JP4611195B2 - 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・電極接合体とセパレータとが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、セパレータに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、燃料ガス通路及び酸化剤ガス通路は、通路長を長尺化させるために、直線状通路に代えてサーペンタイン状通路等が採用されている。

例えば、特許文献１に開示されている固体酸化物型燃料電池では、図２０に示すように、発電セル（図示せず）間に介装されるセパレータ１を備えている。このセパレータ１の両端には、燃料ガス供給パイプ２と空気供給パイプ３とが接続されている。セパレータ１の燃料極集電体（図示せず）に対向する面中央には、燃料供給パイプ２に連通する燃料穴４が形成されるとともに、前記燃料穴４から渦巻き状に３本のスリット５ａ、５ｂ及び５ｃが設けられている。

特開２００２−２０３５８８号公報（図４）

しかしながら、上記の特許文献１では、渦巻き状のスリット５ａ、５ｂ及び５ｃにおいて、セパレータ１の外周側（すなわち、電極面外周側）に近接するに従って、このセパレータ１を周回する距離が長くなる。このため、渦巻き状のスリット５ａ、５ｂ及び５ｃでは、外周側での圧力損失が内周側に比べて相当に増加し、内周側の流路から外周側に隣接する流路に、及び最外周の流路から電極面の外部に、反応ガスのリークが発生し易い。内周側の流路の反応ガス圧が、外周側の流路の反応ガス圧に対して相対的に高くなるからである。

これにより、電極面に供給される反応ガスの分布が不均一となり、均一な発電反応が得られないという問題がある。しかも、最外周の流路から反応ガスのリークが発生してしまい、反応ガス利用率が大幅に低下するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、電解質・電極接合体の電極面全面に反応ガスを均一且つ良好に供給することができ、発電反応を均一化することが可能な、しかも反応ガス利用率を向上させることができる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、セパレータと該セパレータとは別のセパレータとの間に挟持されて積層される燃料電池に関するものである。この燃料電池は、セパレータの一方の面に設けられ、アノード電極の電極面中央部から前記アノード電極の電極面外周部に沿って燃料ガスを連続して供給するための燃料ガス通路と、前記セパレータの他方の面に設けられ、カソード電極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と、前記セパレータに設けられ、使用前の燃料ガスを前記燃料ガス通路に導入するための燃料ガス導入口とを備えている。

そして、燃料ガス通路は、溝部と凸状部とがアノード電極の電極面外周部に向かって交互に設けられるとともに、前記凸状部を挟んで互いに隣接する各溝部の溝幅寸法は、前記電極面外周部に向かって逓増している。

また、凸状部を挟んで互いに隣接する溝部のリーク率は、アノード電極の電極面全面にわたって等しく設定されることが好ましい。ここで、リーク率とは、概略的には、燃料ガス通路に供給される燃料ガスの全体流量Ｗｈに対する前記燃料ガス通路から漏れるリーク流量Ｗｒの比（リーク率＝Ｗｒ／Ｗｈ）をいう。

さらに、溝部の開口面積と凸状部の表面積とは、アノード電極の電極面全面にわたって同等に設定されることが好ましい。アノード電極全体に燃料ガスを均一に分配しながら、集電性を最大限に高め、積層方向の荷重を伝達し易くすることができるからである。

さらにまた、燃料ガス導入口は、アノード電極の電極面中央部に対応して設定されることが好ましい。燃料ガスは、アノード電極の中央部から外周部に均等に流れ易くなり、前記アノード電極の電極面全面に前記燃料ガスを均一に供給することが可能になるからである。

また、溝部は、燃料ガス導入口を中心とする複数のリング状通路溝と、互いに隣接する前記リング状通路溝同士を連通する連通路とを有すること、前記燃料ガス導入口を中心とする連続した渦巻き状通路溝で構成されること、あるいは、前記燃料ガス導入口から分岐して前記電極面外周部に向かって蛇行する複数のサーペンタイン状通路溝で構成されることが好ましい。

さらに、燃料電池は、セパレータの他方の面に設けられ、燃料ガス導入口に燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路が形成される燃料ガス通路部材を備えることが好ましい。

また、酸化剤ガス通路は、セパレータの他方の面に配設されてカソード電極に密着する変形可能な弾性通路部材により形成されることが好ましい。カソード電極とセパレータとが良好に密着することができ、集電特性の向上が図られるからである。

さらに、弾性通路部が設けられる範囲は、アノード電極の発電領域よりも小さな領域に設定されることが好ましい。排ガスが電解質・電極接合体のアノード電極側に回り込んでも、前記アノード電極の外周縁部に対向するカソード電極の外周縁部に発電部が存在することがなく、集電電流の損失を阻止して集電特性を高めることが可能になるからである。

さらにまた、弾性通路部は、導電金属製のメッシュ部材で構成されることが好ましい。構成が簡素化されて経済的であるからである。

また、酸化剤ガス通路は、セパレータの他方の面に設けられる複数の突起部により形成されることが好ましい。突起部により積層方向の荷重を確実に伝達することができ、集電特性の向上が図られるからである。

さらに、突起部は、エッチングによりセパレータの一方の面に形成される複数の中実部で構成されることが好ましい。突起部の形状や位置を容易に設けることができるとともに、前記突起部の変形が阻止されて荷重の伝達及び集電性を高めることが可能になるからである。

本発明によれば、凸状部を挟んで互いに隣接する溝部の溝幅寸法が、電極面外周部に向かって逓増するため、前記電極面外周部側の燃料ガス圧損の増加を抑えることができる。従って、燃料ガスのリーク量の変動が有効に抑制されるとともに、前記電極面外周部から電解質・電極接合体の外部に燃料ガスがリークすることを阻止することが可能になる。

これにより、簡単な構成で、電解質・電極接合体の電極面全面に燃料ガスを均一且つ良好に供給することができ、発電反応を均一化することが可能になるとともに、燃料ガス利用率を有効に向上させることが可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１１を組み込む燃料電池システム１０の一部断面説明図であり、図２は、前記燃料電池１１が矢印Ａ方向に複数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。

燃料電池システム１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池システム１０は、図１に示すように、燃料電池スタック１２と、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック１２に供給する前に加熱する熱交換器１４と、燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器１６と、前記燃料電池スタック１２、前記熱交換器１４及び前記改質器１６を収容する筐体１８とを備える。

筐体１８内では、燃料電池スタック１２の一方の側に、少なくとも熱交換器１４及び改質器１６を含む流体部１９が配置されるとともに、前記燃料電池スタック１２の他方の側に、燃料電池１１の積層方向（矢印Ａ方向）に締め付け荷重を付与する荷重付与機構２１が配設される。流体部１９及び荷重付与機構２１は、燃料電池スタック１２の中心軸に対して軸対称に配設される。

燃料電池１１は、固体電解質型燃料電池であり、この燃料電池１１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１１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（燃料ガス供給部）３０と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を形成する第１小径端部３２を有する。この第１小径端部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円板部３６が一体的に設けられる。

各円板部３６は、電解質・電極接合体２６と略同一寸法に設定されており、燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口３８が、例えば、前記円板部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。

各円板部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連続して供給するための燃料ガス通路４６が形成される。図５に示すように、燃料ガス通路４６は、円板部３６に燃料ガス導入口３８を中心にして同心円上に形成される複数のリング状通路溝（溝部）４８ａ〜４８ｆと、凸状部５０ａ〜５０ｇとを交互に有する。

最小直径のリング状通路溝４８ａは、燃料ガス導入口３８を周回する周溝５１に連通路５２を介して連通するとともに、リング状通路溝４８ａ〜４８ｆは、順次、直径寸法が大きく設定される。リング状通路溝４８ａ〜４８ｆは、それぞれ矢印Ｂ方向前方及び後方に交互に延在する連通路５２を介して連通する。

凸状部５０ａ〜５０ｆを挟んで互いに隣接する各リング状通路溝４８ａ〜４８ｆの溝幅寸法は、アノード電極２４の電極面外周部に向かって（矢印Ｂ方向）逓増する。凸状部５０ａ〜５０ｇの幅寸法は、各リング状通路溝４８ａ〜４８ｆと同様に、アノード電極２４の電極面外周部に向かって逓増する。

具体的には、各リング状通路溝４８ａ〜４８ｆから凸状部５０ｂ〜５０ｇにリークされる燃料ガスのリーク率は、アノード電極２４の電極面全面にわたって同等に設定される。換言すれば、各リング状通路溝４８ａ〜４８ｆの開口面積と、凸状部５０ｂ〜５０ｇの表面積とは、アノード電極２４の電極面全面にわたって同等に設定される。なお、周溝５１の開口面積は、凸状部５０ａの表面積と同等である。最大直径のリング状通路溝４８ｆの矢印Ｂ方向前方の端部には、排出溝部５４が連通する。

図６に示すように、各円板部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、第１小径端部３２から第１橋架部３４には、燃料ガス供給連通孔３０から燃料ガス導入口３８に連通する燃料ガス供給通路５８が形成される。燃料ガス供給通路５８は、例えば、エッチングにより形成される。

図３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を形成する第２小径端部６２を備える。この第２小径端部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から円板部３６の面３６ｂに燃料ガス導入口３８を覆って固着される（図７参照）。

円板部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円板部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３及び図７参照）。

図７に示すように、メッシュ部材７２が設けられる範囲は、アノード電極２４の発電領域よりも小さな領域に設定される。メッシュ部材７２に設けられる酸化剤ガス通路７０は、電解質・電極接合体２６の内側周端部と円板部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部７４に連通する。この酸化剤ガス供給部７４は、各円板部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。燃料電池１１には、円板部３６の外方に位置して排ガス通路７８が形成される。

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１１の積層方向両端にエンドプレート８０ａ、８０ｂを配置する。エンドプレート８０ａは、略円板状を有しており、外周部に軸線方向に突出してリング状部８２が設けられる。このリング状部８２の外周部には、周回溝部８４が形成される。リング状部８２の中心部に対応して、円柱状凸部８６がこのリング状部８２と同一方向に膨出形成され、前記凸部８６の中央部に段付き孔部８８が形成される。

エンドプレート８０ａには、凸部８６を中心にして同一仮想円周上に孔部９０とねじ孔９２とが、交互に且つ所定の角度間隔ずつ離間して設けられる。孔部９０及びねじ孔９２は、第１及び第２橋架部３４、６４同士の間に形成される各酸化剤ガス供給部７４に対応して設けられる。エンドプレート８０ｂは、エンドプレート８０ａよりも大径に構成されるとともに、導電性の薄板で形成される。

筐体１８は、荷重付与機構２１を収容する第１筐体部９６ａと、燃料電池スタック１２を収容する第２筐体部９６ｂとを備える。第１及び第２筐体部９６ａ、９６ｂ間は、エンドプレート８０ｂの第２筐体部９６ｂ側に絶縁材を介装してねじ９８及びナット１００により締め付けられる。エンドプレート８０ｂは、流体部１９から荷重付与機構２１に高温の排ガスや空気が流入することを阻止するガス遮蔽部を構成する。

第２筐体部９６ｂには、リング状壁板１０２の一端部が接合されるとともに、前記壁板１０２の他端部には、ヘッド板１０４が固着される。流体部１９は、燃料電池スタック１２の中心軸に対して軸対称に配設される。具体的には、略リング状の熱交換器１４の内側に、略円筒状の改質器１６が同軸的に配設される。

エンドプレート８０ａの周回溝部８４に壁板１０６が固定されて流路部材１０８が構成されるとともに、この流路部材１０８には、熱交換器１４及び改質器１６が直結される。流路部材１０８内に形成されるチャンバ１０８ａには、熱交換器１４を通って加熱された空気が一旦充填される。孔部９０は、チャンバ１０８ａに一旦充填された空気を燃料電池スタック１２に供給するための開口部を構成する。

改質器１６には、燃料ガス供給管１１０と改質ガス供給管１１２とが設けられる。燃料ガス供給管１１０は、ヘッド板１０４を介して外部に延在する一方、改質ガス供給管１１２は、エンドプレート８０ａの段付き孔部８８に嵌挿されて燃料ガス供給連通孔３０に連通する。

ヘッド板１０４には、空気供給管１１４と排ガス管１１６とが接続される。筐体１８内には、空気供給管１１４から熱交換器１４を介して流路部材１０８に直接開口する通路１１８と、燃料電池スタック１２の排ガス通路７８から熱交換器１４を介して排ガス管１１６に至る通路１２０とが設けられる。

荷重付与機構２１は、燃料ガス供給連通孔３０の近傍に対して第１締め付け荷重Ｔ１を付与する第１締め付け部１２２ａと、電解質・電極接合体２６に対して前記第１締め付け荷重Ｔ１よりも小さな第２締め付け荷重Ｔ２を付与する第２締め付け部１２２ｂとを備える（Ｔ１＞Ｔ２）。

第１締め付け部１２２ａは、エンドプレート８０ａの一方の対角位置に設けられるねじ孔９２、９２に螺合する短尺な第１締め付けボルト１２４ａ、１２４ａを備える。第１締め付けボルト１２４ａ、１２４ａは、燃料電池１１の積層方向に延在するとともに、第１押圧プレート１２６ａに係合する。第１締め付けボルト１２４ａは、セパレータ２８の内部に設けた酸化剤ガス供給部７４内に設けられる。第１押圧プレート１２６ａは、幅狭な板状を有しており、燃料ガス供給連通孔３０を覆ってセパレータ２８の中央部に係合する。

第２締め付け部１２２ｂは、長尺な第２締め付けボルト１２４ｂ、１２４ｂを備え、前記第２締め付けボルト１２４ｂ、１２４ｂは、エンドプレート８０ａの他方の対角位置に設けられるねじ孔９２、９２に螺合する。第２締め付けボルト１２４ｂの端部は、外周湾曲形状の第２押圧プレート１２６ｂを貫通し、この端部にナット１２７が螺合する。第２締め付けボルト１２４ｂは、セパレータ２８の内部に設けた酸化剤ガス供給部７４内に設けられる。第２押圧プレート１２６ｂの各円弧状部には、燃料電池１１の円板部３６に配置される各電解質・電極接合体２６に対応してスプリング１２８及び台座１２９が配設される。スプリング１２８は、例えば、セラミックススプリングにより構成される。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

燃料電池システム１０を組み付ける際には、先ず、図３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５８が形成されるとともに、前記燃料ガス供給通路５８が燃料ガス導入口３８から燃料ガス通路４６に連通する（図７参照）。

さらに、セパレータ２８には、燃料ガス供給連通孔３０を周回してリング状の絶縁シール７６が設けられる。これにより、セパレータ２８が構成され、前記セパレータ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１１が得られる。

その際、図３及び図４に示すように、各セパレータ２８には、互いに対向する面３６ａ、３６ｂ間に電解質・電極接合体２６が配置され、各アノード電極２４の略中央部に燃料ガス導入口３８が配置される。セパレータ２８の面３６ｂと電解質・電極接合体２６との間には、メッシュ部材７２が介装されるとともに、前記メッシュ部材７２の切り欠き部７２ａは、通路部材６０に対応して配置される。

上記の燃料電池１１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。図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１２には、荷重付与機構２１を介して所望の締め付け荷重が付与される。

燃料電池スタック１２は、エンドプレート８０ｂが筐体１８を構成する第１及び第２筐体部９６ａ、９６ｂ間に挟持された状態で、前記第１及び第２筐体部９６ａ、９６ｂがねじ９８及びナット１００により固定される。第２筐体部９６ｂには、流体部１９が接合されており、この流体部１９を構成する壁板１０６がエンドプレート８０ａの周回溝部８４に装着される。これにより、エンドプレート８０ａと壁板１０６との間には、流路部材１０８が形成される。

次に、燃料電池システム１０では、図１に示すように、燃料ガス供給管１１０から燃料（メタン、エタン又はプロパン等）及び必要に応じて水が供給されるとともに、空気供給管１１４から酸化剤ガスである酸素含有ガス（以下、空気ともいう）が供給される。

燃料が改質器１６を通って改質されることにより燃料ガス（水素含有ガス）が得られ、この燃料ガスは、燃料電池スタック１２の燃料ガス供給連通孔３０に供給される。この燃料ガスは、積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら各燃料電池１１を構成するセパレータ２８内を通って燃料ガス供給通路５８に導入される（図７参照）。

燃料ガスは、第１及び第２橋架部３４、６４間を燃料ガス供給通路５８に沿って移動し、円板部３６に形成された燃料ガス導入口３８から燃料ガス通路４６に導入される。燃料ガス導入口３８は、各電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の略中心位置に設定されている。このため、燃料ガスは、燃料ガス導入口３８からアノード電極２４の略中心に供給され、燃料ガス通路４６に沿って該アノード電極２４の外周部に向かって移動する。

具体的には、図５に示すように、燃料ガス通路４６は、複数のリング状通路溝４８ａ〜４８ｆを有しており、先ず、燃料ガス導入口３８を周回する周溝５１に連通する連通路５２を介してリング状通路溝４８ａに燃料ガスが供給される。このリング状通路溝４８ａに沿って流動した燃料ガスは、連通路５２を介して一旦外方に移動した後、前記リング状通路溝４８ａの外方に位置するリング状通路溝４８ｂに供給されて、このリング状通路溝４８ｂに沿って移動する。

さらに、連通路５２から外方に配置されているリング状通路溝４８ｃに供給された燃料ガスは、連通路５２から外方に配置されているリング状通路溝４８ｄ〜４８ｆに沿って、順次、移動する。従って、燃料ガスは、各リング状通路溝４８ａ〜４８ｆに沿って移動することにより、アノード電極２４に略中心から外周に向かって供給され、使用済みの燃料ガスが排出溝部５４に導出される。

一方、空気は、図１に示すように、空気供給管１１４から熱交換器１４の通路１１８を通って一旦チャンバ１０８ａに導入される。この空気は、チャンバ１０８ａに連通する孔部９０を通って各燃料電池１１の略中央側に設けられている酸化剤ガス供給部７４に供給される。その際、熱交換器１４では、後述するように、排ガス通路７８に排気される排ガスが通路１２０を通るため、使用前の空気と熱交換が行われ、この空気が予め所望の燃料電池運転温度に加温されている。

酸化剤ガス供給部７４に供給された空気は、電解質・電極接合体２６の内側周端部と円板部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。図７に示すように、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使用済みの空気及び使用済みの燃料ガスは、排ガスとして排ガス通路７８を介して積層方向に移動する。そして、排ガスは、熱交換器１４の通路１２０を通って空気との間で熱交換を行った後、排ガス管１１６から排出される（図１参照）。

この場合、第１の実施形態では、各リング状通路溝４８ａ〜４８ｆから凸状部５０ｂ〜５０ｇにリークされる燃料ガスのリーク率は、アノード電極２４の電極面全面にわたって同等に設定されている。

すなわち、リーク率は、概略的には、リーク率＝Ｗｒ（燃料ガス通路４６から漏れる燃料ガスのリーク流量）／Ｗｈ（燃料ガス通路４６に供給される燃料ガスの全体流量）で表すことができる。

ここで、リーク流量は、図８に示すように、通路溝ｇ１の圧力Ｐ１と通路溝ｇ２の圧力Ｐ２との差圧ΔＰ（Ｐ１−Ｐ２）及び凸状部ｔの長さＬに比例する一方、面圧及び凸状部ｔの幅Ｄに反比例する。

リーク流量∝差圧ΔＰ・長さＬ／面圧・幅Ｄ

従って、第１の実施形態では、リング状通路溝４８ａ〜４８ｆの長さＬが、順次、大きくなるため、前記リング状通路溝４８ａ〜４８ｆの溝幅寸法（幅Ｄ）を逓倍するとともに、同様に長さＬが、順次、大きくなる凸状部５０ａ〜５０ｇの幅寸法を、順次、逓倍している。

その際、リング状通路溝４８ａの開口断面積は、凸状部５０ｂの表面積と同等に設定される。同様に、各リング状通路溝４８ｂ〜４８ｆの開口面積は、それぞれ凸状部５０ｃ〜５０ｇの各表面積と同等に設定される。これにより、リング状通路溝４８ａ〜４８ｆの開口面積と凸状部５０ｂ〜５０ｇの表面積とは、アノード電極２４の電極面全面にわたって同等に設定される。また、周溝５１の開口面積は、凸状部５０ａの表面積と同等に設定される。

そこで、実施例として、図９に示す燃料ガス通路１３０が用いられた。この燃料ガス通路１３０では、電解質・電極接合体２６の直径を１００ｍｍとし、燃料ガス導入口３８を中心に同心状にリング状通路溝１３２ａ〜１３２ｆが設けられるとともに、各リング状通路溝１３２ａ〜１３２ｆに隣接して凸状部１３４ａ〜１３４ｇが設けられた。

ここで、最外周の凸状部１３４ｇの幅寸法を７ｍｍ、流路面積率を５０％、すなわち、リング状通路溝１３２ａ〜１３２ｆの開口面積と、凸状部１３４ａ〜１３４ｇの表面積が等しく設定されるとともに、リーク率が４％に設定された。また、最外周の凸状部１３４ｇの表面積と、この凸状部１３４ｇの内側に隣接するリング状通路溝１３２ｆの開口面積とが等しくなるように設定された。

同様に、凸状部１３４ｆの表面積とリング状通路溝１３２ｅの開口面積とが等しく、凸状部１３４ｅの表面積とリング状通路溝１３２ｄの開口面積とが等しく、凸状部１３４ｄの表面積とリング状通路溝１３２ｃの開口面積とが等しく、凸状部１３４ｃの表面積とリング状通路溝１３２ｂの開口面積とが等しく、さらに凸状部１３４ｂの表面積とリング状通路溝１３２ａの開口面積とが等しく設定された。上記の条件を満たす設定が、図１０に示されている。

実施例では、アノード電極２４全体でリーク率を一定（約４％）に設定することができ、燃料ガスが前記アノード電極２４全体に均一に分配される。特に、リング状通路溝１３２ａ〜１３２ｆでは、内側から外側に向かって凸状部１３４ｂ〜１３４ｆを乗り越えて燃料ガスが通過したり、最外周のリング状通路溝１３２ｆから凸状部１３８ｆを超えて外部に燃料ガスが放出されることがない。

これにより、各リング状通路溝１３２ａ〜１３２ｆに沿って燃料ガスが均一に流通する。従って、アノード電極２４全面に燃料ガスを均一且つ良好に供給して発電反応が均一化するとともに、燃料ガス利用率を良好に向上させることができるという効果が得られる。

さらに、発電反応によって得られる電流を集電するための集電性が高くなる他、積層方向の荷重がアノード電極２４からカソード電極２２へと良好に伝達されることにより、セパレータ２８と電解質・電極接合体２６との密着性を向上させることが可能になる。

一方、図１１に示す比較例１の燃料ガス通路１３０ａでは、それぞれ同一幅寸法のリング状通路溝１３６ａ、１３６ｂと、凸状部１３８ａ〜１３８ｃとが交互に設けられた。そして、最外周のリング状通路溝１３６ｃから凸状部１３８ｃにリークするリーク率が、実施例のリーク率である４％に設定された。この条件を満たす設定が、図１２に示されている。

この比較例１では、燃料ガス通路１３０ａの最外周のリーク率を４％に設定し、且つ溝幅寸法を一定にしている。このため、実際上、巻き回数が２周、すなわち、リング状通路溝１３６ａ、１３６ｂのみとなり、実施例に比べて巻き回数が大幅に減少した。これにより、燃料ガスは、アノード電極２４の全面に均一に供給されることができず、燃料ガスの分配が不均一となるという問題がある。

さらにまた、図１３に示す比較例２に係る燃料ガス通路１３０ｂでは、各溝幅寸法を一定にするリング状通路溝１３７ａ〜１３７ｆと最外周のみが実施例の凸状部１２４ｇと同一幅寸法に設定される凸状部１３９ａ〜１３９ｇとを交互に設けている。この条件を満たす設定が、図１４に示されている。

この比較例２では、アノード電極２４の中心部から外周部に向かって燃料ガスのリークが増大してしまい、特に内側に位置する凸状部１３９ａ〜１３９ｆでは、燃料ガスが乗り越えて外周側のリング状通路溝１３７ａ〜１３７ｆ等に流れ込み易い。これにより、燃料ガスは、各リング状通路溝１３７ａ〜１３７ｆに均一に流通することができず、燃料ガスの分布が不均一となるという問題がある。

ところで、第１の実施形態では、図５に示すように、各リング状通路溝４８ａ〜４８ｆは、連通路５２を介して実際上、二分岐通路を構成している。従って、各分岐流路毎に流量が１／２になるとともに、流路長も１／２になり、全体の圧力損失が１／４になる。従って、各リング状通路溝４８ａ〜４８ｆの圧力損失が減少されるとともに、深さ方向を薄肉化することができ、セパレータ２８全体を薄肉にしてヒートマスの減少が容易に可能になるという利点がある。

また、第１の実施形態では、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２は、メッシュ部材７２に当接した状態で、矢印Ａ方向に積層荷重が付与されている。このため、メッシュ部材７２の変形作用下に、前記メッシュ部材７２とカソード電極２２との密着性が促進される。

これにより、電解質・電極接合体２６やセパレータ２８自体に製造当初から存在する寸法誤差や歪み等は、メッシュ部材７２の弾性変形によって良好に吸収される。従って、第１の実施形態では、積層時の損傷を阻止するとともに、接触点数の増加により集電性の向上が図られる。

さらに、メッシュ部材７２が設けられる範囲は、アノード電極２４の発電領域よりも小さな領域に設定されている（図６参照）。このため、排ガスが、電解質・電極接合体２６の外周からアノード電極２４側に回り込んでも、前記アノード電極２４の外周縁部に対向するカソード電極２２の外周縁部に発電部が存在しない。これにより、循環電流による燃料消費の増加が抑制され、高い起電力を容易に取り出して集電特性を高めることができるとともに、燃料利用率の向上を図ること可能になる。しかも、弾性通路部としてメッシュ部材７２を用いるだけでよく、構成が簡素化されて経済的である。

特に、電解質２０やカソード電極２２が薄く、強度が低い電解質・電極接合体２６（いわゆる、支持膜型ＭＥＡ）でも、メッシュ部材７２が前記電解質２０や前記カソード電極２２に作用する応力を良好に緩和することができ、破損の削減を図ることが可能になる。

図１５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１４０の分解斜視図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１１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及び第４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１４０を構成するセパレータ１４２には、カソード電極２２に対向する面に酸化剤ガス通路１４４が設けられる。この酸化剤ガス通路１４４は、各円板部３６の面３６ｂに形成される複数の突起部１４６により構成される（図１６及び図１７参照）。

突起部１４６は、面３６ｂに、例えば、エッチングにより形成される中実部で構成される。突起部１４６の断面形状は、矩形状、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。

このように、構成される第２の実施形態では、円板部３６に設けられている複数の突起部１４６により、積層方向の荷重が効率的に伝達される。このため、少ない荷重で、燃料電池１４０を積層することができ、電解質・電極接合体２６やセパレータ１４２の歪みを低減することが可能になる。

さらに、突起部１４６は、円板部３６の面３６ｂにエッチング等によって形成される中実部で構成されている。これにより、突起部１４６の形状、配置位置及び密度は、例えば、酸化剤ガスの流れ状態等によって任意且つ容易に変更することができ、経済的であるとともに、前記酸化剤ガスの良好な流れが達成されるという利点がある。しかも、突起部１４６が中実部で構成されるため、この突起部１４６の変形が阻止され、荷重の伝達及び集電性を高めることが可能になる。

図１８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータ１６０の一部拡大説明図である。

セパレータ１６０を構成する各円板部１６２には、アノード電極２４に燃料ガスを供給するための燃料ガス通路１６４が形成される。燃料ガス通路１６４は、円板部１６２に燃料ガス導入口３８から分岐して電極面外周部に向かって蛇行する複数のサーペンタイン状通路溝（溝部）１６６ａ〜１６６ｈを有する。サーペンタイン状通路溝１６６ａ〜１６６ｈは、実質的に燃料ガス導入口３８を中心にして同心円状に配置される円弧部の溝幅寸法が、アノード電極２４の電極面外周部に向かって逓増するとともに、各流路部間の凸状部１６８ａ〜１６８ｈの幅寸法が、前記アノード電極２４の電極面外周部に向かって逓増する。

このように構成される第３の実施形態では、サーペンタイン状通路溝１６６ａ〜１６６ｈからリークする燃料ガスのリーク量の変動が有効に抑制され、アノード電極２４の電極面全面に燃料ガスを均一且つ良好に供給するとともに、燃料ガス利用率を向上させることが可能になる等、第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。なお、セパレータ１６０では、例えば、サーペンタイン状通路溝１６６ｇ、１６６ｈ間に位置して燃料ガス通路１６４側に、通路部材６０を固着してもよい。

図１９は、本発明の第４の実施に係る燃料電池を構成するセパレータ１７０の一部拡大説明図である。

セパレータ１７０を構成する各円板部１７２には、燃料ガス通路１７４が形成される。この燃料ガス通路１７４は、燃料ガス導入口３８を中心とする連続した渦巻き状通路溝１７６と凸状部１７８とにより構成される。渦巻き状通路溝１７６は、燃料ガス導入口３８から外周部側に向かって溝幅寸法が逓増するように構成される。

これにより、渦巻き状通路溝１７６では、内周側と外周側とにおけるリーク率が同一に設定され、アノード電極２４の電極面全面に燃料ガスを均一且つ良好に供給することができる等、第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの一部断面説明図である。 前記燃料電池システムを構成する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を構成す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。 前記セパレータの一方の面の一部拡大説明図である。 前記セパレータの他方の面の説明図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 リーク流量の説明図である。 実施例の説明図である。 前記実施例の条件説明図である。 比較例１の説明図である。 前記比較例１の設定説明図である。 比較例２の説明図である。 前記比較例２の設定説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池を構成するセパレータの正面説明図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータの一部拡大説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータの一部拡大説明図である。 特許文献１の燃料電池の説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム １１、１４０…燃料電池
１２…燃料電池スタック １４…熱交換器
１６…改質器 １８…筐体
２０…電解質 ２１…荷重付与機構
２２…カソード電極 ２４…アノード電極
２６…電解質・電極接合体
２８、１４２、１６０、１７０…セパレータ
３０…燃料ガス供給連通孔 ３６…円板部
３８…燃料ガス導入口 ４６、１６４、１７４…燃料ガス通路
４８ａ〜４８ｆ、１３２ａ〜１３２ｆ、１３６ａ〜１３６ｃ、１３７ａ〜１３７ｆ…リング状通路溝
５０ａ〜５０ｇ、１２４ｇ、１３４ａ〜１３４ｇ、１３９ａ〜１３９ｇ、１６８ａ〜１６８ｈ、１７８…凸状部
５１…周溝 ５２…連通路
５４…排出溝部 ５８…燃料ガス供給通路
６０…通路部材 ７０、１４４…酸化剤ガス通路
７２…メッシュ部材 ７４…酸化剤ガス供給部
８０ａ、８０ｂ…エンドプレート １４６…突起部
１６２、１７２…円板部
１６６ａ〜１６６ｈ…サーペンタイン状通路溝
１７６…渦巻き状通路溝

Claims (11)

1. 電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体が、セパレータと該セパレータとは別のセパレータとの間に挟持されて積層される燃料電池であって、
   前記セパレータの一方の面に設けられ、前記アノード電極の電極面中央部から前記アノード電極の電極面外周部に沿って燃料ガスを連続して供給するための燃料ガス通路と、
   前記セパレータの他方の面に設けられ、前記カソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路と、
   前記セパレータに設けられ、使用前の燃料ガスを前記燃料ガス通路に導入するための燃料ガス導入口と、
   前記セパレータの他方の面に設けられ、前記燃料ガス導入口に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路が形成される燃料ガス通路部材と、
   を備え、
   前記燃料ガス通路は、溝部と凸状部とが前記アノード電極の前記電極面外周部に向かって交互に設けられるとともに、
   前記凸状部を挟んで互いに隣接する各溝部の溝幅寸法は、前記電極面外周部に向かって逓増し、
   且つ、前記凸状部の表面積と、該凸状部の内周側に隣接する前記溝部の開口面積とを、前記アノード電極の電極面全面にわたって等しく設定した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、前記凸状部を挟んで互いに隣接する前記溝部のリーク率は、前記アノード電極の電極面全面にわたって等しく設定されることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池において、前記燃料ガス導入口は、前記アノード電極の電極面中央部に対応して設定さ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、前記溝部は、前記燃料ガス導入口を中心とする複数のリング状通路溝と、
   互いに隣接する前記リング状通路溝同士を連通する連通路と、
   を有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、前記溝部は、前記燃料ガス導入口を中心とする連続した渦巻き状通路溝で構成されることを特徴とする燃料電池。
6. 請求項３記載の燃料電池において、前記溝部は、前記燃料ガス導入口から分岐して前記電極面外周部に向かって蛇行する複数のサーペンタイン状通路溝で構成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、前記酸化剤ガス通路は、前記セパレータの他方の面に配設されて前記カソード電極に密着する変形可能な弾性通路部により形成されることを特徴とする燃料電池。
8. 請求項７記載の燃料電池において、前記弾性通路部が設けられる範囲は、前記アノード電極の発電領域よりも小さな領域に設定されることを特徴とする燃料電池。
9. 請求項８記載の燃料電池において、前記弾性通路部は、導電金属製のメッシュ部材で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、前記酸化剤ガス通路は、前記セパレータの他方の面に設けられる複数の突起部により形成されることを特徴とする燃料電池。
11. 請求項１０記載の燃料電池において、前記突起部は、エッチングにより前記セパレータの一方の面に形成される複数の中実部で構成されることを特徴とする燃料電池。

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