WO2007049671A1

WO2007049671A1 - 燃料電池スタック構造体

Info

Publication number: WO2007049671A1
Application number: PCT/JP2006/321327
Authority: WO
Inventors: Keiko Kushibiki; Yasushi Nakajima; Shigeo Ibuka; Hirokazu Komatsu; Tatsuya Yaguchi
Original assignee: Nissan Motor Co., Ltd.
Priority date: 2005-10-28
Filing date: 2006-10-26
Publication date: 2007-05-03
Also published as: EP1942545B1; JP5087894B2; JP2007149645A; US20090233141A1; US8168346B2; EP1942545A1; EP1942545A4

Description

明細書

燃料電池スタック構造体

技術分野

[0001] 本発明は、複数の固体電解質型燃料電池を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。

背景技術

[0002] 従来、複数の固体電解質型燃料電池を積層して成る燃料電池スタック構造体としては、米国特許第 6344290号明細書により開示されているものや、特開 2002— 15 1106号公報により開示されて、るものがある。

発明の開示

[0003] 米国特許第 6344290号の燃料電池スタック構造体の場合、燃料ガス及び空気の両方のガスを、セル板及びセパレータ板の各中心部分力も供給して、外周部分から排出する。そのため、未燃焼ガスを回収することができない。その結果、過渡運転時などのガス流が変化する場合には、燃料利用率が低下して発電効率が落ちる。さらに、この場合には、外周部分での燃焼が不安定になることで単セルに局所的な熱応力が力かって破損してしまう恐れがある。

[0004] また、前記スタック構造体は、セル板及びセパレータ板を交互に積層して成る。そして、セル板とセパレータ板の間に、燃料ガス導入孔用のシール材と空気導入孔用のシール材とを一段おきに配置するようにしている。このため、互いに積層したセル板及びセパレータ板をボルトにより固定する際の加圧力を均等に伝えることができない

[0005] さらに、前記スタック構造体では、起動性及び過渡運転時などの応答性の向上や起動時の加熱に要するエネルギーを低減して起動停止を含む総合効率の向上を目的として、あるいは、スタックの積層密度を高めることによる出力密度の向上を目的として、セル板及びセパレータ板の各中心部分の板厚を薄くすることで低熱容量化を図ることがある。しかし、前記スタック構造体が昇降温を繰り返した場合、セル板及びセパレータ板の各中心部分とシール材との熱膨張率の違ヽに起因する熱応力によつてクリープ変形が生じやすい。このため、ガスシール性が低下したり、単セル部分にクラックなどの不具合が生じて耐久性及び耐熱衝撃性が低下したりしてしまう。

[0006] また、前記スタック構造体では、燃料ガス及び空気の両方をセル板及びセパレータ板の各中心部分力供給する。そのため、燃料ガス導入孔及び空気導入孔の形状を、気密性を保持するうえで最も適した円形孔とする必要があるうえ、燃料ガス導入孔及び空気導入孔を個別にシールする必要がある。従って、セル板全体に対する中心部分が占める面積の割合が大きくなつて、セル板の発電有効面積が小さくなると共に、シールする距離が長くなつてしまうという問題がある。

[0007] 一方、特開 2002— 151106号の燃料電池スタック構造体の場合、燃料電池が袋構造を成している。そのため、未燃焼ガスを回収することができる。このスタック構造体では、円形であるセル板とリング状であるセパレータ板力成る複数の燃料電池を、各々の外周側に配置した軸心方向のボルトにより固定する。このため、ガスシールが要求される燃料電池の中央流路部品周りを均等に締付けることが困難である。特に昇降温を頻繁に繰り返す運転条件下において、薄板状のセル板ゃセパレータ板が橈んでしま、、締め付け性が低下してしまうと!、う問題がある。

[0008] 詳述すれば、複数の燃料電池を積層して成る前記スタック構造体にぉ、て、起動停止時や過渡運転時などの昇降温を頻繁に繰り返す際には、燃料電池の中央流路部品周りにおけるガスシール性能の良否が非常に重要である。しかし、積層した複数の燃料電池を固定するボルトをその外周側に配置してヽる都合上、燃料電池の積層段数が多い場合には、均等に締付けることが難しい。特に、燃料電池を構成するセル板及びセパレータ板がいずれも薄板状を成しているときには、燃料電池の中心から遠、外周側でボルト締めを行つたとしても、燃料電池の中央流路部品周りを良好に締付けることができない。そして、このような外周側締付け構造のスタック構造体にあつては、昇降温を頻繁に繰り返す運転条件下において、この昇降温に伴う熱膨張によってセル板ゃセパレータ板が橈んでしま、、締め付け性の低下を招、てしてしまうという問題がある。

[0009] 本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、未燃焼ガスを回収することができるのは勿論のこと、起動停止時や過渡運転時などのスタック温度が頻繁に変動する条件においても、ガスシール性が劣化し難く高い信頼性を得ることができる燃料電池スタック構造体を提供することにある。さらに本発明の目的は、セル板及びセパレータ板の各板厚を薄くして低熱容量化を図りつつ耐熱衝撃性の向上をも実現することが可能であり、カロえて、出力密度を高めることができる燃料電池スタック構造体を提供することにある。

[0010] 本発明の態様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のセル板と、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全体を前記セル板の外周縁に接合させた円形状のセパレータ板と、前記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前記ガス導入孔及びガス排出孔と連通し、さらに前記セル板及びセパレータ板の少なくとも何れか一方にその外周縁に沿う段差を設けることで前記セル板及びセパレータ板の間に形成される空間内に、燃料ガス及び空気の何れか一方のみの供給及び排出を行う中央流路部品と、を具備した複数の固体電解質型燃料電池と、積層された前記固体電解質型燃料電池の各中心部分間に介在し、互いに対向する前記ガス導入孔同士及びガス排出孔同士を気密的に連通させるシール材と、積層された前記固体電解質型燃料電池の各中心部分を貫通するボルトと、を備え、複数の前記固体電解質型燃料電池は、いずれも向きを同じにして積層されており、積層された前記固体電解質型燃料電池の間を、燃料ガス及び空気の他方のみの流路として設定し、前記シール材を介在させつつ積層された前記固体電解質型燃料電池を、前記ボルトで締結して固定することを特徴とする。

図面の簡単な説明

[0011] [図 1]図 1は、本発明の燃料電池スタック構造体における一実施例を示す斜視図である。

[図 2]図 2は、図 1における燃料電池スタック構造体を示し、（a)は、図 1の A— A線に基づく断面図であり、 (b)は、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の中心部分における横断面図であり、（c)は、固体電解質型燃料電池の部分縦断面図である。

[図 3]図 3は、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の分解斜視図である。

[図 4]図 4は、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の単セルの配置パターンを示すセル板の平面図である。

[図 5]図 5は、図 1における燃料電池スタック構造体のシール材の他の配置例を示す、固体電解質型燃料電池の中心部分における横断面図である。

[図 6]図 6は、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の他の構成例を示す部分縦断面図である。

[図 7]図 7は、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の単セルの他の配置パターンを示すセル板の平面図である。

[図 8]図 8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、（a)は、図 1の A— A線に基づく断面図であり、 (b)は、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の中心部分における横断面図である。

[図 9]図 9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、（a)は、図 1の A— A線に基づく断面図であり、 (b)は、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の中心部分における横断面図である。

発明を実施するための最良の形態

[0012] 本発明の燃料電池スタック構造体 (以下、単にスタック構造体ともいう。 )は、複数の固体電解質型燃料電池 (以下、単に燃料電池ともいう。）をいずれも向きを同じにして積層することにより構成される。前記燃料電池は、セパレータ板と、セル板とを接合することにより構成される。前記セル板は円形状であり、さらに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。前記セパレータ板も円形状であり、さらに中心部分にガス導入孔及びガス排出孔を有する。前記セパレータ板の外周縁は、前記セル板の外周縁と接合されている。

[0013] さらに、前記セル板及びセパレータ板のうちの少なくとも何れか一方には、その外周縁に沿う段差が設けられており、この段差により前記セル板とセパレータ板との間に空間が形成されている。

[0014] また、前記セル板及びセパレータ板の各中心部分間には、前記セル板及びセパレータ板のガス導入孔及びガス排出孔と連通し、両板間に形成される前記空間内に燃料ガス及び空気のうちの一方の供給及び排出を行う中央流路部品を配置して、る。

[0015] 本発明のスタック構造体では、互いに重なり合う燃料電池の間を燃料ガス及び空気のうちの他方のガスの流路として設定する。さらに、前記スタック構造体では、隣り合う燃料電池の各中心部分間に、互いに対向するガス導入孔同士及びガス排出孔同士を気密的に連通させるシール材が設けられている。また。前記スタック構造体では、積層した複数の燃料電池を、前記燃料電池の中心部分を貫通するボルトで締結して固定している。

[0016] 本発明のスタック構造体では、前記燃料電池のセル板とセパレータ板との間に形成される空間内に、燃料ガス及び空気のうちの一方のみを流すようにしている。そのため、空気と混合せずに未燃焼ガスを回収し得ることとなる。従って、過渡運転時などのガス流が変化する場合であったとしても、燃料利用率が低下することがなぐ加えて、単セルに局所的な熱応力が力かって不具合が生じる可能性が少なくなる。

[0017] また、燃料電池の互いに対向するガス導入孔同士を気密的に連通させるシール材と、ガス排出孔同士を気密的に連通させるシール材とが、いずれも隣り合う燃料電池の各中心部分間に設置してある。そのため、燃料電池の中心部分を貫通するボルトにより、互いに積層した燃料電池を締結して固定する際の加圧力を、燃料電池の各中心部分に均等に伝え得ることとなる。その結果、低熱容量ィ匕を図るためにセル板及びセパレータ板の各中心部分の板厚を薄くしたとしても、昇降温の際にはクリープ変形が生じ難くなつて、耐久性及び耐熱衝撃性が向上することとなる。

[0018] さらに、本発明では、ガス導入孔あるいはガス排出孔の周囲に個別にシール材を配置しな!、構造をとり得るので、シール材の配置面積やシール材の配置長さを小さく抑えることができる。そのため、起動停止時や過渡運転時などのスタック温度が頻繁に変動する条件においても、ガスシール性が劣化し難いものとなる。カロえて、ガス排出孔の形状の制約が少なくなる分だけ中心部分のデッドスペースが小さくなる、すなわち、セル板全体に対する中心部分が占める面積の割合が小さくなる。そのため、セル板の発電有効面積が拡大して出力密度が高まる。

[0019] 本発明のスタック構造体の燃料電池では、金属製のセル板及び金属製のセパレータ板の各外周縁同士を接合し、さらに、セル板及びセパレータ板のうちの少なくとも何れか一方に外周縁に沿う段差を設ける。これにより、セル板とセパレータ板との間に袋状の空間を形成され、この空間内に燃料ガス若しくは空気の何れか一方のみが流れる。

[0020] また、本発明のスタック構造体において、燃料電池内の前記中央流路部品が設けられている部分の厚さを、燃料電池の単セル設置領域の厚さよりも大きくする。これにより、隣り合う燃料電池の間に空間を設けるためのスぺーサが形成される。その結果、積層した燃料電池の間に、燃料ガス及び空気のうちの他方のガスを流す流路が形成される。

[0021] 前記袋構造の燃料電池を積層して成るスタック構造体では、自動車に搭載した場合において、外部衝撃が加わったとしても、ガス漏洩の可能性が少ないものとなる。

[0022] なお、前記段差をセル板及びセパレータ板の双方に形成して互いに対称を成すようにすれば、応力集中を抑制し得ることとなる。この際、セル板とセパレータ板の段差の大きさを相互に変化させたとしても、段差を設けたことによる燃料電池の強度の向上を期待できる。また、段差をセル板及びセパレータ板の一方に形成した場合には、単セルの搭載面積を拡大することができる。このように、耐熱衝撃性の向上や出力密度の向上など重視する特性に応じて、セル板及びセパレータ板の形状を変更し得る

[0023] さらに、前記段差はプレスカ卩ェにより形成することが望ましい。また、セル板及びセパレータ板の各々の外周縁同士の接合には、溶接やロウ付けを用いることができるほか超音波接合法なども用いることができる。

[0024] 本発明のスタック構造体では、燃料電池内における単セルの取付位置を、セル板の中心部分と外周縁との間のドーナツ状を成す領域に設定する。そして、このドーナッ状を成す領域内に単セルを 1つ以上固定することができる。例えば、単セルが小径の円板状を成す場合は、セル板の中心周りに規則正しく配置することが望ましい。また、単セルがドーナツ状を成す場合は、単セルの内周縁及び外周縁に、プレス加工済の内側リング及び外側リングをそれぞれ接合することが望ましい。さらに、前記内側リング及び外側リングを連結してフレーム状をなすようにしてもよぐこのフレームに扇形の単セルを貼り付けることも可能である。 [0025] 本発明のスタック構造体において、互いに積層した燃料電池の各中心部分間に配置されるシール材としては、電気絶縁性を有するセラミックス系接着剤やガラス系接合材など、隣り合う燃料電池同士を接合する機能を有する無機系接合材を使用することができる。そのほか、例えば、単セルがドーナツ状を成す場合は、ろう材ゃ金属粉を混在した導電性接合材を使用することができる。

[0026] シール材によって隣り合う燃料電池同士を接合する場合には、まず、前記材料を含有したペースト状のシール材を燃料電池の中心部分に塗布し、これらの燃料電池を互いに積層した後、加圧焼成することで接合可能である。また、シール材として、繊維状や薄板状やリボン状に成形されたもの、あるいは、粒体状や粉体状の前記材料を含んでガスケット状に成形されたものも使用できる。つまり、リボン状やガスケット状のシール材を、燃料電池の中心部分に設置して互いに積層した後、加圧焼成することでも接合可能である。

[0027] さらに、燃料電池の中心部分に、蒸着法、スパッタ法、溶射法及びエアロゾルデポジッシヨン法などの方法により、前記材料を接合材組成になるようにして所望パターンで成膜した後、互いに燃料電池を積層し、加圧焼成することでも接合可能である。さらにまた、隣り合う燃料電池の各中心部分間にシール材を設置し、このシール材が軟ィ匕する温度で加圧して中心部分間の凹凸状の隙間を埋めるように成すことでもシールが可能である。

[0028] 本発明のスタック構造体において、積層した燃料電池を締結して固定するボルトとしては、積層した燃料電池を両側力挟み込むフランジにねじ込む長ボルトや、ナツトにねじ込む長ボルトを使用することができる。そのほか、スタッドボルトを用いることができる。スタッドボルトを用いた場合には、燃料電池の積層時において位置決めピンとして使用することができるので、積層作業が簡単になるというメリットがある。

[0029] 本発明のスタック構造体では、セル板及びセパレータ板の各中心に形成した中心孔をガス導入孔及びガス排出孔のうちの何れか一方の孔とすると共に、中心孔の周囲に形成した複数のガス孔をガス導入孔及びガス排出孔のうちの何れか他方の孔とする。この場合、中心孔の縁の近傍に沿わせた中心側リング及び複数のガス孔をー体で囲む縁側リングをシール材とした構成を採用することができる。また、中心孔の縁の近傍に沿わせた中心側リング及び複数のガス孔を個々に囲む複数の個別リングをシール材とした構成を採用することができる。この際、中心孔の周囲に形成した複数のガス孔の形状は、特に限定されるものではなぐ円形状は勿論のこと、多角形状や扇方形状を採用し得る。

[0030] また、中心側リング及び縁側リング (ある!/、は個別リング）を円形状のものとすると、耐熱衝撃性が向上することとなる。また、中心孔の周囲に形成した複数のガス孔の形状は、円形状に限定されないので、セル板の中心部分のデッドスペースが小さくなる。これにより、セル板の発電有効面積が大きくなる分だけ出力密度が高まると共に、低熱容量ィ匕が図られて起動性及び過渡運転時における応答性が向上することとなる

[0031] 本発明のスタック構造体では、積層した燃料電池を締結して固定するボルトを複数本備えている構成とすることができる。この場合には、一本に力かる熱応力を小さくすることができるので、ボルトの耐熱性及び耐熱衝撃性が向上することとなる。

[0032] 本発明のスタック構造体では、セル板及びセパレータ板の各中心孔の周囲に形成した複数のガス孔にそれぞれ挿通した複数本のボルトで、積層した燃料電池を締結して固定することができる。この場合には、シール材配置パターンを複雑にすることなぐ複数のボルトで積層した燃料電池を締結して固定し得る。このため、ボルトにかかる熱応力による変形を防止することができる。

[0033] カロえて、積層した燃料電池を両側カゝらフランジで挟み込む場合にぉ、て、ボルトとフランジとの間に介在させた積層方向加圧用の皿パネなどの弾性部材を高温に曝さない構造 (熱容量が低いフランジ構造）とし得る。このため、シール部分の耐熱衝撃性が向上すると共に、起動性及び過渡運転時における応答性が向上する。

[0034] 本発明のスタック構造体では、セル板及びセパレータ板の各中心孔の周囲で且つ複数のガス孔とは別に設けた複数のボルト揷通孔にそれぞれ挿通した複数本のボルトで、積層した燃料電池を締結して固定することができる。この場合にも、シール材配置パターンを複雑にすることなぐ複数のボルトで積層した燃料電池を締結して固定し得る。そのため、ボルトにかかる熱応力による変形を防止することができる。さらに、積層した燃料電池を両側からフランジで挟み込む場合にぉヽて、シール部分の耐熱衝撃性が向上すると共に、起動性及び過渡運転時における応答性が向上することとなる。

[0035] そして、このスタック構造体では、積層した燃料電池を両側力もフランジで挟み込む場合において、一方のフランジにガス導入管及びガス排気管を取り付け得る。そのため、このフランジ部分にガス熱交能を持たせることができ、その結果、効率の向上が図られることとなる。

[0036] 本発明のスタック構造体では、セル板及びセパレータ板の各中心孔に揷通した一本のボルトで積層した燃料電池を締結して固定する構成を採用することができる。この場合には、ボルトの熱容量分を低減することができるので、起動性及び過渡運転時における応答性が向上することとなる。

[0037] 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。

[0038] 図 1〜図 4は、本発明のスタック構造体の一実施例を示している。

[0039] 図 1及び図 2中の（a)に示すように、このスタック構造体 11は、複数の固体電解質型燃料電池 1をいずれも向きを同じにして積層されている。そして、この積層した複数の燃料電池 1をケース 12に収容して両側力もフランジ 13, 14で挟み込んでいる。

[0040] このスタック構造体 11を構成する燃料電池 1は、図 3に示すように、金属製セル板 2 と、金属製セパレータ板 3を備えている。セル板 2及びセパレータ板 3は、円形であり且つ薄板状を成している。さらにセル板 2は、中心部分にガス導入孔 21及びガス排出孔 22を有する。また、セパレータ板 3も、中心部分にガス導入孔 31及びガス排出孔 32を有する。図 2の（c)に示すように、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同士を接合させてある。さらに、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。集電体 4としては導電性の多孔体を使用することができる。例えば、金属メッシュや発泡金属体を用いることができるほか、金属や電極材料力もなる繊維の織物やフェルトなどを使用することができる。集電体 4は、セル板 2及びセパレータ板 3に対してその周縁をレ一ザ溶接により接合できる。

[0041] 図 2の（c)に示すように、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 23, 33が形成されている。この円形凸状段差 23, 33は、後述するようにスぺーサとして機能する。円形凸状段差 23, 33は、プレス加工によってそれぞれ形成してある。セル板 2及びセパレータ板 3の各外周縁には、この外周縁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 が形成されている。環状段差 24, 34は、プレスカ卩ェによってそれぞれ形成してある。前記ガス導入孔 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に配置されている。

[0042] また、図 4に示すように、セル板 2の中心部分と外周縁との間のドーナツ状を成す領域には、円形状を成す単セル 6が複数個固定してある。これらの単セル 6は、電解質支持型セル、電極支持型セル、多孔質支持型セルのいずれでもあってもよい。つまり、電解質支持型セルとしては、固体電解質の両面に力ソード及びアノードを設け、固体電解質により力ソード及びアノードを支持したものを用いることができる。また、電極支持型セルとしては、アノード上に固体電解質及び力ソードを設け、アノードにより力ソード及び固体電解質を支持したものを用いることができる。さらに、多孔質支持型セルとしては、多孔質板上に、力ソード、固体電解質及びアノードを設け、多孔質板により力ソード、固体電解質及びアノードを支持したものを用いることができる。

[0043] さらに、図 3に示すように、セパレータ板 3の円形凸状段差 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、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流路部品 5aが収容してある。また、セル板 2の円形凸状段差 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、前記空間 Sからのガス排出を行う流路部品 5bが収容してある。これらの流路部品 5a, 5bは、後述するように、燃料電池 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。

[0044] 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 SUS4 30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。このプレスカ卩ェ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 lmmであり、両セパレータ 2, 3 の各外周縁同士の接合には、レーザ溶接を用いた。

[0045] 一方、流路部品 5a, 5b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°C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る。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、表側力もレーザを照射しても接合することができる。また、流路部品 5a, 5bの流路パターンは、エッチングや研削加工やレーザカ卩ェ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つても形成することができる。

[0046] この実施例におけるスタック構造体 11は、通気性のある図示しない集電体を介して前記燃料電池 1を積層して成っており、互いに重なり合う燃料電池 1の間を空気の流路 15として設定している。つまり、多孔質体等力なる集電体が流路 15に設けられており、集電体を通じて空気が単セル 6の力ソードに送られる。

[0047] この場合、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 2 1, 31とすると共に、中心孔の周囲に形成した複数のガス孔をガス排出孔 22, 32としている。

[0048] 図 2の（a)及び (b)に示すように、燃料電池 1の各中心部分間で且つ中心孔の縁の近傍には、互いに対向するガス導入孔 21, 31同士を気密的に連通させる中心側リング (シール材） 16が設けてある。さらに、燃料電池 1の各中心部分間で且つ複数のガス孔の周囲には、互いに対向する複数のガス排出孔 22, 32同士を一体で囲んで気密的に連通させる縁側リング (シール材） 17が設けてある。

[0049] 中心側リング 16は、セラミックスフイラを含有したペースト状のガラス系接合材を燃料電池 1の中心孔の縁の近傍に塗布し、燃料電池 1を互いに積層した後、加圧焼成することでリング状に形成した。一方、縁側リング 17も、前記セラミックスフイラを含有したペースト状のガラス系接合材を燃料電池 1の複数のガス孔の周囲に塗布し、燃料電池 1を互！ヽに積層した後、加圧焼成することでリング状に形成した。

[0050] そして、図 2の（a)及び (b)に示すように、中心側リング 16及び縁側リング 17を介して積層した燃料電池 1は、複数本のスタッドボルト 18により固定される。この実施例において、セル板 2及びセパレータ板 3の複数のガス排出孔 22, 32に、複数本のスタツドボルト 18がそれぞれ揷通されている。そして、スタッドボルト 18の一端部をフランジ 13にねじ込む。さらに、フランジ 14力も外部に突出するスタッドボルト 18の他端部に、皿パネ 19を介してナット 20をねじ込む。これにより、複数の燃料電池 1を締結する。

[0051] このスタック構造体 11において、図 1及び図 2に示すように、ケース 12に空気を導入すると、隣り合う燃料電池 1の間、すなわち、力ソード側の流路 15に空気が流れる。一方、燃料ガスは、フランジ 13及び燃料電池 1の各ガス導入孔 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内に導入される。その後、前記空間 S内を流れた後、各ガス排出孔 22, 32及びフランジ 14を通して排気される。

[0052] 前記スタック構造体 11では、燃料電池 1のセル板 2及びセパレータ板 3の間に形成される空間 S内に燃料ガスのみを流すようにしているので、未燃焼ガスを回収し得る。従って、過渡運転時などのガス流が変化する場合であったとしても、燃料利用率が低下することがない。カロえて、単セル 6に局所的な熱応力が力かって不具合が生じる可能性が少なくなる。

[0053] また、隣接する燃料電池 1の互いに対向するガス導入孔 21, 31同士を気密的に連通させる中心側リング 16と、ガス排出孔 22, 32同士を一体で囲んで気密的に連通させる縁側リング 17とが、いずれも燃料電池 1の各中心部分間に設置してある。そのため、積層した燃料電池 1をスタッドボルト 18により締結して固定する際の加圧力を、燃料電池 1の各中心部分に均等に伝え得ることとなる。その結果、低熱容量ィ匕を図るうえでセル板 2及びセパレータ板 3の各中心部分の板厚を薄くしたとしても、昇降温の際にはクリープ変形が生じ難くなつて、耐久性及び耐熱衝撃性が向上することとなる

[0054] さらに、前記スタック構造体 11では、図 2の（b)に示すように、シール材としての中心側リング 16及び縁側リング 17を二重リング状に配置している。そのため、ガス導入孔 21, 31あるいはガス排出孔 22, 32の周囲に個別にシール材を配置しなくて済む。従って、シール距離が短くなる、すなわち、シール材配置面積やシール材配置長さを小さく抑え得るので、起動停止時や過渡運転時などのスタック温度が頻繁に変動する条件においても、ガスシール性が劣化し難いものとなる。カロえて、セル板 2及びセパレータ板 3の各中心部分に設けるガス排出孔 22, 32の形状の制約が少なくなり、その分だけ中心部分のデッドスペースが小さくなる、すなわち、セル板 2全体に対する中心部分が占める面積の割合が小さくなる。そのため、セル板 2の発電有効面積が拡大して出力密度が高まることとなる。

[0055] さらにまた、前記スタック構造体 11において、セル板 2及びセパレータ板 3の各中心孔の周囲に形成した複数のガス排出孔 22, 32にそれぞれ挿通した複数本のスタッドボルト 18で、積層した燃料電池 1を締結して固定する。そのため、スタッドボルト 18に力かる熱応力による変形を防止することができる。カロえて、積層方向に加圧するための皿パネ 19を高温に曝さない構造とし得る。そのため、シール部分の耐熱衝撃性が向上すると共に、起動性及び過渡運転時における応答性が向上することとなる。

[0056] 前記実施例のスタック構造体 11では、ガス導入孔 21, 31の縁近傍に沿わせた中心側リング 16と、ガス排出孔 22, 32同士を一体で囲む縁側リング 17とをシール材としているが、これに限定されるものではない。例えば、図 5に示すように、ガス導入孔 2 1, 31の縁近傍に沿わせた中心側リング 16と、複数のガス排出孔 22, 32を個々に囲む複数の個別リング 17Aとをシール材としてもよい。

[0057] また、前記実施例のスタック構造体 11の燃料電池 1では、セル板 2及びセパレータ板 3が互いにほぼ同一形状を成している力これに限定されるものではない。例えば、図 6に示すように、単セル 6を取り付けるセル板 2が円形凸状段差 23のみを有する形状を成し且つセパレータ板 3が通常の約二倍の高さの環状段差 34を有する形状を成していてもよい。

[0058] さらに、この実施例では、単セル 6が小径の円板状を成す場合を示したが、これに限定されるものではない。例えば、図 7の（a)に示すように、単セル 6Aがドーナツ状を成す場合には、単セル 6Aの内周縁及び外周縁にプレス加工済の内側リング 7及び外側リング 8をそれぞれ接合し、その後、このセル板 2とセパレータ板 3を接合することができる。この際、接合時の作業性を考慮して、図 7の (b)に示すように、内側リング 7 及び外側リング 8を縦横の桟 9で連結してフレーム 10を形成するようにしてもよぐこのフレーム 10に扇形の単セル 6Bを取り付けることも可能である。

[0059] 前記実施例では、ペースト状のガラス系接合材を燃料電池 1における中心孔の縁の近傍及び複数のガス孔の周囲にそれぞれ塗布し、燃料電池 1を互ヽに積層した後、加圧焼成することで中心側リング 16及び縁側リング 17を形成するようにしてヽるが、これに限定されるものではない。例えば、リング状で且つガスケット状に成形されたシール材を燃料電池 1の中心部分に設置して互いに積層した後、加圧焼成して接合するシール構造としてもよい。具体的には、ガラスやセラミックスや金属から構成されるファイバ又は粉体を圧縮成形して成るガスケット状のシール材を、燃料電池 1の中心部分に設置する。その後、複数の燃料電池 1を互いに積層した後、加圧焼成して溶融させたり高温圧縮したりすることができる。

[0060] また、金属ろう材カも成るリング状で且つ箔状のシール材を燃料電池 1の中心部分に設置して互いに積層した後、加圧して接合することができる。また、前記シール材の金属が軟化する温度で加圧することにより、隣接する燃料電池 1の各中心部分間の凹凸状の隙間を埋めるように成すことでもシールが可能である。

[0061] 図 8は、本発明のスタック構造体の他の実施例を示している。図 8の（b)に示すように、このスタック構造体 111が先のスタック構造体 11と相違するところは、セル板 2及びセパレータ板 3の各ガス導入孔 21, 31の周囲で且つ複数のガス排出孔 22, 32とは別に、複数のボルト揷通孔 26, 36を設けたことにある。そして、複数のボルト揷通孔 26, 36に複数本のボルト 118を挿通させることにより、積層した燃料電池 1を締結して固定している。スタック構造体 111の他の構成は、先のスタック構造体 11と同じである。

[0062] 図 8の（a)に示すように、この実施例では、まず、セル板 2及びセパレータ板 3の各ガス導入孔 21, 31の周囲に形成した複数のボルト揷通孔 26, 36に複数本のボルト 118をそれぞれ揷通する。その後、ボルト 118の頭部とフランジ 113との間に皿パネ 1 19を介在させた状態で、ボルト 118の先端をフランジ 114にねじ込むことにより、複数の燃料電池 1を締結する。

[0063] この実施例では、前記スタック構造体 11と同じ作用効果が得られるのに加えて、シール材配置パターンを複雑にすることなぐ複数のボルト 118で積層した燃料電池 1 を締結して固定し得る。そのため、ボルト 118にかかる熱応力による変形を防止することができる。さらに、シール部分の耐熱衝撃性が向上すると共に、起動性及び過渡運転時における応答性が向上する。

[0064] そして、このスタック構造体 111では、積層した燃料電池 1を両側から挟み込むフランジ 113, 114のうちの一方のフランジ 113に、ガス導人路 113a及びガス気路 11 3bを設けている。このため、フランジ 113部分にガス熱交能を持たせることができ、その結果、効率の向上が図られる。

[0065] 図 9は、本発明のスタック構造体のさらに他の実施例を示している。図 9の（b)に示すように、このスタック構造体 211が先のスタック構造体 11と相違するところは、セル板 2及びセパレータ板 3の各ガス導入孔 21 , 31に揷通した一本のボルト 218で積層した燃料電池 1を締結して固定した点にある。スタック構造体 211の他の構成は、先のスタック構造体 11と同じである。

[0066] 図 9の（a)に示すように、この実施例では、まず、セル板 2及びセパレータ板 3の各ガス導入孔 21, 31〖こ一本のボルト 218を揷通する。その後、フランジ 213内のガス導入孔の近傍において、ボルト 218の頭部とフランジ 213との間に皿パネ 219を介在させた状態で、ボルト 218の先端をフランジ 214にねじ込む。これにより、複数の燃料電池 1がー本のボルト 218により締結される。

[0067] この実施例においても、前記スタック構造体 11と同じ作用効果が得られるのにカロえて、ボルトの熱容量分を低減することができるので、起動性及び過渡運転時における応答性が向上することとなる。

[0068] 特願 2005— 314932号（出願曰：2005年 10月 28曰）及び特願 2006— 264443 号（出願日： 2006年 9月 28日)の全内容は、ここに援用される。

[0069] 以上、実施の形態及び実施例に沿って本発明の内容を説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなぐ種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明である。

産業上の利用の可能性

[0070] 本発明の燃料電池スタック構造体は前記構成をとるため、起動停止時や過渡運転時などのスタック温度が頻繁に変動する条件にお!、ても、ガスシール性が劣化し難く高い信頼性を得ることができる。さら〖こ、未燃焼ガスを回収することで、燃料利用率の低下を回避することができる。また、低熱容量ィ匕を図るためにセル板及びセパレータ板の各板厚を薄くしたとしても、スタック構造体の昇降温の際のクリープ変形を防ぐことができ、その結果、耐熱衝撃性の向上を実現することができる。さらに、セル板の発電有効面積を大きくすることで、出力密度を高めることができる。

Claims

請求の範囲

[1] 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のセル板と、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全体を前記セル板の外周縁に接合させた円形状のセパレータ板と、前記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前記ガス導入孔及びガス排出孔と連通し、さらに前記セル板及びセパレータ板の少なくとも何れか一方にその外周縁に沿う段差を設けることで前記セル板及びセパレータ板の間に形成される空間内に、燃料ガス及び空気の何れか一方のみの供給及び排出を行う中央流路部品と、を具備した複数の固体電解質型燃料電池と、

積層された前記固体電解質型燃料電池の各中心部分間に介在し、互いに対向する前記ガス導入孔同士及びガス排出孔同士を気密的に連通させるシール材と、積層された前記固体電解質型燃料電池の各中心部分を貫通するボルトと、を備え複数の前記固体電解質型燃料電池は、いずれも向きを同じにして積層されており、積層された前記固体電解質型燃料電池の間を、燃料ガス及び空気の他方のみの流路として設定し、

前記シール材を介在させつつ積層された前記固体電解質型燃料電池を、前記ボルトで締結して固定することを特徴とする燃料電池スタック構造体。

[2] 前記セル板及びセパレータ板の各中心に形成した中心孔を前記ガス導入孔及びガス排出孔の何れか一方とすると共に、前記中心孔の周囲に設けた複数のガス孔を前記ガス導入孔及びガス排出孔の何れか他方とし、

前記シール材は、前記中心孔の縁の近傍に沿わせた中心側リングと、複数の前記ガス孔を一体で囲む縁側リングと、力なることを特徴とする請求項 1に記載の燃料電池スタック構造体。

[3] 前記セル板及びセパレータ板の各中心に形成した中心孔を前記ガス導入孔及びガス排出孔の何れか一方とすると共に、前記中心孔の周囲に設けた複数のガス孔を前記ガス導入孔及びガス排出孔の何れか他方とし、

前記シール材は、前記中心孔の縁の近傍に沿わせた中心側リングと、複数の前記ガス孔を個々に囲む複数の個別リングと、力なることを特徴とする請求項 1に記載の燃料電池スタック構造体。

[4] 前記シール材が隣り合う前記固体電解質型燃料電池同士を接合する機能を有して

Vヽることを特徴とする請求項 1に記載の燃料電池スタック構造体。

[5] 積層した前記固体電解質型燃料電池を締結して固定する前記ボルトを複数本備えて、ることを特徴とする請求項 1に記載の燃料電池スタック構造体。

[6] 複数の前記ガス孔にそれぞれ挿通した複数の前記ボルトで、積層した前記固体電解質型燃料電池を締結して固定することを特徴とする請求項 2に記載の燃料電池スタック構造体。

[7] 前記セル板及びセパレータ板の各中心孔の周囲で且つ前記ガス孔とは別に設けた複数のボルト揷通孔にそれぞれ挿通した複数本の前記ボルトで、積層した前記固体電解質型燃料電池を締結して固定することを特徴とする請求項 2に記載の燃料電池スタック構造体。

[8] 前記セル板及びセパレータ板の各中心孔に揷通した一本の前記ボルトで、積層した前記固体電解質型燃料電池を締結して固定することを特徴とする請求項 2に記載の燃料電池スタック構造体。