JP2010251015A - 燃料電池モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータに配置される１以上の電解質・電極接合体に対して積層方向に均一な荷重を付与することができ、前記電解質・電極接合体の損傷を良好に抑制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とを備える。燃料電池スタック１２と第２締め付け部１０８との間には、積層方向の荷重を緩和するための緩衝部材１４０が配設される。
【選択図】図３

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は、図１１に示されているように、セパレータ１を備えている。このセパレータ１は、複数の発電セル２ａ〜２ｄと、各集電体が積層される中央部分のセパレータ本体１ａと、このセパレータ本体１ａより面方向に延在し、該セパレータ本体１ａの対角縁部２ヶ所で支持するセパレータアーム１ｂ、１ｃと、により構成されている。

セパレータ１は、その内部に酸化剤ガス通路３と、燃料ガス通路４とを有するとともに、セパレータアーム１ｂに酸化剤ガス孔５が設けられ、セパレータアーム１ｃに燃料ガス孔６が設けられている。酸化剤ガス孔５は、酸化剤ガス通路３に連通する一方、燃料ガス孔６は、燃料ガス通路４に連通し、各発電セル２ａ〜２ｄの各電極面にそれぞれ中央部分に向かって酸化剤ガス及び燃料ガスを突出するように構成されている。

従って、セパレータ１では、酸化剤ガス孔５及び燃料ガス孔６に作用するシール荷重と、各発電セル２ａ〜２ｄに作用する積層荷重とを、互いに分離させる工夫がなされている。

特開２００８−２０４９４６号公報

上記の特許文献１では、セパレータ１の一平面上（セパレータ本体１ａの面上）に、複数の発電セル２ａ〜２ｄが配置されている。このため、セパレータ１が積層されたスタックでは、前記セパレータ１や発電セル２ａ〜２ｄの寸法公差によって、積層方向の高さが変動してしまう。これにより、スタックに積層方向の荷重を付与する際、複数の発電セル２ａ〜２ｄの中、最も高さが高くなる発電セルに対して荷重が集中して均一な荷重を付与することができず、しかも荷重が集中した発電セルが破損するおそれがある。

さらに、スタックに付与される積層方向の荷重は、セパレータ１あるいは発電セル２ａ〜２ｄに優先して付与されてしまい、スタックの締め付け荷重が均等に維持されず、集電性が低下するという問題がある。

その他、セパレータ１及び発電セル２ａ〜２ｄ間の熱膨張差によって径方向に異なる応力が発生し、内部歪みが惹起する。これにより、発電セルが損傷するという懸念もある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、セパレータに配置される１以上の電解質・電極接合体に対して積層方向に均一な荷重を付与することができ、前記電解質・電極接合体の損傷を良好に抑制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締め付け部とを備えている。そして、燃料電池スタックと第２締め付け部との間には、積層方向の荷重を緩和するための緩衝部材が配設されている。

また、この燃料電池モジュールは、燃料電池スタック及び荷重付与機構が収納される筐体を備え、前記筐体は、互いに固定される第１ケーシング及び第２ケーシングを設け、前記第１ケーシングには、前記荷重付与機構が配設されるとともに、前記第２ケーシングには、前記燃料電池スタックが配設されることが好ましい。このため、筐体内は、機能別に分割されるとともに、収納スペースが効率化される。

さらに、この燃料電池モジュールは、第１ケーシング及び第２ケーシングの間には、前記第２ケーシング内から前記第１ケーシング内に排ガスが導入されることを阻止するガス遮蔽部が設けられることが好ましい。従って、排ガスが分離されることにより、荷重付与機構に前記排ガスが進入することがなく、前記荷重付与機構の耐久性が向上する。

さらにまた、緩衝部材は、燃料電池スタックとガス遮蔽部との間に介装されることが好ましい。これにより、各電解質・電極接合体の高さが異なっていても、緩衝部材により積層方向の高さを同等に調整することができ、前記電解質・電極接合体に対する積層方向の荷重を良好に緩和して該電解質・電極接合体の損傷を抑制することが可能になる。

また、緩衝部材は、耐熱性のフェルト材又はメッシュ材で構成されることが好ましい。このため、簡単な構成で、緩衝機能と耐熱機能とを有することができ、長期間にわたって良好に機能することが可能になる。

さらに、緩衝部材と燃料電池スタックとの間には、導電性プレートが介装されるとともに、前記導電性プレートは、前記緩衝部材を跨いで前記燃料電池スタックとガス遮蔽部とを接続する突起部を設けることが好ましい。従って、絶縁性の緩衝部材を使用することができ、汎用性が向上する。

さらにまた、突起部は、蛇腹形状に構成されることが好ましい。これにより、突起部は、緩衝部材の厚さ変動にも良好に追従し、所望の導電機能を確実に維持することが可能になる。

また、第１ケーシング及び第２ケーシングは、導電性を有するとともに、前記第１ケーシングは、燃料電池スタックの一方の極と電気的に接続するために、導電性を有するガス遮蔽部と電気的に接続され、前記第２ケーシングは、前記燃料電池スタックの他方の極と電気的に接続するために、導電性エンドプレートと電気的に接続されることが好ましい。このため、燃料電池の電流を有効に取り出すことができるとともに、ケーシングの任意の部位に端子を設置することが可能になり、前記端子の設置自由度が有効に向上する。

さらに、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、第２締め付け部は、前記挟持部に荷重を付与することが好ましい。

従って、セパレータの反応ガス供給部に流通する反応ガスを、第１締め付け部を介して確実にシールするとともに、第２締め付け部を介して挟持部に配置された電解質・電極接合体に均一に荷重を付与することができる。

さらにまた、セパレータは、酸化剤ガス又は燃料ガスを積層方向に流通させるとともに、前記酸化剤ガスを酸化剤ガス通路に又は前記燃料ガスを燃料ガス通路に供給する他の反応ガス供給部を備え、隣り合う挟持部間には、前記他の反応ガス供給部から電解質・電極接合体の面方向に沿って前記酸化剤ガス通路を流通する前記酸化剤ガスを、又は前記燃料ガス通路を流通する前記燃料ガスを、整流するための整流部材が配置されることが好ましい。

これにより、整流部材、ケーシング及び電解質・電極接合体間の高さの相違に基づく荷重の影響を回避することができ、各部位に対する良好な荷重付与が遂行可能になる。

また、整流部材は、挟持部材の周縁部の一部及びセパレータの外接円の一部に沿って配置されることが好ましい。このため、整流部材に対して所望の荷重を確実に付与することができる。

本発明によれば、燃料電池スタックと第２締め付け部との間に、緩衝部材が配設されるため、例えば、複数の電解質・電極接合体の高さが種々異なっていても、前記緩衝部材により積層方向の高さを同等に調整することが可能になる。これにより、電解質・電極接合体に対する積層方向の荷重を良好に緩和することができ、前記電解質・電極接合体の損傷を抑制することが可能になる。

本発明の第１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。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 前記燃料電池モジュールの要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池モジュールの、図７中、ＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュールの要部分解斜視説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池モジュールの要部分解斜視説明図である。 特許文献１の燃料電池を構成するセパレータの説明図である。

図１に示すように、本発明の第１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、前記改質器１６及び後述する荷重付与機構１９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及び図５参照）。

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６参照）。

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６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。図４に示すように、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８４ａが配置される。燃料電池１２ａの積層方向他端には、ターミナルプレート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、８４ｂは、導電性を有する。

ターミナルプレート８５は、後述するように、高温の排ガスが荷重付与機構１９側に導入されることを阻止するガス遮蔽部としての機能をも有する一方、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、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２締め付け部１０８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、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スタック１２の中央部（燃料ガス供給部３２、６２の中央部）に配置される押圧部材１１６を備え、この押圧部材１１６は、４つの第２エンドプレート８４ｂの配列中心近傍に位置して前記燃料電池スタック１２を押圧する。押圧部材１１６には、第１受け部材１１８ａ及び第２受け部材１１８ｂを介して第１スプリング１２０が配置される。第２受け部材１１８ｂには、第１押圧ボルト１２２の先端が当接する。第１押圧ボルト１２２は、固定プレート部材１０２に形成された第１ねじ孔１２４に螺合するとともに、第１ナット１２６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、第２エンドプレート８４ｂ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１２８ａを備える。第３受け部材１２８ａは、ピン１３０を介して第２エンドプレート８４ｂに位置決め支持される。第３受け部材１２８ａに第２スプリング１３２の一端が当接する一方、前記第２スプリング１３２の他端が第４受け部材１２８ｂに当接する。第４受け部材１２８ｂには、第２押圧ボルト１３４の先端が当接する。第２押圧ボルト１３４は、固定プレート部材１０２に形成された第２ねじ孔１３６に螺合するとともに、第２ナット１３８を介して位置調整可能に固定される。

第１の実施形態では、燃料電池スタック１２を構成する燃料電池１２ａと、第２締め付け部１０８との間に、積層方向の荷重を緩和するための緩衝部材１４０が配設される。

図７に示すように、緩衝部材１４０は、ターミナルプレート８５に積層されるとともに、この緩衝部材１４０は、例えば、セラミックス製フェルト又はセラミック製メッシュで構成される。緩衝部材１４０は、略リング状を有し、この緩衝部材１４０と燃料電池スタック１２との間には、導電性プレート１４２が介装される。

導電性プレート１４２は、燃料電池１２ａを構成するセパレータ２８に配置される各電解質・電極接合体２６に対応して４つ配置される。導電性プレート１４２は、薄板状の略円板形状を有し、その外周部には、緩衝部材１４０を跨いで、燃料電池スタック１２とターミナルプレート８５とを接続する複数の突起部１４４ａ、１４４ｂ及び１４４ｃを設ける。

突起部１４４ａ〜１４４ｃは、蛇腹形状に構成されるとともに、それぞれの幅寸法が設定される。最大幅寸法を有する突起部１４４ａは、図８に示すように、緩衝部材１４０の外周部を跨いでターミナルプレート８５に電気的に接続される。中間寸法の突起部１４４ｂ及び最小幅寸法の突起部１４４ｃは、緩衝部材１４０の中央部側に形成される開口部１４０ａを通って、ターミナルプレート８５に電気的に接続される。

図１に示すように、筐体１７は、荷重付与機構１９を収容する導電性の第１筐体部（第１ケーシング）１６０ａと、燃料電池スタック１２を収容する導電性の第２筐体部（第２ケーシング）１６０ｂとを備える。第１及び第２筐体部１６０ａ、１６０ｂ間は、ターミナルプレート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。

ねじ１６２及びナット１６４は、複数の絶縁部材１６５を介して第１及び第２筐体部１６０ａ、１６０ｂから電気的に絶縁されるとともに、前記第１筐体部１６０ａと前記第２筐体部１６０ｂとは、前記絶縁部材１６５を介して電気的に絶縁される。

第１筐体部１６０ａは、ターミナルプレート８５に電気的に接続されており、前記第１筐体部１６０ａの任意の位置には、燃料電池スタック１２の一方の極に電気的に接続される第１電流取り出し端子１６６ａが設けられる。第２筐体部１６０ｂには、燃料電池スタック１２の他方の極に電気的に接続される第２電流取り出し端子１６６ｂが任意の位置に設けられる。

第２筐体部１６０ｂには、リング状壁板１６７の一端部が接合されるとともに、前記壁板１６７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に供給される。この空気は、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６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２参照）。

この場合、第１の実施形態では、図７及び図８に示すように、燃料電池スタック１２と第２締め付け部１０８との間に、緩衝部材１４０が配設されている。この緩衝部材１４０は、セラミックス製フェルト又はセラミックス製メッシュで構成されており、各セパレータ２８の挟持部３６に配置される一平面上、４枚の電解質・電極接合体２６に対応する形状を有している。

このため、複数の電解質・電極接合体２６の積層方向の高さが種々異なっていても、緩衝部材１４０の潰れ量（厚さ方向の寸法変化）により、前記電解質・電極接合体２６の高さを同等に調整することが可能になる。これにより、電解質・電極接合体２６に対する積層方向の荷重を良好に緩和することができ、前記電解質・電極接合体２６の損傷を抑制することが可能になるという効果が得られる。

しかも、緩衝部材１４０は、フェルト材又はメッシュ材で構成されるため、電解質・電極接合体２６の径方向の変形量の差を吸収することができる。従って、電解質・電極接合体２６の損傷を可及的に阻止することが可能になる。

また、燃料電池モジュール１０は、燃料電池スタック１２及び荷重付与機構１９が収容される筐体１７を備えている。この筐体１７は、互いに電気的に絶縁状態で固定される第１筐体部１６０ａ及び第２筐体部１６０ｂを設け、前記第１筐体部１６０ａには、荷重付与機構１９が配設されるとともに、前記第２筐体部１６０ｂには、燃料電池スタック１２が配設されている。このため、筐体１７内は、機能別に分割されるとともに、収納スペースが効率化されて容易にコンパクト化が図られる。

さらに、燃料電池モジュール１０は、第１筐体部１６０ａ及び第２筐体部１６０ｂの間に、前記第２筐体部１６０ｂ内から前記第１筐体部１６０ａ内に排ガス等が導入されることを阻止するガス遮蔽部としてのターミナルプレート８５が設けられている。従って、排ガスが分離されることにより、荷重付与機構１９に高温の前記排ガスが侵入することがなく、前記荷重付与機構１９の耐久性が容易に向上する。

さらにまた、緩衝部材１４０は、燃料電池スタック１２とターミナルプレート８５との間に介装されている（図７及び図８参照）。これにより、各電解質・電極接合体２６の高さが異なっていても、緩衝部材１４０自体の変形により積層方向の高さを同等に調整することができる。このため、電解質・電極接合体２６に対する積層方向の荷重を良好に緩和し、前記電解質・電極接合体２６の損傷を抑制することが可能になる。

その他、燃料電池スタック１２の積層方向他端に配置された燃料電池１２ａとターミナルプレート８５との間に生じる熱膨張差によって、前記燃料電池スタック１２の径方向に異なる応力が発生し、内部歪みが惹起したとしても、緩衝部材１４０が該燃料電池１２ａ及び前記ターミナルプレート８５で発生した応力や内部歪みを吸収することによって、応力を緩和することができる。このため、電解質・電極接合体２６に対する径方向の荷重を良好に緩和し、前記電解質・電極接合体２６の損傷を抑制することが可能になる。

また、緩衝部材１４０は、セラミックス製の耐熱性のフェルト材又はメッシュ材で構成されている。従って、簡単な構成で、緩衝部材１４０は、緩衝機能と耐熱機能とを有することができ、長期間にわたって良好に機能することが可能になる。

さらに、緩衝部材１４０と燃料電池スタック１２との間には、各電解質・電極接合体２６の積層位置に対応して４つの導電性プレート１４２が介装されている。各導電性プレート１４２には、緩衝部材１４０の外周及び内周を跨いで、燃料電池スタック１２とターミナルプレート８５とを電気的に接続するための突起部１４４ａ〜１４４ｃが設けられている。

これにより、緩衝部材１４０として、セラミックス製の材料を用いることができ、汎用性が向上する。その際、突起部１４４ａ〜１４４ｃは、蛇腹形状に構成されている。このため、突起部１４４ａ〜１４４ｃは、緩衝部材１４０の厚さ変動や燃料電池スタック１２の径方向の動きにも良好に追従し、所望の導電機能を確実に維持することが可能になる。

さらにまた、第１筐体部１６０ａ、第２筐体部１６０ｂは、導電性を有するとともに、前記第１筐体部１６０ａは、燃料電池スタック１２の一方の極と電気的に接続するために、ターミナルプレート８５と電気的に接続されている。第２筐体部１６０ｂは、燃料電池スタック１２の他方の極と電気的に接続するために、導電性のエンドプレート８４ａと電気的に接続されている。

従って、燃料電池１２ａの電流を有効に取り出すことができるとともに、第１筐体部１６０ａ及び第２筐体部１６０ｂの任意の部位に、第１電流取り出し端子１６６ａ及び第２電流取り出し端子１６６ｂを設置することが可能になる。これにより、端子の設置自由度が有効に向上する。

また、セパレータ２８は、挟持部３６と第１及び第２橋架部３４、６４と、燃料ガス供給連通孔３０が形成される燃料ガス供給部３２、６２とを備え、第２締め付け部１０８は、前記挟持部３６に荷重を付与している。このため、セパレータ２８の燃料ガス供給部３２、６２に流通する燃料ガスを、第１締め付け部１０４を介して確実にシールするとともに、第２締め付け部１０８を介して挟持部３６に配置された電解質・電極接合体２６に均一に荷重を付与することができる。

さらに、セパレータ２８は、挟持部３６の周縁部の一部及びセパレータ２８の該周縁部の一部に沿って整流部材７４を配置している。そして、整流部材７４は、電解質・電極接合体２６の間に位置して緩衝部材１４０に支持されている。従って、整流部材７４、筐体１７及び電解質・電極接合体２６間の高さの相違に基づく荷重の影響を、緩衝部材１４０自体の変形によって有効に回避することができ、各部位に対する良好な荷重付与が遂行可能になる。

図９は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュール１８０の要部分解斜視説明図である。

なお、第１の実施形態に係る燃料電池モジュール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。

燃料電池モジュール１８０では、燃料電池スタック１２と第２締め付け部１０８との間に、緩衝部材１４０が配設されるとともに、前記緩衝部材１４０を跨いで、燃料電池スタック１２とターミナルプレート８５とを電気的に接続するための導電性プレート１８２が設けられる。

導電性プレート１８２は、リング部１８４を備え、前記リング部１８４の内周には、各電解質・電極接合体２６の配置に対応して４つの円板部１８６が一体的に設けられる。リング部１８４及び各円板部１８６には、緩衝部材１４０を跨いで、燃料電池スタック１２とターミナルプレート８５とを電気的に接続するための蛇腹形状を有する複数の突起部１８８が形成される。

これにより、第２の実施形態では、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モジュール１９０の要部分解斜視説明図である。

燃料電池モジュール１９０では、燃料電池スタック１２とターミナルプレート８５との間に緩衝部材１９２が介装される。この緩衝部材１９２は、金属製フェルト材又は金属製メッシュ材で構成されている。

このため、第３の実施形態では、緩衝部材１９２自体が導電性を有しており、導電性プレート（第１の実施形態では、導電性プレート１４２、第２の実施形態では、導電性プレート１８２）が不要になる。これにより、第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる他、部品数が削減されて、構成が一層簡素化されるという利点がある。

１０、１８０、１９０…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
４８、５２、１４４ａ〜１４４ｃ、１８８…突起部
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…ターミナルプレート ８８…ボルト
１０２…固定プレート部材 １０４、１０８…締め付け部
１２０、１３２…スプリング １４０、１９２…緩衝部材
１４２、１８２…導電性プレート １６０ａ、１６０ｂ…筐体部
１６６ａ、１６６ｂ…電流取り出し端子 １８４…リング部
１８６…円板部

Claims (11)

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、
   を備え、
   前記燃料電池スタックと前記第２締め付け部との間には、前記積層方向の荷重を緩和するための緩衝部材が配設されることを特徴とする燃料電池モジュール。
2. 請求項１記載の燃料電池モジュールにおいて、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を備え、
   前記筐体は、互いに固定される第１ケーシング及び第２ケーシングを設け、
   前記第１ケーシングには、前記荷重付与機構が配設されるとともに、
   前記第２ケーシングには、前記燃料電池スタックが配設され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ケーシング及び前記第２ケーシングの間には、前記第２ケーシング内から前記第１ケーシング内に排ガスが導入されることを阻止するガス遮蔽部が設けられ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、前記緩衝部材は、前記燃料電池スタックと前記ガス遮蔽部との間に介装され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、前記緩衝部材は、耐熱性のフェルト材又はメッシュ材で構成されることを特徴とする燃料電池モジュール。
6. 請求項５記載の燃料電池モジュールにおいて、前記緩衝部材と前記燃料電池スタックとの間には、導電性プレートが介装されるとともに、
   前記導電性プレートは、前記緩衝部材を跨いで前記燃料電池スタックと前記ガス遮蔽部とを接続する突起部を設けることを特徴とする燃料電池モジュール。
7. 請求項６記載の燃料電池モジュールにおいて、前記突起部は、蛇腹形状に構成されることを特徴とする燃料電池モジュール。
8. 請求項２〜７のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記第１ケーシング及び前記第２ケーシングは、導電性を有するとともに、
   前記第１ケーシングは、前記燃料電池スタックの一方の極と電気的に接続するために、導電性を有する前記ガス遮蔽部と電気的に接続され、
   前記第２ケーシングは、前記燃料電池スタックの他方の極と電気的に接続するために、導電性エンドプレートと電気的に接続されることを特徴とする燃料電池モジュール。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に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、
   前記第２締め付け部は、前記挟持部に荷重を付与することを特徴とする燃料電池モジュール。
10. 請求項９記載の燃料電池モジュールにおいて、前記セパレータは、前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスを前記積層方向に流通させるとともに、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス通路に又は前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給する他の反応ガス供給部を備え、
    隣り合う前記挟持部間には、前記他の反応ガス供給部から前記電解質・電極接合体の面方向に沿って前記酸化剤ガス通路を流通する前記酸化剤ガスを、又は前記燃料ガス通路を流通する前記燃料ガスを、整流するための整流部材が配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。
11. 請求項１０記載の燃料電池モジュールにおいて、前記整流部材は、前記挟持部材の周縁部の一部及び前記セパレータの外接円の一部に沿って配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。

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