JP2016225078A - 燃料電池構造体 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料電池構造体におけるガスの漏れや接触不良の発生を抑制する。
【手段】燃料電池構造体は、第１の方向に並べて配置された複数の発電単位と、ねじ部が形成された軸部と、軸部に対して第１の方向の一方側に位置するフランジ部と、をそれぞれ含む複数の締結部材とを備え、複数の締結部材で締結されている。燃料電池構造体は、さらに、複数の発電単位に対して第１の方向の一方側に配置され、複数の締結部材のフランジ部の座面に直接、または、他の部材を介して接する第１の部材と、複数の発電単位に対して第１の方向の他方側に配置され、複数の締結部材の軸部に形成されたねじ部に螺合する複数のねじ孔が形成された第２の部材とを備える。
【選択図】図１０

Description

本明細書によって開示される技術は、燃料電池構造体に関する。
固体酸化物形燃料電池（以下、「ＳＯＦＣ」ともいう）は、一般に、所定の方向（以下、「配列方向」ともいう）に並べて配置された複数の発電単位を備える燃料電池スタックの形態で利用される。発電単位は、発電の最小単位であり、電解質層と電解質層を挟んで配列方向に互いに対向する空気極および燃料極とを含む。
一般に、燃料電池スタックには、複数の発電単位にわたって配列方向に延びる複数のボルト孔が形成されており、複数のボルト孔のそれぞれに挿入されたボルトと、各ボルトに嵌められたナットとによって締結される（例えば特許文献１参照）。
特開２０１４−２１２０９０号公報
上述した従来の構成では、ナットの座面が、燃料電池スタックを構成するある部材（例えば、エンドプレート）の表面に接触し、その接触する部分に締結応力が集中するため、当該部材が局所的に変形するおそれがあり、これによって締結力が減少してガス漏れや接触不良を引き起こすおそれがある。
なお、このような課題は、ボルトやナットに限らず、締結部材で締結された燃料電池スタックに共通の課題である。また、このような課題は、燃料電池スタックに限らず、複数の発電単位を備える構造体（本明細書ではこの構造体を「燃料電池構造体」と呼ぶ）に共通の課題である。また、このような課題は、ＳＯＦＣに限らず、他のタイプの燃料電池構造体にも共通の課題である。
本明細書では、上述した課題の少なくとも一部を解決することが可能な技術を開示する。
本明細書に開示される技術は、例えば、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本明細書に開示される燃料電池構造体は、第１の方向に並べて配置された複数の発電単位と、前記第１の方向に延びると共にねじ部が形成された軸部と、前記軸部に対して前記第１の方向の一方側に位置するフランジ部と、をそれぞれ含む複数の締結部材と、を備え、前記複数の締結部材で締結された燃料電池構造体において、さらに、前記複数の発電単位に対して前記第１の方向の前記一方側に配置され、前記複数の締結部材の前記フランジ部における前記第１の方向の他方側の面である座面に直接、または、他の部材を介して接する第１の部材と、前記複数の発電単位に対して前記第１の方向の前記他方側に配置され、前記複数の締結部材の前記軸部に形成された前記ねじ部に螺合する複数のねじ孔が形成された第２の部材と、を備えることを特徴とする。本燃料電池構造体によれば、各締結部材のフランジ部の座面が第１の部材と直接、または、他の部材を介して接し、第２の部材に複数のねじ孔が形成されており、各締結部材の軸部に形成されたねじ部が、第２の部材の各ねじ孔に螺合しているため、締結力は第２の部材に直に発生することとなり、第２の部材の一部分に締結応力が集中することが回避され、第２の部材の局所的な変形を抑制することができ、ガス漏れや接触不良の発生を抑制することができる。
（２）上記燃料電池構造体において、前記締結部材の前記軸部と前記フランジ部とは一体の部材である構成としてもよい。本燃料電池構造体によれば、例えば、軸部とフランジ部とが別体であり、軸部とフランジ部とが螺合する構成と比較して、螺合箇所が少なくなるため、締結荷重の管理を容易にすることができると共に、長期使用における螺合箇所の緩みを抑制することができる。
（３）上記燃料電池構造体において、前記第１の方向の前記他方側の前記ねじ部の端の前記第１の方向における位置は、前記第１の方向の前記他方側の前記ねじ孔の端の前記第１の方向における位置と比べて、同じか、または、前記第１の方向の前記他方側である構成としてもよい。本燃料電池構造体によれば、ねじ部の端の位置がねじ孔の端の位置より第１の方向の上記一方側である構成と比較して、ねじ部とねじ孔との螺合部分の噛み数を一定に、かつ、より多くすることができるため、締結力の安定化を実現することができると共に、螺合箇所の耐久性を向上させることができる。
（４）上記燃料電池構造体において、前記燃料電池構造体は、前記複数の発電単位と、前記第１の方向の端部を構成する前記第１の部材および前記第２の部材とを備える燃料電池スタックであり、前記第１の部材および前記第２の部材は、平板状部材である構成としてもよい。本燃料電池構造体によれば、燃料電池スタックにおけるガス漏れや接触不良の発生を抑制することができる。
（５）上記燃料電池構造体において、前記燃料電池構造体は、前記複数の発電単位を備える燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックから排出されたガスを燃焼させる燃焼室と、原燃料ガスを改質して前記燃料電池スタックに供給する燃料ガスを生成する改質室と、の少なくとも一方が形成された補助器と、を備える発電モジュールであり、前記第２の部材は、前記補助器である構成としてもよい。本燃料電池構造体によれば、燃料電池スタックと補助器とを備える発電モジュールにおけるガス漏れや接触不良の発生を抑制することができる。
なお、本明細書に開示される技術は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、燃料電池構造体、燃料電池スタック、燃料電池スタックと補助器とを備える発電モジュール、発電モジュールを備える燃料電池システム等の形態で実現することが可能である。
第１実施形態における燃料電池スタック１００の外観構成を示す斜視図である。 第１実施形態における燃料電池スタック１００の上側のＸＹ平面構成を示す説明図である。 第１実施形態における燃料電池スタック１００の下側のＸＹ平面構成を示す説明図である。 図１から図３のＩＶ−ＩＶの位置における燃料電池スタック１００のＸＺ断面構成を説明図である。 図１から図３のＶ−Ｖの位置における燃料電池スタック１００のＹＺ断面構成を示す説明図である。 図４に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＸＺ断面構成を示す説明図である。 図５に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２のＹＺ断面構成を示す説明図である。 図６のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図である。 図６のＩＸ−ＩＸの位置における発電単位１０２のＸＹ断面構成を示す説明図である。 燃料電池スタック１００の締結のためのＸＺ断面構成を示す説明図である。 比較例の燃料電池スタック１００’の締結のためのＸＺ断面構成を示す説明図である。 第１実施形態の第１の変形例における燃料電池スタック１００ａの締結のためのＸＺ断面構成を示す説明図である。 第１実施形態の第２の変形例における燃料電池スタック１００ｂの締結のためのＸＺ断面構成を示す説明図である。 第１実施形態の第３の変形例における燃料電池スタック１００ｃの締結のためのＸＺ断面構成を示す説明図である。 第２実施形態における燃料電池ホットモジュール１０の外観構成を示す斜視図である。 図１５のＸＶＩ−ＸＶＩの位置における発電モジュール２０のＸＺ断面構成を示す説明図である。 図１５のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩの位置における発電モジュール２０のＹＺ断面構成を示す説明図である。 第２実施形態における発電モジュール２０の締結のためのＸＹ断面構成を示す説明図である。 第２実施形態における発電モジュール２０の締結のためのＸＺ断面構成を示す説明図である。 第２実施形態の変形例におけるホットモジュール１０ｆの外観構成を示す斜視図である。 第２実施形態の変形例における補助器２００ｆのＸＹ断面構成を示す説明図である。
Ａ．第１実施形態：
Ａ−１．構成：
（燃料電池スタック１００の構成）
図１から図５は、本実施形態における燃料電池スタック１００の構成を概略的に示す説明図である。図１には、燃料電池スタック１００の外観構成が示されており、図２には、燃料電池スタック１００の上側の平面構成が示されており、図３には、燃料電池スタック１００の下側の平面構成が示されており、図４には、図１から図３のＩＶ−ＩＶの位置における燃料電池スタック１００の断面構成が示されており、図５には、図１から図３のＶ−Ｖの位置における燃料電池スタック１００の断面構成が示されている。各図には、方向を特定するための互いに直交するＸＹＺ軸が示されている。本明細書では、便宜的に、Ｚ軸正方向を上方向と呼び、Ｚ軸負方向を下方向と呼ぶものとするが、燃料電池スタック１００は実際にはそのような向きとは異なる向きで設置されてもよい。図６以降についても同様である。
燃料電池スタック１００は、複数の（本実施形態では７つの）発電単位１０２と、一対のエンドプレート１０４，１０６とを備える。７つの発電単位１０２は、所定の配列方向（本実施形態では上下方向）に並べて配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６は、７つの発電単位１０２を上下から挟むように配置されている。なお、上記配列方向（上下方向）は、特許請求の範囲における第１の方向に相当する。
図１に示すように、各発電単位１０２のＺ方向回りの外周の４つの角部には、上下方向に貫通する孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、上下方向に延びるボルト孔１０９を構成している。各ボルト孔１０９にはボルト２２が挿入されており、各ボルト２２によって燃料電池スタック１００は締結されている。燃料電池スタック１００の締結のための構成については、後に詳述する。
図１、図２、図４および図５に示すように、各発電単位１０２および下側のエンドプレート１０６のＺ方向回りの外周辺の中点付近には、上下方向に貫通する孔が形成されており、各層に形成され互いに対応する孔同士が上下方向に連通して、各発電単位１０２およびエンドプレート１０６にわたって上下方向に延びる連通孔１０８を構成している。
図１、図２および図４に示すように、燃料電池スタック１００のＺ方向回りの外周における１つの辺（Ｙ軸に平行な２つの辺の内のＸ軸正方向側の辺）の中点付近に位置する連通孔１０８は、燃料電池スタック１００の外部から酸化剤ガスＯＧが導入され、その酸化剤ガスＯＧを各発電単位１０２に供給するガス流路である酸化剤ガス導入マニホールド１６１として機能し、該辺の反対側の辺（Ｙ軸に平行な２つの辺の内のＸ軸負方向側の辺）の中点付近に位置する連通孔１０８は、各発電単位１０２の空気室１６６から排出されたガスである酸化剤オフガスＯＯＧを燃料電池スタック１００の外部へと排出するガス流路である酸化剤ガス排出マニホールド１６２として機能する。なお、本実施形態では、酸化剤ガスＯＧとして、例えば空気が使用される。
また、図１、図２および図５に示すように、燃料電池スタック１００のＺ方向回りの外周における１つの辺（Ｘ軸に平行な２つの辺の内のＹ軸正方向側の辺）の中点付近に位置する連通孔１０８は、燃料電池スタック１００の外部から燃料ガスＦＧが導入され、その燃料ガスＦＧを各発電単位１０２に供給するガス流路である燃料ガス導入マニホールド１７１として機能し、該辺の反対側の辺（Ｘ軸に平行な２つの辺の内のＹ軸負方向側の辺）の中点付近に位置する連通孔１０８は、各発電単位１０２の燃料室１７６から排出されたガスである燃料オフガスＦＯＧを燃料電池スタック１００の外部へと排出するガス流路である燃料ガス排出マニホールド１７２として機能する。なお、本実施形態では、燃料ガスＦＧとして、例えば都市ガスを改質した水素リッチなガスが使用される。
図１および図３から図５に示すように、燃料電池スタック１００には、４つのガス通路部材２７が設けられている。各ガス通路部材２７は、中空筒状の本体部２８と、本体部２８の側面から分岐した中空筒状の分岐部２９とを有している。分岐部２９の孔は本体部２８の孔と連通している。各ガス通路部材２７の分岐部２９には、ガス配管（図示せず）が接続される。図４に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド１６１の位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、酸化剤ガス導入マニホールド１６１に連通しており、酸化剤ガス排出マニホールド１６２の位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、酸化剤ガス排出マニホールド１６２に連通している。また、図５に示すように、燃料ガス導入マニホールド１７１の位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、燃料ガス導入マニホールド１７１に連通しており、燃料ガス排出マニホールド１７２の位置に配置されたガス通路部材２７の本体部２８の孔は、燃料ガス排出マニホールド１７２に連通している。なお、各ガス通路部材２７とエンドプレート１０６の表面との間には、絶縁シート２６が介在している。絶縁シート２６は、例えばマイカシートや、セラミック繊維シート、セラミック圧粉シート、ガラスシート、ガラスセラミック複合剤等により構成される。
（エンドプレート１０４，１０６の構成）
一対のエンドプレート１０４，１０６は、矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばステンレス材やアルミ添加ステンレス材により形成されている。一方のエンドプレート１０４は、最も上に位置する発電単位１０２の上側に配置され、他方のエンドプレート１０６は、最も下に位置する発電単位１０２の下側に配置されている。一対のエンドプレート１０４，１０６によって複数の発電単位１０２が押圧された状態で挟持されている。上側のエンドプレート１０４は、燃料電池スタック１００のプラス側の出力端子として機能し、下側のエンドプレート１０６は、燃料電池スタック１００のマイナス側の出力端子として機能する。
（発電単位１０２の構成）
図６から図９は、発電単位１０２の詳細構成を示す説明図である。図６には、図４に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２の断面構成が示されており、図７には、図５に示す断面と同一の位置における互いに隣接する２つの発電単位１０２の断面構成が示されており、図８には、図６のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩの位置における発電単位１０２の断面構成が示されており、図９には、図６のＩＸ−ＩＸの位置における発電単位１０２の断面構成が示されている。
図６および図７に示すように、発電の最小単位である発電単位１０２は、単セル１１０と、セパレータ１２０と、空気極側フレーム１３０と、空気極側集電体１３４と、燃料極側フレーム１４０と、燃料極側集電体１４４と、発電単位１０２の最上層および最下層を構成する一対のインターコネクタ１５０とを備えている。セパレータ１２０、空気極側フレーム１３０、燃料極側フレーム１４０、インターコネクタ１５０におけるＺ方向回りの周縁部には、上述したボルト２２が挿入されるボルト孔１０９に対応する孔や、各マニホールドして機能する連通孔１０８に対応する孔が形成されている（図８および図９参照）。
単セル１１０は、電解質層１１２と、電解質層１１２を挟んで上下方向（発電単位１０２が並ぶ配列方向）に互いに対向する空気極（カソード)１１４および燃料極（アノード）１１６とを備える。なお、本実施形態の単セル１１０は、燃料極１１６で電解質層１１２および空気極１１４を支持する燃料極支持形の単セルである。
電解質層１１２は、矩形の平板形状部材であり、例えば、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）、ＳｃＳＺ（スカンジア安定化ジルコニア）、ＳＤＣ（サマリウムドープセリア）、ＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）、ペロブスカイト型酸化物等の固体酸化物により形成されている。空気極１１４は、矩形の平板形状部材であり、例えば、ペロブスカイト型酸化物（例えばＬＳＣＦ（ランタンストロンチウムコバルト鉄酸化物）、ＬＳＭ（ランタンストロンチウムマンガン酸化物）、ＬＮＦ（ランタンニッケル鉄））により形成されている。燃料極１１６は、矩形の平板形状部材であり、例えば、Ｎｉ（ニッケル）、Ｎｉとセラミック粒子からなるサーメット、Ｎｉ基合金等により形成されている。このように、本実施形態の単セル１１０（発電単位１０２）は、電解質として固体酸化物を用いる固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。
セパレータ１２０は、中央付近に上下方向に貫通する矩形の孔１２１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。セパレータ１２０における孔１２１の周囲部分は、電解質層１１２における空気極１１４の側の表面の周縁部に対向している。セパレータ１２０は、その対向した部分に配置されたロウ材（例えばＡｇロウ）により形成された接合部１２４により、電解質層１１２（単セル１１０）と接合されている。セパレータ１２０により、空気極１１４に面する空気室１６６と燃料極１１６に面する燃料室１７６とが区画され、単セル１１０の周縁部における一方の電極側から他方の電極側へのガスのリークが抑制される。なお、セパレータ１２０が接合された単セル１１０をセパレータ付き単セルともいう。
インターコネクタ１５０は、矩形の平板形状の導電性部材であり、例えばフェライト系ステンレスにより形成されている。インターコネクタ１５０は、単セル１１０に対して配列方向に対向するように配置されている。インターコネクタ１５０は、発電単位１０２間の電気的導通を確保すると共に、発電単位１０２間での反応ガスの混合を防止する。なお、本実施形態では、２つの発電単位１０２が隣接して配置されている場合、１つのインターコネクタ１５０は、隣接する２つの発電単位１０２に共有されている。すなわち、ある発電単位１０２における上側のインターコネクタ１５０は、その発電単位１０２の上側に隣接する他の発電単位１０２における下側のインターコネクタ１５０と同一部材である。また、燃料電池スタック１００は一対のエンドプレート１０４，１０６を備えているため、燃料電池スタック１００において最も上に位置する発電単位１０２は上側のインターコネクタ１５０を備えておらず、最も下に位置する発電単位１０２は下側のインターコネクタ１５０を備えていない（図４および図５参照）。
図８に示すように、空気極側フレーム１３０は、中央付近に上下方向に貫通する矩形の孔１３１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、マイカ等の絶縁体により形成されている。空気極側フレーム１３０は、セパレータ１２０とインターコネクタ１５０との間に配置され、セパレータ１２０における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面の周縁部と、インターコネクタ１５０における空気極１１４に対向する側の表面の周縁部とに接触している。空気極側フレーム１３０の孔１３１は、空気極１１４に面する空気室１６６を構成する。また、空気極側フレーム１３０によって、発電単位１０２に含まれる一対のインターコネクタ１５０間が電気的に絶縁される。また、空気極側フレーム１３０には、酸化剤ガス導入マニホールド１６１と空気室１６６とを連通する酸化剤ガス供給連通孔１３２と、空気室１６６と酸化剤ガス排出マニホールド１６２とを連通する酸化剤ガス排出連通孔１３３とが形成されている。
図９に示すように、燃料極側フレーム１４０は、中央付近に上下方向に貫通する矩形の孔１４１が形成されたフレーム状の部材であり、例えば、金属により形成されている。燃料極側フレーム１４０は、セパレータ１２０とインターコネクタ１５０との間に配置され、セパレータ１２０における電解質層１１２に対向する側の表面の周縁部と、インターコネクタ１５０における燃料極１１６に対向する側の表面の周縁部とに接触している。燃料極側フレーム１４０の孔１４１は、燃料極１１６に面する燃料室１７６を構成する。また、燃料極側フレーム１４０には、燃料ガス導入マニホールド１７１と燃料室１７６とを連通する燃料ガス供給連通孔１４２と、燃料室１７６と燃料ガス排出マニホールド１７２とを連通する燃料ガス排出連通孔１４３とが形成されている。
図８に示すように、空気極側集電体１３４は、空気室１６６内に配置されている。空気極側集電体１３４は、所定の間隔をあけて並べられた複数の略四角柱状の導電性部材から構成されており、例えば、フェライト系ステンレスにより形成されている。空気極側集電体１３４は、空気極１１４における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面と、インターコネクタ１５０における空気極１１４に対向する側の表面とに接触することにより、空気極１１４とインターコネクタ１５０とを電気的に接続する。なお、空気極側集電体１３４とインターコネクタ１５０とが一体の部材として形成されていてもよい。
図９に示すように、燃料極側集電体１４４は、燃料室１７６内に配置されている。燃料極側集電体１４４は、インターコネクタ対向部１４６と、複数の電極対向部１４５と、各電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６とをつなぐ連接部１４７とを備えており、例えば、ニッケルやニッケル合金、ステンレス等により形成されている。各電極対向部１４５は、燃料極１１６における電解質層１１２に対向する側とは反対側の表面に接触し、インターコネクタ対向部１４６は、インターコネクタ１５０における燃料極１１６に対向する側の表面に接触する。そのため、燃料極側集電体１４４は、燃料極１１６とインターコネクタ１５０とを電気的に接続する。なお、電極対向部１４５とインターコネクタ対向部１４６との間には、例えばマイカにより形成されたスペーサー１４９が配置されている。そのため、燃料極側集電体１４４が温度サイクルや反応ガス圧力変動による発電単位１０２の変形に追随し、燃料極側集電体１４４を介した燃料極１１６とインターコネクタ１５０との電気的接続が良好に維持される。
Ａ−２．燃料電池スタック１００の動作：
図４、図６および図８に示すように、酸化剤ガス導入マニホールド１６１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して酸化剤ガスＯＧが供給されると、酸化剤ガスＯＧは、ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８の孔を介して酸化剤ガス導入マニホールド１６１に導入され、酸化剤ガス導入マニホールド１６１から各発電単位１０２の酸化剤ガス供給連通孔１３２を介して、空気室１６６に供給される。また、図５、図７および図９に示すように、燃料ガス導入マニホールド１７１の位置に設けられたガス通路部材２７の分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して燃料ガスＦＧが供給されると、燃料ガスＦＧは、ガス通路部材２７の分岐部２９および本体部２８の孔を介して燃料ガス導入マニホールド１７１に導入され、燃料ガス導入マニホールド１７１から各発電単位１０２の燃料ガス供給連通孔１４２を介して、燃料室１７６に供給される。
各発電単位１０２の空気室１６６に酸化剤ガスＯＧが供給され、燃料室１７６に燃料ガスＦＧが供給されると、単セル１１０において酸化剤ガスＯＧおよび燃料ガスＦＧの電気化学反応による発電が行われる。この発電反応は発熱反応である。各発電単位１０２において、単セル１１０の空気極１１４は空気極側集電体１３４を介して一方のインターコネクタ１５０に電気的に接続され、燃料極１１６は燃料極側集電体１４４を介して他方のインターコネクタ１５０に電気的に接続されている。また、燃料電池スタック１００に含まれる複数の発電単位１０２は、電気的に直列に接続されている。そのため、燃料電池スタック１００の出力端子として機能するエンドプレート１０４，１０６から、各発電単位１０２において生成された電気エネルギーが取り出される。なお、ＳＯＦＣは、比較的高温（例えば７００℃から１０００℃）で発電が行われることから、起動後、発電により発生する熱で高温が維持できる状態になるまで、燃料電池スタック１００が加熱器（図示せず）により加熱されてもよい。
各発電単位１０２において空気室１６６から排出されたガスである酸化剤オフガスＯＯＧは、図４、図６および図８に示すように、空気室１６６から酸化剤ガス排出連通孔１３３を介して酸化剤ガス排出マニホールド１６２に排出され、さらに酸化剤ガス排出マニホールド１６２の位置に設けられたガス通路部材２７の本体部２８および分岐部２９の孔を経て、当該分岐部２９に接続されたガス配管（図示せず）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。また、各発電単位１０２において燃料室１７６から排出されたガスである燃料オフガスＦＯＧは、図５、図７および図９に示すように、燃料室１７６から燃料ガス排出連通孔１４３を介して燃料ガス排出マニホールド１７２に排出され、さらに燃料ガス排出マニホールド１７２の位置に設けられたガス通路部材２７の本体部２８および分岐部２９の孔を経て、当該分岐部２９に接続されたガス配管（図示しない）を介して燃料電池スタック１００の外部に排出される。
なお、本実施形態の燃料電池スタック１００では、上述したように、複数のボルト孔１０９とは別に複数のマニホールド（連通孔１０８）が形成されているため、ボルト２２に含まれる汚染物質が各マニホールドにおけるガス流れによって燃料室１７６や空気室１６６に運ばれ、燃料極１１６や空気極１１４に付着して電極の反応速度が低下する被毒現象の発生を回避することができると共に、各ボルト２２が互いに異なる温度のガスにさらされて各ボルト２２の熱膨張による変形量に差が生じ、燃料電池スタック１００の面方向において燃料電池スタック１００の接圧がばらつき、燃料電池スタック１００の内部から外部にガスが漏洩する事態の発生を回避することができる。
Ａ−３．燃料電池スタック１００の締結のための構成：
図１０は、燃料電池スタック１００の締結のための構成を示す説明図である。図１０には、図１から図３のＸ−Ｘの位置における燃料電池スタック１００の断面構成が示されている。上述したように、燃料電池スタック１００は、複数のボルト２２によって締結されている。図１０に示すように、ボルト２２は、軸部２２６と、軸部２２６の一方（本実施形態では上側）の端部に形成されたフランジ部２２８とを備えている。軸部２２６とフランジ部２２８とは、一体の部材である。フランジ部２２８は、径（軸部２２６の軸方向に直交する方向の寸法）が軸部２２６より大きい部分であり、座面２２９を有している。座面２２９は、フランジ部２２８における軸部２２６の軸方向に直交する表面の内、軸部２２６側の表面である。ボルト２２の軸部２２６におけるフランジ部２２８とは反対側の端部には、ねじ部２２４が形成されている。ねじ部２２４の外周面には、おねじが形成されている。
ボルト孔１０９は、各発電単位１０２に形成された貫通孔と、上側のエンドプレート１０４に形成された貫通孔とから構成されている。また、下側のエンドプレート１０６には、ボルト孔１０９に連通するねじ孔１０７が形成されている。ねじ孔１０７は、下側のエンドプレート１０６を上下方向に貫通しており、その内周面にめねじが形成されている。
ボルト２２は、ボルト孔１０９に挿入されており、ボルト２２の軸部２２６に形成されたねじ部２２４は、下側のエンドプレート１０６に形成されたねじ孔１０７に螺合している。この状態において、ボルト２２の軸部２２６は、上下方向（Ｚ軸方向）に延びる姿勢となっている。また、フランジ部２２８は、軸部２２６に対して上側（Ｚ軸正方向側）に位置しており、フランジ部２２８の座面２２９は、上側のエンドプレート１０４の上側の表面に接している。
また、上下方向の位置に関し、ボルト２２のねじ部２２４の下端の位置は、ねじ孔１０７の下端の位置と同じ位置となっている。このような構成は、発電単位１０２やエンドプレート１０４，１０６の厚さや締結荷重による変形量を考慮してボルト２２の長さを設定することにより実現可能である。あるいは、ボルト２２の長さを長めに設定しておき、締結後に、ねじ孔１０７を貫通して下側に突出したねじ部２２４の部分をカットすることによっても実現可能である。
なお、図１０には、１つのボルト孔１０９の位置における燃料電池スタック１００の断面が示されているが、他の３つのボルト孔１０９の位置における燃料電池スタック１００の断面も同様の構成である。そのため、下側のエンドプレート１０６には、合計４つのねじ孔１０７が形成されており、各ねじ孔１０７にボルト２２のねじ部２２４が螺合していることとなる。各ねじ孔１０７に螺合した各ボルト２２によって、燃料電池スタック１００が締結される。
本実施形態の燃料電池スタック１００では、上述した締結のための構成を有しているため、ガス漏れや接触不良の発生を抑制することができる。図１１は、比較例の燃料電池スタック１００’の締結のための構成を示す説明図である。図１１に示す比較例の燃料電池スタック１００’では、ボルト２２と、ボルト２２に嵌められたナット２４とによって燃料電池スタック１００’が締結されている。この比較例では、ナット２４の座面２４９が下側のエンドプレート１０６の下側の表面に接している。そのため、下側のエンドプレート１０６における座面２４９との接触部分に締結応力が集中し、エンドプレート１０６が局所的に変形して締結力が減少し、ガス漏れや接触不良を引き起こすおそれがある。特に、締結力が大きい場合や、長期にわたって締結状態が維持された場合に、そのおそれが顕著である。
これに対して、本実施形態の燃料電池スタック１００では、下側のエンドプレート１０６に複数のねじ孔１０７が形成されており、各ボルト２２の軸部２２６に形成されたねじ部２２４が、下側のエンドプレート１０６の各ねじ孔１０７に螺合している。そのため、締結力は下側のエンドプレート１０６に直に発生することとなり、エンドプレート１０６の一部分に締結応力が集中することが回避される。これにより、エンドプレート１０６の局所的な変形を抑制することができ、ガス漏れや接触不良の発生を抑制することができる。
また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、上側のエンドプレート１０４付近の構成に関し、ボルト２２の軸部２２６とフランジ部２２８とが一体の部材であるため、例えば、フランジ部２２８がボルト２２と別体のナットで構成され、ボルト２２の軸部２２６とナットとが螺合する構成と比較して、螺合箇所が少なくなるため、締結荷重の管理を容易にすることができると共に、長期使用における螺合箇所の緩みを抑制することができる。
また、本実施形態の燃料電池スタック１００では、上下方向の位置に関し、ボルト２２のねじ部２２４の下端の位置が、エンドプレート１０６に形成されたねじ孔１０７の下端の位置と同じ位置となっている。そのため、ねじ部２２４の下端の位置がねじ孔１０７の下端の位置より上側である構成（ねじ孔１０７の途中までしかねじ部２２４が挿入されていない構成）と比較して、ねじ部２２４とねじ孔１０７との螺合部分の噛み数を一定に、かつ、より多くすることができるため、締結力の安定化を実現することができると共に、螺合箇所の耐久性を向上させることができる。また、ねじ部２２４の下端の位置がねじ孔１０７の下端の位置より下側である構成（ねじ孔１０７の下側からねじ部２２４の先端部が突出した構成）と比較して、ボルト２２の軽量化を実現することができ、その結果、燃料電池スタック１００の軽量化を実現することができる。
なお、ボルト２２の熱膨張係数とエンドプレート１０４，１０６の熱膨張係数とが近いほど、それぞれの部材の熱膨張量の差に起因する締結荷重の変動を抑制することができるため、好ましい。例えば、ボルト２２がインコネル材により形成され、エンドプレート１０４，１０６がステンレス材やアルミ添加ステンレス材により形成されることが好ましい。
なお、本実施形態におけるボルト２２と、上側のエンドプレート１０４と、下側のエンドプレート１０６と、燃料電池スタック１００とは、それぞれ、特許請求の範囲における締結部材と、第１の部材と、第２の部材と、燃料電池構造体とに相当する。
Ａ−４．第１実施形態の変形例：
図１２は、第１実施形態の第１の変形例における燃料電池スタック１００ａの締結のための構成を示す説明図である。図１２に示す変形例では、上下方向の位置に関し、ボルト２２のねじ部２２４の下端の位置が、ねじ孔１０７の下端の位置より下側の位置となっている。その他の構成は、図１０に示す第１実施形態と同様であるため、同一の符号を付すことによってその説明を省略する。
第１実施形態の第１の変形例における燃料電池スタック１００ａでは、上述した第１実施形態と同様に、下側のエンドプレート１０６に複数のねじ孔１０７が形成されており、各ボルト２２の軸部２２６に形成されたねじ部２２４が、下側のエンドプレート１０６の各ねじ孔１０７に螺合している。そのため、エンドプレート１０６の一部分に締結応力が集中することが回避され、エンドプレート１０６の局所的な変形を抑制することができ、ガス漏れや接触不良の発生を抑制することができる。
また、第１実施形態の第１の変形例における燃料電池スタック１００ａでは、上述した第１実施形態と同様に、ボルト２２の軸部２２６とフランジ部２２８とが一体の部材であるため、螺合箇所が少なくなり、締結荷重の管理を容易にすることができると共に、長期使用における螺合箇所の緩みを抑制することができる。
また、第１実施形態の第１の変形例における燃料電池スタック１００ａでは、上下方向の位置に関し、ボルト２２のねじ部２２４の下端の位置が、エンドプレート１０６に形成されたねじ孔１０７の下端の位置より下側の位置となっているため、ねじ部２２４の下端の位置がねじ孔１０７の下端の位置より上側である構成（ねじ孔１０７の途中までしかねじ部２２４が挿入されていない構成）と比較して、ねじ部２２４とねじ孔１０７との螺合部分の噛み数を一定に、かつ、より多くすることができるため、締結力の安定化を実現することができると共に、螺合箇所の耐久性を向上させることができる。
図１３は、第１実施形態の第２の変形例における燃料電池スタック１００ｂの締結のための構成を示す説明図である。図１３に示す変形例では、上下方向の位置に関し、ボルト２２のねじ部２２４の下端の位置が、ねじ孔１０７の下端の位置より上側の位置となっている。その他の構成は、図１０に示す第１実施形態と同様であるため、同一の符号を付すことによってその説明を省略する。
第１実施形態の第２の変形例における燃料電池スタック１００ｂでは、上述した第１実施形態と同様に、下側のエンドプレート１０６に複数のねじ孔１０７が形成されており、各ボルト２２の軸部２２６に形成されたねじ部２２４が、下側のエンドプレート１０６の各ねじ孔１０７に螺合している。そのため、エンドプレート１０６の一部分に締結応力が集中することが回避され、エンドプレート１０６の局所的な変形を抑制することができ、ガス漏れや接触不良の発生を抑制することができる。
また、第１実施形態の第２の変形例における燃料電池スタック１００ｂでは、上述した第１実施形態と同様に、ボルト２２の軸部２２６とフランジ部２２８とが一体の部材であるため、螺合箇所が少なくなり、締結荷重の管理を容易にすることができると共に、長期使用における螺合箇所の緩みを抑制することができる。
図１４は、第１実施形態の第３の変形例における燃料電池スタック１００ｃの締結のための構成を示す説明図である。図１４に示す変形例では、ボルト２２にフランジ部２２８が存在せず、その代わりに、ボルト２２の軸部２２６の上端に形成されたねじ部２２７に螺合するナット２４がフランジ部として機能する。その他の構成は、図１０に示す第１実施形態と同様であるため、同一の符号を付すことによってその説明を省略する。なお、この変形例では、ボルト２２とナット２４とが、特許請求の範囲における締結部材に相当する。
第１実施形態の第３の変形例における燃料電池スタック１００ｃでは、上述した第１実施形態と同様に、各ボルト２２に螺合するナット２４の座面２４９が、上側のエンドプレート１０４の上側の表面に接しており、下側のエンドプレート１０６に複数のねじ孔１０７が形成されており、各ボルト２２の軸部２２６に形成されたねじ部２２４が、下側のエンドプレート１０６の各ねじ孔１０７に螺合している。そのため、エンドプレート１０６の一部分に締結応力が集中することが回避され、エンドプレート１０６の局所的な変形を抑制することができ、ガス漏れや接触不良の発生を抑制することができる。
Ｂ．第２実施形態：
Ｂ−１．構成：
（燃料電池ホットモジュール１０の構成）
図１５は、第２実施形態における燃料電池ホットモジュール（以下、「ホットモジュール」という）１０の構成を概略的に示す説明図である。図１５では、ホットモジュール１０の構成をわかりやすくするために、一部の構成が透過して示されたり、一部の構成の図示が省略されたりしている。ホットモジュール１０は、発電モジュール２０と、発電モジュール２０を収容する断熱容器３０と、発電モジュール２０に接続された各種配管２３２，２３４，２３６，２３８とを備える。ホットモジュール１０は、起動時等に発電モジュール２０を加熱する加熱器（例えばガスバーナー）を備えていてもよい。
（断熱容器３０の構成）
断熱容器３０は、例えばステンレスにより形成された筐体の内側面に断熱材が配置された構成を有する。発電モジュール２０が断熱容器３０内に収容されることにより、発電を行う際に発電モジュール２０が高温に維持される。
（発電モジュール２０の構成）
図１６および図１７は、第２実施形態における発電モジュール２０の構成を概略的に示す説明図である。図１６には、図１５のＸＶＩ−ＸＶＩの位置における発電モジュール２０の断面構成が示されており、図１７には、図１５のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩの位置における発電モジュール２０の断面構成が示されている。図１５から図１７に示すように、発電モジュール２０は、燃料電池スタック１００ｅと、燃料電池スタック１００ｅの下側に配置された補助器２００とを備える。
（燃料電池スタック１００ｅの構成）
第２実施形態の燃料電池スタック１００ｅでは、各ボルト孔１０９に加えて、マニホールドを構成する各連通孔１０８にもボルト２２が挿入されている点が、第１実施形態の燃料電池スタック１００と異なる。具体的には、各連通孔１０８にボルト２２が挿入され、連通孔１０８の内周面とボルト２２の軸部２２６の外周面との間に形成された空間が、各マニホールドとして利用される。また、第２実施形態の燃料電池スタック１００ｅは、後述する締結のための構成も第１実施形態と異なる。第２実施形態の燃料電池スタック１００ｅにおけるその他の構成は、上述した第１実施形態の燃料電池スタック１００の構成と同様であるため、同一の符号を付すことによってその説明を省略する。
（補助器２００の構成）
補助器２００は、箱形状の補助器本体部２１０と、補助器本体部２１０の側面に形成された固定部２２０とを備えている。補助器２００は、例えばステンレス材やアルミ添加ステンレス材により形成されている。
固定部２２０は、補助器本体部２１０の側面から上下方向に直交する方向に張り出すような形状である。補助器本体部２１０および固定部２２０の上端の位置は互いに同一である。すなわち、補助器本体部２１０の上面と固定部２２０の上面とによって、補助器２００の最上面が構成される。固定部２２０における燃料電池スタック１００ｅの各連通孔１０８および各ボルト孔１０９に対応する位置には、それらの連通孔１０８またはボルト孔１０９に連通する孔２０８が形成されている。
補助器本体部２１０の内部は、２つの隔壁２２２によって、一次燃焼室２１２と、一次燃焼室２１２の下に配置された改質室２１４と、改質室２１４の下に配置された二次燃焼室２１６とに区切られている。一次燃焼室２１２は、燃料電池スタック１００ｅから排出される酸化剤オフガスＯＯＧと燃料オフガスＦＯＧとを混合して燃焼させるための室であり、固定部２２０に形成された孔２０８を介して、酸化剤ガス排出マニホールド１６２および燃料ガス排出マニホールド１７２と連通している。また、二次燃焼室２１６は、一次燃焼室２１２で混合・燃焼させた酸化剤オフガスＯＯＧと燃料オフガスＦＯＧとをさらに燃焼させるための室であり、改質室２１４を上下に貫通する流路２１８を介して、一次燃焼室２１２と連通している。一次燃焼室２１２および二次燃焼室２１６の一方または両方には、酸化剤オフガスＯＯＧと燃料オフガスＦＯＧとの燃焼を促進させる触媒が配置されている。
改質室２１４は、原燃料ガスＲＦＧを改質して水素リッチな燃料ガスＦＧを生成するための室であり、固定部２２０に形成された孔２０８を介して、燃料ガス導入マニホールド１７１と連通している。改質室２１４には、改質反応を促進させる触媒が配置されている。
（各種配管２３２，２３４，２３６，２３８の構成）
発電モジュール２０の補助器２００には、酸化剤ガスＯＧが導入される酸化剤ガス導入配管２３２と、原燃料ガスＲＦＧが導入される原燃料ガス導入配管２３４と、改質水ＲＷが導入される改質水導入配管２３６と、排ガスＥＧが排出される排ガス排出配管２３８とが接続されている。酸化剤ガス導入配管２３２は、固定部２２０に形成された孔２０８を介して、酸化剤ガス導入マニホールド１６１に連通している。原燃料ガス導入配管２３４および改質水導入配管２３６は、補助器本体部２１０の改質室２１４に連通しており、排ガス排出配管２３８は、補助器本体部２１０の二次燃焼室２１６に連通している。
Ｂ−２．発電モジュール２０の動作：
図１６に示すように、酸化剤ガスＯＧは、酸化剤ガス導入配管２３２から固定部２２０に形成された孔２０８を介して、酸化剤ガス導入マニホールド１６１に導入され、酸化剤ガス導入マニホールド１６１から各発電単位１０２の空気室１６６に供給される。また、図１７に示すように、原燃料ガスＲＦＧ（都市ガス）および改質水ＲＷは、それぞれ、原燃料ガス導入配管２３４および改質水導入配管２３６から補助器本体部２１０の改質室２１４に流入し、改質反応に供される。改質室２１４における改質反応に伴い生成された燃料ガスＦＧは、補助器２００の固定部２２０に形成された孔２０８を介して燃料ガス導入マニホールド１７１に導入され、燃料ガス導入マニホールド１７１から各発電単位１０２の燃料室１７６に供給される。
各発電単位１０２の空気室１６６に酸化剤ガスＯＧが供給され、燃料室１７６に燃料ガスＦＧが供給されると、第１実施形態と同様に、各発電単位１０２において発電が行われる。各発電単位１０２において空気室１６６から排出されたガスである酸化剤オフガスＯＯＧは、図１６に示すように、空気室１６６から酸化剤ガス排出マニホールド１６２および固定部２２０に形成された孔２０８を経て、補助器本体部２１０の一次燃焼室２１２に排出される。また、各発電単位１０２において燃料室１７６から排出されたガスである燃料オフガスＦＯＧは、図１７に示すように、燃料室１７６から燃料ガス排出マニホールド１７２および固定部２２０に形成された孔２０８を経て、補助器本体部２１０の一次燃焼室２１２に排出される。一次燃焼室２１２に排出された酸化剤オフガスＯＯＧおよび燃料オフガスＦＯＧは、一次燃焼室２１２において混合されて燃焼し、流路２１８を介して二次燃焼室２１６に導かれてさらに燃焼し、排ガス排出配管２３８を介してホットモジュール１０の外部に排出される。なお、一次燃焼室２１２および二次燃焼室２１６において発生する熱により、改質室２１４における改質反応が促進されると共に、発電モジュール２０が高温に維持される。
Ｂ−３．発電モジュール２０の締結のための構成：
図１８および図１９は、第２実施形態における発電モジュール２０の締結のための構成を示す説明図である。図１８には、補助器２００の上側の平面構成が示されており、図１９には、図１５および図１８のＸＩＸ−ＸＩＸの位置における発電モジュール２０の断面構成が示されている。
図１９に示すように、ボルト孔１０９は、各発電単位１０２に形成された貫通孔と、一対のエンドプレート１０４，１０６に形成された貫通孔とから構成されている。また、ボルト孔１０９は、固定部２２０におけるボルト孔１０９に対応する位置に形成された孔２０８と連通している。固定部２２０における孔２０８の下側には、孔２０８に連通するねじ孔２２１が形成されている。ねじ孔２２１の内周面には、めねじが形成されている。孔２０８とねじ孔２２１とが一体となった孔は、固定部２２０を上下方向に貫通している。
ボルト孔１０９に挿入されたボルト２２は、固定部２２０に形成された孔２０８まで達し、ボルト２２の軸部２２６に形成されたねじ部２２４は、固定部２２０における孔２０８の下側に形成されたねじ孔２２１に螺合している。この状態において、ボルト２２の軸部２２６は、上下方向（Ｚ軸方向）に延びる姿勢となっている。また、フランジ部２２８は、軸部２２６に対して上側（Ｚ軸正方向側）に位置しており、フランジ部２２８の座面２２９は、上側のエンドプレート１０４の上側の表面に接している。また、上下方向の位置に関し、ボルト２２のねじ部２２４の下端の位置は、ねじ孔２２１の下端の位置と同じ位置となっている。
なお、図１９には、１つのボルト孔１０９の位置における発電モジュール２０の断面が示されているが、他の３つのボルト孔１０９の位置における発電モジュール２０の断面も同様の構成である。
また、図１６および図１７に示すように、マニホールドとして機能する各連通孔１０８は、各発電単位１０２に形成された貫通孔と、一対のエンドプレート１０４，１０６に形成された貫通孔とから構成されている。また、各連通孔１０８は、固定部２２０における各連通孔１０８に対応する位置に形成された孔２０８と連通している。固定部２２０における孔２０８の下側には、孔２０８に連通するねじ孔２２１が形成されている。ねじ孔２２１の内周面には、めねじが形成されている。連通孔１０８の位置では、マニホールドの気密を確保するため、図１９に示すボルト孔１０９の位置の構成とは異なり、ねじ孔２２１は固定部２２０の下側表面まで達せず、固定部２２０を上下方向に貫通していない。
各連通孔１０８に挿入されたボルト２２は、固定部２２０に形成された孔２０８まで達し、ボルト２２の軸部２２６に形成されたねじ部２２４は、固定部２２０における孔２０８の下側に形成されたねじ孔２２１に螺合している。この状態において、ボルト２２の軸部２２６は、上下方向（Ｚ軸方向）に延びる姿勢となっている。また、フランジ部２２８は、軸部２２６に対して上側（Ｚ軸正方向側）に位置しており、フランジ部２２８の座面２２９は、マニホールドの気密を確保するために配置された絶縁シート２６を介して、上側のエンドプレート１０４の上側の表面に接している。
図１８に示すように、補助器２００の固定部２２０には、４つのボルト孔１０９に対応する位置に設けられた４つのねじ孔２２１と、４つの連通孔１０８に対応する位置に設けられた４つのねじ孔２２１との合計８つのねじ孔２２１が形成されており、各ねじ孔２２１にボルト２２のねじ部２２４が螺合していることとなる。これにより、補助器２００と燃料電池スタック１００ｅとが固定され、発電モジュール２０が締結される。
このように、本実施形態の発電モジュール２０では、各ボルト２２のフランジ部２２８の座面２２９が、上側のエンドプレート１０４の上側の表面に、直接、または、他の部材を介して接している。また、補助器２００に複数のねじ孔２２１が形成されており、各ボルト２２の軸部２２６に形成されたねじ部２２４が、補助器２００の各ねじ孔２２１に螺合している。そのため、締結力は補助器２００に直に発生することとなり、補助器２００の一部分に締結応力が集中することが回避される。これにより、補助器２００の局所的な変形を抑制することができ、ガス漏れや接触不良の発生を抑制することができる。
また、本実施形態の発電モジュール２０では、上側のエンドプレート１０４付近の構成に関し、ボルト２２の軸部２２６とフランジ部２２８とが一体の部材であるため、例えば、フランジ部２２８がボルト２２と別体のナットで構成され、ボルト２２の軸部２２６とナットとが螺合する構成と比較して、螺合箇所が少なくなるため、締結荷重の管理を容易にすることができると共に、長期使用における螺合箇所の緩みを抑制することができる。
また、本実施形態の発電モジュール２０では、上下方向の位置に関し、ボルト孔１０９に挿入されたボルト２２のねじ部２２４の下端の位置が、補助器２００に形成されたねじ孔２２１の下端の位置と同じ位置となっている。そのため、ねじ部２２４の下端の位置がねじ孔２２１の下端の位置より上側である構成（ねじ孔２２１の途中までしかねじ部２２４が挿入されていない構成）と比較して、ねじ部２２４とねじ孔２２１との螺合部分の噛み数を一定に、かつ、より多くすることができるため、締結力の安定化を実現することができると共に、螺合箇所の耐久性を向上させることができる。また、ねじ部２２４の下端の位置がねじ孔２２１の下端の位置より下側である構成（ねじ孔２２１の下側からねじ部２２４の先端部が突出した構成）と比較して、ボルト２２の軽量化を実現することができ、その結果、発電モジュール２０の軽量化を実現することができる。
なお、ボルト２２の熱膨張係数とエンドプレート１０４，１０６や補助器２００の熱膨張係数とが近いほど、それぞれの部材の熱膨張量の差に起因する締結荷重の変動を抑制することができるため、好ましい。例えば、ボルト２２がインコネル材により形成され、エンドプレート１０４，１０６や補助器２００がステンレス材やアルミ添加ステンレス材により形成されることが好ましい。
なお、本実施形態におけるボルト２２と、上側のエンドプレート１０４と、補助器２００と、発電モジュール２０とは、それぞれ、特許請求の範囲における締結部材と、第１の部材と、第２の部材と、燃料電池構造体とに相当する。
Ｂ−４．第２実施形態の変形例：
図２０は、第２実施形態の変形例におけるホットモジュール１０ｆの構成を示す説明図であり、図２１は、第２実施形態の変形例における補助器２００ｆの構成を示す説明図である。図２０には、ホットモジュール１０ｆの外観構成が示されており、図２１には、補助器２００ｆの上側の平面構成が示されている。図２０および図２１に示す変形例では、補助器２００ｆの固定部２２０ｆの構成と、発電モジュール２０ｆを締結するための構成が、上述した第２実施形態と異なっている。その他の構成については、上述した第２実施形態と同様であるため、同一の符号を付すことによってその説明を省略する。
図２０および図２１に示すように、第２実施形態の変形例では、補助器２００ｆの固定部２２０ｆが、第２実施形態と同様に、補助器本体部２１０の側面から上下方向に直交する方向に、４つの連通孔１０８に対応する位置まで張り出している。図２０および図２１のＸＶＩ−ＸＶＩの位置およびＸＶＩＩ−ＸＶＩＩの位置における発電モジュール２０ｆの断面構成は、それぞれ、図１６および図１７に示す第２実施形態の発電モジュール２０の断面構成と同様である。すなわち、各連通孔１０８の位置では、各連通孔１０８が補助器２００ｆの固定部２２０ｆに形成された孔２０８と連通し、孔２０８の下側には孔２０８に連通するねじ孔２２１が形成され、各連通孔１０８に挿入されたボルト２２は孔２０８まで達し、ボルト２２の軸部２２６に形成されたねじ部２２４はねじ孔２２１に螺合している。
一方、図２０および図２１に示すように、第２実施形態の変形例では、補助器２００ｆの固定部２２０ｆが、４つのボルト孔１０９に対応する位置までは張り出していない点が、第２実施形態と異なる。図２０および図２１のＸ−Ｘの位置における発電モジュール２０ｆの断面構成は、図１０に示す第１実施形態の断面構成と同様である。すなわち、各ボルト孔１０９の位置では、下側のエンドプレート１０６に、ボルト孔１０９に連通するねじ孔１０７が形成されており、ボルト孔１０９に挿入されたボルト２２の軸部２２６に形成されたねじ部２２４は、下側のエンドプレート１０６に形成されたねじ孔１０７に螺合している。
このように、第２実施形態の変形例では、各連通孔１０８に挿入されたボルト２２については、各ボルト２２の軸部２２６に形成されたねじ部２２４が補助器２００ｆの各ねじ孔２２１に螺合しているため、補助器２００ｆの一部分に締結応力が集中することが回避され、補助器２００ｆの局所的な変形を抑制することができ、ガス漏れや接触不良の発生を抑制することができる。また、各ボルト孔１０９に挿入されたボルト２２については、各ボルト２２の軸部２２６に形成されたねじ部２２４が下側のエンドプレート１０６の各ねじ孔１０７に螺合しているため、エンドプレート１０６の一部分に締結応力が集中することが回避され、エンドプレート１０６の局所的な変形を抑制することができ、ガス漏れや接触不良の発生を抑制することができる。
なお、第２実施形態の変形例におけるボルト２２と、上側のエンドプレート１０４と、下側のエンドプレート１０６および補助器２００ｆと、発電モジュール２０ｆとは、それぞれ、特許請求の範囲における締結部材と、第１の部材と、第２の部材と、燃料電池構造体とに相当する。
Ｃ．その他の変形例：
本明細書で開示される技術は、上述の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態に変形することができ、例えば次のような変形も可能である。
また、上記第１実施形態では、マニホールドとして機能する各連通孔１０８にボルト２２が挿入されていないが、第２実施形態と同様に、各連通孔１０８にボルト２２が挿入され、それらのボルト２２がエンドプレート１０６に形成されたねじ孔に螺合しているとしてもよい。反対に、上記第２実施形態では、マニホールドとして機能する各連通孔１０８にもボルト２２が挿入されているが、第１実施形態と同様に、各連通孔１０８にはボルト２２が挿入されていないとしてもよい。なお、上記実施形態では、各ボルト２２の軸部の外周面と各連通孔１０８の内周面との間の空間を各マニホールドとして利用しているが、これに代えて、各ボルト２２の軸部に軸方向の孔を形成し、その孔を各マニホールドとして利用してもよい。
また、上記実施形態では、上側のエンドプレート１０４が、複数の発電単位１０２に対して配列方向の一方側に配置され、複数のボルト２２のフランジ部２２８における座面２２９に直接、または、他の部材を介して接する第１の部材として機能しているが、他の部材が上記第１の部材として機能してもよい。また、上記第１実施形態では、下側のエンドプレート１０６が、複数の発電単位１０２に対して配列方向の他方側に配置され、複数のボルト２２の軸部２２６に形成されたねじ部２２４に螺合する複数のねじ孔が形成された第２の部材として機能し、上記第２実施形態では、補助器２００が上記第２の部材として機能するが、他の部材が上記第２の部材として機能してもよい。
また、上記実施形態において、ねじ孔１０７，２２１の内周面の全面にめねじが形成されている必要はなく、内周面の少なくとも一部にめねじが形成されていればよい。また、上記実施形態において、ねじ孔１０７，２２１がボルト２２が挿入される側とは反対側まで貫通している構成を貫通しない構成に変更したり、反対に、ねじ孔１０７，２２１がボルト２２が挿入される側とは反対側まで貫通していない構成を貫通している構成に変更してもよい。
また、上記実施形態では、すべてのボルト２２について、ボルト２２のねじ部２２４がエンドプレート１０４や補助器２００に形成されたねじ孔１０７，２２１に螺合される構成としているが、少なくとも２つのボルト２２について、そのような構成とすれば、少なくともそれらのボルト２２の部分について、ガス漏れや接触不良の発生を抑制することができる。また、上記実施形態において、一部のボルト２２と残りの一部のボルト２２とで、上下方向のボルト２２の向きが逆向きであるとしてもよい。例えば、上記第１実施形態では、すべてのボルト２２が、ねじ部２２４が下側になる向きに配置されているが、一部のボルト２２が、ねじ部２２４が上側になる向きに配置されてもよい。この場合には、当該一部のボルト２２のねじ部２２４は、上側のエンドプレート１０４に形成されたねじ孔に螺合される。また、上述した第１実施形態の各変形例の特徴は、第２実施形態にも同様に適用可能である。
また、上記第２実施形態では、補助器本体部２１０の上面と固定部２２０の上面とによって、補助器２００の最上面が構成されているが、固定部２２０の位置を下側にずらし、補助器２００の最上面が補助器本体部２１０の上面によって構成されるように変形してもよい。この場合には、固定部２２０の上面は、燃料電池スタック１００の下面に接しないが、固定部２２０のねじ孔２２１に螺合されたボルト２２の締結力は、補助器本体部２１０の上面を介して燃料電池スタック１００の下面に伝達される。
また、上記第２実施形態では、発電モジュール２０が断熱容器３０に収容されているとしているが、発電モジュール２０が断熱容器３０に収容されている必要はない。また、上記第２実施形態では、補助器２００が、燃料電池スタック１００から排出されたガスを燃焼させる一次燃焼室２１２と、一次燃焼室２１２で燃焼させたガスをさらに燃焼させるための二次燃焼室２１６と、原燃料ガスＲＦＧを改質して燃料電池スタック１００に供給する燃料ガスＦＧを生成する改質室２１４とを有しているが、補助器２００は、一次燃焼室２１２と改質室２１４との少なくとも１つを有していればよい。
また、上記実施形態では、締結部材としてボルト２２や、ボルト２２とナット２４との組み合わせを使用しているが、他の種類の締結部材を使用してもよい。
また、上記実施形態において、燃料電池スタック１００に含まれる発電単位１０２の個数は、あくまで一例であり、発電単位１０２の個数は燃料電池スタック１００に要求される出力電圧等に応じて適宜決められる。また、上記実施形態において、燃料電池スタック１００の締結に使用されるボルト２２の個数は、あくまで一例であり、ボルト２２の個数は燃料電池スタック１００に要求される締結力等に応じて適宜決められる。
また、上記実施形態では、エンドプレート１０４，１０６が出力端子として機能するとしているが、エンドプレート１０４，１０６の代わりに、エンドプレート１０４，１０６のそれぞれと接続された別部材（例えば、エンドプレート１０４，１０６のそれぞれと発電単位１０２との間に配置された導電板）が出力端子として機能するとしてもよい。
また、上記実施形態では、２つの発電単位１０２が隣接して配置されている場合には、１つのインターコネクタ１５０が隣接する２つの発電単位１０２に共有されるとしているが、このような場合でも、２つの発電単位１０２がそれぞれのインターコネクタ１５０を備えてもよい。また、上記実施形態では、燃料電池スタック１００において最も上に位置する発電単位１０２の上側のインターコネクタ１５０や、最も下に位置する発電単位１０２の下側のインターコネクタ１５０は省略されているが、これらのインターコネクタ１５０を省略せずに設けてもよい。
また、上記実施形態において、燃料極側集電体１４４は、空気極側集電体１３４と同様の構成であってもよく、燃料極側集電体１４４と隣接するインターコネクタ１５０とが一体部材であってもよい。また、空気極側フレーム１３０ではなく燃料極側フレーム１４０が絶縁体であってもよい。また、空気極側フレーム１３０や燃料極側フレーム１４０は、多層構成であってもよい。
また、上記実施形態における各部材を形成する材料は、あくまで例示であり、各部材が他の材料により形成されてもよい。
また、上記実施形態において、都市ガスを改質して水素リッチな燃料ガスＦＧを得るとしているが、ＬＰガスや灯油、メタノール、ガソリン等の他の原料から燃料ガスＦＧを得るとしてもよいし、燃料ガスＦＧとして純水素を利用してもよい。
また、上記実施形態において、電解質層１１２と空気極１１４との間に、例えばセリアにより形成された反応防止層を設け、電解質層１１２内のジルコニウム等と空気極１１４内のストロンチウム等とが反応することによる電解質層１１２と空気極１１４との間の電気抵抗の増大を抑制するとしてもよい。
また、上記実施形態では、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）を例に説明したが、本発明は、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）といった他のタイプの燃料電池にも適用可能である。
１０：燃料電池ホットモジュール ２０：発電モジュール ２２：ボルト ２４：ナット ２６：絶縁シート ２７：ガス通路部材 ２８：本体部 ２９：分岐部 ３０：断熱容器 １００：燃料電池スタック １０２：発電単位 １０４：エンドプレート １０５：ねじ孔 １０６：エンドプレート １０７：ねじ孔 １０８：連通孔 １０９：ボルト孔 １１０：単セル １１２：電解質層 １１４：空気極 １１６：燃料極 １２０：セパレータ １２１：孔 １２４：接合部 １３０：空気極側フレーム １３１：孔 １３２：酸化剤ガス供給連通孔 １３３：酸化剤ガス排出連通孔 １３４：空気極側集電体 １４０：燃料極側フレーム １４１：孔 １４２：燃料ガス供給連通孔 １４３：燃料ガス排出連通孔 １４４：燃料極側集電体 １４５：電極対向部 １４６：インターコネクタ対向部 １４７：連接部 １４９：スペーサー １５０：インターコネクタ １６１：酸化剤ガス導入マニホールド １６２：酸化剤ガス排出マニホールド １６６：空気室 １７１：燃料ガス導入マニホールド １７２：燃料ガス排出マニホールド １７６：燃料室 ２００：補助器 ２０８：孔 ２１０：補助器本体部 ２１２：一次燃焼室 ２１４：改質室 ２１６：二次燃焼室 ２１８：流路 ２２０：固定部 ２２１：ねじ孔 ２２２：隔壁 ２２４：ねじ部 ２２６：軸部 ２２７：ねじ部 ２２８：フランジ部 ２２９：座面 ２３２：酸化剤ガス導入配管 ２３４：原燃料ガス導入配管 ２３６：改質水導入配管 ２３８：排ガス排出配管 ２４９：座面

Claims (5)

  1. 第１の方向に並べて配置された複数の発電単位と、
    前記第１の方向に延びると共にねじ部が形成された軸部と、前記軸部に対して前記第１の方向の一方側に位置するフランジ部と、をそれぞれ含む複数の締結部材と、
    を備え、前記複数の締結部材で締結された燃料電池構造体において、さらに、
    前記複数の発電単位に対して前記第１の方向の前記一方側に配置され、前記複数の締結部材の前記フランジ部における前記第１の方向の他方側の面である座面に直接、または、他の部材を介して接する第１の部材と、
    前記複数の発電単位に対して前記第１の方向の前記他方側に配置され、前記複数の締結部材の前記軸部に形成された前記ねじ部に螺合する複数のねじ孔が形成された第２の部材と、を備えることを特徴とする、燃料電池構造体。
  2. 請求項１に記載の燃料電池構造体において、
    前記締結部材の前記軸部と前記フランジ部とは一体の部材であることを特徴とする、燃料電池構造体。
  3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池構造体において、
    前記第１の方向の前記他方側の前記ねじ部の端の前記第１の方向における位置は、前記第１の方向の前記他方側の前記ねじ孔の端の前記第１の方向における位置と比べて、同じか、または、前記第１の方向の前記他方側であることを特徴とする、燃料電池構造体。
  4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の燃料電池構造体において、
    前記燃料電池構造体は、前記複数の発電単位と、前記第１の方向の端部を構成する前記第１の部材および前記第２の部材とを備える燃料電池スタックであり、
    前記第１の部材および前記第２の部材は、平板状部材であることを特徴とする、燃料電池構造体。
  5. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の燃料電池構造体において、
    前記燃料電池構造体は、
    前記複数の発電単位を備える燃料電池スタックと、
    前記燃料電池スタックから排出されたガスを燃焼させる燃焼室と、原燃料ガスを改質して前記燃料電池スタックに供給する燃料ガスを生成する改質室と、の少なくとも一方が形成された補助器と、
    を備える発電モジュールであり、
    前記第２の部材は、前記補助器であることを特徴とする、燃料電池構造体。
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