JP2008103220A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】強度低下を有効に阻止するとともに、各橋架部の断面に付与される応力を逃がし、セパレータの変形を阻止することを可能にする。
【解決手段】セパレータ２８は、燃料ガス供給連通孔３０を設ける第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部６０と、前記第１燃料ガス供給部３６に第１橋架部３８を、前記第２燃料ガス供給部６０に第１橋架部６２を介して連結され、電解質・電極接合体２６を挟持する第１挟持部４０及び第２挟持部６４と、前記第１挟持部４０に第２橋架部４２を、前記第２挟持部６４に第２橋架部６６を介して連結され、酸化剤ガス供給部５６を有する第１筐体部４４及び第２筐体部６８とを設ける。第１橋架部３８、６２と第２橋架部４２、６６とは、非対称形状に設定されるとともに、前記第１橋架部３８、６２及び前記第２橋架部４２、６６のどちらか一方の断面の単位面積あたりの荷重が、他方の断面の単位面積あたりの荷重よりも小さくなるように設定した。
【選択図】図３

Description

本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体と、セパレータとが積層される燃料電池を備えるとともに、前記燃料電池が複数積層される燃料電池スタックに関する。

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

上記の燃料電池では、電解質・電極接合体を構成するアノード電極及びカソード電極に、それぞれ燃料ガス（例えば、水素ガス）及び酸化剤ガス（例えば、空気）を供給するために、セパレータの面方向に沿って燃料ガス通路及び酸化剤ガス通路が形成されている。

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１６に示すように、発電セル（図示せず）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により連結されている。この連結部分２ｃ、２ｃは、肉薄且つ幅狭に形成されることにより可撓性を有している。

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内に直線状に延在しており、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。

特開２００６−１２０５８９号公報（図２）

上記の特許文献１では、連結部分２ｃ、２ｃに可撓性を設けるために、前記連結部分２ｃ、２ｃを肉薄且つ幅狭に形成している。このため、加工工数が増加してセパレータ１全体の製造コストが高騰するとともに、連結部分２ｃ、２ｃの強度が低下し、応力によって前記連結部分２ｃ、２ｃが破損し易くなるという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、強度低下を有効に阻止するとともに、各橋架部に付与される応力を均等化することができ、セパレータの変形及び損傷を確実に阻止することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体と、セパレータとが積層される燃料電池を備えるとともに、前記燃料電池が複数積層される燃料電池スタックに関するものである。

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ための燃料ガス供給孔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ための酸化剤ガス供給孔が設けられる挟持部と、前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に供給するための第１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第１反応ガス供給通路に供給するための第１反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される第１反応ガス供給部と、前記挟持部に連結され、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に又は前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に供給するための第２反応ガス供給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、前記電解質・電極接合体を収容する筐体部と、前記筐体部に設けられるとともに、前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスを前記第２反応ガス供給通路に供給するための第２反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される第２反応ガス供給部とを備えている。

そして、第１橋架部と第２橋架部とは、非対称形状に設定されるとともに、前記第１橋架部及び前記第２橋架部のどちらか一方の断面の単位面積あたりの荷重が、他方の断面の単位面積あたりの荷重よりも小さくなるように設定した。

また、第１橋架部は、第１反応ガス供給部及び挟持部により拘束される一方、第２橋架部は、第２反応ガス供給部及び前記挟持部により拘束されることが好ましい。

さらに、第２橋架部は、第１橋架部よりも短尺且つ幅広に構成されることが好ましい。第２橋架部の断面には、第１橋架部の断面より小さい応力が作用するため、セパレータの変形を阻止するとともに、前記第２橋架部が短尺化して前記セパレータ全体のコンパクト化が容易に図られるからである。

さらにまた、第２橋架部は、第１橋架部よりも短尺且つ多数に構成されることが好ましい。第２橋架部の断面積が第１橋架部の断面積に対して大きく設定することができるとともに、セパレータ全体のコンパクト化が容易に図られるからである。

また、本発明では、第２橋架部は、第１橋架部と同等の幅を有し且つ前記第１橋架部の延在方向に交差する方向に延在して設けられている。

さらに、本発明では、少なくとも第１橋架部又は第２橋架部は、弾性変形可能な波形状に設定されている。

さらにまた、単一の第１反応ガス供給部には、複数の第１橋架部を介して複数の挟持部が連結されるとともに、各挟持部には、各第２橋架部を介して単一の筐体部が一体に設けられ、且つ、前記筐体部には、複数の第２反応ガス供給部が形成されることが好ましい。

また、筐体部は、環状に構成されることが好ましい。排ガスからの排熱を筐体部全体に均等に伝熱することができ、電解質・電極接合体に供給される前の反応ガスを、均等に加温することが可能になるからである。また、スタックの温度分布が均一になり、発電性能の向上と安定化が図られる。

本発明では、第１橋架部及び第２橋架部のどちらか一方の断面の単位面積あたりの荷重が、他方の断面の単位面積あたりの荷重よりも小さくなるように設定されるため、作用する応力をどちらか一方の橋架部で緩和することができる。従って、簡単な構成で、セパレータの変形を良好に阻止することができる。しかも、第１橋架部と第２橋架部とは、非対称形状に設定されるため、例えば、前記第２橋架部を短尺化することが可能になり、セパレータ全体のコンパクト化が容易に遂行される。

さらに、本発明では、第２橋架部が第１橋架部と同等の幅を有し、且つ前記第１橋架部の延在方向に交差する方向に延在して設けられるため、前記第１及び第２橋架部は、互いに対向しておらず、反力が発生しない方向に伸張して変形可能となる。このため、挟持部は、第１及び第２橋架部が形成されていない方向に可動することができ、前記第１及び第２橋架部に作用する応力を緩和することが可能になる。

また、本発明では、少なくとも第１橋架部又は第２橋架部は、弾性変形可能な波形状に設定されている。このため、波形状部分がばね弾性（応力緩和機能）を有することができ、第１橋架部又は第２橋架部に作用する応力を良好に緩和することが可能になる。これにより、セパレータ全体のコンパクト化を図るとともに、前記セパレータの変形を良好に阻止することができる。

図１は、燃料電池１０が矢印Ａ方向に複数積層された本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１２の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池スタック１２の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。

燃料電池１０は、固体電解質型燃料電池であり、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１０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。

燃料電池１０は、図３に示すように、一対のセパレータ２８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２８間には、このセパレータ２８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。

セパレータ２８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３２及び第２プレート３４を有する。第１プレート３２及び第２プレート３４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。

図３及び図５に示すように、第１プレート３２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（第１反応ガス供給連通孔）３０が形成される第１燃料ガス供給部（第１反応ガス供給部）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３８を介し、比較的大径な第１挟持部４０が一体に設けられる。第１挟持部４０は、電解質・電極接合体２６と略同一寸法に設定されるとともに、各第１挟持部４０には、短尺な第２橋架部４２を介して環状の第１筐体部４４が一体に設けられる。

図５に示すように、第１橋架部３８と第２橋架部４２とは、非対称形状に設定されるとともに、前記第１橋架部３８の断面積に対して前記第２橋架部４２の断面積が大きくなる。具体的には、図４に示すように、第１橋架部３８、第２橋架部４２の厚さをそれぞれＴ１、Ｔ２としたとき、第１橋架部３８の厚さＴ１及び幅Ｈ１と、第２橋架部４２の厚さＴ２及び幅Ｈ２とは、幅Ｈ２＞幅Ｈ１の関係に設定されるとともに、厚さＴ１×幅Ｈ１＜厚さＴ２×幅Ｈ２の関係を有する。

第１挟持部４０のアノード電極２４に接触する面には、前記アノード電極２４の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路４６を形成する複数の突起部４８が設けられる。突起部４８は、集電部を構成する。第１挟持部４０の略中央には、燃料ガス供給連通孔３０側に偏心し、アノード電極２４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供給孔５２が形成される。

第１筐体部４４は、酸化剤ガスを後述する酸化剤ガス供給通路７８に供給するための酸化剤ガス供給連通孔（第２反応ガス供給連通孔）５４が積層方向に形成される酸化剤ガス供給部（第２反応ガス供給部）５６を有する。第１筐体部４４には、複数のボルト挿入用孔部５８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３８、第１挟持部４０、第２橋架部４２及び酸化剤ガス供給連通孔５４は、セパレータ面方向に沿って直線上に配置される。

図３及び図６に示すように、第２プレート３４は、中央部に燃料ガス供給連通孔３０が形成される第２燃料ガス供給部（第１反応ガス供給部）６０を有する。この第２燃料ガス供給部６０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６２を介して比較的大径な第２挟持部６４が一体に設けられる。第２挟持部６４は、第１挟持部４０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とともに、各第２挟持部６４には、短尺な第２橋架部６６を介して環状の第２筐体部６８が一体に設けられる。

図６に示すように、第１橋架部６２及び第２橋架部６６は、第１橋架部３８及び第２橋架部４２と同一の関係を有する。具体的には、図４に示すように、第１橋架部６２、第２橋架部６６の厚さをそれぞれＴ１、Ｔ２としたとき、第１橋架部６２の厚さＴ１及び幅Ｈ１と、第２橋架部６６の厚さＴ２及び幅Ｈ２とは、幅Ｈ２＞幅Ｈ１の関係に設定されるとともに、厚さＴ１×幅Ｈ１＜厚さＴ２×幅Ｈ２の関係を有する。

第２燃料ガス供給部６０の第１燃料ガス供給部３６と接合される面には、燃料ガス供給連通孔３０に連通する複数の溝部７０が、前記燃料ガス供給連通孔３０を中心にして放射状に形成される。各溝部７０は、周溝７２に一体に連通するとともに、前記周溝７２には、４本の燃料ガス供給通路（第１反応ガス供給通路）７４が連通する。各燃料ガス供給通路７４は、各第１橋架部６２から各第２挟持部６４の中央部近傍に延在し、第１プレート３２の燃料ガス供給孔５２に対応して終端する。

第２筐体部６８には、酸化剤ガス供給連通孔５４が積層方向に形成される酸化剤ガス供給部５６と、ボルト挿入用孔部５８とが設けられる。この第２筐体部６８の第１筐体部４４に接合される面には、酸化剤ガス供給連通孔５４から供給される酸化剤ガスを充填するための充填室７６が形成される。

充填室７６は、各第２橋架部６６から各第２挟持部６４の中央部近傍まで延在する酸化剤ガス供給通路（第２反応ガス供給通路）７８に連通する。酸化剤ガス供給通路７８の先端には、第２挟持部６４を貫通する酸化剤ガス供給孔８０が連通する。

第１プレート３２には、複数の突起部４８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３４には、溝部７０、周溝７２、燃料ガス供給通路７４、充填室７６及び酸化剤ガス供給通路７８が、例えば、エッチングにより形成される。

図３に示すように、第２プレート３４のカソード電極２２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）８４が配設される。このフェルト部材８４により、第２挟持部６４とカソード電極２２との間には、酸化剤ガス通路８６が形成される。なお、フェルト部材８４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２６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８８が設けられる。

図７に示すように、各セパレータ２８間には、燃料ガス供給連通孔３０をシールするための第１絶縁シール９０と、酸化剤ガス供給連通孔５４をシールするための第２絶縁シール９２とが設けられる。第１絶縁シール９０及び第２絶縁シール９２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９２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。

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１０の積層方向一端に、略円板状の第１エンドプレート９４ａが配置されるとともに、積層方向他端に、隔壁９５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９４ｂと、大径且つ略リング状の固定リング９４ｃとが配置される。隔壁９５は、排ガスが燃料電池１０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９４ｂ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。

第１エンドプレート９４ａ及び固定リング９４ｃは、セパレータ２８のボルト挿入用孔部５８に連通する複数の孔部９６を有する。孔部９６からボルト挿入用孔部５８に挿入されるボルト９８及び前記ボルト９８に螺合するナット１００を介し、セパレータ２８の第１筐体部４４及び第２筐体部６８が第１エンドプレート９４ａに締め付け固定される。

第１エンドプレート９４ａ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１０２と、各酸化剤ガス供給連通孔５４に連通する４本の酸化剤ガス供給パイプ１０４と、排ガス通路８８に連通する４本の排ガス排出パイプ１０５とが設けられる。

第１エンドプレート９４ａは、複数のボルト９８、ナット１０８ａ、１０８ｂ及び板状カラー部材１１０を介して支持プレート１１２が固定される。支持プレート１１２と第１エンドプレート９４ａとの間には、第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部６０に締め付け荷重を付与する第１荷重付与部１１４と、酸化剤ガス供給部５６に締め付け荷重を付与する第２荷重付与部１１６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１１８とが設けられる。

第１荷重付与部１１４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１０の中央部（第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部６０の中央部）に配置される押圧部材１２０を備え、この押圧部材１２０は、４つの第２エンドプレート９４ｂの配列中心近傍に位置して前記燃料電池１０に隔壁９５を介して押圧する。押圧部材１２０には、第１受け部材１２２ａ及び第２受け部材１２２ｂを介して第１スプリング１２４が配置される。第２受け部材１２２ｂには、第１押圧ボルト１２６の先端が当接する。第１押圧ボルト１２６は、支持プレート１１２に形成された第１ねじ孔１２８に螺合するとともに、第１ナット１３０を介して位置調整可能に固定される。

第２荷重付与部１１６は、孔部９６からボルト挿入用孔部５８に挿入されるボルト９８と、前記ボルト９８に螺合するナット１００とを備え、酸化剤ガス供給部５６から酸化剤ガスが漏れることを阻止する機能を有する。

第３荷重付与部１１８は、第２エンドプレート９４ｂ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１３２ａを備える。第３受け部材１３２ａは、ピン１３４を介して第２エンドプレート９４ｂに位置決め支持される。第３受け部材１３２ａに第２スプリング１３６の一端が当接する一方、前記第２スプリング１３６の他端が第４受け部材１３２ｂに当接する。第４受け部材１３２ｂには、第２押圧ボルト１３８の先端が当接する。第２押圧ボルト１３８は、支持プレート１１２に形成された第２ねじ孔１４０に螺合するとともに、第２ナット１４２を介して位置調整可能に固定される。

このように構成される燃料電池スタック１２の動作について、以下に説明する。

図１に示すように、第１エンドプレート９４ａに接続されている燃料ガス供給パイプ１０２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１０４から酸化剤ガス供給部５６には、酸素含有ガスである空気が供給される。

燃料ガス供給連通孔３０に供給された燃料ガスは、図４及び図７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１０を構成するセパレータ２８の第２プレート３４に形成された溝部７０から周溝７２を介して各燃料ガス供給通路７４に供給される。燃料ガスは、燃料ガス供給通路７４に沿って移動した後、第１プレート３２に形成された燃料ガス供給孔５２から燃料ガス通路４６に導入される。

燃料ガス供給孔５２は、各電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の略中心位置に対応して設けられている。従って、燃料ガスは、燃料ガス供給孔５２からアノード電極２４に供給され、このアノード電極２４の略中心部から外周部に向かって燃料ガス通路４６を流動する。

一方、酸化剤ガス供給部５６に供給される空気は、第１プレート３２の第１筐体部４４と第２プレート３４の第２筐体部６８との間に設けられる充填室７６に一旦充填される。この充填室７６には、酸化剤ガス供給通路７８が連通しており、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス供給通路７８に沿って第１挟持部４０及び第２挟持部６４の中心側に移動する。

第２挟持部６４の中心近傍には、酸化剤ガス供給孔８０が連通するとともに、前記酸化剤ガス供給孔８０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、図７に示すように、酸化剤ガス供給孔８０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フェルト部材８４に形成された酸化剤ガス通路８６を流動する。

従って、各電解質・電極接合体２６では、アノード電極２４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２２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２６の外周部から排ガス通路８８に排気される。

この場合、第１の実施形態では、図５に示すように、第２橋架部４２の幅Ｈ２を第１橋架部３８の幅Ｈ１よりも大きく設定することによって、前記第２橋架部４２の断面積を前記第１橋架部３８の断面積に対して大きく設定している。

このため、燃料電池スタック１２に第１荷重付与部１１４、第２荷重付与部１１６及び第３荷重付与部１１８を介して締め付け荷重が付与された状態で、第１橋架部３８によって応力を緩和することができる。

すなわち、第１橋架部３８は、第１荷重付与部１１４及び第３荷重付与部１１８により拘束されるとともに、第２橋架部４２は、第２荷重付与部１１６及び前記第３荷重付与部１１８により拘束されている。従って、第１橋架部３８及び第２橋架部４２には、燃料電池スタック１２の運転による熱膨張や運転停止による熱収縮を介して応力が発生する。その際、第１橋架部３８の断面の単位面積あたりの荷重が第２橋架部４２の断面の単位面積あたりの荷重に対して大きくなるように設定されるため、前記第２橋架部４２より断面積の小さい前記第１橋架部３８によって応力が緩和される。

同様に、図６に示すように、短尺な第２橋架部６６の断面の単位面積あたりの荷重が長尺な第１橋架部６２の断面の単位面積あたりの荷重に対して大きくなるように設定することで、前記第２橋架部６６より断面積の小さい前記第１橋架部６２によって応力が緩和される。このため、簡単な構成で、セパレータ２８の変形や損傷を良好に阻止することができる。

しかも、第２橋架部４２、６６は、可及的に短尺に構成することができ、セパレータ２８全体のコンパクト化が容易に遂行される。これにより、燃料電池スタック１２全体は、セパレータ２８の面方向に沿う寸法（直径）が可及的に短尺化され、前記燃料電池スタック１２全体の小型化が容易に図られるという効果が得られる。

さらに、第１筐体部４４及び第２筐体部６８は、環状に構成されている。このため、排ガスからの排熱を第１筐体部４４及び第２筐体部６８全体に均等に伝熱することができる。このため、電解質・電極接合体２６に供給される前の酸化剤ガスを、均等に加温することが可能になる。しかも、第１筐体部４４及び第２筐体部６８は、セパレータ２８の外形形状を構成し、且つ環状を有するため、燃料電池スタック１２全体の外形寸法が良好に狭小化され、前記燃料電池スタックのコンパクト化が可能になる。

図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１６０の分解斜視図であり、図９は、前記燃料電池１６０の動作を説明する概略断面説明図である。

なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３〜第６の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

燃料電池１６０を構成するセパレータ１６２は、第１プレート１６４と第２プレート１６６とを備える。第１プレート１６４を構成する第１挟持部４０は、電解質・電極接合体２６に接触する面を平坦面に構成するとともに、この面には、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４６を形成し且つ前記アノード電極２４に密着する導電性フェルト部材（金属フェルト等の導電性不織布）１６７が配設される（図８及び図９参照）。なお、導電性フェルト部材に代えて、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。

第２プレート１６６を構成する第２挟持部６４は、カソード電極２２に接触する面に、酸化剤ガス通路８６を形成する複数の突起部１６８が設けられる。突起部１６８は、例えば、エッチングにより形成される。

図１０は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池１７０の分解斜視図であり、図１１は、前記燃料電池１７０の動作を説明する概略断面説明図である。

燃料電池１７０を構成するセパレータ１７２は、第１プレート１７４と第２プレート１７６とを備える。第１プレート１７４を構成する第１挟持部４０のアノード電極２４に接触する面には、燃料ガス通路４６を形成する複数の突起部４８が設けられる。第２プレート１７６を構成する第２挟持部６４のカソード電極２２に接触する面に、酸化剤ガス通路８６を形成する複数の突起部１６８が設けられる。

このように、第２の実施形態及び第３の実施形態では、セパレータ１６２、１７２に熱膨張や熱収縮による応力が発生しても、前記セパレータ１６２、１７２に変形や損傷が発生することを有効に阻止することができる等、上述した第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、上記の第１及び第２の実施形態を併合し、酸化剤ガス通路８６を形成するフェルト部材（金属フェルト等の導電性不織布）８４と、燃料ガス通路４６を形成するフェルト部材（金属フェルト等の導電性不織布）１６７とを用いてもよい。なお、フェルト部材８４、１６７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。

図１２は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１８０の分解斜視図である。

燃料電池１８０を構成するセパレータ１８２は、第１プレート１８４と第２プレート１８６とを備える。第１プレート１８４を構成する第１挟持部４０と第１筐体部４４とには、複数、例えば、３つの第２橋架部１８８ａ、１８８ｂ及び１８８ｃが一体に設けられる。第２橋架部１８８ａ、１８８ｂ及び１８８ｃは、第１橋架部３８よりも短尺に構成されるとともに、前記第２橋架部１８８ａ、１８８ｂ及び１８８ｃ全体の断面積は、前記第１橋架部３８の断面積よりも大きく設定される。

第２プレート１８６を構成する第２挟持部６４と第２筐体部６８とには、第２橋架部１９０ａ、１９０ｂ及び１９０ｃが一体に設けられる。この第２橋架部１９０ａ、１９０ｂ及び１９０ｃは、上記の第２橋架部１８８ａ、１８８ｂ及び１８８ｃと同様に、第１橋架部６２よりも短尺に構成されるとともに、前記第２橋架部１９０ａ、１９０ｂ及び１９０ｃ全体の断面積は、前記第１橋架部６２の断面積よりも大きく設定される。

このように構成される第４の実施形態では、上記の第１〜３の実施形態と同様の効果が得られる。

図１３は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池２００の分解斜視図である。

燃料電池２００を構成するセパレータ２０２は、第１プレート２０４と第２プレート２０６とを備える。第１プレート２０４を構成する第１挟持部４０と第１筐体部４４とには、第２橋架部２０８が一体に設けられる。第２橋架部２０８は、燃料ガス供給連通孔３０から第１橋架部３８を結ぶ直線に交差する方向に延在する。すなわち、第２橋架部２０８は、第１橋架部３８と同等の幅を有し且つ前記第１橋架部３８の延在方向に交差する方向に延在して設けられる。

第２プレート２０６を構成する第２挟持部６４と第２筐体部６８とには、第２橋架部２１０が一体に設けられる。この第２橋架部２１０は、上記の第２橋架部２０８と同様に、第１橋架部６２と同等の幅を有し且つ前記第１橋架部６２の延在方向に交差する方向に延在して設けられる。

このように構成される第５の実施形態では、第１挟持部４０及び第２挟持部６４は、第１橋架部３８、６２及び第２橋架部２０８、２１０に拘束されていない矢印Ｅ方向に可動可能である。このため、上記の第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる他、第１橋架部３８、６２及び第２橋架部２０８、２１０に発生した応力を良好に逃がすことが可能になるという利点がある。第１橋架部３８、６２の延在方向と、第２橋架部２０８、２１０の延在方向とが、互いに直線状に配置されていないからである。

図１４は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池２２０の分解斜視図である。

燃料電池２２０を構成するセパレータ２２２は、第１プレート２２４と第２プレート２２６とを備える。第１プレート２２４を構成する第１挟持部４０と第１筐体部４４とには、第２橋架部２２８が一体に設けられる。第２橋架部２２８は、第１橋架部３８と同等の幅を有するとともに、弾性変形可能な波形状に設定される（図１５参照）。

第２プレート２２６を構成する第２挟持部６４と第２筐体部６８とには、第２橋架部２３０が一体に設けられる。この第２橋架部２３０は、上記の第２橋架部２２８と同様に、第１橋架部６２と同等の幅を有するとともに、弾性変形可能な波形状に設定される。

このように構成される第６の実施形態では、第２橋架部２２８、２３０が弾性変形可能な波形状に設定されている。このため、第２橋架部２２８、２３０自体がばね弾性（応力緩和機能）を有しており、前記第２橋架部２２８、２３０に作用する応力が良好に緩和される。これにより、セパレータ２２２全体のコンパクト化を図るとともに、前記セパレータ２２２の変形を有効に阻止することができる等、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、第６の実施形態では、第２橋架部２２８、２３０のみを波形状に設定しているが、これに限定されるものではなく、この第２橋架部２２８、２３０に代えて、第１橋架部３８、６２のみを波形状に設定してもよく、あるいは、前記第２橋架部２２８、２３０とともに第１橋架部３８、６２を波形状に設定してもよい。

燃料電池が複数積層された本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池スタックの概略斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。 前記燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池のガス流れ状態を示す一部分解斜視説明図である。 セパレータを構成する第１プレートの説明図である。 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。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。 本発明の第６の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。 前記燃料電池の要部拡大分解斜視図である。 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。

符号の説明

１０、１６０、１７０、１８０、２００、２２０…燃料電池
１２…燃料電池スタック ２０…電解質
２２…カソード電極 ２４…アノード電極
２６…電解質・電極接合体
２８、１６２、１７２、１８２、２０２、２２２…セパレータ
３０…燃料ガス供給連通孔
３２、３４、１６４、１６６、１７４、１７６、１８４、１８６、２０４、２０６、２２４、２２６…プレート
３６、６０…燃料ガス供給部
３８、４２、６２、６６、１８８ａ〜１８８ｃ、１９０ａ〜１９０ｃ、２０８、２１０、２２８、２３０…橋架部
４０、６４…挟持部 ４４、６８…筐体部
４６…燃料ガス通路 ４８、１６８…突起部
５２…燃料ガス供給孔 ５４…酸化剤ガス供給連通孔
５６…酸化剤ガス供給部 ７４…燃料ガス供給通路
７６…充填室 ７８…酸化剤ガス供給通路
８０…酸化剤ガス供給孔 ８４、１６７…フェルト部材
８６…酸化剤ガス通路 ８８…排ガス通路
９０、９２…絶縁シール ９４ａ、９４ｂ…エンドプレート
１１２…支持プレート １１４、１１６、１１８…荷重付与部

Claims (8)

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・電極接合体と、セパレータとが積層される燃料電池を備えるとともに、前記燃料電池が複数積層される燃料電池スタックであって、
   前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持するとともに、前記アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔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ための酸化剤ガス供給孔が設けられる挟持部と、
   前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に供給するための第１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第１反応ガス供給通路に供給するための第１反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される第１反応ガス供給部と、
   前記挟持部に連結され、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に又は前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に供給するための第２反応ガス供給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、前記電解質・電極接合体を収容する筐体部と、
   前記筐体部に設けられるとともに、前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスを前記第２反応ガス供給通路に供給するための第２反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される第２反応ガス供給部と、
   を備え、
   前記第１橋架部と前記第２橋架部とは、非対称形状に設定されるとともに、前記第１橋架部及び前記第２橋架部のどちらか一方の断面の単位面積あたりの荷重が、他方の断面の単位面積あたりの荷重よりも小さくなるように設定したことを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１橋架部は、前記第１反応ガス供給部及び前記挟持部により拘束される一方、
   前記第２橋架部は、前記第２反応ガス供給部及び前記挟持部により拘束されることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、前記第２橋架部は、前記第１橋架部よりも短尺且つ幅広に構成されることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、前記第２橋架部は、前記第１橋架部よりも短尺且つ多数に構成されることを特徴とする燃料電池スタック。
5. 電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体と、セパレータとが積層される燃料電池を備えるとともに、前記燃料電池が複数積層される燃料電池スタックであって、
   前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持するとともに、前記アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔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ための酸化剤ガス供給孔が設けられる挟持部と、
   前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に供給するための第１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第１反応ガス供給通路に供給するための第１反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される第１反応ガス供給部と、
   前記挟持部に連結され、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に又は前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に供給するための第２反応ガス供給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、前記電解質・電極接合体を収容する筐体部と、
   前記筐体部に設けられるとともに、前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスを前記第２反応ガス供給通路に供給するための第２反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される第２反応ガス供給部と、
   を備え、
   前記第２橋架部は、前記第１橋架部と同等の幅を有し且つ前記第１橋架部の延在方向に交差する方向に延在して設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
6. 電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体と、セパレータとが積層される燃料電池を備えるとともに、前記燃料電池が複数積層される燃料電池スタックであって、
   前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持するとともに、前記アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔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ための酸化剤ガス供給孔が設けられる挟持部と、
   前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に供給するための第１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第１反応ガス供給通路に供給するための第１反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される第１反応ガス供給部と、
   前記挟持部に連結され、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に又は前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に供給するための第２反応ガス供給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、前記電解質・電極接合体を収容する筐体部と、
   前記筐体部に設けられるとともに、前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスを前記第２反応ガス供給通路に供給するための第２反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される第２反応ガス供給部と、
   を備え、
   少なくとも前記第１橋架部又は前記第２橋架部は、弾性変形可能な波形状に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、単一の前記第１反応ガス供給部には、複数の前記第１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、
   各挟持部には、各第２橋架部を介して単一の筐体部が一体に設けられ、且つ、前記筐体部には、複数の前記第２反応ガス供給部が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
8. 請求項７記載の燃料電池スタックにおいて、前記筐体部は、環状に構成されることを特徴とする燃料電池スタック。

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