JP5158405B2

JP5158405B2 - Fuel cell

Info

Publication number: JP5158405B2
Application number: JP2006345296A
Authority: JP
Inventors: 良和遠畑
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2026-12-22
Also published as: JP2008159344A

Description

本発明は、燃料電池に関する。さらに詳述すると、本発明は、燃料電池の構造の改良に関する。 The present invention relates to a fuel cell. More specifically, the present invention relates to an improvement in the structure of a fuel cell.

一般に、燃料電池（例えば高分子電解質形燃料電池）は電解質をセパレータで挟んだセルを複数積層することによって構成されている。セルは平板状（例えば矩形の板状）であり、このようなセルを複数積層させてセル積層体（セルスタック）が構成され、ターミナル、インシュレータ、エンドプレート、プレッシャプレート、さらにはテンションプレートなどが設けられて燃料電池が構成されている（例えば、特許文献１参照）。また、このように積層された各セルに対して燃料ガスや酸化ガスを供給し、さらには各セルから反応オフガスを排出するため、積層方向に連通する各ガス用のマニホールドがセルやエンドプレート等に設けられている。このような構造の燃料電池は、例えば車載用（燃料電池車の動力源）等あるいは定置用などとして利用されている。
特開２００６−１４７５３２号公報 In general, a fuel cell (for example, a polymer electrolyte fuel cell) is configured by stacking a plurality of cells each having an electrolyte sandwiched between separators. A cell is a flat plate (for example, a rectangular plate), and a cell stack (cell stack) is formed by stacking a plurality of such cells. A terminal, an insulator, an end plate, a pressure plate, a tension plate, and the like are provided. A fuel cell is provided (see, for example, Patent Document 1). In addition, a fuel gas and an oxidizing gas are supplied to each cell stacked in this way, and a reaction off gas is discharged from each cell. Is provided. The fuel cell having such a structure is used, for example, for in-vehicle use (power source of a fuel cell vehicle) or for stationary use.
JP 2006-147532 A

しかしながら、上述した燃料電池の場合、複数積層された例えば矩形で平板状の各セルに反応ガスを並列に供給しあるいは排出しているが、各セル間における反応ガス濃度を均一とすることが難しく、またセル面内でもガス濃度にムラが生じることがある。さらには、セル面内にてフラッディング（水詰まり）が生じることもある。 However, in the case of the fuel cell described above, the reactant gas is supplied or discharged in parallel to each of the stacked, for example, rectangular and flat cells, but it is difficult to make the concentration of the reactant gas uniform between the cells. In addition, even in the cell plane, the gas concentration may be uneven. Furthermore, flooding (water clogging) may occur in the cell plane.

また、上述のテンションプレートは各セルを積層方向に加圧して接触抵抗を低減させるといった役割を果たすが、仮にセル積層体中のある一つのセルに不具合が生じた場合、このテンションプレートを外していったんセル積層体を分解し、その後に再び組み付けるという手間を要する。加えて、このようにテンションプレートを備えた構造の場合には、セル数の変更等に柔軟に対応することが難しい。また、セル積層数が多くなるのに伴いばね要素が大きくなるから、分解や組立の際に特殊な治具を要することもある。 The tension plate described above plays a role of reducing the contact resistance by pressing each cell in the stacking direction. If a problem occurs in one cell in the cell stack, the tension plate is removed. It takes time and effort to disassemble the cell stack once and then reassemble it. In addition, in the case of the structure including the tension plate as described above, it is difficult to flexibly cope with a change in the number of cells. Further, as the number of stacked cells increases, the spring element increases, so that a special jig may be required for disassembly and assembly.

そこで、本発明は、反応ガス濃度の不均一やフラッディングを抑えることができ、尚かつある一つのセルに不具合が生じたような場合などの手間を簡便にした新規な構造の燃料電池を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention provides a fuel cell having a novel structure that can suppress non-uniform reaction gas concentrations and flooding, and that can simplify the troubles in the case where a certain cell is defective. For the purpose.

かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。従来構造の燃料電池の場合、積層方向に連通する構造のマニホールドを必要数だけ設けようとすれば一般には６箇所（６本）のマニホールドが必要になることから、電解質（電極）よりも広いセル面積を確保せざるを得ない。また、セルが例えば矩形の平板状となっていることから、反応ガス等を面内（特に電極と接触する反応面）において隅々まで均一に分配することが一般に難しい。反応ガスが均一に分配されないと発電にムラが生じるばかりでなく、場合によっては燃料電池自体の寿命が短くなるという点でも問題である。加えて、多数（例えば３００〜４００枚程度）のセルが積層されてなる燃料電池においては、シールに弾性体を用いる必要があり、尚かつセルを積層する際には加圧して圧縮しつつ組み付けなければならないというような手間を要する。 In order to solve this problem, the present inventor has made various studies. In the case of a fuel cell having a conventional structure, if a necessary number of manifolds having a structure communicating in the stacking direction are provided, six (six) manifolds are generally required, so a cell wider than an electrolyte (electrode). We must secure an area. In addition, since the cells have, for example, a rectangular flat plate shape, it is generally difficult to uniformly distribute the reaction gas and the like to every corner in the surface (especially the reaction surface in contact with the electrode). If the reaction gas is not uniformly distributed, not only unevenness in power generation occurs, but also the problem is that the life of the fuel cell itself is shortened in some cases. In addition, in a fuel cell in which a large number of cells (for example, about 300 to 400 cells) are stacked, it is necessary to use an elastic body for the seal, and when cells are stacked, the cells are assembled while being pressurized and compressed. It takes time and effort.

これらの点につき、従来構造に特有の点にも着目しつつさらに検討を重ねた本発明者は、かかる課題の解決に結び付く新たな着想を得るに至った。本発明の燃料電池はかかる着想に基づくものであり、傾斜しながら曲がる螺旋状のセルが複数積層されて螺旋構造のセル積層体が形成されているというものである。この場合、セルは、例えば電解質と、該電解質を支持するベースフレームと、電解質とベースフレームの間に形成された酸化ガス流路および燃料ガス流路とを備えているものとなっている。 With regard to these points, the present inventor, who has further studied while paying attention to the points peculiar to the conventional structure, has come up with a new idea that leads to the solution of such problems. The fuel cell of the present invention is based on such an idea, in which a plurality of spiral cells that bend while being inclined are stacked to form a cell stack having a spiral structure. In this case, the cell includes, for example, an electrolyte, a base frame that supports the electrolyte, and an oxidizing gas channel and a fuel gas channel formed between the electrolyte and the base frame.

このように螺旋構造とされたセル積層体においては、反応ガス流路（酸化ガス流路、燃料ガス流路）を一本の螺旋状流路として構成し、同様に螺旋状に構成される電解質の表面を流れるようにすることができる。この場合の反応ガスは、従来のように複数のセルのいずれかに対して並列に分配されるのではなく、いわば螺旋状に並んだ複数のセルのすべてを通過するようにいわば直列的に供給されることになる。しかも、反応ガス流路が螺旋状の一本通路となり、途中で細かく分岐するようなこともないから、各流路に分配した場合のような差圧（圧損）が生じるのを抑えることができ、各セルにおける反応ガス濃度あるいはセル面（電解質上の反応面）内における反応ガス濃度が不均一となるのを抑制することが可能である。また、これによれば全セルに対して比較的高ストイキ比のガス（高濃度のガス）を供給することが可能であり、特にセル面においてフラッディングが生じるのを抑制することもできる。 In the cell stack having such a spiral structure, the reaction gas flow path (oxidation gas flow path, fuel gas flow path) is configured as one spiral flow path, and the electrolyte is similarly configured in a spiral shape. It can be made to flow on the surface. In this case, the reaction gas is not distributed in parallel to any of the plurality of cells as in the past, but is supplied in series so as to pass through all of the plurality of cells arranged in a spiral. Will be. In addition, since the reaction gas flow path is a single spiral path and does not divide finely in the middle, it is possible to suppress the occurrence of differential pressure (pressure loss) as in the case of distribution to each flow path. It is possible to prevent the reaction gas concentration in each cell or the reaction gas concentration in the cell surface (reaction surface on the electrolyte) from becoming non-uniform. Further, according to this, it is possible to supply a relatively high stoichiometric gas (high concentration gas) to all the cells, and it is possible to suppress the occurrence of flooding especially on the cell surface.

また、このように螺旋構造とした場合、セルは、隣接するセルと接続されるための接続部を備えるなどしており、セルの流路入口側開口端、およびこれに隣接するセルの流路出口側開口端を接続した状態で順次重ね合わされることによってセル積層体を構成する。また、この際に各セルどうしをかしめて噛み合わせるなどして締結荷重を作用させることができる。つまり、従来における薄い平板状セルからなるセル積層体とは異なり、螺旋状に形成されているセルは段差の分だけ厚み（高さ）が増した構造となっているから、かしめたり噛み合わせたりといった締結が可能であり、この結果、従来におけるようなテンションプレートやプレッシャプレート等がなくても締結荷重（積層荷重）を作用させることが可能となっている。したがって、仮にセル積層体中のある一つのセルに不具合が生じたとしても、当該部分にてセル積層体を分解し、当該セルを取り替える等して再び組み付ければ足り、従来におけるようにテンションプレート等を外して最後に再び取り付けるといった手間がない。このため、ある一つのセルに不具合が生じたような場合などの手間が簡便なものとなる。また、上述のような特有の構造であることから、セル数の変更等にも柔軟に対応することが可能である。 Further, in the case of such a spiral structure, the cell includes a connection part for connecting to an adjacent cell, and the flow path inlet side opening end of the cell and the flow path of the cell adjacent thereto The cell stack is configured by sequentially overlapping the outlet side opening ends in a connected state. Further, at this time, the fastening load can be applied by, for example, caulking each cell and engaging each other. In other words, unlike conventional cell stacks consisting of thin flat cells, the spirally formed cells have a structure that increases in thickness (height) by a level difference, so that they can be caulked or meshed. As a result, a fastening load (lamination load) can be applied without a tension plate or a pressure plate as in the prior art. Therefore, even if a problem occurs in one cell in the cell stack, it is sufficient to disassemble the cell stack at that portion and replace the cell, etc. There is no hassle of removing the etc. and re-installing at the end. For this reason, the trouble such as when a problem occurs in a certain cell becomes simple. In addition, since the structure is unique as described above, it is possible to flexibly cope with changes in the number of cells.

セルは、例えば螺旋１回転分が１ユニットとして構成されているものであり、該セルが複数積層されてセル積層体が構成されている。 The cell is configured, for example, as one unit for one rotation of the spiral, and a plurality of the cells are stacked to form a cell stack.

また、螺旋構造のセル積層体を構成しているセルの外周部に沿って螺旋状の冷媒排出経路が形成されていることが好ましい。螺旋構造のセル積層体内を水が流れる場合、遠心力が作用することによって冷媒が外周寄りに集まる場合があるが、このように螺旋状の冷媒排出経路が形成された燃料電池の場合には、当該排出経路に冷媒を集めて螺旋状に排出することができる。 Moreover, it is preferable that the helical refrigerant | coolant discharge path is formed along the outer peripheral part of the cell which comprises the cell laminated body of a helical structure. When water flows in the cell stack of the spiral structure, the centrifugal force acts to collect refrigerant near the outer periphery, but in the case of a fuel cell in which a spiral refrigerant discharge path is formed in this way, The refrigerant can be collected and discharged spirally in the discharge path.

このような燃料電池は、セル積層体が中空状であってもよい。さらに、このようなセル積層体の中空状の内周部に対して空気を供給する空気供給装置が併設されていることも好ましい。 In such a fuel cell, the cell stack may be hollow. Furthermore, it is also preferable that an air supply device for supplying air to the hollow inner peripheral portion of such a cell stack is additionally provided.

本発明によれば、反応ガス濃度の不均一やフラッディングを抑えることができ、尚かつある一つのセルに不具合が生じたような場合などの手間を簡便にすることもできる。 According to the present invention, non-uniform reaction gas concentration and flooding can be suppressed, and troubles such as when a problem occurs in a certain cell can be simplified.

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on an example of an embodiment shown in the drawings.

図１〜図３２に本発明にかかる燃料電池の実施形態を示す。本実施形態の燃料電池１は、酸化ガス電極と燃料ガス電極とがそれぞれ接合される電解質と、該電解質を支持するベースフレーム５，６と、電解質とベースフレーム５，６の間に形成された酸化ガス流路および燃料ガス流路とを備えたセル２が複数積層されることによって構成されている。 1 to 32 show an embodiment of a fuel cell according to the present invention. The fuel cell 1 of the present embodiment is formed between an electrolyte to which an oxidizing gas electrode and a fuel gas electrode are respectively joined, base frames 5 and 6 that support the electrolyte, and an electrolyte and the base frames 5 and 6. A plurality of cells 2 each having an oxidizing gas channel and a fuel gas channel are stacked.

ここで、本実施形態における燃料電池１においては、傾斜しながら曲がる螺旋状のセル２が複数積層されて螺旋構造のセル積層体３が形成されている（図１、図２７等参照）。より具体的には、各セル２は螺旋１周分として形成されたユニットであり、これら複数のセル２が積層されて螺旋構造となり、渦巻き線が連続するようになっている（図１等参照）。以下、ユニットとなるセル２の基本的な構造について説明する（図１５等参照）。なお、本実施形態にかかる燃料電池１は螺旋構造の中心線を鉛直線に一致させた縦置き状態としても、中心線を水平にした横置き状態としても実施が可能なものであるが、以下に示す実施形態では便宜上縦置きとし、このときの鉛直上方向を上、鉛直下方向を下として説明する。 Here, in the fuel cell 1 according to the present embodiment, a plurality of spiral cells 2 that bend while being inclined are stacked to form a cell stack 3 having a spiral structure (see FIGS. 1 and 27). More specifically, each cell 2 is a unit formed as one round of a spiral, and the plurality of cells 2 are stacked to form a spiral structure, and spiral lines are continuous (see FIG. 1 and the like). ). Hereinafter, the basic structure of the cell 2 as a unit will be described (see FIG. 15 and the like). The fuel cell 1 according to the present embodiment can be implemented either in a vertically placed state in which the center line of the spiral structure coincides with a vertical line or in a horizontally placed state in which the center line is horizontal. In the embodiment shown in FIG. 4, for the sake of convenience, it is assumed that it is vertically placed, and the vertical upward direction at this time is up and the vertical downward direction is down.

図２２に示すように、本実施形態におけるセル２の平面視での形状は円環形状であり中央に中空部分を有している。また、セル２を構成するベースフレーム５，６や膜−電極アッセンブリ（以下ＭＥＡ；Membrane Electrode Assemblyと呼ぶ）４も同様に円環形状またはこれに近似した形状となっている。 As shown in FIG. 22, the shape of the cell 2 in the present embodiment in a plan view is an annular shape and has a hollow portion in the center. Similarly, the base frames 5 and 6 and the membrane-electrode assembly (hereinafter referred to as MEA; Membrane Electrode Assembly) 4 constituting the cell 2 have an annular shape or a shape similar thereto.

ＭＥＡ４は、高分子材料のイオン交換膜からなる高分子電解質膜と、該電解質膜を両面から挟んだ一対の電極（アノード側の燃料ガス電極およびカソード側の酸化ガス電極）とで構成されている。本実施形態におけるＭＥＡ４は、ベースフレーム５，６の形状に近似した馬蹄形ないしは略Ｃ字形に形成されている（図３、図４参照）。ＭＥＡ４を構成する電極は、その表面に付着された白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材（拡散層）で構成されている。一方の電極（アノード）には燃料ガス（反応ガス）としての水素ガス、他方の電極（カソード）には空気や酸化剤などの酸化ガス（反応ガス）が供給され、これら２種類の反応ガスによりＭＥＡ４内で電気化学反応が生じてセル２の起電力が得られるようになっている。 The MEA 4 is composed of a polymer electrolyte membrane made of an ion exchange membrane of a polymer material and a pair of electrodes (an anode side fuel gas electrode and a cathode side oxidizing gas electrode) sandwiching the electrolyte membrane from both sides. . The MEA 4 in the present embodiment is formed in a horseshoe shape or a substantially C shape approximate to the shape of the base frames 5 and 6 (see FIGS. 3 and 4). The electrode constituting the MEA 4 is made of, for example, a porous carbon material (diffusion layer) carrying a catalyst such as platinum attached to the surface thereof. One electrode (anode) is supplied with hydrogen gas as a fuel gas (reactive gas), and the other electrode (cathode) is supplied with an oxidizing gas (reactive gas) such as air or an oxidant. An electrochemical reaction occurs in the MEA 4 so that the electromotive force of the cell 2 can be obtained.

ベースフレーム５，６はガス不透過性の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。この基材のうち電極側の面には耐食性に優れた膜（例えば金メッキで形成された皮膜）が形成されていてもよい。 The base frames 5 and 6 are made of a gas impermeable conductive material. Examples of the conductive material include carbon and a hard resin having conductivity, and metals such as aluminum and stainless steel. A film excellent in corrosion resistance (for example, a film formed by gold plating) may be formed on the electrode side surface of the substrate.

また、本実施形態のベースフレーム５，６は、ＭＥＡ４を両面から挟み込む一対のフレーム（カソード側ベースフレーム５、アノード側ベースフレーム６）によって形成されている（図１５等参照）。これらベースフレーム５，６は平面視環状であり、尚かつ開環部が上下にずれ、全体がほぼ同一の角度で傾斜した螺旋構造となっている（図７、図１２等参照）。さらに、これらベースフレーム５，６には周状に並ぶ略扇側の複数の開口部５ａ，６ａが設けられている（図５、図１０等参照）。換言すれば、本実施形態のベースフレーム５，６は大径リング部と小径リング部とが複数本のスポーク５ｂ，６ｂで接続され、尚かつ開環部に段差が設けられた螺旋構造となっている。 The base frames 5 and 6 of this embodiment are formed by a pair of frames (cathode side base frame 5 and anode side base frame 6) that sandwich the MEA 4 from both sides (see FIG. 15 and the like). These base frames 5 and 6 have an annular shape in plan view, and have a spiral structure in which the ring-opening portion is shifted up and down and the whole is inclined at substantially the same angle (see FIGS. 7 and 12, etc.). Further, the base frames 5 and 6 are provided with a plurality of substantially fan-side openings 5a and 6a arranged circumferentially (see FIGS. 5 and 10). In other words, the base frames 5 and 6 of this embodiment have a spiral structure in which the large-diameter ring portion and the small-diameter ring portion are connected by a plurality of spokes 5b and 6b, and a step is provided in the ring opening portion. ing.

さらに、各ベースフレーム５（６）の開環部には、隣接する他のベースフレーム５（６）と接続される際に端面どうしが突き合わせられる接続部５ｃ（６ｃ）が設けられている（図７〜図９等参照）。例えば本実施形態の接続部５ｃ，６ｃは断面略矩形の偏平形状であり、セル２の積層時、端面どうし突き合わせられた状態となる（図２２等参照）。 Furthermore, the opening part of each base frame 5 (6) is provided with the connection part 5c (6c) with which end surfaces are faced | matched when connecting with the other adjacent base frame 5 (6) (FIG. 7 to 9 etc.). For example, the connection portions 5c and 6c of the present embodiment have a flat shape with a substantially rectangular cross section, and are in a state of being faced to each other when the cells 2 are stacked (see FIG. 22 and the like).

また、カソード側ベースフレーム５の接続部５ｃには、酸化ガスとしての空気を流すための空気流路１５が形成されている（図８等参照）。この空気流路１５は、あるセル２を１周した空気が接続部５ｃを通過して次のセル２へと流れ込んで１周するというように、セル２からセル２へと流れてセル積層体３の内部を螺旋状に流れるようにする。例えば本実施形態の空気流路１５は細長の略矩形となっているが形状は特に限定されることはない。なお、上述したボルト固定孔２３は空気流路１５における空気の流れを妨げないよう、当該空気流路１５を避ける位置に設けられていることが好ましい（図８等参照）。 In addition, an air flow path 15 for flowing air as an oxidizing gas is formed in the connection portion 5c of the cathode side base frame 5 (see FIG. 8 and the like). This air flow path 15 flows from the cell 2 to the cell 2 so that the air that has made one round of the cell 2 passes through the connecting part 5c and flows to the next cell 2, and then goes to the cell stack. 3 is made to flow spirally. For example, the air flow path 15 of the present embodiment is an elongated, substantially rectangular shape, but the shape is not particularly limited. In addition, it is preferable that the bolt fixing hole 23 described above is provided at a position that avoids the air flow path 15 so as not to disturb the air flow in the air flow path 15 (see FIG. 8 and the like).

カソード側ベースフレーム５の上面であって例えば接続部５ｃと開口部５ａとの間となる位置には、上記空気流路１５への出入口１８，１８が設けられている（図５等参照）。接続部５ｃを流れた空気は出口１８を通過し、ＭＥＡ４の上面（本実施形態の場合、酸化ガス電極）を１周し、入口１８を通過して隣接する接続部５ｃに流入する。このようにＭＥＡ４の表面を流れる際、空気中の酸素が水素との化学反応に供される。 Entrances 18 and 18 to the air flow path 15 are provided on the upper surface of the cathode side base frame 5, for example, at a position between the connection portion 5c and the opening 5a (see FIG. 5 and the like). The air that has flowed through the connection portion 5c passes through the outlet 18, travels around the upper surface of the MEA 4 (in this embodiment, the oxidizing gas electrode), passes through the inlet 18, and flows into the adjacent connection portion 5c. Thus, when flowing on the surface of the MEA 4, oxygen in the air is subjected to a chemical reaction with hydrogen.

一方、アノード側ベースフレーム６の接続部６ｃには、燃料ガスとしての水素ガスを流すための水素流路１６、および冷媒を流すための冷媒流路１７が形成されている（図１３等参照）。水素流路１６は、あるセル２を１周した水素ガスが接続部５ｃを通過して次のセル２へと流れ込んで１周するというように、セル２からセル２へと流れてセル積層体３の内部を螺旋状に流れるように形成されている。なお、本実施形態の水素流路１６は細長の略矩形となっているがこの形状も特に限定されることはない。 On the other hand, a hydrogen flow path 16 for flowing hydrogen gas as a fuel gas and a refrigerant flow path 17 for flowing a refrigerant are formed in the connection portion 6c of the anode side base frame 6 (see FIG. 13 and the like). . The hydrogen flow path 16 flows from the cell 2 to the cell 2 so that the hydrogen gas that has made one round of the cell 2 passes through the connecting portion 5c and flows to the next cell 2 to make one round. 3 is formed so as to flow spirally inside. In addition, although the hydrogen flow path 16 of this embodiment is an elongate substantially rectangular shape, this shape is not specifically limited, either.

また、アノード側ベースフレーム６の底面であって例えば接続部６ｃと開口部６ａとの間となる位置には、上記水素流路１６への出入口１９，１９、および上記冷媒流路１７への出入口２０，２０が設けられている（図１１等参照）。接続部６ｃを流れた水素ガスは出口１９を通過し、ＭＥＡ４の底面（本実施形態の場合、燃料ガス電極）を１周し、入口１９を通過して隣接する接続部６ｃに流入する。このようにＭＥＡ４の表面を流れる際、水素が化学反応に供される。また、接続部６ｃを流れた冷媒は出口２０を通過し、セル２内を１周し、入口２０を通過して隣接する接続部６ｃに流入する。 Further, at the bottom surface of the anode-side base frame 6, for example, at a position between the connection portion 6 c and the opening 6 a, the inlets 19 and 19 to the hydrogen passage 16 and the entrance to the refrigerant passage 17 are provided. 20 and 20 are provided (see FIG. 11 etc.). The hydrogen gas that has flowed through the connecting portion 6c passes through the outlet 19, travels around the bottom surface of the MEA 4 (in the case of this embodiment, a fuel gas electrode), passes through the inlet 19, and flows into the adjacent connecting portion 6c. Thus, when flowing on the surface of the MEA 4, hydrogen is subjected to a chemical reaction. In addition, the refrigerant that has flowed through the connecting portion 6c passes through the outlet 20, makes one round in the cell 2, passes through the inlet 20, and flows into the adjacent connecting portion 6c.

上述のようなカソード側ベースフレーム５およびアノード側ベースフレーム６は、ＭＥＡ４を上下から挟み込むようにして一体化される（図１５参照）。例えば本実施形態では、これら３つの部材を接着剤を用いて接着することによって一体化している。このように一体化された状態のとき、カソード側ベースフレーム５のそれぞれの開口部５ａおよびアノード側ベースフレーム６のそれぞれの開口部６ａにＭＥＡ４が露出しており化学反応が可能な状態となっている（図１６、図１７参照）。 The cathode side base frame 5 and the anode side base frame 6 as described above are integrated so as to sandwich the MEA 4 from above and below (see FIG. 15). For example, in this embodiment, these three members are integrated by bonding with an adhesive. In this integrated state, the MEA 4 is exposed in the respective openings 5a of the cathode-side base frame 5 and the respective openings 6a of the anode-side base frame 6, so that a chemical reaction is possible. (See FIGS. 16 and 17).

また、カソード側ベースフレーム５の上面およびアノード側ベースフレーム６の底面には一対の集電体７，８が設けられ、さらに一対の集電板１１，１２が設けられる（図１５参照）。さらに、セル２を構成するユニットの外周部は外周かしめ部材９により、内周部は内周かしめ部材１０によりかしめられる（図１５参照）。なお、集電板１１，１２は例えばカーボン製であってもよい。外周かしめ部材９および内周かしめ部材１０でかしめたとき、例えばカーボン製の集電板１１，１２はＭＥＡ４側へと押し込まれうる。 A pair of current collectors 7 and 8 are provided on the upper surface of the cathode side base frame 5 and the bottom surface of the anode side base frame 6, and a pair of current collector plates 11 and 12 are further provided (see FIG. 15). Further, the outer peripheral portion of the unit constituting the cell 2 is caulked by the outer caulking member 9 and the inner peripheral portion is caulked by the inner circumferential caulking member 10 (see FIG. 15). The current collecting plates 11 and 12 may be made of carbon, for example. When caulking with the outer caulking member 9 and the inner caulking member 10, for example, the current collector plates 11 and 12 made of carbon can be pushed into the MEA 4 side.

なお、カソード側（酸化ガス電極側）に設けられる集電体７やアノード側（燃料ガス電極側）に設けられる集電体８は、水が流れやすい流路を構成するように形成されていることも好ましい。本実施形態の集電体７は断面がチャネル形状（溝形状）の螺旋体であり（図１８、図１９等参照）、カソード側ベースフレーム５の上面に重ね合わされるようにして設けられている（図１５参照）。また、特に詳しく図示してはいないが、本実施形態の集電体７，８の表面には、例えばエンボス加工により形成された凸部と凹部とが交互に配置されている。これらのうち凸部はＭＥＡ４の表面に接触して電気的に導通させ、さらにはスペーサとして機能する。 The current collector 7 provided on the cathode side (oxidizing gas electrode side) and the current collector 8 provided on the anode side (fuel gas electrode side) are formed so as to constitute a flow path through which water easily flows. It is also preferable. The current collector 7 of the present embodiment is a spiral body having a channel shape (groove shape) in cross section (see FIGS. 18 and 19), and is provided so as to be superimposed on the upper surface of the cathode-side base frame 5 ( FIG. 15). Further, although not shown in detail in detail, on the surfaces of the current collectors 7 and 8 of the present embodiment, for example, convex portions and concave portions formed by embossing are alternately arranged. Among these, the convex portion comes into contact with the surface of the MEA 4 to be electrically conducted, and further functions as a spacer.

また、本実施形態においては、カソード側ベースフレーム５の上面にシール部２４を設け、該シール部２４に上述した集電体７を押し当ててシールするようにしている（図２２参照）。この場合のシール部２４は、例えばＯリングなどのガスケットを利用したものでもよいし、あるいはビード（ひも状の突起）を利用したものでもよい。例えば本実施形態では出入口１８および開口部５ａを略Ｃ字形に囲繞するようにシール部２４を設け、該シール部２４と集電体７とカソード側ベースフレーム５とで囲まれた酸化ガス流路を構成している（図２２等参照）。 Further, in the present embodiment, the seal portion 24 is provided on the upper surface of the cathode side base frame 5 and the current collector 7 is pressed against the seal portion 24 to be sealed (see FIG. 22). In this case, the seal portion 24 may use a gasket such as an O-ring, or may use a bead (string-like protrusion). For example, in the present embodiment, the sealing portion 24 is provided so as to surround the entrance 18 and the opening 5 a in a substantially C shape, and the oxidizing gas flow path surrounded by the sealing portion 24, the current collector 7, and the cathode-side base frame 5. (See FIG. 22 and the like).

なお、本実施形態においては、上述した外周かしめ部材９や内周かしめ部材１０により、各部材（ＭＥＡ４やベースフレーム５，６等）を一体化するための締結力を機能させている。例えば従来の場合であればテンションプレート３７等で各セルを積層方向に加圧して接触抵抗を低減させるようにしているが、本実施形態においては、かしめ（別表現では噛み合わせ）による締結力を利用して挟み込み加圧している。すなわち、本実施形態の場合にはセル２ごとに締結力が作用しており、接触抵抗も低減しているから、積層後にテンションプレート３７等で改めて積層方向に加圧しなくても足りる。したがって、セル積層体３を挟み込み加圧するためのテンションプレート３７やプレッシャプレートは不要である。 In the present embodiment, the outer periphery caulking member 9 and the inner periphery caulking member 10 function a fastening force for integrating the members (MEA 4, the base frames 5, 6 and the like). For example, in the conventional case, each cell is pressed in the stacking direction with a tension plate 37 or the like to reduce the contact resistance. However, in this embodiment, the fastening force by caulking (in other words, meshing) is used. It is sandwiched and pressurized using it. That is, in this embodiment, the fastening force is applied to each cell 2 and the contact resistance is also reduced. Therefore, it is not necessary to press the tension plate 37 or the like again in the stacking direction after stacking. Therefore, the tension plate 37 and the pressure plate for sandwiching and pressing the cell stack 3 are not necessary.

さらに、単一のセル２中における一方の接続部５ｃと他方の接続部６ｃとを固定する手段として貫通ボルト２１を利用することも好ましい（図２２参照）。例えば本実施形態では、単一のセル２内における接続部５ｃ，６ｃをあらかじめ固定しておくための固定プレート２５を設けておき（図２３参照）、この固定プレート２５および各接続部５ｃ，６ｃを貫くように貫通ボルト２１を通している。この場合、各接続部５ｃ，６ｃの端面を径方向に対して斜めにしておき、これら斜めの端面を貫くようなボルト固定孔２３を形成しておいてもよい（図８、図９参照）。また、接続部５ｃ，６ｃの内周部にあらかじめ複数個のナット２２を溶接しておけば、外周側から貫通ボルト２１を差し入れて回し込む操作によって貫通ボルト２１とナット２２とを締結することが可能である。このように固定プレート２５や貫通ボルト２１、ナット２２を利用して接続部５ｃ，６ｃを固定した場合には、シール部２４と集電体７，８とをさらに密着した状態として十分なシール性能を実現することが可能となる。 Furthermore, it is also preferable to use a through bolt 21 as means for fixing one connecting portion 5c and the other connecting portion 6c in a single cell 2 (see FIG. 22). For example, in the present embodiment, a fixing plate 25 for fixing the connection portions 5c and 6c in the single cell 2 in advance is provided (see FIG. 23), and the fixing plate 25 and the connection portions 5c and 6c are provided. Through the bolt 21 so as to penetrate. In this case, the end surfaces of the connecting portions 5c and 6c may be inclined with respect to the radial direction, and bolt fixing holes 23 may be formed so as to penetrate these inclined end surfaces (see FIGS. 8 and 9). . Further, if a plurality of nuts 22 are welded to the inner peripheral portions of the connecting portions 5c and 6c in advance, the through bolts 21 and the nuts 22 can be fastened by inserting and turning the through bolts 21 from the outer peripheral side. Is possible. Thus, when the connection parts 5c and 6c are fixed using the fixing plate 25, the through bolt 21 and the nut 22, the sealing part 24 and the current collectors 7 and 8 are further brought into close contact with each other and sufficient sealing performance is obtained. Can be realized.

また、集電体７のチャネル部分（溝の開口部分）の外周寄りの部分を排水路（冷媒排出経路）として機能させることも好ましい。上述したように集電体７はその表面に形成された凸部と凹部とが交互に配置された構造となっているが、チャネル部分内であって開口部５ａの外側の領域には凸部を設けないこととすれば、凸部がない分だけ流れ抵抗が少なくなった流路をＭＥＡ４とは重ならない位置に形成することができる。一般に、酸化ガス電極に供給される酸化ガス（本実施形態の場合、空気）の中には水分が含まれており、例えば途中で冷却されて凝縮するなどして水が生成することがある。このような水が反応面（化学反応が生じる面ないし領域のことであり、具体的にはＭＥＡ４の表面）を流れるとその分だけ化学反応の有効面積が減少してしまうが、このように開口部５ａの外側に排水路を有する集電体７によれば、いわば無反応の領域を通過するように水を流すことができるから化学反応の有効面積を確保することが可能である。しかも、カソード側ベースフレーム５の外周付近に沿って設けられた排水路によれば、螺旋構造の排水系を構成して排水することが可能である。すなわち、螺旋構造のセル積層体３内を水が流れる場合、遠心力が作用することによってこのような流水が外周寄りに集まる場合があるが、複数の排水路が連なって螺旋状の排出経路２３が形成された燃料電池１の場合には（図２４参照）、当該排水路に水を集めて螺旋状に排水することが可能である。 Moreover, it is also preferable to make the part near the outer periphery of the channel part (groove opening part) of the current collector 7 function as a drainage path (refrigerant discharge path). As described above, the current collector 7 has a structure in which convex portions and concave portions formed on the surface thereof are alternately arranged, but the convex portion is formed in the channel portion and outside the opening portion 5a. If there is no provision, the flow path whose flow resistance is reduced by the amount of no projection can be formed at a position that does not overlap with the MEA 4. In general, the oxidizing gas (air in the case of this embodiment) supplied to the oxidizing gas electrode contains moisture, and water may be generated by cooling and condensing, for example. When such water flows through the reaction surface (surface or region where a chemical reaction occurs, specifically the surface of the MEA 4), the effective area of the chemical reaction is reduced by that amount. According to the current collector 7 having a drainage channel outside the part 5a, it is possible to flow water so as to pass through a non-reactive region, so that it is possible to secure an effective area for chemical reaction. Moreover, according to the drainage channel provided along the vicinity of the outer periphery of the cathode-side base frame 5, it is possible to drain by configuring a spiral drainage system. That is, when water flows in the cell stack 3 having a spiral structure, such flowing water may gather near the outer periphery due to the centrifugal force, but a plurality of drainage channels are connected to form a spiral discharge path 23. In the case of the fuel cell 1 formed with (see FIG. 24), it is possible to collect water in the drainage channel and drain it in a spiral shape.

ここで、比較例を挙げて説明すると（図３３参照）、平板状のセパレータ３９を積層してなる従来の燃料電池（以下、符号１’で示す）の場合、冷媒（あるいは反応ガス）は、入口側マニホールド４０を流れて各セルへと供給され、これらセル内の流路（例えばサーペンタイン形状の冷却水流路）を流れた後、出口側マニホールド４１を流れて排出されるという並列的な給排系となっていたことから、水詰まりやガス濃度の不均一といった事象が生じることがあった。つまり、反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）や冷媒を均一に分配することは難しく、これに起因して発電分布にムラが生じることがあった。これに対し、上述した燃料電池１においては、複数のセル２が接続された場合に螺旋状に回るいわば直列的な給排系が構成されることから、並列的な場合に生じうる濃度不均一といった現象を抑えることが可能である。 Here, to explain with reference to a comparative example (see FIG. 33), in the case of a conventional fuel cell (hereinafter denoted by reference numeral 1 ′) in which a flat separator 39 is laminated, the refrigerant (or reaction gas) is: The parallel supply / discharge in which the gas flows through the inlet side manifold 40 and is supplied to each cell, flows through the flow paths in these cells (for example, a serpentine-shaped cooling water flow path), and then flows through the outlet side manifold 41 to be discharged. Since it was a system, events such as water clogging and uneven gas concentration sometimes occurred. That is, it is difficult to uniformly distribute the reaction gas (fuel gas, oxidizing gas) and the refrigerant, and this may cause uneven power generation distribution. On the other hand, in the fuel cell 1 described above, when a plurality of cells 2 are connected, a so-called serial supply / exhaust system that rotates in a spiral shape is formed, and thus the concentration non-uniformity that can occur in the parallel case It is possible to suppress such a phenomenon.

なお、ここまではカソード側の構成について説明したが、これとは反対のアノード側ベースフレーム６や集電体８等についても原則的な構造は同様である。例えばカソード側ベースフレーム６の開口部６ａの外側に形成された排水路は、燃料ガス電極に供給される燃料ガス（本実施形態の場合、水素ガス）の中に含まれていて途中で冷却され凝縮するなどして生成した水を、化学反応の有効面積を確保しつつ排水することが可能である（図２４参照）。 The structure on the cathode side has been described so far, but the principle structure is the same for the anode-side base frame 6 and the current collector 8 opposite thereto. For example, the drainage channel formed outside the opening 6a of the cathode-side base frame 6 is contained in the fuel gas (hydrogen gas in this embodiment) supplied to the fuel gas electrode and is cooled in the middle. Water generated by condensation or the like can be drained while securing an effective area for chemical reaction (see FIG. 24).

また、必要に応じて冷却手段としての冷却板２８を設けることも好ましい（図２０、図２１参照）。本実施形態の冷却板２８は例えば集電体７と同様の構造であり、図１５には図示していないが必要に応じて例えば当該集電体７と集電板１１との間に設けられる。この場合、上述したシール部２４と同様Ｏリングやビードなどで構成されるシール部２４’を、集電体７との接触領域および当該冷却板２８どうしの接触領域に設けておくことも好ましい（図２１中の破線参照）。このような冷却板２８は必要とする冷却能力に応じて適宜設けられていれば足りるものであり、セル２毎に設けられていてもよいし、セル２の１個おきに設けられていてもよい。 Moreover, it is also preferable to provide the cooling plate 28 as a cooling means as needed (refer FIG. 20, FIG. 21). The cooling plate 28 of the present embodiment has the same structure as the current collector 7, for example, and is provided between the current collector 7 and the current collector plate 11 as necessary, although not shown in FIG. 15. . In this case, it is also preferable to provide a seal portion 24 ′ composed of an O-ring, a bead or the like in the contact region with the current collector 7 and the contact region between the cooling plates 28 as in the case of the seal portion 24 described above ( (See broken line in FIG. 21). It is sufficient that such a cooling plate 28 is appropriately provided according to a required cooling capacity, and may be provided for each cell 2 or may be provided for every other cell 2. Good.

以上のような構造のセル２はセル積層体３の基本構成単位（ユニット）を構成するものであり（図１参照）、複数のセル２が順次接続されることによって螺旋構造のセル積層体３が形成される（図２５等参照）。また、例えば図２５に示すように複数のセル２を鉛直方向に重ね合わせたような場合、積層荷重を各セル２間に作用する加圧力として利用することが可能である。このような構造の燃料電池１によれば、構造を変更する際の手間が少なくて済むという利点もある。 The cell 2 having the above-described structure constitutes a basic structural unit (unit) of the cell stack 3 (see FIG. 1), and the cell stack 3 having a spiral structure is formed by sequentially connecting a plurality of cells 2. Is formed (see FIG. 25 and the like). Further, for example, as shown in FIG. 25, when a plurality of cells 2 are overlapped in the vertical direction, the stacking load can be used as a pressing force acting between the cells 2. According to the fuel cell 1 having such a structure, there is also an advantage that a labor for changing the structure can be reduced.

すなわち、平板状のセル２’が複数積層されて構成されていた従来構造の燃料電池１’の場合には、セパレータ３９間のシール性を保持し、尚かつ部材間の接触抵抗を低減させるため、セル積層体３’の両端にある一対のエンドプレート３６どうしを保持するための側板（例えばテンションプレート３７）など、締結して積層方向に加圧するため構成が必要となっていた（図３４参照）。このため、いずれかのセル２’にて不具合が生じたような場合には、締結されていたセル積層体３’をいったん解除し、不具合が生じたセル２’を取り外しあるいは交換して再び組み付けるといった手間が必要であった（図３５参照）。しかも、セル２’の積層数が多くなるにつれてばね要素（例えば上述したテンションプレート３７やプレッシャプレート３８、加圧用スプリング等）が大きくなり、分解や組付に特殊な治具を要することもあった。これに対し、本実施形態の燃料電池１の場合には、あるセル２を取り外す際に原則として他のセル２の接続を解除する必要がないから、構造を変更する際の手間が少なくて済む（図２６参照）。 That is, in the case of the fuel cell 1 ′ having a conventional structure in which a plurality of flat cells 2 ′ are stacked, in order to maintain the sealing performance between the separators 39 and reduce the contact resistance between members. In addition, a side plate (for example, a tension plate 37) for holding the pair of end plates 36 at both ends of the cell laminate 3 ′ is required to be fastened and pressurized in the stacking direction (see FIG. 34). ). For this reason, when a failure occurs in any of the cells 2 ', the cell stack 3' that has been fastened is once released, and the defective cell 2 'is removed or replaced and reassembled. Such a trouble is necessary (see FIG. 35). Moreover, as the number of stacked cells 2 ′ increases, the spring elements (for example, the tension plate 37, the pressure plate 38, the pressure spring, etc. described above) increase, and a special jig may be required for disassembly and assembly. . On the other hand, in the case of the fuel cell 1 of the present embodiment, when removing a certain cell 2, in principle, it is not necessary to release the connection of the other cell 2, so that the labor for changing the structure can be reduced. (See FIG. 26).

さらに、本実施形態の燃料電池１は車載用としても好適だという利点がある。すなわち、従来構造の燃料電池１’の場合には、種類の異なる車両へと載せ換えようとしてもセル積層数や流体の給排方向、搭載位置などの見直しを要し、全体構造に関して設計変更する必要が生じることがあったのに対し、本実施形態の燃料電池１によれば例えば端部の設計を変更するなどによって適宜変更することが可能である。例示すれば、セル積層体３の両端に絶縁性の端部ボックス２６を設けたり（図２７参照）、中間あるいは任意の位置に絶縁性の中間ボックス２７を設けたりすることにより、出力電圧を任意の大きさに設定することが可能である。したがって、例えば自動車用補機の電圧（例えば１２Ｖ）に合わせて補機専用の電源を構成するといったことが可能である。 Furthermore, there is an advantage that the fuel cell 1 of the present embodiment is suitable for in-vehicle use. That is, in the case of the fuel cell 1 ′ having the conventional structure, the number of cell stacks, the fluid supply / discharge direction, the mounting position, etc. need to be reviewed even when replacing with a different type of vehicle, and the design of the entire structure is changed. In some cases, the fuel cell 1 according to the present embodiment may be changed as appropriate, for example, by changing the design of the end portion. For example, the output voltage can be arbitrarily set by providing insulating end boxes 26 at both ends of the cell stack 3 (see FIG. 27) or by providing an insulating intermediate box 27 in the middle or at an arbitrary position. It is possible to set to the size of. Therefore, for example, it is possible to configure a power supply dedicated to the auxiliary equipment according to the voltage (for example, 12V) of the auxiliary equipment for automobiles.

また、上述したような螺旋構造の各セル２に対して酸化ガスとしての空気を送り込むための空気供給装置１３が併設されていることも好ましい。従来のように平板セルを積層した構造（角形スタック）の場合には、圧力の低い空気では当該スタックの隅々まで空気を行き渡らせることが難しく、これを実現しようとすれば複数の大きなファンを設置したり（図３６参照）、形状を工夫したフードやエア導入板などを併設したりするなどの必要が生じる。このため、送風機などによる空気供給は現実的でなく、例えば車載用燃料電池１’に対しては車両走行時の風を利用するといった案があるにすぎなかった。 It is also preferable that an air supply device 13 for sending air as an oxidizing gas to each cell 2 having the spiral structure as described above is provided. In the case of a structure in which flat cells are stacked (square stack) as in the past, it is difficult to distribute air to every corner of the stack with low-pressure air. It is necessary to install (see FIG. 36), or to install a hood or an air introduction plate with a special shape. For this reason, air supply by a blower or the like is not realistic, and for example, there is only a proposal of using wind during vehicle travel for the in-vehicle fuel cell 1 ′.

これに対し、円筒形状のセル積層体３からなる本実施形態の燃料電池１に対しては、単一の小型ファンなどで空気を十分に送り込むことが可能である。具体例を示せば、螺旋構造の中心線上であって端セルの近傍となる位置に配置された小型の外部ファン（空気供給装置１３）によって空気を供給することができる（図２９参照）。この場合、例えば円錐部を有する邪魔板１４を併設することも好ましい。上記の外部ファン（空気供給装置１３）とは反対側の端部にて円錐部が当該燃料電池１の内筒部に位置するように設置された邪魔板１４は、円筒内に送り込まれた空気を外周側へと拡散し、各セル２の行き渡るように分配する（図３０参照）。また、このように配置された邪魔板１４は生成した水が飛散するのを抑制するものでもある。あるいは、上述のごとく筒状に形成されたセル積層体３に対しては、螺旋構造の中心線を回転中心として回転する多翼送風機（シロッコファン）を利用することもできる（図３１参照）。 On the other hand, air can be sufficiently fed into the fuel cell 1 of the present embodiment composed of the cylindrical cell stack 3 with a single small fan or the like. If a specific example is shown, air can be supplied with the small external fan (air supply device 13) arrange | positioned on the centerline of a spiral structure and the position used as the vicinity of an end cell (refer FIG. 29). In this case, it is also preferable to provide a baffle plate 14 having a conical portion, for example. The baffle plate 14 installed so that the conical portion is located at the inner cylinder portion of the fuel cell 1 at the end opposite to the external fan (air supply device 13) is air fed into the cylinder. Is distributed to the outer periphery side and distributed so that each cell 2 is spread (see FIG. 30). Further, the baffle plate 14 arranged in this way is also for suppressing the generated water from scattering. Alternatively, a multi-blade fan (sirocco fan) that rotates around the center line of the spiral structure can be used for the cell stack 3 formed in a cylindrical shape as described above (see FIG. 31).

なお、特に詳しく図示してはいないが、空気供給装置１３を併設して有効な燃料電池１は、セル積層体３の内周面および外周面に空気流通孔２９を有する開放系空気流路を有するものである（図２９参照）。この場合、燃料ガス（水素ガス）は上述したように水素流路１６を通過して螺旋状に流れる一方、空気（酸化ガス）は当該空気流通孔２９を通過して例えばセル積層体３の内周面から外周面へと突き抜けるように径方向へと流れることが可能である。なお、ＭＥＡ４の例えば上面側に空気流路１５、下面側に水素流路１６が形成されている本実施形態の燃料電池１の場合、両流路１５，１６は他方の流れを妨げることはないから、上述のように空気が径方向に流れるとしても水素ガスの流れの影響を受けることはない。このような開放系空気流路を有する燃料電池１は、エアコンプレッサを用いることなく空気を常圧下で供給するいわば常圧エア系のものとして有効である。 Although not shown in detail in detail, the fuel cell 1 effective with the air supply device 13 has an open system air flow path having air circulation holes 29 on the inner and outer peripheral surfaces of the cell stack 3. (See FIG. 29). In this case, as described above, the fuel gas (hydrogen gas) passes through the hydrogen flow path 16 and flows spirally, while the air (oxidizing gas) passes through the air flow hole 29 and passes, for example, within the cell stack 3. It is possible to flow in the radial direction so as to penetrate from the peripheral surface to the outer peripheral surface. In the case of the fuel cell 1 of this embodiment in which the air flow path 15 is formed on the upper surface side of the MEA 4 and the hydrogen flow path 16 is formed on the lower surface side, both the flow paths 15 and 16 do not hinder the other flow. Therefore, even if air flows in the radial direction as described above, it is not affected by the flow of hydrogen gas. The fuel cell 1 having such an open air flow path is effective as a so-called normal pressure air system that supplies air under normal pressure without using an air compressor.

ここまで説明した燃料電池１は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電装置として利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電装置、さらには定置の発電装置としても用いることが可能である。ここで、燃料電池車両への搭載例を示すと以下のとおりである。 The fuel cell 1 described so far can be used as, for example, an in-vehicle power generation device of a fuel cell vehicle (FCHV), but is not limited to this, and various mobile objects (for example, ships and airplanes) ) And a robot or the like, and can be used as a stationary power generator. Here, an example of mounting on a fuel cell vehicle is as follows.

すなわち、当該燃料電池１の周囲に中心軸を平行にした状態で各種補機（例えば駆動モータ３１、エアコンプレッサ３２、水素ポンプ３３など）を配置することができる（図３２参照）。また、従来ならば箱型構造の燃料電池１’の外部に配置するしかなかった補機（例えば加湿モジュール３４）を当該燃料電池１の内部に配置することも可能である（図３２参照）。さらには、例えばＰＣＵ（Power Control Unit）３５をＬ字形に組み合わせ、円筒形状の燃料電池１の周囲に隙間が少なくなるように配置することも可能である（図３２参照）。要は、一般に大型の補機部品は円筒形ないしは円柱形のものが多いことから従来の箱型構造の燃料電池１’の場合には部品間にデッドスペースが増えやすい傾向にあるが（図３７参照）、本実施形態の燃料電池１の場合にはデッドスペースを少なくして全体としてのスペース効率を向上させうるという利点がある。 That is, various auxiliary machines (for example, the drive motor 31, the air compressor 32, the hydrogen pump 33, etc.) can be arrange | positioned in the state which made the central axis parallel in the circumference | surroundings of the said fuel cell 1 (refer FIG. 32). In addition, it is also possible to arrange an auxiliary machine (for example, the humidification module 34) that has conventionally been arranged outside the fuel cell 1 'having a box-type structure inside the fuel cell 1 (see FIG. 32). Furthermore, for example, a PCU (Power Control Unit) 35 may be combined in an L shape and arranged so that there are less gaps around the cylindrical fuel cell 1 (see FIG. 32). In short, since large auxiliary parts are generally cylindrical or columnar, there is a tendency that dead space between the parts tends to increase in the case of the conventional box-type fuel cell 1 ′ (FIG. 37). In the case of the fuel cell 1 of the present embodiment, there is an advantage that the dead space can be reduced and the space efficiency as a whole can be improved.

ここまで説明したように、本実施形態の燃料電池１においては、水素ガスの流路が連続する１本の螺旋状経路として形成され、また開放系でなければ空気の流路も連続する螺旋状経路として形成されているから、従来の燃料電池１’におけるように並列構造の各セルに流体を分配することなく、１本の水素流路（さらには空気流路）にて全セル２に反応ガスを供給することができる。構造上、従来の燃料電池１’であればセルの位置やセパレータ面の位置に応じてガスのストイキ比にばらつきが生じやすかったが、本実施形態の燃料電池１においてはこのようなストイキ比のばらつきを抑え、各セル２に対して高ストイキ比のガスを供給することが可能である。また、本実施形態の燃料電池１は大量の反応ガスを流すのに向くため、フラッディングが生じにくいという利点もある。 As described so far, in the fuel cell 1 of the present embodiment, the hydrogen gas flow path is formed as one continuous spiral path, and if not an open system, the air flow path is also continuous. Since it is formed as a path, it does not distribute the fluid to each cell of the parallel structure as in the conventional fuel cell 1 ′, but reacts to all the cells 2 with one hydrogen flow path (or air flow path). Gas can be supplied. In terms of structure, the conventional fuel cell 1 ′ is likely to have a variation in the stoichiometric ratio of gas depending on the position of the cell and the position of the separator surface. However, in the fuel cell 1 of the present embodiment, such a stoichiometric ratio is likely to occur. It is possible to suppress variation and supply a gas having a high stoichiometric ratio to each cell 2. Further, since the fuel cell 1 of the present embodiment is suitable for flowing a large amount of reaction gas, there is an advantage that flooding hardly occurs.

また、このように水素ガス（さらには空気）は１本の螺旋状経路に沿って流れるのに対し、電流は従来構造と同様に積層方向に流れる。したがって、積層数を適宜設定することによって所望の出力を得ることが可能である。 In addition, hydrogen gas (and air) flows along one spiral path in this way, whereas current flows in the stacking direction as in the conventional structure. Therefore, a desired output can be obtained by appropriately setting the number of layers.

上述した説明と一部重複するが、本実施形態の燃料電池１は、以下のごとき従来型における問題や課題を解決しうるという点で特有であり好適なものである。すなわち、
（１）いわば平板構造（平板状のセルが複数積層されてなる構造）である従来の燃料電池の場合、貫通マニホールド方式（セル積層方向にマニホールドが貫通する構造）であるため電極（膜−電極アッセンブリ）の周囲にある程度の面積を必要としていた。また、接触抵抗を低減するためには、セル積層体の両端に設けられるエンドプレートや当該エンドプレートを保持する側板が必要であった。また、セル積層体（セルスタック）中の１個のセルに不具合が生じた場合には、積層状態をいったん解いて再び組み付ける必要もあった。さらには、貫通マニホールド方式の場合、全セルにおいて供給用入口マニホールドと排出用出口マニホールドが合わせて６個（６本）必要となり、反応ガスや冷媒の分配性能が劣る結果、寿命の短縮等を招いていることがあった。
（２）多セルを積層してなるセル積層体においては、ばね要素のサイズや占める比重が大きく分解組立に特殊治具を必要としていた。すなわち、平板構造の多セル積層体を有する燃料電池においては弾性のあるシール部材を用いつつ、加圧圧縮しながら組み付けあるいは解体することが必要となっていた。
（３）他車種への搭載時、従来品の場合には全体構造の設計を変更する必要が生じる。すなわち、スタック数、ガス冷却水の供給や排出の方向、搭載位置等のいずれを変更した場合にも設計自体を変更することが必須となっていた。
（４）従来は反応ガスや冷媒の分配にムラが生じる場合があった。すなわち、反応ガスと冷媒（冷却水）とを並列に供給ないし排出する方式の場合には水詰まりやガス濃度分布差が生じることがあった。
（５）従来の平板構造の場合、ファンの形状とセル積層体との形状が基本的に合わないことから常用エアを冷却用等に用いることに制約があった。すなわち、角型であるセル積層体（セルスタック）に対して圧力の低いエアでは隅々まで空気を行き渡らせることが困難であり、尚かつエア導入板のような装置を取り入れたとしても空気の流れ分布に差が生じるものであった。 Although partially overlapping with the above description, the fuel cell 1 of the present embodiment is unique and preferable in that it can solve the problems and problems in the conventional type as follows. That is,
(1) In the case of a conventional fuel cell having a so-called flat plate structure (a structure in which a plurality of flat cells are laminated), since it is a through manifold system (a structure in which a manifold penetrates in the cell stacking direction), an electrode (membrane-electrode) Some area was required around the assembly). Moreover, in order to reduce the contact resistance, end plates provided at both ends of the cell stack and side plates for holding the end plates are necessary. In addition, when a failure occurs in one cell in the cell stack (cell stack), it is necessary to once unravel the stack and reassemble it. Furthermore, in the case of the through manifold system, six (six) inlet inlet manifolds and outlet outlet manifolds are required in all cells, resulting in inferior reaction gas and refrigerant distribution performance, leading to shortened life. I was there.
(2) In a cell laminate formed by laminating multiple cells, the size and specific gravity of the spring element are large, and a special jig is required for disassembly and assembly. That is, in a fuel cell having a flat cell multi-cell laminate, it is necessary to use an elastic seal member and to assemble or disassemble it while applying pressure and compression.
(3) When mounted on other models, it is necessary to change the design of the entire structure in the case of the conventional product. That is, it is essential to change the design itself when the number of stacks, the direction of supply or discharge of gas cooling water, the mounting position, or the like is changed.
(4) Conventionally, there is a case where unevenness occurs in the distribution of the reaction gas and the refrigerant. That is, in the case of a system in which the reaction gas and the refrigerant (cooling water) are supplied or discharged in parallel, water clogging or a gas concentration distribution difference may occur.
(5) In the case of the conventional flat plate structure, since the shape of the fan and the shape of the cell stack are not basically matched, there is a restriction in using the regular air for cooling or the like. That is, it is difficult to distribute air to every corner with low-pressure air with respect to a square cell stack (cell stack), and even if a device such as an air introduction plate is incorporated, There was a difference in the flow distribution.

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば本実施形態では螺旋１周分のセル２を１ユニット（１モジュール）として形成される燃料電池１について説明したがこれは好適な一例に過ぎず、この他、中心角６０度の略扇形のパーツを構成単位として６パーツで１つのセル２が構成されるようにしてもよいし、中心角１８０度の略半円形状のパーツを構成単位として２パーツで１つのセル２が構成されるようにしてもよい。あるいは、中心角の異なるパーツを複数個組み合わせて１つのセル２が構成されるようにしてもよい。要は、セル単体を構成するパーツの大きさや個数は特に限定されるものではない。 The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, in the present embodiment, the fuel cell 1 in which the cells 2 for one round of the spiral are formed as one unit (one module) has been described. However, this is only a preferable example. One cell 2 may be composed of 6 parts with a part as a structural unit, or one cell 2 may be composed of 2 parts with a substantially semicircular part having a central angle of 180 degrees as a structural unit. It may be. Alternatively, one cell 2 may be configured by combining a plurality of parts having different central angles. In short, the size and the number of parts constituting a single cell are not particularly limited.

上述した燃料電池１のセルモジュールと従来の燃料電池１’のセルモジュールとに関して、同出力を確保する前提で必要となる電極面積ないしはモジュール体積について行った試算結果を以下に一実施例として示す。 As for the cell module of the fuel cell 1 and the cell module of the conventional fuel cell 1 ′ described above, the results of the trial calculation performed on the electrode area or module volume required on the premise of securing the same output will be shown as an example below.

比較対象とした平板積層型の燃料電池におけるセパレータ３９の場合（図３８参照）、一例として電極面積は
200［ｍｍ］×250［ｍｍ］＝50000［ｍｍ²］
であり、モジュール面積が
250［ｍｍ］×450［ｍｍ］＝112500［ｍｍ²］
であり、モジュール体積が
112500［ｍｍ²］×3［ｍｍ］＝337500［ｍｍ³］
である。 In the case of the separator 39 in the flat plate type fuel cell to be compared (see FIG. 38), as an example, the electrode area is
200 [mm] x 250 [mm] = 50000 [mm ² ]
And the module area is
250 [mm] x 450 [mm] = 112500 [mm ² ]
And the module volume is
112500 [mm ² ] x 3 [mm] = 337500 [mm ³ ]
It is.

一方、本発明にかかる燃料電池１の場合、環状セル２におけるＭＥＡ４の外径が例えば300［ｍｍ］、内径が115［ｍｍ］、尚かつ全周に占めるＭＥＡ４の割合が5/6であるとして、電極面積が
π（(300/2)²［ｍｍ²］−(115/2)²［ｍｍ²］）×5/6＝50224［ｍｍ²］
であり、モジュール面積が
π（(330/2)²［ｍｍ²］−(85/2)²［ｍｍ²］）＝79815［ｍｍ²］
である。また、モジュール体積は
79815［ｍｍ²］×5［ｍｍ］＝399075［ｍｍ³］
である。なお、高さ（厚さ）5［ｍｍ］中、かしめに要する高さを2［ｍｍ］とおけば積層時の実質厚さは3［ｍｍ］となるから、実質的なモジュール体積は
79815［ｍｍ²］×3［ｍｍ］＝239445［ｍｍ³］
となるが、ここでは圧損上昇分で厚みの方向を増やし、試算結果としてのモジュール体積を
79815［ｍｍ²］×5［ｍｍ］＝399075［ｍｍ³］
とした。 On the other hand, in the case of the fuel cell 1 according to the present invention, the outer diameter of the MEA 4 in the annular cell 2 is, for example, 300 [mm], the inner diameter is 115 [mm], and the ratio of the MEA 4 in the entire circumference is 5/6. The electrode area is π ((300/2) ² [mm ² ] − (115/2) ² [mm ² ]) × 5/6 = 50224 [mm ² ]
And the module area is π ((330/2) ² [mm ² ] − (85/2) ² [mm ² ]) = 79815 [mm ² ]
It is. The module volume is
79815 [mm ² ] x 5 [mm] = 399075 [mm ³ ]
It is. In addition, if the height required for caulking is 2 [mm] in the height (thickness) 5 [mm], the actual thickness at the time of lamination will be 3 [mm].
79815 [mm ² ] x 3 [mm] = 239445 [mm ³ ]
However, here, the thickness direction is increased by the increase in pressure loss, and the module volume as a result of the trial calculation is increased.
79815 [mm ² ] x 5 [mm] = 399075 [mm ³ ]
It was.

以上の試算結果からすると、本発明にかかる燃料電池１のセルモジュールと従来の燃料電池１’のセルモジュールとでモジュール体積に大差はなく、体積上（容積上）の差異をなくすことが可能であると考えられた。 From the above calculation results, there is no large difference in module volume between the cell module of the fuel cell 1 according to the present invention and the cell module of the conventional fuel cell 1 ′, and it is possible to eliminate the difference in volume (volume). It was thought that there was.

本発明にかかる燃料電池を構成するセルの一例を示す側面図である。It is a side view which shows an example of the cell which comprises the fuel cell concerning this invention. セルの外形を概略的に示す正面図である。It is a front view which shows the external shape of a cell roughly. ＭＥＡの形状例を示す平面図である。It is a top view which shows the example of a shape of MEA. 図３に示したＭＥＡの正面図である。It is a front view of MEA shown in FIG. カソード側ベースフレームの平面図である。It is a top view of a cathode side base frame. カソード側ベースフレームの底面図である。It is a bottom view of a cathode side base frame. カソード側ベースフレームの正面図である。It is a front view of a cathode side base frame. 図７中のVIII部分の拡大図である。It is an enlarged view of VIII part in FIG. 図７中のIX部分の拡大図である。It is an enlarged view of the IX part in FIG. アノード側ベースフレームの平面図である。It is a top view of an anode side base frame. アノード側ベースフレームの底面図である。It is a bottom view of an anode side base frame. アノード側ベースフレームの正面図である。It is a front view of an anode side base frame. 図１２中のXIII部分の拡大図である。It is an enlarged view of the XIII part in FIG. 図１２中のXIV部分の拡大図である。It is an enlarged view of the XIV part in FIG. セルの構成の一例を示す分解斜視図である。It is a disassembled perspective view which shows an example of a structure of a cell. カソード側ベースフレーム、ＭＥＡおよびアノード側ベースフレームを接合してなる部材の平面図である。It is a top view of the member formed by joining a cathode side base frame, MEA, and an anode side base frame. カソード側ベースフレーム、ＭＥＡおよびアノード側ベースフレームを接合してなる部材の底面図である。It is a bottom view of the member formed by joining a cathode side base frame, MEA, and an anode side base frame. カソード側に設けられる集電体の正面図である。It is a front view of the electrical power collector provided in the cathode side. 図１８中の破線で囲んだ部分の拡大図である。It is an enlarged view of the part enclosed with the broken line in FIG. 冷却板の構成例を示す正面図である。It is a front view which shows the structural example of a cooling plate. 図２０中の破線で囲んだ部分の拡大図である。It is an enlarged view of the part enclosed with the broken line in FIG. 貫通ボルトおよびナットが取り付けられたセルの平面図である。It is a top view of the cell with which the penetration bolt and the nut were attached. 固定プレートが取り付けられたセルの外形を概略的に示す正面図である。It is a front view which shows roughly the external shape of the cell to which the fixing plate was attached. セル積層体内における反応ガス（例えば水素ガス）の流れを模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the flow of the reactive gas (for example, hydrogen gas) in a cell laminated body. セル積層体の外形を概略的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows the external shape of a cell laminated body roughly. セル積層体から不具合が生じたセル１枚を取り外す様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that one cell which a malfunction produced from the cell laminated body is removed. 両端に絶縁性の端部ボックスが設けられたセル積層体の正面図である。It is a front view of the cell laminated body in which the insulating end part box was provided in both ends. 中間付近に絶縁性の中間ボックスが設けられたセル積層体の正面図である。It is a front view of the cell laminated body in which the insulating intermediate | middle box was provided in the middle vicinity. 外部ファンと邪魔板が併設されたセル積層体の正面図である。It is a front view of the cell laminated body with which the external fan and the baffle plate were attached. 外部ファンと邪魔板が併設されたセル積層体の概略斜視図である。It is a schematic perspective view of the cell laminated body with which the external fan and the baffle plate were attached. 円筒部に多翼送風機が併設されたセル積層体の概略斜視図である。It is a schematic perspective view of the cell laminated body in which the multiblade fan was attached to the cylindrical part. 燃料電池や補機の車両への搭載例を示す図である。It is a figure which shows the example of mounting to the vehicle of a fuel cell or an auxiliary machine. 従来の燃料電池における冷媒の流れを比較例として示す図である。It is a figure which shows the flow of the refrigerant | coolant in the conventional fuel cell as a comparative example. 従来の燃料電池の構造を比較例として示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional fuel cell as a comparative example. 従来の燃料電池においてセル積層体からセルを１枚取り外す様子を比較例として示す図である。It is a figure which shows a mode that one cell is removed from a cell laminated body in the conventional fuel cell as a comparative example. 空気供給装置が併設された従来の燃料電池を比較例として示す図である。It is a figure which shows the conventional fuel cell provided with the air supply apparatus as a comparative example. 従来の車両における燃料電池や補機の搭載例を示す図である。It is a figure which shows the example of mounting of the fuel cell and auxiliary machine in the conventional vehicle. 従来構造の燃料電池におけるセパレータの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the separator in the fuel cell of a conventional structure.

Explanation of symbols

１…燃料電池、２…セル、３…セル積層体、４…ＭＥＡ（電解質）、５…カソード側ベースフレーム（ベースフレーム）、５ｃ…接続部、６…アノード側ベースフレーム（ベースフレーム）、６ｃ…接続部、１３…外部ファン（空気供給装置）、１５…空気流路（酸化ガス流路）、１６…水素流路（燃料ガス流路） DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell, 2 ... Cell, 3 ... Cell laminated body, 4 ... MEA (electrolyte), 5 ... Cathode side base frame (base frame), 5c ... Connection part, 6 ... Anode side base frame (base frame), 6c ... Connection part, 13 ... External fan (air supply device), 15 ... Air flow path (oxidation gas flow path), 16 ... Hydrogen flow path (fuel gas flow path)

Claims

Cells of the worm spiral cell stack formed by stacking a plurality with helical structure is formed,
A fuel cell characterized in that a spiral path of oxidizing gas and fuel gas and a cylindrical current path through which electricity flows in the stacking direction of the cells are formed in the cell stack.

The cell includes an electrolyte, a pair of electrodes formed on both sides of the electrolyte, a base frame that supports the electrolyte and the electrode , an oxidizing gas flow path formed between the electrolyte, the electrode, and the base frame, and The fuel cell according to claim 1, further comprising a fuel gas flow path.

The fuel cell according to claim 2, wherein the cell is configured as one unit for one rotation of the spiral, and the cell stack is configured by stacking a plurality of the cells.

4. The fuel cell according to claim 2, wherein the oxidizing gas channel and the fuel gas channel form a single spiral channel.

The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the cell is formed with a connection portion for connection to an adjacent cell.

The fuel according to any one of claims 1 to 5, wherein a spiral refrigerant discharge path is formed along an outer peripheral portion of the cell constituting the cell stack having the spiral structure. battery.

The fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein the cell stack is hollow.

The fuel cell according to claim 7, further comprising an air supply device that supplies air to a hollow inner periphery of the cell stack.