(57)【要約】  燃料電池スタックは、固体電解質板をアノード電極及びカソード電極で挟んで構成される燃料電池を、セパレータを介して積層した燃料電池スタックである。セパレータは、隣り合う２つの燃料電池の一方の燃料電池に当接する第１当接部と、他方の燃料電池に当接する第２当接部と、第１当接部と第２当接部を連接する連接部と、を有する凹凸状部材からなる。第１当接部及び第２当接部のうち少なくとも一方の当接部の断面係数は、連接部の断面係数よりも大きい。
2017104226.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質板をアノード電極及びカソード電極で挟んで構成される燃料電池を、セパレータを介して複数積層した燃料電池スタックであって、
前記セパレータは、隣り合う２つの前記燃料電池の一方の燃料電池に当接する第１当接部と、他方の燃料電池に当接する第２当接部と、前記第１当接部と前記第２当接部を連接する連接部と、を有する凹凸状部材からなり、
前記第１当接部及び前記第２当接部のうち少なくとも一方の当接部の断面係数は、前記連接部の断面係数よりも大きい、
燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池スタックであって、
前記燃料電池は、固体酸化物からなる前記固体電解質板を含む固体酸化物型燃料電池であり、前記カソード電極と前記第１当接部との間に配置される金属多孔体をさらに備え、
前記第１当接部の断面係数は、前記連接部の断面係数よりも大きい、
燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池スタックであって、
前記第１当接部の断面係数は、前記第１当接部の厚さが前記連接部の厚さよりも厚く形成されることにより、前記連接部の断面係数よりも大きく設定される、
燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池スタックであって、
前記連接部の端部は、前記第１当接部の端部に接続され、
前記第１当接部に接続される前記連接部の端部は、前記燃料電池の表面から離れた位置に配置される、
燃料電池スタック。
【請求項５】
固体電解質板をアノード電極及びカソード電極で挟んで構成される燃料電池を、セパレータを介して複数積層した燃料電池スタックであって、
前記セパレータは、隣り合う２つの前記燃料電池の一方の燃料電池に当接する第１当接部と、他方の燃料電池に当接する第２当接部と、前記第１当接部と前記第２当接部を連接する連接部と、を有する凹凸状部材からなり、
前記第１当接部及び前記第２当接部のうち少なくとも一方は、その中央部の厚さが前記連接部の当該少なくとも一方の当接部に接続される端部の厚さよりも厚く形成された、
燃料電池スタック。
【請求項６】
固体電解質板をアノード電極及びカソード電極で挟んで構成される燃料電池を、セパレータを介して複数積層した燃料電池スタックであって、
前記セパレータは、隣り合う２つの前記燃料電池の一方の燃料電池に当接する第１当接部と、他方の燃料電池に当接する第２当接部と、前記第１当接部と前記第２当接部を連接する連接部と、を有する凹凸状部材からなり、
前記連接部と、前記第１当接部及び前記第２当接部のうち少なくとも一方の当接部とのなす角度θは、９０°以下に設定される、
燃料電池スタック。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池スタックであって、
前記燃料電池は、固体酸化物からなる前記固体電解質板を含む固体酸化物型燃料電池であり、前記カソード電極と前記第１当接部との間に配置される金属多孔体をさらに備え、
前記連接部と前記第１当接部とのなす角度θは、９０°以下に設定される、
燃料電池スタック。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池スタックであって、
前記連接部は、前記第１当接部から起立する起立壁部と、前記起立壁部から前記第２当接部に向かって延在する延在部とを有し、
前記起立壁部と前記第１当接部とのなす角度θは、９０°以下に設定される、
燃料電池スタック。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれか一つに記載の燃料電池スタックであって、
前記連接部は、前記第１当接部及び前記第２当接部との間において段差が形成されるよう、前記燃料電池の積層方向に対して直交する方向に延在する平坦部を含む、
燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質板を有する燃料電池を複数積層した燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＪＰ２００８−１５９４４８には、固体電解質板と当該電解質板を挟む一対の電極とを有する固体酸化物型燃料電池を複数積層することにより構成される燃料電池スタックが開示されている。
【発明の概要】
【０００３】
このような固体酸化物型燃料電池スタックでは、隣り合う燃料電池の間に集電体としてのセパレータが配置される。セパレータは、隣接する２つの燃料電池のそれぞれに当接する当接部と、両当接部を接続する連接部とを備える凹凸状部材として構成されている。
【０００４】
燃料電池スタックは燃料電池やセパレータ等の複数の部材が積層された積層電池であり、部材間での接触抵抗を低減するため、当接する部材同士を密着させることが重要である。そのため、燃料電池スタックは、燃料電池の積層方向から荷重をかけた状態で各部材を組み付けることにより構成される。
【０００５】
このようにスタッキング時に荷重をかけると、セパレータは積層方向に押し付けられ、セパレータ厚さが薄くなるように当接部近傍の連接部が変形する。本願発明者らは、燃料電池を積層した燃料電池スタックにおいて、スタッキング時のセパレータ連接部の変形に追従して当接部の中央部分が燃料電池の電極から浮き上がるように屈曲し、セパレータの当接部と燃料電池の電極との間に隙間が生じてしまうことを見出した。このように隙間が生じると、セパレータと燃料電池との間の接触抵抗が増大し、燃料電池スタックの発電効率が低下する。
【０００６】
本発明の目的は、燃料電池とセパレータの密着性を高めることにより、接触抵抗の増大を抑制可能な燃料電池スタックを提供することである。
【０００７】
本発明のある態様の燃料電池スタックは、固体電解質板をアノード電極及びカソード電極で挟んで構成される燃料電池を、セパレータを介して複数積層した燃料電池スタックである。セパレータは、隣り合う２つの燃料電池の一方の燃料電池に当接する第１当接部と、他方の燃料電池に当接する第２当接部と、第１当接部と第２当接部を連接する連接部と、を有する凹凸状部材からなり、第１当接部及び第２当接部のうち少なくとも一方の当接部の断面係数が、連接部の断面係数よりも大きい。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態による固体酸化物型の燃料電池スタックの概略構成図である。
【図２】図２は、隣接する２つの燃料電池の間に配置されるセパレータの一部断面図である。
【図３】図３は、スタッキング時におけるセパレータの変形を説明するための図である。
【図４】図４は、第１実施形態の一変形例による燃料電池スタックのセパレータの一部を示す図である。
【図５】図５は、第１実施形態の一変形例による燃料電池スタックのセパレータの一部を示す図である。
【図６Ａ】図６Ａは、比較例による燃料電池スタックにおけるセパレータの第１当接部の近傍を拡大した図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、比較例による燃料電池スタックにおけるセパレータの変形を説明するための図である。
【図７】図７は、本発明の第２実施形態による燃料電池スタックのセパレータの概略構成図である。
【図８Ａ】図８Ａは、第２実施形態による燃料電池スタックのセパレータの変形を説明するための図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、第２実施形態の変形例によるセパレータを説明する図である。
【図９】図９は、第１実施形態の一変形例による燃料電池スタックを示す図である。
【図１０】図１０は、セパレータの連接部の変形を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面等を参照し、本発明の実施形態について説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による固体酸化物型の燃料電池スタック１００の概略構成図である。
【００１１】
燃料電池スタック１００は、単位セルとしての固体酸化物型燃料電池１０と、セパレータ７０とを順次積層することにより構成される積層電池である。本実施形態では、燃料電池スタック１００は、例えば電気自動車やハイブリッド自動車等の移動車両に搭載されることを前提としているが、各種電気機器の電源等として使用されてもよい。
【００１２】
固体酸化物型の燃料電池スタック１００は、作動温度が７００〜８００℃程度と高く、従来の固体高分子型燃料電池スタックと比較して発電効率が高い。固体酸化物型の燃料電池スタック１００では、カソードガスとして空気が用いられ、アノードガスとして水素や、メタン等の炭化水素系燃料が用いられる。燃料電池スタック１００でアノードガスとして使用される燃料ガスは、構築する燃料電池システムに応じて選択される。
【００１３】
燃料電池スタック１００を構成する固体酸化物型燃料電池１０は、固体電解質板２０と、固体電解質板２０の一方の面に配置されるカソード電極３０と、固体電解質板２０の他方の面に配置されるアノード電極４０と、アノード電極４０を支持するように設けられるメタルプレート５０と、を備えている。
【００１４】
固体電解質板２０は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）により形成された酸化物イオン伝導性を有する部材である。固体電解質板２０は、数十ミクロン程度の厚さを有する膜体として形成されている。
【００１５】
カソード電極３０は、固体電解質板２０の上面に接するように設けられている。カソード電極３０は、例えばランタンストロンチウムコバルト鉄複合酸化物（ＬＳＣＦ）により形成された板状の多孔質部材である。カソード電極３０では、カソードガス（空気）中の酸素を還元する還元反応が生じる。
【００１６】
アノード電極４０は、固体電解質板２０の下面に接するように設けられている。アノード電極４０は、例えばニッケル等の金属及びイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の酸化物により形成された板状の多孔質部材である。アノード電極４０では、固体電解質板２０を伝導してきた酸素イオンにより水素等のアノードガスを酸化する酸化反応が生じる。固体酸化物型燃料電池１０は、上述したカソード電極３０及びアノード電極４０での電極反応に基づいて発電する。
【００１７】
アノード電極４０は、メタルプレート５０上に載置されている。メタルプレート５０は、アノードガスの伝導を阻害しないように構成された多孔質性の板状部材であって、燃料電池１０の強度を補強するための構造部材として機能する。このように、燃料電池１０は、支持体としてのメタルプレート５０上にアノード電極４０、固体電解質板２０及びカソード電極３０を積層した、いわゆるメタルサポート式の燃料電池として構成されている。
【００１８】
燃料電池スタック１００は上述した燃料電池１０が積層されることにより構成され、隣り合う燃料電池１０の間にはセパレータ７０が設けられる。本実施形態において、燃料電池１０は、以上の構成に加え、その上面に集電メッシュ６０を有する。集電メッシュ６０及びセパレータ７０は、燃料電池１０の発電電力を集電する集電部材である。
【００１９】
集電メッシュ６０は、燃料電池１０の一部を構成する部材であって、ステンレス又は貴金属のワイヤ線を編み込んだメッシュ部材（金属多孔体）である。集電メッシュ６０は、燃料電池１０のカソード電極３０とセパレータ７０との間に挟まれた状態で配置される。集電メッシュ６０は、カソード電極３０とセパレータ７０との電気的接続を補助するために設けられる集電補助層として機能する。
【００２０】
なお、集電メッシュ６０は、ワイヤを編み込んだメッシュ部材として形成されているが、板状エキスパンドメタルとして形成されてもよい。このように、燃料電池スタック１００では、金属製の多孔体がカソード電極３０とセパレータ７０との間に設けられる集電補助層として使用される。燃料電池スタック１００では、カソード電極３０とセパレータ７０との間に集電メッシュ６０を設けたが、集電メッシュ６０を省略してカソード電極３０とセパレータ７０とを直接当接させてもよい。
【００２１】
セパレータ７０は、金属等の導電性材料をプレス成型することにより形成される板状部材である。セパレータ７０は、隣り合う２つの燃料電池１０の一方の燃料電池１０に当接する第１当接部７１と、隣り合う２つの燃料電池１０の他方の燃料電池１０に当接する第２当接部７２と、第１当接部７１と第２当接部７２を連接する連接部７３と、を備える。
【００２２】
セパレータ７０は、予め定められた一方向（セパレータ幅方向）に交互（順番）に配列された第１当接部７１と第２当接部７２をそれぞれ連接部７３で接続した凹凸状部材により構成される。このような凹凸状構造を有することにより、セパレータ７０は、一方側の面に複数のカソードガス流路７４を備え、他方側の面に複数のアノードガス流路７５を備える。ここで、セパレータ幅方向は、ガス流路７４、７５の延設方向に対して交差する方向をいう。
【００２３】
セパレータ７０の第１当接部７１は、平坦面として形成されており、集電メッシュ６０を介して燃料電池１０のカソード電極３０に当接する。セパレータ７０は、第１当接部７１の一部とカソード電極３０の一部が溶接されることにより、カソード電極３０に対して固定される。
【００２４】
セパレータ７０の第２当接部７２は、平坦面として形成されており、燃料電池１０のメタルプレート５０に当接する。セパレータ７０は、第２当接部７２の一部とメタルプレート５０の一部が溶接されることにより、メタルプレート５０に対して固定される。
【００２５】
セパレータ７０の連接部７３は、第１当接部７１の端部と第２当接部７２の端部とをつなぐ壁部として形成される。連接部７３、第１当接部７１及びメタルプレート５０により形成される空間がアノードガス流路７５となり、連接部７３、第２当接部７２及びカソード電極３０により形成される空間がカソードガス流路７４となる。
【００２６】
燃料電池スタック１００は燃料電池１０やセパレータ７０等の複数の部材が積層された積層電池であるので、部材間での接触抵抗を低減するため、当接する部材同士を密着させることが重要である。そのため、燃料電池スタック１００は、燃料電池１０の積層方向から荷重をかけた状態で各部材をスタッキングすることにより構成される。
【００２７】
スタッキング時に荷重をかけると、セパレータは積層方向に押し付けられ、セパレータ厚さが薄くなるように当接部近傍の連接部が変形する。燃料電池スタックでは、スタッキング時のセパレータ連接部の変形に追従して当接部の中央部分が燃料電池の電極から離間するように屈曲し、セパレータの当接部と燃料電池の電極との間に隙間が生じてしまうことがある。
【００２８】
この問題点について、図６Ａ及び図６Ｂの比較例による燃料電池スタック２００を参照して詳述する。
【００２９】
図６Ａは比較例による燃料電池スタック２００の概略縦断面図であり、図６Ｂは燃料電池スタック２００におけるセパレータ７０の第１当接部７１の近傍を拡大した図である。この比較例ではセパレータ７０の板厚は一定であり、第１当接部７１、第２当接部７２、及び連接部７３の厚さは全てｔとなっている。
【００３０】
図６Ａに示すように、燃料電池スタック２００にスタッキング荷重が入力されると、セパレータ７０は積層方向に押し付けられる。この時、連接部７３の上端には図６Ａ中において下向きの力Ｆ０が作用する。この力Ｆ０は連接部７３に沿う分力と連接部７３に対して垂直方向の分力Ｆ１とに分けられ、この分力Ｆ１が支点Ｐ（連接部７３の下端と第１当接部７１の右端との接続部）を介して第１当接部７１の中央部分に上向きの力Ｆ２を発生させる。この力Ｆ２に起因して第１当接部７１の中央部分には図６Ｂに示すように上向きの曲げ応力σが生じ、この曲げ応力σが大きいと、第１当接部７１の中央部分はカソード電極３０からせり上がるように変形する。
【００３１】
なお、セパレータ７０の第１当接部７１の中央部分に生じる曲げ応力σは、以下の（１）式により表わされる。
【００３２】
[数１]
σ＝Ｍ／Ｚ  ・・・（１）
σ：曲げ応力
Ｍ：断面二次モーメント
Ｚ：断面係数
（１）式から分かるように、曲げ応力σの値は、第１当接部７１の中央部分における断面二次モーメント（Ｆ２×Ｌ２）と、第１当接部７１の中央部分の断面形状に基づく断面係数とから算出される。なお、第１当接部７１の中央部分における断面二次モーメントＭ（Ｆ２×Ｌ２）は連接部７３の上端におけるモーメント（Ｆ１×Ｌ１）と等しく、断面係数Ｚは第１当接部７１の中央部分における厚さ及びガス流路７４，７４の延設方向（図６Ａの紙面奥行き方向）のセパレータ長さに基づいて定まる。また、セパレータ７０では、連接部の上下両端部間の長さＬ１は当接部の中央部分から端部までの長さＬ２よりも長く設定されている。
【００３３】
図６Ｂに示すように、曲げ応力σによって第１当接部７１の中央部分がカソード電極３０からせり上がるように変形すると、セパレータ７０の第１当接部７１と燃料電池１０のカソード電極３０との間に隙間が生じる。
【００３４】
燃料電池スタック２００におけるセパレータ７０の第１当接部７１の変形は、集電メッシュ６０が設けられていない場合でも生じ得る現象である。しかしながら、セパレータ７０の第１当接部７１と燃料電池１０のカソード電極３０との間に集電メッシュ６０を配置した場合の方が、第１当接部７１が動きやすくなるため、当該第１当接部７１の中央部分の変形が生じやすくなる。集電メッシュ６０が存在する場合にセパレータ７０の第１当接部７１がせり上がると、第１当接部７１の変形に伴って集電メッシュ６０がめくれあがるという問題もある。
【００３５】
なお、燃料電池スタック２００では、セパレータ７０の第２当接部７２についても同様の現象が起こり得る。
【００３６】
上述の通り、スタッキング時にセパレータ７０と燃料電池１０との間に隙間が生じると、セパレータ７０と燃料電池１０との間の接触抵抗が増大し、さらに集電面積も低下するため、燃料電池スタック２００の発電効率が悪化する。
【００３７】
上記したセパレータ７０の第１当接部７１の変形を抑制するためには、スタッキング時に生じる第１当接部７１における曲げ応力σを小さくする必要がある。（１）式を参照すると分かるように、曲げ応力σを小さくするためには、第１当接部７１の断面形状により定まる断面係数Ｚを大きくすることが考えられる。そこで、本実施形態による燃料電池スタック１００のセパレータ７０は、第１当接部７１における断面係数が連接部７３における断面係数よりも大きくなるように構成される。このようにセパレータ７０を構成することで、燃料電池スタック１００ではスタッキング時におけるセパレータ７０の第１当接部７１の変形を抑制することが可能となる。
【００３８】
図２を参照して、燃料電池スタック１００におけるセパレータ７０の構成について説明する。図２は、隣接する２つの燃料電池１０の間に配置されるセパレータ７０の一部断面図である。図２においては集電メッシュ６０の図示が省略されている。
【００３９】
図２に示すように、セパレータ７０は、第１当接部７１の端部と第２当接部７２の端部とを連接部７３で接続した凹凸状部材により構成されている。セパレータ７０では、連接部７３の厚さ（板厚）ｔAが第１当接部７１の厚さ（板厚）ｔBよりも薄く形成されている。第１当接部７１は中央部分を含む本体部の厚さがｔBに設定されており、第１当接部７１の左右両端部はカソード電極側に向かって薄くなるテーパ状端部として形成されている。そして、第１当接部７１のテーパ状端部の下側寄りの位置に、連接部７３が接続されている。
【００４０】
なお、セパレータ７０は、素材板をプレス成型することで製造されるが、特にコイニング加工を採用することにより第１当接部７１だけを他の部分よりも厚く形成することが可能となる。また、第２当接部７２は、連接部７３と同じ厚さに形成されているが、第１当接部７１と同じ厚さに形成されてもよい。
【００４１】
このように第１当接部７１の厚さｔBを連接部７３の厚さｔAをよりも厚くすることで、セパレータ７０の第１当接部７１における断面係数を連接部７３における断面係数よりも大きくすることができる。これにより、スタッキング時に生じる第１当接部７１における曲げ応力σを低減することが可能となる。本実施形態では、セパレータ長さ方向の寸法は、第１当接部７１も連接部７３も同一である。
【００４２】
次に、図３を参照して、スタッキング時におけるセパレータ変形について説明する。図３は、スタッキング時におけるセパレータ７０の変形を説明するための図である。図３においては集電メッシュ６０の図示が省略されている。
【００４３】
図３の白抜き矢印に示すように燃料電池スタック１００にスタッキング荷重が入力されると、セパレータ７０は燃料電池１０の積層方向に押し付けられ、セパレータ厚さが薄くなるように第１当接部７１近傍の連接部７３が変形する。セパレータ７０において、第１当接部７１の断面係数は連接部７３の断面係数、特に連接部７３の第１当接部７１に対する接続部７３１の断面係数よりも大きくなるように構成されているため、スタッキング時に生じる第１当接部７１における曲げ応力σは小さくなる。したがって、スタッキング時には図３の破線で示すようにセパレータ７０の連接部７３は変形するが、第１当接部７１に生じる曲げ応力σは小さいため、すなわち第１当接部７１は曲げ剛性が高いため、連接部７３が変形したとしても当該第１当接部７１の変形は抑制される。
【００４４】
上記した第１実施形態の燃料電池スタック１００によれば、以下の効果を得ることができる。
【００４５】
燃料電池スタック１００のセパレータ７０は、隣り合う２つの燃料電池１０の一方の燃料電池１０に当接する第１当接部７１と、他方の燃料電池１０に当接する第２当接部７２と、第１当接部７１と第２当接部７２を連接する連接部７３と、を有する凹凸状部材からなる。セパレータ７０は、第１当接部７１の断面係数が連接部７３の断面係数よりも大きく構成されている。より具体的には、セパレータ７０は、第１当接部７１の厚さが連接部７３の厚さよりも厚く形成されることにより、第１当接部の断面係数が連接部７３の断面係数よりも大きくなるように構成されている。
【００４６】
このようにセパレータ７０を構成することにより、スタッキング時に第１当接部７１の中央部分に生じる曲げ応力σを低減することが可能となる。その結果、スタッキング時には第１当接部７１よりも連接部７３に高い曲げ応力が作用するため、曲げ剛性の低い連接部７３が変形し、当該連接部７３が変形したとしても第１当接部７１の変形は抑制され、好ましくは回避される。したがって、スタッキングにより燃料電池スタック１００を構成したとしても、セパレータ７０の第１当接部７１と燃料電池１０のカソード電極３０との間における隙間の形成が抑制され、セパレータ７０と燃料電池１０とを密着させることが可能となる。これにより、セパレータ７０と燃料電池１０との間の接触抵抗の増加を抑制でき、集電面積の低下も抑制できるので、燃料電池スタック１００の発電効率を高めることが可能となる。
【００４７】
燃料電池スタック１００では、燃料電池１０のカソード電極３０とセパレータ７０との間に集電メッシュ６０（金属多孔体）が配置される。このように集電メッシュ６０を配置する場合であっても、セパレータ７０の第１当接部７１の断面係数が連接部７３の断面係数よりも大きくなるように構成することで、スタッキング時における第１当接部７１の変形を抑制できる。さらに、第１当接部７１の変形に伴う集電メッシュ６０のめくれの発生も抑制できる。その結果、セパレータ７０と燃料電池１０との間の接触抵抗の増加及び集電面積の低下を抑制することが可能となる。
【００４８】
なお、燃料電池スタック１００のセパレータ７０において、第２当接部７２は、連接部７３と同じ厚さに形成されているが、第１当接部７１と同じ厚さに形成されてもよい。この場合には、セパレータ７０は、第１及び第２当接部７１，７２の厚さが連接部７３の厚さよりも厚く形成されることにより、第１及び第２当接部７１，７２の断面係数が連接部７３の断面係数よりも大きくなるように構成される。このようにセパレータ７０を構成した場合には、スタッキング時に第１及び第２当接部７１，７２に生じる曲げ応力を低減でき、これら当接部７１，７２の変形を抑制でき、セパレータ７０と燃料電池１０との間の接触抵抗の増加及び集電面積の低下を抑制することが可能となる。
【００４９】
次に、図４及び図５を参照して、第１実施形態の変形例による燃料電池スタック１００のセパレータ７０について説明する。図４は一変形例による燃料電池スタック１００のセパレータ７０の一部を示す図であり、図５はその他の変形例による燃料電池スタック１００のセパレータ７０の一部を示す図である。図４及び図５においては、集電メッシュ６０の図示が省略されている。
【００５０】
図２に示した第１実施形態のセパレータ７０では、連接部７３は第１当接部７１のテーパ状端部の下側寄りの位置に接続されている。一方、図４に示すように、一変形例によるセパレータ７０では、連接部７３は第１当接部７１のテーパ状端部の上側寄りの位置に接続される。これにより、連接部７３の接続下端部Ｑは、燃料電池１０（カソード電極３０）の表面から離れた位置に配置されることとなる。
【００５１】
このように連接部７３の接続下端部Ｑを配置すると、スタッキング時に連接部７３が破線で示すように変形しても、変形後の連接部７３がカソード電極３０に接触することがない。変形後の連接部７３がカソード電極３０に接触すると、その接触部分を支点として第１当接部７１が変形する可能性がある。変形例によるセパレータ７０では変形後の連接部７３がカソード電極３０に接触することがないため、第１当接部７１の変形をさらに抑制できる。また、セパレータ７０と燃料電池１０のカソード電極３０の間に集電メッシュ６０が設けられている場合にあっては、連接部７３の変形に伴う集電メッシュ６０のめくれをさらに抑制することができる。
【００５２】
また、図５に示すように、その他の変形例によるセパレータ７０では、第１当接部７１の端部が燃料電池１０から離れるように薄くなるテーパ状端部として形成されており、連接部７３は第１当接部７１のテーパ状端部の上側寄りの位置に接続されている。これにより、連接部７３の接続下端部Ｑは、燃料電池１０（カソード電極３０）の表面から離れた位置に配置されることとなる。このようにセパレータ７０を構成した場合であっても、図４の変形例と同様の効果を得ることができる。
【００５３】
（第２実施形態）
図７及び図８Ａを参照して、本発明の第２実施形態による燃料電池スタック１００について説明する。本実施形態による技術思想は、必要に応じて第１実施形態の技術思想と組み合わせることができる。以下の実施形態では、第１実施形態と同じ機能を果たす構成等には同一の符号を用い、重複する説明を適宜省略する。
【００５４】
図７に示すように、第２実施形態によるセパレータ７０では、連接部７３は起立壁部７３Ａと延在部７３Ｂとを含んでいる。
【００５５】
セパレータ７０の起立壁部７３Ａは、第１当接部７１の端部から第２当接部７２側に起立する部材である。起立壁部７３Ａの下端は第１当接部７１の端部に接続され、起立壁部７３Ａの上端は延在部７３Ｂの下端に接続される。
【００５６】
セパレータ７０の延在部７３Ｂは、起立壁部７３Ａの上端から第１及び第２当接部７１，７２の配列方向（図中左右方向）に延在しつつ、第２当接部７２の端部に向かって燃料電池１０の積層方向（図中上下方向）に延在する部材である。延在部７３Ｂは、起立壁部７３Ａの上端と第２当接部７２の端部とを接続する。図７に示す延在部７３Ｂは、カソードガス流路７４内に向かって突出するように湾曲する部材として形成されているが、起立壁部７３Ａの上端から第２当接部７２の端部に向かって直線的に延在する部材として形成されてもよい。
【００５７】
なお、セパレータ７０では、起立壁部７３Ａは上端が第１当接部７１の中央部分に向かうように傾斜しており、第１当接部７１の表面と起立壁部７３Ａの第１当接部側の表面とのなす角度θが９０°以下に設定されている。より好ましくは、第１当接部７１の表面と起立壁部７３Ａの第１当接部側の表面とのなす角度θは９０°より小さく設定される。このように起立壁部７３Ａと第１当接部７１とのなす角度が設定されることで、スタッキング時に第１当接部７１の中央部分に生じる曲げ応力の向きが第１実施形態とは異なり下向きとなる。
【００５８】
図８Ａを参照して、スタッキング時におけるセパレータ変形について説明する。図８Ａは、スタッキング時におけるセパレータ７０の変形を説明するための図である。図８Ａにおいては集電メッシュ６０の図示が省略されている。
【００５９】
図８Ａの白抜き矢印に示すように燃料電池スタック１００にスタッキング荷重が入力されると、セパレータ７０は燃料電池１０の積層方向に押し付けられる。この時、セパレータ７０に作用するスタッキング荷重の一部は、連接部７３の延在部７３Ｂを介して連接部７３の起立壁部７３Ａの上端に作用する。このように作用する荷重により、起立壁部７３Ａはその上端が第１当接部７１に向かって倒れ込むように変形する。また、スタッキング荷重の入力により、連接部７３の起立壁部７３Ａの上端には図中下向きの力Ｆ３が作用するが、セパレータ７０は第１当接部７１と起立壁部７３Ａとのなす角度θが９０°以下に設定されているため、第１当接部７１の中央部分に作用する力Ｆ４も下向き方向の力となる。このように、スタッキング時にはセパレータ７０の第１当接部７１に上向きの曲げ応力は生じず、当該第１当接部７１は燃料電池１０に対して押し付けられることとなる。
【００６０】
したがって、スタッキング時にセパレータ７０等が積層方向に押し付けられた場合であっても、図８Ａの破線で示すように起立壁部７３Ａが当該起立壁部７３と第１当接部７１との接続部Ｑを回動中心として変形するだけであり、セパレータ７０の第１当接部７１は変形することがない。
【００６１】
上記した第２実施形態の燃料電池スタック１００によれば、以下の効果を得ることができる。
【００６２】
燃料電池スタック１００では、セパレータ７０の連接部７３と、前記第１当接部７１とのなす角度θは９０°以下に設定される。より具体的には、セパレータ７０の連接部７３は、第１当接部７１から起立する起立壁部７３Ａと、起立壁部７３Ａから第２当接部７２に向かって延在する延在部７３Ｂとを含み、起立壁部７３Ａと第１当接部７１とのなす角度θが９０°以下に設定される。このように構成されることで、スタッキング時にはセパレータ７０の第１当接部７１の中央部分には隣接する燃料電池１０側に向かう力Ｆ４が作用し、当該第１当接部７１は燃料電池１０に対して押し付けられることとなる。
【００６３】
したがって、スタッキング時にセパレータ７０等が積層方向に押し付けられた場合には、起立壁部７３Ａが第１当接部７１に向かって内側に倒れ込むように変形することとなり、第１当接部７１が燃料電池１０から浮き上がるように変形することがない。その結果、スタッキングにより燃料電池スタック１００を構成したとしても、セパレータ７０の第１当接部７１と燃料電池１０のカソード電極３０との間に隙間が形成されることがなく、セパレータ７０と燃料電池１０とを密着させることが可能となる。これにより、セパレータ７０と燃料電池１０との間の接触抵抗の増加を抑制でき、集電面積の低下も抑制できるので、燃料電池スタック１００の発電効率を高めることが可能となる。
【００６４】
なお、第２実施形態による燃料電池スタック１００においても、燃料電池１０のカソード電極３０とセパレータ７０との間に集電メッシュ６０（金属多孔体）が配置される。このように集電メッシュ６０を配置する場合であっても、上述した構成のセパレータ７０を用いることによって、スタッキング時における第１当接部７１の変形を抑制できる。さらに、第１当接部７１の変形に伴う集電メッシュ６０のめくれの発生も抑制できる。
【００６５】
また、セパレータ７０の連接部７３は、第２当接部７２から起立する起立壁部と、当該起立壁部から第１当接部７２に向かって延在する延在部とを含み、第２当接部７２から起立する起立壁部と第２当接部７２とのなす角度θが９０°以下に設定されてもよい。さらに、第１及び第２当接部７１，７２の両者の変形を同時に抑制する場合には、セパレータ７０は、例えば図８Ｂに示すように、連接部７３と第１当接部７１とのなす角度θが９０°以下（より好ましくは９０°より小さい値）に設定され、連接部７３と第２当接部７２とのなす角度θが９０°以下（より好ましくは９０°より小さい値）に設定されてもよい。さらに、セパレータ７０は、連接部７３の下端部を構成する起立壁部と第１当接部７１とのなす角度が９０°以下に設定され、連接部７３の上端部を構成する起立壁部と第２当接部７２とのなす角度が９０°以下に設定され、第１当接部７１側の起立壁部及び第２当接部７２側の起立壁部が共通の延在部によって連結されるよう構成されてもよい。
【００６６】
さらに、第２実施形態による燃料電池スタック１００のセパレータ７０では、セパレータ７０の板厚は一定であるが、第１及び第２当接部７１，７２のうち少なくとも第１当接部７１の厚さを連接部７３の厚さよりも厚く形成し、第１実施形態のように当接部における断面係数が大きくなるようにしてもよい。
【００６７】
（第１及び第２実施形態の変形例）
次に、本発明の第１及び第２実施形態の変形例による燃料電池スタック１００について説明する。図９は、第１実施形態の一変形例による燃料電池スタック１００を示す図である。
【００６８】
図９に示す変形例による燃料電池スタック１００のセパレータ７０は、第１実施形態と同様に、第１当接部７１と、第２当接部７２と、第１及び第２当接部７１，７２を接続する連接部７３を備える。
【００６９】
連接部７３は、第１当接部７１及び第２当接部７２との間において段差が形成されるよう、燃料電池１０の積層方向に対して直交する方向に延在する平坦部７３Ｃを含んでいる。平坦部７３Ｃは、連接部７３の一部分が第１当接部７１側から積層方向に延設された後に第１及び第２当接部７１，７２の配列方向に屈曲され、その後第２当接部７２に向かって積層方向に屈曲されることで形成される。このように、連接部７３は平坦部７３Ｃを備えることにより、連接部７３の積層方向断面がクランク状となる。
【００７０】
セパレータ７０は、連接部７３に平坦部７３Ｃを備え、所定以上の荷重が作用した時に平坦部７３Ｃが傾斜するように変形することで、燃料電池１０の積層方向の荷重を吸収可能な構造となっている。
【００７１】
例えば、セパレータの第１及び第２当接部が燃料電池に片当たりしている状態等でスタッキングが行われると、片当たり部分の面圧が局所的に高くなり、セパレータ等の損傷を招くおそれがある。
【００７２】
しかしながら、燃料電池スタック１００では、セパレータ７０にある程度の荷重が作用すると、連接部７３は図１０に示す通り平坦部７３Ｃが傾斜するように変形し、セパレータ７０が厚さ方向に収縮するため、スタッキング時にセパレータ７０に作用する荷重の上昇を抑制することができる。その結果、スタッキング時における部材同士の接触面圧が局所的に高くなることを防止でき、接触面圧の均一化を図ることが可能となる。
【００７３】
図９では、第１実施形態のセパレータ７０の連接部７３に平坦部７３Ｃを形成した場合について説明した。しかしながら、図７に示す第２実施形態のセパレータ７０において、平坦部７３Ｃを形成してもよい。第２実施形態のセパレータ７０に平坦部７３Ｃを設ける場合には、平坦部７３Ｃは連接部７３の延在部７３Ｂの途中に形成される。
【００７４】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。
【００７５】
上記第１及び第２実施形態では、燃料電池スタック１００は、固体酸化物型燃料電池を積層した積層電池として構成されているが、固体高分子型燃料電池を積層した積層電池として構成されてもよい。
【００７６】
第１実施形態では、セパレータ７０の当接部７１，７２の全体の厚さを連接部７３の厚さよりも厚くすることで、当接部７１，７２の断面係数を大きくするようにしている。しかしながら、当接部７１，７２は、中央部分の厚さが連接部７３の厚さよりも厚くなるように、端部から中央部分に向かって連続的又は段階的に厚く形成されてもよい。
【００７７】
本願は、２０１５年１２月１５日付けで日本国特許庁に提出された特願２０１５−２４４４５３号に基づく優先権を主張し、その出願の全ての内容は、参照により本明細書に組み込まれる。
【図１】
2017104226.tif 000003
【図２】
2017104226.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年4月5日(2017.4.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質板をアノード電極及びカソード電極で挟んで構成される燃料電池を、セパレータを介して複数積層した燃料電池スタックであって、
前記セパレータは、隣り合う２つの前記燃料電池の一方の燃料電池に当接する第１当接部と、他方の燃料電池に当接する第２当接部と、前記第１当接部と前記第２当接部を連接する連接部と、を有する凹凸状部材からなり、
前記第１当接部及び前記第２当接部のうち少なくとも一方は、その中央部の厚さが前記連接部の当該少なくとも一方の当接部に接続される端部の厚さよりも厚く形成され、当該少なくとも一方の当接部の断面係数は、前記連接部の断面係数よりも大きい、
燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池スタックであって、
前記燃料電池は、固体酸化物からなる前記固体電解質板を含む固体酸化物型燃料電池であり、前記カソード電極と前記第１当接部との間に配置される金属多孔体をさらに備え、
前記第１当接部の断面係数は、前記連接部の断面係数よりも大きい、
燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池スタックであって、
前記連接部の端部は、前記第１当接部の端部に接続され、
前記第１当接部に接続される前記連接部の端部は、前記燃料電池の表面から離れた位置に配置される、
燃料電池スタック。
【請求項４】
固体電解質板をアノード電極及びカソード電極で挟んで構成される燃料電池を、セパレータを介して複数積層した燃料電池スタックであって、
前記セパレータは、隣り合う２つの前記燃料電池の一方の燃料電池に当接する第１当接部と、他方の燃料電池に当接する第２当接部と、前記第１当接部と前記第２当接部を連接する連接部と、を有する凹凸状部材からなり、
前記第１当接部及び前記第２当接部のうち少なくとも一方は、その中央部の厚さが前記連接部の当該少なくとも一方の当接部に接続される端部の厚さよりも厚く形成された、
燃料電池スタック。
【請求項５】
固体電解質板をアノード電極及びカソード電極で挟んで構成される燃料電池を、セパレータを介して複数積層した燃料電池スタックであって、
前記セパレータは、隣り合う２つの前記燃料電池の一方の燃料電池に当接する第１当接部と、他方の燃料電池に当接する第２当接部と、前記第１当接部と前記第２当接部を連接する連接部と、を有する凹凸状部材からなり、
前記燃料電池は、固体酸化物からなる前記固体電解質板を含む固体酸化物型燃料電池であり、前記カソード電極と前記第１当接部との間に配置される金属多孔体をさらに備え、
前記連接部と前記第１当接部とのなす角度θは、９０°以下に設定される、
燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池スタックであって、
前記連接部は、前記第１当接部から起立する起立壁部と、前記起立壁部から前記第２当接部に向かって延在する延在部とを有し、
前記起立壁部と前記第１当接部とのなす角度θは、９０°以下に設定される、
燃料電池スタック。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか一つに記載の燃料電池スタックであって、
前記連接部は、前記第１当接部及び前記第２当接部との間において段差が形成されるよう、前記燃料電池の積層方向に対して直交する方向に延在する平坦部を含む、
燃料電池スタック。
【請求項８】
固体電解質板をアノード電極及びカソード電極で挟んで構成される燃料電池を、セパレータを介して複数積層した燃料電池スタックであって、
前記セパレータは、隣り合う２つの前記燃料電池の一方の燃料電池に当接する第１当接部と、他方の燃料電池に当接する第２当接部と、前記第１当接部と前記第２当接部を連接する連接部と、を有する凹凸状部材からなり、
前記第１当接部及び前記第２当接部のうち少なくとも一方の当接部の断面係数は、前記連接部の断面係数よりも大きく、
当該少なくとも一方の当接部の端部がテーパ状をなし、前記連接部がこのテーパ状端部に接続される、
燃料電池スタック。
【請求項９】
固体電解質板をアノード電極及びカソード電極で挟んで構成される燃料電池を、セパレータを介して複数積層した燃料電池スタックであって、
前記セパレータは、隣り合う２つの前記燃料電池の一方の燃料電池に当接する第１当接部と、他方の燃料電池に当接する第２当接部と、前記第１当接部と前記第２当接部を連接する連接部と、を有する凹凸状部材からなり、
前記燃料電池は、固体酸化物からなる前記固体電解質板を含む固体酸化物型燃料電池であり、前記カソード電極と前記第１当接部との間に配置される金属多孔体をさらに備え、
前記第１当接部の断面係数は、前記連接部の断面係数よりも大きい、
燃料電池スタック。
【国際調査報告】
2017104226.tif 000015
2017104226.tif 000016
2017104226.tif 000017
2017104226.tif 000018