JP4062798B2 - 燃料電池及び燃料電池集合体 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池及び燃料電池集合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大気の汚染をできる限り減らすために自動車の排ガス対策が重要になっており、その対策の一つとして電気自動車が使用されているが、充電設備や走行距離などの問題で普及に至っていない。
【０００３】
燃料電池は、水素と酸素を使用して電気分解の逆反応で発電し、水以外の排出物がなくクリーンな発電装置として注目されており、前記燃料電池を使用した自動車が最も将来性のあるクリーンな自動車であると見られている。前記燃料電池の中でも固体高分子電解質型燃料電池が低温で作動するため自動車用として最も有望である。
【０００４】
固体高分子電解質型燃料電池システムは、一般的に二つの電極（燃料極と酸化剤極）で固体高分子電解質膜を挟んだ電解質と電極の接合体をセパレータで挟持した多数の単電池セルを積層してなる積層体をプレッシャプレートで挟持した燃料電池、前記燃料極側に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段、前記酸化剤極側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段及び各種ガス配管と、それらを制御する制御装置から構成されている。
【０００５】
前記セパレータには、燃料ガス供給マニホールド孔、酸化剤ガス供給マニホールド孔、燃料ガス排出マニホールド孔、酸化剤ガス排出マニホールド孔が設けられている。前記積層体では、前記燃料ガス供給マニホールド孔が連通して燃料ガス供給マニホールドを形成し、前記酸化剤ガス供給マニホールド孔が連通して酸化剤ガス供給マニホールドを形成している。また、前記積層体では、前記燃料ガス排出マニホールド孔が連通して燃料ガス排出マニホールドを形成し、前記酸化剤ガス排出マニホールド孔が連通して酸化剤ガス排出マニホールドを形成している。
【０００６】
燃料ガスは、前記燃料ガス供給マニホールドを通って前記燃料極に面する前記セパレータの設けられた燃料ガス通流溝に供給され、前記燃料ガス中の水素が燃料極での反応に使用され、残部の燃料ガスが前記燃料ガス排出マニホールドから排出される。
【０００７】
酸化剤ガスは、前記酸化剤ガス供給マニホールドを通って前記酸化剤極に面する前記セパレータの設けられた酸化剤ガス通流溝に供給され、前記酸化剤ガス中の酸素が酸化剤極での反応に使用され、残部の酸化剤ガスが前記酸化剤ガス排出マニホールドから排出される。
【０００８】
前記燃料極では燃料ガス中の水素が燃料極触媒に接触することにより下記の反応が生ずる。
【０００９】
２Ｈ２ → ４Ｈ＋ ＋４ｅ−
Ｈ＋は、電解質中を移動し酸化剤極触媒に達し空気中の酸素と反応して水となる。
【００１０】
４Ｈ＋ ＋４ｅ− ＋Ｏ２ → ２Ｈ２Ｏ
燃料極からのＨ＋の移動に伴い水も移動するため燃料極に供給する燃料ガスに水分を水蒸気として含ませて供給している。電解質が、固体高分子電解質膜の場合は、電解質の性能を維持するためにも、燃料ガスには上記の反応に必要な量以上の水分を水蒸気として含ませて供給し、酸化剤ガスにも水分を水蒸気として含ませて供給する必要がある。
【００１１】
前記燃料ガス中の水蒸気、及び酸化剤ガス中の水蒸気が、それぞれの排出マニホールドで凝縮し、滞留してしまうと、ガスの排出が不安定になり、燃料電池の発電の安定性に支障を来す。
従来技術として、特開平９−６３６２７号公報には、セパレータのガス供給マニホールド、ガス排出マニホールドと同じ高さで、プレッシャプレートに外部の配管に連結するガス供給孔、ガス排出孔セルを設けた燃料電池が開示されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
図５は、従来技術を適用した燃料電池の概略斜視説明図である。単電池セルの積層体５１をプレッシャプレート５２ａ、５２ｂで挟持し、４本の締結用ボルト５３で締結している。一方のプレッシャプレート５２ａには、燃料ガス供給孔５４、酸化剤ガス供給孔５６、燃料ガス排出孔５７、酸化剤ガス排出孔５９が設けられている。
【００１３】
燃料ガスは、前記燃料ガス供給孔５４から供給され、前記積層体５１の燃料ガス供給マニホールドを通り、セパレータ１に設けられた燃料ガス供給マニホールド孔２から燃料極に面する前記セパレータ１に設けられた燃料ガス通流溝に供給される。
【００１４】
前記燃料ガス中の水素が、前記燃料ガス通流溝を通っている間に燃料極の電極反応に利用される。利用されなかった未利用燃料ガスは、前記セパレータ１に設けられた燃料ガス排出マニホールド孔４へ排出される。更に、前記未利用燃料ガスは、前記積層体５１の燃料ガス排出マニホールドを通り、前記燃料ガス排出孔５７から外部の配管に排出される。
【００１５】
同様に、酸化剤ガスは、前記酸化剤ガス供給孔５６から供給され、前記積層体５１の酸化剤ガス供給マニホールドを通り、セパレータ１に設けられた酸化剤ガス供給マニホールド孔３から酸化剤極に面する前記セパレータ１に設けられた酸化剤ガス通流溝に供給される。
【００１６】
前記酸化剤ガス中の酸素が、前記酸化剤ガス通流溝を通っている間に酸化剤極の電極反応に利用される。利用されなかった未利用酸化剤ガスは、前記セパレータ１に設けられた酸化剤ガス排出マニホールド孔５へ排出される。更に、前記未利用酸化剤ガスは、前記積層体５１の酸化剤ガス排出マニホールドを通り、前記酸化剤ガス排出孔５９から外部の配管に排出される。
【００１７】
前記燃料ガス供給孔５４、酸化剤ガス供給孔５６は、それぞれ前記積層体５１の燃料ガス供給マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールドと同じ高さに位置に水平に設けられている。また、前記燃料ガス排出孔５７、酸化剤ガス排出孔５９は、それぞれ前記積層体５１の燃料ガス排出マニホールド、酸化剤ガス排出マニホールドと同じ高さに位置に水平に設けられている。
【００１８】
排出される未利用燃料ガス、未利用酸化剤ガス中に含まれる水蒸気が、前記燃料ガス排出孔５７、酸化剤ガス排出孔５９で凝縮して水になっても外部の配管に排出される。
【００１９】
しかしながら、従来技術の構造では、前記締結用ボルトを積層体から離れた位置に設けなければならいので、プレッシャプレートの面積を、セパレータの面積より大きくしなければならず、燃料電池が大型化する問題点がある。
本発明は上記課題を解決したもので、燃料ガス、酸化剤ガス中の水分の排出が容易にできる小型の燃料電池及び燃料電池集合体を提供する。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項１において講じた技術的手段（以下、第１の技術的手段と称する。）は、電解質を燃料極と酸化剤極で挟持した単電池セルを積層してなる積層体をプレッシャプレートで挟持した燃料電池において、前記プレッシャプレートの前記積層体に面するガス供給口を前記積層体のガス供給マニホールドと同じ高さに設け、前記プレッシャプレートの外部の配管に連結するガス供給口を前記積層体のガス供給マニホールドより低い位置に設けたガス供給孔、前記プレッシャプレートの前記積層体に面するガス排出口を前記積層体のガス排出マニホールドと同じ高さに設け、前記プレッシャプレートの外部の配管に連結するガス排出口を前記積層体のガス排出マニホールドの位置より高い位置に設け、前記ガス供給孔より低い位置に設けたガス排出孔、前記積層体のガス排出マニホールドより低い位置又は同じ高さに、前記ガス排出マニホールドに連通する水抜き分岐孔を設けたプレッシャプレートを備えることを特徴とする燃料電池である。
【００２１】
上記第１の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２２】
即ち、前記プレッシャプレートの面積がセパレータの面積と同じにしても、保持部材を単電池セルの積層方向と垂直方向からプレッシャプレートに結合し、該プレッシャプレートで前記積層体を締結でき、且つ凝縮した水を水抜き分岐孔から排出できるので、水抜きが容易にできる小型の燃料電池ができる効果を有する。
【００２３】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項２において講じた技術的手段（以下、第２の技術的手段と称する。）は、電解質を燃料極と酸化剤極で挟持した単電池セルを積層してなる積層体をプレッシャプレートで挟持した燃料電池において、前記プレッシャプレートの前記積層体に面するガス供給口を前記積層体のガス供給マニホールドと同じ高さに設け、前記プレッシャプレートの外部の配管に連結するガス供給口を前記積層体のガス供給マニホールドより低い位置に設けたガス供給孔、前記プレッシャプレートの前記積層体に面するガス排出口を前記積層体のガス排出マニホールドと同じ高さに設け、前記プレッシャプレートの外部の配管に連結するガス排出口を前記積層体のガス排出マニホールドの位置より高い位置に設け、前記ガス供給孔より低い位置に設けたガス排出孔、前記積層体のガス排出マニホールドと同じ高さ又は低い位置に前記ガス排出マニホールドに連通する水抜き分岐孔を設けたプレッシャプレートを備えることを特徴とする燃料電池を複数備え、前記水抜き分岐孔を一つの水抜き分岐管に連結したことを特徴とする燃料電池集合体である。
【００２４】
上記第２の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２５】
即ち、前記プレッシャプレートの面積がセパレータの面積と同じにしても、保持部材を単電池セルの積層方向と垂直方向からプレッシャプレートに結合し、該プレッシャプレートで前記積層体を締結でき、且つ凝縮した水を水抜き分岐孔から排出できる燃料電池を使用したので、水抜きが容易にできる小型の燃料電池集合体ができる効果を有する。
【００２６】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項３において講じた技術的手段（以下、第３の技術的手段と称する。）は、前記複数の燃料電池で狭持され、該燃料電池に少なくともガス供給孔、ガス排出孔を、該燃料電池との接触部に設けた燃料給排部材を備え、該燃料給排部材に前記燃料電池の水抜き分岐孔と連結する水抜き分岐孔を設け、該水抜き分岐孔を一つの水抜き分岐管に連結したことを特徴とする請求項２記載の燃料電池集合体である。
【００２７】
上記第３の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２８】
即ち、前記燃料電池のガス供給孔、ガス排出孔、水抜き分岐孔を前記燃料給排部材に集合させ、且つ水を共通の水抜き分岐管から排出できるようにしたので、更に小型の燃料電池集合体ができる効果を有する。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、図面に基づいて説明する。
【００３０】
図１は、本発明の第１実施例の燃料電池の概略斜視説明図である。単電池セルの積層体５１をプレッシャプレート６、７で挟持し、締結している。前記プレッシャプレート６、７の締結は、４本のＬ字型保持部材５０でボルト５５を用いて単電池セルの積層方向と垂直方向からプレッシャプレート６、７に結合して行っている。
【００３１】
一方のプレッシャプレート６には、燃料ガス供給孔３１、酸化剤ガス供給孔３２、燃料ガス排出孔３３、酸化剤ガス排出孔３４及び水抜き分岐孔１６、１７が設けられている。
【００３２】
燃料ガスは、前記燃料ガス供給孔３１から供給され、前記積層体５１の燃料ガス供給マニホールドを通り、セパレータ１に設けられた燃料ガス供給マニホールド孔２から燃料極に面する前記セパレータ１に設けられた燃料ガス通流溝に供給される。
【００３３】
前記燃料ガス中の水素が、前記燃料ガス通流溝を通っている間に燃料極の電極反応に利用される。利用されなかった未利用燃料ガスは、前記セパレータ１に設けられた燃料ガス排出マニホールド孔４へ排出される。更に、前記未利用燃料ガスは、前記積層体５１の燃料ガス排出マニホールドを通り、前記燃料ガス排出孔３３から外部の配管に排出される。
【００３４】
同様に、酸化剤ガスは、前記酸化剤ガス供給孔３２から供給され、前記積層体５１の酸化剤ガス供給マニホールドを通り、セパレータ１に設けられた酸化剤ガス供給マニホールド孔３から酸化剤極に面する前記セパレータ１に設けられた酸化剤ガス通流溝に供給される。
【００３５】
前記酸化剤ガス中の酸素が、前記酸化剤ガス通流溝を通っている間に酸化剤極の電極反応に利用される。利用されなかった未利用酸化剤ガスは、前記セパレータ１に設けられた酸化剤ガス排出マニホールド孔５へ排出される。更に、前記未利用酸化剤ガスは、前記積層体５１の酸化剤ガス排出マニホールドを通り、前記酸化剤ガス排出孔３４から外部の配管に排出される。
【００３６】
図２は、本発明の第１実施例のプレッシャプレート６の概略斜視説明図である。
【００３７】
前記燃料ガス供給孔３１は、前記積層体５１に面する燃料ガス供給口８と外部の配管に連結する燃料ガス供給口９を連通する孔である。前記燃料ガス供給口８は、前記積層体５１の燃料ガス供給マニホールドと同じ高さに設けられている。前記燃料ガス供給口９は、前記燃料ガス供給マニホールドより低い位置に設けられている。
【００３８】
同様に、前記酸化剤ガス供給孔３２は、前記積層体５１に面する酸化剤ガス供給口１０と外部の配管に連結する酸化剤ガス供給口１１を連通する孔である。前記酸化剤ガス供給口１０は、前記積層体５１の酸化剤ガス供給マニホールドと同じ高さに設けられている。前記酸化剤ガス供給口１１は、前記酸化剤ガス供給マニホールドより低い位置に設けられている。
【００３９】
前記燃料ガス排出孔３３は、前記積層体５１に面する燃料ガス排出口１２と外部の配管に連結する燃料ガス排出口１３を連通する孔である。前記燃料ガス排出口１２は、前記積層体５１の燃料ガス排出マニホールドと同じ高さに設けられている。前記燃料ガス排出口１３は、前記燃料ガス排出マニホールドより高い位置に設けられている。水抜き分岐孔１６は、前記燃料ガス排出マニホールドと同じ高さに設けられている。
【００４０】
前記酸化剤ガス排出孔３４は、前記積層体５１に面する酸化剤ガス排出口１４と外部の配管に連結する酸化剤ガス排出口１５を連通する孔である。前記酸化剤ガス排出口１４は、前記積層体５１の酸化剤ガス排出マニホールドと同じ高さに設けられている。前記酸化剤ガス排出口１５は、前記酸化剤ガス排出マニホールドより高い位置に設けられている。水抜き分岐孔１７は、前記酸化剤ガス排出マニホールドと同じ高さに設けられている。
【００４１】
図３は、本発明の第１実施例の酸化剤ガス排出孔３４部分を横から見た燃料電池の部分断面図である。
【００４２】
積層体５１は、単電池セル４０が多数積層されている。前記単電池セル４０に設けられた酸化剤ガス排出マニホールド孔４が連通して酸化剤ガス排出マニホールド４２を形成している。前記酸化剤ガス排出孔３４の酸化剤ガス排出口１４は、前記酸化剤ガス排出マニホールド４２と同じ高さで連通している。前記酸化剤ガス排出孔３４の酸化剤ガス排出口１５は、前記酸化剤ガス排出マニホールドより高い位置に設けられている。
【００４３】
水抜き分岐孔１７は、前記酸化剤ガス排出マニホールド４２と同じ高さに設けられ、前記酸化剤ガス排出口１４付近で前記酸化剤ガス排出孔３４と連通している。燃料ガス排出孔３３、水抜き分岐孔１６も同様の構造をしている。
【００４４】
本実施例では、プレッシャプレート６、７とセパレータ１の積層する面積は、同じである。この場合、前記プレッシャプレート６、７で積層体５１を締結するためには、本実施例のように保持部材５０で前記プレッシャプレート６、７に積層方向と垂直方向から締結用ボルト５５で締結する必要がある。
【００４５】
従来技術のガス供給孔５４、５６、ガス排出孔５７、５９の構造では、前記締結用ボルト５５を結合できる場所がプレッシャプレートに存在しない。本実施例のガス供給孔３１、３２、ガス排出孔３３、３４では、前記締結用ボルト５５を結合できる場所がプレッシャプレート６に存在するので、保持部材５０を使用することができる。
【００４６】
しかし、単に本実施例のガス供給孔５４、５６、ガス排出孔５７、５９の構造にすると、未利用燃料ガス、未利用酸化剤ガス中の水蒸気が、前記ガス排出孔５７、５９で凝縮した水が排気マニホールドに逆流し、燃料電池の発電性能を低下させる。
【００４７】
前記の凝縮した水の排出を容易にするために、水抜き分岐孔１６、１７を設けた。これにより、小型化と水抜きを両立させることができた。
【００４８】
図１〜３を用いて説明すると、プレッシャプレート６は積層体５１より温度が低いので、未利用酸化剤ガスが酸化剤ガス排出孔３４を通過するとき、該未利用酸化剤ガス中の水蒸気の一部が凝縮されて水になる。この水は低い位置に移動し、水抜き分岐孔１７から排出される。もし、この水抜き分岐孔１７がないと、水は前記酸化剤ガス排出孔３４に溜まり、酸化剤ガスの通流を阻害するので、燃料電池の発電性能が低下する。
【００４９】
プレッシャプレート６に設けられたガス供給孔３１、３２、ガス排出孔３３、３４が、該プレッシャプレート６の端部から離れて設けられているので、保持部材５０を単電池セルの積層方向と垂直方向から前記プレッシャプレート６に結合することができる。このため、前記プレッシャプレート６の面積を単電池セルの面積と同じにでき、燃料電池１８、１９、２０、２１を小型化できる。
【００５０】
図４は、本発明の第２実施例の燃料電池集合体の概略斜視説明図である。第１実施例と同じ燃料電池１８、１９、２０、２１が、中央分岐管部２３を介して連結されている。前記燃料電池１８と２１は、前記中央分岐管部２３を挟んで対称に配置されている。前記燃料電池１９と２０は、前記中央分岐管部２３を挟んで対称に配置されている。
【００５１】
前記燃料電池１８と１９の間には、単電池セルの積層方向と平行に燃料ガス供給管、酸化剤ガス供給管が集合したガス供給管部２２が設けられ、前記中央分岐管部２３に連結されている。また、前記燃料電池２０と２１の間には、単電池セルの積層方向と平行に燃料ガス排出管２７、酸化剤ガス排出管２８、水抜き分岐管２５、２６が集合したガス排出管部２４が設けられ、前記中央分岐管部２３に連結されている。
【００５２】
前記中央分岐管部２３には、前記ガス供給管部２２の燃料ガス供給管、酸化剤ガス供給管と前記燃料電池１８、１９、２０、２１の燃料ガス供給孔３１、酸化剤ガス供給孔３２をそれぞれ連結する管路が設けられている。また、前記中央分岐管部２３には、前記燃料電池１８、１９、２０、２１の燃料ガス排出孔３３、酸化剤ガス排出孔３４、水抜き分岐孔１６、１７と前記ガス排出管部２４の燃料ガス排出管２７、酸化剤ガス排出管２８、水抜き分岐管２５、２６をそれぞれ連結する管路が設けられている。
【００５３】
前記燃料電池で使用された未利用燃料ガスは、燃料ガス排出孔３３から前記中央分岐管部２３に設けられた燃料ガス排出管路を介して前記ガス排出管部２４の燃料ガス排出管２７に排出される。前記燃料ガス排出孔３３などで凝縮した水は、前記水抜き分岐孔１６から前記中央分岐管部２３に設けられた水抜き分岐管路を介して前記ガス排出管部２４の水抜き分岐管２５に排出される。
【００５４】
一方、前記燃料電池で使用された未利用酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出孔３４から前記中央分岐管部２３に設けられた酸化剤ガス排出管路を介して前記ガス排出管部２４の酸化剤ガス排出管２８に排出される。前記酸化剤ガス排出孔３４などで凝縮した水は、前記水抜き分岐孔１７から前記中央分岐管部２３に設けられた水抜き分岐管路を介して前記ガス排出管部２４の水抜き分岐管２６に排出される。
【００５５】
プレッシャプレート６に設けられたガス供給孔、ガス排出孔が、該プレッシャプレート６の端部から離れて設けられているので、保持部材５０を単電池セルの積層方向と垂直方向から前記プレッシャプレート６に結合することができる。このため、前記プレッシャプレート６の面積を単電池セルの面積と同じにでき、燃料電池１８、１９、２０、２１を小型化できるので、燃料ガス、酸化剤ガス中の水分の排出が容易にできる小型の燃料電池集合体ができる。
【００５６】
以上のように、本発明は、電解質を燃料極と酸化剤極で挟持した単電池セルを積層してなる積層体をプレッシャプレートで挟持した燃料電池において、前記プレッシャプレートの前記積層体に面するガス供給口を前記積層体のガス供給マニホールドと同じ高さに設け、前記プレッシャプレートの外部の配管に連結するガス供給口を前記積層体のガス供給マニホールドより低い位置に設けたガス供給孔、前記プレッシャプレートの前記積層体に面するガス排出口を前記積層体のガス排出マニホールドと同じ高さに設け、前記プレッシャプレートの外部の配管に連結するガス排出口を前記積層体のガス排出マニホールドの位置より高い位置に設け、前記ガス供給孔より低い位置に設けたガス排出孔、前記積層体のガス排出マニホールドより低い位置又は同じ高さに、前記ガス排出マニホールドに連通する水抜き分岐孔を設けたプレッシャプレートを備えることを特徴とする燃料電池及び複数の燃料電池を集合し、前記水抜き分岐孔を一つにまとめた水抜き分岐管を設けたことを特徴とする燃料電池集合体であるので、前記プレッシャプレートの面積がセパレータの面積と同じにしても、保持部材を単電池セルの積層方向と垂直方向からプレッシャプレートに結合し、該プレッシャプレートで前記積層体を締結でき、且つ凝縮した水を水抜き分岐孔から排出できるため、水抜きが容易にできる小型の燃料電池及び燃料電池集合体ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の燃料電池の概略斜視説明図
【図２】本発明の第１実施例のプレッシャプレートの概略斜視説明図
【図３】本発明の第１実施例の酸化剤ガス排出孔部分を横から見た燃料電池の部分断面図
【図４】本発明の第２実施例の燃料電池集合体の概略斜視説明図
【図５】従来技術を適用した燃料電池の概略斜視説明図
【符号の説明】
１…セパレータ
６、７…プレッシャプレート
８、９…燃料ガス供給口
１０、１１…酸化剤ガス供給口
１２、１３…燃料ガス排出口
１４、１５…酸化剤ガス排出口
１６、１７…水抜き分岐孔
１８、１９、２０、２１…燃料電池
２２…ガス供給管部
２３…中央分岐管部
２４…ガス排出管部
２５、２６…水抜き分岐管
３１…燃料ガス供給孔
３２…酸化剤ガス供給孔
３３…燃料ガス排出孔
３４…酸化剤ガス排出孔
４０…単電池セル
４２…酸化剤ガス排出マニホールド
５１…積層体
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池及び燃料電池集合体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大気の汚染をできる限り減らすために自動車の排ガス対策が重要になっており、その対策の一つとして電気自動車が使用されているが、充電設備や走行距離などの問題で普及に至っていない。
【０００３】
燃料電池は、水素と酸素を使用して電気分解の逆反応で発電し、水以外の排出物がなくクリーンな発電装置として注目されており、前記燃料電池を使用した自動車が最も将来性のあるクリーンな自動車であると見られている。前記燃料電池の中でも固体高分子電解質型燃料電池が低温で作動するため自動車用として最も有望である。
【０００４】
固体高分子電解質型燃料電池システムは、一般的に二つの電極（燃料極と酸化剤極）で固体高分子電解質膜を挟んだ電解質と電極の接合体をセパレータで挟持した多数の単電池セルを積層してなる積層体をプレッシャプレートで挟持した燃料電池、前記燃料極側に燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段、前記酸化剤極側に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給手段及び各種ガス配管と、それらを制御する制御装置から構成されている。
【０００５】
前記セパレータには、燃料ガス供給マニホールド孔、酸化剤ガス供給マニホールド孔、燃料ガス排出マニホールド孔、酸化剤ガス排出マニホールド孔が設けられている。前記積層体では、前記燃料ガス供給マニホールド孔が連通して燃料ガス供給マニホールドを形成し、前記酸化剤ガス供給マニホールド孔が連通して酸化剤ガス供給マニホールドを形成している。また、前記積層体では、前記燃料ガス排出マニホールド孔が連通して燃料ガス排出マニホールドを形成し、前記酸化剤ガス排出マニホールド孔が連通して酸化剤ガス排出マニホールドを形成している。
【０００６】
燃料ガスは、前記燃料ガス供給マニホールドを通って前記燃料極に面する前記セパレータの設けられた燃料ガス通流溝に供給され、前記燃料ガス中の水素が燃料極での反応に使用され、残部の燃料ガスが前記燃料ガス排出マニホールドから排出される。
【０００７】
酸化剤ガスは、前記酸化剤ガス供給マニホールドを通って前記酸化剤極に面する前記セパレータの設けられた酸化剤ガス通流溝に供給され、前記酸化剤ガス中の酸素が酸化剤極での反応に使用され、残部の酸化剤ガスが前記酸化剤ガス排出マニホールドから排出される。
【０００８】
前記燃料極では燃料ガス中の水素が燃料極触媒に接触することにより下記の反応が生ずる。
【０００９】
２Ｈ２ → ４Ｈ＋ ＋４ｅ−
Ｈ＋は、電解質中を移動し酸化剤極触媒に達し空気中の酸素と反応して水となる。
【００１０】
４Ｈ＋ ＋４ｅ− ＋Ｏ２ → ２Ｈ２Ｏ
燃料極からのＨ＋の移動に伴い水も移動するため燃料極に供給する燃料ガスに水分を水蒸気として含ませて供給している。電解質が、固体高分子電解質膜の場合は、電解質の性能を維持するためにも、燃料ガスには上記の反応に必要な量以上の水分を水蒸気として含ませて供給し、酸化剤ガスにも水分を水蒸気として含ませて供給する必要がある。
【００１１】
前記燃料ガス中の水蒸気、及び酸化剤ガス中の水蒸気が、それぞれの排出マニホールドで凝縮し、滞留してしまうと、ガスの排出が不安定になり、燃料電池の発電の安定性に支障を来す。
従来技術として、特開平９−６３６２７号公報には、セパレータのガス供給マニホールド、ガス排出マニホールドと同じ高さで、プレッシャプレートに外部の配管に連結するガス供給孔、ガス排出孔セルを設けた燃料電池が開示されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
図５は、従来技術を適用した燃料電池の概略斜視説明図である。単電池セルの積層体５１をプレッシャプレート５２ａ、５２ｂで挟持し、４本の締結用ボルト５３で締結している。一方のプレッシャプレート５２ａには、燃料ガス供給孔５４、酸化剤ガス供給孔５６、燃料ガス排出孔５７、酸化剤ガス排出孔５９が設けられている。
【００１３】
燃料ガスは、前記燃料ガス供給孔５４から供給され、前記積層体５１の燃料ガス供給マニホールドを通り、セパレータ１に設けられた燃料ガス供給マニホールド孔２から燃料極に面する前記セパレータ１に設けられた燃料ガス通流溝に供給される。
【００１４】
前記燃料ガス中の水素が、前記燃料ガス通流溝を通っている間に燃料極の電極反応に利用される。利用されなかった未利用燃料ガスは、前記セパレータ１に設けられた燃料ガス排出マニホールド孔４へ排出される。更に、前記未利用燃料ガスは、前記積層体５１の燃料ガス排出マニホールドを通り、前記燃料ガス排出孔５７から外部の配管に排出される。
【００１５】
同様に、酸化剤ガスは、前記酸化剤ガス供給孔５６から供給され、前記積層体５１の酸化剤ガス供給マニホールドを通り、セパレータ１に設けられた酸化剤ガス供給マニホールド孔３から酸化剤極に面する前記セパレータ１に設けられた酸化剤ガス通流溝に供給される。
【００１６】
前記酸化剤ガス中の酸素が、前記酸化剤ガス通流溝を通っている間に酸化剤極の電極反応に利用される。利用されなかった未利用酸化剤ガスは、前記セパレータ１に設けられた酸化剤ガス排出マニホールド孔５へ排出される。更に、前記未利用酸化剤ガスは、前記積層体５１の酸化剤ガス排出マニホールドを通り、前記酸化剤ガス排出孔５９から外部の配管に排出される。
【００１７】
前記燃料ガス供給孔５４、酸化剤ガス供給孔５６は、それぞれ前記積層体５１の燃料ガス供給マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールドと同じ高さに位置に水平に設けられている。また、前記燃料ガス排出孔５７、酸化剤ガス排出孔５９は、それぞれ前記積層体５１の燃料ガス排出マニホールド、酸化剤ガス排出マニホールドと同じ高さに位置に水平に設けられている。
【００１８】
排出される未利用燃料ガス、未利用酸化剤ガス中に含まれる水蒸気が、前記燃料ガス排出孔５７、酸化剤ガス排出孔５９で凝縮して水になっても外部の配管に排出される。
【００１９】
しかしながら、従来技術の構造では、前記締結用ボルトを積層体から離れた位置に設けなければならいので、プレッシャプレートの面積を、セパレータの面積より大きくしなければならず、燃料電池が大型化する問題点がある。
本発明は上記課題を解決したもので、燃料ガス、酸化剤ガス中の水分の排出が容易にできる小型の燃料電池及び燃料電池集合体を提供する。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項１において講じた技術的手段（以下、第１の技術的手段と称する。）は、電解質を燃料極と酸化剤極で挟持した単電池セルを積層してなる積層体をプレッシャプレートで挟持した燃料電池において、前記プレッシャプレートの前記積層体に面するガス供給口を前記積層体のガス供給マニホールドと同じ高さに設け、前記プレッシャプレートの外部の配管に連結するガス供給口を前記積層体のガス供給マニホールドより低い位置に設けたガス供給孔、前記プレッシャプレートの前記積層体に面するガス排出口を前記積層体のガス排出マニホールドと同じ高さに設け、前記プレッシャプレートの外部の配管に連結するガス排出口を前記積層体のガス排出マニホールドの位置より高い位置に設け、前記ガス供給孔より低い位置に設けたガス排出孔、前記積層体のガス排出マニホールドより低い位置又は同じ高さに、前記ガス排出マニホールドに連通する水抜き分岐孔を設けたプレッシャプレートを備えることを特徴とする燃料電池である。
【００２１】
上記第１の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２２】
即ち、前記プレッシャプレートの面積がセパレータの面積と同じにしても、保持部材を単電池セルの積層方向と垂直方向からプレッシャプレートに結合し、該プレッシャプレートで前記積層体を締結でき、且つ凝縮した水を水抜き分岐孔から排出できるので、水抜きが容易にできる小型の燃料電池ができる効果を有する。
【００２３】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項２において講じた技術的手段（以下、第２の技術的手段と称する。）は、電解質を燃料極と酸化剤極で挟持した単電池セルを積層してなる積層体をプレッシャプレートで挟持した燃料電池において、前記プレッシャプレートの前記積層体に面するガス供給口を前記積層体のガス供給マニホールドと同じ高さに設け、前記プレッシャプレートの外部の配管に連結するガス供給口を前記積層体のガス供給マニホールドより低い位置に設けたガス供給孔、前記プレッシャプレートの前記積層体に面するガス排出口を前記積層体のガス排出マニホールドと同じ高さに設け、前記プレッシャプレートの外部の配管に連結するガス排出口を前記積層体のガス排出マニホールドの位置より高い位置に設け、前記ガス供給孔より低い位置に設けたガス排出孔、前記積層体のガス排出マニホールドと同じ高さ又は低い位置に前記ガス排出マニホールドに連通する水抜き分岐孔を設けたプレッシャプレートを備えることを特徴とする燃料電池を複数備え、前記水抜き分岐孔を一つの水抜き分岐管に連結したことを特徴とする燃料電池集合体である。
【００２４】
上記第２の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２５】
即ち、前記プレッシャプレートの面積がセパレータの面積と同じにしても、保持部材を単電池セルの積層方向と垂直方向からプレッシャプレートに結合し、該プレッシャプレートで前記積層体を締結でき、且つ凝縮した水を水抜き分岐孔から排出できる燃料電池を使用したので、水抜きが容易にできる小型の燃料電池集合体ができる効果を有する。
【００２６】
上記技術的課題を解決するために、本発明の請求項３において講じた技術的手段（以下、第３の技術的手段と称する。）は、前記複数の燃料電池で狭持され、該燃料電池に少なくともガス供給孔、ガス排出孔を、該燃料電池との接触部に設けた燃料給排部材を備え、該燃料給排部材に前記燃料電池の水抜き分岐孔と連結する水抜き分岐孔を設け、該水抜き分岐孔を一つの水抜き分岐管に連結したことを特徴とする請求項２記載の燃料電池集合体である。
【００２７】
上記第３の技術的手段による効果は、以下のようである。
【００２８】
即ち、前記燃料電池のガス供給孔、ガス排出孔、水抜き分岐孔を前記燃料給排部材に集合させ、且つ水を共通の水抜き分岐管から排出できるようにしたので、更に小型の燃料電池集合体ができる効果を有する。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について、図面に基づいて説明する。
【００３０】
図１は、本発明の第１実施例の燃料電池の概略斜視説明図である。単電池セルの積層体５１をプレッシャプレート６、７で挟持し、締結している。前記プレッシャプレート６、７の締結は、４本のＬ字型保持部材５０でボルト５５を用いて単電池セルの積層方向と垂直方向からプレッシャプレート６、７に結合して行っている。
【００３１】
一方のプレッシャプレート６には、燃料ガス供給孔３１、酸化剤ガス供給孔３２、燃料ガス排出孔３３、酸化剤ガス排出孔３４及び水抜き分岐孔１６、１７が設けられている。
【００３２】
燃料ガスは、前記燃料ガス供給孔３１から供給され、前記積層体５１の燃料ガス供給マニホールドを通り、セパレータ１に設けられた燃料ガス供給マニホールド孔２から燃料極に面する前記セパレータ１に設けられた燃料ガス通流溝に供給される。
【００３３】
前記燃料ガス中の水素が、前記燃料ガス通流溝を通っている間に燃料極の電極反応に利用される。利用されなかった未利用燃料ガスは、前記セパレータ１に設けられた燃料ガス排出マニホールド孔４へ排出される。更に、前記未利用燃料ガスは、前記積層体５１の燃料ガス排出マニホールドを通り、前記燃料ガス排出孔３３から外部の配管に排出される。
【００３４】
同様に、酸化剤ガスは、前記酸化剤ガス供給孔３２から供給され、前記積層体５１の酸化剤ガス供給マニホールドを通り、セパレータ１に設けられた酸化剤ガス供給マニホールド孔３から酸化剤極に面する前記セパレータ１に設けられた酸化剤ガス通流溝に供給される。
【００３５】
前記酸化剤ガス中の酸素が、前記酸化剤ガス通流溝を通っている間に酸化剤極の電極反応に利用される。利用されなかった未利用酸化剤ガスは、前記セパレータ１に設けられた酸化剤ガス排出マニホールド孔５へ排出される。更に、前記未利用酸化剤ガスは、前記積層体５１の酸化剤ガス排出マニホールドを通り、前記酸化剤ガス排出孔３４から外部の配管に排出される。
【００３６】
図２は、本発明の第１実施例のプレッシャプレート６の概略斜視説明図である。
【００３７】
前記燃料ガス供給孔３１は、前記積層体５１に面する燃料ガス供給口８と外部の配管に連結する燃料ガス供給口９を連通する孔である。前記燃料ガス供給口８は、前記積層体５１の燃料ガス供給マニホールドと同じ高さに設けられている。前記燃料ガス供給口９は、前記燃料ガス供給マニホールドより低い位置に設けられている。
【００３８】
同様に、前記酸化剤ガス供給孔３２は、前記積層体５１に面する酸化剤ガス供給口１０と外部の配管に連結する酸化剤ガス供給口１１を連通する孔である。前記酸化剤ガス供給口１０は、前記積層体５１の酸化剤ガス供給マニホールドと同じ高さに設けられている。前記酸化剤ガス供給口１１は、前記酸化剤ガス供給マニホールドより低い位置に設けられている。
【００３９】
前記燃料ガス排出孔３３は、前記積層体５１に面する燃料ガス排出口１２と外部の配管に連結する燃料ガス排出口１３を連通する孔である。前記燃料ガス排出口１２は、前記積層体５１の燃料ガス排出マニホールドと同じ高さに設けられている。前記燃料ガス排出口１３は、前記燃料ガス排出マニホールドより高い位置に設けられている。水抜き分岐孔１６は、前記燃料ガス排出マニホールドと同じ高さに設けられている。
【００４０】
前記酸化剤ガス排出孔３４は、前記積層体５１に面する酸化剤ガス排出口１４と外部の配管に連結する酸化剤ガス排出口１５を連通する孔である。前記酸化剤ガス排出口１４は、前記積層体５１の酸化剤ガス排出マニホールドと同じ高さに設けられている。前記酸化剤ガス排出口１５は、前記酸化剤ガス排出マニホールドより高い位置に設けられている。水抜き分岐孔１７は、前記酸化剤ガス排出マニホールドと同じ高さに設けられている。
【００４１】
図３は、本発明の第１実施例の酸化剤ガス排出孔３４部分を横から見た燃料電池の部分断面図である。
【００４２】
積層体５１は、単電池セル４０が多数積層されている。前記単電池セル４０に設けられた酸化剤ガス排出マニホールド孔４が連通して酸化剤ガス排出マニホールド４２を形成している。前記酸化剤ガス排出孔３４の酸化剤ガス排出口１４は、前記酸化剤ガス排出マニホールド４２と同じ高さで連通している。前記酸化剤ガス排出孔３４の酸化剤ガス排出口１５は、前記酸化剤ガス排出マニホールドより高い位置に設けられている。
【００４３】
水抜き分岐孔１７は、前記酸化剤ガス排出マニホールド４２と同じ高さに設けられ、前記酸化剤ガス排出口１４付近で前記酸化剤ガス排出孔３４と連通している。燃料ガス排出孔３３、水抜き分岐孔１６も同様の構造をしている。
【００４４】
本実施例では、プレッシャプレート６、７とセパレータ１の積層する面積は、同じである。この場合、前記プレッシャプレート６、７で積層体５１を締結するためには、本実施例のように保持部材５０で前記プレッシャプレート６、７に積層方向と垂直方向から締結用ボルト５５で締結する必要がある。
【００４５】
従来技術のガス供給孔５４、５６、ガス排出孔５７、５９の構造では、前記締結用ボルト５５を結合できる場所がプレッシャプレートに存在しない。本実施例のガス供給孔３１、３２、ガス排出孔３３、３４では、前記締結用ボルト５５を結合できる場所がプレッシャプレート６に存在するので、保持部材５０を使用することができる。
【００４６】
しかし、単に本実施例のガス供給孔５４、５６、ガス排出孔５７、５９の構造にすると、未利用燃料ガス、未利用酸化剤ガス中の水蒸気が、前記ガス排出孔５７、５９で凝縮した水が排気マニホールドに逆流し、燃料電池の発電性能を低下させる。
【００４７】
前記の凝縮した水の排出を容易にするために、水抜き分岐孔１６、１７を設けた。これにより、小型化と水抜きを両立させることができた。
【００４８】
図１〜３を用いて説明すると、プレッシャプレート６は積層体５１より温度が低いので、未利用酸化剤ガスが酸化剤ガス排出孔３４を通過するとき、該未利用酸化剤ガス中の水蒸気の一部が凝縮されて水になる。この水は低い位置に移動し、水抜き分岐孔１７から排出される。もし、この水抜き分岐孔１７がないと、水は前記酸化剤ガス排出孔３４に溜まり、酸化剤ガスの通流を阻害するので、燃料電池の発電性能が低下する。
【００４９】
プレッシャプレート６に設けられたガス供給孔３１、３２、ガス排出孔３３、３４が、該プレッシャプレート６の端部から離れて設けられているので、保持部材５０を単電池セルの積層方向と垂直方向から前記プレッシャプレート６に結合することができる。このため、前記プレッシャプレート６の面積を単電池セルの面積と同じにでき、燃料電池１８、１９、２０、２１を小型化できる。
【００５０】
図４は、本発明の第２実施例の燃料電池集合体の概略斜視説明図である。第１実施例と同じ燃料電池１８、１９、２０、２１が、中央分岐管部２３を介して連結されている。前記燃料電池１８と２１は、前記中央分岐管部２３を挟んで対称に配置されている。前記燃料電池１９と２０は、前記中央分岐管部２３を挟んで対称に配置されている。
【００５１】
前記燃料電池１８と１９の間には、単電池セルの積層方向と平行に燃料ガス供給管、酸化剤ガス供給管が集合したガス供給管部２２が設けられ、前記中央分岐管部２３に連結されている。また、前記燃料電池２０と２１の間には、単電池セルの積層方向と平行に燃料ガス排出管２７、酸化剤ガス排出管２８、水抜き分岐管２５、２６が集合したガス排出管部２４が設けられ、前記中央分岐管部２３に連結されている。
【００５２】
前記中央分岐管部２３には、前記ガス供給管部２２の燃料ガス供給管、酸化剤ガス供給管と前記燃料電池１８、１９、２０、２１の燃料ガス供給孔３１、酸化剤ガス供給孔３２をそれぞれ連結する管路が設けられている。また、前記中央分岐管部２３には、前記燃料電池１８、１９、２０、２１の燃料ガス排出孔３３、酸化剤ガス排出孔３４、水抜き分岐孔１６、１７と前記ガス排出管部２４の燃料ガス排出管２７、酸化剤ガス排出管２８、水抜き分岐管２５、２６をそれぞれ連結する管路が設けられている。
【００５３】
前記燃料電池で使用された未利用燃料ガスは、燃料ガス排出孔３３から前記中央分岐管部２３に設けられた燃料ガス排出管路を介して前記ガス排出管部２４の燃料ガス排出管２７に排出される。前記燃料ガス排出孔３３などで凝縮した水は、前記水抜き分岐孔１６から前記中央分岐管部２３に設けられた水抜き分岐管路を介して前記ガス排出管部２４の水抜き分岐管２５に排出される。
【００５４】
一方、前記燃料電池で使用された未利用酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出孔３４から前記中央分岐管部２３に設けられた酸化剤ガス排出管路を介して前記ガス排出管部２４の酸化剤ガス排出管２８に排出される。前記酸化剤ガス排出孔３４などで凝縮した水は、前記水抜き分岐孔１７から前記中央分岐管部２３に設けられた水抜き分岐管路を介して前記ガス排出管部２４の水抜き分岐管２６に排出される。
【００５５】
プレッシャプレート６に設けられたガス供給孔、ガス排出孔が、該プレッシャプレート６の端部から離れて設けられているので、保持部材５０を単電池セルの積層方向と垂直方向から前記プレッシャプレート６に結合することができる。このため、前記プレッシャプレート６の面積を単電池セルの面積と同じにでき、燃料電池１８、１９、２０、２１を小型化できるので、燃料ガス、酸化剤ガス中の水分の排出が容易にできる小型の燃料電池集合体ができる。
【００５６】
以上のように、本発明は、電解質を燃料極と酸化剤極で挟持した単電池セルを積層してなる積層体をプレッシャプレートで挟持した燃料電池において、前記プレッシャプレートの前記積層体に面するガス供給口を前記積層体のガス供給マニホールドと同じ高さに設け、前記プレッシャプレートの外部の配管に連結するガス供給口を前記積層体のガス供給マニホールドより低い位置に設けたガス供給孔、前記プレッシャプレートの前記積層体に面するガス排出口を前記積層体のガス排出マニホールドと同じ高さに設け、前記プレッシャプレートの外部の配管に連結するガス排出口を前記積層体のガス排出マニホールドの位置より高い位置に設け、前記ガス供給孔より低い位置に設けたガス排出孔、前記積層体のガス排出マニホールドより低い位置又は同じ高さに、前記ガス排出マニホールドに連通する水抜き分岐孔を設けたプレッシャプレートを備えることを特徴とする燃料電池及び複数の燃料電池を集合し、前記水抜き分岐孔を一つにまとめた水抜き分岐管を設けたことを特徴とする燃料電池集合体であるので、前記プレッシャプレートの面積がセパレータの面積と同じにしても、保持部材を単電池セルの積層方向と垂直方向からプレッシャプレートに結合し、該プレッシャプレートで前記積層体を締結でき、且つ凝縮した水を水抜き分岐孔から排出できるため、水抜きが容易にできる小型の燃料電池及び燃料電池集合体ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の燃料電池の概略斜視説明図
【図２】本発明の第１実施例のプレッシャプレートの概略斜視説明図
【図３】本発明の第１実施例の酸化剤ガス排出孔部分を横から見た燃料電池の部分断面図
【図４】本発明の第２実施例の燃料電池集合体の概略斜視説明図
【図５】従来技術を適用した燃料電池の概略斜視説明図
【符号の説明】
１…セパレータ
６、７…プレッシャプレート
８、９…燃料ガス供給口
１０、１１…酸化剤ガス供給口
１２、１３…燃料ガス排出口
１４、１５…酸化剤ガス排出口
１６、１７…水抜き分岐孔
１８、１９、２０、２１…燃料電池
２２…ガス供給管部
２３…中央分岐管部
２４…ガス排出管部
２５、２６…水抜き分岐管
３１…燃料ガス供給孔
３２…酸化剤ガス供給孔
３３…燃料ガス排出孔
３４…酸化剤ガス排出孔
４０…単電池セル
４２…酸化剤ガス排出マニホールド
５１…積層体
Claims (3)
- 電解質を燃料極と酸化剤極で挟持した単電池セルを積層してなる積層体をプレッシャプレートで挟持した燃料電池において、前記プレッシャプレートの前記積層体に面するガス供給口を前記積層体のガス供給マニホールドと同じ高さに設け、前記プレッシャプレートの外部の配管に連結するガス供給口を前記積層体のガス供給マニホールドより低い位置に設けたガス供給孔、前記プレッシャプレートの前記積層体に面するガス排出口を前記積層体のガス排出マニホールドと同じ高さに設け、前記プレッシャプレートの外部の配管に連結するガス排出口を前記積層体のガス排出マニホールドの位置より高い位置に設け、前記ガス供給孔より低い位置に設けたガス排出孔、前記積層体のガス排出マニホールドより低い位置又は同じ高さに、前記ガス排出マニホールドに連通する水抜き分岐孔を設けたプレッシャプレートを備えることを特徴とする燃料電池。
- 電解質を燃料極と酸化剤極で挟持した単電池セルを積層してなる積層体をプレッシャプレートで挟持した燃料電池において、前記プレッシャプレートの前記積層体に面するガス供給口を前記積層体のガス供給マニホールドと同じ高さに設け、前記プレッシャプレートの外部の配管に連結するガス供給口を前記積層体のガス供給マニホールドより低い位置に設けたガス供給孔、前記プレッシャプレートの前記積層体に面するガス排出口を前記積層体のガス排出マニホールドと同じ高さに設け、前記プレッシャプレートの外部の配管に連結するガス排出口を前記積層体のガス排出マニホールドの位置より高い位置に設け、前記ガス供給孔より低い位置に設けたガス排出孔、前記積層体のガス排出マニホールドと同じ高さ又は低い位置に前記ガス排出マニホールドに連通する水抜き分岐孔を設けたプレッシャプレートを備えることを特徴とする燃料電池を複数備え、前記水抜き分岐孔を一つの水抜き分岐管に連結したことを特徴とする燃料電池集合体。
- 前記複数の燃料電池で狭持され、該燃料電池に少なくともガス供給孔、ガス排出孔を、該燃料電池との接触部に設けた燃料給排部材を備え、該燃料給排部材に前記燃料電池の水抜き分岐孔と連結する水抜き分岐孔を設け、該水抜き分岐孔を一つの水抜き分岐管に連結したことを特徴とする請求項２記載の燃料電池集合体。
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