JP2000012068A

JP2000012068A - 燃料電池装置

Info

Publication number: JP2000012068A
Application number: JP10174752A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Yagi; 哲也八木; Toshio Shinoki; 俊雄篠木; Mitsuie Matsumura; 光家松村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1998-06-22
Filing date: 1998-06-22
Publication date: 2000-01-14

Abstract

(57)【要約】【課題】この発明は、良好な面圧の均一性および部材
接触性を確保し、かつ、端板間のユニット化および配管
接続の容易性を確保した燃料電池装置を得る。【解決手段】上部および下部端板３０、４０は、燃料
電池積層物２０の上下両端に位置する燃料電池セル１に
それぞれ接するように配置される薄板の平板からなる上
部および下部内端板３１、４１と、上部および下部内端
板３１、４１の外側にそれぞれ配置される上部および下
部外端板３２、４２とからなる。これらの上部および下
部外端板３２、４２は、それぞれ厚板の平板を複数の小
ブロック３２ａ、４２ａに分割して構成されている。さ
らに、締付機構１１による締付力が可撓性を有する部材
１５を介して上部および下部外端板３２、４２に印加さ
れ、燃料電池積層体２１が一体化される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、燃料電池装置に
関し、特に燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池積
層体に所定の面圧を均一に与える燃料電池装置の端板構
造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】溶融炭酸塩型燃料電池は、燃料電池セル
がセパレータ板を介して複数積層されてなる積層物の上
下両端部のそれぞれに端板を配置して構成された燃料電
池積層体と、該燃料電池積層体を端板を介して締着一体
化する締付機構とから構成されている。このような溶融
炭酸塩型燃料電池装置においては、燃料電池積層体への
均一な締め付け面圧の確保、各セル間の良好な部材接触
性の確保および組立・補修の容易性などの点で、特に端
板部の構造が重要となる。このことは、特に燃料電池の
大面積化および高積層化が進につれ顕著になる。以下、
従来の代表的な端板構造に付いて説明する。

【０００３】図８は例えば特開平５−２２５９９７号公
報に記載された従来の燃料電池装置を示す側面図であ
る。図８において、１は燃料電池セル（以下、セルと称
す）、２はセル１を複数積層してなる燃料電池積層物、
５は上部端板３と下部端板４とを積層物２の上下両端に
それぞれ配置してなる燃料電池積層体である。１１は燃
料電池積層体５を締着一体化する締付機構であり、この
締付機構１１は上部締付板６、下部締付板７、締付ロッ
ド８、締付ナット９および加圧バネ１０から構成されて
いる。１２は燃料電池積層物２内に流通する反応ガスを
外部と流通するための配管を設置するためのガスヘッ
ダ、１３は各セル１の電池反応部に反応ガスを供給し、
電池反応後のガスを排出するために燃料電池積層物２内
に形成したマニホールドである。

【０００４】ここで、セル１は、炭酸塩が含浸された電
解質マトリクスをカソードとアノードとの両電極により
両面から挟み込んで構成され、さらにカソードに酸化ガ
スを供給する流路とアノードに燃料ガスを供給する流路
とが形成されている。このセル１がセパレータ板を介し
て複数積層されて燃料電池積層物２を形成している。こ
の積層物２内には、酸化ガスの給排用マニホールド１３
が電池反応周辺部で各セル１を貫通するように形成さ
れ、各セル１のカソード側の電池反応部に酸化ガスを供
給し、電池反応後のガスを排出できるようになってお
り、同様に、燃料ガスの給排用マニホールド１３が電池
反応周辺部で各セル１を貫通するように形成され、各セ
ル１のアノード側の電池反応部に燃料ガスを供給し、電
池反応後のガスを排出できるようになっている。

【０００５】このように構成された従来の燃料電池装置
においては、上部および下部端板３、４を積層物２の上
下にそれぞれ配置し、さらに上部および下部締付板６、
７を上部および下部端板３、４の上下にそれぞれ配置
し、上部および下部締付板６、７同士を締付ロッド８で
つなぎ、各締付ロッド８の両端に螺合された締付ナット
９で均等に締め付けることにより、上部および下部端板
３、４を介して積層物２に均一な締付力を付与させて積
層体５を一体化している。ここで、上部締付板６と締付
ナット９との間に加圧バネ１０を介装させることによ
り、積層物２の高さの変化に追従させるようになってい
る。また、上部および下部端板３、４は、端板３、４間
に配置されるセル１のハンドリング性を高めるため、セ
ル１内に供給する反応ガスの流路を確保するため、さら
には締付機構１１からの締付力を均等に分散してセル１
面内に伝達するために厚板としている。

【０００６】図９は例えば特開平５−２２５９９７号公
報に記載された従来の燃料電池装置を示す側面図であ
る。図９に示される燃料電池装置では、薄板で構成され
た上部および下部端板３ａ、４ａを積層物２の上下にそ
れぞれ配置し、かつ、高温でも弾性を有するセラミック
断熱材１４を上部および下部端板３ａ、４ａの上下にそ
れぞれ配置し、さらに上部および下部締付板６、７をセ
ラミック断熱材１４の上下にそれぞれ配置し、上部およ
び下部締付板６、７同士を締付ロッド８でつなぎ、各締
付ロッド８の両端に螺合された締付ナット９で均等に締
め付けることにより、上部および下部端板３ａ、４ａと
セラミック断熱材１４とを介して積層物２に均一な締付
力を付与させて積層体５を一体化している。

【０００７】すなわち、上部および下部端板３ａ、４ａ
は、セル１およびセパレータ板による積層物２の高さ方
向の寸法ばらつきや端板３ａ、４ａ自身の歪み（加工歪
み、熱歪みなど）に対して、締付板６、７を介しての締
付力でも平らになるようなフレキシビリティを持たせた
薄いものである。上部および下部端板３ａ、４ａは板厚
を１５ｍｍ以下とした薄板でフレキシビリティを持たせ
てあり、しかも高温弾性を有する断熱材１４の弾性を利
用して締め付けているので、端板３ａ、４ａは締付力に
より平らになることができる。これにより、積層物２は
電池反応面の全面にわたって均一な締付力が得られ、電
池性能を向上させることができる。また、端板３ａ、４
ａが薄板であることにより、平面方向の熱の流れが小さ
くなるので、端板３ａ、４ａおよびセル１の積層方向に
直交する平面における温度分布の改善が図られる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来の燃料電池装置は
以上のように、厚みの厚い剛性の大きい端板３、４を用
いたものと、厚みの薄い柔軟性に富む端板３ａ、４ａを
用いたものとがある。両者の差異は、端板が満たすべき
下記の機能の中で、いずれの機能に重点を置くかで生じ
てくる。Ａ：セル１およびセパレータ板よりなる積層物
２を挟み、締付機構１１により印加される面圧を均一に
積層物２に伝える。Ｂ：積層物２の上下両端のセル１と
良好な電池接触を確保する。Ｃ：外部に接続する反応ガ
ス配管と積層物２の内部に設けられるガスマニホールド
とを接続する。（内部マニホールド方式のみ）Ｄ：端板
間で積層物２の簡易締め付け（面圧０．５ｋｇｆ／ｃｍ
^２程度以上）を行い、組立あるいは補修を容易化する。
Ｅ：１〜２ｍ^２級の大面積電池に対しても、面の加工精
度、コスト、追随性、厚みにおいて作製上無理のない構
造を有すること。

【０００９】上記Ａ、Ｃ、Ｄの機能を簡素な構造で達成
するには、厚板からなる端板３、４の採用が合理的であ
る。しかしながら、厚板からなる端板３、４を用いた積
層体５では、上記Ｂ、Ｅの機能の達成は、本電池の実用
的なサイズと考えられている大面積（例えば０．５ｍ^２
以上）・高積層な燃料電池装置において難しい。一方、
上記Ｂ、Ｅの機能の達成には、薄板からなる端板３ａ、
４ａが望ましい。この場合、逆に上記Ｃ、Ｄの機能の達
成が難しくなる。

【００１０】ついで、図８に示される従来構造の燃料電
池装置における問題点を説明する。燃料電池積層体５の
高さは例えば１〜数ｍ程度であり、構成部品の厚さのば
らつきに加え、運転時における燃料電池積層物２の面内
に存在する温度分布（１００〜１５０℃程度の面内温度
差）に起因する構成部材の熱膨張量の違いにより、積層
物２の高さが積層物２面内の位置により異なる、即ち積
層物２内で高さのばらつきが生じる。さらに、運転条件
の変化等により電池面内に生じる温度分布が経時的に変
化し、特に電池材料の厚み収縮が高温度領域で顕著とな
るので、積層物２面内の各位置における積層物２の高さ
が経時的に変化することになり、この積層物２内での高
さのばらつきは経時的にも変化する。

【００１１】このような積層物２内での高さのばらつき
は、最大１〜数ｍｍ程度となり、厚板の端板３、４（厚
みが数十ｍｍ）では追随できない。標準的な締め付け面
圧（１〜３ｋｇｆ／ｃｍ^２）での端板の追随性は、端板
が幅：１ｍ、長さ：１ｍ、厚み：６０ｍｍの寸法とした
場合、最大０．５ｍｍ程度である。その結果、端板３、
４と端板３、４に隣接するセル１との間のコンタクトが
部分的に失われ、セル電圧が低下するという問題が生じ
てしまう。そして、このセル電圧の低下の度合いは、図
１０に示されるように、材料の経時的なクリープや熱サ
イクル（例えば、動作温度である６５０℃と室温との間
の熱サイクル）の蓄積等により、運転時間とともに増大
する。なお、図１０は、積層体５内の中央部および端部
に位置するセルのセル電圧と運転時間との関係を示して
いる。また、厚板の端板３、４が積層物２内で発生する
高さのばらつきに追随できないことから、セル１面の一
部の領域で面圧が低下し、ガスシール性が低下するとい
う問題を生じてしまう。さらに、部材が大型化した場合
には、端板３、４が厚板であるがゆえに端板１枚当たり
の重量が大きくなり、工作設備も限定され、十分な面精
度の達成が困難となり、コストが高くなる等の問題が生
じてしまう。一般的な厚板を用いた端板３、４の製造に
際しては、厚板の表面研削、シールプレートの接合、ア
ルミの塗布および熱処理等の防食処理等の多くの加工工
程が必要となる。一方、１〜２ｍ^２級の端板３、４は、
重量的には１．５〜３トン程度、寸法的には長辺で２〜
３ｍ程度となる。このような重量物に上述の多様な加工
工程を施すには、利用可能な製造設備の制限、工作機械
の加工精度、製造コストの面で問題点が多い。

【００１２】つぎに、図９に示される従来構造の燃料電
池装置における問題点を説明する。この従来例では、均
一な締め付け面圧や良好な部材接触を保つように端板３
ａ、４ａの厚みをできるだけ薄く設計するもので、端板
３ａ、４ａの持つ柔軟性により上記Ｂ、Ｅの機能を達成
している。しかしながら、薄板の端板３ａ、４ａを用い
た燃料電池装置では、端板３ａ、４ａに設置する接続配
管の取り出しや固定が寸法上あるいは強度上困難とな
り、上記Ｃの機能の達成が難しい。さらに、端板３ａ、
４ａの持つ柔軟性により、端板３ａ、４ａを介しての積
層体５の締め付けが難しくなる。

【００１３】端板３ａ、４ａにより積層物２を挟持して
なる積層体ユニットを複数個積層して燃料電池積層体５
を構成している燃料電池装置においては、この端板３
ａ、４ａを介しての積層物２の締め付け（簡易締め付
け）が可能であるか否かは、積層体５の組立の簡便さや
補修の可否と大きな関連がある。溶融炭酸塩型燃料電池
では、一旦高温で動作を開始した後降温し、室温におい
て締め付け面圧を開放すると、電解質マトリクスにひび
割れが発生し、電池運転が不可能となる。一方、適切な
面圧（例えば、０．５〜数ｋｇｆ／ｃｍ^２）で締め付け
が可能であるようにすれば、一対の端板３ａ、４ａ間で
積層物２を締め付けることにより、運転前後に拘わらず
室温で積層体ユニット単位での取り扱い（組み込みや撤
去）が可能となる。例えば、端板３ａ、４ｂａ間に数十
〜百セルを挟持してなる積層体ユニットを複数ユニット
積層し、全体として数百セルを含む燃料電池装置におい
て一部のセルに不良が発生した場合、不良セルを含む積
層体ユニットをユニット毎交換あるいは撤去でき、残る
電池部分は運転可能にできる。

【００１４】この発明は、上記のような課題を解決する
ためになされたもので、燃料電池積層体の発電出力を実
用的な範囲（例えば、数百ｋＷ）まで増すために電池自
身を大面積化あるいは高積層化した場合でも、端板の柔
軟性に起因する良好な面圧の均一性および部材接触性の
機能と、端板の剛性に起因する端板間のユニット化およ
び配管接続の容易性の機能とを兼ね備えた燃料電池装置
を得ることを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この発明に係る燃料電池
装置は、カソードおよびアノードにより電解質マトリク
スを挟持してなる燃料電池セルをセパレータ板を介して
複数積層して構成された燃料電池積層物の上下両端に、
それぞれ上部および下部端板を配置して構成された燃料
電池積層体と、上記上部および下部端板を介して上記燃
料電池積層体を締め付け一体化する締付機構とを備えた
燃料電池装置において、上記上部および下部端板は、上
記燃料電池積層物の上下両端に位置する燃料電池セルに
それぞれ接するように配置される薄板の平板からなる上
部および下部内端板と、該上部および下部内端板の外側
にそれぞれ配置される上部および下部外端板とからな
り、上記上部および下部外端板は、それぞれ厚板の平板
を複数の小ブロックに分割して構成され、さらに、上記
締付機構による締付力が可撓性を有する部材を介して上
記上部および下部外端板に印加されるようになっている
ものである。

【００１６】また、上記燃料電池セルの電極面積が５０
００ｃｍ^２以上であり、上記上部および下部内端板の厚
みが０．１ｍｍ以上、１５ｍｍ以下としたものである。

【００１７】また、上記燃料電池積層体が、上記上部お
よび下部端板を上記燃料電池積層物の上下両端にそれぞ
れ配置して構成された燃料電池積層体ユニットを複数積
層して構成されているものである。

【００１８】また、上記小ブロックは、長手方向が上記
燃料電池積層体内を流通する酸化ガスの流れ方向に対し
て直交する長尺形状に形成されているものである。

【００１９】また、上記各小ブロックは、それぞれ上記
燃料電池積層物の任意の一組の対向する側面から外方に
延出し、かつ、上記燃料電池セルの積層方向で相対する
小ブロック同士が上記燃料電池積層物の側面からの延出
部で締め付け可能に構成されているものである。

【００２０】また、上記上部外端板を構成する複数の小
ブロック同士および上記下部外端板を構成する複数の小
ブロック同士が、それぞれ上記燃料電池セルの積層方向
と直交する方向の動きを制限し、かつ、上記燃料電池セ
ルの積層方向の動きを許容する位置決め機構により連結
されているものである。

【００２１】また、上記上部および下部内端板と上記上
部および下部外端板との間にそれぞれ可撓性を有する部
材が介装されているものである。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
について説明する。実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１に係る燃
料電池装置を示す側面図である。図１において、セル１
がセパレータ板を介して複数積層されて燃料電池積層物
２０を形成している。この積層物２０の上下両端にそれ
ぞれステンレスからなる上部端板３０および下部端板４
０を配置して燃料電池積層体２１を形成している。さら
に、セラミック断熱材１４を上部および下部端板３０、
４０の上下にそれぞれ可撓性を有する部材１５を介して
配置し、さらに上部および下部締付板６、７をセラミッ
ク断熱材１４の外側にそれぞれ配置し、上部および下部
締付板６、７同士を締付ロッド８でつなぎ、各締付ロッ
ド８の両端に螺合された締付ナット９で均等に締め付け
ることにより、上部および下部端板３０、４０を介して
積層物２０に均一な締付力を付与させて積層体２１を一
体化して燃料電池装置が構成されている。

【００２３】この積層物２０内には、酸化ガスの給排用
マニホールド１３が電池反応周辺部で各セル１を貫通す
るように形成され、各セル１のカソード側の電池反応部
に酸化ガスを供給し、電池反応後のガスを排出できるよ
うになっており、同様に、燃料ガスの給排用マニホール
ド１３が電池反応周辺部で各セル１を貫通するように形
成され、各セル１のアノード側の電池反応部に燃料ガス
を供給し、電池反応後のガスを排出できるようになって
いる。また、各マニホールド１３の外部に面する部分に
は、各反応ガスの混合または外部への漏洩を防ぐための
シールを形成させている。また、加圧バネ１０が締付板
６、７と締付ナット９との間に介装され、積層物２０の
高さの変化に追従できるようになっている。また、セラ
ミック断熱材１４は、約６５０℃の高温となる積層体２
１からの熱を遮るのに十分な厚さに形成されている。な
お、上部締付板６、下部締付板７、締付ロッド８、締付
ナット９および加圧バネ１０から締付機構１１が構成さ
れている。

【００２４】ここで、上部端板３０は、上部内端板３１
と上部外端板３２とから構成され、下部端板４０は、下
部内端板４１と下部外端板４２とから構成されている。
そして、上部内端板３１および下部内端板４１は、それ
ぞれ薄い平板で構成され、積層物２０の上下端に位置す
るセル１にそれぞれ接するように配設されて積層体２１
内に流通する各反応ガスを密閉する。一方、上部外端板
３２および下部外端板４２は、それぞれ厚い平板を複数
の小ブロック３２ａ、４２ａに均等に分割して構成さ
れ、上部内端板３１および下部内端板４１の外側に配設
されている。また、上部外端板３２には、外部より積層
体２１内に反応ガスを供給する配管１６が接続されてい
る。さらに、上部内端板３１および上部外端板３２に
は、積層体２１内部に形成された各マニホールド１３上
の位置に反応ガスが流通できる流路を形成している。

【００２５】このように構成された燃料電池装置では、
上部内端板３１および下部内端板４１が薄い平板に形成
されているので、構成部品の厚さのばらつきにより発生
する積層物２０面内での高さのばらつき、運転時におけ
る積層物２０の面内に存在する温度分布に起因する構成
部材の熱膨張量の違いにより発生する積層物２０面内で
の高さ方向の変位、さらには運転条件の変化等により経
時的に発生する積層物２０面内での高さ方向の変位に対
して上部内端板３１および下部内端板４１が柔軟に追随
できる。また、上部外端板３２および下部外端板４２が
厚板の平板を複数の小ブロック３２ａ、４２ａに分割し
て構成されているので、同じ板厚の１枚で構成される端
板３、４と比較して、積層物２０の高さ方向の変位に対
して、各小ブロック３２ａ、４２ａ間に滑りを生じさせ
ることで厚板とすることに起因する曲げの制限を受け
ず、積層物２０に接する上部内端板３１および下部内端
板４１の変位に追従することができ、上部および下部内
端板３１、４１と上部および下部外端板３２、４２との
間に隙間が発生することが抑えられる。さらに、セラミ
ック断熱材１４と上部および下部外端板３２、４２との
間に可撓性を有する部材１５が介装されているので、各
小ブロック３２ａ、４２ａ間の滑りに起因してセラミッ
ク断熱材１４と上部および下部外端板３２、４２との間
に生じる隙間を部材１５が吸収する。その結果、積層体
２１を大面積化および高積層化した場合でも、締付機構
１１からの締付力が初期的にも、経時的にも積層物２０
に均一に印加され、良好な面圧の均一性および部材接触
性が長期的に確保され、接触抵抗の増加や反応ガスの漏
洩を防ぐことができる。

【００２６】また、上部外端板３２および下部外端板４
２が厚板の平板を複数の小ブロック３２ａ、４２ａに均
等に分割して構成されているので、小ブロック３２ａ、
４２ａの代表長さが１枚で構成される端板３、４に比べ
て短くなり、上部外端板３２および下部外端板４２の上
下に生じる温度差による外端板自体の反りを少なくで
き、その点においても良好な面圧の均一性および部材接
触性を長期的に確保できる。また、上部外端板３２およ
び下部外端板４２が平板を複数の小ブロック３２ａ、４
２ａに分割して構成されているので、上部外端板３２お
よび下部外端板４２の厚板化が可能となり、大容量化し
た燃料電池に要する反応ガスを供給可能な大口径の配管
１６を接続できる。

【００２７】ここで、部材１５は、運転時の積層体２１
の温度（約６５０℃）に耐えられる耐熱性と可撓性を有
する材料であればよく、例えば、図２に示されるよう
に、１０ｍｍ程度の厚さで面圧２ｋｇｆ／ｃｍ^２を与え
ると、２〜３ｍｍ程度の縮みを持つセラミッククロスが
用いられる。この部材１５は、積層物２０の高さ方向の
変位に追従して曲がりを生じた外端板３２、４２と積層
物２０の高さ方向の変位に追従しない断熱材１４との間
に生じる隙間に対して吸収材として機能し、締付機構１
１からの締付力を均一に積層体２１に与えるように作用
する。

【００２８】なお、上記実施の形態１では、上部端板３
０および下部端板４０が、薄板の平板からなる上部内端
板３１および下部内端板４１と、厚板の平板を複数の小
ブロック３２ａ、４２ａに均等に分割して構成されてい
る上部外端板３２および下部外端板４２とから構成され
ているものとしているが、上部端板３０および下部端板
４０のいずれか一方を、薄板の平板からなる内端板と、
厚板の平板を複数の小ブロックに分割して構成されてい
る外端板とから構成し、他方を、従来の厚板の平板から
なる１枚の端板で構成してもよい。この場合、簡素な構
成で上記実施の形態1の効果に近い効果が得られる。ま
た、上記実施の形態１では、上部外端板３２および下部
外端板４２は、厚板の平板を複数の小ブロック３２ａ、
４２ａに均等に分割して構成されているものとしている
が、上部外端板３２および下部外端板４２は、必ずしも
厚板の平板を均等に分割して構成する必要はなく、小ブ
ロックの形状が異なるように構成しても、同様の効果が
得られる。

【００２９】実施の形態２．上記実施の形態１では、上
部および下部内端板３１、４１の柔軟性が重要である
が、上部および下部内端板３１、４１の厚みを適切に規
定することにより確実な柔軟性が得られ、本発明の効果
を十分発揮することができる。材料力学の一般理論によ
ると、板材の柔軟性は代表長さ（例えば矩形の長辺）の
３乗に比例して増大する。一方、加工時の平面度は板材
の代表長さの１次に概略比例して低下する。また、熱歪
み寸法は板材の代表長さの２次に比例して増大する。逆
に言えば、加工時の平面度や熱歪みを吸収するために必
要な内端板３１、４１の柔軟性は、端板の代表長さの１
次ないし２次に比例して増大する。以上の効果を総合す
ると、端板の代表寸法の増大に伴い、必要な柔軟性を保
ちながら内端板３１、４１の板材の許容厚みを大きくす
ることが可能である。

【００３０】具体的には、燃料電池装置の実用的な電池
面積である出力面積０．５ｍ^２級以上のセル１において
は、電池部の長辺の代表長さが０．８〜１．０ｍ程度で
あり、上記実施の形態１による燃料電池装置において
は、内端板３１、４１の厚さが１５ｍｍ以下であるよう
に設計することが好ましい。内端板３１、４１の厚さを
１５ｍｍ以下として燃料電池装置を作製したところ、内
端板３１、４１そのものの柔軟性により、電池面圧の締
付力（１〜３ｋｇｆ／ｃｍ^２）以下の締付力で柔軟に積
層物２０の高さ方向の変位に追随できることが確認でき
た。また、内端板３１、４１の厚さを薄くしすぎると、
耐久性が低下してしまうことから、内端板３１、４１の
厚みは０．１ｍｍ以上であることが好ましい。

【００３１】実施の形態３．上記実施の形態１では、セ
ル１がセパレータ板を介して複数積層されて燃料電池積
層物２０を形成し、この積層物２０の上下両端にそれぞ
れ上部端板３０および下部端板４０を配置して燃料電池
積層体２１を構成しているので、高積層化した場合に
は、積層体２１の高さが数ｍにも及び、組立および補修
における取り扱いが極めて煩雑となるという不具合を生
じる。この実施の形態３では、図３に示されるように、
セル１の数が制限された積層物２０を上部および下部端
板３０、４０で挟持して燃料電池積層体ユニット２１ａ
を構成し、該積層体ユニット２１ａを複数ユニット積層
して燃料電池積層体２１を構成している。この積層体２
１は、その両端に部材１５を介して断熱材１４が配置さ
れ、締付機構１１により締着一体化される。

【００３２】この実施の形態３によれば、積層体２１が
複数の積層体ユニット２１ａから構成されているので、
高積層化した場合でも、組立および補修における取り扱
いが積層体ユニット２１ａ単位となり、組立および補修
の作業性を著しく向上させることができる。また、一部
のセルに不良が発生した場合でも、不良セルを含む積層
体ユニット２１ａをユニット毎交換あるいは撤去でき、
残る電池部分は運転可能にできる。

【００３３】実施の形態４．上記実施の形態１では、上
部および下部端板３０、４０が平面方向（セル１の積層
方向に直交する面）においてセル１と同程度の大きさに
形成されているが、この実施の形態４では、上部および
下部端板３０、４０を構成する上部および下部外端板３
２、４２の各小ブロック３２ａ、４２ａの長さがセル１
の１辺の長さより長く形成され、各小ブロック３２ａ、
４２ａの両端に通し穴が穿設されている。

【００３４】この実施の形態４では、図４に示されるよ
うに、各小ブロック３２ａ、４２ａが両端を積層物２０
および上部および下部内端板３１、４１から外方に延出
するように配置され、ネジ棒５０を相対する各小ブロッ
ク３２ａ、４２ａの通し穴に挿通させ、通し穴から延出
するネジ棒５０にナット５１を螺着し、ネジ棒５０とナ
ット５１との簡易締め付けにより相対する小ブロック３
２ａ、４２ａ同士を締め付けて積層体２１を一体化して
いる。この簡易締め付けされた積層体２１の両端に部材
１５を介して断熱材１４を配置し、その後締付機構１１
の締め付けにより、積層体２１、部材１５および断熱材
１４を締着一体化する。ついで、ネジ棒５０およびナッ
ト５１を取り外し、燃料電池装置が組み立てられる。従
って、燃料電池運転時には、短絡等で運転の妨げとなら
ない。また、燃料電池装置が室温時（停止時）に、積層
体２１をネジ棒５０およびナット５１により簡易締め付
けし、その後締付機構１１を取り外して、面圧を確保し
た状態で積層体２１を一体化した状態で運搬できる。

【００３５】この実施の形態４によれば、積層体２１を
１単位として締め付け一体化できるので、積層体２１の
単位での取り扱いが可能となり、運搬性、設置性が容易
となり、組立および補修の作業性を向上させることがで
きる。

【００３６】なお、この実施の形態４は、上記実施の形
態１による燃料電池装置に適用しているが、上記実施の
形態３の燃料電池装置に適用してもよい。この場合、積
層体ユニット２１ａ単位での取り扱いが簡易となり、組
立・補修の作業性がさらに向上される。つまり、組立て
時には、予め積層体ユニット２１ａを簡易締め付けによ
り一体化することにより、高積層の燃料電池装置の組立
作業性が向上される。また、不良セルが発生した場合に
は、積層体２１が締付機構１１により締め付けられてい
る状態で、各積層体ユニット２１ａを簡易締め付けによ
り一体化し、その後締付機構１１による締め付けを解除
し、不良セルを含む積層体ユニット２１ａを取り外すこ
とができる。そして、簡易締め付けされた新たな積層体
ユニット２１ａを挿入し、あるいは不良セルを含む積層
体ユニット２１ａを取り除いた状態で、積層体２１全体
を締付機構１１により締め付けて補修を終了する。従っ
て、正常な積層体ユニット２１ａは補修作業中に面圧が
保たれており、セル１間の良好な部材接触性が確保され
る。

【００３７】実施の形態５．この実施の形態５では、図
５に示されるように、ピン５４が各小ブロック３２ａ、
４２ａの両端面に立設され、連結板５５がその両端側に
穿設された長穴５５ａにピン５４を遊嵌させて隣り合う
小ブロック間に架設されている。ピン５４と連結板５５
とから位置決め機構５３が構成されている。ここで、図
示していないが、ピン５４の先端が径大とされ、連結板
５５の抜けが防止されている。なお、他の構成は上記実
施の形態１と同様に構成されている。

【００３８】この実施の形態５では、ピン５４が連結板
５５の長手方向を上下方向とする長穴５５ａに遊嵌され
ているので、各小ブロック３２ａ（４２ａ）は上下方向
の移動が許容され、かつ、連結方向（セル１の積層方向
と直交する方向）の移動が制限される。つまり、各小ブ
ロック３２ａがセル１の積層方向（上下方向）の移動を
許容し、セル１の積層方向と直交する方向の移動を制限
する位置決め機構５３により互いに連結一体化され、同
様に各小ブロック４２ａがセル１の積層方向（上下方
向）の移動を許容し、セル１の積層方向と直交する方向
の移動を制限する位置決め機構５３により互いに連結一
体化されている。そこで、が面内のある位置で上下方向
（高さ方向）に変位すると、変位した位置上に存在する
小ブロックはピン５４が連結判５５の長穴５５ａに案内
されて上部内端板３１および下部内端板４１の変位に追
随して上下動する。

【００３９】この実施の形態５によれば、各小ブロック
３２ａ（４２ａ）が位置決め機構５３により互いに連結
されているので、各小ブロック３２ａ（４２ａ）は上部
内端板３１および下部内端板４１の変位に追随でき、良
好な面圧の均一性および部材接触性が保持される。ま
た、運転条件の変化で温度変化の繰り返しが積層体２１
に加えられても、位置決め機構５３によりセル１の積層
方向と直交する方向の小ブロック３２ａ（４２ａ）のず
れが抑えられ、長期にわたって安定した部材接触性およ
びガスシール性が得られる。また、組立て時に小ブロッ
ク３２ａ（４２ａ）の群を一体物として取り扱え、組立
作業性を向上させることができる。

【００４０】なお、位置決め機構５３は、ピン５４と連
結盤５とから構成されるものに限らず、セル１の積層方
向（上下方向）の移動を許容し、かつ、セル１の積層方
向と直交する方向の移動を制限するものであればよい。

【００４１】実施の形態６．上記実施の形態１では、部
材１５を上部および下部外端板３２、４２と断熱材１４
との間に介装するものとしているが、この実施の形態６
では、さらに部材１５を上部および下部外端板３２、４
２と上部および下部内端板３１、４１との間にも介装さ
せるものとしている。なお、他の構成は上記実施の形態
１と同様に構成されている。

【００４２】この実施の形態６によれば、図６に示され
るように、上部および下部外端板３２、４２と上部およ
び下部内端板３１、４１との間に介装された部材１５
が、加工精度や熱歪み等により外端板３２、４２と内端
板３１、４１との間に生じる隙間を吸収するように機能
し、より均一に面圧を与えることができ、接触抵抗が低
減され、電池特性を向上できる。

【００４３】実施の形態７．この実施の形態７では、各
小ブロック３２ａ、４２ａの長手方向が酸化ガスの流れ
方向に対して直交するように平板を均等に分割して形成
されている。なお、他の構成は上記実施の形態１と同様
に構成されている。

【００４４】燃料電池装置では、発電で生じる熱が酸化
ガスの流れにより除去されており、図７に示されるよう
に、酸化ガス入り口から酸化ガス出口に向かって温度分
布が存在している。つまり、酸化ガス入り口からほぼ中
央部までの温度分布は酸化ガスの流れ方向に大きく変化
し、中央部から酸化ガス出口までの温度分布は比較的平
坦となっている。また、酸化ガスの流れ方向と直交する
方向の温度分布は小さい。この実施の形態７では、小ブ
ロック３２ａ、４２ａがその長手方向を酸化ガスの流れ
方向に対して直交するよう配列されているので、各小ブ
ロック３２ａ、４２ａ内に生じる温度分布は小さく、各
小ブロック３２ａ、４２ａ自体の反りが減少し、均一に
面圧を与えることができ、接触抵抗の増加やガスリーク
を防ぐことができる。

【００４５】ここで、各小ブロック３２ａ、４２ａは平
板を均等に分割して構成しているが、燃料電池の温度分
布を考慮して、温度分布の比較的平坦な部分は幅を広
く、温度分布が大きく変化する部分（酸化ガス入り口近
傍）は幅を狭くするなど、積層物２０の高さの不均一要
因の存在に応じて好ましい分割の構成を適宜選択するこ
とにより、積層体２１により均一な面圧を与えることが
できる。

【００４６】なお、上記各実施の形態では、燃料電池積
層体内にマニホールドを形成する内部マニホールド方式
の燃料電池装置に適用するものとして説明しているが、
燃料電池積層体側面にマニホールドを形成する外部マニ
ホールド方式の燃料電池装置に適用しても同様の効果が
得られる。

【００４７】

【発明の効果】この発明は、以上のように構成されてい
るので、以下に記載されるような効果を奏する。

【００４８】この発明によれば、カソードおよびアノー
ドにより電解質マトリクスを挟持してなる燃料電池セル
をセパレータ板を介して複数積層して構成された燃料電
池積層物の上下両端に、それぞれ上部および下部端板を
配置して構成された燃料電池積層体と、上記上部および
下部端板を介して上記燃料電池積層体を締め付け一体化
する締付機構とを備えた燃料電池装置において、上記上
部および下部端板は、上記燃料電池積層物の上下両端に
位置する燃料電池セルにそれぞれ接するように配置され
る薄板の平板からなる上部および下部内端板と、該上部
および下部内端板の外側にそれぞれ配置される上部およ
び下部外端板とからなり、上記上部および下部外端板
は、それぞれ厚板の平板を複数の小ブロックに分割して
構成され、さらに、上記締付機構による締付力が可撓性
を有する部材を介して上記上部および下部外端板に印加
されるようになっているので、燃料電池積層体の発電出
力を実用的な範囲（例えば、数百ｋＷ）まで増すために
電池自身を大面積化あるいは高積層化した場合でも、端
板の柔軟性に起因する良好な面圧の均一性および部材接
触性の機能と、端板の剛性に起因する端板間のユニット
化および配管接続の容易性の機能とを兼ね備えた燃料電
池装置が得られる。

【００４９】また、上記燃料電池セルの電極面積が５０
００ｃｍ^２以上であり、上記上部および下部内端板の厚
みが０．１ｍｍ以上、１５ｍｍ以下としたので、電池自
身を大面積化した場合でも、上部および下部内端板と燃
料電池セルとの良好な接触を保つことが可能となり、接
触抵抗の増加およびガスリークを防ぐことができる。

【００５０】また、上記燃料電池積層体が、上記上部お
よび下部端板を上記燃料電池積層物の上下両端にそれぞ
れ配置して構成された燃料電池積層体ユニットを複数積
層して構成されているので、燃料電池積層体ユニット単
位での取り扱いができ、電池組立および補修の作業性を
向上させることができる。

【００５１】また、上記小ブロックは、長手方向が上記
燃料電池積層体内を流通する酸化ガスの流れ方向に対し
て直交する長尺形状に形成されているので、接触抵抗の
増加およびガスリークを防ぐことができる。

【００５２】また、上記各小ブロックは、それぞれ上記
燃料電池積層物の任意の一組の対向する側面から外方に
延出し、かつ、上記燃料電池セルの積層方向で相対する
小ブロック同士が上記燃料電池積層物の側面からの延出
部で締め付け可能に構成されているので、燃料電池積層
体単位で面圧を保持した状態で取り扱うことができ、電
池組立および補修の作業性を向上させることができる。

【００５３】また、上記上部外端板を構成する複数の小
ブロック同士および上記下部外端板を構成する複数の小
ブロック同士が、それぞれ上記燃料電池セルの積層方向
と直交する方向の動きを制限し、かつ、上記燃料電池セ
ルの積層方向の動きを許容する位置決め機構により連結
されているので、長期にわたって電池構成部品の接触性
およびガスシール性を維持し、かつ、組立および補修を
容易にすることができる。

【００５４】また、上記上部および下部内端板と上記上
部および下部外端板との間にそれぞれ可撓性を有する部
材が介装されているので、接触抵抗を低減し、電池特性
を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１に係る燃料電池装置
を示す側面図である。

【図２】可撓性を有する部材の加圧力と縮みとの関係
を示す図である。

【図３】この発明の実施の形態３に係る燃料電池装置
を示す側面図である。

【図４】この発明の実施の形態４に係る燃料電池装置
を示す側面図である。

【図５】この発明の実施の形態５に係る燃料電池装置
を示す側面図である。

【図６】この発明の実施の形態６に係る燃料電池装置
の要部を示す側面図である。

【図７】この発明の実施の形態７に係る燃料電池装置
における酸化ガスの流れ方向における温度分布を示す図
である。

【図８】従来の燃料電池装置の一例を示す側面図であ
る。

【図９】従来の燃料電池装置の他の例を示す側面図で
ある。

【図１０】従来の燃料電池装置におけるセル電圧の経
時変化を示す図である。

【符号の説明】

１燃料電池セル、１１締付機構、１５可撓性を有
する部材、２０燃料電池積層物、２１燃料電池積層
体、２１ａ燃料電池積層体ユニット、３０上部端板、
３１上部内端板、３２上部外端板、３２ａ小ブロ
ック、４０下部端板、４１下部内端板、４２下部外
端板、４２ａ小ブロック、５３位置決め機構。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松村光家東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内Ｆターム(参考） 5H026 AA05 CC03 CX08 HH02 HH03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】カソードおよびアノードにより電解質マ
トリクスを挟持してなる燃料電池セルをセパレータ板を
介して複数積層して構成された燃料電池積層物の上下両
端に、それぞれ上部および下部端板を配置して構成され
た燃料電池積層体と、上記上部および下部端板を介して
上記燃料電池積層体を締め付け一体化する締付機構とを
備えた燃料電池装置において、上記上部および下部端板は、上記燃料電池積層物の上下
両端に位置する燃料電池セルにそれぞれ接するように配
置される薄板の平板からなる上部および下部内端板と、
該上部および下部内端板の外側にそれぞれ配置される上
部および下部外端板とからなり、上記上部および下部外端板は、それぞれ厚板の平板を複
数の小ブロックに分割して構成され、さらに、上記締付機構による締付力が可撓性を有する部
材を介して上記上部および下部外端板に印加されるよう
になっていることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】上記燃料電池セルの電極面積が５０００
ｃｍ^２以上であり、上記上部および下部内端板の厚みが
０．１ｍｍ以上、１５ｍｍ以下であることを特徴とする
請求項１記載の燃料電池装置。
【請求項３】上記燃料電池積層体が、上記上部および
下部端板を上記燃料電池積層物の上下両端にそれぞれ配
置して構成された燃料電池積層体ユニットを複数積層し
て構成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料
電池装置。
【請求項４】上記小ブロックは、長手方向が上記燃料
電池積層体内を流通する酸化ガスの流れ方向に対して直
交する長尺形状に形成されていることを特徴とする請求
項１または請求項３記載の燃料電池装置。
【請求項５】上記各小ブロックは、それぞれ上記燃料
電池積層物の任意の一組の対向する側面から外方に延出
し、かつ、上記燃料電池セルの積層方向で相対する小ブ
ロック同士が上記燃料電池積層物の側面からの延出部で
締め付け可能に構成されていることを特徴とする請求項
１、請求項３および請求項４のいずれかに記載の燃料電
池装置。
【請求項６】上記上部外端板を構成する複数の小ブロ
ック同士および上記下部外端板を構成する複数の小ブロ
ック同士が、それぞれ上記燃料電池セルの積層方向と直
交する方向の動きを制限し、かつ、上記燃料電池セルの
積層方向の動きを許容する位置決め機構により連結され
ていることを特徴とする請求項１、請求項３および請求
項４のいずれかに記載の燃料電池装置。
【請求項７】上記上部および下部内端板と上記上部お
よび下部外端板との間にそれぞれ可撓性を有する部材が
介装されていることを特徴とする請求項１、請求項３お
よび請求項４のいずれかに記載の燃料電池装置。