JP4598509B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池スタック、熱交換器及び改質器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（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。
この種の燃料電池として、例えば、特許文献１に開示されている固体電解質型燃料電池が知られている。この特許文献１の燃料電池は、図１７に示すように、函体１の内部に複数のセルスタック２が収容されるとともに、各セルスタック２は、締め付けボルト３及び皿ばね４により締め付けられている。
セルスタック２には、それぞれ燃料ガス供給管５ａ、酸化剤ガス供給管６ａ及び酸化剤ガス排出管６ｂが接続され、これらが函体１を貫通して外部に延在している。この函体１には、前記函体１の内部に開放される燃料ガス排出管５ｂが取り付けられている。
セルスタック２は、複数の単セル７を上下に配設するとともに、積層方向両端には、エンドプレート８ａ、８ｂが配設されている。エンドプレート８ａには、燃料ガス供給管５ａ、酸化剤ガス供給管６ａ及び酸化剤ガス排出管６ｂが接続されるとともに、エンドプレート８ｂは、函体１の底面に載置されている。
特開平５−４７４０９号公報（図１）
上記の特許文献１では、燃料ガス及び酸化剤ガスは、燃料ガス供給管５ａ及び酸化剤ガス供給管６ａを介してエンドプレート８ａから各セルスタック２内に導入されている。その際、燃料ガス及び酸化剤ガスの温度は、運転中のセルスタック２の温度より低い温度であるため、前記エンドプレート８ａの反応ガス導入口付近の温度が低下してしまう。
エンドプレート８ａに燃料ガス供給管５ａ及び酸化剤ガス供給管６ａが接続されており、このエンドプレート８ａは、前記燃料ガス供給管５ａ及び前記酸化剤ガス供給管６ａから放熱し易く、熱効率が低下するという問題がある。さらに、エンドプレート８ａに燃料ガス供給管５ａ及び酸化剤ガス供給管６ａが接続される部分は、それ以外の部分と比較して温度が低下する。このため、エンドプレート８ａに比較的大きな温度分布が発生してしまい、前記エンドプレート８ａに歪みが惹起するという問題がある。
しかも、函体１内には、燃料ガス供給管５ａ、酸化剤ガス供給管６ａ及び酸化剤ガス排出管６ｂを収容するためのスペースが必要となる。これにより、函体１が相当に大型化するとともに、表面積が増大して熱効率が低下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、コンパクトな構成で、エンドプレートからの放熱を有効に阻止するとともに、均熱性を維持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とともに、積層方向両端にエンドプレートが配設される燃料電池スタックと、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、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、前記熱交換器及び前記改質器を収容する筐体とを備えている。
そして、一方のエンドプレート側には、熱交換器で加熱された酸化剤ガス、又は電解質・電極接合体で反応に使用されて排出された排ガスが一旦充填されるチャンバ部が形成されるとともに、前記チャンバ部には、前記熱交換器及び改質器が直結されている。
また、チャンバ部には、該チャンバ部に一旦充填された酸化剤ガスを燃料電池スタックに供給するための開口部が設けられることが好ましく、さらに、チャンバ部には、前記チャンバ部に直接開口し、該チャンバ部に一旦充填された排ガスを前記熱交換器に供給するための開口部が設けられることが好ましい。
さらにまた、熱交換器及び改質器は、燃料電池スタックの一方の側に配置されることが好ましく、また、前記熱交換器の内側に前記改質器が配置されるとともに、前記燃料電池スタックの中心軸に対して前記熱交換器及び前記改質器を軸対称に配置することが好ましい。
本発明によれば、一方のエンドプレート側に形成されたチャンバ部には、加熱された酸化剤ガス、又は電解質・電極接合体で反応に使用されて排出された高温の排ガスが一旦充填されるため、前記エンドプレート全体が均熱化される。これにより、エンドプレートに熱歪みが惹起することがなく、燃料電池スタックの熱歪みが有効に低減される。さらに、エンドプレートからの放熱を減らすことにより、燃料電池スタックの作動温度を均一に保つことができる。さらにまた、酸化剤ガスや排ガスをチャンバ部に一旦充填することで、前記酸化剤ガスや前記排ガスの流量分布が一定となり、均等に発電することが可能になる。
しかも、チャンバ部は、熱交換器及び改質器に直結されるため、反応ガス用配管が不要になる。従って、燃料電池の発電時に、配管からの放熱を低減することができ、熱損失を良好に削減するとともに、軽量化を図ることが可能になる。さらに、不要となる配管に相当する体積を燃料電池スタックから削除することができるため、前記燃料電池スタックを一層コンパクト化することが可能になる。
その上、燃料電池及びチャンバ部を介してエンドプレートからの放熱を削減するとともに、配管を不要にして該配管からの放熱をなくすことができ、燃料電池スタックの始動性の向上を図ることが可能になる。
図１は、本発明の第１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、少なくとも内側周端部（セパレータ２８の中央側）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。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。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）。
図６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。
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。
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。
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。
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。
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。
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に高温の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。
エンドプレート７０ａの周回溝部７４に壁板９６が固定されてチャンバ部９８が構成されるとともに、このチャンバ部９８には、熱交換器１４及び改質器１６が直結される。チャンバ部９８内に形成されるチャンバ９８ａには、熱交換器１４を通って加熱された空気が一旦充填される。孔部８０は、チャンバ９８ａに一旦充填された空気を燃料電池スタック１２に供給するための開口部を構成する。
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を介してチャンバ部９８に直接開口する通路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。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。
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、図２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。
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の頭部は、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。
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。
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、チャンバ部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６参照）。
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。
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９８ａに導入される。この空気は、チャンバ９８ａ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。
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。
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。
この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック１２を構成するエンドプレート７０ａ側にチャンバ部９８が形成されており、このチャンバ部９８のチャンバ９８ａには、熱交換器１４によって加熱された空気が一旦充填されている。このため、エンドプレート７０ａ全体が均熱化され、前記エンドプレート７０ａに熱歪が発生することがなく、燃料電池スタック１２全体の熱歪が有効に低減される。さらに、エンドプレート７０ａからの放熱を減らすことができるため、燃料電池スタック１２の作動温度を均一に保つことが可能になるという効果が得られる。
さらにまた、加熱された空気がチャンバ９８ａに一旦充填されるため、前記空気の流量が前記チャンバ９８ａ内で一定になるように調整される。これにより、燃料電池１１に供給される空気の流量分布が一定となり、各燃料電池１１で均等に発電することができる。
しかも、チャンバ部９８は、熱交換器１４及び改質器１６に直結されている。従って、熱交換器１４とチャンバ部９８とを配管で連結する必要がなく、前記配管からの放熱を回避することができる。これにより、燃料電池１１の発電時に配管からの放熱を低減することができ、熱損失を良好に削減することが可能になる。さらに、配管が不要になることによって、燃料電池スタック１２全体を軽量化することができるとともに、不要になる配管の体積を前記燃料電池スタック１２から削除することができ、該燃料電池スタック１２をコンパクト化することが可能になる。
その上、燃料電池１１からの発熱及びチャンバ９８ａに一旦充填される空気によってエンドプレート７０ａを暖めている。このため、エンドプレート７０ａからの放熱を削減するとともに、配管を不要にして該配管からの放熱をなくすことができ、燃料電池スタック１２の始動性の向上を図ることが可能になる。
また、筐体１８内において、熱交換器１４及び改質器１６を含む流体部１９は、燃料電池スタック１２に直結し、且つ一方の側にのみ配置されている。従って、流体部１９全体の放熱面積が減少し、熱損失の削減が容易に図られる。しかも、熱の授受が必要な流体部１９は、筐体１８内に集中して配置されるため、前記流体部１９に関係する体積を小さくして放熱量の削減がなされ、熱効率の向上を図ることができる。
さらにまた、熱交換器１４の内側に改質器１６が配置されるとともに、前記熱交換器１４及び前記改質器１６は、燃料電池スタック１２の中心軸に対して軸対称に配置されている。これにより、改質器１６の断熱性が向上し、流体部１９の熱応力の発生を低減することが可能になる。
図９は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１２０の一部断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
燃料電池システム１２０は、筐体１８内に収容される燃料電池スタック１２２を備える。燃料電池スタック１２２は、矢印Ａ方向に複数積層される燃料電池１２４を備え、前記燃料電池１２４がエンドプレート７０ａ、７０ｂ間に挟持されている。
燃料電池１２４は、図１０及び図１１に示すように、電解質・電極接合体２６を構成するカソード電極２２に沿って供給される酸化剤ガスの流れ方向が、第１の実施形態とは反対に、前記カソード電極２２の外側周端部から内側周端部に向かって矢印Ｃ方向に流動する。
円板部３６の外方に位置して、酸化剤ガス供給部６７が設けられるとともに、前記円板部３６の内方と第１橋架部３４との間に位置して、排ガス通路６８が積層方向に延在して設けられる。各円板部３６には、両側の円板部３６に向かって突出する突片部１２６ａ、１２６ｂが設けられる。互いに隣り合う突片部１２６ａ、１２６ｂ間には、空間部１２８が形成され、この空間部１２８には、邪魔板部材１３０が積層方向に延在して配設される。
図１２に示すように、酸化剤ガス通路５０は、電解質・電極接合体２６の外周端部と円板部３６の外周端部との間から矢印Ｃ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の突片部１２６ａ、１２６ｂ間に設けられる。
図９に示すように、エンドプレート７０ａ側には、排ガス通路６８に孔部８０を介して連通するチャンバ１３２ａを設けるチャンバ部１３２が形成される。チャンバ１３２ａには、燃料電池１２４から排出された排ガスが一旦充填されるとともに、この排ガスは、前記チャンバ１３２ａに直接開口する開口部１３３を通って熱交換器１４内の通路１１０を通過する。
ヘッド板９４には、空気供給管１３４と排ガス管１３６とが接続される。空気供給管１３４は、改質器１６の近傍まで延在する一方、排ガス管１３６の端部は、ヘッド板９４に接続される。
このように構成される第２の実施形態では、燃料ガスは、燃料ガス供給管１００から改質器１６を通って燃料ガス供給連通孔３０に供給される。一方、酸化剤ガスである空気は、空気供給管１３４から熱交換器１４の通路１０８を通って各燃料電池１２４の外周側に設けられている酸化剤ガス供給部６７に供給される。図１２に示すように、空気は、電解質・電極接合体２６の外周端部と円板部３６の外周端部との間から矢印Ｃ方向に流入し、酸化剤ガス通路５０に送られる。
これにより、電解質・電極接合体２６では、発電が行われ、この発電に使用された反応後の燃料ガス及び空気が混在する排ガスは、セパレータ２８内に形成される排ガス通路６８を介して積層方向に移動する。そして、排ガスは、孔部８０を通ってエンドプレート７０ａ側に形成されているチャンバ部１３２内のチャンバ１３２ａに一旦充填される。さらに、排ガスは、通路１１０を介して熱交換器１４を通って空気との間で熱交換を行った後、排ガス管１３６から排出される。
この場合、第２の実施形態では、各燃料電池１２４で反応に使用されて排出された排ガスが、チャンバ１３２ａに一旦充填されるため、エンドプレート７０ａ全体を確実に均熱化することができる。しかも、チャンバ１３２ａには、熱交換器１４に排ガスを供給するための開口部１３３が直接開口しており、排熱用配管が不要になる。これにより、燃料電池スタック１２２全体の熱歪が有効に低減されるとともに、熱効率が向上する等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
図１３は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１４０の一部断面説明図である。
燃料電池システム１４０は、燃料電池スタック１４２を備え、この燃料電池スタック１４２と熱交換器１４及び改質器１６とが筐体１４４に収容される。燃料電池スタック１４２は、矢印Ａ方向に積層される複数の燃料電池１４６を備える。
図１４及び図１５に示すように、燃料電池１４６は、一対のセパレータ１５０間に、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１５０は、第１プレート１５２及び第２プレート１５４と、前記第１及び第２プレート１５２、１５４間に配設される第３プレート１５６とを備える。第１〜第３プレート１５２、１５４、１５６は、例えば、ステンレス合金等の板金で構成される。
第１プレート１５２は、８個の第１円板部１５８が幅狭な連結部１６２を介して第１小径端部１６４に連結される。この第１小径端部１６４には、燃料ガス供給連通孔３０が形成される。各第１円板部１５８には、第１突起部１６６とリング状突起部１６８とが設けられるとともに、前記第１円板部１５８の中央部には、燃料ガス導入口５４が設けられる。第１円板部１５８の内側には、排ガス通路６８が矢印Ａ方向に延在して設けられる。
第２プレート１５４は、湾曲する外周部１７０を備え、前記外周部１７０の各円弧状部分には、内方に突出する連結部１７２を介して第２円板部１７４が一体的に設けられる。第２円板部１７４には、電解質・電極接合体２６のカソード電極に接触する第２突起部１７６が設けられるとともに、各中心には、酸化剤ガス導入口１７８が形成される。
第３プレート１５６は、湾曲する外周部１８０を備え、この外周部１８０の各円弧状部分には、内方に突出する連結部１８２を介して第３円板部１８４が一体的に連結される。各第３円板部１８４の第１プレート１５２に向かう面には、第３突起部１８６が形成されるとともに、前記第３円板部１８４は、連結部１８８を介して第２小径端部１９０に連結される。第２小径端部１９０には、燃料ガス供給連通孔３０に連通する複数のスリット１９２が放射状に形成され、このスリット１９２には、前記第２小径端部１９０を周回して凹部１９４が連通する。
図１６に示すように、第１及び第３プレート１５２、１５６間には、燃料ガス供給通路６６が形成されるとともに、第２及び第３プレート１５４、１５６間には、酸化剤ガス通路５０が形成される。電解質・電極接合体２６を挟持する第１及び第２プレート１５２、１５４間には、外周部１７０に沿って絶縁シール１９６が配設される（図１４参照）。
図１３に示すように、燃料電池スタック１４２は、燃料電池１４６の積層方向両端に配設されるエンドプレート２００ａ、２００ｂを備える。エンドプレート２００ａ、２００ｂの外周端縁部には、締め付けボルト２０２が挿入され、この締め付けボルト２０２の先端にナット２０４が螺合することによって、前記エンドプレート２００ａ、２００ｂ間に締め付け荷重が付与される。
締め付けボルト２０２は、エンドプレート２００ａと導通する一方、エンドプレート２００ｂとは、電気的に遮断される。エンドプレート２００ａ側には、排ガス用第１チャンバ部２０６が形成されるとともに、エンドプレート２００ｂ側には、同様に排ガス用第２チャンバ部２０７が形成される。
第１チャンバ部２０６は、エンドプレート２００ａと流体部１９との間に形成される。この第１チャンバ部２０６内のチャンバ２０６ａは、エンドプレート２００ａに形成される複数の孔部２０８ａを介して排ガス通路６８に連通する一方、前記第１チャンバ部２０６には、前記チャンバ２０６ａに直接開口し、該チャンバ２０６ａに一旦充填された排ガスを熱交換器１４の通路１１０に供給するための開口部２０９が設けられる。第２チャンバ部２０７は、エンドプレート２００ｂと内壁板２１０との間に形成されるとともに、前記第２チャンバ部２０７のチャンバ２０７ａは、複数の孔部２０８ｂを介して排ガス通路６８に連通する。内壁板２１０は、両端部を熱交換器１４の外周部に固定して筐体１４４内に空気流路２１２を形成する。
筐体１４４は、燃料電池スタック１４２を収容する第１筐体部２１４ａと、流体部１９を収容する第２筐体部２１４ｂとを備える。第１筐体部２１４ａには、エンドプレート２００ｂに電気的に接続される第１出力端子２１６ａと、エンドプレート２００ａ、熱交換器１４及び第２筐体部２１４ｂを介して電気的に接続される第２出力端子２１６ｂとが設けられる。第１出力端子２１６ａは、第１筐体部２１４ａ及び内壁板２１０に対して電気的に遮蔽されている。
第１筐体部２１４ａには、空気供給管２１８が設けられ、この空気供給管２１８に導入される空気は、空気流路２１２を通って熱交換器１４の通路１０８に供給される。第２筐体部２１４ｂには、燃料ガス供給管１００及び排ガス管１０６が接続される。
このように構成される第３の実施形態では、燃料が燃料ガス供給管１００から改質器１６に供給されて得られた燃料ガスは、燃料電池スタック１４２の燃料ガス供給連通孔３０に供給される。この燃料ガスは、図１６に示すように、燃料ガス供給通路６６に沿って移動し、燃料ガス導入口５４から各電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の略中心に供給される。
一方、空気は、図１３に示すように、空気供給管２１８から空気流路２１２に供給される。この空気は、空気流路２１２に沿って移動し、熱交換器１４の通路１０８に供給される。熱交換器１４では、後述するように、排ガスが通路１１０に供給されており、この排ガスを介して加熱された空気は、燃料電池スタック１４２の外周部に設けられる酸化剤ガス供給部６７に供給される。
図１６に示すように、酸化剤ガス供給部６７に供給された空気は、酸化剤ガス通路５０に沿って移動し、酸化剤ガス導入口１７８から電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の略中央に供給される。これにより、電解質・電極接合体２６で発電が行われ、反応に使用された燃料ガス及び空気を含む排ガスは、各電解質・電極接合体２６の周囲に形成されている排ガス通路６８に排出される。
この排ガス通路６８に排出された排ガスは、積層方向に沿って移動し、エンドプレート２００ａ、２００ｂの孔部２０８ａ、２０８ｂから第１及び第２チャンバ部２０６、２０７のチャンバ２０６ａ、２０７ａに充填される。チャンバ２０６ａに一旦充填された排ガスは、熱交換器１４の通路１１０に供給されてこの熱交換器１４で熱交換が行われた後、排ガス管１０６から排出される。
この場合、第３の実施形態では、エンドプレート２００ａ側に形成された第１チャンバ部２０６のチャンバ２０６ａには、排ガス通路６８から排出される排ガスが一旦充填されている。このため、エンドプレート２００ａ全体を均熱化することができるとともに、前記エンドプレート２００ａからの放熱を低減し得る等、第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
さらに、第３の実施形態では、エンドプレート２００ｂに内壁板２１０を介して第２チャンバ部２０７が設けられており、孔部２０８ｂを介して排ガス通路６８から前記第２チャンバ部２０７のチャンバ２０７ａに排ガスが充填されている。従って、燃料電池スタック１４２には、燃料電池１４６の積層方向両端にそれぞれ高温の排ガスが充填される第１及び第２チャンバ部２０６、２０７が設けられ、断熱性が一層向上するという利点がある。
本発明の第１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。 前記セパレータの正面の説明図である。 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。 本発明の第２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。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 本発明の第３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。 前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。 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、１２０、１４０…燃料電池システム
１１、１２４、１４６…燃料電池 １２、１２２、１４２…燃料電池スタック
１４…熱交換器 １６…改質器
１８、１４４…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、１５０…セパレータ
３０…燃料ガス供給連通孔 ３４、６０…橋架部
３６、１５８、１７４、１８４…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、２００ａ、２００ｂ…エンドプレート
８６ａ、８６ｂ、２１４ａ、２１４ｂ…筐体部
９２、９６…壁板
９８、１３２、２０６、２０７…チャンバ部
９８ａ、１３２ａ、２０６ａ、２０７ａ…チャンバ
１００…燃料ガス供給管 １０２…改質ガス供給管
１０４、１３４、２１８…空気供給管
１０６、１３６…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 １５２、１５４、１５６…プレート
２１０…内壁板

Claims (5)

  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とともに、積層方向両端にエンドプレートが配設される燃料電池スタックと、
    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、
    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、前記熱交換器及び前記改質器を収容する筐体と、
    を備え、
    一方のエンドプレート側には、前記熱交換器で加熱された前記酸化剤ガス、又は前記電解質・電極接合体で発電反応に使用されて排出された前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスである排ガスが一旦充填されるチャンバ部が、前記一方のエンドプレートと該一方のエンドプレートに装着される壁板との間に形成され、
    前記チャンバ部には、前記熱交換器及び前記改質器が前記壁板に直接結合されて配置され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、前記チャンバ部には、該チャンバ部に一旦充填された前記酸化剤ガスを前記燃料電池スタックに供給するための開口部が設けられることを特徴とする燃料電池システム。
  3. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記チャンバ部には、前記チャンバ部に直接開口し、該チャンバ部に一旦充填された前記排ガスを前記熱交換器に供給するための開口部が設けられ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、前記熱交換器及び前記改質器は、前記燃料電池スタックの一方の側に配置され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、前記熱交換器の内側に前記改質器が配置されるとともに、
    前記燃料電池スタックの中心軸に対して前記熱交換器及び前記改質器を軸対称に配置することを特徴とする燃料電池システム。
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