JP5021229B2 - 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る燃料電池システムに関する。

通常、固体酸化物型燃料電池（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。

上記の燃料電池スタックでは、単セルの作動温度が８００℃以上と高温となっている。このため、燃料電池スタックを始動させる際には、燃焼器を介して前記燃料電池スタックを所望の温度まで迅速に加熱することが望まれている。この燃焼器は、通常、燃料電池スタックの酸化剤ガス供給側又は前記燃料電池スタックの排ガス排出側に配置されている。

ところが、燃焼器が酸化剤ガス供給側に配置される構成では、前記燃焼器内の燃焼によって発生した高温の燃焼ガスは、燃料電池スタック内へ直接流入している。従って、高温の燃焼ガスによりセパレータが腐食され易くなるとともに、前記セパレータに燃焼ガス中のカーボンが付着するという問題がある。

そこで、燃焼器を燃料電池スタックの排ガス排出側に配置する構成が採用されており、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが知られている。この燃料電池システムは、図１０に示すように、燃料電池１を備えている。燃料電池１には、水素を循環供給する水素供給手段２と、酸素を含む空気を供給する酸化ガス供給手段３と、前記燃料電池１に熱媒体を供給する温度調節手段４と、パージされた不純物を含む排水素を排酸素とともに燃焼させる燃焼ガス発生手段５と、前記燃焼ガス発生手段５の燃焼ガスと熱媒体との間で熱交換する熱交換手段６とが設けられている。

そこで、冷間始動時には、燃焼ガス発生手段５により発生させた高温の燃焼ガスの熱を、熱交換手段６により燃料電池システムの温度をコントロールする熱媒体へ与えて加熱することにより、前記燃料電池システムを暖機している。一方、水素パージ実行時には、燃焼ガス発生手段５により発生させた高温の燃焼ガスを、熱交換手段６を通過させずに排出させている。

特開２００４−１７９１５３号公報（図１）

ところで、上記の燃料電池システムでは、通常、複数の燃料電池１を積層して燃料電池スタックを構成している。その際、燃料電池スタックの積層方向端部から放熱が発生し易く、前記燃料電池スタックの積層方向に沿って温度分布が惹起されるという問題がある。これにより、燃料電池スタックの温度低下が起こり、発電効率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、簡単な構成で、積層方向の温度分布を低減するとともに、熱効率の向上を図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と、前記燃料電池スタックに供給される前の酸化剤ガスを、熱媒体により加熱する熱交換器と、炭化水素を主体とする原燃料を改質し、前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスを生成する改質器と、前記原燃料及び発電反応に使用されて前記燃料電池スタックから排出される排ガスを燃焼させ、前記熱媒体である燃焼ガスを発生させる燃焼器と、前記燃料電池の積層方向両端部を覆って設けられ、前記燃焼器に供給される前の前記排ガスを、前記燃料電池スタックを保温するための熱源として導入する保温室と、少なくとも前記燃料電池スタック、前記熱交換器及び前記改質器を収容する筐体とを備え、前記筐体内には、少なくとも前記熱交換器及び前記改質器を含む流体部が前記燃料電池スタックの積層方向一端部側に配設されるとともに、前記保温室が形成され、前記保温室と前記燃焼器とは、排ガス経路を介して連通することを特徴とする燃料電池システムに関するものである。

さらに、排ガス経路は、筐体の外周部に設けられる複数本の配管内に形成されることが好ましく、さらにまた、前記排ガス経路は、前記筐体の外周部を周回して設けられる二重壁部内に形成されることが好ましい。

また、排ガス経路は、排ガスの入口が燃料電池スタックの積層方向中央に対応して配置されることが好ましい。さらに、保温室は、燃料電池スタックの中心軸に対して軸対称であるとともに、前記燃料電池スタックの積層方向中央から積層方向一端及び積層方向他端に向かって対称形状に設定されることが好ましい。

さらにまた、保温室には、排ガスを燃料電池の積層方向両端部に案内するための整流板が配設されることが好ましい。また、整流板は、燃料電池スタックの積層方向中央から積層方向一端及び積層方向他端に沿って対称形状に設定されることが好ましい。さらに、流体部は、燃料電池スタックの中心軸に対して軸対称に構成されることが好ましい。

さらにまた、筐体内には、燃料電池スタックの積層方向他端部側に、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ことが好ましい。また、荷重付与機構は、燃料電池スタックの中心軸に対して軸対称に構成されることが好ましい。

さらに、流体部は、原燃料と水蒸気とを含む混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器を設けることが好ましい。さらにまた、略リング状の熱交換器及び改質器を含む流体部は、燃料電池スタックの中心軸に対して軸対称に配設されるとともに、略リング状の前記熱交換器よりも内側に前記改質器が配置され、前記改質器は、前記燃料電池スタックに近接し且つ前記改質器と前記蒸発器とは、互いに隣接することが好ましい。

また、燃焼器は、筐体に対して別体に構成されることが好ましく、さらに、前記燃焼器は、前記筐体に対して一体に構成されることが好ましい。

ここで、アノード電極に発電反応のために供給された燃料ガスのうち、未反応ガスを含む使用済みの燃料ガスをオフガスという。

本発明によれば、発電反応に使用されて燃料電池スタックから排出される排ガスは、相当に高温になっており、この高温の排ガスが燃料電池の積層方向両端部を覆って設けられる保温室に導入される。従って、燃料電池スタックの積層方向両端部からの放熱が大幅に削減され、前記燃料電池スタックの積層方向に沿って温度分布が惹起することを有効に阻止することができる。これにより、簡単な構成で、燃料電池スタックの温度低下を阻止することができ、発電効率が良好に向上する。

しかも、燃料電池スタックから排出されるオフガスは、保温室から燃焼器に供給されている。このため、オフガス中の未燃の燃料ガスを燃焼に使用することができ、燃効率を高めることが可能になる。一方、未燃の燃料ガスが排気されることがなく、前記未燃の燃料ガスを処理するための専用の処理設備が不要になって、経済的である。

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、炭化水素を主体とする原燃料を改質して燃料ガスを生成する改質器１６と、前記原燃料及び発電反応に使用されて前記燃料電池スタック１２から排出される排ガスを燃焼させ、燃焼ガスを発生させる燃焼器１７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（セパレータ２８の中央側）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、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４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及び図４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、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４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。

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の中央部に段付き孔部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。

燃料電池１１の積層方向両端部とエンドプレート７０ａ、７０ｂとの間には、スペーサ部材８４ａ、８４ｂが介装される。スペーサ部材８４ａ、８４ｂは、略円板状を有し、外周部から半径内方に切り込んで、すなわち、燃料電池１１の積層方向両端部を覆ってリング状チャンバ８６ａ、８６ｂを形成する。

積層される複数の燃料電池１１の外周部と筐体１８の内壁との間には、排ガス通路６８が設けられる。チャンバ８６ａ、８６ｂ及び排ガス通路６８により保温室９０が形成されるとともに、前記保温室９０は、エンドプレート７０ａ、７０ｂ及び筐体１８の内壁に閉塞されており、後述する排ガス経路１０６に連通する。保温室９０は、燃料電池スタック１２の中心軸に対して軸対称であるとともに、前記燃料電池スタック１２の積層方向中央から積層方向一端及び積層方向他端に向かって対称形状に設定される。このため、燃料電池スタック１２からの放熱を防止するとともに、均熱化が図られ、前記燃料電池スタック１２に熱歪み等が発生することを阻止することができる。

筐体１８は、荷重付与機構２１を収容する第１筐体部９２ａと、燃料電池スタック１２を収容する第２筐体部９２ｂとを備える。第１筐体部９２ａ及び第２筐体部９２ｂ間は、前記エンドプレート７０ｂの第２筐体部９２ｂ側に絶縁材を介装してねじ９４及びナット９６により締め付けられる。

第２筐体部９２ｂには、リング状壁板９８の一端部が接合されるとともに、前記壁板９８の他端部には、ヘッド板１００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。

壁板９８の外周部を周回して燃焼器１７が別体又は一体に設けられる。燃焼器１７には、原燃料を供給するための原燃料供給管１０２が設けられるとともに、前記燃焼器１７の外周部と第２筐体部９２ｂの外周部とには、複数の排ガス用配管１０４が接続される。配管１０４は、図５に示すように、電解質・電極接合体２６の位置及び数に対応しており、実際上、８本の前記配管１０４が等角度間隔ずつ離間して設けられる。配管１０４内には、排ガス経路１０６が形成され、この排ガス経路１０６は、保温室９０内の矢印Ａ方向略中央部と燃焼器１７内とを連通する（図１参照）。すなわち、排ガス経路１０６は、排ガスの入口が燃料電池スタック１２の積層方向中央に対応して配置される。このため、排ガスによって燃料電池スタック１２に温度分布が生じ難くなるとともに、前記排ガスを排出し易くなる。

第２筐体部９２ｂの先端には、燃焼器１７内に連通する孔部１０８が形成される。エンドプレート７０ａと熱交換器１４とに壁板１１０が固定される。エンドプレート７０ａ、壁板１１０及び第２筐体部９２ｂ間には、孔部１０８を介して燃焼器１７内に連通する燃焼ガス室１１２が形成されるとともに、前記燃焼ガス室１１２は、熱交換器１４内の通路１１４に連通する。この通路１１４は、ヘッド板１００に接続された排ガス管１１６に連通する。

ヘッド板１００には、空気供給管１１８が接続されており、この空気供給管１１８は、熱交換器１４内の通路１２０を介して壁板１１０内に形成されたチャンバ１２２に連通する。このチャンバ１２２は、エンドプレート７０ａの孔部８０を介して燃料電池スタック１２内の酸化剤ガス供給部６７に連通する。

改質器１６には、燃料ガス供給管１２４と改質ガス供給管１２６とが設けられる。燃料ガス供給管１２４は、ヘッド板１００を介して外部に延在する一方、改質ガス供給管１２６は、エンドプレート７０ａの段付き孔部７８に嵌挿されて燃料ガス供給連通孔３０に連通する。

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１３０ａ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１３０ｂとを備える（Ｔ１＞Ｔ２）。

第１締め付け部１３０ａは、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１３２ａ、１３２ａを備える。第１締め付けボルト１３２ａ、１３２ａ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１３４ａに係合する。第１締め付けボルト１３２ａ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１３４ａは、幅狭な板状を有しており、燃料ガス供給連通孔３０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１３０ｂは、長尺な第２締め付けボルト１３２ｂ、１３２ｂを備え、前記第２締め付けボルト１３２ｂ、１３２ｂ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１３２ｂの端部は、外周湾曲形状の第２押圧プレート１３４ｂを貫通し、この端部にナット１３６が螺合する。第２締め付けボルト１３２ｂ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１３４ｂ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１３８及び台座１４０が配設される。スプリング１３８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。

先ず、図１に示すように、燃料ガス供給管１２４から原燃料（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１１８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。

原燃料が改質器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を構成する燃料ガス供給通路６６に導入される（図４参照）。

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１１８から熱交換器１４の通路１２０を通って一旦チャンバ１２２に導入される。この空気は、チャンバ１２２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、燃焼器１７を介して高温な燃焼ガスとなって通路１１４を通る。このため、燃焼ガスは、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４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。

この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック１２の外周部に設けられる排ガス通路６８は、前記燃料電池スタック１２の積層方向両端部を覆って設けられるチャンバ８６ａ、８６ｂに連通し、これらによって保温室９０が形成されている。このため、燃料電池スタック１２内で発電反応に使用されて前記燃料電池スタック１２の外周部から排ガス通路６８に排出される相当に高温な排ガスは、チャンバ８６ａ、８６ｂに導入される。

従って、燃料電池スタック１２の積層方向両端部からの放熱が低減され、前記燃料電池スタック１２の積層方向に沿って温度分布が惹起することを有効に阻止することができる。これにより、簡単な構成で、燃料電池スタック１２の温度低下を阻止し、各燃料電池１１による発電効率が良好に向上するという効果が得られる。

次いで、チャンバ８６ａ、８６ｂを含む保温室９０に導入された排ガスは、この保温室９０に連通する各排ガス経路１０６を通って燃焼器１７内に供給されている。このため、排ガス（オフガス）中の未燃の燃料ガスは、燃焼器１７内で燃焼に使用され、燃効率を高めることが可能になる。しかも、未燃の燃料ガスが直接外部に排気されることがなく、前記未燃の燃料ガスを処理するための専用処理設備が不要になって、経済的であるという利点がある。

燃焼器１７では、特に始動時に原燃料供給管１０２を介して原燃料が供給され、燃焼が行われている。この燃焼器１７内で燃焼により発生する燃焼ガスは、孔部１０８から燃焼ガス室１１２を通って熱交換器１４の通路１１４に導入される。その際、通路１１４に導入される燃焼ガスは、燃焼器１７内でバーナ等によって燃焼されることにより相当に高温になっており、通路１２０に沿って供給される空気を効率的に加熱することができる。従って、燃料電池スタック１２は、熱交換器１４で熱交換された高温の空気により加熱され、前記燃料電池スタック１２の始動性が向上するという効果がある。

さらに、図５に示すように、配管１０４は、８個の電解質・電極接合体２６に対応して８本に設定されている。このため、各電解質・電極接合体２６の外周部に設けられる排ガス通路６８に排出された排ガスを、各配管１０４内の排ガス経路１０６を介して燃焼器１７に円滑に供給することができる。しかも、燃焼器１７には、８本の配管１０４を介して排ガスが供給されており、前記燃焼器１７の周方向全体を均熱化することが可能になる。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１５０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。また、以下に説明する第３〜第５の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

燃料電池システム１５０では、保温室９０に整流板１５２が配設される。この整流板１５２は、燃料電池スタック１２の積層方向（矢印Ａ方向）に沿って延在する円筒部１５４と、各スペーサ部材８４ａ、８４ｂのチャンバ８６ａ、８６ｂ内に所定の位置まで延在するリング部１５６ａ、１５６ｂとを一体に有する。整流板１５２は、燃料電池スタック１２の積層方向中央から積層方向一端及び積層方向他端に沿って対称形状に設定される。このため、整流板１５２に温度分布による熱歪みが発生し難くなり、燃料電池スタック１２の熱歪みを防止することができる。

このように構成される第２の実施形態では、発電反応に使用されて燃料電池スタック１２の外周部から排ガス通路６８に排出される排ガスは、整流板１５２を構成する円筒部１５４の内面に沿って積層方向両端側に振り分けられた後、リング部１５６ａ、１５６ｂの案内作用下に、チャンバ８６ａ、８６ｂ内に強制的に導入される。

さらに、排ガスは、リング部１５６ａ、１５６ｂの先端側から折り返してチャンバ８６ａ、８６ｂに沿って半径外方向に移動した後、前記リング部１５６ａ、１５６ｂの外周部から円筒部１５４の外周部を介して各配管１０４内の排ガス経路１０６に送られる。

従って、燃料電池スタック１２から排出される排ガスは、整流板１５２の案内作用下に、積層方向両端部に形成されるチャンバ８６ａ、８６ｂに円滑且つ確実に送られる。これにより、燃料電池スタック１２の積層方向両端部の温度低下を一層確実に阻止することができ、簡単な構成で、前記燃料電池スタック１２の温度低下を阻止して、効率的な発電が遂行可能になる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１６０の一部断面説明図である。

燃料電池システム１６０は、第２筐体部９２ｂから燃焼器１７の外周部を周回して二重壁部１６２を設ける。この二重壁部１６２内には、排ガス経路１０６が形成されており、前記排ガス経路１０６は、保温室９０と前記燃焼器１７内とに連通している。二重壁部１６２は、実質的に、円筒状の第２筐体部９２ｂ及び円筒状の燃焼器１７を周回する円筒形状に設定される。

これにより、第３の実施形態では、第２筐体部９２ｂ及び燃焼器１７の外周部を周回する二重壁部１６２を備えており、この二重壁部１６２内に形成された排ガス経路１０６に比較的高温の排ガスが導入されている。このため、排ガス経路１０６の断熱性が一層向上するという効果が得られる。

図８は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システム１７０の一部断面説明図である。なお、第２の実施形態に係る燃料電池システム１５０及び第３の実施形態に係る燃料電池システム１６０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１７０は、二重壁部１６２を備えるとともに、保温室９０は、整流板１５２が配設される。

これにより、第４の実施形態では、整流板１５２の案内作用下に、排ガスを燃料電池スタック１２の積層方向両端部に円滑且つ確実に供給することができるとともに、排ガス経路１０６の断熱性が有効に向上する等、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。

図９は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システム１８０の一部断面説明図である。

燃料電池システム１８０は、第２筐体部９２ｂの中央部に、水を蒸発させる蒸発器１８２と、水蒸気と原燃料（都市ガス等）とにより前記原燃料を水蒸気改質する改質器（又は予備改質器）１８４とを、互いに隣接して配置する。

この第５の実施形態では、比較的温度が高い機器同士である蒸発器１８２と改質器１８４とが隣接するため、保温が確実に行われて熱効率が向上する他、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

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の、図１中、Ｖ−Ｖ線断面図である。 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。 本発明の第３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。 本発明の第４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。 本発明の第５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。 従来技術の燃料電池システムの概略説明図である。

符号の説明

１０、１５０、１６０、１７０、１８０…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、１８４…改質器
１７…燃焼器 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
４６…燃料ガス通路 ５０…酸化剤ガス通路
６７…酸化剤ガス供給部 ６８…排ガス通路
８６ａ、８６ｂ、１２２…チャンバ ９０…保温室
９２ａ、９２ｂ…筐体部 １０４…配管
１０６…排ガス通路 １０８…孔部
１１２…燃焼ガス室 １１４、１２０…通路
１１６…排ガス管 １１８…空気供給管
１２４…燃料ガス供給管 １２６…改質ガス供給管
１５２…整流板 １６２…二重壁部
１８２…蒸発器

Claims (14)

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に供給される前の酸化剤ガスを、熱媒体により加熱する熱交換器と、
   炭化水素を主体とする原燃料を改質し、前記燃料電池スタックに供給される燃料ガスを生成する改質器と、
   前記原燃料及び発電反応に使用されて前記燃料電池スタックから排出される排ガスを燃焼させ、前記熱媒体である燃焼ガスを発生させる燃焼器と、
   前記燃料電池の積層方向両端部を覆って設けられ、前記燃焼器に供給される前の前記排ガスを、前記燃料電池スタックを保温するための熱源として導入する保温室と、
   少なくとも前記燃料電池スタック、前記熱交換器及び前記改質器を収容する筐体と、
   を備え、
   前記筐体内には、少なくとも前記熱交換器及び前記改質器を含む流体部が前記燃料電池スタックの積層方向一端部側に配設されるとともに、前記保温室が形成され、
   前記保温室と前記燃焼器とは、排ガス経路を介して連通す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、前記排ガス経路は、前記筐体の外周部に設けられる複数本の配管内に形成されることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記排ガス経路は、前記筐体の外周部を周回して設けられる二重壁部内に形成されることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記排ガス経路は、前記排ガスの入口が前記燃料電池スタックの積層方向中央に対応して配置されることを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記保温室は、前記燃料電池スタックの中心軸に対して軸対称であるとともに、前記燃料電池スタックの積層方向中央から積層方向一端及び積層方向他端に向かって対称形状に設定されることを特徴とする燃料電池システム。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記保温室には、前記排ガスを前記燃料電池の積層方向両端部に案内するための整流板が配設されることを特徴とする燃料電池システム。
7. 請求項６記載の燃料電池システムにおいて、前記整流板は、前記燃料電池スタックの積層方向中央から積層方向一端及び積層方向他端に沿って対称形状に設定されることを特徴とする燃料電池システム。
8. 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の中心軸に対して軸対称に構成されることを特徴とする燃料電池システム。
9. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記筐体内には、前記燃料電池スタックの積層方向他端部側に、前記燃料電池スタックに前記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ことを特徴とする燃料電池システム。
10. 請求項９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中心軸に対して軸対称に構成されることを特徴とする燃料電池システム。
11. 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、前記原燃料と水蒸気とを含む混合燃料を生成するために、水を蒸発させる蒸発器を設けることを特徴とする燃料電池システム。
12. 請求項１１記載の燃料電池システムにおいて、略リング状の前記熱交換器及び前記改質器を含む前記流体部は、前記燃料電池スタックの中心軸に対して軸対称に配設されるとともに、略リング状の前記熱交換器よりも内側に前記改質器が配置され、前記改質器は、前記燃料電池スタックに近接し且つ前記改質器と前記蒸発器とは、互いに隣接することを特徴とする燃料電池システム。
13. 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃焼器は、前記筐体に対して別体に構成されることを特徴とする燃料電池システム。
14. 請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃焼器は、前記筐体に対して一体に構成されることを特徴とする燃料電池システム。

Images