JP3839978B2 - 固体高分子型燃料電池システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜を電解質とする固体高分子型燃料電池に係り、特に既反応ガス中に含まれる熱および水蒸気を未反応ガスに移動させる温度および湿度交換（以下、温湿度交換と称する）構造を有する固体高分子型燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。
【０００３】
この種の燃料電池は、電解質の違い等により様々なタイプのものに分類されるが、その一つとして、電解質に固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池が知られている。
【０００４】
図１７は、この種の固体高分子型燃料電池スタックの構成例を示す断面図である。
【０００５】
図１７において、固体高分子型燃料電池スタックは、燃料極（以下、アノード電極と称する）１および酸化剤極（以下、カソード電極と称する）２からなる一対のガス拡散電極間に、それぞれＰｔ等からなる触媒層３を介して、イオン伝導性とガス分離機能を有する固体高分子電解質膜４を挟持させてなる単電池５と、それぞれの電極１，２に反応ガスを供給するための溝を有するガス不透過性のセパレータ６とから構成される。
【０００６】
アノード電極１に水素等の燃料ガス、カソード電極２に空気等の酸化剤ガスを供給すると、電気化学反応によって単電池５で起電力が生じる。この単電池５の起電力は高々１Ｖ程度と低いため、通常、複数の単電池５を積層した単電池積層体７として使用される。この電気化学反応は発熱反応であるので、余剰な熱を除去するため、単電池５をセパレータ６を介して複数積層した単電池積層体７毎に、冷却媒体（冷媒）を流通させた冷却板８が挿入されている。
【０００７】
また、系外へのガスリークは、ガス利用率の低下や水素等の可燃ガスによる爆発の危険性が生じるため、固体高分子電解質膜４とセパレータ６との間が、シール材９を用いてガスシールされている。
【０００８】
カソード電極２では、電極反応に伴なって水が生成されるが、電極反応部に水が凝縮すると、ガス拡散性が悪化するため、この水は未反応ガスと共に電池外に排出されるようになっている。
【０００９】
固体高分子電解質膜４としては、例えばフッ素系イオン交換膜であるパーフルオロスルホン酸膜が知られているが、これらの固体高分子電解質膜は分子中に水素イオンの交換基を持ち、飽和含水することによりイオン伝導性物質として機能する。
【００１０】
しかしながら、逆に固体高分子電解質膜４が乾燥すると、イオン導電性が悪化して電池性能が著しく低下するため、固体高分子電解質膜４の乾燥を防止するような手段が必要とされ、その中の一つとして、既反応ガス中に含まれる水蒸気を未反応ガスに移動させる手法が知られている。
【００１１】
この手法では、低温の未反応ガスと高温の既反応ガスとが、メッシュ状の流路を通って水分を透過させ他のガスは透過しにくい選択性に優れた保水性の多孔質体を介して接触することにより、多孔質体で既反応ガスに含まれる水分の凝縮が生じて、多孔質体が凝縮水で濡れる。また、同時に熱交換も行なわれるため、未反応ガスの温度が上昇すると共に、多孔質体からの水分の蒸発が生じて、未反応ガスが加湿される。すなわち、液状の水を用いることなく加湿することが可能となる。
【００１２】
図１８は、従来の固体高分子型燃料電池システムの構成例を示す分解斜視図である。
【００１３】
図１８において、固体高分子型燃料電池システムは、前述した固体高分子型燃料電池スタックからなる電池部１０と、熱交換および湿度交換を行なう温湿度交換部１１とを、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体の連絡用貫通流路を有す
るエンドプレート１２を介して一体化した構成となっている。
【００１４】
温湿度交換部１１側の一端面には、酸化剤ガス，燃料ガス，冷却媒体の入口１３，１４，１５、および酸化剤ガス，燃料ガス，冷却媒体の出口１６，１７，１８が、それぞれ図示のように設けられると共に、未反応ガス入口マニホールド１９、既反応ガス出口マニホールド２０が、それぞれ図示のように設けられている。
【００１５】
また、温湿度交換部１１側の他端面には、既反応ガス入口マニホールド２１、未反応ガス出口マニホールド２２が、それぞれ図示のように設けられている。
【００１６】
一方、電池部１０のエンドプレート１２の反対側端面には、酸化剤ガス，燃料ガス，冷却媒体の入口２３，２４，２５、および酸化剤ガス，燃料ガス，冷却媒体の出口２６，２７，２８が、それぞれ図示のように設けられている。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような手段では、カソード電極２で生成される水を電池内で循環させることで、無加湿運転等で供給する反応ガス中の水蒸気量が少ない場合でも、固体高分子電解質膜４の乾燥を防ぎ、高性能で、コンパクト性に優れ、しかも周囲環境温度が０℃以下となるような低温時でも、短時間で確実な起動を行なうことが可能な固体高分子型燃料電池システムを得ることができる。
【００１８】
しかしながら、温湿度交換部側の端面に、酸化剤ガス，燃料ガス，冷却媒体の供給口を必要とすることから、同一端面に配管が集中して複雑となるだけでなく、酸化剤ガスである酸素と燃料ガスである水素とが、温湿度交換部内部で同時に存在するため、水素−酸素混合による爆発の危険性がある。
【００１９】
また、温湿度交換部内部に冷却媒体用流路を確保する必要があり、冷却することが好ましくない温湿度交換部に冷却媒体が通過し、半強制的に冷却を行なってしまうことになる。
【００２０】
本発明の目的は、温湿度交換部の特徴を確保した状態で各供給口を散逸させることにより、配管の自由度を増して水素−酸素混合に伴なう爆発の危険性を低減し、また冷却媒体による冷却域を自在にコントロールすることが可能な固体高分子型燃料電池システムを提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明では、燃料極および酸化剤極からなる一対のガス拡散電極間に触媒層を介して固体高分子電解質膜を挟持させてなり、電池反応部での燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学的反応により発電を行ない電気的出力を発生する単電池を、前記燃料極および酸化剤極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するための溝を有するガス不透過性のセパレータ、および冷却媒体が流通する冷却板を介して複数積層して成る固体高分子型電池スタックと、前記電池反応部を通過した酸化剤ガスと前記電池反応部を通過する前の酸化剤ガスとの熱交換および湿度交換を行なう温湿度交換部と、前記燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体の少なくとも１種類の連絡用貫通流路を有するプレートとを備え、前記固体高分子型燃料電池スタックと前記温湿度交換部とを、前記プレートを介して一体化し、前記温湿度交換部のプレート接触面の反対側端面に、前記酸化剤ガスの供給管、および排出管を設け、前記固体高分子型燃料電池スタックのプレート接触面の反対側端面に、前記燃料ガス、および冷却媒体の供給管および排出管を設けている。
【００２２】
従って、請求項１の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいては、温湿度交換部のプレート接触面の反対側端面に、酸化剤ガスの供給管および排出管を設け、固体高分子型燃料電池スタックのプレート接触面の反対側端面に、燃料ガス、および冷却媒体の供給管および排出管を設けることにより、各供給口を散逸させることが可能となり、配管の自由度向上と、水素−酸素混合に伴なう爆発の危険性を低減することができる。
【００２３】
また、請求項２の発明では、上記請求項１の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいて、プレートを、ステンレス鋼、または耐食コーティングを行なったアルミニウム等の金属プレートにより構成している。
【００２４】
従って、請求項２の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいては、固体高分子型燃料電池スタックと温湿度交換部とを介するプレートを、ステンレス鋼、または耐食コーティングを行なったアルミニウム等の金属プレートから構成することにより、プレートの薄肉化による燃料電池全体のコンパクト化および強度向上を図ることができ、さらに電気伝導性を持つため、集電板も兼ねることができる。
【００２５】
さらに、請求項３の発明では、上記請求項１の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいて、プレートを、樹脂等の非金属を材料とするプレートにより構成している。
【００２６】
従って、請求項３の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいては、固体高分子型燃料電池スタックと温湿度交換部とを介するプレートを、樹脂等の非金属を材料とするプレートから構成することにより、燃料電池全体の軽量化を図ることができる。
【００２７】
一方、請求項４の発明では、上記請求項１の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいて、プレートを、樹脂等の非金属を材料とするプレートの少なくとも電池側端面に、ステンレス鋼、または耐食コーティングを行なったアルミニウム等の金属プレートを一体化させた多重プレートにより構成している。
【００２８】
従って、請求項４の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいては、固体高分子型燃料電池スタックと温湿度交換部とを介するプレートを、樹脂等の非金属を材料とするプレートの少なくとも電池側端面に、ステンレス鋼、または耐食コーティングを行なったアルミニウム等の金属プレートを一体化させたサンドイッチ構造の多重プレートから構成することにより、プレートの強度を損なうことなく、燃料電池の軽量化を図ることができ、さらに集電板も兼ねることができる。
【００２９】
また、請求項５の発明では、上記請求項１の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいて、プレートを、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫよりも小さい材料により構成している。
【００３０】
従って、請求項５の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいては、固体高分子型燃料電池スタックと温湿度交換部とを介するプレートを、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫよりも小さい材料から構成することにより、プレートを介した温湿度交換部への熱移動を最小限に留めることに加えて、固体高分子型燃料電池スタックのプレート側端部の温度低下を防ぎ、電池性能の劣化を防止することができる。
【００３１】
さらに、請求項６の発明では、上記請求項１の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいて、プレートは、固体高分子型燃料電池スタックを構成するセパレータと同一材料で、少なくとも同一の外形形状を有している。
【００３２】
従って、請求項６の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいては、固体高分子型燃料電池スタックと温湿度交換部とを介するプレートは、固体高分子型燃料電池スタックを構成するセパレータと同一材料で、少なくとも同一の外形形状を有することにより、部品点数の減少、加工工数の低減によるコストダウンを図ることができ、さらに集電板も兼ねることができる。
【００３３】
一方、請求項７の発明では、燃料極および酸化剤極からなる一対のガス拡散電極間に触媒層を介して固体高分子電解質膜を挟持させてなり、電池反応部での燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学的反応により発電を行ない電気的出力を発生する単電池を、前記燃料極および酸化剤極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するための溝を有するガス不透過性のセパレータ、および冷却媒体が流通する冷却板を介して複数積層して成る固体高分子型電池スタックと、前記電池反応部を通過した酸化剤ガスと前記電池反応部を通過する前の酸化剤ガスとの熱交換および湿度交換を行なう温湿度交換部と、前記燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体の少なくとも１種類の連絡用貫通流路を有する゜レートとを備え、
前記固体高分子型燃料電池スタックと前記温湿度交換部とを、前記プレートを介して一体化し、前記プレートは、前記固体高分子型燃料電池スタックのプレート接触面の反対側端面に前記燃料ガスの供給管を有し、かつプレート部の側面に排出管を有している。
【００３４】
従って、請求項７の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいては、プレートは、固体高分子型燃料電池スタックのプレート接触面の反対側端面に燃料ガスの供給管を有し、かつプレート部の側面に排出管を有することにより、各供給口を散逸させることが可能となり、配管の自由度向上と、水素−酸素混合に伴なう爆発の危険性を低減することができる。
【００３５】
また、請求項８の発明では、燃料極および酸化剤極からなる一対のガス拡散電極間に触媒層を介して固体高分子電解質膜を挟持させてなり、電池反応部での燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学的反応により発電を行ない電気的出力を発生する単電池を、前記燃料極および酸化剤極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するための溝を有するガス不透過性のセパレータ、および冷却媒体が流通する冷却板を介して複数積層して成る固体高分子型電池スタックと、前記電池反応部を通過した酸化剤ガスと前記電池反応部を通過する前の酸化剤ガスとの熱交換および湿度交換を行なう２つの温湿度交換部と、前記燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体の少なくとも１種類の連絡用貫通流路を有する２つのプレートとを備え、前記固体高分子型燃料電池スタックの両側に前記温湿度交換部を１つずつ、前記プレートを介して一体化し、前記一方の温湿度交換部のプレート接触面ではない側面に、前記酸化剤ガスの供給管および排出管を有し、前記他方の温湿度交換部のプレート接触面ではない側面に、前記燃料ガス、および冷却媒体の供給管および排出管を有している。
【００３６】
従って、請求項８の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいては、一方の温湿度交換部のプレート接触面ではない側面に、酸化剤ガスの供給管および排出管を有し、他方の温湿度交換部のプレート接触面ではない側面に、燃料ガス、および冷却媒体の供給管および排出管を有することにより、燃料ガスも温湿度交換されることから、燃料ガスに純水素を使用することが可能となり、また高い安全性を確保することができる。
【００３７】
さらに、請求項９の発明では、上記請求項８の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいて、燃料ガスの供給管側に冷却媒体の供給管を有し、燃料ガスの供給管から遠い方のプレートに排出管を有している。
【００３８】
従って、請求項９の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいては、燃料ガスの供給管側に冷却媒体の供給管を有し、燃料ガスの供給管から遠い方のプレートに排出管を有することにより、冷却を行ないたくない温湿度交換部の冷却を免除することができる。
【００３９】
一方、請求項１０の発明では、燃料極および酸化剤極からなる一対のガス拡散電極間に触媒層を介して固体高分子電解質膜を挟持させてなり、電池反応部での燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学的反応により発電を行ない電気的出力を発生する単電池を、前記燃料極および酸化剤極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するための溝を有するガス不透過性のセパレータ、および冷却媒体が流通する冷却板を介して複数積層して成る固体高分子型電池スタックと、前記電池反応部を通過した酸化剤ガスと前記電池反応部を通過する前の酸化剤ガスとの熱交換および湿度交換を行なう２つの温湿度交換部と、
前記燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体の少なくとも１種類の連絡用貫通流路を有する２つのプレートとを備え、前記温湿度交換部の両側に前記固体高分子型電池スタックを１つずつ、前記プレートを介して一体化し、前記温湿度交換部のプレート接触面ではない側面に、前記酸化剤ガスの供給管および排出管を有し、前記固体高分子型電池スタックのプレート接触面の反対側側面に、前記燃料ガスの供給管および排出管を有している。
【００４０】
従って、請求項１０の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいては、温湿度交換部のプレート接触面ではない側面に、酸化剤の供給管および排出管を有し、固体高分子型燃料電池スタックのプレート接触面の反対側端面に、燃料ガスの供給管および排出管を有することにより、固体高分子型燃料電池スタック長が半分になることから、既反応の酸化剤ガスが再び温湿度交換部へ到達するのに要する時間が半分以下となり、急激な出力の過渡変化時にもレスポンス良く反応することができる。
【００４１】
また、請求項１１の発明では、上記請求項１０の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいて、固体高分子型燃料電池スタックのプレート接触面の反対側端面に燃料ガスの供給管を有し、プレート接触面側の側面に排出管を有している。
【００４２】
従って、請求項１１の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいては、固体高分子型燃料電池スタックのプレート接触面の反対側端面に燃料ガスの供給管を有し、プレート接触面側の側面に排出管を有することにより、固体高分子型燃料電池スタック長が半分になることから、既反応の酸化剤ガスが再び温湿度交換部へ到達するのに要する時間が半分以下となり、急激な出力の過渡変化時にもレスポンス良く反応できるだけでなく、固体高分子型燃料電池スタック端面の配管を減らすことができ、配管全体の自由度を向上することができる。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００４４】
（第１の実施の形態：請求項１乃至請求項６に対応）
図１は本実施の形態による固体高分子型燃料電池システムの構成例を示す鳥瞰図、図２は同固体高分子型燃料電池システムの構成例を示す縦断面図であり、図１７および図１８と同一部分については同一符号を付して示している。
【００４５】
本実施の形態では、酸化剤ガスである空気、燃料ガスである水素、冷却材（媒体）である不凍液の流路構成に特徴があり、固体高分子型燃料電池スタックと温湿度交換部とを、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却材の少なくとも１種類の連絡用貫通流路を有するプレートを介して一体化し、温湿度交換部のプレート接触面の反対側端面に、酸化剤ガスの供給管，および排出管を設け、固体高分子型燃料電池スタックのプレート接触面の反対側端面に、燃料ガス、および冷却材の供給管および排出管を設けている。
【００４６】
すなわち、図１に示すように、固体高分子型燃料電池システムは、前述した固体高分子型燃料電池スタック２９からなる電池部と、温湿度交換部１１とを一体化した構成としており、酸化剤ガスである未反応の空気は、温湿度交換部１１側エンドプレート３０に配管された酸化剤供給口３１を通って、温湿度交換部１１へと導く。
【００４７】
また、燃料ガスである水素と冷却材である不凍液は、固体高分子型燃料電池スタック２９側のエンドプレート３２に配管された、それぞれ燃料ガス供給口３３、冷却材供給口３４を通って、電池部へと導く。
【００４８】
供給された未反応の空気は、温湿度交換部１１の各温湿度交換セル１１ａに分配された後、中間プレート３５内に設けられた未反応ガス出口マニホールド２２を通って、電池部へと流入する。この未反応の空気は、固体高分子型燃料電池スタック２９側のエンドプレート３２を通過して電池部に流入した未反応の燃料ガスと各燃料電池スタックセルにおいて電気化学的反応を起こし、その後、中間プレート３５側の酸化剤還流口３６から温湿度交換部１１へと還流する。
【００４９】
一方、反応を終えた燃料ガスは、固体高分子型燃料電池スタック２９側のエンドプレート３２の燃料ガス排出口３７を通って、排出する。電池部で反応を終え、温湿度交換部１１へと還流する高温、高湿の既反応空気は、中間プレート３５内に設けられた既反応ガス入口マニホールド２１を通って温湿度交換部１１へと導かれ、各温湿度交換セル１１ａに分配された後、既反応ガス出口マニホールド２０を通って排出する。
【００５０】
この時、温湿度交換部１１内に存在する未反応空気と保水性の多孔質体を介して温度、および湿度を交換し、未反応の空気は、前述のようにガス出口マニホールド２２を通って電池部へ、既反応の空気は温湿度交換部１１に配管された酸化剤排出口３８から排出する。
【００５１】
冷却材である不凍液は、水素を供給する側のエンドプレート３２に配管された冷却材供給口３４から供給され、エンドプレート３２内部に設けられた入口マニホールドを通って固体高分子型燃料電池スタック２９部へと導かれ、電池セル間を流通して、各セルの冷却を行なう。不凍液は、電池部内を循環した後、冷却材の供給側であるエンドプレート３２側に設けられた出口マニホールドを経て、冷却材排出口３９から排出する。
【００５２】
なお、固体高分子型燃料電池スタック２９には、酸化剤流入口４０、燃料ガス流入口４１、冷却材流入口４２、酸化剤還流口３６、燃料ガス還流口４３、冷却材還流口４４を、それぞれ図示のように設けている。
【００５３】
ここで、中間プレート３５としては、例えば図３に示すように、ステンレス鋼や耐食処理を施したアルミニウムにより構成しており、温湿度交換部１１側とはパッキン４５にてガスシールしている。
【００５４】
また、アルミニウム程度の熱伝導率を有する金属を用いる場合には、パッキン４５と温湿度交換１１部との間に、断熱材４６を挟むことが好ましい。
【００５５】
なお、図３中、４７は集電極である。
【００５６】
さらに、これら以外の金属材料でも、水蒸気を含む空気に対して、腐食を防止するような表面処理を行なっていれば、適応することが可能である。
【００５７】
一方、これに限られることはなく、例えば図４に示すように、中間プレート３５は、樹脂等の非金属を材料としてもよく、その場合には電池側に集電板４８を配置しておくことが好ましい。
【００５８】
また、図５に示すように、樹脂等の非金属プレート４９に薄い金属板５０を、少なくとも電池部側の端面に貼り付けて一体化したサンドイッチ構造としてもよい。
【００５９】
さらに、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫよりも小さな材料を用いた中間プレート３５でもよく、あるいは図６に示すように、固体高分子型燃料電池スタック２９を構成するセパレータ６と同一材料のセパレータ５１で代用することも可能である。
【００６０】
次に、以上のように構成した本実施の形態の固体高分子型燃料電池システムにおいては、酸化剤である空気の供給管を温湿度交換部１１側に、燃料ガスである水素の供給管および排出管を電池部側にそれぞれ配置していることにより、従来では温湿度交換部側のエンドプレートに集中していた配管群が散逸し、配管の自由度が高まるだけでなく、温湿度交換部１１内部での酸素−水素混合の危険性が全くなくなる。
【００６１】
また、温湿度交換セル１１ａに余分な水素流路を設ける必要もなくなり、加工工数の低減に加えて、全セル面積のうち、温湿度交換面積を大きく取ることが可能となる。すなわち、同じ温湿度交換能力を得ようとする場合に、コンパクト化を図ることが可能となる。
【００６２】
さらに、冷却材用の供給管および排出管を電池部側に配置していることにより、水素配管の場合と同様に、加工工数の低減、発電面積、および温湿度交換面積の拡大を図ることが可能となり、かかる効果が倍増するだけでなく、本来、性能に温度依存性があり、８０度前後に性能のピークを持つ温湿度交換部１１の冷却を回避することもできる。
【００６３】
一方、上記中間プレート３５の材質を、ステンレス鋼、または耐食コーティングを行なったアルミニウム等の金属としていることにより、車載時等の固体高分子型燃料電池システム自体に強度を要求される場合に、特に有効となるだけでなく、強度を要しない場合でも、薄肉化によるコンパクト化を図ることが可能であり、さらに電気伝導度を持つことから、集電板も兼ねることができ、
集電板を省略することも可能となる。
【００６４】
また、固体高分子型燃料電池スタック２９部と温湿度交換部１１とを連結する中間プレート３５の材質を樹脂等の非金属とした場合には、固体高分子型燃料電池システム全体の軽量化につながり、加工性が良いため、中間プレート３５に構成される酸化剤の入口、および出口マニホールドの製作が容易となる。
【００６５】
さらに、上記プレート３５を、樹脂等の非金属プレート４９の少なくとも電池部側の端面に薄い金属プレート５０を張りつけて一体化したサンドイッチ構造としていることにより、上記２つの効果が重畳し、軽量化、プレート強度増大、集電板の省略とそれぞれの利点を持ち合わせることが可能となる。
【００６６】
一方、上記中間プレート３５の材質を、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫよりも小さい材料で構成していることにより、固体高分子型燃料電池スタック２９部から温湿度交換部１１への断熱効果がさらに増大して、中間プレート３５と隣接するスタック端部でのセル温度低下が最小限に留められ、固体高分子型燃料電池スタックセルの積層方向温度分布が均一化するため、端部での電圧低下防止、セルの負荷均一化による寿命延長を図ることが可能となる。
【００６７】
また、上記中間プレート３５の材質を、固体高分子型燃料電池スタック２９を構成するセパレータ６と同一材料のセパレータ５１で、少なくとも同一の外径形状としていることにより、部品材料・点数を減少させ、加工工数も減少させて、コストダウンを図ることが可能となる。
【００６８】
さらに、セパレータ材であるため、電気導電性があり、ここでも集電板を省略することが可能となるのに加えて、膨張黒鉛等のセパレータ材によっては、断熱層を省略してもよく、より一層コンパクト化を図ることが可能となる。
【００６９】
（第２の実施の形態：請求項７、請求項２乃至請求項６に対応）
図７は本実施の形態による固体高分子型燃料電池システムの構成例を示す鳥瞰図、図８は同固体高分子型燃料電池システムの構成例を示す縦断面図であり、図１および図２と同一部分については同一符号を付して示している。
【００７０】
本実施の形態では、酸化剤ガスである空気、燃料ガスである水素、冷却材（媒体）である不凍液の流路構成に特徴があり、固体高分子型燃料電池スタックと温湿度交換部とを、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却材の少なくとも１種類の連絡用貫通流路を有するプレートを介して一体化し、プレートは、固体高分子型燃料電池スタックのプレート接触面の反対側端面に燃料ガスの供給管を有し、かつプレート部の側面に排出管を有するものとしている。
【００７１】
すなわち、図７に示すように、固体高分子型燃料電池システムは、前述した固体高分子型燃料電池スタック２９からなる電池部と、温湿度交換部１１とを一体化した構成としており、酸化剤ガスである未反応の空気は、温湿度交換部１１側エンドプレート３０に配管された酸化剤供給口３１を通って、温湿度交換部１１へと導く。
【００７２】
また、燃料ガスである水素と冷却材である不凍液は、固体高分子型燃料電池スタック２９側のエンドプレート３２に配管された、それぞれ燃料ガス供給口３３、冷却材供給口３４を通って電池部へと導く。
【００７３】
供給された未反応の空気は、温湿度交換部１１の各温湿度交換セル１１ａに分配された後、中間プレート３５内に設けられた未反応ガス出口マニホールド２２を通って、電池部へと流入する。この未反応の空気は、固体高分子型燃料電池スタック２９側のエンドプレート３２を通過して電池部に流入した未反応の燃料ガスと各燃料電池スタックセルにおいて電気化学的反応を起こし、その後、中間プレート３５側の酸化剤還流口３６から温湿度交換部１１へと還流する。
【００７４】
一方、反応を終えた燃料ガスは、電池部内部で合流し、中間プレート３５の何れかの辺に配管された燃料ガス排出口３７を通って、排出する。電池部で反応を終え、温湿度交換部１１へと還流する高温、高湿の既反応空気は、中間プレート３５内に設けられた既反応ガス入口マニホールド２１を通って温湿度交換部１１へと導かれ、各温湿度交換セル１１ａに分配された後、既反応ガス出口マニホールド２０を通って排出する。
【００７５】
この時、温湿度交換部１１内に存在する未反応空気と保水性の多孔質体を介して温度、および湿度を交換し、未反応の空気は、前述のようにガス出口マニホールド２２を通って電池部へ、既反応の空気は温湿度交換部１１に配管された酸化剤排出口３８から排出する。
【００７６】
冷却材である不凍液は、水素を供給する側のエンドプレート３２に配管された冷却材供給口３４から供給され、エンドプレート３２内部に設けられた入口マニホールドを通って固体高分子型燃料電池スタック２９部へと導かれ、電池セル間を流通して、各セルの冷却を行なう。不凍液は、電池部内を循環した後、冷却材の供給側であるエンドプレート３２側に設けられた出口マニホールドを経て、冷却材排出口３９から排出する。
【００７７】
なお、固体高分子型燃料電池スタック２９には、酸化剤流入口４０、燃料ガス流入口４１、冷却材流入口４２、酸化剤還流口３６、燃料ガス還流口４３、冷却材還流口４４を、それぞれ図示のように設けている。
【００７８】
また、中間プレート３５の材料に関しては、前述した第１の実施の形態の場合と同様であるので、ここではその説明を省略する。
【００７９】
次に、以上のように構成した本実施の形態の固体高分子型燃料電池システムにおいては、酸化剤である空気の供給管および排出管を温湿度交換部１１側に、燃料ガスである水素の供給管を電池部側にそれぞれ配置していることにより、従来では温湿度交換部側のエンドプレートに集中していた配管群が散逸し、配管の自由度が高まるだけでなく、温湿度交換部１１内部での酸素−水素混合の危険性が全くなくなる。
【００８０】
また、温湿度交換セル１１ａに余分な水素流路を設ける必要もなくなり、加工工数の低減に加えて、全セル面積のうち、温湿度交換面積を大きく取ることが可能となる。すなわち、同じ温湿度交換能力を得ようとする場合に、コンパクト化を図ることが可能となる。
【００８１】
さらに、水素の排出管を中間プレートの任意の場所に設けていることにより、配管自由度と水素の供給系・循環系・処理系の周囲機器の設置自由度がより一層増し、コンパクト化を図ることが可能となる。
【００８２】
さらにまた、冷却材用の供給管・排出管を電池部側に配置していることにより、水素配管の場合と同様に、加工工数の低減、および温湿度交換面積の拡大を図ることが可能となり、かかる効果が倍増するだけでなく、その性能の温度依存性からあまり冷却を行ないたくない温湿度交換部１１の冷却を回避することが可能となる。
【００８３】
（第３の実施の形態：請求項８および請求項９に対応）
図９は本実施の形態による固体高分子型燃料電池システムの構成例を示す鳥瞰図、図１０は同固体高分子型燃料電池システムの構成例を示す縦断面図であり、図１および図２と同一部分については同一符号を付して示している。
【００８４】
本実施の形態では、前述した固体高分子型燃料電池スタック２９からなる電池部と温湿度交換部１１との連結構成と、酸化剤ガスである空気、燃料ガスである水素、冷却材（媒体）である不凍液の流路構成に特徴があり、固体高分子型燃料電池スタックの両側に温湿度交換部を１つずつ、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却材の少なくとも１種類の連絡用貫通流路を有するプレートを介して一体化し、一方の温湿度交換部のプレート接触面ではない側面に、酸化剤ガスの供給管および排出管を有し、他方の温湿度交換部のプレート接触面ではない側面に、燃料ガス、および冷却材の供給管および排出管を有するものとしている。
【００８５】
すなわち、図９に示すように、固体高分子型燃料電池システムは、２つの温湿度交換部１１の間に中間プレート３５を介して、電池部を挟み込み一体化した構成としており、酸化剤ガスである未反応の空気は、いずれか一方の温湿度交換部１１のエンドプレート３０に配管された酸化剤供給口３１を通って、温湿度交換部１１へと導く。
【００８６】
また、燃料ガスである水素と冷却材である不凍液は、酸化剤ガス供給口３１の配管されたエンドプレート３０と反対側のエンドプレート３０に配管された、それぞれ燃料ガス供給口３３、冷却材供給口３４を通って、もう一方の温湿度交換部１１へと導く。
【００８７】
供給された未反応の空気は、エンドプレート３０内部に設けられた未反応ガス出口マニホールド２２を通って温湿度交換部１１へ、さらに中間プレート３５の未反応ガス酸化剤流入口４０を通って電池部へと導かれ、固体高分子型燃料電池スタック２９の各セルに分配する。
【００８８】
電池部でセルを通過し、反応を終えた高温、高湿の既反応空気は、電池部で合流し、固体高分子型燃料電池スタック２９端部の酸化剤還流口３６より中間プレート３５内へ流入し、さらに中間プレート３５内に設けられた既反応ガス入口マニホールド２１を通って温湿度交換部１１へと導かれ、温湿度交換セル１１ａに分配され、既反応ガス出口マニホールド２０を通って、排出する。
【００８９】
一方、燃料ガスである水素は、酸化剤供給口３１とは反対側のエンドプレート３０の内部に設けられた未反応ガス入口マニホールド１９を通って、酸化剤側とは別の温湿度交換部１１へ、さらに中間プレート３５の未反応燃料ガス流入口４１を通って電池部へと導かれ、固体高分子型燃料電池スタック２９の各セルに分配する。電池部でセルを通過し、酸化剤との反応を終えた高温、高湿の既反応水素は、電池部で合流し、固体高分子型燃料電池スタック２９端部の既反応燃料ガス還流口４３より中間プレート３５内へ流入し、さらに中間プレート３５内部に設けられた既反応ガス入口マニホールド２１を通って温湿度交換部１１へと導かれ、温湿度交換セル１１ａに分配され、既反応ガス出口マニホールド２０を通って、排出する。
【００９０】
冷却材である不凍液は、燃料ガスの供給口３３側のエンドプレート３０に設けられた冷却材供給口３４から供給され、中間プレート３５内部に設けられた入口マニホールドを通って固体高分子型燃料電池スタック２９部へと導かれ、各セルの冷却を行なう。そして、電池部内を循環した不凍液は、出口マニホールド、冷却材排出口３９を通って、排出する。
【００９１】
一方、これに限られることはなく、例えば図１１および図１２に示すように、不凍液は一方の中間プレート３５に設けられた冷却材供給口３４から供給し、入口マニホールドを通って固体高分子型燃料電池スタック２９部へと導き、各セルを冷却した後、他方の中間プレート３５に設けられた出口マニホールド、冷却材排出口３９を通って排出を行なうようにしてもよい。
【００９２】
また、左右の温湿度交換部１１の温湿度交換セル１１ａ数は、必ずしも一致している必要はなく、特に燃料ガス供給口３３側の温湿度交換部１１は、使用する燃料ガスの初期湿度に応じてセル数を増減させるようにしてもよい。すなわち、例えば純水素を使用する場合には、酸化剤側とほぼ同じセル数とし、改質器から供給される水素を使用する場合には、そのセル数は数枚でも可能となる。
【００９３】
なお、中間プレート３５の材料に関しては、前述した第１の実施の形態の場合と同様であるので、ここではその説明を省略する。
【００９４】
次に、以上のように構成した本実施の形態の固体高分子型燃料電池システムにおいては、固体高分子型燃料電池スタック２９の両側に温湿度交換部１１を有していることにより、酸化剤である空気の供給管および排出管と燃料ガスである水素、および冷却材である不凍液の供給管および排出管を、それぞれ反対側に位置する温湿度交換部１１に配置させることが可能となり、従来では１つしかない温湿度交換部１１側のエンドプレートに集中していた配管群が散逸し、配管の自由度が高まるだけでなく、温湿度交換部１１内部での酸素−水素混合の危険性が全くなくなる。
【００９５】
また、各温湿度交換セル１１ａには、酸素流路あるいは水素流路の片方のみを設けるだけでよくなり、加工工数の低減に加えて、全セル面積のうち、温湿度交換面積を大きく取ることが可能となる。すなわち、同じ温湿度交換能力を得ようとする場合に、コンパクト化を図ることが可能となる。
【００９６】
さらに、不凍液の供給管を一方の中間プレート３５の任意の位置に、排出管をもう一方の中間プレート３５の任意の位置に設けていることにより、エンドプレート３０部での配管自由度と各流体の供給系・循環系・処理系の周囲機器の設置自由度がより一層増し、温湿度交換部セル１１ａでは加工工数の低減，および温湿度交換面積の拡大を図ることが可能となり、コンパクト化につながるだけでなく、その性能の温度依存性からあまり冷却を行ないたくない温湿度交換部１１の冷却を回避することが可能となる。
【００９７】
さらにまた、燃料ガスも温湿度交換部１１を通過することから、燃料ガスに純水素も利用可能となるのに加えて、あらかじめ加湿された水素を利用している場合には、酸素側の加湿量が限界付近となるような高出力密度でも、その補助として利用することが可能となる。
【００９８】
（第４の実施の形態：請求項１０および請求項１１に対応）
図１３は本実施の形態による固体高分子型燃料電池システムの構成例を示す鳥瞰図、図１４は同固体高分子型燃料電池システムの構成例を示す縦断面図であり、図１および図２と同一部分については同一符号を付して示している。
【００９９】
本実施の形態では、前述した固体高分子型燃料電池スタック２９からなる電池部と温湿度交換部１１との連結構成と、酸化剤ガスである空気、燃料ガスである水素、冷却材（媒体）である不凍液の流路構成に特徴があり、温湿度交換部の両側に固体高分子型燃料電池スタックを１つずつ、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却材の少なくとも１種類の連絡用貫通流路を有する２つのプレートを介して一体化し、温湿度交換部のプレート接触面ではない側面に、酸化剤の供給管および排出管を有し、固体高分子型燃料電池スタックのプレート接触面の反対側端面に、燃料ガスの供給管および排出管を有するものとしている。
【０１００】
すなわち、図１３に示すように、固体高分子型燃料電池システムは、温湿度交換部１１の両端に中間プレート３５を介して片側に１つずつ電池部を配置し、一体化した構成としている。ここでの温湿度交換部１１は、セル積層方向の中央部分に、図１４に示すような構成の酸化剤配流プレート５２を有している。
【０１０１】
酸化剤配流プレート５２は、酸化剤供給口３１を有し、プレート内に供給された未反応の酸化剤を、プレートの左右に配置された温湿度交換セル１１ａへと導く。
【０１０２】
また、燃料ガス剤である水素は、固体高分子型燃料電池スタック２９部のエンドプレート３０またはエンドプレート３２に配管された未反応燃料ガス供給口３３から、エンドプレート３０またはエンドプレート３２内部に設けられた燃料ガス入口マニホールドを通って、固体高分子型燃料電池スタック２９内へと導く。
【０１０３】
供給された未反応の空気は、酸化剤配流プレート５２を通って温湿度交換部１１へ、さらに中間プレート３５の酸化剤流入口４０を通って電池部へと導かれ、固体高分子型燃料電池スタック２９の各セルに分配する。
【０１０４】
電池部でセルを通過し、反応を終えた高温、高湿の既反応空気は、電池部で合流し、固体高分子型燃料電池スタック２９端部に配置された中間プレート３５内に設けられた既反応ガス入口マニホールドを通って酸化剤還流口３０より温湿度交換部１１へと導かれ、温湿度交換セル１１ａに分配され、酸化剤配流プレート５２に設けられた酸化剤排出口より排出する。
【０１０５】
さらに、燃料ガスである水素は、電池部端部のエンドプレート３０またはエンドプレート３２の内部に設けられた未反応燃料ガス供給口３３より供給され、未反応ガス入口マニホールド１９を通って電池部へと導かれ、固体高分子型燃料電池スタック２９の各セルに分配する。電池部でセルを通過し、酸化剤との反応を終えた高温、高湿の既反応水素は、電池部で合流し、既反応ガス出口マニホールド２０を経て、既反応燃料ガス排出口３７を通って、排出する。
【０１０６】
一方、これに限られることはなく、例えば図１５および図１６に示すように、燃料ガスは固体高分子型燃料電池スタック２９のエンドプレート３０またはエンドプレート３２に設けられた未反応燃料ガス供給口３３から供給し、未反応ガス入口マニホールドを通って固体高分子型燃料電池スタック２９部へと導き、各セルを通過した後、中間プレート３５に設けられた既反応ガス出口マニホールド２０、既反応燃料ガス排出口３７を通って排出を行なうようにしてもよい。
【０１０７】
また、左右の電池部の固体高分子型燃料電池スタック２９セル数は、必ずしも一致している必要はなく、意図的に左右をアンバランスとするようにしてもよい。
【０１０８】
なお、中間プレート３５の材料に関しては、前述した第１の実施の形態の場合と同様であるので、ここではその説明を省略する。
【０１０９】
次に、以上のように構成した本実施の形態の固体高分子型燃料電池システムにおいては、温湿度交換部１１の両側に発電部である固体高分子型燃料電池スタック２９を有していることにより、酸化剤である空気の供給管および排出管を、温湿度交換部１１の中間プレート３５接触面とは違う任意の面に、燃料ガスである水素、および冷却材である不凍液の供給管および排出管を、燃料電池スタック２９のエンドプレートに配置させることが可能となり、従来では１つしかない温湿度交換部１１側のエンドプレートに集中していた配管群が散逸し、配管の自由度が高まるだけでなく、温湿度交換部内部での酸素−水素混合の危険性が全くなくなる。
【０１１０】
また、温湿度交換セルには、酸素通過流路のみを設けるだけでよくなり、加工工数の低減に加えて、全セル面積のうち、温湿度交換面積を大きく取ることが可能となる。すなわち、同じ温湿度交換能力を得ようとする場合に、コンパクト化を図ることが可能となる。
【０１１１】
さらに、同じ出力の従来の燃料電池に対して、固体高分子型燃料電池スタック２９を左右に２分していることにより、温湿度交換部１１に未反応の酸化剤ガスが流入してから、電池部を通過し、再び温度交換部１１に還流してくるまでの時間が約半分となるため、出力の過渡応答性を要求される場合でも、従来に対してレスポンス良く、約半分の時間で対応することが可能となる。
【０１１２】
さらにまた、水素、および冷却材の供給口および排出口が同一面に集中することが好ましくない場合には、水素あるいは冷却材の排出口を中間プレート３５に設けることにより、配管の集中を避けることができ、配管自由度と各流体の供給系・循環系・処理系の周囲機器の設置自由度を増すことが可能となる。
【０１１３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の固体高分子型燃料電池システムでは、酸化剤ガスの供給口および排出口を温湿度交換部側に、燃料ガスの供給口および排出口を固体高分子型電池スタック側に設けるようにしているので、配管の集中を避けることができ、配管自由度の向上を図り、温湿度交換部内での酸素−水素混合の危険性を回避し、温湿度交換面積の増加あるいはコンパクト化を図ることができるのに加えて、温湿度交換部の冷却解除が可能となり、温湿度交換効率の向上を図ることが可能となる。
【０１１４】
また、温湿度交換部と固体高分子型燃料電池スタック部とを介する中間プレートの材質は、軽量化・加工性・強度・性能・コストダウン等の何れを重視するかによって適宜選択可能であり、それぞれの目的に応じた固体高分子型燃料電池システムを得ることが可能となる。
【０１１５】
さらに、温湿度交換部を２つ有しているので、純水素も燃料ガスとして使用することができ、改質器を有さない固体高分子型燃料電池システムを得ることも可能となる。
【０１１６】
さらにまた、温湿度交換部を電池部によって挟み込むようにしているので、上記の効果に加えて、過渡応答性に優れた固体高分子型燃料電池システムを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による固体高分子型燃料電池システムの第１の実施の形態を示す鳥瞰図。
【図２】本発明による固体高分子型燃料電池システムの第１の実施の形態を示す縦断面図を示す図。
【図３】同第１の実施の形態の固体高分子型燃料電池システムにおける中間プレートの一構成例を示す図。
【図４】同第１の実施の形態の固体高分子型燃料電池システムにおける中間プレートの他の構成例を示す図。
【図５】同第１の実施の形態の固体高分子型燃料電池システムにおける中間プレートの他の構成例を示す図。
【図６】同第１の実施の形態の固体高分子型燃料電池システムにおける中間プレートの他の構成例を示す図。
【図７】本発明による固体高分子型燃料電池システムの第２の実施の形態を示す鳥瞰図。
【図８】本発明による固体高分子型燃料電池システムの第２の実施の形態を示す縦断面図を示す図。
【図９】本発明による固体高分子型燃料電池システムの第３の実施の形態を示す鳥瞰図。
【図１０】本発明による固体高分子型燃料電池システムの第３の実施の形態を示す縦断面図を示す図。
【図１１】本発明による固体高分子型燃料電池システムの第３の実施の形態の変形例を示す鳥瞰図。
【図１２】本発明による固体高分子型燃料電池システムの第３の実施の形態の変形例を示す縦断面図を示す図。
【図１３】本発明による固体高分子型燃料電池システムの第４の実施の形態を示す鳥瞰図。
【図１４】本発明による固体高分子型燃料電池システムの第４の実施の形態を示す縦断面図を示す図。
【図１５】本発明による固体高分子型燃料電池システムの第４の実施の形態の変形例を示す鳥瞰図。
【図１６】本発明による固体高分子型燃料電池システムの第４の実施の形態の変形例を示す縦断面図を示す図。
【図１７】固体高分子型燃料電池スタックの構成例を示す断面図。
【図１８】従来の固体高分子型燃料電池システムの構成例を示す分解斜視図。
【符号の説明】
１…アノード電極、
２…カソード電極、
３…触媒層、
４…固体高分子電解質膜、
５…単電池、
６…セパレータ、
７…単電池積層体、
８…冷却板、
９…シール材、
１０…電池部、
１１…温湿度交換部、
１１ａ…温湿度交換セル、
１９…未反応ガス入口マニホールド、
２０…既反応ガス出口マニホールド、
２１…既反応ガス入口マニホールド、
２２…未反応ガス出口マニホールド、
２９…固体高分子型燃料電池スタック、
３０…エンドプレート、
３１…酸化剤供給口、
３２…エンドプレート、
３３…燃料ガス供給口、
３４…冷却材供給口、
３５…中間プレート、
３６…酸化剤還流口、
３７…燃料ガス排出口、
３８…酸化剤排出口、
３９…冷却材排出口、
４０…酸化剤流入口、
４１…燃料ガス流入口、
４２…冷却材流入口、
４３…燃料ガス還流口、
４４…冷却材還流口、
４５…パッキン、
４６…断熱材、
４７…集電極、
４８…集電板、
４９…非金属プレート、
５０…金属板、
５１…セパレータ、
５２…酸化剤配流プレート。
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜を電解質とする固体高分子型燃料電池に係り、特に既反応ガス中に含まれる熱および水蒸気を未反応ガスに移動させる温度および湿度交換（以下、温湿度交換と称する）構造を有する固体高分子型燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。
【０００３】
この種の燃料電池は、電解質の違い等により様々なタイプのものに分類されるが、その一つとして、電解質に固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池が知られている。
【０００４】
図１７は、この種の固体高分子型燃料電池スタックの構成例を示す断面図である。
【０００５】
図１７において、固体高分子型燃料電池スタックは、燃料極（以下、アノード電極と称する）１および酸化剤極（以下、カソード電極と称する）２からなる一対のガス拡散電極間に、それぞれＰｔ等からなる触媒層３を介して、イオン伝導性とガス分離機能を有する固体高分子電解質膜４を挟持させてなる単電池５と、それぞれの電極１，２に反応ガスを供給するための溝を有するガス不透過性のセパレータ６とから構成される。
【０００６】
アノード電極１に水素等の燃料ガス、カソード電極２に空気等の酸化剤ガスを供給すると、電気化学反応によって単電池５で起電力が生じる。この単電池５の起電力は高々１Ｖ程度と低いため、通常、複数の単電池５を積層した単電池積層体７として使用される。この電気化学反応は発熱反応であるので、余剰な熱を除去するため、単電池５をセパレータ６を介して複数積層した単電池積層体７毎に、冷却媒体（冷媒）を流通させた冷却板８が挿入されている。
【０００７】
また、系外へのガスリークは、ガス利用率の低下や水素等の可燃ガスによる爆発の危険性が生じるため、固体高分子電解質膜４とセパレータ６との間が、シール材９を用いてガスシールされている。
【０００８】
カソード電極２では、電極反応に伴なって水が生成されるが、電極反応部に水が凝縮すると、ガス拡散性が悪化するため、この水は未反応ガスと共に電池外に排出されるようになっている。
【０００９】
固体高分子電解質膜４としては、例えばフッ素系イオン交換膜であるパーフルオロスルホン酸膜が知られているが、これらの固体高分子電解質膜は分子中に水素イオンの交換基を持ち、飽和含水することによりイオン伝導性物質として機能する。
【００１０】
しかしながら、逆に固体高分子電解質膜４が乾燥すると、イオン導電性が悪化して電池性能が著しく低下するため、固体高分子電解質膜４の乾燥を防止するような手段が必要とされ、その中の一つとして、既反応ガス中に含まれる水蒸気を未反応ガスに移動させる手法が知られている。
【００１１】
この手法では、低温の未反応ガスと高温の既反応ガスとが、メッシュ状の流路を通って水分を透過させ他のガスは透過しにくい選択性に優れた保水性の多孔質体を介して接触することにより、多孔質体で既反応ガスに含まれる水分の凝縮が生じて、多孔質体が凝縮水で濡れる。また、同時に熱交換も行なわれるため、未反応ガスの温度が上昇すると共に、多孔質体からの水分の蒸発が生じて、未反応ガスが加湿される。すなわち、液状の水を用いることなく加湿することが可能となる。
【００１２】
図１８は、従来の固体高分子型燃料電池システムの構成例を示す分解斜視図である。
【００１３】
図１８において、固体高分子型燃料電池システムは、前述した固体高分子型燃料電池スタックからなる電池部１０と、熱交換および湿度交換を行なう温湿度交換部１１とを、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体の連絡用貫通流路を有す
るエンドプレート１２を介して一体化した構成となっている。
【００１４】
温湿度交換部１１側の一端面には、酸化剤ガス，燃料ガス，冷却媒体の入口１３，１４，１５、および酸化剤ガス，燃料ガス，冷却媒体の出口１６，１７，１８が、それぞれ図示のように設けられると共に、未反応ガス入口マニホールド１９、既反応ガス出口マニホールド２０が、それぞれ図示のように設けられている。
【００１５】
また、温湿度交換部１１側の他端面には、既反応ガス入口マニホールド２１、未反応ガス出口マニホールド２２が、それぞれ図示のように設けられている。
【００１６】
一方、電池部１０のエンドプレート１２の反対側端面には、酸化剤ガス，燃料ガス，冷却媒体の入口２３，２４，２５、および酸化剤ガス，燃料ガス，冷却媒体の出口２６，２７，２８が、それぞれ図示のように設けられている。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような手段では、カソード電極２で生成される水を電池内で循環させることで、無加湿運転等で供給する反応ガス中の水蒸気量が少ない場合でも、固体高分子電解質膜４の乾燥を防ぎ、高性能で、コンパクト性に優れ、しかも周囲環境温度が０℃以下となるような低温時でも、短時間で確実な起動を行なうことが可能な固体高分子型燃料電池システムを得ることができる。
【００１８】
しかしながら、温湿度交換部側の端面に、酸化剤ガス，燃料ガス，冷却媒体の供給口を必要とすることから、同一端面に配管が集中して複雑となるだけでなく、酸化剤ガスである酸素と燃料ガスである水素とが、温湿度交換部内部で同時に存在するため、水素−酸素混合による爆発の危険性がある。
【００１９】
また、温湿度交換部内部に冷却媒体用流路を確保する必要があり、冷却することが好ましくない温湿度交換部に冷却媒体が通過し、半強制的に冷却を行なってしまうことになる。
【００２０】
本発明の目的は、温湿度交換部の特徴を確保した状態で各供給口を散逸させることにより、配管の自由度を増して水素−酸素混合に伴なう爆発の危険性を低減し、また冷却媒体による冷却域を自在にコントロールすることが可能な固体高分子型燃料電池システムを提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明では、燃料極および酸化剤極からなる一対のガス拡散電極間に触媒層を介して固体高分子電解質膜を挟持させてなり、電池反応部での燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学的反応により発電を行ない電気的出力を発生する単電池を、前記燃料極および酸化剤極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するための溝を有するガス不透過性のセパレータ、および冷却媒体が流通する冷却板を介して複数積層して成る固体高分子型電池スタックと、前記電池反応部を通過した酸化剤ガスと前記電池反応部を通過する前の酸化剤ガスとの熱交換および湿度交換を行なう温湿度交換部と、前記燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体の少なくとも１種類の連絡用貫通流路を有するプレートとを備え、前記固体高分子型燃料電池スタックと前記温湿度交換部とを、前記プレートを介して一体化し、前記温湿度交換部のプレート接触面の反対側端面に、前記酸化剤ガスの供給管、および排出管を設け、前記固体高分子型燃料電池スタックのプレート接触面の反対側端面に、前記燃料ガス、および冷却媒体の供給管および排出管を設けている。
【００２２】
従って、請求項１の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいては、温湿度交換部のプレート接触面の反対側端面に、酸化剤ガスの供給管および排出管を設け、固体高分子型燃料電池スタックのプレート接触面の反対側端面に、燃料ガス、および冷却媒体の供給管および排出管を設けることにより、各供給口を散逸させることが可能となり、配管の自由度向上と、水素−酸素混合に伴なう爆発の危険性を低減することができる。
【００２３】
また、請求項２の発明では、上記請求項１の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいて、プレートを、ステンレス鋼、または耐食コーティングを行なったアルミニウム等の金属プレートにより構成している。
【００２４】
従って、請求項２の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいては、固体高分子型燃料電池スタックと温湿度交換部とを介するプレートを、ステンレス鋼、または耐食コーティングを行なったアルミニウム等の金属プレートから構成することにより、プレートの薄肉化による燃料電池全体のコンパクト化および強度向上を図ることができ、さらに電気伝導性を持つため、集電板も兼ねることができる。
【００２５】
さらに、請求項３の発明では、上記請求項１の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいて、プレートを、樹脂等の非金属を材料とするプレートにより構成している。
【００２６】
従って、請求項３の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいては、固体高分子型燃料電池スタックと温湿度交換部とを介するプレートを、樹脂等の非金属を材料とするプレートから構成することにより、燃料電池全体の軽量化を図ることができる。
【００２７】
一方、請求項４の発明では、上記請求項１の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいて、プレートを、樹脂等の非金属を材料とするプレートの少なくとも電池側端面に、ステンレス鋼、または耐食コーティングを行なったアルミニウム等の金属プレートを一体化させた多重プレートにより構成している。
【００２８】
従って、請求項４の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいては、固体高分子型燃料電池スタックと温湿度交換部とを介するプレートを、樹脂等の非金属を材料とするプレートの少なくとも電池側端面に、ステンレス鋼、または耐食コーティングを行なったアルミニウム等の金属プレートを一体化させたサンドイッチ構造の多重プレートから構成することにより、プレートの強度を損なうことなく、燃料電池の軽量化を図ることができ、さらに集電板も兼ねることができる。
【００２９】
また、請求項５の発明では、上記請求項１の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいて、プレートを、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫよりも小さい材料により構成している。
【００３０】
従って、請求項５の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいては、固体高分子型燃料電池スタックと温湿度交換部とを介するプレートを、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫよりも小さい材料から構成することにより、プレートを介した温湿度交換部への熱移動を最小限に留めることに加えて、固体高分子型燃料電池スタックのプレート側端部の温度低下を防ぎ、電池性能の劣化を防止することができる。
【００３１】
さらに、請求項６の発明では、上記請求項１の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいて、プレートは、固体高分子型燃料電池スタックを構成するセパレータと同一材料で、少なくとも同一の外形形状を有している。
【００３２】
従って、請求項６の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいては、固体高分子型燃料電池スタックと温湿度交換部とを介するプレートは、固体高分子型燃料電池スタックを構成するセパレータと同一材料で、少なくとも同一の外形形状を有することにより、部品点数の減少、加工工数の低減によるコストダウンを図ることができ、さらに集電板も兼ねることができる。
【００３３】
一方、請求項７の発明では、燃料極および酸化剤極からなる一対のガス拡散電極間に触媒層を介して固体高分子電解質膜を挟持させてなり、電池反応部での燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学的反応により発電を行ない電気的出力を発生する単電池を、前記燃料極および酸化剤極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するための溝を有するガス不透過性のセパレータ、および冷却媒体が流通する冷却板を介して複数積層して成る固体高分子型電池スタックと、前記電池反応部を通過した酸化剤ガスと前記電池反応部を通過する前の酸化剤ガスとの熱交換および湿度交換を行なう温湿度交換部と、前記燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体の少なくとも１種類の連絡用貫通流路を有する゜レートとを備え、
前記固体高分子型燃料電池スタックと前記温湿度交換部とを、前記プレートを介して一体化し、前記プレートは、前記固体高分子型燃料電池スタックのプレート接触面の反対側端面に前記燃料ガスの供給管を有し、かつプレート部の側面に排出管を有している。
【００３４】
従って、請求項７の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいては、プレートは、固体高分子型燃料電池スタックのプレート接触面の反対側端面に燃料ガスの供給管を有し、かつプレート部の側面に排出管を有することにより、各供給口を散逸させることが可能となり、配管の自由度向上と、水素−酸素混合に伴なう爆発の危険性を低減することができる。
【００３５】
また、請求項８の発明では、燃料極および酸化剤極からなる一対のガス拡散電極間に触媒層を介して固体高分子電解質膜を挟持させてなり、電池反応部での燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学的反応により発電を行ない電気的出力を発生する単電池を、前記燃料極および酸化剤極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するための溝を有するガス不透過性のセパレータ、および冷却媒体が流通する冷却板を介して複数積層して成る固体高分子型電池スタックと、前記電池反応部を通過した酸化剤ガスと前記電池反応部を通過する前の酸化剤ガスとの熱交換および湿度交換を行なう２つの温湿度交換部と、前記燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体の少なくとも１種類の連絡用貫通流路を有する２つのプレートとを備え、前記固体高分子型燃料電池スタックの両側に前記温湿度交換部を１つずつ、前記プレートを介して一体化し、前記一方の温湿度交換部のプレート接触面ではない側面に、前記酸化剤ガスの供給管および排出管を有し、前記他方の温湿度交換部のプレート接触面ではない側面に、前記燃料ガス、および冷却媒体の供給管および排出管を有している。
【００３６】
従って、請求項８の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいては、一方の温湿度交換部のプレート接触面ではない側面に、酸化剤ガスの供給管および排出管を有し、他方の温湿度交換部のプレート接触面ではない側面に、燃料ガス、および冷却媒体の供給管および排出管を有することにより、燃料ガスも温湿度交換されることから、燃料ガスに純水素を使用することが可能となり、また高い安全性を確保することができる。
【００３７】
さらに、請求項９の発明では、上記請求項８の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいて、燃料ガスの供給管側に冷却媒体の供給管を有し、燃料ガスの供給管から遠い方のプレートに排出管を有している。
【００３８】
従って、請求項９の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいては、燃料ガスの供給管側に冷却媒体の供給管を有し、燃料ガスの供給管から遠い方のプレートに排出管を有することにより、冷却を行ないたくない温湿度交換部の冷却を免除することができる。
【００３９】
一方、請求項１０の発明では、燃料極および酸化剤極からなる一対のガス拡散電極間に触媒層を介して固体高分子電解質膜を挟持させてなり、電池反応部での燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学的反応により発電を行ない電気的出力を発生する単電池を、前記燃料極および酸化剤極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するための溝を有するガス不透過性のセパレータ、および冷却媒体が流通する冷却板を介して複数積層して成る固体高分子型電池スタックと、前記電池反応部を通過した酸化剤ガスと前記電池反応部を通過する前の酸化剤ガスとの熱交換および湿度交換を行なう２つの温湿度交換部と、
前記燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体の少なくとも１種類の連絡用貫通流路を有する２つのプレートとを備え、前記温湿度交換部の両側に前記固体高分子型電池スタックを１つずつ、前記プレートを介して一体化し、前記温湿度交換部のプレート接触面ではない側面に、前記酸化剤ガスの供給管および排出管を有し、前記固体高分子型電池スタックのプレート接触面の反対側側面に、前記燃料ガスの供給管および排出管を有している。
【００４０】
従って、請求項１０の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいては、温湿度交換部のプレート接触面ではない側面に、酸化剤の供給管および排出管を有し、固体高分子型燃料電池スタックのプレート接触面の反対側端面に、燃料ガスの供給管および排出管を有することにより、固体高分子型燃料電池スタック長が半分になることから、既反応の酸化剤ガスが再び温湿度交換部へ到達するのに要する時間が半分以下となり、急激な出力の過渡変化時にもレスポンス良く反応することができる。
【００４１】
また、請求項１１の発明では、上記請求項１０の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいて、固体高分子型燃料電池スタックのプレート接触面の反対側端面に燃料ガスの供給管を有し、プレート接触面側の側面に排出管を有している。
【００４２】
従って、請求項１１の発明の固体高分子型燃料電池システムにおいては、固体高分子型燃料電池スタックのプレート接触面の反対側端面に燃料ガスの供給管を有し、プレート接触面側の側面に排出管を有することにより、固体高分子型燃料電池スタック長が半分になることから、既反応の酸化剤ガスが再び温湿度交換部へ到達するのに要する時間が半分以下となり、急激な出力の過渡変化時にもレスポンス良く反応できるだけでなく、固体高分子型燃料電池スタック端面の配管を減らすことができ、配管全体の自由度を向上することができる。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００４４】
（第１の実施の形態：請求項１乃至請求項６に対応）
図１は本実施の形態による固体高分子型燃料電池システムの構成例を示す鳥瞰図、図２は同固体高分子型燃料電池システムの構成例を示す縦断面図であり、図１７および図１８と同一部分については同一符号を付して示している。
【００４５】
本実施の形態では、酸化剤ガスである空気、燃料ガスである水素、冷却材（媒体）である不凍液の流路構成に特徴があり、固体高分子型燃料電池スタックと温湿度交換部とを、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却材の少なくとも１種類の連絡用貫通流路を有するプレートを介して一体化し、温湿度交換部のプレート接触面の反対側端面に、酸化剤ガスの供給管，および排出管を設け、固体高分子型燃料電池スタックのプレート接触面の反対側端面に、燃料ガス、および冷却材の供給管および排出管を設けている。
【００４６】
すなわち、図１に示すように、固体高分子型燃料電池システムは、前述した固体高分子型燃料電池スタック２９からなる電池部と、温湿度交換部１１とを一体化した構成としており、酸化剤ガスである未反応の空気は、温湿度交換部１１側エンドプレート３０に配管された酸化剤供給口３１を通って、温湿度交換部１１へと導く。
【００４７】
また、燃料ガスである水素と冷却材である不凍液は、固体高分子型燃料電池スタック２９側のエンドプレート３２に配管された、それぞれ燃料ガス供給口３３、冷却材供給口３４を通って、電池部へと導く。
【００４８】
供給された未反応の空気は、温湿度交換部１１の各温湿度交換セル１１ａに分配された後、中間プレート３５内に設けられた未反応ガス出口マニホールド２２を通って、電池部へと流入する。この未反応の空気は、固体高分子型燃料電池スタック２９側のエンドプレート３２を通過して電池部に流入した未反応の燃料ガスと各燃料電池スタックセルにおいて電気化学的反応を起こし、その後、中間プレート３５側の酸化剤還流口３６から温湿度交換部１１へと還流する。
【００４９】
一方、反応を終えた燃料ガスは、固体高分子型燃料電池スタック２９側のエンドプレート３２の燃料ガス排出口３７を通って、排出する。電池部で反応を終え、温湿度交換部１１へと還流する高温、高湿の既反応空気は、中間プレート３５内に設けられた既反応ガス入口マニホールド２１を通って温湿度交換部１１へと導かれ、各温湿度交換セル１１ａに分配された後、既反応ガス出口マニホールド２０を通って排出する。
【００５０】
この時、温湿度交換部１１内に存在する未反応空気と保水性の多孔質体を介して温度、および湿度を交換し、未反応の空気は、前述のようにガス出口マニホールド２２を通って電池部へ、既反応の空気は温湿度交換部１１に配管された酸化剤排出口３８から排出する。
【００５１】
冷却材である不凍液は、水素を供給する側のエンドプレート３２に配管された冷却材供給口３４から供給され、エンドプレート３２内部に設けられた入口マニホールドを通って固体高分子型燃料電池スタック２９部へと導かれ、電池セル間を流通して、各セルの冷却を行なう。不凍液は、電池部内を循環した後、冷却材の供給側であるエンドプレート３２側に設けられた出口マニホールドを経て、冷却材排出口３９から排出する。
【００５２】
なお、固体高分子型燃料電池スタック２９には、酸化剤流入口４０、燃料ガス流入口４１、冷却材流入口４２、酸化剤還流口３６、燃料ガス還流口４３、冷却材還流口４４を、それぞれ図示のように設けている。
【００５３】
ここで、中間プレート３５としては、例えば図３に示すように、ステンレス鋼や耐食処理を施したアルミニウムにより構成しており、温湿度交換部１１側とはパッキン４５にてガスシールしている。
【００５４】
また、アルミニウム程度の熱伝導率を有する金属を用いる場合には、パッキン４５と温湿度交換１１部との間に、断熱材４６を挟むことが好ましい。
【００５５】
なお、図３中、４７は集電極である。
【００５６】
さらに、これら以外の金属材料でも、水蒸気を含む空気に対して、腐食を防止するような表面処理を行なっていれば、適応することが可能である。
【００５７】
一方、これに限られることはなく、例えば図４に示すように、中間プレート３５は、樹脂等の非金属を材料としてもよく、その場合には電池側に集電板４８を配置しておくことが好ましい。
【００５８】
また、図５に示すように、樹脂等の非金属プレート４９に薄い金属板５０を、少なくとも電池部側の端面に貼り付けて一体化したサンドイッチ構造としてもよい。
【００５９】
さらに、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫよりも小さな材料を用いた中間プレート３５でもよく、あるいは図６に示すように、固体高分子型燃料電池スタック２９を構成するセパレータ６と同一材料のセパレータ５１で代用することも可能である。
【００６０】
次に、以上のように構成した本実施の形態の固体高分子型燃料電池システムにおいては、酸化剤である空気の供給管を温湿度交換部１１側に、燃料ガスである水素の供給管および排出管を電池部側にそれぞれ配置していることにより、従来では温湿度交換部側のエンドプレートに集中していた配管群が散逸し、配管の自由度が高まるだけでなく、温湿度交換部１１内部での酸素−水素混合の危険性が全くなくなる。
【００６１】
また、温湿度交換セル１１ａに余分な水素流路を設ける必要もなくなり、加工工数の低減に加えて、全セル面積のうち、温湿度交換面積を大きく取ることが可能となる。すなわち、同じ温湿度交換能力を得ようとする場合に、コンパクト化を図ることが可能となる。
【００６２】
さらに、冷却材用の供給管および排出管を電池部側に配置していることにより、水素配管の場合と同様に、加工工数の低減、発電面積、および温湿度交換面積の拡大を図ることが可能となり、かかる効果が倍増するだけでなく、本来、性能に温度依存性があり、８０度前後に性能のピークを持つ温湿度交換部１１の冷却を回避することもできる。
【００６３】
一方、上記中間プレート３５の材質を、ステンレス鋼、または耐食コーティングを行なったアルミニウム等の金属としていることにより、車載時等の固体高分子型燃料電池システム自体に強度を要求される場合に、特に有効となるだけでなく、強度を要しない場合でも、薄肉化によるコンパクト化を図ることが可能であり、さらに電気伝導度を持つことから、集電板も兼ねることができ、
集電板を省略することも可能となる。
【００６４】
また、固体高分子型燃料電池スタック２９部と温湿度交換部１１とを連結する中間プレート３５の材質を樹脂等の非金属とした場合には、固体高分子型燃料電池システム全体の軽量化につながり、加工性が良いため、中間プレート３５に構成される酸化剤の入口、および出口マニホールドの製作が容易となる。
【００６５】
さらに、上記プレート３５を、樹脂等の非金属プレート４９の少なくとも電池部側の端面に薄い金属プレート５０を張りつけて一体化したサンドイッチ構造としていることにより、上記２つの効果が重畳し、軽量化、プレート強度増大、集電板の省略とそれぞれの利点を持ち合わせることが可能となる。
【００６６】
一方、上記中間プレート３５の材質を、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫよりも小さい材料で構成していることにより、固体高分子型燃料電池スタック２９部から温湿度交換部１１への断熱効果がさらに増大して、中間プレート３５と隣接するスタック端部でのセル温度低下が最小限に留められ、固体高分子型燃料電池スタックセルの積層方向温度分布が均一化するため、端部での電圧低下防止、セルの負荷均一化による寿命延長を図ることが可能となる。
【００６７】
また、上記中間プレート３５の材質を、固体高分子型燃料電池スタック２９を構成するセパレータ６と同一材料のセパレータ５１で、少なくとも同一の外径形状としていることにより、部品材料・点数を減少させ、加工工数も減少させて、コストダウンを図ることが可能となる。
【００６８】
さらに、セパレータ材であるため、電気導電性があり、ここでも集電板を省略することが可能となるのに加えて、膨張黒鉛等のセパレータ材によっては、断熱層を省略してもよく、より一層コンパクト化を図ることが可能となる。
【００６９】
（第２の実施の形態：請求項７、請求項２乃至請求項６に対応）
図７は本実施の形態による固体高分子型燃料電池システムの構成例を示す鳥瞰図、図８は同固体高分子型燃料電池システムの構成例を示す縦断面図であり、図１および図２と同一部分については同一符号を付して示している。
【００７０】
本実施の形態では、酸化剤ガスである空気、燃料ガスである水素、冷却材（媒体）である不凍液の流路構成に特徴があり、固体高分子型燃料電池スタックと温湿度交換部とを、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却材の少なくとも１種類の連絡用貫通流路を有するプレートを介して一体化し、プレートは、固体高分子型燃料電池スタックのプレート接触面の反対側端面に燃料ガスの供給管を有し、かつプレート部の側面に排出管を有するものとしている。
【００７１】
すなわち、図７に示すように、固体高分子型燃料電池システムは、前述した固体高分子型燃料電池スタック２９からなる電池部と、温湿度交換部１１とを一体化した構成としており、酸化剤ガスである未反応の空気は、温湿度交換部１１側エンドプレート３０に配管された酸化剤供給口３１を通って、温湿度交換部１１へと導く。
【００７２】
また、燃料ガスである水素と冷却材である不凍液は、固体高分子型燃料電池スタック２９側のエンドプレート３２に配管された、それぞれ燃料ガス供給口３３、冷却材供給口３４を通って電池部へと導く。
【００７３】
供給された未反応の空気は、温湿度交換部１１の各温湿度交換セル１１ａに分配された後、中間プレート３５内に設けられた未反応ガス出口マニホールド２２を通って、電池部へと流入する。この未反応の空気は、固体高分子型燃料電池スタック２９側のエンドプレート３２を通過して電池部に流入した未反応の燃料ガスと各燃料電池スタックセルにおいて電気化学的反応を起こし、その後、中間プレート３５側の酸化剤還流口３６から温湿度交換部１１へと還流する。
【００７４】
一方、反応を終えた燃料ガスは、電池部内部で合流し、中間プレート３５の何れかの辺に配管された燃料ガス排出口３７を通って、排出する。電池部で反応を終え、温湿度交換部１１へと還流する高温、高湿の既反応空気は、中間プレート３５内に設けられた既反応ガス入口マニホールド２１を通って温湿度交換部１１へと導かれ、各温湿度交換セル１１ａに分配された後、既反応ガス出口マニホールド２０を通って排出する。
【００７５】
この時、温湿度交換部１１内に存在する未反応空気と保水性の多孔質体を介して温度、および湿度を交換し、未反応の空気は、前述のようにガス出口マニホールド２２を通って電池部へ、既反応の空気は温湿度交換部１１に配管された酸化剤排出口３８から排出する。
【００７６】
冷却材である不凍液は、水素を供給する側のエンドプレート３２に配管された冷却材供給口３４から供給され、エンドプレート３２内部に設けられた入口マニホールドを通って固体高分子型燃料電池スタック２９部へと導かれ、電池セル間を流通して、各セルの冷却を行なう。不凍液は、電池部内を循環した後、冷却材の供給側であるエンドプレート３２側に設けられた出口マニホールドを経て、冷却材排出口３９から排出する。
【００７７】
なお、固体高分子型燃料電池スタック２９には、酸化剤流入口４０、燃料ガス流入口４１、冷却材流入口４２、酸化剤還流口３６、燃料ガス還流口４３、冷却材還流口４４を、それぞれ図示のように設けている。
【００７８】
また、中間プレート３５の材料に関しては、前述した第１の実施の形態の場合と同様であるので、ここではその説明を省略する。
【００７９】
次に、以上のように構成した本実施の形態の固体高分子型燃料電池システムにおいては、酸化剤である空気の供給管および排出管を温湿度交換部１１側に、燃料ガスである水素の供給管を電池部側にそれぞれ配置していることにより、従来では温湿度交換部側のエンドプレートに集中していた配管群が散逸し、配管の自由度が高まるだけでなく、温湿度交換部１１内部での酸素−水素混合の危険性が全くなくなる。
【００８０】
また、温湿度交換セル１１ａに余分な水素流路を設ける必要もなくなり、加工工数の低減に加えて、全セル面積のうち、温湿度交換面積を大きく取ることが可能となる。すなわち、同じ温湿度交換能力を得ようとする場合に、コンパクト化を図ることが可能となる。
【００８１】
さらに、水素の排出管を中間プレートの任意の場所に設けていることにより、配管自由度と水素の供給系・循環系・処理系の周囲機器の設置自由度がより一層増し、コンパクト化を図ることが可能となる。
【００８２】
さらにまた、冷却材用の供給管・排出管を電池部側に配置していることにより、水素配管の場合と同様に、加工工数の低減、および温湿度交換面積の拡大を図ることが可能となり、かかる効果が倍増するだけでなく、その性能の温度依存性からあまり冷却を行ないたくない温湿度交換部１１の冷却を回避することが可能となる。
【００８３】
（第３の実施の形態：請求項８および請求項９に対応）
図９は本実施の形態による固体高分子型燃料電池システムの構成例を示す鳥瞰図、図１０は同固体高分子型燃料電池システムの構成例を示す縦断面図であり、図１および図２と同一部分については同一符号を付して示している。
【００８４】
本実施の形態では、前述した固体高分子型燃料電池スタック２９からなる電池部と温湿度交換部１１との連結構成と、酸化剤ガスである空気、燃料ガスである水素、冷却材（媒体）である不凍液の流路構成に特徴があり、固体高分子型燃料電池スタックの両側に温湿度交換部を１つずつ、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却材の少なくとも１種類の連絡用貫通流路を有するプレートを介して一体化し、一方の温湿度交換部のプレート接触面ではない側面に、酸化剤ガスの供給管および排出管を有し、他方の温湿度交換部のプレート接触面ではない側面に、燃料ガス、および冷却材の供給管および排出管を有するものとしている。
【００８５】
すなわち、図９に示すように、固体高分子型燃料電池システムは、２つの温湿度交換部１１の間に中間プレート３５を介して、電池部を挟み込み一体化した構成としており、酸化剤ガスである未反応の空気は、いずれか一方の温湿度交換部１１のエンドプレート３０に配管された酸化剤供給口３１を通って、温湿度交換部１１へと導く。
【００８６】
また、燃料ガスである水素と冷却材である不凍液は、酸化剤ガス供給口３１の配管されたエンドプレート３０と反対側のエンドプレート３０に配管された、それぞれ燃料ガス供給口３３、冷却材供給口３４を通って、もう一方の温湿度交換部１１へと導く。
【００８７】
供給された未反応の空気は、エンドプレート３０内部に設けられた未反応ガス出口マニホールド２２を通って温湿度交換部１１へ、さらに中間プレート３５の未反応ガス酸化剤流入口４０を通って電池部へと導かれ、固体高分子型燃料電池スタック２９の各セルに分配する。
【００８８】
電池部でセルを通過し、反応を終えた高温、高湿の既反応空気は、電池部で合流し、固体高分子型燃料電池スタック２９端部の酸化剤還流口３６より中間プレート３５内へ流入し、さらに中間プレート３５内に設けられた既反応ガス入口マニホールド２１を通って温湿度交換部１１へと導かれ、温湿度交換セル１１ａに分配され、既反応ガス出口マニホールド２０を通って、排出する。
【００８９】
一方、燃料ガスである水素は、酸化剤供給口３１とは反対側のエンドプレート３０の内部に設けられた未反応ガス入口マニホールド１９を通って、酸化剤側とは別の温湿度交換部１１へ、さらに中間プレート３５の未反応燃料ガス流入口４１を通って電池部へと導かれ、固体高分子型燃料電池スタック２９の各セルに分配する。電池部でセルを通過し、酸化剤との反応を終えた高温、高湿の既反応水素は、電池部で合流し、固体高分子型燃料電池スタック２９端部の既反応燃料ガス還流口４３より中間プレート３５内へ流入し、さらに中間プレート３５内部に設けられた既反応ガス入口マニホールド２１を通って温湿度交換部１１へと導かれ、温湿度交換セル１１ａに分配され、既反応ガス出口マニホールド２０を通って、排出する。
【００９０】
冷却材である不凍液は、燃料ガスの供給口３３側のエンドプレート３０に設けられた冷却材供給口３４から供給され、中間プレート３５内部に設けられた入口マニホールドを通って固体高分子型燃料電池スタック２９部へと導かれ、各セルの冷却を行なう。そして、電池部内を循環した不凍液は、出口マニホールド、冷却材排出口３９を通って、排出する。
【００９１】
一方、これに限られることはなく、例えば図１１および図１２に示すように、不凍液は一方の中間プレート３５に設けられた冷却材供給口３４から供給し、入口マニホールドを通って固体高分子型燃料電池スタック２９部へと導き、各セルを冷却した後、他方の中間プレート３５に設けられた出口マニホールド、冷却材排出口３９を通って排出を行なうようにしてもよい。
【００９２】
また、左右の温湿度交換部１１の温湿度交換セル１１ａ数は、必ずしも一致している必要はなく、特に燃料ガス供給口３３側の温湿度交換部１１は、使用する燃料ガスの初期湿度に応じてセル数を増減させるようにしてもよい。すなわち、例えば純水素を使用する場合には、酸化剤側とほぼ同じセル数とし、改質器から供給される水素を使用する場合には、そのセル数は数枚でも可能となる。
【００９３】
なお、中間プレート３５の材料に関しては、前述した第１の実施の形態の場合と同様であるので、ここではその説明を省略する。
【００９４】
次に、以上のように構成した本実施の形態の固体高分子型燃料電池システムにおいては、固体高分子型燃料電池スタック２９の両側に温湿度交換部１１を有していることにより、酸化剤である空気の供給管および排出管と燃料ガスである水素、および冷却材である不凍液の供給管および排出管を、それぞれ反対側に位置する温湿度交換部１１に配置させることが可能となり、従来では１つしかない温湿度交換部１１側のエンドプレートに集中していた配管群が散逸し、配管の自由度が高まるだけでなく、温湿度交換部１１内部での酸素−水素混合の危険性が全くなくなる。
【００９５】
また、各温湿度交換セル１１ａには、酸素流路あるいは水素流路の片方のみを設けるだけでよくなり、加工工数の低減に加えて、全セル面積のうち、温湿度交換面積を大きく取ることが可能となる。すなわち、同じ温湿度交換能力を得ようとする場合に、コンパクト化を図ることが可能となる。
【００９６】
さらに、不凍液の供給管を一方の中間プレート３５の任意の位置に、排出管をもう一方の中間プレート３５の任意の位置に設けていることにより、エンドプレート３０部での配管自由度と各流体の供給系・循環系・処理系の周囲機器の設置自由度がより一層増し、温湿度交換部セル１１ａでは加工工数の低減，および温湿度交換面積の拡大を図ることが可能となり、コンパクト化につながるだけでなく、その性能の温度依存性からあまり冷却を行ないたくない温湿度交換部１１の冷却を回避することが可能となる。
【００９７】
さらにまた、燃料ガスも温湿度交換部１１を通過することから、燃料ガスに純水素も利用可能となるのに加えて、あらかじめ加湿された水素を利用している場合には、酸素側の加湿量が限界付近となるような高出力密度でも、その補助として利用することが可能となる。
【００９８】
（第４の実施の形態：請求項１０および請求項１１に対応）
図１３は本実施の形態による固体高分子型燃料電池システムの構成例を示す鳥瞰図、図１４は同固体高分子型燃料電池システムの構成例を示す縦断面図であり、図１および図２と同一部分については同一符号を付して示している。
【００９９】
本実施の形態では、前述した固体高分子型燃料電池スタック２９からなる電池部と温湿度交換部１１との連結構成と、酸化剤ガスである空気、燃料ガスである水素、冷却材（媒体）である不凍液の流路構成に特徴があり、温湿度交換部の両側に固体高分子型燃料電池スタックを１つずつ、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却材の少なくとも１種類の連絡用貫通流路を有する２つのプレートを介して一体化し、温湿度交換部のプレート接触面ではない側面に、酸化剤の供給管および排出管を有し、固体高分子型燃料電池スタックのプレート接触面の反対側端面に、燃料ガスの供給管および排出管を有するものとしている。
【０１００】
すなわち、図１３に示すように、固体高分子型燃料電池システムは、温湿度交換部１１の両端に中間プレート３５を介して片側に１つずつ電池部を配置し、一体化した構成としている。ここでの温湿度交換部１１は、セル積層方向の中央部分に、図１４に示すような構成の酸化剤配流プレート５２を有している。
【０１０１】
酸化剤配流プレート５２は、酸化剤供給口３１を有し、プレート内に供給された未反応の酸化剤を、プレートの左右に配置された温湿度交換セル１１ａへと導く。
【０１０２】
また、燃料ガス剤である水素は、固体高分子型燃料電池スタック２９部のエンドプレート３０またはエンドプレート３２に配管された未反応燃料ガス供給口３３から、エンドプレート３０またはエンドプレート３２内部に設けられた燃料ガス入口マニホールドを通って、固体高分子型燃料電池スタック２９内へと導く。
【０１０３】
供給された未反応の空気は、酸化剤配流プレート５２を通って温湿度交換部１１へ、さらに中間プレート３５の酸化剤流入口４０を通って電池部へと導かれ、固体高分子型燃料電池スタック２９の各セルに分配する。
【０１０４】
電池部でセルを通過し、反応を終えた高温、高湿の既反応空気は、電池部で合流し、固体高分子型燃料電池スタック２９端部に配置された中間プレート３５内に設けられた既反応ガス入口マニホールドを通って酸化剤還流口３０より温湿度交換部１１へと導かれ、温湿度交換セル１１ａに分配され、酸化剤配流プレート５２に設けられた酸化剤排出口より排出する。
【０１０５】
さらに、燃料ガスである水素は、電池部端部のエンドプレート３０またはエンドプレート３２の内部に設けられた未反応燃料ガス供給口３３より供給され、未反応ガス入口マニホールド１９を通って電池部へと導かれ、固体高分子型燃料電池スタック２９の各セルに分配する。電池部でセルを通過し、酸化剤との反応を終えた高温、高湿の既反応水素は、電池部で合流し、既反応ガス出口マニホールド２０を経て、既反応燃料ガス排出口３７を通って、排出する。
【０１０６】
一方、これに限られることはなく、例えば図１５および図１６に示すように、燃料ガスは固体高分子型燃料電池スタック２９のエンドプレート３０またはエンドプレート３２に設けられた未反応燃料ガス供給口３３から供給し、未反応ガス入口マニホールドを通って固体高分子型燃料電池スタック２９部へと導き、各セルを通過した後、中間プレート３５に設けられた既反応ガス出口マニホールド２０、既反応燃料ガス排出口３７を通って排出を行なうようにしてもよい。
【０１０７】
また、左右の電池部の固体高分子型燃料電池スタック２９セル数は、必ずしも一致している必要はなく、意図的に左右をアンバランスとするようにしてもよい。
【０１０８】
なお、中間プレート３５の材料に関しては、前述した第１の実施の形態の場合と同様であるので、ここではその説明を省略する。
【０１０９】
次に、以上のように構成した本実施の形態の固体高分子型燃料電池システムにおいては、温湿度交換部１１の両側に発電部である固体高分子型燃料電池スタック２９を有していることにより、酸化剤である空気の供給管および排出管を、温湿度交換部１１の中間プレート３５接触面とは違う任意の面に、燃料ガスである水素、および冷却材である不凍液の供給管および排出管を、燃料電池スタック２９のエンドプレートに配置させることが可能となり、従来では１つしかない温湿度交換部１１側のエンドプレートに集中していた配管群が散逸し、配管の自由度が高まるだけでなく、温湿度交換部内部での酸素−水素混合の危険性が全くなくなる。
【０１１０】
また、温湿度交換セルには、酸素通過流路のみを設けるだけでよくなり、加工工数の低減に加えて、全セル面積のうち、温湿度交換面積を大きく取ることが可能となる。すなわち、同じ温湿度交換能力を得ようとする場合に、コンパクト化を図ることが可能となる。
【０１１１】
さらに、同じ出力の従来の燃料電池に対して、固体高分子型燃料電池スタック２９を左右に２分していることにより、温湿度交換部１１に未反応の酸化剤ガスが流入してから、電池部を通過し、再び温度交換部１１に還流してくるまでの時間が約半分となるため、出力の過渡応答性を要求される場合でも、従来に対してレスポンス良く、約半分の時間で対応することが可能となる。
【０１１２】
さらにまた、水素、および冷却材の供給口および排出口が同一面に集中することが好ましくない場合には、水素あるいは冷却材の排出口を中間プレート３５に設けることにより、配管の集中を避けることができ、配管自由度と各流体の供給系・循環系・処理系の周囲機器の設置自由度を増すことが可能となる。
【０１１３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の固体高分子型燃料電池システムでは、酸化剤ガスの供給口および排出口を温湿度交換部側に、燃料ガスの供給口および排出口を固体高分子型電池スタック側に設けるようにしているので、配管の集中を避けることができ、配管自由度の向上を図り、温湿度交換部内での酸素−水素混合の危険性を回避し、温湿度交換面積の増加あるいはコンパクト化を図ることができるのに加えて、温湿度交換部の冷却解除が可能となり、温湿度交換効率の向上を図ることが可能となる。
【０１１４】
また、温湿度交換部と固体高分子型燃料電池スタック部とを介する中間プレートの材質は、軽量化・加工性・強度・性能・コストダウン等の何れを重視するかによって適宜選択可能であり、それぞれの目的に応じた固体高分子型燃料電池システムを得ることが可能となる。
【０１１５】
さらに、温湿度交換部を２つ有しているので、純水素も燃料ガスとして使用することができ、改質器を有さない固体高分子型燃料電池システムを得ることも可能となる。
【０１１６】
さらにまた、温湿度交換部を電池部によって挟み込むようにしているので、上記の効果に加えて、過渡応答性に優れた固体高分子型燃料電池システムを得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による固体高分子型燃料電池システムの第１の実施の形態を示す鳥瞰図。
【図２】本発明による固体高分子型燃料電池システムの第１の実施の形態を示す縦断面図を示す図。
【図３】同第１の実施の形態の固体高分子型燃料電池システムにおける中間プレートの一構成例を示す図。
【図４】同第１の実施の形態の固体高分子型燃料電池システムにおける中間プレートの他の構成例を示す図。
【図５】同第１の実施の形態の固体高分子型燃料電池システムにおける中間プレートの他の構成例を示す図。
【図６】同第１の実施の形態の固体高分子型燃料電池システムにおける中間プレートの他の構成例を示す図。
【図７】本発明による固体高分子型燃料電池システムの第２の実施の形態を示す鳥瞰図。
【図８】本発明による固体高分子型燃料電池システムの第２の実施の形態を示す縦断面図を示す図。
【図９】本発明による固体高分子型燃料電池システムの第３の実施の形態を示す鳥瞰図。
【図１０】本発明による固体高分子型燃料電池システムの第３の実施の形態を示す縦断面図を示す図。
【図１１】本発明による固体高分子型燃料電池システムの第３の実施の形態の変形例を示す鳥瞰図。
【図１２】本発明による固体高分子型燃料電池システムの第３の実施の形態の変形例を示す縦断面図を示す図。
【図１３】本発明による固体高分子型燃料電池システムの第４の実施の形態を示す鳥瞰図。
【図１４】本発明による固体高分子型燃料電池システムの第４の実施の形態を示す縦断面図を示す図。
【図１５】本発明による固体高分子型燃料電池システムの第４の実施の形態の変形例を示す鳥瞰図。
【図１６】本発明による固体高分子型燃料電池システムの第４の実施の形態の変形例を示す縦断面図を示す図。
【図１７】固体高分子型燃料電池スタックの構成例を示す断面図。
【図１８】従来の固体高分子型燃料電池システムの構成例を示す分解斜視図。
【符号の説明】
１…アノード電極、
２…カソード電極、
３…触媒層、
４…固体高分子電解質膜、
５…単電池、
６…セパレータ、
７…単電池積層体、
８…冷却板、
９…シール材、
１０…電池部、
１１…温湿度交換部、
１１ａ…温湿度交換セル、
１９…未反応ガス入口マニホールド、
２０…既反応ガス出口マニホールド、
２１…既反応ガス入口マニホールド、
２２…未反応ガス出口マニホールド、
２９…固体高分子型燃料電池スタック、
３０…エンドプレート、
３１…酸化剤供給口、
３２…エンドプレート、
３３…燃料ガス供給口、
３４…冷却材供給口、
３５…中間プレート、
３６…酸化剤還流口、
３７…燃料ガス排出口、
３８…酸化剤排出口、
３９…冷却材排出口、
４０…酸化剤流入口、
４１…燃料ガス流入口、
４２…冷却材流入口、
４３…燃料ガス還流口、
４４…冷却材還流口、
４５…パッキン、
４６…断熱材、
４７…集電極、
４８…集電板、
４９…非金属プレート、
５０…金属板、
５１…セパレータ、
５２…酸化剤配流プレート。
Claims (11)
- 燃料極および酸化剤極からなる一対のガス拡散電極間に触媒層を介して固体高分子電解質膜を挟持させてなり、電池反応部での燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学的反応により発電を行ない電気的出力を発生する単電池を、前記燃料極および酸化剤極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するための溝を有するガス不透過性のセパレータ、および冷却媒体が流通する冷却板を介して複数積層して成る固体高分子型電池スタックと、
前記電池反応部を通過した酸化剤ガスと前記電池反応部を通過する前の酸化剤ガスとの熱交換および湿度交換を行なう温湿度交換部と、
前記燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体の少なくとも１種類の連絡用貫通流路を有するプレートとを備え、
前記固体高分子型燃料電池スタックと前記温湿度交換部とを、前記プレートを介して一体化し、
前記温湿度交換部のプレート接触面の反対側端面に、前記酸化剤ガスの供給管、および排出管を設け、
前記固体高分子型燃料電池スタックのプレート接触面の反対側端面に、前記燃料ガス、および冷却媒体の供給管および排出管を設けて成ることを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。 - 前記請求項１に記載の固体高分子型燃料電池システムにおいて、
前記プレートは、ステンレス鋼、または耐食コーティングを行なったアルミニウム等の金属プレートにより構成していることを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。 - 前記請求項１に記載の固体高分子型燃料電池システムにおいて、
前記プレートは、樹脂等の非金属を材料とするプレートにより構成していることを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。 - 前記請求項１に記載の固体高分子型燃料電池システムにおいて、
前記プレートは、樹脂等の非金属を材料とするプレートの少なくとも電池側端面に、ステンレス鋼、または耐食コーティングを行なったアルミニウム等の金属プレートを一体化させた多重プレートにより構成していることを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。 - 前記請求項１に記載の固体高分子型燃料電池システムにおいて、
前記プレートは、熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫよりも小さい材料により構成していることを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。 - 前記請求項１に記載の固体高分子型燃料電池システムにおいて、
前記プレートは、前記固体高分子型燃料電池スタックを構成するセパレータと同一材料で、少なくとも同一の外形形状を有していることを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。 - 燃料極および酸化剤極からなる一対のガス拡散電極間に触媒層を介して固体高分子電解質膜を挟持させてなり、電池反応部での燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学的反応により発電を行ない電気的出力を発生する単電池を、前記燃料極および酸化剤極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するための溝を有するガス不透過性のセパレータ、および冷却媒体が流通する冷却板を介して複数積層して成る固体高分子型電池スタックと、
前記電池反応部を通過した酸化剤ガスと前記電池反応部を通過する前の酸化剤ガスとの熱交換および湿度交換を行なう温湿度交換部と、
前記燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体の少なくとも１種類の連絡用貫通流路を有する゜レートとを備え、
前記固体高分子型燃料電池スタックと前記温湿度交換部とを、前記プレートを介して一体化し、
前記プレートは、前記固体高分子型燃料電池スタックのプレート接触面の反対側端面に前記燃料ガスの供給管を有し、かつプレート部の側面に排出管を有して成ることを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。 - 燃料極および酸化剤極からなる一対のガス拡散電極間に触媒層を介して固体高分子電解質膜を挟持させてなり、電池反応部での燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学的反応により発電を行ない電気的出力を発生する単電池を、前記燃料極および酸化剤極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するための溝を有するガス不透過性のセパレータ、および冷却媒体が流通する冷却板を介して複数積層して成る固体高分子型電池スタックと、
前記電池反応部を通過した酸化剤ガスと前記電池反応部を通過する前の酸化剤ガスとの熱交換および湿度交換を行なう２つの温湿度交換部と、
前記燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体の少なくとも１種類の連絡用貫通流路を有する２つのプレートとを備え、
前記固体高分子型燃料電池スタックの両側に前記温湿度交換部を１つずつ、前記プレートを介して一体化し、
前記一方の温湿度交換部のプレート接触面ではない側面に、前記酸化剤ガスの供給管および排出管を有し、
前記他方の温湿度交換部のプレート接触面ではない側面に、前記燃料ガス、および冷却媒体の供給管および排出管を有して成ることを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。 - 前記請求項８に記載の固体高分子型燃料電池システムにおいて、
前記燃料ガスの供給管側に前記冷却媒体の供給管を有し、前記燃料ガスの供給管から遠い方の前記プレートに排出管を有していることを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。 - 燃料極および酸化剤極からなる一対のガス拡散電極間に触媒層を介して固体高分子電解質膜を挟持させてなり、電池反応部での燃料ガスおよび酸化剤ガスの電気化学的反応により発電を行ない電気的出力を発生する単電池を、前記燃料極および酸化剤極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するための溝を有するガス不透過性のセパレータ、および冷却媒体が流通する冷却板を介して複数積層して成る固体高分子型電池スタックと、
前記電池反応部を通過した酸化剤ガスと前記電池反応部を通過する前の酸化剤ガスとの熱交換および湿度交換を行なう２つの温湿度交換部と、
前記燃料ガス、酸化剤ガス、冷却媒体の少なくとも１種類の連絡用貫通流路を有する２つのプレートとを備え、
前記温湿度交換部の両側に前記固体高分子型電池スタックを１つずつ、前記プレートを介して一体化し、
前記温湿度交換部のプレート接触面ではない側面に、前記酸化剤ガスの供給管および排出管を有し、
前記固体高分子型電池スタックのプレート接触面の反対側側面に、前記燃料ガスの供給管および排出管を有して成ることを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。 - 前記請求項１０に記載の固体高分子型燃料電池システムにおいて、
前記固体高分子型電池スタックのプレート接触面の反対側端面に前記燃料ガスの供給管を有し、プレート接触面側の側面に排出管を有していることを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
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