JP5049531B2 - 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・電極接合体が、セパレータ間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、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。その際、燃料電池スタックでは、各燃料ガス通路及び各酸化剤ガス通路に燃料ガス及び酸化剤ガスを分配するために、積層方向に延在する燃料ガス供給部及び酸化剤ガス供給部が設けられた内部マニホールドを構成する場合がある。
例えば、特許文献１に開示されている平板型固体電解質燃料電池では、図２２に示すように、単電池（図示せず）と交互に配設されるセパレータ１を備えている。このセパレータ１は、四隅にガス給気孔２ａ、３ａとガス排気孔２ｂ、３ｂとが積層方向に設けられるとともに、複数列のガス流通溝４ａと突起４ｂとが交互に面方向に沿って形成されている。
ガス流通溝４ａは、三角凹み５ａ、５ｂを介してガス給気孔２ａ及びガス排気孔２ｂに連通している。三角凹み５ａには、ガス給気孔２ａに近接するガス導入部にガスの流れを絞るための手段として絞り部６及び障害物７が設けられている。この絞り部６及び障害物７は、ガス給気孔２ａからガス導入部に流入するガスの圧力損失を増加させる作用を有している。
また、ガス流通溝４ａの両端側には、溝深さを浅くしてガス流通導入口部８ａ及びガス流通導出口部８ｂが設けられており、ガス流の圧力損失機能を持たせている。
特開平１０−１７２５９４号公報（図２）
しかしながら、上記の特許文献１では、セパレータ１の製造工程中や使用時において、絞り部６に塵埃等の異物が詰まると、ガス給気孔２ａからガス流通溝４ａに反応ガスを供給することができない。このため、セパレータ１全体を交換しなければならず、前記セパレータ１の製造費及び保守管理に必要なコストが増加するという問題がある。
さらに、セパレータ１と単電池とを交互に積層してスタック化する際、ガス給気孔２ａ、３ａ及びガス排気孔２ｂ、３ｂを確実にシールする必要があり、前記セパレータ１には、比較的大きな締め付け荷重が必要とされる。一方、ガス流通溝４ａ及び突起４ｂに対応して配置される各単電池に、シール用の比較的大きな締め付け荷重が付与されると、前記単電池が必要以上に加圧されて該単電池が損傷するおそれがある。
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、積層された各電解質・電極接合体の電極面に対して反応ガスを良好に供給するとともに、塵埃等の進入に容易に対応する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。
このセパレータは、電解質・電極接合体を挟持するとともに、アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス通路及びカソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路が個別に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通路に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス通路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、反応ガス供給部は、着脱自在な流路部材を配置するとともに、前記流路部材には、反応ガス供給連通孔から反応ガス供給通路に供給される燃料ガス又は酸化剤ガスを絞るための絞り用孔部を有する絞り部が設けられている。
また、流路部材には、反応ガス供給連通孔から反応ガス供給通路に供給される燃料ガス又は酸化剤ガスをろ過するためのろ過用孔部を有するろ過部が設けられることが好ましい。
さらに、本発明では、反応ガス供給部は、着脱自在な流路部材を設けるとともに、前記流路部材には、反応ガス供給連通孔から反応ガス供給通路に供給される燃料ガス又は酸化剤ガスをろ過するためのろ過用孔部を有するろ過部と、前記反応ガス供給連通孔から前記反応ガス供給通路に供給される前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを絞るための絞り用孔部を有する絞り部とが設けられている。
さらにまた、流路部材には、反応ガス供給連通孔から反応ガス供給通路に供給される燃料ガス又は酸化剤ガスを絞るための絞り用孔部を有する絞り部が設けられることが好ましい。
また、ろ過部は、絞り部よりも燃料ガス又は酸化剤ガスの流れ方向上流側に配置されることが好ましい。さらに、絞り用孔部の内径は、ろ過用孔部の内径よりも大径に設定されることが好ましい。さらにまた、絞り用孔部の数は、ろ過用孔部の数よりも少ないことが好ましい。
また、流路部材には、ろ過部と絞り部との間に配設され、燃料ガス又は酸化剤ガスを調圧するための調圧室を有する調圧部が設けられることが好ましい。
さらに、流路部材には、反応ガス供給連通孔から絞り部又はろ過部に供給される燃料ガス又は酸化剤ガスを分配するための分配溝を有する分配部が設けられることが好ましい。
さらにまた、流路部材には、該流路部材を反応ガス供給部に位置決めするための突出部が設けられることが好ましい。
また、セパレータは、単一の反応ガス供給部に複数の橋架部を介して複数の挟持部が連結されるとともに、前記反応ガス供給部と各挟持部との中心間距離は、同一距離に設定されることが好ましい。
さらに、絞り用孔部の数は、各挟持部に挟持される電解質・電極接合体の数に対応して設定されることが好ましい。さらにまた、突出部は、各挟持部に挟持される電解質・電極接合体の数に対応して設定されることが好ましい。
本発明によれば、流路部材に絞り部が設けられており、この絞り部は、反応ガス供給連通孔内の反応ガス（燃料ガス及び／又は酸化剤ガス）の圧力損失に比較して、前記反応ガス供給連通孔から反応ガス供給通路への前記反応ガスの圧力損失を大きくする機能を有している。このため、セパレータの積層方向及び／又はセパレータの面方向に対して反応ガスを均等に供給することができ、発電性能を良好に向上させるとともに、安定した発電を行うことが可能になる。
しかも、流路部材は、反応ガス供給部に対して着脱自在である。従って、絞り部に塵埃等の異物が詰まった際には、流路部材のみを交換するだけでよく、セパレータ全体を交換する必要がない。これにより、セパレータの製造コスト及び保守費用が良好に削減され、経済的である。
また、本発明によれば、流路部材にろ過部が設けられており、反応ガス供給連通孔から反応ガス供給通路に供給される燃料ガス又は酸化剤ガスをろ過し、塵埃等の異物を除去することができる。このため、反応ガス供給通路から燃料ガス通路や酸化剤ガス通路に連通する通路溝や孔部等の詰まりを阻止することが可能になり、反応ガスを良好且つ円滑に供給することができる。
しかも、流路部材は、反応ガス供給部に対して着脱自在である。従って、ろ過部に塵埃等の異物が詰まった際には、流路部材のみを交換するだけでよく、セパレータ全体を交換する必要がない。これにより、セパレータの製造コスト及び保守費用が良好に削減され、経済的である。
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。
燃料電池スタック１２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１０は、固体電解質型燃料電池であり、この燃料電池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とともに、少なくとも外周端面部には、酸化剤ガス及び燃料ガスの進入や排出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。
燃料電池１０は、各セパレータ２８間に複数、例えば、８個の電解質・電極接合体２６が、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と同心円上に配列される。
セパレータ２８は、図２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を形成する燃料ガス供給部（反応ガス供給部）３２を有する。この燃料ガス供給部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挟持部３６が一体的に設けられる。燃料ガス供給部３２と各挟持部３６との中心間距離は、同一距離に設定される。
各挟持部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、前記挟持部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。
各挟持部３６のアノード電極２４に接触する面３６ａには、前記アノード電極２４の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路４０が形成される。この燃料ガス通路４０は、各挟持部３６の面３６ａに形成される複数の突起部４２により構成される。
突起部４２は、面３６ａに、例えば、エッチングにより形成される中実部、又はプレスにより形成される中空部で構成される。突起部４２の断面形状は、矩形状、円形状、長円形状、楕円形状、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、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。以下に説明する他の突起部は、上記の突起部４２と同様に構成される。
図４に示すように、各挟持部３６のカソード電極２２に接触する面３６ｂは、略平坦面に形成されるとともに、図２及び図４に示すように、燃料ガス供給部３２には、燃料ガス供給連通孔３０を周回して複数の連通孔４６が形成される。
図２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６０が、例えば、ろう付け、拡散接合やレーザ溶接等により固着される。
通路部材６０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を形成する燃料ガス供給部６２を備える。燃料ガス供給部６２から放射状に８本の第２橋架部６４が延在するとともに、各第２橋架部６４は、セパレータ２８の第１橋架部３４から挟持部３６の面３６ｂに燃料ガス導入口３８を覆って固着される（図５参照）。燃料ガス供給部６２から第２橋架部６４には、燃料ガス供給連通孔３０から燃料ガス導入口３８に連通する燃料ガス供給通路４４が形成される。燃料ガス供給通路４４は、例えば、エッチング又はプレスにより形成される。燃料ガス供給部６２には、燃料ガス供給連通孔３０を囲繞してリング状凸部６６が設けられる。この凸部６６は、燃料ガス供給連通孔３０を燃料ガス供給通路４４に対してシールする。
挟持部３６の面３６ｂには、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７０を形成し且つ前記カソード電極２２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７２が配設される。
メッシュ部材７２は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ材）の線材で構成され、円板状を有する。このメッシュ部材７２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て挟持部３６の面３６ｂに直接接触するとともに、通路部材６０を避けるために切り欠き部７２ａを設ける（図２及び図５参照）。
図５に示すように、メッシュ部材７２が設けられる範囲は、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２よりも小さな領域に設定される。メッシュ部材７２に設けられる酸化剤ガス通路７０は、電解質・電極接合体２６の内側周端部と挟持部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連通孔７４に連通する。この酸化剤ガス供給連通孔７４は、各挟持部３６の内方と第１橋架部３４との間に位置して積層方向（矢印Ａ方向）に延在している。燃料電池１０には、挟持部３６の外方に位置して排ガス通路７５が形成される。
各セパレータ２８間には、連通孔４６を囲繞するとともに、燃料ガス供給連通孔３０をシールするための絶縁シール７６、７７を介装して流路部材７８が着脱自在に配設される。絶縁シール７６、７７は、例えば、マイカ材、ガラス材やセラミック材で形成されるとともに、前記絶縁シール７６には、燃料ガス供給連通孔３０を周回して複数、例えば、８つの孔部７６ａが設けられる。
図６及び図７に示すように、流路部材７８は、絶縁シール７６上に配置される絞り部８０を備え、この絞り部８０には、調圧部８２、ろ過部８４及び分配部８６が積層されてろう付け、拡散接合又はレーザ溶接等によって一体化される。絞り部８０、調圧部８２、ろ過部８４及び分配部８６は、それぞれ金属製薄板を円板状に形成しており、外周部には、１つ以上、例えば、４つの突出部８８が外方に膨出形成される。
各突出部８８は、第１橋架部３４に対応しており、実質的に８つの前記第１橋架部３４に対して１つおきに前記突出部８８が重ね合わされる。突出部８８は、全ての第１橋架部３４に重ね合わされるように、８つに設定することもできる。
絞り部８０には、燃料ガス供給連通孔３０の周囲に、この燃料ガス供給連通孔３０から燃料ガス供給通路４４に供給される燃料ガスを絞るための絞り用孔部８０ａが、前記燃料ガス供給通路４４に対応して８つ形成される。
調圧部８２には、燃料ガス供給連通孔３０の周囲に、一部を閉塞した略リング状の開口部からなる調圧室８２ａが設けられる。
ろ過部８４には、燃料ガス供給連通孔３０を周回して前記燃料ガス供給連通孔３０から燃料ガス供給通路４４に供給される燃料ガスをろ過するための複数のろ過用孔部８４ａが設けられる。
分配部８６には、ろ過部８４に対向する面側に、燃料ガス供給連通孔３０からこのろ過部８４に供給される燃料ガスを分配するための複数の分配溝８６ａが設けられる。分配溝８６ａは、周回溝８６ｂに連通するとともに、この周回溝８６ｂは、ろ過部８４に設けられる複数のろ過用孔部８４ａに連通する。分配溝８６ａ間には、締め付け荷重により前記分配溝８６ａが閉塞されることを阻止するための凸部８６ｃが設けられる。
流路部材７８では、図５〜図７に示すように、調圧室８２ａが絞り用孔部８０ａとろ過用孔部８４ａとを連通する位置に設定される。絞り用孔部８０ａの内径Ｄ１は、ろ過用孔部８４ａの内径Ｄ２よりも大径（Ｄ１＞Ｄ２）に設定されるとともに、前記絞り用孔部８０ａの数Ｎ１は、前記ろ過用孔部８４ａの数Ｎ２より少なく（Ｎ１＜Ｎ２）設定される。なお、絞り用孔部８０ａの数Ｎ１は、実際上８に設定される。
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の積層方向両端に略円板状のエンドプレート９０ａ、９０ｂを配置する。エンドプレート９０ａの中央部には、燃料ガス供給連通孔３０に対応して孔部９２が設けられるとともに、前記孔部９２の周囲には、酸化剤ガス供給連通孔７４に対応して複数の孔部９４が設けられる。エンドプレート９０ａ、９０ｂ間は、ねじ孔９６に螺合する図示しないボルトにより矢印Ａ方向に締め付けられている。
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。
燃料電池スタック１２を組み付ける際には、先ず、図２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６０が接合される。このため、セパレータ２８と通路部材６０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４４が形成されるとともに、前記燃料ガス供給通路４４が燃料ガス導入口３８から燃料ガス通路４０に連通する（図５参照）。
その際、通路部材６０の凸部６６がセパレータ２８の燃料ガス供給部３２に固着され、燃料ガス供給連通孔３０が燃料ガス供給通路４４に直接連通することを阻止する。すなわち、燃料ガス供給連通孔３０は、連通孔４６を介してのみ燃料ガス供給通路４４に連通する。
さらに、各セパレータ２８間には、燃料ガス供給連通孔３０を囲繞してリング状の絶縁シール７６、７７が設けられるとともに、前記絶縁シール７６、７７間に流路部材７８が配置される。これにより、燃料ガス供給連通孔３０を酸化剤ガス供給連通孔７４や排ガス通路７５に対してシールするとともに、前記燃料ガス供給連通孔３０から流路部材７８を介して燃料ガス供給通路４４に連通する。そして、セパレータ２８間には、８個の電解質・電極接合体２６が挟持されて燃料電池１０が得られる。
その際、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３６ｂと電解質・電極接合体２６との間には、メッシュ部材７２が介装されるとともに、前記メッシュ部材７２の切り欠き部７２ａは、通路部材６０に対応して配置される。上記の燃料電池１０が矢印Ａ方向に複数積層され、積層方向両端にエンドプレート９０ａ、９０ｂが配置されて燃料電池スタック１２が構成される。
次に、燃料電池スタック１２では、図１に示すように、エンドプレート９０ａの孔部９２から燃料ガス供給連通孔３０に燃料ガス（水素含有ガス）が供給されるとともに、孔部９４から酸化剤ガス供給連通孔７４に酸化剤ガスである酸素含有ガス（以下、空気ともいう）が供給される。
燃料ガスは、燃料電池スタック１２の燃料ガス供給連通孔３０に沿って積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら、各燃料電池１０に設けられる流路部材７８に供給される。流路部材７８では、図５及び図７に示すように、この流路部材７８内の燃料ガス供給連通孔３０を通過する燃料ガスの一部が、分配部８６に設けられている分配溝８６ａを通って周回溝８６ｂに導入される。周回溝８６ｂには、ろ過部８４に設けられているろ過用孔部８４ａが連通しており、燃料ガスは、前記周回溝８６ｂから前記ろ過用孔部８４ａを通って調圧部８２の調圧室８２ａに供給される。
調圧室８２ａで調圧された燃料ガスは、絞り部８０に設けられている絞り用孔部８０ａを通って絶縁シール７６の孔部７６ａ及び連通孔４６から燃料ガス供給通路４４に送られる。このため、燃料ガスは、燃料ガス供給通路４４に沿ってセパレータ面方向（矢印Ｂ方向）に移動する。
図５に示すように、燃料ガスは、燃料ガス供給通路４４から挟持部３６に形成された燃料ガス導入口３８を通って燃料ガス通路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。従って、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に沿って前記アノード電極２４の外周部に向かって移動する。
一方、酸化剤ガス供給連通孔７４に供給された空気は、電解質・電極接合体２６の内側周端部と挟持部３６の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に流入し、メッシュ部材７２に形成された酸化剤ガス通路７０に送られる。酸化剤ガス通路７０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。
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。
なお、各電解質・電極接合体２６の外周部に排出される発電反応後の空気及び発電反応後の燃料ガスは、オフガスとして排ガス通路７５を介して燃料電池スタック１２から排出される（図１参照）。
この場合、第１の実施形態では、流路部材７８は、絞り部８０を有するとともに、この絞り部８０には、複数の絞り用孔部８０ａが形成されている。このため、絞り部８０では、燃料ガス供給連通孔３０内の燃料ガスの圧力損失に比較して、前記燃料ガス供給連通孔３０から燃料ガス供給通路４４への燃料ガスの圧力損失を大きくする機能を有している。
従って、セパレータ２８の積層方向及び前記セパレータ２８の面方向（各橋架部３４、６４間や各挟持部３６）に対して燃料ガスを均等に供給することができ、各電解質・電極接合体２６での発電性能を均一且つ安定させるとともに、燃料電池スタック１２の安定した発電が可能になるという効果が得られる。しかも、絞り用孔部８０ａが設けられるため、燃料ガス導入口３８の開口径を比較的大径に設定することができ、この燃料ガス導入口３８の詰まりを良好に阻止することが可能になる。
さらに、第１の実施形態では、流路部材７８を構成するろ過部８４には、多数のろ過用孔部８４ａが設けられている。これにより、燃料ガス供給連通孔３０から燃料ガス供給通路４４に供給される燃料ガスをろ過することができ、前記燃料ガス供給通路４４に塵埃等の異物が進入することを確実に阻止することが可能になる。
このため、燃料ガス供給通路４４から燃料ガス通路４０に連通する通路溝や孔部（燃料ガス導入口３８等）の詰まりを阻止し、燃料ガスを良好且つ円滑にアノード電極２４に供給することができるという効果が得られる。
しかも、第１の実施形態では、流路部材７８は、燃料ガス供給部３２に対し絶縁シール７６、７７を介装して着脱自在に配設されている。従って、絞り部８０に塵埃等の異物が詰まった際や、ろ過部８４に前記異物が詰まった際には、流路部材７８のみを交換するだけでよく、セパレータ２８全体を交換する必要がない。これにより、セパレータ２８の製造コスト及び保守費用が良好に削減され、経済的であるという利点がある。
さらにまた、流路部材７８では、ろ過部８４が絞り部８０よりも燃料ガスの流れ方向上流側に配置されている。このため、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３０から燃料ガス供給通路４４に向かう途上で、先ずろ過部８４によってろ過されて塵埃等の異物が除去された後、絞り部８０に導入れる。これにより、絞り部８０では、複数の絞り用孔部８０ａの詰まりを良好に阻止することが可能になる。
その際、絞り部８０の絞り用孔部８０ａの内径Ｄ１が、ろ過部８４のろ過用孔部８４ａの内径Ｄ２よりも大径に設定されている。従って、ろ過部８４における異物除去機能が一層向上し、絞り部８０の絞り用孔部８０ａの詰まりを可及的に阻止することが可能になるという効果がある。
さらに、ろ過用孔部８４ａの数Ｎ２は、絞り用孔部８０ａの数Ｎ１よりも多数に設定されており、前記ろ過用孔部８４ａに塵埃等の異物が部分的に詰まった場合にも、絞り部８０への燃料ガス供給を良好に遂行することができる。
また、ろ過部８４と絞り部８０との間には、燃料ガスを調圧するための調圧部８２が配置されている。この調圧部８２は、燃料ガス供給連通孔３０から燃料ガス供給通路４４に供給される燃料ガスの圧力変動や、セパレータ２８の面方向に流動する前記燃料ガスの圧力不均等を整える作用を有している。このため、各絞り用孔部８０ａを介して燃料ガス供給通路４４に燃料ガスを均等に供給することが可能になるとともに、電解質・電極接合体２６による発電性能の向上と安定化を図ることができる。
さらにまた、流路部材７８を構成する分配部８６には、積層方向に沿って燃料ガス供給連通孔３０を流れる燃料ガスを、セパレータ面方向に沿って前記燃料ガスを流す燃料ガス供給通路４４に分配するための分配溝８６ａを有している。これにより、燃料ガスを積層方向からセパレータ面方向に円滑に供給するとともに、各分配溝８６ａ間に設けられる凸部８６ｃにより燃料ガス供給連通孔３０近傍に付与される締め付け荷重を受けることができ、前記分配溝８６ａの閉塞を阻止することが可能になる。なお、燃料ガス供給部３２と各挟持部３６とは、各橋架部３４、６４を介して前記締め付け荷重が遮断されるため、各電解質・電極接合体２６に対し過度の締め付け荷重がかかるおそれがない。
さらに、流路部材７８には、第１橋架部３４の数に対応して１〜８、具体的には、４つの突出部８８が設けられている。従って、突出部８８を第１橋架部３４に重ね合わせて配置するだけで、連通孔４６が閉塞されることがなく、流路を確実に確保することができ、流路部材７８の取り付け作業が容易且つ確実に遂行さ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１００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６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１００を構成するセパレータ１０２には、カソード電極２２に対向する面に酸化剤ガス通路７０が設けられる。この酸化剤ガス通路７０は、各挟持部３６の面３６ｂに形成される複数の突起部１０４により構成される（図９及び図１０参照）。この突起部１０４は、突起部４２と同様に構成される。
この第２の実施形態では、突起部４２、１０４によって電解質・電極接合体２６やセパレータ１０２の歪みを低減するとともに、酸化剤ガスの均等な流れが達成される他、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１０６の分解斜視図であり、図１２は、前記燃料電池１０６の動作を説明する概略断面説明図である。
燃料電池１０６を構成するセパレータ１０７では、挟持部３６の面３６ａに、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、メッシュ部材７２が配設される。
この第３の実施形態では、メッシュ部材７２の変形作用下に、前記メッシュ部材７２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１３は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１０８の分解斜視図であり、図１４は、前記燃料電池１０８の動作を説明する概略断面説明図である。
燃料電池１０８を構成するセパレータ１０９では、アノード電極２４に対向する面に、通路部材６０が固着される。この通路部材６０は、各第２橋架部６４の先端に複数の燃料ガス導入口３８が形成されるとともに、燃料ガス供給部６２に燃料ガス供給連通孔３０を周回して連通孔４６が形成される。なお、挟持部３６には、燃料ガス導入口３８が設けられていない。通路部材６０の燃料ガス供給部６２には、流路部材７８が着脱自在に配置される。
図１５は、本発明の第５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１６は、前記燃料電池１１０の分解斜視説明図である。
燃料電池１１０は、一組のセパレータ１１４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１１４は、互いに積層される第１、第２及び第３プレート１１６、１１８及び１２０を備える。第１〜第３プレート１１６、１１８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２プレート１１８の両面に、前記第１プレート１１６と前記第３プレート１２０とが、例えば、ろう付け、拡散接合又はレーザ溶接等により接合される。
図１６及び図１７に示すように、第１プレート１１６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３０が形成される第１燃料ガス供給部１２２を備える。この第１燃料ガス供給部１２２には、燃料ガス供給連通孔３０から燃料ガス通路４０側に離間して単一の連通孔１２４が形成される。第１燃料ガス供給部１２２には、幅狭な橋架部１２６を介して比較的大径な第１挟持部１２８が一体的に設けられる。第１挟持部１２８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挟持部１２８のアノード電極２４に接触する面には、燃料ガス通路４０を構成する多数の第１突起部１３０が、外周縁部近傍から中心部にわたって設けられる。第１挟持部１２８の外周縁部には、略リング状突起部１３２が設けられる。第１突起部１３０及び略リング状突起部１３２は、集電部を構成する。
第１挟持部１２８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３８が形成される。なお、第１突起部１３０は、略リング状突起部１３２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３プレート１２０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７４が形成される第１酸化剤ガス供給部１３４を備える。この第１酸化剤ガス供給部１３４には、酸化剤ガス供給連通孔７４を囲繞してリング状凸部１３５が設けられる。第１酸化剤ガス供給部１３４には、幅狭な橋架部１３６を介して比較的大径な第２挟持部１３８が一体的に設けられる。
第２挟持部１３８は、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２に接する面に、酸化剤ガス通路７０を構成する複数の第２突起部１４０が面内全面にわたって形成される（図１８参照）。第２突起部１４０は、集電部を構成する。第２挟持部１３８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１４２が形成される。
図１６に示すように、第２プレート１１８は、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１４４と、酸化剤ガス供給連通孔７４が形成される第２酸化剤ガス供給部１４６とを備える。第２燃料ガス供給部１４４及び第２酸化剤ガス供給部１４６は、幅狭な橋架部１４８、１５０を介して比較的大径な第３挟持部１５２と一体的に構成される。第３挟持部１５２は、第１及び第２挟持部１２８、１３８と同一直径に設定される。
第２燃料ガス供給部１４４には、燃料ガス供給連通孔３０を囲繞してリング状凸部１５４が形成される。橋架部１２６、１４８間には、燃料ガス導入口３８に連通する燃料ガス供給通路１５６が設けられる（図１８参照）。第３挟持部１５２には、複数の第３突起部１５８が形成され、この第３突起部１５８は、燃料ガス供給通路１５６の一部を構成する。
第２酸化剤ガス供給部１４６には、酸化剤ガス供給連通孔７４から酸化剤ガス通路７０側に離間して単一の連通孔１６０が形成される。橋架部１３６、１５０間には、酸化剤ガス導入口１４２に連通する酸化剤ガス供給通路１６２が設けられる（図１８参照）。
第１プレート１１６が第２プレート１１８の一方の面にろう付けされることにより、第１及び第２プレート１１６、１１８間には、燃料ガス通路４０に連通する燃料ガス供給通路１５６が設けられる。同様に、第２プレート１１８が第３プレート１２０にろう付けされることにより、第２及び第３プレート１１８、１２０間には、酸化剤ガス通路７０に連通する酸化剤ガス供給通路１６２が形成される。
各セパレータ１１４間には、燃料ガス供給連通孔３０を囲繞して流路部材７８が着脱自在に配置されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔７４を囲繞して流路部材７８ａが着脱自在に配置される。流路部材７８ａは、上記の流路部材７８と同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。
図１５に示すように、燃料電池スタック１１２は、複数の燃料電池１１０の積層方向両端にエンドプレート１７０ａ、１７０ｂを配置する。エンドプレート１７０ａには、燃料電池１１０の燃料ガス供給連通孔３０に連通する第１配管１７２と、酸化剤ガス供給連通孔７４に連通する第２配管１７４とが接続される。エンドプレート１７０ａ、１７０ｂは、締付ボルト１７６により締め付け保持されるとともに、前記エンドプレート１７０ａもしくは前記エンドプレート１７０ｂは、前記締付ボルト１７６と電気的に絶縁される。
このように構成される燃料電池スタック１１２の動作について、以下に説明する。
エンドプレート１７０ａに接続されている第１配管１７２から燃料ガス供給連通孔３０に燃料ガス（例えば、水素含有ガス）が供給されるとともに、前記エンドプレート１７０ａに接続された第２配管１７４から酸化剤ガス供給連通孔７４に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（図１５参照）。
燃料ガス供給連通孔３０に供給された燃料ガスは、図１８に示すように、積層方向（矢印Ａ方向）に移動し、各燃料電池１１０に対応して流路部材７８内に分岐した後、連通孔１２４を通って燃料ガス供給通路１５６に供給される。この燃料ガスは、燃料ガス供給通路１５６から燃料ガス導入口３８を介して燃料ガス通路４０に供給される。
一方、酸化剤ガス供給連通孔７４に供給された酸化剤ガスは、積層方向に移動し、各燃料電池１１０に対応して流路部材７８ａ内に分岐される。この酸化剤ガスは、連通孔１６０を通って酸化剤ガス供給通路１６２に供給され、前記酸化剤ガス供給通路１６２に連通する酸化剤ガス導入口１４２から酸化剤ガス通路７０に導入される。
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酸化剤ガスが供給され、発電が行われる。そして、発電に使用された燃料ガス及び酸化剤ガスは、排ガスとして第１〜第３挟持部１２８、１５２及び１３８の外周部から排ガス通路７５に排気される。
この場合、第５の実施形態では、図１８に示すように、酸化剤ガス供給連通孔７４を流れる酸化剤ガスの一部は、流路部材７８ａ内を通って酸化剤ガス供給通路１６２に供給されている。その際、流路部材７８ａは、上記の流路部材７８と同様に、絶縁シール７６、７７間に配置される絞り部８０、調圧部８２、ろ過部８４及び分配部８６を一体に固定して構成されている。
これにより、酸化剤ガス供給連通孔７４内の酸化剤ガスの圧力損失に比較して、前記酸化剤ガス供給連通孔７４から酸化剤ガス供給通路１６２への酸化剤ガスの圧力損失を大きくする機能を有することができる。
さらに、ろ過部８４を介して塵埃等の異物を除去することができ、酸化剤ガス供給通路１６２から酸化剤ガス通路７０に連通する通路溝や孔部等の詰まり等を阻止することが可能になる。
しかも、流路部材７８ａは、絶縁シール７６、７７を介装して着脱自在であり、絞り部８０の詰まりやろ過部８４の詰まりに際して、流路部材７８ａのみを交換するだけでよい。これにより、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
図１９は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池１８０が、矢印Ａ方向に複数積層された燃料電池スタック１８２の概略斜視説明図であり、図２０は、前記燃料電池１８０の分解斜視図である。
燃料電池１８０は、図２０に示すように、一組のセパレータ１８４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１８４は、第１プレート１８６、第２プレート１８８及び一対の第３プレート１９０ａ、１９０ｂを備える。第１〜第３プレート１８６、１８８、１９０ａ及び１９０ｂは、例えば、ステンレス合金等の板金で構成され、前記第２プレート１８８の両面には、前記第１プレート１８６と前記第３プレート１９０ａ、１９０ｂとが、例えば、ろう付け、拡散接合又はレーザ溶接等により接合される。
第１プレート１８６は、燃料ガス供給連通孔３０が形成される第１燃料ガス供給部１９２を備え、前記第１燃料ガス供給部１９２には、前記燃料ガス供給連通孔３０を周回して４つの連通孔１９４が形成される。第１燃料ガス供給部１９２には、幅狭な４つの橋架部１９６を介して比較的大径な４つの第１挟持部１９８が一体的に設けられる。
第１挟持部１９８のアノード電極２４に接触する面には、燃料ガス通路４０を構成する多数の第１突起部２００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挟持部１９８の外周縁部には、略リング状突起部２０２が設けられる。第１突起部２００及び略リング状突起部２０２は、集電部を構成する。第１挟持部１９８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３８が形成される。
第３プレート１９０ａ、１９０ｂは、それぞれ酸化剤ガス供給連通孔７４が形成される第１酸化剤ガス供給部２０６を備える。各第１酸化剤ガス供給部２０６には、酸化剤ガス供給連通孔７４を囲繞してリング状凸部２０８が設けられる。第１酸化剤ガス供給部２０６には、幅狭なそれぞれ２つの橋架部２１０を介して比較的大径なそれぞれ２つの第２挟持部２１２が一体的に設けられる。
第２挟持部２１２は、図２１に示すように、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２に接する面に、複数の第２突起部２１４が面内全面にわたって形成される。第２突起部２１４は、集電部を構成する。第２挟持部２１２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１４２が形成される。
第２プレート１８８は、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２１６を備える。この第２燃料ガス供給部２１６には、燃料ガス供給連通孔３０を囲繞してリング状凸部２１８が形成される。第２燃料ガス供給部２１６には、幅狭な４つの橋架部２２０を介して比較的大径な４つの第３挟持部２２２が一体的に設けられる。
各第３挟持部２２２には、燃料ガス供給通路２２４が形成されるとともに、各燃料ガス供給通路２２４は、略リング状の凸部により構成される区画部２２６を介して第１及び第２燃料ガス供給通路部２２４ａ、２２４ｂに分割される。第３挟持部２２２の面内には、区画部２２６の内方に位置して複数の第３突起部２２８が形成される。
第３挟持部２２２には、それぞれ２つの幅狭な橋架部２２９を介して２つの第２酸化剤ガス供給部２３０が一体的に設けられる。第２酸化剤ガス供給部２３０には、酸化剤ガス供給連通孔７４を周回して２つの連通孔２３２が形成される。
セパレータ１８４間には、燃料ガス供給連通孔３０を囲繞して流路部材７８が着脱自在に配置されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔７４を囲繞して流路部材７８ａが着脱自在に配置される。
図１９に示すように、燃料電池スタック１８２は、複数の燃料電池１８０の積層方向両端にそれぞれ４枚のエンドプレート２４２ａ、２４２ｂを配置する。燃料ガス供給連通孔３０の矢印Ａ方向両端に対応してプレート２４４が配設され、このプレート２４４には、前記燃料ガス供給連通孔３０に燃料ガスを供給するための第１配管２４６が接続される。
各酸化剤ガス供給連通孔７４の矢印Ａ方向両端に対応してそれぞれ２枚のプレート２４８が配設されるとともに、各プレート２４８には、前記酸化剤ガス供給連通孔７４に空気を供給するための第２配管２５０が接続される。矢印Ａ方向両端のプレート２４４同士及びプレート２４８同士は、締付ボルト（図示せず）により固定される。
このように構成される第６の実施形態では、図１９に示すように、第１配管２４６を介して燃料電池スタック１８２内の燃料ガス供給連通孔３０に燃料ガスが供給されるとともに、各第２配管２５０を介して前記燃料電池スタック１８２内の酸化剤ガス供給連通孔７４に空気が供給される。
燃料ガス供給連通孔３０に供給された燃料ガスは、図２１に示すように、積層方向に移動しながら、各燃料電池１８０を構成する各セパレータ１８４間の流路部材７８に分岐され、連通孔１９４を通って燃料ガス供給通路２２４に供給される。燃料ガスは、各燃料ガス供給通路２２４に沿って各第１燃料ガス供給通路部２２４ａに導入される。
このため、各第１燃料ガス供給通路部２２４ａに導入された燃料ガスは、それぞれの燃料ガス導入口３８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７４に供給された空気は、セパレータ１８４間の流路部材７８ａに分岐した後、連通孔２３２を通って酸化剤ガス供給通路１６２を移動する。さらに、空気は、第２挟持部２１２の中心位置に設けられる酸化剤ガス導入口１４２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。
この第６の実施形態では、上記の第１〜第５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。 前記セパレータの説明図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 前記燃料電池を構成する流路部材の分解斜視図である。 前記流路部材の流れ説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 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。 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４の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 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５の実施形態に係る燃料電池が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。 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６の実施形態に係る燃料電池が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。 特許文献１の平板型固体電解質燃料電池を構成するセパレータの説明図である。
符号の説明
１０、１００、１０６、１０８、１１０、１８０…燃料電池
１２、１１２、１８２…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、１０２、１０７、１０９、１１４、１８４…セパレータ
３０…燃料ガス供給連通孔
３４、６４、１２６、１３６、１４８、１５０、１９６、２１０、２２０、２２９…橋架部
３６、１２８、１３８、１５２、１９８、２１２、２２２…挟持部
３８…燃料ガス導入口 ４０…燃料ガス通路
４２、１０４、１３０、１４０、１５８、２００、２１４、２２８…突起部
４４、１５６、２２４…燃料ガス供給通路
４６、１２４、１６０、１９４、２３２…連通孔
６０…通路部材
６２、１２２、１４４、１９２、２１６…燃料ガス供給部
７０…酸化剤ガス通路 ７２…メッシュ部材
７４…酸化剤ガス供給連通孔 ７５…排ガス通路
７６、７７…絶縁シール ７８、７８ａ、１７８ａ…流路部材
８０…絞り部 ８０ａ…絞り用孔部
８２…調圧部 ８２ａ…調圧室
８４…ろ過部 ８４ａ…ろ過用孔部
８６…分配部 ８６ａ…分配溝
８６ｂ…周回溝 ８６ｃ…凸部
８８…突出部
１３４、１４６、２０６、２３０…酸化剤ガス供給部
１４２…酸化剤ガス導入口 １６２…酸化剤ガス供給通路

Claims (12)

  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、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燃料ガス通路及び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酸化剤ガス通路が個別に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通路に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス通路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、
    前記反応ガス供給部は、着脱自在な流路部材を配置するとともに、
    前記流路部材には、前記反応ガス供給連通孔から前記反応ガス供給通路に供給される前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを絞るための絞り用孔部を有する絞り部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、前記流路部材には、前記反応ガス供給連通孔から前記反応ガス供給通路に供給される前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスをろ過するためのろ過用孔部を有するろ過部が設けられることを特徴とする燃料電池。
  3. 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、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燃料ガス通路及び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酸化剤ガス通路が個別に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通路に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス通路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、
    前記反応ガス供給部は、着脱自在な流路部材を配置するとともに、
    前記流路部材には、前記反応ガス供給連通孔から前記反応ガス供給通路に供給される前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスをろ過するためのろ過用孔部を有するろ過部と、
    前記反応ガス供給連通孔から前記反応ガス供給通路に供給される前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを絞るための絞り用孔部を有する絞り部と、
    が設けられることを特徴とする燃料電池。
  4. 請求項２又は３記載の燃料電池において、前記ろ過部は、前記絞り部よりも前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスの流れ方向上流側に配置されることを特徴とする燃料電池。
  5. 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、前記絞り用孔部の内径は、前記ろ過用孔部の内径よりも大径に設定されることを特徴とする燃料電池。
  6. 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、前記絞り用孔部の数は、前記ろ過用孔部の数よりも少ないことを特徴とする燃料電池。
  7. 請求項２乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記流路部材には、前記ろ過部と前記絞り部との間に配設され、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを調圧するための調圧室を有する調圧部が設けられることを特徴とする燃料電池。
  8. 請求項２乃至７のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記流路部材には、前記反応ガス供給連通孔から前記絞り部又は前記ろ過部に供給される前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを分配するための分配溝を有する分配部が設けられることを特徴とする燃料電池。
  9. 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、前記流路部材には、該流路部材を前記反応ガス供給部に位置決めするための突出部が形成されることを特徴とする燃料電池。
  10. 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、前記セパレータは、単一の前記反応ガス供給部に複数の前記橋架部を介して複数の前記挟持部が連結されるとともに、
    前記反応ガス供給部と各挟持部との中心間距離は、同一距離に設定されることを特徴とする燃料電池。
  11. 請求項１０記載の燃料電池において、前記絞り用孔部の数は、各挟持部に挟持される前記電解質・電極接合体の数に対応して設定されることを特徴とする燃料電池。
  12. 請求項９記載の燃料電池において、前記突出部は、各挟持部に挟持される前記電解質・電極接合体の数に対応して設定されることを特徴とする燃料電池。
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