JP2012133892A - 固体酸化物型燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が可能な固体酸化物型燃料電池スタック１を提供する。
【解決手段】第１金属部材６０ａ、第１ガスケット２０、セル１５、第２ガスケット３０および第２金属部材６０ｂを積層した単位燃料電池１０を、積層方向に挟持して締結するボルト４と、その単位燃料電池１０を積層方向に貫通し、ボルト４が内周面から離間した状態で挿通される第１貫通孔１２、第２貫通孔、第３貫通孔１７および第４貫通孔と、第１貫通孔１２を含んで形成される燃料ガス供給路、第２貫通孔を含んで形成される酸化剤ガス供給路、第３貫通孔１７を含んで形成される燃料排ガス排出路、および第４貫通孔を含んで形成される酸化剤排ガス排出路と、を有する構成とした。
【選択図】図５

Description

本発明は、固体酸化物型燃料電池スタックに関するものである。

従来から、燃料電池の電解質にセラミックス系の平板型固体電解質膜を用い、この電解質膜をアノードとカソードとで両側から挟んでセルを形成した固体酸化物型燃料電池（以下、ＳＯＦＣという）が知られている。このＳＯＦＣは、ダイレクト・メタノール型燃料電池等の固体高分子型燃料電池に比べ発電効率が高く、また燃料ガスとして水素ガス以外に一酸化炭素やメタン等、炭化水素系燃料全般をそのまま利用できる。さらに、作動温度が高いため、反応にＰｔ（白金）のように高価な触媒を利用せずに済む、等のメリットがある。

上述したＳＯＦＣのセルは、中央部に反応部を備え、周縁部に周辺シール部を備えている。また、隣接するセル間に中間部材を挟んだ状態で積層されることで、燃料電池スタックを構成している。中間部材として、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路が形成されたインターコネクタと、インターコネクタと周辺シール部との間をシールするガスケットとを備えている。燃料ガス流路には、燃料ガスを流通させるとともに、アノードおよびインターコネクタの両方と接触する金属メッシュが配置されている。酸化剤ガス流路にも同様に、金属メッシュが配置されている。これにより、セルで発電した電気をインターコネクタから取り出せるようになっている。

燃料電池スタックの構成部材は、積層された状態でボルトを使用して固定される。しかしながら、金属ボルトを使用すると、複数のインターコネクタが相互に短絡してしまう。またセラミックボルトを使用すると、短絡の心配はないが、金属ボルトに比べて耐衝撃性が弱く信頼性に欠ける。
そこで特許文献１には、導電性を有し、少なくとも一つの貫通孔が形成された多孔質基板と、基板上に形成された燃料極と、燃料極を覆い、さらに基板の貫通孔の内壁面を覆うように形成された電解質と、電解質上に形成され、電解質上における貫通孔の形成されていない領域に配置された空気極と、を備えた固体酸化物形燃料電池が開示されている。貫通孔の内壁面が絶縁性の電解質によって覆われているため、ボルトなどの固定部材が導電性を有していても、各燃料電池の一方の電極同士が各基板から固定部材を介して短絡してしまうといったことを防止することができるとされている。

特開２００８−２５１２４１号公報

しかしながら、特許文献１技術のように貫通孔の内壁面を覆う電解質を形成するのは困難である。しかも、貫通孔内での電解質の強度を保つためには電解質の厚さを確保する必要があり、セルの外形が大型化することになる。また、電解質とは別の絶縁材を貫通孔に挿入する場合でも、絶縁材の厚さを確保するためセルの大型化は避けられず、またセルの構造および製造工程が複雑になる。なお特許文献１には明記されていないが、固定部材の挿通孔とは別に反応ガスの供給・排出路を設ける必要があるので、やはりセルの外形が大型化することになる。
そこで本発明は、小型化が可能な固体酸化物型燃料電池スタックの提供を課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の固体酸化物型燃料電池スタックは、燃料ガスが供給されるアノード（例えば、実施形態におけるアノードＡｎ）および酸化剤ガスが供給されるカソード（例えば、実施形態におけるカソードＣａ）を有する反応部（例えば、実施形態における反応部１４）を備えた固体酸化物型燃料電池スタック（例えば、実施形態における燃料電池スタック１）において、前記反応部の周囲に配置された周辺シール部（例えば、実施形態における周辺シール部１６）と、前記アノードに接続される第１の集電材（例えば、実施形態におけるメッシュ４０および第１金属部材６０ａ）と、前記カソードに接続される第２の集電材（例えば、実施形態におけるメッシュ５０および第２金属部材６０ｂ）と、前記周辺シール部と前記第１の集電材との間をシールするとともに、前記アノードに前記燃料ガスを供給する燃料ガス流路（例えば、実施形態における燃料ガス流路２４）を形成する第１のガスケット（例えば、実施形態における第１ガスケット２０）と、前記周辺シール部と前記第２の集電材との間をシールするとともに、前記カソードに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路（例えば、実施形態における酸化剤ガス流路３４）を形成する第２のガスケット（例えば、実施形態における第２ガスケット３０）と、前記第１の集電材、前記第１のガスケット、前記周辺シール部、前記第２のガスケットおよび前記第２の集電材を積層した単位燃料電池（例えば、実施形態における単位燃料電池１０）を、積層方向に挟持して締結する締結部材（例えば、実施形態におけるボルト４）と、前記単位燃料電池を積層方向に貫通し、内周面から離間した状態で前記締結部材が挿通される複数の貫通孔と、前記複数の貫通孔のうち第１の前記貫通孔（例えば、実施形態における第１貫通孔１２）と前記燃料ガス流路とを接続するため、前記第１のガスケットに形成された第１の接続部（例えば、実施形態における第１接続部２２）と、前記複数の貫通孔のうち第２の前記貫通孔（例えば、実施形態における第２貫通孔１３）と前記酸化剤ガス流路とを接続するため、前記第２のガスケットに形成された第２の接続部（例えば、実施形態における第２接続部３３）と、前記第１の貫通孔と前記第１の接続部とで形成され、前記燃料ガス流路に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、前記第２の貫通孔と前記第２の接続部とで形成され、前記酸化剤ガス流路に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、を備えたことを特徴とする。

また、前記複数の貫通孔のうち第３の前記貫通孔（例えば、実施形態における第３貫通孔１７）と前記燃料ガス流路とを接続するため、前記第１のガスケットに形成された第３の接続部（例えば、実施形態における第３接続部２７）と、前記複数の貫通孔のうち第４の前記貫通孔（例えば、実施形態における第１貫通孔１２）と前記酸化剤ガス流路とを接続するため、前記第２のガスケットに形成された第４の接続部（例えば、実施形態における第４接続部３８）と、前記第３の貫通孔と前記第３の接続部とで形成され、前記燃料ガス流路から燃料排ガスを排出する燃料排ガス排出路と、前記第４の貫通孔と前記第４の接続部とで形成され、前記酸化剤ガス流路から酸化剤排ガスを排出する酸化剤排ガス排出路と、を備えたことを特徴とする。

これらの構成によれば、各貫通孔の内周面から離間した状態で締結部材が挿通されるので、締結部材によって第１集電材および第２集電材が短絡するのを防止できる。その際、各貫通孔と締結部材との間に絶縁材を配置する必要がないので、燃料電池スタックを小型化することができる。しかも、反応ガスの供給・排出路として機能する各貫通孔の内部に締結部材が挿通されるので、締結部材の挿通孔とは別に各貫通孔を設ける必要がなく、燃料電池スタックを極めて小型化することができる。

また、前記燃料ガス流路における前記燃料ガスの流れ方向と、前記酸化剤ガス流路における前記酸化剤ガスの流れ方向とが、交差していることが望ましい。
この構成によれば、燃料ガス供給路、酸化剤ガス供給路、燃料排ガス排出路および酸化剤排ガス排出路のレイアウトが簡単かつコンパクトになり、燃料電池スタックを小型化することができる。

また、前記締結部材は金属製であってもよい。
この場合でも、締結部材によって各集電材が短絡するのを防止できる。

また、前記積層方向の端部における前記貫通孔の開口部を覆うように耐熱性およびシール性を有する金属材料からなるシールワッシャ（例えば、実施形態におけるシールワッシャ５）が配置され、前記締結部材により前記シールワッシャが前記第１の集電材または前記第２の集電材に押し付けられて前記開口部がシールされていることが望ましい。
この構成によれば、貫通孔の内周面から離間した状態で締結部材を挿通した場合でも、積層方向の端部における貫通孔の開口部をシールすることができる。また、積層方向の端部に配置された第２の集電材と締結部材との電気絶縁性が確保されるので、締結部材によって各集電材が短絡するのを防止できる。

また、前記第１の集電材と前記第２の集電材との間で位置決めをする複数の爪部（例えば、実施形態における爪部６１，６２，６６，６７）を、前記第１の集電材と前記第２の集電材との間に設けることが望ましい。
この構成によれば、第１の集電材と第２の集電材との間が位置決めされるので、各集電材に形成された貫通孔の内周面と締結部材との接触を防止できる。したがって、締結部材によって各集電材が短絡するのを防止できる。

本発明によれば、各貫通孔の内周面から離間した状態で締結部材が挿通されるので、締結部材によって第１集電材および第２集電材が短絡するのを防止できる。その際、各貫通孔と締結部材との間に絶縁材を配置する必要がないので、燃料電池スタックを小型化することができる。しかも、反応ガスの供給・排出路として機能する各貫通孔の内部に締結部材が挿通されるので、締結部材の挿通孔とは別に各貫通孔を設ける必要がなく、燃料電池スタックを極めて小型化することができる。

実施形態に係る燃料電池スタックの分解斜視図である。 単位燃料電池の分解斜視図である。 （ａ）は第１ガスケットの平面図であり、（ｂ）は第２ガスケットの平面図である。 メッシュの斜視図である。 図１のＡ−Ａ線における側面断面図である。 単位燃料電池の接続方式の説明図であり、図２のＢ−Ｂ線における側面断面図である。（ａ）は直列接続の場合であり、（ｂ）は並列接続の場合である。 実施形態の変形例に係る燃料電池スタックの斜視図である。

以下、本発明の実施形態に係る固体酸化物型燃料電池スタック（以下、単に「燃料電池スタック」という。）につき図面を参照して説明する。
図１は燃料電池スタックの分解斜視図であり、図２は単位燃料電池の分解斜視図である。図１に示すように、燃料電池スタック１は、平面視矩形状の単位燃料電池１０を積層して形成されている。各図では、平面視矩形状の単位燃料電池１０の角部を挟む二辺の延在方向をＸＹ方向とし、単位燃料電池１０の積層方向をＺ方向として説明する。また各図では、各部材の構造をわかりやすくするため、各部材の（特に厚さ方向の）寸法を現実のものから適宜変更して描いている。

（単位燃料電池）
図２に示すように、単位燃料電池１０は、アノードＡｎおよびカソードＣａを有する反応部１４と、反応部１４の周囲に配置された周辺シール部１６と、メッシュ４０を介してアノードＡｎに接続される第１金属部材６０ａと、メッシュ５０を介してカソードＣａに接続される第２金属部材６０ｂと、周辺シール部１６と第１金属部材６０ａとの間に配置された第１ガスケット２０と、周辺シール部１６と第２金属部材６０ｂとの間に配置された第２ガスケット３０と、を備えている。

反応部１４および周辺シール部１６は、矩形状のセル（膜電極構造体）１５に一体的に形成されている。反応部１４はセル１５の中央部に形成され、周辺シール部１６はセル１５の周辺部に形成されている。セル１５は、セラミックス系の平板型固体電解質膜（以下、単に「電解質膜」という。）を、アノードＡｎおよびカソードＣａで両側から挟み込んで形成されたものである。電解質膜は、例えばＹＳＺ（Ｙｔｔｒｉａ Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ｚｉｒｃｏｎｉａ）等の材料で構成されている。アノードＡｎは例えばニッケルとＹＳＺとの焼結体で構成され、カソードＣａは例えばランタン、ストロンチウム、マンガンの焼結体で構成されている。周辺シール部１６の四隅には、円形の第１貫通孔１２、第２貫通孔１３、第３貫通孔１７および第４貫通孔（不図示）が形成されている。

図３（ａ）は第１ガスケットの平面図である。第１ガスケット２０は、マイカ等の電気絶縁性およびシール性を有する材料により、矩形状に形成されている。第１ガスケット２０の中央部には、第１ガスケット２０を矩形状に開口させた燃料ガス流路２４が形成されている。燃料ガス流路２４の内部には矩形状のメッシュ４０が配置される。燃料ガス流路２４の四辺は、第１ガスケット２０の対角線と平行に配置されている。第１ガスケット２０の四隅には、円形の第１貫通孔１２、第２貫通孔１３、第３貫通孔１７および第４貫通孔１８が形成されている。第１ガスケット２０には、第１貫通孔１２と燃料ガス流路２４とを接続するように開口させた第１接続部２２が形成されている。第１接続部２２の幅は、第１貫通孔１２の幅から燃料ガス流路２４の幅まで徐々に広がっている。同様に第１ガスケット２０には、第３貫通孔１７と燃料ガス流路２４とを接続するように開口させた第３接続部２７が形成されている。

図３（ｂ）は第２ガスケット３０の平面図である。第２ガスケット３０は、第１ガスケット２０と同様に形成されている。第２ガスケット３０の中央部には、第２ガスケット３０を矩形状に開口させた酸化剤ガス流路３４が形成されている。酸化剤ガス流路３４の内部には矩形状のメッシュ５０が配置される。第２ガスケット３０には、第２貫通孔１３と酸化剤ガス流路３４とを接続するように開口させた第２接続部３３が形成されている。同様に第２ガスケット３０には、第４貫通孔１８と酸化剤ガス流路３４とを接続するように開口させた第４接続部３８が形成されている。
なお、第１ガスケット２０をＺ軸回りに９０°回転させれば、第２ガスケット３０として使用することができる。

図４はメッシュの斜視図である。メッシュ４０は、ステンレス等の金属平板をプレス成形することにより、矩形状に形成されている。メッシュ４０は、図４のＰ方向から見て矩形波状に形成され、その山部４１の稜線４９はＰ方向に沿って伸びている。矩形波の山部４１を構成する平板には複数の貫通孔４６が形成され、谷部４３を構成する平板には複数の貫通孔４７が形成され、山部４１と谷部４３との間の側壁部４２を構成する平板には複数の貫通孔４８が形成されている。

図２に戻り、メッシュ４０は、第１ガスケット２０の燃料ガス流路２４の内部に配置される。ここで、第１ガスケット２０の第１貫通孔１２と第３貫通孔１７とを結ぶ線と、メッシュ４０の稜線４９とが直交するように、メッシュ４０が配置されている。この場合、燃料ガスはメッシュ４０の側壁部に形成された貫通孔を通って流れる。

メッシュ５０は、メッシュ４０と同様に形成されている。メッシュ５０は、第２ガスケット３０の酸化剤ガス流路３４の内部に配置される。このとき、第２ガスケット３０の第２貫通孔１３と第４貫通孔１８とを結ぶ線と、メッシュ５０の稜線５９とが直交するように、メッシュ５０が配置されている。なお、メッシュ４０をＺ軸回りに９０°回転させれば、メッシュ５０として使用することができる。

図５は、図１のＡ−Ａ線における側面断面図である。図５に示すように、第１ガスケット２０の燃料ガス流路２４に配置されたメッシュ４０は、セル１５の反応部１４のアノードＡｎと、第１金属部材６０ａとの両方に当接している。これにより、反応部１４で発電された電気が第１金属部材６０ａに伝達されるので、第１金属部材６０ａおよびメッシュ４０は第１集電材として機能する。同様に、第２ガスケット３０の酸化剤ガス流路３４に配置されたメッシュ５０は、セル１５の反応部１４のカソードと、第２金属部材６０ｂとの両方に当接している。これにより、反応部１４で発電された電気が第２金属部材６０ｂに伝達されるので、第２金属部材６０ｂおよびメッシュ５０は第２集電材として機能する。なお、矩形波状に形成されたメッシュの側壁部がバネ作用を発揮するので、反応部１４および金属部材６０との接触を確保しつつ、接触面圧の増大による破損等を防止できる。

図２に戻り、第１金属部材６０ａおよび第２金属部材６０ｂは、同一の金属部材６０である。金属部材６０は、ステンレス等の金属平板をプレス成形することにより、矩形状に形成されている。金属部材６０の四隅には、円形の第１貫通孔１２、第２貫通孔１３、第３貫通孔１７および第４貫通孔１８が形成されている。金属部材６０の四辺には、±Ｚ方向に立ち上げられた複数の爪部が形成されている。Ｘ方向に平行な二辺には、＋Ｚ方向に立ち上げられた爪部６６がＸ方向中央部に形成され、−Ｚ方向に立ち上げられた爪部６７，６７がＸ方向両端部に形成されている。Ｙ方向に平行な二辺には、−Ｚ方向に立ち上げられた爪部６１がＹ方向中央部に形成され、＋Ｚ方向に立ち上げられた爪部６２，６２がＹ方向両端部に形成されている。

そして、メッシュ４０を含む第１ガスケット２０、セル１５、およびメッシュ５０を含む第２ガスケット３０が積層された積層体１１の両側に、さらに第１金属部材６０ａおよび第２金属部材６０ｂが積層されて、単位燃料電池１０が形成されている。この単位燃料電池１０が積層されて、燃料電池スタックが形成される。この単位燃料電池１０の第１金属部材６０ａは、その＋Ｚ側に隣接配置される単位燃料電池１０の第２金属部材６０ｂとして機能する。同様に、この単位燃料電池１０の第２金属部材６０ｂは、その−Ｚ側に隣接配置される単位燃料電池１０の第１金属部材６０ａとして機能する。

図２に戻り、積層体１１の両側に第１金属部材６０ａおよび第２金属部材６０ｂを積層すると、これらの３者が複数の爪部を介してＸＹ方向に位置決めされる。具体的には、積層体１１の±Ｘ方向の側面に第１金属部材６０ａの爪部６１が当接して、積層体１１と第１金属部材６０ａとがＸ方向に位置決めされる。また、積層体１１の±Ｘ方向の側面に第２金属部材６０ｂの爪部６２が当接して、積層体１１と第２金属部材６０ｂとがＸ方向に位置決めされる。このように爪部６１，６２を介して、積層体１１、第１金属部材６０ａおよび第２金属部材６０ｂがＸ方向に位置決めされる。同様に爪部６６，６７を介して、積層体１１、第１金属部材６０ａおよび第２金属部材６０ｂがＹ方向に位置決めされる。

さらに、この単位燃料電池１０の第１金属部材６０ａは、＋Ｚ側に隣接配置される＋Ｚ側単位燃料電池１０の第２金属部材６０ｂとして機能し、＋Ｚ側単位燃料電池１０の積層体１１および第１金属部材６０ａと位置決めされる。同様に、この単位燃料電池１０の第２金属部材６０ｂは、−Ｚ側に隣接配置される−Ｚ側単位燃料電池１０の第１金属部材６０ａとして機能し、−Ｚ側単位燃料電池１０の積層体１１および第２金属部材６０ｂと位置決めされる。このようにして、燃料電池スタックに含まれる全ての積層体１１および金属部材６０が、ＸＹ方向に位置決めされる。なお燃料電池スタック全体の位置決めは、図５に示す第１貫通孔１２、シールワッシャ５の小径部およびボルト４によって行われる。

このように、爪部を供えた金属部材６０を組み付けるだけで、燃料電池スタックの全ての単位燃料電池１０を位置決めすることができる。したがって、位置決め用のノッチ等を使用することなく組み立てが可能になり、部品点数が減って組み立ても容易になるので、燃料電池スタックを低コスト化することができる。
なお、セル１５のアノードＡｎに含まれる導電体のニッケル粒子は、自然酸化して絶縁体に変化するため、爪部との電気絶縁性が確保される。ただし、セル１５と爪部との電気絶縁性を確実にするため、セル１５の側面に絶縁材料を塗布するなどの絶縁処理を施すことが望ましい。

（燃料電池スタック）
図１に示すように、複数の単位燃料電池１０を積層して燃料電池スタック１が形成されている。燃料電池スタック１の＋Ｚ側端部には、＋Ｚ端金属部材７２が配置されている。＋Ｚ端金属部材７２の四隅には、円形の第１貫通孔１２、第２貫通孔１３、第３貫通孔１７および第４貫通孔１８が形成されている。＋Ｚ端金属部材７２は、金属部材６０における複数の爪部のうち、−Ｚ側に立ち上げられた爪部６１，６７のみを残し、＋Ｚ側に立ち上げられた爪部を除去したものである。これにより、燃料電池スタック１の＋Ｚ側端部に配置された単位燃料電池１０が位置決めされるとともに、燃料電池スタック１の＋Ｚ側に爪部が出っ張ることがない。

一方、燃料電池スタック１の−Ｚ側端部には、−Ｚ端金属部材７３が配置されている。−Ｚ端金属部材７３の四隅には、円形の第１貫通孔１２、第２貫通孔１３、第３貫通孔１７および第４貫通孔１８が形成されている。−Ｚ端金属部材７３は、金属部材６０における複数の爪部のうち、＋Ｚ側に立ち上げられた爪部６２，６６のみを残し、−Ｚ側に立ち上げられた爪部を除去したものである。これにより、燃料電池スタック１の−Ｚ側端部に配置された単位燃料電池１０が位置決めされるとともに、燃料電池スタック１の−Ｚ側に爪部が出っ張ることがない。

さらに、−Ｚ端金属部材７３の−Ｚ側には、ガスケット７４を挟んで、反応ガス出入口板８０が配置されている。反応ガス出入口板８０は、セラミック等の耐熱性および電気絶縁性を有する材料により形成されている。反応ガス出入口板８０の＋Ｚ側面の四隅には、溝部８５が形成されている。溝部８５内には、反応ガス出入口板８０を貫通するボルト孔８４が形成されている。溝部８５は長円形状に形成され、−Ｚ端金属部材７３の第１貫通孔１２、第２貫通孔１３、第３貫通孔１７および第４貫通孔１８の形成位置から、反応ガス出入口板８０の中央側に伸びている。

第１貫通孔１２の形成位置から伸びる溝部８５の先端には、反応ガス出入口板８０を貫通する燃料ガス入口８２が形成されている。第２貫通孔１３の形成位置から伸びる溝部８５の先端には、反応ガス出入口板８０を貫通する酸化剤ガス入口８３が形成されている。第３貫通孔１７の形成位置から伸びる溝部８５の先端には、反応ガス出入口板８０を貫通する燃料排ガス出口８７が形成されている。第４貫通孔１８の形成位置から伸びる溝部８５の先端には、反応ガス出入口板８０を貫通する酸化剤排ガス出口８８が形成されている。各反応ガス出入口８２，８３，８７，８８から−Ｚ方向に、反応ガス供給・排出管が伸びている。

燃料電池スタック１は、積層された単位燃料電池１０を積層方向に挟持して締結する締結部材を備えている。締結部材として、燃料電池スタック１の四隅に、金属材料からなるボルト４が配置されている。ボルト４は、＋Ｚ端金属部材７２、複数の単位燃料電池および−Ｚ端金属部材７３に形成された第１貫通孔１２、第２貫通孔１３、第３貫通孔１７および第４貫通孔１８に挿通され、さらに反応ガス出入口板８０に形成されたボルト孔８４に挿通されている。そして、反応ガス出入口板８０の−Ｚ側に配置された袋ナット６に螺合することで、複数の単位燃料電池１０を積層方向に挟持して締結している。

図５に示すように、＋Ｚ端金属部材７２の第１貫通孔１２の開口部を覆うように、シールワッシャ５が配置されている。シールワッシャ５は、耐熱性およびシール性を有する金属材料により形成されている。そして、ボルト４によりシールワッシャ５が＋Ｚ端金属部材７２に押し付けられ、第１貫通孔１２の＋Ｚ側の開口部がシールされている。また、袋ナット６と反応ガス出入口板８０との間にも、シールワッシャ７が配置されている。これにより、第１貫通孔１２の−Ｚ側の開口部（反応ガス出入口板８０のボルト孔８４とボルト４との隙間）がシールされている。同様に、第２貫通孔、第３貫通孔１７および第４貫通孔の開口部も、シールワッシャ５，７によってシールされている。

シールワッシャ５の大径部が第１貫通孔１２の開口部を覆い、小径部が第１貫通孔１２に入り込んでいる。このシールワッシャ５の中央孔にボルト４が挿通されて、ボルト４が径方向に位置決めされている。なお積層体の全体の位置決めは、第１貫通孔１２、シールワッシャ５の小径部およびボルト４によって行われる。
一方、反応ガス出入口板８０のボルト孔８４の直径は、ボルト４の直径と同等に形成されている。このボルト孔８４にボルト４が挿通されることで、ボルト４が径方向に位置決めされている。

第１貫通孔１２の直径はボルト４の直径より大きく、ボルト４は第１貫通孔１２の中心部に配置されている。すなわちボルト４は、第１貫通孔１２の内周面から離間した状態で配置され、単位燃料電池１０を構成する金属部材６０からも離間配置されている。なお、＋Ｚ端金属部材７２の第１貫通孔１２とボルト４とは、ＸＹ方向に位置決めされた燃料電池スタック全体の位置決めをする基準になるので、＋Ｚ端金属部材７２の第１貫通孔１２の内周面からボルト４を離間させずに位置決めしてもよい。また図５に示すように、ボルト４とシールワッシャ５との間、およびシールワッシャ５と第１貫通孔１２との間で、それぞれ位置決めしてもよい。いずれにしても、＋Ｚ端金属部材７２と−Ｚ端金属部材７２との間に配置される複数の金属部材６０は、相互に絶縁され短絡が防止されているので、燃料電池スタックから電気を取り出すことができる。

（発電作用）
次に、上述した燃料電池スタックの発電作用について説明する。
図１に示すように、燃料電池スタックを所定温度に加熱しつつ、反応ガス出入口板８０の燃料ガス入口８２から燃料ガスＦｉとして炭化水素ガス等を供給する。供給された燃料ガスＦｉは、溝部８５を通って反応ガス出入口板８０の隅部に移動し、−Ｚ端金属部材７３の第１貫通孔１２に流入する。同様に、反応ガス出入口板８０の酸化剤ガス入口８３から酸化剤ガスＡｉとして空気等を導入する。導入された燃料ガスＦｉは、溝部８５を通って、−Ｚ端金属部材７３の第２貫通孔１３に流入する。

図５に示すように、−Ｚ端金属部材７３および単位燃料電池１０を貫通する第１貫通孔１２の直径はボルト４の直径より大きく、ボルト４は第１貫通孔１２の中心部に配置されている。すなわち、第１貫通孔１２の内周面から離間した状態でボルト４が挿通されている。そのため、第１貫通孔１２に流入した燃料ガスＦｉは、ボルト４の外側に沿って第１貫通孔１２を流通する。第１ガスケット２０には、第１貫通孔１２と燃料ガス流路２４とを接続する第１接続部２２が形成されている。そのため、第１貫通孔１２を流通する燃料ガスＦｉは、第１接続部２２を通って燃料ガス流路２４に流入する。すなわち、第１貫通孔１２および第１接続部２２は、燃料ガス供給路として機能する。そして燃料ガスＦｉは、セル１５の反応部１４のアノードＡｎに接触して発電反応に使用される。

また第１ガスケット２０には、燃料ガス流路２４と第３貫通孔１７とを接続する第３接続部２７が形成されている。そのため、発電反応に使用された後の燃料排ガスＦｏは、燃料ガス流路２４から第３接続部２７を通って第３貫通孔１７に排出される。すなわち、第３接続部２７および第３貫通孔１７は、燃料排ガス排出路として機能する。第３貫通孔１７に排出された燃料排ガスＦｏは、ボルト４の外側に沿って第３貫通孔１７を流通し、反応ガス出入口板８０の溝部８５に流入する。そして図１に示すように、燃料排ガスＦｏは溝部８５を通って燃料排ガス出口８７から外部に排出される。

上記と同様に、図１に示す反応ガス出入口板８０の酸化剤ガス入口８３から酸化剤ガスＡｉを供給する。供給された酸化剤ガスＡｉは、ボルト４の外側に沿って第２貫通孔１３を流通し、図３（ｂ）に示す第２接続部３３を通って酸化剤ガス流路３４に流入する。すなわち、第２貫通孔１３および第２接続部３３は、酸化剤ガス供給路として機能する。発電反応に使用された後の酸化剤排ガスＡｏは、酸化剤ガス流路３４から第４接続部３８を通って第４貫通孔１８に排出される。すなわち、第４接続部３８および第４貫通孔１８は、酸化剤排ガス排出路として機能する。そして図１に示すように、酸化剤排ガスＡｏは酸化剤排ガス出口８８から外部に排出される。

図２に戻り、上記のように燃料ガスは第１貫通孔１２から第３貫通孔１７に向かって燃料ガス流路２４を流れる。また酸化剤ガスは第２貫通孔１３から第４貫通孔１８に向かって酸化剤ガス流路３４を流れる。すなわち、燃料ガス流路２４における燃料ガスの流れ方向と、酸化剤ガス流路３４における酸化剤ガスの流れ方向とが、直交している。これにより、燃料ガス供給路、酸化剤ガス供給路、燃料排ガス排出路および酸化剤排ガス排出路のレイアウトが簡単かつコンパクトになり、燃料電池スタックを小型化することができる。

また、燃料ガス流路２４における燃料ガスの流れ方向と、メッシュ４０の稜線４９とが直交するように、メッシュ４０が配置されている。この場合でも、図５に示すように、燃料ガスＦｉはメッシュ４０の側壁部４２に形成された貫通孔４７を通って流れるので、燃料ガスＦｉの流通が阻害されることはない。この場合に燃料ガスＦｉは、山部４１および谷部４３を避けつつ蛇行しながら流れ、セル１５の反応部１４のアノードＡｎに接触して発電反応に使用される。燃料ガスＦｉが蛇行しながら流れるので、燃料ガスＦｉとアノードＡｎとの接触機会が増加し、多くの燃料ガスＦｉが発電反応に使用される。これにより、未反応の燃料ガスＦｉの排出が抑制されるので、燃料ガスＦｉの使用効率を向上させることができる。

一方、酸化剤ガス流路３４に流入した酸化剤ガスＡｉが、反応部１４のカソードＣａに接触すると、触媒反応により酸化物イオンに変化する。酸化物イオンは、電解質膜を透過してアノードＡｎまで移動し、アノードＡｎに接触した燃料ガスＦｉと反応する。この反応過程において電子が放出され、発電が行われる（Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻）。発生した電気は、メッシュ４０を介して第１金属部材６０ａに伝達されるとともに、メッシュ５０を介して第２金属部材６０ｂに伝達される。

図６は単位燃料電池の接続方式の説明図であり、図２のＢ−Ｂ線における側面断面図である。図６（ａ）の直列接続の場合には、全ての単位燃料電池１０のセル１５につき、Ｚ方向一方側がアノードＡｎとなり、Ｚ方向他方側がカソードＣａとなるように配置されている。そして、各セル１５のアノードＡｎに燃料ガスＦｉが供給され、各セル１５のカソードＣａに酸化剤ガスＡｉが供給されるように、各部材が構成されている。これにより、複数の単位燃料電池１０が電気的に直列接続された状態になる。この場合には、燃料電池スタック１の両端部に配置された＋Ｚ端金属部材７２と−Ｚ端金属部材７３との間で、発電した電気を取り出すことになる。

図６（ｂ）の並列接続の場合には、隣り合う単位燃料電池１０のセル１５につき、内側同士が同極となり、外側同士が同極となるように配置されている。そして、各セル１５のアノードＡｎに燃料ガスＦｉが供給され、各セル１５のカソードＣａに酸化剤ガスＡｉが供給されるように、各部材が構成されている。これにより、複数の単位燃料電池１０が電気的に並列接続された状態になる。この場合には、アノードＡｎに対向配置された金属部材６５ａと、カソードＣａに対向配置された金属部材６５ｃとの間で、発電した電気を取り出すことになる。

以上に詳述したように、図５に示す本実施形態の燃料電池スタック１は、第１金属部材６０ａ、第１ガスケット２０、セル１５、第２ガスケット３０および第２金属部材６０ｂを積層した単位燃料電池１０を、積層方向に挟持して締結するボルト４と、その単位燃料電池１０を積層方向に貫通し、内周面から離間した状態でボルト４が挿通される第１貫通孔１２、第２貫通孔、第３貫通孔１７および第４貫通孔と、第１貫通孔１２を含んで形成される燃料ガス供給路、第２貫通孔を含んで形成される酸化剤ガス供給路、第３貫通孔１７を含んで形成される燃料排ガス排出路、および第４貫通孔１８を含んで形成される酸化剤排ガス排出路と、を有する構成とした。

この構成によれば、各貫通孔の内周面から離間した状態でボルト４が挿通されるので、ボルト４によって各金属部材６０が短絡するのを防止できる。その際、各貫通孔とボルト４との間に絶縁材を配置する必要がないので、燃料電池スタック１を小型化することができる。しかも、反応ガス供給・排出路の内部にボルト４が挿通されるので、ボルト４の挿通孔とは別に反応ガス供給・排出路を設ける必要がなく、燃料電池スタックを極めて小型化することができる。加えて、各貫通孔の内部にボルト４を挿通して締結するので、各貫通孔の周囲におけるシールの信頼性を向上させることができる。

さらに、第１ガスケット２０を開口して燃料ガス流路２４を形成し、第２ガスケット３０を開口して酸化剤ガス流路３４を形成する構成とした。この構成によれば、反応ガス流路を形成したインターコネクタを採用する必要がなく、平板状の金属部材を採用すれば足りる。したがって、燃料電池スタック１を低コスト化することができる。

（変形例）
図７は、実施形態の変形例に係る燃料電池スタックの斜視図である。この変形例では、上述した実施形態とは異なる反応ガス出入口板１８０を採用している。なお、実施形態と同様の構成となる部分については、その詳細な説明を省略する。
図１の反応ガス出入口板８０に比べて、図７の反応ガス出入口板１８０は、±Ｘ方向に引き伸ばされ、Ｚ方向に厚く形成されている。反応ガス出入口板１８０の四隅には、反応ガス出入口板１８０を貫通する取付孔１８２が形成されている。
反応ガス出入口板１８０は、ガスケット１８５を挟んで、反応ガスライン９０に取付ける。具体的には、反応ガス出入口板１８０の取付孔１８２に取付ボルト１８２を挿通し、反応ガスライン９０のねじ孔９１に螺合させて取付ける。

反応ガスライン９０には、燃料ガスラインに連通する燃料ガス供給口９２、酸化剤ガスラインに連通する酸化剤ガス供給口９３、燃料排ガスラインに連通する燃料排ガス排出口９７、酸化剤排ガスラインに連通する酸化剤排ガス排出口９８が形成されている。反応ガスライン９０に反応ガス出入口板１８０を取付けると、燃料ガス供給口９２に燃料ガス入８２が接続され、酸化剤ガス供給口９３に酸化剤ガス入口８３が接続され、燃料排ガス排出口９７に燃料排ガス出口が接続され、酸化剤排ガス排出口９８に酸化剤排ガス出口が接続される。これにより、反応ガスライン９０と燃料電池スタック１との間で反応ガスの供給および排出が行われる。
この変形例によれば、反応ガスライン９０に燃料電池スタック１を簡単に取付けて、反応ガスの供給および排出を実現することができる。

なお、本発明の技術的範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態の構成はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、金属部材６０の爪部は、積層体の位置決めができるものであればよく、実施形態における爪部の形状および配置に限られない。

また、図６（ｂ）に示す並列接続の場合には、金属部材の両側に同じ反応ガスが流通することになる。この場合には、金属部材の中央に開口を設けるとともに、金属部材の両側のメッシュを一体化してもよい。これにより、燃料電池スタックを極めて低コスト化することができる。

Ａｉ…酸化剤ガス Ａｏ…酸化剤排ガス Ａｎ…アノード Ｃａ…カソード Ｆｉ…燃料ガス Ｆｏ…燃料排ガス １…固体酸化物型燃料電池スタック ４…ボルト（締結部材） ５…シールワッシャ １０…単位燃料電池 １２…第１貫通孔 １３…第２貫通孔 １４…反応部 １５…セル １６…周辺シール部 １７…第３貫通孔 １８…第４貫通孔 ２０…第１ガスケット ２２…第１接続部 ２７…第３接続部 ２４…燃料ガス流路 ３０…第２ガスケット ３３…第２接続部 ３４…酸化剤ガス流路 ３８…第４接続部 ４０…メッシュ（第１の集電材） ５０…メッシュ（第２の集電材） ６０ａ…第１金属部材（第１の集電材） ６０ｂ…第２金属部材（第２の集電材） ６１，６２，６６，６７…爪部

Claims (6)

1. 燃料ガスが供給されるアノードおよび酸化剤ガスが供給されるカソードを有する反応部を備えた固体酸化物型燃料電池スタックにおいて、
   前記反応部の周囲に配置された周辺シール部と、
   前記アノードに接続される第１の集電材と、
   前記カソードに接続される第２の集電材と、
   前記周辺シール部と前記第１の集電材との間をシールするとともに、前記アノードに前記燃料ガスを供給する燃料ガス流路を形成する第１のガスケットと、
   前記周辺シール部と前記第２の集電材との間をシールするとともに、前記カソードに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路を形成する第２のガスケットと、
   前記第１の集電材、前記第１のガスケット、前記周辺シール部、前記第２のガスケットおよび前記第２の集電材を積層した単位燃料電池を、積層方向に挟持して締結する締結部材と、
   前記単位燃料電池を積層方向に貫通し、内周面から離間した状態で前記締結部材が挿通される複数の貫通孔と、
   前記複数の貫通孔のうち第１の前記貫通孔と前記燃料ガス流路とを接続するため、前記第１のガスケットに形成された第１の接続部と、
   前記複数の貫通孔のうち第２の前記貫通孔と前記酸化剤ガス流路とを接続するため、前記第２のガスケットに形成された第２の接続部と、
   前記第１の貫通孔と前記第１の接続部とで形成され、前記燃料ガス流路に前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給路と、
   前記第２の貫通孔と前記第２の接続部とで形成され、前記酸化剤ガス流路に前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路と、
   を備えたことを特徴とする固体酸化物型燃料電池スタック。
2. 前記複数の貫通孔のうち第３の前記貫通孔と前記燃料ガス流路とを接続するため、前記第１のガスケットに形成された第３の接続部と、
   前記複数の貫通孔のうち第４の前記貫通孔と前記酸化剤ガス流路とを接続するため、前記第２のガスケットに形成された第４の接続部と、
   前記第３の貫通孔と前記第３の接続部とで形成され、前記燃料ガス流路から燃料排ガスを排出する燃料排ガス排出路と、
   前記第４の貫通孔と前記第４の接続部とで形成され、前記酸化剤ガス流路から酸化剤排ガスを排出する酸化剤排ガス排出路と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
3. 前記燃料ガス流路における前記燃料ガスの流れ方向と、前記酸化剤ガス流路における前記酸化剤ガスの流れ方向とが、交差していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
4. 前記締結部材は金属製であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
5. 前記積層方向の端部における前記貫通孔の開口部を覆うようにシールワッシャが配置され、前記締結部材により前記シールワッシャが前記第１の集電材または前記第２の集電材に押し付けられて前記開口部がシールされていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。
6. 前記第１の集電材と前記第２の集電材との間で位置決めをする複数の爪部を、前記第１の集電材と前記第２の集電材との間に設けたことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の固体酸化物型燃料電池スタック。

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