JP6214279B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、平板型の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）に関し、その中でも特にセパレータ等の積層構造に関する。

燃料電池は、燃料を用いて電気を作ることができる装置である。燃料電池は、電解質の種類によって大別されており、例えば、樹脂等の高分子薄膜を電解質に用いた固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）や、固体酸化物を電解質に用いた固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）などがある。その中でも特にＳＯＦＣは発電効率が高いことから近年注目を集めている。

ＳＯＦＣには、一対の電極の間に電解質が挟まれた構造を有する平板状のセルが、セパレータ等とともに多数積層して構成されているタイプがある（平板型）。ＳＯＦＣの燃料には、空気や酸素の酸化ガスと、水素や一酸化炭素の燃料ガスとが用いられる。

例えば、ＰＥＦＣは特許文献１に開示されており、ＳＯＦＣは特許文献２に開示されている。

特開２００６−２３６６１２号公報 特開２００２−３４３３７６号公報

ＳＯＦＣでは、発電効率の向上や耐久性を高めるうえで、燃料ガスを各セルの電極面に均等に供給することが重要な課題となっている。

図１に、板状のセルやセパレータ等を積層してブロック状に構成されているＳＯＦＣの主要部（セルスタック１００）を例示する。セルスタック１００の中心部分には、各セルの電極面が交互に積層方向に並ぶ集電部１０１が存在しており、セルスタック１００の周辺部分には、積層方向に延びる給気マニホールド１０２や排気マニホールド１０３が形成されている。酸化ガス（通常は空気が用いられる）や燃料ガスは、給気マニホールド１０２を通じて各セルの電極面に供給され、排気マニホールド１０３を通じて排気される。

集電部では、セルの両面のそれぞれに沿って給気マニホールド１０２から排気マニホールド１０３に向かって流れる櫛歯状のガス流路がセパレータに形成されており、これらガス流路を通じて各セルに燃料ガスや空気が分配供給される。

各ガス流路は、縦方向に延びる給気マニホールド１０２と直交し、しかも給気マニホールド１０２から横方向に拡がるように延びているため、全てのガス流路に燃料ガスを安定して均等に供給するのは容易でない。各ガス流路への燃料ガスの供給がばらつくと、発電効率の低下や局所的な過電流が発生する。そのため、ＳＯＦＣの発電効率の向上や耐久性を高めるうえで、燃料ガスを電極面の全面に均等に分配供給することが重要な課題となっている。

特許文献２には、空気を対象としたものではあるが、各セルの電極面に均等に分配供給できるようにした流路が開示されている。

そこでは、図２の（ａ）に示すように、空気極側のセパレータを、平板１０５とスリット板１０６とを圧着して構成している。平板１０５には、空気用及び燃料用の各ヘッダー１０７，１０８が貫通形成され、スリット板１０６には、燃料用ヘッダー１０８と、櫛歯状の複数のスリット１０９とが貫通形成されている。各スリット１０９の端部は、図２の（ｂ）に示すように、空気用ヘッダー１０７と重ねられており、空気用ヘッダー１０７から各スリット１０９に直接空気が取り込まれ、各セルの電極面に分配供給されるようになっている。

ところが、この構造の場合、空気供給用ヘッダー１０７の内部は、スリット板１０６ごとにスリット１０９間の細板部分によって遮られるため、空気供給用ヘッダー１０７に沿って流れる空気の円滑な流れが阻害されて圧損が生じる。特にＳＯＦＣでは多数積層されるのが一般的であるため、その影響を受け易い。

この点、空気であれば、原料コストが不要なため、多量の空気を供給することにより、圧損が生じても各セルに十分な量の空気を供給できる。しかし、燃料ガスは、原料コストが必要なため、空気と同じようには扱えない。ランニングコストの観点から、燃料ガスの場合は、供給量を抑えて効率的に供給する必要がある。

従って、この方法では、各セルの電極面に均等に燃料ガスを安定して供給するのは難しい。

そこで、本発明の目的は、各セルの電極面に燃料ガスを均等に安定して供給できる燃料電池を提供することにある。

開示する燃料電池は、発電要素を複数積層して構成される燃料電池である。前記発電要素は、一方の主面にアノード、他方の主面にカソードが接続された板状のセルと、前記アノードに電気的に接続するように積層されるアノードプレートと、前記カソードに電気的に接続するように積層されるカソードプレートと、を備える。

前記アノードプレートは、積層方向に貫通して燃料ガスの流路となるように、前記セルの外周囲に位置する燃料給気マニホールドと、前記燃料給気マニホールド側から前記セルを中心とした対向側の端部側に向けて延在する複数の第１ガス流路と、前記燃料給気マニホールドと前記セルの間にあって、前記複数の第１ガス流路を横断して連通するように形成される第２ガス流路と、を有している。

そして、前記燃料給気マニホールドからガス取入口を経由して前記第２ガス流路に流入した燃料ガスが、前記第１ガス流路に流入することを規制する規制部を、前記第２ガス流路の前記ガス取入口に対向する対向面に沿って設けたことを特徴とする。

前記第１ガス流路と前記規制部は、前記発電要素の積層方向に沿って異なる高さ位置にあってもよい。

また、前記ガス取入口と前記規制部は、前記発電要素の積層方向に沿って略同じ高さ位置にあってもよい。

前記アノードプレートと前記カソードプレートの間に配置されて互いを電気的に絶縁するとともに、前記セルを内包するように開口が設けられた絶縁プレートをさらに備え、前記開口の内縁に前記セルの端面が接することにより、前記セルが前記発電要素内で位置決めされるようにすることができる。

前記規制部は、前記セルの端面を含むものであってもよく、前記第２ガス流路の前記ガス取入口に対向する対向面は、前記セルの端面により構成されていてもよい。

前記アノードプレートは、前記燃料給気マニホールドを構成する燃料通過口、を備える平板状の第１プレートと、前記燃料通過口と、複数の前記第１ガス流路を構成する第１スリットと、を備える第２プレートと、前記燃料通過口と、前記セルを内包するように設けられた開口と、前記燃料通過口と前記開口を連通する前記ガス取入口を構成する切欠と、を備える第３プレートと、を有し、前記第２プレート面内において、前記燃料通過口は前記第１スリットに連通せず、各々の前記燃料通過口が積層方向に連通するように、前記第１プレート、前記第２プレート及び前記第３プレートがこの順に積層されることによって前記アノードプレートが構成されているようにしてもよい。

また、前記アノードプレートは、前記燃料給気マニホールドを構成する燃料通過口、を備える平板状の第１プレートと、前記燃料通過口と、複数の前記第１ガス流路を構成する第１スリットと、を備える第２プレートと、前記燃料通過口と、前記セルを内包するように設けられた開口と、前記燃料通過口と前記開口の間に位置して前記第２ガス流路を構成する第２スリットと、前記燃料通過口と前記第２スリットを連通する前記ガス取入口を構成する切欠と、を備える第３プレートと、を有し、前記第２プレート面内において、前記燃料通過口は前記第１スリットに連通せず、前記第３プレート面内において、前記第２スリットは前記開口に連通せず、各々の前記燃料通過口が積層方向に連通するように、前記第１プレート、前記第２プレート及び前記第３プレートがこの順に積層されることによって前記アノードプレートが構成されているようにしてもよい。

更にまた、前記アノードプレートは、前記燃料給気マニホールドを構成する燃料通過口、を備える平板状の第１プレートと、前記燃料通過口と、前記燃料通過口に連通して前記ガス取入口を構成する切欠と、複数の前記第１ガス流路を構成する第１スリットと、を備える第２プレートと、前記燃料通過口と、前記セルを内包するように設けられた開口と、前記燃料通過口と前記開口の間に位置して前記第２ガス流路を構成する第２スリットと、を備える第３プレートと、を有し、前記第２プレート面内において、前記第１スリットは前記燃料通過口および前記切欠の何れにも連通せず、前記第３プレート面内において、前記燃料通過口、第２スリット、前記開口は何れも連通せず、各々の前記燃料通過口が積層方向に連通するように、前記第１プレート、前記第２プレート及び前記第３プレートがこの順に積層されることによって前記アノードプレートが構成されているようにしてもよい。

更にまた、前記アノードプレートは、前記燃料給気マニホールドを構成する燃料通過口、を備える平板状の第１プレートと、前記燃料通過口と、前記燃料通過口に連通して前記ガス取入口を構成する切欠と、複数の前記第１ガス流路を構成する第１スリットと、を備える第２プレートと、前記燃料通過口と、前記セルを内包するように設けられた開口と、を備える第３プレートと、を有し、前記第２プレート面内において、前記第１スリットは前記燃料通過口および前記切欠の何れにも連通せず、前記第３プレート面内において、前記燃料通過口は前記開口に連通せず、各々の前記燃料通過口が積層方向に連通するように、前記第１プレート、前記第２プレート及び前記第３プレートがこの順に積層されることによって前記アノードプレートが構成されているしてもよい。

本発明によれば、積層数が多くても、各セルの電極面に燃料ガスを均等に安定して供給できる燃料電池が得られる。

従来の燃料電池の一例を示す概略斜視図である。 （ａ），（ｂ）は、従来の燃料電池の空気流路の一例を示す概略斜視図である。 実施形態の燃料電池を示す概略斜視図である。 図３におけるＷ−Ｗ線から見た発電要素を示す概略断面図である。 発電要素を示す概略分解斜視図である。 カソードプレートを示す概略分解斜視図である。 アノードプレートを示す概略分解斜視図である。 セルの位置決めを説明するための図である。 図４の矢印Ｘの方向から見た概略図である。 図９におけるＹ−Ｙ線での断面を見た概略図である。 図９におけるＺ−Ｚ線での断面を見た概略図である。 ガス流路の変形例を示す概略図である。 第１変形例の燃料電池における図４相当図である。ただし、ガス流路は分か易いように表してある。 第２変形例の燃料電池における図４相当図である。ただし、ガス流路は分か易いように表してある。 第３変形例の燃料電池における図４相当図である。ただし、ガス流路は分か易いように表してある。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。ただし、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物あるいはその用途を制限するものではない。

（燃料電池）
図３に、本実施形態の燃料電池を示す。この燃料電池は、平板型の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣともいう）であり、その主要部（セルスタック１）は、それぞれが発電機能を有する複数の発電要素２を繰り返し積層して柱状に構成されている。

このＳＯＦＣの場合、積層方向から見た平面視での輪郭は、矩形の四つの辺部のそれぞれから張出部３が小さく張り出した略十字形に形成されている。なお、ＳＯＦＣの輪郭形状はこれに限るものではなく、矩形や円形等、仕様に合わせて適宜変更できる。

セルスタック１の各辺部には、各発電要素２に燃料ガスと空気（酸化ガスの一例）とを供給するために、これらの流路を構成するマニホールド４，５，６，７が、積層方向に延びるように形成されている。具体的には、燃料ガス用の給気マニホールド４（燃料給気マニホールド）及び排気マニホールド６が、互いに対向している一対の張出部３，３のそれぞれに分かれて設けられており、空気用の給気マニホールド５及び排気マニホールド７が、他方の一対の張出部３，３のそれぞれに分かれて設けられている。

このＳＯＦＣの場合、空気用の給気マニホールド５及び排気マニホールド７は、辺部に沿って並ぶ３つの縦孔で構成され、燃料ガス用の給気マニホールド４及び排気マニホールド６は、辺部に沿って並ぶ４つの縦孔で構成されている。なお、マニホールドの構成はこれに限るものではなく、その数や形状は仕様に合わせて適宜変更できる。

各発電要素２を流れる空気は、白抜きの実線矢印が示すように、給気マニホールド５から排気マニホールド７に向かって流れ、各発電要素２を流れる燃料ガスは、白抜きの破線矢印が示すように、空気と交差して流れる。

各発電要素２では、これら空気及び燃料ガスを利用して発電が行われる。ＳＯＦＣでは、これら発電要素２を多数積層することによって高出力が得られるようになっている。

（発電要素）
図４及び図５に、その発電要素２を詳細に示す。

発電要素２は、セル１０やカソードプレート２０、アノードプレート３０、絶縁プレート４０、シール材５０などで構成されている。アノードプレート３０とカソードプレート２０とは、絶縁プレート４０を介して互いに重ね合わされている。重ね合わされたアノードプレート３０及びカソードプレート２０の内部には、平面視矩形の電池収容空間６０が形成されている。

セル１０は、この電池収容空間６０に嵌め込まれる矩形板状の部材である。セル１０は、カソード１１（空気極）及びアノード１２（燃料極）と、これらの間に配置されるイットリア安定化ジルコニア等からなる固体の電解質１３とで構成されている。セル１０の板厚は、概ね０．５ｍｍ〜１ｍｍである。

セル１０の一方の表面（主面）に、セル１０よりもひとまわり小さい矩形の薄膜層からなるカソード１１が配置されている。アノード１２は、セル１０とほぼ同じ大きさの矩形に形成され、セル１０の他方の表面（主面）に配置されている。セル１０が電池収容空間６０に嵌め込まれた時には、カソード１１は、カソードプレート２０に密着し、アノード１２は、アノードプレート３０に密着する。

それにより、カソードプレート２０は、カソード１１に電気的に接続され、アノードプレート３０は、アノード１２に電気的に接続されている。

図６に詳しく示すように、カソードプレート２０は、電極側プレート２１及びセパレータプレート２２の２枚のプレートを重ね合わせて構成されている。具体的には、電極側プレート２１及びセパレータプレート２２は、いずれも高度な板厚精度を有するフェライト系のステンレス圧延材をプレス加工することにより、張出部３を構成するフランジ部２３が四方に張り出した同寸法の略十字形に輪郭形状が形成されている。

セパレータプレート２２は、平板状の部材であり、その各フランジ部２３に、給気マニホールド５及び排気マニホールド７を構成する空気給気口２４及び空気排気口２５と、給気マニホールド４及び排気マニホールド６を構成する燃料給気口２６（燃料通過口）及び燃料排気口２７とだけが形成されている。

電極側プレート２１は、空気給気口２４及び空気排気口２５は無く、燃料給気口２６及び燃料排気口２７と、複数のスリット２８とが形成されている。各スリット２８は、互いに近接した状態で燃料給気口２６及び燃料排気口２７の有る辺部と平行に延びており、燃料給気口２６と燃料排気口２７との間の部分全体にわたって配置されている。各スリット２８の端部は、電極側プレート２１とセパレータプレート２２とを重ね合わせたときに、空気給気口２４及び空気排気口２５と重なるように形成されている。

電極側プレート２１がセパレータプレート２２に重ね合わされ、各スリット２８の一方の開口が塞がれることにより、カソードプレート２０には、一群の細溝で構成された空気流路２９が形成される。そして、これら空気流路２９が形成されている電極側プレート２１の表面部分が、セル１０のカソード１１に密着する。

図７に詳しく示すように、アノードプレート３０は、セパレータプレート２２（第１プレート）、セパレータ側プレート３２（第２プレート）及び電極側プレート３３（第３プレート）の３枚のプレートをこの順に重ね合わせて構成されている。いずれのプレートも、カソードプレート２０と同様に、高度な板厚精度を有するフェライト系のステンレス圧延材を用いて、フランジ部２３が四方に張り出した略十字形に輪郭形状が形成されている。

セパレータプレート２２は、同じ符号を用いたように、アノードプレート３０のセパレータプレート２２と同じ部材である。このＳＯＦＣでは、カソードプレート２０及びアノードプレート３０の双方で１枚のセパレータプレート２２が共用されている。すなわち、図６のセパレータプレート２２は、その上に位置する発電要素２におけるアノードプレート３０のセパレータプレート２２でもあり、また、図７のセパレータプレート２２は、その下に位置する発電要素２におけるカソードプレート２０のセパレータプレート２２でもある。

セパレータ側プレート３２は、空気給気口２４、空気排気口２５、燃料給気口２６及び燃料排気口２７に加えて、更に、その中央部に、複数のスリット３４（第１スリット）が形成されている。各スリット３４は、互いに近接した状態で燃料給気口２６から燃料排気口２７に向かって平行に延びており、空気給気口２４と空気排気口２５との間の部分全体にわたって配置されている。各スリット３４の端部は、カソードプレート２０における電極側プレート２１のスリット２８とは異なり、燃料給気口２６及び燃料排気口２７の近傍に位置し、セパレータ側プレート３２の面内において、燃料給気口２６は各スリット３４と連通していない。

セパレータ側プレート３２がセパレータプレート２２に重ね合わされ、各スリット３４の一方の開口が塞がれることにより、アノードプレート３０には、一群の細溝で構成されたガス流路３５（第１ガス流路）が形成される。そして、これらガス流路３５が形成されているセパレータ側プレート３２の表面部分が、セル１０のアノード１２に密着する。燃料ガスは、このガス流路３５を通じてアノード１２の全面に沿って流れるように構成されている。

電極側プレート３３には、空気給気口２４、空気排気口２５、燃料給気口２６、燃料排気口２７、セル開口３６及び切欠３７が形成されている。セル開口３６は、電池収容空間６０を構成する矩形の開口であり、電極側プレート３３の中央部分に形成されている。切欠３７は、燃料給気口２６及び燃料排気口２７の各々とセル開口３６との間の部分を分断して形成されている。切欠３７は、中央部分に括れたスロート部３７ａを有し、燃料給気口２６側及びセル開口３６側の各端部に向かうに従って次第に拡がった形状を有している（図１０参照）。

このＳＯＦＣでは、互いに間隔を空けて切欠３７が４箇所形成されている。切欠３７は、セパレータ側プレート３２と絶縁プレート４０との間に電極側プレート３３が重ね合わされることにより、電池収容空間６０と給気マニホールド４とに連通する細孔状のガス取入口３８を構成する。

このＳＯＦＣの場合、アノードプレート３０やカソードプレート２０が、ステンレス圧延材のプレス加工品どうしを重ね合わせて形成されているので、板厚精度に優れており、空気流路２９やガス流路３５、電池収容空間６０、ガス取入口３８等の深さは、高度な加工を行わずに、高度な寸法精度で形成されている。

絶縁プレート４０は、マイカ等、絶縁性に優れた素材からなる板部材である。図５に示すように、絶縁プレート４０は、カソードプレート２０やアノードプレート３０と同じ輪郭形状に形成されている。そして、絶縁プレート４０には、空気給気口２４、空気排気口２５、燃料給気口２６及び燃料排気口２７と、その中央部にセル１０を受け入れる矩形の開口部４１とが形成されている。絶縁プレート４０は、アノードプレート３０の電極側プレート３３と、カソードプレート２０の電極側プレート２１との間に配置される。

シール材５０は、燃料ガスの流れと空気の流れを確実に遮断するために、カソードプレート２０の電極側プレート２１と絶縁プレート４０との間に配置される。それにより、セル１０と絶縁プレート４０との間の隙間がシール材５０によって封止されている。

電池収容空間６０（セル開口３６）の寸法は、セル１０の寸法よりも大きく形成されている。

図８に示すように、空気用の給気マニホールド５と排気マニホールド７との間においては、電池収容空間６０に隙間を生じることなくセル１０が嵌め込まれるように、電池収容空間６０の長さ寸法Ｌ１（内法）は、セル１０の長さ寸法Ｍ１（外法）と略同一に形成されている。対して、燃料ガス用の給気マニホールド４と排気マニホールド６との間においては、電池収容空間６０の長さ寸法Ｌ２は、セル１０の長さ寸法Ｍ２よりも大きく形成されている。

従って、セル１０が、アノードプレート３０のセル開口３６に嵌め込まれた時に、セル１０の端面１０ａによって電池収容空間６０が区画され、電池収容空間６０の燃料ガス用の給気マニホールド４側に空間（緩衝空間６１、第２ガス流路の一例）を設けることができる。

このＳＯＦＣでは、高精度な緩衝空間６１を安定して設けるために、絶縁プレート４０を利用して、セル１０を電池収容空間６０の所定位置に位置決めしている。詳しくは、絶縁プレート４０の開口部４１においては、燃料ガス用の給気マニホールド４と排気マニホールド６との間の長さ寸法は、セル１０の長さ寸法と略同一の寸法Ｍ２に形成され、電池収容空間６０の長さ寸法よりも小さく形成されている。

そのため、セル１０がセル開口３６に嵌め込まれているアノードプレート３０に対し、開口部４１にセル１０を入れ込み、輪郭を合わせて絶縁プレート４０をアノードプレート３０に重ね合わせるだけで、開口部４１の内縁がセル１０の端面１０ａに接触してセル１０を高精度に位置決めできる。

その結果、電池収容空間６０の燃料ガス用の給気マニホールド４側に緩衝空間６１を確実に設けながら、セル１０の端面１０ａをセル開口３６の内縁に極限まで近づけることができる。セル１０の端面１０ａをセル開口３６の内縁の際まで近づけることで、燃料電池のサイズを小型化でき、給気マニホールド４から導入される燃料ガスをガス流路３５全体にわたって均一に分配供給させることができる。

このＳＯＦＣでは、セル１０の燃料ガス用の給気マニホールド４側及び排気マニホールド６側の双方に同じ寸法の緩衝空間６１が形成されるように、セル１０が位置決めされている。

給気マニホールド４側の緩衝空間６１は、セル１０の端面１０ａによって一方の側面が区画され、ガス取入口３８の存在するセル開口３６の内縁によってその対向面が区画されている。そして、その緩衝空間６１の上面は絶縁プレート４０によって区画され、その下面はアノードプレート３０のセパレータ側プレート３２の表面によって区画されている。緩衝空間６１は、セパレータ側プレート３２の表面に形成されているガス流路３５全体を横断するように形成されるため、これらの端部は、緩衝空間６１に露出している。

なお、組み立て作業性の観点から、ガス取出口３９等、排気マニホールド６側の構造は、給気マニホールド４側の構造と対称状に形成されている。

（各発電要素への燃料ガスの取り込み）
図９に、図４の矢印Ｘの方向からガス取入口３８の付近を見た概略図を示す。また、図１０に、図９におけるＹ−Ｙ線での断面を見た概略図を、そして、図１１に、図９におけるＺ−Ｚ線での断面を見た概略図を示す。

図９に示すように、ガス取入口３８は、給気マニホールド４の側面に開口しており、給気マニホールド４を流れる燃料ガスは、圧力差の作用により、ガス取入口３８に流入する。給気マニホールド４は、空気用の給気マニホールド５とは異なり、燃料ガスの流れに対して障害となり得るものが無いため、給気マニホールド４の内部で圧損を生じ得るおそれはない。従って、各発電要素２のガス取入口３８に均等に燃料ガスを導くことができる。

図１０に示すように、ガス取入口３８を経由して緩衝空間６１に流入する燃料ガスは、ガス取入口３８に対向する対向面に沿って設けられた規制部８０により、ガス流路３５に流入するのが規制される。規制部８０は、燃料ガスがガス流路３５に流入するのを規制する機能を有する。

具体的には、ガス取入口３８はセル１０の端面１０ａに対向しているため、本実施形態では、セル１０の端面１０ａが対向面を構成し、セル１０の端面１０ａのうち、ガス取入口３８と対向している部分が規制部８０を構成している。ガス取入口３８と規制部８０とは、積層方向に沿って略同じ高さに位置している。

ガス取入口３８に流入する燃料ガスは、対向するセル１０の端面１０ａに突き当たって緩衝空間６１の内部で横方に分散する。従って、緩衝空間６１が横方に拡がっていても、その全体に燃料ガスを行き渡らせることができ、緩衝空間６１の内部での燃料ガスの分布のばらつきを抑制することができる。

図１１に示すように、ガス流路３５と規制部８０とは、積層方向に沿って異なる高さに位置し、緩衝空間６１の下面に露出するガス流路３５の端部は、緩衝空間６１への燃料ガスの流入方向と直交する方向に開口しているため、燃料ガスの流れの影響を大きく受けることがない。そのため、拡がって位置しているガス流路３５の各細溝に、偏ることなく、緩衝空間６１に分散した燃料ガスが流れ込む。従って、アノード１２の全面に均一に燃料ガスを分配供給することができる。

（実施形態のまとめ）
すなわち、本実施形態の燃料電池は、いわゆる平板型の固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）であり、複数の発電要素を積層して構成されている。

前記発電要素は、矩形板状のセルと、互いに重ね合わせることにより、内部に前記セルが嵌め込まれる電池収容空間が形成されるアノードプレート及びカソードプレートと、前記アノードプレートと前記カソードプレートとの間に配置され、これらを絶縁する絶縁プレートとを備える。

積層方向に貫通して燃料ガスの流れる給気マニホールド及び排気マニホールドが、積層された前記アノードプレート及び前記カソードプレートの互いに対向する辺部に分かれて形成されている。前記給気マニホールドと前記排気マニホールドとの間における、前記電池収容空間の長さ寸法は、前記セルの長さ寸法よりも大きく形成されている。前記セルの端面によって前記電池収容空間が区画されることにより、前記発電要素の前記給気マニホールド側に緩衝空間が設けられている。

前記セルの前記端面に対向して、前記緩衝空間と前記給気マニホールドとに連通するガス取入口が設けられている。前記アノードプレートに、前記セルの表面に沿って前記燃料ガスの流れるガス流路が形成されている。そして、前記ガス流路の端部が、前記緩衝空間に露出している。

要するに、この燃料電池では、絶縁プレートを介して互いに重ね合わせられたアノードプレートとカソードプレートとの間に電池収容空間が形成されるようになっており、この電池収容空間に、矩形板状のセルが嵌め込まれている。対向する辺部に分かれて形成され、燃料ガスの流れる給気マニホールド及び排気マニホールドの間における電池収容空間の長さ寸法は、セルよりも大きく形成されており、その寸法差を利用して、発電要素の給気マニホールド側に緩衝空間が設けられている。

そして、その緩衝空間を区画するセルの端面に対向してガス取入口が設けられ、アノードプレートに形成されたガス流路の端部が緩衝空間に露出している。

この燃料電池では、給気マニホールドから各発電要素に、ガス取入口を通じて燃料ガスが供給される。給気マニホールド内に余計な障害物を設けなくてもよいため、給気マニホールドに沿った燃料ガスの円滑な流れが確保され、圧損はほとんど生じない。従って、多数積層しても、各発電要素に均等に燃料ガスが供給できる。

そして、各発電要素では、給気マニホールドから直接ガス流路に燃料ガスを取り込むのではなく、いったんセルと同じ幅に拡がる緩衝空間を介してガス流路に燃料ガスが取り込まれる。燃料ガスは、緩衝空間で拡散した後、ガス流路に流れ込む。従って、各発電要素に供給された燃料ガスを、ガス流路の全体に均等に分配供給でき、セルの電極面全体に均等に作用させることができる。

しかも、緩衝空間は、電池収容空間に嵌め込んだセルをずらすだけで、高度な寸法精度で形成できるので、生産性にも優れる。

特に、前記絶縁プレートが、前記セルを受け入れる開口部を有し、前記開口部の内縁が前記セルの前記端面に接することより、前記セルが前記電池収容空間内に位置決めされるようになっている。

その結果、絶縁プレートでセルを高精度に位置決めできるので、緩衝空間を確実に設けながら、セルの端面を電池収容空間の内縁に極限まで近づけることができる。

セルの端面が電池収容空間の内縁に近づけば、それだけ燃料電池のサイズを小型化できる。更に、ガス取入口はセルの端面に対向しているため、ガス取入口に流入する燃料ガスは、セルの端面が電池収容空間の内縁に近づくほど、セルの端面に突き当たるようになる。その結果、緩衝空間内での燃料ガスの分散性が向上する。

更に、前記アノードプレートは、前記給気マニホールド及び前記排気マニホールドを構成する燃料通過口が形成されている平板状の第１プレートと、前記燃料通過口とともに、前記ガス流路を構成するスリットが形成されている第２プレートと、前記燃料通過口とともに、前記電池収容空間を構成する開口及び前記ガス取入口を構成する切欠が形成されている第３プレートとを有し、前記第１プレート、前記第２プレート及び前記第３プレートがこの順に積層されることによって前記アノードプレートが構成されている。

その結果、エッチングやプレス加工等でも高度で複雑な加工を行わずに、寸法精度の高いガス流路や電池収容空間、ガス取入口を形成することができる。従って、各セルの電極面に均等に分配供給できる燃料ガスの流路を、低コストで安定して得ることができる。

（第１変形例）
図１３に、燃料電池の第１変形例を示す。

上述した実施形態では、電池収容空間６０の寸法をセル１０の寸法よりも大きく形成し、そうすることによって、電池収容空間６０の燃料ガス用の給気マニホールド４側に、第２ガス流路を形成した。

それに対し、本変形例では、電池収容空間６０の寸法はセル１０の寸法と略同一に形成し、電極側プレート３３の形状を変えることによって第２ガス流路を形成した。

なお、本変形例も基本的な構造は、上述した実施形態と同じである。従って、異なる点について説明し、同じ部材や構成の説明は、同じ符号を用いて省略する（後述する第２変形例、第３変形例も同様）。

図１３に示すように、本変形例の燃料電池では、電極側プレート３３のセル開口３６は、絶縁プレート４０の開口部４１と同じ寸法に形成され、内縁に段差を生じることなく開口部４１とセル開口３６とが重なり合うように設計されている。従って、本変形例では、セル１０は、絶縁プレート４０の開口部４１及び電池収容空間６０（セル開口３６）に隙間無く嵌め込まれて、開口部４１とともにセル開口３６の内縁もセル１０の端面１０ａに接触し、セル１０は高精度に位置決される。

電極側プレート３３における燃料給気口２６（給気マニホールド４）とセル開口３６との間の部分に、側縁に沿って延びる長孔８１（第２スリット）が形成されている。長孔８１と、各燃料給気口２６との間には、これらを連通する切欠３７が形成されている。

電極側プレート３３等が重ね合わされることにより、長孔８１は第２ガス流路を構成し、切欠３７はガス取入口３８を構成する。長孔８１（第２ガス流路）は、ガス流路３５全体を横断するように形成されていて、各ガス流路３５の端部は、長孔８１の下面に露出している。

この場合、セパレータ側プレート３２の面内において、燃料給気口２６は各スリット３４（ガス流路３５）と連通しておらず、また、電極側プレート３３の面内において、長孔８１は、セル開口３６と連通していない。

従って、ガス取入口３８を経由して長孔８１に流入する燃料ガスは、図１３に矢印で示すように、ガス取入口３８に対向する長孔８１の側面の部分（規制部８０）により、ガス流路３５に流入するのが規制され、長孔８１の内部で横方に分散した後、各ガス流路３５に流入する。

（第２変形例）
図１４に、燃料電池の第２変形例を示す。

第１変形例では、ガス取入口３８を電極側プレート３３の面内に形成したが、本変形例では、ガス取入口３８をセパレータ側プレート３２の面内に形成した。

本変形例のセパレータ側プレート３２では、燃料給気口２６におけるガス流路３５側の側縁にガス取入口３８を構成する切欠３７’（切欠３７に相当）が形成されている。この切欠３７’は、ガス流路３５側の側縁の一部が、ガス流路３５側に向かって凹むようにして形成されている。

燃料給気口２６、つまりは燃料ガス用の給気マニホールド４は、ガス取入口３８、長孔８１を通じて各ガス流路３５と連通している。この場合、セパレータ側プレート３２の面内においては、各スリット３４（ガス流路３５）は、燃料給気口２６及び切欠３７’（ガス取入口３８）と連通しておらず、また、電極側プレート３３の面内においては、燃料給気口２６、長孔８１、及びセル開口３６は何れも連通していない。

本変形例の燃料ガスは、図１４に矢印で示すように、ガス取入口３８を経由して下側から長孔８１に流入する。長孔８１に流入した燃料ガスは、長孔８１の側面の部分（規制部８０）により、ガス流路３５に流入するのが規制され、長孔８１の内部で横方に分散した後、各ガス流路３５に流入する。

（第３変形例）
図１５に、燃料電池の第３変形例を示す。本変形例では、上述した第２変形例の電極側プレート３３の構造の一部を変更した。

第３変形例では、長孔８１を形成せず、上述した実施形態と同様に、電池収容空間６０の寸法をセル１０の寸法よりも大きく形成して、電池収容空間６０の燃料ガス用の給気マニホールド４側に緩衝空間６１（第２ガス流路）を形成した。ガス取入口３８がセパレータ側プレート３２の面内に形成されている点は、第２変形例と同様である。

従って、本変形例でガス取入口３８を構成しているのは、電極側プレート３３に形成される切欠３７ではなく、セパレータ側プレート３２に形成される切欠３７’である。この場合、セパレータ側プレート３２の面内においては、各スリット３４（ガス流路３５）は、燃料給気口２６及び切欠３７’（ガス取入口３８）と連通しておらず、また、電極側プレート３３の面内においては、燃料給気口２６とセル開口３６は連通していない。

本変形例の燃料ガスは、図１５に矢印で示すように、ガス取入口３８を経由して下側から緩衝隙間６１に流入する。緩衝空間６１に流入した燃料ガスは、セル１０の端面１０ａ（規制部８０）により、ガス流路３５に流入するのが規制されて横方に分散した後、各ガス流路３５に流入する。

なお、本発明にかかる燃料電池は、上述した実施形態に限定されず、それ以外の種々の構成をも包含する。

ガス流路３５は必ずしも一群の細溝で構成する必要はなく、例えば、図１２に示すように、矩形の凹部７１の底面に複数のドット状の凸部７２を設け、これら凸部７２の間の空間を、燃料ガスが流れるガス流路としてもよい。

ガス取入口３８の形態は一例であり、その数や形状は仕様に応じて適宜変更可能である。燃料ガスの流路の排気側の構造は、給気側の構造と異なっていてもよい。

１ セルスタック（燃料電池）
２ 発電要素
４ 給気マニホールド（燃料給気マニホールド）
６ 排気マニホールド
１０ セル
１０ａ 端面
２０ カソードプレート
２２ セパレータプレート（第１プレート）
３０ アノードプレート
３２ セパレータ側プレート（第２プレート）
３３ 電極側プレート（第３プレート）
３５ ガス流路（第１ガス流路）
３８ ガス取入口
４０ 絶縁プレート
６０ 電池収容空間
６１ 緩衝空間（第２ガス流路）
８０ 規制部

Claims (13)

1. 発電要素を複数積層して構成される燃料電池であって、
   前記発電要素は、
   一方の主面にアノード、他方の主面にカソードが配置された板状のセルと、
   前記アノードに電気的に接続するように積層されるアノードプレートと、
   前記カソードに電気的に接続するように積層されるカソードプレートと、
   を備え、
   前記アノードプレートは、
   積層方向に貫通して燃料ガスの流路となるように、前記セルの外周囲に位置する燃料給気マニホールドと、
   前記燃料給気マニホールド側の辺部から、当該燃料給気マニホールドが対向する辺部に向けて延在する複数の第１ガス流路と、
   前記燃料給気マニホールドと前記セルの間にあって、前記複数の第１ガス流路の前記発電要素の積層方向に開口する端部と積層方向で連通するように、前記辺部が位置する側の前記セルの幅と同じ幅にわたって前記第１ガス流路全体を横断して形成される第２ガス流路と、
   前記燃料吸気マニホールドの側面に開口して燃料ガスを前記第２ガス流路に流入させるガス取入口と、
   を有し、
   前記燃料給気マニホールドから前記ガス取入口を経由して前記第２ガス流路に流入した燃料ガスを当該第２ガス流路の長手方向に分散させるとともに、燃料ガスが、前記第１ガス流路に流入することを規制する規制部を、前記第２ガス流路の前記ガス取入口に対向する対向面に沿って設けたことを特徴とする燃料電池。
2. 前記第１ガス流路と前記規制部は、前記発電要素の積層方向に沿って異なる高さ位置にあることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記ガス取入口と前記規制部は、前記発電要素の積層方向に沿って略同じ高さ位置にあることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記アノードプレートと前記カソードプレートの間に配置されて互いを電気的に絶縁す
   るとともに、前記セルを内包するように開口が設けられた絶縁プレートをさらに備え、
   前記開口の内縁に前記セルの端面が接することにより、前記セルが前記発電要素内で位置決めされることを特徴とする、請求項１ないし３の何れか１つに記載の燃料電池。
5. 前記規制部は、前記セルの端面を含むことを特徴とする、請求項１ないし４の何れか１つに記載の燃料電池。
6. 前記第２ガス流路の前記ガス取入口に対向する対向面は、前記セルの端面により構成されていることを特徴とする、請求項１ないし５の何れか１つに記載の燃料電池。
7. 前記アノードプレートは、
   前記燃料給気マニホールドを構成する燃料通過口、を備える平板状の第１プレートと、
   前記燃料通過口と、複数の前記第１ガス流路を構成する第１スリットと、を備える第２プレートと、
   前記燃料通過口と、前記セルを内包するように設けられた開口と、前記燃料通過口と前記開口を連通する前記ガス取入口を構成する切欠と、を備える第３プレートと、
   を有し、
   前記第２プレート面内において、前記燃料通過口は前記第１スリットに連通せず、
   各々の前記燃料通過口が積層方向に連通するように、前記第１プレート、前記第２プレート及び前記第３プレートがこの順に積層されることによって前記アノードプレートが構成されていることを特徴とする、請求項１ないし６の何れか１つに記載の燃料電池。
8. 前記アノードプレートは、
   前記燃料給気マニホールドを構成する燃料通過口、を備える平板状の第１プレートと、
   前記燃料通過口と、複数の前記第１ガス流路を構成する第１スリットと、を備える第２プレートと、
   前記燃料通過口と、前記セルを内包するように設けられた開口と、前記燃料通過口と前記開口の間に位置して前記第２ガス流路を構成する第２スリットと、前記燃料通過口と前記第２スリットを連通する前記ガス取入口を構成する切欠と、を備える第３プレートと、を有し、
   前記第２プレート面内において、前記燃料通過口は前記第１スリットに連通せず、
   前記第３プレート面内において、前記第２スリットは前記開口に連通せず、
   各々の前記燃料通過口が積層方向に連通するように、前記第１プレート、前記第２プレート及び前記第３プレートがこの順に積層されることによって前記アノードプレートが構成されていることを特徴とする、請求項１ないし４の何れか１つに記載の燃料電池。
9. 前記アノードプレートは、
   前記燃料給気マニホールドを構成する燃料通過口、を備える平板状の第１プレートと、
   前記燃料通過口と、前記燃料通過口に連通して前記ガス取入口を構成する切欠と、複数の前記第１ガス流路を構成する第１スリットと、を備える第２プレートと、
   前記燃料通過口と、前記セルを内包するように設けられた開口と、前記燃料通過口と前記開口の間に位置して前記第２ガス流路を構成する第２スリットと、を備える第３プレートと、
   を有し、
   前記第２プレート面内において、前記第１スリットは前記燃料通過口および前記切欠の何れにも連通せず、
   前記第３プレート面内において、前記燃料通過口、第２スリット、前記開口は何れも連通せず、
   各々の前記燃料通過口が積層方向に連通するように、前記第１プレート、前記第２プレート及び前記第３プレートがこの順に積層されることによって前記アノードプレートが構
   成されていることを特徴とする、請求項１ないし４の何れか１つに記載の燃料電池。
10. 前記アノードプレートは、
    前記燃料給気マニホールドを構成する燃料通過口、を備える平板状の第１プレートと、
    前記燃料通過口と、前記燃料通過口に連通して前記ガス取入口を構成する切欠と、複数の前記第１ガス流路を構成する第１スリットと、を備える第２プレートと、
    前記燃料通過口と、前記セルを内包するように設けられた開口と、を備える第３プレートと、
    を有し、
    前記第２プレート面内において、前記第１スリットは前記燃料通過口および前記切欠の何れにも連通せず、
    前記第３プレート面内において、前記燃料通過口は前記開口に連通せず、
    各々の前記燃料通過口が積層方向に連通するように、前記第１プレート、前記第２プレート及び前記第３プレートがこの順に積層されることによって前記アノードプレートが構成されていることを特徴とする、請求項１ないし６の何れか１つに記載の燃料電池。
11. 複数の発電要素を積層して構成されている燃料電池であって、
    前記発電要素は、
    矩形板状のセルと、
    互いに重ね合わせることにより、内部に前記セルが嵌め込まれる電池収容空間が形成されるアノードプレート及びカソードプレートと、
    前記アノードプレートと前記カソードプレートとの間に配置され、これらを絶縁する絶縁プレートと、
    を備え、
    積層方向に貫通して燃料ガスの流れる給気マニホールド及び排気マニホールドが、積層された前記アノードプレート及び前記カソードプレートの互いに対向する辺部に分かれて形成され、
    前記給気マニホールドと前記排気マニホールドとの間における、前記電池収容空間の長さ寸法は、前記セルの長さ寸法よりも大きく形成され、
    前記セルの端面によって前記電池収容空間が区画されることにより、前記発電要素の前記給気マニホールド側に緩衝空間が設けられ、
    前記セルの前記端面に対向して、前記緩衝空間と前記給気マニホールドとに連通するガス取入口が設けられ、
    前記アノードプレートに、前記セルの表面に沿って前記燃料ガスの流れるガス流路が形成され、
    前記ガス流路の端部が、前記緩衝空間に露出している燃料電池。
12. 請求項１１に記載の燃料電池において、
    前記絶縁プレートは、前記セルを受け入れる開口部を有し、
    前記開口部の内縁が前記セルの前記端面に接することより、前記セルが前記電池収容空間内に位置決めされている燃料電池。
13. 請求項１２に記載の燃料電池において、
    前記アノードプレートは、
    前記給気マニホールド及び前記排気マニホールドを構成する燃料通過口が形成されている平板状の第１プレートと、
    前記燃料通過口とともに、前記ガス流路を構成するスリットが形成されている第２プレートと、
    前記燃料通過口とともに、前記電池収容空間を構成する開口及び前記ガス取入口を構成する切欠が形成されている第３プレートと、
    を有し、
    前記第１プレート、前記第２プレート及び前記第３プレートがこの順に積層されることによって前記アノードプレートが構成されている燃料電池。

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