JP2008103211A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、反応ガスの漏れを確実に阻止するとともに、電解質・電極接合体の損傷や劣化を良好に阻止し、しかも前記電解質・電極接合体との接触性を良好に維持することができ、効率的且つ確実な発電反応を遂行可能にする。
【解決手段】セパレータは、第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部６０と、前記第１燃料ガス供給部３６及び前記第２燃料ガス供給部６０に第１橋架部３８、６２を介して連結される第１挟持部４０及び第２挟持部６４と、前記第１挟持部４０及び第２挟持部６４に第２橋架部４２、６６を介して連結される第１筐体部４４及び第２筐体部６８とを設ける。燃料ガス供給連通孔３０近傍に発生する第１面圧Ｆ１、酸化剤ガス供給連通孔５４近傍に発生する第２面圧Ｆ２、電解質・電極接合体２６に発生する第３面圧Ｆ３は、それぞれ異なる値に設定される。
【選択図】図２

Description

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

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

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

例えば、特許文献１に開示されている平板積層型燃料電池は、図１３に示すように、発電セル（図示せず）に積層されるセパレータ１を備えている。セパレータ１は、左右のマニホールド部分２ａ、２ａと、中央の発電セルを配置する部分２ｂとが、連結部分２ｃ、２ｃにより連結されており、この連結部分２ｃが可撓性を有している。

マニホールド部分２ａ、２ａには、ガス孔３、４が設けられており、一方のガス孔３は、燃料ガス通路３ａに連通するとともに、他方のガス孔４は、酸化剤ガス通路４ａに連通している。燃料ガス通路３ａ及び酸化剤ガス通路４ａは、部分２ｂ内にらせん状に延在しており、この部分２ｂの中央部近傍で、図示しない燃料極集電体及び空気極集電体に開放されている。

特開２００６−１２０５８９号公報（図４）

ところで、上記の特許文献１では、マニホールド部分２ａ、２ａのシール性と発電部である部分２ｂの接触性とを両立させることが望まれている。その際、特に燃料ガスや酸化剤ガスの漏れを確実に防止する必要があり、マニホールド部分２ａ、２ａのシール性の向上を図るために、大きな荷重のシール荷重を付与することが行われている。

しかしながら、連結部分２ｃ、２ｃは、発電部である部分２ｂを囲むように形成されており、マニホールド部分２ａ、２ａに大きな荷重が付与されると、前記各連結部分２ｃ同士が近接し易い。これにより、部分２ｂの周縁から排ガスが排出されることを阻害するおそれがある。従って、電解質・電極接合体に温度勾配が生じ易くなり、電解質・電極接合体に損傷や劣化等の不良が生じたり、効率的且つ確実な発電反応の遂行が困難になるおそれがある。

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、反応ガスの漏れを確実に阻止するとともに、電解質・電極接合体の損傷や劣化を良好に阻止し、しかも前記電解質・電極接合体との接触性を良好に維持することができ、効率的且つ確実な発電反応が遂行可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。

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

セパレータは、電解質・電極接合体を挟持するとともに、少なくともアノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔又はカソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給孔が設けられる挟持部と、前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に供給するための第１反応ガス供給通路が形成される第１橋架部と、前記第１橋架部に連結され、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記第１反応ガス供給通路に供給するための第１反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される第１反応ガス供給部と、前記挟持部に連結され、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に又は前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に供給するための第２反応ガス供給通路が形成される第２橋架部と、前記第２橋架部に連結され、前記電解質・電極接合体を収容する筐体部と、前記筐体部に設けられるとともに、前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスを前記第２反応ガス供給通路に供給するための第２反応ガス供給連通孔が前記積層方向に形成される第２反応ガス供給部とを備えている。

そして、第１反応ガス供給部に第１荷重を付与することにより積層方向に発生する第１面圧（単位面積あたりの荷重）、第２反応ガス供給部に第２荷重を付与することにより前記積層方向に発生する第２面圧（単位面積あたりの荷重）、及び挟持部に第３荷重を付与することにより前記積層方向に発生する第３面圧（単位面積あたりの荷重）は、第１面圧＞第２面圧＞第３面圧の関係に設定されている。

また、本発明では、燃料電池スタックは、第１荷重を積層方向に受ける第１荷重受け部材と、第２荷重を前記積層方向に受ける第２荷重受け部材と、第３荷重を前記積層方向に受ける第３荷重受け部材とを備え、前記第１荷重受け部材の第１ヤング率、前記第２荷重受け部材の第２ヤング率、及び前記第３荷重受け部材の第３ヤング率は、第１ヤング率＞第２ヤング率＞第３ヤング率の関係に設定されている。ここで、ヤング率とは、硬さを表す指数であり、圧縮弾性率又は縦弾性係数ともいう。

さらに、燃料電池スタックは、第２反応ガス供給部に設けられ、第１荷重、第２荷重及び第３荷重を付与するための荷重付与機構を備えることが好ましい。

さらにまた、燃料電池スタックは、第１反応ガス供給部に設けられる第１荷重付与機構と、第２反応ガス供給部に設けられる第２荷重付与機構とを備え、前記第１荷重付与機構及び前記第２荷重付与機構を介して、第１荷重、第２荷重及び第３荷重を付与することが好ましい。

また、燃料電池スタックは、第１反応ガス供給部に設けられる第１荷重付与機構と、第２反応ガス供給部に設けられる第２荷重付与機構と、挟持部に設けられる第３荷重付与機構とを備えることが好ましい。

本発明では、第１反応ガス供給部、第２反応ガス供給部及び挟持部に対して、積層方向にそれぞれ異なる面圧（単位面積あたりの荷重）である第１面圧、第２面圧及び第３面圧を発生させている。このため、簡単な構成で、反応ガスのガスシール性と発電部分である電解質・電極接合体の接触性との両立が容易且つ確実に図られる。従って、反応ガスの漏れを確実に阻止するとともに、効率的且つ確実な発電反応が遂行可能になる。

さらに、第１反応ガス供給部、第２反応ガス供給部及び挟持部は、第１橋架部及び第２橋架部を介して、互いに積層方向の荷重が遮断されている。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、ガスシール性が要求される部位には、大きな面圧（単位面積あたりの荷重）を発生させる一方、電解質・電極接合体には、比較的小さな面圧（単位面積あたりの荷重）を発生させることができる。このため、第１反応ガス供給部及び第２反応ガス供給部には、所望のガスシール性を確保することが可能になるとともに、電解質・電極接合体の損傷や劣化を良好に阻止することができる。

また、本発明では、第１反応ガス供給部に対応する第１荷重受け部材の第１ヤング率、第２反応ガス供給部に対応する第２荷重受け部材の第２ヤング率、及び挟持部に対応する第３荷重受け部材の第３ヤング率が、第１ヤング率＞第２ヤング率＞第３ヤング率の関係に設定されている。従って、反応ガスのガスシール性と電解質・電極接合体の接触性との両立が容易且つ確実に図られ、反応ガスの漏れを確実に阻止するとともに、効率的且つ確実な発電反応が遂行可能になる。

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

燃料電池１０は、固体電解質型燃料電池であり、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池１０は、図３及び図４に示すように、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質（電解質板）２０の両面に、カソード電極２２及びアノード電極２４が設けられた電解質・電極接合体２６を備える。電解質・電極接合体２６は、円板状に形成される。

燃料電池１０は、図３に示すように、一対のセパレータ２８間に複数（例えば、４個）の電解質・電極接合体２６を挟んで構成される。セパレータ２８間には、このセパレータ２８の中心部である燃料ガス供給連通孔３０を中心にして等角度間隔ずつ離間し且つ前記燃料ガス供給連通孔３０と同心円上に４個の電解質・電極接合体２６が配置される。

セパレータ２８は、例えば、ステンレス等の板金で構成される第１プレート３２及び第２プレート３４を有する。第１プレート３２及び第２プレート３４は、互いに拡散接合、レーザ溶接又はろう付け等により接合される。第１プレート３２及び第２プレート３４は、金属プレートに代えて、例えば、カーボンプレート等（接合方法は省略する）で構成してもよい。

図３及び図５に示すように、第１プレート３２は、中央部に積層方向（矢印Ａ方向）に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔（第１反応ガス供給連通孔）３０が形成される第１燃料ガス供給部（第１反応ガス供給部）３６を有する。この第１燃料ガス供給部３６から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に延在する４つの第１橋架部３８を介し、比較的大径な第１挟持部４０が一体に設けられる。第１挟持部４０は、電解質・電極接合体２６と略同一寸法に設定されるとともに、各第１挟持部４０には、短尺な第２橋架部４２を介して環状の第１筐体部４４が一体に設けられる。

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

第１筐体部４４は、酸化剤ガスを後述する酸化剤ガス供給通路７８に供給するための酸化剤ガス供給連通孔（第２反応ガス供給連通孔）５４が積層方向に形成される酸化剤ガス供給部（第２反応ガス供給部）５６を有する。第１筐体部４４には、複数のボルト挿入用孔部５８が所定角度間隔ずつ離間して設けられる。燃料ガス供給連通孔３０、第１橋架部３８、第１挟持部４０、第２橋架部４２及び酸化剤ガス供給連通孔５４は、セパレータ面方向に沿って直線上に配置される。

図３及び図６に示すように、第２プレート３４は、中央部に燃料ガス供給連通孔３０が形成される第２燃料ガス供給部（第１反応ガス供給部）６０を有する。この第２燃料ガス供給部６０から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に延在する４つの第１橋架部６２を介して比較的大径な第２挟持部６４が一体に設けられる。第２挟持部６４は、第１挟持部４０と同様に、電解質・電極接合体２６と略同一寸法に設定されるとともに、各第２挟持部６４には、短尺な第２橋架部６６を介して環状の第２筐体部６８が一体に設けられる。

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

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

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

第１プレート３２には、複数の突起部４８が、例えば、エッチングにより形成されるとともに、第２プレート３４には、溝部７０、周溝７２、燃料ガス供給通路７４、充填室７６及び酸化剤ガス供給通路７８が、例えば、エッチングにより形成される。

図３に示すように、第２プレート３４のカソード電極２２に向かう面には、変形可能な弾性通路部、例えば、金属フェルト等の導電性不織布である導電性フェルト部材（第３荷重受け部材）８４が配設される。このフェルト部材８４により、第２挟持部６４とカソード電極２２との間には、酸化剤ガス通路８６が形成される。なお、フェルト部材８４に代えて、メッシュ部材（金属メッシュ等の導電性織布）、発泡金属、エキスパンドメタル、パンチングメタル又はプレスエンボスメタル等を採用してもよい。電解質・電極接合体２６の外周部には、反応後の燃料ガス及び酸化剤ガスを排ガスとして排出するための排ガス通路８８が設けられる。

図７に示すように、各セパレータ２８間には、燃料ガス供給連通孔３０をシールするための第１絶縁シール（第１荷重受け部材）９０と、酸化剤ガス供給連通孔５４をシールするための第２絶縁シール（第２荷重受け部材）９２とが設けられる。第１絶縁シール９０及び第２絶縁シール９２は、シール性が高く、硬質で潰れ難い、例えば、地殻成分系素材、硝子系素材、粘土とプラスチックの複合素材等が使用される。また、第２絶縁シール９２は、熱エネルギの拡散を阻止する断熱部材であることが好ましい。第２絶縁シール９２は、第１筐体部４４及び第２筐体部６８に対応して略リング状に形成される。

図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池１０の積層方向一端に、略円板状の第１エンドプレート９４ａが配置されるとともに、積層方向他端に、隔壁９５を介装して小径且つ略円板状の複数の第２エンドプレート９４ｂと、大径且つ略リング状の固定リング９４ｃとが配置される。隔壁９５は、排ガスが燃料電池１０の外部に拡散することを阻止する機能を有する一方、第２エンドプレート９４ｂは、各電解質・電極接合体２６の積層位置に対応して４つ配設される。

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

第１エンドプレート９４ａには、燃料ガス供給連通孔３０に連通する単一の燃料ガス供給パイプ１０２と、各酸化剤ガス供給連通孔５４に連通する４本の酸化剤ガス供給パイプ１０４と、排ガス通路８８に連通する４本の排ガス排出パイプ１０５とが設けられる。

第１エンドプレート９４ａは、複数のボルト９８、ナット１０８ａ、１０８ｂ及び板状カラー部材１１０を介して支持プレート１１２が固定される。支持プレート１１２と第１エンドプレート９４ａとの間には、第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部６０（第１反応ガス供給部）に対して積層方向に第１締め付け荷重Ｔ１を付与する第１荷重付与機構１１４と、酸化剤ガス供給部５６（第２反応ガス供給部）に対して前記積層方向に第２締め付け荷重Ｔ２を付与する第２荷重付与機構１１６と、第１挟持部４０及び第２挟持部（挟持部）６４を介し各電解質・電極接合体２６に対して前記積層方向に第３締め付け荷重Ｔ３を付与する第３荷重付与機構１１８とが設けられる。

第１の実施形態では、第１締め付け荷重Ｔ１が付与されることにより第１反応ガス供給部に発生する第１面圧（単位面積あたりの荷重）Ｆ１、第２締め付け荷重Ｔ２が付与されることにより第２反応ガス供給部に発生する第２面圧（単位面積あたりの荷重）Ｆ２、及び第３締め付け荷重Ｔ３が付与されることにより挟持部に発生する第３面圧（単位面積あたりの荷重）Ｆ３は、第１面圧Ｆ１＞第２面圧Ｆ２＞第３面圧Ｆ３の関係に設定される。第１締め付け荷重Ｔ１を積層方向に受ける第１絶縁シール９０の第１ヤング率Ｅ１、第２締め付け荷重Ｔ２を前記積層方向に受ける第２絶縁シール９２の第２ヤング率Ｅ２、及び第３締め付け荷重Ｔ３を前記積層方向に受けるフェルト部材８４の第３ヤング率Ｅ３は、第１ヤング率Ｅ１＞第２ヤング率Ｅ２＞第３ヤング率Ｅ３の関係に設定される。

具体的には、ステンレス等の金属製セパレータ２８のヤング率が約２００ＧＰａであるのに対して、第１ヤング率Ｅ１が約１ＧＰａ〜約２０ＧＰａ、第２ヤング率Ｅ２が約１００ＭＰａ〜約１ＧＰａ、及び第３ヤング率Ｅ３が約１００ＭＰａ以下であることが好ましい。

第１荷重付与機構１１４は、燃料ガス供給連通孔３０から燃料ガスが漏れることを阻止するために燃料電池１０の中央部（第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部６０の中央部）に配置される押圧部材１２０を備え、この押圧部材１２０は、４つの第２エンドプレート９４ｂの配列中心近傍に位置して前記燃料電池１０に隔壁９５を介して押圧する。押圧部材１２０には、第１受け部材１２２ａ及び第２受け部材１２２ｂを介して第１スプリング１２４が配置される。第２受け部材１２２ｂには、第１押圧ボルト１２６の先端が当接する。第１押圧ボルト１２６は、支持プレート１１２に形成された第１ねじ孔１２８に螺合するとともに、第１ナット１３０を介して位置調整可能に固定される。

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

第３荷重付与機構１１８は、第２エンドプレート９４ｂに各電解質・電極接合体２６に対応して配置される第３受け部材１３２ａを備える。第３受け部材１３２ａは、ピン１３４を介して第２エンドプレート９４ｂに位置決め支持される。第３受け部材１３２ａに第２スプリング１３６の一端が当接する一方、前記第２スプリング１３６の他端が第４受け部材１３２ｂに当接する。第４受け部材１３２ｂには、第２押圧ボルト１３８の先端が当接する。第２押圧ボルト１３８は、支持プレート１１２に形成された第２ねじ孔１４０に螺合するとともに、第２ナット１４２を介して位置調整可能に固定される。

このように構成される燃料電池スタック１２の動作について、以下に説明する。

図１に示すように、第１エンドプレート９４ａに接続されている燃料ガス供給パイプ１０２から燃料ガス供給連通孔３０には、燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給パイプ１０４から酸化剤ガス供給部５６には、酸素含有ガスである空気が供給される。

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

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

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

第２挟持部６４の中心近傍には、酸化剤ガス供給孔８０が連通するとともに、前記酸化剤ガス供給孔８０は、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の略中心位置に対応して設けられている。これにより、空気は、図７に示すように、酸化剤ガス供給孔８０からカソード電極２２に供給され、このカソード電極２２の略中心部から外周部に向かってフェルト部材８４に形成された酸化剤ガス通路８６を流動する。

従って、各電解質・電極接合体２６では、アノード電極２４の略中心部から外周部に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極２２の略中心部から外周部に向かって空気が供給され、発電が行われる。そして、発電に使用された燃料ガス及び空気は、排ガスとして各電解質・電極接合体２６の外周部から排ガス通路８８に排気される。

この場合、第１の実施形態では、セパレータ２８において、第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部６０と第１挟持部４０及び第２挟持部６４とは、第１橋架部３８、６２により積層方向の荷重が互いに遮断されている。さらに、第１挟持部４０及び第２挟持部６４と第１筐体部４４及び第２筐体部６８とは、第２橋架部４２、６６により積層方向の荷重が互いに遮断されている。

従って、第１荷重付与機構１１４を介して第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部６０に積層方向に発生する第１面圧Ｆ１と、第２荷重付与機構１１６を介して酸化剤ガス供給部５６に前記積層方向に発生する第２面圧Ｆ２と、第３荷重付与機構１１８を介して第１挟持部４０及び第２挟持部６４に前記積層方向に発生する第３面圧Ｆ３とを、互いに異ならせることができる。

具体的には、第１面圧Ｆ１＞第２面圧Ｆ２＞第３面圧Ｆ３の関係に設定されている。このため、燃料ガス供給連通孔３０及び酸化剤ガス供給連通孔５４のガスシール性と、各電解質・電極接合体２６の接触性との両立を容易且つ確実に図ることができる。従って、燃料ガス及び酸化剤ガスの漏れを確実に阻止するとともに、効率的且つ確実な発電反応が遂行可能になる。

しかも、燃料ガスシール性が要求される第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部６０には、第１荷重付与機構１１４を介して第１挟持部４０及び第２挟持部６４よりも大きな面圧を発生させることができる一方（第１面圧Ｆ１＞第３面圧Ｆ３）、電解質・電極接合体２６には、第３荷重付与機構１１８を介して比較的小さな面圧を発生させることが可能になる。従って、第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部６０における燃料ガスの所望のシール性を確保するとともに、電解質・電極接合体２６の損傷や劣化を良好に阻止することができる。

同様に、酸化剤ガスのシール性が要求される酸化剤ガス供給部５６には、第２荷重付与機構１１６を介して第１挟持部４０及び第２挟持部６４よりも大きな面圧を発生させることができる（第２面圧Ｆ２＞第３面圧Ｆ３）。このため、酸化剤ガス供給部５６における酸化剤ガスの所望のシール性を確保するとともに、電解質・電極接合体２６の損傷や劣化を良好に阻止することができる。

これにより、各燃料電池１０では、簡単且つコンパクトな構成で、効率的な発電が遂行可能になるという効果が得られる。特に、第１面圧Ｆ１を最大値に設定することにより、燃料ガスの漏れを可及的に低減することができ、燃費の向上を図るとともに、熱自立を確実に行うことが可能になる。

一方、電解質・電極接合体２６では、接触性不足を回避する一方、損傷が惹起する程に大きな面圧（単位面積あたりの荷重）が発生することを阻止できる。このため、各電解質・電極接合体２６は、良好な発電を長期間にわたって確実に行うことができ、耐久性の向上が容易に遂行可能になる。従って、燃料ガスのシール性、酸化剤ガスのシール性及び電解質・電極接合体２６の接触性が良好に維持されるという利点がある。

また、第１の実施形態では、第１締め付け荷重Ｔ１を積層方向に受ける第１絶縁シール９０の第１ヤング率Ｅ１、第２締め付け荷重Ｔ２を前記積層方向に受ける第２絶縁シール９２の第２ヤング率Ｅ２、及び第３締め付け荷重Ｔ３を前記積層方向に受けるフェルト部材８４の第３ヤング率Ｅ３は、第１ヤング率Ｅ１＞第２ヤング率Ｅ２＞第３ヤング率Ｅ３の関係に設定されている。

これにより、最も荷重の大きな第１締め付け荷重Ｔ１が付与される第１絶縁シール９０は、この第１締め付け荷重Ｔ１を確実に吸収して燃料ガスのシール性を確保することができる。さらに、第２ヤング率Ｅ２に設定される第２絶縁シール９２は、酸化剤ガスのシール性を維持するとともに、積層方向の追随性を有し、酸化剤ガス供給部５６に対して所望の荷重を付与することが可能になる。

さらにまた、フェルト部材８４は、第３ヤング率Ｅ３に設定されることにより、電解質・電極接合体２６との接触性と高さ追随性とを兼ね備えることができる。従って、電解質・電極接合体２６は、損傷することがなく、しかも確実な接触性を得ることが可能になる。

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

なお、第１の実施形態に係る燃料電池１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３〜第５の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

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

なお、フェルト部材１６７に代えて、メッシュ部材（金属メッシュ等の導電性織布）、発泡金属、エキスパンドメタル、パンチングメタル又はプレスエンボスメタル等を採用してもよい。

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

この第２の実施形態では、第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部６０に積層方向に発生する第１面圧Ｆ１と、酸化剤ガス供給部５６に前記積層方向に発生する第２面圧Ｆ２と、第１挟持部４０及び第２挟持部６４を介して各電解質・電極接合体２６に前記積層方向に発生する第３面圧Ｆ３とは、第１面圧Ｆ１＞第２面圧Ｆ２＞第３面圧Ｆ３の関係に設定されている。

さらに、第１締め付け荷重Ｔ１を積層方向に受ける第１絶縁シール９０の第１ヤング率Ｅ１、第２締め付け荷重Ｔ２を前記積層方向に受ける第２絶縁シール９２の第２ヤング率Ｅ２、及び第３締め付け荷重Ｔ３を前記積層方向に受けるフェルト部材１６７の第３ヤング率Ｅ３は、第１ヤング率Ｅ１＞第２ヤング率Ｅ２＞第３ヤング率Ｅ３の関係に設定されている。

従って、第２の実施形態では、燃料ガス及び酸化剤ガスの漏れを可及的に阻止するとともに、各電解質・電極接合体２６の接触性を維持し、且つ前記電解質・電極接合体２６の損傷を阻止することができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図１０は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１７０の側面説明図である。

燃料電池スタック１７０は、複数の燃料電池１０を第１エンドプレート９４ａと第２エンドプレート９４ｄとにより挟持する。第２エンドプレート９４ｄは、略ドーナツ形状を有しており、実質的に、第１の実施形態で用いられている第２エンドプレート９４ｂ及び固定リング９４ｃを一体化した構成に設定される。

第２エンドプレート９４ｄ側には、第１荷重付与機構１１４と第２荷重付与機構１１６とが設けられている。第２荷重付与機構１１６は、第１エンドプレート９４ａ及び第２エンドプレート９４ｄ間をボルト９８で締め付けることにより、酸化剤ガス供給部５６には積層方向に第２面圧Ｆ２が発生するとともに、各電解質・電極接合体２６には前記積層方向に第３面圧Ｆ３が発生する。

従って、第３の実施形態では、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる他、第３荷重付与機構１１８が不要になり、燃料電池スタック１７０全体として構成が一層簡素化されるという利点がある。

図１１は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタック１８０の側面説明図である。

燃料電池スタック１８０を構成する複数の燃料電池１０は、第１エンドプレート９４ａと第２エンドプレート９４ｅとの間に挟持される。第１エンドプレート９４ａと第２エンドプレート９４ｅとの間には、第１荷重付与機構１８２と第２荷重付与機構１１６とが設けられる。

第１荷重付与機構１８２は、第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部６０に近接して設けられており、複数のボルト１８４とナット１８６とを有する。第１エンドプレート９４ａ及び第２エンドプレート９４ｅには、燃料ガス供給連通孔３０を周回して、例えば、第１橋架部３８、６２の間に対応してボルト１８４を挿通させるための孔部１８８が形成される。

このように構成される第４の実施形態では、第１荷重付与機構１８２により燃料ガス供給連通孔３０の近傍に締め付け荷重が付与される一方、第２荷重付与機構１１６を介して酸化剤ガス供給連通孔５４の近傍に締め付け荷重が付与されている。

このため、各燃料電池１０では、第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部６０に第１面圧Ｆ１が発生し、酸化剤ガス供給部５６に第２面圧Ｆ２が発生し、さらに、各電解質・電極接合体２６に第３面圧Ｆ３が発生する。従って、燃料電池スタック１８０では、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる他、構成が一挙に簡素化且つ小型化されるという利点がある。

図１２は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタック１９０の側面説明図である。

燃料電池スタック１９０は、複数の燃料電池１０を第１エンドプレート９４ａと第２エンドプレート９４ｆとの間に挟持する。第１エンドプレート９４ａと第２エンドプレート９４ｆとの間には、第２荷重付与機構１１６のみが設けられている。

この燃料電池スタック１９０では、第２荷重付与機構１１６により第１エンドプレート９４ａと第２エンドプレート９４ｆとの間に締め付け荷重を付与することによって、第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部６０に第１面圧Ｆ１を発生させ、酸化剤ガス供給部５６に第２面圧Ｆ２を発生させ、さらに、各電解質・電極接合体２６に第３面圧Ｆ３を発生させることができる。

これにより、第５の実施形態では、上記の第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる他、構成の簡素化が一層図られるという利点がある。

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

符号の説明

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

Claims (7)

1. 電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体と、セパレータとが積層される燃料電池を備えるとともに、前記燃料電池が複数積層される燃料電池スタックであって、
   前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持するとともに、少なくとも前記アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔又は前記カソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給孔が設けられる挟持部と、
   前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に供給するための第１反応ガス供給通路が形成される第１橋架部と、
   前記第１橋架部に連結され、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記第１反応ガス供給通路に供給するための第１反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される第１反応ガス供給部と、
   前記挟持部に連結され、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に又は前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に供給するための第２反応ガス供給通路が形成される第２橋架部と、
   前記第２橋架部に連結され、前記電解質・電極接合体を収容する筐体部と、
   前記筐体部に設けられるとともに、前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスを前記第２反応ガス供給通路に供給するための第２反応ガス供給連通孔が前記積層方向に形成される第２反応ガス供給部と、
   を備え、
   前記第１反応ガス供給部に第１荷重を付与することにより前記積層方向に発生する第１面圧、前記第２反応ガス供給部に第２荷重を付与することにより前記積層方向に発生する第２面圧、及び前記挟持部に第３荷重を付与することにより前記積層方向に発生する第３面圧は、
   第１面圧＞第２面圧＞第３面圧の関係に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１荷重を前記積層方向に受ける第１荷重受け部材と、
   前記第２荷重を前記積層方向に受ける第２荷重受け部材と、
   前記第３荷重を前記積層方向に受ける第３荷重受け部材と、
   を備え、
   前記第１荷重受け部材の第１ヤング率、前記第２荷重受け部材の第２ヤング率及び前記第３荷重受け部材の第３ヤング率は、
   第１ヤング率＞第２ヤング率＞第３ヤング率の関係に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体と、セパレータとが積層される燃料電池を備えるとともに、前記燃料電池が複数積層される燃料電池スタックであって、
   前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持するとともに、少なくとも前記アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔又は前記カソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給孔が設けられる挟持部と、
   前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に供給するための第１反応ガス供給通路が形成される第１橋架部と、
   前記第１橋架部に連結され、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記第１反応ガス供給通路に供給するための第１反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される第１反応ガス供給部と、
   前記挟持部に連結され、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に又は前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に供給するための第２反応ガス供給通路が形成される第２橋架部と、
   前記第２橋架部に連結され、前記電解質・電極接合体を収容する筐体部と、
   前記筐体部に設けられるとともに、前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスを前記第２反応ガス供給通路に供給するための第２反応ガス供給連通孔が前記積層方向に形成される第２反応ガス供給部と、
   前記第１反応ガス供給部に対し前記積層方向に付与される第１荷重を受ける第１荷重受け部材と、
   前記第２反応ガス供給部に対し前記積層方向に付与される第２荷重を受ける第２荷重受け部材と、
   前記挟持部に対し前記積層方向に付与される第３荷重を受ける第３荷重受け部材と、
   を備え、
   前記第１荷重受け部材の第１ヤング率、前記第２荷重受け部材の第２ヤング率、及び前記第３荷重受け部材の第３ヤング率は、
   第１ヤング率＞第２ヤング率＞第３ヤング率の関係に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項３記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１荷重を受ける前記第１荷重受け部材の第１面圧と、前記第２荷重を受ける前記第２荷重受け部材の第２面圧と、前記第３荷重を受ける前記第３荷重受け部材の第３面圧とは、第１面圧＞第２面圧＞第３面圧の関係に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記第２反応ガス供給部に設けられ、前記第１荷重、前記第２荷重及び前記第３荷重を付与するための荷重付与機構を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
6. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１反応ガス供給部に設けられる第１荷重付与機構と、
   前記第２反応ガス供給部に設けられる第２荷重付与機構と、
   を備え、
   前記第１荷重付与機構及び前記第２荷重付与機構を介して、前記第１荷重、前記第２荷重及び前記第３荷重を付与することを特徴とする燃料電池スタック。
7. 請求１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１反応ガス供給部に設けられる第１荷重付与機構と、
   前記第２反応ガス供給部に設けられる第２荷重付与機構と、
   前記挟持部に設けられる第３荷重付与機構と、
   を備えることを特徴とする燃料電池スタック。

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