(57)【要約】【課題】簡単且つコンパクトな構成で、断熱性を有するとともに、燃料電池スタックを均一に加熱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１１と、改質器１６２、熱交換器１６４、燃料電池スタック設置部材１６６及び台部材１６８を備える流体部１６０と、燃焼器１８２と、第１ケース部材１８４と、第２ケース部材１８６とを備える。燃料電池スタック設置部材１６６と熱交換器１６４とには、燃料電池スタック１１からのオフガスを、第１ケース部材１８４の内部空間から前記熱交換器１６４に供給するためのオフガス通路部材１８１の両端が接続されるとともに、前記熱交換器１６４から排出される熱交換後の前記オフガスは、オフガス通路２０２を通って排出される。【選択図】図２
2012182032.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・電極接合体が、セパレータ間に配設される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、
原燃料を改質して改質ガスを生成し、前記改質ガスを燃料ガスとして前記アノード電極に供給する改質器と、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し、加熱された前記酸化剤ガスを前記カソード電極に供給する熱交換器と、前記燃料電池スタックを設置するための燃料電池スタック設置部材と、前記改質器、前記熱交換器及び前記燃料電池スタック設置部材を保持するための台部材とを備える流体部と、
前記流体部に、前記燃料電池スタックが配置される一方側とは反対の他方側に隣接して配置され、燃焼により発生する燃焼ガスによって前記改質器及び前記熱交換器を加熱する燃焼器と、
前記燃料電池スタック設置部材に連結され、前記燃料電池スタックを収容する第１ケース部材と、
前記台部材に連結され、前記第１ケース部材及び前記流体部を収容する第２ケース部材と、
を備え、
前記燃料電池スタック設置部材と前記熱交換器とには、前記燃料電池スタックで発電反応に使用された前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスからなるオフガスを、前記第１ケース部材の内部空間から前記熱交換器に加熱用媒体として供給するための通路部材の両端が接続されるとともに、
前記熱交換器から排出される熱交換後の前記オフガスは、前記第１ケース部材と前記第２ケース部材との間に形成されたオフガス通路を通って排出され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、前記流体部は、前記燃料電池スタックに前記燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管及び前記燃料電池スタックに前記酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給配管を備えるとともに、
前記燃料ガス供給配管及び前記酸化剤ガス供給配管により、前記燃料電池スタックが前記燃料電池スタック設置部材に設置され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、前記セパレータは、前記電解質・電極接合体を挟持するとともに、電極面に沿って前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスである反応ガスを供給する反応ガス通路が設けられる挟持部と、
前記反応ガスを前記反応ガス通路に供給するための反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される反応ガス供給部と、
前記挟持部と前記反応ガス供給部とを連結し、前記反応ガスを前記反応ガス供給連通孔から前記反応ガス通路に供給するための反応ガス供給通路が形成される橋架部と、
前記挟持部に前記積層方向に沿って荷重を付与する荷重付与機構と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックは、前記燃料電池の積層方向一端側に配置される第１プレート部材と、
前記燃料電池の積層方向他端側に配置される第２プレート部材と、
前記第１プレート部材に接続されて一方の電流取り出し端子を構成する第１ポール部材と、
前記第２プレート部材に接続されて他方の電流取り出し端子を構成する第２ポール部材と、
を備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池システムにおいて、前記第１ポール部材及び前記第２ポール部材は、前記第１ケース部材から前記第２ケース部材を貫通して該第２ケース部材の外部に延在するとともに、
前記第１ケース部材及び前記第２ケース部材のポール部材挿通部位には、ガイド部材が介装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、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・電極接合体が、セパレータ間に配設される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックを備え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（ＭＥＡ）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、ＭＥＡ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】
上記の燃料電池では、電解質・電極接合体を構成するアノード電極及びカソード電極に、それぞれ燃料ガス（例えば、水素ガス）及び酸化剤ガス（例えば、空気）を供給するとともに、各燃料電池毎に前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを供給している。
【０００４】
この種の燃料電池では、比較的高温で作動するとともに、熱効率を高めるために、断熱性が求められている。例えば、特許文献１に開示されている装置では、図８に示すように、下部側に断熱性被覆１の一部と並んで、予備改質装置２、内部補助点火装置３、第１熱交換器４ａ及び第２熱交換器４ｂが配設されている。装置の上部側には、断熱性被覆１の一部と並んで、セルブロックを有する燃料電池セル５が配設されている。断熱性被覆１は、外郭部１ａ及び断熱性の壁１ｂ、１ｃ、１ｄを有している。
【０００５】
また、特許文献２に開示されている発電装置は、図９に示すように、内側から外側に向かって第１室６ａ、第２室６ｂ及び第３室６ｃからなる３重構造を有している。発電装置は、中心部の第１室６ａをその外側の第２室６ｂを仕切る内仕切壁７ａと、第２室６ｂとその外側の第３室６ｃを仕切る外仕切壁７ｂと、第３室６ｃと外部を仕切る外壁７ｃとを有するとともに、前記外壁７ｃは、断熱部材７ｄにより覆われている。第１室６ａ内には、複数個の燃料電池セル８が配列されてセルスタックを構成しており、このセルスタックに近接して改質器９が配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−０５５８１５号公報
【特許文献２】特開２００５−２３５５２６号公報
【発明の概要】
【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、断熱性被覆１により断熱するため、前記断熱性被覆１を構成する断熱性の壁１ｂ、１ｃ、１ｄの厚さを大きく（肉厚に）設定する必要がある。このため、装置全体が相当に大型化するという問題がある。しかも、排ガスは、セルブロックの一方のみを流れるため、前記セルブロック内を均等に加熱することが困難となり、熱歪みが惹起され易い。
【０００８】
また、上記の特許文献２では、発電装置の内部が第１室６ａ、第２室６ｂ及び第３室６ｃからなる３重構造を有している。従って、構造が複雑化するとともに、発電装置全体が大型化するという問題がある。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、断熱性を有するとともに、燃料電池スタックを均一に加熱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】
【００１０】
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・電極接合体が、セパレータ間に配設される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層される燃料電池スタックと、原燃料を改質して改質ガスを生成し、前記改質ガスを燃料ガスとして前記アノード電極に供給する改質器と、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し、加熱された前記酸化剤ガスを前記カソード電極に供給する熱交換器と、前記燃料電池スタックを設置するための燃料電池スタック設置部材と、前記改質器、前記熱交換器及び前記燃料電池スタック設置部材を保持するための台部材とを備える流体部と、前記流体部に、前記燃料電池スタックが配置される一方側とは反対の他方側に隣接して配置され、燃焼により発生する燃焼ガスによって前記改質器及び前記熱交換器を加熱する燃焼器と、前記燃料電池スタック設置部材に連結され、前記燃料電池スタックを収容する第１ケース部材と、前記台部材に連結され、前記第１ケース部材及び前記流体部を収容する第２ケース部材とを備えている。
【００１１】
そして、燃料電池スタック設置部材と熱交換器とには、前記燃料電池スタックで発電反応に使用された燃料ガス及び酸化剤ガスからなるオフガスを、第１ケース部材の内部空間から前記熱交換器に加熱用媒体として供給するための通路部材の両端が接続されるとともに、前記熱交換器から排出される熱交換後の前記オフガスは、前記第１ケース部材と第２ケース部材との間に形成されたオフガス通路を通って排出されている。
【００１２】
また、この燃料電池システムでは、流体部は、燃料電池スタックに燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管及び前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給配管を備えるとともに、前記燃料ガス供給配管及び前記酸化剤ガス供給配管により、前記燃料電池スタックが燃料電池スタック設置部材に設置されることが好ましい。このため、燃料電池スタックは、燃料電池スタック設置部材から熱的に良好に遮断されることができ、断熱性及び熱効率の向上を図ることが可能になる。
【００１３】
さらに、この燃料電池システムでは、セパレータは、電解質・電極接合体を挟持するとともに、電極面に沿って燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを供給する反応ガス通路が設けられる挟持部と、前記反応ガスを前記反応ガス通路に供給するための反応ガス供給連通孔が積層方向に形成される反応ガス供給部と、前記挟持部と前記反応ガス供給部とを連結し、前記反応ガスを前記反応ガス供給連通孔から前記反応ガス通路に供給するための反応ガス供給通路が形成される橋架部と、前記挟持部に前記積層方向に沿って荷重を付与する荷重付与機構とを備えることが好ましい。
【００１４】
従って、挟持部と電解質・電極接合体との密着状態を確保し、集電性能の向上が図られるとともに、反応ガス供給部に対して所望のシール荷重を付与することができる。
【００１５】
さらにまた、この燃料電池システムでは、燃料電池スタックは、燃料電池の積層方向一端側に配置される第１プレート部材と、前記燃料電池の積層方向他端側に配置される第２プレート部材と、前記第１プレート部材に接続されて一方の電流取り出し端子を構成する第１ポール部材と、前記第２プレート部材に接続されて他方の電流取り出し端子を構成する第２ポール部材とを備えることが好ましい。
【００１６】
これにより、電流取り出し端子は、線を用いて結線する必要がなく、排ガスや該排ガスの熱によって劣化することを阻止することができる。このため、燃料電池スタックから安定して電流を取り出すことが可能になる。
【００１７】
また、この燃料電池システムでは、第１ポール部材及び第２ポール部材は、第１ケース部材から第２ケース部材を貫通して前記第２ケース部材の外部に延在するとともに、前記第１ケース部材及び前記第２ケース部材のポール部材挿通部位には、ガイド部材が介装されることが好ましい。従って、第１ポール部材及び第２ポール部材は、ガイド部材の案内作用下に積層方向に摺動可能になり、熱変位に容易且つ確実に追従することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、燃料電池スタックで発電反応後に排出されるオフガスが、加熱用媒体として熱交換器に導入されて前記燃料電池スタックに供給される前の酸化剤ガスと熱交換している。このため、オフガスの排熱を有効に回収することができ、熱効率の向上が容易に図られる。特に、オフガスは、未使用の燃料ガスと酸化剤ガスとにより、第１ケース部材内で燃焼するため、燃料電池を直接加熱し、熱交換器によって酸化剤ガスを加熱する加熱エネルギとして有効に利用することが可能になる。
【００１９】
しかも、改質器及び熱交換器は、燃焼器により加熱されている。従って、改質器及び熱交換器を通って加熱された燃料ガス及び酸化剤ガスが、燃料電池スタックに供給されるため、前記燃料電池スタックを内側から良好に加熱することができる。
【００２０】
さらに、台部材には、改質器及び熱交換器と燃料電池スタック設置部材を介して燃料電池スタックとが保持されている。そして、燃焼器は、流体部に隣接して配置されており、この燃焼器から改質器及び熱交換器に燃焼ガスが供給されている。これにより、改質器及び熱交換器を加熱した燃焼ガスは、燃料電池スタックを加熱することが可能になり、熱効率の向上が図られる。
【００２１】
その上、熱交換器から排出される熱交換後のオフガスは、第１ケース部材と第２ケース部材との間に形成されたオフガス通路を通って排出されている。このため、第１ケース部材内に収容されている燃料電池スタックは、外側から加熱されて放熱を防止して熱効率の向上が容易に遂行される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの一部分解斜視図である。
【図２】前記燃料電池システムの概略断面図である。
【図３】前記燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの分解斜視説明図である。
【図４】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５】前記燃料電池スタックの反応ガスの流れ説明図である。
【図６】前記燃料電池スタックの、図３中、ＶＩ−ＶＩ線断面である。
【図７】前記燃料電池スタックを構成する変位吸収機構の拡大説明図である。
【図８】特許文献１の装置の断面説明図である。
【図９】特許文献２の発電装置の断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１を備えるとともに、前記燃料電池スタック１１は、複数の燃料電池１２が矢印Ａ方向に積層される積層体を備える。燃料電池システム１０は、定置用の他、可搬用、車載用等の種々の用途に用いられている。
【００２４】
燃料電池１２は、固体電解質型燃料電池であり、この燃料電池１２は、図３〜図５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（ＭＥＡ）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、少なくとも外周端面部には、発電反応後の酸化剤ガス及び燃料ガスからなる排ガス（オフガス）の進入や排出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。
【００２５】
燃料電池１２は、第１セパレータ２８ａ及び第２セパレータ２８ｂ間に１個の電解質・電極接合体２６が挟持される。第１セパレータ２８ａ及び第２セパレータ２８ｂは、同一形状のセパレータ構造体を互いに１８０°反転させることにより構成される。なお、一対のセパレータ間に複数枚のＭＥＡを挟持して構成してもよい。
【００２６】
第１セパレータ２８ａは、例えば、ステンレス等の板金で構成される第１プレート３０ａ及び第２プレート３２ａを有する。第１プレート３０ａ及び第２プレート３２ａは、互いに拡散接合、レーザー溶接又はろう付け等により接合される。
【００２７】
第１プレート３０ａは、略平板状に形成されるとともに、積層方向（矢印Ａ方向）に沿って燃料ガス（反応ガス）を供給するための燃料ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）３４が形成される第１燃料ガス供給部（反応ガス供給部）３６を有する。この第１燃料ガス供給部３６から外方に延在する第１橋架部３８を介して第１挟持部４０が一体に設けられる。
【００２８】
第１挟持部４０は、電解質・電極接合体２６と同一形状もしくは電解質・電極接合体２６よりも大径な寸法に設定されるとともに、前記第１挟持部４０のアノード電極２４に接する面には、複数の凸部４２が設けられる。凸部４２は、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（反応ガス通路）４４を形成するとともに、集電機能を有する。第１挟持部４０の中央部には、アノード電極２４の中央部に向かって燃料ガスを供給するための燃料ガス供給孔４６が形成される。
【００２９】
第２プレート３２ａは、燃料ガス供給連通孔３４が形成される第２燃料ガス供給部（反応ガス供給部）４８を有する。この第２燃料ガス供給部４８から外方に延在する第２橋架部５０を介して第２挟持部５２が一体に設けられる。第２プレート３２ａの外周を周回して第１プレート３０ａ側に突出する周回凸部５４が設けられ、この周回凸部５４に前記第１プレート３０ａが接合される。
【００３０】
第２燃料ガス供給部４８、第２橋架部５０及び第２挟持部５２の第１プレート３０ａに向かう面には、前記第１プレート３０ａに接して複数の突起部５６が形成される。
【００３１】
第１橋架部３８及び第２橋架部５０間には、燃料ガス供給連通孔３４に連通する燃料ガス供給通路５８が形成される。燃料ガス供給通路５８は、第１挟持部４０及び第２挟持部５２間に形成される燃料ガス充填室６０を介して燃料ガス供給孔４６に連通する。
【００３２】
第２セパレータ２８ｂは、第１セパレータ２８ａと同一形状に構成されており、第１プレート３０ａ及び第２プレート３２ａに対応する第１プレート３０ｂ及び第２プレート３２ｂを有する。第１プレート３０ｂ及び第２プレート３２ｂは、積層方向に沿って酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔６２が形成される第１酸化剤ガス供給部６４及び第２酸化剤ガス供給部６６を有する。
【００３３】
第１プレート３０ｂ及び第２プレート３２ｂは、第１酸化剤ガス供給部６４及び第２酸化剤ガス供給部６６から外方に突出する第１橋架部６８及び第２橋架部７０を介して第１挟持部７２及び第２挟持部７４が一体に設けられる。
【００３４】
第１挟持部７２のカソード電極２２に接触する面には、複数の凸部４２を介し前記カソード電極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（反応ガス通路）７６が形成される。第１挟持部７２の中央部には、カソード電極２２の中央部に向かって酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給孔７８が形成される。
【００３５】
第２プレート３２ｂ内には、第１プレート３０ｂが接合されることにより酸化剤ガス供給連通孔６２に連通する酸化剤ガス供給通路８０が、第１橋架部６８及び第２橋架部７０間に対応して形成される。第２挟持部７４内には、酸化剤ガス供給連通孔６２と酸化剤ガス供給通路８０を介して連通する酸化剤ガス充填室８２が形成される。
【００３６】
図３及び図４に示すように、第１セパレータ２８ａは、第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部４８により燃料ガス供給部８４を構成し、第１橋架部３８及び第２橋架部５０により第１橋架部８６を構成し、第１挟持部４０及び第２挟持部５２により第１挟持部８８を構成する。第２セパレータ２８ｂは、第１酸化剤ガス供給部６４及び第２酸化剤ガス供給部６６により酸化剤ガス供給部９０を構成し、第１橋架部６８及び第２橋架部７０により第２橋架部９２を構成し、第１挟持部７２及び第２挟持部７４により第２挟持部９４を構成する。
【００３７】
積層方向（矢印Ａ方向）に互いに隣接する一対の第１セパレータ２８ａを構成する各燃料ガス供給部８４には、燃料電池スタック１１に発生した積層方向の変位を吸収する第１変位吸収機構（燃料ガス側変位吸収機構）９６が設けられるとともに、前記積層方向に互いに隣接する一対の第２セパレータ２８ｂを構成する各酸化剤ガス供給部９０には、前記積層方向の変位を吸収する第２変位吸収機構（酸化剤ガス側変位吸収機構）９８が設けられる。
【００３８】
図４及び図６に示すように、第１変位吸収機構９６は、第１セパレータ２８ａを構成する第１プレート３０ａ及び第２プレート３２ａにおいて、第１燃料ガス供給部３６及び第２燃料ガス供給部４８の突起部５６とは反対の面に、例えば、溶接により固着される連結部材１００ａ、１００ｂを備える。連結部材１００ａ、１００ｂは、積層方向に隣接する一対の第１セパレータ２８ａの燃料ガス供給部８４同士を連結し、且つ前記積層方向の荷重を緩和するばね性を有する。連結部材１００ａ、１００ｂは、例えば、ステンレス等の金属薄板により構成され、実質的にベローズ形状を有する。
【００３９】
連結部材１００ａは、図６に示すように、第１プレート３０ａの第１燃料ガス供給部３６に溶接（結合）されるセパレータ結合部位１０２ａと、積層方向に隣接する連結部材１００ａ、１００ｂ同士を係合する係合部位１０４ａと、前記セパレータ結合部位１０２ａと前記係合部位１０４ａとを繋ぎ且つばね性を有する連結部位１０６ａとを備える。連結部位１０６ａは、第１燃料ガス供給部３６から離間する方向に傾斜する一方、係合部位１０４ａは、水平方向に延在する。
【００４０】
連結部材１００ｂは、第２プレート３２ａの第２燃料ガス供給部４８に溶接（結合）されるセパレータ結合部位１０２ｂと、積層方向に隣接する連結部材１００ａ、１００ｂ同士を係合する係合部位１０４ｂと、前記セパレータ結合部位１０２ｂと前記係合部位１０４ｂとを繋ぎ且つばね性を有する連結部位１０６ｂとを備える。連結部位１０６ｂは、第２燃料ガス供給部４８から離間する方向に傾斜する一方、係合部位１０４ｂは、水平方向に延在する。
【００４１】
第１変位吸収機構９６は、図４に示すように、一対の連結部材１００ａ、１００ｂを一体に結合させるための結合部材１０８を備えるとともに、前記連結部材１００ａ、１００ｂ同士が係合する領域及び前記連結部材１００ａ、１００ｂと前記結合部材１０８とが係合する領域に対応して、３つのシール部材１１０ａ、１１０ｂ及び１１０ｃが介装される。
【００４２】
結合部材１０８は、断面コ字状を有し、例えば、３つの前記結合部材１０８が、全体としてリング状に配置される。図６に示すように、各結合部材１０８は、内周側が開口しており、この内周側からシール部材１１０ｂ、連結部材１００ａの係合部位１０４ａ、シール部材１１０ａ、連結部材１００ｂの係合部位１０４ｂ及びシール部材１１０ｃからなる積層体が挿入され、前記結合部材１０８がかしめられる。
【００４３】
シール部材１１０ａ〜１１０ｃは、リング形状を有し、ガスシール機能及び絶縁機能、さらに好適には、耐熱性及び柔軟性を有する材料で構成される。具体的には、シール部材１１０ａ〜１１０ｃは、粘土鉱物及び有機高分子が複合化された粘土膜を備える薄膜状シールにより構成されるが、これに限定されるものではない。例えば、ガラス系シール部材も用いることができる。
【００４４】
第２変位吸収機構９８は、第２セパレータ２８ｂを構成する第２プレート３２ｂ及び第１プレート３０ｂにおいて、第２酸化剤ガス供給部６６及び第１酸化剤ガス供給部６４の突起部５６とは反対の面に、例えば、溶接により固着される連結部材１１２ａ、１１２ｂを備える。連結部材１１２ａ、１１２ｂは、積層方向に隣接する一対の第２セパレータ２８ｂの酸化剤ガス供給部９０同士を連結し、且つ前記積層方向の荷重を緩和するばね性を有する。
【００４５】
連結部材１１２ａは、図６に示すように、第２プレート３２ｂの第２酸化剤ガス供給部６６に溶接（結合）されるセパレータ結合部位１１４ａと、積層方向に隣接する連結部材１１２ａ、１１２ｂ同士を係合する係合部位１１６ａと、前記セパレータ結合部位１１４ａと前記係合部位１１６ａとを繋ぎ且つばね性を有する連結部位１１８ａとを備える。連結部位１１８ａは、第２酸化剤ガス供給部６６から離間する方向に傾斜する一方、係合部位１１６ａは、水平方向に延在する。
【００４６】
連結部材１１２ｂは、第１プレート３０ｂの第１酸化剤ガス供給部６４に溶接（結合）されるセパレータ結合部位１１４ｂと、積層方向に隣接する連結部材１１２ａ、１１２ｂ同士を係合する係合部位１１６ｂと、前記セパレータ結合部位１１４ｂと前記係合部位１１６ｂとを繋ぎ且つばね性を有する連結部位１１８ｂとを備える。連結部位１１８ｂは、第１酸化剤ガス供給部６４から離間する方向に傾斜する一方、係合部位１１６ｂは、水平方向に延在する。
【００４７】
第２変位吸収機構９８は、図４に示すように、一対の連結部材１１２ａ、１１２ｂを一体に結合させるための結合部材１２０を備えるとともに、前記連結部材１１２ａ、１１２ｂ同士が係合する領域及び前記連結部材１１２ａ、１１２ｂと前記結合部材１２０とが係合する領域に対応して、３つのシール部材１２２ａ、１２２ｂ及び１２２ｃが介装される。
【００４８】
結合部材１２０は、断面コ字状を有し、例えば、３つの前記結合部材１２０が、全体としてリング状に配置される。図６に示すように、各結合部材１２０は、内周側が開口しており、この内周側からシール部材１２２ｂ、連結部材１１２ａの係合部位１１６ａ、シール部材１２２ａ、連結部材１１２ｂの係合部位１１６ｂ及びシール部材１２２ｃからなる積層体が挿入され、前記結合部材１２０がかしめられる。
【００４９】
シール部材１２２ａ〜１２２ｃは、リング形状を有し、ガスシール機能及び絶縁機能、さらに好適には、耐熱性及び柔軟性を有する材料で構成される。具体的には、シール部材１２２ａ〜１２２ｃは、粘土鉱物及び有機高分子が複合化された粘土膜を備える薄膜状シールにより構成されるが、これに限定されるものではない。例えば、ガラス系シール部材も用いることができる。
【００５０】
図３及び図６に示すように、第１セパレータ２８ａの第１挟持部８８には、燃料電池スタック１１に発生した積層方向の変位を吸収する第３変位吸収機構（燃料ガス側変位吸収機構）１３０が設けられるとともに、第２セパレータ２８ｂの第２挟持部９４には、前記積層方向の変位を吸収する第４変位吸収機構（酸化剤ガス側変位吸収機構）１３２が設けられる。
【００５１】
第１挟持部８８の変位吸収機構１３０は、図４及び図６に示すように、第１挟持部４０及び第２挟持部５２間に形成される燃料ガス充填室６０と、電解質・電極接合体２６に対向する第１プレート３０ａに設けられ、燃料ガス通路４４を形成する複数の凸部４２と、第２プレート３２ａに、前記第１プレート３０ａに接して設けられる複数の突起部５６とを備える。複数の凸部４２と複数の突起部５６とは、積層方向に互いに重ならない位置に配置される。
【００５２】
図７に示すように、複数の凸部４２は、例えば、格子状に配置されるとともに、４つの前記凸部４２により単位領域１３４が形成される。１つの突起部５６は、１つの単位領域１３４内に配置される一方、この単位領域１３４に隣接する他の単位領域１３４、すなわち、前記突起部５６が配置される前記単位領域１３４を周回する８つの単位領域１３４には、前記突起部５６が配置されない。なお、凸部４２の配置状態や突起部５６の配置状態は、種々変更可能である。
【００５３】
第２挟持部９４の変位吸収機構１３２は、図４及び図６に示すように、酸化剤ガス充填室８２と、第１プレート３０ｂに設けられ、酸化剤ガス通路７６を形成する複数の凸部４２と、第２プレート３２ｂに、前記第１プレート３０ｂに接して設けられる複数の突起部５６とを備える。複数の凸部４２と複数の突起部５６とは、積層方向に互いに重ならない位置に配置される。
【００５４】
図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１１は、燃料電池１２の積層方向一端側に配置される第１プレート部材１４０と、前記燃料電池１２の積層方向他端側に配置される第２プレート部材１４２と、前記第１プレート部材１４０に接続されて一方の電流取り出し端子を構成する第１ポール部材１４４と、前記第２プレート部材１４２に接続されて他方の電流取り出し端子を構成する第２ポール部材１４６とを備える。第１ポール部材１４４及び第２ポール部材１４６は、互いに平行して延在するとともに、電流用端子として機能する。
【００５５】
第２プレート部材１４２と燃料電池１２との間には、第１挟持部８８及び第２挟持部９４に積層方向の荷重を付与する荷重付与機構１４８が配設される。荷重付与機構１４８は、積層方向に配列される複数の皿ばね１５０を備え、燃料電池１２に対して前記積層方向に弾性により荷重を付与する。第１プレート部材１４０と第２プレート部材１４２とは、複数のボルト部材（スタッドボルト）１５２により燃料電池１２を積層方向から締結することにより、燃料電池スタック１１がユニット化される。
【００５６】
第１プレート部材１４０には、各燃料電池１２の燃料ガス供給連通孔３４と同軸上に配置され、前記燃料ガス供給連通孔３４に燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管１５４と、前記燃料電池１２の酸化剤ガス供給連通孔６２と同軸上に配置され、前記酸化剤ガス供給連通孔６２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給配管１５６とが設けられる。
【００５７】
燃料電池システム１０は、ユニット化された流体部１６０を備える。流体部１６０は、原燃料を改質して改質ガスを生成し、前記改質ガスを燃料ガスとして燃料電池１２のアノード電極２４に供給する改質器１６２と、酸化剤ガスを燃料電池スタック１１に供給する前に加熱し、加熱された前記酸化剤ガスを前記燃料電池１２のカソード電極２２に供給する熱交換器１６４と、前記燃料電池スタック１１を設置するための板状燃料電池スタック設置部材１６６と、前記改質器１６２、前記熱交換器１６４及び前記燃料電池スタック設置部材１６６を保持するための台部材１６８とを備える。
【００５８】
改質器１６２の入口には、原燃料供給管１７０が接続されるとともに、前記改質器１６２の出口には、改質ガス排出管１７２が接続される。熱交換器１６４の入口には、空気供給管１７４が接続されるとともに、前記熱交換器１６４の出口には、酸化剤ガス排出管１７６が接続される。
【００５９】
燃料電池スタック設置部材１６６には、燃料ガス供給配管１５４及び酸化剤ガス供給配管１５６を固定する固定具１７８及び１８０が設けられる。固定具１７８、１８０を介して燃料ガス供給配管１５４及び酸化剤ガス供給配管１５６には、改質ガス排出管１７２及び酸化剤ガス排出管１７６が連結される。燃料電池スタック設置部材１６６には、燃料電池スタック１１で発電反応に使用された燃料ガス及び酸化剤ガスからなるオフガスを、熱交換器１６４に加熱用媒体として供給するためのオフガス通路部材１８１が設けられる。
【００６０】
燃料電池スタック１１は、実質的に、燃料ガス供給配管１５４及び酸化剤ガス供給配管１５６のみにより、燃料電池スタック設置部材１６６に保持される。なお、燃料電池スタック１１には、燃料ガス供給配管１５４及び酸化剤ガス供給配管１５６の他に、必要に応じて保持用の配管を設けることもできる。
【００６１】
流体部１６０には、燃料電池スタック１１が配置される一方側とは反対の他方側に隣接して、具体的には、改質器１６２及び熱交換器１６４に隣接して、燃焼器１８２が配置される。燃焼器１８２は、燃焼により発生する燃焼ガスによって改質器１６２及び熱交換器１６４を加熱する機能を有する。燃焼器１８２は、台部材１６８に固定される。
【００６２】
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック設置部材１６６に連結され、燃料電池スタック１１を収容する第１ケース部材１８４と、台部材１６８に連結され、前記第１ケース部材１８４（燃料電池スタック１１を含む）及び流体部１６０を収容する第２ケース部材１８６とを備える。
【００６３】
第１ケース部材１８４は、底部に開口部を有するとともに、前記底部に大径なフランジ部１８８を設ける。このフランジ部１８８は、燃料電池スタック設置部材１６６に固着される。第１ケース部材１８４の上部閉塞部には、第１ポール部材１４４及び第２ポール部材１４６とに対応してこれらよりも大径な開口部を有する筒状部１９０、１９２が設けられる。
【００６４】
第２ケース部材１８６は、底部に開口部を有するとともに、前記底部に大径なフランジ部１９４を設ける。このフランジ部１９４は、台部材１６８に固着される。第２ケース部材１８６の上部には、筒状部１９０、１９２が挿入される孔部１９６、１９８と、排ガス排出口２００とが設けられる。排ガス排出口２００は、第１ケース部材１８４と第２ケース部材１８６との間に形成されたオフガス通路２０２に連通するとともに、前記オフガス通路２０２は、流体部１６０が配置される室２０４に連通する（図２参照）。
【００６５】
ポール部材挿通部位を構成する筒状部１９０、１９２には、第１ポール部材１４４及び第２ポール部材１４６に取り付けられたガイド部材２０６、２０８が摺動自在に配設される。ガイド部材２０６、２０８は、耐熱性、シール性及び絶縁性を有する部材、例えば、ガラス繊維（セラミック繊維）により構成される。
【００６６】
このように構成される燃料電池スタック１１の動作について、以下に説明する。
【００６７】
先ず、図２に示すように、原燃料供給管１７０から改質器１６２には、都市ガス（ＣＨ4、Ｃ2Ｈ6、Ｃ3Ｈ8、Ｃ4Ｈ10を含む）等の原燃料に水蒸気が混在された混合燃料が供給される一方、空気供給管１７４から熱交換器１６４に酸化剤ガスである、例えば、空気が供給される。
【００６８】
その際、燃焼器１８２では、図示しないバーナに着火されて燃焼が開始されている。このため、燃焼により発生する燃焼ガスを介して、改質器１６２及び熱交換器１６４が加熱される。
【００６９】
従って、改質器１６２では、混合燃料が水蒸気改質され、Ｃ2+（エタン以上）の炭化水素が除去（改質）されてメタンを主成分とする改質ガスが得られる。この改質ガスは、改質器１６２の出口に連通する改質ガス排出管１７２から燃料ガス供給配管１５４を通って燃料電池スタック１１の燃料ガス供給連通孔３４に供給される。これにより、アノード電極２４で改質ガス中のメタンが改質されて水素ガス、ＣＯを主成分とする改質ガス（燃料ガス）が得られる。
【００７０】
一方、熱交換器１６４に供給される空気は、この熱交換器１６４内に沿って移動する際、燃焼ガスを介して、さらにオフガス通路部材１８１から供給される後述するオフガス（排ガス）との間で熱交換が行われ、所望の温度に予め加温されている。熱交換器１６４で加温された空気は、酸化剤ガス排出管１７６から酸化剤ガス供給配管１５６を通って燃料電池スタック１１の酸化剤ガス供給連通孔６２に供給される。
【００７１】
図３及び図５に示すように、燃料ガス（水素ガス）は、燃料電池スタック１１の燃料ガス供給連通孔３４に供給されるとともに、酸化剤ガス（空気）は、前記燃料電池スタック１１の酸化剤ガス供給連通孔６２に供給される。
【００７２】
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１２を構成する第１セパレータ２８ａに形成された燃料ガス供給通路５８に導入される。この燃料ガスは、第１橋架部３８及び第２橋架部５０間を燃料ガス供給通路５８に沿って移動し、一旦、燃料ガス充填室６０に充填される。
【００７３】
さらに、燃料ガスは、燃料ガス供給孔４６から燃料ガス通路４４に導入される。その際、燃料ガス供給孔４６は、各電解質・電極接合体２６のアノード電極２４の中央位置に設定されている。このため、燃料ガスは、アノード電極２４の中心から燃料ガス通路４４に沿って前記アノード電極２４の外周部に向かって移動する。
【００７４】
一方、酸化剤ガス供給連通孔６２に供給された酸化剤ガスは、第２セパレータ２８ｂを構成する第１橋架部６８及び第２橋架部７０間に形成された酸化剤ガス供給通路８０に沿って移動し、一旦、酸化剤ガス充填室８２に充填される。さらに、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給孔７８から酸化剤ガス通路７６に導入される。
【００７５】
酸化剤ガス供給孔７８は、各電解質・電極接合体２６のカソード電極２２の中央位置に設定されている。このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス通路７６に沿ってカソード電極２２の中央位置から外周部に向かって移動する。
【００７６】
これにより、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の電極面の中心側から周端部側に向かって酸化剤ガスが供給される。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。
【００７７】
燃料ガス通路４４を移動した使用済みの燃料ガス、及び酸化剤ガス通路７６を移動した使用済みの酸化剤ガスは、各電解質・電極接合体２６の外周部から導出され、この外周部周辺で混合されて比較的高温のオフガスとして排出される。図２に示すように、オフガスは、オフガス通路部材１８１から熱交換器１６４に加熱用媒体として供給され、燃料電池スタック１１に供給される前の酸化剤ガスを加熱した後、第２ケース部材１８６内に排出される。
【００７８】
この場合、本実施形態では、燃料電池スタック１１で発電反応後に排出されるオフガスが、加熱用媒体としてオフガス通路部材１８１から熱交換器１６４に導入されて、前記燃料電池スタック１１に供給される前の酸化剤ガスと熱交換している。このため、オフガスの排熱を有効に回収することができ、熱効率の向上が容易に図られる。特に、オフガスは、未使用の燃料ガスと酸化剤ガスとにより、第１ケース部材１８４内で燃焼するため、燃料電池スタック１１を直接加熱し、熱交換によって酸化剤ガスを加熱する加熱エネルギとして有効に利用することが可能になる。
【００７９】
しかも、改質器１６２及び熱交換器１６４は、燃焼器１８２からの燃焼ガスにより加熱されている。従って、改質器１６２及び熱交換器１６４を通って加熱された燃料ガス及び酸化剤ガスが、燃料電池スタック１１に供給されるため、前記燃料電池スタック１１を内側から良好に加熱することができる。
【００８０】
さらに、台部材１６８には、改質器１６２及び熱交換器１６４と燃料電池スタック設置部材１６６を介して燃料電池スタック１１とが保持されている。そして、燃焼器１８２は、流体部１６０に隣接して配置されており、この燃焼器１８２から改質器１６２及び熱交換器１６４に燃焼ガスが供給されている。これにより、改質器１６２及び熱交換器１６４を加熱した燃焼ガスは、燃料電池スタック１１を加熱することが可能になり、熱効率の向上が図られる。
【００８１】
その上、熱交換器１６４から排出される熱交換後のオフガスは、第１ケース部材１８４と第２ケース部材１８６との間に形成されたオフガス通路２０２を通って排ガス排出口２００から外部に排出されている。このため、第１ケース部材１８４内に収容されている燃料電池スタック１１は、オフガスによって外側から加熱されて前記燃料電池スタック１１からオフガス通路２０２への放熱を防止して熱効率の向上が容易に遂行される。
【００８２】
また、流体部１６０は、燃料電池スタック１１に燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管１５４及び前記燃料電池スタック１１に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給配管１５６を備えている。そして、燃料電池スタック１１は、燃料ガス供給配管１５４及び酸化剤ガス供給配管１５６により、燃料電池スタック設置部材１６６に設置されている。従って、燃料電池スタック１１は、燃料電池スタック設置部材１６６から流体部１６０への放熱を良好に遮断することができ、燃料電池スタック１１の断熱性及び熱効率の向上を図ることが可能になる。
【００８３】
さらに、第１セパレータ２８ａは、第１挟持部８８、燃料ガス供給部８４及び第１橋架部８６を備えるとともに、第２セパレータ２８ｂは、第２挟持部９４、酸化剤ガス供給部９０及び第２橋架部９２を備えている。荷重付与機構１４８は、積層方向に沿って第１挟持部８８及び第２挟持部９４に重なる位置に配置され、前記第１挟持部８８及び前記第２挟持部９４に対して荷重を付与している。
【００８４】
これにより、第１挟持部８８及び第２挟持部９４と電解質・電極接合体２６との密着状態を確保し、集電性能の向上が図られるとともに、燃料ガス供給部８４及び酸化剤ガス供給部９０に対して所望のシール荷重を付与することができる。
【００８５】
さらにまた、燃料電池スタック１１は、燃料電池１２の積層方向一端側に配置される第１プレート部材１４０と、前記燃料電池１２の積層方向他端側に配置される第２プレート部材１４２と、前記第１プレート部材１４０に接続されて一方の電流取り出し端子を構成する第１ポール部材１４４と、前記第２プレート部材１４２に接続されて他方の電流取り出し端子を構成する第２ポール部材１４６とを備えている。
【００８６】
このため、電流取り出し端子は、線を用いて結線する必要がなく、排ガスや該排ガスの熱によって劣化することを阻止することができる。従って、燃料電池スタック１１から安定して電流を取り出すことが可能になる。
【００８７】
また、第１ポール部材１４４及び第２ポール部材１４６は、第１ケース部材１８４から第２ケース部材１８６を貫通して前記第２ケース部材１８６の外部に延在するとともに、前記第１ケース部材１８４及び前記第２ケース部材１８６の挿通部位には、ガイド部材２０６、２０８が介装されている。
【００８８】
ガイド部材２０６、２０８は、耐熱性、シール性及び絶縁性を有する部材、例えば、ガラス繊維（セラミック繊維）により構成されている。これにより、第１ポール部材１４４及び第２ポール部材１４６は、ガイド部材２０６、２０８の案内作用下に積層方向及び該積層方向に垂直な方向（矢印Ｂ方向）にも摺動可能になり、熱変位に容易且つ確実に追従することができる。
【符号の説明】
【００８９】
１１…燃料電池スタック              １２…燃料電池
２０…電解質                        ２２…カソード電極
２４…アノード電極                  ２６…電解質・電極接合体
２８ａ、２８ｂ…セパレータ          ３０ａ、３０ｂ、３２ａ、３２ｂ…プレート
３４…燃料ガス供給連通孔            ３６、８４…燃料ガス供給部
３８、５０、６８、７０、８６、９２…橋架部
４０、５２、７２、７４、８８、９４…挟持部
４４…燃料ガス通路                  ４６…燃料ガス供給孔
５８…燃料ガス供給通路              ６２…酸化剤ガス供給連通孔
６４、６６、９０…酸化剤ガス供給部  ７６…酸化剤ガス通路
７８…酸化剤ガス供給孔              ８０…酸化剤ガス供給通路
９６、９８、１３０、１３２…変位吸収機構
１４０、１４２…プレート部材        １４４、１４６…ポール部材
１４８…荷重付与機構                １５０…皿ばね
１５４…燃料ガス供給配管            １５６…酸化剤ガス供給配管
１６２…改質器                      １６４…熱交換器
１６６…燃料電池スタック設置部材    １６８…台部材
１８１…オフガス通路部材            １８２…燃焼器
１８４、１８６…ケース部材          １９０、１９２…筒状部
２０２…オフガス通路                ２０４…室
２０６、２０８…ガイド部材
【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】
2012182032.tif 000008
【図７】
2012182032.tif 000009
【図８】
2012182032.tif 000010
【図９】
2012182032.tif 000011