【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は複数のセルを積層して構成された燃料電池のスタック構造に関する。より詳細には、固体酸化物形燃料電池のスタック構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の固体酸化物形燃料電池のスタック構造が図３で示されている。
図３において、全体を符号１で示す平板形の固体酸化物形燃料電池のスタック構造は、燃料極Ｆ、空気極Ａ、電解質Ｄを有する固体酸化物形燃料電池のセルが積層されて構成されている。
そして、各セルはセパレータＳ３及びフェルト（Ｎｉ）で隔てられ、外周部にはシール材Ｓ１及びスペーサＳ２が配置されている。
【０００３】
この様なスタック構造においては、積層された各セル間で、ガスのシール性と（電池としての）電気的接続が両立する必要が有る。係るシール性と電気的接続とを確保するため、通常、セルの積層方向（スタック方向）についてスタックを圧縮することが行われる。
図３で示す従来技術では、基板１２と押し板２との間にスタックを収容し、ボルト３を基板１２と押し板１とを貫通させ、基板１２の下側からナット２２をボルト３に螺合し、その状態で、ナット４を締め付けることにより、スタックをセルの積層方向へ圧縮している。
その他にも、スプリングによりセルの積層方向へ圧縮力を付加する技術も存在する。
【０００４】
しかし、固体酸化物形燃料電池の動作温度は約１０００℃という高温であり、そのため、スタックとボルトとの熱膨張量の相違に起因して、スタックに対してボルト及びナットによる圧縮力が付加されなくなってしまう場合がある。
或いは、シール材Ｓ１やフェルト（Ｎｉ）が高温により収縮して、以って、スタック方向についてスタックが収縮してしまうことにより、ボルト３、ナット４による締結力の低下が懸念される。
さらに、スプリングの反撥力による圧縮については、固体酸化物形燃料電池の動作温度の様な高温雰囲気下（約１０００℃）で且つ酸素雰囲気中であると、スプリングの材質が劣化して、破損してしまうという問題を有している。これに加えて、スプリングの反撥力のみでは、十分な圧縮力が得られない。
【０００５】
その他の従来技術として、スタックに荷重をかけるために、スタック押圧用のベローズを設け、圧力流体装置から圧力流体を供給して当該ベローズを膨張し、以って、スタックを押圧する技術が存在する（特許文献１参照）。
【０００６】
しかし、上述した様に、固体酸化物形燃料電池の動作温度は約１０００℃という非常な高温で動作するので、使用する材料の選択範囲が限られてしまうという問題がある。そして、係る高温環境下では、ベローズを使用することは不可能である。
すなわち、係る従来技術は、固体酸化物形燃料電池に対して適用すること自体が不可能である。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−１３９２２５号公報（図１、図４）
【０００８】
【発明の解決しようとする課題】
本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、スタックを押圧することにより、スタックの各層間におけるガスのシール性と良好な電気的接続とを両立することが出来て、スタックが収縮しても確実に押圧することが出来て、しかも、固体酸化物形燃料電池の高温環境下に絶えることが出来る様な燃料電池のスタック構造を提供することが目的である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池スタック構造は、固体酸化物形燃料電池のスタック構造において、（燃料電池セルの積層体である）スタック（１６）が載置されている基板（１２）と、該基板（１２）に向かってスタック（１６）を押圧する第１の押圧用板（第１の押し板１４）と、該第１の押圧用板（第１の押し板１４）に対して基板（１２）から離隔した側（上方）に位置した第２の押圧用板（第２の押し板１８）と、第２の押圧用板（第２の押し板１８）を基板（１２）に向けて移動させる移動機構（例えば、基板１２と第１の押し板１４及び第２の押し板１８とを貫通するボルト２０と、第２の押し板１８を基板１２に向かって締め付けるためのナット２６とから成る締結機構）と、第１の押圧用板（第１の押し板１４）の基板（１２）に対する相対位置を保持するための保持手段（上述したボルト２０と螺合しており、第１の押し板１４を基板１２に向けて締め付けるナット２４）と、第１の押圧用板（押し板１４）と第２の押圧用板（押し板１８）との間に介装されており且つ第１の押圧用板（押し板１４）をスタック（１６）に向かって押圧する押圧機構（３２）とを備え、該押圧機構（３２）は、剛体（中押し棒２８）と弾性体（例えば、セラミックス製のスプリング３０）とから成り、第２の押圧用板（押し板１８）が基板（１２）に向けて移動する力を第１の押圧用板（押し板１４）のスタック（１６）と接触する面へ概略均等に伝達する様に構成されていることを特徴としている（請求項１：図１）。
【００１０】
本発明において、前記弾性体（３０）はセラミックス製のスプリングであるのが好ましい（請求項３）。
耐熱性の点で極めて優れているからである。
【００１１】
係る構成を具備する本発明の燃料電池のスタック構造によれば、前記保持手段（２４）により第１の押圧用板（１４）を基板（１２）に向けて締め付け、及び／又は、前記移動機構（２０、２６）により第２の押圧用板（１８）を基板（１２）に向けて移動させると、その力が押圧機構（３２）の剛体（２８）を介して第１の押圧用板（１４）へ伝達されて、スタック（１６）は基板（１２）に押圧される。
その結果、スタック（１６）の各層間におけるガスのシール性と良好な電気的接続とを両立することが出来る。
そして、固体酸化物形燃料電池の非常に高い動作温度の影響でシール材（Ｓ１）及び／又はフェルト（Ｎｉ）が収縮し、ボルト締めによるスタック（１６）への押圧力が消失した場合には、前記押圧機構の弾性体（例えば、セラミックス製のスプリング３０）により第１の押圧用板（１４）が基板（１２）に向かって付勢されるので、スタック（１６）の各層間のガスシール性と電気的接続とは維持される。
【００１２】
ここで、スタック圧縮力が強過ぎるとスタック（１６）内の各セルを破壊してしまうので、スプリングの反撥力程度で十分であり、スタックの各層間の電気的なコンタクトが確保出来る程度で十分である。しかも、前記保持手段（上述したボルトと螺合しており、第１の押し板１４を基板１２に向けて締め付けるナット２４）及び第１の押圧用板（１４）により、スタック（１６）には圧縮力が作用しているので、前記押圧機構（３２）の弾性体（例えば、セラミックス製のスプリング３０）の反撥力でも、十分なシール性と電気的接続とが確保出来るのである。
【００１３】
前記押圧機構（３２）の弾性体として、高温にも耐える部材、例えばセラミックス製のスプリング（３０）を使用することが出来るので、固体酸化物形燃料電池の動作温度の様な高温雰囲気下（約１０００℃）で且つ酸素雰囲気中であっても、弾性体（３０）は劣化することなく、第１の押圧用板（１４）及びスタック（１６）に対して、確実に押圧力（スタックを締め付ける力）を付勢することが出来るのである。
従って、ベローズや合金等では使用困難な固体酸化物形燃料電池の動作環境下であっても、スタックの各層同士を確実に接触させることが出来るのである。
【００１４】
固体酸化物形燃料電池の動作温度の様な高温雰囲気下（約１０００℃）で且つ酸素雰囲気中であっても劣化しないような材料（例えばセラミックス）から成る弾性体は、一般的に脆いので、許容範囲を越えて変形（収縮）させると破損してしまう。
しかし、上述した本発明によれば、押圧機構（３２）は剛体（２８）を備えており、弾性体（例えば、セラミックス製のスプリング３０）の許容変形範囲を超えた収縮力（第１の押し板１４及びスタック１６を基板１２に向けて押圧する力）が付加された場合は、当該収縮力は剛体（２８）が受け持つので、弾性体（３０）は破損することが無い。換言すれば、弾性体（例えば、セラミックス製のスプリング３０）の限界を越えない様に、それと、均一なバネ荷重を得る為にバネの位置ズレ防止を兼ねて、剛体（２８）が設けられているのである。
【００１５】
上述した構成を具備する本発明の燃料電池スタック構造を組み上げるに際しては、スタック（１６）の各層間のガスシール性を確認し（例えば、矢印Ａ、Ｂで示す様にスタック内部に流体Ｎ２を流し）つつ、保持手段（２４）により第１の押圧用板（１４）の基板（１２）に対する相対位置を保持する（ナット２４を締め上げる）。
次に、前記移動機構（２０、２６）により、第２の押圧用板（１８）を基板（１２）に向けて移動させる（ナット２６を締め付ける）。そして、第２の押圧用板（１８）が前記押圧機構（３２）の剛体（２８）に当接するまで移動し、剛体（２８）に当接して移動の抵抗が増加したならば（押し板１８が中押し棒２８にあたり、ナット２６の締付トルクが急増したならば）、若干量だけ第２の押し板（１８）を基板（１２）側へ移動させる（ナット２６をもう一締めする）。これにより、スタック構造の組み上げが完了する。
【００１６】
ここで、保持手段（２４）が存在しないと、第１の押圧用板（１４）は押圧機構（３２）にのみよってスタック側に押圧される。そして、第１の押圧用板（１４）が完全な剛体でないと、第１の押圧用板（１４）において、該押圧機構（３２）が存在しない領域のシール性が十分に確保できない可能性がある。
しかし、第１の押圧用板（１４）が完全な剛体とみなせる程度くらい剛性が高い場合には、保持手段（２４）を省略することも可能である。
【００１７】
すなわち、係る場合における本発明の燃料電池スタック構造は、固体酸化物形燃料電池のスタック構造において、スタック（１６）が載置されている基板（１２）と、剛性の高い材料で構成され且つ前記基板に向かってスタック（１６）を押圧する第１の押圧用板（第１の押し板１４）と、該第１の押圧用板（第１の押し板１４）に対して基板（１２）から離隔した側（上方）に位置した第２の押圧用板（第２の押し板１８）と、第２の押圧用板（第２の押し板１８）を基板（１２）に向けて移動させる移動機構（例えば、基板と第１及び第２の押圧用板１４、１８を貫通するボルト２０と、第２の押圧用板１８を基板１２に向かって締め付けるためのナット２６とから成る締結機構）と、第１の押圧用板（第１の押し板１４）と第２の押圧用板（第２の押し板１８）との間に介装されており且つ第１の押圧用板（第１の押し板１４）をスタック（１６）に向かって押圧する押圧機構（３２）とを備え、該押圧機構（３２）は、剛体（中押し棒２８）と弾性体（例えば、セラミックス製のスプリング３０）とから成り、第２の押圧用板（第２の押し板１８）が基板（１２）に向けて移動する力を第１の押圧用板（第１の押し板１４）のスタック（１６）と接触する面へ概略均等に伝達する様に構成されていることを特徴としている（請求項２）。
【００１８】
この場合も、前記弾性体はセラミックス製のスプリングであるのが好ましい（請求項３）。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【００２０】
図１は、本発明の第１実施形態を示している。
図１において、全体を符号１０で示す本発明の燃料電池スタック構造は、基板１２と第１の押し板１４（第１の押圧用板）との間に、固体酸化物形燃料電池セルの積層体であるスタック１６を収納している。
そして、第１の押し板１４の図中上方には、第２の押し板１８（第２の押圧用板）が配置されている。
【００２１】
基板１２、第１の押し板１４、第２の押し板１８は、複数（図示の実施形態では、例えば４本：但し、図では２本のみが表示されている）のボルト２０が貫通している。
ボルト２０において、基板１２の下方にはナット２２が螺合しており、第１の押し板１４の上方にはナット２４（保持手段）が螺合しており、第２の押し板１８の上方にナット２６が螺合している。
換言すれば、ナット２２は基板１２の取り付け用であり、ナット２４は第１の押し板１４をスタック１６或いは基板１２に向かって締め付けるためのものであり、ナット２６は第２の押し板１８用である。
【００２２】
第１の押し板１４と第２の押し板１８との間には、剛性の高い材料製の円柱形状をした中押し棒２８（剛体）の周囲に、セラミックス製のスプリング３０を配置させて構成した複数の押圧機構３２からなっている。ここで、中押し棒２８の図中上下方向端部は、図示の様に曲面を構成していても良いし、平面となっていても良い。
図示の実施形態において、押圧機構３２は４個設けられている。複数の押圧機構３２は、後述する様に図中上方からスタックに対して押圧力が作用した際に、当該押圧力が、第１の押し板１４を介してスタック１６へ概略均等に作用する様に、配置される。
【００２３】
なお、スタック１６自体の構成は、図３の従来技術で示すのと同様である。すなわち、スタック１６は、燃料極Ｆ、空気極Ａを有する固体酸化物形燃料電池のセルが積層されて構成されており、各セルはセパレータＳ３及びフェルト（Ｎｉ）で隔てられ、各セルの外周部にシール材Ｓ１及びスペーサＳ２が配置されている。
【００２４】
次に、上述した第１実施形態に係る燃料電池スタック構造を組み上げる手順について説明する。
基板１２上にスタック１６を載置して、さらに第１の押し板１４をスタック上に載置したならば、ボルト２０を挿入して、ナット２２、２４を螺合する。そして、ナット２４を締め付けることにより、第１の押し板１４でスタック１６を基板１２に対して押圧する。その結果、スタック１６が圧縮されて、室温におけるシール性と、積層された各セル間の電気的接続が確保される。
【００２５】
ここで、ナット２４を締め付け、第１の押し板１４によりスタック１６を基板１２に対して押圧する際には、スタック１６の各層（燃料電池セル）間のガスシール性を確認しつつ行う。具体的には、ナット２４を締め付ける際には、図１中矢印Ａ、Ｂで示す様に、積層体であるスタック１６内部の空間に不活性ガス（例えば、窒素ガス）を流し、当該不活性ガスがスタック１６の側方から漏出するか否かをチェックすることにより、ガスシール性のチェックが行われるのである。
【００２６】
ナット２４を締め付けることにより、スタック１６は第１の押し板１４と基板１２との間で圧縮された状態を維持する。
次に、第１の押し板１４の上方に、複数の押圧機構３２を介して第２の押し板１８を配置する。そして、ナット２６を締め付けることにより、第２の押し板１８を図中下側（基板１２側）に向けて移動させる。
係る（第２の押し板１８の図中下側への）移動は、第２の押し板１８が中押し棒２８に当接するまで行われる。第２の押し板１８が中押し棒２８に当接したならば、すなわち、第２の押し板１８が中押し棒２８に当接してナット２６の締付トルクが急増したならば、若干量だけナット２６を増し締めして、第２の押し板１８をさらに若干量だけ図中下側（基板１２側）へ移動させる。これにより、図１で示すスタック構造の組み上げが完了する。
【００２７】
上述した様に、ナット２４を締め付けることにより、第１の押し板１４でスタック１６を基板１２に対して押圧すれば、室温におけるシール性と、積層された各セル間の電気的接続が確保される。しかし、ボルト２０及びナット２４は第１の押し板１４の周縁部に配置されるので、ナット２４を締め付けることによりスタック１６の外周部は押圧されるが、中央に近い領域の押圧が不十分になり、ガスのシール性、電気的接続がスタックの中央近傍の領域では確保できなくなる恐れがある。
しかし、図１から明らかな様に、ナット２６を締め付けることにより、第２の押し板１８及び複数の押圧機構３２を介して、第１の押し板１４及びスタック１６が押圧或いは圧縮される。そして、押圧機構３２は、図１から明らかな様にスタック１６の中央部側に配置されるので、スタック１６の中央部も十分に押圧、圧縮され、ガスシール性、電気的接続が確保される。
【００２８】
すなわち、ナット２４を十分に締め付けることにより、スタック１６の周縁部におけるシール性と電気的接続が確保され、ナット２６を締め付け且つ押圧機構３２を仲介することにより、スタック１６の中央部におけるシール性と電気的接続が確保されるのである。
【００２９】
固体酸化物形燃料電池の非常に高い動作温度の影響でシール材及び／又はフェルトが収縮し、ボルト締めによるスタックへの押圧力或いは圧縮力が消失した場合には、前記押圧機構３２のセラミックス製のスプリング３０により、第１の押し板１４が図中下側に向かって付勢されて、スタック１６を圧縮し続ける。そのため、スタック１６の各層（セル）間のガスシール性と電気的接続とは維持される。
【００３０】
セラミックス製のスプリング３０は、固体酸化物形燃料電池の動作温度の様な高温雰囲気下（約１０００℃）で且つ酸素雰囲気中であっても劣化しない反面、大変に脆く、許容範囲を越えて変形（収縮）させると破損してしまう。
しかし、図１の実施形態では、押圧機構３２は中押し棒２８を備えており、第２の押し板１８により、セラミックス製スプリング３０の許容変形範囲を超えて圧縮させるだけの押圧力が付加されても、当該圧縮力は中押し棒２８が受け持ち、セラミックス製スプリング３０は許容変形範囲を超えて圧縮させられることは無い。
【００３１】
この様に、図１の第１実施形態によれば、スタック構造の組み上げ時においても、固体酸化物形燃料電池の非常に高温の作動温度下においても、積層された各セル間のガスシール性と、電気的接続とが確保出来るのである。
【００３２】
ここで、上述した通り、ナット２４による締め付けは、スタック１６の終縁部におけるガスシール性と電気的接続を確保するため、十分に行う必要がある。
すなわち、ナット２４による締め付けが不十分で、第１の押し板１４が押圧機構３２にのみよってスタック１６を押圧或いは圧縮する場合には、第１の押し板１４が完全な剛体でないと、押圧機構３２が配置されていない周縁部におけるシール性及び電気的接続が十分に確保できない可能性がある。
【００３３】
しかし、第１の押し板１４が完全な剛体とみなせる程度くらい剛性が高い場合には、ナット２４による締め付けを省略することも可能である。
図２の第２実施形態は、係る場合に対応するものである。
図２において、第１の押し板１４上に押圧機構３２は配置されてはいるが、対応するナットは設けられていない。
【００３４】
第２の押し板１８をナット２６で締め込むことにより、当該ナット２６が第２の押し板１８を図２中の下方へ押し込む力が、押圧機構３２を介して第１の押し板１４に伝達される。そして、スタック１６は第１の押し板１４により圧縮、押圧される。
ここで、第１の押し板１４は高い剛性を有しているので、押圧機構３２で押圧された際に撓んでしまうことなく、水平な状態を保ったままスタック１６を圧縮する。そのため、スタック１６の周縁部も中央部も均一に圧縮される。
【００３５】
その他の構成及び作用効果については、図１の第１実施形態と同様である。
【００３６】
図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない旨を付記する。
例えば、ボルトとナットとは、焼き付き防止を行っている。
また、ここで、ポルトの通し穴は比較的大きめに設定されている。
そして、ボルト１２の底部（図１では下方）は、ナットではなく、図示しない基台部分にボルト頭部を埋め込んで、回り止めすることが出来る。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の作用効果を以下に列挙する。
（１） スタック構造の組み上げ時において、積層された各セル間のガスシール性と、電気的接続とが、良好に確保される。
（２） 固体酸化物形燃料電池の非常に高い動作温度の影響でシール材及び／又はフェルトが収縮し、ボルト締めによるスタックへの押圧力或いは圧縮力が消失した場合であっても、押圧機構のセラミックス製スプリングの反撥力によりスタックが圧縮され続けるので、スタックの各層（セル）間のガスシール性と電気的接続とは維持される。
（３） 固体酸化物形燃料電池の非常に高い動作温度でも、確実にスタックに対して圧縮力を付加し続けることが出来る。
（４） 固体酸化物形燃料電池の非常に高い動作温度でも、反撥力を有するスプリングが劣化しない。
（５） 固体酸化物形燃料電池の非常に高い動作温度に耐性があるスプリング（セラミック製スプリング）は脆く、許容範囲以上の変形により破損してしまうが、本発明では剛性の高い部材と組み合わせて使用することにより、スプリングの破損が防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す正面断面図。
【図２】本発明の第２実施形態を示す正面断面図。
【図３】従来の燃料電池スタック構造を示す正面断面図。
【符号の説明】
１０・・・燃料電池スタック構造
１２・・・基板
１４・・・第１の押し板
１６・・・スタック
１８・・・第２の押し板
２０・・・ボルト
２２、２４、２６・・・ナット
２８・・・中押し棒
３０・・・セラミックス製のスプリング
３２・・・押圧機構[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell stack structure formed by stacking a plurality of cells. More specifically, the present invention relates to a stack structure of a solid oxide fuel cell.
[0002]
[Prior art]
FIG. 3 shows a stack structure of a conventional solid oxide fuel cell.
In FIG. 3, the stack structure of the flat plate-shaped solid oxide fuel cell generally denoted by reference numeral 1 is configured by stacking cells of a solid oxide fuel cell having a fuel electrode F, an air electrode A, and an electrolyte D. ing.
Each cell is separated by a separator S3 and felt (Ni), and a sealing material S1 and a spacer S2 are arranged on an outer peripheral portion.
[0003]
In such a stack structure, it is necessary to achieve both gas sealing and electrical connection (as a battery) between the stacked cells. In order to secure such sealing performance and electrical connection, the stack is usually compressed in the cell stacking direction (stacking direction).
In the prior art shown in FIG. 3, the stack is accommodated between the substrate 12 and the push plate 2, the bolt 3 is passed through the substrate 12 and the push plate 1, and the nut 22 is screwed from the lower side of the substrate 12 to the bolt 3. Then, in this state, the nut 4 is tightened to compress the stack in the cell stacking direction.
In addition, there is a technique for applying a compressive force in the stacking direction of cells by a spring.
[0004]
However, the operating temperature of the solid oxide fuel cell is as high as about 1000 ° C., and therefore, due to the difference in the amount of thermal expansion between the stack and the bolt, a compressive force is applied to the stack by the bolt and the nut. May disappear.
Alternatively, the sealing material S1 and the felt (Ni) shrink due to high temperature, and the stack shrinks in the stacking direction.
Further, regarding the compression due to the repulsive force of the spring, if the material is in a high temperature atmosphere (about 1000 ° C.) such as an operating temperature of a solid oxide fuel cell and in an oxygen atmosphere, the material of the spring is deteriorated and the spring is damaged. Have the problem that In addition to this, a sufficient compression force cannot be obtained only by the repulsion force of the spring.
[0005]
As another conventional technique, there is a technique for providing a stack pressing bellows to apply a load to a stack, supplying a pressure fluid from a pressure fluid device to expand the bellows, and thereby pressing the stack. (See Patent Document 1).
[0006]
However, as described above, since the solid oxide fuel cell operates at an extremely high operating temperature of about 1000 ° C., there is a problem that the selection range of materials to be used is limited. Under such a high temperature environment, it is impossible to use the bellows.
That is, such a conventional technique cannot be applied to a solid oxide fuel cell.
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-139225 (FIGS. 1 and 4)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been proposed in view of the above-described problems of the related art. By pressing the stack, it is possible to achieve both gas sealing between layers of the stack and good electrical connection. It is an object of the present invention to provide a fuel cell stack structure that can reliably press even if the stack shrinks and can be cut off under the high temperature environment of the solid oxide fuel cell.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The fuel cell stack structure according to the present invention is the same as the solid oxide fuel cell stack structure, except that the substrate (12) on which the stack (16) (which is a fuel cell stack) is placed; ), The first pressing plate (first pressing plate 14) pressing the stack (16), and the first pressing plate (first pressing plate 14) from the substrate (12). A second pressing plate (second pressing plate 18) located on the side (upper side) that is separated, and a movement for moving the second pressing plate (second pressing plate 18) toward the substrate (12). A mechanism (for example, a fastening mechanism including a bolt 20 penetrating the substrate 12 and the first and second push plates 14 and 18, and a nut 26 for fastening the second push plate 18 toward the substrate 12. ) And the first pressing plate (first pressing plate 14) with respect to the substrate (12). Holding means for holding the paired position (a nut 24 which is screwed with the bolt 20 and tightens the first push plate 14 toward the substrate 12) and a first pressing plate (the push plate 14) And a pressing mechanism (32) interposed between the second pressing plate (the pressing plate 18) and pressing the first pressing plate (the pressing plate 14) toward the stack (16). The pressing mechanism (32) includes a rigid body (the middle pressing rod 28) and an elastic body (for example, a ceramic spring 30), and the second pressing plate (the pressing plate 18) faces the substrate (12). The first moving plate (the pressing plate 14) is configured so as to transmit the moving force to the surface in contact with the stack (16) of the first pressing plate (the pressing plate 14) substantially uniformly (claim 1: FIG. 1). .
[0010]
In the present invention, the elastic body (30) is preferably a ceramic spring (Claim 3).
This is because it is extremely excellent in heat resistance.
[0011]
According to the fuel cell stack structure of the present invention having such a configuration, the first pressing plate (14) is tightened toward the substrate (12) by the holding means (24) and / or the moving mechanism. When the second pressing plate (18) is moved toward the substrate (12) by (20, 26), the force is applied via the rigid body (28) of the pressing mechanism (32) to the first pressing plate (18). Transferred to 14), the stack (16) is pressed against the substrate (12).
As a result, it is possible to achieve both gas sealing between layers of the stack (16) and good electrical connection.
When the sealing material (S1) and / or the felt (Ni) shrink under the influence of the extremely high operating temperature of the solid oxide fuel cell, and the pressing force on the stack (16) by bolting disappears. Since the first pressing plate (14) is urged toward the substrate (12) by the elastic body of the pressing mechanism (for example, a spring 30 made of ceramics), a gas seal between the layers of the stack (16) is provided. And electrical connections are maintained.
[0012]
Here, if the stack compressive force is too strong, each cell in the stack (16) is destroyed. Therefore, the repulsive force of the spring is sufficient, and the electrical contact between the layers of the stack is sufficient. It is. In addition, the holding means (the nut 24 which is screwed with the above-mentioned bolt and tightens the first pressing plate 14 toward the substrate 12) and the first pressing plate (14) provide the stack (16) with the stack (16). Since the compressive force is acting, sufficient sealing performance and electrical connection can be ensured even by the repulsive force of the elastic body (for example, the ceramic spring 30) of the pressing mechanism (32).
[0013]
As the elastic body of the pressing mechanism (32), a member that can withstand high temperatures, for example, a spring (30) made of ceramics can be used, so that it can be used under a high temperature atmosphere (about the operating temperature of a solid oxide fuel cell). Even at 1000 ° C.) and in an oxygen atmosphere, the elastic body (30) is surely pressed against the first pressing plate (14) and the stack (16) without deteriorating. Force) can be energized.
Therefore, even in the operating environment of the solid oxide fuel cell, which is difficult to use with bellows or alloys, the layers of the stack can be reliably brought into contact with each other.
[0014]
Since an elastic body made of a material (for example, ceramics) that does not deteriorate even in a high-temperature atmosphere (about 1000 ° C.) such as an operating temperature of a solid oxide fuel cell and in an oxygen atmosphere is generally brittle, Deformation (shrinkage) beyond the allowable range will result in breakage.
However, according to the present invention described above, the pressing mechanism (32) includes the rigid body (28), and the contraction force (the first pressing force) exceeds the allowable deformation range of the elastic body (for example, the ceramic spring 30). When a force (pressing the plate 14 and the stack 16 toward the substrate 12) is applied, the elastic body (30) does not break because the rigid body (28) bears the contraction force. In other words, the rigid body (28) is provided so as not to exceed the limit of the elastic body (for example, the ceramic spring 30) and to prevent the spring from being displaced in order to obtain a uniform spring load. It is.
[0015]
When assembling the fuel cell stack structure of the present invention having the above-described structure, the gas sealing property between the layers of the stack (16) is checked (for example, the fluid N2 is flowed inside the stack as indicated by arrows A and B). While holding the relative position of the first pressing plate (14) with respect to the substrate (12) by the holding means (24) (tightening the nut 24).
Next, the second pressing plate (18) is moved toward the substrate (12) by the moving mechanism (20, 26) (the nut 26 is tightened). Then, the second pressing plate (18) moves until the second pressing plate (18) comes into contact with the rigid body (28) of the pressing mechanism (32). If the tightening torque of the nut 26 suddenly increases), the second pressing plate (18) is moved to the substrate (12) side by a small amount (the nut 26 is further tightened). Thereby, the assembly of the stack structure is completed.
[0016]
Here, if the holding means (24) does not exist, the first pressing plate (14) is pressed toward the stack only by the pressing mechanism (32). If the first pressing plate (14) is not a completely rigid body, there is a possibility that the first pressing plate (14) may not be able to sufficiently secure the sealing property in an area where the pressing mechanism (32) does not exist. is there.
However, when the first pressing plate (14) is sufficiently rigid to be considered as a completely rigid body, the holding means (24) can be omitted.
[0017]
That is, in such a case, the fuel cell stack structure of the present invention is the same as the solid oxide fuel cell stack structure, except that the substrate (12) on which the stack (16) is mounted and the substrate (12) are made of a highly rigid material. A first pressing plate (first pressing plate) for pressing the stack (16) toward the substrate; and a first pressing plate (first pressing plate) from the substrate (12) with respect to the first pressing plate (first pressing plate). A second pressing plate (second pressing plate 18) located on the side (upper side) that is separated, and a movement for moving the second pressing plate (second pressing plate 18) toward the substrate (12). A mechanism (for example, a fastening mechanism including a bolt 20 penetrating the substrate and the first and second pressing plates 14 and 18 and a nut 26 for tightening the second pressing plate 18 toward the substrate 12); , A first pressing plate (first pressing plate 14) and a second pressing A pressing mechanism (32) interposed between the plate (second pressing plate 18) and pressing the first pressing plate (first pressing plate 14) toward the stack (16). The pressing mechanism (32) includes a rigid body (a middle pressing rod 28) and an elastic body (for example, a ceramic spring 30), and a second pressing plate (the second pressing plate 18) is mounted on the substrate (12). ) Is substantially uniformly transmitted to the surface of the first pressing plate (the first pressing plate 14) in contact with the stack (16). Item 2).
[0018]
Also in this case, the elastic body is preferably a ceramic spring.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0020]
FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention.
In FIG. 1, the fuel cell stack structure of the present invention generally denoted by reference numeral 10 has a structure in which solid oxide fuel cells are stacked between a substrate 12 and a first pressing plate 14 (first pressing plate). The stack 16 which is a body is stored.
A second pressing plate 18 (second pressing plate) is disposed above the first pressing plate 14 in the drawing.
[0021]
A plurality of (for example, four in the illustrated embodiment; however, only two are shown in the drawing) bolts 20 penetrate through the substrate 12, the first push plate 14, and the second push plate 18. I have.
In the bolt 20, a nut 22 is screwed below the substrate 12, a nut 24 (holding means) is screwed above the first push plate 14, and above the second push plate 18. Is screwed with the nut 26.
In other words, the nut 22 is for mounting the substrate 12, the nut 24 is for tightening the first push plate 14 toward the stack 16 or the substrate 12, and the nut 26 is for the second push plate 18. It is.
[0022]
Between the first push plate 14 and the second push plate 18, a ceramic spring 30 is arranged around a cylindrical middle push rod 28 (rigid body) made of a highly rigid material. It comprises a plurality of pressing mechanisms 32. Here, the upper and lower ends of the middle push rod 28 in the drawing may have a curved surface as shown, or may have a flat surface.
In the illustrated embodiment, four pressing mechanisms 32 are provided. When a pressing force acts on the stack from above in the figure as described later, the plurality of pressing mechanisms 32 apply the pressing force to the stack 16 via the first pressing plate 14 substantially uniformly. Is placed.
[0023]
The configuration of the stack 16 itself is the same as that shown in the prior art of FIG. That is, the stack 16 is formed by stacking cells of a solid oxide fuel cell having a fuel electrode F and an air electrode A, and each cell is separated by a separator S3 and felt (Ni). The seal member S1 and the spacer S2 are disposed in the portion.
[0024]
Next, a procedure for assembling the fuel cell stack structure according to the above-described first embodiment will be described.
When the stack 16 is placed on the substrate 12 and the first push plate 14 is further placed on the stack, the bolts 20 are inserted and the nuts 22 and 24 are screwed. Then, the stack 16 is pressed against the substrate 12 by the first pressing plate 14 by tightening the nut 24. As a result, the stack 16 is compressed, and the sealing performance at room temperature and the electrical connection between the stacked cells are ensured.
[0025]
Here, when the nut 24 is tightened and the stack 16 is pressed against the substrate 12 by the first push plate 14, the gas sealing between the layers (fuel cells) of the stack 16 is checked. Specifically, when the nut 24 is tightened, as shown by arrows A and B in FIG. 1, an inert gas (for example, nitrogen gas) is caused to flow into a space inside the stack 16 which is a stacked body, By checking whether gas leaks from the side of the stack 16, the gas sealing property is checked.
[0026]
By tightening the nut 24, the stack 16 remains compressed between the first push plate 14 and the substrate 12.
Next, the second push plate 18 is arranged above the first push plate 14 via a plurality of push mechanisms 32. Then, by tightening the nut 26, the second push plate 18 is moved downward (toward the substrate 12) in the figure.
Such movement (to the lower side of the second push plate 18 in the drawing) is performed until the second push plate 18 contacts the middle push rod 28. If the second push plate 18 comes into contact with the middle push rod 28, that is, if the second push plate 18 comes into contact with the middle push rod 28 and the tightening torque of the nut 26 sharply increases, the nut 26 Are further tightened, and the second push plate 18 is moved a little further downward (toward the substrate 12) in the figure. Thus, the assembly of the stack structure shown in FIG. 1 is completed.
[0027]
As described above, when the stack 16 is pressed against the substrate 12 by the first push plate 14 by tightening the nut 24, the sealing performance at room temperature and the electrical connection between the stacked cells are ensured. You. However, since the bolt 20 and the nut 24 are arranged on the peripheral edge of the first push plate 14, the outer peripheral portion of the stack 16 is pressed by tightening the nut 24, but the pressure near the center is insufficiently pressed. This may make it impossible to secure gas sealing and electrical connection in a region near the center of the stack.
However, as is apparent from FIG. 1, by tightening the nut 26, the first push plate 14 and the stack 16 are pressed or compressed via the second push plate 18 and the plurality of pressing mechanisms 32. Since the pressing mechanism 32 is disposed at the center of the stack 16 as is clear from FIG. 1, the center of the stack 16 is also sufficiently pressed and compressed, and the gas sealing property and the electrical connection are ensured. .
[0028]
In other words, by sufficiently tightening the nut 24, the sealing performance and electrical connection at the peripheral edge of the stack 16 are ensured. By tightening the nut 26 and interposing the pressing mechanism 32, the sealing performance at the center of the stack 16 is improved. The electrical connection is secured.
[0029]
When the sealing material and / or felt shrinks due to the extremely high operating temperature of the solid oxide fuel cell, and the pressing force or compressive force on the stack due to bolting is lost, the pressing mechanism 32 is made of ceramic. The first push plate 14 is urged downward in the drawing by the spring 30 to keep the stack 16 compressed. Therefore, the gas sealing property and the electrical connection between each layer (cell) of the stack 16 are maintained.
[0030]
The ceramic spring 30 does not deteriorate even in a high-temperature atmosphere (about 1000 ° C.) such as the operating temperature of a solid oxide fuel cell and in an oxygen atmosphere, but is very brittle and deforms beyond an allowable range. (Shrinkage) causes breakage.
However, in the embodiment of FIG. 1, the pressing mechanism 32 includes the intermediate pressing rod 28, and the second pressing plate 18 applies a pressing force enough to compress the ceramic spring 30 beyond the allowable deformation range. However, the compression force is handled by the intermediate push rod 28, and the ceramic spring 30 is not compressed beyond the allowable deformation range.
[0031]
As described above, according to the first embodiment shown in FIG. 1, even when the stack structure is assembled, the gas sealing property between the stacked cells is maintained even at a very high operating temperature of the solid oxide fuel cell. And electrical connection can be secured.
[0032]
Here, as described above, the tightening by the nut 24 needs to be sufficiently performed in order to secure the gas sealing property and the electrical connection at the end edge of the stack 16.
That is, when the first push plate 14 presses or compresses the stack 16 only by the pressing mechanism 32 when the tightening by the nut 24 is insufficient, the pressing mechanism is required if the first push plate 14 is not a completely rigid body. There is a possibility that the sealability and the electrical connection in the peripheral portion where the 32 is not arranged may not be sufficiently ensured.
[0033]
However, when the first push plate 14 is so rigid that it can be regarded as a completely rigid body, the tightening by the nut 24 can be omitted.
The second embodiment in FIG. 2 corresponds to such a case.
In FIG. 2, the pressing mechanism 32 is disposed on the first pressing plate 14, but the corresponding nut is not provided.
[0034]
By tightening the second push plate 18 with the nut 26, the force by which the nut 26 pushes the second push plate 18 downward in FIG. 2 is transmitted to the first push plate 14 via the pressing mechanism 32. Is done. Then, the stack 16 is compressed and pressed by the first push plate 14.
Here, since the first pressing plate 14 has high rigidity, the first pressing plate 14 compresses the stack 16 without being bent when pressed by the pressing mechanism 32 while keeping the horizontal state. Therefore, both the periphery and the center of the stack 16 are uniformly compressed.
[0035]
Other configurations and operational effects are the same as those of the first embodiment in FIG.
[0036]
It is to be noted that the illustrated embodiment is merely an example and is not intended to limit the technical scope of the present invention.
For example, the bolts and nuts prevent seizure.
Here, the through hole of the port is set relatively large.
The bottom (bottom in FIG. 1) of the bolt 12 can be prevented from rotating by embedding the head of the bolt in a base (not shown) instead of a nut.
[0037]
【The invention's effect】
The functions and effects of the present invention are listed below.
(1) At the time of assembling the stack structure, good gas sealing between the stacked cells and electrical connection are ensured.
(2) Even if the sealing material and / or felt shrinks due to the extremely high operating temperature of the solid oxide fuel cell, and the pressing force or compressive force on the stack due to bolting is lost, the pressing mechanism is used. The stack continues to be compressed by the repulsive force of the ceramic spring described above, so that the gas seal between the layers (cells) of the stack and the electrical connection are maintained.
(3) Even at a very high operating temperature of the solid oxide fuel cell, a compressive force can be reliably applied to the stack.
(4) The repulsive spring does not deteriorate even at a very high operating temperature of the solid oxide fuel cell.
(5) A spring (ceramic spring) that is resistant to a very high operating temperature of a solid oxide fuel cell is brittle and is damaged by deformation exceeding an allowable range. However, in the present invention, it is combined with a highly rigid member. Use can prevent breakage of the spring.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a front sectional view showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a front sectional view showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a front sectional view showing a conventional fuel cell stack structure.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell stack structure 12 ... Substrate 14 ... 1st push plate 16 ... Stack 18 ... 2nd push plate 20 ... Bolts 22, 24, 26 ... Nuts 28 middle push rod 30 ceramic spring 32 pressing mechanism
