JP2006179283A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】システム全体のコンパクト化及び簡素化を図るとともに、熱容量を良好に低減することを可能にする。
【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２と、前記燃料電池スタック１２の一方の側に配置される熱交換器１４及び改質器１６を含む流体部１９と、前記燃料電池スタック１２の他方の側に配置される荷重付与機構２１とを備える。荷重付与機構２１は、燃料電池スタック１２の所望の部位に対しそれぞれ異なる荷重を積層方向に付与することができる第１及び第２締め付け部１１２ａ、１１２ｂを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタック、熱交換器、改質器及び荷重付与機構が筐体に収容される燃料電池システムに関する。

通常、固体電解質型燃料電池（ＳＯＦＣ）は、電解質に酸化物イオン導電体、例えば、安定化ジルコニアを用いており、この電解質の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質・電極接合体（単セル）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。この燃料電池は、通常、単セルとセパレータとが所定数だけ積層された燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池において、カソード電極に酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されると、前記カソード電極と電解質との界面でこの酸化剤ガス中の酸素がイオン化され、酸化物イオン（Ｏ^2-）が電解質を通ってアノード電極側に移動する。アノード電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）やＣＯが供給されているために、このアノード電極において、酸化物イオン及び水素（又はＣＯ）が反応して水（又はＣＯ₂）が生成される。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。

この種の燃料電池として、例えば、特許文献１には、電池の高性能化及び長寿命化を図るため、電池締め付け面圧を均等に適切な値に設定可能な燃料電池が提案されている。この特許文献１の燃料電池は、図１３に示すように、複数個、例えば、３個に分割された小スタック１を備えており、前記小スタック１が電池容器２内に収容されている。

各小スタック１は、積層電池１ａの両側に電池締め付け板１ｂが配設されるとともに、上下２枚の前記電池締め付け板１ｂには、４本の締め付けボルト１ｃが挿入されている。各締め付けボルト１ｃには、締め付けばね１ｄを介装して締め付けナット１ｅが螺合しており、これによって、小スタック１が形成されている。さらに、各小スタック１は、３枚の小スタック支持板３により支持されるとともに、前記小スタック支持板３には、４本の支持ボルト４が挿入されており、前記支持ボルト４の両端には、支持ナット５が螺合している。

特公平６−２４１３７号公報（図１）

しかしながら、上記の特許文献１では、各小スタック１を構成する積層電池１ａの側部外方に４本の電池締め付けボルト１ｃが配設されており、前記小スタック１が積層方向に交差する幅方向に大型化してしまう。

しかも、３個の小スタック１を支持するために、小スタック支持板３及び４本の支持ボルト４が設けられている。従って、燃料電池スタック全体の占有スペースが相当に増大するとともに、この燃料電池スタックを収容する電池容器２も大型化してしまう。これにより、燃料電池スタックのスペース効率が低下するとともに、熱容量が増加するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、システム全体のコンパクト化及び簡素化を図るとともに、熱容量を良好に低減することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池システムは、電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの一方の側に配置され、酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、前記燃料電池スタックの一方の側に配置され、燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記燃料電池スタックの他方の側に配置され、前記燃料電池スタックに積層方向に締め付け荷重を付与する荷重付与機構と、前記燃料電池スタック、前記熱交換器、前記改質器及び前記荷重付与機構を収容する筐体とを備えている。

そして、荷重付与機構は、燃料電池スタックの所定のシール部位に対し積層方向に荷重を付与する第１締め付け部と、電解質・電極接合体に対し、前記積層方向に前記第１締め付け部の荷重よりも小さな荷重を付与する第２締め付け部とを設けている。

また、荷重付与機構は、燃料電池スタックの一方の側から伝熱されることを阻止するための遮熱部を設けることが好ましく、さらに、前記遮熱部は、前記燃料電池スタックの他方の側と前記荷重付与機構との間に配置されるとともに、筐体に保持される板状体を備えることが好ましい。

さらにまた、第１締め付け部は、燃料電池スタックの一方の側に配置されるエンドプレートを介して積層方向の荷重を保持することが好ましい。また、燃料電池スタックは、積層方向に延在してアノード電極に燃料ガスを供給するための燃料ガス供給部を設け、第１締め付け部は、前記燃料ガス供給部のシール部位に前記積層方向に締め付け荷重を付与することが好ましい。

さらに、第１締め付け部は、燃料電池スタックの一方の側に配置されるエンドプレートに螺合する第１ボルトと、前記第１ボルトに係合して燃料電池スタックの所定のシール部位に対し積層方向に荷重を付与する第１プレート部材とを備える一方、第２締め付け部は、前記エンドプレートに螺合する第２ボルトと、前記第２ボルトに係合する第２プレート部材と、前記第２プレート部材と前記燃料電池スタックとの間に介装され、電解質・電極接合体に対し前記積層方向に荷重を付与するばね部材とを備えることが好ましい。

本発明によれば、燃料電池スタックの一方の側に、熱交換器及び改質器が配設されるとともに、前記燃料電池スタックの他方の側に、荷重付与機構が配設されるため、前記荷重付与機構が高温の排ガスや空気に曝されることを阻止することができる。これにより、簡単な構成で、荷重付与機構の耐久性を良好に向上させることが可能になる。

しかも、それぞれ異なる荷重を付与することができる第１及び第２締め付け部をセパレータの中央部に設けることにより、荷重付与機構全体の小型化が図られ、システム全体を容易にコンパクト化することが可能になる。さらに、燃料電池スタック、熱交換器及び改質器を狭小なスペースに収容することができ、熱容量を良好に低減することが可能になり、熱損失が削減される。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０の一部断面説明図であり、図２は、前記燃料電池システム１０を構成する燃料電池１１が矢印Ａ方向に複数積層された燃料電池スタック１２の概略斜視説明図である。

燃料電池システム１０は、設置用の他、車載用等の種々の用途に用いられている。燃料電池システム１０は、図１に示すように、燃料電池スタック１２と、酸化剤ガスを前記燃料電池スタック１２に供給する前に加熱する熱交換器１４と、燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器１６と、前記燃料電池スタック１２、前記熱交換器１４及び前記改質器１６を収容する筐体１８とを備える。

筐体１８内では、燃料電池スタック１２の一方の側に、少なくとも熱交換器１４及び改質器１６を含む流体部１９が配置されるとともに、前記燃料電池スタック１２の他方の側に、燃料電池１１の積層方向（矢印Ａ方向）に締め付け荷重を付与する荷重付与機構２１が配設される。流体部１９及び荷重付与機構２１は、燃料電池スタック１２の中心軸に対して軸対称に配設される。

燃料電池１１は、固体電解質型燃料電池であり、この燃料電池１１は、図３及び図４に示すように、例えば、安定化ジルコニア等の酸化物イオン導電体で構成される電解質（電解質板）２０の両面に、カソード電極２２及びアノード電極２４が設けられた電解質・電極接合体２６を備える。電解質・電極接合体２６は、円板状に形成されるとともに、内側周端部には、酸化剤ガスの進入を阻止するためにバリアー層（図示せず）が設けられている。

燃料電池１１は、一対のセパレータ２８間に複数、例えば、８個の電解質・電極接合体２６を挟んで構成される。セパレータ２８間には、このセパレータ２８の中心部である燃料ガス供給連通孔３０と同心円上に８個の電解質・電極接合体２６が配列される。

セパレータ２８は、図３に示すように、例えば、ステンレス合金等の板金で構成される１枚の金属プレートやカーボンプレート等で構成される。セパレータ２８は、中央部に燃料ガス供給連通孔３０を形成する第１小径端部３２を有する。この第１小径端部３２から外方に等角度間隔ずつ離間して放射状に延在する複数の第１橋架部３４を介して比較的大径な円板部３６が一体的に設けられる。円板部３６は、電解質・電極接合体２６と略同一寸法に設定されている。図３、図５及び図６に示すように、隣り合う円板部３６は、スリット３８を介して互いに分離される。

各円板部３６のアノード電極２４に接触する面３６ａには、前記アノード電極２４の電極面に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス通路４６を形成する第１突起部４８が設けられる（図５参照）。各円板部３６のカソード電極２２に接触する面３６ｂには、前記カソード電極２２の電極面に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス通路５０を形成する第２突起部５２が設けられる（図６参照）。図７に示すように、第１突起部４８と第２突起部５２は、互いに相反する方向に延在するように突出している。

第１突起部４８は、リング状突起を構成するとともに、第２突起部５２は、山状突起を構成する。山状突起である第２突起部５２は、リング状突起である第１突起部４８に囲繞されるように配置されている。第２突起部５２が突出した面には、第１突起部４８が突出することに対応して陥没した凹部５３が形成されており、前記第２突起部５２は、前記凹部５３内に配置されている。

図８及び図９に示すように、第１及び第２突起部４８、５２は、複数形成されており、前記第１突起部４８の高さＨ１と、前記第２突起部５２の高さＨ２とは、Ｈ１＜Ｈ２の関係に設定される。酸化剤ガス通路５０の容積を燃料ガス通路４６の容積よりも大きくするためである。

なお、第１突起部４８を山状突起で構成する一方、第２突起部５２をリング状突起で構成してもよい。その際、リング状突起の高さを山状突起の高さよりも大きく設定することが好ましい。

図３〜図６に示すように、円板部３６には、燃料ガス通路４６に燃料ガスを供給するための燃料ガス導入口５４が形成される。燃料ガス導入口５４の位置は、燃料ガスが均一に分布するように決められ、例えば、円板部３６の略中心に対応して設定される。

セパレータ２８のカソード電極２２に対向する面には、通路部材５６が、例えば、ろう付けやレーザ溶接等により固着される。通路部材５６は、図３及び図１０に示すように、中央部に燃料ガス供給連通孔３０を形成する第２小径端部５８を備える。この第２小径端部５８から放射状に８本の第２橋架部６０が延在するとともに、各第２橋架部６０は、セパレータ２８の第１橋架部３４から円板部３６の燃料ガス導入口５４まで固着される。

通路部材５６の接合面において、第２小径端部５８には、燃料ガス供給連通孔３０に連通して複数のスリット６２が放射状に形成される。このスリット６２には、第２小径端部５８を周回してろう材の流れを防止し、且つ、燃料ガスの流れを均一にするための凹部６４が連通する。第１及び第２橋架部３４、６０間には、燃料ガス供給連通孔３０からスリット６２及び凹部６４を介して燃料ガス通路４６に連通する燃料ガス供給通路６６が形成される。

図８及び図９に示すように、酸化剤ガス通路５０は、電解質・電極接合体２６の内側周端部と円板部３６の内側周端部との間から矢印Ａ方向に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部６７に連通する。この酸化剤ガス供給部６７は、各円板部３６の内方と第１橋架部３４との間に位置して積層方向に延在している。

各セパレータ２８間には、図８に示すように、燃料ガス供給連通孔３０をシールするための絶縁シール６９が設けられる。絶縁シール６９は、例えば、マイカ材やセラミック材で形成されている。燃料電池１１には、円板部３６の外方に位置して排ガス通路６８が形成される。

図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１２は、複数の燃料電池１１の積層方向両端にエンドプレート７０ａ、７０ｂを配置する。エンドプレート７０ａは、略円板状を有しており、外周部に軸線方向に突出してリング状部７２が設けられる。このリング状部７２の外周部には、周回溝部７４が形成される。リング状部７２の中心部に対応して、円柱状凸部７６がこのリング状部７２と同一方向に膨出形成され、前記凸部７６の中央部に孔部７８が形成される。

エンドプレート７０ａには、凸部７６を中心にして同一仮想円周上に孔部８０とねじ孔８２とが、交互に且つ所定の角度間隔ずつ離間して設けられる。図１１に示すように、孔部８０及びねじ孔８２は、第１及び第２橋架部３４、６０同士の間に形成される各酸化剤ガス供給部６７に対応して設けられる。図１に示すように、エンドプレート７０ｂは、エンドプレート７０ａよりも大径に構成されるとともに、導電性の薄板で形成される。

筐体１８は、荷重付与機構２１を収容する第１筐体部８６ａと、燃料電池スタック１２を収容する第２筐体部８６ｂとを備える。第１及び第２筐体部８６ａ、８６ｂ間は、エンドプレート７０ｂ及び前記エンドプレート７０ｂの第２筐体部８６ｂ側に絶縁材を介装してねじ８８及びナット９０により締め付けられる。エンドプレート７０ｂは、流体部１９から荷重付与機構２１に高温な排ガスや空気が流入することを阻止する遮熱部を構成する。

第２筐体部８６ｂには、リング状壁板９２の一端部が接合されるとともに、前記壁板９２の他端部には、ヘッド板９４が固着される。流体部１９は、燃料電池スタック１２の中心軸に対して軸対称に配設される。具体的には、略リング状の熱交換器１４の内側に、略円筒状の改質器１６が同軸的に配設される。熱交換器１４及び改質器１６が固定される壁板９６は、エンドプレート７０ａの周回溝部７４に固定され、前記エンドプレート７０ａと前記壁板９６との間にチャンバ９８が形成される。

改質器１６には、燃料ガス供給管１００と改質ガス供給管１０２とが設けられる。燃料ガス供給管１００は、ヘッド板９４を介して外部に延在する一方、改質ガス供給管１０２は、エンドプレート７０ａの孔部７８に嵌挿されて燃料ガス供給連通孔３０に連通する。

ヘッド板９４には、空気供給管１０４と排ガス管１０６とが接続される。筐体１８内には、空気供給管１０４から熱交換器１４を介してチャンバ９８に至る通路１０８と、燃料電池スタック１２の排ガス通路６８から熱交換器１４を介して排ガス管１０６に至る通路１１０とが設けられる。

荷重付与機構２１は、燃料ガス供給連通孔３０の近傍に対して第１締め付け荷重Ｔ１を付与する第１締め付け部１１２ａと、電解質・電極接合体２６に対して前記第１締め付け荷重Ｔ１よりも小さな第２締め付け荷重Ｔ２を付与する第２締め付け部１１２ｂとを備える（Ｔ１＞Ｔ２）。

第１締め付け部１１２ａは、図１、図２及び図１２に示すように、エンドプレート７０ａの一方の対角位置に設けられるねじ孔８２、８２に螺合する短尺な第１締め付けボルト（第１ボルト）１１４ａ、１１４ａを備える。第１締め付けボルト１１４ａ、１１４ａは、燃料電池１１の積層方向に延在するとともに、第１押圧プレート（第１プレート部材）１１６ａに係合する。第１締め付けボルト１１４ａは、セパレータ２８の内部に設けた酸化剤ガス供給部６７内に設けられる。第１押圧プレート１１６ａは、幅狭な板状を有しており、燃料ガス供給連通孔３０の絶縁シール６９（所定のシール部位）を覆ってセパレータ２８の中央部に係合する。

第２締め付け部１１２ｂは、長尺な第２締め付けボルト（第２ボルト）１１４ｂ、１１４ｂを備え、前記第２締め付けボルト１１４ｂ、１１４ｂは、エンドプレート７０ａの他方の対角位置に設けられるねじ孔８２、８２に螺合する。第２締め付けボルト１１４ｂ、１１４ｂの端部は、外周湾曲形状の第２押圧プレート（第２プレート部材）１１６ｂを貫通し、この端部にナット１１７が螺合する。第２締め付けボルト１１４ｂは、セパレータ２８の内部に設けた酸化剤ガス供給部６７内に設けられる。第２押圧プレート１１６ｂは、第１押圧プレート１１６ａより積層方向の厚さが薄く設定される。第２押圧プレート１１６ｂの各円弧状部には、燃料電池１１の円板部３６に配置される各電解質・電極接合体２６に対応してスプリング（ばね部材）１１８及び台座１１９が配設される。スプリング１１８は、例えば、セラミックススプリングにより構成される。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

燃料電池システム１０を組み付ける際には、先ず、図３に示すように、セパレータ２８のカソード電極２２に向かう面に通路部材５６が接合される。このため、セパレータ２８と通路部材５６との間には、燃料ガス供給連通孔３０に連通する燃料ガス供給通路６６が形成されるとともに、前記燃料ガス供給通路６６が燃料ガス導入口５４から燃料ガス通路４６に連通する（図８参照）。セパレータ２８には、燃料ガス供給連通孔３０を周回してリング状の絶縁シール６９が設けられる。

これにより、セパレータ２８が構成され、前記セパレータ２８間には、８個の電解質・電極接合体２６が挟持されて燃料電池１１が得られる。図３及び図４に示すように、各セパレータ２８には、互いに対向する面３６ａ、３６ｂ間に電解質・電極接合体２６が配置され、各アノード電極２４の略中央部に燃料ガス導入口５４が配置される。

上記の燃料電池１１が矢印Ａ方向に複数積層され、積層方向両端にエンドプレート７０ａ、７０ｂが配置される。図１及び図１２に示すように、エンドプレート７０ｂ側には、第１締め付け部１１２ａを構成する第１押圧プレート１１６ａが燃料電池１１の中央部側に対応して配置される。第１押圧プレート１１６ａは、積層方向の荷重を受けるために必要な最小限の大きさでよい。

この状態で、短尺な各第１締め付けボルト１１４ａは、第１押圧プレート１１６ａを貫通してエンドプレート７０ｂ側からエンドプレート７０ａ側に挿入される。第１締め付けボルト１１４ａの先端は、エンドプレート７０ａの一方の対角位置にあるねじ孔８２に螺合する。第１締め付けボルト１１４ａの端部には、第１押圧プレート１１６ａが係合しており、前記第１締め付けボルト１１４ａがねじ孔８２に螺回されることによって、前記第１押圧プレート１１６ａの面圧が調整される。これにより、燃料電池スタック１２には、燃料ガス供給連通孔３０の近傍（シール部位）に対して第１締め付け荷重Ｔ１が付与される。

次いで、各円板部３６に対応して配置される電解質・電極接合体２６には、それぞれ軸方向にスプリング１１８及び台座１１９が配列されるとともに、一方の台座１１９には、第２締め付け部１１２ｂを構成する第２押圧プレート１１６ｂが係合する。

そこで、長尺な各第２締め付けボルト１１４ｂが、第２押圧プレート１１６ｂを貫通してエンドプレート７０ｂ側からエンドプレート７０ａ側に挿入される。第２締め付けボルト１１４ｂの先端は、エンドプレート７０ａの他方の対角位置にあるねじ孔８２に螺合するとともに、前記第２締め付けボルト１１４ｂの端部にナット１１７が螺合する。このため、ナット１１７の螺回状態を調整することにより、各電解質・電極接合体２６には、各スプリング１１８の弾性力を介して第２締め付け荷重Ｔ２が付与される。

燃料電池スタック１２は、エンドプレート７０ｂが筐体１８を構成する第１及び第２筐体部８６ａ、８６ｂ間に挟持され、前記エンドプレート７０ｂの第２筐体部８６ｂ側に絶縁材が介装された状態で、前記第１及び第２筐体部８６ａ、８６ｂがねじ８８及びナット９０により固定される。第２筐体部８６ｂには、流体部１９が接合されており、この流体部１９を構成する壁板９６がエンドプレート７０ａの周回溝部７４に装着される。これにより、エンドプレート７０ａと壁板９６との間には、チャンバ９８が形成される。

次に、燃料電池システム１０では、図１に示すように、燃料ガス供給管１００から燃料（メタン、エタン又はプロパン等）及び必要に応じて水が供給されるとともに、空気供給管１０４から酸化剤ガスである酸素含有ガス（以下、空気ともいう）が供給される。

燃料が改質器１６を通って改質されることにより燃料ガス（水素含有ガス）が得られ、この燃料ガスは、燃料電池スタック１２の燃料ガス供給連通孔３０に供給される。この燃料ガスは、積層方向（矢印Ａ方向）に移動しながら各燃料電池１１を構成するセパレータ２８内のスリット６２を介して燃料ガス供給通路６６に導入される（図８参照）。

燃料ガスは、第１及び第２橋架部３４、６０間を燃料ガス供給通路６６に沿って移動し、円板部３６に形成された燃料ガス導入口５４から燃料ガス通路４６に導入される。燃料ガス導入口５４は、各電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の略中心位置に設定されている。このため、燃料ガスは、燃料ガス導入口５４からアノード電極２４の略中心に供給され、燃料ガス通路４６に沿って該アノード電極２４の外周部に向かって移動する（図９参照）。

一方、空気は、図１に示すように、空気供給管１０４から熱交換器１４の通路１０８を通って一旦チャンバ９８に導入される。この空気は、チャンバ９８に連通する孔部８０を通って各燃料電池１１の略中央側に設けられている酸化剤ガス供給部６７に供給される。その際、熱交換器１４では、後述するように、排ガス通路６８に排気される排ガスが通路１１０を通るため、使用前の空気と熱交換が行われ、この空気が予め所望の燃料電池運転温度に加温されている。

酸化剤ガス供給部６７に供給された空気は、電解質・電極接合体２６の内側周端部と円板部３６の内側周端部との間から矢印Ｂ方向に流入し、酸化剤ガス通路５０に送られる。図９に示すように、酸化剤ガス通路５０では、電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の内側周端部（セパレータ２８の中央部）側から外側周端部（セパレータ２８の外側周端部側）に向かって空気が流動する。

従って、電解質・電極接合体２６では、アノード電極２４の電極面の中心側から周端部側に向かって燃料ガスが供給されるとともに、カソード電極２２の電極面の一方向（矢印Ｂ方向）に向かって空気が供給される（図９参照）。その際、酸化物イオンが電解質２０を通ってアノード電極２４に移動し、化学反応により発電が行われる。

なお、各電解質・電極接合体２６の外周部に排出される排ガスは、排ガス通路６８を介して積層方向に移動し、熱交換器１４の通路１１０を通って空気との間で熱交換を行った後、排ガス管１０６から排出される（図１参照）。

この場合、本実施形態では、燃料電池スタック１２の一方の側に、熱交換器１４及び改質器１６を含む流体部１９が配設されるとともに、前記燃料電池スタック１２の他方の側に、荷重付与機構２１が配設されている。このため、荷重付与機構２１は、流体部１９を流れる高温の排ガスや空気に曝されることを阻止することができ、簡単な構成で、前記荷重付与機構２１の耐久性を良好に向上させることが可能になるという効果が得られる。

その際、燃料電池スタック１２を構成するエンドプレート７０ｂは、筐体１８を構成する第１及び第２筐体部８６ａ、８６ｂ間に介装されており、このエンドプレート７０ｂは、遮熱部を構成している。従って、流体部１９から荷重付与機構２１に高温の排ガスや空気が流入することを一層確実に阻止することができ、前記荷重付与機構２１は、温度変化がなく、荷重に対する信頼性が向上するという利点がある。

さらに、荷重付与機構２１は、それぞれ異なる荷重を付与することができる第１及び第２締め付け部１１２ａ、１１２ｂを設けている。そして、第１締め付け部１１２ａは、燃料電池スタック１２に対し積層方向に荷重を付与することにより、確実なシール性能が最も要求される燃料ガス供給連通孔３０の近傍に第１締め付け荷重Ｔ１が付与されている。このため、燃料ガス供給連通孔３０の近傍のシール性が良好に向上し、高精度なシール性能を確保することが可能になり、燃料電池１１の発電効率の向上が容易に図られる。

一方、第２締め付け部１１２ｂは、第１締め付け荷重Ｔ１よりも小さな第２締め付け荷重Ｔ２を各電解質・電極接合体２６に対して付与している。これにより、電解質・電極接合体２６には、必要以上の荷重が付与されることがなく、前記電解質・電極接合体２６の損傷等を確実に阻止することができる。

さらにまた、本実施形態では、第１締め付け部１１２ａを構成する第１締め付けボルト１１４ａが燃料電池スタック１２を構成するエンドプレート７０ａのねじ孔８２に螺合している。従って、第１締め付け部１１２ａによる積層方向の第１締め付け荷重Ｔ１は、エンドプレート７０ａの中央側と第１押圧プレート１１６ａとにより受けることができ、前記第１締め付け部１１２ａによる荷重がエンドプレート７０ａの外周側及び筐体１８に作用することがなく、前記エンドプレート７０ａの外周側及び前記筐体１８の薄肉化を図ることが可能になる。

同様に、第２締め付け部１１２ｂを構成する第２締め付けボルト１１４ｂは、エンドプレート７０ａに設けられるねじ孔８２に螺合している。このため、第２締め付け部１１２ｂによる第２締め付け荷重Ｔ２は、エンドプレート７０ａにより受けることができ、筐体１８には、前記第２締め付け部１１２ｂによる荷重が作用することがない。さらに、第２締め付け部１１２ｂは、第１締め付け部１１２ａより積層方向の厚さが薄く設定されるため、荷重付与機構２１における熱容量を小さくすることができる。

これにより、この筐体１８を相当に薄肉化して燃料電池システム１０全体の熱容量を有効に低下させることが可能になり、特に、始動時における迅速暖機が容易に遂行可能になる。

しかも、第１及び第２締め付け部１１２ａ、１１２ｂは、セパレータ２８の内部に設けられた酸化剤ガス供給部６７に配置するため、前記第１及び第２締め付け部１１２ａ、１１２ｂが前記セパレータ２８の外側に配置されることがない。従って、荷重付与機構２１全体の小型化が図られ、燃料電池システム１０全体を容易にコンパクト化することが可能になる。

また、第２締め付け部１１２ｂは、各電解質・電極接合体２６に対応して配置されるスプリング１１８を備えている。このため、各スプリング１１８を介してそれぞれの電解質・電極接合体２６に所望の第２締め付け荷重Ｔ２を確実に付与することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの一部断面説明図である。 前記燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの概略斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池のガス流れ状態を示す一部分解斜視説明図である。 前記セパレータの一方の面の説明図である。 前記セパレータの他方の面の説明図である。 前記セパレータに形成される第１及び第２突起部の斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの断面図である。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 前記セパレータに固着される通路部材の説明図である。 前記燃料電池スタックを構成するエンドプレートの正面図である。 前記燃料電池システムを構成する荷重付与機構の一部分解斜視説明図である。 特許文献１の燃料電池の概略構成説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池システム １１…燃料電池
１２…燃料電池スタック １４…熱交換器
１６…改質器 １８…筐体
１９…流体部 ２０…電解質
２１…荷重付与機構 ２２…カソード電極
２４…アノード電極 ２６…電解質・電極接合体
２８…セパレータ ３０…燃料ガス供給連通孔
３４、６０…橋架部 ３６…円板部
４６…燃料ガス通路 ４８、５２…突起部
５０…酸化剤ガス通路 ５４…燃料ガス導入口
５６…通路部材 ６６…燃料ガス供給通路
６７…酸化剤ガス供給部 ６８…排ガス通路
６９…絶縁シール ７０ａ、７０ｂ…エンドプレート
８６ａ、８６ｂ…筐体部 ９２、９６…壁板
９８…チャンバ １００…燃料ガス供給管
１０２…改質ガス供給管 １０４…空気供給管
１０６…排ガス管 １０８、１１０…通路
１１２ａ、１１２ｂ…締め付け部 １１４ａ、１１４ｂ…締め付けボルト
１１６ａ、１１６ｂ…押圧プレート １１７…ナット
１１８…スプリング １１９…台座

Claims (6)

1. 電解質をアノード電極とカソード電極とで挟んで構成される電解質・電極接合体とセパレータとが積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックの一方の側に配置され、酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給する前に加熱する熱交換器と、
   前記燃料電池スタックの一方の側に配置され、燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器と、
   前記燃料電池スタックの他方の側に配置され、前記燃料電池スタックに積層方向に締め付け荷重を付与する荷重付与機構と、
   前記燃料電池スタック、前記熱交換器、前記改質器及び前記荷重付与機構を収容する筐体と、
   を備え、
   前記荷重付与機構は、前記燃料電池スタックの所定のシール部位に対し積層方向に荷重を付与する第１締め付け部と、
   前記電解質・電極接合体に対し、前記積層方向に前記第１締め付け部の荷重よりも小さな荷重を付与する第２締め付け部と、
   を設けることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記荷重付与機構は、前記燃料電池スタックの一方の側から伝熱されることを阻止するための遮熱部を設けることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記遮熱部は、前記燃料電池スタックの他方の側と前記荷重付与機構との間に配置されるとともに、前記筐体に保持される板状体を備えることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記第１締め付け部は、前記燃料電池スタックの一方の側に配置されるエンドプレートを介して前記積層方向の荷重を保持することを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックは、前記積層方向に延在して前記アノード電極に前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給部を設け、
   前記第１締め付け部は、前記燃料ガス供給部のシール部位に前記積層方向に締め付け荷重を付与することを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記第１締め付け部は、前記燃料電池スタックの一方の側に配置される前記エンドプレートに螺合する第１ボルトと、
   前記第１ボルトに係合して前記燃料電池スタックの所定のシール部位に対し前記積層方向に荷重を付与する第１プレート部材と、
   を備える一方、
   前記第２締め付け部は、前記エンドプレートに螺合する第２ボルトと、
   前記第２ボルトに係合する第２プレート部材と、
   前記第２プレート部材と前記燃料電池スタックとの間に介装され、前記電解質・電極接合体に対し前記積層方向に荷重を付与するばね部材と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
   
   

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