JP4855686B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、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。

この種の固体電解質型燃料電池は、作動温度が相当に高温（８００℃程度）であるとともに、酸化性ガス及び還元性ガスが使用されている。このため、ガスケットとしては、耐熱性を有し且つ酸化性雰囲気及び還元性雰囲気での使用に適することが望まれる。さらに、所望のシール性能を維持するために、展性や可撓性を有することが必要である。

そこで、特許文献１には、セラミックス繊維と高融点ガラスとを混合してシート状に成形した高温用ガスケット材が開示されている。この特許文献１では、１０００℃以上の高温度域で十分なガスシール性を維持するとともに、耐久性が期待される、としている。

また、特許文献２には、電池セルとセパレータとの境界面の端部をシールするシール部が、固体電解質型燃料電池の動作温度より高い融点を持つ平均粒径０．５μｍ以下の酸化物粉末を主成分とする原料粉末の焼結体からなるシール材が開示されている。この特許文献２では、燃料電池の動作温度でシール材が固体状態を維持することができるとともに、酸化及び還元雰囲気において科学的に安定である、としている。

特開平７−５７７４８号公報 特開平１０−１２２５２号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、ガスケット材が長期間にわたって使用されると、高融点ガラスは、膨張と収縮とを繰り返すことにより劣化し易い。このため、高融点ガラスが飛散するとともに、劣化に伴ってセラミックス繊維から繊維等が飛散するおそれがある。これにより、燃料電池に劣化が惹起するという問題がある。

一方、上記の特許文献２では、シール材が可撓性を有しておらず、所望のシール性を確保することができないおそれがある。しかも、シール部が電解質と同様の材質で構成されるため、シール部位が前記電解質に限定されてしまう。従って、汎用性に劣るとともに、脆性を有するために締め付けを要する部位には適用できないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、高温且つ酸化性及び還元性の雰囲気におけるシール性を確保するとともに、劣化を防止して長期間の使用に適する燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、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である。この燃料電池は、前記燃料電池の一端に配設されるエンドプレートの周囲に壁板が固定されて構成され、カソード電極に供給される前の酸化剤ガス、又は前記燃料電池から排出される排ガスが流通する流路部材と、前記エンドプレートの前記流路部材を構成する面に接続され、燃料ガスをアノード電極に供給するための管部材と、前記流路部材と前記管部材との接続部位に配設される金製ガスケットとを備えている。

また、燃料電池は、流路部材に隣接して配置され、燃料を改質して燃料ガスを生成するとともに、管部材が連結される改質器と、前記改質器を囲繞して配置され、酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する前に加熱する熱交換器とを備え、前記改質器と前記熱交換器とは、前記燃料電池の中心に対して同軸上に配設されることが好ましい。

さらに、管部材は、燃料電池の中央部に連結されることが好ましい。燃料ガスが流通する管部材を有効に保温することができ、燃料電池全体の熱効率を向上させることが可能になるからである。

さらにまた、熱交換器は、カソード電極に供給される前の酸化剤ガスと排ガスとの間で熱交換することが好ましい。排ガスの排熱を利用して酸化剤ガスを加熱することができ、熱効率が有効に向上するからである。

本発明によれば、流路部材と管部材との接続部位に配設されるガスケット部材が金で構成されるため、このガスケット部材（金製ガスケット）は、高温環境や酸化性及び還元性の雰囲気に対して安定したシール性及び耐久性を維持することができる。

しかも、金の展性を利用してシールすることが可能になる。従って、シール部位における密着性が向上し、シール性能の信頼性が高まるとともに、使用可能な部位に制限がなく、汎用性に優れるガスケット部材を得ることができる。

さらに、他の部材、例えば、電解質・電極接合体が劣化して未燃の燃料ガスが増加しても、ガスケット部材が劣化することがなく、所望のシール性を確実に維持することが可能になる。これにより、反応前の燃料ガスがセパレータ内で燃焼することがなく、燃料電池の作動温度を均一化することができるとともに、電解質・電極接合体の破損等を防止す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を組み込む燃料電池システム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の中央部に段付き孔部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、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ガス遮蔽部を構成する。

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が固定されて流路部材９８が構成されるとともに、この流路部材９８には、熱交換器１４及び改質器１６が直結される。流路部材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（管部材）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の段付き孔部７８に嵌挿されて燃料ガス供給連通孔３０に連通する。

流路部材９８と改質ガス供給管１０２との接続部位である段付き孔部７８の底部７８ａには、金製ガスケット１０３が配設される。金製ガスケット１０３は、純金（２４Ｋ）で形成されており、図１及び図２に示すように、略リング状を有するとともに、厚さが、例えば、０．１ｍｍ〜２ｍｍの範囲内に設定される。

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を介して流路部材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、流路部材９８が形成される。

一方、燃料電池スタック１２と改質器１６とは、以下の工程により一体化される。先ず、エンドプレート７０ａの段付き孔部７８の底部７８ａに、金製ガスケット１０３が配設された状態で、改質ガス供給管１０２が前記段付き孔部７８に挿入される。従って、改質ガス供給管１０２の先端部は、金製ガスケット１０３に圧着するため、この金製ガスケット１０３は、自身の展性によりエンドプレート７０ａと改質ガス供給管１０２との接続部位の形状に沿って変形し、前記接続部位が良好にシールされる。

さらに、接続部位は、必要に応じて金の融点近傍の温度、例えば、１０００℃程度で熱処理される。これにより、金製ガスケット１０３は、金の一部が融解することで接続部位に密着して該接続部位のシール性が一層確実に維持されるという効果がある。

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、流路部材９８のチャンバ９８ａには、熱交換器１４を通って高温（約７００℃）になった空気が一旦充填されるとともに、改質ガス供給管１０２には、高温（約７００℃）の排ガスが流通している。このため、流路部材９８と改質ガス供給管１０２との接続部位の近傍は、高温で且つ酸化性及び還元性の雰囲気に曝されている。

そこで、第１の実施形態では、図１に示すように、接続部位である段付き孔部７８の底部７８ａには、ガスケット部材として金製ガスケット１０３が配設されている。これにより、接続部位は、高温環境や酸化性及び還元性の雰囲気に対して安定したシール性及び耐久性を維持することができるという効果が得られる。

しかも、金製ガスケット１０３は、展性を有しており、接合部位で薄板状（例えば、０．１ｍｍ）になって密着している。このため、接合部位の近傍に熱膨張や熱収縮が繰り返し発生しても容易に追随することができる。従って、例えば、ガラスシール材のように飛散することがなく、燃料電池スタック１２が劣化することを阻止することが可能になる。このため、接続部位における密着性が向上し、シール性能や信頼性が高まるとともに、使用可能な部位が制限されることがなく、汎用性に優れる金製ガスケット１０３を得ることができる。

さらに、他の部材、例えば、電解質・電極接合体２６が劣化して未燃の燃料ガスが増加しても、金製ガスケット１０３は、運転環境温度（６００℃〜８００℃）において固体形状を維持するとともに、自身の展性を利用して接続部位に強固に密着している。これにより、反応前の燃料ガスがリークして、例えば、セパレータ２８内で燃焼することがなく、燃料電池１１の作動温度を均一化することができるとともに、電解質・電極接合体２６の破損等を防止することが可能になる。

さらにまた、改質ガス供給管１０２は、燃料電池１１の中央部に配置されるため、この改質ガス供給管１０２を流通する燃料ガスが良好に保温され、燃料電池１１の熱効率が向上するという利点がある。

また、ガスケット部材の材質として、金（Ａｕ）以外にも銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉛（Ｐｄ）又は白金（ｐｔ）を使用することが考えられる。しかしながら、これらの材料では、融点が低い（Ａｇ）、電気抵抗が高い（Ｎｉ、Ｐｄ及びＰｔ）、展性が少ない（Ｎｉ）及び耐酸化性に劣る（Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｄ）等の問題があり、好適に使用することはできない。

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。

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を設ける流路部材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流路部材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。

上記のようにチャンバ１３２ａには、排ガスが充填されるため、流路部材１３２と改質ガス供給管１０２との接続部位近傍は、相当に高温で且つ燃料ガスの流動による還元性雰囲気に曝されている。

この場合、第２の実施形態では、接続部位に対応して金製ガスケット１０３が配設されており、この金製ガスケット１０３は、高温及び還元性雰囲気にあっても安定したシール性及び耐久性を維持することができる。これにより、簡単な構成で、所望のシール性を確保するとともに劣化を防止して、長期間の使用に適する等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

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。

符号の説明

１０、１２０…燃料電池システム １１、１２４…燃料電池
１２、１２２…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…段付き孔部 ８６ａ、８６ｂ…筐体部
９６…壁板 ９８、１３２…流路部材
９８ａ、１３２ａ…チャンバ １００…燃料ガス供給管
１０２…改質ガス供給管 １０３…金製ガスケット
１０４、１３４…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

Claims (4)

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であって、
   前記燃料電池の一端に配設されるエンドプレートの周囲に壁板が固定されて構成され、前記カソード電極に供給される前の酸化剤ガス、又は前記燃料電池から排出される排ガスが流通する流路部材と、
   前記エンドプレートの前記流路部材を構成する面に接続され、燃料ガスを前記アノード電極に供給するための管部材と、
   前記流路部材と前記管部材との接続部位に配設される金製ガスケットと、
   を備えることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記流路部材に隣接して配置され、燃料を改質して前記燃料ガスを生成するとともに、前記管部材が連結される改質器と、
   前記改質器を囲繞して配置され、前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する前に加熱する熱交換器と、
   を備え、
   前記改質器と前記熱交換器とは、前記燃料電池の中心に対して同軸上に配設されることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池において、前記管部材は、前記燃料電池の中央部に連結されることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項２又は３記載の燃料電池において、前記熱交換器は、前記カソード電極に供給される前の前記酸化剤ガスと前記排ガスとの間で熱交換することを特徴とする燃料電池。

Images