燃料電池用セパレータ
【課題】所望のシール性を確保するとともに、排ガスを円滑且つ確実に排出することを可能にする。
【解決手段】燃料電池用セパレータ３８は、挟持部１００を備え、この挟持部１００には、橋架部１０２を介して燃料ガス用マニホールド部１０６と、橋架部１０４を介して酸化剤ガス用マニホールド部１０８とが連結される。挟持部１００の周長Ｒ、橋架部１０２、１０４の幅Ｈ、前記橋架部１０２、１０４の長さＬ及びマニホールド部１０６、１０８の外径Ｄは、０．０３≦Ｈ／Ｒ≦０．２０、０．０１≦Ｌ／Ｒ≦０．５５、及び０．０６≦Ｄ／Ｒ≦０．３２の関係を有するように設定される。
【解決手段】燃料電池用セパレータ３８は、挟持部１００を備え、この挟持部１００には、橋架部１０２を介して燃料ガス用マニホールド部１０６と、橋架部１０４を介して酸化剤ガス用マニホールド部１０８とが連結される。挟持部１００の周長Ｒ、橋架部１０２、１０４の幅Ｈ、前記橋架部１０２、１０４の長さＬ及びマニホールド部１０６、１０８の外径Ｄは、０．０３≦Ｈ／Ｒ≦０．２０、０．０１≦Ｌ／Ｒ≦０．５５、及び０．０６≦Ｄ／Ｒ≦０．３２の関係を有するように設定される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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・電極接合体に積層される燃料電池用セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、固体酸化物型燃料電池（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（単セル）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、単セル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。
【０００３】
この種の燃料電池として、例えば、特許文献１に開示されている固体電解質型燃料電池が知られている。この燃料電池は、図３５に示すように、ドーナツ形状のセパレータ１と、ドーナツ形状の単セル２とが交互に積層されるとともに、マニホールドである燃料ガス導入管３ａ及び酸化剤ガス導入管３ｂが、前記セパレータ１と前記単セル２との中央部を積層方向に貫通して設けられている。燃料電池の外周部には、燃料ガス排出口４ａと酸化剤ガス排出口４ｂとが周方向に９０°ずらして配設されている。
【０００４】
また、特許文献２に開示されている固体電解質型燃料電池は、図３６に示すように、図示しない円板状の固体電解質板と交互に積層される円板状のセパレータ５を備えている。セパレータ５の外周部には、１つの燃料ガス供給孔６ａと酸化剤ガス供給孔６ｂとが１８０°ずれた位置に設けられるとともに、複数の燃料ガス排出ノズル７及び酸化剤ガス排出ノズル（図示せず）が、周方向に所定の間隔ずつ離間して設けられている。
【０００５】
セパレータ５の面内には、７個の凹部８が設けられ、各凹部８を接続するようにして円環状燃料ガス用配管９が配設されている。配管９と燃料ガス供給孔６ａとは、互いに連通している。セパレータ５の面内には、各凹部８を中心として螺旋状の燃料ガス用凹溝１０が設けられている。
【０００６】
さらにまた、非特許文献１に開示されているスタックユニットアセンブリは、図３７に示すように、正方形状のセパレータ１２を備えている。このセパレータ１２は、３枚のプレート１４ａ、１４ｂ及び１４ｃにより構成されている。セパレータ１２の対角部には、燃料マニホールド１５ａと空気マニホールド１５ｂとが積層方向に貫通して設けられるとともに、前記燃料マニホールド１５ａ及び前記空気マニホールド１５ｂは、スリットが形成されたフレキシブルアーム１６ａ、１６ｂの端部に設けられている。
【０００７】
プレート１４ｂには、燃料チャネル１７ａ及びエアチャネル１７ｂが螺旋状に形成されている。プレート１４ａには、燃料チャネル１７ａに連通する燃料出口１８ａが設けられる一方、プレート１４ｃには、エアチャネル１７ｂに連通するエア出口１８ｂが設けられている。
【０００８】
【特許文献１】特開平３−１２９６７５号公報（図１）
【特許文献２】特開２００２−８６８２号公報（図３）
【非特許文献１】2005 Fuel Cell Seminar. November14-18, 2005. Palm Springs, CA.“Development of High-Efficiency SOFC Module”
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池の外周部に燃料ガス排出口４ａ及び酸化剤ガス排出口４ｂが設けられており、反応後の燃料ガス及び酸化剤ガス（以下、排ガスともいう）は、前記燃料ガス排出口４ａ及び前記酸化剤ガス排出口４ｂからのみ排出されている。このため、単セル２からの排ガスの不均等排出、偏流、充満又は滞留により反応が促進されず、前記単セル２の発電出力が低下するという問題がある。
【００１０】
さらに、セパレータ１の中心軸近傍に、マニホールドである燃料ガス導入管３ａ及び酸化剤ガス導入管３ｂが一体に設けられている。従って、燃料ガス及び酸化剤ガスのシール性を確保するために、単セル２とセパレータ１との積層方向に締付荷重を付与する際、前記単セル２に許容応力以上の大きな荷重が付与されてしまい、該単セル２が破損するおそれがある。
【００１１】
また、上記の特許文献２では、反応後の燃料ガス（排ガス）は、セパレータ５の外周部に設けられた燃料ガス排出ノズル７からのみ排出されるため、このセパレータ５からの排ガスの不均等排出、偏流、充満又は滞留により反応が促進されず、単セルの発電出力が低下するという問題がある。しかも、燃料ガス及び酸化剤ガスのシールを行うために、セパレータ５の積層方向に締付荷重を付与する際、単セルに許容応力以上の大きな荷重が作用し、該単セルが破損するおそれがある。
【００１２】
さらにまた、上記の非特許文献１では、セパレータ１２の外周部にスリットが入ったフレキシブルアーム１６ａ、１６ｂを設けるとともに、燃料マニホールド１５ａ及び空気マニホールド１５ｂから螺旋状の燃料チャネル１７ａ及びエアチャネル１７ｂが連通して設けられている。このため、セパレータ１２の積層方向に対して燃料及びエアのシール性を確保するために締付荷重を付与すると、電解質・電極構造体の外周部から排出される排ガスが、フレキシブルアーム１６ａ、１６ｂに阻止されて前記排ガスの不均等排出、偏流、充満又は滞留により円滑な排出が遂行されないため、反応が促進されず、発電出力が低下するという問題がある。
【００１３】
さらに、セパレータ１２が正方形状に構成される一方、電解質・電極構造体が円形状に構成されている。これにより、電解質・電極構造体の反応面積に対してセパレータ１２の占有面積が大きくなり、面積当たりの集電効率やスペース効率が低下するという問題がある。
【００１４】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、所望のシール性を確保するとともに、排ガスを円滑且つ確実に排出することが可能な燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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・電極接合体に積層される燃料電池用セパレータに関するものである。
【００１６】
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、使用済みの前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを前記電解質・電極接合体の周縁部から排出させる挟持部と、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マニホールド部とを備えている。
【００１７】
そして、本発明では、挟持部の周長Ｒと橋架部の幅Ｈとは、０．０３≦Ｈ／Ｒ≦０．２０の関係を有している。
【００１８】
また、本発明では、挟持部の周長Ｒと橋架部の長さＬとは、０．０１≦Ｌ／Ｒ≦０．５５の関係を有している。
【００１９】
さらに、本発明では、挟持部の周長Ｒとマニホールド部の外径Ｄとは、０．０６≦Ｄ／Ｒ≦０．３２の関係を有している。
【００２０】
さらにまた、単一のマニホールド部には、複数の橋架部を介して複数の挟持部が連結されるとともに、前記マニホールド部の中心と各挟持部の中心に設けられた反応ガス導入口とは、同一距離に設定されることが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明では、挟持部の周長Ｒと橋架部の幅Ｈとが、０．０３≦Ｈ／Ｒ≦０．２０の関係を有している。このため、電解質・電極接合体の周縁部から排出される排ガスを、円滑且つ確実に排出することができるとともに、所望の発電出力を得ることが可能になる。
【００２２】
また、本発明では、挟持部の周長Ｒと橋架部の長さＬとは、０．０１≦Ｌ／Ｒ≦０．５５の関係を有している。このため、電解質・電極接合体の周縁部から排出される排ガスを、円滑且つ確実に排出することができるとともに、所望の発電出力を得ることが可能になる。
【００２３】
さらに、本発明では、挟持部の周長Ｒとマニホールド部の外径Ｄとは、０．０６≦Ｄ／Ｒ≦０．３２の関係を有している。このため、電解質・電極接合体の周縁部から排出される排ガスを、円滑且つ確実に排出することができるとともに、所望の発電出力を得ることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池用セパレータを組み込む燃料電池２０が、矢印Ａ方向に複数積層された燃料電池スタック２２の概略斜視説明図である。
【００２５】
燃料電池２０は、固体電解質（固体酸化物）型燃料電池であり、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２０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）３０の両面に、カソード電極３２及びアノード電極３４が設けられた電解質・電極接合体３６を備える。電解質・電極接合体３６は、円板状に形成される。
【００２６】
燃料電池２０は、第１の実施形態に係る一組のセパレータ３８間に電解質・電極接合体３６を挟んで構成される。セパレータ３８は、第１及び第２プレート４０、４２と、前記第１及び第２プレート４０、４２間に配設される第３プレート４４とを備える。第１〜第３プレート４０、４２及び４４は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成され、前記第３プレート４４の両面に、前記第１プレート４０と前記第２プレート４２とが、例えば、ろう付けにより接合される。
【００２７】
図２に示すように、第１プレート４０は、積層方向（矢印Ａ方向）に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔４６が形成される第１小径端部４８を備え、この第１小径端部４８には、幅狭な第１板状部５０を介して比較的大径な第１円板部５２が一体的に設けられる。第１円板部５２は、電解質・電極接合体３６のアノード電極３４と略同一寸法に設定されている。
【００２８】
第１円板部５２のアノード電極３４に接触する面には、燃料ガス通路５４を形成するための多数の第１凸部５６ａが外周縁部近傍から中心部にわたって設けられるとともに、前記第１円板部５２の外周縁部には、略リング状凸部５６ｂが設けられる。第１凸部５６ａ及び略リング状凸部５６ｂは、集電部を構成する。第１円板部５２の中央には、アノード電極３４の略中央部に向かって燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口５８が形成される。なお、第１凸部５６ａは、略リング状凸部５６ｂと同一平面内に複数の凹部を形成することによって構成してもよい。
【００２９】
第２プレート４２は、積層方向（矢印Ａ方向）に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔６０が形成される第２小径端部６２を備える。この第２小径端部６２には、幅狭な第２板状部６４を介して比較的大径な第２円板部６６が一体的に設けられる。
【００３０】
第２円板部６６は、電解質・電極接合体３６のカソード電極３２に接する面に、酸化剤ガス通路６８を形成するための複数の第２凸部６９が面内全面にわたって形成される。第２凸部６９は、集電部を構成する。第２円板部６６の中央部には、酸化剤ガスをカソード電極３２の略中央部に向かって供給するための酸化剤ガス導入口７０が形成される。
【００３１】
第３プレート４４は、燃料ガス供給連通孔４６が形成される第３小径端部７２と、酸化剤ガス供給連通孔６０が形成される第４小径端部７４とを備える。第３及び第４小径端部７２、７４は、幅狭な第１及び第２板状部７６、７８を介して比較的大径な第３円板部８０と一体的に構成される。第３円板部８０は、第１及び第２円板部５２、６６と同一直径に設定される。
【００３２】
第３プレート４４の第１プレート４０に向かう面において、第３小径端部７２には、燃料ガス供給連通孔４６に連通する複数のスリット状通路８２が放射状に形成される。燃料ガス供給連通孔４６から通路８２を介して第１板状部７６及び第３円板部８０の面内に燃料ガス供給通路８６が形成される。第３円板部８０には、複数の第３凸部８８が形成され、この第３凸部８８は、燃料ガス供給通路８６の一部を構成する。
【００３３】
第３プレート４４の第２プレート４２に接する面において、第４小径端部７４には、酸化剤ガス供給連通孔６０に連通する複数のスリット状通路９０が放射状に形成される。酸化剤ガス供給連通孔６０から通路９０を介して第３円板部８０には、酸化剤ガス供給通路９４が形成され、この酸化剤ガス供給通路９４は、前記第３円板部８０の周縁部によって閉塞される。
【００３４】
第１プレート４０が第３プレート４４の一方の面にろう付けされることにより、第１及び第３プレート４０、４４間には、燃料ガス供給連通孔４６に連通する燃料ガス供給通路８６が設けられる。この燃料ガス供給通路８６は、第１及び第３円板部５２、８０間に該第１円板部５２を挟んでアノード電極３４の電極面を覆い、且つ燃料ガスが供給されることにより前記第１円板部５２を前記アノード電極３４に圧接可能な燃料ガス圧力室９６を構成する（図４参照）。電解質・電極接合体３６の外周外方には、使用済みの燃料ガス及び酸化剤ガスを排出する排ガス通路９７が設けられる。
【００３５】
第２プレート４２が第３プレート４４にろう付けされることにより、第２及び第３プレート４２、４４間には、酸化剤ガス供給連通孔６０に連通する酸化剤ガス供給通路９４が形成される。この酸化剤ガス供給通路９４は、第２及び第３円板部６６、８０間に該第２円板部６６を挟んでカソード電極３２の電極面を覆い、且つ酸化剤ガスが供給されることにより前記第２円板部６６を前記カソード電極３２に圧接可能な酸化剤ガス圧力室９８を構成する（図４参照）。
【００３６】
セパレータ３８は、第１プレート４０の第１円板部５２と、第２プレート４２の第２円板部６６と、第３プレート４４の第３円板部８０とが接合されることにより、円板状の挟持部１００を構成する。挟持部１００には、第１板状部５０、７６が接合されて構成される橋架部１０２と、第２板状部６４、７８が接合されて構成される橋架部１０４とが連結される。
【００３７】
橋架部１０２には、第１小径端部４８と第３小径端部７２とが接合されて形成される燃料ガス用マニホールド部１０６が連結される。橋架部１０４には、第２小径端部６２と第４小径端部７４が接合されて形成される酸化剤ガス用マニホールド部１０８が連結される。
【００３８】
図５に示すように、セパレータ３８では、挟持部１００の周長Ｒ（π・Ｄ０）と、橋架部１０２、１０４の幅Ｈとが、０．０３≦Ｈ／Ｒ≦０．２０の関係を有するように設定される。
【００３９】
挟持部１００の周長Ｒと橋架部１０２、１０４の長さＬとは、０．０１≦Ｌ／Ｒ≦０．５５の関係を有するように設定される。
【００４０】
挟持部１００の周長Ｒとマニホールド部１０６、１０８の外径Ｄとは、０．０６≦Ｄ／Ｒ≦０．３２の関係を有するように設定される。
【００４１】
図２に示すように、各セパレータ３８間には、燃料ガス供給連通孔４６をシールするための絶縁シール１０９ａと、酸化剤ガス供給連通孔６０をシールするための絶縁シール１０９ｂとが設けられる。絶縁シール１０９ａ、１０９ｂは、例えば、マイカ材やセラミック材で形成されている。
【００４２】
図１に示すように、燃料電池スタック２２は、複数の燃料電池２０の積層方向両端にエンドプレート１１０ａ、１１０ｂを配置する。エンドプレート１１０ａもしくはエンドプレート１１０ｂは、締付手段１１２と電気的に絶縁される。エンドプレート１１０ａには、燃料電池２０の燃料ガス供給連通孔４６に連通する第１配管１１４と、酸化剤ガス供給連通孔６０に連通する第２配管１１６とが接続される。エンドプレート１１０ａ、１１０ｂには、電解質・電極接合体３６よりも燃料ガス供給連通孔４６及び酸化剤ガス供給連通孔６０に近接する位置に、矢印Ａ方向に積層された電解質・電極接合体３６とセパレータ３８とに積層方向に締付荷重を付与する締付手段１１２が配設される。
【００４３】
締付手段１１２は、燃料ガス供給連通孔４６の両側及び酸化剤ガス供給連通孔６０の両側に位置してエンドプレート１１０ａ、１１０ｂに形成されるボルト孔１１８を備える。各ボルト孔１１８に締付ボルト１２０が挿入されるとともに、各締付ボルト１２０の先端にナット１２２が螺合することによって、燃料電池スタック２２が締め付け保持される。挟持部１００は、橋架部１０２、１０４を介してマニホールド部１０６、１０８に連結されており、締付手段１１２により前記マニホールド部１０６、１０８近傍にシール用の締付荷重が付与される際、前記挟持部１００に挟持されている電解質・電極接合体３６に必要以上に大きな締付荷重が付与されることがない。
【００４４】
このように構成される燃料電池スタック２２の動作について、以下に説明する。
【００４５】
図１に示すように、エンドプレート１１０ａに接続されている第１配管１１４から燃料ガス供給連通孔４６に燃料ガス（例えば、水素含有ガス）が供給されるとともに、前記エンドプレート１１０ａに接続された第２配管１１６から酸化剤ガス供給連通孔６０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。
【００４６】
燃料ガス供給連通孔４６に供給された燃料ガスは、図４に示すように、積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら、各燃料電池２０を構成するセパレータ３８内の燃料ガス供給通路８６に供給される。燃料ガスは、燃料ガス供給通路８６に沿って第１及び第３円板部５２、８０間に形成された燃料ガス圧力室９６に導入され、複数の第３凸部８８間を移動して第１円板部５２の中央部に形成される燃料ガス導入口５８に導入される。
【００４７】
燃料ガス導入口５８は、各電解質・電極接合体３６のアノード電極３４の中心位置に対応して設けられている。このため、燃料ガスは、燃料ガス導入口５８から燃料ガス通路５４に供給され、アノード電極３４内を中心部から外周部に向かって流動する。
【００４８】
一方、酸化剤ガス供給連通孔６０に供給される酸化剤ガスは、セパレータ３８内の酸化剤ガス供給通路９４を移動し、第２及び第３円板部６６、８０間に形成された酸化剤ガス圧力室９８に供給される。さらに、酸化剤ガスは、第２円板部６６の中心位置に設けられる酸化剤ガス導入口７０に導入される。
【００４９】
酸化剤ガス導入口７０は、各電解質・電極接合体３６のカソード電極３２の中心位置に対応して設けられている。このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口７０から酸化剤ガス通路６８に供給され、カソード電極３２の中心部から外周部に向かって流動する。
【００５０】
従って、各電解質・電極接合体３６では、アノード電極３４の中心部から外周部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３２の中心部から外周部に向かって酸化剤ガスが供給され、発電が行われる。そして、発電に使用された燃料ガス及び酸化剤ガスは、排ガスとして挟持部１００の外周部から排気される。
【００５１】
この場合、第１の実施形態では、図５に示すように、セパレータ３８を構成する挟持部１００の周長Ｒと橋架部１０２、１０４の幅Ｈとは、０．０３≦Ｈ／Ｒ≦０．２０の関係を有している。
【００５２】
ここで、Ｈ／Ｒが０．０２０を超えると、すなわち、挟持部１００の周長Ｒに対して橋架部１０２、１０４の幅Ｈが、比較的幅広に設定されていると、前記挟持部１００に保持されている電解質・電極接合体３６の周縁部から排出される使用済みの燃料ガス及び酸化剤ガス（以下、排ガスともいう）は、前記橋架部１０２、１０４に阻止されて前記排ガスの不均等排出、偏流、充満又は滞留により、円滑な排出が遂行されないという問題がある。このため、反応が促進されず、電解質・電極接合体３６による発電出力が低下するおそれがある。
【００５３】
一方、Ｈ／Ｒが０．０３未満であると、すなわち、挟持部１００の周長Ｒに対して橋架部１０２、１０４の幅Ｈが、相当に幅狭に構成されていると、排ガスの排出性は向上するものの、燃料ガス供給通路８６を流れる燃料ガスの流量及び酸化剤ガス供給通路９４を流れる酸化剤ガスの流量が、著しく低下してしまう。従って、電解質・電極接合体３６に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの供給量が不足し、反応が促進されず、発電出力が低下するという問題がある。
【００５４】
これにより、０．０３≦Ｈ／Ｒ≦０．２０の関係を有することによって、良好な発電出力を確実に得ることができるという効果が得られる(図６参照)。
【００５５】
さらに、セパレータ３８自体の柔軟性及び剛性に着目すると、Ｈ／Ｒが０．２０を超えると、橋架部１０２、１０４の幅Ｈが大きくなって柔軟性が低下する（図６参照）。このため、燃料ガス供給連通孔４６及び酸化剤ガス供給連通孔６０のシール性を維持するために、締付手段１１２を介して締付荷重を付与する際に、挟持部１００に必要以上の締付力が付与されるおそれがある。これにより、電解質・電極接合体３６の破損が懸念される。
【００５６】
一方、Ｈ／Ｒが０．０３未満であると、橋架部１０２、１０４の幅Ｈが相当に小さくなる。従って、橋架部１０２、１０４の剛性が低下してしまい、締付荷重により許容応力を超えて破損し易いという問題がある。このため、セパレータ３８自体の柔軟性及び剛性を維持するためには、０．０３≦Ｈ／Ｒ≦０．２０の関係を有することが必要である。
【００５７】
また、第１の実施形態では、挟持部１００の周長Ｒと橋架部１０２、１０４の長さＬとは、０．０１≦Ｌ／Ｒ≦０．５５の関係を有している。
【００５８】
ここで、Ｌ／Ｒが０．５５を超えると、すなわち、橋架部１０２、１０４の長さＬが、挟持部１００の周長Ｒに対して相当に長尺化すると、燃料ガス供給通路８６を流れる燃料ガスの流量、及び酸化剤ガス供給通路９４を流れる酸化剤ガスの流量が低下し易く、反応が促進されず、電解質・電極接合体３６の発電出力が低下するおそれがある（図７参照）。
【００５９】
一方、Ｌ／Ｒが０．０１未満であると、すなわち、挟持部１００にマニホールド部１０６、１０８が近接していると、電解質・電極接合体３６の周縁部から排出される排ガスの流れが妨げられ、前記排ガスの不均等排出、偏流、充満又は滞留により、反応が促進されず、発電出力が低下するという問題がある。
【００６０】
さらに、橋架部１０２、１０４の長さＬが長尺化すると、この橋架部１０２、１０４の剛性が低下するとともに、前記橋架部１０２、１０４の長さＬが短尺化すると、該橋架部１０２、１０４の柔軟性が低下する（図７参照）。従って、０．０１≦Ｌ／Ｒ≦０．５５の関係を有することにより、所望の発電出力を得るとともに、セパレータ３８自体の柔軟性及び剛性を確保することができるという効果が得られる。
【００６１】
さらにまた、第１の実施形態では、挟持部１００の周長Ｒとマニホールド部１０６、１０８の外径Ｄとは、０．０６≦Ｄ／Ｒ≦０．３２の関係を有している。
【００６２】
ここで、Ｄ／Ｒが０．３２を超えると、すなわち、マニホールド部１０６、１０８の直径Ｄが、挟持部１００の周長Ｒに対して相当に大径に設定されると、前記挟持部１００間に挟持されている電解質・電極接合体３６の周縁部から排出される排ガスの流れが阻止され、前記排ガスの不均等排出、偏流、充満又は滞留により、反応が促進されず、電解質・電極接合体３６の発電出力が低下する場合がある。
【００６３】
一方、Ｄ／Ｒが０．０６未満であると、すなわち、マニホールド部１０６、１０８の直径Ｄが、相当に小径に設定されると、前記マニホールド部１０６から供給される燃料ガス、及び前記マニホールド部１０８から供給される酸化剤ガスは、所望の流量を維持することができず、反応が促進されずに電解質・電極接合体３６の発電出力の低下が惹起され易い（図８参照）。
【００６４】
また、Ｄ／Ｒが０．３２を超えると、セパレータ３８の柔軟性が低下する一方、Ｄ／Ｒが０．０６未満になると、前記セパレータ３８の剛性が低下してしまう。従って、０．０６≦Ｄ／Ｒ≦０．３２の関係を有することにより、所望の発電出力を得るとともに、セパレータ３８自体の柔軟性及び剛性を確保することが可能になる。
【００６５】
さらに、第１の実施形態では、挟持部１００は、円板状の電解質・電極接合体３６と略同形の円板状に設定されており、前記電解質・電極接合体３６の反応面積に対して前記挟持部１００の占有面積が小さくなる。これにより、面積当たりの集電効率及びスペース効率が向上するという利点がある。
【００６６】
さらにまた、挟持部１００とマニホールド部１０６、１０８とを連結する橋架部１０２、１０４は、直線状に構成されている。従って、燃料ガス及び酸化剤ガスは、燃料ガス供給通路８６及び酸化剤ガス供給通路９４を介して円滑且つ確実に流動し、ガスの詰まりを可及的に阻止することができる。しかも、電解質・電極接合体３６から排出される排ガスは、例えば、屈曲する橋架部に比べて流れを阻害されることがない。
【００６７】
図９は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用セパレータを組み込む燃料電池１３０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２０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８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。
【００６８】
燃料電池１３０は、２個の電解質・電極接合体３６を挟持する第２実施形態に係る一組のセパレータ１３２を備える。セパレータ１３２は、セパレータ３８と同様に３枚のプレート（図示せず）により構成される。セパレータ１３２は、図９及び図１０に示すように、それぞれ電解質・電極接合体３６を挟持する円板状の第１挟持部１００ａと第２挟持部１００ｂとを備える。
【００６９】
第１挟持部１００ａ及び第２挟持部１００ｂには、橋架部１０２ａ、１０２ｂを介してマニホールド部１０６が連結されるとともに、橋架部１０４ａ、１０４ｂを介してマニホールド部１０８に連結される。橋架部１０２ａ、１０２ｂ内には、燃料ガス供給通路８６ａ、８６ｂが形成されるとともに、橋架部１０４ａ、１０４ｂ内には、酸化剤ガス供給通路９４ａ、９４ｂが形成される。
【００７０】
第１挟持部１００ａと電解質・電極接合体３６との間には、燃料ガス通路５４ａ及び酸化剤ガス通路６８ａが形成される一方、第２挟持部１００ｂと前記電解質・電極接合体３６との間には、燃料ガス通路５４ｂ及び酸化剤ガス通路６８ｂが形成される。
【００７１】
図１０に示すように、第１挟持部１００ａ及び第２挟持部１００ｂの周長Ｒと、橋架部１０２ａ、１０２ｂ及び橋架部１０４ａ、１０４ｂの幅Ｈとは、０．０３≦Ｈ／Ｒ≦０．２０の関係を有するように設定される。
【００７２】
第１挟持部１００ａ及び第２挟持部１００ｂの周長Ｒと、橋架部１０２ａ、１０２ｂ及び橋架部１０４ａ、１０４ｂの長さＬとは、０．０１≦Ｌ／Ｒ≦０．５５の関係を有するように設定される。
【００７３】
第１挟持部１００ａ及び第２挟持部１００ｂの周長Ｒと、マニホールド部１０６、１０８の外径Ｄとは、０．０６≦Ｄ／Ｒ≦０．３２の関係を有するように設定される。
【００７４】
このように構成される第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果を有する。さらに、セパレータ１３２は、２つの電解質・電極接合体３６を挟持し、且つ、各電解質・電極接合体３６に燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路８６ａ、８６ｂ及び酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給通路９４ａ、９４ｂが、全て同一の長さに設定されている。このため、各電解質・電極接合体３６に対して燃料ガス及び酸化剤ガスを均等に配分することができるとともに、発電出力を高めることが可能になる。
【００７５】
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池用セパレータを組み込む燃料電池１４０が複数積層された燃料電池スタック１４２の概略斜視説明図である。
【００７６】
燃料電池スタック１４２は、外周波形円板状の複数の燃料電池１４０を矢印Ａ方向に積層するとともに、その積層方向両端には、エンドプレート１４４ａ、１４４ｂが配置され、複数本、例えば、８本の締め付け用ボルト１４６及びナット１４８を介して一体的に締め付け保持されている。
【００７７】
燃料電池スタック１４２の中心部には、円形の燃料ガス供給連通孔４６がエンドプレート１４４ａを底部として矢印Ａ方向に形成される（図１２及び図１３参照）。燃料ガス供給連通孔４６の周囲には、複数、例えば、４つの排ガス通路９７が、エンドプレート１４４ｂを底部として矢印Ａ方向に形成される。エンドプレート１４４ａ、１４４ｂからそれぞれ出力端子１５０ａ、１５０ｂが設けられている（図１１参照）。
【００７８】
図１２及び図１３に示すように、複数、例えば、１６個の電解質・電極接合体３６を挟んで第３の実施形態に係る一組のセパレータ１５２が配設されることにより、燃料電池１４０が構成される。
【００７９】
セパレータ１５２の面内には、このセパレータ１５２の中心部である燃料ガス供給連通孔４６と同心円上に８個の電解質・電極接合体３６が配列される内周側配列層Ｐ１と、この内周側配列層Ｐ１の外周に８個の電解質・電極接合体３６が配列される外周側配列層Ｐ２とが設けられる（図１２参照）。
【００８０】
セパレータ１５２は、互いに積層される複数枚、例えば、２枚のプレート１５４、１５６を備える。プレート１５４、１５６は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成されており、それぞれ波形外周部１５４ａ、１５６ａを設ける。
【００８１】
プレート１５４、１５６の中央側には、燃料ガス供給連通孔４６を形成する小径端部１５８ａ、１５８ｂが設けられる。小径端部１５８ａ、１５８ｂには、４つの排ガス通路９７を設けるためにそれぞれ４つの板状部１６０ａ、１６０ｂが連結されるとともに、前記板状部１６０ａ、１６０ｂは、後述する挟持部１７４ａ、１７４ｂに連結される。
【００８２】
図１２及び図１４に示すように、プレート１５４、１５６には、燃料ガス供給連通孔４６に対して放射状に突起部１６２ａ、１６２ｂが設けられるとともに、前記突起部１６２ａ、１６２ｂ間には、前記燃料ガス供給連通孔４６に連通する燃料ガス供給通路８６が形成される。
【００８３】
図１４に示すように、突起部１６２ａ、１６２ｂは、先端を結ぶ仮想円が内周側配列層Ｐ１の中心線と、外周側配列層Ｐ２の中心線とを形成する。内周側配列層Ｐ１に沿って８個の電解質・電極接合体３６が配列される一方、外周側配列層Ｐ２の中心線に沿って８個の電解質・電極接合体３６が配列される。
【００８４】
突起部１６２ａの先端側周囲には、それぞれ３個の酸化剤ガス導入口７０がプレート１５４を貫通して形成される。プレート１５４には、内周側配列層Ｐ１及び外周側配列層Ｐ２に沿って配列される各電解質・電極接合体３６に向かって突出し、各電解質・電極接合体３６に接する第１ボス部１６４が膨出成形される。
【００８５】
プレート１５６には、内周側配列層Ｐ１及び外周側配列層Ｐ２に沿って配列される各電解質・電極接合体３６に向かって突出し、各電解質・電極接合体３６に接する第２ボス部１６６が膨出成形される。第２ボス部１６６は、第１ボス部１６４よりも径方向及び高さ方向の各寸法が小さく設定されている（図１５参照）。プレート１５６には、燃料ガス供給通路８６に連通する燃料ガス導入口５８が貫通形成される。この燃料ガス供給通路８６は、燃料ガス導入口５８から燃料ガス通路５４に連通する。
【００８６】
プレート１５４とプレート１５６との間には、突起部１６２ａ、１６２ｂとの間に対応して燃料ガス供給通路８６が形成されるとともに、前記突起部１６２ａ、１６２ｂの外方に対応して酸化剤ガス供給通路９４が形成される。この酸化剤ガス供給通路９４は、プレート１５４に形成された酸化剤ガス導入口７０から酸化剤ガス通路６８に連通する。
【００８７】
図１６に示すように、セパレータ１５２は、小径端部１５８ａ、１５８ｂが接合されることによりマニホールド部１７０を形成するとともに、板状部１６０ａ、１６０ｂが接合されることにより橋架部１７２を構成する。このセパレータ１５２の面内には、内周側配列層Ｐ１に沿って配列される８個の電解質・電極接合体３６を挟持する８つの挟持部１７４ａと、外周側配列層Ｐ２に沿って配列される８個の電解質・電極接合体３６を挟持する８つの挟持部１７４ｂとが構成される。
【００８８】
各挟持部１７４ａ、１７４ｂの周長Ｒと、各橋架部１７２の幅Ｈとは、０．０３≦Ｈ／Ｒ≦０．２０の関係を有するように設定される。
【００８９】
各挟持部１７４ａ、１７４ｂの周長Ｒと、各橋架部１７２の長さＬとは、０．０１≦Ｌ／Ｒ≦０．５５の関係を有するように設定される。
【００９０】
各挟持部１７４ａ、１７４ｂの周長Ｒと、マニホールド部１７０の外径Ｄとは、０．０６≦Ｄ／Ｒ≦０．３２の関係を有するように設定される。
【００９１】
一方のセパレータ１５２を構成するプレート１５４と他方のセパレータ１５２を構成するプレート１５６とにより、電解質・電極接合体３６が挟持される。具体的には、図１５に示すように、電解質・電極接合体３６を挟んで互いに対向するプレート１５４、１５６には、第１ボス部１６４及び第２ボス部１６６が膨出成形されており、前記第１ボス部１６４と前記第２ボス部１６６とによって前記電解質・電極接合体３６が挟持される。
【００９２】
電解質・電極接合体３６と一方のセパレータ１５２を構成するプレート１５６との間には、燃料ガス供給通路８６から燃料ガス導入口５８を介して連通する燃料ガス通路５４が形成される。電解質・電極接合体３６と他方のセパレータ１５２を構成するプレート１５４との間には、酸化剤ガス供給通路９４から酸化剤ガス導入口７０を介して連通する酸化剤ガス通路６８が形成される。
【００９３】
このように構成される燃料電池スタック１４２の動作について、以下に説明する。
【００９４】
図１１に示すように、燃料電池スタック１４２を構成するエンドプレート１４４ｂの燃料ガス供給連通孔４６に燃料ガスが供給されるとともに、前記燃料電池スタック１４２の外周部側から加圧された酸化剤ガスである酸素含有ガスが供給される。燃料ガス供給連通孔４６に供給された燃料ガスは、積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら、各燃料電池１４０を構成するセパレータ１５２内の燃料ガス供給通路８６に導入される（図１３参照）。
【００９５】
図１３及び図１５に示すように、燃料ガスは、突起部１６２ａ、１６２ｂ間に形成された燃料ガス供給通路８６に沿って移動し、各燃料ガス導入口５８を介して燃料ガス通路５４に導入される。燃料ガス導入口５８は、各電解質・電極接合体３６のアノード電極３４の中心位置に対応して設けられており、燃料ガス通路５４に導入された燃料ガスは、前記アノード電極３４の中心部から外周に向かって流動する。
【００９６】
一方、各燃料電池１４０の外周側から供給される酸化剤ガスは、各セパレータ１５２のプレート１５４、１５６間に形成されている酸化剤ガス供給通路９４に供給される。この酸化剤ガス供給通路９４に供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口７０から酸化剤ガス通路６８に導入され、電解質・電極接合体３６のカソード電極３２の中心部から外周に沿って流動する（図１３及び図１５参照）。
【００９７】
従って、各電解質・電極接合体３６では、アノード電極３４の中心部から外周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３２の中心部から外周に向かって酸化剤ガスが供給される。その際、酸素イオンが電解質３０を通ってアノード電極３４に移動し、化学反応により発電が行われる。
【００９８】
各電解質・電極接合体３６の外周に移動した反応後の燃料ガス及び酸化剤ガス（排ガス）は、セパレータ１５２の中心部側に移動する。セパレータ１５２の中心部近傍には、排ガスマニホールドを構成する４つの排ガス通路９７が形成されており、排ガスがこの排ガス通路９７から外部に排出される。
【００９９】
この場合、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。しかも、セパレータ１５２の中央に設けられているマニホールド部１７０から内周側配列層Ｐ１に沿って配列される８個の電解質・電極接合体３６に供給される燃料ガスの経路長さを等しくするとともに、外周側配列層Ｐ２に沿って配列される８個の電解質・電極接合体３６に供給される燃料ガスの経路長さを等しくすることができる。これにより、各電解質・電極接合体３６の発電状態を均一に維持することができ、良好な発電出力が効率的に得られるという効果が得られる。
【０１００】
さらに、第３の実施形態では、一段のセパレータ１５２に１６個の電解質・電極接合体３６が配列されるため、発電出力を高めるためにセパレータ１５２の設置総数を増加させる必要がなく、燃料電池スタック１４２全体を有効に小型化することができる。その上、各セパレータ１５２に多数の電解質・電極接合体３６が配列されるため、数個の電解質・電極接合体３６に発電不良が発生しても、燃料電池スタック１４２全体の発電出力を良好に維持することができ、発電不良を回避することが可能になる。
【０１０１】
図１７は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池用セパレータ１８０の正面説明図である。
【０１０２】
セパレータ１８０は、例えば、セパレータ１５２と同様に２枚のプレートにより構成されており、中央部には、燃料ガス供給連通孔４６を形成するマニホールド部１８２が設けられる。マニホールド部１８２には、４つの橋架部１８４が連結されるとともに、前記橋架部１８４が挟持部１８６に実質的に連結される。
【０１０３】
挟持部１８６は、燃料ガス供給連通孔４６を中心にする仮想円周上に、例えば、８個の電解質・電極接合体３６を配列する際、各電解質・電極接合体３６を挟持する領域である。
【０１０４】
各挟持部１８６の周長Ｒと橋架部１８４の幅Ｈとは、０．０３≦Ｈ／Ｒ≦０．２０の関係を有するように設定される。
【０１０５】
各挟持部１８６の周長Ｒと橋架部１８４の長さＬとは、０．０１≦Ｌ／Ｒ≦０．５５の関係を有するように設定される。
【０１０６】
各挟持部１８６の周長Ｒとマニホールド部１８２の外径Ｄとは、０．０６≦Ｄ／Ｒ≦０．３２の関係を有するように設定される。
【０１０７】
このように構成される第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。なお、第４の実施形態では、単一のセパレータ１８０に８個の電解質・電極接合体３６を配列しているが、周長Ｒ、幅Ｈ、長さＬ及び外径Ｄが上記の関係を有する範囲であれば、前記電解質・電極接合体３６の個数は、種々設定可能である。
【０１０８】
例えば、図１８に示す本発明の第５の実施形態に係る燃料電池用セパレータ１９０は、このセパレータ１９０に４個の電解質・電極接合体３６が配列される。なお、セパレータ１９０は、波形外周部１９２を設けていてもよい。従って、第５の実施形態では、上記の第４の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１０９】
図１９は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池用セパレータを組み込む燃料電池２００が積層された燃料電池スタック２０２の概略斜視説明図である。
【０１１０】
図２０及び図２１に示すように、燃料電池２００は、第６の実施形態に係る一組のセパレータ２０４間に複数、例えば、８個の電解質・電極接合体３６を挟んで構成される。セパレータ２０４間には、このセパレータ２０４の中心部である燃料ガス供給連通孔４６と同心円上に８個の電解質・電極接合体３６が配列される。
【０１１１】
セパレータ２０４は、例えば、金属プレート等で構成される。セパレータ２０４は、中央部に燃料ガス供給連通孔４６を形成するマニホールド部２０６を有する。このマニホールド部２０６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橋架部２０８が設けられるとともに、各橋架部２０８には、円板状の挟持部２１０が一体的に設けられる。
【０１１２】
各挟持部２１０は、電解質・電極接合体３６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５８が、例えば、前記挟持部２１０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。挟持部２１０同士は、切り欠き２１２を介して分離している。
【０１１３】
各挟持部２１０のアノード電極３４に接触する面２１０ａ上には、前記アノード電極３４の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給通路８６を形成する複数の突起部２１４が設けられる。各挟持部２１０のカソード電極３２に接触する面２１０ｂ上に、前記カソード電極３２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供給通路９４を形成する複数の突起部２１５が設けられる。
【０１１４】
セパレータ２０４のカソード電極３２に対向する面には、通路蓋部材２１６が、例えば、ろう付けやレーザ溶接等により固着される。通路蓋部材２１６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４６を形成する小径端部２１８を備える。小径端部２１８から放射状に８本の橋架部２２０が延在するとともに、各橋架部２２０は、セパレータ２０４の橋架部２０８から挟持部２１０の面に燃料ガス導入口５８を覆って固着される。
【０１１５】
図２２に示すように、各挟持部２１０の周長Ｒと橋架部２０８の幅Ｈとは、０．０３≦Ｈ／Ｒ≦０．２０の関係を有するように設定される。挟持部２１０の周長Ｒと橋架部２０８の長さＬとは、０．０１≦Ｌ／Ｒ≦０．５５の関係を有するように設定される。挟持部２１０の周長Ｒとマニホールド部２０６の外径Ｄとは、０．０６≦Ｄ／Ｒ≦０．３２の関係を有するように設定される。
【０１１６】
図２３に示すように、各セパレータ２０４間には、燃料ガス供給連通孔４６をシールするための絶縁シール２２２が設けられる。燃料電池２００には、挟持部２１０の外方に位置して酸化剤ガス供給通路６０ａが設けられる一方、マニホールド部２０６の周囲には、排ガス通路９７が形成される。
【０１１７】
図１９に示すように、燃料電池スタック２０２は、複数の燃料電池２００の積層方向両端にエンドプレート２２４ａ、２２４ｂを配置する。エンドプレート２２４ａは、略円板状を有しており、中央部には、燃料ガス供給連通孔４６に対応して孔部２２６が設けられる。孔部２２６の周囲には、排ガス通路９７に対応して複数の孔部２２８が設けられる。エンドプレート２２４ａ、２２４ｂ間は、ねじ孔２３０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。
【０１１８】
このように構成される燃料電池スタック２０２の動作について、以下に説明する。
【０１１９】
図１９に示すように、エンドプレート２２４ａの孔部２２６から燃料ガスが供給されるとともに、燃料電池２００の外周側に設けられた酸化剤ガス供給通路６０ａから酸化剤ガスが供給される。
【０１２０】
燃料ガスは、図２３に示すように、マニホールド部２０６から橋架部２０８内の燃料ガス供給通路８６に沿って移動し、挟持部２１０に形成された燃料ガス導入口５８から複数の突起部２１４により形成された燃料ガス通路５４に導入される。燃料ガス導入口５８は、各電解質・電極接合体３６のアノード電極３４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５８からアノード電極３４の略中心に供給され、燃料ガス通路５４に沿って該アノード電極３４の外周部に向かって移動する。
【０１２１】
一方、酸化剤ガスは、電解質・電極接合体３６の外側周端部と挟持部２１０の外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６８に送られる。酸化剤ガス通路６８では、電解質・電極接合体３６のカソード電極３２の外側周端部（セパレータ２０４の外側周端部）側から内側周端部（セパレータ２０４の中央部）に向かって酸化剤ガスが流動する。
【０１２２】
従って、電解質・電極接合体３６では、アノード電極３４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３２の電極面の一方向（矢印Ｂ方向）に向かって酸化剤ガスが供給される。その際、酸化物イオンが電解質３０を通ってアノード電極３４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３６の外周部に排出される排ガスは、排ガス通路９７を介して積層方向に移動し、燃料電池スタック２０２から排出される。
【０１２３】
このように構成される第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。また、以下に説明する第７及び第８の実施形態でも、同様の効果が得られる。
【０１２４】
図２４は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池用セパレータを組み込む燃料電池２４０の分解斜視図である。なお、第６の実施形態に係る燃料電池２００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。
【０１２５】
図２４及び図２５に示すように、燃料電池２４０は、例えば、８個の電解質・電極接合体３６を挟む第７の実施形態に係る一組のセパレータ２４２を備える。セパレータ２４２の中央部には、燃料ガス供給連通孔４６を形成するマニホールド部２４４が設けられるとともに、このマニホールド部２４４には、前記燃料ガス供給連通孔４６を周回して複数の連通孔２４６が形成される。
【０１２６】
セパレータ２４２のカソード電極３２に対向する面には、通路蓋部材２４８が、例えば、ろう付けやレーザ溶接等により固着される。通路蓋部材２４８を構成する小径端部２１８には、燃料ガス供給連通孔４６を囲繞してリング状凸部２５０が設けられる。この凸部２５０は、燃料ガス供給連通孔４６を燃料ガス供給通路８６に対してシールする。
【０１２７】
図２６に示すように、各挟持部２１０の周長Ｒと橋架部２０８の幅Ｈとは、０．０３≦Ｈ／Ｒ≦０．２０の関係を有するように設定される。挟持部２１０の周長Ｒと橋架部２０８の長さＬとは、０．０１≦Ｌ／Ｒ≦０．５５の関係を有するように設定される。挟持部２１０の周長Ｒとマニホールド部２４４の外径Ｄとは、０．０６≦Ｄ／Ｒ≦０．３２の関係を有するように設定される。
【０１２８】
図２４及び図２７に示すように、各セパレータ２４２間には、連通孔２４６を囲繞するとともに、燃料ガス供給連通孔４６をシールするための絶縁シール２５２が設けられる。燃料電池２４０が積層される際に、各セパレータ２４２間には、燃料ガス供給連通孔４６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２５４が設けられる。分岐通路２５４と燃料ガス供給通路８６とは、積層方向（矢印Ａ方向）に連通する連通孔２４６を介して連通する。
【０１２９】
このように構成される燃料電池２４０の動作について、以下に説明する。
【０１３０】
図２７に示すように、燃料ガスは、燃料電池２４０の燃料ガス供給連通孔４６に沿って積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら、各燃料電池２４０に設けられる分岐通路２５４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、連通孔２４６を通って一旦前記積層方向に向かい、さらに前記連通孔２４６に連通する燃料ガス供給通路８６に沿って前記セパレータ面方向に移動する。燃料ガスは、燃料ガス導入口５８から燃料ガス通路５４に導入される。
【０１３１】
一方、酸化剤ガスは、電解質・電極接合体３６の外側周端部と挟持部２１０の外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６８に送られる。従って、電解質・電極接合体３６では、化学反応により発電が行われる。
【０１３２】
図２８は、本発明の第８の実施形態に係る燃料電池用セパレータを組み込む燃料電池２６０が、矢印Ａ方向に複数積層された燃料電池スタック２６２の概略斜視説明図であり、図２９は、前記燃料電池スタック２６２の、図２８中、ＸＸＩＸ−ＸＸＩＸ線断面図である。
【０１３３】
燃料電池２６０は、図３０に示すように、一対のセパレータ２６４間に複数（例えば、４個）の電解質・電極接合体３６を挟んで構成される。セパレータ２６４間には、このセパレータ２６４の中心部である燃料ガス供給連通孔４６を中心にして等角度間隔ずつ離間し且つ前記燃料ガス供給連通孔４６と同心円上に４個の電解質・電極接合体３６が配置される。
【０１３４】
セパレータ２６４は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成される第１プレート２６６及び第２プレート２６８を有する。第１プレート２６６及び第２プレート２６８は、互いに拡散接合、レーザ溶接又はろう付け等により接合される。第１プレート２６６及び第２プレート２６８は、金属プレートに代えて、例えば、カーボンプレート等（接合方法は省略する）で構成してもよい。
【０１３５】
図３０〜図３２に示すように、第１プレート２６６は、中央部に積層方向（矢印Ａ方向）に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔４６が形成される第１小径端部２７０ａを有する。この第１小径端部２７０ａから外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に延在する４つの第１板状部２７２ａを介し、比較的大径な第１円板部２７４ａが一体に設けられる。第１円板部２７４ａは、電解質・電極接合体３６と略同一寸法に設定されるとともに、各第１円板部２７４ａには、短尺な第２板状部２７６ａを介して環状の第１筐体部２７８ａが一体に設けられる。
【０１３６】
第１円板部２７４ａのアノード電極３４に接触する面には、前記アノード電極３４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５４を形成する複数の突起部２８０が設けられる。突起部２８０は、集電部を構成する。第１円板部２７４ａの略中央には、燃料ガス供給連通孔４６側に偏心しアノード電極３４の略中央部に向かって燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口５８が形成される。
【０１３７】
第１筐体部２７８ａは、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給通路９４に供給するための酸化剤ガス供給連通孔６０が積層方向に形成される酸化剤ガス用マニホールド部２８２を有する。第１筐体部２７８ａには、複数のボルト挿入用孔部２８４が所定角度間隔ずつ離間して設けられる。燃料ガス供給連通孔４６、第１板状部２７２ａ、第１円板部２７４ａ、第２板状部２７６ａ及び酸化剤ガス供給連通孔６０は、セパレータ面方向に沿って直線上に配置される。
【０１３８】
図３０及び図３３に示すように、第２プレート２６８は、中央部に燃料ガス供給連通孔４６が形成される第２小径端部２７０ｂを有する。この第２小径端部２７０ｂから外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に延在する４つの第１板状部２７２ｂを介して比較的大径な第２円板部２７４ｂが一体に設けられる。第２円板部２７４ｂは、第１円板部２７４ａと同様に、電解質・電極接合体３６と略同一寸法に設定されるとともに、各第２円板部２７４ｂには、短尺な第２板状部２７６ｂを介して環状の第２筐体部２７８ｂが一体に設けられる。
【０１３９】
第２小径端部２７０ｂの第１小径端部２７０ａと接合される面には、燃料ガス供給連通孔４６に連通する複数の溝部２９６が、前記燃料ガス供給連通孔４６を中心にして放射状に形成される。各溝部２９６は、周溝２９８に一体に連通するとともに、前記周溝２９８には、４本の燃料ガス供給通路８６が連通する。各燃料ガス供給通路８６は、各第１板状部２７２ｂから各第２円板部２７４ｂの中央部近傍に延在し、第１プレート２６６の燃料ガス導入口５８に対応して終端する。
【０１４０】
第２筐体部２７８ｂには、酸化剤ガス供給連通孔６０が積層方向に形成されるマニホールド部２８２と、ボルト挿入用孔部２８４とが設けられる。この第２筐体部２７８ｂの第１筐体部２７８ａに接合される面には、酸化剤ガス供給連通孔６０から供給される酸化剤ガスを充填するための充填室３００が形成される。
【０１４１】
充填室３００は、各第２板状部２７６ｂから各第２円板部２７４ｂの中央部近傍まで延在する酸化剤ガス供給通路９４に連通する。酸化剤ガス供給通路９４の先端には、第２円板部２７４ｂを貫通する酸化剤ガス導入口７０が連通する。
【０１４２】
第１プレート２６６には、複数の突起部２８０が、例えば、エッチングにより形成されるとともに、第２プレート２６８には、溝部２９６、周溝２９８、燃料ガス供給通路８６、充填室３００及び酸化剤ガス供給通路９４が、例えば、エッチングにより形成される。
【０１４３】
図３２に示すように、セパレータ２６４は、第１プレート２６６の第１円板部２７４ａと、第２プレート２６８の第２円板部２７４ｂとが接合されることにより、円板状の挟持部２７４を構成する。挟持部２７４には、第１板状部２７２ａ、２７２ｂが接合されて構成される第１橋架部２７２と、第２板状部２７６ａ、２７６ｂが接合されて構成される第２橋架部２７６とが連結される。
【０１４４】
第１橋架部２７２には、第１小径端部２７０ａと第２小径端部２７０ｂとが接合されて形成される燃料ガス用マニホールド部２７０が連結される。第２橋架部２７６には、第１筐体部２７８ａと第２筐体部２７８ｂとが接合されて形成されるマニホールド部２８２が連結される。
【０１４５】
挟持部２７４の周長Ｒと第１橋架部２７２の幅Ｈとは、０．０３≦Ｈ／Ｒ≦０．２０の関係を有するように設定される。挟持部２７４の周長Ｒと第１橋架部２７２の長さＬとは、０．０１≦Ｌ／Ｒ≦０．５５の関係を有するように設定される。挟持部２７４の周長Ｒとマニホールド部２７０の外径Ｄとは、０．０６≦Ｄ／Ｒ≦０．３２の関係を有するように設定される。
【０１４６】
図３０に示すように、第２プレート２６８のカソード電極３２に向かう面には、変形可能な弾性通路部、例えば、導電性フェルト部材（金属フェルト等の導電性不織布）３０２が配設される。このフェルト部材３０２により、第２円板部２７４ｂとカソード電極３２との間には、酸化剤ガス通路６８が形成される。なお、フェルト部材３０２に代えて、メッシュ部材（金属メッシュ等の導電性織布）、発泡金属、エキスパンドメタル、パンチングメタル又はプレスエンボスメタル等を採用してもよい。電解質・電極接合体３６の外周部には、反応後の燃料ガス及び酸化剤ガスを排ガスとして排出するための排ガス通路９７が設けられる。
【０１４７】
図３４に示すように、各セパレータ２６４間には、燃料ガス供給連通孔４６をシールするための第１絶縁シール３０３ａと、酸化剤ガス供給連通孔６０をシールするための第２絶縁シール３０３ｂとが設けられる。第１絶縁シール３０３ａ及び第２絶縁シール３０３ｂは、シール性が高く、硬質で潰れ難い、例えば、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等が使用される。また、第２絶縁シール３０３ｂは、熱エネルギの拡散を阻止する断熱部材であることが好ましい。
【０１４８】
図２８及び図２９に示すように、燃料電池スタック２６２は、複数の燃料電池２６０の積層方向一端に、略円板状の第１エンドプレート３０４ａが配置されるとともに、積層方向他端に、隔壁３０５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３０４ｂと、大径且つ略リング状の固定リング３０４ｃとが配置される。隔壁３０５は、排ガスが燃料電池２６０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３０４ｂは、各電解質・電極接合体３６の積層位置に対応して４つ配設される。
【０１４９】
第１エンドプレート３０４ａ及び固定リング３０４ｃは、セパレータ２６４のボルト挿入用孔部２８４に連通する複数の孔部３０６を有する。孔部３０６からボルト挿入用孔部２８４に挿入されるボルト３０８及び前記ボルト３０８に螺合するナット３１０を介し、セパレータ２６４の第１筐体部２７８ａ及び第２筐体部２７８ｂが第１エンドプレート３０４ａに締め付け固定される。
【０１５０】
第１エンドプレート３０４ａには、燃料ガス供給連通孔４６に連通する単一の燃料ガス供給パイプ３１２と、各酸化剤ガス供給連通孔６０に連通する４本の酸化剤ガス供給パイプ３１４と、排ガス通路９７に連通する４本の排ガス排出パイプ３１５とが設けられる。
【０１５１】
第１エンドプレート３０４ａは、複数のボルト３０８、ナット３１８ａ、３１８ｂ及び板状カラー部材３２０を介して支持プレート３２２が固定される。支持プレート３２２と第１エンドプレート３０４ａとの間には、マニホールド部２７０に締め付け荷重を付与する第１荷重付与部３２４と、マニホールド部２８２に締め付け荷重を付与する第２荷重付与部３２６と、各電解質・電極接合体３６に締め付け荷重を付与する第３荷重付与部３２８とが設けられる。
【０１５２】
第１荷重付与部３２４は、燃料ガス供給連通孔４６から燃料ガスが漏れることを阻止するために燃料電池２６０の中央部（マニホールド部２７０の中央部）に配置される押圧部材３３０を備え、この押圧部材３３０は、４つの第２エンドプレート３０４ｂの配列中心近傍に位置して前記燃料電池２６０に隔壁３０５を介して押圧する。押圧部材３３０には、第１受け部材３３２ａ及び第２受け部材３３２ｂを介して第１スプリング３３４が配置される。第２受け部材３３２ｂには、第１押圧ボルト３３６の先端が当接する。第１押圧ボルト３３６は、支持プレート３２２に形成された第１ねじ孔３３８に螺合するとともに、第１ナット３４０を介して位置調整可能に固定される。
【０１５３】
第２荷重付与部３２６は、孔部３０６からボルト挿入用孔部２８４に挿入されるボルト３０８と、前記ボルト３０８に螺合するナット３１０とを備え、酸化剤ガス供給連通孔６０から酸化剤ガスが漏れることを阻止する機能を有する。
【０１５４】
第３荷重付与部３２８は、第２エンドプレート３０４ｂに各電解質・電極接合体３６に対応して配置される第３受け部材３４２ａを備える。第３受け部材３４２ａは、ピン３４４を介して第２エンドプレート３０４ｂに位置決め支持される。第３受け部材３４３ａに第２スプリング３４６の一端が当接する一方、前記第２スプリング３４６の他端が第４受け部材３４２ｂに当接する。第４受け部材３４２ｂには、第２押圧ボルト３４８の先端が当接する。第２押圧ボルト３４８は、支持プレート３２２に形成された第２ねじ孔３５０に螺合するとともに、第２ナット３５２を介して位置調整可能に固定される。
【０１５５】
このように構成される燃料電池スタック２６２の動作について、以下に説明する。
【０１５６】
図２８に示すように、第１エンドプレート３０４ａに接続されている燃料ガス供給パイプ３１２から燃料ガス供給連通孔４６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３１４から酸化剤ガス供給連通孔６０には、酸素含有ガスである空気が供給される。
【０１５７】
燃料ガス供給連通孔４６に供給された燃料ガスは、図３１及び図３４に示すように、積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら、各燃料電池２６０を構成するセパレータ２６４の第２プレート２６８に形成された溝部２９６から周溝２９８を介して各燃料ガス供給通路８６に供給される。燃料ガスは、燃料ガス供給通路８６に沿って移動した後、第１プレート２６６に形成された燃料ガス導入口５８から燃料ガス通路５４に導入される。
【０１５８】
燃料ガス導入口５８は、各電解質・電極接合体３６のアノード電極３４の略中心位置に対応して設けられている。従って、燃料ガスは、燃料ガス導入口５８からアノード電極３４に供給され、このアノード電極３４の略中心部から外周部に向かって燃料ガス通路５４を流動する。
【０１５９】
一方、酸化剤ガス供給連通孔６０に供給される空気は、第１プレート２６６の第１筐体部２７８ａと第２プレート２６８の第２筐体部２７８ｂとの間に設けられる充填室３００に一旦充填される。この充填室３００には、酸化剤ガス供給通路９４が連通しており、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス供給通路９４に沿って挟持部２７４の中心側に移動する。
【０１６０】
第２円板部２７４ｂの中心近傍には、酸化剤ガス導入口７０が連通するとともに、前記酸化剤ガス導入口７０は、電解質・電極接合体３６のカソード電極３２の略中心位置に対応して設けられている。これにより、空気は、図３４に示すように、酸化剤ガス導入口７０からカソード電極３２に供給され、このカソード電極３２の略中心部から外周部に向かってフェルト部材３０２に形成された酸化剤ガス通路６８を流動する。
【０１６１】
従って、各電解質・電極接合体３６では、アノード電極３４の略中心部から外周部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３２の略中心部から外周部に向かって空気が供給され、発電が行われる。そして、発電に使用された燃料ガス及び空気は、排ガスとして各電解質・電極接合体３６の外周部から排ガス通路９７に排気される。
【図面の簡単な説明】
【０１６２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池用セパレータを組み込む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。
【図２】前記燃料電池の分解斜視図である。
【図３】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ある。
【図４】前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。
【図５】前記セパレータの説明図である。
【図６】挟持部の周長と橋架部の幅との関係による発電出力及びセパレータの良否を説明する図である。
【図７】前記挟持部の周長と前記橋架部の長さとの関係による発電出力とセパレータとの良否を説明する図である。
【図８】前記挟持部の周長とマニホールド部の外径との関係による発電出力及びセパレータの良否を説明する図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用セパレータの分解斜視説明図である。
【図１０】前記セパレータの説明図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池用セパレータを組み込む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。
【図１２】前記燃料電池の分解斜視図である。
【図１３】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。
【図１４】前記セパレータの分解斜視説明図である。
【図１５】前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。
【図１６】前記セパレータの説明図である。
【図１７】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池用セパレータの正面説明図である。
【図１８】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池用セパレータの説明図である。
【図１９】本発明の第６の実施形態に係る燃料電池用セパレータを組み込む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。
【図２０】前記燃料電池の分解斜視図である。
【図２１】前記燃料電池のガス流れ状態を示す一部分解斜視図である。
【図２２】前記セパレータの説明図である。
【図２３】前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。
【図２４】本発明の第７の実施形態に係る燃料電池用セパレータを組み込む燃料電池の分解斜視図である。
【図２５】前記燃料電池のガス流れ状態を示す一部分解斜視図である。
【図２６】前記セパレータの説明図である。
【図２７】前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。
【図２８】本発明の第８の実施形態に係る燃料電池用セパレータを組み込む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。
【図２９】前記燃料電池スタックの、図２８中、ＸＸＩＸ−ＸＸＩＸ線断面図である。
【図３０】前記燃料電池の分解斜視説明図である。
【図３１】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。
【図３２】セパレータの説明図である。
【図３３】前記セパレータを構成する第２プレートの説明図である。
【図３４】前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。
【図３５】特許文献１の説明図である。
【図３６】特許文献２の説明図である。
【図３７】非特許文献１の説明図である。
【符号の説明】
【０１６３】
２０、１３０、１４０、２００、２４０、２６０…燃料電池
２２、１４２、２０２、２６２…燃料電池スタック
３０…電解質 ３２…カソード電極
３４…アノード電極 ３６…電解質・電極接合体
３８、１３２、１５２、１８０、１９０、２０４、２４２、２６４…セパレータ
４０、４２、４４、１５４、１５６、２６６、２６８…プレート
４６…燃料ガス供給連通孔 ５４…燃料ガス通路
５８…燃料ガス導入口 ６０…酸化剤ガス供給連通孔
６８…酸化剤ガス通路 ７０…酸化剤ガス導入口
８６、８６ａ、８６ｂ…燃料ガス供給通路
９４、９４ａ、９４ｂ…酸化剤ガス供給通路
９７…排ガス通路
１００、１００ａ、１００ｂ、１７４ａ、１７４ｂ、１８６、２１０、２７４…挟持部
１０２、１０２ａ、１０２ｂ、１０４、１０４ａ、１０４ｂ、１７２、１８４、２０８、２７２、２７６…橋架部
１０６、１０８、１７０、１８２、２０６、２４４、２７０、２８２…マニホールド部
１１２…締付手段 ２４６…連通孔
２７８ａ、２７８ｂ…筐体部 ３０２…フェルト部材
【技術分野】
【０００１】
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・電極接合体に積層される燃料電池用セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、固体酸化物型燃料電池（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（単セル）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、単セル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。
【０００３】
この種の燃料電池として、例えば、特許文献１に開示されている固体電解質型燃料電池が知られている。この燃料電池は、図３５に示すように、ドーナツ形状のセパレータ１と、ドーナツ形状の単セル２とが交互に積層されるとともに、マニホールドである燃料ガス導入管３ａ及び酸化剤ガス導入管３ｂが、前記セパレータ１と前記単セル２との中央部を積層方向に貫通して設けられている。燃料電池の外周部には、燃料ガス排出口４ａと酸化剤ガス排出口４ｂとが周方向に９０°ずらして配設されている。
【０００４】
また、特許文献２に開示されている固体電解質型燃料電池は、図３６に示すように、図示しない円板状の固体電解質板と交互に積層される円板状のセパレータ５を備えている。セパレータ５の外周部には、１つの燃料ガス供給孔６ａと酸化剤ガス供給孔６ｂとが１８０°ずれた位置に設けられるとともに、複数の燃料ガス排出ノズル７及び酸化剤ガス排出ノズル（図示せず）が、周方向に所定の間隔ずつ離間して設けられている。
【０００５】
セパレータ５の面内には、７個の凹部８が設けられ、各凹部８を接続するようにして円環状燃料ガス用配管９が配設されている。配管９と燃料ガス供給孔６ａとは、互いに連通している。セパレータ５の面内には、各凹部８を中心として螺旋状の燃料ガス用凹溝１０が設けられている。
【０００６】
さらにまた、非特許文献１に開示されているスタックユニットアセンブリは、図３７に示すように、正方形状のセパレータ１２を備えている。このセパレータ１２は、３枚のプレート１４ａ、１４ｂ及び１４ｃにより構成されている。セパレータ１２の対角部には、燃料マニホールド１５ａと空気マニホールド１５ｂとが積層方向に貫通して設けられるとともに、前記燃料マニホールド１５ａ及び前記空気マニホールド１５ｂは、スリットが形成されたフレキシブルアーム１６ａ、１６ｂの端部に設けられている。
【０００７】
プレート１４ｂには、燃料チャネル１７ａ及びエアチャネル１７ｂが螺旋状に形成されている。プレート１４ａには、燃料チャネル１７ａに連通する燃料出口１８ａが設けられる一方、プレート１４ｃには、エアチャネル１７ｂに連通するエア出口１８ｂが設けられている。
【０００８】
【特許文献１】特開平３−１２９６７５号公報（図１）
【特許文献２】特開２００２−８６８２号公報（図３）
【非特許文献１】2005 Fuel Cell Seminar. November14-18, 2005. Palm Springs, CA.“Development of High-Efficiency SOFC Module”
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池の外周部に燃料ガス排出口４ａ及び酸化剤ガス排出口４ｂが設けられており、反応後の燃料ガス及び酸化剤ガス（以下、排ガスともいう）は、前記燃料ガス排出口４ａ及び前記酸化剤ガス排出口４ｂからのみ排出されている。このため、単セル２からの排ガスの不均等排出、偏流、充満又は滞留により反応が促進されず、前記単セル２の発電出力が低下するという問題がある。
【００１０】
さらに、セパレータ１の中心軸近傍に、マニホールドである燃料ガス導入管３ａ及び酸化剤ガス導入管３ｂが一体に設けられている。従って、燃料ガス及び酸化剤ガスのシール性を確保するために、単セル２とセパレータ１との積層方向に締付荷重を付与する際、前記単セル２に許容応力以上の大きな荷重が付与されてしまい、該単セル２が破損するおそれがある。
【００１１】
また、上記の特許文献２では、反応後の燃料ガス（排ガス）は、セパレータ５の外周部に設けられた燃料ガス排出ノズル７からのみ排出されるため、このセパレータ５からの排ガスの不均等排出、偏流、充満又は滞留により反応が促進されず、単セルの発電出力が低下するという問題がある。しかも、燃料ガス及び酸化剤ガスのシールを行うために、セパレータ５の積層方向に締付荷重を付与する際、単セルに許容応力以上の大きな荷重が作用し、該単セルが破損するおそれがある。
【００１２】
さらにまた、上記の非特許文献１では、セパレータ１２の外周部にスリットが入ったフレキシブルアーム１６ａ、１６ｂを設けるとともに、燃料マニホールド１５ａ及び空気マニホールド１５ｂから螺旋状の燃料チャネル１７ａ及びエアチャネル１７ｂが連通して設けられている。このため、セパレータ１２の積層方向に対して燃料及びエアのシール性を確保するために締付荷重を付与すると、電解質・電極構造体の外周部から排出される排ガスが、フレキシブルアーム１６ａ、１６ｂに阻止されて前記排ガスの不均等排出、偏流、充満又は滞留により円滑な排出が遂行されないため、反応が促進されず、発電出力が低下するという問題がある。
【００１３】
さらに、セパレータ１２が正方形状に構成される一方、電解質・電極構造体が円形状に構成されている。これにより、電解質・電極構造体の反応面積に対してセパレータ１２の占有面積が大きくなり、面積当たりの集電効率やスペース効率が低下するという問題がある。
【００１４】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、所望のシール性を確保するとともに、排ガスを円滑且つ確実に排出することが可能な燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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・電極接合体に積層される燃料電池用セパレータに関するものである。
【００１６】
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、使用済みの前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを前記電解質・電極接合体の周縁部から排出させる挟持部と、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マニホールド部とを備えている。
【００１７】
そして、本発明では、挟持部の周長Ｒと橋架部の幅Ｈとは、０．０３≦Ｈ／Ｒ≦０．２０の関係を有している。
【００１８】
また、本発明では、挟持部の周長Ｒと橋架部の長さＬとは、０．０１≦Ｌ／Ｒ≦０．５５の関係を有している。
【００１９】
さらに、本発明では、挟持部の周長Ｒとマニホールド部の外径Ｄとは、０．０６≦Ｄ／Ｒ≦０．３２の関係を有している。
【００２０】
さらにまた、単一のマニホールド部には、複数の橋架部を介して複数の挟持部が連結されるとともに、前記マニホールド部の中心と各挟持部の中心に設けられた反応ガス導入口とは、同一距離に設定されることが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明では、挟持部の周長Ｒと橋架部の幅Ｈとが、０．０３≦Ｈ／Ｒ≦０．２０の関係を有している。このため、電解質・電極接合体の周縁部から排出される排ガスを、円滑且つ確実に排出することができるとともに、所望の発電出力を得ることが可能になる。
【００２２】
また、本発明では、挟持部の周長Ｒと橋架部の長さＬとは、０．０１≦Ｌ／Ｒ≦０．５５の関係を有している。このため、電解質・電極接合体の周縁部から排出される排ガスを、円滑且つ確実に排出することができるとともに、所望の発電出力を得ることが可能になる。
【００２３】
さらに、本発明では、挟持部の周長Ｒとマニホールド部の外径Ｄとは、０．０６≦Ｄ／Ｒ≦０．３２の関係を有している。このため、電解質・電極接合体の周縁部から排出される排ガスを、円滑且つ確実に排出することができるとともに、所望の発電出力を得ることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池用セパレータを組み込む燃料電池２０が、矢印Ａ方向に複数積層された燃料電池スタック２２の概略斜視説明図である。
【００２５】
燃料電池２０は、固体電解質（固体酸化物）型燃料電池であり、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２０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）３０の両面に、カソード電極３２及びアノード電極３４が設けられた電解質・電極接合体３６を備える。電解質・電極接合体３６は、円板状に形成される。
【００２６】
燃料電池２０は、第１の実施形態に係る一組のセパレータ３８間に電解質・電極接合体３６を挟んで構成される。セパレータ３８は、第１及び第２プレート４０、４２と、前記第１及び第２プレート４０、４２間に配設される第３プレート４４とを備える。第１〜第３プレート４０、４２及び４４は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成され、前記第３プレート４４の両面に、前記第１プレート４０と前記第２プレート４２とが、例えば、ろう付けにより接合される。
【００２７】
図２に示すように、第１プレート４０は、積層方向（矢印Ａ方向）に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔４６が形成される第１小径端部４８を備え、この第１小径端部４８には、幅狭な第１板状部５０を介して比較的大径な第１円板部５２が一体的に設けられる。第１円板部５２は、電解質・電極接合体３６のアノード電極３４と略同一寸法に設定されている。
【００２８】
第１円板部５２のアノード電極３４に接触する面には、燃料ガス通路５４を形成するための多数の第１凸部５６ａが外周縁部近傍から中心部にわたって設けられるとともに、前記第１円板部５２の外周縁部には、略リング状凸部５６ｂが設けられる。第１凸部５６ａ及び略リング状凸部５６ｂは、集電部を構成する。第１円板部５２の中央には、アノード電極３４の略中央部に向かって燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口５８が形成される。なお、第１凸部５６ａは、略リング状凸部５６ｂと同一平面内に複数の凹部を形成することによって構成してもよい。
【００２９】
第２プレート４２は、積層方向（矢印Ａ方向）に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔６０が形成される第２小径端部６２を備える。この第２小径端部６２には、幅狭な第２板状部６４を介して比較的大径な第２円板部６６が一体的に設けられる。
【００３０】
第２円板部６６は、電解質・電極接合体３６のカソード電極３２に接する面に、酸化剤ガス通路６８を形成するための複数の第２凸部６９が面内全面にわたって形成される。第２凸部６９は、集電部を構成する。第２円板部６６の中央部には、酸化剤ガスをカソード電極３２の略中央部に向かって供給するための酸化剤ガス導入口７０が形成される。
【００３１】
第３プレート４４は、燃料ガス供給連通孔４６が形成される第３小径端部７２と、酸化剤ガス供給連通孔６０が形成される第４小径端部７４とを備える。第３及び第４小径端部７２、７４は、幅狭な第１及び第２板状部７６、７８を介して比較的大径な第３円板部８０と一体的に構成される。第３円板部８０は、第１及び第２円板部５２、６６と同一直径に設定される。
【００３２】
第３プレート４４の第１プレート４０に向かう面において、第３小径端部７２には、燃料ガス供給連通孔４６に連通する複数のスリット状通路８２が放射状に形成される。燃料ガス供給連通孔４６から通路８２を介して第１板状部７６及び第３円板部８０の面内に燃料ガス供給通路８６が形成される。第３円板部８０には、複数の第３凸部８８が形成され、この第３凸部８８は、燃料ガス供給通路８６の一部を構成する。
【００３３】
第３プレート４４の第２プレート４２に接する面において、第４小径端部７４には、酸化剤ガス供給連通孔６０に連通する複数のスリット状通路９０が放射状に形成される。酸化剤ガス供給連通孔６０から通路９０を介して第３円板部８０には、酸化剤ガス供給通路９４が形成され、この酸化剤ガス供給通路９４は、前記第３円板部８０の周縁部によって閉塞される。
【００３４】
第１プレート４０が第３プレート４４の一方の面にろう付けされることにより、第１及び第３プレート４０、４４間には、燃料ガス供給連通孔４６に連通する燃料ガス供給通路８６が設けられる。この燃料ガス供給通路８６は、第１及び第３円板部５２、８０間に該第１円板部５２を挟んでアノード電極３４の電極面を覆い、且つ燃料ガスが供給されることにより前記第１円板部５２を前記アノード電極３４に圧接可能な燃料ガス圧力室９６を構成する（図４参照）。電解質・電極接合体３６の外周外方には、使用済みの燃料ガス及び酸化剤ガスを排出する排ガス通路９７が設けられる。
【００３５】
第２プレート４２が第３プレート４４にろう付けされることにより、第２及び第３プレート４２、４４間には、酸化剤ガス供給連通孔６０に連通する酸化剤ガス供給通路９４が形成される。この酸化剤ガス供給通路９４は、第２及び第３円板部６６、８０間に該第２円板部６６を挟んでカソード電極３２の電極面を覆い、且つ酸化剤ガスが供給されることにより前記第２円板部６６を前記カソード電極３２に圧接可能な酸化剤ガス圧力室９８を構成する（図４参照）。
【００３６】
セパレータ３８は、第１プレート４０の第１円板部５２と、第２プレート４２の第２円板部６６と、第３プレート４４の第３円板部８０とが接合されることにより、円板状の挟持部１００を構成する。挟持部１００には、第１板状部５０、７６が接合されて構成される橋架部１０２と、第２板状部６４、７８が接合されて構成される橋架部１０４とが連結される。
【００３７】
橋架部１０２には、第１小径端部４８と第３小径端部７２とが接合されて形成される燃料ガス用マニホールド部１０６が連結される。橋架部１０４には、第２小径端部６２と第４小径端部７４が接合されて形成される酸化剤ガス用マニホールド部１０８が連結される。
【００３８】
図５に示すように、セパレータ３８では、挟持部１００の周長Ｒ（π・Ｄ０）と、橋架部１０２、１０４の幅Ｈとが、０．０３≦Ｈ／Ｒ≦０．２０の関係を有するように設定される。
【００３９】
挟持部１００の周長Ｒと橋架部１０２、１０４の長さＬとは、０．０１≦Ｌ／Ｒ≦０．５５の関係を有するように設定される。
【００４０】
挟持部１００の周長Ｒとマニホールド部１０６、１０８の外径Ｄとは、０．０６≦Ｄ／Ｒ≦０．３２の関係を有するように設定される。
【００４１】
図２に示すように、各セパレータ３８間には、燃料ガス供給連通孔４６をシールするための絶縁シール１０９ａと、酸化剤ガス供給連通孔６０をシールするための絶縁シール１０９ｂとが設けられる。絶縁シール１０９ａ、１０９ｂは、例えば、マイカ材やセラミック材で形成されている。
【００４２】
図１に示すように、燃料電池スタック２２は、複数の燃料電池２０の積層方向両端にエンドプレート１１０ａ、１１０ｂを配置する。エンドプレート１１０ａもしくはエンドプレート１１０ｂは、締付手段１１２と電気的に絶縁される。エンドプレート１１０ａには、燃料電池２０の燃料ガス供給連通孔４６に連通する第１配管１１４と、酸化剤ガス供給連通孔６０に連通する第２配管１１６とが接続される。エンドプレート１１０ａ、１１０ｂには、電解質・電極接合体３６よりも燃料ガス供給連通孔４６及び酸化剤ガス供給連通孔６０に近接する位置に、矢印Ａ方向に積層された電解質・電極接合体３６とセパレータ３８とに積層方向に締付荷重を付与する締付手段１１２が配設される。
【００４３】
締付手段１１２は、燃料ガス供給連通孔４６の両側及び酸化剤ガス供給連通孔６０の両側に位置してエンドプレート１１０ａ、１１０ｂに形成されるボルト孔１１８を備える。各ボルト孔１１８に締付ボルト１２０が挿入されるとともに、各締付ボルト１２０の先端にナット１２２が螺合することによって、燃料電池スタック２２が締め付け保持される。挟持部１００は、橋架部１０２、１０４を介してマニホールド部１０６、１０８に連結されており、締付手段１１２により前記マニホールド部１０６、１０８近傍にシール用の締付荷重が付与される際、前記挟持部１００に挟持されている電解質・電極接合体３６に必要以上に大きな締付荷重が付与されることがない。
【００４４】
このように構成される燃料電池スタック２２の動作について、以下に説明する。
【００４５】
図１に示すように、エンドプレート１１０ａに接続されている第１配管１１４から燃料ガス供給連通孔４６に燃料ガス（例えば、水素含有ガス）が供給されるとともに、前記エンドプレート１１０ａに接続された第２配管１１６から酸化剤ガス供給連通孔６０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。
【００４６】
燃料ガス供給連通孔４６に供給された燃料ガスは、図４に示すように、積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら、各燃料電池２０を構成するセパレータ３８内の燃料ガス供給通路８６に供給される。燃料ガスは、燃料ガス供給通路８６に沿って第１及び第３円板部５２、８０間に形成された燃料ガス圧力室９６に導入され、複数の第３凸部８８間を移動して第１円板部５２の中央部に形成される燃料ガス導入口５８に導入される。
【００４７】
燃料ガス導入口５８は、各電解質・電極接合体３６のアノード電極３４の中心位置に対応して設けられている。このため、燃料ガスは、燃料ガス導入口５８から燃料ガス通路５４に供給され、アノード電極３４内を中心部から外周部に向かって流動する。
【００４８】
一方、酸化剤ガス供給連通孔６０に供給される酸化剤ガスは、セパレータ３８内の酸化剤ガス供給通路９４を移動し、第２及び第３円板部６６、８０間に形成された酸化剤ガス圧力室９８に供給される。さらに、酸化剤ガスは、第２円板部６６の中心位置に設けられる酸化剤ガス導入口７０に導入される。
【００４９】
酸化剤ガス導入口７０は、各電解質・電極接合体３６のカソード電極３２の中心位置に対応して設けられている。このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口７０から酸化剤ガス通路６８に供給され、カソード電極３２の中心部から外周部に向かって流動する。
【００５０】
従って、各電解質・電極接合体３６では、アノード電極３４の中心部から外周部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３２の中心部から外周部に向かって酸化剤ガスが供給され、発電が行われる。そして、発電に使用された燃料ガス及び酸化剤ガスは、排ガスとして挟持部１００の外周部から排気される。
【００５１】
この場合、第１の実施形態では、図５に示すように、セパレータ３８を構成する挟持部１００の周長Ｒと橋架部１０２、１０４の幅Ｈとは、０．０３≦Ｈ／Ｒ≦０．２０の関係を有している。
【００５２】
ここで、Ｈ／Ｒが０．０２０を超えると、すなわち、挟持部１００の周長Ｒに対して橋架部１０２、１０４の幅Ｈが、比較的幅広に設定されていると、前記挟持部１００に保持されている電解質・電極接合体３６の周縁部から排出される使用済みの燃料ガス及び酸化剤ガス（以下、排ガスともいう）は、前記橋架部１０２、１０４に阻止されて前記排ガスの不均等排出、偏流、充満又は滞留により、円滑な排出が遂行されないという問題がある。このため、反応が促進されず、電解質・電極接合体３６による発電出力が低下するおそれがある。
【００５３】
一方、Ｈ／Ｒが０．０３未満であると、すなわち、挟持部１００の周長Ｒに対して橋架部１０２、１０４の幅Ｈが、相当に幅狭に構成されていると、排ガスの排出性は向上するものの、燃料ガス供給通路８６を流れる燃料ガスの流量及び酸化剤ガス供給通路９４を流れる酸化剤ガスの流量が、著しく低下してしまう。従って、電解質・電極接合体３６に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスの供給量が不足し、反応が促進されず、発電出力が低下するという問題がある。
【００５４】
これにより、０．０３≦Ｈ／Ｒ≦０．２０の関係を有することによって、良好な発電出力を確実に得ることができるという効果が得られる(図６参照)。
【００５５】
さらに、セパレータ３８自体の柔軟性及び剛性に着目すると、Ｈ／Ｒが０．２０を超えると、橋架部１０２、１０４の幅Ｈが大きくなって柔軟性が低下する（図６参照）。このため、燃料ガス供給連通孔４６及び酸化剤ガス供給連通孔６０のシール性を維持するために、締付手段１１２を介して締付荷重を付与する際に、挟持部１００に必要以上の締付力が付与されるおそれがある。これにより、電解質・電極接合体３６の破損が懸念される。
【００５６】
一方、Ｈ／Ｒが０．０３未満であると、橋架部１０２、１０４の幅Ｈが相当に小さくなる。従って、橋架部１０２、１０４の剛性が低下してしまい、締付荷重により許容応力を超えて破損し易いという問題がある。このため、セパレータ３８自体の柔軟性及び剛性を維持するためには、０．０３≦Ｈ／Ｒ≦０．２０の関係を有することが必要である。
【００５７】
また、第１の実施形態では、挟持部１００の周長Ｒと橋架部１０２、１０４の長さＬとは、０．０１≦Ｌ／Ｒ≦０．５５の関係を有している。
【００５８】
ここで、Ｌ／Ｒが０．５５を超えると、すなわち、橋架部１０２、１０４の長さＬが、挟持部１００の周長Ｒに対して相当に長尺化すると、燃料ガス供給通路８６を流れる燃料ガスの流量、及び酸化剤ガス供給通路９４を流れる酸化剤ガスの流量が低下し易く、反応が促進されず、電解質・電極接合体３６の発電出力が低下するおそれがある（図７参照）。
【００５９】
一方、Ｌ／Ｒが０．０１未満であると、すなわち、挟持部１００にマニホールド部１０６、１０８が近接していると、電解質・電極接合体３６の周縁部から排出される排ガスの流れが妨げられ、前記排ガスの不均等排出、偏流、充満又は滞留により、反応が促進されず、発電出力が低下するという問題がある。
【００６０】
さらに、橋架部１０２、１０４の長さＬが長尺化すると、この橋架部１０２、１０４の剛性が低下するとともに、前記橋架部１０２、１０４の長さＬが短尺化すると、該橋架部１０２、１０４の柔軟性が低下する（図７参照）。従って、０．０１≦Ｌ／Ｒ≦０．５５の関係を有することにより、所望の発電出力を得るとともに、セパレータ３８自体の柔軟性及び剛性を確保することができるという効果が得られる。
【００６１】
さらにまた、第１の実施形態では、挟持部１００の周長Ｒとマニホールド部１０６、１０８の外径Ｄとは、０．０６≦Ｄ／Ｒ≦０．３２の関係を有している。
【００６２】
ここで、Ｄ／Ｒが０．３２を超えると、すなわち、マニホールド部１０６、１０８の直径Ｄが、挟持部１００の周長Ｒに対して相当に大径に設定されると、前記挟持部１００間に挟持されている電解質・電極接合体３６の周縁部から排出される排ガスの流れが阻止され、前記排ガスの不均等排出、偏流、充満又は滞留により、反応が促進されず、電解質・電極接合体３６の発電出力が低下する場合がある。
【００６３】
一方、Ｄ／Ｒが０．０６未満であると、すなわち、マニホールド部１０６、１０８の直径Ｄが、相当に小径に設定されると、前記マニホールド部１０６から供給される燃料ガス、及び前記マニホールド部１０８から供給される酸化剤ガスは、所望の流量を維持することができず、反応が促進されずに電解質・電極接合体３６の発電出力の低下が惹起され易い（図８参照）。
【００６４】
また、Ｄ／Ｒが０．３２を超えると、セパレータ３８の柔軟性が低下する一方、Ｄ／Ｒが０．０６未満になると、前記セパレータ３８の剛性が低下してしまう。従って、０．０６≦Ｄ／Ｒ≦０．３２の関係を有することにより、所望の発電出力を得るとともに、セパレータ３８自体の柔軟性及び剛性を確保することが可能になる。
【００６５】
さらに、第１の実施形態では、挟持部１００は、円板状の電解質・電極接合体３６と略同形の円板状に設定されており、前記電解質・電極接合体３６の反応面積に対して前記挟持部１００の占有面積が小さくなる。これにより、面積当たりの集電効率及びスペース効率が向上するという利点がある。
【００６６】
さらにまた、挟持部１００とマニホールド部１０６、１０８とを連結する橋架部１０２、１０４は、直線状に構成されている。従って、燃料ガス及び酸化剤ガスは、燃料ガス供給通路８６及び酸化剤ガス供給通路９４を介して円滑且つ確実に流動し、ガスの詰まりを可及的に阻止することができる。しかも、電解質・電極接合体３６から排出される排ガスは、例えば、屈曲する橋架部に比べて流れを阻害されることがない。
【００６７】
図９は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用セパレータを組み込む燃料電池１３０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２０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８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。
【００６８】
燃料電池１３０は、２個の電解質・電極接合体３６を挟持する第２実施形態に係る一組のセパレータ１３２を備える。セパレータ１３２は、セパレータ３８と同様に３枚のプレート（図示せず）により構成される。セパレータ１３２は、図９及び図１０に示すように、それぞれ電解質・電極接合体３６を挟持する円板状の第１挟持部１００ａと第２挟持部１００ｂとを備える。
【００６９】
第１挟持部１００ａ及び第２挟持部１００ｂには、橋架部１０２ａ、１０２ｂを介してマニホールド部１０６が連結されるとともに、橋架部１０４ａ、１０４ｂを介してマニホールド部１０８に連結される。橋架部１０２ａ、１０２ｂ内には、燃料ガス供給通路８６ａ、８６ｂが形成されるとともに、橋架部１０４ａ、１０４ｂ内には、酸化剤ガス供給通路９４ａ、９４ｂが形成される。
【００７０】
第１挟持部１００ａと電解質・電極接合体３６との間には、燃料ガス通路５４ａ及び酸化剤ガス通路６８ａが形成される一方、第２挟持部１００ｂと前記電解質・電極接合体３６との間には、燃料ガス通路５４ｂ及び酸化剤ガス通路６８ｂが形成される。
【００７１】
図１０に示すように、第１挟持部１００ａ及び第２挟持部１００ｂの周長Ｒと、橋架部１０２ａ、１０２ｂ及び橋架部１０４ａ、１０４ｂの幅Ｈとは、０．０３≦Ｈ／Ｒ≦０．２０の関係を有するように設定される。
【００７２】
第１挟持部１００ａ及び第２挟持部１００ｂの周長Ｒと、橋架部１０２ａ、１０２ｂ及び橋架部１０４ａ、１０４ｂの長さＬとは、０．０１≦Ｌ／Ｒ≦０．５５の関係を有するように設定される。
【００７３】
第１挟持部１００ａ及び第２挟持部１００ｂの周長Ｒと、マニホールド部１０６、１０８の外径Ｄとは、０．０６≦Ｄ／Ｒ≦０．３２の関係を有するように設定される。
【００７４】
このように構成される第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果を有する。さらに、セパレータ１３２は、２つの電解質・電極接合体３６を挟持し、且つ、各電解質・電極接合体３６に燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路８６ａ、８６ｂ及び酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給通路９４ａ、９４ｂが、全て同一の長さに設定されている。このため、各電解質・電極接合体３６に対して燃料ガス及び酸化剤ガスを均等に配分することができるとともに、発電出力を高めることが可能になる。
【００７５】
図１１は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池用セパレータを組み込む燃料電池１４０が複数積層された燃料電池スタック１４２の概略斜視説明図である。
【００７６】
燃料電池スタック１４２は、外周波形円板状の複数の燃料電池１４０を矢印Ａ方向に積層するとともに、その積層方向両端には、エンドプレート１４４ａ、１４４ｂが配置され、複数本、例えば、８本の締め付け用ボルト１４６及びナット１４８を介して一体的に締め付け保持されている。
【００７７】
燃料電池スタック１４２の中心部には、円形の燃料ガス供給連通孔４６がエンドプレート１４４ａを底部として矢印Ａ方向に形成される（図１２及び図１３参照）。燃料ガス供給連通孔４６の周囲には、複数、例えば、４つの排ガス通路９７が、エンドプレート１４４ｂを底部として矢印Ａ方向に形成される。エンドプレート１４４ａ、１４４ｂからそれぞれ出力端子１５０ａ、１５０ｂが設けられている（図１１参照）。
【００７８】
図１２及び図１３に示すように、複数、例えば、１６個の電解質・電極接合体３６を挟んで第３の実施形態に係る一組のセパレータ１５２が配設されることにより、燃料電池１４０が構成される。
【００７９】
セパレータ１５２の面内には、このセパレータ１５２の中心部である燃料ガス供給連通孔４６と同心円上に８個の電解質・電極接合体３６が配列される内周側配列層Ｐ１と、この内周側配列層Ｐ１の外周に８個の電解質・電極接合体３６が配列される外周側配列層Ｐ２とが設けられる（図１２参照）。
【００８０】
セパレータ１５２は、互いに積層される複数枚、例えば、２枚のプレート１５４、１５６を備える。プレート１５４、１５６は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成されており、それぞれ波形外周部１５４ａ、１５６ａを設ける。
【００８１】
プレート１５４、１５６の中央側には、燃料ガス供給連通孔４６を形成する小径端部１５８ａ、１５８ｂが設けられる。小径端部１５８ａ、１５８ｂには、４つの排ガス通路９７を設けるためにそれぞれ４つの板状部１６０ａ、１６０ｂが連結されるとともに、前記板状部１６０ａ、１６０ｂは、後述する挟持部１７４ａ、１７４ｂに連結される。
【００８２】
図１２及び図１４に示すように、プレート１５４、１５６には、燃料ガス供給連通孔４６に対して放射状に突起部１６２ａ、１６２ｂが設けられるとともに、前記突起部１６２ａ、１６２ｂ間には、前記燃料ガス供給連通孔４６に連通する燃料ガス供給通路８６が形成される。
【００８３】
図１４に示すように、突起部１６２ａ、１６２ｂは、先端を結ぶ仮想円が内周側配列層Ｐ１の中心線と、外周側配列層Ｐ２の中心線とを形成する。内周側配列層Ｐ１に沿って８個の電解質・電極接合体３６が配列される一方、外周側配列層Ｐ２の中心線に沿って８個の電解質・電極接合体３６が配列される。
【００８４】
突起部１６２ａの先端側周囲には、それぞれ３個の酸化剤ガス導入口７０がプレート１５４を貫通して形成される。プレート１５４には、内周側配列層Ｐ１及び外周側配列層Ｐ２に沿って配列される各電解質・電極接合体３６に向かって突出し、各電解質・電極接合体３６に接する第１ボス部１６４が膨出成形される。
【００８５】
プレート１５６には、内周側配列層Ｐ１及び外周側配列層Ｐ２に沿って配列される各電解質・電極接合体３６に向かって突出し、各電解質・電極接合体３６に接する第２ボス部１６６が膨出成形される。第２ボス部１６６は、第１ボス部１６４よりも径方向及び高さ方向の各寸法が小さく設定されている（図１５参照）。プレート１５６には、燃料ガス供給通路８６に連通する燃料ガス導入口５８が貫通形成される。この燃料ガス供給通路８６は、燃料ガス導入口５８から燃料ガス通路５４に連通する。
【００８６】
プレート１５４とプレート１５６との間には、突起部１６２ａ、１６２ｂとの間に対応して燃料ガス供給通路８６が形成されるとともに、前記突起部１６２ａ、１６２ｂの外方に対応して酸化剤ガス供給通路９４が形成される。この酸化剤ガス供給通路９４は、プレート１５４に形成された酸化剤ガス導入口７０から酸化剤ガス通路６８に連通する。
【００８７】
図１６に示すように、セパレータ１５２は、小径端部１５８ａ、１５８ｂが接合されることによりマニホールド部１７０を形成するとともに、板状部１６０ａ、１６０ｂが接合されることにより橋架部１７２を構成する。このセパレータ１５２の面内には、内周側配列層Ｐ１に沿って配列される８個の電解質・電極接合体３６を挟持する８つの挟持部１７４ａと、外周側配列層Ｐ２に沿って配列される８個の電解質・電極接合体３６を挟持する８つの挟持部１７４ｂとが構成される。
【００８８】
各挟持部１７４ａ、１７４ｂの周長Ｒと、各橋架部１７２の幅Ｈとは、０．０３≦Ｈ／Ｒ≦０．２０の関係を有するように設定される。
【００８９】
各挟持部１７４ａ、１７４ｂの周長Ｒと、各橋架部１７２の長さＬとは、０．０１≦Ｌ／Ｒ≦０．５５の関係を有するように設定される。
【００９０】
各挟持部１７４ａ、１７４ｂの周長Ｒと、マニホールド部１７０の外径Ｄとは、０．０６≦Ｄ／Ｒ≦０．３２の関係を有するように設定される。
【００９１】
一方のセパレータ１５２を構成するプレート１５４と他方のセパレータ１５２を構成するプレート１５６とにより、電解質・電極接合体３６が挟持される。具体的には、図１５に示すように、電解質・電極接合体３６を挟んで互いに対向するプレート１５４、１５６には、第１ボス部１６４及び第２ボス部１６６が膨出成形されており、前記第１ボス部１６４と前記第２ボス部１６６とによって前記電解質・電極接合体３６が挟持される。
【００９２】
電解質・電極接合体３６と一方のセパレータ１５２を構成するプレート１５６との間には、燃料ガス供給通路８６から燃料ガス導入口５８を介して連通する燃料ガス通路５４が形成される。電解質・電極接合体３６と他方のセパレータ１５２を構成するプレート１５４との間には、酸化剤ガス供給通路９４から酸化剤ガス導入口７０を介して連通する酸化剤ガス通路６８が形成される。
【００９３】
このように構成される燃料電池スタック１４２の動作について、以下に説明する。
【００９４】
図１１に示すように、燃料電池スタック１４２を構成するエンドプレート１４４ｂの燃料ガス供給連通孔４６に燃料ガスが供給されるとともに、前記燃料電池スタック１４２の外周部側から加圧された酸化剤ガスである酸素含有ガスが供給される。燃料ガス供給連通孔４６に供給された燃料ガスは、積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら、各燃料電池１４０を構成するセパレータ１５２内の燃料ガス供給通路８６に導入される（図１３参照）。
【００９５】
図１３及び図１５に示すように、燃料ガスは、突起部１６２ａ、１６２ｂ間に形成された燃料ガス供給通路８６に沿って移動し、各燃料ガス導入口５８を介して燃料ガス通路５４に導入される。燃料ガス導入口５８は、各電解質・電極接合体３６のアノード電極３４の中心位置に対応して設けられており、燃料ガス通路５４に導入された燃料ガスは、前記アノード電極３４の中心部から外周に向かって流動する。
【００９６】
一方、各燃料電池１４０の外周側から供給される酸化剤ガスは、各セパレータ１５２のプレート１５４、１５６間に形成されている酸化剤ガス供給通路９４に供給される。この酸化剤ガス供給通路９４に供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口７０から酸化剤ガス通路６８に導入され、電解質・電極接合体３６のカソード電極３２の中心部から外周に沿って流動する（図１３及び図１５参照）。
【００９７】
従って、各電解質・電極接合体３６では、アノード電極３４の中心部から外周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３２の中心部から外周に向かって酸化剤ガスが供給される。その際、酸素イオンが電解質３０を通ってアノード電極３４に移動し、化学反応により発電が行われる。
【００９８】
各電解質・電極接合体３６の外周に移動した反応後の燃料ガス及び酸化剤ガス（排ガス）は、セパレータ１５２の中心部側に移動する。セパレータ１５２の中心部近傍には、排ガスマニホールドを構成する４つの排ガス通路９７が形成されており、排ガスがこの排ガス通路９７から外部に排出される。
【００９９】
この場合、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。しかも、セパレータ１５２の中央に設けられているマニホールド部１７０から内周側配列層Ｐ１に沿って配列される８個の電解質・電極接合体３６に供給される燃料ガスの経路長さを等しくするとともに、外周側配列層Ｐ２に沿って配列される８個の電解質・電極接合体３６に供給される燃料ガスの経路長さを等しくすることができる。これにより、各電解質・電極接合体３６の発電状態を均一に維持することができ、良好な発電出力が効率的に得られるという効果が得られる。
【０１００】
さらに、第３の実施形態では、一段のセパレータ１５２に１６個の電解質・電極接合体３６が配列されるため、発電出力を高めるためにセパレータ１５２の設置総数を増加させる必要がなく、燃料電池スタック１４２全体を有効に小型化することができる。その上、各セパレータ１５２に多数の電解質・電極接合体３６が配列されるため、数個の電解質・電極接合体３６に発電不良が発生しても、燃料電池スタック１４２全体の発電出力を良好に維持することができ、発電不良を回避することが可能になる。
【０１０１】
図１７は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池用セパレータ１８０の正面説明図である。
【０１０２】
セパレータ１８０は、例えば、セパレータ１５２と同様に２枚のプレートにより構成されており、中央部には、燃料ガス供給連通孔４６を形成するマニホールド部１８２が設けられる。マニホールド部１８２には、４つの橋架部１８４が連結されるとともに、前記橋架部１８４が挟持部１８６に実質的に連結される。
【０１０３】
挟持部１８６は、燃料ガス供給連通孔４６を中心にする仮想円周上に、例えば、８個の電解質・電極接合体３６を配列する際、各電解質・電極接合体３６を挟持する領域である。
【０１０４】
各挟持部１８６の周長Ｒと橋架部１８４の幅Ｈとは、０．０３≦Ｈ／Ｒ≦０．２０の関係を有するように設定される。
【０１０５】
各挟持部１８６の周長Ｒと橋架部１８４の長さＬとは、０．０１≦Ｌ／Ｒ≦０．５５の関係を有するように設定される。
【０１０６】
各挟持部１８６の周長Ｒとマニホールド部１８２の外径Ｄとは、０．０６≦Ｄ／Ｒ≦０．３２の関係を有するように設定される。
【０１０７】
このように構成される第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。なお、第４の実施形態では、単一のセパレータ１８０に８個の電解質・電極接合体３６を配列しているが、周長Ｒ、幅Ｈ、長さＬ及び外径Ｄが上記の関係を有する範囲であれば、前記電解質・電極接合体３６の個数は、種々設定可能である。
【０１０８】
例えば、図１８に示す本発明の第５の実施形態に係る燃料電池用セパレータ１９０は、このセパレータ１９０に４個の電解質・電極接合体３６が配列される。なお、セパレータ１９０は、波形外周部１９２を設けていてもよい。従って、第５の実施形態では、上記の第４の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１０９】
図１９は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池用セパレータを組み込む燃料電池２００が積層された燃料電池スタック２０２の概略斜視説明図である。
【０１１０】
図２０及び図２１に示すように、燃料電池２００は、第６の実施形態に係る一組のセパレータ２０４間に複数、例えば、８個の電解質・電極接合体３６を挟んで構成される。セパレータ２０４間には、このセパレータ２０４の中心部である燃料ガス供給連通孔４６と同心円上に８個の電解質・電極接合体３６が配列される。
【０１１１】
セパレータ２０４は、例えば、金属プレート等で構成される。セパレータ２０４は、中央部に燃料ガス供給連通孔４６を形成するマニホールド部２０６を有する。このマニホールド部２０６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橋架部２０８が設けられるとともに、各橋架部２０８には、円板状の挟持部２１０が一体的に設けられる。
【０１１２】
各挟持部２１０は、電解質・電極接合体３６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５８が、例えば、前記挟持部２１０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。挟持部２１０同士は、切り欠き２１２を介して分離している。
【０１１３】
各挟持部２１０のアノード電極３４に接触する面２１０ａ上には、前記アノード電極３４の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給通路８６を形成する複数の突起部２１４が設けられる。各挟持部２１０のカソード電極３２に接触する面２１０ｂ上に、前記カソード電極３２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供給通路９４を形成する複数の突起部２１５が設けられる。
【０１１４】
セパレータ２０４のカソード電極３２に対向する面には、通路蓋部材２１６が、例えば、ろう付けやレーザ溶接等により固着される。通路蓋部材２１６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４６を形成する小径端部２１８を備える。小径端部２１８から放射状に８本の橋架部２２０が延在するとともに、各橋架部２２０は、セパレータ２０４の橋架部２０８から挟持部２１０の面に燃料ガス導入口５８を覆って固着される。
【０１１５】
図２２に示すように、各挟持部２１０の周長Ｒと橋架部２０８の幅Ｈとは、０．０３≦Ｈ／Ｒ≦０．２０の関係を有するように設定される。挟持部２１０の周長Ｒと橋架部２０８の長さＬとは、０．０１≦Ｌ／Ｒ≦０．５５の関係を有するように設定される。挟持部２１０の周長Ｒとマニホールド部２０６の外径Ｄとは、０．０６≦Ｄ／Ｒ≦０．３２の関係を有するように設定される。
【０１１６】
図２３に示すように、各セパレータ２０４間には、燃料ガス供給連通孔４６をシールするための絶縁シール２２２が設けられる。燃料電池２００には、挟持部２１０の外方に位置して酸化剤ガス供給通路６０ａが設けられる一方、マニホールド部２０６の周囲には、排ガス通路９７が形成される。
【０１１７】
図１９に示すように、燃料電池スタック２０２は、複数の燃料電池２００の積層方向両端にエンドプレート２２４ａ、２２４ｂを配置する。エンドプレート２２４ａは、略円板状を有しており、中央部には、燃料ガス供給連通孔４６に対応して孔部２２６が設けられる。孔部２２６の周囲には、排ガス通路９７に対応して複数の孔部２２８が設けられる。エンドプレート２２４ａ、２２４ｂ間は、ねじ孔２３０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。
【０１１８】
このように構成される燃料電池スタック２０２の動作について、以下に説明する。
【０１１９】
図１９に示すように、エンドプレート２２４ａの孔部２２６から燃料ガスが供給されるとともに、燃料電池２００の外周側に設けられた酸化剤ガス供給通路６０ａから酸化剤ガスが供給される。
【０１２０】
燃料ガスは、図２３に示すように、マニホールド部２０６から橋架部２０８内の燃料ガス供給通路８６に沿って移動し、挟持部２１０に形成された燃料ガス導入口５８から複数の突起部２１４により形成された燃料ガス通路５４に導入される。燃料ガス導入口５８は、各電解質・電極接合体３６のアノード電極３４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５８からアノード電極３４の略中心に供給され、燃料ガス通路５４に沿って該アノード電極３４の外周部に向かって移動する。
【０１２１】
一方、酸化剤ガスは、電解質・電極接合体３６の外側周端部と挟持部２１０の外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６８に送られる。酸化剤ガス通路６８では、電解質・電極接合体３６のカソード電極３２の外側周端部（セパレータ２０４の外側周端部）側から内側周端部（セパレータ２０４の中央部）に向かって酸化剤ガスが流動する。
【０１２２】
従って、電解質・電極接合体３６では、アノード電極３４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３２の電極面の一方向（矢印Ｂ方向）に向かって酸化剤ガスが供給される。その際、酸化物イオンが電解質３０を通ってアノード電極３４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３６の外周部に排出される排ガスは、排ガス通路９７を介して積層方向に移動し、燃料電池スタック２０２から排出される。
【０１２３】
このように構成される第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。また、以下に説明する第７及び第８の実施形態でも、同様の効果が得られる。
【０１２４】
図２４は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池用セパレータを組み込む燃料電池２４０の分解斜視図である。なお、第６の実施形態に係る燃料電池２００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。
【０１２５】
図２４及び図２５に示すように、燃料電池２４０は、例えば、８個の電解質・電極接合体３６を挟む第７の実施形態に係る一組のセパレータ２４２を備える。セパレータ２４２の中央部には、燃料ガス供給連通孔４６を形成するマニホールド部２４４が設けられるとともに、このマニホールド部２４４には、前記燃料ガス供給連通孔４６を周回して複数の連通孔２４６が形成される。
【０１２６】
セパレータ２４２のカソード電極３２に対向する面には、通路蓋部材２４８が、例えば、ろう付けやレーザ溶接等により固着される。通路蓋部材２４８を構成する小径端部２１８には、燃料ガス供給連通孔４６を囲繞してリング状凸部２５０が設けられる。この凸部２５０は、燃料ガス供給連通孔４６を燃料ガス供給通路８６に対してシールする。
【０１２７】
図２６に示すように、各挟持部２１０の周長Ｒと橋架部２０８の幅Ｈとは、０．０３≦Ｈ／Ｒ≦０．２０の関係を有するように設定される。挟持部２１０の周長Ｒと橋架部２０８の長さＬとは、０．０１≦Ｌ／Ｒ≦０．５５の関係を有するように設定される。挟持部２１０の周長Ｒとマニホールド部２４４の外径Ｄとは、０．０６≦Ｄ／Ｒ≦０．３２の関係を有するように設定される。
【０１２８】
図２４及び図２７に示すように、各セパレータ２４２間には、連通孔２４６を囲繞するとともに、燃料ガス供給連通孔４６をシールするための絶縁シール２５２が設けられる。燃料電池２４０が積層される際に、各セパレータ２４２間には、燃料ガス供給連通孔４６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２５４が設けられる。分岐通路２５４と燃料ガス供給通路８６とは、積層方向（矢印Ａ方向）に連通する連通孔２４６を介して連通する。
【０１２９】
このように構成される燃料電池２４０の動作について、以下に説明する。
【０１３０】
図２７に示すように、燃料ガスは、燃料電池２４０の燃料ガス供給連通孔４６に沿って積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら、各燃料電池２４０に設けられる分岐通路２５４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、連通孔２４６を通って一旦前記積層方向に向かい、さらに前記連通孔２４６に連通する燃料ガス供給通路８６に沿って前記セパレータ面方向に移動する。燃料ガスは、燃料ガス導入口５８から燃料ガス通路５４に導入される。
【０１３１】
一方、酸化剤ガスは、電解質・電極接合体３６の外側周端部と挟持部２１０の外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６８に送られる。従って、電解質・電極接合体３６では、化学反応により発電が行われる。
【０１３２】
図２８は、本発明の第８の実施形態に係る燃料電池用セパレータを組み込む燃料電池２６０が、矢印Ａ方向に複数積層された燃料電池スタック２６２の概略斜視説明図であり、図２９は、前記燃料電池スタック２６２の、図２８中、ＸＸＩＸ−ＸＸＩＸ線断面図である。
【０１３３】
燃料電池２６０は、図３０に示すように、一対のセパレータ２６４間に複数（例えば、４個）の電解質・電極接合体３６を挟んで構成される。セパレータ２６４間には、このセパレータ２６４の中心部である燃料ガス供給連通孔４６を中心にして等角度間隔ずつ離間し且つ前記燃料ガス供給連通孔４６と同心円上に４個の電解質・電極接合体３６が配置される。
【０１３４】
セパレータ２６４は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成される第１プレート２６６及び第２プレート２６８を有する。第１プレート２６６及び第２プレート２６８は、互いに拡散接合、レーザ溶接又はろう付け等により接合される。第１プレート２６６及び第２プレート２６８は、金属プレートに代えて、例えば、カーボンプレート等（接合方法は省略する）で構成してもよい。
【０１３５】
図３０〜図３２に示すように、第１プレート２６６は、中央部に積層方向（矢印Ａ方向）に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔４６が形成される第１小径端部２７０ａを有する。この第１小径端部２７０ａから外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に延在する４つの第１板状部２７２ａを介し、比較的大径な第１円板部２７４ａが一体に設けられる。第１円板部２７４ａは、電解質・電極接合体３６と略同一寸法に設定されるとともに、各第１円板部２７４ａには、短尺な第２板状部２７６ａを介して環状の第１筐体部２７８ａが一体に設けられる。
【０１３６】
第１円板部２７４ａのアノード電極３４に接触する面には、前記アノード電極３４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５４を形成する複数の突起部２８０が設けられる。突起部２８０は、集電部を構成する。第１円板部２７４ａの略中央には、燃料ガス供給連通孔４６側に偏心しアノード電極３４の略中央部に向かって燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口５８が形成される。
【０１３７】
第１筐体部２７８ａは、酸化剤ガスを酸化剤ガス供給通路９４に供給するための酸化剤ガス供給連通孔６０が積層方向に形成される酸化剤ガス用マニホールド部２８２を有する。第１筐体部２７８ａには、複数のボルト挿入用孔部２８４が所定角度間隔ずつ離間して設けられる。燃料ガス供給連通孔４６、第１板状部２７２ａ、第１円板部２７４ａ、第２板状部２７６ａ及び酸化剤ガス供給連通孔６０は、セパレータ面方向に沿って直線上に配置される。
【０１３８】
図３０及び図３３に示すように、第２プレート２６８は、中央部に燃料ガス供給連通孔４６が形成される第２小径端部２７０ｂを有する。この第２小径端部２７０ｂから外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に延在する４つの第１板状部２７２ｂを介して比較的大径な第２円板部２７４ｂが一体に設けられる。第２円板部２７４ｂは、第１円板部２７４ａと同様に、電解質・電極接合体３６と略同一寸法に設定されるとともに、各第２円板部２７４ｂには、短尺な第２板状部２７６ｂを介して環状の第２筐体部２７８ｂが一体に設けられる。
【０１３９】
第２小径端部２７０ｂの第１小径端部２７０ａと接合される面には、燃料ガス供給連通孔４６に連通する複数の溝部２９６が、前記燃料ガス供給連通孔４６を中心にして放射状に形成される。各溝部２９６は、周溝２９８に一体に連通するとともに、前記周溝２９８には、４本の燃料ガス供給通路８６が連通する。各燃料ガス供給通路８６は、各第１板状部２７２ｂから各第２円板部２７４ｂの中央部近傍に延在し、第１プレート２６６の燃料ガス導入口５８に対応して終端する。
【０１４０】
第２筐体部２７８ｂには、酸化剤ガス供給連通孔６０が積層方向に形成されるマニホールド部２８２と、ボルト挿入用孔部２８４とが設けられる。この第２筐体部２７８ｂの第１筐体部２７８ａに接合される面には、酸化剤ガス供給連通孔６０から供給される酸化剤ガスを充填するための充填室３００が形成される。
【０１４１】
充填室３００は、各第２板状部２７６ｂから各第２円板部２７４ｂの中央部近傍まで延在する酸化剤ガス供給通路９４に連通する。酸化剤ガス供給通路９４の先端には、第２円板部２７４ｂを貫通する酸化剤ガス導入口７０が連通する。
【０１４２】
第１プレート２６６には、複数の突起部２８０が、例えば、エッチングにより形成されるとともに、第２プレート２６８には、溝部２９６、周溝２９８、燃料ガス供給通路８６、充填室３００及び酸化剤ガス供給通路９４が、例えば、エッチングにより形成される。
【０１４３】
図３２に示すように、セパレータ２６４は、第１プレート２６６の第１円板部２７４ａと、第２プレート２６８の第２円板部２７４ｂとが接合されることにより、円板状の挟持部２７４を構成する。挟持部２７４には、第１板状部２７２ａ、２７２ｂが接合されて構成される第１橋架部２７２と、第２板状部２７６ａ、２７６ｂが接合されて構成される第２橋架部２７６とが連結される。
【０１４４】
第１橋架部２７２には、第１小径端部２７０ａと第２小径端部２７０ｂとが接合されて形成される燃料ガス用マニホールド部２７０が連結される。第２橋架部２７６には、第１筐体部２７８ａと第２筐体部２７８ｂとが接合されて形成されるマニホールド部２８２が連結される。
【０１４５】
挟持部２７４の周長Ｒと第１橋架部２７２の幅Ｈとは、０．０３≦Ｈ／Ｒ≦０．２０の関係を有するように設定される。挟持部２７４の周長Ｒと第１橋架部２７２の長さＬとは、０．０１≦Ｌ／Ｒ≦０．５５の関係を有するように設定される。挟持部２７４の周長Ｒとマニホールド部２７０の外径Ｄとは、０．０６≦Ｄ／Ｒ≦０．３２の関係を有するように設定される。
【０１４６】
図３０に示すように、第２プレート２６８のカソード電極３２に向かう面には、変形可能な弾性通路部、例えば、導電性フェルト部材（金属フェルト等の導電性不織布）３０２が配設される。このフェルト部材３０２により、第２円板部２７４ｂとカソード電極３２との間には、酸化剤ガス通路６８が形成される。なお、フェルト部材３０２に代えて、メッシュ部材（金属メッシュ等の導電性織布）、発泡金属、エキスパンドメタル、パンチングメタル又はプレスエンボスメタル等を採用してもよい。電解質・電極接合体３６の外周部には、反応後の燃料ガス及び酸化剤ガスを排ガスとして排出するための排ガス通路９７が設けられる。
【０１４７】
図３４に示すように、各セパレータ２６４間には、燃料ガス供給連通孔４６をシールするための第１絶縁シール３０３ａと、酸化剤ガス供給連通孔６０をシールするための第２絶縁シール３０３ｂとが設けられる。第１絶縁シール３０３ａ及び第２絶縁シール３０３ｂは、シール性が高く、硬質で潰れ難い、例えば、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等が使用される。また、第２絶縁シール３０３ｂは、熱エネルギの拡散を阻止する断熱部材であることが好ましい。
【０１４８】
図２８及び図２９に示すように、燃料電池スタック２６２は、複数の燃料電池２６０の積層方向一端に、略円板状の第１エンドプレート３０４ａが配置されるとともに、積層方向他端に、隔壁３０５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３０４ｂと、大径且つ略リング状の固定リング３０４ｃとが配置される。隔壁３０５は、排ガスが燃料電池２６０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３０４ｂは、各電解質・電極接合体３６の積層位置に対応して４つ配設される。
【０１４９】
第１エンドプレート３０４ａ及び固定リング３０４ｃは、セパレータ２６４のボルト挿入用孔部２８４に連通する複数の孔部３０６を有する。孔部３０６からボルト挿入用孔部２８４に挿入されるボルト３０８及び前記ボルト３０８に螺合するナット３１０を介し、セパレータ２６４の第１筐体部２７８ａ及び第２筐体部２７８ｂが第１エンドプレート３０４ａに締め付け固定される。
【０１５０】
第１エンドプレート３０４ａには、燃料ガス供給連通孔４６に連通する単一の燃料ガス供給パイプ３１２と、各酸化剤ガス供給連通孔６０に連通する４本の酸化剤ガス供給パイプ３１４と、排ガス通路９７に連通する４本の排ガス排出パイプ３１５とが設けられる。
【０１５１】
第１エンドプレート３０４ａは、複数のボルト３０８、ナット３１８ａ、３１８ｂ及び板状カラー部材３２０を介して支持プレート３２２が固定される。支持プレート３２２と第１エンドプレート３０４ａとの間には、マニホールド部２７０に締め付け荷重を付与する第１荷重付与部３２４と、マニホールド部２８２に締め付け荷重を付与する第２荷重付与部３２６と、各電解質・電極接合体３６に締め付け荷重を付与する第３荷重付与部３２８とが設けられる。
【０１５２】
第１荷重付与部３２４は、燃料ガス供給連通孔４６から燃料ガスが漏れることを阻止するために燃料電池２６０の中央部（マニホールド部２７０の中央部）に配置される押圧部材３３０を備え、この押圧部材３３０は、４つの第２エンドプレート３０４ｂの配列中心近傍に位置して前記燃料電池２６０に隔壁３０５を介して押圧する。押圧部材３３０には、第１受け部材３３２ａ及び第２受け部材３３２ｂを介して第１スプリング３３４が配置される。第２受け部材３３２ｂには、第１押圧ボルト３３６の先端が当接する。第１押圧ボルト３３６は、支持プレート３２２に形成された第１ねじ孔３３８に螺合するとともに、第１ナット３４０を介して位置調整可能に固定される。
【０１５３】
第２荷重付与部３２６は、孔部３０６からボルト挿入用孔部２８４に挿入されるボルト３０８と、前記ボルト３０８に螺合するナット３１０とを備え、酸化剤ガス供給連通孔６０から酸化剤ガスが漏れることを阻止する機能を有する。
【０１５４】
第３荷重付与部３２８は、第２エンドプレート３０４ｂに各電解質・電極接合体３６に対応して配置される第３受け部材３４２ａを備える。第３受け部材３４２ａは、ピン３４４を介して第２エンドプレート３０４ｂに位置決め支持される。第３受け部材３４３ａに第２スプリング３４６の一端が当接する一方、前記第２スプリング３４６の他端が第４受け部材３４２ｂに当接する。第４受け部材３４２ｂには、第２押圧ボルト３４８の先端が当接する。第２押圧ボルト３４８は、支持プレート３２２に形成された第２ねじ孔３５０に螺合するとともに、第２ナット３５２を介して位置調整可能に固定される。
【０１５５】
このように構成される燃料電池スタック２６２の動作について、以下に説明する。
【０１５６】
図２８に示すように、第１エンドプレート３０４ａに接続されている燃料ガス供給パイプ３１２から燃料ガス供給連通孔４６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３１４から酸化剤ガス供給連通孔６０には、酸素含有ガスである空気が供給される。
【０１５７】
燃料ガス供給連通孔４６に供給された燃料ガスは、図３１及び図３４に示すように、積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら、各燃料電池２６０を構成するセパレータ２６４の第２プレート２６８に形成された溝部２９６から周溝２９８を介して各燃料ガス供給通路８６に供給される。燃料ガスは、燃料ガス供給通路８６に沿って移動した後、第１プレート２６６に形成された燃料ガス導入口５８から燃料ガス通路５４に導入される。
【０１５８】
燃料ガス導入口５８は、各電解質・電極接合体３６のアノード電極３４の略中心位置に対応して設けられている。従って、燃料ガスは、燃料ガス導入口５８からアノード電極３４に供給され、このアノード電極３４の略中心部から外周部に向かって燃料ガス通路５４を流動する。
【０１５９】
一方、酸化剤ガス供給連通孔６０に供給される空気は、第１プレート２６６の第１筐体部２７８ａと第２プレート２６８の第２筐体部２７８ｂとの間に設けられる充填室３００に一旦充填される。この充填室３００には、酸化剤ガス供給通路９４が連通しており、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス供給通路９４に沿って挟持部２７４の中心側に移動する。
【０１６０】
第２円板部２７４ｂの中心近傍には、酸化剤ガス導入口７０が連通するとともに、前記酸化剤ガス導入口７０は、電解質・電極接合体３６のカソード電極３２の略中心位置に対応して設けられている。これにより、空気は、図３４に示すように、酸化剤ガス導入口７０からカソード電極３２に供給され、このカソード電極３２の略中心部から外周部に向かってフェルト部材３０２に形成された酸化剤ガス通路６８を流動する。
【０１６１】
従って、各電解質・電極接合体３６では、アノード電極３４の略中心部から外周部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３２の略中心部から外周部に向かって空気が供給され、発電が行われる。そして、発電に使用された燃料ガス及び空気は、排ガスとして各電解質・電極接合体３６の外周部から排ガス通路９７に排気される。
【図面の簡単な説明】
【０１６２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池用セパレータを組み込む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。
【図２】前記燃料電池の分解斜視図である。
【図３】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ある。
【図４】前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。
【図５】前記セパレータの説明図である。
【図６】挟持部の周長と橋架部の幅との関係による発電出力及びセパレータの良否を説明する図である。
【図７】前記挟持部の周長と前記橋架部の長さとの関係による発電出力とセパレータとの良否を説明する図である。
【図８】前記挟持部の周長とマニホールド部の外径との関係による発電出力及びセパレータの良否を説明する図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池用セパレータの分解斜視説明図である。
【図１０】前記セパレータの説明図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池用セパレータを組み込む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。
【図１２】前記燃料電池の分解斜視図である。
【図１３】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。
【図１４】前記セパレータの分解斜視説明図である。
【図１５】前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。
【図１６】前記セパレータの説明図である。
【図１７】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池用セパレータの正面説明図である。
【図１８】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池用セパレータの説明図である。
【図１９】本発明の第６の実施形態に係る燃料電池用セパレータを組み込む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。
【図２０】前記燃料電池の分解斜視図である。
【図２１】前記燃料電池のガス流れ状態を示す一部分解斜視図である。
【図２２】前記セパレータの説明図である。
【図２３】前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。
【図２４】本発明の第７の実施形態に係る燃料電池用セパレータを組み込む燃料電池の分解斜視図である。
【図２５】前記燃料電池のガス流れ状態を示す一部分解斜視図である。
【図２６】前記セパレータの説明図である。
【図２７】前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。
【図２８】本発明の第８の実施形態に係る燃料電池用セパレータを組み込む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。
【図２９】前記燃料電池スタックの、図２８中、ＸＸＩＸ−ＸＸＩＸ線断面図である。
【図３０】前記燃料電池の分解斜視説明図である。
【図３１】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。
【図３２】セパレータの説明図である。
【図３３】前記セパレータを構成する第２プレートの説明図である。
【図３４】前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。
【図３５】特許文献１の説明図である。
【図３６】特許文献２の説明図である。
【図３７】非特許文献１の説明図である。
【符号の説明】
【０１６３】
２０、１３０、１４０、２００、２４０、２６０…燃料電池
２２、１４２、２０２、２６２…燃料電池スタック
３０…電解質 ３２…カソード電極
３４…アノード電極 ３６…電解質・電極接合体
３８、１３２、１５２、１８０、１９０、２０４、２４２、２６４…セパレータ
４０、４２、４４、１５４、１５６、２６６、２６８…プレート
４６…燃料ガス供給連通孔 ５４…燃料ガス通路
５８…燃料ガス導入口 ６０…酸化剤ガス供給連通孔
６８…酸化剤ガス通路 ７０…酸化剤ガス導入口
８６、８６ａ、８６ｂ…燃料ガス供給通路
９４、９４ａ、９４ｂ…酸化剤ガス供給通路
９７…排ガス通路
１００、１００ａ、１００ｂ、１７４ａ、１７４ｂ、１８６、２１０、２７４…挟持部
１０２、１０２ａ、１０２ｂ、１０４、１０４ａ、１０４ｂ、１７２、１８４、２０８、２７２、２７６…橋架部
１０６、１０８、１７０、１８２、２０６、２４４、２７０、２８２…マニホールド部
１１２…締付手段 ２４６…連通孔
２７８ａ、２７８ｂ…筐体部 ３０２…フェルト部材
【特許請求の範囲】
【請求項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・電極接合体に積層される燃料電池用セパレータであって、
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、使用済みの前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを前記電解質・電極接合体の周縁部から排出させる挟持部と、
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マニホールド部と、
を備え、
前記挟持部の周長Ｒと前記橋架部の幅Ｈとは、０．０３≦Ｈ／Ｒ≦０．２０の関係を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記挟持部の周長Ｒと前記橋架部の長さＬとは、０．０１≦Ｌ／Ｒ≦０．５５の関係を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記挟持部の周長Ｒと前記マニホールド部の外径Ｄとは、０．０６≦Ｄ／Ｒ≦０．３２の関係を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
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・電極接合体に積層される燃料電池用セパレータであって、
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、使用済みの前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを前記電解質・電極接合体の周縁部から排出させる挟持部と、
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マニホールド部と、
を備え、
前記挟持部の周長Ｒと前記橋架部の長さＬとは、０．０１≦Ｌ／Ｒ≦０．５５の関係を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記挟持部の周長Ｒと前記橋架部の幅Ｈとは、０．０３≦Ｈ／Ｒ≦０．２０の関係を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
請求項４又は５記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記挟持部の周長Ｒと前記マニホールド部の外径Ｄとは、０．０６≦Ｄ／Ｒ≦０．３２の関係を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
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・電極接合体に積層される燃料電池用セパレータであって、
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、使用済みの前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを前記電解質・電極接合体の周縁部から排出させる挟持部と、
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マニホールド部と、
を備え、
前記挟持部の周長Ｒと前記マニホールド部の外径Ｄとは、０．０６≦Ｄ／Ｒ≦０．３２の関係を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記挟持部の周長Ｒと前記橋架部の幅Ｈとは、０．０３≦Ｈ／Ｒ≦０．２０の関係を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項９】
請求項７又は８記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記挟持部の周長Ｒと前記橋架部の長さＬとは、０．０１≦Ｌ／Ｒ≦０．５５の関係を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータにおいて、単一の前記マニホールド部には、複数の前記橋架部を介して複数の前記挟持部が連結されるとともに、
前記マニホールド部の中心と各挟持部の中心に設けられた反応ガス導入口とは、同一距離に設定されることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項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・電極接合体に積層される燃料電池用セパレータであって、
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、使用済みの前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを前記電解質・電極接合体の周縁部から排出させる挟持部と、
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マニホールド部と、
を備え、
前記挟持部の周長Ｒと前記橋架部の幅Ｈとは、０．０３≦Ｈ／Ｒ≦０．２０の関係を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記挟持部の周長Ｒと前記橋架部の長さＬとは、０．０１≦Ｌ／Ｒ≦０．５５の関係を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記挟持部の周長Ｒと前記マニホールド部の外径Ｄとは、０．０６≦Ｄ／Ｒ≦０．３２の関係を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
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・電極接合体に積層される燃料電池用セパレータであって、
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、使用済みの前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを前記電解質・電極接合体の周縁部から排出させる挟持部と、
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マニホールド部と、
を備え、
前記挟持部の周長Ｒと前記橋架部の長さＬとは、０．０１≦Ｌ／Ｒ≦０．５５の関係を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記挟持部の周長Ｒと前記橋架部の幅Ｈとは、０．０３≦Ｈ／Ｒ≦０．２０の関係を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
請求項４又は５記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記挟持部の周長Ｒと前記マニホールド部の外径Ｄとは、０．０６≦Ｄ／Ｒ≦０．３２の関係を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
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・電極接合体に積層される燃料電池用セパレータであって、
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、使用済みの前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを前記電解質・電極接合体の周縁部から排出させる挟持部と、
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マニホールド部と、
を備え、
前記挟持部の周長Ｒと前記マニホールド部の外径Ｄとは、０．０６≦Ｄ／Ｒ≦０．３２の関係を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記挟持部の周長Ｒと前記橋架部の幅Ｈとは、０．０３≦Ｈ／Ｒ≦０．２０の関係を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項９】
請求項７又は８記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記挟持部の周長Ｒと前記橋架部の長さＬとは、０．０１≦Ｌ／Ｒ≦０．５５の関係を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータにおいて、単一の前記マニホールド部には、複数の前記橋架部を介して複数の前記挟持部が連結されるとともに、
前記マニホールド部の中心と各挟持部の中心に設けられた反応ガス導入口とは、同一距離に設定されることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【公開番号】特開２００８−４５３２（Ｐ２００８−４５３２Ａ）
【公開日】平成２０年１月１０日（２００８．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−７５５９６（Ｐ２００７−７５５９６）
【出願日】平成１９年３月２２日（２００７．３．２２）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月１０日（２００８．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月２２日（２００７．３．２２）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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