WO2006077762A1

WO2006077762A1 - 平板積層型燃料電池および燃料電池スタック

Info

Publication number: WO2006077762A1
Application number: PCT/JP2006/300266
Authority: WO
Inventors: Naoya Murakami; Takafumi Kotani; Norikazu Komada
Original assignee: Mitsubishi Materials Corporation; The Kansai Electric Power Co., Inc.
Priority date: 2005-01-19
Filing date: 2006-01-12
Publication date: 2006-07-27
Also published as: EP1855338A4; US20110151348A1; EP1855338A1

Abstract

　本発明は、発電セル（５）とセパレータ（８）を交互に積層すると共に、この積層体を積層方向より加重して各構成要素を圧接させて成る内部マニホールド構造の平板積層型燃料電池において、セパレータ（８）のマニホールド部分（８ａ）と発電セル（５）が位置する部分（８ｃ）とを繋ぐ連絡部分（８ｂ）に荷重に対する可撓性を持たせることを特徴としている。これにより、燃料電池スタックにおける発電部分の密着性とマニホールド部分のガスシール性の両立を図ることができる。また、本発明においては、各セパレータ（１０８）に積層方向に貫通する複数の通孔（１２２）を設け、これら通孔（１２２）に運転時の熱歪みによるセパレータ（１０８）の面方向の動きを規制する固定ロッド（１２３）を挿通する。これにより、発電時の高温雰囲気下において熱歪みにより生じるセパレータの平面方向の動きを規制し、発電セルの破損を防止することができる。

Description

明細書

平板積層型燃料電池および燃料電池スタック

技術分野

[0001] 本発明は、平板積層型燃料電池に関し、詳しくは、積層体の各発電部分の密着性とマ-ホールド部分のガスシール性を両立させた平板積層型燃料電池に関するものである。さらに、本発明は、燃料電池スタックに関し、特に、運転時 (発電時)の高温雰囲気下において熱歪みにより生じるセパレータの平面方向の動きを防止するための固定構造に関するものである。

背景技術

[0002] 近年、燃料の有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する燃料電池は高効率でクリーンな発電装置として注目されている。この燃料電池は、酸化物ィォン導電体から成る固体電解質層を両側から空気極層 (力ソード)と燃料極層（アノード )で挟み込んだ積層構造を有する。

[0003] 発電時、反応用ガスとして空気極層側に酸化剤ガス (酸素）力また燃料極層側に燃料ガス (H、 CO、 CH等）が供給される。空気極層と燃料極層は、反応用ガスが

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固体電解質層との界面に到達することができるよう、何れも多孔質の層とされてヽる。

[0004] 発電セル内において、空気極層側に供給された酸素は、空気極層内の気孔を通つて固体電解質層との界面近傍に到達し、この部分で空気極層から電子を受け取って酸ィ匕物イオン (O²—)にイオンィ匕される。この酸ィ匕物イオンは、燃料極層に向力つて固体電解質層内を拡散移動する。燃料極層との界面近傍に到達した酸ィ匕物イオンは、この部分で、燃料ガスと反応して反応生成物 (H 0、 CO等）を生じ、燃料極層に電

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子を放出する。尚、電極反応で生じた電子は、別ルートの外部負荷にて起電力として取り出すことができる。

[0005] 平板積層型燃料電池は、これら発電セルとセパレータを交互に多数積層してスタツク化すると共に、その両端より積層方向に荷重を掛けてスタックの各構成要素を相互に圧接'密着させることにより構成される。

上記セパレータは、発電セル間を電気的に接続すると同時に発電セルに対して反応用ガスを供給する機能を有し、その内部に、燃料ガスを燃料極層側に誘導する燃料ガス通路と、酸化剤ガスを空気極層側に誘導する酸化剤ガス通路とを備える。このような平板積層型の燃料電池は、例えば、特許文献 1に開示されている。

[0006] 外部反応用ガスをセパレータに供給するためのガス導入機構として、特許文献 1に開示されるような、燃料電池スタックの外周に外部マ-ホールドを設け、多数の接続管を介して各セパレータに各ガスを供給する構造と、図 7に示されるような、厚さ数 m mのステンレス板等で構成される各セパレータ 8の周縁部にガス孔 13、 14を設け、このガス孔から各ガス通路 11、 12を通して各発電セルの各電極面に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するようにした内部マ-ホールド構造とが知られてヽる。

尚、内部マ-ホールドでは、図 3に示すように、上下に積層されるセパレータ 8のガス孔同士は、各セパレータ間に介在されたリング状の絶縁性ガスケット 15、 16によつて連通される。

[0007] ところで、平板積層型燃料電池は、複数の発電要素を積層して構成される発電セルを、更にセパレータ等の導電部材を介して多数積層した構造であるから、安定した電池性能を確保するために構成要素相互の優れた密着性が要求される。特に、内部マ-ホールドの場合は、各構成要素の密着性に加え、ガスケット部分のガスシール性も要求される。

このため、平板積層型燃料電池の場合は、スタック組立後にその両端より積層方向に荷重を掛けて各構成要素を圧接させる構造と成されており、例えば、特許文献 1では、スタック上下端に配した締付板をボルトにて締め付けすることにより積層体を一括して加重している。

[0008] ところが、特に、内部マ-ホールド構造では、スタック中央の発電部分とスタック縁部のマ-ホールド部分とで積層される構成要素が異なるため、マ-ホールド部分と発電部分を締付板を用いて上下より締め付けると、剛性の高いセパレータ板をもってその縁部と中央部が同じ変位量で締め付けられることから、双方の高さの違いに起因して各部の締め付けが不十分となり、各構成要素の密着性が損なわれるという問題がある。

この結果、発電部分では密着不良により電気的な接触抵抗が増大し、発電性能や発電効率の低下を招くことになり、また、マ-ホールド部分では、ガスケットとガス孔のシール性が低下し、ガス漏れによる発電性能の低下を招くことになる。

[0009] 尚、過大な締め付けは各構成要素の高温クリープを促進し、発電セルの破損を招く恐れがあるため、スタックの締め付けは、発電部分の電気的な接触性とマ-ホールド部分のガスシール性を確保するのに十分で、且つ、最小にするのが好ましい。

[0010] このような積層型の燃料電池は、例えば、特許文献 2にも開示されて、る。特許文献 2には、燃料電池セルがセパレータを介して水平方向に積層された、車両（自動車車体)搭載用の燃料電池スタックが記載されてヽる。当燃料電池スタックは横置きにして使用するため、車両運転時の振動や衝撃によって燃料電池セルゃセパレータがずれたり開、たりしな!、よう、積層体の積層方向に設けた固定用のロッドにより固定されている。

[0011] ところで、既述したように、平板積層型の燃料電池は、複数の発電要素を積層して構成される発電セルを、更にセパレータ等の導電部材を介して多数積層した構造であるから、安定した電池性能を確保するため構成要素相互の優れた密着性が要求される。このため、通常はスタック組立後にその両端より積層方向に荷重を掛けて各構成要素を圧接させる構造が採用されており、例えば、スタック上下端に締付板を配し、上下締付板をボルト'ナットにて両端より締め付けすることにより積層体を一括して加重している。

[0012] ところが、このような荷重構造では、発電中の高温雰囲気下において、セパレータの熱膨率にも依るが、特に金属製セパレータの場合は、セパレータ自体が熱歪みにより面方向に変位し易く、これに圧接 ·挟持される発電セルに面方向の応力が作用して発電セルが破損 (割れ)すると!/、う問題が有った。

特許文献 1 :特開 2004— 55195号公報

特許文献 2：特開 2002— 56882号公報

発明の開示

[0013] 本発明の第 1の目的は、燃料電池スタックにおける発電部分の密着性とマ-ホールド部分のガスシール性の向上を図った平板積層型燃料電池を提供することである。本発明の第 2の目的は、発電時の高温雰囲気下において熱歪みにより生じるセパレータの平面方向の動きを規制することにより、熱応力による発電セルの破損を防止した信頼性の高い燃料電池スタックを提供することである。

[0014] [本発明の第 1の態様]

上記第 1の目的を達成するため、本発明の第 1の態様に係る高温型の平板積層型燃料電池は、発電セルと反応用ガスの通路を備えたセパレータを交互に積層すると共に、各セパレータのガス通路に連通して積層体内を積層方向に貫通する反応ガス導入用の内部マ-ホールドを設け、且つ、前記積層体を積層方向より加重して各構成要素を圧接して成る平板積層型燃料電池にぉヽて、前記セパレータのマ-ホールド部分と発電セルが位置する部分とを繋ぐ連絡部分に前記荷重に対する可撓性を持たせたことを特徴として、る。

[0015] 上記高温型の平板積層型燃料電池においては、前記連絡部分の少なくとも一部を幅狭，肉薄とすること、若しくは前記連絡部分をセパレータの周縁に沿う細長帯状とすることが望ましい。そして、前記連絡部分には、断熱材または断熱塗料を施すことが好ましい。

[0016] さらに、上記高温型の平板積層型燃料電池においては、前記セパレータのマ-ホ一ルド部分と発電セルが位置する部分を前記積層体の両端より個々に加重することが好ましい。

[0017] ここで、高温型の平板積層型燃料電池とは、作動温度が 500°C以上、より具体的には、 500〜1200°Cの燃料電池を云う。上記構成の高温型の平板積層型燃料電池では、セパレータに掛力る荷重をマ-ホールド部分と発電セルが位置する部分とに分離することができ、これにより、マ-ホールド部分と発電セルの位置する部分の高さのノラツキ等を吸収して双方を確実に加重することができる。その結果、積層体を構成する各発電要素相互の密着性とマ-ホールド部分のガスシール性が向上し、発電性能および発電効率の向上が図れる。

[0018] また、断熱材や断熱塗料により連絡部分を断熱処理することにより、マ-ホールドからの反応用ガスがこの連絡部分を通過する間に加熱、または冷却されるのを抑制でき、よって、反応用ガスはマ-ホールド内に導入された好適温度の状態で発電セルに供給されることになり、これにより、発電セル部分の温度が安定し、各発電要素の密着性は向上する。

[0019] また、セパレータのマ-ホールド部分と発電セルが位置する部分を積層体の両端より個々に加重することにより、マ-ホールド部分と発電セルの位置する部分のそれぞれに最適な荷重を掛けることができ、その結果、積層体を構成する各発電要素の密着性とマ-ホールド部分のガスシール性がより一層向上する。

[0020] 以上説明したように、本発明の第 1の態様に係る高温型の平板積層型燃料電池によれば、セパレータのマ-ホールド部分と発電セルが位置する部分を繋ぐ連絡部分に荷重に対する可撓性を持たせたので、セパレータに掛力る荷重をマ-ホールド部分と発電セルが位置する部分とに分けることができ、これにより、マ-ホールド部分と発電セルの位置する部分の高さのバラツキ等を吸収して双方を好適荷重にて締め付けることができる。

その結果、各発電部分の密着性とマ-ホールド部分のガスシール性が向上し、発電性能と発電効率の向上が図れる。

[0021] [本発明の第 2の態様]

上記第 2の目的を達成するため、本発明の第 2の態様に係る燃料電池スタックは、発電セルとセパレータを交互に積層すると共に、この積層体を積層方向より加重して構成した平板積層型の燃料電池スタックにおいて、前記各セパレータに積層方向に貫通する複数の通孔を設け、これら通孔に運転時の熱歪みによる前記セパレータの面方向の動きを規制する固定ロッドを挿通したことを特徴としている。

[0022] この燃料電池スタックにおいて、前記発電セルとセパレータとは、例えば垂直方向に積層されている。この燃料電池スタックにおいて、前記固定ロッドの熱膨張率は、前記セパレータの熱膨張率に比べて小さいことが望ましい。また、前記固定ロッドの材料としては、アルミナまたはシリカを用いることが望ましい。

[0023] 本発明の第 2の態様に係る燃料電池スタックによれば、多数積層されたセパレータの各々に固定ロッドを揷通して熱歪みによるセパレータの面方向の動きを規制したので、発電中の高温雰囲気下において、各セパレータ間に圧接'挟持される発電セルに熱応力が加わらなくすることができ、これにより、発電セルの破損が防止できる。図面の簡単な説明 [0024] [図 1A]図 1Aは、本発明が適用された平板積層型固体酸化物形燃料電池の構成を示す上面図である。

[図 1B]図 1Bは、図 1Aの平板積層型固体酸化物形燃料電池の側面図である。

[図 2]図 2は、本発明に係るセパレータの構造を示す図である。

[図 3]図 3は、本発明に係る単セルの構成を示す図である。

[図 4]図 4は、本発明に係る図 2とは別のセパレータの構造を示す図である。

[図 5A]図 5Aは、本発明が適用された燃料電池スタックの構成を示す平面図である。

[図 5B]図 5Bは、図 5Aの燃料電池スタックの側面図である。

[図 6]図 5Bの A— A矢視図である。

[図 7]図 7は、従来のセパレータの構造を示す図である。

符号の説明

[0025] 1 積層体 (燃料電池スタック）

5 発電セル

8 セノレータ

8a マ-ホールド部分

8b 連絡部分

8c 発電セルが位置する部分

11、 12 ガス通路 (燃料ガス通路、酸化剤ガス通路）

101 燃料電池スタック（固体酸化物形燃料電池）

105 発電セル

108 セパレータ

122 通孔

123 固定ロッド

発明を実施するための最良の形態

[0026] [第 1実施形態]

以下、図面に基づいて本発明の第 1実施形態を説明する。

図 1Aおよび図 1Bは本発明が適用された高温型の平板積層型固体酸化物形燃料電池の構成を示し、図 2は本発明に係るセパレータの構造を示し、図 3は本発明に係る単セルの構成を示して、る。

ここで、高温型の平板積層型固体酸化物形燃料電池とは、作動温度が 500°C以上、より具体的には、 500〜1200。Cの燃料電池を言う。

[0027] 図 3に示すように、単セル 10は、固体電解質層 2の両面に燃料極層 3と空気極層 4 を配した発電セル 5と、燃料極層 3の外側に配した燃料極集電体 6と、空気極層 4の外側に配した空気極集電体 7と、各集電体 6、 7の外側に配したセパレータ 8とで構成されている。

[0028] これら発電要素の内、固体電解質層 2はイットリアを添加した安定ィ匕ジルコユア (YS Z)等で構成され、燃料極層 3は Ni、 Co等の金属あるいは Ni— YSZ、 Co— YSZ等のサーメットで構成され、空気極層 4は LaMnO、 LaCoO等で構成され、燃料極集

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電体 6は Ni基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体 7は Ag基合金等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、セパレータ 8はステンレス等で構成されている。

[0029] 上記セパレータ 8は、厚さ 2〜3mmのステンレス板で構成され、発電セル 5間を電気的に接続すると共に、発電セル 5に対して反応用ガスを供給する機能を有し、その内部に燃料ガスをセパレータ 8の縁部カゝら導入してセパレータ 8の燃料極集電体 6に対向する面のほぼ中央部 11aから吐出する燃料ガス通路 11と、酸化剤ガスをセパレータ 8の縁部力導入してセパレータ 8の空気極集電体 7に対向する面のほぼ中央 1 2aから吐出する酸化剤ガス通路 12を有する。

[0030] また、セパレータ 8の左右縁部には、板厚方向に貫通する一対のガス孔 13、 14が設けてあり、一方のガス孔 13は燃料ガス通路 11に、他方のガス孔 14は酸化剤ガス通路 12に連通し、各々のガス孔 13、 14からこれらのガス通路 11、 12を通して各発電セル 5の各電極面に燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されるようなって、る。尚、上下に積層されるセパレータ 8のガス孔同士は、それぞれリング状の絶縁性ガスケッ卜 15、 16【こて連結されて!ヽる。

[0031] 本実施形態のセパレータは、例えば、図 2に示すように、左右のマ-ホールド部分 8 a、 8aと中央の発電セル 5が位置する部分 8cとを繋ぐ連絡部分 8b、 8bを肉薄.幅狭として積層方向の加重に対してある程度の可撓性を持たせた構造として、スタック組立後にセパレータ 8に掛力る荷重をマ-ホールド部分 8aと発電セル 5が位置する部分 8 cとに分離させるようにしたもので、この点が図 7に示した全体的に高い剛性を有する従来型と相違している。

[0032] 連絡部分に可撓性を持たせることにより、構成要素の積層'組立で生じる周縁のマ二ホールド部分 8aと中央の発電セル 5の位置する部分の高さバラツキ等を吸収して各部 8a、 8cが個々に確実な状態で加重されるようになる。即ち、上記した各部分 8a 、 8cは相互に影響を及ぼすことなく個々に加重される。

その結果、好適荷重により、積層体を構成する各発電要素の密着性とガスケット部分のガスシール性が向上し、発電性能および発電効率の向上が図れる。

[0033] 上記構成の単セル 10を、間にガスケット 15、 16を介在して順次積層していくことにより、図 1Aおよび図 1Bに示す平板積層型の燃料電池スタック 1が構成される。この燃料電池スタック 1の上下両端に締付板 20aと締付板 20bが配設されている。

上締付板 20aはドーナツ状を成し、この締付板 20aをスタックの上端部に配置すると、中央部の孔 23よりセパレータ 8の中央部分、即ち、発電セルが位置する部分 8c が露出するようになっている。一方、下締付板 20bは円板状を成し、スタックの底部を下方より支持する。

[0034] 燃料電池スタック 1は、図 1Aおよび図 1Bに示すように、スタック上下両端に締付板 20a、 20bを配してその周縁部がボルト 21にて締め付けされ、その強力な締め付け荷重により、主にスタック各層のマ-ホールド部分 8a、 8aにおいて、セパレータ 8のガス孔 13、 14と各ガスケット 15、 16を機械的に密着 '接合させる。締め付け荷重により、各々のガスケット 15、 16がそれぞれセパレータ 8の各ガス孔 13、 14を介して積層方向に連結されることにより、スタック内部を積層方向に延びる燃料ガス用の管状マ二ホールドと酸化剤ガス用の管状マ-ホールドの 2系統が形成される。

尚、発電時、各管状マ-ホールドには、外部から供給される燃料ガスと酸化剤ガスが流通し、各ガスが各セパレータ 8のガス孔 13、 14より各ガス通路を介して各発電セル 5の各電極面に分配 ·誘導される。

[0035] また、上締付板 20aの中央部（孔 23の部分）には、縁部材 24を介在して錘 22が配設されており、この錘 22による積層方向の荷重によりセパレータ 8の中央部分 8cが押圧されることにより、単セル 10を構成する複数の発電要素が相互に密着させられて一体的に固定される。

尚、セパレータ 8間に介在されている燃料極集電体 6と空気極集電体 7はスポンジ状の多孔質焼結金属とされるから、錘 22の荷重でこれらスポンジ状部材が弾性変形し、上下セパレータ 8の間にある程度の弾力を持って圧接'挟持された状態となっている。

このため、錘 22による発電部分の荷重は、上記したボルト 21によるマ-ホールド部分 8aの強力な締め付け荷重に比べて極端に少なくしても発電要素間に良好な電気的接触性が得られることになり、荷重による各発電要素のダメージを極力軽減できる

[0036] このように、本発明の燃料電池スタック 1では、セパレータ 8のマ-ホールド部分 8a と発電セル 5の位置する部分 8cのそれぞれに他の部分に影響を与えずに最適荷重を掛け得る構造としている。この結果、スタックを構成する各発電要素の密着性とマ- ホールド部分 8aのガスシール性をより一層向上した状態で両立させることが可能となる。

[0037] このような加重構造は、セパレータ 8に設けた連絡部分 8bの奏する可撓性により可能となるものであり、実施形態の燃料電池スタック 1では、図 1Aに示すような連絡部分 8bを細長帯状としたセパレータ 8を用いて、る。

当セパレータ 8も、マ-ホールド部分 8aと発電セル 5が位置する部分 8cとの連絡部分 8bに荷重に対する可撓性を持たせた点は図 2のセパレータ 8の場合と同様である力本実施形態で連絡部分 8bをセパレータ 8に沿う細長帯状とすることにより、図 2のように連絡部分 8bの肉厚を他の部分より薄くしなくとも優れた可撓性が得られること、セパレータ 8自体をコンパタトに纏められること等のメリットを有する。

[0038] 尚、燃料電池スタック 1に掛ける積層方向の荷重は、例えば、 500〜1200°Cの温度雰囲気下における構成要素のクリープ等を考慮して各発電要素の電気的接触性とガスケットのシール性を確保可能な必要最小限に設定することが好ましぐ本実施形態では、縁部のマ-ホールド部分 8aは数百 kgf程度に、中央部の発電部分 8cは数 kgf程度の荷重が設定されて、る。 [0039] また、図 1A、図 2において、セパレータ 8の連絡部分 8bの表面に図示しない断熱材ゃ断熱塗料を用いた断熱処理を施すこともできる。連絡部分 8bに断熱処理を施すことにより、各マ-ホールド力もの反応用ガスがこの連絡部分 8bを流通 ·通過する間に加熱、または冷却されるのを抑制でき、よって、反応用ガスはマ-ホールド内に導入された好適温度の状態でマ-ホールド部分 8aより発電セル 5に供給されることになり、これにより、発電セル部分 8cの温度が安定し、各発電要素の密着性は向上する。

[0040] 以上、本実施形態では円板状のセパレータ 8を用いた力セパレータ 8の形状はこれに限定されるものではなぐ例えば、図 4に示すような四角形状のセパレータ 8としても勿論構わない。本構成においても、図 1Aと同様に、マ-ホールド部分 8aと発電セル 5が位置する部分 8cとの連絡部分 8bを細長帯状として荷重に対する可撓性を持たせている。当連絡部分 8bにおいても、上記した断熱処理を施すことは勿論可能である。

[0041] 尚、図 4において、セパレータ 8内部には、反応用ガスが流通する燃料ガス通路 11 と酸化剤ガス通路 12がそれぞれ渦巻状に、且つ、それぞれが交差しないように入れ子状態に形成されている。従って、セパレータ 8内に導入された反応用ガスは渦巻状に形成された各ガス通路 11、 12を通してセパレータ 8内部の全域に流通する過程でセパレータ 8と効率良く熱交換し、セパレータ 8は面方向の全域に亘つて均一に加熱される。よって、発電セル部分 8cの温度はより安定し、各発電要素の密着性はより向上する。

[0042] [第 2実施形態]

以下、図面に基づいて本発明の第 2実施形態を説明する。

図 5Aおよび図 5Bは本発明が適用された平板積層型の固体酸化物形燃料電池（燃料電池スタック）の構成を示し、図 6は図 5Bの A— A矢視である。

[0043] 図 5Bに示すように、単セル 110は、第 1実施形態と同様、固体電解質層 102の両面に燃料極層 103と空気極層 104を配した円状の発電セル 105と、燃料極層 103の外側に配した燃料極集電体 106と、空気極層 104の外側に配した空気極集電体 10 7と、各集電体 106、 107の外側に配したセパレータ 108とで構成されている。 [0044] これら発電要素の内、固体電解質層 102はイットリアを添加した安定ィ匕ジルコ-ァ（ YSZ)等で構成され、燃料極層 103は Ni等の金属、あるいは Ni— YSZ等のサーメットで構成され、空気極層 104は LaMnO、 LaCoO等で構成され、燃料極集電体 10

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6は Ni等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成され、空気極集電体 107は Ag等のスポンジ状の多孔質焼結金属板で構成されて、る。

[0045] セパレータ 108は、図 6に示すように、四角形のステンレス板で構成され、その中央部に配した発電セル 105間を電気的に接続すると共に、発電セル 105に対して反応用ガスを供給する機能を有し、内部に燃料ガスが流通する燃料ガス通路 111と、酸ィ匕剤ガスが流通する酸化剤ガス通路 112とを備えて、る。

[0046] セパレータ 108の一対角線上の角部に板厚方向に貫通する一対のガス孔 113、 1 14が設けてあり、一方のガス孔 113は上記燃料ガス通路 111に連通し、他方のガス孔 114は酸化剤ガス通路 112に連通している。各ガス孔 113、 114力、これらのガス通路 111、 112を通してガス吐出口 l l la、 112aより各発電セル 105の各電極面に燃料ガスおよび酸化剤ガスが吐出'供給されることによって発電セル 105の各電極にお!/ヽて発電反応が生じる。

尚、上下に積層されるセパレータ 108のガス孔同士は、それぞれリング状の絶縁性ガスケット 115、 116にて連結される。

[0047] また、本実施形態のセパレータ 108は、図 6に示すように、左右端部のガス孔 113、 114部分と中央の発電セル 105が位置する部分とを繋ぐ連絡部分 108a、 108aを細長帯状として後述する荷重に対する可撓性を持たせた構造としており、これにより、構成要素の積層 ·組立で生じるセパレータ周縁部分と中央部分の高さバラツキ等を吸収して全面が均等に加重されるようにして積層体を構成する各発電要素の密着性とガスケット部分のガスシール性を向上して、る。

[0048] 図 6に示す燃料電池スタック 101は、上記構成の単セル 110を、間にガスケット 115 、 116を介在して多数積層すると共に、その上下両端にステンレス製の角板で成る締付板 120、 120を配して周縁部の 4箇所をボルト'ナット 121a、 121bにて締め付けし、その締め付け荷重によって各構成要素を一体的に密着させた構造としている。また、締め付け荷重により、各々のガスケット 115、 116がそれぞれセパレータ 108の各ガス孔 113、 114を介して積層方向に連結されることにより、スタック内部を積層方向に延びる燃料ガス導入用の管状マ-ホールドと酸化剤ガス導入用の管状マ-ホールドの 2系統が形成される。

[0049] ところで、既述したように、上記構成のような平板積層型の燃料電池スタックでは、発電時に発電セル内に発生するジュール熱等によりセパレータ 108に熱歪みが生じると、その面方向の変位により発電セル 105に水平方向の応力が作用して発電セル 105が破損するという問題が有った。

[0050] そこで、本発明では、図 5A、図 5B、図 6に示すように、上下両端の締付板 120、 12 0、および、これら締付板 120、 120に挟持される複数のセパレータ 108の各々にそれぞれ通孔 122を設けると共に、これら通孔 122に固定ロッド 123を積層体の積層方向（垂直方向）に揷通し、この固定ロッド 123により熱歪みによるセパレータの面方向の動きを規制することにより、熱応力による上記発電セル 105の破損を防止するようにした。

[0051] 本実施形態では、セパレータ 108面上の発電セル 105が位置する部分を囲むように、その外周近傍に、且つ対角線状に 4箇所通孔 122を設けて固定ロッド 123を挿通している。因みに、通孔 122の孔径は 3. 5 φ、これに揷通される固定ロッド 123の外径は 3 φとしている。

[0052] これら固定ロッド 123は、上端締付板 120の通孔 122より挿通され、その下端部が下端締付板 120において支持されている。従って、全ての固定ロッド 123は、各通孔 122に遊嵌された状態となっており、積層体の積層方向への加重には何等寄与しておらず、単にセパレータ 108の面方向の動きのみを規制している。

[0053] また、固定ロッド 123の材料としては、絶縁性、高耐熱性を有し、且つ、セパレータ 1 08の材料 (ステンレス)より熱膨張率の小さい、例えば、アルミナ、またはシリカ等を用いている。

固定ロッド 123の熱膨張率をセパレータ 108の熱膨張率より小さくしたのは、発電中に固定ロッド 123の熱歪みがセパレータ 108に与える機械的影響を無くすためであり、固定ロッド 123を絶縁性ロッドとしたのは、各々セパレータ同士がこの固定ロッド 123により短絡されるのを回避するためである。 [0054] 尚、通孔 122の数は、上述した平面方向の 4箇所に限るものではなぐ少なくとも 3 箇所以上設けてあれば良ぐセパレータ 108の平面方向の動きは確実に規制できる。特に、 3箇所に設ける場合は、発電セル 105が位置する部分を囲むようにその外周近傍に等間隔 (正三角形状）に配設されることが望ましい。

[0055] 以上、固定ロッド 123を用いた燃料電池スタック 101の固定構造によれば、多数積層されたセパレータ 108の各々に固定ロッド 123を揷通して発電の熱歪みによるセパレータ 108変位、すなわち、面方向の動きを規制するようにしたので、発電時の高温雰囲気下において、各セパレータ 108間に圧接'挟持される発電セル 105に面方向の熱応力を加わらなくすることができ、発電セル 105の破損が防止できる。これにより、発電セル 105の寿命が向上し、安定した発電性能が得られる信頼性の高い燃料電池スタック 101が実現できる。

産業上の利用可能性

[0056] 以上のように、本発明によれば、燃料電池スタックにおける発電部分の密着性とマ二ホールド部分のガスシール性の向上を図ることができる。また、熱応力による発電セルの破損を防止して、信頼性の高、燃料電池スタックを提供することができる。

Claims

請求の範囲

[1] 発電セルと反応用ガスの通路を備えたセパレータを交互に積層すると共に、各セパレータのガス通路に連通して積層体内を積層方向に貫通する反応ガス導入用の内部マ-ホールドを設け、且つ、前記積層体を積層方向より加重して各構成要素を圧接して成る平板積層型燃料電池にお!ヽて、

前記セパレータのマ二ホールド部分と発電セルが位置する部分とを繋ぐ連絡部分に前記荷重に対する可撓性を持たせたことを特徴とする高温型の平板積層型燃料電池。

[2] 前記連絡部分の少なくとも一部を幅狭，肉薄としたことを特徴とする請求項 1に記載の高温型の平板積層型燃料電池。

[3] 前記連絡部分をセパレータの周縁に沿う細長帯状としたことを特徴とする請求項 1 に記載の高温型の平板積層型燃料電池。

[4] 前記連絡部分に断熱材または断熱塗料を施したことを特徴とする請求項 1に記載の高温型の平板積層型燃料電池。

[5] 前記セパレータのマ-ホールド部分と発電セルが位置する部分を前記積層体の両端より個々に加重することを特徴とする請求項 1に記載の高温型の平板積層型燃料電池。

[6] 前記各セパレータに積層方向に貫通する複数の通孔を設け、これら通孔に運転時の熱歪みによる前記セパレータの面方向の動きを規制する固定ロッドを挿通したことを特徴とする請求項 1に記載の高温型の平板積層型燃料電池。

[7] 発電セルとセパレータを交互に積層すると共に、この積層体を積層方向より加重して構成した平板積層型の燃料電池スタックにお、て、前記各セパレータに積層方向に貫通する複数の通孔を設け、これら通孔に運転時の熱歪みによる前記セパレータの面方向の動きを規制する固定ロッドを挿通したことを特徴とする燃料電池スタック。

[8] 前記発電セルとセパレータとが垂直方向に積層されて成ることを特徴とする請求項 7に記載の燃料電池スタック。

[9] 前記固定ロッドの熱膨張率は、前記セパレータの熱膨張率に比べて小さいことを特徴とする請求項 7に記載の燃料電池スタック。

[10] 前記固定ロッドの材料としてアルミナまたはシリカを用いたことを特徴とする請求項 7 に記載の燃料電池スタック。