(57)【要約】【課題】スタックを押圧することにより、スタックの各層間におけるガスのシール性と良好な電気的接続とを両立することが出来て、スタックが収縮しても確実に押圧することが出来て、しかも、固体酸化物形燃料電池の高温環境下に絶えることが出来る様な燃料電池のスタック構造を提供することが目的である。【解決手段】固体酸化物形燃料電池のスタック構造において、基板（１２）に向かってスタック（１６）を押圧する第１の押圧用板（１４）と、該第１の押圧用板（１４）に対して上方に位置した第２の押圧用板（１８）と、第２の押圧用板（１８）を基板（１２）に向けて移動させる移動機構（２０、２６）と、第１の押圧用板（１４）と第２の押圧用板（１８）との間に介装されており且つ第１の押圧用板（１４）をスタック（１６）に向かって押圧する押圧機構（３２）とを備え、該押圧機構（３２）は、剛体（２８）と弾性体（３０）とから成っている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体酸化物形燃料電池のスタック構造において、スタックが載置されている基板と、該基板に向かってスタックを押圧する第１の押圧用板と、該第１の押圧用板に対して基板から離隔した側に位置した第２の押圧用板と、第２の押圧用板を基板に向けて移動させる移動機構と、第１の押圧用板の基板に対する相対位置を保持するための保持手段と、第１の押圧用板と第２の押圧用板との間に介装されており且つ第１の押圧用板をスタックに向かって押圧する押圧機構とを備え、該押圧機構は、剛体と弾性体とから成り、第２の押圧用板が基板に向けて移動する力を第１の押圧用板のスタックと接触する面へ概略均等に伝達する様に構成されていることを特徴とする燃料電池スタック構造。
【請求項２】
固体酸化物形燃料電池のスタック構造において、スタックが載置されている基板と、剛性の高い材料で構成され且つ前記基板に向かってスタックを押圧する第１の押圧用板と、該前記第１の押圧用板に対して基板から離隔した側に位置した第２の押圧用板と、第２の押圧用板を基板に向けて移動させる移動機構と、第１の押圧用板と第２の押圧用板との間に介装されており且つ第１の押圧用板をスタックに向かって押圧する押圧機構とを備え、該押圧機構は、剛体と弾性体とから成り、第２の押圧用板が基板に向けて移動する力を第１の押圧用板のスタックと接触する面へ概略均等に伝達する様に構成されていることを特徴とする燃料電池スタック構造。
【請求項３】
前記弾性体はセラミックス製のスプリングである請求項１、２の何れかの燃料電池スタック構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は複数のセルを積層して構成された燃料電池のスタック構造に関する。より詳細には、固体酸化物形燃料電池のスタック構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の固体酸化物形燃料電池のスタック構造が図３で示されている。
図３において、全体を符号１で示す平板形の固体酸化物形燃料電池のスタック構造は、燃料極Ｆ、空気極Ａ、電解質Ｄを有する固体酸化物形燃料電池のセルが積層されて構成されている。
そして、各セルはセパレータＳ３及びフェルト（Ｎｉ）で隔てられ、外周部にはシール材Ｓ１及びスペーサＳ２が配置されている。
【０００３】
この様なスタック構造においては、積層された各セル間で、ガスのシール性と（電池としての）電気的接続が両立する必要が有る。係るシール性と電気的接続とを確保するため、通常、セルの積層方向（スタック方向）についてスタックを圧縮することが行われる。
図３で示す従来技術では、基板１２と押し板２との間にスタックを収容し、ボルト３を基板１２と押し板１とを貫通させ、基板１２の下側からナット２２をボルト３に螺合し、その状態で、ナット４を締め付けることにより、スタックをセルの積層方向へ圧縮している。
その他にも、スプリングによりセルの積層方向へ圧縮力を付加する技術も存在する。
【０００４】
しかし、固体酸化物形燃料電池の動作温度は約１０００℃という高温であり、そのため、スタックとボルトとの熱膨張量の相違に起因して、スタックに対してボルト及びナットによる圧縮力が付加されなくなってしまう場合がある。
或いは、シール材Ｓ１やフェルト（Ｎｉ）が高温により収縮して、以って、スタック方向についてスタックが収縮してしまうことにより、ボルト３、ナット４による締結力の低下が懸念される。
さらに、スプリングの反撥力による圧縮については、固体酸化物形燃料電池の動作温度の様な高温雰囲気下（約１０００℃）で且つ酸素雰囲気中であると、スプリングの材質が劣化して、破損してしまうという問題を有している。これに加えて、スプリングの反撥力のみでは、十分な圧縮力が得られない。
【０００５】
その他の従来技術として、スタックに荷重をかけるために、スタック押圧用のベローズを設け、圧力流体装置から圧力流体を供給して当該ベローズを膨張し、以って、スタックを押圧する技術が存在する（特許文献１参照）。
【０００６】
しかし、上述した様に、固体酸化物形燃料電池の動作温度は約１０００℃という非常な高温で動作するので、使用する材料の選択範囲が限られてしまうという問題がある。そして、係る高温環境下では、ベローズを使用することは不可能である。
すなわち、係る従来技術は、固体酸化物形燃料電池に対して適用すること自体が不可能である。
【０００７】
【特許文献１】
特開平９−１３９２２５号公報（図１、図４）
【０００８】
【発明の解決しようとする課題】
本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、スタックを押圧することにより、スタックの各層間におけるガスのシール性と良好な電気的接続とを両立することが出来て、スタックが収縮しても確実に押圧することが出来て、しかも、固体酸化物形燃料電池の高温環境下に絶えることが出来る様な燃料電池のスタック構造を提供することが目的である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池スタック構造は、固体酸化物形燃料電池のスタック構造において、（燃料電池セルの積層体である）スタック（１６）が載置されている基板（１２）と、該基板（１２）に向かってスタック（１６）を押圧する第１の押圧用板（第１の押し板１４）と、該第１の押圧用板（第１の押し板１４）に対して基板（１２）から離隔した側（上方）に位置した第２の押圧用板（第２の押し板１８）と、第２の押圧用板（第２の押し板１８）を基板（１２）に向けて移動させる移動機構（例えば、基板１２と第１の押し板１４及び第２の押し板１８とを貫通するボルト２０と、第２の押し板１８を基板１２に向かって締め付けるためのナット２６とから成る締結機構）と、第１の押圧用板（第１の押し板１４）の基板（１２）に対する相対位置を保持するための保持手段（上述したボルト２０と螺合しており、第１の押し板１４を基板１２に向けて締め付けるナット２４）と、第１の押圧用板（押し板１４）と第２の押圧用板（押し板１８）との間に介装されており且つ第１の押圧用板（押し板１４）をスタック（１６）に向かって押圧する押圧機構（３２）とを備え、該押圧機構（３２）は、剛体（中押し棒２８）と弾性体（例えば、セラミックス製のスプリング３０）とから成り、第２の押圧用板（押し板１８）が基板（１２）に向けて移動する力を第１の押圧用板（押し板１４）のスタック（１６）と接触する面へ概略均等に伝達する様に構成されていることを特徴としている（請求項１：図１）。
【００１０】
本発明において、前記弾性体（３０）はセラミックス製のスプリングであるのが好ましい（請求項３）。
耐熱性の点で極めて優れているからである。
【００１１】
係る構成を具備する本発明の燃料電池のスタック構造によれば、前記保持手段（２４）により第１の押圧用板（１４）を基板（１２）に向けて締め付け、及び／又は、前記移動機構（２０、２６）により第２の押圧用板（１８）を基板（１２）に向けて移動させると、その力が押圧機構（３２）の剛体（２８）を介して第１の押圧用板（１４）へ伝達されて、スタック（１６）は基板（１２）に押圧される。
その結果、スタック（１６）の各層間におけるガスのシール性と良好な電気的接続とを両立することが出来る。
そして、固体酸化物形燃料電池の非常に高い動作温度の影響でシール材（Ｓ１）及び／又はフェルト（Ｎｉ）が収縮し、ボルト締めによるスタック（１６）への押圧力が消失した場合には、前記押圧機構の弾性体（例えば、セラミックス製のスプリング３０）により第１の押圧用板（１４）が基板（１２）に向かって付勢されるので、スタック（１６）の各層間のガスシール性と電気的接続とは維持される。
【００１２】
ここで、スタック圧縮力が強過ぎるとスタック（１６）内の各セルを破壊してしまうので、スプリングの反撥力程度で十分であり、スタックの各層間の電気的なコンタクトが確保出来る程度で十分である。しかも、前記保持手段（上述したボルトと螺合しており、第１の押し板１４を基板１２に向けて締め付けるナット２４）及び第１の押圧用板（１４）により、スタック（１６）には圧縮力が作用しているので、前記押圧機構（３２）の弾性体（例えば、セラミックス製のスプリング３０）の反撥力でも、十分なシール性と電気的接続とが確保出来るのである。
【００１３】
前記押圧機構（３２）の弾性体として、高温にも耐える部材、例えばセラミックス製のスプリング（３０）を使用することが出来るので、固体酸化物形燃料電池の動作温度の様な高温雰囲気下（約１０００℃）で且つ酸素雰囲気中であっても、弾性体（３０）は劣化することなく、第１の押圧用板（１４）及びスタック（１６）に対して、確実に押圧力（スタックを締め付ける力）を付勢することが出来るのである。
従って、ベローズや合金等では使用困難な固体酸化物形燃料電池の動作環境下であっても、スタックの各層同士を確実に接触させることが出来るのである。
【００１４】
固体酸化物形燃料電池の動作温度の様な高温雰囲気下（約１０００℃）で且つ酸素雰囲気中であっても劣化しないような材料（例えばセラミックス）から成る弾性体は、一般的に脆いので、許容範囲を越えて変形（収縮）させると破損してしまう。
しかし、上述した本発明によれば、押圧機構（３２）は剛体（２８）を備えており、弾性体（例えば、セラミックス製のスプリング３０）の許容変形範囲を超えた収縮力（第１の押し板１４及びスタック１６を基板１２に向けて押圧する力）が付加された場合は、当該収縮力は剛体（２８）が受け持つので、弾性体（３０）は破損することが無い。換言すれば、弾性体（例えば、セラミックス製のスプリング３０）の限界を越えない様に、それと、均一なバネ荷重を得る為にバネの位置ズレ防止を兼ねて、剛体（２８）が設けられているのである。
【００１５】
上述した構成を具備する本発明の燃料電池スタック構造を組み上げるに際しては、スタック（１６）の各層間のガスシール性を確認し（例えば、矢印Ａ、Ｂで示す様にスタック内部に流体Ｎ２を流し）つつ、保持手段（２４）により第１の押圧用板（１４）の基板（１２）に対する相対位置を保持する（ナット２４を締め上げる）。
次に、前記移動機構（２０、２６）により、第２の押圧用板（１８）を基板（１２）に向けて移動させる（ナット２６を締め付ける）。そして、第２の押圧用板（１８）が前記押圧機構（３２）の剛体（２８）に当接するまで移動し、剛体（２８）に当接して移動の抵抗が増加したならば（押し板１８が中押し棒２８にあたり、ナット２６の締付トルクが急増したならば）、若干量だけ第２の押し板（１８）を基板（１２）側へ移動させる（ナット２６をもう一締めする）。これにより、スタック構造の組み上げが完了する。
【００１６】
ここで、保持手段（２４）が存在しないと、第１の押圧用板（１４）は押圧機構（３２）にのみよってスタック側に押圧される。そして、第１の押圧用板（１４）が完全な剛体でないと、第１の押圧用板（１４）において、該押圧機構（３２）が存在しない領域のシール性が十分に確保できない可能性がある。
しかし、第１の押圧用板（１４）が完全な剛体とみなせる程度くらい剛性が高い場合には、保持手段（２４）を省略することも可能である。
【００１７】
すなわち、係る場合における本発明の燃料電池スタック構造は、固体酸化物形燃料電池のスタック構造において、スタック（１６）が載置されている基板（１２）と、剛性の高い材料で構成され且つ前記基板に向かってスタック（１６）を押圧する第１の押圧用板（第１の押し板１４）と、該第１の押圧用板（第１の押し板１４）に対して基板（１２）から離隔した側（上方）に位置した第２の押圧用板（第２の押し板１８）と、第２の押圧用板（第２の押し板１８）を基板（１２）に向けて移動させる移動機構（例えば、基板と第１及び第２の押圧用板１４、１８を貫通するボルト２０と、第２の押圧用板１８を基板１２に向かって締め付けるためのナット２６とから成る締結機構）と、第１の押圧用板（第１の押し板１４）と第２の押圧用板（第２の押し板１８）との間に介装されており且つ第１の押圧用板（第１の押し板１４）をスタック（１６）に向かって押圧する押圧機構（３２）とを備え、該押圧機構（３２）は、剛体（中押し棒２８）と弾性体（例えば、セラミックス製のスプリング３０）とから成り、第２の押圧用板（第２の押し板１８）が基板（１２）に向けて移動する力を第１の押圧用板（第１の押し板１４）のスタック（１６）と接触する面へ概略均等に伝達する様に構成されていることを特徴としている（請求項２）。
【００１８】
この場合も、前記弾性体はセラミックス製のスプリングであるのが好ましい（請求項３）。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【００２０】
図１は、本発明の第１実施形態を示している。
図１において、全体を符号１０で示す本発明の燃料電池スタック構造は、基板１２と第１の押し板１４（第１の押圧用板）との間に、固体酸化物形燃料電池セルの積層体であるスタック１６を収納している。
そして、第１の押し板１４の図中上方には、第２の押し板１８（第２の押圧用板）が配置されている。
【００２１】
基板１２、第１の押し板１４、第２の押し板１８は、複数（図示の実施形態では、例えば４本：但し、図では２本のみが表示されている）のボルト２０が貫通している。
ボルト２０において、基板１２の下方にはナット２２が螺合しており、第１の押し板１４の上方にはナット２４（保持手段）が螺合しており、第２の押し板１８の上方にナット２６が螺合している。
換言すれば、ナット２２は基板１２の取り付け用であり、ナット２４は第１の押し板１４をスタック１６或いは基板１２に向かって締め付けるためのものであり、ナット２６は第２の押し板１８用である。
【００２２】
第１の押し板１４と第２の押し板１８との間には、剛性の高い材料製の円柱形状をした中押し棒２８（剛体）の周囲に、セラミックス製のスプリング３０を配置させて構成した複数の押圧機構３２からなっている。ここで、中押し棒２８の図中上下方向端部は、図示の様に曲面を構成していても良いし、平面となっていても良い。
図示の実施形態において、押圧機構３２は４個設けられている。複数の押圧機構３２は、後述する様に図中上方からスタックに対して押圧力が作用した際に、当該押圧力が、第１の押し板１４を介してスタック１６へ概略均等に作用する様に、配置される。
【００２３】
なお、スタック１６自体の構成は、図３の従来技術で示すのと同様である。すなわち、スタック１６は、燃料極Ｆ、空気極Ａを有する固体酸化物形燃料電池のセルが積層されて構成されており、各セルはセパレータＳ３及びフェルト（Ｎｉ）で隔てられ、各セルの外周部にシール材Ｓ１及びスペーサＳ２が配置されている。
【００２４】
次に、上述した第１実施形態に係る燃料電池スタック構造を組み上げる手順について説明する。
基板１２上にスタック１６を載置して、さらに第１の押し板１４をスタック上に載置したならば、ボルト２０を挿入して、ナット２２、２４を螺合する。そして、ナット２４を締め付けることにより、第１の押し板１４でスタック１６を基板１２に対して押圧する。その結果、スタック１６が圧縮されて、室温におけるシール性と、積層された各セル間の電気的接続が確保される。
【００２５】
ここで、ナット２４を締め付け、第１の押し板１４によりスタック１６を基板１２に対して押圧する際には、スタック１６の各層（燃料電池セル）間のガスシール性を確認しつつ行う。具体的には、ナット２４を締め付ける際には、図１中矢印Ａ、Ｂで示す様に、積層体であるスタック１６内部の空間に不活性ガス（例えば、窒素ガス）を流し、当該不活性ガスがスタック１６の側方から漏出するか否かをチェックすることにより、ガスシール性のチェックが行われるのである。
【００２６】
ナット２４を締め付けることにより、スタック１６は第１の押し板１４と基板１２との間で圧縮された状態を維持する。
次に、第１の押し板１４の上方に、複数の押圧機構３２を介して第２の押し板１８を配置する。そして、ナット２６を締め付けることにより、第２の押し板１８を図中下側（基板１２側）に向けて移動させる。
係る（第２の押し板１８の図中下側への）移動は、第２の押し板１８が中押し棒２８に当接するまで行われる。第２の押し板１８が中押し棒２８に当接したならば、すなわち、第２の押し板１８が中押し棒２８に当接してナット２６の締付トルクが急増したならば、若干量だけナット２６を増し締めして、第２の押し板１８をさらに若干量だけ図中下側（基板１２側）へ移動させる。これにより、図１で示すスタック構造の組み上げが完了する。
【００２７】
上述した様に、ナット２４を締め付けることにより、第１の押し板１４でスタック１６を基板１２に対して押圧すれば、室温におけるシール性と、積層された各セル間の電気的接続が確保される。しかし、ボルト２０及びナット２４は第１の押し板１４の周縁部に配置されるので、ナット２４を締め付けることによりスタック１６の外周部は押圧されるが、中央に近い領域の押圧が不十分になり、ガスのシール性、電気的接続がスタックの中央近傍の領域では確保できなくなる恐れがある。
しかし、図１から明らかな様に、ナット２６を締め付けることにより、第２の押し板１８及び複数の押圧機構３２を介して、第１の押し板１４及びスタック１６が押圧或いは圧縮される。そして、押圧機構３２は、図１から明らかな様にスタック１６の中央部側に配置されるので、スタック１６の中央部も十分に押圧、圧縮され、ガスシール性、電気的接続が確保される。
【００２８】
すなわち、ナット２４を十分に締め付けることにより、スタック１６の周縁部におけるシール性と電気的接続が確保され、ナット２６を締め付け且つ押圧機構３２を仲介することにより、スタック１６の中央部におけるシール性と電気的接続が確保されるのである。
【００２９】
固体酸化物形燃料電池の非常に高い動作温度の影響でシール材及び／又はフェルトが収縮し、ボルト締めによるスタックへの押圧力或いは圧縮力が消失した場合には、前記押圧機構３２のセラミックス製のスプリング３０により、第１の押し板１４が図中下側に向かって付勢されて、スタック１６を圧縮し続ける。そのため、スタック１６の各層（セル）間のガスシール性と電気的接続とは維持される。
【００３０】
セラミックス製のスプリング３０は、固体酸化物形燃料電池の動作温度の様な高温雰囲気下（約１０００℃）で且つ酸素雰囲気中であっても劣化しない反面、大変に脆く、許容範囲を越えて変形（収縮）させると破損してしまう。
しかし、図１の実施形態では、押圧機構３２は中押し棒２８を備えており、第２の押し板１８により、セラミックス製スプリング３０の許容変形範囲を超えて圧縮させるだけの押圧力が付加されても、当該圧縮力は中押し棒２８が受け持ち、セラミックス製スプリング３０は許容変形範囲を超えて圧縮させられることは無い。
【００３１】
この様に、図１の第１実施形態によれば、スタック構造の組み上げ時においても、固体酸化物形燃料電池の非常に高温の作動温度下においても、積層された各セル間のガスシール性と、電気的接続とが確保出来るのである。
【００３２】
ここで、上述した通り、ナット２４による締め付けは、スタック１６の終縁部におけるガスシール性と電気的接続を確保するため、十分に行う必要がある。
すなわち、ナット２４による締め付けが不十分で、第１の押し板１４が押圧機構３２にのみよってスタック１６を押圧或いは圧縮する場合には、第１の押し板１４が完全な剛体でないと、押圧機構３２が配置されていない周縁部におけるシール性及び電気的接続が十分に確保できない可能性がある。
【００３３】
しかし、第１の押し板１４が完全な剛体とみなせる程度くらい剛性が高い場合には、ナット２４による締め付けを省略することも可能である。
図２の第２実施形態は、係る場合に対応するものである。
図２において、第１の押し板１４上に押圧機構３２は配置されてはいるが、対応するナットは設けられていない。
【００３４】
第２の押し板１８をナット２６で締め込むことにより、当該ナット２６が第２の押し板１８を図２中の下方へ押し込む力が、押圧機構３２を介して第１の押し板１４に伝達される。そして、スタック１６は第１の押し板１４により圧縮、押圧される。
ここで、第１の押し板１４は高い剛性を有しているので、押圧機構３２で押圧された際に撓んでしまうことなく、水平な状態を保ったままスタック１６を圧縮する。そのため、スタック１６の周縁部も中央部も均一に圧縮される。
【００３５】
その他の構成及び作用効果については、図１の第１実施形態と同様である。
【００３６】
図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない旨を付記する。
例えば、ボルトとナットとは、焼き付き防止を行っている。
また、ここで、ポルトの通し穴は比較的大きめに設定されている。
そして、ボルト１２の底部（図１では下方）は、ナットではなく、図示しない基台部分にボルト頭部を埋め込んで、回り止めすることが出来る。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の作用効果を以下に列挙する。
（１）  スタック構造の組み上げ時において、積層された各セル間のガスシール性と、電気的接続とが、良好に確保される。
（２）  固体酸化物形燃料電池の非常に高い動作温度の影響でシール材及び／又はフェルトが収縮し、ボルト締めによるスタックへの押圧力或いは圧縮力が消失した場合であっても、押圧機構のセラミックス製スプリングの反撥力によりスタックが圧縮され続けるので、スタックの各層（セル）間のガスシール性と電気的接続とは維持される。
（３）  固体酸化物形燃料電池の非常に高い動作温度でも、確実にスタックに対して圧縮力を付加し続けることが出来る。
（４）  固体酸化物形燃料電池の非常に高い動作温度でも、反撥力を有するスプリングが劣化しない。
（５）  固体酸化物形燃料電池の非常に高い動作温度に耐性があるスプリング（セラミック製スプリング）は脆く、許容範囲以上の変形により破損してしまうが、本発明では剛性の高い部材と組み合わせて使用することにより、スプリングの破損が防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す正面断面図。
【図２】本発明の第２実施形態を示す正面断面図。
【図３】従来の燃料電池スタック構造を示す正面断面図。
【符号の説明】
１０・・・燃料電池スタック構造
１２・・・基板
１４・・・第１の押し板
１６・・・スタック
１８・・・第２の押し板
２０・・・ボルト
２２、２４、２６・・・ナット
２８・・・中押し棒
３０・・・セラミックス製のスプリング
３２・・・押圧機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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