(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとを積層し、反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されるとともに、冷却媒体が供給される固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池に供給される少なくとも一方の反応ガスを、加湿流体によって加湿する水透過性膜を設ける平膜型加湿器とが、積層方向にスタックされる燃料電池システムであって、
前記固体高分子型燃料電池と前記平膜型加湿器との間に介装される中間プレートと、
前記固体高分子型燃料電池の両側部に対し前記積層方向に延在してそれぞれ配置され、前記固体高分子型燃料電池を保持する第１連結プレートと、
前記平膜型加湿器の両側部に対し前記積層方向に延在してそれぞれ配置され、前記平膜型加湿器を保持する第２連結プレートと、
前記固体高分子型燃料電池を、前記中間プレートとの間で加圧保持する第１エンドプレートと、
前記平膜型加湿器を、前記中間プレートとの間で加圧保持する第２エンドプレートと、
を備え、
前記中間プレート、それぞれの前記第１連結プレート及びそれぞれの前記第２連結プレートには、互いに同一軸線上に配置され、連結ピンが一体に挿入されて固定される筒状部が設けられるとともに、
それぞれの前記第１連結プレートは、前記中間プレートと前記第１エンドプレートとを固定する一方、
それぞれの前記第２連結プレートは、前記中間プレートと前記第２エンドプレートとを固定することを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池と平膜型加湿器とが、積層方向にスタックされる燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されている。
【０００４】
通常、燃料電池は、所望の発電力を得るために、所定数（例えば、数十〜数百）だけ積層した燃料電池スタックとして使用されている。この燃料電池スタックは、燃料電池の内部抵抗の増大や反応ガスのシール性の低下等を阻止するために、積層されている各燃料電池同士を確実に加圧保持する必要がある。
【０００５】
一方、上記の燃料電池では、有効な発電機能を発揮させるために、電解質膜を適度な湿潤状態に維持することが必要とされている。このため、燃料ガスや酸化剤ガスを、予め水を介して加湿する加湿装置を用意し、この加湿装置を燃料電池に連結することにより、前記加湿された燃料ガスや酸化剤ガスを燃料電池に供給するものが知られている。
【０００６】
この場合、加湿装置として、水透過性膜とセパレータとを交互に積層して構成される平膜型加湿器が多用されており、前記平膜型加湿器と燃料電池とを一体的に保持する燃料電池一体平膜型加湿器構造が採用されている。その際、上記の構造では、平膜型加湿器と燃料電池とを積層方向に所定の締め付け荷重で一体に保持する必要があり、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックを適用することが考えられる。
【０００７】
この燃料電池スタックは、図６に示すように、複数の単位セル１を積層した積層体２を備えるとともに、この積層体２の積層方向両端にエンドプレート３、３を介装して補助プレート４ａ、４ｂが配設されている。
【０００８】
積層体２の両側部に沿って、一対の締結バンド５、５が配置されている。締結バンド５、５及び補助プレート４ａ、４ｂの端部には、円筒状のボス部６がそれぞれの孔部が一直線上に並ぶように設けられている。そして、各ボス部６に金属ピン７が挿入されることにより、締結バンド５、５及び補助プレート４ａ、４ｂが一体的に連結されている。
【０００９】
補助プレート４ａには、複数のボルト８が螺合する一方、補助プレート４ｂには、複数の皿ばね９が配設されている。従って、ボルト８が螺入されると、エンドプレート３が下方に押圧されるとともに、補助プレート４ｂに配置された皿ばね９が圧縮され、一対のエンドプレート３を介して積層体２に必要な締結圧が付与される、としている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００１−１３５３４４号公報（図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池スタックの締め付け荷重を調整するために、専用部品である複数のボルト８及び複数の皿ばね９を備えている。従って、専用部品の追加により燃料電池スタック全体の重量が増加するという問題がある。
【００１２】
しかも、燃料電池一体平膜型加湿器構造では、一対の締結バンド５、５を介して燃料電池と平膜型加湿器とに締め付け荷重が付与される。その際、シール性の相違等によって、平膜型加湿器に必要とされる締め付け荷重は、燃料電池に必要とされる締め付け荷重に比べて相当に小さい。このため、一対の締結バンド５、５により燃料電池に必要な締め付け荷重が付与されると、平膜型加湿器には、必要以上に大きな締め付け荷重が付与されてしまうという問題がある。
【００１３】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、燃料電池及び平膜型加湿器に対しそれぞれ所望の締め付け荷重を確実に付与することが可能な燃料電池システム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】
【００１４】
本発明は、電解質膜の両側に電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとを積層し、反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されるとともに、冷却媒体が供給される固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池に供給される少なくとも一方の反応ガスを、加湿流体によって加湿する水透過性膜を設ける平膜型加湿器とが、積層方向にスタックされる燃料電池システムである。
【００１５】
燃料電池システムは、固体高分子型燃料電池と平膜型加湿器との間に介装される中間プレートと、前記固体高分子型燃料電池の両側部に対し積層方向に延在してそれぞれ配置され、前記固体高分子型燃料電池を保持する第１連結プレートと、前記平膜型加湿器の両側部に対し前記積層方向に延在してそれぞれ配置され、前記平膜型加湿器を保持する第２連結プレートと、前記固体高分子型燃料電池を、前記中間プレートとの間で加圧保持する第１エンドプレートと、前記平膜型加湿器を、前記中間プレートとの間で加圧保持する第２エンドプレートとを備えている。そして、中間プレート、それぞれの第１連結プレート及びそれぞれの第２連結プレートには、互いに同一軸線上に配置され、連結ピンが一体に挿入されて固定される筒状部が設けられるとともに、それぞれの前記第１連結プレートは、前記中間プレートと第１エンドプレートとを固定する一方、それぞれの前記第２連結プレートは、前記中間プレートと第２エンドプレートとを固定している。
【発明の効果】
【００１７】
本発明では、中間プレートと第１連結プレートとにより固体高分子型燃料電池が保持されるとともに、前記中間プレートと第２連結プレートとにより平膜型加湿器とが保持されている。このため、固体高分子型燃料電池と平膜型加湿器とには、それぞれ所望の締め付け荷重を確実に付与することができる。
【００１８】
しかも、中間プレート、第１連結プレート及び第２連結プレートに設けられた筒状部は、互いに同一軸線上に配置されるとともに、前記筒状部には、連結ピンが一体に挿入されている。従って、部品数が良好に削減され、構成の簡素化が容易に図られるとともに、経済的である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０の概略構成説明図であり、図２は、前記燃料電池システム１０の概略斜視説明図である。
【００２０】
燃料電池システム１０は、例えば、自動車等の車両に搭載されており、燃料電池スタック１２と平膜型加湿器１４とを備えるとともに、前記燃料電池スタック１２と前記加湿器１４とは、中間プレート１５を介装して積層方向（矢印Ａ方向）に一体にスタックされる。
【００２１】
燃料電池スタック１２は、複数の発電セル１６を矢印Ａ方向に積層しており、積層方向両端には、第１エンドプレート１８ａと中間プレート１５とが配置される。加湿器１４の積層方向両端には、中間プレート１５と第２エンドプレート１８ｂとが配置される。
【００２２】
図１に示すように、発電セル１６は、例えば、固体高分子電解質膜２０ａの両側にアノード側電極２０ｂとカソード側電極２０ｃとを配置した電解質膜・電極構造体２０と、前記電解質膜・電極構造体２０を挟持する一対のセパレータ２２、２４とを備える。アノード側電極２０ｂには、燃料ガスとして、例えば、水素ガスが供給される一方、カソード側電極２０ｃには、酸化剤ガスとして、例えば、酸素を含む空気が供給される。
【００２３】
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２に水素ガスを供給するための水素供給流路３０と、前記燃料電池スタック１２から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを、前記水素供給流路３０の途上に戻して該燃料電池スタック１２に供給するための水素循環流路３２とを備える。
【００２４】
水素供給流路３０には、高圧水素を貯留する水素タンク３４と、前記水素タンク３４から供給される水素ガスの圧力を減圧するレギュレータ３６と、減圧された前記水素ガスを燃料電池スタック１２に供給するとともに、水素循環流路３２から排ガスを吸引して前記燃料電池スタック１２に戻すためのエゼクタ３８とが配設される。
【００２５】
第１エンドプレート１８ａには、水素供給流路３０から発電セル１６に水素ガスを供給するための水素供給口３９ａと、前記発電セル１６から排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを水素循環流路３２に排出するための水素排出口３９ｂとが設けられる。
【００２６】
燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１２に空気を供給するための空気供給流路４０と、前記燃料電池スタック１２から排出される空気（以下、オフガスともいう）を、外部に排気するための空気排出流路４２とを備える。空気供給流路４０には、空気を圧縮して供給するためにスーパーチャージャ（又はポンプ）４４が設けられる。
【００２７】
図３及び図４に示すように、加湿器１４は、水透過性膜５０の一方の面５０ａに配設される第１セパレータ５２と、前記水透過性膜５０の他方の面５０ｂに配設される第２セパレータ５４とを備える。第１及び第２セパレータ５２、５４は、水透過性膜５０を介装して交互に矢印Ａ方向に積層されて積層体５６を構成する。
【００２８】
第１及び第２セパレータ５２、５４は、金属製プレートを波形状に成形して構成される。なお、この第１及び第２セパレータ５２、５４は、例えば、カーボンプレートに削り加工等を施して波板形状に構成してもよい。
【００２９】
図４に示すように、積層体５６の矢印Ｂ方向の一端縁部には、互いに矢印Ａ方向に貫通して、反応前の空気を供給する空気供給連通孔５８ａと、反応前の空気を加湿した後のオフガスを排出するオフガス排出連通孔６０ｂとが上下（矢印Ｃ方向）に設けられる。
【００３０】
積層体５６の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、オフガスが供給されるオフガス供給連通孔６０ａと、加湿された反応前の空気を排出する空気排出連通孔５８ｂとが上下方向に配列して設けられる。
【００３１】
図１に示すように、空気供給連通孔５８ａは、空気供給流路４０に連通し、空気排出連通孔５８ｂは、燃料電池スタック１２の空気供給口（図示せず）に連通する。オフガス供給連通孔６０ａは、燃料電池スタック１２の空気排出口（図示せず）に連通し、オフガス排出連通孔６０ｂは、空気排出流路４２に連通する。
【００３２】
図４に示すように、第１セパレータ５２は、水透過性膜５０の一方の面５０ａに向かう第１面５２ａ側に、空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとを連通し、矢印Ｂ方向に１往復半のサーペンタイン形状の複数の空気流路６２を設ける。
【００３３】
第１セパレータ５２の第１面５２ａとは反対の第２面５２ｂ側には、空気供給連通孔５８ａと空気排出連通孔５８ｂとを連通し、矢印Ｂ方向に１往復半のサーペンタイン形状の複数の空気流路６４が設けられる。空気流路６２は、空気流路６４と交互に形成され、全体として波形状を有している（図３参照）。
【００３４】
第２セパレータ５４は、図４に示すように、水透過性膜５０の他方の面５０ｂに向かう第３面５４ａ側にオフガス供給連通孔６０ａとオフガス排出連通孔６０ｂとを連通し、矢印Ｂ方向に１往復半のサーペンタイン形状の複数のオフガス流路６６を設ける。
【００３５】
第２セパレータ５４は、第３面５４ａとは反対の第４面５４ｂ側に、オフガス供給連通孔６０ａとオフガス排出連通孔６０ｂとを連通し、矢印Ｂ方向に１往復半のサーペンタイン形状の複数のオフガス流路６８を設ける。オフガス流路６６は、オフガス流路６８と交互に形成され、全体として波形状を有している（図３参照）。
【００３６】
第１セパレータ５２には、外周縁部を覆ってシール７０が一体成形されるとともに、第２セパレータ５４には、外周縁部を覆ってシール７２が一体成形される（図４参照）。
【００３７】
図２に示すように、燃料電池スタック１２の上下両側部には、積層方向（矢印Ａ方向）に延在して第１連結プレート７４ａ、７４ｂが配置されるとともに、加湿器４の上下両側部には、前記積層方向に延在して第２連結プレート７６ａ、７６ｂが配置される。
【００３８】
第１エンドプレート１８ａの上下各辺には、それぞれ所定の長さを有する複数の筒状部７８ａが、それぞれ所定の間隔ずつ離間して設けられる。第２エンドプレート１８ｂの上下各辺には、同様にそれぞれ複数の筒状部７８ｂが、所定間隔ずつ離間して設けられる。中間プレート１５の上下各辺には、それぞれ複数の筒状部８０が、所定の間隔ずつ離間して設けられる。
【００３９】
第１連結プレート７４ａ、７４ｂの水平方向一端側の辺には、第１エンドプレート１８ａの筒状部７８ａ間に配置される筒状部８２ａが複数設けられる。この第１連結プレート７４ａ、７４ｂの水平方向他端側の辺には、中間プレート１５の各筒状部８０間の略半分の長さにわたって配置される筒状部８２ｂが複数の設けられる。
【００４０】
第２連結プレート７６ａ、７６ｂの水平方向一端側の辺には、第２エンドプレート１８ｂの筒状部７８ｂ間に配置される筒状部８４ａが複数設けられる。この第２連結プレート７６ａの水平方向の他端側の辺には、中間プレート１５の各筒状部８０間に筒状部８２ｂに並列して配置される筒状部８４ｂが複数設けられる。
【００４１】
第１エンドプレート１８ａの上下両辺に設けられた筒状部７８ａと、第１連結プレート７４ａ、７４ｂの一端側の辺に設けられた筒状部８２ａとは、同一軸線上に配置されるとともに、連結ピン８６ａが一体に挿入されて固定される。
【００４２】
第２エンドプレート１８ｂの上下両辺に設けられた筒状部７８ｂと、第２連結プレート７６ａ、７６ｂの一端側の辺に設けられた筒状部８４ａとは、同一軸線上に配置されるとともに、連結ピン８６ｂが一体に挿入されて固定される。
【００４３】
図２及び図５に示すように、中間プレート１５の筒状部８０、第１連結プレート７４ａ、７４ｂの他端側の辺に設けられた筒状部８２ｂ及び第２連結プレート７６ａ、７６ｂの他端側の辺に設けられた筒状部８４ｂは、互いに同一軸線上に配置されるとともに、連結ピン８６ｃが一体に挿入されて固定される。
【００４４】
燃料電池スタック１２及び加湿器１４内には、それぞれ積層方向の長さ変更を吸収して所望の締め付け荷重を付与可能にするために、厚さが調整されたスペーサ部材８８ａ、８８ｂが必要に応じて配設される（図２参照）。
【００４５】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００４６】
図１に示すように、水素タンク３４から水素供給流路３０に供給される水素ガスは、レギュレータ３６を介して所定の圧力に減圧された後、エゼクタ３８を通って燃料電池スタック１２の水素供給口３９ａに供給される。水素供給口３９ａに供給された水素は、各発電セル１６を構成するアノード側電極２０ｂに沿って移動した後、未使用の水素を含む排ガスが、水素排出口３９ｂから水素循環流路３２に排出される。この排ガスは、エゼクタ３８の吸引作用下に、水素供給流路３０の途上に戻された後、再度、燃料電池スタック１２内に燃料ガスとして供給される。
【００４７】
一方、スーパーチャージャ４４を介して空気供給流路４０に空気が供給される。この空気は、加湿器１４を構成する第２エンドプレート１８ｂから積層体５６の空気供給連通孔５８ａに供給される。
【００４８】
図４に示すように、空気供給連通孔５８ａに供給された反応前の空気は、サーペンタイン形状の複数の空気流路６２、６４に沿って移動する。空気流路６２を流れる空気は、水透過性膜５０の一方の面５０ａに接触するとともに、空気流路６４に沿って移動する空気は、他の水透過性膜５０の一方の面５０ａに接触する（図３参照）。
【００４９】
加湿器１４では、燃料電池スタック１２の発電に使用された反応済みの空気であるオフガスが、オフガス供給連通孔６０ａに供給される。このオフガスは、第２セパレータ５４のオフガス供給連通孔６０ａに連通するオフガス流路６６、６８に導入される。
【００５０】
図４に示すように、オフガスは、サーペンタイン形状の複数のオフガス流路６６、６８に沿って移動する。このため、オフガス流路６６を移動するオフガスは、水透過性膜５０の他方の面５０ｂに接触するとともに、オフガス流路６８に沿って移動するオフガスは、また別の水透過性膜５０の他方の面５０ｂに接触する（図３参照）。
【００５１】
従って、第２セパレータ５４のオフガス流路６６に沿って移動するオフガス中の水分は、水透過性膜５０を透過し空気流路６２に沿って移動する反応前の空気に供給され、この空気が加湿される。さらに、空気流路６４に沿って移動する反応前の空気は、オフガス流路６８に沿って移動するオフガスにより加湿される。そして、加湿された空気は、空気排出連通孔５８ｂから燃料電池スタック１２に供給される。
【００５２】
この加湿された空気は、図１に示すように、各発電セル１６のカソード側電極２０ｃに供給され、未使用の空気を含むオフガスが、上記のように加湿器１４に排出される。これにより、各発電セル１６では、アノード側電極２０ｂに供給される水素と、カソード側電極２０ｃに供給される空気中の酸素とが反応して発電が行われる。
【００５３】
この場合、本実施形態では、図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１２と加湿器１４とは、中間プレート１５を介装して積層方向に一体にスタックされている。そして、燃料電池スタック１２は、第１エンドプレート１８ａと中間プレート１５とに連結される第１連結プレート７４ａ、７４ｂを介して保持される一方、加湿器１４は、第２エンドプレート１８ｂと前記中間プレート１５とに連結される第２連結プレート７６ａ、７６ｂを介して保持されている。
【００５４】
このため、燃料電池スタック１２と加湿器１４とには、それぞれ所望の締付荷重を確実に付与することができ、特に前記加湿器１４に最適荷重以上の大きな荷重が付与されることを良好に阻止することが可能となる。燃料電池スタック１２と加湿器１４とでは、それぞれの最適締め付け荷重が異なるとともに、前記加湿器１４の最適締め付け荷重は、前記燃料電池スタック１２の最適締め付け荷重よりも小さいからである。
【００５５】
しかも、本実施形態では、図２及び図５に示すように、中間プレート１５の筒状部８０、第１連結プレート７４ａ、７４ｂの筒状部８２ｂ及び第２連結プレート７６ａ、７６ｂの筒状部８４ｂは、互いに同一軸線上に配置されるとともに、前記筒状部８０、８２ｂ及び８４ｂには、連結ピン８６ｃが一体に挿入されている。従って、燃料電池スタック１２の連結構造と加湿器１４の連結構造とを兼用することができ、部品数が良好に削減されて構成の簡素化が容易に図られるとともに、経済的であるという効果が得られる。
【００５６】
なお、本実施形態では、一方の反応ガスである空気を加湿して燃料電池スタック１２に供給するように構成しているが、これに限定されるものではなく、他方の反応ガスである燃料ガスを加湿する構造を採用してもよい。また、加湿流体として燃料電池スタック１２から排出される空気であるオフガスを用いているが、これに限定されるものではなく、他の加湿ガス、例えば、専用の水蒸気ガスや純水又は液体等を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。
【図２】前記燃料電池システムの概略斜視説明図である。
【図３】前記燃料電池システムを構成する加湿器の一部断面側面図である。
【図４】前記加湿器の要部分解斜視説明図である。
【図５】前記燃料電池システムを構成する中間プレート、第１連結プレート及び第２連結プレートの要部分解斜視図である。
【図６】特許文献１の燃料電池スタックの説明図である。
【符号の説明】
【００５８】
１０…燃料電池システム            １２…燃料電池スタック
１４…加湿器                      １５…中間プレート
１６…発電セル                    １８ａ、１８ｂ…エンドプレート
２０…電解質膜・電極構造体        ２０ａ…固体高分子電解質膜
２０ｂ…アノード側電極            ２０ｃ…カソード側電極
２２、２４、５２、５４…セパレータ
４０…空気供給流路                ４２…空気排出流路
５０…水透過性膜                  ５６…積層体
５８ａ…空気供給連通孔            ５８ｂ…空気排出連通孔
６０ａ…オフガス供給連通孔        ６０ｂ…オフガス排出連通孔
６２、６４…空気流路              ６６、６８…オフガス流路
７４ａ、７４ｂ、７６ａ、７６ｂ…連結プレート
７８ａ、７８ｂ、８０、８２ａ、８２ｂ、８４ａ、８４ｂ…筒状部
８６ａ〜８６ｃ…連結ピン
【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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