(57)【要約】【課題】反応ガス濃度の不均一やフラッディングを抑える。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。【解決手段】傾斜しながら曲がる螺旋状のセル２を複数積層して螺旋構造のセル積層体を形成する。セル２は、電解質４と、該電解質４を支持するベースフレーム５，６と、電解質４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ている。セル２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る。これにより、酸化ガス流路および燃料ガス流路が一本の螺旋状流路となっていることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記セルは、電解質と、該電解質を支持するベースフレームと、前記電解質と前記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である請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記セルは螺旋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前記セル積層体が構成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記酸化ガス流路および前記燃料ガス流路が一本の螺旋状流路となっていることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記セルには、隣接するセルと接続されるための接続部が形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記螺旋構造のセル積層体を構成している前記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を特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記セル積層体が中空状であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記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を特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【特許文献１】特開２００６−１４７５３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【発明の効果】
【００１３】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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）。
【００２２】
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）。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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）。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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）。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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）。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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）。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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）。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【実施例１】
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】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。
【図２】セルの外形を概略的に示す正面図である。
【図３】ＭＥＡの形状例を示す平面図である。
【図４】図３に示したＭＥＡの正面図である。
【図５】カソード側ベースフレームの平面図である。
【図６】カソード側ベースフレームの底面図である。
【図７】カソード側ベースフレームの正面図である。
【図８】図７中のVIII部分の拡大図である。
【図９】図７中のIX部分の拡大図である。
【図１０】アノード側ベースフレームの平面図である。
【図１１】アノード側ベースフレームの底面図である。
【図１２】アノード側ベースフレームの正面図である。
【図１３】図１２中のXIII部分の拡大図である。
【図１４】図１２中のXIV部分の拡大図である。
【図１５】セルの構成の一例を示す分解斜視図である。
【図１６】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。
【図１７】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。
【図１８】カソード側に設けられる集電体の正面図である。
【図１９】図１８中の破線で囲んだ部分の拡大図である。
【図２０】冷却板の構成例を示す正面図である。
【図２１】図２０中の破線で囲んだ部分の拡大図である。
【図２２】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。
【図２３】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。
【図２４】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。
【図２５】セル積層体の外形を概略的に示す斜視図である。
【図２６】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。
【図２７】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。
【図２８】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。
【図２９】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。
【図３０】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。
【図３１】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。
【図３２】燃料電池や補機の車両への搭載例を示す図である。
【図３３】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。
【図３４】従来の燃料電池の構造を比較例として示す図である。
【図３５】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。
【図３６】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。
【図３７】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。
【図３８】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。
【符号の説明】
【００５３】
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）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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