JP2007149645A - 燃料電池スタック構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】スタック温度が頻繁に変動する条件でもガスシール性が劣化し難く、未燃焼ガスを回収し、低熱容量化を図りつつ耐熱衝撃性の向上を実現し、出力密度を高め得る燃料電池スタック構造体を提供する。
【解決手段】単セル６を保持し且つ中心部分にガス導入孔２１，ガス排出孔２２を有する円形状セル板２と、中心部分にガス導入孔３１，ガス排出孔３２を有してセル板２に接合させた円形状セパレータ板３と、両板２，３に段差２４，３４を設けて形成される空間Ｓ内に位置して燃料ガスの供給・排出を行う中央流路部品５を具備した複数の固体電解質型燃料電池１を同じ向きにして積層して成り、隣接する固体電解質型燃料電池１の間を空気流路１５とし、固体電解質型燃料電池１の各中心部分間にガス導入孔２１，３１及びガス排出孔２２，３２を気密的に連通させる中心側リング１６，縁側リング１７を設け、積層した固体電解質型燃料電池１をボルト１８で締結固定した。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の固体電解質型燃料電池を積層して成る燃料電池スタック構造体に関するものである。

従来、上記したような燃料電池スタック構造体としては、例えば、単セルを保持していると共に中心に燃料ガス導入孔が形成され且つこの燃料ガス導入孔の周囲に複数の空気導入孔が形成された複数の円盤状を成すセル板と、中心に燃料ガス導入孔が形成され且つこの燃料ガス導入孔の周囲に複数の空気導入孔が形成された複数の円盤状をセパレータ板とを交互に積層して成るものがある（特許文献１参照）。

この燃料電池スタック構造体において、セル板とこのセル板の一方側で重なり合うセパレータ板との間には、各々の燃料ガス導入孔同士を気密的に連通させるシール材が設けられており、セル板とこのセル板の他方側で重なり合うセパレータ板との間には、各々の空気導入孔同士を気密的に連通させるシール材が設けられていて、互いに積層したセル板及びセパレータ板は、各々の中心に位置する燃料ガス導入孔を貫通するボルトにより固定されている。

また、この燃料電池スタック構造体とは別の燃料電池スタック構造体として、例えば、円形薄板状を成すセル板と、リング薄板状を成し且つその外周縁部をセル板の外周縁部に接合させたセパレータと、セル板及びセパレータの各中心部分間に位置してセル板及びセパレータ間に形成される空間に連通する金属製の中央流路部品を備えた袋構造を成す固体電解質型燃料電池を複数積層して成るものがあり、固体電解質型燃料電池のセル板及びセパレータ間に形成される空間内には、中央流路部品を介して燃料ガス及び空気のうちの一方のガスを導入して排出し、互いに隣接する固体電解質型燃料電池間には、燃料ガス及び空気のうちの他方のガスを流すようになっている（特許文献２参照）。

この場合、固体電解質型燃料電池の中央流路部品は、セル板の内周縁部に積層してあると共に、セパレータの内周縁部は、中央流路部品又は隣接する固体電解質型燃料電池のセル板に接合してあり、互いに積層した固体電解質型燃料電池は、各々の外周側に配置した軸心方向のボルトにより固定されている。
ＵＳＰ６３４４２９０ 特開２００２−１５１１０６号公報

上記した燃料電池スタック構造体において、前者の燃料電池スタック構造体の場合、燃料ガス及び空気の両方のガスをセル板及びセパレータ板の各中心部分から供給して外周部分から排出するようにしていることから、未燃焼ガスを回収することができず、その結果、過渡運転時などのガス流が変化する場合には、燃料利用率が低下して効率が落ちるうえ、外周部分での燃焼が不安定になることで単セルに局所的な熱応力がかかって破損してしまう恐れがある。

また、上記したセル板及びセパレータ板を交互に積層して成る燃料電池スタック構造体では、セル板及びセパレータ板間に対して、燃料ガス導入孔用のシール材と空気導入孔用にシール材とを一段おきに配置するようにしている関係上、互いに積層したセル板及びセパレータ板をボルトにより固定する際の加圧力を均等に伝えることができない。

そして、このような燃料電池スタック構造体では、起動性及び過渡運転時などの応答性の向上や効率の向上を目的として、あるいは、スタックの積層密度を高めて出力密度の向上を目的として、セル板及びセパレータ板の各中心部分の板厚を薄くすることで低熱容量化を図ろうとすると、昇降温を繰り返した場合には、セル板及びセパレータ板の各中心部分とシール材との熱膨張率の違いに起因する熱応力によってクリープ変形が生じやすく、これにより、ガスシール性が低下したり、単セル部分にクラックなどの不具合が生じて耐久性及び耐熱衝撃性が低下したりしてしまう。

さらに、上記した燃料電池スタック構造体において、燃料ガス及び空気の両方のガスをセル板及びセパレータ板の各中心部分から供給するようにしているので、燃料ガス導入孔及び空気導入孔の形状を、気密性を保持するうえで最も適した円形孔とする必要があるうえ、燃料ガス導入孔及び空気導入孔を個別にシールする必要があり、したがって、セル板全体に対する中心部分が占める面積の割合が大きくなって、セル板の発電有効面積が小さくなると共に、シールする距離が長くなってしまうという問題がある。

一方、後者の燃料電池スタック構造体の場合、固体電解質型燃料電池が袋構造を成しているので、未燃焼ガスを回収することができるのに加えて、シールする距離の短縮化を図ることができるものの、円形薄板状を成すセル板とリング薄板状を成すセパレータから成る複数の固体電解質型燃料電池を各々の外周側に配置した軸心方向のボルトにより固定するようにしているので、ガスシールが要求される固体電解質型燃料電池の中央流路部品周りを均等に締付けることが困難であり、特に昇降温を頻繁に繰り返す運転条件下において薄板状のセル板やセパレータが撓んでしまい、締め付け性が低下してしまうという問題があった。

詳述すれば、上記した複数の固体電解質型燃料電池を積層して成る燃料電池スタック構造体において、起動停止時や過渡運転時などの昇降温を頻繁に繰り返す際には、固体電解質型燃料電池の中央流路部品周りのガスシール性能の良否が非常に重要であるが、積層した複数の固体電解質型燃料電池を固定するボルトをその外周側に配置している都合上、固体電解質型燃料電池の積層段数が多い場合には、均等に締付けることが難しく、特に、この燃料電池スタック構造体のように、固体電解質型燃料電池を構成するセル板及びセパレータがいずれも薄板状を成しているときには、固体電解質型燃料電池の中心から遠い外周側でボルト締めを行ったとしても、固体電解質型燃料電池の中央流路部品周りを良好に締付けることができない。そして、このような外周側締付け構造の燃料電池スタック構造体にあっては、起動停止時や過渡運転時などの昇降温を頻繁に繰り返す運転条件下において、この昇降温に伴う熱膨張によってセル板やセパレータが撓んでしまい、締め付け性の低下を招いてしてしまうという問題があり、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、未燃焼ガスを回収することができるのは勿論のこと、起動停止時や過渡運転時などのスタック温度が頻繁に変動する条件においても、ガスシール性が劣化し難く高い信頼性を得ることができると共に、セル板及びセパレータ板の各板厚を薄くして低熱容量化を図りつつ耐熱衝撃性の向上をも実現することが可能であり、加えて、出力密度を高めることができる燃料電池スタック構造体を提供することを目的としている。

本発明の燃料電池スタック構造体は、単セルを保持していると共に中心部分にガス導入孔及びガス排出孔を有する円形状を成すセル板と、中心部分にガス導入孔及びガス排出孔を有し且つその外周縁部をセル板の外周縁部に接合させた円形状を成すセパレータ板と、セル板及びセパレータ板の各中心部分間に位置して各々のガス導入孔及びガス排出孔と連通し、セル板及びセパレータ板のうちの少なくともいずれか一方に外周縁部に沿う段差を設けることで両板間に形成される空間内に燃料ガス及び空気のうちの一方のガスの供給及び排出を行う中央流路部品を具備した複数の固体電解質型燃料電池をいずれも向きを同じにして積層して成り、互いに重なり合う固体電解質型燃料電池の間を燃料ガス及び空気のうちの他方のガスの流路として設定すると共に、固体電解質型燃料電池の各中心部分間には互いに対向するガス導入孔同士及びガス排出孔同士を気密的に連通させるシール材を設け、積層した固体電解質型燃料電池を複数の固体電解質型燃料電池の各中心部分を貫通するボルトで締結して固定した構成としたことを特徴としており、この燃料電池スタック構造体の構成を前述した従来の課題を解決するための手段としている。

本発明の燃料電池スタック構造体では、固体電解質型燃料電池のセル板及びセパレータ板の間に形成される空間内に燃料ガス及び空気のうちの一方のガスのみを流すようにしているので、未燃焼ガスを回収し得ることとなり、したがって、過渡運転時などのガス流が変化する場合であったとしても、燃料利用率が低下することがなく、加えて、単セルに局所的な熱応力がかかって不具合が生じる可能性が少なくなる。

また、固体電解質型燃料電池の互いに対向するガス導入孔同士を気密的に連通させるシール材及びガス排出孔同士を気密的に連通させるシール材が、いずれも固体電解質型燃料電池の各中心部分間に設置してあるので、中心部分を貫通するボルトにより互いに積層した固体電解質型燃料電池を締結して固定する際の加圧力を固体電解質型燃料電池の各中心部分に均等に伝え得ることとなり、その結果、低熱容量化を図るうえでセル板及びセパレータ板の各中心部分の板厚を薄くしたとしても、昇降温の際にはクリープ変形が生じ難くなって、耐久性及び耐熱衝撃性が向上することとなる。

さらに、本発明では、ガス導入孔あるいはガス排出孔の周囲に個別にシール材を配置しない構造をとり得るので、すなわち、シール材配置面積やシール材配置長さを小さく抑え得るので、起動停止時や過渡運転時などのスタック温度が頻繁に変動する条件においても、ガスシール性が劣化し難いものとなり、加えて、ガス排出孔の形状の制約が少なくなる分だけ中心部分のデッドスペースが小さくなって、すなわち、セル板全体に対する中心部分が占める面積の割合が小さくなって、セル板の発電有効面積が拡大して出力密度が高まることとなる。

本発明によれば、上記した構成としているので、起動停止時や過渡運転時などのスタック温度が頻繁に変動する条件においても、ガスシール性が劣化し難く高い信頼性を得ることができるうえ、未燃焼ガスを回収することで、燃料利用率の低下を回避することができ、また、低熱容量化を図るためにセル板及びセパレータ板の各板厚を薄くしたとしても、スタック締め付け状態における昇降温の際にはクリープ変形を防ぐことができ、その結果、耐熱衝撃性の向上を実現することが可能であり、さらに、セル板の発電有効面積を大きくすることで、出力密度を高めることができるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の燃料電池スタック構造体の固体電解質型燃料電池は、金属製のセル板及び金属製のセパレータ板の各外周縁部同士を袋閉じ接合して成るものであり、セル板及びセパレータ板のうちの少なくともいずれか一方に外周縁部に沿う段差を設けることで、セル板及びセパレータ板間に、燃料ガス及び空気のうちの一方のガスを流す空間を形成している。

また、本発明の燃料電池スタック構造体において、固体電解質型燃料電池の中央流路部品の厚さを単セル設置領域の厚さよりも大きくしてスペーサの機能を持たせることで、積層した固体電解質型燃料電池の層間に、燃料ガス及び空気のうちの他方のガスを流す流路を形成している。

上記した袋構造の固体電解質型燃料電池を積層して成る燃料電池スタック構造体では、自動車に搭載した場合において、外部衝撃が加わったとしても、ガス漏洩の可能性が少ないものとなる。

なお、上記段差をセル板及びセパレータ板の双方に形成して互いに対称を成すようにすれば、応力集中を抑制し得ることとなり、この際、両段差の大きさを相互に変化させたとしても、段差を設けたことによる強度の向上を期待でき、段差をセル板及びセパレータ板の一方に形成した場合には、単セルの搭載面積を拡大することができ、このように、耐熱衝撃性の向上や出力密度の向上など重視する特性に応じてセル板及びセパレータ板の形状を変更し得る。

さらに、本発明の燃料電池スタック構造体において、段差はプレス加工により形成することが望ましく、セル板及びセパレータ板の各々の外周縁部同士の接合には、溶接やロウ付けを用いることができるほか超音波接合法なども用いることができる。

さらにまた、本発明の燃料電池スタック構造体において、固体電解質型燃料電池の単セルの取付位置をセル板の中心部と外周縁部との間のドーナツ状を成す領域に設定し、このドーナツ状を成す領域内に単セルを１つ以上固定することができる。

例えば、単セルが小径の円板状を成す場合は、セル板の中心周りに規則正しく配置することが望ましい。また、単セルがドーナツ状を成す場合は、その内周縁部及び外周縁部にプレス加工済の内側リング及び外側リングをそれぞれ接合することが望ましい。さらに、上記内側リング及び外側リングを連結してフレーム状をなすようにしてもよく、このフレームに扇形の単セルを貼り付けることも可能である。

さらにまた、本発明の燃料電池スタック構造体において、互いに積層した固体電解質型燃料電池の各中心部分間に配置されるシール材としては、電気絶縁性を有するセラミックス系接着剤やガラス系接合材などの接合機能を有する無機系接合材を使用することができるほか、例えば、単セルがドーナツ状を成す場合は、ろう材や金属粉を混在した導電性接合材を使用することができる。

シール材によって隣接する固体電解質型燃料電池同士を接合する場合には、例えば、上記した材料を含有したペースト状のシール材を固体電解質型燃料電池の中心部分に塗布し、これらの固体電解質型燃料電池を互いに積層した後、加圧焼成することで接合可能である。また、繊維状や薄板状やリボン状に成形されたシール材、あるいは、粒体状や粉体状の上記した材料を含んでガスケット状に成形されたシール材を固体電解質型燃料電池の中心部分に設置して互いに積層した後、加圧焼成することでも接合可能である。さらに、固体電解質型燃料電池の中心部分に、蒸着法，スパッタ法，溶射法及びエアロゾルデポジッション法などの公知方法により、上記した材料を接合材組成になるようにして所望パターンで成膜して互いに積層した後、加圧焼成することでも接合可能である。さらにまた、隣接する固体電解質型燃料電池の各中心部分間にシール材を設置し、このシール材が軟化する温度で加圧して中心部分間の凹凸隙間を埋めるように成すことでも、シールが可能である。

さらにまた、本発明の燃料電池スタック構造体において、積層した固体電解質型燃料電池を締結して固定するボルトとしては、積層した固体電解質型燃料電池を両側から挟み込むフランジにねじ込んだりナットにねじ込んだりする長ボルトを使用することができるほか、スタッドボルトを用いることができ、このスタッドボルトを用いた場合には、固体電解質型燃料電池の積層時において位置決めピンとして使用することができるので、積層作業が簡単になるというメリットがある。

さらにまた、本発明の燃料電池スタック構造体において、セル板及びセパレータ板の各中心に形成した中心孔をガス導入孔及びガス排出孔のうちのいずれか一方の孔とすると共に、中心孔の周囲に形成した複数の孔をガス導入孔及びガス排出孔のうちのいずれか他方の孔とし、中心孔の縁部近傍に沿わせた中心側リング及び複数の孔を一体で囲む縁側リングをシール材とした構成や、中心孔の縁部近傍に沿わせた中心側リング及び複数の孔を個々に囲む複数の個別リングをシール材とした構成を採用することが可能であり、この際、中心孔の周囲に形成した複数の孔の形状は、特に限定されるものではなく、円形状は勿論のこと、多角形状や扇方形状を採用し得る。

このように、シール材を中心側リング及び縁側リング（あるいは個別リング）とすると、すなわち、シール材を円形状のものとすると、耐熱衝撃性が向上することとなり、加えて、中心孔の周囲に形成した複数の孔の形状が円形状に限定されないので、セル板の中心部分のデッドスペースが小さくなり、セル板の発電有効面積が大きくなる分だけ出力密度が高まると共に、低熱容量化が図られて起動性及び過渡運転時における応答性が向上することとなる。

さらにまた、本発明の燃料電池スタック構造体において、積層した固体電解質型燃料電池を締結して固定するボルトを複数本備えている構成とすることができ、この場合には、一本にかかる熱応力を小さくすることができるので、ボルトの耐熱性及び耐熱衝撃性が向上することとなる。

さらにまた、本発明の燃料電池スタック構造体において、セル板及びセパレータ板の各中心孔の周囲に形成した複数の孔にそれぞれ挿通した複数本のボルトで積層した固体電解質型燃料電池を締結して固定する構成を採用することが可能である。

この場合には、シール材配置パターンを複雑にすることなく、複数のボルトで積層した固体電解質型燃料電池を締結して固定し得ることから、ボルトにかかる熱応力による変形を防止することができ、加えて、積層した固体電解質型燃料電池を両側からフランジで挟み込む場合において、ボルトとフランジとの間に介在させた積層方向加圧用の皿ばねなどの弾性部材を高温に曝さない構造（熱容量が低いフランジ構造）とし得るので、シール部分の耐熱衝撃性が向上すると共に、起動性及び過渡運転時における応答性が向上することとなる。

さらにまた、本発明の燃料電池スタック構造体において、セル板及びセパレータ板の各中心孔の周囲で且つ複数の孔とは別に設けた複数のボルト挿通孔にそれぞれ挿通した複数本のボルトで積層した固体電解質型燃料電池を締結して固定する構成を採用することが可能であり、この場合にも、シール材配置パターンを複雑にすることなく、複数のボルトで積層した固体電解質型燃料電池を締結して固定し得ることから、ボルトにかかる熱応力による変形を防止することができるうえ、積層した固体電解質型燃料電池を両側からフランジで挟み込む場合において、シール部分の耐熱衝撃性が向上すると共に、起動性及び過渡運転時における応答性が向上することとなる。

そして、この燃料電池スタック構造体では、積層した固体電解質型燃料電池を両側からフランジで挟み込む場合において、一方のフランジにガス導入管及びガス排気管を取付け得るので、このフランジ部分にガス熱交換機能を持たせることができ、その結果、効率の向上が図られることとなる。

さらにまた、本発明の燃料電池スタック構造体において、セル板及びセパレータ板の各中心孔に挿通した一本のボルトで積層した固体電解質型燃料電池を締結して固定する構成を採用することができ、この場合には、ボルトの熱容量分を低減することができるので、起動性及び過渡運転時における応答性が向上することとなる。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

図１〜図４は、本発明の燃料電池スタック構造体の一実施例を示しており、図１及び図２に示すように、この燃料電池スタック構造体１１は、複数の固体電解質型燃料電池１をいずれも向きを同じにして積層し、この積層した複数の固体電解質型燃料電池１を破線で示すケース１２に収容して両側からフランジ１３，１４で挟み込んで成っている。

この燃料電池スタック構造体１１を構成する固体電解質型燃料電池１は、図３にも示すように、円形薄板状を成し且つ中心部分にガス導入孔２１及びガス排出孔２２を有する金属製セル板２と、このセル板２と同じく円形薄板状を成し且つ中心部分にガス導入孔３１及びガス排出孔３２を有する金属製セパレータ板３を備えている。これらのセル板２及びセパレータ板３は、互いに対向した状態で各々の外周縁部同士を接合させてあり、セル板２及びセパレータ板３間に形成される袋部分（空間）Ｓには、集電体４が収容してある。

互いに対向した状態で接合するセル板２及びセパレータ板３の各中心部分には、外周縁部と同心状を成し且つ互いに離間する方向に突出して後述するようにスペーサとして機能する円形凸状段差部２３，３３がプレス加工によってそれぞれ形成してあり、セル板２及びセパレータ板３の各外周縁部には、この外周縁部と同心状を成し且つ互いに接近する方向に突出して空間Ｓを形成するための環状段差２４，３４がプレス加工によってそれぞれ形成してあり、上記したガス導入孔２１，３１及びガス排出孔２２，３２は、セル板２及びセパレータ板３の各円形凸状段差２３，３３に配置してある。

また、図４に示すように、セル板２の中心部分と外周縁部との間のドーナツ状を成す領域には、円形状を成す単セル６が固定してある。

さらに、セル板２及びセパレータ板３の各中心部分に位置する円形凸状段差部２３，３３のうちのセパレータ板３の円形凸状段差部３３には、ガス導入孔３１と連通するガス導入流路５１を具備してセル板２及びセパレータ板３間に形成される空間Ｓ内に対するガス供給行う流路部品５が収容してあると共に、セル板２の円形凸状段差部２３には、ガス排出孔２２と連通するガス排出流路５２を具備して上記空間Ｓからのガス排出を行う流路部品５が収容してあり、これらの流路部品５，５は、後述するように、この固体電解質型燃料電池１を積層してスタック構造体１１を形成した状態において、スタック構造体１１全体の押付力のみで互いに密着するようになっている。

この実施例において、セル板２及びセパレータ板３には、肉厚が０．１ｍｍのＳＵＳ４３０の圧延板を用いた。そして、この圧延板を超硬及びＳＫＤ１１から成る金型を装備したプレス装置にセットして、８０トンのプレス荷重をかけてプレス加工を行った。このプレス加工により得られたセル板２及びセパレータ板３の外径は１２５ｍｍ、段差寸法は円形凸状段差２３，３３及び環状段差２４，３４ともに１ｍｍであり、両セパレータ２，３の各外周縁部同士の接合には、レーザ溶接を用いた。

一方、流路部品５にもＳＵＳ４３０を用い、セル板２及びセパレータ板３に対しては、接合温度を１０００℃以下とした真空中での拡散接合により固定し、接合時の変形を防いでいる。なお、拡散接合に代えてＹＡＧレーザを用いたレーザ溶接による接合も可能であり、この際、セル板２及びセパレータ板３が薄板状を成していることから、表側からレーザを照射しても接合することができる。また、流路部品５の流路パターンは、エッチングや研削加工やレーザ加工により形成することができるほか、エッチング部品を積層して接合することによっても形成することができる。

この実施例における燃料電池スタック構造体１１は、通気性のある図示しない集電体を介して上記した固体電解質型燃料電池１を積層して成っており、互いに重なり合う固体電解質型燃料電池１の間を空気の流路１５として設定している。

この場合、セル板２及びセパレータ板３の各中心に形成した中心孔をガス導入孔２１，３１とすると共に、中心孔の周囲に形成した複数の孔をガス排出孔２２，３２としており、固体電解質型燃料電池１の各中心部分間で且つ中心孔の縁部近傍に沿う部分には、互いに対向するガス導入孔２１，３１同士を気密的に連通させる中心側リング（シール材）１６が設けてあると共に、固体電解質型燃料電池１の各中心部分間で且つ複数の孔の周囲には、互いに対向する複数のガス排出孔２２，３２同士を一体で囲んで気密的に連通させる縁側リング（シール材）１７が設けてある。

中心側リング１６は、セラミックスフィラーを含有したペースト状のガラス系接合材を固体電解質型燃料電池１の中心孔の縁部近傍に沿う部分の周囲に塗布し、固体電解質型燃料電池１を互いに積層した後、加圧焼成することでリング状に形成した。一方、縁側リング１７も、上記と同じくセラミックスフィラーを含有したペースト状のガラス系接合材を固体電解質型燃料電池１の複数の孔の周囲に塗布し、固体電解質型燃料電池１を互いに積層した後、加圧焼成することでリング状に形成した。

そして、中心側リング１６及び縁側リング１７を介して積層した固体電解質型燃料電池１は、複数本のスタッドボルト１８で固定するようになっており、この実施例において、セル板２及びセパレータ板３の各ガス導入孔２１，３１の周囲に形成した複数のガス排出孔２２，３２に複数本のスタッドボルト１８をそれぞれ挿通し、スタッドボルト１８の一端部をフランジ１３にねじ込むと共に、フランジ１４から外部に突出するスタッドボルト１８の他端部に皿ばね１９を介してナット２０をねじ込むことにより、複数の固体電解質型燃料電池１を締結するようになっている。

このスタック構造体１１において、図１及び図２に示すように、ケース１２に空気を導入すると、スタック構造体１１の固体電解質型燃料電池１とこの固体電解質型燃料電池１に積層した固体電解質型燃料電池１との間、すなわち、カソード側である層間の流路１５に空気が流れ、一方、燃料ガスは、フランジ１３及び固体電解質型燃料電池１の各ガス導入孔２１，３１を通してセル板２及びセパレータ板３間に形成される各空間Ｓ内に導入され、上記空間Ｓ内を流れた後、各ガス排出孔２２，３２及びフランジ１４を通して排気される。

上記した燃料電池スタック構造体１１では、固体電解質型燃料電池１のセル板２及びセパレータ板３の間に形成される空間Ｓ内に燃料ガスのみを流すようにしているので、未燃焼ガスを回収し得ることとなり、したがって、過渡運転時などのガス流が変化する場合であったとしても、燃料利用率が低下することがなく、加えて、単セル６に局所的な熱応力がかかって不具合が生じる可能性が少なくなる。

また、固体電解質型燃料電池１の互いに対向するガス導入孔２１，３１同士を気密的に連通させる中心側リング１６及びガス排出孔２２，３２同士を一体で囲んで気密的に連通させる縁側リング１７が、いずれも固体電解質型燃料電池１の各中心部分間に設置してあるので、互いに積層した固体電解質型燃料電池１をスタッドボルト１８により締結して固定する際の加圧力を固体電解質型燃料電池１の各中心部分に均等に伝え得ることとなり、その結果、低熱容量化を図るうえでセル板２及びセパレータ板３の各中心部分の板厚を薄くしたとしても、昇降温の際にはクリープ変形が生じ難くなって、耐久性及び耐熱衝撃性が向上することとなる。

さらに、上記した燃料電池スタック構造体１１では、図２（ｂ）に示すように、シール材としての中心側リング１６及び縁側リング１７を二重リング状に配置するようにしているので、ガス導入孔２１，３１あるいはガス排出孔２２，３２の周囲に個別にシール材を配置しなくても済むことになってシール距離が短くなり、すなわち、シール材配置面積やシール材配置長さを小さく抑え得るので、起動停止時や過渡運転時などのスタック温度が頻繁に変動する条件においても、ガスシール性が劣化し難いものとなり、加えて、セル板２及びセパレータ板３の各中心部分に設けるガス排出孔２２，３２の形状の制約が少なくなり、その分だけ中心部分のデッドスペースが小さくなって、すなわち、セル板２全体に対する中心部分が占める面積の割合が小さくなって、セル板２の発電有効面積が拡大して出力密度が高まることとなる。

さらにまた、上記した燃料電池スタック構造体１１において、セル板２及びセパレータ板３の各中心孔の周囲に形成した複数のガス排出孔２２，３２にそれぞれ挿通した複数本のスタッドボルト１８で積層した固体電解質型燃料電池１を締結して固定するようにしているので、スタッドボルト１８にかかる熱応力による変形を防止することができ、加えて、積層方向加圧用の皿ばね１９を高温に曝さない構造とし得るので、シール部分の耐熱衝撃性が向上すると共に、起動性及び過渡運転時における応答性が向上することとなる。

上記した実施例の燃料電池スタック構造体１１の固体電解質型燃料電池１では、ガス導入孔２１，３１の縁部近傍に沿わせた中心側リング１６及びガス排出孔２２，３２同士を一体で囲む縁側リング１７をシール材としているが、これに限定されるものではなく、例えば、図５示すように、ガス導入孔２１，３１の縁部近傍に沿わせた中心側リング１６及び複数のガス排出孔２２，３２を個々に囲む複数の個別リング１７Ａをシール材としてもよい。

また、上記した実施例の燃料電池スタック構造体１１の固体電解質型燃料電池１では、セル板２及びセパレータ板３のが互いにほぼ同一形状を成しているが、これに限定されるものではなく、例えば、図６示すように、単セル６を取り付けるセル板２が円形凸状段差部２３のみを有する形状を成し且つセパレータ板３が通常の約二倍の高さの環状段差部３４を有する形状を成していてもよい。

さらに、この実施例では、単セル６が小径の円板状を成す場合を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、図７（ａ）に示すように、単セル６Ａがドーナツ状を成す場合には、その内周縁部及び外周縁部にプレス加工済の内側リング７及び外側リング８をそれぞれ接合してセパレータ板３に取付けることができ、この際、接合時の作業性を考慮して、図７（ｂ）に示すように、内側リング７及び外側リング８を縦横の桟９で連結してフレーム１０を形成するようにしてもよく、このフレーム１０に扇形の単セル６Ｂを取付けることも可能である。

上記した実施例では、セラミックスフィラーを含有したペースト状のガラス系接合材を固体電解質型燃料電池１の中心孔の縁部近傍に沿う部分及び複数の孔の周囲にそれぞれ塗布し、固体電解質型燃料電池１を互いに積層した後、加圧焼成することで中心側リング１６及び縁側リング１７を形成するようにしているが、これに限定されるものではなく、例えば、リング状で且つガスケット状に成形されたシール材を固体電解質型燃料電池１の中心部分に設置して互いに積層した後、加圧焼成して接合するシール構造としてもよい。具体的には、ガラスやセラミックスや金属から構成されるファイバー又は粉体を圧縮成形して成るガスケット状のリングシール材を固体電解質型燃料電池１の中心部分に設置して互いに積層した後、加圧焼成して溶融させたり高温圧縮したりするシール構造を採用することができる。

また、金属ろう材から成るリング状で且つ箔状のシール材を固体電解質型燃料電池１の中心部分に設置して互いに積層した後、加圧して接合することができるほか、金属が軟化する温度で加圧することにより、隣接する固体電解質型燃料電池１の各中心部分間の凹凸隙間を埋めるように成すことでもシールが可能である。

図８は、本発明の燃料電池スタック構造体の他の実施例を示している。図８に示すように、この燃料電池スタック構造体１１１が先の燃料電池スタック構造体１１と相違するところは、セル板２及びセパレータ板３の各ガス導入孔２１，３１の周囲で且つ複数のガス排出孔２２，３２とは別に設けた複数のボルト挿通孔２６，３６にそれぞれ挿通した複数本のボルト１１８で積層した固体電解質型燃料電池１を締結して固定した点にあり、他の構成は先の燃料電池スタック構造体１１と同じである。

この実施例において、セル板２及びセパレータ板３の各ガス導入孔２１，３１の周囲に形成した複数のボルト挿通孔２６，３６に複数本のボルト１１８をそれぞれ挿通し、ボルト１１８の頭部とフランジ１１３との間に皿ばね１１９を介在させた状態で、ボルト１１８の先端部をフランジプレート１１４にねじ込むことにより、複数の固体電解質型燃料電池１を締結するようになっている。

この実施例では、上記した燃料電池スタック構造体１１と同じ作用効果が得られるのに加えて、シール材配置パターンを複雑にすることなく、複数のボルト１１８で積層した固体電解質型燃料電池１を締結して固定し得ることから、ボルト１１８にかかる熱応力による変形を防止することができるうえ、シール部分の耐熱衝撃性が向上すると共に、起動性及び過渡運転時における応答性が向上することとなる。

そして、この燃料電池スタック構造体１１１では、積層した固体電解質型燃料電池１を両側から挟み込むフランジ１１３，１１４のうちの一方のフランジ１１３にガス導入路１１３ａ及びガス排気路１１３ｂを設け得るので、このフランジ１１３部分にガス熱交換機能を持たせることができ、その結果、効率の向上が図られることとなる。

図９は、本発明の燃料電池スタック構造体のさらに他の実施例を示している。図９に示すように、この燃料電池スタック構造体２１１が先の燃料電池スタック構造体１１と相違するところは、セル板２及びセパレータ板３の各ガス導入孔２１，３１に挿通した一本のボルト２１８で積層した固体電解質型燃料電池１を締結して固定した点にあり、他の構成は先の燃料電池スタック構造体１１と同じである。

この実施例において、セル板２及びセパレータ板３の各ガス導入孔２１，３１に一本のボルト２１８を挿通し、フランジ２１３内のガス導入孔対向部分においてボルト２１８の頭部とフランジ２１３との間に皿ばね２１９を介在させた状態で、ボルト２１８の先端部をフランジ２１４にねじ込むことにより、複数の固体電解質型燃料電池１を締結するようになっている。

この実施例においても、上記した燃料電池スタック構造体１１と同じ作用効果が得られるのに加えて、ボルトの熱容量分を低減することができるので、起動性及び過渡運転時における応答性が向上することとなる。

本発明の燃料電池スタック構造体の一実施例を示す全体斜視説明図である。（実施例１） 図１における燃料電池スタック構造体の図１Ａ−Ａ線に基づく断面説明図（ａ），燃料電池スタック構造体を構成する固体電解質型燃料電池の中心部分における横断面説明図（ｂ）及び固体電解質型燃料電池の部分縦断面説明図（ｃ）である。（実施例１） 図１における燃料電池スタック構造体を構成する固体電解質型燃料電池の分解斜視説明図である。（実施例１） 図１における燃料電池スタック構造体を構成する固体電解質型燃料電池の単セルの配置パターンを示すセル板の平面説明図である。（実施例１） 図１における燃料電池スタック構造体のシール材の他の配置例を示す固体電解質型燃料電池の中心部分における横断面説明図である。 図１における燃料電池スタック構造体を構成する固体電解質型燃料電池の他の構成例を示す部分縦断面説明図である。 図１における燃料電池スタック構造体を構成する固体電解質型燃料電池の単セルの他の配置パターンを示すセル板の平面説明図（ａ）及び（ｂ）である。 本発明の燃料電池スタック構造体の他の実施例を示す図１Ａ−Ａ線相当位置での断面説明図（ａ）及び燃料電池スタック構造体を構成する固体電解質型燃料電池の中心部分における横断面説明図（ｂ）である。（実施例２） 本発明の燃料電池スタック構造体のさらに他の実施例を示す図１Ａ−Ａ線相当位置での断面説明図（ａ）及び燃料電池スタック構造体を構成する固体電解質型燃料電池の中心部分における横断面説明図（ｂ）である。（実施例３）

符号の説明

１ 固体電解質型燃料電池
２ セル板
３ セパレータ板
５ 流路部品
６ 単セル
１１，１１１，２１１ スタック構造体
１６ 中心側リング（シール材）
１７ 縁側リング（シール材）
１７Ａ 個別リング（シール材）
１８，１１８，２１８ ボルト
２１，３１ ガス導入孔
２２，３２ ガス排出孔
２４，３４ 環状段差
２６，３６ ボルト挿通孔
Ｓ 空間

Claims (8)

1. 単セルを保持していると共に中心部分にガス導入孔及びガス排出孔を有する円形状を成すセル板と、
   中心部分にガス導入孔及びガス排出孔を有し且つその外周縁部をセル板の外周縁部に接合させた円形状を成すセパレータ板と、
   セル板及びセパレータ板の各中心部分間に位置して各々のガス導入孔及びガス排出孔と連通し、セル板及びセパレータ板のうちの少なくともいずれか一方に外周縁部に沿う段差を設けることで両板間に形成される空間内に燃料ガス及び空気のうちの一方のガスの供給及び排出を行う中央流路部品を具備した複数の固体電解質型燃料電池をいずれも向きを同じにして積層して成り、
   互いに重なり合う固体電解質型燃料電池の間を燃料ガス及び空気のうちの他方のガスの流路として設定すると共に、固体電解質型燃料電池の各中心部分間には互いに対向するガス導入孔同士及びガス排出孔同士を気密的に連通させるシール材を設け、積層した固体電解質型燃料電池を複数の固体電解質型燃料電池の各中心部分を貫通するボルトで締結して固定したことを特徴とする燃料電池スタック構造体。
2. セル板及びセパレータ板の各中心に形成した中心孔をガス導入孔及びガス排出孔のうちのいずれか一方の孔とすると共に、中心孔の周囲に形成した複数の孔をガス導入孔及びガス排出孔のうちのいずれか他方の孔とし、中心孔の縁部近傍に沿わせた中心側リング及び複数の孔を一体で囲む縁側リングをシール材とした請求項１に記載の燃料電池スタック構造体。
3. セル板及びセパレータ板の各中心に形成した中心孔をガス導入孔及びガス排出孔のうちのいずれか一方の孔とすると共に、中心孔の周囲に形成した複数の孔をガス導入孔及びガス排出孔のうちのいずれか他方の孔とし、中心孔の縁部近傍に沿わせた中心側リング及び複数の孔を個々に囲む複数の個別リングをシール材とした請求項１に記載の燃料電池スタック構造体。
4. シール材が接合機能を有している請求項１〜３のいずれか一つの項に記載の燃料電池スタック構造体。
5. 積層した固体電解質型燃料電池を締結して固定するボルトを複数本備えている請求項１〜４のいずれか一つの項に記載の燃料電池スタック構造体。
6. セル板及びセパレータ板の各中心孔の周囲に形成した複数の孔にそれぞれ挿通した複数本のボルトで積層した固体電解質型燃料電池を締結して固定する請求項２又は３に記載の燃料電池スタック構造体。
7. セル板及びセパレータ板の各中心孔の周囲で且つ複数の孔とは別に設けた複数のボルト挿通孔にそれぞれ挿通した複数本のボルトで積層した固体電解質型燃料電池を締結して固定する請求項２又は３に記載の燃料電池スタック構造体。
8. セル板及びセパレータ板の各中心孔に挿通した一本のボルトで積層した固体電解質型燃料電池を締結して固定する請求項２又は３に記載の燃料電池スタック構造体。

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