燃料電池システム
【課題】簡単且つコンパクトな構成で、複数の燃料電池モジュールを良好に積層することを可能にする。
【解決手段】燃料電池システム１０は、２段に積層される燃料電池モジュール１２を備える。各燃料電池モジュール１２は、複数の燃料電池１６が積層される燃料電池スタック１４と、前記燃料電池スタック１４に積層方向に荷重を付与する荷重付与機構１３８と、前記荷重付与機構１３８及び複数の前記燃料電池１６を挟持するとともに、互いの離間間隔を保持する第１プレート部材１４０及び第２プレート部材１４２とを設ける。燃料電池モジュール１２同士は、各燃料ガス供給部８４同士を連通させる燃料ガス供給管１５４及び各酸化剤ガス供給部９０同士を連通させる酸化剤ガス供給管１５６により連結される。
【解決手段】燃料電池システム１０は、２段に積層される燃料電池モジュール１２を備える。各燃料電池モジュール１２は、複数の燃料電池１６が積層される燃料電池スタック１４と、前記燃料電池スタック１４に積層方向に荷重を付与する荷重付与機構１３８と、前記荷重付与機構１３８及び複数の前記燃料電池１６を挟持するとともに、互いの離間間隔を保持する第１プレート部材１４０及び第２プレート部材１４２とを設ける。燃料電池モジュール１２同士は、各燃料ガス供給部８４同士を連通させる燃料ガス供給管１５４及び各酸化剤ガス供給部９０同士を連通させる酸化剤ガス供給管１５６により連結される。
【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】
上記の燃料電池スタックでは、発電量を増加させるために、燃料電池の個数を増やして積層段数を増加させる必要がある。その際、上下の積層方向では、特に下段に配置されているセパレータには、上段に配置されているセパレータに比べて過度の荷重が付与されてしまう。このため、下段のセパレータには、歪み等が発生し易いという問題がある。
【０００４】
さらに、積層段数が増えると、各セパレータの寸法誤差が蓄積され、燃料電池スタック全体の寸法に誤差が惹起され易くなる。その他、シール方法や反応ガスの供給方法等により、構成が複雑化し、組み立て工数やコストが高騰する等の問題がある。
【０００５】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックでは、図１１に示すように、単位電池１ａが多数積層された積層体２ａを、複数のプレート３ａにより奇数個の単位電池群４ａに分割している。各プレート３ａに隣接するもの同士は、弾性圧力付与機構５ａにより所定の締め付け圧力で締め付けられている。燃料電池スタック全体は、両端をエンドプレート６ａ、６ａで挟み、テンションロッド７ａにより固定している。
【０００６】
これにより、燃料電池スタック全体の大型化を招くことがなく、単位電池１ａが複数積層された積層体２ａの積層方向の面圧分を均一化する、としている。
【０００７】
また、特許文献２に開示されている構造では、図１２に示すように、（ｎ＋１）枚の発電セル１ｂのうち、ｉ番目の発電セル１ｂの燃料極層２ｂと、（ｉ＋１）番目の発電セル１ｂの酸化剤極層３ｂとの間には、セパレータ４ｂが一枚ずつ合計ｎ枚だけ階層されている。
【０００８】
ｎ枚のセパレータ４ｂの外周部には、連結部材５ｂが前記セパレータ４ｂの積層方向に電気的に絶縁されて挿通されている。（ｎ＋１）枚の発電セル１ｂ及びｎ枚のセパレータ４ｂを積層する時に、ｎ枚のセパレータ４ｂは、個々に、あるいは１枚置きに、又は複数枚置きに、固定部材６ｂにより前記連結部材５ｂに固定されている。
【０００９】
このため、各発電セル１ｂへの荷重均等化を図ることができ、下部の発電セル１ｂの破損を防止する、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−１６４９６９号公報
【特許文献２】特開２００２−２８００５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記の特許文献１では、単位電池１ａの積層段数が増加すると、介装されるプレート３ａの数が増加するとともに、弾性圧力付与機構５ａの数も増加してしまう。このため、燃料電池スタックは、積層構造が相当に複雑化するとともに、大型化するという問題がある。
【００１２】
また、上記の特許文献２では、発電セル１ｂの積層段数が増加すると、セパレータ４ｂを連結部材５ｂに固定するための固定部材６ｂの数も増加し、スタック全体の構造が相当に複雑化するという問題がある。
【００１３】
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、複数の燃料電池モジュールを良好に積層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】
【００１４】
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とともに、前記アノード電極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部及び前記カソード電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部が、それぞれ前記燃料電池の積層方向に形成される燃料電池スタックと、前記積層方向の一端側に配置され、前記燃料電池スタックに該積層方向に荷重を付与する荷重付与機構と、前記積層方向の両端側に配置され、前記荷重付与機構及び複数の前記燃料電池を挟持するとともに、互いの離間間隔を保持する第１プレート部材及び第２プレート部材とが設けられる燃料電池モジュールを備えている。
【００１５】
そして、複数の燃料電池モジュールは、積層方向に直列に配設されるとともに、前記燃料電池モジュール同士は、各燃料ガス供給部同士を連通させる燃料ガス供給管及び各酸化剤ガス供給部同士を連通させる酸化剤ガス供給管により連結されている。
【００１６】
また、この燃料電池システムでは、複数の燃料電池モジュールは、重力方向に直列に配設されることが好ましい。
【００１７】
さらに、この燃料電池システムでは、重力方向に直列に配設される複数の燃料電池モジュールが、水平方向に複数並列されることが好ましい。
【００１８】
さらにまた、この燃料電池システムでは、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ガス供給部を介しアノード電極に供給する改質器と、酸化剤ガスを燃料電池モジュールに供給する前に加熱し、加熱された前記酸化剤ガスを酸化剤ガス供給部を介しカソード電極に供給する熱交換器と、積層方向一端の前記燃料電池モジュールを設置するための燃料電池モジュール設置部材と、前記改質器、前記熱交換器及び前記燃料電池モジュール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、前記燃料電池モジュール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を備えることが好ましい。
【００１９】
また、この燃料電池システムでは、燃料電池モジュール設置部材に連結され、複数の燃料電池モジュールを収容する第１ケース部材と、台部材に連結され、前記第１ケース部材及び流体部を収容する第２ケース部材とを備え、前記燃料電池モジュール設置部材と熱交換器とには、前記燃料電池モジュール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、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が好ましい。
【００２０】
さらに、この燃料電池システムでは、燃料電池は、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、第１セパレータ及び第２セパレータ間に配設され、前記第１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、電極面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス通路が設けられる第１挟持部と、前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給連通孔が積層方向に形成される燃料ガス供給部と、前記第１挟持部と前記燃料ガス供給部とを連結し、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給連通孔から前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給通路が形成される第１橋架部とを備え、前記第２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、電極面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路が設けられる第２挟持部と、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給連通孔が積層方向に形成される酸化剤ガス供給部と、前記第２挟持部と前記酸化剤ガス供給部とを連結し、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給連通孔から前記酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給通路が形成される第２橋架部とを備えるとともに、各第１挟持部、各第２挟持部、各燃料ガス供給部及び各酸化剤ガス供給部には、それぞれ前記燃料電池スタックに発生した変位を吸収するための変位吸収機構が設けられることが好ましい。
【００２１】
さらにまた、この燃料電池システムでは、積層方向一端に配置される燃料電池モジュールを構成する第１プレート部材には、第１ポール部材が接続されるとともに、積層方向他端に配置される前記燃料電池モジュールを構成する第２プレート部材には、第２ポール部材が接続され、前記第１ポール部材は、一方の電流取り出し端子を構成し、且つ前記第２ポール部材は、他方の電流取り出し端子を構成することが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、燃料電池モジュールは、互いの離間間隔を保持する第１プレート部材及び第２プレート部材間に、荷重付与機構及び複数の燃料電池が挟持されている。このため、各燃料電池モジュールは、独立して積層方向の荷重により締結されており、それぞれ個別のユニットとして構成される。
【００２３】
そして、各燃料電池モジュール同士は、燃料ガス供給管及び酸化剤ガス供給管により連結されている。このため、燃料ガス供給管及び酸化剤ガス供給管は、隣接する燃料電池モジュール同士を繋ぐ反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）の流通経路、電気の導通経路及び荷重伝達経路として機能することができる。
【００２４】
しかも、各燃料電池モジュールは、各燃料ガス供給部同士を連通させる燃料ガス供給管及び各酸化剤ガス供給部同士を連通させる酸化剤ガス供給管により連結されている。従って、複数の燃料電池モジュールを重力方向に積層しても、それぞれの燃料電池モジュールに作用する積層方向の荷重を一定に維持することができる。これにより、例えば、積層方向下方のセパレータ及び電解質・電極接合体に歪み等が発生することを、可及的に阻止することが可能になる。
【００２５】
従って、特別な機構や構造も必要がなく、段数によるセパレータの損傷もなく、複数の燃料電池モジュールを簡便に積層することが可能になる。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、複数の燃料電池モジュールを良好に積層することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】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モジュールの概略断面図である。
【図４】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５】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６】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７】前記燃料電池スタックの、図４中、ＶＩＩ−ＶＩＩ線断面である。
【図８】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９】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの概略断面図である。
【図１１】特許文献１の燃料電池スタックの側面説明図である。
【図１２】特許文献２の構造の断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料電池モジュール１２を備えるとともに、前記燃料電池モジュール１２は、多段、例えば、２段に矢印Ａ方向（重力方向）に直列に積層される。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る。
【００２８】
燃料電池モジュール１２、図１〜図３に示すように、燃料電池スタック１４を備えるとともに、前記燃料電池スタック１４は、複数の燃料電池１６が矢印Ａ方向に積層されて構成される。
【００２９】
燃料電池１６は、固体電解質型燃料電池であり、この燃料電池１６は、図４〜図６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。
【００３０】
燃料電池１６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。
【００３１】
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。
【００３２】
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）に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３４が形成される第１燃料ガス供給部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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
図４及び図５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。
【００４２】
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１４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。
【００４３】
図５及び図７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。
【００４４】
連結部材１００ａは、図７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。
【００４５】
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。
【００４６】
第１変位吸収機構９６は、図５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。
【００４７】
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７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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
連結部材１１２ａは、図７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。
【００５１】
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。
【００５２】
第２変位吸収機構９８は、図５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。
【００５３】
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７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。
【００５４】
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。
【００５５】
図４及び図７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１４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。
【００５６】
第１挟持部８８の変位吸収機構１３０は、図５及び図７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。
【００５７】
図８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。
【００５８】
第２挟持部９４の変位吸収機構１３２は、図５及び図７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。
【００５９】
図１〜図３に示すように、燃料電池モジュール１２は、燃料電池１６の積層方向の一端側に配置され、燃料電池スタック１４に前記積層方向に荷重を付与する荷重付与機構１３８と、前記積層方向の両端側に配置され、前記荷重付与機構１３８及び複数の前記燃料電池１６を挟持するとともに、互いの離間間隔を保持する第１プレート部材１４０及び第２プレート部材１４２とを設ける。
【００６０】
荷重付与機構１３８は、積層方向に配列される複数の皿ばね１４４を備え、燃料電池１６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）１４６により燃料電池スタック１４を積層方向から締結することにより、燃料電池モジュール１２がユニット化される。ボルト部材１４６と第２プレート部材１４２との間には、絶縁部材１４８が介装される。
【００６１】
第１プレート部材１４０と最下方向位置の第２変位吸収機構９８との間には、例えば、蛇腹状の連結管路１５０ａが介装される。第２プレート部材１４２と最上方向位置の第１変位吸収機構９６との間には、例えば、蛇腹状の連結管路１５０ｂが介装される。なお、蛇腹状の連結管路１５０ａ、１５０ｂに代えて、互いに摺動自在に嵌合する２本の筒状体、所謂、入れ子構造を採用してもよい。
【００６２】
第１プレート部材１４０には、各燃料電池１６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管１５４と、前記燃料電池１６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管１５６とが設けられる。
【００６３】
図２に示すように、重力方向下方の燃料電池モジュール１２を構成する第２プレート部材１４２と、重力方向上方の燃料電池モジュール１２を構成する第１プレート部材１４０とは、燃料ガス供給管１５４及び酸化剤ガス供給管１５６のみにより連結される。重力方向下方（積層方向一端）の燃料電池モジュール１２を構成する第１プレート部材１４０には、第１ポール部材１５８が接続されるとともに、重力方向上方（積層方向他端）の燃料電池モジュール１２を構成する第２プレート部材１４２には、第２ポール部材１５９が接続される。
【００６４】
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１６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１４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１６のカソード電極２２に供給する熱交換器１６４と、下方の燃料電池モジュール１２を設置するための板状燃料電池モジュール設置部材１６６と、前記改質器１６２、前記熱交換器１６４及び前記燃料電池モジュール設置部材１６６を保持するための台部材１６８とを備える。
【００６５】
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。
【００６６】
燃料電池モジュール設置部材１６６には、燃料ガス供給管１５４及び酸化剤ガス供給管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管１５４及び酸化剤ガス供給管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。燃料電池モジュール設置部材１６６には、燃料電池スタック１４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。
【００６７】
燃料電池モジュール１２は、実質的に、燃料ガス供給管１５４及び酸化剤ガス供給管１５６のみにより、燃料電池モジュール設置部材１６６に保持される。なお、燃料電池モジュール１２には、燃料ガス供給管１５４及び酸化剤ガス供給管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。
【００６８】
流体部１６０には、燃料電池モジュール１２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。
【００６９】
燃料電池システム１０は、燃料電池モジュール設置部材１６６に連結され、２段の燃料電池モジュール１２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（２段の燃料電池モジュール１２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。
【００７０】
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、燃料電池モジュール設置部材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１５８及び第２ポール部材１５９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。
【００７１】
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）。
【００７２】
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１５８及び第２ポール部材１５９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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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から燃料ガス供給管１５４を通って下段の燃料電池モジュール１２に、さらに上方の燃料ガス供給管１５４から上段の燃料電池モジュール１２に供給される。このため、改質ガスは、各段の燃料電池モジュール１２を構成する各燃料電池スタック１４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。
【００７７】
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から下方の酸化剤ガス供給管１５６を通って下段の燃料電池モジュール１２に、さらに上方の酸化剤ガス供給管１５６から上段の燃料電池モジュール１２に供給される。このため、空気は、各段の燃料電池モジュール１２を構成する各燃料電池スタック１４の酸化剤ガス供給連通孔６２に供給される。
【００７８】
図４及び図６に示すように、燃料ガス（水素ガス）は、燃料電池スタック１４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１４の酸化剤ガス供給連通孔６２に供給される。
【００７９】
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１６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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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１４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。
【００８５】
この場合、第１の実施形態では、燃料電池モジュール１２は、互いの離間間隔を保持する第１プレート部材１４０及び第２プレート部材１４２間に、荷重付与機構１３８及び複数の燃料電池１６が挟持されることによって、それぞれ個別のユニットとして構成されている。このため、各燃料電池モジュール１２は、独立して積層方向の荷重により締結されており、積層方向の位置によって荷重の影響を受けることがない。
【００８６】
そして、各燃料電池モジュール１２は、各燃料ガス供給部８４同士を連通させる燃料ガス供給管１５４及び各酸化剤ガス供給部９０同士を連通させる酸化剤ガス供給管１５６により連結されている。
【００８７】
従って、各燃料電池モジュール１２同士は、燃料ガス供給管１５４及び酸化剤ガス供給管１５６により連結されている。このため、燃料ガス供給管１５４及び酸化剤ガス供給管１５６は、隣接する燃料電池モジュール１２同士を繋ぐ反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）の流通経路、電気の流通経路及び荷重伝達経路として機能することができる。
【００８８】
しかも、複数、例えば、２段の燃料電池モジュール１２を重力方向に積層しても、それぞれの燃料電池モジュール１２に作用する積層方向の荷重を一定に維持することができる。これにより、例えば、積層方向下方の燃料電池モジュール１２を構成するセパレータ（第１セパレータ２８ａ及び第２セパレータ２８ｂ）及び電解質・電極接合体２６に歪等が発生することを、可及的の阻止することが可能になる。
【００８９】
従って、特別な機構や構造の必要がなく、段数によるセパレータ(第１セパレータ２８ａ及び第２セパレータ２８ｂ)の損傷もなく、複数の燃料電池モジュール１２を簡便に積層することが可能になる。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、複数の燃料電池モジュール１２を良好に積層することができるという効果が得られる。
【００９０】
また、各燃料電池モジュール１２内の各燃料電池スタック１４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、前記燃料電池モジュール１２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、各燃料電池スタック１４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。
【００９１】
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、各燃料電池スタック１４に供給されるため、前記燃料電池スタック１４を内側から良好に加熱することができる。
【００９２】
さらに、台部材１６８には、改質器１６２及び熱交換器１６４と燃料電池モジュール設置部材１６６を介して２段の燃料電池モジュール１２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、各燃料電池モジュール１２内の燃料電池スタック１４を加熱することが可能になり、熱効率の向上が図られる。
【００９３】
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各燃料電池モジュール１２は、オフガスによって外側から加熱されて前記燃料電池モジュール１２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。
【００９４】
また、下段の燃料電池モジュール１２は、燃料電池モジュール設置部材１６６に設置されている。従って、燃料電池モジュール１２は、燃料電池モジュール設置部材１６６から流体部１６０への放熱を良好に遮断することができ、前記燃料電池モジュール１２の断熱性及び熱効率の向上を図ることが可能になる。
【００９５】
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１３８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。
【００９６】
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。
【００９７】
また、各燃料ガス供給部８４、各酸化剤ガス供給部９０、各第１挟持部８８及び各第２挟持部９４には、それぞれ燃料電池スタック１４に発生した変位を吸収するための第１変位吸収機構９６、第２変位吸収機構９８、第３変位吸収機構１３０及び第４変位吸収機構１３２が設けられている。
【００９８】
従って、急速昇温時に各燃料電池スタック１４に発生した急激な変位は、第１変位吸収機構９６〜第４変位吸収機構１３２を介して前記燃料電池スタック１４全体で有効に吸収することができる。これにより、燃料電池スタック１４に歪みが発生することを抑制するとともに、集電性能及びシール性能を良好に維持することができるという効果が得られる。
【００９９】
また、第１ポール部材１５８及び第２ポール部材１５９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。
【０１００】
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１５８及び第２ポール部材１５９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。
【０１０１】
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３００の概略構成説明図である。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。
【０１０２】
燃料電池システム３００は、多段、例えば、３段に配置される燃料電池モジュール１２ａ、１２ｂ及び１２ｃを備える。燃料電池モジュール１２ａ、１２ｂ及び１２ｃは、重力方向に向かって直列に接続される。
【０１０３】
最下段の燃料電池モジュール１２ａは、燃料電池モジュール設置部材１６６に燃料ガス供給管１５４及び酸化剤ガス供給管１５６を介して接続される。最下段の燃料電池モジュール１２ａと中段の燃料電池モジュール１２ｂとは、燃料ガス供給管１５４及び酸化剤ガス供給管１５６のみにより連結される。中段の燃料電池モジュール１２ｂと最上段の燃料電池モジュール１２ｃとは、同様に燃料ガス供給管１５４及び前記酸化剤ガス供給管１５６のみにより連結される。
【０１０４】
このように構成される第２の実施形態では、３段の燃料電池モジュール１２ａ、１２ｂ及び１２ｃが、重力方向に直列して複数個配置されている。このため、高電圧を得ることができるとともに、特に燃料電池システム３００全体の設置面積は、水平方向に対し良好に狭小化されることが可能になる。その他、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１０５】
なお、第２の実施形態では、３段の燃料電池モジュール１２ａ、１２ｂ及び１２ｃを用いているが、これに限定されるものではなく、種々の積層段数（例えば、４段等）に設定可能である。
【０１０６】
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム４００の概略構成説明図である。なお、上記の第１及び第２の実施形態に係る燃料電池システム１０、３００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。
【０１０７】
燃料電池システム４００では、重力方向に多段、例えば、３段に直列される燃料電池モジュール１２ａ１、１２ｂ１、１２ｃ１と、重力方向に対して３段に直列に接続される燃料電池モジュール１２ａ２、１２ｂ２及び１２ｃ２とが、燃料電池モジュール設置部材１６６に並列される。これらの燃料電池モジュールは、図示しない導通部材によって連結される。
【０１０８】
従って、第３の実施形態では、高電圧及び大電流の大出力が得られる他、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【０１０９】
１０、３００、４００…燃料電池システム
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ａ１、１２ｂ１、１２ｃ１、１２ａ２、１２ｂ２、１２ｃ２…燃料電池モジュール
１４…燃料電池スタック １６…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、４８、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
１３８…荷重付与機構 １４０、１４２…プレート部材
１４４…皿ばね １５４…燃料ガス供給管
１５６…酸化剤ガス供給管 １５８、１５９…ポール部材
１６０…流体部 １６２…改質器
１６４…熱交換器 １６６…燃料電池モジュール設置部材
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
【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】
上記の燃料電池スタックでは、発電量を増加させるために、燃料電池の個数を増やして積層段数を増加させる必要がある。その際、上下の積層方向では、特に下段に配置されているセパレータには、上段に配置されているセパレータに比べて過度の荷重が付与されてしまう。このため、下段のセパレータには、歪み等が発生し易いという問題がある。
【０００４】
さらに、積層段数が増えると、各セパレータの寸法誤差が蓄積され、燃料電池スタック全体の寸法に誤差が惹起され易くなる。その他、シール方法や反応ガスの供給方法等により、構成が複雑化し、組み立て工数やコストが高騰する等の問題がある。
【０００５】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックでは、図１１に示すように、単位電池１ａが多数積層された積層体２ａを、複数のプレート３ａにより奇数個の単位電池群４ａに分割している。各プレート３ａに隣接するもの同士は、弾性圧力付与機構５ａにより所定の締め付け圧力で締め付けられている。燃料電池スタック全体は、両端をエンドプレート６ａ、６ａで挟み、テンションロッド７ａにより固定している。
【０００６】
これにより、燃料電池スタック全体の大型化を招くことがなく、単位電池１ａが複数積層された積層体２ａの積層方向の面圧分を均一化する、としている。
【０００７】
また、特許文献２に開示されている構造では、図１２に示すように、（ｎ＋１）枚の発電セル１ｂのうち、ｉ番目の発電セル１ｂの燃料極層２ｂと、（ｉ＋１）番目の発電セル１ｂの酸化剤極層３ｂとの間には、セパレータ４ｂが一枚ずつ合計ｎ枚だけ階層されている。
【０００８】
ｎ枚のセパレータ４ｂの外周部には、連結部材５ｂが前記セパレータ４ｂの積層方向に電気的に絶縁されて挿通されている。（ｎ＋１）枚の発電セル１ｂ及びｎ枚のセパレータ４ｂを積層する時に、ｎ枚のセパレータ４ｂは、個々に、あるいは１枚置きに、又は複数枚置きに、固定部材６ｂにより前記連結部材５ｂに固定されている。
【０００９】
このため、各発電セル１ｂへの荷重均等化を図ることができ、下部の発電セル１ｂの破損を防止する、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００４−１６４９６９号公報
【特許文献２】特開２００２−２８００５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記の特許文献１では、単位電池１ａの積層段数が増加すると、介装されるプレート３ａの数が増加するとともに、弾性圧力付与機構５ａの数も増加してしまう。このため、燃料電池スタックは、積層構造が相当に複雑化するとともに、大型化するという問題がある。
【００１２】
また、上記の特許文献２では、発電セル１ｂの積層段数が増加すると、セパレータ４ｂを連結部材５ｂに固定するための固定部材６ｂの数も増加し、スタック全体の構造が相当に複雑化するという問題がある。
【００１３】
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、複数の燃料電池モジュールを良好に積層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】
【００１４】
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とともに、前記アノード電極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部及び前記カソード電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部が、それぞれ前記燃料電池の積層方向に形成される燃料電池スタックと、前記積層方向の一端側に配置され、前記燃料電池スタックに該積層方向に荷重を付与する荷重付与機構と、前記積層方向の両端側に配置され、前記荷重付与機構及び複数の前記燃料電池を挟持するとともに、互いの離間間隔を保持する第１プレート部材及び第２プレート部材とが設けられる燃料電池モジュールを備えている。
【００１５】
そして、複数の燃料電池モジュールは、積層方向に直列に配設されるとともに、前記燃料電池モジュール同士は、各燃料ガス供給部同士を連通させる燃料ガス供給管及び各酸化剤ガス供給部同士を連通させる酸化剤ガス供給管により連結されている。
【００１６】
また、この燃料電池システムでは、複数の燃料電池モジュールは、重力方向に直列に配設されることが好ましい。
【００１７】
さらに、この燃料電池システムでは、重力方向に直列に配設される複数の燃料電池モジュールが、水平方向に複数並列されることが好ましい。
【００１８】
さらにまた、この燃料電池システムでは、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ガス供給部を介しアノード電極に供給する改質器と、酸化剤ガスを燃料電池モジュールに供給する前に加熱し、加熱された前記酸化剤ガスを酸化剤ガス供給部を介しカソード電極に供給する熱交換器と、積層方向一端の前記燃料電池モジュールを設置するための燃料電池モジュール設置部材と、前記改質器、前記熱交換器及び前記燃料電池モジュール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、前記燃料電池モジュール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を備えることが好ましい。
【００１９】
また、この燃料電池システムでは、燃料電池モジュール設置部材に連結され、複数の燃料電池モジュールを収容する第１ケース部材と、台部材に連結され、前記第１ケース部材及び流体部を収容する第２ケース部材とを備え、前記燃料電池モジュール設置部材と熱交換器とには、前記燃料電池モジュール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、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が好ましい。
【００２０】
さらに、この燃料電池システムでは、燃料電池は、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、第１セパレータ及び第２セパレータ間に配設され、前記第１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、電極面に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス通路が設けられる第１挟持部と、前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給連通孔が積層方向に形成される燃料ガス供給部と、前記第１挟持部と前記燃料ガス供給部とを連結し、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給連通孔から前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給通路が形成される第１橋架部とを備え、前記第２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、電極面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路が設けられる第２挟持部と、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給連通孔が積層方向に形成される酸化剤ガス供給部と、前記第２挟持部と前記酸化剤ガス供給部とを連結し、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給連通孔から前記酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給通路が形成される第２橋架部とを備えるとともに、各第１挟持部、各第２挟持部、各燃料ガス供給部及び各酸化剤ガス供給部には、それぞれ前記燃料電池スタックに発生した変位を吸収するための変位吸収機構が設けられることが好ましい。
【００２１】
さらにまた、この燃料電池システムでは、積層方向一端に配置される燃料電池モジュールを構成する第１プレート部材には、第１ポール部材が接続されるとともに、積層方向他端に配置される前記燃料電池モジュールを構成する第２プレート部材には、第２ポール部材が接続され、前記第１ポール部材は、一方の電流取り出し端子を構成し、且つ前記第２ポール部材は、他方の電流取り出し端子を構成することが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、燃料電池モジュールは、互いの離間間隔を保持する第１プレート部材及び第２プレート部材間に、荷重付与機構及び複数の燃料電池が挟持されている。このため、各燃料電池モジュールは、独立して積層方向の荷重により締結されており、それぞれ個別のユニットとして構成される。
【００２３】
そして、各燃料電池モジュール同士は、燃料ガス供給管及び酸化剤ガス供給管により連結されている。このため、燃料ガス供給管及び酸化剤ガス供給管は、隣接する燃料電池モジュール同士を繋ぐ反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）の流通経路、電気の導通経路及び荷重伝達経路として機能することができる。
【００２４】
しかも、各燃料電池モジュールは、各燃料ガス供給部同士を連通させる燃料ガス供給管及び各酸化剤ガス供給部同士を連通させる酸化剤ガス供給管により連結されている。従って、複数の燃料電池モジュールを重力方向に積層しても、それぞれの燃料電池モジュールに作用する積層方向の荷重を一定に維持することができる。これにより、例えば、積層方向下方のセパレータ及び電解質・電極接合体に歪み等が発生することを、可及的に阻止することが可能になる。
【００２５】
従って、特別な機構や構造も必要がなく、段数によるセパレータの損傷もなく、複数の燃料電池モジュールを簡便に積層することが可能になる。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、複数の燃料電池モジュールを良好に積層することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】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モジュールの概略断面図である。
【図４】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５】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６】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７】前記燃料電池スタックの、図４中、ＶＩＩ−ＶＩＩ線断面である。
【図８】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９】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略断面図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの概略断面図である。
【図１１】特許文献１の燃料電池スタックの側面説明図である。
【図１２】特許文献２の構造の断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０は、燃料電池モジュール１２を備えるとともに、前記燃料電池モジュール１２は、多段、例えば、２段に矢印Ａ方向（重力方向）に直列に積層される。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る。
【００２８】
燃料電池モジュール１２、図１〜図３に示すように、燃料電池スタック１４を備えるとともに、前記燃料電池スタック１４は、複数の燃料電池１６が矢印Ａ方向に積層されて構成される。
【００２９】
燃料電池１６は、固体電解質型燃料電池であり、この燃料電池１６は、図４〜図６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。
【００３０】
燃料電池１６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。
【００３１】
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。
【００３２】
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）に沿って燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３４が形成される第１燃料ガス供給部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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
図４及び図５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。
【００４２】
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１４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。
【００４３】
図５及び図７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。
【００４４】
連結部材１００ａは、図７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。
【００４５】
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。
【００４６】
第１変位吸収機構９６は、図５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。
【００４７】
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７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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
連結部材１１２ａは、図７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。
【００５１】
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。
【００５２】
第２変位吸収機構９８は、図５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。
【００５３】
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７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。
【００５４】
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。
【００５５】
図４及び図７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１４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。
【００５６】
第１挟持部８８の変位吸収機構１３０は、図５及び図７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。
【００５７】
図８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。
【００５８】
第２挟持部９４の変位吸収機構１３２は、図５及び図７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。
【００５９】
図１〜図３に示すように、燃料電池モジュール１２は、燃料電池１６の積層方向の一端側に配置され、燃料電池スタック１４に前記積層方向に荷重を付与する荷重付与機構１３８と、前記積層方向の両端側に配置され、前記荷重付与機構１３８及び複数の前記燃料電池１６を挟持するとともに、互いの離間間隔を保持する第１プレート部材１４０及び第２プレート部材１４２とを設ける。
【００６０】
荷重付与機構１３８は、積層方向に配列される複数の皿ばね１４４を備え、燃料電池１６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）１４６により燃料電池スタック１４を積層方向から締結することにより、燃料電池モジュール１２がユニット化される。ボルト部材１４６と第２プレート部材１４２との間には、絶縁部材１４８が介装される。
【００６１】
第１プレート部材１４０と最下方向位置の第２変位吸収機構９８との間には、例えば、蛇腹状の連結管路１５０ａが介装される。第２プレート部材１４２と最上方向位置の第１変位吸収機構９６との間には、例えば、蛇腹状の連結管路１５０ｂが介装される。なお、蛇腹状の連結管路１５０ａ、１５０ｂに代えて、互いに摺動自在に嵌合する２本の筒状体、所謂、入れ子構造を採用してもよい。
【００６２】
第１プレート部材１４０には、各燃料電池１６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管１５４と、前記燃料電池１６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管１５６とが設けられる。
【００６３】
図２に示すように、重力方向下方の燃料電池モジュール１２を構成する第２プレート部材１４２と、重力方向上方の燃料電池モジュール１２を構成する第１プレート部材１４０とは、燃料ガス供給管１５４及び酸化剤ガス供給管１５６のみにより連結される。重力方向下方（積層方向一端）の燃料電池モジュール１２を構成する第１プレート部材１４０には、第１ポール部材１５８が接続されるとともに、重力方向上方（積層方向他端）の燃料電池モジュール１２を構成する第２プレート部材１４２には、第２ポール部材１５９が接続される。
【００６４】
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１６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１４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１６のカソード電極２２に供給する熱交換器１６４と、下方の燃料電池モジュール１２を設置するための板状燃料電池モジュール設置部材１６６と、前記改質器１６２、前記熱交換器１６４及び前記燃料電池モジュール設置部材１６６を保持するための台部材１６８とを備える。
【００６５】
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。
【００６６】
燃料電池モジュール設置部材１６６には、燃料ガス供給管１５４及び酸化剤ガス供給管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管１５４及び酸化剤ガス供給管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。燃料電池モジュール設置部材１６６には、燃料電池スタック１４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。
【００６７】
燃料電池モジュール１２は、実質的に、燃料ガス供給管１５４及び酸化剤ガス供給管１５６のみにより、燃料電池モジュール設置部材１６６に保持される。なお、燃料電池モジュール１２には、燃料ガス供給管１５４及び酸化剤ガス供給管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。
【００６８】
流体部１６０には、燃料電池モジュール１２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。
【００６９】
燃料電池システム１０は、燃料電池モジュール設置部材１６６に連結され、２段の燃料電池モジュール１２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（２段の燃料電池モジュール１２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。
【００７０】
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、燃料電池モジュール設置部材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１５８及び第２ポール部材１５９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。
【００７１】
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）。
【００７２】
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１５８及び第２ポール部材１５９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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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から燃料ガス供給管１５４を通って下段の燃料電池モジュール１２に、さらに上方の燃料ガス供給管１５４から上段の燃料電池モジュール１２に供給される。このため、改質ガスは、各段の燃料電池モジュール１２を構成する各燃料電池スタック１４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。
【００７７】
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から下方の酸化剤ガス供給管１５６を通って下段の燃料電池モジュール１２に、さらに上方の酸化剤ガス供給管１５６から上段の燃料電池モジュール１２に供給される。このため、空気は、各段の燃料電池モジュール１２を構成する各燃料電池スタック１４の酸化剤ガス供給連通孔６２に供給される。
【００７８】
図４及び図６に示すように、燃料ガス（水素ガス）は、燃料電池スタック１４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１４の酸化剤ガス供給連通孔６２に供給される。
【００７９】
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１６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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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１４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。
【００８５】
この場合、第１の実施形態では、燃料電池モジュール１２は、互いの離間間隔を保持する第１プレート部材１４０及び第２プレート部材１４２間に、荷重付与機構１３８及び複数の燃料電池１６が挟持されることによって、それぞれ個別のユニットとして構成されている。このため、各燃料電池モジュール１２は、独立して積層方向の荷重により締結されており、積層方向の位置によって荷重の影響を受けることがない。
【００８６】
そして、各燃料電池モジュール１２は、各燃料ガス供給部８４同士を連通させる燃料ガス供給管１５４及び各酸化剤ガス供給部９０同士を連通させる酸化剤ガス供給管１５６により連結されている。
【００８７】
従って、各燃料電池モジュール１２同士は、燃料ガス供給管１５４及び酸化剤ガス供給管１５６により連結されている。このため、燃料ガス供給管１５４及び酸化剤ガス供給管１５６は、隣接する燃料電池モジュール１２同士を繋ぐ反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）の流通経路、電気の流通経路及び荷重伝達経路として機能することができる。
【００８８】
しかも、複数、例えば、２段の燃料電池モジュール１２を重力方向に積層しても、それぞれの燃料電池モジュール１２に作用する積層方向の荷重を一定に維持することができる。これにより、例えば、積層方向下方の燃料電池モジュール１２を構成するセパレータ（第１セパレータ２８ａ及び第２セパレータ２８ｂ）及び電解質・電極接合体２６に歪等が発生することを、可及的の阻止することが可能になる。
【００８９】
従って、特別な機構や構造の必要がなく、段数によるセパレータ(第１セパレータ２８ａ及び第２セパレータ２８ｂ)の損傷もなく、複数の燃料電池モジュール１２を簡便に積層することが可能になる。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、複数の燃料電池モジュール１２を良好に積層することができるという効果が得られる。
【００９０】
また、各燃料電池モジュール１２内の各燃料電池スタック１４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、前記燃料電池モジュール１２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、各燃料電池スタック１４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。
【００９１】
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、各燃料電池スタック１４に供給されるため、前記燃料電池スタック１４を内側から良好に加熱することができる。
【００９２】
さらに、台部材１６８には、改質器１６２及び熱交換器１６４と燃料電池モジュール設置部材１６６を介して２段の燃料電池モジュール１２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、各燃料電池モジュール１２内の燃料電池スタック１４を加熱することが可能になり、熱効率の向上が図られる。
【００９３】
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各燃料電池モジュール１２は、オフガスによって外側から加熱されて前記燃料電池モジュール１２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。
【００９４】
また、下段の燃料電池モジュール１２は、燃料電池モジュール設置部材１６６に設置されている。従って、燃料電池モジュール１２は、燃料電池モジュール設置部材１６６から流体部１６０への放熱を良好に遮断することができ、前記燃料電池モジュール１２の断熱性及び熱効率の向上を図ることが可能になる。
【００９５】
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１３８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。
【００９６】
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。
【００９７】
また、各燃料ガス供給部８４、各酸化剤ガス供給部９０、各第１挟持部８８及び各第２挟持部９４には、それぞれ燃料電池スタック１４に発生した変位を吸収するための第１変位吸収機構９６、第２変位吸収機構９８、第３変位吸収機構１３０及び第４変位吸収機構１３２が設けられている。
【００９８】
従って、急速昇温時に各燃料電池スタック１４に発生した急激な変位は、第１変位吸収機構９６〜第４変位吸収機構１３２を介して前記燃料電池スタック１４全体で有効に吸収することができる。これにより、燃料電池スタック１４に歪みが発生することを抑制するとともに、集電性能及びシール性能を良好に維持することができるという効果が得られる。
【００９９】
また、第１ポール部材１５８及び第２ポール部材１５９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。
【０１００】
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１５８及び第２ポール部材１５９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。
【０１０１】
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３００の概略構成説明図である。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。
【０１０２】
燃料電池システム３００は、多段、例えば、３段に配置される燃料電池モジュール１２ａ、１２ｂ及び１２ｃを備える。燃料電池モジュール１２ａ、１２ｂ及び１２ｃは、重力方向に向かって直列に接続される。
【０１０３】
最下段の燃料電池モジュール１２ａは、燃料電池モジュール設置部材１６６に燃料ガス供給管１５４及び酸化剤ガス供給管１５６を介して接続される。最下段の燃料電池モジュール１２ａと中段の燃料電池モジュール１２ｂとは、燃料ガス供給管１５４及び酸化剤ガス供給管１５６のみにより連結される。中段の燃料電池モジュール１２ｂと最上段の燃料電池モジュール１２ｃとは、同様に燃料ガス供給管１５４及び前記酸化剤ガス供給管１５６のみにより連結される。
【０１０４】
このように構成される第２の実施形態では、３段の燃料電池モジュール１２ａ、１２ｂ及び１２ｃが、重力方向に直列して複数個配置されている。このため、高電圧を得ることができるとともに、特に燃料電池システム３００全体の設置面積は、水平方向に対し良好に狭小化されることが可能になる。その他、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【０１０５】
なお、第２の実施形態では、３段の燃料電池モジュール１２ａ、１２ｂ及び１２ｃを用いているが、これに限定されるものではなく、種々の積層段数（例えば、４段等）に設定可能である。
【０１０６】
図１０は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム４００の概略構成説明図である。なお、上記の第１及び第２の実施形態に係る燃料電池システム１０、３００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。
【０１０７】
燃料電池システム４００では、重力方向に多段、例えば、３段に直列される燃料電池モジュール１２ａ１、１２ｂ１、１２ｃ１と、重力方向に対して３段に直列に接続される燃料電池モジュール１２ａ２、１２ｂ２及び１２ｃ２とが、燃料電池モジュール設置部材１６６に並列される。これらの燃料電池モジュールは、図示しない導通部材によって連結される。
【０１０８】
従って、第３の実施形態では、高電圧及び大電流の大出力が得られる他、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【０１０９】
１０、３００、４００…燃料電池システム
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ａ１、１２ｂ１、１２ｃ１、１２ａ２、１２ｂ２、１２ｃ２…燃料電池モジュール
１４…燃料電池スタック １６…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、４８、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
１３８…荷重付与機構 １４０、１４２…プレート部材
１４４…皿ばね １５４…燃料ガス供給管
１５６…酸化剤ガス供給管 １５８、１５９…ポール部材
１６０…流体部 １６２…改質器
１６４…熱交換器 １６６…燃料電池モジュール設置部材
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
【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とともに、前記アノード電極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部及び前記カソード電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部が、それぞれ前記燃料電池の積層方向に形成される燃料電池スタックと、
前記積層方向の一端側に配置され、前記燃料電池スタックに該積層方向に荷重を付与する荷重付与機構と、
前記積層方向の両端側に配置され、前記荷重付与機構及び複数の前記燃料電池を挟持するとともに、互いの離間間隔を保持する第１プレート部材及び第２プレート部材と、
が設けられる燃料電池モジュールを備え、
複数の前記燃料電池モジュールは、前記積層方向に直列に配設されるとともに、
前記燃料電池モジュール同士は、各燃料ガス供給部同士を連通させる燃料ガス供給管及び各酸化剤ガス供給部同士を連通させる酸化剤ガス供給管により連結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、複数の前記燃料電池モジュールは、重力方向に直列に配設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２記載の燃料電池システムにおいて、前記重力方向に直列に配設される複数の前記燃料電池モジュールが、水平方向に複数並列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１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、原燃料を改質して改質ガスを生成し、前記改質ガスを前記燃料ガスとして前記燃料ガス供給部を介し前記アノード電極に供給する改質器と、前記酸化剤ガスを前記燃料電池モジュール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酸化剤ガス供給部を介し前記カソード電極に供給する熱交換器と、前記積層方向一端の前記燃料電池モジュールを設置するための燃料電池モジュール設置部材と、前記改質器、前記熱交換器及び前記燃料電池モジュール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、前記燃料電池モジュール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、
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、前記燃料電池モジュール設置部材に連結され、複数の前記燃料電池モジュールを収容する第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、
前記燃料電池モジュール設置部材と前記熱交換器とには、前記燃料電池モジュール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６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池は、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、第１セパレータ及び第２セパレータ間に配設され、
前記第１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を供給する燃料ガス通路が設けられる第１挟持部と、
前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給連通孔が積層方向に形成される燃料ガス供給部と、
前記第１挟持部と前記燃料ガス供給部とを連結し、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給連通孔から前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給通路が形成される第１橋架部と、
を備え、
前記第２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、電極面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路が設けられる第２挟持部と、
前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給連通孔が積層方向に形成される酸化剤ガス供給部と、
前記第２挟持部と前記酸化剤ガス供給部とを連結し、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給連通孔から前記酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給通路が形成される第２橋架部と、
を備えるとともに、
各第１挟持部、各第２挟持部、各燃料ガス供給部及び各酸化剤ガス供給部には、それぞれ前記燃料電池スタックに発生した変位を吸収するための変位吸収機構が設けられることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、積層方向一端に配置される前記燃料電池モジュールを構成する前記第１プレート部材には、第１ポール部材が接続されるとともに、
積層方向他端に配置される前記燃料電池モジュールを構成する前記第２プレート部材には、第２ポール部材が接続され、
前記第１ポール部材は、一方の電流取り出し端子を構成し、且つ前記第２ポール部材は、他方の電流取り出し端子を構成することを特徴とする燃料電池システム。
【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とともに、前記アノード電極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給部及び前記カソード電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給部が、それぞれ前記燃料電池の積層方向に形成される燃料電池スタックと、
前記積層方向の一端側に配置され、前記燃料電池スタックに該積層方向に荷重を付与する荷重付与機構と、
前記積層方向の両端側に配置され、前記荷重付与機構及び複数の前記燃料電池を挟持するとともに、互いの離間間隔を保持する第１プレート部材及び第２プレート部材と、
が設けられる燃料電池モジュールを備え、
複数の前記燃料電池モジュールは、前記積層方向に直列に配設されるとともに、
前記燃料電池モジュール同士は、各燃料ガス供給部同士を連通させる燃料ガス供給管及び各酸化剤ガス供給部同士を連通させる酸化剤ガス供給管により連結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、複数の前記燃料電池モジュールは、重力方向に直列に配設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２記載の燃料電池システムにおいて、前記重力方向に直列に配設される複数の前記燃料電池モジュールが、水平方向に複数並列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１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、原燃料を改質して改質ガスを生成し、前記改質ガスを前記燃料ガスとして前記燃料ガス供給部を介し前記アノード電極に供給する改質器と、前記酸化剤ガスを前記燃料電池モジュール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酸化剤ガス供給部を介し前記カソード電極に供給する熱交換器と、前記積層方向一端の前記燃料電池モジュールを設置するための燃料電池モジュール設置部材と、前記改質器、前記熱交換器及び前記燃料電池モジュール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、前記燃料電池モジュール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、
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、前記燃料電池モジュール設置部材に連結され、複数の前記燃料電池モジュールを収容する第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、
前記燃料電池モジュール設置部材と前記熱交換器とには、前記燃料電池モジュール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６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、前記燃料電池は、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、第１セパレータ及び第２セパレータ間に配設され、
前記第１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を供給する燃料ガス通路が設けられる第１挟持部と、
前記燃料ガスを前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給連通孔が積層方向に形成される燃料ガス供給部と、
前記第１挟持部と前記燃料ガス供給部とを連結し、前記燃料ガスを前記燃料ガス供給連通孔から前記燃料ガス通路に供給するための燃料ガス供給通路が形成される第１橋架部と、
を備え、
前記第２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、電極面に沿って酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス通路が設けられる第２挟持部と、
前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給連通孔が積層方向に形成される酸化剤ガス供給部と、
前記第２挟持部と前記酸化剤ガス供給部とを連結し、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給連通孔から前記酸化剤ガス通路に供給するための酸化剤ガス供給通路が形成される第２橋架部と、
を備えるとともに、
各第１挟持部、各第２挟持部、各燃料ガス供給部及び各酸化剤ガス供給部には、それぞれ前記燃料電池スタックに発生した変位を吸収するための変位吸収機構が設けられることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、積層方向一端に配置される前記燃料電池モジュールを構成する前記第１プレート部材には、第１ポール部材が接続されるとともに、
積層方向他端に配置される前記燃料電池モジュールを構成する前記第２プレート部材には、第２ポール部材が接続され、
前記第１ポール部材は、一方の電流取り出し端子を構成し、且つ前記第２ポール部材は、他方の電流取り出し端子を構成することを特徴とする燃料電池システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−２２１６３０（Ｐ２０１２−２２１６３０Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８３９５２（Ｐ２０１１−８３９５２）
【出願日】平成２３年４月５日（２０１１．４．５）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月５日（２０１１．４．５）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]