特許 5956230 燃料電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5956230

(24)【登録日】2016年6月24日

(45)【発行日】2016年7月27日

(54)【発明の名称】燃料電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/24 20160101AFI20160714BHJP

   H01M 8/0202 20160101ALI20160714BHJP

   H01M 8/12 20160101ALN20160714BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/24 R

   H01M8/24 Z

   H01M8/24 E

   H01M8/02 Y

   !H01M8/12

【請求項の数】6

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2012-94381(P2012-94381)

(22)【出願日】2012年4月18日

(65)【公開番号】特開2013-222639(P2013-222639A)

(43)【公開日】2013年10月28日

【審査請求日】2015年4月9日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004547

【氏名又は名称】日本特殊陶業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100114605

【弁理士】

【氏名又は名称】渥美 久彦

(72)【発明者】

【氏名】尾関 敦史

(72)【発明者】

【氏名】宮端 健次

(72)【発明者】

【氏名】小野 達也

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 洋介

【審査官】 高木 康晴

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−２５１０１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０５９１４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０５３０７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−０１４１３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／０３８８６９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開平１０−２６１４２６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの積層方向における両端の少なくとも一方にさらに積層され、ガス流路を有する板状のエンドプレートと、
前記積層方向に沿ってさらに前記エンドプレートの端面上に設置されるとともに、前記ガス流路に連通するガス通路を有するガス通路部材と
を備える燃料電池であって、
前記ガス通路部材は、前記ガス通路の少なくとも一部を構成し前記積層方向に貫通する第１の貫通孔を有し、かつ、前記第１の貫通孔に挿通され先端部が前記エンドプレートの穴部に固定されている棒状の固定部材を備え、
前記固定部材は、前記燃料電池スタック及び前記エンドプレートを積層方向に固定する部材とは別のものであり、
前記ガス流路は前記第１の貫通孔に連通し、前記ガス流路の開口部は、前記積層方向から見て、前記穴部よりも外側において前記第１の貫通孔と重なり合うように配置されており、
前記エンドプレートと前記ガス通路部材との間に、厚さ方向に貫通して前記第１の貫通孔と前記ガス流路とを連通させる第２の貫通孔を有する絶縁スペーサが配置され、
前記積層方向から見たときに、前記ガス流路の前記開口部が前記第２の貫通孔よりも内側に配置されている
ことを特徴とする燃料電池。

【請求項2】

前記ガス流路の内壁面と前記穴部の内壁面との間隔Ａが１．０ｍｍ以上に設定され、前記ガス流路の内壁面と前記第２の貫通孔の内壁面との間隔Ｂが０．５ｍｍ以上に設定されてい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】

前記穴部及び前記ガス流路は、ともに前記エンドプレートを厚さ方向に貫通する貫通孔であり、
前記ガス流路の内壁面と前記穴部の内壁面との間隔Ａと、前記ガス流路の内径ｄとが、Ａ＞０．３ｄの関係を有している
ことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。

【請求項4】

前記ガス流路は、前記エンドプレートにおいて複数設けられ、
複数の前記ガス流路は、前記穴部を包囲するように配置されるとともに、前記穴部を中心として周方向に沿って配置されている
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池。

【請求項5】

前記燃料電池セルは、電解質層と該電解質層の両側に配置された電極層とからなり、
前記ガス通路部材は、前記積層方向から見て、前記電極層の周縁で規定される領域内に配置されている
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池。

【請求項6】

前記燃料電池スタックは、
前記燃料電池セルの前記電極層の表面に対向して配置されるコネクタプレートと、
前記燃料電池スタックの端部に位置する前記コネクタプレートと前記エンドプレートとの間に、前記コネクタプレート及び前記エンドプレートとともに内部空間を包囲して区画する枠体部とを有し、
前記エンドプレートの前記ガス流路は前記内部空間に連通しており、
前記コネクタプレートは、前記内部空間を流れるガスの圧力により、前記電極層側に変形可能に構成されている
ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタックを備えた燃料電池関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来より、燃料電池として、例えば固体電解質層（固体酸化物層）を備えた固体酸化物形燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell ；ＳＯＦＣ）が知られている。このＳＯＦＣは、燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタックを備えている。また、燃料電池セルは、燃料ガスに接する燃料極層と酸化剤ガスに接する空気極層とが固体電解質層の両側に配置された構造を有している。そして、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素とが固体電解質層を介して反応（発電反応）することにより、空気極層を正極、燃料極層を負極とする直流の電力が発生するようになる。

【0003】

なお、燃料電池は、燃料電池スタックと、燃料電池セルの積層方向における両端に積層されたエンドプレートとを備えている。そして、燃料電池を厚さ方向に貫通するボルトにナットを螺着させることにより、燃料電池スタック及びエンドプレートが固定されるようになる。また、燃料電池は、燃料電池スタックに対してガス（燃料ガスや酸化剤ガスなど）の導入または排出を行うためのガス孔を有している（例えば特許文献１参照）。

【0004】

具体的に言うと、特許文献１に記載の燃料電池は、上側のエンドプレートと燃料電池スタックを構成する最上層の燃料電池セルとの間に、ガス孔に連通する内部空間を区画形成した構造を有している。この場合、発電に用いられるガスとは別系統のガスがガス孔を介して内部空間に導入され、内部空間に導入されたガスの圧力により、燃料電池セルの最上層に位置するコネクタプレートが下方（空気極層側）に押圧されるようになる。その結果、コネクタプレートの下側に取り付けられた空気極集電体が空気極層に常時接触するようになるため、空気極集電体と電極層との導通を安定的に確保することができる。ゆえに、燃料電池を確実に機能させることが可能になるため、燃料電池の信頼性が高くなる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】国際公開第２０１０／０３８８６９（図１５等）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところで、特許文献１に記載の従来技術では、ガス孔が上記したボルト用のボルト孔を兼ねる構造となっている。また、ボルトは燃料電池を貫通しているため、ボルト孔及びガス孔も燃料電池を貫通するようになる。しかし、この場合には、ガス孔の位置が必然的にボルト孔と同じ箇所（具体的には、燃料電池スタックの外周部）に規定されてしまうため、設計の自由度が小さいという問題がある。

【0007】

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、設計の自由度を大きくすることができる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】

【0008】

上記課題を解決するための手段（手段１）としては、燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの積層方向における両端の少なくとも一方にさらに積層され、ガス流路を有する板状のエンドプレートと、前記積層方向に沿ってさらに前記エンドプレートの端面上に設置されるとともに、前記ガス流路に連通するガス通路を有するガス通路部材とを備える燃料電池であって、前記ガス通路部材は、前記ガス通路の少なくとも一部を構成し前記積層方向に貫通する第１の貫通孔を有し、かつ、前記第１の貫通孔に挿通され先端部が前記エンドプレートの穴部に固定されている棒状の固定部材を備え、前記固定部材は、前記燃料電池スタック及び前記エンドプレートを積層方向に固定する部材とは別のものであり、前記ガス流路は前記第１の貫通孔に連通し、前記ガス流路の開口部は、前記積層方向から見て、前記穴部よりも外側において前記第１の貫通孔と重なり合うように配置されており、前記エンドプレートと前記ガス通路部材との間に、厚さ方向に貫通して前記第１の貫通孔と前記ガス流路とを連通させる第２の貫通孔を有する絶縁スペーサが配置され、前記積層方向から見たときに、前記ガス流路の前記開口部が前記第２の貫通孔よりも内側に配置されていることを特徴とする燃料電池がある。

【0009】

手段１に記載の発明によると、固定部材は、エンドプレートに固定されるものであるため、燃料電池スタック及びエンドプレートを積層方向に固定する部材とは別のものとなっている。よって、固定部材の位置を決定する際に、燃料電池スタックを構成する部材との兼ね合いを考慮しなくても済むため、固定部材の先端部が固定される穴部の位置や、固定部材が挿通される第１の貫通孔を有するガス通路部材の位置を決定する際においても、燃料電池スタックを構成する部材との兼ね合いを考慮しなくても済む。しかも、ガス流路が穴部を兼ねる構造とはなっていないため、ガス流路の位置を決定する際に、穴部に固定される固定部材の位置を考慮しなくても済む。以上のことから、ガス通路部材、固定部材、穴部及びガス流路の設計の自由度が大きくなり、ひいては、燃料電池の設計の自由度が大きくなる。例えば、燃料電池セルが、電解質層と該電解質層との両側に配置された電極層とからなる場合、ガス通路部材を、積層方向から見て、電極層の周縁で規定される領域内に配置することができる。

【0010】

ここで、燃料電池としては、ＺｒＯ_２系セラミックなどを電解質とする固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）、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）、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）、リン酸を電解質とするリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）などが挙げられる。なお、燃料電池の稼働温度（即ち、イオンが電解質中を移動可能となる温度）は、燃料電池の種類ごとに異なっている。具体的に言うと、ＳＯＦＣの稼働温度は７００℃〜１０００℃程度、ＰＥＦＣの稼働温度は常温〜９０℃程度、ＭＣＦＣの稼働温度は６５０℃〜７００℃程度、ＰＡＦＣの稼働温度は１５０℃〜２００℃程度である。

【0011】

燃料電池が備える燃料電池スタックは、燃料電池セルを複数積層してなる。燃料電池がＳＯＦＣである場合、燃料電池セルは、固体酸化物からなる電解質層と、電解質層の両側に配置された電極層とを備えることがよい。燃料電池セルを構成する電解質層は、電極層に接する発電用ガスの一部がイオンとなって移動する性質（イオン電導性）を有している。なお、電解質層中を移動するイオンとしては、例えば酸素イオンや水素イオンなどが挙げられる。また、電極層は、電解質層の表面側に配置され発電用ガスである酸化剤ガスに接する空気極層、及び、電解質層の裏面側に配置され発電用ガスである燃料ガスに接する燃料極層であることがよい。

【0012】

電解質層（固体酸化物層）の形成材料としては、例えばＺｒＯ_２系セラミック、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系セラミックなどがある。

【0013】

また、燃料電池セルを構成する燃料極層は、例えば還元剤となる燃料ガスと電解質層内を移動してきた酸素イオンとを反応させる機能を有することにより、燃料電池セルにおける負電極として機能する。ここで、燃料極層の形成材料としては、例えば、希土類元素（Ｓｃ、Ｙなど）により安定化されたＺｒＯ_２系セラミック、及び、希土類元素（Ｓｍ、Ｇｄなど）をドープしたＣｅＯ_２系セラミック等のうち、少なくとも１つのセラミック材料と、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｎｉ、Ｆｅ等の金属材料及びそれら金属材料の合金のうちの少なくとも１つと、を混合した金属セラミック材料の混合物（サーメット）を使用することができる。

【0014】

また、燃料ガスとしては、例えば、水素ガス、炭化水素ガス、水素ガスと炭化水素ガスとの混合ガスなどが挙げられる。燃料ガスとして炭化水素ガスを選択した場合、炭化水素ガスの種類は特に限定されないが、例えば、天然ガス、ナフサ、石炭ガス等であることが好ましい。なお、水中にガス（水素ガス、炭化水素ガス、混合ガス）を通過させて加湿することによって得られる燃料ガスや、ガス（水素ガス、炭化水素ガス、混合ガス）に水蒸気を混合させることによって得られる燃料ガスを選択してもよい。また、１種類の燃料ガスのみを用いてもよいし、複数種類の燃料ガスを併用してもよい。さらに、燃料ガスは、窒素やアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。また、液体の原料を気化したものを燃料ガスとして使用したり、水素ガス以外のガスを改質して生成した水素ガスを燃料ガスとして使用したりすることもできる。

【0015】

燃料電池セルを構成する空気極層は、酸化剤となる酸化剤ガスと接触し、燃料電池セルにおける正電極として機能する。ここで、空気極層の形成材料としては、例えば、金属材料、金属の酸化物、金属の複合酸化物などを挙げることができる。金属材料の好適例としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈ等やそれらの合金などがある。金属の酸化物の好適例としては、例えば、Ｌａ、Ｓｒ、Ｃｅ、Ｃｏ、Ｍｎ、Ｆｅの酸化物（Ｌａ_２Ｏ_３、ＳｒＯ、Ｃｅ_２Ｏ_３、Ｃｏ_２Ｏ_３、ＭｎＯ_２、ＦｅＯ）などがある。金属の複合酸化物の好適例としては、例えば、Ｌａ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｓｒ、Ｂａ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｍｎを含有する複合酸化物（Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＦｅＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏ_１−ｙＦｅ_ｙＯ_３系複合酸化物、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＭｎＯ_３系複合酸化物、Ｐｒ_１−ｘＢａ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物、Ｓｍ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３系複合酸化物）などがある。

【0016】

また、酸化剤ガスとしては、例えば、酸素と他の気体との混合ガスなどが挙げられる。この混合ガスは、窒素やアルゴン等の不活性ガスを含有していてもよい。なお、混合ガスは、安全で安価な空気であることが好ましい。

【0017】

さらに、エンドプレートには、ガス流路や、固定部材の先端部を固定する穴部が設けられる。ここで、ガス流路は、エンドプレートにおいて複数設けられ、複数のガス流路は、穴部を包囲するように配置されるとともに、穴部を中心として周方向に沿って配置されていることが好ましい。このようにすれば、複数のガス流路を均等に配置することができるため、ガス通路を通過するガスを、それぞれのガス流路に均等に分散させることができる。その結果、ガス流路及びガス通路を通過するガスの流れを安定させることができるため、高い信頼性を有する燃料電池を得ることができる。

【0018】

なお、複数のガス流路の数は特に限定されないが、例えば３個以上６個以下であることが好ましい。仮に、ガス流路の数が６個よりも多い場合、穴部を包囲するように全てのガス流路を開口させることが困難になる。また、エンドプレートの加工コストが高くなるという問題もある。一方、ガス流路の数が３個未満である場合、ガス流路を通過するガスが受ける抵抗が大きくなるため、ガス流路及びガス通路を通過するガスの流れが安定しなくなるおそれがある。

【0019】

さらに、複数のガス流路の内径ｄは特に限定されないが、例えば、内径ｄが１．０ｍｍ以上５．０ｍｍ以下に設定されることが好ましい。仮に、内径ｄが１．０ｍｍ未満になると、ガス流路を通過するガスが受ける抵抗が大きくなるため、ガス流路及びガス通路を通過するガスの流れが安定しなくなるおそれがある。一方、内径ｄが５．０ｍｍよりも大きくなると、固定部材の先端部を穴部に螺着させた際に、ガス流路の存在が固定部材の軸力に悪影響を与える可能性がある。なお、エンドプレートの端面側開口におけるガス流路の内径ｄ、及び、エンドプレートの裏面側開口におけるガス流路の内径ｄは、同一でもよいし、異なっていてもよい。

【0020】

また、ガス流路の断面形状は特に限定されないが、例えば断面円形状をなすことが好ましい。このようにすれば、一般的なドリル加工等によってガス流路を形成できるため、加工コストを抑えることができる。さらに、ガス流路は、中心軸がエンドプレートの端面に対して垂直に配置されていてもよいし、エンドプレートの端面に対して傾斜した状態で配置されていてもよい。また、ガス流路は、中心軸線が穴部の中心軸と同心状に設定された仮想線の接線に対して傾斜した状態で配置されていてもよい。さらに、ガス流路の中心軸は、穴部の中心軸と平行に配置されていてもよいし、平行に配置されていなくてもよい。

【0021】

なお、エンドプレートとガス通路部材との間には、厚さ方向に貫通して第１の貫通孔とガス流路とを連通させる第２の貫通孔を有する絶縁スペーサが配置され、積層方向から見たときに、ガス流路の開口部が第２の貫通孔よりも内側に配置されている。その結果、エンドプレートとガス通路部材との間に絶縁スペーサが配置されることにより、エンドプレートとガス通路部材とが離間した状態に維持されるため、エンドプレートとガス通路部材とが確実に絶縁される。しかも、ガス流路の開口部が、第１の貫通孔とガス流路とを連通させる第２の貫通孔よりも内側に位置するため、第２の貫通孔を介して確実に第１の貫通孔及びガス流路を連通させることができる。その結果、第１の貫通孔及びガス流路の接続部分を流れるガスの流れを安定させることができる。以上のことから、高い信頼性を有する燃料電池を得ることができる。

【0022】

ここで、絶縁スペーサは、絶縁性、耐熱性、シール性等を考慮して適宜選択することができる。なお、絶縁スペーサは、例えば、絶縁性に優れたマイカなどによって形成されることが好ましく、特には、絶縁性に加えて耐熱性や加工性に優れたマイカセラミックによって形成されることが好ましい。また、絶縁スペーサは、マイカセラミックとは別のセラミック材料によって形成されていてもよい。マイカセラミックとは別のセラミック材料の好適例としては、例えば、アルミナ、ガラスセラミック、結晶化ガラス等の低温焼成材料、窒化アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素などが挙げられる。

【0023】

なお、ガス流路の内壁面と穴部の内壁面との間隔Ａは１．０ｍｍ以上に設定され、ガス流路の内壁面と第２の貫通孔の内壁面との間隔Ｂは０．５ｍｍ以上に設定されていることが好ましい。仮に、ガス流路の内壁面と穴部の内壁面との間隔Ａが１．０ｍｍ未満になると、ガス流路と穴部とが接近しすぎるため、一般的なドリル加工等によってガス流路及び穴部を形成することが困難になる。しかも、固定部材の先端部を穴部に螺着させた際に、ガス流路の存在が固定部材の軸力に悪影響を与える可能性がある。また、ガス流路の内壁面と第２の貫通孔の内壁面との間隔Ｂが０．５ｍｍ未満になると、絶縁スペーサが位置ずれした際に、絶縁スペーサがガス流路を塞ぐおそれがある。さらに、穴部及びガス流路は、ともにエンドプレートを厚さ方向に貫通する貫通孔であり、ガス流路の内壁面と穴部の内壁面との間隔Ａと、ガス流路の内径ｄとが、Ａ＞０．３ｄの関係を有していることが好ましい。仮に、間隔Ａと内径ｄとの関係がＡ≦０．３ｄになると、ガス流路と穴部とが接近しすぎるため、ガス流路及び穴部の強度が低下しやすくなる。

【0024】

また、エンドプレートに、絶縁スペーサを収容するスペーサ収容部が設けられ、絶縁スペーサは、厚さがスペーサ収容部の深さよりも大きく設定され、エンドプレートの端面から突出していることが好ましい。このようにすれば、絶縁スペーサの外周面に対してスペーサ収容部の内壁面が接触することにより、絶縁スペーサがエンドプレートに対して位置決めされる。その結果、第１の貫通孔とガス流路とを連通させる第２の貫通孔よりも内側にガス流路の開口部が確実に位置するようになるため、第２の貫通孔を介してより確実に第１の貫通孔及びガス流路を連通させることができる。また、絶縁スペーサは、スペーサ収容部に収容された際にエンドプレートの外表面から突出する。その結果、ガス通路部材の下端とスペーサ収容部の内側面とを離間させることができるため、エンドプレートとガス通路部材との間隔が一定に保持され、両者の接触が回避される。従って、エンドプレートとガス通路部材とがより確実に絶縁されるため、燃料電池の信頼性をよりいっそう高くすることができる。さらに、スペーサ収容部に絶縁スペーサが収容されることにより、エンドプレートは、絶縁スペーサの下端面に接触するだけでなく、絶縁スペーサの外周面にも接触するため、エンドプレートと絶縁スペーサとの接触面積が大きくなる。よって、エンドプレートと絶縁スペーサとのシール性が向上する。

【0025】

なお、燃料電池の構造は、目的に応じて適宜決定される。例えば、燃料電池スタックが、燃料電池セルの電極層の表面に対向して配置されるコネクタプレートと、燃料電池スタックの端部に位置するコネクタプレートとエンドプレートとの間に、コネクタプレート及びエンドプレートとともに内部空間を包囲して区画する枠体部とを有している場合、エンドプレートのガス流路が内部空間に連通し、コネクタプレートが、内部空間を流れるガスの圧力により、電極層側に変形可能に構成されていてもよい。このようにした場合、内部空間内に多くのガスが充填されると、コネクタプレートは、内部空間内のガスの圧力によって電極層側に膨らむように変形する。その結果、燃料電池の起動時には、コネクタプレートが電極層の表面に常時接触するようになるため、電極層とコネクタプレートとの導通を安定的に確保することができる。従って、燃料電池を確実に機能させることが可能になるため、燃料電池の信頼性を高くすることができる。

【0026】

また、燃料電池スタックの外周部に、ガスである発電用ガスを通過させるための発電用ガス流路を形成する貫通孔が、燃料電池スタックの厚さ方向に沿って燃料電池スタックを貫通するように設けられる場合、内部空間は、貫通孔に連通しており、貫通孔を介して燃料電池セル内に供給される発電用ガス、または、燃料電池セルから貫通孔を介して排出される発電用ガスが流れるものであってもよい。このようにした場合、内部空間内にある発電用ガスによって燃料電池スタックを加熱することができるため、燃料電池スタック内の温度バラツキを低減させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】第１実施形態における燃料電池を示す概略斜視図。

【図2】同じく、図１のＡ−Ａ線断面図。

【図3】同じく、上側エンドプレート、ガス通路部材及びボルト等の構造を示す概略断面図。

【図4】同じく、上側エンドプレートのネジ穴、上側エンドプレートのガス流路及び絶縁スペーサの第２の貫通孔の位置関係を示す概略平面図。

【図5】第２実施形態における燃料電池を示す概略断面図。

【発明を実施するための形態】

【0028】

［第１実施形態］
以下、本発明を具体化した第１実施形態を図面に基づき詳細に説明する。

【0029】

図１，図２に示されるように、本実施形態の燃料電池１は、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）である。燃料電池１は、燃料電池スタック１０、エンドプレート１２，１３、ガス通路部材２１及びボルト４５（固定部材）を備えている。燃料電池スタック１０は、縦１８０ｍｍ×横１８０ｍｍ×高さ８０ｍｍの略直方体状をなし、発電反応により電力を発生するようになっている。また、燃料電池スタック１０の外周部には、内径１４ｍｍの８個の貫通孔４０が、燃料電池スタック１０の厚さ方向に沿って燃料電池スタック１０を貫通するように設けられている。なお、燃料電池スタック１０の四隅にある４つの貫通孔４０にボルト４１を挿通させ、燃料電池スタック１０の下方に突出するボルト４１の下端部分にナット（図示略）を螺着させる。また、残り４つの貫通孔４０にボルト４４を挿通させ、燃料電池スタック１０の上方及び下方に突出するボルト４４の両端部分にナット４２を螺着させる。その結果、燃料電池スタック１０及びエンドプレート１２，１３が固定されるようになっている。

【0030】

図１，図２に示されるように、燃料電池スタック１０は、発電の最小単位である略矩形板状の燃料電池セル１１を複数積層してなるものである。燃料電池セル１１は、空気極フレーム５２、上側絶縁フレーム５３、セパレータ５４、空気極層５５（電極層）、固体電解質層５６（固体酸化物層）、燃料極層５７（電極層）、下側絶縁フレーム５８及び燃料極フレーム５９を順番に積層することによって構成されている。また、燃料電池セル１１の上端部及び下端部には、コネクタプレート５１，６０が配置されている。

【0031】

コネクタプレート５１，６０は、耐熱性及び導電性に優れたステンレスなどの金属材料によって略矩形板状に形成されている。コネクタプレート５１，６０は、燃料電池セル１１内にガスの流路を形成するとともに、隣接する燃料電池セル１１同士を導通させるようになっている。詳述すると、コネクタプレート５１は空気極層５５の表面に対向して配置され、コネクタプレート６０は燃料極層５７の表面に対向して配置されている。そして、隣接する燃料電池セル１１同士の間に位置するコネクタプレート５１，６０は、いわゆるインターコネクタとなり、隣接する燃料電池セル１１同士を区画するようになっている。なお、本実施形態のコネクタプレート６０は、下側に隣接する燃料電池セル１１のコネクタプレート５１を兼ねている。また、燃料電池スタック１０の積層方向における上端にさらに配置されたコネクタプレート、具体的には、最上層の燃料電池セル１１を構成するコネクタプレート５１よりも上方に配置されたコネクタプレート６１は、上側エンドプレート１２となっている。一方、燃料電池スタック１０の積層方向における下端にさらに配置されたコネクタプレート、具体的には、最下層の燃料電池セル１１を構成するコネクタプレート６０は、下側エンドプレート１３となっている。両エンドプレート１２，１３は、燃料電池スタック１０を挟持しており、燃料電池スタック１０から出力される電流の出力端子となっている。なお、エンドプレート１２，１３となるコネクタプレート６０，６１は、インターコネクタとなるコネクタプレート５１，６０よりも肉厚になっている。

【0032】

図２に示される空気極フレーム５２及び燃料極フレーム５９は、ステンレスなどの導電性材料によって形成されている。また、絶縁フレーム５３，５８は、厚さ０．５ｍｍのマイカシートによって形成されている。空気極フレーム５２は、同空気極フレーム５２を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部を中央部に有する枠状をなし、燃料極フレーム５９は、同燃料極フレーム５９を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部を中央部に有する枠状をなしている。また、上側絶縁フレーム５３は、同上側絶縁フレーム５３を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部を中央部に有する枠状をなし、下側絶縁フレーム５８は、同下側絶縁フレーム５８を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部を中央部に有する枠状をなしている。さらに、セパレータ５４は、ステンレスなどの導電性材料によって略矩形枠状に形成されている。よって、セパレータ５４の中央部には、同セパレータ５４を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部が設けられている。

【0033】

図２に示されるように、固体電解質層５６は、例えばイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）などのセラミック材料によって形成され、厚さ０．０１ｍｍの矩形板状をなしている。固体電解質層５６は、セパレータ５４の下面に固定されるとともに、セパレータ５４の開口部を塞ぐように配置されている。固体電解質層５６は、酸素イオン伝導性固体電解質体として機能するようになっている。また、固体電解質層５６の上面には、燃料電池スタック１０に供給された空気（発電用ガス）に接する空気極層５５が貼付され、固体電解質層５６の下面には、同じく燃料電池スタック１０に供給された燃料ガス（発電用ガス）に接する燃料極層５７が貼付されている。即ち、空気極層５５及び燃料極層５７は、固体電解質層５６の両側に配置されている。また、空気極層５５は、セパレータ５４の開口部内に配置され、セパレータ５４と接触しないようになっている。なお、空気極層５５は、金属の複合酸化物によって矩形板状に形成され、燃料極層５７は、金属材料とセラミック材料との混合物（本実施形態ではサーメット）によって同じく矩形板状に形成されている。

【0034】

図２に示されるように、本実施形態の燃料電池セル１１では、下側絶縁フレーム５８の開口部、燃料極フレーム５９の開口部、及びコネクタプレート６０等により、セパレータ５４の下方に燃料室Ｓ１が形成されるようになっている。なお、燃料室Ｓ１内には、固体電解質層５６、燃料極層５７及び燃料極集電体６７が収容されている。燃料極集電体６７は、コネクタプレート６０に電気的に接続されるとともに、コネクタプレート６０と燃料極層５７との間に配置され、燃料極層５７の表面に接触可能な金属集電体である。

【0035】

また、本実施形態の燃料電池セル１１では、コネクタプレート５１、空気極フレーム５２の開口部、及び、上側絶縁フレーム５３の開口部等により、セパレータ５４の上方に空気室Ｓ２が形成されるようになっている。そして、空気極層５５及びコネクタプレート５１は、空気極集電体６６によって電気的に接続されている。空気極集電体６６は、コネクタプレート５１に電気的に接続されるとともに、コネクタプレート５１と空気極層５５との間に配置され、空気極層５５の表面に接触可能な金属集電体である。よって、絶縁フレーム５３，５８は、各燃料電池セル１１内に配置して積層されるとともに、燃料室Ｓ１と空気室Ｓ２とのシール部材を兼ねている。

【0036】

また、図２に示されるように、燃料電池スタック１０は、各燃料電池セル１１の燃料室Ｓ１に燃料ガスを供給するための発電用ガス流路である燃料供給流路７０と、燃料室Ｓ１から燃料ガスを排出するための発電用ガス流路である燃料排出流路８０とを備えている。燃料供給流路７０は、貫通孔４０である断面円形状の燃料供給孔７１と、燃料供給孔７１と燃料室Ｓ１とを連通させる燃料供給横孔７２とによって形成されている。また、燃料排出流路８０は、同じく貫通孔４０である断面円形状の燃料排出孔８１と、燃料排出孔８１と燃料室Ｓ１とを連通させる燃料排出横孔８２とによって形成されている。よって、燃料ガスは、燃料供給孔７１及び燃料供給横孔７２を順番に通過して燃料室Ｓ１に供給され、燃料排出横孔８２及び燃料排出孔８１を順番に通過して燃料室Ｓ１から排出される。

【0037】

さらに、燃料電池スタック１０は、各燃料電池セル１１の空気室Ｓ２に空気を供給するための発電用ガス流路である空気供給流路（図示略）と、空気室Ｓ２から空気を排出するための発電用ガス流路である空気排出流路（図示略）とを備えている。空気供給流路は、燃料供給流路７０と略同様の構造を有しており、貫通孔４０である断面円形状の空気供給孔（図示略）と、空気供給孔と空気室Ｓ２とを連通させる空気供給横孔（図示略）とによって形成されている。また、空気排出流路は、燃料排出流路８０と略同様の構造を有しており、貫通孔４０である断面円形状の空気排出孔（図示略）と、空気排出孔と空気室Ｓ２とを連通させる空気排出横孔（図示略）とによって形成されている。よって、空気は、空気供給孔及び空気供給横孔を順番に通過して空気室Ｓ２に供給され、空気排出横孔及び空気排出孔を順番に通過して空気室Ｓ２から排出される。

【0038】

例えば、燃料電池１を稼働温度に加熱した状態で、燃料供給流路７０から燃料室Ｓ１に燃料ガスを導入するとともに、空気供給流路から空気室Ｓ２に空気を導入する。その結果、燃料ガス中の水素と空気中の酸素とが固体電解質層５６を介して反応（発電反応）し、空気極層５５を正極、燃料極層５７を負極とする直流の電力が発生する。なお、本実施形態の燃料電池スタック１０は、燃料電池セル１１を複数積層して直列に接続しているため、空気極層５５に電気的に接続される上側エンドプレート１２が正極となり、燃料極層５７に電気的に接続される下側エンドプレート１３が負極となる。

【0039】

また、図２，図３に示されるように、燃料電池スタック１０の上端部に位置するコネクタプレート５１（即ち、最上層の燃料電池セル１１を構成するコネクタプレート５１）と上側エンドプレート１２との間には、枠体部６２が設けられている。枠体部６２は、コネクタプレート５１及び上側エンドプレート１２とともに、ガス（本実施形態では空気）が流れる内部空間Ｓ３を包囲して区画するようになっている。なお、枠体部６２は、ステンレスなどの導電性材料によって形成されている。枠体部６２は、同枠体部６２を厚さ方向に貫通する矩形状の開口部を中央部に有する枠状をなしている。また、コネクタプレート５１は、内部空間Ｓ３を流れる空気の圧力により、空気極層５５側に変形可能に構成されている。

【0040】

図１〜図４に示されるように、上側エンドプレート１２は、縦１８０ｍｍ×横１８０ｍｍ×高さ１０ｍｍの略矩形板状をなしている。上側エンドプレート１２には、同上側エンドプレート１２の端面１５の中央部にて開口するスペーサ収容部１６が設けられている。スペーサ収容部１６は、内径２４ｍｍ×深さ０．５ｍｍの断面円形状をなしている。

【0041】

また、上側エンドプレート１２の中央部には、スペーサ収容部１６の底面にて開口するとともに燃料電池スタック１０内の内部空間Ｓ３に連通するネジ穴１７（穴部）が厚さ方向に沿って貫通形成されている。本実施形態のネジ穴１７は、断面円形状をなし、内径が１０ｍｍに設定されている。

【0042】

さらに、上側エンドプレート１２の中央部には、スペーサ収容部１６の底面にて開口するとともに内部空間Ｓ３に連通するガス流路１８が厚さ方向に沿って貫通形成されている。本実施形態のガス流路１８は、上側エンドプレート１２において３箇所に設けられている。また、各ガス流路１８の開口部は、燃料電池セル１１の積層方向から見てネジ穴１７よりも外側に配置されている。詳述すると、各ガス流路１８は、ネジ穴１７の中心軸Ｃ１と同心状に設定された仮想円Ｃ２（図４参照）上において、ネジ穴１７を包囲するように配置されている。また、各ガス流路１８は、中心軸Ｃ１を基準として等角度（１２０°）間隔に配置されている。なお、本実施形態のガス流路１８は、断面円形状をなし、内径ｄが３．０ｍｍに設定されている。また、ガス流路１８は、上側エンドプレート１２の端面１５に対して垂直に配置され、かつ、ネジ穴１７と平行に配置されている。なお、ガス流路１８の内壁面とネジ穴１７の内壁面との間隔Ａ（最短距離）は、１．０ｍｍ以上（本実施形態では１．０ｍｍ）に設定されている。即ち、間隔Ａ及び内径ｄは、１．０ｄ＞Ａ＞０．３ｄの関係を有している。

【0043】

図２，図３に示されるように、ガス通路部材２１は、燃料電池セル１１の積層方向に沿ってさらに上側エンドプレート１２の端面１５上に設置されている。ガス通路部材２１は、例えばＳＵＳ３０４等の金属材料によって形成され、本体部２２と、同本体部２２から径方向外側に延びる分岐管２３とを備えている。本体部２２は外径２４ｍｍの略円筒状をなし、分岐管２３は外径１２．７ｍｍの円筒状をなしている。また、ガス通路部材２１には、上側エンドプレート１２のガス流路１８を介して内部空間Ｓ３に連通するガス通路２４が形成されている。ガス通路２４には、外部から燃料電池スタック１０内に導入されるガス（本実施形態では空気）が流れるようになっている。なお、ガス通路２４は、本体部２２を燃料電池セル１１の積層方向と同一方向に貫通し、ガス流路１８に連通する断面円形状の第１の貫通孔２５と、分岐管２３を積層方向とは直交する方向に貫通し、第１の貫通孔２５に連通する断面円形状の分岐孔２６とによって構成されている。第１の貫通孔２５は、燃料電池セル１１の積層方向から見て、各ガス流路１８の開口部と重なり合うように配置されている。なお、本実施形態において、第１の貫通孔２５の内径は１４ｍｍに設定されている。また、分岐孔２６の内径は、第１の貫通孔２５の内径よりも小さくなっており、本実施形態では１０ｍｍに設定されている。

【0044】

また、図２〜図４に示されるように、上側エンドプレート１２とガス通路部材２１との間には絶縁スペーサ３１が配置されている。絶縁スペーサ３１は、上側エンドプレート１２側のスペーサ収容部１６に収容されるようになっている。絶縁スペーサ３１は、マイカシートによって形成されており、外径２４ｍｍ×内径１８ｍｍ×厚さ２ｍｍの円環状をなしている。即ち、絶縁スペーサ３１の外径は、スペーサ収容部１６の内径及び本体部２２の外径と同一に設定されている。また、絶縁スペーサ３１の厚さは、スペーサ収容部１６の深さ（０．５ｍｍ）よりも大きく設定されている。よって、絶縁スペーサ３１は、上側エンドプレート１２の端面１５から突出するようになる。そして、絶縁スペーサ３１は、下端面３２がスペーサ収容部１６の底面に接触し、上端面３３がガス通路部材２１の下端面に接触するようになっている。つまり、絶縁スペーサ３１は、上側エンドプレート１２とガス通路部材２１とを離間させることにより、両者を電気的に絶縁する機能を有している。また、絶縁スペーサ３１の外周面３４は、スペーサ収容部１６の内壁面に接触するようになっている。

【0045】

図３，図４に示されるように、絶縁スペーサ３１は、同絶縁スペーサ３１を厚さ方向に貫通する断面円形状の第２の貫通孔３５を有している。そして、燃料電池セル１１の積層方向から見たときに、第２の貫通孔３５よりも内側には、ネジ穴１７の端面１５側開口及びガス流路１８の端面１５側開口（開口部）が配置されるようになっている。即ち、第２の貫通孔３５は、ガス通路部材２１側の第１の貫通孔２５と上側エンドプレート１２側のガス流路１８とを連通させる機能を有している。また、第２の貫通孔３５の内壁面とガス流路１８の内壁面との間隔Ｂ（最短距離）は０．５ｍｍ以上（本実施形態では０．５ｍｍ）に設定され、第２の貫通孔３５の内壁面とネジ穴１７の内壁面との間隔（最短距離）は４．５ｍｍに設定されている。なお、第２の貫通孔３５は、ネジ穴１７と同一軸線上に配置される一方、ガス流路１８とは同一軸線上に配置されないようになっている。

【0046】

図２，図３に示されるように、ボルト４５は、棒状をなし、第１の貫通孔２５及び第２の貫通孔３５を挿通するとともに、先端部（下端部）がネジ穴１７に螺着されるようになっている。よって、ボルト４５の外径は、ネジ穴１７の内径と等しくなっており、本実施形態では１０ｍｍに設定されている。また、ボルト４５の長さは、燃料電池スタック１０に到達しない長さに設定されており、本実施形態では５０ｍｍに設定されている。即ち、ボルト４５の先端面（下端面）は、ネジ穴１７の中間地点に位置しており、上側エンドプレート１２の裏面側開口に到達しないようになっている。よって、ボルト４５の先端面、及び、燃料電池スタック１０の上端面（具体的には、最上層の燃料電池セル１１を構成するコネクタプレート５１の上端面）は、互いに離間している。そして、ガス通路部材２１の上端面からのボルト４５の突出部分には、ナット４６（固定部材）が螺着されている。なお、ガス通路部材２１、ボルト４５、ネジ穴１７及びガス流路１８は、燃料電池セル１１の積層方向から見て、燃料電池セル１１の燃料極層５７の周縁で規定される領域内に配置されている（図２参照）。

【0047】

また、ガス通路部材２１とナット４６との間には、両者を互いに電気的に絶縁するための絶縁スペーサ４３が配置されている。絶縁スペーサ４３は、本体部２２の第１の貫通孔２５の上端側開口部に形成された凹部２９内に収容されている。絶縁スペーサ４３は、マイカシートによって形成されており、外径１６ｍｍ×内径１０ｍｍ×厚さ１ｍｍの円環状をなしている。即ち、絶縁スペーサ４３の内径はボルト４５の外径と同一に設定されている。つまり、絶縁スペーサ４３は、同絶縁スペーサ４３を挿通するボルト４５の外周面に接触することにより、ボルト４５を位置決めする機能も有している。

【0048】

よって、燃料電池１を稼働温度に加熱した状態で、ガス通路部材２１から内部空間Ｓ３に圧力調整用のガス（空気）を供給すると、空気は、ガス通路部材２１の分岐孔２６から第１の貫通孔２５に導入された後、絶縁スペーサ３１の第２の貫通孔３５及び上側エンドプレート１２のガス流路１８を通過して内部空間Ｓ３に供給される。そして、内部空間Ｓ３内に多くの空気が充填されると、最上層の燃料電池セル１１を構成するコネクタプレート５１は、内部空間Ｓ３内の空気の圧力によって空気極集電体６６側及び空気極層５５側に膨らむように変形する。その結果、空気極集電体６６が下方に移動し、空気極集電体６６と空気極層５５との接触圧が上昇する。この場合、燃料電池スタック１０内での電気抵抗の低減が可能となる。

【0049】

次に、燃料電池１の製造方法を説明する。

【0050】

まず、ステンレス板を打ち抜くことにより、コネクタプレート５１，６０，６１、空気極フレーム５２、セパレータ５４、燃料極フレーム５９及び枠体部６２を形成する。また、マイカシートを所定形状に形成することにより、絶縁フレーム５３，５８を形成する。具体的には、市販のマイカシート（マイカと成形用樹脂との複合体からなるシート）を他の部材（コネクタプレート５１，６０，６１、空気極フレーム５２、セパレータ５４、燃料極フレーム５９及び枠体部６２など）とほぼ同じ形状に形成する。なお、マイカシートに含まれている樹脂成分は、他の部材とともに積層された後に行われる熱処理によって蒸発する。さらに、マイカシートは、各燃料電池セル１１を積層方向にボルト締めした際に他の部材に挟まれることによって、各部材をシールするようになっている。

【0051】

次に、燃料電池セル１１を、従来周知の手法に従って形成する。具体的には、燃料極層５７となるグリーンシート上に固体電解質層５６となるグリーンシートを積層し、焼成する。さらに、固体電解質層５６上に空気極層５５の形成材料を印刷した後、焼成する（この時点で、ＳＯＦＣの単セルが得られる）。なお、固体電解質層５６は、ロウ付けによってセパレータ５４に対して固定される。そして、コネクタプレート５１，６０、空気極フレーム５２、絶縁フレーム５３，５８、（ＳＯＦＣの単セルがロウ付けによって固定された）セパレータ５４及び燃料極フレーム５９などを積層して一体化する。その結果、燃料電池セル１１が形成される。

【0052】

次に、各燃料電池セル１１を積層して一体化することにより、燃料電池スタック１０を形成する。次に、燃料電池スタック１０の上端に枠体部６２及び上側エンドプレート１２を順番に積層するとともに、燃料電池スタック１０の下端に下側エンドプレート１３を積層する。さらに、上側エンドプレート１２の上端部に絶縁スペーサ３１及びガス通路部材２１を順番に積層する。そして、燃料電池スタック１０の四隅にある４つの貫通孔４０、及び、上側エンドプレート１２の四隅にある４つの上側ボルト孔（図示略）、及び、下側エンドプレート１３の四隅にある４つの下側ボルト孔（図示略）にボルト４１を挿通させ、下側エンドプレート１３の外表面（下面）から突出するボルト４１の下端部分にナット（図示略）を螺着させる。また、残り４つの貫通孔４０、上側エンドプレート１２にある４つの貫通孔４７（図２参照）、及び、下側エンドプレート１３にある４つの貫通孔４８（図２参照）にボルト４４を挿通させる。そして、上側エンドプレート１２の上面（端面１５）から突出するボルト４４の上端部分、及び、下側エンドプレート１３の下面から突出するボルト４４の下端部分にナット４２を螺着させる。その結果、燃料電池スタック１０及びエンドプレート１２，１３が積層方向に固定される。さらに、ガス通路部材２１にある第１の貫通孔２５にボルト４５を挿通させ、上側エンドプレート１２の中央部分にあるネジ穴１７にボルト４５の下端部分を螺着させる。そして、ガス通路部材２１の上端面から突出するボルト４５の上端部分にナット４６を螺着させる。その結果、上側エンドプレート１２及びガス通路部材２１が積層方向に固定され、燃料電池１が完成する。

【0053】

従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。

【0054】

（１）本実施形態の燃料電池１では、上側エンドプレート１２に対するガス通路部材２１の固定に用いられるボルト４５が、上側エンドプレート１２に固定されるものであり、燃料電池スタック１０及びエンドプレート１２，１３を積層方向に固定するボルト４１，４４とは別のものとなっている。よって、ボルト４５の位置を決定する際に、燃料電池スタック１０を構成する部材との兼ね合いを考慮しなくても済むため、ボルト４５の先端部が螺着されるネジ穴１７の位置や、ボルト４５が挿通される第１の貫通孔２５を有するガス通路部材２１の位置を決定する際においても、燃料電池スタック１０を構成する部材との兼ね合いを考慮しなくても済む。具体的に言うと、ボルト４５は、先端部がネジ穴１７に螺着されることによって燃料電池スタック１０に到達しなくなるため、燃料電池スタック１０の中央部に位置する部材（例えば、空気極層５５、固体電解質層５６、燃料極層５７など）と接触しないようにボルト４５を配置するなどの配慮が不要になる。しかも、ガス流路１８がネジ穴１７を兼ねる構造とはなっていないため、ガス流路１８の位置を決定する際に、ネジ穴１７に螺着されるボルト４５の位置を考慮しなくても済む。以上のことから、ガス通路部材２１、ボルト４５、ネジ穴１７及びガス流路１８の設計の自由度が大きくなり、ひいては、燃料電池１の設計の自由度が大きくなる。

【0055】

（２）本実施形態では、最上層の燃料電池セル１１を構成するコネクタプレート５１が、内部空間Ｓ３を流れる空気の圧力により、空気極層５５側に変形可能に構成されている。よって、内部空間Ｓ３内に多くの空気が充填されると、コネクタプレート５１は、内部空間Ｓ３内の空気の圧力によって空気極集電体６６側及び空気極層５５側に膨らむように変形する。その結果、燃料電池１の起動時には、コネクタプレート５１が空気極集電体６６を介して空気極層５５の表面に常時接触するようになるため、空気極層５５とコネクタプレート５１との導通を安定的に確保することができる。従って、燃料電池１を確実に機能させることが可能になるため、燃料電池１の信頼性を高くすることができる。しかも、本実施形態では、発電に用いられる空気とは別系統の空気を内部空間Ｓ３に供給しているため、内部空間Ｓ３内の空気の圧力を調整する際に、発電に用いられる空気の供給量を考慮しなくても済む。よって、内部空間Ｓ３内の空気の圧力の調整幅を広くすることができる。

【0056】

（３）ところで、上側エンドプレート１２にガス流路１８を設ける代わりに、ボルト４５内にガス流路を軸方向に沿って形成することが考えられる。しかし、この場合、ガス流路の内径ｄをボルト４５の外径よりも大きくすることは不可能であるため、ガス流路を流れるガスの流量が制限されやすくなるという問題がある。また、ボルト４５の一部を加工することによってボルト４５の軸力が低下するため、ボルト４５の先端部を上側エンドプレート１２に螺着させたとしても、ガス通路部材２１と上側エンドプレート１２とを強い力で固定できなくなる。その結果、ガス通路部材２１と上側エンドプレート１２とのシール性が低下するという問題がある。一方、本実施形態では、ボルト４５とは別の箇所にガス流路１８を設け、かつ、ガス流路１８を複数設けているため、上記の問題を解決することができる。

【0057】

（４）本実施形態では、上側エンドプレート１２とガス通路部材２１とが絶縁スペーサ３１によって互いに電気的に絶縁されるのに加えて、ガス通路部材２１とナット４６（及びボルト４５）とが絶縁スペーサ４３によって互いに電気的に絶縁されるようになっている。その結果、燃料電池スタック１０とガス通路部材２１との間のショートや漏電が防止できるのに加えて、ガス通路部材２１とナット４６（及びボルト４５）との間のショートや漏電も防止することができる。以上のことから、よりいっそう高い信頼性を有する燃料電池１を得ることができる。

【0058】

（５）本実施形態では、ガス通路部材２１とナット４６（及びボルト４５）とを絶縁する機能と、ガス通路部材２１とボルト４５とを位置決めする機能とを、１つの部品（絶縁スペーサ４３）に持たせている。つまり、絶縁機能を有する部品と位置決め機能を有する部品とを別々に準備しなくても済むため、燃料電池１の製造コストを低減させることができる。

【0059】

［第２実施形態］
以下、本発明を具体化した第２実施形態を図面に基づき説明する。ここでは、第１実施形態と相違する部分を中心に説明し、共通する部分については同じ部材番号を付す代わりに説明を省略する。

【0060】

本実施形態では、内部空間などの構造が上記第１実施形態とは異なっている。詳述すると、図５に示される燃料電池１０１では、内部空間Ｓ４が、発電用ガス流路である燃料排出流路１８０を形成する貫通孔１４０に連通している。

【0061】

この場合、燃料室Ｓ５に導入されて発電反応に用いられた燃料ガスは、燃料排出流路１８０を構成する燃料排出横孔１８２及び燃料排出孔１８１を順番に通過して、燃料室Ｓ５から燃料電池１０１の外部に排出される。そして、燃料排出孔１８１を通過する燃料ガスの一部が、燃料導入横孔１８３を通過して内部空間Ｓ４に供給される。即ち、内部空間Ｓ４には、燃料電池セル１１１から貫通孔１４０を介して排出される燃料ガスが流れるようになっている。そして、内部空間Ｓ４内に多くの燃料ガスが充填されると、内部空間Ｓ４内にある燃料ガスによって燃料電池スタック１１０を加熱することができる。その後、内部空間Ｓ４内の燃料ガスは、上側エンドプレート１１２のガス流路１１８及び絶縁スペーサ１３１の第２の貫通孔１３５を順番に通過してガス通路部材１２１の第１の貫通孔１２５に導入された後、ガス通路部材１２１の分岐孔１２６から燃料電池１０１の外部に排出される。

【0062】

従って、本実施形態によれば、内部空間Ｓ４内にある燃料ガスによって燃料電池スタック１１０を加熱することができるため、燃料電池スタック１１０内の温度バラツキを低減させることができる。また、内部空間Ｓ４内に供給される燃料ガスは、発電反応に用いられることによって発電反応前よりも高温になった燃料ガスであるため、燃料電池スタック１１０をより効果的に加熱することができる。

【0063】

なお、本実施形態を以下のように変更してもよい。

【0064】

上記第１実施形態では、空気がガス通路部材２１を介して内部空間Ｓ３に供給され、内部空間Ｓ３内の空気の圧力によってコネクタプレート５１が空気極層５５側に変形するようになっていた。しかし、空気の代わりに燃料ガスを内部空間Ｓ３に供給し、内部空間Ｓ３内の燃料ガスの圧力によってコネクタプレート５１を空気極層５５側に変形させるようにしてもよい。

【0065】

上記第２実施形態の内部空間Ｓ４は、燃料排出流路１８０を形成する貫通孔１４０に連通し、燃料電池セル１１１から貫通孔１４０を介して排出される燃料ガスが流れるものであった。しかし、内部空間Ｓ４は、燃料供給経路７０を形成する貫通孔１４０に連通し、貫通孔１４０を介して燃料電池セル１１１内に供給される燃料ガスが流れるものであってもよい。この場合、燃料ガスは、ガス通路部材１２１の分岐孔１２６を介して第１の貫通孔１２５に導入された後、絶縁スペーサ１３１の第２の貫通孔１３５及び上側エンドプレート１１２のガス流路１１８を順番に通過して内部空間Ｓ４に供給される。そして、内部空間Ｓ４内に多くの燃料ガスが充填されると、内部空間Ｓ４内にある燃料ガスによって燃料電池スタック１１０が加熱されるようになる。なお、内部空間Ｓ４内の燃料ガスの一部は、燃料供給経路７０を形成する燃料供給孔７１（貫通孔１４０）に導かれた後、燃料供給孔７１及び燃料供給横孔７２を順番に通過して燃料室Ｓ５に導入され、発電に用いられる。

【0066】

上記実施形態では、上側エンドプレート１２，１１２のスペーサ収容部１６に絶縁スペーサ３１を収容し、絶縁スペーサ３１の外周面３４をスペーサ収容部１６の内壁面に接触させることにより、絶縁スペーサ３１を上側エンドプレート１２，１１２に対して位置決めしていた。しかし、絶縁スペーサ３１の位置決め構造を変更してもよい。例えば、上側エンドプレート１２，１１２の端面１５に断面円形状の段差部を突設し、絶縁スペーサ３１の第２の貫通孔３５の内周面を段差部の外周面に接触させることにより、絶縁スペーサ３１を上側エンドプレート１２，１１２に対して位置決めするようにしてもよい。この場合、段差部の先端面（上端面）に、ネジ穴１７の端面１５側開口及びガス流路１８，１１８の外表面１５側開口が位置するようになる。

【0067】

上記実施形態では、ガス通路部材２１，１２１の第１の貫通孔２５，１２５を挿通したボルト４５の下端部分を上側エンドプレート１２，１１２のネジ穴１７に螺着させるとともに、ガス通路部材２１，１２１の上端面から突出するボルト４５の上端部分にナット４６を螺着させることにより、上側エンドプレート１２，１１２に対して絶縁スペーサ３１及びガス通路部材２１，１２１を積層方向に固定していた。しかし、ガス通路部材２１，１２１の上端面側から第１の貫通孔２５，１２５に対して頭部を有するボルトを挿通させ、ガス通路部材２１，１２１の下端面から突出するボルトの下端部分をネジ穴１７に螺着させるようにしてもよい。このようにすれば、ボルトの上端部分に螺着させるナットが不要になるため、燃料電池の製造コストを低減させることができる。

【0068】

上記実施形態の絶縁スペーサ３１は、断面円形状の第２の貫通孔３５を有し、全体として円環状をなしていた（図４参照）。しかし、絶縁スペーサ３１の形状は適宜変更されていてもよい。例えば、断面円形状の貫通孔を有し、全体として略矩形状をなす絶縁スペーサであってもよい。

【0069】

上記実施形態では、上側エンドプレート１２，１１２の端面１５上にガス通路部材２１，１２１が設置されていたが、下側エンドプレート１３の端面（下端面）上にガス通路部材２１を設置するようにしてもよい。また、上側エンドプレート１２の端面１５上及び下側エンドプレート１３の端面上の両方に、ガス通路部材２１を設置するようにしてもよい。

【0070】

上記実施形態では、上側エンドプレート１２，１１２と最上層の燃料電池セル１１との間のみに内部空間Ｓ３，Ｓ４が区画されていた。しかし、コネクタプレート６０と中間層の燃料電池セル１１との間や、下側エンドプレート１３と最下層の燃料電池セル１１との間にも、内部空間が区画されていてもよい。即ち、内部空間は複数設けられていてもよい。

【符号の説明】

【0071】

１，１０１…燃料電池
１０，１１０…燃料電池スタック
１１，１１１…燃料電池セル
１２，１１２…エンドプレートとしての上側エンドプレート
１３…エンドプレートとしての下側エンドプレート
１５…エンドプレートの端面
１７…穴部としてのネジ穴
１８，１１８…ガス流路
２１，１２１…ガス通路部材
２４…ガス通路
２５，１２５…第１の貫通孔
３１，１３１…絶縁スペーサ
３５，１３５…第２の貫通孔
４５…固定部材としてのボルト
５１，６０…コネクタプレート
５５…電極層としての空気極層
５６…電解質層としての固体電解質層
５７…電極層としての燃料極層
６２…枠体部
Ｓ３…内部空間

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】