JP7580261B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

特許文献１には、複数の燃料電池が積層されて構成された燃料電池スタックを備えた燃料電池システムが開示されている。

特開２０１２－２２１６３０号公報

特許文献１に記載された燃料電池システムは、燃料電池スタックを覆う第１ケースと、第１ケースを収容する第２ケースとの間にオフガス流路を設けているため、燃料電池システム全体が大型化する虞がある。

本発明は上記課題に鑑みたものであり、燃料電池システムを小型化することを目的とする。

本発明のある態様によれば、燃料電池システムは、複数のセルユニットが積層されてそれぞれ構成された複数の燃料電池スタックと、燃料電池スタックの積層方向における一端にそれぞれ設けられたエンドプレートと、燃料電池スタックの一端とは反対側の他端に設けられ、燃料電池スタックへ空気及び燃料を供給するとともに燃料電池スタックからの排ガスを排出する機能を有する構造体と、を備える。また、燃料電池システムでは、複数の燃料電池スタックのそれぞれは、それぞれのエンドプレートと構造体との間で保持され、構造体は、燃料電池スタックからの排ガスを燃焼する排気燃焼器と、排気燃焼器により燃焼された燃焼ガスと燃料電池スタックに供給される空気及び燃料の少なくとも一方とを用いて熱交換する熱交換器と、を内蔵し、構造体は、複数の燃料電池スタックそれぞれの他端に設けられて、それぞれのエンドプレートとの間で燃料電池スタックを保持され、複数の燃料電池スタックは、構造体を挟んで対向するように設けられる。

本発明によれば、構造体を燃料電池スタックのエンドプレートとして機能させているので、他端側に別途燃料電池スタックのエンドプレートを設ける必要がない。また、構造体が空気及び燃料を供給する機能と排気ガスを排出する機能を有しているので、これらの通路を別途設ける必要がない。したがって、燃料電池システムを小型化できる。

図１は、本発明の実施形態による燃料電池システムの概略構成図である。 図２ａは、補機構造体の上面斜視図である。 図２ｂは、補機構造体の底面斜視図である。 図３ａは、補機構造体内部のガス流路を説明する模式図である。 図３ｂは、補機構造体内部のガス流路を説明する模式図である。 図４は、変形例による燃料電池システムを示す模式図である。 図５は、変形例による燃料電池システムを示す模式図である。

以下、図面等を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本発明の実施形態による燃料電池システム１００の概略構成図である。燃料電池システム１００は、例えば車両等に搭載され、燃料電池スタック１（１ａ，１ｂ）に対して発電に必要となる燃料ガス（アノードガス）及び酸化剤ガス（カソードガス）を供給し、燃料電池スタック１を車両走行用の電動モータ等の電気負荷に応じて発電させるシステムである。

図１に示すように、燃料電池システム１００は、第１の燃料電池スタック１ａ、第２の燃料電池スタック１ｂ、後述するガス流路及び補機を内蔵する補機構造体２等から構成される。

第１及び第２の燃料電池スタック１ａ，１ｂは、それぞれ複数の燃料電池セルユニットを重力方向に積層して構成され、アノードガスとカソードガスの供給を受けて発電する。燃料電池スタック１ａ，１ｂの発電源である個々の燃料電池は、例えば固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）であり、高温で稼働する。

第１の燃料電池スタック１ａと第２の燃料電池スタック１ｂとは、補機構造体２を介して重力方向に積層されている。即ち、燃料電池システム１００は、重力方向に２段に積層された燃料電池スタック１（１ａ，１ｂ）を含み、積層された第１の燃料電池スタック１ａと第２の燃料電池スタック１ｂとの間には、補機構造体２が介在している。

また、第１の燃料電池スタック１ａは、上端側にエンドプレート１１ａを有し、第２の燃料電池スタック１ｂは、下端側にエンドプレート１１ｂを有している。エンドプレート１１ａ，１１ｂは、それぞれ矩形平板状に形成される。エンドプレート１１ａ，は、対向する一対の側面１１１ａに、それぞれボルト用の孔が設けられたフランジ１２ａを２つずつ備える。同様に、エンドプレート１１ｂは、対向する一対の側面１１１ｂに、それぞれボルト用の孔が設けられたフランジ１２ｂを２つずつ備える。フランジ１２ａ，１２ｂは、後述する補機構造体２に設けられたフランジ２２ａ，２２ｂに対向する位置に設けられる。このエンドプレート１１ａに設けられたフランジ１２ａと、補機構造体２に設けられたフランジ２２ａとは、フランジ１２ａ及びフランジ２２ａに設けられたボルト用の孔を貫通する締結部材としての通しボルト２１ａによりボルト締めされる。これにより、第１の燃料電池スタック１ａと補機構造体２とは締結固定される。同様に、エンドプレート１１ｂに設けられたフランジ１２ｂと、補機構造体２に設けられたフランジ２２ｂとは、フランジ１２ｂ及びフランジ２２ｂに設けられたボルト用の孔を貫通する通しボルト２１ｂによりボルト締めされる。これにより、第２の燃料電池スタック１ｂと補機構造体２とは締結固定される。

補機構造体２は、前面２３、前面２３に接続する第１の側面２４、第１の側面２４に対向する第２の側面２５、前面２３に対向する後面２６、上面２７、底面２８を有する略直方体状の構造体で、金属等により形成される。補機構造体２は、燃料電池システム１００のガス流路と、補機としての燃焼器（排気燃焼器）３及び熱交換器４（図３ａ、図３ｂを参照）とを内蔵する。なお、ここでいう内蔵とは、すべてが補機構造体２の内部にある場合だけでなく、構成部品の一部は補機構造体２の外部に出ているが補機構造体２に固定されているような場合も含む。補機構造体２に内蔵されるガス流路は、補機構造体２の第１の側面２４を介して燃料供給管５、燃焼用燃料供給管５１、空気供給管６、バイパス空気供給管６１に接続し、補機構造体２の底面２８を介して排気管７に接続している。なお、補機構造体２の内部構造の詳細は後述する。

補機構造体２は、前述の通り、第１の燃料電池スタック１ａと第２の燃料電池スタック１ｂとの間に介在し、上面（保持面）２７が第１の燃料電池スタック１ａの底面（接続面）に接し、底面（保持面）２８が第２の燃料電池スタック１ｂの上面（接続面）に接している。また、第１の燃料電池スタック１ａの上面及び第２の燃料電池スタック１ｂの下面は、エンドプレート１１ａ，１１ｂに接している。これにより、第１及び第２の燃料電池スタック１ａ，１ｂは、エンドプレート１１ａ，１１ｂと補機構造体２との間で保持される。このように、補機構造体２は、２つの燃料電池スタック１ａ，１ｂの一方側端部の台座（エンドプレート）としての機能を兼ねている。

また、補機構造体２は、第１の側面２４と、第１の側面２４に対向する第２の側面２５に、それぞれボルト用の孔が設けられたフランジ２２ａ，２２ｂを２つずつ備える。フランジ２２ａは、補機構造体２の側面２４，２５の上部に設けられ、エンドプレート１１ａのフランジ１２ａと対向するように形成されている。一方、フランジ２２ｂは、補機構造体２の側面２４，２５の下部に設けられ、エンドプレート１１ｂのフランジ１２ｂと対向するように形成されている。前述のとおり、フランジ１２ａとフランジ２２ａ、及びフランジ１２ｂとフランジ２２ｂは、それぞれ通しボルト２１ａ，２１ｂによりボルト締めされ、これにより、第１及び第２の燃料電池スタック１ａ，１ｂと補機構造体２とは締結固定される。即ち、第１及び第２の燃料電池スタック１ａ，１ｂは、エンドプレート１１ａ，１１ｂと補機構造体２との間で保持されるとともに、通しボルト２１ａ，２１ｂにより補機構造体２に締結固定される。このとき、燃料電池スタック１ａ，１ｂは、エンドプレート１１ａ，１１ｂと補機構造体２の間で与圧が付与されるように締結固定される。

なお、燃料電池スタック１ａ，１ｂと補機構造体２との締結構造は上記の方法に限るものではなく、燃料電池スタック１ａ，１ｂをエンドプレート１１ａ，１１ｂと補機構造体２の間で固定できれば、他の締結部材、例えば、金属バンド、あるいは金属プレートなどを用いてもよい。

燃料供給管５、燃焼用燃料供給管５１、空気供給管６、バイパス空気供給管６１及び排気管７はいずれも補機構造体２外部の配管（外部配管）であり、補機構造体２の外部から補機構造体２内のガス流路に接続している。燃料供給管５は、燃料電池スタック１に供給する燃料ガス（アノードガス）を補機構造体２内のガス流路に供給する配管である。燃焼用燃料供給管５１は、燃料電池システム１００起動時に燃焼器３に供給する燃料ガスを、補機構造体２内のガス流路に供給する配管である。空気供給管６及びバイパス空気供給管６１は、燃料電池スタック１に供給する空気（カソードガス）を補機構造体２内のガス流路に供給する配管である。排気管７は、燃料電池スタック１からのオフガスを外部に排出する配管である。燃料供給管５、燃焼用燃料供給管５１、空気供給管６及びバイパス空気供給管６１は、補機構造体２の第１の側面２４を介して補機構造体２内のガス流路に接続し、排気管７は、補機構造体２の底面２８を介して補機構造体２内のガス流路に接続している。

図２ａは、補機構造体２と第１の燃料電池スタック１ａとを取り外した状態における、補機構造体２の上面２７方向から見た斜視図（補機構造体２の上面斜視図）である。また、図２ｂは、補機構造体２と第２の燃料電池スタック１ｂとを取り外した状態における、補機構造体２の底面２８方向から見た斜視図（補機構造体２の底面斜視図）である。

補機構造体２は、燃料供給路（アノードガス供給流路）８１、アノード連結路８２、空気供給路（カソードガス供給流路）８３及びカソード連結路８４を内蔵する。燃料供給路８１は、第１の燃料電池スタック１ａに燃料ガスを供給する流路であり、アノード連結路８２は、燃料ガスを第１の燃料電池スタック１ａから第２の燃料電池スタック１ｂに供給する流路である。また、空気供給路８３は、第２の燃料電池スタック１ｂに空気（カソードガス）を供給する流路であり、カソード連結路８４は、カソードガスを第２の燃料電池スタック１ｂから第１の燃料電池スタック１ａに供給する流路である。

図２ａ及び図２ｂに示すように、燃料供給路８１、アノード連結路８２、空気供給路８３及びカソード連結路８４は、補機構造体２の上面２７及び底面２８において開口している。燃料供給路８１、アノード連結路８２及びカソード連結路８４は、補機構造体２と第１の燃料電池スタック１ａとを締結した状態において、補機構造体２の上面２７及び第１の燃料電池スタック１ａの底面（接続面）を介して第１の燃料電池スタック１ａ内のガス流路に連結する。また、アノード連結路８２、空気供給路８３及びカソード連結路８４は、補機構造体２と第２の燃料電池スタック１ｂとを締結した状態において、補機構造体２の底面２８及び第２の燃料電池スタック１ｂの上面（接続面）を介して第２の燃料電池スタック１ｂ内のガス流路に連結する。

また、補機構造体２は、排ガス流路８５を内蔵し、排ガス流路８５は、補機構造体２の上面２７及び底面２８において開口している。排ガス流路８５は、アノードオフガスが流れるアノードオフガス流路８５１と、カソードオフガスが流れるカソードオフガス流路８５２と、燃焼器３により燃焼された排ガスが流れる燃焼ガス流路８５３とを含む。カソードオフガス流路８５２は、補機構造体２と第１の燃料電池スタック１ａとを締結した状態において、補機構造体２の上面２７及び第１の燃料電池スタック１ａの底面（接続面）を介して第１の燃料電池スタック１ａ内のカソードオフガスが流れる通路に連結する。アノードオフガス流路８５１は、補機構造体２と第２の燃料電池スタック１ｂとを締結した状態において、補機構造体２の底面２８及び第２の燃料電池スタック１ｂの上面（接続面）を介して第２の燃料電池スタック１ｂ内のアノードオフガスが流れる通路に連結する。燃焼ガス流路８５３は、補機構造体２の底面２８を介して排気管７（図１を参照）に連結する。

このように、補機構造体２に内蔵される燃料供給路８１、アノード連結路８２、空気供給路８３、カソード連結路８４及び排ガス流路８５は、補機構造体２の保持面（上面２７，底面２８）及び燃料電池スタック１の接続面を介して燃料電池スタック１に接続される。これにより、補機構造体２外部の配管から補機構造体２内のガス流路を介して燃料ガス及び空気を燃料電池スタック１に供給し、燃料電池スタック１からのオフガスを補機構造体２内のガス流路を介して外部に排出することができる。

具体的には、外部配管から燃料供給路８１に供給された燃料ガスは、補機構造体２の上面２７を介して第１の燃料電池スタック１ａに供給された後、第１の燃料電池スタック１ａから補機構造体２の上面２７を介してアノード連結路８２に供給される。アノード連結路８２に供給された燃料ガス（アノードガス）は、補機構造体２の底面２８を介して第２の燃料電池スタック１ｂに供給される。第２の燃料電池スタック１ｂに用いられたアノードガスは、アノードオフガスとして第２の燃料電池スタック１ｂから補機構造体２の底面２８を介して排ガス流路８５（アノードオフガス流路８５１）に流入する。アノードオフガス流路８５１に流入したアノードオフガスは、アノードオフガス流路８５１から燃焼器３（図３ａ、図３ｂを参照）に供給される。なお、燃料電池スタック１内のアノード流路には改質触媒が塗られており、これにより、燃料ガスは、燃料電池スタック１内で改質される。

一方、外部配管から空気供給路８３に供給された空気（カソードガス）は、補機構造体２の底面２８を介して第２の燃料電池スタック１ｂに供給された後、第２の燃料電池スタック１ｂから補機構造体２の底面２８を介してカソード連結路８４に供給される。カソード連結路８４に供給された空気（カソードガス）は、補機構造体２の上面２７を介して第１の燃料電池スタック１ａに供給される。第１の燃料電池スタック１ａに用いられたカソードガスは、カソードオフガスとして補機構造体２の上面２７を介して排ガス流路８５（カソードオフガス流路８５２）に流入する。カソードオフガス流路８５２に流入したカソードオフガスは、カソードオフガス流路８５２から燃焼器３（図３ａ、図３ｂを参照）に供給される。

燃焼器３（図３ａ、図３ｂを参照）に供給されたアノードオフガス及びカソードオフガスは、燃焼器３内で混合されて燃焼され、燃焼された排ガスは燃焼ガス流路８５３から補機構造体２の底面２８を介して排気管７（図１を参照）に排出される。

図３ａ及び図３ｂは、補機構造体２内部のガス流路を説明する模式図であり、補機構造体２の内部構成を取り出した図である。図３ａは補機構造体２の上面斜視図、図３ｂは補機構造体２の底面斜視図である。

図３ａ及び図３ｂに示すように、補機構造体２は、補機としての燃焼器（排気燃焼器）３及び熱交換器４と、ガス供給流路としての燃料供給路８１、アノード連結路８２、空気供給路８３、カソード連結路８４と、排ガス流路８５とを内蔵する。補機構造体２では、これらの補機３，４を収容する空間、ガス供給流路８１～８４、排ガス流路８５を、例えば、鋳造などにより一体的に形成する。

燃料供給路８１は、燃料供給管５を介して供給される外部からの燃料ガスを第１の燃料電池スタック１ａに供給する第１燃料供給路８１１と、燃料電池システム１００の起動時に、燃料ガスを燃焼器３に供給する燃焼用燃料供給路８１２とを含む。

第１燃料供給路８１１は、外部から燃料供給管５を介して補機構造体２に供給される燃料ガスを第１の燃料電池スタック１ａに供給するための流路である。第１燃料供給路８１１は、直線部８１１ａと、直線部８１１ａから分岐する２つの湾曲部８１１ｂとを有している。直線部８１１ａの一端は、第１燃料供給路８１１の入口８１１１であり、補機構造体２の第１の側面２４を介して燃料供給管５（図１を参照）に接続している。第１燃料供給路８１１と燃料供給管５とが接続する部分は、フランジ（図示しない）等により固定されている。一方、直線部８１１ａの他端は閉塞されている。２つの湾曲部８１１ｂは、直線部８１１ａの両端付近においてそれぞれ直線部８１１ａから分岐し、湾曲状に伸びている。各湾曲部８１１ｂの直線部８１１ａと接続する側とは反対側の端部は、第１燃料供給路８１１の出口８１１２であり、補機構造体２の上面（保持面）２７を介して第１の燃料電池スタック１ａに接続している。外部から供給される燃料ガスは、入口８１１１から第１燃料供給路８１１に流入し、直線部８１１ａ及び湾曲部８１１ｂを介して出口８１１２から第１の燃料電池スタック１ａに供給される。

燃焼用燃料供給路８１２は、燃料電池システム１００の起動時に、燃料ガスを燃焼器３に供給するための流路である。燃焼用燃料供給路８１２の一端（入口）８１２１は、補機構造体２の第１の側面２４を介して燃焼用燃料供給管５１（図１参照）に接続し、他端（出口）は、燃焼器３に接続している。燃料電池システム１００の起動時には、燃焼用燃料供給管５１から燃焼用燃料供給路８１２を介して燃焼器３に燃料ガスが供給される。これにより、燃焼器３内にアノードオフガスが供給されていない燃料電池システム１００の起動時においても、燃焼器３に燃料が供給され、燃焼器３内において空気と燃料の混合ガスが燃焼される。即ち、燃料電池システム１００が暖機される。

アノード連結路８２は、燃料ガスを第１の燃料電池スタック１ａから第２の燃料電池スタック１ｂに供給するための流路であり、第１の燃料電池スタック１ａ内のアノード流路と第２の燃料電池スタック１ｂ内のアノード流路とを連結する。アノード連結路８２は、第１の燃料電池スタック１ａに接続する２つの湾曲部８２ａと、第２の燃料電池スタック１ｂに接続する２つの湾曲部８２ｂと、湾曲部８２ａと湾曲部８２ｂとを連結する連結部８２ｃとを有している。湾曲部８２ａの一端はアノード連結路８２の入口８２１であり、補機構造体２の上面２７を介して第１の燃料電池スタック１ａに接続している。湾曲部８２ａの他端は連結部８２ｃに接続している。湾曲部８２ｂの一端は、アノード連結路８２の出口８２２であり、補機構造体２の底面２８を介して第２の燃料電池スタック１ｂに接続している。湾曲部８２ｂの他端は連結部８２ｃに接続している。連結部８２ｃは、湾曲部８２ａ，８２ｂ同士、及び湾曲部８２ａと湾曲部８２ｂとを連結するように形成されている。第１燃料供給路８１１から第１の燃料電池スタック１ａに供給された燃料ガスは、アノード連結路８２の入口８２１から湾曲部８２ａに流入し、連結部８２ｃ及び湾曲部８２ｂを介してアノード連結路８２の出口８２２から第２の燃料電池スタック１ｂに供給される。

空気供給路８３は、外部からの空気（カソードガス）を第２の燃料電池スタック１ｂに供給する流路であり、第１空気供給路８３１と第２空気供給路８３２とを含む。

第１空気供給路８３１は、空気供給管６を介して補機構造体２に供給される外部からの空気を、熱交換器４により熱交換（加熱）して燃料電池スタック１に供給するための流路である。第１空気供給路８３１は、一端（入口）８３１１が補機構造体２の第１の側面２４を介して空気供給管６（図１を参照）に接続し、他端（出口）８３１２は、補機構造体２の底面２８を介して第２の燃料電池スタック１ｂに接続している。なお、第１空気供給路８３１と空気供給管６とが接続する部分は、フランジ（図示しない）等により固定されている。

また、第１空気供給路８３１は、入口８３１１と出口８３１２との間の中間部分において、熱交換器４に接した状態で熱交換器４の外周を覆うように構成される。これにより、補機構造体２の外部から供給される空気は、第１空気供給路８３１の入口８３１１から第１空気供給路８３１に流入し、中間部分において熱交換器４により熱交換（加熱）され、出口８３１２から第２の燃料電池スタック１ｂに供給される。なお、第１空気供給路８３１は、出口８３１２近傍において後述の第２空気供給路８３２に接続されている。

第２空気供給路８３２は、外部からバイパス空気供給管６１を介して供給される空気を、熱交換（加熱）せずに燃料電池スタック１に供給するための流路である。第２空気供給路８３２は、一端（入口）８３２１が、補機構造体２の第１の側面２４を介してバイパス空気供給管６１（図１を参照）に接続し、他端（出口）８２２２は、第１空気供給路８３１の出口８３１２近傍に接続している。なお、第２空気供給路８３２とバイパス空気供給管６１とが接続する部分は、フランジ（図示しない）等により固定されている。

第２空気供給路８３２は、入口８３２１と出口８３２２との間の中間部分が熱交換器４に接していない。このため、バイパス空気供給管６１から供給された空気は、第２空気供給路８３２の入口８３２１から第２空気供給路８３２に流入し、熱交換（加熱）されずに第１空気供給路８３１に供給される。即ち、第２の燃料電池スタック１ｂには、熱交換（加熱）されていない第２空気供給路８３２からの空気と、熱交換器４により熱交換（加熱）された第１空気供給路８３１内の空気とが混合した空気が供給される。従って、補機構造体２の外部において、燃料電池システム１００の制御部（図示しない）によりバイパス空気供給管６１に供給される空気の量を調節することで、燃料電池スタック１に供給される空気の温度を調節することができる。

カソード連結路８４は、空気を第２の燃料電池スタック１ｂから第１の燃料電池スタック１ａに供給するための流路であり、第１の燃料電池スタック１ａ内のカソード流路と第２の燃料電池スタック１ｂ内のカソード流路とを連結する。カソード連結路８４は、一端（入口）８４１が補機構造体２の底面２８を介して第２の燃料電池スタック１ｂに接続し、他端（出口）８４２は、補機構造体２の上面２７を介して第１の燃料電池スタック１ａに接続している。第１及び第２空気供給路８３１，８３２から第２の燃料電池スタック１ｂに供給された空気は、カソード連結路８４の入口８４１からカソード連結路８４に流入し、カソード連結路８４の出口８４２から第１の燃料電池スタック１ａに供給される。

図３ａに示すように、カソード連結路８４は、第２の燃料電池スタック１ｂと第１の燃料電池スタック１ａとの間を直線的に連結する。これにより、第２の燃料電池スタック１ｂと第１の燃料電池スタック１ａとの間を連結する経路が最短化され、省スペース化及び部品点数を削減することができる。

排ガス流路８５は、アノードオフガスを燃焼器３に供給するアノードオフガス流路８５１と、カソードオフガスを燃焼器３に供給するカソードオフガス流路８５２と、燃焼ガスを補機構造体２外部の排気管７に排出する燃焼ガス流路８５３とを含む。なお、排ガス流路８５上には、燃焼器３及び熱交換器４が配置されている。

アノードオフガス流路８５１は、第２の燃料電池スタック１ｂからのアノードオフガスを燃焼器３に供給するための流路である。アノードオフガス流路８５１は、第２の燃料電池スタック１ｂに接続する２つの湾曲部８５１ａと、湾曲部８５１ａと燃焼器３とを連結する連結部８５１ｂとを有している。湾曲部８５１ａの一端はアノードオフガス流路８５１の入口８５１１であり、補機構造体２の底面２８を介して第２の燃料電池スタック１ｂに接続している。湾曲部８５１ａの他端は連結部８５１ｂに接続している。連結部８５１ｂは、一端は閉塞し、他端は燃焼器３に接続されるアノードオフガス流路８５１の出口である。第２の燃料電池スタック１ｂからのアノードオフガスは、アノードオフガス流路８５１の入口８５１１からアノードオフガス流路８５１に流入し、湾曲部８５１ａ及び連結部８５１ｂを介してアノードオフガス流路８５１の出口から燃焼器３に供給される。

カソードオフガス流路８５２は、第１の燃料電池スタック１ａからのカソードオフガスを燃焼器３に供給するための流路である。カソードオフガス流路８５２は、一端（入口）８５２１が補機構造体２の上面２７を介して第１の燃料電池スタック１ａに接続し、他端（出口）は、燃焼器３に接続している。第１の燃料電池スタック１ａからのカソードオフガスは、カソードオフガス流路８５２の入口８５２１からカソードオフガス流路８５２に流入し、カソードオフガス流路８５２の出口から燃焼器３に供給される。

燃焼器（排気燃焼器）３は、燃料電池スタック１の排ガスを燃焼する補機である。燃焼器３は、アノードオフガス流路８５１、カソードオフガス流路８５２及び燃焼ガス流路８５３と接続している。燃焼器３には、アノードオフガス流路８５１及びカソードオフガス流路８５２からそれぞれアノードオフガス及びカソードオフガスが供給される。燃焼器３に供給されたアノードオフガス及びカソードオフガスは、燃焼器３内で燃焼され、高温の燃焼ガスが生成される。当該燃焼ガスは、燃焼ガス流路８５３に流入する。

燃焼ガス流路８５３は、燃焼器３において生成された燃焼ガスを熱交換器４により熱交換させてから外部に排出する流路である。燃焼ガス流路８５３は、一端（入口）８５３１は燃焼器３に接続され、他端（出口）８５３２は補機構造体２の底面２８を介して排気管７（図１を参照）に接続されている。なお、燃焼ガス流路８５３と排気管７とが接続する部分は、フランジ（図示しない）等により固定されている。

また、燃焼ガス流路８５３は、入口８５３１と出口８５３２との間に熱交換器４が配置されている。熱交換器４は、燃焼器３において燃焼された燃料電池スタック１の排ガス（燃焼ガス）と、空気供給路８３（第１空気供給路８３１）内の空気とを用いて熱交換することで、燃料電池スタック１に供給される空気を加熱する。燃焼器３により燃焼された排ガス（燃焼ガス）は、燃焼ガス流路８５３を介して熱交換器４に供給され、空気供給路８３（第１空気供給路８３１）内の空気との間で熱交換される。熱交換器４において熱交換された排ガスは燃焼ガス流路８５３を介して排気管７に排出され、排気管７を介して燃料電池システム１００が搭載される車両等の外部に排出される。

なお、アノード連結路８２及びカソード連結路８４は、補機構造体２の一つの側面である前面２３（図１を参照）寄りの位置に配置され、燃焼器３及び熱交換器４は、補機構造体２の中央の位置に配置されている。このようにアノード連結路８２及びカソード連結路８４を補機構造体２の一つの側面（前面２３）寄りの位置に偏在させて配置することで、補機類を補機構造体２に格納する容積を容易に確保できる。

以上のとおり、本実施形態では、燃料電池スタック１に接続するガス流路と、燃焼器３及び熱交換器４とを第１の燃料電池スタック１ａと第２の燃料電池スタック１ｂとの間に介在する補機構造体２に内蔵させている。

排気燃焼器が積層される２つの燃料電池スタックの一方のみに隣接する位置に配置されている場合、或いはいずれの燃料電池スタックにも隣接しない位置に配置されている場合、燃料電池スタックからの排ガスを排気燃焼器に導く経路が長くなり、燃料電池システム全体が大型化する虞がある。また、燃料電池スタックと排気燃焼器との距離が離れていると、オフガスが排気燃焼器に到達するまで時間がかかり、燃料電池システムの昇温が遅れる虞がある。これに対し、本実施形態では、燃焼器３が、積層する２つの燃料電池スタック１ａ，１ｂの間であって、２つの燃料電池スタック１ａ，１ｂのそれぞれに隣接する位置に配置された補機構造体２に内蔵されている。このため、補機構造体２とは別の位置に燃焼器３を配置した場合に比べ、燃料電池スタック１のオフガスを燃焼器３に導く流路を短縮することができ、燃料電池システム１００の小型化及び昇温の早期化が実現される。

また、燃焼器３が、積層する２つの燃料電池スタック１ａ，１ｂの間であって、２つの燃料電池スタック１ａ，１ｂのそれぞれに隣接する位置に配置されているため、燃焼器３の温度が低下しにくく、燃焼器３の温度を保温することができる。

また、熱交換器４も同様に、補機構造体２に内蔵されているため、補機構造体２とは別の位置に熱交換器４を配置した場合に比べ、昇温後の空気（カソードガス）を燃料電池スタック１に導く流路を短縮できる。これにより、燃料電池システム１００の小型化が実現される。

また、ガス流路と、燃焼器３及び熱交換器４とを補機構造体２に内蔵させて一体化しているため、燃料電池システム１００全体の部品点数や組み立て工程数を削減することができる。

なお、補機構造体２に内蔵される燃焼器３、熱交換器４及び各ガス流路は、上記の構成に限られるものではない。各ガス流路は、補機構造体２外部の配管と燃料電池スタック１とを接続するものであれば、補機構造体２内におけるガス流路の取り回しは如何なるものでもよい。また、燃料供給路８１、アノード連結路８２、空気供給路８３及びカソード連結路８４は、補機構造体２の前面２３または後面２６寄りの位置に配置し、燃焼器３及び熱交換器４は、補機構造体２の中央の位置に配置することが好ましいが、必ずしもこれに限られない。補機構造体２内における補機類及びガス流路は、どのように配置してもよい。

また、本実施形態では、補機構造体２に鋳造により燃焼器３、熱交換器４の収容空間及び各ガス流路を一体的に形成しているが、必ずしもこれに限られず、３Ｄプリンタ、切削など既知の如何なる方法を用いてこれらを形成してもよい。

上記した燃料電池システム１００によれば、以下の効果を得ることができる。

燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１ａ，１ｂが、それぞれエンドプレート１１ａ，１１ｂと補機構造体２の間位に保持される。このように、補機構造体２では、２つの燃料電池スタック１ａ，１ｂが保持する台座（エンドプレート）としての機能を有している。したがって、必要なエンドプレートの点数を削減できるため、燃料電池システム１００の部品点数を削減できるとともに、燃料電池システム１００を小型化できる。さらに、燃料電池システム１００を軽量化及び低コスト化することができる。

また、燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１ａ，１ｂは、重力方向に積層されているので、燃料電池スタック１ａ，１ｂの荷重を補機構造体２ないしエンドプレート１１ｂで受けることができる。燃料電池スタック１ａ，１ｂに積層方向とは異なる方向の自重が作用した場合には、自重によって燃料電池スタック１ａ，１ｂが変形する（セルユニットの積層状態が崩れる）おそれがある。そこで、積層方向を重力方向とすることにより、燃料電池スタック１ａ，１ｂが変形する（セルユニットの積層状態が崩れる）ことを防止できる。

燃料電池システム１００は、２つの燃料電池スタック１ａ，１ｂを備え、２つの燃料電池スタック１ａ，１ｂの間であって、２つの燃料電池スタック１ａ，１ｂのそれぞれに隣接する位置に燃焼器（排気燃焼器）３を配置している。このため、当該位置とは別の位置に燃焼器３を配置した場合に比べ、燃料電池スタック１のオフガスを燃焼器３に導く流路を短縮することができる。これにより、燃料電池システム１００全体の小型化や部品数の低減を実現でき、省スペース化及び低コスト化することができる。また、燃料電池スタック１のオフガスを燃焼器３に導く流路が短縮され、オフガスが早期に燃焼されるため、燃料電池システム１００の昇温を早期化することができる。

また、２つの燃料電池スタック１ａ，１ｂの間であって、２つの燃料電池スタック１ａ，１ｂのそれぞれに隣接する位置に燃焼器（排気燃焼器）３を配置しているため、燃焼器（排気燃焼器）３の温度は低下しにくい。即ち、燃焼器（排気燃焼器）３の温度を保温することができる。

また、２つの燃料電池スタック１ａ，１ｂの間であって、２つの燃料電池スタック１ａ，１ｂのそれぞれに隣接する位置に高温部品である燃焼器（排気燃焼器）３を配置しているため、燃焼器（排気燃焼器）３の熱によっても燃料電池スタック１ａ，１ｂが昇温される。即ち、燃料電池スタック１ａ，１ｂをより早期に昇温することができる。

燃料電池システム１００は、２つの燃料電池スタック１ａ，１ｂの間であって、２つの燃料電池スタック１ａ，１ｂのそれぞれに隣接する位置に熱交換器４を配置している。このため、当該位置とは別の位置に熱交換器４を配置した場合に比べ、昇温後の空気（カソードガス）を燃料電池スタック１に導く流路を短縮できる。これにより、燃料電池システム１００全体の小型化や部品数の低減を実現でき、省スペース化及び低コスト化することができる。また、昇温後の空気（カソードガス）が燃料電池スタック１に到達する前に温度低下してしまうことを抑制できる。

また、２つの燃料電池スタック１ａ，１ｂの間であって、２つの燃料電池スタック１ａ，１ｂのそれぞれに隣接する位置に熱交換器４を配置しているため、熱交換器４の温度は低下しにくい。即ち、熱交換器４の温度を保温することができる。

また、２つの燃料電池スタック１ａ，１ｂの間であって、２つの燃料電池スタック１ａ，１ｂのそれぞれに隣接する位置に高温部品である熱交換器４を配置しているため、熱交換器４の熱によっても燃料電池スタック１ａ，１ｂが昇温される。即ち、燃料電池スタック１ａ，１ｂをより早期に昇温することができる。

燃料電池システム１００は、２つの燃料電池スタック１ａ，１ｂの間に配置される補機構造体２を備える。補機構造体２は、燃焼器（排気燃焼器）３と、熱交換器４と、燃料電池スタック１に空気及び燃料を供給するガス供給流路８１～８４と、燃料電池スタック１の排ガスを外部に排出する排ガス流路８５とを内蔵する。このように、各ガス流路と、燃焼器３及び熱交換器４とを補機構造体２に内蔵させて一体化しているため、燃料電池システム１００全体を小型化できるとともに、部品数や組み立て工程数を削減することができる。即ち、燃料電池システム１００を省スペース化及び低コスト化することができる。

燃料電池システム１００は、燃料供給路（アノードガス供給流路）８１、空気供給路（カソードガス供給流路）８３及び排ガス流路（アノードオフガス流路及びカソードオフガス流路）８５が、補機構造体２の保持面２７，２８及び燃料電池スタック１ａ，１ｂの接続面を介して燃料電池スタック１ａ，１ｂに接続される。即ち、各ガス流路が、補機構造体２と燃料電池スタック１とが面接触する部分を介して燃料電池スタック１に接続される。これにより、各ガス流路が当該部分を介さずに燃料電池スタック１に接続する場合（例えば補機構造体２の外部から燃料電池スタック１に接続する場合）に比べ、２つの燃料電池スタック１ａ，１ｂとのガスのやり取りを短距離で行うことができる。従って、流路が長いことによるガスの温度低下等を抑制でき、燃料電池システム１００の性能を向上させることができるとともに、構成部品を削減することができ、低コスト化することができる。

また、燃焼器３及び熱交換器４は、どちらも２つの燃料電池スタック１ａ，１ｂの間であって、２つの燃料電池スタック１ａ，１ｂのそれぞれに隣接する位置に配置することが好ましいが、必ずしもこれに限られない。例えば、燃焼器３のみを当該位置に配置する構成であってもよい。

また、本実施形態においては、燃料電池システム１００が２つの燃料電池スタック１ａ，１ｂを備える構成としたが、燃料電池スタック１の個数は２つに限られず、１つであっても、あるいは、３つ以上の燃料電池スタック１を備えていてもよい。例えば、図４に示すように、４つの燃料電池スタック１ａ～１ｄの中心に配置した補機構造体２に燃焼器３を内蔵させるような構成であってもよい。

また、本実施形態においては、第１の燃料電池スタック１ａと第２の燃料電池スタック１ｂとを補機構造体２を介して積層する構成としたが、第１の燃料電池スタック１ａと第２の燃料電池スタック１ｂとは必ずしも積層させなくてもよい。例えば、図５に示すように、燃焼器３を内蔵させた補機構造体２の上面２７に複数の燃料電池スタック１（１ａ，１ｂ）を保持するような構成であってもよい。

また、本実施形態においては、補機としての燃焼器３及び熱交換器４を補機構造体２に内蔵する構成としたが、補機構造体２に内蔵する補機類はこれらに限られない。例えば、改質器等を補機構造体２に内蔵してもよい。本実施形態では、燃料ガスの改質を燃料電池スタック１内で行う構成としたが、この場合、燃料ガスの改質は改質器により行われる。

また、燃料電池システム１００の小型化等の観点から、各ガス流路と補機類（燃焼器３及び熱交換器４）とは一体に構成することが好ましいが、必ずしもこれに限られず、ガス流路と補機類とを別体、例えば、補機類を補機構造体２の外部に設けてもよい。

また、本実施形態においては、熱交換器４は、燃焼器３において燃焼された燃料電池スタック１の排ガス（燃焼ガス）と、空気供給路８３内の空気とを用いて熱交換する構成としたが必ずしもこれに限られない。例えば、燃料供給路８１を熱交換器４に隣接するように配置し、熱交換器４を燃焼ガスと燃料供給路８１内の燃料とを用いて熱交換する構成としてもよい。即ち、熱交換器４は、燃焼器３により燃焼された燃焼ガスと燃料電池スタック１に供給する空気及び燃料の少なくとも一方とを用いて熱交換する構成であればよい。

また、燃料供給路８１、空気供給路８３、アノードオフガス流路８５１及びカソードオフガス流路８５２は、いずれも補機構造体２の保持面２７，２８及び燃料電池スタック１の接続面を介して燃料電池スタック１に接続されることが好ましいが、必ずしもこれに限られない。即ち、燃料供給路８１、空気供給路８３、アノードオフガス流路８５１及びカソードオフガス流路８５２の少なくとも一つが補機構造体２の保持面２７，２８及び燃料電池スタック１の接続面を介して燃料電池スタック１に接続されていればよい。

また、本実施形態においては、補機構造体２内のガス流路に接続する外部配管を燃料供給管５、燃焼用燃料供給管５１、空気供給管６、バイパス空気供給管６１及び排気管７としたが、外部配管はこれらに限られない。例えば、補機構造体２内のガス流路に接続する外部配管として、燃料ガスに酸素を供給するためのＰＯＸ用配管を設けて、補機構造体２にＰＯＸ用配管に接続するＰＯＸ用流路を内蔵させてもよい。

以上のように構成された本発明の実施形態の構成、作用、及び効果をまとめて説明する。

燃料電池システム１００は、複数のセルユニットが積層されて構成された燃料電池スタック１ａ，１ｂと、燃料電池スタック１ａ，１ｂの積層方向における一端に設けられたエンドプレート１１ａ，１１ｂと、燃料電池スタック１の一端とは反対側の他端に設けられ、燃料電池スタック１へ空気及び燃料を供給するとともに燃料電池スタック１ａ，１ｂからの排ガスを排出する機能を有する構造体（補機構造体２）と、を備え、燃料電池スタック１ａ，１ｂは、エンドプレート１１ａ，１１ｂと構造体（補機構造体２）との間で保持される。

燃料電池システム１００では、構造体（補機構造体２）がエンドプレートとして機能するので、他端側にエンドプレートを設ける必要がない。また、構造体（補機構造体２）が空気及び燃料を供給する機能と排気ガスを排出する機能を有しているので、これらの通路などを別途設ける必要がない。したがって、燃料電池システム１００を小型化できる。また、燃料電池システム１００を軽量化、さらに、低コスト化することができる。

燃料電池システム１００では、燃料電池スタック１ａ，１ｂは、エンドプレート１１ａ，１１ｂと構造体（補機構造体２）の間で与圧が付与されている。

燃料電池スタック１ａ，１ｂに与圧を付与することにより、セルユニット間の隙間の発生を防止し、セルユニット間からのガス漏れを確実に防止できる。

燃料電池システム１００では、エンドプレート１１ａ，１１ｂと構造体（補機構造体２）とが通しボルトによって締結される。

エンドプレート１１ａ，１１ｂと構造体（補機構造体２）とが通しボルトによって締結することにより、組み立てを簡単に行うことができるとともに、与圧の調整を簡単に行うことができる。

燃料電池システム１００は、燃料電池スタック１ａ，１ｂを複数備え、構造体（補機構造体２）は、複数の燃料電池スタック１ａ，１ｂそれぞれの他端に設けられて、エンドプレート１１ａ，１１ｂとの間で燃料電池スタック１ａ，１ｂを保持する。

燃料電池システム１００が複数の燃料電池スタック１ａ，１ｂを備えている場合に、構造体（補機構造体２）を燃料電池スタック１ａ，１ｂの他端側のエンドプレートとして機能させることができる。これにより、部品点数を削減できるとともに、燃料電池システム１００を小型化できる。

燃料電池システム１００では、複数の燃料電池スタック１ａ，１ｂは、構造体（補機構造体２）を挟んで対向するように設けられる。

この構成では、例えば、車両の搭載時や保管時に、複数の燃料電池スタック１ａ，１ｂの積層方向を重力方向とすることで、燃料電池スタック１ａ，１ｂに積層方向とは異なる方向に自重が作用することを防止できる。よって、燃料電池スタック１ａ，１ｂに積層方向とは異なる方向の荷重が作用して、燃料電池スタック１ａ，１ｂが変形する（セルユニットの積層状態が崩れる）ことを防止できる。

燃料電池システム１００では、構造体（補機構造体２）は、複数の燃料電池スタック１ａ，１ｂのうちの少なくとも一つの燃料電池スタック１ａ、ｂに燃料あるいは空気を供給するための供給流路（アノードガス供給流路８１、カソードガス供給流路８３）と、一つの燃料電池スタック１ａ，１ｂを通過した燃料あるいは空気を複数の燃料電池スタック１ａ，１ｂのうちの一つの燃料電池スタック１ａ，１ｂとは異なる燃料電池スタック１ａ，１ｂに供給するための連結路（アノード連結路８２、カソード連結路８４）と、を内蔵する。

この構成では、構造体（補機構造体２）に供給流路（アノードガス供給流路８１、カソードガス供給流路８３）及び連結路（アノード連結路８２、カソード連結路８４）が内蔵されるので、配管を簡素化でき、燃料電池システムを小型化できる。

燃料電池システム１００では、構造体（補機構造体２）は、燃料電池スタック１ａ，１ｂからの排ガスを燃焼する排気燃焼器（燃焼器３）と、排気燃焼器（燃焼器３）により燃焼された燃焼ガスと燃料電池スタック１ａ，１ｂに供給される空気及び燃料の少なくとも一方とを用いて熱交換する熱交換器４と、を内蔵する。

この構成では、構造体（補機構造体２）に排気燃焼器（燃焼器３）及び熱交換器４が内蔵されるので、燃料電池システムを小型化できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

なお、上記実施形態では、燃料電池スタック１ａ，１ｂがエンドプレート１１ａ，１１ｂと補機構造体２との間で与圧が付与されている場合を例に説明したが、予め燃料電池スタック１ａ，１ｂ自体のシール性、燃料電池スタック１ａ，１ｂとエンドプレート１１ａ，１１ｂ及び補機構造体２との間のシール性が確保できていれば、与圧は付与されなくてもよい。

１００ 燃料電池システム
１，１ａ，１ｂ 燃料電池スタック
２ 補機構造体（構造体）
３ 燃焼器（排気燃焼器）
４ 熱交換器
５ 燃料供給管
６ 空気供給管
７ 排気管
１１ａ，１１ｂ エンドプレート
２１ａ，２１ｂ 通しボルト
８１ 燃料供給路（アノードガス供給流路）
８１ ガス供給流路
８２ アノード連結路
８２ カソード連結路
８３ 空気供給路（カソードガス供給流路）
８４ カソード連結路
８５ 排ガス流路

Claims (4)

1. 複数のセルユニットが積層されてそれぞれ構成された複数の燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックの積層方向における一端にそれぞれ設けられたエンドプレートと、
   前記燃料電池スタックの前記一端とは反対側の他端に設けられ、前記燃料電池スタックへ空気及び燃料を供給するとともに前記燃料電池スタックからの排ガスを排出する機能を有する構造体と、を備え、
   前記複数の燃料電池スタックのそれぞれは、それぞれの前記エンドプレートと前記構造体との間で保持され、
   前記構造体は、
   前記燃料電池スタックからの排ガスを燃焼する排気燃焼器と、
   前記排気燃焼器により燃焼された燃焼ガスと前記燃料電池スタックに供給される空気及び燃料の少なくとも一方とを用いて熱交換する熱交換器と、を内蔵し、
   前記複数の燃料電池スタックは、前記構造体を挟んで対向するように設けられることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載された燃料電池システムであって、
   前記燃料電池スタックは、前記エンドプレートと前記構造体の間で与圧が付与されていることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または２に記載された燃料電池システムであって、
   前記エンドプレートと前記構造体とが通しボルトによって締結されることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１に記載された燃料電池システムであって、
   前記構造体は、
   前記複数の燃料電池スタックのうちの少なくとも一つの燃料電池スタックに燃料あるいは空気を供給するための供給流路と、
   前記一つの燃料電池スタックを通過した燃料あるいは空気を前記複数の燃料電池スタックのうちの前記一つの燃料電池スタックとは異なる燃料電池スタックに供給するための連結路と、を内蔵することを特徴とする燃料電池システム。

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