JP4494187B2 - Fuel cell system - Google Patents
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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。 The present invention relates to a fuel cell system in which a fuel cell stack, a heat exchanger, a reformer, and a load applying mechanism are accommodated in a casing.
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。 In general, a solid oxide fuel cell (SOFC) uses an oxide ion conductor, for example, stabilized zirconia, as an electrolyte, and an electrolyte / electrode assembly in which an anode electrode and a cathode electrode are disposed on both sides of the electrolyte ( A single cell) is sandwiched between separators (bipolar plates). This fuel cell is usually used as a fuel cell stack in which a predetermined number of single cells and separators are stacked.
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(O2-)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。 In the above fuel cell, when an oxidant gas, for example, a gas containing mainly oxygen or air (hereinafter also referred to as oxygen-containing gas) is supplied to the cathode electrode, this oxidation is performed at the interface between the cathode electrode and the electrolyte. Oxygen in the agent gas is ionized, and oxide ions (O 2− ) move to the anode electrode side through the electrolyte. Since the anode electrode is supplied with a fuel gas, for example, a gas mainly containing hydrogen (hereinafter also referred to as a hydrogen-containing gas) or CO, in this anode electrode, oxide ions and hydrogen (or CO) Reacts to produce water (or CO 2 ). Electrons generated during that time are taken out to an external circuit and used as direct current electric energy.
この種の燃料電池を積層してスタックを構成する際には、例えば、特許文献1に従来技術として開示されている締め付け方法が用いられている。この締め付け方法では、図9に示すように、スタック1が、上板2aと下板2bとに挟持されるとともに、前記上板2aには、気密性のベローズ3が設けられている。このベローズ3の上面には、押え板2cが配設され、前記押え板2cと上板2aと下板2bとに押えボルト4が挿入されて締め付けられたスタックは、圧力容器5内に格納されている。
When stacking this type of fuel cell to form a stack, for example, a fastening method disclosed in Patent Document 1 as a prior art is used. In this fastening method, as shown in FIG. 9, the stack 1 is sandwiched between an upper plate 2a and a
圧力容器5には、加圧管6aを介して圧縮空気が供給される一方、ベローズ3には、加圧管6bを介してベローズ圧力調整装置7が接続されている。このベローズ圧力調整装置7には、ガスボンベ8が接続されている。
Compressed air is supplied to the pressure vessel 5 through a pressurizing pipe 6a, while a bellows
このような構成において、燃料電池運転時は、圧力容器5内の圧力を所定の圧力まで昇圧させて維持した状態で、この圧力に応じてベローズ3内の圧力が調整されている。このため、スタック1は、一定の圧力で締め付け保持され、前記ベローズ3内の圧力と圧力容器5内の圧力との差圧は、常に一定になるように調整されている。
In such a configuration, during operation of the fuel cell, the pressure in the
しかしながら、上記の特許文献1では、ベローズ3内に供給される圧縮空気を介してスタック1全体に締め付け荷重を付与するため、このスタック1内の図示しない電解質・電極接合体に対し、必要以上の荷重が付与されるおそれがある。これにより、電解質・電極接合体に損傷が発生し易いという問題がある。その際、ベローズ3内に供給される圧縮空気を減圧させて電解質・電極接合体の損傷を回避しようとすると、スタック1内の反応ガス流路等のシール部位に対し所望のシール性を維持することができないおそれがある。
However, in the above-mentioned Patent Document 1, since a tightening load is applied to the entire stack 1 through the compressed air supplied into the
さらに、圧力容器5内には、酸化剤ガスをスタック1に供給する前に加熱する熱交換器や、燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器等の流体部が収容される場合がある。ところが、この種の流体部では、高温の排ガスや空気等が流動するため、ベローズ3を高熱から有効に遮断する必要がある。このため、専用の断熱構造が必要となり、圧力容器5全体が相当に大型化し易いという問題がある。
Further, in the pressure vessel 5, a fluid part such as a heat exchanger that heats the oxidant gas before being supplied to the stack 1 or a reformer that reforms the fuel to generate the fuel gas is accommodated. There is. However, in this type of fluid portion, high-temperature exhaust gas, air, and the like flow, so it is necessary to effectively block the
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、電解質・電極接合体の損傷を良好に阻止し、しかも熱効率を向上させ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。 The present invention solves this type of problem, and is a fuel cell capable of reducing the size and simplification of the entire system, satisfactorily preventing damage to the electrolyte / electrode assembly, and improving the thermal efficiency. The purpose is to provide a system.
本発明に係る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及び燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器を含む流体部と、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、前記流体部及び前記荷重付与機構を収容する筐体とを備えている。 The fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell in which an electrolyte / electrode assembly configured by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode and a separator are stacked, and a fuel in which a plurality of the fuel cells are stacked A battery stack, a heat exchanger that is disposed on one side of the fuel cell stack and that heats the oxidant gas before supplying the fuel cell stack, and a reformer that reforms the fuel to generate fuel gas. Including a fluid part, a load application mechanism that is disposed on the other side of the fuel cell stack and applies a tightening load to the fuel cell stack in a stacking direction, and the fuel cell stack, the fluid part, and the load application mechanism Housing.
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、内部に圧力流体が供給されて前記積層方向に伸縮自在な袋状部材を介し、電解質・電極接合体に対して前記積層方向に荷重を付与する第2締め付け部とを設けている。 The load applying mechanism includes a first tightening portion that applies a load in a stacking direction to a predetermined seal portion of the fuel cell stack, and a bag-shaped member that is supplied with a pressure fluid and expands and contracts in the stacking direction. And a second tightening portion for applying a load in the stacking direction to the electrolyte / electrode assembly.
また、袋状部材は、各電解質・電極接合体毎に前記積層方向の荷重を付与可能に分割構成される複数の蛇腹部を有し、各蛇腹部は筐体内で流体通路が連結されていることが好ましく、さらに、セパレータは、各電解質・電極接合体を配置する部位が、前記電解質・電極接合体の数に対応して複数に分割されることが好ましい。さらにまた、第2締め付け部は、筐体の外部に配置されて各袋状部材に圧力流体である空気を供給するサージタンクを備えることが好ましい。 Further, the bag-like member has a plurality of bellows parts configured to be able to apply the load in the stacking direction for each electrolyte / electrode assembly, and each bellows part is connected to a fluid passage in the housing. Further, the separator is preferably divided into a plurality of portions where the electrolyte / electrode assemblies are arranged corresponding to the number of the electrolyte / electrode assemblies. Furthermore, it is preferable that a 2nd clamping part is equipped with the surge tank arrange | positioned outside the housing | casing and supplying the air which is a pressure fluid to each bag-shaped member.
本発明によれば、燃料電池スタックの一方の側に、流体部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(以下、高温ガスともいう)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とともに、熱効率や始動性を向上させることが可能になる。 According to the present invention, the fluid portion is disposed on one side of the fuel cell stack, and the load application mechanism is disposed on the other side of the fuel cell stack. Exposure to exhaust gas and air (hereinafter also referred to as high-temperature gas). Thereby, it is possible to improve the durability of the load application mechanism with a simple configuration and improve the thermal efficiency and startability.
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。 Moreover, by providing the first and second tightening portions that can apply different loads to the central portion of the separator, the entire load applying mechanism can be reduced, and the entire system can be easily reduced in size. become.
さらに、第2締め付け部は、内部に圧力流体が供給されて積層方向に伸縮自在な袋状部材を備えており、この袋状部材の押圧作用下に各電解質・電極接合体に均一な荷重を確実に付与することができる。このため、電解質・電極接合体の損傷を良好に阻止することが可能になるとともに、安定した発電性能を得ることができる。その上、燃料電池内の温度が上昇する際には、袋状部材内の圧力流体が加熱されても前記袋状部材内の圧力流体の加圧力が一定に保たれる。これにより、温度変化に影響されることがなく、経済的な構成で、各電解質・電極接合体に一定の荷重を確実に付与することができる。 Further, the second tightening portion is provided with a bag-shaped member that is supplied with a pressure fluid and can be expanded and contracted in the stacking direction, and a uniform load is applied to each electrolyte / electrode assembly under the pressing action of the bag-shaped member. It can be surely given. For this reason, it is possible to satisfactorily prevent damage to the electrolyte / electrode assembly and obtain stable power generation performance. In addition, when the temperature in the fuel cell rises, the pressure of the pressure fluid in the bag-like member is kept constant even if the pressure fluid in the bag-like member is heated. Thus, a constant load can be reliably applied to each electrolyte / electrode assembly with an economical configuration without being affected by temperature changes.
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。
FIG. 1 is a partial cross-sectional explanatory view of a
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。
The
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。
In the
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、少なくとも内側周端部には、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。
The
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。
The
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。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。
As shown in FIG. 3, the
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。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5参照)。
A
図6に示すように、第1及び第2突起部48、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。
As shown in FIG. 6, the first and
図3〜図5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。
As shown in FIGS. 3 to 5, the
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。
A
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。
On the joint surface of the
図6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B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。
As shown in FIG. 6, the
各セパレータ28間には、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。
An insulating
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。
As shown in FIGS. 1 and 2, in the
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7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。
The
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及び流体部19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ガス遮蔽部を構成する。
The
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。
One end portion of the ring-shaped
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。
The
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。
An
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)。
The
第1締め付け部112aは、図1、図2及び図8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を覆ってセパレータ28の中央部に係合する。
As shown in FIGS. 1, 2 and 8, the
第2締め付け部112bは、長尺な第2締め付けボルト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。
The
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とともに、前記第2押圧プレート116bとエンドプレート70bとの間には、積層方向に伸縮自在な蛇腹状の袋状部材118が配設される。図1及び図8に示すように、袋状部材118は、第2押圧プレート116bに接する基台部120を備える。この基台部120は、第2押圧プレート116bに対応して外周波形状に設定されるとともに、内部に中空部122を有する。基台部120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に対応して複数の蛇腹部124が分割構成される。
The second
各蛇腹部124内の室126は、基台部120に形成される孔部128を介して前記基台部120内の中空部122に連通する。この基台部120には、管体130の一端が接続されており、この管体130が中空部122に連通する。管体130は、筐体18の第1筐体部86aを貫通して外部に露呈するとともに、前記管体130の他端がサージタンク132に接続される。
The
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。
The operation of the
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6参照)。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。
When the
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。
Thus, the
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8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。
A plurality of the
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の近傍に対して第1締め付け荷重T1が付与される。
In this state, each short
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、第2締め付け部112bを構成する袋状部材118が係合した状態で、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。
Next, the electrolyte-
袋状部材118では、サージタンク132を介して加圧された空気(不活性ガスでもよい)が供給されており、この空気は、基台部120の中空部122に導入され、各孔部128を介して各蛇腹部124の室126に充填される。このため、各蛇腹部124は、空気ばねとして機能し、各電解質・電極接合体26には、それぞれ積層方向に配置されている各蛇腹部124が配置され、各蛇腹部124を介して第2締め付け荷重T2が付与される。
The bag-shaped
さらに、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。
Further, in the
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。
Next, in the
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6参照)。
Fuel is reformed through the
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。
The fuel gas moves between the first and
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。
On the other hand, the air is once introduced into the
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6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。
The air supplied to the oxidant
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。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。
Accordingly, in the electrolyte /
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。
The exhaust gas discharged to the outer periphery of each electrolyte /
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を流れる高温ガス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。
In this case, in the present embodiment, a
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の略中央部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。
Furthermore, the
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。
On the other hand, the
その際、本実施形態では、第2締め付け部112bは、袋状部材118を備えており、サージタンク132を介して前記袋状部材118を構成する各蛇腹部124の室126には、圧力流体である空気が供給されている。さらに、複数の電解質・電極接合体26に対応して複数の蛇腹部124を配置している。このため、各蛇腹部124の押圧作用下に、各電解質・電極接合体26に均一な荷重を確実に付与することができる。さらに、電解質・電極接合体26の損傷を良好に阻止することが可能になるとともに、安定した発電性能を得ることができる。
At this time, in the present embodiment, the
さらにまた、セパレータ28や各電解質・電極接合体26に寸法誤差があっても、各電解質・電極接合体26に均等に荷重を付与することが可能であるため、前記電解質・電極接合体26の損傷を阻止できるとともに、各電解質・電極接合体26の発電性能が一定となり、燃料電池スタック12全体として安定した発電性能を有することが可能になる。
Furthermore, even if there is a dimensional error in the
しかも、燃料電池11内の温度が上昇する際には、袋状部材118内の空気が加熱されても前記袋状部材118内の加圧流体は、サージタンク132によって加圧力が一定に保たれる。これにより、温度変化に影響されることがなく、経済的な構成で、各電解質・電極接合体26に一定の荷重を確実に付与することができるという効果が得られる。その上、荷重付与機構21は、ガス遮蔽部によって流体部19に流れる高温の排ガスに曝されることがなく、袋状部材118が高温による熱損傷等を受けることがない。
In addition, when the temperature in the
さらにまた、第1及び第2締め付け部112a、112bは、セパレータ28の直径内に配置されており、このセパレータ28の外側スペースを占有することがない。このため、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。
Furthermore, the first and
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
78、80、128…孔部 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
118…袋状部材 120…基台部
122…中空部 124…蛇腹部
126…室 130…管体
132…サージタンク
DESCRIPTION OF
Claims (4)
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及び燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器を含む流体部と、
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、前記流体部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、
内部に圧力流体が供給されて前記積層方向に伸縮自在な袋状部材を有し、前記電解質・電極接合体に対して前記積層方向に荷重を付与する第2締め付け部と、
を設け、
前記第2締め付け部の締め付け荷重は、前記第1締め付け部の締め付け荷重よりも小さく設定されることを特徴とする燃料電池システム。 A fuel cell stack in which a plurality of electrolyte / electrode assemblies configured by sandwiching an electrolyte between an anode electrode and a cathode electrode are disposed between a pair of separators, and the plurality of fuel cells are stacked; ,
A fluid part disposed on one side of the fuel cell stack and including a heat exchanger that heats the oxidant gas before supplying it to the fuel cell stack and a reformer that reforms the fuel to generate fuel gas; ,
A load applying mechanism that is disposed on the other side of the fuel cell stack and applies a tightening load to the fuel cell stack in a stacking direction;
A housing that houses the fuel cell stack, the fluid portion, and the load application mechanism;
With
The load applying mechanism includes a first tightening portion that applies a load in a stacking direction to a predetermined seal portion of the fuel cell stack;
A second tightening portion that has a bag-shaped member that is supplied with a pressure fluid and is elastic in the laminating direction, and applies a load in the laminating direction to the electrolyte / electrode assembly;
Provided ,
The tightening load of the second fastening portion, the fuel cell system characterized Rukoto is set smaller than the tightening load of the first tightening part.
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