JP2010287501A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトな構造で、燃料電池における発電セルの電極面積が十分に確保されると共に、酸化剤ガス又は燃料ガスが効率良く加熱されることによって、稼動コストを抑えつつ発電効率の向上が図られる、新規な構造の燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池１２の発電セル５２に対して燃料ガス又は酸化剤ガスを供給するガス流路９２と、燃料電池１２を積層方向に締結する締結機構１００，１０６を挿通する貫通孔９２とは、互いに少なくとも開口部１０３を共有しており、燃料ガス又は酸化剤ガスをガス流路９２に導入する外部連通路１１１が該開口部１０３を介してガス流路９２と連通され、締結機構１００，１０６のうち少なくとも貫通孔９２の開口近辺部分は、燃料電池１２の排熱を回収して燃料電池１２に導入される前の燃料ガス又は酸化剤ガスを加熱する予熱手段１００，１０６，１１２として構成されている。
【選択図】図６

Description

本発明は、発電セルが積層されてなる燃料電池に対して燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給することにより電気エネルギーを得る燃料電池システムに関するものである。

水素やメタノール等の燃料が有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池システムは、一般に、電解質層をその両側から多孔質の燃料極（アノード）と空気極（カソード）で挟み込むように配してなる発電セルが複数積層された燃料電池を備えている。また、燃料電池の積層内部には、純水素や炭化水素系燃料を改質した水素含有ガスからなる燃料ガスを燃料極に供給したり、酸素や空気等の酸化剤ガスを空気極に供給したりするガス通路が設けられている（特許文献１参照）。

このような燃料電池システムにおいては、所定の温度のもとで、空気極側に供給された酸化剤ガス中の酸素が、空気極乃至は空気極と電解質層の境界部分でイオン化されて、電解質層を介して燃料極に向かって移動し、かかる酸素イオンが燃料極の燃料ガスと電極反応（発電反応）する。この発電反応により生じた電子が起電力として取り出される。

特開２００８−２０４９４６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池システムでは、複数積層された発電セルの固定に際して、複数の発電セルの積層方向の両端に該発電セルよりも大形の締付板が重ね合わされると共に、発電セルの周囲で積層方向に沿って延びるボルトが両締付板に挿通されて、ボルトの挿通端がナットで締結されることにより、複数の発電セルが積層方向に締め付け固定されている。また、燃料ガスや酸化剤ガスを各発電セルに供給するガス通路の一部（特許文献１ではガスマニホールド）が、燃料電池において複数の発電セルの積層方向に貫通形成されている。

そのため、発電効率を向上させる目的で、例えば発電セルにおける燃料極や空気極等の電極面積を大きくすると、発電セルが、ボルト及びナットを含む締結機構やガス通路等に接触してしまい、電気的短絡やガスの圧損が高くなる問題があった。

そこで、このような問題に対処するために、例えば、締結機構やガス通路をセル本体から大きく離して配置することが考えられるが、それでは、燃料電池自体が大型になって、燃料電池の設置対象が制限されたり、作動温度を高温に保つことが難しくなって、稼動コストの上昇や発電効率の低下等の問題が生じたりするおそれがあった。

また、燃料電池の発電反応を効率良く生じさせて、発電効率を上げるためには、高温の酸化剤ガスや燃料ガスを燃料電池に対して効率的に供給することが必要であるが、特許文献１に示される如き燃料電池システムでは、上述の締結機構やガス通路に加えて、別途ガスを加熱するための手段を設けると、装置のコンパクト化が達成され難くなったり、稼動コストが上昇したりする問題があった。

本発明は、上述の如き事情を背景として為されたものであって、その解決課題とするところは、コンパクトな構造で、燃料電池における発電セルの電極面積が十分に確保されると共に、酸化剤ガス又は燃料ガスが効率良く加熱されることによって、稼動コストを抑えつつ発電効率の向上が図られる、新規な構造の燃料電池システムを提供することにある。

（１）かかる課題を解決するためになされた請求項１の発明は、略平板形状を有する電解質層と電極層とからなる発電セルを積層してなる燃料電池と、該燃料電池の積層方向に貫通する貫通孔と、該貫通孔に挿入されて該燃料電池を積層方向に締結する締結機構とを有する燃料電池システムであって、前記燃料電池には、少なくとも前記貫通孔と開口部を共有し前記発電セルに対して燃料ガス又は酸化剤ガスを供給するガス流路が設けられ、前記燃料電池の外部には、前記開口部を介して前記ガス流路に連通され、外部から該ガス流路に前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを導入する外部連通路が設けられ、前記締結機構のうち少なくとも前記貫通孔の開口近辺部分は、該燃料電池の排熱を回収して該燃料電池に導入される前の前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを加熱する予熱手段として構成されていることを特徴とすることを特徴とする。

このような本発明の燃料電池システムにおいては、燃料電池の排熱を利用して燃料電池供給前の燃料ガス又は酸化剤ガスを加熱する予熱手段が設けられていることによって、ガスを加熱する際の稼動コストを抑えつつ、高温の燃料ガス又は酸化剤ガスを燃料電池に供給して、燃料電池の発電反応を効率良く生じさせることが可能となる。

また、予熱手段は締結機構の一部として構成されていると共に、燃料電池のガス流路と締結機構を挿入する貫通孔が少なくとも開口部を共有していることから、燃料電池ひいては燃料電池システムがコンパクトになることに加え、このようにコンパクトとされつつも、燃料電池システムにおいて締結機構やガス流路、予熱手段における何れか二つの配設スペースが削減される分だけ、発電セルの電極面積が大きく確保される。

それ故、本発明の燃料電池システムによれば、コンパクトな構造で、稼動コストを抑えつつ、発電性能が有効に発揮される。
なお、本発明において、上記電解質層や電極層の略平板形状には、平坦な板状を含む他、小さな凹凸や曲線部分などを有するが平坦な板状と同一の作用、効果を奏するものと考えられる概ね平坦な板状を含む。

（２）請求項２の発明は、前記締結機構は、前記貫通孔に挿通されて前記燃料電池から突出した部分に雄ネジ部が設けられた固定部材と、該固定部材の先端部分と所定の隙間をもって該雄ネジ部に螺合される有底筒状の固定ナットとからなり、前記締結機構に含まれる前記予熱手段は、該固定部材の先端部分と該固定ナットとを含んで構成されていることを特徴とする。

これにより、予熱手段が簡単な構造で実現される。また、例えば、予熱手段を設計変更する場合には、形状や大きさ、構造等の形態が異なる固定ナットを交換することで、容易に対応可能となる。

（３）請求項３の発明は、前記固定ナットは内部開口を備え、前記ガス流路と前記外部連通路は該内部開口を介して接続されていることを特徴とする。
つまり、本発明では、外部連通路の少なくとも一部において加熱された燃料ガス又は酸化剤ガスが、内部開口においても加熱されてガス流路に導入されることから、ガスの加熱を途切らすことなく、高温のガスをガス流路に安定して導き入れることが出来て、発電効率の更なる向上が図られる。また、内部開口の形成位置を設定変更することによって、ガス流路に対する外部連通路の接続態様を容易に変更することが出来る。

（４）請求項４の発明は、前記内部開口は、前記燃料電池における前記積層方向と平行に広がる面に開口していることを特徴とする。
これにより、少なくとも外部連通路における内部開口との接続部分が、燃料電池の積層方向に対して直交する方向に配されることとなり、外部連通路において燃料電池から排熱を受ける受熱面積が大きく確保され易くなる。その結果、燃料ガス又は酸化剤ガスが一層効率良く加熱される。

（５）請求項５の発明は、前記外部連通路は、前記燃料電池における前記積層方向に直交する方向に配置されていることを特徴とする。
これにより、外部連通路における燃料電池から排熱を受ける受熱面積が確実に大きく確保されて、燃料ガス又は酸化剤ガスが一層効率良く加熱される。

（６）請求項６の発明は、前記燃料電池の発電を補助するための発電補助部材を備え、該発電補助部材が該燃料電池と電気的に絶縁された状態で隣り合うように配置されていることを特徴とする。

このような本発明の燃料電池システムにおいては、燃料電池の発電を補助する発電補助部材が設けられていることによって、発電効率が一層向上される。
ここで、燃料電池の発電を補助するとは、燃料ガスおよび酸化剤ガスの発電セルへの供給による発電反応を効率良く生じさせるために、燃料電池や燃料ガス、酸化剤ガスを加熱したり、それらの放熱を抑えたりすることをいう。即ち、発電補助部材には、例えば、酸化剤ガスを加熱する熱交換器、発電に用いられる水素含有ガスを水蒸気改質で生成するために必要な水蒸気を発生させる気化器、改質ガスを生成する改質器、放熱を抑える断熱部材等が採用される。

つまり、本発明の燃料電池システムでは、発電補助部材が燃料電池と隣り合うように配置されていることから、燃料電池の排熱を積極的に利用して発電補助部材ひいては発電補助部材を流動する燃料ガス又は酸化剤ガスを加熱したり、或いは燃料電池の排熱の拡散を抑えたりすることが有効に実現され、その結果、発電効率の更なる向上が図られる。

本発明の一実施形態としての燃料電池システムを概略的に示す説明モデル図。 同燃料電池システムの一部を構成する固体酸化物形燃料電池の正面図。 同固体酸化物形燃料電池の平面図。 同固体酸化物形燃料電池の一要部を示す斜視図。 同固体酸化物形燃料電池の一部を構成する単セルを概略的に示す縦断面説明図。 同固体酸化物形燃料電池を概略的に示す縦断面説明図。 同燃料電池システムの一部を構成する固定ナットを拡大して示す斜視図。 同燃料電池システムの一要部を拡大して示す縦断面図。 図８のＩＸ−ＩＸ断面図。 本発明の別の一実施形態としての燃料電池システムにおける固体酸化物形燃料電池を概略的に示す縦断面説明図。

以下に、本発明を具体化した実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
まず、図１には、本発明の一実施形態としての燃料電池システム１０が概略的に示されている。この燃料電池システム１０は、燃料電池としての固体酸化物形燃料電池１２や、燃料ガス供給部材、酸化剤ガス供給部材、加熱部材、発電補助部材１４、パワーコンディショナ１６等を含んで構成されている。

固体酸化物形燃料電池１２の詳細な構造については後述するが、固体酸化物形燃料電池１２は、図２，３にも示されているように、略矩形ブロック状を有しており、燃料電池システム１０の一部を構成する断熱材からなる断熱容器１８に収容配置される。また、断熱容器１８には、加熱バーナ２０が収容配置されており、断熱容器１８の外部から加熱バーナ２０に空気と燃料を送って、比例弁２２や電磁弁２４、エアブロワ２６を用いて固体酸化物形燃料電池１２の加熱効率に最適な空気量を調整しつつ、固体酸化物形燃料電池１２を断熱容器１８内で加熱するようになっている。要するに、加熱部材が、加熱バーナ２０や比例弁２２、電磁弁２４、エアブロワ２６を含んで構成されている。

特に本実施形態では、固体酸化物形燃料電池１２における断熱容器１８への収容に際して、固体酸化物形燃料電池１２の外周部分を覆うようにして、気化器２８と熱交換器３０が固体酸化物形燃料電池１２に固設されており、これら気化器２８や熱交換器３０も断熱容器１８に収容される。

気化器２８は、固体酸化物形燃料電池１２の周壁部の一部分に沿うような形状を有するハウジング構造とされている。
また、気化器２８と、断熱容器１８の外部に設けられた純水タンク３２及び供給ポンプ３４とが、水供給管路３６を介して接続されており、純水タンク３２の水が供給ポンプ３４を用いて水供給管路３６を通じて気化器２８の内部に送られる。そして、加熱バーナ２０により加熱された気化器２８内部において、水が加熱されて水蒸気になる。

さらに、気化器２８と、断熱容器１８の外部に設けられた図示しない原料ガスタンクや電磁弁３８、昇圧ポンプ４０とが、原料ガス供給管路４２を通じて接続されており、電磁弁３８や昇圧ポンプ４０を用いて、原料ガスの気化器２８内部への吐出量を調節しつつ、原料ガスが気化器２８内部に送られる。本実施形態の原料ガスは、例えば、メタンなどの炭化水素を含む都市ガスやＬＰＧ等とされる。

更にまた、気化器２８の外壁部には燃料ガス供給管路４４が設けられ、固体酸化物形燃料電池１２に連結されている。
これにより、原料ガスと水蒸気が気化器２８内部で混合されて燃料ガスを生成し、かかる燃料ガスが、燃料ガス供給管路４４を通じて後述の改質層９０において水素含有ガスに改質されてから、固体酸化物形燃料電池１２に供給される。つまり、燃料電池システム１０の燃料ガス供給部材が、気化器２８や改質層９０、純水タンク３２、供給ポンプ３４、水供給管路３６、電磁弁３８、昇圧ポンプ４０、原料ガス供給管路４２、燃料ガス供給管路４４を含んで構成されている。

一方、熱交換器３０は、固体酸化物形燃料電池１２の周壁部の一部分に沿うように配置される第一熱交換器３０ａと、固体酸化物形燃料電池１２の上方に配置される第二熱交換器３０ｂを含んで構成されている。また、熱交換器３０は、酸化剤ガス供給管路４６の内側又は周囲に取り付けられている。この酸化剤ガス供給管路４６の一方の端部がエアブロワ４８に接続されていると共に、酸化剤ガス供給管路４６の他方の端部が固体酸化物形燃料電池１２に連結されている。

これにより、酸素や空気等の酸化剤ガスが、熱交換器３０で加熱されつつ、エアブロワ４８を用いて固体酸化物形燃料電池１２に供給される。即ち、燃料電池システム１０の酸化剤ガス供給部材が、熱交換器３０や酸化剤ガス供給管路４６、エアブロワ４８を含んで構成されている。

従って、固体酸化物形燃料電池１２が断熱容器１８内で加熱バーナ２０により加熱されて、中温から高温の状態のもとで、固体酸化物形燃料電池１２に対して燃料ガス供給管路４４から燃料ガスが、酸化剤ガス供給管路４６から酸化剤ガスが、それぞれ供給されて、固体酸化物形燃料電池１２に発電反応が生じることとなり、この発電反応により生じた電子が、パワーコンディショナ１６を介して変圧したり交流電流に変換したりして起電力として外部に取り出されるようになっている。

また、本実施形態の燃料電池システム１０では、排気ガス管路５０が、後述の固定ナット１０６ｂを介して固体酸化物形燃料電池１２に連結されていると共に、排気ガス管路５０の開口端部が、燃料電池システム１０の断熱容器１８の外部に開口している。これにより、固体酸化物形燃料電池１２への酸化剤ガスおよび燃料ガスの供給に伴い生じた排気ガスが、第一熱交換器３０ａで加熱されつつ、排気ガス管路５０を通じて、断熱容器１８の外部に排出されるようになっている。

本実施形態の固体酸化物形燃料電池１２においては、発電セルとしての単セル５２（以下、単に「セル５２」ともいう。）が板厚方向（図２，４中、上下）に複数積層されてなる発電スタック５４を含んで構成されている。

セル５２は、図５に概略的に示されるように、全体として略平板形状を有しており、電解質層としての固体電解質体５６を挟んだ両側に一方の電極層としての空気極（カソード）５８と他方の電極層としての燃料極（アノード）６０とが固着されたセル本体６２を備えている。固体電解質体５６としては、例えば、ＹＳＺやＳｃＳＺ、ＳＤＣ、ＧＤＣ、ペロブスカイト系酸化物等が採用される。また、例えば、空気極５８としては、ペロブスカイト系酸化物や各種貴金属、貴金属とセラミックとのサーメット等が用いられると共に、燃料極６０としては、Ｎｉ及びＮｉとセラミックとのサーメット等が用いられる。

また、固体電解質体５６における空気極５８が固着された面には、空気極５８の周りを囲うようにしてセパレータ６４が接合されている。
さらに、セル本体６２およびセパレータ６４を挟んだ両側に略平板形状を有する一対のインターコネクタ６６ａ，６６ｂが対向配置されている。

また、空気極５８の周囲におけるセパレータ６４の外周部分と一方のインターコネクタ６６ａの外周部分の間には、空気極フレーム６８と絶縁フレーム７０が重ね合わされた形態で介装されている。更に、燃料極６０の周囲におけるセパレータ６４の外周部分と他方のインターコネクタ６６ｂの外周部分の間には、燃料極フレーム７２が介装されている。

これらセパレータ６４やインターコネクタ６６、空気極フレーム６８、絶縁フレーム７０、燃料極フレーム７２は、燃料ガスや酸化剤ガスの不透過性を有する金属材料やセラミック材料等を用いて形成されている。更に、セラミック製の絶縁材からなる絶縁フレーム７０が一対のインターコネクタ６６ａ，６６ｂ間に設けられていることによって、それらインターコネクタ６６ａ，６６ｂの間が絶縁されている。

すなわち、セル本体６２およびセパレータ６４と一方のインターコネクタ６６ａとの対向面間には、セパレータ６４やインターコネクタ６６ａ、空気極フレーム６８、絶縁フレーム７０で仕切られた酸化剤ガス供給経路７４が設けられている。一方、セル本体６２およびセパレータ６４と他方のインターコネクタ６６ｂとの対向面間には、セパレータ６４やインターコネクタ６６ｂ、燃料極フレーム７２で仕切られた燃料ガス供給経路７６が設けられている。

また、インターコネクタ３６ａの酸化剤ガス供給経路７４に露呈する面に、ＬＳＣＦやＬＳＭ等のセラミック多孔体やニッケルフェルト等の金属フェルト等からなる導電性の集電体７８が固設されている。集電体７８がセル本体６２の空気極５８に当接されていることによって、空気極５８と一方のインターコネクタ６６ａが、集電体７８を介して電気的に接続されている。

また、他方のインターコネクタ６６ｂと燃料極６０が直接に当接されていることによって、他方のインターコネクタ６６ｂと燃料極６０が電気的に接続されている。
このようなセル５２は、図６に概略的に示されるように、板厚方向（図５，６中、上下）に複数積層配置されている。かかる積層方向で隣り合うセル５２，５２においては、インターコネクタ３６が共用されても良いし、それぞれ独立して用いられて、互いに重ね合わされても良い。なお、図５，６は、本発明の内容を理解し易くするために、セル５２の断面形状を概略的に示す図面であって、実際の断面形状を表す図面でない。また、後述する固定ナット１０６の配置等に関して、図６は、図２〜４と対応する図面でない。

複数のセル５２の積層方向の両端部には、電極板８０が重ね合わされている。電極板８０は、各セル５２のインターコネクタ６６を介して集電体７８と電気的に接続されていると共に、セル５２の外部に設けられたリードフレーム８２を介してパワーコンディショナ１６に接続されている。

また、本実施形態の燃料電池システム１０では、発電スタック５４における各電極板８０の外方端面において、オフガス燃焼層８４，８８が積層されている。オフガス燃焼層８４，８８は、発電後の排気ガス中のＣＯや水素の酸化を行う燃焼触媒などを含んで構成されており、積層方向一方（図６中、上）のオフガス燃焼層８４は、積層方向他方（図６中、下）のオフガス燃焼層８８で処理しきれなかったＣＯや水素の酸化を行うようになっている。このオフガス燃焼層８４の積層方向外方における略矩形状を有する端壁部８６が、発電スタック５４の積層方向端の壁部とされている。

さらに、オフガス燃焼層８８の外方端面には、改質層９０が積層されている。改質層９０は、燃料ガスに含まれた水素源となる炭化水素原料を水蒸気改質する触媒等を含んで構成されている。

また、ガス流路９２が、オフガス燃焼層８４や各セル５２におけるインターコネクタ６６や空気極フレーム６８、絶縁フレーム７０、セパレータ６４、燃料極フレーム７２、更にオフガス燃焼層８８や改質層９０の積層方向に貫通形成されている。ガス流路９２は、略一定の円形断面で発電スタック５４の積層方向に延びている。

特に本実施形態では、燃料ガス又は酸化剤ガスを燃料電池１２に供給する５つのガス流路９２に、排気ガスを燃焼電池１２から排出する２つのガス流路９２を加えた合計７つのガス流路９２が、発電スタック５４の各セル５２のセル本体６２周りの外周部分において周方向にそれぞれ所定距離を隔てて設けられている。つまり、これら７つのガス流路９２のうちの２つが、酸化剤ガスを流通するための第一酸化剤ガス流路９２ａと第二酸化剤ガス流路９２ｄとされている。また、７つのガス流路９２のうちの別の３つが、燃料ガスを流通するための第一燃料ガス流路９２ｇと第二燃料ガス流路９２ｆと第三燃料ガス流路９２ｅとされている。更に、７つのガス流路９２のうちのまた別の２つが、排気ガスを流通するための第一排気ガス流路９２ｃと第二排気ガス流路９２ｂとされている。

なお、各ガス流路９２と略同じ径寸法で、且つ平行に延びる挿通孔９３が、ガス流路９２と同様に、オフガス燃焼層８４や各セル５２におけるインターコネクタ６６や空気極フレーム６８、絶縁フレーム７０、セパレータ６４、燃料極フレーム７２、オフガス燃焼層８８、改質層９０の積層方向に貫通形成されている。

第一及び第二酸化剤ガス流路９２ａ，９２ｄには、各セル５２の空気極フレーム６８を貫通して酸化剤ガス供給経路７４に開口するガス通孔９４と、オフガス燃焼層８８に開口するガス通孔とが設けられている。

第一燃料ガス流路９２ｇには、改質層９０に開口するガス通孔が設けられている。また、第二燃料ガス流路９２ｆと第三燃料ガス流路９２ｅには、改質層９０に開口するガス通孔と、各セル５２の燃料極フレーム７２を貫通して燃料ガス供給経路７６に開口するガス通孔９６とが設けられている。

第一及び第二排気ガス流路９２ｂ，９２ｃには、各セル５２の空気極フレーム６８と燃料極フレーム７２をそれぞれ貫通して酸化剤ガス供給経路７４と燃料ガス供給経路７６に開口するガス通孔９８ａ，９８ｂが設けられている。また、第一排気ガス流路９２ｃには両オフガス燃焼層８４，８８に、第二排気ガス流路９２ｂには、オフガス燃焼層８４に開口するガス通孔がそれぞれ設けられている。

これら７つの各ガス流路９２と挿通孔９３には、固定部材としての固定ロッド１００が挿通されている。固定ロッド１００は、ガス流路９２や挿通孔９３よりも軸方向寸法が大きく且つ径寸法が小さい略円柱形状を呈していると共に、金属材料を用いて形成されている。また、固定ロッド１００の軸方向両端部には、雄ネジ部１０２が設けられている。

各固定ロッド１００における発電スタック５４の積層方向両端からオフガス燃焼層８４や改質層９０を貫通して外部に突出した各雄ネジ部１０２に対して、固定ナット１０６が螺合されている。即ち、固定ナット１０６は、略カップ状を呈しており、内周面に螺刻された雌ネジ部に対して雄ネジ部１０２が螺着されている。

これにより、発電スタック５４の各セル５２や電極板８０、オフガス燃焼層８４，８８、改質層９０が積層方向両側から締め付け固定されている。要するに、本実施形態における複数のセル５２を積層方向両側から締め付け固定する締結機構が、固定ロッド１００や固定ナット１０６を含んで構成されている。

また、固体酸化物形燃料電池１２に対して固定ロッド１００を挿入するための貫通孔が、挿通孔９３の全てに加え、ガス流路９２における積層方向両側の開口部１０３だけでなく、ガス流路９２の全てを含んで構成されている。更に、各ガス流路９２の開口部１０３や挿通孔９３の開口部が、各固定ナット１０６で覆蓋されている。

特に本実施形態では、固定ロッド１００の雄ネジ部１０２と固定ナット１０６の螺合状態で、固定ナット７２の内側において固定ナット１０６の底部と固定ロッド１００の先端部が軸方向に離隔配置されていることによって、それら底部と先端部の対向面間に隙間１１０が形成されている。

また、各固定ロッド１００における軸方向両側の外周面には、複数の切欠き１０４が周方向に離隔して設けられている。切欠き１０４は、固定ロッド１００の軸方向端部から雄ネジ部１０２を通じて発電スタック５４のガス流路９２に至る軸方向長さを有しており、固定ロッド１００の先端部（軸方向端部）と固定ナット１０６の底部との間の隙間１１０とガス流路９２に開口している。これにより、隙間１１０とガス流路９２が切欠き１０４を通じて連通されている。換言すると、隙間１１０や切欠き１０４は、ガス流路９２の一部として構成されている。

また、第一酸化剤ガス流路９２ａと第一燃料ガス流路９２ｇと第二排気ガス流路９２ｂに挿通された各固定ロッド１００において、積層方向一方（図６中、上）の雄ネジ部１０２に固定される固定ナット１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｇの周壁部には、略円孔形状の内部開口１０８が貫設されている。

ここで、内部開口１０８は、固定ナット１０６において発電スタック５４の積層方向と平行に広がる周壁部（面）に貫設されていることから、発電スタック５４の積層方向と直交する軸直角方向（図６中、左右）に開口している。また、内部開口１０８は、発電スタック５４における複数のセル５２の積層方向端に位置する端壁部８６の外周縁部分よりも軸直角方向中央側に位置している。

さらに、各固定ナット１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｇの周壁部における内部開口１０８の周りには、図７〜９にも示されるように、軸直角方向外方に向かって略円筒形状の連結筒部１１２が突設されている。この連結筒部１１２の内孔によって、外部連通路１１１が構成されており、内部開口１０８を通じて隙間１１０と連通されている。このことからも明らかなように、外部連通路１１１は、発電スタック５４の積層方向に直交する方向に配置されている。

第一酸化剤ガス流路９２ａに挿通固定された固定ナット１０６ａの連結筒部１１２が、燃料電池システム１０における酸化剤ガス供給管路４６の熱交換器３０から固体酸化物形燃料電池１２に向かう開口端部と、配管用継手（例えば、スウェージロック社製など）を用いて連結されている。

これにより、酸素や空気等の酸化剤ガスが、熱交換器３０で加熱されつつ、酸化剤ガス供給管路４６から連結筒部１１２内の外部連通路１１１、固定ナット１０６ａの内部開口１０８、隙間１１０、切欠き１０４を通じて第一酸化剤ガス流路９２ａに流入され、更に各空気極フレーム６８のガス通孔９４を通じて各酸化剤ガス供給経路７４に導き入れられる。

また、第一燃料ガス流路９２ｇに挿通固定された固定ナット１０６ｇの連結筒部１１２が、燃料電池システム１０における気化器２８から突設された燃料ガス供給管路４４の開口端部と、配管用継手を用いて連結されている。

これにより、気化器２８内部で原料ガスと水蒸気が混合されてなる燃料ガスが、燃料ガス供給管路４４から連結筒部１１２内の外部連通路１１１、固定ナット１０６ｇの内部開口１０８、隙間１１０、切欠き１０４を通じて第一燃料ガス流路９２ｇに流入され、更に改質層９０に流入される。そして、加熱バーナ２０等で加熱された改質層９０上で炭化水素原料主体の燃料ガスが改質反応（水蒸気改質）し、水素を主体とした燃料ガスに変換される。かかる水素主体の燃料ガスは、第二燃料ガス流路９２ｆや第三燃料ガス流路９２ｅに流入されて、各燃料極フレーム７２のガス通孔９６を通じて各燃料ガス供給経路７６に導き入れられる。

従って、酸化剤ガス供給経路７４における酸化剤ガス中の酸素が、空気極５８若しくは空気極５８と固体電解質体５６の境界部分でイオン化されて酸素イオンとなり、固体電解質体５６を介して燃料極６０に向かって移動する。かかる酸素イオンが燃料極６０の燃料ガス中の水素と電極反応（発電反応）して電子が生じ、電子を集電体７８からインターコネクタ６６、電極板８０、リードフレーム８２を介してパワーコンディショナ１６に直流電流として流すと共に、変圧したり交流電流に変換したりして、図示しない外部負荷に電力として供される。

また、第一及び第二酸化剤ガス流路９２ａ，９２ｄにおいて、各空気極フレーム６８のガス通孔９４から各酸化剤ガス供給経路７４に導入された残りの酸化剤ガスは、排気ガスとしてオフガス燃焼層８８に流入される。更に、酸化剤ガス供給経路７４と燃料ガス供給経路７６のそれぞれにおいて発電反応に用いられた残りの酸化剤ガスと燃料ガスは、排気ガスとしてガス通孔９８ａ，９８ｂから第一及び第二排気ガス流路９２ｂ，９２ｃを通じて、オフガス燃焼層８８に流入される。

オフガス燃焼層８８における排気ガス中のＣＯは、オフガス燃焼層８８内に収容された燃焼触媒によってＣＯ₂に変換される。
第二排気ガス流路９２ｂに挿通固定された固定ナット１０６ｂの連結筒部１１２が、燃料電池システム１０における排気ガス管路５０の開口端部と、配管用継手を用いて連結されている。それによって、オフガス燃焼層８８におけるＣＯ₂主体の排気ガスが、第二排気ガス流路９２ｂから連結筒部１１２内の外部連通路１１１、固定ナット１０６ｂの内部開口１０８、隙間１１０、切欠き１０４を通じて排気ガス管路５０に流入され、更に断熱容器１８の外部に排出される。

特に本実施形態では、排気ガス管路５０を流れる排気ガスが、発電スタック５４に固設された第一熱交換器３０ａを介して排出されることによって、排熱効果が高められる。このような排熱は、例えば、酸化剤又は燃料ガス供給管路４４，４６等の加熱に用いられたり、家庭用の給湯システムの熱源に利用されたりしても良い。或いは、排熱が、ガスタービンや蒸気タービンによる発電に供される、所謂ボトミングサイクルに利用されても良い。

上述の如き構造とされた燃料電池システム１０においては、酸化剤ガスと燃料ガスが、何れもガス流路９２に流入される前に、外部連通路１１１や内部開口１０８、隙間１１０に導き入れられる。これら外部連通路１１１や内部開口１０８、隙間１１０を構成する連結筒部１１２や固定ナット１０６、固定ロッド１００の先端部は、発電スタック５４の積層方向の端壁部８６上に配置されており、固体酸化物形燃料電池１２からの排熱を受ける。

特に本実施形態では、連結筒部１１２が端壁部８６上で積層方向に直交する軸直角方向に延びるように配置されていることよって、連結筒部１１２の全長に亘って固体酸化物形燃料電池１２からの排熱を受けることが出来る。

従って、酸化剤ガスと燃料ガスは、ガス流路９２に流入される前に、外部連通路１１１や内部開口１０８、隙間１１０において効果的に加熱されることとなり、その結果、高温の酸化剤ガスと燃料ガスが切欠き１０４やガス流路９２を通じて各セル５２に供給されることによって、燃料電池１２の発電反応が効率良く生じて、優れた発電性能が得られるのである。

上記説明からも明らかなように、外部連通路１１１の少なくとも一部を構成し、ガス流路９２の開口部１０３の周り（開口近辺部分）に設けられることで燃料電池１２の排熱を回収して燃料電池１２に導入される前の燃料ガス又は酸化剤ガスを加熱する予熱手段は、連結筒部１１２と固定ナット１０６と固定ロッド１００の先端部を含んで構成されている。

つまり、かかる予熱手段は、固定ナット１０６と固定ロッド１００からなる締結機構の一部を含んで構成されていることから、予熱手段を締結機構と別の箇所に配置する必要がない。

加えて、本実施形態では、固定ロッド１００を挿入する貫通孔の全てが、燃料ガスや酸化剤ガス、排気ガスが流動するガス流路９２として機能することから、燃料電池１２における貫通孔とガス流路９２の何れか一方の配設スペースが実質的に削減されて、かかる削減分だけセル５２の電極面積を大きく確保することも出来る。

また、本実施形態では、気化器２８や熱交換器３０が、固体酸化物形燃料電池１２の周壁部に沿うようにして、換言すれば固体酸化物形燃料電池１２と伝熱可能に且つ電気的に絶縁された状態で隣り合うようにして設けられていることによって、気化器２８で生成される燃料ガスや熱交換器３０を介して燃料電池１２に供給される酸化剤ガスが、燃料電池１２の排熱を利用して、効率良く加熱される。このことからも明らかなように、燃料電池システム１０において固体酸化物形燃料電池１２と隣り合うように設けられて発電を補助する発電補助部材１４が、気化器２８や熱交換器３０等を含んで構成されている。

それ故、本実施形態の燃料電池システム１０においては、コンパクトな構造で、酸化剤ガス又は燃料ガスが効率良く加熱される結果、稼動コストを抑えつつ発電効率が極めて有利に向上する。

なお、本実施形態では、排気ガスが、ガス流路９２から切欠き１０４を通じて隙間１１０や内部開口１０８、外部連通路１１１に導き入れられた後に、外部に排出されるようになっていることから、燃料ガスや酸化剤ガスと同様に、隙間１１０や内部開口１０８、外部連通路１１１において、燃料電池１２の排熱を利用して、排気ガスを加熱することが出来る。それ故、排気ガスの熱利用が一層有利になる。

以上、本発明の一実施形態について詳述してきたが、かかる実施形態における具体的な記載によって、本発明は、何等限定されるものでなく、当業者の知識に基づいて種々なる変更、修正、改良等を加えた態様で実施可能である。また、そのような実施態様が本発明の趣旨を逸脱しない限り、何れも、本発明の範囲内に含まれるものであることは、言うまでもない。

・例えば、前記実施形態では、内部開口１０８が、固定ナット１０６の周壁部に貫設されて、発電スタック５４の積層方向の端壁部８６上で当該積層方向に直交する方向に開口していると共に、連結筒部１１２が積層方向に直交する方向に延びるように配置されていたが、これに限定されるものでなく、内部開口を固定ナットの底部に貫設する等して、積層方向に開口させると共に、連結筒部を積層方向と平行に延びるように配置しても良い。

このように連結筒部を積層方向と平行に延びるように配置したものでも、固定ナットの内側において固定ナットの底部と固定ロッドの先端部の間に形成される隙間が、燃料電池の排熱により温められることで、燃料ガス又は酸化剤ガスに予熱を与えることが出来る。

要するに、外部連通路を構成する連結筒部は、酸化剤又は燃料ガス供給管路の配設形態や該管路の加熱形態等の要求される形態に応じて適宜に設計されるのであって、例示の如き発電スタックの積層方向に直交する方向に延びているものに限らず、積層方向に対して所定の角度で傾斜していたり、積層方向と平行に延びたりしていても良い。

・前記実施形態においては、連結筒部１１２が発電スタック５４の積層方向の端壁部８６上に配置されていることによって、酸化剤又は燃料ガスの予熱手段が、連結筒部１１２内の外部連通路１１１の全てを含んで構成されていたが、例えば連結筒部が発電スタックの積層方向の端壁部上から大きく外方に延び出している場合には、連結筒部における積層方向の端壁部上に位置する部分内の外部連通路、即ち外部連通路の一部を含んで構成しても良い。

・前記実施形態では、発電スタック５４にオフガス燃焼層８４，８８や改質層９０が積層されていたが、かかる形態に限定されるものでない。
つまり、オフガス燃焼層８４，８８等の発電補助部材は必須の構成要件でなく、例えば、発電スタック５４の積層方向一方の壁部にオフガス燃焼層８４だけを設けても良く、或いは図１０に示されるように、オフガス燃焼層８４，８８を発電スタック５４に設けなくても良い。

・第一及び第二酸化剤ガス流路９２ａ，９２ｄや第一、第二及び第三燃料ガス流路９２ｅ，９２ｆ，９２ｇ、第一及び第二排気ガス流路９２ｂ，９２ｃにおける形状や大きさ、数、構造、配置等の形態は、要求される酸化剤ガスと燃料ガスの流入比や、排気ガスの排気効率、発電スタック５４の製作性等に応じて適宜に設計変更されるものであり、例えば、ガス流路９２の形状や大きさ等をそれぞれ異ならせたり、前記実施形態と異なる数や配置で、酸化剤ガス流路９２、燃料ガス流路９２および排気ガス流路９２が設けられたりしても良い（図１０等参照。）
より具体的には、前記実施形態のガス流路９２は、締結機構の固定ロッド１００を挿入する貫通孔と全てを共有することによって、実質的に貫通孔として機能していたが、例えばガス流路と貫通孔は開口部だけを共有させて、それ以外の部位は、それぞれ独立して発電スタックの内部に形成したり、開口部とそれ以外の部位を部分的に共有させたりすることも可能である。

・前記実施形態では、ガス流路９２が貫通孔と全てを共有することで、ガス流路９２の両端が燃料電池１２の積層方向両側に開口していたが、ガス流路において貫通孔と開口部を共有しない端部を燃料電池の内部に位置させることによって、ガス流路を燃料電池の積層方向に非貫通の形態で形成することも可能である。

・前記実施形態では、原料ガスとして都市ガスやＬＰＧ等に含まれる炭化水素原料が用いられ、かかる原料ガスと水蒸気からなる燃料ガスを改質層９０に通して水蒸気改質することによって、固体酸化物形燃料電池１２の発電反応に必要な水素が得られるようになっていたが、例えば、予め原料ガスに水素が採用される場合には、図１０に示されるように、気化器２８やオフガス燃焼層８４，８８、改質層９０を設ける必要はない。

・前記実施形態では、酸化剤ガスや燃料ガスが各セル５２にそれぞれ供給された後に生じる各排気ガスが、第一及び第二排気ガス流路９２ｂ，９２ｃにおいてまとめて外部に排出されるようになっていたが、例えば図１０に示されるように、酸化剤ガスの排気用として第一排気ガス流路９２ｂ’を用い、燃料ガス（水素ガス）の排気用として第二排気ガス流路９２ｂ’’を用いることによって、酸化剤ガスの排気と燃料ガスの排気とが個別に行われるようにしても良い。

なお、図１０に示される別の実施形態において、前記実施形態と実質的に同一の構造とされた部材および部位については、前記実施形態と同一の符号を付することによって、それらの詳細な説明を省略する。

・加えて、前記実施形態の燃料電池システムにおいては、燃料電池として固体酸化物形燃料電池１２を採用していたが、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）やリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）などを採用することも勿論可能である。

１０…燃料電池システム、１２…固体酸化物形燃料電池、５２…単セル、５４…発電スタック、９２ａ…第一酸化剤ガス流路、９２ｂ…第二排気ガス流路、９２ｃ…第一排気ガス流路、９２ｄ…第二酸化ガス流路、９２ｅ…第三燃料ガス流路、９２ｆ…第二燃料ガス流路、９２ｇ…第一燃料ガス流路、１００…固定ロッド、１０３…開口部、１０６…固定ナット、１１１…外部連通路

Claims (6)

1. 略平板形状を有する電解質層と電極層とからなる発電セルを積層してなる燃料電池と、該燃料電池の積層方向に貫通する貫通孔と、該貫通孔に挿入されて該燃料電池を積層方向に締結する締結機構とを有する燃料電池システムであって、
   前記燃料電池には、少なくとも前記貫通孔と開口部を共有し前記発電セルに対して燃料ガス又は酸化剤ガスを供給するガス流路が設けられ、
   前記燃料電池の外部には、前記開口部を介して前記ガス流路に連通され、外部から該ガス流路に前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを導入する外部連通路が設けられ、
   前記締結機構のうち少なくとも前記貫通孔の開口近辺部分は、該燃料電池の排熱を回収して該燃料電池に導入される前の前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを加熱する予熱手段として構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記締結機構は、前記貫通孔に挿通されて前記燃料電池から突出した部分に雄ネジ部が設けられた固定部材と、該固定部材の先端部分と所定の隙間をもって該雄ネジ部に螺合される有底筒状の固定ナットとからなり、
   前記締結機構に含まれる前記予熱手段は、該固定部材の先端部分と該固定ナットとを含んで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記固定ナットは内部開口を備え、前記ガス流路と前記外部連通路は該内部開口を介して接続されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記内部開口は、前記燃料電池における前記積層方向と平行に広がる面に開口していることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 前記外部連通路は、前記燃料電池における前記積層方向に直交する方向に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の燃料電池システム。
6. 前記燃料電池の発電を補助するための発電補助部材を備え、該発電補助部材が該燃料電池と電気的に絶縁された状態で隣り合うように配置されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の燃料電池システム。