(57)【要約】    【課題】  セルに不具合が生じた際に、燃料電池全体を分解する必要がなく、不具合を生じたセルを有するセルユニットのみを交換することができ、必要最低限の分解・組み付け作業で済むと共に、構造が簡略化した燃料電池を提供する。    【解決手段】  セル積層方向に貫通する貫通孔２０が略中央部に形成された単セル１０を複数積層してなるセルユニット３０を有し、２本のセルユニット３０の貫通孔２０を連通し、連通された貫通孔２０に前記反応ガスを流通させるＵ字型パイプ４０を介して、当該２本のセルユニット３０を接続すると共に、接続されたセルユニット３０を着脱可能に支持することにより、複数のセルユニット３０を並列配置した燃料電池１である。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セル積層方向に貫通する貫通孔が略中央部に形成され、当該貫通孔が反応ガスの流路となる筒状セルユニットを複数並列配置してなる燃料電池であって、
略Ｕ字型の連通部材により、少なくとも２本の筒状セルユニットの貫通孔を連通して一体化し、それを着脱可能に支持してなる燃料電池。
【請求項２】
前記筒状セルユニットは、セル積層方向に貫通する貫通孔が略中央部に形成された単セルを複数積層してなる請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記接続されたセルユニットの自由端側を、反応ガス供給・排出部により支持してなる請求項１または請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記連通部材を、着脱可能に支持する支持部材をさらに備えた請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記支持部材がエンドプレートからなる請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
前記支持部材が、連結部材毎に個別に設けた小ブロックと、当該小ブロックを支持するフレームと、を備えた請求項４または請求項５記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池にかかり、特に、単セルを複数積層してなる筒状のセル積層体を、複数並設してなる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の円筒状の固体電解質型燃料電池として、電解質膜を筒状にし、その内面及び外面に各電極を設けた円筒状の単セルを複数積層したものがある。このような円筒状の固体電解質型燃料電池としては、例えば、電解質膜を挟んで電極を設けた円筒状の単セルを有する複数のスタックを有し、当該スタックからの電力取り出し用の一対のリードのうちの一方が、このスタックの一端部側外面に接続して設けられ、かつ前記リードのうちの他方が、スタックの他端部の内面に接続されると共に、そのスタックの内部を通って前記一端部側に引き出されており、前記単セル内に水素ガスの供給路及び排出路を形成した構造を備えたものがある。（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、外側から順に酸化剤極、電解質膜、燃料極を有し、基端部が開放され、酸化剤極の先端部を径方向内方へ延ばしてＵ字状に閉鎖した円筒状をなす円筒形セルを備えた固体電解質型燃料電池も紹介されている。（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
さらにまた、多層円筒状に積層された酸化剤極、電解質膜、燃料極を有し、一端が開口端とされた円筒状セルと、前記円筒状セルの開口端側に固定され、前記開口端から排出される空気と未反応の燃料ガスとを燃焼させる燃焼室と燃料ガスが充填されている反応室とを分ける仕切り部材と、を有し、前記仕切り部材が燃料ガスを反応室から燃焼室へ通気させる通気孔を有し、かつ前記開口端が仕切り部材の反応室側に奥まって位置している円筒状の固体電解質型燃料電池も紹介されている。（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特開平６−２０３８６９号公報
【特許文献２】特開平１１−１０２７１６号公報
【特許文献３】特開平１１−１６２４９９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前述した従来の燃料電池は、ガス供給路やガス排出路の構造が複雑であるため、加工に手間がかかり、組み付け作業も大変である。したがって、製造コストがかかると共に、小型化することが困難である。また、一部のセルが不具合を起こした場合、その不具合が生じたセルユニットのみを交換することができず、燃料電池全体を分解して修理しなければならないという問題もある。
【０００６】
本発明は、このような従来の問題点を解決することを課題とするものであり、セルに不具合が生じた際に、燃料電池全体を分解する必要がなく、不具合を生じたセルを有するセルユニットのみを交換することができ、必要最低限の分解・組み付け作業で済むと共に、構造が簡略化した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】
【０００７】
この目的を達成するため、本発明は、セル積層方向に貫通する貫通孔が略中央部に形成され、当該貫通孔が反応ガスの流路となる筒状セルユニットを複数並列配置してなる燃料電池であって、略Ｕ字型の連通部材により、少なくとも２本の筒状セルユニットの貫通孔を連通して一体化し、それを着脱可能に支持してなる燃料電池を提供するものである。
【０００８】
この構成を備えた燃料電池は、連通部材によって接続されたセルユニットを通過する反応ガスの流路が１本となるため、構造を簡略化することができる。また、前記セルユニットは着脱可能に支持されているため、仮にセルに不具合が生じた場合であっても、燃料電池全体を分解する必要がなく、不具合を生じたセルを有するセルユニットのみを交換することができる。
【０００９】
前記筒状セルユニットは、セル積層方向に貫通する貫通孔が略中央部に形成された単セルを複数積層した構成であってもよい。また、前記筒状セルユニットは、各部材を筒状に同心配置した構成を備えていてもよい。
【００１０】
また、本発明にかかる燃料電池は、前記接続されたセルユニットの自由端側を、反応ガス供給・排出部により支持することもできる。このように構成することで、反応ガス供給・排出部が、反応ガスの供給及び排出をすると共に、セルユニットの各自由端を支持する機能を兼ね備えるため、セルユニットの各自由端を着脱可能に支持する部材を別体として設ける必要がない。したがって、さらに小型化を達成することができると共に、構造をより簡略化することができる。
【００１１】
そしてまた、本発明にかかる燃料電池は、前記連通部材を、着脱可能に支持する支持部材をさらに備えることもできる。この支持部材は、エンドプレートから構成することもできる。このようにすることで、前記利点に加え、連通部材を着脱可能に支持する部材を別体として設ける必要がない。したがって、さらに小型化を達成することができると共に、構造をより簡略化することができる。
【００１２】
そしてまた、前記支持部材は、連結部材毎に個別に設けた小ブロックと、当該小ブロックを支持するフレームと、から構成することもできる。このようにすることで、連結部材で接続されたセルユニット毎に、さらに簡単に交換することができる。
【００１３】
なお、本発明でいう「筒状のセルユニット」とは、セル積層方向に貫通する貫通孔が略中央部に形成された単セルを複数積層することで形成され、且つ当該貫通孔が反応ガスの流路となるセルユニットのことであり、セルの積層方向に略垂直な断面形状は、何ら限定されるものではない。したがって、セルの積層方向に略垂直な断面形状は、円形、多角形等、任意に選択することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明にかかる燃料電池は、連通部材によって接続されたセルユニットが着脱可能に支持された構成を備えているため、構造が簡単であると共に、仮にセルに不具合が生じた際には、燃料電池全体を分解することなく、不具合が生じたセルユニットのみを交換するという必要最低限の分解・組み付け作業を行うことで修理することができる。したがって、メンテナンスが簡単であり、低コストの燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
次に、本発明の好適な実施の形態にかかる燃料電池について図面を参照して説明する。なお、以下に記載される実施の形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施の形態にのみ限定するものではない。したがって、本発明は、その要旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。
【００１６】
図１は、本実施の形態にかかる燃料電池の平面図、図２は、図１に示す燃料電池の側面図、図３は、図２の一部を破断して拡大した図、図４は、図１に示す燃料電池の電極端子部接点構造及び組み付け工程を示す模式図、図５は、図１に示す燃料電池の自由端を反応ガス供給・排出部に支持させる工程を示す模式図、図６は、図１に示す燃料電池の一部を拡大して示す図である。
【００１７】
図１〜図６に示すように、本実施の形態にかかる燃料電池１は、セル積層方向に貫通する貫通孔２０が略中央部に形成された単セル１０を複数積層してなる筒状のセルユニット３０を複数並列配置した構造を備えている。
【００１８】
この単セル１０は、特に図６に示すように、電解質膜１１と、電解質膜１１の一方の面（図６でいう右側）に形成されたアノード電極（燃料極）１２と、電解質膜１１の他方の面（図６でいう左側）に形成されたカソード電極（酸化剤極）１３と、からなるＭＥＡ１５（膜−電極アッセンブリ：Membrane  Electrode  Assembly）を備えている。さらに、アノード電極１２の外側（図６でいう右側）には、アノード電極１２に燃料ガスとしての水素を拡散して供給するアノード側拡散層１６が配設され、カソード電極１３の外側（図６でいう左側）には、カソード電極１３に酸化ガスとしての空気を拡散して供給するカソード側拡散層１７が配設されている。また、アノード側拡散層１６及びカソード側拡散層１７の外側には、水素及び空気の流れを遮断するセパレータ１８が各々配設されている。そして、ＭＥＡ１５、アノード側拡散層１６、カソード側拡散層１７及びセパレータ１８によって単セル１０を構成している。
【００１９】
この単セル１０は、電極部が略円形状（多角形状であってもよい）を備えており、その略中央部には、前述した各部材の積層方向に貫通した略円形状（多角形状であってもよい）の貫通孔２０が形成されている。そして、カソード側拡散層１７の貫通孔２０に面する部分には、後に詳述する水素流路３２から供給される水素が直接接触しないように、シールリング２１が配設されている。また、アノード側拡散層１６の単セル１０の外周面となる部分には、空気が直接接触しないように、シール部材２２が配設されている。
【００２０】
セルユニット３０は、複数の単セル１０を、各々の貫通孔２０が連通して反応ガスの流路（本実施の形態では、水素流路３２）となるように積層した筒状を有している。この連通された貫通孔２０には、中空の水素供給パイプ３１が配設されており、この中空部分が水素流路３２を構成している。この水素供給パイプ３１は、その両端がセルユニット３０の両端から延出した状態となっている。そして、この水素供給パイプ３１には、水素流路３２を流れる水素をアノード側拡散層１６に均一に供給するための貫通孔３３が複数開口されている。なお、この貫通孔３３を介して供給される水素は、アノード側拡散層１６に拡散されるが、カソード側拡散層１７は、シールリング２１によってシールされているため、水素が直接接触することがない。
【００２１】
この構成を備えた２本のセルユニット３０は、特に図２及び図３に示すように、セルユニット３０の一端から延出した各々の水素供給パイプ３１の端部に接続されて互いの水素流路３２を連通させる連通部材としてのＵ字型パイプ４０を介して連結されている。そして、Ｕ字型パイプ４０によって連結された２本のセルユニット３０によって、連結セルユニット６０を構成している。なお、これら２本のセルユニット３０は、＋、−が逆方向を向くように配設されている。
【００２２】
この連結セルユニット６０は、各々の水素流路３２がＵ字型パイプ４０によって連通されているため、結果として１本の水素流路３２が形成されていることになり、構造が簡単である。なお、本実施の形態では、Ｕ字型パイプ４０として、その両端（直線部）が互いに対称形となっており、曲がり部と直線部とが一体となった構成のものを使用した。
【００２３】
このＵ字型パイプ４０によって連結された２本のセルユニット３０の連結側端面に各々配設されているセパレータ１８は、特に図３に示すように、フレキシブルな中間接続コード３４（導電体）によって接続されている。また、２本のセルユニット３０のうち、一方のセルユニット３０の自由端には、電極端子板（−）３５が設けられ、他方のセルユニット３０の自由端には、電極端子板（＋）３６が設けられている。なお、電極端子板（＋）３６が設けられたセルユニット３０が、水素の入側に配設され、電極端子板（−）３５が設けられたセルユニット３０が、水素の出側に配設されている。また、電極端子板（−）３５には、出力端子（−）３７が、電極端子板（＋）３６には、出力端子（＋）３８が、それぞれ接続されている。そして、Ｕ字型パイプ４０の水素供給パイプ３１との接続部分には、例えば、図示しないＯリング等、ガスシール性を付与するための機構が施されている。
【００２４】
また、Ｕ字型パイプ４０によって連結された２本のセルユニット３０の各自由端は、水素ガス供給・排出部としての接続ブロック４５に着脱可能に支持されている。接続ブロック４５は、水素供給パイプ３１に水素を供給するための水素供給部４２と、水素供給パイプ３１から排出される水素を外部に排出するための水素排出通路４３を備えている。この接続ブロック４５には、水素供給部４２に貫通する複数の水素供給孔４６が開口されており、この水素供給孔４６には、電極端子板（−）３５が設けられたセルユニット３０から延出した水素供給パイプ３１の先端が着脱可能に挿入されている。さらに、接続ブロック４５には、水素排出通路４３に貫通する複数の水素排出孔４７が開口されており、この水素排出孔４７には、電極端子板（＋）３６が設けられたセルユニット３０から延出した水素供給パイプ３１の先端が着脱可能に挿入されている。そして、水素供給パイプ３１の先端には、図５に示すように、水素供給孔４６及び水素排出孔４７とのシール性を確保するためのＯリング４４が配設されている。
【００２５】
このように、接続ブロック４５は、連結セルユニット６０の各自由端を着脱可能に支持する機能と、水素供給パイプ３１に水素を供給し、水素供給パイプ３１から排出される水素を外部に排出する機能の両方を兼ね備えている。したがって、連結セルユニット６０の各自由端を、別途設ける必要がなく、構造を複雑にすることがない。
【００２６】
一方、２本のセルユニット３０を連結したＵ字型パイプ４０は、エンドプレート５０に着脱可能に支持されている。このエンドプレート５０は、Ｕ字型パイプ４０の曲がり部を受ける凹部５１が形成された小ブロック５２を複数個（Ｕ字型パイプ４０の配設数に応じた数）備え、これら複数の小ブロック５２をフレームに着脱可能に支持させた構成を備えている。この小ブロック５２には、Ｕ字型パイプ４０によって連結された２本のセルユニット３０と、接続ブロック４５とが、最適な取付け状態を確保するよう、接続ブロック４５に対する位置を調整するための位置調整機能が設けられている。このため、Ｕ字型パイプ４０によって連結された２本のセルユニット３０の各々について、個別に接続ブロック４５に対する位置を調整することができる。
【００２７】
そして、本実施の形態にかかる燃料電池１は、前述した構成の連結セルユニット６０を複数個用意し、各々のＵ字型パイプ４０をエンドプレート５０に着脱可能に支持させ、セルユニット３０の自由端を接続ブロック４５に着脱可能に支持させることで、図１に示すように、連結セルユニット６０を複数並列に配設し、これをハウジング１００内に収容した構成となっている。そして、このハウジング１００内には、反応ガスとしての空気が供給される。この空気は、カソード側拡散層１７に拡散・供給されると共に、電池反応により生じた熱を効率よく冷却する冷媒としての役割も果たしている。なお、この時、アノード側拡散層１６は、シール部材２２によってシールされているため、空気が直接接触することはない。
【００２８】
この構成を備えた燃料電池１は、水素供給部４２から供給された水素が、水素供給パイプ３１の貫通孔３３を介して、アノード側拡散層１６に拡散・供給され、ハウジング１００内に供給された空気が、カソード側拡散層１７に拡散・供給されると、各単セル１０において、以下の電気化学反応が効率よく行われる。すなわち、
アノード電極１２側では、    Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
カソード電極１３側では、    （１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏ
燃料電池全体としては、    Ｈ2＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ
この時、前記空気により、燃料電池１の発電によって発生する熱が排熱される。
【００２９】
この燃料電池１では、前述したように、各々の連結セルユニット６０が、エンドプレート５０及び接続ブロック４５に対して着脱可能に取り付けられているため、仮に、一部のセルに不具合が生じたとしても、燃料電池全体を分解する必要がなく、不具合を生じたセルを有するセルユニット３０のみを簡単に交換することができる。この交換の仕方としては、例えば、交換すべき連結セルユニット６０のＵ字型パイプ４０を支持している小ブロック５２をフレームから取外し、小ブロック５２からＵ字型パイプ４０を取外し、連結セルユニット６０を接続ブロック４５から取外す方法等が挙げられる。
【００３０】
なお、本実施の形態では、Ｕ字型パイプ４０として、曲がり部と直線部とが一体となった構成のものを使用した場合について説明したが、これに限らず、ガスシール性を確保することが可能であれば、曲がり部と直線部とを別体として形成し、これらを組み立ててもよい。
【００３１】
また、本実施の形態では、連結部材としてＵ字型パイプ４０を用いたが、連結部材は、２本のセルユニット３０の貫通孔２０を連通し、この貫通孔２０に反応ガスを流通させることが可能であれば、他の形状を備えていてもよい。
【００３２】
また、本実施の形態では、セルユニット３０の貫通孔２０に、水素供給パイプ３１を挿入した場合について説明したが、これに限らず、貫通孔２０には、必ずしも水素供給パイプ３１を挿入しなくてもよい。
【００３３】
そしてまた、本実施の形態では、セルユニット３０の貫通孔２０側に水素を、外周面に空気を供給した場合について説明したが、これに限らず、例えば、セルユニット３０の貫通孔２０側に空気を、外周面に水素を供給してもよく、また、燃料電池としての機能を果たすことが可能であれば、他の反応ガスを使用してもよい。
【００３４】
さらにまた、本実施の形態では、エンドプレート５０を、複数の小ブロック５２と、これを支持するフレームとから構成し、小ブロック５２毎に位置調整機能を持たせた場合について説明したが、これに限らず、小ブロック５２を使用せずに、１枚のエンドプレートにより、複数のＵ字型パイプ４０を着脱可能に支持してもよい。この場合、１枚のエンドプレートに、前述した位置調整機能を持たせればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本実施の形態にかかる燃料電池の平面図である。
【図２】図１に示す燃料電池の側面図である。
【図３】図２の一部を破断して拡大した図である。
【図４】図１に示す燃料電池の電極端子部接点構造及び組み付け工程を示す模式図である。
【図５】図１に示す燃料電池の自由端を反応ガス供給・排出部に支持させる工程を示す模式図である。
【図６】図１に示す燃料電池の一部を拡大して示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１    燃料電池
１０    単セル
１５    ＭＥＡ
２０    貫通孔
３０    セルユニット
４０    Ｕ字型パイプ
４５    接続ブロック
５０    エンドプレート
６０    連結セルユニット
【図１】
2005251589.tif 000003
【図２】
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【図３】
2005251589.tif 000005
【図４】
2005251589.tif 000006
【図５】
2005251589.tif 000007
【図６】
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