JP2012182029A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の急速昇温によって発生する熱変位を確実に吸収することができ、スタックの変形を可及的に阻止することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０を構成する第１セパレータ２８ａは、電解質・電極接合体２６を挟持する第１挟持部８８と、燃料ガス供給連通孔３４が積層方向に形成される燃料ガス供給部８４と、第１橋架部８６とを備える。第２セパレータ２８ｂは、電解質・電極接合体２６を挟持する第２挟持部９４と、酸化剤ガス供給連通孔６２が形成される酸化剤ガス供給部９０と、第２橋架部９２とを備える。燃料ガス供給部８４、酸化剤ガス供給部９０、第１挟持部８８及び第２挟持部９４には、燃料電池スタック１０に発生した変位を吸収するための第１変位吸収機構９６、第２変位吸収機構９８、第３変位吸収機構１３０及び第４変位吸収機構１３２が設けられる。
【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・電極接合体が、第１セパレータ及び第２セパレータ間に配設される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が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（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、ＭＥＡ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）を供給するとともに、各燃料電池毎に前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを供給する必要がある。

この種の燃料電池として、例えば、特許文献１に開示されている平板型固体酸化物形燃料電池が知られている。この燃料電池は、図１０に示すように、セルスタック１ａと、前記セルスタック１ａの周囲に配設される各単セル２ａに対して燃料ガス、酸化剤ガスの給排気を行う４つのマニホールドＭ１〜Ｍ４とを備えている。燃料電池では、セルスタック１ａが第１の加圧機構３ａにより加圧されるとともに、各マニホールドＭ１〜Ｍ４が第２の加圧機構４ａにより加圧されている。

セルスタック１ａは、単セル２ａとインターコネクタ５ａとを交互に積層して構成されている。マニホールドＭ１は、セルスタック１ａに燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホールドを構成し、マニホールドＭ２は、前記セルスタック１ａから前記燃料ガスを排出する排気マニホールドを構成している。マニホールドＭ３は、セルスタック１ａに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給マニホールドを構成し、マニホールドＭ４は、前記セルスタック１ａから前記酸化剤ガスを排出する排気マニホールドを構成している。

第１の加圧機構３ａは、セルスタック１ａ上に設置される押さえ板６ａ及び圧縮ばね７ａを備えている。第２の加圧機構４ａは、各マニホールドＭ１〜Ｍ４上に設置される圧縮ばね８ａを備えている。

また、特許文献２に開示されている固体電解質形燃料電池スタックは、図１１に示すように、固体電解質形燃料電池セル１ｂが複数個積層された積層体２ｂと、前記積層体２ｂの積層方向の両側に配置された一対の外縁保持部材３ｂ、４ｂとを備えている。

燃料電池スタックには、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔５ｂと、前記燃料ガスを排出するための燃料ガス排気孔６ｂとが設けられるとともに、空気を供給するための空気供給孔７ｂと、前記空気を排出するための空気排気孔８ｂとが設けられている。これらの燃料電池スタック内の各孔５ｂ〜８ｂにより、内部マニホールドが構成されている。

そして、各ボルト９ｂにナット（図示せず）が螺合して締め付けられることにより、外縁保持部材３ｂ、４ｂは、積層方向の内側に締め付けられている。従って、この外縁保持部材３ｂ、４ｂにより、積層体２ｂが内側に押圧されて、燃料電池スタックが一体に固定されている。

特許第４２９１２９９号公報 特開２００７−３１７４９０号公報

ＳＯＦＣは、運転温度が相当に高温であるため、定常時に発電できるまでの起動時間が長くかかってしまう。従って、起動時間を短縮することが望まれている。このため、特に起動時に、燃料電池を急速昇温させることが考えられるが、各部位に温度差が生じ、熱変位により急激な歪みや変形が発生し易い。

その際、上記の特許文献１では、セルスタック１ａは、第１の加圧機構３ａにより拘束されるとともに、各マニホールドＭ１〜Ｍ４は、第２の加圧機構４ａにより拘束されている。従って、インターコネクタ５ａ（セパレータ）やＭＥＡが破損するおそれがある。

また、上記の特許文献２では、燃料電池スタックの急速昇温時に、急激な変位が発生すると、各ボルト９ｂを介して外縁保持部材３ｂ、４ｂにより積層体２ｂが内側に押圧されているため、歪みを緩和することができない。これにより、積層体２ｂが変形し易いという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池の急速昇温によって発生する熱変位を確実に吸収することができ、スタックの変形を可及的に阻止することが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・電極接合体が、第１セパレータ及び第２セパレータ間に配設される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックに関するものである。

この燃料電池スタックでは、第１セパレータは、電解質・電極接合体を挟持するとともに、電極面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス通路が設けられる第１挟持部と、前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給連通孔が積層方向に形成される燃料ガス供給部と、前記第１挟持部と前記燃料ガス供給部とを連結し、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給連通孔から前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給通路が形成される第１橋架部とを備えている。

一方、第２セパレータは、電解質・電極接合体を挟持するとともに、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設けられる第２挟持部と、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酸化剤ガス供給連通孔が積層方向に形成される酸化剤ガス供給部と、前記第２挟持部と前記酸化剤ガス供給部とを連結し、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給連通孔から前記酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給通路が形成される第２橋架部とを備えている。

そして、各第１挟持部、各第２挟持部、各燃料ガス供給部及び各酸化剤ガス供給部には、それぞれ燃料電池スタックに発生した変位を吸収するための変位吸収機構が設けられている。

また、この燃料電池スタックでは、第１セパレータ及び第２セパレータは、同一形状を有するとともに、互いに接合される第１プレート及び第２プレートを備えることが好ましい。従って、第１セパレータと第２セパレータとに、それぞれ専用セパレータを用いる必要がなく、部品点数の削減を図ることが可能になり、経済的である。

さらに、この燃料電池スタックでは、燃料電池スタックの積層方向端部には、第１挟持部及び第２挟持部に積層方向に重なり合って配置され、前記第１挟持部及び前記第２挟持部と燃料ガス供給部及び酸化剤ガス供給部とに、前記積層方向に荷重を付与する荷重付与機構が設けられることが好ましい。このため、単一の荷重付与機構により、第１挟持部及び第２挟持部と燃料ガス供給部及び酸化剤ガス供給部とに、積層方向に荷重を付与することができ、構成の簡素化が容易に図られる。

さらにまた、この燃料電池スタックでは、第１挟持部及び第２挟持部の各変位吸収機構の剛性は、燃料ガス供給部及び酸化剤ガス供給部の各変位吸収機構の剛性よりも高く設定されることが好ましい。これにより、第１挟持部及び第２挟持部に大きな荷重を伝達することができ、集電部の高接触率が得られて発電性能の向上が確実に図られる。

また、この燃料電池スタックでは、第１挟持部の変位吸収機構は、互いに接合される第１プレート及び第２プレート間に形成され、燃料ガス供給部から供給される燃料ガスを充填する燃料ガス充填室と、電解質・電極接合体に対向する前記第１プレートに設けられ、燃料ガス通路を形成する複数の凸部と、前記第２プレートに、前記第１プレートに接して設けられる複数の突起部とを備え、第２挟持部の前記変位吸収機構は、互いに接合される前記第１プレート及び前記第２プレート間に形成され、酸化剤ガス供給部から供給される酸化剤ガスを充填する酸化剤ガス充填室と、前記電解質・電極接合体に対向する前記第１プレートに設けられ、前記酸化剤ガス通路を形成する複数の凸部と、前記第２プレートに、前記第１プレートに接して設けられる複数の突起部とを備えるとともに、前記複数の凸部と前記複数の突起部とは、前記積層方向に互いに重ならない位置に配置されることが好ましい。

従って、第１プレートは、複数の凸部と複数の突起部との間の領域が撓み易くなる。このため、集電部の低剛性化を図ることができ、特に急速始動時の熱変位を良好に吸収することが可能になる。これにより、電解質・電極接合体の損傷に対する耐久性が向上するとともに、各段での高さのばらつきや前記電解質・電極接合体のうねりに追従して接触面積を増加させることができ、積層方向の加工精度を緩和することが可能になる。しかも、集電に必要な荷重を低減させることができ、荷重付与機構のコンパクト化が容易に図られる。

さらに、この燃料電池スタックでは、燃料ガス供給部に設けられる変位吸収機構は、積層方向に隣接し且つ一対の燃料ガス供給部同士を連結するとともに、前記積層方向の荷重を緩和するばね性を有する一対の連結部材と、前記燃料ガス供給部から燃料ガスが漏れることを阻止するシール部材とを備えるとともに、酸化剤ガス供給部に設けられる前記変位吸収機構は、前記積層方向に隣接し且つ一対の前記酸化剤ガス供給部同士を連結するとともに、前記積層方向の荷重を緩和するばね性を有する一対の連結部材と、前記酸化剤ガス供給部から酸化剤ガスが漏れることを阻止するシール部材とを備えることが好ましい。

従って、連結部材に撓みが発生することによって、積層方向の変位量が吸収されるため、シール性能を確保するとともに、急速昇温時の急激な変位を有効に吸収することができる。このため、セパレータに歪みが発生することを抑制し、燃料ガス供給部及び酸化剤ガス供給部の損傷を可及的に阻止することが可能になる。しかも、積層方向の荷重は、連結部材の撓みにより緩和することができる。これにより、セパレータの積層方向の寸法誤差を良好に吸収することが可能になる。

本発明によれば、燃料電池スタックに発生した変位は、各第１挟持部、各第２挟持部、各燃料ガス供給部及び各酸化剤ガス供給部にそれぞれ設けられている変位吸収機構により吸収することができる。従って、急速昇温時の急激な変位をスタック全体で有効に吸収することが可能になり、前記スタックに歪みが発生することを抑制するとともに、集電性能及びシール性能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一部分解斜視図である。 前記燃料電池スタックの分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの反応ガスの流れ説明図である。 前記燃料電池スタックの、図３中、ＶＩ−ＶＩ線断面である。 前記燃料電池スタックを構成する変位吸収機構の拡大説明図である。 前記燃料電池スタックの各変位吸収機構の概略説明図である。 集電部の前記変位吸収機構とシール部の前記変位吸収機構との剛性説明図である。 特許文献１の平板型固体酸化物形燃料電池の断面説明図である。 特許文献２の固体電解質形燃料電池スタックの斜視説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１２が矢印Ａ方向に積層される積層体を備える。燃料電池スタック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。

燃料電池スタック１０の積層方向一端には、第１プレート部材１４ａが配設されるとともに、前記燃料電池スタック１０の積層方向他端には、第２プレート部材１４ｂが配設される。第２プレート部材１４ｂは、第１プレート部材１４ａよりも小型に形成され、後述するように、燃料電池スタック１０の第１挟持部８８及び第２挟持部９４に対応して配置される。

第２プレート部材１４ｂと第１挟持部８８及び第２挟持部９４との間には、前記第１挟持部８８及び第２挟持部９４に積層方向の荷重を付与する荷重付与機構１６を構成するばね部材１８が介装される。第２プレート部材１４ｂは、複数のボルト部材（スタッドボルト）１９を介して第１プレート部材１４ａに固定される。

燃料電池１２は、固体電解質型燃料電池であり、この燃料電池１２は、図３〜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、発電反応後の酸化剤ガス及び燃料ガスからなる排ガス（オフガス）の進入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１２は、第１セパレータ２８ａ及び第２セパレータ２８ｂ間に１個の電解質・電極接合体２６が挟持される。第１セパレータ２８ａ及び第２セパレータ２８ｂは、同一形状のセパレータ構造体を互いに１８０°反転させることにより構成される。

第１セパレータ２８ａ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３０ａ及び第２プレート３２ａを有する。第１プレート３０ａ及び第２プレート３２ａは、互いに拡散接合、レーザー溶接又はろう付け等により接合される。

第１プレート３０ａは、略平板状に形成されるとともに、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３４が形成される第１燃料ガス供給部３６を有する。この第１燃料ガス供給部３６から外方に延在する第１橋架部３８を介して第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と同一直径もしくは電解質・電極接合体２６よりも大径な寸法に設定されるとともに、前記第１挟持部４０のアノード電極２４に接する面には、複数の凸部４２が設けられる。凸部４２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４４を形成するとともに、集電機能を有する。第１挟持部４０の中央部には、アノード電極２４の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４６が形成される。

第２プレート３２ａは、燃料ガス供給連通孔３４が形成される第２燃料ガス供給部４８を有する。この第２燃料ガス供給部４８から外方に延在する第２橋架部５０を介して第２挟持部５２が一体に設けられる。第２プレート３２ａの外周を周回して第１プレート３０ａ側に突出する周回凸部５４が設けられ、この周回凸部５４に前記第１プレート３０ａが接合される。

第２燃料ガス供給部４８、第２橋架部５０及び第２挟持部５２の第１プレート３０ａに向かう面には、前記第１プレート３０ａに接して複数の突起部５６が形成される。

第１橋架部３８及び第２橋架部５０間には、燃料ガス供給連通孔３４に連通する燃料ガス供給通路５８が形成される。燃料ガス供給通路５８は、第１挟持部４０及び第２挟持部５２間に形成される燃料ガス充填室６０を介して燃料ガス供給孔４６に連通する。

第２セパレータ２８ｂは、第１セパレータ２８ａと同一形状に構成されており、第１プレート３０ａ及び第２プレート３２ａに対応する第１プレート３０ｂ及び第２プレート３２ｂを有する。第１プレート３０ｂ及び第２プレート３２ｂは、積層方向に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔６２が形成される第１酸化剤ガス供給部６４及び第２酸化剤ガス供給部６６を有する。

第１プレート３０ｂ及び第２プレート３２ｂは、第１酸化剤ガス供給部６４及び第２酸化剤ガス供給部６６から外方に突出する第１橋架部６８及び第２橋架部７０を介して第１挟持部７２及び第２挟持部７４が一体に設けられる。

第１挟持部７２のカソード電極２２に接触する面には、複数の凸部４２を介し前記カソード電極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７６が形成される。第１挟持部７２の中央部には、カソード電極２２の中央部に向かって酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給孔７８が形成される。

第２プレート３２ｂ内には、第１プレート３０ｂが接合されることにより酸化剤ガス供給連通孔６２に連通する酸化剤ガス供給通路８０が、第１橋架部６８及び第２橋架部７０間に対応して形成される。第２挟持部７４内には、酸化剤ガス供給連通孔６２と酸化剤ガス供給通路８０を介して連通する酸化剤ガス充填室８２が形成される。

図３に示すように、第１セパレータ２８ａは、第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部４８により燃料ガス供給部８４を構成し、第１橋架部３８及び第２橋架部５０により第１橋架部８６を構成し、第１挟持部４０及び第２挟持部５２により第１挟持部８８を構成する。第２セパレータ２８ｂは、第１酸化剤ガス供給部６４及び第２酸化剤ガス供給部６６により酸化剤ガス供給部９０を構成し、第１橋架部６８及び第２橋架部７０により第２橋架部９２を構成し、第１挟持部７２及び第２挟持部７４により第２挟持部９４を構成する。

積層方向（矢印Ａ方向）に互いに隣接する一対の第１セパレータ２８ａを構成する各燃料ガス供給部８４には、燃料電池スタック１０に発生した積層方向の変位を吸収する第１変位吸収機構（燃料ガス側変位吸収機構）９６が設けられるとともに、前記積層方向に互いに隣接する一対の第２セパレータ２８ｂを構成する各酸化剤ガス供給部９０には、前記積層方向の変位を吸収する第２変位吸収機構（酸化剤ガス側変位吸収機構）９８が設けられる。

図４及び図６に示すように、第１変位吸収機構９６は、第１セパレータ２８ａを構成する第１プレート３０ａ及び第２プレート３２ａ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４８の突起部５６とは反対の面に、例えば、溶接により固着される連結部材１００ａ、１００ｂを備える。連結部材１００ａ、１００ｂは、積層方向に隣接する一対の第１セパレータ２８ａの燃料ガス供給部８４同士を連結し、且つ前記積層方向の荷重を緩和するばね性を有する。連結部材１００ａ、１００ｂは、例えば、ステンレス等の金属薄板により構成され、実質的にベローズ形状を有する。

連結部材１００ａは、図６に示すように、第１プレート３０ａの第１燃料ガス供給部３６に溶接（結合）されるセパレータ結合部位１０２ａと、積層方向に隣接する連結部材１００ａ、１００ｂ同士を係合する係合部位１０４ａと、前記セパレータ結合部位１０２ａと前記係合部位１０４ａとを繋ぎ且つばね性を有する連結部位１０６ａとを備える。連結部位１０６ａは、第１燃料ガス供給部３６から離間する方向に傾斜する一方、係合部位１０４ａは、水平方向に延在する。

連結部材１００ｂは、第２プレート３２ａの第２燃料ガス供給部４８に溶接（結合）されるセパレータ結合部位１０２ｂと、積層方向に隣接する連結部材１００ａ、１００ｂ同士を係合する係合部位１０４ｂと、前記セパレータ結合部位１０２ｂと前記係合部位１０４ｂとを繋ぎ且つばね性を有する連結部位１０６ｂとを備える。連結部位１０６ｂは、第２燃料ガス供給部４８から離間する方向に傾斜する一方、係合部位１０４ｂは、水平方向に延在する。

第１変位吸収機構９６は、図４に示すように、一対の連結部材１００ａ、１００ｂを一体に結合させるための結合部材１０８を備えるとともに、前記連結部材１００ａ、１００ｂ同士が係合する領域及び前記連結部材１００ａ、１００ｂと前記結合部材１０８とが係合する領域に対応して、３つのシール部材１１０ａ、１１０ｂ及び１１０ｃが介装される。

結合部材１０８は、断面コ字状を有し、例えば、３つの前記結合部材１０８が、全体としてリング状に配置される。図６に示すように、各結合部材１０８は、内周側が開口しており、この内周側からシール部材１１０ｂ、連結部材１００ａの係合部位１０４ａ、シール部材１１０ａ、連結部材１００ｂの係合部位１０４ｂ及びシール部材１１０ｃからなる積層体が挿入され、前記結合部材１０８がかしめられる。

シール部材１１０ａ〜１１０ｃは、リング形状を有し、ガスシール機能及び絶縁機能、さらに好適には、耐熱性及び柔軟性を有する材料で構成される。具体的には、シール部材１１０ａ〜１１０ｃは、粘土鉱物及び有機高分子が複合化された粘土膜を備える薄膜状シールにより構成されるが、これに限定されるものではない。例えば、ガラス系シール部材も用いることができる。

第２変位吸収機構９８は、第２セパレータ２８ｂを構成する第２プレート３２ｂ及び第１プレート３０ｂにおいて、第２酸化剤ガス供給部６６及び第１酸化剤ガス供給部６４の突起部５６とは反対の面に、例えば、溶接により固着される連結部材１１２ａ、１１２ｂを備える。連結部材１１２ａ、１１２ｂは、積層方向に隣接する一対の第２セパレータ２８ｂの酸化剤ガス供給部９０同士を連結し、且つ前記積層方向の荷重を緩和するばね性を有する。

連結部材１１２ａは、図６に示すように、第２プレート３２ｂの第２酸化剤ガス供給部６６に溶接（結合）されるセパレータ結合部位１１４ａと、積層方向に隣接する連結部材１１２ａ、１１２ｂ同士を係合する係合部位１１６ａと、前記セパレータ結合部位１１４ａと前記係合部位１１６ａとを繋ぎ且つばね性を有する連結部位１１８ａとを備える。連結部位１１８ａは、第２酸化剤ガス供給部６６から離間する方向に傾斜する一方、係合部位１１６ａは、水平方向に延在する。

連結部材１１２ｂは、第１プレート３０ｂの第１酸化剤ガス供給部６４に溶接（結合）されるセパレータ結合部位１１４ｂと、積層方向に隣接する連結部材１１２ａ、１１２ｂ同士を係合する係合部位１１６ｂと、前記セパレータ結合部位１１４ｂと前記係合部位１１６ｂとを繋ぎ且つばね性を有する連結部位１１８ｂとを備える。連結部位１１８ｂは、第１酸化剤ガス供給部６４から離間する方向に傾斜する一方、係合部位１１６ｂは、水平方向に延在する。

第２変位吸収機構９８は、図４に示すように、一対の連結部材１１２ａ、１１２ｂを一体に結合させるための結合部材１２０を備えるとともに、前記連結部材１１２ａ、１１２ｂ同士が係合する領域及び前記連結部材１１２ａ、１１２ｂと前記結合部材１２０とが係合する領域に対応して、３つのシール部材１２２ａ、１２２ｂ及び１２２ｃが介装される。

結合部材１２０は、断面コ字状を有し、例えば、３つの前記結合部材１２０が、全体としてリング状に配置される。図６に示すように、各結合部材１２０は、内周側が開口しており、この内周側からシール部材１２２ｂ、連結部材１１２ａの係合部位１１６ａ、シール部材１２２ａ、連結部材１１２ｂの係合部位１１６ｂ及びシール部材１２２ｃからなる積層体が挿入され、前記結合部材１２０がかしめられる。

シール部材１２２ａ〜１２２ｃは、リング形状を有し、ガスシール機能及び絶縁機能、さらに好適には、耐熱性及び柔軟性を有する材料で構成される。具体的には、シール部材１２２ａ〜１２２ｃは、粘土鉱物及び有機高分子が複合化された粘土膜を備える薄膜状シールにより構成されるが、これに限定されるものではない。例えば、ガラス系シール部材も用いることができる。

図３及び図６に示すように、第１セパレータ２８ａの第１挟持部８８には、燃料電池スタック１０に発生した積層方向の変位を吸収する第３変位吸収機構（燃料ガス側変位吸収機構）１３０が設けられるとともに、第２セパレータ２８ｂの第２挟持部９４には、前記積層方向の変位を吸収する第４変位吸収機構（酸化剤ガス側変位吸収機構）１３２が設けられる。

第１挟持部８８の変位吸収機構１３０は、図４及び図６に示すように、第１挟持部４０及び第２挟持部５２間に形成される燃料ガス充填室６０と、電解質・電極接合体２６に対向する第１プレート３０ａに設けられ、燃料ガス通路４４を形成する複数の凸部４２と、第２プレート３２ａに、前記第１プレート３０ａに接して設けられる複数の突起部５６とを備える。複数の凸部４２と複数の突起部５６とは、積層方向に互いに重ならない位置に配置される。

図７に示すように、複数の凸部４２は、例えば、格子状に配置されるとともに、４つの前記凸部４２により単位領域１３４が形成される。１つの突起部５６は、１つの単位領域１３４内に配置される一方、この単位領域１３４に隣接する他の単位領域１３４、すなわち、前記突起部５６が配置される前記単位領域１３４を周回する８つの単位領域１３４には、前記突起部５６が配置されない。なお、凸部４２の配置状態や突起部５６の配置状態は、種々変更可能である。

第２挟持部９４の変位吸収機構１３２は、図４及び図６に示すように、酸化剤ガス充填室８２と、第１プレート３０ｂに設けられ、酸化剤ガス通路７６を形成する複数の凸部４２と、第２プレート３２ｂに、前記第１プレート３０ｂに接して設けられる複数の突起部５６とを備える。複数の凸部４２と複数の突起部５６とは、積層方向に互いに重ならない位置に配置される。

図８に概略的に示すように、集電部（第３変位吸収機構１３０及び第４変位吸収機構１３２）の剛性Ｋ１、燃料ガス側シール部（第１変位吸収機構９６）の剛性Ｋ２、及び酸化剤ガス側シール部（第２変位吸収機構９８）の剛性Ｋ３が設定される。具体的には、剛性Ｋ２＜剛性Ｋ１、剛性Ｋ３＜剛性Ｋ１の関係を有する。図９に示すように、集電部及びシール部（燃料ガス用シール部及び酸化剤ガス用シール部）の各剛性Ｋ１、Ｋ２及びＫ３は、付与される荷重に対して良好に変位可能な範囲に設定される。このため、集電部及びシール部は、第１〜第４変位吸収機構９６、９８、１３０、１３２に荷重がかからない状態から最大の変位量となるまでの熱変位吸収代を持つことができる。熱変位吸収代は、集電部側に対してシール部側で大きくなる。前記シール部の剛性Ｋ２、Ｋ３は、集電部の剛性Ｋ１に対して例えば、１／１０以下に設定される。

図９に示す黒丸は、燃料電池スタック１０を圧縮したときの最大の変位量を示している。黒丸は、熱変位等による吸収代がなくなった状態であり、積層方向の荷重が直接伝達されてしまう。しかし、燃料電池スタック１０の組立時の変位量は、集電部及びシール部の熱変位吸収代の範囲内であれば任意に設定できる。例えば、燃料電池スタック１０が急速加熱されることによって変位量が大幅に大きくなる可能性がある場合は、組立時の変位量をより小さくなるように組み立てることによってより大きな変位量を得ることができる。また、劣化等によってセパレータの変位量にばらつきが生じる可能性がある場合は、組立時の変位量をより大きくなるように組み立てることによって変位量の増減に対応でき、良好な荷重を燃料電池スタック１０に加え続けることができる。

図８に示すように、燃料電池スタック１０に積層方向に荷重Ｆが付与されると、集電部の荷重は、Ｆ×Ｋ１／（Ｋ１＋Ｋ２＋Ｋ３）となり、燃料ガス側シール部の荷重は、Ｆ×Ｋ２／（Ｋ１＋Ｋ２＋Ｋ３）となり、酸化剤ガス側シール部の荷重は、Ｆ×Ｋ３／（Ｋ１＋Ｋ２＋Ｋ３）となる。

図１及び図２に示すように、第１プレート部材１４ａには、第１ポール１４０が接続されて一方の電流取り出し口を構成する。第２プレート部材１４ｂには、第２ポール１４２が接続されて他方の電流取り出し口を構成する。第１ポール１４０及び第２ポール１４２は、互いに平行して延在するとともに、電流用端子として機能する。

このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図３及び図５に示すように、燃料ガス（水素ガス）が燃料電池スタック１０の燃料ガス供給連通孔３４に供給されるとともに、酸化剤ガス（空気）が前記燃料電池スタック１０の酸化剤ガス供給連通孔６２に供給される。

燃料ガスは、積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら各燃料電池１２を構成する第１セパレータ２８ａに形成された燃料ガス供給通路５８に導入される。この燃料ガスは、第１橋架部３８及び第２橋架部５０間を燃料ガス供給通路５８に沿って移動し、一旦、燃料ガス充填室６０に充填される。

さらに、燃料ガスは、燃料ガス供給孔４６から燃料ガス通路４４に導入される。その際、燃料ガス供給孔４６は、各電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の中央位置に設定されている。このため、燃料ガスは、アノード電極２４の中心から燃料ガス通路４４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６２に供給された酸化剤ガスは、第２セパレータ２８ｂを構成する第１橋架部６８及び第２橋架部７０間に形成された酸化剤ガス供給通路８０に沿って移動し、一旦、酸化剤ガス充填室８２に充填される。さらに、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給孔７８から酸化剤ガス通路７６に導入される。

酸化剤ガス供給孔７８は、各電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の中央位置に設定されている。このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス通路７６に沿ってカソード電極２２の中央位置から外周部に向かって移動する。

これにより、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の電極面の中心側から周端部側に向かって酸化剤ガスが供給される。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。

燃料ガス通路４４を移動した使用済みの燃料ガス、及び酸化剤ガス通路７６を移動した使用済みの酸化剤ガスは、各電解質・電極接合体２６の外周部から導出され、この外周部周辺で混合されて比較的高温の排ガスとして排出される。

この場合、本実施形態では、各燃料ガス供給部８４、各酸化剤ガス供給部９０、各第１挟持部８８及び各第２挟持部９４には、それぞれ燃料電池スタック１０に発生した変位を吸収するための第１変位吸収機構９６、第２変位吸収機構９８、第３変位吸収機構１３０及び第４変位吸収機構１３２が設けられている。

従って、急速昇温時に燃料電池スタック１０に発生した急激な変位は、第１変位吸収機構９６〜第４変位吸収機構１３２を介して前記燃料電池スタック１０全体で有効に吸収することができる。これにより、燃料電池スタック１０に歪みが発生することを抑制するとともに、集電性能及びシール性能を良好に維持することができるという効果が得られる。

また、第１セパレータ２８ａ及び第２セパレータ２８ｂは、同一形状を有するとともに、互いに接合される第１プレート３０ａ、３０ｂ及び第２プレート３２ａ、３２ｂを備えている。これにより、第１セパレータ２８ａと第２セパレータ２８ｂとに、それぞれ専用セパレータを用いる必要がなく、部品点数の削減を図ることが可能になり、経済的である。

さらに、図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１０の積層方向端部には、第１挟持部８８及び第２挟持部９４に積層方向に重なり合って配置され、前記第１挟持部８８及び前記第２挟持部９４と燃料ガス供給部８４及び酸化剤ガス供給部９０とに、前記積層方向に荷重を付与する荷重付与機構１６が設けられている。このため、単一の荷重付与機構１６を構成するばね部材１８により、第１挟持部８８及び第２挟持部９４と燃料ガス供給部８４及び酸化剤ガス供給部９０とに、積層方向に荷重を付与することができ、構成の簡素化が容易に図られる。

さらにまた、集電部（第３変位吸収機構１３０及び第４変位吸収機構１３２）の剛性Ｋ１は、燃料ガス側シール部の剛性Ｋ２及び酸化剤ガス側シール部の剛性Ｋ３よりも高く設定されている。これにより、第１挟持部８８及び第２挟持部９４に大きな荷重を伝達することができ、集電部の高接触率が得られて発電性能の向上が確実に図られる。

また、第１挟持部８８の第３変位吸収機構１３０は、互いに接合される第１プレート３０ａ及び第２プレート３２ａ間に形成され、燃料ガス供給部８４から供給される燃料ガスを充填する燃料ガス充填室６０と、電解質・電極接合体２６に対向する前記第１プレート３０ａに設けられ、燃料ガス通路４４を形成する複数の凸部４２と、前記第２プレート３２ａに、前記第１プレート３０ａに接して設けられる複数の突起部５６とを備えている。

一方、第２挟持部９４の第４変位吸収機構１３２は、互いに接合される第１プレート３０ｂ及び第２プレート３２ｂ間に形成され、酸化剤ガス供給部９０から供給される酸化剤ガスを充填する酸化剤ガス充填室８２と、電解質・電極接合体２６に対向する前記第１プレート３０ｂに設けられ、酸化剤ガス通路７６を形成する複数の凸部４２と、前記第２プレート３２ｂに、前記第１プレート３０ｂに接して設けられる複数の突起部５６とを備えている。

その際、複数の凸部４２と複数の突起部５６とは、積層方向に互いに重ならない位置に配置されている（図６参照）。従って、第１プレート３０ａ、３０ｂは、複数の凸部４２と複数の突起部５６との間の領域が撓み易くなる。このため、集電部の低剛性化を図ることができ、特に急速始動時の熱変位を良好に吸収することが可能になる。

これにより、電解質・電極接合体２６の損傷に対する耐久性が向上するとともに、各段での高さのばらつきや前記電解質・電極接合体２６のうねりに追従して接触面積を増加させることができ、積層方向の加工精度を緩和することが可能になる。しかも、集電に必要な荷重を低減させることができ、荷重付与機構１６のコンパクト化が容易に図られる。

さらに、燃料ガス供給部８４に設けられる第１変位吸収機構９６は、積層方向に隣接し且つ一対の燃料ガス供給部８４同士を連結するとともに、前記積層方向の荷重を緩和するばね性を有する一対の連結部材１００ａ、１００ｂと、前記燃料ガス供給部８４から燃料ガスが漏れることを阻止するシール部材１１０ａ、１１０ｂ及び１１０ｃとを備えている。

一方、酸化剤ガス供給部９０に設けられる第２変位吸収機構９８は、積層方向に隣接し且つ一対の前記酸化剤ガス供給部９０同士を連結するとともに、前記積層方向の荷重を緩和するばね性を有する一対の連結部材１１２ａ、１１２ｂと、前記酸化剤ガス供給部９０から酸化剤ガスが漏れることを阻止するシール部材１２２ａ、１２２ｂ及び１２２ｃとを備えている。

従って、第１セパレータ２８ａにおいて、連結部材１００ａ、１００ｂに撓みが発生することによって、積層方向の変位量が吸収されるため、シール性能を確保するとともに、急速昇温時の急激な変位を有効に吸収することができる。このため、第１セパレータ２８ａに歪みが発生することを抑制し、燃料ガス供給部８４及び酸化剤ガス供給部９０の損傷を可及的に阻止することが可能になる。しかも、積層方向の荷重は、連結部材１００ａ、１００ｂの撓みにより緩和することができる。これにより、第１セパレータ２８ａの積層方向の寸法誤差を良好に吸収することが可能になる。

なお、第２セパレータ２８ｂにおいても、上記の第１セパレータ２８ａと同様である。

この他にも、燃料電池スタック１０の積層方向の各段に燃料電池１２が配置されているが、劣化等によって任意の段数の変位吸収機構が変位を吸収できなくなったとしても、別の段数の変位吸収機構によって変位を吸収することができるため、上記してきたような作用効果を奏することができる。

１０…燃料電池スタック １２…燃料電池
１４ａ、１４ｂ…プレート部材 １６…荷重付与機構
１８…ばね部材 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 ２８ａ、２８ｂ…セパレータ
３０ａ、３０ｂ、３２ａ、３２ｂ…プレート
３４…燃料ガス供給連通孔 ３６、８４…燃料ガス供給部
３８、５０、６８、７０、８６、９２…橋架部
４０、５２、７２、７４、８８、９４…挟持部
４２…凸部 ４４…燃料ガス通路
４６…燃料ガス供給孔 ５４…周回凸部
５６…突起部 ５８…燃料ガス供給通路
６０…燃料ガス充填室 ６２…酸化剤ガス供給連通孔
６４、６６、９０…酸化剤ガス供給部 ７６…酸化剤ガス通路
７８…酸化剤ガス供給孔 ８０…酸化剤ガス供給通路
９６、９８、１３０、１３２…変位吸収機構
１００ａ、１００ｂ、１１２ａ、１１２ｂ…連結部材
１０８、１２０…結合部材
１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ…シール部材
１３４…単位領域

Claims (6)

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・電極接合体が、第１セパレータ及び第２セパレータ間に配設される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックであって、
   前記第１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、電極面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス通路が設けられる第１挟持部と、
   前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給連通孔が積層方向に形成される燃料ガス供給部と、
   前記第１挟持部と前記燃料ガス供給部とを連結し、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給連通孔から前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給通路が形成される第１橋架部と、
   を備え、
   前記第２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、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設けられる第２挟持部と、
   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酸化剤ガス供給連通孔が積層方向に形成される酸化剤ガス供給部と、
   前記第２挟持部と前記酸化剤ガス供給部とを連結し、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給連通孔から前記酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給通路が形成される第２橋架部と、
   を備えるとともに、
   各第１挟持部、各第２挟持部、各燃料ガス供給部及び各酸化剤ガス供給部には、それぞれ前記燃料電池スタックに発生した変位を吸収するための変位吸収機構が設けら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セパレータ及び前記第２セパレータは、同一形状を有するとともに、
   互いに接合される第１プレート及び第２プレートを備えることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池スタックの積層方向端部には、前記第１挟持部及び前記第２挟持部に前記積層方向に重なり合って配置され、該第１挟持部及び該第２挟持部と前記燃料ガス供給部及び前記酸化剤ガス供給部とに、前記積層方向に荷重を付与する荷重付与機構が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項１〜３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挟持部及び前記第２挟持部の各変位吸収機構の剛性は、前記燃料ガス供給部及び前記酸化剤ガス供給部の各変位吸収機構の剛性よりも高く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２〜４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挟持部の前記変位吸収機構は、互いに接合される前記第１プレート及び前記第２プレート間に形成され、前記燃料ガス供給部から供給される前記燃料ガスを充填する燃料ガス充填室と、
   前記電解質・電極接合体に対向する前記第１プレートに設けられ、前記燃料ガス通路を形成する複数の凸部と、
   前記第２プレートに、前記第１プレートに接して設けられる複数の突起部と、
   を備え、
   前記第２挟持部の前記変位吸収機構は、互いに接合される前記第１プレート及び前記第２プレート間に形成され、前記酸化剤ガス供給部から供給される前記酸化剤ガスを充填する酸化剤ガス充填室と、
   前記電解質・電極接合体に対向する前記第１プレートに設けられ、前記酸化剤ガス通路を形成する複数の凸部と、
   前記第２プレートに、前記第１プレートに接して設けられる複数の突起部と、
   を備えるとともに、
   前記複数の凸部と前記複数の突起部とは、前記積層方向に互いに重ならない位置に配置されることを特徴とする燃料電池スタック。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記燃料ガス供給部に設けられる前記変位吸収機構は、前記積層方向に隣接し且つ一対の前記燃料ガス供給部同士を連結するとともに、前記積層方向の荷重を緩和するばね性を有する一対の連結部材と、
   前記燃料ガス供給部から前記燃料ガスが漏れることを阻止するシール部材と、
   を備えるとともに、
   前記酸化剤ガス供給部に設けられる前記変位吸収機構は、前記積層方向に隣接し且つ一対の前記酸化剤ガス供給部同士を連結するとともに、前記積層方向の荷重を緩和するばね性を有する一対の連結部材と、
   前記酸化剤ガス供給部から前記酸化剤ガスが漏れることを阻止するシール部材と、
   を備えることを特徴とする燃料電池スタック。

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