JP2017107644A - 高温動作型燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成を有するとともに製造コストを抑制することができる高温動作型燃料電池を提供する。
【解決手段】
高温動作型燃料電池は、水素含有ガスと酸化剤ガスとから電気化学反応により発電する単位セルを複数積層してなるセルスタックと、前記単位セルの積層方向において前記セルスタックを挟持する第１支持部材および第２支持部材と、孔質構造を有する耐熱補強繊維を含む材料からなる弾性体と、前記セルスタック、前記第１支持部材、前記第２支持部材、および前記弾性体を収容する筐体と、を備え、前記弾性体は、前記単位セルの積層方向における前記セルスタックと前記筐体との間において、該セルスタックに対して荷重が加わるように圧縮変形された状態で設けられる。
【選択図】図３

Description

本発明は、高温動作型燃料電池に関するものである。

燃料電池システムでは、発電部となる燃料電池に対して、酸化剤ガスと、発電用原料および水蒸気から水蒸気改質により生成した水素含有ガス（改質ガス）と、を供給して、水素と酸素との電気化学反応により発電する。

ところで、燃料電池は、単位セル１つでは、高い発電出力が得られない。このため、燃料電池は、複数の単位セルをスタック化（集積化）することにより高い発電出力を実現している。ここでセルスタックを構成する単位セルの形状が平板型の場合、単位セル間でのガスシール性の維持とともに、電気的接触抵抗の低減を図って良好な集電性能を維持するために、単位セルの積層方向に所定の大きさの荷重をセルスタック全体にかける必要がある。そこで、燃料電池は、セルスタック全体を均一に押圧するための押圧機構を有する。このような押圧機構を有した燃料電池としては、例えば、特許文献１が挙げられる。特許文献１には、第１の押圧用板をスタックに向かって押圧する押圧機構を有し、該押圧機構が剛体と弾性体とから構成されている燃料電池のスタック構造が開示されている。

特開２００４−３４９０５２号公報

本発明は、一例として、簡易な構成を有するとともに製造コストを抑制した押圧機構を備える高温動作型燃料電池を提供することを課題とする。

本発明の高温動作型燃料電池の一態様（ａｓｐｅｃｔ）は、水素含有ガスと酸化剤ガスとから電気化学反応により発電する単位セルを複数積層してなるセルスタックと、前記単位セルの積層方向において前記セルスタックを挟持する第１支持部材および第２支持部材と、孔質構造を有する耐熱補強繊維を含む材料からなる弾性体と、前記セルスタック、前記第１支持部材、前記第２支持部材、および前記弾性体を収容する筐体と、を備え、前記弾性体は、前記単位セルの積層方向における前記セルスタックと前記筐体との間において、該セルスタックに対して荷重が加わるように圧縮変形された状態で設けられる。

本発明の一態様に係る高温動作型燃料電池によれば、簡易な構成を有するとともに製造コストを抑制することができるという効果を奏する。

本発明の実施形態に係る燃料電池モジュールの概略構成の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する各部の配置の一例を示す模式図である。 図２に示す燃料電池の形状変化の一例を模式的に示す図である。 本発明の実施形態に係る弾性体を構成する耐熱補強繊維の配列状態の一例を模式的に示す図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池が備えるセルスタックを構成する単位セルの主面と弾性体との位置関係の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池が備えるセルスタックを構成する単位セルの主面と弾性体との位置関係の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池が有する弾性体の外周を薄板により覆った状態の一例を示す図であり、上面図、該上面図においてＡ−Ａ断面で切り出したときの断面図、および底面図を示す。 図７に示す弾性体を所定位置に配置するために位置決めを行う構成の一例を示す図である。

（本発明の一形態を得るに至った経緯）
本発明者らは、高温動作形燃料電池に関して鋭意検討を行った。その結果、以下の知見を得た。例えば、高温動作型燃料電池として固体酸化物形燃料電池を利用する場合、発電時に固体酸化物形燃料電池は５００〜１０００℃の高温で動作する。このため、起動、発電、および発電停止の一連の運転サイクルにおいて、固体酸化物形燃料電池を構成する各部材は常温と５００〜１０００℃の高温との間で温度変化を繰り返すこととなる。ここで固体酸化物形燃料電池は、材質および寸法の異なる複数種類の部材から構成されており、各部材において温度変化に伴い生じる膨張および収縮の変位量が異なる。それゆえ、押圧機構は、燃料電池の温度変化に伴い生じる各部の変位量の差に対応しつつ、セルスタックに対して、単位セルの積層方向に所定の大きさ以上の荷重をかけ続ける必要がある。

ここで、本発明者は「背景技術」にて記載した特許文献１に係る燃料電池のセルスタック構造に関して鋭意研究したところ、以下の問題点に気づいた。すなわち、特許文献１に係る燃料電池は、基板に向かってセルスタックを押圧する第１の押圧用板と、第１の押圧用板より上方に位置した第２の押圧用板と、第２の押圧用板を基板に向けて移動させる移動機構と、第１の押圧用板と第２の押圧用板との間に介装されており、且つ第１の押圧用板をセルスタックに向かって押圧する押圧機構とを備えてなる構成である。すなわち、押圧機構によって第１の押圧用板をセルスタックに向かって押圧するためには、第２の押圧用板と、この第２の押圧用板を移動させる移動機構とが必要となり、部品点数が多くなる。このため、燃料電池の組み立てに関わる作業が煩雑となり、また、部品点数が多くなればなるほど故障の発生率が高くなるため信頼性が低下するという課題を見出した。さらに、固体酸化物形燃料電池は、上記したように発電時に高温の熱に曝される。このため、特許文献１では、押圧機構を構成する弾性体として、耐熱性のセラミックス製スプリングが用いられており、コストがかかるという課題も見出した。

以上の知見に基づいて、本発明者は、押圧機構を構成する弾性体として所定の弾性率を有する耐熱部材を用いることで簡易な構成を有するとともに製造コストを抑制した押圧機構を実現できることを発見し、本発明に至った。そして、本発明では具体的には以下に示す態様を提供する。

本発明の第１の態様に係る高温動作型燃料電池は、水素含有ガスと酸化剤ガスとから電気化学反応により発電する単位セルを複数積層してなるセルスタックと、前記単位セルの積層方向において前記セルスタックを挟持する第１支持部材および第２支持部材と、孔質構造を有する耐熱補強繊維を含む材料からなる弾性体と、前記セルスタック、前記第１支持部材、前記第２支持部材、および前記弾性体を収容する筐体と、を備え、前記弾性体は、前記単位セルの積層方向における前記セルスタックと前記筐体との間において、該セルスタックに対して荷重が加わるように圧縮変形された状態で設けられる。

ここで高温動作型燃料電池とは、発電時の作動温度が約５００℃〜１０００℃の範囲となる燃料電池であり、例えば、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）または溶融炭素酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）等が挙げられる。

上記構成によると、セルスタックと筐体との間において、セルスタックに対して荷重が加わるように圧縮変形された状態で弾性体が設けられている。このため、高温動作型燃料電池が常温状態と高温状態との間で温度変化を繰り返したとしても、筐体とセルスタックとの単位セルの積層方向における膨張・収縮の変位量の差を前記弾性体が吸収し、単位セルの積層方向に所定の大きさの荷重をかけ続けることができる。したがって、特許文献１に係る燃料電池のように移動機構を不要とし、かつ高価なセラミック製スプリングを用いることなくセルスタックに対して所定の荷重をかけ続けることができる。

よって、本発明の第１の態様に係る高温動作型燃料電池は、簡易な構成を有するとともに製造コストを抑制することができるという効果を奏する。

また、本発明の第２の態様に係る高温動作型燃料電池は、上記した第１の態様において、前記弾性体は、前記単位セルの積層方向において、前記セルスタックの変位量と前記筐体の変位量との差の最大値以上、変位し、かつ、セルスタックに加える荷重の大きさが所定の範囲となる弾性力を維持するように圧縮変形された状態で設けられる構成であってもよい。

ここで、起動、発電、および発電停止の一連の運転サイクルにおいて、例えば、常温状態から高温状態に温度が変化していく過程において、予熱され高温な状態の酸化剤ガスの流通経路においてより上流側に位置し、かつより熱伝導率が高い筐体の方が、セルスタックよりも早く温度上昇するため膨張し、また一般的には変位量も大きくなる。このため、発電時あるいは起動途中のタイミングで筐体とセルスタックとの変位量の差が大きくなる。そこで、セルスタックに対して単位セルの積層方向に所定の大きさ以上の荷重を加え、各単位セル間で隙間が生じないようにするために、弾性体は、少なくともセルスタックの変位量と筐体の変位量との差の最大値よりも大きく変位することが必要となる。さらには、弾性体からセルスタックに加える荷重の大きさを所定の範囲に維持する必要がある。なお、ここで所定の範囲とは、セルスタックにおいて各単位セルの連結が弛み、隙間からガス漏れしたり、集電性能を低下させたりしない範囲での所定の閾値以上であり、かつ筐体および単位セルを破損させない範囲での別途所定の閾値以下である。これら各々の所定閾値は適宜、設定することができる。

したがって、本発明の第２の態様に係る高温動作型燃料電池では、複雑な締結機構を有することなく低コストで、セルスタックを構成する各単位セル間のガスシール性および集電性を良好に維持し、性能低下を抑制することができる。

また、本発明の第３の態様に係る高温動作型燃料電池は、上記した第１または第２の態様において、前記弾性体は、前記耐熱補強繊維の繊維長さ方向に伸縮性を有しており、該耐熱補強繊維の繊維長さ方向と前記単位セルの積層方向とが一致するように設けられる構成であってもよい。

上記構成によると、弾性体を構成する耐熱補強繊維の伸縮方向と単位セルの積層方向とが一致する。このため、単位セルの積層方向における、温度変化にともなう筐体およびセルスタックの変位量の変化に適切に追従させるように弾性体を変形させることができる。

また、本発明の第４の態様に係る高温動作型燃料電池は、上記した第１から第３の態様におけるいずれか１つの態様において、前記弾性体は、１以上の板状部材から形成されており、少なくとも前記セルスタックの荷重が加えられる面の外縁に対応する位置に配置されていてもよい。

上記構成によると弾性体により荷重が加えられる側のセルスタックの面の外縁に対応する位置に、弾性体が少なくとも配置されている。このため、弾性体は、このセルスタックの面全体を均一な力で、押圧することができる。

また、本発明の第５の態様に係る高温動作型燃料電池は、上記した第１から第４の態様におけるいずれか１つの態様において、前記弾性体は、外周が薄板により覆われた構成であってもよい。

上記構成によると、弾性体の外周は、薄板に覆われているため、弾性体を構成する材料の一部が削れる等して生じた粉などがセルスタック、およびセルスタックを流れる空気の下流側に位置する燃焼部などに飛散することを防ぐことができる。なお、薄板は、弾性体の変形に追従して変形することができるものであり、弾性体の変形を妨げないものである。

また、本発明の第６の態様に係る高温動作型燃料電池は、上記した第１から第５の態様におけるいずれか１つの態様において、前記弾性体と接する面の所定位置に設けられ、該弾性体に向かって突出した棒状の位置決め雄部と、前記弾性体において設けられた前記位置決め雄部を収容する孔である位置決め雌部と、を備えるように構成されていてもよい。

上記構成によると、位置決め雄部および位置決め雌部を備えるため弾性体を適切な場所に容易に配置することができる。

なお、位置決め雄部が設けられる弾性体と接する面とは、例えば、弾性体自体が第１支持部材または第２支持部材を兼ねる場合は、セルスタックまたは筐体の面となる。弾性体が第１支持部材または第２支持部材と別体に設けられ、これら第１支持部材または第２支持部材とセルスタックとの間に配置される場合は、この弾性体と接する面は、セルスタックあるいは第１支持部材または第２支持部材の面となる。また、弾性体が第１支持部材または第２支持部材と別体に設けられ、筐体と第１支持部材または第２支持部材との間に配置される場合は、この弾性体と接する面は筐体あるいは第１支持部材または第２支持部材の面となる。

また、セルスタックの面と外周が薄板に覆われている弾性体（第５の態様に係る高温動作型燃料電池が備える弾性体）が接し、外周の薄板がステンレス等の導電性物質の場合は、短絡防止のため、外周薄板とセルスタックの面との薄板の間に、リング形状等の絶縁板を設置してもよい。

また、本発明の第７の態様に係る高温動作型燃料電池は、上記した第１から第６の態様におけるいずれか１つの態様において、前記弾性体は、永久ひずみが、前記圧縮変形された時の変形量に対し、所定の割合以下となる物性を有してもよい。

以下、本発明の実施形態に係る高温動作型燃料電池として固体酸化物形燃料電池（以下、燃料電池１）を例に挙げ、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。

（燃料電池モジュールの構成）
まず、図１を参照して本発明の実施形態に係る燃料電池モジュール１００の構成について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池モジュール１００の概略構成の一例を示す図である。なお、燃料電池モジュール１００が備える燃料電池１は、高温動作型燃料電池であり、以下では高温動作型燃料電池として固体酸化物形燃料電池を例に挙げて説明する。

図１に示すように、燃料電池モジュール１００は、燃料電池１と水素生成装置２と空気予熱器３とを備え、これら各部を１つのモジュール用筐体１０１内に収容してなる構成である。水素生成装置２は、蒸発器２１および改質器２２を有する。

水素生成装置２では、供給された改質用水を蒸発器２１が気化させ水蒸気を生成し、該水蒸気を発電用原料と混合させて改質器２２に供給する。そして、水蒸気と発電用原料との混合ガスが供給されると、改質器２２では水蒸気改質反応により改質ガス（水素含有ガス）を生成する。なお、改質器２２において実施される改質反応は、上述したように、水蒸気改質反応に限定されるものではない。例えば、図１では特に図示していないが水素生成装置２に例えば空気がさらに供給されるように構成し、改質器２２は、この空気を利用してオートサーマル法または部分酸化法などを用いて改質ガスを生成する構成であってもよい。

なお、燃料電池モジュール１００に供給される発電用原料は、少なくとも炭素および水素を構成元素とする有機化合物を含むものであればよく、例えば、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、ＬＰＧ、ＬＮＧなどの少なくとも炭素および水素から構成される有機化合物を含むガス、炭化水素、あるいはメタノールなどのアルコールを例示することができる。そして、上記した改質器２２は、発電用原料を、例えばＲｕ触媒やＮｉ触媒を用いて、水蒸気と反応（改質反応）させることによって改質ガス（水素含有ガス）を生成させる。

また、発電用原料中に、付臭剤として硫黄化合物が添加されている場合、あるいは原料由来の硫黄化合物が含まれている場合、改質器２２で用いられるＲｕ触媒やＮｉ触媒といった触媒を被毒劣化させたり、燃料電池のアノード（燃料極）を被毒し、燃料電池の性能低下を引き起こしたりする恐れがある。このため、発電用原料中に硫黄化合物が含まれる場合は、水素生成装置２は、改質器２２に供給する前の発電用原料から硫黄化合物を除去するための脱硫器（不図示）をさらに備える構成としてもよい。

また、水素生成装置２は、さらに燃焼部２３を備えており、燃焼部２３において、燃料電池１から排出された、発電に未利用の改質ガスを含むアノードオフガスと酸化剤ガスを含むカソードオフガスとを燃焼させる。燃焼部２３は、不図示の着火器を備えており、燃焼部２３内に導かれたアノードオフガスが着火器により着火され、カソードオフガスとともに火炎燃焼させられるように構成されている。そして、この火炎燃焼により、例えば、燃料電池１および水素生成装置２等において必要となる熱を賄うことができる。

つまり、燃料電池１の発電時には、燃焼部２３にて、燃料電池１のアノード（不図示）側から排出されたアノードオフガスと、カソード（不図示）側から排出されるカソードオフガスとを火炎燃焼させて、高温の燃焼排ガスを生成する。火炎燃焼により発生した熱（燃焼排ガスの有する熱）は、例えば、燃料電池１を発電反応に適した温度に保持したり、改質器２２を改質反応に適した温度に加熱したり、蒸発器２１において改質用水を気化させたりするために利用することができる。なお、燃料電池１の発電中では、改質器２２は、例えば４００℃〜７５０℃の温度に、蒸発器２１は、例えば１００℃〜３００℃の温度にそれぞれ保持される。

また、燃料電池モジュール１００は空気予熱器３をさらに備えており、酸化剤ガスを所定の温度まで予熱し、燃料電池１に供給することができる。より具体的には、燃焼部２３で生成された燃焼排ガスは、不図示の燃焼排ガス流路を通じて系外に放出されるように構成されている。ここで、燃焼排ガスが持つ高温の熱エネルギーを有効に利用するために、例えば、燃焼排ガス流路の途中に空気予熱器３として熱交換器を設けて、燃料電池１に送られる酸化剤ガス（例えば空気）と燃焼排ガスとの熱交換により、該酸化剤ガスを昇温させることができる。このように、燃料電池モジュール１００は、空気予熱器３を備えることにより、エネルギー利用率の向上を図ることができる。

本実施形態に係る燃料電池モジュール１００は、上記したように水素生成装置２が燃焼部２３を有する構成であるがこれに限定されるものではない。燃焼部２３は水素生成装置２とは別体に設けられてもよいし、燃料電池１が有する構成であってもよい。

また、燃焼排ガスが有する熱を有効利用するために、燃料電池モジュール１００は、図１、２に示すように、燃料電池１、水素生成装置２、および空気予熱器３それぞれを、断熱部材によって覆われたモジュール用筐体１０１内に、収容する構成とすることができる。図２は、本発明の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する各部の配置の一例を示す模式図である。図２は、燃料電池モジュール１００を側部から見たときの各部の配置を模式的に示しており、図２における上下方向が燃料電池モジュール１００の高さ方向となる。なお、図２では、説明の便宜上、酸化剤ガス、改質用水、発電用原料、改質ガス、アノードオフガス、カソードオフガス、燃料排ガス等の流通経路については省略している。

（燃料電池の構成）
次に、上記した図２を参照して、燃料電池１の構成について説明する。燃料電池１は、図２に示すように、セルスタック１１と、第１支持部材１２ａおよび第２支持部材１２ｂと、筐体１３と、弾性体１４とを備えてなる構成である。

セルスタック１１は、供給された水素含有ガス（改質ガス）等と、例えば空気などの酸化剤ガスとから、電気化学反応により発電する単位セル１０を複数積層して構成される。本実施形態では単位セル１０は平板型のセルであり、セルスタック１１は、一方向（図２では上下方向）に単位セル１０が積層されている。なお、これ以降、単位セル１０が積層されている方向を積層方向Ａと称する。また、単位セル１０はこの積層方向Ａに対して垂直をなす面を主面とする。

なお、燃料電池１は、図２において特に図示しないが、セルスタック１１の上方の端部および下方の端部それぞれにおいて単位セル１０と接する絶縁板と、この絶縁板と接続する端板とを備えていてもよい。端板は、主として耐熱性ステンレスでＣｒ飛散を抑制した材料から構成することができる。

セルスタック１１を構成する単位セル１０としては、例えば、イットリアをドープしたジルコニア（ＹＳＺ）、イッテルビウムやスカンジウムをドープしたジルコニア、あるいはランタンガレート系の固体電解質からなる単位セルを用いることができる。例えば、単位セル１０がＹＳＺの場合、厚みにもよるが、約６００〜９００℃の温度範囲にて、発電反応が行われる。

第１支持部材１２ａおよび第２支持部材１２ｂは、単位セル１０の積層方向Ａにおいてセルスタック１１を挟持する。本実施形態では、図２に示すようにセルスタック１１の上方側に第１支持部材１２ａがセルスタック１１の下方側に第２支持部材１２ｂがそれぞれ配置され、第１支持部材１２ａと第２支持部材１２ｂとによってセルスタック１１が挟持される構成となっている。

なお、第１支持部材１２ａおよび第２支持部材１２ｂは、単位セル１０の積層方向Ａに対して垂直をなす面を主面とする板形状をしている。第１支持部材１２ａおよび第２支持部材１２ｂの主面の寸法は、単位セル１０全体を押圧できるように、該単位セル１０の主面の寸法以上であってもよい。

弾性体１４は、孔質構造を有する耐熱補強繊維を含む材料から構成されており、セルスタック１１と筐体１３との間に配置される。例えば、弾性体１４は、孔質構造を有するシリカ質に耐熱補強繊維および輻射散乱材を含有させたセラミクス等が挙げられる。なお、耐熱補強繊維としては、例えば、ガラス繊維、セラミックス繊維、ロックウール等が例示できる。輻射散乱材とは、輻射により伝熱を低減することができるものであり、例えば、炭化珪素、ジルコニア、およびチタニアからなる群より選択する１種類以上を使用する。輻射散乱材の平均粒径は、例えば、１μｍ以上、５０μｍ以下、特には１μｍ以上、２０μｍ以下とすることができる。輻射散乱材として遠赤外線反射性を有するものであってもよく、例えば、１μｍ以上の波長の光に対する比屈折率が１．２５以上あるものを用いてもよい。

また、弾性体１４を構成する材料は、熱伝導率が１Ｗ／ｍ・Ｋ以下で縦弾性係数（ヤング率）が０．１ＧＰａ以上とすることができる。特に、弾性体１４の熱伝導率を１Ｗ／ｍ・Ｋ以下とすることで、第１支持部材１２ａと第２支持部材１２ｂとの間に挟持されているセルスタック１１での温度維持を向上させることができ、低燃料利用率であっても発電を可能とすることができる。このように、弾性体１４は、弾性をもつと同時に断熱性能も有していることが好適であり、これを満たす材料として例えば、ニチアス製ロスリムボード４３５０ＧＨ等が挙げられる。

上記した構成を有する燃料電池１では、セルスタック１１、第１支持部材１２ａ、第２支持部材１２ｂ、および弾性体１４を筐体１３内に収容している。筐体１３は、上記した端板と同様に耐熱性ステンレスでＣｒ飛散を抑制した材質から構成することができる。

また、この筐体１３内において弾性体１４は以下のように組み付けられている。すなわち、弾性体１４は、単位セル１０の積層方向Ａにおけるセルスタック１１と筐体１３との間に該積層方向Ａに力を加え、圧縮変形させた状態で設けられている。例えば、セルスタック１１と筐体１３との間における所定位置に弾性体１４を配置した状態で上部が開口した筐体１３内にセルスタック１１、第１支持部材１２ａ、および第２支持部材１２ｂとともに配置する。そして、弾性体１４を下方に押圧した状態で筐体１３の上部開口を蓋部によって塞ぐ。このようにして、弾性体１４を圧縮変形させた状態で筐体１３内に設けることができる。

なお、図２では、弾性体１４は、筐体１３と第１支持部材１２ａとの間に配置さえているが弾性体１４の配置はこれに限定されるものではなく、第１支持部材１２ａとセルスタック１１との間に配置されてもよい。あるいは、筐体１３と第２支持部材１２ｂとの間、または第２支持部材１２ｂとセルスタック１１との間にも配置されてもよい。また、弾性体１４はセルスタック１１の上方側または下方側の一方に配置されてもよいし、両方に配置されてもよい。

また、図２では、第１支持部材１２ａおよび第２支持部材１２ｂと弾性体１４とをそれぞれ別体の部材として設けた構成を例示しているが、第１支持部材１２ａまたは第２支持部材１２ｂのいずれか一方の少なくとも一部が弾性体１４を含む構成であってもよい。このように構成される場合、弾性体１４が、第１支持部材１２ａまたは第２支持部材１２ｂをも兼ねることとなる。

（燃料電池の形状変化）
ここで、常温状態にある場合と高温状態にある場合における燃料電池１の形状変化について図３を参照して説明する。図３は、図２に示す燃料電池１の形状変化の一例を模式的に示す図である。

上記したように、本発明の実施形態に係る燃料電池１は、発電時において高温に曝されるため、起動、発電、発電停止の一連のサイクルにおいて該燃料電池１では大きく温度が変化する。このため、図３に示すように、燃料電池１では、停止状態から発電状態に状態が変化すると積層方向Ａにおいて筐体１３は変位量αだけ膨張し、セルスタック１１は変位量βだけ膨張する。逆に発電状態から停止状態に状態が変化すると積層方向Ａにおいて筐体１３は変位量αだけ収縮し、セルスタック１１は変位量βだけ収縮することとなる。ただし、筐体１３およびセルスタック１１はそれぞれを構成している材料が異なっている。また、燃料電池１では筐体１３全体が一様に温度変化するのではなく、例えば、高温を有する空気および燃焼排ガスの流通に伴って温度が変化する。このため、筐体１３とセルスタック１１とでは燃料電池１の状態変化に伴って変位する変位量の時系列的な変化ならびに変位量の大きさが異なることとなる。このため、筐体１３とセルスタック１１との変位量の差は一定ではなく、燃料電池１の状態変化に応じて変動するものとなる。

そこで、本発明の実施形態に係る燃料電池１は、上記したようにセルスタック１１と筐体１３との間において、単位セル１０の積層方向Ａに力を加え圧縮変形させた弾性体１４が設けられている。このため、燃料電池１が常温状態と高温状態との間で温度変化を繰り返したとしても、筐体１３とセルスタック１１との間における膨張・収縮の変位量の差を弾性体１４が吸収することができる。

さらに、弾性体１４は、単位セル１０の積層方向Ａにおいて、セルスタック１１に対して所定の荷重（反力）を加え続けることができる。つまり、図３に示すように、圧縮した弾性体１４からの反力を利用し、セルスタック１１を積層方向Ａにおいて例えば上から下へ押圧すると同時に筐体１３を下から上へ押圧することにより、セルスタック１１に必要な荷重を与えている。

より具体的には、燃料電池１が停止状態（常温状態）にあるとき、弾性体１４の組付け設置時に、該弾性体１４を圧縮させてセルスタック１１と筐体１３との間に設ける。ここで弾性体１４は、積層方向Ａにおける、セルスタック１１と筐体１３との間での変位量の差の最大値以上、変位させられ、かつ、セルスタック１１に加える荷重が所定の閾値以上であり、別途、設定された所定の閾値以下となる弾性力を維持するように圧縮変形された状態で設けられている。

したがって、本発明の実施形態に係る燃料電池１は、特許文献１に係る燃料電池のように移動機構を不要とし、かつ高価なセラミック製のスプリングを用いることなくセルスタック１１に対して所定の荷重を加え続けることができる。

また、上記した弾性体１４の圧縮量と温度変化に伴うセルスタック１１および筐体１３の変位量との関係を具体的な数字を当てはめて説明すると、例えば以下のような関係となる。ここで、セルスタック１１を押圧するために必要な荷重の大きさを３００Ｎ以上、６００Ｎ以下とし、弾性体１４は、１．８７５ｍｍ以上、かつ３．７５ｍｍ以下の圧縮量を常に維持する必要があるものとする。

そこで、本発明の実施形態では、燃料電池１が停止状態（常温状態）にある時に、例えば、積層方向Ａにおいて５５ｍｍの厚さをもつ弾性体１４を２．７５ｍｍ圧縮させて筐体１３内に組み付けるものとする。このとき、筐体１３内に組み付けられた弾性体１４によりセルスタック１１に対してかかる荷重の大きさが４４０Ｎとなるものとする。つまり、弾性体１４の圧縮量が１ｍｍのとき１６０Ｎの荷重がセルスタック１１に加わるものとする。なお、弾性体１４の圧縮量と反力（セルスタック１１にかかる荷重）との関係はフックの法則により比例する関係にある。

ここで、停止状態から起動し、発電状態に至り、筐体１３およびセルスタック１１の温度が８００℃程度まで上昇したとする。このとき、筐体１３の線膨張に伴う伸び量が１．２ｍｍ（＝変位量α）、セルスタック１１の線膨張に伴う伸び量が０．８５ｍｍ（＝変位量β）であり両者の差が０．３５ｍｍとなるとする。燃料電池１の発電時には、弾性体１４は、この変位量の差を吸収すべく伸び、弾性体１４の圧縮量が２．４ｍｍとなったとする。この場合、弾性体１４からセルスタック１１にかかる荷重の大きさは、３８４Ｎ（＝４４０Ｎ−（０．３５ｍｍ×１６０Ｎ／ｍｍ））となり、セルスタック１１を押圧するのに必要な荷重を維持することができる。

ところで、燃料電池１では起動から発電、そして発電停止の一連の運転サイクルを繰り返すことにより弾性体１４では、永久ひずみが生じ、該弾性体１４の圧縮による荷重（反力）が徐々に低下する。このため、弾性体１４は、永久ひずみが、弾性体１４を最初に筐体１３内に組み付けた際の圧縮量の所定の割合以下となる物性を有していてもよい。この割合としては例えば、１０パーセントとすることができる。なお、弾性体１４を筐体１３内に設ける際に永久ひずみを加味して圧縮変形させて筐体１３内に設ける構成としてもよい。このように構成することで、起動、発電、および発電停止の一連の運転サイクルにおいて、高温と常温との間で温度変化が繰り返されることに伴うクリープで低下する弾性体１４の荷重を想定し、該弾性体１４を筐体１３内に設けることができる。

また、弾性体１４は、例えば、無負荷状態にある該弾性体１４の厚みに対する所定の割合（例えば、１０パーセント）に相当する量だけ圧縮したときの強度が所定の強度（例えば０．１ＭＰａ）以上有していてもよい。セルスタック１１を押圧するのに必要な圧力が一般的には約０．０５ＭＰａ以上である。また、特に筐体１３を構成するステンレスの高温時（約８００℃）における強度を、クリープおよび膨張収縮の繰返し疲労を加味して安全率込みで例えば２０ＭＰａとすると、弾性体１４の強度は、例えば、０．０５ＭＰａ以上であり、かつ２０ＭＰａ未満とすることができる。このように、弾性体１４の厚みの所定の割合に相当する量だけ圧縮したときの強度が所定の強度となるようにすることで、弾性体１４が圧縮に伴い割れる等の不具合が生じることを防ぐことができる。

（弾性体の組み付けに関する構成）
上記では弾性体１４を筐体１３内に組み付ける際に必要な圧縮量等について説明した。次に弾性体１４を筐体１３内に組み付ける際の構成について図４を参照して説明する。図４は、本発明の実施形態に係る弾性体１４を構成する耐熱補強繊維の配列状態の一例を模式的に示す図である。

弾性体１４は、図４に示すように耐熱補強繊維の繊維長さ方向に伸縮性を有しており、該耐熱補強繊維の繊維長さ方向と前記単位セルの積層方向Ａとが略一致するように設けられる構成であってもよい。すなわち、弾性体１４を構成する耐熱補強繊維は、繊維長さ方向に弾性的な伸び縮みを示す材料である。このため、繊維長さ方向が単位セル１０の主面に対して略垂直となるように弾性体１４を配置することで、弾性体１４は良好に伸び縮みすることができる。

また、弾性体１４は、セルスタック１１において荷重がかる単位セル１０の主面と同形状の押圧面（主面）をもつ板状部材であってもよいし、図５に示すように主面の形状が単位セル１０の主面の外縁に沿った環形状となる板状部材であってもよい。さらには、弾性体１４は、図６に示すようにセルスタック１１において単位セル１０の主面における４隅に対応した位置に、それぞれ配置された複数の板状部材から構成されていてもよい。なお、図５および図６は、本発明の実施形態に係る燃料電池１が備えるセルスタック１１を構成する単位セル１０の主面と弾性体１４との位置関係の一例を示す図である。図５および図６では、長方形状の主面をもつ単位セル１０を例に挙げて説明したが、単位セル１０の主面形状はこの長方形に限定されるものではなく、例えば、円形であってもよい。

以上のように弾性体１４は、少なくとも１以上の板状部材から形成されており、セルスタック１１の荷重が加えられる面（単位セル１０の主面）の外縁に対応する位置に配置された構成としてもよい。

また、弾性体１４の外周は、図７に示すように例えば、耐熱性ステンレスでＣｒ飛散を抑制した鋼材からなる薄板３１に覆われた構成としてもよい。図７は、本発明の実施形態に係る燃料電池１が有する弾性体１４の外周を薄板３１により覆った状態の一例を示す図であり、上面図、該上面図においてＡ−Ａ断面で切り出したときの断面図、および底面図を示す。このように弾性体１４は、薄板３１に覆われているため、弾性体１４を構成する材料の一部が削れて生じた粉などがセルスタック１１などに入り込むことを防ぐことができる。なお、薄板３１は、弾性体１４の変形に追従して変形することができるものであり、弾性体１４の変形を妨げないものである。具体的には薄板３１を形成する鋼材を厚さ０．３ｍｍ以下とする必要がある。鋼材の厚さは、耐食性を考慮すると厚い方が望ましいが、鋼材の厚さが厚い場合、弾性体１４の伸縮に薄板３１が追従して変形しなくなる。このため、薄板３１の厚さは、０．３ｍｍ程度が耐食性と荷重の変形を考慮すると適切な値となる。なお、弾性体１４は、例えば、以下のようにして薄板３１により覆われた構成とすることができる。すなわち、例えば、ステンレスの薄板３１で形成された２つの有底箱体を、弾性体１４を包み込むように合わせ、２つの有底箱体が接する部分を溶接等により接合することで弾性体１４の外周を薄板３１によって覆うことができる。

また、図７に示すように弾性体１４の底面には後述する位置決め雄部３３を収容するための位置決め雌部３２として孔が形成されている。一方、図８に示すように、弾性体１４と接する面に弾性体１４に向かって突出した棒状の位置決め雄部３３が設けられている。そして、弾性体１４を所定位置に配置する場合は、弾性体１４の位置決め雌部３２に位置決め雄部３３を収容することで、容易に弾性体１４の位置決めを行うことができる。なお、位置決め雄部３３が設けられる面は、例えば、第１支持部材１２ａ、前記第２支持部材１２ｂ、セルスタック１１、または筐体１３のいずれかにおける、弾性体１４と接する面である。図８は、図７に示す弾性体１４を所定位置に配置するために位置決めを行う構成の一例を示す図である。

なお、薄板３１が、セルスタック１１の面および位置決め雄部３３と接する構成であって、薄板３１がステンレス等の導電性物質から形成される場合、短絡防止のため、薄板３１とセルスタック１１の面との間に、リング形状等の絶縁板を設置する構成であってもよい。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および／または機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明は、平板型の単位セルを複数積層して形成したセルスタックを有する高温動作型燃料電池において利用できる。

１ 燃料電池
２ 水素生成装置
３ 空気予熱器
１０ 単位セル
１１ セルスタック
１２ａ 第１支持部材
１２ｂ 第２支持部材
１３ 筐体
１４ 弾性体
２１ 蒸発器
２２ 改質器
２３ 燃焼部
３１ 薄板
３２ 位置決め雌部
３３ 位置決め雄部
１００ 燃料電池モジュール
１０１ モジュール用筐体
Ａ 積層方向
α 変位量
β 変位量

Claims (7)

1. 水素含有ガスと酸化剤ガスとから電気化学反応により発電する単位セルを複数積層してなるセルスタックと、
   前記単位セルの積層方向において前記セルスタックを挟持する第１支持部材および第２支持部材と、孔質構造を有する耐熱補強繊維を含む材料からなる弾性体と、
   前記セルスタック、前記第１支持部材、前記第２支持部材、および前記弾性体を収容する筐体と、を備え、
   前記弾性体は、前記単位セルの積層方向における前記セルスタックと前記筐体との間において、該セルスタックに荷重が加わるように圧縮変形された状態で設けられる高温動作型燃料電池。
2. 前記弾性体は、
   前記単位セルの積層方向において、前記セルスタックの変位量と前記筐体の変位量との差の最大値以上、変位し、かつ、前記セルスタックに加える荷重の大きさが所定の範囲となる弾性力を維持するように圧縮変形された状態で設けられる請求項１に記載の高温動作型燃料電池。
3. 前記弾性体は、
   前記耐熱補強繊維の繊維長さ方向に伸縮性を有しており、該耐熱補強繊維の繊維長さ方向と前記単位セルの積層方向とが一致するように設けられる請求項１または２に記載の高温動作型燃料電池。
4. 前記弾性体は、
   １以上の板状部材から形成されており、少なくとも前記セルスタックの荷重が加えられる面の外縁に対応する位置に配置されている請求項１から３のいずれか１項に記載の高温動作型燃料電池。
5. 前記弾性体は、
   外周が薄板により覆われている請求項１から４のいずれか１項に記載の高温動作型燃料電池。
6. 前記弾性体と接する面の所定位置に設けられ、該弾性体に向かって突出した棒状の位置決め雄部と、
   前記弾性体において設けられた前記位置決め雄部を収容する孔である位置決め雌部と、を備える請求項１から５のいずれか１項に記載の高温動作型燃料電池。
7. 前記弾性体は、
   永久ひずみが、前記圧縮変形された時の変形量に対し、所定の割合以下となる物性を有する請求項１から６のいずれか１項に記載の高温動作型燃料電池。

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