(57)【要約】【課題】燃料電池スタックに締め付け荷重を付与する荷重付与機構の耐久性を有効に向上させるとともに、簡単且つ経済的に構成す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と、流体部１９と、荷重付与機構２１と、前記燃料電池スタック１２、前記流体部１９及び前記荷重付与機構２１を収容する筐体１８とを備える。燃料電池スタック１２と荷重付与機構２１との間には、前記燃料電池スタック１２側から前記荷重付与機構２１側に熱が伝わることを制限する断熱部材１２２が設けられるとともに、前記荷重付与機構２１は、積層方向に荷重を付与する金属ばね１１８を有している。【選択図】図１
2006179289.tif 000002
【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、
前記燃料電池スタックと前記荷重付与機構との間には、該燃料電池スタック側から前記荷重付与機構側に熱が伝わることを制限する遮熱層が設けられるとともに、
前記荷重付与機構は、前記燃料電池スタックに前記積層方向に荷重を付与する金属製弾性体を有す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、
前記電解質・電極接合体に対し、前記金属製弾性体のみを介して前記積層方向に前記第１締め付け部の荷重よりも小さな荷重を付与する第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３】
請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記筐体は、前記荷重付与機構が配設される第１筐体部と、
前記燃料電池スタック及び前記流体部が配設される第２筐体部と、
を備えるとともに、
前記第１筐体部と前記第２筐体部との間には、前記遮熱層である断熱部材が介装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３記載の燃料電池システムにおいて、前記第１筐体部には、前記金属製弾性体を冷却するための冷却媒体を導入するための冷却媒体導入口が形成され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、流体部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に開示されている燃料電池締付装置が知られている。この燃料電池締付装置では、図９に示すように、上下のボルスタ１ａ、１ｂ間に、上ホルダ２ａ、中間ホルダ２ｂ及び下ホルダ２ｃを介して２組の燃料電池スタック３が配置されている。下ホルダ２ｃと下ボルスタ１ｂとの間には、下断熱ブロック４ａが配設されるとともに、上ホルダ２ａと上ボルスタ１ａとの間には、上断熱ブロック４ｂと複数個のばね５及びベローズ６とが介装されている。上下のボルスタ１ａ、１ｂ間は、締め付けロッド７及びナット８を介して締め付けられている。
【０００５】
これにより、ばね５のみを使用する際のように、高温下でのばね定数の変化やばね反力の低下に起因する締め付け荷重の変動を抑えることができ、前記ばね５とベローズ６とによって締め付け荷重を一定に保つことが可能になる、としている。
【０００６】
【特許文献１】特開平８−４５５３５号公報（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の特許文献１では、荷重機構としてばね５とベローズ６とを用いるために、この荷重機構の構成が複雑化してしまい、経済的ではないという問題がある。しかも、ばね５は、燃料電池の運転時に高温の環境下に曝されており、前記ばね５が劣化し易いという問題がある。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池スタックに締め付け荷重を付与する荷重付与機構の耐久性を有効に向上させるとともに、簡単且つ経済的に構成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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。
【００１０】
そして、燃料電池スタックと荷重付与機構との間には、前記燃料電池スタック側から前記荷重付与機構側に熱が伝わることを制限する遮熱層が設けられるとともに、前記荷重付与機構は、前記燃料電池スタックに前記積層方向に荷重を付与する金属製弾性体を有している。
【００１１】
また、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、電解質・電極接合体に対し、金属製弾性体のみを介して前記積層方向に前記第１締め付け部の荷重よりも小さな荷重を付与する第２締め付け部とを設けることが好ましい。
【００１２】
さらに、筐体は、荷重付与機構が配設される第１筐体部と、燃料電池スタック及び流体部が配設される第２筐体部とを備えるとともに、前記第１筐体部と前記第２筐体部との間には、遮熱層である断熱部材が介装されることが好ましい。
【００１３】
さらにまた、第１筐体部には、金属製弾性体を冷却するための冷却媒体を導入するための冷却媒体導入口が形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、燃料電池スタックと荷重付与機構との間に遮熱層が設けられているため、前記荷重付与機構が前記燃料電池スタック側からの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ことが可能になる。
【００１５】
しかも、荷重付与機構は、燃料電池スタックに積層方向に荷重を付与するために、金属製弾性体、例えば、金属ばねを有している。従って、例えば、セラミックスばねを使用する場合に比べ、経済的に構成されるとともに、耐久性及び信頼性が良好に向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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）。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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の積層方向両端に導電性のエンドプレート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。
【００３０】
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。
【００３１】
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よりも大径に設定されるとともに、導電性の薄板で形成される。エンドプレート７０ｂの外周端部には、肉厚部８４が設けられる。
【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は、例えば、ニッケル系耐熱合金（インコネル）で構成される。
【００３３】
エンドプレート７０ｂと第２筐体部８６ｂとの間にリング状の絶縁部材８７ａが介装されるとともに、前記エンドプレート７０ｂと第１筐体部８６ａとの間に後述する断熱部材１２２が介装された状態で、第１及び第２筐体部８６ａ、８６ｂは、ねじ８８及びナット９０により締め付けられる。ねじ８８及びナット９０は、円筒状やリング状の絶縁部材８７ｂ、８７ｃを介して第２筐体部８６ｂから電気的に絶縁される。
【００３４】
エンドプレート７０ｂは、導電性プレートで構成されるとともに、燃料電池スタック１２及び流体部１９から荷重付与機構２１に高温ガスが流入することを阻止するガス遮蔽部を構成する。
【００３５】
エンドプレート７０ｂの肉厚部８４には、燃料電池スタック１２の一方の極に電気的に接続される第１電流取り出し端子９１ａが設けられる。第２筐体部８６ｂには、エンドプレート７０ａから熱交換器１４を介して燃料電池スタック１２の他方の極に電気的に接続される第２電流取り出し端子９１ｂが設けられる。第１及び第２電流取り出し端子９１ａ、９１ｂは、図示しない負荷（例えば、モータ）に接続される。
【００３６】
第２筐体部８６ｂには、円筒状壁板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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
荷重付与機構２１は、第１筐体部８６ａとエンドプレート７０ｂとの間に形成される室１１１内に収容される。この荷重付与機構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）。
【００４０】
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。
【００４１】
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、１１４ｂ及びナット１１７と第２押圧プレート１１６ｂとは、絶縁部材８７ｄを介して電気的に絶縁される。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。
【００４２】
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。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に対応して金属ばね（金属製弾性体）１１８及び台座１１９ａ、１１９ｂが配設される。エンドプレート７０ｂには、各台座１１９ａに対応して台座１１９ｃが配設されるとともに、前記台座１１９ａ、１１９ｃ間にスリーブ部材１２０が介装される。各スリーブ部材１２０及び第２締め付けボルト１１４ｂを挿入して断熱部材１２２が配設される。
【００４３】
断熱部材１２２は、断熱材１２４を一対の金属板１２６ａ、１２６ｂにより挟持して構成される。断熱材１２４は、例えば、アルミナ系、シリカ系、アルミナ−シリカ系等の繊維やファイバーにより構成されるセラミックス系断熱材を用いることができる。
【００４４】
断熱部材１２２は、略円板状を有するとともに、中央部分の厚さＨ１が外周部分の厚さＨ２よりも薄肉に構成される。肉厚な外周部分には、スリーブ部材１２０がシール材１２８ａを介して挿入されるとともに、薄肉な中央部分には、第２締め付けボルト１１４ｂがシール材１２８ｂを介して挿入される。シール材１２８ａ、１２８ｂは、グラファイトや炭化珪素等のセラミックス系材料で形成される。
【００４５】
第１筐体部８６ａには、室１１１に連通して管部材１３０ａ、１３０ｂが接続される。室１１１内には、管部材１３０ａ、１３０ｂを介して空気が流動するように構成される。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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（シール部位）に対して第１締め付け荷重Ｔ１が付与される。
【００５１】
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、エンドプレート７０ｂを介してそれぞれ軸方向に台座１１９ｃが積層方向に重なって配設されるとともに、前記台座１１９ｃと台座１１９ａとの間には、スリーブ部材１２０を介装して断熱部材１２２が配設される。さらに、台座１１９ａと台座１１９ｂとの間には、金属ばね１１８が配置される一方、前記台座１１９ｂ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。
【００５２】
そこで、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の端部に絶縁部材８７ｄを介してナット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、各金属ばね１１８の弾性力を介して第２締め付け荷重Ｔ２が付与される。
【００５３】
燃料電池スタック１２は、エンドプレート７０ｂ及び断熱部材１２２が筐体１８を構成する第１及び第２筐体部８６ａ、８６ｂ間に挟持される。エンドプレート７０ｂの第２筐体部８６ｂ側に絶縁部材８７ａが介装されるとともに、絶縁部材８７ｂ、８７ｃが所定の部位に配設された状態で、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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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）。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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、前記燃料電池スタック１２と前記荷重付与機構２１との間には、エンドプレート７０ｂと断熱部材１２２とが介装されている。従って、エンドプレート７０ｂは、高温の排ガスが流体部１９及び燃料電池スタック１２側から荷重付与機構２１に流入することを防止し、断熱部材１２２は、前記燃料電池スタック１２側から前記荷重付与機構２１に熱伝導することを良好に防止する。
【００６３】
これにより、簡単な構成で、荷重付与機構２１が高温ガスに曝されることがなく、さらに熱伝導によって高温になることを防止して、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。しかも、この荷重付与機構２１は、弾性体として金属ばね１１８を用いることができる。金属ばね１１８は、ばね反力の低下や劣化が惹起される温度に曝されることを確実に阻止することが可能になるからである。従って、例えば、セラミックスばねを使用したり、ベローズを併用したりする場合に比べ、構成が簡素化して経済的であるとともに、耐久性及び信頼性が良好に向上するという効果が得られる。
【００６４】
さらに、断熱部材１２２は、セラミックス系断熱材等の断熱材１２４を金属板１２６ａ、１２６ｂにより挟持されている。このため、積層方向の荷重によって断熱材１２４が破損することを阻止するとともに、構成の簡素化を図ることができる。しかも、断熱部材１２２は、中央部分が薄肉（厚さＨ１）で、外周部分が肉厚（厚さＨ２）に構成されている。これは、燃料電池スタック１２が酸化剤ガスである空気を内側から外側へ向かって供給するため、この燃料電池スタック１２の内側温度が、外側温度に比べて低温になり易いからである。
【００６５】
さらにまた、本実施形態では、荷重付与機構２１が配設される室１１１には、管部材１３０ａ、１３０ｂが接続されている。これにより、例えば、管部材１３０ａから室１１１に空気を強制的に供給すると、前記管部材１３０ａから前記室１１１を介して管部材１３０ｂに空気の流れが発生し、特に、金属ばね１１８を一層確実に冷却することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【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の燃料電池の概略構成説明図である。
【符号の説明】
【００６７】
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
３６…円板部                    ４６…燃料ガス通路
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
８６ａ、８６ｂ…筐体部          ８７ａ〜８７ｄ…絶縁部材
９１ａ、９１ｂ…電流取り出し端子
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…金属ばね                １１９ａ〜１１９ｃ…台座
１２０…スリーブ部材            １２２…断熱部材
１２４…断熱材                  １２６ａ、１２６ｂ…金属板
１２８ａ、１２８ｂ…シール材    １３０ａ、１３０ｂ…管部材
【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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