燃料電池
【課題】積層体の外部と内部の何れにもガス漏れしない燃料電池を提供する。
【解決手段】平板状の燃料電池セルを複数積層してなる積層体と、積層体の周縁部に配置されると共に積層体を積層方向に貫いて発電反応に用いられる反応ガスを各燃料電池セルに供給する又は発電反応後の排ガスを各燃料電池セルより排出するガス給排流路４〜７と、積層方向に沿って積層体の周縁部を貫く貫通孔に挿入された貫通部材９ａと、貫通部材９ａの両端に設けられた固定部材９ｂとを備え、貫通部材９ａと固定部材９ｂを介して積層体が締め付けられている燃料電池１であって、貫通部材９ａは、積層体の周縁部において、該周縁部の外寄りに位置する外縁側に第１列と、外縁側よりも内側に位置する内縁側に第２列とに並べて配置され、ガス給排流路４〜７は、第１列若しくは第２列の貫通部材９ａと横並び又は第１列と第２列の貫通部材９ａの間の位置に配置されていることを特徴とする。
【解決手段】平板状の燃料電池セルを複数積層してなる積層体と、積層体の周縁部に配置されると共に積層体を積層方向に貫いて発電反応に用いられる反応ガスを各燃料電池セルに供給する又は発電反応後の排ガスを各燃料電池セルより排出するガス給排流路４〜７と、積層方向に沿って積層体の周縁部を貫く貫通孔に挿入された貫通部材９ａと、貫通部材９ａの両端に設けられた固定部材９ｂとを備え、貫通部材９ａと固定部材９ｂを介して積層体が締め付けられている燃料電池１であって、貫通部材９ａは、積層体の周縁部において、該周縁部の外寄りに位置する外縁側に第１列と、外縁側よりも内側に位置する内縁側に第２列とに並べて配置され、ガス給排流路４〜７は、第１列若しくは第２列の貫通部材９ａと横並び又は第１列と第２列の貫通部材９ａの間の位置に配置されていることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平板状の燃料電池セルを複数枚積層して構成される燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池は、例えば特許文献１に記載されているように、一対のエンドプレートの間に平板状の燃料電池セルを複数枚積層してなる積層体と、その積層体の周縁部近傍に配置されると共に該積層体を積層方向に貫いて発電反応に用いられる反応ガスを各燃料電池セルに供給するガス給排流路と、同じく発電反応後の排ガスを各燃料電池セルより排出するガス給排流路と、前記積層方向に沿って積層体の周縁部を貫く貫通孔に挿入されたネジ軸状の貫通部材と、その貫通部材の軸方向の両端に設けられたナット状の固定部材と、を備えている。
【０００３】
燃料電池を構成する前記各燃料電池セルは、前記積層体の積層方向を上下方向として上下両面に位置する一対のインターコネクタと、該インターコネクタ間に位置し一方のインターコネクタの内面に対向する面に空気極が形成されると共に他方のインターコネクタの内面に対向する面に燃料極が形成された電解質等が積層されており、インターコネクタと空気極の間に空気室が形成され、もう一方のインターコネクタと燃料極の間に燃料室が形成されている。そして、その燃料室と空気室に前記ガス給排流路から空気や水素等の反応ガスが供給され、さらに発電反応後の排ガスが前記ガス給排流路から排出される。なお、ガス給排流路は、積層体の積層方向に連通する縦穴状の縦貫本流路と、該縦貫本流路と交差して各層の燃料室と空気室にそれぞれ反応ガスを供給しまたは燃料室と空気室から発電反応後の排ガスを回収する水平な横型支流路と、から形成されており、前記縦貫本流路に挿通された反応ガス用供給管を介して外部から反応ガスが供給され、また、縦貫本流路に挿通された排ガス用排気管を介して外部に排ガスが排出される。
【０００４】
前記貫通部材は、中実のネジ軸状であって、少なくとも積層体の周縁角部を貫く４つの貫通孔に１本ずつ挿入されており、その貫通部材の軸方向の両端に装着したナット状の固定部材で、積層体が積層方向の両側より強く締め付けられている。
また、前記ガス給排流路の縦貫本流路に挿通された反応ガス用供給管と排ガス用排気管は、前記貫通部材同士の中間位置にあって積層体の積層方向の両側に突出すると共にその外周に雄ネジが形成されており、その雄ネジに嵌めたナットで前記貫通部材に嵌めた固定部材と同様に積層体を積層方向に締め付ける。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１１７２０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の燃料電池は、積層体の周縁角部に配置した貫通部材と、それらの中間位置に配置した反応ガス用供給管と排ガス用排気管の合計８本を固定部材とナットで夫々締め付けて積層体を固定し、その締め付けで層間からのガス漏れを抑えるようにしている。そして、かかる構成により層間からのガス漏れは抑制できるものと考えられており、実際、外部へのガス漏れはほぼ抑制されていた。
【０００７】
ところが本発明者が、１つの反応ガス用供給管を塞いだ状態で他方の反応ガス用供給管に流量一定で空気を供給したところ、双方の排ガス用排気管から空気の流れが僅かではあるが確認され、積層体の内部でガス漏れする場合があることが明らかになった。積層体の内部でのガス漏れは、ガス利用率の低下につながる弊害があることはもちろん、空気室または燃料室に規定外の反応ガスが侵入することによって構成材料の劣化を引き起こす可能性があるため好ましくない。
【０００８】
そのような燃料電池の内部でのガス漏れ原因を検討した結果、従来の燃料電池は、積層体の周縁部を四角く囲った状態で強く締め付けていたため、全体の変形挙動として中心が膨らんだ形状になり、その変形によって前記ガス給排流路の層間のシール性が低下したものとの考えに至った。
【０００９】
本発明は上記に鑑みなされたもので、その目的は、積層体の外部と内部の何れにもガス漏れしない燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するため本発明は、
平板状の燃料電池セルを複数枚積層してなる積層体と、
前記積層体の周縁部に配置されると共に、該積層体を前記積層方向に貫いて、発電反応に用いられる反応ガスを各前記燃料電池セルに供給するまたは発電反応後の排ガスを前記各燃料電池セルより排出するガス給排流路と、
前記積層方向に沿って前記積層体の前記周縁部を貫く貫通孔に挿入された棒状の貫通部材と、
前記貫通部材の軸方向の両端に設けられた固定部材と、を備え、
前記貫通部材と前記固定部材を介して前記積層体が前記積層方向の両端側より締め付けられている燃料電池であって、
前記貫通部材は、
前記積層体の前記周縁部において、該周縁部の外寄りに位置する外縁側に第１列と、前記外縁側よりも内側に位置する内縁側に第２列とに並べて配置され、
前記ガス給排流路は、
前記第１列若しくは前記第２列の前記貫通部材と横並びの位置に、または前記第１列と前記第２列の前記貫通部材の間の位置に配置されている燃料電池を提供する。
【００１１】
また、請求項２に記載したように、前記ガス給排流路は、前記第１列と前記第２列の前記貫通部材の間の位置に配置されており、さらに該ガス給排流路から、前記第１列、前記第２列の前記貫通部材までの最短距離が同じである請求項１記載の燃料電池を提供する。
【００１２】
また、請求項３に記載したように、前記ガス給排流路は、前記第１列の貫通部材と横並びの位置に配置されており、さらに該第１列の貫通部材が挿入されている前記貫通孔の少なくとも一部に前記ガス給排流路が設けられている請求項１記載の燃料電池を提供する。
【００１３】
また、請求項４に記載したように、前記第１列の前記貫通部材と前記第２列の前記貫通部材は、前記積層方向に直交する平面における平面視でジグザグ状に配置されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池を提供する。
【００１４】
また、請求項５に記載したように、平板状の燃料電池セルを複数枚積層してなる積層体と、
前記積層体の周縁部に配置されると共に、該積層体を前記積層方向に貫いて、発電反応に用いられる反応ガスを各前記燃料電池セルに供給、または発電反応後の排ガスを前記燃料電池セルより排出するガス給排流路と、
前記積層体を前記積層方向の両端側より締め付ける締め部材と、
を備えた燃料電池であって、
前記締め部材は、
前記積層体の前記周縁部において、前記積層体の前記積層方向の両端の一方の面に対向する第１対向部と、
前記周縁部において、前記積層体の前記積層方向の両端の他方の面に対向する第２対向部と、
前記第１対向部の端部と前記第２対向部の端部を一体に連結して前記積層体の側面に対向する連結部と、
前記第１対向部と前記第２対向部の少なくとも一方に形成されると共に前記積層体の前記一方の面又は前記他方の面に向かって貫通し且つ前記積層体の前記外縁側に対応する第１列と前記内縁側に対応する第２列とに分けて形成された複数個の雌ネジ孔と、
前記雌ネジ孔に螺合すると共に前記積層体の前記一方の面又は前記他方の面に先端が当接し、前記雌ネジ孔への締め込みによって前記第１列と前記第２列に分かれて前記積層体を積層方向に締め付け得る複数本のネジ部材と、を有し、
前記ガス給排流路は、
前記第１列若しくは前記第２列の前記ネジ部材と横並びの位置に、または前記第１列と前記第２列の前記ネジ部材の間の位置に配置されている燃料電池を提供する。
【００１５】
また、請求項６に記載したように、前記ガス給排流路は、前記第１列と前記第２列の前記ネジ部材の間の位置に配置されており、さらに前記積層方向に沿って前記積層方向に直交する平面に投影した際、前記ガス給排路から、前記第１例、前記第２列の前記ネジ部材までの最短投影距離が同じである請求項５に記載の燃料電池を提供する。
【００１６】
また、請求項７に記載したように、前記第１列の前記ネジ部材と前記第２列の前記ネジ部材は、前記積層方向に直交する平面における平面視でジグザグ状に配置されている請求項５又は６に記載の燃料電池を提供する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の燃料電池は、第１列の貫通部材によって外部へのガス漏れが抑制され、第２列の貫通部材によって内部へのガス漏れが抑制される。よって、反応ガスを無駄に流出させるおそれが殆どなく、また、空気室または燃料室に規定外の反応ガスが侵入することによる構成材料劣化のおそれも殆どない。
【００１８】
また、上記効果は、請求項２に記載したように、ガス給排流路から、第１列、第２列の貫通部材までの最短距離を同じにした場合、つまりガス給排流路が第１列と第２列の貫通部材の中央位置にある場合に最も高い。
【００１９】
また、請求項３に記載したように、ガス給排流路を第１列の貫通部材と横並びの位置に配置して該第１列の貫通部材が挿入されている貫通孔の少なくとも一部にガス給排流路を設けるようにした場合には、貫通孔とガス給排流路とを別々に設ける場合に比べて、製造工程数・部品数ともに削減できる。
【００２０】
また、請求項４に記載したように、第１列と第２列の貫通部材を平面視でジグザグ状に配置すれば、少ない貫通部材の本数で効率よく外部と内部のガス漏れを防止することができる。
【００２１】
また、請求項５に記載の燃料電池は、請求項１と同様の効果に加えて、積層体を固定する要素についてクリープひずみの軽減とクリープ破断の防止が可能で有る。すなわち、請求項５に記載の燃料電池の締め部材は、第１対向部と第２対向部の間に積層体の周縁部近傍を嵌め入れて第１対向部及び／又は第２対向部に取り付けたネジ部材を締め込むことで積層体を積層方向に締め付けるものであるため、ネジ部材に、請求項１の貫通部材に作用する引張り応力とは逆の圧縮応力が作用する。このように山谷形状のネジ部材を圧縮場にすることで、ネジ部材のクリープひずみの軽減とクリープ破断のリスクを低下させることができる。
【００２２】
また、上記効果は、請求項６に記載したように、ガス給排流路から、第１列、第２列のネジ部材までの最短距離を同じにした場合、つまりガス給排流路が第１列と第２列のネジ部材の中央位置にある場合に最も高い。
【００２３】
また、請求項７に記載したように、第１列と第２列のネジ部材を平面視でジグザグ状に配置すれば、少ないネジ部材の本数で効率よく外部と内部のガス漏れを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】燃料電池の斜視図である。
【図２】燃料電池の平面図である。
【図３】燃料電池セルの斜視図である。
【図４】燃料電池セルの分解斜視図である。
【図５】分解パーツを絞った燃料電池セルの分解斜視図である。
【図６】燃料電池セルの中間を省略した縦断面図である。
【図７】図６を分解して示す縦断面図である。
【図８】図６のＡ−Ａ線断面図である。
【図９】図６のＢ−Ｂ線断面図である。
【図１０】集電部材の斜視図である。
【図１１】（ａ）はスペーサーの斜視図、（ｂ）は集電部材のスペーサー装着前の斜視図である。
【図１２】図１１（ｂ）の変形例を示す集電部材の斜視図である。
【図１３】変形例を示す燃料電池セルの中間を省略した縦断面図である。
【図１４】変形例を示す燃料電池セルの中間を省略した縦断面図である。
【図１５】変形例を示す燃料電池セルの中間を省略した縦断面図である。
【図１６】変形例を示す燃料電池セルの中間を省略した縦断面図である。
【図１７】実施形態２の燃料電池の平面図である。
【図１８】実施形態３の燃料電池の平面図である。
【図１９】実施形態４の燃料電池の斜視図である。
【図２０】実施形態４の燃料電池の平面図である。
【図２１】実施形態４の燃料電池の中間部分を省略した縦断面図である。
【図２２】他の形態を示す燃料電池の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
［実施形態１］
以下に本発明の実施形態１を図１〜図１２を参照しつつ説明する。
現在、燃料電池には電解質の材質により大別して、高分子電解質膜を電解質とする固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）と、リン酸を電解質とするリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）と、Ｌｉ−Ｎａ／Ｋ系炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）と、例えばＺｒＯ２系セラミックを電解質とする固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の４タイプがある。各タイプは、作動温度（イオンが電解質中を移動できる温度）が異なるのであって、現時点において、ＰＥＦＣは常温〜約９０℃、ＰＡＦＣは約１５０℃〜２００℃、ＭＣＦＣは約６５０℃〜７００℃、ＳＯＦＣは約７００℃〜１０００℃である。
【００２６】
図１〜図１２に示した実施形態１の燃料電池１は、例えばＺｒＯ２系セラミックを電解質２とし、例えば水素（以下、「燃料ガス」という。）と空気を反応ガスとするＳＯＦＣである。この燃料電池１は、発電の最小単位である燃料電池セル３と、該燃料電池セル３に空気を供給する空気供給用のガス給排流路（以下、「空気供給流路」ともいう。）４と、発電反応後の空気を排ガスとして外部に排出する空気排気用のガス給排流路（以下、「空気排気流路」ともいう。）５と、同じく燃料電池セル３に燃料ガスを供給する燃料供給用のガス給排流路（以下、「燃料供給流路」ともいう。）６と、発電反応後の燃料ガスを排ガスとして外部に排出する燃料排気用のガス給排流路（以下、「燃料排気流路」ともいう。）７と、該燃料電池セル３を複数枚積層してなる積層体８と、該積層体８を積層方向に締め付けて固定する固定手段９と、から概略構成される。
【００２７】
［燃料電池セル］
燃料電池セル３は、図３の斜視図に示したように平面視正方形の平板状であり、図４、図５に分解して示したように四角い板形態で導電性を有するフェライト系ステンレス等で形成された上（※ここでの「上」又は「下」は図面の記載を基準とするが、これはあくまでも説明の便宜上のものであって絶対的な上下を意味しない。以下同じ。）のインターコネクタ１２と、同じく四角い板形態で導電性を有するフェライト系ステンレス等で形成された下のインターコネクタ１３と、上下のインターコネクタ１２，１３のほぼ中間に位置すると共に電解質２の上のインターコネクタ１２の内面（下面）に対向する面に空気極１４を形成すると共に下のインターコネクタ１３の内面（上面）に対向する面に燃料極１５を形成したセル本体２０と、上のインターコネクタ１２と空気極１４との間に形成された空気室１６と、下のインターコネクタ１３と燃料極１５との間に形成された燃料室１７と、空気室１６の内部に配置され空気極１４と上のインターコネクタ１２とを電気的に接続する空気極１４側の集電部材１８と、前記燃料室１７の内部に配置され燃料極１５と下のインターコネクタ１３とを電気的に接続する燃料極１５側の集電部材１９と、を有する。
【００２８】
［電解質］
前記電解質２は、ＺｒＯ２系セラミックの他、ＬａＧａＯ３系セラミック、ＢａＣｅＯ３系セラミック、ＳｒＣｅＯ３系セラミック、ＳｒＺｒＯ３系セラミック、ＣａＺｒＯ３系セラミック等で形成される。
【００２９】
［燃料極］
前記燃料極１５の材質は、Ｎｉ及びＦｅ等の金属と、Ｓｃ、Ｙ等の希土類元素のうちの少なくとも１種により安定化されたジルコニア等のＺｒＯ２系セラミック、ＣｅＯ２系セラミック等のセラミックのうちの少なくとも１種との混合物が挙げられる。また、燃料極１５の材質は、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｂ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ及びＦｅ等の金属でもよく、これらの金属は１種のみでもよいし、２種以上の合金にしてもよい。さらに、これらの金属及び／又は合金と、上記セラミックの各々の少なくとも１種との混合物（サーメットを含む。）が挙げられる。また、Ｎｉ及びＦｅ等の金属の酸化物と、上記セラミックの各々の少なくとも１種との混合物等が挙げられる。
【００３０】
［空気極］
前記空気極１４の材質は、例えば各種の金属、金属の酸化物、金属の複酸化物等を用いることができる。前記金属としてはＰt、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｂ、Ｉｒ、Ｒｕ及びＲｈ等の金属又は２種以上の金属を含有する合金が挙げられる。さらに、金属の酸化物としては、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ及びＦｅ等の酸化物（Ｌａ２Ｏ３、ＳｒＯ、Ｃｅ２Ｏ３、Ｃｏ２Ｏ３、ＭｎＯ２及びＦｅＯ等）が挙げられる。また、複酸化物としては、少なくともＬａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＭｎ等を含有する複酸化物（Ｌａ１−ＸＳｒＸＣｏＯ３系複酸化物、Ｌａ１−ＸＳｒＸＦｅＯ３系複酸化物、Ｌａ１−ＸＳｒＸＣｏ１−ｙＦｅＯ３系複酸化物、Ｌａ１−ＸＳｒＸＭｎＯ３系複酸化物、Ｐｒ１−ＸＢａＸＣｏＯ３系複酸化物及びＳｍ１−ＸＳｒＸＣｏＯ３系複酸化物等）が挙げられる。
【００３１】
［燃料室］
前記燃料室１７は、図４〜図７に示したように、集電部材１９の周りを囲う状態にして下のインターコネクタ１３の上面に設置された額縁形態の燃料極ガス流路形成用絶縁フレーム（以下、「燃料極絶縁フレーム」ともいう。）２１と、額縁形態であって前記燃料極絶縁フレーム２１の上面に設置される燃料極フレーム２２と、によって四角い部屋状に形成されている。
【００３２】
［燃料室側の集電部材］
燃料室１７側の集電部材１９は、例えば真空中１０００℃で１時間の熱処理をして焼き鈍し（ＨＶ硬度で２００以下）を行ったＮｉの板材で形成されており、下のインターコネクタ１３に当接するコネクタ当接部１９ａと、セル本体２０の燃料極１５に当接するセル本体当接部１９ｂと、コネクタ当接部１９ａとセル本体当接部１９ｂとをつなぐＵ字状の連接部１９ｃとが一連に形成され、該連接部１９ｃのＵ字に曲がった部分の弾性によりコネクタ当接部１９ａとセル本体当接部１９ｂがそれぞれインターコネクタ１３とセル本体２０に向けて付勢され、なおかつ、温度サイクルや燃料圧・空気圧などの変動によるセル本体２０の変形に柔軟に追従し得る。
【００３３】
なお、燃料室１７側の集電部材１９は、前記のように板材で形成する場合の他、例えばＮｉ製の多孔質金属又は金網又はワイヤーで形成するようにしてもよい。また、燃料室１７側の集電部材１９は、Ｎｉの他、Ｎｉ合金やステンレス鋼など酸化に強い金属で形成するようにしてもよい。
【００３４】
この集電部材１９は、燃料室１７に数十〜百個程度（もちろん燃料室の大きさにより異なる。）設けられており、それらを個々にインターコネクタ１３上に並べて溶接（例えばレーザー溶接や抵抗溶接）するようにしてもよいが、好ましくは図１１（ｂ）に示したように前記板材を燃料室１７に整合する四角い平板１９０に加工し、この平板１９０にセル本体当接部１９ｂと連接部１９ｃに対応する切込線１９ｄを形成し、そうして図１０の拡大部に示したように連接部１９ｃをＵ字状に曲げてセル本体当接部１９ｂがコネクタ当接部１９ａの上方に間隔ｓ（図６拡大部参照）を空けて被さるようにしてある。したがって、セル本体当接部１９ｂを曲げ起こして残った穴あき状態の平板１９０がコネクタ当接部１９ａの集合体であり、実施形態１では平板１９０のコネクタ当接部１９ａが下のインターコネクタ１３にレーザー溶接や抵抗溶接により接合されている。
【００３５】
なお、集電部材１９の前記切込線１９ｄは、図１２に示したようにセル本体当接部１９ｂと連接部１９ｃを列単位で纏めた形にしてもよい。こうすることによりセル本体当接部１９ｂと連接部１９ｃの加工が効率よく行える。
【００３６】
［スペーサー］
前記集電部材１９には、図６に示したようにスペーサー５８が併設されている。該スペーサー５８は、セル本体２０と下のインターコネクタ１３の間の燃料室１７内において、コネクタ当接部１９ａとセル本体当接部１９ｂを隔てるように両者の間に配置され、少なくとも燃料電池作動温度域での該スペーサー５８の熱膨張によってセル本体当接部１９ｂとコネクタ当接部１９ａをそれぞれの当接方向、すなわちセル本体当接部１９ｂをセル本体２０に向けて、一方、コネクタ当接部１９ａをインターコネクタ１３に向けて押圧し得るようにするべく、燃料電池作動温度域である７００℃〜１０００℃において、熱膨張によって拡大する前記間隔ｓをさらなる熱膨張によって上回る厚みと材質で形成されている。
【００３７】
なお、スペーサー５８の厚みは、燃料電池作動温度域での状態でセル本体当接部１９ｂとコネクタ当接部１９ａの間隔ｓを上回るものであればよいが、好ましくは燃料電池非作動時の常温状態で少なくともセル本体当接部１９ｂとコネクタ当接部１９ａの間隔ｓとほぼ同じにするかまたは若干大きく設定するのがよい。そうすることにより発電開始から作動温度域に達するまでの間においても、スペーサー５８によってコネクタ当接部１９ａとインターコネクタ１３及びセル本体当接部１９ｂとセル本体２０の接触を安定的にすることができる。
【００３８】
また、スペーサー５８は、集電部材１９より柔軟な材質、つまり集電部材１９より荷重に対する反発力が弱い材質が選定されており、温度サイクルや燃料圧・空気圧の変化による燃料室１７の間隔の変動に対し集電部材１９の動きに追従して該集電部材１９の機敏な動きを妨げないようにしてある。
【００３９】
また、スペーサー５８は、燃料電池作動温度域で集電部材１９と焼結しない性質を持った材料で形成されており、したがって、セル本体当接部１９ｂとコネクタ当接部１９ａとが直接触れ合って焼結するおそれがないことはもちろん、セル本体当接部１９ｂとコネクタ当接部１９ａがスペーサー５８を介して焼結するおそれもない。
【００４０】
以上の条件を満たすスペーサー５８の材質としては、マイカ、アルミナ、バーミキュライト、カーボン繊維、炭化珪素繊維、シリカの何れか自体か、或は少なくとも何れか１種を主成分とするものでもよい。また、これらを例えばマイカのような薄い板状体の積層構造にしておけば、積層方向への荷重に対し適度な弾性が付与されるため好ましい。これらの材質の熱膨張率は、前記固定手段９の後述する貫通部材９ａの熱膨張率或は実施形態４の締め部材９０のコ字状主体９１ａの熱膨張率より大きい。
【００４１】
なお、実施形態１の集電部材１９は、前記のようにコネクタ当接部１９ａの集合体である平板１９０でつながった一体構造になっており、これに合わせてスペーサー５８も図１１（ａ）に示したように平板１９０とほぼ同幅で平板１９０より若干短い（具体的には、１つの（セル本体当接部１９ｂ＋連接部１９ｃ）の長さ相当分短い）四角形にした１枚の材料シートから、セル本体当接部１９ｂと連接部１９ｃに対応する部分を横１列分ずつ纏めて切り抜いて横格子状に形成されている。
そして、このスペーサー５８を集電部材１９の加工前の図１１（ｂ）に示した平板１９０に重ね、その状態で図１０拡大部に示したように連接部１９ｃをＵ字状に曲げるようにすれば、予めスペーサー５８を組み込んだ集電部材１９ができる。
ところで、図１０拡大部では、セル本体当接部１９ｂが左角部に位置するものから右に向かって段階的に曲げられる状態になっているが、これは専ら加工手順を説明するために描いたものであり、セル本体当接部１９ｂの曲げ加工は全部を一斉に行ってもよいし、加工上都合の良い部分から順に行ってもよい。
【００４２】
［空気室］
前記空気室１６は、図４〜図６に示したように、四角い額縁形態であって下面に前記電解質２が取着された導電性を有する薄い金属製のセパレータ２３と、該セパレータ２３と上のインターコネクタ１２との間に設置されて集電部材１８の周りを囲う額縁形態の空気極ガス流路形成用絶縁フレーム（以下、「空気極絶縁フレーム」ともいう。）２４と、によって四角い部屋状に形成されている。
【００４３】
［空気室側の集電部材］
空気室１６側の集電部材１８は、細長い角材形状で、緻密な導電部材である例えばステンレス材で形成され、電解質２の上面の空気極１４と上のインターコネクタ１２の下面（内面）に当接する状態にして複数本を平行に且つ一定の間隔をおいて配設されている。なお、空気室１６側の集電部材１８は、燃料室１７側の集電部材１９と同じ構造にしてもよい。
【００４４】
以上のように燃料電池セル３は、下のインターコネクタ１３と、燃料極絶縁フレーム２１と、燃料極フレーム２２と、セパレータ２３と、空気極絶縁フレーム２４と、上のインターコネクタ１２と、の組合せによって燃料室１７と空気室１６を形成し、その燃料室１７と空気室１６を電解質２で仕切って相互に独立させ、さらに、燃料極絶縁フレーム２１と空気極絶縁フレーム２４で燃料極１５側と空気極１４側を電気的に絶縁している。
【００４５】
また、燃料電池セル３は、前記のように空気室１６の内部に空気を供給する空気供給流路４と、空気室１６から排ガスたる空気を外部に排出する空気排気流路５と、燃料室１７の内部に燃料ガスを供給する燃料供給流路６と、燃料室１７から排ガスたる燃料ガスを外部に排出する燃料排気流路７と、を備えている。
【００４６】
［空気供給流路］
空気供給流路４は、四角い燃料電池セル３の角部近傍に上下方向に貫通形成した空気供給用の縦貫本流路（以下、「空気供給本流路」ともいう。）２９と、該空気供給本流路２９と交差して連通するように空気極絶縁フレーム２４に開設した長孔状の横型支流路（以下、「空気供給支流路」という。）３０と、該空気供給支流路３０と空気室１６との間を仕切る隔壁３１の上面を複数箇所窪ませて形成した空気供給連絡部３２と、を備えており、前記空気供給本流路２９に挿入された後述する空気用供給管４００の空気導入通路２５を介して外部から空気が供給されるようになっている。
【００４７】
［空気排気流路］
空気排気流路５は、燃料電池セル３の空気供給本流路２９に対向する角部近傍に上下方向に貫通形成した空気排気用の縦貫本流路（以下、「空気排気本流路」ともいう。）３３と、該空気排気本流路３３と交差して連通するように空気極絶縁フレーム２４に開設した長孔状の横型支流路（以下、「空気排気支流路」という。）３４と、該空気排気支流路３４と空気室１６との間を仕切る隔壁３５の上面を複数箇所窪ませて形成した空気排気連絡部３６と、を備えており、前記空気排気本流路３３に挿入された後述する空気用排気管５００の空気排気通路２６を介して発電反応後の空気を排ガスとして外部に排出するようになっている。
【００４８】
［燃料供給流路］
燃料供給流路６は、四角い燃料電池セル３の残り二つの角部のうちの一つの角部近傍に上下方向に貫通形成した燃料供給用の縦貫本流路（以下、「燃料供給本流路」ともいう。）３７と、該燃料供給本流路３７に連通するように燃料極絶縁フレーム２１に開設した長孔状の横型支流路（以下、「燃料供給支流路」という。）３８と、該燃料供給支流路３８と燃料室１７の間とを仕切る隔壁３９の上面を複数箇所窪ませて形成した燃料供給連絡部４０と、を備えており、前記燃料供給本流路３７に挿入された後述する燃料用供給管６００の燃料導入通路２７を介して外部から燃料ガスが供給されるようになっている。
【００４９】
［燃料排気流路］
燃料排気流路７は、燃料電池セル３の燃料供給本流路３７に対向する角部近傍に上下方向に貫通形成した燃料排気用の縦貫本流路（以下、「燃料排気本流路」ともいう。）４１と、該燃料排気本流路４１と交差して連通するように燃料極絶縁フレーム２１に開設した長孔状の横型支流路（以下、「燃料排気支流路」という。）４２と、該燃料排気支流路４２と燃料室１７との間を仕切る隔壁４３の上面を複数箇所窪ませて形成した燃料排気連絡部４４と、を備えており、前記燃料排気本流路４１に挿入された後述する燃料用排気管７００の燃料排気通路２８を介して発電反応後の燃料ガスを排ガスとして外部に排出するようになっている。
【００５０】
［積層体］
積層体８は、前記燃料電池セル３を複数枚積層すると共にその上下を一対のエンドプレート４５ａ，４５ｂで挟んでその周囲を複数の固定手段９，９…で固定したものである。なお、燃料電池セル３を複数枚積層した場合において、下に位置する燃料電池セル３の上のインターコネクタ１２と、その上に載る燃料電池セル３の下のインターコネクタ１３は、一体にして上下の燃料電池セル３，３同士で共有する。
【００５１】
［積層体のガス給排流路］
積層体８は、前記燃料電池セル３を複数枚積層したものであり、したがって各燃料電池セル３の空気供給流路４は、縦貫本流路たる空気供給本流路２９で積層方向（上下方向）に連通しており、同様に空気排気流路５は空気排気本流路２９で積層方向に連通し、燃料供給流路６は燃料供給本流路３７で積層方向に連通し、燃料排気流路７は燃料排気本流路４１で積層方向（上下方向）に連通している。そしてさらに、前記各本流路２９，３３，３７，４１に空気用供給管４００と空気用排気管５００と燃料用供給管６００と燃料用排気管７００がそれぞれ挿通されている。
【００５２】
［空気用供給管］
空気用供給管４００は、エンドプレート４５ａ，４５ｂの通孔（図示せず）と積層体８の前記空気供給本流路２９を上下に貫く状態にして取り付けられている。空気用供給管４００は、下端を閉じた空気導入通路２５を軸中心に有する中空ネジ軸状であり、絶縁性の座金１０，１０を介してナット１１，１１で締め付けられている。空気用供給管４００は、前記空気供給支流路３０毎に対応させて図８拡大図に示したように空気供給本流路２９に通じる横孔４８が設けられており、該横孔４８を介して空気導入通路２５から空気供給本流路２９に、そして空気供給本流路２９から空気供給支流路３０に空気が供給される。
【００５３】
［空気用排気管］
空気用排気管５００は、エンドプレート４５ａ，４５ｂの通孔（図示せず）と積層体８の前記空気排気本流路３３を上下に貫く状態にして取り付けられている。空気用排気管５００は、前記空気用供給管４００と同構造であって、下端を閉じた空気排気通路２６を軸中心に有する中空ネジ軸状であり、絶縁性の座金１０，１０を介してナット１１，１１で締め付けられ、さらに前記空気排気支流路３４毎に対応させて図８に示したように空気排気本流路３３に通じる横孔４９が設けられており、発電反応後の空気が、空気排気支流路３４から空気排気本流路３３に、そして横孔４９を介して空気排気本流路３３から空気排気通路２６に入って外部に排出される。
【００５４】
［燃料用供給管］
燃料用供給管６００は、エンドプレート４５ａ，４５ｂの通孔（図示せず）と積層体８の前記燃料供給本流路３７を上下に貫く状態にして取り付けられている。燃料用供給管６００も前記空気用供給管４００と同構造であって、下端を閉じた燃料導入通路２７を軸中心に有する中空ネジ軸状であり、絶縁性の座金１０，１０を介してナット１１，１１で締め付けられ、さらに前記燃料供給支流路３８毎に対応させて図９に示したように燃料供給本流路３７に通じる横孔５０が設けられており、該横孔５０を介して燃料導入通路２７から燃料供給本流路３７に、そして燃料供給本流路３７から燃料供給支流路３８に燃料が供給される。
【００５５】
［燃料用排気管］
燃料用排気管７００は、エンドプレート４５ａ，４５ｂの通孔（図示せず）と積層体８の前記燃料排気本流路４１を上下に貫く状態にして取り付けられている。燃料用排気管７００も前記空気用供給管４００と同構造であって、下端を閉じた燃料排気通路２８を軸中心に有する中空ネジ軸状であり、絶縁性の座金１０，１０を介してナット１１，１１で締め付けられ、さらに前記燃料排気支流路４２毎に対応させて図９に示したように燃料排気本流路４１に通じる横孔５１が設けられており、発電反応後の燃料ガスが、燃料排気支流路４２から燃料排気本流路４１に、そして横孔５１を介して燃料排気本流路４１から燃料排気通路２８に入って外部に排出される。
【００５６】
［固定手段］
積層体８を固定する複数の固定手段９は、図１想像線と図３に示したように、積層体８の周縁部を積層方向に貫く貫通孔４６に挿入された棒状の貫通部材９ａと、該貫通部材９ａの軸方向の両端に設けられた上下一対の固定部材９ｂで構成されている。
【００５７】
［固定手段−貫通部材］
貫通部材９ａは、中実丸棒の外周に雄ネジを形成したネジ軸状であり、例えばＮｉ合金のインコネル６０１等の金属で形成されている。
貫通部材９ａは、図２の平面図に示したように、積層体８の周縁部において、前記した４つのガス給排流路である空気供給流路４と空気排気流路５と燃料供給流路６及び燃料排気流路７よりも外縁側に位置する第１列と、前記各ガス給排流路４〜７よりも内側に位置する第２列とに並べて配置され、換言すればガス給排流路４〜７が第１列と第２列の貫通部材９ａの間に配置されている。特に実施形態１のガス給排流路４〜７は、第１列と第２列の貫通部材９ａの間の中央位置にあって、第１列、第２列の貫通部材９ａまでの最短距離が同じになっている。
さらに貫通部材９ａは、図２の平面図に示したように、第１列の貫通部材９ａと第２列の貫通部材９ａが、前記積層方向に直交する平面における平面視でジグザグ状（図２一点鎖線参照）、すなわち第１列と第２列を重ね合わせた場合に第１列の貫通部材９ａ同士の間（好ましくは貫通部材９ａ同士の中央）に第２列の貫通部材９ａが位置する状態に配置されている。
【００５８】
［固定手段−固定部材］
固定部材９ｂは、前記貫通部材９ａの雄ネジに螺合するナット状であり、例えばＮｉ合金のインコネル６０１等の金属で形成されている。該固定部材９ｂは、上下とも締め外し自在なナット形態にしてもよいし、上下の一方を貫通部材９ａに溶接等で固定するか、或は通常のボルトのごとく上下の一方を貫通部材９ａと一体に形成してもよい。
【００５９】
［固定手段−その他］
固定手段９の貫通部材９ａは、貫通孔４６の径より細くなっていて貫通孔４６との間に隙間が形成されるようになっている。また、固定部材９ｂとエンドプレート４５ａ，４５ｂとの間にも絶縁性の座金１０，１０が介装されており、そうして固定手段９と積層体８が電気的に絶縁されるようになっている。
【００６０】
以上の構成である実施形態１の燃料電池１に対し、燃料用供給管６００を塞いだ状態で空気用供給管４００に流量一定で空気を供給したところ、空気用排気管５００から供給分と同流量の空気が検出され、一方、燃料用排気管７００からは空気の流出が検出されなかった。これにより実施形態１の燃料電池１では、積層体８の外部と内部の何れにもガス漏れが生じていないことが確認された。
【００６１】
［発電］
次に、前記燃料電池１の空気供給流路４に空気を供給すると、その空気は、図８の右側の空気供給支流路３０から空気供給連絡部３２を通って空気室１６に供給され、この空気室１６の集電部材１８同士の間のガス流路５６を通り抜け、さらに左側の空気排気連絡部３６から空気排気支流路３４に入って外部に排出される。
【００６２】
同時に燃料電池１の燃料供給流路６に燃料ガスを供給すると、その燃料ガスは、図９の上側の燃料供給支流路３８から燃料供給連絡部４０を通って燃料室１７に供給され、この燃料室１７の集電部材１９，１９…の間、厳密にはセル本体当接部１９ｂ，１９ｂ…同士の間のガス流路５７（図９において、燃料室１７内の非斜線部参照）を拡散しながら通り抜け、さらに下側の燃料排気連絡部４４から燃料排気支流路４２に入って外部に排出される。
なお、このとき集電部材１９が前記のように多孔質金属又は金網又はワイヤーで形成されていると、ガス流路５７の表面が凸凹になるため燃料ガスの拡散性が向上する。
【００６３】
このような空気と燃料ガスの供給・排気を行いつつ全燃料電池セル３（積層体８）の温度を７００℃〜１０００℃にまで上昇させると、空気と燃料ガスが空気極１４と電解質２と燃料極１５を介して反応を起こすため、空気極１４を正極、燃料極１５を負極とする直流の電気エネルギが発生する。なお、燃料電池セル３内で電気エネルギが発生する原理は周知であるため説明を省略する。
【００６４】
前記のように空気極１４は、集電部材１８を介して上のインターコネクタ１２に電気的に接続され、一方、燃料極１５は、集電部材１９を介して下のインターコネクタ１３に電気的に接続されており、また、積層体８は複数の燃料電池セル３を積層して直列に接続された状態であるから、上のエンドプレート４５ａが正極で、下のエンドプレート４５ｂが負極になる。
【００６５】
以上のように燃料電池は、発電時に温度が上昇し、発電停止により温度が下降する、という温度サイクルを繰り返す。したがって、燃料室１７や空気室１６を構成する全ての部材や前記固定手段９について熱膨張と収縮が繰り返され、それに伴い燃料室１７や空気室１６の間隔も拡大と縮小を繰り返す。
また、燃料圧や空気圧も変動する場合があり、その圧力の変動でセル本体２０が変形することによっても燃料室１７や空気室１６の間隔が拡大又は縮小する。
このような燃料室１７や空気室１６の拡大方向の変化に対して、実施形態１では燃料室１７側の集電部材１９が、連接部１９ｃの弾性と、スペーサー５８の積層方向の弾性と熱膨張によってセル本体２０を押圧するため電気的接続が安定的に維持される。この集電部材１９によるセル本体２０の押圧は空気室１６側にも影響するため、空気室１６の電気的接続も安定的に維持される。
また、燃料室１７や空気室１６の縮小方向の変化に対して、燃料室１７側の集電部材１９の連接部１９ｃの弾性と、スペーサー５８の収縮によってセル本体２０に加わる応力が緩和される。
【００６６】
また、燃料極１５側の集電部材１９がＮｉか又はＮｉ合金であると、発電時の高温環境下でセル本体当接部１９ｂが燃料極１５中のＮｉと拡散接合して一体になる。したがって集電部材１９による電気的接続がより安定的に維持される。
なお、好ましくは燃料極１５にＮｉＯペーストを塗布して接合層を形成しておくとよい。そうすることによりＨ２ 中の通電でＮｉＯがＮｉになるから集電部材１９と燃料極１５の接合性がさらに向上する。前記接合層は、燃料極１５にＰｔペーストを塗布することによって形成してもよい。
【００６７】
また、実施形態１では下のインターコネクタ１３にコネクタ当接部１９ａの集合体である平板１９０を溶接して接合するようにしたが、該インターコネクタ１３と平板１９０の材質を発電時の高温環境下で拡散接合し得る組み合わせ（例えばＣｒｏｆｅｒ２２ＨとＮｉ）にするか、或は下のインターコネクタ１３の内面側に前記のような接合層を形成するようにしておけば、発電時の高温環境下でインターコネクタ１３と集電部材１９を接合して一体にすることができる。
【００６８】
［集電部材の変形例］
図１３〜図１６は、実施形態１の集電部材１９の変形例を示す燃料電池セル３の中間省略縦断面図である。実施形態１の集電部材１９は、連接部１９ｃをＵ字状に曲げてコネクタ当接部１９ａの上方にセル本体当接部１９ｂを配置すると共にコネクタ当接部１９ａとセル本体当接部１９ｂの間にスペーサー５８を介在させるようにしたが、変形例では連接部１９ｃを斜めにして、図１３のようにコネクタ当接部１９ａとセル本体当接部１９ｂの上下位置を完全に異ならせるか又は図１４のように集電部材１９を断面略Ｚ字状にしてコネクタ当接部１９ａとセル本体当接部１９ｂの一部が上下位置を違えて重なるように配置し、そうしてコネクタ当接部１９ａとセル本体２０及びセル本体当接部１９ｂとインターコネクタ１３を隔てるように前記スペーサー５８を配置したものである。また、図１５のようにスペーサー５８をコネクタ当接部１９ａとセル本体２０を隔てるように介在させるか、或は図１６のようにスペーサー５８をセル本体当接部１９ｂとインターコネクタ１３を隔てるように介在させるようにすることもできる。
前記した実施形態１と変形例の構成の相違は以上のとおりであり、それ以外の点については実施形態１と同じであるため詳細な説明を省略する。
【００６９】
［実施形態２］
図１７は、実施形態２の燃料電池を示す平面図である。この図に示されているように実施形態２の燃料電池１は、前記ガス給排流路４〜７と、前記第１列の貫通部材９ａとが横並びの位置に配置されている。この場合、ガス給排流路４〜７の各縦貫本流路２９，３３，３７，４１が貫通孔４６を兼用し、また、そこに挿通された空気用供給管４００、空気用排気管５００、燃料用供給管６００、燃料用排気管７００が夫々貫通部材９ａを兼用し、上下のナット１１，１１が固定部材９ｂを兼用する。
なお、上記以外の点については実施形態１と同じであるため説明を省略する。また、図１７において実施形態１と同じ符合を付した部分又は部品は、それらと同一又は同機能の部分又は部品である。
【００７０】
［実施形態３］
図１８は、実施形態３の燃料電池を示す平面図である。この図に示されているように実施形態３の燃料電池１は、前記ガス給排流路４〜７と、前記第２列の貫通部材９ａとが横並びの位置に配置されている。この場合においても、ガス給排流路４〜７の各縦貫本流路２９，３３，３７，４１が貫通孔４６を兼用し、また、そこに挿通された空気用供給管４００、空気用排気管５００、燃料用供給管６００、燃料用排気管７００が貫通部材９ａを兼用し、上下のナット１１，１１が固定部材９ｂを兼用する。
なお、上記以外の点については実施形態１と同じであるため説明を省略する。また、図１８において実施形態１と同じ符合を付した部分又は部品は、それらと同一又は同機能の部分又は部品である。
【００７１】
［実施形態４］
実施形態４の燃料電池を図１９〜図２１を参照しつつ説明する。この実施形態４は、前記積層体８を複数（具体的には４つ）の締め部材９０で固定するようにしたものであり、実施形態１に対して積層体８を固定するための固定手段９と、該固定手段９の貫通部材９ａを通す貫通孔４６に関する構成が異なるのみである。したがって、以下に記載のない部分については原則として実施形態１と同じである。なお、図１９〜図２１において図１〜図１６と同じ符合の部分又は部品は、実施形態１と同一又は同機能の部分又は部品を示している。
【００７２】
［締め部材］
積層体８を固定する締め部材９０は、図１９〜図２１に示したようにコ字状主体９１ａと、ネジ部材９２ａで構成される。
【００７３】
［締め部材−コ字状主体］
コ字状主体９１ａは、積層体８の積層方向の周縁部上面に対向する第１対向部９１ｂと、積層体８の積層方向の周縁部下面に対向する第２対向部９１ｃと、第１対向部９１ｂの端部と第２対向部９１ｃの端部を一体に連結して積層体８の側面との間に適度な隙間を空けて対向する連結部９１ｄと、を備えており、例えばＮｉ合金のインコネル６０１等の金属で形成されている。また、コ字状主体９１ａは、第１対向部９１ｂと連結部９１ｄとで構成される角部の内側と、第２対向部９１ｃと連結部９１ｄとで構成される角部の内側とが滑らかな曲面９１ｅで形成されている。
【００７４】
１つのコ字状主体９１ａの大きさは、積層体８の一辺より若干小さい程度であって、図２０に示したように４つのコ字状主体９１ａを四角く環状に組み合わせることにより、図１９に示したように積層体８の周囲をほぼ囲み得る。
コ字状主体９１ａの前記第１対向部９１ｂには、中心軸が積層体８の上面に対して略垂直になる向きにして雌ネジ孔９１ｆが形成されている。
【００７５】
［締め部材−ネジ部材］
ネジ部材９２ａは、例えばＮｉ合金のインコネル６０１等の金属で形成されており、雄ネジ軸９２ｂの頂部に六角穴付きの円柱頭部９２ｃを一体に有する。このネジ部材９２ａは、図２１に示したように雄ネジ軸９２ｂが前記雌ネジ孔９１ｆに螺合しており、第１対向部９１ｂから出た先端が積層体８の上面（具体的には上のエンドプレート４５ａの上面）に当接し、雌ネジ孔９１ｆへの締め込み具合を調節することによって、積層体８を第２対向部９１ｃとの間に挟んだ状態で締め付け得る。
【００７６】
［雌ネジ孔とネジ部材の配置］
前記雌ネジ孔９１ｆとネジ部材９２ａは、第１対向部９１ｂに対して多数設けられており、その配置は、図１９、図２０に示したようにコ字状主体９１ａで積層体８の周囲を囲んだ状態で、実施形態１の貫通部材９ａと同じである。
【００７７】
すなわち、多数の雌ネジ孔９１ｆとネジ部材９２ａは、４つのガス給排流路である空気供給流路４と空気排気流路５と燃料供給流路６及び燃料排気流路７よりも外縁側に位置する第１列と、前記各ガス給排流路４〜７よりも内側に位置する第２列とに並べて配置され、換言すればガス給排流路４〜７が第１列と第２列のネジ部材９２ａの間に配置されている。特に実施形態４のガス給排流路４〜７は、第１列と第２列のネジ部材９２ａの間の中央位置にあって、第１列、第２列のネジ部材９２ａまでの最短距離が同じになっている。
さらにネジ部材９２ａは、図２０の平面図に示したように、第１列のネジ部材９２ａと第２列のネジ部材９２ａが、前記積層方向に直交する平面における平面視でジグザグ状（図２０一点鎖線参照）、すなわち第１列と第２列を重ねた場合に第１列のネジ部材９２ａ同士の間（好ましくはネジ部材同士の中央）に第２列のネジ部材９２ａが位置する状態に配置されている。
【００７８】
以上の実施形態４の燃料電池１は、図２１に示したように、締め部材９０の第１対向部９１ｂと第２対向部９１ｃの間に積層体８の周縁部近傍を嵌め入れて第１列と第２列のネジ部材９２ａを積層方向に締め込むことで、実施形態１と同様に、積層体８の外部と内部の何れにもガス漏れしにくい状態でしっかりと固定することができる。
【００７９】
なお、実施形態４においてネジ部材９２ａには、実施形態１の貫通部材９ａに作用する引張り応力とは逆の圧縮応力が作用する。このように山谷形状のネジ部材９２ａを圧縮場にすることで、ネジ部材９２ａのクリープひずみの軽減とクリープ破断のリスクを低下させることができる。
【００８０】
以上本発明を実施形態１〜４について説明したが、もちろん本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、実施形態１〜４では、第１列と第２列の貫通部材９ａ又は第１列と第２列のネジ部材９２ａをジグザグ状に配置したが、第１列と第２列の貫通部材９ａ又は第１列と第２列のネジ部材９２ａを図２２に示したように平面視で横並びの位置に配置するようにしてもよい。もっともこの場合は、図２２に示したように、貫通部材９ａ同士又はネジ部材９２ａ同士の間隔Ｌがガス給排流路４〜７を横断する状態で広く空くため、ジグザグ状に配置する場合より隣り合う貫通部材９ａ同士又は隣り合うネジ部材９２ａ同士の間隔を小さく詰める必要がある。換言すれば、第１列と第２列の貫通部材９ａ又は第１列と第２列のネジ部材９２ａを平面視でジグザグ状に配置すれば、少ない本数で効率よくシール性を高めることができる。
また、実施形態４ではネジ部材９２ａを第１対向部９１ｂのみに設けたが、第２対向部９１ｃのみに設けてもよいし、第１対向部９１ｂと第２対向部９１ｃの両方に設けてもよい。
また、実施形態では、コ字状主体９１ａの角部の曲面９１ｅを第１対向部９１ｂと第２対向部９１ｃのそれぞれに形成したが、何れか一方の角部に曲面９１ｅを設けるだけでもよい。なお、角部の内側を滑らかな曲面で形成することにより、発電時の熱によるネジ部材９２ａの緩みが軽減される効果がある。
【符号の説明】
【００８１】
１ …燃料電池
３ …燃料電池セル
４ …空気供給流路（ガス給排流路）
５ …空気排気流路（ガス給排流路）
６ …燃料供給流路（ガス給排流路）
７ …燃料排気流路（ガス給排流路）
８ …積層体
９ａ …貫通部材
９ｂ …固定部材
４６ …貫通孔
９０ …締め部材
９１ｂ …第１対向部
９１ｃ …第２対向部
９１ｄ …連結部
９１ｆ …雌ネジ孔
９２ａ …ネジ部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平板状の燃料電池セルを複数枚積層して構成される燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池は、例えば特許文献１に記載されているように、一対のエンドプレートの間に平板状の燃料電池セルを複数枚積層してなる積層体と、その積層体の周縁部近傍に配置されると共に該積層体を積層方向に貫いて発電反応に用いられる反応ガスを各燃料電池セルに供給するガス給排流路と、同じく発電反応後の排ガスを各燃料電池セルより排出するガス給排流路と、前記積層方向に沿って積層体の周縁部を貫く貫通孔に挿入されたネジ軸状の貫通部材と、その貫通部材の軸方向の両端に設けられたナット状の固定部材と、を備えている。
【０００３】
燃料電池を構成する前記各燃料電池セルは、前記積層体の積層方向を上下方向として上下両面に位置する一対のインターコネクタと、該インターコネクタ間に位置し一方のインターコネクタの内面に対向する面に空気極が形成されると共に他方のインターコネクタの内面に対向する面に燃料極が形成された電解質等が積層されており、インターコネクタと空気極の間に空気室が形成され、もう一方のインターコネクタと燃料極の間に燃料室が形成されている。そして、その燃料室と空気室に前記ガス給排流路から空気や水素等の反応ガスが供給され、さらに発電反応後の排ガスが前記ガス給排流路から排出される。なお、ガス給排流路は、積層体の積層方向に連通する縦穴状の縦貫本流路と、該縦貫本流路と交差して各層の燃料室と空気室にそれぞれ反応ガスを供給しまたは燃料室と空気室から発電反応後の排ガスを回収する水平な横型支流路と、から形成されており、前記縦貫本流路に挿通された反応ガス用供給管を介して外部から反応ガスが供給され、また、縦貫本流路に挿通された排ガス用排気管を介して外部に排ガスが排出される。
【０００４】
前記貫通部材は、中実のネジ軸状であって、少なくとも積層体の周縁角部を貫く４つの貫通孔に１本ずつ挿入されており、その貫通部材の軸方向の両端に装着したナット状の固定部材で、積層体が積層方向の両側より強く締め付けられている。
また、前記ガス給排流路の縦貫本流路に挿通された反応ガス用供給管と排ガス用排気管は、前記貫通部材同士の中間位置にあって積層体の積層方向の両側に突出すると共にその外周に雄ネジが形成されており、その雄ネジに嵌めたナットで前記貫通部材に嵌めた固定部材と同様に積層体を積層方向に締め付ける。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１１７２０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の燃料電池は、積層体の周縁角部に配置した貫通部材と、それらの中間位置に配置した反応ガス用供給管と排ガス用排気管の合計８本を固定部材とナットで夫々締め付けて積層体を固定し、その締め付けで層間からのガス漏れを抑えるようにしている。そして、かかる構成により層間からのガス漏れは抑制できるものと考えられており、実際、外部へのガス漏れはほぼ抑制されていた。
【０００７】
ところが本発明者が、１つの反応ガス用供給管を塞いだ状態で他方の反応ガス用供給管に流量一定で空気を供給したところ、双方の排ガス用排気管から空気の流れが僅かではあるが確認され、積層体の内部でガス漏れする場合があることが明らかになった。積層体の内部でのガス漏れは、ガス利用率の低下につながる弊害があることはもちろん、空気室または燃料室に規定外の反応ガスが侵入することによって構成材料の劣化を引き起こす可能性があるため好ましくない。
【０００８】
そのような燃料電池の内部でのガス漏れ原因を検討した結果、従来の燃料電池は、積層体の周縁部を四角く囲った状態で強く締め付けていたため、全体の変形挙動として中心が膨らんだ形状になり、その変形によって前記ガス給排流路の層間のシール性が低下したものとの考えに至った。
【０００９】
本発明は上記に鑑みなされたもので、その目的は、積層体の外部と内部の何れにもガス漏れしない燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するため本発明は、
平板状の燃料電池セルを複数枚積層してなる積層体と、
前記積層体の周縁部に配置されると共に、該積層体を前記積層方向に貫いて、発電反応に用いられる反応ガスを各前記燃料電池セルに供給するまたは発電反応後の排ガスを前記各燃料電池セルより排出するガス給排流路と、
前記積層方向に沿って前記積層体の前記周縁部を貫く貫通孔に挿入された棒状の貫通部材と、
前記貫通部材の軸方向の両端に設けられた固定部材と、を備え、
前記貫通部材と前記固定部材を介して前記積層体が前記積層方向の両端側より締め付けられている燃料電池であって、
前記貫通部材は、
前記積層体の前記周縁部において、該周縁部の外寄りに位置する外縁側に第１列と、前記外縁側よりも内側に位置する内縁側に第２列とに並べて配置され、
前記ガス給排流路は、
前記第１列若しくは前記第２列の前記貫通部材と横並びの位置に、または前記第１列と前記第２列の前記貫通部材の間の位置に配置されている燃料電池を提供する。
【００１１】
また、請求項２に記載したように、前記ガス給排流路は、前記第１列と前記第２列の前記貫通部材の間の位置に配置されており、さらに該ガス給排流路から、前記第１列、前記第２列の前記貫通部材までの最短距離が同じである請求項１記載の燃料電池を提供する。
【００１２】
また、請求項３に記載したように、前記ガス給排流路は、前記第１列の貫通部材と横並びの位置に配置されており、さらに該第１列の貫通部材が挿入されている前記貫通孔の少なくとも一部に前記ガス給排流路が設けられている請求項１記載の燃料電池を提供する。
【００１３】
また、請求項４に記載したように、前記第１列の前記貫通部材と前記第２列の前記貫通部材は、前記積層方向に直交する平面における平面視でジグザグ状に配置されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池を提供する。
【００１４】
また、請求項５に記載したように、平板状の燃料電池セルを複数枚積層してなる積層体と、
前記積層体の周縁部に配置されると共に、該積層体を前記積層方向に貫いて、発電反応に用いられる反応ガスを各前記燃料電池セルに供給、または発電反応後の排ガスを前記燃料電池セルより排出するガス給排流路と、
前記積層体を前記積層方向の両端側より締め付ける締め部材と、
を備えた燃料電池であって、
前記締め部材は、
前記積層体の前記周縁部において、前記積層体の前記積層方向の両端の一方の面に対向する第１対向部と、
前記周縁部において、前記積層体の前記積層方向の両端の他方の面に対向する第２対向部と、
前記第１対向部の端部と前記第２対向部の端部を一体に連結して前記積層体の側面に対向する連結部と、
前記第１対向部と前記第２対向部の少なくとも一方に形成されると共に前記積層体の前記一方の面又は前記他方の面に向かって貫通し且つ前記積層体の前記外縁側に対応する第１列と前記内縁側に対応する第２列とに分けて形成された複数個の雌ネジ孔と、
前記雌ネジ孔に螺合すると共に前記積層体の前記一方の面又は前記他方の面に先端が当接し、前記雌ネジ孔への締め込みによって前記第１列と前記第２列に分かれて前記積層体を積層方向に締め付け得る複数本のネジ部材と、を有し、
前記ガス給排流路は、
前記第１列若しくは前記第２列の前記ネジ部材と横並びの位置に、または前記第１列と前記第２列の前記ネジ部材の間の位置に配置されている燃料電池を提供する。
【００１５】
また、請求項６に記載したように、前記ガス給排流路は、前記第１列と前記第２列の前記ネジ部材の間の位置に配置されており、さらに前記積層方向に沿って前記積層方向に直交する平面に投影した際、前記ガス給排路から、前記第１例、前記第２列の前記ネジ部材までの最短投影距離が同じである請求項５に記載の燃料電池を提供する。
【００１６】
また、請求項７に記載したように、前記第１列の前記ネジ部材と前記第２列の前記ネジ部材は、前記積層方向に直交する平面における平面視でジグザグ状に配置されている請求項５又は６に記載の燃料電池を提供する。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の燃料電池は、第１列の貫通部材によって外部へのガス漏れが抑制され、第２列の貫通部材によって内部へのガス漏れが抑制される。よって、反応ガスを無駄に流出させるおそれが殆どなく、また、空気室または燃料室に規定外の反応ガスが侵入することによる構成材料劣化のおそれも殆どない。
【００１８】
また、上記効果は、請求項２に記載したように、ガス給排流路から、第１列、第２列の貫通部材までの最短距離を同じにした場合、つまりガス給排流路が第１列と第２列の貫通部材の中央位置にある場合に最も高い。
【００１９】
また、請求項３に記載したように、ガス給排流路を第１列の貫通部材と横並びの位置に配置して該第１列の貫通部材が挿入されている貫通孔の少なくとも一部にガス給排流路を設けるようにした場合には、貫通孔とガス給排流路とを別々に設ける場合に比べて、製造工程数・部品数ともに削減できる。
【００２０】
また、請求項４に記載したように、第１列と第２列の貫通部材を平面視でジグザグ状に配置すれば、少ない貫通部材の本数で効率よく外部と内部のガス漏れを防止することができる。
【００２１】
また、請求項５に記載の燃料電池は、請求項１と同様の効果に加えて、積層体を固定する要素についてクリープひずみの軽減とクリープ破断の防止が可能で有る。すなわち、請求項５に記載の燃料電池の締め部材は、第１対向部と第２対向部の間に積層体の周縁部近傍を嵌め入れて第１対向部及び／又は第２対向部に取り付けたネジ部材を締め込むことで積層体を積層方向に締め付けるものであるため、ネジ部材に、請求項１の貫通部材に作用する引張り応力とは逆の圧縮応力が作用する。このように山谷形状のネジ部材を圧縮場にすることで、ネジ部材のクリープひずみの軽減とクリープ破断のリスクを低下させることができる。
【００２２】
また、上記効果は、請求項６に記載したように、ガス給排流路から、第１列、第２列のネジ部材までの最短距離を同じにした場合、つまりガス給排流路が第１列と第２列のネジ部材の中央位置にある場合に最も高い。
【００２３】
また、請求項７に記載したように、第１列と第２列のネジ部材を平面視でジグザグ状に配置すれば、少ないネジ部材の本数で効率よく外部と内部のガス漏れを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】燃料電池の斜視図である。
【図２】燃料電池の平面図である。
【図３】燃料電池セルの斜視図である。
【図４】燃料電池セルの分解斜視図である。
【図５】分解パーツを絞った燃料電池セルの分解斜視図である。
【図６】燃料電池セルの中間を省略した縦断面図である。
【図７】図６を分解して示す縦断面図である。
【図８】図６のＡ−Ａ線断面図である。
【図９】図６のＢ−Ｂ線断面図である。
【図１０】集電部材の斜視図である。
【図１１】（ａ）はスペーサーの斜視図、（ｂ）は集電部材のスペーサー装着前の斜視図である。
【図１２】図１１（ｂ）の変形例を示す集電部材の斜視図である。
【図１３】変形例を示す燃料電池セルの中間を省略した縦断面図である。
【図１４】変形例を示す燃料電池セルの中間を省略した縦断面図である。
【図１５】変形例を示す燃料電池セルの中間を省略した縦断面図である。
【図１６】変形例を示す燃料電池セルの中間を省略した縦断面図である。
【図１７】実施形態２の燃料電池の平面図である。
【図１８】実施形態３の燃料電池の平面図である。
【図１９】実施形態４の燃料電池の斜視図である。
【図２０】実施形態４の燃料電池の平面図である。
【図２１】実施形態４の燃料電池の中間部分を省略した縦断面図である。
【図２２】他の形態を示す燃料電池の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
［実施形態１］
以下に本発明の実施形態１を図１〜図１２を参照しつつ説明する。
現在、燃料電池には電解質の材質により大別して、高分子電解質膜を電解質とする固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）と、リン酸を電解質とするリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）と、Ｌｉ−Ｎａ／Ｋ系炭酸塩を電解質とする溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）と、例えばＺｒＯ２系セラミックを電解質とする固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の４タイプがある。各タイプは、作動温度（イオンが電解質中を移動できる温度）が異なるのであって、現時点において、ＰＥＦＣは常温〜約９０℃、ＰＡＦＣは約１５０℃〜２００℃、ＭＣＦＣは約６５０℃〜７００℃、ＳＯＦＣは約７００℃〜１０００℃である。
【００２６】
図１〜図１２に示した実施形態１の燃料電池１は、例えばＺｒＯ２系セラミックを電解質２とし、例えば水素（以下、「燃料ガス」という。）と空気を反応ガスとするＳＯＦＣである。この燃料電池１は、発電の最小単位である燃料電池セル３と、該燃料電池セル３に空気を供給する空気供給用のガス給排流路（以下、「空気供給流路」ともいう。）４と、発電反応後の空気を排ガスとして外部に排出する空気排気用のガス給排流路（以下、「空気排気流路」ともいう。）５と、同じく燃料電池セル３に燃料ガスを供給する燃料供給用のガス給排流路（以下、「燃料供給流路」ともいう。）６と、発電反応後の燃料ガスを排ガスとして外部に排出する燃料排気用のガス給排流路（以下、「燃料排気流路」ともいう。）７と、該燃料電池セル３を複数枚積層してなる積層体８と、該積層体８を積層方向に締め付けて固定する固定手段９と、から概略構成される。
【００２７】
［燃料電池セル］
燃料電池セル３は、図３の斜視図に示したように平面視正方形の平板状であり、図４、図５に分解して示したように四角い板形態で導電性を有するフェライト系ステンレス等で形成された上（※ここでの「上」又は「下」は図面の記載を基準とするが、これはあくまでも説明の便宜上のものであって絶対的な上下を意味しない。以下同じ。）のインターコネクタ１２と、同じく四角い板形態で導電性を有するフェライト系ステンレス等で形成された下のインターコネクタ１３と、上下のインターコネクタ１２，１３のほぼ中間に位置すると共に電解質２の上のインターコネクタ１２の内面（下面）に対向する面に空気極１４を形成すると共に下のインターコネクタ１３の内面（上面）に対向する面に燃料極１５を形成したセル本体２０と、上のインターコネクタ１２と空気極１４との間に形成された空気室１６と、下のインターコネクタ１３と燃料極１５との間に形成された燃料室１７と、空気室１６の内部に配置され空気極１４と上のインターコネクタ１２とを電気的に接続する空気極１４側の集電部材１８と、前記燃料室１７の内部に配置され燃料極１５と下のインターコネクタ１３とを電気的に接続する燃料極１５側の集電部材１９と、を有する。
【００２８】
［電解質］
前記電解質２は、ＺｒＯ２系セラミックの他、ＬａＧａＯ３系セラミック、ＢａＣｅＯ３系セラミック、ＳｒＣｅＯ３系セラミック、ＳｒＺｒＯ３系セラミック、ＣａＺｒＯ３系セラミック等で形成される。
【００２９】
［燃料極］
前記燃料極１５の材質は、Ｎｉ及びＦｅ等の金属と、Ｓｃ、Ｙ等の希土類元素のうちの少なくとも１種により安定化されたジルコニア等のＺｒＯ２系セラミック、ＣｅＯ２系セラミック等のセラミックのうちの少なくとも１種との混合物が挙げられる。また、燃料極１５の材質は、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｂ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ及びＦｅ等の金属でもよく、これらの金属は１種のみでもよいし、２種以上の合金にしてもよい。さらに、これらの金属及び／又は合金と、上記セラミックの各々の少なくとも１種との混合物（サーメットを含む。）が挙げられる。また、Ｎｉ及びＦｅ等の金属の酸化物と、上記セラミックの各々の少なくとも１種との混合物等が挙げられる。
【００３０】
［空気極］
前記空気極１４の材質は、例えば各種の金属、金属の酸化物、金属の複酸化物等を用いることができる。前記金属としてはＰt、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｂ、Ｉｒ、Ｒｕ及びＲｈ等の金属又は２種以上の金属を含有する合金が挙げられる。さらに、金属の酸化物としては、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ及びＦｅ等の酸化物（Ｌａ２Ｏ３、ＳｒＯ、Ｃｅ２Ｏ３、Ｃｏ２Ｏ３、ＭｎＯ２及びＦｅＯ等）が挙げられる。また、複酸化物としては、少なくともＬａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＭｎ等を含有する複酸化物（Ｌａ１−ＸＳｒＸＣｏＯ３系複酸化物、Ｌａ１−ＸＳｒＸＦｅＯ３系複酸化物、Ｌａ１−ＸＳｒＸＣｏ１−ｙＦｅＯ３系複酸化物、Ｌａ１−ＸＳｒＸＭｎＯ３系複酸化物、Ｐｒ１−ＸＢａＸＣｏＯ３系複酸化物及びＳｍ１−ＸＳｒＸＣｏＯ３系複酸化物等）が挙げられる。
【００３１】
［燃料室］
前記燃料室１７は、図４〜図７に示したように、集電部材１９の周りを囲う状態にして下のインターコネクタ１３の上面に設置された額縁形態の燃料極ガス流路形成用絶縁フレーム（以下、「燃料極絶縁フレーム」ともいう。）２１と、額縁形態であって前記燃料極絶縁フレーム２１の上面に設置される燃料極フレーム２２と、によって四角い部屋状に形成されている。
【００３２】
［燃料室側の集電部材］
燃料室１７側の集電部材１９は、例えば真空中１０００℃で１時間の熱処理をして焼き鈍し（ＨＶ硬度で２００以下）を行ったＮｉの板材で形成されており、下のインターコネクタ１３に当接するコネクタ当接部１９ａと、セル本体２０の燃料極１５に当接するセル本体当接部１９ｂと、コネクタ当接部１９ａとセル本体当接部１９ｂとをつなぐＵ字状の連接部１９ｃとが一連に形成され、該連接部１９ｃのＵ字に曲がった部分の弾性によりコネクタ当接部１９ａとセル本体当接部１９ｂがそれぞれインターコネクタ１３とセル本体２０に向けて付勢され、なおかつ、温度サイクルや燃料圧・空気圧などの変動によるセル本体２０の変形に柔軟に追従し得る。
【００３３】
なお、燃料室１７側の集電部材１９は、前記のように板材で形成する場合の他、例えばＮｉ製の多孔質金属又は金網又はワイヤーで形成するようにしてもよい。また、燃料室１７側の集電部材１９は、Ｎｉの他、Ｎｉ合金やステンレス鋼など酸化に強い金属で形成するようにしてもよい。
【００３４】
この集電部材１９は、燃料室１７に数十〜百個程度（もちろん燃料室の大きさにより異なる。）設けられており、それらを個々にインターコネクタ１３上に並べて溶接（例えばレーザー溶接や抵抗溶接）するようにしてもよいが、好ましくは図１１（ｂ）に示したように前記板材を燃料室１７に整合する四角い平板１９０に加工し、この平板１９０にセル本体当接部１９ｂと連接部１９ｃに対応する切込線１９ｄを形成し、そうして図１０の拡大部に示したように連接部１９ｃをＵ字状に曲げてセル本体当接部１９ｂがコネクタ当接部１９ａの上方に間隔ｓ（図６拡大部参照）を空けて被さるようにしてある。したがって、セル本体当接部１９ｂを曲げ起こして残った穴あき状態の平板１９０がコネクタ当接部１９ａの集合体であり、実施形態１では平板１９０のコネクタ当接部１９ａが下のインターコネクタ１３にレーザー溶接や抵抗溶接により接合されている。
【００３５】
なお、集電部材１９の前記切込線１９ｄは、図１２に示したようにセル本体当接部１９ｂと連接部１９ｃを列単位で纏めた形にしてもよい。こうすることによりセル本体当接部１９ｂと連接部１９ｃの加工が効率よく行える。
【００３６】
［スペーサー］
前記集電部材１９には、図６に示したようにスペーサー５８が併設されている。該スペーサー５８は、セル本体２０と下のインターコネクタ１３の間の燃料室１７内において、コネクタ当接部１９ａとセル本体当接部１９ｂを隔てるように両者の間に配置され、少なくとも燃料電池作動温度域での該スペーサー５８の熱膨張によってセル本体当接部１９ｂとコネクタ当接部１９ａをそれぞれの当接方向、すなわちセル本体当接部１９ｂをセル本体２０に向けて、一方、コネクタ当接部１９ａをインターコネクタ１３に向けて押圧し得るようにするべく、燃料電池作動温度域である７００℃〜１０００℃において、熱膨張によって拡大する前記間隔ｓをさらなる熱膨張によって上回る厚みと材質で形成されている。
【００３７】
なお、スペーサー５８の厚みは、燃料電池作動温度域での状態でセル本体当接部１９ｂとコネクタ当接部１９ａの間隔ｓを上回るものであればよいが、好ましくは燃料電池非作動時の常温状態で少なくともセル本体当接部１９ｂとコネクタ当接部１９ａの間隔ｓとほぼ同じにするかまたは若干大きく設定するのがよい。そうすることにより発電開始から作動温度域に達するまでの間においても、スペーサー５８によってコネクタ当接部１９ａとインターコネクタ１３及びセル本体当接部１９ｂとセル本体２０の接触を安定的にすることができる。
【００３８】
また、スペーサー５８は、集電部材１９より柔軟な材質、つまり集電部材１９より荷重に対する反発力が弱い材質が選定されており、温度サイクルや燃料圧・空気圧の変化による燃料室１７の間隔の変動に対し集電部材１９の動きに追従して該集電部材１９の機敏な動きを妨げないようにしてある。
【００３９】
また、スペーサー５８は、燃料電池作動温度域で集電部材１９と焼結しない性質を持った材料で形成されており、したがって、セル本体当接部１９ｂとコネクタ当接部１９ａとが直接触れ合って焼結するおそれがないことはもちろん、セル本体当接部１９ｂとコネクタ当接部１９ａがスペーサー５８を介して焼結するおそれもない。
【００４０】
以上の条件を満たすスペーサー５８の材質としては、マイカ、アルミナ、バーミキュライト、カーボン繊維、炭化珪素繊維、シリカの何れか自体か、或は少なくとも何れか１種を主成分とするものでもよい。また、これらを例えばマイカのような薄い板状体の積層構造にしておけば、積層方向への荷重に対し適度な弾性が付与されるため好ましい。これらの材質の熱膨張率は、前記固定手段９の後述する貫通部材９ａの熱膨張率或は実施形態４の締め部材９０のコ字状主体９１ａの熱膨張率より大きい。
【００４１】
なお、実施形態１の集電部材１９は、前記のようにコネクタ当接部１９ａの集合体である平板１９０でつながった一体構造になっており、これに合わせてスペーサー５８も図１１（ａ）に示したように平板１９０とほぼ同幅で平板１９０より若干短い（具体的には、１つの（セル本体当接部１９ｂ＋連接部１９ｃ）の長さ相当分短い）四角形にした１枚の材料シートから、セル本体当接部１９ｂと連接部１９ｃに対応する部分を横１列分ずつ纏めて切り抜いて横格子状に形成されている。
そして、このスペーサー５８を集電部材１９の加工前の図１１（ｂ）に示した平板１９０に重ね、その状態で図１０拡大部に示したように連接部１９ｃをＵ字状に曲げるようにすれば、予めスペーサー５８を組み込んだ集電部材１９ができる。
ところで、図１０拡大部では、セル本体当接部１９ｂが左角部に位置するものから右に向かって段階的に曲げられる状態になっているが、これは専ら加工手順を説明するために描いたものであり、セル本体当接部１９ｂの曲げ加工は全部を一斉に行ってもよいし、加工上都合の良い部分から順に行ってもよい。
【００４２】
［空気室］
前記空気室１６は、図４〜図６に示したように、四角い額縁形態であって下面に前記電解質２が取着された導電性を有する薄い金属製のセパレータ２３と、該セパレータ２３と上のインターコネクタ１２との間に設置されて集電部材１８の周りを囲う額縁形態の空気極ガス流路形成用絶縁フレーム（以下、「空気極絶縁フレーム」ともいう。）２４と、によって四角い部屋状に形成されている。
【００４３】
［空気室側の集電部材］
空気室１６側の集電部材１８は、細長い角材形状で、緻密な導電部材である例えばステンレス材で形成され、電解質２の上面の空気極１４と上のインターコネクタ１２の下面（内面）に当接する状態にして複数本を平行に且つ一定の間隔をおいて配設されている。なお、空気室１６側の集電部材１８は、燃料室１７側の集電部材１９と同じ構造にしてもよい。
【００４４】
以上のように燃料電池セル３は、下のインターコネクタ１３と、燃料極絶縁フレーム２１と、燃料極フレーム２２と、セパレータ２３と、空気極絶縁フレーム２４と、上のインターコネクタ１２と、の組合せによって燃料室１７と空気室１６を形成し、その燃料室１７と空気室１６を電解質２で仕切って相互に独立させ、さらに、燃料極絶縁フレーム２１と空気極絶縁フレーム２４で燃料極１５側と空気極１４側を電気的に絶縁している。
【００４５】
また、燃料電池セル３は、前記のように空気室１６の内部に空気を供給する空気供給流路４と、空気室１６から排ガスたる空気を外部に排出する空気排気流路５と、燃料室１７の内部に燃料ガスを供給する燃料供給流路６と、燃料室１７から排ガスたる燃料ガスを外部に排出する燃料排気流路７と、を備えている。
【００４６】
［空気供給流路］
空気供給流路４は、四角い燃料電池セル３の角部近傍に上下方向に貫通形成した空気供給用の縦貫本流路（以下、「空気供給本流路」ともいう。）２９と、該空気供給本流路２９と交差して連通するように空気極絶縁フレーム２４に開設した長孔状の横型支流路（以下、「空気供給支流路」という。）３０と、該空気供給支流路３０と空気室１６との間を仕切る隔壁３１の上面を複数箇所窪ませて形成した空気供給連絡部３２と、を備えており、前記空気供給本流路２９に挿入された後述する空気用供給管４００の空気導入通路２５を介して外部から空気が供給されるようになっている。
【００４７】
［空気排気流路］
空気排気流路５は、燃料電池セル３の空気供給本流路２９に対向する角部近傍に上下方向に貫通形成した空気排気用の縦貫本流路（以下、「空気排気本流路」ともいう。）３３と、該空気排気本流路３３と交差して連通するように空気極絶縁フレーム２４に開設した長孔状の横型支流路（以下、「空気排気支流路」という。）３４と、該空気排気支流路３４と空気室１６との間を仕切る隔壁３５の上面を複数箇所窪ませて形成した空気排気連絡部３６と、を備えており、前記空気排気本流路３３に挿入された後述する空気用排気管５００の空気排気通路２６を介して発電反応後の空気を排ガスとして外部に排出するようになっている。
【００４８】
［燃料供給流路］
燃料供給流路６は、四角い燃料電池セル３の残り二つの角部のうちの一つの角部近傍に上下方向に貫通形成した燃料供給用の縦貫本流路（以下、「燃料供給本流路」ともいう。）３７と、該燃料供給本流路３７に連通するように燃料極絶縁フレーム２１に開設した長孔状の横型支流路（以下、「燃料供給支流路」という。）３８と、該燃料供給支流路３８と燃料室１７の間とを仕切る隔壁３９の上面を複数箇所窪ませて形成した燃料供給連絡部４０と、を備えており、前記燃料供給本流路３７に挿入された後述する燃料用供給管６００の燃料導入通路２７を介して外部から燃料ガスが供給されるようになっている。
【００４９】
［燃料排気流路］
燃料排気流路７は、燃料電池セル３の燃料供給本流路３７に対向する角部近傍に上下方向に貫通形成した燃料排気用の縦貫本流路（以下、「燃料排気本流路」ともいう。）４１と、該燃料排気本流路４１と交差して連通するように燃料極絶縁フレーム２１に開設した長孔状の横型支流路（以下、「燃料排気支流路」という。）４２と、該燃料排気支流路４２と燃料室１７との間を仕切る隔壁４３の上面を複数箇所窪ませて形成した燃料排気連絡部４４と、を備えており、前記燃料排気本流路４１に挿入された後述する燃料用排気管７００の燃料排気通路２８を介して発電反応後の燃料ガスを排ガスとして外部に排出するようになっている。
【００５０】
［積層体］
積層体８は、前記燃料電池セル３を複数枚積層すると共にその上下を一対のエンドプレート４５ａ，４５ｂで挟んでその周囲を複数の固定手段９，９…で固定したものである。なお、燃料電池セル３を複数枚積層した場合において、下に位置する燃料電池セル３の上のインターコネクタ１２と、その上に載る燃料電池セル３の下のインターコネクタ１３は、一体にして上下の燃料電池セル３，３同士で共有する。
【００５１】
［積層体のガス給排流路］
積層体８は、前記燃料電池セル３を複数枚積層したものであり、したがって各燃料電池セル３の空気供給流路４は、縦貫本流路たる空気供給本流路２９で積層方向（上下方向）に連通しており、同様に空気排気流路５は空気排気本流路２９で積層方向に連通し、燃料供給流路６は燃料供給本流路３７で積層方向に連通し、燃料排気流路７は燃料排気本流路４１で積層方向（上下方向）に連通している。そしてさらに、前記各本流路２９，３３，３７，４１に空気用供給管４００と空気用排気管５００と燃料用供給管６００と燃料用排気管７００がそれぞれ挿通されている。
【００５２】
［空気用供給管］
空気用供給管４００は、エンドプレート４５ａ，４５ｂの通孔（図示せず）と積層体８の前記空気供給本流路２９を上下に貫く状態にして取り付けられている。空気用供給管４００は、下端を閉じた空気導入通路２５を軸中心に有する中空ネジ軸状であり、絶縁性の座金１０，１０を介してナット１１，１１で締め付けられている。空気用供給管４００は、前記空気供給支流路３０毎に対応させて図８拡大図に示したように空気供給本流路２９に通じる横孔４８が設けられており、該横孔４８を介して空気導入通路２５から空気供給本流路２９に、そして空気供給本流路２９から空気供給支流路３０に空気が供給される。
【００５３】
［空気用排気管］
空気用排気管５００は、エンドプレート４５ａ，４５ｂの通孔（図示せず）と積層体８の前記空気排気本流路３３を上下に貫く状態にして取り付けられている。空気用排気管５００は、前記空気用供給管４００と同構造であって、下端を閉じた空気排気通路２６を軸中心に有する中空ネジ軸状であり、絶縁性の座金１０，１０を介してナット１１，１１で締め付けられ、さらに前記空気排気支流路３４毎に対応させて図８に示したように空気排気本流路３３に通じる横孔４９が設けられており、発電反応後の空気が、空気排気支流路３４から空気排気本流路３３に、そして横孔４９を介して空気排気本流路３３から空気排気通路２６に入って外部に排出される。
【００５４】
［燃料用供給管］
燃料用供給管６００は、エンドプレート４５ａ，４５ｂの通孔（図示せず）と積層体８の前記燃料供給本流路３７を上下に貫く状態にして取り付けられている。燃料用供給管６００も前記空気用供給管４００と同構造であって、下端を閉じた燃料導入通路２７を軸中心に有する中空ネジ軸状であり、絶縁性の座金１０，１０を介してナット１１，１１で締め付けられ、さらに前記燃料供給支流路３８毎に対応させて図９に示したように燃料供給本流路３７に通じる横孔５０が設けられており、該横孔５０を介して燃料導入通路２７から燃料供給本流路３７に、そして燃料供給本流路３７から燃料供給支流路３８に燃料が供給される。
【００５５】
［燃料用排気管］
燃料用排気管７００は、エンドプレート４５ａ，４５ｂの通孔（図示せず）と積層体８の前記燃料排気本流路４１を上下に貫く状態にして取り付けられている。燃料用排気管７００も前記空気用供給管４００と同構造であって、下端を閉じた燃料排気通路２８を軸中心に有する中空ネジ軸状であり、絶縁性の座金１０，１０を介してナット１１，１１で締め付けられ、さらに前記燃料排気支流路４２毎に対応させて図９に示したように燃料排気本流路４１に通じる横孔５１が設けられており、発電反応後の燃料ガスが、燃料排気支流路４２から燃料排気本流路４１に、そして横孔５１を介して燃料排気本流路４１から燃料排気通路２８に入って外部に排出される。
【００５６】
［固定手段］
積層体８を固定する複数の固定手段９は、図１想像線と図３に示したように、積層体８の周縁部を積層方向に貫く貫通孔４６に挿入された棒状の貫通部材９ａと、該貫通部材９ａの軸方向の両端に設けられた上下一対の固定部材９ｂで構成されている。
【００５７】
［固定手段−貫通部材］
貫通部材９ａは、中実丸棒の外周に雄ネジを形成したネジ軸状であり、例えばＮｉ合金のインコネル６０１等の金属で形成されている。
貫通部材９ａは、図２の平面図に示したように、積層体８の周縁部において、前記した４つのガス給排流路である空気供給流路４と空気排気流路５と燃料供給流路６及び燃料排気流路７よりも外縁側に位置する第１列と、前記各ガス給排流路４〜７よりも内側に位置する第２列とに並べて配置され、換言すればガス給排流路４〜７が第１列と第２列の貫通部材９ａの間に配置されている。特に実施形態１のガス給排流路４〜７は、第１列と第２列の貫通部材９ａの間の中央位置にあって、第１列、第２列の貫通部材９ａまでの最短距離が同じになっている。
さらに貫通部材９ａは、図２の平面図に示したように、第１列の貫通部材９ａと第２列の貫通部材９ａが、前記積層方向に直交する平面における平面視でジグザグ状（図２一点鎖線参照）、すなわち第１列と第２列を重ね合わせた場合に第１列の貫通部材９ａ同士の間（好ましくは貫通部材９ａ同士の中央）に第２列の貫通部材９ａが位置する状態に配置されている。
【００５８】
［固定手段−固定部材］
固定部材９ｂは、前記貫通部材９ａの雄ネジに螺合するナット状であり、例えばＮｉ合金のインコネル６０１等の金属で形成されている。該固定部材９ｂは、上下とも締め外し自在なナット形態にしてもよいし、上下の一方を貫通部材９ａに溶接等で固定するか、或は通常のボルトのごとく上下の一方を貫通部材９ａと一体に形成してもよい。
【００５９】
［固定手段−その他］
固定手段９の貫通部材９ａは、貫通孔４６の径より細くなっていて貫通孔４６との間に隙間が形成されるようになっている。また、固定部材９ｂとエンドプレート４５ａ，４５ｂとの間にも絶縁性の座金１０，１０が介装されており、そうして固定手段９と積層体８が電気的に絶縁されるようになっている。
【００６０】
以上の構成である実施形態１の燃料電池１に対し、燃料用供給管６００を塞いだ状態で空気用供給管４００に流量一定で空気を供給したところ、空気用排気管５００から供給分と同流量の空気が検出され、一方、燃料用排気管７００からは空気の流出が検出されなかった。これにより実施形態１の燃料電池１では、積層体８の外部と内部の何れにもガス漏れが生じていないことが確認された。
【００６１】
［発電］
次に、前記燃料電池１の空気供給流路４に空気を供給すると、その空気は、図８の右側の空気供給支流路３０から空気供給連絡部３２を通って空気室１６に供給され、この空気室１６の集電部材１８同士の間のガス流路５６を通り抜け、さらに左側の空気排気連絡部３６から空気排気支流路３４に入って外部に排出される。
【００６２】
同時に燃料電池１の燃料供給流路６に燃料ガスを供給すると、その燃料ガスは、図９の上側の燃料供給支流路３８から燃料供給連絡部４０を通って燃料室１７に供給され、この燃料室１７の集電部材１９，１９…の間、厳密にはセル本体当接部１９ｂ，１９ｂ…同士の間のガス流路５７（図９において、燃料室１７内の非斜線部参照）を拡散しながら通り抜け、さらに下側の燃料排気連絡部４４から燃料排気支流路４２に入って外部に排出される。
なお、このとき集電部材１９が前記のように多孔質金属又は金網又はワイヤーで形成されていると、ガス流路５７の表面が凸凹になるため燃料ガスの拡散性が向上する。
【００６３】
このような空気と燃料ガスの供給・排気を行いつつ全燃料電池セル３（積層体８）の温度を７００℃〜１０００℃にまで上昇させると、空気と燃料ガスが空気極１４と電解質２と燃料極１５を介して反応を起こすため、空気極１４を正極、燃料極１５を負極とする直流の電気エネルギが発生する。なお、燃料電池セル３内で電気エネルギが発生する原理は周知であるため説明を省略する。
【００６４】
前記のように空気極１４は、集電部材１８を介して上のインターコネクタ１２に電気的に接続され、一方、燃料極１５は、集電部材１９を介して下のインターコネクタ１３に電気的に接続されており、また、積層体８は複数の燃料電池セル３を積層して直列に接続された状態であるから、上のエンドプレート４５ａが正極で、下のエンドプレート４５ｂが負極になる。
【００６５】
以上のように燃料電池は、発電時に温度が上昇し、発電停止により温度が下降する、という温度サイクルを繰り返す。したがって、燃料室１７や空気室１６を構成する全ての部材や前記固定手段９について熱膨張と収縮が繰り返され、それに伴い燃料室１７や空気室１６の間隔も拡大と縮小を繰り返す。
また、燃料圧や空気圧も変動する場合があり、その圧力の変動でセル本体２０が変形することによっても燃料室１７や空気室１６の間隔が拡大又は縮小する。
このような燃料室１７や空気室１６の拡大方向の変化に対して、実施形態１では燃料室１７側の集電部材１９が、連接部１９ｃの弾性と、スペーサー５８の積層方向の弾性と熱膨張によってセル本体２０を押圧するため電気的接続が安定的に維持される。この集電部材１９によるセル本体２０の押圧は空気室１６側にも影響するため、空気室１６の電気的接続も安定的に維持される。
また、燃料室１７や空気室１６の縮小方向の変化に対して、燃料室１７側の集電部材１９の連接部１９ｃの弾性と、スペーサー５８の収縮によってセル本体２０に加わる応力が緩和される。
【００６６】
また、燃料極１５側の集電部材１９がＮｉか又はＮｉ合金であると、発電時の高温環境下でセル本体当接部１９ｂが燃料極１５中のＮｉと拡散接合して一体になる。したがって集電部材１９による電気的接続がより安定的に維持される。
なお、好ましくは燃料極１５にＮｉＯペーストを塗布して接合層を形成しておくとよい。そうすることによりＨ２ 中の通電でＮｉＯがＮｉになるから集電部材１９と燃料極１５の接合性がさらに向上する。前記接合層は、燃料極１５にＰｔペーストを塗布することによって形成してもよい。
【００６７】
また、実施形態１では下のインターコネクタ１３にコネクタ当接部１９ａの集合体である平板１９０を溶接して接合するようにしたが、該インターコネクタ１３と平板１９０の材質を発電時の高温環境下で拡散接合し得る組み合わせ（例えばＣｒｏｆｅｒ２２ＨとＮｉ）にするか、或は下のインターコネクタ１３の内面側に前記のような接合層を形成するようにしておけば、発電時の高温環境下でインターコネクタ１３と集電部材１９を接合して一体にすることができる。
【００６８】
［集電部材の変形例］
図１３〜図１６は、実施形態１の集電部材１９の変形例を示す燃料電池セル３の中間省略縦断面図である。実施形態１の集電部材１９は、連接部１９ｃをＵ字状に曲げてコネクタ当接部１９ａの上方にセル本体当接部１９ｂを配置すると共にコネクタ当接部１９ａとセル本体当接部１９ｂの間にスペーサー５８を介在させるようにしたが、変形例では連接部１９ｃを斜めにして、図１３のようにコネクタ当接部１９ａとセル本体当接部１９ｂの上下位置を完全に異ならせるか又は図１４のように集電部材１９を断面略Ｚ字状にしてコネクタ当接部１９ａとセル本体当接部１９ｂの一部が上下位置を違えて重なるように配置し、そうしてコネクタ当接部１９ａとセル本体２０及びセル本体当接部１９ｂとインターコネクタ１３を隔てるように前記スペーサー５８を配置したものである。また、図１５のようにスペーサー５８をコネクタ当接部１９ａとセル本体２０を隔てるように介在させるか、或は図１６のようにスペーサー５８をセル本体当接部１９ｂとインターコネクタ１３を隔てるように介在させるようにすることもできる。
前記した実施形態１と変形例の構成の相違は以上のとおりであり、それ以外の点については実施形態１と同じであるため詳細な説明を省略する。
【００６９】
［実施形態２］
図１７は、実施形態２の燃料電池を示す平面図である。この図に示されているように実施形態２の燃料電池１は、前記ガス給排流路４〜７と、前記第１列の貫通部材９ａとが横並びの位置に配置されている。この場合、ガス給排流路４〜７の各縦貫本流路２９，３３，３７，４１が貫通孔４６を兼用し、また、そこに挿通された空気用供給管４００、空気用排気管５００、燃料用供給管６００、燃料用排気管７００が夫々貫通部材９ａを兼用し、上下のナット１１，１１が固定部材９ｂを兼用する。
なお、上記以外の点については実施形態１と同じであるため説明を省略する。また、図１７において実施形態１と同じ符合を付した部分又は部品は、それらと同一又は同機能の部分又は部品である。
【００７０】
［実施形態３］
図１８は、実施形態３の燃料電池を示す平面図である。この図に示されているように実施形態３の燃料電池１は、前記ガス給排流路４〜７と、前記第２列の貫通部材９ａとが横並びの位置に配置されている。この場合においても、ガス給排流路４〜７の各縦貫本流路２９，３３，３７，４１が貫通孔４６を兼用し、また、そこに挿通された空気用供給管４００、空気用排気管５００、燃料用供給管６００、燃料用排気管７００が貫通部材９ａを兼用し、上下のナット１１，１１が固定部材９ｂを兼用する。
なお、上記以外の点については実施形態１と同じであるため説明を省略する。また、図１８において実施形態１と同じ符合を付した部分又は部品は、それらと同一又は同機能の部分又は部品である。
【００７１】
［実施形態４］
実施形態４の燃料電池を図１９〜図２１を参照しつつ説明する。この実施形態４は、前記積層体８を複数（具体的には４つ）の締め部材９０で固定するようにしたものであり、実施形態１に対して積層体８を固定するための固定手段９と、該固定手段９の貫通部材９ａを通す貫通孔４６に関する構成が異なるのみである。したがって、以下に記載のない部分については原則として実施形態１と同じである。なお、図１９〜図２１において図１〜図１６と同じ符合の部分又は部品は、実施形態１と同一又は同機能の部分又は部品を示している。
【００７２】
［締め部材］
積層体８を固定する締め部材９０は、図１９〜図２１に示したようにコ字状主体９１ａと、ネジ部材９２ａで構成される。
【００７３】
［締め部材−コ字状主体］
コ字状主体９１ａは、積層体８の積層方向の周縁部上面に対向する第１対向部９１ｂと、積層体８の積層方向の周縁部下面に対向する第２対向部９１ｃと、第１対向部９１ｂの端部と第２対向部９１ｃの端部を一体に連結して積層体８の側面との間に適度な隙間を空けて対向する連結部９１ｄと、を備えており、例えばＮｉ合金のインコネル６０１等の金属で形成されている。また、コ字状主体９１ａは、第１対向部９１ｂと連結部９１ｄとで構成される角部の内側と、第２対向部９１ｃと連結部９１ｄとで構成される角部の内側とが滑らかな曲面９１ｅで形成されている。
【００７４】
１つのコ字状主体９１ａの大きさは、積層体８の一辺より若干小さい程度であって、図２０に示したように４つのコ字状主体９１ａを四角く環状に組み合わせることにより、図１９に示したように積層体８の周囲をほぼ囲み得る。
コ字状主体９１ａの前記第１対向部９１ｂには、中心軸が積層体８の上面に対して略垂直になる向きにして雌ネジ孔９１ｆが形成されている。
【００７５】
［締め部材−ネジ部材］
ネジ部材９２ａは、例えばＮｉ合金のインコネル６０１等の金属で形成されており、雄ネジ軸９２ｂの頂部に六角穴付きの円柱頭部９２ｃを一体に有する。このネジ部材９２ａは、図２１に示したように雄ネジ軸９２ｂが前記雌ネジ孔９１ｆに螺合しており、第１対向部９１ｂから出た先端が積層体８の上面（具体的には上のエンドプレート４５ａの上面）に当接し、雌ネジ孔９１ｆへの締め込み具合を調節することによって、積層体８を第２対向部９１ｃとの間に挟んだ状態で締め付け得る。
【００７６】
［雌ネジ孔とネジ部材の配置］
前記雌ネジ孔９１ｆとネジ部材９２ａは、第１対向部９１ｂに対して多数設けられており、その配置は、図１９、図２０に示したようにコ字状主体９１ａで積層体８の周囲を囲んだ状態で、実施形態１の貫通部材９ａと同じである。
【００７７】
すなわち、多数の雌ネジ孔９１ｆとネジ部材９２ａは、４つのガス給排流路である空気供給流路４と空気排気流路５と燃料供給流路６及び燃料排気流路７よりも外縁側に位置する第１列と、前記各ガス給排流路４〜７よりも内側に位置する第２列とに並べて配置され、換言すればガス給排流路４〜７が第１列と第２列のネジ部材９２ａの間に配置されている。特に実施形態４のガス給排流路４〜７は、第１列と第２列のネジ部材９２ａの間の中央位置にあって、第１列、第２列のネジ部材９２ａまでの最短距離が同じになっている。
さらにネジ部材９２ａは、図２０の平面図に示したように、第１列のネジ部材９２ａと第２列のネジ部材９２ａが、前記積層方向に直交する平面における平面視でジグザグ状（図２０一点鎖線参照）、すなわち第１列と第２列を重ねた場合に第１列のネジ部材９２ａ同士の間（好ましくはネジ部材同士の中央）に第２列のネジ部材９２ａが位置する状態に配置されている。
【００７８】
以上の実施形態４の燃料電池１は、図２１に示したように、締め部材９０の第１対向部９１ｂと第２対向部９１ｃの間に積層体８の周縁部近傍を嵌め入れて第１列と第２列のネジ部材９２ａを積層方向に締め込むことで、実施形態１と同様に、積層体８の外部と内部の何れにもガス漏れしにくい状態でしっかりと固定することができる。
【００７９】
なお、実施形態４においてネジ部材９２ａには、実施形態１の貫通部材９ａに作用する引張り応力とは逆の圧縮応力が作用する。このように山谷形状のネジ部材９２ａを圧縮場にすることで、ネジ部材９２ａのクリープひずみの軽減とクリープ破断のリスクを低下させることができる。
【００８０】
以上本発明を実施形態１〜４について説明したが、もちろん本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、実施形態１〜４では、第１列と第２列の貫通部材９ａ又は第１列と第２列のネジ部材９２ａをジグザグ状に配置したが、第１列と第２列の貫通部材９ａ又は第１列と第２列のネジ部材９２ａを図２２に示したように平面視で横並びの位置に配置するようにしてもよい。もっともこの場合は、図２２に示したように、貫通部材９ａ同士又はネジ部材９２ａ同士の間隔Ｌがガス給排流路４〜７を横断する状態で広く空くため、ジグザグ状に配置する場合より隣り合う貫通部材９ａ同士又は隣り合うネジ部材９２ａ同士の間隔を小さく詰める必要がある。換言すれば、第１列と第２列の貫通部材９ａ又は第１列と第２列のネジ部材９２ａを平面視でジグザグ状に配置すれば、少ない本数で効率よくシール性を高めることができる。
また、実施形態４ではネジ部材９２ａを第１対向部９１ｂのみに設けたが、第２対向部９１ｃのみに設けてもよいし、第１対向部９１ｂと第２対向部９１ｃの両方に設けてもよい。
また、実施形態では、コ字状主体９１ａの角部の曲面９１ｅを第１対向部９１ｂと第２対向部９１ｃのそれぞれに形成したが、何れか一方の角部に曲面９１ｅを設けるだけでもよい。なお、角部の内側を滑らかな曲面で形成することにより、発電時の熱によるネジ部材９２ａの緩みが軽減される効果がある。
【符号の説明】
【００８１】
１ …燃料電池
３ …燃料電池セル
４ …空気供給流路（ガス給排流路）
５ …空気排気流路（ガス給排流路）
６ …燃料供給流路（ガス給排流路）
７ …燃料排気流路（ガス給排流路）
８ …積層体
９ａ …貫通部材
９ｂ …固定部材
４６ …貫通孔
９０ …締め部材
９１ｂ …第１対向部
９１ｃ …第２対向部
９１ｄ …連結部
９１ｆ …雌ネジ孔
９２ａ …ネジ部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板状の燃料電池セルを複数枚積層してなる積層体と、
前記積層体の周縁部に配置されると共に、該積層体を前記積層方向に貫いて、発電反応に用いられる反応ガスを各前記燃料電池セルに供給するまたは発電反応後の排ガスを前記各燃料電池セルより排出するガス給排流路と、
前記積層方向に沿って前記積層体の前記周縁部を貫く貫通孔に挿入された棒状の貫通部材と、
前記貫通部材の軸方向の両端に設けられた固定部材と、を備え、
前記貫通部材と前記固定部材を介して前記積層体が前記積層方向の両端側より締め付けられている燃料電池であって、
前記貫通部材は、
前記積層体の前記周縁部において、該周縁部の外寄りに位置する外縁側に第１列と、前記外縁側よりも内側に位置する内縁側に第２列とに並べて配置され、
前記ガス給排流路は、
前記第１列若しくは前記第２列の前記貫通部材と横並びの位置に、または前記第１列と前記第２列の前記貫通部材の間の位置に配置されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記ガス給排流路は、前記第１列と前記第２列の前記貫通部材の間の位置に配置されており、さらに該ガス給排流路から、前記第１列、前記第２列の前記貫通部材までの最短距離が同じであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記ガス給排流路は、前記第１列の貫通部材と横並びの位置に配置されており、さらに該第１列の貫通部材が挿入されている前記貫通孔の少なくとも一部に前記ガス給排流路が設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第１列の前記貫通部材と前記第２列の前記貫通部材は、前記積層方向に直交する平面における平面視でジグザグ状に配置されてい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】
平板状の燃料電池セルを複数枚積層してなる積層体と、
前記積層体の周縁部に配置されると共に、該積層体を前記積層方向に貫いて、発電反応に用いられる反応ガスを各前記燃料電池セルに供給、または発電反応後の排ガスを前記燃料電池セルより排出するガス給排流路と、
前記積層体を前記積層方向の両端側より締め付ける締め部材と、
を備えた燃料電池であって、
前記締め部材は、
前記積層体の前記周縁部において、前記積層体の前記積層方向の両端の一方の面に対向する第１対向部と、
前記周縁部において、前記積層体の前記積層方向の両端の他方の面に対向する第２対向部と、
前記第１対向部の端部と前記第２対向部の端部を一体に連結して前記積層体の側面に対向する連結部と、
前記第１対向部と前記第２対向部の少なくとも一方に形成されると共に前記積層体の前記一方の面又は前記他方の面に向かって貫通し且つ前記積層体の前記外縁側に対応する第１列と前記内縁側に対応する第２列とに分けて形成された複数個の雌ネジ孔と、
前記雌ネジ孔に螺合すると共に前記積層体の前記一方の面又は前記他方の面に先端が当接し、前記雌ネジ孔への締め込みによって前記第１列と前記第２列に分かれて前記積層体を積層方向に締め付け得る複数本のネジ部材と、を有し、
前記ガス給排流路は、
前記第１列若しくは前記第２列の前記ネジ部材と横並びの位置に、または前記第１列と前記第２列の前記ネジ部材の間の位置に配置されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
前記ガス給排流路は、前記第１列と前記第２列の前記ネジ部材の間の位置に配置されており、さらに前記積層方向に沿って前記積層方向に直交する平面に投影した際、前記ガス給排路から、前記第１例、前記第２列の前記ネジ部材までの最短投影距離が同じであることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記第１列の前記ネジ部材と前記第２列の前記ネジ部材は、前記積層方向に直交する平面における平面視でジグザグ状に配置されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の燃料電池。
【請求項１】
平板状の燃料電池セルを複数枚積層してなる積層体と、
前記積層体の周縁部に配置されると共に、該積層体を前記積層方向に貫いて、発電反応に用いられる反応ガスを各前記燃料電池セルに供給するまたは発電反応後の排ガスを前記各燃料電池セルより排出するガス給排流路と、
前記積層方向に沿って前記積層体の前記周縁部を貫く貫通孔に挿入された棒状の貫通部材と、
前記貫通部材の軸方向の両端に設けられた固定部材と、を備え、
前記貫通部材と前記固定部材を介して前記積層体が前記積層方向の両端側より締め付けられている燃料電池であって、
前記貫通部材は、
前記積層体の前記周縁部において、該周縁部の外寄りに位置する外縁側に第１列と、前記外縁側よりも内側に位置する内縁側に第２列とに並べて配置され、
前記ガス給排流路は、
前記第１列若しくは前記第２列の前記貫通部材と横並びの位置に、または前記第１列と前記第２列の前記貫通部材の間の位置に配置されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記ガス給排流路は、前記第１列と前記第２列の前記貫通部材の間の位置に配置されており、さらに該ガス給排流路から、前記第１列、前記第２列の前記貫通部材までの最短距離が同じであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記ガス給排流路は、前記第１列の貫通部材と横並びの位置に配置されており、さらに該第１列の貫通部材が挿入されている前記貫通孔の少なくとも一部に前記ガス給排流路が設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第１列の前記貫通部材と前記第２列の前記貫通部材は、前記積層方向に直交する平面における平面視でジグザグ状に配置されてい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】
平板状の燃料電池セルを複数枚積層してなる積層体と、
前記積層体の周縁部に配置されると共に、該積層体を前記積層方向に貫いて、発電反応に用いられる反応ガスを各前記燃料電池セルに供給、または発電反応後の排ガスを前記燃料電池セルより排出するガス給排流路と、
前記積層体を前記積層方向の両端側より締め付ける締め部材と、
を備えた燃料電池であって、
前記締め部材は、
前記積層体の前記周縁部において、前記積層体の前記積層方向の両端の一方の面に対向する第１対向部と、
前記周縁部において、前記積層体の前記積層方向の両端の他方の面に対向する第２対向部と、
前記第１対向部の端部と前記第２対向部の端部を一体に連結して前記積層体の側面に対向する連結部と、
前記第１対向部と前記第２対向部の少なくとも一方に形成されると共に前記積層体の前記一方の面又は前記他方の面に向かって貫通し且つ前記積層体の前記外縁側に対応する第１列と前記内縁側に対応する第２列とに分けて形成された複数個の雌ネジ孔と、
前記雌ネジ孔に螺合すると共に前記積層体の前記一方の面又は前記他方の面に先端が当接し、前記雌ネジ孔への締め込みによって前記第１列と前記第２列に分かれて前記積層体を積層方向に締め付け得る複数本のネジ部材と、を有し、
前記ガス給排流路は、
前記第１列若しくは前記第２列の前記ネジ部材と横並びの位置に、または前記第１列と前記第２列の前記ネジ部材の間の位置に配置されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
前記ガス給排流路は、前記第１列と前記第２列の前記ネジ部材の間の位置に配置されており、さらに前記積層方向に沿って前記積層方向に直交する平面に投影した際、前記ガス給排路から、前記第１例、前記第２列の前記ネジ部材までの最短投影距離が同じであることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記第１列の前記ネジ部材と前記第２列の前記ネジ部材は、前記積層方向に直交する平面における平面視でジグザグ状に配置されていることを特徴とする請求項５又は６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９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
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【図４】
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【図６】
【図７】
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【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
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【公開番号】特開２０１３−８０６５０（Ｐ２０１３−８０６５０Ａ）
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２０７５３（Ｐ２０１１−２２０７５３）
【出願日】平成２３年１０月５日（２０１１．１０．５）
【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２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月５日（２０１１．１０．５）
【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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