(57)【要約】【課題】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を可能にする。【解決手段】燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２に締め付け荷重を付与する荷重付与機構２１を備える。荷重付与機構２１は、燃料電池スタック１２の所望の部位に対してそれぞれ異なる荷重を積層方向に付与することができる第１及び第２締め付け部１１２ａ、１１２ｂを設ける。第２締め付け部１１２ｂは、サージタンク１３２を介して室１２６に圧力流体が供給されることにより、積層方向に伸縮自在な複数の蛇腹部１２４を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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、
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、
を設けることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記袋状部材は、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することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池システムにおいて、前記セパレータは、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を特徴とする燃料電池システム。
【請求項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、前記第２締め付け部は、前記筐体の外部に配置されて前記袋状部材に前記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を特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−２３３２２３号公報（図１０）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【発明の効果】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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）。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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）。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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）。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】前記セパレータの正面の説明図である。
【図６】前記燃料電池の動作を説明する概略断面説明図である。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】特許文献１の概略構成説明図である。
【符号の説明】
【００６４】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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