燃料電池
【課題】電解質・電極接合体の発電面全体に反応ガスを均一且つ良好に供給するとともに、反応ガス濃度及び発電反応を均一化し、しかも反応ガスの利用率を向上させることを可能にする。
【解決手段】燃料電池１１を構成するセパレータ２８は、電解質・電極接合体２６を挟持する第１挟持部３６を備え、前記第１挟持部３６は、アノード電極２４の電極面に向かって燃料ガスを雨浴状に供給する複数の燃料ガス供給孔３８ａと、反応に使用された前記燃料ガスを、排ガスとしてアノード電極２４の電極面から雨浴状に排出する複数の排ガス排出孔３８ｂとを設ける。第１挟持部３６の周縁部には、第２橋架部４６が設けられるとともに、前記第２橋架部４６には、排ガスを積層方向に流動させるための排ガス排出連通孔５０が形成された排ガス排出部４８が連結される。排ガス排出連通孔５０に排出された排ガスは、新たな燃料ガスに混合されて再度反応ガスとして利用される。
【解決手段】燃料電池１１を構成するセパレータ２８は、電解質・電極接合体２６を挟持する第１挟持部３６を備え、前記第１挟持部３６は、アノード電極２４の電極面に向かって燃料ガスを雨浴状に供給する複数の燃料ガス供給孔３８ａと、反応に使用された前記燃料ガスを、排ガスとしてアノード電極２４の電極面から雨浴状に排出する複数の排ガス排出孔３８ｂとを設ける。第１挟持部３６の周縁部には、第２橋架部４６が設けられるとともに、前記第２橋架部４６には、排ガスを積層方向に流動させるための排ガス排出連通孔５０が形成された排ガス排出部４８が連結される。排ガス排出連通孔５０に排出された排ガスは、新たな燃料ガスに混合されて再度反応ガスとして利用される。
【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・電極接合体が、セパレータ間に積層される燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
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（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、ＭＥＡ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】
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。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されている平板積層型燃料電池は、図２０に示すように、発電セルに積層されるセパレータ１を備えている。セパレータ１は、左右のマニホールド部分２ａ、２ａと、中央の発電セルを配置する部分２ｂとが、連結部分２ｃ、２ｃにより連結されており、この連結部分２ｃが可撓性を有している。
【０００５】
マニホールド部分２ａ、２ａには、ガス孔３、４が設けられており、一方のガス孔３は、燃料ガス通路３ａに連通するとともに、他方のガス孔４は、酸化剤ガス通路４ａに連通している。燃料ガス通路３ａ及び酸化剤ガス通路４ａは、部分２ｂ内にらせん状に延在しており、この部分２ｂの中央部近傍で、図示しない燃料極集電体及び空気極集電体に開放されている。
【０００６】
ところで、この特許文献１では、燃料ガス及び酸化剤ガスが、発電セルの中心部から供給されて前記発電セルの外周部に向かって排出されている。このため、発電セルの電極面内において、中央部と外周部とに反応ガスの濃度差が発生し、前記電極面内における電流密度分布に偏りが生じて発電効率の向上が図れないという問題がある。
【０００７】
しかも、発電セルの電極面内には、発電反応の差が発生して前記電極面内に温度勾配が生じ易い。従って、発電セルには、熱応力により損傷や劣化等の発電不良が惹起するおそれがある。
【０００８】
さらに、発電セルの中央部から外周部に向かって、燃料ガス及び酸化剤ガスが流れるため、特にこの発電セルの外周部に発電反応により発生した水蒸気が集中する。これにより、発電セルが劣化し易いという問題がある。
【０００９】
そこで、例えば、特許文献２に開示されている燃料電池用セパレータでは、図２１に示すように、セパレータ内部に中空部５が設けられるとともに、この中空部５は、ガス導入口６に連通している。セパレータ積層面７には、ガス導入口６から中空部５内に導入された反応ガスを吐出するための複数のガス吐出口８が、前記積層面７の略全域にわたって設けられている。従って、セパレータ内部に導入された反応ガスは、複数のガス吐出口８から発電セルに向かってシャワー状に吐出されている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−１２０５８９号公報（図４）
【特許文献２】特開２００５−２２８７３４号公報（図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記の特許文献２では、発電セルに向かってシャワー状に反応ガスを吐出する一方、反応後の排ガスを前記発電セルの外周部から排出しているため、前記外周部近傍で反応ガス濃度が低下し易い。これにより、発電セルの電極面内における反応ガス濃度に差が生じ、前記電極面内における電流密度分布に偏りが発生するという問題がある。
【００１２】
しかも、発電セルの外周部では、ガス吐出口８近傍に比べて排ガス濃度が高くなり、電極面内における発電反応に差が生じてしまう。従って、発電セルに温度勾配が生じ、熱応力によって前記発電セルに損傷や劣化等の不良が生じるおそれがある。
【００１３】
さらにまた、発電セルの外周部から排ガスが排出されるため、この発電セルの外周部には、発電反応で発生した水蒸気が集中し易い。このため、発電セルが劣化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、電解質・電極接合体の発電面全体に反応ガスを均一且つ良好に供給するとともに、反応ガス濃度及び発電反応を均一化し、しかも反応ガスの利用率を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。
【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。
【００１６】
セパレータは、電解質・電極接合体を挟持するとともに、少なくともアノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給する又はカソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給する反応ガス通路が設けられる挟持部と、前記挟持部に連結され、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記反応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第１橋架部と、前記第１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、前記挟持部に連結され、前記電解質・電極接合体で使用された前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを、排ガスとして前記反応ガス通路から排出させるための排ガス排出通路が形成される第２橋架部と、前記第２橋架部に連結され、前記排ガスを前記積層方向に流動させるための排ガス排出連通孔が形成される排ガス排出部とを備えている。
【００１７】
そして、挟持部には、少なくとも反応ガス通路に燃料ガス又は酸化剤ガスを雨浴状に供給する複数の反応ガス供給孔と、排ガスを前記反応ガス通路から雨浴状に排出して排ガス排出通路に送る複数の排ガス排出孔と、前記反応ガス通路側の周縁部から前記排ガスが排出されることを抑制する封止部とが形成されるとともに、排ガス排出連通孔は、反応ガス供給連通孔を介して前記反応ガス通路に連通している。
【００１８】
また、燃料を改質して燃料ガスを生成し、燃料ガスを反応ガス供給連通孔に供給するための改質器を備えるとともに、排ガス排出連通孔は、前記改質器を介して前記反応ガス供給連通孔に連通することが好ましい。
【００１９】
さらに、改質器の上流側には、エゼクタが配設されるとともに、排ガス排出連通孔は、前記エゼクタを介して前記改質器に連通することが好ましい。
【００２０】
さらにまた、挟持部は、反応ガス供給孔に連通して反応ガス供給孔に反応ガスを供給するための反応ガス供給室と、排ガス排出孔に連通して排ガス排出孔から排ガスを排出するための排ガス排出室とを設けることが好ましい。
【００２１】
また、反応ガス通路は、反応ガス供給孔を介して反応ガス供給室に連通するとともに、排ガス排出孔を介して排ガス排出室に連通することが好ましい。
【００２２】
さらに、挟持部は、反応ガス供給孔及び排ガス排出孔が形成される第１プレート部と、前記第１プレート部との間に、反応ガス供給室及び排ガス排出室が形成される第２プレート部とを備え、前記第１プレート部と前記第２プレート部とが積層されることが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、反応ガスは、複数の反応ガス供給孔から電解質・電極接合体の電極面全面に雨浴状に供給されるため、前記電極面内における反応ガス濃度を均等化することができる。一方、排ガスは、複数の排ガス排出孔から雨浴状に排出されるため、電解質・電極接合体の電極面内における排ガス濃度を均等化することが可能である。これにより、電極面内の電流密度分布を均一にすることができ、発電効率の向上が遂行される。
【００２４】
さらに、電解質・電極接合体における発熱反応となる発電反応を均等化することが可能になる。このため、電解質・電極接合体の温度勾配を抑制し、熱応力による前記電解質・電極接合体の損傷や劣化等を可及的に阻止するとともに、発電反応により生じた水蒸気が集中することを良好に防止することができる。
【００２５】
しかも、挟持部の反応ガス通路側の周縁部には、前記周縁部から排ガスが排出されることを抑制するための封止部が形成されている。従って、発電反応により発生した排ガスは、挟持部の周縁部に集中することを抑制することができ、電解質・電極接合体の電極面内における電流密度分布に偏りが生ずることを抑制することが可能になる。これにより、発電効率の向上及び安定化を図るとともに、電解質・電極接合体の温度勾配を抑制して熱応力による前記電解質・電極接合体の損傷や劣化等を可及的に阻止することができる。
【００２６】
さらに、電解質・電極接合体で使用された燃料ガス又は酸化剤ガスは、排ガスとして排ガス排出孔から第２橋架部の排ガス排出通路に排出され、さらに排ガス排出連通孔に沿って積層方向に流動した後、反応ガスとして反応ガス供給連通孔から反応ガス通路に再度供給されている。このため、排ガス中に残存する未反応の反応ガスを再利用することができ、反応ガスの利用率が良好に向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
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モジュール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。
【００２８】
燃料電池モジュール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。燃料電池モジュール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、前記改質器１６の上流側に配設されて後述する排出燃料ガスを含む排ガスを吸引するエゼクタ１７と、前記燃料電池スタック１２、前記熱交換器１４、前記改質器１６及び前記エゼクタ１７を収容する筐体（ケーシング）１８とを備える。
【００２９】
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、改質器１６及びエゼクタ１７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。
【００３０】
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。
【００３１】
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（反応ガス供給連通孔）３０と同心円上に配列される。
【００３２】
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２枚の金属プレートやカーボンプレート等である第１プレート２８ａ及び第２プレート２８ｂを、例えば、ろう付け、拡散接合やレーザ溶接等により接合して構成される。第１プレート２８ａは、中央部に燃料ガス供給連通孔３０を形成する燃料ガス供給部（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第１挟持部（第１プレート部）３６が一体的に設けられる。
【００３３】
各第１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る。各第１挟持部３６には、燃料ガスを電解質・電極接合体２６を構成するアノード電極２４に雨浴状（以下、シャワー状という）に供給するための複数の燃料ガス供給孔（反応ガス供給孔）３８ａと、前記アノード電極２４で反応に使用された燃料ガスを、排ガスとしてシャワー状に排出するための複数の排ガス排出孔３８ｂとが、配列される（図３〜図５参照）。
【００３４】
各第１挟持部３６のアノード電極２４に接触する面３６ａには、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（反応ガス通路）４０が形成される。面３６ａには、燃料ガスが燃料ガス供給孔３８ａから排ガス排出孔３８ｂに直線状に流れることを規制する複数の突起部４２が形成される。第１挟持部３６の面３６ａ側の周縁部には、前記周縁部から燃料ガス及び排ガスが排出されることを抑制するためのリング状封止部（凸部）４４が形成される。
【００３５】
突起部４２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４２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４２と同様に構成される。
【００３６】
第１挟持部３６の外周外側（セパレータ２８の外周部）には、矢印Ｂ方向外方に突出する板状の第２橋架部４６が設けられるとともに、前記第２橋架部４６には、排ガス（反応に使用された燃料ガスを含む）を排出する排ガス排出部４８が連結される。この排ガス排出部４８には、排ガスを積層方向に流動させるための排ガス排出連通孔５０が形成される。
【００３７】
第２プレート２８ｂ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）５２を備える。燃料ガス供給部５２から放射状に８本の第１橋架部５４が延在するとともに、各第１橋架部５４には、第２挟持部（第２プレート部）５６が一体に設けられる。
【００３８】
燃料ガス供給部５２から各第１橋架部５４を周回して、凸部５８が設けられる。この凸部５８は、セパレータ２８の燃料ガス供給部３２及び各第１橋架部３４に接合されることにより、燃料ガス供給連通孔３０に連通してセパレータ面方向に延在する燃料ガス供給通路（反応ガス供給通路）６０が形成される。
【００３９】
第２挟持部５６の面５６ａには、燃料ガス供給通路６０と燃料ガス供給孔３８ａとに連通し、前記燃料ガス供給通路６０を流れる燃料ガスを前記燃料ガス供給孔３８ａに供給する燃料ガス供給室（反応ガス供給室）６２と、排ガス排出孔３８ｂに連通し、前記排ガス排出孔３８ｂから排ガスを排出する排ガス排出室６４とが設けられる。
【００４０】
燃料ガス供給室６２は、複数列、例えば、５列に配列される燃料ガス供給孔３８ａに対応して５本に分岐する一方、排ガス排出室６４は、例えば、６列に配列される排ガス排出孔３８ｂに対応して６本に分岐され、前記燃料ガス供給室６２と前記排ガス排出室６４とが交互に配置される。
【００４１】
第２挟持部５６の外周外側（セパレータ２８の外周部）には、矢印Ｂ方向外方に突出する板状の第２橋架部６７が設けられるとともに、前記第２橋架部６７には、排ガスを排出する排ガス排出部６８が連結される。排ガス排出室６４は、第２橋架部６７に設けられた排ガス排出通路６９を介して排ガス排出連通孔５０に連通する。
【００４２】
第２挟持部５６の面５６ｂ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（金属メッシュ等の導電性織布）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る。なお、メッシュ部材７２に代えて、導電性フェルト部材（金属フェルト等の導電性不織布）、発泡金属、エキスパンドメタル、パンチングメタル等を採用してもよい。また、第２挟持部５６の面５６ｂ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を形成する複数の突起部（ボス）を設けてもよく、突起部は、エッチングやプレス等により形成される。
【００４３】
図６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の内側周端部と第２挟持部５６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７４に連通する。この酸化剤ガス供給連通孔７４は、各第１挟持部３６及び第２挟持部５６の内方と第１橋架部３４間及び第１橋架部５４間に位置して積層方向（矢印Ａ方向）に延在している。
【００４４】
各セパレータ２８間には、燃料ガス供給連通孔３０及び排ガス排出連通孔５０をシールするための絶縁シール７６ａ、７６ｂが配設される。絶縁シール７６ａ、７６ｂ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。第１挟持部３６及び第２挟持部５６の外周側には、主に反応に使用された酸化剤ガスを含む排ガスを排出するための排ガス通路７８が設けられる。
【００４５】
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。
【００４６】
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橋架部３４、５４同士の間に形成される各酸化剤ガス供給連通孔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。
【００４７】
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。
【００４８】
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、エゼクタ１７及び改質器１６が同軸的に配設される。
【００４９】
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。
【００５０】
流路部材１０８には、略リング状のケーシング１１０が燃料電池スタック１２を構成する各排ガス排出部４８、６８に一体形成された排ガス排出連通孔５０に対応して設けられる。流路部材１０８には、排ガス排出連通孔５０に連通する複数の孔部１０８ｂが形成されるとともに、前記孔部１０８ｂは、ケーシング１１０内に連通して排出ガスチャンバを構成する。ケーシング１１０には、所定数、例えば、１つの管路１１２が連結され、この管路１１２はエゼクタ１７又は改質器１６の吸引口と、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１１７に至る通路１２０に連結される。
【００５１】
エゼクタ１７には、燃料ガス供給管１１４が設けられる一方、改質器１６には、改質ガス供給管１１５が設けられる。燃料ガス供給管１１４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１１５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。
【００５２】
ヘッド板１０４には、空気供給管１１６と排ガス管１１７とが接続される。筐体１８内には、空気供給管１１６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１１７に至る通路１２０とが設けられる。
【００５３】
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。
【００５４】
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連通孔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。
【００５５】
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連通孔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の第１及び第２挟持部３６、５６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。
【００５６】
このように構成される燃料電池モジュール１０の動作について、以下に説明する。
【００５７】
燃料電池モジュール１０では、図１に示すように、燃料ガス供給管１１４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１１６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。
【００５８】
燃料は、エゼクタ１７から改質器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。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６０に導入される（図４及び図６参照）。
【００５９】
燃料ガスは、燃料ガス供給通路６０から燃料ガス供給室６２に一旦導入される。この燃料ガス供給室６２は、第１挟持部３６に設けられている複数且つ５列に配列された燃料ガス供給孔３８ａに連通している。このため、燃料ガスは、燃料ガス供給室６２から各燃料ガス供給孔３８ａを通って、電解質・電極接合体２６を構成するアノード電極２４の電極面全面にわたりシャワー状に供給される（図７参照）。
【００６０】
燃料ガス供給孔３８ａを通ってアノード電極２４に供給された燃料ガスは、燃料ガス通路４０を通り、すなわち、複数の突起部４２によって形成された流路を通り、発電反応に使用された後、複数の排ガス排出孔３８ｂから排ガス排出室６４にシャワー状に排出される。この排ガス排出室６４は、図４に示すように、複数且つ６列に配列された排ガス排出孔３８ｂに連通しており、前記排ガス排出孔３８ｂから前記排ガス排出室６４に排出された排ガスは、排ガス排出通路６９を介して排ガス排出連通孔５０に排出される。
【００６１】
一方、空気は、図１に示すように、空気供給管１１６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連通孔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（反応に使用された空気を含む）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。
【００６２】
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の内側周端部と第１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（図６参照）。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。
【００６３】
従って、電解質・電極接合体２６では、アノード電極２４の電極面全面にわたってシャワー状に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。
【００６４】
なお、各電解質・電極接合体２６の外周部に排出される発電反応後の空気は、排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）。そして、排ガス（含有酸化剤ガス）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１１７から排出される（図１参照）。
【００６５】
この場合、第１の実施形態では、第１挟持部３６は、アノード電極２４の電極面に向かって燃料ガスをシャワー状に導入する複数の燃料ガス供給孔３８ａと、燃料ガス通路４０に供給されて反応に使用された燃料ガスを、排ガスとして前記燃料ガス通路４０からシャワー状に排出する複数の排ガス排出孔３８ｂとを設けている。
【００６６】
このように、燃料ガスは、複数の燃料ガス供給孔３８ａからアノード電極２４の電極面全面にシャワー状に供給されるため、前記電極面内における燃料ガス濃度を均一化することができる。一方、排ガスは、複数の排ガス排出孔３８ｂからシャワー状に排出されるため、電極面内における排ガス濃度を均等化することが可能になる。このため、電極面内の電流密度分布を均一にすることができ、発電効率の向上が容易に遂行される。
【００６７】
さらに、電解質・電極接合体２６における発熱反応となる発電反応を均等化することが可能になる。従って、電解質・電極接合体２６の温度勾配を抑制し、熱応力による前記電解質・電極接合体２６の損傷や劣化等を可及的に阻止するとともに、発電反応により生じた水蒸気が集中することを良好に防止することができるという効果が得られる。
【００６８】
そこで、図８には、従来技術１（特許文献１）、従来技術２（特許文献２）及び本発明の第１の実施形態において、それぞれの水蒸気濃度と電流密度との発生状態が示されている。
【００６９】
従来技術１では、単一の燃料ガス供給孔を備えるだけであり、電解質・電極接合体２６の中心における電流密度及び水蒸気密度と、周縁部における電流密度及び水蒸気濃度とに大きな差が生じた。また、複数の燃料ガス供給孔を備え、外方に排気ガスを排出する従来技術２では、電解質・電極接合体２６の中央から外方にわたって水蒸気濃度及び電流密度の差が比較的小さいものの、前記電解質・電極接合体２６の周縁部に行くに従って、前記水蒸気濃度及び前記電流密度に差が生じた。
【００７０】
これにより、従来技術１及び従来技術２では、電極面内の電流密度分布が不均一になり、発電効率が低下するとともに、温度勾配によって前記電解質・電極接合体２６の損傷や劣化等が発生し易い。
【００７１】
これに対して、第１の実施形態では、電解質・電極接合体２６の発電面内にわたって水蒸気濃度及び電流密度を略均一化することができ、上記の不具合が発生することを抑制することができるという効果が得られた。
【００７２】
さらにまた、第１の実施形態では、図４及び図５に示すように、第１挟持部３６の面３６ａ側の周縁部には、該周縁部から燃料ガス及び排ガスが排出されることを抑制するためのリング状封止部４４が形成されている。従って、発電反応により発生した排ガスが第１挟持部３６の周縁部に集中することを抑制することができ、電解質・電極接合体２６の電極面内における電流密度分布に偏りが生ずることを抑制することが可能になる。このため、発電効率の向上及び安定化を図るとともに、電解質・電極接合体２６の温度勾配を抑制し、熱応力による前記電解質・電極接合体２６の損傷や劣化等を可及的に阻止することができる。
【００７３】
さらに、第２挟持部５６には、燃料ガス供給孔３８ａに連通する燃料ガス供給室６２と、排ガス排出孔３８ｂに連通する排ガス排出室６４とが設けられている。燃料ガス供給室６２は、反応前の燃料ガスの圧力変動や圧力不均等を整える機能を有しており、燃料ガス供給孔３８ａから電解質・電極接合体２６の電極面に供給される燃料ガスは、前記電極面内における燃料ガス濃度を均等化することができる。一方、排ガス排出室６４は、排ガスの排出を促進させるとともに、燃料ガスの供給も促進させる機能を有しており、アノード電極２４の電極面内における排ガス濃度を均等化することが可能である。
【００７４】
これにより、アノード電極２４の電極面内の電流密度分布を均一にして発電効率の向上が遂行されるとともに、電解質・電極接合体２６における温度勾配を抑制し、熱応力による前記電解質・電極接合体２６の損傷や劣化等を可及的に阻止することができる。
【００７５】
さらに、第１挟持部３６にのみ、繊細な製造工程が必要である微細孔である燃料ガス供給孔３８ａ及び排ガス排出孔３８ｂが形成されており、第２挟持部５６には、この種の微細な製造工程が不要になる。従って、微細な製造工程の有無により第１挟持部３６と第２挟持部５６とを別体に構成することができ、製造コストの削減及び歩留りの向上が容易に図られる。
【００７６】
さらにまた、第１の実施形態では、図４及び図６に示すように、電解質・電極接合体２６で反応に使用された燃料ガスは、排ガスとして排ガス排出通路６９を介して排ガス排出連通孔５０に排出される。この排ガスは、排ガス排出連通孔５０に沿って積層方向に移動する。そして、排ガスは、図１に示すように、管路１１２を通ってエゼクタ１７に吸引されている。このエゼクタ１７から改質器１６に送られる排ガスは、前記改質器１６から燃料電池スタック１２に対し、新たな燃料ガスとして再度供給されている。
【００７７】
このため、第１の実施形態では、排ガス中に残存する未反応の燃料ガスを、燃料ガスとして再利用することができ、燃料の利用率が良好に向上するという効果が得られる。
【００７８】
さらに、改質器１６の上流側にエゼクタ１７が連結されるとともに、燃料電池スタック１２の排ガス排出通路６９は、管路１１２を介して前記エゼクタ１７に連通している。従って、エゼクタ１７は、負圧を利用して排出燃料ガスを排ガス排出通路６９から吸引することができ、ポンプ等の負荷が不要になって燃料ガスの有効利用が、一層効率的且つ経済的に遂行可能になるという利点がある。
【００７９】
図９は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュール１４０の一部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池モジュール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。
【００８０】
燃料電池モジュール１４０では、エゼクタを用いておらず、管路１１２が改質器１６に連結されている。このため、改質器１６に供給される新たな燃料と排ガスとの圧力差により、前記排ガスが前記改質器１６に吸引されて前記新たな燃料と混合することができる。これにより、第２の実施形態では、エゼクタを削除することができ、構成が一層簡素化されるという効果が得られる。
【００８１】
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池２００が矢印Ａ方向に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。
【００８２】
図１１に示すように、燃料電池２００は、一組のセパレータ２０４間に電解質・電極接合体２６を挟んで構成される。セパレータ２０４は、互いに積層される第１、第２及び第３プレート２０６、２０８及び２１０を備える。第１〜第３プレート２０６、２０８及び２１０は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成され、前記第２プレート２０８の両面に、前記第１プレート２０６と前記第３プレート２１０とが、例えば、ろう付け、拡散接合又はレーザ溶接等により接合される。
【００８３】
第１プレート２０６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３０が形成される燃料ガス供給部（反応ガス供給部）２１２を備える。燃料ガス供給部２１２には、幅狭な第１橋架部２１４を介して第１挟持部２１６が一体的に設けられる。第１挟持部２１６は、電解質・電極接合体２６のアノード電極２４と略同一寸法に設定されている。第１挟持部２１６には、幅狭な第２橋架部２１８を介して排ガスを排出するための排ガス排出連通孔５０を設けた排ガス排出部２２０が連結される。
【００８４】
第３プレート２１０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７４が形成される酸化剤ガス供給部（反応ガス供給部）２２８を備える。酸化剤ガス供給部２２８には、幅狭な第３橋架部２３０を介して第２挟持部２３２が一体的に設けられる。
【００８５】
第２挟持部２３２は、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２に接する面に、前記カソード電極２２の電極面全面に酸化剤ガスをシャワー状に供給する複数の酸化剤ガス供給孔３８ｃと、前記カソード電極２２で反応に使用された酸化剤ガスを、排ガスとしてシャワー状に排出するための複数の排ガス排出孔３８ｄとが、交互に配設される。酸化剤ガス供給孔３８ｃと排ガス排出孔３８ｄとの間には、突起部４２ａが設けられる（図１１及び図１２参照）。
【００８６】
図１１に示すように、第２プレート２０８は、燃料ガス供給連通孔３０が形成される燃料ガス供給部（反応ガス供給部）２３８と、排ガス排出連通孔５０が形成される排ガス排出部２３９と、酸化剤ガス供給連通孔７４が形成される酸化剤ガス供給部２４０とを備える。燃料ガス供給部２３８、排ガス排出部２３９及び酸化剤ガス供給部２４０は、幅狭な第１橋架部２４２、第２橋架部２４３及び第３橋架部２４４を介して第３挟持部２４６に一体的に構成される。第３挟持部２４６は、第１及び第２挟持部２１６、２３２と略同一直径に設定される。
【００８７】
第３挟持部２４６は、第１挟持部２１６に向かう面に、燃料ガス供給室６２と排ガス排出室６４とを分離して形成する。この第３挟持部２４６は、第２挟持部２３２に向かう面に、図１３に示すように、酸化剤ガス供給室６２ａと、排ガス排出室６４ａとを分離して形成する。酸化剤ガス供給室６２ａは、酸化剤ガス供給孔３８ｃに連通するとともに、排ガス排出室６４ａは、排ガス排出孔３８ｄに連通する。
【００８８】
第１橋架部２１４、２４２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６０が設けられる（図１１参照）。第２橋架部２１８、２４３間には、排ガス排出連通孔５０に連通する排ガス排出通路６９が設けられるとともに、第３橋架部２３０、２４４間には、酸化剤ガス供給連通孔７４に連通する酸化剤ガス供給通路２５２が設けられる。
【００８９】
図１０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２５４ａ、２５４ｂを配置する。エンドプレート２５４ａもしくはエンドプレート２５４ｂは、締付ボルト２５８と電気的に絶縁される。エンドプレート２５４ａには、燃料電池２００の燃料ガス供給連通孔３０に連通する第１配管２５６ａと、酸化剤ガス供給連通孔７４に連通する第２配管２５６ｂと、排ガス排出連通孔５０に連通する第３配管２５６ｃとが接続される。第３配管２５６ｃは、第１配管２５６ａの上流側に連通しており、排ガス排出連通孔５０と燃料ガス通路４０とは、燃料ガス供給連通孔３０を介して連通する。
【００９０】
エンドプレート２５４ａには、燃料ガス供給連通孔３０の上下両側、酸化剤ガス供給連通孔７４の上下両側にねじ孔２６０が形成される。各ねじ孔２６０に締付ボルト２５８が螺合することによって、燃料電池スタック２０２が締め付け保持される。
【００９１】
このように構成される燃料電池スタック２０２では、エンドプレート２５４ａに接続されている第１配管２５６ａから燃料ガス供給連通孔３０には、燃料ガスが供給されるとともに、前記エンドプレート２５４ａに接続された第２配管２５６ｂから酸化剤ガス供給連通孔７４には、酸素含有ガスである空気が供給される。
【００９２】
燃料ガス供給連通孔３０に供給された燃料ガスは、図１２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２００を構成するセパレータ２０４内の燃料ガス供給通路６０に供給される。燃料ガスは、燃料ガス供給通路６０に沿って燃料ガス供給室６２に供給される。
【００９３】
燃料ガス供給室６２には、複数の燃料ガス供給孔３８ａが連通しており、燃料ガスは、前記燃料ガス供給孔３８ａから燃料ガス通路４０にシャワー状に供給される。発電反応に使用された燃料ガスは、複数の排ガス排出孔３８ｂから排ガス排出室６４にシャワー状に排出される。
【００９４】
一方、酸化剤ガス供給連通孔７４に供給される空気は、セパレータ２０４内の酸化剤ガス供給通路２５２を移動し、酸化剤ガス供給室６２ａに供給される（図１３参照）。さらに、空気は、複数の酸化剤ガス供給孔３８ｃから酸化剤ガス通路７０にシャワー状に供給される。発電反応に使用された酸化剤ガスは、複数の排ガス排出孔３８ｄから排ガス排出室６４ａにシャワー状に排出される。
【００９５】
この場合、第３の実施形態では、酸化剤ガスが複数の酸化剤ガス供給孔３８ｃからカソード電極２２の電極面全面にシャワー状に供給されるため、前記電極面内における酸化剤ガス濃度を均等化することができる。一方、排ガス（使用済みの酸化剤ガス）は、複数の排ガス排出孔３８ｄからシャワー状に排出されるため、カソード電極２２の電極面内における排ガス濃度を均等化することが可能になる。
【００９６】
さらに、排ガス排出室６４にシャワー状に排出された排ガス（使用された燃料ガス）は、排ガス排出通路６９に流入し、この排ガス排出通路６９を介して排ガス排出連通孔５０に排出されて積層方向（矢印Ａ方向）に移動する。排ガスは、図１０に示すように、排ガス排出連通孔５０に連結される第３配管２５６ｃに沿って移動した後、第１配管２５６ａの上流側に合流する。
【００９７】
このため、排ガスは、新たな（反応前の）燃料ガスと共に第１配管２５６ａから燃料ガス供給連通孔３０に送られる。従って、燃料ガスがアノード電極２４に沿って燃料ガス通路４０を流動した後の排ガス中に残存する未反応の燃料ガスを、燃料ガスとして再利用することができ、燃料ガスの利用率を有効に向上させることができる等、第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００９８】
図１４は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池３００を組み込む燃料電池モジュール３０２の一部断面説明図であり、図１５は、前記燃料電池３００が矢印Ａ方向に複数積層された燃料電池スタック３０４の概略斜視説明図である。
【００９９】
燃料電池３００は、図１６に示すように、一対のセパレータ３０６間に複数、例えば、４個の電解質・電極接合体２６を挟んで構成される。セパレータ３０６間には、このセパレータ３０６の中心部である燃料ガス供給連通孔３０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３０と同心円上に４個の電解質・電極接合体２６が配置される。
【０１００】
セパレータ３０６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３０８及び第２プレート３１０を有する。第１プレート３０８及び第２プレート３１０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３０８及び第２プレート３１０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。
【０１０１】
第１プレート３０８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３０が形成される燃料ガス供給部（反応ガス供給部）３１２を有する。この燃料ガス供給部３１２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橋架部３１４を介し第１挟持部３１６が一体に設けられる。第１挟持部３１６は、電解質・電極接合体２６と略同一寸法に設定される。
【０１０２】
各第１挟持部３１６の外周両側には、外方に突出する第２橋架部３１８が設けられるとともに、隣り合う第１挟持部３１６の各第２橋架部３１８同士は、排ガス排出部３２０に一体化される。各第１挟持部３１６には、短尺な第３橋架部３２２を介して環状の第１筐体部３２４が一体に設けられる。
【０１０３】
第１筐体部３２４は、酸化剤ガスを後述する酸化剤ガス供給通路３４８に供給するための酸化剤ガス供給連通孔７４が積層方向に形成される酸化剤ガス供給部（反応ガス供給部）３２６を有する。第１筐体部３２４には、複数のボルト挿入用孔部３２８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３０、第１橋架部３１４、第１挟持部３１６、第３橋架部３２２及び酸化剤ガス供給連通孔７４は、セパレータ面方向に沿って直線上に配置される（図１６〜図１８参照）。
【０１０４】
図１６及び図１９に示すように、第２プレート３１０は、中央部に燃料ガス供給連通孔３０が形成される燃料ガス供給部（反応ガス供給部）３３０を有する。この燃料ガス供給部３３０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橋架部３３２を介して第２挟持部３３４が一体に設けられる。第２挟持部３３４は、第１挟持部３１６と同様に、電解質・電極接合体２６と略同一寸法に設定される。
【０１０５】
各第２挟持部３３４の外周両側には、外方に突出する第２橋架部３３６が設けられるとともに、隣り合う第２挟持部３３４の各第２橋架部３３６同士は、排ガス排出部３３８に一体化される。各第２挟持部３３４には、短尺な第３橋架部３４０を介して環状の第２筐体部３４２が一体に設けられる。
【０１０６】
第２筐体部３４２には、酸化剤ガス供給連通孔７４が積層方向に形成される酸化剤ガス供給部３２６と、ボルト挿入用孔部３２８とが設けられる。この第２筐体部３４２の第１筐体部３２４に接合される面には、酸化剤ガス供給連通孔７４から供給される酸化剤ガスを充填するための充填室３４６が形成される。
【０１０７】
充填室３４６は、各第３橋架部３４０から各第２挟持部３３４の中央部近傍まで延在する酸化剤ガス供給通路（反応ガス供給通路）３４８に連通する。酸化剤ガス供給通路３４８の先端には、第２挟持部３３４を貫通する酸化剤ガス供給孔３５０が連通する。
【０１０８】
各セパレータ３０６間には、図示しないが、燃料ガス供給連通孔３０をシールするための第１絶縁シールと、酸化剤ガス供給連通孔７４をシールするための第２絶縁シールとが設けられる。第１絶縁シール及び第２絶縁シールは、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。
【０１０９】
図１４及び図１５に示すように、燃料電池スタック３０４は、複数の燃料電池３００の積層方向一端に、略円板状の第１エンドプレート３５２ａが配置されるとともに、積層方向他端に、隔壁３５４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３５２ｂと、大径且つ略リング状の固定リング３５２ｃとが配置される。隔壁３５４は、排ガスが燃料電池３００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３５２ｂは、各電解質・電極接合体２６の積層位置に対応して４つ配設される。
【０１１０】
第１エンドプレート３５２ａ及び固定リング３５２ｃは、セパレータ３０６のボルト挿入用孔部３２８に連通する複数の孔部３５６を有する。孔部３５６からボルト挿入用孔部３２８に挿入されるボルト３５８及び前記ボルト３５８に螺合するナット３６０を介し、セパレータ３０６の第１筐体部３２４及び第２筐体部３４２が第１エンドプレート３５２ａに締め付け固定される。
【０１１１】
第１エンドプレート３５２ａには、燃料ガス供給連通孔３０に連通する単一の燃料ガス供給パイプ３６２と、各酸化剤ガス供給連通孔７４に連通する４本の酸化剤ガス供給パイプ３６４と、排ガス排出連通孔５０に連通する４本の排ガスリサイクルパイプ３６６と、排ガス通路７８に連通する４本の酸化剤ガス排出パイプ３６８とが設けられる。
【０１１２】
第１エンドプレート３５２ａは、板状カラー部材３７０を介して支持プレート３７２が固定される。支持プレート３７２と第１エンドプレート３５２ａとの間には、燃料ガス供給部３１２、３３０に締め付け荷重を付与する第１荷重付与部３７４と、酸化剤ガス供給部３２６に締め付け荷重を付与する第２荷重付与部３７６と、各電解質・電極接合体２６に締め付け荷重を付与する第３荷重付与部３７８とが設けられる。
【０１１３】
第１荷重付与部３７４は、燃料ガス供給連通孔３０から燃料ガスが漏れることを阻止するために燃料電池３００の中央部（燃料ガス供給部３１２、３３０の中央部）に配置される押圧部材３８０を備え、この押圧部材３８０は、４つの第２エンドプレート３５２ｂの配列中心近傍に位置して前記燃料電池３００に隔壁３５４を介して押圧する。押圧部材３８０には、第１受け部材３８２ａ及び第２受け部材３８２ｂを介して第１スプリング３８４が配置される。第２受け部材３８２ｂには、第１押圧ボルト３８６の先端が当接する。第１押圧ボルト３８６は、支持プレート３７２に形成された第１ねじ孔３８８に螺合するとともに、第１ナット３９０を介して位置調整可能に固定される。
【０１１４】
第２荷重付与部３７６は、孔部３５６からボルト挿入用孔部３２８に挿入されるボルト３５８と、前記ボルト３５８に螺合するナット３６０とを備え、酸化剤ガス供給部３２６から酸化剤ガスが漏れることを阻止する機能を有する。
【０１１５】
第３荷重付与部３７８は、第２エンドプレート３５２ｂに各電解質・電極接合体２６に対応して配置される第３受け部材３９２ａを備える。第３受け部材３９２ａは、ピン３９４を介して第２エンドプレート３５２ｂに位置決め支持される。第３受け部材３９２ａに第２スプリング３９６の一端が当接する一方、前記第２スプリング３９６の他端が第４受け部材３９２ｂに当接する。第４受け部材３９２ｂには、第２押圧ボルト３９８の先端が当接する。第２押圧ボルト３９８は、支持プレート３７２に形成された第２ねじ孔４００に螺合するとともに、第２ナット４０２を介して位置調整可能に固定される。
【０１１６】
図１４に示すように、酸化剤ガス供給パイプ３６４は、熱交換器１４の通路１１８に連通し、排ガスリサイクルパイプ３６６は、エゼクタ１７又は改質器１６の吸引口と、燃料電池３００の排ガス通路７８から熱交換器１４を介して排ガス管１１７に至る通路１２０に連結され、酸化剤ガス排出パイプ３６８は、前記熱交換器１４の通路１２０に連通する。
【０１１７】
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。
【０１１８】
図１４及び図１５に示すように、第１エンドプレート３５２ａに接続されている燃料ガス供給パイプ３６２から燃料ガス供給連通孔３０には、燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給パイプ３６４から酸化剤ガス供給連通孔７４には、酸素含有ガスである空気が供給される。
【０１１９】
燃料ガス供給連通孔３０に供給された燃料ガスは、図１７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３００を構成するセパレータ３０６の燃料ガス供給通路６０から燃料ガス供給室６２に一旦供給される。燃料ガスは、燃料ガス供給室６２から各燃料ガス供給孔３８ａを通って、電解質・電極接合体２６を構成するアノード電極２４の電極面全面にわたりシャワー状に供給される。
【０１２０】
アノード電極２４で発電反応に使用された燃料ガスは、排ガスとして複数の排ガス排出孔３８ｂから排ガス排出室６４にシャワー状に排出された後、排ガス排出通路６９を介して排ガス排出連通孔５０に排出される。そして、排ガスは、図１４に示すように、エゼクタ１７から改質器１６に送られ、前記改質器１６から燃料電池スタック１２に対して新たな燃料ガスとして再度供給されている。
【０１２１】
一方、酸化剤ガス供給連通孔７４に供給される空気は、第１プレート３０８の第１筐体部３２４と第２プレート３１０の第２筐体部３４２との間に設けられる充填室３４６に一旦充填される。この充填室３４６には、酸化剤ガス供給通路３４８が連通しており、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス供給通路３４８に沿って第１挟持部３１６及び第２挟持部３３４の中心側に移動する。
【０１２２】
第２挟持部３３４の中心近傍には、酸化剤ガス供給孔３５０が連通するとともに、前記酸化剤ガス供給孔３５０は、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２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、酸化剤ガス供給孔３５０からカソード電極２２に供給され、このカソード電極２２の略中心部から外周部に向かってメッシュ部材（金属メッシュ等の導電性織布）７２に形成された酸化剤ガス通路７０を流動する。なお、メッシュ部材７２に代えて、導電性フェルト部材（金属フェルト等の導電性不織布）、発泡金属、エキスパンドメタル、パンチングメタル等を採用してもよい。また、第２挟持部３３４のカソード電極２２側の面には、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を形成する複数の突起部（ボス）を設けてもよく、突起部は、エッチングやプレス等により形成される。
【０１２３】
これにより、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を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を組み込む燃料電池モジュールの一部断面説明図である。
【図２】前記燃料電池が矢印Ａ方向に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３】前記燃料電池の分解斜視説明図である。
【図４】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５】前記セパレータの一方の面の一部拡大説明図である。
【図６】前記燃料電池の、図５中、ＶＩ−ＶＩ線断面説明図である。
【図７】前記燃料電池の、図５中、ＶＩＩ−ＶＩＩ線断面説明図である。
【図８】従来技術と第１の実施形態の水蒸気濃度及び電流密度の関係説明図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を組み込む燃料電池モジュールの一部断面説明図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池が矢印Ａ方向に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１１】前記燃料電池の分解斜視説明図である。
【図１２】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１３】前記燃料電池を構成する第２プレートの正面説明図である。
【図１４】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池が矢印Ａ方向に積層された燃料電池モジュールの一部断面説明図である。
【図１５】前記燃料電池スタックの概略斜視説明図である。
【図１６】前記燃料電池の分解斜視説明図である。
【図１７】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１８】セパレータを構成する第１プレートの説明図である。
【図１９】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２０】特許文献１の平板積層型燃料電池を構成するセパレータの説明図である。
【図２１】特許文献２の燃料電池用セパレータの説明図である。
【符号の説明】
【０１２５】
１０、１４０、３０２…燃料電池モジュール
１１、２００、３００…燃料電池
１２、２０２、３０４…燃料電池スタック
１４…熱交換器 １６…改質器
１７…エゼクタ 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、２０４、３０６…セパレータ
２８ａ、２８ｂ、２０６、２０８、２１０、３０８、３１０…プレート
３０…燃料ガス供給連通孔
３２、５２、２１２、２３８、３１２、３３０…燃料ガス供給部
３４、４６、５４、６７、２１４、２１８、２３０、２４２、２４３、２４４、３１４、３１８、３２２、３３２、３３６、３４０…橋架部
３６、５６、２１６、２３２、２４６、３１６、３３４…挟持部
３８ａ…燃料ガス供給孔 ３８ｂ、３８ｄ…排ガス排出孔
３８ｃ…酸化剤ガス供給孔 ４２、４２ａ…突起部
４４…リング状封止部
４８、６８、２２０、２３９、３２０、３３８…排ガス排出部
５０…排ガス排出連通孔 ６０…燃料ガス供給通路
６２…燃料ガス供給室 ６４、６４ａ…排ガス排出室
６９…排ガス排出通路 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 ９６ａ、９６ｂ、３２４、３４２…筐体部
２２８、２４０、３２６…酸化剤ガス供給部
２５２、３４８…酸化剤ガス供給通路
３４６…充填室
【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・電極接合体が、セパレータ間に積層される燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
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（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、ＭＥＡ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】
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。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されている平板積層型燃料電池は、図２０に示すように、発電セルに積層されるセパレータ１を備えている。セパレータ１は、左右のマニホールド部分２ａ、２ａと、中央の発電セルを配置する部分２ｂとが、連結部分２ｃ、２ｃにより連結されており、この連結部分２ｃが可撓性を有している。
【０００５】
マニホールド部分２ａ、２ａには、ガス孔３、４が設けられており、一方のガス孔３は、燃料ガス通路３ａに連通するとともに、他方のガス孔４は、酸化剤ガス通路４ａに連通している。燃料ガス通路３ａ及び酸化剤ガス通路４ａは、部分２ｂ内にらせん状に延在しており、この部分２ｂの中央部近傍で、図示しない燃料極集電体及び空気極集電体に開放されている。
【０００６】
ところで、この特許文献１では、燃料ガス及び酸化剤ガスが、発電セルの中心部から供給されて前記発電セルの外周部に向かって排出されている。このため、発電セルの電極面内において、中央部と外周部とに反応ガスの濃度差が発生し、前記電極面内における電流密度分布に偏りが生じて発電効率の向上が図れないという問題がある。
【０００７】
しかも、発電セルの電極面内には、発電反応の差が発生して前記電極面内に温度勾配が生じ易い。従って、発電セルには、熱応力により損傷や劣化等の発電不良が惹起するおそれがある。
【０００８】
さらに、発電セルの中央部から外周部に向かって、燃料ガス及び酸化剤ガスが流れるため、特にこの発電セルの外周部に発電反応により発生した水蒸気が集中する。これにより、発電セルが劣化し易いという問題がある。
【０００９】
そこで、例えば、特許文献２に開示されている燃料電池用セパレータでは、図２１に示すように、セパレータ内部に中空部５が設けられるとともに、この中空部５は、ガス導入口６に連通している。セパレータ積層面７には、ガス導入口６から中空部５内に導入された反応ガスを吐出するための複数のガス吐出口８が、前記積層面７の略全域にわたって設けられている。従って、セパレータ内部に導入された反応ガスは、複数のガス吐出口８から発電セルに向かってシャワー状に吐出されている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−１２０５８９号公報（図４）
【特許文献２】特開２００５−２２８７３４号公報（図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記の特許文献２では、発電セルに向かってシャワー状に反応ガスを吐出する一方、反応後の排ガスを前記発電セルの外周部から排出しているため、前記外周部近傍で反応ガス濃度が低下し易い。これにより、発電セルの電極面内における反応ガス濃度に差が生じ、前記電極面内における電流密度分布に偏りが発生するという問題がある。
【００１２】
しかも、発電セルの外周部では、ガス吐出口８近傍に比べて排ガス濃度が高くなり、電極面内における発電反応に差が生じてしまう。従って、発電セルに温度勾配が生じ、熱応力によって前記発電セルに損傷や劣化等の不良が生じるおそれがある。
【００１３】
さらにまた、発電セルの外周部から排ガスが排出されるため、この発電セルの外周部には、発電反応で発生した水蒸気が集中し易い。このため、発電セルが劣化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、電解質・電極接合体の発電面全体に反応ガスを均一且つ良好に供給するとともに、反応ガス濃度及び発電反応を均一化し、しかも反応ガスの利用率を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。
【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。
【００１６】
セパレータは、電解質・電極接合体を挟持するとともに、少なくともアノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給する又はカソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給する反応ガス通路が設けられる挟持部と、前記挟持部に連結され、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記反応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第１橋架部と、前記第１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、前記挟持部に連結され、前記電解質・電極接合体で使用された前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを、排ガスとして前記反応ガス通路から排出させるための排ガス排出通路が形成される第２橋架部と、前記第２橋架部に連結され、前記排ガスを前記積層方向に流動させるための排ガス排出連通孔が形成される排ガス排出部とを備えている。
【００１７】
そして、挟持部には、少なくとも反応ガス通路に燃料ガス又は酸化剤ガスを雨浴状に供給する複数の反応ガス供給孔と、排ガスを前記反応ガス通路から雨浴状に排出して排ガス排出通路に送る複数の排ガス排出孔と、前記反応ガス通路側の周縁部から前記排ガスが排出されることを抑制する封止部とが形成されるとともに、排ガス排出連通孔は、反応ガス供給連通孔を介して前記反応ガス通路に連通している。
【００１８】
また、燃料を改質して燃料ガスを生成し、燃料ガスを反応ガス供給連通孔に供給するための改質器を備えるとともに、排ガス排出連通孔は、前記改質器を介して前記反応ガス供給連通孔に連通することが好ましい。
【００１９】
さらに、改質器の上流側には、エゼクタが配設されるとともに、排ガス排出連通孔は、前記エゼクタを介して前記改質器に連通することが好ましい。
【００２０】
さらにまた、挟持部は、反応ガス供給孔に連通して反応ガス供給孔に反応ガスを供給するための反応ガス供給室と、排ガス排出孔に連通して排ガス排出孔から排ガスを排出するための排ガス排出室とを設けることが好ましい。
【００２１】
また、反応ガス通路は、反応ガス供給孔を介して反応ガス供給室に連通するとともに、排ガス排出孔を介して排ガス排出室に連通することが好ましい。
【００２２】
さらに、挟持部は、反応ガス供給孔及び排ガス排出孔が形成される第１プレート部と、前記第１プレート部との間に、反応ガス供給室及び排ガス排出室が形成される第２プレート部とを備え、前記第１プレート部と前記第２プレート部とが積層されることが好ましい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、反応ガスは、複数の反応ガス供給孔から電解質・電極接合体の電極面全面に雨浴状に供給されるため、前記電極面内における反応ガス濃度を均等化することができる。一方、排ガスは、複数の排ガス排出孔から雨浴状に排出されるため、電解質・電極接合体の電極面内における排ガス濃度を均等化することが可能である。これにより、電極面内の電流密度分布を均一にすることができ、発電効率の向上が遂行される。
【００２４】
さらに、電解質・電極接合体における発熱反応となる発電反応を均等化することが可能になる。このため、電解質・電極接合体の温度勾配を抑制し、熱応力による前記電解質・電極接合体の損傷や劣化等を可及的に阻止するとともに、発電反応により生じた水蒸気が集中することを良好に防止することができる。
【００２５】
しかも、挟持部の反応ガス通路側の周縁部には、前記周縁部から排ガスが排出されることを抑制するための封止部が形成されている。従って、発電反応により発生した排ガスは、挟持部の周縁部に集中することを抑制することができ、電解質・電極接合体の電極面内における電流密度分布に偏りが生ずることを抑制することが可能になる。これにより、発電効率の向上及び安定化を図るとともに、電解質・電極接合体の温度勾配を抑制して熱応力による前記電解質・電極接合体の損傷や劣化等を可及的に阻止することができる。
【００２６】
さらに、電解質・電極接合体で使用された燃料ガス又は酸化剤ガスは、排ガスとして排ガス排出孔から第２橋架部の排ガス排出通路に排出され、さらに排ガス排出連通孔に沿って積層方向に流動した後、反応ガスとして反応ガス供給連通孔から反応ガス通路に再度供給されている。このため、排ガス中に残存する未反応の反応ガスを再利用することができ、反応ガスの利用率が良好に向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
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モジュール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。
【００２８】
燃料電池モジュール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。燃料電池モジュール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、前記改質器１６の上流側に配設されて後述する排出燃料ガスを含む排ガスを吸引するエゼクタ１７と、前記燃料電池スタック１２、前記熱交換器１４、前記改質器１６及び前記エゼクタ１７を収容する筐体（ケーシング）１８とを備える。
【００２９】
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、改質器１６及びエゼクタ１７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。
【００３０】
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。
【００３１】
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（反応ガス供給連通孔）３０と同心円上に配列される。
【００３２】
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２枚の金属プレートやカーボンプレート等である第１プレート２８ａ及び第２プレート２８ｂを、例えば、ろう付け、拡散接合やレーザ溶接等により接合して構成される。第１プレート２８ａは、中央部に燃料ガス供給連通孔３０を形成する燃料ガス供給部（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第１挟持部（第１プレート部）３６が一体的に設けられる。
【００３３】
各第１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る。各第１挟持部３６には、燃料ガスを電解質・電極接合体２６を構成するアノード電極２４に雨浴状（以下、シャワー状という）に供給するための複数の燃料ガス供給孔（反応ガス供給孔）３８ａと、前記アノード電極２４で反応に使用された燃料ガスを、排ガスとしてシャワー状に排出するための複数の排ガス排出孔３８ｂとが、配列される（図３〜図５参照）。
【００３４】
各第１挟持部３６のアノード電極２４に接触する面３６ａには、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（反応ガス通路）４０が形成される。面３６ａには、燃料ガスが燃料ガス供給孔３８ａから排ガス排出孔３８ｂに直線状に流れることを規制する複数の突起部４２が形成される。第１挟持部３６の面３６ａ側の周縁部には、前記周縁部から燃料ガス及び排ガスが排出されることを抑制するためのリング状封止部（凸部）４４が形成される。
【００３５】
突起部４２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４２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４２と同様に構成される。
【００３６】
第１挟持部３６の外周外側（セパレータ２８の外周部）には、矢印Ｂ方向外方に突出する板状の第２橋架部４６が設けられるとともに、前記第２橋架部４６には、排ガス（反応に使用された燃料ガスを含む）を排出する排ガス排出部４８が連結される。この排ガス排出部４８には、排ガスを積層方向に流動させるための排ガス排出連通孔５０が形成される。
【００３７】
第２プレート２８ｂ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）５２を備える。燃料ガス供給部５２から放射状に８本の第１橋架部５４が延在するとともに、各第１橋架部５４には、第２挟持部（第２プレート部）５６が一体に設けられる。
【００３８】
燃料ガス供給部５２から各第１橋架部５４を周回して、凸部５８が設けられる。この凸部５８は、セパレータ２８の燃料ガス供給部３２及び各第１橋架部３４に接合されることにより、燃料ガス供給連通孔３０に連通してセパレータ面方向に延在する燃料ガス供給通路（反応ガス供給通路）６０が形成される。
【００３９】
第２挟持部５６の面５６ａには、燃料ガス供給通路６０と燃料ガス供給孔３８ａとに連通し、前記燃料ガス供給通路６０を流れる燃料ガスを前記燃料ガス供給孔３８ａに供給する燃料ガス供給室（反応ガス供給室）６２と、排ガス排出孔３８ｂに連通し、前記排ガス排出孔３８ｂから排ガスを排出する排ガス排出室６４とが設けられる。
【００４０】
燃料ガス供給室６２は、複数列、例えば、５列に配列される燃料ガス供給孔３８ａに対応して５本に分岐する一方、排ガス排出室６４は、例えば、６列に配列される排ガス排出孔３８ｂに対応して６本に分岐され、前記燃料ガス供給室６２と前記排ガス排出室６４とが交互に配置される。
【００４１】
第２挟持部５６の外周外側（セパレータ２８の外周部）には、矢印Ｂ方向外方に突出する板状の第２橋架部６７が設けられるとともに、前記第２橋架部６７には、排ガスを排出する排ガス排出部６８が連結される。排ガス排出室６４は、第２橋架部６７に設けられた排ガス排出通路６９を介して排ガス排出連通孔５０に連通する。
【００４２】
第２挟持部５６の面５６ｂ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（金属メッシュ等の導電性織布）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る。なお、メッシュ部材７２に代えて、導電性フェルト部材（金属フェルト等の導電性不織布）、発泡金属、エキスパンドメタル、パンチングメタル等を採用してもよい。また、第２挟持部５６の面５６ｂ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を形成する複数の突起部（ボス）を設けてもよく、突起部は、エッチングやプレス等により形成される。
【００４３】
図６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の内側周端部と第２挟持部５６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７４に連通する。この酸化剤ガス供給連通孔７４は、各第１挟持部３６及び第２挟持部５６の内方と第１橋架部３４間及び第１橋架部５４間に位置して積層方向（矢印Ａ方向）に延在している。
【００４４】
各セパレータ２８間には、燃料ガス供給連通孔３０及び排ガス排出連通孔５０をシールするための絶縁シール７６ａ、７６ｂが配設される。絶縁シール７６ａ、７６ｂ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。第１挟持部３６及び第２挟持部５６の外周側には、主に反応に使用された酸化剤ガスを含む排ガスを排出するための排ガス通路７８が設けられる。
【００４５】
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。
【００４６】
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橋架部３４、５４同士の間に形成される各酸化剤ガス供給連通孔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。
【００４７】
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。
【００４８】
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、エゼクタ１７及び改質器１６が同軸的に配設される。
【００４９】
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。
【００５０】
流路部材１０８には、略リング状のケーシング１１０が燃料電池スタック１２を構成する各排ガス排出部４８、６８に一体形成された排ガス排出連通孔５０に対応して設けられる。流路部材１０８には、排ガス排出連通孔５０に連通する複数の孔部１０８ｂが形成されるとともに、前記孔部１０８ｂは、ケーシング１１０内に連通して排出ガスチャンバを構成する。ケーシング１１０には、所定数、例えば、１つの管路１１２が連結され、この管路１１２はエゼクタ１７又は改質器１６の吸引口と、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１１７に至る通路１２０に連結される。
【００５１】
エゼクタ１７には、燃料ガス供給管１１４が設けられる一方、改質器１６には、改質ガス供給管１１５が設けられる。燃料ガス供給管１１４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１１５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。
【００５２】
ヘッド板１０４には、空気供給管１１６と排ガス管１１７とが接続される。筐体１８内には、空気供給管１１６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１１７に至る通路１２０とが設けられる。
【００５３】
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。
【００５４】
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連通孔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。
【００５５】
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連通孔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の第１及び第２挟持部３６、５６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。
【００５６】
このように構成される燃料電池モジュール１０の動作について、以下に説明する。
【００５７】
燃料電池モジュール１０では、図１に示すように、燃料ガス供給管１１４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１１６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。
【００５８】
燃料は、エゼクタ１７から改質器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。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６０に導入される（図４及び図６参照）。
【００５９】
燃料ガスは、燃料ガス供給通路６０から燃料ガス供給室６２に一旦導入される。この燃料ガス供給室６２は、第１挟持部３６に設けられている複数且つ５列に配列された燃料ガス供給孔３８ａに連通している。このため、燃料ガスは、燃料ガス供給室６２から各燃料ガス供給孔３８ａを通って、電解質・電極接合体２６を構成するアノード電極２４の電極面全面にわたりシャワー状に供給される（図７参照）。
【００６０】
燃料ガス供給孔３８ａを通ってアノード電極２４に供給された燃料ガスは、燃料ガス通路４０を通り、すなわち、複数の突起部４２によって形成された流路を通り、発電反応に使用された後、複数の排ガス排出孔３８ｂから排ガス排出室６４にシャワー状に排出される。この排ガス排出室６４は、図４に示すように、複数且つ６列に配列された排ガス排出孔３８ｂに連通しており、前記排ガス排出孔３８ｂから前記排ガス排出室６４に排出された排ガスは、排ガス排出通路６９を介して排ガス排出連通孔５０に排出される。
【００６１】
一方、空気は、図１に示すように、空気供給管１１６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連通孔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（反応に使用された空気を含む）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。
【００６２】
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の内側周端部と第１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（図６参照）。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。
【００６３】
従って、電解質・電極接合体２６では、アノード電極２４の電極面全面にわたってシャワー状に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。
【００６４】
なお、各電解質・電極接合体２６の外周部に排出される発電反応後の空気は、排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）。そして、排ガス（含有酸化剤ガス）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１１７から排出される（図１参照）。
【００６５】
この場合、第１の実施形態では、第１挟持部３６は、アノード電極２４の電極面に向かって燃料ガスをシャワー状に導入する複数の燃料ガス供給孔３８ａと、燃料ガス通路４０に供給されて反応に使用された燃料ガスを、排ガスとして前記燃料ガス通路４０からシャワー状に排出する複数の排ガス排出孔３８ｂとを設けている。
【００６６】
このように、燃料ガスは、複数の燃料ガス供給孔３８ａからアノード電極２４の電極面全面にシャワー状に供給されるため、前記電極面内における燃料ガス濃度を均一化することができる。一方、排ガスは、複数の排ガス排出孔３８ｂからシャワー状に排出されるため、電極面内における排ガス濃度を均等化することが可能になる。このため、電極面内の電流密度分布を均一にすることができ、発電効率の向上が容易に遂行される。
【００６７】
さらに、電解質・電極接合体２６における発熱反応となる発電反応を均等化することが可能になる。従って、電解質・電極接合体２６の温度勾配を抑制し、熱応力による前記電解質・電極接合体２６の損傷や劣化等を可及的に阻止するとともに、発電反応により生じた水蒸気が集中することを良好に防止することができるという効果が得られる。
【００６８】
そこで、図８には、従来技術１（特許文献１）、従来技術２（特許文献２）及び本発明の第１の実施形態において、それぞれの水蒸気濃度と電流密度との発生状態が示されている。
【００６９】
従来技術１では、単一の燃料ガス供給孔を備えるだけであり、電解質・電極接合体２６の中心における電流密度及び水蒸気密度と、周縁部における電流密度及び水蒸気濃度とに大きな差が生じた。また、複数の燃料ガス供給孔を備え、外方に排気ガスを排出する従来技術２では、電解質・電極接合体２６の中央から外方にわたって水蒸気濃度及び電流密度の差が比較的小さいものの、前記電解質・電極接合体２６の周縁部に行くに従って、前記水蒸気濃度及び前記電流密度に差が生じた。
【００７０】
これにより、従来技術１及び従来技術２では、電極面内の電流密度分布が不均一になり、発電効率が低下するとともに、温度勾配によって前記電解質・電極接合体２６の損傷や劣化等が発生し易い。
【００７１】
これに対して、第１の実施形態では、電解質・電極接合体２６の発電面内にわたって水蒸気濃度及び電流密度を略均一化することができ、上記の不具合が発生することを抑制することができるという効果が得られた。
【００７２】
さらにまた、第１の実施形態では、図４及び図５に示すように、第１挟持部３６の面３６ａ側の周縁部には、該周縁部から燃料ガス及び排ガスが排出されることを抑制するためのリング状封止部４４が形成されている。従って、発電反応により発生した排ガスが第１挟持部３６の周縁部に集中することを抑制することができ、電解質・電極接合体２６の電極面内における電流密度分布に偏りが生ずることを抑制することが可能になる。このため、発電効率の向上及び安定化を図るとともに、電解質・電極接合体２６の温度勾配を抑制し、熱応力による前記電解質・電極接合体２６の損傷や劣化等を可及的に阻止することができる。
【００７３】
さらに、第２挟持部５６には、燃料ガス供給孔３８ａに連通する燃料ガス供給室６２と、排ガス排出孔３８ｂに連通する排ガス排出室６４とが設けられている。燃料ガス供給室６２は、反応前の燃料ガスの圧力変動や圧力不均等を整える機能を有しており、燃料ガス供給孔３８ａから電解質・電極接合体２６の電極面に供給される燃料ガスは、前記電極面内における燃料ガス濃度を均等化することができる。一方、排ガス排出室６４は、排ガスの排出を促進させるとともに、燃料ガスの供給も促進させる機能を有しており、アノード電極２４の電極面内における排ガス濃度を均等化することが可能である。
【００７４】
これにより、アノード電極２４の電極面内の電流密度分布を均一にして発電効率の向上が遂行されるとともに、電解質・電極接合体２６における温度勾配を抑制し、熱応力による前記電解質・電極接合体２６の損傷や劣化等を可及的に阻止することができる。
【００７５】
さらに、第１挟持部３６にのみ、繊細な製造工程が必要である微細孔である燃料ガス供給孔３８ａ及び排ガス排出孔３８ｂが形成されており、第２挟持部５６には、この種の微細な製造工程が不要になる。従って、微細な製造工程の有無により第１挟持部３６と第２挟持部５６とを別体に構成することができ、製造コストの削減及び歩留りの向上が容易に図られる。
【００７６】
さらにまた、第１の実施形態では、図４及び図６に示すように、電解質・電極接合体２６で反応に使用された燃料ガスは、排ガスとして排ガス排出通路６９を介して排ガス排出連通孔５０に排出される。この排ガスは、排ガス排出連通孔５０に沿って積層方向に移動する。そして、排ガスは、図１に示すように、管路１１２を通ってエゼクタ１７に吸引されている。このエゼクタ１７から改質器１６に送られる排ガスは、前記改質器１６から燃料電池スタック１２に対し、新たな燃料ガスとして再度供給されている。
【００７７】
このため、第１の実施形態では、排ガス中に残存する未反応の燃料ガスを、燃料ガスとして再利用することができ、燃料の利用率が良好に向上するという効果が得られる。
【００７８】
さらに、改質器１６の上流側にエゼクタ１７が連結されるとともに、燃料電池スタック１２の排ガス排出通路６９は、管路１１２を介して前記エゼクタ１７に連通している。従って、エゼクタ１７は、負圧を利用して排出燃料ガスを排ガス排出通路６９から吸引することができ、ポンプ等の負荷が不要になって燃料ガスの有効利用が、一層効率的且つ経済的に遂行可能になるという利点がある。
【００７９】
図９は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュール１４０の一部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池モジュール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。
【００８０】
燃料電池モジュール１４０では、エゼクタを用いておらず、管路１１２が改質器１６に連結されている。このため、改質器１６に供給される新たな燃料と排ガスとの圧力差により、前記排ガスが前記改質器１６に吸引されて前記新たな燃料と混合することができる。これにより、第２の実施形態では、エゼクタを削除することができ、構成が一層簡素化されるという効果が得られる。
【００８１】
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池２００が矢印Ａ方向に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。
【００８２】
図１１に示すように、燃料電池２００は、一組のセパレータ２０４間に電解質・電極接合体２６を挟んで構成される。セパレータ２０４は、互いに積層される第１、第２及び第３プレート２０６、２０８及び２１０を備える。第１〜第３プレート２０６、２０８及び２１０は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成され、前記第２プレート２０８の両面に、前記第１プレート２０６と前記第３プレート２１０とが、例えば、ろう付け、拡散接合又はレーザ溶接等により接合される。
【００８３】
第１プレート２０６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３０が形成される燃料ガス供給部（反応ガス供給部）２１２を備える。燃料ガス供給部２１２には、幅狭な第１橋架部２１４を介して第１挟持部２１６が一体的に設けられる。第１挟持部２１６は、電解質・電極接合体２６のアノード電極２４と略同一寸法に設定されている。第１挟持部２１６には、幅狭な第２橋架部２１８を介して排ガスを排出するための排ガス排出連通孔５０を設けた排ガス排出部２２０が連結される。
【００８４】
第３プレート２１０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７４が形成される酸化剤ガス供給部（反応ガス供給部）２２８を備える。酸化剤ガス供給部２２８には、幅狭な第３橋架部２３０を介して第２挟持部２３２が一体的に設けられる。
【００８５】
第２挟持部２３２は、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２に接する面に、前記カソード電極２２の電極面全面に酸化剤ガスをシャワー状に供給する複数の酸化剤ガス供給孔３８ｃと、前記カソード電極２２で反応に使用された酸化剤ガスを、排ガスとしてシャワー状に排出するための複数の排ガス排出孔３８ｄとが、交互に配設される。酸化剤ガス供給孔３８ｃと排ガス排出孔３８ｄとの間には、突起部４２ａが設けられる（図１１及び図１２参照）。
【００８６】
図１１に示すように、第２プレート２０８は、燃料ガス供給連通孔３０が形成される燃料ガス供給部（反応ガス供給部）２３８と、排ガス排出連通孔５０が形成される排ガス排出部２３９と、酸化剤ガス供給連通孔７４が形成される酸化剤ガス供給部２４０とを備える。燃料ガス供給部２３８、排ガス排出部２３９及び酸化剤ガス供給部２４０は、幅狭な第１橋架部２４２、第２橋架部２４３及び第３橋架部２４４を介して第３挟持部２４６に一体的に構成される。第３挟持部２４６は、第１及び第２挟持部２１６、２３２と略同一直径に設定される。
【００８７】
第３挟持部２４６は、第１挟持部２１６に向かう面に、燃料ガス供給室６２と排ガス排出室６４とを分離して形成する。この第３挟持部２４６は、第２挟持部２３２に向かう面に、図１３に示すように、酸化剤ガス供給室６２ａと、排ガス排出室６４ａとを分離して形成する。酸化剤ガス供給室６２ａは、酸化剤ガス供給孔３８ｃに連通するとともに、排ガス排出室６４ａは、排ガス排出孔３８ｄに連通する。
【００８８】
第１橋架部２１４、２４２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６０が設けられる（図１１参照）。第２橋架部２１８、２４３間には、排ガス排出連通孔５０に連通する排ガス排出通路６９が設けられるとともに、第３橋架部２３０、２４４間には、酸化剤ガス供給連通孔７４に連通する酸化剤ガス供給通路２５２が設けられる。
【００８９】
図１０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２５４ａ、２５４ｂを配置する。エンドプレート２５４ａもしくはエンドプレート２５４ｂは、締付ボルト２５８と電気的に絶縁される。エンドプレート２５４ａには、燃料電池２００の燃料ガス供給連通孔３０に連通する第１配管２５６ａと、酸化剤ガス供給連通孔７４に連通する第２配管２５６ｂと、排ガス排出連通孔５０に連通する第３配管２５６ｃとが接続される。第３配管２５６ｃは、第１配管２５６ａの上流側に連通しており、排ガス排出連通孔５０と燃料ガス通路４０とは、燃料ガス供給連通孔３０を介して連通する。
【００９０】
エンドプレート２５４ａには、燃料ガス供給連通孔３０の上下両側、酸化剤ガス供給連通孔７４の上下両側にねじ孔２６０が形成される。各ねじ孔２６０に締付ボルト２５８が螺合することによって、燃料電池スタック２０２が締め付け保持される。
【００９１】
このように構成される燃料電池スタック２０２では、エンドプレート２５４ａに接続されている第１配管２５６ａから燃料ガス供給連通孔３０には、燃料ガスが供給されるとともに、前記エンドプレート２５４ａに接続された第２配管２５６ｂから酸化剤ガス供給連通孔７４には、酸素含有ガスである空気が供給される。
【００９２】
燃料ガス供給連通孔３０に供給された燃料ガスは、図１２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２００を構成するセパレータ２０４内の燃料ガス供給通路６０に供給される。燃料ガスは、燃料ガス供給通路６０に沿って燃料ガス供給室６２に供給される。
【００９３】
燃料ガス供給室６２には、複数の燃料ガス供給孔３８ａが連通しており、燃料ガスは、前記燃料ガス供給孔３８ａから燃料ガス通路４０にシャワー状に供給される。発電反応に使用された燃料ガスは、複数の排ガス排出孔３８ｂから排ガス排出室６４にシャワー状に排出される。
【００９４】
一方、酸化剤ガス供給連通孔７４に供給される空気は、セパレータ２０４内の酸化剤ガス供給通路２５２を移動し、酸化剤ガス供給室６２ａに供給される（図１３参照）。さらに、空気は、複数の酸化剤ガス供給孔３８ｃから酸化剤ガス通路７０にシャワー状に供給される。発電反応に使用された酸化剤ガスは、複数の排ガス排出孔３８ｄから排ガス排出室６４ａにシャワー状に排出される。
【００９５】
この場合、第３の実施形態では、酸化剤ガスが複数の酸化剤ガス供給孔３８ｃからカソード電極２２の電極面全面にシャワー状に供給されるため、前記電極面内における酸化剤ガス濃度を均等化することができる。一方、排ガス（使用済みの酸化剤ガス）は、複数の排ガス排出孔３８ｄからシャワー状に排出されるため、カソード電極２２の電極面内における排ガス濃度を均等化することが可能になる。
【００９６】
さらに、排ガス排出室６４にシャワー状に排出された排ガス（使用された燃料ガス）は、排ガス排出通路６９に流入し、この排ガス排出通路６９を介して排ガス排出連通孔５０に排出されて積層方向（矢印Ａ方向）に移動する。排ガスは、図１０に示すように、排ガス排出連通孔５０に連結される第３配管２５６ｃに沿って移動した後、第１配管２５６ａの上流側に合流する。
【００９７】
このため、排ガスは、新たな（反応前の）燃料ガスと共に第１配管２５６ａから燃料ガス供給連通孔３０に送られる。従って、燃料ガスがアノード電極２４に沿って燃料ガス通路４０を流動した後の排ガス中に残存する未反応の燃料ガスを、燃料ガスとして再利用することができ、燃料ガスの利用率を有効に向上させることができる等、第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００９８】
図１４は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池３００を組み込む燃料電池モジュール３０２の一部断面説明図であり、図１５は、前記燃料電池３００が矢印Ａ方向に複数積層された燃料電池スタック３０４の概略斜視説明図である。
【００９９】
燃料電池３００は、図１６に示すように、一対のセパレータ３０６間に複数、例えば、４個の電解質・電極接合体２６を挟んで構成される。セパレータ３０６間には、このセパレータ３０６の中心部である燃料ガス供給連通孔３０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３０と同心円上に４個の電解質・電極接合体２６が配置される。
【０１００】
セパレータ３０６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３０８及び第２プレート３１０を有する。第１プレート３０８及び第２プレート３１０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３０８及び第２プレート３１０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。
【０１０１】
第１プレート３０８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３０が形成される燃料ガス供給部（反応ガス供給部）３１２を有する。この燃料ガス供給部３１２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橋架部３１４を介し第１挟持部３１６が一体に設けられる。第１挟持部３１６は、電解質・電極接合体２６と略同一寸法に設定される。
【０１０２】
各第１挟持部３１６の外周両側には、外方に突出する第２橋架部３１８が設けられるとともに、隣り合う第１挟持部３１６の各第２橋架部３１８同士は、排ガス排出部３２０に一体化される。各第１挟持部３１６には、短尺な第３橋架部３２２を介して環状の第１筐体部３２４が一体に設けられる。
【０１０３】
第１筐体部３２４は、酸化剤ガスを後述する酸化剤ガス供給通路３４８に供給するための酸化剤ガス供給連通孔７４が積層方向に形成される酸化剤ガス供給部（反応ガス供給部）３２６を有する。第１筐体部３２４には、複数のボルト挿入用孔部３２８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３０、第１橋架部３１４、第１挟持部３１６、第３橋架部３２２及び酸化剤ガス供給連通孔７４は、セパレータ面方向に沿って直線上に配置される（図１６〜図１８参照）。
【０１０４】
図１６及び図１９に示すように、第２プレート３１０は、中央部に燃料ガス供給連通孔３０が形成される燃料ガス供給部（反応ガス供給部）３３０を有する。この燃料ガス供給部３３０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橋架部３３２を介して第２挟持部３３４が一体に設けられる。第２挟持部３３４は、第１挟持部３１６と同様に、電解質・電極接合体２６と略同一寸法に設定される。
【０１０５】
各第２挟持部３３４の外周両側には、外方に突出する第２橋架部３３６が設けられるとともに、隣り合う第２挟持部３３４の各第２橋架部３３６同士は、排ガス排出部３３８に一体化される。各第２挟持部３３４には、短尺な第３橋架部３４０を介して環状の第２筐体部３４２が一体に設けられる。
【０１０６】
第２筐体部３４２には、酸化剤ガス供給連通孔７４が積層方向に形成される酸化剤ガス供給部３２６と、ボルト挿入用孔部３２８とが設けられる。この第２筐体部３４２の第１筐体部３２４に接合される面には、酸化剤ガス供給連通孔７４から供給される酸化剤ガスを充填するための充填室３４６が形成される。
【０１０７】
充填室３４６は、各第３橋架部３４０から各第２挟持部３３４の中央部近傍まで延在する酸化剤ガス供給通路（反応ガス供給通路）３４８に連通する。酸化剤ガス供給通路３４８の先端には、第２挟持部３３４を貫通する酸化剤ガス供給孔３５０が連通する。
【０１０８】
各セパレータ３０６間には、図示しないが、燃料ガス供給連通孔３０をシールするための第１絶縁シールと、酸化剤ガス供給連通孔７４をシールするための第２絶縁シールとが設けられる。第１絶縁シール及び第２絶縁シールは、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。
【０１０９】
図１４及び図１５に示すように、燃料電池スタック３０４は、複数の燃料電池３００の積層方向一端に、略円板状の第１エンドプレート３５２ａが配置されるとともに、積層方向他端に、隔壁３５４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３５２ｂと、大径且つ略リング状の固定リング３５２ｃとが配置される。隔壁３５４は、排ガスが燃料電池３００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３５２ｂは、各電解質・電極接合体２６の積層位置に対応して４つ配設される。
【０１１０】
第１エンドプレート３５２ａ及び固定リング３５２ｃは、セパレータ３０６のボルト挿入用孔部３２８に連通する複数の孔部３５６を有する。孔部３５６からボルト挿入用孔部３２８に挿入されるボルト３５８及び前記ボルト３５８に螺合するナット３６０を介し、セパレータ３０６の第１筐体部３２４及び第２筐体部３４２が第１エンドプレート３５２ａに締め付け固定される。
【０１１１】
第１エンドプレート３５２ａには、燃料ガス供給連通孔３０に連通する単一の燃料ガス供給パイプ３６２と、各酸化剤ガス供給連通孔７４に連通する４本の酸化剤ガス供給パイプ３６４と、排ガス排出連通孔５０に連通する４本の排ガスリサイクルパイプ３６６と、排ガス通路７８に連通する４本の酸化剤ガス排出パイプ３６８とが設けられる。
【０１１２】
第１エンドプレート３５２ａは、板状カラー部材３７０を介して支持プレート３７２が固定される。支持プレート３７２と第１エンドプレート３５２ａとの間には、燃料ガス供給部３１２、３３０に締め付け荷重を付与する第１荷重付与部３７４と、酸化剤ガス供給部３２６に締め付け荷重を付与する第２荷重付与部３７６と、各電解質・電極接合体２６に締め付け荷重を付与する第３荷重付与部３７８とが設けられる。
【０１１３】
第１荷重付与部３７４は、燃料ガス供給連通孔３０から燃料ガスが漏れることを阻止するために燃料電池３００の中央部（燃料ガス供給部３１２、３３０の中央部）に配置される押圧部材３８０を備え、この押圧部材３８０は、４つの第２エンドプレート３５２ｂの配列中心近傍に位置して前記燃料電池３００に隔壁３５４を介して押圧する。押圧部材３８０には、第１受け部材３８２ａ及び第２受け部材３８２ｂを介して第１スプリング３８４が配置される。第２受け部材３８２ｂには、第１押圧ボルト３８６の先端が当接する。第１押圧ボルト３８６は、支持プレート３７２に形成された第１ねじ孔３８８に螺合するとともに、第１ナット３９０を介して位置調整可能に固定される。
【０１１４】
第２荷重付与部３７６は、孔部３５６からボルト挿入用孔部３２８に挿入されるボルト３５８と、前記ボルト３５８に螺合するナット３６０とを備え、酸化剤ガス供給部３２６から酸化剤ガスが漏れることを阻止する機能を有する。
【０１１５】
第３荷重付与部３７８は、第２エンドプレート３５２ｂに各電解質・電極接合体２６に対応して配置される第３受け部材３９２ａを備える。第３受け部材３９２ａは、ピン３９４を介して第２エンドプレート３５２ｂに位置決め支持される。第３受け部材３９２ａに第２スプリング３９６の一端が当接する一方、前記第２スプリング３９６の他端が第４受け部材３９２ｂに当接する。第４受け部材３９２ｂには、第２押圧ボルト３９８の先端が当接する。第２押圧ボルト３９８は、支持プレート３７２に形成された第２ねじ孔４００に螺合するとともに、第２ナット４０２を介して位置調整可能に固定される。
【０１１６】
図１４に示すように、酸化剤ガス供給パイプ３６４は、熱交換器１４の通路１１８に連通し、排ガスリサイクルパイプ３６６は、エゼクタ１７又は改質器１６の吸引口と、燃料電池３００の排ガス通路７８から熱交換器１４を介して排ガス管１１７に至る通路１２０に連結され、酸化剤ガス排出パイプ３６８は、前記熱交換器１４の通路１２０に連通する。
【０１１７】
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。
【０１１８】
図１４及び図１５に示すように、第１エンドプレート３５２ａに接続されている燃料ガス供給パイプ３６２から燃料ガス供給連通孔３０には、燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給パイプ３６４から酸化剤ガス供給連通孔７４には、酸素含有ガスである空気が供給される。
【０１１９】
燃料ガス供給連通孔３０に供給された燃料ガスは、図１７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３００を構成するセパレータ３０６の燃料ガス供給通路６０から燃料ガス供給室６２に一旦供給される。燃料ガスは、燃料ガス供給室６２から各燃料ガス供給孔３８ａを通って、電解質・電極接合体２６を構成するアノード電極２４の電極面全面にわたりシャワー状に供給される。
【０１２０】
アノード電極２４で発電反応に使用された燃料ガスは、排ガスとして複数の排ガス排出孔３８ｂから排ガス排出室６４にシャワー状に排出された後、排ガス排出通路６９を介して排ガス排出連通孔５０に排出される。そして、排ガスは、図１４に示すように、エゼクタ１７から改質器１６に送られ、前記改質器１６から燃料電池スタック１２に対して新たな燃料ガスとして再度供給されている。
【０１２１】
一方、酸化剤ガス供給連通孔７４に供給される空気は、第１プレート３０８の第１筐体部３２４と第２プレート３１０の第２筐体部３４２との間に設けられる充填室３４６に一旦充填される。この充填室３４６には、酸化剤ガス供給通路３４８が連通しており、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス供給通路３４８に沿って第１挟持部３１６及び第２挟持部３３４の中心側に移動する。
【０１２２】
第２挟持部３３４の中心近傍には、酸化剤ガス供給孔３５０が連通するとともに、前記酸化剤ガス供給孔３５０は、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２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、酸化剤ガス供給孔３５０からカソード電極２２に供給され、このカソード電極２２の略中心部から外周部に向かってメッシュ部材（金属メッシュ等の導電性織布）７２に形成された酸化剤ガス通路７０を流動する。なお、メッシュ部材７２に代えて、導電性フェルト部材（金属フェルト等の導電性不織布）、発泡金属、エキスパンドメタル、パンチングメタル等を採用してもよい。また、第２挟持部３３４のカソード電極２２側の面には、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を形成する複数の突起部（ボス）を設けてもよく、突起部は、エッチングやプレス等により形成される。
【０１２３】
これにより、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を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を組み込む燃料電池モジュールの一部断面説明図である。
【図２】前記燃料電池が矢印Ａ方向に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３】前記燃料電池の分解斜視説明図である。
【図４】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５】前記セパレータの一方の面の一部拡大説明図である。
【図６】前記燃料電池の、図５中、ＶＩ−ＶＩ線断面説明図である。
【図７】前記燃料電池の、図５中、ＶＩＩ−ＶＩＩ線断面説明図である。
【図８】従来技術と第１の実施形態の水蒸気濃度及び電流密度の関係説明図である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を組み込む燃料電池モジュールの一部断面説明図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池が矢印Ａ方向に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１１】前記燃料電池の分解斜視説明図である。
【図１２】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１３】前記燃料電池を構成する第２プレートの正面説明図である。
【図１４】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池が矢印Ａ方向に積層された燃料電池モジュールの一部断面説明図である。
【図１５】前記燃料電池スタックの概略斜視説明図である。
【図１６】前記燃料電池の分解斜視説明図である。
【図１７】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１８】セパレータを構成する第１プレートの説明図である。
【図１９】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２０】特許文献１の平板積層型燃料電池を構成するセパレータの説明図である。
【図２１】特許文献２の燃料電池用セパレータの説明図である。
【符号の説明】
【０１２５】
１０、１４０、３０２…燃料電池モジュール
１１、２００、３００…燃料電池
１２、２０２、３０４…燃料電池スタック
１４…熱交換器 １６…改質器
１７…エゼクタ 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、２０４、３０６…セパレータ
２８ａ、２８ｂ、２０６、２０８、２１０、３０８、３１０…プレート
３０…燃料ガス供給連通孔
３２、５２、２１２、２３８、３１２、３３０…燃料ガス供給部
３４、４６、５４、６７、２１４、２１８、２３０、２４２、２４３、２４４、３１４、３１８、３２２、３３２、３３６、３４０…橋架部
３６、５６、２１６、２３２、２４６、３１６、３３４…挟持部
３８ａ…燃料ガス供給孔 ３８ｂ、３８ｄ…排ガス排出孔
３８ｃ…酸化剤ガス供給孔 ４２、４２ａ…突起部
４４…リング状封止部
４８、６８、２２０、２３９、３２０、３３８…排ガス排出部
５０…排ガス排出連通孔 ６０…燃料ガス供給通路
６２…燃料ガス供給室 ６４、６４ａ…排ガス排出室
６９…排ガス排出通路 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 ９６ａ、９６ｂ、３２４、３４２…筐体部
２２８、２４０、３２６…酸化剤ガス供給部
２５２、３４８…酸化剤ガス供給通路
３４６…充填室
【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、少なくとも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又は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反応ガス通路が設けられる挟持部と、
前記挟持部に連結され、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記反応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第１橋架部と、
前記第１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、
前記挟持部に連結され、前記電解質・電極接合体で使用された前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを、排ガスとして前記反応ガス通路から排出させるための排ガス排出通路が形成される第２橋架部と、
前記第２橋架部に連結され、前記排ガスを前記積層方向に流動させるための排ガス排出連通孔が形成される排ガス排出部と、
を備え、
前記挟持部には、少なくとも前記反応ガス通路に前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを雨浴状に供給する複数の反応ガス供給孔と、
前記排ガスを前記反応ガス通路から雨浴状に排出して前記排ガス排出通路に送る複数の排ガス排出孔と、
前記反応ガス通路側の周縁部から前記排ガスが排出されることを抑制する封止部と、
が形成されるとともに、
前記排ガス排出連通孔は、前記反応ガス供給連通孔を介して前記反応ガス通路に連通することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、燃料を改質して前記燃料ガスを生成し、前記燃料ガスを前記反応ガス供給連通孔に供給するための改質器を備えるとともに、
前記排ガス排出連通孔は、前記改質器を介して前記反応ガス供給連通孔に連通することを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池において、前記改質器の上流側には、エゼクタが配設されるとともに、
前記排ガス排出連通孔は、前記エゼクタを介して前記改質器に連通することを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記挟持部は、前記反応ガス供給孔に連通して前記反応ガス供給孔に前記反応ガスを供給するための反応ガス供給室と、
前記排ガス排出孔に連通して前記排ガス排出孔から前記排ガスを排出するための排ガス排出室と、
を設けることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池において、前記反応ガス通路は、前記反応ガス供給孔を介して前記反応ガス供給室に連通するとともに、
前記排ガス排出孔を介して前記排ガス排出室に連通することを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池において、前記挟持部は、前記反応ガス供給孔及び前記排ガス排出孔が形成される第１プレート部と、
前記第１プレート部との間に、前記反応ガス供給室及び前記排ガス排出室が形成される第２プレート部と、
を備え、
前記第１プレート部と前記第２プレート部とが積層されることを特徴とする燃料電池。
【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、少なくとも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又は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反応ガス通路が設けられる挟持部と、
前記挟持部に連結され、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記反応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第１橋架部と、
前記第１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、
前記挟持部に連結され、前記電解質・電極接合体で使用された前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを、排ガスとして前記反応ガス通路から排出させるための排ガス排出通路が形成される第２橋架部と、
前記第２橋架部に連結され、前記排ガスを前記積層方向に流動させるための排ガス排出連通孔が形成される排ガス排出部と、
を備え、
前記挟持部には、少なくとも前記反応ガス通路に前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを雨浴状に供給する複数の反応ガス供給孔と、
前記排ガスを前記反応ガス通路から雨浴状に排出して前記排ガス排出通路に送る複数の排ガス排出孔と、
前記反応ガス通路側の周縁部から前記排ガスが排出されることを抑制する封止部と、
が形成されるとともに、
前記排ガス排出連通孔は、前記反応ガス供給連通孔を介して前記反応ガス通路に連通することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、燃料を改質して前記燃料ガスを生成し、前記燃料ガスを前記反応ガス供給連通孔に供給するための改質器を備えるとともに、
前記排ガス排出連通孔は、前記改質器を介して前記反応ガス供給連通孔に連通することを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池において、前記改質器の上流側には、エゼクタが配設されるとともに、
前記排ガス排出連通孔は、前記エゼクタを介して前記改質器に連通することを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記挟持部は、前記反応ガス供給孔に連通して前記反応ガス供給孔に前記反応ガスを供給するための反応ガス供給室と、
前記排ガス排出孔に連通して前記排ガス排出孔から前記排ガスを排出するための排ガス排出室と、
を設けることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池において、前記反応ガス通路は、前記反応ガス供給孔を介して前記反応ガス供給室に連通するとともに、
前記排ガス排出孔を介して前記排ガス排出室に連通することを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池において、前記挟持部は、前記反応ガス供給孔及び前記排ガス排出孔が形成される第１プレート部と、
前記第１プレート部との間に、前記反応ガス供給室及び前記排ガス排出室が形成される第２プレート部と、
を備え、
前記第１プレート部と前記第２プレート部とが積層されることを特徴とする燃料電池。
【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】
【公開番号】特開２００８−１２３７１０（Ｐ２００８−１２３７１０Ａ）
【公開日】平成２０年５月２９日（２００８．５．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３０２９３２（Ｐ２００６−３０２９３２）
【出願日】平成１８年１１月８日（２００６．１１．８）
【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５月２９日（２００８．５．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月８日（２００６．１１．８）
【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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