JP5437222B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

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。

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。

この種の燃料電池スタックでは、効率的に出力電圧を得るために、燃料電池同士を所望の加圧状態で積層させる必要がある。さらに、反応ガス、例えば、燃料ガス及び空気の漏れを可及的に阻止するために、積層方向に加圧して反応ガスマニホールドを確実にシールする必要がある。

このため、例えば、特許文献１に開示されている平板型固体酸化物形燃料電池では、図１１に示すように、セルスタック１ａと、前記セルスタック１ａの周囲に配設され、各単セル２ａに対して燃料ガス、酸化剤ガスの給排気を行う４つのマニホールドＭ１〜Ｍ４とを備えている。

セルスタック１ａは、第１の加圧機構３ａによって加圧される一方、各マニホールドＭ１〜Ｍ４は、第２の加圧機構４ａによって加圧されるように構成されている。第一の加圧機構３ａは、加圧手段としての圧縮ばね５ａを備えるとともに、第２の加圧機構４ａは、加圧手段としての圧縮ばね６ａを備えている。

また、特許文献２に開示されている燃料電池は、図１２に示すように、発電セル１ｂを一対のセパレータ２ｂにより挟持したユニット３ｂが、多数積層されるとともに、積層方向両端（上下両端）には、上締付板４ｂと下締付板５ｂとが配設されている。上締付板４ｂの中央部には、発電セル１ｂの外形よりも大きな丸孔６ｂが設けられており、この丸孔６ｂには、錘７ｂが載置されている。

上締付板４ｂと下締付板５ｂとは、複数のボルト８ｂにより締め付けられて、ユニット３ｂには、積層方向の締め付け荷重が付与されている。一方、錘７ｂによる荷重により、ユニット３ｂを構成する複数の発電要素は、互いに密着されている。

さらにまた、特許文献３に開示されているセルスタックは、導電性ボルトに接続される第１のエンドプレートと、別の導電性ボルトに接続される第２のエンドプレートとの間に配置される少なくとも１つの電気化学セルを有するセルスタックである。

このセルスタックは、ハウジングと、該セルスタックをこのハウジングに固定して支持する手段と、セルスタック全体に一定の機械的荷重を保持する手段とを有している。そして、一定の荷重を保持する手段は、セルスタックとハウジング壁との間にある空間に挿入される少なくとも１つの弾性パッドを備えている。弾性パッドは、例えば、シリコンパッドであり、絶縁性を有している。

特開２００６−３３９０３５号公報 特開２００７−７３３５９号公報 特表２００９−５００５２５号公報

上記の特許文献１では、燃料電池の運転温度が相当に高温である。従って、セルスタック１ａを加圧する第１の加圧機構３ａを構成する圧縮ばね５ａは、高温に耐えるセラミックス材料、例えば、窒化けい素を使用する必要がある。このため、第１の加圧機構３ａのコストが高騰するという問題がある。

しかも、圧縮ばね５ａとしてセラミックスばねが用いられるため、破損等が惹起し易くなるというおそれがあるとともに、スタック上部からの放熱が大きくなり、熱自立が促進されないという問題がある。

また、上記の特許文献２では、上締付板４ｂの中央部に形成された丸孔６ｂに錘７ｂが配置されて、積層方向の荷重を増やすように構成される。これにより、燃料電池全体が相当に大型化且つ重量物化してしまう。

しかも、錘７ｂの熱容量が大きく、燃料電池の起動時や負荷変動時の追従性が低下し、迅速に対応することができないという不具合がある。さらに、錘７ｂは、熱伝導の大きな金属であり、熱引きによって燃料電池上部からの放熱が大きくなるという問題がある。

さらにまた、上記の特許文献３では、弾性パッドは、シリコンや高分子材料等の樹脂系材料で形成されるため、材料の耐熱性が低下してしまう。これにより、特に、高温作動の固体酸化物形燃料電池には、良好に適用することができないという問題がある。

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、固体酸化物形燃料電池に所望の締め付け荷重を確実に付与するとともに、放熱を抑制して高効率な発電が遂行可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。

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。

この燃料電池スタックは、積層体の積層方向一端に配置される基台部と、前記積層体の積層方向他端に配置され、該積層体に積層方向に沿って荷重を付与する架台部と、前記架台部と前記積層体との間に配置され、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。

また、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、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、積層体側に配置され且つ前記複合層は、架台部側に配置されることが好ましい。

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端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。

このため、複合層は、架台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、複合層は、燃料電池スタックの温度変化に容易に追従して、積層体に所望の締め付け荷重を確実に付与することができる。

さらに、この燃料電池スタックでは、架台部は、基台部と平行に配置されるプレート部材であり、前記プレート部材と前記基台部とは、複数のボルトを介して積層方向に締め付け保持されることが好ましい。

従って、積層方向に長尺なボルト自体が、高温時に軸方向に伸びても、複合層が膨張して各固体酸化物形燃料電池に所望の締め付け荷重を確実に付与することが可能になる。これにより、燃料電池スタック全体の発電性能の向上が容易に図られる。

さらにまた、この燃料電池スタックでは、架台部は、積層体を収容するボックスの底部により構成されるとともに、前記ボックスの開口側端部は、基台部に隣接して複数のボルトを介し積層方向に締め付け保持されることが好ましい。

このため、ボックス自体が、高温時に積層方向に伸びても、複合層が膨張して各固体酸化物形燃料電池に所望の締め付け荷重を確実に付与することができる。従って、燃料電池スタック全体の発電性能の向上が容易に図られる。

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、アノード電極の電極面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス通路及びカソード電極の電極面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路が個別に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通路に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤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、前記橋架部に連結され、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記反応ガス供給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を備えている。

燃料電池保持部は、反応ガス供給部に積層方向に荷重を付与する第１燃料電池保持部と、挟持部に電解質・電極接合体に対応して前記積層方向に荷重を付与する第２燃料電池保持部とを有し、前記第１燃料電池保持部は、前記第２燃料電池保持部よりも前記積層方向に大きな荷重を付与することが好ましい。

これにより、反応ガス供給部には、比較的大きな荷重が付与されるため、前記反応ガス供給部のシール性を良好に維持することが可能になる。一方、電解質・電極接合体には、挟持部との密着性を高める程度の比較的小さな荷重を付与することができる。従って、電解質・電極接合体の損傷を可及的に阻止するとともに、効率的な発電及び集電が遂行される。

さらに、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。これにより、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。

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、積層体に所望の締め付け荷重を確実に付与することができる。従って、燃料電池スタックの積層荷重が一定化され、発電性能の向上が図られる。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。

これにより、簡単且つコンパクトな構成で、固体酸化物形燃料電池に所望の締め付け荷重を確実に付与するとともに、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。

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。 前記燃料電池スタックの一部分解斜視説明図である。 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。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの概略断面説明図である。 前記燃料電池スタックの一部分解斜視説明図である。 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。 前記燃料電池スタックの一部分解斜視説明図である。 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。 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。 前記燃料電池スタックの一部断面平面説明図である。 特許文献１の平板型固体酸化物形燃料電池の断面説明図である。 特許文献２の燃料電池の断面説明図である。

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）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。

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。カソード電極１６は、アノード電極１８及び電解質１４よりも小さな表面積に設定されるとともに、前記カソード電極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。

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。

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。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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

下部エンドプレート３８には、周辺部に沿って複数のねじ孔４０が形成される。ねじ孔４０は、例えば、下部エンドプレート３８の四隅近傍及び各辺の略中央部に形成される。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。

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。

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の周縁部に孔部４８が形成され、前記孔部４８にボルト５０が挿入されるとともに、前記ボルト５０は、下部エンドプレート３８のねじ孔４０にねじ込まれる。

燃料電池保持部４４は、アルミナ層５２と複合層５４とを備える。アルミナ層５２は、積層体３６側、すなわち、上部エンドプレート４２に隣接して配置される一方、複合層５４は、荷重プレート４６に隣接して配置される。

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。

複合層５４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５４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、上記のアルミナ層と同様に製造される。

電解質・電極接合体２０は、ボルト５０に比べて比較的熱膨張率の小さな材料が使用される。このため、高温時にボルト５０が軸方向に伸びても、アルミナ層５２自体の弾性によって積層体３６の締め付け荷重が低下することを抑制する機能を有する。

さらに、バーミキュライトは、高温で比較的大きく膨張する性質を有している。このバーミキュライトの膨張率は、ボルト５０の膨張率よりも大きいため、高温時における積層体３６の締め付け荷重の低下を一層確実に抑制する機能を有する。

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及び複合層５４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。

次いで、複数のボルト５０が、荷重プレート４６の各孔部４８に挿入され、先端部が、下部エンドプレート３８の各ねじ孔４０にねじ込まれる。このため、積層体３６に積層方向の荷重が付与されるとともに、燃料電池保持部４４に圧縮荷重が付与される。

燃料電池保持部４４では、アルミナ層５２及び複合層５４が圧縮される。そして、燃料電池保持部４４により、積層体３６に必要な面圧を発生させる締め付け荷重が得られた際に、ボルト５０の締め付けが終了され、燃料電池スタック１０の組み立て作業が完了する。

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。

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。

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。

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。

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。

この場合、第１の実施形態では、上部エンドプレート４２と荷重プレート４６との間に、燃料電池保持部４４が配置されるとともに、前記燃料電池保持部４４は、アルミナ層５２と複合層５４とを備えている。

複合層５４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５４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に所望の締め付け荷重を確実に付与することができる。従って、燃料電池スタック１０の積層荷重が一定化され、発電性能の向上が図られる。

具体的には、ボルト５０は、例えば、ニッケル系耐熱合金等の線膨張係数の大きな材料で構成されており、電解質・電極接合体２０に比べて熱膨張が相当に大きい。従って、高温時には、積層体３６の積層方向の伸びに対してボルト５０の伸びが大きくなり、前記積層体３６に付与される締め付け荷重が低下し易くなる。

その際、バーミキュライトは、高温時の熱膨張がボルト５０の軸方向の伸びよりも大きい。これにより、積層体３６の締め付け荷重が低下をすることを、良好に抑制することが可能になる。

さらに、第１の実施形態では、アルミナ層５２が、上部エンドプレート４２に隣接して配置される一方、複合層５４が、荷重プレート４６に隣接して配置されている。アルミナ層５２は、アルミナ繊維により構成されており、このアルミナ繊維は、弾性を有するとともに、高温における耐熱性に優れている。その上、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５２は、高温で運転される積層体３６の端部に良好に配置可能になる。

しかも、アルミナ層５２は、断熱性を有するため、複合層５４は、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。さらに、複合層５４は、バーミキュライトが熱膨張することにより、燃料電池スタック１０の温度変化に容易に追従し、積層体３６に所望の締め付け荷重を確実に付与することができるという効果が得られる。

一方、アルミナ層５２は、ヤング率が相当に小さく、締め付け代を大きく取ることが可能になる。このため、積層体３６の温度による寸法変化を十分に吸収することができる。

アルミナ繊維は、常温から高温まで弾性を保持することが可能である。従って、燃料電池スタック１０の組み立て時から、定常運転及び負荷変動運転時等の全ての温度域において、前記燃料電池スタック１０の締め付け荷重を保持させることができる。

しかも、アルミナ繊維は、断熱性が高いため、上部エンドプレート４２に隣接して配置されることにより、燃料電池スタック１０の断熱性が向上する。これにより、燃料電池スタック１０からの放熱を良好に抑制するとともに、熱自立が促進され、スタック効率の向上が容易に図られるという利点が得られる。

さらにまた、燃料電池スタック１０では、固体酸化物形燃料電池１２が、平板積層型固体酸化物形燃料電池である。このため、特に、平板型固体酸化物形燃料電池のような高温型燃料電池を有効に用いることができる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック６０の概略斜視説明図である。

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。

燃料電池スタック６０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６２を備える。ボックス６２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６４が設けられフランジ部６４には、複数の孔部６６が形成される。

下部エンドプレート３８上には、シール部材６８を介して載置される。シール部材６８は、額縁状を有するとともに、複数の孔部７０が、孔部６６と同軸上に形成される。

孔部６６、７０には、ボルト７２が一体に挿入され、このボルト７２が、下部エンドプレート３８のねじ孔４０にねじ込まれることにより、ボックス６２の底部（架台部）６２ａが燃料電池保持部４４を積層方向に押圧する。ボックス６２内には、積層体３６の外方を周回して断熱材７４が配置される。断熱材７４は、矩形状を有し、例えば、マイカ等により構成される。

このように構成される第２の実施形態では、複合層５４を構成するバーミキュライトの熱膨張率は、ボックス６２の熱膨張率よりも大きい。このため、特に、高温時におけるボックス６２の伸びによる積層体３６の締め付け荷重の低下を良好に阻止することができる。これにより、所望の締め付け荷重を確実に付与して、燃料電池スタック６０全体の発電性能の向上が容易に図られる等、上記の第１に実施形態と同様の効果が得られる。

しかも、第２の実施形態では、ボックス６２は、安価で且つ線膨張係数が小さいフェライト系ステンレスで構成されており、積層体３６との熱膨張差を小さくすることが可能になる。従って、高温時の荷重低下を一層低減することが可能になる。その上、耐熱合金の使用量を少なくすることができ、燃料電池スタック６０を経済的に構成することが可能になる。

さらにまた、ボックス６２内には、積層体３６の側壁に沿って断熱材７４が配置されている。このため、ボックス６２を気密に構成すると同時に、積層体３６からの放熱を抑制して、発電効率の向上が容易に図られる。

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８０の概略斜視説明図である。

図６及び図７に示すように、燃料電池スタック８０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８２を備え、複数の前記固体酸化物形燃料電池８２が積層されて積層体８４が構成される。

固体酸化物形燃料電池８２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８６を備える。セパレータ８６は、第１プレート８８と第２プレート９０とを備え、前記第１プレート８８及び前記第２プレート９０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。

セパレータ８６は、中央部に燃料ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）９２が形成される燃料ガス供給部（反応ガス供給部）９４を有する。燃料ガス供給部９４には、互いに反対方向に延在して一対の橋架部９６Ａ、９６Ｂが連結されるとともに、一対の前記橋架部９６Ａ、９６Ｂには、前記燃料ガス供給部９４を中心に対称位置にそれぞれ挟持部９８Ａ、９８Ｂが一体に設けられる。

第１プレート８８は、燃料ガス供給連通孔９２が形成される第１円板部１００を有し、前記第１円板部１００から互いに反対方向に延在して、第１長板部１０２Ａ、１０２Ｂが一体に設けられる。第１及び第２長板部１０２Ａ、１０２Ｂには、第１矩形状部１０４Ａ、１０４Ｂが一体に設けられる。第１矩形状部１０４Ａ、１０４Ｂの各カソード電極１６に対向する面部には、複数の突起部１０６Ａ、１０６Ｂを介して、それぞれ酸化剤ガス通路３０Ａ、３０Ｂが形成される。

第２プレート９０は、中央に燃料ガス供給連通孔９２が形成される第２円板部１０８を有し、前記第２円板部１０８には、互いに逆方向に延在して第２長板部１１０Ａ、１１０Ｂが一体に設けられる。第２長板部１１０Ａ、１１０Ｂには、それぞれ第２矩形状部１１２Ａ、１１２Ｂが一体に設けられる。

各第２長板部１１０Ａ、１１０Ｂから各第２矩形状部１１２Ａ、１１２Ｂの途上に延在して、燃料ガス供給通路１１４Ａ、１１４Ｂが形成されるとともに、前記燃料ガス供給通路１１４Ａ、１１４Ｂの終端縁部には、燃料ガス供給孔１１６Ａ、１１６Ｂが形成される。第２矩形状部１１２Ａ、１１２Ｂには、燃料ガス供給通路１１４Ａ、１１４Ｂが形成される面側に、それぞれ複数の燃料ガス排出孔１１７Ａ、１１７Ｂが形成される。

図９に示すように、第２矩形状部１１２Ａ、１１２Ｂのアノード電極１８に接触する面側には、複数の突起部１１８Ａ、１１８Ｂ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１２０Ａ、１２０Ｂにより周回されるとともに、それぞれ燃料ガス排出孔１１７Ａ、１１７Ｂに連通する貫通孔１２２Ａ、１２２Ｂが形成される。燃料ガス供給孔１１６Ａ、１１６Ｂと燃料ガス排出孔１１７Ａ、１１７Ｂとの間には、Ｖ字状の迂回路形成用壁部１２４Ａ、１２４Ｂが形成される。

図８に示すように、橋架部９６Ａ、９６Ｂ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１２６が設けられる。酸化剤ガス供給連通孔１２６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８２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。

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８６において、各燃料ガス供給部９４間には、燃料ガス供給連通孔９２をシールするための絶縁シール１２８が設けられる。絶縁シール１２８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。

各固体酸化物形燃料電池８２には、挟持部９８Ａ、９８Ｂの矢印Ａ方向外方に位置して、排ガス排出連通孔１３０が形成される。この排ガス排出連通孔１３０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。

燃料電池スタック８０は、図６及び図７に示すように、積層体８４の積層方向下端（一端）に配置される下部エンドプレート１３２と、前記積層体８４の積層方向上端（他端）に各挟持部９８Ａ、９８Ｂに対応して配置される上部エンドプレート１３４Ａ、１３４Ｂと、燃料ガス供給部９４に対応して配置される燃料シールプレート１３６とを備える。

燃料シールプレート１３６には、第１燃料電池保持部１３８が配置されるとともに、上部エンドプレート１３４Ａ、１３４Ｂ上には、第２燃料電池保持部１４０Ａ、１４０Ｂが配置され、これらにより燃料電池保持部が構成される。

第１燃料電池保持部１３８は、燃料シールプレート１３６に隣接するアルミナ層１４２と、このアルミナ層１４２上に積層される複合層１４４とを有する。アルミナ層１４２及び複合層１４４は、燃料シールプレート１３６に対応して円板状に構成される。

第２燃料電池保持部１４０Ａ、１４０Ｂは、上部エンドプレート１３４Ａ、１３４Ｂ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。

アルミナ層１４２、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１４４、５４Ａ及び５４Ｂは、上記の複合層５４と同様に構成される。

第１燃料電池保持部１３８は、第２燃料電池保持部１４０Ａ、１４０Ｂ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。

燃料電池スタック８０は、ボックス１４６を備える。このボックス１４６の開口部側端部にフランジ部１４８が形成されるとともに、このフランジ部１４８と下部エンドプレート１３２との間には、シール部材１５０が介装される。フランジ部１４８と下部エンドプレート１３２とは、複数本のボルト７２を介して固定される。

下部エンドプレート１３２には、図１０に示すように、酸化剤ガス供給連通孔１２６に連通するそれぞれ２つの空気用孔部１５２ａ、１５２ｂと、排ガス排出連通孔１３０に連通する２つの排ガス用孔部１５４ａ、１５４ｂとが形成される。下部エンドプレート１３２には、燃料ガス供給連通孔９２に連通するひとつの燃料ガス用孔部１５５が形成される。

図６、図７及び図１０に示すように、積層体８４とボックス１４６内との間には、挟持部９８Ａ、９８Ｂの三面を囲ってそれぞれ３つの断熱部材１５６Ａ、１５６Ｂが配置される。断熱部材１５６Ａ、１５６Ｂは、例えば、マイカ等の断熱材で構成される。

このように構成される燃料電池スタック８０の動作について、以下に説明する。

燃料ガスは、下部エンドプレート１３２の燃料ガス用孔部１５５から燃料電池スタック８０の燃料ガス供給連通孔９２に供給される。一方、空気は、下部エンドプレート１３２の空気用孔部１５２ａ、１５２ｂから燃料電池スタック８０の酸化剤ガス供給連通孔１２６に供給される。

図８に示すように、燃料ガス供給連通孔９２に供給された燃料ガスは、各固体酸化物形燃料電池８２を構成するセパレータ８６において、橋架部９６Ａ、９６Ｂに形成されている燃料ガス供給通路１１４Ａ、１１４Ｂに導入される。燃料ガスは、燃料ガス供給通路１１４Ａ、１１４Ｂから燃料ガス供給孔１１６Ａ、１１６Ｂを通って燃料ガス通路３２Ａ、３２Ｂに導入される。

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１２４Ａ、１２４Ｂ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１１７Ａ、１１７Ｂを通って排ガス排出連通孔１３０に排出される。

一方、酸化剤ガス供給連通孔１２６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８６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１３０に排出される。

この場合、第３の実施形態では、燃料ガス供給部９４に積層方向に荷重を付与する第１燃料電池保持部１３８と、挟持部９８Ａ、９８Ｂに電解質・電極接合体２０に対応して、前記積層方向に荷重を付与する第２燃料電池保持部１４０Ａ、１４０Ｂとを有している。

そして、第１燃料電池保持部１３８は、第２燃料電池保持部１４０Ａ、１４０Ｂよりも積層方向に大きな荷重を付与している。これにより、燃料ガス供給部９４には、比較的大きな荷重が付与されるため、前記燃料ガス供給部９４のシール性を良好に維持することが可能になる。

一方、電解質・電極接合体２０には、挟持部９８Ａ、９８Ｂとの密着性を高める程度の比較的小さな荷重を付与することができる。従って、電解質・電極接合体２０の損傷を可及的に阻止するとともに、効率的な発電及び集電が遂行されるという効果が得られる。

さらに、第３の実施形態では、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。

１０、６０、８０…燃料電池スタック
１２、８２…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、８６…セパレータ
２４ａ、２４ｂ…シール部材
２６ａ、１２６…酸化剤ガス供給連通孔 ２６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
２８ａ、９２…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 ３６、８４…積層体
３８、１３２…下部エンドプレート
４２、１３４Ａ、１３４Ｂ…上部エンドプレート
４４、１３８、１４０Ａ、１４０Ｂ…燃料電池保持部
４６…荷重プレート ５０、７２…ボルト
５２、５２Ａ、１４２…アルミナ層 ５４、５４Ａ、１４４…複合層
６２、１４６…ボックス ６２ａ…底部
６４、１４８…フランジ部 ６８、１５０…シール部材
７４…断熱材 ９２…燃料ガス供給連通孔
９４…燃料ガス供給部 ９６Ａ、９６Ｂ…橋架部
９８Ａ、９８Ｂ…挟持部

Claims (6)

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一端に配置される基台部と、
   前記積層体の積層方向他端に配置され、該積層体に積層方向に沿って荷重を付与する架台部と、
   前記架台部と前記積層体との間に配置され、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、
   を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
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、前記積層体側に配置され且つ前記複合層は、前記架台部側に配置されることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記架台部は、前記基台部と平行に配置されるプレート部材であり、
   前記プレート部材と前記基台部とは、複数のボルトを介して前記積層方向に締め付け保持されることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記架台部は、前記積層体を収容するボックスの底部により構成されるとともに、
   前記ボックスの開口側端部は、前記基台部に隣接して複数のボルトを介し前記積層方向に締め付け保持されることを特徴とする燃料電池スタック。
5. 請求項２〜４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、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燃料ガス通路及び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酸化剤ガス通路が個別に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通路に又は前記酸化剤ガスを前記酸化剤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、
   前記橋架部に連結され、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを前記反応ガス供給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、
   を備え、
   前記燃料電池保持部は、前記反応ガス供給部に前記積層方向に荷重を付与する第１燃料電池保持部と、
   前記挟持部に前記電解質・電極接合体に対応して前記積層方向に荷重を付与する第２燃料電池保持部と、
   を有し、
   前記第１燃料電池保持部は、前記第２燃料電池保持部よりも前記積層方向に大きな荷重を付与することを特徴とする燃料電池スタック。
6. 請求項１〜５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。

Images