積層型燃料電池
【課題】 積層型燃料電池におけるセルスタックに圧縮荷重を付加する加圧機構の構造の簡略化、小型化を図り、合わせて経済性、耐久性の向上を図る。
【解決手段】 タイロッド２０により間隔が規定された一対の荷重受け板１０Ｈ，１０Ｌの間にセルスタックユニット３０を配置する。セルスタックユニット３０に積層方向の圧縮荷重を付加する加圧機構として、上側の荷重受け板１０Ｈとセルスタックユニット３０との間に、コイル状のセラミックスばね５０を圧縮状態で分散配置する。セラミックスばね５０は、コイルを構成する線材の断面形状が四角形である角ばねである。
【解決手段】 タイロッド２０により間隔が規定された一対の荷重受け板１０Ｈ，１０Ｌの間にセルスタックユニット３０を配置する。セルスタックユニット３０に積層方向の圧縮荷重を付加する加圧機構として、上側の荷重受け板１０Ｈとセルスタックユニット３０との間に、コイル状のセラミックスばね５０を圧縮状態で分散配置する。セラミックスばね５０は、コイルを構成する線材の断面形状が四角形である角ばねである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄板状の単セルを板厚方向に積層配置して構成された積層型燃料電池に関し、更に詳しくは、単セル積層体であるセルスタックに積層方向の圧縮荷重を負荷する加圧機構に工夫を講じた積層型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池型式の一つとして固体電解質型がある。これは、イットリア安定化ジルコニアなどからなる固体電解質板の一方の表面にアノード電極を形成し、他方の表面にカソード電極を形成した平板型の単セルをインターコネクタを介して積層した単セル積層体を主要構成部材としており、その単セル積層体は、押さえ板などと共に積層方向に加圧された状態に保持されてセルスタックユニットを構成している。
【０００３】
固体電解質型燃料電池を例にとって積層型燃料電池の主要部の構造を図５Ａ及び図５Ｂにより説明する。上下一対の荷重受け板１０Ｈ，１０Ｌの間にセルスタックユニット３０が配置されている。上下一対の荷重受け板１０Ｈ，１０ＬはＳＵＳ３１０Ｓなどの耐熱合金からなる剛性体プレートであり、複数本のタイロッド２０により連結され間隔が規定されている。
【０００４】
セルスタックユニット３０は、水平な単セルを垂直方向に積層したセルスタック本体としての単セル積層体３１、その上に重ねられた押さえ板３２などからなる。押さえ板３２は、荷重受け板１０Ｈ，１０Ｌと同じくＳＵＳ３１０Ｓなどの耐熱合金からなる剛性体プレートである。単セル積層体３１の正極側及び負極側はマイカ板などにより電気的に絶縁されている。
【０００５】
セルスタックユニット３０における押さえ板３２と上側の荷重受け板１０との間には、セルスタックユニット３０内の特に単セル積層体３１に積層方向の圧縮荷重を付加するために、ダイナミックベローズ４０が加圧機構として配置されている。ダイナミックベローズ４０は、上下方向に伸縮可能な金属製の密閉された蛇腹状容器であり、図示されないガス加圧機構、圧力調整機構等を介して加圧ガスが注入されることにより、セルスタックユニット３０に積層方向の圧縮荷重を付加し、単セル積層体３１における板材間の電気的接続及びシーリングを行う。この加圧に伴う反力を受けるのが、上側の荷重受け板１０である。
【０００６】
ダイナミックベローズ４０による加圧機構は、任意の圧縮荷重を正確に付与することができるが、その反面、ガス加圧機構、ガス圧力調整機構等の付帯設備が大掛かりとなり、経済性の悪化及び設備の大型化を招く問題がある。また、固体電解質型燃料電池の場合、動作温度が８００℃程度と非常に高く、ダイナミックベローズ４０の材質としてＮｉ基合金等の耐熱合金を用いるが、ダイナミックベローズ４０の伸縮性を確保するために板厚が０．２５〜０．３ｍｍに制限される。このためダイナミックベローズ４０の破損頻度が高いという問題もあった。
【０００７】
ダイナミックベローズ以外の加圧機構としては、例えばセラミックスばねが特許文献１に記載されている。金属ばねだと、動作温度が８００℃にもなると高温クリープによる機能喪失が問題になるのに対し、セラミックスばねだとそのような心配がない。また、ダイナミックベローズと比べて、耐久性に優れると共に、設備構成が簡単となり、経済性に優れる。セラミックスばねの材質としては、耐熱性等の点から窒化硅素が望ましいとされている。
【０００８】
ところで、従来のセラミックスばねは、粉末焼結により製造された丸ばねを指す。丸ばねとは、線材の断面形状が円形のコイルばねである。セラミックス製の丸ばねは粉末焼結の際の成形性が優れるために、セラミックスばねと言えばコイル型の丸ばねを指すのが一般的である。
【０００９】
積層型燃料電池における加圧機構としてセラミックス製の丸ばねを使用することの利点は前述したとおり少なくない。しかし、それらの利点の一方で、剪断応力による破壊が生じる危険性があるために、丸ばねの個数を多くして個々の丸ばねの負担を小さくする必要がある。そして、粉末焼結で製造される丸ばねの価格はとりわけ高価であるため、これを多く使用することは、セラミックスばねを用いた加圧機構の経済性を相殺する結果になる。
【００１０】
加えて、単セルの体積の多くを占めるインターコネクタの材質としては、フェライト系耐熱合金が使用される。一方、上下の荷重受け板を連結するタイロッドの材質としては、フェライト系耐熱合金はもとよりオーステナイト系耐熱合金よりも更に耐熱性の優れたハステロイ（商品名）などのニッケル基合金が使用される。これは、タイロッドにＳＵＳ３１０Ｓの如きオーステナイト系耐熱合金を使用しても、高温クリープによる耐性がないため、タイロッドが伸びきるおそれがあること、及びニッケル基合金の線膨張係数がオーステナイト系耐熱合金のそれより小さく、フェライト系耐熱合金のそれに近いので、後述する常温時のばね圧縮量を軽減できることなどが理由である。
【００１１】
しかしながら、タイロッドにニッケル基耐熱合金を用いてもなお、タイロッドの線膨張係数の方が、セルスタックユニットの積層方向における線膨張係数より大きくなり、８００℃の動作温度雰囲気では、セルスタックユニットにおける押さえ板と上側の荷重受け板との間隔が広がり、ここに介装された丸ばねの圧縮量が減少するため、常温時と比べて圧縮荷重が減少する。
【００１２】
これを回避するためには常温時における圧縮量を大きくする必要があり、これも個々の丸ばねの負担を増大させる原因になり、破損頻度の増大や丸ばねの使用個数の増加、これによるコストアップの原因となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００６−３３９０３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、セルスタックに圧縮荷重を付加する加圧機構としてセラミックスばねを使用したときの利点を阻害することなく欠点を取り除くことにより、加圧機構の構造の簡略化、小型化を図り、合わせて経済性、耐久性の向上を図る積層型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】
【００１５】
ところで、本発明が対象とする積層型燃料電池に特有の現象として、動作時におけるセルスタック圧縮荷重の緩みがある。これは、前述したように、燃料電池における材質選択上の制約、すなわち、セルスタックが専らフェライト系耐熱合金からなるのに対し、タイロッドにはハステロイ（商品名）などのニッケル基合金が使用されることから、セルスタックの積層方向における線膨張係数より、セルスタックを積層方向に締め付けるタイロッドの線膨張係数の方が大きくなり、このために、８００℃の動作温度雰囲気では、セルスタックユニットにおける押さえ板と上側の荷重受け板との間隔が広がり、ここに介装された丸ばねなどの圧縮が復元し、常温時と比べて圧縮荷重が減少する現象のことであり、積層型燃料電池に不可避である。
【００１６】
このような状況下で、本発明者は積層型燃料電池の小型化のために、セルスタック加圧機構としてセラミックスばねの採用を企画し、セラミックスばねの特性を各方面から解析した。その結果、積層型燃料電池の動作条件下では、セラミックスばねが静荷重で使用される環境にあるため、丸ばねより角ばねの方が圧縮復元量に対する圧縮荷重の減少量が小さくなることを知見し、積層型燃料電池におけるセルスタック加圧機構として、セラミックスばねの中でも特にこの角ばねが好適であるとの結論に到達した。
【００１７】
角ばねとは、線材の断面形状が四角形のコイルばねである。図３は図２Ａに示す丸ばねと図２Ｂに示す角ばねのそれぞれについて圧縮復元量と荷重変化との関係を示したものである。図２Ａの丸ばねと図２Ｂの角ばねは同等寸法であり、それぞれの詳細仕様については後で詳しく説明するが、主な違いは丸ばねの断面が直径３ｍｍの円形であるのに対し、角ばねの断面は３ｍｍ角の正方形（線幅、線厚がともに３ｍｍ）であり、その結果として前者のばね定数が１９．６Ｎ／ｍｍ、後者のばね定数が２４．５Ｎ／ｍｍとなることである。この点を除き両者の仕様は実質同一である。
【００１８】
そして、図３は常温で各ばねの剪断応力が２２２ＭＰａとなる圧縮状態（圧縮復元量＝０ｍｍ）から圧縮復元量を増加させたときの荷重変化を示している。ばね定数の違いにより、丸ばねでは荷重９０Ｎ、圧縮量４．６ｍｍで剪断応力が２２２ＭＰａとなるのに対し、角ばねでは荷重９８Ｎ、圧縮量４．０ｍｍで剪断応力が２２２ＭＰａとなる。この状態では同一剪断応力下で大きな荷重が得られる角ばねの方が明らかに有利である。圧縮復元量が増加すると、丸ばね、角ばね共に荷重が減少するが、圧縮復元量が１．５ｍｍとなるまでは角ばねの方が大きな荷重が得られる。
【００１９】
積層型燃料電池における圧縮復元量は、電気的容量にもよるが、１ｍｍ程度以下が一般的であり、この領域では丸ばねより角ばねの方が大荷重が得られる。このため、セルスタック圧縮機構としてセラミックスばねを使用するにしても、角ばねを使用する方が大荷重が得られ、大変有利となるのである。
【００２０】
本発明の積層型燃料電池は、かかる知見を基礎として完成されたものであり、間隔が規定された一対の荷重受け板の間にセルスタックユニットが配置されると共に、前記セルスタックユニットに積層方向の圧縮荷重を付加する加圧機構として、前記荷重受け板とセルスタックユニットとの間に、セラミックスからなる複数の角ばねが圧縮状態で分散配置されていることを技術的特徴点とする。
【００２１】
角ばねとは、前述したとおり線材の断面形状が四角形のコイルばねである。セラミックスからなる角ばねは、円筒形状の粉末焼結体から切削加工により製造することができるので、個々に粉末成形を必要とする丸ばねと比べて製造単価が非常に安くなる。また、角ばねは丸ばねと比べてばね定数が大きくなるため、同等の荷重を得ようとする場合、丸ばねより角ばねの方が小型化できる。
【００２２】
また、図３により説明したとおり、積層型燃料電池においてはセラミックスばねが静荷重で使用されるため、同等寸法の丸ばねと角ばねで同等荷重を得ようとする場合、線材の断面形状の違い、断面積の違い、これらによるばね定数の違いなどにより、剪断応力は丸ばねより角ばねの方が小さくなる。具体的には角ばねは丸ばねより１割程度、剪断応力が小さくなる。剪断応力が小さくなると、ばねの破壊頻度が低下し、ばね個数も少なくすることが可能となる。ちなみに、セラミックスの破壊頻度はワイブル・プロットから予測可能である。
【００２３】
これらのため、本発明の積層型燃料電池においては、従来のセラミックスばね式の加圧機構を使用する燃料電池と比べてもなお、加圧機構に要するコストが下がる。また、加圧機構の小型化が可能となる。更には、加圧機構の耐久性も向上する。
【００２４】
なお、角ばねと丸ばねが同等寸法ということは、それぞれのコイル平均径、巻き数、コイル長（自然長）、線径（角ばねでは線幅・線厚）が同じということであり、線材の断面積は相違する。
【００２５】
本発明の積層型燃料電池においては、一対の荷重受け板を連結する複数本のタイロッドが一方の荷重受け板を貫通して突出し、その突出部に外嵌した状態で荷重受け板とタイロッド端部との間に、タイロッドよりも線膨張係数が大きい耐熱金属からなるスリーブが介装された構成を採用することができる。
【００２６】
この構成によると、高温の動作雰囲気でスリーブが熱膨張する。この熱膨張はタイロッドの熱膨張を一部相殺する。その結果、荷重受け板とセルスタックユニットとの間の広がりが抑制され、この間に配置された角ばねの圧縮量の戻りが抑制される結果、角ばねの常温での圧縮量を小さくでき、ひいては剪断応力をより小さくすることができる。
【００２７】
また、複数の角ばねを挟む荷重受け板とセルスタックユニットとの対向面に、複数の角ばねの端部が嵌合する凹部が設けられた構成を採用することができる。この構成によると、角ばねの位置決めが容易となる。また、凹部に角ばねの端部が挿入される分、荷重受け板とセルスタックユニットとの隙間を小さくすることができ、燃料電池の全高抑制が可能となる。この凹部は荷重受け板の側、又はセルスタックユニットの側の何れか一方にあってもよく、両方にあってもよい。
【００２８】
角ばねの個数は３〜５個が好ましい。この個数が少なすぎると、荷重の均一性が低下すると共に、角ばね１個あたりの負担が増大してばねが大型化し、燃料電池の規模増大につながる。逆に多すぎる場合は、ばねコストの増大、組立て時の工数増加が問題になる。
【００２９】
また、個々の角ばねの特性に関しては、負担する荷重で表して８０〜１２０Ｎの範囲内が好ましく、ばね定数で表して１５．７〜２４．５Ｎ／ｍｍの範囲内が好ましい。なぜなら、ばね定数が大きすぎると、ばねの圧縮量が小さくなり、温度上昇時の圧縮の復元による荷重減少の影響が大きくなる。反対に、ばね定数が小さすぎると、使用するばねの個数が増加し、コスト増加が問題になる。
【００３０】
角ばねの配置位置に関しては、荷重の均一性の観点から、荷重受け板とセルスタックユニットとの対向面間の中心回りの等角位置、又は荷重受け板とセルスタックユニットとの対向面間の中心部及び中心回りの等角位置に配するのが好ましい。その他、角ばねの配置位置に関して考慮すべきことは、セルとインターコネクタの電気的接続を保持する観点からセルの中心部に配置すること、セルスタックの積層方向に形成されたガスマニホールド部のガスシール性を保持する観点からガスマニホールドの中心部に配置することなどである。
【００３１】
セルスタックユニットに付加する積層方向の圧縮荷重については１０〜１８ｋＰａが好ましい。これが小さすぎると、セルスタックユニットにおける板材間の電気的接続及びシーリングが不十分となり、反対に大きすぎるとタイロッドの高温クリープにより、ばねによる荷重が十分に得られなくなる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の積層型燃料電池は、間隔が規定された一対の荷重受け板の間に配置されたセルスタックユニットに積層方向の圧縮荷重を付加する加圧機構として、荷重受け板とセルスタックユニットとの間に複数のセラミックス製の角ばねを圧縮状態で分散配置したことにより、ダイナミックベローズ式の加圧機構と比べて加圧機構の小型化、設備コスト低減、及び耐久性向上を図ることができる。また、同じセラミックスばねである丸ばねを使用した加圧機構と比較しても、ばね定数の増加及び剪断応力の低下によりばねサイズの小型化、ばね個数の低減を可能にし、経済性向上、耐久性向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１Ａ】本発明の一実施形態を示す積層型燃料電池の主要部の構成図で平面図である。
【図１Ｂ】同積層型燃料電池の主要部の構成図で立面図である。
【図２Ａ】丸ばねの形状を示す立面図である。
【図２Ｂ】角ばねの形状を示す立面図である。
【図３】丸ばねと角ばねの両方について、圧縮復元量と荷重変化との関係を示すグラフである。
【図４Ａ】本発明の別の実施形態を示す積層型燃料電池の主要部の構成図で平面図である。
【図４Ｂ】同積層型燃料電池の主要部の構成図で立面図である。
【図５Ａ】従来の積層型燃料電池の主要部の構成図で平面図である。
【図５Ｂ】同積層型燃料電池の主要部の構成図で立面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３５】
図１Ａ及び図１Ｂは本発明の第１実施形態を示している。第１実施形態の積層型燃料電池は、上下一対の荷重受け板１０Ｈ，１０Ｌの間に円柱形状又は角柱形状（ここでは円柱形状）のセルスタックユニット３０が配置されている。上下一対の荷重受け板１０Ｈ，１０Ｌは、ＳＵＳ３１０Ｓなどのオーステナイト系耐熱合金からなる多角形の剛性体プレートであり、複数本のタイロッド２０により連結されて間隔が規定されている。
【００３６】
タイロッド２０はここではハステロイ（商品名）などのニッケル基耐熱合金からなり、荷重受け板１０Ｈ，１０Ｌの外周部の周方向４箇所に等角配置されることにより、荷重受け板１０Ｈ，１０Ｌを連結している。より詳しくは、個々のタイロッド２０の下端部は下側の荷重受け板１０Ｌにねじ込み固定されている一方、上端部は上側の荷重受け板１０Ｈに設けられた貫通孔を貫通して荷重受け板１０Ｈの上方に突出し、その突出部を雄ねじ部としてこれにねじ込まれたナット２１により荷重受け板１０Ｈの上方への移動を阻止している。
【００３７】
セルスタックユニット３０は、水平な単セルを垂直方向に積層したセルスタック本体としての単セル積層体３１、その上に重ねられた押さえ板３２などからなる。単セル積層体３１の具体的な構成は、周知のとおり、例えばイットリア安定化ジルコニアなどからなる円板状又は角板状（ここでは円板状）の固体電解質板の一方の表面にアノード電極を形成すると共に、他方の表面にカソード電極を形成し、その固体電解質板の両面側に電池反応空間が形成されるように、固体電解質板を挟んで円板状又は角板状（ここでは円板状）のインターコネクタを板厚方向に積層配置した円柱体又は角柱体（ここでは円柱体）である。
【００３８】
押さえ板３２は、荷重受け板１０Ｈ，１０Ｌと同じくＳＵＳ３１０Ｓなどのオーステナイト系耐熱合金からなる円形又は角形（ここでは円形）の剛性体プレートである。単セル積層体３１の正極側及び負極側は押さえ板３２と同形状のマイカ板などにより電気的に絶縁されている。
【００３９】
セルスタックユニット３０における押さえ板３２と上側の荷重受け板１０Ｈとの間には、セルスタックユニット３０内の特に単セル積層体３１に積層方向の圧縮荷重を付加するために、複数のセラミックスばね５０が、中心線方向に圧縮された状態で分散配置されている。
【００４０】
個々のセラミックスばね５０は、図２Ａに示す従来一般の丸ばねと異なり、図２Ｂに示す角ばねである。丸ばねと角ばねの違いは、前者が線材が断面円形のコイルばねであるのに対し、後者は線材が断面四角形（ここでは正方形）のコイルばねである。そして、前者は１個ずつ焼結原料粉末を成形し焼結することにより製造されるのに対し、後者は角ばねと内外径が同じ円筒形状の粉末焼結体を作製し、これから切削加工により切り出されることにより作製される。セラミックスばね５０の材質は、ここでは窒化硅素を主成分とするものであり、機械的強度、熱衝撃性等に優れているが、他のセラミックスでもよい。
【００４１】
他のセラミックスとしては、サイアロン（ｓｉａｌｏｎ）でもよい。サイアロン（ｓｉａｌｏｎ）は窒化硅素系のセラミックスではあるが、窒化硅素以外にアルミナ、シリカなどを主成分としている点が通常の窒化硅素とは異なる。このサイアロン（ｓｉａｌｏｎ）も機械的強度、熱衝撃性等に優れているので角ばねの材質として好適である。
【００４２】
そして、ここにおいては、セラミックスばね５０は、セルスタックユニット３０における押さえ板３２と荷重受け板１０Ｈとの間に中心線方向に圧縮された状態で配置されており、より具体的には押さえ板３２と荷重受け板１０Ｈとの間の中心部、及び外周部の隣接するタイロッド２０，２０間に位置する４箇所の、合計５箇所に中心線方向に圧縮された状態で配置されている。
【００４３】
セラミックスばね５０の配置位置においては、押さえ板３２と荷重受け板１０Ｈと対向面に、セラミックスばね５０の両端部が挿入される円形の凹部３３、１１がそれぞれ設けられている。円形の凹部３３、１１はセラミックスばね５０の位置決め、燃料電池の全高抑制に寄与する。凹部３３、１１の深さは、押さえ板３２及び荷重受け板１０Ｈの機械的強度の低下が問題とならない範囲内に制限されている。
【００４４】
第１実施形態の積層型燃料電池の組立方法及び機能は以下のとおりである。
【００４５】
組立ではまず、下側の荷重受け板１０Ｌの上にセルスタックユニット３０を構成すると共に、セルスタックユニット３０を包囲するように４本のタイロッド２０を立設する。次いで、セルスタックユニット３０における押さえ板３２の上面に設けられた５つの凹部３３にセラミックスばね５０の下部をそれぞれ挿入する。この状態で５つのセラミックスばね５０の上に上側の荷重受け板１０Ｈを載せる。このとき、荷重受け板１０Ｈの対応位置に設けられた貫通孔に４本のタイロッド２０の上端部を貫通させる。また、荷重受け板１０Ｈの下面に設けられた５つの凹部１１にセラミックスばね５０の上部を挿入する。
【００４６】
最後に、荷重受け板１０Ｈの上に突出した４本のタイロッド２０の上端雄ねじ部にナット２１をそれぞれねじ込む。これにより下側の荷重受け板１０Ｌに対して上側の荷重受け板１０Ｈが下がり、荷重受け板１０Ｈと押さえ板３２との隙間が小さくなることにより、５つのセラミックスばね５０が均等に圧縮される。その結果、セルスタックユニット３０及びセルスタックユニット３０内の単セル積層体３１に所定の大きさの積層方向の圧縮荷重が付加される。
【００４７】
動作中は、図示されない炉内において、セルスタックユニット３０における単セル積層体３１に燃料ガスとしての水素ガス及び酸化ガスとしての空気を供給することにより、単セル積層体３１で発電が行われる。具体的には、固体電解質板のアノード側の電池反応空間に燃料ガスを供給し、カソード側の電池反応空間に酸化ガスを供給することにより単セル毎に発電が行われる。そして単セル積層体３１では、この単セルが積層され直列接続状態となっていることにより、セルスタックの定格発電電圧が正極側と負極側との間に生じる。
【００４８】
ちなみに、単セルの発電電圧が１Ｖでその積層数が５０である単セル積層体３１の場合、その定格発電電圧は５０Ｖである。
【００４９】
動作温度は約８００℃である。この高温雰囲気により、セルスタックユニット３０は積層方向に熱膨張するが、４本のタイロッド２０は材質の違いにより、それよりも大きく長手方向に熱膨張する。その結果、荷重受け板１０Ｈと押さえ板３２との隙間が組立時（常温時）より大きくなり、５つのセラミックスばね５０の圧縮量が小さくなる。すなわち、セラミックスばね５０が緩んで、セルスタックユニット３０に付加される圧縮荷重が小さくなる。このため、組立時には、この動作温度でのセラミックスばね５０の緩みによる圧縮荷重の減少を見込んで、目標量より多めにセラミックスばね５０を圧縮させ、圧縮荷重を大きくしておく。これにより、動作中にセルスタックユニット３０における単セル積層体３１に所定の大きさの積層方向の圧縮荷重が付加される。
【００５０】
５個のセラミックスばね５０が水平面内に配置されて構成された加圧機構は、図５Ａ及び図５Ｂに示す従来の積層型燃料電池に組み込まれたダイナミックベローズ４０使用の加圧機構と比べて、構造が簡単で小型かつ安価であり、耐久性にも優れることは明らかである。これに加えて、セラミックスばね５０は通常の丸ばねではなく角ばねであるので、丸ばねを使用する場合よりも剪断応力を小さくすることができる。これを以下に具体的に説明する。
【００５１】
使用する丸ばね及び角ばねの基本仕様は図２Ａ及び図２Ｂに示すとおり同じとする。具体的に説明すると、材質は共に窒化硅素、コイル平均径は共に２２ｍｍ、巻き数は共に５．４である。一方、図２Ａに示す丸ばねのばね定数は１９．６Ｎ／ｍｍ、図２Ｂに示す角ばねのばね定数は２４．５Ｎ／ｍｍである。製造コストは図２Ａに示す丸ばねを１００とした場合、図２Ｂに示す角ばねは約１０となる。
【００５２】
８００℃の動作温度雰囲気中で５個のセラミックスばね５０により４９０Ｎの圧縮荷重をセルスタックに付加する場合、ばね１個あたりの負担荷重は９８Ｎとなる。また、タイロッド２０とセルスタックユニット３０との線膨張係数の相違により、常温から８００℃に加熱されることにより、荷重受け板１０Ｈと押さえ板３２との隙間は０．９ｍｍ大きくなる。すなわち、セラミックスばね５０の圧縮復元量は０．９ｍｍである。
【００５３】
図２Ａに示す丸ばねの場合、８００℃で９８Ｎの荷重を確保するためには３５．５ｍｍのばね長（自然長）が３０．５ｍｍに圧縮されている必要がある。この状態での剪断応力は２４５ＭＰａである。この動作時の荷重確保のために、常温ではばね長を０．９ｍｍ小さい２９．６ｍｍにしておく必要がある。この状態での圧縮荷重は１１５Ｎ／本に増え、剪断応力は２８９ＭＰａに増える。
【００５４】
これに対し、図２Ｂに示す角ばねの場合、８００℃で９８Ｎの荷重を確保するためには３５．５ｍｍのばね長（自然長）が３１．５ｍｍに圧縮されている必要がある。この状態での剪断応力は２２８ＭＰａである。この動作時の荷重確保のために、常温ではばね長を０．９ｍｍ小さい３０．６ｍｍにしておく必要がある。この状態での圧縮荷重は１２０Ｎ／本、剪断応力は２７８ＭＰａである。
【００５５】
丸ばねの場合と比べて、全体的にばね長が大きい（圧縮量が小さい）のは、ばね定数が大きいからである。そして線材の断面形状の違い、断面積の違いに加えて、ばね長が大きい（圧縮量が小さい）こともあって剪断応力は小さい。その結果、ばねが破損する頻度は低下する。
【００５６】
図４Ａ及び図４Ｂは本発明の第２実施形態を示す。第２実施形態の積層型燃料電池は、図１Ａ及び図１Ｂに示した第１実施形態の積層型燃料電池と比べて、４本のタイロッド２０にスリーブ６０をそれぞれ付加した点が相違する。スリーブ６０を使用すること以外は、第１実施形態の積層型燃料電池と実質的に同一であるので、同一部分については同一番号を付して詳しい説明を省略する。
【００５７】
上側の荷重受け板１０Ｈと下側の荷重受け板１０Ｌを連結する４本のタイロッド２０は、その上端部が上側の荷重受け板１０Ｈを貫通して上方へ長く突出している。４本のタイロッド２０の各突出部分には、タイロッド２０を構成する材料より線膨張率が大きい材料、例えば荷重受け板１０Ｈ，１０Ｌなどと同じＳＵＳ３１０Ｓからなるスリーブ６０が外嵌している。４本のタイロッド２０の上側の先端部はスリーブ６０より更に上方に突出しており、その突出雄ねじ部にナット２１をねじ込むことにより、上側の荷重受け板１０は４本のスリーブ６０を介して下方に押圧され、５個のセラミックスばね５０をセルスタックユニット３０における押さえ板３２との間で中心線方向に圧縮する。
【００５８】
５個のセラミックスばね５０の両端部が荷重受け板１０Ｈと押さえ板３２の対向面に設けられた凹部１１，３３に挿入されていることなどは、第１実施形態の積層型燃料電池の場合と同じである。
【００５９】
第２実施形態の積層型燃料電池における特徴点は、４本のタイロッド２０のそれぞれにスリーブ６０を組み合わせたことにより、動作時においてタイロッド２０が熱膨張することにより伴う荷重受け板１０Ｈと押さえ板３２と隙間の増大を抑制できることである。
【００６０】
すなわち、第１実施形態の積層型燃料電池の動作でも述べたように、８００℃というよな動作温度環境では、セルスタックユニット３０の熱膨張よりも、Ｎｉ基合金からなるタイロッド２０の長手方向の伸びの方が大となり、荷重受け板１０Ｈと押さえ板３２との隙間が大きくなるが、スリーブ６０を構成する材料であるＳＵＳ３１０Ｓの線膨張率が、タイロッド２０を構成するＮｉ基合金の線膨張率より大きいために、荷重受け板１０Ｈが下方に押し返される。その結果、荷重受け板１０Ｈと押さえ板３２との隙間の増大、すなわちセラミックスばね５０の圧縮復元量が、スリーブ６０を組合せない場合と比べて小さくなり、それに伴って、常温でのセラミックスばね５０の圧縮量も小さくなる。
【００６１】
定量的に説明すると、第１実施形態の積層型燃料電池における４本のタイロッド２０に長さが３５ｍｍ（タイロッド２０の長さの１／１０）のスリーブ６０を組み合わせた場合、常温から８００℃に加熱されることにより、荷重受け板１０Ｈと押さえ板３２との隙間の増加量、すなわちセラミックスばね５０の圧縮復元量は０．１ｍｍ小さい０．８ｍｍとなる。
【００６２】
一方、８００℃で９８Ｎの荷重を確保するためには、前述したとおり３５．５ｍｍのばね長（自然長）が３１．５ｍｍに圧縮されている必要がある。この状態での剪断応力は２２８ＭＰａである。この動作時の荷重確保のために、常温ではばね長を０．８ｍｍ小さい３０．７ｍｍにしておく必要がある。この状態での圧縮荷重は１１８Ｎ／本、剪断応力は２７３ＭＰａである。スリーブ６０を組み合わせない場合の圧縮荷重（１２０Ｎ／本）、剪断応力（２７８ＭＰａ）と比べて小さくなっている。
【００６３】
ちなみに、セルスタックユニット３０の主構成材料であるフェライト系ステンレス鋼の線膨張係数は１２．２×１０-6／℃、タイロッドを構成するハステロイ（商品名）の線膨張係数は１４．５×１０-6／℃、スリーブ６０を構成するオーステナイト系ステンレス鋼の線膨張係数は２０．０×１０-6／℃である。フェライト系ステンレス鋼の線膨張係数と比べて、ハステロイ（商品名）などのニッケル基合金の線膨張係数が大きいものの、その差は小さい。これらに比べて、オーステナイト系ステンレス鋼の線膨張係数は想到に大きい。
【００６４】
第１実施形態及び第２実施形態の積層型燃料電池では、荷重受け板１０Ｈ，１０Ｌを多角形、セルスタックユニット３０を円柱体としたが、これに限るものではなく、角柱状でもよいことは前述したとおりである。また、タイロッド２０の本数、セラミックスばね５０の個数及び配置箇所も実施形態のもに限定されないことも言うまでもない。
【００６５】
個々のセラミックスばね５０については、線材の断面形状は前記実施形態では線幅、線厚が同じ正方形としたが、線幅、線厚が異なる長方形としてもよい。同じ断面積で、線幅に比して線厚が大きい縦長の長方形、線幅に比して線厚が小さい横長の長方形、及び正方形とを比較した場合、長方形の断面に比べて正方形の断面の方がばね定数が大きく、剪断応力も小さいので、正方形断面に近い形状が好ましい。
【符号の説明】
【００６６】
１０Ｈ，１０Ｌ 荷重受け板
２０ タイロッド
２１ ナット
３０ セルスタックユニット
３１ 単セル積層体
３２ 押さえ板
４０ ダイナミックベローズ
５０ セラミックスばね（角ばね）
６０ スリーブ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄板状の単セルを板厚方向に積層配置して構成された積層型燃料電池に関し、更に詳しくは、単セル積層体であるセルスタックに積層方向の圧縮荷重を負荷する加圧機構に工夫を講じた積層型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池型式の一つとして固体電解質型がある。これは、イットリア安定化ジルコニアなどからなる固体電解質板の一方の表面にアノード電極を形成し、他方の表面にカソード電極を形成した平板型の単セルをインターコネクタを介して積層した単セル積層体を主要構成部材としており、その単セル積層体は、押さえ板などと共に積層方向に加圧された状態に保持されてセルスタックユニットを構成している。
【０００３】
固体電解質型燃料電池を例にとって積層型燃料電池の主要部の構造を図５Ａ及び図５Ｂにより説明する。上下一対の荷重受け板１０Ｈ，１０Ｌの間にセルスタックユニット３０が配置されている。上下一対の荷重受け板１０Ｈ，１０ＬはＳＵＳ３１０Ｓなどの耐熱合金からなる剛性体プレートであり、複数本のタイロッド２０により連結され間隔が規定されている。
【０００４】
セルスタックユニット３０は、水平な単セルを垂直方向に積層したセルスタック本体としての単セル積層体３１、その上に重ねられた押さえ板３２などからなる。押さえ板３２は、荷重受け板１０Ｈ，１０Ｌと同じくＳＵＳ３１０Ｓなどの耐熱合金からなる剛性体プレートである。単セル積層体３１の正極側及び負極側はマイカ板などにより電気的に絶縁されている。
【０００５】
セルスタックユニット３０における押さえ板３２と上側の荷重受け板１０との間には、セルスタックユニット３０内の特に単セル積層体３１に積層方向の圧縮荷重を付加するために、ダイナミックベローズ４０が加圧機構として配置されている。ダイナミックベローズ４０は、上下方向に伸縮可能な金属製の密閉された蛇腹状容器であり、図示されないガス加圧機構、圧力調整機構等を介して加圧ガスが注入されることにより、セルスタックユニット３０に積層方向の圧縮荷重を付加し、単セル積層体３１における板材間の電気的接続及びシーリングを行う。この加圧に伴う反力を受けるのが、上側の荷重受け板１０である。
【０００６】
ダイナミックベローズ４０による加圧機構は、任意の圧縮荷重を正確に付与することができるが、その反面、ガス加圧機構、ガス圧力調整機構等の付帯設備が大掛かりとなり、経済性の悪化及び設備の大型化を招く問題がある。また、固体電解質型燃料電池の場合、動作温度が８００℃程度と非常に高く、ダイナミックベローズ４０の材質としてＮｉ基合金等の耐熱合金を用いるが、ダイナミックベローズ４０の伸縮性を確保するために板厚が０．２５〜０．３ｍｍに制限される。このためダイナミックベローズ４０の破損頻度が高いという問題もあった。
【０００７】
ダイナミックベローズ以外の加圧機構としては、例えばセラミックスばねが特許文献１に記載されている。金属ばねだと、動作温度が８００℃にもなると高温クリープによる機能喪失が問題になるのに対し、セラミックスばねだとそのような心配がない。また、ダイナミックベローズと比べて、耐久性に優れると共に、設備構成が簡単となり、経済性に優れる。セラミックスばねの材質としては、耐熱性等の点から窒化硅素が望ましいとされている。
【０００８】
ところで、従来のセラミックスばねは、粉末焼結により製造された丸ばねを指す。丸ばねとは、線材の断面形状が円形のコイルばねである。セラミックス製の丸ばねは粉末焼結の際の成形性が優れるために、セラミックスばねと言えばコイル型の丸ばねを指すのが一般的である。
【０００９】
積層型燃料電池における加圧機構としてセラミックス製の丸ばねを使用することの利点は前述したとおり少なくない。しかし、それらの利点の一方で、剪断応力による破壊が生じる危険性があるために、丸ばねの個数を多くして個々の丸ばねの負担を小さくする必要がある。そして、粉末焼結で製造される丸ばねの価格はとりわけ高価であるため、これを多く使用することは、セラミックスばねを用いた加圧機構の経済性を相殺する結果になる。
【００１０】
加えて、単セルの体積の多くを占めるインターコネクタの材質としては、フェライト系耐熱合金が使用される。一方、上下の荷重受け板を連結するタイロッドの材質としては、フェライト系耐熱合金はもとよりオーステナイト系耐熱合金よりも更に耐熱性の優れたハステロイ（商品名）などのニッケル基合金が使用される。これは、タイロッドにＳＵＳ３１０Ｓの如きオーステナイト系耐熱合金を使用しても、高温クリープによる耐性がないため、タイロッドが伸びきるおそれがあること、及びニッケル基合金の線膨張係数がオーステナイト系耐熱合金のそれより小さく、フェライト系耐熱合金のそれに近いので、後述する常温時のばね圧縮量を軽減できることなどが理由である。
【００１１】
しかしながら、タイロッドにニッケル基耐熱合金を用いてもなお、タイロッドの線膨張係数の方が、セルスタックユニットの積層方向における線膨張係数より大きくなり、８００℃の動作温度雰囲気では、セルスタックユニットにおける押さえ板と上側の荷重受け板との間隔が広がり、ここに介装された丸ばねの圧縮量が減少するため、常温時と比べて圧縮荷重が減少する。
【００１２】
これを回避するためには常温時における圧縮量を大きくする必要があり、これも個々の丸ばねの負担を増大させる原因になり、破損頻度の増大や丸ばねの使用個数の増加、これによるコストアップの原因となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００６−３３９０３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、セルスタックに圧縮荷重を付加する加圧機構としてセラミックスばねを使用したときの利点を阻害することなく欠点を取り除くことにより、加圧機構の構造の簡略化、小型化を図り、合わせて経済性、耐久性の向上を図る積層型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】
【００１５】
ところで、本発明が対象とする積層型燃料電池に特有の現象として、動作時におけるセルスタック圧縮荷重の緩みがある。これは、前述したように、燃料電池における材質選択上の制約、すなわち、セルスタックが専らフェライト系耐熱合金からなるのに対し、タイロッドにはハステロイ（商品名）などのニッケル基合金が使用されることから、セルスタックの積層方向における線膨張係数より、セルスタックを積層方向に締め付けるタイロッドの線膨張係数の方が大きくなり、このために、８００℃の動作温度雰囲気では、セルスタックユニットにおける押さえ板と上側の荷重受け板との間隔が広がり、ここに介装された丸ばねなどの圧縮が復元し、常温時と比べて圧縮荷重が減少する現象のことであり、積層型燃料電池に不可避である。
【００１６】
このような状況下で、本発明者は積層型燃料電池の小型化のために、セルスタック加圧機構としてセラミックスばねの採用を企画し、セラミックスばねの特性を各方面から解析した。その結果、積層型燃料電池の動作条件下では、セラミックスばねが静荷重で使用される環境にあるため、丸ばねより角ばねの方が圧縮復元量に対する圧縮荷重の減少量が小さくなることを知見し、積層型燃料電池におけるセルスタック加圧機構として、セラミックスばねの中でも特にこの角ばねが好適であるとの結論に到達した。
【００１７】
角ばねとは、線材の断面形状が四角形のコイルばねである。図３は図２Ａに示す丸ばねと図２Ｂに示す角ばねのそれぞれについて圧縮復元量と荷重変化との関係を示したものである。図２Ａの丸ばねと図２Ｂの角ばねは同等寸法であり、それぞれの詳細仕様については後で詳しく説明するが、主な違いは丸ばねの断面が直径３ｍｍの円形であるのに対し、角ばねの断面は３ｍｍ角の正方形（線幅、線厚がともに３ｍｍ）であり、その結果として前者のばね定数が１９．６Ｎ／ｍｍ、後者のばね定数が２４．５Ｎ／ｍｍとなることである。この点を除き両者の仕様は実質同一である。
【００１８】
そして、図３は常温で各ばねの剪断応力が２２２ＭＰａとなる圧縮状態（圧縮復元量＝０ｍｍ）から圧縮復元量を増加させたときの荷重変化を示している。ばね定数の違いにより、丸ばねでは荷重９０Ｎ、圧縮量４．６ｍｍで剪断応力が２２２ＭＰａとなるのに対し、角ばねでは荷重９８Ｎ、圧縮量４．０ｍｍで剪断応力が２２２ＭＰａとなる。この状態では同一剪断応力下で大きな荷重が得られる角ばねの方が明らかに有利である。圧縮復元量が増加すると、丸ばね、角ばね共に荷重が減少するが、圧縮復元量が１．５ｍｍとなるまでは角ばねの方が大きな荷重が得られる。
【００１９】
積層型燃料電池における圧縮復元量は、電気的容量にもよるが、１ｍｍ程度以下が一般的であり、この領域では丸ばねより角ばねの方が大荷重が得られる。このため、セルスタック圧縮機構としてセラミックスばねを使用するにしても、角ばねを使用する方が大荷重が得られ、大変有利となるのである。
【００２０】
本発明の積層型燃料電池は、かかる知見を基礎として完成されたものであり、間隔が規定された一対の荷重受け板の間にセルスタックユニットが配置されると共に、前記セルスタックユニットに積層方向の圧縮荷重を付加する加圧機構として、前記荷重受け板とセルスタックユニットとの間に、セラミックスからなる複数の角ばねが圧縮状態で分散配置されていることを技術的特徴点とする。
【００２１】
角ばねとは、前述したとおり線材の断面形状が四角形のコイルばねである。セラミックスからなる角ばねは、円筒形状の粉末焼結体から切削加工により製造することができるので、個々に粉末成形を必要とする丸ばねと比べて製造単価が非常に安くなる。また、角ばねは丸ばねと比べてばね定数が大きくなるため、同等の荷重を得ようとする場合、丸ばねより角ばねの方が小型化できる。
【００２２】
また、図３により説明したとおり、積層型燃料電池においてはセラミックスばねが静荷重で使用されるため、同等寸法の丸ばねと角ばねで同等荷重を得ようとする場合、線材の断面形状の違い、断面積の違い、これらによるばね定数の違いなどにより、剪断応力は丸ばねより角ばねの方が小さくなる。具体的には角ばねは丸ばねより１割程度、剪断応力が小さくなる。剪断応力が小さくなると、ばねの破壊頻度が低下し、ばね個数も少なくすることが可能となる。ちなみに、セラミックスの破壊頻度はワイブル・プロットから予測可能である。
【００２３】
これらのため、本発明の積層型燃料電池においては、従来のセラミックスばね式の加圧機構を使用する燃料電池と比べてもなお、加圧機構に要するコストが下がる。また、加圧機構の小型化が可能となる。更には、加圧機構の耐久性も向上する。
【００２４】
なお、角ばねと丸ばねが同等寸法ということは、それぞれのコイル平均径、巻き数、コイル長（自然長）、線径（角ばねでは線幅・線厚）が同じということであり、線材の断面積は相違する。
【００２５】
本発明の積層型燃料電池においては、一対の荷重受け板を連結する複数本のタイロッドが一方の荷重受け板を貫通して突出し、その突出部に外嵌した状態で荷重受け板とタイロッド端部との間に、タイロッドよりも線膨張係数が大きい耐熱金属からなるスリーブが介装された構成を採用することができる。
【００２６】
この構成によると、高温の動作雰囲気でスリーブが熱膨張する。この熱膨張はタイロッドの熱膨張を一部相殺する。その結果、荷重受け板とセルスタックユニットとの間の広がりが抑制され、この間に配置された角ばねの圧縮量の戻りが抑制される結果、角ばねの常温での圧縮量を小さくでき、ひいては剪断応力をより小さくすることができる。
【００２７】
また、複数の角ばねを挟む荷重受け板とセルスタックユニットとの対向面に、複数の角ばねの端部が嵌合する凹部が設けられた構成を採用することができる。この構成によると、角ばねの位置決めが容易となる。また、凹部に角ばねの端部が挿入される分、荷重受け板とセルスタックユニットとの隙間を小さくすることができ、燃料電池の全高抑制が可能となる。この凹部は荷重受け板の側、又はセルスタックユニットの側の何れか一方にあってもよく、両方にあってもよい。
【００２８】
角ばねの個数は３〜５個が好ましい。この個数が少なすぎると、荷重の均一性が低下すると共に、角ばね１個あたりの負担が増大してばねが大型化し、燃料電池の規模増大につながる。逆に多すぎる場合は、ばねコストの増大、組立て時の工数増加が問題になる。
【００２９】
また、個々の角ばねの特性に関しては、負担する荷重で表して８０〜１２０Ｎの範囲内が好ましく、ばね定数で表して１５．７〜２４．５Ｎ／ｍｍの範囲内が好ましい。なぜなら、ばね定数が大きすぎると、ばねの圧縮量が小さくなり、温度上昇時の圧縮の復元による荷重減少の影響が大きくなる。反対に、ばね定数が小さすぎると、使用するばねの個数が増加し、コスト増加が問題になる。
【００３０】
角ばねの配置位置に関しては、荷重の均一性の観点から、荷重受け板とセルスタックユニットとの対向面間の中心回りの等角位置、又は荷重受け板とセルスタックユニットとの対向面間の中心部及び中心回りの等角位置に配するのが好ましい。その他、角ばねの配置位置に関して考慮すべきことは、セルとインターコネクタの電気的接続を保持する観点からセルの中心部に配置すること、セルスタックの積層方向に形成されたガスマニホールド部のガスシール性を保持する観点からガスマニホールドの中心部に配置することなどである。
【００３１】
セルスタックユニットに付加する積層方向の圧縮荷重については１０〜１８ｋＰａが好ましい。これが小さすぎると、セルスタックユニットにおける板材間の電気的接続及びシーリングが不十分となり、反対に大きすぎるとタイロッドの高温クリープにより、ばねによる荷重が十分に得られなくなる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明の積層型燃料電池は、間隔が規定された一対の荷重受け板の間に配置されたセルスタックユニットに積層方向の圧縮荷重を付加する加圧機構として、荷重受け板とセルスタックユニットとの間に複数のセラミックス製の角ばねを圧縮状態で分散配置したことにより、ダイナミックベローズ式の加圧機構と比べて加圧機構の小型化、設備コスト低減、及び耐久性向上を図ることができる。また、同じセラミックスばねである丸ばねを使用した加圧機構と比較しても、ばね定数の増加及び剪断応力の低下によりばねサイズの小型化、ばね個数の低減を可能にし、経済性向上、耐久性向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１Ａ】本発明の一実施形態を示す積層型燃料電池の主要部の構成図で平面図である。
【図１Ｂ】同積層型燃料電池の主要部の構成図で立面図である。
【図２Ａ】丸ばねの形状を示す立面図である。
【図２Ｂ】角ばねの形状を示す立面図である。
【図３】丸ばねと角ばねの両方について、圧縮復元量と荷重変化との関係を示すグラフである。
【図４Ａ】本発明の別の実施形態を示す積層型燃料電池の主要部の構成図で平面図である。
【図４Ｂ】同積層型燃料電池の主要部の構成図で立面図である。
【図５Ａ】従来の積層型燃料電池の主要部の構成図で平面図である。
【図５Ｂ】同積層型燃料電池の主要部の構成図で立面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００３５】
図１Ａ及び図１Ｂは本発明の第１実施形態を示している。第１実施形態の積層型燃料電池は、上下一対の荷重受け板１０Ｈ，１０Ｌの間に円柱形状又は角柱形状（ここでは円柱形状）のセルスタックユニット３０が配置されている。上下一対の荷重受け板１０Ｈ，１０Ｌは、ＳＵＳ３１０Ｓなどのオーステナイト系耐熱合金からなる多角形の剛性体プレートであり、複数本のタイロッド２０により連結されて間隔が規定されている。
【００３６】
タイロッド２０はここではハステロイ（商品名）などのニッケル基耐熱合金からなり、荷重受け板１０Ｈ，１０Ｌの外周部の周方向４箇所に等角配置されることにより、荷重受け板１０Ｈ，１０Ｌを連結している。より詳しくは、個々のタイロッド２０の下端部は下側の荷重受け板１０Ｌにねじ込み固定されている一方、上端部は上側の荷重受け板１０Ｈに設けられた貫通孔を貫通して荷重受け板１０Ｈの上方に突出し、その突出部を雄ねじ部としてこれにねじ込まれたナット２１により荷重受け板１０Ｈの上方への移動を阻止している。
【００３７】
セルスタックユニット３０は、水平な単セルを垂直方向に積層したセルスタック本体としての単セル積層体３１、その上に重ねられた押さえ板３２などからなる。単セル積層体３１の具体的な構成は、周知のとおり、例えばイットリア安定化ジルコニアなどからなる円板状又は角板状（ここでは円板状）の固体電解質板の一方の表面にアノード電極を形成すると共に、他方の表面にカソード電極を形成し、その固体電解質板の両面側に電池反応空間が形成されるように、固体電解質板を挟んで円板状又は角板状（ここでは円板状）のインターコネクタを板厚方向に積層配置した円柱体又は角柱体（ここでは円柱体）である。
【００３８】
押さえ板３２は、荷重受け板１０Ｈ，１０Ｌと同じくＳＵＳ３１０Ｓなどのオーステナイト系耐熱合金からなる円形又は角形（ここでは円形）の剛性体プレートである。単セル積層体３１の正極側及び負極側は押さえ板３２と同形状のマイカ板などにより電気的に絶縁されている。
【００３９】
セルスタックユニット３０における押さえ板３２と上側の荷重受け板１０Ｈとの間には、セルスタックユニット３０内の特に単セル積層体３１に積層方向の圧縮荷重を付加するために、複数のセラミックスばね５０が、中心線方向に圧縮された状態で分散配置されている。
【００４０】
個々のセラミックスばね５０は、図２Ａに示す従来一般の丸ばねと異なり、図２Ｂに示す角ばねである。丸ばねと角ばねの違いは、前者が線材が断面円形のコイルばねであるのに対し、後者は線材が断面四角形（ここでは正方形）のコイルばねである。そして、前者は１個ずつ焼結原料粉末を成形し焼結することにより製造されるのに対し、後者は角ばねと内外径が同じ円筒形状の粉末焼結体を作製し、これから切削加工により切り出されることにより作製される。セラミックスばね５０の材質は、ここでは窒化硅素を主成分とするものであり、機械的強度、熱衝撃性等に優れているが、他のセラミックスでもよい。
【００４１】
他のセラミックスとしては、サイアロン（ｓｉａｌｏｎ）でもよい。サイアロン（ｓｉａｌｏｎ）は窒化硅素系のセラミックスではあるが、窒化硅素以外にアルミナ、シリカなどを主成分としている点が通常の窒化硅素とは異なる。このサイアロン（ｓｉａｌｏｎ）も機械的強度、熱衝撃性等に優れているので角ばねの材質として好適である。
【００４２】
そして、ここにおいては、セラミックスばね５０は、セルスタックユニット３０における押さえ板３２と荷重受け板１０Ｈとの間に中心線方向に圧縮された状態で配置されており、より具体的には押さえ板３２と荷重受け板１０Ｈとの間の中心部、及び外周部の隣接するタイロッド２０，２０間に位置する４箇所の、合計５箇所に中心線方向に圧縮された状態で配置されている。
【００４３】
セラミックスばね５０の配置位置においては、押さえ板３２と荷重受け板１０Ｈと対向面に、セラミックスばね５０の両端部が挿入される円形の凹部３３、１１がそれぞれ設けられている。円形の凹部３３、１１はセラミックスばね５０の位置決め、燃料電池の全高抑制に寄与する。凹部３３、１１の深さは、押さえ板３２及び荷重受け板１０Ｈの機械的強度の低下が問題とならない範囲内に制限されている。
【００４４】
第１実施形態の積層型燃料電池の組立方法及び機能は以下のとおりである。
【００４５】
組立ではまず、下側の荷重受け板１０Ｌの上にセルスタックユニット３０を構成すると共に、セルスタックユニット３０を包囲するように４本のタイロッド２０を立設する。次いで、セルスタックユニット３０における押さえ板３２の上面に設けられた５つの凹部３３にセラミックスばね５０の下部をそれぞれ挿入する。この状態で５つのセラミックスばね５０の上に上側の荷重受け板１０Ｈを載せる。このとき、荷重受け板１０Ｈの対応位置に設けられた貫通孔に４本のタイロッド２０の上端部を貫通させる。また、荷重受け板１０Ｈの下面に設けられた５つの凹部１１にセラミックスばね５０の上部を挿入する。
【００４６】
最後に、荷重受け板１０Ｈの上に突出した４本のタイロッド２０の上端雄ねじ部にナット２１をそれぞれねじ込む。これにより下側の荷重受け板１０Ｌに対して上側の荷重受け板１０Ｈが下がり、荷重受け板１０Ｈと押さえ板３２との隙間が小さくなることにより、５つのセラミックスばね５０が均等に圧縮される。その結果、セルスタックユニット３０及びセルスタックユニット３０内の単セル積層体３１に所定の大きさの積層方向の圧縮荷重が付加される。
【００４７】
動作中は、図示されない炉内において、セルスタックユニット３０における単セル積層体３１に燃料ガスとしての水素ガス及び酸化ガスとしての空気を供給することにより、単セル積層体３１で発電が行われる。具体的には、固体電解質板のアノード側の電池反応空間に燃料ガスを供給し、カソード側の電池反応空間に酸化ガスを供給することにより単セル毎に発電が行われる。そして単セル積層体３１では、この単セルが積層され直列接続状態となっていることにより、セルスタックの定格発電電圧が正極側と負極側との間に生じる。
【００４８】
ちなみに、単セルの発電電圧が１Ｖでその積層数が５０である単セル積層体３１の場合、その定格発電電圧は５０Ｖである。
【００４９】
動作温度は約８００℃である。この高温雰囲気により、セルスタックユニット３０は積層方向に熱膨張するが、４本のタイロッド２０は材質の違いにより、それよりも大きく長手方向に熱膨張する。その結果、荷重受け板１０Ｈと押さえ板３２との隙間が組立時（常温時）より大きくなり、５つのセラミックスばね５０の圧縮量が小さくなる。すなわち、セラミックスばね５０が緩んで、セルスタックユニット３０に付加される圧縮荷重が小さくなる。このため、組立時には、この動作温度でのセラミックスばね５０の緩みによる圧縮荷重の減少を見込んで、目標量より多めにセラミックスばね５０を圧縮させ、圧縮荷重を大きくしておく。これにより、動作中にセルスタックユニット３０における単セル積層体３１に所定の大きさの積層方向の圧縮荷重が付加される。
【００５０】
５個のセラミックスばね５０が水平面内に配置されて構成された加圧機構は、図５Ａ及び図５Ｂに示す従来の積層型燃料電池に組み込まれたダイナミックベローズ４０使用の加圧機構と比べて、構造が簡単で小型かつ安価であり、耐久性にも優れることは明らかである。これに加えて、セラミックスばね５０は通常の丸ばねではなく角ばねであるので、丸ばねを使用する場合よりも剪断応力を小さくすることができる。これを以下に具体的に説明する。
【００５１】
使用する丸ばね及び角ばねの基本仕様は図２Ａ及び図２Ｂに示すとおり同じとする。具体的に説明すると、材質は共に窒化硅素、コイル平均径は共に２２ｍｍ、巻き数は共に５．４である。一方、図２Ａに示す丸ばねのばね定数は１９．６Ｎ／ｍｍ、図２Ｂに示す角ばねのばね定数は２４．５Ｎ／ｍｍである。製造コストは図２Ａに示す丸ばねを１００とした場合、図２Ｂに示す角ばねは約１０となる。
【００５２】
８００℃の動作温度雰囲気中で５個のセラミックスばね５０により４９０Ｎの圧縮荷重をセルスタックに付加する場合、ばね１個あたりの負担荷重は９８Ｎとなる。また、タイロッド２０とセルスタックユニット３０との線膨張係数の相違により、常温から８００℃に加熱されることにより、荷重受け板１０Ｈと押さえ板３２との隙間は０．９ｍｍ大きくなる。すなわち、セラミックスばね５０の圧縮復元量は０．９ｍｍである。
【００５３】
図２Ａに示す丸ばねの場合、８００℃で９８Ｎの荷重を確保するためには３５．５ｍｍのばね長（自然長）が３０．５ｍｍに圧縮されている必要がある。この状態での剪断応力は２４５ＭＰａである。この動作時の荷重確保のために、常温ではばね長を０．９ｍｍ小さい２９．６ｍｍにしておく必要がある。この状態での圧縮荷重は１１５Ｎ／本に増え、剪断応力は２８９ＭＰａに増える。
【００５４】
これに対し、図２Ｂに示す角ばねの場合、８００℃で９８Ｎの荷重を確保するためには３５．５ｍｍのばね長（自然長）が３１．５ｍｍに圧縮されている必要がある。この状態での剪断応力は２２８ＭＰａである。この動作時の荷重確保のために、常温ではばね長を０．９ｍｍ小さい３０．６ｍｍにしておく必要がある。この状態での圧縮荷重は１２０Ｎ／本、剪断応力は２７８ＭＰａである。
【００５５】
丸ばねの場合と比べて、全体的にばね長が大きい（圧縮量が小さい）のは、ばね定数が大きいからである。そして線材の断面形状の違い、断面積の違いに加えて、ばね長が大きい（圧縮量が小さい）こともあって剪断応力は小さい。その結果、ばねが破損する頻度は低下する。
【００５６】
図４Ａ及び図４Ｂは本発明の第２実施形態を示す。第２実施形態の積層型燃料電池は、図１Ａ及び図１Ｂに示した第１実施形態の積層型燃料電池と比べて、４本のタイロッド２０にスリーブ６０をそれぞれ付加した点が相違する。スリーブ６０を使用すること以外は、第１実施形態の積層型燃料電池と実質的に同一であるので、同一部分については同一番号を付して詳しい説明を省略する。
【００５７】
上側の荷重受け板１０Ｈと下側の荷重受け板１０Ｌを連結する４本のタイロッド２０は、その上端部が上側の荷重受け板１０Ｈを貫通して上方へ長く突出している。４本のタイロッド２０の各突出部分には、タイロッド２０を構成する材料より線膨張率が大きい材料、例えば荷重受け板１０Ｈ，１０Ｌなどと同じＳＵＳ３１０Ｓからなるスリーブ６０が外嵌している。４本のタイロッド２０の上側の先端部はスリーブ６０より更に上方に突出しており、その突出雄ねじ部にナット２１をねじ込むことにより、上側の荷重受け板１０は４本のスリーブ６０を介して下方に押圧され、５個のセラミックスばね５０をセルスタックユニット３０における押さえ板３２との間で中心線方向に圧縮する。
【００５８】
５個のセラミックスばね５０の両端部が荷重受け板１０Ｈと押さえ板３２の対向面に設けられた凹部１１，３３に挿入されていることなどは、第１実施形態の積層型燃料電池の場合と同じである。
【００５９】
第２実施形態の積層型燃料電池における特徴点は、４本のタイロッド２０のそれぞれにスリーブ６０を組み合わせたことにより、動作時においてタイロッド２０が熱膨張することにより伴う荷重受け板１０Ｈと押さえ板３２と隙間の増大を抑制できることである。
【００６０】
すなわち、第１実施形態の積層型燃料電池の動作でも述べたように、８００℃というよな動作温度環境では、セルスタックユニット３０の熱膨張よりも、Ｎｉ基合金からなるタイロッド２０の長手方向の伸びの方が大となり、荷重受け板１０Ｈと押さえ板３２との隙間が大きくなるが、スリーブ６０を構成する材料であるＳＵＳ３１０Ｓの線膨張率が、タイロッド２０を構成するＮｉ基合金の線膨張率より大きいために、荷重受け板１０Ｈが下方に押し返される。その結果、荷重受け板１０Ｈと押さえ板３２との隙間の増大、すなわちセラミックスばね５０の圧縮復元量が、スリーブ６０を組合せない場合と比べて小さくなり、それに伴って、常温でのセラミックスばね５０の圧縮量も小さくなる。
【００６１】
定量的に説明すると、第１実施形態の積層型燃料電池における４本のタイロッド２０に長さが３５ｍｍ（タイロッド２０の長さの１／１０）のスリーブ６０を組み合わせた場合、常温から８００℃に加熱されることにより、荷重受け板１０Ｈと押さえ板３２との隙間の増加量、すなわちセラミックスばね５０の圧縮復元量は０．１ｍｍ小さい０．８ｍｍとなる。
【００６２】
一方、８００℃で９８Ｎの荷重を確保するためには、前述したとおり３５．５ｍｍのばね長（自然長）が３１．５ｍｍに圧縮されている必要がある。この状態での剪断応力は２２８ＭＰａである。この動作時の荷重確保のために、常温ではばね長を０．８ｍｍ小さい３０．７ｍｍにしておく必要がある。この状態での圧縮荷重は１１８Ｎ／本、剪断応力は２７３ＭＰａである。スリーブ６０を組み合わせない場合の圧縮荷重（１２０Ｎ／本）、剪断応力（２７８ＭＰａ）と比べて小さくなっている。
【００６３】
ちなみに、セルスタックユニット３０の主構成材料であるフェライト系ステンレス鋼の線膨張係数は１２．２×１０-6／℃、タイロッドを構成するハステロイ（商品名）の線膨張係数は１４．５×１０-6／℃、スリーブ６０を構成するオーステナイト系ステンレス鋼の線膨張係数は２０．０×１０-6／℃である。フェライト系ステンレス鋼の線膨張係数と比べて、ハステロイ（商品名）などのニッケル基合金の線膨張係数が大きいものの、その差は小さい。これらに比べて、オーステナイト系ステンレス鋼の線膨張係数は想到に大きい。
【００６４】
第１実施形態及び第２実施形態の積層型燃料電池では、荷重受け板１０Ｈ，１０Ｌを多角形、セルスタックユニット３０を円柱体としたが、これに限るものではなく、角柱状でもよいことは前述したとおりである。また、タイロッド２０の本数、セラミックスばね５０の個数及び配置箇所も実施形態のもに限定されないことも言うまでもない。
【００６５】
個々のセラミックスばね５０については、線材の断面形状は前記実施形態では線幅、線厚が同じ正方形としたが、線幅、線厚が異なる長方形としてもよい。同じ断面積で、線幅に比して線厚が大きい縦長の長方形、線幅に比して線厚が小さい横長の長方形、及び正方形とを比較した場合、長方形の断面に比べて正方形の断面の方がばね定数が大きく、剪断応力も小さいので、正方形断面に近い形状が好ましい。
【符号の説明】
【００６６】
１０Ｈ，１０Ｌ 荷重受け板
２０ タイロッド
２１ ナット
３０ セルスタックユニット
３１ 単セル積層体
３２ 押さえ板
４０ ダイナミックベローズ
５０ セラミックスばね（角ばね）
６０ スリーブ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
間隔が規定された一対の荷重受け板の間にセルスタックユニットが配置されると共に、前記セルスタックユニットに積層方向の圧縮荷重を付加する加圧機構として、前記荷重受け板とセルスタックユニットとの間に、セラミックスからなる複数の角ばねが圧縮状態で分散配置されていることを特徴とする積層型燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の積層型燃料電池において、一対の荷重受け板を連結する複数本のタイロッドが一方の荷重受け板を貫通して突出し、その突出部に外嵌した状態で荷重受け板とタイロッド端部との間に、タイロッドよりも線膨張係数が大きい耐熱金属からなるスリーブが介装されている積層型燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の積層型燃料電池において、複数の角ばねを挟む荷重受け板とセルスタックユニットとの対向面に、複数の角ばねの端部が嵌合する凹部が設けられている積層型燃料電池。
【請求項１】
間隔が規定された一対の荷重受け板の間にセルスタックユニットが配置されると共に、前記セルスタックユニットに積層方向の圧縮荷重を付加する加圧機構として、前記荷重受け板とセルスタックユニットとの間に、セラミックスからなる複数の角ばねが圧縮状態で分散配置されていることを特徴とする積層型燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の積層型燃料電池において、一対の荷重受け板を連結する複数本のタイロッドが一方の荷重受け板を貫通して突出し、その突出部に外嵌した状態で荷重受け板とタイロッド端部との間に、タイロッドよりも線膨張係数が大きい耐熱金属からなるスリーブが介装されている積層型燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の積層型燃料電池において、複数の角ばねを挟む荷重受け板とセルスタックユニットとの対向面に、複数の角ばねの端部が嵌合する凹部が設けられている積層型燃料電池。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【公開番号】特開２０１１−６５９０９（Ｐ２０１１−６５９０９Ａ）
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２１６５０９（Ｐ２００９−２１６５０９）
【出願日】平成２１年９月１８日（２００９．９．１８）
【出願人】（０００１８３３６９）住友精密工業株式会社 (336)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１８日（２００９．９．１８）
【出願人】（０００１８３３６９）住友精密工業株式会社 (336)
【Ｆターム（参考）】
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