(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却用板、燃料ガス側セパレータ、電極・電解質膜複合体、酸化剤ガス側セパレータの各部材を積層したセルを、燃料ガス供給側エンドプレートと燃料電極側端子板および酸化剤電極側端子板と燃料ガス排出側エンドプレートの各部材によって挟んで構成した燃料電池組立体において、
前記燃料電極側端子板および冷却用板は、少なくとも燃料ガス供給穴および燃料ガス還流穴を有し、
前記燃料ガス側セパレータは、少なくとも燃料ガス供給穴および燃料ガス排出穴ならびに燃料ガス還流穴を有し、
前記電極・電解質膜複合体および酸化剤ガス側セパレータならびに酸化剤電極側端子板は、少なくとも燃料ガス排出穴ならびに燃料ガス還流穴を有し、
前記燃料ガス供給側エンドプレートは、少なくとも燃料ガス供給穴および燃料ガス還流穴ならびに該燃料ガス供給穴と該燃料ガス還流穴とを連通する燃料ガス還流路を有し、
前記燃料ガス排出側エンドプレートは、少なくとも燃料ガス排出穴および燃料ガス還流穴ならびに該燃料ガス排出穴と該燃料ガス還流穴とを連通する燃料ガス還流路を有し、
前記各部材の燃料ガス供給穴または燃料ガス排出穴もしくは燃料ガス還流穴はそれぞれ前記各部材を積層して組立てたときに各部材の同じ穴同士が互いに連通する位置に配置され、
前記各部材を積層して組立てた燃料電池組立体内に、前記それぞれの燃料ガス供給穴を連通させて燃料電極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路を、前記それぞれの燃料ガス排出穴を連通させて燃料電極からの排出燃料ガスを排出する燃料ガス排出通路を、前記それぞれの燃料ガス還流穴および前記燃料ガス排出側エンドプレートの燃料ガス還流路と燃料ガス供給側エンドプレートの燃料ガス還流路を連通させて排出燃料ガスを前記燃料ガス供給通路に還流させる排出燃料ガス還流通路を、それぞれ形成し、
燃料ガス供給側エンドプレートの内部に前記還流した排出燃料ガスを供給燃料ガスによって吸引駆動するエゼクタを設け、外部から新たに供給した供給燃料ガスに還流した排出燃料ガスを混合して燃料電池の燃料電極に供給するようにした燃料電池組立体。
【請求項２】
上記燃料ガス供給側エンドプレートに設けられた前記燃料ガス供給穴と前記燃料ガス還流路の合流点に燃料ガスによって駆動されるエゼクタを設けた請求項１に記載の燃料電池組立体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車等の動力源あるいは電源として用いる燃料電池組立体における燃料ガスを循環する機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、水素ガスを燃料として用いる燃料電池においては、水素ガスを燃料電池の燃料電極に供給し、燃料電極から排出される反応に寄与しなかった排出水素ガスを再循環して再利用することが行われている。燃料電池における水素ガスの循環方法として、特開平８−１６２１３５号公報に示されるように、燃料ガス供給ラインから供給される水素ガスの流れを利用してターボコンプレッサーを駆動し、このコンプレッサーによって排ガスリサイクルガスを燃料電極に再度供給して、再利用することが行われている。
【０００３】
また、特開平９−２２７１４号公報には、上述のようなターボコンプレッサーなどのポンプを使わずに、燃料ガス供給回路から供給される燃料ガスの流れを利用したエゼクタを用いて燃料ガスを再循環させることが提案されている。この提案は、化学工場での副生水素を精製して燃料として用いる燃料電池であって、リサイクル回路の配管やエゼクタを燃料電池と一体とすることは考慮されておらず、これらの配管やエゼクタを設置するスペースを減少させることについては、配慮されていなかった。
【０００４】
上記のように、循環ポンプを使う従来技術においては、エゼクタ、ターボコンプレッサなどのサブシステムが占有するスペースが必要となり燃料電池システム全体の占有面積が大きくなるとともに、高額で長納期を必要とする防爆仕様を持つ外国製ポンプを購入する必要があり、コストを押し上げていた。
【０００５】
さらに、このようなポンプは、水分や高温水素ガスによって破損しやすいという問題を有している。
【０００６】
さらに、循環用配管ラインを燃料電池と分離して設ける場合、システムの占有スペースが大きくなるとともに、リサイクル回路用配管が外気に触れていることから、循環水素ガス中の水蒸気がリサイクル回路用配管の周囲温度差によって冷やされて結露し、燃料電池セル部に溜まってガスの流れを妨げて燃料電池の性能を不安定にしたり、流量計や温度計の動作に悪影響を引き起こすおそれがあった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来技術が有する問題を解決することを目的とし、具体的には、燃料電池の燃料電極から排出される排出燃料ガス(オフガス)を還流して外部から新たに供給した水素リッチな燃料ガスに混合し、燃料電池の燃料電極に供給して発電を行う燃料電池組立体において、前記排出燃料ガスを燃料ガス供給側に還流する排出燃料ガス還流通路と、排出燃料ガスを新鮮な燃料ガスに混合させて燃料電極に供給するポンプを燃料電池に一体に組み込み、還流燃料ガスの水分の結露をなくし、構造が簡単で堅牢かつ安価な循環供給ポンプを有し、占有面積が小さな燃料電池組立体を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、冷却用板、燃料ガス側セパレータ、電極・電解質膜複合体、酸化剤ガス側セパレータの各部材を積層したセルを、燃料ガス供給側エンドプレートと燃料電極側端子板および酸化剤電極側端子板と燃料ガス排出側エンドプレートの各部材によって挟んで構成した燃料電池組立体において、前記燃料電極側端子板および冷却用板は、少なくとも燃料ガス供給穴および燃料ガス還流穴を有し、前記燃料ガス側セパレータは、少なくとも燃料ガス供給穴および燃料ガス排出穴ならびに燃料ガス還流穴を有し、前記電極・電解質膜複合体および酸化剤ガス側セパレータならびに酸化剤電極側端子板は、少なくとも燃料ガス排出穴ならびに燃料ガス還流穴を有し、前記燃料ガス供給側エンドプレートは、少なくとも燃料ガス供給穴および燃料ガス還流穴ならびに該燃料ガス供給穴と該燃料ガス還流穴とを連通する燃料ガス還流路を有し、前記燃料ガス排出側エンドプレートは、少なくとも燃料ガス排出穴および燃料ガス還流穴ならびに該燃料ガス排出穴と該燃料ガス還流穴とを連通する燃料ガス還流路を有し、前記各部材の燃料ガス供給穴または燃料ガス排出穴もしくは燃料ガス還流穴はそれぞれ前記各部材を積層して組立てたときに各部材の同じ穴同士が互いに連通する位置に配置され、前記各部材を積層して組立てた燃料電池組立体内に、前記それぞれの燃料ガス供給穴を連通させて燃料電極に燃料ガスを供給する燃料ガス供給通路を、前記それぞれの燃料ガス排出穴を連通させて燃料電極からの排出燃料ガスを排出する燃料ガス排出通路を、前記それぞれの燃料ガス還流穴および前記燃料ガス排出側エンドプレートの燃料ガス還流路と燃料ガス供給側エンドプレートの燃料ガス還流路を連通させて排出燃料ガスを前記燃料ガス供給通路に還流させる排出燃料ガス還流通路を、それぞれ形成し、燃料ガス供給側エンドプレートの内部に前記還流した排出燃料ガスを供給燃料ガスによって吸引駆動するエゼクタを設け、外部から新たに供給した供給燃料ガスに還流した排出燃料ガスを混合して燃料電池の燃料電極に供給するようにした。
【０００９】
さらに、本発明は、上記燃料電池組立体において、燃料ガス供給側エンドプレートに設けられた前記燃料ガス供給穴と前記燃料ガス還流路の合流点に燃料ガスによって駆動されるエゼクタを設けた。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる燃料電池の構成を図を用いて説明する。図１は、本発明にかかる燃料電池組立体の構成を説明する分解斜視図である。
【００１２】
本発明にかかる燃料電池組立体１は、燃料ガス供給側エンドプレート１０と、燃料電極側端子板２０と、冷却用板３０と、燃料ガス側セパレータ４０と、電極・電解質膜複合体５０と、酸化剤ガス側セパレータ７０と、酸化剤電極側端子板８０と、燃料ガス排出側エンドプレート９０とを積層して構成される。
【００１３】
燃料ガス供給側エンドプレート１０は、燃料電池組立体を締め付け固定する端部材であり、燃料ガスや冷却水が通過したり浸透したりしない金属もしくは絶縁材料からなり、所定の厚みを有する板状に構成される。この燃料ガス供給側エンドプレート１０には、エンドプレートの厚み方向に貫通する燃料ガス供給穴１１と、エンドプレートの厚み方向に貫通する酸化剤ガス(空気)供給穴１２と、エンドプレートの厚み方向に貫通する冷却媒体（水）供給穴１３と、燃料ガス還流穴１４とが形成されるとともに、再循環燃料ガスを前記燃料ガス供給穴１１に還流させる燃料ガス還流路１９が形成されている。
【００１４】
燃料電極側端子板２０は、燃料電極から電流を引き出す手段であり、導電性を有する金属から構成される。燃料電極側端子板２０には、それぞれ端子板の厚み方向に貫通する燃料ガス供給穴２１と、酸化剤ガス供給穴２２と、冷却媒体供給穴２３と、燃料ガス還流穴２４とが形成されている。
【００１５】
冷却用板３０は、発電時に燃料電池に生じる熱を外部に排出する冷却手段として働く。冷却用板３０には、それぞれ冷却用板の厚み方向に貫通する燃料ガス供給穴３１と、酸化剤ガス供給穴３２と、冷却媒体供給穴３３と、燃料ガス還流穴３４と、燃料ガス排出穴３５と、酸化剤ガス排出穴３６と、冷却媒体排出穴３７が設けられている。さらに、冷却用板３０には、冷却媒体供給穴３３と冷却媒体排出穴３７との間を結ぶ例えば図示したような形状の冷却媒体流通溝３８が形成されている。
【００１６】
燃料ガス側セパレータ４０は、燃料電極に燃料ガスを供給するとともに燃料電極に接触して該電極から電流を取り出す働きを有しており、導電性金属を用いて形成される。燃料ガス側セパレータ４０には、それぞれセパレータの厚み方向に貫通する燃料ガス供給穴４１と、酸化剤ガス供給穴４２と、冷却媒体供給穴４３と、燃料ガス還流穴４４と、燃料ガス排出穴４５と、酸化剤ガス排出穴４６と、冷却媒体排出穴４７が設けられている。さらに、燃料ガス側セパレータ４０の燃料電極側の面には、燃料ガス供給穴４１と燃料ガス排出穴４５との間を結ぶ例えば図示したような形状の燃料ガス流通溝４８が形成されている。
【００１７】
電極・電解質膜複合体５０は、燃料電極と電解質膜と酸化剤電極を積層した複合体として構成される。電極・電解質膜複合体５０は、電解質膜６１の一方の面に燃料電極用開口５８を設けた燃料電極側ガスケット６２を、他方の面に酸化剤電極用開口を設けた酸化剤電極側ガスケット６３を積層して構成される。電極・電解質膜複合体５０には、それぞれ電極・電解質膜複合体の厚み方向に貫通する燃料ガス供給穴５１と、酸化剤ガス供給穴５２と、冷却媒体供給穴５３と、燃料ガス還流穴５４と、燃料ガス排出穴５５と、酸化剤ガス排出穴５６と、冷却媒体排出穴５７が設けられている。
【００１８】
燃料電極側ガスケット６２には、燃料電極用開口５８が設けられ、この開口に燃料電極６４が形成されている。同様に酸化剤電極側ガスケット６３には、図示されない酸化剤電極用開口が設けられこの開口に図示されない酸化剤電極が形成されている。
【００１９】
酸化剤ガス側セパレータ７０は、酸化剤電極に酸化剤ガスを供給するとともに酸化剤電極に接触して該電極から電流を取り出す働きを有しており、導電性金属を用いて形成される。酸化剤ガス側セパレータ７０には、それぞれセパレータの厚み方向に貫通する燃料ガス供給穴７１と、酸化剤ガス供給穴７２と、冷却媒体供給穴７３と、燃料ガス還流穴７４と、燃料ガス排出穴７５と、酸化剤ガス排出穴７６と、冷却媒体排出穴７７が設けられている。さらに、酸化剤ガス側セパレータ７０の酸化剤電極側の面には、酸化剤ガス供給穴７２と酸化剤ガス排出穴７６との間を結ぶ例えば図示したような形状の酸化剤ガス流通溝７８が形成されている。
【００２０】
酸化剤電極側端子板８０は、酸化剤電極から電流を引き出す手段であり、導電性を有する金属から構成される。酸化剤電極側端子板８０には、それぞれ端子板の厚み方向に貫通する燃料ガス還流穴８４と、燃料ガス排出穴８５と、酸化剤ガス排出穴８６と、冷却媒体排出穴８７とが形成されている。
【００２１】
燃料ガス排出側エンドプレート９０は、燃料電池組立体を締め付け固定する端部材であり、燃料ガスや冷却水が通過したり浸透したりしない金属もしくは絶縁材料からなり、所定の厚みを有する板状に構成される。この燃料ガス排出側エンドプレート９０には、エンドプレートの厚み方向に貫通する燃料ガス排出穴９５と、エンドプレートの厚み方向に貫通する酸化剤ガス排出穴９６と、エンドプレートの厚み方向に貫通する冷却媒体排出穴９７が設けられるとともに、燃料電池から排出される燃料ガスを燃料ガス排出穴９５から分岐して燃料ガス還流穴９４に還流させる還流路９９とが形成されている。
【００２２】
上記した冷却用板３０と、燃料ガス側セパレータ４０と、電極・電解質膜複合体５０と、酸化剤ガス側セパレータ７０とを積層して単位セルが構成される。この単位セルを複数個積層して所望の出力電圧有するセルを形成し、このセルの両端に、燃料ガス供給側エンドプレート１０および燃料電極側端子板２０と、酸化剤電極側端子板８０および燃料ガス排出側エンドプレート９０とを積層して燃料電池スタックが組み立てられる。
【００２３】
燃料ガス供給穴１１、２１、３１、４１、５１、７１で、燃料ガス供給通路を形成する。燃料ガス排出穴３５、４５、５５、７５、８５、９５で燃料ガス排出通路を形成する。同様に、酸化剤ガス供給穴１２、２２、３２、４２、５２、７２で、酸化剤ガス供給通路を形成する。酸化剤ガス排出穴３６、４６、５６、７６、８６、９６で酸化剤ガス排出通路を形成する。同様に、冷却媒体供給穴１３、２３、３３、４３、５３、７３で、冷却媒体供給通路を形成する。冷却媒体排出穴３７、４７、５７、７７、８７、９７で冷却媒体排出通路を形成する。
【００２４】
燃料ガス排出側エンドプレート９０の燃料ガス排出穴９５から分岐した燃料ガス還流路９９、燃料ガス還流穴９４、８４、７４、５４、４４、３４、２４、１４、燃料ガス還流路１９で燃料ガス還流通路を形成する。
【００２５】
燃料ガス供給側エンドプレート１０の燃料ガス供給穴１１から供給された燃料ガスは、燃料電池スタックに形成された燃料ガス供給通路を介して燃料ガス側セパレータ４０の燃料ガス流通溝４８から燃料電極６４に供給されて発電に寄与して消費される。ここで発電に関与しなかった残りの燃料ガス(オフガス)は、燃料ガス排出穴４５を経由してエンドプレート９０の燃料ガス排出穴９５から一部が排出され、不純物を外部に搬出する。燃料ガス排出側エンドプレート９０に到達した燃料ガスの残りの部分は、燃料ガス排出穴９５に連通する燃料ガス還流路９９を介して燃料ガス還流穴９４へ供給され、燃料電池スタックに形成された還流通路を介して燃料ガス供給側エンドプレート１０の燃料ガス還流穴１４へ還流され、燃料ガス供給穴１１に再循環される。
【００２６】
このようにして、燃料電池スタック内に燃料ガス還流通路を形成することができるので、還流通路を外部に設けなくても好く、占有面積の小さな燃料電池を構成することができる。また、燃料ガス還流通路が燃料電池スタック内に設けられるので、燃料ガス還流通路の温度を燃料電池の温度とほぼ同じに保つことができ、燃料ガス内の水分が結露することによる問題は生じなくなる。
【００２７】
還流した燃料ガスを燃料ガス供給通路に再循環させるポンプの構成を図２を用いて説明する。図２は、燃料ガス供給側エンドプレート１０の燃料ガス還流路１９の部分で切断した形状を示す断面図であり、図２(Ａ)は、再循環ポンプを１段とした場合の構成を模式的に示し、図２（Ｂ）は再循環ポンプを多段とした場合の構成を模式的に示している。
【００２８】
図２（Ａ）に示すように、燃料ガス供給側エンドプレート１０の燃料ガス供給穴１１と燃料ガス還流路１９の合流点には、エゼクタ１１０が形成されており、ノズル１１１から膨張空間１１３に高速で噴出する燃料ガスによって燃料ガス還流路１９内の還流燃料ガスが、スリット１１２から吸引されて燃料ガス供給通路に供給され再循環される。この構成によれば、エゼクタを燃料ガス供給側エンドプレート１０内に構成することができ、装置全体の占有面積を増大させないですむ。
【００２９】
図２(Ｂ)に示すように、ノズル１１１を多段に設けることによって、還流ガスを再循環させる効率を上げることができる。
【００３０】
以上の説明では、燃料電池組立体に燃料ガスの還流通路を組み込んで設けるとともに、燃料ガス供給側エンドプレート１０内に燃料ガス供給穴１１と燃料ガス還流路１９との合流点を設けこの合流点にエゼクタを設けた例を説明したが、燃料電極側端子板２０と燃料ガス供給側エンドプレート１０との間に、燃料ガス加湿段を積層して燃料ガス加湿手段を一体化した燃料電池組立体を構成し、この燃料ガス加湿手段にも燃料ガス還流通路を構成するとともに、燃料ガス加湿手段に供給される燃料ガスにオフガスを還流させるようにしてもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、エンドプレート、セパレータ、電極、電解質膜を積層して構成した燃料電池組立体において、燃料電池組立体内に燃料電極から排出される排出燃料ガスを還流させる排出燃料ガス還流通路を一体に設けるとともに、燃料ガス供給側エンドプレートの内部に前記還流した排出燃料ガスを供給燃料ガスによって吸引駆動するエゼクタを設け、外部から新たに供給した水素リッチな供給燃料ガスに還流した排出燃料ガスを混合して燃料電池の燃料電極に供給するようにしたので、排出燃料ガス還流通路の温度を燃料電池本体とほぼ同様に保ことができるので、循環供給される燃料ガス中の水分の結露をなくすことができるとともに、装置全体の占有面積の増大を防ぐことができる。
【００３２】
また、本発明は、上記燃料電池組立体において、燃料ガス供給側エンドプレートに、厚さ方向に貫通する燃料ガス供給穴と、上記排出燃料ガス還流通路に連結した燃料ガス還流路を設け、前記燃料ガス供給穴と前記燃料ガス還流路の合流点に燃料ガスによって駆動されるエゼクタを設けたので、簡単な構成で、かつ堅牢で安価な燃料ガス循環供給ポンプとすることができるとともに、該ポンプを設けることによる占有面積の増大を大幅に押さえることができる。
【００３３】
さらに、本発明は、上記燃料電池組立体において、燃料ガス排出側エンドプレートに、厚さ方向に貫通する燃料ガス排出穴と、該燃料ガス排出穴から分岐し、上記排出燃料ガス還流通路に連通する燃料ガス還流路とを設けたので燃料電池組立体内で排出燃料ガスを還流させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる燃料電池組立体の構成を示す分解斜視図。
【図２】本発明にかかる燃料電池組立体に設けるエゼクタの構成を模式的に説明する断面図。
【符号の説明】
１  燃料電池組立体
１０  燃料ガス供給側エンドプレート
１１  燃料ガス供給穴
１２  酸化剤ガス供給穴
１３  冷却媒体供給穴
１４  燃料ガス還流穴
１９  燃料ガス還流路
２０  燃料電極側端子板
２１  燃料ガス供給穴
２２  酸化剤ガス供給穴
２４  燃料ガス還流穴
３０  冷却用板
３１  燃料ガス供給穴
３２  酸化剤ガス供給穴
３３  冷却媒体供給穴
３４  燃料ガス還流穴
３５  燃料ガス排出穴
３６  酸化剤ガス排出穴
３７  冷却媒体排出穴
３８  冷却媒体流通溝
４０  燃料ガス側セパレータ
４１  燃料ガス供給穴
４２  酸化剤ガス供給穴
４３  冷却媒体供給穴
４４  燃料ガス還流穴
４５  燃料ガス排出穴
４６  酸化剤ガス排出穴
４７  冷却媒体排出穴
４８  燃料ガス流通溝
５０  電極・電解質膜複合体
５１  燃料ガス供給穴
５２  酸化剤ガス供給穴
５３  冷却媒体供給穴
５４  燃料ガス還流穴
５５  燃料ガス排出穴
５６  酸化剤ガス排出穴
５７  冷却媒体排出穴
５８  燃料電極用開口
６１  電解質膜
６２  燃料電極側ガスケット
６３  酸化剤電極側ガスケット
６４  燃料電極
７０  酸化剤ガス側セパレータ
７１  燃料ガス供給穴
７２  酸化剤ガス供給穴
７３  冷却媒体供給穴
７４  燃料ガス還流穴
７５  燃料ガス排出穴
７６  酸化剤ガス排出穴
７７  冷却媒体排出穴
７８ 酸化剤ガス流通溝
８０  酸化剤電極側端子板
８４  燃料ガス還流穴
８５  燃料ガス排出穴
８６  酸化剤ガス排出穴
８７  冷却媒体排出穴
９０ 燃料ガス排出側エンドプレート
９４  燃料ガス還流穴
９５  燃料ガス排出穴
９６  酸化剤ガス排出穴
９７  冷却媒体排出穴
９９  燃料ガス還流路
１１０  エゼクタ
１１１  ノズル
１１２  スリット
１１３  膨張空間
【図１】
0004292656.tif 000002
【図２】
0004292656.tif 000003