JP5415140B2 - 燃料電池モジュール - Google Patents

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、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積層された燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池スタックでは、電解質・電極接合体とセパレータとが交互に鉛直方向に積層されるため、特に、燃料電池スタックの最下段に配置される燃料電池（電解質・電極接合体やセパレータ）は、前記燃料電池スタック全体の重量を直接受けてしまう。このため、燃料電池スタックの最下段では、燃料電池が破損し易くなるという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている構造が知られている。この特許文献１では、図１３に示すように、燃料電池１を備えており、前記燃料電池１は、発電セル２とセパレータ３とが鉛直方向に交互に積層されている。燃料電池１の最下端には、単一の燃料用端板４が積層される一方、前記燃料電池１の最上段には、単一の空気用端板５が積層されている。

この燃料電池１は、ベース板６上に載置されるとともに、４つのコーナ部に連結部材７が挿入されている。セパレータ３の４つのコーナ部、空気用端板５の４つのコーナ部及び燃料用端板４の４つのコーナ部には、ねじ孔８が形成されている。ねじ孔８には、ねじ９が螺合されることにより、前記ねじ９の先端が連結部材７に対して面接触している。

これにより、燃料電池１の下部に位置する発電セル２であっても、前記発電セル２にかかる荷重は、他の発電セル２にかかる荷重と略均等に維持することができる。従って、前記発電セル２に過大な荷重がかかることを阻止して、前記発電セル２が破損することを防止することができる、としている。

特開２００２−２８００５２号公報

ところで、セパレータ３、空気用端板５及び燃料用端板４の４隅には、それぞれねじ孔８が形成されるとともに、前記ねじ孔８にねじ９を螺合する構造を有している。このため、燃料電池１全体の構造が相当に複雑化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、端部に配置されているＭＥＡの自重による損傷等を確実に阻止するとともに、無駄に排気される燃料ガスを可及的に削減し、効率を向上させることが可能な燃料電池モジュール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、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とを備える燃料電池モジュールに関するものである。

燃料電池スタックは、積層方向の一方の端部に電解質・電極接合体を配置するとともに、前記積層方向の他方の端部にセパレータを配置し、前記積層方向の一方の端部には、前記電解質・電極接合体に隣接して、燃料ガス通路への燃料ガスの供給を規制し且つ酸化剤ガス通路への酸化剤ガスの供給を許容する端部セパレータが配設されている。そして、燃料電池スタックの積層方向の他方の端部には、セパレータに隣接して、電解質・電極接合体と同等の形状を有する荷重緩和部材が配設されている。

また、セパレータは、燃料ガス通路に燃料ガスを導入するための燃料ガス供給孔を設ける一方、端部セパレータは、前記燃料ガス供給孔を設けないことが好ましい。このため、端部セパレータは、燃料ガス供給孔の形成工程を削除するだけで、セパレータと同様に製造することができ、製造コストを良好に削減させることが可能になる。しかも、発電に供しない端部セパレータは、燃料ガスを不要に排気することがなく、前記燃料ガスの無駄な消費が有効に防止できる。

さらに、端部セパレータは、燃料ガス通路側を燃料電池スタックの積層方向最端部に配置することが好ましい。従って、端部セパレータの積層方向外方には、電解質・電極接合体が配置されないため、組み立て時や運転時等、前記端部セパレータが下方に配置されることにより、前記電解質・電極接合体の座屈や損傷を回避することが可能になる。その上、燃料電池スタックの最端部には、燃料ガスを無駄に供給することがない。これにより、燃料ガスの消費が削減され、効率的な発電作業が遂行される。

さらにまた、荷重緩和部材は、複数枚の平板状金属板が積層された金属積層体であることが好ましい。このため、発電によって発生した電力を効率的に伝達することができるとともに、積層方向の荷重を緩和し、電解質・電極接合体の座屈や損傷を防止することが可能になる。

また、荷重緩和部材は、平板状金属板と波状金属板とが積層された金属積層体であることが好ましい。従って、発電によって発生した電力を効率的に伝達することができるとともに、特に波状金属板自体のばね機能により積層方向の荷重をより一層緩和し、電解質・電極接合体の座屈や損傷を防止することが可能になる。

さらに、荷重緩和部材は、発泡金属であることが好ましい。これにより、発電によって発生した電力を効率的に伝達することができるとともに、積層方向の荷重を緩和し、電解質・電極接合体の座屈や損傷を防止することが可能になる。

さらにまた、荷重緩和部材は、メッシュ状金属であることが好ましい。このため、発電によって発生した電力を効率的に伝達することができるとともに、積層方向の荷重を緩和し、電解質・電極接合体の座屈や損傷を防止することが可能になる。

また、荷重緩和部材は、セラミックス製フェルトと通電用金属板との積層体であることが好ましい。従って、発電によって発生した電力を効率的に伝達することができるとともに、積層方向の荷重を緩和し、電解質・電極接合体の座屈や損傷を防止することが可能になる。しかも、セラミックス製フェルトにより断熱性の向上が容易に図られる。

さらに、この燃料電池モジュールは、燃料電池スタックの積層時には、荷重緩和部材側が下方に配置される一方、前記燃料電池スタックの発電時には、端部セパレータ側が下方に配置されることが好ましい。これにより、燃料電池スタックの両端部において、電解質・電極接合体やセパレータの変形、座屈等を防止することができ、前記燃料電池スタックの耐久性が良好に向上する。

さらにまた、この燃料電池モジュールは、燃料電池スタックには、端部セパレータ側に隣接して、前記燃料電池スタックに積層方向に荷重を付与するための荷重付与機構が配置される一方、荷重緩和部材側に隣接して、前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスを生成する改質器、及び前記燃料電池スタックからの排ガスと前記酸化剤ガスとを熱交換するための熱交換器とを有する流体部が配置されることが好ましい。このため、燃料電池モジュール全体の小型化が容易に図られるとともに、積層方向の荷重を効率的に伝達することができ、しかも熱歪みも良好に抑制することが可能になる。

また、この燃料電池モジュールは、燃料電池スタックには、荷重付与機構及び流体部が軸対称に配置されることが好ましい。従って、熱歪みの発生が可及的に削減される。

本発明によれば、燃料電池スタックの積層方向の一方の端部には、燃料ガス通路への燃料ガスの供給を規制した端部セパレータが配置されるため、燃料ガスを無駄に供給することがない。これにより、燃料ガスの消費が削減され、前記燃料ガスを効率的に供給することができる。

さらに、燃料電池スタックの積層方向の他方の端部には、荷重緩和部材が配設されるため、前記積層方向の荷重が良好に緩和され、電解質・電極接合体の損傷を防止することが可能になる。しかも、電解質・電極接合体に代えて荷重緩和部材が配置されており、積層段数を増加させることがなく、前記電解質・電極接合体の損傷を阻止することができる。その上、無駄な燃料ガスの消費を良好に削減させることが可能になる。

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。 前記燃料電池スタックの一部分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの組み立て作業の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する荷重緩和部材の断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する荷重緩和部材の断面説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する荷重緩和部材の断面説明図である。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する荷重緩和部材の断面説明図である。 特許文献１の燃料電池の断面説明図である。

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、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及び図７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７及び図８に示すように、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との積層方向の一方の端部（図８に示す組み立て時に上方に配置される一方、図７に示す発電使用時に下方に配置される端部）に、電解質・電極接合体２６に隣接して、端部セパレータ８４が配置される。この端部セパレータ８４は、セパレータ２８と略同様に構成されており、前記セパレータ２８の製造工程の途上で、燃料ガス供給孔３８の形成工程を削除することにより製造される。

燃料電池スタック１２は、積層方向の他方の端部（図８に示す組み立て時に下方に配置される一方、図７に示す発電使用時に上方に配置される端部）に、セパレータ２８に隣接して荷重緩和部材８６が配設される。

荷重緩和部材８６は、電解質・電極接合体２６と同等の形状、すなわち、円盤形状を有しており、複数枚の平板状金属板８６ａが積層されて一体化された金属積層体で構成される。

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、荷重緩和部材８６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。

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を組み立てる際には、図８に示すように、流体部１８が設けられるエンドプレート８８ａが最下位に配置される。このエンドプレート８８ａ上には、先ず、４つの荷重緩和部材８６が配置される。

次いで、荷重緩和部材８６上には、セパレータ２８が、酸化剤ガス通路５４側を前記荷重緩和部材８６に向けて載置された後、前記セパレータ２８上に、４つの電解質・電極接合体２６が荷重緩和部材８６に対応して載置される。以下、順に、セパレータ２８と電解質・電極接合体２６とは、交互に鉛直方向上方に向かって配置される。

そして、組み立て時の鉛直方向最上位に、電解質・電極接合体２６が配置された後、この電解質・電極接合体２６上には、端部セパレータ８４が配置される。端部セパレータ８４には、エンドプレート８８ｂを介して荷重付与機構１９が積層される。

このように、燃料電池スタック１２の積層方向の一方の端部（組み立て時の上端部）には、燃料ガス通路４０への燃料ガスの供給を規制した端部セパレータ８４が配設されている。このため、燃料ガス通路４０からエンドプレート８８ｂに燃料ガスを無駄に供給することがなく、前記燃料ガスの消費が削減されるとともに、該燃料ガスを効率的に供給することができるという利点がある。

一方、燃料電池スタック１２の積層方向の他方の端部（組み立て時の下端部）には、荷重緩和部材８６が配設されている。従って、燃料電池スタック１２の組み立て時に、最下端位置に配置される荷重緩和部材８６により、積層方向の荷重（セパレータ２８及び電解質・電極接合体２６の自重）が良好に緩和され、前記電解質・電極接合体２６の損傷等を防止することが可能になる。

しかも、組み立て時に最下端位置に配置される荷重緩和部材８６は、実際上、電解質・電極接合体２６に代えて用いられている。これにより、燃料電池スタック１２は、積層段数が増加することがなく、電解質・電極接合体２６の損傷を阻止するとともに、無駄な燃料ガスの消費を良好に削減させることが可能になるという効果が得られる。

また、端部セパレータ８４とセパレータ２８とは、前記セパレータ２８が燃料ガス通路４０に燃料ガスを導入するための燃料ガス供給孔３８を設ける一方、前記端部セパレータ８４には、前記燃料ガス供給孔３８が設けられていない。このため、端部セパレータ８４は、燃料ガス供給孔３８の形成工程を削除するだけで、セパレータ２８と同様に製造することができ、製造コストを良好に削減させることが可能になる。

しかも、発電に供しない端部セパレータ８４は、燃料ガスを不要に排気することがなく、前記燃料ガスの無駄な消費が有効に防止できる。

さらに、端部セパレータ８４は、燃料ガス通路４０側を燃料電池スタック１２の積層方向最端部に、すなわち、エンドプレート８８ｂに向かって配置させている。従って、端部セパレータ８４の積層方向外方には、電解質・電極接合体２６が配置されておらず、組み立て時や運転時等、前記端部セパレータ８４が下方に配置されることにより、前記電解質・電極接合体２６の座屈や損傷を回避することが可能になる。その上、燃料電池スタック１２の最端部には、燃料ガスを無駄に供給することがなく、前記燃料ガスの消費が削減されて効率的な発電作業が遂行される。

さらにまた、荷重緩和部材８６は、複数枚の平板状金属板８６ａが積層されて一体化された金属積層体で構成されている。このため、燃料電池スタック１２では、発電によって発生した電力を効率的に伝達することができるとともに、積層方向の荷重を緩和し、電解質・電極接合体２６の座屈や損傷を防止することが可能になる。

さらに、燃料電池スタック１２の積層時には、荷重緩和部材８６が下方に配置される一方（図８参照）、前記燃料電池スタック１２の発電時には、図１に示すように、端部セパレータ８４側が下方に配置されている。これにより、燃料電池スタック１２の両端部において、電解質・電極接合体２６やセパレータ２８の変形、座屈等を防止することができ、前記燃料電池スタック１２の耐久性が良好に向上する。

さらにまた、燃料電池スタック１２には、端部セパレータ８４側に隣接して、前記燃料電池スタック１２に積層方向に荷重を付与するための荷重付与機構１９が配置される一方、荷重緩和部材８６側に隣接して、前記燃料電池スタック１２に供給される燃料ガスを生成する改質器１６、熱交換器１４を有する流体部１８が配置されている。このため、燃料電池モジュール１０全体の小型化が容易に図られるとともに、積層方向の荷重を効率的に伝達することができ、しかも、熱歪みを良好に抑制することが可能になる。

また、燃料電池スタック１２には、荷重付与機構１９及び流体部１８が軸対称に配置されている。従って、熱歪みの発生が可及的に削減される。

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を構成する荷重緩和部材１８０の断面説明図である。

なお、第１の実施形態に係る荷重緩和部材８６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。また、以下に説明する第３〜第５の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

荷重緩和部材１８０は、一対の平板状金属板１８２ａ、１８２ｂと、前記金属板１８２ａ、１８２ｂ間に挟持される波状金属板１８４とが積層されて一体化された金属積層体である。

従って、第２の実施形態では、発電により発生した電力を効率的に伝達することができるとともに、特に、波状金属板１８４自体のばね機能により積層方向の荷重をより一層緩和することができる。このため、電解質・電極接合体２６の座屈や損傷を防止することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図１０は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する荷重緩和部材１９０の断面説明図である。この荷重緩和部材１９０は、発泡金属により構成される。

図１１は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する荷重緩和部材２００の断面説明図である。この荷重緩和部材２００は、メッシュ状金属である。

従って、荷重緩和部材１９０、２００では、発電によって発生した電力を効率的に伝達することができるとともに、積層方向の荷重を緩和し、電解質・電極接合体２６の座屈や損傷を防止することが可能になる等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

図１２は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池モジュールを構成する荷重緩和部材２１０の断面説明図である。

荷重緩和部材２１０は、セラミックス製フェルト２１２と、通電用金属板２１４との積層体である。金属板２１４は、フェルト２１２の端部で折り返してこのフェルト２１２の両面に突出している。

この荷重緩和部材２１０では、上記の第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる他、セラミックス製のフェルト２１２により、断熱性の向上が容易に図られるという利点がある。

なお、第１〜第５の実施形態では、電解質・電極接合体２６の座屈等を防止するために、積層方向の荷重を緩和する機能を有するものであるが、燃料電池スタック１２に対して積層方向の荷重が十分に付与されない状態まで緩衝することがないように、剛性を確保することが必要である。

１０…燃料電池モジュール １２…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
８４…端部セパレータ
８６、１８０、１９０、２００、２１０…荷重緩和部材
８６ａ、１８２ａ、１８２ｂ…平板状金属板
８８ａ、８８ｂ…エンドプレート ９０…隔壁
１１２、１１４…締め付け部 １６０ａ、１６０ｂ…筐体部
１８４…波状金属板 ２１２…フェルト
２１４…金属板

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、
   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と、
   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、前記燃料ガスの流路として、積層方向に沿って延在する燃料ガス供給連通孔と、前記燃料ガス供給連通孔に連通し前記電極面の所定の対向位置に延在する燃料ガス供給連通路と、前記セパレータに設けられ前記燃料ガス供給連通路と前記燃料ガス通路を連通する燃料ガス供給孔とを有し、
   且つ前記積層方向の一方の端部に前記電解質・電極接合体を配置するとともに、前記積層方向の他方の端部に前記セパレータを配置し、
   前記積層方向の一方の端部には、前記電解質・電極接合体に隣接して、前記燃料ガス供給孔を備えないことで前記燃料ガス通路への前記燃料ガスの供給を規制し、且つ前記酸化剤ガス通路への前記酸化剤ガスの供給を許容する端部セパレータが配設され、
   前記積層方向の他方の端部には、前記セパレータに隣接して、前記電解質・電極接合体と同等の形状を有する荷重緩和部材が配設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、前記端部セパレータは、前記燃料ガス通路側を前記燃料電池スタックの積層方向最端部に配置することを特徴とする燃料電池モジュール。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池モジュールにおいて、前記荷重緩和部材は、複数枚の平板状金属板が積層された金属積層体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又は２記載の燃料電池モジュールにおいて、前記荷重緩和部材は、平板状金属板と波状金属板とが積層された金属積層体であることを特徴とする燃料電池モジュール。
5. 請求項１又は２記載の燃料電池モジュールにおいて、前記荷重緩和部材は、発泡金属であることを特徴とする燃料電池モジュール。
6. 請求項１又は２記載の燃料電池モジュールにおいて、前記荷重緩和部材は、メッシュ状金属であることを特徴とする燃料電池モジュール。
7. 請求項１又は２記載の燃料電池モジュールにおいて、前記荷重緩和部材は、セラミックス製フェルトと通電用金属板との積層体であることを特徴とする燃料電池モジュール。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記燃料電池スタックの積層時には、前記荷重緩和部材側が下方に配置される一方、
   前記燃料電池スタックの発電時には、前記端部セパレータ側が下方に配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池モジュールにおいて、前記燃料電池スタックには、前記端部セパレータ側に隣接して、前記燃料電池スタックに前記積層方向に荷重を付与するための荷重付与機構が配置される一方、
   前記荷重緩和部材側に隣接して、前記燃料電池スタックに供給される前記燃料ガスを生成する改質器、及び前記燃料電池スタックからの排ガスと前記酸化剤ガスとを熱交換するための熱交換器とを有する流体部が配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。
10. 請求項９記載の燃料電池モジュールにおいて、前記燃料電池スタックには、前記荷重付与機構及び前記流体部が軸対称に配置されることを特徴とする燃料電池モジュール。

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