燃料電池
【課題】金属フレームを用いた積層補助器の結合性及びガスシール性を同時に確保することができる燃料電池を提供すること。
【解決手段】固体酸化物形燃料電池１においては、燃焼器７及び改質器９を構成するために、第１〜第５金属フレーム７１〜７５の間に第１〜第４ガスシール部７６〜７９を積層して配置し、それらを（燃料電池スタック５とともに）第１〜第８締結部材１１１〜１１８を用いて積層方向に押圧して締め付けて固定している。従って、第１〜第４ガスシール部７６〜７９は、締め付けられた際に、接触面において（各金属フレーム７１〜７５より）優先的に変形し、各金属フレーム７１〜７５との密着性が向上する。これにより、ガスシール性を維持しながらも、ロウ付けを不要とする積層構造を実現できる。
【解決手段】固体酸化物形燃料電池１においては、燃焼器７及び改質器９を構成するために、第１〜第５金属フレーム７１〜７５の間に第１〜第４ガスシール部７６〜７９を積層して配置し、それらを（燃料電池スタック５とともに）第１〜第８締結部材１１１〜１１８を用いて積層方向に押圧して締め付けて固定している。従って、第１〜第４ガスシール部７６〜７９は、締め付けられた際に、接触面において（各金属フレーム７１〜７５より）優先的に変形し、各金属フレーム７１〜７５との密着性が向上する。これにより、ガスシール性を維持しながらも、ロウ付けを不要とする積層構造を実現できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化剤ガス及び燃料ガスを用いるとともに、例えばそれらのガスの予熱等を行う各種の補助器を備えた燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池として、電解質に固体酸化物を用いた固体酸化物形燃料電池（以下ＳＯＦＣとも記す）が知られている。
このＳＯＦＣは、例えば板状の固体電解質体の各面に燃料極と空気極とを備えた燃料電池セルを、多数積層してスタック（燃料電池スタック）を形成し、燃料極に燃料ガスを供給するとともに、空気極に空気を供給し、燃料及び空気中の酸素を固体電解質体を介して化学反応させることによって電力を発生させるものである。
【０００３】
この固体酸化物形燃料電池は、６００〜１０００℃という高温で動作させるので、固体酸化物形燃料電池の運転温度を維持するための構造が必要になっている。
例えば下記特許文献１には、燃料電池スタックを、外部から供給される空気を加熱するための熱交換層や、外部から供給される燃料ガス(主に都市ガス、天然ガスなど)を改質するための改質層などの補助層（積層補助器）で挟み込んで一体化する構造が開示されている。
【０００４】
また、下記特許文献２では、積層補助器を、複数の板状の金属フレームを積層してロウ付けにて一体化した構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１３６３１５号公報
【特許文献２】特開２００９−９３９２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記引用文献２の技術では、ロウ付けによって、金属フレーム同士の結合と金属フレーム間のガスシールとを同時に確保することは容易ではないという問題があった。
【０００７】
つまり、金属フレーム同士をロウ付けする場合には、金属フレームの全面にわたってロウ付けする必要があるが、金属フレーム材は、製造工程上、通常は若干湾曲しているので、複数の金属フレームが密着するように完全にロウ付けすることは容易ではなかった。
【０００８】
しかも、金属フレーム自体、複雑なガス流路を形成するために、複雑な形状に加工されているので、この点からも、金属フレーム同士の完全なロウ付けは容易ではなかった。
そのため、金属フレーム同士の確実な結合やガスシール性を確保することは容易では無いという問題があった。
【０００９】
本発明は、こうした問題に鑑みなされたもので、金属フレームを用いた積層補助器の結合性及びガスシール性を同時に確保することができる燃料電池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】
【００１０】
（１）本発明は、請求項１に記載の様に、燃料電池の発電反応にあたって、酸化剤ガス又は燃料ガスの予熱、発電後の残余燃料ガスの燃焼、燃料ガスを生成するための液体原料の気化、及び燃料ガスの改質の各機能のうち、少なくとも１種の機能を有し、複数の板状の金属フレームを積層してなる積層補助器を備えた燃料電池であって、前記積層補助器は、隣り合う二つの前記金属フレームの間に介在し、前記金属フレームとともに積層され前記金属フレームより強度が低い板状のガスシール部と、前記金属フレームと前記ガスシール部とを積層方向に締め付けて固定する締結部材と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
本発明では、金属フレーム間にガスシール部を積層して配置し、それらを締結部材を用いて積層方向に押圧して締め付けて固定する。
従って、ガスシール部は、締結部材によって締め付けられた際に、接触面において（金属フレームより）優先的に変形し、金属フレームとの密着性が向上する。これにより、ガスシール性を維持しながらも、ロウ付けを不要とする積層構造を実現できる。つまり、本発明により、金属フレームを用いた積層補助器の結合性及びガスシール性を同時に確保することができる。
【００１２】
ここで、前記酸化剤ガス又は燃料ガスの予熱としては、排ガスとの熱交換による予熱、及び／又は、燃料電池本体（積層補助器以外の発電を行う燃料電池スタック等の構成）からの予熱が挙げられる。
【００１３】
（２）本発明では、請求項２に記載の様に、ガスシール部は、マイカ又はバーミキュライトから構成してもよい。
マイカ又はバーミキュライトは、ガスシール性や耐熱耐久性や加工性等が高く、ガスシール部の材料として好適である。なお、これ以外にも、セラミックス（ガラスを含む）を主成分とした材料は、高温で化学的に安定で、しかも、ガス透過性が低いので、ガスシール部の材料として採用することができる。
【００１４】
（３）本発明では、請求項３に記載の様に、締結部材として、金属フレーム及びガスシール部を積層方向に貫通して挿通される貫通部材（例えばボルト）と、貫通部材の少なくとも一端に設けられて、金属フレームとガスシール部とを積層方向に締め付ける相手部材（例えばナット）と、を採用できる。
【００１５】
この締結部材によって、金属フレームとガスシール部とを容易に且つ確実に固定することができる。
（４）本発明では、請求項４に記載の様に、燃料電池を、板状の燃料電池セルから構成された燃料電池スタックと積層補助器とを積層したものとし、締結部材として、積層補助器の積層方向における固定と燃料電池スタックの積層方向における固定とを兼用する部材を採用できる。
【００１６】
この締結部材によって、燃料電池スタックと積層補助器を容易に且つ確実に一体に固定することができる。
（５）本発明では、請求項５に記載の様に、積層補助器として、燃料ガスを改質する改質触媒を有する改質器、又は、前記発電後の残余燃料ガスを燃焼させる燃焼触媒を有する燃焼器が挙げられる。
【００１７】
従来の様に、ロウ付けよって積層補助器を製造する場合には、触媒を積層補助器の内部入れた状態でロウ付けすると、ロウ付けの際の加熱によって触媒が劣化する恐れがあるが、本発明では、締結部材によって積層補助器を固定するので、ロウ付けの際の加熱による劣化を防ぐことができる。
【００１８】
（６）本発明では、請求項６に記載の様に、ガスシール部に、発電に用いられる酸化剤ガス及び／又は燃料ガスを分配するガス分配流路を設けてもよい。
これにより、金属フレームやガスシール部を３次元的に組み上げて、複雑なガスの流路を容易に形成することができる。また、ガスシール部のガス分配流路を利用して、積層補助器の平面方向における一端から他端にガスを流すことができる。更に、ガスの混合効果を高めたり、触媒に均一にガスがゆき渡るように、容易にガス分配流路を形成することができる。なお、ガスシール部にガス分配流路を設けることにより、金属フレームに設ける場合に比べて、その加工が容易であるという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例１の固体酸化物形燃料電池の平面図である。
【図２】図１のＡ方向から見た固体酸化物形燃料電池の側面図である。
【図３】固体酸化物形燃料電池セルを分解した状態を示す説明図である。
【図４】積層補助器を分解した状態を示す説明図である。
【図５】固体酸化物形燃料電池内部のガス流路を模式的に示す説明図である。
【図６】実施例２における積層補助器を分解した状態を示す説明図である。
【図７】実施例３の固体酸化物形燃料電池を模式的に示し、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその縦断面図である。
【図８】実施例４の固体酸化物形燃料電池を模式的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の実施例について図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００２１】
ａ）まず、本実施例の固体酸化物形燃料電池の概略構成について説明する。
図１及び図２に示すように、固体酸化物形燃料電池１は、燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）との供給を受けて発電を行う装置である。
【００２２】
この固体酸化物形燃料電池１は、図２に示すように、発電単位である平板形の燃料電池セル３が複数個積層された燃料電池スタック５と、燃料電池スタック５の積層方向の一方の側（同図下側）に配置された２つの積層補助器７、９とを備えている。そして、この燃料電池スタック５と両積層補助器７、９とは、燃料電池スタック５及び両積層補助器７、９を積層方向に貫く複数の締結部材（第１〜第８締結部材）１１〜１８によって、一体に固定されている。なお、この締結部材１１〜１８は、後述するようにボルト（貫通部材）及びナットから構成されている。以下、各構成について説明する。
【００２３】
・図３に分解して示すように、前記燃料電池セル３は、いわゆる燃料極支持膜形タイプの燃料電池セルであり、燃料ガス流路３７側には、燃料極（アノード）３９が配置されるとともに、燃料極３９の図３上側の表面には薄膜の固体電解質体（固体酸化物体）４１が形成される。その固体酸化物体４１の空気流路４５側の表面には、空気極（カソード）４３が形成されている。なお、前記燃料電池スタック５は、複数個の燃料電池セル３が電気的に直列に接続されたものである。
【００２４】
固体酸化物体４１としては、ＹＳＺ、ＳｃＳＺ、ＳＤＣ、ＧＤＣ、ペロブスカイト系酸化物等の材料が使用できる。また、燃料極３７としては、Ｎｉ及びＮｉとセラミックとのサーメットが使用でき、空気極４３としては、ペロブスカイト系酸化物、各種貴金属及び貴金属とセラミックとのサーメットが使用できる。
【００２５】
空気極４３と図３上方の金属製のインターコネクタ４７との間には、その導通を確保するために集電体４９が配置されている。なお、ここでは、燃料極３９と固体酸化物体４１と空気極４３とをセル本体５１と称する。
【００２６】
詳しくは、燃料電池セル３は、上下一対の金属製のインターコネクタ４７、４７の間に、空気流路４５側の金属製の四角枠状の空気極フレーム５３と、セラミックス製の四角枠状の絶縁フレーム５５と、セル本体５１を接合して配置するとともにガス流路を遮断する金属製の四角枠状のセパレータ５７と、燃料ガス流路３７側の金属製の四角枠状の燃料極フレーム５９とを備えている。なお、インターコネクタ４７と各部材（絶縁フレーム５５、燃料極フレーム５９など）との間には、ガスシール性を確保するために、ロウ付けやガスシール材を適宜採用することができる。
【００２７】
つまり、インターコネクタ（その外周縁部）４７と空気極フレーム５３と絶縁フレーム５５とセパレータ（その外周縁部）５７と燃料極フレーム５９とにより、燃料電池セル３の枠部６１が構成されており、この枠部６１に、前記締結部材１１〜１８が貫挿される挿通孔６３が形成されている。
【００２８】
・図４に模式的に示すように、前記積層補助器７、９は、燃料電池スタック５の発電を補助する平板形の層であり、酸化剤ガス又は燃料ガスの予熱、発電後の残余燃料ガス（即ち発電に使用された燃料ガス以外の残りの燃料ガス）の燃焼、燃料ガスを生成するための液体原料の気化、及び燃料ガスの改質の各機能のうち、少なくとも１種の機能を有するものである。
【００２９】
本実施例では、積層補助器７、９として、燃料電池スタック５の一方（図４下方）において、その上側に、発電後の残余燃料ガスの燃焼させる燃焼器７を備えるとともに、燃焼器７の下側に、燃料ガスの改質を行う改質器９を備えた例について説明する。
【００３０】
前記燃焼器７及び改質器９は、図５に分解して示す様に、５枚の正方形の板状の金属フレーム（金属プレート）７１〜７５と、４枚の正方形の（例えばマイカからなる）板状のガスシール部（マイカプレート）７６〜７９とを交互に積層することにより一体に構成されている。なお、金属フレーム７１〜７５の材料としては、例えばステンレス鋼、好ましくは熱膨張係数がセラミックスと整合性が取れるステンレス鋼が挙げられる。より具体的には、燃料電池スタック５の構成部材として好適に使用されるフェライト系ステンレスであるＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４４４などが挙げられる。
【００３１】
詳しくは、燃焼器７及び改質器９は、（図５の左側上方より）第１金属フレーム７１、第１ガスシール部７６、第２金属フレーム７２、第２ガスシール部７７、第３金属フレーム７３、第３ガスシール部７８、第４金属フレーム７４、第４ガスシール部７９、第５金属フレーム７５の順番に積層されている。
【００３２】
このうち、燃焼器７は、第１金属フレーム７１、第１ガスシール部７６、第２金属フレーム７２、第２ガスシール部７７、第３金属フレーム７３から構成され、改質器９は、第３金属フレーム７３（燃焼器７と共有）、第３ガスシール部７８、第４金属フレーム７４、第４ガスシール部７９、第５金属フレーム７５から構成されている。
【００３３】
なお、各金属フレーム７１〜７５及び各ガスシール部７６〜７９の周縁部には、同図に示す様に、各締結部材１１〜１８が挿通される挿通孔６３を形成する開口８１が、それぞれ８箇所にあけられている。
【００３４】
そして、前記燃焼器７においては、第１ガスシール部７６と第２金属フレーム７２と第３ガスシール部７７の中央に、それぞれ正方形の開口部８３〜８５が設けられており、（各フレームの積層時に）この開口部８３〜８５が重なり合って中空の内部室８７が形成される。また、第１ガスシール部７６と第３ガスシール部７７には、前記周縁部の開口８１と内部室８７とを連通するために、図示するようなガス流路となる切り欠き８９が複数形成されている。
【００３５】
この内部室８７には、発電後の残余燃料ガスと同様な残余空気（即ち発電に使用された空気以外の残った空気）とを混合して燃焼させるために、燃焼触媒（例えば、Ｐｔ触媒、Ｐｄ触媒など）９１が例えば１００ｃｃ充填されている。これにより、燃料電池セル３の通過ガスの中に含まれている未燃ガスが燃焼されて無害化される。
【００３６】
一方、前記改質器９においては、第３ガスシール部７８と第４金属フレーム７４と第４ガスシール部７９との中央には、それぞれ正方形の開口部９３〜９５が設けられており、（各フレームの積層時に）この開口部９３〜９５が重なり合って中空の内部室９７が形成される。また、第３ガスシール部７８と第４ガスシール部７７にも、前記周縁部の開口８１と内部室９７とを連通するために、図示するようなガス流路９９となる切り欠きが複数形成されている。
【００３７】
この内部室９７には、改質触媒（例えば、Ｎｉ触媒、Ｒｕ触媒、Ｒｈ触媒、Ｐｔ触媒など）１０１が例えば１００ｃｃ充填されている。これにより、外部から供給される炭化水素ガス(主に都市ガス、天然ガス)を改質する機能、即ち、水素リッチの燃料ガスに改質する機能を有する。
【００３８】
・また、本実施例では、上述した様に、燃料電池スタック５と積層補助器７、９とは、第１〜第８締結部材１１〜１８によって一体に固定されており、この第１〜第８締結部材１１〜１８は、前記図４に示す様に、燃料電池スタック５と燃焼器７と改質器９とをそれぞれ貫通する第１〜第８ボルト１１１〜１１８と、その第１〜第８ボルト１１１〜１１８の先端（同図上側）に螺合する第１〜第８ナット１２１〜１２８とから構成されている。
【００３９】
この第１〜第８ナット１２１〜１２８のうち、第３ナット１２３には、燃焼ガス（排ガス）を燃料電池スタック５内の挿通孔６３から外部に排出するための燃焼ガス排出管１３１が設けられ、第４ナット１２４には、空気を燃料電池スタック５内の他の挿通孔６３に導入するための空気導入管１３３が設けられ、第５ナット１２５には、燃料ガスを燃料電池スタック５内の更に他の挿通孔６３に導入するための燃料ガス導入管１３５が設けられている。なお、その他のナット１２１、１２２、１２６〜１２８は、袋ナットである。
【００４０】
更に、第１〜第８ボルト１１１〜１１８と改質器９との間、及び第１〜第８ナット１２１〜１２８と燃料電池５との間には、各挿通孔６３と外部との間の電気的絶縁及びガスシールを行うために、（例えばマイカ等からなる）シール部材１３７、１３９が配置されている。
【００４１】
ｂ）次に、上述した締結部材１１〜１８による固体酸化物形燃料電池１の固定及びガス流路の形成について説明する。
前記図４に示すように、第１〜第８ボルト１１１〜１１８と第１〜第８ナット１２１〜１２８は、燃料電池スタック５と燃焼器７と改質器９とを分離可能に一体に結束して固定するための締結部材である。
【００４２】
詳しくは、第１〜第８ボルト１１１〜１１８と第１〜第８ナット１２１〜１２８によって、複数の燃料電池セル３からなる燃料電池スタック５が一体に構成され、且つ、複数の金属フレーム７１〜７３及び複数のガスシール部７６、７７からなる燃焼器７が一体に構成され、且つ、同様に複数の金属フレーム７３〜７５及び複数のガスシール部７８、７９からなる改質器９が一体に構成される。
【００４３】
従って、この第１〜第８ボルト１１１〜１１８及び第１〜第８ナット１２１〜１２８によって、固体酸化物形燃料電池１を積層方向に締め付けると、燃料電池スタック５と燃焼器７と改質器９とを一体に固定できる。逆に、第１〜第８ボルト１１１〜１１８及び第１〜第８ナット１２１〜１２８による固定を緩めると、燃焼器７と改質器９と燃料電池スタック５とを分離することができる。
【００４４】
なお、第１〜第８ボルト１１１〜１１８及び第１〜第８ナット１２１〜１２８から構成される締結部材としては、一端に頭部を有するボルトの両端にナットを取り付ける構成としてもよい。
【００４５】
また、第１〜第８ボルト１１１〜１１８のうち、第１、第７ボルト１１１、１１７は、単に燃料電池スタック５と燃焼器７と改質器９とを固定するためのみに使用されるボルトである。
【００４６】
一方、その他の第２〜第６ボルト１１２〜１１６及び第８ボルト１１８は、燃料電池スタック５と燃焼器７と改質器９との固定を行うとともに、（その周囲の挿通孔６３を利用して）ガスを流通させる流路として用いられる。
【００４７】
即ち、後に詳述する様に、第２、第５、第６ボルト１１２、１１５、１１６が貫挿される挿通孔６３は、燃料ガスの流路として用いられ、第４、第８ボルト１１４、１１８が貫挿される挿通孔６３は、空気の流路として用いられ、第３ボルト１１３が貫挿される挿通孔６３は、燃焼ガスの流路として用いられる。
【００４８】
ｃ）次に、本実施例におけるガスの流路について説明する。
＜空気の流路＞
前記図４に示す様に、空気は、空気導入管１３３から第４ボルト１１４の周囲の挿通孔６３に導入され、その後、この挿通孔６３から、燃料電池スタック５の各燃料電池セル３の空気流路４５に導入され、発電に利用される。
【００４９】
そして、発電後の残余空気は、各燃料電池セル３から第８ボルト１１８の周囲の挿通孔６３に排出され、その後、この挿通孔６３から燃焼器７内に導入される。
＜燃料ガスの流路＞
燃料ガスは、燃料ガス導入管１３５から第５ボルト１１５の周囲の挿通孔６３に導入され、その後、挿通孔６３から、改質器９内に導入されて、燃料ガスの改質が行われる。
【００５０】
改質された燃料ガスは、改質器９から第２ボルト１１２の周囲の挿通孔６３に導入され、その後、この挿通孔６３から燃料電池スタック５の各燃料電池セル３の燃料ガス流路３７に導入され、発電に利用される。
【００５１】
そして、発電後の残余燃料ガスは、各燃料電池セル３から第６ボルト１１６の周囲の挿通孔６３に排出され、その後、この挿通孔６３から燃焼器７内に導入される。
＜燃焼ガスの流路＞
燃焼器７に導入された発電後の残余燃料ガスと残余空気とは、燃焼器７内で燃焼され、その燃焼ガス（排ガス）は、第３ボルト１１３の周囲の挿通孔６３に排出され、その後、この挿通孔６３から燃焼ガス排出管１３１を介して外部に排出される。
【００５２】
ｄ）本実施例の効果について説明する。
本実施例では、燃焼器７及び改質器９を構成するために、第１〜第５金属フレーム７１〜７５の間に第１〜第４ガスシール部７６〜７９を積層して配置し、それらを（燃料電池スタック５とともに）第１〜第８締結部材１１１〜１１８を用いて積層方向に押圧して締め付けて固定している。
【００５３】
従って、第１〜第４ガスシール部７６〜７９は、締め付けられた際に、接触面において（各金属フレーム７１〜７５より）優先的に変形し、各金属フレーム７１〜７５との密着性が向上する。これにより、ガスシール性を維持しながらも、ロウ付けを不要とする積層構造を実現できる。つまり、本実施例により、複数の金属フレーム７６〜７９を用いた積層補助器７、９の結合性及びガスシール性を同時に確保することができる。
【実施例２】
【００５４】
次に、実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例では、前記実施例１とは、燃焼器及び改質器を構成する金属フレーム及びガスシール部の構成が異なるので、異なる点を詳細に説明する。
【００５５】
図６に分解して示す様に、本実施例の固体酸化物形燃料電池においては、燃焼器２０１及び改質器２０３は、５枚の金属フレーム２０５〜２０９と、４枚のガスシール部２１１〜２１４とを交互に積層することにより一体に構成されている。
【００５６】
詳しくは、燃焼器２０１は、第１金属フレーム２０５、第１ガスシール部２１１、第２金属フレーム２０６、第２ガスシール部２１２、第３金属フレーム２０７から構成され、改質器２０３は、第３金属フレーム２０７（燃焼器２０１と共有）、第３ガスシール部２１３、第４金属フレーム２０８、第４ガスシール部２１４、第５金属フレーム２０９から構成されている。
【００５７】
特に本実施例では、燃焼器２０１の内部室２１５を構成する、第１ガスシール部２１１、第２金属フレーム２０６、第２ガスシール部２１２には、図示する様に、ガス分配流路が設けられている。
【００５８】
つまり、第２金属フレーム２０６の各辺に沿って、各挿通孔２１７から平面方向の両側に伸びるスリット２１９が設けられ、第１ガスシール部２１１及び第２ガスシール部２１２の角部（同図左下側）には、それぞれ一対の切り欠き２２１、２２３が設けられている。
このうち、第１ガスシール部２１１の一対の切り欠き２２１は、隣接する各辺に垂直に配置されて、三角形状の小開口部２２２側（詳しくは斜めのバリヤ２２４によって区分された小さい領域）に開口するように構成されている。なお、第２ガスシール部２１２も同様な構成であり、同様な小開口部２２６が設けられている。
この構成によって、第２金属フレーム２０６の隣り合うスリット２１９同士は、第１ガスシール部２１１の一対の切り欠き２２１及び小開口部２２２と、第２金属フレーム２０６の内部室２１５を構成する開口部２２０と、第２ガスシール部２１２の一対の切り欠き２２３及び小開口部２２６とによって構成される空間に連通している。
【００５９】
また、改質器２０３の内部室２２５を構成する、第３ガスシール部２１３、第４金属フレーム２０８、第４ガスシール部２１４にも、図示する様に、ガス分配流路が設けられている。
【００６０】
つまり、第４金属フレーム２０８には、各挿通孔２１７から平面方向の両側に伸びるスリット２２９が設けられ、第３ガスシール部２１３及び第４ガスシール部２１４には、前記スリット２２９と内部室２２５とを立体的に連通する切り欠き２３１、２３３が設けられている。また、第３ガスシール部２１３及び第４ガスシール部２１４には、他の挿通孔２１７と内部室２２５とを立体的に連通する他のスリット２３５、２３７も形成されている。
【００６１】
ここで、第３ガスシール部２１３の４個の切り欠き２３１は、（同図上方の）辺と垂直に伸びて開口部２２４側に開口するように構成され、スリット２３５は、開口部２２４とは（同図下方の）辺に平行なバリヤ２２６によって開口部２２４と区分されている（なお、第４ガスシール部２１４も同様な構成である）。
【００６２】
本実施例では、上述の様に、第１〜第４ガスシール部２１１〜２１４及び第２、第４金属フレーム２０６、２０８には、ガス分配流路となるスリット２１９、２２９、２３５、２３７や切り欠き２２１、２２３、２３１、２３３が設けられているので、第１〜第４ガスシール部２１１〜２１４及び第２、第４金属フレーム２０６、２０８を３次元的に組み上げて、複雑なガスの流路を容易に形成することができる。
【００６３】
また、第１〜第４ガスシール部２１１〜２１４のガス分配流路を利用して、燃焼器２０１や改質器２０３の平面方向における一端から他端にガスを流すことができる。更に、ガスの混合効果を高めたり、触媒に均一にガスがゆき渡るようにすることができる。
【実施例３】
【００６４】
次に、実施例３について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例は、前記実施例１とは、固体酸化物形燃料電池の固定方法が異なる。
図７に示す様に、本実施例の固体酸化物形燃料電池３０１は、燃料電池スタック３０３の積層方向（図７（ｂ）の上下方向）の両側に、それぞれ積層補助部３０５、３０７を備えている。
【００６５】
なお、各積層補助部３０５、３０７は、それぞれ３個の積層補助器から構成されており、これらの積層補助器としては、酸化剤ガス又は燃料ガスの予熱器、発電後の残余燃料ガスの燃焼器、燃料ガスを生成するための液体原料の気化器、及び燃料ガスの改質器等を採用できる。
【００６６】
この固体酸化物形燃料電池３０１の四方の側方（積層方向と垂直の方向）には、断面がコの字状の固定具３０９がそれぞれ嵌め込まれており、この固定具３０９の上部３１３には、複数のボルト３１１が配置されている。
【００６７】
つまり、固定部３０９の上部３１３と下部３１５とで固体酸化物形燃料電池３０１の上下を挟んだ状態で、ボルト３１１を締め付けると、ボルト３１１の先端が固体酸化物形燃料電池３０１を積層方向に押圧することによって、固体酸化物形燃料電池３０１を一体に固定できるように構成されている。
【００６８】
即ち、本実施例では、固定具３０９とボルト３１１が万力にように機能して、固体酸化物形燃料電池３０１を一体に固定するので、前記実施例１と同様な効果を奏する。
【実施例４】
【００６９】
次に、実施例４について説明するが、前記実施例３と同様な内容の説明は省略する。
本実施例は、前記実施例３とは、固体酸化物形燃料電池の固定方法が異なる。
図８に示す様に、本実施例の固体酸化物形燃料電池４０１は、燃料電池スタック４０３の積層方向（同図上下方向）の両側に、それぞれ積層補助部４０５、４０７を備えている。
【００７０】
なお、各積層補助部４０５、４０７は、前記実施例３と同様に、それぞれ３個の積層補助器から構成されている。
この固体酸化物形燃料電池４０１は、上下をプレート４０９、４１１で挟まれた状態で容器４１３内に収容されている。
【００７１】
特に本実施例では、固体酸化物形燃料電池４０１は、上部のプレート４０９上に載置された押圧部材４１５を介して、積層方向に加重（プレス）されるように構成されている。
なお、このプレス方式では、油圧、空気圧、バネにより加重が加わるようにすることができる。
【００７２】
本実施例においても、前記実施例３と同様な効果を奏する。
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
【００７３】
（１）例えば、前記各実施例の積層補助器としては、酸化剤ガス又は燃料ガスの予熱器、発電後の残余燃料ガスの燃焼器、燃料ガスを生成するための液体原料の気化器、及び燃料ガスの改質器等を採用できる。
【００７４】
（２）また、本発明は、固体酸化物形燃料電池以外に、例えば溶融炭酸塩形、リン酸形等の燃料電池に適用することができる。
【符号の説明】
【００７５】
１、３０１、４０１…固体酸化物形燃料電池
３…燃料電池セル
５、３０３、４０３…燃料電池スタック
７…燃焼器
９、２０３…改質器
１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８…締結部材
６３、２１７…挿通孔
７１、７２、７３、７４、７５、２０５、２０６、２０７、２０８、２０９…金属フレーム
７６、７７、７８、７９、２１１、２１２、２１３、２１４…ガスシール部
８９、２２１、２２３、２３１、２３３…切り欠き
９１…燃焼触媒
１０１…改質触媒
１１１、１１２、１２３、１２４、１２５、１２６、１２７、１２８、３１１…ボルト
１２１、１２２、１２３、１２４、１２５、１２６、１２７、１２８…ナット
２１９、２２９、２３５、２３７…スリット
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化剤ガス及び燃料ガスを用いるとともに、例えばそれらのガスの予熱等を行う各種の補助器を備えた燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料電池として、電解質に固体酸化物を用いた固体酸化物形燃料電池（以下ＳＯＦＣとも記す）が知られている。
このＳＯＦＣは、例えば板状の固体電解質体の各面に燃料極と空気極とを備えた燃料電池セルを、多数積層してスタック（燃料電池スタック）を形成し、燃料極に燃料ガスを供給するとともに、空気極に空気を供給し、燃料及び空気中の酸素を固体電解質体を介して化学反応させることによって電力を発生させるものである。
【０００３】
この固体酸化物形燃料電池は、６００〜１０００℃という高温で動作させるので、固体酸化物形燃料電池の運転温度を維持するための構造が必要になっている。
例えば下記特許文献１には、燃料電池スタックを、外部から供給される空気を加熱するための熱交換層や、外部から供給される燃料ガス(主に都市ガス、天然ガスなど)を改質するための改質層などの補助層（積層補助器）で挟み込んで一体化する構造が開示されている。
【０００４】
また、下記特許文献２では、積層補助器を、複数の板状の金属フレームを積層してロウ付けにて一体化した構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１３６３１５号公報
【特許文献２】特開２００９−９３９２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記引用文献２の技術では、ロウ付けによって、金属フレーム同士の結合と金属フレーム間のガスシールとを同時に確保することは容易ではないという問題があった。
【０００７】
つまり、金属フレーム同士をロウ付けする場合には、金属フレームの全面にわたってロウ付けする必要があるが、金属フレーム材は、製造工程上、通常は若干湾曲しているので、複数の金属フレームが密着するように完全にロウ付けすることは容易ではなかった。
【０００８】
しかも、金属フレーム自体、複雑なガス流路を形成するために、複雑な形状に加工されているので、この点からも、金属フレーム同士の完全なロウ付けは容易ではなかった。
そのため、金属フレーム同士の確実な結合やガスシール性を確保することは容易では無いという問題があった。
【０００９】
本発明は、こうした問題に鑑みなされたもので、金属フレームを用いた積層補助器の結合性及びガスシール性を同時に確保することができる燃料電池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】
【００１０】
（１）本発明は、請求項１に記載の様に、燃料電池の発電反応にあたって、酸化剤ガス又は燃料ガスの予熱、発電後の残余燃料ガスの燃焼、燃料ガスを生成するための液体原料の気化、及び燃料ガスの改質の各機能のうち、少なくとも１種の機能を有し、複数の板状の金属フレームを積層してなる積層補助器を備えた燃料電池であって、前記積層補助器は、隣り合う二つの前記金属フレームの間に介在し、前記金属フレームとともに積層され前記金属フレームより強度が低い板状のガスシール部と、前記金属フレームと前記ガスシール部とを積層方向に締め付けて固定する締結部材と、を備えたことを特徴とする。
【００１１】
本発明では、金属フレーム間にガスシール部を積層して配置し、それらを締結部材を用いて積層方向に押圧して締め付けて固定する。
従って、ガスシール部は、締結部材によって締め付けられた際に、接触面において（金属フレームより）優先的に変形し、金属フレームとの密着性が向上する。これにより、ガスシール性を維持しながらも、ロウ付けを不要とする積層構造を実現できる。つまり、本発明により、金属フレームを用いた積層補助器の結合性及びガスシール性を同時に確保することができる。
【００１２】
ここで、前記酸化剤ガス又は燃料ガスの予熱としては、排ガスとの熱交換による予熱、及び／又は、燃料電池本体（積層補助器以外の発電を行う燃料電池スタック等の構成）からの予熱が挙げられる。
【００１３】
（２）本発明では、請求項２に記載の様に、ガスシール部は、マイカ又はバーミキュライトから構成してもよい。
マイカ又はバーミキュライトは、ガスシール性や耐熱耐久性や加工性等が高く、ガスシール部の材料として好適である。なお、これ以外にも、セラミックス（ガラスを含む）を主成分とした材料は、高温で化学的に安定で、しかも、ガス透過性が低いので、ガスシール部の材料として採用することができる。
【００１４】
（３）本発明では、請求項３に記載の様に、締結部材として、金属フレーム及びガスシール部を積層方向に貫通して挿通される貫通部材（例えばボルト）と、貫通部材の少なくとも一端に設けられて、金属フレームとガスシール部とを積層方向に締め付ける相手部材（例えばナット）と、を採用できる。
【００１５】
この締結部材によって、金属フレームとガスシール部とを容易に且つ確実に固定することができる。
（４）本発明では、請求項４に記載の様に、燃料電池を、板状の燃料電池セルから構成された燃料電池スタックと積層補助器とを積層したものとし、締結部材として、積層補助器の積層方向における固定と燃料電池スタックの積層方向における固定とを兼用する部材を採用できる。
【００１６】
この締結部材によって、燃料電池スタックと積層補助器を容易に且つ確実に一体に固定することができる。
（５）本発明では、請求項５に記載の様に、積層補助器として、燃料ガスを改質する改質触媒を有する改質器、又は、前記発電後の残余燃料ガスを燃焼させる燃焼触媒を有する燃焼器が挙げられる。
【００１７】
従来の様に、ロウ付けよって積層補助器を製造する場合には、触媒を積層補助器の内部入れた状態でロウ付けすると、ロウ付けの際の加熱によって触媒が劣化する恐れがあるが、本発明では、締結部材によって積層補助器を固定するので、ロウ付けの際の加熱による劣化を防ぐことができる。
【００１８】
（６）本発明では、請求項６に記載の様に、ガスシール部に、発電に用いられる酸化剤ガス及び／又は燃料ガスを分配するガス分配流路を設けてもよい。
これにより、金属フレームやガスシール部を３次元的に組み上げて、複雑なガスの流路を容易に形成することができる。また、ガスシール部のガス分配流路を利用して、積層補助器の平面方向における一端から他端にガスを流すことができる。更に、ガスの混合効果を高めたり、触媒に均一にガスがゆき渡るように、容易にガス分配流路を形成することができる。なお、ガスシール部にガス分配流路を設けることにより、金属フレームに設ける場合に比べて、その加工が容易であるという利点もある。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例１の固体酸化物形燃料電池の平面図である。
【図２】図１のＡ方向から見た固体酸化物形燃料電池の側面図である。
【図３】固体酸化物形燃料電池セルを分解した状態を示す説明図である。
【図４】積層補助器を分解した状態を示す説明図である。
【図５】固体酸化物形燃料電池内部のガス流路を模式的に示す説明図である。
【図６】実施例２における積層補助器を分解した状態を示す説明図である。
【図７】実施例３の固体酸化物形燃料電池を模式的に示し、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその縦断面図である。
【図８】実施例４の固体酸化物形燃料電池を模式的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明が適用された固体酸化物形燃料電池の実施例について図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００２１】
ａ）まず、本実施例の固体酸化物形燃料電池の概略構成について説明する。
図１及び図２に示すように、固体酸化物形燃料電池１は、燃料ガス（例えば水素）と酸化剤ガス（例えば空気）との供給を受けて発電を行う装置である。
【００２２】
この固体酸化物形燃料電池１は、図２に示すように、発電単位である平板形の燃料電池セル３が複数個積層された燃料電池スタック５と、燃料電池スタック５の積層方向の一方の側（同図下側）に配置された２つの積層補助器７、９とを備えている。そして、この燃料電池スタック５と両積層補助器７、９とは、燃料電池スタック５及び両積層補助器７、９を積層方向に貫く複数の締結部材（第１〜第８締結部材）１１〜１８によって、一体に固定されている。なお、この締結部材１１〜１８は、後述するようにボルト（貫通部材）及びナットから構成されている。以下、各構成について説明する。
【００２３】
・図３に分解して示すように、前記燃料電池セル３は、いわゆる燃料極支持膜形タイプの燃料電池セルであり、燃料ガス流路３７側には、燃料極（アノード）３９が配置されるとともに、燃料極３９の図３上側の表面には薄膜の固体電解質体（固体酸化物体）４１が形成される。その固体酸化物体４１の空気流路４５側の表面には、空気極（カソード）４３が形成されている。なお、前記燃料電池スタック５は、複数個の燃料電池セル３が電気的に直列に接続されたものである。
【００２４】
固体酸化物体４１としては、ＹＳＺ、ＳｃＳＺ、ＳＤＣ、ＧＤＣ、ペロブスカイト系酸化物等の材料が使用できる。また、燃料極３７としては、Ｎｉ及びＮｉとセラミックとのサーメットが使用でき、空気極４３としては、ペロブスカイト系酸化物、各種貴金属及び貴金属とセラミックとのサーメットが使用できる。
【００２５】
空気極４３と図３上方の金属製のインターコネクタ４７との間には、その導通を確保するために集電体４９が配置されている。なお、ここでは、燃料極３９と固体酸化物体４１と空気極４３とをセル本体５１と称する。
【００２６】
詳しくは、燃料電池セル３は、上下一対の金属製のインターコネクタ４７、４７の間に、空気流路４５側の金属製の四角枠状の空気極フレーム５３と、セラミックス製の四角枠状の絶縁フレーム５５と、セル本体５１を接合して配置するとともにガス流路を遮断する金属製の四角枠状のセパレータ５７と、燃料ガス流路３７側の金属製の四角枠状の燃料極フレーム５９とを備えている。なお、インターコネクタ４７と各部材（絶縁フレーム５５、燃料極フレーム５９など）との間には、ガスシール性を確保するために、ロウ付けやガスシール材を適宜採用することができる。
【００２７】
つまり、インターコネクタ（その外周縁部）４７と空気極フレーム５３と絶縁フレーム５５とセパレータ（その外周縁部）５７と燃料極フレーム５９とにより、燃料電池セル３の枠部６１が構成されており、この枠部６１に、前記締結部材１１〜１８が貫挿される挿通孔６３が形成されている。
【００２８】
・図４に模式的に示すように、前記積層補助器７、９は、燃料電池スタック５の発電を補助する平板形の層であり、酸化剤ガス又は燃料ガスの予熱、発電後の残余燃料ガス（即ち発電に使用された燃料ガス以外の残りの燃料ガス）の燃焼、燃料ガスを生成するための液体原料の気化、及び燃料ガスの改質の各機能のうち、少なくとも１種の機能を有するものである。
【００２９】
本実施例では、積層補助器７、９として、燃料電池スタック５の一方（図４下方）において、その上側に、発電後の残余燃料ガスの燃焼させる燃焼器７を備えるとともに、燃焼器７の下側に、燃料ガスの改質を行う改質器９を備えた例について説明する。
【００３０】
前記燃焼器７及び改質器９は、図５に分解して示す様に、５枚の正方形の板状の金属フレーム（金属プレート）７１〜７５と、４枚の正方形の（例えばマイカからなる）板状のガスシール部（マイカプレート）７６〜７９とを交互に積層することにより一体に構成されている。なお、金属フレーム７１〜７５の材料としては、例えばステンレス鋼、好ましくは熱膨張係数がセラミックスと整合性が取れるステンレス鋼が挙げられる。より具体的には、燃料電池スタック５の構成部材として好適に使用されるフェライト系ステンレスであるＳＵＳ４３０、ＳＵＳ４４４などが挙げられる。
【００３１】
詳しくは、燃焼器７及び改質器９は、（図５の左側上方より）第１金属フレーム７１、第１ガスシール部７６、第２金属フレーム７２、第２ガスシール部７７、第３金属フレーム７３、第３ガスシール部７８、第４金属フレーム７４、第４ガスシール部７９、第５金属フレーム７５の順番に積層されている。
【００３２】
このうち、燃焼器７は、第１金属フレーム７１、第１ガスシール部７６、第２金属フレーム７２、第２ガスシール部７７、第３金属フレーム７３から構成され、改質器９は、第３金属フレーム７３（燃焼器７と共有）、第３ガスシール部７８、第４金属フレーム７４、第４ガスシール部７９、第５金属フレーム７５から構成されている。
【００３３】
なお、各金属フレーム７１〜７５及び各ガスシール部７６〜７９の周縁部には、同図に示す様に、各締結部材１１〜１８が挿通される挿通孔６３を形成する開口８１が、それぞれ８箇所にあけられている。
【００３４】
そして、前記燃焼器７においては、第１ガスシール部７６と第２金属フレーム７２と第３ガスシール部７７の中央に、それぞれ正方形の開口部８３〜８５が設けられており、（各フレームの積層時に）この開口部８３〜８５が重なり合って中空の内部室８７が形成される。また、第１ガスシール部７６と第３ガスシール部７７には、前記周縁部の開口８１と内部室８７とを連通するために、図示するようなガス流路となる切り欠き８９が複数形成されている。
【００３５】
この内部室８７には、発電後の残余燃料ガスと同様な残余空気（即ち発電に使用された空気以外の残った空気）とを混合して燃焼させるために、燃焼触媒（例えば、Ｐｔ触媒、Ｐｄ触媒など）９１が例えば１００ｃｃ充填されている。これにより、燃料電池セル３の通過ガスの中に含まれている未燃ガスが燃焼されて無害化される。
【００３６】
一方、前記改質器９においては、第３ガスシール部７８と第４金属フレーム７４と第４ガスシール部７９との中央には、それぞれ正方形の開口部９３〜９５が設けられており、（各フレームの積層時に）この開口部９３〜９５が重なり合って中空の内部室９７が形成される。また、第３ガスシール部７８と第４ガスシール部７７にも、前記周縁部の開口８１と内部室９７とを連通するために、図示するようなガス流路９９となる切り欠きが複数形成されている。
【００３７】
この内部室９７には、改質触媒（例えば、Ｎｉ触媒、Ｒｕ触媒、Ｒｈ触媒、Ｐｔ触媒など）１０１が例えば１００ｃｃ充填されている。これにより、外部から供給される炭化水素ガス(主に都市ガス、天然ガス)を改質する機能、即ち、水素リッチの燃料ガスに改質する機能を有する。
【００３８】
・また、本実施例では、上述した様に、燃料電池スタック５と積層補助器７、９とは、第１〜第８締結部材１１〜１８によって一体に固定されており、この第１〜第８締結部材１１〜１８は、前記図４に示す様に、燃料電池スタック５と燃焼器７と改質器９とをそれぞれ貫通する第１〜第８ボルト１１１〜１１８と、その第１〜第８ボルト１１１〜１１８の先端（同図上側）に螺合する第１〜第８ナット１２１〜１２８とから構成されている。
【００３９】
この第１〜第８ナット１２１〜１２８のうち、第３ナット１２３には、燃焼ガス（排ガス）を燃料電池スタック５内の挿通孔６３から外部に排出するための燃焼ガス排出管１３１が設けられ、第４ナット１２４には、空気を燃料電池スタック５内の他の挿通孔６３に導入するための空気導入管１３３が設けられ、第５ナット１２５には、燃料ガスを燃料電池スタック５内の更に他の挿通孔６３に導入するための燃料ガス導入管１３５が設けられている。なお、その他のナット１２１、１２２、１２６〜１２８は、袋ナットである。
【００４０】
更に、第１〜第８ボルト１１１〜１１８と改質器９との間、及び第１〜第８ナット１２１〜１２８と燃料電池５との間には、各挿通孔６３と外部との間の電気的絶縁及びガスシールを行うために、（例えばマイカ等からなる）シール部材１３７、１３９が配置されている。
【００４１】
ｂ）次に、上述した締結部材１１〜１８による固体酸化物形燃料電池１の固定及びガス流路の形成について説明する。
前記図４に示すように、第１〜第８ボルト１１１〜１１８と第１〜第８ナット１２１〜１２８は、燃料電池スタック５と燃焼器７と改質器９とを分離可能に一体に結束して固定するための締結部材である。
【００４２】
詳しくは、第１〜第８ボルト１１１〜１１８と第１〜第８ナット１２１〜１２８によって、複数の燃料電池セル３からなる燃料電池スタック５が一体に構成され、且つ、複数の金属フレーム７１〜７３及び複数のガスシール部７６、７７からなる燃焼器７が一体に構成され、且つ、同様に複数の金属フレーム７３〜７５及び複数のガスシール部７８、７９からなる改質器９が一体に構成される。
【００４３】
従って、この第１〜第８ボルト１１１〜１１８及び第１〜第８ナット１２１〜１２８によって、固体酸化物形燃料電池１を積層方向に締め付けると、燃料電池スタック５と燃焼器７と改質器９とを一体に固定できる。逆に、第１〜第８ボルト１１１〜１１８及び第１〜第８ナット１２１〜１２８による固定を緩めると、燃焼器７と改質器９と燃料電池スタック５とを分離することができる。
【００４４】
なお、第１〜第８ボルト１１１〜１１８及び第１〜第８ナット１２１〜１２８から構成される締結部材としては、一端に頭部を有するボルトの両端にナットを取り付ける構成としてもよい。
【００４５】
また、第１〜第８ボルト１１１〜１１８のうち、第１、第７ボルト１１１、１１７は、単に燃料電池スタック５と燃焼器７と改質器９とを固定するためのみに使用されるボルトである。
【００４６】
一方、その他の第２〜第６ボルト１１２〜１１６及び第８ボルト１１８は、燃料電池スタック５と燃焼器７と改質器９との固定を行うとともに、（その周囲の挿通孔６３を利用して）ガスを流通させる流路として用いられる。
【００４７】
即ち、後に詳述する様に、第２、第５、第６ボルト１１２、１１５、１１６が貫挿される挿通孔６３は、燃料ガスの流路として用いられ、第４、第８ボルト１１４、１１８が貫挿される挿通孔６３は、空気の流路として用いられ、第３ボルト１１３が貫挿される挿通孔６３は、燃焼ガスの流路として用いられる。
【００４８】
ｃ）次に、本実施例におけるガスの流路について説明する。
＜空気の流路＞
前記図４に示す様に、空気は、空気導入管１３３から第４ボルト１１４の周囲の挿通孔６３に導入され、その後、この挿通孔６３から、燃料電池スタック５の各燃料電池セル３の空気流路４５に導入され、発電に利用される。
【００４９】
そして、発電後の残余空気は、各燃料電池セル３から第８ボルト１１８の周囲の挿通孔６３に排出され、その後、この挿通孔６３から燃焼器７内に導入される。
＜燃料ガスの流路＞
燃料ガスは、燃料ガス導入管１３５から第５ボルト１１５の周囲の挿通孔６３に導入され、その後、挿通孔６３から、改質器９内に導入されて、燃料ガスの改質が行われる。
【００５０】
改質された燃料ガスは、改質器９から第２ボルト１１２の周囲の挿通孔６３に導入され、その後、この挿通孔６３から燃料電池スタック５の各燃料電池セル３の燃料ガス流路３７に導入され、発電に利用される。
【００５１】
そして、発電後の残余燃料ガスは、各燃料電池セル３から第６ボルト１１６の周囲の挿通孔６３に排出され、その後、この挿通孔６３から燃焼器７内に導入される。
＜燃焼ガスの流路＞
燃焼器７に導入された発電後の残余燃料ガスと残余空気とは、燃焼器７内で燃焼され、その燃焼ガス（排ガス）は、第３ボルト１１３の周囲の挿通孔６３に排出され、その後、この挿通孔６３から燃焼ガス排出管１３１を介して外部に排出される。
【００５２】
ｄ）本実施例の効果について説明する。
本実施例では、燃焼器７及び改質器９を構成するために、第１〜第５金属フレーム７１〜７５の間に第１〜第４ガスシール部７６〜７９を積層して配置し、それらを（燃料電池スタック５とともに）第１〜第８締結部材１１１〜１１８を用いて積層方向に押圧して締め付けて固定している。
【００５３】
従って、第１〜第４ガスシール部７６〜７９は、締め付けられた際に、接触面において（各金属フレーム７１〜７５より）優先的に変形し、各金属フレーム７１〜７５との密着性が向上する。これにより、ガスシール性を維持しながらも、ロウ付けを不要とする積層構造を実現できる。つまり、本実施例により、複数の金属フレーム７６〜７９を用いた積層補助器７、９の結合性及びガスシール性を同時に確保することができる。
【実施例２】
【００５４】
次に、実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例では、前記実施例１とは、燃焼器及び改質器を構成する金属フレーム及びガスシール部の構成が異なるので、異なる点を詳細に説明する。
【００５５】
図６に分解して示す様に、本実施例の固体酸化物形燃料電池においては、燃焼器２０１及び改質器２０３は、５枚の金属フレーム２０５〜２０９と、４枚のガスシール部２１１〜２１４とを交互に積層することにより一体に構成されている。
【００５６】
詳しくは、燃焼器２０１は、第１金属フレーム２０５、第１ガスシール部２１１、第２金属フレーム２０６、第２ガスシール部２１２、第３金属フレーム２０７から構成され、改質器２０３は、第３金属フレーム２０７（燃焼器２０１と共有）、第３ガスシール部２１３、第４金属フレーム２０８、第４ガスシール部２１４、第５金属フレーム２０９から構成されている。
【００５７】
特に本実施例では、燃焼器２０１の内部室２１５を構成する、第１ガスシール部２１１、第２金属フレーム２０６、第２ガスシール部２１２には、図示する様に、ガス分配流路が設けられている。
【００５８】
つまり、第２金属フレーム２０６の各辺に沿って、各挿通孔２１７から平面方向の両側に伸びるスリット２１９が設けられ、第１ガスシール部２１１及び第２ガスシール部２１２の角部（同図左下側）には、それぞれ一対の切り欠き２２１、２２３が設けられている。
このうち、第１ガスシール部２１１の一対の切り欠き２２１は、隣接する各辺に垂直に配置されて、三角形状の小開口部２２２側（詳しくは斜めのバリヤ２２４によって区分された小さい領域）に開口するように構成されている。なお、第２ガスシール部２１２も同様な構成であり、同様な小開口部２２６が設けられている。
この構成によって、第２金属フレーム２０６の隣り合うスリット２１９同士は、第１ガスシール部２１１の一対の切り欠き２２１及び小開口部２２２と、第２金属フレーム２０６の内部室２１５を構成する開口部２２０と、第２ガスシール部２１２の一対の切り欠き２２３及び小開口部２２６とによって構成される空間に連通している。
【００５９】
また、改質器２０３の内部室２２５を構成する、第３ガスシール部２１３、第４金属フレーム２０８、第４ガスシール部２１４にも、図示する様に、ガス分配流路が設けられている。
【００６０】
つまり、第４金属フレーム２０８には、各挿通孔２１７から平面方向の両側に伸びるスリット２２９が設けられ、第３ガスシール部２１３及び第４ガスシール部２１４には、前記スリット２２９と内部室２２５とを立体的に連通する切り欠き２３１、２３３が設けられている。また、第３ガスシール部２１３及び第４ガスシール部２１４には、他の挿通孔２１７と内部室２２５とを立体的に連通する他のスリット２３５、２３７も形成されている。
【００６１】
ここで、第３ガスシール部２１３の４個の切り欠き２３１は、（同図上方の）辺と垂直に伸びて開口部２２４側に開口するように構成され、スリット２３５は、開口部２２４とは（同図下方の）辺に平行なバリヤ２２６によって開口部２２４と区分されている（なお、第４ガスシール部２１４も同様な構成である）。
【００６２】
本実施例では、上述の様に、第１〜第４ガスシール部２１１〜２１４及び第２、第４金属フレーム２０６、２０８には、ガス分配流路となるスリット２１９、２２９、２３５、２３７や切り欠き２２１、２２３、２３１、２３３が設けられているので、第１〜第４ガスシール部２１１〜２１４及び第２、第４金属フレーム２０６、２０８を３次元的に組み上げて、複雑なガスの流路を容易に形成することができる。
【００６３】
また、第１〜第４ガスシール部２１１〜２１４のガス分配流路を利用して、燃焼器２０１や改質器２０３の平面方向における一端から他端にガスを流すことができる。更に、ガスの混合効果を高めたり、触媒に均一にガスがゆき渡るようにすることができる。
【実施例３】
【００６４】
次に、実施例３について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
本実施例は、前記実施例１とは、固体酸化物形燃料電池の固定方法が異なる。
図７に示す様に、本実施例の固体酸化物形燃料電池３０１は、燃料電池スタック３０３の積層方向（図７（ｂ）の上下方向）の両側に、それぞれ積層補助部３０５、３０７を備えている。
【００６５】
なお、各積層補助部３０５、３０７は、それぞれ３個の積層補助器から構成されており、これらの積層補助器としては、酸化剤ガス又は燃料ガスの予熱器、発電後の残余燃料ガスの燃焼器、燃料ガスを生成するための液体原料の気化器、及び燃料ガスの改質器等を採用できる。
【００６６】
この固体酸化物形燃料電池３０１の四方の側方（積層方向と垂直の方向）には、断面がコの字状の固定具３０９がそれぞれ嵌め込まれており、この固定具３０９の上部３１３には、複数のボルト３１１が配置されている。
【００６７】
つまり、固定部３０９の上部３１３と下部３１５とで固体酸化物形燃料電池３０１の上下を挟んだ状態で、ボルト３１１を締め付けると、ボルト３１１の先端が固体酸化物形燃料電池３０１を積層方向に押圧することによって、固体酸化物形燃料電池３０１を一体に固定できるように構成されている。
【００６８】
即ち、本実施例では、固定具３０９とボルト３１１が万力にように機能して、固体酸化物形燃料電池３０１を一体に固定するので、前記実施例１と同様な効果を奏する。
【実施例４】
【００６９】
次に、実施例４について説明するが、前記実施例３と同様な内容の説明は省略する。
本実施例は、前記実施例３とは、固体酸化物形燃料電池の固定方法が異なる。
図８に示す様に、本実施例の固体酸化物形燃料電池４０１は、燃料電池スタック４０３の積層方向（同図上下方向）の両側に、それぞれ積層補助部４０５、４０７を備えている。
【００７０】
なお、各積層補助部４０５、４０７は、前記実施例３と同様に、それぞれ３個の積層補助器から構成されている。
この固体酸化物形燃料電池４０１は、上下をプレート４０９、４１１で挟まれた状態で容器４１３内に収容されている。
【００７１】
特に本実施例では、固体酸化物形燃料電池４０１は、上部のプレート４０９上に載置された押圧部材４１５を介して、積層方向に加重（プレス）されるように構成されている。
なお、このプレス方式では、油圧、空気圧、バネにより加重が加わるようにすることができる。
【００７２】
本実施例においても、前記実施例３と同様な効果を奏する。
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、種々の態様を採ることができる。
【００７３】
（１）例えば、前記各実施例の積層補助器としては、酸化剤ガス又は燃料ガスの予熱器、発電後の残余燃料ガスの燃焼器、燃料ガスを生成するための液体原料の気化器、及び燃料ガスの改質器等を採用できる。
【００７４】
（２）また、本発明は、固体酸化物形燃料電池以外に、例えば溶融炭酸塩形、リン酸形等の燃料電池に適用することができる。
【符号の説明】
【００７５】
１、３０１、４０１…固体酸化物形燃料電池
３…燃料電池セル
５、３０３、４０３…燃料電池スタック
７…燃焼器
９、２０３…改質器
１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８…締結部材
６３、２１７…挿通孔
７１、７２、７３、７４、７５、２０５、２０６、２０７、２０８、２０９…金属フレーム
７６、７７、７８、７９、２１１、２１２、２１３、２１４…ガスシール部
８９、２２１、２２３、２３１、２３３…切り欠き
９１…燃焼触媒
１０１…改質触媒
１１１、１１２、１２３、１２４、１２５、１２６、１２７、１２８、３１１…ボルト
１２１、１２２、１２３、１２４、１２５、１２６、１２７、１２８…ナット
２１９、２２９、２３５、２３７…スリット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の発電反応にあたって、酸化剤ガス又は燃料ガスの予熱、発電後の残余燃料ガスの燃焼、燃料ガスを生成するための液体原料の気化、及び燃料ガスの改質の各機能のうち、少なくとも１種の機能を有し、複数の板状の金属フレームを積層してなる積層補助器を備えた燃料電池であって、
前記積層補助器は、隣り合う二つの前記金属フレームの間に介在し、前記金属フレームとともに積層され前記金属フレームより強度が低い板状のガスシール部と、
前記金属フレームと前記ガスシール部とを積層方向に締め付けて固定する締結部材と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記ガスシール部は、マイカ又はバーミキュライトからなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記締結部材は、
前記金属フレーム及び前記ガスシール部を積層方向に貫通して挿通される貫通部材と、
前記貫通部材の少なくとも一端に設けられて、前記金属フレームと前記ガスシール部とを積層方向に締め付ける相手部材と、
を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記燃料電池は、板状の燃料電池セルから構成された燃料電池スタックと前記積層補助器とを積層したものであり、
前記締結部材は、前記積層補助器の積層方向における固定と前記燃料電池スタックの積層方向における固定とを兼用する部材であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記積層補助器は、前記燃料ガスを改質する改質触媒を有する改質器、又は、前記発電後の残余燃料ガスを燃焼させる燃焼触媒を有する燃焼器であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記ガスシール部に、前記発電に用いられる酸化剤ガス及び／又は燃料ガスを分配するガス分配流路を設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１】
燃料電池の発電反応にあたって、酸化剤ガス又は燃料ガスの予熱、発電後の残余燃料ガスの燃焼、燃料ガスを生成するための液体原料の気化、及び燃料ガスの改質の各機能のうち、少なくとも１種の機能を有し、複数の板状の金属フレームを積層してなる積層補助器を備えた燃料電池であって、
前記積層補助器は、隣り合う二つの前記金属フレームの間に介在し、前記金属フレームとともに積層され前記金属フレームより強度が低い板状のガスシール部と、
前記金属フレームと前記ガスシール部とを積層方向に締め付けて固定する締結部材と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記ガスシール部は、マイカ又はバーミキュライトからなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記締結部材は、
前記金属フレーム及び前記ガスシール部を積層方向に貫通して挿通される貫通部材と、
前記貫通部材の少なくとも一端に設けられて、前記金属フレームと前記ガスシール部とを積層方向に締め付ける相手部材と、
を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記燃料電池は、板状の燃料電池セルから構成された燃料電池スタックと前記積層補助器とを積層したものであり、
前記締結部材は、前記積層補助器の積層方向における固定と前記燃料電池スタックの積層方向における固定とを兼用する部材であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記積層補助器は、前記燃料ガスを改質する改質触媒を有する改質器、又は、前記発電後の残余燃料ガスを燃焼させる燃焼触媒を有する燃焼器であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記ガスシール部に、前記発電に用いられる酸化剤ガス及び／又は燃料ガスを分配するガス分配流路を設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２２８１７１（Ｐ２０１１−２２８１７１Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９７９３５（Ｐ２０１０−９７９３５）
【出願日】平成２２年４月２１日（２０１０．４．２１）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１０日（２０１１．１１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２１日（２０１０．４．２１）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【Ｆターム（参考）】
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