(57)【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で構成される電解質・電極接合体が、セパレータ間に積層される固体酸化物形燃料電池を備え、複数の前記固体酸化物形燃料電池が積層される積層体を有する燃料電池スタックであって、
前記積層体の積層方向に沿って配置され、該積層体の側部外方を囲む壁部と、
前記壁部と前記積層体の側部との間に介装され、前記積層体の前記側部にセパレータ面方向に向かって荷重を付与するとともに、アルミナ繊維とバーミキュライトとの複合材を有する燃料電池保持部と、
を備え、
前記燃料電池保持部は、アルミナ繊維により構成されるアルミナ層と、
前記複合材により構成される複合層と、
を備えるとともに、
前記アルミナ層は、前記積層体の前記側部側に配置され且つ前記複合層は、前記壁部側に配置され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、前記燃料電池保持部と前記積層体との間に配置される絶縁部材を備え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、前記絶縁部材は、マイカであ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、前記固体酸化物形燃料電池は、平板積層型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で構成される電解質・電極接合体が、セパレータ間に積層される固体酸化物形燃料電池を備え、複数の前記固体酸化物形燃料電池が積層される積層体を有す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、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おり、この電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、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】
この種の燃料電池スタックでは、特に平板積層型固体酸化物形燃料電池が用いられる際、燃料電池同士を積層方向に沿って確実に位置決めする必要がある。このため、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックでは、図１１に示すように、積層方向両端に端板１ａが配設されている。各端板１ａの内側には、それぞれ絶縁板２ａ及び集電板３ａが配設されるとともに、前記集電板３ａ間には、ＭＥＡ４ａとセパレータ５ａとを交互に積層した積層体が挟持されている。
【０００４】
燃料電池スタックを製造する際には、組み立て治具６ａに設けられている複数の位置決めガイド７ａに、前記燃料電池スタックを構成する各部材の端面を合わせるようにして、各部材が、順次、積層されている。次いで、一対の端板１ａは、図示しないボルトにより一体に固定され、燃料電池スタックに積層方向に締め付け荷重が付与されている。
【０００５】
また、特許文献２に開示されている燃料電池の組立方法では、図１２に示すように、燃料電池の構成部品であるセパレータ１ｂの四隅及び各辺の中間部分に、ピン孔２ｂが形成されている。そして、図示しない治具に設けられているピン３ｂが、ピン孔２ｂに挿通されることにより、セパレータ１ｂの位置決めが行われている。
【０００６】
さらにまた、特許文献３に開示されている燃料電池は、図１３に示すように、矩形状のセルを含む積層部品が積層されたスタック１ｃを備えている。スタック１ｃの第１の側壁には、セルの積層方向に繋がる第１の切り欠き部２ｃが形成されている。スタック１ｃの第１の側壁と反対側の第２の側壁には、セルの積層方向に繋がる第２の切り欠き部３ｃが形成されている。第１の側壁に垂直な方向から見た際に、第１の切り欠き部２ｃと第２の切り欠き部３ｃとは、互いに重複しないことを特徴としている。
【０００７】
エンドプレートの第１の切り欠き部２ｃと第２の切り欠き部３ｃとには、それぞれ円柱形状のガイドシャフト（図示せず）が当接することにより、前記エンドプレートが位置決めされている。次に、上記のエンドプレート上には、同様に、インシュレータ、ターミナル、単位セル、ターミナル、インシュレータ及びエンドプレートが、順次積層されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−８６２３２号公報
【特許文献２】特開２００５−７９０２４号公報
【特許文献３】特開２００７−１７９９３５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、組み立て治具６ａに設けられている複数の位置決めガイド７ａにより、各部材が位置決めされるため、前記位置決めガイド７ａを高精度に構成する必要がある。従って、組み立て治具６ａの製造コストが高騰するとい問題がある。さらに、燃料電池スタックは、組み立て作業が終了した後、組み立て治具６ａから取り外されている。このため、燃料電池スタックを移送する際、前記燃料電池スタックに位置ずれが発生し易いという問題がある。
【００１０】
また、上記の特許文献２では、複数のピン３ｂがセパレータ１ｂの複数のピン孔２ｂに挿入されている。ここで、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）は、作動温度が比較的高温となるため、ピン３ｂに伸びや歪みが惹起し易くなる。しかも、燃料電池を移送する際に、ピン３ｂに損傷等が発生するおそれがある。
【００１１】
さらにまた、上記の特許文献３では、各積層部品の第１の側壁と第２の側壁とには、それぞれ第１の切り欠き部２ｃと第２の切り欠き部３ｃとを高精度に形成する必要がある。従って、各積層部品の製造コストが相当に高騰するという問題がある。
【００１２】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池スタックを容易に組み立てるとともに、搬送時の位置ずれ等を良好に抑制す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で構成される電解質・電極接合体が、セパレータ間に積層される固体酸化物形燃料電池を備え、複数の前記固体酸化物形燃料電池が積層される積層体を有する燃料電池スタックに関するものである。
【００１４】
この燃料電池スタックは、積層体の積層方向に沿って配置され、前記積層体の側部外方を囲む壁部と、前記壁部と前記積層体の側部との間に介装され、前記積層体の前記側部にセパレータ面方向に向かって荷重を付与するとともに、アルミナ繊維とバーミキュライトとの複合材を有する燃料電池保持部とを備えている。
【００１５】
この燃料電池スタックでは、燃料電池保持部は、アルミナ繊維により構成されるアルミナ層と、複合材により構成される複合層とを備えるとともに、前記アルミナ層は、積層体の側部側に配置され且つ前記複合層は、壁部側に配置される。
【００１６】
アルミナ繊維は、弾性を有するとともに、高温における耐久性に優れる。しかも、アルミナ繊維は、断熱性及び絶縁性を有しており、アルミナ層は、高温で運転される積層体の側部に良好に配置可能となる。一方、バーミキュライトは、アルミナ繊維に比べて高温耐久性が低いものの、高温時の熱膨張率が大きい。
【００１７】
このため、複合層は、壁部側に配置されることにより、バーミキュライトが積層体からの温度に直接曝されることがない。しかも、バーミキュライトが熱膨張することにより、積層体のセパレータ面方向の位置ずれを良好に抑制することができる。
【００１８】
さらに、この燃料電池スタックでは、燃料電池保持部と積層体との間に配置される絶縁部材を備えることが好ましい。従って、絶縁部材は、絶縁機能と積層体の位置決め機能とを有することができ、前記積層体の位置決め作業がより簡素化される。
【００１９】
さらにまた、この燃料電池スタックでは、絶縁部材は、マイカであることが好ましい。これにより、絶縁部材として、良好に機能することが可能になる。
【００２０】
また、この燃料電池スタックでは、固体酸化物形燃料電池は、平板積層型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、平板型ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）のような高温型燃料電池に好適に適用することが可能になる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、アルミナ繊維は、弾性を有するとともに、高温における耐久性に優れる。しかも、断熱性及び絶縁性を有している。一方、バーミキュライトは、高温時の膨張率が大きい。このため、複合層は、耐熱性、断熱性及び熱膨張性に優れ、燃料電池スタックの温度変化に容易に追従して、積層体のセパレータ面方向の位置ずれを良好に抑制することができる。
【００２２】
さらに、燃料電池スタックからの放熱を良好に抑制することが可能になるとともに、熱自立の促進が図られる。ここで、熱自立とは、外部から熱を付与することなく、自ら発生する熱により良好な運転が可能になる状態をいう。
【００２３】
これにより、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池スタックを容易に組み立てることができ、搬送時の位置ずれ等を良好に抑制するとともに、放熱を抑制して高効率な燃料電池スタックを提供することができる。
【００２４】
その上、構成部品を位置決めするための位置決めピンやガイド等が不要になる。従って、組み立て時の位置決めを高精度に行う必要がなく、組み立て工数を有効に削減することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【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一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固体酸化物形燃料電池の分解斜視説明図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解斜視説明図である。
【図５】前記燃料電池スタックの概略断面説明図である。
【図６】本発明の第３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７】前記燃料電池スタックの一部分解斜視説明図である。
【図８】前記燃料電池スタックを構成する固体酸化物形燃料電池の分解斜視説明図である。
【図９】前記固体酸化物形燃料電池を構成する第２プレートの説明図である。
【図１０】前記燃料電池スタックの一部断面平面説明図である。
【図１１】特許文献１の燃料電池スタックの組み立て作業の斜視説明図である。
【図１２】特許文献２の燃料電池の平面説明図である。
【図１３】特許文献３の燃料電池の平面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
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）又は矢印Ａ方向（水平方向）に積層して構成される。この燃料電池スタック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。固体酸化物形燃料電池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。
【００２７】
固体酸化物形燃料電池１２は、図３に示すように、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質（電解質板）１４の両面に、カソード電極１６及びアノード電極１８が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）２０を備える。
【００２８】
電解質・電極接合体２０は、アノード電極１８の厚さ方向の寸法がカソード電極１６及び電解質１４の厚さ方向の寸法よりも大きなアノード電極支持型セルであるとともに、前記カソード電極１６の表面積は、前記電解質１４の表面積よりも小さく設定される。
【００２９】
なお、電解質・電極接合体２０は、アノード電極支持型セルに代えて、電解質１４の厚さ方向の寸法がアノード電極１８及びカソード電極１６の厚さ方向の寸法よりも大きな電解質支持型セルを用いるとともに、少なくとも前記アノード電極１８の表面積又は前記カソード電極１６の表面積は、前記電解質１４の表面積よりも小さく設定されることができる。
【００３０】
カソード電極１６には、集電体１９が積層される。集電体１９は、カソード電極１６と略同一の寸法に設定され、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。
【００３１】
電解質・電極接合体２０は、矩形状（長方形状又は正方形状）に形成されるとともに、少なくとも外周端面部には、酸化剤ガス及び燃料ガスの進入や排出を阻止するためにバリアー層（図示せず）が設けられている。
【００３２】
固体酸化物形燃料電池１２は、一対のセパレータ（インターコネクタ）２２間に、シール部材２４ａ、２４ｂ及び金属プレート２５を介装して単一の電解質・電極接合体２０を挟んで構成される。セパレータ２２は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成される一方、シール部材２４ａ、２４ｂは、例えば、マイカ材やセラミック材等の地殻成分系素材、ガラス系素材、粘土とプラスチックの複合素材で形成される。
【００３３】
金属プレート２５は、フレーム形状を有し、内部に形成される開口部２５ａは、カソード電極１６よりも大きく且つ電解質１４よりも小さく構成される。金属プレート２５は、開口部２５ａの周壁部が、電解質１４の周縁部に積層されることにより、カソード側とアノード側との間におけるガスシール機能を有する。
【００３４】
セパレータ２２は、長方形状（又は正方形状）を有しており、長辺方向（矢印Ａ方向）一端側には、複数、例えば、３つの酸化剤ガス供給連通孔２６ａが短辺方向（矢印Ｂ方向）に配列して形成される。セパレータ２２の長辺方向他端側には、矢印Ｂ方向に配列して、例えば、３つの酸化剤ガス排出連通孔２６ｂが形成される。
【００３５】
セパレータ２２の短辺方向（矢印Ｂ方向）一端側には、例えば、３つの燃料ガス供給連通孔２８ａが矢印Ａ方向に配列して形成される。セパレータ２２の短辺方向他端側には、例えば、３つの燃料ガス排出連通孔２８ｂが矢印Ａ方向に配列して形成される。
【００３６】
なお、上記の構成とは逆に、セパレータ２２の長辺方向両端側に、３つの燃料ガス供給連通孔２８ａと３つの燃料ガス排出連通孔２８ｂとを設ける一方、前記セパレータ２２の短辺方向両端側に、３つの酸化剤ガス供給連通孔２６ａと３つの酸化剤ガス排出連通孔２６ｂとを設けてもよい。
【００３７】
セパレータ２２において、電解質・電極接合体２０のカソード電極１６に対向する面２２ａに、前記カソード電極１６の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路３０が形成される。酸化剤ガス通路３０は、矢印Ａ方向に延在する複数本の流路溝により構成されるとともに、両端が酸化剤ガス供給連通孔２６ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２６ｂの近傍で終端する。
【００３８】
セパレータ２２において、電解質・電極接合体２０を構成するアノード電極１８に対向する面２２ｂには、前記アノード電極１８の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路３２が形成される。
【００３９】
燃料ガス通路３２は、矢印Ｂ方向に延在する複数の流路溝により構成されるとともに、両端が、燃料ガス供給連通孔２８ａ及び燃料ガス排出連通孔２８ｂに連通する。
【００４０】
シール部材２４ａ、２４ｂには、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ、燃料ガス供給連通孔２８ａ及び燃料ガス排出連通孔２８ｂが形成される。シール部材２４ａには、各酸化剤ガス供給連通孔２６ａと酸化剤ガス通路３０とを連通するための入口連結路３４ａと、各酸化剤ガス排出連通孔２６ｂと前記酸化剤ガス通路３０とを連通する出口連結路３４ｂとが形成される。
【００４１】
セパレータ２２は、電解質・電極接合体２０を挟持するとともに、燃料ガス通路３２及び酸化剤ガス通路３０が個別に設けられる挟持部３５と、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ、燃料ガス供給連通孔２８ａ及び燃料ガス排出連通孔２８ｂが積層方向に形成される反応ガス供給部３７とを備える。
【００４２】
図１及び図２に示すように、複数の固体酸化物形燃料電池１２は、矢印Ｃ方向に積層されることにより、積層体３６が構成される。積層体３６は、前記積層体３６の積層方向下端（一端）に配置される下部エンドプレート（基台部）３８上に載置される。
【００４３】
下部エンドプレート３８は、矢印Ａ方向及び矢印Ｂ方向の寸法が、積層体３６の各寸法よりも大きな寸法に設定されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ、燃料ガス供給連通孔２８ａ及び燃料ガス排出連通孔２８ｂが形成される（図２参照）。
【００４４】
下部エンドプレート３８の各端面（厚さ方向に沿う端面）には、それぞれ複数のねじ孔４０が形成される。なお、下部エンドプレート３８には、図示しないが、酸化剤ガス及び燃料ガスの供給及び排出を行うためのマニホールドが装着される。
【００４５】
積層体３６の積層方向上端（他端）には、上部エンドプレート４２が配置される。上部エンドプレート４２の矢印Ａ方向及び矢印Ｂ方向の寸法は、積層体３６の各寸法と同寸法に設定されるとともに、前記上部エンドプレート４２は、長方形状（又は正方形状）の平板で構成される。
【００４６】
上部エンドプレート４２上には、燃料電池保持部４４と荷重プレート（架台部）４６とが積層される。荷重プレート４６の各端面には、それぞれ複数のねじ孔４８が形成される。
【００４７】
燃料電池保持部４４は、挟持部３５に電解質・電極接合体２０に対応して積層方向に荷重を付与する第１保持部４４ａと、反応ガス供給部３７に前記積層方向に荷重を付与する第２保持部４４ｂとを有するとともに、前記第１保持部４４ａは、前記第２保持部４４ｂよりも密度が小さく設定される。
【００４８】
具体的には、燃料電池保持部４４は、アルミナ層５２と、第１保持部４４ａを構成する第１複合層５４ａと、第２保持部４４ｂを構成する第２複合層５４ｂとを備える。第１複合層５４ａと第２複合層５４ｂとは、一体に構成されて全体として長方形状を有する。この長方形状の中央側には、電解質・電極接合体２０の形状に対応する第１複合層５４ａが設けられる一方、前記第１複合層５４ａを周回して反応ガス供給部３７に対応する額縁状の第２複合層５４ｂが設けられる。
【００４９】
アルミナ層５２は、アルミナ繊維により構成される。このアルミナ層５２は、具体的には、結晶質アルミナ繊維に有機バインダーを含浸させて厚さ方向に圧縮し、前記有機バインダーの溶媒部を乾燥により除去することにより形成される。アルミナ層５２は、アルミナ繊維により弾性を有するとともに、高温における耐久性に優れ、しかも断熱性及び絶縁性を有している。
【００５０】
第１複合層５４ａ及び第２複合層５４ｂは、アルミナ繊維とバーミキュライトとの複合材を有する。第１複合層５４ａ及び第２複合層５４ｂは、バーミキュライトの粒子を、結晶質アルミナ繊維を含むスラリー中に分散させるとともに、上記のアルミナ層５２と同様に製造される。第１複合層５４ａは、第２複合層５４ｂよりもバーミキュライトの含有量が少なく設定される。なお、第１複合層５４ａと第２複合層５４ｂとは、分離して構成してもよい。
【００５１】
積層体３６の積層方向に沿って、前記積層体３６の各側部外方を囲んで壁板部材（壁部）５６ａ〜５６ｄが配設されるとともに、前記積層体３６の側部と前記壁板部材５６ａ〜５６ｄとの間には、燃料電池保持部５８が介装される。壁板部材５６ａ〜５６ｄは、下部エンドプレート３８の各ねじ孔４０及び荷重プレート４６の各ねじ孔４８に螺合するボルト６０を介して、前記下部エンドプレート３８及び前記荷重プレート４６に矢印Ｃ方向両端が固定される。壁板部材５６ａ〜５６ｄには、荷重プレート４６を積層方向に調整可能にする長孔５７が形成される。
【００５２】
燃料電池保持部５８は、少なくとも複合層６２を備え、必要に応じてアルミナ層や絶縁部材（後述する）が積層体３６側に向かって順次配置される。複合層６２は、アルミナ繊維とバーミキュライトとの複合材を有する。この複合層６２は、具体的には、バーミキュライトの粒子を、結晶質アルミナ繊維を含むスラリー中に分散させるとともに、上記のアルミナ層５２と同様に製造される。
【００５３】
燃料電池スタック１０を組み立てる際には、下部エンドプレート３８上に積層体３６が載置された後、この積層体３６上には、上部エンドプレート４２が配置される。上部エンドプレート４２上には、アルミナ層５２と第１及び第２複合層５４ａ、５４ｂが、それぞれ所定の厚さずつ載置された後、荷重プレート４６が配置される。
【００５４】
次いで、積層体３６の各側部には、複合層６２が配置されるとともに、前記複合層６２を前記積層体３６の各側部に押圧するようにして、壁板部材５６ａ〜５６ｄが配置される。壁板部材５６ａ〜５６ｄは、ボルト６０が下部エンドプレート３８の各ねじ孔４０及び荷重プレート４６の各ねじ孔４８に螺合することにより、前記下部エンドプレート３８及び前記荷重プレート４６に固定される。
【００５５】
積層体３６には、燃料電池保持部４４を介して積層方向の荷重が付与されるとともに、燃料電池保持部５８を介してセパレータ面方向の位置保持機能が付与される。
【００５６】
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。
【００５７】
図２に示すように、燃料電池スタック１０を構成する下部エンドプレート３８には、図示しないマニホールドを介して燃料ガス（例えば、水素ガス）と酸化剤ガスである、例えば、空気とが供給される。空気は、酸化剤ガス供給連通孔２６ａに沿って鉛直上方向に移動する。
【００５８】
各固体酸化物形燃料電池１２では、図３に示すように、シール部材２４ａの酸化剤ガス供給連通孔２６ａに連通する入口連結路３４ａを通って、セパレータ２２の酸化剤ガス通路３０に供給される。空気は、酸化剤ガス通路３０を矢印Ａ方向に移動しながら、電解質・電極接合体２０のカソード電極１６に供給された後、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂに排出される。
【００５９】
一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔２８ａに沿って鉛直上方向に移動し、各固体酸化物形燃料電池１２を構成するセパレータ２２の燃料ガス通路３２に供給される。燃料ガスは、燃料ガス通路３２に沿って矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質・電極接合体２０のアノード電極１８に供給された後、燃料ガス排出連通孔２８ｂに排出される。
【００６０】
従って、電解質・電極接合体２０では、アノード電極１８に燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極１６に空気が供給される。これにより、酸化物イオンが、電解質１４を通ってアノード電極１８に移動し、化学反応により発電が行われる。
【００６１】
この場合、第１の実施形態では、積層体３６の各側部には、複合層６２が配置されるとともに、前記複合層６２を前記積層体３６の各側部に押圧するようにして、壁板部材５６ａ〜５６ｄが配置されている。
【００６２】
複合層６２は、弾性を有し、高温における耐久性、断熱性及び絶縁性に優れるアルミナ繊維と、高温時の熱膨張率が大きいバーミキュライトとを有している。このため、複合層６２は、耐熱性、断熱性及び熱膨張性に優れ、燃料電池スタック１０の温度変化に容易に追従して、積層体３６にセパレータ面方向（矢印Ａ方向及び矢印Ｂ方向）の位置ずれが発生することを良好に抑制することができる。
【００６３】
しかも、積層体３６は、燃料電池保持部５８を構成する各複合層６２により各側部を保持されている。従って、燃料電池スタック１０を搬送する際、積層体３６がセパレータ面方向に位置ずれを生ずることを阻止することが可能になる。
【００６４】
さらに、燃料電池スタック１０からの放熱を良好に抑制することが可能になるとともに、熱自立の促進が図られる。ここで、熱自立とは、外部から熱を付与することなく、自ら発生する熱により良好な運転が可能になる状態をいう。
【００６５】
これにより、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池スタック１０を容易に組み立てることができ、搬送時の位置ずれ等を良好に抑制するとともに、放熱を抑制して高効率な燃料電池スタック１０を提供することができるという効果が得られる。
【００６６】
その上、構成部品を位置決めするための位置決めピンやガイド等が不要になる。従って、組み立て時の位置決めを高精度に行う必要がなく、組み立て工数を有効に削減することが可能になる。
【００６７】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック７０の一部分解斜視説明図である。
【００６８】
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。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。さらに、第２以降の実施形態では、架台部としてボックスを用いて説明するが、これに限定されるものではなく、第１の実施形態の荷重プレート４６及び壁板部材５６ａ〜５６ｄを採用することも可能である。
【００６９】
燃料電池スタック７０では、図４及び図５に示すように、第１の実施形態の荷重プレート４６に変えてボックス７２を備える。ボックス７２は、例えば、フェライト系ステンレスで構成されており、開口側端部には、外方に突出するフランジ部７４が設けられフランジ部７４には、複数の孔部７６が形成される。
【００７０】
下部エンドプレート３８上には、シール部材７８を介して積層体３６が載置される。シール部材７８は、額縁状を有するとともに、複数の孔部８０が、孔部７６と同軸上に形成される。
【００７１】
孔部７６、８０には、ボルト８２が一体に挿入され、このボルト８２が、下部エンドプレート３８のねじ孔８４にねじ込まれることにより、ボックス７２の底部（架台部）７２ａが、燃料電池保持部４４を積層方向に押圧する。ボックス７２内には、積層体３６の各側部に沿って絶縁部材、例えば、マイカ等の絶縁板８６と燃料電池保持部８８とが配置される。
【００７２】
絶縁板８６は、積層体３６と燃料電池保持部８８との間に配置される一方、前記燃料電池保持部８８は、アルミナ層９０と複合層９２とを備える。アルミナ層９０は、前述したアルミナ層５２と同様に構成される。複合層９２は、アルミナ繊維とバーミキュライトとの複合材を有しており、前述した第１複合層５４ａ（５４ｂ）と同様に構成される。アルミナ層９０は、積層体３６の側部側に配置され且つ複合層９２は、ボックス７２の各壁面（壁部）７２ｂ側に配置される。なお、ボックス７２内の空間部分には、例えば、アルミナ繊維を充填してもよい。
【００７３】
このように構成される第２の実施形態では、燃料電池保持部８８は、アルミナ繊維により構成されるアルミナ層９０と、複合材により構成される複合層９２とを備えるとともに、前記アルミナ層９０は、積層体３６の側部側に配置され且つ前記複合層９２は、壁面７２ｂ側に配置されている。
【００７４】
アルミナ繊維は、弾性を有するとともに、高温における耐久性に優れる。しかも、アルミナ繊維は、断熱性及び絶縁性を有しており、アルミナ層９０は、高温で運転される積層体３６の側部に良好に配置可能となる。
【００７５】
一方、バーミキュライトは、アルミナ繊維に比べて高温耐久性が低いものの、高温時の熱膨張率が大きい。このため、複合層９２は、壁面７２ｂ側に配置されることにより、バーミキュライトが積層体３６からの温度に直接曝されることがない。しかも、バーミキュライトが熱膨張することにより、積層体３６のセパレータ面方向の位置ずれを良好に抑制することができる。
【００７６】
さらに、第２の実施形態では、燃料電池保持部８８と積層体３６との間に、絶縁板８６が配置されている。従って、絶縁板８６は、絶縁機能と積層体３６のセパレータ面方向の位置決め機能とを有することができ、前記積層体３６の位置決め作業がより簡素化される。
【００７７】
特に、燃料電池保持部８８を構成するアルミナ層９０は、アルミナ繊維を有している。このため、絶縁板８６が介装されることにより、アルミナ層９０が積層体３６のセパレータ面方向の荷重を吸収することを確実に抑制することが可能になる。
【００７８】
さらにまた、この燃料電池スタック７０では、絶縁板８６は、マイカで構成されている。これにより、絶縁部材として、良好に機能することが可能になる。
【００７９】
図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１００の概略斜視説明図である。
【００８０】
図６及び図７に示すように、燃料電池スタック１００は、矢印Ｃ方向に積層される複数の固体酸化物形燃料電池１０２を備え、複数の前記固体酸化物形燃料電池１０２が積層されて積層体１０４が構成される。
【００８１】
固体酸化物形燃料電池１０２は、図８に示すように、同一平面状に２つの電解質・電極接合体２０を挟持する一組のセパレータ１０６を備える。セパレータ１０６は、第１プレート１０８と第２プレート１１０とを備え、前記第１プレート１０８及び前記第２プレート１１０は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成され、ろう付け、拡散接合やレーザ溶接等により互いに接合される。
【００８２】
セパレータ１０６は、中央部に燃料ガス供給連通孔１１２が形成される燃料ガス供給部１１４を有する。燃料ガス供給部１１４には、互いに反対方向に延在して一対の橋架部１１６Ａ、１１６Ｂが連結されるとともに、一対の前記橋架部１１６Ａ、１１６Ｂには、前記燃料ガス供給部１１４を中心に対称位置にそれぞれ挟持部１１８Ａ、１１８Ｂが一体に設けられる。
【００８３】
第１プレート１０８は、燃料ガス供給連通孔１１２が形成される第１円板部１２０を有し、前記第１円板部１２０から互いに反対方向に延在して、第１長板部１２２Ａ、１２２Ｂが一体に設けられる。第１及び第２長板部１２２Ａ、１２２Ｂには、第１矩形状部１２４Ａ、１２４Ｂが一体に設けられる。第１矩形状部１２４Ａ、１２４Ｂの各カソード電極１６に対向する面部には、複数の突起部１２６Ａ、１２６Ｂを介して、それぞれ酸化剤ガス通路３０Ａ、３０Ｂが形成される。
【００８４】
第２プレート１１０は、中央に燃料ガス供給連通孔１１２が形成される第２円板部１２８を有し、前記第２円板部１２８には、互いに逆方向に延在して第２長板部１３０Ａ、１３０Ｂが一体に設けられる。第２長板部１３０Ａ、１３０Ｂには、それぞれ第２矩形状部１３２Ａ、１３２Ｂが一体に設けられる。
【００８５】
各第２長板部１３０Ａ、１３０Ｂから各第２矩形状部１３２Ａ、１３２Ｂの途上に延在して、燃料ガス供給通路１３４Ａ、１３４Ｂが形成されるとともに、前記燃料ガス供給通路１３４Ａ、１３４Ｂの終端縁部には、燃料ガス供給孔１３６Ａ、１３６Ｂが形成される。第２矩形状部１３２Ａ、１３２Ｂには、燃料ガス供給通路１３４Ａ、１３４Ｂが形成される面側に、それぞれ複数の燃料ガス排出孔１３７Ａ、１３７Ｂが形成される。
【００８６】
図９に示すように、第２矩形状部１３２Ａ、１３２Ｂのアノード電極１８に接触する面側には、複数の突起部１３８Ａ、１３８Ｂを介して燃料ガス通路３２Ａ、３２Ｂが形成される。燃料ガス通路３２Ａ、３２Ｂは、外縁周回用凸部１４０Ａ、１４０Ｂにより周回されるとともに、それぞれ燃料ガス排出孔１３７Ａ、１３７Ｂに連通する貫通孔１４２Ａ、１４２Ｂが形成される。燃料ガス供給孔１３６Ａ、１３６Ｂと燃料ガス排出孔１３７Ａ、１３７Ｂとの間には、Ｖ字状の迂回路形成用壁部１４４Ａ、１４４Ｂが形成される。
【００８７】
図８に示すように、橋架部１１６Ａ、１１６Ｂの両側には、酸化剤ガスを矢印Ｃ方向に流通させるための酸化剤ガス供給連通孔１４６が設けられる。酸化剤ガス供給連通孔１４６は、例えば、鉛直上方向に酸化剤ガスを流通させるとともに、各固体酸化物形燃料電池１０２を構成する酸化剤ガス通路３０Ａ、３０Ｂに沿って、前記酸化剤ガスを矢印Ａ方向に供給する。
【００８８】
電解質・電極接合体２０を挟んで配設される一対のセパレータ１０６において、各燃料ガス供給部１１４間には、燃料ガス供給連通孔１１２をシールするための絶縁シール１４８が設けられる。絶縁シール１４８は、例えば、マイカ材やセラミック材等の地殻成分系素材、ガラス系素材、粘土とプラスチックの複合素材で形成される。
【００８９】
各固体酸化物形燃料電池１０２には、挟持部１１８Ａ、１１８Ｂの矢印Ａ方向外方に位置して、排ガス排出連通孔１５０が形成される。この排ガス排出連通孔１５０は、電解質・電極接合体２０に供給されて反応に使用された燃料ガス及び酸化剤ガスを排ガスとして積層方向に排出する。
【００９０】
燃料電池スタック１００は、図６及び図７に示すように、積層体１０４の積層方向下端（一端）に配置される下部エンドプレート１５２と、前記積層体１０４の積層方向上端（他端）に各挟持部１１８Ａ、１１８Ｂに対応して配置される上部エンドプレート１５４Ａ、１５４Ｂと、燃料ガス供給部１１４に対応して配置される燃料シールプレート１５６とを備える。
【００９１】
燃料シールプレート１５６には、第１燃料電池保持部１５８が配置されるとともに、上部エンドプレート１５４Ａ、１５４Ｂ上には、第２燃料電池保持部１６０Ａ、１６０Ｂが配置され、これらにより燃料電池保持部が構成される。
【００９２】
第１燃料電池保持部１５８は、燃料シールプレート１５６に隣接するアルミナ層１６２と、このアルミナ層１６２上に積層される複合層１６４とを有する。アルミナ層１６２及び複合層１６４は、燃料シールプレート１５６に対応して円板状に構成される。
【００９３】
第２燃料電池保持部１６０Ａ、１６０Ｂは、上部エンドプレート１５４Ａ、１５４Ｂ上に載置されるアルミナ層５２Ａ、５２Ｂと、前記アルミナ層５２Ａ、５２Ｂ上に積層される複合層５４Ａ、５４Ｂとを備える。
【００９４】
アルミナ層１６２、５２Ａ及び５２Ｂは、上記のアルミナ層５２と同一に構成され、複合層１６４、５４Ａ及び５４Ｂは、上記の第１複合層５４ａと同様に構成される。
【００９５】
第１燃料電池保持部１５８は、第２燃料電池保持部１６０Ａ、１６０Ｂよりも積層方向（矢印Ｃ方向）に大きな荷重を付与するように、例えば、アルミナ繊維の圧縮量を大きくとり、あるいは、密度を大きく設定する等により構成される。
【００９６】
燃料電池スタック１００は、ボックス１６６を備える。このボックス１６６の開口部側端部にフランジ部１６８が形成されるとともに、このフランジ部１６８と下部エンドプレート１５２との間には、シール部材１７０が介装される。フランジ部１６８と下部エンドプレート１５２とは、複数本のボルト８２を介して固定される。
【００９７】
下部エンドプレート１５２には、図１０に示すように、酸化剤ガス供給連通孔１４６に連通するそれぞれ２つの空気用孔部１７２ａ、１７２ｂと、排ガス排出連通孔１５０に連通する２つの排ガス用孔部１７４ａ、１７４ｂとが形成される。下部エンドプレート１５２には、燃料ガス供給連通孔１１２に連通する１つの燃料ガス用孔部１７５が形成される。
【００９８】
図６、図７及び図１０に示すように、積層体１０４とボックス１６６内との間には、挟持部１１８Ａ、１１８Ｂの三面を囲ってそれぞれ３つの断熱部材１７６Ａ、１７６Ｂが配置される。断熱部材１７６Ａ、１７６Ｂは、例えば、マイカ等の断熱材で構成される。
【００９９】
挟持部１１８Ａ、１１８Ｂの互いに平行な二面には、それぞれ断熱部材１７６Ａ、１７６Ｂとボックス１６６の各壁面（壁部）１６６ａとの間に、燃料電池保持部１８０Ａ、１８０Ｂが配置される。燃料電池保持部１８０Ａ、１８０Ｂは、アルミナ層１８２Ａ、１８２Ｂと複合層１８４Ａ、１８４Ｂとを備える。アルミナ層１８２Ａ、１８２Ｂは、積層体１０４の側部側に配置され、且つ複合層１８４Ａ、１８４Ｂは、ボックス１６６の各壁面１６６ａ、１６６ｂ側に配置される。
【０１００】
このように構成される燃料電池スタック１００の動作について、以下に説明する。
【０１０１】
燃料ガスは、下部エンドプレート１５２の燃料ガス用孔部１７５から燃料電池スタック１００の燃料ガス供給連通孔１１２に供給される。一方、空気は、下部エンドプレート１５２の空気用孔部１７２ａ、１７２ｂから燃料電池スタック１００の酸化剤ガス供給連通孔１４６に供給される。
【０１０２】
図８に示すように、燃料ガス供給連通孔１１２に供給された燃料ガスは、各固体酸化物形燃料電池１０２を構成するセパレータ１０６において、橋架部１１６Ａ、１１６Ｂに形成されている燃料ガス供給通路１３４Ａ、１３４Ｂに導入される。燃料ガスは、燃料ガス供給通路１３４Ａ、１３４Ｂから燃料ガス供給孔１３６Ａ、１３６Ｂを通って燃料ガス通路３２Ａ、３２Ｂに導入される。
【０１０３】
図９に示すように、燃料ガス通路３２Ａ、３２Ｂに導入された燃料ガスは、迂回路形成用壁部１４４Ａ、１４４Ｂの案内作用下に、前記燃料ガス通路３２Ａ、３２Ｂを通って電解質・電極接合体２０のアノード電極１８に供給された後、各燃料ガス排出孔１３７Ａ、１３７Ｂを通って排ガス排出連通孔１５０に排出される。
【０１０４】
一方、酸化剤ガス供給連通孔１４６に供給された空気は、各電解質・電極接合体２０のカソード電極１６とセパレータ１０６との間に形成されている酸化剤ガス通路３０Ａ、３０Ｂに導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス通路３０Ａ、３０Ｂを矢印Ａ方向に移動しながら、電解質・電極接合体２０のカソード電極１６に供給された後、排ガス排出連通孔１５０に排出される。
【０１０５】
この場合、第３の実施形態では、挟持部１１８Ａ、１１８Ｂの互いに平行な二面には、それぞれ断熱部材１７６Ａ、１７６Ｂとボックス１６６の各壁面１６６ａとの間に、燃料電池保持部１８０Ａ、１８０Ｂが配置されている。燃料電池保持部１８０Ａ、１８０Ｂは、アルミナ層１８２Ａ、１８２Ｂと複合層１８４Ａ、１８４Ｂとを備えている。
【０１０６】
これにより、第３の実施形態では、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池スタック１００を容易に組み立てることができ、搬送時の位置ずれ等を良好に抑制するとともに、放熱を抑制して高効率な燃料電池スタック１００を提供することが可能になる等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【０１０７】
１０、７０、１００…燃料電池スタック
１２、１０２…固体酸化物形燃料電池  １４…電解質
１６…カソード電極                  １８…アノード電極
２０…電解質・電極接合体            ２２、１０６…セパレータ
２４ａ、２４ｂ、７８、１７０…シール部材
２６ａ…酸化剤ガス供給連通孔        ２６ｂ、１４６…酸化剤ガス排出連通孔
２８ａ、１１２…燃料ガス供給連通孔  ２８ｂ…燃料ガス排出連通孔
３０、３０Ａ、３０Ｂ…酸化剤ガス通路
３２、３２Ａ、３２Ｂ…燃料ガス通路
３５、１１８Ａ、１１８Ｂ…挟持部    ３６、１０４…積層体
３８、１５２…下部エンドプレート
４２、１５４Ａ、１５４Ｂ…上部エンドプレート
４４…燃料電池保持部                ４６…荷重プレート
５２、５２Ａ、５２Ｂ、９０、１６２、１８２Ａ、１８２Ｂ…アルミナ層
５４ａ、５４ｂ、５４Ａ、５４Ｂ、６２、９２、１６４、１８４Ａ、１８４Ｂ…複合層
５６ａ〜５６ｄ…壁板部材
５８、８８、１５８、１６０Ａ、１６０Ｂ、１８０Ａ、１８０Ｂ…燃料電池保持部
６０、８２…ボルト                  ６２…複合層
７２、１６６…ボックス              ７２ａ…底部
７２ｂ、１６６ａ、１６６ｂ…壁面    ８６…絶縁板
１０８、１１０…プレート            １１４…燃料ガス供給部
１１６Ａ、１１６Ｂ…橋架部
１３４Ａ、１３４Ｂ…燃料ガス供給通路
１５６…燃料シールプレート          １７６Ａ、１７６Ｂ…断熱部材
【図１】
0005684665.tif 000002
【図２】
0005684665.tif 000003
【図３】
0005684665.tif 000004
【図４】
0005684665.tif 000005
【図５】
0005684665.tif 000006
【図６】
0005684665.tif 000007
【図７】
0005684665.tif 000008
【図８】
0005684665.tif 000009
【図９】
0005684665.tif 000010
【図１０】
0005684665.tif 000011
【図１１】
0005684665.tif 000012
【図１２】
0005684665.tif 000013
【図１３】
0005684665.tif 000014