JPH10106610A

JPH10106610A - 燃料電池

Info

Publication number: JPH10106610A
Application number: JP8259773A
Authority: JP
Inventors: Osamu Tajima; 収田島; Kunihiro Nakato; 邦弘中藤; Katsuyuki Makihara; 勝行槇原; Yasunori Yoshimoto; 保則吉本
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1996-09-30
Publication date: 1998-04-24

Abstract

(57)【要約】【課題】複数の電池スタックが行列状に配置され且つ
単セルどうしが直列に接続されてなる燃料電池におい
て、構造が簡素で容易に組立ができるものを提供するこ
とを目的とする。【解決手段】上下方向に積層された複数個の電池スタ
ック１１〜１８が、絶縁性の支柱部材２１〜２８，３１
〜３３を介して水平方向に行列状に配置され、一対のエ
ンドプレート５０…で上下方向に締め付けられて直方体
状のスタック組体が構成され、燃料電池１は、このスタ
ック組体の側面に、水素を供給・回収するマニホールド
７１…及び空気を供給・回収するマニホールド７３…が
冠着されて構成されている。支柱部材２１〜２８及び支
柱部材３１〜３３は、隣接する電池スタックの稜と稜の
間を塞ぐように配されており、これに隣接する電池スタ
ックの稜部が嵌合するように切り欠きが形成されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、単セルとセパレー
タとを交互に積層してなる積層型の燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、電解質層を介してアノード
とカソードとを配した単セルが基本単位であって、単セ
ルのアノード及びカソードに反応ガスを供給して酸化還
元反応することにより発電を行うものである。この単セ
ルの出力電圧は０．６Ｖ程度であるが、単セルとセパレ
ータとが交互に積層された電池スタックからなる積層型
の燃料電池では、単セル同士が直列接続されているの
で、積層数に比例した電圧が得られる。

【０００３】ところで、燃料電池において、非常用電源
や戸外での電源として用いるために、発電した電力をイ
ンバータを介して所定の電圧（１００Ｖ、２００Ｖ）の
交流に変換して外部に供給するようになっているものが
多い。この場合、インバータに供給される電圧が高いほ
ど効率よく変換されるので、燃料電池ではできるだけ高
電圧で発電して出力することが望ましい。

【０００４】燃料電池で高電圧を得るためには、電池ス
タックの積層枚数を増やせばよいが、そうすると積層方
向の長さが大きくなるため、燃料電池の組立や設置が難
しくなりやすい。これに対して、特願平５−１１７０９
９号公報には、図１１に示す燃料電池のように、単セル
とセパレータを積層させてなる複数個（４個）の電池ス
タック５０１…を行列状に並べてスタック組体を構成
し、一対のエンドプレート（不図示）で固定すると共
に、電池スタック同士を電気的に直列接続したものが開
示されている。このような燃料電池では、高電圧を得る
ことができ、且つ積層方向の長さも大きくならずに済
む。

【０００５】ところで、このタイプの燃料電池では、隣
接する電池スタック５０１…の側面の間を絶縁して電池
スタック５０１同士を直列に接続すると共に、アノード
ガス及びカソードガスが各電池スタック５０１…のアノ
ード側のチャネル５０２及びカソード側のチャネル５０
３…に行き渡り、冷却用空気が冷却プレートの通路５０
４…に行き渡るようにする必要がある。

【０００６】そのため、上記の燃料電池においては、隣
接する電池スタック５０１…の対向する側面の間に、長
方形状の絶縁性枠体５１１，５１２が介挿され、絶縁性
枠体５１２の中を反応ガス、絶縁性枠体５１１の中を冷
却空気が流通するようになっている。また、電池スタッ
ク５０１同士はケーブルによって直列に接続されてい
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このような電池スタッ
クを行列状に配列した燃料電池において、電池スタック
同士を直列に接続するための構成や電池スタックの間を
絶縁したりガス通路を形成するための構成を簡素化する
ことによって、燃料電池を作製する手間やコストを低減
することが望まれる。

【０００８】また、上記の燃料電池は、スタック組体を
組み立てるときに、電池スタックと絶縁性枠体とを位置
合わせしながら締め付ける必要があるため、配列する電
池スタックの行や列の数が多くなると組立が難しくなる
という問題もある。本発明は、このような課題に鑑みて
なされたものであって、複数の電池スタックが行列状に
配置され且つ単セル同士が直列に接続されてなる燃料電
池において、構造が簡素で容易に組立ができるものを提
供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、直方体状の複数の電池スタックを行列状
に配置し、一対の端板で積層方向に挟持した組体からな
る燃料電池において、スタック組体を、隣合う電池スタ
ックの正負極の方向が互いに逆向きとなるように配列す
ると共に、一対の端板と複数の電池スタックとの間に
は、隣合う電池スタックの正負極を接続する接続部材を
介挿した。

【００１０】これによって複数の電池スタックは接続部
材で直列に接続されるので、ケーブル等で接続する場合
と比べて、燃料電池の構成が簡素で、燃料電池作製の手
間も低減することができる。ここで、スタック組体にお
いて、電池スタックの積層方向に延びる稜同士が隣接す
る箇所に、絶縁性の支柱部材を介挿し、この支柱部材
で、電池スタックの隣接する側面と側面の間に間隙を形
成すると共に、隣接する稜と稜の間を閉塞させれば、上
述したような枠体を用いるよりも簡単な構成で、隣合う
電池スタック間の間隙を保ちつつ、電池スタック間のガ
ス流通路を形成することができる。

【００１１】また、この支柱部材に、これに隣接する電
池スタックの稜に沿った部分が嵌合する切り欠きを形成
すれば、電池スタックを安定して支持することができる
と共に、スタック組体の組立を容易に行うことができ
る。特に、このような支柱部材を、弾力性を有する樹脂
で構成すれば、スタック組体の組立が容易になると共
に、電池スタックと支柱部材との密着が良好となるので
電池スタック間のガスの流通路のガスシール性が良くな
る。

【００１２】一方、電池スタックの各々を、電池スタッ
クの積層方向に延びる稜に沿って配設された支柱部を有
する絶縁性の固定部材で固定することによって一体化す
れば、スタック組体の組立て時において、電池スタック
を容易に取り扱うことができる。また、電池スタックが
行列状に配置された状態においては、この支柱部が、隣
合う電池スタック間の間隙を保ちつつ、電池スタック間
のガスの流通路を形成する。

【００１３】ここで、固定部材に、スタック組体の組立
時において、隣合う電池スタックの正負極の方向が逆方
向に向いた状態で配列されるよう規制する方向規制手段
を設ければ、組立時において電池スタック方向を間違う
ことがない。また、複数の電池スタックにおいて、アノ
ードガス流通路とカソードガス流通路とを互いに直交す
る方向に設けた場合には、支柱部材或は支柱部だけで電
池スタック間のアノードガス及びカソードガスの流通路
が形成されるので、スタック組体の構成がより簡素とな
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、発明に係る実施の形態につ
いて、リン酸型の燃料電池を例に挙げて具体的に説明す
る。（実施の形態１）〔燃料電池の全体構成についての説明〕図１は、本発明
の一実施の形態にかかる燃料電池の全体構成を示す斜視
図（一部分解）であり、図２は、その水平方向の断面図
である。

【００１５】上下方向に積層された複数個の電池スタッ
ク１１〜１８が、絶縁性の支柱部材２１〜２８，３１〜
３３を介して水平方向に行列状に配置され、一対のエン
ドプレート５０，６０で上下方向に締め付けられて直方
体状のスタック組体が構成され、燃料電池１は、このス
タック組体の側面に、水素を供給・回収するマニホール
ド７１，７２及び空気を供給・回収するマニホールド７
３，７４が冠着されて構成されている。

【００１６】ここでは、図１，２に示すように８個のス
タック１１〜１８が２行×４列に配置されている場合に
ついて説明するが、燃料電池１において電池スタックの
行数や列数は自由に設定することができ、行数や列数が
変わっても基本的な構成は同様である。なお、説明上、
図１，２において、燃料電池１の長手方向を横方向、そ
れと直交する方向を縦方向ということとする。また、図
１では、水素回収用のマニホールド７２及び空気供給用
のマニホールド７４は省略されている。

【００１７】図２に示すように、燃料電池１のスタック
組体は、水素供給・回収用のマニホールド７１，７２に
よって横方向の両端面が挟持されて締め付けられ、スタ
ック組体内を水素が横方向に流通するようになってい
る。一方、空気供給・回収用のマニホールド７３，７４
によって縦方向の両端面が挟持されて締め付けられ、ス
タック組体内を空気が縦方向に流通するようになってい
る。

【００１８】〔電池スタックの構成及びその配置向きに
ついての説明〕電池スタック１１〜１８は、配置する向
き以外は構成が共通なので、以下に、その代表として電
池スタック１１の構成を説明する。図３は、電池スタッ
ク１１の構成を示す組立図である。電池スタック１１
は、電解質マトリックス１０１を介してアノード１０２
とカソード１０３とを配してなる単セル１００と、セパ
レータ板１１１の両面に多孔性基板１１２及び多孔性基
板１１３が積層されてなる複合セパレータ１１０とが、
交互に積層されて構成されている。

【００１９】電解質マトリックス１０１は、シリコンカ
ーバイドをフッ素樹脂で結着した長方形状のシートにリ
ン酸が含浸されたものである。アノード１０２及びカソ
ード１０３は、共に溌水処理が施された炭素繊維からな
るカーボンペーパに、白金触媒或は白金合金触媒が担持
されたカーボン粒子をフッ素樹脂で結着して作製したシ
ートを圧着したものである。ただし、空気よりも水素の
方が触媒に対する反応性の方が高いので、触媒量は、カ
ソード１０３よりもアノード１０２の方が若干少なく設
定されている。

【００２０】セパレータ板１１１は、電解質マトリック
ス１０１と同等の大きさを有する平板に対して、その片
面側（図３では下面側）には一対の対向する辺に沿って
帯板状のエッジシール部１１１ａが設けられ、背面側
（図３では上面側）にはこれと直交する一対の対向する
辺に沿って帯板状のエッジシール部１１１ｂが設けら
れ、全体が緻密なグラッシーカーボンで形成されてい
る。

【００２１】多孔性基板１１２は、表面に多数のチャネ
ル１１２ａ…及びリブ１１２ｂ…が形成された長方形状
の板であって、エッジシール部１１１ａの間にはめ込ま
れている。一方、多孔性基板１１３は、表面に多数のチ
ャネル１１３ａ…及びリブ１１３ｂ…が形成された長方
形状の板で、エッジシール部１１１ｂの間にはめ込まれ
ている。そして、チャネル１１２ａ…とチャネル１１３
ａ…とは、互いに直交している。

【００２２】この多孔性基板１１２及び１１３は、アノ
ード１０２及びカソード１０３と同等の大きさを有し、
多孔性カーボン（例えば、平均細孔径４０μｍ、気孔率
７０％）にリン酸が含浸されて構成されている。なお、
電池スタック１１の上端及び下端には、ハーフプレート
１１５，１１６が配されている。このハーフプレート１
１５，１１６は、複合セパレータ１１０と同様のもので
あるが、片面側だけに多孔性基板１１２，１１３が配さ
れている。

【００２３】電池スタック１１〜１８を配置する水平方
向の向きについては、電池スタック１１〜１８の全ての
チャネル１１２ａ…が横方向に向くように、即ち、全て
のチャネル１１３ａ…が縦方向に向くように配置されて
いる。一方、上下方向の向きについては、隣合う電池ス
タックが上下逆向きになるように配置されている。即
ち、電池スタック１３，１５，１７は、電池スタック１
１と同じく、上側が負極，下側が正極となるように配置
され、電池スタック１２，１４，１６，１８は、電池ス
タック１１と逆に、上側が正極，下側が負極となるよう
に配置されている。

【００２４】〔支柱部材についての説明〕図１に示すよ
うに、支柱部材２１〜２８及び支柱部材３１〜３３は、
共に上下方向に延びる柱状の部材であって、隣接する電
池スタックの稜と稜の間を塞ぐように配されている。こ
の支柱部材２１〜２８，３１〜３３には、これに隣接す
る電池スタックの稜に沿った部分（以下、「稜部」と記
載する）が嵌合するように切り欠きが形成されている。
即ち、スタック組体の外側面に位置する支柱部材２１〜
２８は断面Ｔ字状形に形成され、隣接する電池スタック
の２つの稜部がこれに嵌合し、スタック組体の中央部に
位置する支柱部材３１〜３３は断面十字形に形成され、
隣接する電池スタックの４つの稜部がこれに嵌合してい
る。

【００２５】支柱部材２１〜２８及び３１〜３３の素材
としては、耐酸性，耐熱性を有する樹脂やセラミックス
が用いられる。特に、適度な弾力性を有する樹脂を用い
れば、電池スタックとの優れた密着性が得られ、スタッ
ク組体の耐振動性も優れるので好ましい。好ましい素材
の具体例としては、Ｃ₂Ｆ₄−Ｃ₃Ｈ₆系エラストマー（例
えば、旭硝子社製のアフラス）、ＣＨ₂ＣＦ₂−Ｃ₃Ｆ₆系
エラストマー（例えば、デュポン社製のバイトンＧ
Ｔ）、フルオロシリコン系エラストマー（例えば、ダウ
コーニング社製のシラスティックＬＳ）等のフッ素ゴム
を挙げることができる。

【００２６】図２に示すように、隣接する電池スタック
の対向する側面の間には、支柱部材で挟まれた空間８０
〜８９が形成されている（例えば、電池スタック１１と
電池スタック１２の稜部が、支柱部材２１と支柱部材３
１に嵌合し、両電池スタック１１，１２の間には、支柱
部材２１と支柱部材３１に挟まれた空間８０が形成され
ている）。そして、空間８０〜８３は空気の流通路、空
間８４〜８９は水素の流通路となっている。

【００２７】スタック組体は、マニホールド７１，７２
及びマニホールド７３，７４によって横方向と縦方向と
に締め付けられているため、各支柱部材とこれに嵌合す
る稜部とは圧接されシールされている。従って、各空間
８０〜８９の両端は、支柱部材によって閉じられてい
る。なお、燃料電池１において、スタック組体の４つの
上下方向に延びる稜に沿って、支柱部材２１〜２８と同
様の素材からなる断面Ｌ字形の支柱部材４１〜４４が配
され、これによってマニホールド７１〜７４とスタック
組体とが密着されている。

【００２８】〔エンドプレート，接続部材及びマニホー
ルドについての説明〕図１に示すように、エンドプレー
ト５０，６０は、スタック組体の上面側と下面側を覆う
長方形状の絶縁性の板である。そして、接続部材とし
て、エンドプレート５０の下面側には、各電池スタック
１１〜１８の上面から集電する集電板５１〜５８と、集
電板５２・５３間、集電板５４・５５間、集電板５６・
５７間を接続する接続板５２ａ，５４ａ，５６ａと、集
電板５１，５８から外部に接続するリード板５１ａ，５
８ａとが配されている。一方、エンドプレート６０の上
面側には各電池スタック１１〜１８の下面から集電する
集電板６１〜６８と、集電板６１・６２間、集電板６３
・６４間、集電板６５・６６間、集電板６７・６８間を
接続する接続板６１ａ，６３ａ，６５ａ，６７ａが配さ
れている。

【００２９】集電板５１〜５８，６１〜６８は、ハーフ
プレート１１５，１１６と同等の大きさの導電性の板で
あって、その材質としては、適度な柔軟性と耐触性を有
する金属板（例えば、金メッキした銅）が好ましい。接
続板５２ａ，５４ａ，５６ａ，６１ａ，６３ａ，６５
ａ，６７ａは、空間８０〜８９の幅に相当する長さの導
電性の板であって、材質としては耐触性を有する金属板
が好ましい。

【００３０】なお、連続する集電板と接続板とは、金属
板等を切り抜いて一体形成してもよいし、別々の板を接
合してもよい。また、接続板は、必ずしも板状でなくて
もよく、例えば導電性のワイアをエンドプレート５０，
６０の表面に沿って配してもよい。エンドプレート５０
の４隅には突出部５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄが設
けられると共に、エンドプレート６０の４隅には突出部
６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄが設けられ（図１では
突出部６０ｃは隠れている）、対応する突出部がネジ付
棒（不図示）で締結されることによって、エンドプレー
ト５０とエンドプレート６０は、電池スタック１１〜１
８を上下方向に締め付けている。

【００３１】これによって、エンドプレート５０及びエ
ンドプレート６０は支柱部材２１〜２８，３１〜３３，
４１〜４４の上端及び下端と密着されると共に、各集電
板５１〜５８及び集電板６１〜６８は各電池スタック１
１〜１８の上面及び下面に圧接される。即ち、スタック
組体の上面及び下面はシールされると共に、電池スタッ
ク１１〜１８の接続がなされる。

【００３２】また、マニホールド７１，７２には、各々
の４隅に突出部７１ａ，７１ｂ…が設けられ、図２に示
すようにネジ付棒７５でこの突出部を締結することによ
って、スタック組体は横方向に締め付けられている。同
様に、マニホールド７３，７４にも、各々の４隅に突出
部７３ａ，７３ｂ，７３ｃ…が設けられ、ネジ付棒７６
でこの突出部が締結されることによってスタック組体は
横方向に締め付けられている。

【００３３】〔燃料電池の動作についての説明〕外部か
ら水素供給用のマニホールド７１に送り込まれた水素
は、電池スタック１７，１８に分配され、各電池スタッ
ク１７，１８のチャネル１１２ａ…を通過しながらアノ
ード１０２…に供給されて発電に用いられる。電池スタ
ック１７，１８を通過した水素は、空間８９，８６→電
池スタック１６，１５→空間８８，８５→電池スタック
１３，１４→空間８７，８４→電池スタック１２，１１
を順に流れて、各電池スタックで発電に用いられる。こ
こで、空間８４〜８９は、流通する水素のバッファ槽と
しての機能も果たす。

【００３４】そして、未反応の水素は、水素回収用のマ
ニホールド７２で回収されて外部に排出される。一方、
外部から空気供給用のマニホールド７３に送り込まれた
空気は、電池スタック１８，１５，１４，１１に分配さ
れ、各電池スタック１８，１５，１４，１１のチャネル
１１３ａ…を通過しながらカソード１０３…に供給され
て発電に用いられると共に、電池スタック１８，１５，
１４，１１を空冷する。次に、この空気は空間８３，８
２，８１，８０から電池スタック１７，１６，１３，１
２に流れ、チャネル１１３ａ…を通過しながらカソード
１０３…に供給されて発電に用いられると共に、電池ス
タック１７，１６，１３，１２を空冷する。ここで、空
間８０〜８３は空気のバッファ槽としての機能も果た
す。

【００３５】そして、反応及び冷却に用いられた空気
は、空気回収用のマニホールド７４で回収されて外部に
排出される。各電池スタック１１〜１８において、リブ
１１２ｂ…はアノード１０２の表面に接触し、多孔性基
板１１３のリブ１１３ｂ…はカソード１０３の表面と接
触しているので、各単セル１００で発電される電気は多
孔性基板１１２，１１３で集電され、ハーフプレート１
１５，１１６からは、積層されている単セル１００の電
圧が加算されて出力される。

【００３６】そして、８個の電池スタック１１〜１８
は、集電板５１〜５８、集電板６１〜６８及び接続板５
２ａ，５４ａ，５６ａ、接続板６１ａ，６３ａ，６５
ａ，６７ａによって直列に接続されているので、リード
板５１ａとリード板５８ａからは、電池スタック１１〜
１８の全ての単セル１００の電圧が加算された電圧で出
力される。

【００３７】〔効果についての説明〕本実施の形態の燃
料電池１は、次のような効果を奏する。＊単セルの総数
に応じた高電圧を出力できる。また、電池スタック毎の
積層枚数や、行列状に配列する行数及び列数は自由に設
定できるので、セパレータやセルの大きさは一定のまま
で、電池の縦横高さの比率を様々に変更することができ
る。

【００３８】＊燃料電池１は、断面Ｔ字形の支柱部材２
１〜２８、断面十字形の支柱部材３１〜３３、断面Ｌ字
形の支柱部材４１〜４４という３種類の簡単な形状の部
材と、電池スタック１１〜１８とでスタック組体が構成
されており、構成部材が簡素なため、スタック組体を低
コストで作製できる。＊電池スタック１１〜１８の直列
接続も、エンドプレート５０，６０と電池スタックとの
間に集電板及び接続板を介挿させることによってなされ
ており、電池の組立時にケーブル配線等をする必要がな
い。

【００３９】＊支柱部材２１〜２８，３１〜３３には、
電池スタックの稜部が嵌合するようになっているので、
スタック組体の行数や列数が多い場合でも、容易に組み
立てることができる。特に、支柱部材に適度な弾力性を
有する樹脂を用いた場合、組立が容易で、支柱部材と電
池スタックの稜部との密着性がよく、シールが良好にな
される。また、支柱部材に樹脂を用いた場合、射出成形
等により容易に量産することもできる。

【００４０】＊燃料電池１の複数個を上下方向に積み重
ねて（即ち、燃料電池１のエンドプレート５０の上に、
別の燃料電池１のエンドプレート６０を重ねる）、隣合
う燃料電池１同士を直列に接続（リード板５１ａを隣の
燃料電池１のリード板５８ａとリード線で接続する）す
れば、更に高電圧で出力することも可能となる。（実施の形態２）図４は、本実施の形態にかかる燃料電
池のスタック組体の組立図である。

【００４１】本実施の形態では、スタック組体は、複数
個（図４では４個）のスタックユニット２００が、行列
状（２行×２列）に配列されて構成されている。各スタ
ックユニット２００は、実施の形態１の電池スタック１
１（図２参照）と同様の電池スタック２０１と、電池ス
タック２０１の稜部を覆う固定部材２１０とからなり、
固定部材２１０で電池スタック２０１が固定されること
によってユニット化されている。

【００４２】固定部材２１０は、電池スタック２０１の
水素用のチャネル２０２…の出入口が露出する両側面の
外周部を覆う一対の枠状側板２１１と、空気が流通する
チャネル２０３…の出入口が露出する両側面の外周部を
覆う一対の枠状側板２１２と、電池スタック２０１の正
極面２０４及び負極面２０５の外周部を覆う一対の枠状
端板２１３，２１４とが接合された枠体構造である。

【００４３】固定部材２１０の素材としては、実施の形
態１の支柱部材と同様、耐酸性，耐熱性を有する樹脂や
セラミックスが用いられ、特に適度な弾力性を有する樹
脂が好ましい。なお、図示はしないが、固定部材２１０
と電池スタック２０１とを強固に固着するために、固定
部材２１０の周りを絶縁性のワイアで縛ったり、接着剤
で固着してもよい。

【００４４】この固定部材２１０は、以下のようにスタ
ックユニット２００同士が所定の向きでのみ装着できる
ようになっている。枠状側板２１１の表面には、正極面
２０４近傍の中央部に凸部２１１ａが、負極面２０５近
傍の中央部にこれと係合する凹部２１１ｂが設けられ、
枠状側板２１２表面の正極面２０４近傍には一対の凸部
２１２ａが、負極面２０５近傍には一対の凹部２１２ｂ
が設けられている。

【００４５】従って、２つのスタックユニット２００同
士は、上下逆方向に向けた場合には、凸部２１１ａと凹
部２１１ｂとを係合させながら枠状側板２１１の表面同
士を対面して装着したり、凸部２１２ａと凹部２１２ｂ
とを係合させながら枠状側板２１２の表面同士を対面し
て装着することはできるが、上下同方向に向けた場合に
は、凸部２１１ａと凹部２１１ｂとの係合や凸部２１２
ａと凹部２１２ｂとの係合はできないので、枠状側板２
１１の表面同士或は枠状側板２１２の表面同士を対面さ
せることはできない。

【００４６】よって、スタックユニット２００を行列状
に配列するときには、図４に示すように、全ての水素用
のチャネル２０２…が一方向に、全ての空気用のチャネ
ル２０３…がそれと直交する方向に並び、且つ、隣合う
電池スタックは上下逆向きとなるようにスタックユニッ
ト２００の向きが規制されることになる。図５は、本実
施の形態にかかる燃料電池の水平方向の断面図である。

【００４７】行列状に配列された４つのスタックユニッ
ト２００が、実施の形態１と同様、スタックユニット２
００を直列に接続する集電板（不図示）及び接続板（不
図示）を介挿して一対のエンドプレート（図５では、下
側のエンドプレートの突出部２６０ａ〜２６０ｄだけが
示されている）で上下方向に締め付けられてスタック組
体が構成され、このスタック組体が、水素供給用のマニ
ホールド２７１及び水素回収用のマニホールド２７２で
横方向に、空気供給用のマニホールド２７３及び水素回
収用のマニホールド２７４で縦方向に締め付けられて、
燃料電池が構成されている。

【００４８】図５に示すように、スタック組体の外側面
では、２つの固定部材２１０が隣接することによって、
実施の形態１の断面Ｔ字形の支柱部材２１〜２８と同様
の断面Ｔ字形の支柱部２２１〜２２４が形成されてい
る。また、スタック組体の中央部では、４つの固定部材
２１０が隣接することによって、実施の形態１の断面十
字形の支柱部材３１〜３３と同様の断面十字形の支柱部
２３１が形成されている。また、スタック組体の稜に沿
って、実施の形態１の断面Ｌ字形の支柱部材４１〜４４
と同様の断面Ｌ字形の支柱部２４１〜２４４が形成され
ている。

【００４９】そして、実施の形態１と同様に、隣接する
電池スタックの対向する側面の間には、支柱部２２１〜
２２４と支柱部２３１で挟まれた空間２８１〜２８４が
形成され、空間２８１，２８２は空気のバッファ槽、空
間２８３〜２８４は水素のバッファ槽となっている。な
お、固定部材２１０を行列状に配置する際に、固定部材
２１０同士を直接装着してもよいが、図４に示すよう
に、対面する一対の枠状側板２１１の間、並びに対面す
る一対の枠状側板２１２の間に、Ｏリング２５０を介挿
すれば、よりシール性をより高めることができる。この
場合、枠状側板２１１及び枠状側板２１２の表面に、Ｏ
リング２５０が噛み合うよう溝を刻んでおけば、Ｏリン
グ２５０がずれることなくスタック組体の組立も容易と
なる。

【００５０】以上のような構成の燃料電池は、実施の形
態１の燃料電池と同様に、行列状に配列する行数及び列
数は自由に設定でき、電池スタックを配列する数が多い
場合でも容易に組み立てることができ、スタック組体の
構成が簡素なため低コストで作製できるという効果を奏
する。更に、本実施の形態の燃料電池では、電池スタッ
クが固定部材でユニット化されているので、組立時にお
ける取扱いが容易であり、且つ支柱部同士を密着してシ
ールすることができる。

【００５１】また、スタックユニットの固定部材に上記
の凹凸部が設けられていることによって、スタック組体
を組立てるときに、スタックユニットが正しい向きで配
列されるように規制され、配列されたスタックユニット
同士がずれることもない。図６に示すスタックユニット
２６０は、スタックユニット２００の変形例であって、
電池スタック２０１は、支柱部２６１〜２６４だけから
なる固定部材を用いて固定することによりユニット化さ
れている。

【００５２】図に示すように、スタックユニット２６０
は、電池スタック２０１の水素用のチャネル２０２…の
出入口が露出する側面の一方は支柱部２６１及び支柱部
２６２で挟まれ、他方は支柱部２６３及び支柱部２６４
で挟まれている。また、電池スタック２０１の空気用の
チャネル２０３…の出入口が露出する側面の一方は支柱
部２６１及び支柱部２６３で挟まれ、他方は支柱部２６
２及び支柱部２６４で挟まれている。

【００５３】なお、図６に示されている２つのスタック
ユニット２６０は同一のものであって、共に正極面２０
４が上方を向いているが、水平方向の向きは反対方向を
向いている。また、図６に示すように、スタックユニッ
ト２６０には、支柱部２６１〜２６４には凸部及び凹部
が設けられているので、これを配列してスタック組体を
組み立てるときに、全ての水素用のチャネル２０２…が
横方向、全ての空気用のチャネル２０３…が縦方向に並
ぶように、且つ、隣合う電池スタックは上下逆向きとな
るようにスタックユニット２６０の向きが規制される。

【００５４】（実施の形態３）本実施の形態では、ＳＧ
Ｃタイプの電池スタックをユニット化したものを行列状
に配列してスタック組体を構成する例を示す。図７は、
本実施の形態に係る燃料電池の斜視図であり、図８はそ
の水平方向の断面図である。

【００５５】本実施の形態においても、複数個（図７で
は８個）のスタックユニット３００が行列状（図７では
４行×２列）に配列され、実施の形態１と同様に、集電
板（不図示）及び接続板（不図示）を介挿して一対のエ
ンドプレート（図８では、下側のエンドプレートの突出
部３６０ａ〜３６０ｄだけが示されている）で上下方向
に締め付けられてスタック組体が構成され、このスタッ
ク組体は、反応ガス供給用のマニホールド４０１と反応
ガス回収用のマニホールド４０２とで横方向に締め付け
られ、冷却空気供給用のマニホールド４０３と冷却空気
回収用のマニホールド４０４とで縦方向に締め付けられ
て燃料電池が構成されている。

【００５６】各スタックユニット３００は、電池スタッ
ク３０１と、電池スタック３０１の稜に沿って配設され
た固定部材３１０とから構成されており、電池スタック
３０１は固定部材３１０によって固定されてユニット化
されている。図９は、電池スタック３０１の積層構造の
基本単位を示す分解斜視図である。電池スタック３０１
は、本図に示される基本単位が繰り返されて構成されて
いる。

【００５７】この積層構造の基本単位は、電解質マトリ
ックス３０２の両面にアノード３０３とカソード３０４
を配した長方形状の単セル３０５が、片面に水素用のチ
ャネル３２１…，他面に空気用のチャネル３２２…が刻
まれた複数枚（図９では２枚）の長方形状のバイポーラ
プレート３２０と、水素用のチャネル３２１…が刻まれ
た長方形状のハーフプレート３３０と、空気用のチャネ
ル３２２…が刻まれた長方形状のハーフプレート３４０
との間に介挿され、更に、冷却空気の通路３５１が穿設
された長方形状の冷却プレート３５０が、ハーフプレー
ト３３０とハーフプレート３４０との間に介挿されたも
のである。

【００５８】電池スタック３０１においては、水素用の
チャネル３２１の出入口３２１ａと空気用のチャネル３
２２の出入口３２２ａとが一側面とその反対側の側面に
設けられており、また、冷却用空気の通路３５１の出入
口３５１ａが、これと直交する側面に設けられている。
そして、反応用の水素は、プレート３２０，３３０の表
面を対角線方向に、出入口３２１ａからチャネル３２１
…を通って反対側の出入口３２１ａまでＺ字状に流れ、
反応用空気は、プレート３２０，３４０の表面に沿っ
て、出入口３２２ａから空気用のチャネル３２１…を通
って反対側の出入口３２２ａまで流れるようになってい
る。即ち、反応用水素と反応用空気とは、図９において
右から左方向へ流れ、途中で互いに交差する。

【００５９】図７に示すように、固定部材３１０は、実
施の形態２の固定部材２１０と同様、電池スタック３０
１の出入口３２１ａ，３２２ａが露出する側面の外周部
を覆う一対の枠状側板３１１と、出入口３５１ａが露出
する側面の外周部を覆う一対の枠状側板３１２と、正極
面３０６及び負極面３０７の外周部を覆う一対の枠状側
板２１３，２１４とが接合された枠体構造であるが、更
に、枠状側板３１１には、水素の出入口３２１ａと空気
の出入口３２２ａとの間を仕切る帯状の仕切板３１１ｃ
が架設されている。

【００６０】そして、実施の形態２と同様、電池スタッ
ク３０１が行列状に配列されることによって、図８に示
すように、断面Ｔ字形の支柱部３６１〜３６８断面十字
形の支柱部３７１〜３７３、断面Ｌ字形の支柱部３８１
〜３８４が形成され、隣接する電池スタックの対向する
側面の間には、支柱部３６１〜３６８と支柱部３７１〜
３７３で挟まれた空間３９０〜３９９が形成されてい
る。

【００６１】本実施の形態では、空間３９０〜３９３
は、冷却空気の通路（バッファ槽）となっている。一
方、空間３９４〜３９９は、仕切板３１１ｃによって水
素の通路３９４ａ〜３９９ａと反応用空気の通路３９４
ｂ〜３９９ｂとに仕切られている。また、マニホールド
４０１，４０２の内部には、仕切板３１１ｃと対応する
位置に仕切板４０１ａ，４０２ａが設けられて、水素が
流通する空間と反応用空気が流通する空間とに仕切られ
ている。

【００６２】実施の形態２と同様、固定部材３１０に
は、枠状側板３１１の表面に凸部３１１ａ，凹部３１１
ｂが設けられ、枠状側板３１２の表面に凸部３１２ａ，
凹部３１２ｂが設けられているので、複数のスタックユ
ニット３００を行列状に配列するときには、水素用のチ
ャネル３２１…，空気用のチャネル３２２…及び冷却空
気用の通路３５１…は各々連通し、且つ、隣合うスタッ
クユニット３００同士は上下逆方向を向くよう規制され
る。

【００６３】このような構成の燃料電池において、運転
時には、図８に実線で示すように、外部からマニホール
ド４０１の中央部に反応用空気が供給され、この反応用
空気は、各スタックユニット３００の空気用のチャネル
３２２…を順に通過しながら反応に用いられた後、その
排空気はマニホールド４０２の中央部で回収されて排出
される。また、図８に破線で示すように、外部からマニ
ホールド４０１の側部に水素が供給され、その水素は各
スタックユニット３００の水素用のチャネル３２１…を
順に通過した後、未反応水素はマニホールド４０２の側
部で回収されて排出される。

【００６４】一方、冷却用空気は、外部からマニホール
ド４０３に供給され、各スタックユニット３００の冷却
空気用の通路３５１…を順に通過した後、マニホールド
４０４で回収されて排出される。本実施の形態の燃料電
池においても、実施の形態２の燃料電池と同様の効果を
奏する。

【００６５】（実施の形態４）図１０（ａ），（ｂ）
は、本実施の形態の燃料電池の水平方向の断面図であ
る。図１０（ａ），（ｂ）に示す燃料電池は、いずれも
実施の形態３と同様に、スタックユニット３００が行列
状（図１０では２行×２列）に配列され、集電板（不図
示）及び接続板（不図示）を介挿して一対のエンドプレ
ート（不図示）で上下方向に締め付けられてスタック組
体が構成されており、反応ガス供給用のマニホールド４
０１と反応ガス回収用のマニホールド４０２とで横方向
に締め付けられ、冷却空気用のマニホールド４１３，４
１４で縦方向に締め付けられて構成されているが、冷却
空気が流れが実施の形態３の場合と異なっている。

【００６６】即ち、実施の形態３では、冷却用空気が一
律的に冷却空気供給用のマニホールド４０３から冷却空
気回収用のマニホールド４０４に向けて流れるようにな
っていたのに対して、本実施の形態では、以下に示すよ
うに、冷却空気用のマニホールド４１３，４１４に工夫
がなされて、各スタックユニット３００の冷却空気の流
れ方向と水素の流れ方向とが一致するようになってい
る。

【００６７】図１０（ａ）の燃料電池においては、マニ
ホールド４１３内の空間が、支柱部４２１に沿って設け
られた仕切り４１５によって、空間４１３ａと空間４１
３ｂとに仕切られている。そして、外部から空間４１３
ａに送り込まれた冷却用空気は、図中右側の２個のスタ
ックユニット３００を通過してマニホールド４１４を通
過した後、図中左側の２個のスタックユニット３００を
通過して空間４１３ｂから外部に排出される。

【００６８】一方、図１０（ｂ）の燃料電池において
は、マニホールド４１３内の空間が仕切り４１５によっ
て仕切られると共に、マニホールド４１４内の空間も、
支柱部４２２に沿って設けられた仕切り４１６によっ
て、空間４１４ａと空間４１４ｂとに仕切られている。
そして、外部から空間４１３ａに送り込まれた冷却用空
気は、図中右側の２個のスタックユニット３００を通過
して空間４１４ａから外部に排出され、外部から空間４
１４ａに送り込まれた冷却用空気は、図中左側の２個の
スタックユニット３００を通過して空間４１３ｂから外
部に排出される。

【００６９】以上、本発明の実施の形態について説明し
たが、本発明はこれに限定されることなく、以下のよう
なものにも適用できる。上記実施の形態１，２では、電
池スタックに冷却プレートを介挿させずに、空気用のチ
ャネルを流通する空気が電池スタックの冷却を兼ねてい
たが、電池スタックに、空気用のチャネルと同方向に空
気の流通路を有する冷却プレートを介挿させても、同様
に実施することができる。

【００７０】また、電池スタックに、水素用のチャネル
２０２…と同方向に空気の流通路を有する冷却プレート
を介挿させることもできるが、この場合、水素の通路と
冷却空気の通路とを仕切ることが必要となる。水素の通
路と冷却空気の通路とを仕切る方法としては、例えば実
施の形態２において、固定部材２１０の枠状側板２１１
に帯状の仕切板を架設すると共に、水素供給用のマニホ
ールド２７１及び水素回収用のマニホールド２７２の内
部に仕切板を設ける方法が考えられる。

【００７１】また、上記実施の形態１〜４では、リン酸
型の燃料電池について記述したが、固体高分子型やアル
カリ型などの燃料電池においても同様に実施することが
できる。

【００７２】

【実施例】

（実施例）上記実施の形態１の燃料電池１において、単
セル並びに複合セパレータの大きさを８０ｍｍ×８０ｍ
ｍ、複合セパレータの厚さを５ｍｍ、電池スタック間の
空間の幅を１０ｍｍとし、各電池スタックにおける単セ
ルの積層枚数を４０枚に設定する。

【００７３】この場合、燃料電池１における単セルの総
枚数は４０×８＝３２０枚となり、単セル当りの出力電
圧を約０. ６Ｖとすると、燃料電池１の出力電圧は、
０．６×３２０＝１９２Ｖとなる。また、燃料電池１の
スタック組体の大きさは、高さが５×４０＝２００ｍｍ
程度、横方向の長さが８０×４＋１０×３＝３５０ｍｍ
程度、縦方向の長さが８０×２＋１０＝１７０ｍｍ程度
となる。

【００７４】（比較例１）上記実施例の電池スタックに
おいて、単セル並びにセパレータの大きさを１６０ｍｍ
×３２０ｍｍ（面積は実施例の８倍）に設定としたもの
を１つ用いて燃料電池を構成する。この燃料電池で発電
できる電力は実施例の燃料電池と同等であるが、出力電
圧は０．６×４０＝２４Ｖであって、実施例の１／８の
値である。

【００７５】この電池スタックの大きさは、実施例のス
タック組体とほぼ同じであるが、縦方向及び横方向の長
さは若干小さくなる。（比較例２）上記実施例の電池スタックにおいて、単セ
ルの積層枚数を３２０枚に設定し、その電池スタック１
つだけで燃料電池を構成する。

【００７６】この燃料電池では、実施例の燃料電池と同
等の電力及び出力電圧を得ることができるが、電池スタ
ックの高さは、５×３２０＝１６００ｍｍ程度であっ
て、実施例の８倍程度となる。（実験）上記実施例と比較例１，２の燃料電池を用いて
発電した電力を、インバータで１００Ｖの交流に変換し
て１ＫＷで出力する場合、インバータの変換効率が各々
どのようになるかを測定した。

【００７７】その結果、実施例及び比較例２の燃料電池
では、インバータ変換効率は約９３％であったのに対し
て、比較例１の燃料電池では、インバータ変換効率は約
７０％であった。

【００７８】

【発明の効果】以上述べてきたように、本発明は、直方
体状の複数の電池スタックを、アノードガス流通路及び
カソードガス流通路の各々が同方向に並んだ状態で行列
状に配置し、一対の端板で積層方向に挟持した組体から
なる燃料電池において、スタック組体を、隣合う電池ス
タックの正負極の方向が互いに逆向きとなるように配列
し、一対の端板と複数の電池スタックとの間には、隣合
う電池スタックの正負極を接続する接続部材を介挿する
ことによって、ケーブル等で接続する場合と比べて、燃
料電池の構成が簡素となり、燃料電池を作製する手間も
低減することができる。

【００７９】ここで、スタック組体において、電池スタ
ックの積層方向に延びる稜が隣接する箇所に、絶縁性の
支柱部材を、稜と稜の間隙を閉塞するよう介挿させれ
ば、更に、燃料電池の構成を簡素にでき、組立も容易に
行うことができる。或は、複数の電池スタックの各々
を、電池スタックの積層方向に延びる稜に沿って配設さ
れた支柱部を有する絶縁性の固定部材で固定することに
よって一体化しても、燃料電池の構成を簡素にでき、組
立も容易に行うことができる。

【００８０】特に、本発明は、小型の燃料電池に対して
適用しやすく、携帯用の燃料電池などの小型の燃料電池
の分野で実用的価値が高い。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態１にかかる燃料電池の全体構成を示
す斜視図である。

【図２】図１に示す燃料電池の水平方向の断面図であ
る。

【図３】図１に示す電池スタック１１の構成を示す組立
図である。

【図４】実施の形態２にかかる燃料電池のスタック組体
の組立図である。

【図５】実施の形態２にかかる燃料電池の水平方向の断
面図である。

【図６】実施の形態２にかかるスタックユニットの変形
例を示す図である。

【図７】実施の形態３にかかる燃料電池の斜視図であ
る。

【図８】図７に示す燃料電池の水平方向の断面図であ
る。

【図９】実施の形態３にかかる電池スタックの基本の積
層構造を示す分解斜視図である。

【図１０】実施の形態４にかかる燃料電池の水平方向の
断面図である。

【図１１】電池スタックを行列状に並べたスタック組体
からなる従来の燃料電池の一例を示す図である。

【符号の説明】

１燃料電池１１〜１８電池スタック２１〜２８，３１〜３３，４１〜４４支柱部材５０，６０エンドプレート５１〜５８，６１〜６８集電板５２ａ，５４ａ，５６ａ，６１ａ，６３ａ，６５ａ，６
７ａ接続板７１〜７４マニホールド１００単セル１０１電解質マトリックス１０２アノード１０３カソード１１０複合セパレータ２００スタックユニット２０１電池スタック２１０固定部材２１１ａ，２１２ａ凸部２１１ｂ，２１２ｂ凹部２２１〜２２４，２３１，２４１〜２４４支柱部３００スタックユニット３０１電池スタック３１０固定部材３２０バイポーラプレート３５０冷却プレート３６１〜３８４支柱部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者吉本保則大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質層を介してアノードとカソードが
配されてなる単セルとセパレータとが交互に積層されて
なり、単セルとセパレータとの間にアノードガス流通路
及びカソードガス流通路が設けられた直方体状の複数の
電池スタックを、行列状に配列して一対の端板で積層方
向に挟持したスタック組体からなる燃料電池において、前記スタック組体は、隣合う電池スタックの正負極の方
向が互いに逆向きとなるように配列され、前記一対の端板と複数の電池スタックとの間には、前記
隣合う電池スタックの正負極を接続する接続部材が介挿
されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】前記スタック組体には、電池スタックの積層方向に延びる稜同士が隣接する箇所
に、絶縁性の支柱部材が介挿され、前記支柱部材は、電池スタックの隣接する側面と側面の間に間隙を形成す
ると共に、隣接する稜と稜の間を閉塞していることを特
徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】前記複数の電池スタックの各々は、アノードガス流通路とカソードガス流通路とが互いに直
交する方向に設けられていることを特徴とする請求項２
記載の燃料電池。
【請求項４】前記支柱部材には、これに隣接する電池スタックの稜に沿った部分が嵌合す
る切り欠きが形成されていることを特徴とする請求項２
又は３記載の燃料電池。
【請求項５】前記支柱部材は、弾力性を有する樹脂からなることを特徴とする請求項２
又は４記載の燃料電池。
【請求項６】前記複数の電池スタックの各々は、該電池スタックの積層方向に延びる稜に沿って配設され
た支柱部を有する絶縁性の固定部材で固定されることに
よって一体化されていることを特徴とする請求項１記載
の燃料電池。
【請求項７】前記固定部材には、スタック組体の組立時において、隣合う電池スタックの
正負極の方向が逆方向に向いた状態で配列されるよう規
制する方向規制手段が設けられていることを特徴とする
請求項６記載の燃料電池。
【請求項８】前記複数の電池スタックは、アノードガス流通路とカソードガス流通路とが互いに直
交する方向に設けられていることを特徴とする請求項６
または７記載の燃料電池。