JPWO2009084230A1 - 燃料電池 - Google Patents

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Abstract

本発明は、端板付近でも結露しにくい反応ガス供給経路を備えた燃料電池を提供することを目的としている。本発明の燃料電池は、反応ガス流路１３ａを内部に有するとともに反応ガス流路１３ａに反応ガスを供給するための反応ガス供給口１７を一方の端面に有するセルスタック２と、反応ガス供給口１７と反応ガス供給用の外部配管Ｐとをつなぐ継手５と、セルスタック２の前記一方の端面に配置されるとともに、継手５が内壁面に接することなく挿通する貫通孔２１、２３を有する板状の端部材３、４と、継手５と貫通孔２１、２３の内壁面との間に形成された空間を実質的に閉塞する閉塞部材９と、を備えている。

Description

本発明は燃料電池に関し、より詳細には、フラッティングを防止する機構を備えた燃料電池に関する。
燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する空気などの酸化剤ガスを、電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものであり、使用される燃料や構成材料によって様々な種類に分けることができる。その１つが高分子電解質膜を用いた高分子電解質形燃料電池である。図１１は、従来の高分子電解質形燃料電池５１の端部を拡大した図である。高分子電解質形燃料電池５１は、高分子電解質膜が内蔵された単電池５２を複数段積層して形成されたセルスタック５３と、このセルスタック５３の両端に配設された集電板５４と、さらに外方に配設された端板５５とを備えており、これらはボルトによって両側から締付けられることで固定されている。また、図１１に示すように、燃料電池５１の端面には、発電に必要な反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）を供給するための反応ガス供給口５６が設けられており、この反応ガス供給口５６に反応ガスを送る外部配管Ｐが接続される。
ここで、高分子電解質形燃料電池５１が有する高分子電解質膜は、イオン導伝性を保つために常に湿った状態を維持しなければならず、高分子電解質膜に接する燃料ガス及び酸化剤ガス（これらを「反応ガス」と呼ぶ）の少なくとも一方を加湿してから燃料電池５１に供給するのが一般的である。このとき反応ガスは飽和に近い状態にまで加湿されているため、経路中の配管の温度が反応ガスの温度よりも低いと配管内で結露が生じてしまい、これにより反応ガスの供給が阻害されて発電電圧が低下するフラッティングと呼ばれる性能低下現象が起こる。
外部配管Ｐには断熱材を巻くことで管内の結露を防止できるが、燃料電池５１の内部に位置する部分には断熱材を巻くことができず、使用条件により結露が生じてしまう。本来、燃料電池５１は始動時に内部（つまり、セルスタック５３）の温度を６０〜９０°Ｃまで上げるため、燃料電池５１の内部で結露が起こらないようにも考えられるが、実際は、最も外側に位置する厚みの大きい端板５５は、燃料電池内部（セルスタック５３）の温度上昇に追随できず、始動直後は温度の低い状態が続く。そのため、端板５５付近の通路内において結露が発生してしまうのである。
これに対し、端板付近での結露を防ぐために、外部配管を端板に接続するのでなく、継手を介して外部配管をセルスタックに接続する構成を備えた燃料電池が提案されている（例えば、特許文献１の図３参照）。図１２は、上記の構成を備えた燃料電池６１の端面部分を拡大した図であって、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は斜視図である。図１２に示すように、この燃料電池６１は、セルスタック６２と外部配管Ｐとを接続する継手６３を備えている。そして、集電板６４及び端板６５は、それぞれ継手６３よりも径の大きい貫通孔６６、６７を有しており、継手６３と端板６５とが接触しない構成となっている。かかる構成によれば、継手６３と端板６５との接触が無くなることから、端板６５との接触を原因とする反応ガス経路内（継手６３内）の結露の発生を防止することができる。
特開平７−２８２８３６号公報
ところが、図１２に示す燃料電池６１の継手６３は、作業効率の面から断熱材を巻くのが困難なため、端板６５との隙間に入り込む外気と広い範囲で接することになる。そのため、冬季、高地、及び高緯度帯などの寒冷地では、外気によって継手６３が冷却され、継手６３（反応ガス経路）の内部で結露が生じてしまう。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、端板付近でも結露しにくい反応ガス供給経路を備えた燃料電池を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明にかかる燃料電池は、反応ガス流路を内部に有するとともに前記反応ガス流路に反応ガスを供給するための反応ガス供給口を一方の端面に有するセルスタックと、前記反応ガス供給口と反応ガス供給用の外部配管とをつなぐ継手と、前記セルスタックの前記一方の端面に配置されるとともに、前記継手が内壁面に接することなく挿通する貫通孔を有する板状の端部材と、前記継手と前記貫通孔の内壁面との間に形成された空間を実質的に閉塞する閉塞構造と、を備えている。
ここで端部材とは、燃料電池の端部付近に位置する部材をいい、端板（絶縁板も含む）の他、端板（絶縁板も含む）と集電板を合わせたものも含む。上記の構成によれば、継手と貫通孔の間に実質的な閉空間が形成されるため、継手から外気への熱移動を抑えることができ、継手の温度低下を防止することができる。よって、かかる構成によれば、端板付近でも結露しにくい反応ガス供給経路を備えた燃料電池を提供することができる。なお、ここでいう実質的な閉空間とは、外気との対流が防がれる程度の密閉性がある空間をいい、必ずしも完全な気密性を有する空間を意味するものではない。
また、上記燃料電池において、前記端部材の前記貫通孔の周囲部分が外方に突出するようにしてもよい。かかる構成によれば、外部配管付近まで上記の実質的な閉空間を大きく形成することができるため、継手の外気と接する部分をより小さくすることができる。
また、上記燃料電池において、前記貫通孔の内側において前記継手を取り巻くようにして環状に形成された閉塞部材を備え、該閉塞部材が前記閉塞構造を構成するようにしてもよい。
また、上記燃料電池において、前記貫通孔はその周辺に比べ内径が小さい小径部を有し、該小径部が前記閉塞構造を構成するようにしてもよい。かかる構成によれば、部品点数を減らすことができる。
また、上記燃料電池において、前記継手はその周辺に比べ外径が大きい大径部を有し、該大径部が前記閉塞構造を構成するようにしてもよい。かかる構成の場合も、部品点数を減らすことができる。
また、上記燃料電池において、前記継手の基端部分は平板状の形状を有しており、該基端部分は前記セルスタックと前記端部材とで狭持されるようにしてもよい。かかる構成によれば、継手にセルスタックからの熱が伝わりやすくなるため、継手の温度上昇を助け、又は温度低下を抑えることができる。
また、上記燃料電池において、前記実質的に閉塞される空間の外方側において、前記端部材と前記継手との間にガスシール部材を設ける構成としてもよい。かかる構成にすることで、閉塞部内外のガスの移動がさらに抑制されるため、断熱性能が向上する。また、ガスシール部材が緩衝材の効果をもたらすため、耐振動性も向上する。
本発明によれば、端板付近でも結露しにくい反応ガス供給経路を備えた燃料電池を提供することができる。
実施の形態１に係る燃料電池の概略図である。 実施の形態１に係る単電池の分解斜視図である。 実施の形態１に係る燃料電池の分解斜視図である。 実施の形態１に係る継手周辺の拡大図である。 実施の形態２に係る継手周辺の拡大図である。 実施の形態３に係る継手周辺の拡大図である。 実施の形態４に係る継手周辺の拡大図である。 実施の形態５に係る継手周辺の拡大図である。 実施の形態６に係る継手周辺の拡大図である。 他の実施形態に係る燃料電池の概略図である。 従来の燃料電池を示した図である。 従来の燃料電池を示した図である。
符号の説明
１、１Ａ〜１F 燃料電池
２ セルスタック
３ 集電板
４ 端板
５〜８ 継手
５ａ セルスタック接続部
５ｂ 外部配管接続部
９ 閉塞部材
１３ａ 反応ガス流路
１７ 反応ガス供給口
２３ 貫通孔
２４ 間隙（空間）
２５ 外環部分
２６ 小径部
２７ 大径部
Ｐ 外部配管
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１を、図１〜４を参照しつつ以下に説明する。
まず、図１〜３を参照し、実施の形態１に係る燃料電池１の概要を説明する。図１は、実施の形態１に係る燃料電池１の斜視図である。図１に示すように、実施の形態１に係る燃料電池１は、セルスタック２と、集電板３と、端板４と、継手５〜８と、閉塞部材９とを備えている。
セルスタック２は単電池１０が複数段積層されて形成されたものである。通常は、要求される出力に応じて２〜２００段程度単電池１０を積層してセルスタック２を形成する。図２は、実施の形態１に係る単電池１０の分解斜視図である。各単電池は、ＭＥＡ（電極電解質膜接合体）１１と、ガスシール１２と、セパレータ１３より構成されている。
ＭＥＡ１１は、高分子電解質膜１４の両側に触媒層１５を設け、その外側にガス拡散層１６を重ねたものである。高分子電解質膜１４は水素イオンを選択的に輸送する陽イオン交換樹脂からなるものである。また、触媒層１５は白金などの触媒機能を有する金属を担持させたカーボン粉末を主成分とするものである。また、ガス拡散層１６は反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）の通気性と電子の伝導性を併せ持つものである。なお、以下では触媒層１５及びガス拡散層１６を電極と総称する。
ガスシール１２は、環状の形状を有しており、ＭＥＡ１１の両外面に電極（１５、１６）を囲むよう配設されている。このガスシール１２は、燃料ガスや酸化剤ガスが外にリークしたり、異なるガス同士が混合したりするのを防止する役割を果たしている。
セパレータ１３は、ガスシール１２及び電極（１５、１６）の外側に配置されており、その両面には流路が形成されている。これらの流路のうち、内面に形成された流路１３ａは反応ガス（燃料ガス又は酸化剤ガス）を触媒層１５に供給する反応ガス流路１３ａである。外面に形成された流路は冷却水を単電池１０の間に流すためのものである。また、セパレータ１３は、導電性を有しており、隣接するＭＥＡ１１を互いに電気的に直列に接続することができる。なお、実施の形態１では、冷却水を用いてＭＥＡ１１が発生する熱を除去する構成を有しているが、冷却フィンや熱伝導管を用いてＭＥＡ１１を冷却するようにしてもよい。
セパレータ１３に形成された各流路は、上流端が供給マニホールド孔に接続され、下流端が排出マニホールド孔に接続されている。そして、ＭＥＡ１１の周縁部にマニホールド孔が設けられており、このマニホールド孔はセパレータ１３の各マニホールド孔に対応している。そのため、各セパレータ１３及び各ＭＥＡ１１がセルスタック２に組み立てられると、各セパレータ１３及び各ＭＥＡ１１のマニホールド孔は互いに繋がって、各流体のマニホールド（流路）が形成される。実施の形態１に係るセルスタック２には、このようにして形成された２つの反応ガス供給マニホールド、２つの反応ガス排出マニホールド、１つの冷却水供給マニホールド、及び１つの冷却水排出マニホールドが、その積層方向に伸延するように形成されている。そして、２つの反応ガス供給マニホールドの一端が２つの反応ガス供給口を構成し、２つの反応ガス排出マニホールドが２つの反応ガス排出口を構成し、冷却水供給マニホールドの一端が冷却水供給口を構成し、冷却水排出マニホールドの一端が冷却水排出口を構成している。
図３は、実施の形態１に係る燃料電池１の分解斜視図である。上述したように、各単電池１０の内部（セパレータ１３）には複数の流路が形成されているため、各流路には反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）や冷却水を供給する供給口や排出する排出口が必要である。そこで、図３に示すように、セルスタック２の端面（最も外側に位置する単電池におけるセパレータ１３の外面）のうち一方の端面には、上述したように反応ガスが供給される反応ガス供給口１７が２つ、反応ガスが排出される反応ガス排出口１８が２つ、冷却水が供給される冷却水供給口１９が１つ、及び冷却水が排出される冷却水排出口２０が１つ形成されている。各供給口１７、１９から入った反応ガスや冷却水は、各単電池１０の内部又は境界を通過して、各排出口１８、２０から排出される。
集電板３は、セルスタック２の両外側に配設されており、単電極と外部回路の電気的接触をよくするためのつなぎの役割を果たす。図３に示すように、２つの集電板３のうち一方の集電板３にはセルスタック２に設けられた各供給口１７、１９及び各排出口１８、２０に対応する位置に矩形状の貫通孔２１が形成されており、継手５〜８がこの貫通孔２１を挿通するようになっている。
端板４は、集電板３のさらに外方に配設されており、セルスタック２と集電板３を両側から狭持し固定する役割を有する。セルスタック２と集電板３を狭持する締結手段としてボルト２２（図１及び図３ではねじ部分を省略している。）を用いる。ここで使用するボルト２２の長さは、およそ燃料電池１の単電池積層方向の長さに等しい。このボルト２２を一方の端板４のボルト用貫通孔に挿入し、集電板３及びセルスタック２の内部を通して、他方の端板４のボルト用貫通孔を通し、さらにその外側に位置するナット（図示せず）と締結して、燃料電池１の全体を固定する。このように、両側から燃料電池１の全体をしっかりと押さえつけなければならない端板４は、高い剛性が求められており、ある程度の厚みが必要となる。なお、集電板３の場合と同様、２つの端板４のうち一方の端板４にはセルスタック２に設けられた各供給口１７、１９及び各排出口１８、２０に対応する位置に円状の貫通孔２３が形成されており、継手５〜８がこの貫通孔２３を挿通するようになっている。端板４は、ここでは例えば樹脂で構成されていて絶縁性を有する。また、端板４は、ここでは単一の部材で構成されているが、内側に配置された絶縁性の板（絶縁板）と外側に配置された強度保持用の板（いわゆる端板）とで構成されていてもよく、また、これらが一体化されてなる２層構造を有していてもよい。
継手５〜８は、セルスタック２に設けられた各供給口１７、１９及び各排出口１８、２０と、外部配管Ｐ（図４参照）とをつなぐ役割を有している。図３に示すように、各継手５〜８は各供給口１７、１９及び各排出口１８、２０に取り付けられる。このうち結露が問題となるのは、反応ガス供給口１７に取り付けられる継手５である。また、図３に示すように、継手５は、セルスタック接続部５ａ、外部配管接続部５ｂ、及び筒状部５ｃから主に構成されている。セルスタック接続部５ａは、継手５の基端部分に形成されており、セルスタック２に形成された反応ガス供給口１７と接続している。外部配管接続部５ｂは、継手５の先端部分に形成され、外部配管Ｐ（図４参照）と接続することができる。筒状部５ｃは、セルスタック接続部５ａと外部配管接続部５ｂとの間である中央部分に形成され、反応ガスの流路となる。ここでは、継手５について説明したが、継手６〜８の構成も継手５の構成と同じである。また、継手５〜８の材料は樹脂等の熱伝導率の低いものとするのが望ましい。熱伝導率の低い材料を使用することにより、外部からの熱的な影響によって生じる結露を抑えることができる。なお、実施の形態１では、６つの継手５〜８はいずれも同じ構成であるが、継手５〜８を通過する流体の性質や流量に対応して、内径を大きくする等の変形をそれぞれに施しても良い。
閉塞部材９は、図３に示すように、平板状でかつ環状の形状を有している。また、図１に示すように、閉塞部材９は端板４の貫通孔２３内に位置するとともに、各継手５〜８を取り巻くように取り付けられている（各継手５〜８をその内孔に挿通せしめるように該各継手５〜８に嵌められている）。また、閉塞部材９は、樹脂や木材等の熱伝導性が低い材料で作られていることが望ましい。なお、実施の形態１では、すべての継手５〜８に閉塞部材９が取り付けられているが、反応ガス供給口１７と接続する継手５にのみ閉塞部材９を取り付けるようにしてもよい。以上が実施の形態１に係る燃料電池１の概要である。
次に、図４を参照して実施の形態１に係る継手５〜８周辺の構成について詳細に説明する。図４は、実施の形態１に係る継手５〜８のうち、反応ガス供給口１７に接続する継手５の周辺を拡大した図であって、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は斜視図である。ここでは、反応ガス供給口１７に接続する継手５の周辺の構成を説明するが、他の継手６〜８の周辺も構成は同じである。図４（ａ）に示すように、継手５の基端部分に位置するセルスタック接続部５ａには、雄ねじが形成されており、また、セルスタック２の端面（最端に位置する単電池１０におけるセパレータの外面）には雌ねじが形成されている。そして、セルスタック接続部５ａの雄ねじがセルスタック２の雌ねじにねじ込まれることにより、セルスタック２の端面に継手５が外方に突出するように固定されている。
継手５の先端部分に位置する外部配管接続部５ｂは、端板４の端面よりもさらに外方に位置しており、外部配管Ｐと接続できるようになっている。なお、実施の形態１では、外部配管接続部５ｂは、外部配管Ｐとワンタッチで接続できるような構成を有している。ただし、他の接続機構を採用しても良い。例えば、外部配管接続部５ｂを外部配管Ｐとねじによって接続できるような構成としても良い。
継手５の中央部分に位置する筒状部５ｃは、長手方向における過半部が貫通孔２３の内部に位置している。また、筒状部５ｃの外径は集電板３の貫通孔２１の一辺や端板４の貫通孔２３の内径に比べ小さくなっている。換言すると、貫通孔２１、２３の内壁面は間隙を有して継手５を囲んでいる。そのため、図４（ａ）に示すように、継手５と貫通孔２１、２３の内壁面との間に間隙２４が形成されている。
閉塞部材９は、その上面と端板４の外面とが略同一面になるように配設されている。これにより、閉塞部材９は、継手５と貫通孔２１、２３との間に生じた間隙２４の開口部を閉塞することになり、閉塞構造を構成することになる。この閉塞構造により、継手５と貫通孔２１、２３の間に実質的な閉空間が生じることになる。なお、図４では閉塞部材９と端板４との間には隙間がほとんど生じていないが、上記の閉空間内の空気と外気との対流を防ぐことができるのであれば、ある程度の隙間は許容される。
以上が、実施の形態１に係る燃料電池の構成である。実施の形態１では、継手５と端板４の貫通孔２３の間に実質的な閉空間が生じることになるため、セルスタック２から伝わる熱によって上記閉空間内の空気を温めつつ、外部からの空気を遮断することができる。そのため、寒冷地における使用であっても、外気による継手５の温度低下を防ぎ、継手５の内部で発生する結露を抑えることができる。また、閉塞部材９が継手５と端板４の間に隙間無く配設されると、閉塞部材９により継手５が支持されるため、継手５周辺全体の剛性が向上する。
なお、実施の形態１では、継手５〜８をセルスタック２に直接接続する構成について説明したが、継手５〜８を集電板３に接続するようにしてもよい。このとき、集電板３は上記の貫通孔２１を有さず、継手５〜８と接触することになる。ただし、この場合であっても端板４の貫通孔２３の壁面は間隙を有して継手５〜８を囲んでいることに変りはない。また、端板（絶縁板も含む）のみならず、端板（絶縁板も含む）と集電板を合わせたものを含む「端部材」という概念を用いれば、上記で説明したいずれの場合も、端部材は間隙を有して継手５を挿通せしめる貫通孔２３（２１）を有していることになる。
（実施の形態２）
次に、図５を参照して、実施の形態２に係る燃料電池１Ａについて説明する。実施の形態２に係る燃料電池１Ａは、継手周辺を除いて実施の形態１に係る燃料電池１と同じ構成を有しているため、継手周辺以外の構成についての説明は省略する。なお、後述する実施の形態３〜５についても同様の理由から継手周辺以外の構成についての説明は省略する。図５は、実施の形態２に係る燃料電池の反応ガス供給口１７に接続する継手５周辺の拡大図であって、（ａ）は断面図であり、（ｂ）斜視図である。ここでは、反応ガス供給口１７に接続する継手５の周辺の構成を説明するが、他の継手６〜８の周辺も構成は同じである。図５は、実施の形態１の説明で参照した図４に対応する図である。
図５に示すように、実施の形態２に係る燃料電池１Ａは、実施の形態１に係る燃料電池１と構成がほぼ同じであるが、実施の形態２に係る燃料電池では端板４の端面のうち貫通孔２３の周囲部分２５が外方（継手５の先端方向）に突出している点で実施の形態１に係る燃料電池１と構成が異なる。実施の形態２に係る燃料電池１Ａの構成によれば、継手５と端板４の貫通孔２３との間で生じる実質的な閉空間をより大きくすることができる。そのため、この閉空間により継手５をその長手方向においてより広い範囲に渡って収容することになり、結露が発生しうる範囲を小さくすることができる。同様の理由から、端板４の貫通孔２３の周囲部分２５は、継手５と外部配管Ｐとの接続を妨げない程度にまで外方に突出しているのが望ましい。また、実施の形態２の場合、高さが高い継手５には有効である。
（実施の形態３）
次に、図６を参照して、実施の形態３に係る燃料電池について説明する。図６は、実施の形態２に係る燃料電池１Ｂの反応ガス供給口１７に接続する継手５周辺の拡大図であって、（ａ）は断面図であり、（ｂ）斜視図である。ここでは、反応ガス供給口１７に接続する継手５の周辺の構成を説明するが、他の継手６〜８の周辺も構成は同じである。図６に示すように、実施の形態３に係る燃料電池１Ｂは実施の形態２に係る燃料電池１Ａの構成とほぼ同じであるが、実施の形態２に係る燃料電池１Ａが閉塞部材９を備えているのに対し、実施の形態３に係る燃料電池１Ｂは閉塞部材９を備えておらず、これに代えて端板４の貫通孔２３がその周辺よりも内径が小さい小径部２６を有している点で実施の形態２に係る燃料電池１Ａと構成が異なる。換言すれば、実施の形態３に係る燃料電池１Ｂは、端板４の貫通孔２３の開口部分が半径方向内側に突出している点で実施の形態２に係る燃料電池１Ａの構成と異なる。実施の形態３に係る燃料電池１Ｂの構成によれば、小径部２６が閉塞構造としての役割を果たすことができるため、閉塞部材９が不要となる。つまり、燃料電池１Ｂの部品点数及び作業工程を減らすことができる。
（実施の形態４）
次に、図７を参照して、実施の形態４に係る燃料電池１Ｃについて説明する。図７は、実施の形態４に係る燃料電池１Ｃの反応ガス供給口１７に接続する継手５周辺の拡大図であって、（ａ）は断面図であり、（ｂ）斜視図である。ここでは、反応ガス供給口１７に接続する継手５の周辺の構成を説明するが、他の継手６〜８の周辺も構成は同じである。図７に示すように、実施の形態４に係る燃料電池１Ｃは実施の形態２に係る燃料電池１Ａの構成とほぼ同じであるが、実施の形態２に係る燃料電池１Ａが閉塞部材９を備えているのに対し、実施の形態４に係る燃料電池１Ｃは閉塞部材９を備えておらず、これに代えて継手５がその周辺よりも外径が大きい大径部２７を有している点で実施の形態２に係る燃料電池１Ａと構成が異なる。換言すれば、実施の形態４に係る燃料電池１Ｃは、継手５のうち端板４の貫通孔２３の開口部分に位置する部分が半径方向外側に突出している点で実施の形態２に係る燃料電池１Ａの構成と異なる。実施の形態４に係る燃料電池１Ｃの構成によれば、大径部２７が閉塞構造としての役割を果たすことができるため、閉塞部材９が不要となる。つまり、実施の形態３に係る燃料電池１Ｂの場合と同様、燃料電池１Ｃの部品点数及び作業工程を減らすことができる。
（実施の形態５）
次に、図８を参照して、実施の形態５に係る燃料電池１Ｄについて説明する。図８は、実施の形態５に係る燃料電池１Ｄの反応ガス供給口１７に接続する継手５周辺の拡大図であって、（ａ）は断面図であり、（ｂ）斜視図である。ここでは、反応ガス供給口１７に接続する継手５の周辺の構成を説明するが、他の継手６〜８の周辺も構成は同じである。図８に示すように、実施の形態５に係る燃料電池１Ｄは、実施の形態４に係る燃料電池１Ｃと構成がほぼ同じであるが、実施の形態４に係る燃料電池１Ｃはセルスタック接続部（基端部分）５ａが雄ねじ状になっており、この雄ねじをセルスタック２にねじ込んでいるのに対し、実施の形態５に係る燃料電池１Ｃはセルスタック接続部５ａがセルスタック２の端面に沿って広がる平板状の形状を有しており、セルスタック接続部５ａがセルスタック２と端板４との間で狭持されている点で実施の形態４に係る燃料電池１Ｃと構成が異なる。
具体的には、集電板３の貫通孔２１が継手５のセルスタック接続部５ａを収容可能な大きさに形成されており、さらに端板４の貫通孔２３の基端部に拡張部２８が形成されている。そして、継手５のセルスタック接続部５ａの集電板３の貫通孔２１から突出した部分がこの拡張部２８に収容されている。また、該セルスタック接続部５ａはその主面がこの拡張部２８の段差面を構成する端板４の壁面２９に押圧されるようにして該拡張部２８に収容されている。なお、継手５のセルスタック接続部５ａと、その表面に接触しているセルスタック２、集電板３、及び端板４との間には、図示されないシール部材が適宜配置されている。
実施の形態５に係る燃料電池１Ｄの構成によれば、継手５のセルスタック２と接触する面積が大きくなるため、セルスタック２からの熱が伝わりやすくなり、結露の発生をより効果的に抑えることができる。
なお、図８では、継手５のセルスタック接続部５ａが端板４とセルスタック２の間に直接挟まれているが、集電板３を介して挟むようにしてもよい。つまり、セルスタック接続部５ａが端板４と集電板３の間に直接挟まれるようにしても良く、集電板３とセルスタック２の間に直接挟まれるようにしてもよい。また、実施の形態１で説明した「端部材」の概念を用いれば、上記のいずれの場合であっても、セルスタック接続部５ａがセルスタック２と端部材との間で狭持されていることになる。
（実施の形態６）
次に、図９を参照して、実施の形態6に係る燃料電池１Eについて説明する。図９は、実施の形態６に係る燃料電池１Eの反応ガス供給口１７に接続する継手５周辺の拡大図であって、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は一部破断斜視図である。ここでは、反応ガス供給口１７に接続する継手５の周辺の構成を説明するが、他の継手６〜８の周辺も構成は同じである。図９に示すように、実施の形態６に係る燃料電池１Eは実施の形態５に係る燃料電池１Dの構成とほぼ同じであるが、実施の形態５に係る燃料電池１Dの大径部２７が直接端板４に接しているのに対し、実施の形態６に係る燃料電池１Eは大径部２７と端板４の間にガスシール材７１を設ける点で、実施の形態５に係る燃料電池１Dと構成が異なる。
実施の形態６に係る燃料電池１Eの構成によれば、ガスシール材７１により、間隙２４内の空気と外気とを完全に遮断することが可能となり、断熱性能をさらに向上させることができる。また、燃料電池１Eに振動が加わった場合、ガスシール材７１が緩衝材の役割を果たすため、さらに耐振動性を向上させることができる。なお、実施の形態６のガスシール材７１の材料としては、フッ素ゴムやEPDMやシリコンゴムなどのように、弾性とガスバリア性を備えた材料であれば良い。
なお、実施形態３の継手５と端板４の小径部２６との間に、ガスシール材を設けても同様の効果を奏することは言うまでも無い。
以上、本発明に係る実施の形態１〜６について図を参照して説明したが、具体的な構成はこれらの実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。例えば、以上ではセルスタック２と集電板３を狭持する締結手段としてボルト２２を用いる場合について説明したが（図１及び図３参照）、締結手段としては、図１０に示したように、厚さの薄い締結バンド３０を用いてセルスタック２を締結することもできる。締結手段として締結バンド３０を用いると、締結バンド３０が端板４の表面から大きく突出することがないので、燃料電池１Fのサイズを小さくすることができる。締結バンド３０の部材としては、樹脂（エンジニアリングプラスチック、エラストマー等）、スンレス鋼（ＳＵＳ３０４等）またはクロムモリブデン鋼等のような引張強度及び防錆性に優れた材料が用いられる。
本発明の燃料電池は、端板付近でも結露しにくい反応ガス供給経路を備えた燃料電池等として有用である。
本発明は燃料電池に関し、より詳細には、フラッティングを防止する機構を備えた燃料電池に関する。
燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する空気などの酸化剤ガスを、電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものであり、使用される燃料や構成材料によって様々な種類に分けることができる。その１つが高分子電解質膜を用いた高分子電解質形燃料電池である。図１１は、従来の高分子電解質形燃料電池５１の端部を拡大した図である。高分子電解質形燃料電池５１は、高分子電解質膜が内蔵された単電池５２を複数段積層して形成されたセルスタック５３と、このセルスタック５３の両端に配設された集電板５４と、さらに外方に配設された端板５５とを備えており、これらはボルトによって両側から締付けられることで固定されている。また、図１１に示すように、燃料電池５１の端面には、発電に必要な反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）を供給するための反応ガス供給口５６が設けられており、この反応ガス供給口５６に反応ガスを送る外部配管Ｐが接続される。
ここで、高分子電解質形燃料電池５１が有する高分子電解質膜は、イオン導伝性を保つために常に湿った状態を維持しなければならず、高分子電解質膜に接する燃料ガス及び酸化剤ガス（これらを「反応ガス」と呼ぶ）の少なくとも一方を加湿してから燃料電池５１に供給するのが一般的である。このとき反応ガスは飽和に近い状態にまで加湿されているため、経路中の配管の温度が反応ガスの温度よりも低いと配管内で結露が生じてしまい、これにより反応ガスの供給が阻害されて発電電圧が低下するフラッティングと呼ばれる性能低下現象が起こる。
外部配管Ｐには断熱材を巻くことで管内の結露を防止できるが、燃料電池５１の内部に位置する部分には断熱材を巻くことができず、使用条件により結露が生じてしまう。本来、燃料電池５１は始動時に内部（つまり、セルスタック５３）の温度を６０〜９０°Ｃまで上げるため、燃料電池５１の内部で結露が起こらないようにも考えられるが、実際は、最も外側に位置する厚みの大きい端板５５は、燃料電池内部（セルスタック５３）の温度上昇に追随できず、始動直後は温度の低い状態が続く。そのため、端板５５付近の通路内において結露が発生してしまうのである。
これに対し、端板付近での結露を防ぐために、外部配管を端板に接続するのでなく、継手を介して外部配管をセルスタックに接続する構成を備えた燃料電池が提案されている（例えば、特許文献１の図３参照）。図１２は、上記の構成を備えた燃料電池６１の端面部分を拡大した図であって、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は斜視図である。図１２に示すように、この燃料電池６１は、セルスタック６２と外部配管Ｐとを接続する継手６３を備えている。そして、集電板６４及び端板６５は、それぞれ継手６３よりも径の大きい貫通孔６６、６７を有しており、継手６３と端板６５とが接触しない構成となっている。かかる構成によれば、継手６３と端板６５との接触が無くなることから、端板６５との接触を原因とする反応ガス経路内（継手６３内）の結露の発生を防止することができる。
特開平７−２８２８３６号公報
ところが、図１２に示す燃料電池６１の継手６３は、作業効率の面から断熱材を巻くのが困難なため、端板６５との隙間に入り込む外気と広い範囲で接することになる。そのため、冬季、高地、及び高緯度帯などの寒冷地では、外気によって継手６３が冷却され、継手６３（反応ガス経路）の内部で結露が生じてしまう。
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、端板付近でも結露しにくい反応ガス供給経路を備えた燃料電池を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明にかかる燃料電池は、反応ガス流路を内部に有するとともに前記反応ガス流路に反応ガスを供給するための反応ガス供給口を一方の端面に有するセルスタックと、前記反応ガス供給口と反応ガス供給用の外部配管とをつなぐ継手と、前記セルスタックの前記一方の端面に配置されるとともに、前記継手が内壁面に接することなく挿通する貫通孔を有する板状の端部材と、前記継手と前記貫通孔の内壁面との間に形成された空間を実質的に閉塞する閉塞構造と、を備えている。
ここで端部材とは、燃料電池の端部付近に位置する部材をいい、端板（絶縁板も含む）の他、端板（絶縁板も含む）と集電板を合わせたものも含む。上記の構成によれば、継手と貫通孔の間に実質的な閉空間が形成されるため、継手から外気への熱移動を抑えることができ、継手の温度低下を防止することができる。よって、かかる構成によれば、端板付近でも結露しにくい反応ガス供給経路を備えた燃料電池を提供することができる。なお、ここでいう実質的な閉空間とは、外気との対流が防がれる程度の密閉性がある空間をいい、必ずしも完全な気密性を有する空間を意味するものではない。
また、上記燃料電池において、前記端部材の前記貫通孔の周囲部分が外方に突出するようにしてもよい。かかる構成によれば、外部配管付近まで上記の実質的な閉空間を大きく形成することができるため、継手の外気と接する部分をより小さくすることができる。
また、上記燃料電池において、前記貫通孔の内側において前記継手を取り巻くようにして環状に形成された閉塞部材を備え、該閉塞部材が前記閉塞構造を構成するようにしてもよい。
また、上記燃料電池において、前記貫通孔はその周辺に比べ内径が小さい小径部を有し、該小径部が前記閉塞構造を構成するようにしてもよい。かかる構成によれば、部品点数を減らすことができる。
また、上記燃料電池において、前記継手はその周辺に比べ外径が大きい大径部を有し、該大径部が前記閉塞構造を構成するようにしてもよい。かかる構成の場合も、部品点数を減らすことができる。
また、上記燃料電池において、前記継手の基端部分は平板状の形状を有しており、該基端部分は前記セルスタックと前記端部材とで狭持されるようにしてもよい。かかる構成によれば、継手にセルスタックからの熱が伝わりやすくなるため、継手の温度上昇を助け、又は温度低下を抑えることができる。
また、上記燃料電池において、前記実質的に閉塞される空間の外方側において、前記端部材と前記継手との間にガスシール部材を設ける構成としてもよい。かかる構成にすることで、閉塞部内外のガスの移動がさらに抑制されるため、断熱性能が向上する。また、ガスシール部材が緩衝材の効果をもたらすため、耐振動性も向上する。
本発明によれば、端板付近でも結露しにくい反応ガス供給経路を備えた燃料電池を提供することができる。
実施の形態１に係る燃料電池の概略図である。 実施の形態１に係る単電池の分解斜視図である。 実施の形態１に係る燃料電池の分解斜視図である。 実施の形態１に係る継手周辺の拡大図である。 実施の形態２に係る継手周辺の拡大図である。 実施の形態３に係る継手周辺の拡大図である。 実施の形態４に係る継手周辺の拡大図である。 実施の形態５に係る継手周辺の拡大図である。 実施の形態６に係る継手周辺の拡大図である。 他の実施形態に係る燃料電池の概略図である。 従来の燃料電池を示した図である。 従来の燃料電池を示した図である。
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１を、図１〜４を参照しつつ以下に説明する。
まず、図１〜３を参照し、実施の形態１に係る燃料電池１の概要を説明する。図１は、実施の形態１に係る燃料電池１の斜視図である。図１に示すように、実施の形態１に係る燃料電池１は、セルスタック２と、集電板３と、端板４と、継手５〜８と、閉塞部材９とを備えている。
セルスタック２は単電池１０が複数段積層されて形成されたものである。通常は、要求される出力に応じて２〜２００段程度単電池１０を積層してセルスタック２を形成する。図２は、実施の形態１に係る単電池１０の分解斜視図である。各単電池は、ＭＥＡ（電極電解質膜接合体）１１と、ガスシール１２と、セパレータ１３より構成されている。
ＭＥＡ１１は、高分子電解質膜１４の両側に触媒層１５を設け、その外側にガス拡散層１６を重ねたものである。高分子電解質膜１４は水素イオンを選択的に輸送する陽イオン交換樹脂からなるものである。また、触媒層１５は白金などの触媒機能を有する金属を担持させたカーボン粉末を主成分とするものである。また、ガス拡散層１６は反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）の通気性と電子の伝導性を併せ持つものである。なお、以下では触媒層１５及びガス拡散層１６を電極と総称する。
ガスシール１２は、環状の形状を有しており、ＭＥＡ１１の両外面に電極（１５、１６）を囲むよう配設されている。このガスシール１２は、燃料ガスや酸化剤ガスが外にリークしたり、異なるガス同士が混合したりするのを防止する役割を果たしている。
セパレータ１３は、ガスシール１２及び電極（１５、１６）の外側に配置されており、その両面には流路が形成されている。これらの流路のうち、内面に形成された流路１３ａは反応ガス（燃料ガス又は酸化剤ガス）を触媒層１５に供給する反応ガス流路１３ａである。外面に形成された流路は冷却水を単電池１０の間に流すためのものである。また、セパレータ１３は、導電性を有しており、隣接するＭＥＡ１１を互いに電気的に直列に接続することができる。なお、実施の形態１では、冷却水を用いてＭＥＡ１１が発生する熱を除去する構成を有しているが、冷却フィンや熱伝導管を用いてＭＥＡ１１を冷却するようにしてもよい。
セパレータ１３に形成された各流路は、上流端が供給マニホールド孔に接続され、下流端が排出マニホールド孔に接続されている。そして、ＭＥＡ１１の周縁部にマニホールド孔が設けられており、このマニホールド孔はセパレータ１３の各マニホールド孔に対応している。そのため、各セパレータ１３及び各ＭＥＡ１１がセルスタック２に組み立てられると、各セパレータ１３及び各ＭＥＡ１１のマニホールド孔は互いに繋がって、各流体のマニホールド（流路）が形成される。実施の形態１に係るセルスタック２には、このようにして形成された２つの反応ガス供給マニホールド、２つの反応ガス排出マニホールド、１つの冷却水供給マニホールド、及び１つの冷却水排出マニホールドが、その積層方向に伸延するように形成されている。そして、２つの反応ガス供給マニホールドの一端が２つの反応ガス供給口を構成し、２つの反応ガス排出マニホールドが２つの反応ガス排出口を構成し、冷却水供給マニホールドの一端が冷却水供給口を構成し、冷却水排出マニホールドの一端が冷却水排出口を構成している。
図３は、実施の形態１に係る燃料電池１の分解斜視図である。上述したように、各単電池１０の内部（セパレータ１３）には複数の流路が形成されているため、各流路には反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）や冷却水を供給する供給口や排出する排出口が必要である。そこで、図３に示すように、セルスタック２の端面（最も外側に位置する単電池におけるセパレータ１３の外面）のうち一方の端面には、上述したように反応ガスが供給される反応ガス供給口１７が２つ、反応ガスが排出される反応ガス排出口１８が２つ、冷却水が供給される冷却水供給口１９が１つ、及び冷却水が排出される冷却水排出口２０が１つ形成されている。各供給口１７、１９から入った反応ガスや冷却水は、各単電池１０の内部又は境界を通過して、各排出口１８、２０から排出される。
集電板３は、セルスタック２の両外側に配設されており、単電極と外部回路の電気的接触をよくするためのつなぎの役割を果たす。図３に示すように、２つの集電板３のうち一方の集電板３にはセルスタック２に設けられた各供給口１７、１９及び各排出口１８、２０に対応する位置に矩形状の貫通孔２１が形成されており、継手５〜８がこの貫通孔２１を挿通するようになっている。
端板４は、集電板３のさらに外方に配設されており、セルスタック２と集電板３を両側から狭持し固定する役割を有する。セルスタック２と集電板３を狭持する締結手段としてボルト２２（図１及び図３ではねじ部分を省略している。）を用いる。ここで使用するボルト２２の長さは、およそ燃料電池１の単電池積層方向の長さに等しい。このボルト２２を一方の端板４のボルト用貫通孔に挿入し、集電板３及びセルスタック２の内部を通して、他方の端板４のボルト用貫通孔を通し、さらにその外側に位置するナット（図示せず）と締結して、燃料電池１の全体を固定する。このように、両側から燃料電池１の全体をしっかりと押さえつけなければならない端板４は、高い剛性が求められており、ある程度の厚みが必要となる。なお、集電板３の場合と同様、２つの端板４のうち一方の端板４にはセルスタック２に設けられた各供給口１７、１９及び各排出口１８、２０に対応する位置に円状の貫通孔２３が形成されており、継手５〜８がこの貫通孔２３を挿通するようになっている。端板４は、ここでは例えば樹脂で構成されていて絶縁性を有する。また、端板４は、ここでは単一の部材で構成されているが、内側に配置された絶縁性の板（絶縁板）と外側に配置された強度保持用の板（いわゆる端板）とで構成されていてもよく、また、これらが一体化されてなる２層構造を有していてもよい。
継手５〜８は、セルスタック２に設けられた各供給口１７、１９及び各排出口１８、２０と、外部配管Ｐ（図４参照）とをつなぐ役割を有している。図３に示すように、各継手５〜８は各供給口１７、１９及び各排出口１８、２０に取り付けられる。このうち結露が問題となるのは、反応ガス供給口１７に取り付けられる継手５である。また、図３に示すように、継手５は、セルスタック接続部５ａ、外部配管接続部５ｂ、及び筒状部５ｃから主に構成されている。セルスタック接続部５ａは、継手５の基端部分に形成されており、セルスタック２に形成された反応ガス供給口１７と接続している。外部配管接続部５ｂは、継手５の先端部分に形成され、外部配管Ｐ（図４参照）と接続することができる。筒状部５ｃは、セルスタック接続部５ａと外部配管接続部５ｂとの間である中央部分に形成され、反応ガスの流路となる。ここでは、継手５について説明したが、継手６〜８の構成も継手５の構成と同じである。また、継手５〜８の材料は樹脂等の熱伝導率の低いものとするのが望ましい。熱伝導率の低い材料を使用することにより、外部からの熱的な影響によって生じる結露を抑えることができる。なお、実施の形態１では、６つの継手５〜８はいずれも同じ構成であるが、継手５〜８を通過する流体の性質や流量に対応して、内径を大きくする等の変形をそれぞれに施しても良い。
閉塞部材９は、図３に示すように、平板状でかつ環状の形状を有している。また、図１に示すように、閉塞部材９は端板４の貫通孔２３内に位置するとともに、各継手５〜８を取り巻くように取り付けられている（各継手５〜８をその内孔に挿通せしめるように該各継手５〜８に嵌められている）。また、閉塞部材９は、樹脂や木材等の熱伝導性が低い材料で作られていることが望ましい。なお、実施の形態１では、すべての継手５〜８に閉塞部材９が取り付けられているが、反応ガス供給口１７と接続する継手５にのみ閉塞部材９を取り付けるようにしてもよい。以上が実施の形態１に係る燃料電池１の概要である。
次に、図４を参照して実施の形態１に係る継手５〜８周辺の構成について詳細に説明する。図４は、実施の形態１に係る継手５〜８のうち、反応ガス供給口１７に接続する継手５の周辺を拡大した図であって、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は斜視図である。ここでは、反応ガス供給口１７に接続する継手５の周辺の構成を説明するが、他の継手６〜８の周辺も構成は同じである。図４（ａ）に示すように、継手５の基端部分に位置するセルスタック接続部５ａには、雄ねじが形成されており、また、セルスタック２の端面（最端に位置する単電池１０におけるセパレータの外面）には雌ねじが形成されている。そして、セルスタック接続部５ａの雄ねじがセルスタック２の雌ねじにねじ込まれることにより、セルスタック２の端面に継手５が外方に突出するように固定されている。
継手５の先端部分に位置する外部配管接続部５ｂは、端板４の端面よりもさらに外方に位置しており、外部配管Ｐと接続できるようになっている。なお、実施の形態１では、外部配管接続部５ｂは、外部配管Ｐとワンタッチで接続できるような構成を有している。ただし、他の接続機構を採用しても良い。例えば、外部配管接続部５ｂを外部配管Ｐとねじによって接続できるような構成としても良い。
継手５の中央部分に位置する筒状部５ｃは、長手方向における過半部が貫通孔２３の内部に位置している。また、筒状部５ｃの外径は集電板３の貫通孔２１の一辺や端板４の貫通孔２３の内径に比べ小さくなっている。換言すると、貫通孔２１、２３の内壁面は間隙を有して継手５を囲んでいる。そのため、図４（ａ）に示すように、継手５と貫通孔２１、２３の内壁面との間に間隙２４が形成されている。
閉塞部材９は、その上面と端板４の外面とが略同一面になるように配設されている。これにより、閉塞部材９は、継手５と貫通孔２１、２３との間に生じた間隙２４の開口部を閉塞することになり、閉塞構造を構成することになる。この閉塞構造により、継手５と貫通孔２１、２３の間に実質的な閉空間が生じることになる。なお、図４では閉塞部材９と端板４との間には隙間がほとんど生じていないが、上記の閉空間内の空気と外気との対流を防ぐことができるのであれば、ある程度の隙間は許容される。
以上が、実施の形態１に係る燃料電池の構成である。実施の形態１では、継手５と端板４の貫通孔２３の間に実質的な閉空間が生じることになるため、セルスタック２から伝わる熱によって上記閉空間内の空気を温めつつ、外部からの空気を遮断することができる。そのため、寒冷地における使用であっても、外気による継手５の温度低下を防ぎ、継手５の内部で発生する結露を抑えることができる。また、閉塞部材９が継手５と端板４の間に隙間無く配設されると、閉塞部材９により継手５が支持されるため、継手５周辺全体の剛性が向上する。
なお、実施の形態１では、継手５〜８をセルスタック２に直接接続する構成について説明したが、継手５〜８を集電板３に接続するようにしてもよい。このとき、集電板３は上記の貫通孔２１を有さず、継手５〜８と接触することになる。ただし、この場合であっても端板４の貫通孔２３の壁面は間隙を有して継手５〜８を囲んでいることに変りはない。また、端板（絶縁板も含む）のみならず、端板（絶縁板も含む）と集電板を合わせたものを含む「端部材」という概念を用いれば、上記で説明したいずれの場合も、端部材は間隙を有して継手５を挿通せしめる貫通孔２３（２１）を有していることになる。
（実施の形態２）
次に、図５を参照して、実施の形態２に係る燃料電池１Ａについて説明する。実施の形態２に係る燃料電池１Ａは、継手周辺を除いて実施の形態１に係る燃料電池１と同じ構成を有しているため、継手周辺以外の構成についての説明は省略する。なお、後述する実施の形態３〜５についても同様の理由から継手周辺以外の構成についての説明は省略する。図５は、実施の形態２に係る燃料電池の反応ガス供給口１７に接続する継手５周辺の拡大図であって、（ａ）は断面図であり、（ｂ）斜視図である。ここでは、反応ガス供給口１７に接続する継手５の周辺の構成を説明するが、他の継手６〜８の周辺も構成は同じである。図５は、実施の形態１の説明で参照した図４に対応する図である。
図５に示すように、実施の形態２に係る燃料電池１Ａは、実施の形態１に係る燃料電池１と構成がほぼ同じであるが、実施の形態２に係る燃料電池では端板４の端面のうち貫通孔２３の周囲部分２５が外方（継手５の先端方向）に突出している点で実施の形態１に係る燃料電池１と構成が異なる。実施の形態２に係る燃料電池１Ａの構成によれば、継手５と端板４の貫通孔２３との間で生じる実質的な閉空間をより大きくすることができる。そのため、この閉空間により継手５をその長手方向においてより広い範囲に渡って収容することになり、結露が発生しうる範囲を小さくすることができる。同様の理由から、端板４の貫通孔２３の周囲部分２５は、継手５と外部配管Ｐとの接続を妨げない程度にまで外方に突出しているのが望ましい。また、実施の形態２の場合、高さが高い継手５には有効である。
（実施の形態３）
次に、図６を参照して、実施の形態３に係る燃料電池について説明する。図６は、実施の形態２に係る燃料電池１Ｂの反応ガス供給口１７に接続する継手５周辺の拡大図であって、（ａ）は断面図であり、（ｂ）斜視図である。ここでは、反応ガス供給口１７に接続する継手５の周辺の構成を説明するが、他の継手６〜８の周辺も構成は同じである。図６に示すように、実施の形態３に係る燃料電池１Ｂは実施の形態２に係る燃料電池１Ａの構成とほぼ同じであるが、実施の形態２に係る燃料電池１Ａが閉塞部材９を備えているのに対し、実施の形態３に係る燃料電池１Ｂは閉塞部材９を備えておらず、これに代えて端板４の貫通孔２３がその周辺よりも内径が小さい小径部２６を有している点で実施の形態２に係る燃料電池１Ａと構成が異なる。換言すれば、実施の形態３に係る燃料電池１Ｂは、端板４の貫通孔２３の開口部分が半径方向内側に突出している点で実施の形態２に係る燃料電池１Ａの構成と異なる。実施の形態３に係る燃料電池１Ｂの構成によれば、小径部２６が閉塞構造としての役割を果たすことができるため、閉塞部材９が不要となる。つまり、燃料電池１Ｂの部品点数及び作業工程を減らすことができる。
（実施の形態４）
次に、図７を参照して、実施の形態４に係る燃料電池１Ｃについて説明する。図７は、実施の形態４に係る燃料電池１Ｃの反応ガス供給口１７に接続する継手５周辺の拡大図であって、（ａ）は断面図であり、（ｂ）斜視図である。ここでは、反応ガス供給口１７に接続する継手５の周辺の構成を説明するが、他の継手６〜８の周辺も構成は同じである。図７に示すように、実施の形態４に係る燃料電池１Ｃは実施の形態２に係る燃料電池１Ａの構成とほぼ同じであるが、実施の形態２に係る燃料電池１Ａが閉塞部材９を備えているのに対し、実施の形態４に係る燃料電池１Ｃは閉塞部材９を備えておらず、これに代えて継手５がその周辺よりも外径が大きい大径部２７を有している点で実施の形態２に係る燃料電池１Ａと構成が異なる。換言すれば、実施の形態４に係る燃料電池１Ｃは、継手５のうち端板４の貫通孔２３の開口部分に位置する部分が半径方向外側に突出している点で実施の形態２に係る燃料電池１Ａの構成と異なる。実施の形態４に係る燃料電池１Ｃの構成によれば、大径部２７が閉塞構造としての役割を果たすことができるため、閉塞部材９が不要となる。つまり、実施の形態３に係る燃料電池１Ｂの場合と同様、燃料電池１Ｃの部品点数及び作業工程を減らすことができる。
（実施の形態５）
次に、図８を参照して、実施の形態５に係る燃料電池１Ｄについて説明する。図８は、実施の形態５に係る燃料電池１Ｄの反応ガス供給口１７に接続する継手５周辺の拡大図であって、（ａ）は断面図であり、（ｂ）斜視図である。ここでは、反応ガス供給口１７に接続する継手５の周辺の構成を説明するが、他の継手６〜８の周辺も構成は同じである。図８に示すように、実施の形態５に係る燃料電池１Ｄは、実施の形態４に係る燃料電池１Ｃと構成がほぼ同じであるが、実施の形態４に係る燃料電池１Ｃはセルスタック接続部（基端部分）５ａが雄ねじ状になっており、この雄ねじをセルスタック２にねじ込んでいるのに対し、実施の形態５に係る燃料電池１Ｃはセルスタック接続部５ａがセルスタック２の端面に沿って広がる平板状の形状を有しており、セルスタック接続部５ａがセルスタック２と端板４との間で狭持されている点で実施の形態４に係る燃料電池１Ｃと構成が異なる。
具体的には、集電板３の貫通孔２１が継手５のセルスタック接続部５ａを収容可能な大きさに形成されており、さらに端板４の貫通孔２３の基端部に拡張部２８が形成されている。そして、継手５のセルスタック接続部５ａの集電板３の貫通孔２１から突出した部分がこの拡張部２８に収容されている。また、該セルスタック接続部５ａはその主面がこの拡張部２８の段差面を構成する端板４の壁面２９に押圧されるようにして該拡張部２８に収容されている。なお、継手５のセルスタック接続部５ａと、その表面に接触しているセルスタック２、集電板３、及び端板４との間には、図示されないシール部材が適宜配置されている。
実施の形態５に係る燃料電池１Ｄの構成によれば、継手５のセルスタック２と接触する面積が大きくなるため、セルスタック２からの熱が伝わりやすくなり、結露の発生をより効果的に抑えることができる。
なお、図８では、継手５のセルスタック接続部５ａが端板４とセルスタック２の間に直接挟まれているが、集電板３を介して挟むようにしてもよい。つまり、セルスタック接続部５ａが端板４と集電板３の間に直接挟まれるようにしても良く、集電板３とセルスタック２の間に直接挟まれるようにしてもよい。また、実施の形態１で説明した「端部材」の概念を用いれば、上記のいずれの場合であっても、セルスタック接続部５ａがセルスタック２と端部材との間で狭持されていることになる。
（実施の形態６）
次に、図９を参照して、実施の形態6に係る燃料電池１Eについて説明する。図９は、実施の形態６に係る燃料電池１Eの反応ガス供給口１７に接続する継手５周辺の拡大図であって、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は一部破断斜視図である。ここでは、反応ガス供給口１７に接続する継手５の周辺の構成を説明するが、他の継手６〜８の周辺も構成は同じである。図９に示すように、実施の形態６に係る燃料電池１Eは実施の形態５に係る燃料電池１Dの構成とほぼ同じであるが、実施の形態５に係る燃料電池１Dの大径部２７が直接端板４に接しているのに対し、実施の形態６に係る燃料電池１Eは大径部２７と端板４の間にガスシール材７１を設ける点で、実施の形態５に係る燃料電池１Dと構成が異なる。
実施の形態６に係る燃料電池１Eの構成によれば、ガスシール材７１により、間隙２４内の空気と外気とを完全に遮断することが可能となり、断熱性能をさらに向上させることができる。また、燃料電池１Eに振動が加わった場合、ガスシール材７１が緩衝材の役割を果たすため、さらに耐振動性を向上させることができる。なお、実施の形態６のガスシール材７１の材料としては、フッ素ゴムやEPDMやシリコンゴムなどのように、弾性とガスバリア性を備えた材料であれば良い。
なお、実施形態３の継手５と端板４の小径部２６との間に、ガスシール材を設けても同様の効果を奏することは言うまでも無い。
以上、本発明に係る実施の形態１〜６について図を参照して説明したが、具体的な構成はこれらの実施例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。例えば、以上ではセルスタック２と集電板３を狭持する締結手段としてボルト２２を用いる場合について説明したが（図１及び図３参照）、締結手段としては、図１０に示したように、厚さの薄い締結バンド３０を用いてセルスタック２を締結することもできる。締結手段として締結バンド３０を用いると、締結バンド３０が端板４の表面から大きく突出することがないので、燃料電池１Fのサイズを小さくすることができる。締結バンド３０の部材としては、樹脂（エンジニアリングプラスチック、エラストマー等）、スンレス鋼（ＳＵＳ３０４等）またはクロムモリブデン鋼等のような引張強度及び防錆性に優れた材料が用いられる。
本発明の燃料電池は、端板付近でも結露しにくい反応ガス供給経路を備えた燃料電池等として有用である。
１、１Ａ〜１F 燃料電池
２ セルスタック
３ 集電板
４ 端板
５〜８ 継手
５ａ セルスタック接続部
５ｂ 外部配管接続部
９ 閉塞部材
１３ａ 反応ガス流路
１７ 反応ガス供給口
２３ 貫通孔
２４ 間隙（空間）
２５ 外環部分
２６ 小径部
２７ 大径部
Ｐ 外部配管
また、上記燃料電池において、前記セルスタックと接触する前記継手の基端部分は平板状の形状を有しており、該基端部分は前記セルスタックと前記端部材とで狭持されるようにしてもよい。かかる構成によれば、継手にセルスタックからの熱が伝わりやすくなるため、継手の温度上昇を助け、又は温度低下を抑えることができる。
また、上記燃料電池において、前記実質的に閉塞される空間の外方側において、前記小径部と前記継手との間にガスシール部材を設ける構成としてもよく、前記実質的に閉塞される空間の外方側において、前記端部材と前記大径部との間にガスシール部材を設ける構成としてもよい。かかる構成にすることで、閉塞部内外のガスの移動がさらに抑制されるため、断熱性能が向上する。また、ガスシール部材が緩衝材の効果をもたらすため、耐振動性も向上する。
なお、図８では、継手５のセルスタック接続部５ａが端板４とセルスタック２の間に直接挟まれているが、集電板３を介して挟むようにしてもよい。つまり、セルスタック接続部５ａが端板４と集電板３の間に直接挟まれるようにしても良く、集電板３とセルスタック２の間に直接挟まれるようにしてもよい。


Claims (7)

  1. 反応ガス流路を内部に有するとともに前記反応ガス流路に反応ガスを供給するための反応ガス供給口を一方の端面に有するセルスタックと、前記反応ガス供給口と反応ガス供給用の外部配管とをつなぐ継手と、前記セルスタックの前記一方の端面に配置されるとともに、前記継手が内壁面に接することなく挿通する貫通孔を有する板状の端部材と、前記継手と前記貫通孔の内壁面との間に形成された空間を実質的に閉塞する閉塞構造と、を備えた燃料電池。
  2. 前記端部材の前記貫通孔の周囲部分が外方に突出している、請求項１に記載の燃料電池。
  3. 前記貫通孔の内側において前記継手を取り巻くようにして環状に形成された閉塞部材を備え、該閉塞部材が前記閉塞構造を構成している請求項１又は２に記載の燃料電池。
  4. 前記貫通孔はその周辺に比べ内径が小さい小径部を有し、該小径部が前記閉塞構造を構成している請求項１又は２に記載の燃料電池。
  5. 前記継手はその周辺に比べ外径が大きい大径部を有し、該大径部が前記閉塞構造を構成している請求項１又は２に記載の燃料電池。
  6. 前記継手の基端部分は平板状の形状を有しており、該基端部分は前記セルスタックと前記端部材とで狭持されている請求項1乃至５のうちいずれか一の項に記載の燃料電池。
  7. 前記実質的に閉塞される空間の外方側において、前記端部材と前記継手との間にガスシール部材が設けられている請求項１乃至６のうちいずれか一の項に記載の燃料電池。
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