JP2010251011A - 燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】使用前のセパレータに残存する歪みや発電反応後の前記セパレータの形状変化等に容易且つ確実に対応することができ、ガスシール性及び耐久性を確保することを可能にする。
【解決手段】燃料電池モジュール１０は、燃料電池スタック１２と荷重付与機構１９とを備える。荷重付与機構１９は、燃料電池スタック１２のガスシール部位に対して積層方向に第１締め付け荷重を付与する第１締め付け部１０４と、電解質・電極接合体２６に対し、前記積層方向に前記第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１０８と、前記第１締め付け部１０４に設けられ、前記ガスシール部位に対して前記積層方向に該第１締め付け部１０４とは個別に第３締め付け荷重を付与する第３締め付け部１０９とを備える。
【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設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに積層方向に荷重を付与するための荷重付与機構とを備える燃料電池モジュールに関する。

通常、固体酸化物形燃料電池（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（ＭＥＡ）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の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。

上記の燃料電池スタックでは、積層方向に各燃料電池を締結するための積層荷重を付与する必要がある。積層荷重は、燃料電池スタックの反応ガス（特に、燃料ガス）が流通する部位では、シール性を確保するために高い荷重が要求されている。一方、燃料電池スタックのＭＥＡを保持する部位では、このＭＥＡが破損しないように比較的小さな積層荷重を付与しなければならない。このため、燃料電池スタックに積層荷重を付与する荷重付与機構は、ガスシール部位とＭＥＡ保持部位とで異なる荷重を付与することが必要となっている。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池では、図１０に示されているように、発電セル１ａとセパレータ２ａとを交互に積層して構成されている燃料電池では、タイロッド３ａとナット４ａとにより積層方向に締め付け荷重が付与されて、燃料電池内部のガスシール性を維持している。一方、発電セル１ａ上には、セパレータ２ａの中央部上方側に位置して、錘５ａが配置されている。発電セル１ａの発電要素は、錘５ａによる荷重を介して相互に密着されている。

また、特許文献２に開示されている固体高分子形燃料電池は、図１１に示すように、単位電池を導電性セパレータを介して複数積層した燃料電池積層体１ｂと、前記燃料電池積層体１ｂを積層方向に締め付ける締め付け手段とを備えている。この締め付け手段は、マニホールド部が位置する領域を締め付ける第１の締め付け手段２ｂと、発電部が位置する領域を締め付ける第２の締め付け手段３ｂとを備えている。第１の締め付け手段２ｂは、ボルト４ｂを設けるとともに、第２の締め付け手段３ｂは、ボルト５ｂを設けている。

さらにまた、特許文献３に開示されている燃料電池では、図１２に示すように、複数の単セル１ｃの積層体が一対のエンドプレート２ｃ、３ｃによって挟持されている。エンドプレート２ｃ、３ｃ間には、複数のスルーボルト４ｃ及びナット５ｃを介して積層方向に締結荷重が付与されることにより、各単セル１ｃのシール部に対して荷重が付与されている。

エンドプレート３ｃには、荷重調整器６ｃによってスプリングボックス７ｃの加圧力が調整されるようになっている。スプリングボックス７ｃの加圧力は、単セル１ｃの発電部に対して締結荷重を付与している。

特開２００７−７３３５９号公報 特開平８−８８０１８号公報 特開２００６−１７９４０２号公報

ところで、使用前のセパレータは、製造後の歪みが残っており、スタックとして積層した際に、この歪みが累積されてスタック寸法が設計寸法とならないおそれがある。しかも、セパレータは、歪みによってばね特性を有しており、スタックの剛性が高くなってしまうため、積層時には、より大きな荷重が必要となる。

一方、燃料電池スタックの発電運転後には、セパレータがスタック形状に馴染むように変形し易い。従って、燃料電池スタックに対する初期の締め付け状態が変化してしまう。さらに、セパレータやＭＥＡは、発電反応中に熱を受けて膨張や収縮することから、スタックが伸縮して積層荷重が運転中に変化する。

しかしながら、上記の特許文献１では、錘５ａを介して発電セル１ａの発電部に一定の荷重を付与するだけである。このため、運転中に発生する荷重の変化に対応して燃料電池スタックに新たな荷重が必要とされる際に、対応することができないという問題がある。

また、上記の特許文献２では、燃料電池積層体１ｂの発電部が位置する領域を締め付ける第２の締め付け手段３ｂは、ボルト５ｂによる締め付け荷重であり、燃料電池スタックの運転中の荷重変化に対応することができないという問題がある。

さらにまた、上記の特許文献３では、単セル１ｃの発電部に対する締結荷重は、スプリングボックス７ｃによる加圧力により依存するため、燃料電池スタックへの設定荷重を新たに変更（増し締め）する場合に、設定の変更が困難であるという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、使用前のセパレータに残存する歪みや発電反応後の前記セパレータの形状変化等に容易且つ確実に対応することができ、ガスシール性及び耐久性を確保することが可能な燃料電池モジュール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設け、複数の前記燃料電池が積層されるとともに、前記燃料電池の積層方向両端に第１エンドプレートと第２エンドプレートとが配設される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックに積層方向に荷重を付与するための荷重付与機構とを備える燃料電池モジュールに関するものである。

荷重付与機構は、燃料電池スタックのガスシール部位に対して積層方向に第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、前記積層方向に前記第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、前記第１締め付け部に設けられ、前記ガスシール部位に対して前記積層方向に該第１締め付け部とは個別に第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。

また、荷重付与機構は、燃料電池スタックの第１エンドプレート側に配置されるとともに、第１締め付け部及び第３締め付け部は、第２エンドプレートを介して積層方向の荷重を保持することが好ましい。従って、第１締め付け部及び第３締め付け部により、ガスシール部位に対し積層方向の荷重を確実に付与することができ、シール性を、常時、確保するとともに、前記積層方向の荷重も維持することが可能になる。

さらに、第１締め付け部は、第２エンドプレートに螺合し、燃料電池スタックを貫通して第１エンドプレート側に延在する第１ボルトと、前記第１ボルトに係合する第１プレート部材と、前記第１プレート部材と支持プレートとの間に介装され、ガスシール部に対して積層方向の荷重を付与する第１ばね部材とを備えるとともに、第２締め付け部は、前記第２エンドプレートに螺合する第２ボルトと、前記第２ボルトに係合する第２プレート部材と、前記第２プレート部材と前記燃料電池スタックとの間に介装され、電解質・電極接合体に対し前記積層方向に荷重を付与する第２ばね部材とを備えることが好ましい。

このため、第１締め付け部及び第２締め付け部は、ばね荷重による荷重の付与を行うことができ、燃料電池スタックの運転状況によって前記燃料電池スタックに係る荷重が変動した際にも、その荷重変動に追従及び対応することが可能になる。これにより、電解質・電極接合体の損傷が良好に抑制される。

さらにまた、第３締め付け部は、第２エンドプレートに螺合する第３ボルトと、前記第３ボルトに外装されるとともに、第１プレート部材と第２プレート部材との間に介装され、前記第１プレート部材に対して積層方向に荷重を付与する押し付け部材とを備えることが好ましい。従って、既存の荷重付与機構にわずかな改良を加えるだけで、第３締め付け部を構成することができ、製造コストを有効に削減することが可能になる。

また、押し付け部材は、円筒形状を有し、一端が第１プレート部材に当接するとともに、他端が第３ボルトに螺合するナット部材に当接し、前記ナット部材の螺回作用下に、前記押し付け部材により前記第１プレート部材に対して積層方向の荷重を付与することが好ましい。このため、簡単且つ経済的な構成で、第３締め付け部を構成することができる。

さらに、この燃料電池モジュールは、酸化剤ガスを燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器及び燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器を備える流体部と、前記流体部、前記燃料電池スタック及び荷重付与機構が収納される筐体とを備え、前記荷重付与機構は、前記燃料電池スタックの第１エンドプレート側に配置されるとともに、前記流体部は、前記燃料電池スタックの第２エンドプレート側に配置されることが好ましい。

これにより、流体部及び荷重付与機構は、燃料電池スタックに対する配置が区別されるため、前記荷重付与機構を高温雰囲気から分離させることができ、耐久性の向上が図られる。

さらにまた、セパレータは、電解質・電極接合体を挟持するとともに、アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス通路及びカソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路が個別に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通路に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス通路に供給するための反応ガス供給通路が形成される橋架部と、前記橋架部に連結され、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記反応ガス供給通路に供給するための反応ガス供給連通孔が前記積層方向に形成される反応ガス供給部とを備え、ガスシール部位は、前記反応ガス供給部に形成されることが好ましい。従って、セパレータのガスシール部位に流通する反応ガスに対し、確実なシールが遂行可能になる。

本発明によれば、燃料電池スタックのガスシール部位に対して、積層方向に第１締め付け荷重を付与する第１締め付け部には、第３締め付け部が設けられている。このため、第３締め付け部は、ガスシール部位に対して、積層方向に第１締め付け部とは個別に第３締め付け荷重を付与することができ、荷重の調整が容易に可能になる。

これにより、使用前のセパレータに歪みが残存していても、第１締め付け荷重及び第３締め付け荷重を付与することによって、ガスシール部位のシール性を確実に維持することができる。

しかも、発電反応後に、セパレータの形状変化により積層荷重が変化した際には、第３締め付け部によって荷重の調整が可能になる。従って、ガスシール部位のシール性及び所望の積層荷重を良好に維持することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池モジュールの断面説明図である。 前記燃料電池モジュールを構成す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２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 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。 前記燃料電池を構成するセパレータの平面説明図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 前記燃料電池スタックの一部分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの、図８中、ＩＸ−ＩＸ線断面図である。 特許文献１の燃料電池の説明図である。 特許文献２の燃料電池の一部断面説明図である。 特許文献３の燃料電池の説明図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池モジュール１０は、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池モジュール１０は、燃料電池スタック１２と、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック１２に供給する前に加熱する熱交換器１４と、原燃料と水蒸気との混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器１５と、前記混合燃料を改質して燃料ガス（改質ガス）を生成する改質器１６と、前記燃料電池スタック１２、前記熱交換器１４、前記蒸発器１５及び前記改質器１６を収容する筐体１７とを備える。

改質器１６は、都市ガス（原燃料）中に含まれるエタン（Ｃ₂Ｈ₆）、プロパン（Ｃ₃Ｈ₈）及びブタン（Ｃ₄Ｈ₁₀）等の高級炭化水素（Ｃ₂₊）を、主としてメタン（ＣＨ₄）、水素、ＣＯを含む燃料ガスに水蒸気改質するための予備改質器であり、数百℃の作動温度に設定される。

筐体１７内では、燃料電池スタック１２の一方の側に、少なくとも熱交換器１４、蒸発器１５及び改質器１６を含む流体部１８が配置されるとともに、前記燃料電池スタック１２の他方の側に、積層方向（矢印Ａ方向）に締め付け荷重を付与する荷重付与機構１９が配設される（図１〜図３参照）。

燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池１２ａを積層している。燃料電池１２ａは、固体電解質形燃料電池であり、この燃料電池１２ａは、図４及び図５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（ＭＥＡ）２６を備える。電解質・電極接合体２６は、円板状に形成されるとともに、少なくとも外周端面部には、酸化剤ガス及び燃料ガスの進入や排出を阻止するためにバリアー層（図示せず）が設けられている。

燃料電池１２ａは、各セパレータ２８間に４個の電解質・電極接合体２６が、このセパレータ２８の中心部である燃料ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）３０と同心円上に配列される。

セパレータ２８は、図４に示すように、例えば、ステンレス合金等の板金で構成される１枚の金属プレートやカーボンプレート等で構成される。セパレータ２８は、中央部に燃料ガス供給連通孔３０を形成する燃料ガス供給部（反応ガス供給部）３２を有する。この燃料ガス供給部３２から外方に等角度間隔（９０゜間隔）ずつ離間して放射状に延在する４本の第１橋架部３４を介して比較的大径な挟持部３６が一体的に設けられる。燃料ガス供給部３２と各挟持部３６との中心間距離は、同一距離に設定される。

各挟持部３６は、電解質・電極接合体２６と略同一寸法の円板形状に設定されており、互いに分離して構成される。挟持部３６には、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔３８が、例えば、前記挟持部３６の中心又は中心に対して酸化剤ガスの流れ方向上流側に偏心した位置に設定される。

各挟持部３６のアノード電極２４に接触する面３６ａ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４０が形成される。面３６ａには、燃料ガス通路４０を通って使用された燃料ガスを排出する燃料ガス排出通路４２と、アノード電極２４に接触するとともに、前記燃料ガスが燃料ガス供給孔３８から前記燃料ガス排出通路４２に直線状に流れることを阻止する迂回路形成用の円弧状壁部４４とが設けられる。

円弧状壁部４４は、略馬蹄形状を有し、その先端側内部に燃料ガス供給孔３８が配置される一方、その基端部側（第１橋架部３４側）に燃料ガス排出通路４２が設けられる。面３６ａには、燃料ガス通路４０側に突出してアノード電極２４の外周縁部に接触する外縁周回用凸部４６と、前記アノード電極２４に接触する複数の突起部４８とが設けられる。

凸部４６は、燃料ガス排出通路４２に対応して一部が切り欠かれた略リング状を有するとともに、突起部４８は、面３６ａに、例えば、エッチングにより形成される中実部、又はプレスにより形成される中空部で構成される。

図６及び図７に示すように、各挟持部３６のカソード電極２２に接触する面３６ｂは、略平坦面に形成されており、この面３６ｂには、円板状のプレート５０が、例えば、ろう付け、拡散接合やレーザ溶接等により固着される。このプレート５０には、プレス等により複数の突起部５２が設けられる。挟持部３６の面３６ｂ側には、突起部５２によりカソード電極２２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通路５４が形成されるとともに、前記突起部５２は、集電部を構成する。

各挟持部３６の外周部には、燃料電池１２ａの発電電力の取り出し及び計測を行うとともに、セパレータ２８に位置決めや枚数検出等に利用可能な突出部５６が形成される（図４〜図６参照）。

図４に示すように、セパレータ２８のカソード電極２２に対向する面には、通路部材６０が、例えば、ろう付け、拡散接合やレーザ溶接等により固着される。通路部材６０は、平板状に構成されるとともに、中央部に燃料ガス供給連通孔３０を形成する燃料ガス供給部６２を備える。燃料ガス供給部６２には、補強用のボス部６３が所定数だけ設けられる。

燃料ガス供給部６２から放射状に４本の第２橋架部６４が延在するとともに、各第２橋架部６４は、セパレータ２８の第１橋架部３４から挟持部３６の面３６ｂに燃料ガス供給孔３８を覆って固着される（図７参照）。

燃料ガス供給部６２から第２橋架部６４には、燃料ガス供給連通孔３０から燃料ガス供給孔３８に連通する燃料ガス供給通路（反応ガス供給通路）６６が形成される。燃料ガス供給通路６６は、例えば、エッチングにより形成される。

図７に示すように、酸化剤ガス通路５４は、電解質・電極接合体２６の内側周端部と挟持部３６の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給連通孔（反応ガス供給部）６８に連通する。この酸化剤ガス供給連通孔６８は、各挟持部３６の内方と第１橋架部３４との間に位置して積層方向（矢印Ａ方向）に延在している。

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絶縁シール７０が設けられる。絶縁シール７０は、例えば、マイカ材やセラミック材等、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で形成されている。絶縁シール７０は、燃料ガス供給連通孔３０を電解質・電極接合体２６に対してシールする機能を有する。燃料電池１２ａには、挟持部３６の外方に位置して排ガス通路７２が形成される。

隣り合う各挟持部３６間には、酸化剤ガス供給連通孔６８を介して各電解質・電極接合体２６の面方向に沿って酸化剤ガス通路５４を流通する酸化剤ガス及び燃料ガス通路４０を流通する燃料ガスを整流するための整流部材７４が配置される。整流部材７４は、略扇方形状の板材で構成されており、矢印Ａ方向に所定枚数だけ積層されるとともに、各挟持部３６間に対応して平面視で４つ配設される。

整流部材７４は、絶縁部材、例えば、マイカをシリコーン樹脂で結合して構成される。整流部材７４は、挟持部３６の周縁部の一部及びセパレータ２８の外接円の一部に沿って配置される。整流部材７４の挟持部３６の一部に沿う一端部は、前記挟持部３６と第１橋架部３４との連結部位の近傍に配置されるとともに、前記整流部材７４の他端部である外周部７８は、セパレータ２８の外接円の一部を構成する。

整流部材７４の一端部には、酸化剤ガス供給連通孔６８及び燃料ガス供給連通孔３０から離間する方向に凹形状を有する凹部８０が設けられる。整流部材７４の両側部には、それぞれ挟持部３６の外周形状に対応する円弧状部８２が設けられる。

図２及び図３に示すように、燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池１２ａの積層方向一端に、略円板状のエンドプレート(第２エンドプレート)８４ａが配置されるとともに、積層方向他端に、隔壁８５を介装して小径且つ略円板状の複数のエンドプレート(第１エンドプレート)８４ｂと、大径且つ略リング状の固定リング８４ｃとが配置される。エンドプレート８４ａとエンドプレート８４ｂとの間には、複数枚のリング部材８３が介装される。

隔壁８５は、排ガスが燃料電池１２ａの外部に拡散することを阻止する機能を有する一方、エンドプレート８４ｂ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。

エンドプレート８４ａ及び固定リング８４ｃは、複数の孔部８６を有するとともに、複数枚のリング部材８３には、積層方向にボルト挿入用カラー部材８７が一体に挿入される。孔部８６及びボルト挿入用カラー部材８７に挿入されるボルト８８及び前記ボルト８８に螺合するナット９０を介し、エンドプレート８４ａと固定リング８４ｃとが締め付け固定される。

エンドプレート８４ａ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９２と、各酸化剤ガス供給連通孔６８に連通するキャビティ９３ａを設けるケーシング９３と、前記ケーシング９３に接続されて前記キャビティ９３ａに連通する単一の酸化剤ガス供給パイプ９４とが設けられる。

エンドプレート８４ａには、複数のボルト８８、ナット９８ａ、９８ｂ及び板状カラー部材１００を介して固定プレート部材１０２が固定される。固定プレート部材１０２とエンドプレート８４ａとの間には、燃料ガス供給部３２、６２（ガスシール部位）に第１締め付け荷重を付与する第１締め付け部１０４と、各電解質・電極接合体２６に前記第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１０８と、前記第１締め付け部１０４に設けられ、前記燃料ガス供給部３２、６２に対して前記第１締め付け部１０４とは個別に第３締め付け荷重を付与する第３締め付け部１０９とが設けられ、これらにより荷重付与機構１９が構成される。

荷重付与機構１９は、エンドプレート８４ｂ側に配置されるととともに、第１締め付け部１０４及び第３締め付け部１０９は、エンドプレート８４ａを介して積層方向の荷重を保持する。

第１締め付け部１０４は、図２、図３及び図８に示すように、エンドプレート８４ａに螺合し、積層されている燃料電池１２ａを貫通してエンドプレート８４ｂ側に延在する２本のボルト（第１ボルト）１１０と、前記ボルト１１０に係合する第１プレート部材１１２と、前記第１プレート部材１１２と支持プレート１１４との間に介装され、燃料ガス供給部３２、６２に対して積層方向の荷重を付与する第１ばね部材１１６とを備える。

燃料電池１２ａの中央部（燃料ガス供給部３２、６２の中央部）には、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押圧部材１１８が配置される。この押圧部材１１８は、４つのエンドプレート８４ｂの配列中心近傍に位置して燃料電池１２ａを押圧する。押圧部材１１８には、第１プレート部材１１２が配置される一方、支持プレート１１４には、第１押圧ボルト１１７の先端が当接する。第１押圧ボルト１１７は、固定プレート部材１０２に形成された第１ねじ孔１１９に螺合するとともに、第１ナット１２０を介して位置調整可能に固定される。

第２締め付け部１０８は、エンドプレート８４ａに螺合するボルト８８（第２ボルト）と、前記ボルト８８に係合する固定プレート部材１０２（第２プレート部材）と、前記固定プレート部材１０２と燃料電池１２ａとの間に介装され、各電解質・電極接合体２６に対し、積層方向に荷重を付与する第２ばね部材１２２とを備える。

エンドプレート８４ｂには、各電解質・電極接合体２６に対応して、受け部材１２４ａが配置される。受け部材１２４ａは、ピン１２６を介してエンドプレート８４ｂに位置決め支持される。受け部材１２４ａに第２ばね部材１２２の一端が当接する一方、前記第２ばね部材１２２の他端が受け部材１２４ｂに当接する。受け部材１２４ｂには、第２押圧ボルト１２８の先端が当接する。第２押圧ボルト１２８は、固定プレート部材１０２に形成された第２ねじ孔１３０に螺合するとともに、第２ナット１３２を介して位置調整可能に固定される。

第３締め付け部１０９は、図８及び図９に示すように、エンドプレート８４ａに螺合する一対のボルト（第３ボルト）１３４と、各ボルト１３４に外挿されるとともに、第１プレート部材１１２と、固定プレート部材１０２との間に介装され、前記第１プレート部材１１２に対して積層方向に荷重を付与する一対の押し付け部材１３６とを備える。

ボルト１３４の外周部には、一端側から所定の長さにわたってねじ部１３８が形成され、このねじ部１３８側は、固定プレート部材１０２に形成された孔部１４０に挿入される。ねじ部１３８側に外挿される押し付け部材１３６は、円筒形状を有し、一端が第１プレート部材１１２に当接するとともに、他端が前記ねじ部１３８に螺合するナット部材１４２に当接する。

押し付け部材１３６の外周には、第１プレート部材１１２と支持プレート１１４との間に介装される第１ばね部材１１６が配置される。ボルト１３４は、第１プレート部材１１２及び支持プレート１１４を貫通して配置される。各ボルト１３４の各ねじ部１３８に螺合するナット部材１４２は、所定の方向に螺回されることにより、各押し付け部材１３６を第１プレート部材１１２に押圧する。このため、第１プレート部材１１２に当接する押圧部材１１８を介して、燃料電池１２ａの中央部に積層方向の荷重が付与される。

４分割されている整流部材７４は、それぞれ積層方向に貫通する孔部１４４を有する。各孔部１４４にボルト１４６が挿入され、このボルト１４６は、エンドプレート８４ａに螺合する。ボルト１４６は、整流部材７４から外方に突出する端部に、円筒状の押圧部材１４８が外挿される。押圧部材１４８の一端は、最外位置に配置される整流部材７４の端面に当接するとともに、他端は、ボルト１４６に螺合するナット部材１５０に当接支持される。

図１に示すように、筐体１７は、荷重付与機構１９を収容する第１筐体部１６０ａと、燃料電池スタック１２を収容する第２筐体部１６０ｂとを備える。第１及び第２筐体部１６０ａ、１６０ｂ間は、隔壁８５を介装してねじ１６２及びナット１６４により締め付けられる。隔壁８５は、流体部１８から荷重付与機構１９に高温の排ガスや空気が流入することを阻止するガス遮蔽部を構成する。第２筐体部１６０ｂには、リング状壁板１６６の一端部が接合されるとともに、前記壁板１６６の他端部には、ヘッド板１６８が固着される。

蒸発器１５には、原燃料（メタン、エタン又はプロパン等）を供給する原燃料供給部（図示せず）に連結される燃料ガス供給管１７０が接続される。蒸発器１５の出口は、改質器１６の入口に連通する。燃料ガス供給管１７０に近接して、排ガス管１７２が配置される。

ヘッド板１６８には、酸化剤ガス供給管１７４が連通するとともに、前記酸化剤ガス供給管１７４は、筐体１７内の通路１７６を通って熱交換器１４から酸化剤ガス供給連通孔６８に連通する。

このように構成される燃料電池モジュール１０の動作について、以下に説明する。

図１に示すように、エアポンプ（図示せず）により吐出された酸素含有ガスである空気は、酸化剤ガス供給管１７４から筐体１７内の通路１７６に供給され、熱交換器１４により加熱された後、酸化剤ガス供給パイプ９４からキャビティ９３ａを介して各酸化剤ガス供給連通孔６８には、空気が供給される。

一方、燃料ガス供給管１７０から改質器１６に原燃料（メタン、エタン又はプロパン等）が供給されるとともに、前記燃料ガス供給管１７０から前記改質器１６に水が供給される。原燃料が改質器１６を通って改質されることにより燃料ガス（水素含有ガス）が得られ、この燃料ガスは、エンドプレート８４ａに接続されている燃料ガス供給パイプ９２から燃料ガス供給連通孔３０に供給される。

図７に示すように、燃料ガスは、燃料電池スタック１２の燃料ガス供給連通孔３０に沿って積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら、各燃料電池１２ａに設けられる燃料ガス供給通路６６に沿ってセパレータ２８の面方向に移動する。

燃料ガスは、燃料ガス供給通路６６から挟持部３６に形成された燃料ガス供給孔３８を通って燃料ガス通路４０に導入される。燃料ガス供給孔３８は、各電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の略中心位置に設定されている。このため、燃料ガスは、燃料ガス供給孔３８からアノード電極２４の略中心に供給された後、燃料ガス通路４０に沿って前記アノード電極２４の外周部に向かって移動する。

一方、酸化剤ガス供給連通孔６８に供給された空気は、整流部材７４の整流作用下に、電解質・電極接合体２６の内側周端部と挟持部３６の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に流入し、酸化剤ガス通路５４に送られる。酸化剤ガス通路５４では、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の内側周端部（セパレータ２８の中央部）側から外側周端部（セパレータ２８の外側周端部側）に向かって空気が流動する。

従って、電解質・電極接合体２６では、アノード電極２４の電極面の中心側から周端部側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の電極面の一方向（矢印Ｂ方向）に向かって空気が供給される。その際、酸化物イオンが電解質２０を通ってアノード電極２４に移動し、化学反応により発電が行われる。

なお、各電解質・電極接合体２６の外周部に排出される主に発電反応後の空気を含む排ガスは、オフガスとして排ガス通路７２を介して燃料電池スタック１２から排出される（図１参照）。

この場合、本実施形態では、図３、図８及び図９に示すように、燃料電池スタック１２の燃料ガス供給部３２、６２（ガスシール部位）に対して積層方向に第１締め付け荷重を付与する第１締め付け部１０４に、第３締め付け部１０９が設けられている。このため、第３締め付け部１０９は、燃料ガス供給部３２、６２に対して、積層方向に第１締め付け部とは個別に第３締め付け荷重を付与することができ、荷重の調整が容易に可能になる。

これにより、使用前のセパレータ２８に歪みが残存していても、第１締め付け荷重及び第３締め付け荷重を付与することによって、燃料ガス供給部３２、６２のシール性を確実に維持することができるという効果が得られる。

しかも、発電反応後に、セパレータ２８の形状が変化により積層荷重が変化した際には、第３締め付け部１０９によって荷重の調整が可能になる。従って、燃料ガス供給部３２、６２のシール性及び所望の積層荷重を良好に維持することができる。

また、荷重付与機構１９は、燃料電池スタック１２のエンドプレート８４ｂ側に配置されるとともに、第１締め付け部１０４及び第３締め付け部１０９は、エンドプレート８４ａを介して積層方向の荷重を保持している。従って、第１締め付け部１０４及び第３締め付け部１０９により、燃料ガス供給部３２、６２に対して積層方向の荷重を確実に付与することができ、シール性を、常時、確保するとともに、前記積層方向の荷重も維持することが可能になる。

さらに、第１締め付け部１０４は、図２及び図３に示すように、エンドプレート８４ａに螺合し、燃料電池スタック１２の複数の燃料電池１２ａを貫通して、エンドプレート８４ｂ側に延在するボルト１１０と、前記ボルト１１０に係合する第１プレート部材１１２と、前記第１プレート部材１１２と支持プレート１１４との間に介装され、燃料ガス供給部３２、６２に対して積層方向の荷重を付与する第１ばね部材１１６とを備えている。

一方、第２締め付け部１０８は、エンドプレート８４ａに螺合するボルト８８と、前記ボルト８８に係合する固定プレート部材１０２と、前記固定プレート部材１０２とエンドプレート８４ｂとの間に介装され、電解質・電極接合体２６に対し、積層方向に荷重を付与する第２ばね部材１２２とを備えている。

このため、第１締め付け部１０４及び第２締め付け部１０８は、ばね荷重による荷重の付与を行うことができ、燃料電池スタック１２の運転状況によって、前記燃料電池スタック１２に係る荷重が変動した際にも、その荷重変動に追随及び対応することが可能になる。これにより、電解質・電極接合体２６の損傷が良好に抑制される。

さらにまた、第３締め付け部１０９は、図８及び図９に示すように、エンドプレート８４ａに螺合するボルト１３４と、前記ボルト１３４に外挿されるとともに、第１プレート部材１１２と支持プレート１１４との間に介装され、前記第１プレート部材１１２に対して積層方向に荷重を付与する押し付け部材１３６とを備えている。従って、既存の荷重付与機構１９にわずかな改良を加えるだけで、第３締め付け部１０９を構成することができ、製造コストを有効に削減することが可能になる。

また、押し付け部材１３６は、円筒形状を有し、一端が第１プレート部材１１２に当接するとともに、他端がボルト１３４のねじ部１３８に螺合するナット部材１４２に当接している。そして、ナット部材１４２が所定の方向に螺回操作されると、押し付け部材１３６により、第１プレート部材１１２に対して積層方向の荷重を付与することができる。このため、簡単且つ経済的な構成で、第３締め付け部１０９を構成することが可能になる。

ところで、使用前のセパレータ２８を組み込んだ燃料電池スタック１２において、運転前に、先ず、燃料ガス供給部３２、６２に対して第１締め付け部１０４による荷重付与の後、挟持部３６間の電解質・電極接合体２６に第２締め付け部１０８による第２締め付け荷重を付与した場合、前記セパレータ２８の歪み等によって燃料ガス供給部３２、６２に所望の荷重を付与できないおそれがある。

そこで、第３締め付け部１０９を構成するナット部材１４２の螺回作用下に、押し付け部材１３６を介して燃料ガス供給部３２、６２に個別に第３締め付け荷重を付与している。従って、燃料ガス供給部３２、６２のガスシール性を良好に確保することが可能になる。

一方、運転後において、発電運転を行うことでセパレータ２８の形状が変形する（馴染む）ことにより、燃料ガス供給部３２、６２に加わる荷重も変化（減少）する。その際、第３締め付け部１０９を操作することにより、燃料ガス供給部３２、６２に対して所望の締め付け荷重を付与することができ、シール性の向上が容易に図られる。

なお、運転中の燃料電池スタック１２の荷重変動に対しては、第１締め付け部１０４及び第２締め付け部１０８のそれぞれのばね荷重によって、常時、最適な荷重を付与することが可能になる。

さらに、燃料電池モジュール１０は、図１に示すように、荷重付与機構１９は、燃料電池スタック１２のエンドプレート８４ｂ側に配置されるとともに、熱交換器１４、蒸発器１５及び改質器１６を含む流体部１８は、前記燃料電池スタック１２のエンドプレート８４ａ側に配置されている。これにより、流体部１８及び荷重付与機構１９は、燃料電池スタック１２に対する配置が区別されるため、前記荷重付与機構１９を高温雰囲気から分離させることができ、耐久性の向上が図られる。

さらにまた、セパレータ２８は、挟持部３６と、前記挟持部３６に連結される第１及び第２橋架部３４、６４と、前記第１及び第２橋架部３４、６４に連結され、燃料ガス供給連通孔３０が積層方向に形成される燃料ガス供給部３２、６２とを備えている。このため、ガスシール部位は、燃料ガス供給部３２、６２に形成されている。従って、セパレータ２８は、燃料ガス供給部３２、６２の燃料ガス供給連通孔３０を流通する燃料ガスに対し、確実なシールが遂行可能になる。

１０…燃料電池モジュール １２…燃料電池スタック
１２ａ…燃料電池 １４…熱交換器
１５…蒸発器 １６…改質器
１７…筐体 １８…流体部
１９…荷重付与機構 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…セパレータ
３０…燃料ガス供給連通孔 ３２、６２…燃料ガス供給部
３４、６４…橋架部 ３６…挟持部
３８…燃料ガス供給孔 ４０…燃料ガス流路
４２…燃料ガス排出通路 ６０…通路部材
６６…燃料ガス供給通路 ６８…酸化剤ガス供給連通孔
７４…整流部材 ８４ａ、８４ｂ…エンドプレート
８４ｃ…固定リング ８５…隔壁
８８、１１０、１３４、１４６…ボルト １０２…固定プレート部材
１０４、１０８、１０９…締め付け部 １１２…プレート部材
１１４…支持プレート １１６、１２２…ばね部材
１１８、１４８…押圧部材 １３６…押し付け部材
１６０ａ、１６０ｂ…筐体部

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設け、複数の前記燃料電池が積層されるとともに、前記燃料電池の積層方向両端に第１エンドプレートと第２エンドプレートとが配設される燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに積層方向に荷重を付与するための荷重付与機構と、
   を備える燃料電池モジュールであって、
   前記荷重付与機構は、前記燃料電池スタックのガスシール部位に対して前記積層方向に第１締め付け荷重を付与する第１締め付け部と、
   前記電解質・電極接合体に対し、前記積層方向に前記第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、
   前記第１締め付け部に設けられ、前記ガスシール部位に対して前記積層方向に該第１締め付け部とは個別に第３締め付け荷重を付与する第３締め付け部と、
   を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 請求項１記載の燃料電モジュールにおいて、前記荷重付与機構は、前記燃料電池スタックの前記第１エンドプレート側に配置されるとともに、
   前記第１締め付け部及び第３締め付け部は、前記第２エンドプレートを介して前記積層方向の荷重を保持することを特徴とする燃料電池モジュール。
3. 請求項２記載の燃料電池モジュールにおいて、前記第１締め付け部は、前記第２エンドプレートに螺合し、前記燃料電池スタックを貫通して前記第１エンドプレート側に延在する第１ボルトと、
   前記第１ボルトに係合する第１プレート部材と、
   前記第１プレート部材と支持プレートとの間に介装され、前記ガスシール部に対して前記積層方向の荷重を付与する第１ばね部材と、
   を備えるとともに、
   前記第２締め付け部は、前記第２エンドプレートに螺合する第２ボルトと、
   前記第２ボルトに係合する第２プレート部材と、
   前記第２プレート部材と前記燃料電池スタックとの間に介装され、前記電解質・電極接合体に対し前記積層方向に荷重を付与する第２ばね部材と、
   を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
4. 請求項３記載の燃料電池モジュールにおいて、前記第３締め付け部は、前記第２エンドプレートに螺合する第３ボルトと、
   前記第３ボルトに外装されるとともに、前記第１プレート部材と前記第２プレート部材との間に介装され、前記第１プレート部材に対して前記積層方向に荷重を付与する押し付け部材と、
   を備えることを特徴とする燃料電池モジュール。
5. 請求項４記載の燃料電池モジュールにおいて、前記押し付け部材は、円筒形状を有し、一端が前記第１プレート部材に当接するとともに、他端が前記第３ボルトに螺合するナット部材に当接し、
   前記ナット部材の螺回作用下に、前記押し付け部材により前記第１プレート部材に対して前記積層方向の荷重を付与することを特徴とする燃料電池モジュール。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器及び燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器を備える流体部と、
   前記流体部、前記燃料電池スタック及び前記荷重付与機構が収納される筐体と、
   を備え、
   前記荷重付与機構は、前記燃料電池スタックの前記第１エンドプレート側に配置されるとともに、
   前記流体部は、前記燃料電池スタックの前記第２エンドプレート側に配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。
7. 請求項１記載の燃料電池モジュールにおいて、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、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燃料ガス通路及び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酸化剤ガス通路が個別に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通路に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス通路に供給するための反応ガス供給通路が形成される橋架部と、
   前記橋架部に連結され、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記反応ガス供給通路に供給するための反応ガス供給連通孔が前記積層方向に形成される反応ガス供給部と、
   を備え、
   前記ガスシール部位は、前記反応ガス供給部に形成されることを特徴とする燃料電池モジュール。

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