(57)【要約】【目的】  燃料電池スタックと電動機を備えてなる電気装置の小型化を図る。【構成】  燃料電池の単位セルとセパレータとを交互に配置してなる燃料電池スタックと、該燃料電池スタックへ回転自在に挿着されるロータと、を備え、燃料電池スタック側をステータとしてロータが回転する電気装置。【選択図】      図１
2006204014.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の単位セルとセパレータとを交互に配置してなる燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックへ回転自在に挿着されるロータと、を備え、
前記燃料電池スタック側をステータとして前記ロータが回転する、
ことを特徴とする、電気装置。
【請求項２】
前記燃料電池スタックのセパレータがステータを構成する、ことを特徴とする請求項１に記載の電気装置。
【請求項３】
前記セパレータは磁性材料からなりこれに巻線が取り付けられ、回転電機子形の電動機のステータを構成する、ことを特徴とする請求項２に記載の電気装置。
【請求項４】
前記ロータ側に巻線が取り付けられ、前記セパレータは回転界磁形の電動機のステータを構成する、ことを特徴とする請求項２に記載の電気装置。
【請求項５】
前記燃料電池スタックで発電された電力により、前記ロータが回転される、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電気装置。
【請求項６】
燃料電池の単位セルとセパレータとを交互に配置してなる燃料電池スタックであって、
前記単位セル及びセパレータの並び方向にロータを受け入れるための貫通孔が形成されている、ことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項７】
前記セパレータは磁性体材料からなり、該セパレータには巻線受部が形成されている、ことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
燃料電池スタック内に電動機のロータが存在する、ことを特徴とする電気装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は電気装置に関する。この電気装置は燃料電池スタックと電動機との融合体である。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料極（水素を燃料極とする場合は水素極ともいう）と空気極（酸素が反応ガスであるので酸素極ともいう。また酸化極ともいう。）との間に固体高分子電解質膜等の固体電解質が狭持された構成とされている。
このような構成の燃料電池では、燃料極側（アノード）に燃料ガスが供給され、空気極側に酸化ガスが供給された結果、電気化学反応の進行に伴い、燃料極側から外部負荷回路を経由して空気極側に電子を流すことができる。即ち、燃料極（アノード）にて得られる水素イオンはオキソニウムイオン（Ｈ３０＋）の形態で水を引き連れて電解質膜中を空気極（カソード）側に移動する。また燃料極（アノード）にて水素イオンの発生に伴って得られた電子は、外部負荷回路を通って空気極（カソード）側に流れ、酸化ガス（空気を含む）中の酸素を還元して水を生成する。燃料電池はこれらの一連の電気化学反応によって電気エネルギーを取り出すことができる。
【０００３】
このような燃料電池の単位セル単独では充分なパワーが得られないので、多数の単位セルを直列に重ね合わせたいわゆるスタックが用いられる。かかるスタックにおいて酸化ガスや燃料ガスの流路を確保するため、また、冷却をするため当該単位セル間にセパレータが介在される。
【０００４】
他方、燃料電池スタックで発電された電力はモータを駆動するために使用されることがある。換言すれば、燃料電池スタックとモータとは別箇の電気機器として提供されており、燃料電池スタックの電力は電気配線を通じて、途中にコントローラを介在させ、モータに供給される（特許文献１等参照）。
【特許文献１】２００４−１９２９９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者は、燃料電池が将来の電源手段として広く採用されるであろうことに着目し、これでモータを駆動させる電気装置につき検討を重ねてきた。
かかる電機装置において解決されるべき課題として、装置の小型化、軽量化がある。
現在の燃料電池の単位セルの発電能力のみでモータを充分な出力で回転させるためことは困難である。そこで、当該単位セルを直列に連結してモータへ充分なパワーを印加する必要がある。そのため、実用的な燃料電池は複数の単位セルを並べたいわゆるスタック構造となる。従って、燃料電池装置は大型化してしまう。一方、モータはステータとロータとを基本要素とするので、リニアモータなどの特殊なモータを除き、装置としての小型化には限界がある。
よって、この発明は、燃料電池の出力でモータを駆動する電気装置を小型化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため第1の局面の発明は次の構成を採用する。即ち、
燃料電池の単位セルとセパレータとを交互に配置してなる燃料電池スタックと、
該燃料電池スタックへ回転自在に挿着されるロータと、を備え、
前記燃料電池スタック側をステータとして前記ロータが回転する、
ことを特徴とする、電気装置。
このように構成された電気装置によれば、燃料電池スタックとモータのステータとが供用されるので、電気装置全体として小型化及び軽量化を達成することができる。
【０００７】
第２の局面の発明によれば、燃料電池スタックのセパレータがステータを構成する。
これにより、部品点数を減少することができ、安価な電気装置の提供が可能となる。
【０００８】
第３の局面の発明によれば、前記セパレータは鉄等の磁性材料からなりこれに巻線が取り付けられ、回転電機子形の電動機のステータを構成する。
セパレータ同士は一般的に固体電解質膜で絶縁されている。従って、燃料電池スタックにおけるセパレータは、一般的な電動機における絶縁積層鉄板と同一構造となる。従って、渦電流損失が低減されて電気装置をモータと見た場合に高い性能を確保できる。
【０００９】
第４の局面の発明によれば、前記ロータ側に巻線が取り付けられ、前記セパレータは回転界磁形の電動機のステータを構成する。
かかる構成の電気装置は、これに直流モータ等の回転界磁形電動機としての特性が要求される場合に好適である。
【００１０】
第５の局面の発明によれば、前記燃料電池スタックで発電された電力により、前記ロータが回転される。
燃料電池スタックで発生した電力によりロータを回転することにより、電気装置の構成を出来る限り簡素化することができる。
【００１１】
第６の局面の発明は次のように規定される。即ち、
燃料電池の単位セルとセパレータとを交互に配置してなる燃料電池スタックであって、
前記単位セル及びセパレータの並び方向にロータを受け入れるための貫通孔が形成されている、ことを特徴とする燃料電池スタック。
この第６の局面の発明は、第１の局面の発明を構成する燃料電池スタックを特定するものである。かかる構成の燃料電池スタックを採用することにより、電気装置の小型軽量化が可能となる。
【００１２】
第７の局面の発明は、上記第６の局面の発明において、前記セパレータを磁性体材料製としてかつこれに巻線受部を形成する。
これにより、セパレータが誘導電動機のステータとして機能する。
【００１３】
第８の局面の発明は次のように規定される。即ち、
燃料電池スタック内に電動機のロータが存在する、ことを特徴とする電気装置。
このように構成された電気装置によれば、電気装置全体として小型化及び軽量化を達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
燃料電池の単位セルには空気極と燃料極とで電解質膜を挟持してなる一般的な構成のものを採用することができる。空気極及び燃料極はそれぞれ電解質膜に接する触媒層と拡散層とから構成される。
セパレータは単位セルと単位セルの間に介在され、空気極へ空気を供給するための空気流路及び燃料極へ燃料ガス（水素ガス）を供給するための燃料ガス流路を備えている。またセパレータには燃料電池スタックを冷却するための冷却媒体（水等）を流通させる流路を形成することもできる。
セパレータの材質は特に限定されるものではないが、セパレータ自体をステータとして利用するときには、これをけい素鋼等の磁性材料で形成することが好ましい。セパレータに直接巻線を巻回することにより、これを鉄心として利用できるからである。セパレータに巻線を取り付けることにより、誘導電動機のような回転電機子形の電動機を構成することができる。
セパレータに巻線を直接巻回する場合、セパレータのロータ対向面に巻線受け部を設けることが好ましい。即ち、空気流路や燃料ガス流路を備えるセパレータ本体のロータ対向面は閉塞されている。従って、巻線受け部は当該ロータ対向面から突設されることとなる。巻線受け部はセパレータ本体と一体であっても別体であってもよい。
【００１５】
セパレータとステータとを別体とすることもできる。この場合、燃料電池スタックに孔を設け、この孔へステータを挿着する。この場合のステータは汎用的な電動機のものを採用することができ、燃料電池スタックが筐体となる。
【００１６】
ロータは電動機の種類に応じて任意に選択される。直流電動機のような回転界磁形の電動機ではロータに巻線が施されることとなる。
重量バランスの見地から燃料電池スタックの中心部分にロータを取り付けることが好ましい。燃料電池スタックへ２つ以上のロータを取り付けることも可能である。
【実施例】
【００１７】
以下、この発明の実施例について説明する。
実施例の電気装置１は、図１に示すとおり、燃料電池スタック１０と電動機部２０とから構成される。図２は電気装置１の構成を模式的に示す断面図である。
燃料電池スタック１０は汎用的な燃料電池単位セル１１とセパレータ１６とを交互に積層した構成である。符号１７及び１８は燃料電池スタックの両端カバーである。単位セル１１は固体電解質膜１２を燃料極１３と空気極１４で挟持した構成であり、セパレータ１６には燃料極１３へ燃料ガスを供給するための燃料ガス通路と空気極１４へ空気を供給するための空気流路とが形成されている。
【００１８】
かかる燃料電池スタック１０には、単位セル１１及びセパレータ１６の並び方向に貫通孔が形成され、該貫通孔に筒状のステータ２１が嵌挿されている。なお、スタック１０における貫通孔の周壁は単位セル１１及びセパレータ１６の機能部分を閉塞し、燃料ガス等が電動機部２０側へ漏洩しないようにしている。
【００１９】
ステータ２１の詳細な構成を図３に示す。ステータ２１は燃料電池スタック１０へ嵌挿される鉄心部２５及び巻線部２９を備えてなる。鉄心部２５は円筒形の継鉄２６、当該継鉄２６から突出した巻線受部２７を有し、当該巻線受部２７が磁極となる。鉄心部２５はけい素鋼鉄などの鉄心として汎用的な磁性体材料で形成することができる。
巻線受部２７へ銅線を重ね巻きして巻線部２９が形成される。銅線の巻回方式は、電動機部２０に要求される特性に応じて、短節巻や全節巻、分布巻や集中巻などから任意の方式が選択される。
【００２０】
ロータ２３も電動機部２０に要求される特性に応じてかご形、巻線形など汎用的な構成が任意に選択される。直流電動機などにおいてはロータにも巻線が施される。
ロータ２３にはシャフト２４が嵌挿されている。ロータ２３とシャフト２４とは汎用的な方式で結合される。
【００２１】
このように構成された電気装置１によれば、燃料電池スタック１０内に電動機の部品が含まれる構造となる。これにより、装置全体として小型化及び軽量化が達成される。
燃料電池スタック１０で発電された電力を電動機部２０へ供給することにより、装置構成が簡素化され、安価な電気装置となる。勿論、電動機部２０へ供給される電力を燃料電池スタック１０以外からまかなうこともできる。
【００２２】
図４に他の実施例の電気装置を示す。図２と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
この実施例では燃料電池スタック１０のセパレータ１６から巻線受部３７を突出させ、セパレータ１６自体を電動機のステータとする。この場合、セパレータ１６はけい素鋼等の磁性体材料で形成されることとなる。セパレータ１６は絶縁性の固体電解質膜１２で電気的に絶縁されているので、汎用的な電動機の絶縁積層板と同種の構成となる。よって、渦電流損を低減することができ、電動機として高い効率を得られる。
なお、図中の符号１６１は燃料通路であり、符号１６２は空気流路である。図４に示すとおり、セパレータ１６において電動機部対向面は閉じられており、燃料ガス及び空気の漏洩が防止される。単位セル１１においても、電動機部対向面はシールされることが好ましい。
【００２３】
この発明は、上記発明の実施の形態及び実施例の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１はこの発明の実施例の電気装置の斜視図である。
【図２】同じく電気装置の構成を模式的に示す断面図である。
【図３】同じく燃料電池スタック及びステータの構成を示す斜視図である。
【図４】他の実施例のステータ構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  電気装置
１０  燃料電池スタック
１１  単位セル
２０  電動機部
２１  ステータ
２２  ロータ
２７  巻線受部
【図１】
2006204014.tif 000003
【図２】
2006204014.tif 000004
【図３】
2006204014.tif 000005
【図４】
2006204014.tif 000006