燃料電池
【課題】燃料電池の急速昇温によって発生する熱変位を確実に吸収することができ、電解質・電極接合体にかかる荷重を緩和して該電解質・電極接合体の損傷を可及的に阻止することを可能にする。
【解決手段】燃料電池１２を構成する第１セパレータ２８ａは、互いに接合される第１プレート３０ａと第２プレート３２ａとを有する。第１プレート３０ａの第１挟持部４０には、電解質・電極接合体２６の電極面に燃料ガスを供給する燃料ガス通路４４を形成する複数の凸部４２が設けられる一方、第２プレート３２ａの第２挟持部５２には、前記第１挟持部４０側に突出する複数の突起部５６が設けられる。複数の凸部４２と複数の突起部５６とは、セパレータ積層方向に対して互いに異なる位置に配置されている。
【解決手段】燃料電池１２を構成する第１セパレータ２８ａは、互いに接合される第１プレート３０ａと第２プレート３２ａとを有する。第１プレート３０ａの第１挟持部４０には、電解質・電極接合体２６の電極面に燃料ガスを供給する燃料ガス通路４４を形成する複数の凸部４２が設けられる一方、第２プレート３２ａの第２挟持部５２には、前記第１挟持部４０側に突出する複数の突起部５６が設けられる。複数の凸部４２と複数の突起部５６とは、セパレータ積層方向に対して互いに異なる位置に配置されている。
【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、一対のセパレータ間に配設されるとともに、前記セパレータに設けられる各挟持部間に前記電解質・電極接合体が挟持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）を供給するとともに、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを分離させるためにセパレータが配設されている。
【０００４】
セパレータは、ガス分離機能の他に、発電された電流を集電するための集電機能を有している。特に、ＭＥＡと接触する部分は、電流が流れる部分であり、効率的に集電するために、セパレータ上に突起部を用いる構成や、メッシュや繊維状の集電体を用いる構成が採用されている。
【０００５】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池用セパレーターでは、図８に示すように、セパレーター本体部１ａと、その片面にマトリックス状に一体形成した多数の第１の微細突起２ａと、その他面にマトリックス状に一体形成した多数の第２の微細突起３ａとを有している。そして、多数の第１の微細突起２ａを介してセパレーター４ａと燃料極５ａとで燃料ガス通路６ａが形成されるとともに、多数の第２の微細突起３ａを介してセパレーター４ａと空気極７ａとで酸化ガス通路８ａが形成されている。
【０００６】
これにより、セパレーター４ａの厚さを小さくすること、部品点数を少なくすること、電気的接触抵抗を減らすこと、剛性強度を確保すること、ガス通路設計の自由度を高めること、等ができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−７５４０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＳＯＦＣは、運転温度が相当に高温であるため、定常時に発電できるまでの起動時間が長くかかってしまう。従って、起動時間を短縮することが望まれている。このため、特に起動時に、燃料電池を急速昇温させることが考えられるが、各部位に温度差が生じ、熱変位により急激な歪みや変形が発生し易い。
【０００９】
その際、上記の特許文献１では、多数の第１の微細突起２ａと多数の第２の微細突起３ａとが、互いに積層方向に対向しており、前記多数の第１の微細突起２ａと前記多数の第２の微細突起３ａとに応力が集中し易い。これにより、多数の第１の微細突起２ａと多数の第２の微細突起３ａとに挟持されているＭＥＡが破損するおそれがある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池の急速昇温によって発生する熱変位を確実に吸収することができ、電解質・電極接合体にかかる荷重を緩和して該電解質・電極接合体の損傷を可及的に阻止す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】
【００１１】
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、一対のセパレータ間に配設されるとともに、前記セパレータに設けられる各挟持部間に前記電解質・電極接合体が挟持される燃料電池に関するものである。
【００１２】
この燃料電池では、セパレータは、互いに接合される第１プレート及び第２プレートを備え、前記第１プレートは、挟持部を構成する第１挟持部を有し、且つ、前記第１挟持部には、電解質・電極接合体との間に電極面に反応ガスを供給するための反応ガス通路を形成する複数の凸部が設けられる一方、前記第２プレートは、前記挟持部を構成する第２挟持部を有し、且つ、前記第２挟持部には、該第２挟持部に接合される前記第１挟持部側に突出する複数の突起部が設けられている。そして、複数の凸部と複数の突起部とは、セパレータの積層方向に対して互いに異なる位置に配置されている。
【００１３】
また、この燃料電池では、複数の凸部は、平面視で多角形状の各角部に対応して配置されることにより、複数の単位領域を構成し、複数の突起部の中、１つの突起部が前記複数の単位領域の中、１つの単位領域内に配置されることが好ましい。従って、単位領域内に１つの突起部のみが配置されるため、前記単位領域が撓むことによって積層方向の荷重や急速昇温によりセパレータに発生した歪みを緩和し、変形を吸収することができ、ＭＥＡの損傷を阻止することが可能になる。
【００１４】
さらに、この燃料電池では、１つの突起部が配置される１つの単位領域に隣接する他の単位領域には、突起部が配置されないことが好ましい。このため、突起部が配置される単位領域に荷重が付与されると、前記単位領域に隣接する他の単位領域が容易に撓むことができ、前記荷重を確実に緩和し、熱変位を良好に吸収することが可能になる。これにより、ＭＥＡの損傷を阻止することができる。
【００１５】
さらにまた、この燃料電池では、カソード電極に接する複数の凸部の高さは、アノード電極に接する前記複数の凸部の高さよりも大きく構成されることが好ましい。従って、アノード側に比べてガス流通量が多いカソード側の通路高さが高くなり、酸化剤ガスが流れ易くなって圧力損失を減少させることが可能になる。
【００１６】
また、この燃料電池では、セパレータは、アノード電極の電極面に沿って一方の反応ガスである燃料ガスを供給する反応ガス通路である燃料ガス通路を形成する第１セパレータと、カソード電極の電極面に沿って他方の反応ガスである酸化剤ガスを供給する前記反応ガス通路である酸化剤ガス通路を形成する第２セパレータとを備えることが好ましい。
【００１７】
さらに、この燃料電池では、第１セパレータは、燃料ガスを燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給連通孔が積層方向に形成される燃料ガス供給部と、挟持部と前記燃料ガス供給部とを連結し、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給連通孔から前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給通路が形成される橋架部とを備えることが好ましい。
【００１８】
さらにまた、この燃料電池では、第２セパレータは、酸化剤ガスを酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給連通孔が積層方向に形成される酸化剤ガス供給部と、挟持部と前記酸化剤ガス供給部とを連結し、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給連通孔から前記酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給通路が形成される橋架部とを備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、第１プレートの第１挟持部に設けられた複数の凸部と、第２プレートの第２挟持部に設けられた複数の突起部とは、セパレータの積層方向に対して互いに異なる位置に配置されている。このため、燃料電池に積層方向の荷重が付与されたり、急速昇温によって熱変位が発生したりしても、第１プレートが容易に撓むことができる。
【００２０】
これにより、荷重を確実に緩和し、熱変位を良好に吸収することが可能になり、電解質・電極接合体にかかる荷重を緩和して前記電解質・電極接合体の損傷を可及的に阻止することができる。
【００２１】
しかも、セパレータ自体が撓むことにより荷重や熱変位を吸収するため、急速昇温による急激な変形が発生しても、前記セパレータの撓みによって緩和することが可能になる。従って、セパレータ自体の積層方向に生じる寸法誤差を良好に吸収することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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スタックの分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の分解斜視説明図である。
【図３】前記燃料電池スタックの反応ガスの流れ説明図である。
【図４】前記燃料電池スタックの、図１中、ＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】前記燃料電池の要部拡大説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部拡大説明図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の要部拡大説明図である。
【図８】特許文献１の燃料電池用セパレーターが適用される燃料電池の断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１２が矢印Ａ方向に積層される。燃料電池スタック１０は、定置用の他、可搬用、車載用等の種々の用途に用いられている。
【００２４】
燃料電池１２は、固体電解質型燃料電池であり、この燃料電池１２は、図１〜図３に示すように、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質（電解質板）２０の両面に、カソード電極２２及びアノード電極２４が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）２６を備える。電解質・電極接合体２６は、円板状に形成されるとともに、少なくとも外周端面部には、発電反応後の酸化剤ガス及び燃料ガスからなる排ガス（オフガス）の進入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。
【００２５】
燃料電池１２は、第１セパレータ２８ａ及び第２セパレータ２８ｂ間に１個の電解質・電極接合体２６が挟持される。第１セパレータ２８ａ及び第２セパレータ２８ｂは、同一形状のセパレータ構造体を互いに１８０°反転させることにより構成される。
【００２６】
第１セパレータ２８ａは、例えば、ステンレス等の板金で構成される第１プレート３０ａ及び第２プレート３２ａを有する。第１プレート３０ａ及び第２プレート３２ａは、互いに拡散接合、レーザー溶接又はろう付け等により接合される。
【００２７】
第１プレート３０ａは、略平板状に形成されるとともに、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３４が形成される第１燃料ガス供給部３６を有する。この第１燃料ガス供給部３６から外方に延在する第１橋架部３８を介して第１挟持部４０が一体に設けられる。
【００２８】
第１挟持部４０は、電解質・電極接合体２６と同一直径もしくは電解質・電極接合体２６よりも大径な寸法に設定されるとともに、前記第１挟持部４０のアノード電極２４に接する面には、複数の凸部４２が設けられる。凸部４２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４４を形成するとともに、集電機能を有する。第１挟持部４０の中央部には、アノード電極２４の中央部に向かって燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔４６が形成される。
【００２９】
第２プレート３２ａは、燃料ガス供給連通孔３４が形成される第２燃料ガス供給部４８を有する。この第２燃料ガス供給部４８から外方に延在する第２橋架部５０を介して第２挟持部５２が一体に設けられる。第２プレート３２ａの外周を周回して第１プレート３０ａ側に突出する周回凸部５４が設けられ、この周回凸部５４に前記第１プレート３０ａが接合される。
【００３０】
第２燃料ガス供給部４８、第２橋架部５０及び第２挟持部５２の第１プレート３０ａに向かう面には、前記第１プレート３０ａに接して複数の突起部５６が形成される。
【００３１】
第１橋架部３８及び第２橋架部５０間には、燃料ガス供給連通孔３４に連通する燃料ガス供給通路５８が形成される。燃料ガス供給通路５８は、第１挟持部４０及び第２挟持部５２間に形成される燃料ガス充填室６０を介して燃料ガス供給孔４６に連通する。
【００３２】
第２セパレータ２８ｂは、第１セパレータ２８ａと同一形状に構成されており、第１プレート３０ａ及び第２プレート３２ａに対応する第１プレート３０ｂ及び第２プレート３２ｂを有する。第１プレート３０ｂ及び第２プレート３２ｂは、積層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６２が形成される第１酸化剤ガス供給部６４及び第２酸化剤ガス供給部６６を有する。
【００３３】
第１プレート３０ｂ及び第２プレート３２ｂは、第１酸化剤ガス供給部６４及び第２酸化剤ガス供給部６６から外方に突出する第１橋架部６８及び第２橋架部７０を介して第１挟持部７２及び第２挟持部７４が一体に設けられる。
【００３４】
第１挟持部７２のカソード電極２２に接触する面には、複数の凸部４２ａを介し前記カソード電極２２の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路７６が形成される。第１挟持部７２の中央部には、カソード電極２２の中央部に向かって酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給孔７８が形成される。
【００３５】
図４に示すように、第１挟持部７２に形成され、カソード電極２２に接する複数の凸部４２ａの高さｈ１は、第１挟持部４０に形成され、アノード電極２４に接する複数の凸部４２の高さｈ２よりも大きく構成される（ｈ１＞ｈ２）。
【００３６】
第２プレート３２ｂ内には、第１プレート３０ｂが接合されることにより酸化剤ガス供給連通孔６２に連通する酸化剤ガス供給通路８０が、第１橋架部６８及び第２橋架部７０間に対応して形成される。第２挟持部９４内には、酸化剤ガス供給連通孔６２と酸化剤ガス供給通路８０を介して連通する酸化剤ガス充填室８２が形成される。
【００３７】
図１及び図２に示すように、第１セパレータ２８ａは、第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部４８により燃料ガス供給部８４を構成し、第１橋架部３８及び第２橋架部５０により橋架部８６を構成し、第１挟持部４０及び第２挟持部５２により第１挟持部８８を構成する。第２セパレータ２８ｂは、第１酸化剤ガス供給部６４及び第２酸化剤ガス供給部６６により酸化剤ガス供給部９０を構成し、第１橋架部６８及び第２橋架部７０により橋架部９２を構成し、第１挟持部７２及び第２挟持部７４により第２挟持部９４を構成する。
【００３８】
積層方向（矢印Ａ方向）に互いに隣接する一対の第１セパレータ２８ａを構成する各燃料ガス供給部８４間には、積層方向の荷重を緩和するとともに、シール機能を有するシール部材９６が設けられる。積層方向に互いに隣接する一対の第２セパレータ２８ｂを構成する各酸化剤ガス供給部９０には、積層方向の荷重を緩和するとともに、シール機能を有するシール部材９８が設けられる。
【００３９】
シール部材９６、９８は、リング形状を有し、ガスシール機能及び絶縁機能、さらに好適には、耐熱性及び柔軟性を有する材料で構成される。具体的には、シール部材９６、９８は、粘土鉱物及び有機高分子が複合化された粘土膜を備える薄膜状シールにより構成されるが、これに限定されるものではない。例えば、ガラス系シール部材も用いることができる。
【００４０】
第１の実施形態では、図５に示すように、複数の凸部４２（４２ａ）は、例えば、格子状に配置されるとともに、４つの前記凸部４２（４２ａ）が各角部に対応して配置されることにより、正方形状の単位領域１００が形成される。１つの突起部５６は、１つの単位領域１００内に配置される一方、この単位領域１００に隣接する他の単位領域１００、すなわち、前記突起部５６が配置される前記単位領域１００を周回する８つの単位領域１００には、前記突起部５６が配置されない。複数の凸部４２（４２ａ）と複数の突起部５６とは、それぞれセパレータ積層方向（矢印Ａ方向）に対して重なることがない。さらに、複数の凸部４２（４２ａ）のうち、一部が凸部４２（４２ｂ）となる。凸部４２（４２ｂ）は、四つの単位領域１００に周回されており、前記四つの単位領域１００には複数の突起部５６が配置されない。
【００４１】
なお、各凸部４２（４２ａ）のピッチや突起部５６のピッチは、種々変更可能である。また、各単位領域１００内に、それぞれ１つの突起部５６が配置されていてもよく、あるいは、１つ置き又は２つ置き以上の単位領域１００内に、それぞれ１つの突起部５６が配置されていてもよい。
【００４２】
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００４３】
先ず、図１及び図３に示すように、燃料ガス（水素ガス）が燃料電池スタック１０の燃料ガス供給連通孔３４に供給されるとともに、酸化剤ガス（空気）が前記燃料電池スタック１０の酸化剤ガス供給連通孔６２に供給される。
【００４４】
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１２を構成する第１セパレータ２８ａに形成された燃料ガス供給通路５８に導入される。この燃料ガスは、第１橋架部３８及び第２橋架部５０間を燃料ガス供給通路５８に沿って移動し、一旦、燃料ガス充填室６０に充填される。
【００４５】
さらに、燃料ガスは、燃料ガス供給孔４６から燃料ガス通路４４に導入される。その際、燃料ガス供給孔４６は、各電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の中央位置に設定されている。このため、燃料ガスは、アノード電極２４の中心から燃料ガス通路４４に沿って前記アノード電極２４の外周部に向かって移動する。
【００４６】
一方、酸化剤ガス供給連通孔６２に供給された酸化剤ガスは、第２セパレータ２８ｂを構成する第１橋架部６８及び第２橋架部７０間に形成された酸化剤ガス供給通路８０に沿って移動し、一旦、酸化剤ガス充填室８２に充填される。さらに、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給孔７８から酸化剤ガス通路７６に導入される。
【００４７】
酸化剤ガス供給孔７８は、各電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の中央位置に設定されている。このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス通路７６に沿ってカソード電極２２の中央位置から外周部に向かって移動する。
【００４８】
これにより、電解質・電極接合体２６では、アノード電極２４の電極面の中心側から周端部側に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極２２の電極面の中心側から周端部側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。
【００４９】
燃料ガス通路４４を移動した使用済みの燃料ガス、及び酸化剤ガス通路７６を移動した使用済みの酸化剤ガスは、各電解質・電極接合体２６の外周部から導出され、この外周部周辺で混合されて比較的高温の排ガスとして排出される。
【００５０】
この場合、第１の実施形態では、例えば、第１セパレータ２８ａにおいて、第１プレート３０ａの第１挟持部４０に設けられた複数の凸部４２と、第２プレート３２ａの第２挟持部５２に設けられた複数の突起部５６とは、セパレータ積層方向に対して互いに異なる位置に配置されている（図４及び図５参照）。このため、燃料電池１２に急速昇温によって熱変位が発生したり、積層方向に付与された荷重が急速昇温によって均等な荷重として加えられなくなったりしたとしても、第１プレート３０ａが容易に撓むことができる。
【００５１】
しかも、第１セパレータ２８ａ自体が撓むことにより荷重を緩和し熱変位を吸収するため、急速昇温による急激な変形が発生しても、前記第１セパレータ２８ａの撓みによって緩和することが可能になる。従って、第１セパレータ２８ａ自体の積層方向の寸法誤差を良好に吸収することができる。
【００５２】
これにより、荷重を確実に緩和し、熱変位を良好に吸収することが可能になり、電解質・電極接合体２６にかかる荷重を緩和して前記電解質・電極接合体２６の損傷を可及的に阻止することができるという効果が得られる。
【００５３】
なお、第２セパレータ２８ｂにおいても、上記の第１セパレータ２８ａと同様の効果が得られる。以下の説明においても、同様である。
【００５４】
また、図５に示すように、複数の凸部４２は、平面視で多角形状、第１の実施形態では、格子状（正方形状）の各角部に対応して配置されることにより、複数の単位領域１００が構成されている。複数の単位領域１００の中、１つの単位領域１００内に１つの突起部５６が配置されている。
【００５５】
従って、単位領域１００内に１つの突起部５６のみが配置されるため、前記単位領域１００が撓むことによって積層方向の荷重や急速昇温により第１セパレータ２８ａに発生した歪みを緩和し変形を吸収することができ、電解質・電極接合体２６の損傷を阻止することが可能になる。
【００５６】
さらに、１つの突起部５６が配置される１つの単位領域１００に隣接する他の単位領域１００には、前記突起部５６が配置されていない。このため、突起部５６が配置される単位領域１００に荷重が付与されると、前記単位領域１００に隣接する他の単位領域１００が容易に撓むことができ、前記荷重や熱変位を良好に吸収することが可能になる。これにより、電解質・電極接合体２６の損傷を阻止することができる。
【００５７】
図５〜図７に示すように、凸部４２（４２ｂ）は、複数の突起部５６が配置されない単位領域１００、１１２及び１２２に周回されている。このため、単位領域１００、１１２及び１２２が、より少ない荷重や熱変位によっても簡単に撓むことができ、より確実に電解質・電極接合体２６の損傷を阻止することができる。
【００５８】
さらにまた、図４に示すように、第１挟持部７２に形成され、カソード電極２２に接する複数の凸部４２ａの高さｈ１は、第１挟持部４０に形成され、アノード電極２４に接する複数の凸部４２の高さｈ２よりも大きく構成されている。従って、アノード側の燃料ガス通路４４に比べてガス流通量が多いカソード側の酸化剤ガス通路７６では、通路高さが高くなり、酸化剤ガスが流れ易くなって圧力損失を減少させることが可能になる。
【００５９】
なお、第１の実施形態では、第１セパレータ２８ａが、燃料ガス供給連通孔３４を有する燃料ガス供給部８４を設けるとともに、第２セパレータ２８ｂが、酸化剤ガス供給連通孔６２を有する酸化剤ガス供給部９０を設けているが、これに限定されるものではない。
【００６０】
例えば、燃料ガス供給部のみを有する単一のセパレータを構成し、一対の前記セパレータ間に電解質膜・電極接合体を挟持するとともに、一方のセパレータと前記電解質・電極接合体との間に前記電解質・電極接合体の外周方向一方から外周方向他方に向かって酸化剤ガスを流すように構成してもよい。すなわち、酸化剤ガス供給部を不要にすることができる。
【００６１】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１１０の要部拡大説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１２と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００６２】
第２の実施形態では、複数の凸部４２（４２ａ）は、例えば、正三角形の各角部に配置されることにより、３つの前記凸部４２（４２ａ）により単位領域１１２が形成される。１つの突起部５６は、１つの単位領域１１２内に配置されるとともに、複数の凸部４２（４２ａ）と複数の突起部５６とは、それぞれセパレータ積層方向（矢印Ａ方向）に対して重なることがない。複数の凸部４２（４２ａ）のうち、一部が複数の凸部４２（４２ｂ）となる。凸部４２（４２ｂ）の一つは、六つの単位領域１１２に周回されており、前記六つの単位領域１１２には複数の突起部５６が配置されない。
【００６３】
図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１２０の要部拡大説明図である。
【００６４】
第３の実施形態では、複数の凸部４２（４２ａ）は、例えば、正六角形の各角部に配置されることにより、６つの前記凸部４２（４２ａ）により単位領域１２２が形成される。１つの突起部５６は、１つの単位領域１２２内に配置される一方、この単位領域１２２に隣接する他の単位領域１２２、すなわち、前記突起部５６が配置される前記単位領域１２２を周回する６つの単位領域１２２には、前記突起部５６が配置されない。複数の凸部４２（４２ａ）と複数の突起部５６とは、それぞれセパレータ積層方向（矢印Ａ方向）に対して重なることがない。さらに、複数の凸部４２（４２ａ）のうち、一部が複数の凸部４２（４２ｂ）となる。凸部４２（４２ｂ）の一つは、六つの単位領域１２２に周回されており、前記六つの単位領域１２２には複数の突起部５６が配置されない。
【００６５】
このように構成される第２及び第３の実施形態では、複数の凸部４２（４２ａ）、４２（４２ｂ）と、複数の突起部５６とは、セパレータ積層方向に対して互いに異なる位置に配置されている。これにより、第２及び第３の実施形態は、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００６６】
１０…燃料電池スタック １２、１１０、１２０…燃料電池
２０…電解質 ２２…カソード電極
２４…アノード電極 ２６…電解質・電極接合体
２８ａ、２８ｂ…セパレータ ３０ａ、３０ｂ、３２ａ、３２ｂ…プレート
３４…燃料ガス供給連通孔 ３６、４８、８４…燃料ガス供給部
３８、５０、６８、７０、８６、９２…橋架部
４０、５２、７２、７４、８８、９４…挟持部
４２、４２ａ…凸部 ４４…燃料ガス通路
４６…燃料ガス供給孔 ５６…突起部
５８…燃料ガス供給通路 ６２…酸化剤ガス供給連通孔
６４、６６、９０…酸化剤ガス供給部 ７６…酸化剤ガス通路
７８…酸化剤ガス供給孔 ８０…酸化剤ガス供給通路
１００、１１２、１２２…単位領域
【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、一対のセパレータ間に配設されるとともに、前記セパレータに設けられる各挟持部間に前記電解質・電極接合体が挟持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）を供給するとともに、前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを分離させるためにセパレータが配設されている。
【０００４】
セパレータは、ガス分離機能の他に、発電された電流を集電するための集電機能を有している。特に、ＭＥＡと接触する部分は、電流が流れる部分であり、効率的に集電するために、セパレータ上に突起部を用いる構成や、メッシュや繊維状の集電体を用いる構成が採用されている。
【０００５】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池用セパレーターでは、図８に示すように、セパレーター本体部１ａと、その片面にマトリックス状に一体形成した多数の第１の微細突起２ａと、その他面にマトリックス状に一体形成した多数の第２の微細突起３ａとを有している。そして、多数の第１の微細突起２ａを介してセパレーター４ａと燃料極５ａとで燃料ガス通路６ａが形成されるとともに、多数の第２の微細突起３ａを介してセパレーター４ａと空気極７ａとで酸化ガス通路８ａが形成されている。
【０００６】
これにより、セパレーター４ａの厚さを小さくすること、部品点数を少なくすること、電気的接触抵抗を減らすこと、剛性強度を確保すること、ガス通路設計の自由度を高めること、等ができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−７５４０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＳＯＦＣは、運転温度が相当に高温であるため、定常時に発電できるまでの起動時間が長くかかってしまう。従って、起動時間を短縮することが望まれている。このため、特に起動時に、燃料電池を急速昇温させることが考えられるが、各部位に温度差が生じ、熱変位により急激な歪みや変形が発生し易い。
【０００９】
その際、上記の特許文献１では、多数の第１の微細突起２ａと多数の第２の微細突起３ａとが、互いに積層方向に対向しており、前記多数の第１の微細突起２ａと前記多数の第２の微細突起３ａとに応力が集中し易い。これにより、多数の第１の微細突起２ａと多数の第２の微細突起３ａとに挟持されているＭＥＡが破損するおそれがある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池の急速昇温によって発生する熱変位を確実に吸収することができ、電解質・電極接合体にかかる荷重を緩和して該電解質・電極接合体の損傷を可及的に阻止す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】
【００１１】
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、一対のセパレータ間に配設されるとともに、前記セパレータに設けられる各挟持部間に前記電解質・電極接合体が挟持される燃料電池に関するものである。
【００１２】
この燃料電池では、セパレータは、互いに接合される第１プレート及び第２プレートを備え、前記第１プレートは、挟持部を構成する第１挟持部を有し、且つ、前記第１挟持部には、電解質・電極接合体との間に電極面に反応ガスを供給するための反応ガス通路を形成する複数の凸部が設けられる一方、前記第２プレートは、前記挟持部を構成する第２挟持部を有し、且つ、前記第２挟持部には、該第２挟持部に接合される前記第１挟持部側に突出する複数の突起部が設けられている。そして、複数の凸部と複数の突起部とは、セパレータの積層方向に対して互いに異なる位置に配置されている。
【００１３】
また、この燃料電池では、複数の凸部は、平面視で多角形状の各角部に対応して配置されることにより、複数の単位領域を構成し、複数の突起部の中、１つの突起部が前記複数の単位領域の中、１つの単位領域内に配置されることが好ましい。従って、単位領域内に１つの突起部のみが配置されるため、前記単位領域が撓むことによって積層方向の荷重や急速昇温によりセパレータに発生した歪みを緩和し、変形を吸収することができ、ＭＥＡの損傷を阻止することが可能になる。
【００１４】
さらに、この燃料電池では、１つの突起部が配置される１つの単位領域に隣接する他の単位領域には、突起部が配置されないことが好ましい。このため、突起部が配置される単位領域に荷重が付与されると、前記単位領域に隣接する他の単位領域が容易に撓むことができ、前記荷重を確実に緩和し、熱変位を良好に吸収することが可能になる。これにより、ＭＥＡの損傷を阻止することができる。
【００１５】
さらにまた、この燃料電池では、カソード電極に接する複数の凸部の高さは、アノード電極に接する前記複数の凸部の高さよりも大きく構成されることが好ましい。従って、アノード側に比べてガス流通量が多いカソード側の通路高さが高くなり、酸化剤ガスが流れ易くなって圧力損失を減少させることが可能になる。
【００１６】
また、この燃料電池では、セパレータは、アノード電極の電極面に沿って一方の反応ガスである燃料ガスを供給する反応ガス通路である燃料ガス通路を形成する第１セパレータと、カソード電極の電極面に沿って他方の反応ガスである酸化剤ガスを供給する前記反応ガス通路である酸化剤ガス通路を形成する第２セパレータとを備えることが好ましい。
【００１７】
さらに、この燃料電池では、第１セパレータは、燃料ガスを燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給連通孔が積層方向に形成される燃料ガス供給部と、挟持部と前記燃料ガス供給部とを連結し、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給連通孔から前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給通路が形成される橋架部とを備えることが好ましい。
【００１８】
さらにまた、この燃料電池では、第２セパレータは、酸化剤ガスを酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給連通孔が積層方向に形成される酸化剤ガス供給部と、挟持部と前記酸化剤ガス供給部とを連結し、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給連通孔から前記酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給通路が形成される橋架部とを備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、第１プレートの第１挟持部に設けられた複数の凸部と、第２プレートの第２挟持部に設けられた複数の突起部とは、セパレータの積層方向に対して互いに異なる位置に配置されている。このため、燃料電池に積層方向の荷重が付与されたり、急速昇温によって熱変位が発生したりしても、第１プレートが容易に撓むことができる。
【００２０】
これにより、荷重を確実に緩和し、熱変位を良好に吸収することが可能になり、電解質・電極接合体にかかる荷重を緩和して前記電解質・電極接合体の損傷を可及的に阻止することができる。
【００２１】
しかも、セパレータ自体が撓むことにより荷重や熱変位を吸収するため、急速昇温による急激な変形が発生しても、前記セパレータの撓みによって緩和することが可能になる。従って、セパレータ自体の積層方向に生じる寸法誤差を良好に吸収することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【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スタックの分解斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池の分解斜視説明図である。
【図３】前記燃料電池スタックの反応ガスの流れ説明図である。
【図４】前記燃料電池スタックの、図１中、ＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】前記燃料電池の要部拡大説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の要部拡大説明図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の要部拡大説明図である。
【図８】特許文献１の燃料電池用セパレーターが適用される燃料電池の断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１２が矢印Ａ方向に積層される。燃料電池スタック１０は、定置用の他、可搬用、車載用等の種々の用途に用いられている。
【００２４】
燃料電池１２は、固体電解質型燃料電池であり、この燃料電池１２は、図１〜図３に示すように、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質（電解質板）２０の両面に、カソード電極２２及びアノード電極２４が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）２６を備える。電解質・電極接合体２６は、円板状に形成されるとともに、少なくとも外周端面部には、発電反応後の酸化剤ガス及び燃料ガスからなる排ガス（オフガス）の進入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。
【００２５】
燃料電池１２は、第１セパレータ２８ａ及び第２セパレータ２８ｂ間に１個の電解質・電極接合体２６が挟持される。第１セパレータ２８ａ及び第２セパレータ２８ｂは、同一形状のセパレータ構造体を互いに１８０°反転させることにより構成される。
【００２６】
第１セパレータ２８ａは、例えば、ステンレス等の板金で構成される第１プレート３０ａ及び第２プレート３２ａを有する。第１プレート３０ａ及び第２プレート３２ａは、互いに拡散接合、レーザー溶接又はろう付け等により接合される。
【００２７】
第１プレート３０ａは、略平板状に形成されるとともに、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３４が形成される第１燃料ガス供給部３６を有する。この第１燃料ガス供給部３６から外方に延在する第１橋架部３８を介して第１挟持部４０が一体に設けられる。
【００２８】
第１挟持部４０は、電解質・電極接合体２６と同一直径もしくは電解質・電極接合体２６よりも大径な寸法に設定されるとともに、前記第１挟持部４０のアノード電極２４に接する面には、複数の凸部４２が設けられる。凸部４２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４４を形成するとともに、集電機能を有する。第１挟持部４０の中央部には、アノード電極２４の中央部に向かって燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔４６が形成される。
【００２９】
第２プレート３２ａは、燃料ガス供給連通孔３４が形成される第２燃料ガス供給部４８を有する。この第２燃料ガス供給部４８から外方に延在する第２橋架部５０を介して第２挟持部５２が一体に設けられる。第２プレート３２ａの外周を周回して第１プレート３０ａ側に突出する周回凸部５４が設けられ、この周回凸部５４に前記第１プレート３０ａが接合される。
【００３０】
第２燃料ガス供給部４８、第２橋架部５０及び第２挟持部５２の第１プレート３０ａに向かう面には、前記第１プレート３０ａに接して複数の突起部５６が形成される。
【００３１】
第１橋架部３８及び第２橋架部５０間には、燃料ガス供給連通孔３４に連通する燃料ガス供給通路５８が形成される。燃料ガス供給通路５８は、第１挟持部４０及び第２挟持部５２間に形成される燃料ガス充填室６０を介して燃料ガス供給孔４６に連通する。
【００３２】
第２セパレータ２８ｂは、第１セパレータ２８ａと同一形状に構成されており、第１プレート３０ａ及び第２プレート３２ａに対応する第１プレート３０ｂ及び第２プレート３２ｂを有する。第１プレート３０ｂ及び第２プレート３２ｂは、積層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６２が形成される第１酸化剤ガス供給部６４及び第２酸化剤ガス供給部６６を有する。
【００３３】
第１プレート３０ｂ及び第２プレート３２ｂは、第１酸化剤ガス供給部６４及び第２酸化剤ガス供給部６６から外方に突出する第１橋架部６８及び第２橋架部７０を介して第１挟持部７２及び第２挟持部７４が一体に設けられる。
【００３４】
第１挟持部７２のカソード電極２２に接触する面には、複数の凸部４２ａを介し前記カソード電極２２の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路７６が形成される。第１挟持部７２の中央部には、カソード電極２２の中央部に向かって酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給孔７８が形成される。
【００３５】
図４に示すように、第１挟持部７２に形成され、カソード電極２２に接する複数の凸部４２ａの高さｈ１は、第１挟持部４０に形成され、アノード電極２４に接する複数の凸部４２の高さｈ２よりも大きく構成される（ｈ１＞ｈ２）。
【００３６】
第２プレート３２ｂ内には、第１プレート３０ｂが接合されることにより酸化剤ガス供給連通孔６２に連通する酸化剤ガス供給通路８０が、第１橋架部６８及び第２橋架部７０間に対応して形成される。第２挟持部９４内には、酸化剤ガス供給連通孔６２と酸化剤ガス供給通路８０を介して連通する酸化剤ガス充填室８２が形成される。
【００３７】
図１及び図２に示すように、第１セパレータ２８ａは、第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部４８により燃料ガス供給部８４を構成し、第１橋架部３８及び第２橋架部５０により橋架部８６を構成し、第１挟持部４０及び第２挟持部５２により第１挟持部８８を構成する。第２セパレータ２８ｂは、第１酸化剤ガス供給部６４及び第２酸化剤ガス供給部６６により酸化剤ガス供給部９０を構成し、第１橋架部６８及び第２橋架部７０により橋架部９２を構成し、第１挟持部７２及び第２挟持部７４により第２挟持部９４を構成する。
【００３８】
積層方向（矢印Ａ方向）に互いに隣接する一対の第１セパレータ２８ａを構成する各燃料ガス供給部８４間には、積層方向の荷重を緩和するとともに、シール機能を有するシール部材９６が設けられる。積層方向に互いに隣接する一対の第２セパレータ２８ｂを構成する各酸化剤ガス供給部９０には、積層方向の荷重を緩和するとともに、シール機能を有するシール部材９８が設けられる。
【００３９】
シール部材９６、９８は、リング形状を有し、ガスシール機能及び絶縁機能、さらに好適には、耐熱性及び柔軟性を有する材料で構成される。具体的には、シール部材９６、９８は、粘土鉱物及び有機高分子が複合化された粘土膜を備える薄膜状シールにより構成されるが、これに限定されるものではない。例えば、ガラス系シール部材も用いることができる。
【００４０】
第１の実施形態では、図５に示すように、複数の凸部４２（４２ａ）は、例えば、格子状に配置されるとともに、４つの前記凸部４２（４２ａ）が各角部に対応して配置されることにより、正方形状の単位領域１００が形成される。１つの突起部５６は、１つの単位領域１００内に配置される一方、この単位領域１００に隣接する他の単位領域１００、すなわち、前記突起部５６が配置される前記単位領域１００を周回する８つの単位領域１００には、前記突起部５６が配置されない。複数の凸部４２（４２ａ）と複数の突起部５６とは、それぞれセパレータ積層方向（矢印Ａ方向）に対して重なることがない。さらに、複数の凸部４２（４２ａ）のうち、一部が凸部４２（４２ｂ）となる。凸部４２（４２ｂ）は、四つの単位領域１００に周回されており、前記四つの単位領域１００には複数の突起部５６が配置されない。
【００４１】
なお、各凸部４２（４２ａ）のピッチや突起部５６のピッチは、種々変更可能である。また、各単位領域１００内に、それぞれ１つの突起部５６が配置されていてもよく、あるいは、１つ置き又は２つ置き以上の単位領域１００内に、それぞれ１つの突起部５６が配置されていてもよい。
【００４２】
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００４３】
先ず、図１及び図３に示すように、燃料ガス（水素ガス）が燃料電池スタック１０の燃料ガス供給連通孔３４に供給されるとともに、酸化剤ガス（空気）が前記燃料電池スタック１０の酸化剤ガス供給連通孔６２に供給される。
【００４４】
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１２を構成する第１セパレータ２８ａに形成された燃料ガス供給通路５８に導入される。この燃料ガスは、第１橋架部３８及び第２橋架部５０間を燃料ガス供給通路５８に沿って移動し、一旦、燃料ガス充填室６０に充填される。
【００４５】
さらに、燃料ガスは、燃料ガス供給孔４６から燃料ガス通路４４に導入される。その際、燃料ガス供給孔４６は、各電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の中央位置に設定されている。このため、燃料ガスは、アノード電極２４の中心から燃料ガス通路４４に沿って前記アノード電極２４の外周部に向かって移動する。
【００４６】
一方、酸化剤ガス供給連通孔６２に供給された酸化剤ガスは、第２セパレータ２８ｂを構成する第１橋架部６８及び第２橋架部７０間に形成された酸化剤ガス供給通路８０に沿って移動し、一旦、酸化剤ガス充填室８２に充填される。さらに、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給孔７８から酸化剤ガス通路７６に導入される。
【００４７】
酸化剤ガス供給孔７８は、各電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の中央位置に設定されている。このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス通路７６に沿ってカソード電極２２の中央位置から外周部に向かって移動する。
【００４８】
これにより、電解質・電極接合体２６では、アノード電極２４の電極面の中心側から周端部側に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極２２の電極面の中心側から周端部側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。
【００４９】
燃料ガス通路４４を移動した使用済みの燃料ガス、及び酸化剤ガス通路７６を移動した使用済みの酸化剤ガスは、各電解質・電極接合体２６の外周部から導出され、この外周部周辺で混合されて比較的高温の排ガスとして排出される。
【００５０】
この場合、第１の実施形態では、例えば、第１セパレータ２８ａにおいて、第１プレート３０ａの第１挟持部４０に設けられた複数の凸部４２と、第２プレート３２ａの第２挟持部５２に設けられた複数の突起部５６とは、セパレータ積層方向に対して互いに異なる位置に配置されている（図４及び図５参照）。このため、燃料電池１２に急速昇温によって熱変位が発生したり、積層方向に付与された荷重が急速昇温によって均等な荷重として加えられなくなったりしたとしても、第１プレート３０ａが容易に撓むことができる。
【００５１】
しかも、第１セパレータ２８ａ自体が撓むことにより荷重を緩和し熱変位を吸収するため、急速昇温による急激な変形が発生しても、前記第１セパレータ２８ａの撓みによって緩和することが可能になる。従って、第１セパレータ２８ａ自体の積層方向の寸法誤差を良好に吸収することができる。
【００５２】
これにより、荷重を確実に緩和し、熱変位を良好に吸収することが可能になり、電解質・電極接合体２６にかかる荷重を緩和して前記電解質・電極接合体２６の損傷を可及的に阻止することができるという効果が得られる。
【００５３】
なお、第２セパレータ２８ｂにおいても、上記の第１セパレータ２８ａと同様の効果が得られる。以下の説明においても、同様である。
【００５４】
また、図５に示すように、複数の凸部４２は、平面視で多角形状、第１の実施形態では、格子状（正方形状）の各角部に対応して配置されることにより、複数の単位領域１００が構成されている。複数の単位領域１００の中、１つの単位領域１００内に１つの突起部５６が配置されている。
【００５５】
従って、単位領域１００内に１つの突起部５６のみが配置されるため、前記単位領域１００が撓むことによって積層方向の荷重や急速昇温により第１セパレータ２８ａに発生した歪みを緩和し変形を吸収することができ、電解質・電極接合体２６の損傷を阻止することが可能になる。
【００５６】
さらに、１つの突起部５６が配置される１つの単位領域１００に隣接する他の単位領域１００には、前記突起部５６が配置されていない。このため、突起部５６が配置される単位領域１００に荷重が付与されると、前記単位領域１００に隣接する他の単位領域１００が容易に撓むことができ、前記荷重や熱変位を良好に吸収することが可能になる。これにより、電解質・電極接合体２６の損傷を阻止することができる。
【００５７】
図５〜図７に示すように、凸部４２（４２ｂ）は、複数の突起部５６が配置されない単位領域１００、１１２及び１２２に周回されている。このため、単位領域１００、１１２及び１２２が、より少ない荷重や熱変位によっても簡単に撓むことができ、より確実に電解質・電極接合体２６の損傷を阻止することができる。
【００５８】
さらにまた、図４に示すように、第１挟持部７２に形成され、カソード電極２２に接する複数の凸部４２ａの高さｈ１は、第１挟持部４０に形成され、アノード電極２４に接する複数の凸部４２の高さｈ２よりも大きく構成されている。従って、アノード側の燃料ガス通路４４に比べてガス流通量が多いカソード側の酸化剤ガス通路７６では、通路高さが高くなり、酸化剤ガスが流れ易くなって圧力損失を減少させることが可能になる。
【００５９】
なお、第１の実施形態では、第１セパレータ２８ａが、燃料ガス供給連通孔３４を有する燃料ガス供給部８４を設けるとともに、第２セパレータ２８ｂが、酸化剤ガス供給連通孔６２を有する酸化剤ガス供給部９０を設けているが、これに限定されるものではない。
【００６０】
例えば、燃料ガス供給部のみを有する単一のセパレータを構成し、一対の前記セパレータ間に電解質膜・電極接合体を挟持するとともに、一方のセパレータと前記電解質・電極接合体との間に前記電解質・電極接合体の外周方向一方から外周方向他方に向かって酸化剤ガスを流すように構成してもよい。すなわち、酸化剤ガス供給部を不要にすることができる。
【００６１】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１１０の要部拡大説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池１２と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００６２】
第２の実施形態では、複数の凸部４２（４２ａ）は、例えば、正三角形の各角部に配置されることにより、３つの前記凸部４２（４２ａ）により単位領域１１２が形成される。１つの突起部５６は、１つの単位領域１１２内に配置されるとともに、複数の凸部４２（４２ａ）と複数の突起部５６とは、それぞれセパレータ積層方向（矢印Ａ方向）に対して重なることがない。複数の凸部４２（４２ａ）のうち、一部が複数の凸部４２（４２ｂ）となる。凸部４２（４２ｂ）の一つは、六つの単位領域１１２に周回されており、前記六つの単位領域１１２には複数の突起部５６が配置されない。
【００６３】
図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１２０の要部拡大説明図である。
【００６４】
第３の実施形態では、複数の凸部４２（４２ａ）は、例えば、正六角形の各角部に配置されることにより、６つの前記凸部４２（４２ａ）により単位領域１２２が形成される。１つの突起部５６は、１つの単位領域１２２内に配置される一方、この単位領域１２２に隣接する他の単位領域１２２、すなわち、前記突起部５６が配置される前記単位領域１２２を周回する６つの単位領域１２２には、前記突起部５６が配置されない。複数の凸部４２（４２ａ）と複数の突起部５６とは、それぞれセパレータ積層方向（矢印Ａ方向）に対して重なることがない。さらに、複数の凸部４２（４２ａ）のうち、一部が複数の凸部４２（４２ｂ）となる。凸部４２（４２ｂ）の一つは、六つの単位領域１２２に周回されており、前記六つの単位領域１２２には複数の突起部５６が配置されない。
【００６５】
このように構成される第２及び第３の実施形態では、複数の凸部４２（４２ａ）、４２（４２ｂ）と、複数の突起部５６とは、セパレータ積層方向に対して互いに異なる位置に配置されている。これにより、第２及び第３の実施形態は、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００６６】
１０…燃料電池スタック １２、１１０、１２０…燃料電池
２０…電解質 ２２…カソード電極
２４…アノード電極 ２６…電解質・電極接合体
２８ａ、２８ｂ…セパレータ ３０ａ、３０ｂ、３２ａ、３２ｂ…プレート
３４…燃料ガス供給連通孔 ３６、４８、８４…燃料ガス供給部
３８、５０、６８、７０、８６、９２…橋架部
４０、５２、７２、７４、８８、９４…挟持部
４２、４２ａ…凸部 ４４…燃料ガス通路
４６…燃料ガス供給孔 ５６…突起部
５８…燃料ガス供給通路 ６２…酸化剤ガス供給連通孔
６４、６６、９０…酸化剤ガス供給部 ７６…酸化剤ガス通路
７８…酸化剤ガス供給孔 ８０…酸化剤ガス供給通路
１００、１１２、１２２…単位領域
【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、一対のセパレータ間に配設されるとともに、前記セパレータに設けられる各挟持部間に前記電解質・電極接合体が挟持される燃料電池であって、
前記セパレータは、互いに接合される第１プレート及び第２プレートを備え、
前記第１プレートは、前記挟持部を構成する第１挟持部を有し、且つ、前記第１挟持部には、前記電解質・電極接合体との間に電極面に反応ガスを供給するための反応ガス通路を形成する複数の凸部が設けられる一方、
前記第２プレートは、前記挟持部を構成する第２挟持部を有し、且つ、前記第２挟持部には、該第２挟持部に接合される前記第１挟持部側に突出する複数の突起部が設けられ、
前記複数の凸部と前記複数の突起部とは、前記セパレータの積層方向に対して互いに異なる位置に配置され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、前記複数の凸部は、平面視で多角形状の各角部に対応して配置されることにより、複数の単位領域を構成し、
前記複数の突起部の中、１つの突起部が前記複数の単位領域の中、１つの単位領域内に配置され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１つの突起部が配置される前記１つの単位領域に隣接する他の単位領域には、突起部が配置されない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、前記カソード電極に接する前記複数の凸部の高さは、前記アノード電極に接する前記複数の凸部の高さよりも大きく構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記セパレータは、前記アノード電極の電極面に沿って一方の前記反応ガスである燃料ガスを供給する前記反応ガス通路である燃料ガス通路を形成する第１セパレータと、
前記カソード電極の電極面に沿って他方の前記反応ガスである酸化剤ガスを供給する前記反応ガス通路である酸化剤ガス通路を形成する第２セパレータと、
を備え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、前記第１セパレータは、前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給連通孔が積層方向に形成される燃料ガス供給部と、
前記挟持部と前記燃料ガス供給部とを連結し、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給連通孔から前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給通路が形成される橋架部と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項５又は６記載の燃料電池において、前記第２セパレータは、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酸化剤ガス供給連通孔が積層方向に形成される酸化剤ガス供給部と、
前記挟持部と前記酸化剤ガス供給部とを連結し、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給連通孔から前記酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給通路が形成される橋架部と、
を備え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、一対のセパレータ間に配設されるとともに、前記セパレータに設けられる各挟持部間に前記電解質・電極接合体が挟持される燃料電池であって、
前記セパレータは、互いに接合される第１プレート及び第２プレートを備え、
前記第１プレートは、前記挟持部を構成する第１挟持部を有し、且つ、前記第１挟持部には、前記電解質・電極接合体との間に電極面に反応ガスを供給するための反応ガス通路を形成する複数の凸部が設けられる一方、
前記第２プレートは、前記挟持部を構成する第２挟持部を有し、且つ、前記第２挟持部には、該第２挟持部に接合される前記第１挟持部側に突出する複数の突起部が設けられ、
前記複数の凸部と前記複数の突起部とは、前記セパレータの積層方向に対して互いに異なる位置に配置され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、前記複数の凸部は、平面視で多角形状の各角部に対応して配置されることにより、複数の単位領域を構成し、
前記複数の突起部の中、１つの突起部が前記複数の単位領域の中、１つの単位領域内に配置され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１つの突起部が配置される前記１つの単位領域に隣接する他の単位領域には、突起部が配置されない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、前記カソード電極に接する前記複数の凸部の高さは、前記アノード電極に接する前記複数の凸部の高さよりも大きく構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記セパレータは、前記アノード電極の電極面に沿って一方の前記反応ガスである燃料ガスを供給する前記反応ガス通路である燃料ガス通路を形成する第１セパレータと、
前記カソード電極の電極面に沿って他方の前記反応ガスである酸化剤ガスを供給する前記反応ガス通路である酸化剤ガス通路を形成する第２セパレータと、
を備え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、前記第１セパレータは、前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給連通孔が積層方向に形成される燃料ガス供給部と、
前記挟持部と前記燃料ガス供給部とを連結し、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給連通孔から前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給通路が形成される橋架部と、
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項５又は６記載の燃料電池において、前記第２セパレータは、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酸化剤ガス供給連通孔が積層方向に形成される酸化剤ガス供給部と、
前記挟持部と前記酸化剤ガス供給部とを連結し、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給連通孔から前記酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給通路が形成される橋架部と、
を備え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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１８２０５７（Ｐ２０１２−１８２０５７Ａ）
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４５１０３（Ｐ２０１１−４５１０３）
【出願日】平成２３年３月２日（２０１１．３．２）
【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２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２日（２０１１．３．２）
【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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