JP5502714B2 - 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、固体電解質形燃料電池（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（ＭＥＡ）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９に示すように、発電セルに積層されるセパレータ１ａを備えている。セパレータ１ａは、左右のマニホールド部分２ａ、２ａと、発電セルを配置する中央の部分３ａとが、連絡部分４ａ、４ａにより連結されており、この連絡部分４ａが可撓性を有している。

また、特許文献２に開示されている燃料電池セルスタックは、図１０に示すように、セル１ｂと、カソード板状部材２ｂ及びアノード板状部材３ｂにより構成されるセパレータとを交互に積層している。

セパレータは、燃料ガスを燃料極に供給する燃料極供給マニホールド４ｂ、酸化剤ガスを空気極に供給する空気極供給マニホールド５ｂ及び燃料ガスの排ガスと未反応の燃料ガスを燃料極から排出する燃料ガス排出マニホールド６ｂとを有する内部マニホールドを構成している。

セパレータには、２枚のセル１ｂを収容するためのセルホルダ７ｂ、７ｂが、燃料極供給マニホールド４ｂ、空気極供給マニホールド５ｂ及び燃料ガス排出マニホールド６ｂを挟んで形成されている。

さらに、特許文献３に開示されているセパレータは、図１１に示すように、外部から燃料ガスを供給する燃料供給マニホールド１ｃと、外部に燃料ガスを排出する燃料排出マニホールド２ｃと、外部から酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給マニホールド３ｃとが、それぞれパイプ４ｃ、５ｃ及び６ｃによってセンタプレート７ｃに接続されている。セパレータは、これらパイプ４ｃ、５ｃ及び６ｃによって、燃料ガスの給排気及び酸化剤ガスの供給を行っている。

特開２００６−１２０５８９号公報 特開２００７−３１７５９４号公報 特開２００７−３２９０６３号公報

ところで、上記の特許文献１では、左右にマニホールド部分２ａ、２ａが設けられているため、燃料電池の発電による発生熱を介して使用前の燃料ガス及び酸化剤ガスを良好に加熱することができない。従って、電解質・電極接合体に供給される前の燃料ガス及び酸化剤ガスの温度差を低減することができず、前記電解質・電極接合体の安定した発電が遂行されないという問題がある。

しかも、高荷重を要する複数のマニホールド部分２ａ、２ａが離間しているため、熱応力が低荷重部分であるＭＥＡ積層部（中央の部分３ａ）に作用し易く、セパレータ１ａに歪みが惹起されるという問題がある。

また、上記の特許文献２では、セパレータの面内にセル１ｂが配置されるセルホルダ７ｂ、７ｂと、燃料極供給マニホールド４ｂ、空気極供給マニホールド５ｂ及び燃料ガス排出マニホールド６ｂとが一体に形成されている。このため、比較的低荷重であるセル１ｂと比較的高荷重である各マニホールドとの間で、それぞれ所望の荷重を独立して付与することができないという問題がある。

さらに、上記の特許文献３では、燃料供給マニホールド１ｃ、燃料排出マニホールド２ｃ及び酸化剤ガス供給マニホールド３ｃが、互いに離間して個別に設けられている。これにより、熱応力が低荷重部分であるＭＥＡ積層部（センタプレート７ｃ）に作用し易く、セパレータに歪みが惹起され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、簡単な構成で、熱に起因するセパレータの歪みを可及的に抑制することができ、しかも発電性能、熱効率及び耐久性の向上を図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。

この燃料電池では、セパレータは、電解質・電極接合体を挟持するとともに、アノード電極に接する一方の面側に形成され、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燃料ガス通路、及びカソード電極に接する他方の面側に形成され、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る橋架部と、前記橋架部に連結される反応ガス供給部とを備えている。橋架部には、燃料ガスを積層方向に形成される燃料ガス供給孔を介して燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給通路、燃料ガス通路を流通した前記燃料ガスを前記積層方向に形成される燃料ガス戻し孔を介して戻すための燃料ガス戻し通路、及び酸化剤ガスを前記積層方向に形成される酸化剤ガス供給孔を介して酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給通路が、それぞれ前記積層方向に交差する方向に形成され、反応ガス供給部には、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給通路に供給するための燃料ガス供給連通孔、前記燃料ガス戻し通路を流通した前記燃料ガスを導出するための燃料ガス導出連通孔、及び前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給通路に供給するための酸化剤ガス供給連通孔が、それぞれ前記積層方向に形成されている。

また、この燃料電池では、反応ガス供給部は、燃料ガス供給連通孔と酸化剤ガス供給連通孔との間に、燃料ガス導出連通孔が設けられるとともに、前記燃料ガス供給連通孔、前記燃料ガス導出連通孔及び前記酸化剤ガス供給連通孔は、挟持部の中央と橋架部とを結ぶ仮想直線に交差する方向に配列されることが好ましい。

このため、供給ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスは、燃料ガス通路を流通して燃料ガス導出連通孔を移動する高温の燃料ガスにより加熱される。従って、熱自立（外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみで燃料電池の動作温度を維持すること）が促進され、熱効率の向上が図られる。

さらに、この燃料電池では、反応ガス供給部は、橋架部の電極面に沿う短尺側の幅寸法の内方に燃料ガス導出連通孔を設けるとともに、前記橋架部の前記幅寸法の外方に前記燃料ガス供給連通孔及び酸化剤ガス供給連通孔を設けることが好ましい。

これにより、橋架部の幅寸法が良好に短尺化され、挟持部と反応ガス供給部との間で、それぞれ所望の荷重を独立して確実に付与することができる。

さらにまた、この燃料電池では、橋架部は、燃料ガス供給通路と酸化剤ガス供給通路との間に、燃料ガス戻し通路が設けられることが好ましい。このため、供給ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスは、燃料ガス通路を流通した高温の燃料ガスにより加熱される。従って、熱自立が促進され、熱効率の向上が図られる。

また、この燃料電池では、挟持部には、燃料ガス通路と燃料ガス供給通路とを連通させる少なくとも１つ以上の燃料ガス供給孔が積層方向に設けられることが好ましい。燃料ガス供給孔の数は、電解質・電極接合体の面積に応じて設定可能であるため、前記電解質・電極接合体の電極面内における燃料ガス濃度を均等化して燃料枯渇を抑制することが可能になる。

さらに、この燃料電池では、挟持部には、酸化剤ガス通路と酸化剤ガス供給通路とを連通させる少なくとも１つ以上の酸化剤ガス供給孔が積層方向に設けられることが好ましい。酸化剤ガス供給孔の数は、電解質・電極接合体の面積に応じて設定されるため、前記電解質・電極接合体の電極面内における酸化剤ガス濃度が均等化されて空気枯渇を抑制することができる。

さらにまた、この燃料電池では、挟持部には、燃料ガス通路と燃料ガス戻し通路とを連通させる少なくとも１つ以上の燃料ガス戻し孔が積層方向に設けられることが好ましい。燃料ガス通路から燃料ガス戻し通路に燃料ガスを円滑且つ確実に戻すことが可能になり、電解質・電極接合体の電極面内における燃料ガス濃度の均等化を図ることができる。

また、この燃料電池では、挟持部の周縁部には、燃料ガス通路に供給された燃料ガスを、燃料ガス戻し孔に案内するための燃料ガス戻し溝が設けられることが好ましい。これにより、燃料ガス通路を流通した燃料ガスは、燃料ガス戻し溝から燃料ガス戻し孔に円滑且つ確実に案内され、効率的な燃料ガス戻し処理が遂行される。

さらに、この燃料電池では、燃料ガス戻し溝には、挟持部の厚さ方向に燃料ガス供給通路及び酸化剤ガス供給通路を跨いで、燃料ガスを燃料ガス戻し孔に流通させる跨路部が設けられることが好ましい。このため、セパレータには、コンパクトな構成で、燃料ガス、酸化剤ガス及び戻し燃料ガスの流路を容易且つ確実に設けることができる。

さらにまた、この燃料電池では、セパレータ及び電解質・電極接合体の周縁部に密着するとともに、前記セパレータと前記電解質・電極接合体のアノード電極との間に形成される空間を封止する封止部が設けられることが好ましい。従って、電解質・電極接合体の外方に燃料ガスが漏れることがなく、前記電解質・電極接合体の外方からカソード電極に前記燃料ガスが進入することを阻止することが可能になる。これにより、カソードの還元による発電性能の低下を防止するとともに、セパレータや電解質・電極接合体の耐久性の向上を図ることができる。

しかも、電解質・電極接合体の外方からアノード電極に酸化剤ガスが進入することを阻止することが可能になる。従って、アノードの酸化による発電性能の低下を防止するとともに、セパレータや電解質・電極接合体の耐久性の向上を図ることができる。

また、この燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることが好ましい。高温型燃料電池に適用することにより、特に懸念される熱応力による挟持部や電解質・電極接合体の熱歪等を良好に抑制することが可能になる。

さらに、この燃料電池は、平板積層型固体酸化物形燃料電池であることが好ましい。このため、特に、平板型ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）のような高温型燃料電池に好適に適用することが可能になる。

本発明によれば、各マニホールドである燃料ガス供給連通孔、燃料ガス導出連通孔及び酸化剤ガス供給連通孔が、単一の反応ガス供給部に集中して設けられている。従って、ガスシールのために高荷重が必要な各マニホールドは、互いに分散されることがなく、熱に起因する膨張や収縮によってセパレータに歪みが発生することを可及的に抑制することができる。

しかも、歪みによるセパレータと電解質・電極接合体との密着不良が抑制され、発電性能の向上が図られる。さらに、歪みによる電解質・電極接合体の損傷が抑制されるため、前記電解質・電極接合体の耐久性が良好に向上する。

さらにまた、反応ガスマニホールドである反応ガス供給部には、燃料ガス供給連通孔、燃料ガス導出連通孔及び酸化剤ガス供給連通孔が設けられるとともに、橋架部には、燃料ガス供給通路、燃料ガス戻し通路及び酸化剤ガス供給通路が形成されている。これにより、供給ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスは、高温の燃料ガスによって加熱され易く、熱自立が促進されて熱効率の向上が図られる。

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。 前記燃料電池スタック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、図２中、ＩＶ−ＩＶ線断面図である。 前記燃料電池を構成するセパレータの平面説明図である。 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。 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。 前記燃料電池を構成するセパレータの平面説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池の説明図である。 特許文献２に開示されている燃料電池セルスタックの分解斜視説明図である。 特許文献３に開示されているセパレータの斜視説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０は、固体酸化物形燃料電池であり、矢印Ａ方向に複数積層されて燃料電池スタック１２を構成する。この燃料電池スタック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、後述するように、平板積層型固体酸化物形燃料電池である。

図２〜図４に示すように、燃料電池１０は、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（ＭＥＡ）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、カソード電極２２の外形寸法は、電解質２０及びアノード電極２４の外形寸法よりも小径に設定される。

電解質・電極接合体２６には、カソード電極２２に接して円板状カソード集電体２２ａと、アノード電極２４に接して円板状アノード集電体２４ａが配設される。カソード集電体２２ａ及びアノード集電体２４ａは、例えば、発泡金属により構成されるとともに、前記カソード集電体２２ａは、前記アノード集電体２４ａよりも小径に形成される。

燃料電池１０は、一組のセパレータ３０間に２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３０は、２個の電解質・電極接合体２６を挟持する挟持部３２Ａ、３２Ｂと、それぞれの一端が前記挟持部３２Ａ、３２Ｂに連結される幅狭な橋架部３４Ａ、３４Ｂと、前記橋架部３４Ａ、３４Ｂの他端が一体に連結される反応ガス供給部３６とを備える。

挟持部３２Ａ、３２Ｂと電解質・電極接合体２６との間には、カソード集電体２２ａを介装して酸化剤ガス通路３７が形成されるとともに、アノード集電体２４ａを介装して燃料ガス通路３８が形成される。

セパレータ３０は、例えば、２枚のプレートである第１プレート４０及び第２プレート４２を備え、前記第１プレート４０及び前記第２プレート４２は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成され、ろう付け、拡散接合やレーザ溶接等により互いに接合される。なお、セパレータ３０は、３枚以上のプレートを接合して構成してもよい。

図２及び図５に示すように、第１プレート４０は、反応ガス供給部３６を構成する長円形状の第１反応ガス供給部材４４を備える。この第１反応ガス供給部材４４には、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４６、燃料ガス通路３８を流通した前記燃料ガスを導出するための燃料ガス導出連通孔４８、及び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。

燃料ガス供給連通孔４６、燃料ガス導出連通孔４８及び酸化剤ガス供給連通孔５０の通路断面積は、Ａ（空気）／Ｆ（燃料）に応じて設定される。すなわち、酸化剤ガス供給連通孔５０の通路断面積は、燃料ガス供給連通孔４６の通路断面積及び燃料ガス導出連通孔４８の通路断面積よりも大きく設定される。これにより、酸化剤ガスは、ポンプ等での圧力損失の低減を図ることができ、圧力損失を最適化して運転効率が向上する。

反応ガス供給部３６は、燃料ガス供給連通孔４６と酸化剤ガス供給連通孔５０との間に、燃料ガス導出連通孔４８が設けられるとともに、前記燃料ガス供給連通孔４６、前記燃料ガス導出連通孔４８及び前記酸化剤ガス供給連通孔５０は、挟持部３２Ａ、３２Ｂの中央と橋架部３４Ａ、３４Ｂとを結ぶ仮想直線Ｌ１（矢印Ｂ方向）に交差する方向（例えば、直交する方向）（仮想直線Ｌ２）（矢印Ｃ方向）に配列される（図２参照）。

図５に示すように、第１反応ガス供給部材４４の両長辺には、幅狭な第１橋架部材５２ａ、５２ｂを介して比較的大径な第１挟持部材５４ａ、５４ｂが一体に設けられる。第１橋架部材５２ａ、５２ｂの電極面に沿う短尺側の幅寸法（図中、寸法ｔ）の内方には、燃料ガス導出連通孔４８が設けられるとともに、前記第１橋架部材５２ａ、５２ｂの前記幅寸法の外方には、燃料ガス供給連通孔４６及び酸化剤ガス供給連通孔５０が設けられる。

燃料ガス供給連通孔４６には、一対の燃料ガス供給通路５６ａ、５６ｂの一端が連通する。燃料ガス供給通路５６ａ、５６ｂの他端は、第１橋架部材５２ａ、５２ｂの長手方向（矢印Ｂ方向）に沿って第１挟持部材５４ａ、５４ｂ内に延在し、前記第１挟持部材５４ａ、５４ｂの中心で終端する。

燃料ガス導出連通孔４８には、一対の燃料ガス戻し通路５８ａ、５８ｂの一端が連通し、前記燃料ガス戻し通路５８ａ、５８ｂの他端は、第１橋架部材５２ａ、５２ｂの長手方向（矢印Ｂ方向）に沿って第１挟持部材５４ａ、５４ｂの外周縁部まで延在する。

酸化剤ガス供給連通孔５０には、一対の酸化剤ガス供給通路６０ａ、６０ｂの一端が連通し、前記酸化剤ガス供給通路６０ａ、６０ｂの他端は、第１橋架部材５２ａ、５２ｂの長手方向（矢印Ｂ方向）に沿って第１挟持部材５４ａ、５４ｂ内に延在する。

酸化剤ガス供給通路６０ａ、６０ｂの通路断面積は、燃料ガス供給通路５６ａ、５６ｂの通路断面積及び燃料ガス戻し通路５８ａ、５８ｂの通路断面積よりも大きく設定される。これにより、圧力損失を最適化して運転効率が向上する。

第１橋架部材５２ａ、５２ｂは、燃料ガス供給通路５６ａ、５６ｂと酸化剤ガス供給通路６０ａ、６０ｂとの間に、燃料ガス戻し通路５８ａ、５８ｂが設けられる。

第１挟持部材５４ａ、５４ｂは、電解質・電極接合体２６の直径よりも大径の円板形状に設定される。第１挟持部材５４ａ、５４ｂには、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給孔６２ａ、６２ｂが、例えば、前記第１挟持部材５４ａ、５４ｂの中心に対して偏心した位置に、少なくとも１つずつ形成される。酸化剤ガス供給孔６２ａ、６２ｂは、酸化剤ガス供給通路６０ａ、６０ｂの他端に連通し、この酸化剤ガス供給通路６０ａ、６０ｂを介して、酸化剤ガス供給連通孔５０に連通する。

図２に示すように、第２プレート４２は、反応ガス供給部３６を構成する長円形状の第２反応ガス供給部材６４を備える。第２反応ガス供給部材６４には、燃料ガス供給連通孔４６、燃料ガス導出連通孔４８及び酸化剤ガス供給連通孔５０が形成される。第２反応ガス供給部材６４の両長辺には、幅狭な第２橋架部材６６ａ、６６ｂを介して比較的大径な第２挟持部材６８ａ、６８ｂが一体に設けられる。

第２挟持部材６８ａ、６８ｂには、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔７０ａ、７０ｂが、例えば、前記第２挟持部材６８ａ、６８ｂの中心に、少なくとも１つずつ形成される。燃料ガス供給孔７０ａ、７０ｂは、燃料ガス供給通路５６ａ、５６ｂの他端に連通し、この燃料ガス供給通路５６ａ、５６ｂを介して、燃料ガス供給連通孔４６に連通する。

第２挟持部材６８ａ、６８ｂには、電解質・電極接合体２６の外周外方を周回して燃料ガス戻し溝７２ａ、７２ｂが設けられる。この燃料ガス戻し溝７２ａ、７２ｂには、燃料ガス通路３８と燃料ガス戻し通路５８ａ、５８ｂとを連通させる燃料ガス戻し孔７４ａ、７４ｂが、それぞれ少なくとも１つ以上連通する。燃料ガス戻し溝７２ａ、７２ｂには、第２挟持部材６８ａ、６８ｂの厚さ方向に燃料ガス供給通路５６ａ、５６ｂ及び酸化剤ガス供給通路６０ａ、６０ｂを跨いで、燃料ガスを燃料ガス戻し孔７４ａ、７４ｂに流通させる跨路部７６ａ、７６ｂが設けられる。

酸化剤ガス供給孔６２ａ、６２ｂの通路断面積は、燃料ガス供給孔７０ａ、７０ｂの通路断面積及び燃料ガス戻し孔７４ａ、７４ｂの通路断面積よりも大きく設定される。これにより、圧力損失を最適化して運転効率が向上する。

図２及び図４に示すように、挟持部３２Ａ、３２Ｂには、前記挟持部３２Ａ、３２Ｂと電解質・電極接合体２６のアノード電極２４側との間に形成される空間７８ａ、７８ｂを封止する封止部材（封止部）８０ａ、８０ｂが設けられる。封止部材８０ａ、８０ｂは、略リング形状を有し、第２挟持部材６８ａ、６８ｂに燃料ガス戻し溝７２ａ、７２ｂを周回して固定されるフランジ部８２ａ、８２ｂと、各電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の外周縁部を、カソード集電体２２ａの外方を周回して押圧する押圧部８４ａ、８４ｂとを一体に設ける。

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の積層方向一端にエンドプレート９０を配置するとともに、積層方向他端に押圧プレート９２Ａ、９２Ｂ及び９４を配置する。押圧プレート９２Ａ、９２Ｂは、挟持部３２Ａ、３２Ｂに対応して配置される一方、押圧プレート９４は、反応ガス供給部３６に対応して配置される。

押圧プレート９２Ａ、９２Ｂは、複数のボルト９６によりエンドプレート９０に固定されることによって、矢印Ａ方向に積層された電解質・電極接合体２６及び挟持部３２Ａ、３２Ｂに積層方向に比較的小さな締付荷重を付与する。押圧プレート９４は、複数のボルトによりエンドプレート９０に固定されることによって、矢印Ａ方向に積層された反応ガス供給部３６に積層方向に比較的大きな締付荷重を付与する。

なお、図示しないが、エンドプレート９０、押圧プレート９２Ａ、９２Ｂ及び９４のいずれかに、燃料ガスを供給するための配管、一旦使用された燃料ガスを導出するための配管及び酸化剤ガスを供給するための配管が配設される。

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及び図３に示すように、燃料ガス供給連通孔４６に燃料ガス（例えば、水素含有ガス）が供給されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔５０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４６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に設けられる燃料ガス供給通路５６ａ、５６ｂに沿ってセパレータ３０の面方向に移動する。

燃料ガスは、燃料ガス供給通路５６ａ、５６ｂから第２挟持部材６８ａ、６８ｂに形成された燃料ガス供給孔７０ａ、７０ｂを通って各燃料ガス通路３８に導入される。

燃料ガス供給孔７０ａ、７０ｂは、電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の中心位置に設定されている。このため、燃料ガスは、燃料ガス供給孔７０ａ、７０ｂからアノード電極２４の中心に供給された後、燃料ガス通路３８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。

燃料ガス通路３８を流通した燃料ガスは、図３及び図４に示すように、電解質・電極接合体２６の外周外方を周回する燃料ガス戻し溝７２ａ、７２ｂに導入され、前記燃料ガス戻し溝７２ａ、７２ｂに案内されて燃料ガス戻し孔７４ａ、７４ｂに移動する。従って、燃料ガスは、燃料ガス戻し孔７４ａ、７４ｂを通って燃料ガス戻し通路５８ａ、５８ｂに供給され、前記燃料ガス戻し通路５８ａ、５８ｂから燃料ガス導出連通孔４８に導出される。

一方、空気は、燃料電池スタック１２の酸化剤ガス供給連通孔５０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に設けられる酸化剤ガス供給通路６０ａ、６０ｂに沿ってセパレータ３０の面方向に移動する（図２及び図３参照）。

空気は、酸化剤ガス供給通路６０ａ、６０ｂから第１挟持部材５４ａ、５４ｂに形成された酸化剤ガス供給孔６２ａ、６２ｂを通って各酸化剤ガス通路３７に導入される。酸化剤ガス供給孔６２ａ、６２ｂは、各電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の略中心位置に設定されている。このため、空気は、酸化剤ガス供給孔６２ａ、６２ｂから各カソード電極２２の略中心に供給された後、酸化剤ガス通路３７に沿って前記カソード電極２２の外周部に向かって移動する。

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の電極面の略中心側から周端部側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。

この場合、第１の実施形態では、各マニホールドである燃料ガス供給連通孔４６、燃料ガス導出連通孔４８及び酸化剤ガス供給連通孔５０が、単一の反応ガス供給部３６に集中して設けられている。従って、ガスシールのために高荷重が必要な各マニホールド（燃料ガス供給連通孔４６、燃料ガス導出連通孔４８及び酸化剤ガス供給連通孔５０）は、互いに分散されることがない。これにより、熱に起因する膨張や収縮によって、セパレータ３０に歪みが発生することを可及的に抑制することができるという効果が得られる。

しかも、歪みによるセパレータ３０と電解質・電極接合体２６との密着不良が抑制され、発電性能の向上が図られる。さらに、歪みによる電解質・電極接合体２６の損傷が抑制されるため、前記電解質・電極接合体２６の耐久性が良好に向上する。

さらにまた、反応ガスマニホールドである反応ガス供給部３６には、燃料ガス供給連通孔４６、燃料ガス導出連通孔４８及び酸化剤ガス供給連通孔５０が設けられるとともに、橋架部３４Ａ、３４Ｂには、燃料ガス供給通路５６ａ、５６ｂ、燃料ガス戻し通路５８ａ、５８ｂ及び酸化剤ガス供給通路６０ａ、６０ｂが形成されている。これにより、供給ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスは、高温の燃料ガスによって加熱され易く、熱自立（外部から熱を加えることなく自ら発生する熱のみで燃料電池の動作温度を維持すること）が促進されて熱効率の向上が図られるという利点が得られる。

また、第１の実施形態では、反応ガス供給部３６は、燃料ガス供給連通孔４６と酸化剤ガス供給連通孔５０との間に、燃料ガス導出連通孔４８が設けられるとともに、前記燃料ガス供給連通孔４６、前記燃料ガス導出連通孔４８及び前記酸化剤ガス供給連通孔５０は、挟持部３２Ａ、３２Ｂの中央と橋架部３４Ａ、３４Ｂとを結ぶ仮想直線Ｌ１に交差する方向（仮想直線Ｌ２）に配列されている（図２参照）。

このため、供給ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスは、燃料ガス通路３８を流通して燃料ガス導出連通孔４８を移動する高温の燃料ガスにより加熱される。従って、熱自立が促進され、熱効率の向上が図られる。

さらに、反応ガス供給部３６は、橋架部３４Ａ、３４Ｂの電極面に沿う短尺側の幅寸法の内方に燃料ガス導出連通孔４８を設けるとともに、前記橋架部３４Ａ、３４Ｂの前記幅寸法の外方に燃料ガス供給連通孔４６及び酸化剤ガス供給連通孔５０を設けている。

これにより、橋架部３４Ａ、３４Ｂの幅寸法が良好に短尺化され、挟持部３２Ａ、３２Ｂと反応ガス供給部３６との間で、それぞれ所望の荷重を独立して確実に付与することができる。

さらにまた、橋架部３４Ａ、３４Ｂは、燃料ガス供給通路５６ａ、５６ｂと酸化剤ガス供給通路６０ａ、６０ｂとの間に、燃料ガス戻し通路５８ａ、５８ｂが設けられている。このため、供給ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスは、燃料ガス通路３８を流通した高温の燃料ガスにより加熱される。従って、熱自立が促進され、熱効率の向上が図られる。

また、挟持部３２Ａ、３２Ｂには、燃料ガス通路３８と燃料ガス供給通路５６ａ、５６ｂとを連通させる燃料ガス供給孔７０ａ、７０ｂが、それぞれ少なくとも１つ以上設けられている。燃料ガス供給孔７０ａ、７０ｂの数は、電解質・電極接合体２６の面積に応じて設定可能であるため、前記電解質・電極接合体２６の電極面内における燃料ガス濃度を均等化して燃料枯渇を抑制することが可能になる。

さらに、挟持部３２Ａ、３２Ｂには、酸化剤ガス通路３７と酸化剤ガス供給通路６０ａ、６０ｂとを連通させる酸化剤ガス供給孔６２ａ、６２ｂが、それぞれ少なくとも１つ以上設けられている。酸化剤ガス供給孔６２ａ、６２ｂの数は、電解質・電極接合体２６の面積に応じて設定されるため、前記電解質・電極接合体２６の電極面内における酸化剤ガス濃度が均等化されて空気枯渇を抑制することができる。

さらにまた、挟持部３２Ａ、３２Ｂには、各燃料ガス通路３８と燃料ガス戻し通路５８ａ、５８ｂとを連通させる燃料ガス戻し孔７４ａ、７４ｂが、それぞれ少なくとも１つ以上設けられている。各燃料ガス通路３８から燃料ガス戻し通路５８ａ、５８ｂに燃料ガスを円滑且つ確実に戻すことが可能になり、電解質・電極接合体２６の電極面内における燃料ガス濃度の均等化を図ることができる。

また、挟持部３２Ａ、３２Ｂの周縁部には、燃料ガス通路３８に供給された燃料ガスを、燃料ガス戻し孔７４ａ、７４ｂに案内するための燃料ガス戻し溝７２ａ、７２ｂが設けられている。これにより、燃料ガス通路３８を流通した燃料ガスは、燃料ガス戻し溝７２ａ、７２ｂから燃料ガス戻し孔７４ａ、７４ｂに円滑且つ確実に案内され、効率的な燃料ガス戻し処理が遂行される。

さらに、燃料ガス戻し溝７２ａ、７２ｂには、挟持部３２Ａ、３２Ｂの厚さ方向に燃料ガス供給通路５６ａ、５６ｂ及び酸化剤ガス供給通路６０ａ、６０ｂを跨いで、燃料ガスを燃料ガス戻し孔７４ａ、７４ｂに流通させる跨路部７６ａ、７６ｂが設けられている。このため、セパレータ３０には、コンパクトな構成で、燃料ガス、酸化剤ガス及び戻し燃料ガスの流路を容易且つ確実に設けることができる。

さらにまた、セパレータ３０及び電解質・電極接合体２６の周縁部に密着するとともに、前記セパレータ３０と前記電解質・電極接合体２６のアノード電極２４との間に形成される空間７８ａ、７８ｂを封止する封止部材８０ａ、８０ｂが設けられている。従って、電解質・電極接合体２６の外方に燃料ガスが漏れることがなく、前記電解質・電極接合体２６の外方からカソード電極２２に前記燃料ガスが進入することを阻止することが可能になる。これにより、カソードの還元による発電性能の低下を防止するとともに、セパレータ３０や電解質・電極接合体２６の耐久性の向上を図ることができる。

しかも、電解質・電極接合体２６の外方からアノード電極２４に酸化剤ガスが進入することを阻止することが可能になる。従って、アノードの酸化による発電性能の低下を防止するとともに、セパレータ３０や電解質・電極接合体２６の耐久性の向上を図ることができる。

また、燃料電池１０は、高温型燃料電池である固体酸化物形燃料電池を構成することにより、特に懸念される熱応力による挟持部３２Ａ、３２Ｂや電解質・電極接合体２６の熱歪等を良好に抑制することが可能になる。

さらに、燃料電池１０は、平板積層型固体酸化物形燃料電池である。このため、特に、平板型ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）のような高温型燃料電池に好適に適用することが可能になる。

図６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は、一組のセパレータ１０２間に１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１０２は、１個の電解質・電極接合体２６を挟持する挟持部３２と、一端が前記挟持部３２に連結される幅狭な橋架部３４と、前記橋架部３４の他端が一体に連結される反応ガス供給部３６とを備える。

セパレータ１０２は、例えば、２枚のプレートである第１プレート１０４及び第２プレート１０６を備える。第１プレート１０４は、第１反応ガス供給部材４４、幅狭な第１橋架部材５２及び第１挟持部材５４を一体に設ける。第１橋架部材５２には、燃料ガス供給通路５６、燃料ガス戻し通路５８及び酸化剤ガス供給通路６０が形成される一方、第１挟持部材５４には、酸化剤ガス供給孔６２が形成される。

第２プレート１０６は、第２反応ガス供給部材６４、幅狭な第２橋架部材６６及び第２挟持部材６８を一体に設ける。第２挟持部材６８には、燃料ガス供給孔７０、燃料ガス戻し溝７２、燃料ガス戻し孔７４及び跨路部７６が設けられる。

挟持部３２には、前記挟持部３２と電解質・電極接合体２６のアノード電極２４側との間に形成される空間７８を封止する封止部材８０が設けられる。

酸化剤ガス供給通路６０の通路断面積は、燃料ガス供給通路５６の通路断面積及び燃料ガス戻し通路５８の通路断面積よりも大きく設定される。酸化剤ガス供給孔６２の通路断面積は、燃料ガス供給孔７０の通路断面積及び燃料ガス戻し孔７４の通路断面積よりも大きく設定される。

このように構成される第２の実施形態では、セパレータ１０２間に単一の電解質・電極接合体２６が挟持されている他、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１１０の分解斜視図である。

燃料電池１１０は、一組のセパレータ１１２間に４個の電解質・電極接合体２６が、このセパレータ１１２の中心部である反応ガス供給部１１４を中心に同心円上に配列される。

セパレータ１１２は、図７及び図８に示すように、４個の電解質・電極接合体２６を挟持する挟持部３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ及び３２Ｄと、それぞれの一端が前記挟持部３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ及び３２Ｄに連結される幅狭な橋架部３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ及び３４Ｄと、前記橋架部３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ及び３４Ｄの他端が一体に連結される反応ガス供給部１１４とを備える。

セパレータ１１２は、例えば、２枚のプレートである第１プレート１１６及び第２プレート１１８を備える。第１プレート１１６は、反応ガス供給部１１４を構成する円形状の第１反応ガス供給部材１２０を設ける。第１反応ガス供給部材１２０には、４本の幅狭な第１橋架部材５２ａ、５２ｂ、５２ｃ及び５２ｄが等角度（９０°）間隔ずつ離間して一体化されるとともに、前記第１橋架部材５２ａ、５２ｂ、５２ｃ及び５２ｄには、比較的大径な第１挟持部材５４ａ、５４ｂ、５４ｃ及び５４ｄが一体に設けられる。

第１反応ガス供給部材１２０は、中心に燃料ガス導出連通孔４８が形成されるとともに、前記燃料ガス導出連通孔４８の外方には、それぞれ対角位置に燃料ガス供給連通孔４６ａと４６ｂ及び酸化剤ガス供給連通孔５０ａと５０ｂが形成される。燃料ガス供給連通孔４６ａは、第１橋架部材５２ａ、５２ｄ間に、燃料ガス供給連通孔４６ｂは、第１橋架部材５２ｂ、５２ｃ間に、酸化剤ガス供給連通孔５０ａは、第１橋架部材５２ａ、５２ｃ間に、酸化剤ガス供給連通孔５０ｂは、第１橋架部材５２ｂ、５２ｄ間に、それぞれ設けられる。

第１橋架部材５２ａ、５２ｂ、５２ｃ及び５２ｄには、燃料ガス供給通路５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄと、燃料ガス戻し通路５８ａ、５８ｂ、５８ｃ及び５８ｄと、酸化剤ガス供給通路６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄとが形成される。燃料ガス供給通路５６ａ、５６ｄの一端は、燃料ガス供給連通孔４６ａに連通する一方、燃料ガス供給通路５６ｂ、５６ｃの一端は、燃料ガス供給連通孔４６ｂに連通する。酸化剤ガス供給通路６０ａ、６０ｃの一端は、酸化剤ガス供給連通孔５０ａに連通する一方、酸化剤ガス供給通路６０ｂ、６０ｄの一端は、酸化剤ガス供給連通孔５０ｂに連通する。

第１挟持部材５４ａ、５４ｂ、５４ｃ及び５４ｄには、酸化剤ガス供給孔６２ａ、６２ｂ、６２ｃ及び６２ｄが形成される。酸化剤ガス供給通路６０ａ、６０ｂ、６０ｃ及び６０ｄの他端は、酸化剤ガス供給孔６２ａ、６２ｂ、６２ｃ及び６２ｄに連通する。

第２プレート１１８は、反応ガス供給部１１４を構成する円形状の第２反応ガス供給部材１２２を設ける。第２反応ガス供給部材１２２には、４本の幅狭な第２橋架部材６６ａ、６６ｂ、６６ｃ及び６６ｄが等角度（９０°）間隔ずつ離間して一体化されるとともに、前記第２橋架部材６６ａ、６６ｂ、６６ｃ及び６６ｄには、比較的大径な第２挟持部材６８ａ、６８ｂ、６８ｃ及び６８ｄが一体に設けられる。

第２挟持部材６８ａ、６８ｂ、６８ｃ及び６８ｄの中央には、燃料ガス供給通路５６ａ、５６ｂ、５６ｃ及び５６ｄの他端が連通する燃料ガス供給孔７０ａ、７０ｂ、７０ｃ及び７０ｄが形成される。第２挟持部材６８ａ、６８ｂ、６８ｃ及び６８ｄには、燃料ガス戻し溝７２ａ、７２ｂ、７２ｃ及び７２ｄと、燃料ガス戻し孔７４ａ、７４ｂ、７４ｃ及び７４ｄと、跨路部７６ａ、７６ｂ、７６ｃ及び７６ｄとが設けられる。

酸化剤ガス供給連通孔５０ａ、５０ｂの通路断面積は、燃料ガス供給連通孔４６ａ、４６ｂの通路断面積及び燃料ガス導出連通孔４８の通路断面積よりも大きく設定される。酸化剤ガス供給通路６０ａ、６０ｂの通路断面積は、燃料ガス供給通路５６ａ、５６ｂの通路断面積及び燃料ガス戻し通路５８ａ、５８ｂの通路断面積よりも大きく設定される。酸化剤ガス供給孔６２ａ、６２ｂの通路断面積は、燃料ガス供給孔７０ａ、７０ｂの通路断面積及び燃料ガス戻し孔７４ａ、７４ｂの通路断面積よりも大きく設定される。

このように構成される第３の実施形態では、セパレータ１１２間に４個の電解質・電極接合体２６が挟持されている他、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、１００、１１０…燃料電池 １２…燃料電池スック
２０…電解質 ２２…カソード電極
２２ａ…カソード集電体 ２４…アノード電極
２４ａ…アノード集電体 ２６…電解質・電極接合体
３０、１０２、１１２…セパレータ ３２、３２Ａ〜３２Ｄ…挟持部
３４、３４Ａ〜３４Ｄ…橋架部 ３６、１１４…反応ガス供給部
３７…酸化剤ガス通路 ３８…燃料ガス通路
４０、４２、１０４、１０６、１１６、１１８…プレート
４４、６４、１２０、１２２…反応ガス供給部材
４６、４６ａ、４６ｂ…燃料ガス供給連通孔
４８…燃料ガス導出連通孔 ５０…酸化剤ガス供給連通孔
５２、５２ａ〜５２ｄ、６６、６６ａ〜６６ｄ…橋架部材
５４、５４ａ〜５４ｄ、６８、６８ａ〜６８ｄ…挟持部材
５６、５６ａ〜５６ｄ…燃料ガス供給通路
５８、５８ａ〜５８ｄ…燃料ガス戻し通路
６０、６０ａ〜６０ｄ…酸化剤ガス供給通路
６２、６２ａ〜６２ｄ…酸化剤ガス供給孔
７０、７０ａ〜７０ｄ…燃料ガス供給孔
７２、７２ａ〜７２ｄ…燃料ガス戻し溝
７４、７４ａ〜７４ｄ…燃料ガス戻し孔
７６、７６ａ〜７６ｄ…跨路部 ７８、７８ａ、７８ｂ…空間
８０、８０ａ、８０ｂ…封止部材 ９０…エンドプレート

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、前記アノード電極に接する一方の面側に形成され、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燃料ガス通路、及び前記カソード電極に接する他方の面側に形成され、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酸化剤ガス通路が設けられる挟持部と、
   前記挟持部に連結される橋架部と、
   前記橋架部に連結される反応ガス供給部と、
   を備え、
   前記橋架部には、前記燃料ガスを積層方向に形成される燃料ガス供給孔を介して前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給通路、前記燃料ガス通路を流通した前記燃料ガスを前記積層方向に形成される燃料ガス戻し孔を介して戻すための燃料ガス戻し通路、及び前記酸化剤ガスを前記積層方向に形成される酸化剤ガス供給孔を介して前記酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給通路が、それぞれ前記積層方向に交差する方向に形成され、
   前記反応ガス供給部には、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給通路に供給するための燃料ガス供給連通孔、前記燃料ガス戻し通路を流通した前記燃料ガスを導出するための燃料ガス導出連通孔、及び前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給通路に供給するための酸化剤ガス供給連通孔が、それぞれ前記積層方向に形成さ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、前記反応ガス供給部は、前記燃料ガス供給連通孔と前記酸化剤ガス供給連通孔との間に、前記燃料ガス導出連通孔が設けられるとともに、
   前記燃料ガス供給連通孔、前記燃料ガス導出連通孔及び前記酸化剤ガス供給連通孔は、前記挟持部の中央と前記橋架部とを結ぶ仮想直線に交差する方向に配列されることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池において、前記反応ガス供給部は、前記橋架部の前記電極面に沿う短尺側の幅寸法の内方に前記燃料ガス導出連通孔を設けるとともに、
   前記橋架部の前記幅寸法の外方に前記燃料ガス供給連通孔及び前記酸化剤ガス供給連通孔を設けることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記橋架部は、前記燃料ガス供給通路と前記酸化剤ガス供給通路との間に、前記燃料ガス戻し通路が設けられることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記挟持部には、前記燃料ガス通路と前記燃料ガス供給通路とを連通させる少なくとも１つ以上の前記燃料ガス供給孔が前記積層方向に設けられることを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記挟持部には、前記酸化剤ガス通路と前記酸化剤ガス供給通路とを連通させる少なくとも１つ以上の前記酸化剤ガス供給孔が前記積層方向に設けられることを特徴とする燃料電池。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記挟持部には、前記燃料ガス通路と前記燃料ガス戻し通路とを連通させる少なくとも１つ以上の前記燃料ガス戻し孔が前記積層方向に設けら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、前記挟持部の周縁部には、前記燃料ガス通路に供給された前記燃料ガスを、前記燃料ガス戻し孔に案内するための燃料ガス戻し溝が設けられることを特徴とする燃料電池。
9. 請求項８記載の燃料電池において、前記燃料ガス戻し溝には、前記挟持部の厚さ方向に前記燃料ガス供給通路及び前記酸化剤ガス供給通路を跨いで、前記燃料ガスを前記燃料ガス戻し孔に流通させる跨路部が設けられることを特徴とする燃料電池。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記セパレータ及び前記電解質・電極接合体の周縁部に密着するとともに、前記セパレータと前記電解質・電極接合体の前記アノード電極との間に形成される空間を封止する封止部が設けられることを特徴とする燃料電池。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする燃料電池。
12. 請求項１１記載の燃料電池において、前記固体酸化物形燃料電池は、平板積層型固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする燃料電池。

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