JP2007095351A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、平膜型加湿器内のシール構造を有効に簡素化するとともに、圧損の低減を図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１２と加湿器１４とを積層方向にスタックして構成される。加湿器１４は、反応前の空気と反応後の空気オフガスとの間で加湿処理を行う一方、該加湿処理に使用されない水素ガス及び燃料オフガスは、前記加湿器１４の積層方向に貫通して挿入される配管部材６０ａ、６０ｂ内を流れる。加湿器１４内には、水素ガス及び燃料オフガスをシールするためのシール構造が不要になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池に供給される一方の反応ガスを、加湿流体によって加湿する水透過性膜を設ける平膜型加湿器とが、積層方向にスタックされる燃料電池システムに関する。

通常、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池では、有効な発電機能を発揮させるために、電解質膜を適度な湿潤状態に維持することが必要とされている。このため、燃料ガスや酸化剤ガスを、予め水を介して加湿する加湿装置を用意し、この加湿装置を燃料電池に連結することにより、前記加湿された燃料ガスや酸化剤ガスを燃料電池に供給する構成が知られている。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックは、図１３に示すように、発電ユニット１と加湿ユニット２とを積層方向に組み付けて構成されている。発電ユニット１は、複数のセル１ａを積層する一方、加湿ユニット２は、水素ガスを加湿する水素ガス加湿器２ａと、酸素含有ガス（空気）を加湿する酸素含有ガス加湿器２ｂとを有する。

水素ガス加湿器２ａは、多孔質膜３ａの両面に水素ガス流路４ａ及び水流路４ｂが形成されるとともに、酸素含有ガス加湿器２ｂは、多孔質膜３ｂの両側に酸素ガス流路４ｃ及び水流路４ｄが形成されている。各セル１ａの冷却水流路（図示せず）には、ポンプ５を介して水通路５ａから冷却水が供給され、前記セル１ａの冷却水出口側には、水通路５ｂが接続されている。この水通路５ｂは、加湿ユニット２の水流路４ｂ、４ｄに連通している。

加湿ユニット２の水素ガス流路４ａには、ブロア６を介して水素ガスが水素ガス通路６ａから送られるとともに、前記水素ガス流路４ａの出口側には、水素ガス通路６ｂを介して各セル１ａの水素ガス流路（図示せず）が連通している。加湿ユニット２の酸素ガス流路４ｃには、ブロア７を介して空気が酸素ガス通路７ａから送られる一方、前記酸素ガス流路４ｃの出口側には、酸素ガス通路７ｂを介して各セル１ａの酸素ガス流路（図示せず）が連通している。

特開平８−１３８７０４号公報（図１）

ところで、上記の燃料電池スタックでは、水通路５ａ、５ｂ、水素ガス通路６ａ、６ｂ及び酸素ガス通路７ａ、７ｂをスタック外部に設けられた外部マニホールド型で燃料電池スタックを構成しようとすると、配管が煩雑になるとともに、屈曲する配管内で圧損が増加するという問題がある。

そこで、発電ユニット１及び加湿ユニット２の内部に、水素ガス連通孔や酸化剤ガス連通孔を形成する内部マニホールド型燃料電池スタックを構成することが考えられる。しかしながら、特に、加湿ユニット２内において、水素ガス、空気及び冷却水を互いにシールするためのシール構造が相当に複雑化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、平膜型加湿器内のシール構造を有効に簡素化するとともに、圧損の低減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、電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとを積層し、反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されるとともに、冷却媒体が供給される固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池に供給される少なくとも一方の反応ガスを、加湿流体によって加湿する水透過性膜を設ける平膜型加湿器とが、積層方向にスタックされる燃料電池システムである。そして、平膜型加湿器には、他方の反応ガスや冷却媒体の少なくともいずれかを流す配管部材が、積層方向に貫通して挿入されている。

また、固体高分子型燃料電池の両端には、第１及び第２エンドプレートが配置されるとともに、前記第２エンドプレートに平膜型加湿器の一端側が積層され且つ前記平膜型加湿器の他端側に第３エンドプレートが配置され、配管部材は、前記第２エンドプレートから前記第３エンドプレートまで一体に挿入されることが好ましい。

さらに、加湿流体は、固体高分子型燃料電池から排出される一方の反応ガスの排ガスであり、前記排ガス中の水分が水透過性膜を透過して前記一方の反応ガスを加湿することが好ましい。

本発明では、配管部材が平膜型加湿器内に積層方向に貫通して挿入されるため、燃料ガス又は酸化剤ガスである他方の反応ガスや冷却媒体をシールするためのシール構造が不要になる。従って、平膜型加湿器全体のシール構造が有効に簡素化されるとともに、シール性の向上が容易に図られる。

しかも、配管部材が挿入されることにより、平膜型加湿器全体に横ずれ等が惹起することがなく、強度の向上を図ることができる。さらに、配管部材内は、段差がなく滑らかに形成されるため、圧損が良好に低減される。

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の概略構成説明図であり、図２は、前記燃料電池システム１０の概略斜視図である。

燃料電池システム１０は、例えば、自動車等の燃料電池車両に搭載されており、固体高分子型燃料電池１２と、平膜型加湿器１４とを積層方向（矢印Ａ方向）にスタックして構成される。燃料電池１２は、複数の発電セル１６を矢印Ａ方向に積層するとともに、積層方向両端にターミナルプレート１７ａ、１７ｂ及び絶縁プレート１９ａ、１９ｂを介装して第１及び第２エンドプレート１８ａ、１８ｂが配置される。

第２エンドプレート１８ｂには、加湿器１４が直接積層される。加湿器１４を構成する第３エンドプレート１８ｃは、第１エンドプレート１８ａに対し、第２エンドプレート１８ｂを介装して複数の締め付けボルト２１により積層方向に締め付けられる（図２参照）。

図１及び図３に示すように、発電セル１６は、固体高分子電解質膜２０ａの両側にアノード側電極２０ｂとカソード側電極２０ｃとを配置した電解質膜・電極構造体２０と、前記電解質膜・電極構造体２０を挟持する一対の金属製又はカーボン製セパレータ２２、２４とを備える。

図３に示すように、発電セル１６の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔２６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２８ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３０ｂが設けられる。

発電セル１６の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２６ｂが設けられる。

セパレータ２２の電解質膜・電極構造体２０に向かう面には、燃料ガス供給連通孔３０ａと燃料ガス排出連通孔３０ｂとを連通する燃料ガス流路３２が形成される。セパレータ２２の反対側の面には、冷却媒体供給連通孔２８ａと冷却媒体排出連通孔２８ｂとを連通する冷却媒体流路３４が形成される。

セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２０に向かう面には、酸化剤ガス供給連通孔２６ａと酸化剤ガス排出連通孔２６ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。セパレータ２４の反対側の面には、セパレータ２２と重なり合って冷却媒体流路３４が一体的に形成される。

図４に示すように、加湿器１４は、水透過性膜４０の一方の面４０ａに配設される第１セパレータ４２と、前記水透過性膜４０の他方の面４０ｂに配設される第２セパレータ４４とを備える。第１及び第２セパレータ４２、４４は、水透過性膜４０を介装して交互に矢印Ａ方向に積層されて積層体４６を構成する。第１及び第２セパレータ４２、４４は、金属製プレートを波形状に成形して構成される。なお、この第１及び第２セパレータ４２、４４は、例えば、カーボンプレートに削り加工等を施して構成してもよい。

積層体４６の矢印Ｂ方向の一端縁部には、互いに矢印Ａ方向に貫通して、反応前の空気（一方の反応ガス）を供給する空気入口連通孔４８ａと、加湿された反応前の空気を排出する空気出口連通孔４８ｂとが矢印Ｃ方向に配列して形成される。

積層体４６の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、空気オフガスが供給される空気オフガス入口連通孔５０ａと、反応前の空気を加湿した後の前記空気オフガスを排出する空気オフガス出口連通孔５０ｂとが矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

積層体４６の空気オフガス出口連通孔５０ｂの上方には、燃料ガス供給連通孔３０ａと積層方向に重なり合って燃料ガス入口連通孔５１ａが設けられるとともに、前記積層体４６の空気入口連通孔４８ａの下方には、燃料ガス排出連通孔３０ｂと積層方向に重なり合って燃料オフガス出口連通孔５１ｂが設けられる。

第１セパレータ４２は、水透過性膜４０の一方の面４０ａに向かう第１面４２ａ側に、空気入口連通孔４８ａと空気出口連通孔４８ｂとを連通し、略Ｕ字状に屈曲乃至湾曲する複数の溝部を有する第１流路５２を設ける。

第１セパレータ４２の第１面４２ａとは反対の第２面４２ｂ側には、空気入口連通孔４８ａと空気出口連通孔４８ｂとを連通し、略Ｕ字状の複数の溝部を有する第２流路５４が設けられる。この第２流路５４は、第１流路５２と交互に形成され、全体として波形状を有している（図５参照）。

第２セパレータ４４は、水透過性膜４０の他方の面４０ｂに向かう面４４ａ側に空気オフガス入口連通孔５０ａと空気オフガス出口連通孔５０ｂとを連通する略Ｕ字状の複数の溝部を有する第３流路５６を設ける。

第２セパレータ４４は、面４４ａとは反対の面４４ｂ側に、空気オフガス入口連通孔５０ａと空気オフガス出口連通孔５０ｂとを連通する略Ｕ字状の複数の溝部を有する第４流路５８を設ける。この第４流路５８は、第３流路５６と交互に配設される。

加湿器１４の燃料ガス入口連通孔５１ａ及び燃料オフガス出口連通孔５１ｂには、配管部材６０ａ、６０ｂが、積層方向に貫通して挿入される。図４及び図６に示すように、配管部材６０ａ、６０ｂは、例えば、金属で形成されており、端部にフランジ部６２ａ、６２ｂが形成される。

図６に示すように、配管部材６０ａ、６０ｂは、第２エンドプレート１８ｂに圧入、接着又は溶接されるとともに、シール部材６４ａ、６４ｂにより軸方向にシールされる。なお、配管部材６０ａ、６０ｂは、樹脂で形成されてもよく、その際、前記配管部材６０ａ、６０ｂは、第２エンドプレート１８ｂに圧入、接着、溶着又は射出成形により一体化してもよい。配管部材６０ａ、６０ｂが第２エンドプレート１８ｂに一体化される際には、シール部材６４ａのみを用いてもよい。また、第３エンドプレート１８ｃにマニホールドを取り付けてもよい。

図１に示すように、燃料電池システム１０は、加湿器１４側に設けられる酸化剤ガス供給系７０及び燃料ガス供給系７２と、燃料電池１２側に設けられる冷却媒体供給系７４とを備える。

酸化剤ガス供給系７０は、第３エンドプレート１８ｃに接続されて加湿器１４の空気入口連通孔４８ａに空気を供給する空気供給流路７６と、前記加湿器１４の空気オフガス出口連通孔５０ｂから排出される空気オフガスを、外部に排気するための空気排出流路７８とを備える。空気供給流路７６には、空気を圧縮して供給するためにスーパーチャージャ（又はポンプ）８０が設けられる。

燃料ガス供給系７２は、配管部材６０ａを介して燃料電池１２に水素ガスを供給するための水素供給流路８２と、前記燃料電池１２から配管部材６０ｂを介して排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを、前記水素供給流路８２の途上に戻して該燃料電池１２に供給するための水素循環流路８４とを備える。

水素供給流路８２には、高圧水素を貯留する水素タンク８６と、前記水素タンク８６から供給される水素ガスの圧力を減圧するレギュレータ８８と、減圧された前記水素ガスを燃料電池１２に供給するとともに、水素循環流路８４から排ガスを吸引して前記燃料電池１２に戻すためのエゼクタ９０とが配設される。

冷却媒体供給系７４は、第１エンドプレート１８ａに接続されて燃料電池１２の冷却媒体供給連通孔２８ａに冷却媒体を供給するための冷却媒体供給流路９２と、前記燃料電池１２の冷却媒体排出連通孔２８ｂから排出される冷却媒体を冷却媒体タンク９４に戻す冷却媒体循環流路９６と、前記冷却媒体タンク９４内の前記冷却媒体を循環させるポンプ９８とを備える。

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。

図１に示すように、水素タンク８６から水素供給流路８２に供給される水素ガスは、レギュレータ８８を介して所定の圧力に減圧された後、エゼクタ９０を通って加湿器１４の燃料ガス入口連通孔５１ａに送られる。この燃料ガス入口連通孔５１ａには、配管部材６０ａが挿入されており、水素ガスは、前記配管部材６０ａ内を通って燃料電池１２の燃料ガス供給連通孔３０ａに供給される。

図３に示すように、水素ガスは、各発電セル１６を構成する燃料ガス流路３２に沿って矢印Ｂ方向に移動し、アノード側電極２０ｂに供給された後、未使用の水素を含む燃料オフガスが、燃料ガス排出連通孔３０ｂに排出される。この燃料オフガスは、加湿器１４の燃料オフガス出口連通孔５１ｂに挿入されている配管部材６０ｂ内を通って水素循環流路８４に排出される。さらに、燃料オフガスは、エゼクタ９０の吸引作用下に水素供給流路８２に途上に戻された後、再度、燃料電池１２に燃料ガスとして供給される。

一方、スーパーチャージャ８０を介して、空気供給流路７６に空気が供給される。この空気は、第３エンドプレート１８ｃから加湿器１４を構成する積層体４６の空気入口連通孔４８ａに供給される。

図４に示すように、加湿器１４では、第１セパレータ４２の第１及び第２流路５２、５４が空気入口連通孔４８ａに連通している。この空気入口連通孔４８ａに導入された空気は、略Ｕ字状の第１及び第２流路５２、５４に沿って移動する。第１流路５２を流れる空気は、水透過性膜４０の一方の面４０ａに接触するとともに、第２流路５４に沿って移動する空気は、他の水透過性膜４０の他方の面４０ｂに接触する（図５参照）。

加湿器１４では、燃料電池１２の発電に使用された反応済みの空気である空気オフガスが、空気オフガス入口連通孔５０ａに供給される。この空気オフガスは、第２セパレータ４４の空気オフガス入口連通孔５０ａに連通する第３及び第４流路５６、５８に導入される。第３流路５６を移動する空気オフガスは、水透過性膜４０の他方の面４０ｂに接触する一方、第４流路５８に沿って移動する空気オフガスは、他の水透過性膜４０の一方の面４０ａに接触する（図５参照）。

従って、第２セパレータ４４の第３流路５６に沿って移動する空気オフガス中の水分は、水透過性膜４０を透過し第１流路５２に沿って移動する反応前の空気に供給され、この空気が加湿される。さらに、第２流路５４に沿って移動する反応前の空気は、第４流路５８に沿って移動する空気オフガス中の水分により加湿される。そして、加湿された空気は、第１及び第２流路５２、５４に連通する空気出口連通孔４８ｂから燃料電池１２の酸化剤ガス供給連通孔２６ａに供給される。

図３に示すように、加湿された空気は、各発電セル１６のセパレータ２４に形成される酸化剤ガス流路３６を流れることによって、カソード側電極２０ｃに供給される。未使用の空気を含む空気オフガスは、上記のように、加湿器１４内で加湿処理に用いられた後、空気オフガス出口連通孔５０ｂに排出される。これにより、各発電セル１６では、アノード側電極２０ｂに供給される水素と、カソード側電極２０ｃに供給される空気中の酸素とが反応して発電が行われる。

また、図１に示すように、冷却媒体供給系７４では、ポンプ９８の作用下に冷却媒体タンク９４内の冷却媒体が、冷却媒体供給流路９２から燃料電池１２の冷却媒体供給連通孔２８ａに供給される。この冷却媒体は、図３に示すように、セパレータ２２、２４間に形成される冷却媒体流路３４を通ることによって各発電セル１６を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２８ｂから冷却媒体循環流路９６に排出され、冷却媒体タンク９４に戻される。

この場合、第１の実施形態では、燃料電池１２と加湿器１４とが積層方向にスタックされるとともに、前記加湿器１４に形成される燃料ガス入口連通孔５１ａ及び燃料オフガス出口連通孔５１ｂには、それぞれ配管部材６０ａ、６０ｂが積層方向に貫通して挿入されている（図６参照）。

このため、加湿器１４では、例えば、第１及び第２セパレータ４２、４４に燃料ガス入口連通孔５１ａ及び燃料オフガス出口連通孔５１ｂを覆ってシール部材を用いる必要がなく、前記加湿器１４全体のシール構造が有効に簡素化されるとともに、シール性の向上が図られるという効果が得られる。

しかも、加湿器１４に形成された燃料ガス入口連通孔５１ａ及び燃料オフガス出口連通孔５１ｂに、配管部材６０ａ、６０ｂが積層方向に貫通して挿入されるため、前記加湿器１４全体に横ずれ等が惹起することがなく、該加湿器１４の強度の向上を図ることができる。特に、車両に搭載される燃料電池システム１０では、燃料電池１２に振動や慣性力が作用するため、配管部材６０ａ、６０ｂにより横ずれを有効に防止することが可能になる。

さらに、配管部材６０ａ、６０ｂ内は、段差がなく、その内壁面が滑らかに形成されるため、水素ガスの圧損が良好に低減されるという利点がある。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１００の概略構成説明図であり、図８は、前記燃料電池システム１００の一部分解斜視説明図である。

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６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１００は、平膜型加湿器１０２を備える。この加湿器１０２は、水透過性膜１０４の一方の面１０４ａに配設される第１セパレータ１０６と、前記水透過性膜１０４の他方の面１０４ｂに配設される第２セパレータ１０８とを設ける。

第１及び第２セパレータ１０６、１０８は、水透過性膜１０４を介装して交互に矢印Ａ方向に積層されることにより積層体１１０を構成する。積層体１１０には、空気出口連通孔４８ｂの下方に位置し、燃料電池１２の冷却媒体供給連通孔２８ａと積層方向に重なり合って冷却媒体入口連通孔１１２ａが設けられるとともに、空気オフガス入口連通孔５０ａの上方に位置し、前記燃料電池１２の冷却媒体排出連通孔２８ｂと積層方向に重なり合って冷却媒体出口連通孔１１２ｂが設けられる。

加湿器１０２の冷却媒体入口連通孔１１２ａ及び冷却媒体出口連通孔１１２ｂには、配管部材６０ｃ、６０ｄが積層方向に貫通して挿入される。配管部材６０ｃ、６０ｄは、上記の配管部材６０ａ、６０ｂと同様に構成されている。図７に示すように、燃料電池システム１００は、加湿器１０２側に酸化剤ガス供給系７０、燃料ガス供給系７２及び冷却媒体供給系７４を備える。

この第２の実施形態では、加湿器１０２内に酸化剤ガスである空気、燃料ガスである水素ガス及び冷却媒体を流通されることにより、燃料電池１２に前記空気、水素ガス及び冷却媒体を供給するように構成している。その際、加湿器１０２で加湿処理に使用されない水素ガス及び燃料オフガスは、配管部材６０ａ、６０ｂ内を通るとともに、冷却媒体は、同様に配管部材６０ｃ、６０ｄ内を通過している。

従って、水素の他、冷却媒体をシールするためのシール構造が不要になり、加湿器１０２全体のシール構造が有効に簡素化されるとともに、シール性の向上が図られるという効果が得られる。しかも、４本の配管部材６０ａ〜６０ｄが、加湿器１０２内に貫通して挿入されるため、前記加湿器１０２の強度の向上を図ることができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

さらに、燃料電池システム１００では、スタックの一方側に、すなわち、第３エンドプレート１８ｃ側に、全ての配管（水素ガス、空気及び冷却媒体の出入り用配管）が集められている。このため、配管作業が一層簡素化されるとともに、一体型の配管構造を採用することが可能になる。

図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１２０の一部分解斜視説明図である。

燃料電池システム１２０は、燃料電池１２と平膜型加湿器１２２とを積層方向にスタックして構成される。加湿器１２２は、使用前の水素ガスを空気オフガスにより加湿するものであり、水透過性膜１２４の一方の面１２４ａに配設される第１セパレータ１２６と、前記水透過性膜１２４の他方の面１２４ｂに配設される第２セパレータ１２８とを備え、これらが複数積層されて積層体１３０を構成する。

積層体１３０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、空気出口連通孔４８ｂ、空気オフガス出口連通孔５０ｂ、燃料ガス入口連通孔５１ａ及び燃料オフガス出口連通孔５１ｂが形成される。積層体１３０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス出口連通孔５１ｃ及び空気オフガス入口連通孔５０ａが形成される。

第１セパレータ１２６の両面には、燃料ガス入口連通孔５１ａと燃料ガス出口連通孔５１ｃとを連通し、矢印Ｂ方向に一往復半だけ折り返すサーペンタイン流路である第１及び第２流路１３２、１３４が設けられる。第２セパレータ１２８の両面には、空気オフガス入口連通孔５０ａと空気オフガス出口連通孔５０ｂとを連通し、矢印Ｂ方向に一往復半だけ折り返すサーペンタイン流路である第３及び第４流路１３６、１３８が設けられる。

燃料オフガス出口連通孔５１ｂには、配管部材６０ｂが積層方向に貫通して挿入されるとともに、空気出口連通孔４８ｂには、配管部材６０ｅが積層方向に貫通して挿入される。

このように構成される第３の実施形態では、加湿器１２２の燃料ガス入口連通孔５１ａに供給される水素ガスは、第１セパレータ１２６の両面に設けられた第１及び第２流路１３２、１３４に沿って流動する一方、空気オフガス入口連通孔５０ａに排出される空気オフガスは、第２セパレータ１２８の両面に設けられた第３及び第４流路１３６、１３８に沿って流動する。

このため、空気オフガス中の水分は、水透過性膜１２４を透過して第１及び第２流路１３２、１３４に沿って移動する水素ガスに送られ、加湿された水素ガスが、燃料電池１２の燃料ガス供給連通孔３０ａに供給される。その際、加湿器１２２で加湿処理に使用されない反応前の空気は、配管部材６０ｅ内を通って燃料電池１２の酸化剤ガス供給連通孔２６ａに供給される一方、加湿処理に使用されない燃料オフガスは、配管部材６０ｂ内を通って加湿器１２２から排出される。これにより、第３の実施形態では、第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

図１０は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池システム１４０の一部分解斜視説明図である。

燃料電池システム１４０は、燃料電池１２に積層方向にスタックされる平膜型加湿器１４２を備える。加湿器１４２は、第２の実施形態と同様に、この加湿器１４２側に水素ガス、空気及び冷却媒体の供給系が設けられており、第２の実施形態及び第３の実施形態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。

加湿器１４２は、水透過性膜１４４を挟んで配置される第１及び第２セパレータ１４６、１４８を備える。第１セパレータ１４６には、サーペンタイン流路である第１及び第２流路１３２、１３４が設けられるとともに、第２セパレータ１４８には、同様にサーペンタイン流路である第３及び第４流路１３６、１３８が設けられる。水透過性膜１４４と第１及び第２セパレータ１４６、１４８とが積層されて積層体１５０を構成する。

積層体１５０は、空気出口連通孔４８ｂ、冷却媒体入口連通孔１１２ａ、燃料オフガス出口連通孔５１ｂ及び冷却媒体出口連通孔１１２ｂに配管部材６０ｅ、６０ｃ、６０ｂ及び６０ｄが積層方向に貫通して挿入される。

このように構成される第４の実施形態では、反応前の水素ガスが、空気オフガス中の水分により加湿される一方、加湿処理に使用されない反応前の空気、冷却媒体及び燃料オフガスは、配管部材６０ｄ〜６０ｅ内を通って移動している。このため、これらのシール構造が不要になり、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。

図１１は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池システム１６０の一部分解斜視説明図である。

燃料電池システム１６０は、加湿器１６２を備える。この加湿器１６２は、水素ガスと燃料オフガスとの間で水交換を行うものであり、水透過性膜１６４を挟んで第１及び第２セパレータ１６６、１６８が配設され、これらが積層されることにより積層体１７０が構成される。

積層体１７０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、空気出口連通孔４８ｂ、燃料オフガス出口連通孔５１ｂ及び燃料オフガス入口連通孔５１ｄが設けられる。この積層体１７０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス出口連通孔５１ｃ、燃料ガス入口連通孔５１ａ及び空気オフガス出口連通孔５０ｂが設けられる。

第１セパレータ１６６の両面には、燃料ガス入口連通孔５１ａと燃料ガス出口連通孔５１ｃとに連通し、略Ｕ字状に湾曲する第１及び第２流路１７２、１７４が形成される。第２セパレータ１６８の両面には、燃料オフガス入口連通孔５１ｄと燃料オフガス出口連通孔５１ｂとに連通し、略Ｕ字状に湾曲する第３及び第４流路１７６、１７８が形成される。空気出口連通孔４８ｂ及び空気オフガス出口連通孔５０ｂには、配管部材６０ｅ、６０ｆが積層方向に貫通して挿入される。

このように構成される第５の実施形態では、加湿器１６２の燃料ガス入口連通孔５１ａに供給される水素ガスは、第１セパレータ１６６の第１及び第２流路１７２、１７４に沿って供給される一方、燃料電池１２から燃料オフガス入口連通孔５１ｄに排出される燃料オフガスは、第２セパレータ１６８の第３及び第４流路１７６、１７８に沿って移動する。

このため、燃料オフガス中の水分は、水透過性膜１６４を透過して水素ガスに供給され、加湿された水素ガスが、燃料ガス出口連通孔５１ｃから燃料電池１２に供給される。その際、反応前の空気は、配管部材６０ｅ内を通って燃料電池１２に供給されるとともに、空気オフガスは、配管部材６０ｆ内を通って加湿器１６２の外部に排出される。従って、空気出口連通孔４８ｂ及び空気オフガス出口連通孔５０ｂに、専用のシール構造が不要になるという効果が得られる。

図１２は、本発明の第６の実施形態に係る燃料電池システム１８０の一部分解斜視説明図である。

燃料電池システム１８０は、第２及び第５の実施形態を併せた構成を採用しており、加湿器１８２を備える。この加湿器１８２は、水透過性膜１８４を挟んで配置される第１及び第２セパレータ１８６、１８８を備え、これらが積層されて積層体１９０が構成される。

積層体１９０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、空気出口連通孔４８ｂ、燃料オフガス出口連通孔５１ｂ、冷却媒体入口連通孔１２２ａ及び燃料オフガス入口連通孔５１ｄが設けられる。積層体１９０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、燃料ガス出口連通孔５１ｃ、冷却媒体出口連通孔１１２ｂ、燃料ガス入口連通孔５１ａ及び空気オフガス出口連通孔５０ｂが設けられる。

空気出口連通孔４８ｂ、冷却媒体入口連通孔１１２ａ、冷却媒体出口連通孔１１２ｂ及び空気オフガス出口連通孔５０ｂには、配管部材６０ｅ、６０ｃ、６０ｄ及び６０ｆが積層方向に貫通して挿入される。

なお、第１及び第２の実施形態では、反応前の空気を空気オフガスにより加湿する構造を採用し、第２、第３及び第４の実施形態では、反応前の水素ガスを空気オフガスにより加湿構造を採用し、さらに第５及び第６の実施形態では、反応前の水素ガスを燃料オフガスにより加湿する構造を採用しているが、これに限定されるものではない。例えば、反応前の空気を燃料オフガスにより加湿する構造を採用してもよく、さらに流路形状は、略Ｕ字状やサーペンタインに限定されず、種々の形状が採用可能である。また、冷却媒体として、例えば、純水が使用される場合には、この冷却媒体により反応前の水素ガス及び／又は空気を加湿してもよい。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 前記燃料電池システムの概略斜視説明図である。 前記燃料電池システムを構成する発電セルの要部分解斜視図である。 前記燃料電池システムの一部分解斜視説明図である。 前記燃料電池システムを構成する加湿器の一部断面説明図である。 前記燃料電池システムの配管部材を説明する一部断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 前記燃料電池システムの一部分解斜視説明図である。 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分解斜視説明図である。 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分解斜視説明図である。 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分解斜視説明図である。 本発明の第６の実施形態に係る燃料電池システムの一部分解斜視説明図である。 特許文献１の燃料電池スタックの概略構成説明図である。

符号の説明

１０、１００、１２０、１４０、１６０、１８０…燃料電池システム
１２…燃料電池
１４、１０２、１２２、１４２、１６２、１８２…加湿器
１６…発電セル １８ａ〜１８ｃ…エンドプレート
２０ａ…固体高分子電解質膜 ２０ｂ…アノード側電極
２０ｃ…カソード側電極
２２、２４、４２、４４、１０６、１０８、１２６、１２８、１４６、１４８、１６６、１６８、１８６、１８８…セパレータ
２６ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ２６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
２８ａ…冷却媒体供給連通孔 ２８ｂ…冷却媒体排出連通孔
３０ａ…燃料ガス供給連通孔 ３０ｂ…燃料ガス排出連通孔
３２…燃料ガス流路 ３４…冷却媒体流路
３６…酸化剤ガス流路
４０、１０４、１２４、１４４、１６４、１８４…水透過性膜
４６、１１０、１３０、１５０、１７０、１９０…積層体
４８ａ…空気入口連通孔 ４８ｂ…空気出口連通孔
５０ａ…空気オフガス入口連通孔 ５０ｂ…空気オフガス出口連通孔
５１ａ…燃料ガス入口連通孔 ５１ｂ…燃料オフガス出口連通孔
５１ｃ…燃料ガス出口連通孔 ５１ｄ…燃料オフガス入口連通孔
５２、５４、５６、５８、１３２、１３４、１３６、１３８、１７２、１７４、１７６、１７８…流路
６０ａ〜６０ｆ…配管部材 ７０…酸化剤ガス供給系
７２…燃料ガス供給系 ７４…冷却媒体供給系
１１２ａ…冷却媒体入口連通孔 １１２ｂ…冷却媒体出口連通孔

Claims (3)

1. 電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとを積層し、反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されるとともに、冷却媒体が供給される固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池に供給される少なくとも一方の反応ガスを、加湿流体によって加湿する水透過性膜を設ける平膜型加湿器とが、積層方向にスタックされる燃料電池システムであって、
   前記平膜型加湿器には、他方の反応ガス又は冷却媒体の少なくともいずれかを流す配管部材が、積層方向に貫通して挿入され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、前記固体高分子型燃料電池の両端には、第１及び第２エンドプレートが配置されるとともに、
   前記第２エンドプレートに前記平膜型加湿器の一端側が積層され且つ前記平膜型加湿器の他端側に第３エンドプレートが配置され、
   前記配管部材は、前記第２エンドプレートから前記第３エンドプレートまで一体に挿入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、前記加湿流体は、前記固体高分子型燃料電池から排出される前記一方の反応ガスの排ガスであり、
   前記排ガス中の水分が前記水透過性膜を透過して前記一方の反応ガスを加湿することを特徴とする燃料電池システム。

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