WO2010113629A1 - 燃料電池 - Google Patents

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WO2010113629A1
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fuel
fuel cell
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electrolyte
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小川哲矢
清弘幸彦
団功司
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本田技研工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell in which an electrolyte / electrode assembly in which an electrolyte is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode is laminated between separators.
  • a solid electrolyte fuel cell uses an oxide ion conductor, for example, stabilized zirconia, as an electrolyte, and an electrolyte / electrode assembly in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both sides of the electrolyte ( MEA) is sandwiched between separators (bipolar plates).
  • This fuel cell is usually used as a fuel cell stack in which a predetermined number of electrolyte / electrode assemblies and separators are laminated.
  • a flat-plate solid electrolyte fuel cell disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-172594 includes separators 1a arranged alternately with single cells (not shown).
  • the separator 1a is provided with gas supply holes 2aa, 3aa and gas exhaust holes 2ab, 3ab at the four corners in the stacking direction, and a plurality of rows of gas flow grooves 4aa and protrusions 4ab are alternately formed along the surface direction. ing.
  • the gas flow groove 4aa communicates with the gas supply hole 2aa and the gas exhaust hole 2ab through triangular recesses 5aa and 5ab.
  • the triangular recess 5aa is provided with a restricting portion 6a and an obstacle 7a as means for restricting the gas flow to the gas introducing portion adjacent to the gas supply hole 2aa.
  • the throttle portion 6a and the obstacle 7a have an action of increasing the pressure loss so as to evenly distribute the gas flowing into the gas introduction portion from the gas supply hole 2aa.
  • a gas flow inlet port 8aa and a gas flow outlet port 8ab are provided at both ends of the gas flow groove 4aa with a shallow groove depth to provide a gas flow pressure loss function.
  • a power generation cell 1b in which a fuel electrode layer and an air electrode layer are arranged on both surfaces of a solid electrolyte layer, A fuel electrode current collector 2b outside the fuel electrode layer, an air electrode current collector 3b outside the air electrode layer, and a separator 4b outside each current collector 2b, 3b are stacked in order.
  • a ring-shaped metal cover in which a large number of gas discharge holes are formed at predetermined intervals over the entire circumference of the circumferential side portion so as to cover the outer circumferential portion of the circular porous metal body constituting the current collector 2b (see FIG. (Not shown) is provided.
  • the fuel gas diffusing in the porous metal body is discharged from the entire outer peripheral portion, and the amount of fuel gas that does not contribute to the power generation reaction is suppressed from being discharged from the outer peripheral portion.
  • the gas can be efficiently supplied to the power generation cell 1b side.
  • the flat plate stacked fuel cell disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-120589 includes a separator 1c stacked on the power generation cell.
  • the separator 1c left and right manifold portions 2c, 2c and a portion 3c in which a central power generation cell is arranged are connected by connecting portions 4c, 4c, and the connecting portion 4c has flexibility.
  • the manifold portions 2c and 2c are provided with gas holes 5c and 6c.
  • One gas hole 5c communicates with the fuel gas passage 7c, and the other gas hole 6c communicates with the oxidant gas passage 8c.
  • the fuel gas passage 7c and the oxidant gas passage 8c extend in a spiral shape in the portion 3c, and are opened to a fuel electrode current collector and an air electrode current collector (not shown) near the center of the portion 3c. ing.
  • a ring-shaped metal cover in which a large number of gas discharge holes are formed at predetermined intervals over the entire circumference of the peripheral side portion is configured as a separate component from the separator. ing. Therefore, the number of parts increases, the structure becomes complicated, and the cost increases. In addition, the number of assembly steps increases, and the work efficiency may be reduced. In addition, the thickness dimension of the fuel cell increases, and the length of the entire stack in the stacking direction increases.
  • the fuel gas, the oxidant gas or the exhaust gas easily goes around to an unnecessary part, which causes electrode deterioration and power generation performance deterioration. Furthermore, one power generation cell is disposed for each separator 1c, and a manifold is provided outwardly with the MEA at the center. Therefore, the heat generated by the power generation is easy to dissipate, the thermal efficiency is lowered, and the heat self-sustainment cannot be promoted.
  • the present invention solves this type of problem, and with a simple and economical configuration, suppresses unnecessary gas wraparound, improves durability, and can improve thermal efficiency and promote thermal independence.
  • An object is to provide a fuel cell.
  • the present invention relates to a fuel cell in which an electrolyte / electrode assembly in which an electrolyte is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, and a separator are alternately stacked.
  • the separator sandwiches the electrolyte / electrode assembly and supplies a fuel gas along the electrode surface of the anode electrode of one of the electrolyte / electrode assemblies, and the cathode electrode of the other electrolyte / electrode assembly
  • An oxidant gas passage for supplying an oxidant gas along the electrode surface of the nip is provided separately, and a fuel gas supply passage connected to the nip for supplying the fuel gas to the fuel gas passage.
  • a bridge portion formed, and a fuel gas supply portion that is connected to the bridge portion and has fuel gas supply communication holes formed in the stacking direction for supplying the fuel gas to the fuel gas supply passage.
  • the sandwiching portion includes a fuel gas supply hole for supplying fuel gas to the fuel gas passage, an outer peripheral circumferential protrusion that protrudes toward the fuel gas passage and contacts the outer peripheral edge of the anode electrode, and the fuel gas passage.
  • a fuel gas supply hole for supplying fuel gas to the fuel gas passage
  • an outer peripheral circumferential protrusion that protrudes toward the fuel gas passage and contacts the outer peripheral edge of the anode electrode
  • the fuel gas passage used through the fuel gas
  • at least one fuel gas discharge passage is formed on the connecting portion side between the sandwiching portion and the bridge portion.
  • the fuel gas discharge passage is set such that the passage sectional area on the downstream side in the gas flow direction of the fuel gas is larger than the passage sectional area on the upstream side in the gas flow direction.
  • the separator includes a sandwiching part that sandwiches the electrolyte / electrode assembly, a bridge part connected to the sandwiching part, and a fuel gas supply part connected to the bridge part. For this reason, the tightening loads in the stacking direction applied to the fuel gas supply unit and the electrolyte / electrode assembly are blocked from each other. Therefore, it is possible to apply a relatively small load to the electrolyte / electrode assembly while applying a large load to a portion requiring a sealing property with a simple and compact configuration. Thereby, damage to the electrolyte / electrode assembly can be prevented and efficient power generation and current collection can be performed.
  • the fuel gas supplied from the fuel gas supply hole to the fuel gas passage is prevented from being blown out to the outside through the outer peripheral circumferential convex portion protruding to the fuel gas passage side and contacting the outer peripheral edge portion of the anode electrode. Has been. For this reason, it becomes possible to use fuel gas effectively for an electric power generation reaction, and a fuel utilization rate improves favorably.
  • the fuel gas supplied from the fuel gas supply hole to the fuel gas passage is discharged from at least one fuel gas discharge passage provided on the connecting portion side between the sandwiching portion and the bridge portion. Therefore, the fuel exhaust gas can preheat the fuel gas flowing through the fuel gas supply passage of the bridge portion and the fuel gas supply communication hole of the fuel gas supply portion, thereby promoting the heat self-sustaining.
  • the fuel gas supplied from the fuel gas supply hole to the fuel gas passage is discharged from the fuel gas discharge passage having a larger passage cross-sectional area on the downstream side. For this reason, it is possible to suppress the fuel gas from being blown out to the outside, and the fuel gas can be effectively used for the power generation reaction, and the fuel utilization rate is improved satisfactorily.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells according to a first embodiment of the present invention are stacked.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the fuel cell stack taken along line II-II in FIG.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of the fuel cell. It is a partially exploded perspective view showing the gas flow state of the fuel cell. It is a partial explanatory view of the separator which constitutes the fuel cell. It is a schematic cross-sectional explanatory drawing explaining operation
  • FIG. 15 is a cross-sectional view of the separator taken along line XV-XV in FIG. 14.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram of a separator constituting a fuel cell disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-172594.
  • 1 is a partial cross-sectional explanatory view of a fuel cell disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-85520.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram of a separator constituting a fuel cell disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-120589.
  • a plurality of fuel cells 10 according to the first embodiment of the present invention are stacked in the direction of arrow A to constitute a fuel cell stack 12.
  • the fuel cell 10 is a solid electrolyte fuel cell, and is used for various purposes such as in-vehicle use as well as stationary use.
  • the fuel cell 10 is provided with a cathode electrode 22 and an anode electrode 24 on both surfaces of an electrolyte (electrolyte plate) 20 made of an oxide ion conductor such as stabilized zirconia, for example.
  • the electrolyte / electrode assembly (MEA) 26 is provided.
  • the electrolyte / electrode assembly 26 is formed in a disk shape, and a barrier layer (not shown) is provided at least on the outer peripheral end surface portion to prevent the oxidant gas and fuel gas from entering and discharging. Yes.
  • a plurality of, for example, four electrolyte / electrode assemblies 26 are arranged between the separators 28 concentrically around the fuel gas supply communication hole 30 that is the center of the separator 28.
  • the separator 28 is configured by joining a first plate 28 a and a second plate 28 b such as a metal plate or a carbon plate, which are a sheet metal such as a stainless alloy, for example.
  • the first plate 28a has a first fuel gas supply part 32 that forms a fuel gas supply communication hole 30 at the center.
  • a first pinching portion having a relatively large diameter is provided via four first bridge portions 34 that extend radially away from the first fuel gas supply portion 32 at equal angular intervals (90 ° intervals). 36 is provided integrally. The center-to-center distance between the first fuel gas supply unit 32 and each first clamping unit 36 is set to the same distance.
  • Each first clamping part 36 is set in a disk shape having substantially the same dimensions as the electrolyte / electrode assembly 26 and is configured to be separated from each other.
  • the first sandwiching portion 36 has a fuel gas supply hole 38 for supplying fuel gas, for example, at the center of the first sandwiching portion 36 or a position eccentric to the upstream side in the flow direction of the oxidant gas with respect to the center. Is set.
  • a fuel gas passage 40 for supplying fuel gas along the electrode surface of the anode electrode 24 is formed on the surface 36a of each first clamping portion 36 that contacts the anode electrode 24.
  • the surface 36a is in contact with a pair of fuel gas discharge passages 42a, 42b and 42c for discharging the used fuel gas through the fuel gas passage 40, and the anode electrode 24, and the fuel gas is supplied to the fuel gas supply hole.
  • An arcuate wall portion 44 for forming a bypass is provided to prevent the fuel gas discharge passages 42a, 42b and 42c from flowing in a straight line from 38.
  • the fuel gas discharge passages 42 a, 42 b and 42 c are equidistant from each other on the connecting portion side of the first sandwiching portion 36 and the first bridge portion 34 and on both sides of the first bridge portion 34. They are separated from each other.
  • the fuel gas discharge passages 42a, 42b, and 42c are set such that the passage sectional area on the downstream side in the gas flow direction of the fuel gas along the fuel gas passage 40 is larger than the passage sectional area on the upstream side in the gas flow direction.
  • an outer peripheral circumferential protrusion 46 that protrudes toward the fuel gas passage 40 and contacts the outer peripheral edge of the anode electrode 24, and a plurality of protrusions 48 that contact the anode electrode 24.
  • the outer edge circumferential convex portion 46 is formed with fuel gas discharge passages 42a, 42b, and 42c by directly cutting out the outer circumferential circumferential convex portion 46.
  • the width dimension H2 on the outer peripheral surface side of the outer peripheral circumferential convex portion 46 is set to be larger than the width dimension H1 on the inner peripheral surface side of the outer peripheral peripheral convex portion 46 ( H1 ⁇ H2).
  • the fuel gas discharge passages 42a, 42b and 42c have the same dimension in the depth direction over the entire surface, so that the passage sectional area on the downstream side in the gas flow direction is larger than the passage sectional area on the upstream side in the gas flow direction. Is set.
  • the arc-shaped wall portion 44 has a substantially horseshoe shape (arc shape with a part cut away), and the fuel gas supply hole 38 is disposed therein.
  • the projecting portion 48 is formed on the surface 36a by, for example, a solid portion formed by etching or a hollow portion formed by pressing.
  • the first holding part 36 is provided with a protruding part 50 for taking out the electric power generated by the power generation of the electrolyte / electrode assembly 26 or for measuring the state of the electrolyte / electrode assembly 26.
  • the protrusion 50 is provided between the outer peripheral edge of the first clamping part 36 and the fuel gas discharge passages 42a and 42b.
  • the surface 36b on the cathode electrode 22 side of each first clamping part 36 is formed in a substantially flat surface, and on this surface 36b side, the second plate 28b is, for example, It is fixed by brazing, diffusion bonding or laser welding.
  • the 2nd plate 28b is provided with the 2nd fuel gas supply part 52 which forms the fuel gas supply communication hole 30 in the center part, as shown in FIG.
  • the second fuel gas supply unit 52 is provided with a predetermined number of reinforcing bosses 53.
  • Four second bridge portions 54 extend radially from the second fuel gas supply portion 52, and fuel is supplied from the fuel gas supply communication hole 30 to each second bridge portion 54 from the second fuel gas supply portion 52.
  • a fuel gas supply passage 56 communicating with the gas supply hole 38 is formed.
  • the fuel gas supply passage 56 is formed by etching or pressing, for example.
  • Each second bridge portion 54 is integrally provided with a second holding portion 58 having a relatively large diameter, and the second holding portion 58 is provided with a plurality of protrusions 60 by etching or pressing.
  • An oxidant gas passage 62 for supplying an oxidant gas along the electrode surface of the cathode electrode 22 is formed by the protrusion 60 on the surface 36b side of the first clamping part 36, and the protrusion 60 is A current collector is configured (see FIGS. 3 and 6).
  • the oxidant gas passage 62 is oxidized in the direction of arrow B from between the inner peripheral edge of the electrolyte / electrode assembly 26 and the inner peripheral edges of the first and second clamping parts 36 and 58.
  • the oxidant gas supply communication hole 68 for supplying the agent gas communicates with the communication hole 68.
  • the oxidant gas supply communication hole 68 is positioned between the inner sides of the first and second sandwiching portions 36 and 58 and the first and second bridge portions 34 and 54, and in the stacking direction (direction of arrow A). And an oxidant gas supply section.
  • the insulating seal 70 is made of, for example, a crust component material, a glass material, or a composite material of clay and plastic, such as mica material or ceramic material.
  • the insulating seal 70 has a function of sealing the fuel gas supply communication hole 30 against the electrolyte / electrode assembly 26.
  • an exhaust gas discharge communication hole 72 is formed outside the first and second sandwiching portions 36 and 58.
  • the exhaust gas discharge communication hole 72 constitutes an exhaust gas discharge unit that discharges fuel gas and oxidant gas supplied to the electrolyte / electrode assembly 26 and used for the reaction in the stacking direction as exhaust gas.
  • An air control plate 73 is disposed between the first and second holding portions 36 and 58 as necessary (see FIG. 3).
  • the fuel cell stack 12 includes a substantially disc-shaped first end plate 74 a disposed at one end in the stacking direction of the plurality of fuel cells 10, and a partition wall at the other end in the stacking direction. 75, a plurality of second end plates 74b having a small diameter and a substantially disc shape, and a fixing ring 74c having a large diameter and a substantially ring shape are arranged.
  • the partition walls 75 have a function of preventing the exhaust gas from diffusing outside the fuel cell 10, while four second end plates 74 b are arranged corresponding to the stack positions of the electrolyte / electrode assemblies 26. .
  • the first end plate 74a and the fixing ring 74c have a plurality of holes 76.
  • the first end plate 74a and the fixing ring 74c are fastened and fixed via a bolt 78 inserted into the hole 76 and the bolt insertion collar member 77 and a nut 80 screwed into the bolt 78.
  • the first end plate 74 a includes a single fuel gas supply pipe 82 that communicates with the fuel gas supply communication hole 30, a casing 83 that includes a cavity 83 a that communicates with each oxidant gas supply communication hole 68, A single oxidant gas supply pipe 84 connected and communicating with the cavity 83a is provided.
  • the support plate 92 is fixed to the first end plate 74a via a plurality of bolts 78, nuts 88a and 88b, and a plate-like collar member 90. Between the support plate 92 and the first end plate 74a, a first load applying portion 94 for applying a tightening load to the first and second fuel gas supply portions 32 and 52, and a tightening to each electrolyte / electrode assembly 26 A second load applying unit 98 for applying a load is provided, and these constitute a load applying mechanism.
  • the first load applying unit 94 is disposed at the center of the fuel cell 10 (the center of the first and second fuel gas supply units 32 and 52) in order to prevent the fuel gas from leaking from the fuel gas supply communication hole 30.
  • the pressing member 100 is located near the center of the arrangement of the four second end plates 74 b and presses the fuel cell 10 via the partition wall 75.
  • a first spring 104 is disposed on the pressing member 100 via a first receiving member 102a and a second receiving member 102b. The tip of the first pressing bolt 106 abuts on the second receiving member 102b.
  • the first pressing bolt 106 is screwed into a first screw hole 108 formed in the support plate 92 and is fixed through a first nut 110 so that the position can be adjusted.
  • the second load applying unit 98 includes a third receiving member 112a disposed on the second end plate 74b corresponding to each electrolyte / electrode assembly 26.
  • the third receiving member 112a is positioned and supported by the second end plate 74b via the pins 114.
  • One end of the second spring 116 contacts the third receiving member 112a, while the other end of the second spring 116 contacts the fourth receiving member 112b.
  • the tip of the second pressing bolt 118 is in contact with the fourth receiving member 112b.
  • the second pressing bolt 118 is screwed into a second screw hole 120 formed in the support plate 92 and is fixed via a second nut 122 so that the position can be adjusted.
  • the fuel gas is supplied from the fuel gas supply pipe 82 connected to the first end plate 74 a to the fuel gas supply communication hole 30, and the cavity 83 a is opened from the oxidant gas supply pipe 84.
  • the oxidant gas supply communication holes 68 are supplied with air as an oxygen-containing gas.
  • the fuel gas moves in the fuel gas supply passage 56 provided in each fuel cell 10 while moving in the stacking direction (arrow A direction) along the fuel gas supply communication hole 30 of the fuel cell stack 12. Along the surface direction of the separator 28.
  • the fuel gas is introduced into the fuel gas passage 40 from the fuel gas supply passage 56 through the fuel gas supply hole 38 formed in the first clamping portion 36.
  • the fuel gas supply hole 38 is set at a substantially central position of the anode electrode 24 of each electrolyte / electrode assembly 26. Therefore, the fuel gas is supplied from the fuel gas supply hole 38 to the approximate center of the anode electrode 24 and then moves along the fuel gas passage 40 toward the outer periphery of the anode electrode 24.
  • the air supplied to the oxidant gas supply communication hole 68 flows in the direction of arrow B from between the inner peripheral edge of the electrolyte / electrode assembly 26 and the inner peripheral edges of the first and second clamping parts 36 and 58. And is sent to the oxidant gas passage 62.
  • the oxidant gas passage 62 air flows from the inner peripheral end portion (center portion of the separator 28) side of the cathode electrode 22 of the electrolyte / electrode assembly 26 toward the outer peripheral end portion (outer peripheral end portion side of the separator 28). To flow.
  • the fuel gas is supplied from the center side of the electrode surface of the anode electrode 24 toward the peripheral end side, and in one direction (arrow B direction) of the electrode surface of the cathode electrode 22. Air is supplied in the direction. At that time, oxide ions move to the anode electrode 24 through the electrolyte 20, and power is generated by a chemical reaction.
  • the exhaust gas mainly containing air after the power generation reaction discharged to the outer peripheral portion of each electrolyte / electrode assembly 26 is discharged from the fuel cell stack 12 through the exhaust gas discharge passage 72 as an off gas (see FIG. 1). ).
  • the separator 28 is connected to the first and second sandwiching portions 36 and 58 that sandwich the electrolyte / electrode assembly 26 and the first and second sandwiching portions 36 and 58.
  • First and second bridge portions 34 and 54 and first and second fuel gas supply portions 32 and 52 connected to the first and second bridge portions 34 and 54 are provided.
  • an outer edge circumferential convex portion 46 that contacts the outer peripheral edge portion of the anode electrode 24 is provided on the surface 36 a of the first sandwiching portion 36.
  • fuel gas discharge passages 42a are provided on the connecting part side between the first clamping part 36 and the first bridge part 34 and on both sides of the first bridge part 34, respectively.
  • 42b and 42c are provided. Therefore, the fuel gas supplied from the fuel gas supply hole 38 to the fuel gas passage 40 is dispersed and discharged from the plurality of fuel gas discharge passages 42a, 42b, and 42c after the reaction.
  • the fuel exhaust gas can preheat the fuel gas flowing through the fuel gas supply passage 30 and the fuel gas supply passage 56. Thereby, it becomes possible to promote thermal independence.
  • the fuel gas discharge passages 42a, 42b and 42c have a width dimension H2 on the outer peripheral surface side of the outer peripheral circumferential convex portion 46 set larger than a width dimension H1 on the inner peripheral surface side of the outer peripheral peripheral convex portion 46. (H1 ⁇ H2). Therefore, the fuel gas discharge passages 42a, 42b, and 42c are set such that the passage sectional area on the downstream side in the gas flow direction is larger than the passage sectional area on the upstream side in the gas flow direction. For this reason, it is possible to suppress the fuel gas from being blown out to the outside, and the fuel gas can be effectively used for the power generation reaction, and the fuel utilization rate is improved satisfactorily.
  • the surface 36a of the first sandwiching portion 36 constituting the separator 28 is on a path connecting the fuel gas supply hole 38 and the fuel gas discharge passages 42a to 42c.
  • an arcuate wall 44 is provided. The arc-shaped wall portion 44 is in contact with the anode electrode 24 of the electrolyte / electrode assembly 26, and a good current collecting effect is obtained.
  • the fuel gas supplied from the fuel gas supply hole 38 to the fuel gas passage 40 is blocked by the arc-shaped wall 44 and flows linearly from the fuel gas supply hole 38 to the fuel gas discharge passages 42a to 42c. Absent. For this reason, since the fuel gas flows while bypassing the fuel gas passage 40, the length of the flow path through which the fuel gas flows along the anode electrode 24 becomes longer, that is, the flow time becomes longer, It can be effectively used for power generation reaction. This effectively improves the fuel utilization rate.
  • the fuel gas discharge passages 42a to 42c are constituted by slits or the like formed in the outer edge circumferential convex portion 46. Therefore, the configuration is relatively simplified, and the manufacturing cost and the number of parts can be reduced.
  • the first and second fuel gas supply units 32 and 52 are provided in the central portion of the separator 28, and a plurality (for example, four) of the first and second fuel gas supply units 32 and 52 are provided at the center.
  • the electrolyte / electrode assemblies 26 are arranged concentrically. Therefore, the fuel gas and the oxidant gas supplied to the fuel cell 10 (and the fuel cell stack 12) are discharged from the heat generated by power generation and the fuel gas discharge passages 42a, 42b and 42c to the oxidant gas supply communication hole 68. It is heated satisfactorily by the heat generated by the reaction between the remaining fuel gas and the oxidant gas flowing through the oxidant gas supply passage 68. Therefore, the fuel cell 10 (and the fuel cell stack 12) can improve thermal efficiency and promote thermal self-sustainability.
  • fuel gas can be evenly distributed from the first and second fuel gas supply sections 32 and 52 to each electrolyte / electrode assembly 26, and the power generation performance of each electrolyte / electrode assembly 26 can be improved. Improvement and stabilization are achieved.
  • first and second sandwiching portions 36 and 58 have shapes corresponding to the respective electrolyte / electrode assemblies 26, and the plurality of first and second sandwiching portions 36 and 58 are configured to be separated from each other. ing. Thereby, since the first and second sandwiching portions 36 and 58 have a shape (for example, a disc shape) corresponding to the electrolyte / electrode assembly 26, the power generated by the electrolyte / electrode assembly 26 is efficiently used. Current can be collected.
  • first and second sandwiching portions 36 and 58 are separated from each other and absorb different loads generated in the electrolyte / electrode assemblies 26 due to dimensional errors of the electrolyte / electrode assemblies 26 and the separators 28. Is possible. Accordingly, it is possible to prevent the entire separator 28 from being distorted and to apply an equal load to each electrolyte / electrode assembly 26.
  • each electrolyte / electrode assembly 26 is not transmitted to the other adjacent electrolyte / electrode assembly 26, and a separate dimension absorption mechanism is provided between the electrolyte / electrode assemblies 26. There is no need to provide it. As a result, the electrolyte / electrode assemblies 26 can be arranged close to each other, and the entire fuel cell 10 can be easily downsized.
  • first and second bridge portions 34 and 54 are radially configured to be spaced outward from the first and second fuel gas supply portions 32 and 52 at equal angular intervals. Therefore, the fuel gas can be evenly supplied from the first and second fuel gas supply parts 32, 52 to the respective electrolyte / electrode assemblies 26 via the first and second bridge parts 34, 54. The power generation performance of each electrolyte / electrode assembly 26 can be improved and stabilized.
  • the first and second sandwiching portions 36 and 58 and the first and second bridge portions 34 and 54 are set to a number corresponding to the number of the electrolyte / electrode assemblies 26. Accordingly, the fuel gas is supplied from the first and second fuel gas supply parts 32 and 52 to each electrolyte / electrode assembly 26 via the first and second bridge parts 34 and 54 and the first and second clamping parts 36 and 58. Can be supplied evenly, and the power generation performance of each electrolyte / electrode assembly 26 can be improved and stabilized.
  • the first clamping part 36 is provided with a plurality of protrusions 48 that protrude toward the fuel gas passage 40 and come into contact with the anode electrode 24. Thereby, a favorable power generation effect can be obtained by the plurality of protrusions 48.
  • the second sandwiching portion 58 is provided with a plurality of protrusions 60 that protrude toward the oxidant gas passage 62 and come into contact with the cathode electrode 22. For this reason, a good current collecting effect is obtained through the plurality of protrusions 60.
  • the first holding part 36 is provided with a protruding part 50. Therefore, for example, it is possible to easily measure the state of power extraction by the power generation of the electrolyte / electrode assembly 26, the temperature of the electrolyte / electrode assembly 26, and the like via the protrusion 50.
  • the protruding portion 50 is provided on the outer periphery of the first sandwiching portion 36 and between the fuel gas discharge passages 42a and 42b. Thereby, the protrusion part 50 can be shifted from the position directly exposed to the fuel exhaust gas, overheating due to the high temperature fuel exhaust gas is suppressed, and the temperature measurement of the separator 28 and the electrolyte / electrode assembly 26 can be performed with high accuracy. It becomes feasible.
  • the fuel cell 10 has an exhaust gas discharge part in which an exhaust gas discharge communication hole 72 is formed in the stacking direction, and an oxidant gas supply communication hole 68 for supplying an oxidant gas before being supplied to the electrolyte / electrode assembly 26. And an oxidant gas supply unit to be formed. For this reason, the fuel cell 10 as a whole can be easily downsized.
  • first and second fuel gas supply units 32 and 52 are provided in the central portion of the separator 28, and a plurality of (for example, four) fuel supply units 32 and 52 are centered on the first and second fuel gas supply units 32 and 52.
  • Oxidant gas supply communication holes 68 are concentrically arranged, and the oxidant gas supply communication holes 68 are arranged between a plurality of (for example, four) first and second bridge portions 34 and 54. Has been. Therefore, the fuel gas supplied to the fuel cell 10 (and the fuel cell stack 12) can be heated satisfactorily through the heat generated by the power generation. As a result, the fuel cell 10 and the fuel cell stack 12 can improve thermal efficiency and promote thermal self-support.
  • the fuel gas discharge passages 42 a, 42 b and 42 c discharge the fuel gas supplied to the electrolyte / electrode assembly 26 and used for the reaction to the oxidant gas supply communication hole 68. For this reason, the oxidant gas before use is heated by the reaction with the unused fuel gas remaining in the fuel exhaust gas, and the thermal efficiency is improved.
  • the fuel cell 10 is a solid oxide fuel cell, and with a simple configuration, can prevent the oxidant gas and exhaust gas from entering the anode electrode 24. In addition, by dispersing the exhaust gas to make the temperature distribution uniform, it is possible to improve durability and promote heat self-sustainability.
  • 42b and 42c are provided, it is not limited to this.
  • two or more fuel gas discharge passages can be provided, and the range in which the fuel gas discharge passages are formed is preferably a range of 180 ° inside each first clamping portion 36 (see FIG. 5). .
  • the separator 28 includes a first plate 28a and a second plate 28b.
  • the second plate 28b is divided into a disc-shaped plate portion and a cross-shaped plate portion. Also good.
  • FIG. 7 is an exploded perspective view of the fuel cell 140 according to the second embodiment of the present invention.
  • the same components as those of the fuel cell 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. Similarly, in the third and subsequent embodiments described below, detailed description thereof is omitted.
  • the fuel cell 140 includes a separator 142, and the separator 142 is configured by joining a first plate 142a and a second plate 142b.
  • a pair of fuel gas discharge passages 144a, 144b and 144c for discharging the fuel gas used through the fuel gas passage 40 are provided on the surface 36a of each first clamping portion 36 constituting the first plate 142a.
  • the fuel gas discharge passages 144a, 144b and 144c are provided on the connecting portion side of the first sandwiching portion 36 and the first bridge portion 34 and on both sides of the first bridge portion 34 so as to be spaced apart at equal intervals. It is done.
  • the fuel gas discharge passages 144a, 144b, and 144c are set such that the passage cross-sectional area on the downstream side in the gas flow direction of the fuel gas along the fuel gas passage 40 is larger than the passage cross-sectional area on the upstream side in the gas flow direction.
  • the gas flow directions (arrow C direction) of the fuel gas discharge passages 144a, 144b, and 144c are set in a direction that intersects with a straight line that connects the first fuel gas supply section 32 and the fuel gas discharge passages 144a, 144b, and 144c. (See FIG. 8).
  • the flow direction of the fuel gas discharge passages 144a, 144b and 144c (the direction of the arrow C) with respect to the flow direction of the oxidant gas. Crossed. For this reason, it is possible to prevent other gases such as oxidant gas and exhaust gas from entering the anode electrode 24 from the outside of the electrolyte / electrode assembly 26. Accordingly, a decrease in power generation efficiency due to oxidation of the anode electrode 24 is prevented, and durability of the separator 142 and the electrolyte / electrode assembly 26 is improved.
  • FIG. 9 is an exploded perspective view of a fuel cell 150 according to the third embodiment of the present invention.
  • an oxidant gas supply communication hole 68 is formed outside the first and second sandwiching portions 36 and 58.
  • a plurality of exhaust gas discharge communication holes 72 are arranged concentrically around the first and second fuel gas supply parts 32, 52, and each of the exhaust gas discharge communication holes 72 has a plurality of first and second bridge parts 34, 54. Are arranged in between. That is, the oxidant gas is supplied from the outside of each of the first and second holding portions 36 and 58 in the direction of arrow D (the direction opposite to the direction of arrow B), and each of the first and second holding portions 36 and 58 is supplied. Is discharged to the exhaust gas discharge communication hole 72 on the inner peripheral end side.
  • the fuel cell 150 includes a separator 152, and the separator 152 is configured by joining a first plate 152a and a second plate 152b.
  • a pair of fuel gas discharge passages 154a, 154b, and 154c for discharging the fuel gas used through the fuel gas passage 40 are provided on the surface 36a of each first sandwiching portion 36 constituting the first plate 152a.
  • the fuel gas discharge passages 154a, 154b and 154c are provided on the connecting portion side of the first sandwiching portion 36 and the first bridge portion 34 and on both sides of the first bridge portion 34 so as to be spaced apart at equal intervals. .
  • the fuel gas discharge passages 154a, 154b, and 154c are set such that the passage sectional area on the downstream side in the gas flow direction of the fuel gas along the fuel gas passage 40 is larger than the passage sectional area on the upstream side in the gas flow direction.
  • the gas flow directions (in the direction of arrow E) of the fuel gas discharge passages 154a, 154b and 154c are set in the same direction as the straight line connecting the first fuel gas supply unit 32 and the fuel gas discharge passages 154a, 154b and 154c. (See FIG. 10).
  • the oxidant gas flows along the cathode electrode 22 from the outside of the first and second clamping parts 36 and 58 toward the first and second fuel gas supply parts 32 and 52. To flow. At this time, it is possible to prevent other gases such as an oxidant gas and exhaust gas from entering the anode electrode 24 from the outside of the electrolyte / electrode assembly 26. Accordingly, it is possible to prevent a decrease in power generation efficiency due to oxidation of the anode electrode 24 and to improve durability of the separator 152 and the electrolyte / electrode assembly 26.
  • the oxidant gas flows in the direction of arrow D, and the gas flow direction of the fuel gas discharge passages 154a, 154b and 154c is set in the direction of arrow E.
  • the arrow D direction and the arrow E direction are set in the same direction, the discharge of the fuel exhaust gas from the fuel gas discharge passages 154a, 154b and 154c is promoted through the negative pressure effect caused by the flow of the oxidant gas.
  • the same effects as those of the first and second embodiments can be obtained.
  • a plurality of exhaust gas discharge communication holes 72 are concentrically arranged around the first and second fuel gas supply parts 32 and 52, and the exhaust gas discharge communication holes 72 are provided in a plurality.
  • the first and second bridge portions 34 and 54 are arranged.
  • the fuel gas discharge passages 154 a, 154 b and 154 c discharge the fuel gas used by being supplied to the electrolyte / electrode assembly 26 to the exhaust gas discharge communication hole 72. For this reason, the exhaust gas can be further heated by the reaction between the unused fuel gas remaining in the fuel exhaust gas and the unused oxidant gas, thereby improving the thermal efficiency.
  • the oxidant gas passage 62 discharges the oxidant gas used by being supplied to the electrolyte / electrode assembly 26 to the exhaust gas discharge communication hole 72. Therefore, the exhaust gas can be further heated by the reaction between the unused fuel gas remaining in the exhaust gas and the unused oxidant gas, and the thermal efficiency is improved.
  • FIG. 11 is an exploded perspective view of a fuel cell 160 according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the fuel cell 160 includes a separator 162, and the separator 162 is configured by joining a first plate 162a and a second plate 162b.
  • a spiral wall portion 164 is provided on the surface 36a of each first sandwiching portion 36 constituting the first plate 162a.
  • a fuel gas supply hole 38 is provided in the vicinity of the center of the spiral wall 164.
  • one fuel gas discharge passage 42 is formed on the connecting portion side between the first sandwiching portion 36 and the first bridge portion 34.
  • the passage sectional area on the downstream side in the gas flow direction of the fuel gas along the fuel gas passage 40 is set larger than the passage sectional area on the upstream side in the gas flow direction.
  • the fuel gas introduced into the fuel gas passage 40 through the fuel gas supply hole 38 is supplied to substantially the entire surface 36 a under the guiding action of the spiral wall portion 164, and thereafter The fuel gas is discharged from one fuel gas discharge passage 42. Therefore, in the fourth embodiment, the same effect as in the first to third embodiments can be obtained.
  • FIG. 12 is an exploded perspective view of a fuel cell 170 according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the fuel cell 170 includes a separator 172, and the separator 172 is configured by joining a first plate 172a and a second plate 172b.
  • Each first clamping part 36 constituting the first plate 172a is provided with fuel gas discharge passages 174a and 174b for discharging the fuel gas used through the fuel gas passage 40 (see FIGS. 12 and 13).
  • each first sandwiching portion 36 On the surface 36a of each first sandwiching portion 36, an outer edge circumferential convex portion 46 is continuously formed, and the fuel gas discharge passages 174a and 174b are arranged on the inner side of the outer edge circumferential convex portion 46. 1 It has the discharge holes 176a and 176b formed through the clamping part 36 (refer FIG.14 and FIG.15).
  • the cover members 178a and 178b are fixed to the surface 36b opposite to the surface 36a of the first clamping part 36.
  • the cover members 178a and 178b have a substantially trapezoidal shape in a plan view, and are provided with flange portions 180a and 180b on three sides except for the front end side that expands.
  • the flange portions 180a and 180b are fixed to the surface 36b of the first sandwiching portion 36 by including discharge holes 176a and 176b.
  • passage portions 182a and 182b having one end communicating with the discharge holes 176a and 176b and the other end opened to the outside are formed.
  • the passage portions 182a and 182b have a passage cross-sectional area that is set so as to increase from the discharge holes 176a and 176b to the outside, and the width dimension H3 on the discharge holes 176a and 176b side is on the end side that is open to the outside. The dimension is smaller than the width dimension H4 (see FIG. 14).
  • the second clamping portion 58 constituting the second plate 172 b is provided with notches 184 a and 184 b for inserting cover members 178 a and 178 b on both sides of the second bridge portion 54.
  • the fuel gas supplied from the fuel gas supply hole 38 to the fuel gas passage 40 passes through the discharge holes 176a and 176b constituting the fuel gas discharge passages 174a and 174b to the surface 36b side after the reaction. It moves and is introduced into passage portions 182a and 182b formed in the cover members 178a and 178b. Further, the discharged fuel gas is discharged from the open end to the oxidant gas supply communication hole 68 through the passage portions 182a and 182b.
  • the fuel gas discharge passages 174a and 174b have the discharge holes 176a and 176b formed through the first holding portion 36 on the inner side of the outer edge circumferential convex portion 46, respectively. is doing. For this reason, it is possible to prevent the fuel gas from blowing through the fuel gas passage 40 to the outside, and the fuel gas can be effectively used for the power generation reaction, and the fuel utilization rate is effectively improved.
  • the fuel gas discharge passages 174a and 174b have passage portions 182a and 182b whose one end side communicates with the discharge holes 176a and 176b and whose other end side is opened to the outside.
  • the passage portions 182a and 182b have a larger passage cross-sectional area from the discharge holes 176a and 176b to the outside.
  • the passage portions 182a and 182b are set such that the outer end width dimension H4 is set larger than the inner width dimension H3, and if necessary, as shown in FIG.
  • the side dimension can be set larger than the inner dimension.
  • you may comprise either the dimension of the width direction or the dimension of the lamination direction so that the outer side may become larger than the inner side.
  • FIG. 16 is an exploded perspective view of a fuel cell 190 according to the sixth embodiment of the present invention.
  • the fuel cell 190 includes a separator 192, and the separator 192 is configured by joining a first plate 192a and a second plate 192b.
  • the surface 36a of each first clamping part 36 constituting the first plate 192a is not provided with an arcuate wall part, and the fuel gas supply hole 38 is outward (in a direction away from the center of the separator 192).
  • the second plate 192 b is provided with a fuel gas supply passage 56 extending outward from the center of the second sandwiching portion 58 corresponding to the position of the fuel gas supply hole 38.
  • the fuel gas supply hole 38 is provided eccentrically outward from the center of each first clamping part 36. For this reason, the fuel gas introduced into the fuel gas passage 40 from the fuel gas supply hole 38 without being provided with the arcuate wall portion is supplied over the entire surface of the fuel gas passage 40 and then the fuel gas discharge passages 174a and 174b. To be discharged. Thereby, in 6th Embodiment, the effect similar to said 5th Embodiment is acquired.

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Abstract

　燃料電池（１０）は、電解質・電極接合体（２６）を挟持するセパレータ（２８）を備える。セパレータ（２８）は、中央部に燃料ガス供給連通孔（３０）を形成する第１及び第２燃料ガス供給部（３２、５２）と、前記第１及び第２燃料ガス供給部（３２、５２）に連結される第１及び第２橋架部（３４、５４）と、前記第１及び第２橋架部（３４、５４）に連結される第１及び第２挟持部（３６、５８）とを備える。各第１挟持部（３６）には、燃料ガス通路（４０）を通って使用された燃料ガスを排出するそれぞれ一対の燃料ガス排出通路（４２ａ、４２ｂ及び４２ｃ）が設けられる。燃料ガス排出通路（４２ａ、４２ｂ及び４２ｃ）は、燃料ガスのガス流れ方向下流側の通路断面積が、ガス流れ方向上流側の通路断面積よりも大きく設定される。

Description

燃料電池
　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だ電解質・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の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。
　例えば、特開平１０－１７２５９４号公報に開示されている平板型固体電解質燃料電池では、図１７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１ａを備えている。このセパレータ１ａは、四隅にガス給気孔２ａａ、３ａａとガス排気孔２ａｂ、３ａｂ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４ａａと突起４ａｂとが交互に面方向に沿って形成されている。
　ガス流通溝４ａａは、三角凹み５ａａ、５ａｂを介してガス給気孔２ａａ及びガス排気孔２ａｂに連通している。三角凹み５ａａには、ガス給気孔２ａａ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６ａ及び障害物７ａが設けられている。この絞り部６ａ及び障害物７ａは、ガス給気孔２ａａからガス導入部に流入するガスを均等に分配するように圧力損失を増加させる作用を有している。
　さらに、ガス流通溝４ａａの両端側には、溝深さを浅くしてガス流通導入口部８ａａ及びガス流通導出口部８ａｂ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。
　また、特開２００５－８５５２０号公報に開示されている固体酸化物形燃料電池では、図１８に示すように、固体電解質層の両面に燃料極層と空気極層を配した発電セル１ｂと、燃料極層の外側の燃料極集電体２ｂと、空気極層の外側の空気極集電体３ｂと、各集電体２ｂ、３ｂの外側のセパレータ４ｂを順番に積層している。集電体２ｂを構成する円形の多孔質金属体の外周部を覆うように、その周側部の全周にわたって多数のガス排出孔が所定の間隔で形成されているリング状の金属カバー（図示せず）が配設されている。
　このため、多孔質金属体内を拡散する燃料ガスが、その外周部全体より排出されることが回避されて、発電反応に寄与しない燃料ガスの外周部からの排出量を抑えるととともに、その分燃料ガスを効率的に発電セル１ｂ側に供給することができるようになる、としている。
　さらにまた、特開２００６－１２０５８９号公報に開示されている平板積層型燃料電池は、図１９に示すように、発電セルに積層されるセパレータ１ｃを備えている。セパレータ１ｃは、左右のマニホールド部分２ｃ、２ｃと、中央の発電セルを配置する部分３ｃとが、連結部分４ｃ、４ｃにより連結されており、この連結部分４ｃが可撓性を有している。
　マニホールド部分２ｃ、２ｃには、ガス孔５ｃ、６ｃが設けられており、一方のガス孔５ｃは、燃料ガス通路７ｃに連通するとともに、他方のガス孔６ｃは、酸化剤ガス通路８ｃに連通している。燃料ガス通路７ｃ及び酸化剤ガス通路８ｃは、部分３ｃ内にらせん状に延在しており、この部分３ｃ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。
　ところで、上記の特開平１０－１７２５９４号公報では、シールありの構造であるため、シールなしの構造と比較すると、ＭＥＡに過大な荷重が付与されてしまい、前記ＭＥＡに割れや破損等が惹起する。しかも、燃料ガス、酸化剤ガス又は排ガスが、不要な部位に回り込むことを良好に阻止するための工夫に関するものではない。
　また、上記の特開２００５－８５５２０号公報では、その周側部の全周にわたって多数のガス排出孔が所定の間隔で形成されているリング状の金属カバーを、セパレータとは別部品として構成している。従って、部品点数が増加するとともに、構造が複雑化してコストが高騰する。しかも、組み立て工数が多くなり、作業効率が低下するおそれがある。その上、燃料電池の厚さ方向の寸法が増加し、スタック全体の積層方向の長さが増大する。
　さらにまた、上記の特開２００６－１２０５８９号公報では、燃料ガス、酸化剤ガス又は排ガスが不要な部位に回り込み易く、電極の劣化や発電性能の低下が惹起される。さらに、各セパレータ１ｃ毎に１つの発電セルが配置されており、ＭＥＡを中心にしてマニホールドが外方に設けられている。従って、発電による発生熱が放熱し易く、熱効率が低下して熱自立の促進を図ることができない。
　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、ガスの不要な回り込みを抑制し、耐久性の向上を図るとともに、熱効率の向上及び熱自立の促進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だ電解質・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、一方の前記電解質・電極接合体の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他方の前記電解質・電極接合体の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供給するための燃料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が積層方向に形成される燃料ガス供給部とを備えている。
　そして、挟持部には、燃料ガスを燃料ガス通路に供給する燃料ガス供給孔と、前記燃料ガス通路側に突出してアノード電極の外周縁部に接触する外縁周回用凸部と、前記燃料ガス通路を通って使用された前記燃料ガス（以下、燃料排ガスともいう）を排出するために、前記挟持部と橋架部との連結部側に少なくとも１つ以上設けられる燃料ガス排出通路とが形成されるとともに、前記燃料ガス排出通路は、前記燃料ガスのガス流れ方向下流側の通路断面積が、ガス流れ方向上流側の通路断面積よりも大きく設定されている。
　本発明によれば、セパレータは、電解質・電極接合体を挟持する挟持部と、前記挟持部に連結された橋架部と、前記橋架部に連結された燃料ガス供給部とを備えている。このため、燃料ガス供給部と電解質・電極接合体とに付与される積層方向の締め付け荷重が、互いに遮断される。従って、簡単且つコンパクトな構成で、シール性が要求される部位には、大きな荷重を付与する一方、電解質・電極接合体には、比較的小さな荷重を付与することができる。これにより、電解質・電極接合体の損傷を阻止して効率的な発電及び集電が遂行可能になる。
　さらに、燃料ガス供給孔から燃料ガス通路に供給された燃料ガスは、前記燃料ガス通路側に突出してアノード電極の外周縁部に接触する外縁周回用凸部を介し、外部に吹き抜けすることを阻止されている。このため、燃料ガスを発電反応に有効に利用することが可能になり、燃料利用率が良好に向上する。
　しかも、電解質・電極接合体の外方から酸化剤ガスや排ガス等の他のガスが、アノード電極に回り込むことを、阻止することができる。これにより、アノード電極の酸化による発電効率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が容易に図られる。
　さらにまた、燃料ガス供給孔から燃料ガス通路に供給された燃料ガスは、反応後に、挟持部と橋架部との連結部側に少なくとも１つ以上設けられる燃料ガス排出通路から排出されている。従って、燃料排ガスは、橋架部の燃料ガス供給通路及び燃料ガス供給部の燃料ガス供給連通孔を流動する燃料ガスを、予め加熱することができ、熱自立を促進することが可能になる。
　また、燃料ガス供給孔から燃料ガス通路に供給された燃料ガスは、下流側の通路断面積が大きくなる燃料ガス排出通路から排出されている。このため、燃料ガスが外部に吹き抜けすることを抑制することができ、前記燃料ガスを発電反応に有効に利用することが可能になり、燃料利用率が良好に向上する。
　その上、電解質・電極接合体の外方から酸化剤ガスや排ガス等の他のガスが、アノード電極に回り込むことを、抑制することができる。これにより、アノード電極の酸化による発電効率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が容易に図られる。
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、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。 前記燃料電池を構成するセパレータの一部説明図である。 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説明図である。 前記燃料電池を構成するセパレータの一部説明図である。 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。 前記燃料電池を構成するセパレータの一部説明図である。 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。 本発明の第５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。 前記燃料電池を構成するセパレータの一部説明図である。 前記セパレータの、図１４中、ＸＶ－ＸＶ線断面図である。 本発明の第６の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 特開平１０－１７２５９４号公報の燃料電池を構成するセパレータの説明図である。 特開２００５－８５５２０号公報の燃料電池の一部断面説明図である。 特開２００６－１２０５８９号公報の燃料電池を構成するセパレータの説明図である。
　図１及び図２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、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１０は、固体電解質形燃料電池であり、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（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、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、４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を中心に同心円上に配列される。
　セパレータ２８は、図３に示すように、例えば、ステンレス合金等の板金である金属プレートやカーボンプレート等の第１プレート２８ａ及び第２プレート２８ｂが接合されて構成される。第１プレート２８ａは、中央部に燃料ガス供給連通孔３０を形成する第１燃料ガス供給部３２を有する。この第１燃料ガス供給部３２から外方に等角度間隔（９０゜間隔）ずつ離間して放射状に延在する４本の第１橋架部３４を介して、比較的大径な第１挟持部３６が一体的に設けられる。第１燃料ガス供給部３２と各第１挟持部３６との中心間距離は、同一距離に設定される。
　各第１挟持部３６は、電解質・電極接合体２６と略同一寸法の円板形状に設定されており、互いに分離して構成される。第１挟持部３６には、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔３８が、例えば、前記第１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。
　各第１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。面３６ａには、燃料ガス通路４０を通って使用された燃料ガスを排出するそれぞれ一対の燃料ガス排出通路４２ａ、４２ｂ及び４２ｃと、アノード電極２４に接触するとともに、前記燃料ガスが燃料ガス供給孔３８から前記燃料ガス排出通路４２ａ、４２ｂ及び４２ｃに直線状に流れることを阻止する迂回路形成用の円弧状壁部４４とが設けられる。
　燃料ガス排出通路４２ａ、４２ｂ及び４２ｃは、図５に示すように、第１挟持部３６と第１橋架部３４との連結部側に且つ前記第１橋架部３４を挟んで両側にそれぞれ等間隔ずつ離間して設けられる。燃料ガス排出通路４２ａ、４２ｂ及び４２ｃは、燃料ガス通路４０に沿って燃料ガスのガス流れ方向下流側の通路断面積が、ガス流れ方向上流側の通路断面積よりも大きく設定される。
　具体的には、面３６ａには、燃料ガス通路４０側に突出してアノード電極２４の外周縁部に接触する外縁周回用凸部４６と、前記アノード電極２４に接触する複数の突起部４８とが設けられる。外縁周回用凸部４６には、前記外縁周回用凸部４６を直接切り欠いて燃料ガス排出通路４２ａ、４２ｂ及び４２ｃが形成される。
　燃料ガス排出通路４２ａ、４２ｂ及び４２ｃは、外縁周回用凸部４６の内周面側の幅寸法Ｈ１よりも、前記外縁周回用凸部４６の外周面側の幅寸法Ｈ２が大きく設定される（Ｈ１＜Ｈ２）。燃料ガス排出通路４２ａ、４２ｂ及び４２ｃは、深さ方向の寸法が全面にわたって同一に設定されることにより、ガス流れ方向下流側の通路断面積が、ガス流れ方向上流側の通路断面積よりも大きく設定される。
　図３に示すように、円弧状壁部４４は、略馬蹄形状（一部を切り欠いた円弧状）を有し、その内部に燃料ガス供給孔３８が配置される。突起部４８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。
　第１挟持部３６には、電解質・電極接合体２６の発電による電力を取り出すため又は前記電解質・電極接合体２６の状態を計測するための突出部５０が設けられる。突出部５０は、第１挟持部３６の外周縁部や燃料ガス排出通路４２ａ、４２ｂ間に設けられる。
　図３及び図６に示すように、各第１挟持部３６のカソード電極２２側の面３６ｂは、略平坦面に形成されており、この面３６ｂ側には、第２プレート２８ｂ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。
　第２プレート２８ｂは、図３に示すように、中央部に燃料ガス供給連通孔３０を形成する第２燃料ガス供給部５２を備える。第２燃料ガス供給部５２には、補強用のボス部５３が所定数だけ設けられる。第２燃料ガス供給部５２から放射状に４本の第２橋架部５４が延在するとともに、前記第２燃料ガス供給部５２から各第２橋架部５４には、燃料ガス供給連通孔３０から燃料ガス供給孔３８に連通する燃料ガス供給通路５６が形成される。燃料ガス供給通路５６は、例えば、エッチング又はプレスにより形成される。
　各第２橋架部５４には、比較的大径な第２挟持部５８が一体的に設けられ、前記第２挟持部５８には、エッチング又はプレスにより複数の突起部６０が設けられる。第１挟持部３６の面３６ｂ側には、突起部６０によりカソード電極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６２が形成されるとともに、前記突起部６０は、集電部を構成する（図３及び図６参照）。
　図６に示すように、酸化剤ガス通路６２は、電解質・電極接合体２６の内側周端部と第１及び第２挟持部３６、５８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６８に連通する。この酸化剤ガス供給連通孔６８は、各第１及び第２挟持部３６、５８の内方と各第１及び第２橋架部３４、５４との間に位置して積層方向（矢印Ａ方向）に延在し、酸化剤ガス供給部を構成している。
　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絶縁シール７０が設けられる。絶縁シール７０は、例えば、マイカ材やセラミック材等、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で形成されている。絶縁シール７０は、燃料ガス供給連通孔３０を電解質・電極接合体２６に対してシールする機能を有する。
　燃料電池１０には、第１及び第２挟持部３６、５８の外方に位置して排ガス排出連通孔７２が形成される。この排ガス排出連通孔７２は、電解質・電極接合体２６に供給されて反応に使用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排出部を構成する。各第１及び第２挟持部３６、５８間には、必要に応じて、空気制御板７３が配設される（図３参照）。
　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７４ａが配置されるとともに、積層方向他端に、隔壁７５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７４ｂと、大径且つ略リング状の固定リング７４ｃとが配置される。隔壁７５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７４ｂ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７４ａ及び固定リング７４ｃは、複数の孔部７６を有する。孔部７６及びボルト挿入用カラー部材７７に挿入されるボルト７８及び前記ボルト７８に螺合するナット８０を介し、第１エンドプレート７４ａと固定リング７４ｃとが締め付け固定される。
　第１エンドプレート７４ａ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８２と、各酸化剤ガス供給連通孔６８に連通するキャビティ８３ａを設けるケーシング８３と、前記ケーシング８３に接続されて前記キャビティ８３ａに連通する単一の酸化剤ガス供給パイプ８４とが設けられる。
　第１エンドプレート７４ａには、複数のボルト７８、ナット８８ａ、８８ｂ及び板状カラー部材９０を介して支持プレート９２が固定される。支持プレート９２と第１エンドプレート７４ａとの間には、第１及び第２燃料ガス供給部３２、５２に締め付け荷重を付与する第１荷重付与部９４と、各電解質・電極接合体２６に締め付け荷重を付与する第２荷重付与部９８とが設けられ、これらにより荷重付与機構が構成される。
　第１荷重付与部９４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及び第２燃料ガス供給部３２、５２の中央部）に配置される押圧部材１００を備え、この押圧部材１００は、４つの第２エンドプレート７４ｂの配列中心近傍に位置して前記燃料電池１０に隔壁７５を介して押圧する。押圧部材１００には、第１受け部材１０２ａ及び第２受け部材１０２ｂを介して第１スプリング１０４が配置される。第２受け部材１０２ｂには、第１押圧ボルト１０６の先端が当接する。第１押圧ボルト１０６は、支持プレート９２に形成された第１ねじ孔１０８に螺合するとともに、第１ナット１１０を介して位置調整可能に固定される。
　第２荷重付与部９８は、第２エンドプレート７４ｂ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１１２ａを備える。第３受け部材１１２ａは、ピン１１４を介して第２エンドプレート７４ｂに位置決め支持される。第３受け部材１１２ａに第２スプリング１１６の一端が当接する一方、前記第２スプリング１１６の他端が第４受け部材１１２ｂに当接する。第４受け部材１１２ｂには、第２押圧ボルト１１８の先端が当接する。第２押圧ボルト１１８は、支持プレート９２に形成された第２ねじ孔１２０に螺合するとともに、第２ナット１２２を介して位置調整可能に固定される。
　この燃料電池スタック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７４ａに接続されている燃料ガス供給パイプ８２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８４からキャビティ８３ａを介して各酸化剤ガス供給連通孔６８には、酸素含有ガスである空気が供給される。
　図６に示すように、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に設けられる燃料ガス供給通路５６に沿ってセパレータ２８の面方向に移動する。
　燃料ガスは、燃料ガス供給通路５６から第１挟持部３６に形成された燃料ガス供給孔３８を通って燃料ガス通路４０に導入される。燃料ガス供給孔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。このため、燃料ガスは、燃料ガス供給孔３８からアノード電極２４の略中心に供給された後、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６８に供給された空気は、電解質・電極接合体２６の内側周端部と第１及び第２挟持部３６、５８の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に流入し、酸化剤ガス通路６２に送られる。酸化剤ガス通路６２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主に発電反応後の空気を含む排ガスは、オフガスとして排ガス排出連通孔７２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、セパレータ２８は、電解質・電極接合体２６を挟持する第１及び第２挟持部３６、５８と、前記第１及び第２挟持部３６、５８に連結された第１及び第２橋架部３４、５４と、前記第１及び第２橋架部３４、５４に連結された第１及び第２燃料ガス供給部３２、５２とを備えている。
　このため、第１及び第２燃料ガス供給部３２、５２と電解質・電極接合体２６とに付与される積層方向の締め付け荷重が、互いに遮断される。従って、簡単且つコンパクトな構成で、シール性が要求される部位には、大きな荷重を付与する一方、電解質・電極接合体２６には、比較的小さな荷重を付与することができる。これにより、電解質・電極接合体２６の損傷を阻止して効率的な発電及び集電が遂行可能になる。
　さらに、第１挟持部３６の面３６ａには、アノード電極２４の外周縁部に接触する外縁周回用凸部４６が設けられている。このため、燃料ガス供給孔３８から燃料ガス通路４０に供給された燃料ガスは、外部に吹き抜けすることを阻止されている。従って、燃料ガスを発電反応に有効に利用することが可能になり、燃料利用率が良好に向上する。
　しかも、電解質・電極接合体２６の外方から酸化剤ガスや排ガス等の他のガスが、アノード電極２４に回り込むことを、阻止することができる。これにより、アノード電極２４の酸化による発電効率の低下を防止するとともに、セパレータ２８や電解質・電極接合体２６の耐久性の向上が容易に図られる。
　さらにまた、第１挟持部３６の面３６ａには、前記第１挟持部３６と第１橋架部３４との連結部側に且つ前記第１橋架部３４を挟んで両側にそれぞれ燃料ガス排出通路４２ａ、４２ｂ及び４２ｃが設けられている。このため、燃料ガス供給孔３８から燃料ガス通路４０に供給された燃料ガスは、反応後に、複数の燃料ガス排出通路４２ａ、４２ｂ及び４２ｃから分散して排出されている。
　従って、セパレータ２８のカソード面には、水蒸気や未使用燃料ガスが特定箇所（中心部分）に集中することがなく、酸化剤ガスの供給不足による性能低下を良好に阻止することができる。このため、燃料電池１０の温度分布を均一化することが可能になり、前記燃料電池１０の耐久性を向上させることができる。
　しかも、燃料排ガスは、燃料ガス供給連通孔３０及び燃料ガス供給通路５６を流動する燃料ガスを、予め加熱することができる。これにより、熱自立を促進することが可能になる。
　また、燃料ガス排出通路４２ａ、４２ｂ及び４２ｃは、外縁周回用凸部４６の内周面側の幅寸法Ｈ１よりも、前記外縁周回用凸部４６の外周面側の幅寸法Ｈ２が大きく設定される（Ｈ１＜Ｈ２）。従って、燃料ガス排出通路４２ａ、４２ｂ及び４２ｃは、ガス流れ方向下流側の通路断面積が、ガス流れ方向上流側の通路断面積よりも大きく設定されている。このため、燃料ガスが外部に吹き抜けすることを抑制することができ、前記燃料ガスを発電反応に有効に利用することが可能になり、燃料利用率が良好に向上する。
　その上、電解質・電極接合体２６の外方から酸化剤ガスや排ガス等の他のガスが、アノード電極２４に回り込むことを抑制することができる。これにより、アノード電極２４の酸化による発電効率の低下を防止するとともに、セパレータ２８や電解質・電極接合体２６の耐久性の向上が容易に図られる。
　さらに、第１の実施形態では、図３に示すように、セパレータ２８を構成する第１挟持部３６の面３６ａには、燃料ガス供給孔３８と燃料ガス排出通路４２ａ～４２ｃとを結ぶ経路上に、円弧状壁部４４が設けられている。この円弧状壁部４４は、電解質・電極接合体２６のアノード電極２４に接触しており、良好な集電効果が得られる。
　しかも、燃料ガス供給孔３８から燃料ガス通路４０に供給される燃料ガスは、円弧状壁部４４に阻止されて前記燃料ガス供給孔３８から燃料ガス排出通路４２ａ～４２ｃに直線状に流れることがない。このため、燃料ガスは、燃料ガス通路４０内を迂回しながら流れるため、前記燃料ガスがアノード電極２４に沿って流れる流路長が長尺化し、すなわち、流れる時間が長くなり、前記燃料ガスを発電反応に有効に利用することが可能となる。これにより、燃料利用率が有効に向上する。
　さらにまた、燃料ガス排出通路４２ａ～４２ｃは、外縁周回用凸部４６に形成されるスリット等で構成されている。従って、構成が比較的簡素化するとともに、製造コストの低減及び部品点数の削減が可能になる。
　また、第１及び第２燃料ガス供給部３２、５２は、セパレータ２８の中央部に設けられるとともに、前記第１及び第２燃料ガス供給部３２、５２を中心に、複数（例えば、４つ）の電解質・電極接合体２６が同心円状に配列されている。このため、燃料電池１０（及び燃料電池スタック１２）に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスは、発電による発生熱及び燃料ガス排出通路４２ａ、４２ｂ及び４２ｃから酸化剤ガス供給連通孔６８に排出される残存燃料ガスと、前記酸化剤ガス供給連通孔６８を流れる酸化剤ガスとの反応による発生熱により、良好に加熱されている。従って、燃料電池１０（及び燃料電池スタック１２）は、熱効率の向上と熱自立の促進とを図ることができる。
　その上、第１及び第２燃料ガス供給部３２、５２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可能になり、各電解質・電極接合体２６の発電性能の向上及び安定化が図られる。
　さらに、第１及び第２挟持部３６、５８は、各電解質・電極接合体２６に対応した形状を有するとともに、複数の前記第１及び第２挟持部３６、５８は、互いに分離して構成されている。これにより、第１及び第２挟持部３６、５８は、電解質・電極接合体２６に対応した形状（例えば、円板形状）を有するため、前記電解質・電極接合体２６で発電された電力を効率的に集電することができる。
　しかも、各第１及び第２挟持部３６、５８は、互いに分離しており、電解質・電極接合体２６やセパレータ２８の寸法誤差によって各電解質・電極接合体２６に発生する異なる荷重を吸収することが可能になる。従って、セパレータ２８全体に歪みが惹起されることを阻止し、各電解質・電極接合体２６に対して均等な荷重を付与することができる。
　その上、各電解質・電極接合体２６の熱歪み等が隣接する他の電解質・電極接合体２６に伝達されることがなく、前記電解質・電極接合体２６間には、個別の寸法吸収機構を設ける必要がない。これにより、各電解質・電極接合体２６同士を近接して配置することが可能になり、燃料電池１０全体の小型化が容易に図られる。
　さらにまた、複数の第１及び第２橋架部３４、５４は、第１及び第２燃料ガス供給部３２、５２から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に構成されている。このため、第１及び第２燃料ガス供給部３２、５２から第１及び第２橋架部３４、５４を介して各電解質・電極接合体２６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の発電性能の向上及び安定化を図ることが可能になる。
　また、セパレータ２８は、第１及び第２挟持部３６、５８と第１及び第２橋架部３４、５４とが電解質・電極接合体２６の数に対応する数に設定されている。従って、第１及び第２燃料ガス供給部３２、５２から各第１及び第２橋架部３４、５４並びに第１及び第２挟持部３６、５８を介して各電解質・電極接合体２６に燃料ガスを均等に供給することができ、前記各電解質・電極接合体２６の発電性能の向上及び安定化を図ることが可能になる。
　さらに、第１挟持部３６には、燃料ガス通路４０側に突出してアノード電極２４に接触する複数の突起部４８が設けられている。これにより、複数の突起部４８により、良好な発電効果を得ることができる。
　さらにまた、第２挟持部５８には、酸化剤ガス通路６２側に突出してカソード電極２２に接触する複数の突起部６０が設けられている。このため、複数の突起部６０を介して、良好な集電効果が得られる。
　また、第１挟持部３６には、突出部５０が設けられている。従って、突出部５０を介して、例えば、電解質・電極接合体２６の発電による電力の取り出しや、前記電解質・電極接合体２６の温度等の状態を容易に計測することができる。
　しかも、突出部５０は、第１挟持部３６の外周に、且つ、燃料ガス排出通路４２ａ、４２ｂ間に設けられている。これにより、突出部５０は、燃料排ガスに直接曝される位置からずらすことができ、高温の前記燃料排ガスによる過熱が抑制され、セパレータ２８や電解質・電極接合体２６の温度測定等が高精度に遂行可能になる。
　さらに、燃料電池１０は、排ガス排出連通孔７２が積層方向に形成される排ガス排出部と、電解質・電極接合体２６に供給される前の酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給連通孔６８が形成される酸化剤ガス供給部とを備えている。このため、燃料電池１０全体の小型化が容易に図られる。
　さらにまた、第１及び第２燃料ガス供給部３２、５２は、セパレータ２８の中央部に設けられるとともに、前記第１及び第２燃料ガス供給部３２、５２を中心に、複数（例えば、４つ）の酸化剤ガス供給連通孔６８が同心円状に配列され、且つ、前記酸化剤ガス供給連通孔６８は、複数（例えば、４つ）の第１及び第２橋架部３４、５４の間に配列されている。従って、燃料電池１０（及び燃料電池スタック１２）に供給される燃料ガスは、発電による発生熱を介して良好に加熱可能になる。これにより、燃料電池１０や燃料電池スタック１２は、熱効率の向上と熱自立の促進とを図ることができる。
　また、燃料ガス排出通路４２ａ、４２ｂ及び４２ｃは、電解質・電極接合体２６に供給されて反応に使用された燃料ガスを酸化剤ガス供給連通孔６８に排出している。このため、使用前の酸化剤ガスは、燃料排ガス中に残存する未使用燃料ガスとの反応によって加熱され、熱効率の向上が図られる。
　さらに、燃料電池１０は、固体酸化物形燃料電池であり、簡単な構成で、アノード電極２４への酸化剤ガス及び排ガスの回り込みを抑制することができる。しかも、排ガスを分散させて温度分布を均等にすることにより、耐久性の向上を図るとともに、熱自立の促進が可能になる。
　なお、第１の実施形態では、第１挟持部３６と第１橋架部３４との連結部側に、且つ、前記第１橋架部３４を挟んで両側に、それぞれ３つの燃料ガス排出通路４２ａ、４２ｂ及び４２ｃが設けられているが、これに限定されるものではない。例えば、それぞれ２つ以上の燃料ガス排出通路を設けることができ、該燃料ガス排出通路が形成される範囲は、各第１挟持部３６の内側１８０°の範囲が好適である（図５参照）。その際、空気制御板７３により、燃料ガス排出通路の範囲を規制することが好ましい。
　また、セパレータ２８は、第１プレート２８ａ及び第２プレート２８ｂにより構成されているが、例えば、第２プレート２８ｂを円板状のプレート部と十字形状のプレート部とに２分割して構成してもよい。
　図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１４０の分解斜視説明図である。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の実施形態以降においても同様に、その詳細な説明は省略する。
　燃料電池１４０は、セパレータ１４２を備えるとともに、前記セパレータ１４２は、第１プレート１４２ａと第２プレート１４２ｂとを接合して構成される。第１プレート１４２ａを構成する各第１挟持部３６の面３６ａには、燃料ガス通路４０を通って使用された燃料ガスを排出するそれぞれ一対の燃料ガス排出通路１４４ａ、１４４ｂ及び１４４ｃが設けられる。
　燃料ガス排出通路１４４ａ、１４４ｂ及び１４４ｃは、第１挟持部３６と第１橋架部３４との連結部側に、且つ、前記第１橋架部３４を挟んで両側にそれぞれ等間隔ずつ離間して設けられる。燃料ガス排出通路１４４ａ、１４４ｂ及び１４４ｃは、燃料ガス通路４０に沿って燃料ガスのガス流れ方向下流側の通路断面積が、ガス流れ方向上流側の通路断面積よりも大きく設定される。
　燃料ガス排出通路１４４ａ、１４４ｂ及び１４４ｃのガス流れ方向（矢印Ｃ方向）は、第１燃料ガス供給部３２と前記燃料ガス排出通路１４４ａ、１４４ｂ及び１４４ｃとを繋ぐ直線に対して交差する方向に設定される（図８参照）。
　この第２の実施形態では、酸化剤ガスが矢印Ｂ方向に向かって流される際、この酸化剤ガスの流れ方向に対して燃料ガス排出通路１４４ａ、１４４ｂ及び１４４ｃの流れ方向（矢印Ｃ方向）が交差している。このため、電解質・電極接合体２６の外方から酸化剤ガスや排ガス等の他のガスがアノード電極２４に回り込むことを阻止できる。従って、アノード電極２４の酸化による発電効率の低下を阻止するとともに、セパレータ１４２や電解質・電極接合体２６の耐久性の向上が図られる。
　その上、酸化剤ガスの流れによる負圧効果によって、燃料ガス排出通路１４４ａ、１４４ｂ及び１４４ｃからの燃料排ガスの排出が促進される。これにより、効率的な運転が遂行可能になるという効果が得られる。
　図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１５０の分解斜視説明図である。
　燃料電池１５０では、第１及び第２挟持部３６、５８の外方に位置して酸化剤ガス供給連通孔６８が形成される。第１及び第２燃料ガス供給部３２、５２を中心に複数の排ガス排出連通孔７２が同心円状に配列され、各前記排ガス排出連通孔７２は、複数の第１及び第２橋架部３４、５４の間に配列される。すなわち、酸化剤ガスは、各第１及び第２挟持部３６、５８の外方から矢印Ｄ方向（矢印Ｂ方向とは逆方向）に供給され、前記各第１及び第２挟持部３６、５８の内側周端部側の排ガス排出連通孔７２に排出される。
　燃料電池１５０は、セパレータ１５２を備えるとともに、前記セパレータ１５２は、第１プレート１５２ａと第２プレート１５２ｂとを接合して構成される。第１プレート１５２ａを構成する各第１挟持部３６の面３６ａには、燃料ガス通路４０を通って使用された燃料ガスを排出するそれぞれ一対の燃料ガス排出通路１５４ａ、１５４ｂ及び１５４ｃが設けられる。
　燃料ガス排出通路１５４ａ、１５４ｂ及び１５４ｃは、第１挟持部３６と第１橋架部３４との連結部側に、且つ、第１橋架部３４を挟んで両側にそれぞれ等間隔ずつ離間して設けられる。燃料ガス排出通路１５４ａ、１５４ｂ及び１５４ｃは、燃料ガス通路４０に沿って燃料ガスのガス流れ方向下流側の通路断面積が、ガス流れ方向上流側の通路断面積よりも大きく設定される。
　燃料ガス排出通路１５４ａ、１５４ｂ及び１５４ｃのガス流れ方向（矢印Ｅ方向）は、第１燃料ガス供給部３２と前記燃料ガス排出通路１５４ａ、１５４ｂ及び１５４ｃとを繋ぐ直線と同一の方向に設定される（図１０参照）。
　この第３の実施形態では、酸化剤ガスは、各第１及び第２挟持部３６、５８の外方から第１及び第２燃料ガス供給部３２、５２側に向かって、カソード電極２２に沿って流動する。その際、電解質・電極接合体２６の外方から酸化剤ガスや排ガス等の他のガスが、アノード電極２４に回り込むことを阻止できる。従って、アノード電極２４の酸化による発電効率の低下を防止するとともに、セパレータ１５２や電解質・電極接合体２６の耐久性の向上が図られる。
　その上、酸化剤ガスが、矢印Ｄ方向に流動するとともに、燃料ガス排出通路１５４ａ、１５４ｂ及び１５４ｃのガス流れ方向が、矢印Ｅ方向に設定されている。このため、矢印Ｄ方向と矢印Ｅ方向は同一の方向に設定されるので、酸化剤ガスの流れによる負圧効果を介し、燃料ガス排出通路１５４ａ、１５４ｂ及び１５４ｃからの燃料排ガスの排出が促進される等、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。
　さらに、第３の実施形態では、第１及び第２燃料ガス供給部３２、５２を中心に、複数の排ガス排出連通孔７２が同心円状に配列され、且つ、前記排ガス排出連通孔７２は、複数の第１及び第２橋架部３４、５４の間に配列されている。これにより、燃料電池１５０（及び燃料電池スタック）に供給される燃料ガスは、発電による発生熱及び排ガスを介して良好に加熱可能になり、熱効率の向上と熱自立の促進とを図ることができる。
　さらにまた、燃料ガス排出通路１５４ａ、１５４ｂ及び１５４ｃは、電解質・電極接合体２６に供給されて使用された燃料ガスを、排ガス排出連通孔７２に排出している。このため、燃料排ガス中に残存する未使用燃料ガスと未使用酸化剤ガスとの反応によって、排ガスをさらに加熱することが可能になり、熱効率の向上が図られる。
　また、酸化剤ガス通路６２は、電解質・電極接合体２６に供給されて使用された酸化剤ガスを、排ガス排出連通孔７２に排出している。従って、排ガス中に残存する未使用燃料ガスと未使用酸化剤ガスとの反応によって、排ガスをさらに加熱することが可能になり、熱効率の向上が図られる。
　図１１は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１６０の分解斜視説明図である。
　燃料電池１６０は、セパレータ１６２を備えるとともに、前記セパレータ１６２は、第１プレート１６２ａと第２プレート１６２ｂとを接合して構成される。第１プレート１６２ａを構成する各第１挟持部３６の面３６ａには、渦巻き状壁部１６４が設けられる。この渦巻き状壁部１６４の中心近傍には、燃料ガス供給孔３８が設けられる。
　面３６ａには、第１挟持部３６と第１橋架部３４との連結部側に１つの燃料ガス排出通路４２が形成される。燃料ガス排出通路４２は、燃料ガス通路４０に沿って燃料ガスのガス流れ方向下流側の通路断面積が、ガス流れ方向上流側の通路断面積よりも大きく設定される。
　この第４の実施形態では、燃料ガス供給孔３８を通って燃料ガス通路４０に導入される燃料ガスは、渦巻き状壁部１６４の案内作用下に面３６ａの略全面に供給された後、単一の燃料ガス排出通路４２から排出される。従って、この第４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。
　図１２は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池１７０の分解斜視説明図である。
　燃料電池１７０は、セパレータ１７２を備えるとともに、前記セパレータ１７２は、第１プレート１７２ａと第２プレート１７２ｂとを接合して構成される。第１プレート１７２ａを構成する各第１挟持部３６には、燃料ガス通路４０を通って使用された燃料ガスを排出する燃料ガス排出通路１７４ａ、１７４ｂが設けられる（図１２及び図１３参照）。
　各第１挟持部３６の面３６ａには、外縁周回用凸部４６が連続して周回形成されるとともに、燃料ガス排出通路１７４ａ、１７４ｂは、前記外縁周回用凸部４６よりも内側に、第１挟持部３６を貫通して形成される排出孔１７６ａ、１７６ｂを有する（図１４及び図１５参照）。
　第１挟持部３６の面３６ａとは反対の面３６ｂには、カバー部材１７８ａ、１７８ｂが固着される。カバー部材１７８ａ、１７８ｂは、平面視略台形状を有し、拡開する先端側を除いて３辺にフランジ部１８０ａ、１８０ｂが設けられる。フランジ部１８０ａ、１８０ｂは、第１挟持部３６の面３６ｂに排出孔１７６ａ、１７６ｂを内包して固着される。
　カバー部材１７８ａ、１７８ｂと面３６ｂとの間には、一端側が排出孔１７６ａ、１７６ｂに連通し、且つ他端側が外部に開放される通路部１８２ａ、１８２ｂが形成される。通路部１８２ａ、１８２ｂは、排出孔１７６ａ、１７６ｂから外部に向かって通路断面積が大きく設定されており、前記排出孔１７６ａ、１７６ｂ側の幅寸法Ｈ３は、前記外部に開放される端部側の幅寸法Ｈ４よりも小さな寸法を有する（図１４参照）。
　図１２に示すように、第２プレート１７２ｂを構成する第２挟持部５８は、第２橋架部５４の両側にカバー部材１７８ａ、１７８ｂを挿入するための切り欠き部１８４ａ、１８４ｂを設ける。
　この第５の実施形態では、燃料ガス供給孔３８から燃料ガス通路４０に供給された燃料ガスは、反応後に燃料ガス排出通路１７４ａ、１７４ｂを構成する排出孔１７６ａ、１７６ｂを通って面３６ｂ側に移動し、カバー部材１７８ａ、１７８ｂ内に形成される通路部１８２ａ、１８２ｂに導入される。さらに、排出燃料ガスは、通路部１８２ａ、１８２ｂを通って開放側端部から酸化剤ガス供給連通孔６８に排出される。
　このように、第５の実施形態では、燃料ガス排出通路１７４ａ、１７４ｂは、外縁周回用凸部４６よりも内側に、第１挟持部３６を貫通して形成される排出孔１７６ａ、１７６ｂを有している。このため、燃料ガスが燃料ガス通路４０から外部に吹き抜けすることを抑制することができ、前記燃料ガスを発電反応に有効に利用することが可能になり、燃料利用率が有効に向上する。
　しかも、電解質・電極接合体２６の外方から酸化剤ガスや排ガス等の他のガスがアノード電極２４に回り込むことを抑制することができる。従って、アノード電極２４の酸化による発電効率の低下を防止するとともに、セパレータ１７２や電解質・電極接合体２６の耐久性の向上が容易に図られる。
　さらに、燃料ガス排出通路１７４ａ、１７４ｂは、一端側が排出孔１７６ａ、１７６ｂに連通し、且つ他端側が外部に開放される通路部１８２ａ、１８２ｂを有している。そして、通路部１８２ａ、１８２ｂは、排出孔１７６ａ、１７６ｂから外部に向かって通路断面積が大きく設定されている。
　これにより、電解質・電極接合体２６の外方から酸化剤ガスや排ガス等の他のガスが通路部１８２ａ、１８２ｂを通ってアノード電極２４に回り込むことを抑制することができ、前記アノード電極２４の酸化による発電効率の低下を防止するとともに、セパレータ１７２や電解質・電極接合体２６の耐久性の向上が容易に図られる。
　なお、通路部１８２ａ、１８２ｂは、外部側の端部幅寸法Ｈ４を内方側の幅寸法Ｈ３よりも大きく設定する他、必要に応じて、図１５に示すように、積層方向に対して外部側の寸法を内部側の寸法より大きく設定することもできる。また、幅方向の寸法又は積層方向の寸法のいずれかを、外部側が内部側よりも大きくなるように構成してもよい。
　図１６は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池１９０の分解斜視説明図である。
　なお、第５の実施形態に係る燃料電池１７０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１９０は、セパレータ１９２を備えるとともに、前記セパレータ１９２は、第１プレート１９２ａと第２プレート１９２ｂとを接合して構成される。第１プレート１９２ａを構成する各第１挟持部３６の面３６ａには、円弧状壁部が設けられておらず、燃料ガス供給孔３８が外方側（セパレータ１９２の中心から離間する方向）に偏心して設けられる。第２プレート１９２ｂは、燃料ガス供給孔３８の位置に対応して燃料ガス供給通路５６が第２挟持部５８の中心から外方に延在して設けられる。
　この第６の実施形態では、燃料ガス供給孔３８が、各第１挟持部３６の中心から外方に偏心して設けられている。このため、円弧状壁部を設けることがなく、燃料ガス供給孔３８から燃料ガス通路４０に導入される燃料ガスは、この燃料ガス通路４０全面にわたって供給された後、燃料ガス排出通路１７４ａ、１７４ｂに排出される。これにより、第６の実施形態では、上記の第５の実施形態と同様の効果が得られる。

Claims (22)

  1. 　電解質（２０）をアノード電極（２４）とカソード電極（２２）とで挟んだ電解質・電極接合体（２６）と、セパレータ（２８）とが交互に積層される燃料電池（１０）であって、
    　前記セパレータ（２８）は、前記電解質・電極接合体（２６）を挟持するとともに、一方の前記電解質・電極接合体（２６）の前記アノード電極（２４）の電極面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス通路（４０）及び他方の前記電解質・電極接合体（２６）の前記カソード電極（２２）の電極面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路（６２）が個別に設けられる挟持部（３６）と、
    　前記挟持部（３６）に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス通路（４０）に供給するための燃料ガス供給通路（５６）が形成される橋架部（３４）と、
    　前記橋架部（３４）に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給通路（５６）に供給するための燃料ガス供給連通孔（３０）が積層方向に形成される燃料ガス供給部（３２）と、
    　を備え、
    　前記挟持部（３６）には、前記燃料ガスを前記燃料ガス通路（４０）に供給する燃料ガス供給孔（３８）と、
    　前記燃料ガス通路（４０）側に突出して前記アノード電極（２４）の外周縁部に接触する外縁周回用凸部（４６）と、
    　前記燃料ガス通路（４０）を通って使用された前記燃料ガスを排出するために、前記挟持部（３６）と前記橋架部（３４）との連結部側に少なくとも１つ以上設けられる燃料ガス排出通路（４２ａ）と、
    　が形成されるとともに、
    　前記燃料ガス排出通路（４２ａ）は、前記燃料ガスのガス流れ方向下流側の通路断面積が、ガス流れ方向上流側の通路断面積よりも大きく設定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、前記挟持部（３６）には、前記燃料ガス通路（４０）側に突出して前記アノード電極（２４）に接触するとともに、前記燃料ガスが前記燃料ガス供給孔（３８）から前記燃料ガス排出通路（４２ａ）に直線状に流れることを阻止する迂回路形成用壁部（４４）が設けら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、前記燃料ガス排出通路（１４４ａ）のガス流れ方向は、前記燃料ガス供給部（３２）と前記燃料ガス排出通路（１４４ａ）とを繋ぐ直線に対して交差する方向に設定されることを特徴とする燃料電池。
  4. 　請求項１又は２記載の燃料電池において、前記燃料ガス排出通路（１５４ａ）のガス流れ方向は、前記燃料ガス供給部（３２）と前記燃料ガス排出通路（１５４ａ）とを繋ぐ直線と同一の方向に設定されることを特徴とする燃料電池。
  5. 　請求項１記載の燃料電池において、前記燃料ガス排出通路（１７４ａ）は、前記外縁周回用凸部（４６）よりも内側に前記挟持部（３６）を貫通して形成される排出孔（１７６ａ）を有す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、前記燃料ガス排出通路（１７４ａ）は、前記アノード電極（２４）とは反対の面側に設けられ、一端側が前記排出孔（１７６ａ）に連通し且つ他端側が外部に開放される通路部（１８２ａ）を有し、
    　前記通路部（１８２ａ）は、前記排出孔（１７６ａ）から前記外部に向かって通路断面積が大きく設定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、前記燃料ガス排出通路（４２ａ）は、前記外縁周回用凸部（４６）に形成されることを特徴とする燃料電池。
  8. [規則91に基づく訂正 15.07.2010]　
    　請求項１記載の燃料電池において、前記燃料ガス供給部（３２）は、前記セパレータ（２８）の中央部に設けられるとともに、
    　前記燃料ガス供給部（３２）を中心に複数の前記電解質・電極接合体（２６）が同心円上に配列されることを特徴とする燃料電池。
  9. 　請求項１記載の燃料電池において、前記挟持部（３６）は、各電解質・電極接合体（２６）に対応した形状を有するとともに、
    　複数の前記挟持部（３６）は、互いに分離して構成されることを特徴とする燃料電池。
  10. 　請求項１記載の燃料電池において、複数の前記橋架部（３４）は、前記燃料ガス供給部（３２）から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に構成されることを特徴とする燃料電池。
  11. 　請求項１記載の燃料電池において、前記セパレータ（２８）は、前記挟持部（３６）及び前記橋架部（３４）が前記電解質・電極接合体（２６）の数に対応する数に設定されることを特徴とする燃料電池。
  12. 　請求項１記載の燃料電池において、前記挟持部（３６）には、前記燃料ガス通路（４０）側に突出して前記アノード電極（２４）に接触する複数の突起部（４８）が設けられることを特徴とする燃料電池。
  13. 　請求項１記載の燃料電池において、前記挟持部（３６）には、前記酸化剤ガス通路（６２）側に突出して前記カソード電極（２２）に接触する複数の突起部（６０）が設けられることを特徴とする燃料電池。
  14. 　請求項１記載の燃料電池において、前記挟持部（３６）の少なくとも１つには、前記電解質・電極接合体（２６）の発電による電力を取り出すため又は前記電解質・電極接合体（２６）の状態を計測するための突出部（５０）が設けられることを特徴とする燃料電池。
  15. 　請求項１４記載の燃料電池において、前記突出部（５０）は、前記挟持部（３６）の外周縁部に且つ複数の前記燃料ガス排出通路（４２ａ）の間に設けられることを特徴とする燃料電池。
  16. 　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（２６）に供給されて反応に使用された前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを、排ガスとして排出するための排ガス排出連通孔（７２）が前記積層方向に形成される排ガス排出部と、
    　前記電解質・電極接合体（２６）に供給される前の前記酸化剤ガスを、前記酸化剤ガス通路（６２）に供給するための酸化剤ガス供給連通孔（６８）が前記積層方向に形成される酸化剤ガス供給部と、
    　を備えることを特徴とする燃料電池。
  17. 　請求項１６記載の燃料電池において、前記燃料ガス供給部（３２）は、前記セパレータ（２８）の中央部に設けられるとともに、
    　前記燃料ガス供給部（３２）を中心に複数の前記酸化剤ガス供給連通孔（６８）が同心円上に配列され、且つ、前記酸化剤ガス供給連通孔（６８）は、複数の前記橋架部（３４）の間に配列されることを特徴とする燃料電池。
  18. 　請求項１７記載の燃料電池において、前記燃料ガス排出通路（４２ａ）は、前記電解質・電極接合体（２６）に供給されて反応に使用された前記燃料ガスを、燃料排ガスとして前記酸化剤ガス供給連通孔（６８）に排出することを特徴とする燃料電池。
  19. 　請求項１６記載の燃料電池において、前記燃料ガス供給部（３２）は、前記セパレータ（１５２）の中央部に設けられるとともに、
    　前記燃料ガス供給部（３２）を中心に複数の前記排ガス排出連通孔（７２）が同心円上に配列され、且つ、前記排ガス排出連通孔（７２）は、複数の前記橋架部（３４）の間に配列されることを特徴とする燃料電池。
  20. 　請求項１９記載の燃料電池において、前記燃料ガス排出通路（４２ａ）は、前記電解質・電極接合体（２６）に供給されて使用された前記燃料ガスを、燃料排ガスとして前記排ガス排出連通孔（７２）に排出することを特徴とする燃料電池。
  21. 　請求項１６記載の燃料電池において、前記酸化剤ガス通路（６２）は、前記電解質・電極接合体（２６）に供給されて使用された前記酸化剤ガスを、酸化剤排ガスとして前記排ガス排出連通孔（７２）に排出することを特徴とする燃料電池。
  22. 　請求項１記載の燃料電池において、前記燃料電池（１０）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。
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