JP5722739B2

JP5722739B2 - 燃料電池

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Publication number: JP5722739B2
Application number: JP2011211492A
Authority: JP
Inventors: 堀田　信行; 信行堀田; 大野　猛; 大野　　猛
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2011-09-27
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2031-09-27
Also published as: JP2013073760A

Description

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。

従来、図２４に示したように、平板状の燃料電池セル１００を複数枚積層してなる積層体１０１と、該積層体１０１の周縁部近傍に設けられて該積層体１０１を積層方向に締め付ける締め部材１０２と、を備えた燃料電池１０３が、例えば特許文献１に記載されている。この燃料電池１０３の締め部材１０２は、ボルト１０２ａとナット１０２ｂの組み合わせであって、前記積層体１０１の周縁部近傍に設けられた貫通孔１０４にボルト１０２ａを通してナット１０２ｂで締め付け、そうして図２４に示したようにボルト１０２ａに引張荷重Ｆ１を作用させると共にその反力Ｆ２で積層体１０１を押さえ込むようにしている。

特開２００９−１１７２０８号公報（段落００３３図４）

燃料電池１０３において燃料電池セル１００のシール性能は重要であり、そのシール性能を高めるためには締め部材１０２のボルト１０２ａに掛かる引張荷重Ｆ１を大きくして積層体１０１をしっかり押さえ込む必要がある。
一方、ボルト１０２ａに掛かる引張荷重Ｆ１を大きくすると、山谷形状のボルト１０２ａを発電時の高温環境下で強く引っ張り続けることになるため、クリープ変形やクリープ破断の問題が生じ得る。
したがって、締め部材１０２の締め付け力をあまり大きくすることができないため、燃料電池セル１００のシール性能も頭打ちの状況になっていた。

本発明は上記に鑑みなされたもので、その目的は、燃料電池セルの積層体を積層方向に強く締め付け得る締め部材を提供し、そうして燃料電池のシール性能の向上を図ることにある。

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近傍に設けられて該積層体を積層方向に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、前記積層体の積層方向の周縁部上面に対向する第１対向部と、前記積層体の積層方向の周縁部下面に対向する第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と共に該積層体の側面と平行な方向の横幅が（Ｗ）であり、それと直交する方向の厚さが（Ｔ）である断面長方形の連結部と、中心軸が前記積層体の上面又は下面に対して略垂直になるように前記第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雌貫通ネジ孔と、前記雌貫通ネジ孔に螺合すると共に前記積層体の上面又は下面に先端が当接し、前記雌貫通ネジ孔への締め込みによって前記積層体を積層方向に締め付け得るネジ部材と、を備え、
さらに、前記連結部は、前記積層体の積層方向に直交する方向における断面積（Ａ１）が、前記ネジ部材の山径（Ｄ）を基準にした断面積（Ａ２）より大きく設定され、前記連結部の厚さ（Ｔ）が、（Ａ２／Ｄ）より大きく且つ前記連結部の横幅（Ｗ）より小さく設定されている燃料電池を提供する。

また、請求項２に記載したように、前記第１対向部又は前記第２対向部と前記連結部とで構成される角部の内側が滑らかな曲面で形成されている請求項１記載の燃料電池を提供する。

また、請求項３に記載されているように、前記積層体は、積層方向に貫通する貫通孔と、前記貫通孔に挿入されたボルトと、を有し、前記ボルトには、前記燃料電池セルに供給される原料ガスまたは前記燃料電池セルから排出される排出ガスを流通させるガス流路が形成されている請求項１又は２に記載の燃料電池を提供する。

本発明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、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を防止することができる。
一方、ネジ部材に圧縮力が加わる反作用として連結部に従来型のネジ部材と同様の引張り力が加わるが、連結部は積層体の外部にあって設計自由度が高いため、連結部の断面積（Ａ１）をネジ部材の断面積（Ａ２）より大きく設定することができ、そうすることにより従来型のネジ部材が受けていた引張り応力より連結部に加わる引張り応力を小さくすることができる。したがって、連結部のクリープひずみも小さく抑えることができ、総合的に従来型のネジ部材に比べて締め部材のクリープの影響を軽減することができる。

また、締め部材の連結部は、厚さ（Ｔ）を厚くするほど断面積（Ａ１）が大きくなって締め付け力を大きくすることができるが、反面、連結部が肥大化して熱容量の増大により燃料電池の起動・停止に時間が掛かったり、燃料電池の外寸法が大きくなる、等のマイナス面が顕著になる。
これに対し本発明は、連結部の厚さ（Ｔ）の上限を横幅（Ｗ）より小さくすることにより連結部の肥大化リスクが回避可能であり、一方、連結部の厚さ（Ｔ）の下限を（Ａ２／Ｄ）より大きくすることによりネジ部材の締め付けによる第１対向部と第２対向部の開きが抑制される。
なお、連結部の厚さ（Ｔ）の下限を（Ａ２／Ｄ）より大きくした点は、上記の記載より、
（ｉ）Ａ１＞Ａ２
（ii）Ａ１＝ＴＷ
（iii）Ｗ＝Ｄ ※連結部の横幅Ｗの理論上の最小値は、ネジ部材の山径Ｄである。
の関係であるため、（ｉ）と（ii）よりＴＷ＞Ａ２であり、これに（iii）を代入するとＴＤ＞Ａ２だからＴ＞Ａ２／Ｄとして求められる。もちろんネジ部材の強度の基準は、最小径である谷径とするのが一般的であるが、ここでは敢えて山径（Ｄ）を基準とすることによって、強度上余裕を持たせた安全な設計が行えるようにしている。

また、請求項２に記載の燃料電池は、第１対向部又は第２対向部と連結部とで構成される角部の内側を滑らかな曲面で形成したため、発電時の熱によるネジ部材の緩みが軽減される。また、締め部材は、電気的なショートを防止するために連結部と積層体の間に隙間を設けることが好ましいが、前記角部の内側を曲面とすることでそのような隙間を確実に形成することができる。

また、請求項３に記載の燃料電池は、請求項１又は２に記載の締め部材で積層体がしっかり固定されているため、ボルトにガス流路を形成しても積層体全体の締め付け強度に影響しない。したがってガス流路を形成する設計の自由度が向上する。

燃料電池の斜視図である。燃料電池の平面図である。一部を断面にして中間を省略した燃料電池の正面図である。燃料電池セルの斜視図である。燃料電池セルの分解斜視図である。分解パーツを絞った燃料電池セルの分解斜視図である。燃料電池セルの中間を省略した縦断面図である。図７を分解して示す縦断面図である。図７のＡ−Ａ線断面図である。図７のＢ−Ｂ線断面図である。集電部材の斜視図である。（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（ｂ）の変形例を示す集電部材の斜視図である。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。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。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。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。（ａ）は締め部材の斜視図、（ｂ）は断面積Ａ１、Ａ２を示す締め部材の切断分離斜視図である。（ａ）は締め部材の正面図、（ｂ）は締め部材の平面図である。変位量（λ）を示すコ字状主体の正面図である。連結部の厚さ（Ｔ）と変位量（λ）の関係を示すグラフである。曲面の半径（Ｒ）とネジ部材の緩みの関係を示すグラフである。他の形態を示す燃料電池の斜視図である。従来技術を示す燃料電池の要部断面図である。

以下に本発明の実施の形態を図面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ＺｒＯ_２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。

図１〜図２０に示した実施形態の燃料電池１は、例えばＺｒＯ_２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。）と空気を原料ガスとする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流路（以下、「空気供給流路」という。）４と、その空気を外部に排出する空気排気用のガス流路（以下、「空気排気流路」という。）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流路（以下、「燃料供給流路」という。）６と、その燃料ガスを外部に排出する燃料排気用のガス流路（以下、「燃料排気流路」という。）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締め部材９と、から概略構成される。

［燃料電池セル］
燃料電池セル３は平面視正方形の平板状であり、図５に示したように、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。

［電解質］
前記電解質２は、ＺｒＯ_２系セラミックの他、ＬａＧａＯ_３系セラミック、ＢａＣｅＯ_３系セラミック、ＳｒＣｅＯ_３系セラミック、ＳｒＺｒＯ_３系セラミック、ＣａＺｒＯ_３系セラミック等で形成される。

［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ＺｒＯ_２系セラミック、ＣｅＯ_２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。

［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（Ｌａ_２Ｏ_３、ＳｒＯ、Ｃｅ_２Ｏ_３、Ｃｏ_２Ｏ_３、ＭｎＯ_２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（Ｌａ_１−ＸＳｒ_ＸＣｏＯ_３系複酸化物、Ｌａ_１−ＸＳｒ_ＸＦｅＯ_３系複酸化物、Ｌａ_１−ＸＳｒ_ＸＣｏ_１−ｙＦｅＯ_３系複酸化物、Ｌａ_１−ＸＳｒ_ＸＭｎＯ_３系複酸化物、Ｐｒ_１−ＸＢａ_ＸＣｏＯ_３系複酸化物及びＳｍ_１−ＸＳｒ_ＸＣｏＯ_３系複酸化物等）が挙げられる。

［燃料室］
前記燃料室１７は、図５〜図８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。

［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。

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。

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１２（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１１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７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。

なお、集電部材１９の前記切込線１９ｄは、図１３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。

［スペーサー］
前記集電部材１９には、図７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。

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。

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。

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。

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、前記締め部材９の後述するコ字状主体９０ａの熱膨張率より高い。

なお、実施形態の集電部材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１２（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１２（ｂ）に示した平板１９０に重ね、その状態で図１１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１１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。

［空気室］
前記空気室１６は、図５〜図７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。

［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。

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。

また、燃料電池セル３は、空気室１６の内部に空気を供給する空気供給流路４を含む空気供給部２５と、空気室１６から空気を外部に排出する空気排気流路５を含む空気排気部２６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を含む燃料供給部２７と、燃料室１７から燃料ガスを外部に排出する燃料排気流路７を含む燃料排気部２８と、を備えている。

［空気供給部］
空気供給部２５は、四角い燃料電池セル３の一辺側中央に上下方向に開設した空気供給用の貫通孔（以下、「空気供給通孔」という。）２９と、該空気供給通孔２９に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空気供給連絡室３０と、該空気供給連絡室３０と空気室１６の間を仕切る隔壁３１の上面を複数個等間隔に窪ませて形成した空気供給連絡部３２と、前記空気供給通孔２９に挿入されたボルト４００に形成されて外部から前記空気供給連絡室３０に空気を供給する前記空気供給流路４と、を備えている。

［空気排気部］
空気排気部２６は、燃料電池セル３の空気供給部２５の反対側の一辺側中央に上下方向に開設した空気排気用の貫通孔（以下、「空気排気通孔」という。）３３と、該空気排気通孔３３に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空気排気連絡室３４と、該空気排気連絡室３４と空気室１６の間を仕切る隔壁３５の上面を複数個等間隔に窪ませて形成した空気排気連絡部３６と、前記空気排気通孔３３に挿入されたボルト５００に形成されて空気排気連絡室３４から外部に空気を排出する管状の前記空気排気流路５と、を備えている。

［燃料供給部］
燃料供給部２７は、四角い燃料電池セル３の残り二辺のうちの一辺側中央に上下方向に開設した燃料供給用の貫通孔（以下、「燃料供給通孔」という。）３７と、該燃料供給通孔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燃料供給連絡室３８と、該燃料供給連絡室３８と燃料室１７の間を仕切る隔壁３９の上面を複数個等間隔に窪ませて形成した燃料供給連絡部４０と、前記燃料供給通孔３７に挿入されたボルト６００に形成されて外部から前記燃料供給連絡室３８に燃料ガスを供給する管状の前記燃料供給流路６と、を備えている。

［燃料排気部］
燃料排気部２８は、燃料電池セル３の燃料供給部２７の反対側の一辺側中央に上下方向に開設した燃料排気用の貫通孔（以下、「燃料排気通孔」という。）４１と、該燃料排気通孔４１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燃料排気連絡室４２と、該燃料排気連絡室４２と燃料室１７の間を仕切る隔壁４３の上面を複数個等間隔に窪ませて形成した燃料排気連絡部４４と、前記燃料排気通孔４１に挿入されたボルト７００に形成されて燃料排気連絡室４２から外部に燃料ガスを排出する管状の燃料排気流路７と、を備えている。

［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（実施形態では各辺に２個ずつで合計８個）の締め部材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。

［締め部材］
積層体８を固定する複数の締め部材９は、図１８、図１９に示したように、コ字状主体９０ａと、ネジ部材９０ｂで構成される。

コ字状主体９０ａ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、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９１ａ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９２ａと、第１対向部９１ａの端部と第２対向部９２ａ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９３ａと、を備えており、さらに第１対向部９１ａと連結部９３ａとで構成される角部の内側と、第２対向部９２ａと連結部９３ａとで構成される角部の内側とが滑らかな曲面９４ａで形成されている。
また、前記第１対向部９１ａ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貫通ネジ孔９５ａが形成されている。

一方、ネジ部材９０ｂ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９１ｂの頂部に六角穴付きの円柱頭部９２ｂを一体に有する。このネジ部材９０ｂは、雄ネジ軸９１ｂが前記雌貫通ネジ孔９５ａに螺合しており、第１対向部９１ａ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、雌貫通ネジ孔９５ａ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９２ａとの間に挟んだ状態で締め付け得る。

また、コ字状主体９０ａの連結部９３ａは、積層体８の側面と平行な方向の横幅を（Ｗ）、それと直交する方向の厚さを（Ｔ）とする断面長方形の帯板形状であり、図１８（ｂ）に示したように、積層体８の積層方向に直交する方向における断面積（Ｔ×Ｗ）＝（Ａ１）が、前記ネジ部材９０ｂの山径（Ｄ）を基準にした断面積（πＤ^２／４）＝（Ａ２）より大きく設定され、さらに厚さ（Ｔ）が、（Ａ２／Ｄ）より大きく且つ前記連結部の横幅（Ｗ）より小さい範囲の中で適宜に設定されている。なお、締め部材９の具体例は、実施例１〜４として後述する。

［原料ガスの供給流路］
以上の積層体８に対し前記空気供給用のボルト４００は、エンドプレート４５ａ，４５ｂの通孔（図示せず）と積層体８の前記空気供給通孔２９を上下に貫く状態にして取り付けられており、管状流路の端部を閉じ前記空気供給連絡室３０毎に対応させて図９に示したように空気供給流路４に通じる横孔４８を設けることにより、該横孔４８を介して空気供給連絡室３０に空気が供給されるようになっている。
同様に燃料供給用のボルト６００は、エンドプレート４５ａ，４５ｂの通孔（図示せず）と積層体８の前記燃料供給通孔３７を上下に貫く状態にして取り付けられており、管状流路の端部を閉じ前記燃料供給連絡室３８毎に対応させて図１０に示したように燃料供給流路６に通じる横孔５０を設けることにより、該横孔５０を介して燃料供給連絡室３８に燃料ガスが供給されるようになっている。

［排出ガスの排気流路］
同様に空気排気流路５は図９に示したように空気排気連絡室３４毎に対応させたボルト５００の横孔４９から空気を取り込んで外部に排出し、燃料排気流路７は図１０に示したように燃料排気連絡室４２毎に対応させたボルト７００の横孔５１から排出ガスを取り込んで外部に排出する。

［発電］
上記燃料電池１の空気供給流路４に空気を供給すると、その空気は、図９の右側から左側に流れ、右側の空気供給流路４と、空気供給連絡室３０と、空気供給連絡部３２とからなる空気供給部２５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、さらに空気排気連絡部３６と、空気排気連絡室３４と、空気排気流路５とからなる空気排気部２６を通って外部に排出される。

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１０の上側から下側に流れ、上側の燃料供給流路６と、燃料供給連絡室３８と、燃料供給連絡部４０とからなる燃料供給部２７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１０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、さらに燃料排気連絡部４４と、燃料排気連絡室４２と、燃料排気流路７とからなる燃料排気部２８を通って外部に排気される。
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。

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。

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。

なお、締め部材９を介して両エンドプレート４５ａ，４５ｂ間で電気的にショートするトラブルを防止するため、図３に破線で示したように一部の締め部材９（例えば、積層体８の隣り合う２辺に取り付けたもの全て。）のネジ部材９０ｂと上のエンドプレート４５ａの間に絶縁部材１１が設けられ、残りの締め部材９の第２対向部９２ａと下のエンドプレート４５ｂの間に絶縁部材１１が設けられている。こうすることにより、複数の締め部材９を正極と負極に分けることができるため、該締め部材９を電気エネルギーの出力端子として利用し得る。

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締め部材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。

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Ｈ_２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。

また、実施形態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。

［変形例］
図１４〜図１７は集電部材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１４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１５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１６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１７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と同じであるため詳細な説明を省略する。

実施例１は、１８０ｍｍ×１８０ｍｍ×８０.５ｍｍの積層体８の各辺に、図１、図２に示したように２個ずつ締め部材９，９…を装着して締め付けるものである。使用する締め部材９は、図１９に示したように、コ字状主体９０ａについて、材質＝インコネル、連結部９３ａの厚さ（Ｔ）＝８ｍｍ、横幅（Ｗ）＝３０ｍｍ、断面積（Ａ１）＝２４０ｍｍ^２、全高（Ｈ）＝１０５ｍｍ、第１対向部９１ａと第２対向部９２ａの厚さ（Ｔ１，Ｔ２）＝８ｍｍ、曲面９４ａの半径（Ｒ）＝５ｍｍであり、ネジ部材９０ｂについて、呼び径Ｍ１０、材質＝インコネル、山径（Ｄ）＝１０ｍｍ、断面積（Ａ２）＝５５ｍｍ^２、雄ネジ軸９１ｂの長さ（Ｌ）＝４０ｍｍである。

実施例２は、締め部材９のコ字状主体９０ａについて、連結部９３ａの厚さ（Ｔ）＝１０ｍｍ、横幅（Ｗ）＝３０ｍｍ、断面積（Ａ１）＝３００ｍｍ^２、第１対向部９１ａと第２対向部９２ａの厚さ（Ｔ１，Ｔ２）＝１０ｍｍであり、それ以外の点については実施例１と同じである。

実施例３は、締め部材９のコ字状主体９０ａについて、曲面９４ａの半径（Ｒ）＝３ｍｍであり、それ以外の点については実施例２と同じである。

［積層時のコ字状主体の変位量］
実施例１〜３の締め部材９について、ネジ部材９０ｂを１０Ｎ・ｍの締め付けトルクで締め付けて積層体８を固定し、その状態でのコ字状主体９０ａの開き方向の変位量（λ）（図２０参照）を実測した。なお、実測に用いた積層体８は、上下のエンドプレート４５ａ，４５ｂに相当する厚さ１０ｍｍのステンレス板の間に、厚さ０.５ｍｍのマイカ板４１枚と、厚さ１ｍｍのステンレス板４０枚を交互に積層して全高８０.５ｍｍとした擬似的なものである。

［加熱後のネジ部材の緩み測定］
上記実施例１〜３の締め部材９で固定した上記の擬似的積層体について、８００℃の電気炉中に２５０時間放置し、その後室温にまで冷却した後、ネジ部材９０ｂを緩めてその時のトルク（緩みトルク）を実測した。

［比較例］
比較のため、締め部材９のコ字状主体９０ａを次のように設定した比較例１〜４を作成し、その比較例１〜４についても上記と同様に前記変位量（λ）と緩みトルクを実測した。なお、比較例１〜４のコ字状主体９０ａの材質と横幅（Ｗ）と全高（Ｈ）及びネジ部材９０ｂは、実施例１〜３と同一である。
比較例１：連結部９３ａと第１対向部９１ａと第２対向部９２ａの厚さ（Ｔ，Ｔ１，Ｔ２）＝４ｍｍ
：断面積（Ａ１）＝１２０ｍｍ^２
：曲面９４ａの半径（Ｒ）＝５ｍｍ
比較例２：連結部９３ａと第１対向部９１ａと第２対向部９２ａの厚さ（Ｔ，Ｔ１，Ｔ２）＝６ｍｍ
：断面積（Ａ１）＝１８０ｍｍ^２
：曲面９４ａの半径（Ｒ）＝５ｍｍ
比較例３：連結部９３ａと第１対向部９１ａと第２対向部９２ａの厚さ（Ｔ，Ｔ１，Ｔ２）＝３０ｍｍ
：断面積（Ａ１）＝９００ｍｍ^２
：曲面９４ａの半径（Ｒ）＝５ｍｍ
比較例４：連結部９３ａと第１対向部９１ａと第２対向部９２ａの厚さ（Ｔ，Ｔ１，Ｔ２）＝１０ｍｍ
：断面積（Ａ１）＝３００ｍｍ^２
：曲面９４ａの半径（Ｒ）＝０ｍｍ

以上のようにして実測した実施例１〜３と比較例１〜４の前記変位量（λ）と、実施例１〜３と比較例１〜４のネジ部材９０ｂの締め付けトルクに対する緩みトルクの比を表１と表２に示した。

表１は、曲面９４ａの半径（Ｒ）の大きさが同一で連結部９３ａの厚さ（Ｔ）が相違するグループを纏めて連結部９３ａの厚さ（Ｔ）と変位量（λ）の関係を示したものであり、これをグラフにしたのが図２１である。この図２１のグラフより明らかなように、（Ａ２／Ｄ）＝７.８５の値を境にしてそれより連結部９３ａの厚さ（Ｔ）を大きくした場合には変位量（λ）が小さいが、それより連結部９３ａの厚さ（Ｔ）を小さくした場合には変位量（λ）が急激に増加していることが判る。この変位量（λ）が大きいと、連結部９３ａに作用する応力が高くなり、高温でのクリープ変形が起きやすくなる。
一方、比較例３は、変位量（λ）については十分小さいものの、連結部９３ａの厚さ（Ｔ）が大きすぎることより熱容量が大きくなって燃料電池の起動・停止時間が長くなる、というマイナス面が大きい。

表２は、曲面９４ａの半径（Ｒ）が相違するグループを纏めて加熱後のネジ部材９０ｂの緩み具合と曲面９４ａの半径（Ｒ）との関係を示したものであり、これをグラフにしたのが図２２である。この結果より曲面９４ａのない比較例４のネジ部材９０ｂが最も緩んでいることが判る。これは角部の曲面９４ａによってクリープひずみが小さくなるためであると考えられる。

以上本発明を実施形態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、実施形態ではネジ部材９０ｂを第１対向部９１ａのみに設けたが、第２対向部９２ａのみに設けてもよいし、第１対向部９１ａと第２対向部９２ａの両方に設けてもよい。
また、実施形態では、１つの締め部材９に１本のネジ部材９０ｂを設けたが、図２３に示したように、１つの締め部材９に複数本のネジ部材９０ｂ，９０ｂ…を設けるようにしてもよい。その場合、前記断面積（Ａ２）を１つの締め部材９に対応する全ネジ部材９０ｂ，９０ｂ…の総和とするだけでよい。
また、実施形態では、コ字状主体９０ａの角部の曲面９４ａを第１対向部９１ａと第２対向部９２ａのそれぞれに形成したが、何れか一方の角部に曲面９４ａを設けるだけでもよい。

１ …燃料電池
３ …燃料電池セル
４，５，６，７ …ガス流路
８ …積層体
９ …締め部材
９１ａ …第１対向部
９２ａ …第２対向部
９３ａ …連結部
９４ａ …曲面
９５ａ …雌貫通ネジ孔
９０ｂ …ネジ部材
２９，３３，３７，４１ …貫通孔
４００，５００，６００，７００ …ボルト
Ｄ …山径
Ｔ …連結部の厚さ
Ｗ …連結部の横幅
Ａ１ …連結部の断面積
Ａ２ …山径を基準とするネジ部材の断面積

Claims

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近傍に設けられて該積層体を積層方向に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、
前記積層体の積層方向の周縁部上面に対向する第１対向部と、
前記積層体の積層方向の周縁部下面に対向する第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と共に該積層体の側面と平行な方向の横幅が（Ｗ）であり、それと直交する方向の厚さが（Ｔ）である断面長方形の連結部と、
中心軸が前記積層体の上面又は下面に対して略垂直になるように前記第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雌貫通ネジ孔と、
前記雌貫通ネジ孔に螺合すると共に前記積層体の上面又は下面に先端が当接し、前記雌貫通ネジ孔への締め込みによって前記積層体を積層方向に締め付け得るネジ部材と、を備え、
さらに、前記連結部は、
前記積層体の積層方向に直交する方向における断面積（Ａ１）が、前記ネジ部材の山径（Ｄ）を基準にした断面積（Ａ２）より大きく設定され、
前記連結部の厚さ（Ｔ）が、（Ａ２／Ｄ）より大きく且つ前記連結部の横幅（Ｗ）より小さく設定されていることを特徴とする燃料電池。
前記第１対向部又は前記第２対向部と前記連結部とで構成される角部の内側が滑らかな曲面で形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
前記積層体は、
積層方向に貫通する貫通孔と、
前記貫通孔に挿入されたボルトと、を有し、
前記ボルトには、前記燃料電池セルに供給される原料ガスまたは前記燃料電池セルから排出される排出ガスを流通させるガス流路が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。