JP2004362995A

JP2004362995A - Fuel cell and fuel cell stack

Info

Publication number: JP2004362995A
Application number: JP2003161308A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Tsunoda; 正角田; Masahiko Izumi; 征彦泉
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-06-05
Filing date: 2003-06-05
Publication date: 2004-12-24

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell stack with simple structure without generating unnecessary thermal stress, assuring desired sealing performance, capable of preventing the breakage of an electrolyte/electrode junction or the like as much as possible. <P>SOLUTION: A fuel cell stack 12 arranges disk-like end plates 100a, 100b at opposite ends in the layer direction of a plurality of fuel cells 10 and fastened and held through a fastening load applying mechanism 101. The mechanism 101 comprises a first fastening portion 103a for applying a first fastening load T1 in the vicinity of a fuel gas supplying communicating hole 44; a second fastening portion 103b for applying a second fastening load T2(<T1) to the junction; and a third fastening portion 103c for applying a third fastening load T3(<T2<T1) to an outer periphery edge portion of a separator. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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配設される燃料電池及び燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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単セル（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、単位セル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】
この種の燃料電池において、カソード電極に酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されると、前記カソード電極と電解質との界面でこの酸化剤ガス中の酸素がイオン化（Ｏ^２−）され、酸素イオンが電解質を通ってアノード電極側に移動する。アノード電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）やＣＯが供給されているために、このアノード電極において、酸素イオン及び水素（又はＣＯ）が反応して水（又はＣＯ_２）が生成される。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。
【０００４】
ところで、上記の燃料電池に使用されるシール部材としては、酸化剤ガスや燃料ガスである反応ガスの洩れを確実に阻止するシール性の他、耐熱性、絶縁性及び低剛性等、多機能が求められている。しかしながら、通常のシール部材では、このような機能を満たすことは極めて困難であり、しかもシール部材自体が相当に高価なものとなってしまう。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体電解質型燃料電池は、図２２に示すように、固体電解質体１の両面にアノード２及びカソード３が配置されて単位セル４を構成している。この単位セル４は、第１の基体５と第２の基体６とで挟持されるとともに、これらが積層されて燃料電池を構成している。
【０００６】
燃料電池には、積層方向に貫通して燃料ガス導入管７ａ及び酸化剤ガス導入管７ｂがガラスシール８を介して配設されている。このガラスシール８は、単位セル４と同一の厚さに加工されており、第１の基体５と第２の基体６との間に配設されているガラスシール８は、燃料電池の運転温度において軟化あるいは溶融し、シール機能が発生する。さらに、ガラスシール８の熱膨張係数は、他の燃料電池構成材料よりも大きいため、他の燃料電池構成材料に割れや損傷を与えることがない、としている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平２−１６８５６８号公報（図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献１では、ガラスシール８に熱履歴等による状態の変化が惹起され易く、このガラスシール８のシール性能が時間の経過に伴って低下するおそれがある。しかも、ガラスシール８を繰り返し使用することによって、硬化と溶融との形態変化が繰り返されるため、ガラスシール８自体が劣化してしまう。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、不要な熱応力の発生がなく、所望のシール性能を確保するとともに、電解質・電極接合体の破損等を可及的に阻止することが可能な燃料電池及び燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、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、前記セパレータの中央部には、アノード電極に向かって燃料ガスを供給する燃料ガス通路に連通し、前記電解質・電極接合体との積層方向に貫通する燃料ガス供給連通孔が形成されている。燃料ガス供給連通孔の周囲には、電解質・電極接合体が配設され、締め付け荷重付与機構を介してセパレータと前記電解質・電極接合体とが積層方向に締め付け保持されている。
【００１１】
その際、締め付け荷重付与機構は、燃料ガス供給連通孔の近傍に対して付与される積層方向の荷重が、電解質・電極接合体に付与される積層方向の荷重よりも大きく設定されている。従って、セパレータの周縁部に付与される締め付け荷重が減少するため、例えば、前記セパレータに熱伸びが発生した際に、セパレータ中心から周縁部に伸びが移動して該セパレータ全体の伸びが均一に行われ、熱歪みが有効に阻止される。これにより、セパレータ間に挟持されている電解質・電極接合体に、熱歪みによる損傷等が惹起されることがなく、しかも不必要な熱応力が発生することがない。
【００１２】
さらに、確実なシール性能が最も要求される燃料ガス供給連通孔の近傍には、最大の締め付け荷重が付与されている。このため、燃料ガス供給連通孔の近傍のシール性が良好に向上し、高精度なシール性能を確保することが可能になり、発電効率の向上が容易に図られる。
【００１３】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、締め付け荷重付与機構は、燃料ガス供給連通孔の近傍に対して第１締め付け荷重を付与する第１締め付け部と、電解質・電極接合体に対して前記第１締め付け荷重よりも小さな第２締め付け荷重を付与する第２締め付け部と、セパレータの外周縁部に対して前記第２締め付け荷重よりも小さな第３締め付け荷重を付与する第３締め付け部とを備えている。従って、セパレータの特定の部位毎に、必要な締め付け荷重を付与することができ、所望のシール性能を容易且つ確実に得ることが可能になる。
【００１４】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池では、締め付け荷重付与機構は、第１締め付け部に配設される内側シール部材と、第３締め付け部に配設される外側シール部材とを備えるとともに、前記内側シール部材は、前記外側シール部材よりも高い剛性に設定されている。これにより、最大の締め付け荷重が付与される燃料ガス供給連通孔の近傍では、十分なシール剛性を確保することができ、確実なシールが行われる。
【００１５】
しかも、燃料ガス供給連通孔がセパレータの中央部に設けられるため、比較的に高価な内側シール部材のシール面積を削減することができる。一方、シール面積の大きな外側シール部材は、比較的に低いシール性能を有する安価なシール部材であってもよい。このため、内側シール部材及び外側シール部材のコストを有効に削減することが可能になる。
【００１６】
さらにまた、本発明の請求項４に係る燃料電池では、燃料ガス供給連通孔の周囲には、電解質・電極接合体で反応に使用された燃料ガス及び酸化剤ガスを含む排ガスを積層方向に排出する排ガス通路が形成されるとともに、前記燃料ガス供給連通孔と燃料ガス通路とを連通する燃料ガス分配通路が、前記排ガス通路を前記積層方向に交差するセパレータ面方向に横切って設けられている。すなわち、セパレータ面内には、燃料ガス供給連通孔と燃料ガス通路との間に橋架部が設けられ、この橋架部に燃料ガス分配通路が形成される一方、該橋架部に仕切られて排ガス通路が形成されている。
【００１７】
従って、燃料ガス供給連通孔と電解質・電極接合体との間には、面積が相当に減少した橋架部が存在しており、前記電解質・電極接合体の剛性を、前記燃料ガス供給連通孔の周囲の剛性から遮断することができる。これにより、電解質・電極接合体は、燃料ガス供給連通孔の周囲に付与される締め付け荷重に影響されることがなく、前記電解質・電極接合体の面圧を確実に適正化することが可能になるとともに、前記電解質・電極接合体に歪み等が発生することを阻止することができる。
【００１８】
また、本発明の請求項５に係る燃料電池では、セパレータは、互いに積層される第１及び第２プレートを備え、前記第１及び第２プレート間には、燃料ガス通路及び酸化剤ガス通路が形成されている。このため、燃料電池の積層方向の寸法を有効に減少させることが可能になり、前記燃料電池が薄型化される。
【００１９】
さらに、本発明の請求項６に係る燃料電池では、少なくとも第１プレート又は第２プレートの周縁部には、対向するプレート面に向かってボス部が形成され、前記ボス部と前記プレート面とが当接することにより、酸化剤ガス通路が形成されている。従って、酸化剤ガス通路形状を確保するとともに、セパレータの周縁部の剛性を減少させることができる。
【００２０】
さらにまた、本発明の請求項７に係る燃料電池スタックでは、積層される複数の燃料電池に積層方向に沿って締め付け荷重を付与するとともに、前記燃料電池の中央部に付与される積層方向の荷重が、前記燃料電池の外周部に付与される積層方向の荷重よりも大きく設定される締め付け荷重付与機構を備えている。これにより、熱歪みの影響を有効に阻止することが可能になり、高精度な燃料電池スタックを構成することができる。
【００２１】
また、本発明の請求項８に係る燃料電池スタックでは、燃料電池の中央部に、燃料ガス通路に連通して積層方向に貫通する燃料ガス供給連通孔が形成され、締め付け荷重付与機構は、前記燃料ガス供給連通孔の近傍に対してのみ締め付け荷重を付与する締め付け具を備えている。このため、燃料電池スタックの組立工程全体の簡素化が図られるとともに、熱歪みの影響が可及的に阻止される。
【００２２】
さらに、本発明の請求項９に係る燃料電池スタックでは、締め付け荷重付与機構は、燃料ガス供給連通孔の周囲を覆う内側シール部材と、燃料電池の外周縁部に配置される外側シール部材とを備えるとともに、前記内側シール部材は、前記外側シール部材よりも高い剛性に設定されている。従って、最も高いシール性が要求される燃料ガス供給連通孔の周囲を確実にシールすることができる一方、シール面積の大きな外側シール部材を安価に構成することが可能になる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０が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り、図２は、前記燃料電池スタック１２が筐体１９内に収容された燃料電池システム１３の一部断面説明図である。
【００２４】
燃料電池１０は、固体電解質型燃料電池であり、設置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。第１の実施形態では、燃料電池スタック１２の適用例として、例えば、図２に示す燃料電池システム１３と、図３に示すガスタービン１４とが採用されている。
【００２５】
ガスタービン１４を構成するケーシング１６の外周には、燃焼器１８の回りに複数、例えば、８基の燃料電池スタック１２が４５°間隔ずつ離間して装着される。各燃料電池スタック１２の中央側から燃焼器１８側の室２０には、反応後の燃料ガス及び酸化剤ガスが混在する排ガスが排出される。室２０は、排ガスの流れ方向（図３中、矢印Ｘ方向）に向かって幅狭となり、その先端側外周部に熱交換器２２が外装されている。室２０の前端側にタービン（出力タービン）２４が配設されており、このタービン２４にコンプレッサ２６及び発電器２８が同軸に連結されている。ガスタービン１４は、全体として軸対称に構成されている。
【００２６】
タービン２４の排出通路３０は、熱交換器２２の第１通路３２に連通するとともに、コンプレッサ２６の供給通路３４は、前記熱交換器２２の第２通路３６に連通する。第２通路３６は、加熱エア導入通路３８を介して各燃料電池スタック１２の外周部に連通している。
【００２７】
図４及び図５に示すように、燃料電池１０は、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）５０の両面に、カソード電極５２及びアノード電極５４が設けられた電解質・電極接合体５６を備える。電解質・電極接合体５６は、比較的小径な円板状に形成される。アノード電極５４は多孔質材で構成されており、このアノード電極５４の気孔率は、例えば、２０％〜５０％、より好ましくは、３０％〜４５％の範囲内に設定される。
【００２８】
燃料電池１０は、一組のセパレータ５８間に複数、例えば、８個の電解質・電極接合体５６を挟んで構成される。セパレータ５８間には、このセパレータ５８の中心部である燃料ガス供給連通孔４４と同心円上に８個の電解質・電極接合体５６が配列される。
【００２９】
セパレータ５８は、互いに積層される複数枚、例えば、２枚のプレート６０、６２を備える。プレート６０、６２は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成されており、それぞれ波形外周部６０ａ、６２ａを設けている（図４及び図６参照）。
【００３０】
図４〜図６に示すように、プレート（第１プレート）６０の中央側には、燃料ガス供給連通孔４４及び４つの排ガス通路４６を設けるための橋架部６３ａが形成される。プレート６０には、各排ガス通路４６を周回する４つの内側突起部６４ａがプレート（第２プレート）６２側に膨出成形される。
【００３１】
隣り合う２個の内側突起部６４ａには、プレート６０の外周方向に延在する２つの外側突起部６４ｂが設けられるとともに、内側突起部６４ａと前記外側突起部６４ｂとの間には、燃料ガス供給連通孔４４に連通する燃料ガス通路６６が形成される（図７参照）。外側突起部６４ｂは、それぞれ半径外方向に所定の距離だけ突出し、その先端を結ぶ仮想円に沿って８個の電解質・電極接合体５６が配列される。
【００３２】
プレート６０には、円形状折り曲げ部６８が各電解質・電極接合体５６の形状に対応し仮想円に沿って８カ所に形成される。図７及び図８に示すように、折り曲げ部６８は、プレート６０の面内の一部を切り欠いて複数の折り曲げ片７０を設ける。各折り曲げ片７０は、プレート６２から離間する方向に突出して一方の電解質・電極接合体５６を構成するカソード電極５２に接触する第１突起部７２ａと、前記第１突起部７２ａの一端から前記プレート６２側に突出して該プレート６２を他方の電解質・電極接合体５６を構成するアノード電極５４に接触させる第２突起部７２ｂと、前記第１突起部７２ａの他端から前記プレート６２側に突出して該プレート６２に接触する第３突起部７２ｃとを設ける（図８参照）。
【００３３】
具体的には、図９に示すように、プレート６０の面内を略コ字状に切り欠いて折り曲げ片７０が形成され、この折り曲げ片７０を前記プレート６０との境界部位から矢印Ｃ１方向（プレート６２側）に窪ませることにより、第２突起部７２ｂが設けられる。この第２突起部７２ｂから矢印Ｃ２方向に突出させて第１突起部７２ａが設けられるとともに、この第１突起部７２ａから矢印Ｃ１方向に突出させて第３突起部７２ｃが設けられる。プレート６０には、各折り曲げ片７０を設けることによって酸化剤ガスを流すための切り欠き開口部７４が形成される。
【００３４】
図６及び図１０に示すように、プレート６２の中央側には、プレート６０の橋架部６３ａに対向して橋架部６３ｂが形成される。プレート６２の燃料ガス供給連通孔４４の周囲には、プレート６０に向かって突出する内側凹部７６が成形され、前記内側凹部７６が前記プレート６０に接合される際に、前記プレート６０、６２間には、燃料ガス分配通路６６ａが形成される（図１１参照）。
【００３５】
プレート６２には、図４、図６及び図１０に示すように、仮想円に沿って配列される各電解質・電極接合体５６に対応し、前記電解質・電極接合体５６から離間する方向に突出する複数の窪み（突出部）７８が設けられる。なお、プレート６０の外側突起部６４ｂに対応する部位には、窪み７８が設けられていない。
【００３６】
図８に示すように、各窪み７８は、各折り曲げ片７０の第２及び第３突起部７２ｂ、７２ｃに接触する位置に配置される。プレート６２には、各電解質・電極接合体５６の中心位置に対応し、すなわち、外側突起部６４ｂの先端部に対応し、燃料ガス通路６６に連通する燃料ガス導入口８０が貫通形成される。
【００３７】
プレート６２の波形外周部６２ａの内方近傍には、この波形外周部６２ａに沿ってプレート６０に向かって突出するボス部８２が成形される（図６参照）。ボス部８２がプレート６０に接合されることにより、プレート６０とプレート６２との間には、酸化剤ガス通路８４が形成される（図１２参照）。この酸化剤ガス通路８４は、プレート６０に形成された複数の切り欠き開口部７４に連通する。
【００３８】
各セパレータ５８間には、図１１に示すように、燃料ガス供給連通孔４４をシールするための第１絶縁シール（内側シール部材）９０が設けられるとともに、図１２に示すように、波形外周部６０ａ、６２ａ間には、第２絶縁シール（外側シール部材）９２が設けられる。第１絶縁シール９０としては、例えば、マイカ材やセラミック材が使用される一方、第２絶縁シール９２としては、前記第１絶縁シール９０よりも低剛性の、例えば、セラミック繊維が使用される。
【００３９】
図１３に示すように、電解質・電極接合体５６のアノード電極５４と一方のセパレータ５８を構成するプレート６２とは、互いに密着するとともに、各窪み７８に対応して空間９４が形成される。電解質・電極接合体５６のカソード電極５２と他方のセパレータ５８を構成するプレート６０との間には、酸化剤ガス通路８４から切り欠き開口部７４を介して連通する酸化剤ガス供給流路９６が形成される。酸化剤ガス供給流路９６は、各折り曲げ片７０の第１突起部７２ａの高さ寸法に応じて開口寸法が設定される。
【００４０】
各セパレータ５８は、プレート６０の複数の折り曲げ片７０がプレート６２に接触することにより、前記折り曲げ片７０が集電体として機能するとともに、各燃料電池１０が矢印Ａ方向に沿って直列的に接続される。
【００４１】
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の積層方向両端に円板状のエンドプレート１００ａ、１００ｂを配置するとともに、締め付け荷重付与機構１０１を介して積層方向に締め付け保持される。
【００４２】
締め付け荷重付与機構１０１は、燃料ガス供給連通孔４４の近傍に対して第１締め付け荷重Ｔ１を付与する第１締め付け部１０３ａと、電解質・電極接合体５６に対して前記第１締め付け荷重Ｔ１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１０３ｂと、セパレータ５８の外周縁部に対して前記第２締め付け荷重Ｔ２よりも小さな第３締め付け荷重Ｔ３を付与する第３締め付け部１０３ｃとを備える（Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３）。
【００４３】
エンドプレート１００ａは、絶縁されており、中心部に燃料ガス供給口１０２が形成され、この燃料ガス供給口１０２が各燃料電池１０の燃料ガス供給連通孔４４に連通する。
【００４４】
エンドプレート１００ａには、燃料ガス供給口１０２を挟んで２個のボルト挿入口１０４ａが形成される。ボルト挿入口１０４ａは、燃料電池スタック１２の２つの排ガス通路４６に対応している。エンドプレート１００ａには、燃料ガス供給口１０２を中心とする仮想円に沿って、すなわち、各電解質・電極接合体５６に対応して、８個の円形開口部１０６が形成される。各円形開口部１０６には、燃料ガス供給口１０２に向かって突出する矩形開口部１０８が連通するとともに、前記矩形開口部１０８の一部が排ガス通路４６に重なっている。
【００４５】
エンドプレート１００ｂは、導電部材で構成されている。図２に示すように、このエンドプレート１００ｂの中央部に接続端子部１１０が軸方向に膨出形成されるとともに、前記接続端子部１１０を挟んで２個のボルト挿入口１０４ａ、１０４ｂが形成される。各ボルト挿入口１０４ａ、１０４ｂは、同軸上に設けられており、２本のボルト（締め付け具）１１２が挿入される。
【００４６】
ボルト１１２の先端にナット１１４が螺合して第１締め付け部１０３ａが構成され、エンドプレート１００ａ、１００ｂ間に所望の締め付け荷重が付与される。具体的には、燃料ガス供給連通孔４４の近傍に対して第１締め付け荷重Ｔ１が付与されるとともに、電解質・電極接合体５６及びセパレータ５８の外周縁部に対して、それぞれ第２及び第３締め付け荷重Ｔ２、Ｔ３が付与される。
【００４７】
接続端子部１１０は、導線１１６を介して出力端子１１８ａに電気的に接続される。出力端子１１８ａは、筐体１９に固定される。
【００４８】
エンドプレート１００ａの各円形開口部１０６には、第２締め付け部１０３ｂが配設される。この第２締め付け部１０３ｂは、燃料電池スタック１２の積層方向端部に電気的に接触する集電板としての押し付け部材１２４が配置される。押し付け部材１２４にスプリング１２６の一端が当接するとともに、前記スプリング１２６の他端が受け板１２８に支持される。この受け板１２８は、筐体１９内に保持されている。スプリング１２６は、第１締め付け荷重Ｔ１よりも低いバネ荷重に設定されるとともに、発電時の熱による影響を回避し、さらに絶縁性を持たせるために、例えば、セラミックスで構成される。
【００４９】
各押し付け部材１２４の端部１２４ａは、燃料電池スタック１２の軸方向に屈曲しており、この端部１２４ａと１本のボルト１１２の一端とは、導線１３０を介して電気的に接続される。このボルト１１２の他端（頭部）は、接続端子部１１０に近接しており、この他端は、導線１３２を介して出力端子１１８ｂに電気的に接続される。出力端子１１８ｂは、出力端子１１８ａと近接且つ平行して筐体１９に固定される。
【００５０】
第３締め付け部１０３ｃでは、図１２に示すように、プレート６２に設けられているボス部８２がプレート６０に当接するとともに、各セパレータ５８間に第２絶縁シール９２が介装されている。この第２絶縁シール９２は、第１締め付け部１０３ａに設けられている第１絶縁シール９０よりも低剛性に設定される。
【００５１】
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。
【００５２】
燃料電池１０を組み付ける際には、先ず、セパレータ５８を構成するプレート６０、６２が接合されるとともに、リング状の第１絶縁シール９０が燃料ガス供給連通孔４４を周回して前記プレート６０又は前記プレート６２に設けられる。一方、プレート６０の波形外周部６０ａ又はプレート６２の波形外周部６２ａには、波形状の第２絶縁シール９２が設けられる。
【００５３】
これにより、セパレータ５８が構成され、プレート６０、６２間には、燃料ガス通路６６と酸化剤ガス通路８４とが形成される（図８及び図１３参照）。さらに、燃料ガス通路６６は、燃料ガス分配通路６６ａを介して燃料ガス供給連通孔４４に連通する一方、酸化剤ガス通路８４は、それぞれの波形外周部６０ａ、６２ａ間から外部に開放されている。
【００５４】
次いで、セパレータ５８間に電解質・電極接合体５６が挟持される。図４及び図５に示すように、各セパレータ５８は、互いに対向する面、すなわち、プレート６０、６２間に８個の電解質・電極接合体５６が配置される。このため、図１３に示すように、電解質・電極接合体５６のカソード電極５２とプレート６０との間には、複数の切り欠き開口部７４を介して酸化剤ガス通路８４に連通する酸化剤ガス供給流路９６が形成される。
【００５５】
一方、電解質・電極接合体５６のアノード電極５４とプレート６２とが密着しており、このアノード電極５４内には、燃料ガス導入口８０を介して燃料ガス通路６６に連通する燃料ガス供給流路１４０が形成される。さらに、セパレータ５８間には、反応後の燃料ガス及び酸化剤ガスを混合して排ガス通路４６に導くための排出通路１４２が形成される。
【００５６】
上記のように組み付けられた燃料電池１０が矢印Ａ方向に積層されて、燃料電池スタック１２が組み立てられる（図１参照）。この燃料電池スタック１２は、締め付け荷重付与機構１０１を介して積層方向に締め付け保持された状態で、図２に示すように、筐体１９内に装着される。
【００５７】
そこで、燃料電池スタック１２を構成するエンドプレート１００ａの燃料ガス供給口１０２から燃料ガス供給連通孔４４に燃料ガス（例えば、水素含有ガス）が供給されるとともに、前記燃料電池スタック１２の外周部側から加圧された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。燃料ガス供給連通孔４４に供給された燃料ガスは、積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら、各燃料電池１０を構成するセパレータ５８内の燃料ガス分配通路６６ａに導入される（図１１参照）。
【００５８】
図５及び図６に示すように、燃料ガスは、外側突起部６４ｂに沿って燃料ガス通路６６を移動し、それぞれの先端部から燃料ガス導入口８０に導入される。燃料ガス導入口８８は、各電解質・電極接合体５６のアノード電極５４の中心位置に対応して設けられており、燃料ガスは前記燃料ガス導入口８０から前記アノード電極５４内に供給され、該アノード電極５４内を中心部から外周に向かって流動する（図１３参照）。
【００５９】
一方、各燃料電池１０の外周側から供給される酸化剤ガスは、各セパレータ５８のプレート６０、６２間に形成されている酸化剤ガス通路８４に供給される。
この酸化剤ガス通路８４に供給された酸化剤ガスは、各切り欠き開口部７４から酸化剤ガス供給流路９６に導入され、電解質・電極接合体５６のカソード電極５２の全面に均一に供給される（図５及び図１３参照）。
【００６０】
従って、各電解質・電極接合体５６では、アノード電極５４内の中心部から外周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５２の全面に酸化剤ガスが供給される。その際、酸素イオンが電解質５０を通ってアノード電極５４に移動し、化学反応により発電が行われる。
【００６１】
ここで、各燃料電池１０は、矢印Ａ方向（積層方向）に電気的に直列に接続されており、図２に示すように、一方の極は、導電性のエンドプレート１００ｂに設けられた接続端子部１１０から導線１１６を介して出力端子１１８ａに接続される。他方の極は、電極面締め付け手段１２０を構成する押し付け部材１２４及びボルト１１２を介して出力端子１１８ｂに接続される。従って、出力端子１１８ａ、１１８ｂ間に出力を取り出すことができる。
【００６２】
また、複数の電解質・電極接合体５６のうち、いずれかの電解質・電極接合体５６が断線した際にも、残りの電解質・電極接合体５６で通電することが可能であり、発電の信頼性を向上させることができる。
【００６３】
一方、各電解質・電極接合体５６の外周に移動した反応後の燃料ガス及び酸化剤ガスが混在する排ガスは、セパレータ５８間に形成される排出通路１４２を介して前記セパレータ５８の中心部側に移動する。セパレータ５８の中心部近傍には、排ガスマニホールドを構成する４つの排ガス通路４６が形成されており、排ガスがこの排ガス通路４６から外部に排出される。
【００６４】
この場合、第１の実施形態では、締め付け荷重付与機構１０１は、燃料ガス供給連通孔４４の近傍に対して第１締め付け荷重Ｔ１を付与する第１締め付け部１０３ａと、電解質・電極接合体５６に対して前記第１締め付け荷重Ｔ１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１０３ｂと、セパレータ５８の外周縁部に対して前記第２締め付け荷重Ｔ２よりも小さな第３締め付け荷重Ｔ３を付与する第３締め付け部１０３ｃとを備えている。
【００６５】
従って、セパレータ５８の周縁部に付与される締め付け荷重（第３締め付け荷重Ｔ３）が減少するため、例えば、前記セパレータ５８に熱伸びが発生した際に、セパレータ５８の中心から周縁部に伸びが移動して該セパレータ５８全体の伸びが均一に行われ、熱歪みが有効に阻止される。これにより、セパレータ５８間に挟持されている電解質・電極接合体５６に、熱歪みによる損傷等が惹起されることがなく、しかも不必要な熱応力が発生することを有効に阻止することができる。
【００６６】
さらに、確実なシール性能が最も要求される燃料ガス供給連通孔４４の近傍には、最大の締め付け荷重（第１締め付け荷重Ｔ１）が付与されている。このため、燃料ガス供給連通孔４４の近傍のシール性が良好に向上し、高精度なシール性能を確保することが可能になり、燃料電池１０の発電効率の向上が容易に図られるという効果が得られる。
【００６７】
また、締め付け荷重付与機構１０１は、それぞれ異なる部位に対してそれぞれ異なる第１〜第３締め付け荷重Ｔ１、Ｔ２及びＴ３を付与する第１〜第３締め付け部１０３ａ、１０３ｂ及び１０３ｃを備えている。従って、セパレータ５８の特定の部位毎に、必要な締め付け荷重を付与することができ、所望のシール性能を容易且つ確実に得ることが可能になる。
【００６８】
さらに、締め付け荷重付与機構１０１は、第１締め付け部１０３ａに配設される第１絶縁シール９０と、第３締め付け部１０３ｃに配設される第２絶縁シール９２とを備えるとともに、前記第１絶縁シール９０は、前記第２絶縁シール９２よりも高い剛性に設定されている。これにより、最大の締め付け荷重が付与される燃料ガス供給連通孔４４の近傍では、十分なシール剛性を確保することができ、確実なシールが行われる。
【００６９】
しかも、燃料ガス供給連通孔４４がセパレータ５８の中央部に設けられるため、比較的に高価な第１絶縁シール９０のシール面積を削減することができる。一方、シール面積の大きな第２絶縁シール９２は、比較的に低いシール性能を有する安価なシール部材であってもよい。このため、第１及び第２絶縁シール９０、９２のコストを有効に削減することが可能になる。
【００７０】
さらにまた、燃料ガス供給連通孔４４の周囲には、電解質・電極接合体５６で反応に使用された燃料ガス及び酸化剤ガスを含む排ガスを積層方向に排出する排ガス通路４６が形成されるとともに、前記燃料ガス供給連通孔４４と燃料ガス通路６６とを連通する燃料ガス分配通路６６ａが、前記排ガス通路４６を積層方向に交差するセパレータ５８の面方向に横切って設けられている。すなわち、セパレータ５８の面内には、燃料ガス供給連通孔４４と燃料ガス通路６６との間に橋架部６３ａ、６３ｂが設けられ、この橋架部６３ａ、６３ｂ間に燃料ガス分配通路６６ａが形成される一方、該橋架部６３ａ、６３ｂに仕切られて排ガス通路４６が形成されている。
【００７１】
従って、燃料ガス供給連通孔４４と電解質・電極接合体５６との間には、面積が相当に減少した橋架部６３ａ、６３ｂが存在しており、前記電解質・電極接合体５６の剛性を、前記燃料ガス供給連通孔４４の周囲の剛性から遮断することができる。これにより、電解質・電極接合体５６は、燃料ガス供給連通孔４４の周囲に付与される締め付け荷重（第１締め付け荷重Ｔ１）に影響されることがなく、第２締め付け部１０３ｂによる第２締め付け荷重Ｔ２を受ける。
【００７２】
このため、電解質・電極接合体５６の面圧を確実に適正化することが可能になるとともに、前記電解質・電極接合体５６に歪み等が発生することを阻止することができる。その結果、高精度な燃料電池スタック１２を構成することが可能になるという効果がある。
【００７３】
また、セパレータ５８は、互いに積層されるプレート６０、６２を備え、前記プレート６０、６２間には、燃料ガス通路６６及び酸化剤ガス通路８４が形成されている。このため、燃料電池１０の積層方向の寸法を有効に減少させることが可能になり、前記燃料電池１０が薄型化されるとともに、燃料電池スタック１２全体の薄型化が容易に遂行されるという利点がある。
【００７４】
さらに、プレート６２の周縁部には、対向するプレート６０の面に向かってボス部８２が形成され、前記ボス部８２と前記プレート６０の面とが当接することにより、酸化剤ガス通路８４が形成されている。ボス部８２は、第２絶縁シール９２より剛性が高く設定される。従って、酸化剤ガス通路８４の形状を確保するとともに、セパレータ５８の周縁部の剛性を減少させることができる。
【００７５】
さらにまた、燃料電池１０の中央部に、燃料ガス通路６６に連通して積層方向に貫通する燃料ガス供給連通孔４４が形成され、締め付け荷重付与機構１０１は、前記燃料ガス供給連通孔４４の近傍に対してのみ締め付け荷重を付与するボルト１１２を備えている。このため、燃料電池スタック１２の組立工程全体の簡素化が図られるとともに、熱歪みの影響が可及的に阻止される。
【００７６】
次に、燃料電池スタック１２を、図３に示すガスタービン１４に組み込んだ場合の動作について、概略的に説明する。
【００７７】
図３に示すように、このガスタービン１４では、始動時に燃焼器１８が駆動されてタービン２４が回転され、コンプレッサ２６及び発電器２８が駆動される。コンプレッサ２６の駆動によって外気が供給通路３４に導入され、高圧且つ所定温度（例えば、２００℃）になった空気が熱交換器２２の第２通路３６に送られる。
【００７８】
この熱交換器２２の第１通路３２には、反応後の燃料ガス及び酸化剤ガスである高温の排ガスが供給されており、熱交換器２２の第２通路３６に導入された空気が加熱される。この加熱された空気は、加熱エア導入通路３８を通って燃料電池スタック１２を構成する各燃料電池１０の外周部に導入される。このため、各燃料電池１０で発電が行われ、反応後の燃料ガス及び酸化剤ガスが混在する排ガスは、ケーシング１６内の室２０に排出される。
【００７９】
その際、固体電解質型燃料電池である燃料電池１０から排出される排ガスは、８００℃〜１０００℃の高温となっており、この排ガスによりタービン２４を回転させて発電器２８による発電が行われるとともに、熱交換器２２に送られて吸入される外部空気の加熱を行うことができる。これにより、燃焼器１８を使用する必要がなく、燃料電池スタック１２から排出される排ガスを用いてタービン２４を回転させることが可能になる。
【００８０】
しかも、排ガスが８００℃〜１０００℃と高温となっており、燃料電池スタック１２に供給される燃料の内部改質を行うことができる。従って、燃料として、例えば、天然ガスやブタン、あるいはガソリン系等の種々の燃料を使用して内部改質を行うことが可能になる。
【００８１】
図１４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１５０の分解斜視図である。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の実施形態でも、同様にその詳細な説明は省略する。
【００８２】
燃料電池１５０は、電解質・電極接合体５６を挟持する一組のセパレータ１５２を備える。このセパレータ１５２は、例えば、２枚のプレート６０、１５４を設ける。プレート１５４は、面内に窪みを形成しておらず、平坦状に構成されている。
【００８３】
これにより、第２の実施形態では、プレート６０、１５４間に燃料ガス通路６６及び酸化剤ガス通路８４を形成することができ、第１の実施形態と同様の効果が得られる。しかも、平坦状のプレート１５４とアノード電極５４との接触面積を一層増加させることが可能になる。
【００８４】
図１５は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータ１６０の分解斜視図である。
【００８５】
セパレータ１６０は、例えば、２枚のプレート１６２、６２を備える。プレート１６２には、各排ガス通路４６を周回する４つの内側突起部６４ａと、この内側突起部６４ａの外方に設けられて前記内側突起部６４ａとの間に燃料ガス通路６６を形成する外側突起部１６４とが形成される。
【００８６】
図１６は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１７０の動作説明図であり、図１７は、前記燃料電池１７０の動作を示す一部分解斜視説明図である。
【００８７】
燃料電池１７０は、一組のセパレータ１７２を介して複数、例えば、１６個の電解質・電極接合体５６を挟んで構成される。セパレータ１７２の面内には、このセパレータ１７２の中心部である燃料ガス供給連通孔４４と同心円上に８個の電解質・電極接合体５６が配列される内周側配列層Ｐ１と、この内周側配列層Ｐ１の外周に８個の電解質・電極接合体５６が配列される外周側配列層Ｐ２とが設けられる（図１６参照）。
【００８８】
セパレータ１７２は、プレート１７４、１７６を備える。図１８に示すように、プレート１７４には、各排ガス通路４６を周回する４つの内側突起部６４ａと、この内側突起部６４ａの外方に設けられて前記内側突起部６４ａとの間に燃料ガス通路１７８を形成する外側突起部１８０とが形成される。
【００８９】
外側突起部１８０は、それぞれ半径外方向に所定の距離だけ突出する複数の第１壁部１８２ａと第２壁部１８２ｂとを交互に設けている。第１壁部１８２ａは、先端を結ぶ仮想円が内周側配列層Ｐ１の中心線を形成し、この内周側配列層Ｐ１に沿って８個の電解質・電極接合体５６が配列される。第１壁部１８２ａ間には、この第１壁部１８２ａよりも長尺な第２壁部１８２ｂが設けられ、前記第２壁部１８２ｂの先端を通る仮想円により外周側配列層Ｐ２の中心線が形成される。この外周側配列層Ｐ２の中心線に沿って８個の電解質・電極接合体５６が配列される。
【００９０】
プレート１７４には、内周側配列層Ｐ１と外周側配列層Ｐ２とに配設される電解質・電極接合体５６に対応して円形折り曲げ部１８４が１６カ所に形成される。各円形折り曲げ部１８４は、複数の折り曲げ片７０を備えている。
【００９１】
図１７に示すように、プレート１７６には、内周側配列層Ｐ１と外周側配列層Ｐ２とに沿って配設される電解質・電極接合体５６に対応し、前記電解質・電極接合体５６から離間する方向に突出する複数の窪み（突出部）７８が設けられる。プレート１７６には、各電解質・電極接合体５６の中心位置に対応して燃料ガス導入口８０が１６カ所に形成される。
【００９２】
このように構成される第４の実施形態では、第１の実施形態と同様の効果が得られるとともに、特に燃料電池１７０が１６個の電解質・電極接合体５６を備えており、前記燃料電池１７０の高出力化が容易に図られるという利点がある。
【００９３】
図１９は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池１９０の分解斜視図である。
【００９４】
燃料電池１９０は、電解質・電極接合体１９２を挟持する一組のセパレータ１９４を備える。電解質・電極接合体１９２は、例えば、リングを８等分した形状（扇形状）に設定されている。
【００９５】
図１９及び図２０に示すように、セパレータ１９４は、例えば、２枚のプレート１９６、１９８を設けており、このプレート１９６には、各電解質・電極接合体１９２の形状に対応して扇形折り曲げ部２００が８カ所に形成される。各扇形折り曲げ部２００は、複数の折り曲げ片７０を設けるとともに、前記折り曲げ片７０は、プレート１９６の中心に向かって整列される。プレート１９８には、各電解質・電極接合体１９２の形状に対応して窪み７８が配設される。
【００９６】
このように構成される第５の実施形態では、第１の実施形態と同様の効果が得られるとともに、電解質・電極接合体１９２の発電面積が良好に拡大可能であるという利点がある。
【００９７】
図２１は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池２１０の分解斜視図である。この燃料電池２１０は、リング状の電解質・電極接合体２１２を一組のセパレータ１９４で挟持して構成されている。従って、上記の第５の実施形態と同様の効果が得られる。
【００９８】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池及び燃料電池スタックでは、締め付け荷重付与機構は、燃料ガス供給連通孔の近傍に対して付与される積層方向の荷重が、電解質・電極接合体に付与される積層方向の荷重よりも大きく設定されている。従って、セパレータの周縁部に付与される締め付け荷重が減少するため、例えば、前記セパレータに熱伸びが発生した際に、セパレータ中心から周縁部に伸びが移動して該セパレータ全体の伸びが均一に行われ、熱歪みが有効に阻止される。これにより、セパレータ間に挟持されている電解質・電極接合体に、熱歪みによる損傷等が惹起されることがなく、しかも不必要な熱応力が発生することがない。
【００９９】
さらに、確実なシール性能が最も要求される燃料ガス供給連通孔の近傍には、最大の締め付け荷重が付与されている。このため、燃料ガス供給連通孔の近傍のシール性が良好に向上し、高精度なシール性能を確保することが可能になり、発電効率の向上が容易に図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池が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２】前記燃料電池スタックが筐体内に収容された燃料電池システムの一部断面説明図である。
【図３】前記燃料電池スタックを組み込むガスタービンの概略構成を示す断面説明図である。
【図４】前記燃料電池の分解斜視図である。
【図５】前記燃料電池の動作を示す一部分解斜視説明図である。
【図６】前記燃料電池を構成するセパレータの分解斜視説明図である。
【図７】前記セパレータを構成する一方のプレートの一部拡大正面説明図である。
【図８】前記燃料電池の一部省略断面図である。
【図９】前記セパレータに設けられる折り曲げ片の斜視説明図である。
【図１０】前記セパレータを構成する他方のプレートの一部拡大正面説明図である。
【図１１】前記燃料電池の中心部の拡大断面図である。
【図１２】前記燃料電池の外周縁部の拡大断面図である。
【図１３】前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。
【図１４】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。
【図１５】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータの分解斜視図である。
【図１６】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の動作説明図である。
【図１７】前記燃料電池の動作を示す一部分解斜視説明図である。
【図１８】前記燃料電池のセパレータを構成する一方のプレートの一部拡大正面説明図である。
【図１９】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。
【図２０】前記燃料電池を構成するセパレータの分解斜視図である。
【図２１】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。
【図２２】特許文献１に係る燃料電池の断面説明図である。
【符号の説明】
１０、１５０、１７０、１９０、２１０…燃料電池
１２…燃料電池スタック１３…燃料電池システム
１４…ガスタービン１９…筐体
４４…燃料ガス供給連通孔４６…排ガス通路
５０…電解質５２…カソード電極
５４…アノード電極
５６、１９２、２１２…電解質・電極接合体
５８、１５２、１６０、１７２、１９４…セパレータ
６０、６２、１５４、１６２、１７４、１７６、１９６、１９８…プレート
６６、１７８…燃料ガス通路６６ａ…燃料ガス分配通路
６８…折り曲げ部７０…折り曲げ片
７２ａ〜７２ｃ…突起部７４…切り欠き開口部
７８…窪み８０…燃料ガス導入口
８２…ボス部９０、９２…絶縁シール
９６…酸化剤ガス供給流路１００ａ、１００ｂ…エンドプレート
１０１…締め付け荷重付与機構１０３ａ〜１０３ｃ…締め付け部
１１２…ボルト１１８ａ、１１８ｂ…出力端子
１４０…燃料ガス供給流路２００…扇形折り曲げ部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell and a fuel cell stack in which an electrolyte-electrode assembly formed by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode is disposed between separators.
[0002]
[Prior art]
Usually, a solid oxide fuel cell (SOFC) uses an oxide ion conductor, for example, stabilized zirconia as an electrolyte, and a single cell (electrolyte / electrode) in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both sides of the electrolyte. (A joined body) is sandwiched between separators (bipolar plates). This fuel cell is generally used as a fuel cell stack in which a predetermined number of unit cells and separators are stacked.
[0003]
In this type of fuel cell, when an oxidizing gas, for example, a gas or air mainly containing oxygen (hereinafter, also referred to as an oxygen-containing gas) is supplied to the cathode electrode, the oxidizing gas is generated at the interface between the cathode electrode and the electrolyte. Oxygen in the oxidant gas is ionized (O ²⁻ ), and oxygen ions move to the anode electrode side through the electrolyte. Since a fuel gas, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter also referred to as a hydrogen-containing gas) or CO is supplied to the anode electrode, oxygen ions and hydrogen (or CO) are supplied to the anode electrode. The reaction produces water (or CO ₂ ). The electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as DC electric energy.
[0004]
By the way, as a sealing member used in the above-mentioned fuel cell, in addition to sealing properties for reliably preventing leakage of an oxidizing gas or a reactant gas as a fuel gas, multi-functions such as heat resistance, insulation properties and low rigidity are provided. It has been demanded. However, it is extremely difficult to satisfy such a function with a normal sealing member, and the sealing member itself becomes considerably expensive.
[0005]
Thus, for example, in a solid oxide fuel cell disclosed in Patent Document 1, as shown in FIG. 22, an anode 2 and a cathode 3 are arranged on both surfaces of a solid electrolyte body 1 to constitute a unit cell 4. . The unit cell 4 is sandwiched between a first base 5 and a second base 6, and these are stacked to form a fuel cell.
[0006]
In the fuel cell, a fuel gas introducing pipe 7a and an oxidizing gas introducing pipe 7b are provided through a glass seal 8 so as to penetrate in the stacking direction. The glass seal 8 is processed to have the same thickness as the unit cell 4, and the glass seal 8 provided between the first base 5 and the second base 6 operates at the operating temperature of the fuel cell. At the same time, it softens or melts, and a sealing function occurs. Further, since the thermal expansion coefficient of the glass seal 8 is larger than that of other fuel cell constituent materials, the glass seal 8 does not crack or damage other fuel cell constituent materials.
[0007]
[Patent Document 1]
JP-A-2-168568 (FIG. 1)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in Patent Document 1 described above, a change in state due to heat history or the like is likely to be caused in the glass seal 8, and the sealing performance of the glass seal 8 may decrease with time. In addition, since the glass seal 8 is repeatedly used, the morphological change between curing and melting is repeated, so that the glass seal 8 itself is deteriorated.
[0009]
The present invention is intended to solve this kind of problem, has a simple configuration, does not generate unnecessary thermal stress, ensures desired sealing performance, and minimizes damage to the electrolyte-electrode assembly. It is an object of the present invention to provide a fuel cell and a fuel cell stack that can be prevented.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In the fuel cell according to claim 1 of the present invention, the electrolyte-electrode assembly is disposed between the pair of separators, and a fuel gas passage for supplying a fuel gas toward the anode electrode is provided at a central portion of the separator. And a fuel gas supply communication hole which penetrates the electrolyte / electrode assembly in the laminating direction. An electrolyte-electrode assembly is provided around the fuel gas supply passage, and the separator and the electrolyte-electrode assembly are clamped and held in the laminating direction via a clamping load applying mechanism.
[0011]
At this time, in the fastening load applying mechanism, the load in the stacking direction applied to the vicinity of the fuel gas supply communication hole is set to be larger than the load in the stacking direction applied to the electrolyte-electrode assembly. Therefore, since the tightening load applied to the peripheral portion of the separator is reduced, for example, when thermal expansion occurs in the separator, the extension moves from the center of the separator to the peripheral portion, and the entire extension of the separator is uniformly performed. This effectively prevents thermal distortion. Thus, the electrolyte-electrode assembly sandwiched between the separators is not damaged due to thermal strain, and unnecessary thermal stress is not generated.
[0012]
Further, a maximum tightening load is applied in the vicinity of the fuel gas supply communication hole where the most reliable sealing performance is required. For this reason, the sealing property near the fuel gas supply communication hole is favorably improved, high-precision sealing performance can be secured, and power generation efficiency can be easily improved.
[0013]
Further, in the fuel cell according to claim 2 of the present invention, the tightening load applying mechanism includes a first tightening portion that applies a first tightening load to the vicinity of the fuel gas supply communication hole, and the electrolyte / electrode assembly. A second fastening portion for applying a second fastening load smaller than the first fastening load, and a third fastening portion for applying a third fastening load smaller than the second fastening load to the outer peripheral edge of the separator. It has. Therefore, a necessary tightening load can be applied to each specific portion of the separator, and desired sealing performance can be easily and reliably obtained.
[0014]
Further, in the fuel cell according to claim 3 of the present invention, the tightening load applying mechanism includes an inner seal member provided in the first tightening portion and an outer seal member provided in the third tightening portion. The inner seal member is set to have higher rigidity than the outer seal member. Thereby, sufficient seal rigidity can be ensured near the fuel gas supply passage to which the maximum tightening load is applied, and reliable sealing is performed.
[0015]
Moreover, since the fuel gas supply passage is provided at the center of the separator, the sealing area of the relatively expensive inner seal member can be reduced. On the other hand, the outer seal member having a large seal area may be an inexpensive seal member having relatively low sealing performance. For this reason, it is possible to effectively reduce the costs of the inner seal member and the outer seal member.
[0016]
Furthermore, in the fuel cell according to claim 4 of the present invention, the exhaust gas containing the fuel gas and the oxidizing gas used for the reaction in the electrolyte-electrode assembly is discharged in the stacking direction around the fuel gas supply passage. An exhaust gas passage is formed, and a fuel gas distribution passage communicating the fuel gas supply passage with the fuel gas passage is provided across the exhaust gas passage in a separator surface direction intersecting the stacking direction. That is, a bridge portion is provided between the fuel gas supply passage and the fuel gas passage in the separator surface, and the fuel gas distribution passage is formed in the bridge portion, and the exhaust gas passage is partitioned by the bridge portion. Is formed.
[0017]
Therefore, between the fuel gas supply passage and the electrolyte-electrode assembly, there is a bridge portion having a considerably reduced area, and the rigidity of the electrolyte-electrode assembly is reduced by the fuel gas supply passage. It can be shielded from surrounding rigidity. Thus, the electrolyte-electrode assembly can be reliably adjusted to the appropriate surface pressure of the electrolyte-electrode assembly without being affected by the tightening load applied around the fuel gas supply passage. At the same time, it is possible to prevent the electrolyte / electrode assembly from being strained.
[0018]
Further, in the fuel cell according to claim 5 of the present invention, the separator includes first and second plates stacked on each other, and a fuel gas passage and an oxidizing gas passage are provided between the first and second plates. Is formed. For this reason, it is possible to effectively reduce the dimension of the fuel cell in the stacking direction, and the fuel cell is reduced in thickness.
[0019]
Further, in the fuel cell according to claim 6 of the present invention, a boss portion is formed at least at a peripheral edge portion of the first plate or the second plate toward an opposing plate surface, and the boss portion and the plate surface are separated from each other. The oxidizing gas passage is formed by the contact. Therefore, it is possible to secure the shape of the oxidant gas passage and to reduce the rigidity of the peripheral portion of the separator.
[0020]
Still further, in the fuel cell stack according to claim 7 of the present invention, a tightening load is applied to the plurality of fuel cells to be stacked along the stacking direction, and a load in the stacking direction applied to a central portion of the fuel cell. Includes a tightening load applying mechanism that is set to be larger than the load in the stacking direction applied to the outer peripheral portion of the fuel cell. This makes it possible to effectively prevent the influence of thermal strain, and to configure a highly accurate fuel cell stack.
[0021]
Further, in the fuel cell stack according to claim 8 of the present invention, a fuel gas supply communication hole communicating with the fuel gas passage and penetrating in the stacking direction is formed in a central portion of the fuel cell, and the tightening load applying mechanism includes A fastening tool for applying a fastening load only to the vicinity of the fuel gas supply communication hole is provided. For this reason, the entire assembly process of the fuel cell stack is simplified, and the effect of thermal distortion is prevented as much as possible.
[0022]
Further, in the fuel cell stack according to claim 9 of the present invention, the tightening load applying mechanism includes an inner seal member that covers a periphery of the fuel gas supply passage and an outer seal member that is disposed at an outer peripheral portion of the fuel cell. In addition, the inner seal member is set to have higher rigidity than the outer seal member. Therefore, it is possible to reliably seal the periphery of the fuel gas supply communication hole where the highest sealing property is required, and it is possible to inexpensively configure the outer sealing member having a large sealing area.
[0023]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic perspective view of a fuel cell stack 12 in which a plurality of fuel cells 10 according to a first embodiment of the present invention are stacked. FIG. 2 shows that the fuel cell stack 12 is housed in a housing 19. FIG. 2 is a partial cross-sectional explanatory view of the fuel cell system 13 shown in FIG.
[0024]
The fuel cell 10 is a solid oxide fuel cell, and is used for various purposes, such as for installation and for in-vehicle use. In the first embodiment, as an application example of the fuel cell stack 12, for example, a fuel cell system 13 shown in FIG. 2 and a gas turbine 14 shown in FIG. 3 are adopted.
[0025]
A plurality of, for example, eight fuel cell stacks 12 are mounted around an outer periphery of a casing 16 constituting the gas turbine 14 around the combustor 18 at intervals of 45 °. Exhaust gas containing mixed fuel gas and oxidizing gas is discharged from the center of each fuel cell stack 12 to the chamber 20 on the combustor 18 side. The chamber 20 becomes narrower in the flow direction of the exhaust gas (the direction of the arrow X in FIG. 3), and the heat exchanger 22 is provided on the outer peripheral portion on the distal end side. A turbine (output turbine) 24 is disposed on the front end side of the chamber 20, and a compressor 26 and a generator 28 are coaxially connected to the turbine 24. The gas turbine 14 is configured to be axially symmetric as a whole.
[0026]
The discharge passage 30 of the turbine 24 communicates with a first passage 32 of the heat exchanger 22, and the supply passage 34 of the compressor 26 communicates with a second passage 36 of the heat exchanger 22. The second passage 36 communicates with the outer periphery of each fuel cell stack 12 via the heated air introduction passage 38.
[0027]
As shown in FIGS. 4 and 5, in the fuel cell 10, for example, a cathode electrode 52 and an anode electrode 54 are provided on both surfaces of an electrolyte (electrolyte plate) 50 composed of an oxide ion conductor such as stabilized zirconia. The electrolyte-electrode assembly 56 provided. The electrolyte electrode assembly 56 is formed in a relatively small disk shape. The anode electrode 54 is made of a porous material, and the porosity of the anode electrode 54 is set, for example, in the range of 20% to 50%, and more preferably, in the range of 30% to 45%.
[0028]
The fuel cell 10 is configured with a plurality of, for example, eight, electrolyte / electrode assemblies 56 interposed between a pair of separators 58. Eight electrolyte-electrode assemblies 56 are arranged between the separators 58 so as to be concentric with the fuel gas supply passage 44, which is the center of the separator 58.
[0029]
The separator 58 includes a plurality of, for example, two plates 60 and 62 stacked on each other. The plates 60 and 62 are made of, for example, a sheet metal such as a stainless alloy, and have corrugated outer peripheral portions 60a and 62a, respectively (see FIGS. 4 and 6).
[0030]
As shown in FIGS. 4 to 6, a bridge 63 a for providing the fuel gas supply passage 44 and the four exhaust gas passages 46 is formed in the center of the plate (first plate) 60. The plate 60 has four inner projections 64 a circulating in the respective exhaust gas passages 46 bulging toward the plate (second plate) 62.
[0031]
Two adjacent inner protrusions 64a are provided with two outer protrusions 64b extending in the outer peripheral direction of the plate 60, and a fuel gas is provided between the inner protrusion 64a and the outer protrusion 64b. A fuel gas passage 66 communicating with the supply communication hole 44 is formed (see FIG. 7). Each of the outer protrusions 64b protrudes by a predetermined distance in a radially outward direction, and eight electrolyte / electrode assemblies 56 are arranged along a virtual circle connecting the tips.
[0032]
Circularly bent portions 68 are formed on the plate 60 at eight positions along a virtual circle corresponding to the shape of each electrolyte-electrode assembly 56. As shown in FIGS. 7 and 8, the bent portion 68 is provided with a plurality of bent pieces 70 by cutting out a part of the surface of the plate 60. Each bent piece 70 protrudes in the direction away from the plate 62 and contacts the cathode electrode 52 that constitutes one of the electrolyte-electrode assemblies 56; and the plate 70 extends from one end of the first protrusion 72a. A second protrusion 72b protruding toward the plate 62 to contact the anode electrode 54 constituting the other electrolyte-electrode assembly 56; and a second protrusion 72b protruding from the other end of the first protrusion 72a toward the plate 62. A third protrusion 72c that contacts the plate 62 is provided (see FIG. 8).
[0033]
Specifically, as shown in FIG. 9, a bent piece 70 is formed by notching the surface of the plate 60 in a substantially U-shape, and the bent piece 70 is moved from the boundary portion with the plate 60 in the direction of the arrow C1 ( The second protruding portion 72b is provided by being depressed on the plate 62 side). A first projection 72a is provided to project from the second projection 72b in the direction of arrow C2, and a third projection 72c is provided to project from the first projection 72a in the direction of arrow C1. By providing each bent piece 70 in the plate 60, a cutout opening 74 for flowing an oxidizing gas is formed.
[0034]
As shown in FIGS. 6 and 10, a bridge 63 b is formed at the center of the plate 62 so as to face the bridge 63 a of the plate 60. An inner recess 76 protruding toward the plate 60 is formed around the fuel gas supply passage 44 of the plate 62, and when the inner recess 76 is joined to the plate 60, the inner recess 76 is formed between the plates 60 and 62. Is formed with a fuel gas distribution passage 66a (see FIG. 11).
[0035]
As shown in FIGS. 4, 6, and 10, the plate 62 corresponds to each electrolyte-electrode assembly 56 arranged along a virtual circle and protrudes in a direction away from the electrolyte-electrode assembly 56. A plurality of depressions (projections) 78 are provided. It should be noted that no depression 78 is provided in a portion of the plate 60 corresponding to the outer projection 64b.
[0036]
As shown in FIG. 8, each depression 78 is arranged at a position where it contacts the second and third protrusions 72 b and 72 c of each bent piece 70. A fuel gas inlet 80 corresponding to the center position of each electrolyte-electrode assembly 56, that is, to the tip of the outer protrusion 64 b, and communicating with the fuel gas passage 66 is formed through the plate 62.
[0037]
In the vicinity of the inside of the corrugated outer periphery 62a of the plate 62, a boss 82 protruding toward the plate 60 along the corrugated outer periphery 62a is formed (see FIG. 6). When the boss portion 82 is joined to the plate 60, an oxidizing gas passage 84 is formed between the plate 60 and the plate 62 (see FIG. 12). The oxidizing gas passage 84 communicates with a plurality of cutout openings 74 formed in the plate 60.
[0038]
As shown in FIG. 11, a first insulating seal (inner seal member) 90 for sealing the fuel gas supply passage 44 is provided between the separators 58, and as shown in FIG. A second insulating seal (outer seal member) 92 is provided between 60a and 62a. As the first insulating seal 90, for example, a mica material or a ceramic material is used, while as the second insulating seal 92, for example, a ceramic fiber having lower rigidity than the first insulating seal 90 is used.
[0039]
As shown in FIG. 13, the anode electrode 54 of the electrolyte electrode assembly 56 and the plate 62 forming one separator 58 are in close contact with each other, and a space 94 is formed corresponding to each recess 78. Between the cathode electrode 52 of the electrolyte / electrode assembly 56 and the plate 60 constituting the other separator 58, an oxidizing gas supply passage 96 communicating from the oxidizing gas passage 84 via a cutout opening 74 is provided. It is formed. The opening size of the oxidizing gas supply channel 96 is set according to the height of the first protrusion 72 a of each bent piece 70.
[0040]
Each separator 58 has a plurality of bent pieces 70 of the plate 60 contacting the plate 62 so that the bent pieces 70 function as current collectors, and the fuel cells 10 are connected in series along the arrow A direction. Is done.
[0041]
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the fuel cell stack 12 has disk-shaped end plates 100 a and 100 b disposed at both ends in the stacking direction of the plurality of fuel cells 10, and has a stacking direction via a fastening load applying mechanism 101. Is held tight.
[0042]
The tightening load applying mechanism 101 is configured to apply a first tightening load T1 to the vicinity of the fuel gas supply communication hole 44, and to the electrolyte / electrode assembly 56 with respect to the first tightening load T1. A second fastening portion 103b for applying a small second fastening load T2 and a third fastening portion 103c for applying a third fastening load T3 smaller than the second fastening load T2 to the outer peripheral edge of the separator 58 are provided. (T1>T2> T3).
[0043]
The end plate 100a is insulated, and has a fuel gas supply port 102 formed at the center thereof. The fuel gas supply port 102 communicates with the fuel gas supply passage 44 of each fuel cell 10.
[0044]
Two bolt insertion ports 104a are formed in the end plate 100a with the fuel gas supply port 102 interposed therebetween. The bolt insertion ports 104 a correspond to the two exhaust gas passages 46 of the fuel cell stack 12. Eight circular openings 106 are formed in the end plate 100 a along an imaginary circle centered on the fuel gas supply port 102, that is, corresponding to each of the electrolyte electrode assemblies 56. Each circular opening 106 communicates with a rectangular opening 108 projecting toward the fuel gas supply port 102, and a part of the rectangular opening 108 overlaps the exhaust gas passage 46.
[0045]
The end plate 100b is made of a conductive member. As shown in FIG. 2, a connection terminal portion 110 is formed in the center of the end plate 100b so as to protrude in the axial direction, and two bolt insertion ports 104a and 104b are formed with the connection terminal portion 110 interposed therebetween. You. Each of the bolt insertion ports 104a and 104b is provided coaxially, and two bolts (fasteners) 112 are inserted therein.
[0046]
The nut 114 is screwed into the tip of the bolt 112 to form the first fastening portion 103a, and a desired fastening load is applied between the end plates 100a and 100b. Specifically, the first tightening load T1 is applied to the vicinity of the fuel gas supply passage 44, and the second and third loads are applied to the outer peripheral edges of the electrolyte electrode assembly 56 and the separator 58, respectively. Tightening loads T2 and T3 are applied.
[0047]
The connection terminal 110 is electrically connected to the output terminal 118a via the conductor 116. The output terminal 118a is fixed to the housing 19.
[0048]
A second fastening portion 103b is provided in each circular opening 106 of the end plate 100a. In the second fastening portion 103b, a pressing member 124 as a current collecting plate that is in electrical contact with an end of the fuel cell stack 12 in the stacking direction is disposed. One end of a spring 126 contacts the pressing member 124, and the other end of the spring 126 is supported by a receiving plate 128. The receiving plate 128 is held in the housing 19. The spring 126 is set to a spring load lower than the first tightening load T1, and is made of, for example, ceramics in order to avoid the influence of heat during power generation and to provide insulation.
[0049]
An end 124 a of each pressing member 124 is bent in the axial direction of the fuel cell stack 12, and the end 124 a is electrically connected to one end of one bolt 112 via a conducting wire 130. The other end (head) of the bolt 112 is close to the connection terminal portion 110, and the other end is electrically connected to the output terminal 118b via the conductor 132. The output terminal 118b is fixed to the housing 19 close to and parallel to the output terminal 118a.
[0050]
In the third fastening portion 103c, as shown in FIG. 12, a boss 82 provided on the plate 62 abuts on the plate 60, and a second insulating seal 92 is interposed between the separators 58. The second insulating seal 92 is set to have lower rigidity than the first insulating seal 90 provided on the first tightening portion 103a.
[0051]
The operation of the fuel cell stack 12 configured as described above will be described below.
[0052]
When assembling the fuel cell 10, first, the plates 60 and 62 constituting the separator 58 are joined, and the ring-shaped first insulating seal 90 goes around the fuel gas supply passage 44 and the plate 60 or the It is provided on the plate 62. On the other hand, a corrugated second insulating seal 92 is provided on the corrugated outer peripheral portion 60a of the plate 60 or the corrugated outer peripheral portion 62a of the plate 62.
[0053]
Thus, the separator 58 is formed, and the fuel gas passage 66 and the oxidizing gas passage 84 are formed between the plates 60 and 62 (see FIGS. 8 and 13). Further, the fuel gas passage 66 communicates with the fuel gas supply passage 44 via the fuel gas distribution passage 66a, while the oxidizing gas passage 84 is open to the outside from between the corrugated outer peripheral portions 60a and 62a. .
[0054]
Next, the electrolyte electrode assembly 56 is sandwiched between the separators 58. As shown in FIGS. 4 and 5, eight separators / electrode assemblies 56 are arranged on the surfaces facing each other, that is, between the plates 60 and 62. Therefore, as shown in FIG. 13, between the cathode electrode 52 of the electrolyte electrode assembly 56 and the plate 60, the oxidizing gas communicated with the oxidizing gas passage 84 through the plurality of cutout openings 74. A supply channel 96 is formed.
[0055]
On the other hand, the anode electrode 54 of the electrolyte electrode assembly 56 and the plate 62 are in close contact with each other, and a fuel gas supply passage communicating with the fuel gas passage 66 through the fuel gas inlet 80 is provided in the anode electrode 54. 140 is formed. Further, a discharge passage 142 is formed between the separators 58 to mix the fuel gas and the oxidizing gas after the reaction and guide the mixture to the exhaust gas passage 46.
[0056]
The fuel cells 10 assembled as described above are stacked in the direction of arrow A, and the fuel cell stack 12 is assembled (see FIG. 1). The fuel cell stack 12 is mounted in the housing 19 as shown in FIG. 2 in a state of being clamped and held in the stacking direction via the clamping load applying mechanism 101.
[0057]
Therefore, a fuel gas (for example, a hydrogen-containing gas) is supplied from the fuel gas supply port 102 of the end plate 100 a constituting the fuel cell stack 12 to the fuel gas supply communication hole 44, and the outer peripheral side of the fuel cell stack 12. An oxygen-containing gas (hereinafter, also referred to as air), which is a pressurized oxidant gas, is supplied. The fuel gas supplied to the fuel gas supply passage 44 is introduced into the fuel gas distribution passage 66a in the separator 58 constituting each fuel cell 10 while moving in the stacking direction (the direction of arrow A) (see FIG. 11). ).
[0058]
As shown in FIGS. 5 and 6, the fuel gas moves along the fuel gas passage 66 along the outer protrusion 64 b, and is introduced into the fuel gas inlet 80 from each end. The fuel gas inlet 88 is provided corresponding to the center position of the anode 54 of each of the electrolyte electrode assemblies 56, and the fuel gas is supplied from the fuel gas inlet 80 into the anode 54. It flows inside the anode electrode 54 from the center to the outer periphery (see FIG. 13).
[0059]
On the other hand, the oxidizing gas supplied from the outer peripheral side of each fuel cell 10 is supplied to the oxidizing gas passage 84 formed between the plates 60 and 62 of each separator 58.
The oxidizing gas supplied to the oxidizing gas passage 84 is introduced into the oxidizing gas supply passage 96 from each notch opening 74, and is uniformly supplied to the entire surface of the cathode electrode 52 of the electrolyte electrode assembly 56. (See FIGS. 5 and 13).
[0060]
Therefore, in each electrolyte / electrode assembly 56, the fuel gas is supplied from the center portion in the anode electrode 54 to the outer periphery, and the oxidant gas is supplied to the entire surface of the cathode electrode 52. At this time, oxygen ions move to the anode electrode 54 through the electrolyte 50, and power is generated by a chemical reaction.
[0061]
Here, the fuel cells 10 are electrically connected in series in the direction of the arrow A (stacking direction), and as shown in FIG. 2, one pole is connected to the connection end provided on the conductive end plate 100b. The terminal 110 is connected to the output terminal 118a via the conducting wire 116. The other pole is connected to the output terminal 118b via the pressing member 124 and the bolt 112 that constitute the electrode surface tightening means 120. Therefore, an output can be taken out between the output terminals 118a and 118b.
[0062]
Further, even when one of the plurality of electrolyte / electrode assemblies 56 is disconnected, the remaining electrolyte / electrode assembly 56 can be energized, and the reliability of power generation can be improved. Can be improved.
[0063]
On the other hand, the exhaust gas mixed with the fuel gas and the oxidizing gas after the reaction, which has moved to the outer periphery of each electrolyte-electrode assembly 56, flows toward the center of the separator 58 through a discharge passage 142 formed between the separators 58. Moving. Near the center of the separator 58, four exhaust gas passages 46 forming an exhaust gas manifold are formed, and exhaust gas is discharged from the exhaust gas passages 46 to the outside.
[0064]
In this case, in the first embodiment, the tightening load applying mechanism 101 includes a first tightening portion 103a that applies the first tightening load T1 to the vicinity of the fuel gas supply communication hole 44 and the electrolyte / electrode assembly 56. On the other hand, a second fastening portion 103b for applying a second fastening load T2 smaller than the first fastening load T1 and a third fastening load T3 smaller than the second fastening load T2 to the outer peripheral edge of the separator 58. And a third fastening portion 103c to be provided.
[0065]
Therefore, the tightening load (third tightening load T3) applied to the peripheral portion of the separator 58 is reduced. For example, when thermal expansion occurs in the separator 58, the elongation moves from the center of the separator 58 to the peripheral portion. As a result, the entire extension of the separator 58 is performed uniformly, and thermal distortion is effectively prevented. Thus, the electrolyte-electrode assembly 56 sandwiched between the separators 58 is not damaged by thermal strain or the like, and can effectively prevent unnecessary thermal stress from being generated. .
[0066]
Further, a maximum tightening load (first tightening load T1) is applied to the vicinity of the fuel gas supply communication hole 44 where the reliable sealing performance is most required. Therefore, the sealing performance in the vicinity of the fuel gas supply passage 44 is improved satisfactorily, high-precision sealing performance can be secured, and the power generation efficiency of the fuel cell 10 can be easily improved. can get.
[0067]
Further, the fastening load applying mechanism 101 includes first to third fastening portions 103a, 103b, and 103c that apply different first to third fastening loads T1, T2, and T3 to different portions. Therefore, a required tightening load can be applied to each specific portion of the separator 58, and desired sealing performance can be easily and reliably obtained.
[0068]
Further, the tightening load applying mechanism 101 includes a first insulating seal 90 provided on the first tightening portion 103a, and a second insulating seal 92 provided on the third tightening portion 103c. The seal 90 is set to have higher rigidity than the second insulating seal 92. Thereby, in the vicinity of the fuel gas supply passage 44 to which the maximum tightening load is applied, sufficient sealing rigidity can be secured, and reliable sealing is performed.
[0069]
Moreover, since the fuel gas supply passage 44 is provided at the center of the separator 58, the sealing area of the relatively expensive first insulating seal 90 can be reduced. On the other hand, the second insulating seal 92 having a large sealing area may be an inexpensive sealing member having relatively low sealing performance. Therefore, it is possible to effectively reduce the cost of the first and second insulating seals 90 and 92.
[0070]
Further, an exhaust gas passage 46 is formed around the fuel gas supply passage 44 for discharging the exhaust gas containing the fuel gas and the oxidizing gas used for the reaction in the electrolyte electrode assembly 56 in the stacking direction. A fuel gas distribution passage 66a communicating the fuel gas supply passage 44 with the fuel gas passage 66 is provided across the exhaust gas passage 46 in a plane direction of a separator 58 intersecting the stacking direction. That is, bridges 63a and 63b are provided between the fuel gas supply passage 44 and the fuel gas passage 66 in the plane of the separator 58, and a fuel gas distribution passage 66a is formed between the bridges 63a and 63b. On the other hand, the exhaust gas passage 46 is formed by being partitioned by the bridge portions 63a and 63b.
[0071]
Therefore, between the fuel gas supply passage 44 and the electrolyte-electrode assembly 56, there are bridge portions 63a and 63b whose area is considerably reduced, and the rigidity of the electrolyte-electrode assembly 56 is reduced. It is possible to cut off the rigidity around the fuel gas supply passage 44. Accordingly, the electrolyte-electrode assembly 56 is not affected by the tightening load (first tightening load T1) applied around the fuel gas supply passage 44, and the second tightening load by the second tightening portion 103b is not affected. Receive T2.
[0072]
For this reason, it is possible to reliably optimize the surface pressure of the electrolyte-electrode assembly 56 and to prevent the electrolyte-electrode assembly 56 from being deformed. As a result, there is an effect that a highly accurate fuel cell stack 12 can be configured.
[0073]
The separator 58 includes plates 60 and 62 stacked on each other, and a fuel gas passage 66 and an oxidizing gas passage 84 are formed between the plates 60 and 62. For this reason, the dimension of the fuel cell 10 in the stacking direction can be effectively reduced, and the fuel cell 10 can be made thinner, and the fuel cell stack 12 can be easily made thinner. is there.
[0074]
Further, a boss portion 82 is formed at a peripheral portion of the plate 62 toward the surface of the plate 60 facing the boss portion 82. The boss portion 82 and the surface of the plate 60 contact each other to form an oxidant gas passage 84. Have been. The boss portion 82 is set to have higher rigidity than the second insulating seal 92. Accordingly, it is possible to secure the shape of the oxidizing gas passage 84 and reduce the rigidity of the peripheral portion of the separator 58.
[0075]
Furthermore, a fuel gas supply communication hole 44 is formed at the center of the fuel cell 10 and communicates with the fuel gas passage 66 and penetrates in the stacking direction. The tightening load applying mechanism 101 is provided near the fuel gas supply communication hole 44. And a bolt 112 for applying a tightening load only to For this reason, the entire assembly process of the fuel cell stack 12 is simplified, and the influence of thermal distortion is prevented as much as possible.
[0076]
Next, the operation when the fuel cell stack 12 is incorporated in the gas turbine 14 shown in FIG. 3 will be schematically described.
[0077]
As shown in FIG. 3, in the gas turbine 14, the combustor 18 is driven at the time of starting, the turbine 24 is rotated, and the compressor 26 and the generator 28 are driven. The outside air is introduced into the supply passage 34 by the driving of the compressor 26, and the air having a high pressure and a predetermined temperature (for example, 200 ° C.) is sent to the second passage 36 of the heat exchanger 22.
[0078]
The high-temperature exhaust gas as the fuel gas and the oxidizing gas after the reaction is supplied to the first passage 32 of the heat exchanger 22, and the air introduced into the second passage 36 of the heat exchanger 22 is heated. You. The heated air is introduced into the outer peripheral portion of each fuel cell 10 constituting the fuel cell stack 12 through the heated air introduction passage 38. For this reason, power is generated in each fuel cell 10, and the exhaust gas containing the mixed fuel gas and oxidizing gas after the reaction is discharged to the chamber 20 in the casing 16.
[0079]
At this time, the exhaust gas discharged from the fuel cell 10 which is a solid oxide fuel cell has a high temperature of 800 ° C. to 1000 ° C., and the exhaust gas rotates the turbine 24 to generate power by the power generator 28. The external air sent to the heat exchanger 22 and sucked can be heated. Accordingly, it is not necessary to use the combustor 18 and the turbine 24 can be rotated using the exhaust gas discharged from the fuel cell stack 12.
[0080]
In addition, since the exhaust gas has a high temperature of 800 ° C. to 1000 ° C., internal reforming of the fuel supplied to the fuel cell stack 12 can be performed. Therefore, internal reforming can be performed using various fuels such as natural gas, butane, and gasoline as the fuel.
[0081]
FIG. 14 is an exploded perspective view of a fuel cell 150 according to the second embodiment of the present invention. The same components as those of the fuel cell 10 according to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and a detailed description thereof will be omitted. Further, in the third to sixth embodiments described below, detailed description thereof is also omitted.
[0082]
The fuel cell 150 includes a pair of separators 152 sandwiching the electrolyte-electrode assembly 56. The separator 152 includes, for example, two plates 60 and 154. The plate 154 does not have a depression in the plane, and is configured to be flat.
[0083]
Thereby, in the second embodiment, the fuel gas passage 66 and the oxidizing gas passage 84 can be formed between the plates 60 and 154, and the same effect as in the first embodiment can be obtained. Moreover, the contact area between the flat plate 154 and the anode electrode 54 can be further increased.
[0084]
FIG. 15 is an exploded perspective view of the separator 160 constituting the fuel cell according to the third embodiment of the present invention.
[0085]
The separator 160 includes, for example, two plates 162 and 62. The plate 162 has four inner protrusions 64a that circulate around each exhaust gas passage 46, and outer protrusions provided outside the inner protrusions 64a to form a fuel gas passage 66 between the inner protrusions 64a. A portion 164 is formed.
[0086]
FIG. 16 is an explanatory view of the operation of the fuel cell 170 according to the fourth embodiment of the present invention, and FIG. 17 is a partially exploded perspective view showing the operation of the fuel cell 170.
[0087]
The fuel cell 170 is configured to sandwich a plurality of, for example, 16 electrolyte / electrode assemblies 56 via a set of separators 172. In the plane of the separator 172, an inner peripheral side arrangement layer P1 in which eight electrolyte / electrode assemblies 56 are arranged concentrically with the fuel gas supply passage 44, which is the center of the separator 172, An outer peripheral side arrangement layer P2 in which eight electrolyte / electrode assemblies 56 are arranged is provided on the outer periphery of the side arrangement layer P1 (see FIG. 16).
[0088]
The separator 172 includes plates 174 and 176. As shown in FIG. 18, the plate 174 has four inner projections 64a circulating in each exhaust gas passage 46, and a fuel gas between the inner projections 64a provided outside the inner projections 64a. An outer projection 180 forming a passage 178 is formed.
[0089]
The outer projection 180 is provided with a plurality of first wall portions 182a and second wall portions 182b alternately protruding by a predetermined distance in a radially outward direction. In the first wall portion 182a, an imaginary circle connecting the tips forms the center line of the inner peripheral side arrangement layer P1, and eight electrolyte / electrode assemblies 56 are arranged along the inner peripheral side arrangement layer P1. A second wall portion 182b longer than the first wall portion 182a is provided between the first wall portions 182a, and a center line of the outer peripheral side array layer P2 is formed by a virtual circle passing through the tip of the second wall portion 182b. Is formed. Eight electrolyte / electrode assemblies 56 are arranged along the center line of the outer peripheral side arrangement layer P2.
[0090]
In the plate 174, circular bent portions 184 are formed at 16 positions corresponding to the electrolyte electrode assemblies 56 provided on the inner peripheral side arrangement layer P1 and the outer peripheral side arrangement layer P2. Each circular bent portion 184 includes a plurality of bent pieces 70.
[0091]
As shown in FIG. 17, the plate 176 corresponds to the electrolyte-electrode assembly 56 disposed along the inner peripheral side arrangement layer P1 and the outer peripheral side arrangement layer P2, and A plurality of depressions (protrusions) 78 protruding in the direction away from each other are provided. In the plate 176, fuel gas inlets 80 are formed at 16 positions corresponding to the center positions of the respective electrolyte-electrode assemblies 56.
[0092]
In the fourth embodiment configured as described above, the same effects as in the first embodiment can be obtained, and in particular, the fuel cell 170 includes 16 electrolyte-electrode assemblies 56, There is an advantage that the output can be easily increased.
[0093]
FIG. 19 is an exploded perspective view of a fuel cell 190 according to the fifth embodiment of the present invention.
[0094]
The fuel cell 190 includes a set of separators 194 that sandwich the electrolyte electrode assembly 192. The electrolyte-electrode assembly 192 is set, for example, in a shape obtained by equally dividing a ring into eight (fan shape).
[0095]
As shown in FIGS. 19 and 20, the separator 194 is provided with, for example, two plates 196 and 198. The plate 196 has a fan-shaped bent portion corresponding to the shape of each electrolyte-electrode assembly 192. 200 are formed in eight places. Each fan-shaped bent portion 200 has a plurality of bent pieces 70, and the bent pieces 70 are aligned toward the center of the plate 196. The plate 198 is provided with a depression 78 corresponding to the shape of each electrolyte-electrode assembly 192.
[0096]
In the fifth embodiment configured as described above, the same effects as in the first embodiment can be obtained, and there is an advantage that the power generation area of the electrolyte electrode assembly 192 can be favorably expanded.
[0097]
FIG. 21 is an exploded perspective view of a fuel cell 210 according to the sixth embodiment of the present invention. This fuel cell 210 is configured by sandwiching a ring-shaped electrolyte-electrode assembly 212 between a pair of separators 194. Therefore, the same effects as in the fifth embodiment can be obtained.
[0098]
【The invention's effect】
In the fuel cell and the fuel cell stack according to the present invention, the tightening load applying mechanism is configured such that the load in the stacking direction applied to the vicinity of the fuel gas supply communication hole is changed in the stacking direction applied to the electrolyte-electrode assembly. It is set larger than. Therefore, since the tightening load applied to the peripheral portion of the separator is reduced, for example, when thermal expansion occurs in the separator, the extension moves from the center of the separator to the peripheral portion, and the entire extension of the separator is uniformly performed. This effectively prevents thermal distortion. Thus, the electrolyte-electrode assembly sandwiched between the separators is not damaged due to thermal strain, and unnecessary thermal stress is not generated.
[0099]
Further, a maximum tightening load is applied in the vicinity of the fuel gas supply communication hole where the most reliable sealing performance is required. For this reason, the sealing property near the fuel gas supply communication hole is favorably improved, high-precision sealing performance can be secured, and power generation efficiency can be easily improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective explanatory view of a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells according to a first embodiment of the present invention are stacked.
FIG. 2 is a partially sectional explanatory view of a fuel cell system in which the fuel cell stack is accommodated in a housing.
FIG. 3 is an explanatory sectional view showing a schematic configuration of a gas turbine incorporating the fuel cell stack.
FIG. 4 is an exploded perspective view of the fuel cell.
FIG. 5 is a partially exploded perspective view showing the operation of the fuel cell.
FIG. 6 is an exploded perspective view of a separator constituting the fuel cell.
FIG. 7 is a partially enlarged front explanatory view of one plate constituting the separator.
FIG. 8 is a partially omitted cross-sectional view of the fuel cell.
FIG. 9 is an explanatory perspective view of a bent piece provided in the separator.
FIG. 10 is a partially enlarged front explanatory view of the other plate constituting the separator.
FIG. 11 is an enlarged sectional view of a central portion of the fuel cell.
FIG. 12 is an enlarged sectional view of an outer peripheral portion of the fuel cell.
FIG. 13 is a schematic sectional view illustrating the operation of the fuel cell.
FIG. 14 is an exploded perspective view of a fuel cell according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 15 is an exploded perspective view of a separator included in a fuel cell according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 16 is an operation explanatory view of a fuel cell according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a partially exploded perspective view illustrating the operation of the fuel cell.
FIG. 18 is a partially enlarged front explanatory view of one plate constituting a separator of the fuel cell.
FIG. 19 is an exploded perspective view of a fuel cell according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 20 is an exploded perspective view of a separator constituting the fuel cell.
FIG. 21 is an exploded perspective view of a fuel cell according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 22 is an explanatory sectional view of a fuel cell according to Patent Document 1.
[Explanation of symbols]
10, 150, 170, 190, 210 fuel cell 12 fuel cell stack 13 fuel cell system 14 gas turbine 19 housing 44 fuel gas supply passage 46 exhaust gas passage 50 electrolyte 52 cathode electrode 54 Anode electrodes 56, 192, 212 ... Electrolyte / electrode assembly 58, 152, 160, 172, 194 ... Separator 60, 62, 154, 162, 174, 176, 196, 198 ... Plate 66, 178 ... Fuel gas passage 66a ... Fuel gas distribution passage 68 Bending portion 70 Bending pieces 72a to 72c Protrusion 74 Notch opening 78 Depression 80 Fuel gas inlet 82 Boss 90, 92 Insulating seal 96 Oxidant gas supply flow Roads 100a, 100b: End plate 101: Tightening load applying mechanism 103a to 103c: Tightening Attaching portion 112 ... bolt 118a, 118b ... output terminal 140 ... fuel gas supply channel 200 ... fan folded portion

Claims

An electrolyte-electrode assembly formed by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode is disposed between a pair of separators, and the separator has a fuel gas passage for supplying a fuel gas toward the anode electrode. And an oxidizing gas passage for supplying an oxidizing gas toward the cathode electrode, wherein a central portion of the separator communicates with the fuel gas passage to form the electrolyte-electrode assembly. A fuel gas supply passage that penetrates the fuel gas supply passage in the stacking direction is formed, and the electrolyte electrode assembly is disposed around the fuel gas supply passage.
When a tightening load is applied to the stacked separator and the electrolyte-electrode assembly, a load in the stacking direction applied to the vicinity of the fuel gas supply communication hole is applied to the electrolyte-electrode assembly. A fuel cell comprising: a tightening load applying mechanism that is set to be larger than a load in a stacking direction.

2. The fuel cell according to claim 1, wherein the fastening load applying mechanism applies a first fastening load to a vicinity of the fuel gas supply communication hole,
A second fastening unit that applies a second fastening load smaller than the first fastening load to the electrolyte-electrode assembly;
A fuel cell, comprising: a third tightening portion that applies a third tightening load smaller than the second tightening load to an outer peripheral portion of the separator.

3. The fuel cell according to claim 2, wherein the tightening load applying mechanism includes: an inner seal member provided in the first tightening portion;
An outer seal member provided in the third fastening portion,
The fuel cell according to claim 1, wherein the inner seal member is set to have higher rigidity than the outer seal member.

The fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein an exhaust gas containing a fuel gas and an oxidizing gas used for a reaction in the electrolyte-electrode assembly is provided around the fuel gas supply passage. An exhaust gas passage for discharging in the stacking direction is formed,
A fuel cell, wherein a fuel gas distribution passage communicating the fuel gas supply passage with the fuel gas passage is provided across the exhaust gas passage in a separator surface direction intersecting the stacking direction.

5. The fuel cell according to claim 1, wherein the separator includes first and second plates stacked on each other, 5.
The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel gas passage and the oxidizing gas passage are formed between the first and second plates.

6. The fuel cell according to claim 5, wherein a boss portion is formed at least on a peripheral portion of the first plate or the second plate toward an opposing plate surface, and the boss portion and the plate surface are in contact with each other. A fuel cell, wherein the oxidizing gas passage is formed by:

An electrolyte-electrode assembly comprising an electrolyte sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode includes a fuel cell disposed between a pair of separators, a fuel cell stack comprising a plurality of the fuel cells stacked,
Along with applying a tightening load to the plurality of fuel cells to be stacked along the stacking direction, the load in the stacking direction applied to the central portion of the fuel cell is changed in the stacking direction applied to the outer peripheral portion of the fuel cell. A fuel cell stack comprising a fastening load applying mechanism set to be larger than a load.

8. The fuel cell stack according to claim 7, wherein a fuel gas supply passage communicating with the fuel gas passage and penetrating in the stacking direction is formed at a central portion of the fuel cell,
The fuel cell stack, wherein the fastening load applying mechanism includes a fastening tool that applies a fastening load only to the vicinity of the fuel gas supply communication hole.

9. The fuel cell stack according to claim 8, wherein the tightening load applying mechanism includes an inner seal member that covers a periphery of the fuel gas supply communication hole.
An outer seal member disposed on an outer peripheral edge of the fuel cell,
The fuel cell stack according to claim 1, wherein the inner seal member has a higher rigidity than the outer seal member.