(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子膜を電解質とする膜電極複合体を備え、前記膜電極複合体のその両面にガス流路が形成されたセパレータを含む単セル電池を、複数同一方向に積層してなり、前記各単セル電池の周縁部に貫通し、かつ前記各セパレータに形成されたガス流路と連通しガスを通すガス供給マニホールド及びガス排出マニホールドを備えた燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの反応部を通過した既反応ガスと、前記燃料電池スタックの反応部を通過する前の未反応ガスとの熱と水分の交換を行う温湿度交換セルと、ガス流路が形成された未反応ガスセパレータ及びガス流路が形成された既反応ガスセパレータとからなる単位を、複数積層してなり、
前記未反応ガスセパレータ及び前記温湿度交換セル並びに前記既反応ガスセパレータの周縁部を貫通し前記未反応ガスセパレータに形成されたガス流路と連通するように形成され、前記未反応ガスを供給する未反応ガス供給マニホールドと、
前記未反応ガスセパレータ及び前記温湿度交換セル並びに前記既反応ガスセパレータの周縁部を貫通し前記既反応ガスセパレータに形成されたガス流路と連通するように形成され、前記既反応ガスを排出する既反応ガス排出マニホールドと、
を備えた温湿度交換手段と、
を具備した固体高分子型燃料電池システムにおいて、
前記温湿度交換手段における各温湿度交換セルの積層方向を、前記燃料電池スタックにおける各単セル電池の積層方向に対してほぼ直角になるように前記燃料電池スタックと前記温湿度交換手段とを当接配置し、かつ前記未反応ガス供給マニホールドと前記ガス供給マニホールドを前記未反応ガスセパレータに形成されたガス流路により直接接続し、前記既反応ガス排出マニホールドと前記ガス排出マニホールドを前記既反応ガスセパレータに形成されたガス流路により直接接続することを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池スタックの前記単セル電池の積層方向に直交する外周面と、前記温湿度交換手段の前記温湿度交換セルの積層方向に平行な外周面とが当接するように配置したことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項３】
固体高分子膜を電解質とする膜電極複合体を備え、前記膜電極複合体のその両面にガス流路が形成されたセパレータを含む単セル電池を、複数同一方向に積層してなり、前記各単セル電池の周縁部に貫通し、かつ前記各セパレータに形成されたガス流路と連通しガスを通すガス供給マニホールド及びガス排出マニホールドを備えた燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの反応部を通過した既反応ガスと、前記燃料電池スタックの反応部を通過する前の未反応ガスとの熱と水分の交換を行う温湿度交換セルと、ガス流路が形成された未反応ガスセパレータ及びガス流路が形成された既反応ガスセパレータとからなる単位を、複数積層してなり、
前記未反応ガスセパレータ及び前記温湿度交換セル並びに前記既反応ガスセパレータの周縁部を貫通し前記未反応ガスセパレータに形成されたガス流路と連通するように形成され、前記未反応ガスを供給する未反応ガス供給マニホールドと、
前記ガス供給マニホールドと接続され、かつ前記未反応ガスセパレータ及び前記温湿度交換セル並びに前記既反応ガスセパレータの周縁部を貫通し前記未反応ガスセパレータに形成されたガス流路と連通するように形成され、前記未反応ガスを排出する未反応ガス排出マニホールドと、
前記ガス排出マニホールドと接続され、かつ前記未反応ガスセパレータ及び前記温湿度交換セル並びに前記既反応ガスセパレータの周縁部を貫通し前記既反応ガスセパレータに形成されたガス流路と連通するように形成され、前記既反応ガスを供給する既反応ガス供給マニホールドと、
前記未反応ガスセパレータ及び前記温湿度交換セル並びに前記既反応ガスセパレータの周縁部を貫通し前記既反応ガスセパレータに形成されたガス流路と連通するように形成され、前記既反応ガスを排出する既反応ガス排出マニホールドと、
を備えた温湿度交換手段と、
を具備した固体高分子型燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池スタックの前記単セル電池の積層方向と平行な外周面と、前記温湿度交換手段の前記温湿度交換セルの積層方向と直交する外周面とが当接するように配置し、
前記未反応ガス供給マニホールドと前記未反応ガス排出マニホールドは、前記未反応ガスセパレータに形成されたガス流路を介して接続し、前記既反応ガス供給マニホールドと前記既反応ガス排出マニホールドは、既反応ガスセパレータに形成されたガス流路を介して接続することを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
【請求項４】
固体高分子膜を電解質とする膜電極複合体を備え、前記膜電極複合体のその両面にガス流路が形成されたセパレータを含む単セル電池を、複数同一方向に積層してなり、前記各単セル電池の周縁部に貫通し、かつ前記各セパレータに形成されたガス流路と連通しガスを通すガス供給マニホールド及びガス排出マニホールドを備えた燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの反応部を通過した既反応ガスと、前記燃料電池スタックの反応部を通過する前の未反応ガスとの熱と水分の交換を行う温湿度交換セルと、ガス流路が形成された未反応ガスセパレータ及びガス流路が形成された既反応ガスセパレータとからなる単位を、複数積層してなり、
前記未反応ガスセパレータ及び前記温湿度交換セル並びに前記既反応ガスセパレータの周縁部を貫通し前記未反応ガスセパレータに形成されたガス流路と連通するように形成され、前記未反応ガスを供給する未反応ガス供給マニホールドと、
前記未反応ガスセパレータ及び前記温湿度交換セル並びに前記既反応ガスセパレータの周縁部を貫通し前記既反応ガスセパレータに形成されたガス流路と連通するように形成され、前記既反応ガスを排出する既反応ガス排出マニホールドと、
を備えた温湿度交換手段と、
を具備した固体高分子型燃料電池システムにおいて、
前記温湿度交換手段における温湿度交換セルの積層方向と、前記燃料電池スタックにおける単セル電池の積層方向が平行となるように当接配置し、かつ前記未反応ガス供給マニホールドと前記ガス供給マニホールドを前記未反応ガスセパレータに形成されたガス流路により直接接続し、前記ガス排出マニホールドと前記既反応ガス排出マニホールドを前記既反応ガスセパレータに形成されたガス流路により直接接続したことを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料電池スタックと、前記温湿度交換手段が、反応ガスまたは冷却媒体の流通孔を備えるプレートを介して一体化されることを特徴とする請求項２、３、４のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項６】
固体高分子膜を電解質とする膜電極複合体を備え、前記膜電極複合体のその両面にガス流路が形成されたセパレータを含む単セル電池を、複数同一方向に積層してなり、前記各単セル電池の周縁部に貫通し、かつ前記各セパレータに形成されたガス流路と連通しガスを通すガス供給マニホールド及びガス排出マニホールドを備えてなる燃料電池スタックを、複数個並設して一体化してなる燃料電池スタック群と、
前記燃料電池スタック群の反応部を通過した既反応ガスと、前記燃料電池スタック群の反応部を通過する前の未反応ガスとの熱と水分の交換を行う温湿度交換セルと、ガス流路が形成された未反応ガスセパレータ及びガス流路が形成された既反応ガスセパレータとからなる単位を、複数積層して一体化してなり、
前記未反応ガスセパレータ及び前記温湿度交換セル並びに前記既反応ガスセパレータの周縁部を貫通し前記未反応ガスセパレータに形成されたガス流路と連通するように形成され、前記未反応ガスを供給する未反応ガス供給マニホールドと、
前記未反応ガスセパレータ及び前記温湿度交換セル並びに前記既反応ガスセパレータの周縁部を貫通し前記未反応ガスセパレータに形成されたガス流路と連通するように形成され、前記未反応ガスを排出する未反応ガス排出マニホールドと、
前記未反応ガスセパレータ及び前記温湿度交換セル並びに前記既反応ガスセパレータの周縁部を貫通し前記既反応ガスセパレータに形成されたガス流路と連通するように形成され、前記既反応ガスを排出する既反応ガス排出マニホールドと、
前記未反応ガスセパレータ及び前記温湿度交換セル並びに前記既反応ガスセパレータの周縁部を貫通し前記既反応ガスセパレータに形成されたガス流路と連通するように形成され、前記既反応ガスを供給する既反応ガス供給マニホールドと、
を備えた温湿度交換手段と、
を具備した固体高分子型燃料電池システムにおいて、
前記温湿度交換手段における温湿度交換セルの積層方向は、前記燃料電池スタック群における単セル電池の積層方向とほぼ直角をなすと共に、前記複数個の燃料電池スタックの並設方向に対してほぼ平行となるようにし、かつ前記未反応ガス排出マニホールドと前記ガス供給マニホールド及び前記ガス排出マニホールドと前記既反応ガス供給マニホールドの間はそれぞれ連絡ダクトで連絡したことを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イオン伝導性を有する固体高分子を電解質とする固体高分子型燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高効率のエネルギー変換装置として、燃料電池が注目を集めている。電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いた燃料電池は、コンパクトな構造で高出力密度が得られ、かつ簡略なシステムで運転が可能なことから、宇宙用や電気自動車用などの電源として注目されている。
【０００３】
一般的な燃料電池システムは燃料としてメタン等の炭化水素またはメタノール等のアルコールを燃料とし、燃料を改質して水素リッチガスを生成する改質器、水素リッチガス中のＣＯを低減するシフト反応器および選択酸化器、酸化剤として空気を供給するコンプレッサー、電池反応による発熱を取り除く冷却系、そして燃料電池本体から構成されている。
【０００４】
燃料電池本体では、燃料ガスに含まれる水素から水素イオンが生成し、電解質膜内を伝導して酸化剤ガスに含まれる酸素と反応して水を生じる。その際に、水素の化学エネルギーの一部が直接電気エネルギーとして取り出される。
【０００５】
電解質膜は含水状態で良好な水素イオン伝導性を示す。このため、運転中は、電解質膜に水分を与えて含水状態に保つ加湿が不可欠である。加湿方法としては、反応ガスに予め水蒸気を添加する外部加湿方式、電池冷却水と未反応ガスを加湿膜を介して接触させ、電池冷却水の一部を未反応ガスに添加する間接内部加湿方式、電池冷却水を電池反応部の反応ガスに直接供給する直接内部加湿方式などが知られている。
【０００６】
一方、電池部を通過した既反応ガスと電池部を通過する前の未反応ガスを保水性多孔質体を介して接触させ、既反応ガスに含まれる水分を未反応ガスに添加する加湿方式が提案されている。この方式では、加湿用の水として既反応ガスに含まれる水分を利用するため、加湿用の水を予め用意する必要が無く、また冷却水も加湿用に用いないため、純水とする必要がない。このため、冷却水として不凍液を用いることで、水タンクを省略でき、氷点下でも凍結しないシステムを構成することができる。これは氷点下でも起動が要求される自動車のシステムに最適である。
【０００７】
図２１は、既反応酸化剤ガスの水分を用いて未反応酸化剤ガスを加湿する方式の従来の燃料電池システムを示す縦断面図である。燃料電池システムは、燃料電池スタック１と温湿度交換手段２０からなり、これらを構成している各構成要素の積層方向が同一となるように一体に形成され、各構成要素の板面に形成されているガス流路がいずれも垂直であって各積層方向が水平方向になるように配設されている。
【０００８】
燃料電池スタック１は、複数の単セル電池２が同一方向に積層された積層体（複数の単セル電池２が並設され、これらを一体に連結したもの）と、この積層体の軸方向両端部に配設されたエンドプレート３０とからなり、これらを一体に形成したものである。
【０００９】
温湿度交換手段２０は、複数の温湿度交換セル２１が同一方向に積層されたもの（複数の温湿度交換セル２１が並設され、これらを一体に連結したもの）と、この軸方向の一端部（燃料電池スタック１のエンドプレート３０と当接する部分とは反対側の部分）に配設されたエンドプレート３７とからなるものである。
【００１０】
各温湿度交換セル２１は、温湿度交換膜を構成する保水性多孔質体５１と、多孔質体５１の対向する面に夫々配設されたシールパッキン（図示せず）と、このシールパッキンの外側の側面に夫々当接される未反応酸化剤ガスセパレータ２２及び既反応酸化剤ガスセパレータ２３とからなり、各セパレータ２２，２３にはその肉厚方向に対して貫通するように未反応酸化剤ガス供給マニホールド２７、未反応酸化剤ガス排出マニホールド２８及び既反応酸化剤ガス供給マニホールド３６、既反応酸化剤ガス排出マニホールド３１が夫々形成され、各セパレータ２２，２３の板面にはガス流路（図示せす゛）が形成されている。さらに、エンドプレート３７には未反応酸化剤ガス入口４１及び既反応酸化剤ガス出口４２が形成され、その肉厚方向に対して貫通するように未反応酸化剤ガス供給マニホールド２７、既反応酸化剤ガス排出マニホールド３１が夫々形成されている。
【００１１】
各単セル電池２は高分子電解質膜（図示せず）と、この電解質膜の両板面に配設された燃料極（図示せず）及び酸化剤極（図示せず）からなる膜電極複合体３と、膜電極複合体３の燃料極及び酸化剤極の背面側に夫々配設されたシールパッキン（図示せず）と、この２枚のシールパッキンの背面側に配設されたセパレータ５から構成されている。各セパレータ５には、その肉厚方向に対して貫通するように電池酸化剤ガス供給マニホールド１２及び電池酸化剤ガス排出マニホールド１３並びに冷却水マニホールド（図示せず）が夫々形成され、かつその板面にはガス流路（図示せす゛）が形成されている。
【００１２】
エンドプレート３０の一方側（図右側）には、燃料入口４３と燃料出口４４が形成されると共に、例えば図８のセパレータ５と同様に構成され、その肉厚方向に対して貫通するように燃料供給マニホールド（燃料ガス供給マニホールド）６２及び燃料排出マニホールド（燃料ガス排出マニホールド）６４並びに冷却水マニホールド６３が夫々形成されている。エンドプレート３０の他方側（図左側）には、その肉厚方向に対して貫通するように電池酸化剤ガス供給マニホールド１２及び電池酸化剤ガス排出マニホールド１３が夫々形成されている。
【００１３】
このように構成された従来の燃料電池システムにおいて、エンドプレート３７の酸化剤ガス入口４１を経由して得られた、温湿度交換手段２０の未反応酸化剤ガス供給マニホールド２７に供給された未反応酸化剤ガス５３（図２１の実線の太さの実線矢印）は、未反応酸化剤ガスセパレータ２２に形成されたガス流路を通って未反応酸化剤ガス排出マニホールド２８に導かれ、排出マニホールド２８に導かれた未反応酸化剤ガス５３は、燃料電池スタック１に形成されている電池酸化剤ガス供給マニホールド１２と、セパレータ５に形成されているガス流路を通って電池酸化剤ガス排出マニホールド１３に導かれるが、このような経路を経ることにより電池酸化剤ガス排出マニホールド１３には既反応酸化剤ガス５２（図２１の実線の太さと同じ破線矢印）が導かれる。該既反応酸化剤ガス５２は温湿度交換手段２０の既反応酸化剤ガス排出マニホールド３１を通って未反応酸化剤ガス排出マニホールド２８を経由してエンドプレート３７の酸化剤ガス出口４２から排出される。
【００１４】
以上述べたことから温湿度交換セル２１は、未反応酸化剤ガスセパレータ２２および保水性多孔質体５１および既反応酸化剤ガスセパレータ２３で構成され、既反応酸化剤ガス供給マニホールド３６で分配された既反応酸化剤ガス５２に含まれる水分が保水性多孔質体５１に凝縮し、未反応酸化剤ガス５３中に蒸発して未反応酸化剤ガス５３に水分が添加される。
【００１５】
なお、燃料電池スタック１において、燃料ガスの流れは、図２１の細線の矢印のように流れ、又冷却剤の流れは実線の矢印のようになる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べた従来の燃料電池システムでは、温湿度交換セル２１と、単セル電池２が、同じ水平方向に積層されたものである。このため、温湿度交換セル２１を通過した未反応酸化剤ガス５３は、温湿度交換セル２１に対して直角に設けられた未反応酸化剤ガス供給マニホールド２７、未反応酸化剤ガス排出マニホールド２８を通って集められ、燃料電池スタック１内に同様に設けられた電池酸化剤ガス供給マニホールド１２を通って各単セル電池２に分配されることになる。
【００１７】
この場合、各温湿度交換セル２１および各単セル電池２に、未反応酸化剤ガス５３は均等に分配される必要があるので、未反応酸化剤ガス５３を分配するこれらのマニホールド２７、２８、３６、３１の断面積は、十分に大きい必要がある。このため、温湿度交換セル２１および単セル電池２において内部マニホールド、すなわち電池酸化剤ガス供給マニホールド１２、電池酸化剤ガス排出マニホールド１３が占める容積が大きくなってしまい、コンパクト性が失われるという問題がある。
【００１８】
さらに、図２２の酸化剤ガスの流れを示すように、温湿度交換手段２０内のマニホールド２７、２８、３６、３１、燃料電池スタック１内のマニホールド１２、１３が同じ方向に設けられて接続されるため、温湿度交換手段２０を通過した未反応酸化剤ガス５３が未反応酸化剤ガス排出マニホールド２８にて合流する際の合流圧力損失が生じ、同様に単セル電池２を通過した既反応酸化剤ガス５２が既反応酸化剤ガス供給マニホールド３６にて分配される際の分岐圧力損失が生じる。これらの分岐・合流圧力損失により、システム全体の酸化剤ガスの圧力損失が大きくなるという問題もあった。
【００１９】
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、既反応ガスを用いて保水性の多孔質体を介して未反応ガスを加湿する燃料電池システムにおいて、反応ガスの圧力損失を低減することができる固体高分子型燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、固体高分子膜を電解質とする膜電極複合体を備え、前記膜電極複合体のその両面にガス流路が形成されたセパレータを含む単セル電池を、複数同一方向に積層してなり、前記各単セル電池の周縁部に貫通し、かつ前記各セパレータに形成されたガス流路と連通しガスを通すガス供給マニホールド及びガス排出マニホールドを備えた燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの反応部を通過した既反応ガスと、前記燃料電池スタックの反応部を通過する前の未反応ガスとの熱と水分の交換を行う温湿度交換セルと、ガス流路が形成された未反応ガスセパレータ及びガス流路が形成された既反応ガスセパレータとからなる単位を、複数積層してなり、前記未反応ガスセパレータ及び前記温湿度交換セル並びに前記既反応ガスセパレータの周縁部を貫通し前記未反応ガスセパレータに形成されたガス流路と連通するように形成され、前記未反応ガスを供給する未反応ガス供給マニホールドと、前記未反応ガスセパレータ及び前記温湿度交換セル並びに前記既反応ガスセパレータの周縁部を貫通し前記既反応ガスセパレータに形成されたガス流路と連通するように形成され、前記既反応ガスを排出する既反応ガス排出マニホールドと、を備えた温湿度交換手段と、を具備した固体高分子型燃料電池システムにおいて、前記温湿度交換手段における各温湿度交換セルの積層方向を、前記燃料電池スタックにおける各単セル電池の積層方向に対してほぼ直角になるように前記燃料電池スタックと前記温湿度交換手段とを当接配置し、かつ前記未反応ガス供給マニホールドと前記ガス供給マニホールドを前記未反応ガスセパレータに形成されたガス流路により直接接続し、前記既反応ガス排出マニホールドと前記ガス排出マニホールドを前記既反応ガスセパレータに形成されたガス流路により直接接続することを特徴とする固体高分子型燃料電池システムである。
【００２１】
前記目的を達成するため、請求項２に対応する発明は、前記燃料電池スタックの前記単セル電池の積層方向に直交する外周面と、前記温湿度交換手段の前記温湿度交換セルの積層方向に平行な外周面とが当接するように配置したことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池システムである。
【００２２】
前記目的を達成するため、請求項３に対応する発明は、固体高分子膜を電解質とする膜電極複合体を備え、前記膜電極複合体のその両面にガス流路が形成されたセパレータを含む単セル電池を、複数同一方向に積層してなり、前記各単セル電池の周縁部に貫通し、かつ前記各セパレータに形成されたガス流路と連通しガスを通すガス供給マニホールド及びガス排出マニホールドを備えた燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの反応部を通過した既反応ガスと、前記燃料電池スタックの反応部を通過する前の未反応ガスとの熱と水分の交換を行う温湿度交換セルと、ガス流路が形成された未反応ガスセパレータ及びガス流路が形成された既反応ガスセパレータとからなる単位を、複数積層してなり、前記未反応ガスセパレータ及び前記温湿度交換セル並びに前記既反応ガスセパレータの周縁部を貫通し前記未反応ガスセパレータに形成されたガス流路と連通するように形成され、前記未反応ガスを供給する未反応ガス供給マニホールドと、前記ガス供給マニホールドと接続され、かつ前記未反応ガスセパレータ及び前記温湿度交換セル並びに前記既反応ガスセパレータの周縁部を貫通し前記未反応ガスセパレータに形成されたガス流路と連通するように形成され、前記未反応ガスを排出する未反応ガス排出マニホールドと、前記ガス排出マニホールドと接続され、かつ前記未反応ガスセパレータ及び前記温湿度交換セル並びに前記既反応ガスセパレータの周縁部を貫通し前記既反応ガスセパレータに形成されたガス流路と連通するように形成され、前記既反応ガスを供給する既反応ガス供給マニホールドと、
前記未反応ガスセパレータ及び前記温湿度交換セル並びに前記既反応ガスセパレータの周縁部を貫通し前記既反応ガスセパレータに形成されたガス流路と連通するように形成され、前記既反応ガスを排出する既反応ガス排出マニホールドと、を備えた温湿度交換手段と、を具備した固体高分子型燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックの前記単セル電池の積層方向と平行な外周面と、前記温湿度交換手段の前記温湿度交換セルの積層方向と直交する外周面とが当接するように配置し、前記未反応ガス供給マニホールドと前記未反応ガス排出マニホールドは、前記未反応ガスセパレータに形成されたガス流路を介して接続し、前記既反応ガス供給マニホールドと前記既反応ガス排出マニホールドは、既反応ガスセパレータに形成されたガス流路を介して接続することを特徴とする固体高分子型燃料電池システムである。
【００２３】
前記目的を達成するため、請求項４に対応する発明は、固体高分子膜を電解質とする膜電極複合体を備え、前記膜電極複合体のその両面にガス流路が形成されたセパレータを含む単セル電池を、複数同一方向に積層してなり、前記各単セル電池の周縁部に貫通し、かつ前記各セパレータに形成されたガス流路と連通しガスを通すガス供給マニホールド及びガス排出マニホールドを備えた燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの反応部を通過した既反応ガスと、前記燃料電池スタックの反応部を通過する前の未反応ガスとの熱と水分の交換を行う温湿度交換セルと、ガス流路が形成された未反応ガスセパレータ及びガス流路が形成された既反応ガスセパレータとからなる単位を、複数積層してなり、前記未反応ガスセパレータ及び前記温湿度交換セル並びに前記既反応ガスセパレータの周縁部を貫通し前記未反応ガスセパレータに形成されたガス流路と連通するように形成され、前記未反応ガスを供給する未反応ガス供給マニホールドと、前記未反応ガスセパレータ及び前記温湿度交換セル並びに前記既反応ガスセパレータの周縁部を貫通し前記既反応ガスセパレータに形成されたガス流路と連通するように形成され、前記既反応ガスを排出する既反応ガス排出マニホールドと、を備えた温湿度交換手段と、を具備した固体高分子型燃料電池システムにおいて、前記温湿度交換手段における温湿度交換セルの積層方向と、前記燃料電池スタックにおける単セル電池の積層方向が平行となるように当接配置し、かつ前記未反応ガス供給マニホールドと前記ガス供給マニホールドを前記未反応ガスセパレータに形成されたガス流路により直接接続し、前記ガス排出マニホールドと前記既反応ガス排出マニホールドを前記既反応ガスセパレータに形成されたガス流路により直接接続したことを特徴とする固体高分子型燃料電池システムである。
【００２４】
前記目的を達成するため、請求項５に対応する発明は、前記燃料電池スタックと、前記温湿度交換手段が、反応ガスまたは冷却媒体の流通孔を備えるプレートを介して一体化されることを特徴とする請求項２、３、４のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池システムである。
【００２５】
前記目的を達成するため、請求項６に対応する発明は、固体高分子膜を電解質とする膜電極複合体を備え、前記膜電極複合体のその両面にガス流路が形成されたセパレータを含む単セル電池を、複数同一方向に積層してなり、前記各単セル電池の周縁部に貫通し、かつ前記各セパレータに形成されたガス流路と連通しガスを通すガス供給マニホールド及びガス排出マニホールドを備えてなる燃料電池スタックを、複数個並設して一体化してなる燃料電池スタック群と、前記燃料電池スタック群の反応部を通過した既反応ガスと、前記燃料電池スタック群の反応部を通過する前の未反応ガスとの熱と水分の交換を行う温湿度交換セルと、ガス流路が形成された未反応ガスセパレータ及びガス流路が形成された既反応ガスセパレータとからなる単位を、複数積層して一体化してなり、前記未反応ガスセパレータ及び前記温湿度交換セル並びに前記既反応ガスセパレータの周縁部を貫通し前記未反応ガスセパレータに形成されたガス流路と連通するように形成され、前記未反応ガスを供給する未反応ガス供給マニホールドと、前記未反応ガスセパレータ及び前記温湿度交換セル並びに前記既反応ガスセパレータの周縁部を貫通し前記未反応ガスセパレータに形成されたガス流路と連通するように形成され、前記未反応ガスを排出する未反応ガス排出マニホールドと、前記未反応ガスセパレータ及び前記温湿度交換セル並びに前記既反応ガスセパレータの周縁部を貫通し前記既反応ガスセパレータに形成されたガス流路と連通するように形成され、前記既反応ガスを排出する既反応ガス排出マニホールドと、前記未反応ガスセパレータ及び前記温湿度交換セル並びに前記既反応ガスセパレータの周縁部を貫通し前記既反応ガスセパレータに形成されたガス流路と連通するように形成され、前記既反応ガスを供給する既反応ガス供給マニホールドと、を備えた温湿度交換手段と、を具備した固体高分子型燃料電池システムにおいて、前記温湿度交換手段における温湿度交換セルの積層方向は、前記燃料電池スタック群における単セル電池の積層方向とほぼ直角をなすと共に、前記複数個の燃料電池スタックの並設方向に対してほぼ平行となるようにし、かつ前記未反応ガス排出マニホールドと前記ガス供給マニホールド及び前記ガス排出マニホールドと前記既反応ガス供給マニホールドの間はそれぞれ連絡ダクトで連絡したことを特徴とする固体高分子型燃料電池システムである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００２８】
図１乃至図８は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システム（燃料電池システムと称する）の第１の実施形態を説明するための図である。図１は本発明に係る燃料電池システムの概略を示す斜視図であり、図２及び図３はそれぞれ図１のＡ─Ａ線及びＢ─Ｂ線に沿って切断した断面図であり、図４及び図５はそれぞれ図２のＣ─Ｃ線及びＤ─Ｄ線に沿って切断した断面図であり、図６及び図７は夫々図２及び図３の温湿度交換手段の詳細な構成を説明するための断面図であり、図８は単セル電池２のセパレータの正面図である。
【００２９】
本発明の第１の実施形態は、概略固体高分子型燃料電池スタック１と、温湿度交換手段２０とから構成されている点は、前述した従来の技術と同じであるが、異なる点は、概略温湿度交換手段２０の構成である。
【００３０】
以下これらの構成について説明する。燃料電池スタック１は、同一形状の単セル電池２を複数個（ここでは３個のみを示している）が水平方向［後述する単セル電池２を構成する膜電極複合体３、セパレータ５の板面に夫々形成されているガス流路が垂直であって、各構成要素の平行並置方向（積層方向）が水平方向］に平行並置され、かつ並設方向の両端部にエンドプレート３０が配設され、これらが一体化されている。各単セル電池２は概ね膜電極複合体３と、膜電極複合体３を挟むように膜電極複合体３の両側に対向配置されると共に、所定の位置（詳細については後述する）を除き燃料並びに電池酸化剤ガスをシールするためのシールパッキン４と、両シールパッキン４をそれぞれ挟むように配設されるセパレータ５とが一体化されている。
【００３１】
セパレータ５は、図８に示すように、外形が矩形状の板体の対向する板面に夫々水平方向に複数の酸化剤ガス流路６０が形成され、またその板体の周縁部であって、図の左側端部に該板体の肉厚方向に貫通するように電池酸化剤ガス排出マニホールド１３が形成され、又図の右側端部に該板体の肉厚方向に貫通するように電池酸化剤ガス供給マニホールド１２が形成され、さらに図の上側端部に該板体の肉厚方向に貫通するように複数の冷却水マニホールド６１及び燃料供給マニホールド６２が形成され、又図の下側端部に該板体の肉厚方向に貫通するように複数の冷却水マニホールド６３及び燃料排出マニホールド６４が形成されている。
【００３２】
エンドプレート３０のうち、図１と図２及び図３の右側端部に配置されているものには、燃料入口４３と燃料出口４４及び冷却剤出口４５並びに冷却剤入口（図示せず）が形成されている。そして、残りのエンドプレート３０には、電池酸化剤ガス供給マニホールド１２及び電池酸化剤ガス排出マニホールド１３が形成されている。
【００３３】
各膜電極複合体３は、夫々高分子電解質膜６と燃料極７及び酸化剤極８とからなり、これらにより反応ガスを反応させる反応部を構成するものであって、高分子電解質膜６は長方形状であって、燃料極７及び酸化剤極８は電解質膜６の対向する板面にそれぞれ配設されている。
【００３４】
温湿度交換手段２０は、燃料電池スタック１と、燃料電池スタック１の反応部を通過した既反応ガスと、燃料電池スタック１の反応部を通過する前の未反応ガスとの熱と水分の交換を行うためのものである。
【００３５】
温湿度交換手段２０は、同一形状の複数の温湿度交換セル２１と、未反応酸化剤ガスセパレータ２２と、既反応酸化剤ガスセパレータ２３及び２枚の水平エンドプレート３２と、エンドプレート３７からなっている。
【００３６】
未反応酸化剤ガスセパレータ２２は、板状部材であって対向する板面に夫々網（メッシュ）状のガス流路２２ａが形成され、かつ一端部（後述するエンドプレート３７が当接する部分）近くにはその肉厚方向に貫通するように未反応酸化剤ガス供給マニホールド２７が形成されている。
【００３７】
既反応酸化剤ガスセパレータ２３は、板状部材であって対向する板面に夫々網（メッシュ）状のガス流路２３ａが形成され、かつ一端部（後述するエンドプレート３７が当接する部分）近くには肉厚方向に貫通するように未反応酸化剤ガス供給マニホールド２７が形成されている。
【００３８】
温湿度交換セル２１は、未反応酸化剤ガスセパレータ２２と既反応酸化剤ガス供給マニホールドセパレータ２３の間に配設され、保水性多孔質体からなる温湿度交換膜２４と、この対向する面に夫々配設されるシールパッキン２５からなり、シールパッキン２５と温湿度交換膜２４の一端部（後述するエンドプレート３７が当接する部分）近くには肉厚方向に貫通するように未反応酸化剤ガス供給マニホールド２７及び既反応酸化剤ガス排出マニホールド３１が形成されている。
【００３９】
以上述べた温湿度交換セル２１と、未反応酸化剤ガスセパレータ２２と、既反応酸化剤ガスセパレータ２３が、図のように交互に配置され、これによって得られる温湿度交換手段本体は、２枚の水平エンドプレート３２の間に配設される。
【００４０】
エンドプレート３７は、温湿度交換手段本体の側面に当接され、酸化剤ガスが導入できるように未反応酸化剤ガス入口４１と、又酸化剤ガスが排出できるように既反応酸化剤ガス出口４２が形成されている。
【００４１】
第１の実施形態では、温湿度交換セル２１を、単セル電池２の平行並置方向（積層方向）に対してほぼ直角つまり水平方向に平行になるように積層し、温湿度交換手段２０の側面が、燃料電池スタック１の平行並置方向の端面（積層面）に接するように配置したものである。また、温湿度交換セル２１の未反応酸化剤ガスセパレータ２２および図示しない既反応酸化剤ガスセパレータ２３には、未反応酸化剤ガス供給マニホールド２７および既反応酸化剤ガス排出マニホールド３１を設け、従来設けていた未反応酸化剤排出マニホールド２８及び既反応酸化剤供給マニホールド３６を省略したものである。
【００４２】
図２において、未反応酸化剤ガスは、温湿度交換手段２０のエンドプレート３７の側面に設けられた酸化剤ガス入口４１より供給され、温湿度交換手段２０の上下に連通する未反応酸化剤ガス供給マニホールド２７によって各温湿度交換セル２１に分配される。温湿度交換セル２１では、未反応酸化剤ガスセパレータ２２の表面に形成されているガス流路を通り、既反応酸化剤ガスに含まれる水分の一部が添加される。
【００４３】
図３において、水分が添加された未反応酸化剤ガスは燃料電池スタック１の電池酸化剤ガス供給マニホールド１２を垂直に通って、各単セル電池２に供給される。
【００４４】
単セル電池２から排出された既反応酸化剤ガスは、燃料電池スタック１の電池酸化剤ガス排出マニホールド１３を通って集められ、温湿度交換手段２０に供給される。
【００４５】
図９の酸化剤ガスの流れを示すように、未反応酸化剤ガス供給マニホールド２７により各未反応酸化剤ガスセパレータ２２に分配された未反応酸化剤ガスは、水分が添加された後、直接電池酸化剤ガス供給マニホールド１２に供給される。この結果、合流損失による圧力損失がないため、全体の圧力損失の低減が可能になる。同様に、電池酸化剤ガス排出マニホールド１３で回収された既反応酸化剤ガスは、直接各既反応酸化剤ガスセパレータ２３に供給され、分岐損失による圧力損失がないため、全体の圧力損失の低減が可能となる。
【００４６】
このことは、次のような実験結果からも明らかである。出力１０ｋＷの従来の燃料電池システムと本実施形態の燃料電池システムを試作し、出力１０ｋＷ相当の空気を酸化剤ガスとして供給し、それぞれ空気の圧力損失を測定した。その結果、従来の燃料電池システムでは３０ｋＰａの圧力損失であったが、本実施形態では２５ｋＰａの圧力損失に低減した。
【００４７】
このように、各単セル電池２の平行並置方向に対して、温湿度交換膜２４とシールパッキン２５からなる温湿度交換セル２１をほぼ直角で水平方向に積層することで、従来設けていた未反応酸化剤ガス排出マニホールド２８及びを省略でき、酸化剤ガスの圧力損失を低減できる。
【００４８】
なお、燃料電池スタック１の燃料入口４３から入力された燃料は、燃料供給マニホールド６２を経て燃料排出マニホールド６４を経て燃料出口４４から排出され、又冷却剤は冷却剤入口（図示せず）を経て、冷却水マニホールド６１、６３を経て冷却剤出口４５より排出されることは、前述した従来の技術と同様であるる。
【００４９】
図１０乃至図１２は本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第２の実施形態を説明するための図である。図１０は本発明に係る燃料電池システムの概略を示す斜視図であり、前述の第１の実施形態とほぼ同様に構成された、燃料電池スタック１の上面、すなわち単セル電池２の並設方向とは直交する面に前述の第１の実施形態とほぼ同様に構成された温湿度交換手段２０を配設した点が、第１の実施形態と異なる点である。
【００５０】
温湿度交換手段２０は、水平に配設される２枚の水平エンドプレート３２の間に、各温湿度交換セル２１を未反応酸化剤ガスセパレータ２２と既反応酸化剤ガスセパレータ２３を交互に積層したものである。各温湿度交換セル２１は、保水性多孔質体からなる温湿度交換膜２４と、これを挟むように設けられたシールパッキン２５からなり、既反応酸化剤ガスと未反応酸化剤ガスを温湿度交換膜２４を介して接触させ、既反応酸化剤ガスに含まれる水分を未反応酸化剤ガスに添加するものである。
【００５１】
燃料電池スタック１は、膜電極複合体３とセパレータ５からなる単セル電池２が複数水平方向に並設され、この並設方向の両端部にエンドプレート３０を配設し、これらを一体化したものである。このうちのセパレータ５は図１１のようにセパレータ５を構成する板体板面の左右の周縁部に夫々上下方向の電池酸化剤ガス供給マニホールド１２Ａ及び電池酸化剤ガス排出マニホールド１３Ａが形成され、これ以外に板体板面に酸化剤ガス流路６０と、冷却水マニホールド６１、６３と、燃料供給マニホールド６２と、燃料排出マニホールド６４が形成されている点は、第１の実施形態と同様である。
【００５２】
図１２は、図１０の温湿度交換セル２１の未反応酸化剤ガスセパレータ２２を説明するための図である。未反応酸化剤ガスセパレータ２２には、該板体中央に対角線方向に形成されている酸化剤ガス流路１５と、未反応酸化剤ガス供給マニホールド２７、未反応酸化剤ガス排出マニホールド２８、既反応酸化剤ガス供給マニホールド３６、既反応酸化剤ガス排出マニホールド３１が設けられている。
【００５３】
未反応酸化剤ガス供給マニホールド２７は、酸化剤ガス入口４１と連通しており、酸化剤ガスが供給され、酸化剤ガス流路１５を通って未反応酸化剤ガス排出マニホールド２８へ対角線方向に流れる。
【００５４】
図１１は図１０のＥ─Ｅ線に沿って切断した断面図である。燃料電池スタックを構成するセパレータ５には、燃料供給マニホールド６２、燃料排出マニホールド６４、冷却水マニホールド６１，６３、電池酸化剤ガス供給マニホールド１２Ａ、電池酸化剤ガス排出マニホールド１３Ａが設けられている。燃料供給マニホールド６２、燃料排出マニホールド６４は、図示しないセパレータ５の裏面の燃料ガス流路と連通しており、燃料ガスが供給される。
【００５５】
電池酸化剤ガス供給マニホールド１２Ａ、電池酸化剤ガス排出マニホールド１３Ａは、酸化剤ガス流路６０と連通していて、酸化剤ガスが膜電極複合体３に供給される。電池酸化剤ガス供給マニホールド１２Ａ、電池酸化剤ガス排出マニホールド１３Ａは、上部に積層された温湿度交換手段２０の未反応酸化剤ガス排出マニホールド２８および既反応酸化剤ガス供給マニホールド３６にそれぞれ連通しており、温湿度交換手段２０にて水分が添加された未反応酸化剤ガスが燃料電池スタック１に供給され、燃料電池スタック１から排出された既反応酸化剤ガスが温湿度交換手段２０に供給される。
【００５６】
図１３は第２の実施形態の固体高分子型燃料電池システムの酸化剤ガスの流れを説明するための図である。この図に示すように、未反応酸化剤ガスは未反応酸化剤ガス排出マニホールド２８を通り、連通している電池酸化剤ガス供給マニホールド１２の横から導入される。このため、連通部分の右半分では合流及び分岐損失を生じることなく、各単セル電池２に供給されるため、圧力損失の低減が可能となる。同様に、既反応酸化剤ガスの流れにおいても、連通部分の右半分では合流及び分岐損失を生じさせることなく、各単セル電池２から排出され、既反応酸化剤ガス供給マニホールド３６に供給されるため、圧力損失の低減が可能となる。
【００５７】
このことは次のことからも明らかである。出力１０ｋＷの従来の燃料電池システムと、第２の実施形態の燃料電池システムを試作し、出力１０ｋＷ相当の空気を酸化剤ガスとして供給し、それぞれ空気の圧力損失を測定した。従来の燃料電池システムでは３０ｋＰａの圧力損失であったが、第２の実施形態では２３ｋＰａの圧力損失に低減した。
【００５８】
このように、水平面に複数の単セル電池２をの並設方向の上面に温湿度交換セル２１を垂直となるように積層することで、酸化剤ガスを燃料電池スタック１の断面方向に供給・排出することができ、酸化剤ガスの圧力損失を低減できる。
【００５９】
図１４乃至図１６は本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第３の実施形態を説明するための図である。図１４は本発明に係る燃料電池システムの概略を示す斜視図である。燃料電池システムは、同一形状の単セル電池２が複数平行並置され、かつ一体に構成された燃料電池スタック１と、既反応酸化剤ガスと未反応酸化剤ガスを温湿度交換膜２４を介して接触させ、既反応酸化剤ガスに含まれる水分を未反応酸化剤ガスに添加する温湿度交換セル２１を、複数平行並置し一体化した温湿度交換手段２０で構成される。温湿度交換セル２１は、未反応酸化剤ガスセパレータおよび図示しない保水性多孔質体および図示しない既反応酸化剤ガスセパレータ２２で構成される。
【００６０】
第３の実施形態では、温湿度交換手段２０の平行並置方向と燃料電池スタック１の平行並置方向が平行、すなわち同一形状の温湿度交換セル２１が複数平行並置方向とは直角の一方の側面を、単セル電池２の平行並置方向とはほぼ直角の一方の側面とほぼ直角な平行になるように並置し、温湿度交換手段２０の側面が、燃料電池スタック１の側面に接するように配置した。
【００６１】
図１５は図１４のＦ─Ｆ線に沿って切断した断面図であり、図１６は図１５のＧ─Ｇ線に沿って切断した断面図である。燃料電池スタック１を構成するセパレータ５には、燃料供給マニホールド６２、燃料排出マニホールド６４、冷却水マニホールド６１、６３、電池酸化剤ガス供給マニホールド１２Ａ、電池酸化剤ガス排出マニホールド１３Ａが設けられている。燃料供給マニホールド６２、燃料排出マニホールド６４は、セパレータ５の裏面の図示しない燃料ガス流路と連通しており、燃料ガスが供給される。
【００６２】
電池酸化剤ガス供給マニホールド１２Ａ、電池酸化剤ガス排出マニホールド１３Ａは、酸化剤ガス流路６０と連通していて、酸化剤ガスが膜電極複合体３に供給される。電池酸化剤ガス供給マニホールド１２Ａ、電池酸化剤ガス排出マニホールド１３Ａは、上部に配置された温湿度交換手段２０の未反応酸化剤ガスセパレータ２２および既反応酸化剤ガスセパレータ２３にそれぞれ連通しており、温湿度交換手段２０にて水分が添加された未反応酸化剤ガスが燃料電池スタック１に供給され、燃料電池スタック１から排出された既反応酸化剤ガスが温湿度交換手段２０に供給される。
【００６３】
未反応酸化剤ガスセパレータ２２には、板体中央の酸化剤ガス流路６０と、未反応酸化剤ガス供給マニホールド２７、既反応酸化剤ガス排出マニホールド３１が設けられている。未反応酸化剤ガス排出マニホールドおよび既反応酸化剤ガス供給マニホールドは省略されている。未反応酸化剤ガス供給マニホールド２７は、酸化剤ガス入口４１と連通しており、酸化剤ガスが供給され、板体板面に形成されている酸化剤ガス流路１５を通って未反応酸化剤ガス排出マニホールドへ対角線方向に流れる。
【００６４】
図１７は、第３の実施形態の固体高分子型燃料電池システムの酸化剤ガスの流れを説明するための図である。この図から明らかなように、未反応酸化剤ガスは、未反応酸化剤ガスセパレータ２２の未反応酸化剤ガス供給マニホールド２７を通り、連通している電池酸化剤ガス供給マニホールド１２Ａの横から導入される。このため、合流及び分岐損失を生じることなく各単セル電池２に供給されるため、圧力損失の低減が可能となる。
【００６５】
同様に、既反応酸化剤ガスの流れにおいても、各単セル電池２から電池酸化剤ガス排出マニホールド１３Ａを通り、既反応酸化剤ガスセパレータ２３の既反応酸化剤ガス排出マニホールド３１に導入される。このため、合流及び分岐損失を生じることなく各単セル電池から排出され、既反応酸化剤ガスセパレータ２３に供給されるため、圧力損失の低減が可能となる。
【００６６】
出力１０ｋＷの従来の燃料電池システムと本発明の第３の実施形態の燃料電池システムを試作し、出力１０ｋＷ相当の空気を酸化剤ガスとして供給し、それぞれ空気の圧力損失を測定した。従来の燃料電池システムでは３０ｋＰａの圧力損失であったが、本実施の形態では２３ｋＰａの圧力損失に低減した。
【００６７】
このように、温湿度交換セル２１を単セル電池２の平行並置方向と平行になるように並置し、温湿度交換手段２０の平行並置方向とはほぼ直角な一方の側面と燃料電池スタック１の平行並置方向とはほぼ直角な一方の側面とを当接（一致）させることで、未反応酸化剤ガス排出マニホールドと既反応酸化剤ガス供給マニホールドを省略でき、酸化剤ガスを電池酸化剤ガス供給マニホールド１２Ａ、電池酸化剤ガス排出マニホールド１３Ａの断面と平行に流すことができて、酸化剤ガスの圧力損失を低減できる。
【００６８】
図１８乃至図２０は本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第４の実施形態を説明するための図である。図１８は本発明に係る燃料電池システムの概略を示す斜視図であり、図１９は図１８の横断面図であり、図２０は図１８の未反応酸化剤ガスセパレータ及び既反応酸化剤ガスセパレータを説明するための図である。
【００６９】
燃料電池システムは同一形状の単セル電池が複数平行並置され、かつ一体化された燃料電池スタック１と、既反応酸化剤ガスと未反応酸化剤ガスを保水性多孔質体を介して接触させ、既反応酸化剤ガスに含まれる水分を未反応酸化剤ガスに添加する同一形状の温湿度交換セル２１を、複数平行並置し、一体化した温湿度交換手段２０で構成される。温湿度交換セル２１は、未反応酸化剤ガスセパレータおよび図示しない保水性多孔質体および図示しない既反応酸化剤ガスセパレータで構成される。
【００７０】
本実施形態では、４個の燃料電池スタック１に対し、１個の温湿度交換手段２０を配設し、温湿度交換セル２１を、単セル電池２の平行並置方向と直角、具体的には単セル電池２の平行並置方向とはほぼ直角な一方の側面と温湿度交換セル２１の一方の側面が当接（一致）するように配置したものである。
【００７１】
未反応酸化剤ガスセパレータ２２には、板体板面中央の酸化剤ガス流路１５と、未反応酸化剤ガス供給マニホールド２７、既反応酸化剤ガス排出マニホールド３１、未反応酸化剤ガス排出マニホールド２８および既反応酸化剤ガス供給マニホールド３６が設けられている。
【００７２】
未反応酸化剤ガス供給マニホールド２７は、酸化剤ガス入口４１と連通しており、酸化剤ガスは未反応酸化剤ガス供給マニホールド２７を介して各未反応酸化剤ガスセパレータ２２に供給され、酸化剤ガス流路１５を通って水分を添加された後、未反応酸化剤ガス排出マニホールド２８へ対角線方向に流れる。
【００７３】
複数の温湿度交換セル２１のうち、一部の温湿度交換セル２１の未反応酸化剤ガスセパレータの未反応酸化剤ガス排出マニホールド２８に切欠が設けられ、連絡ダクト６６を介して、燃料電池スタック１の電池酸化剤ガス供給マニホールド１２と連通している。
【００７４】
既反応酸化剤ガスセパレータ２３には、板体板面の中央のガス流路１５と、未反応酸化剤ガス供給マニホールド２７、既反応酸化剤ガス排出マニホールド３１、未反応酸化剤ガス排出マニホールド２８および既反応酸化剤ガス供給マニホールド３６が設けられている。
【００７５】
既反応酸化剤ガス排出マニホールド３１は、酸化剤ガス出口４２と連通しており、酸化剤ガスは既反応酸化剤ガス排出マニホールド３１を介して各既反応酸化剤ガスセパレータ２３から集められ、排出される。
【００７６】
複数の温湿度交換セル２１のうち、一部の温湿度交換セル２１の既反応酸化剤ガスセパレータ２３の既反応酸化剤ガス供給マニホールド３６に切欠が設けられ、連絡ダクト６６を介して、燃料電池スタック１の電池酸化剤ガス排出マニホールド１３と連通している。
【００７７】
温湿度交換手段２０の未反応酸化剤ガス供給マニホールド２７、未反応酸化剤ガス排出マニホールド２８は、各温湿度交換セル２１への酸化剤ガスの分配・回収の機能を持つだけでなく、４個の燃料電池スタック１の酸化剤ガス流路１５への分配マニホールドの機能も備えている。このため、各燃料電池スタック１への分配マニホールドを設ける必要がなく、圧力損失の低減が可能となる。
【００７８】
同様に既反応酸化剤ガス供給マニホールド３６、既反応酸化剤ガス排出マニホールド３１は、各温湿度交換セル２１への酸化剤ガスの分配・回収の機能を持つだけでなく、４個の燃料電池スタック１の酸化剤ガス流路の集合マニホールドの機能も備えている。このため、各燃料電池スタック１への集合マニホールドを設ける必要がなく、圧力損失の低減が可能となる。
【００７９】
このことは次のことからも明らかである。出力１０ｋＷの従来の燃料電池システムを４個用いた燃料電池システムと本実施の形態の燃料電池システムを試作し、出力４０ｋＷ相当の空気を酸化剤ガスとして供給し、それぞれ空気の圧力損失を測定した。従来の燃料電池システムでは３５ｋＰａの圧力損失であったが、本実施の形態では２８ｋＰａの圧力損失に低減できた。
【００８０】
このように、複数個の燃料電池スタック１に対して１個の温湿度交換手段２０を配し、温湿度交換セル２１を単セル電池２の平行並置方向と垂直になるように積層し、温湿度交換手段２０の側面と燃料電池スタック１の表面を一致させることで、燃料電池スタック１の酸化剤ガスの集合・分配マニホールドを省略でき、酸化剤ガスの圧力損失を低減できる。
【００８１】
【発明の効果】
以上述べた本発明によれば、既反応ガスを用いて保水性の多孔質体を介して未反応ガスを加湿する燃料電池システムにおいて、反応ガスの圧力損失を低減することができる固体高分子型燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体高分子型燃料電池システムに係る第１の実施形態を説明するための斜視図。
【図２】図１のＡ─Ａ線に沿って切断した断面図。
【図３】図１のＢ─Ｂ線に沿って切断した断面図。
【図４】図２のＣ─Ｃ線に沿って切断した断面図。
【図５】図２のＤ─Ｄ線に沿って切断した断面図。
【図６】図２の温湿度交換手段を詳細に示す断面図。
【図７】図３の温湿度交換手段を詳細に示す断面図。
【図８】図１の単セル電池のセパレータを説明するための正面図。
【図９】第１の実施形態の固体高分子型燃料電池システムの酸化剤ガスの流れを説明するための図。
【図１０】本発明の固体高分子型燃料電池システムに係る第２の実施形態を説明するための斜視図。
【図１１】図６のＥ─Ｅ線に沿って切断した断面図。
【図１２】図６及び図７の未反応酸化剤ガスセパレータを説明するための図。
【図１３】第２の実施形態の固体高分子型燃料電池システムの酸化剤ガスの流れを説明するための図。
【図１４】本発明の固体高分子型燃料電池システムに係る第３の実施形態を説明するための斜視図。
【図１５】図１４のＦ─Ｆ線に沿って切断した断面図。
【図１６】図１５のＧ─Ｇ線に沿って切断した断面図。
【図１７】第３の実施形態の固体高分子型燃料電池システムの酸化剤ガスの流れを説明するための図。
【図１８】本発明の固体高分子型燃料電池システムに係る第４の実施形態を説明するための斜視図。
【図１９】図１８の横断面図。
【図２０】図１９の未反応酸化剤ガスセパレータ及び既反応酸化剤ガスセパレータを説明するための断面図。
【図２１】従来の固体高分子型燃料電池システムの一例を示す縦断面図。
【図２２】図２１の酸化剤ガスの流れを説明するための図。
【符号の説明】
１…固体高分子型燃料電池スタック
２…単セル電池
３…膜電極複合体
４…シールパッキン
５…セパレータ
６…高分子電解質膜
７…燃料極
８…酸化剤極
１２…電池酸化剤ガス供給マニホールド
１２Ａ…電池酸化剤ガス供給マニホールド
１３…電池酸化剤ガス排出マニホールド
１３Ａ…電池酸化剤ガス排出マニホールド
１５…酸化剤ガス流路
２０…温湿度交換手段
２１…温湿度交換セル
２２…未反応酸化剤ガスセパレータ
２２ａ…ガス流路
２３…既反応酸化剤ガスセパレータ
２３ａ…ガス流路
２４…温湿度交換膜
２５…シールパッキン
２７…未反応酸化剤ガス供給マニホールド
２８…未反応酸化剤ガス排出マニホールド
３０…エンドプレート
３１…既反応酸化剤ガス排出マニホールド
３２…水平エンドプレート
３５…既反応酸化剤ガス供給マニホールド
３６…既反応酸化剤ガス供給マニホールド
３７…エンドプレート
４１…未反応酸化剤ガス入口
４２…既反応酸化剤ガス出口
４２…酸化剤ガス出口
４３…燃料入口
４４…燃料出口
４５…冷却剤出口
５１…保水性多孔質体
５１…多孔質体
５２…既反応酸化剤ガス
５３…未反応酸化剤ガス
６０…酸化剤ガス流路
６１…冷却水マニホールド
６２…燃料供給マニホールド
６３…冷却水マニホールド
６４…燃料排出マニホールド
６６…連絡ダクト
【図１】
0004737874.tif 000002
【図２】
0004737874.tif 000003
【図３】
0004737874.tif 000004
【図４】
0004737874.tif 000005
【図５】
0004737874.tif 000006
【図６】
0004737874.tif 000007
【図７】
0004737874.tif 000008
【図８】
0004737874.tif 000009
【図９】
0004737874.tif 000010
【図１０】
0004737874.tif 000011
【図１１】
0004737874.tif 000012
【図１２】
0004737874.tif 000013
【図１３】
0004737874.tif 000014
【図１４】
0004737874.tif 000015
【図１５】
0004737874.tif 000016
【図１６】
0004737874.tif 000017
【図１７】
0004737874.tif 000018
【図１８】
0004737874.tif 000019
【図１９】
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【図２０】
0004737874.tif 000021
【図２１】
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【図２２】
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