JP2007149386A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、平膜型加湿器を積層方向に正確且つ強固に位置決め保持するとともに、圧損の低減を図って効率的な加湿を行うことを可能にする。
【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、空気入口連通孔４８ａ、空気出口連通孔４８ｂ、空気オフガス入口連通孔５０ａ及び空気オフガス出口連通孔５０ｂに、配管部材６０ａ、６０ｂ、６２ａ及び６２ｂが挿入される。配管部材６０ａ、６０ｂ、６２ａ及び６２ｂには、内部を流れる空気又は空気オフガスの流れ方向に沿って開口断面積が減少する傾斜連通孔７８ａ、７８ｂ、８０ａ及び８０ｂが設けられる。
【選択図】図６

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燃料ガス及び酸化剤ガスの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１４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８−１３８９０４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。

さらに、加湿ユニット２では、それぞれ複数の部品を備えた水素ガス加湿器２ａ及び酸素含有ガス加湿器２ｂが積層されている。このため、水素ガス加湿器２ａ及び酸素含有ガス加湿器２ｂを互いに正確に位置決め保持することが困難になり、特に横方向（積層方向に交差する方向）からの荷重に対して相対位置を保持することができないという問題がある。

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、平膜型加湿器を積層方向に正確且つ強固に位置決め保持するとともに、圧損の低減を図って効率的な加湿を行う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、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燃料ガス及び酸化剤ガスの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。

平膜型加湿器には、一方の反応ガス又は加湿流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とともに、前記配管部材は、流れ方向に沿って開口断面積が減少する傾斜連通孔を有している。

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、少なくとも前記第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、配管部材は、円筒形状の外周部に軸方向に延在する開口部を設けるとともに、前記開口部を介して外径寸法が拡縮自在に構成されることが好ましい。

さらにまた、連通孔は、加湿処理前の一方の反応ガス又は加湿流体の少なくともいずれかを流す入口連通孔と、加湿処理後の前記一方の反応ガス又は前記加湿流体の少なくともいずれかを流す出口連通孔とを有するとともに、前記入口連通孔の開口断面積は、前記出口連通孔の開口断面積よりも大きく設定されることが好ましい。

本発明では、一方の反応ガス又は加湿流体の少なくともいずれかを流す配管部材が、平膜型加湿器を積層方向に貫通して挿入されるため、前記平膜型加湿器全体を正確且つ強固に位置決め保持することができる。従って、特に平膜型加湿器に積層方向に交差する方向に荷重が付与される際にも、前記平膜型加湿器の横ずれを可及的に阻止することが可能になる。

しかも、配管部材は、流れ方向に沿って開口断面積が減少する傾斜連通孔を有している。これにより、流れ方向下流側で分配性が低下することがなく、均一且つ良好な分配を行うことができる。

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及び図５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。

図４に示すように、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）を導入する空気入口連通孔４８ａと、加湿された反応前の空気を燃料電池１２に供給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。空気入口連通孔４８ａ及び空気出口連通孔４８ｂは、開口断面が円形状に設定されるとともに、前記空気入口連通孔４８ａの開口断面積は、前記空気出口連通孔４８ｂの開口断面積よりも大きく設定される。

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。空気オフガス入口連通孔５０ａ及び空気オフガス出口連通孔５０ｂは、開口断面が円形状に設定されるとともに、前記空気オフガス入口連通孔５０ａの開口断面積は、前記空気オフガス出口連通孔５０ｂの開口断面積よりも大きく設定される。

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１及び第２流路５２、５４の両端には、空気入口連通孔４８ａと空気出口連通孔４８ｂとに連通するバッファ部５５ａ、５５ｂが設けられる。バッファ部５５ａ、５５ｂは、複数のエンボスにより構成される。

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。第３及び第４流路５６、５８の両端には、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とに連通するバッファ部５９ａ、５９ｂが設けられる。バッファ部５９ａ、５９ｂは、複数のエンボスにより構成される。

図６に示すように、加湿器１４では、空気入口連通孔４８ａ、空気出口連通孔４８ｂ、空気オフガス入口連通孔５０ａ及び空気オフガス出口連通孔５０ｂに、配管部材６０ａ、６０ｂ、６２ａ及び６２ｂが挿入される。

第２エンドプレート１８ｂには、配管部材６０ａ、６０ｂ、６２ａ及び６２ｂの一端部を嵌合するための穴部６４ａ、６４ｂ、６６ａ及び６６ｂが所定の深さに形成される。穴部６４ｂは、孔部６８ａを介して酸化剤ガス供給連通孔２６ａに連通する一方、穴部６６ａは、孔部６８ｂを介して酸化剤ガス排出連通孔２６ｂに連通する。

第３エンドプレート１８ｃには、配管部材６０ａ、６２ｂを挿通する孔部７０ａ、７０ｂと、配管部材６０ｂ、６２ａを嵌合するための穴部７２ａ、７２ｂとが設けられる。

配管部材６０ａ、６０ｂ、６２ａ及び６２ｂは、金属あるいは樹脂により形成されており、円筒形状を有する。配管部材６０ａ、６０ｂ、６２ａ及び６２ｂは、それぞれの外周部に軸方向に延在し且つ所定の幅寸法を有する開口部７４ａ、７４ｂ、７６ａ及び７６ｂを設けるとともに、内部を流れる空気又は空気オフガスの流れ方向に沿って開口断面積が減少する傾斜連通孔７８ａ、７８ｂ、８０ａ及び８０ｂを有する。

図７に示すように、配管部材６２ａは、開口部７６ａが各積層体４６の第３及び第４流路５６、５８に向かって配置される。配管部材６２ａの内壁面は、空気オフガスの流れ方向（矢印Ａ１方向）に向かって内方に膨出するテーパ壁面８２を設けることにより、傾斜連通孔８０ａが形成される。なお、配管部材６２ａ内に、テーパ壁面８２の形状に対応する流路部材を個別に収容してもよい。

配管部材６０ａは、上記の配管部材６２ａと同様に、空気の流れ方向（矢印Ａ２方向）に向かって、内方に膨出するテーパ壁面８２ｂを設ける（図８参照）。他の配管部材６０ｂ、６２ｂは、それぞれ上記の配管部材６０ａ、６２ａと同様に構成してもよく、あるいはテーパ壁面を設けなくてもよい。

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９０と、燃料電池１２側に設けられる燃料ガス供給系９２及び冷却媒体供給系９４とを備える。

酸化剤ガス供給系９０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９６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９８とを備える。空気供給流路９６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）１００が設けられる。

燃料ガス供給系９２は、第１エンドプレート１８ａに接続されて燃料電池１２の燃料ガス供給連通孔３０ａに水素ガスを供給するための水素供給流路１０２と、前記燃料電池１２の燃料ガス排出連通孔３０ｂから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１０２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１０４とを備える。

水素供給流路１０２には、高圧水素を貯留する水素タンク１０６と、前記水素タンク１０６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１０８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１０４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１１０とが配設される。

冷却媒体供給系９４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１１２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１１４に戻す冷却媒体循環流路１１６と、前記冷却媒体タンク１１４内の前記冷却媒体を循環させるポンプ１１８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１０６から水素供給流路１０２に供給される水素ガスは、レギュレータ１０８を介して所定の圧力に減圧された後、エゼクタ１１０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、図１に示すように、水素循環流路１０４に排出されてエゼクタ１１０の吸引作用下に水素供給流路１０２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１００を介して、空気供給流路９６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に挿入されている配管部材６０ａ内に供給される（図２参照）。

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。このため、配管部材６０ａに供給された空気は、前記配管部材６０ａの外周部に軸方向に延在して形成された開口部７４ａから空気入口連通孔４８ａに導入される（図８参照）。

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に挿入されている配管部材６２ａ内に供給される。この空気オフガスは、図７に示すように、配管部材６２ａに軸方向に延在して形成された開口部７６ａを通って第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、空気出口連通孔４８ｂに挿入される配管部材６０ｂ内に、第１及び第２流路５２、５４に連通する開口部７４ｂを通って導入される。加湿された空気は、配管部材６０ｂ内を矢印Ａ２方向に移動して燃料電池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に挿入されている配管部材６２ｂ内に排出される。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９４では、ポンプ１１８の作用下に冷却媒体タンク１１４内の冷却媒体が、冷却媒体供給流路１１２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１１６に排出され、冷却媒体タンク１１４に戻される。

この場合、第１の実施形態では、図６に示すように、加湿器１４に設けられている空気入口連通孔４８ａ、空気出口連通孔４８ｂ、空気オフガス入口連通孔５０ａ及び空気オフガス出口連通孔５０ｂには、第２エンドプレート１８ｂから第３エンドプレート１８ｂに一体に延在して、それぞれ配管部材６０ａ、６０ｂ、６２ａ及び６２ｂが挿入されている。

このため、加湿器１４全体を正確且つ強固に位置決め保持することができる。これにより、特に、加湿器１４に積層方向に交差する方向に荷重が付与される際にも、前記加湿器１４の横ずれを可及的に阻止することが可能になるという効果が得られる。その際、配管部材６０ａ、６０ｂ、６２ａ及び６２ｂを金属製パイプで構成すれば、加湿器１４全体の強度が一層向上するという利点がある。

しかも、配管部材６０ａ、６０ｂ、６２ａ及び６２ｂは、それぞれ内部を流れる空気又は空気オフガスの流れ方向に沿って開口断面積が減少する傾斜連通孔７８ａ、７８ｂ、８０ａ及び８０ｂを有している。従って、空気及び空気オフガスは、流れ方向下流側で分配性が低下することがなく、均一且つ良好な分配を確実に遂行することができる。

さらに、配管部材６０ａ、６０ｂ、６２ａ及び６２ｂは、円筒形状を有するとともに、それぞれ開口部７４ａ、７４ｂ、７６ａ及び７６ｂが軸方向に延在して設けられるため、外径寸法が拡縮自在に構成されている。このため、配管部材６０ａ、６０ｂ、６２ａ及び６２ｂは、空気入口連通孔４８ａ、空気出口連通孔４８ｂ、空気オフガス入口連通孔５０ａ及び空気オフガス出口連通孔５０ｂの内壁面に密着することが可能になり、シール部材が不要になり、構成の簡素化が容易に図られる。

さらにまた、空気入口連通孔４８ａは、空気出口連通孔４８ｂよりも大きな開口断面積に設定される一方、空気オフガス入口連通孔５０ａは、空気オフガス出口連通孔５０ｂよりも大きな開口断面積に設定されている。これにより、空気及び空気オフガスの圧損を良好に低減することができる。

なお、第１の実施形態では、空気入口連通孔４８ａ、空気出口連通孔４８ｂ、空気オフガス入口連通孔５０ａ及び空気オフガス出口連通孔５０ｂに、配管部材６０ａ、６０ｂ、６２ａ及び６２ｂを挿入しているが、これに限定されるものではなく、例えば、前記配管部材６０ａ、６０ｂのみを用いてもよい。

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。また、以下に説明する第３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１２０は、固体高分子型燃料電池１２２を備える。この燃料電池１２２を構成する発電セル１２４は、図１０に示すように、矢印Ａ方向に互いに連通して、開口断面円形状の酸化剤ガス供給連通孔１２６ａ及び酸化剤ガス排出連通孔１２６ｂを設ける。酸化剤ガス供給連通孔１２６ａは、加湿器１４の空気出口連通孔４８ｂと同軸且つ同一直径に設定される。酸化剤ガス排出連通孔１２６ｂは、加湿器１４の空気オフガス入口連通孔５０ａと同軸且つ小径に設定される。なお、酸化剤ガス供給連通孔１２６ａの開口断面積は、酸化剤ガス排出連通孔１２６ｂの開口断面積よりも大きく設定されることが好ましい。

燃料電池システム１２０では、図９に示すように、燃料電池１２２の酸化剤ガス供給連通孔１２６ａから加湿器１４の空気出口連通孔４８ｂに一体に配管部材１２８が挿入されるとともに、前記燃料電池１２２の酸化剤ガス排出連通孔１２６ｂから空気オフガス入口連通孔５０ａに一体に配管部材１３０が挿入される。

配管部材１３０は、酸化剤ガス排出連通孔１２６ｂに挿入される小径側の第１管部１３２ａと、空気オフガス入口連通孔５０ａに挿入される大径側の第２管部１３２ｂとを同軸的に設ける。なお、酸化剤ガス排出連通孔１２６ｂと空気オフガス入口連通孔５０ａとが同軸且つ同一直径に設定される場合には、配管部材１３０は、全長にわたって同一直径に設定される。第１エンドプレート１８ａは、配管部材１２８、１３０の端部が嵌合する穴部１３４ａ、１３４ｂを所定の深さに設ける。

このように構成される第２の実施形態では、配管部材１２８、１３０が、燃料電池１２２から加湿器１４にわたって、具体的には、第１エンドプレート１８ａから第３エンドプレート１８ｃにわたって一体に配置されている。このため、燃料電池システム１２０全体として強固且つ確実に位置決め保持することができるという効果が得られる。

なお、配管部材１２８、１３０は、燃料電池１２２内に挿入されるため、好ましくは、樹脂製パイプにより構成される。また、図１１に示すように、第１及び第２セパレータ４２、４４には、配管部材１３０が挿入される部分にバーリング加工を施してフランジ部１３６を設けてもよい。

図１２は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１５０の概略構成説明図である。

燃料電池システム１５０は、燃料電池１２と加湿器１５４とを備える。加湿器１５４は、図１３に示すように、空気入口連通孔４８ａ、空気出口連通孔４８ｂ、空気オフガス入口連通孔５０ａ及び空気オフガス出口連通孔５０ｂが長方形乃至正方形の矩形状に設定される。加湿器１５４では、空気入口連通孔４８ａ、空気出口連通孔４８ｂ、空気オフガス入口連通孔５０ａ及び空気オフガス出口連通孔５０ｂにそれぞれ矩形状の配管部材１５６ａ、１５６ｂ、１５８ａ及び１５８ｂが挿入される。配管部材１５６ａ、１５６ｂ、１５８ａ及び１５８ｂは、それぞれ金属あるいは樹脂で構成されるとともに、弾性変形可能である。

このように構成される第３の実施形態では、加湿器１５４の積層方向に沿って一体的に配管部材１５６ａ、１５６ｂ、１５８ａ及び１５８ｂが挿入されており、この加湿器１５４を強固且つ確実に位置決め保持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。

また、配管部材１５６ｂ、１５８ｂは、第１の実施形態と同様に、燃料電池１２を貫通して第１エンドプレート１８ａまで延在して構成してもよい。

なお、第１〜第３の実施形態では、積層方向に延在するスリット状の開口部７４ａ、７４ｂ、７６ａ及び７６ｂを設けているが、これに代えて、空気オフガスの流れ方向に沿って開口径が縮小される複数の孔部を用いたり、複数の孔部の配置密度を密から粗に構成したりしてもよい。

さらに、第１〜第３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ているが、反応前の水素ガスを空気オフガスにより加湿する構造、反応前の水素ガスを燃料オフガスにより加湿する構造、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い。さらにまた、流路形状は、略Ｕ字状に限定されず、例えば、サーペンタイン等、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一部省略斜視説明図である。 前記燃料電池システムを構成する配管部材を説明する一部断面図である。 前記加湿器の一部断面正面図である。 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省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を構成する配管部材を説明する一部断面図である。 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省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。 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、１２０、１５０…燃料電池システム １２、１２２…燃料電池
１４、１５４…加湿器 １６、１２４…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…セパレータ
２６ａ、１２６ａ…酸化剤ガス供給連通孔
２６ｂ、１２６ｂ…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…水透過性膜
４６…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 ５２、５４、５６、５８…流路
６０ａ、６０ｂ、６２ａ、６２ｂ、１２８、１３０、１５６ａ、１５６ｂ、１５８ａ、１５８ｂ…配管部材
７４ａ、７４ｂ、７６ａ、７６ｂ…開口部
７８ａ、７８ｂ、８０ａ、８０ｂ…傾斜連通孔
８２…テーパ壁面 ９０…酸化剤ガス供給系
９２…燃料ガス供給系 ９４…冷却媒体供給系

Claims (4)

1. 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燃料ガス及び酸化剤ガスの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、前記一方の反応ガス又は前記加湿流体の少なくともいずれかを流す連通孔が、積層方向に貫通して設けられ、
   前記連通孔に配管部材が挿入されるとともに、
   前記配管部材は、流れ方向に沿って開口断面積が減少する傾斜連通孔を有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、少なくとも前記第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、前記配管部材は、円筒形状の外周部に軸方向に延在する開口部を設けるとともに、
   前記開口部を介して外径寸法が拡縮自在に構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、前記連通孔は、加湿処理前の前記一方の反応ガス又は前記加湿流体の少なくともいずれかを流す入口連通孔と、
   加湿処理後の前記一方の反応ガス又は前記加湿流体の少なくともいずれかを流す出口連通孔と、
   を有するとともに、
   前記入口連通孔の開口断面積は、前記出口連通孔の開口断面積よりも大きく設定されることを特徴とする燃料電池システム。

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