JP5111810B2 - 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、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、電解質・電極接合体とセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池では、電解質・電極接合体を構成するアノード電極及びカソード電極に、それぞれ燃料ガス（例えば、水素ガス）及び酸化剤ガス（例えば、空気）を供給するために、セパレータの面方向に沿って燃料ガス通路及び酸化剤ガス通路が形成されている。その際、燃料電池スタックでは、各燃料ガス通路及び各酸化剤ガス通路に燃料ガス及び酸化剤ガスを分配するために、積層方向に延在する燃料ガス供給部及び酸化剤ガス供給部が設けられた内部マニホールドを構成する場合がある。

例えば、特許文献１に開示されている平板型固体電解質燃料電池では、図１９に示すように、単電池（図示せず）と交互に配設されるセパレータ１を備えている。このセパレータ１は、四隅にガス給気孔２ａ、３ａとガス排気孔２ｂ、３ｂとが積層方向に設けられるとともに、複数列のガス流通溝４ａと突起４ｂとが交互に面方向に沿って形成されている。

ガス流通溝４ａは、三角凹み５ａ、５ｂを介してガス給気孔２ａ及びガス排気孔２ｂに連通している。三角凹み５ａには、ガス給気孔２ａに近接するガス導入部にガスの流れを絞るための手段として絞り部６及び障害物７が設けられている。この絞り部６及び障害物７は、ガス給気孔２ａからガス導入部に流入するガス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。

また、ガス流通溝４ａの両端側には、溝深さを浅くしてガス流通導入口部８ａ及びガス流通導出口部８ｂが設けられており、ガス流の圧力損失機能を持たせている。

特開平１０−１７２５９４号公報（図２）

しかしながら、上記の特許文献１では、実際に発電反応が行われるガス流通溝４ａにおいて、反応ガスの流れを調整することができない。このため、ガス流通溝４ａの入口側でガス流の圧力損失機能を持たせても、例えば、セパレータ１の形成条件等に起因して、前記ガス流通溝４ａに沿って反応ガスが良好に流れないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料ガスをアノード電極に沿って良好且つ確実に流動させることができ、前記燃料ガスを発電反応に効率的に使用して燃料利用率を有効に向上させることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体が、セパレータ間に積層される燃料電池に関するものである。

このセパレータは、電解質・電極接合体を挟持するとともに、アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス通路及びカソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路が個別に設けられる挟持部と、前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス通路に供給するための反応ガス供給通路が形成される橋架部と、前記橋架部に連結され、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記反応ガス供給通路に供給するための反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される反応ガス供給部とを備えている。

そして、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口と、前記燃料ガス通路を通って使用された前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出通路と、アノード電極に接触するとともに、前記燃料ガスが前記燃料ガス供給口から前記燃料ガス排出通路に直線状に流れることを阻止する迂回路形成用壁部とが設けられている。

また、挟持部には、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が設けられることが好ましい。電解質・電極接合体の外方からアノード電極に排ガスや酸化剤ガスが進入することを阻止することができ、酸化による発電効率の低下を防止するとともに、セパレータや前記電解質・電極接合体の耐久性を向上させることが可能になるからである。

さらに、挟持部には、燃料ガス通路側に突出してアノード電極に接触する複数の突起部が設けられることが好ましい。複数の突起部により良好な集電効果が得られるからである。

さらにまた、反応ガス供給部は、燃料ガス供給部であるとともに、反応ガス供給通路は、燃料ガス供給通路であり、前記燃料ガス供給部は、反応ガス供給連通孔である燃料ガス供給連通孔から前記燃料ガス供給通路に供給される前の燃料ガスの流れを絞る燃料ガス絞り口を設け、且つ前記燃料ガス絞り口の開口径は、燃料ガス供給口の開口径よりも小径に設定されることが好ましい。

燃料ガス供給部での燃料ガスの圧力損失が高まるため、前記燃料ガスを均一に供給することができるとともに、燃料ガス供給口の開口径を大きく加工することが可能になって、加工工数が低下し且つ前記燃料ガス供給口の目詰まりを有効に阻止することができるからである。

また、迂回路形成用壁部、突起部及び外縁周回用凸部は、燃料ガス通路における燃料ガスの圧力損失が燃料ガス供給部における前記燃料ガスの圧力損失よりも小さくなるように、高さ寸法が設定されることが好ましい。

さらに、電解質・電極接合体に供給されて反応に使用された反応ガスを、排ガスとして前記電解質・電極接合体とセパレータとの積層方向に排出する排ガス通路と、使用前の酸化剤ガスを前記積層方向に流動させる酸化剤ガス供給部とを備えることが好ましい。

さらにまた、反応ガス供給部である燃料ガス供給部は、酸化剤ガス供給部の内方に気密に設けられることが好ましい。燃料ガス供給部が排ガスに直接曝されることがなく、耐久性の向上が図られるからである。

また、燃料ガス排出通路は、使用済みの燃料ガスを酸化剤ガス供給部に排出することが好ましい。使用前の酸化剤ガスが排ガス中の燃料ガスとの反応によって加熱されるため、熱効率が向上するからである。

さらに、燃料ガス排出通路は、使用済みの燃料ガスを電解質・電極接合体の外方で排ガス通路に排出することが好ましい。排ガスは、セパレータや電解質・電極接合体に直接触れることがなく、前記セパレータや前記電解質・電極接合体の耐久性が有効に向上するからである。

さらにまた、反応ガス供給部である燃料ガス供給部は、排ガス通路の内方に気密に設けられることが好ましい。燃料ガスは、排ガスによって予め加熱されるため、熱回収が行われて熱効率の向上が図られるからである。

また、燃料ガス排出通路は、使用済みの燃料ガスを排ガス通路に排出することが好ましい。残存する燃料ガスと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でき、熱効率の向上が図られるからである。

さらに、燃料ガス排出通路は、使用済みの燃料ガスを電解質・電極接合体の外方で酸化剤ガス通路に排出することが好ましい。使用前の酸化剤ガスを予め加熱することができ、熱効率の向上が図られるからである。

本発明によれば、燃料ガス供給口から燃料ガス通路に供給される燃料ガスは、迂回路形成用壁部に阻止されて前記燃料ガス供給口から前記燃料ガス排出通路に直線状に流れることがない。これにより、燃料ガスは、燃料ガス通路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の電極面に沿って流れる時間を長くすることができる。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。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０が矢印Ａ方向に積層された燃料電池スタック１２の概略斜視説明図である。

燃料電池スタック１２は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池１０は、固体電解質型燃料電池であり、この燃料電池１０は、図２及び図３に示すように、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質（電解質板）２０の両面に、カソード電極２２及びアノード電極２４が設けられた電解質・電極接合体２６を備える。電解質・電極接合体２６は、円板状に形成されるとともに、少なくとも外周端面部には、酸化剤ガス及び燃料ガスの進入や排出を阻止するためにバリアー層（図示せず）が設けられている。

燃料電池１０は、各セパレータ２８間に複数、例えば、８個の電解質・電極接合体２６が、このセパレータ２８の中心部である燃料ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）３０と同心円上に配列される。

セパレータ２８は、図２に示すように、例えば、ステンレス合金等の板金で構成される１枚の金属プレートやカーボンプレート等で構成される。セパレータ２８は、中央部に燃料ガス供給連通孔３０を形成する燃料ガス供給部（反応ガス供給部）３２を有する。この燃料ガス供給部３２から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に延在する複数の第１橋架部３４を介して比較的大径な挟持部３６が一体的に設けられる。燃料ガス供給部３２と各挟持部３６との中心間距離は、同一距離に設定される。

各挟持部３６は、電解質・電極接合体２６と略同一寸法に設定されており、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給口３８が、例えば、前記挟持部３６の中心又は中心に対して酸化剤ガスの流れ方向上流側に偏心した位置に設定される。

各挟持部３６のアノード電極２４に接触する面３６ａには、前記アノード電極２４の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路４０が形成される。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燃料ガス排出通路４２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口３８から前記燃料ガス排出通路４２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。

円弧状壁部４４は、第１橋架部３４の端部から二股に分岐する略馬蹄形状を有し、その先端側内部に燃料ガス供給口３８が配置される一方、その基端部側（第１橋架部３４側）に燃料ガス排出通路４２が設けられる。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。

凸部４６は、燃料ガス排出通路４２に対応して一部が切り欠かれた略リング状を有するとともに、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。

突起部４８の断面形状は、矩形状、円形状、長円形状、楕円形状、三角形状又は長方形状等、種々の形状に設定可能であるとともに、位置や密度は、燃料ガスの流れ状態等によって任意に変更される。以下に説明する他の突起部は、上記の突起部４８と同様に構成される。

円弧状壁部４４、凸部４６及び突起部４８は、燃料ガス通路４０における燃料ガスの圧力損失が燃料ガス供給部３２における前記燃料ガスの圧力損失よりも小さくなるように、高さ寸法が設定される。

図４に示すように、各挟持部３６のカソード電極２２に接触する面３６ｂは、略平坦面に形成されるとともに、図２及び図４に示すように、燃料ガス供給部３２には、燃料ガス供給連通孔３０を周回して複数の燃料ガス絞り口５０が形成される。燃料ガス絞り口５０の開口径は、燃料ガス供給口３８の開口径よりも小径に設定される。

図２に示すように、セパレータ２８のカソード電極２２に対向する面には、通路部材６０が、例えば、ろう付け、拡散接合やレーザ溶接等により固着される。通路部材６０は、平板状に構成されるとともに、中央部に燃料ガス供給連通孔３０を形成する燃料ガス供給部６２を備える。燃料ガス供給部６２から放射状に８本の第２橋架部６４が延在するとともに、各第２橋架部６４は、セパレータ２８の第１橋架部３４から挟持部３６の面３６ｂに燃料ガス供給口３８を覆って固着される（図５参照）。

燃料ガス供給部６２から第２橋架部６４には、燃料ガス供給連通孔３０から燃料ガス供給口３８に連通する燃料ガス供給通路５４が形成される。燃料ガス供給通路５４は、例えば、エッチングにより形成される。燃料ガス供給部６２には、燃料ガス供給連通孔３０を囲繞してリング状凸部６６が設けられる。この凸部６６は、燃料ガス供給連通孔３０を燃料ガス供給通路５４に対してシールする。

挟持部３６の面３６ｂには、カソード電極２２の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路７０を形成し且つ前記カソード電極２２に密着する変形可能な弾性通路部、例えば、導電性メッシュ部材７２が配設される。

メッシュ部材７２は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ材）の線材で構成され、円板状を有する。このメッシュ部材７２は、積層方向（矢印Ａ方向）の荷重に対して所望の弾性変形が可能な厚さに設定されて挟持部３６の面３６ｂに直接接触するとともに、通路部材６０を避けるために切り欠き部７２ａを設ける（図２及び図５参照）。

図５に示すように、メッシュ部材７２に設けられる酸化剤ガス通路７０は、電解質・電極接合体２６の内側周端部と挟持部３６の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）７４に連通する。この酸化剤ガス供給連通孔７４は、各挟持部３６の内方と第１橋架部３４との間に位置して積層方向（矢印Ａ方向）に延在している。

各セパレータ２８間には、燃料ガス絞り口５０を囲繞するとともに、燃料ガス供給連通孔３０をシールするための絶縁シール７６が設けられる。絶縁シール７６は、例えば、マイカ材やセラミック材で形成されている。絶縁シール７６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とともに、燃料ガス絞り口５０は、凸部６６と前記絶縁シール７６との間に配設される。

燃料電池１０には、挟持部３６の外方に位置して排ガス通路７８が形成される。図５に示すように、燃料電池１０が積層される際に、各セパレータ２８間には、燃料ガス供給連通孔３０から分岐してセパレータ面方向（矢印Ｂ方向）へ向かう分岐通路７９が設けられる。分岐通路７９と燃料ガス供給通路５４とは、積層方向（矢印Ａ方向）に連通する燃料ガス絞り口５０を介して連通する。

図１に示すように、燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池１０の積層方向両端に略円板状のエンドプレート８０ａ、８０ｂを配置する。エンドプレート８０ａの中央部には、燃料ガス供給連通孔３０に対応して孔部８２が設けられるとともに、前記孔部８２の周囲には、酸化剤ガス供給連通孔７４に対応して複数の孔部８４が設けられる。エンドプレート８０ａ、８０ｂ間は、ねじ孔８６に螺合する図示しないボルトにより矢印Ａ方向に締め付けられている。

このように構成される燃料電池スタック１２の動作について、以下に説明する。

燃料電池スタック１２を組み付ける際には、先ず、図２に示すように、セパレータ２８のカソード電極２２に向かう面に通路部材６０が接合される。このため、セパレータ２８と通路部材６０との間には、燃料ガス供給連通孔３０に連通する燃料ガス供給通路５４が形成されるとともに、前記燃料ガス供給通路５４が燃料ガス供給口３８から燃料ガス通路４０に連通する（図５参照）。

その際、通路部材６０の凸部６６がセパレータ２８の燃料ガス供給部３２に固着され、燃料ガス供給連通孔３０が燃料ガス供給通路５４に直接連通することを阻止する。すなわち、燃料ガス供給連通孔３０は、燃料ガス絞り口５０を介してのみ燃料ガス供給通路５４に連通する。

さらに、各セパレータ２８間には、燃料ガス供給連通孔３０を囲繞してリング状の絶縁シール７６が設けられる。これにより、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とともに、前記燃料ガス供給連通孔３０から燃料ガス供給通路５４に連通する。そして、セパレータ２８間には、８個の電解質・電極接合体２６が挟持されて燃料電池１０が得られる。

その際、図３及び図４に示すように、各セパレータ２８には、互いに対向する面３６ａ、３６ｂ間に電解質・電極接合体２６が配置され、各アノード電極２４の略中央部に燃料ガス供給口３８が配置される。セパレータ２８の面３６ｂと電解質・電極接合体２６との間には、メッシュ部材７２が介装されるとともに、前記メッシュ部材７２の切り欠き部７２ａは、通路部材６０に対応して配置される。上記の燃料電池１０が矢印Ａ方向に複数積層され、積層方向両端にエンドプレート８０ａ、８０ｂが配置されて燃料電池スタック１２が構成される。

次に、燃料電池スタック１２では、図１に示すように、エンドプレート８０ａの孔部８２から燃料ガス供給連通孔３０に燃料ガス（水素含有ガス）が供給されるとともに、孔部８４から酸化剤ガス供給連通孔７４に酸化剤ガスである酸素含有ガス（以下、空気ともいう）が供給される。

図５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に設けられる分岐通路７９に分岐供給される。このため、燃料ガスは、積層方向からセパレータ面方向（矢印Ｂ方向）に分岐した後、燃料ガス絞り口５０を通って一旦前記積層方向に向かい、さらに前記燃料ガス絞り口５０に連通する燃料ガス供給通路５４に沿って前記セパレータ面方向に移動する。

燃料ガスは、燃料ガス供給通路５４から挟持部３６に形成された燃料ガス供給口３８を通って燃料ガス通路４０に導入される。燃料ガス供給口３８は、各電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の略中心位置に設定されている。このため、燃料ガスは、燃料ガス供給口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。

この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、セパレータ２８を構成する挟持部３６の面３６ａには、燃料ガス供給口３８と燃料ガス排出通路４２とを結ぶ経路上に、第１橋架部３４の端部から二股に分岐する円弧状壁部４４が設けられており、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に接触している。

従って、燃料ガス供給口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口３８から燃料ガス排出通路４２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良好するという効果が得られる。

特に、燃料ガス供給口３８の開口径は、燃料ガス供給部３２に設けられている燃料ガス絞り口５０の開口径よりも大径に設定されるとともに、円弧状壁部４４、突起部４８及び凸部４６は、燃料ガス通路４０における燃料ガスの圧力損失が、燃料ガス供給部３２における前記燃料ガスの圧力損失よりも小さくなるように、高さ寸法が設定されている。

従って、燃料ガス供給部３２での燃料ガスの圧力損失が高まるため、各挟持部３６に対して燃料ガスを均一に供給することができる。しかも、燃料ガス供給口３８を大きく加工することが可能になり、前記燃料ガス供給口３８の加工工数が低下するとともに、前記燃料ガス供給口３８の目詰まりを有効に阻止することができる。

さらに、一般的に、挟持部３６に挟持される電解質・電極接合体２６の寸法誤差、あるいは、円弧状壁部４４、突起部４８及び凸部４６の加工誤差が、各挟持部３６における燃料ガスの圧力損失のばらつきを生じさせ、燃料ガスの均等配分を難くしている。このため、燃料ガス通路４０における加工精度を上げることによって、前記燃料ガス通路４０における圧力損失を厳密に管理する必要がある。

これに対して、第１の実施形態では、燃料ガス通路４０における圧力損失を、燃料ガス供給部３２における圧力損失より相対的に低く設定している。これにより、各挟持部３６における圧力損失のばらつきが、燃料ガス供給部３２の圧力損失に影響することがなく、燃料ガスを均一に供給することができるとともに、前記燃料ガス供給部３２の加工工数を削減することが可能になる。

ここで、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凸部４６が設けられている。このため、電解質・電極接合体２６の外方からアノード電極２４に排ガスや酸化剤ガスが進入することによる酸化を阻止することが可能になる。これにより、アノード電極２４は、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の耐久性を向上させることができるという利点がある。

さらに、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。従って、複数の突起部４８により良好な集電効果を得ることができる。

さらにまた、燃料ガス通路４０に供給された使用済みの燃料ガスは、燃料ガス排出通路４２から酸化剤ガス供給連通孔７４に（矢印Ｃ方向に）排出される。このため、酸化剤ガス供給連通孔７４では、使用済みの排ガスに含まれる燃料ガスと使用前の酸化剤ガスの一部とが反応することによって、使用前の他の酸化剤ガスが加熱される。これにより、予め加熱された酸化剤ガスを酸化剤ガス通路７０に供給することができ、熱効率が向上するという効果がある。

また、燃料ガス供給部３２は、酸化剤ガス供給連通孔７４の内方に気密に設けられている。従って、燃料ガス供給部３２が、排ガスに直接曝されることがなく、耐久性の向上が容易に図られる。

一方、酸化剤ガス供給連通孔７４に供給された空気は、電解質・電極接合体２６の内側周端部と挟持部３６の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に流入し、メッシュ部材７２に形成された酸化剤ガス通路７０に送られる。酸化剤ガス通路７０では、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の内側周端部（セパレータ２８の中央部）側から外側周端部（セパレータ２８の外側周端部側）に向かって空気が流動する。

従って、電解質・電極接合体２６では、アノード電極２４の電極面の中心側から周端部側に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極２２の電極面の一方向（矢印Ｂ方向）に向かって空気が供給される。その際、酸化物イオンが電解質２０を通ってアノード電極２４に移動し、化学反応により発電が行われる。

なお、各電解質・電極接合体２６の外周部に排出される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通路７８を介して燃料電池スタック１２から排出される（図１参照）。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池９０の分解斜視図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３〜第１０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９０は、セパレータ９２を備えるとともに、このセパレータ９２を構成する各挟持部３６の面３６ａには、円弧状壁部４４の開放端部側に円弧状壁部９４が設けられる。円弧状壁部９４は、円弧状壁部４４と共に燃料ガス供給口３８を囲繞している。

このように構成される第２の実施形態では、円弧状壁部４４、９４により燃料ガス供給口３８が囲繞されるため、特にアノード電極２４の中央部分に燃料ガスを長時間にわたって供給することができる。これにより、発電効率の向上が一層容易に遂行されるという効果が得られる。

図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１００の分解斜視図である。

燃料電池１００は、セパレータ１０２を備えるとともに、このセパレータ１０２を構成する各挟持部３６の面３６ａには、渦巻き状壁部１０４が設けられる。この渦巻き状壁部１０４の中心近傍には、燃料ガス供給口３８が設けられる。従って、第３の実施形態では、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。

図８は、本発明の第４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、セパレータ１１２を備えるとともに、このセパレータ１１２を構成する燃料ガス供給部３２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１１４、１１６を介装して流路部材１１８が着脱自在に配設される。

図９に示すように、流路部材１１８は、絶縁シール１１４上に配置される絞り部１２０を備え、この絞り部１２０には、調圧部１２２、ろ過部１２４及び分配部１２６が積層されてろう付け、拡散接合又はレーザ溶接等によって一体化される。絞り部１２０、調圧部１２２、ろ過部１２４及び分配部１２６は、それぞれ金属製薄板を円板状に形成しており、外周部には、１つ以上、例えば、４つの突出部１２８が外方に膨出形成される。

絞り部１２０には、燃料ガス供給連通孔３０の周囲に、この燃料ガス供給連通孔３０から燃料ガス供給通路５４に供給される燃料ガスを絞るための絞り用孔部１２０ａが、前記燃料ガス供給通路５４に対応して８つ形成される。

調圧部１２２には、燃料ガス供給連通孔３０の周囲に、一部を閉塞した略リング状の開口部からなる調圧室１２２ａが設けられる。

ろ過部１２４には、燃料ガス供給連通孔３０を周回して前記燃料ガス供給連通孔３０から燃料ガス供給通路５４に供給される燃料ガスをろ過するための複数のろ過用孔部１２４ａが設けられる。

分配部１２６には、ろ過部１２４に対向する面側に、燃料ガス供給連通孔３０からこのろ過部１２４に供給される燃料ガスを分配するための複数の分配溝１２６ａが設けられる。分配溝１２６ａは、周回溝１２６ｂに連通するとともに、この周回溝１２６ｂは、ろ過部１２４に設けられる複数のろ過用孔部１２４ａに連通する。分配溝１２６ａ間には、締め付け荷重により前記分配溝１２６ａが閉塞されることを阻止するための凸部１２６ｃが設けられる。

流路部材１１８では、調圧室１２２ａが絞り用孔部１２０ａとろ過用孔部１２４ａとを連通する位置に設定される。絞り用孔部１２０ａの内径Ｄ１は、ろ過用孔部１２４ａの内径Ｄ２よりも大径（Ｄ１＞Ｄ２）に設定されるとともに、前記絞り用孔部１２０ａの数Ｎ１は、前記ろ過用孔部１２４ａの数Ｎ２より少なく（Ｎ１＜Ｎ２）設定される。なお、絞り用孔部１２０ａの数Ｎ１は、実際上８に設定される。図１０に示すように、絞り用孔部１２０ａの内径Ｄ１は、燃料ガス供給口３８の内径よりも小径に設定される。

このように構成される第４の実施形態では、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３０に沿って各燃料電池１１０の積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら、前記燃料電池１１０に設けられる流路部材１１８に供給される。流路部材１１８では、図１０に示すように、この流路部材１１８内の燃料ガス供給連通孔３０を通過する燃料ガスの一部が、分配部１２６に設けられている分配溝１２６ａを通って周回溝１２６ｂに導入される。

周回溝１２６ｂには、ろ過部１２４に設けられているろ過用孔部１２４ａが連通しており、燃料ガスは、前記周回溝１２６ｂから前記ろ過用孔部１２４ａを通って調圧部１２２の調圧室１２２ａに供給される。

調圧室１２２ａで調圧された燃料ガスは、絞り部１２０に設けられている絞り用孔部１２０ａを通って絶縁シール１１４の孔部１１４ａ及び連通孔５０ａから燃料ガス供給通路５４に送られる。このため、燃料ガスは、燃料ガス供給通路５４に沿ってセパレータ面方向（矢印Ｂ方向）に移動する。

この第４の実施形態では、円弧状壁部４４を用いており、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。なお、第４の実施形態では、第２の実施形態又は第３の実施形態の壁部構成を採用してもよい。

図１１は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池１４０の分解斜視図であり、図１２は、前記燃料電池１４０の断面説明図である。

燃料電池１４０を構成するセパレータ１４２は、燃料ガス供給部３２に燃料ガス供給連通孔３０が形成されるとともに、この燃料ガス供給部３２から第１橋架部３４にわたって燃料ガス供給通路５４が直接連通している。

このように構成される燃料電池１４０では、図１２に示すように、燃料ガス供給連通孔３０を流れる燃料ガスは、セパレータ１４２と通路部材６０との間に形成される燃料ガス供給通路５４に導入された後、燃料ガス供給口３８から燃料ガス通路４０に供給される。

この第５の実施形態では、燃料ガス絞り口が設けられていないが、円弧状壁部４４、凸部４６及び突起部４８は、燃料ガス通路４０における燃料ガスの圧力損失が、燃料ガス供給部３２における前記燃料ガスの圧力損失よりも小さくなるように、高さ寸法が設定される。これにより、第５の実施形態は、上記の第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。

図１３は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池１６０の分解斜視図であり、図１４は、前記燃料電池１６０の断面説明図である。

燃料電池１６０を構成するセパレータ１６２は、挟持部３６を有するとともに、この挟持部３６の面３６ａには、燃料ガス排出通路１６４が第１橋架部３４側とは反対側に突出して設けられる。この燃料ガス排出通路１６４は、挟持部３６の外周部に径方向外方に突出する端部に設けられた排出溝部１６６と、この排出溝部１６６を閉塞する蓋部材１６８とにより形成される。燃料ガス排出通路１６４は、電解質・電極接合体２６の外周部から所定の距離だけ外方に突出した位置で、排ガス通路７８に開口している。

燃料ガス供給口３８と燃料ガス排出通路１６４との間には、燃料ガスが前記燃料ガス供給口３８から前記燃料ガス排出通路１６４に直線状に流れることを阻止する円弧状壁部１７０が設けられる。

このように構成される燃料電池１６０では、図１４に示すように、燃料ガス供給連通孔３０に沿って積層方向に移動する燃料ガスは、流路部材１１８に供給され、この流路部材１１８内を通って燃料ガス供給通路５４に送られる。さらに、燃料ガスは、燃料ガス供給通路５４を矢印Ｂ方向に移動した後、燃料ガス供給口３８から燃料ガス通路４０に供給される。

図１３に示すように、燃料ガス通路４０では、燃料ガス供給口３８と燃料ガス排出通路１６４との間に位置して円弧状壁部１７０が配置されている。従って、燃料ガス通路４０に供給される燃料ガスは、円弧状壁部１７０に阻止されて燃料ガス供給口３８から燃料ガス排出通路１６４に直線状に流れることがなく、アノード電極２４に沿って前記燃料ガスが良好に供給される。

これにより、第６の実施形態では、上記の第１〜第５の実施形態と同様の効果が得られる。しかも、燃料ガス排出通路１６４は、電解質・電極接合体２６の外周部から離間した位置で排ガス通路７８に開口している。このため、使用後の燃料ガス及び酸化剤ガスが混合される部位が、電解質・電極接合体２６の外周部から離間しており、前記電解質・電極接合体２６及びセパレータ１６２の耐久性が有効に向上するという利点がある。

さらに、排ガス通路７８で使用済みの燃料ガスと酸化剤ガスとによる燃焼が惹起されるため、排ガスをさらに加熱することができ、この排ガスを再利用する際等の熱効率の向上が容易に図られる。

なお、第６の実施形態では、流路部材１１８（第４の実施形態）を用いているが、これに限定されるものではなく、例えば、燃料ガス絞り口５０を設ける第１の実施形態や、前記燃料ガス絞り口５０を用いない第５の実施形態を採用することができる。また、以下に説明する第７の実施形態以降においても同様である。

図１５は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池１８０の分解斜視図である。

燃料電池１８０は、セパレータ１８２を有するとともに、このセパレータ１８２を構成する各挟持部３６の面３６ａには、円弧状壁部１７０の開放端部側に円弧状壁部１８４が設けられる。この円弧状壁部１８４は、円弧状壁部１７０と共に燃料ガス供給口３８を囲繞している。

図１６は、本発明の第８の実施形態に係る燃料電池１９０の分解斜視図である。

燃料電池１９０は、セパレータ１９２を備えるとともに、このセパレータ１９２を構成する各挟持部３６の面３６ａには、渦巻き状壁部１９４が設けられる。

このように構成される第７及び第８の実施形態では、燃料ガス通路４０を流れる燃料ガスの流路長を長尺化することができ、上記の第６の実施形態と同様の効果が得られる。

上記の第１〜第８の実施形態では、酸化剤ガスは、８個の電解質・電極接合体２６が同心円状に配列された状態で、内周側から外周側に向かって（矢印Ｂ方向）供給されているが、前記酸化剤ガスが外周側から内周側に向かって（矢印Ｃ方向）供給される構成を採用してもよい。

例えば、図１７に示すように、第９の実施形態に係る燃料電池２００（第４の実施形態と同様の構成）では、各挟持部３６の内方と第１橋架部３４との間に位置して積層方向に延在する排ガス通路７８が設けられる。各挟持部３６の外方には、セパレータ１１２の内方に向かって（矢印Ｃ方向）酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給連通孔７４が積層方向に設けられている。

このように構成される第９の実施形態では、燃料ガス供給部３２が、排ガス通路７８の内方に気密に設けられている。従って、使用前の燃料ガスは、排ガス通路７８を流れる排ガスによって予め加熱されるため、この排ガスから熱回収が良好に行われて熱効率の向上が図られるという効果が得られる。

図１８に示すように、第１０の実施形態に係る燃料電池２１０（第６の実施形態と同様の構成）では、挟持部３６の内方と第１橋架部３４との間に排ガス通路７８が設けられる一方、前記挟持部３６の外方に酸化剤ガス供給連通孔７４が設けられる。このため、燃料ガス排出通路１６４から酸化剤ガス供給連通孔７４に排出される使用済みの燃料ガスを用いて、使用前の酸化剤ガスを加熱することができるという効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池が積層された燃料電池スタックの概略斜視説明図である。 前記燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池のガス流れ状態を示す一部分解斜視説明図である。 前記セパレータの説明図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 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。 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。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池を構成する流路部材の分解斜視説明図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 本発明の第６の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 本発明の第７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８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９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１０の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 特許文献１の燃料電池を構成するセパレータの説明図である。

符号の説明

１０、９０、１００、１１０、１４０、１６０、１８０、１９０、２００、２１０…燃料電池
１２…燃料電池スタック ２０…電解質
２２…カソード電極 ２４…アノード電極
２６…電解質・電極接合体
２８、９２、１０２、１１２、１４２、１６２、１８２、１９２…セパレータ
３０…燃料ガス供給連通孔 ３２…燃料ガス供給部
３４、６４…橋架部 ３６…挟持部
３８…燃料ガス供給口 ４０…燃料ガス通路
４２、１６４…燃料ガス排出通路 ４４、９４、１７０、１８４…円弧状壁部
４６…凸部 ４８…突起部
５０…燃料ガス絞り口 ６０…通路部材
６２…燃料ガス供給部 ７０…酸化剤ガス通路
７２…メッシュ部材 ７４…酸化剤ガス供給連通孔
７８…排ガス通路 １０４、１９４…渦巻き状壁部
１１８…流路部材 １２０ａ…絞り用孔部
１２４ａ…ろ過用孔部 １６６…排出溝部
１６８…蓋部材

Claims (8)

1. 円形状の電解質を円形状のアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体が、セパレータ間に積層される燃料電池であって、
   前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持するとともに、前記アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス通路及び前記カソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路が個別に設けられる円形状の挟持部と、
   前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス通路に供給するための反応ガス供給通路が形成される橋架部と、
   前記橋架部に連結され、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記反応ガス供給通路に供給するための反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される反応ガス供給部と、
   を備え、
   前記円形状の挟持部には、前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給する燃料ガス供給口と、
   前記燃料ガス通路を通って使用された前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出通路と、
   前記アノード電極に接触するとともに、前記燃料ガスが前記燃料ガス供給口から前記燃料ガス排出通路に直線状に流れることを阻止する迂回路形成用壁部と、
   が設けられ、
   前記燃料ガス供給口は前記挟持部の中心に設けられ、
   前記迂回路形成用壁部は、円弧状に形成され、その内側に前記燃料ガス供給口が配置され、
   前記挟持部には、前記燃料ガス通路側に突出して前記アノード電極の外周縁部に接触する外縁周回用凸部が設けられ、
   前記挟持部には、前記燃料ガス通路側に突出して前記アノード電極に接触する複数の突起部が設けられ、
   前記反応ガス供給部は、燃料ガス供給部であるとともに、
   前記反応ガス供給通路には、燃料ガス供給通路であり、
   前記燃料ガス供給部は、前記反応ガス供給連通孔である燃料ガス供給連通孔の周囲に前記燃料ガス供給通路に供給される前の前記燃料ガスの流れを絞る複数個の燃料ガス絞り口を設け、且つ前記燃料ガス絞り口の開口径は、前記燃料ガス供給口の開口径よりも小径に設定され、
   前記迂回路形成用壁部、前記突起部及び前記外縁周回用凸部は、前記燃料ガス通路における前記燃料ガスの圧力損失が前記燃料ガス供給部における前記燃料ガスの圧力損失よりも小さくなるように、高さ寸法が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、前記電解質・電極接合体に供給されて反応に使用された反応ガスを、排ガスとして前記電解質・電極接合体と前記セパレータとの積層方向に排出する排ガス通路と、
   使用前の前記酸化剤ガスを前記積層方向に流動させ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。
3. 請求項２記載の燃料電池において、前記反応ガス供給部である燃料ガス供給部は、前記酸化剤ガス供給部の内方に気密に設けられることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項３記載の燃料電池において、前記燃料ガス排出通路は、使用済みの前記燃料ガスを前記酸化剤ガス供給部に排出することを特徴とする燃料電池。
5. 請求項３記載の燃料電池において、前記燃料ガス排出通路は、使用済みの前記燃料ガスを前記電解質・電極接合体の外方で前記排ガス通路に排出することを特徴とする燃料電池。
6. 請求項２記載の燃料電池において、前記反応ガス供給部である燃料ガス供給部は、前記排ガス通路の内方に気密に設けられることを特徴とする燃料電池。
7. 請求項６記載の燃料電池において、前記燃料ガス排出通路は、使用済みの前記燃料ガスを前記排ガス通路に排出することを特徴とする燃料電池。
8. 請求項６記載の燃料電池において、前記燃料ガス排出通路は、使用済みの前記燃料ガスを前記電解質・電極接合体の外方で前記酸化剤ガス通路に排出することを特徴とする燃料電池。

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