が図られる。

さらにまた、燃料ガス供給連通孔３０、第１橋架部３８、６２及び第１挟持部４０、第２挟持部６４は、セパレータ面方向に沿って直線上に配置されている。このため、燃料ガス供給連通孔３０から電解質・電極接合体２６に対し、燃料ガスを良好に供給することができ、発電性能の向上と安定化が図られる。

また、燃料ガス供給連通孔３０、第１橋架部３８、６２、第１挟持部４０、第２挟持部６４及び第２橋架部４２、６６は、セパレータ面方向に沿って直線上に配置されている。このため、燃料ガス供給連通孔３０から電解質・電極接合体２６に対し、燃料ガスを良好に供給することができ、発電性能の向上と安定化が図られる。また、酸化剤ガス及び燃料ガスを加熱することができ、熱エネルギの効率的な利用が図られる。

さらに、燃料ガス供給連通孔３０、第１橋架部３８、６２、第１挟持部４０、第２挟持部６４、第２橋架部４２、６６及び酸化剤ガス供給連通孔５４は、セパレータ面方向に沿って直線上に配置されている。このため、電解質・電極接合体２６に対し、それぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを良好に供給することができ、発電性能の向上と安定化が図られる。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１６０の分解斜視図であり、図９は、前記燃料電池１６０の動作を説明する概略断面説明図である。

なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３〜第５の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

燃料電池１６０を構成するセパレータ１６２は、第１プレート１６４と第２プレート１６６とを備える。第１プレート１６４を構成する第１挟持部４０は、電解質・電極接合体２６に接触する面を平坦面に構成するとともに、この面には、アノード電極２４の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路４６を形成し且つ前記アノード電極２４に密着する導電性フェルト部材（金属フェルト等の導電性不織布）１６７が配設される（図８及び図９参照）。なお、導電性フェルト部材に代えて、メッシュ部材（金属メッシュ等の導電性織布）、発泡金属、エキスパンドメタル、パンチングメタル又はプレスエンボスメタル等を採用してもよい。

第２プレート１６６を構成する第２挟持部６４は、カソード電極２２に接触する面に、酸化剤ガス通路８６を形成する複数の突起部１６８が設けられる。突起部１６８は、例えば、エッチングにより形成される。

このように、第２の実施形態では、フェルト部材１６７の変形作用下に、前記フェルト部材１６７とアノード電極２４との密着性が促進される等の効果が得られる。

図１０は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１７０の分解斜視図であり、図１１は、前記燃料電池１７０の動作を説明する概略断面説明図である。

燃料電池１７０を構成するセパレータ１７２は、第１プレート１７４と第２プレート１７６とを備える。第１プレート１７４を構成する第１挟持部４０のアノード電極２４に接触する面には、燃料ガス通路４６を形成する複数の突起部４８が設けられる。第２プレート１７６を構成する第２挟持部６４のカソード電極２２に接触する面に、酸化剤ガス通路８６を形成する複数の突起部１６８が設けられる。

このように、第３の実施形態では、突起部４８、１６８によって電解質・電極接合体２６やセパレータ１７２の歪みを低減するとともに、燃料ガス及び酸化剤ガスの均等な流れが達成される等、第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、上記の第１及び第２の実施形態を併合し、酸化剤ガス通路８６を形成するフェルト部材（金属フェルト等の導電性不織布）８４と、燃料ガス通路４６を形成するフェルト部材（金属フェルト等の導電性不織布）１６７とを用いてもよい。なお、フェルト部材８４、１６７に代えて、メッシュ部材（金属メッシュ等の導電性織布）、発泡金属、エキスパンドメタル、パンチングメタル又はプレスエンボスメタル等を採用してもよい。

図１２は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１８０の分解斜視図である。

燃料電池１８０を構成するセパレータ１８２は、第１プレート１８４と第２プレート１８６とを備える。第１プレート１８４を構成する第１挟持部４０と第１筐体部４４とには、第２橋架部（他の橋架部）１８８が一体に設けられる。第２橋架部１８８は、燃料ガス供給連通孔３０から第１橋架部３８を結ぶ直線に交差する方向に延在する。

第２プレート１８６を構成する第２挟持部６４と第２筐体部６８とには、第２橋架部（他の橋架部）１８９が一体に設けられる。この第２橋架部１８９は、上記の第２橋架部１８８と同様に、燃料ガス供給連通孔３０から第１橋架部６２を結ぶ直線に交差する方向に延在する。

図１３は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池１９０の分解斜視図である。

燃料電池１９０を構成するセパレータ１９２は、第１プレート１９４と第２プレート１９６とを備える。第１プレート１９４を構成する第１筐体部４４には、第２橋架部４２の間に、例えば、略中間位置に対応して酸化剤ガス供給連通孔５４が設けられる。第２プレート１９６を構成する第２筐体部６８には、同様に第２橋架部６６の間に、例えば、略中間位置に対応して酸化剤ガス供給連通孔５４が設けられる。

このように構成される第４及び第５の実施形態では、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。

本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池が複数積層された燃料電池スタックの概略斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。 前記燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池のガス流れ状態を示す一部分解斜視説明図である。 セパレータを構成する第１プレートの説明図である。 前記セパレータを構成する第２プレートの説明図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。 特許文献１の平板積層型燃料電池の断面説明図である。

符号の説明

１０、１６０、１７０、１８０、１９０…燃料電池
１２…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、１６２、１７２、１８２、１９２…セパレータ
３０…燃料ガス供給連通孔
３２、３４、１６４、１６６、１７４、１７６、１８４、１８６、１９４、１９６…プレート
３６、６０…燃料ガス供給部
３８、４２、６２、６６、１８８、１８９…橋架部
４０、６４…挟持部 ４４、６８…筐体部
４６…燃料ガス通路 ４８、１６８…突起部
５２…燃料ガス供給孔 ５４…酸化剤ガス供給連通孔
５６…酸化剤ガス供給部 ７４…燃料ガス供給通路
７６…充填室 ７８…酸化剤ガス供給通路
８０…酸化剤ガス供給孔 ８４、１６７…フェルト部材
８６…酸化剤ガス通路 ８８…排ガス通路
９０、９２…絶縁シール ９４ａ、９４ｂ…エンドプレート
１１２…支持プレート １１４、１１６、１１８…荷重付与部

Claims (15)

1. 電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体が、セパレータ間に積層される燃料電池であって、
   前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持するとともに、少なくとも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供給孔又は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供給孔が設けられる挟持部と、
   前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に供給するための反応ガス供給通路が形成される橋架部と、
   前記橋架部に連結され、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記反応ガス供給通路に供給するための反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される反応ガス供給部と、
   を備え、
   前記セパレータには、前記電解質・電極接合体を収容するための筐体部が一体に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、前記セパレータは、前記挟持部及び前記筐体部に連結され、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に又は前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に供給するための他の反応ガス供給通路が形成される他の橋架部を備え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、前記筐体部は、前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスを前記他の反応ガス供給通路に供給するための他の反応ガス供給連通孔が前記積層方向に形成される他の反応ガス供給部を有することを特徴とする燃料電池。
4. 請求項３記載の燃料電池において、前記筐体部は、前記他の反応ガス供給連通孔から供給される前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスを充填するための充填室を形成す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、前記セパレータは、前記燃料ガス供給孔が形成される第１プレートと、
   前記酸化剤ガス供給孔、前記反応ガス供給通路、前記他の反応ガス供給通路及び前記充填室が形成される第２プレートと、
   を有し、前記第１プレートと前記第２プレートとが積層され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、前記筐体部は、環状に構成されることを特徴とする燃料電池。
7. 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、前記電解質・電極接合体は、前記反応ガス供給部を中心にして等角度間隔ずつ離間して配置されることを特徴とする燃料電池。
8. 請求項７記載の燃料電池において、前記電解質・電極接合体は、前記反応ガス供給部と同心円上に配置されることを特徴とする燃料電池。
9. 請求項７又は８記載の燃料電池において、前記橋架部は、前記電解質・電極接合体と同数に設定されることを特徴とする燃料電池。
10. 請求項７又は８記載の燃料電池において、前記挟持部は、前記電解質・電極接合体と同数に設定されることを特徴とする燃料電池。
11. 請求項７又は８記載の燃料電池において、前記他の橋架部は、前記電解質・電極接合体と同数に設定されることを特徴とする燃料電池。
12. 請求項７又は８記載の燃料電池において、前記他の反応ガス供給連通孔は、前記電解質・電極接合体と同数に設定されることを特徴とする燃料電池。
13. 請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記反応ガス供給連通孔、前記橋架部及び前記挟持部は、セパレータ面方向に沿って直線上に配置されることを特徴とする燃料電池。
14. 請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記反応ガス供給連通孔、前記橋架部、前記挟持部及び前記他の橋架部は、セパレータ面方向に沿って直線上に配置されることを特徴とする燃料電池。
15. 請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記反応ガス供給連通孔、前記橋架部、前記挟持部、前記他の橋架部及び前記他の反応ガス供給連通孔は、セパレータ面方向に沿って直線上に配置されることを特徴とする燃料電池。

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