JP4603870B2 - 燃料電池システム - 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を備え、前記燃料電池スタックが筐体内に収容される燃料電池システムに関する。

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。

この種の燃料電池では、発電時に電流を取り出すために、例えば、特許文献１に開示されているように、ケーブルが使用されている。この特許文献１では、図１０に示すように、圧力容器１内に燃料電池スタック２が上下に積層されて配設されており、前記燃料電池スタック２は、上締め付け板３ａと下締め付け板３ｂとに挿通される締め付けボルト４を介して締め付け保持されている。

締め付けボルト４は、円筒形状を有している。燃料電池スタック２の上側端子５ａには、上ケーブル６ａを介して電流ケーブル７ａが接続されるとともに、前記電流ケーブル７ａは、締め付けボルト４の内部に挿入されている。この電流ケーブル７ａの下端部には、下ケーブル６ｂを介して電流取り出し口８ａが接続されている。

燃料電池スタック２の下側端子５ｂには、電流ケーブル７ｂが接続されるとともに、前記電流ケーブル７ｂが電流取り出し口８ｂに接続されている。電流取り出し口８ａ、８ｂは、圧力容器１の外部に露呈している。

特許第３２５１９１９号公報（図１）

しかしながら、上記の特許文献１では、締め付けボルト４、下ケーブル６ｂ及び電流取り出し口８ａを介して圧力容器１内の熱が伝導し易く、大きな熱損失が発生するという問題がある。しかも、燃料電池スタック２の側方には、複数の締め付けボルト４が設けられている。このため、圧力容器１内の有効スペースが狭小化するとともに、熱容量が増加してしまう。

さらに、電流取り出し口８ａ、８ｂは、圧力容器１の下部に設定されている。これにより、電流取り出し構造が制約されてしまい、電流取り出し口８ａ、８ｂを任意の部位に配置することができず、レイアウトの自由度が低下するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、電流の取り出し構造の自由度が向上するとともに、簡単且つコンパクトな構成で、熱損失を良好に低減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。

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を備え、前記燃料電池スタックが筐体内に収容される燃料電池システムである。

そして、筐体は、絶縁部材を介装して互いに電気的に遮断された状態で固定される第１及び第２導電性ケーシングを備え、前記第１導電性ケーシングは、燃料電池スタックの一方の極に電気的に接続されるとともに、前記第２導電性ケーシングは、前記燃料電池スタックの他方の極に電気的に接続されている。

また、第１導電性ケーシングには、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が配設される一方、第２導電性ケーシングには、前記燃料電池スタックと、燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器と、前記燃料電池スタックに供給する前の酸化剤ガスと該燃料電池スタックから排出され前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとからなる排ガスとの間で熱交換を行う熱交換器とが配設されることが好ましい。

さらに、第１及び第２導電性ケーシングの間には、該第２導電性ケーシング内から前記第１導電性ケーシング内に前記排ガスが導入されることを阻止するガス遮蔽部が設けられることが好ましい。さらにまた、ガス遮蔽部は、燃料電池スタックの一方の極と第１導電性ケーシングとを電気的に接続するための導電性プレートを備えることが好ましい。

また、燃料電池スタックのガス遮蔽部とは反対側の端部に、前記燃料電池スタックの他方の極と第２導電性ケーシングとを電気的に接続するための導電性エンドプレートが配設されることが好ましい。

本発明によれば、第１導電性ケーシングが、燃料電池スタックの一方の極に電気的に接続されるとともに、前記第２導電性ケーシングが、前記燃料電池スタックの他方の極に電気的に接続されているため、前記第１及び第２導電性ケーシングの任意の位置に、それぞれ電流取り出し端子を設けることができる。

従って、例えば、電流取り出し端子を筐体の温度の低い部位に配置すれば、前記電流取り出し端子からの熱引きが阻止され、熱効率の向上が図られる。さらに、電流取り出し端子が配置される位置は、限定されることがないため、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池システムのレイアウトの自由度が向上する。

図１は、本発明の第１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。

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、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。

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Ａ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（導電性エンドプレート）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。

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７０ａは、例えば、ステンレスプレートで形成される一方、エンドプレート７０ｂは、前記エンドプレート７０ａよりも大径に設定されており、導電性の薄板、例えば、数十μｍ程度のステンレスプレートで形成される。

筐体１８は、荷重付与機構２１を収容する第１筐体部（第１導電性ケーシング）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（第２導電性ケーシング）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で構成される。

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及び８７ｄを介して第１及び第２筐体部８６ａ、８６ｂから電気的に絶縁される。

エンドプレート７０ｂは、第１筐体部８６ａに電気的に接続される導電性プレートを構成するとともに、燃料電池スタック１２及び流体部１９から荷重付与機構２１に高温の排ガスや空気（以下、高温ガスともいう）が流入することを阻止するガス遮熱部を構成する。さらに、ガス遮熱部は、燃料電池１１の酸化剤ガス供給部６７に供給された酸化剤ガスが、第１筐体部８６ａに流入した後、前記第１筐体部８６ａから第２筐体部８６ｂに導入され、発電に使用されずに排ガスとして排出されることを阻止する。

第１筐体部８６ａには、エンドプレート７０ｂを介して燃料電池スタック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、任意の位置に設けられる。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が任意の位置に設けられる。

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。

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。

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。

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。

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。

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に対応してスプリング（ばね部材）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。

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。

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。

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、前記エンドプレート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〜８７ｄ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。

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。

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。

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、第１の実施形態では、図１に示すように、筐体１８は、例えば、導電性のある耐熱性合金で形成される第１及び第２筐体部８６ａ、８６ｂを備えており、前記第１及び第２筐体部８６ａ、８６ｂが、絶縁部材８７ａ〜８７ｄを介装してねじ８８及びナット９０により締め付けられている。このため、第１及び第２筐体部８６ａ、８６ｂは、互いに電気的に絶縁されている。

ここで、燃料電池スタック１２を構成する導電性のエンドプレート７０ｂは、第１筐体部８６ａに直接接触しており、前記第１筐体部８６ａ全体が、前記燃料電池スタック１２の一方の極（例えば、カソード極）に電気的に接続されている。一方、燃料電池スタック１２を構成する導電性のエンドプレート７０ａは、導電性の壁板９６及び熱交換器１４を介して第２筐体部８６ｂに電気的に接続されている。従って、第２筐体部８６ｂ全体が、燃料電池スタック１２の他方の極（例えば、アノード極）に電気的に接続されている。

このため、第１及び第２筐体部８６ａ、８６ｂには、第１及び第２電流取り出し端子９１ａ、９１ｂをそれぞれ任意の位置に設けることができる。従って、例えば、第１及び第２電流取り出し端子９１ａ、９１ｂを第１及び第２筐体部８６ａ、８６ｂの温度の低い部位に配置すれば、前記第１及び第２電流取り出し端子９１ａ、９１ｂからの熱引きが阻止され、熱効率の向上が容易に図られる。

さらに、第１及び第２電流取り出し端子９１ａ、９１ｂの配置位置は、任意に設定可能であって限定されることがない。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池システム１０のレイアウトの自由度が有効に向上するという効果が得られる。

また、第１筐体部８６ａには、荷重付与機構２１が配設される一方、第２筐体部８６ｂには、燃料電池スタック１２、熱交換器１４及び改質器１６が配設されている。このため、熱の伝達が不要な荷重付与機構２１に、熱が伝わることを阻止するとともに、熱の流れが必要な流体部１９に、熱を集中的に集めることができ、燃料電池システム１０全体の熱効率の向上を図ることが可能になる。

しかも、第１及び第２筐体部８６ａ、８６ｂ間には、エンドプレート７０ｂが介装されており、このエンドプレート７０ｂは、第２筐体部８６ｂ側から第１筐体部８６ａ側に高温ガスが導入されることを阻止するガス遮蔽部を構成している。従って、荷重付与機構２１には、第２筐体部８６ｂ側から高温ガスや熱が伝達されることを良好に抑制することができ、前記荷重付与機構２１の耐久性が向上するという利点がある。

さらに、ガス遮蔽部は、燃料電池１１の酸化剤ガス供給部６７に供給された酸化剤ガスが、第１筐体部８６ａに流入した後、前記第１筐体部８６ａから第２筐体部８６ｂに導入されることを阻止する。このため、反応に使われない酸化剤ガスが、第１筐体部８６ａから第２筐体部８６ｂの排ガス通路６８に排出されることを回避することができ、前記酸化剤ガスの消費量を良好に節約して発電効率を高めることが可能になる。

また、エンドプレート７０ｂは、導電性プレートで構成されており、このエンドプレート７０ｂは、ガス遮蔽部としての機能の他、燃料電池スタック１２の発電により得られた電流を流す機能を備えている。これにより、導線を不要にして該導線からの熱引きを防止することができ、熱容量を低減して熱損失の低減を図ることが可能になる。

さらに、エンドプレート７０ｂは、数十μｍ程度のステンレスプレートで構成されている。従って、エンドプレート７０ｂは、所望の可撓性を有しており、熱膨張や寸法のばらつきを有効に吸収することができる。

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、燃料電池スタック１２２を備える。この燃料電池スタック１２２を構成するエンドプレート１２４は、外方に突出する円板状の外周部１２４ａを一体成形するとともに、この外周部１２４ａの周面が第２筐体部８６ｂの内壁面に接触している。エンドプレート１２４は、例えば、ステンレスプレート等の導電性材料で形成されており、外周部１２４ａには、所定の角度間隔ずつ離間して、例えば、凹部や孔部等の開口部１２６が形成される。開口部１２６は、燃料電池スタック１２２の排ガス通路６８と、熱交換器１４の通路１１０とを連通している。エンドプレート１２４の外周部１２４ａは、例えば、熱膨張等に対応して可撓性を有するために薄肉状に形成することが好ましい。

このように構成される第２の実施形態では、燃料電池スタック１２２の一方の極は、エンドプレート７０ｂを介して第１筐体部８６ａに電気的に接続されるとともに、前記燃料電池スタック１２２の他方の極は、エンドプレート１２４を介して第２筐体部８６ｂに電気的に接続されている。

これにより、第１及び第２電流取り出し端子９１ａ、９１ｂの配置位置が任意に設定することができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。しかも、エンドプレート１２４の外周部１２４ａは、第２筐体部８６ｂの内壁面に直接接触しており、通電経路の短尺化を図ることができるという利点がある。

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。 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

１０、１２０…燃料電池システム １１…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
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、１２４…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…スプリング
１２４ａ…外周部 １２６…開口部

Claims (3)

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を備え、前記燃料電池スタックが筐体内に収容される燃料電池システムであって、
   前記筐体は、絶縁部材を介装して互いに電気的に遮断された状態で固定される第１及び第２導電性ケーシングを備え、
   前記第１導電性ケーシングは、前記燃料電池スタックの一方の極に電気的に接続されるとともに、
   前記第２導電性ケーシングは、前記燃料電池スタックの他方の極に電気的に接続され、
   前記第１及び第２導電性ケーシングの間には、該第２導電性ケーシング内から前記第１導電性ケーシング内に燃料ガスと酸化剤ガスとからなる排ガスが導入されることを阻止するガス遮蔽部が設けられ、
   前記ガス遮蔽部は、前記燃料電池スタックの一方の極と前記第１導電性ケーシングとを電気的に接続するための導電性プレートを備える
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記第１導電性ケーシングには、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が配設される一方、
   前記第２導電性ケーシングには、前記燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックに供給する前の前記酸化剤ガスと該燃料電池スタックから排出される前記排ガスとの間で熱交換を行う熱交換器と、
   燃料を改質して前記燃料ガスを生成する改質器と、
   が配設されることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックの前記ガス遮蔽部とは反対側の端部に、前記燃料電池スタックの他方の極と前記第２導電性ケーシングとを電気的に接続するための導電性エンドプレートが配設されることを特徴とする燃料電池システム。

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