(57)【要約】【課題】燃料電池の破損を可及的に抑制するとともに、ガスシール性及び集電性の向上を図ることを可能にする。【解決手段】燃料電池スタック１０を構成する燃料電池１２は、発電反応部４６と、前記発電反応部４６を周回する周縁部４８と、第１反応ガス流通部５０及び第２反応ガス流通部５２とを備える。第１反応ガス流通部５０及び第２反応ガス流通部５２は、発電反応部４６の外方と周縁部４８の内側との間に設けられる。燃料電池スタック１０は、周縁部４８に積層方向に沿って第１荷重を付与する第１荷重付与部６４と、発電反応部４６に前記積層方向に沿って第２荷重を付与する第２荷重付与部６６とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んだ電解質・電極接合体を有する燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックであって、
前記燃料電池は、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燃料ガス通路、及び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酸化剤ガス通路が、表裏に個別に設けられる発電反応部と、
前記発電反応部の外方を周回する枠形状の周縁部と、
前記燃料ガスを前記燃料電池の積層方向に流通させるとともに、前記燃料ガス通路に連通する燃料ガス連通孔と、前記酸化剤ガスを前記積層方向に流通させるとともに、前記酸化剤ガス通路に連通する酸化剤ガス連通孔とが、それぞれ形成される第１反応ガス流通部及び第２反応ガス流通部と、
を備え、
前記第１反応ガス流通部は、前記発電反応部の一端側外方と前記周縁部の内側との間に設けられる一方、前記第２反応ガス流通部は、前記発電反応部の他端側外方と前記周縁部の内側との間に設けられ、
前記第１反応ガス流通部は、前記燃料ガス連通孔である燃料ガス供給連通孔又は燃料ガス排出連通孔のいずれか一方と、前記酸化剤ガス連通孔である酸化剤ガス供給連通孔又は酸化剤ガス排出連通孔のいずれか一方とを有し、
前記第２反応ガス流通部は、前記燃料ガス供給連通孔又は前記燃料ガス排出連通孔の他方と、前記酸化剤ガス供給連通孔又は前記酸化剤ガス排出連通孔の他方とを有するとともに、
前記燃料電池スタックは、前記周縁部に前記積層方向に沿って第１荷重を付与する第１荷重付与部と、
前記発電反応部に前記積層方向に沿って第２荷重を付与する第２荷重付与部と、
を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１反応ガス流通部及び前記第２反応ガス流通部は、前記酸化剤ガス連通孔が前記燃料ガス連通孔の外方を周回して設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１反応ガス流通部は、前記酸化剤ガス排出連通孔が前記燃料ガス供給連通孔の外方を周回して設けられる一方、
前記第２反応ガス流通部は、前記酸化剤ガス供給連通孔が前記燃料ガス排出連通孔の外方を周回して設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池スタックの積層方向一端に配置される基台部と、
前記燃料電池スタックの積層方向他端に配置され、前記積層方向に沿って荷重を付与する架台部と、
を備え、
前記架台部は、前記第１荷重付与部及び前記第２荷重付与部を有するとともに、
前記第２荷重付与部は、前記第１荷重付与部よりも前記燃料電池から離間する方向に凹状となる凹部を設け、前記凹部には、少なくともアルミナを含む無機繊維が配置されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１荷重は、前記第２荷重よりも大きな荷重に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池は、前記電解質・電極接合体が金属支持体に接合された金属支持型燃料電池であることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んだ電解質・電極接合体を有する燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、固体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いる。固体電解質の両側にアノード電極とカソード電極とを配設した電解質・電極接合体（以下、ＭＥＡともいう）は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されている。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。
【０００３】
燃料電池スタックでは、効率的に出力電圧を得るために、燃料電池同士を所望の加圧状態で積層させる必要がある。さらに、反応ガス、例えば、燃料ガス及び空気の漏れを可及的に阻止するために、積層方向に加圧して反応ガスマニホールドを確実にシールする必要がある。
【０００４】
このため、例えば、特許文献１に開示されている電気化学セルスタックが知られている。この電気化学セルスタックは、図８に示すように、電気化学セル（ＰＥＭセル）スタック１ａが第１の導電性エンドプレート２ａと第２の導電性エンドプレート３ａとの間に配置されている。
【０００５】
第２の導電性エンドプレート３ａの外方には、エンドプレート４ａが配設されるとともに、前記エンドプレート４ａと第１の導電性エンドプレート２ａとは、複数の壁５ａにより連結されている。第２の導電性エンドプレート３ａとエンドプレート４ａとの間には、シリコン又は弾性高分子材料からなる電気絶縁性弾性パッド６ａが介装されている。そして、電気絶縁性弾性パッド６ａは、動作時に電気化学セルスタック１ａの熱膨張又は熱収縮を補償することができる、としている。
【０００６】
特許文献２に開示されている平板型固体電解質燃料電池では、図９に示すように、固体電解質層の両面にそれぞれ空気極と燃料極とを配置した単電池（図示せず）と、セパレータ１ｂとが交互に積層されている。セパレータ１ｂの一方の対角位置には、ガス給気孔２ｂとガス排気孔３ｂとが設けられるとともに、前記セパレータ１ｂの中央部分には、複数本のガス流路溝４ｂが形成されている。
【０００７】
ガス給気孔２ｂとガス流路溝４ｂの入口との間には、ガス流の絞り部５ｂ及び障害物６ｂが形成されている。このため、ガス給気孔２ｂから導出されたガスの圧力損失機能を有することができ、前記ガスを均等に分配することが可能になる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特表２００９−５００５２５号公報
【特許文献２】特開平１０−１７２５９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記の特許文献１では、シリコン又は弾性高分子材料からなる電気絶縁性弾性パッド６ａが用いられている。しかしながら、ＰＥＭセルに比較して運転温度が高温なＳＯＦＣでは、上記の電気絶縁性弾性パッド６ａを使用することができないという問題がある。
【００１０】
また、上記の特許文献２では、ガス給気孔２ｂ及びガス排気孔３ｂのシール性と、電極部を挟持する挟持部（ガス流路溝４ｂに覆われた領域）の集電性との両立を図る必要がある。その際、ガスシール性を確保する荷重が設定されると、電極部が破損するおそれがある。一方、集電性を確保する荷重が設定されると、ガスシール性が低下するという問題がある。
【００１１】
さらに、上記の特許文献１及び２では、ＳＯＦＣの作動温度である５００℃以上の高温領域において、ガスシール部分と集電部分とを、互いに最適な荷重で長期間に亘って押圧することが困難である。従って、シール性と集電性とを良好に確保しながら、燃料電池の破損を抑制することができないという問題がある。
【００１２】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、燃料電池の破損を可及的に抑制するとともに、ガスシール性及び集電性の向上を図ることが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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だ電解質・電極接合体を有する燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックに関するものである。
【００１４】
燃料電池は、アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス通路、及びカソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路が、表裏に個別に設けられる発電反応部を備えている。燃料電池は、さらに発電反応部の外方を周回する枠形状の周縁部と、第１反応ガス流通部及び第２反応ガス流通部を備えている。
【００１５】
第１反応ガス流通部及び第２反応ガス流通部には、それぞれ燃料ガス連通孔と酸化剤ガス連通孔とが形成されている。燃料ガス連通孔は、燃料ガスを燃料電池の積層方向に流通させるとともに、燃料ガス通路に連通する一方、酸化剤ガス連通孔は、酸化剤ガスを前記積層方向に流通させるとともに、酸化剤ガス通路に連通している。
【００１６】
第１反応ガス流通部は、発電反応部の一端側外方と周縁部の内側との間に設けられる一方、第２反応ガス流通部は、前記発電反応部の他端側外方と前記周縁部の内側との間に設けられている。
【００１７】
第１反応ガス流通部は、燃料ガス連通孔である燃料ガス供給連通孔又は燃料ガス排出連通孔のいずれか一方と、酸化剤ガス連通孔である酸化剤ガス供給連通孔又は酸化剤ガス排出連通孔のいずれか一方とを有している。第２反応ガス流通部は、燃料ガス供給連通孔又は燃料ガス排出連通孔の他方と、酸化剤ガス供給連通孔又は酸化剤ガス排出連通孔の他方とを有している。
【００１８】
そして、燃料電池スタックは、周縁部に積層方向に沿って第１荷重を付与する第１荷重付与部と、発電反応部に前記積層方向に沿って第２荷重を付与する第２荷重付与部と、を備えている。
【００１９】
また、燃料電池スタックでは、第１反応ガス流通部及び第２反応ガス流通部は、酸化剤ガス連通孔が燃料ガス連通孔の外方を周回して設けられることが好ましい。このため、特に燃料ガスが周縁部の外側に漏れ出すことを抑制することができる。
【００２０】
さらに、燃料電池スタックでは、第１反応ガス流通部は、酸化剤ガス排出連通孔が燃料ガス供給連通孔の外方を周回して設けられる一方、第２反応ガス流通部は、酸化剤ガス供給連通孔が燃料ガス排出連通孔の外方を周回して設けられることが好ましい。
【００２１】
従って、第１反応ガス流通部では、発電反応部から排出される酸化剤ガスにより、前記発電反応部に供給される燃料ガスを昇温することができ、熱効率が向上して熱自立の促進が図られる。一方、第２反応ガス流通部では、発電反応部から排出される燃料ガスにより、前記発電反応部に供給される酸化剤ガスを昇温することができ、熱効率が向上して熱自立の促進が図られる。ここで、熱自立とは、燃料電池スタックの運転に必要な熱の全量を外部から加えることなく、自ら発生する熱のみで前記燃料電池スタックの動作温度を維持することをいう。
【００２２】
さらにまた、燃料電池スタックでは、前記燃料電池スタックの積層方向一端に配置される基台部と、前記燃料電池スタックの積層方向他端に配置され、前記積層方向に沿って荷重を付与する架台部と、を備えることが好ましい。その際、架台部は、第１荷重付与部及び第２荷重付与部を有している。そして、第２荷重付与部は、第１荷重付与部よりも燃料電池から離間する方向に凹状となる凹部を設け、前記凹部には、少なくともアルミナを含む無機繊維が配置されることが好ましい。
【００２３】
これにより、架台部は、積層されている燃料電池に対し、無機繊維を介在させて間接的に第２荷重を付与するため、燃料電池スタック内に熱応力が発生しても、前記無機繊維の弾性により前記熱応力を緩和させることが可能になる。
【００２４】
また、燃料電池スタックでは、第１荷重は、第２荷重よりも大きな荷重に設定されることが好ましい。このため、周縁部には、反応ガスの漏れを可及的に抑制し、ガスシール性を向上させることができる第１荷重を付与することが可能になる。一方、発電反応部には、集電部分同士の密着性を高めて集電性を向上させることができる第２荷重を付与することが可能になる。従って、燃料電池の破損を可及的に抑制しながら、ガスシール性と集電性とを良好に維持することができる。
【００２５】
さらに、燃料電池スタックでは、燃料電池は、電解質・電極接合体が金属支持体に接合された金属支持型燃料電池であることが好ましい。これにより、燃料電池自体を可及的に薄肉状に構成することができ、燃料電池スタック全体のコンパクト化が容易に図られる。しかも、燃料電池は、金属支持体を有するため、比較的熱伝導がよく、前記燃料電池自体により熱応力を吸収することが可能になる。
【００２６】
さらにまた、燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であることが好ましい。このため、特にＳＯＦＣ等の高温型燃料電池に最適である。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、周縁部に燃料電池の積層方向に沿って第１荷重を付与する第１荷重付与部と、発電反応部に前記積層方向に沿って第２荷重を付与する第２荷重付与部と、を備えている。従って、周縁部には、反応ガスの漏れを可及的に抑制し、ガスシール性を向上させることができる第１荷重を付与することが可能になる。一方、発電反応部には、集電部分同士の密着性を高めて集電性を向上させることができる第２荷重を付与することが可能になる。これにより、燃料電池の破損を可及的に抑制しながら、ガスシール性と集電性とを良好に維持することができる。
【００２８】
また、第１反応ガス流通部及び第２反応ガス流通部を流通する反応ガスが、周縁部の外側に漏れ出すことを有効に抑制することが可能になる。しかも、反応ガスの発電反応部への供給と、前記発電反応部からの排出とを、促進させることができ、ガスシール性と集電性との両立が一層良好に遂行可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックの要部分解斜視説明図である。
【図３】前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視説明図である。
【図４】前記燃料電池の、図３中、ＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】前記燃料電池の、図２中、Ｖ−Ｖ線断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの要部分解斜視説明図である。
【図７】前記燃料電池スタックの、図６中、ＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。
【図８】特許文献１の電気化学セルスタックの説明図である。
【図９】特許文献２の燃料電池を構成するセパレータの斜視説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の固体酸化物形燃料電池１２を矢印Ｃ方向（鉛直方向）に積層して構成される。燃料電池スタック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。
【００３１】
燃料電池１２は、燃料ガス（水素含有ガス、例えば、水素ガスにメタン、一酸化炭素が混合した気体）と酸化剤ガス（空気）との電気化学反応により発電する。燃料電池１２の積層方向一端には、基台部１４が配置されるとともに、前記燃料電池１２の積層方向他端には、架台部１６が配置される。基台部１４と架台部１６とは、複数本の締め付けボルト１８により固定される。基台部１４には、各燃料電池１２を位置決めする複数本のガイドピン２０が配設される。架台部１６には、各ガイドピン２０を挿入する切り欠き（又は孔部）２１が形成される。なお、各ガイドピン２０は、燃料電池スタック１０の組み立て後に取り除かれる。
【００３２】
燃料電池１２は、図３及び図４に示すように、例えば、安定化ジルコニア、セリア系材料、ランタンガレート系材料等の酸化物イオン導電体で構成される電解質２２を有する。電解質２２の一方の面には、アノード電極２４が設けられるとともに、前記電解質２２の他方の面には、カソード電極２６が設けられ、電解質・電極接合体（ＭＥＡ）２８が構成される。カソード電極２６は、アノード電極２４よりも小さな平面寸法に設定され、前記アノード電極２４は、電解質２２よりも小さな平面寸法に設定される。
【００３３】
電解質・電極接合体２８は、金属支持体３０に接合される。金属支持体３０は、例えば、ステンレス鋼材（ＳＵＳ）の薄板で構成され、発電領域（中央部分）には、多数のアノード流通孔３２が形成される（図３及び図４参照）。アノード流通孔３２は、例えば、エッチングやレーザ加工により形成される他、ポーラス金属を用いてもよい。
【００３４】
図３に示すように、金属支持体３０は、長方形状を有し、長手方向（矢印Ａ方向）一端縁部には、燃料ガス供給連通孔３４ａが設けられる。金属支持体３０の長手方向一端縁部には、燃料ガス供給連通孔３４ａの外方を周回して、主として前記燃料ガス供給連通孔３４ａの矢印Ｂ方向両側に大きく開口した酸化剤ガス排出連通孔３６ｂが設けられる。
【００３５】
金属支持体３０の長手方向他端縁部には、燃料ガス排出連通孔３４ｂが設けられる。金属支持体３０の長手方向他端縁部には、燃料ガス排出連通孔３４ｂの外方を周回して、主として前記燃料ガス排出連通孔３４ｂの矢印Ｂ方向両側に大きく開口した酸化剤ガス供給連通孔３６ａが設けられる。
【００３６】
金属支持体３０には、電解質・電極接合体２８とは反対の面側に、金属薄板からなる通路部材３８が溶接等により固定される。通路部材３８は、金属支持体３０と略同一形状を有する。通路部材３８の長手方向一端縁部には、燃料ガス供給連通孔３４ａと酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとが形成され、前記通路部材３８の長手方向他端縁部には、燃料ガス排出連通孔３４ｂと酸化剤ガス供給連通孔３６ａとが形成される。
【００３７】
通路部材３８の金属支持体３０との接合面３８ａには、燃料ガスを矢印Ａ方向に沿って流通させる燃料ガス通路４０が形成される。燃料ガス通路４０は、複数本の凸状部間に形成される複数本の通路溝を有する。燃料ガス通路４０の入口側と燃料ガス供給連通孔３４ａとは、前記燃料ガス供給連通孔３４ａの外方を周回する複数本の凸状部を介して形成される入口連結通路４２ａにより連通する。燃料ガス通路４０の出口側と燃料ガス排出連通孔３４ｂとは、前記燃料ガス排出連通孔３４ｂの外方を周回する複数本の凸状部を介して形成される出口連結通路４２ｂにより連通する。
【００３８】
金属支持体３０の電解質・電極接合体２８側には、酸化剤ガス供給連通孔３６ａと酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとを連通して酸化剤ガス通路４４が形成される。酸化剤ガス通路４４は、カソード電極２６と後述するカソード集電体５４との間に、具体的には、前記カソード集電体５４の内部（多孔質材内部空間）に形成される。燃料ガス通路４０と酸化剤ガス通路４４とは、互いに反対方向にガス流れ方向が設定される対向流を構成する。
【００３９】
なお、燃料ガス通路４０と酸化剤ガス通路４４とは、互いに同一のガス流れ方向に設定される並行流を構成してもよい。その際、燃料ガス供給連通孔３４ａと酸化剤ガス供給連通孔３６ａとが同一端部側に配置される一方、燃料ガス排出連通孔３４ｂと酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとが同一端部側に配置される。
【００４０】
燃料電池１２は、燃料ガス通路４０と酸化剤ガス通路４４とが表裏に個別に設けられる発電反応部４６と、前記発電反応部４６の外方を周回する枠形状の周縁部４８と、第１反応ガス流通部５０及び第２反応ガス流通部５２を備える。第１反応ガス流通部５０は、燃料ガス供給連通孔３４ａ及び酸化剤ガス排出連通孔３６ｂを有する一方、第２反応ガス流通部５２は、燃料ガス排出連通孔３４ｂ及び酸化剤ガス供給連通孔３６ａを有する。
【００４１】
第１反応ガス流通部５０は、発電反応部４６の矢印Ａ方向一端側の外方と周縁部４８の内側との間に設けられる。第２反応ガス流通部５２は、発電反応部４６の矢印Ａ方向他端側の外方と周縁部４８の内側との間に設けられる。
【００４２】
カソード電極２６には、カソード集電体５４が積層される。カソード集電体５４は、カソード電極２６と略同一の寸法に設定されるとともに、比較的肉厚に形成され、例えば、ニッケル等の金属からなる発泡金属や金属メッシュ等により構成される。
【００４３】
燃料ガス供給連通孔３４ａを囲繞してリング状シール部材５６ａが配設されるとともに、燃料ガス排出連通孔３４ｂを囲繞してリング状シール部材５６ｂが配設される。リング状シール部材５６ａ、５６ｂは、絶縁性及びシール性を有しており、例えば、セラミック板にガラスペーストが塗布された非圧縮性シール部材で構成される。
【００４４】
周縁部４８には、この周縁部４８と略同一形状を有するシール部材５８が配置される。シール部材５８は、絶縁性及びシール性を有しており、例えば、マイカやサーミキュライトで構成される。シール部材５８は、酸化剤ガス供給連通孔３６ａ及び酸化剤ガス排出連通孔３６ｂと酸化剤ガス通路４４とを連通させる。
【００４５】
図１及び図２に示すように、基台部１４には、燃料ガス供給連通孔３４ａに連通する燃料ガス供給配管６０ａ及び燃料ガス排出連通孔３４ｂに連通する燃料ガス排出配管６０ｂが外方に延在して設けられる。基台部１４には、酸化剤ガス供給連通孔３６ａに連通する一対の酸化剤ガス供給配管６２ａ及び酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに連通する一対の酸化剤ガス排出配管６２ｂが外方に延在して設けられる。
【００４６】
図２に示すように、架台部１６は、周縁部４８に燃料電池１２の積層方向に沿って第１荷重Ｗ１を付与する第１荷重付与部６４と、発電反応部４６に前記積層方向に沿って第２荷重Ｗ２を付与する第２荷重付与部６６とを有する。第１荷重Ｗ１は、第２荷重Ｗ２よりも大きな荷重に設定される（Ｗ１＞Ｗ２）（図１参照）。
【００４７】
第１荷重付与部６４は、架台部１６の燃料電池１２に向かう面の外周縁部により構成される。第２荷重付与部６６は、第１荷重付与部６４よりも燃料電池１２から離間する方向（図２中、鉛直上方向）に凹状となる凹部６８を設ける。
【００４８】
凹部６８は、燃料電池１２の発電反応部４６の形状に相当する矩形状部６８ａを有する。矩形状部６８ａの一端側には、燃料ガス供給連通孔３４ａに配置されるリング状シール部材５６ａの形状に相当する円弧状端部６８ｂが一体に連通する。矩形状部６８ａの他端側には、燃料ガス排出連通孔３４ｂに配置されるリング状シール部材５６ｂの形状に相当する円弧状端部６８ｃが一体に連通する。
【００４９】
凹部６８には、少なくともアルミナを含むファイバーマット（無機繊維によるマット）７０が配置される。ファイバーマット７０は、アルミナ、ジルコニア、シリカ、炭化珪素、ムライト又はバーミキュライト等のセラミック材料及び鉱物由来の材料であり、絶縁且つ９００℃以上の耐熱安定性を有する材料を用いることができる。第１の実施形態では、上記の材料の中、アルミナ及びシリカを主成分とし、アルミナ含有量＞シリカ含有量、又は、アルミナ単体のファイバーマット７０が作成される。
【００５０】
ファイバーマット７０は、凹部６８の形状に対応しており、矩形状部６８ａに挿入される矩形状マット部７０ａ及び円弧状端部６８ｂ、６８ｃに挿入される円弧状マット部７０ｂ、７０ｃを一体に有する。ファイバーマット７０の厚さは、締め付け荷重付与時に凹部６８の深さよりも大きな寸法に設定される（図５参照）。
【００５１】
なお、図示しないが、燃料電池１２の積層方向両端と基台部１４及び架台部１６との間には、それぞれターミナルプレート及び絶縁プレートが積層されている。
【００５２】
このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。
【００５３】
図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１０を構成する基台部１４には、燃料ガス供給配管６０ａ及び一対の酸化剤ガス供給配管６２ａが接続されている。そこで、燃料ガス供給配管６０ａには、燃料ガス（例えば、水素ガス）が供給されるとともに、一対の酸化剤ガス供給配管６２ａには、酸化剤ガス、例えば、空気が供給される。
【００５４】
燃料ガスは、図３及び図５に示すように、燃料ガス供給配管６０ａから燃料ガス供給連通孔３４ａに沿って鉛直上方向に移動する。各燃料電池１２には、金属支持体３０と通路部材３８との間に入口連結通路４２ａが形成され、燃料ガスは、前記入口連結通路４２ａから各燃料ガス通路４０に供給される。
【００５５】
このため、燃料ガスは、燃料ガス通路４０に沿って矢印Ａ方向に移動しながら、金属支持体３０のアノード流通孔３２を通って電解質・電極接合体２８のアノード電極２４に供給される。燃料ガス通路４０に沿って出口連結通路４２ｂに移動した燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３４ｂに排出され、鉛直下方向に移動して燃料ガス排出配管６０ｂに排出される。
【００５６】
空気は、一対の酸化剤ガス供給配管６２ａから酸化剤ガス供給連通孔３６ａに沿って鉛直上方向に移動する。各燃料電池１２には、酸化剤ガス通路４４が形成されており、空気は、酸化剤ガス供給連通孔３６ａから各酸化剤ガス通路４４に供給される。
【００５７】
従って、空気は、酸化剤ガス通路４４に沿って矢印Ａ方向（燃料ガスとは対向流）に移動しながら、電解質・電極接合体２８のカソード電極２６に供給される。酸化剤ガス通路４４に沿って移動した空気は、一対の酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに排出され、鉛直下方向に移動して一対の酸化剤ガス排出配管６２ｂに排出される。
【００５８】
これにより、電解質・電極接合体２８では、アノード電極２４に燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極２６に空気が供給される。このため、酸化物イオンが、電解質２２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。
【００５９】
この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、架台部１６は、燃料電池１２の周縁部４８に積層方向に沿って第１荷重Ｗ１を付与する第１荷重付与部６４を備えている。架台部１６は、さらに発電反応部４６に積層方向に沿って第２荷重Ｗ２を付与する第２荷重付与部６６を備えている。
【００６０】
従って、周縁部４８には、反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）の漏れを可及的に抑制し、ガスシール性を向上させることができる第１荷重Ｗ１を付与することが可能になる。一方、発電反応部４６には、集電部分同士の密着性を高めて集電性を向上させることができる第２荷重Ｗ２を付与することが可能になる。これにより、燃料電池１２の破損を可及的に抑制しながら、ガスシール性と集電性とを良好に維持することができるという効果が得られる。
【００６１】
また、第１反応ガス流通部５０及び第２反応ガス流通部５２を流通する反応ガスが、周縁部４８の外側に漏れ出すことを有効に抑制することが可能になる。しかも、反応ガスの発電反応部４６への供給と、前記発電反応部４６からの排出とを、促進させることができ、ガスシール性と集電性との両立が一層良好に遂行可能になる。
【００６２】
さらにまた、図３に示すように、第１反応ガス流通部５０では、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂが燃料ガス供給連通孔３４ａの外方を周回して設けられている。第２反応ガス流通部５２では、酸化剤ガス供給連通孔３６ａが燃料ガス排出連通孔３４ｂの外方を周回して設けられている。
【００６３】
このため、第１反応ガス流通部５０では、発電反応部４６から排出される酸化剤ガスにより、前記発電反応部４６に供給される燃料ガスを昇温することができ、熱効率が向上して熱自立の促進が図られる。ここで、熱自立とは、燃料電池スタック１０の運転に必要な熱の全量を外部から加えることなく、自ら発生する熱のみで前記燃料電池スタック１０の動作温度を維持することをいう。
【００６４】
一方、第２反応ガス流通部５２では、発電反応部４６から排出される燃料ガスにより、前記発電反応部４６に供給される酸化剤ガスを昇温することができ、熱効率が向上して熱自立の促進が図られる。
【００６５】
また、燃料電池スタック１０は、積層方向一端に配置される基台部１４と、積層方向他端に配置され、積層方向に沿って荷重を付与する架台部１６とを備えている。その際、図２及び図５に示すように、架台部１６は、第１荷重付与部６４及び第２荷重付与部６６を有し、前記第２荷重付与部６６を構成する凹部６８には、少なくともアルミナを含むファイバーマット７０が配置されている。
【００６６】
従って、架台部１６は、積層されている燃料電池１２に対し、ファイバーマット７０を介在させて間接的に第２荷重Ｗ２を付与している。これにより、燃料電池スタック１０内に熱応力が発生しても、ファイバーマット７０の弾性により前記熱応力を緩和させることが可能になる。
【００６７】
さらに、第１荷重Ｗ１は、第２荷重Ｗ２よりも大きな荷重に設定されている（図１参照）。このため、周縁部４８には、反応ガスの漏れを可及的に抑制し、ガスシール性を向上させることができる第１荷重Ｗ１を付与することが可能になる。一方、発電反応部４６には、集電部分同士の密着性を高めて集電性を向上させることができる第２荷重Ｗ２を付与することが可能になる。従って、燃料電池１２の破損を可及的に抑制しながら、ガスシール性と集電性とを良好に維持することができる。
【００６８】
さらにまた、図３及び図４に示すように、燃料電池１２は、電解質・電極接合体２８が金属支持体３０に接合された金属支持型燃料電池である。これにより、燃料電池１２自体を可及的に薄肉状に構成することができ、燃料電池スタック１０全体のコンパクト化が容易に図られる。しかも、燃料電池１２は、金属支持体３０を有するため、比較的熱伝導がよく、前記燃料電池１２自体により熱応力を吸収することが可能になる。
【００６９】
また、燃料電池１２は、固体酸化物形燃料電池である。このため、特にＳＯＦＣ等の高温型燃料電池に最適である。
【００７０】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック８０の要部分解斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０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。
【００７１】
燃料電池スタック８０は、架台部１６に代えて架台部８２を備える。架台部８２は、周縁部４８に燃料電池１２の積層方向に沿って第１荷重Ｗ１を付与する第１荷重付与部８４と、発電反応部４６に前記積層方向に沿って第２荷重Ｗ２を付与する第２荷重付与部８６とを有する。
【００７２】
第１荷重付与部８４は、架台部８２の燃料電池１２に向かう面の外周縁部により構成される。第２荷重付与部８６は、第１荷重付与部８４よりも燃料電池１２から離間する方向に凹状となる凹部８８を設ける。凹部８８は、燃料電池１２の発電反応部４６の形状に相当する矩形状を有する。
【００７３】
凹部８８には、少なくともアルミナを含むファイバーマット（無機繊維によるマット）９０が配置される。ファイバーマット９０は、ファイバーマット７０と同一の材料で構成される。ファイバーマット９０は、凹部８８の形状に対応しており、矩形状を有する。
【００７４】
燃料電池スタック８０は、リング状シール部材５６ａ、５６ｂに代えてリング状シール部材９２ａ、９２ｂを備える。リング状シール部材９２ａ、９２ｂは、絶縁性及びシール性を有しており、例えば、マイカやサーミキュライトを用いた圧縮性シール部材で構成される。
【００７５】
このように、第２の実施形態では、リング状シール部材９２ａ、９２ｂが圧縮性シール部材で構成されるため、ファイバーマット９０は、燃料ガス供給連通孔３４ａ及び燃料ガス排出連通孔３４ｂを覆う形状を有する必要がない。リング状シール部材９２ａ、９２ｂ自体が変形可能であるからである。
【００７６】
これにより、第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００７７】
１０、８０…燃料電池スタック        １２…燃料電池
１４…基台部                        １６、８２…架台部
２２…電解質                        ２４…アノード電極
２６…カソード電極                  ２８…電解質・電極接合体
３０…金属支持体                    ３２…アノード流通孔
３４ａ…燃料ガス供給連通孔          ３４ｂ…燃料ガス排出連通孔
３６ａ…酸化剤ガス供給連通孔        ３６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
３８…通路部材                      ４０…燃料ガス通路
４４…酸化剤ガス通路                ４６…発電反応部
４８…周縁部                        ５０、５２…反応ガス流通部
５４…カソード集電体
５６ａ、５６ｂ、９２ａ、９２ｂ…リング状シール部材
５８…シール部材                    ６４、６６、８４、８６…荷重付与部
６８、８８…凹部                    ７０、９０…ファイバーマット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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