燃料電池スタック
【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、セパレータ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を構成する第１セパレータ２８ａは、電解質・電極接合体２６を挟持する挟持部８８と、燃料ガス供給連通孔３４が積層方向に形成される燃料ガス供給部８４と、前記燃料ガス供給部８４に設けられ、前記積層方向の荷重を緩和する第１荷重緩和機構９６とを備える。第１荷重緩和機構９６は、一対の第１セパレータ２８ａの各燃料ガス供給部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と、前記燃料ガス供給部８４から燃料ガスが漏れることを阻止するシール部材１１０ａ〜１１０ｃとを備える。
【解決手段】燃料電池スタック１０を構成する第１セパレータ２８ａは、電解質・電極接合体２６を挟持する挟持部８８と、燃料ガス供給連通孔３４が積層方向に形成される燃料ガス供給部８４と、前記燃料ガス供給部８４に設けられ、前記積層方向の荷重を緩和する第１荷重緩和機構９６とを備える。第１荷重緩和機構９６は、一対の第１セパレータ２８ａの各燃料ガス供給部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と、前記燃料ガス供給部８４から燃料ガスが漏れることを阻止するシール部材１１０ａ〜１１０ｃとを備える。
【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、第１セパレータ及び第２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する必要がある。
【０００４】
この種の燃料電池として、例えば、特許文献１に開示されている平板型固体酸化物形燃料電池が知られている。この燃料電池は、図１３に示すように、セルスタック１ａと、前記セルスタック１ａの周囲に配設される各単セル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。燃料電池では、セルスタック１ａが第１の加圧機構３ａにより加圧されるとともに、各マニホールドＭ１〜Ｍ４が第２の加圧機構４ａにより加圧されている。
【０００５】
セルスタック１ａは、単セル２ａとインターコネクタ５ａとを交互に積層して構成されている。マニホールドＭ１は、セルスタック１ａに燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホールドを構成し、マニホールドＭ２は、前記セルスタック１ａから前記燃料ガスを排出する排気マニホールドを構成している。マニホールドＭ３は、セルスタック１ａに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給マニホールドを構成し、マニホールドＭ４は、前記セルスタック１ａから前記酸化剤ガスを排出する排気マニホールドを構成している。
【０００６】
第１の加圧機構３ａは、セルスタック１ａ上に設置される押さえ板６ａ及び圧縮ばね７ａを備えている。第２の加圧機構４ａは、各マニホールドＭ１〜Ｍ４上に設置される圧縮ばね８ａを備えている。
【０００７】
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１４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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
さらに、特許文献３に開示されているシール構造体が知られている。この特許文献３は、金属を含むセラミック材料で構成された燃料極上に、順次、電解質膜及び空気極を積層し、且つ、前記電解質膜の縁周上面にステンレス鋼製セパレータを配置してなる低温作動の固体酸化物形燃料電池のシール構造体である。そして、燃料極の側周面の研磨により前記燃料極の側周面に燃料極自体の構成材料から金属を延伸、露出させ、該金属が延伸、露出した前記燃料極の側周面及び電解質膜の側周面とセパレータの下面との間を、金属ろう材でろう付けしてなることを特徴としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第４２９１２９９号公報
【特許文献２】特開２００７−３１７４９０号公報
【特許文献３】特許第４０８７２１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
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歪みや変形が発生し易い。
【００１３】
その際、上記の特許文献１では、セルスタック１ａは、第１の加圧機構３ａにより拘束されるとともに、各マニホールドＭ１〜Ｍ４は、第２の加圧機構４ａにより拘束されている。従って、インターコネクタ５ａ（セパレータ）やＭＥＡが破損するおそれがある。
【００１４】
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、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。
【００１５】
さらに、上記の特許文献３では、燃料電池の急速昇温時に、急激な変位が発生すると、歪みによって金属ろう材によるろう付け部が破損するおそれがある。
【００１６】
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、セパレータ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】
【００１７】
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、第１セパレータ及び第２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。
【００１８】
この燃料電池スタックでは、少なくとも第１セパレータは、電解質・電極接合体を挟持するとともに、電極面に沿って一方の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、前記一方の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、前記反応ガス供給部に設けられ、前記積層方向の荷重を緩和する荷重緩和機構とを備えている。
【００１９】
そして、荷重緩和機構は、積層方向に隣接し且つ一方の反応ガスを流通させる一対の反応ガス供給部同士を連結するとともに、前記積層方向の荷重を緩和するばね性を有する一対の連結部材と、前記反応ガス供給部から前記一方の反応ガスが漏れることを阻止するシール部材とを備えている。
【００２０】
また、この燃料電池スタックでは、連結部材は、第１セパレータに結合されるセパレータ結合部位と、積層方向に隣接する前記連結部材同士を係合する係合部位と、前記セパレータ結合部位と前記係合部位とを繋ぎ且つばね性を有する連結部位とを備えることが好ましい。
【００２１】
従って、連結部材は、実質的にベローズ形状を有する単一部材で構成されるため、連結部位に撓みが発生することにより、積層方向の変位量を吸収することができる。このため、連結部材は、簡単且つ経済的な構成で、歪みの緩和機能とシール機能とを確保することが可能になる。
【００２２】
さらに、この燃料電池スタックでは、荷重緩和機構は、一対の連結部材を一体に結合させるための結合部材を備えるとともに、シール部材は、一対の前記連結部材同士が係合する領域及び一対の前記連結部材と前記結合部材とが係合する領域に介装されることが好ましい。これにより、一対の連結部材を確実且つ強固に固定するとともに、所望のシール性能を確保することができる。
【００２３】
さらにまた、この燃料電池スタックでは、一対の連結部材を構成する一方の連結部材は、他方の前記連結部材よりも外形寸法が大きく設定され、一方の前記連結部材の外周縁部を、一対のシール部材間に介装される他方の前記連結部材の外周縁部を覆って折り曲げることにより、一対の前記連結部材同士を一対の前記シール部材と一体に結合することが好ましい。従って、一方の連結部材は、結合部材としての機能を兼用することが可能になり、部品点数の削減を図ることができ、経済的である。
【００２４】
また、この燃料電池スタックでは、荷重緩和機構は、一対の連結部材の外周縁部同士を直接接合するとともに、前記連結部材と第１セパレータとの間に、シール部材が介装されることが好ましい。このため、一対の連結部材は、結合部材としての機能を兼用することが可能になるとともに、必要なシール部材の数を最小限に抑制することができる。これにより、部品点数の削減を図ることができ、経済的である。
【００２５】
さらに、この燃料電池スタックでは、第１セパレータ及び第２セパレータは、同一形状を有するとともに、互いに接合される第１プレート及び第２プレートを備えることが好ましい。従って、第１セパレータと第２セパレータとに、それぞれ専用セパレータを用いる必要がなく、部品点数の削減を図ることが可能になり、経済的である。
【００２６】
さらにまた、この燃料電池スタックでは、少なくとも第１セパレータは、挟持部と反応ガス供給部とを連結し、一方の反応ガスを反応ガス供給連通孔から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を備えることが好ましい。このため、橋架部は、挟持部の荷重と反応ガス供給部の荷重とを一層確実に分断することができる。
【００２７】
また、この燃料電池スタックでは、第１セパレータは、一方の反応ガスである燃料ガスを流通させる反応ガス供給部である燃料ガス供給部を設けるとともに、第２セパレータは、他方の反応ガスである酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス供給部を設け、荷重緩和機構は、積層方向に隣接する一対の前記燃料ガス供給部同士を連結する燃料ガス側荷重緩和機構と、前記積層方向に隣接する一対の前記酸化剤ガス供給部同士を連結する酸化剤ガス側荷重緩和機構とを備えることが好ましい。これにより、燃料ガス供給部及び酸化剤ガス供給部の損傷を可及的に阻止することが可能になる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、荷重緩和機構は、積層方向に隣接する反応ガス供給部同士を、ばね性を有する連結部材によりシール部材と一体に結合するため、前記連結部材に撓みが発生することによって、積層方向の変位量が吸収される。従って、シール性能を確保するとともに、急速昇温時の急激な変位を有効に吸収することができるため、セパレータに歪みが発生することを抑制し、反応ガス供給部の損傷を可及的に阻止することが可能になる。
【００２９】
しかも、積層方向の荷重は、連結部材の撓みにより緩和することができる。これにより、セパレータの積層方向に生じる寸法誤差を良好に吸収することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの分解斜視説明図である。
【図２】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３】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４】前記燃料電池スタックの、図１中、ＩＶ−ＩＶ線断面である。
【図５】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説明図である。
【図６】前記燃料電池スタックの断面説明図である。
【図７】本発明の第３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説明図である。
【図８】前記燃料電池スタックの断面説明図である。
【図９】本発明の第４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説明図である。
【図１０】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１１】前記燃料電池を構成する第２プレートの説明図である。
【図１２】前記燃料電池の、図１１中、ＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。
【図１３】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。
【図１４】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】
【００３１】
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、複数の燃料電池１２が矢印Ａ方向に積層される。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。
【００３２】
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１〜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）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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
第１挟持部４０は、電解質・電極接合体２６と同じ寸法もしくは電解質・電極接合体２６よりも大径な寸法に設定されるとともに、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。
【００３７】
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。
【００３８】
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に接して積層方向の荷重に対する潰れ防止機能を有する複数の突起部５６が形成される。
【００３９】
第１及び第２橋架部３８、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及び第２挟持部４０、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。
【００４０】
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（他方の反応ガス）を供給するための酸化剤ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）６２が形成される第１及び第２酸化剤ガス供給部（反応ガス供給部）６４、６６を有する。
【００４１】
第１プレート３０ｂ及び第２プレート３２ｂは、第１及び第２酸化剤ガス供給部６４、６６から外方に突出する第１及び第２橋架部６８、７０を介して第１及び第２挟持部７２、７４が一体に設けられる。
【００４２】
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。
【００４３】
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及び第２橋架部６８、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（反応ガス充填室）８２が形成される。
【００４４】
図１に示すように、第１セパレータ２８ａは、第１及び第２燃料ガス供給部３６、４８により燃料ガス供給部（反応ガス供給部）８４を構成し、第１及び第２橋架部３８、５０により橋架部８６を構成し、第１及び第２挟持部４０、５２により挟持部８８を構成する。第２セパレータ２８ｂは、第１及び第２酸化剤ガス供給部６４、６６により酸化剤ガス供給部（反応ガス供給部）９０を構成し、第１及び第２橋架部６８、７０により橋架部９２を構成し、第１及び第２挟持部７２、７４により挟持部９４を構成する。
【００４５】
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、積層方向の荷重を緩和する第１荷重緩和機構（燃料ガス側荷重緩和機構）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、積層方向の荷重を緩和する第２荷重緩和機構（酸化剤ガス側荷重緩和機構）９８が設けられる。
【００４６】
図２及び図４に示すように、第１荷重緩和機構９６は、第１セパレータ２８ａを構成する第１及び第２プレート３０ａ、３２ａにおいて、第１及び第２燃料ガス供給部３６、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。
【００４７】
連結部材１００ａは、図４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。
【００４８】
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。
【００４９】
第１荷重緩和機構９６は、図２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。
【００５０】
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４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。
【００５１】
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。
【００５２】
第２荷重緩和機構９８は、第２セパレータ２８ｂを構成する第２及び第１プレート３２ｂ、３０ｂにおいて、第２及び第１酸化剤ガス供給部６６、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。
【００５３】
連結部材１１２ａは、図４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。
【００５４】
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。
【００５５】
第２荷重緩和機構９８は、図２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。
【００５６】
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４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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
先ず、図１及び図３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。
【００６０】
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及び第２橋架部３８、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。
【００６１】
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。
【００６２】
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及び第２橋架部６８、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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
この場合、第１の実施形態では、第１荷重緩和機構９６は、積層方向に隣接する第１セパレータ２８ａの燃料ガス供給部８４同士を、ばね性を有する連結部材１００ａ、１００ｂによりシール部材１１０ａ〜１１０ｃと一体に結合している。このため、連結部材１００ａ、１００ｂに撓みが発生することによって、積層方向の変位量が吸収される。
【００６７】
従って、第１荷重緩和機構９６では、燃料ガスのシール性能を確保するとともに、特に起動時に急速昇温する際の急激な変位を有効に吸収することができる。これにより、第１セパレータ２８ａに歪みが発生することを抑制し、燃料ガス供給部８４の損傷を可及的に阻止することが可能になるという効果が得られる。
【００６８】
しかも、積層方向の荷重は、連結部材１００ａ、１００ｂの撓みにより緩和することができる。このため、第１セパレータ２８ａの積層方向の寸法誤差を良好に吸収することが可能になる。
【００６９】
また、連結部材１００ａ、１００ｂは、第１セパレータ２８ａに結合されるセパレータ結合部位１０２ａ、１０２ｂと、積層方向に隣接する前記連結部材１００ａ、１００ｂ同士を係合する係合部位１０４ａ、１０４ｂと、前記セパレータ結合部位１０２ａ、１０２ｂと前記係合部位１０４ａ、１０４ｂとを繋ぎ且つばね性を有する傾斜形状の連結部位１０６ａ、１０６ｂとを備えている。
【００７０】
従って、連結部材１００ａ、１００ｂは、実質的に、それぞれベローズ形状を有する単一部材で構成されるため、低剛性部位である連結部位１０６ａ、１０６ｂに撓みが発生することにより、積層方向の変位量を吸収することができる。これにより、連結部材１００ａ、１００ｂは、簡単且つ経済的な構成で、歪みの緩和機能とシール機能とを確保することが可能になる。
【００７１】
さらに、第１荷重緩和機構９６は、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が介装されている。このため、一対の連結部材１００ａ、１００ｂを確実且つ強固に固定するとともに、所望のシール性能を確保することができる。
【００７２】
しかも、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ている。従って、第１荷重緩和機構９６の組立作業性が向上するとともに、シール性能及び絶縁性能の向上が図られる。なお、結合部材１０８は、複数に分割されていればよく、例えば、４つに分割形成されていてもよい。
【００７３】
さらに、第１セパレータ２８ａ及び第２セパレータ２８ｂは、同一形状を有するとともに、互いに接合される第１プレート３０ａ、３０ｂ及び第２プレート３２ａ、３２ｂを備えている。これにより、第１セパレータ２８ａと第２セパレータ２８ｂとに、それぞれ専用セパレータを用いる必要がなく、部品点数の削減を図ることが可能になり、経済的である。
【００７４】
さらにまた、第１セパレータ２８ａは、挟持部８８と燃料ガス供給部８４とを連結し、燃料ガスを燃料ガス供給連通孔３４から燃料ガス通路４４に供給するための燃料ガス供給通路５８が形成される橋架部８６を備えている。これにより、橋架部８６は、挟持部８８の荷重と燃料ガス供給部８４の荷重とを一層確実に分断することができる。
【００７５】
一方、第２セパレータ２８ｂにおいても、上記の第１セパレータ２８ａと同様である。また、第２荷重緩和機構９８では、上記の第１荷重緩和機構９６と同様の効果が得られる。
【００７６】
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１４０を構成する燃料電池１４２の分解斜視説明図である。
【００７７】
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以降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。
【００７８】
燃料電池スタック１４０では、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、積層方向の荷重を緩和する第１荷重緩和機構１４４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、積層方向の荷重を緩和する第２荷重緩和機構１４６が設けられる。
【００７９】
図５及び図６に示すように、第１荷重緩和機構１４４は、第１プレート３０ａに結合される連結部材１４８ａと、第２プレート３２ａに結合される連結部材１４８ｂとを備える。連結部材１４８ａは、連結部材１４８ｂよりも大径に構成されるとともに、前記連結部材１４８ａ、１４８ｂは、第１セパレータ２８ａに結合されるセパレータ結合部位１５０ａ、１５０ｂと、積層方向に隣接する前記連結部材１４８ａ、１４８ｂ同士を係合する係合部位１５２ａ、１５２ｂと、前記セパレータ結合部位１５０ａ、１５０ｂと前記係合部位１５２ａ、１５２ｂとを繋ぎ且つばね性を有する傾斜形状の連結部位１５４ａ、１５４ｂとを備える。
【００８０】
連結部材１４８ａの外周縁部には、連結部位１５４ａから外方に延在して折り返し部位１５６が一体に設けられる。折り返し部位１５６には、外周端部から内方に切り欠いて複数のスリット１５８が形成される。
【００８１】
図６に示すように、連結部材１４８ｂを構成する係合部位１５２ｂの両面に、リング状のシール部材１１０ａ、１１０ｃが配設された状態で、連結部材１４８ａの折り返し部位１５６が、前記係合部位１５２ｂを覆って折り曲げられる。これにより、一対の連結部材１４８ａ、１４８ｂ同士は、シール部材１１０ａ、１１０ｃと一体にかしめられる。
【００８２】
なお、第２荷重緩和機構１４６は、上記の第１荷重緩和機構１４４と同様に構成されており、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。
【００８３】
このように、第２の実施形態では、連結部材１４８ａに設けられた折り返し部位１５６は、結合部材としての機能を兼用することが可能になるとともに、シール部材１１０ｂが不要になる。これにより、部品点数の削減を図ることができ、経済的であるという効果が得られる。
【００８４】
図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１７０を構成する燃料電池１７２の分解斜視説明図である。
【００８５】
燃料電池スタック１７０では、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、積層方向の荷重を緩和する第１荷重緩和機構１７４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、積層方向の荷重を緩和する第２荷重緩和機構１７６が設けられる。
【００８６】
図７及び図８に示すように、第１荷重緩和機構１７４は、第１プレート３０ａに絶縁性をかねたシール部材１７８ａを介装して配置される連結部材１８０ａと、第２プレート３２ａに絶縁性をかねたシール部材１７８ｂを介装して配置される連結部材１８０ｂとを備える。
【００８７】
連結部材１８０ａ、１８０ｂは、シール部材１７８ａ、１７８ｂに当接支持されるセパレータ結合部位１８２ａ、１８２ｂと、積層方向に隣接する前記連結部材１８０ａ、１８０ｂ同士を係合して直接溶接される係合部位１８４ａ、１８４ｂと、前記セパレータ結合部位１８２ａ、１８２ｂと前記係合部位１８４ａ、１８４ｂとを繋ぎ且つばね性を有する傾斜形状の連結部位１８６ａ、１８６ｂとを備える。
【００８８】
シール部材１７８ａ、１７８ｂは、上記のシール部材１１０ａ等と同様の材料で構成されるとともに、セパレータ結合部位１８２ａ、１８２ｂと略同一の径寸法に設定される。シール部材１７８ａ、１７８ｂは、燃料電池スタック１７０に積層方向の荷重が付与された際、面圧により第１セパレータ２８ａと連結部材１８０ａ、１８０ｂとに接着される。
【００８９】
なお、第２荷重緩和機構１７６は、上記の第１荷重緩和機構１７４と同様に構成されており、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。
【００９０】
このように、第３の実施形態では、一対の連結部材１８０ａ、１８０ｂは、それぞれの外周縁部である係合部位１８４ａ、１８４ｂ同士が直接溶接されるため、前記連結部材１８０ａ、１８０ｂ間をシールするためのシール部材が不要になる。しかも、連結部材１８０ａ、１８０ｂと第１セパレータ２８ａとの間にのみ、面圧により接着されるシール部材１７８ａ、１７８ｂが介装されている。
【００９１】
このため、一対の連結部材１８０ａ、１８０ｂは、結合部材としての機能を兼用することが可能になるとともに、必要なシール部材数を最小限（シール部材１７８ａ、１７８ｂのみ）に抑制することができる。これにより、部品点数の削減を図ることができ、経済的であるという効果が得られる。
【００９２】
図９は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタック２００を構成する燃料電池２１０の分解斜視説明図である。
【００９３】
図９及び図１０に示すように、燃料電池２１０は、例えば、矩形状の電解質（電解質板）２１２の両面に、カソード電極２１４及びアノード電極２１６が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）２１８を備える。
【００９４】
燃料電池２１０は、一組のセパレータ（第１及び第２セパレータ）２２０間に単一の電解質・電極接合体２１８を挟んで構成される。セパレータ２２０は、第１プレート２２２及び第２プレート２２４を備え、前記第１プレート２２２及び前記第２プレート２２４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。
【００９５】
セパレータ２２０は、中央部に燃料ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）２２６を形成する燃料ガス供給部（反応ガス供給部）２２８を有する。この燃料ガス供給部２２８から外方に延在する橋架部２３０を介して矩形状の挟持部２３２が一体的に設けられる。挟持部２３２は、電解質・電極接合体２１８と略同一寸法に設定される。
【００９６】
挟持部２３２のカソード電極２１４に接する面には、前記カソード電極２１４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（反応ガス通路）２３４が形成される。挟持部２３２のアノード電極２１６の接する面には、前記アノード電極２１６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）２３６が形成される（図９参照）。橋架部２３０には、燃料ガスを燃料ガス供給連通孔２２６から燃料ガス通路２３６に供給するための燃料ガス供給通路２３８が形成される。
【００９７】
図９に示すように、第１プレート２２２は、中央部に燃料ガス供給連通孔２２６が形成される第１円板部２４０と、前記第１円板部２４０に一体に設けられる第１長板部２４２と、前記第１長板部２４２に一体に設けられる第１矩形状部２４４とを有する。第１矩形状部２４４には、第１プレート２２２のカソード電極２１４に向かう面２２２ａ側に、酸化剤ガス通路２３４を形成するための複数の突起部２４６が形成される。
【００９８】
第２プレート２２４は、中央部に燃料ガス供給連通孔２２６が形成される第２円板部２４８と、前記第２円板部２４８に一体に設けられる第２長板部２５０と、前記第２長板部２５０に一体に設けられる第２矩形状部２５２とを有する。第１プレート２２２に接合される面２２４ａ側において、第２円板部２４８には、円環状に配列される複数の凸部２５４間にスリット２５６が形成され、このスリット２５６は、周溝２５８を介して燃料ガス供給通路２３８の一端側に連通する。燃料ガス供給通路２３８は、第２長板部２５０から第２矩形状部２５２の途上で延在して終端する。
【００９９】
第２矩形状部２５２には、燃料ガス供給通路２３８の周端部近傍に位置して燃料ガス供給孔２６０が形成される。燃料ガス供給孔２６０は、後述する酸化剤ガスの流れ方向（矢印Ｂ方向）上方側に近接し、すなわち、第２長板部２５０側に近接した位置に設定される。
【０１００】
図１１に示すように、第２プレート２２４のアノード電極２１６に接触する面２２４ｂには、燃料ガス通路２３６を形成するための複数の突起部２６２が形成される。面２２４ｂには、燃料ガス通路２３６を周回し、アノード電極２１６の外周縁部に接触する外縁周回用凸部２６５が形成される。
【０１０１】
面２２４ｂには、燃料ガス通路２３６を通って使用された燃料ガスを排出する燃料ガス排出孔２６４に連通する貫通孔２６６が形成される。貫通孔２６６は、第２長板部２５０（橋架部２３０）の延長線と交差する方向に複数配列される。各貫通孔２６６に連通する各燃料ガス排出孔２６４は、挟持部２３２の一辺２３２ａに橋架部２３０の延長線と直交する方向（矢印Ｃ方向）に配列される（図９参照）。
【０１０２】
図１１に示すように、面２２４ｂには、アノード電極２１６に接触するとともに、燃料ガス供給孔２６０と貫通孔２６６（燃料ガス排出孔２６４）との間に且つ前記燃料ガス供給孔２６０側にＶ字状に折曲し、燃料ガスが前記燃料ガス供給孔２６０から前記貫通孔２６６に直線状に流れることを阻止するための迂回路形成用壁部２６８が設けられる。迂回路形成用壁部２６８は、Ｖ字状の内部領域Ｓを形成し内部領域Ｓに燃料ガス供給孔２６０が配設される。迂回路形成用壁部２６８は、両端２６８ａ、２６８ｂの延長線が挟持部２３２の両頂部に向かうように設定される。
【０１０３】
図９及び図１０に示すように、橋架部２３０の両側には、酸化剤ガスを矢印Ａ方向に流通させるための酸化剤ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）２７０が設けられる。酸化剤ガス供給連通孔２７０は、鉛直方向に酸化剤ガスを流通させるとともに、各燃料電池２１０を構成する酸化剤ガス通路２３４に沿って前記酸化剤ガスを矢印Ｂ方向に供給する。
【０１０４】
電解質・電極接合体２１８を挟んで配設される一対のセパレータ２２０を構成する各燃料ガス供給部２２８には、積層方向の荷重を緩和する荷重緩和機構２７２が設けられる。
【０１０５】
荷重緩和機構２７２は、第１の実施形態の第１荷重緩和機構９６と同様に構成されており、一方のセパレータ（第１セパレータ）２２０の燃料ガス供給部２２８を構成する第１円板部２４０に固着される連結部材１００ａと、他方のセパレータ（第２セパレータ）２２０の燃料ガス供給部２２８を構成する第２円板部２４８に固着される連結部材１００ｂとを備える。
【０１０６】
荷重緩和機構２７２は、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。
【０１０７】
なお、荷重緩和機構２７２は、第１の実施形態の第１荷重緩和機構９６を採用しているが、これに限定されるものではない。例えば、荷重緩和機構２７２として、第２の実施形態の第１荷重緩和機構１４４や第３の実施形態の第１荷重緩和機構１７４を採用してもよい。
【０１０８】
燃料電池２１０は、挟持部２３２の矢印Ｂ方向外方に位置して、排ガス排出連通孔２７４が形成される。この排ガス排出連通孔２７４は、電解質・電極接合体２１８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。
【０１０９】
このように構成される燃料電池２１０では、燃料ガス供給連通孔２２６に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔２７０には、酸化剤ガスが供給される。図９及び図１０に示すように、燃料ガス供給連通孔２２６に供給された燃料ガスは、各燃料電池２１０を構成するセパレータ２２０において、スリット２５６から周溝２５８を通って、橋架部２３０に形成されている燃料ガス供給通路２３８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス供給通路２３８から燃料ガス供給孔２６０を通って、燃料ガス通路２３６に導入される。
【０１１０】
図１１に示すように、燃料ガス供給孔２６０は、橋架部２３０側に近接して設けられるとともに、迂回路形成用壁部２６８の内部領域Ｓに配置されている。このため、燃料ガス供給孔２６０から燃料ガス通路２３６に導入された燃料ガスは、迂回路形成用壁部２６８の案内作用下に前記燃料ガス通路２３６を通って、電解質・電極接合体２１８のアノード電極２１６に供給される。使用済みの燃料ガスは、複数の貫通孔２６６から各燃料ガス排出孔２６４を通って排ガス排出連通孔２７４に排出される。
【０１１１】
一方、酸化剤ガス供給連通孔２７０に供給された空気は、図１０に示すように、各電解質・電極接合体２１８のカソード電極２１４とセパレータ２２０の面２２２ａとの間に形成されている酸化剤ガス通路２３４に導入される。酸化剤ガス通路２３４では、酸化剤ガスは矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質・電極接合体２１８のカソード電極２１４に供給された後、排ガス排出連通孔２７４に排出される。
【０１１２】
従って、電解質・電極接合体２１８では、アノード電極２１６に燃料ガスが供給される一方、カソード電極２１４に空気が供給される。これにより、酸化物イオンは、電解質２１２を通ってアノード電極２１６に移動し、化学反応により発電が行われる。
【０１１３】
この場合、第４の実施形態では、電解質・電極接合体２１８を挟んで配設される一対のセパレータ２２０を構成する各燃料ガス供給部２２８に、積層方向の荷重を緩和する荷重緩和機構２７２が設けられている。この荷重緩和機構２７２は、第１荷重緩和機構９６を採用している。
【０１１４】
これにより、燃料ガスのシール性能を確保するとともに、特に起動時に急速昇温する際の急激な変位を有効に吸収することができ、燃料ガス供給部２２８の損傷を可及的に阻止することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【０１１５】
１０、１４０、１７０、２００…燃料電池スタック
１２、１４２、１７２、２１０…燃料電池
２０、２１２…電解質
２２、２１４…カソード電極 ２４、２１６…アノード電極
２６、２１８…電解質・電極接合体 ２８ａ、２８ｂ、２２０…セパレータ
３０ａ、３２ａ、２２２、２２４…プレート
３４、２２６…燃料ガス供給連通孔 ３６、４８、８４、２２８…燃料ガス供給部
３８、５０、６８、７０、８６、９２、２３０…橋架部
４０、５２、７２、７４、８８、９４、２３２…挟持部
４２…凸部 ４４、２３６…燃料ガス通路
４６…燃料ガス供給孔 ５４…周回凸部
５６…突起部 ５８、２３８…燃料ガス供給通路
６２…酸化剤ガス供給連通孔 ６４、６６、９０…酸化剤ガス供給部
７６、２３４…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
９６、９８、１４４、１４６、１７４、１７６、２７２…荷重緩和機構
１００ａ、１００ｂ、１１２ａ、１１２ｂ、１４８ａ、１４８ｂ、１８０ａ、１８０ｂ…連結部材
１０２ａ、１０２ｂ、１１４ａ、１１４ｂ、１５０ａ、１５０ｂ、１８２ａ、１８２ｂ…セパレータ結合部位
１０４ａ、１０４ｂ、１１６ａ、１１６ｂ、１５２ａ、１５２ｂ、１８４ａ、１８４ｂ…係合部位
１０６ａ、１０６ｂ、１１８ａ、１１８ｂ、１５４ａ、１５４ｂ、１８６ａ、１８６ｂ…連結部位
１０８、１２０…結合部材
１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ、１７８ａ、１７８ｂ…シール部材
１５６…折り返し部位 １５８…スリット
【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、第１セパレータ及び第２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する必要がある。
【０００４】
この種の燃料電池として、例えば、特許文献１に開示されている平板型固体酸化物形燃料電池が知られている。この燃料電池は、図１３に示すように、セルスタック１ａと、前記セルスタック１ａの周囲に配設される各単セル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。燃料電池では、セルスタック１ａが第１の加圧機構３ａにより加圧されるとともに、各マニホールドＭ１〜Ｍ４が第２の加圧機構４ａにより加圧されている。
【０００５】
セルスタック１ａは、単セル２ａとインターコネクタ５ａとを交互に積層して構成されている。マニホールドＭ１は、セルスタック１ａに燃料ガスを供給する燃料ガス供給マニホールドを構成し、マニホールドＭ２は、前記セルスタック１ａから前記燃料ガスを排出する排気マニホールドを構成している。マニホールドＭ３は、セルスタック１ａに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給マニホールドを構成し、マニホールドＭ４は、前記セルスタック１ａから前記酸化剤ガスを排出する排気マニホールドを構成している。
【０００６】
第１の加圧機構３ａは、セルスタック１ａ上に設置される押さえ板６ａ及び圧縮ばね７ａを備えている。第２の加圧機構４ａは、各マニホールドＭ１〜Ｍ４上に設置される圧縮ばね８ａを備えている。
【０００７】
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１４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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
さらに、特許文献３に開示されているシール構造体が知られている。この特許文献３は、金属を含むセラミック材料で構成された燃料極上に、順次、電解質膜及び空気極を積層し、且つ、前記電解質膜の縁周上面にステンレス鋼製セパレータを配置してなる低温作動の固体酸化物形燃料電池のシール構造体である。そして、燃料極の側周面の研磨により前記燃料極の側周面に燃料極自体の構成材料から金属を延伸、露出させ、該金属が延伸、露出した前記燃料極の側周面及び電解質膜の側周面とセパレータの下面との間を、金属ろう材でろう付けしてなることを特徴としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許第４２９１２９９号公報
【特許文献２】特開２００７−３１７４９０号公報
【特許文献３】特許第４０８７２１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
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歪みや変形が発生し易い。
【００１３】
その際、上記の特許文献１では、セルスタック１ａは、第１の加圧機構３ａにより拘束されるとともに、各マニホールドＭ１〜Ｍ４は、第２の加圧機構４ａにより拘束されている。従って、インターコネクタ５ａ（セパレータ）やＭＥＡが破損するおそれがある。
【００１４】
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、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。
【００１５】
さらに、上記の特許文献３では、燃料電池の急速昇温時に、急激な変位が発生すると、歪みによって金属ろう材によるろう付け部が破損するおそれがある。
【００１６】
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、セパレータ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】
【００１７】
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、第１セパレータ及び第２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。
【００１８】
この燃料電池スタックでは、少なくとも第１セパレータは、電解質・電極接合体を挟持するとともに、電極面に沿って一方の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、前記一方の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、前記反応ガス供給部に設けられ、前記積層方向の荷重を緩和する荷重緩和機構とを備えている。
【００１９】
そして、荷重緩和機構は、積層方向に隣接し且つ一方の反応ガスを流通させる一対の反応ガス供給部同士を連結するとともに、前記積層方向の荷重を緩和するばね性を有する一対の連結部材と、前記反応ガス供給部から前記一方の反応ガスが漏れることを阻止するシール部材とを備えている。
【００２０】
また、この燃料電池スタックでは、連結部材は、第１セパレータに結合されるセパレータ結合部位と、積層方向に隣接する前記連結部材同士を係合する係合部位と、前記セパレータ結合部位と前記係合部位とを繋ぎ且つばね性を有する連結部位とを備えることが好ましい。
【００２１】
従って、連結部材は、実質的にベローズ形状を有する単一部材で構成されるため、連結部位に撓みが発生することにより、積層方向の変位量を吸収することができる。このため、連結部材は、簡単且つ経済的な構成で、歪みの緩和機能とシール機能とを確保することが可能になる。
【００２２】
さらに、この燃料電池スタックでは、荷重緩和機構は、一対の連結部材を一体に結合させるための結合部材を備えるとともに、シール部材は、一対の前記連結部材同士が係合する領域及び一対の前記連結部材と前記結合部材とが係合する領域に介装されることが好ましい。これにより、一対の連結部材を確実且つ強固に固定するとともに、所望のシール性能を確保することができる。
【００２３】
さらにまた、この燃料電池スタックでは、一対の連結部材を構成する一方の連結部材は、他方の前記連結部材よりも外形寸法が大きく設定され、一方の前記連結部材の外周縁部を、一対のシール部材間に介装される他方の前記連結部材の外周縁部を覆って折り曲げることにより、一対の前記連結部材同士を一対の前記シール部材と一体に結合することが好ましい。従って、一方の連結部材は、結合部材としての機能を兼用することが可能になり、部品点数の削減を図ることができ、経済的である。
【００２４】
また、この燃料電池スタックでは、荷重緩和機構は、一対の連結部材の外周縁部同士を直接接合するとともに、前記連結部材と第１セパレータとの間に、シール部材が介装されることが好ましい。このため、一対の連結部材は、結合部材としての機能を兼用することが可能になるとともに、必要なシール部材の数を最小限に抑制することができる。これにより、部品点数の削減を図ることができ、経済的である。
【００２５】
さらに、この燃料電池スタックでは、第１セパレータ及び第２セパレータは、同一形状を有するとともに、互いに接合される第１プレート及び第２プレートを備えることが好ましい。従って、第１セパレータと第２セパレータとに、それぞれ専用セパレータを用いる必要がなく、部品点数の削減を図ることが可能になり、経済的である。
【００２６】
さらにまた、この燃料電池スタックでは、少なくとも第１セパレータは、挟持部と反応ガス供給部とを連結し、一方の反応ガスを反応ガス供給連通孔から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を備えることが好ましい。このため、橋架部は、挟持部の荷重と反応ガス供給部の荷重とを一層確実に分断することができる。
【００２７】
また、この燃料電池スタックでは、第１セパレータは、一方の反応ガスである燃料ガスを流通させる反応ガス供給部である燃料ガス供給部を設けるとともに、第２セパレータは、他方の反応ガスである酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス供給部を設け、荷重緩和機構は、積層方向に隣接する一対の前記燃料ガス供給部同士を連結する燃料ガス側荷重緩和機構と、前記積層方向に隣接する一対の前記酸化剤ガス供給部同士を連結する酸化剤ガス側荷重緩和機構とを備えることが好ましい。これにより、燃料ガス供給部及び酸化剤ガス供給部の損傷を可及的に阻止することが可能になる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、荷重緩和機構は、積層方向に隣接する反応ガス供給部同士を、ばね性を有する連結部材によりシール部材と一体に結合するため、前記連結部材に撓みが発生することによって、積層方向の変位量が吸収される。従って、シール性能を確保するとともに、急速昇温時の急激な変位を有効に吸収することができるため、セパレータに歪みが発生することを抑制し、反応ガス供給部の損傷を可及的に阻止することが可能になる。
【００２９】
しかも、積層方向の荷重は、連結部材の撓みにより緩和することができる。これにより、セパレータの積層方向に生じる寸法誤差を良好に吸収することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの分解斜視説明図である。
【図２】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３】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４】前記燃料電池スタックの、図１中、ＩＶ−ＩＶ線断面である。
【図５】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説明図である。
【図６】前記燃料電池スタックの断面説明図である。
【図７】本発明の第３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説明図である。
【図８】前記燃料電池スタックの断面説明図である。
【図９】本発明の第４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説明図である。
【図１０】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１１】前記燃料電池を構成する第２プレートの説明図である。
【図１２】前記燃料電池の、図１１中、ＸＩＩ−ＸＩＩ線断面図である。
【図１３】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。
【図１４】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】
【００３１】
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、複数の燃料電池１２が矢印Ａ方向に積層される。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。
【００３２】
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１〜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）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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
第１挟持部４０は、電解質・電極接合体２６と同じ寸法もしくは電解質・電極接合体２６よりも大径な寸法に設定されるとともに、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。
【００３７】
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。
【００３８】
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に接して積層方向の荷重に対する潰れ防止機能を有する複数の突起部５６が形成される。
【００３９】
第１及び第２橋架部３８、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及び第２挟持部４０、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。
【００４０】
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（他方の反応ガス）を供給するための酸化剤ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）６２が形成される第１及び第２酸化剤ガス供給部（反応ガス供給部）６４、６６を有する。
【００４１】
第１プレート３０ｂ及び第２プレート３２ｂは、第１及び第２酸化剤ガス供給部６４、６６から外方に突出する第１及び第２橋架部６８、７０を介して第１及び第２挟持部７２、７４が一体に設けられる。
【００４２】
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。
【００４３】
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及び第２橋架部６８、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（反応ガス充填室）８２が形成される。
【００４４】
図１に示すように、第１セパレータ２８ａは、第１及び第２燃料ガス供給部３６、４８により燃料ガス供給部（反応ガス供給部）８４を構成し、第１及び第２橋架部３８、５０により橋架部８６を構成し、第１及び第２挟持部４０、５２により挟持部８８を構成する。第２セパレータ２８ｂは、第１及び第２酸化剤ガス供給部６４、６６により酸化剤ガス供給部（反応ガス供給部）９０を構成し、第１及び第２橋架部６８、７０により橋架部９２を構成し、第１及び第２挟持部７２、７４により挟持部９４を構成する。
【００４５】
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、積層方向の荷重を緩和する第１荷重緩和機構（燃料ガス側荷重緩和機構）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、積層方向の荷重を緩和する第２荷重緩和機構（酸化剤ガス側荷重緩和機構）９８が設けられる。
【００４６】
図２及び図４に示すように、第１荷重緩和機構９６は、第１セパレータ２８ａを構成する第１及び第２プレート３０ａ、３２ａにおいて、第１及び第２燃料ガス供給部３６、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。
【００４７】
連結部材１００ａは、図４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。
【００４８】
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。
【００４９】
第１荷重緩和機構９６は、図２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。
【００５０】
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４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。
【００５１】
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。
【００５２】
第２荷重緩和機構９８は、第２セパレータ２８ｂを構成する第２及び第１プレート３２ｂ、３０ｂにおいて、第２及び第１酸化剤ガス供給部６６、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。
【００５３】
連結部材１１２ａは、図４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。
【００５４】
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。
【００５５】
第２荷重緩和機構９８は、図２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。
【００５６】
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４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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
先ず、図１及び図３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。
【００６０】
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及び第２橋架部３８、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。
【００６１】
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。
【００６２】
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及び第２橋架部６８、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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
この場合、第１の実施形態では、第１荷重緩和機構９６は、積層方向に隣接する第１セパレータ２８ａの燃料ガス供給部８４同士を、ばね性を有する連結部材１００ａ、１００ｂによりシール部材１１０ａ〜１１０ｃと一体に結合している。このため、連結部材１００ａ、１００ｂに撓みが発生することによって、積層方向の変位量が吸収される。
【００６７】
従って、第１荷重緩和機構９６では、燃料ガスのシール性能を確保するとともに、特に起動時に急速昇温する際の急激な変位を有効に吸収することができる。これにより、第１セパレータ２８ａに歪みが発生することを抑制し、燃料ガス供給部８４の損傷を可及的に阻止することが可能になるという効果が得られる。
【００６８】
しかも、積層方向の荷重は、連結部材１００ａ、１００ｂの撓みにより緩和することができる。このため、第１セパレータ２８ａの積層方向の寸法誤差を良好に吸収することが可能になる。
【００６９】
また、連結部材１００ａ、１００ｂは、第１セパレータ２８ａに結合されるセパレータ結合部位１０２ａ、１０２ｂと、積層方向に隣接する前記連結部材１００ａ、１００ｂ同士を係合する係合部位１０４ａ、１０４ｂと、前記セパレータ結合部位１０２ａ、１０２ｂと前記係合部位１０４ａ、１０４ｂとを繋ぎ且つばね性を有する傾斜形状の連結部位１０６ａ、１０６ｂとを備えている。
【００７０】
従って、連結部材１００ａ、１００ｂは、実質的に、それぞれベローズ形状を有する単一部材で構成されるため、低剛性部位である連結部位１０６ａ、１０６ｂに撓みが発生することにより、積層方向の変位量を吸収することができる。これにより、連結部材１００ａ、１００ｂは、簡単且つ経済的な構成で、歪みの緩和機能とシール機能とを確保することが可能になる。
【００７１】
さらに、第１荷重緩和機構９６は、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が介装されている。このため、一対の連結部材１００ａ、１００ｂを確実且つ強固に固定するとともに、所望のシール性能を確保することができる。
【００７２】
しかも、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ている。従って、第１荷重緩和機構９６の組立作業性が向上するとともに、シール性能及び絶縁性能の向上が図られる。なお、結合部材１０８は、複数に分割されていればよく、例えば、４つに分割形成されていてもよい。
【００７３】
さらに、第１セパレータ２８ａ及び第２セパレータ２８ｂは、同一形状を有するとともに、互いに接合される第１プレート３０ａ、３０ｂ及び第２プレート３２ａ、３２ｂを備えている。これにより、第１セパレータ２８ａと第２セパレータ２８ｂとに、それぞれ専用セパレータを用いる必要がなく、部品点数の削減を図ることが可能になり、経済的である。
【００７４】
さらにまた、第１セパレータ２８ａは、挟持部８８と燃料ガス供給部８４とを連結し、燃料ガスを燃料ガス供給連通孔３４から燃料ガス通路４４に供給するための燃料ガス供給通路５８が形成される橋架部８６を備えている。これにより、橋架部８６は、挟持部８８の荷重と燃料ガス供給部８４の荷重とを一層確実に分断することができる。
【００７５】
一方、第２セパレータ２８ｂにおいても、上記の第１セパレータ２８ａと同様である。また、第２荷重緩和機構９８では、上記の第１荷重緩和機構９６と同様の効果が得られる。
【００７６】
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１４０を構成する燃料電池１４２の分解斜視説明図である。
【００７７】
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以降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。
【００７８】
燃料電池スタック１４０では、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、積層方向の荷重を緩和する第１荷重緩和機構１４４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、積層方向の荷重を緩和する第２荷重緩和機構１４６が設けられる。
【００７９】
図５及び図６に示すように、第１荷重緩和機構１４４は、第１プレート３０ａに結合される連結部材１４８ａと、第２プレート３２ａに結合される連結部材１４８ｂとを備える。連結部材１４８ａは、連結部材１４８ｂよりも大径に構成されるとともに、前記連結部材１４８ａ、１４８ｂは、第１セパレータ２８ａに結合されるセパレータ結合部位１５０ａ、１５０ｂと、積層方向に隣接する前記連結部材１４８ａ、１４８ｂ同士を係合する係合部位１５２ａ、１５２ｂと、前記セパレータ結合部位１５０ａ、１５０ｂと前記係合部位１５２ａ、１５２ｂとを繋ぎ且つばね性を有する傾斜形状の連結部位１５４ａ、１５４ｂとを備える。
【００８０】
連結部材１４８ａの外周縁部には、連結部位１５４ａから外方に延在して折り返し部位１５６が一体に設けられる。折り返し部位１５６には、外周端部から内方に切り欠いて複数のスリット１５８が形成される。
【００８１】
図６に示すように、連結部材１４８ｂを構成する係合部位１５２ｂの両面に、リング状のシール部材１１０ａ、１１０ｃが配設された状態で、連結部材１４８ａの折り返し部位１５６が、前記係合部位１５２ｂを覆って折り曲げられる。これにより、一対の連結部材１４８ａ、１４８ｂ同士は、シール部材１１０ａ、１１０ｃと一体にかしめられる。
【００８２】
なお、第２荷重緩和機構１４６は、上記の第１荷重緩和機構１４４と同様に構成されており、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。
【００８３】
このように、第２の実施形態では、連結部材１４８ａに設けられた折り返し部位１５６は、結合部材としての機能を兼用することが可能になるとともに、シール部材１１０ｂが不要になる。これにより、部品点数の削減を図ることができ、経済的であるという効果が得られる。
【００８４】
図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１７０を構成する燃料電池１７２の分解斜視説明図である。
【００８５】
燃料電池スタック１７０では、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、積層方向の荷重を緩和する第１荷重緩和機構１７４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、積層方向の荷重を緩和する第２荷重緩和機構１７６が設けられる。
【００８６】
図７及び図８に示すように、第１荷重緩和機構１７４は、第１プレート３０ａに絶縁性をかねたシール部材１７８ａを介装して配置される連結部材１８０ａと、第２プレート３２ａに絶縁性をかねたシール部材１７８ｂを介装して配置される連結部材１８０ｂとを備える。
【００８７】
連結部材１８０ａ、１８０ｂは、シール部材１７８ａ、１７８ｂに当接支持されるセパレータ結合部位１８２ａ、１８２ｂと、積層方向に隣接する前記連結部材１８０ａ、１８０ｂ同士を係合して直接溶接される係合部位１８４ａ、１８４ｂと、前記セパレータ結合部位１８２ａ、１８２ｂと前記係合部位１８４ａ、１８４ｂとを繋ぎ且つばね性を有する傾斜形状の連結部位１８６ａ、１８６ｂとを備える。
【００８８】
シール部材１７８ａ、１７８ｂは、上記のシール部材１１０ａ等と同様の材料で構成されるとともに、セパレータ結合部位１８２ａ、１８２ｂと略同一の径寸法に設定される。シール部材１７８ａ、１７８ｂは、燃料電池スタック１７０に積層方向の荷重が付与された際、面圧により第１セパレータ２８ａと連結部材１８０ａ、１８０ｂとに接着される。
【００８９】
なお、第２荷重緩和機構１７６は、上記の第１荷重緩和機構１７４と同様に構成されており、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。
【００９０】
このように、第３の実施形態では、一対の連結部材１８０ａ、１８０ｂは、それぞれの外周縁部である係合部位１８４ａ、１８４ｂ同士が直接溶接されるため、前記連結部材１８０ａ、１８０ｂ間をシールするためのシール部材が不要になる。しかも、連結部材１８０ａ、１８０ｂと第１セパレータ２８ａとの間にのみ、面圧により接着されるシール部材１７８ａ、１７８ｂが介装されている。
【００９１】
このため、一対の連結部材１８０ａ、１８０ｂは、結合部材としての機能を兼用することが可能になるとともに、必要なシール部材数を最小限（シール部材１７８ａ、１７８ｂのみ）に抑制することができる。これにより、部品点数の削減を図ることができ、経済的であるという効果が得られる。
【００９２】
図９は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタック２００を構成する燃料電池２１０の分解斜視説明図である。
【００９３】
図９及び図１０に示すように、燃料電池２１０は、例えば、矩形状の電解質（電解質板）２１２の両面に、カソード電極２１４及びアノード電極２１６が設けられた電解質・電極接合体（ＭＥＡ）２１８を備える。
【００９４】
燃料電池２１０は、一組のセパレータ（第１及び第２セパレータ）２２０間に単一の電解質・電極接合体２１８を挟んで構成される。セパレータ２２０は、第１プレート２２２及び第２プレート２２４を備え、前記第１プレート２２２及び前記第２プレート２２４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。
【００９５】
セパレータ２２０は、中央部に燃料ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）２２６を形成する燃料ガス供給部（反応ガス供給部）２２８を有する。この燃料ガス供給部２２８から外方に延在する橋架部２３０を介して矩形状の挟持部２３２が一体的に設けられる。挟持部２３２は、電解質・電極接合体２１８と略同一寸法に設定される。
【００９６】
挟持部２３２のカソード電極２１４に接する面には、前記カソード電極２１４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（反応ガス通路）２３４が形成される。挟持部２３２のアノード電極２１６の接する面には、前記アノード電極２１６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）２３６が形成される（図９参照）。橋架部２３０には、燃料ガスを燃料ガス供給連通孔２２６から燃料ガス通路２３６に供給するための燃料ガス供給通路２３８が形成される。
【００９７】
図９に示すように、第１プレート２２２は、中央部に燃料ガス供給連通孔２２６が形成される第１円板部２４０と、前記第１円板部２４０に一体に設けられる第１長板部２４２と、前記第１長板部２４２に一体に設けられる第１矩形状部２４４とを有する。第１矩形状部２４４には、第１プレート２２２のカソード電極２１４に向かう面２２２ａ側に、酸化剤ガス通路２３４を形成するための複数の突起部２４６が形成される。
【００９８】
第２プレート２２４は、中央部に燃料ガス供給連通孔２２６が形成される第２円板部２４８と、前記第２円板部２４８に一体に設けられる第２長板部２５０と、前記第２長板部２５０に一体に設けられる第２矩形状部２５２とを有する。第１プレート２２２に接合される面２２４ａ側において、第２円板部２４８には、円環状に配列される複数の凸部２５４間にスリット２５６が形成され、このスリット２５６は、周溝２５８を介して燃料ガス供給通路２３８の一端側に連通する。燃料ガス供給通路２３８は、第２長板部２５０から第２矩形状部２５２の途上で延在して終端する。
【００９９】
第２矩形状部２５２には、燃料ガス供給通路２３８の周端部近傍に位置して燃料ガス供給孔２６０が形成される。燃料ガス供給孔２６０は、後述する酸化剤ガスの流れ方向（矢印Ｂ方向）上方側に近接し、すなわち、第２長板部２５０側に近接した位置に設定される。
【０１００】
図１１に示すように、第２プレート２２４のアノード電極２１６に接触する面２２４ｂには、燃料ガス通路２３６を形成するための複数の突起部２６２が形成される。面２２４ｂには、燃料ガス通路２３６を周回し、アノード電極２１６の外周縁部に接触する外縁周回用凸部２６５が形成される。
【０１０１】
面２２４ｂには、燃料ガス通路２３６を通って使用された燃料ガスを排出する燃料ガス排出孔２６４に連通する貫通孔２６６が形成される。貫通孔２６６は、第２長板部２５０（橋架部２３０）の延長線と交差する方向に複数配列される。各貫通孔２６６に連通する各燃料ガス排出孔２６４は、挟持部２３２の一辺２３２ａに橋架部２３０の延長線と直交する方向（矢印Ｃ方向）に配列される（図９参照）。
【０１０２】
図１１に示すように、面２２４ｂには、アノード電極２１６に接触するとともに、燃料ガス供給孔２６０と貫通孔２６６（燃料ガス排出孔２６４）との間に且つ前記燃料ガス供給孔２６０側にＶ字状に折曲し、燃料ガスが前記燃料ガス供給孔２６０から前記貫通孔２６６に直線状に流れることを阻止するための迂回路形成用壁部２６８が設けられる。迂回路形成用壁部２６８は、Ｖ字状の内部領域Ｓを形成し内部領域Ｓに燃料ガス供給孔２６０が配設される。迂回路形成用壁部２６８は、両端２６８ａ、２６８ｂの延長線が挟持部２３２の両頂部に向かうように設定される。
【０１０３】
図９及び図１０に示すように、橋架部２３０の両側には、酸化剤ガスを矢印Ａ方向に流通させるための酸化剤ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）２７０が設けられる。酸化剤ガス供給連通孔２７０は、鉛直方向に酸化剤ガスを流通させるとともに、各燃料電池２１０を構成する酸化剤ガス通路２３４に沿って前記酸化剤ガスを矢印Ｂ方向に供給する。
【０１０４】
電解質・電極接合体２１８を挟んで配設される一対のセパレータ２２０を構成する各燃料ガス供給部２２８には、積層方向の荷重を緩和する荷重緩和機構２７２が設けられる。
【０１０５】
荷重緩和機構２７２は、第１の実施形態の第１荷重緩和機構９６と同様に構成されており、一方のセパレータ（第１セパレータ）２２０の燃料ガス供給部２２８を構成する第１円板部２４０に固着される連結部材１００ａと、他方のセパレータ（第２セパレータ）２２０の燃料ガス供給部２２８を構成する第２円板部２４８に固着される連結部材１００ｂとを備える。
【０１０６】
荷重緩和機構２７２は、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。
【０１０７】
なお、荷重緩和機構２７２は、第１の実施形態の第１荷重緩和機構９６を採用しているが、これに限定されるものではない。例えば、荷重緩和機構２７２として、第２の実施形態の第１荷重緩和機構１４４や第３の実施形態の第１荷重緩和機構１７４を採用してもよい。
【０１０８】
燃料電池２１０は、挟持部２３２の矢印Ｂ方向外方に位置して、排ガス排出連通孔２７４が形成される。この排ガス排出連通孔２７４は、電解質・電極接合体２１８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。
【０１０９】
このように構成される燃料電池２１０では、燃料ガス供給連通孔２２６に燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔２７０には、酸化剤ガスが供給される。図９及び図１０に示すように、燃料ガス供給連通孔２２６に供給された燃料ガスは、各燃料電池２１０を構成するセパレータ２２０において、スリット２５６から周溝２５８を通って、橋架部２３０に形成されている燃料ガス供給通路２３８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス供給通路２３８から燃料ガス供給孔２６０を通って、燃料ガス通路２３６に導入される。
【０１１０】
図１１に示すように、燃料ガス供給孔２６０は、橋架部２３０側に近接して設けられるとともに、迂回路形成用壁部２６８の内部領域Ｓに配置されている。このため、燃料ガス供給孔２６０から燃料ガス通路２３６に導入された燃料ガスは、迂回路形成用壁部２６８の案内作用下に前記燃料ガス通路２３６を通って、電解質・電極接合体２１８のアノード電極２１６に供給される。使用済みの燃料ガスは、複数の貫通孔２６６から各燃料ガス排出孔２６４を通って排ガス排出連通孔２７４に排出される。
【０１１１】
一方、酸化剤ガス供給連通孔２７０に供給された空気は、図１０に示すように、各電解質・電極接合体２１８のカソード電極２１４とセパレータ２２０の面２２２ａとの間に形成されている酸化剤ガス通路２３４に導入される。酸化剤ガス通路２３４では、酸化剤ガスは矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質・電極接合体２１８のカソード電極２１４に供給された後、排ガス排出連通孔２７４に排出される。
【０１１２】
従って、電解質・電極接合体２１８では、アノード電極２１６に燃料ガスが供給される一方、カソード電極２１４に空気が供給される。これにより、酸化物イオンは、電解質２１２を通ってアノード電極２１６に移動し、化学反応により発電が行われる。
【０１１３】
この場合、第４の実施形態では、電解質・電極接合体２１８を挟んで配設される一対のセパレータ２２０を構成する各燃料ガス供給部２２８に、積層方向の荷重を緩和する荷重緩和機構２７２が設けられている。この荷重緩和機構２７２は、第１荷重緩和機構９６を採用している。
【０１１４】
これにより、燃料ガスのシール性能を確保するとともに、特に起動時に急速昇温する際の急激な変位を有効に吸収することができ、燃料ガス供給部２２８の損傷を可及的に阻止することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【０１１５】
１０、１４０、１７０、２００…燃料電池スタック
１２、１４２、１７２、２１０…燃料電池
２０、２１２…電解質
２２、２１４…カソード電極 ２４、２１６…アノード電極
２６、２１８…電解質・電極接合体 ２８ａ、２８ｂ、２２０…セパレータ
３０ａ、３２ａ、２２２、２２４…プレート
３４、２２６…燃料ガス供給連通孔 ３６、４８、８４、２２８…燃料ガス供給部
３８、５０、６８、７０、８６、９２、２３０…橋架部
４０、５２、７２、７４、８８、９４、２３２…挟持部
４２…凸部 ４４、２３６…燃料ガス通路
４６…燃料ガス供給孔 ５４…周回凸部
５６…突起部 ５８、２３８…燃料ガス供給通路
６２…酸化剤ガス供給連通孔 ６４、６６、９０…酸化剤ガス供給部
７６、２３４…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
９６、９８、１４４、１４６、１７４、１７６、２７２…荷重緩和機構
１００ａ、１００ｂ、１１２ａ、１１２ｂ、１４８ａ、１４８ｂ、１８０ａ、１８０ｂ…連結部材
１０２ａ、１０２ｂ、１１４ａ、１１４ｂ、１５０ａ、１５０ｂ、１８２ａ、１８２ｂ…セパレータ結合部位
１０４ａ、１０４ｂ、１１６ａ、１１６ｂ、１５２ａ、１５２ｂ、１８４ａ、１８４ｂ…係合部位
１０６ａ、１０６ｂ、１１８ａ、１１８ｂ、１５４ａ、１５４ｂ、１８６ａ、１８６ｂ…連結部位
１０８、１２０…結合部材
１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１２２ａ、１２２ｂ、１２２ｃ、１７８ａ、１７８ｂ…シール部材
１５６…折り返し部位 １５８…スリット
【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、第１セパレータ及び第２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、
少なくとも前記第１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、電極面に沿って一方の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、
前記一方の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、
前記反応ガス供給部に設けられ、前記積層方向の荷重を緩和する荷重緩和機構と、
を備え、
前記荷重緩和機構は、前記積層方向に隣接し且つ前記一方の反応ガスを流通させる一対の前記反応ガス供給部同士を連結するとともに、前記積層方向の荷重を緩和するばね性を有する一対の連結部材と、
前記反応ガス供給部から前記一方の反応ガスが漏れることを阻止するシール部材と、
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、前記連結部材は、前記第１セパレータに結合されるセパレータ結合部位と、
前記積層方向に隣接する前記連結部材同士を係合する係合部位と、
前記セパレータ結合部位と前記係合部位とを繋ぎ且つ前記ばね性を有する連結部位と、
を備え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、前記荷重緩和機構は、一対の前記連結部材を一体に結合させるための結合部材を備えるとともに、
前記シール部材は、一対の前記連結部材同士が係合する領域及び一対の前記連結部材と前記結合部材とが係合する領域に介装されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、一対の前記連結部材を構成する一方の前記連結部材は、他方の前記連結部材よりも外形寸法が大きく設定され、
一方の前記連結部材の外周縁部を、一対の前記シール部材間に介装される他方の前記連結部材の外周縁部を覆って折り曲げることにより、一対の前記連結部材同士を一対の前記シール部材と一体に結合す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又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記荷重緩和機構は、一対の前記連結部材の外周縁部同士を直接接合するとともに、
前記連結部材と前記第１セパレータとの間に、前記シール部材が介装されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項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、前記第１セパレータ及び前記第２セパレータは、同一形状を有するとともに、
互いに接合される第１プレート及び第２プレートを備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、少なくとも前記第１セパレータは、前記挟持部と前記反応ガス供給部とを連結し、前記一方の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１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１セパレータは、前記一方の反応ガスである燃料ガスを流通させる前記反応ガス供給部である燃料ガス供給部を設けるとともに、
前記第２セパレータは、他方の反応ガスである酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス供給部を設け、
前記荷重緩和機構は、前記積層方向に隣接する一対の前記燃料ガス供給部同士を連結する燃料ガス側荷重緩和機構と、
前記積層方向に隣接する一対の前記酸化剤ガス供給部同士を連結する酸化剤ガス側荷重緩和機構と、
を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【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、第１セパレータ及び第２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、
少なくとも前記第１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、電極面に沿って一方の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、
前記一方の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、
前記反応ガス供給部に設けられ、前記積層方向の荷重を緩和する荷重緩和機構と、
を備え、
前記荷重緩和機構は、前記積層方向に隣接し且つ前記一方の反応ガスを流通させる一対の前記反応ガス供給部同士を連結するとともに、前記積層方向の荷重を緩和するばね性を有する一対の連結部材と、
前記反応ガス供給部から前記一方の反応ガスが漏れることを阻止するシール部材と、
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、前記連結部材は、前記第１セパレータに結合されるセパレータ結合部位と、
前記積層方向に隣接する前記連結部材同士を係合する係合部位と、
前記セパレータ結合部位と前記係合部位とを繋ぎ且つ前記ばね性を有する連結部位と、
を備え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、前記荷重緩和機構は、一対の前記連結部材を一体に結合させるための結合部材を備えるとともに、
前記シール部材は、一対の前記連結部材同士が係合する領域及び一対の前記連結部材と前記結合部材とが係合する領域に介装されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、一対の前記連結部材を構成する一方の前記連結部材は、他方の前記連結部材よりも外形寸法が大きく設定され、
一方の前記連結部材の外周縁部を、一対の前記シール部材間に介装される他方の前記連結部材の外周縁部を覆って折り曲げることにより、一対の前記連結部材同士を一対の前記シール部材と一体に結合す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又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記荷重緩和機構は、一対の前記連結部材の外周縁部同士を直接接合するとともに、
前記連結部材と前記第１セパレータとの間に、前記シール部材が介装されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項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、前記第１セパレータ及び前記第２セパレータは、同一形状を有するとともに、
互いに接合される第１プレート及び第２プレートを備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、少なくとも前記第１セパレータは、前記挟持部と前記反応ガス供給部とを連結し、前記一方の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１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１セパレータは、前記一方の反応ガスである燃料ガスを流通させる前記反応ガス供給部である燃料ガス供給部を設けるとともに、
前記第２セパレータは、他方の反応ガスである酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス供給部を設け、
前記荷重緩和機構は、前記積層方向に隣接する一対の前記燃料ガス供給部同士を連結する燃料ガス側荷重緩和機構と、
前記積層方向に隣接する一対の前記酸化剤ガス供給部同士を連結する酸化剤ガス側荷重緩和機構と、
を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−１８２０３０（Ｐ２０１２−１８２０３０Ａ）
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４４５６４（Ｐ２０１１−４４５６４）
【出願日】平成２３年３月２日（２０１１．３．２）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２０日（２０１２．９．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月２日（２０１１．３．２）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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