(57)【要約】【課題】簡単な構成で、不要な熱応力の発生がなく、所望のシール性能を確保するとともに、電解質・電極接合体の破損等を可及的に阻止することを可能にする。【解決手段】燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池１０の積層方向両端に円板状のエンドプレート１００ａ、１００ｂを配置するとともに、締め付け荷重付与機構１０１を介して締め付け保持される。締め付け荷重付与機構１０１は、燃料ガス供給連通孔４４の近傍に対して第１締め付け荷重Ｔ１を付与する第１締め付け部１０３ａと、電解質・電極接合体に対して第２締め付け荷重Ｔ２（＜Ｔ１）を付与する第２締め付け部１０３ｂと、セパレータの外周縁部に対して第３締め付け荷重Ｔ３（＜Ｔ２＜Ｔ１）を付与する第３締め付け部１０３ｃとを備える。【選択図】図２
2004362995.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・電極接合体が一対のセパレータ間に配設されるとともに、前記セパレータには、前記アノード電極に向かって燃料ガスを供給する燃料ガス通路と、前記カソード電極に向かって酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路とが設けられる燃料電池であって、前記セパレータの中央部には、前記燃料ガス通路に連通して前記電解質・電極接合体との積層方向に貫通する燃料ガス供給連通孔が形成され、前記燃料ガス供給連通孔の周囲に前記電解質・電極接合体が配設されるとともに、
積層された前記セパレータと前記電解質・電極接合体とに締め付け荷重を付与する際に、前記燃料ガス供給連通孔の近傍に対して付与される積層方向の荷重が、前記電解質・電極接合体に付与される積層方向の荷重よりも大きく設定される締め付け荷重付与機構を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記締め付け荷重付与機構は、前記燃料ガス供給連通孔の近傍に対して第１締め付け荷重を付与する第１締め付け部と、
前記電解質・電極接合体に対して前記第１締め付け荷重よりも小さな第２締め付け荷重を付与する第２締め付け部と、
前記セパレータの外周縁部に対して前記第２締め付け荷重よりも小さな第３締め付け荷重を付与する第３締め付け部と、を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池において、前記締め付け荷重付与機構は、前記第１締め付け部に配設される内側シール部材と、
前記第３締め付け部に配設される外側シール部材と、を備えるとともに、
前記内側シール部材は、前記外側シール部材よりも高い剛性に設定されることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記燃料ガス供給連通孔の周囲には、前記電解質・電極接合体で反応に使用された燃料ガス及び酸化剤ガスを含む排ガスを前記積層方向に排出する排ガス通路が形成されるとともに、
前記燃料ガス供給連通孔と前記燃料ガス通路とを連通する燃料ガス分配通路が、前記排ガス通路を前記積層方向に交差するセパレータ面方向に横切って設けられることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記セパレータは、互いに積層される第１及び第２プレートを備え、
前記第１及び第２プレート間には、前記燃料ガス通路及び前記酸化剤ガス通路が形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池において、少なくとも前記第１プレート又は前記第２プレートの周縁部には、対向するプレート面に向かってボス部が形成され、前記ボス部と前記プレート面とが当接することにより、前記酸化剤ガス通路が形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
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・電極接合体が一対のセパレータ間に配設される燃料電池を備え、前記燃料電池を複数積層する燃料電池スタックであって、
積層される複数の前記燃料電池に積層方向に沿って締め付け荷重を付与するとともに、前記燃料電池の中央部に付与される積層方向の荷重が、前記燃料電池の外周部に付与される積層方向の荷重よりも大きく設定される締め付け荷重付与機構を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池の中央部には、前記燃料ガス通路に連通して前記積層方向に貫通する燃料ガス供給連通孔が形成され、
前記締め付け荷重付与機構は、前記燃料ガス供給連通孔の近傍に対してのみ締め付け荷重を付与する締め付け具を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項９】
請求項８記載の燃料電池スタックにおいて、前記締め付け荷重付与機構は、前記燃料ガス供給連通孔の周囲を覆う内側シール部材と、
前記燃料電池の外周縁部に配置される外側シール部材と、を備えるとともに、
前記内側シール部材は、前記外側シール部材よりも高い剛性に設定され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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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配設される燃料電池及び燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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単セル（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、単位セル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】
この種の燃料電池において、カソード電極に酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されると、前記カソード電極と電解質との界面でこの酸化剤ガス中の酸素がイオン化（Ｏ２−）され、酸素イオンが電解質を通ってアノード電極側に移動する。アノード電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）やＣＯが供給されているために、このアノード電極において、酸素イオン及び水素（又はＣＯ）が反応して水（又はＣＯ２）が生成される。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。
【０００４】
ところで、上記の燃料電池に使用されるシール部材としては、酸化剤ガスや燃料ガスである反応ガスの洩れを確実に阻止するシール性の他、耐熱性、絶縁性及び低剛性等、多機能が求められている。しかしながら、通常のシール部材では、このような機能を満たすことは極めて困難であり、しかもシール部材自体が相当に高価なものとなってしまう。
【０００５】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体電解質型燃料電池は、図２２に示すように、固体電解質体１の両面にアノード２及びカソード３が配置されて単位セル４を構成している。この単位セル４は、第１の基体５と第２の基体６とで挟持されるとともに、これらが積層されて燃料電池を構成している。
【０００６】
燃料電池には、積層方向に貫通して燃料ガス導入管７ａ及び酸化剤ガス導入管７ｂがガラスシール８を介して配設されている。このガラスシール８は、単位セル４と同一の厚さに加工されており、第１の基体５と第２の基体６との間に配設されているガラスシール８は、燃料電池の運転温度において軟化あるいは溶融し、シール機能が発生する。さらに、ガラスシール８の熱膨張係数は、他の燃料電池構成材料よりも大きいため、他の燃料電池構成材料に割れや損傷を与えることがない、としている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平２−１６８５６８号公報（図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献１では、ガラスシール８に熱履歴等による状態の変化が惹起され易く、このガラスシール８のシール性能が時間の経過に伴って低下するおそれがある。しかも、ガラスシール８を繰り返し使用することによって、硬化と溶融との形態変化が繰り返されるため、ガラスシール８自体が劣化してしまう。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、不要な熱応力の発生がなく、所望のシール性能を確保するとともに、電解質・電極接合体の破損等を可及的に阻止することが可能な燃料電池及び燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池では、電解質・電極接合体が一対のセパレータ間に配設されるとともに、前記セパレータの中央部には、アノード電極に向かって燃料ガスを供給する燃料ガス通路に連通し、前記電解質・電極接合体との積層方向に貫通する燃料ガス供給連通孔が形成されている。燃料ガス供給連通孔の周囲には、電解質・電極接合体が配設され、締め付け荷重付与機構を介してセパレータと前記電解質・電極接合体とが積層方向に締め付け保持されている。
【００１１】
その際、締め付け荷重付与機構は、燃料ガス供給連通孔の近傍に対して付与される積層方向の荷重が、電解質・電極接合体に付与される積層方向の荷重よりも大きく設定されている。従って、セパレータの周縁部に付与される締め付け荷重が減少するため、例えば、前記セパレータに熱伸びが発生した際に、セパレータ中心から周縁部に伸びが移動して該セパレータ全体の伸びが均一に行われ、熱歪みが有効に阻止される。これにより、セパレータ間に挟持されている電解質・電極接合体に、熱歪みによる損傷等が惹起されることがなく、しかも不必要な熱応力が発生することがない。
【００１２】
さらに、確実なシール性能が最も要求される燃料ガス供給連通孔の近傍には、最大の締め付け荷重が付与されている。このため、燃料ガス供給連通孔の近傍のシール性が良好に向上し、高精度なシール性能を確保することが可能になり、発電効率の向上が容易に図られる。
【００１３】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池では、締め付け荷重付与機構は、燃料ガス供給連通孔の近傍に対して第１締め付け荷重を付与する第１締め付け部と、電解質・電極接合体に対して前記第１締め付け荷重よりも小さな第２締め付け荷重を付与する第２締め付け部と、セパレータの外周縁部に対して前記第２締め付け荷重よりも小さな第３締め付け荷重を付与する第３締め付け部とを備えている。従って、セパレータの特定の部位毎に、必要な締め付け荷重を付与することができ、所望のシール性能を容易且つ確実に得ることが可能になる。
【００１４】
さらに、本発明の請求項３に係る燃料電池では、締め付け荷重付与機構は、第１締め付け部に配設される内側シール部材と、第３締め付け部に配設される外側シール部材とを備えるとともに、前記内側シール部材は、前記外側シール部材よりも高い剛性に設定されている。これにより、最大の締め付け荷重が付与される燃料ガス供給連通孔の近傍では、十分なシール剛性を確保することができ、確実なシールが行われる。
【００１５】
しかも、燃料ガス供給連通孔がセパレータの中央部に設けられるため、比較的に高価な内側シール部材のシール面積を削減することができる。一方、シール面積の大きな外側シール部材は、比較的に低いシール性能を有する安価なシール部材であってもよい。このため、内側シール部材及び外側シール部材のコストを有効に削減することが可能になる。
【００１６】
さらにまた、本発明の請求項４に係る燃料電池では、燃料ガス供給連通孔の周囲には、電解質・電極接合体で反応に使用された燃料ガス及び酸化剤ガスを含む排ガスを積層方向に排出する排ガス通路が形成されるとともに、前記燃料ガス供給連通孔と燃料ガス通路とを連通する燃料ガス分配通路が、前記排ガス通路を前記積層方向に交差するセパレータ面方向に横切って設けられている。すなわち、セパレータ面内には、燃料ガス供給連通孔と燃料ガス通路との間に橋架部が設けられ、この橋架部に燃料ガス分配通路が形成される一方、該橋架部に仕切られて排ガス通路が形成されている。
【００１７】
従って、燃料ガス供給連通孔と電解質・電極接合体との間には、面積が相当に減少した橋架部が存在しており、前記電解質・電極接合体の剛性を、前記燃料ガス供給連通孔の周囲の剛性から遮断することができる。これにより、電解質・電極接合体は、燃料ガス供給連通孔の周囲に付与される締め付け荷重に影響されることがなく、前記電解質・電極接合体の面圧を確実に適正化することが可能になるとともに、前記電解質・電極接合体に歪み等が発生することを阻止することができる。
【００１８】
また、本発明の請求項５に係る燃料電池では、セパレータは、互いに積層される第１及び第２プレートを備え、前記第１及び第２プレート間には、燃料ガス通路及び酸化剤ガス通路が形成されている。このため、燃料電池の積層方向の寸法を有効に減少させることが可能になり、前記燃料電池が薄型化される。
【００１９】
さらに、本発明の請求項６に係る燃料電池では、少なくとも第１プレート又は第２プレートの周縁部には、対向するプレート面に向かってボス部が形成され、前記ボス部と前記プレート面とが当接することにより、酸化剤ガス通路が形成されている。従って、酸化剤ガス通路形状を確保するとともに、セパレータの周縁部の剛性を減少させることができる。
【００２０】
さらにまた、本発明の請求項７に係る燃料電池スタックでは、積層される複数の燃料電池に積層方向に沿って締め付け荷重を付与するとともに、前記燃料電池の中央部に付与される積層方向の荷重が、前記燃料電池の外周部に付与される積層方向の荷重よりも大きく設定される締め付け荷重付与機構を備えている。これにより、熱歪みの影響を有効に阻止することが可能になり、高精度な燃料電池スタックを構成することができる。
【００２１】
また、本発明の請求項８に係る燃料電池スタックでは、燃料電池の中央部に、燃料ガス通路に連通して積層方向に貫通する燃料ガス供給連通孔が形成され、締め付け荷重付与機構は、前記燃料ガス供給連通孔の近傍に対してのみ締め付け荷重を付与する締め付け具を備えている。このため、燃料電池スタックの組立工程全体の簡素化が図られるとともに、熱歪みの影響が可及的に阻止される。
【００２２】
さらに、本発明の請求項９に係る燃料電池スタックでは、締め付け荷重付与機構は、燃料ガス供給連通孔の周囲を覆う内側シール部材と、燃料電池の外周縁部に配置される外側シール部材とを備えるとともに、前記内側シール部材は、前記外側シール部材よりも高い剛性に設定されている。従って、最も高いシール性が要求される燃料ガス供給連通孔の周囲を確実にシールすることができる一方、シール面積の大きな外側シール部材を安価に構成することが可能になる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池１０が複数積層された燃料電池スタック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が筐体１９内に収容された燃料電池システム１３の一部断面説明図である。
【００２４】
燃料電池１０は、固体電解質型燃料電池であり、設置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。第１の実施形態では、燃料電池スタック１２の適用例として、例えば、図２に示す燃料電池システム１３と、図３に示すガスタービン１４とが採用されている。
【００２５】
ガスタービン１４を構成するケーシング１６の外周には、燃焼器１８の回りに複数、例えば、８基の燃料電池スタック１２が４５°間隔ずつ離間して装着される。各燃料電池スタック１２の中央側から燃焼器１８側の室２０には、反応後の燃料ガス及び酸化剤ガスが混在する排ガスが排出される。室２０は、排ガスの流れ方向（図３中、矢印Ｘ方向）に向かって幅狭となり、その先端側外周部に熱交換器２２が外装されている。室２０の前端側にタービン（出力タービン）２４が配設されており、このタービン２４にコンプレッサ２６及び発電器２８が同軸に連結されている。ガスタービン１４は、全体として軸対称に構成されている。
【００２６】
タービン２４の排出通路３０は、熱交換器２２の第１通路３２に連通するとともに、コンプレッサ２６の供給通路３４は、前記熱交換器２２の第２通路３６に連通する。第２通路３６は、加熱エア導入通路３８を介して各燃料電池スタック１２の外周部に連通している。
【００２７】
図４及び図５に示すように、燃料電池１０は、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）５０の両面に、カソード電極５２及びアノード電極５４が設けられた電解質・電極接合体５６を備える。電解質・電極接合体５６は、比較的小径な円板状に形成される。アノード電極５４は多孔質材で構成されており、このアノード電極５４の気孔率は、例えば、２０％〜５０％、より好ましくは、３０％〜４５％の範囲内に設定される。
【００２８】
燃料電池１０は、一組のセパレータ５８間に複数、例えば、８個の電解質・電極接合体５６を挟んで構成される。セパレータ５８間には、このセパレータ５８の中心部である燃料ガス供給連通孔４４と同心円上に８個の電解質・電極接合体５６が配列される。
【００２９】
セパレータ５８は、互いに積層される複数枚、例えば、２枚のプレート６０、６２を備える。プレート６０、６２は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成されており、それぞれ波形外周部６０ａ、６２ａを設けている（図４及び図６参照）。
【００３０】
図４〜図６に示すように、プレート（第１プレート）６０の中央側には、燃料ガス供給連通孔４４及び４つの排ガス通路４６を設けるための橋架部６３ａが形成される。プレート６０には、各排ガス通路４６を周回する４つの内側突起部６４ａがプレート（第２プレート）６２側に膨出成形される。
【００３１】
隣り合う２個の内側突起部６４ａには、プレート６０の外周方向に延在する２つの外側突起部６４ｂが設けられるとともに、内側突起部６４ａと前記外側突起部６４ｂとの間には、燃料ガス供給連通孔４４に連通する燃料ガス通路６６が形成される（図７参照）。外側突起部６４ｂは、それぞれ半径外方向に所定の距離だけ突出し、その先端を結ぶ仮想円に沿って８個の電解質・電極接合体５６が配列される。
【００３２】
プレート６０には、円形状折り曲げ部６８が各電解質・電極接合体５６の形状に対応し仮想円に沿って８カ所に形成される。図７及び図８に示すように、折り曲げ部６８は、プレート６０の面内の一部を切り欠いて複数の折り曲げ片７０を設ける。各折り曲げ片７０は、プレート６２から離間する方向に突出して一方の電解質・電極接合体５６を構成するカソード電極５２に接触する第１突起部７２ａと、前記第１突起部７２ａの一端から前記プレート６２側に突出して該プレート６２を他方の電解質・電極接合体５６を構成するアノード電極５４に接触させる第２突起部７２ｂと、前記第１突起部７２ａの他端から前記プレート６２側に突出して該プレート６２に接触する第３突起部７２ｃとを設ける（図８参照）。
【００３３】
具体的には、図９に示すように、プレート６０の面内を略コ字状に切り欠いて折り曲げ片７０が形成され、この折り曲げ片７０を前記プレート６０との境界部位から矢印Ｃ１方向（プレート６２側）に窪ませることにより、第２突起部７２ｂが設けられる。この第２突起部７２ｂから矢印Ｃ２方向に突出させて第１突起部７２ａが設けられるとともに、この第１突起部７２ａから矢印Ｃ１方向に突出させて第３突起部７２ｃが設けられる。プレート６０には、各折り曲げ片７０を設けることによって酸化剤ガスを流すための切り欠き開口部７４が形成される。
【００３４】
図６及び図１０に示すように、プレート６２の中央側には、プレート６０の橋架部６３ａに対向して橋架部６３ｂが形成される。プレート６２の燃料ガス供給連通孔４４の周囲には、プレート６０に向かって突出する内側凹部７６が成形され、前記内側凹部７６が前記プレート６０に接合される際に、前記プレート６０、６２間には、燃料ガス分配通路６６ａが形成される（図１１参照）。
【００３５】
プレート６２には、図４、図６及び図１０に示すように、仮想円に沿って配列される各電解質・電極接合体５６に対応し、前記電解質・電極接合体５６から離間する方向に突出する複数の窪み（突出部）７８が設けられる。なお、プレート６０の外側突起部６４ｂに対応する部位には、窪み７８が設けられていない。
【００３６】
図８に示すように、各窪み７８は、各折り曲げ片７０の第２及び第３突起部７２ｂ、７２ｃに接触する位置に配置される。プレート６２には、各電解質・電極接合体５６の中心位置に対応し、すなわち、外側突起部６４ｂの先端部に対応し、燃料ガス通路６６に連通する燃料ガス導入口８０が貫通形成される。
【００３７】
プレート６２の波形外周部６２ａの内方近傍には、この波形外周部６２ａに沿ってプレート６０に向かって突出するボス部８２が成形される（図６参照）。ボス部８２がプレート６０に接合されることにより、プレート６０とプレート６２との間には、酸化剤ガス通路８４が形成される（図１２参照）。この酸化剤ガス通路８４は、プレート６０に形成された複数の切り欠き開口部７４に連通する。
【００３８】
各セパレータ５８間には、図１１に示すように、燃料ガス供給連通孔４４をシールするための第１絶縁シール（内側シール部材）９０が設けられるとともに、図１２に示すように、波形外周部６０ａ、６２ａ間には、第２絶縁シール（外側シール部材）９２が設けられる。第１絶縁シール９０としては、例えば、マイカ材やセラミック材が使用される一方、第２絶縁シール９２としては、前記第１絶縁シール９０よりも低剛性の、例えば、セラミック繊維が使用される。
【００３９】
図１３に示すように、電解質・電極接合体５６のアノード電極５４と一方のセパレータ５８を構成するプレート６２とは、互いに密着するとともに、各窪み７８に対応して空間９４が形成される。電解質・電極接合体５６のカソード電極５２と他方のセパレータ５８を構成するプレート６０との間には、酸化剤ガス通路８４から切り欠き開口部７４を介して連通する酸化剤ガス供給流路９６が形成される。酸化剤ガス供給流路９６は、各折り曲げ片７０の第１突起部７２ａの高さ寸法に応じて開口寸法が設定される。
【００４０】
各セパレータ５８は、プレート６０の複数の折り曲げ片７０がプレート６２に接触することにより、前記折り曲げ片７０が集電体として機能するとともに、各燃料電池１０が矢印Ａ方向に沿って直列的に接続される。
【００４１】
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の積層方向両端に円板状のエンドプレート１００ａ、１００ｂを配置するとともに、締め付け荷重付与機構１０１を介して積層方向に締め付け保持される。
【００４２】
締め付け荷重付与機構１０１は、燃料ガス供給連通孔４４の近傍に対して第１締め付け荷重Ｔ１を付与する第１締め付け部１０３ａと、電解質・電極接合体５６に対して前記第１締め付け荷重Ｔ１よりも小さな第２締め付け荷重Ｔ２を付与する第２締め付け部１０３ｂと、セパレータ５８の外周縁部に対して前記第２締め付け荷重Ｔ２よりも小さな第３締め付け荷重Ｔ３を付与する第３締め付け部１０３ｃとを備える（Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３）。
【００４３】
エンドプレート１００ａは、絶縁されており、中心部に燃料ガス供給口１０２が形成され、この燃料ガス供給口１０２が各燃料電池１０の燃料ガス供給連通孔４４に連通する。
【００４４】
エンドプレート１００ａには、燃料ガス供給口１０２を挟んで２個のボルト挿入口１０４ａが形成される。ボルト挿入口１０４ａは、燃料電池スタック１２の２つの排ガス通路４６に対応している。エンドプレート１００ａには、燃料ガス供給口１０２を中心とする仮想円に沿って、すなわち、各電解質・電極接合体５６に対応して、８個の円形開口部１０６が形成される。各円形開口部１０６には、燃料ガス供給口１０２に向かって突出する矩形開口部１０８が連通するとともに、前記矩形開口部１０８の一部が排ガス通路４６に重なっている。
【００４５】
エンドプレート１００ｂは、導電部材で構成されている。図２に示すように、このエンドプレート１００ｂの中央部に接続端子部１１０が軸方向に膨出形成されるとともに、前記接続端子部１１０を挟んで２個のボルト挿入口１０４ａ、１０４ｂが形成される。各ボルト挿入口１０４ａ、１０４ｂは、同軸上に設けられており、２本のボルト（締め付け具）１１２が挿入される。
【００４６】
ボルト１１２の先端にナット１１４が螺合して第１締め付け部１０３ａが構成され、エンドプレート１００ａ、１００ｂ間に所望の締め付け荷重が付与される。具体的には、燃料ガス供給連通孔４４の近傍に対して第１締め付け荷重Ｔ１が付与されるとともに、電解質・電極接合体５６及びセパレータ５８の外周縁部に対して、それぞれ第２及び第３締め付け荷重Ｔ２、Ｔ３が付与される。
【００４７】
接続端子部１１０は、導線１１６を介して出力端子１１８ａに電気的に接続される。出力端子１１８ａは、筐体１９に固定される。
【００４８】
エンドプレート１００ａの各円形開口部１０６には、第２締め付け部１０３ｂが配設される。この第２締め付け部１０３ｂは、燃料電池スタック１２の積層方向端部に電気的に接触する集電板としての押し付け部材１２４が配置される。押し付け部材１２４にスプリング１２６の一端が当接するとともに、前記スプリング１２６の他端が受け板１２８に支持される。この受け板１２８は、筐体１９内に保持されている。スプリング１２６は、第１締め付け荷重Ｔ１よりも低いバネ荷重に設定されるとともに、発電時の熱による影響を回避し、さらに絶縁性を持たせるために、例えば、セラミックスで構成される。
【００４９】
各押し付け部材１２４の端部１２４ａは、燃料電池スタック１２の軸方向に屈曲しており、この端部１２４ａと１本のボルト１１２の一端とは、導線１３０を介して電気的に接続される。このボルト１１２の他端（頭部）は、接続端子部１１０に近接しており、この他端は、導線１３２を介して出力端子１１８ｂに電気的に接続される。出力端子１１８ｂは、出力端子１１８ａと近接且つ平行して筐体１９に固定される。
【００５０】
第３締め付け部１０３ｃでは、図１２に示すように、プレート６２に設けられているボス部８２がプレート６０に当接するとともに、各セパレータ５８間に第２絶縁シール９２が介装されている。この第２絶縁シール９２は、第１締め付け部１０３ａに設けられている第１絶縁シール９０よりも低剛性に設定される。
【００５１】
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、以下に説明する。
【００５２】
燃料電池１０を組み付ける際には、先ず、セパレータ５８を構成するプレート６０、６２が接合されるとともに、リング状の第１絶縁シール９０が燃料ガス供給連通孔４４を周回して前記プレート６０又は前記プレート６２に設けられる。一方、プレート６０の波形外周部６０ａ又はプレート６２の波形外周部６２ａには、波形状の第２絶縁シール９２が設けられる。
【００５３】
これにより、セパレータ５８が構成され、プレート６０、６２間には、燃料ガス通路６６と酸化剤ガス通路８４とが形成される（図８及び図１３参照）。さらに、燃料ガス通路６６は、燃料ガス分配通路６６ａを介して燃料ガス供給連通孔４４に連通する一方、酸化剤ガス通路８４は、それぞれの波形外周部６０ａ、６２ａ間から外部に開放されている。
【００５４】
次いで、セパレータ５８間に電解質・電極接合体５６が挟持される。図４及び図５に示すように、各セパレータ５８は、互いに対向する面、すなわち、プレート６０、６２間に８個の電解質・電極接合体５６が配置される。このため、図１３に示すように、電解質・電極接合体５６のカソード電極５２とプレート６０との間には、複数の切り欠き開口部７４を介して酸化剤ガス通路８４に連通する酸化剤ガス供給流路９６が形成される。
【００５５】
一方、電解質・電極接合体５６のアノード電極５４とプレート６２とが密着しており、このアノード電極５４内には、燃料ガス導入口８０を介して燃料ガス通路６６に連通する燃料ガス供給流路１４０が形成される。さらに、セパレータ５８間には、反応後の燃料ガス及び酸化剤ガスを混合して排ガス通路４６に導くための排出通路１４２が形成される。
【００５６】
上記のように組み付けられた燃料電池１０が矢印Ａ方向に積層されて、燃料電池スタック１２が組み立てられる（図１参照）。この燃料電池スタック１２は、締め付け荷重付与機構１０１を介して積層方向に締め付け保持された状態で、図２に示すように、筐体１９内に装着される。
【００５７】
そこで、燃料電池スタック１２を構成するエンドプレート１００ａの燃料ガス供給口１０２から燃料ガス供給連通孔４４に燃料ガス（例えば、水素含有ガス）が供給されるとともに、前記燃料電池スタック１２の外周部側から加圧された酸化剤ガスである酸素含有ガス（以下、空気ともいう）が供給される。燃料ガス供給連通孔４４に供給された燃料ガスは、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５８内の燃料ガス分配通路６６ａに導入される（図１１参照）。
【００５８】
図５及び図６に示すように、燃料ガスは、外側突起部６４ｂに沿って燃料ガス通路６６を移動し、それぞれの先端部から燃料ガス導入口８０に導入される。燃料ガス導入口８８は、各電解質・電極接合体５６のアノード電極５４の中心位置に対応して設けられており、燃料ガスは前記燃料ガス導入口８０から前記アノード電極５４内に供給され、該アノード電極５４内を中心部から外周に向かって流動する（図１３参照）。
【００５９】
一方、各燃料電池１０の外周側から供給される酸化剤ガスは、各セパレータ５８のプレート６０、６２間に形成されている酸化剤ガス通路８４に供給される。
この酸化剤ガス通路８４に供給された酸化剤ガスは、各切り欠き開口部７４から酸化剤ガス供給流路９６に導入され、電解質・電極接合体５６のカソード電極５２の全面に均一に供給される（図５及び図１３参照）。
【００６０】
従って、各電解質・電極接合体５６では、アノード電極５４内の中心部から外周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５２の全面に酸化剤ガスが供給される。その際、酸素イオンが電解質５０を通ってアノード電極５４に移動し、化学反応により発電が行われる。
【００６１】
ここで、各燃料電池１０は、矢印Ａ方向（積層方向）に電気的に直列に接続されており、図２に示すように、一方の極は、導電性のエンドプレート１００ｂに設けられた接続端子部１１０から導線１１６を介して出力端子１１８ａに接続される。他方の極は、電極面締め付け手段１２０を構成する押し付け部材１２４及びボルト１１２を介して出力端子１１８ｂに接続される。従って、出力端子１１８ａ、１１８ｂ間に出力を取り出すことができる。
【００６２】
また、複数の電解質・電極接合体５６のうち、いずれかの電解質・電極接合体５６が断線した際にも、残りの電解質・電極接合体５６で通電することが可能であり、発電の信頼性を向上させることができる。
【００６３】
一方、各電解質・電極接合体５６の外周に移動した反応後の燃料ガス及び酸化剤ガスが混在する排ガスは、セパレータ５８間に形成される排出通路１４２を介して前記セパレータ５８の中心部側に移動する。セパレータ５８の中心部近傍には、排ガスマニホールドを構成する４つの排ガス通路４６が形成されており、排ガスがこの排ガス通路４６から外部に排出される。
【００６４】
この場合、第１の実施形態では、締め付け荷重付与機構１０１は、燃料ガス供給連通孔４４の近傍に対して第１締め付け荷重Ｔ１を付与する第１締め付け部１０３ａと、電解質・電極接合体５６に対して前記第１締め付け荷重Ｔ１よりも小さな第２締め付け荷重Ｔ２を付与する第２締め付け部１０３ｂと、セパレータ５８の外周縁部に対して前記第２締め付け荷重Ｔ２よりも小さな第３締め付け荷重Ｔ３を付与する第３締め付け部１０３ｃとを備えている。
【００６５】
従って、セパレータ５８の周縁部に付与される締め付け荷重（第３締め付け荷重Ｔ３）が減少するため、例えば、前記セパレータ５８に熱伸びが発生した際に、セパレータ５８の中心から周縁部に伸びが移動して該セパレータ５８全体の伸びが均一に行われ、熱歪みが有効に阻止される。これにより、セパレータ５８間に挟持されている電解質・電極接合体５６に、熱歪みによる損傷等が惹起されることがなく、しかも不必要な熱応力が発生することを有効に阻止することができる。
【００６６】
さらに、確実なシール性能が最も要求される燃料ガス供給連通孔４４の近傍には、最大の締め付け荷重（第１締め付け荷重Ｔ１）が付与されている。このため、燃料ガス供給連通孔４４の近傍のシール性が良好に向上し、高精度なシール性能を確保することが可能になり、燃料電池１０の発電効率の向上が容易に図られるという効果が得られる。
【００６７】
また、締め付け荷重付与機構１０１は、それぞれ異なる部位に対してそれぞれ異なる第１〜第３締め付け荷重Ｔ１、Ｔ２及びＴ３を付与する第１〜第３締め付け部１０３ａ、１０３ｂ及び１０３ｃを備えている。従って、セパレータ５８の特定の部位毎に、必要な締め付け荷重を付与することができ、所望のシール性能を容易且つ確実に得ることが可能になる。
【００６８】
さらに、締め付け荷重付与機構１０１は、第１締め付け部１０３ａに配設される第１絶縁シール９０と、第３締め付け部１０３ｃに配設される第２絶縁シール９２とを備えるとともに、前記第１絶縁シール９０は、前記第２絶縁シール９２よりも高い剛性に設定されている。これにより、最大の締め付け荷重が付与される燃料ガス供給連通孔４４の近傍では、十分なシール剛性を確保することができ、確実なシールが行われる。
【００６９】
しかも、燃料ガス供給連通孔４４がセパレータ５８の中央部に設けられるため、比較的に高価な第１絶縁シール９０のシール面積を削減することができる。一方、シール面積の大きな第２絶縁シール９２は、比較的に低いシール性能を有する安価なシール部材であってもよい。このため、第１及び第２絶縁シール９０、９２のコストを有効に削減することが可能になる。
【００７０】
さらにまた、燃料ガス供給連通孔４４の周囲には、電解質・電極接合体５６で反応に使用された燃料ガス及び酸化剤ガスを含む排ガスを積層方向に排出する排ガス通路４６が形成されるとともに、前記燃料ガス供給連通孔４４と燃料ガス通路６６とを連通する燃料ガス分配通路６６ａが、前記排ガス通路４６を積層方向に交差するセパレータ５８の面方向に横切って設けられている。すなわち、セパレータ５８の面内には、燃料ガス供給連通孔４４と燃料ガス通路６６との間に橋架部６３ａ、６３ｂが設けられ、この橋架部６３ａ、６３ｂ間に燃料ガス分配通路６６ａが形成される一方、該橋架部６３ａ、６３ｂに仕切られて排ガス通路４６が形成されている。
【００７１】
従って、燃料ガス供給連通孔４４と電解質・電極接合体５６との間には、面積が相当に減少した橋架部６３ａ、６３ｂが存在しており、前記電解質・電極接合体５６の剛性を、前記燃料ガス供給連通孔４４の周囲の剛性から遮断することができる。これにより、電解質・電極接合体５６は、燃料ガス供給連通孔４４の周囲に付与される締め付け荷重（第１締め付け荷重Ｔ１）に影響されることがなく、第２締め付け部１０３ｂによる第２締め付け荷重Ｔ２を受ける。
【００７２】
このため、電解質・電極接合体５６の面圧を確実に適正化することが可能になるとともに、前記電解質・電極接合体５６に歪み等が発生することを阻止することができる。その結果、高精度な燃料電池スタック１２を構成することが可能になるという効果がある。
【００７３】
また、セパレータ５８は、互いに積層されるプレート６０、６２を備え、前記プレート６０、６２間には、燃料ガス通路６６及び酸化剤ガス通路８４が形成されている。このため、燃料電池１０の積層方向の寸法を有効に減少させることが可能になり、前記燃料電池１０が薄型化されるとともに、燃料電池スタック１２全体の薄型化が容易に遂行されるという利点がある。
【００７４】
さらに、プレート６２の周縁部には、対向するプレート６０の面に向かってボス部８２が形成され、前記ボス部８２と前記プレート６０の面とが当接することにより、酸化剤ガス通路８４が形成されている。ボス部８２は、第２絶縁シール９２より剛性が高く設定される。従って、酸化剤ガス通路８４の形状を確保するとともに、セパレータ５８の周縁部の剛性を減少させることができる。
【００７５】
さらにまた、燃料電池１０の中央部に、燃料ガス通路６６に連通して積層方向に貫通する燃料ガス供給連通孔４４が形成され、締め付け荷重付与機構１０１は、前記燃料ガス供給連通孔４４の近傍に対してのみ締め付け荷重を付与するボルト１１２を備えている。このため、燃料電池スタック１２の組立工程全体の簡素化が図られるとともに、熱歪みの影響が可及的に阻止される。
【００７６】
次に、燃料電池スタック１２を、図３に示すガスタービン１４に組み込んだ場合の動作について、概略的に説明する。
【００７７】
図３に示すように、このガスタービン１４では、始動時に燃焼器１８が駆動されてタービン２４が回転され、コンプレッサ２６及び発電器２８が駆動される。コンプレッサ２６の駆動によって外気が供給通路３４に導入され、高圧且つ所定温度（例えば、２００℃）になった空気が熱交換器２２の第２通路３６に送られる。
【００７８】
この熱交換器２２の第１通路３２には、反応後の燃料ガス及び酸化剤ガスである高温の排ガスが供給されており、熱交換器２２の第２通路３６に導入された空気が加熱される。この加熱された空気は、加熱エア導入通路３８を通って燃料電池スタック１２を構成する各燃料電池１０の外周部に導入される。このため、各燃料電池１０で発電が行われ、反応後の燃料ガス及び酸化剤ガスが混在する排ガスは、ケーシング１６内の室２０に排出される。
【００７９】
その際、固体電解質型燃料電池である燃料電池１０から排出される排ガスは、８００℃〜１０００℃の高温となっており、この排ガスによりタービン２４を回転させて発電器２８による発電が行われるとともに、熱交換器２２に送られて吸入される外部空気の加熱を行うことができる。これにより、燃焼器１８を使用する必要がなく、燃料電池スタック１２から排出される排ガスを用いてタービン２４を回転させることが可能になる。
【００８０】
しかも、排ガスが８００℃〜１０００℃と高温となっており、燃料電池スタック１２に供給される燃料の内部改質を行うことができる。従って、燃料として、例えば、天然ガスやブタン、あるいはガソリン系等の種々の燃料を使用して内部改質を行うことが可能になる。
【００８１】
図１４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池１５０の分解斜視図である。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の実施形態でも、同様にその詳細な説明は省略する。
【００８２】
燃料電池１５０は、電解質・電極接合体５６を挟持する一組のセパレータ１５２を備える。このセパレータ１５２は、例えば、２枚のプレート６０、１５４を設ける。プレート１５４は、面内に窪みを形成しておらず、平坦状に構成されている。
【００８３】
これにより、第２の実施形態では、プレート６０、１５４間に燃料ガス通路６６及び酸化剤ガス通路８４を形成することができ、第１の実施形態と同様の効果が得られる。しかも、平坦状のプレート１５４とアノード電極５４との接触面積を一層増加させることが可能になる。
【００８４】
図１５は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータ１６０の分解斜視図である。
【００８５】
セパレータ１６０は、例えば、２枚のプレート１６２、６２を備える。プレート１６２には、各排ガス通路４６を周回する４つの内側突起部６４ａと、この内側突起部６４ａの外方に設けられて前記内側突起部６４ａとの間に燃料ガス通路６６を形成する外側突起部１６４とが形成される。
【００８６】
図１６は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池１７０の動作説明図であり、図１７は、前記燃料電池１７０の動作を示す一部分解斜視説明図である。
【００８７】
燃料電池１７０は、一組のセパレータ１７２を介して複数、例えば、１６個の電解質・電極接合体５６を挟んで構成される。セパレータ１７２の面内には、このセパレータ１７２の中心部である燃料ガス供給連通孔４４と同心円上に８個の電解質・電極接合体５６が配列される内周側配列層Ｐ１と、この内周側配列層Ｐ１の外周に８個の電解質・電極接合体５６が配列される外周側配列層Ｐ２とが設けられる（図１６参照）。
【００８８】
セパレータ１７２は、プレート１７４、１７６を備える。図１８に示すように、プレート１７４には、各排ガス通路４６を周回する４つの内側突起部６４ａと、この内側突起部６４ａの外方に設けられて前記内側突起部６４ａとの間に燃料ガス通路１７８を形成する外側突起部１８０とが形成される。
【００８９】
外側突起部１８０は、それぞれ半径外方向に所定の距離だけ突出する複数の第１壁部１８２ａと第２壁部１８２ｂとを交互に設けている。第１壁部１８２ａは、先端を結ぶ仮想円が内周側配列層Ｐ１の中心線を形成し、この内周側配列層Ｐ１に沿って８個の電解質・電極接合体５６が配列される。第１壁部１８２ａ間には、この第１壁部１８２ａよりも長尺な第２壁部１８２ｂが設けられ、前記第２壁部１８２ｂの先端を通る仮想円により外周側配列層Ｐ２の中心線が形成される。この外周側配列層Ｐ２の中心線に沿って８個の電解質・電極接合体５６が配列される。
【００９０】
プレート１７４には、内周側配列層Ｐ１と外周側配列層Ｐ２とに配設される電解質・電極接合体５６に対応して円形折り曲げ部１８４が１６カ所に形成される。各円形折り曲げ部１８４は、複数の折り曲げ片７０を備えている。
【００９１】
図１７に示すように、プレート１７６には、内周側配列層Ｐ１と外周側配列層Ｐ２とに沿って配設される電解質・電極接合体５６に対応し、前記電解質・電極接合体５６から離間する方向に突出する複数の窪み（突出部）７８が設けられる。プレート１７６には、各電解質・電極接合体５６の中心位置に対応して燃料ガス導入口８０が１６カ所に形成される。
【００９２】
このように構成される第４の実施形態では、第１の実施形態と同様の効果が得られるとともに、特に燃料電池１７０が１６個の電解質・電極接合体５６を備えており、前記燃料電池１７０の高出力化が容易に図られるという利点がある。
【００９３】
図１９は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池１９０の分解斜視図である。
【００９４】
燃料電池１９０は、電解質・電極接合体１９２を挟持する一組のセパレータ１９４を備える。電解質・電極接合体１９２は、例えば、リングを８等分した形状（扇形状）に設定されている。
【００９５】
図１９及び図２０に示すように、セパレータ１９４は、例えば、２枚のプレート１９６、１９８を設けており、このプレート１９６には、各電解質・電極接合体１９２の形状に対応して扇形折り曲げ部２００が８カ所に形成される。各扇形折り曲げ部２００は、複数の折り曲げ片７０を設けるとともに、前記折り曲げ片７０は、プレート１９６の中心に向かって整列される。プレート１９８には、各電解質・電極接合体１９２の形状に対応して窪み７８が配設される。
【００９６】
このように構成される第５の実施形態では、第１の実施形態と同様の効果が得られるとともに、電解質・電極接合体１９２の発電面積が良好に拡大可能であるという利点がある。
【００９７】
図２１は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池２１０の分解斜視図である。この燃料電池２１０は、リング状の電解質・電極接合体２１２を一組のセパレータ１９４で挟持して構成されている。従って、上記の第５の実施形態と同様の効果が得られる。
【００９８】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池及び燃料電池スタックでは、締め付け荷重付与機構は、燃料ガス供給連通孔の近傍に対して付与される積層方向の荷重が、電解質・電極接合体に付与される積層方向の荷重よりも大きく設定されている。従って、セパレータの周縁部に付与される締め付け荷重が減少するため、例えば、前記セパレータに熱伸びが発生した際に、セパレータ中心から周縁部に伸びが移動して該セパレータ全体の伸びが均一に行われ、熱歪みが有効に阻止される。これにより、セパレータ間に挟持されている電解質・電極接合体に、熱歪みによる損傷等が惹起されることがなく、しかも不必要な熱応力が発生することがない。
【００９９】
さらに、確実なシール性能が最も要求される燃料ガス供給連通孔の近傍には、最大の締め付け荷重が付与されている。このため、燃料ガス供給連通孔の近傍のシール性が良好に向上し、高精度なシール性能を確保することが可能になり、発電効率の向上が容易に図られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池が複数積層された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が筐体内に収容された燃料電池システムの一部断面説明図である。
【図３】前記燃料電池スタックを組み込むガスタービンの概略構成を示す断面説明図である。
【図４】前記燃料電池の分解斜視図である。
【図５】前記燃料電池の動作を示す一部分解斜視説明図である。
【図６】前記燃料電池を構成するセパレータの分解斜視説明図である。
【図７】前記セパレータを構成する一方のプレートの一部拡大正面説明図である。
【図８】前記燃料電池の一部省略断面図である。
【図９】前記セパレータに設けられる折り曲げ片の斜視説明図である。
【図１０】前記セパレータを構成する他方のプレートの一部拡大正面説明図である。
【図１１】前記燃料電池の中心部の拡大断面図である。
【図１２】前記燃料電池の外周縁部の拡大断面図である。
【図１３】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１４】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。
【図１５】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を構成するセパレータの分解斜視図である。
【図１６】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池の動作説明図である。
【図１７】前記燃料電池の動作を示す一部分解斜視説明図である。
【図１８】前記燃料電池のセパレータを構成する一方のプレートの一部拡大正面説明図である。
【図１９】本発明の第５の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。
【図２０】前記燃料電池を構成するセパレータの分解斜視図である。
【図２１】本発明の第６の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。
【図２２】特許文献１に係る燃料電池の断面説明図である。
【符号の説明】
１０、１５０、１７０、１９０、２１０…燃料電池
１２…燃料電池スタック            １３…燃料電池システム
１４…ガスタービン                １９…筐体
４４…燃料ガス供給連通孔          ４６…排ガス通路
５０…電解質                      ５２…カソード電極
５４…アノード電極
５６、１９２、２１２…電解質・電極接合体
５８、１５２、１６０、１７２、１９４…セパレータ
６０、６２、１５４、１６２、１７４、１７６、１９６、１９８…プレート
６６、１７８…燃料ガス通路      ６６ａ…燃料ガス分配通路
６８…折り曲げ部                ７０…折り曲げ片
７２ａ〜７２ｃ…突起部          ７４…切り欠き開口部
７８…窪み                      ８０…燃料ガス導入口
８２…ボス部                    ９０、９２…絶縁シール
９６…酸化剤ガス供給流路        １００ａ、１００ｂ…エンドプレート
１０１…締め付け荷重付与機構    １０３ａ〜１０３ｃ…締め付け部
１１２…ボルト                  １１８ａ、１１８ｂ…出力端子
１４０…燃料ガス供給流路        ２００…扇形折り曲げ部
【図１】
2004362995.tif 000003
【図２】
2004362995.tif 000004
【図３】
2004362995.tif 000005
【図４】
2004362995.tif 000006
【図５】
2004362995.tif 000007
【図６】
2004362995.tif 000008
【図７】
2004362995.tif 000009
【図８】
2004362995.tif 000010
【図９】
2004362995.tif 000011
【図１０】
2004362995.tif 000012
【図１１】
2004362995.tif 000013
【図１２】
2004362995.tif 000014
【図１３】
2004362995.tif 000015
【図１４】
2004362995.tif 000016
【図１５】
2004362995.tif 000017
【図１６】
2004362995.tif 000018
【図１７】
2004362995.tif 000019
【図１８】
2004362995.tif 000020
【図１９】
2004362995.tif 000021
【図２０】
2004362995.tif 000022
【図２１】
2004362995.tif 000023
【図２２】
2004362995.tif 000024