JP5332130B2

JP5332130B2 - 燃料電池スタック構造体

Info

Publication number: JP5332130B2
Application number: JP2007097206A
Authority: JP
Inventors: 重夫井深; 靖志中島; 健児小原; 正治秦野
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2007-04-03
Filing date: 2007-04-03
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2027-04-03
Also published as: JP2008257939A

Description

本発明は、固体電解質型燃料電池セルを複数積層して成る燃料電池スタック構造体に関するものである。

上記したような燃料電池スタック構造体において、自動車に搭載する場合には、起動時間が短かく、且つ、小型であることが求められる。

従来において、これらの要求に答えるものとして成された燃料電池スタック構造体としては、例えば、複数積層したセルと、これらのセルの積層方向に沿い且つセルの外側に位置してセル間にガスを供給するガス流路を備え、このガス流路に触媒を設けてその密度を積層方向に変化させた構成を成すものがある（特許文献１参照）。

また、この燃料電池スタック構造体とは別の燃料電池スタック構造体として、例えば、ガス流路を内部に有するセパレータとセルとを交互に複数積層して成り、ガス流路内に改質触媒を担持した多孔質体を配置した構成を成すものがある（特許文献２参照）。
特開平５−１２９０３２号公報特開２００４−２２７８４９号公報

上記した燃料電池スタック構造体において、前者の燃料電池スタック構造体の場合、ガス流路に設けた触媒の密度を積層方向に変化させるようにしているので、燃料ガスの流量の均一化が図られ、燃料ガスを良好に改質することができるものの、積層方向に沿うガス流路がセルの外側に設置されているため、改質熱の利用効率が悪いという問題がある。

一方、後者の燃料電池スタック構造体の場合、セパレータのガス流路内に改質触媒を担持した多孔質体を配置しているので、触媒の劣化の度合いが各段毎に違うと、セルに供給されるガスの成分が各段毎に異なってしまうこととなり、その結果、全体の温度の不均一が生じてしまうという問題があり、これらの問題を解決することが従来の課題となっていた。

本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、改質熱の利用効率の向上及び全体温度分布の均一化を図りつつ、起動時間の短縮及びコンパクト化を実現することが可能である燃料電池スタック構造体を提供することを目的としている。

本発明に係る燃料電池スタック構造体は、単セルを保持していると共に中心部分にガス導入孔及びガス排出孔を有する円形状を成すセル板と、中心部分にガス導入孔及びガス排出孔を有し且つその外周縁部をセル板の外周縁部に接合させた円形状を成すセパレータ板と、セル板及びセパレータ板の各中心部分間に位置して各々のガス導入孔と連通するガス導入流路及びガス排出孔と連通するガス排出流路を有し、セル板及びセパレータ板間に形成される空間内に燃料ガスの供給及び排出を行う中央流路部品を具備した複数の固体電解質型燃料電池ユニットを各々の中心部分で積層して成り、互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニットの間を空気の流路として設定すると共に、中央流路部品の各ガス導入流路が互いに連続することで形成されるガス導入路ないしその上流側端部近傍に、その上流側端部近傍の触媒担持密度を低くした多孔質体を設けたことを特徴としている。

本発明の燃料電池スタック構造体では、中央流路部品の各ガス導入流路が互いに連続することで形成されるガス導入路ないしその上流側端部近傍に多孔質体を設けているので、受熱面積が増すこととなり、この多孔質体を設置したガス導入路、すなわち、熱容量の大きい部分に高温の燃料ガスを供給して加熱し、伝熱により単セルを搭載した部分を加熱すれば、径方向の温度分布が均一化することとなり、加えて、加熱時間の短縮が図られることとなる。

本発明によれば、次の効果を得ることができる。
改質熱の利用効率の向上及び全体温度分布の均一化を実現したうえで、起動時間を短縮することができると共に、コンパクト化をも実現することが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。
また、ガス導入流路の上流側端部近傍において改質が一気に起きて局所的に温度が上昇してしまうことを防止できる。

本発明の燃料電池スタック構造体の固体電解質型燃料電池において、複数の固体電解質型燃料電池ユニットを各々の中心部分で積層して成っているが、互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニットの間に空間を形成して空気の流路として設定するために、固体電解質型燃料電池ユニットのセル板及びセパレータ板の各中心部分に、外周縁部と同心状を成し且つ互いに離間する方向に突出する円形凸状段差部をそれぞれ形成したり、例えば、プレス加工により形成したり、セル板及びセパレータ板の各中心部分間に、スペーサを介在させたりする構成を採用することができる。

本発明の燃料電池スタック構造体の固体電解質型燃料電池では、中央流路部品の各ガス導入流路を連続させて形成したガス導入路ないしその上流側端部近傍に多孔質体を設置して、加熱用高温ガスが導入されたときの受熱面積を大きくすることで、熱容量の大きい固体電解質型燃料電池ユニットの中心部分を加熱するようにしているが、この際、多孔質体の空孔率は、複数の固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向において変化させてもよい。

そして、上記多孔質体が金属の場合には、発泡金属やメッシュやフェルトやパンチングメタルやエキスパンドメタルを採用することができ、一方、多孔質体がセラミックの場合には、アルミナやセリアを採用することができる。

また、本発明の燃料電池スタック構造体の固体電解質型燃料電池において、中央流路部品の各ガス導入流路が互いに連続することで形成されるガス導入路が固体電解質型燃料電池ユニットの中心軸上に位置し、中央流路部品の各ガス排出流路が互いに連続することで形成されるガス排出路が固体電解質型燃料電池ユニットの中心軸の周囲に位置している構成を採用することができる。

しかしながら、上記ガス導入路は、必ずしも固体電解質型燃料電池ユニットの中心軸上に位置している必要はなく、例えば、中央流路部品の各ガス排出流路が互いに連続することで形成されるガス排出路が固体電解質型燃料電池ユニットの中心軸上に位置し、中央流路部品の各ガス導入流路が互いに連続することで形成されるガス導入路が固体電解質型燃料電池ユニットの中心軸の周囲に位置している構成とすることが可能である。

このように、ガス導入路を固体電解質型燃料電池ユニットの中心軸の周囲に配置すると、固体電解質型燃料電池ユニットの中心部分の形状の自由度が拡大するうえ、多孔質体を設置したガス導入路が単セル近傍に分散するので、すなわち、受熱部分であり且つ発熱部分が単セル近傍に分散するので、伝熱し易いものとなる。

なお、ガス導入路を固体電解質型燃料電池ユニットの中心軸の周囲に配置する場合には、固体電解質型燃料電池ユニットの平面方向における熱分布の均一化を考慮して、中心軸の周囲に対称に配置することが望ましい。

さらに、本発明の燃料電池スタック構造体の固体電解質型燃料電池において、ガス導入路ないしその上流側端部近傍に設けた多孔質体が触媒を担持している構成とすることができる。つまり、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｐｔなどの金属や、これらの金属を含む合金を触媒として多孔質体に担持させることにより、多孔質体を改質器として利用することができる。

この際、触媒の担持量は、固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向及び径方向のいずれの方向にも変化させることができ、燃料ガスの入口付近であるガス導入路の上流側端部近傍の触媒担持密度を高くすると、この部分において改質が一気に起きて局所的に温度が上昇してしまうことから、ガス導入路の上流側端部近傍の触媒担持密度を低くすることが望ましい。

このように、多孔質体に触媒を担持させて、改質器の機能を内部に取り入れるようになすと、起動時には、部分酸化改質時の発熱反応を利用したスタック構造体中心部分の加熱を行い得ることとなり、改質器一体化による省スペース化や、断熱容器の簡略化や、熱効率の向上が図られることとなる。加えて、運転時には、水蒸気改質時の吸熱反応を利用したスタック構造体中心部分の冷却を行い得ることとなり、スタック構造体中心部分の異常昇温を抑制し得ることとなる。

さらにまた、本発明の燃料電池スタック構造体の固体電解質型燃料電池において、ガス導入路に挿通した多孔質体支持手段に多孔質体を支持させてある構成を採用することができる。多孔質体支持手段としては、例えば、積層した固体電解質型燃料電池ユニットの締結部材や、ガス導入路に挿通した管状部材を採用し得るが、これらの部材に限定されるものではない。

ここで、積層した固体電解質型燃料電池ユニットの締結部材を多孔質体支持手段とし、多孔質体を締結部材の周囲で且つガス導入路の全長にわたって充填するように成すと、固体電解質型燃料電池ユニットの積層方向のガス濃度が若干変化するものの、構造の簡略化が図られるのに加えて、省スペース化も併せて図られることとなる。このとき、多孔質体を締結部材の周囲で且つガス導入路の上流側端部、例えば、積層した固体電解質型燃料電池ユニットを押さえ付けるフランジに配置するように成すと、このフランジ周辺のみが加熱される可能性があるものの、各固体電解質型燃料電池ユニットに分配される燃料ガスの濃度の均一化が図られる。

一方、ガス導入路に挿通した管状部材を多孔質体支持手段とし、多孔質体を管状部材の中空部分に収容するように成すと、ガス導入路に供給される燃料ガスは、一旦強制的に下流側端部まで送られた後、各固体電解質型燃料電池ユニットに分配されることとなり、したがって、燃料ガス濃度の均一性が高まることとなる。

この際、ガス導入路内に位置する多孔質体の周壁の少なくとも一部分をガス不透過部としてある構成とすることによっても、多孔質体を管状部材の中空部分に収容する場合と同様の作用効果が得られる。

なお、積層した固体電解質型燃料電池ユニットの締結部材の周囲で且つガス導入路の全長にわたって多孔質体を充填する場合において、ガス導入路の周壁面を多孔質体支持手段とすると共に多孔質体を円筒状に形成し、この円筒状の多孔質体をガス導入路の周壁面に接触させて、ガス導入路に供給される燃料ガスが円筒状多孔質体の中空部分から外側に流れるように成す構成としてもよく、この場合には、燃料ガスが多孔質体を通過して各固体電解質型燃料電池ユニットに流入する際の移動距離（多孔質体の厚み）がいずれも等しいので燃料ガスの濃度の均一化が図られる。

さらにまた、本発明の燃料電池スタック構造体において、固体電解質型燃料電池ユニットに対して絶縁した締結部材や管状部材などの多孔質体支持手段又は多孔質体を加熱する加熱機構を設けた構成を採用することができ、この場合には、多孔質体支持手段又は多孔質体に通電して触媒を加熱し得ることから、触媒の起動時間を早めることができ、その結果、機動性のより一層の向上が図られることとなる。

さらにまた、本発明の燃料電池スタック構造体の固体電解質型燃料電池において、中央流路部品に、セル板及びセパレータ板の各々のガス導入孔と連通するガス導入流路とは別に、多孔質体を配置する改質流路を設け、中央流路部品の各改質流路が互いに連続することで形成される改質路の上流側をガス供給源に接続すると共に、改質路の最下流を各ガス導入流路が互いに連続することで形成されるガス導入路に接続する構成とすることが可能である。

この場合、ガス供給源から供給される燃料ガスは、多孔質体を設置した改質路の最下流まで一旦送られた後、この改質路の最下流と接続するマニホールドとして機能するガス導入路を介して、各固体電解質型燃料電池ユニットに分配されることとなる。つまり、全ての燃料ガスが改質路の全体を流れてから各固体電解質型燃料電池ユニットに分配されることから、燃料ガス濃度の均一性が高まることとなる。

さらにまた、本発明の燃料電池スタック構造体の固体電解質型燃料電池において、燃焼器における排ガスや、熱交換器を経由した燃料ガスを流して熱交換のみをする加熱路を設置する構成としてもよく、具体的には、中央流路部品に、セル板及びセパレータ板の各々のガス導入孔と連通するガス導入流路とは別に、固体電解質型燃料電池ユニットの中心部分加熱用ガスを流す加熱流路を設け、固体電解質型燃料電池ユニットの中心部分を貫通する積層方向の加熱路を形成するべく中央流路部品の各加熱流路を互いに連続させた構成とすることが可能である。

なお、外部からの中心部分加熱用ガスの供給源としては、燃焼器や熱交換器が利用可能であるが、これらの供給源に限定されるものではない。また、積層した固体電解質型燃料電池ユニットのボルトなどの締結部材の位置も特に限定しない。固体電解質型燃料電池ユニットの中心軸上、この中心軸の周囲及び固体電解質型燃料電池ユニットの外側のいずれに位置していてもよい。

以下、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
図１〜図５は、本発明の燃料電池スタック構造体の一実施例を示しており、図１及び図２に示すように、この燃料電池スタック構造体１１は、複数の固体電解質型燃料電池ユニット１をいずれも向きを同じにして積層し、この積層した複数の固体電解質型燃料電池ユニット１を両側（図示上下側）からフランジ１３，１４で挟み込んで成っている。

この燃料電池スタック構造体１１を構成する固体電解質型燃料電池ユニット１は、図３にも示すように、円形薄板状を成し且つ中心部分にガス導入孔２１及びガス排出孔２２を有する金属製セル板２と、このセル板２と同じく円形薄板状を成し且つ中心部分にガス導入孔３１及びガス排出孔３２を有する金属製セパレータ板３を備えており、これらのセル板２及びセパレータ板３は、互いに対向した状態で各々の外周縁部同士を接合させてあって、セル板２及びセパレータ板３間に形成される袋部分（空間）Ｓには、集電体４が収容してある。

互いに対向した状態で接合するセル板２及びセパレータ板３の各中心部分には、外周縁部と同心状を成し且つ互いに離間する方向に突出して後述するようにスペーサとして機能する円形凸状段差部２３，３３がプレス加工によってそれぞれ形成してあり、セル板２及びセパレータ板３の各外周縁部には、この外周縁部と同心状を成し且つ互いに接近する方向に突出して空間Ｓを形成するための環状段差２４，３４がプレス加工によってそれぞれ形成してある。上記したガス導入孔２１，３１及びガス排出孔２２，３２は、セル板２及びセパレータ板３の各円形凸状段差２３，３３に配置してあり、セル板２の中心部分と外周縁部との間の領域には、ドーナツ形状を成す単セル６が固定してある。

また、セル板２及びセパレータ板３の各中心部分に位置する円形凸状段差部２３，３３のうちのセパレータ板３の円形凸状段差部３３には、ガス導入孔３１と連通するガス導入流路５１を具備してセル板２及びセパレータ板３間に形成される空間Ｓ内に対するガス供給行う中央流路部品５が収容してあると共に、セル板２の円形凸状段差部２３には、ガス排出孔２２と連通するガス排出流路５２を具備して上記空間Ｓからのガス排出を行う中央流路部品５が収容してあり、これらの中央流路部品５，５は、後述するように、この固体電解質型燃料電池ユニット１を積層してスタック構造体１１を形成した状態において、スタック構造体１１全体の押付力のみで互いに密着するようになっている。

さらに、この実施例における燃料電池スタック構造体１１は、通気性のある集電体１５を介して上記した固体電解質型燃料電池ユニット１を積層して成っており、互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニット１，１の間を空気の流路として設定している。

さらにまた、この燃料電池スタック構造体１１では、セル板２及びセパレータ板３の各中心に形成した中心孔をガス導入孔２１，３１とすると共に、中心孔の周囲に形成した複数の孔をガス排出孔２２，３２としており、各ガス導入孔２１，３１を介して中央流路部品５の各ガス導入流路５１を互いに連続させることでガス導入路５１Ａを形成し、各ガス排出孔２２，３２を介して中央流路部品５の各ガス排出流路５２を互いに連続させることでガス排出路５２Ａを形成するようにしている。

この場合、中央流路部品５の各ガス導入流路５１が互いに連続することで形成されるガス導入路５１Ａには、Ｃｏ，Ｎｉ，Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｐｔなどの金属やこれらの金属を含む合金を触媒として担持する発泡金属やアルミナなどの多孔質体２０が設けてある。

なお、互いに積層する固体電解質型燃料電池ユニット１の各中心部分間には、互いに対向するガス導入孔２１，３１同士及び互いに対向する複数のガス排出孔２２，３２同士を気密的に連通させる図示しないシール材が設けてある。

そして、上記シール材を介して積層する固体電解質型燃料電池ユニット１は、一本のボルト１６で固定するようになっており、この実施例において、図４及び図５にも示すように、中央流路部品５の各ガス導入流路５１が互いに連続することで形成されるガス導入路５１Ａに対して、絶縁ワッシャ１７を介してフランジ１３を貫通させたボルト１６を挿通し、フランジ１４から外部に突出するボルト１６の先端部に絶縁ワッシャ１７及び皿ばね１８を介してナット１９をねじ込むことにより、複数の固体電解質型燃料電池ユニット１を締結するようになっている。

この際、ガス導入路５１Ａに設置した多孔質体２０は、締結部材であるボルト１６の周囲で且つガス導入路５１Ａの全長にわたって充填された状態となっている。なお、図２の符号Ｔは出力端子である。

この実施例において、セル板２及びセパレータ板３には、肉厚が０．１ｍｍのＳＵＳ４３０の圧延板を用いた。そして、この圧延板を超硬及びＳＫＤ１１から成る金型を装備したプレス装置にセットして、８０トンのプレス荷重をかけてプレス加工を行った。このプレス加工により得られたセル板２及びセパレータ板３の外径は１２５ｍｍ、段差寸法は円形凸状段差２３，３３及び環状段差２４，３４ともに１ｍｍであり、両セパレータ２，３の各外周縁部同士の接合には、レーザ溶接を用いた。

一方、中央流路部品５にもＳＵＳ４３０を用い、セル板２及びセパレータ板３に対しては、接合温度を１０００℃以下とした真空中での拡散接合により固定し、接合時の変形を防いでいる。なお、拡散接合に代えてＹＡＧレーザを用いたレーザ溶接による接合も可能であり、この際、セル板２及びセパレータ板３が薄板状を成していることから、表側からレーザを照射しても接合することができる。また、中央流路部品５の流路パターンは、エッチングや研削加工やレーザ加工により形成することができるほか、エッチング部品を積層して接合することによっても形成することができる。

このスタック構造体１１において、固体電解質型燃料電池ユニット１とこれに積層した固体電解質型燃料電池ユニット１との間、すなわち、カソード側である層間に配置した集電体１５の部分に空気が流れ、一方、燃料ガスは、図２及び図４に示すように、フランジ１３，固体電解質型燃料電池ユニット１のガス導入路５１Ａ及び各ガス導入孔２１，３１を通してセル板２及びセパレータ板３間に形成される各空間Ｓ内に導入され、上記空間Ｓ内を流れた後、ガス排出路５２Ａ及びフランジ１４を通して排気される。

上記した燃料電池スタック構造体１１では、中央流路部品５の各ガス導入流路５１が互いに連続することで形成されるガス導入路５１Ａに多孔質体２０を設けているので、受熱面積が増すこととなり、この多孔質体２０を設置したガス導入路５１Ａ、すなわち、熱容量の大きい部分に高温の燃料ガスを供給して加熱し、伝熱により単セル６を搭載した部分を加熱すれば、径方向の温度分布が均一化することとなり、加えて、加熱時間の短縮が図られることとなる。

また、上記した燃料電池スタック構造体１１では、締結部材であるボルト１６の周囲で且つガス導入路５１Ａの全長にわたって多孔質体２０を充填しているので、固体電解質型燃料電池ユニット１の積層方向のガス濃度が若干変化するものの、構造の簡略化が図られるのに加えて、省スペース化も併せて図られることとなる。

なお、図６に示すように、多孔質体２０をボルト１６の周囲で且つガス導入路５１Ａの上流側端部、例えば、フランジ１３に配置するようにしてもよく、この場合には、フランジ１３周辺のみが加熱される可能性があるものの、各固体電解質型燃料電池ユニット１に分配される燃料ガスの濃度の均一化が図られることとなる。

上記した実施例では、単セル６がドーナツ状を成す場合を示したが、これに限定されるものではなく、例えば、図７に示すように、単セル６Ａが小径の円板状を成す場合であってもよく、この場合には、セル板２の内周縁部及び外周縁部の間の領域に、複数の単セル６Ａを等間隔で配置することが好ましい。

［実施例２］
図８及び図９は、本発明の燃料電池スタック構造体の他の実施例を示している。図８及び図９に示すように、この実施例の燃料電池スタック構造体１１では、ガス導入路５Ａ内においてボルト１６と同軸に配置した管状部材４６を多孔質体支持手段とし、多孔質体２０を管状部材４６の中空部分で且つガス導入路５１Ａの全長にわたって充填している、すなわち、多孔質体２０をボルト１６と管状部材４６の間で且つガス導入路５１Ａの全長にわたって充填している。

この実施例の燃料電池スタック構造体１１において、ガス導入路５１Ａに供給される燃料ガスは、一旦強制的に下流側端部まで送られた後、各ガス導入孔２１，３１を通して固体電解質型燃料電池ユニット１に分配されることとなり、したがって、燃料ガス濃度の均一性が高まることとなる。

この際、多孔質体支持手段としての管状部材４６を配置せずに、ガス導入路５１Ａ内においてボルト１６に支持された多孔質体２０の周壁の少なくとも一部分をガス不透過部とするように成すことによっても、多孔質体２０を管状部材４６の中空部分に収容する場合と同様の作用効果が得られる。

［実施例３］
図１０は、本発明の燃料電池スタック構造体のさらに他の実施例を示している。図１０に示すように、この実施例の燃料電池スタック構造体１１では、ガス導入路５１Ａの周壁面５１ａを多孔質体支持手段とすると共に多孔質体２０を円筒状に形成し、この円筒状の多孔質体２０をガス導入路５１Ａの周壁面５１ａに接触させて、ガス導入路５１Ａに供給される燃料ガスが円筒状多孔質体２０の中空部分から外側に流れるようにしている。

この実施例の燃料電池スタック構造体１１において、燃料ガスが多孔質体２０を通過して各固体電解質型燃料電池ユニット１に流入する際の移動距離（多孔質体２０の厚み）がいずれも等しいので燃料ガスの濃度の均一化が図られる。

［実施例４］
図１１は、本発明の燃料電池スタック構造体のさらに他の実施例を示している。図１１に示すように、この実施例の燃料電池スタック構造体１１では、中央流路部品５の各ガス導入流路５１を互いに連続させることで形成したガス導入路５１Ａと、中央流路部品５の各ガス排出流路５２を互いに連続させることで形成したガス排出路５１Ｂとは別に、ガス導入路５１Ａの周囲に複数のボルト挿通孔５３を設け、積層した固体電解質型燃料電池ユニット１をこれらのボルト挿通孔５３にそれぞれ挿通した複数本のボルト１６で締結して固定するようにしており、多孔質体２０は、ガス導入路５１Ａの全長にわたってほぼ隙間なく充填してある。

この実施例では、上記した燃料電池スタック構造体１１と同じ作用効果が得られるのに加えて、積層した固体電解質型燃料電池ユニット１を複数のボルト１６で締結して固定し得ることから、ボルト１６にかかる熱応力による変形を防止することができる。

なお、この実施例では、多孔質体２０をガス導入路５１Ａの全長にわたってほぼ隙間なく充填した場合を示したが、他の配置例として、例えば、図１２（ａ）に示すように、多孔質体２０をガス導入路５１Ａの周壁５１ａと隙間をおいた状態で固体電解質型燃料電池ユニット１の中心軸上に配置したり、図１２（ｂ）に示すように、円筒状に形成した多孔質体２０をガス導入路５１Ａの周壁面５１ａに接触させた状態で配置したりすることができる。

［実施例５］
図１３及び図１４は、本発明の燃料電池スタック構造体のさらに他の実施例を示している。図１３及び図１４に示すように、この実施例の燃料電池スタック構造体１１では、セル板２及びセパレータ板３の各中心に形成した中心孔をガス排出孔２２，３２とすると共に、中心孔の周囲に形成した複数の孔をガス導入孔２１，３１としている。つまり、各ガス排出孔２２，３２を介して中央流路部品５の各ガス排出流路５２を互いに連続させることで形成したガス排出路５２Ａがセル板２及びセパレータ板３の各中心に位置し、各ガス導入孔２１，３１を介して中央流路部品５の各ガス導入流路５１を互いに連続させることで形成したガス導入路５１Ａがガス排出路５２Ａの周囲に位置するものとしてある。

そして、この燃料電池スタック構造体１１において、中央流路部品５に、ガス導入流路５１とは別に、多孔質体２０を配置する改質流路５４をガス排出路５２Ａの周囲に複数配置し、中央流路部品５の各改質流路５４が互いに連続することで形成される複数の改質路５４Ａの上流側をガス供給源に接続すると共に、改質路５４Ａの最下流を各ガス導入流路５１が互いに連続することで形成されるガス導入路５１Ａにそれぞれ接続させてあり、ガス排出路５２Ａに対して、絶縁ワッシャ１７を介してフランジ１３を貫通させたボルト１６を挿通し、フランジ１４から外部に突出するボルト１６の先端部に絶縁ワッシャ１７及び皿ばね１８を介してナット１９をねじ込むことで、複数の固体電解質型燃料電池ユニット１を締結するようになっている。

この実施例の燃料電池スタック構造体１１では、ガス供給源から供給される燃料ガスは、多孔質体２０を設置した複数の改質路５４Ａの各最下流まで一旦送られた後、これらの改質路５４Ａの各最下流と接続するマニホールドとして機能するガス導入路５１Ａを介して、各固体電解質型燃料電池ユニット１に分配されることとなる。つまり、全ての燃料ガスが改質路５４Ａの全体を流れてから各固体電解質型燃料電池ユニット１に分配されることから、燃料ガス濃度の均一性が高まることとなる。

［実施例６］
図１５及び図１６は、本発明の燃料電池スタック構造体のさらに他の実施例を示している。図１５に示すように、この実施例の燃料電池スタック構造体１１では、積層した複数の固体電解質型燃料電池ユニット１を矩形状を成すフランジ１３Ａ，１４Ａで両側（図示上下側）から挟み込み、これらのフランジ１３Ａ，１４Ａの四隅に掛け渡した四本のボルト１６で締結して固定するようにしており、多孔質体２０は、図１６に示すように、ガス導入路５１Ａの全長にわたってほぼ隙間なく充填してある。

この実施例では、上記した燃料電池スタック構造体１１と同じ作用効果が得られるのに加えて、積層した固体電解質型燃料電池ユニット１をこれらの周囲に位置する四本のボルト１６で締結して固定し得ることから、ボルト１６にかかる熱応力による変形を防止することができる。

なお、この実施例では、多孔質体２０をガス導入路５１Ａの全長にわたってほぼ隙間なく充填した場合を示したが、他の配置例として、例えば、図１７に示すように、多孔質体２０をガス導入路５１Ａの周壁５１ａと隙間をおいた状態で固体電解質型燃料電池ユニット１の中心軸上に配置することができる。

［実施例７］
図１８は、本発明の燃料電池スタック構造体のさらに他の実施例を示している。図１８に示すように、この実施例の燃料電池スタック構造体１１では、上記した実施例５における燃料電池スタック構造体１１において、すなわち、最下流を各ガス導入路５１Ａにそれぞれ接続させた複数の改質路５４Ａを有する燃料電池スタック構造体１１において、積層した複数の固体電解質型燃料電池ユニット１を矩形状を成すフランジ１３Ａ，１４Ａで両側（図示上下側）から挟み込み、これらのフランジ１３Ａ，１４Ａの四隅に掛け渡した四本のボルト１６で締結して固定するようにしている。

この実施例の燃料電池スタック構造体１１では、実施例５における燃料電池スタック構造体１１と同じ作用効果が得られるのに加えて、積層した固体電解質型燃料電池ユニット１をこれらの周囲に位置する四本のボルト１６で締結して固定し得ることから、ボルト１６にかかる熱応力による変形を防止することができる。

上記した実施例１〜７の燃料電池スタック構造体１１において、固体電解質型燃料電池ユニット１に対して絶縁した締結部材としてのボルト１６や管状部材４６などの多孔質体支持手段又は多孔質体２０それ自身を加熱する図示しない加熱機構を設けた構成を採用することができ、この場合には、ボルト１６や管状部材４６などの多孔質体支持手段又は多孔質体２０それ自身に通電して触媒を加熱し得ることから、触媒の起動時間を早めることができ、その結果、機動性のより一層の向上が図られることとなる。

［実施例８］
図１９は、本発明の燃料電池スタック構造体のさらに他の実施例を示している。この実施例の燃料電池スタック構造体１１では、図１９に示すように、中央流路部品５に、セル板２及びセパレータ板３の各々のガス導入孔２１，３１と連通するガス導入流路５１とは別に、固体電解質型燃料電池ユニット１の中心部分加熱用ガスを流す加熱流路５５を設け、固体電解質型燃料電池ユニット１の中心部分を貫通する積層方向の加熱路５５Ａを形成するべく中央流路部品５の各加熱流路５１を互いに連続させた構成としている。この場合も、加熱路５５Ａに加熱用ガスを流すことで触媒を加熱し得ることから、触媒の起動時間を早めることができ、その結果、機動性のより一層の向上が図られることとなる。

なお、外部からの中心部分加熱用ガスの供給源としては、燃焼器や熱交換器が利用可能であるが、これらの供給源に限定されるものではない。

本発明の燃料電池スタック構造体の一実施例を示す分解斜視説明図である。（実施例１）図１における燃料電池スタック構造体の図１Ａ−Ｂ線位置に基づく断面説明図である。（実施例１）図１における燃料電池スタック構造体を構成する固体電解質型燃料電池ユニットの分解斜視説明図である。（実施例１）図１における燃料電池スタック構造体の図１Ａ−Ｂ線位置に基づく部分拡大断面説明図である。（実施例１）図１における燃料電池スタック構造体のガス導入路とガス排出路と多孔質体との位置関係を示す中央流路部品の平面説明図である。（実施例１）図１の燃料電池スタック構造体における多孔質体の他の配置例を示す図１Ａ−Ｂ線相当位置での部分拡大断面説明図である。図１における燃料電池スタック構造体を構成する固体電解質型燃料電池ユニットの他の構成例を示す分解斜視説明図である。本発明の燃料電池スタック構造体の他の実施例を示す図１Ａ−Ｂ線相当位置での部分拡大断面説明図である。（実施例２）図８における燃料電池スタック構造体のガス導入路とガス排出路と多孔質体との位置関係を示す中央流路部品の平面説明図である。（実施例２）本発明のさらに他の実施例による燃料電池スタック構造体のガス導入路とガス排出路と多孔質体との位置関係を示す中央流路部品の平面説明図である。（実施例３）本発明のさらに他の実施例による燃料電池スタック構造体のガス導入路とガス排出路と多孔質体との位置関係を示す中央流路部品の平面説明図である。（実施例４）図１１における燃料電池スタック構造体のガス導入路とガス排出路と多孔質体との他の配置パターンを示す中央流路部品の平面説明図（ａ），（ｂ）である。本発明の燃料電池スタック構造体のさらに他の実施例を示す図１Ａ−Ｂ線相当位置での部分拡大断面説明図である。（実施例５）図１３における燃料電池スタック構造体のガス導入路とガス排出路と多孔質体との位置関係を示す中央流路部品の平面説明図である。（実施例５）本発明の燃料電池スタック構造体のさらに他の実施例を示す分解斜視説明図である。（実施例６）図１５における燃料電池スタック構造体のガス導入路とガス排出路と多孔質体との位置関係を示す中央流路部品の平面説明図である。（実施例６）図１５の燃料電池スタック構造体における多孔質体の他の配置例を示す中央流路部品の平面説明図である。本発明の燃料電池スタック構造体のさらに他の実施例を示す部分平面説明図である。（実施例７）本発明のさらに他の実施例による燃料電池スタック構造体のガス導入路とガス排出路と多孔質体との位置関係を示す中央流路部品の平面説明図である。（実施例８）

符号の説明

１固体電解質型燃料電池ユニット
２セル板
３セパレータ板
５中央流路部品
６単セル
１１スタック構造体
１６ボルト（締結部材；多孔質体支持手段）
２０多孔質体
２１，３１ガス導入孔
２２，３２ガス排出孔
４６管状部材（多孔質体支持手段）
５１ガス導入流路
５１Ａガス導入路
５２ガス排出流路
５２Ａガス排出路
５４改質流路
５４Ａ改質路
５５加熱流路
５５Ａ加熱路
Ｓ空間

Claims

単セルを保持していると共に中心部分にガス導入孔及びガス排出孔を有する円形状を成すセル板と、
中心部分にガス導入孔及びガス排出孔を有し且つその外周縁部をセル板の外周縁部に接合させた円形状を成すセパレータ板と、
セル板及びセパレータ板の各中心部分間に位置して各々のガス導入孔と連通するガス導入流路及びガス排出孔と連通するガス排出流路を有し、セル板及びセパレータ板間に形成される空間内に燃料ガスの供給及び排出を行う中央流路部品を具備した複数の固体電解質型燃料電池ユニットを各々の中心部分で積層して成り、
互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニットの間を空気の流路として設定すると共に、中央流路部品の各ガス導入流路が互いに連続することで形成されるガス導入路ないしその上流側端部近傍に、その上流側端部近傍の触媒担持密度を低くした多孔質体を設けたことを特徴とする燃料電池スタック構造体。
中央流路部品の各ガス導入流路が互いに連続することで形成されるガス導入路が固体電解質型燃料電池ユニットの中心軸上に位置し、中央流路部品の各ガス排出流路が互いに連続することで形成されるガス排出路が固体電解質型燃料電池ユニットの中心軸の周囲に位置している請求項１に記載の燃料電池スタック構造体。
中央流路部品の各ガス排出流路が互いに連続することで形成されるガス排出路が固体電解質型燃料電池ユニットの中心軸上に位置し、中央流路部品の各ガス導入流路が互いに連続することで形成されるガス導入路が固体電解質型燃料電池ユニットの中心軸の周囲に位置している請求項１に記載の燃料電池スタック構造体。
ガス導入路に挿通した多孔質体支持手段に多孔質体を支持させてある請求項１〜３のいずれか一つの項に記載の燃料電池スタック構造体。
積層した固体電解質型燃料電池ユニットの締結部材を多孔質体支持手段とし、多孔質体
を締結部材の周囲に配置してある請求項４に記載の燃料電池スタック構造体。
ガス導入路に挿通した管状部材を多孔質体支持手段とし、多孔質体を管状部材の中空部
分に収容してある請求項５に記載の燃料電池スタック構造体。
元の請求項８
ガス導入路内に位置する多孔質体の周壁の少なくとも一部分をガス不透過部としてある請求項１〜６のいずれか一つの項に記載の燃料電池スタック構造体。
固体電解質型燃料電池ユニットに対して絶縁した多孔質体支持手段又は多孔質体を加熱する加熱機構を設けた請求項５〜８のいずれか一つの項に記載の燃料電池スタック構造体。
中央流路部品に、セル板及びセパレータ板の各々のガス導入孔と連通するガス導入流路とは別に、多孔質体を配置する改質流路を設け、中央流路部品の各改質流路が互いに連続することで形成される改質路の上流側をガス供給源に接続すると共に、改質路の最下流を各ガス導入流路が互いに連続することで形成されるガス導入路に接続する請求項３に記載の燃料電池スタック構造体。
中央流路部品に、セル板及びセパレータ板の各々のガス導入孔と連通するガス導入流路とは別に、固体電解質型燃料電池ユニットの中心部分加熱用ガスを流す加熱流路を設け、固体電解質型燃料電池ユニットの中心部分を貫通する積層方向の加熱路を形成するべく中央流路部品の各加熱流路を互いに連続させた請求項１〜９のいずれか一つの項に記載の燃料電池スタック構造体。
単セルを保持していると共に中心部分にガス導入孔及びガス排出孔を有する円形状を成すセル板と、
中心部分にガス導入孔及びガス排出孔を有し且つその外周縁部をセル板の外周縁部に接合させた円形状を成すセパレータ板と、
セル板及びセパレータ板の各中心部分間に位置して各々のガス導入孔と連通するガス導入流路及びガス排出孔と連通するガス排出流路を有し、セル板及びセパレータ板間に形成される空間内に燃料ガスの供給及び排出を行う中央流路部品を具備した複数の固体電解質型燃料電池ユニットを各々の中心部分で積層して成り、
互いに重なり合う固体電解質型燃料電池ユニットの間を空気の流路として設定すると共に、中央流路部品の各ガス導入流路が互いに連続することで形成されるガス導入路ないしその上流側端部近傍に多孔質体を設け、
ガス導入路に挿通した多孔質体支持手段に多孔質体を支持させ、
積層した固体電解質型燃料電池ユニットの締結部材を多孔質体支持手段とし、多孔質体を締結部材の周囲に配置してあることを特徴とする燃料電池スタック構造体。