燃料電池スタック
【課題】簡単且つコンパクトな構成で、固体酸化物形燃料電池内の異なる部位にそれぞれ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を遂行可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０は、積層体３６を載置する下部エンドプレート３８と、前記積層体３６に積層方向に沿って荷重を付与する荷重プレート４６と、前記荷重プレート４６と前記積層体３６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層を有する燃料電池保持部４４とを備える。燃料電池保持部４４は、挟持部３５に電解質・電極接合体２０に対応して積層方向に荷重を付与する第１保持部４４ａと、反応ガス供給部３７に前記積層方向に荷重を付与する第２保持部４４ｂとを有するとともに、前記第１保持部４４ａは、前記第２保持部４４ｂよりも密度が小さく設定される。
【解決手段】燃料電池スタック１０は、積層体３６を載置する下部エンドプレート３８と、前記積層体３６に積層方向に沿って荷重を付与する荷重プレート４６と、前記荷重プレート４６と前記積層体３６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層を有する燃料電池保持部４４とを備える。燃料電池保持部４４は、挟持部３５に電解質・電極接合体２０に対応して積層方向に荷重を付与する第１保持部４４ａと、反応ガス供給部３７に前記積層方向に荷重を付与する第２保持部４４ｂとを有するとともに、前記第１保持部４４ａは、前記第２保持部４４ｂよりも密度が小さく設定される。
【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、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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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１６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。
【０００５】
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。
【０００６】
また、特許文献２に開示されている燃料電池は、図１７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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−３３９０３５号公報
【特許文献２】特開２００７−７３３５９号公報
【特許文献３】特表２００９−５００５２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
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。
【００１２】
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るという問題がある。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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内の異なる部位に、それぞれ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。
【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、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。
【００１８】
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、少なくとも前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給連通孔、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酸化剤ガス供給連通孔が、積層方向に形成される反応ガス供給部とを備えている。
【００１９】
そして、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。
【００２０】
燃料電池保持部は、挟持部に電解質・電極接合体に対応して積層方向に荷重を付与する第１保持部と、反応ガス供給部に前記積層方向に荷重を付与する第２保持部とを有するとともに、前記第１保持部は、前記第２保持部よりも密度が小さく設定されている。
【００２１】
また、この燃料電池スタックでは、第１保持部は、第２保持部よりもバーミキュライトの含有量が少ないことが好ましい。このため、第１保持部は、第２保持部に比べて高温時の膨張率が小さく、電解質・電極接合体に過大な荷重が付与されることがない。従って、第１保持部は、電解質・電極接合体とセパレータとの密着性を向上させる一方、前記電解質・電極接合体の損傷を可及的に阻止することができ、効率的な発電及び集電が遂行される。
【００２２】
さらに、この燃料電池スタックでは、第１保持部は、第２保持部よりも複合材の密度が小さいことが好ましい。これにより、第１保持部は、電解質・電極接合体に過大な荷重を付与することがなく、前記電解質・電極接合体とセパレータとの密着性を向上させるとともに、前記電解質・電極接合体の損傷を可及的に阻止することができ、効率的な発電及び集電が遂行される。
【００２３】
さらにまた、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、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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
また、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。
【００２７】
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。
【００２８】
さらに、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。
【００２９】
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。
【００３０】
さらにまた、この燃料電池スタックでは、電解質・電極接合体は、アノード電極の厚さ方向の寸法がカソード電極及び電解質の厚さ方向の寸法よりも大きなアノード電極支持型セルであるとともに、前記カソード電極の表面積は、前記電解質の表面積よりも小さく設定されることが好ましい。
【００３１】
これにより、電解質・電極接合体の周縁部の厚さが薄くなるため、第２保持部による前記電解質・電極接合体への荷重の影響が軽減される。このため、電解質・電極接合体の損傷を可及的に阻止することができ、前記電解質・電極接合体の耐久性の向上が図られる。
【００３２】
また、この燃料電池スタックでは、電解質・電極接合体は、電解質の厚さ方向の寸法がアノード電極及びカソード電極の厚さ方向の寸法よりも大きな電解質支持型セルであるとともに、少なくとも前記アノード電極の表面積又は前記カソード電極の表面積は、前記電解質の表面積よりも小さく設定されることが好ましい。
【００３３】
従って、電解質・電極接合体の周縁部の厚さが薄くなるため、第２保持部による前記電解質・電極接合体への荷重の影響が軽減される。これにより、電解質・電極接合体の損傷を可及的に阻止することができ、前記電解質・電極接合体の耐久性の向上が図られる。
【００３４】
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。このため、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。
【発明の効果】
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
しかも、挟持部に電解質・電極接合体に対応して積層方向に荷重を付与する第１保持部は、反応ガス供給部に前記積層方向に荷重を付与する第２保持部よりも密度が小さく設定されている。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。
【００３８】
このため、簡単且つコンパクトな構成で、固体酸化物形燃料電池の異なる部位にそれぞれ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。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【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説明図である。
【図３】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。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解斜視説明図である。
【図５】前記燃料電池スタックの概略断面説明図である。
【図６】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断面説明図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解斜視説明図である。
【図８】前記燃料電池スタックの概略断面説明図である。
【図９】本発明の第５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。
【図１０】本発明の第６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１１】前記燃料電池スタックの一部分解斜視説明図である。
【図１２】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。
【図１３】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。
【図１４】前記燃料電池スタックの一部断面平面説明図である。
【図１５】本発明の第７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。
【図１６】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１７】特許文献２の燃料電池の断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
電解質・電極接合体２０は、アノード電極１８の厚さ方向の寸法がカソード電極１６及び電解質１４の厚さ方向の寸法よりも大きなアノード電極支持型セルであるとともに、前記カソード電極１６の表面積は、前記電解質１４の表面積よりも小さく設定される。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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
なお、上記の構成とは逆に、セパレータ２２の長辺方向両端側に、３つの燃料ガス供給連通孔２８ａと３つの燃料ガス排出連通孔２８ｂとを設ける一方、前記セパレータ２２の短辺方向両端側に、３つの酸化剤ガス供給連通孔２６ａと３つの酸化剤ガス排出連通孔２６ｂとを設けてもよい。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
セパレータ２２は、電解質・電極接合体２０を挟持するとともに、燃料ガス通路３２及び酸化剤ガス通路３０が個別に設けられる挟持部３５と、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が積層方向に形成される反応ガス供給部３７とを備える。
【００５４】
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。
【００５５】
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）。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
燃料電池保持部４４は、挟持部３５に電解質・電極接合体２０に対応して積層方向に荷重を付与する第１保持部４４ａと、反応ガス供給部３７に前記積層方向に荷重を付与する第２保持部４４ｂとを有するとともに、前記第１保持部４４ａは、前記第２保持部４４ｂよりも密度が小さく設定される。
【００６０】
具体的には、燃料電池保持部４４は、アルミナ層５２と、第１保持部４４ａを構成する第１複合層５４ａと、第２保持部４４ｂを構成する第２複合層５４ｂとを備える。第１複合層５４ａと第２複合層５４ｂとは、一体に構成されて全体として長方形状を有し、この長方形状の中央側には、電解質・電極接合体２０の形状に対応する前記第１複合層５４ａが設けられる一方、該第１複合層５４ａを周回して反応ガス供給部３７に対応する額縁状の前記第２複合層５４ｂが設けられる。
【００６１】
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。
【００６２】
第１複合層５４ａ及び第２複合層５４ｂ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。第１複合層５４ａ及び第２複合層５４ｂ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５２と同様に製造される。第１複合層５４ａは、第２複合層５４ｂよりもバーミキュライトの含有量が少なく設定される。
【００６３】
電解質・電極接合体２０は、例えば、ニッケル系耐熱合金製のボルト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。
【００６４】
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。しかも、第１複合層５４ａは、第２複合層５４ｂよりもバーミキュライトの含有量が少なく設定されるため、電解質・電極接合体２０に積層方向に付与される荷重は、反応ガス供給部３７に前記積層方向に付与される荷重よりも小さくなる。
【００６５】
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、第１複合層５４ａ及び第２複合層５４ｂは、荷重プレート４６に隣接して配置される。
【００６６】
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と第１複合層５４ａ及び第２複合層５４ｂとが、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。
【００６７】
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。
【００６８】
燃料電池保持部４４では、アルミナ層５２と第１複合層５４ａ及び第２複合層５４ｂとが圧縮される。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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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と第１複合層５４ａ及び第２複合層５４ｂとを備えている。
【００７５】
第１複合層５４ａ及び第２複合層５４ｂ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、第１複合層５４ａ及び第２複合層５４ｂ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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
しかも、挟持部３５に電解質・電極接合体２０に対応して積層方向に所望の荷重Ｐ１を付与する第１保持部４４ａは、反応ガス供給部３７に前記積層方向に所望の荷重Ｐ２（Ｐ１＜Ｐ２）を付与する第２保持部４４ｂよりも密度が小さく設定されている。
【００７９】
さらに、燃料電池スタック１０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。
【００８０】
これにより、反応ガス供給部３７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３７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３５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。
【００８１】
このため、簡単且つコンパクトな構成で、固体酸化物形燃料電池１２の異なる部位にそれぞれ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１０を提供することができる。
【００８２】
また、第１の実施形態では、第１保持部４４ａを構成する第１複合層５４ａは、第２保持部４４ｂを構成する第２複合層５４ｂよりもバーミキュライトの含有量が少なく設定されている。従って、第１保持部４４ａは、第２保持部４４ｂに比べて高温時の膨張率が小さく、電解質・電極接合体２０に過大な荷重が付与されることがない。これにより、第１保持部４４ａは、電解質・電極接合体２０とセパレータ２２との密着性を向上させる一方、前記電解質・電極接合体２０の損傷を可及的に阻止することができ、効率的な発電及び集電が遂行される。
【００８３】
さらに、燃料電池保持部４４は、アルミナ繊維により構成されるアルミナ層５２と、複合材により構成される第１複合層５４ａ及び第２複合層５４ｂとを備えるとともに、前記アルミナ層５２は、積層体３６側に配置され且つ前記第１複合層５４ａ及び前記第２複合層５４ｂは、荷重プレート４６側に配置されている。
【００８４】
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となる。
【００８５】
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、第１複合層５４ａ及び第２複合層５４ｂは、荷重プレート４６側に配置されることにより、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。しかも、バーミキュライトが熱膨張することにより、第１複合層５４ａ及び第２複合層５４ｂは、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。
【００８６】
また、荷重プレート４６は、下部エンドプレート３８と平行に配置されるプレート部材であり、前記荷重プレート４６と前記下部エンドプレート３８とは、複数のボルト５０を介して積層方向に締め付け保持されている。
【００８７】
従って、積層方向に長尺なボルト５０自体が、高温時に軸方向に伸びても、第１複合層５４ａ及び第２複合層５４ｂが膨張して各固体酸化物形燃料電池１２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１０全体の発電性能の向上が容易に図られる。
【００８８】
さらに、電解質・電極接合体２０は、アノード電極１８の厚さ方向の寸法がカソード電極１６及び電解質１４の厚さ方向の寸法よりも大きなアノード電極支持型セルであるとともに、前記カソード電極１６の表面積は、前記電解質１４の表面積よりも小さく設定されている。
【００８９】
このため、電解質・電極接合体２０の周縁部の厚さが薄くなるため、第２保持部４４ｂによる前記電解質・電極接合体２０への荷重の影響が軽減される。従って、電解質・電極接合体２０の損傷を可及的に阻止することができ、前記電解質・電極接合体２０の耐久性の向上が図られる。
【００９０】
一方、電解質・電極接合体２０は、アノード電極支持型セルに代えて、電解質１４の厚さ方向の寸法がアノード電極１８及びカソード電極１６の厚さ方向の寸法よりも大きな電解質支持型セルを用いるとともに、少なくとも前記アノード電極１８の表面積又は前記カソード電極１６の表面積は、前記電解質１４の表面積よりも小さく設定されることができる。
【００９１】
これにより、電解質・電極接合体２０の周縁部の厚さが薄くなるため、第２保持部４４ｂによる前記電解質・電極接合体２０への荷重の影響が軽減される。このため、電解質・電極接合体２０の損傷を可及的に阻止することができ、前記電解質・電極接合体２０の耐久性の向上が図られる。
【００９２】
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。これにより、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に有効に用いることができる。
【００９３】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック６０の一部分解斜視説明図である。
【００９４】
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。さらに、第２以降の実施形態では、架台部としてボックスを用いて説明するが、これに限定されるものではなく、第１の実施形態の荷重プレート４６及びボルト５０を採用することも可能である。
【００９５】
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。
【００９６】
下部エンドプレート３８上には、シール部材６８を介して積層体３６が載置される。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。
【００９７】
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。
【００９８】
このように構成される第２の実施形態では、第１複合層５４ａ及び第２複合層５４ｂ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、所望の部位にそれぞれ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の実施形態と同様の効果が得られる。
【００９９】
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。
【０１００】
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の概略断面説明図である。
【０１０１】
燃料電池スタック８０は、アルミナ層５２を用いておらず、上部エンドプレート４２上には、複合材（第１複合層５４ａ及び第２複合層５４ｂ）が直接載置される。これにより、第３の実施形態では、上記の第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１０２】
なお、第１の実施形態においても同様に、アルミナ層５２を不要にすることができる一方、以下に説明する第４以降の実施形態においても、同様に構成することが可能である。
【０１０３】
図７は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタック９０の一部分解斜視説明図である。
【０１０４】
図７及び図８に示すように、燃料電池スタック９０では、上部エンドプレート４２上には、燃料電池保持部９２とボックス６２の底部６２ａとが積層される。燃料電池保持部９２は、挟持部３５に電解質・電極接合体２０に対応して積層方向に荷重を付与する第１保持部９２ａと、反応ガス供給部３７に前記積層方向に荷重を付与する第２保持部９２ｂとを有するとともに、前記第１保持部９２ａは、前記第２保持部９２ｂよりも密度が小さく設定される。
【０１０５】
第１保持部９２ａは、電解質・電極接合体２０の形状に対応する第１複合層９４ａを備える。第２保持部９２ｂは、第１複合層９４ａを収容するとともに、反応ガス供給部３７に対応する額縁状の２枚の第２複合層９４ｂ、９４ｂを備える。
【０１０６】
第１複合層９４ａと２枚の第２複合層９４ｂ、９４ｂとは、外部荷重が付与されない状態で、それぞれ異なる高さに設定される。ボックス６２内に積層体３６が収容された際、第１複合層９４ａと２枚の第２複合層９４ｂ、９４ｂとは、同一の厚さに圧縮されている。すなわち、第１複合層９４ａは、挟持部３５に電解質・電極接合体２０に対応して積層方向に所望の荷重Ｐ１を付与する一方、前記第１複合層９４ａよりも大きく圧縮される第２複合層９４ｂ、９４ｂは、反応ガス供給部３７に前記積層方向に所望の荷重Ｐ２（Ｐ１＜Ｐ２）を付与する。
【０１０７】
このように、第４の実施形態では、挟持部３５に電解質・電極接合体２０に対応して積層方向に所望の荷重Ｐ１を付与する第１保持部９２ａは、反応ガス供給部３７に前記積層方向に所望の荷重Ｐ２（Ｐ１＜Ｐ２）を付与する第２保持部９２ｂよりも密度が小さく設定されている。
【０１０８】
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１２の異なる部位にそれぞれ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化が遂行される等、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。しかも、１枚の第１複合層９４ａと２枚の第２複合層９４ｂ、９４ｂとを個別に用意すればよく、構成及び作業の簡素化が容易に図られる。なお、第２複合層９４ｂは、２枚の積層物として構成しているが、例えば、３枚以上の積層物や１枚の肉厚な複合層で構成してもよい。
【０１０９】
図９は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタック１００の概略断面説明図である。
【０１１０】
燃料電池スタック１００は、ボックス１０２を備えるとともに、前記ボックス１０２内には、燃料電池保持部１０４が配設される。ボックス１０２の底部１０２ａには、電解質・電極接合体２０の形状に対応する凹部１０２ｂが設けられ、前記底部１０２ａ及び前記凹部１０２ｂにより、架台部が構成される。
【０１１１】
燃料電池保持部１０４は、挟持部３５に電解質・電極接合体２０に対応して積層方向に荷重を付与する第１保持部１０４ａと、反応ガス供給部３７に前記積層方向に荷重を付与する第２保持部１０４ｂとを有するとともに、前記第１保持部１０４ａは、前記第２保持部１０４ｂよりも密度が小さく設定される。
【０１１２】
第１保持部１０４ａは、第１複合層１０６ａを設ける一方、第２保持部１０４ｂは、第２複合層１０６ｂを設ける。第１複合層１０６ａと第２複合層１０６ｂとは、外部荷重が付与されない状態で、同一の高さに設定される。ボックス１０２内に積層体３６が収容された際、第１複合層１０６ａと第２複合層１０６ｂとは、それぞれ異なる厚さに圧縮されている。
【０１１３】
すなわち、第１複合層１０６ａは、ボックス１０２の凹部１０２ｂに収容されるため、第２複合層１０６ｂよりも圧縮量が少なくなり、第１保持部１０４ａは、第２保持部１０４ｂよりも密度が小さく設定される。
【０１１４】
このため、第１複合層１０６ａは、挟持部３５に電解質・電極接合体２０に対応して積層方向に所望の荷重Ｐ１を付与する一方、第２複合層１０６ｂは、反応ガス供給部３７に前記積層方向に所望の荷重Ｐ２（Ｐ１＜Ｐ２）を付与する。
【０１１５】
このように、第５の実施形態では、挟持部３５に電解質・電極接合体２０に対応して積層方向に所望の荷重Ｐ１を付与する第１保持部１０４ａは、反応ガス供給部３７に前記積層方向に所望の荷重Ｐ２（Ｐ１＜Ｐ２）を付与する第２保持部１０４ｂよりも密度が小さく設定されている。
【０１１６】
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１２の異なる部位にそれぞれ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化が遂行される等、上記の第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１１７】
図１０は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池スタック１１０の概略斜視説明図である。
【０１１８】
図１０及び図１１に示すように、燃料電池スタック１１０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１１２を備え、複数の前記固体酸化物形燃料電池１１２が鉛直方向（矢印Ｃ方向）に積層されて積層体１１４が構成される。
【０１１９】
固体酸化物形燃料電池１１２は、図１２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１１６を備える。電解質・電極接合体２０は、アノード電極支持型セル又は電解質支持型セルで構成される。セパレータ１１６は、第１プレート１１８と第２プレート１２０とを備え、前記第１プレート１１８及び前記第２プレート１２０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。
【０１２０】
セパレータ１１６は、中央部に燃料ガス供給連通孔１２２が形成される燃料ガス供給部（反応ガス供給部）１２４を有する。燃料ガス供給部１２４には、互いに反対方向に延在して一対の橋架部１２６Ａ、１２６Ｂが連結されるとともに、一対の前記橋架部１２６Ａ、１２６Ｂには、前記燃料ガス供給部１２４を中心に対称位置にそれぞれ挟持部１２８Ａ、１２８Ｂが一体に設けられる。
【０１２１】
第１プレート１１８は、燃料ガス供給連通孔１２２が形成される第１円板部１３０を有し、前記第１円板部１３０から互いに反対方向に延在して、第１長板部１３２Ａ、１３２Ｂが一体に設けられる。第１長板部１３２Ａ、１３２Ｂには、第１矩形状部１３４Ａ、１３４Ｂが一体に設けられる。第１矩形状部１３４Ａ、１３４Ｂの各カソード電極１６に対向する面部には、複数の突起部１３６Ａ、１３６Ｂを介して、それぞれ酸化剤ガス通路３０Ａ、３０Ｂが形成される。
【０１２２】
第２プレート１２０は、中央に燃料ガス供給連通孔１２２が形成される第２円板部１３８を有し、前記第２円板部１３８には、互いに逆方向に延在して第２長板部１４０Ａ、１４０Ｂが一体に設けられる。第２長板部１４０Ａ、１４０Ｂには、それぞれ第２矩形状部１４２Ａ、１４２Ｂが一体に設けられる。
【０１２３】
各第２長板部１４０Ａ、１４０Ｂから各第２矩形状部１４２Ａ、１４２Ｂの途上に延在して、燃料ガス供給通路１４４Ａ、１４４Ｂが形成されるとともに、前記燃料ガス供給通路１４４Ａ、１４４Ｂの終端縁部には、燃料ガス供給孔１４６Ａ、１４６Ｂが形成される。第２矩形状部１４２Ａ、１４２Ｂには、燃料ガス供給通路１４４Ａ、１４４Ｂが形成される面側に、それぞれ複数の燃料ガス排出孔１４７Ａ、１４７Ｂが形成される。
【０１２４】
図１３に示すように、第２矩形状部１４２Ａ、１４２Ｂのアノード電極１８に接触する面側には、複数の突起部１４８Ａ、１４８Ｂ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１５０Ａ、１５０Ｂにより周回されるとともに、それぞれ燃料ガス排出孔１４７Ａ、１４７Ｂに連通する貫通孔１５２Ａ、１５２Ｂが形成される。燃料ガス供給孔１４６Ａ、１４６Ｂと燃料ガス排出孔１４７Ａ、１４７Ｂとの間には、Ｖ字状の迂回路形成用壁部１５４Ａ、１５４Ｂが形成される。
【０１２５】
図１２に示すように、橋架部１２６Ａ、１２６Ｂ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１５６が設けられる。酸化剤ガス供給連通孔１５６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。
【０１２６】
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１１６において、各燃料ガス供給部１２４間には、燃料ガス供給連通孔１２２をシールするための絶縁シール１５８が設けられる。絶縁シール１５８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。
【０１２７】
各固体酸化物形燃料電池１１２には、挟持部１２８Ａ、１２８Ｂの矢印Ａ方向外方に位置して、排ガス排出連通孔１６０が形成される。この排ガス排出連通孔１６０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。
【０１２８】
燃料電池スタック１１０は、図１０及び図１１に示すように、積層体１１４の積層方向下端（一端）に配置される下部エンドプレート１６２と、前記積層体１１４の積層方向上端（他端）に各挟持部１２８Ａ、１２８Ｂに対応して配置される上部エンドプレート１６４Ａ、１６４Ｂと、燃料ガス供給部１２４に対応して配置される燃料シールプレート１６６とを備える。
【０１２９】
上部エンドプレート１６４Ａ、１６４Ｂ上には、第１保持部１７０Ａ、１７０Ｂが配置されるとともに、燃料シールプレート１６６には、第２保持部１７１が配置されるとともに、これらにより燃料電池保持部が構成される。
【０１３０】
第２保持部１７１は、燃料シールプレート１６６に隣接するアルミナ層１７２と、このアルミナ層１７２上に積層される複合層１７４ａ、１７４ｂとを有する。アルミナ層１７２及び複合層１７４ａ、１７４ｂは、燃料シールプレート１６６に対応して円板状に構成される。
【０１３１】
第１保持部１７０Ａ、１７０Ｂは、上部エンドプレート１６４Ａ、１６４Ｂ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。
【０１３２】
アルミナ層１７２、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１７４ａ、１７４ｂ、５４Ａ及び５４Ｂは、上記の第１複合層５４ａと同様に構成される。
【０１３３】
第２保持部１７１は、第１保持部１７０Ａ、１７０Ｂ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、２枚の複合層１７４ａ、１７４ｂを備える。複合層１７４ａ、１７４ｂの全体の厚さは、各複合層５４Ａ、５４Ｂの厚さよりも大きく設定される。
【０１３４】
燃料電池スタック１１０は、ボックス１７６を備える。このボックス１７６の開口部側端部にフランジ部１７８が形成されるとともに、このフランジ部１７８と下部エンドプレート１６２との間には、シール部材１８０が介装される。フランジ部１７８と下部エンドプレート１６２とは、複数本のボルト７２を介して固定される。
【０１３５】
下部エンドプレート１６２には、図１４に示すように、酸化剤ガス供給連通孔１５６に連通するそれぞれ２つの空気用孔部１８２ａ、１８２ｂと、排ガス排出連通孔１６０に連通する２つの排ガス用孔部１８４ａ、１８４ｂとが形成される。下部エンドプレート１６２には、燃料ガス供給連通孔１２２に連通する１つの燃料ガス用孔部１８５が形成される。
【０１３６】
このように構成される燃料電池スタック１１０の動作について、以下に説明する。
【０１３７】
燃料ガスは、下部エンドプレート１６２の燃料ガス用孔部１８５から燃料電池スタック１１０の燃料ガス供給連通孔１２２に供給される。一方、空気は、下部エンドプレート１６２の空気用孔部１８２ａ、１８２ｂから燃料電池スタック１１０の酸化剤ガス供給連通孔１５６に供給される。
【０１３８】
図１２に示すように、燃料ガス供給連通孔１２２に供給された燃料ガスは、各固体酸化物形燃料電池１１２を構成するセパレータ１１６において、橋架部１２６Ａ、１２６Ｂに形成されている燃料ガス供給通路１４４Ａ、１４４Ｂに導入される。燃料ガスは、燃料ガス供給通路１４４Ａ、１４４Ｂから燃料ガス供給孔１４６Ａ、１４６Ｂを通って燃料ガス通路３２Ａ、３２Ｂに導入される。
【０１３９】
図１３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１５４Ａ、１５４Ｂ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１４７Ａ、１４７Ｂを通って排ガス排出連通孔１６０に排出される。
【０１４０】
一方、酸化剤ガス供給連通孔１５６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１１６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１６０に排出される。
【０１４１】
この場合、第６の実施形態では、燃料ガス供給部１２４に積層方向に荷重を付与する第２保持部１７１と、挟持部１２８Ａ、１２８Ｂ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１保持部１７０Ａ、１７０Ｂとを有している。
【０１４２】
そして、第２保持部１７１は、第１保持部１７０Ａ、１７０Ｂよりも積層方向に大きな荷重を付与している。具体的には、第２保持部１７１は、複合層１７４ａ、１７４ｂを有する一方、第１保持部１７０Ａ、１７０Ｂは、複合層５４Ａ、５４Ｂを有しており、前記複合層１７４ａ、１７４ｂの全体の厚さは、各複合層５４Ａ、５４Ｂの厚さよりも大きく設定されている。
【０１４３】
これにより、ボックス１７６内に積層体１１４が収容された状態で、複合層１７４ａ、１７４ｂは、複合層５４Ａ、５４Ｂよりも大きく収縮されるため、燃料ガス供給部９４には、比較的大きな荷重が付与される。従って、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。
【０１４４】
一方、電解質・電極接合体２０には、挟持部１２８Ａ、１２８Ｂ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。このため、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。
【０１４５】
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１１２の異なる部位にそれぞれ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化が遂行される等、上記の第１〜第５の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１４６】
図１５は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池スタック１９０の概略断面説明図である。
【０１４７】
燃料電池スタック１９０は、ボックス１９２を備えるとともに、前記ボックス１９２内には、上部エンドプレート１６４Ａ、１６４Ｂ上に燃料電池保持部を構成する第１保持部１７０Ａ、１７０Ｂが配置されるとともに、燃料シールプレート１６６上に燃料電池保持部を構成する第２保持部１９４が配置される。
【０１４８】
ボックス１９２の底部１９２ａには、電解質・電極接合体２０の形状に対応する凸部１９２ｂが設けられ、前記底部１９２ａ及び前記凸部１９２ｂにより、架台部が構成される。
【０１４９】
第２保持部１９４は、複合層１７４を有するとともに、外部荷重が付与されない状態で、前記複合層１７４は、各複合層５４Ａ、５４Ｂと同一の厚さに設定される。ボックス１９２内に積層体１１４が収容された際、複合層１７４と各複合層５４Ａ、５４Ｂとは、それぞれ異なる厚さに圧縮されている。
【０１５０】
すなわち、複合層１７４は、ボックス１９２の凸部１９２ｂに配置されるため、各複合層５４Ａ、５４Ｂよりも圧縮量が多くなり、第１保持部１７０Ａ、１７０Ｂは、第２保持部１９４よりも密度が小さく設定される。
【０１５１】
このため、複合層５４Ａ、５４Ｂは、挟持部１２８Ａ、１２８Ｂに電解質・電極接合体２０に対応して積層方向に所望の荷重Ｐ１を付与する一方、複合層１７４は、燃料ガス供給部１２４に前記積層方向に所望の荷重Ｐ２（Ｐ１＜Ｐ２）を付与する。
【０１５２】
このように、第７の実施形態では、簡単且つコンパクトな構成で、固体酸化物形燃料電池１１２の異なる部位にそれぞれ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化が遂行される等、上記の第１〜第６の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【０１５３】
１０、６０、８０、９０、１００、１１０、１９０…燃料電池スタック
１２、８２、１１２…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、１１６…セパレータ ２４ａ、２４ｂ、６８…シール部材
２６ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ２６ｂ、１５６…酸化剤ガス排出連通孔
２８ａ、１２２…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
３５、１２８Ａ、１２８Ｂ…挟持部 ３６、１１４…積層体
３７…反応ガス供給部 ３８、１６２…下部エンドプレート
４２、１６４Ａ、１６４Ｂ…上部エンドプレート
４４、９２、１０４…燃料電池保持部 ４６…荷重プレート
５０、７２…ボルト
５２、５２Ａ、５２Ｂ、１７２…アルミナ層
５４Ａ、５４Ｂ、５４ａ、５４ｂ、９４ａ、９４ｂ、１０６ａ、１０６ｂ、１７４、１７４ａ、１７４ｂ…複合層
６２、１０２、１９２…ボックス ６２ａ…底部
６４、１７８…フランジ部
９２ａ、９２ｂ、１０４ａ、１０４ｂ、１７０Ａ、１７０Ｂ、１７１、１９４…保持部
９４、１２４…燃料ガス供給部 １０２ｂ…凹部
１１８、１２０…プレート １２６Ａ、１２６Ｂ…橋架部
１６６…燃料シールプレート
【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、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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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１６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。
【０００５】
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。
【０００６】
また、特許文献２に開示されている燃料電池は、図１７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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００６−３３９０３５号公報
【特許文献２】特開２００７−７３３５９号公報
【特許文献３】特表２００９−５００５２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
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。
【００１２】
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るという問題がある。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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内の異なる部位に、それぞれ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。
【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、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。
【００１８】
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、少なくとも前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給連通孔、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酸化剤ガス供給連通孔が、積層方向に形成される反応ガス供給部とを備えている。
【００１９】
そして、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。
【００２０】
燃料電池保持部は、挟持部に電解質・電極接合体に対応して積層方向に荷重を付与する第１保持部と、反応ガス供給部に前記積層方向に荷重を付与する第２保持部とを有するとともに、前記第１保持部は、前記第２保持部よりも密度が小さく設定されている。
【００２１】
また、この燃料電池スタックでは、第１保持部は、第２保持部よりもバーミキュライトの含有量が少ないことが好ましい。このため、第１保持部は、第２保持部に比べて高温時の膨張率が小さく、電解質・電極接合体に過大な荷重が付与されることがない。従って、第１保持部は、電解質・電極接合体とセパレータとの密着性を向上させる一方、前記電解質・電極接合体の損傷を可及的に阻止することができ、効率的な発電及び集電が遂行される。
【００２２】
さらに、この燃料電池スタックでは、第１保持部は、第２保持部よりも複合材の密度が小さいことが好ましい。これにより、第１保持部は、電解質・電極接合体に過大な荷重を付与することがなく、前記電解質・電極接合体とセパレータとの密着性を向上させるとともに、前記電解質・電極接合体の損傷を可及的に阻止することができ、効率的な発電及び集電が遂行される。
【００２３】
さらにまた、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、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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
また、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。
【００２７】
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。
【００２８】
さらに、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。
【００２９】
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。
【００３０】
さらにまた、この燃料電池スタックでは、電解質・電極接合体は、アノード電極の厚さ方向の寸法がカソード電極及び電解質の厚さ方向の寸法よりも大きなアノード電極支持型セルであるとともに、前記カソード電極の表面積は、前記電解質の表面積よりも小さく設定されることが好ましい。
【００３１】
これにより、電解質・電極接合体の周縁部の厚さが薄くなるため、第２保持部による前記電解質・電極接合体への荷重の影響が軽減される。このため、電解質・電極接合体の損傷を可及的に阻止することができ、前記電解質・電極接合体の耐久性の向上が図られる。
【００３２】
また、この燃料電池スタックでは、電解質・電極接合体は、電解質の厚さ方向の寸法がアノード電極及びカソード電極の厚さ方向の寸法よりも大きな電解質支持型セルであるとともに、少なくとも前記アノード電極の表面積又は前記カソード電極の表面積は、前記電解質の表面積よりも小さく設定されることが好ましい。
【００３３】
従って、電解質・電極接合体の周縁部の厚さが薄くなるため、第２保持部による前記電解質・電極接合体への荷重の影響が軽減される。これにより、電解質・電極接合体の損傷を可及的に阻止することができ、前記電解質・電極接合体の耐久性の向上が図られる。
【００３４】
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。このため、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。
【発明の効果】
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
しかも、挟持部に電解質・電極接合体に対応して積層方向に荷重を付与する第１保持部は、反応ガス供給部に前記積層方向に荷重を付与する第２保持部よりも密度が小さく設定されている。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。
【００３８】
このため、簡単且つコンパクトな構成で、固体酸化物形燃料電池の異なる部位にそれぞれ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。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【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説明図である。
【図３】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。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解斜視説明図である。
【図５】前記燃料電池スタックの概略断面説明図である。
【図６】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断面説明図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解斜視説明図である。
【図８】前記燃料電池スタックの概略断面説明図である。
【図９】本発明の第５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。
【図１０】本発明の第６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１１】前記燃料電池スタックの一部分解斜視説明図である。
【図１２】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。
【図１３】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。
【図１４】前記燃料電池スタックの一部断面平面説明図である。
【図１５】本発明の第７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。
【図１６】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１７】特許文献２の燃料電池の断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
電解質・電極接合体２０は、アノード電極１８の厚さ方向の寸法がカソード電極１６及び電解質１４の厚さ方向の寸法よりも大きなアノード電極支持型セルであるとともに、前記カソード電極１６の表面積は、前記電解質１４の表面積よりも小さく設定される。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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
なお、上記の構成とは逆に、セパレータ２２の長辺方向両端側に、３つの燃料ガス供給連通孔２８ａと３つの燃料ガス排出連通孔２８ｂとを設ける一方、前記セパレータ２２の短辺方向両端側に、３つの酸化剤ガス供給連通孔２６ａと３つの酸化剤ガス排出連通孔２６ｂとを設けてもよい。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
セパレータ２２は、電解質・電極接合体２０を挟持するとともに、燃料ガス通路３２及び酸化剤ガス通路３０が個別に設けられる挟持部３５と、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が積層方向に形成される反応ガス供給部３７とを備える。
【００５４】
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。
【００５５】
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）。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
燃料電池保持部４４は、挟持部３５に電解質・電極接合体２０に対応して積層方向に荷重を付与する第１保持部４４ａと、反応ガス供給部３７に前記積層方向に荷重を付与する第２保持部４４ｂとを有するとともに、前記第１保持部４４ａは、前記第２保持部４４ｂよりも密度が小さく設定される。
【００６０】
具体的には、燃料電池保持部４４は、アルミナ層５２と、第１保持部４４ａを構成する第１複合層５４ａと、第２保持部４４ｂを構成する第２複合層５４ｂとを備える。第１複合層５４ａと第２複合層５４ｂとは、一体に構成されて全体として長方形状を有し、この長方形状の中央側には、電解質・電極接合体２０の形状に対応する前記第１複合層５４ａが設けられる一方、該第１複合層５４ａを周回して反応ガス供給部３７に対応する額縁状の前記第２複合層５４ｂが設けられる。
【００６１】
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。
【００６２】
第１複合層５４ａ及び第２複合層５４ｂ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。第１複合層５４ａ及び第２複合層５４ｂ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５２と同様に製造される。第１複合層５４ａは、第２複合層５４ｂよりもバーミキュライトの含有量が少なく設定される。
【００６３】
電解質・電極接合体２０は、例えば、ニッケル系耐熱合金製のボルト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。
【００６４】
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。しかも、第１複合層５４ａは、第２複合層５４ｂよりもバーミキュライトの含有量が少なく設定されるため、電解質・電極接合体２０に積層方向に付与される荷重は、反応ガス供給部３７に前記積層方向に付与される荷重よりも小さくなる。
【００６５】
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、第１複合層５４ａ及び第２複合層５４ｂは、荷重プレート４６に隣接して配置される。
【００６６】
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と第１複合層５４ａ及び第２複合層５４ｂとが、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。
【００６７】
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。
【００６８】
燃料電池保持部４４では、アルミナ層５２と第１複合層５４ａ及び第２複合層５４ｂとが圧縮される。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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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と第１複合層５４ａ及び第２複合層５４ｂとを備えている。
【００７５】
第１複合層５４ａ及び第２複合層５４ｂ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、第１複合層５４ａ及び第２複合層５４ｂ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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
しかも、挟持部３５に電解質・電極接合体２０に対応して積層方向に所望の荷重Ｐ１を付与する第１保持部４４ａは、反応ガス供給部３７に前記積層方向に所望の荷重Ｐ２（Ｐ１＜Ｐ２）を付与する第２保持部４４ｂよりも密度が小さく設定されている。
【００７９】
さらに、燃料電池スタック１０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。
【００８０】
これにより、反応ガス供給部３７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３７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３５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。
【００８１】
このため、簡単且つコンパクトな構成で、固体酸化物形燃料電池１２の異なる部位にそれぞれ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１０を提供することができる。
【００８２】
また、第１の実施形態では、第１保持部４４ａを構成する第１複合層５４ａは、第２保持部４４ｂを構成する第２複合層５４ｂよりもバーミキュライトの含有量が少なく設定されている。従って、第１保持部４４ａは、第２保持部４４ｂに比べて高温時の膨張率が小さく、電解質・電極接合体２０に過大な荷重が付与されることがない。これにより、第１保持部４４ａは、電解質・電極接合体２０とセパレータ２２との密着性を向上させる一方、前記電解質・電極接合体２０の損傷を可及的に阻止することができ、効率的な発電及び集電が遂行される。
【００８３】
さらに、燃料電池保持部４４は、アルミナ繊維により構成されるアルミナ層５２と、複合材により構成される第１複合層５４ａ及び第２複合層５４ｂとを備えるとともに、前記アルミナ層５２は、積層体３６側に配置され且つ前記第１複合層５４ａ及び前記第２複合層５４ｂは、荷重プレート４６側に配置されている。
【００８４】
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となる。
【００８５】
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、第１複合層５４ａ及び第２複合層５４ｂは、荷重プレート４６側に配置されることにより、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。しかも、バーミキュライトが熱膨張することにより、第１複合層５４ａ及び第２複合層５４ｂは、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。
【００８６】
また、荷重プレート４６は、下部エンドプレート３８と平行に配置されるプレート部材であり、前記荷重プレート４６と前記下部エンドプレート３８とは、複数のボルト５０を介して積層方向に締め付け保持されている。
【００８７】
従って、積層方向に長尺なボルト５０自体が、高温時に軸方向に伸びても、第１複合層５４ａ及び第２複合層５４ｂが膨張して各固体酸化物形燃料電池１２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１０全体の発電性能の向上が容易に図られる。
【００８８】
さらに、電解質・電極接合体２０は、アノード電極１８の厚さ方向の寸法がカソード電極１６及び電解質１４の厚さ方向の寸法よりも大きなアノード電極支持型セルであるとともに、前記カソード電極１６の表面積は、前記電解質１４の表面積よりも小さく設定されている。
【００８９】
このため、電解質・電極接合体２０の周縁部の厚さが薄くなるため、第２保持部４４ｂによる前記電解質・電極接合体２０への荷重の影響が軽減される。従って、電解質・電極接合体２０の損傷を可及的に阻止することができ、前記電解質・電極接合体２０の耐久性の向上が図られる。
【００９０】
一方、電解質・電極接合体２０は、アノード電極支持型セルに代えて、電解質１４の厚さ方向の寸法がアノード電極１８及びカソード電極１６の厚さ方向の寸法よりも大きな電解質支持型セルを用いるとともに、少なくとも前記アノード電極１８の表面積又は前記カソード電極１６の表面積は、前記電解質１４の表面積よりも小さく設定されることができる。
【００９１】
これにより、電解質・電極接合体２０の周縁部の厚さが薄くなるため、第２保持部４４ｂによる前記電解質・電極接合体２０への荷重の影響が軽減される。このため、電解質・電極接合体２０の損傷を可及的に阻止することができ、前記電解質・電極接合体２０の耐久性の向上が図られる。
【００９２】
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。これにより、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に有効に用いることができる。
【００９３】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック６０の一部分解斜視説明図である。
【００９４】
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。さらに、第２以降の実施形態では、架台部としてボックスを用いて説明するが、これに限定されるものではなく、第１の実施形態の荷重プレート４６及びボルト５０を採用することも可能である。
【００９５】
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。
【００９６】
下部エンドプレート３８上には、シール部材６８を介して積層体３６が載置される。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。
【００９７】
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。
【００９８】
このように構成される第２の実施形態では、第１複合層５４ａ及び第２複合層５４ｂ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、所望の部位にそれぞれ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の実施形態と同様の効果が得られる。
【００９９】
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。
【０１００】
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の概略断面説明図である。
【０１０１】
燃料電池スタック８０は、アルミナ層５２を用いておらず、上部エンドプレート４２上には、複合材（第１複合層５４ａ及び第２複合層５４ｂ）が直接載置される。これにより、第３の実施形態では、上記の第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１０２】
なお、第１の実施形態においても同様に、アルミナ層５２を不要にすることができる一方、以下に説明する第４以降の実施形態においても、同様に構成することが可能である。
【０１０３】
図７は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタック９０の一部分解斜視説明図である。
【０１０４】
図７及び図８に示すように、燃料電池スタック９０では、上部エンドプレート４２上には、燃料電池保持部９２とボックス６２の底部６２ａとが積層される。燃料電池保持部９２は、挟持部３５に電解質・電極接合体２０に対応して積層方向に荷重を付与する第１保持部９２ａと、反応ガス供給部３７に前記積層方向に荷重を付与する第２保持部９２ｂとを有するとともに、前記第１保持部９２ａは、前記第２保持部９２ｂよりも密度が小さく設定される。
【０１０５】
第１保持部９２ａは、電解質・電極接合体２０の形状に対応する第１複合層９４ａを備える。第２保持部９２ｂは、第１複合層９４ａを収容するとともに、反応ガス供給部３７に対応する額縁状の２枚の第２複合層９４ｂ、９４ｂを備える。
【０１０６】
第１複合層９４ａと２枚の第２複合層９４ｂ、９４ｂとは、外部荷重が付与されない状態で、それぞれ異なる高さに設定される。ボックス６２内に積層体３６が収容された際、第１複合層９４ａと２枚の第２複合層９４ｂ、９４ｂとは、同一の厚さに圧縮されている。すなわち、第１複合層９４ａは、挟持部３５に電解質・電極接合体２０に対応して積層方向に所望の荷重Ｐ１を付与する一方、前記第１複合層９４ａよりも大きく圧縮される第２複合層９４ｂ、９４ｂは、反応ガス供給部３７に前記積層方向に所望の荷重Ｐ２（Ｐ１＜Ｐ２）を付与する。
【０１０７】
このように、第４の実施形態では、挟持部３５に電解質・電極接合体２０に対応して積層方向に所望の荷重Ｐ１を付与する第１保持部９２ａは、反応ガス供給部３７に前記積層方向に所望の荷重Ｐ２（Ｐ１＜Ｐ２）を付与する第２保持部９２ｂよりも密度が小さく設定されている。
【０１０８】
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１２の異なる部位にそれぞれ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化が遂行される等、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。しかも、１枚の第１複合層９４ａと２枚の第２複合層９４ｂ、９４ｂとを個別に用意すればよく、構成及び作業の簡素化が容易に図られる。なお、第２複合層９４ｂは、２枚の積層物として構成しているが、例えば、３枚以上の積層物や１枚の肉厚な複合層で構成してもよい。
【０１０９】
図９は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタック１００の概略断面説明図である。
【０１１０】
燃料電池スタック１００は、ボックス１０２を備えるとともに、前記ボックス１０２内には、燃料電池保持部１０４が配設される。ボックス１０２の底部１０２ａには、電解質・電極接合体２０の形状に対応する凹部１０２ｂが設けられ、前記底部１０２ａ及び前記凹部１０２ｂにより、架台部が構成される。
【０１１１】
燃料電池保持部１０４は、挟持部３５に電解質・電極接合体２０に対応して積層方向に荷重を付与する第１保持部１０４ａと、反応ガス供給部３７に前記積層方向に荷重を付与する第２保持部１０４ｂとを有するとともに、前記第１保持部１０４ａは、前記第２保持部１０４ｂよりも密度が小さく設定される。
【０１１２】
第１保持部１０４ａは、第１複合層１０６ａを設ける一方、第２保持部１０４ｂは、第２複合層１０６ｂを設ける。第１複合層１０６ａと第２複合層１０６ｂとは、外部荷重が付与されない状態で、同一の高さに設定される。ボックス１０２内に積層体３６が収容された際、第１複合層１０６ａと第２複合層１０６ｂとは、それぞれ異なる厚さに圧縮されている。
【０１１３】
すなわち、第１複合層１０６ａは、ボックス１０２の凹部１０２ｂに収容されるため、第２複合層１０６ｂよりも圧縮量が少なくなり、第１保持部１０４ａは、第２保持部１０４ｂよりも密度が小さく設定される。
【０１１４】
このため、第１複合層１０６ａは、挟持部３５に電解質・電極接合体２０に対応して積層方向に所望の荷重Ｐ１を付与する一方、第２複合層１０６ｂは、反応ガス供給部３７に前記積層方向に所望の荷重Ｐ２（Ｐ１＜Ｐ２）を付与する。
【０１１５】
このように、第５の実施形態では、挟持部３５に電解質・電極接合体２０に対応して積層方向に所望の荷重Ｐ１を付与する第１保持部１０４ａは、反応ガス供給部３７に前記積層方向に所望の荷重Ｐ２（Ｐ１＜Ｐ２）を付与する第２保持部１０４ｂよりも密度が小さく設定されている。
【０１１６】
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１２の異なる部位にそれぞれ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化が遂行される等、上記の第１〜第４の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１１７】
図１０は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池スタック１１０の概略斜視説明図である。
【０１１８】
図１０及び図１１に示すように、燃料電池スタック１１０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１１２を備え、複数の前記固体酸化物形燃料電池１１２が鉛直方向（矢印Ｃ方向）に積層されて積層体１１４が構成される。
【０１１９】
固体酸化物形燃料電池１１２は、図１２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１１６を備える。電解質・電極接合体２０は、アノード電極支持型セル又は電解質支持型セルで構成される。セパレータ１１６は、第１プレート１１８と第２プレート１２０とを備え、前記第１プレート１１８及び前記第２プレート１２０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。
【０１２０】
セパレータ１１６は、中央部に燃料ガス供給連通孔１２２が形成される燃料ガス供給部（反応ガス供給部）１２４を有する。燃料ガス供給部１２４には、互いに反対方向に延在して一対の橋架部１２６Ａ、１２６Ｂが連結されるとともに、一対の前記橋架部１２６Ａ、１２６Ｂには、前記燃料ガス供給部１２４を中心に対称位置にそれぞれ挟持部１２８Ａ、１２８Ｂが一体に設けられる。
【０１２１】
第１プレート１１８は、燃料ガス供給連通孔１２２が形成される第１円板部１３０を有し、前記第１円板部１３０から互いに反対方向に延在して、第１長板部１３２Ａ、１３２Ｂが一体に設けられる。第１長板部１３２Ａ、１３２Ｂには、第１矩形状部１３４Ａ、１３４Ｂが一体に設けられる。第１矩形状部１３４Ａ、１３４Ｂの各カソード電極１６に対向する面部には、複数の突起部１３６Ａ、１３６Ｂを介して、それぞれ酸化剤ガス通路３０Ａ、３０Ｂが形成される。
【０１２２】
第２プレート１２０は、中央に燃料ガス供給連通孔１２２が形成される第２円板部１３８を有し、前記第２円板部１３８には、互いに逆方向に延在して第２長板部１４０Ａ、１４０Ｂが一体に設けられる。第２長板部１４０Ａ、１４０Ｂには、それぞれ第２矩形状部１４２Ａ、１４２Ｂが一体に設けられる。
【０１２３】
各第２長板部１４０Ａ、１４０Ｂから各第２矩形状部１４２Ａ、１４２Ｂの途上に延在して、燃料ガス供給通路１４４Ａ、１４４Ｂが形成されるとともに、前記燃料ガス供給通路１４４Ａ、１４４Ｂの終端縁部には、燃料ガス供給孔１４６Ａ、１４６Ｂが形成される。第２矩形状部１４２Ａ、１４２Ｂには、燃料ガス供給通路１４４Ａ、１４４Ｂが形成される面側に、それぞれ複数の燃料ガス排出孔１４７Ａ、１４７Ｂが形成される。
【０１２４】
図１３に示すように、第２矩形状部１４２Ａ、１４２Ｂのアノード電極１８に接触する面側には、複数の突起部１４８Ａ、１４８Ｂ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１５０Ａ、１５０Ｂにより周回されるとともに、それぞれ燃料ガス排出孔１４７Ａ、１４７Ｂに連通する貫通孔１５２Ａ、１５２Ｂが形成される。燃料ガス供給孔１４６Ａ、１４６Ｂと燃料ガス排出孔１４７Ａ、１４７Ｂとの間には、Ｖ字状の迂回路形成用壁部１５４Ａ、１５４Ｂが形成される。
【０１２５】
図１２に示すように、橋架部１２６Ａ、１２６Ｂ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１５６が設けられる。酸化剤ガス供給連通孔１５６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。
【０１２６】
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１１６において、各燃料ガス供給部１２４間には、燃料ガス供給連通孔１２２をシールするための絶縁シール１５８が設けられる。絶縁シール１５８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。
【０１２７】
各固体酸化物形燃料電池１１２には、挟持部１２８Ａ、１２８Ｂの矢印Ａ方向外方に位置して、排ガス排出連通孔１６０が形成される。この排ガス排出連通孔１６０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。
【０１２８】
燃料電池スタック１１０は、図１０及び図１１に示すように、積層体１１４の積層方向下端（一端）に配置される下部エンドプレート１６２と、前記積層体１１４の積層方向上端（他端）に各挟持部１２８Ａ、１２８Ｂに対応して配置される上部エンドプレート１６４Ａ、１６４Ｂと、燃料ガス供給部１２４に対応して配置される燃料シールプレート１６６とを備える。
【０１２９】
上部エンドプレート１６４Ａ、１６４Ｂ上には、第１保持部１７０Ａ、１７０Ｂが配置されるとともに、燃料シールプレート１６６には、第２保持部１７１が配置されるとともに、これらにより燃料電池保持部が構成される。
【０１３０】
第２保持部１７１は、燃料シールプレート１６６に隣接するアルミナ層１７２と、このアルミナ層１７２上に積層される複合層１７４ａ、１７４ｂとを有する。アルミナ層１７２及び複合層１７４ａ、１７４ｂは、燃料シールプレート１６６に対応して円板状に構成される。
【０１３１】
第１保持部１７０Ａ、１７０Ｂは、上部エンドプレート１６４Ａ、１６４Ｂ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。
【０１３２】
アルミナ層１７２、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１７４ａ、１７４ｂ、５４Ａ及び５４Ｂは、上記の第１複合層５４ａと同様に構成される。
【０１３３】
第２保持部１７１は、第１保持部１７０Ａ、１７０Ｂ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、２枚の複合層１７４ａ、１７４ｂを備える。複合層１７４ａ、１７４ｂの全体の厚さは、各複合層５４Ａ、５４Ｂの厚さよりも大きく設定される。
【０１３４】
燃料電池スタック１１０は、ボックス１７６を備える。このボックス１７６の開口部側端部にフランジ部１７８が形成されるとともに、このフランジ部１７８と下部エンドプレート１６２との間には、シール部材１８０が介装される。フランジ部１７８と下部エンドプレート１６２とは、複数本のボルト７２を介して固定される。
【０１３５】
下部エンドプレート１６２には、図１４に示すように、酸化剤ガス供給連通孔１５６に連通するそれぞれ２つの空気用孔部１８２ａ、１８２ｂと、排ガス排出連通孔１６０に連通する２つの排ガス用孔部１８４ａ、１８４ｂとが形成される。下部エンドプレート１６２には、燃料ガス供給連通孔１２２に連通する１つの燃料ガス用孔部１８５が形成される。
【０１３６】
このように構成される燃料電池スタック１１０の動作について、以下に説明する。
【０１３７】
燃料ガスは、下部エンドプレート１６２の燃料ガス用孔部１８５から燃料電池スタック１１０の燃料ガス供給連通孔１２２に供給される。一方、空気は、下部エンドプレート１６２の空気用孔部１８２ａ、１８２ｂから燃料電池スタック１１０の酸化剤ガス供給連通孔１５６に供給される。
【０１３８】
図１２に示すように、燃料ガス供給連通孔１２２に供給された燃料ガスは、各固体酸化物形燃料電池１１２を構成するセパレータ１１６において、橋架部１２６Ａ、１２６Ｂに形成されている燃料ガス供給通路１４４Ａ、１４４Ｂに導入される。燃料ガスは、燃料ガス供給通路１４４Ａ、１４４Ｂから燃料ガス供給孔１４６Ａ、１４６Ｂを通って燃料ガス通路３２Ａ、３２Ｂに導入される。
【０１３９】
図１３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１５４Ａ、１５４Ｂ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１４７Ａ、１４７Ｂを通って排ガス排出連通孔１６０に排出される。
【０１４０】
一方、酸化剤ガス供給連通孔１５６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１１６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１６０に排出される。
【０１４１】
この場合、第６の実施形態では、燃料ガス供給部１２４に積層方向に荷重を付与する第２保持部１７１と、挟持部１２８Ａ、１２８Ｂ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１保持部１７０Ａ、１７０Ｂとを有している。
【０１４２】
そして、第２保持部１７１は、第１保持部１７０Ａ、１７０Ｂよりも積層方向に大きな荷重を付与している。具体的には、第２保持部１７１は、複合層１７４ａ、１７４ｂを有する一方、第１保持部１７０Ａ、１７０Ｂは、複合層５４Ａ、５４Ｂを有しており、前記複合層１７４ａ、１７４ｂの全体の厚さは、各複合層５４Ａ、５４Ｂの厚さよりも大きく設定されている。
【０１４３】
これにより、ボックス１７６内に積層体１１４が収容された状態で、複合層１７４ａ、１７４ｂは、複合層５４Ａ、５４Ｂよりも大きく収縮されるため、燃料ガス供給部９４には、比較的大きな荷重が付与される。従って、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。
【０１４４】
一方、電解質・電極接合体２０には、挟持部１２８Ａ、１２８Ｂ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。このため、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。
【０１４５】
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１１２の異なる部位にそれぞれ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化が遂行される等、上記の第１〜第５の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１４６】
図１５は、本発明の第７の実施形態に係る燃料電池スタック１９０の概略断面説明図である。
【０１４７】
燃料電池スタック１９０は、ボックス１９２を備えるとともに、前記ボックス１９２内には、上部エンドプレート１６４Ａ、１６４Ｂ上に燃料電池保持部を構成する第１保持部１７０Ａ、１７０Ｂが配置されるとともに、燃料シールプレート１６６上に燃料電池保持部を構成する第２保持部１９４が配置される。
【０１４８】
ボックス１９２の底部１９２ａには、電解質・電極接合体２０の形状に対応する凸部１９２ｂが設けられ、前記底部１９２ａ及び前記凸部１９２ｂにより、架台部が構成される。
【０１４９】
第２保持部１９４は、複合層１７４を有するとともに、外部荷重が付与されない状態で、前記複合層１７４は、各複合層５４Ａ、５４Ｂと同一の厚さに設定される。ボックス１９２内に積層体１１４が収容された際、複合層１７４と各複合層５４Ａ、５４Ｂとは、それぞれ異なる厚さに圧縮されている。
【０１５０】
すなわち、複合層１７４は、ボックス１９２の凸部１９２ｂに配置されるため、各複合層５４Ａ、５４Ｂよりも圧縮量が多くなり、第１保持部１７０Ａ、１７０Ｂは、第２保持部１９４よりも密度が小さく設定される。
【０１５１】
このため、複合層５４Ａ、５４Ｂは、挟持部１２８Ａ、１２８Ｂに電解質・電極接合体２０に対応して積層方向に所望の荷重Ｐ１を付与する一方、複合層１７４は、燃料ガス供給部１２４に前記積層方向に所望の荷重Ｐ２（Ｐ１＜Ｐ２）を付与する。
【０１５２】
このように、第７の実施形態では、簡単且つコンパクトな構成で、固体酸化物形燃料電池１１２の異なる部位にそれぞれ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化が遂行される等、上記の第１〜第６の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【０１５３】
１０、６０、８０、９０、１００、１１０、１９０…燃料電池スタック
１２、８２、１１２…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、１１６…セパレータ ２４ａ、２４ｂ、６８…シール部材
２６ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ２６ｂ、１５６…酸化剤ガス排出連通孔
２８ａ、１２２…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
３５、１２８Ａ、１２８Ｂ…挟持部 ３６、１１４…積層体
３７…反応ガス供給部 ３８、１６２…下部エンドプレート
４２、１６４Ａ、１６４Ｂ…上部エンドプレート
４４、９２、１０４…燃料電池保持部 ４６…荷重プレート
５０、７２…ボルト
５２、５２Ａ、５２Ｂ、１７２…アルミナ層
５４Ａ、５４Ｂ、５４ａ、５４ｂ、９４ａ、９４ｂ、１０６ａ、１０６ｂ、１７４、１７４ａ、１７４ｂ…複合層
６２、１０２、１９２…ボックス ６２ａ…底部
６４、１７８…フランジ部
９２ａ、９２ｂ、１０４ａ、１０４ｂ、１７０Ａ、１７０Ｂ、１７１、１９４…保持部
９４、１２４…燃料ガス供給部 １０２ｂ…凹部
１１８、１２０…プレート １２６Ａ、１２６Ｂ…橋架部
１６６…燃料シールプレート
【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、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、
少なくとも前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給連通孔、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酸化剤ガス供給連通孔が、積層方向に形成される反応ガス供給部と、
を備える一方、
前記燃料電池スタックは、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、
前記燃料電池保持部は、前記挟持部に前記電解質・電極接合体に対応して積層方向に荷重を付与する第１保持部と、
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２保持部と、
を有するとともに、
前記第１保持部は、前記第２保持部よりも密度が小さく設定され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、前記第１保持部は、前記第２保持部よりも前記バーミキュライトの含有量が少ないことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１保持部は、前記第２保持部よりも前記複合材の密度が小さいことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１〜３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。
【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。
【請求項６】
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。
【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、前記電解質・電極接合体は、前記アノード電極の厚さ方向の寸法が前記カソード電極及び前記電解質の厚さ方向の寸法よりも大きなアノード電極支持型セルであるとともに、
前記カソード電極の表面積は、前記電解質の表面積よりも小さく設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記電解質・電極接合体は、前記電解質の厚さ方向の寸法が前記アノード電極及び前記カソード電極の厚さ方向の寸法よりも大きな電解質支持型セルであるとともに、
少なくとも前記アノード電極の表面積又は前記カソード電極の表面積は、前記電解質の表面積よりも小さく設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項９】
請求項１〜８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。
【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、
少なくとも前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給連通孔、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酸化剤ガス供給連通孔が、積層方向に形成される反応ガス供給部と、
を備える一方、
前記燃料電池スタックは、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、
前記燃料電池保持部は、前記挟持部に前記電解質・電極接合体に対応して積層方向に荷重を付与する第１保持部と、
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２保持部と、
を有するとともに、
前記第１保持部は、前記第２保持部よりも密度が小さく設定され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、前記第１保持部は、前記第２保持部よりも前記バーミキュライトの含有量が少ないことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１保持部は、前記第２保持部よりも前記複合材の密度が小さいことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１〜３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。
【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。
【請求項６】
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。
【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、前記電解質・電極接合体は、前記アノード電極の厚さ方向の寸法が前記カソード電極及び前記電解質の厚さ方向の寸法よりも大きなアノード電極支持型セルであるとともに、
前記カソード電極の表面積は、前記電解質の表面積よりも小さく設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記電解質・電極接合体は、前記電解質の厚さ方向の寸法が前記アノード電極及び前記カソード電極の厚さ方向の寸法よりも大きな電解質支持型セルであるとともに、
少なくとも前記アノード電極の表面積又は前記カソード電極の表面積は、前記電解質の表面積よりも小さく設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項９】
請求項１〜８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。
【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１５】
【図１６】
【図１７】
【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１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１３−２０８８６（Ｐ２０１３−２０８８６Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５５００６（Ｐ２０１１−１５５００６）
【出願日】平成２３年７月１３日（２０１１．７．１３）
【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２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１３日（２０１１．７．１３）
【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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