JP2012204124A - 燃料電池モジュール及びその組立方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、スタックの積層方向の温度を均一化し、均等な発電反応を遂行することを可能にする。
【解決手段】燃料電池モジュール１０を構成する燃料電池スタック１２は、電解質・電極接合体２６とセパレータ２８とを交互に積層する。燃料電池スタック１２は、積層方向一端部から積層方向他端部にわたって、第１領域１７０ａ、第２領域１７０ｂ及び第３領域１７０ｃの順に区分されるとともに、前記第２領域１７０ｂに配置されるセパレータ２８は、前記第１領域１７０ａ及び前記第３領域１７０ｃに配置される前記セパレータ２８よりも燃料ガスの圧力損失が大きく設定されている。
【選択図】図１

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、一方の面側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ための燃料ガス通路を設け、且つ他方の面側に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通路を設けるセパレータとを有し、前記電解質・電極接合体と前記セパレータとを交互に積層する燃料電池スタックを備える燃料電池モジュール及びその組立方法に関する。

通常、固体電解質形燃料電池（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交互に積層された燃料電池スタックとして使用されている。

ところで、上記のセパレータや電解質・電極接合体では、製造工程において歪みや寸法誤差が発生し易い。特に、セパレータでは、反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）が流通されるため、作製されたセパレータ毎に反応ガスの圧力損失が異なるおそれがある。

また、燃料電池スタックでは、発電反応によって発生する反応熱に曝されており、積層方向の段数によって熱影響が異なっている。従って、燃料電池スタックでは、積層方向に沿って発電状態が異なったり、熱歪みが発生したりするおそれがある。

さらに、燃料電池スタックが配置される環境によっては、熱伝導による高熱等が発生し易く、前記燃料電池スタックの積層方向における温度分布が惹起されるという問題がある。

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、燃料電池の構成要素を製造したときのばらつきの影響を抑えることを目的とし、燃料電池に複数個使用される構成要素につき、製造時における精度又は特性が略同等なものを集めて組み付けることを特徴としている。

また、特許文献２では、燃料電池スタックの温度低下によるセル電圧の低下を防止し、各セル電圧を均一化することを目的としており、前記燃料電池スタックの端部に位置する発電セルへの燃料ガス供給量を他の発電セルに比べて多くすることを特徴としている。

特開２００３−１５１６０４号公報 特開２００８−２１８２７９号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、精度又は特性が略同等な構成要素を集めて組み付けることにより燃料電池が構成されているため、前記燃料電池の積層方向における温度分布の発生を抑制することができない。従って、特許文献１では、燃料電池の積層方向で発電状態が異なったり、熱歪みが発生したりするという問題がある。

また、上記の特許文献２では、燃料電池スタックの端部に位置する発電セルの燃料ガス流路に、該燃料ガス流路の流路抵抗を減少する流路抵抗緩和手段が設けられている。これにより、セパレータの製作工数が増加するとともに、製造コストが高騰す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、簡単且つ経済的な構成で、スタックの積層方向の温度を均一化し、均等な発電反応を遂行することが可能な燃料電池モジュール及びその組立方法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、一方の面側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ための燃料ガス通路を設け、且つ他方の面側に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通路を設けるセパレータとを有し、前記電解質・電極接合体と前記セパレータとを交互に積層する燃料電池スタックを備える燃料電池モジュール及びその組立方法に関するものである。

この燃料電池モジュールでは、燃料電池スタックは、積層方向一端部から積層方向他端部にわたって、第１領域、第２領域及び第３領域の順に区分されるとともに、積層方向中央側の前記第２領域に配置されるセパレータは、前記第１領域及び前記第３領域に配置される前記セパレータよりも燃料ガスの圧力損失が大きく設定されている。

また、この燃料電池モジュールでは、圧力損失は、燃料ガス通路に燃料ガスが供給される供給圧力と大気圧との差圧であることが好ましい。

さらに、この燃料電池モジュールでは、セパレータは、燃料ガス通路に連通し、アノード電極に向かって燃料ガスを供給する燃料ガス供給孔を設けるとともに、供給圧力は、前記燃料ガスが前記燃料ガス供給孔を通過するための圧力であることが好ましい。

さらにまた、この燃料電池モジュールでは、第１領域又は第３領域のスタック温度の低い一方の領域に配置されるセパレータは、他方の領域に配置される前記セパレータよりも圧力損失が小さく設定されることが好ましい。

また、この燃料電池モジュールでは、第３領域に隣接して燃料電池スタックに積層方向の荷重を付与する加重付与機構を備え、前記第３領域に配置されるセパレータは、第１領域に配置される前記セパレータよりも圧力損失が小さく設定されることが好ましい。

さらに、この燃料電池モジュールでは、第１領域に隣接して燃料ガス通路に燃料ガスを供給するための改質器を備え、前記第１領域に配置されるセパレータは、第３領域に配置される前記セパレータよりも圧力損失が小さく設定されることが好ましい。

さらにまた、この組立方法は、燃料ガスの圧力損失に応じてセパレータを３つのグループに振り分ける工程と、燃料電池スタックの積層方向一端部から積層方向他端部にわたって、第１領域、第２領域及び第３領域の順に区分する工程と、前記第１領域、第２領域及び第３領域に、各グループの前記セパレータを配置する工程とを有するとともに、積層方向中央側の前記第２領域に配置される前記セパレータは、前記第１領域及び前記第３領域に配置される前記セパレータよりも前記燃料ガスの圧力損失が大きく設定されている。

また、この組立方法では、圧力損失は、燃料ガス通路に燃料ガスが供給される供給圧力と大気圧との差圧であることが好ましい。

さらに、この組立方法では、セパレータは、燃料ガス通路に連通し、アノード電極に向かって燃料ガスを供給する燃料ガス供給孔を設けるとともに、供給圧力は、前記燃料ガスが前記燃料ガス供給孔を通過するための圧力であることが好ましい。

さらにまた、この組立方法では、第１領域と第３領域とでスタック温度の低い領域に配置されるセパレータは、他の領域に配置される前記セパレータよりも圧力損失が小さく設定されることが好ましい。

本発明によれば、燃料電池スタックでは、最も高温になり易い積層方向中央側の第２領域に配置されているセパレータは、第１領域及び第３領域の各セパレータよりも燃料ガスの圧力損失が大きく設定されている。従って、第２領域における燃料ガスの供給量が減少するため、発電反応量が第１領域及び第３領域に比べて相対的に減少する。

このように、燃料電池スタックでは、最も高温になり易い第２領域の温度が低下するため、積層方向の温度を均一化することができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、燃料電池スタックの積層方向の温度を均一化し、均等な発電反応が遂行可能になるとともに、耐久性の向上が図られる。

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。 前記燃料電池を構成するセパレータの圧力損失を測定する際の説明図である。 前記燃料電池スタックの積層方向の温度分布と圧力損失との関係説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュールの断面説明図である。 前記燃料電池スタックの積層方向の温度分布と圧力損失との関係説明図である。

図１〜図３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、可搬用や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。荷重付与機構１９及び流体部１８は、燃料電池スタック１２に対して軸対称に配置される。

燃料電池スタック１２は、矢印Ａ方向に積層される複数の固体電解質形燃料電池１２ａを備える。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。各セパレータ２８間には、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、その内部に燃料ガス供給孔３８が配置される一方、挟持部３６の基端部側（第１橋架部３４側）には、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、電解質・電極接合体２６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。燃料電池スタック１２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。

図４に示すように、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の他方の端部には、端部セパレータ８４に隣接して略円板状のエンドプレート８８ａが配置される。燃料電池スタック１２の一方の端部には、端部セパレータ８４に隣接して隔壁（ターミナルプレート）９０が配置され、前記隔壁９０に隣接して小径且つ略円板状の複数のエンドプレート８８ｂと、大径且つ略リング状の固定リング８８ｃとが配置される。隔壁９０は、排ガスがセパレータ２８の外部に拡散することを阻止する機能をも有する一方、エンドプレート８８ｂ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８８ａ及び固定リング８８ｃは、複数の孔部９２を有するとともに、整流部材７４には、積層方向にボルト挿入用カラー部材９４が一体に挿入される。孔部９２及びボルト挿入用カラー部材９４に挿入されるボルト９６及び前記ボルト９６に螺合するナット９８を介し、エンドプレート８８ａと固定リング８８ｃとが締め付け固定される。

エンドプレート８８ａ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１００と、各酸化剤ガス供給連通孔６８に連通するキャビティ１０２ａを設けるケーシング１０２と、前記ケーシング１０２に接続されて前記キャビティ１０２ａに連通する単一の酸化剤ガス供給パイプ１０４とが設けられる。

エンドプレート８８ａには、複数のボルト９６、ナット１０６ａ、１０６ｂ及び板状カラー部材１０８を介して固定プレート部材１１０が固定される。固定プレート部材１１０とエンドプレート８８ａ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１１２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１１４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８８ｂ側に配置されるととともに、第１締め付け部１１２及び第２締め付け部１１４は、エンドプレート８８ａを介して積層方向の荷重を保持する。

第１締め付け部１１２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つのエンドプレート８８ｂ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１１０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１１４は、エンドプレート８８ｂ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を介してエンドプレート８８ｂ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１１０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。

図１の発電使用時の姿勢に示すように、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とを上下に備える。第１及び第２筐体部１６０ａ、１６０ｂ間は、隔壁９０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９０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。

次いで、燃料電池モジュール１０を組み立てる工程について、以下に説明する。

先ず、製造されたセパレータ２８毎に圧力損失を測定し、測定された圧力損失に応じて前記セパレータ２８が３つのグループに振り分けられる。具体的には、図７に示すように、測定用のガス、例えば、空気が、燃料ガス供給連通孔３０に供給される。この空気は、セパレータ２８の４つの第２橋架部６４に設けられている各燃料ガス供給通路６６を通って、各燃料ガス供給孔３８から大気（燃料ガス通路４０側）に放出される。

従って、圧力損失ΔＰは、ΔＰ＝Ｐ１（燃料ガスの供給圧）−Ｐ２（大気圧）で算出される。

ここで、圧力損失は、上記のように、燃料ガス通路４０に燃料ガスが供給される供給圧力Ｐ１と、大気圧である圧力Ｐ２との差圧（ΔＰ）である。そして、供給圧力Ｐ１は、燃料ガスが燃料ガス供給孔３８を通過するための圧力である。

そして、全てのセパレータ２８について、上記の圧力損失状態の測定が行われた後、それぞれの圧力損失が規定範囲以下、規定範囲内又は規定範囲以上のいずれかにあるかにより、３つのグループに振り分けられる。例えば、圧力損失が最も大きなグループを第１グループＧ１とし、圧力損失が中程度のグループを第２グループＧ２とし、圧力損失が最も小さいグループを第３グループＧ３とする。

一方、燃料電池スタック１２では、図８に示すように、積層方向（矢印Ａ方向）に対して、温度分布が発生する。燃料電池スタック１２の積層方向中央部は、積層方向両側に燃料電池１２ａが重なり合うため、最も高温になり易い領域である。一方、流体部１８に近接する積層方向一端部側は、特に、改質器１６の改質中（吸熱反応）に温度が低下し易く、前記改質器１６への伝熱により最も温度低下が惹起する領域がある。

そこで、燃料電池スタック１２の積層方向に対し、積層方向一端部から積層方向他端部にわたって、第１領域１７０ａ、第２領域１７０ｂ及び第３領域１７０ｃの順に区分する。第２領域１７０ｂは、最も高温になり易い領域である一方、第１領域１７０ａは、最も低温になり易い領域である。

次に、第２領域１７０ｂには、圧力損失が最も大きな第１グループＧ１に区分されたセパレータ２８が配置され、第１領域１７０ａには、圧力損失が最も低い第３グループＧ３に区分されたセパレータ２８が配置され、第３領域１７０ｃには、圧力損失が中程度の第２グループＧ２に区分されたセパレータ２８が配置される。すなわち、燃料電池スタック１２の積層方向に対する温度分布と圧力損失とは、図８に示す関係に設定される。

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１０４からキャビティ１０２ａ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８８ａに接続されている燃料ガス供給パイプ１００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、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、第１の実施形態では、燃料電池スタック１２において、最も高温になり易い積層方向中央側である第２領域１７０ｂに配置されているセパレータ２８は、他の領域である第１領域１７０ａ及び第３領域１７０ｃに配置されているそれぞれのセパレータ２８よりも、燃料ガスの圧力損失が大きく設定されている。

このため、第２領域１７０ｂでは、セパレータ２８の燃料ガス供給孔３８からアノード電極２４に供給される燃料ガスの供給量が減少され、発電反応が第１領域１７０ａ及び第３領域１７０ｃに比べて相対的に抑制される。従って、第２領域１７０ｂにおける発電反応量が減少し、前記第２領域１７０ｂの温度を低下させることができる。これにより、燃料電池スタック１２は、最も高温になり易い第２領域１７０ｂの温度が低下するため、積層方向の温度を均一化することが可能になる。

しかも、第１の実施形態では、スタック温度が最も低温になり易いスタック上端部である第１領域１７０ａに配置されるセパレータ２８は、第３領域１７０ｃに配置されるセパレータ２８よりも圧力損失が小さく設定されている。このため、第１領域１７０ａでは、セパレータ２８の燃料ガス供給孔３８からアノード電極２４に供給される燃料ガスの供給量を増加させることができ、発電反応を第１領域１７０ａ及び第３領域１７０ｃに比べて相対的に促進させることが可能になる。

従って、特に、流体部１８から流入する流体による温度低下や、改質器１６の改質中の吸熱作用によって、第１領域１７０ａの温度が必要以上に低下することがなく、前記第１領域１７０ａの温度を良好に上昇させることができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、燃料電池スタック１２の積層方向の温度分布を均一化することができ、耐久性の向上を図るとともに、均等な発電反応を遂行することが可能になるという効果が得られる。

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の断面説明図である。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。

燃料電池モジュール１８０を構成する燃料電池スタック１８２では、積層方向中央側が最も高温になり易い一方、荷重付与機構１９に隣接する積層方向他端部側が最も低温になり易い。

すなわち、燃料電池スタック１８２の積層方向下端に隣接する荷重付与機構１９側に、前記燃料電池スタック１８２に発生した熱が伝導し、積層方向下端側の温度が低下し易くなる。一方、燃料電池スタック１８２の積層方向上端側には、前記燃料電池スタック１８２で発生した熱が伝導されるとともに、排ガスからの熱の伝導がなされる。このため、燃料電池スタック１８２では、流体部１８よりも荷重付与機構１９側が低温になり易い。

なお、燃料電池モジュール１８０は、第１の実施形態の燃料電池モジュール１０と構成上の変更はないが、断熱構造や発熱量、構成部品の材質、又は設置箇所等の種々の環境条件によって、第２の実施形態では、積層方向下端側が最低温度になり易い（図１０参照）。

燃料電池スタック１８２は、図９に示すように、積層方向上端側から第１領域１８４ａ、第２領域１８４ｂ及び第３領域１８４ｃの順に区分される。図１０に示すように、第２領域１８４ｂには、圧力損失が最も高い第１グループＧ１のセパレータ２８が配置され、第３領域１８４ｃには、圧力損失が最も低い第３グループＧ３のセパレータ２８が配置され、さらに第１領域１８４ａには、圧力損失が中程度の第２グループＧ２のセパレータ２８が配置される。

このように構成される第２の実施形態では、燃料電池スタック１８２の最も高温になり易い第２領域１８４ｂに配置されているセパレータ２８は、第１領域１８４ａ及び第３領域１８４ｃ（積層方向両端）にそれぞれ配置されているセパレータ２８よりも、燃料ガスの圧力損失が大きく設定されている。従って、第２領域１８４ｂにおける燃料ガスの供給量が減少し、発電反応が相対的に減少する。

一方、スタック温度が最も低温になり易い第３領域１８４ｃ（荷重付与機構１９側）に配置されているセパレータ２８は、圧力損失が最も小さく設定されている。このため、第３領域１８４ｃでは、燃料ガスの供給量を増やして発電反応を相対的に促進させることができ、荷重付与機構１９に伝熱することにより温度低下が惹起されていた第３領域１８４ｃの温度を有効に上昇させることが可能になる。

これにより、簡単且つ経済的な構成で、燃料電池スタック１８２の積層方向の温度を均一化し、均等な発電反応が遂行可能になるとともに、耐久性の向上が図られる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、１８０…燃料電池モジュール １２、１８２…燃料電池スタック
１４…熱交換器 １５…蒸発器
１６…改質器 １７…筐体
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…燃料ガス通路
５４…酸化剤ガス通路 ６０…通路部材
６６…燃料ガス供給通路 ７４…整流部材
１７０ａ、１７０ｂ、１７０ｃ、１８４ａ、１８４ｂ、１８４ｃ…領域

Claims (10)

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、一方の面側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ための燃料ガス通路を設け、且つ他方の面側に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通路を設けるセパレータとを有し、前記電解質・電極接合体と前記セパレータとを交互に積層する燃料電池スタックを備える燃料電池モジュールであって、
   前記燃料電池スタックは、積層方向一端部から積層方向他端部にわたって、第１領域、第２領域及び第３領域の順に区分されるとともに、
   積層方向中央側の前記第２領域に配置される前記セパレータは、前記第１領域及び前記第３領域に配置される前記セパレータよりも前記燃料ガスの圧力損失が大きく設定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、前記圧力損失は、前記燃料ガス通路に前記燃料ガスが供給される供給圧力と大気圧との差圧であ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、前記セパレータは、前記燃料ガス通路に連通し、前記アノード電極に向かって前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給孔を設けるとともに、
   前記供給圧力は、前記燃料ガスが前記燃料ガス供給孔を通過するための圧力であることを特徴とする燃料電池モジュール。
4. 請求項１〜３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領域又は前記第３領域のスタック温度の低い一方の領域に配置される前記セパレータは、他方の領域に配置される前記セパレータよりも前記圧力損失が小さく設定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、前記第３領域に隣接して前記燃料電池スタックに前記積層方向の荷重を付与する加重付与機構を備え、
   前記第３領域に配置される前記セパレータは、前記第１領域に配置される前記セパレータよりも前記圧力損失が小さく設定されることを特徴とする燃料電池モジュール。
6. 請求項４記載の燃料電池モジュールにおいて、前記第１領域に隣接して前記燃料ガス通路に前記燃料ガスを供給するための改質器を備え、
   前記第１領域に配置される前記セパレータは、前記第３領域に配置される前記セパレータよりも前記圧力損失が小さく設定されることを特徴とする燃料電池モジュール。
7. 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、一方の面側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ための燃料ガス通路を設け、且つ他方の面側に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通路を設けるセパレータとを有し、前記電解質・電極接合体と前記セパレータとを交互に積層する燃料電池スタックを備える燃料電池モジュールの組立方法であって、
   燃料ガスの圧力損失に応じて前記セパレータを３つのグループに振り分ける工程と、
   前記燃料電池スタックの積層方向一端部から積層方向他端部にわたって、第１領域、第２領域及び第３領域の順に区分する工程と、
   前記第１領域、第２領域及び第３領域に、各グループの前記セパレータを配置する工程と、
   を有するとともに、積層方向中央側の前記第２領域に配置される前記セパレータは、前記第１領域及び前記第３領域に配置される前記セパレータよりも前記燃料ガスの圧力損失が大きく設定されることを特徴とする燃料電池モジュールの組立方法。
8. 請求項７記載の組立方法において、前記圧力損失は、前記燃料ガス通路に前記燃料ガスが供給される供給圧力と大気圧との差圧であることを特徴とする燃料電池モジュールの組立方法。
9. 請求項８記載の組立方法において、前記セパレータは、前記燃料ガス通路に連通し、前記アノード電極に向かって前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給孔を設けるとともに、
   前記供給圧力は、前記燃料ガスが前記燃料ガス供給孔を通過するための圧力であることを特徴とする燃料電池モジュールの組立方法。
10. 請求項７〜９のいずれか１項に記載の組立方法において、前記第１領域又は前記第３領域のスタック温度の低い一方の領域に配置される前記セパレータは、他方の領域に配置される前記セパレータよりも前記圧力損失が小さく設定されることを特徴とする燃料電池モジュールの組立方法。

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