(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水電解機能を有する混成スタック（２）を備えた燃料電池（１）であって、
前記混成スタック（２）は、積層された複数の発電用セル（３）を有する発電部（４）と、積層された複数の水電解用セル（５）を有すると共にその水電解用セル（５）が前記発電用セル（３）と平行するように一端面を前記発電部（４）の一端面に突合せた水電解部（６）と、前記発電部（４）および前記水電解部（６）の各他端面に当てられた第１、第２端板（９，１０）と、両第１、第２端板（９，１０）を介して前記発電部（４）および前記水電解部（６）を締付ける複数のねじ部材（１１）とを有しており、
前記発電部（４）における未利用水素および未利用空気の排出路として、前記水電解部（６）の（−）側水流通路（Ｅ）および（＋）側水流通路（Ｇ）がそれぞれ用いられ、一方、前記水電解部（６）における生成酸素および生成水素の排出路として、前記発電部（４）の空気流通路（Ｃ）および水素流通路（Ａ）がそれぞれ用いられることを特徴とする、水電解機能を持つ燃料電池。
【請求項２】
水電解機能を有する混成スタック（２）を備えた燃料電池（１）であって、
前記混成スタック（２）は、積層された複数の発電用セル（３）を有する発電部（４）と、積層された複数の水電解用セル（５）を有すると共にその水電解用セル（５）が前記発電用セル（３）と平行するように一端面を前記発電部（４）の一端面に突合せた水電解部（６）と、前記発電部（４）および前記水電解部（６）の各他端面に当てられた第１、第２端板（９，１０）と、両第１、第２端板（９，１０）を介して前記発電部（４）および前記水電解部（６）を締付ける複数のねじ部材（１１）とを有しており、
前記水電解部（６）には、前記発電部（４）における未利用水素および未利用空気の専用排出路（Ｎ、Ｐ）が設けられ、一方、前記発電部（４）には、前記水電解部（６）における生成酸素および生成水素の専用排出路（Ｊ、Ｌ）が設けられることを特徴とする、水電解機能を持つ燃料電池。
【請求項３】
前記発電用セル（３）の電解質は固体高分子電解質膜（１４）であり、また前記水電解用セル（５）は固体高分子電解質膜（２４）と、その両側にそれぞれ配置された陽極（２５）および陰極（２６）とを有する、請求項１又は２記載の水電解機能を持つ燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水電解機能を持つ燃料電池、特に水電解機能を有する混成セルスタックを備えた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両用燃料電池の燃料として、車上効率を上げるためには、純水素を高圧水素または液体水素として車両に搭載するのが好ましいが、現在のところ、純水素のインフラは存在しない。そこで、オンサイトで水素を製造する方法として水電解法が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この場合、ユーザーが水電解装置を購入して家庭に設置すれば利便性は増すが、経済的負担や設置場所の確保といった新たな問題が生じる。一方、車上に水電解装置を搭載してユーザの負担を軽くすることも考えられるが、その装置を車載することによるユーティリティースペースの狭小化、車重増による運動性能の低下等は避けられない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電力と水があれば水素を製造することが可能であって、コンパクト、軽量、低コストといった利点を有する、水電解機能を持つ燃料電池を提供することを目的とする。
【０００５】
前記目的を達成するため請求項１の発明によれば、水電解機能を有する混成スタックを備えた燃料電池であって、前記混成スタックは、積層された複数の発電用セルを有する発電部と、積層された複数の水電解用セルを有すると共にその水電解用セルが前記発電用セルと平行するように一端面を前記発電部の一端面に突合せた水電解部と、前記発電部および前記水電解部の各他端面に当てられた第１、第２端板と、両第１、第２端板を介して前記発電部および前記水電解部を締付ける複数のねじ部材とを有しており、前記発電部における未利用水素および未利用空気の排出路として、前記水電解部の（−）側水流通路および（＋）側水流通路がそれぞれ用いられ、一方、前記水電解部における生成酸素および生成水素の排出路として、前記発電部の空気流通路および水素流通路がそれぞれ用いられることを特徴とする、水電解機能を持つ燃料電池が提供され、また請求項２の発明によれば、前記発電部における未利用水素および未利用空気の専用排出路を前記水電解部に設け、一方、前記水電解部における生成酸素および生成水素の専用排出路を前記発電部に設けた。前記水電解部には、前記発電部における未利用水素および未利用空気の専用排出路が設けられ、一方、前記発電部には、前記水電解部における生成酸素および生成水素の専用排出路が設けられることを特徴とする、水電解機能を持つ燃料電池が提供され、さらに請求項３の発明によれば、請求項１又は２の前記特徴に加えて、前記発電用セルの電解質が固体高分子電解質膜であり、また前記水電解用セルが固体高分子電解質膜と、その両側にそれぞれ配置された陽極および陰極とを有することを特徴とする、水電解機能を持つ燃料電池が提供される。
【０００６】
前記構成において、水電解部に水と電力を供給することによって水素の製造を行うことが可能である。この水素を貯蔵して発電部に供給すれば、それを燃料として燃料電池の運転を行うことができる。
【０００７】
また家庭用電力を用いて水電解を行う場合、その水電解用セル数を発電用セル数の数１０分の１にし得るので、混成スタックのサイズ、重量、コスト等は、従来の燃料電池の専用スタックのそれらに比べて僅かに増加する程度であって問題とはならない。また端板としては通常、厚さ数cmのステンレス鋼板が用いられているので、発電部および水電解部を独立させると、４つの端板が必要になるが、前記のように混成スタックを構成すると、端板の数を２つにして、軽量化および低コスト化を図ることができる。
【０００８】
また特に請求項１の発明の前記特徴によれば、しかも発電部および水電解部における排出系のコンパクト化を図ることができ、また特に請求項２の特徴によれば、排出される水およびガスと、発電部および水電解部の触媒との接触を回避してそれら触媒の変質を防止することができ、また特に請求項３の発明によれば、混成スタックの小型化を図ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
〔実施例Ｉ〕
図１〜４に示すように、燃料電池１は、水電解機能を有する直方体形混成スタック２を備えている。その混成スタック２は、積層された複数の発電用セル３を有する発電部４と、積層された複数の水電解用セル５を有すると共にその水電解用セル５が発電用セル３と平行するように一端面を発電部４の一端面に突合せた水電解部６と、発電部４および水電解部６の各他端面に電気絶縁板７，８を介して当てられたステンレス鋼製第１、第２端板９，１０と、両端板９，１０を介して発電部４および水電解部６を締付ける複数のねじ部材１１とを有する。それらねじ部材１１は、実施例では、第１端板９、電気絶縁板７、発電部４、水電解部６、電気絶縁板８および第２端板１０の四隅を貫通する４つの通しボルト１２と、それらのボルト１２にねじ込まれた４つのナット１３とよりなるように数を簡略化して示されている。
【００１０】
図４に明示するように、発電用セル３は、電解質膜としての固体高分子電解質膜１４ならびにその両側に配置された燃料極１５および空気極１６よりなる電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）１７を有し、その接合体１７の両側にそれぞれ集電板１８，１９が配置され、さらに両集電板１８，１９の両側にそれぞれセパレータ２０が配置される。相隣る両発電用セル３は１つのセパレータ２０を共用しており、また両最外側の発電用セル３においては、外側のセパレータとしてそれぞれ（−）側接続板２２および（＋）側接続板２３が併用されている。
【００１１】
固体高分子電解質膜１４としては例えば、デュポン社製、Nafionが用いられ、また燃料極１５および空気極１６はそれぞれ白金担持カーボンよりなり、さらに両集電板１８，１９はカーボンペーパ、カーボンクロス等よりなる。セパレータ２０については後述する。
【００１２】
水電解用セル５は、固体高分子電解質膜２４ならびにその両側に配置された陽極２５および陰極２６よりなる電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）２７を有し、その接合体２７の両側にそれぞれ給電板２８，２９が配置され、さらに両給電板２８，２９の両側にそれぞれセパレータ３０が配置される。相隣る両水電解用セル５は１つのセパレータ３０を共用しており、また両最外側の水電解用セル５においては、外側のセパレータとしてそれぞれ（−）側接続板３２および発電部４と共用の（＋）側接続板２３が併用されている。
【００１３】
固体高分子電解質膜２４としては例えば、デュポン社製、Nafionが用いられ、また陽極２５はイリジウムを有し、一方、陰極２６は白金を有する。両給電板２６，３０としては、チタン、ステンレス鋼等よりなる孔あき板（網状のものを含む）が用いられている。
【００１４】
この実施例では、発電部４における未利用水素ならびに未利用空気および生成水を、それぞれ水電解部６の生成水素および生成酸素の流通系統を利用して排出し、また水電解部６における生成水素および供給水ならびに生成酸素および未利用の供給水を、それぞれ発電部４の水素および空気の流通系統を利用して排出するようになっており、そのため、発電部４および水電解部６の各セパレータ２０，３０等は次のように構成されている。
【００１５】
発電部４において、その方形のセパレータ２０はカーボン、ステンレス鋼等よりなり、図２〜６に示すように四隅にボルト挿通孔３３を有し、また空気極１６と対向する側の面に空気（または酸素）流路３４と、それを囲むパッキン３５とを備え、一方、図３〜７に示すように燃料極１５と対向する側の面に水素流路３６と、それを囲むパッキン３７とを備えている。
【００１６】
図５，６において、空気流路３４は、方形凹部３８内を上下方向に延びる複数の凸条３９によって仕切られた、複数の上下方向に延びる縦溝４０と、それら縦溝４０の上、下部にそれぞれ連通するように左右方向に延びる上、下横溝４１，４２とを有し、さらに方形凹部３８の一方の対角位置の一端側、実施例では上部右角側に上横溝４１から延長するように入口溝４３が形成され、その一端に第１流通孔４４が存する。一方、下部左角側には下横溝４２から延長するように出口溝４５が形成され、その一端に第２流通孔４６が存する。
【００１７】
図５，７を並べて見ると明らかなように、水素流路３６は、空気流路３４側から見て、その空気流路３４と線対称の関係にある。即ち、水素流路３６は、方形凹部４７内を上下方向に延びる複数の凸条４８によって仕切られた、複数の上下方向に延びる縦溝４９と、それら縦溝４９の上、下部にそれぞれ連通するように左右方向に延びる上、下横溝５０，５１とを有し、さらに方形凹部４７の一方の対角位置の一端側、実施例では空気流路３４側から見て上部左角側に上横溝５０から延長するように入口溝５２が形成され、その一端に第３流通孔５３が存する。一方、下部右角側には下横溝５１から延長するように出口溝５４が形成され、その一端に第４流通孔５５が存する。
【００１８】
空気流路３４の第１、第２流通孔４４，４６は水素流路３６側においてパッキン３７が存する部位にそれぞれ開口し、一方、水素流路３６の第３、第４流通孔５３，５５は空気流路３４側においてパッキン４１が存する部位にそれぞれ開口している。
【００１９】
各集電板１８，１９は各方形凹部３８，４７の開口よりも大に形成され、また燃料極１５および空気極１６は各方形凹部３８，４７の開口よりも小に形成され、さらに固体高分子電解質膜１４はセパレータ２０とほぼ同じ大きさに形成されている。
【００２０】
図８は、発電部４において、（−）側接続板２２から（＋）側接続板２３方向への水素流路３６および空気流路３４の配置およびそれらを流れる水素および空気の流通順序等を示したものである。
【００２１】
（−）側接続板２２の燃料極１５と対向する側の面は、セパレータ２０の水素流路３６を有する面とほぼ同様の形態を備えており、したがって、（−）側接続板２２は四つのボルト挿通孔３３を有し、また燃料極１５と対向する側の面に、第３流通孔５３を有する水素流路３６と、それを囲むパッキン（図示せず）とを備え、さらにセパレータ２０の空気流路３４の第１流通孔４４に連通する第５流通孔５６を有する。ただし、第４流通孔５５は有しない。
【００２２】
（＋）側接続板２３の空気極１６と対向する側の面は、セパレータ２０の空気流路３４を有する面とほぼ同様の形態を備えており、したがって、（＋）側接続板２３は四つのボルト挿通孔３３を有し、また空気極１６と対向する側の面に第１、第２流通孔４４，４６を有する空気流路３４と、それを囲むパッキン（図示せず）とを備え、さらにセパレータ２０の水素流路３６の第３流通孔５３に連通する第６流通孔５８と、その第４流通孔５５に連通する第７流通孔５９とを有する。
【００２３】
各水素流路３６の第３流通孔５３および入口溝５２、その第３流通孔５３に対応して各接合体１７に形成された流通孔（図示せず）ならびに（＋）側接続板２３の第６流通孔５８は相互に連通して第１水素流通路Ａを形成する。（−）側接続板２２における水素流路３６の出口溝５４、各セパレータ２０における水素流路３６の第４流通孔５５および出口溝５４、その第４流通孔５５に対応して各接合体１７に形成された流通孔（図示せず）ならびに（＋）側接続板２３の第７流通孔５９は相互に連通して第２水素流通路Ｂを形成する。
【００２４】
第１水素流通路Ａを流通する水素の一部は、各水素流路３６の入口溝５２、上横溝５０、各縦溝４９、下横溝５１および出口溝５４を流通した後第２水素流通路Ｂを流通する。
【００２５】
一方、（−）側接続板２２の第５流通孔５６、各空気流路３４の入口溝４３および第１流通孔４４、それら第５、第１流通孔５６，４４に対応して各接合体１７に形成された流通孔（図示せず）は相互に連通して第１空気流通路Ｃを形成する。各空気流路３４の出口溝４５および第２流通孔４６、その第２流通孔４６に対応して，２つのセパレータ２０間ならびにセパレータ２０および（＋）側接続板２３間に存する各接合体１７に形成された流通孔（図示せず）は相互に連通して第２空気流通路Ｄを形成する。
【００２６】
第１空気流通路Ｃを流通する空気の一部は、各空気流路３４の入口溝４３、上横溝４１、各縦溝４０、下横溝４２および出口溝４５を流通した後第２空気流通路Ｄを生成水と共に流通する。
【００２７】
図１，２において、第１端板９および電気絶縁板７には４つのボルト挿通孔３３の外に、（−）側接続板２２の第３、第５流通孔５３，５６に連通する２つの貫通孔が形成されており、それら貫通孔に水素供給管６１、空気供給管６２がそれぞれ連結される。
【００２８】
水電解部６において、その方形のセパレータ３０はチタン、ステンレス鋼等よりなり、図２〜４，９，１０に示すように四隅にボルト挿通孔３３を有し、また陰極２６と対向する側の面に（−）側水流路６５と、それを囲むパッキン６６とを備え、一方、図２〜４，１０，１１に示すように陽極２５と対向する側の面に（＋）側水流路６７と、それを囲むパッキン６８とを備えている。
【００２９】
図９，１０において、（−）側水流路６５は、方形凹部６９内を上下方向に延びる複数の凸条７０によって仕切られた、複数の上下方向に延びる縦溝７１と、それら縦溝７１の上、下部にそれぞれ連通するように左右方向に延びる上、下横溝７２，７３とを有し、さらに方形凹部６９の一方の対角位置の一端側、実施例では下部右角側に下横溝７３から延長するように入口溝７４が形成され、その一端に第８流通孔７５が存する。一方、上部左角側には上横溝７２から延長するように出口溝７６が形成され、その一端に第９流通孔７７が存する。
【００３０】
図９，１１を並べて見ると明らかなように、（＋）側水流路６７は、（−）側水流路６５側から見て、その（−）側水流路６５と線対称の関係にある。即ち、（＋）側水流路６５は、方形凹部７８内を上下方向に延びる複数の凸条７９によって仕切られた、複数の上下方向に延びる縦溝８０と、それら縦溝８０の上、下部にそれぞれ連通するように左右方向に延びる上、下横溝８１，８２とを有し、さらに方形凹部７８の一方の対角位置の一端側、実施例では（−）側水流路６５側から見て下部左角側に下横溝８２から延長するように入口溝８３が形成され、その一端に第１０流通孔８４が存する。一方、上部右角側には上横溝８１から延長するように出口溝８５が形成され、その一端に第１１流通孔８６が存する。
【００３１】
（−）側水流路６５の第８、第９流通孔７５，７７は（＋）側水流路６７側においてパッキン６８が存する部位にそれぞれ開口し、一方、（＋）側水流路６７の第１０、第１１流通孔８４，８６は（−）側水流路６５側においてパッキン６６が存する部位にそれぞれ開口している。
【００３２】
各給電板２８，２９は各方形凹部６９，７８の開口よりも大に形成され、また陽極２５、陰極２６は各方形凹部６９，７８の開口よりも小に形成され、さらに固体高分子電解質膜２４はセパレータ３０とほぼ同じ大きさに形成されている。
【００３３】
図１２は、水電解部６において、（−）側接続板３２から（＋）側接続板２３方向への（−）側水流路６５および（＋）側水流路６７の配置およびそれらを流れる水、水素および酸素の流通順序を示したものである。
【００３４】
（−）側接続板３２の陰極２６と対向する側の面は、セパレータ３０の（−）側水流路６５を有する面とほぼ同様の形態を備えており、したがって、（−）側接続板３２は四隅にボルト挿通孔３３を有し、また陰極２６と対向する側の面に（−）側水流路６５と、それを囲むパッキン（図示せず）とを備え、さらにセパレータ３０の（＋）側水流路６７の第１０流通孔８４に連通する第１２流通孔８８を有する。ただし、第９流通孔７７は有しない。
【００３５】
（＋）側接続板２３の陽極２５と対向する側の面は、セパレータ３０の（＋）側水流路６７を有する面とほぼ同様の形態を備えており、したがって、（＋）側接続板２３は、それの陽極２５と対向する側の面に（＋）側水流路６７と、それを囲むパッキン（図示せず）とを備えている。この場合、第１０、第１１流通孔８４，８６は発電部４側の空気流路３４の第２、第１流通孔４６，４４と同じであり、また発電部４側の第６、第７流通孔５８，５９はセパレータ３０の第９、第８流通孔７７，７５にそれぞれ連通する。
【００３６】
各（−）側水流路６５の第８流通孔７５および入口溝７４、その第８流通孔７５に対応して各接合体２７に形成された流通孔（図示せず）ならびに（＋）側接続板２３の第７流通孔５９は相互に連通して（−）側水流通路Ｅを形成する。（−）側接続板３２における（−）側水流路６５の出口溝７６、各セパレータ３０における（−）側水流路６５の第９流通孔７７および出口溝７６、その第９流通孔７７に対応して各接合体２７に形成された流通孔（図示せず）ならびに（＋）側接続板２３の第６流通孔５８は相互に連通して水素流通路Ｆを形成する。
【００３７】
（−）側水流通路Ｅを流通する水の一部は、各（−）側水流路６５の入口溝７４、下横溝７３、各縦溝７１、上横溝７２および出口溝７６を流通した後生成水素と共に水素流通路Ｆを流通する。
【００３８】
一方、（−）側接続板３２の第１２流通孔８８、各（＋）側水流路６７の入口溝８３および第１０流通孔８４、それら第１２、第１０流通孔８８，８４に対応して各接合体２７に形成された流通孔（図示せず）は相互に連通して（＋）側水流通路Ｇを形成する。この場合、前記のように（＋）側接続板２３における第１０流通孔８４は発電部４側の第２流通孔４６と同じである。各（＋）側水流路６７の出口溝８５および第１１流通孔８６、その第１１流通孔８６に対応して，２つのセパレータ３０間ならびにセパレータ３０および（＋）側接続板２３間に存する各接合体２７に形成された流通孔（図示せず）は相互に連通して酸素流通路Ｈを形成する。この場合、（＋）側接続板２３における第１１流通孔８６は発電部４側の第１流通孔４４と同じである。
【００３９】
（＋）側水供給路Ｇを流通する水の一部は、各（＋）側水流路６７の入口溝８３、下横溝８２、各縦溝８０、上横溝８１および出口溝８５を流通した後生成酸素と共に酸素流通路Ｈを流通する。
【００４０】
図３に示すように、第２端板１０および電気絶縁板８には４つのボルト挿通孔３３の外に、図１２に示した（−）側接続板３２の第８、第１２流通孔７５，８８に連通する２つの貫通孔が形成されており、それら貫通孔に（−）側水供給管９０および（＋）側水供給管９１がそれぞれ連結される。
【００４１】
発電部４と水電解部６とは、一方が運転中であるとき、他方は停止中である、といったように一方のみが作動するようになっている。図８と図１２とを並べて見ると明らかなように、発電部４の運転中においては、発電部４の第１水素流通路Ａが水電解部６の水素流通路Ｆに連通し、また発電部４の第２水素流通路Ｂが水電解部６の（−）側水流通路Ｅに連通しているので、水素供給管６１から発電部４に供給された水素（加湿による水分を含む）のうち未利用水素は、水電解部６の両通路Ｆ、Ｅおよび各（−）側水流路６５を流通した後（−）側水供給管９０を通じて外部に排出される。一方、第１空気流通路Ｃが水電解部６の酸素流通路Ｈに連通し、また第２空気流通路Ｄが水電解部６の（＋）側水流通路Ｇに連通しているので、空気供給管６２から発電部４に供給された空気（加湿による水分を含む）のうち未利用空気および生成水は、水電解部６の両通路Ｈ、Ｇおよび各（＋）側水流路６７を流通した後（＋）側水供給管９１を通じて外部に排出される。
【００４２】
水電解部６の運転中においては、水電解部６の（−）側水流通路Ｅが発電部４の第２水素流通路Ｂに連通し、また水電解部６の水素流通路Ｆが発電部４の第１水素流通路Ａに連通しているので、（−）側水供給管９０から水電解部６に供給された（−）側供給水および生成水素は、発電部４の両通路Ｂ、Ａおよび各水素流路３６を流通した後水素供給管６１を通じて外部に排出される。一方、（＋）側水流通路Ｇが発電部４の第２空気流通路Ｄに連通し、また酸素流通路Ｈが発電部４の第１空気流通路Ｃに連通しているので、（＋）側水供給管９１から水電解部６に供給された（＋）側供給水および生成酸素は、発電部４の両通路Ｄ、Ｃおよび各空気通路３４を流通した後空気供給管６２を通じて外部に排出される。
【００４３】
具体例として、発電部４については、出力：６０ｋＷ；発電用セル数：４００；であり、水電解部６については、使用電力：３ｋＷ（家庭用電力である１００Ｖ−３０Ａをコンバータにより１５Ｖ−２００Ａに変換して使用）；水電解用セル数：８；である、といった燃料電池１を挙げることができる。
【００４４】
図１３に示す発電−水電解システムにおいて、発電部４の運転時は白抜きの各開閉弁ｖ１〜ｖ５は「開」、黒塗りの各開閉弁ｖ６〜ｖ１２は「閉」となる。水素供給部９４から水素を、またコンプレッサ９５から空気をそれぞれ発電部４に供給する。水素および空気の圧力は共に０．２ＭＰａであり、セル温度は８０℃になるように発電部４の冷却を行う。水素および空気は両加湿部９６，９７にてそれぞれ飽和水蒸気圧まで加湿される。発電部４の発電による電力は（＋）側および（−）側接続板２３，２２を介して負荷９８に供給される。発電部４の運転時には水電解部６の（＋）側および（−）側接続板２３，３２に接続されている電気回路は発電部４側とは電気的に遮断されており、したがって発電部４の運転中に水電解部６が電気化学的反応を生じることはない。発電部４から排出された水分を含む未利用水素および未利用空気は水電解部６の前記流路を素通りして外部へ排出される。未利用空気は凝縮器９９を経た後、大気に放出される。一方、未利用水素は凝縮器１００を経た後再度水素供給部９４側のラインに戻されて循環使用される。両加湿器９６，９７には水が水タンク１０１より適宜供給され、また凝縮器９９，１００の水は適宜水タンク１０１に排出される。図中，１０２，１０３は水ポンプ，１０４は電源装置であり、これらは水電解時に使用される。
【００４５】
図１４に示す発電−水電解システムにおいて、水電解部６の運転時は白抜きの各開閉弁ｖ１、ｖ１０〜ｖ１２は「開」、黒塗りの各開閉弁ｖ２〜ｖ９は「閉」となる。水タンク１０１に貯めてある純水を２つの水ポンプ１０２，１０３により水電解部６に供給する。供給量は（＋）側、（−）側共に１つの水電解用セル当り５００ｃｃ／min 程度であるが、（−）側については水の供給を省くことができる。一方、家庭用等の交流電力をコンバータにより直流に変換する機能を持つ電源装置１０４より水電解部６に電力が供給される。水電解部６の運転時には発電部４の（＋）側および（−）側接続板２３，２２に接続されている電気回路は電気的に遮断されており、したがって水電解部６の運転中に発電部４が電気化学的反応を生じることはない。水電解部６の（＋）側供給水、（−）側供給水、生成酸素および生成水素は発電部４の前記通路を素通りして外部に排出される。生成水素および供給水は加湿器９６により気液分離され、その水素は水素供給部９４に貯蔵される。一方、生成酸素および供給水は加湿器９７により気液分離され、その酸素は大気中に放出される。
【００４６】
〔実施例II〕
図１５，１６に示すようにこの実施例において、発電部４および水電解部６が本来の機能を果たすための構成は実施例Ｉとほぼ同じである。ただし、発電部４における未利用水素、未利用空気および生成水を水電解部６に設けられた専用の排出系統を利用して排出し、また水電解部６における生成水素、生成酸素および未利用の供給水を発電部６に設けられた専用の排出系統を利用して排出するようになっており、そのため、発電部４および水電解部６の各セパレータ２０，３０等は次のように構成されている。
【００４７】
発電部４において、その方形のセパレータ２０はカーボン、ステンレス鋼等よりなり、図１７，１８に示すように四隅にボルト挿通孔３３を有し、また空気極１６と対向する側の面に空気（または酸素）流路３４と、それを囲むパッキン３５とを備え、一方、図１８，１９に示すように燃料極１５と対向する側の面に水素流路３６と、それを囲むパッキン３７とを備えている。
【００４８】
図１７，１８において、空気流路３４は、方形凹部３８内を上下方向に延びる複数の凸条３９によって仕切られた、複数の上下方向に延びる縦溝４０と、それら縦溝４０の上、下部にそれぞれ連通するように左右方向に延びる上、下横溝４１，４２とを有し、さらに方形凹部３８の一方の対角位置の一端側、実施例では上部右角側に上横溝４１から延長するように入口溝４３が形成され、その一端に第１流通孔４４が存する。一方、下部左角側には下横溝４２から延長するように出口溝４５が形成され、その一端に第２流通孔４６が存する。
【００４９】
図１７，１９を並べて見ると明らかなように、水素流路３６は、空気流路３４側から見て、その空気流路３４と線対称の関係にある。即ち、水素流路３６は、方形凹部４７内を上下方向に延びる複数の凸条４８によって仕切られた、複数の上下方向に延びる縦溝４９と、それら縦溝４９の上、下部にそれぞれ連通するように左右方向に延びる上、下横溝５０，５１とを有し、さらに方形凹部４７の一方の対角位置の一端側、実施例では空気流路３４側から見て上部左側に上横溝５０から延長するように入口溝５２が形成され、その一端に第３流通孔５３が存する。一方、下部右角側には下横溝５１から延長するように出口溝５４が形成され、その一端に第４流通孔５５が存する。
【００５０】
空気流路３４の第１、第２流通孔４４，４６は水素流路３６側においてパッキン３７が存する部位にそれぞれ開口し、一方、水素流路３６の第３、第４流通孔５３，５５は空気流路３４側においてパッキン３５が存する部位にそれぞれ開口している。
【００５１】
空気流路３４の第１流通孔４４の上部近傍に水電解部６からの生成酸素用第１排出孔１０５が、また水素流路３６の第３流通孔５３の上部近傍に水電解部６からの生成水素用第２排出孔１０７がそれぞれ形成されている。第１、第２排出孔１０５，１０７は空気流路３４側および水素流路３６側においてそれぞれパッキン３５，３７が存する部位を貫通している。
【００５２】
各集電板１８，１９は各方形凹部３８，４７の開口よりも大に形成され、また燃料極１５および空気極１６は各方形凹部３８，４７の開口よりも小に形成され、さらに固体高分子電解質膜１４はセパレータ２０とほぼ同じ大きさに形成されている。
【００５３】
図２０は、発電部４において、（−）側接続板２２から（＋）側接続板２３方向への水素流路３６および空気流路３４の配置、それらを流れる水素および空気の流通順序等を示したものである。
【００５４】
（−）側接続板２２の燃料極１５と対向する側の面は、セパレータ２０の水素流路３５を有する面とほぼ同様の形態を備えており、したがって、（−）側接続板２２は四つのボルト挿通孔３３を有し、また燃料極１５と対向する側の面に第３流通孔５３を有する水素流路３６と、それを囲むパッキン（図示せず）とを備えると共に第１、第２排出孔１０５，１０７を有し、またセパレータ２０の空気流路３４の第１流通孔４４に連通する第５流通孔５６を有する。ただし、第４流通孔５５は有しない。
【００５５】
（＋）側接続板２３の空気極１６と対向する側の面は、セパレータ２０の空気流路３４を有する面とほぼ同様の形態を備えており、したがって、（＋）側接続板２３は、四つのボルト挿通孔３３を有し、また空気極１６と対向する側の面に第２流通孔４６を有する空気流路３４と、それを囲むパッキン（図示せず）とを備えると共に第１、第２排出孔１０５，１０７を備え、さらにセパレータ２０の第４流通孔５５に連通する第７流通孔５９とを有する。ただし、第１流通孔４４およびセパレータ２０の第３流通孔５３に連通する流通孔は有しない。
【００５６】
各水素流路３６の第３流通孔５３および入口溝５２、その第３流通孔５３に対応して各接合体１７に形成された流通孔（図示せず）は相互に連通して第１水素流通路Ａを形成する。（−）側接続板２２における水素流路３６の出口溝５４、各セパレータ２０における水素流路３６の第４流通孔５５および出口溝５４、その第４流通孔５５に対応して各接合体１７に形成された流通孔（図示せず）ならびに（＋）側接続板２３の第７流通孔５９は相互に連通して第２水素流通路Ｂを形成する。
【００５７】
第１水素流通路Ａを流通する水素の一部は、各水素流路３６の入口溝５２、上横溝５０、各縦溝４９、下横溝５１および出口溝５４を流通した後第２水素流通路Ｂを流通する。
【００５８】
一方、（−）側接続板２２の第５流通孔５６、各空気流路３４の入口溝４３および第１流通孔４４、それら第４、第１流通孔５６，４４に対応して各接合体１７に形成された流通孔（図示せず）は相互に連通して第１空気流通路Ｃを形成する。各空気流路３４の出口溝４５および第２流通孔４６、その第２流通孔４６に対応して，２つのセパレータ２０間ならびにセパレータ２０および（＋）側接続板２３間に存する各接合体１７に形成された流通孔（図示せず）は相互に連通して第２空気流通路Ｄを形成する。
【００５９】
第１空気流通路Ｃを流通する空気の一部は、各空気流路３４の入口溝４３、上横溝４１、各縦溝４０、下横溝４２および出口溝４５を流通した後第２空気流通路Ｄを生成水と共に流通する。
【００６０】
（−）側接続板２２の第１、第２排出孔１０５，１０７は、各セパレータ２０および（＋）側接続板２３の第１、第２排出孔１０５，１０７にそれぞれ連通し、また各接合体１７の第１、第２排出孔（図示せず）にもそれぞれ連通するようになっている。相互に連通する、複数の第１排出孔１０５は第１排出路Ｊを、また複数の第２排出孔１０７は第２排出路Ｌをそれぞれ構成する。
【００６１】
図１５において、第１端板９および電気絶縁板７には４つのボルト挿通孔３３の外に、（−）側接続板２２の第３、第５流通孔５３，５６および第１、第２排出孔１０５，１０７に連通する４つの貫通孔が形成されており、それら貫通孔において、第３、第５流通孔５３，５６に対応するものに水素供給管６１、空気供給管６２がそれぞれ連結され、また第１、第２排出孔１０５，１０７に対応するものに酸素排出管１０９および水素排出管１１１がそれぞれ連結される。
【００６２】
水電解部６において、その方形のセパレータ３０はチタン、ステンレス鋼等よりなり、図２１，２２に示すように四隅にボルト挿通孔３３を有し、また陰極２６と対向する側の面に（−）側水流路６５と、それを囲むパッキン６６とを備え、一方、図２２，２３に示すように陽極２５と対向する側の面に（＋）側水流路６７と、それを囲むパッキン６８とを備えている。
【００６３】
図２１，２２において、（−）側水流路６５は、方形凹部６９内を上下方向に延びる複数の凸条７０によって仕切られた、複数の上下方向に延びる縦溝７１と、それら縦溝７１の上、下部にそれぞれ連通するように、左右方向に延びる上、下横溝７２，７３とを有し、さらに方形凹部６９の一方の対角位置の一端側、実施例では下部右角側に右端の縦溝７１から下方に延長するように入口溝７４が形成され、その一端に第８流通孔７５が存する。一方、上部左角側には左端の縦溝７１から上方へ延長するように出口溝７６が形成され、その一端に第９流通孔７７が存する。
【００６４】
図２１，２３を並べて見ると明らかなように、（＋）側水流路６７は、（−）側水流路６５側から見て、その（−）側水流路６５と線対称の関係にある。即ち、（＋）側水流路６７は、方形凹部７８内を上下方向に延びる複数の凸条７９によって仕切られた、複数の上下方向に延びる縦溝８０と、それら縦溝８０の上、下部にそれぞれ連通するように左右方向に延びる上、下横溝８１，８２とを有し、さらに方形凹部７８の一方の対角位置の一端側、実施例では（−）側水流路６５側から見て下部左角側に左端の縦溝８０から下方へ延長するように入口溝８３が形成され、その一端に第１０流通孔８４が存する。一方、上部右角側には右端の縦溝８０から上方へ延長するように出口溝８５が形成され、その一端に第１１流通孔８６が存する。
【００６５】
（−）側水流路６５の第８、第９流通孔７５，７７は（＋）側水流路６７側においてパッキン６８が存する部位にそれぞれ開口し、一方、（＋）側水流路６７の第１０、第１１流通孔８４，８６は（−）側水流路６５側においてパッキン６６が存する部位にそれぞれ開口している。
【００６６】
（−）側水流路６５の第８流通孔７５の上部近傍に発電部４からの未利用水素用第３排出孔１１３が、また（＋）側水流路６７の第１０流通孔８４の上部近傍に発電部４からの未利用空気用第４排出孔１１５がそれぞれ形成されている。第３、第４排出孔１１３，１１５は（−）水流路６５側および（＋）水流路６７側においてそれぞれパッキン６６，６８が存する部位を貫通している。
【００６７】
各給電板２８，２９は各方形凹部６９，７８の開口よりも大に形成され、また陽極２５、陰極２６は各方形凹部６９，７８の開口よりも小に形成され、さらに固体高分子電解質膜２４はセパレータ３０とほぼ同じ大きさに形成されている。
【００６８】
図２４は、水電解部６において、（−）側接続板３２から（＋）側接続板２３方向への（−）側水流路６５および（＋）側水流路６７の配置およびそれらを流れる水、水素および酸素の流通順序等を示したものである。
【００６９】
（−）側接続板３２の陰極２６と対向する側の面は、セパレータ３０の（−）側水流路６５を有する面とほぼ同様の形態を備えており、したがって、その（−）側接続板３２は四つのボルト挿通孔３３を有し、また陰極２６と対向する側の面に（−）側水流路６５と、それを囲むパッキン（図示せず）とを備えると共に第３、第４排出孔１１３，１１５を有し、またセパレータ３０の（＋）側水流路６７の第１０流通孔８４に連通する第１３流通孔１１８を有するが、その第１１流通孔８６に連通する流通孔は持っていない。また（−）側水流路６５に第９流通孔７７は設けられていない。
【００７０】
（＋）側接続板２３の陽極２５と対向する側の面は、セパレータ３０の（＋）側水流路６７を有する面とほぼ同様の形態を備えており、したがって、（＋）側接続板２３は、それの陽極２５と対向する側の面に（＋）側水流路６７と、それを囲むパッキン（図示せず）とを備えている。ただし、第１０流通孔８４およびセパレータ３０の第８流通孔７５に連通する流通孔は有しない。この場合、第１１流通孔８６は発電部４側の第１排出孔１０５と同じである。
【００７１】
各（−）側水流路６５の第８流通孔７５および入口溝７４、その第８流通孔７５に対応して各接合体２７に形成された流通孔（図示せず）は相互に連通して（−）側水流通路Ｅを形成する。（−）側接続板３２における（−）側水流路６５の出口溝７６、各セパレータ３０における（−）側水流路６５の第９流通孔７７および出口溝７６、その第９流通孔７７に対応して各接合体２７に形成された流通孔（図示せず）ならびに（＋）側接続板２３の第２排出孔１０７は相互に連通して水素流通路Ｆを形成する。
【００７２】
（−）側水流通路Ｅを流通する水の一部は、各（−）側水流路６５の入口溝７４、下横溝７３、各縦溝７１、上横溝７２および出口溝７６を流通した後生成水素と共に水素流通路Ｆを流通する。
【００７３】
一方、（−）側接続板３２の第１３流通孔１１８、各（＋）側水流路６７の入口溝８３および第１０流通孔８４、それら第１３、第１０流通孔１１８，８４に対応して各接合体２７に形成された流通孔（図示せず）は相互に連通して（＋）側水流通路Ｇを形成する。各（＋）側水流路６７の出口溝８５および第１１流通孔８６、その第１１流通孔８６に対応して，２つのセパレータ３０間ならびにセパレータ３０および（＋）側接続板２３間に存する各接合体２７に形成された流通孔（図示せず）は相互に連通して酸素流通路Ｈを形成する。この場合、前記のように（＋）側接続板２３における第１１流通孔８６は発電部４側の第１排出孔１０５と同じである。
【００７４】
（＋）側水流通路Ｇを流通する水の一部は、各（＋）側水流路６７の入口溝８３、下横溝８２、各縦溝８０、上横溝８１および出口溝８５を流通した後生成酸素と共に酸素流通路Ｈを流通する。水素流通路Ｆは発電部４の第２排出路Ｌに連通し、また酸素流通路Ｈは発電部４の第１排出路Ｊに連通する。
【００７５】
（−）側接続板３２および各セパレータ３０の第３、第４排出孔１１３，１１５ならびにそれら排出孔１１３，１１５に対応して各接合体２７に形成されたそれら排出孔（図示せず）は、（＋）側接続板２３の第７、第２流通孔５９，４６にそれぞれ連通している。相互に連通する、複数の第３排出孔１１３は第３排出路Ｎを、また複数の第４排出孔１１５は第４排出路Ｐをそれぞれ構成する。発電部４の第２水素流通路Ｂは第３排出路Ｎに連通し、また発電部４の第２空気流通路Ｄは第４排出路Ｐに連通する。
【００７６】
図１６に示すように、第２端板１０および電気絶縁板８には４つのボルト挿通孔３３の外に、図２４に示した（−）側接続板３２の第８、第１３流通孔７５，１１８および第３、第４排出孔１１３，１１５に連通する４つの貫通孔が形成されており、それら貫通孔において、第８、第１３流通孔７５，１１８に対応するものに（−）側水供給管９０および（＋）側水供給管９１がそれぞれ連結され、また第５排出孔１１３に対応するものに水素排出管１２０が連結され、さらに第４排出孔１１５に対応するものに空気排出管１２２が連結される。
【００７７】
図２０、図２４において、発電部４の運転中においては、発電部４の第２水素流通路Ｂが水電解部６の第３排出路Ｎに連通しているので、水素供給管６１から発電部４に供給された水素のうち未利用水素は水素排出管１２０を通じて外部に排出される。一方、第２空気流通路Ｄが水電解部６の第４排出路Ｐに連通しているので、空気供給管６２から発電部４に供給された空気のうち未利用空気は空気排出管１２２を通じて外部に排出される。この場合、一部の水素が水電解部６の（−）側水流路６５を流通したり、また一部の空気が水電解部６の（＋）側水流路６７を流通することはない。
【００７８】
水電解部６の運転中においては、水電解部６の水素流通路Ｆが発電部４の第２排出路Ｌに連通しているので、（−）側水供給管９０から水電解部６に供給された水および生成水素は発電部４の水素排出管１１１を通じて外部に排出される。一方、酸素流通路Ｈが発電部４の第１排出路Ｊに連通しているので、（＋）側水供給管９１から水電解部６に供給された水および生成酸素は酸素排出管１０９を通じて外部に排出される。この場合、一部の水が発電部４の水素流路３６および空気流路３４を流通することはない。
【００７９】
具体例として、発電部４については、出力：６０ｋＷ；発電用セル数：４００；であり、水電解部６については、使用電力：３ｋＷ（家庭用電力である１００Ｖ−３０Ａをコンバータにより１５Ｖ−２００Ａに変換して使用）；水電解用セル数：８；である、といった燃料電池１を挙げることができる。
【００８０】
図２５は、発電−水電解システムにおける発電部４の運転時を示すものであって、図１３に対応する。図１３と異なる点は、前記のように発電部４からの未利用水素および未利用酸素が、水電解部６に設けられた専用の排出系統を流通するようにしたことにあり、それ以外の点は図１３の場合と同じであるから詳細な説明は省略する。
【００８１】
図２６は、発電−水電解システムにおける水電解部６の運転時を示すものであって、図１４に対応する。図１４と異なる点は、前記のように水電解部６からの水を含む生成酸素および生成水素が、発電部４に設けられた専用の排出系統を流通するようにしたことにあり、それ以外の点は図１４の場合と同じであるから詳細な説明は省略する。
【００８２】
【発明の効果】
本発明によれば、前記のように構成することによって、電力と水があれば水素を製造することが可能であって、コンパクト、軽量、低コストといった利点を有する、水電解機能を持つ燃料電池を提供することができる。
【００８３】
また特に請求項１の発明によれば、発電部および水電解部における排出系のコンパクト化を図ることができる。
【００８４】
また特に請求項２の発明によれば、排出される水およびガスと、発電部および水電解部の触媒との接触を回避して、それら触媒の変質を防止することができる。
【００８５】
また特に請求項３の発明によれば、混成スタックの小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  燃料電池の第１実施例を第１端板側から見た場合の斜視図
【図２】  燃料電池の第１実施例における構成要素を説明するための斜視図であって、第１端板側から見た場合に該当する。
【図３】  燃料電池の第１実施例における構成要素を説明するための斜視図であって、第２端板側から見た場合に該当する。
【図４】  図１の４−４線断面図
【図５】  発電部におけるセパレータの正面図
【図６】  図５の６−６線拡大断面図
【図７】  図６の７−７線縮小断面図
【図８】  発電部における水素流路および空気流路の配置等を示す斜視図
【図９】  水電解部におけるセパレータの正面図
【図１０】  図９の１０−１０線拡大断面図
【図１１】  図１０の１１−１１線縮小断面図
【図１２】  水電解部における（−）側水流路および（＋）側水流路の配置等を示す斜視図
【図１３】  発電時における発電−水電解システムの系統図
【図１４】  水電解時における発電−水電解システムの系統図
【図１５】  燃料電池の第２実施例を第１端板側から見た場合の斜視図
【図１６】  燃料電池の第２実施例を第２端板側から見た場合の斜視図
【図１７】  発電部におけるセパレータの正面図
【図１８】  図１７の１８−１８線拡大断面図
【図１９】  図１８の１９−１９線縮小断面図
【図２０】  発電部における水素流路および空気流路の配置等を示す斜視図
【図２１】  水電解部におけるセパレータの正面図
【図２２】  図２１の２２−２２線拡大断面図
【図２３】  図２２の２３−２３線縮小断面図
【図２４】  水電解部における（−）側水流路および（＋）側水流路の配置等を示す斜視図
【図２５】  発電時における発電−水電解システムの系統図
【図２６】  水電解時における発電−水電解システムの系統図
【符号の説明】
１…………燃料電池
２…………混成スタック
３…………発電用セル
４…………発電部
５…………水電解用セル
６…………水電解部
９…………第１端板
１０………第２端板
１１………ねじ部材
１４………固体高分子電解質膜
２４………固体高分子電解質膜
２５………陽極
２６………陰極
３４………空気流路
３６………水素流路
Ａ…………第１水素流通路
Ｂ…………第２水素流通路
Ｃ…………第１空気流通路
Ｄ…………第２空気流通路
Ｅ…………（−）側水流通路
Ｆ…………水素流通路
Ｇ…………（＋）側水流通路
Ｈ…………酸素流通路
Ｎ…………第３排出路
Ｐ…………第４排出路
【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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