JP5313667B2 - 固体電解質形燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料極及び空気極を有する固体電解質体を備えた固体電解質形燃料電池セルを複数積層した固体電解質形燃料電池スタックに関するものである。

従来より、燃料電池として、固体電解質（固体酸化物）を用いた固体酸化物形燃料電池（以下ＳＯＦＣとも記す）が知られている。

このＳＯＦＣは、例えば板状の固体電解質体の各面に燃料極と空気極とを備えた燃料電池セルを、多数積層してスタックを形成し、燃料極に燃料ガスを供給するとともに、空気極に空気を供給し、燃料及び空気中の酸素を固体電解質体を介して化学反応させることによって電力を発生させるものである。

上述したＳＯＦＣにおいては、１０００℃程度が作動温度として適当であると考えられてきたが、近年では、低抵抗な固体電解質材料や固体電解質を薄く形成可能な支持膜タイプの開発が進むなかで、その作動温度は金属材料を使用可能な７５０℃程度まで低温化している。

つまり、固体電解質体以外の部材、例えば固体電解質体を支持するフレームの材料、ガス流路を構成する部材の材料、インターコネクタ（スタック内部にてセル間導通を得る部材）の材料などに、加工性に優れ、強度の高い金属材料を使用することで、信頼性の高いＳＯＦＣの開発が可能となっている。

上述した金属製のフレームやインターコネクタを用いたＳＯＦＣで、一般的なタイプとしては、平板型の単セルをインターコネクタを介して積層し、これらをボルトやナットにて結束してスタック化したものが知られている（特許文献１参照）。

また、各フレームにガス流路（燃料や空気の流入・流出のガス流路）となる穴をあけるとともに、そのフレームを多段に重ね合わせてガスマニホールドとする内部マニホールド型のＳＯＦＣも開発されている（特許文献２参照）。

更に、フレームの四隅に、スタックを貫通するガス流路を設けて、そのガス流路から各セルにガスを供給する装置も提案されている（特許文献３参照）。
特開２００５−１７４８８４号公報 特開平６−３４９５０６号公報 特開平８−２７３６９１号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、ガス流路とは別に、フレームにボルトを挿入する加入穴を開ける必要があるので、体積エネルギー密度の高い高性能の燃料電池を開発する上で、いくつかの障害があった。

つまり、ガス流路とは別にボルトを挿入する穴を必要とするので、フレームの平面寸法を大きくしなければならず、発電に寄与しない余分なスペースが多くなって、体積エネルギー密度が低下するという問題があった。しかも、フレームの大型化により、ＳＯＦＣスタックに占める金属材料が増加するため、重量エネルギー密度も低下するという問題があった。

また、特許文献２の技術では、ガス流路用の穴をあけたフレームを積層するので、フレームの積層部分のガスシールを確実に行うために、別途、ボルト等を用いた拘束具で、フレームを積層方向に押圧する必要があり、結果として、構造が複雑になったり、前記エネルギー密度も低下するという問題があった。

更に、特許文献３の技術では、フレームの四隅にガス流路となるパイプを配置しているが、前記特許文献２と同様に、別途、ボルト等を用いた拘束具で、フレームを積層方向に押圧する必要があり、結果として、構造が複雑になったり、前記エネルギー密度も低下するという問題があった。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、従来より構造を簡易化できるとともに、エネルギー密度を向上できる固体電解質形燃料電池スタックを提供することにある。

（１）第１実施態様の発明は、燃料ガスに接する燃料極と酸化剤ガスに接する空気極とを有する固体電解質体を備えたセル本体が用いられた固体電解質形燃料電池セルを、複数積層した固体電解質形燃料電池スタックであって、前記固体電解質形燃料電池セルの積層体をその積層方向に貫く複数の貫通孔と、前記複数の貫通孔にそれぞれ１個ずつ挿入された各固定部材を有し、前記積層体をその積層方向に押圧して固定する複数の押圧部材と、を備え、前記セル本体を接合して配置するとともに、燃料ガス流路と空気流路との間のガス流路を遮断するセパレータを有しており、前記セパレータの外周縁部には前記複数の貫通孔が貫通するとともに、前記セパレータの外周縁部を前記複数の貫通孔にそれぞれ貫挿された前記各固定部材を用いて固定し、前記固定部材が配置される前記貫通孔内に、前記固体電解質形燃料電池セル側にガスを供給し又は前記固体電解質形燃料電池セル側からガスを排出するガス流路を設けたことを特徴とする。

本発明では、固定部材が配置される貫通孔内に、固体電解質形燃料電池セル側にガスを供給し又は前記固体電解質形燃料電池セル側からガスを排出するガス流路を設けている。例えば固定部材の内部の空間や、固定部材の外側と積層体との間の空間を、ガス流路として使用している。

これにより、従来の様に、ガス流路とは別にスタックを積層方向に貫く貫通孔を設けてスタックを拘束するためのボルト等の固定部材を配置する必要が無いので、セル（詳しくはフレーム等）の平面寸法を小さく且つ構成を簡易化でき、よって、体積エネルギー密度、ひいては重量エネルギー密度を大きくすることができる。

尚、前記貫通孔は、複数形成され、それらに固定部材が挿入されるが、各ガスの流路が確保できれば、全ての固定部材にガス流路を設ける必要はない。
ここで、固体電解質形燃料電池セルとは、燃料極と空気極と固体電解質体とからなる構成（セル本体）を備え、ガスとの接触により発電を行う発電単位である。

ここで、固体電解質形燃料電池セルとは、燃料極と空気極と固体電解質体とからなる構成（セル本体）を備え、ガスとの接触により発電を行う発電単位である。

（２）第２実施態様の発明では、前記固定部材により、前記ガス流路を構成したことを特徴とする。

本発明では、例えば固定部材の内部に空間を設けたり外周面に溝を設けたりして、ガス流路の一部又は全部を構成することができる。

（３）第３実施態様の発明では、前記固定部材は、その内部に、前記ガス流路を設けたことを特徴とする。

本発明における固定部材は、例えば中空ボルトの様に、内部にガス流路（内部ガス流路）を備えた部材であるので、この固定部材を用いることによって、固体電解質形燃料電池セルの積層体の押圧固定ができるとともに、固体電解質形燃料電池セルに連通するガス流路（内部マニホールド）を容易に実現できる。

（４）第４実施態様の発明では、前記固定部材内部のガス流路は、前記貫通孔の内部と前記積層体の外部とを連通するガス流路を有することを特徴とする。

本発明では、この固定部材を用いることによって、貫通孔の内部と積層体の外部とを連通することができる。

（５）第５実施態様の発明では、前記固定部材と前記積層体との間に、前記固定部材内部のガス流路と連通する空間を設けたことを特徴とする。

例えば固定部材内部のガス流路から供給されるガスは、各固体電解質形燃料電池セルに供給されるが、この場合、固定部材の外周側に空間を設けておき、この空間と各固体電解質形燃料電池セルのガス流路とを連通するようにすれば、固定部材の外周側のどこに開口部を設けても、ガスを（空間を介して）セル側に容易に供給することができる。尚、ガスの排出に関しても同様なことが言える。

尚、前記空間としては、貫通孔の内径を固定部材の外径よりも所定以上大きくしておき、それによって、固定部材の外周面と固定部材が挿入される貫通孔の内周面とによって形成される空間（例えば円筒状などの筒状の空間）が好適である。

（６）第６実施態様の発明では、前記固定部材は、長尺の部材（例えば棒状の部材）であり、前記固定部材内部のガス流路は、前記固定部材の長手方向に伸びる軸方向ガス流路と、該軸方向ガス流路と連通し前記固定部材の外周側に開口する横穴とを備えたことを特徴とする。

本発明は、固定部材の好ましい形状を例示したものである。

（７）第７実施態様の発明では、前記固定部材は、中空ボルトであることを特徴とする。

本発明は固定部材を例示したものである。つまり、中空ボルトを用いれば、その内部の空間をガス流路として用いることができる。

（８）第８実施態様の発明では、前記固定部材の外周面に、前記貫通孔の内部と前記積層体の外部とを連通する溝を設けたことを特徴とする。

本発明では、固定部材の内部ではなく外側（外周面）にガス流路として機能する溝を設けるので、ガス流路の形成が容易である。

つまり、この溝により、貫通孔内部（例えば固定部材の外周面と貫通孔の内周面とで形成される空間）と積層体の外部（例えば貫通孔と連通するように接続されるナットやパイプなど）との連通を取ることができる。

例えばボルト等の長手方向に沿って端部まで溝を形成し、その溝の端部の開口部と貫通孔に接続されるパイプ等とを連通することにより、パイプ等の内部から溝を介して貫通孔内部に至るガス流路を形成することができる。

（９）第９実施態様の発明では、前記固定部材（例えばボルト）に係合する係合部材（例えばナット）の内部に、前記貫通孔の内部と前記積層体の外部とを連通する連通孔を設けたことを特徴とする。

本発明は、ガス流路の形成例を示したものである。なお、例えばナットを貫いて連通孔を設ける場合には、例えば（固定部材が貫挿された）貫通孔に接続されたパイプ内部と固定部材の外周面側に形成された空間とを連通するように連通孔を設ける。

（１０）第１０実施態様の発明では、前記固定部材（例えばボルト）に係合する係合部材（例えばナット）の内周面に、前記貫通孔の内部と前記積層体の外部とを連通する溝を設けたことを特徴とする。

本発明は、ガス流路の形成例を示したものである。なお、例えばナットの内周面に溝を設ける場合には、例えば（固定部材が貫挿された）貫通孔に接続されたパイプ内部と固定部材の外周面側に形成された空間とを連通するように溝を設ける。

（１１）第１１実施態様の発明では、前記貫通孔内に、前記固定部材に外嵌する筒状体を配置するとともに、前記筒状体の内側及び外側にガス流路を設け、更に、前記筒状体には、その内側と外側とのガス流路を連通する連通孔を設けたことを特徴とする。

固定部材の外側に、（連通孔を備えた）筒状体を配置することにより、ガスの流入や流出の状態を調節できる。例えば貫通孔にガスが流入する場合には、その（流入方向の）先端側にはガスが届きにくいが、例えば筒状体の先端側に多くの連通孔を設けることにより、ガスの供給を均一に行うことができる。

（１２）第１２実施態様の発明では、前記固定部材は、複数の部材を軸方向に接続した長尺の部材であることを特徴とする。

固定部材が短い場合には、軸方向において、例えばネジの嵌め合い構造などを利用して、複数の部材を接続して必要な長さを確保することができる。

（１３）第１３実施態様の発明では、前記押圧固定部は、前記固定部材に係合する係合部材を更に備えたことを特徴とする。

本発明は、押圧固定部を例示したものである。例えば固定部材がボルトである場合には、係合部材としてナットを使用できる。従って、ボルト及びナットによって積層体を締め付けて押圧固定できる。

（１４）第１４実施態様の発明では、前記固体電解質形燃料電池セルは、前記燃料極と空気極と固体電解質体とを備えたセル本体を、その平面方向の外周側から囲む枠部を備え、前記固定部材は、前記枠部を貫通することを特徴とする。

本発明は、固定部材が固体電解質形燃料電池セルの外周の枠部を貫通した構成を例示したものである。

尚、枠部としては、複数の枠（金属フレームや絶縁フレーム等）が積層されたものが挙げられる。また、枠部が無い場合には、セル本体などの外周側に貫通孔を設け、この貫通孔に固定部材を配置しても良い。

（１５）第１５実施態様の発明では、前記固定部材の熱膨張の程度（例えば熱膨張係数）は、前記固定部材が押圧する前記積層体の熱膨張の程度（例えば熱膨張係数）より小さいことを特徴とする。

例えば固定部材の熱膨張係数が積層体の熱膨張係数より小さいと、固体電解質形燃料電池スタックが高温になった場合でも、固定部材の伸びは積層体の伸びよりも小さいので、押圧力が低下し難いという効果がある。

尚、熱膨張の程度としては、熱膨張した場合に伸びた寸法等を挙げることができる。

（１６）第１６実施態様の発明では、前記固定部材と前記積層体との間に、両部材間の導通を遮断する絶縁部材を配置したことを特徴とする。

これにより、固定部材として金属を使用した場合でも、固体電解質形燃料電池セルから固定部材側への電流のリークを防止でき、電極間の短絡を回避できる。

（１７）第１７実施態様の発明では、前記固定部材と前記積層体との押圧部分を、ガスシールすることを特徴とする。

これにより、ガスの漏出などを好適に防止することができる。

尚、この押圧部分をガスシールする方法としては、例えば積層体の押圧方向の端面とそれと対向する絶縁部材の端面との間にシール部材（例えば金属ガスケット、マイカシートなど）を配置する方法などが挙げられる。

（１８）第１８実施態様の発明では、前記固定部材の材料として、耐熱性合金を用いることを特徴とする。

本発明は、固定部材の材料を例示したものである。

・ここで、前記固体電解質体は、電池の作動時に燃料極に導入される燃料ガス又は空気極に導入される酸化剤ガスのうちの一方の一部をイオンとして移動させることができるイオン伝導性を有する。このイオンとしては、例えば酸素イオン及び水素イオン等が挙げられる。また、燃料極は、還元剤となる燃料ガスと接触し、セルにおける負電極として機能する。空気極は、酸化剤となる酸化剤ガスと接触し、セルにおける正電極として機能する。

・固体電解質体の材料としては、例えばＺｒＯ_２系セラミック、ＬａＧａＯ_３系セラミック、ＢａＣｅＯ_３系セラミック、ＳｒＣｅＯ_３系セラミック、ＳｒＺｒＯ_３系セラミック、及びＣａＺｒＯ_３系セラミック等が挙げられる。

・燃料極の材料としては、例えば、Ｎｉ及びＦｅ等の金属と、Ｓｃ、Ｙ等の希土類元素のうちの少なくとも１種により安定化されたジルコニア等のＺｒＯ_２系セラミック、ＣｅＯ_２系セラミック等のセラミックのうちの少なくとも１種との混合物などが挙げられる。また、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ及びＦｅ等の金属が挙げられる。これらの金属は１種のみでもよいし、２種以上の金属の合金でもよい。更に、これらの金属及び／又は合金と、上記セラミックの各々の少なくとも１種との混合物（サーメットを含む）が挙げられる。また、Ｎｉ及びＦｅ等の金属の酸化物と、上記セラミックの各々の少なくとも１種との混合物などが挙げられる。

・空気極の材料としては、例えば、各種の金属、金属の酸化物、金属の複酸化物等を用いることができる。金属としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ及びＲｈ等の金属又は２種以上の金属を含有する合金が挙げられる。更に、金属の酸化物としては、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ及びＦｅ等の酸化物（Ｌａ_２Ｏ_３、ＳｒＯ、Ｃｅ_２Ｏ_３、Ｃｏ_２Ｏ_３、ＭｎＯ_２及びＦｅＯ等）が挙げられる。また、複酸化物としては、少なくともＬａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＭｎ等を含有する複酸化物（Ｌａ_１−ＸＳｒ_ＸＣｏＯ_３系複酸化物、Ｌａ_１−ＸＳｒ_ＸＦｅＯ_３系複酸化物、Ｌａ_１−ＸＳｒ_ＸＣｏ_１−ＹＦｅ_ＹＯ_３系複酸化物、Ｌａ_１−ＸＳｒ_ＸＭｎＯ_３系複酸化物、Ｐｒ_１−ＸＢａ_ＸＣｏＯ_３系複酸化物及びＳｍ_１−ＸＳｒ_ＸＣｏＯ_３系複酸化物等）が挙げられる。

・固定部材及び係合部材の材料としては、耐熱性、化学的安定性、強度等の優れた材料を使用でき、例えばアルミナ、ジルコニア等のセラミックス材料や、ステンレス鋼、ニッケル基合金、クロム基合金等の耐熱合金等の金属材料が挙げられる。

具体的には、ステンレス鋼としては、フェライト系ステンレス鋼、マルテンサイト系ステンレス鋼、オーステナイト系ステンレス鋼が挙げられる。フェライト系ステンレス鋼としては、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４３４、ＳＵＳ４０５等が挙げられる。マルテンサイト系ステンレス鋼としては、ＳＵＳ４０３、ＳＵＳ４１０、ＳＵＳ４３１等が挙げられる。オーステナイト系ステンレス鋼としては、ＳＵＳ２０１、ＳＵＳ３０１、ＳＵＳ３０５等が挙げられる。更に、ニッケル基合金としては、インコネル６００、インコネル７１８、インコロイ８０２等が挙げられる。クロム基合金としては、Ｄｕｃｒｌｌｏｙ ＣＲＦ（９４Ｃｒ５Ｆｅ１Ｙ_２Ｏ_３）等が挙げられる。

・枠部を構成する部材の材料としては、前記固定部材と同様な金属材料又はセラミック材料などを採用できるが、その熱膨張係数は、枠部より固定部材の方が小さいものを用いるのが好適である。

・固体電解質形燃料電池を用いて発電を行う場合、燃料極側には燃料ガスを導入し、空気極側には酸化剤ガスを導入する。

燃料ガスとしては、水素、還元剤となる炭化水素、水素と炭化水素との混合ガス、及びこれらのガスを所定温度の水中を通過させ加湿した燃料ガス、これらのガスに水蒸気を混合させた燃料ガス等が挙げられる。炭化水素は特に限定されず、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス化ガス等が挙げられる。この燃料ガスとしては水素が好ましい。これらの燃料ガスは１種のみを用いてもよいし、２種以上を併用することもできる。また、５０体積％以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。

酸化剤ガスとしては、酸素と他の気体との混合ガス等が挙げられる。更に、この混合ガスには８０体積％以下の窒素及びアルゴン等の不活性ガスが含有されていてもよい。これらの酸化剤ガスのうちでは安全であって、且つ安価であるため、空気（約８０体積％の窒素が含まれている。）が好ましい。

実施例１の固体電解質形燃料電池スタックを示す斜視図である。 固体電解質形燃料電池スタックを分解した状態とそれを正面から見た状態とを示す説明図である。 固体電解質形燃料電池セルを分解した状態を示す説明図である。 図４Ａは、固体電解質形燃料電池セルを分解した状態を示す説明図、図４Ｂは、その要部を組み付けた状態を示す平面図である。 ボルトとその使用状態を破断して示す説明図である。 図６Ａは、スタックにおける空気の流路を示す説明図、図６Ｂは、スタックにおける燃料ガスの流路を示す説明図である。 ボルトの製造手順を示す説明図である。 図８Ａは、実施例２の接続部材の平面図、図８Ｂは、ボルトとその使用状態を破断して示す説明図、図８Ｃは、図８Ｂの８Ｃ−８Ｃ断面を示す断面図である。 図９Ａは、実施例３の接続部材の平面図、図９Ｂは、ボルトとその使用状態を破断して示す説明図、図９Ｃは、図９Ｂの９Ｃ−９Ｃ断面を示す断面図である。 図１０Ａは、実施例４の接続部材の平面図、図１０Ｂは、ボルトとその使用状態を破断して示す説明図、図１０Ｃは、図１０Ｂの１０Ｃ−１０Ｃ断面を示す断面図である。 図１１Ａは、実施例５の接続部材の平面図、図１１Ｂは、ボルトとその使用状態を破断して示す説明図、図１１Ｃは、図１１Ｂの１１Ｃ−１１Ｃ断面を示す断面図である。

符号の説明

１…固体電解質形燃料電池スタック
３…固体電解質形燃料電池セル
５、１１３、１３３…積層体
７、９、１１、１３、１５、１７、１９、２１、１０１、１２１、１４１、１６１…固定部材（ボルト）
２３…燃料ガス流路
２５…燃料極
２７…固体電解質体
２９…空気極
３３、３９…インターコネクタ
５０、５１、１０３、１２３、１５７、１７１…係合部材（ナット）
５２…押圧固定部
５３、７３、７５、８１、１６３…中心孔（軸方向ガス流路）
５５、１６５…横穴
５６、１６８…内部ガス流路
５７、１１５、１３１、１４９、１７５…貫通孔
５９、１１５、１３５、１４５、１４９、１７７…空間
６０、１１７…ガス流路
１０７、１２７、１５９…溝
１４３…筒状体

次に、本発明の最良の形態の例（実施例）について、すなわち、固体電解質形燃料電池スタックの実施例について説明する。

ａ）まず、固体電解質形燃料電池スタックの構成について説明する。

図１及び図２に示す様に、本実施例の固体電解質形燃料電池スタック１は、燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気（詳しくは空気中の酸素））との供給を受けて発電を行う装置である。

この固体電解質形燃料電池スタック１は、固体電解質形燃料電池セル３が複数個（例えば８個）積層された積層体（スタック本体）５と、積層体５の周囲に配置されて積層体５を積層方向に貫くボルト（固定部材）７〜２１などを備えている。

図３に分解して示す様に、固体電解質形燃料電池セル３は、いわゆる燃料極支持膜タイプのセルであり、燃料ガス流路２３側には、燃料極（アノード）２５が配置されるとともに、燃料極２５の同図上側の表面には薄膜の固体電解質体２７が形成され、その固体電解質体２７の空気流路３１側の表面には、空気極（カソード）２９が形成されている。

また、空気極２９と上方の金属製のインターコネクタ（セル３間の導通を確保するとともにガス流路を遮断するプレート）３３との間には、その導通を確保するために、（例えば空気極２９と同様なＬＳＣＦ、ＬＳＭ等からなる）集電体３５が配置されている。尚、以下では、この実際に発電を行う燃料極２５と固体電解質体２７と空気極２９とをセル本体３７と称する。

更に詳しくは、図４Ａに分解して示す様に、この固体電解質形燃料電池セル３は、上下一対の金属製のインターコネクタ３３、３９と、空気流路３１側の金属製の空気極フレーム４１と、セラミックス製の絶縁フレーム４３と、セル本体３７を接合して配置するとともにガス流路を遮断する金属製のセパレータ４５と、燃料ガス流路２３側の金属製の燃料極フレーム４７とを備えている。尚、図４Ｂは、インターコネクタ３３、３９を除いた状態を示している。

従って、空気極フレーム４１と絶縁フレーム４３とセパレータ（その外周縁部）４５と燃料極フレーム４７とインターコネクタ（その外周縁部）３３、３９とにより、ボルト７〜２１が貫く固体電解質形燃料電池セル３の枠部４９が構成されている。

尚、隣り合う固体電解質形燃料電池セル３の間のインターコネクタは共有されるので、上下両端の固体電解質形燃料電池セル３以外は、セル間には、１枚のインターコネクタが配置されるだけである。

一方、前記ボルト７〜２１は、積層体５を積層方向に押圧して固体電解質形燃料電池セル３を拘束するために用いる部材であり、その構造から２種類のボルト７〜２１が使用されている。

即ち、図１に示す様に、単に固体電解質形燃料電池セル３を押圧するための第１のボルト１５〜２１と、内部に燃料ガス又は空気が流通するガス流路を備えた第２のボルト７〜１３である。尚、使用する第２のボルト７〜１３の本数は、固体電解質形燃料電池スタック１の定格等に応じて適宜選択できる。

このうち、第２のボルト７〜１３には、空気のガス流路を備えた空気用のボルト７、９等と燃料ガスのガス流路を備えた燃料用のボルト１１、１３等がある。また、使用する第２のボルト７〜１３の本数は、固体電解質形燃料電池スタック１の構造や定格等に応じて適宜選択できる。例えば空気の流量が燃料ガスの流量より３倍ある場合には、空気用のボルト７、９を（入出力合わせて）４本使用し、燃料用のボルト１１、１３を（入出力合わせて）２本使用することができる。

尚、空気用のボルト７、９と燃料用のボルト１１、１３は、同様な構造であるので、以下では、例えば空気用のボルト７を用いて説明する。

図５に示す様に、空気用のボルト７は、円柱状の長尺の中空ボルトであり、そのボルト７の上下両端には、六角形のナット（係合部材）５０、５１が螺合されている。尚、ここでは、ボルト７及びナット５０、５１により、押圧固定部５２が構成されている。

そして、ボルト７の軸中心には、有底の中心孔（軸方向ガス流路）５３が、同図下方のナット５１の上面とほぼ同位置に達する程度まで開けられるとともに、その中心孔５３から径方向（同図左右方向）に複数の横穴５５が形成されている。

このボルト７は、積層体５の外周近傍にて（その積層方向）開けられた貫通孔５７に貫挿されており、ボルト７の外周面と貫通孔５７との内周面との間には、円筒状のガス流路となる空間（外周側ガス流路）５９が形成されている。従って、中心孔５３と横穴５５とによって内部ガス流路５６が構成され、この内部ガス流路５６と空間５９とによって、貫通孔５７内におけるガス流路６０が構成されている。

また、ボルト７の上下方向には、各ナット５０、５１と積層体５との間に、フランジ形状の例えばアルミナ製の絶縁スペーサ（絶縁リング）６１、６３が外嵌されている。この絶縁スペーサ６１、６３の鍔の部分６１ａ、６３ａが各ナット５０、５１と積層体５との間には挟まれることにより、ボルト７と積層体５との間隔が保たれるとともに、絶縁スペーサ６１、６３の筒の部分６１ｂ、６３ｂがボルト７と積層体５との間に配置されることにより、前記空間５９が保持されている。

なお、ボルト７の上端には、ジョイント６５が螺合され、このジョイント６５には、ガス供給（又は排出）用のガスパイプ６７が取り付けられている。

そして、中心孔５３の上端部分（外部連通ガス流路６８）は、ガスパイプ６７と連通しているので、ガスパイプ６７の内部から貫通孔５７内の空間５９までは、外部連通ガス流路６８、中心孔５３、及び横穴５５を介して、ガスの流通が可能なように連通している。

ｂ）次に、固体電解質形燃料電池スタック１のガス流路について説明する。

(1)空気の流路
図５に示す様に、空気用のボルト７の上方から供給された空気は、そのボルト７の軸中心に形成された中心孔５３に導入され、各横穴５５から空間５９に供給される。

空間５９に供給された空気は、図６Ａに示す様に、それぞれの固体電解質形燃料電
池セル３の側方にあけられた空気導入側セル連通部６９（図４Ａ参照）を介してセル内の空気流路３１側に導入される。尚、図６Ａでは、図面の大きさの関係で、横穴５５や空間５９は省略してある（以下同様）。

次に、セル内の空気流路３１の空気は、空気排出側セル連通路７１（図４Ａ参照）から、前記と同様な図示しない横穴や空間を介して、他の空気用（排出用）のボルト９の中心孔７３に排出され、その上方よりスタック外に排出される。

(2)燃料の流路
図６Ｂに示す様に、燃料用のボルト１１の上方から供給された燃料ガスは、そのボルト１１の軸中心に形成された中心孔７５に導入され、図示しない各横穴から空間に供給される。

空間に供給された燃料ガスは、それぞれの固体電解質形燃料電池セル３の側方にあけられた燃料導入側セル連通部７７（図４Ｂ参照）を介してセル内の燃料流路２３側に導入される。

次に、セル内の燃料流路２３の燃料ガスは、燃料排出側セル連通路７９（図４Ｂ参照）から、図示しない横穴や空間を介して、他の燃料用（排出用）のボルト１３の中心孔８１に排出され、その上方よりスタック外に排出される。

ｃ）次に、固体電解質形燃料電池スタック１の製造方法について、簡単に説明する。

・まず、例えばＳＵＳ４３０からなる板材を打ち抜いて、インターコネクタ３３、３９、空気極フレーム４１、燃料極フレーム４７、セパレータ４５を製造した。

また、定法により、アルミナを主成分とするグリーンシートを所定形状に形成し、焼成して、絶縁フレーム４３を製造した。

固体電解質形燃料電池セル３のセル本体３７を、定法に従って製造した。具体的には、燃料極２５のグリーンシート上に、固体電解質体２７の材料を印刷し、その上に空気極２９の材料を印刷し、その後焼成した。尚、セル本体３７は、セパレータ４５にろう付けして固定した。

・これとは別に、空気用及び燃料用のボルト７〜１３を、下記の手順で製造した。

具体的には、図７Ａに示す様に、例えばＳＵＳ４３０からなる直径１５ｍｍ×長さ１２０ｍｍの（例えば空気用のボルト７）の丸棒８３に対して、その軸中心にザグリ加工を行い、内径９ｍｍ×深さ１００ｍｍの中心孔５３を形成した（図７Ｂ参照）。

次に、丸棒８３の上下両端の外周にネジを切って長さ３０ｍｍのネジ部８５と長さ２０ｍｍのネジ部８７を形成した（図７Ｃ参照）。

次に、丸棒８３の軸方向に沿って、等間隔で、径方向に、中心孔５３と外周側とを連通する直径２ｍｍの横穴５５を複数形成して、ボルト７〜１３を完成した（図７Ｄ、図７Ｅ参照）。

・そして、上述したインターコネクタ３３、３９、空気極フレーム４１、燃料極フレーム４７、セル本体３７をろう付けしたセパレータ４５、集電体３５などを一体にして、各固体電解質形燃料電池セル３を組み付けるとともに、各固体電解質形燃料電池セル３を積層して積層体５を構成した。

そして、この積層体５の貫通孔５７にボルト７〜２１を嵌め込むとともに、それらの両端から絶縁スペーサ６１、６３を嵌め、ボルト７〜２１の両端にナット５０、５１を螺合させた。

その後、このナット５０、５１を締め付けて、積層体５を押圧して一体化して固定し、固体電解質形燃料電池スタック１を完成した。

尚、空気用のボルト７、９等、燃料用のボルト１１、１３等、固定のみに用いるボルト１５〜２１としては、通常の有頭のボルトで一端のみにナットを固定するものを使用できる。

ｃ）次に、本実施例の効果について説明する。

本実施例では、固体電解質形燃料電池セル３の積層体５の貫通孔５７に、ガス流路となる中心孔５３を有する中空のボルト７〜１３を貫挿し、そのボルト７〜１３にナット５０、５１を螺合させて、固体電解質形燃料電池セル３の積層体５を押圧固定している。

これにより、従来の様に、ガス流路とは別にスタック１を拘束するための部材を配置する必要が無いので、セル３（詳しくはフレーム等）の平面寸法を小さく且つ構成を簡易化でき、よって、体積エネルギー密度、ひいては重量エネルギー密度を大きくすることができる。

つまり、本実施例によれば、発電に寄与しない余分なスペースを極力小さく抑えられ、かつ、シール性を確保するために必要なスペースを自由度高く設定できるため、信頼性が高く、高性能な固体電解質形燃料電池スタック１を実現することができる。

また、本実施例において、ボルト７〜１３の熱膨張の程度（例えば熱膨張係数）が、積層体５の熱膨張の程度（例えば熱膨張係数）より小さくなるように、その材料を選択することにより、固体電解質形燃料電池スタック１が高温になった場合でも、ボルト７〜１３の伸びは積層体５の伸びよりも小さいので、押圧力が低下し難いという効果がある。

更に、ボルト７〜１３と積層体５との間に、絶縁スペーサ６１、６３を配置することにより、ボルト７〜１３として金属を使用した場合でも、固体電解質形燃料電池セル３からボルト７〜１３側への電流のリークを防止できる。

しかも、絶縁スペーサ６１、６３により、ボルト７〜１３と積層体５と間に、ガス流路と連通する空間５９が形成されているので、この空間５９を介して、ボルト７〜１３内のガス流路と各固体電解質形燃料電池セル３内のガス流路とを連通することができる。よって、ガスの流入する又は流出する経路を容易に確保することができる。

次に、実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。

本実施例は、固定部材の外側にガス流路となる溝を設けたものである。なお、固定部材としては、空気用のボルトと燃料用のボルトがあるが、同様な構成であるので、ここでは、空気用の１個のボルトを例に挙げて説明する（以下の実施例において同じ）。

図８Ｂに示す様に、本実施例では、空気用のボルト１０１は、円柱状の長尺のボルトであり、そのボルト１０１の上端には、接続部材（先端（下端）が六角形のナット１０３となった部材）１０５が螺合されている。

ボルト１０３の外周面には、その軸方向に沿って９０°間隔で４本の溝１０７が形成されている。各溝１０７の上端は、接続部材１０５を軸方向に貫くガス孔１０９に連通している。また、溝１０７の下側は、ボルト１０１が貫挿される貫通孔１１１の内部、即ちボルト１０１の外周面と積層体１１３をその積層方向に貫く貫通孔１１１の内周面との間に形成された空間１１５に連通している。

従って、同図の矢印に示す様に、接続部材１０５のガス孔１０９から供給される空気は、ボルト１０１の外側の溝１０７を介して、貫通孔１１１内の空間１１５に導入される。なお、溝１０７と空間１１５により、貫通孔１１１内におけるガス流路１１７が構成されている。

本実施例によっても、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、ボルト１０１の外側に溝１０７を形成すればよいので、その製造が容易であるという利点がある。

なお、空気を排出する場合には、空気の流れの向きは流入とは逆になり、また、燃料ガスの場合は、空気と同様である。

次に、実施例３について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。

本実施例は、固定部材に係合する係合部材にガス流路となる溝を設けたものである。

図９Ｂに示す様に、本実施例では、空気用のボルト１２１は、円柱状の長尺のボルトであり、そのボルト１２１の上端には、接続部材（先端が六角形のナット１２３となった部材）１２５が螺合されている。

ナット１２３の内周面には、その軸方向に沿って１本の溝１２７が形成されている（なお、複数の溝等を形成してもよい）。溝１２７の上端は、接続部材１２５のガス孔１２９に連通しており、その下端は、ボルト１２１が貫挿される貫通孔１３１、即ちボルト１２１の外周面と積層体１３３を貫く貫通孔１３１の内周面との間に形成された空間１３５に連通している。

従って、同図の矢印に示す様に、接続部材１２５のガス孔１２９から供給される空気は、ナット１２３の内側の溝１２７を介して、貫通孔１３１内の空間１３５に導入される。

本実施例によっても、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、ナット１２３の内側に溝１２７を形成すればよいので、その製造が容易であるという利点がある。

ここで、他の例としては、溝１２７ではなく、同図の破線で示すように、ナット１２３の内部を貫通して、接続部材１２５のガス孔１２９と貫通孔１３１内の空間１３５とを連通する連通孔１３７を形成してもよい。

なお、空気を排出する場合には、空気の流れの向きは流入とは逆になり、また、燃料ガスの場合は、空気と同様である。

次に、実施例４について説明するが、前記実施例３と同様な内容の説明は省略する。

本実施例は、実施例３を更に改良したものであり、固定部材に係合する係合部材にガス流路となる溝を設けるとともに、固定部材に外嵌する筒状体を配置したものである。

図１０Ｂに示す様に、本実施例では、空気用のボルト１４１の外側に、円筒１４３が配置されている。そして、ボルト１４１と円筒１４３の間には筒状の空間１４５が設けられるとともに、円筒１４３と貫通孔１４７の内周面との間にも空間１４９が設けられている。また、円筒１４３の先端側（下端側）には、内側と外側の空間１４５、１４９を連通するような連通孔１５１が形成されている。

従って、同図の矢印に示す様に、接続部材１５３のガス孔１５５から供給される空気は、ナット１５７の内側の溝１５９を介して、円筒１４３の内側の空間１４５に導入され、更に、先端の連通孔１５１を介して、円筒１４３の外側の空間１４９に導入される。

本実施例によっても、前記実施例３と同様な効果を奏するとともに、ボルト１４１には、先端に連通孔１５１を備えた円筒１４３が外嵌されているので、先端側への空気の供給を十分に行うことができるという利点がある。また、連通孔１５１の数や位置や大きさを調節することにより、空気の供給状態を調節することができる。

なお、空気を排出する場合には、空気の流れの向きは流入とは逆になり、また、燃料ガスの場合は、空気と同様である。

次に、実施例５について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。

本実施例は、複数の部材を軸方向に接続して固定部材としたものである。

図１１Ｂに示す様に、本実施例では、空気用のボルト１６１は、２個の部材が軸方向に接続されて長尺となったボルトである。

つまり、ボルト１６１は、前記実施例１と同様な中心孔１６３及び横穴１６５が形成された上ボルト１６７と、中実な下ボルト１６９とが、ボルト１６１の中心部分で結合されたものである。

この結合は、雄ねじと雌ねじとの結合であるが、例えば両方とも雄ねじにして外側に別途ナットを配置し、それらを螺合して結合してもよく、特に限定はない。

本実施例では、同図の矢印に示す様に、接続部材１７１のガス孔１７３から供給される空気は、上ボルト１６７のガス孔１６３及び横穴１６５を介して、貫通孔１７５内の空間１７７に導入される。なお、ガス孔１６３及び横穴１６５によって、上ボルト１６７における内部ガス流路１６８が構成されている。

本実施例によっても、前記実施例１と同様な効果を奏するとともに、ボルト１６１を短い上ボルト１６７と下ボルト１６９を接続して構成できるので、特に上ボルト１６７の中心孔１６３の加工が容易になるという利点がある。

なお、空気を排出する場合には、空気の流れの向きは流入とは逆になり、また、燃料ガスの場合は、空気と同様である。

尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。

例えば絶縁スペーサと積層体との間（対向する部分）に、例えば金属製ガスケット等のシール部材を配置してもよい。これにより、一層、シール性が向上する。

Claims (18)

1. 燃料ガスに接する燃料極と酸化剤ガスに接する空気極とを有する固体電解質体を備えたセル本体が用いられた固体電解質形燃料電池セルを、複数積層した固体電解質形燃料電池スタックであって、
   前記固体電解質形燃料電池セルの積層体をその積層方向に貫く複数の貫通孔と、
   前記複数の貫通孔にそれぞれ１個ずつ挿入された各固定部材を有し、前記積層体をその積層方向に押圧して固定する複数の押圧部材と、
   を備え、
   前記セル本体を接合して配置するとともに、燃料ガス流路と空気流路との間のガス流路を遮断するセパレータを有しており、
   前記セパレータの外周縁部には前記複数の貫通孔が貫通するとともに、前記セパレータの外周縁部を前記複数の貫通孔にそれぞれ貫挿された前記各固定部材を用いて固定し、
   前記固定部材が配置される前記貫通孔内に、前記固体電解質形燃料電池セル側にガスを供給し又は前記固体電解質形燃料電池セル側からガスを排出するガス流路を設けたことを特徴とする固体電解質形燃料電池スタック。
2. 前記固定部材により、前記ガス流路を構成したことを特徴とする前記請求項１に記載の固体電解質形燃料電池スタック。
3. 前記固定部材は、その内部に、前記ガス流路を設けたことを特徴とする前記請求項１又は２に記載の固体電解質形燃料電池スタック。
4. 前記固定部材内部のガス流路は、前記貫通孔の内部と前記積層体の外部とを連通するガス流路を有することを特徴とする前記請求項３に記載の固体電解質形燃料電池スタック。
5. 前記固定部材と前記積層体との間に、前記固定部材内部のガス流路と連通する空間を設けたことを特徴とする前記請求項３又は４に記載の固体電解質形燃料電池スタック。
6. 前記固定部材は、長尺の部材であり、前記固定部材内部のガス流路は、前記固定部材の長手方向に伸びる軸方向ガス流路と、該軸方向ガス流路と連通し前記固定部材の外周側に開口する横穴とを備えたことを特徴とする前記請求項３〜５のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池スタック。
7. 前記固定部材は、中空ボルトであることを特徴とする前記請求項３〜６のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池スタック。
8. 前記固定部材の外周面に、前記貫通孔の内部と前記積層体の外部とを連通する溝を設けたことを特徴とする前記請求項１又は２に記載の固体電解質形燃料電池スタック。
9. 前記固定部材が係合する係合部材の内部に、前記貫通孔の内部と前記積層体の外部とを連通する連通孔を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体電解質形燃料電池スタック。
10. 前記固定部材が係合する係合部材の内周面に、前記貫通孔の内部と前記積層体の外部とを連通する溝を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の固体電解質形燃料電池スタック。
11. 前記貫通孔内に、前記固定部材に外嵌する筒状体を配置するとともに、前記筒状体の内側及び外側にガス流路を設け、更に、前記筒状体には、その内側と外側とのガス流路を連通する連通孔を設けたことを特徴とする前記請求項１〜１０のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池スタック。
12. 前記固定部材は、複数の部材を軸方向に接続した長尺の部材であることを特徴とする前記請求項１〜１１のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池スタック。
13. 前記押圧固定部は、前記固定部材に係合する係合部材を更に備えたことを特徴とする前記請求項１〜１２のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池スタック。
14. 前記固体電解質形燃料電池セルは、前記燃料極と空気極と固体電解質体とを備えたセル本体を、その平面方向の外周側から囲む枠部を備え、
    前記固定部材は、前記枠部を貫通することを特徴とする前記請求項１〜１３のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池スタック。
15. 前記固定部材の熱膨張の程度は、前記固定部材が押圧する前記積層体の熱膨張の程度より小さいことを特徴とする前記請求項１〜１４のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池スタック。
16. 前記固定部材と前記積層体との間に、両部材間の導通を遮断する絶縁部材を配置したことを特徴とする前記請求項１〜１５のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池スタック。
17. 前記固定部材と前記積層体との押圧部分を、ガスシールすることを特徴とする前記請求項１〜１６に記載の固体電解質形燃料電池スタック。
18. 前記固定部材の材料として、耐熱性合金を用いることを特徴とする前記請求項１〜１７のいずれかに記載の固体電解質形燃料電池スタック。

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