(57)【要約】【課題】発電量を十分に確保して燃料電池を小型、軽量にするとともに、簡易な構成とし、メンテナンスを容易に行う。【解決手段】燃料電池を構成する発電セルである６角柱型セル５０は、外周部から内周部にかけて、多孔質金属のベース部材３２、カソード電極層３６、電解質層３８およびアノード電極層４０が配設され、また、内部には、燃料ガスが供給される燃料ガス供給路５２と、冷媒が供給される非導電性パイプ４６が配設される。外周部のベース部材３２に供給された酸化剤ガスは、カソード電極層３６まで到達する一方、内周部の燃料ガス供給路５２に供給された燃料ガスは、アノード電極層４０を介して電解質層３８でイオン化されてカソード電極層３６に到達し、酸化剤ガスと反応する。電解質層３８で得られた電子は、アノード電極層４０からアノード電極端子板４２を介して外部に取り出される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応させて発電する発電セルから構成される燃料電池において、
前記発電セルは、前記燃料ガスが供給される多孔質体からなるアノード電極部と、前記酸化剤ガスが供給される多孔質体からなるカソード電極部と、前記アノード電極部および前記カソード電極部間に配設される電解質層とを多角柱形状に折曲して形成した多角柱型セルからなり、
前記多角柱型セルの内周部には、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスの一方の反応ガスが供給され、前記多角柱型セルの外周部には、他方の前記反応ガスが供給されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、
前記多角柱型セルが複数集合して構成され、隣接して配置される前記多角柱型セル間の所定部位には、前記反応ガスの流路を規制する隔壁が配設されることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応させて発電する発電セルを複数集合して構成される燃料電池において、
前記発電セルは、前記燃料ガスが供給される多孔質体からなるアノード電極部と、前記酸化剤ガスが供給される多孔質体からなるカソード電極部と、前記アノード電極部および前記カソード電極部間に配設される電解質層とを多角柱形状に折曲して形成した多角柱型セルによって構成され、
前記多角柱型セルは、内周部に配設される前記アノード電極部または前記カソード電極部に接続され、隣接する一方の前記多角柱型セルの前記アノード電極部を、隣接する他方の前記多角柱型セルの前記カソード電極部に電気的に接続する端子部を外周側面の１つに備え、
前記多角柱型セルの内周部には、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスの一方の反応ガスが供給され、前記多角柱型セルの外周部には、他方の前記反応ガスが供給されることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池において、
前記端子部および前記端子部に電気的に接続される前記外周側面を除く前記多角柱型セルの外周側面には、絶縁層が形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池において、
前記絶縁層は、前記外周側面の一部に形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項３記載の燃料電池において、
前記アノード電極部、前記カソード電極部および前記電解質層は、前記多角柱型セルの内周部に凹凸形状として形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項３記載の燃料電池において、
前記多角柱型セルの内周部には、熱交換媒体が供給される媒体通路が配設されることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池において、
前記媒体通路は、前記熱交換媒体が供給される非導電性パイプを有することを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項７記載の燃料電池において、
前記媒体通路は、前記多角柱型セルの内周部に配設される前記アノード電極部または前記カソード電極部に形成される絶縁層からなる通路として構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
請求項３記載の燃料電池において、
前記多角柱型セルは、６角柱形状に構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
請求項３記載の燃料電池において、
複数の前記多角柱型セルをセルユニットとし、複数の前記セルユニットを組み合わせて構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１２】
請求項３記載の燃料電池において、
前記端子部は、前記アノード電極部または前記カソード電極部を構成する前記多孔質体の一部に導電性物質を含浸させて構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１３】
請求項３記載の燃料電池において、
前記端子部と、前記多角柱型セルの外周部に配設される前記アノード電極部または前記カソード電極部との間には、絶縁性物質が含浸されることで絶縁部が形成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１４】
請求項３記載の燃料電池において、前記多角柱型セルは、前記反応ガスを流通可能なスペーサを介して上下に積層して構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項１５】
燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応させて発電する発電セルからなる燃料電池の製造方法において、
前記燃料ガスが供給される多孔質体からなるアノード電極部と、前記酸化剤ガスが供給される多孔質体からなるカソード電極部と、前記アノード電極部および前記カソード電極部間に配設される電解質層とを積層し、端部に前記アノード電極部または前記カソード電極部に接続される端子部を連結した展開状態のシート体を形成するステップと、
前記端子部が連結される前記アノード電極部または前記カソード電極部が内周部となるように前記シート体を多角柱形状に折曲し、多角柱型セルを形成するステップと、
からなることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項１６】
請求項１５記載の製造方法において、
前記多角柱型セルの前記端子部と、隣接する前記多角柱型セルの外周面の１つとを密着させることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項１７】
燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応させて発電する発電セルからなる燃料電池の製造方法において、
多角柱の内部から外部、または、外部から内部にかけて、前記燃料ガスが供給される多孔質体からなるアノード電極部と、前記酸化剤ガスが供給される多孔質体からなるカソード電極部と、前記アノード電極部および前記カソード電極部間に配設される電解質層とを積層して多角柱型セルを形成するステップと、
前記多角柱型セルの外周面の１つから導電性物質を含浸させ、内部に形成される前記アノード電極部または前記カソード電極部と電気的に接続する端子部を形成するステップと、
前記端子部と前記多角柱型セルの他の外周面との間に絶縁性物質を含浸させ、前記端子部と前記他の外周面とを電気的に絶縁状態とするステップと、
からなることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項１８】
請求項１７記載の製造方法において、
前記多角柱型セルの前記端子部と、隣接する前記多角柱型セルの外周面の１つとを密着させることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応させて発電する発電セルを複数集合して構成される燃料電池およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素ガス等の燃料ガスと酸素ガスを含む空気等の酸化剤ガスとを電解質膜上で反応させて発電を行うものであり、例えば、図２０に示す積層構造からなるものが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
図２０に示す燃料電池は、水素イオン導電性の固体高分子電解質膜の両面に白金触媒を担持させた多孔質カーボン電極（ガス拡散電極）を配設したシート状の膜・電極接合体（ＭＥＡ）２ａ、２ｂ、２ｃ、…を、溝付セパレータ４ａ、４ｂ、４ｃ、…を介して複数積層して構成される。
【０００４】
溝付セパレータ４ａ、４ｂ、４ｃ、…の一方の面と膜・電極接合体２ａ、２ｂ、２ｃ、…との間には、燃料ガス（Ｈ２）が供給され、溝付セパレータ４ａ、４ｂ、４ｃ、…の他方の面と膜・電極接合体２ａ、２ｂ、２ｃ、…との間には、酸化剤ガス（Ｏ２）が供給される。膜・電極接合体２ａ、２ｂ、２ｃ、…は、両面に供給された燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させて電流を生成し、生成された電流が溝付セパレータ４ａ、４ｂ、４ｃ、…を介して外部に取り出される。
【０００５】
また、他の形態からなる燃料電池として、図２１に示す４つの円筒型セル６ａ〜６ｄを接続して構成されるものが知られている（特許文献２参照）。
【０００６】
各円筒型セル６ａ〜６ｄは、円筒型のチューブ状を呈し、中心部には、空気通路８が配設され、その外方には、支持管９、カソード電極１０、固体電解質層１２およびアノード電極１４が同心円状に配設される。なお、支持管９、カソード電極１０、固体電解質層１２およびアノード電極１４は、酸化物セラミックスや耐熱・耐酸化性の金属で構成される。また、隣接する円筒型セル６ａ〜６ｄ同士、集電板１６、１８および円筒型セル６ａ〜６ｄは、それぞれフェルトＮｉ２０によって電気的に接続される。
【０００７】
各円筒型セル６ａ〜６ｄの空気通路８には、酸化剤ガスが供給され、円筒型セル６ａ〜６ｄと集電板１６、１８との間には、燃料ガスが供給される。この場合、円筒型セル６ａ、６ｂおよび６ｃ、６ｄは、並列に接続され、円筒型セル６ａ、６ｃおよび６ｂ、６ｄは、直列に接続されており、各円筒型セル６ａ〜６ｄによって生成された電流が集電板１６、１８を介して外部に取り出される。
【０００８】
【特許文献１】
特開平５−２８３０９３号公報（図３）
【特許文献２】
特開２０００−５８０８９号公報（図２）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図２０に示す構成からなる燃料電池では、膜・電極接合体２ａ、２ｂ、２ｃ、…における電気的な接触抵抗を低減させ、また、膜・電極接合体２ａ、２ｂ、２ｃ、…の両面に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスの気密性を確保するため、膜・電極接合体２ａ、２ｂ、２ｃ、…および溝付セパレータ４ａ、４ｂ、４ｃ、…を高い面圧で均等に圧着させ、且つ、周縁部を確実にシールする必要がある。
【００１０】
この場合、膜・電極接合体２ａ、２ｂ、２ｃ、…および溝付セパレータ４ａ、４ｂ、４ｃ、…を圧着させる機構によって燃料電池全体の重量が増加するだけでなく、圧着力によって膜・電極接合体２ａ、２ｂ、２ｃ、…が薄くなるため、出力が低下することが懸念される。また、各膜・電極接合体２ａ、２ｂ、２ｃ、…を分離する溝付セパレータ４ａ、４ｂ、４ｃ、…が必要となるため、重量がさらに増加してしまう。
【００１１】
また、膜・電極接合体２ａ、２ｂ、２ｃ、…に対して燃料ガスや酸化剤ガスを供給する流路が複雑化することが指摘されている。このような流路から反応によって生じた水を適切に外部に排出することができない場合、その水が反応ガスの供給の妨げとなったり、氷点下での使用に際して凍結する事態が生じると、発電ができなくなってしまうおそれがある。
【００１２】
また、図２０の構成からなる燃料電池では、膜・電極接合体２ａ、２ｂ、２ｃ、…および溝付セパレータ４ａ、４ｂ、４ｃ、…が高い圧力で圧着されているため、例えば、膜・電極接合体２ａ、２ｂ、２ｃ、…の１つに不良が発生した場合、その膜・電極接合体２ａ、２ｂ、２ｃ、…のみを抜き取って交換することが極めて困難である。
【００１３】
さらに、燃料電池の発電量は、膜・電極接合体２ａ、２ｂ、２ｃ、…の面積に依存する。図２０に示す燃料電池は、膜・電極接合体２ａ、２ｂ、２ｃ、…がシート状の平面から構成されているため、十分な発電量を確保するには、燃料電池を大型にしなければならない。
【００１４】
一方、図２１に示す構成からなる燃料電池の場合、各円筒型セル６ａ〜６ｄが、３次元的に構成されているため、図２０の構成からなる燃料電池と比較すると、発電に寄与する固体電解質層１２の面積を広く設定することが可能となる。
【００１５】
しかしながら、各円筒型セル６ａ〜６ｄの形状が円筒形状であり、隣接する円筒型セル６ａ〜６ｄ同士のフェルトＮｉ２０を介した電気的な接続部分がライン状となるため、接触抵抗が大きくなることが懸念される。このような問題を解消するためには、各円筒型セル６ａ〜６ｄ同士を加圧して圧着させることが必要になる。
【００１６】
また、円筒型セル６ａ〜６ｄの形状が円筒状であるため、円筒型セル６ａ〜６ｄ間の燃料ガスが供給されるスペースが必要以上に大きく設定されてしまう。従って、燃料電池の構成が大型化してしまうという不具合がある。
【００１７】
本発明は、これらの問題を解決するためになされたものであり、発電量を十分に確保して燃料電池を小型、軽量にすることができるとともに、簡易な構成とし、メンテナンスを容易に行うことができる燃料電池およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応させて発電する発電セルから構成される燃料電池において、
前記発電セルは、前記燃料ガスが供給される多孔質体からなるアノード電極部と、前記酸化剤ガスが供給される多孔質体からなるカソード電極部と、前記アノード電極部および前記カソード電極部間に配設される電解質層とを多角柱形状に折曲して形成した多角柱型セルからなり、
前記多角柱型セルの内周部には、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスの一方の反応ガスが供給され、前記多角柱型セルの外周部には、他方の前記反応ガスが供給されることを特徴とする。
【００１９】
請求項１記載の本発明では、発電セルを多角柱型セルとすることで、複数の多角柱型セルを隣接して配置した際、それらを近接させて集積率の高い燃料電池を得ることができる。
【００２０】
この場合、隣接して配置される多角柱型セル間の所定部位に反応ガスの流路を規制する隔壁を配設することで、反応ガスを各多角柱型セルに有効に供給して発電を行うことができる。
【００２１】
請求項３記載の本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応させて発電する発電セルを複数集合して構成される燃料電池において、
前記発電セルは、前記燃料ガスが供給される多孔質体からなるアノード電極部と、前記酸化剤ガスが供給される多孔質体からなるカソード電極部と、前記アノード電極部および前記カソード電極部間に配設される電解質層とを多角柱形状に折曲して形成した多角柱型セルによって構成され、
前記多角柱型セルは、内周部に配設される前記アノード電極部または前記カソード電極部に接続され、隣接する一方の前記多角柱型セルの前記アノード電極部を、隣接する他方の前記多角柱型セルの前記カソード電極部に電気的に接続する端子部を外周側面の１つに備え、
前記多角柱型セルの内周部には、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスの一方の反応ガスが供給され、前記多角柱型セルの外周部には、他方の前記反応ガスが供給されることを特徴とする。
【００２２】
請求項３記載の本発明では、発電セルを多角柱型セルとすることで、隣接する多角柱型セルが近接して配置され、集積率の高い燃料電池を得ることができる。また、隣接する多角柱型セルの端子部と端子部を除く外周側面とが面で接触し、接触抵抗の小さい電気回路を構成することができる。
【００２３】
なお、隣接する多角柱型セルの回路を構成しない外周側面に絶縁層を形成することで、所望の電気回路を構成することができる。この絶縁層は、多角柱型セルの一部に形成することにより、多角柱型セルの外周部に対して支障なく反応ガスを供給することができる。
【００２４】
また、多角柱型セルを構成するアノード電極部、カソード電極部および電解質層を、多角柱型セルの内周部に凹凸形状として形成することにより、燃料電池を大型化することなく発電に寄与する面積を確保することができる。
【００２５】
また、多角柱型セルの内周部に熱交換媒体が供給される媒体通路を配設することで、熱交換媒体によって多角柱型セルを効率的な発電を行う所望の温度に調整することができる。なお、媒体通路を非導電性パイプ、あるいは、絶縁層からなる通路とすることで、熱交換媒体を介して電流が漏洩する事態を回避することができる。
【００２６】
多角柱型セルの形状としては、４角柱形状、８角柱形状等を選択することができるが、６角柱形状とした場合、反応ガスの通路を十分に確保した状態で多角柱型セルの集積率を上げることができる。
【００２７】
また、複数の多角柱型セルをセルユニットとし、複数の前記セルユニットを組み合わせて燃料電池を構成することができる。
【００２８】
多角柱型セルの１つの側面を構成する端子部は、多角柱型セルの内部に供給される反応ガスが外部に漏洩することを回避でき、且つ、電気的に導通できるものであり、アノード電極部またはカソード電極部を構成する多孔質体の一部に導電性物質を含浸させて形成することができる。
【００２９】
また、端子部と、多角柱型セルの外周部に配設されるアノード電極部またはカソード電極部との間に絶縁性物質を含浸させて絶縁部を形成することができる。
【００３０】
また、多角柱型セルは、反応ガスを流通可能なスペーサを介して上下に積層して構成することにより、反応ガスの供給通路を共用し、且つ、反応ガスや生成された水が通路内に滞留しない状態とすることができる。
【００３１】
請求項１５記載の本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応させて発電する発電セルからなる燃料電池の製造方法において、
前記燃料ガスが供給される多孔質体からなるアノード電極部と、前記酸化剤ガスが供給される多孔質体からなるカソード電極部と、前記アノード電極部および前記カソード電極部間に配設される電解質層とを積層し、端部に前記アノード電極部または前記カソード電極部に接続される端子部を連結した展開状態のシート体を形成するステップと、
前記端子部が連結される前記アノード電極部または前記カソード電極部が内周部となるように前記シート体を多角柱形状に折曲し、多角柱型セルを形成するステップと、
からなることを特徴とする。
【００３２】
請求項１７記載の本発明では、燃料ガスおよび酸化剤ガスを反応させて発電する発電セルからなる燃料電池の製造方法において、
多角柱の内部から外部、または、外部から内部にかけて、前記燃料ガスが供給される多孔質体からなるアノード電極部と、前記酸化剤ガスが供給される多孔質体からなるカソード電極部と、前記アノード電極部および前記カソード電極部間に配設される電解質層とを積層して多角柱型セルを形成するステップと、
前記多角柱型セルの外周面の１つから導電性物質を含浸させ、内部に形成される前記アノード電極部または前記カソード電極部と電気的に接続する端子部を形成するステップと、
前記端子部と前記多角柱型セルの他の外周面との間に絶縁性物質を含浸させ、前記端子部と前記他の外周面とを電気的に絶縁状態とするステップと、
からなることを特徴とする。
【００３３】
この場合、多角柱型セルの端子部と、隣接する多角柱型セルの外周面の１つとを密着させ、複数の多角柱型セルを集合させた燃料電池を製造することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
図１は、本実施形態の燃料電池を構成する発電セルの展開シート体３０を示す。展開シート体３０は、ガス通過性の多孔質金属からなる長尺なベース部材３２を有し、ベース部材３２の一方の面には、ベース部材３２の短手方向に延在する３角柱状の凸部３４が形成される。本実施形態の場合、ベース部材３２の長手方向に１５個の凸部３４が形成される。
【００３５】
凸部３４には、図２に示すように、ベース部材３２を介して酸化剤ガス（Ｏ２）が供給される多孔質金属からなる電極触媒層であるカソード電極層３６が接合して形成される。カソード電極層３６には、水素イオン導電性の固体高分子電解質膜からなる電解質層３８が接合して形成される。電解質層３８には、燃料ガス（Ｈ２）が供給される多孔質金属からなる電極触媒層であるアノード電極層４０が接合して形成される。
【００３６】
アノード電極層４０の端部には、ベース部材３２の長手方向に沿って延在するアノード電極端子板４２が接続される。アノード電極端子板４２は、ガスを通過させない金属箔から形成される。
【００３７】
アノード電極端子板４２の幅は、本実施形態の場合、３個の凸部３４が形成されるベース部材３２の幅と同じに設定される。ベース部材３２の他方の面には、ベース部材３２の長手方向に延在する帯状の絶縁層４４ａ〜４４ｆが形成される。なお、所定の凸部３４に対応するベース部材３２には、絶縁層４４ａ〜４４ｆが形成されない。
【００３８】
以上のように構成される展開シート体３０は、図３および図４に示すように、冷媒が供給される非導電性パイプ４６と、非導電性パイプ４６の外周部に配設されるメッシュ状パイプ４８とを介して、ベース部材３２を３個の凸部３４毎にアノード電極層４０側に折曲することにより、発電セルである６角柱型セル５０が形成される。この場合、非導電性パイプ４６の外周部とアノード電極層４０との間は、燃料ガス（Ｈ２）が供給される燃料ガス供給路５２となる。なお、メッシュ状パイプ４８は、展開シート体３０を６角柱形状に折曲するための支持部材として機能する。
【００３９】
ここで、６角柱型セル５０による発電動作について説明する。
【００４０】
６角柱型セル５０の外周部に供給された酸化剤ガス（Ｏ２）は、絶縁層４４ａ〜４４ｆの間から多孔質金属からなるベース部材３２を介してカソード電極層３６に到達する。一方、６角柱型セル５０の燃料ガス供給路５２に供給された燃料ガス（Ｈ２）は、アノード電極層４０の触媒作用によって水素イオンとされて電解質層３８に到達する。水素イオンは、電解質層３８を介してカソード電極層３６に移動し、この間に得られた電子が電流としてアノード電極端子板４２を介して外部に取り出される。なお、６角柱型セル５０は、非導電性パイプ４６に供給される冷媒によって熱交換され、所望の温度に調整されている。
【００４１】
この場合、カソード電極層３６、電解質層３８およびアノード電極層４０が複数の凸部３４に形成されているため、発電に寄与する面積が十分に確保されており、これにより高い出力を得ることができる。また、燃料ガス供給路５２は、６角柱型セル５０を構成するアノード電極端子板４２によって外部から隔離されているため、供給された燃料ガス（Ｈ２）が酸化剤ガス（Ｏ２）側に漏洩する事態が生じることはない。さらに、冷媒は、非導電性パイプ４６を介して供給されるため、極めて高い絶縁性能を得ることができる。
【００４２】
図５は、７個の６角柱型セル６２ａ〜６２ｇを密着させて構成されるセルユニット６０を示す。６角柱型セル６２ａ〜６２ｇは、絶縁層４４ａ〜４４ｆ（図４参照）が形成されている側面を絶縁面６４とし、絶縁層４４ａ〜４４ｆが形成されていない側面をカソード電極面６６とすると、隣接する６角柱型セル６２ａ〜６２ｇのアノード電極端子板４２とカソード電極面６６とが電気的に接続されるように、アノード電極端子板４２、絶縁面６４およびカソード電極面６６の位置関係が設定される。
【００４３】
図５に示すセルユニット６０では、６角柱型セル６２ａのアノード電極端子板４２を負極とし、６角柱型セル６２ｅのカソード電極面６６を正極とする一点鎖線で示す６角柱型セル６２ａ〜６２ｅの直列回路と、６角柱型セル６２ｇのアノード電極端子板４２を負極とし、６角柱型セル６２ｆのカソード電極面６６を正極とする一点鎖線で示す直列回路とが形成される。
【００４４】
この場合、セルユニット６０の外周部に供給された酸化剤ガス（Ｏ２）は、矢印で示すように、多孔質金属からなるベース部材３２を介して各６角柱型セル６２ａ〜６２ｇに供給される。従って、酸化剤ガス（Ｏ２）の供給が阻害されることなく、６角柱型セル６２ａ〜６２ｇを密着させてセルユニット６０を構成することができる。この結果、高い発電能力を有し、且つ省スペース化を図ることのできるセルユニット６０が得られる。
【００４５】
また、セルユニット６０を構成する６角柱型セル６２ａ〜６２ｇは、アノード電極端子板４２とカソード電極面６６とが面で接触しているため、電気接触抵抗が小さく、効率的に電流を取り出すことができる。なお、アノード電極端子板４２とカソード電極面６６との間に電気伝導度の高いスペーサを挟設するように構成すれば、電気接触抵抗をさらに小さくすることができる。
【００４６】
図６は、図５に示す構成からなるセルユニット６０を含む複数のセルユニット６０、６８をさらに組み合わせて構成される燃料電池スタック７０を示す。燃料電池スタック７０は、複数のセルユニット６０、６８をハウジング７２に収納して構成される。酸化剤ガス（Ｏ２）は、ハウジング７２の供給口７４から供給され、ハウジング７２の排出口７６から排出される。
【００４７】
燃料電池スタック７０は、複数のセルユニット６０、６８により一点鎖線で示す直列回路を形成している。供給口７４から供給された酸化剤ガス（Ｏ２）は、矢印で示すように、ベース部材３２を介して各セルユニット６０、６８を構成する６角柱型セル５０に供給される。また、各６角柱型セル５０に供給された酸化剤ガス（Ｏ２）は、排出口７６を介して外部に排出される。
【００４８】
この場合、燃料電池スタック７０を構成するセルユニット６０、６８の１つに動作不具合が発生したときには、当該セルユニット６０、６８のみを交換することで容易に修復することができる。なお、セルユニット６０、６８を構成する各６角柱型セル５０を個々に交換するようにしてもよい。
【００４９】
また、複数の６角柱型セル５０を密着させて燃料電池スタック７０を構成することにより、各６角柱型セル５０間に図２０に示す溝付セパレータ４ａ、４ｂ、４ｃ、…を配設する必要がないため、燃料電池スタック７０を軽量でコンパクトなものとすることができる。
【００５０】
さらに、各６角柱型セル５０が密着する側面には、同一の反応ガスである酸化剤ガス（Ｏ２）が供給される構成であるため、ガス漏れに対する対策は、６角柱型セル５０の長手方向のみでよく、従って、シール機構を極めて簡便に構成することができる。
【００５１】
さらにまた、燃料電池スタック７０を図６に示すように構成し、各６角柱型セル５０の軸線方向が略鉛直方向となるように設定すれば、燃料電池スタック７０の上下方向の幅を６角柱型セル５０の長さの範囲内で小さくすることができる。この場合、燃料電池スタック７０内で発生した水を鉛直下方向に容易に排出することができる。従って、例えば、燃料電池スタック７０内で水が凍結するような場合が生じたとしても、燃料電池スタック７０の上部の空間に燃料ガス（Ｈ２）および酸化剤ガス（Ｏ２）を供給して発電を行うことができる。
【００５２】
さらに、隣接する６角柱型セル５０または隣接するセルユニット６０、６８は、アノード電極端子板４２とカソード電極面６６とが面で接触しているため、電気的な接触抵抗が小さく、６角柱型セル５０を高い圧力で圧着させる必要がない。従って、加圧機構が不要になるとともに、圧力により電解質層３８が薄くなって発電効率が低下してしまうような事態が生じることはない。
【００５３】
図７は、図４に示す複数の６角柱型セル５０を組み合わせて並列回路を構成する場合の説明図である。また、図８は、６角柱型セル５０を組み合わせて直列回路を構成する場合の説明図である。この場合、参照符号７８は、６角柱型セル５０のアノード電極端子板４２とカソード電極面６６（図５参照）とを接続したゲートを示す。このように、ゲート７８の設定位置によって、高電流を得ることのできる並列回路（図７）や、高電圧を得ることのできる直列回路（図８）を任意に作成することができる。
【００５４】
図９は、他の実施形態に係る６角柱型セル８０の平面図を示す。６角柱型セル８０は、６角柱の６つの側面部を多孔質金属で形成し、そのうちの５つの側面部をアノード電極部８２とし、残りの１つの側面部に導電性樹脂を含浸させることでカソード電極端子部８４を形成する。また、アノード電極部８２とカソード電極端子部８４との間には、絶縁性樹脂を含浸させることで絶縁部８６ａ、８６ｂを形成する。なお、アノード電極部８２の外側面には、必要に応じて、図３に示す帯状の絶縁層４４ａ〜４４ｆを形成することができる。
【００５５】
アノード電極部８２の内周部には、電解質層９０が形成される。電解質層９０およびカソード電極端子部８４によって囲まれる部位には、多孔質金属からなるカソード電極部９２が形成される。また、カソード電極部９２の内周部には、絶縁層９４が形成され、この絶縁層９４により囲繞される空間として冷媒通路９６が形成される。
【００５６】
以上のように構成される複数の６角柱型セル８０を組み合わせることにより、例えば、図１０に示すセルユニット９８を形成することができる。なお、通電路を構成しないアノード電極部８２の外側面には、帯状の絶縁層８８を形成し、隣接する６角柱型セル８０との電気的な接触がないように構成する。セルユニット９８では、各６角柱型セル８０の外周部に対して燃料ガス（Ｈ２）が供給される一方、カソード電極部９２に対して酸化剤ガス（Ｏ２）が供給されることで、発電が行われる。
【００５７】
また、セルユニット９８を構成する各６角柱型セル８０を所定距離離間させて配置すれば、外周部のアノード電極部８２に対して一層効率的に燃料ガス（Ｈ２）を供給することができる。この場合、６角柱型セル８０の外周部の絶縁層８８は、省略することができる。なお、このような構成とした場合、アノード電極部８２とカソード電極端子部８４とは、上端部または下端部から接続端子等を介して接続するか、あるいは、これらの間に導電性のスペーサを介挿させることで、各６角柱型セル８０を電気的に接続することができる。
【００５８】
また、図９に示す６角柱型セル８０の冷媒通路９６に対して、図１１に示すように、非導電性パイプ１００を挿入し、この非導電性パイプ１００を介して冷媒を供給するように６角柱型セル１０２を構成すれば、冷媒の液漏れによる発電能力の低下を確実に回避することができる。
【００５９】
さらに、図１２に示すように６角柱型セル１０４を構成することもできる。この６角柱型セル１０４は、６角柱の６つの側面部を多孔質金属で形成し、そのうちの５つの側面部をカソード電極部１０６とし、残りの１つの側面部に導電性樹脂を含浸させることでアノード電極端子部１０８を形成する。また、カソード電極部１０６とアノード電極端子部１０８との間の多孔質金属には、絶縁性樹脂を含浸させることで絶縁部１１０ａ、１１０ｂを形成する。なお、カソード電極部１０６の外側面には、必要に応じて、図３に示す帯状の絶縁層４４ａ〜４４ｆを形成することができる。
【００６０】
カソード電極部１０６の内周部には、複数の凸部１１４が形成され、これらの凸部１１４に沿って電解質層１１６が形成される。そして、６角柱型セル１０４の中央部には、冷媒を供給する非導電性パイプ１１８が配設される。なお、非導電性パイプ１１８の外周部と電解質層１１６との間は、燃料ガス（Ｈ２）が供給される燃料ガス通路１２０となる。
【００６１】
以上のように構成される６角柱型セル１０４では、酸化剤ガス（Ｏ２）が外周部のカソード電極部１０６に供給される一方、燃料ガス通路１２０に燃料ガス（Ｈ２）が供給されることで、発電が行われる。なお、燃料ガス通路１２０には、例えば、図１１に示す６角柱型セル１０２のようなアノード電極部８２を設けていないが、燃料ガス通路１２０に対して燃料ガス（Ｈ２）が一様に拡散して供給されるのであれば、燃料ガス（Ｈ２）を介して電子をアノード電極端子部１０８に導いて発電を行うことができる。
【００６２】
図１３は、図１１に示す６角柱型セル１０２を複数組み合わせて構成した燃料電池スタック１２２に対して、冷媒、酸化剤ガス（Ｏ２）および燃料ガス（Ｈ２）を各６角柱型セル１０２に並列的に供給する方法を示す模式的説明図である。なお、図１３では、各６角柱型セル１０２を所定距離離間させて配設しているが、図６に示す燃料電池スタック７０と同様に、相互に密着させて配設するようにしてもよい。
【００６３】
燃料電池スタック１２２は、６角柱型セル１０２が収納され、燃料ガス（Ｈ２）が供給される燃料ガス通路１２４と、６角柱型セル１０２の上部に隔壁１２６ａ〜１２６ｃを介して形成され、酸化剤ガス（Ｏ２）が供給される酸化剤ガス通路１２８および冷媒通路１３０と、６角柱型セル１０２の下部に隔壁１３２ａ〜１３２ｃを介して形成され、酸化剤ガス（Ｏ２）および冷媒が排出される酸化剤ガス通路１３４および冷媒通路１３６とを備えて構成される。６角柱型セル１０２に冷媒を供給する非導電性パイプ１００の上下端部は、冷媒通路１３０、１３６に連通する。
【００６４】
なお、燃料ガス通路１２４と酸化剤ガス通路１２８との間に配設される隔壁１２６ａ、および、燃料ガス通路１２４と酸化剤ガス通路１３４との間に配設される隔壁１３２ａは、６角柱型セル１０２を構成するアノード電極部８２を閉塞する一方、カソード電極部９２の上下端部と、酸化剤ガス通路１２８、１３４とを連通するように構成される。
【００６５】
燃料ガス（Ｈ２）は、燃料ガス通路１２４から各６角柱型セル１０２のアノード電極部８２に供給される。酸化剤ガス（Ｏ２）は、酸化剤ガス通路１２８から各６角柱型セル１０２のカソード電極部９２の上端部に供給され、カソード電極部９２の下端部から酸化剤ガス通路１３４に排出される。冷媒は、冷媒通路１３０から各６角柱型セル１０２の非導電性パイプ１００の上端部に供給され、非導電性パイプ１００の下端部から冷媒通路１３６に排出される。
【００６６】
図１４は、図１１に示す６角柱型セル１０２を複数組み合わせて構成した燃料電池スタック１３８に対して、冷媒、酸化剤ガス（Ｏ２）および燃料ガス（Ｈ２）を上流側から各６角柱型セル１０２に直列的に供給する方法を示す模式的説明図である。
【００６７】
燃料電池スタック１３８は、図１３に示す燃料電池スタック１２２に対して、上部の酸化剤ガス通路１２８および冷媒通路１３０を２つの６角柱型セル１０２毎に隔壁１４０ａ、１４０ｂで分離するとともに、下部の酸化剤ガス通路１３４および冷媒通路１３６を上部の隔壁１４０ａ、１４０ｂに対して１つの６角柱型セル１０２だけずらせた隔壁１４２ａ、１４２ｂで分離するように構成される。
【００６８】
この場合、燃料ガス（Ｈ２）は、燃料ガス通路１２４から各６角柱型セル１０２のアノード電極部８２に供給される。酸化剤ガス（Ｏ２）は、酸化剤ガス通路１２８から第１の６角柱型セル１０２のカソード電極部９２の上端部に供給され、カソード電極部９２の下端部から酸化剤ガス通路１３４に排出され、次いで、第２の６角柱型セル１０２のカソード電極部９２の下端部に供給される。同様にして、第３、第４、第５の６角柱型セル１０２に対して酸化剤ガス（Ｏ２）が順次供給される。冷媒は、冷媒通路１３０から第１の６角柱型セル１０２の非導電性パイプ１００の上端部に供給され、非導電性パイプ１００の下端部から冷媒通路１３６に排出され、次いで、第２の６角柱型セル１０２の非導電性パイプ１００の下端部に供給される。同様にして、第３、第４、第５の６角柱型セル１０２に対して冷媒が順次供給される。
【００６９】
図１５は、例えば、図９に示す６角柱型セル８０を横方向に多数配置するとともに、縦方向に２段に配置した燃料電池スタック１４４の概略構成を示す。
【００７０】
上下に配置される６角柱型セル８０の間には、上下のアノード電極部８２およびカソード電極部９２にそれぞれ対応して非導電性の発泡樹脂からなる通気性のスペーサ１４６および１４８が配設される。なお、スペーサ１４６と１４８との間には、燃料ガス（Ｈ２）および酸化剤ガス（Ｏ２）の流通を阻止するためのシール層１５０が形成される。また、スペーサ１４８の内周部には、上下の冷媒通路９６を連通する孔部１５２が絶縁層１５４を介して形成される。
【００７１】
上下の６角柱型セル８０は、電極板１５６によって電気的に接続されることにより、一点鎖線で示す直列回路が形成される。また、燃料電池スタック１４４に供給される燃料ガス（Ｈ２）、酸化剤ガス（Ｏ２）および冷媒は、スペーサ１４６、１４８および孔部１５２を介して自由に流動するため、６角柱型セル８０内で滞留が生じることがなく、発電能力が低下することはない。
【００７２】
図１６は、図９に示す６角柱型セル８０を密着して配設したセルユニット１５７の平面説明図である。この場合、隣接する６角柱型セル８０のアノード電極部８２同士の間には、絶縁層８８を配設する。また、隣接する６角柱型セル８０のカソード電極端子部８４とアノード電極部８２とは、絶縁層８８を介することなく密着させ、且つ、その部分を溶接する。これにより、電気的な接触抵抗を低減させることができる。なお、図１６の場合、複数の６角柱型セル８０によって一点鎖線で示す直列回路が形成される。
【００７３】
図１７は、電気的に接続しない６角柱型セル８０間に絶縁層８８を形成し、一点鎖線で示すように、直列回路と並列回路とを混在させた構成を示す。なお、絶縁層８８が所定の厚みを有するものとすると、その厚みによって隣接する６角柱型セル８０が所定距離離間することになる。
【００７４】
そこで、図１８に示すように、隣接する６角柱型セル８０間に形成される絶縁層８８を１つおきに形成し、それによって生じる隙間８９を利用して隣接する６角柱型セル８０間の絶縁を行うようにすることもできる。
【００７５】
図１９は、外周部の６面の全てがアノード電極部１５８であり、内周部に電解質層１６０を介してカソード電極部１６２が形成され、カソード電極部１６２の内周部に絶縁層１６４を介して冷媒通路１６６が形成された６角柱型セル１６８を複数密着させた場合におけるガス流路の構成の説明図である。
【００７６】
この６角柱型セル１６８においては、アノード電極部１５８の外周部の連続する４面に燃料ガス（Ｈ２）を遮断する隔壁１７０を設けるとともに、隔壁１７０のない２面のアノード電極部１５８の間に隔壁１７２を設けることにより、燃料ガス（Ｈ２）を実線の矢印で示す方向に強制的に流動させることができる。この場合、各６角柱型セル１６８のアノード電極部１５８に燃料ガス（Ｈ２）を満遍なく供給することができるため、６角柱型セル１６８を有効に活用して効率的な発電を行うことができる。
【００７７】
なお、図１９に示す６角柱型セル１６８の場合、隣接する一方の６角柱型セル１６８のアノード電極部１５８と、隣接する他方の６角柱型セル１６８のカソード電極部１６２とを６角柱型セル１６８の端部側から順次電気的に結線することにより、発電によって生成された電流を外部に取り出すことができる。
【００７８】
また、上述した実施形態では、多角柱型セルを６角柱形状として説明したが、各多角柱型セル間の隙間を小さくできる構成であれば、例えば、４角柱、８角柱等の形状を選択することもできる。
【００７９】
また、図１に示す実施形態において、展開シート体３０を構成するベース部材３２、カソード電極層３６およびアノード電極層４０として多孔質金属を用いているが、多孔質状となる導電性の繊維積層体（例えば、カーボン繊維積層体）や、導電性樹脂からなる多孔体を用いてもよい。なお、他の実施形態においても同様に、多孔質金属に代えて、多孔質状となる導電性の繊維積層体や導電性樹脂からなる多孔体を用いることができる。
【００８０】
また、図９に示す実施形態において、カソード電極端子部８４を形成するために導電性樹脂を含浸させているが、基材となる多孔質体に含浸可能で且つ導電性を有するものであれば、樹脂以外の材料を選択することが可能であり、多孔質体よりも低融点の金属を用いることもできる。なお、他の実施形態においても同様に、導電性樹脂に代えて、他の導電性物質を用いることができる。
【００８１】
さらに、図９に示す実施形態において、アノード電極部８２とカソード電極端子部８４との間に絶縁性樹脂を含浸させているが、基材となる多孔質体に含浸可能で且つ絶縁性を有するものであれば、樹脂以外の材料を選択することが可能である。
【００８２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、発電セルを多角柱形状とすることにより、発電セル同士を近接して配置することができるため、多数の発電セルを有する高密度な燃料電池を提供することができる。
【００８３】
また、隣接する発電セルのアノード電極部とカソード電極部とが面で接続されるため、電気的な接触抵抗を低減して効率的に発電を行うことができる。しかも、接触抵抗を低減させるために発電セル同士を高い圧力で密着させる必要がないため、構成自体も極めて簡易なものとなり、燃料電池全体の軽量化に大きく寄与する。
【００８４】
さらに、発電セルに供給する燃料ガスおよび酸化剤ガスの漏洩が問題となる個所は、発電セルの両端部だけであり、その部分においてのみ漏洩防止の対策を講じればよい。従って、ガスの漏洩防止のために加圧する必要がなく、機構も極めて簡易なものとなる。なお、各発電セルが高圧で加圧されないため、発電セルを構成する電解質層が薄くなって発電能力が低下する等の不具合が生じることもない。
【００８５】
さらにまた、発電セルが多角柱形状であるため、発電セルに供給されるガスの流路を直線に近い極めて単純なものとすることができる。この結果、発電によって生じた水が燃料電池内に滞留するおそれがなく、ガスの供給効率を低下させることがない。
【００８６】
なお、発電セルの軸線方向が略鉛直方向となるように配置すれば、少なくとも発電セルの上部空間に水が滞留することはない。従って、たとえ、発電セルの下部空間に水が滞留して凍結する事態が生じたとしても、凍結していない上部空間を利用して発電を開始することができる。
【００８７】
また、各発電セルは、単独で発電機能を有しており、且つ、発電セル同士を高圧で密着させる必要もないことから、例えば、障害の発生した発電セルのみを容易に交換することができる。
【００８８】
さらに、複数の発電セルによってセルユニットを構成し、セルユニットを複数組み合わせることにより、所望のサイズ、あるいは、回路構成からなる燃料電池を作成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の燃料電池を構成する発電セルの展開シート体の構成図である。
【図２】図１に示す展開シート体の一部拡大断面図である。
【図３】本実施形態の燃料電池を構成する発電セルである６角柱型セルの構成斜視図である。
【図４】本実施形態の燃料電池を構成する発電セルである６角柱型セルの平面図である。
【図５】図４に示す６角柱型セルを組み合わせて構成されるセルユニットの平面図である。
【図６】図５に示すセルユニットを組み合わせて構成される燃料電池スタックの平面図である。
【図７】図４に示す６角柱型セルを組み合わせて構成される並列回路の説明図である。
【図８】図４に示す６角柱型セルを組み合わせて構成される直列回路の説明図である。
【図９】他の実施形態に係る６角柱型セルの平面図である。
【図１０】図９に示す６角柱型セルを組み合わせて構成される燃料電池スタックの構成図である。
【図１１】他の実施形態に係る６角柱型セルの平面図である。
【図１２】他の実施形態に係る６角柱型セルの平面図である。
【図１３】燃料電池スタックに対する冷媒、酸化剤ガスおよび燃料ガスの供給方法を示す模式的説明図である。
【図１４】燃料電池スタックに対する冷媒、酸化剤ガスおよび燃料ガスの供給方法を示す模式的説明図である。
【図１５】図９に示す６角柱型セルを組み合わせて構成される燃料電池スタックの構成図である。
【図１６】図９に示す６角柱型セルを密着して配設した平面説明図である。
【図１７】図９に示す６角柱型セルを密着して配設した平面説明図である。
【図１８】図９に示す６角柱型セルを密着して配設した平面説明図である。
【図１９】６角柱型セルを組み合わせた場合におけるガス流路の構成の説明図である。
【図２０】従来技術に係る燃料電池の構成説明図である。
【図２１】従来技術に係る燃料電池の構成説明図である。
【符号の説明】
３０…展開シート体                ３２…ベース部材
３４、１１４…凸部                ３６…カソード電極層
３８、９０、１１６、１６０…電解質層
４０…アノード電極層              ４２…アノード電極端子板
４６…非導電性パイプ
５０、６２ａ〜６２ｇ、８０、１０２、１０４、１６８…６角柱型セル
５２…燃料ガス供給路              ６０、６８、９８、１５７…セルユニット
７０、１２２、１３８、１４４…燃料電池スタック
７８…ゲート                      ８２、１５８…アノード電極部
８４…カソード電極端子部          ９２、１０６、１６２…カソード電極部
１０８…アノード電極端子部
【図１】
2004335145.tif 000003
【図２】
2004335145.tif 000004
【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】
2004335145.tif 000009
【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】
2004335145.tif 000015
【図１４】
2004335145.tif 000016
【図１５】
2004335145.tif 000017
【図１６】
2004335145.tif 000018
【図１７】
2004335145.tif 000019
【図１８】
2004335145.tif 000020
【図１９】
2004335145.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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