JP6162542B2

JP6162542B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP6162542B2
Application number: JP2013172090A
Authority: JP
Inventors: 洋介伊藤
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2013-08-22
Filing date: 2013-08-22
Publication date: 2017-07-12
Anticipated expiration: 2033-08-22
Also published as: JP2015041514A

Description

本発明は、燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタックと、少なくとも燃料電池スタックから排出される未反応ガスを取り込んで燃焼させる補助器と、を積層状態に結合してなる燃料電池に関する。

現在、燃料電池には電解質の材質により大別して、高分子電解質膜を電解質とする固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）と、リン酸を電解質とするリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）と、Ｌｉ−Ｎａ／Ｋ系炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）と、例えばＺｒＯ_２系セラミックを電解質とする固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の４タイプがある。各タイプは、作動温度（イオンが電解質中を移動できる温度）が異なるのであって、現時点において、ＰＥＦＣは常温〜約９０℃、ＰＡＦＣは約１５０℃〜２００℃、ＭＣＦＣは約６５０℃〜７００℃、ＳＯＦＣは約７５０℃〜１０００℃である。

上記ＳＯＦＣ等、高温で作動させるタイプの燃料電池の中には、作動に必要な高温を維持するために、例えば特許文献１に記載されているように、燃料電池スタックから排出される残余の未反応ガスを取り込んで燃焼させる略直方体の箱形の補助器を備えたものがある。

この特許文献１の燃料電池は、燃料電池スタックの少なくとも一方の端面側に補助器を配置して、該補助器と、燃料電池スタックを構成する複数の燃料電池セルとを複数組のボルトとナットで共締めするようになっており、さらに前記ボルトと該ボルトを通す貫通孔との間の隙間をガス通路として、燃料電池スタック側から補助器側に向けて又はその逆の向きにガスが流れるようになっている。

また、特許文献１の燃料電池は、略直方体である補助器の四側面の中央部分に前記した共締め用のボルトを通す締結部が接合されており、該締結部の上面と燃料電池スタックとの間に、ガスシール性と電気絶縁性と耐熱性を備えた例えばマイカ製のガスシール部材を挟んで前記ボルトとナットで共締めするようになっている。

特開２０１１−１５４８２１号公報（段落００８０〜段落０９１図７）

上記の燃料電池で作動・停止を繰り返した場合、燃料電池スタックと補助器の締結部との間のガスシール部材が摩耗して最終的に破損に至る可能性のあることが新たに確認された。もし、ガスシール部材が破損すると、そこから僅かずつでもガスが漏れ出し、燃料利用率の低下や性能劣化につながるおそれがある。
そこでガスシール部材の摩耗の原因について調査・検討したところ、次のような結論に至った。

すなわち、上記燃料電池は、作動時に補助器と燃料電池スタックが高温になっているが、未反応ガスを燃焼させている補助器の方が燃料電池スタックより当然高温になっている。したがって、その温度差により補助器の方が燃料電池スタックより大きく熱膨張する。ここで燃料電池スタックの積層方向をｚ軸方向とし、それと直交する方向をｘｙ軸方向とすると、前記熱膨張差は、燃料電池スタックと補助器をボルト締めして両者のｘｙ軸方向の相対的な動きをも止めている４つの締付けポイントについて、燃料電池スタック側の締付けポイント間距離と補助器側の締付けポイント間距離を異ならせる力、つまり、その締付けポイントにおける対向面をｘｙ軸方向にズレさせる力として作用する。そして、その力が、燃料電池スタックと補助器を締め付ける前記ボルトとナットの締付け力より大きくなると、燃料電池スタックと補助器の対向面にｘｙ軸方向の現実のズレが発生し、そのズレに両者の間に挟まれたガスシール部材が引きずられる形でｘｙ軸方向に擦れたり、同方向の剪断力を受ける。
一方、燃料電池を停止すると温度が下がるため、ガスシール部材を逆向きに擦り動かしながら燃料電池スタックと補助器が元の状態に戻る。
このように燃料電池の作動と停止を繰り返すと、その熱サイクルによりガスシール部材が摩耗して徐々にダメージを受けるため、最終的に破損に至るものと考えられる。

本発明は、上記知見に基づきなされたもので、その目的は、燃料電池スタックと補助器の間に介在させるガスシール部材の熱サイクルにより生じ得るダメージを抑制し、そうして長期間安定的に作動させることが可能な燃料電池を提供することにある。

請求項１に記載したように、
燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタックと、
上面と下面と側面を有し、前記燃料電池スタックの少なくとも一方の端面側に配置されて、少なくとも該燃料電池スタックから排出される未反応ガスを燃焼させる補助器と、
該補助器の前記側面に配置され、前記燃料電池スタックと該補助器とを結合する複数の締結部と、
前記燃料電池スタックと前記補助器の前記締結部との間にガスシール部材を挟んで共締めしてこの両者を積層方向に連結する複数の第１締め部材と、
前記燃料電池スタックと前記補助器の締結部との間にガスシール部材を挟んで共締めしてこの両者を積層方向に連結する複数の第２締め部材と、
前記燃料電池スタックを積層方向に貫くと共に前記第１締め部材の内側又は外側に形成されたガス供給路と、
前記燃料電池スタックを積層方向に貫くと共に前記第２締め部材の内側又は外側に形成されたガス排出路と、を有し、
前記補助器の前記締結部の何れか一つを選択したとき、その一つの締結部以外の全ての締結部は、前記側面に変位吸収部を介して取り付けられている燃料電池を提供する。

また、請求項２に記載したように、前記締結部のうちの前記で選択した一つの該締結部は、前記補助器の前記側面に固定的に取り付けられている請求項１に記載の燃料電池を提供する。

また、請求項３に記載したように、前記締結部のうちの前記で選択した一つの該締結部は、前記補助器の前記側面に変位吸収部を介して取り付けられている請求項１に記載の燃料電池を提供する。

また、請求項４に記載したように、前記補助器の上面と、前記締結部の上面とを略同一平面上に揃えて配置するようにした請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料電池を提供する。

また、請求項５に記載したように、
前記変位吸収部は、
前記補助器側に連結された上下方向の補助器側軸部と、
前記締結部に連結された上下方向の締結部側軸部と、
該締結部側軸部と補助器側軸部とを連結する連絡部と、を備えており、
加熱に伴う補助器と燃料電池スタック間に発生する熱膨張差を、主として前記補助器側軸部と前記締結部側軸部の捩れもしくは撓みによる変形で吸収し得るようにしてなる請求項１〜４の何れか１項に記載の燃料電池を提供する。

請求項１に記載の燃料電池は、作動時の高温で燃料電池スタックと補助器との間に熱膨張差によるｘｙ軸方向の力が生じても、その力が変位吸収部の変形で吸収されるため、締結部間の相対位置関係が殆ど変わらない。つまり締結部は、専ら燃料電池スタックのｘｙ軸方向の熱膨張に追随して変位するため、間に挟まれたガスシール部材が、ｘｙ軸方向に擦れたりｘｙ軸方向の剪断力を受けることが殆どない。したがって、燃料電池の作動、停止に伴う熱サイクルに対し、ガスシール部材が受けるダメージを小さくすることができる。

なお、前記締結部のうちの前記で選択した一つの締結部は、請求項２に記載したように補助器の側面に固定的に取り付けるようにしてもよいし、請求項３に記載したように変位吸収部を介して補助器の側面に取り付けるようにしてもよい。
請求項２の燃料電池のように、選択した一つの締結部を補助器の側面に固定的に取り付けることにより、変位吸収部を設ける場合に比べてコストが抑制できる。もちろん補助器の側面に固定的に取り付けた締結部は補助器と一体であるが、それ以外の締結部の全てに変位吸収部が設けられていれば、相対的に熱膨張差の吸収は可能であり、上記効果は問題なく享受できる。
一方、請求項３の燃料電池は、全ての締結部が補助器の側面に変位吸収部を介して取り付けられているため、比較的大きな熱膨張差に対応させることが可能である。

また、請求項４の燃料電池のように、補助器の上面と、締結部の上面とを略同一平面上に揃えて配置することにより、熱膨張による変位方向と変位吸収部が撓み得る方向が略一致するため、捻るような歪な撓みが生じ難い。

また、請求項５の燃料電池は、加熱に伴う補助器と燃料電池スタック間に発生する熱膨張差を、主として補助器側軸部と締結部側軸部の捩れもしくは撓みによる変形で吸収し得るため、補助器側軸部と締結部側軸部をパイプ材で形成することができ、変位吸収部自体をガス通路として利用することができる。したがって、燃料電池スタックと補助器に跨がるガス供給路やガス排出路の一部を構成する締結部を、必要に応じて複数個設けることが可能になる。

燃料電池の斜視図である。コーナー締め部材を省略すると共に一部を断面にして示す燃料電池の正面図である。燃料電池の分解斜視図である。燃料電池セルの斜視図である。燃料電池セルの分解斜視図である。分解パーツを絞った燃料電池セルの分解斜視図である。燃料電池セルの縦断面図である。図７を分解して示す燃料電池セルの縦断面図である。図７のＡ−Ａ線断面図である。図７のＢ−Ｂ線断面図である。補助器を上下方向に切り離して示す斜視図である。補助器の平面図である。他の形態を示す補助器の平面図である。他の形態を示す燃料電池の正面図である。

以下に本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
実施形態の燃料電池１は、例えばＺｒＯ_２系セラミックを電解質２とするＳＯＦＣであり、図１〜図３に示したように、燃料電池スタック３と補助器４とから概略構成される。

［燃料電池スタック］
燃料電池スタック３は、図１〜図１０に示したように、発電の最小単位である平面視正方形の燃料電池セル３ａ，３ａ…を、複数セット直列状態に積層して連結したものであり、該燃料電池セル３ａ，３ａ…の積層体を固定する２組の第１締め部材５，６と、同じく２組の第２締め部材７，８と、同じく４組のコーナー締め部材９，９…と、を有する。
また、燃料電池スタック３は、積層された各燃料電池セル３ａに酸化剤ガスたる空気を供給する空気用のガス供給路１０と、その空気を燃料電池セル３ａから排出する空気用のガス排出路１１と、燃料電池セル３ａに燃料ガスを供給する燃料用のガス供給路１２と、その燃料ガスを燃料電池セル３ａから排出する燃料用のガス排出路１３と、を備えている。

［燃料電池セル］
燃料電池セル３ａは、平面視正方形であり、図５の分解斜視図に示したように上下両面に位置する一対のインターコネクタ１４，１５と、上下のインターコネクタ１４，１５のほぼ中間に位置すると共に上のインターコネクタ１４の内面（下面）に対向する面に空気極１６を形成し且つ下のインターコネクタ１５の内面（上面）に対向する面に燃料極１７を形成した電解質２と、上のインターコネクタ１４と空気極１６との間に形成された空気室１８と、下のインターコネクタ１５と燃料極１７との間に形成された燃料室１９と、空気室１８の内部に配置され空気極１６と上のインターコネクタ１４とを電気的に接続する空気極集電体２０と、前記燃料室１９の内部に配置され燃料極１７と下のインターコネクタ１５とを電気的に接続する燃料極集電体２１と、を有し、さらに方形のコーナー部分に貫通状態のコーナー通孔２２，２２…を有するものである。

この燃料電池セル３ａを図５，図６の分解斜視図によりさらに詳細に説明すると、該燃料電池セル３ａは、四角い板形態で導電性を有する上のインターコネクタ１４と、同じく四角い板形態で導電性を有する下のインターコネクタ１５と、該下のインターコネクタ１５の上面中央に複数本を間隔をおいて平行に並べて配置した燃料極集電体２１と、下のインターコネクタ１５の上面に設置され前記燃料極集電体２１の周りを四角く囲って燃料室１９を形成する四角い額縁形態の燃料極ガス流路形成用絶縁フレーム（以下、「燃料極絶縁フレーム」ともいう。）２３と、四角い額縁形態で前記燃料極絶縁フレーム２３の上面に設置される燃料極フレーム２４と、四角い板形態で前記燃料極フレーム２４の内部にあって前記燃料極集電体２１の上面に燃料極１７を介して接する電解質２と、四角い額縁形態であって導電性を有し下面に前記電解質２を取着した薄い金属製のセパレータ２５と、前記電解質２の上面の空気極１６と前記上のインターコネクタ１４の下面（内面）に当接する状態にして複数本を間隔をおいて平行に並べて配置した空気極集電体２０と、前記セパレータ２５と上のインターコネクタ１４の間に設置され前記空気極集電体２０の周りを四角く囲って空気室１８を形成する四角い額縁形態の空気極ガス流路形成用絶縁フレーム（以下、「空気極絶縁フレーム」ともいう。）２６と、から構成される。

なお、前記電解質２は、ジルコニア系、セリア系、ペロブスカイト系の電解質材料が挙げられる。
ジルコニア系材料ではイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）、スカンジア安定化ジルコニア（ＳｃＳＺ）、及びカルシア安定化ジルコニア（ＣａＳＺ）を挙げることができ、一般的にはイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）が使用される。セリア系材料ではいわゆる希土類元素添加セリアが、ペロブスカイト系材料ではランタン元素を含有するペロブスカイト型複酸化物が使われる。

また、前記燃料極１７の材質は、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種との混合物が挙げられる。また、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｂ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ及びＦｅ等の金属でもよく、これらの金属は１種のみでもよいし、２種以上の合金にしてもよい。さらに、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種との混合物等が挙げられる。

また、前記空気極１６の材質は、例えば各種の金属、金属の酸化物等を用いることができる。金属材料の好適例としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ等やそれらの合金などがある。金属の複合酸化物の好適例としては、例えば、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎを含有する複合酸化物（Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＦｅＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏ_１−ｙＦｅ_ｙＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３系複合酸化物、Ｐｒ_１−ｘＢａ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物、Ｓｍ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物）などがある。

また、前記空気極集電体２０は、緻密な導電部材である例えばステンレス材で形成され、一方、前記燃料極集電体２１は、発泡構造で変形可能な多孔質金属材で形成される。

［ガス供給路・ガス排出路］
前記空気用のガス供給路１０は、図３に示したように、燃料電池スタック３の一辺寄りのほぼ中央を縦貫するものであって、燃料電池スタック３の上面に突設された空気供給口２７を始端とし、前記補助器４の後述する締結部１００に及んで該締結部１００の底を終端とする。
また、空気用のガス排出路１１は、燃料電池スタック３の前記空気用のガス供給路１０とは反対側の一辺寄りのほぼ中央を縦貫するものであって、補助器４の後述する締結部１１０にまで及んでいる。
また、燃料ガス用のガス供給路１２は、燃料電池スタック３の残り二辺のうちの一辺寄りのほぼ中央を縦貫するものであって、補助器４の後述する締結部１２０にまで及んでいる。
そしてさらに、燃料ガス用のガス排出路１３は、燃料電池スタック３の前記燃料ガス用のガス供給路１２とは反対側の一辺寄りのほぼ中央を縦貫するものであって、補助器４の後述する締結部１３０にまで及んでいる。

また、各燃料電池セル３ａは、図９の断面図に示したように、前記空気用のガス供給路１０と交差・連通して前記空気室１８の内部に空気を供給する空気供給部２８と、前記空気用のガス排出路１１と交差・連通して空気室１８から発電後の未反応の空気を排出する空気排気部２９と、図１０の断面図に示したように、前記燃料用のガス供給路１２と交差・連通して前記燃料室１９の内部に燃料ガスを供給する燃料供給部３０と、前記燃料用のガス排出路１３と交差・連通して燃料室１９から発電後の未反応の燃料ガスを排出する燃料排気部３１と、を備えている。

前記第１締め部材５，６と第２締め部材７，８とコーナー締め部材９，９…は、積層された複数セットの燃料電池セル３ａ，３ａ…を積層方向に締め付けて固定するボルトＢとナットＮのペアである。

［第１締め部材］
第１締め部材５，６は、構成要素たるボルトＢで前記ガス供給路１０，１２の中心を貫いて、つまり燃料電池スタック３の上面から補助器４の後述する締結部１００，１２０を貫いて該締結部１００，１２０の底をナットＮで締め、そうして該締結部１００，１２０と燃料電池スタック３の燃料電池セル３ａとを共締めして固定するものである。
この第１締め部材５，６のボルトＢは、ガス供給路１０，１２の径より小径であり、したがってガス供給路１０，１２は、実質的に第１締め部材５，６の外側に形成されている。なお、締結部１００，１２０の上面と燃料電池スタック３の下面との間には、ガスシール性と電気絶縁性と耐熱性を備えた例えばマイカ製のガスシール部材Ｇが介装されており、また、ガス供給路１０，１２の底は、第１締め部材５，６の前記ナットＮ（適宜ガスシール部材を含む。）でガス漏れしない状態に塞がれている。

［第２締め部材］
第２締め部材７，８は、構成要素たるボルトＢで前記ガス排出路１１，１３の中心を貫いて、つまり燃料電池スタック３の上面から補助器４の後述する締結部１１０，１３０を貫いて該締結部１１０，１３０の底をナットＮで締め、そうして該締結部１１０，１３０と燃料電池スタック３の燃料電池セル３ａとを共締めして固定するものである。この第２締め部材７，８のボルトＢは、ガス排出路１１，１３の径より小径であり、したがってガス排出路１１，１３は、実質的に第２締め部材７，８の外側に形成されている。なお、締結部１１０，１３０の上面と燃料電池スタック３の下面との間には、前記ガスシール部材Ｇが介装されており、また、ガス排出路１１，１３の底は、第２締め部材７，８の前記ナットＮ（適宜ガスシール部材を含む。）でガス漏れしない状態に塞がれている。

［コーナー締め部材］
コーナー締め部材９，９…は、構成要素たるボルトＢで前記コーナー通孔２２，２２…の中心を貫いてナットＮで締め、そうして燃料電池スタック３の四隅を積層方向に固定するものである。このコーナー締め部材９のボルトＢは、コーナー通孔２２，２２…の径より小径にしてコーナー通孔２２，２２…の内面に接触しないようになっており、そうして電気的な絶縁が保たれるようになっている。

［補助器］
前記補助器４は、図１〜図３に示したように、燃料電池スタック３の下方の端面側に配置されている。該補助器４は、高耐熱・高強度な金属材料、例えばSUS310Sのようなオーステナイト系ステンレスを四角い箱形に形成したものであり、前記燃料電池セル３ａより一回り小さい正方形の上面４ｅと下面４ｆ並びに横長長方形の側面４ａ〜４ｄを有し、さらに側面４ａ〜４ｄのそれぞれに補助器４の上面４ｅと略同一平面となるように自己の上面を揃えた状態にして前記締結部１００，１１０，１２０，１３０が配置されている。ここで「略同一平面」としたのは、実際には締結部１００，１１０，１２０，１３０の上面の方が補助器４より僅かに高く、その分だけ補助器４と燃料電池スタック３の間に隙間が形成されるようになっているため、厳密には同一平面とは言えないものの、その高さの差はｘｙ軸方向の広さに比べて無視できるほど僅かであることによる。

この補助器４は、内部構造を省略した図２、図１１に示したように、２つの仕切板４ｇ，４ｈによって、上から順に第一層４１と第二層４２と第三層４３に分けられている。

［補助器の第一層］
補助器４の前記第一層４１は、燃料電池スタック３から排出される未反応の空気と未反応の燃料ガスを混合して燃焼させる部分になっており、そのため２つの側面４ｃ，４ｄに燃料電池スタック３側から未反応の空気を導入する残余空気導入口３２と、同じく未反応の燃料ガスを導入する残余燃料導入口３３が開設されている。

［補助器の第二層］
補助器４の第二層４２は、縦の仕切板４ｉによって改質領域３４と燃焼領域３５に区画されており、燃焼領域３５が前記第一層４１並びに第三層４３に連通している。一方、改質領域３４は、例えば微粒の金属ニッケル又はルテニウムとセラミックス粉末とのプレス体や，アルミナなどの耐熱性の高い多孔体上に金属ニッケル又はルテニウムを担持した触媒を使って燃料ガスを水素リッチに改質するものである。そのため、この第二層４２の改質領域３４に、前記燃焼領域３５を横断する状態で燃料ガス供給筒３６と、改質後の燃料ガスを燃料電池スタック３に供給する改質ガス供給筒３７が接続されている。

［補助器の第三層］
補助器４の第三層４３は、第一層４１で混合させた未反応の空気と燃料ガスをさらに燃焼させる部分であり、そのため第一層４１から混合ガスが流入するように前記第二層４２の燃焼領域３５を介して第一層４１に連通している。また、この第三層４３には、燃焼後の混合ガスを外部に排出するための排気筒３８が設けられている。
なお、実施形態では、未反応の空気と燃料ガスを燃焼させるための燃焼触媒が第一層４１に配置されているが、該燃焼触媒を第三層４３に配置するか、或は第一層４１と第三層４３の両方に配置しても良い。

［締結部全般と変位吸収部］
補助器４の側面４ａ〜４ｄのそれぞれに配置され且つ前記第１締め部材５，６と第２締め部材７，８で燃料電池スタック３に共締めされた締結部１００，１１０，１２０，１３０は、側面４ｃに対応する締結部１１０が該側面４ｃに固定的に取り付けられ、それ以外の締結部１００，１２０，１３０が側面４ａ，４ｂ，４ｄに変位吸収部１０１，１２１，１３１を介して取り付けられている。この変位吸収部１０１，１２１，１３１は、仮に燃料電池スタック３の積層方向をｚ軸方向とし、それと直交する方向をｘｙ軸方向とすると、燃焼に伴う補助器４と燃料電池スタック３のｘｙ軸方向の熱膨張差を自己の撓みで吸収し得るものであり、以下にこの変位吸収部１０１，１２１，１３１と、締結部１００，１１０，１２０，１３０の具体的な構成について説明する。

［締結部１１０］
締結部１１０は、上下端が開放された短円筒を基本形とするもので、その短円筒の側面に角筒形に延びる連絡部材１１０ａを有しており、該連絡部材１１０ａが、補助器４の第一層４１に開設された前記残余空気導入口３２に連通するよう側面４ｃに固定的に取り付けられている。
一方、上記のように締結部１１０は、空気用のガス排出路１１の一部を構成するものであり、よって燃料電池スタック３の空気用のガス排出路１１は、締結部１１０から連絡部材１１０ａを介して補助器４の第一層４１（燃焼部）に連通している。

［締結部１００と変位吸収部１０１］
締結部１００は、上下端が開放された短円筒形であり、これを支える変位吸収部１０１は、湾曲アーム形状であってその一端が締結部１００の周面に接続され、他端が補助器４の側面４ａに固定されている。したがって締結部１００は、変位吸収部１０１によって片持ち状態に支えられており、燃焼に伴う燃料電池スタック３と補助器４のｘｙ軸方向への熱膨張差に対して変位吸収部１０１が湾曲方向に撓んで吸収し得る。

［締結部１２０と変位吸収部１２１］
締結部１２０は、上下端が開放された短円筒を基本形とするもので、その短円筒の側面に四角い箱筒部１２０ａを連通状態に延設してなる。
一方、この締結部１２０を支える変位吸収部１２０は、図１１に示したように、補助器４の第二層４２の前記改質ガス供給筒３７につながる上向きパイプ状の補助器側軸部１２１ａと、締結部１２０の前記箱筒部１２０ａに連結され且つ前記補助器側軸部１２１ａと平行な上向きパイプ状の締結部側軸部１２１ｂと、該締結部側軸部１２１ｂの上端と補助器側軸部１２１ａの上端とを連通状態に連結する逆さＵ字パイプ状の連絡部１２１ｃと、を備えている。
したがって締結部１２０の変位吸収部１２１は、補助器４と燃料電池スタック３間に発生する加熱に伴う熱膨張差が、補助器側軸部１２１ａと締結部側軸部１２１ｂの捩れもしくは撓みによる変形で吸収される。
また、上記のように締結部１２０は、燃料用のガス供給路１２の一部を構成するものであり、よって燃料電池スタック３の燃料用のガス供給路１２は、変位吸収部１２１と改質ガス供給筒３７を介して補助器４の第二層４２の改質領域３４に連通している。

［締結部１３０と変位吸収部１３１］
締結部１３０は、前記締結部１２０と同様であって、上下端が開放された短円筒を基本形とし、また、その短円筒の側面に四角い箱筒部１３０ａを連通状態に延設してなる。
一方、この締結部１３０を支える変位吸収部１３１は、図１１に示したように、補助器４の第一層４１の前記残余燃料導入口３３につながる下向きパイプ状の補助器側軸部１３１ａと、締結部１３０の箱筒部１３０ａに連結された下向きパイプ状の締結部側軸部１３１ｂと、該締結部側軸部１３１ｂの下端と補助器側軸部１３１ａの下端とを連通状態に連結するＵ字パイプ状の連絡部１３１ｃと、を備えている。
したがって締結部１３０の変位吸収部１３１は、補助器４と燃料電池スタック３間に発生する加熱に伴う熱膨張差が、補助器側軸部１３１ａと締結部側軸部１３１ｂの捩れもしくは撓みによる変形で吸収される。
また、上記のように締結部１３０は、燃料用のガス排出路１３の一部を構成するものであり、よって燃料電池スタック３の燃料用のガス排出路１３は、変位吸収部１３１と残余燃料導入口３３を介して補助器４の第一層４１に連通している。

［作動（発電）］
次に、実施形態の燃料電池１の作動（発電）について説明する。
まず、図示しないが、補助器４の下面に例えば平面燃焼型ガスバーナー等の発熱体を別途装着しておき、そうして起動時に補助器４と燃料電池スタック３を加熱して所定の温度に昇温させる。

そして、図１，図２において燃料電池スタック３上面の空気供給口２７から空気用のガス供給路１０に空気を供給する。そうするとその空気は、各燃料電池セル３ａ，３ａ…の図９において右側に位置する空気供給部２８から空気室１８に入る。

一方、燃料ガスを、補助器４の燃料ガス供給筒３６から第二層４２の改質領域３４に供給する。そうすると、その改質領域３４で水素リッチの燃料ガスに改質されて第二層４２の改質ガス供給筒３７から変位吸収部１２１と締結部１２０を通って燃料電池スタック３の燃料用のガス供給路１２に送られ、さらにその燃料ガスが、各燃料電池セル３ａ，３ａ…の図１０において上側に位置する燃料供給部３０から燃料室１９に入る。

空気と改質後の燃料ガスが、それぞれ空気室１８と燃料室１９に入ると、それらが空気極１６と電解質２と燃料極１７を介して反応を起こすため、空気極１６を正極、燃料極１７を負極とする直流の電気エネルギが発生する。なお、燃料電池セル３ａ内で電気エネルギが発生する原理は周知であるため説明を省略する。

次に、発電後の残余の空気は、図９において空気室１８の左側の空気排気部２９に流れて図３の空気用のガス排出路１１に流れる。そして、このガス排出路１１に入った未反応の空気が、補助器４の締結部１１０から連絡部材１１０ａを通って残余空気導入口３２から第一層４１に流入する。

一方、発電後の残余の燃料ガスは、図１０において燃料室１９の下側の燃料排気部３１から燃料用のガス排出路１３に流れる。そうして燃料用のガス排出路１３に入った未反応の燃料ガスが、補助器４の締結部１３０から変位吸収部１３１を通って残余燃料導入口３３から第一層４１に流入し、ここで前記した未反応の空気と混ざって燃焼し、さらに第二層４２の燃焼領域３５を通り第三層４３に入ってさらに燃焼し、最終的に排気筒３８から外部に排出される。

以上のように実施形態の燃料電池１は、燃料電池スタック３と補助器４が作動中常に加熱されて高温になり、しかも熱源である補助器４の方がより高温になる。したがって燃料電池スタック３より補助器４の方が大きく熱膨張する。そして、その熱膨張差は、燃料電池スタック３と補助器４の連結ポイントである空気用のガス供給路１０、同ガス排出路１１、燃料用のガス供給路１２、同ガス排出路１３の４点で燃料電池スタック３と締結部１００，１１０，１２０，１３０の間にｘｙ軸方向のズレを生じさせる力として作用する。
しかし、実施形態の燃料電池１は、空気用のガス排出路１１の締結部１１０を補助器４に固定すると共に他の締結部１００，１２０，１３０を変位吸収部１０１，１２１，１３１を介して補助器４に取り付けたため、前記のような熱膨張差をそれぞれの撓みで、すなわち締結部１００の変位吸収部１０１は湾曲アームのさらなる曲がりで、また、締結部１２０，１３０は補助器側軸部１２１ａ，１３１ａと締結部側軸部１２１ｂ，１３１ｂの捩れもしくは撓みによる変形でそれぞれ吸収する。なお、補助器４に固定した締結部１１０は、他の締結部１００，１２０，１３０の変位吸収部１０１，１２１，１３１が撓むことによって相対的に熱膨張差が吸収される。

以上本発明を実施の形態について説明したが、もちろん本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、実施形態では、締結部１００，１１０，１２０，１３０の中から締結部１１０を選択して補助器４の側面４ｃに固定的に取り付けるようにしたが、他の締結部１００，１２０，１３０の中から選択した一つを補助器４に固定するようにしてもよい。なお、補助器４に固定的な締結部は、補助器４に対してガス通路を工作することが容易であるため、例えば空気用のガス供給路１０の締結部１００ように補助器４に直結するガス通路を設ける必要のないものを選択するより、燃料用のガス供給路１２やガス排出路１１，１３の締結部１１０，１２０，１３０のように補助器４に直結するガス通路を設ける要望のあるものを選択した方がコスト面で有利である。
また、実施形態では選択した一つの締結部１１０を補助器４に固定したが、図１３に示したように、全ての締結部１００，１１０，１２０，１３０に対して変位吸収部１０１，１１１，１２１，１３１を設けるようにしてもよい。なお、図示した変位吸収部１１１は、変位吸収部１３１と同じ構造である。

また、実施形態では、燃料電池スタック３の下の端面側にのみ補助器４を設けたが、例えば図１４に示したように、燃料電池スタック３の両方の端面に補助器４，４を設けるようにしてもよい。この場合、上下の補助器４，４でガス供給路１０，１２とガス排出路１１，１３が共有されるため、空気と燃料ガスは、ガス供給路１０，１２の上下二方向から燃料電池スタック３に供給され、また、燃料電池スタック３で発生した未反応の空気と未反応の燃料ガスは、ガス排出路１１，１３から上下方向に分かれて排出される。このように燃料電池スタック３の両方の端面に補助器４，４を設けて燃焼させることで、全体を均等に加熱することが可能になる。

また、実施形態では、補助器４に燃焼機能と燃料ガスの改質機能を備えさせるようにしたが、補助器４には少なくとも燃焼機能が備わっていればよい。特に、上記のように燃料電池スタック３の両方の端面に二つの補助器４，４を設けた場合には、そのうちの一方の補助器４に燃焼機能のみを備えさせるようにするとよい。

また、実施形態では変位吸収部１２１，１３１の補助器側軸部１２１ａ，１３１ａと締結部側軸部１２１ｂ，１３１ｂをＵ字状の連絡部１２１ｃ，１３１ｃで連結したが、斯かる連絡部１２１ｃ，１３１ｃを、図示しないが例えば直方体のボックス状にしてそこに補助器側軸部１２１ａ，１３１ａと締結部側軸部１２１ｂ，１３１ｂを連結するようにしてもよい。そうした場合には、変位吸収部１２１，１３１の高さを抑制することができるため、補助器４のコンパクト化に効果がある。

また、実施形態では第１締め部材５，６と第２締め部材７，８の外側にガス供給路１０，１２とガス排出路１１，１３を形成したが、第１締め部材５，６を構成するボルトＢや、第２締め部材７，８を構成するボルトＢに軸方向の通路孔を設けて、第１締め部材５，６と第２締め部材７，８の内側にガス供給路１０，１２とガス排出路１１，１３をそれぞれ形成するようにしてもよい。

また、実施形態では、未反応の空気と未反応の燃料ガスを補助器４で混合して燃焼させるようにしたが、未反応の燃料ガスのみを補助器４に供給し、その燃料ガスに別途空気を供給・混合して補助器４で燃焼させるようにしてもよい。

また、実施形態では、締結部を４つ設けるようにしたが、例えば補助器４を六角柱形にして締結部を６つ設けたり、或は補助器４を円柱形にしてその周面に締結部を所望数設けるようにするなど、締結部の個数は限定されない。もちろん締結部の個数を幾つに設定しても、補助器４の側面に一つの締結部を固定的に取り付けて残り全部の締結部について変位吸収部を介在させるか、或は全ての締結部について変位吸収部を介在させる構成は必須である。

１ …燃料電池
３ …燃料電池スタック
３ａ …燃料電池セル
４ …補助器
４ａ〜４ｄ …側面
４ｅ …上面
４ｆ …下面
５，６ …第１締め部材
７，８ …第２締め部材
１０，１２ …ガス供給路
１１，１３ …ガス排出路
１００，１１０，１２０，１３０ …締結部
１０１，１１１，１２１，１３１ …変位吸収部
１２１ａ，１３１ａ …補助器側軸部
１２１ｂ，１３１ｂ …締結部側軸部
１２１ｃ，１３１ｃ …連絡部
Ｇ …ガスシール部材

Claims

燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタックと、
上面と下面と側面を有し、前記燃料電池スタックの少なくとも一方の端面側に配置されて、少なくとも該燃料電池スタックから排出される未反応ガスを燃焼させる補助器と、
該補助器の前記側面に配置され、前記燃料電池スタックと該補助器とを結合する複数の締結部と、
前記燃料電池スタックと前記補助器の前記締結部との間にガスシール部材を挟んで共締めしてこの両者を積層方向に連結する複数の第１締め部材と、
前記燃料電池スタックと前記補助器の締結部との間にガスシール部材を挟んで共締めしてこの両者を積層方向に連結する複数の第２締め部材と、
前記燃料電池スタックを積層方向に貫くと共に前記第１締め部材の内側又は外側に形成されたガス供給路と、
前記燃料電池スタックを積層方向に貫くと共に前記第２締め部材の内側又は外側に形成されたガス排出路と、を有し、
前記補助器の前記締結部の何れか一つを選択したとき、その一つの締結部以外の全ての締結部は、前記側面に変位吸収部を介して取り付けられていることを特徴とする燃料電池。
前記締結部のうちの前記で選択した一つの該締結部は、前記補助器の前記側面に固定的に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記締結部のうちの前記で選択した一つの該締結部は、前記補助器の前記側面に変位吸収部を介して取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記補助器の上面と、前記締結部の上面とを略同一平面上に揃えて配置するようにしたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料電池。
前記変位吸収部は、
前記補助器側に連結された上下方向の補助器側軸部と、
前記締結部に連結された上下方向の締結部側軸部と、
該締結部側軸部と補助器側軸部とを連結する連絡部と、を備えており、
加熱に伴う補助器と燃料電池スタック間に発生する熱膨張差を、主として前記補助器側軸部と前記締結部側軸部の捩れもしくは撓みによる変形で吸収し得るようにしてなることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の燃料電池。