JP4981280B2 - 燃料電池 - Google Patents

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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、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）が供給される一方、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。そして、反応に使用された酸化剤ガス及び燃料ガスは、排ガスとして廃棄されている。
その際、排ガス中には、未燃の燃料ガスが存在しており、この未燃の燃料ガスを全て排ガスとして廃棄することは、経済的ではないという問題がある。そこで、廃棄される未燃の燃料ガスを少なくするために、例えば、特許文献１に開示された燃料電池が知られている。
この燃料電池は、図１１に示すように、固体電解質材料等で構成した薄肉のディスク１とリング板状セパレータ２とが交互に積層されるとともに、前記ディスク１の両面には、リング板状のパスセパレータ３、４が配置されている。
ディスク１の一方の面とセパレータ２との間には、パスセパレータ３を介して電池反応通路５ａが形成される一方、前記ディスク１の他方の面と他のセパレータ２との間には、パスセパレータ４を介して空気通路５ｂが形成されている。
ディスク１の中央には、燃料ガス通路を形成する貫通孔６が形成されるとともに、この貫通孔６の外周部には、複数の燃焼ガス通路７が設けられている。貫通孔６は、分配導入孔路８ａを介して電池反応通路５ａの入口側に連通する一方、この電池反応通路５ａの出口側は、排出孔路８ｂを介して燃焼ガス通路７に連通している。
このような構成において、燃料ガスは、貫通孔６に沿って流れるとともに、各分配導入孔路８ａから電池反応通路５ａ内に導入されている。この燃料ガスは、ディスク１の外周側でＵターンして排出孔路８ｂから燃焼ガス７に導入されている。そして、燃焼ガス通路７に導出された未燃の燃料ガスは、下流側に接続されている図示しない燃料電池の貫通孔６に順次導入されることで再度反応され、これにより完全燃焼を図ることができる、としている。
特開２００２−１５１１０６号公報（図１）
上記の特許文献１では、ディスク１の中心部に貫通孔６が形成されるとともに、この貫通孔６の周囲に複数の燃焼ガス通路７が形成されている。このため、ディスク１の加工作業が相当に複雑化するとともに、特別なシール構造が必要となるという問題がある。しかも、セパレータ２やパスセパレータ３、４の形状が複雑化してしまい、燃料電池全体を経済的に構成することができないという問題がある。
さらに、使用前の燃料ガスと使用後の燃料ガスとを混合して、電池反応通路５ａに、順次、供給している。従って、積層方向に沿って各電池反応通路５ａに供給される燃料ガスに濃度差が発生し易い。これにより、各ディスク１毎に発電反応が異な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、燃料ガスの利用率を向上させるとともに、良好な発電反応を行うことが可能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・電極接合体とセパレータとが交互に積層され、前記セパレータは、互いに積層される第１及び第２プレートを有し、前記第２プレート側に前記カソード電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路が形成され且つ前記第１プレート側に前記アノード電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路が形成されるとともに、使用前の燃料ガスを積層方向に供給する燃料ガス供給連通孔を設ける燃料電池である。
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して燃料ガス流路を形成する複数の凸部と、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ている。第１及び第２プレート間には、燃料ガス供給連通孔に連通する燃料ガス通路が形成されるとともに、前記燃料ガス通路は、区画部を介して第１及び第２燃料ガス通路部に分割されている。第１燃料ガス通路部は、第１プレートの複数の凸部が設けられた面の裏面側と区画部とにより形成されるとともに、第２燃料ガス通路部は、前記第１プレートの略リング状凸部が設けられた面の裏面側と前記区画部とにより形成されている。第１燃料ガス通路部は、燃料ガス供給連通孔から送られる使用前の燃料ガスを燃料ガス流路に供給するための燃料ガス導入口を有し、第２燃料ガス通路部は、アノード電極で使用された排出燃料ガスの少なくとも一部を、前記燃料ガス流路から分流させるために、前記略リング状凸部を前記積層方向に貫通して形成される排出燃料ガス分流口を有している。そして、第２燃料ガス通路部は、排出燃料ガス分流口を通って分流された排出燃料ガスの少なくとも一部を積層方向に沿って流動させる排出燃料ガス分流連通孔を介して燃料ガス供給連通孔と連通している。
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、セパレータは、電解質・電極接合体で反応に使用された後、前記電解質・電極接合体の外方に排出されて合流された燃料ガス及び酸化剤ガスを、排ガスとして積層方向に排出する排ガス通路を備え、燃料ガス供給連通孔及び排出燃料ガス分流連通孔は、前記排ガス通路が形成される前記電解質・電極接合体の外方領域内に設けられることが好ましい。
さらに、第１燃料ガス通路部は、第１プレートを挟んでアノード電極の電極面を覆い、燃料ガスが供給されることにより前記第１プレートを前記アノード電極に圧接可能な第１燃料ガス圧力室を構成し、第２燃料ガス通路部は、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い且つ前記第１燃料ガス圧力室を周回するとともに、前記燃料ガスが供給されることにより前記第１プレートを前記アノード電極に圧接可能な第２燃料ガス圧力室を構成することが好ましい。
さらにまた、第１及び第２プレート間には、燃料ガス通路と酸化剤ガス通路とを仕切る第３プレートが配設されることが好ましい。
また、第１及び第３プレート間には、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。
さらに、電解質・電極接合体とセパレータとの積層体には、水を蒸発させる蒸発器と、燃料を改質することにより燃料ガスを生成し、且つ燃料ガス供給連通孔に連通する改質器とが、前記燃料ガスの供給方向上流側から下流側に向かって連結されるとともに、排出燃料ガス分流連通孔は、前記蒸発器と前記改質器との間に連通して排出燃料ガスを前記改質器に供給することが好ましい。
本発明では、第１燃料ガス通路部に供給された燃料ガスは、燃料ガス導入口から燃料ガス流路に導入されてアノード電極で使用された後、排出燃料ガスの少なくとも一部が、排出燃料ガス分流口を通って第２燃料ガス通路部に流動する。このため、排出燃料ガスの少なくとも一部は、第２燃料ガス通路部から排出燃料ガス分流連通孔を介して燃料ガス供給連通孔に戻され、燃料ガスとして再利用される。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、燃料ガスの利用率を向上させるとともに、良好な発電反応を行うことが可能になる。
さらに、排出燃料ガス中には、発電反応により生成された水分が含まれている。従って、排出燃料ガス中の水分を改質反応に利用することができ、外部からの給水を良好に削減することが可能になり、給水ポンプ等の負荷を低減して発電効率の向上が図られる。
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３８ａと、前記積層方向に沿って排出燃料ガスの一部を流動させるための排出燃料ガス分流連通孔３９が形成される第２小径端部３８ｂとを備える。第１及び第２小径端部３８ａ、３８ｂには、幅狭な橋架部４０ａ、４０ｂ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は、電解質・電極接合体２６のアノード電極２４に当接するとともに、前記アノード電極２４との間には、前記アノード電極２４に燃料ガスを供給する燃料ガス流路４５が形成される。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。第１円板部４２の外周縁部には、略リング状凸部４６を積層方向に貫通して排出燃料ガス分流口（孔部）４７が複数形成される。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３小径端部５２を備える。この第３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、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２に当接するとともに、前記カソード電極２２との間には、前記カソード電極２２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路５９が形成される。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。
図３に示すように、燃料ガス流路４５及び酸化剤ガス流路５９は、電解質・電極接合体２６の中央から外周に向かっている。電解質・電極接合体２６の外方には、排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスが合流した排ガスを、燃料電池１０の外部に排出するための排ガス通路６１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４小径端部６２と、排出燃料ガス分流連通孔３９が形成される第５小径端部６３と、酸化剤ガス供給連通孔５０が形成される第６小径端部６４とを備える。第４〜第６小径端部６２、６３及び６４は、幅狭な橋架部６６、６７及び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４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４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。
第４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５２、前記橋架部６６及び前記第３円板部７０の面内には、燃料ガス分配通路７５及び燃料ガス通路７６が形成される(図２参照)。
第３円板部７０の第１プレート３０に向かう面内には、この第３円板部７０の中心と同軸上に区画部７７が設けられる。区画部７７は、略リング状の凸部により構成されるとともに、燃料ガス通路７６は、前記区画部７７を介して第１及び第２燃料ガス通路部７６ａ、７６ｂに分割される。第３円板部７０の面内には、区画部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に向かう面において、第６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６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６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、酸化剤ガス分配通路８４ａ及び酸化剤ガス通路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４０ｂと第３プレート３４の橋架部６７との間には、第２燃料ガス通路部７６ｂと排出燃料ガス分流連通孔３９とに連通する排出燃料ガス分流通路８５が形成される（図３及び図７参照）。
第１燃料ガス通路部７６ａ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に圧接可能な第１燃料ガス圧力室８６ａを構成する。第２燃料ガス通路部７６ｂ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、且つ第１燃料ガス圧力室８６ａを周回するとともに、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に圧接可能な第２燃料ガス圧力室８６ｂを構成する。
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７参照）。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との間には、酸化剤ガス分配通路８４ａが形成される。
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２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３６をシールするための絶縁シール８９ａと、排出燃料ガス分流連通孔３９をシールするための絶縁シール８９ｂと、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８９ｃとが設けられる。絶縁シール８９ａ〜８９ｃ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９２ａと、酸化剤ガス供給連通孔５０に連通する第２配管９２ｂと、排出燃料ガス分流連通孔３９に連通する第３配管９２ｃとが接続される。第３配管９２ｃは、第１配管９２ａの上流側に連通しており、第２燃料ガス通路部７６ｂと燃料ガス供給連通孔３６とは、排出燃料ガス分流連通孔３９を介して連通する。
エンドプレート９０ａには、燃料ガス供給連通孔３６の上下両側、酸化剤ガス供給連通孔５０の上下両側及び排出燃料ガス分流連通孔３９に対応してねじ孔９６が形成される。各ねじ孔９６に締付ボルト９８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７参照）。また、燃料ガス通路７６は、区画部７７を介して第１燃料ガス通路部７６ａと第２燃料ガス通路部７６ｂとに分割される（図２及び図３参照）。
さらに、第１及び第３円板部４２、７０間には、第１及び第２燃料ガス圧力室８６ａ、８６ｂ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７参照）。
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の各ねじ孔９６には、締付ボルト９８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９２ａから燃料ガス供給連通孔３６には、燃料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９２ｂから酸化剤ガス供給連通孔５０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３６に供給された燃料ガスは、図３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内の燃料ガス分配通路７５に供給される。燃料ガスは、燃料ガス分配通路７５に沿って第１及び第３円板部４２、７０間に形成された第１燃料ガス通路部７６ａに導入される。この第１燃料ガス通路部７６ａの中央部には、燃料ガス導入口４８が形成されており、燃料ガスは、前記燃料ガス導入口４８から燃料ガス流路４５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、燃料ガスは、図７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燃料ガス流路４５を流動する。
一方、酸化剤ガス供給連通孔５０に供給される空気は、図３に示すように、セパレータ２８内の酸化剤ガス分配通路８４ａ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（酸化剤ガス通路８４）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７に示すように、酸化剤ガス導入口６０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酸化剤ガス流路５９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の外周部から排ガス通路６１に排気される。
この場合、第１の実施形態では、アノード電極２４の中心部から外周部に向かって移動する燃料ガスは、このアノード電極で反応により消費された後、未燃の水素を含んだ排出燃料ガスとして排ガス通路６１に排出されるとともに、その一部が第１円板部４２の略リング状凸部４６に形成された複数の排出燃料ガス分流口４７を通って第２燃料ガス通路部７６ｂに導入される（図７参照）。この排出燃料ガスは、第２燃料ガス通路部７６ｂに連通する排出燃料ガス分流通路８５を通って排出燃料ガス分流連通孔３９に流入し、前記排出燃料ガス分流連通孔３９に沿って積層方向（矢印Ａ方向）に移動する。
排出燃料ガスは、図１に示すように、排出燃料ガス分流連通孔３９に連結される第３配管９２ｃに沿って移動した後、第１配管９２ａの上流側に合流する。このため、排出燃料ガスは、新たな（使用前の）燃料ガスと共に第１配管９２ａから燃料ガス供給連通孔３６に送られる。従って、燃料ガスがアノード電極２４に沿って燃料ガス流路４５を流動した後の排出燃料ガスに含まれる未燃の燃料ガスは、第２燃料ガス通路部７６ｂから排出燃料ガス分流連通孔３９に戻され、さらに使用前の燃料ガスに混在して燃料ガス供給連通孔３６に送られることにより、再利用される。
これにより、燃料電池スタック１２は、簡単且つコンパクトな構成で、燃料ガスの利用率を有効に向上させるとともに、良好な発電反応を行うことが可能になるという効果が得られる。
また、第１の実施形態では、排出燃料ガス中には、発電反応により生成された水分が含まれている。このため、排出燃料ガスを使用前の燃料ガスに混在して再利用する際に、前記排出燃料ガス中の水分を改質反応に利用することができる。これにより、燃料電池スタック１２は、外部からの給水を良好に削減することが可能になり、給水ポンプ等の負荷を低減してシステムの発電効率の向上が図られるという利点がある。
図８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９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９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３８ａと、それぞれ排出燃料ガス分流連通孔３９が形成される２つの第２小径端部３８ｂとを備える。第１小径端部３８ａ及び第２小径端部３８ｂには、幅狭な橋架部４０ａ及び４０ｂ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３小径端部５２を備える。各第３小径端部５２には、幅狭なそれぞれ２つの橋架部５４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４小径端部６２と、それぞれ排出燃料ガス分流連通孔３９が形成される２つの第５小径端部６３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６小径端部６４とを備える。第４小径端部６２には、幅狭な４つの橋架部６６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５小径端部６３及び２つの第６小径端部６４には、それぞれ２つの幅狭な橋架部６７、６８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、区画部７７を介して第１及び第２燃料ガス通路部７６ａ、７６ｂに分割される。
図８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の矢印Ａ方向両端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に燃料ガスを供給するための第１配管１２６が接続される。各酸化剤ガス供給連通孔５０の矢印Ａ方向両端に対応してそれぞれ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第２配管１３０が接続される。
各排出燃料ガス分流連通孔３９の矢印Ａ方向両端に対応してそれぞれ２枚のプレート１３２が配設されるとともに、各プレート１３２には、前記排出燃料ガス分流連通孔３９から排出燃料ガスを排出するための第３配管１３４が接続される。この第３配管１３４は、第１配管１２６の上流側に連通しており、第２燃料ガス通路部７６ｂと燃料ガス供給連通孔３６とは、排出燃料ガス分流連通孔３９を介して連通する。
矢印Ａ方向両端のプレート１２４同士、プレート１２８同士及びプレート１３２同士は、締付ボルト９８により固定される。一方のプレート１２４には、燃料ガス供給連通孔３６を第１配管１２６に連通する複数の孔部１３６ａが形成される。一方のプレート１２８には、酸化剤ガス供給連通孔５０を第２配管１３０に連通する複数の孔部１３６ｃが形成されるとともに、一方のプレート１３２には、排出燃料ガス分流連通孔３９を第３配管１３４に連通する複数の孔部１３６ｂが形成される。
このように構成される第２の実施形態では、第１配管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に燃料ガスが供給されるとともに、各第２配管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に供給された燃料ガスは、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。燃料ガスは、各燃料ガス通路７６に沿って第１及び第３円板部４２ａ、７０ａ間に形成された各第１燃料ガス通路部７６ａに導入される。
このため、各第１燃料ガス通路部７６ａに導入された燃料ガスは、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。
アノード電極２４に沿って燃料ガス流路４５を移動する燃料ガスは、反応により消費されて排出燃料ガスとして排ガス通路に排出されるとともに、その少なくとも一部が排出燃料ガス分流口４７から各第２燃料ガス通路部７６ｂに導入される。各第２燃料ガス通路部７６ｂには、排出燃料ガス分流通路８５を介して２つの排出燃料ガス分流連通孔３９に連通している。
このため、各排出燃料ガス分流連通孔３９に沿って排出燃料ガスが積層方向に移動し、各第３配管１３４から第１配管１２６の上流側に合流し、未使用の燃料ガスとともに、前記排出燃料ガスが燃料ガス供給連通孔３６に送られる。これにより、排出燃料ガスに含まれる未燃の燃料ガスを再利用することができるとともに、前記排出燃料ガス中の水分の有効利用が図られ、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
図１０は、第２の実施形態に係る燃料電池１１０が積層された燃料電池スタック１１２を組み込む燃料電池システム１４０の断面概略説明図である。
燃料電池システム１４０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１４０は、燃料電池スタック１１２を収容するケーシング１４２を備える。ケーシング１４２の開放側端部には、略リング状の熱交換器１４４がねじ止めされるとともに、前記熱交換器１４４の端部には、ヘッド板１４６が固着される。
熱交換器１４４の内方には、燃料ガスの流れ方向（燃料電池スタック１１２の積層方向）に沿って、蒸発器１４８、エゼクタ１５０及び改質器１５２が同軸的に配設される。蒸発器１４８には、改質用燃料供給管１５４と水供給管１５６とが接続されるとともに、改質器１５２には、燃料電池スタック１１２の第１配管１２６に連結される改質ガス供給管１５８が接続される。
エゼクタ１５０には、燃料電池スタック１１２の第３配管１３４に連結される排出燃料ガス戻し管１６０が接続される。このエゼクタ１５０は、負圧による吸引作用を介して、蒸発器１４８から供給される改質用燃料に排出燃料ガスを混合する機能を有する。
ヘッド板１４６には、空気供給管１６２と排ガス管１６４とが接続される。熱交換器１４４内には、空気供給管１６２から前記熱交換器１４４を介して空気が流通する通路１６６と、燃料電池スタック１１２の排ガス通路６１から前記熱交換器１４４を介して排ガス管１６４に至る通路１６８とが設けられる。この通路１６８は、熱交換器１４４の端部内壁に形成された開口部１７０を介して排ガス通路６１に連通する。
燃料電池システム１４０は、ケーシング１４２を介して燃料電池スタック１１２が矢印Ａ方向一端に配設される一方、熱交換器１４４、蒸発器１４８、エゼクタ１５０及び改質器１５２を含む流体部が、矢印Ａ方向他端に集中して配設される。効率的な熱利用を図ることができるからである。
このように構成される燃料電池システム１４０では、改質用燃料供給管１５４には、例えば、都市ガス（ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、Ｃ4Ｈ10を含む）等の原燃料が供給されるとともに、水供給管１５６には水が供給される。さらに、空気供給管１６２には、酸化剤ガスである、例えば、空気が供給される。
蒸発器１４８では、水が水蒸気化されて原燃料に混在された混合燃料が得られ、この混合燃料がエゼクタ１５０を通って改質器１５２に送られる。エゼクタ１５０では、混合燃料が流動することによって内部に負圧が発生し、この負圧を介して排出燃料ガス戻し管１６０内の排出燃料ガスが吸引される。このため、改質器１５２には、排出燃料ガスが混在された混合燃料が供給され、前記改質器１５２内で水蒸気改質が行われて、改質ガス（燃料ガス）が得られる。
この改質ガスは、改質器１５２の出口に連通する改質ガス供給管１５８から燃料電池スタック１１２の第１配管１２６に送られ、さらにこの第１配管１２６から燃料ガス供給連通孔３６に供給される。
一方、空気供給管１６２から熱交換器１４４に供給される空気は、この熱交換器１４４の通路１６６に沿って移動する際、通路１６８に沿って移動する高温となった排ガスとの間で熱交換が行われる。このため、空気は、所望の温度に予め加温された後、第２配管１３０から各酸化剤ガス供給連通孔５０に供給される。
これにより、燃料電池スタック１１２では、上記と同様に、発電反応が行われるとともに、排ガスの一部が排出燃料ガス戻し管１６０を介してエゼクタ１５０に吸引され、改質器１５２に送られる。また、排ガスは、開口部１７０から通路１６８に送られ、通路１６６に沿って移動する空気との間で熱交換を行った後、排ガス管１６４から排出される。
このように、燃料電池システム１４０では、燃料ガス及び水蒸気を含む排出燃料ガスが、エゼクタ１５０の吸引作用下に使用前の原燃料に混在して改質器１５２に送られている。従って、改質燃料ガス中の水蒸気を改質器１５２による水蒸気改質に利用することができ、燃料電池システム１４０の外部から水供給管１５６を介して前記改質器１５２に投入される水分量を良好に削減することができるという利点がある。これにより、外部から水供給管１５６に水を供給するためのポンプ等の負荷が低減され、発電効率の向上を図ることが可能になるという効果が得られる。
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。 前記燃料電池の平面説明図である。 前記燃料電池を構成する第３プレートの一部省略説明図である。 前記燃料電池の、図５中、ＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。 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。 前記燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムの概略断面図である。 特許文献１の燃料電池の概略断面説明図である。
符号の説明
１０、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 ３９…排出燃料ガス分流連通孔
４２、４２ａ、５６、５６ａ、５６ｂ、７０、７０ａ、７０ｂ…円板部
４４、５８、７８…凸部 ４５…燃料ガス流路
４６…略リング状凸部 ４７…排出燃料ガス分流口
４８…燃料ガス導入口 ５０…酸化剤ガス供給連通孔
５９…酸化剤ガス流路 ６０…酸化剤ガス導入口
７５ａ、７５ｂ…突起部 ７６…燃料ガス通路
７６ａ、７６ｂ…燃料ガス通路部 ７７…区画部
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 ８８…酸化剤ガス圧力室
９０ａ、９０ｂ、１２２ａ、１２２ｂ…エンドプレート
１４０…燃料電池システム １４２…ケーシング
１４４…熱交換器 １４８…蒸発器
１５０…エゼクタ １５２…改質器
１６０…排出燃料ガス戻し管

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電解質・電極接合体とセパレータとが交互に積層され、前記セパレータは、互いに積層される第１及び第２プレートを有し、前記第２プレート側に前記カソード電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路が形成され且つ前記第１プレート側に前記アノード電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路が形成されるとともに、使用前の燃料ガスを積層方向に供給する燃料ガス供給連通孔を設ける燃料電池であって、
    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して前記燃料ガス流路を形成する複数の凸部と、
    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、
    前記第１及び第２プレート間には、前記燃料ガス供給連通孔に連通する燃料ガス通路が形成されるとともに、
    前記燃料ガス通路は、区画部を介して第１及び第２燃料ガス通路部に分割され、
    前記第１燃料ガス通路部は、前記第１プレートの前記複数の凸部が設けられた面の裏面側と前記区画部とにより形成されるとともに、
    前記第２燃料ガス通路部は、前記第１プレートの前記略リング状凸部が設けられた面の裏面側と前記区画部とにより形成され、
    前記第１燃料ガス通路部は、前記燃料ガス供給連通孔から送られる使用前の燃料ガスを前記燃料ガス流路に供給するための燃料ガス導入口を有し、
    前記第２燃料ガス通路部は、前記アノード電極で使用された排出燃料ガスの少なくとも一部を、前記燃料ガス流路から分流させるために、前記略リング状凸部を前記積層方向に貫通して形成される排出燃料ガス分流口を有し、
    前記第２燃料ガス通路部は、前記排出燃料ガス分流口を通って分流された前記排出燃料ガスの少なくとも一部を前記積層方向に沿って流動させる排出燃料ガス分流連通孔を介して前記燃料ガス供給連通孔と連通す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。
  3. 請求項１記載の燃料電池において、前記セパレータは、前記電解質・電極接合体で反応に使用された後、前記電解質・電極接合体の外方に排出されて合流された燃料ガス及び酸化剤ガスを、排ガスとして前記積層方向に排出する排ガス通路を備え、
    前記燃料ガス供給連通孔及び前記排出燃料ガス分流連通孔は、前記排ガス通路が形成される前記電解質・電極接合体の外方領域内に設けられることを特徴とする燃料電池。
  4. 請求項１記載の燃料電池において、前記第１燃料ガス通路部は、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い、前記燃料ガスが供給されることにより前記第１プレートを前記アノード電極に圧接可能な第１燃料ガス圧力室を構成し、
    前記第２燃料ガス通路部は、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い且つ前記第１燃料ガス圧力室を周回するとともに、前記燃料ガスが供給されることにより前記第１プレートを前記アノード電極に圧接可能な第２燃料ガス圧力室を構成することを特徴とする燃料電池。
  5. 請求項１乃至４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プレート間には、前記燃料ガス通路と酸化剤ガス通路とを仕切る第３プレートが配設されることを特徴とする燃料電池。
  6. 請求項５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、前記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. 請求項１記載の燃料電池において、前記電解質・電極接合体と前記セパレータとの積層体には、水を蒸発させる蒸発器と、
    燃料を改質することにより前記燃料ガスを生成し、且つ前記燃料ガス供給連通孔に連通する改質器とが、前記燃料ガスの供給方向上流側から下流側に向かって連結されるとともに、
    前記排出燃料ガス分流連通孔は、前記蒸発器と前記改質器との間に連通して前記排出燃料ガスを前記改質器に供給することを特徴とする燃料電池。
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