(57)【要約】【課題】所望のシール荷重を確実に付与するとともに、セパレータの変形を良好に抑制し、電解質・電極接合体の損傷や劣化等の不良や、セパレータ間の短絡を阻止することを可能にする。【解決手段】セパレータは、第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部６０と、前記第１燃料ガス供給部３６及び前記第２燃料ガス供給部６０に第１橋架部３８、６２を介して連結される第１挟持部４０及び第２挟持部６４と、前記第１挟持部４０及び第２挟持部６４に第２橋架部４２、６６を介して連結される第１筐体部４４及び第２筐体部６８とを設ける。先ず、燃料ガス供給連通孔３０近傍に第１面圧Ｆ１が発生した後、酸化剤ガス供給連通孔５４近傍に前記第１面圧Ｆ１よりも小さな第２面圧Ｆ２が発生し、さらに電解質・電極接合体２６に前記第２面圧Ｆ２よりも小さな第３面圧Ｆ３が発生する。【選択図】図２
2008103215.tif 000002
【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・電極接合体と、セパレータとが積層される燃料電池を備え、
前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持するとともに、少なくとも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ための燃料ガス供給孔又は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ための酸化剤ガス供給孔が設けられる挟持部と、
前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に供給するための第１反応ガス供給通路が形成される第１橋架部と、
前記第１橋架部に連結され、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記第１反応ガス供給通路に供給するための第１反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される第１反応ガス供給部と、
前記挟持部に連結され、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に又は前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に供給するための第２反応ガス供給通路が形成される第２橋架部と、
前記第２橋架部に連結され、前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスを前記第２反応ガス供給通路に供給するための第２反応ガス供給連通孔が前記積層方向に形成される第２反応ガス供給部と、
を備えるとともに、
前記燃料電池が複数積層される燃料電池スタックの組み立て方法であって、
前記第１反応ガス供給部に前記積層方向に第１面圧を発生させる第１荷重付与工程と、
前記第１荷重付与工程の後、前記第２反応ガス供給部に前記積層方向に前記第１面圧よりも小さな第２面圧を発生させる第２荷重付与工程と、
を有することを特徴とする燃料電池スタックの組み立て方法。
【請求項２】
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・電極接合体と、セパレータとが積層される燃料電池を備え、
前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持するとともに、少なくとも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ための燃料ガス供給孔又は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ための酸化剤ガス供給孔が設けられる挟持部と、
前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に供給するための第１反応ガス供給通路が形成される第１橋架部と、
前記第１橋架部に連結され、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記第１反応ガス供給通路に供給するための第１反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される第１反応ガス供給部と、
前記挟持部に連結され、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に又は前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に供給するための第２反応ガス供給通路が形成される第２橋架部と、
前記第２橋架部に連結され、前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスを前記第２反応ガス供給通路に供給するための第２反応ガス供給連通孔が前記積層方向に形成される第２反応ガス供給部と、
を備えるとともに、
前記燃料電池が複数積層される燃料電池スタックの組み立て方法であって、
前記第１反応ガス供給部に対して前記積層方向に第１荷重を付与する第１荷重付与工程と、
前記第１荷重付与工程の後、前記第２反応ガス供給部に対して前記積層方向に第２荷重を付与する第２荷重付与工程と、
を有し、且つ、
前記第１荷重を前記積層方向に受ける第１荷重受け部材の第１ヤング率は、前記第２荷重を前記積層方向に受ける第２荷重受け部材の第２ヤング率よりも大きいことを特徴とする燃料電池スタックの組み立て方法。
【請求項３】
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・電極接合体と、セパレータとが積層される燃料電池を備え、
前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持するとともに、少なくとも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ための燃料ガス供給孔又は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ための酸化剤ガス供給孔が設けられる挟持部と、
前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に供給するための第１反応ガス供給通路が形成される第１橋架部と、
前記第１橋架部に連結され、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記第１反応ガス供給通路に供給するための第１反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される第１反応ガス供給部と、
前記挟持部に連結され、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に又は前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に供給するための第２反応ガス供給通路が形成される第２橋架部と、
前記第２橋架部に連結され、前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスを前記第２反応ガス供給通路に供給するための第２反応ガス供給連通孔が前記積層方向に形成される第２反応ガス供給部と、
を備えるとともに、
前記燃料電池が複数積層される燃料電池スタックの組み立て方法であって、
前記第１反応ガス供給部に前記積層方向に第１面圧を発生させる第１荷重付与工程と、
前記第１荷重付与工程の後、前記第２反応ガス供給部に前記積層方向に前記第１面圧よりも小さな第２面圧を発生させる第２荷重付与工程と、
前記第２荷重付与工程の後、前記挟持部に前記積層方向に前記第２面圧よりも小さな第３面圧を発生させる第３荷重付与工程と、
を有することを特徴とする燃料電池スタックの組み立て方法。
【請求項４】
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・電極接合体と、セパレータとが積層される燃料電池を備え、
前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持するとともに、少なくとも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ための燃料ガス供給孔又は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ための酸化剤ガス供給孔が設けられる挟持部と、
前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に供給するための第１反応ガス供給通路が形成される第１橋架部と、
前記第１橋架部に連結され、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記第１反応ガス供給通路に供給するための第１反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される第１反応ガス供給部と、
前記挟持部に連結され、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に又は前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に供給するための第２反応ガス供給通路が形成される第２橋架部と、
前記第２橋架部に連結され、前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスを前記第２反応ガス供給通路に供給するための第２反応ガス供給連通孔が前記積層方向に形成される第２反応ガス供給部と、
を備えるとともに、
前記燃料電池が複数積層される燃料電池スタックの組み立て方法であって、
前記第１反応ガス供給部に対して前記積層方向に第１荷重を付与する第１荷重付与工程と、
前記第１荷重付与工程の後、前記第２反応ガス供給部に対して前記積層方向に第２荷重を付与する第２荷重付与工程と、
前記第２荷重付与工程の後、前記挟持部に対して前記積層方向に第３荷重を付与する第３荷重付与工程と、
を有し、且つ、
前記第１荷重を前記積層方向に受ける第１荷重受け部材の第１ヤング率、前記第２荷重を前記積層方向に受ける第２荷重受け部材の第２ヤング率、及び前記第３荷重を前記積層方向に受ける第３荷重受け部材の第３ヤング率は、第１ヤング率＞第２ヤング率＞第３ヤング率の関係を有することを特徴とする燃料電池スタックの組み立て方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の組み立て方法において、前記第１反応ガス供給部は、燃料ガス供給部である一方、前記第２反応ガス供給部は、酸化剤ガス供給部であることを特徴とする燃料電池スタックの組み立て方法。
【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・電極接合体と、セパレータとが積層される燃料電池を備えるとともに、前記燃料電池が複数積層される燃料電池スタックの組み立て方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、固体電解質型燃料電池（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】
上記の燃料電池では、電解質・電極接合体を構成するアノード電極及びカソード電極に、それぞれ燃料ガス（例えば、水素ガス）及び酸化剤ガス（例えば、空気）を供給するために、セパレータの面方向に沿って燃料ガス通路及び酸化剤ガス通路が形成されている。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されている平板積層型燃料電池は、図１９に示すように、発電セル（図示せず）に積層されるセパレータ１を備えている。セパレータ１は、左右のマニホールド部分２ａ、２ａと、中央の発電セルを配置する部分２ｂとが、連結部分２ｃ、２ｃにより連結されており、この連結部分２ｃが可撓性を有している。
【０００５】
マニホールド部分２ａ、２ａには、ガス孔３、４が設けられており、一方のガス孔３は、燃料ガス通路３ａに連通するとともに、他方のガス孔４は、酸化剤ガス通路４ａに連通している。燃料ガス通路３ａ及び酸化剤ガス通路４ａは、部分２ｂ内にらせん状に延在しており、この部分２ｂの中央部近傍で、図示しない燃料極集電体及び空気極集電体に開放されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１２０５８９号公報（図４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記の特許文献１では、マニホールド部分２ａ、２ａのシール性と発電部である部分２ｂの接触性とを両立させることが望まれている。その際、特に燃料ガスの漏れを確実に防止する必要があり、マニホールド部分２ａ、２ａのシール性の向上を図るために、大きな荷重のシール荷重を付与することが行われている。
【０００８】
しかしながら、連結部分２ｃ、２ｃは、発電部である部分２ｂを囲むように形成されており、マニホールド部分２ａ、２ａに大きな荷重が付与されると、前記各連結部分２ｃ同士が近接し易い。これにより、部分２ｂの周縁から排ガスが排出されることを阻害するおそれがある。従って、電解質・電極接合体に温度勾配が生じ易くなり、電解質・電極接合体に損傷や劣化等の不良が生じたり、効率的且つ確実な発電反応の遂行が困難になるおそれがある。
【０００９】
また、燃料電池全体の小型化及び軽量化を図ることが望まれており、このため、特にセパレータ１を可及的に薄肉状に構成する必要がある。ところが、薄肉状のセパレータ１では、部分２ｂに比較的小さな荷重が付与される一方、マニホールド部分２ａ、２ａに大きな荷重が付与されると、前記セパレータ１に皺等の変形が惹起され易いという問題がある。これによって、電解質・電極接合体に損傷や劣化等の不良が生じたり、セパレータ間に短絡が生じ、効率的且つ確実な発電反応の遂行が困難になるおそれがある。
【００１０】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、所望のシール荷重を確実に付与するとともに、セパレータの変形を良好に抑制し、電解質・電極接合体の損傷や劣化等の不良や、セパレータ間の短絡を阻止することが可能な燃料電池スタックの組み立て方法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】
【００１１】
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・電極接合体と、セパレータとが積層される燃料電池を備え、前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持するとともに、少なくとも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ための燃料ガス供給孔又は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ための酸化剤ガス供給孔が設けられる挟持部と、前記挟持部に連結され、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に供給するための第１反応ガス供給通路が形成される第１橋架部と、前記第１橋架部に連結され、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記第１反応ガス供給通路に供給するための第１反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される第１反応ガス供給部と、前記挟持部に連結され、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給孔に又は前記燃料ガスを前記燃料ガス供給孔に供給するための第２反応ガス供給通路が形成される第２橋架部と、前記第２橋架部に連結され、前記酸化剤ガス又は前記燃料ガスを前記第２反応ガス供給通路に供給するための第２反応ガス供給連通孔が前記積層方向に形成される第２反応ガス供給部とを備えるとともに、前記燃料電池が複数積層される燃料電池スタックの組み立て方法に関するものである。
【００１２】
そこで、本発明では、第１反応ガス供給部に積層方向に第１面圧（単位面積あたりの荷重）を発生させる第１荷重付与工程と、前記第１荷重付与工程の後、第２反応ガス供給部に前記積層方向に前記第１面圧よりも小さな第２面圧を発生させる第２荷重付与工程とを有している。
【００１３】
また、本発明では、第１反応ガス供給部に対して積層方向に第１荷重を付与する第１荷重付与工程と、前記第１荷重付与工程の後、第２反応ガス供給部に対して前記積層方向に第２荷重を付与する第２荷重付与工程とを有し、且つ、前記第１荷重を前記積層方向に受ける第１荷重受け部材の第１ヤング率は、前記第２荷重を前記積層方向に受ける第２荷重受け部材の第２ヤング率よりも大きい。
【００１４】
さらに、本発明では、第１反応ガス供給部に積層方向に第１面圧を発生させる第１荷重付与工程と、前記第１荷重付与工程の後、第２反応ガス供給部に前記積層方向に前記第１面圧よりも小さな第２面圧を発生させる第２荷重付与工程と、前記第２荷重付与工程の後、挟持部に前記積層方向に前記第２面圧よりも小さな第３面圧を発生させる第３荷重付与工程とを有している。
【００１５】
さらにまた、本発明では、第１反応ガス供給部に対して積層方向に第１荷重を付与する第１荷重付与工程と、前記第１荷重付与工程の後、第２反応ガス供給部に対して前記積層方向に第２荷重を付与する第２荷重付与工程と、前記第２荷重付与工程の後、挟持部に対して前記積層方向に第３荷重を付与する第３荷重付与工程とを有し、且つ、前記第１荷重を前記積層方向に受ける第１荷重受け部材の第１ヤング率、前記第２荷重を前記積層方向に受ける第２荷重受け部材の第２ヤング率、及び前記第３荷重を前記積層方向に受ける第３荷重受け部材の第３ヤング率は、第１ヤング率＞第２ヤング率＞第３ヤング率の関係を有している。
【００１６】
また、第１反応ガス供給部は、燃料ガス供給部である一方、第２反応ガス供給部は、酸化剤ガス供給部であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、先ず、大きな面圧（単位面積あたりの荷重）である第１面圧が第１反応ガス供給部に発生した後、比較的小さな面圧（単位面積あたりの荷重）である第２面圧が第２反応ガス供給部に発生している。このため、最もシール荷重が要求される部位から順に、大きな面圧（単位面積あたりの荷重）を発生させることができる。
【００１８】
従って、大きな面圧（単位面積あたりの荷重）の発生によりセパレータに歪みが発生しても、この歪みが第１橋架部や第２橋架部の他、小さな面圧（単位面積あたりの荷重）の発生する側の部位に分散吸収され、該歪みが残存することがない。これにより、特に薄肉状のセパレータであっても、歪み等による変形が惹起することを良好に阻止して、セパレータ間に短絡が生じるのを阻止するとともに、所望の大きな面圧（単位面積あたりの荷重）を確実に発生させることができ、ガスシール性の向上が容易に図られる。
【００１９】
また、本発明では、大きなヤング率である第１ヤング率の第１荷重受け部材に第１荷重が付与された後、小さなヤング率である第２ヤング率の第２荷重受け部材に第２荷重が付与されている。このため、最もシール荷重が要求される部位から順に、大きな面圧（単位面積あたりの荷重）を発生させることができ、第２荷重受け部材による荷重吸収作用等を介してセパレータの変形を有効に抑制して、セパレータ間に短絡が生じるのを阻止するとともに、ガスシール性を良好に向上させることが可能になる。
【００２０】
さらに、本発明では、先ず、大きな面圧（単位面積あたりの荷重）である第１面圧が第１反応ガス供給部に発生した後、比較的小さな面圧（単位面積あたりの荷重）である第２面圧が第２反応ガス供給部に発生し、さらに小さな面圧（単位面積あたりの荷重）である第３面圧が挟持部に発生している。このため、最もシール面圧が要求される部位から順に、大きな面圧（単位面積あたりの荷重）を発生させることができるとともに、発電部分である電解質・電極接合体の電気的接触性を確実に維持し、しかも前記電解質・電極接合体の損傷や劣化を有効に阻止することが可能になる。従って、セパレータの変形を抑制し、セパレータ間に短絡が生じるのを阻止して、反応ガスの漏れを確実に阻止するとともに、効率的且つ確実な発電反応が遂行可能になる。
【００２１】
さらにまた、本発明では、大きなヤング率である第１ヤング率の第１荷重受け部材に第１荷重が付与された後、小さなヤング率である第２ヤング率の第２荷重受け部材に第２荷重が付与され、さらに小さなヤング率である第３ヤング率の第３荷重受け部材に第３荷重が付与されている。
【００２２】
このため、最もシール面圧が要求される部位から順に、大きな面圧（単位面積あたりの荷重）を発生させることができるとともに、電解質・電極接合体の電気的接触性を確実に維持し、しかも前記電解質・電極接合体の損傷や劣化を有効に阻止することが可能になる。これにより、セパレータの変形を有効に抑制して、セパレータ間に短絡が生じるのを阻止するとともに、ガスシール性を良好に向上させ、効率的且つ確実な発電反応を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る組み立て方法が採用される燃料電池スタック１２の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池スタック１２の、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【００２４】
燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池１０が矢印Ａ方向に積層されている。燃料電池１０は、固体電解質型燃料電池であり、定置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。
【００２５】
燃料電池１０は、図３及び図４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）２０の両面に、カソード電極２２及びアノード電極２４が設けられた電解質・電極接合体２６を備える。電解質・電極接合体２６は、円板状に形成される。
【００２６】
燃料電池１０は、図３に示すように、一対のセパレータ２８間に複数（例えば、４個）の電解質・電極接合体２６を挟んで構成される。セパレータ２８間には、このセパレータ２８の中心部である燃料ガス供給連通孔３０を中心にして等角度間隔ずつ離間し且つ前記燃料ガス供給連通孔３０と同心円上に４個の電解質・電極接合体２６が配置される。
【００２７】
セパレータ２８は、例えば、ステンレス等の板金で構成される第１プレート３２及び第２プレート３４を有する。第１プレート３２及び第２プレート３４は、薄肉状に形成されている。第１プレート３２及び第２プレート３４は、互いに拡散接合、レーザ溶接又はろう付け等により接合される。第１プレート３２及び第２プレート３４は、金属プレートに代えて、例えば、カーボンプレート等（接合方法は省略する）で構成してもよい。
【００２８】
図３及び図５に示すように、第１プレート３２は、中央部に積層方向（矢印Ａ方向）に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔（第１反応ガス供給連通孔）３０が形成される第１燃料ガス供給部（第１反応ガス供給部）３６を有する。この第１燃料ガス供給部３６から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に延在する４つの第１橋架部３８を介し、比較的大径な第１挟持部４０が一体に設けられる。第１挟持部４０は、電解質・電極接合体２６と略同一寸法に設定されるとともに、各第１挟持部４０には、短尺な第２橋架部４２を介して環状の第１筐体部４４が一体に設けられる。
【００２９】
第１挟持部４０のアノード電極２４に接触する面には、前記アノード電極２４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４６を形成する複数の突起部４８が設けられる。突起部４８は、集電部を構成する。第１挟持部４０の略中央には、燃料ガス供給連通孔３０側に偏心しアノード電極２４の略中央部に向かって燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔５２が形成される。
【００３０】
第１筐体部４４は、酸化剤ガスを後述する酸化剤ガス供給通路７８に供給するための酸化剤ガス供給連通孔（第２反応ガス供給連通孔）５４が積層方向に形成される酸化剤ガス供給部（第２反応ガス供給部）５６を有する。第１筐体部４４には、複数のボルト挿入用孔部５８が所定角度間隔ずつ離間して設けられる。燃料ガス供給連通孔３０、第１橋架部３８、第１挟持部４０、第２橋架部４２及び酸化剤ガス供給連通孔５４は、セパレータ面方向に沿って直線上に配置される。
【００３１】
図３及び図６に示すように、第２プレート３４は、中央部に燃料ガス供給連通孔３０が形成される第２燃料ガス供給部（第１反応ガス供給部）６０を有する。この第２燃料ガス供給部６０から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に延在する４つの第１橋架部６２を介して比較的大径な第２挟持部６４が一体に設けられる。第２挟持部６４は、第１挟持部４０と同様に、電解質・電極接合体２６と略同一寸法に設定されるとともに、各第２挟持部６４には、短尺な第２橋架部６６を介して環状の第２筐体部６８が一体に設けられる。
【００３２】
第２燃料ガス供給部６０の第１燃料ガス供給部３６と接合される面には、燃料ガス供給連通孔３０に連通する複数の溝部７０が、前記燃料ガス供給連通孔３０を中心にして放射状に形成される。各溝部７０は、周溝７２に一体に連通するとともに、前記周溝７２には、４本の燃料ガス供給通路（第１反応ガス供給通路）７４が連通する。各燃料ガス供給通路７４は、各第１橋架部６２から各第２挟持部６４の中央部近傍に延在し、第１プレート３２の燃料ガス供給孔５２に対応して終端する。
【００３３】
第２筐体部６８には、酸化剤ガス供給連通孔５４が積層方向に形成される酸化剤ガス供給部５６と、ボルト挿入用孔部５８とが設けられる。この第２筐体部６８の第１筐体部４４に接合される面には、酸化剤ガス供給連通孔５４から供給される酸化剤ガスを充填するための充填室７６が形成される。
【００３４】
充填室７６は、各第２橋架部６６から各第２挟持部６４の中央部近傍まで延在する酸化剤ガス供給通路（第２反応ガス供給通路）７８に連通する。酸化剤ガス供給通路７８の先端には、第２挟持部６４を貫通する酸化剤ガス供給孔８０が連通する。
【００３５】
第１プレート３２には、複数の突起部４８が、例えば、エッチングにより形成されるとともに、第２プレート３４には、溝部７０、周溝７２、燃料ガス供給通路７４、充填室７６及び酸化剤ガス供給通路７８が、例えば、エッチングにより形成される。
【００３６】
図３に示すように、第２プレート３４のカソード電極２２に向かう面には、変形可能な弾性通路部、例えば、金属フェルト等の導電性不織布である導電性フェルト部材（第３荷重受け部材）８４が配設される。このフェルト部材８４により、第２挟持部６４とカソード電極２２との間には、酸化剤ガス通路８６が形成される。なお、フェルト部材８４に代えて、メッシュ部材（金属メッシュ等の導電性織布）、発泡金属、エキスパンドメタル、パンチングメタル又はプレスエンボスメタル等を採用してもよい。電解質・電極接合体２６の外周部には、反応後の燃料ガス及び酸化剤ガスを排ガスとして排出するための排ガス通路８８が設けられる。
【００３７】
図７に示すように、各セパレータ２８間には、燃料ガス供給連通孔３０をシールするための第１絶縁シール（第１荷重受け部材）９０と、酸化剤ガス供給連通孔５４をシールするための第２絶縁シール（第２荷重受け部材）９２とが設けられる。第１絶縁シール９０及び第２絶縁シール９２は、シール性が高く、硬質で潰れ難い、例えば、地殻成分系素材、硝子系素材、粘土とプラスチックの複合素材等が使用される。また、第２絶縁シール９２は、熱エネルギの拡散を阻止する断熱部材であることが好ましい。第２絶縁シール９２は、第１筐体部４４及び第２筐体部６８に対応して略リング状に形成される。
【００３８】
図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池１０の積層方向一端に、略円板状の第１エンドプレート９４ａが配置されるとともに、積層方向他端に、隔壁９５を介装して小径且つ略円板状の複数の第２エンドプレート９４ｂと、大径且つ略リング状の固定リング９４ｃとが配置される。隔壁９５は、排ガスが燃料電池１０の外部に拡散することを阻止する機能を有する一方、第２エンドプレート９４ｂは、各電解質・電極接合体２６の積層位置に対応して４つ配設される。
【００３９】
第１エンドプレート９４ａ及び固定リング９４ｃは、セパレータ２８のボルト挿入用孔部５８に連通する複数の孔部９６を有する。孔部９６からボルト挿入用孔部５８に挿入されるボルト９８及び前記ボルト９８に螺合するナット１００を介し、セパレータ２８の第１筐体部４４及び第２筐体部６８が第１エンドプレート９４ａに締め付け固定される。
【００４０】
第１エンドプレート９４ａには、燃料ガス供給連通孔３０に連通する単一の燃料ガス供給パイプ１０２と、各酸化剤ガス供給連通孔５４に連通する４本の酸化剤ガス供給パイプ１０４と、排ガス通路８８に連通する４本の排ガス排出パイプ１０５とが設けられる。
【００４１】
第１エンドプレート９４ａは、複数のボルト９８、ナット１０８ａ、１０８ｂ及び板状カラー部材１１０を介して支持プレート１１２が固定される。支持プレート１１２と第１エンドプレート９４ａとの間には、第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部６０（第１反応ガス供給部）に対して積層方向に第１締め付け荷重Ｔ１を付与する第１荷重付与機構１１４と、酸化剤ガス供給部５６（第２反応ガス供給部）に対して前記積層方向に第２締め付け荷重Ｔ２を付与する第２荷重付与機構１１６と、第１挟持部４０及び第２挟持部６４を介し各電解質・電極接合体２６に対して前記積層方向に第３締め付け荷重Ｔ３を付与する第３荷重付与機構１１８とが設けられる。
【００４２】
第１の実施形態では、第１締め付け荷重Ｔ１が付与されることにより第１反応ガス供給部に発生する第１面圧（単位面積あたりの荷重）Ｆ１、第２締め付け荷重Ｔ２が付与されることにより第２反応ガス供給部に発生する第２面圧（単位面積あたりの荷重）Ｆ２、及び第３締め付け荷重Ｔ３が付与されることにより挟持部に発生する第３面圧（単位面積あたりの荷重）Ｆ３は、第１面圧Ｆ１＞第２面圧Ｆ２＞第３面圧Ｆ３の関係に設定される。第１締め付け荷重Ｔ１を積層方向に受ける第１絶縁シール９０の第１ヤング率Ｅ１、第２締め付け荷重Ｔ２を前記積層方向に受ける第２絶縁シール９２の第２ヤング率Ｅ２、及び第３締め付け荷重Ｔ３を前記積層方向に受けるフェルト部材８４の第３ヤング率Ｅ３は、第１ヤング率Ｅ１＞第２ヤング率Ｅ２＞第３ヤング率Ｅ３の関係に設定される。
【００４３】
具体的には、ステンレス等の金属製セパレータ２８のヤング率が約２００ＧＰａであるのに対して、第１ヤング率Ｅ１が約１ＧＰａ〜約２０ＧＰａ、第２ヤング率Ｅ２が約１００ＭＰａ〜約１ＧＰａ、及び第３ヤング率Ｅ３が約１００ＭＰａ以下であることが好ましい。
【００４４】
第１荷重付与機構１１４は、図２に示すように、燃料ガス供給連通孔３０から燃料ガスが漏れることを阻止するために燃料電池１０の中央部（第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部６０の中央部）に配置される押圧部材１２０を備え、この押圧部材１２０は、４つの第２エンドプレート９４ｂの配列中心近傍に位置して前記燃料電池１０に隔壁９５を介して押圧する。押圧部材１２０には、第１受け部材１２２ａ及び第２受け部材１２２ｂを介して第１スプリング１２４が配置される。第２受け部材１２２ｂには、第１押圧ボルト１２６の先端が当接する。第１押圧ボルト１２６は、支持プレート１１２に形成された第１ねじ孔１２８に螺合するとともに、第１ナット１３０を介して位置調整可能に固定される。
【００４５】
第２荷重付与機構１１６は、孔部９６からボルト挿入用孔部５８に挿入されるボルト９８と、前記ボルト９８に螺合するナット１００とを備え、酸化剤ガス供給部５６から酸化剤ガスが漏れることを阻止する機能を有する。
【００４６】
第３荷重付与機構１１８は、第２エンドプレート９４ｂに各電解質・電極接合体２６に対応して配置される第３受け部材１３２ａを備える。第３受け部材１３２ａは、ピン１３４を介して第２エンドプレート９４ｂに位置決め支持される。第３受け部材１３２ａに第２スプリング１３６の一端が当接する一方、前記第２スプリング１３６の他端が第４受け部材１３２ｂに当接する。第４受け部材１３２ｂには、第２押圧ボルト１３８の先端が当接する。第２押圧ボルト１３８は、支持プレート１１２に形成された第２ねじ孔１４０に螺合するとともに、第２ナット１４２を介して位置調整可能に固定される。
【００４７】
このように構成される燃料電池スタック１２の動作について、第１の実施形態に係る組み立て方法との関連で、以下に説明する。
【００４８】
先ず、第１エンドプレート９４ａに対して、４個の電解質・電極接合体２６を挟んだ一対のセパレータ２８が所定数だけ積層された後、隔壁９５、押圧部材１２０、固定リング９４ｃ及び各電解質・電極接合体２６の積層位置に対応して４つの第２エンドプレート９４ｂが配置される。次いで、第１荷重付与機構１１４及び第３荷重付与機構１１８が配置されるとともに、支持プレート１１２がボルト９８、ナット１０８ａ、１０８ｂ及び板状カラー部材１１０を介して第１エンドプレート９４ａに固定される。この状態で、第１荷重付与機構１１４が操作される。
【００４９】
この第１荷重付与機構１１４では、第１押圧ボルト１２６が支持プレート１１２の第１ねじ孔１２８にねじ込まれることにより、前記第１押圧ボルト１２６の先端が、第２受け部材１２２ｂを押圧部材１２０側に押圧する。このため、第１反応ガス供給部である第１燃料ガス供給部３６、及び第２燃料ガス供給部６０には、第１スプリング１２４を介して積層方向に第１締め付け荷重Ｔ１が付与され、第１面圧Ｆ１が発生する。
【００５０】
次に、第２荷重付与機構１１６を構成するナット１００をボルト９８にねじ込むことにより、第１エンドプレート９４ａ及び固定リング９４ｃ間に積層方向に締め付け力が付与される。これにより、第２反応ガス供給部である酸化剤ガス供給部５６には、積層方向に第２締め付け荷重Ｔ２が付与され、第２面圧Ｆ２が発生する。
【００５１】
さらに、第３荷重付与機構１１８を構成する第２押圧ボルト１３８が、支持プレート１１２の第２ねじ孔１４０にねじ込まれる。このため、第２押圧ボルト１３８の先端は、第４受け部材１３２ｂを第３受け部材１３２ａ側に押圧する。従って、各第２エンドプレート９４ｂには、第２スプリング１３６を介して押圧力が付与され、第１挟持部４０及び第２挟持部６４を介して各電解質・電極接合体２６には、積層方向に第３締め付け荷重Ｔ３が付与され、第３面圧Ｆ３が発生する。その際、第１面圧Ｆ１＞第２面圧Ｆ２＞第３面圧Ｆ３の関係を有している。
【００５２】
一方、最初に付与される第１締め付け荷重Ｔ１を積層方向に受ける第１絶縁シール９０の第１ヤング率Ｅ１と、次に付与される第２締め付け荷重Ｔ２を前記積層方向に受ける第２絶縁シール９２の第２ヤング率Ｅ２と、最後に付与される第３締め付け荷重Ｔ３を前記積層方向に受けるフェルト部材８４の第３ヤング率Ｅ３とは、第１ヤング率Ｅ１＞第２ヤング率Ｅ２＞第３ヤング率Ｅ３の関係を有している。
【００５３】
上記のように組み付けられた燃料電池スタック１２では、図１に示すように、第１エンドプレート９４ａに接続されている燃料ガス供給パイプ１０２から燃料ガス供給連通孔３０には、燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給パイプ１０４から酸化剤ガス供給連通孔５４には、酸素含有ガスである空気が供給される。
【００５４】
燃料ガス供給連通孔３０に供給された燃料ガスは、図４及び図７に示すように、積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら、各燃料電池１０を構成するセパレータ２８の第２プレート３４に形成された溝部７０から周溝７２を介して各燃料ガス供給通路７４に供給される。燃料ガスは、燃料ガス供給通路７４に沿って移動した後、第１プレート３２に形成された燃料ガス供給孔５２から燃料ガス通路４６に導入される。
【００５５】
燃料ガス供給孔５２は、各電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の略中心位置に対応して設けられている。従って、燃料ガスは、燃料ガス供給孔５２からアノード電極２４に供給され、このアノード電極２４の略中心部から外周部に向かって燃料ガス通路４６を流動する。
【００５６】
一方、酸化剤ガス供給部５６に供給される空気は、第１プレート３２の第１筐体部４４と第２プレート３４の第２筐体部６８との間に設けられる充填室７６に一旦充填される。この充填室７６には、酸化剤ガス供給通路７８が連通しており、酸化剤ガスは、各酸化剤ガス供給通路７８に沿って第１挟持部４０及び第２挟持部６４の中心側に移動する。
【００５７】
第２挟持部６４の中心近傍には、酸化剤ガス供給孔８０が連通するとともに、前記酸化剤ガス供給孔８０は、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の略中心位置に対応して設けられている。これにより、空気は、図７に示すように、酸化剤ガス供給孔８０からカソード電極２２に供給され、このカソード電極２２の略中心部から外周部に向かってフェルト部材８４に形成された酸化剤ガス通路８６を流動する。
【００５８】
従って、各電解質・電極接合体２６では、アノード電極２４の略中心部から外周部に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極２２の略中心部から外周部に向かって空気が供給され、発電が行われる。そして、発電に使用された燃料ガス及び空気は、排ガスとして各電解質・電極接合体２６の外周部から排ガス通路８８に排気される。
【００５９】
この場合、第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部６０は、燃料ガスの漏れを可及的に阻止する必要があり、高精度なガスシール性が求められている。また、酸化剤ガス供給部５６は、同様に、酸化剤ガスの漏れを有効に阻止するために、所望のガスシール性を確保する必要があるものの、燃料ガスに比べてガス漏れに対するシール性の要求は比較的低い。さらに、電解質・電極接合体２６では、セパレータ２８との電気的接触性を確保する必要がある一方、必要以上の荷重の付与によって前記電解質・電極接合体２６が損傷することを防止する必要がある。
【００６０】
このため、第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部６０に積層方向に発生する第１面圧Ｆ１と、酸化剤ガス供給部５６に前記積層方向に発生する第２面圧Ｆ２と、第１挟持部４０及び第２挟持部６４に前記積層方向に発生する第３面圧Ｆ３とは、第１面圧Ｆ１＞第２面圧Ｆ２＞第３面圧Ｆ３の関係を有している。
【００６１】
一方、第１絶縁シール９０の第１ヤング率Ｅ１、第２絶縁シール９２の第２ヤング率Ｅ２、及びフェルト部材８４の第３ヤング率Ｅ３は、第１ヤング率Ｅ１＞第２ヤング率Ｅ２＞第３ヤング率Ｅ３の関係を有している。
【００６２】
そこで、第１の実施形態では、先ず、第１荷重付与機構１１４を介して第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部６０に第１面圧Ｆ１が発生した後、第２荷重付与機構１１６を介して酸化剤ガス供給部５６に第２面圧Ｆ２が発生し、さらに、第３荷重付与機構１１８を介して第１挟持部４０及び第２挟持部６４に第３面圧Ｆ３が発生している。
【００６３】
従って、最大面圧である第１面圧Ｆ１が、第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部６０に発生する際、セパレータ２８に歪みが発生しても、第１橋架部３８、６２や第２橋架部４２、６６の他、第２面圧Ｆ２が発生する第２絶縁シール９２の積層方向の追随性（荷重吸収機能）や、第３面圧Ｆ３が発生するフェルト部材８４の積層方向の追随性（荷重吸収機能）等によって、前記セパレータ２８の歪みを有効に吸収することができる。
【００６４】
さらに、第２締め付け荷重Ｔ２が酸化剤ガス供給部５６に付与される際、セパレータ２８に発生する歪みは、同様に第２橋架部４２、６６や第１橋架部３８、６２の他、フェルト部材８４の積層方向の追随性（荷重吸収機能）等によって良好に吸収することが可能になる。これにより、特に薄肉状のセパレータ２８に対して第１締め付け荷重Ｔ１や第２締め付け荷重Ｔ２を有する際に、このセパレータ２８に発生する歪みを確実に吸収することができ、前記セパレータ２８に変形が残ることを良好に阻止することが可能になり、セパレータ２８間に短絡が生じるのを阻止するという効果が得られる。しかも、第１燃料ガス供給部３６、第２燃料ガス供給部６０及び酸化剤ガス供給部５６のガスシール性と、各電解質・電極接合体２６の電気的接触性との両立を図ることができるとともに、該電解質・電極接合体２６の損傷を確実に阻止することが可能になる。
【００６５】
図８は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池１６０の分解斜視図であり、図９は、前記燃料電池１６０の動作を説明する概略断面説明図である。
【００６６】
なお、第１の実施形態に係る燃料電池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〜第６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。
【００６７】
燃料電池１６０を構成するセパレータ１６２は、第１プレート１６４と第２プレート１６６とを備える。第１プレート１６４を構成する第１挟持部４０は、電解質・電極接合体２６に接触する面を平坦面に構成するとともに、この面には、アノード電極２４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４６を形成し且つ前記アノード電極２４に密着する導電性フェルト部材（金属フェルト等の導電性不織布）１６７が配設される（図８及び図９参照）。
【００６８】
なお、導電性フェルト部材に代えて、メッシュ部材（金属メッシュ等の導電性織布）、発泡金属、エキスパンドメタル、パンチングメタル又はプレスエンボスメタル等を採用してもよい。
【００６９】
第２プレート１６６を構成する第２挟持部６４は、カソード電極２２に接触する面に、酸化剤ガス通路８６を形成する複数の突起部１６８が設けられる。突起部１６８は、例えば、エッチングにより形成される。
【００７０】
この第２の実施形態では、第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部６０に積層方向に発生する第１面圧Ｆ１と、酸化剤ガス供給部５６に前記積層方向に発生する第２面圧Ｆ２と、第１挟持部４０及び第２挟持部６４を介して各電解質・電極接合体２６に前記積層方向に発生する第３面圧Ｆ３とは、第１面圧Ｆ１＞第２面圧Ｆ２＞第３面圧Ｆ３の関係に設定されている。
【００７１】
さらに、第１締め付け荷重Ｔ１を積層方向に受ける第１絶縁シール９０の第１ヤング率Ｅ１、第２締め付け荷重Ｔ２を前記積層方向に受ける第２絶縁シール９２の第２ヤング率Ｅ２、及び第３締め付け荷重Ｔ３を前記積層方向に受けるフェルト部材１６７の第３ヤング率Ｅ３は、第１ヤング率Ｅ１＞第２ヤング率Ｅ２＞第３ヤング率Ｅ３の関係に設定されている。
【００７２】
そして、第２の実施形態では、第１面圧Ｆ１が発生した後、第２面圧Ｆ２が発生し、さらに第３面圧Ｆ３が発生している。従って、セパレータ１６２に歪みが残存することを良好に阻止することができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００７３】
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１７０の側面説明図である。
【００７４】
燃料電池スタック１７０は、複数の燃料電池１０を第１エンドプレート９４ａと第２エンドプレート９４ｄとにより挟持する。第２エンドプレート９４ｄは、略ドーナツ形状を有しており、実質的に、第１の実施形態で用いられている第２エンドプレート９４ｂ及び固定リング９４ｃを一体化した構成に設定される。第２エンドプレート９４ｄ側には、第１荷重付与機構１１４と第２荷重付与機構１１６とが設けられている。
【００７５】
この第３の実施形態では、先ず、第１荷重付与機構１１４を介して第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部６０に積層方向に第１面圧Ｆ１が発生した後、第２荷重付与機構１１６を介して酸化剤ガス供給部５６に前記積層方向に第２面圧Ｆ２が発生している。
【００７６】
その際、第２荷重付与機構１１６は、第１エンドプレート９４ａ及び第２エンドプレート９４ｄ間をボルト９８で締め付けることにより、酸化剤ガス供給部５６に積層方向に第２面圧Ｆ２を発生させるとともに、各電解質・電極接合体２６に前記積層方向に第３面圧Ｆ３を発生させている。
【００７７】
従って、第３の実施形態では、先ず、第１荷重付与機構１１４を介して最大面圧である第１面圧Ｆ１を発生させるため、この第１面圧Ｆ１によって発生する歪みは、第１橋架部３８、６２や第２橋架部４２、６６の他、前記第１面圧Ｆ１よりも小さな面圧が発生する部分に確実に吸収される。これにより、燃料電池スタック１７０では、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。
【００７８】
図１１は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタック１８０の側面説明図である。
【００７９】
燃料電池スタック１８０を構成する複数の燃料電池１０は、第１エンドプレート９４ａと第２エンドプレート９４ｅとの間に挟持される。第１エンドプレート９４ａと第２エンドプレート９４ｅとの間には、第１荷重付与機構１８２と第２荷重付与機構１１６とが設けられる。
【００８０】
第１荷重付与機構１８２は、第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部６０に近接して設けられており、複数のボルト１８４とナット１８６とを有する。第１エンドプレート９４ａ及び第２エンドプレート９４ｅには、燃料ガス供給連通孔３０を周回して、例えば、第１橋架部３８、６２の間に対応してボルト１８４を挿通させるための孔部１８８が形成される。
【００８１】
このように構成される第４の実施形態では、先ず、第１荷重付与機構１８２により燃料ガス供給連通孔３０の近傍に締め付け荷重が付与された後、第２荷重付与機構１１６を介して酸化剤ガス供給連通孔５４の近傍に締め付け荷重が付与されている。
【００８２】
このため、各燃料電池１０では、第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部６０に第１面圧Ｆ１が発生した後、酸化剤ガス供給部５６に第２面圧Ｆ２が発生するとともに、各電解質・電極接合体２６に第３面圧Ｆ３が発生している。従って、燃料電池スタック１８０では、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【００８３】
図１２は、燃料電池１９０が矢印Ａ方向に複数積層された本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタック１９２の概略斜視説明図ある。
【００８４】
燃料電池１９０は、図１３に示すように、一組のセパレータ１９４間に電解質・電極接合体２６を挟んで構成される。セパレータ１９４は、第１及び第２プレート１９６、１９８と、前記第１及び第２プレート１９６、１９８間に配設される第３プレート２００とを備える。第１〜第３プレート１９６、１９８及び２００は、例えば、ステンレス合金等の薄肉状板金で構成され、前記第３プレート２００の両面に、前記第１プレート１９６と前記第２プレート１９８とが、例えば、ろう付けにより接合される。
【００８５】
第１プレート１９６は、積層方向（矢印Ａ方向）に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３０が形成される第１燃料ガス供給部２０２を備え、この第１燃料ガス供給部２０２には、幅狭な第１橋架部２０４を介して比較的大径な第１挟持部２０６が一体的に設けられる。第１挟持部２０６は、電解質・電極接合体２６のアノード電極２４と略同一寸法に設定されている。
【００８６】
第１挟持部２０６のアノード電極２４に接触する面には、燃料ガス通路４６を形成する多数の第１凸部２０８が外周縁部近傍から中心部にわたって設けられるとともに、前記第１挟持部２０６の外周縁部には、略リング状凸部２１０が設けられる。第１凸部２０８及び略リング状凸部２１０は、集電部を構成する。第１挟持部２０６の中央部には、アノード電極２４の中央部に向かって燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔５２が形成される（図１３及び図１４参照）。なお、第１凸部２０８は、略リング状凸部２１０と同一平面内に複数の凹部を形成することによって構成してもよい。
【００８７】
第２プレート１９８は、積層方向（矢印Ａ方向）に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔５４が形成される第１酸化剤ガス供給部２１２を備える。この第１酸化剤ガス供給部２１２には、幅狭な第２橋架部２１４を介して比較的大径な第２挟持部２１６が一体的に設けられる。
【００８８】
第２挟持部２１６のカソード電極２２に接する面には、酸化剤ガス通路８６を形成するための複数の第２凸部２１７が面内全体にわたって設けられる。第２挟持部２１６の中央部には、酸化剤ガスをカソード電極２２の中央部に向かって供給するための酸化剤ガス供給孔８０が形成される。
【００８９】
第３プレート２００は、燃料ガス供給連通孔３０が形成される第２燃料ガス供給部２１８と、酸化剤ガス供給連通孔５４が形成される第２酸化剤ガス供給部２２０とを備える。第２燃料ガス供給部２１８及び第２酸化剤ガス供給部２２０は、幅狭な第１橋架部２２４及び第２橋架部２２６を介して比較的大径な第３挟持部２２８と一体的に構成される。第３挟持部２２８は、第１及び第２挟持部２０６、２１６と同一直径に設定される。
【００９０】
第３プレート２００の第１プレート１９６に向かう面において、第２燃料ガス供給部２１８には、燃料ガス供給連通孔３０に連通する複数のスリット２３０が放射状に形成され、このスリット２３０には、前記第２燃料ガス供給部２１８を周回して凹部２３２が連通する。燃料ガス供給連通孔３０からスリット２３０を介して第１橋架部２０４、２２４間に燃料ガス供給通路２３３が形成され、この燃料ガス供給通路２３３は、第１挟持部２０６及び第３挟持部２２８間に延在する。第３挟持部２２８には、複数の第３凸部２３４が形成され、この第３凸部２３４は、燃料ガス供給通路２３３の一部を構成する。
【００９１】
第３プレート２００の第２プレート１９８に接する面において、第２酸化剤ガス供給部２２０には、酸化剤ガス供給連通孔５４に連通する複数のスリット２３６が放射状に形成されるとともに、前記スリット２３６には、凹部２３８が連通する。酸化剤ガス供給連通孔５４からスリット２３６を介して第２橋架部２１４、２２６間に酸化剤ガス供給通路２４０が形成され、この酸化剤ガス供給通路２４０は、第２挟持部２１６及び第３挟持部２２８間に延在する。
【００９２】
第１プレート１９６が第３プレート２００の一方の面にろう付けされることにより、第１及び第３プレート１９６、２００間には、燃料ガス供給連通孔３０に連通する燃料ガス供給通路２３３が設けられる。この燃料ガス供給通路２３３は、第１及び第３挟持部２０６、２２８間に該第１挟持部２０６を挟んでアノード電極２４の電極面を覆い、且つ燃料ガスが供給されることにより前記第１挟持部２０６を前記アノード電極２４に圧接可能な燃料ガス圧力室２４２を構成する（図１５参照）。
【００９３】
第２プレート１９８が第３プレート２００にろう付けされることにより、第２及び第３プレート１９８、２００間には、酸化剤ガス供給連通孔５４に連通する酸化剤ガス供給通路２４０が形成される。この酸化剤ガス供給通路２４０は、第２及び第３挟持部２１６、２２８間に該第２挟持部２１６を挟んでカソード電極２２の電極面を覆い、且つ酸化剤ガスが供給されることにより前記第２挟持部２１６を前記カソード電極２２に圧接可能な酸化剤ガス圧力室２４４を構成する（図１５参照）。
【００９４】
各セパレータ１９４間には、燃料ガス供給連通孔３０をシールするための第１絶縁シール２４６が設けられるとともに、酸化剤ガス供給連通孔５４をシールするための第２絶縁シール２４８が設けられる。第１絶縁シール２４６は、第１絶縁シール９０と同一材料で形成されるとともに、第２絶縁シール２４８は、第２絶縁シール９２と同一材料で形成される。
【００９５】
図１２に示すように、燃料電池スタック１９２は、複数の燃料電池１９０の積層方向両端に第１及び第２エンドプレート２５０ａ、２５０ｂを配置する。第１エンドプレート２５０ａと第２エンドプレート２５０ｂとの間には、第１反応ガス供給部である第１燃料ガス供給部２０２及び第２燃料ガス供給部２１８に積層方向に第１面圧Ｆ１を発生させる第１荷重付与機構２５２と、第２反応ガス供給部である第１酸化剤ガス供給部２１２及び第２酸化剤ガス供給部２２０に前記積層方向に第２面圧Ｆ２を発生させる第２荷重付与機構２５４とが設けられる。
【００９６】
第１荷重付与機構２５２は、燃料ガス供給連通孔３０に近接する位置に配置される一対の締め付けボルト２５６を備え、前記締め付けボルト２５６は、第１エンドプレート２５０ａ及び第２エンドプレート２５０ｂに形成されたボルト孔２５８に挿入される。各締め付けボルト２５６の先端には、ナット２６０が螺合される。
【００９７】
第２荷重付与機構２５４は、同様に、酸化剤ガス供給連通孔５４に近接して配置される一対の締め付けボルト２６２を備え、前記締め付けボルト２６２は、第１エンドプレート２５０ａ及び第２エンドプレート２５０ｂに形成されたボルト孔２６４に挿入される。各締め付けボルト２６２の先端には、ナット２６６が螺合される。
【００９８】
なお、締め付けボルト２５６には、必要に応じて第１エンドプレート２５０ａと第２エンドプレート２５０ｂとの間隔を調整する円筒部２６８が外装される。第１エンドプレート２５０ａには、燃料ガス供給連通孔３０に連通する第１配管２７０と、酸化剤ガス供給連通孔５４に連通する第２配管２７２とが接続される。
【００９９】
そこで、燃料電池１９０を組み付ける際には、図１３に示すように、先ず、セパレータ１９４を構成する第１プレート１９６が第３プレート２００の一方の面に接合されるとともに、第２プレート１９８が前記第３プレート２００の他方の面に接合される。このため、セパレータ１９４内には、第３プレート２００に仕切られて燃料ガス供給通路２３３と、酸化剤ガス供給通路２４０とが独立して形成される（図１４参照）。
【０１００】
さらに、第１及び第３挟持部２０６、２２８間には、燃料ガス圧力室２４２が形成される一方、第２及び第３挟持部２１６、２２８間には、酸化剤ガス圧力室２４４が形成される（図１５参照）。
【０１０１】
次いで、図１２に示すように、セパレータ１９４と電解質・電極接合体２６とが交互に積層され、積層方向両端に第１及び第２エンドプレート２５０ａ、２５０ｂが配置される。そして、先ず、第１荷重付与機構２５２を構成する締め付けボルト２５６とナット２６０との螺合作用下に、第１燃料ガス供給部２０２及び第２燃料ガス供給部２１８に積層方向に第１面圧Ｆ１が発生される。
【０１０２】
第１荷重付与機構２５２による締め付け作業が終了した後、第２荷重付与機構２５４を構成する締め付けボルト２６２及びナット２６６の螺合作用下に、第２酸化剤ガス供給部２２０及び第１酸化剤ガス供給部２１２に積層方向に第２面圧Ｆ２が発生される。
【０１０３】
なお、第１荷重付与機構２５２及び第２荷重付与機構２５４は、第１エンドプレート２５０ａと第２エンドプレート２５０ｂとに締め付け荷重を付与しており、第１挟持部２０６、第２挟持部２１６及び第３挟持部２２８には、第３面圧Ｆ３が発生される。これにより、第５の実施形態では、上記の第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１０４】
次に、燃料電池スタック１９２の動作について説明すると、第１エンドプレート２５０ａに接続されている第１配管２７０から燃料ガス供給連通孔３０に燃料ガスが供給されるとともに、前記第１エンドプレート２５０ａに接続されている第２配管２７２から酸化剤ガス供給連通孔５４に酸化剤ガスが供給される。
【０１０５】
燃料ガス供給連通孔３０に供給された燃料ガスは、図１５に示すように、積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら、各燃料電池１９０を構成するセパレータ１９４内の燃料ガス供給通路２３３に供給される。燃料ガスは、燃料ガス供給通路２３３に沿って第１及び第３挟持部２０６、２２８間に形成された燃料ガス圧力室２４２に導入され、複数の第３凸部２３４間を移動して第１挟持部２０６の中央部に形成される燃料ガス供給孔５２に導入される。
【０１０６】
燃料ガス供給孔５２は、各電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の中心位置に対応して設けられている。このため、燃料ガスは、燃料ガス供給孔５２からアノード電極２４に供給され、該アノード電極２４内を中心部から外周部に向かって流動する。
【０１０７】
一方、酸化剤ガス供給連通孔５４に供給される酸化剤ガスは、セパレータ１９４内の酸化剤ガス供給通路２４０を移動し、第２及び第３挟持部２１６、２２８間の酸化剤ガス圧力室２４４に供給される。さらに、酸化剤ガスは、第２挟持部２１６の中心位置に設けられる酸化剤ガス供給孔８０に導入される。
【０１０８】
酸化剤ガス供給孔８０は、各電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の中心位置に対応して設けられている。このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給孔８０からカソード電極２２に供給され、該カソード電極２２の中心部から外周部に向かって流動する。
【０１０９】
従って、各電解質・電極接合体２６では、アノード電極２４の中心部から外周部に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極２２の中心部から外周部に向かって酸化剤ガスが供給され、発電が行われる。そして、発電に使用された燃料ガス及び酸化剤ガスは、排ガスとして第１〜第３挟持部２０６、２１６及び２２８の外周部から排気される。
【０１１０】
図１６は、燃料電池３００が矢印Ａ方向に複数積層された本発明の第６の実施形態に係る燃料電池スタック３０２の概略斜視説明図あり、図１７は、前記燃料電池３００の分解斜視説明図である。
【０１１１】
燃料電池３００は、一組のセパレータ３０８間に複数、例えば、１５個の電解質・電極接合体２６を挟んで構成される。セパレータ３０８は、互いに積層される第１及び第２プレート３１０、３１２と、前記第１及び第２プレート３１０、３１２間に配設される第３プレート３１４とを備える。第１〜第３プレート３１０、３１２及び３１４は、例えば、ステンレス合金等の薄肉状板金で構成されている。
【０１１２】
第１プレート３１０は、燃料ガス供給連通孔３０を形成する第１燃料ガス供給部３１５を備え、この第１燃料ガス供給部３１５には、幅狭な第１橋架部３１６を介して第１挟持部３１８が一体的に設けられる。第１挟持部３１８は、積層方向である矢印Ａ方向に直行する矢印Ｂ方向及び矢印Ｃ方向にそれぞれ３個及び５個ずつ、合計で１５個設けられており、前記第１挟持部３１８同士が第３橋架部３２０により連結されている。
【０１１３】
なお、矢印Ｂ方向両端部の第１挟持部３１８は、矢印Ｂ方向中央部の第１挟持部３１８に対して第３橋架部３２０のみにより連結されているが、例えば、矢印Ｃ方向に隣り合う第１挟持部３１８同士を前記第３橋架部３２０により連結してもよい。
【０１１４】
各第１挟持部３１８の電解質・電極接合体２６のアノード電極２４に接する面には、複数の第１凸部２０８と、略リング状凸部２１０とが形成されるとともに、面内中央部に燃料ガス供給孔５２が形成される。
【０１１５】
第２プレート３１２は、酸化剤ガス供給連通孔５４が形成される第１酸化剤ガス供給部３２２を備え、前記第１酸化剤ガス供給部３２２には、第２橋架部３２４を介して第２挟持部３２６が一体的に設けられる。
【０１１６】
第２挟持部３２６は、第４橋架部３２８を介して互いに一体的に設けられており、前記第２挟持部３２６は、第１挟持部３１８と同様に矢印Ｂ方向に３個で且つ矢印Ｃ方向に５個の、合計１５個設けられている。第２挟持部３２６のカソード電極２２に接する面内には、複数の第２凸部２１７が形成されるとともに、面内中央部には、酸化剤ガス供給孔８０が形成される。
【０１１７】
第３プレート３１４は、燃料ガス供給連通孔３０が形成される第２燃料ガス供給部３３０と、酸化剤ガス供給連通孔５４が形成される第２酸化剤ガス供給部３３２とを備えるとともに、前記第２燃料ガス供給部３３０及び第２酸化剤ガス供給部３３２に第１橋架部３３４及び第２橋架部３３６を介して第３挟持部３３８が連結される。
【０１１８】
第３挟持部３３８は、矢印Ｂ方向に３個で且つ矢印Ｃ方向に５個の、合計１５個設けられ、各第３挟持部３３８同士が第５橋架部３４０を介して連結される。各第３挟持部３３８には、第１プレート３１０に向かう面に複数の第３凸部２３４が形成される。
【０１１９】
第１プレート３１０が第３プレート３１４に、例えば、ろう付けにより接合されることにより、これらの間に燃料ガス供給通路２３３が形成される。この燃料ガス供給通路２３３は、第１橋架部３１６、３３４間から第１及び第３挟持部３１８、３３８間に形成される燃料ガス圧力室２４２を有する（図１８参照）。
【０１２０】
第２プレート３１２が第３プレート３１４に、例えば、ろう付けにより接合されることにより、これらの間に酸化剤ガス供給通路２４０が形成される。この酸化剤ガス供給通路２４０は、第２橋架部３２４、３３６間から第２及び第３挟持部３２６、３３８間に形成される酸化剤ガス圧力室２４４を有する（図１８参照）。
【０１２１】
図１６に示すように、燃料電池スタック３０２は、複数の燃料電池３００の積層方向両端に略長方形状の第１及び第２エンドプレート３４２ａ、３４２ｂを配置する。第１エンドプレート３４２ａには、燃料ガス供給連通孔３０に連通する第１配管３４４が接続されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔５４に連通する第２配管３４６が接続される。第１エンドプレート３４２ａと第２エンドプレート３２４ｂとには、燃料ガス供給連通孔３０に近接して第１荷重付与機構２５２が設けられるとともに、酸化剤ガス供給連通孔５４に近接して第２荷重付与機構２５４が設けられる。
【０１２２】
そして、先ず、第１荷重付与機構２５２を介して第１燃料ガス供給部３１５、及び第２燃料ガス供給部３３０に第１面圧Ｆ１が発生した後、第２荷重付与機構２５４を介して第１酸化剤ガス供給部３２２及び第２酸化剤ガス供給部３３２に前記第１面圧Ｆ１よりも小さな第２面圧Ｆ２が発生する。これにより、第６の実施形態では、上記の第５の実施形態と同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】燃料電池が複数積層された本発明の第１の実施の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、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】前記燃料電池の分解斜視説明図である。
【図４】前記燃料電池のガス流れ状態を示す一部分解斜視説明図である。
【図５】セパレータを構成する第１プレートの説明図である。
【図６】前記セパレータを構成する第２プレートの説明図である。
【図７】前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視図である。
【図９】前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの側面説明図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックの側面説明図である。
【図１２】燃料電池が矢印Ａ方向に複数積層された本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視説明図ある。
【図１３】前記燃料電池の分解斜視図である。
【図１４】前記燃料電池のガス流れ状態を示す一部分解斜視説明図ある。
【図１５】前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。
【図１６】燃料電池が矢印Ａ方向に複数積層された本発明の第６の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視説明図ある。
【図１７】前記燃料電池の分解斜視説明図である。
【図１８】前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。
【図１９】特許文献１の燃料電池の断面説明図である。
【符号の説明】
【０１２４】
１０、１６０、１９０、３００…燃料電池
１２、１７０、１８０、１９２、３０２…燃料電池スタック
２０…電解質                      ２２…カソード電極
２４…アノード電極                ２６…電解質・電極接合体
２８、１６２、１９４、３０８…セパレータ
３０…燃料ガス供給連通孔
３２、３４、１６４、１６６、１９６、１９８、２００、３１０、３１２、３１４…プレート
３６、６０、２０２、２１８、３１５、３３０…燃料ガス供給部
３８、４２、６２、６６、２０４、２１４、２２４、２２６、３１６、３２０、３２４、３２８、３３４、３３６、３４０…橋架部
４０、６４、２０６、２１６、２２８、３１８、３２６、３３８…挟持部
４４、６８…筐体部                ４６…燃料ガス通路
５２…燃料ガス供給孔              ５４…酸化剤ガス供給連通孔
５６、２１２、２２０、３２２、３３２…酸化剤ガス供給部
７４、２３３…燃料ガス供給通路    ７６…充填室
７８、２４０…酸化剤ガス供給通路  ８０…酸化剤ガス供給孔
８４、１６７…フェルト部材        ８６…酸化剤ガス通路
８８…排ガス通路                  ９０、９２…絶縁シール
９４ａ、９４ｂ、９４ｄ、９４ｅ、２５０ａ、２５０ｂ、３４２ａ、３４２ｂ…エンドプレート
９４ｃ…固定リング                ９８、１８４…ボルト
１１２…支持プレート
１１４、１１６、１１８、１８２、２５２、２５４…荷重付与機構
１２４、１３６…スプリング        １２６、１３８…押圧ボルト
２５６、２６２…締め付けボルト
【図１】
2008103215.tif 000003
【図２】
2008103215.tif 000004
【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】
2008103215.tif 000009
【図８】
2008103215.tif 000010
【図９】
2008103215.tif 000011
【図１０】
2008103215.tif 000012
【図１１】
2008103215.tif 000013
【図１２】
2008103215.tif 000014
【図１３】
2008103215.tif 000015
【図１４】
2008103215.tif 000016
【図１５】
2008103215.tif 000017
【図１６】
2008103215.tif 000018
【図１７】
2008103215.tif 000019
【図１８】
2008103215.tif 000020
【図１９】
2008103215.tif 000021