(57)【要約】【課題】燃料電池の急速昇温によって発生する熱変位を確実に吸収することができ、スタックの変形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１０は、燃料電池１２の積層方向一端側に配置される第１プレート部材１４０と、前記燃料電池１２の積層方向他端側に配置され、該燃料電池１２に対して積層方向に弾性により荷重を付与するばね部材１４２と、前記燃料電池１２の積層方向他端と前記ばね部材１４２との間に配置され、該ばね部材１４２を収容する保持部材１４４と、前記保持部材１４４に嵌合して前記ばね部材１４２を整列させる第２プレート部材１４６と、前記第１プレート部材１４０及び前記第２プレート部材１４６に挿通され、前記燃料電池１２を前記積層方向から締結する複数のボルト部材１４８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、
前記燃料電池の積層方向一端側に配置される第１プレート部材と、
前記燃料電池の積層方向他端側に配置され、該燃料電池に対して積層方向に弾性により荷重を付与するばね部材と、
前記燃料電池の積層方向他端と前記ばね部材との間に配置され、該ばね部材を収容して保持する周壁部を備えた保持部材と、
前記周壁部の端部に嵌合し、前記ばね部材を整列させる第２プレート部材と、
前記第１プレート部材及び前記第２プレート部材に挿通され、前記燃料電池を前記積層方向から締結するボルト部材と、
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、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス通路が設けられる挟持部と、
前記反応ガスを前記反応ガス通路に供給するための反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される反応ガス供給部と、
前記挟持部と前記反応ガス供給部とを連結し、前記反応ガスを前記反応ガス供給連通孔から前記反応ガス通路に供給するための反応ガス供給通路が形成される橋架部と、
を備えるとともに、
前記ばね部材は、前記積層方向に沿って前記挟持部に重なる位置に配置され、該挟持部に対して荷重を付与することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記ばね部材は、前記積層方向に重ね合わされた複数の皿ばねを備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項２又は３記載の燃料電池スタックにおいて、前記保持部材は、少なくとも前記挟持部と同一の外形寸法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５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記ボルト部材は、前記第１プレート部材と前記第２プレート部材との間隔を一定に維持するスタッドボルトであることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項６】
請求項２〜５のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記挟持部及び前記反応ガス供給部には、それぞれ前記燃料電池スタックに発生した前記積層方向の変位を吸収する変位吸収機構が設けら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】
【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、セパレータ間に配設される燃料電池を備え、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（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、ＭＥＡ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）を供給するとともに、各燃料電池毎に前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを供給している。
【０００４】
この種の燃料電池として、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池のスタック構造が知られている。このスタック構造では、図９に示すように、基板１ａに向かってスタック２ａを押圧する第１の押圧用板３ａと、該第１の押圧用板３ａに対して上方に位置した第２の押圧用板４ａと、第２の押圧用板４ａを基板１ａに向けて移動させる移動機構５ａと、第１の押圧用板３ａと第２の押圧用板４ａとの間に介装されており且つ第１の押圧用板３ａをスタック２ａに向かって押圧する押圧機構６ａとを備えている。押圧機構６ａは、剛体７ａと弾性体８ａとからなっている。
【０００５】
また、特許文献２に開示されている固体電解質形燃料電池スタックは、図１０に示すように、固体電解質形燃料電池セル１ｂが複数個積層された積層体２ｂと、前記積層体２ｂの積層方向の両側に配置された一対の外縁保持部材３ｂ、４ｂとを備えている。
【０００６】
燃料電池スタックには、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔５ｂと、前記燃料ガスを排出するための燃料ガス排気孔６ｂとが設けられるとともに、空気を供給するための空気供給孔７ｂと、前記空気を排出するための空気排気孔８ｂとが設けられている。これらの燃料電池スタック内の各孔５ｂ〜８ｂにより、内部マニホールドが構成されている。
【０００７】
そして、各ボルト９ｂにナット（図示せず）が螺合して締め付けられることにより、外縁保持部材３ｂ、４ｂは、積層方向の内側に締め付けられている。従って、この外縁保持部材３ｂ、４ｂにより、積層体２ｂが内側に押圧されて、燃料電池スタックが一体に固定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−３４９０５２号公報
【特許文献２】特開２００７−３１７４９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ＳＯＦＣは、運転温度が相当に高温であるため、定常時に発電できるまでの起動時間が長くかかってしまう。従って、起動時間を短縮することが望まれている。このため、特に起動時に、燃料電池を急速昇温させることが考えられるが、各部位に温度差が生じ、熱変位により急激な変位が発生し易い。
【００１０】
その際、上記の特許文献１では、剛体７ａ及び弾性体８ａからなっている押圧機構６ａが、セパレータの歪みに追従することができず、押圧機構６ａに傾斜が生じ、所望の荷重が得られないおそれがある。
【００１１】
また、上記の特許文献２では、燃料電池スタックの急速昇温時に、急激な変位が発生すると、各ボルト９ｂを介して外縁保持部材３ｂ、４ｂにより積層体２ｂが内側に押圧されているため、積層体２ｂの外縁部が拘束されており歪みを緩和することができない。これにより、積層体２ｂが変形し易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、燃料電池の急速昇温によって発生する熱変位を確実に吸収することができ、スタックの変形を可及的に阻止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、セパレータ間に配設される燃料電池を備え、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】
この燃料電池スタックでは、燃料電池の積層方向一端側に配置される第１プレート部材と、前記燃料電池の積層方向他端側に配置され、該燃料電池に対して積層方向に弾性により荷重を付与するばね部材と、前記燃料電池の積層方向他端と前記ばね部材との間に配置され、該ばね部材を収容して保持する周壁部を備えた保持部材と、前記周壁部の端部に嵌合し、前記ばね部材を整列させる第２プレート部材と、前記第１プレート部材及び前記第２プレート部材に挿通され、前記燃料電池を前記積層方向から締結するボルト部材とを備えている。
【００１５】
また、この燃料電池スタックでは、セパレータは、電解質・電極接合体を挟持するとともに、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス通路が設けられる挟持部と、前記反応ガスを前記反応ガス通路に供給するための反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される反応ガス供給部と、前記挟持部と前記反応ガス供給部とを連結し、前記反応ガスを前記反応ガス供給連通孔から前記反応ガス通路に供給するための反応ガス供給通路が形成される橋架部とを備えるとともに、ばね部材は、前記積層方向に沿って前記挟持部に重なる位置に配置され、該挟持部に対して荷重を付与することが好ましい。
【００１６】
このため、挟持部と電解質・電極接合体との密着状態を確保し、集電性能の向上が図られるとともに、ばね部材の弾性によって前記挟持部に発生した変位や歪みを吸収することができる。従って、電解質・電極接合体の損傷を可及的に阻止することが可能になる。
【００１７】
さらに、この燃料電池スタックでは、ばね部材は、積層方向に重ね合わされた複数の皿ばねを備えることが好ましい。これにより、経済的であるとともに、皿ばねの変位量を大きく設定できるため積層方向に伸縮自在であり、前記積層方向の変位を確実に吸収することができる。
【００１８】
さらにまた、この燃料電池スタックでは、保持部材は、少なくとも挟持部と同一の外形寸法に設定されることが好ましい。このため、挟持部に対するばね部材の位置決め作業が、保持部材を介して容易且つ正確に遂行可能になる。
【００１９】
また、この燃料電池スタックでは、ボルト部材は、第１プレート部材と第２プレート部材との間隔を一定に維持するスタッドボルトであることが好ましい。従って、ボルト部材は、燃料電池スタックに積層方向に付与される荷重を管理する一方、ばね部材による前記積層方向の変位吸収機能が有効に向上する。
【００２０】
さらに、この燃料電池スタックでは、挟持部及び反応ガス供給部には、それぞれ燃料電池スタックに発生した積層方向の変位を吸収する変位吸収機構が設けられることが好ましい。これにより、燃料電池スタックに発生した変位は、各挟持部及び各反応ガス供給部にそれぞれ設けられている変位吸収機構を介して確実に吸収することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、ばね部材の弾性により燃料電池スタックに対して積層方向に荷重を付与している。このため、ばね部材は、荷重付与機構としての機能と、前記燃料電池スタックに発生した変位や歪みを吸収する変位吸収機構としての機能とを有することができる。
【００２２】
従って、簡単且つ経済的な構成で、急速昇温時の急激な変位を有効に吸収するとともに、燃料電池スタックを確実に保持することが可能になり、前記燃料電池スタックに歪みが発生することを良好に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明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図である。
【図３】前記燃料電池スタックの分解斜視説明図である。
【図４】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５】前記燃料電池スタックの反応ガスの流れ説明図である。
【図６】前記燃料電池スタックの、図３中、ＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【図７】前記燃料電池スタックを構成する変位吸収機構の拡大説明図である。
【図８】前記燃料電池スタックの側面説明図である。
【図９】特許文献１のスタック構造の断面説明図である。
【図１０】特許文献２の固体電解質形燃料電池スタックの斜視説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１２が矢印Ａ方向に積層される積層体を備える。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。
【００２５】
燃料電池１２は、固体電解質型燃料電池であり、この燃料電池１２は、図３〜図５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（ＭＥＡ）２６を備える。電解質・電極接合体２６は、円板状に形成されるとともに、少なくとも外周端面部には、発電反応後の酸化剤ガス及び燃料ガスからなる排ガス（オフガス）の進入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。
【００２６】
燃料電池１２は、第１セパレータ２８ａ及び第２セパレータ２８ｂ間に１個の電解質・電極接合体２６が挟持される。第１セパレータ２８ａ及び第２セパレータ２８ｂは、同一形状のセパレータ構造体を互いに１８０°反転させることにより構成される。
【００２７】
第１セパレータ２８ａ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３０ａ及び第２プレート３２ａを有する。第１プレート３０ａ及び第２プレート３２ａは、互いに拡散接合、レーザー溶接又はろう付け等により接合される。
【００２８】
第１プレート３０ａは、略平板状に形成されるとともに、積層方向（矢印Ａ方向）に沿って燃料ガス（一方の反応ガス）を供給するための燃料ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）３４が形成される第１燃料ガス供給部（反応ガス供給部）３６を有する。この第１燃料ガス供給部３６から外方に延在する第１橋架部３８を介して第１挟持部４０が一体に設けられる。
【００２９】
第１挟持部４０は、電解質・電極接合体２６と同一直径にされるとともに、前記第１挟持部４０のアノード電極２４に接する面には、複数の凸部４２が設けられる。凸部４２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（反応ガス通路）４４を形成するとともに、集電機能を有する。第１挟持部４０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４６が形成される。なお、第１挟持部４０は、電解質・電極接合体２６の直径よりも大径に構成されてもよい。
【００３０】
第２プレート３２ａは、燃料ガス供給連通孔３４が形成される第２燃料ガス供給部（反応ガス供給部）４８を有する。この第２燃料ガス供給部４８から外方に延在する第２橋架部５０を介して第２挟持部５２が一体に設けられる。第２プレート３２ａの外周を周回して第１プレート３０ａ側に突出する周回凸部５４が設けられ、この周回凸部５４に前記第１プレート３０ａが接合される。
【００３１】
第２燃料ガス供給部４８、第２橋架部５０及び第２挟持部５２の第１プレート３０ａに向かう面には、前記第１プレート３０ａに接して複数の突起部５６が形成される。
【００３２】
第１橋架部３８及び第２橋架部５０間には、燃料ガス供給連通孔３４に連通する燃料ガス供給通路５８が形成される。燃料ガス供給通路５８は、第１挟持部４０及び第２挟持部５２間に形成される燃料ガス充填室６０を介して燃料ガス供給孔４６に連通する。
【００３３】
第２セパレータ２８ｂは、第１セパレータ２８ａと同一形状に構成されており、第１プレート３０ａ及び第２プレート３２ａに対応する第１プレート３０ｂ及び第２プレート３２ｂを有する。第１プレート３０ｂ及び第２プレート３２ｂは、積層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６２が形成される第１酸化剤ガス供給部６４及び第２酸化剤ガス供給部６６を有する。
【００３４】
第１プレート３０ｂ及び第２プレート３２ｂは、第１酸化剤ガス供給部６４及び第２酸化剤ガス供給部６６から外方に突出する第１橋架部６８及び第２橋架部７０を介して第１挟持部７２及び第２挟持部７４が一体に設けられる。
【００３５】
第１挟持部７２のカソード電極２２に接触する面には、複数の凸部４２を介し前記カソード電極２２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（反応ガス通路）７６が形成される。第１挟持部７２の中央部には、カソード電極２２の中央部に向かって酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給孔７８が形成される。
【００３６】
第２プレート３２ｂ内には、第１プレート３０ｂが接合されることにより酸化剤ガス供給連通孔６２に連通する酸化剤ガス供給通路８０が、第１橋架部６８及び第２橋架部７０間に対応して形成される。第２挟持部７４内には、酸化剤ガス供給連通孔６２と酸化剤ガス供給通路８０を介して連通する酸化剤ガス充填室８２が形成される。
【００３７】
図３及び図４に示すように、第１セパレータ２８ａは、第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部４８により燃料ガス供給部８４を構成し、第１橋架部３８及び第２橋架部５０により第１橋架部８６を構成し、第１挟持部４０及び第２挟持部５２により第１挟持部８８を構成する。
【００３８】
第２セパレータ２８ｂは、第１酸化剤ガス供給部６４及び第２酸化剤ガス供給部６６により酸化剤ガス供給部９０を構成し、第１橋架部６８及び第２橋架部７０により第２橋架部９２を構成し、第１挟持部７２及び第２挟持部７４により第２挟持部９４を構成する。電解質・電極接合体２６の外形寸法（直径）は、好ましくは第１挟持部８８及び第２挟持部９４の外形寸法（直径）と同一寸法もしくは第１挟持部８８及び第２挟持部９４の外形寸法よりも小径な寸法に設定される。
【００３９】
積層方向（矢印Ａ方向）に互いに隣接する一対の第１セパレータ２８ａを構成する各燃料ガス供給部８４には、燃料電池スタック１０に発生した積層方向の変位を吸収する第１変位吸収機構（燃料ガス側変位吸収機構）９６が設けられるとともに、前記積層方向に互いに隣接する一対の第２セパレータ２８ｂを構成する各酸化剤ガス供給部９０には、前記積層方向の変位を吸収する第２変位吸収機構（酸化剤ガス側変位吸収機構）９８が設けられる。
【００４０】
図４及び図６に示すように、第１変位吸収機構９６は、第１セパレータ２８ａを構成する第１プレート３０ａ及び第２プレート３２ａにおいて、第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部４８の突起部５６とは反対の面に、例えば、溶接により固着される連結部材１００ａ、１００ｂを備える。連結部材１００ａ、１００ｂは、積層方向に隣接する一対の第１セパレータ２８ａの燃料ガス供給部８４同士を連結し、且つ前記積層方向の荷重を緩和するばね性を有する。連結部材１００ａ、１００ｂは、例えば、ステンレス等の金属薄板により構成され、実質的にベローズ形状を有する。
【００４１】
連結部材１００ａは、図６に示すように、第１プレート３０ａの第１燃料ガス供給部３６に溶接（結合）されるセパレータ結合部位１０２ａと、積層方向に隣接する連結部材１００ａ、１００ｂ同士を係合する係合部位１０４ａと、前記セパレータ結合部位１０２ａと前記係合部位１０４ａとを繋ぎ且つばね性を有する連結部位１０６ａとを備える。連結部位１０６ａは、第１燃料ガス供給部３６から離間する方向に傾斜する一方、係合部位１０４ａは、水平方向に延在する。
【００４２】
連結部材１００ｂは、第２プレート３２ａの第２燃料ガス供給部４８に溶接（結合）されるセパレータ結合部位１０２ｂと、積層方向に隣接する連結部材１００ａ、１００ｂ同士を係合する係合部位１０４ｂと、前記セパレータ結合部位１０２ｂと前記係合部位１０４ｂとを繋ぎ且つばね性を有する連結部位１０６ｂとを備える。連結部位１０６ｂは、第２燃料ガス供給部４８から離間する方向に傾斜する一方、係合部位１０４ｂは、水平方向に延在する。
【００４３】
第１変位吸収機構９６は、図４に示すように、一対の連結部材１００ａ、１００ｂを一体に結合させるための結合部材１０８を備えるとともに、前記連結部材１００ａ、１００ｂ同士が係合する領域及び前記連結部材１００ａ、１００ｂと前記結合部材１０８とが係合する領域に対応して、３つのシール部材１１０ａ、１１０ｂ及び１１０ｃが介装される。
【００４４】
結合部材１０８は、断面コ字状を有し、例えば、３つの前記結合部材１０８が、全体としてリング状に配置される。図６に示すように、各結合部材１０８は、内周側が開口しており、この内周側からシール部材１１０ｂ、連結部材１００ａの係合部位１０４ａ、シール部材１１０ａ、連結部材１００ｂの係合部位１０４ｂ及びシール部材１１０ｃからなる積層体が挿入され、前記結合部材１０８がかしめられる。
【００４５】
シール部材１１０ａ〜１１０ｃは、リング形状を有し、ガスシール機能及び絶縁機能、さらに好適には、耐熱性及び柔軟性を有する材料で構成される。具体的には、シール部材１１０ａ〜１１０ｃは、粘土鉱物及び有機高分子が複合化された粘土膜を備える薄膜状シールにより構成されるが、これに限定されるものではない。例えば、ガラス系シール部材も用いることができる。
【００４６】
第２変位吸収機構９８は、第２セパレータ２８ｂを構成する第２プレート３２ｂ及び第１プレート３０ｂにおいて、第２酸化剤ガス供給部６６及び第１酸化剤ガス供給部６４の突起部５６とは反対の面に、例えば、溶接により固着される連結部材１１２ａ、１１２ｂを備える。連結部材１１２ａ、１１２ｂは、積層方向に隣接する一対の第２セパレータ２８ｂの酸化剤ガス供給部９０同士を連結し、且つ前記積層方向の荷重を緩和するばね性を有する。
【００４７】
連結部材１１２ａは、図６に示すように、第２プレート３２ｂの第２酸化剤ガス供給部６６に溶接（結合）されるセパレータ結合部位１１４ａと、積層方向に隣接する連結部材１１２ａ、１１２ｂ同士を係合する係合部位１１６ａと、前記セパレータ結合部位１１４ａと前記係合部位１１６ａとを繋ぎ且つばね性を有する連結部位１１８ａとを備える。連結部位１１８ａは、第２酸化剤ガス供給部６６から離間する方向に傾斜する一方、係合部位１１６ａは、水平方向に延在する。
【００４８】
連結部材１１２ｂは、第１プレート３０ｂの第１酸化剤ガス供給部６４に溶接（結合）されるセパレータ結合部位１１４ｂと、積層方向に隣接する連結部材１１２ａ、１１２ｂ同士を係合する係合部位１１６ｂと、前記セパレータ結合部位１１４ｂと前記係合部位１１６ｂとを繋ぎ且つばね性を有する連結部位１１８ｂとを備える。連結部位１１８ｂは、第１酸化剤ガス供給部６４から離間する方向に傾斜する一方、係合部位１１６ｂは、水平方向に延在する。
【００４９】
第２変位吸収機構９８は、図４に示すように、一対の連結部材１１２ａ、１１２ｂを一体に結合させるための結合部材１２０を備えるとともに、前記連結部材１１２ａ、１１２ｂ同士が係合する領域及び前記連結部材１１２ａ、１１２ｂと前記結合部材１２０とが係合する領域に対応して、３つのシール部材１２２ａ、１２２ｂ及び１２２ｃが介装される。
【００５０】
結合部材１２０は、断面コ字状を有し、例えば、３つの前記結合部材１２０が、全体としてリング状に配置される。図６に示すように、各結合部材１２０は、内周側が開口しており、この内周側からシール部材１２２ｂ、連結部材１１２ａの係合部位１１６ａ、シール部材１２２ａ、連結部材１１２ｂの係合部位１１６ｂ及びシール部材１２２ｃからなる積層体が挿入され、前記結合部材１２０がかしめられる。
【００５１】
シール部材１２２ａ〜１２２ｃは、リング形状を有し、ガスシール機能及び絶縁機能、さらに好適には、耐熱性及び柔軟性を有する材料で構成される。具体的には、シール部材１２２ａ〜１２２ｃは、粘土鉱物及び有機高分子が複合化された粘土膜を備える薄膜状シールにより構成されるが、これに限定されるものではない。例えば、ガラス系シール部材も用いることができる。
【００５２】
図３及び図６に示すように、第１セパレータ２８ａの第１挟持部８８には、燃料電池スタック１０に発生した積層方向の変位を吸収する第３変位吸収機構（燃料ガス側変位吸収機構）１３０が設けられるとともに、第２セパレータ２８ｂの第２挟持部９４には、前記積層方向の変位を吸収する第４変位吸収機構（酸化剤ガス側変位吸収機構）１３２が設けられる。
【００５３】
第１挟持部８８の第３変位吸収機構１３０は、図４及び図６に示すように、第１挟持部４０及び第２挟持部５２間に形成される燃料ガス充填室６０と、電解質・電極接合体２６に対向する第１プレート３０ａに設けられ、燃料ガス通路４４を形成する複数の凸部４２と、第２プレート３２ａに、前記第１プレート３０ａに接して設けられる複数の突起部５６とを備える。複数の凸部４２と複数の突起部５６とは、積層方向に互いに重ならない位置に配置される。
【００５４】
図７に示すように、複数の凸部４２は、例えば、格子状に配置されるとともに、４つの前記凸部４２により単位領域１３４が形成される。１つの突起部５６は、１つの単位領域１３４内に配置される一方、この単位領域１３４に隣接する他の単位領域１３４、すなわち、前記突起部５６が配置される前記単位領域１３４を周回する８つの単位領域１３４には、前記突起部５６が配置されない。なお、凸部４２の配置状態や突起部５６の配置状態は、種々変更可能である。
【００５５】
第２挟持部９４の第４変位吸収機構１３２は、図４及び図６に示すように、酸化剤ガス充填室８２と、第１プレート３０ｂに設けられ、酸化剤ガス通路７６を形成する複数の凸部４２と、第２プレート３２ｂに、前記第１プレート３０ｂに接して設けられる複数の突起部５６とを備える。複数の凸部４２と複数の突起部５６とは、積層方向に互いに重ならない位置に配置される。
【００５６】
図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１０は、燃料電池１２の積層方向一端側に配置される第１プレート部材１４０と、前記燃料電池１２の積層方向他端側に配置され、該燃料電池１２に対して積層方向に弾性により荷重を付与するばね部材１４２と、前記燃料電池１２の積層方向他端と前記ばね部材１４２との間に配置され、該ばね部材１４２を収容する保持部材１４４と、前記保持部材１４４に嵌合して前記ばね部材１４２を整列させる第２プレート部材１４６と、前記第１プレート部材１４０及び前記第２プレート部材１４６に挿通され、前記燃料電池１２を前記積層方向から締結する複数のボルト部材１４８とを備える。
【００５７】
ばね部材１４２は、複数の皿ばね１５０が矢印Ａ方向に直列に積層されるとともに、前記積層方向に沿って第１挟持部８８及び第２挟持部９４に重なる位置に配置される。ばね部材１４２は、第１挟持部８８及び第２挟持部９４に前記積層方向の荷重を付与する荷重付与機構を構成する。
【００５８】
図８に示すように、保持部材１４４は、電解質・電極接合体２６、第１挟持部８８及び第２挟持部９４と同一の外形寸法に設定される円板状フランジ部１５２を設ける。フランジ部１５２の外周縁部には、リング状の周壁部１５４の一端が連結されるとともに、前記周壁部１５４の他端が開放される。この周壁部１５４内には、ばね部材１４２を構成する複数の皿ばね１５０が位置決め収容される。
【００５９】
第２プレート部材１４６は、周壁部１５４の内面に嵌合するリング状突起部１５６を設ける。突起部１５６は、保持部材１４４の周壁部１５４に嵌合することにより、ばね部材１４２を押圧保持するとともに、前記ばね部材１４２を外部雰囲気（燃焼ガスによる高温雰囲気）から遮蔽する。
【００６０】
ボルト部材１４８は、第１プレート部材１４０と第２プレート部材１４６との間隔を一定に維持するスタッドボルトである。第１プレート部材１４０には、各ボルト部材１４８の一端側がねじ込まれるナット部材１５８と、高さ調整用及び絶縁用のシム１６０とが同軸上に配置される。第２プレート部材１４６には、各ボルト部材１４８の他端側がねじ込まれるナット部材１６２が配置される。各ボルト部材１４８は、ナット部材１５８、１６２に隣接してフランジ１６７を形成する。一方のフランジ１６７が第１プレート部材１４０に係止され、もう一方のフランジ１６７が第２プレート部材１４６に係止されることによって、第１プレート部材１４０と第２プレート部材１４６との間隔を一定に維持できる。
【００６１】
第１プレート部材１４０には、第１ポール１６４が接続されて一方の電流取り出し口を構成する。第２プレート部材１４６には、第２ポール１６６が接続されて他方の電流取り出し口を構成する。第１ポール１６４及び第２ポール１６６は、互いに平行して延在するとともに、電流用端子として機能する。
【００６２】
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。
【００６３】
先ず、図３及び図５に示すように、燃料ガス（水素ガス）が燃料電池スタック１０の燃料ガス供給連通孔３４に供給されるとともに、酸化剤ガス（空気）が前記燃料電池スタック１０の酸化剤ガス供給連通孔６２に供給される。
【００６４】
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１２を構成する第１セパレータ２８ａに形成された燃料ガス供給通路５８に導入される。この燃料ガスは、第１橋架部３８及び第２橋架部５０間を燃料ガス供給通路５８に沿って移動し、一旦、燃料ガス充填室６０に充填される。
【００６５】
さらに、燃料ガスは、燃料ガス供給孔４６から燃料ガス通路４４に導入される。その際、燃料ガス供給孔４６は、各電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の中央位置に設定されている。このため、燃料ガスは、アノード電極２４の中心から燃料ガス通路４４に沿って前記アノード電極２４の外周部に向かって移動する。
【００６６】
一方、酸化剤ガス供給連通孔６２に供給された酸化剤ガスは、第２セパレータ２８ｂを構成する第１橋架部６８及び第２橋架部７０間に形成された酸化剤ガス供給通路８０に沿って移動し、一旦、酸化剤ガス充填室８２に充填される。さらに、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給孔７８から酸化剤ガス通路７６に導入される。
【００６７】
酸化剤ガス供給孔７８は、各電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の中央位置に設定されている。このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス通路７６に沿ってカソード電極２２の中央位置から外周部に向かって移動する。
【００６８】
これにより、電解質・電極接合体２６では、アノード電極２４の電極面の中心側から周端部側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の電極面の中心側から周端部側に向かって酸化剤ガスが供給される。その際、酸化物イオンが電解質２０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。
【００６９】
燃料ガス通路４４を移動した使用済みの燃料ガス、及び酸化剤ガス通路７６を移動した使用済みの酸化剤ガスは、各電解質・電極接合体２６の外周部から導出され、この外周部周辺で混合されて比較的高温の排ガスとして排出される。
【００７０】
この場合、本実施形態では、燃料電池スタック１０は、燃料電池１２の積層方向両端に第１プレート部材１４０及び第２プレート部材１４６が配置されるとともに、前記第２プレート部材１４６側には、前記燃料電池１２に対して積層方向に弾性により荷重を付与するばね部材１４２が配置されている。このため、ばね部材１４２は、荷重付与機構としての機能と、燃料電池スタック１０に発生した変位や歪みを吸収する変位吸収機構としての機能とを有することができる。
【００７１】
従って、燃料電池スタック１０は、簡単且つ経済的な構成で、急速昇温時の急激な変位を有効に吸収するとともに、前記燃料電池スタック１０を確実に保持することが可能になり、前記燃料電池スタック１０に歪みが発生することを良好に抑制することができるという効果が得られる。
【００７２】
また、第１セパレータ２８ａは、第１挟持部８８、燃料ガス供給部８４及び第１橋架部８６を備えるとともに、第２セパレータ２８ｂは、第２挟持部９４、酸化剤ガス供給部９０及び第２橋架部９２を備えている。そして、ばね部材１４２は、積層方向に沿って第１挟持部８８及び第２挟持部９４に重なる位置に配置され、前記第１挟持部８８及び前記第２挟持部９４に対して荷重を付与している。
【００７３】
これにより、第１挟持部８８及び第２挟持部９４と電解質・電極接合体２６との密着状態を確保し、集電性能の向上が図られるとともに、ばね部材１４２の弾性によって前記第１挟持部８８及び前記第２挟持部９４に発生した変位や歪みを吸収することができる。このため、電解質・電極接合体２６の損傷を可及的に阻止することが可能になる。
【００７４】
さらに、ばね部材１４２は、積層方向に直列に重ね合わされた複数の皿ばね１５０を備えている。従って、経済的であるとともに、複数の皿ばね１５０ごとに同じ荷重が加わることによって複数の皿ばね１５０ごとに生じた変位が合算される。これによってばね部材の変位量を大きく設定することができるため、積層方向に伸縮自在であり、前記積層方向の変位を確実に吸収することができる。
【００７５】
さらにまた、保持部材１４４は、少なくとも第１挟持部８８及び第２挟持部９４と同一の外形寸法に設定される円板状フランジ部１５２を設けている。これにより、ばね部材１４２と第１挟持部８８及び第２挟持部９４との位置決め作業が、保持部材１４４を介して容易且つ正確に遂行可能になる。
【００７６】
その際、電解質・電極接合体２６の外形寸法が、第１挟持部８８及び第２挟持部９４と同一の外形寸法に設定されていると、ばね部材１４２と前記電解質・電極接合体２６と前記第１挟持部８８及び前記第２挟持部９４との位置決め作業が、一層簡素化される。
【００７７】
また、ボルト部材１４８は、第１プレート部材１４０と第２プレート部材１４６との間隔を一定に維持するスタッドボルトである。このため、ボルト部材１４８は、第１挟持部８８及び第２挟持部９４に作用する積層方向の荷重をばね部材１４２からの荷重だけからとして燃料電池スタック１０に積層方向に付与される荷重を管理する一方、ばね部材１４２による前記積層方向の変位吸収機能が有効に向上する。
【００７８】
さらに、各燃料ガス供給部８４、各酸化剤ガス供給部９０、各第１挟持部８８及び各第２挟持部９４には、それぞれ燃料電池スタック１０に発生した変位を吸収する第１変位吸収機構９６、第２変位吸収機構９８、第３変位吸収機構１３０及び第４変位吸収機構１３２が設けられている。
【００７９】
従って、急速昇温時に燃料電池スタック１０に発生した急激な変位は、第１変位吸収機構９６〜第４変位吸収機構１３２を介して前記燃料電池スタック１０全体で有効に吸収することができる。これにより、燃料電池スタック１０に歪みが発生することを抑制するとともに、集電性能及びシール性能を良好に維持することができるという効果が得られる。
【符号の説明】
【００８０】
１０…燃料電池スタック              １２…燃料電池
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
２８ａ、２８ｂ…セパレータ          ３０ａ、３０ｂ、３２ａ、３２ｂ…プレート
３４…燃料ガス供給連通孔            ３６、８４…燃料ガス供給部
３８、５０、６８、７０、８６、９２…橋架部
４０、５２、７２、７４、８８、９４…挟持部
４２…凸部                          ４４…燃料ガス通路
４６…燃料ガス供給孔                ５４…周回凸部
５６、１５６…突起部                ５８…燃料ガス供給通路
６０…燃料ガス充填室                ６２…酸化剤ガス供給連通孔
６４、６６、９０…酸化剤ガス供給部  ７６…酸化剤ガス通路
７８…酸化剤ガス供給孔              ８０…酸化剤ガス供給通路
８２…酸化剤ガス充填室              ９６、９８、１３０、１３２…変位吸収機構
１４０、１４６…プレート部材        １４２…ばね部材
１４４…保持部材                    １４８…ボルト部材
１５０…皿ばね                      １５２…フランジ部
１５４…周壁部
【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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【図１０】
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