(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単電池を積層した積層電池を備える燃料電池であって、
該積層電池の積層方向に導電性の冷媒を通過させて冷却を行う機構であって、前記冷媒を前記積層電池に供給する供給口と、前記冷媒を前記積層電池から排出する排出口とは、電位が相違する部位に設けられている冷却機構と、
前記冷媒が流れる冷媒路に関し、前記供給口よりも上流側の冷媒路と、前記排出口よりも下流側の冷媒路とを電気的に短絡させる短絡手段と
を備え、
前記供給口および前記排出口は、前記冷媒路のうち前記積層電池内の冷媒路と絶縁されることなく接続されている燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、
該燃料電池は、前記積層電池を複数備えており、
前記冷媒路は、各積層電池の供給口よりも上流側の冷媒路の少なくとも一部、および各積層電池の排出口よりも下流側の冷媒路の少なくとも一部が共通の冷媒路として構成されており、
前記短絡手段が、複数の積層電池に共通の冷媒路として構成された個所に設けられたことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素イオンを透過する電解質層を挟んで水素極と酸素極とを備える燃料電池に関し、セルを積層して構成されるスタックを小型化する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、水素イオンを透過する電解質層を挟んで水素極と酸素極とを備え、陰極（水素極）と陽極（酸素極）でそれぞれ次の反応式（１）（２）に応じた反応を生じさせることによって、起電力を発生する燃料電池が提案されている。電解質層は、
陰極（水素極）
Ｈ2→２Ｈ+  ＋  ２ｅ-                      ・・・（１）
陽極（酸素極）
（１／２）Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-  →  Ｈ2Ｏ    ・・・（２）
【０００３】
燃料電池は、電解質層の種類に応じて、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体電解質型燃料電池、アルカリ型燃料電池など種々の形式が提案されている。近年では、出力密度が高く小型化が可能である等の理由により、水素イオン導電性の高分子膜を電解質層として適用した固体高分子型燃料電池が注目されており、種々の改良が検討されている。
【０００４】
燃料電池は、いずれの型においても単位セル当たりの理論的な起電力は約１．２３Ｖであるため、多数のセルを積層して所望の電圧を得ている。セルを積層してケースで固定されたユニットはスタックと呼ばれている。一般にスタックではセルの積層精度が内部抵抗として現れるから、極端に多くのセルを積層すると内部抵抗が大きくなり燃料電池の効率が低下する。また、極端に多くのセルを積層すると、燃料ガスを各セルに均等に供給することが困難となる。これらの理由から、所望の電圧が得られる程度にまでセルを積層した単一のスタックにより燃料電池を構成することを避け、複数のスタックに分けて燃料電池を構成し、これらを直列に接続することで所望の電圧を得るのが通常である。本願の出願人は、複数のスタックを用いた燃料電池において、各スタックに均等に燃料を供給するとともに、全体の小型化を図ることができる技術として特開平８−１７１９２６号記載の技術を提案している。これは、給排部材を介して４つのスタックを結合した構造である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、スタックを、車両など種々の機器に搭載しようとした場合、燃料の給排上の課題の他、以下に示す種々の課題があることが見出された。従来は、これらの各課題を解決する手段において、燃料電池の小型化が十分に考慮されていなかったため、各課題を解決しようとすれば、燃料電池が大型化するという別の課題を招くことがあった。この意味で、以下の各課題については、好ましい解決手段が十分検討されていなかった。
【０００６】
スタックについての第１の課題は、冷却に起因する課題である。燃料電池は冷却水によって冷却されている。冷却水は、セルのガス流路などを構成するセパレータに形成された冷却水路を流れる。セパレータは、一般に導電性の部材で構成されている。従って、冷却水はセルを冷却する過程で、導電性のセパレータに接触することによって、電極の電位に応じて帯電する。スタックに冷却水を供給する給水口と、スタックから冷却水を排出する排水口の構成によっては、これらの近傍で電位差が存在する場合がある。かかる場合には、この電位差に起因して、給水口と排水口との間で電食などの弊害を招く可能性がある。こうした弊害を回避するために、給水口と排水口とを絶縁材料で覆うなどの措置を施せば、その分、スタックが大型化してしまう。特に、給排部材を介して複数のスタックを連結する構造では、給水口と排水口との電位差が数百ボルトに至るため、絶縁部材の被覆を大型化する必要が生じ、装置のサイズに与える影響が大きい。また、電位差が存在しない部位に給水口と排水口とを併設しようとすれば、給水口と排水口の設置部位についての制約が大きくなるため、冷却水路の設計自由度が低減し、装置の小型化を阻害する要因となる。
【０００７】
スタックについての第２の課題は、反応時に生成される水の排出に起因する課題である。先に式（１）（２）で示した通り、燃料電池は反応時に水（Ｈ2Ｏ）が生成される。このセルで生じた水は、ガスの流れによって、スタックにガスを供給するマニホールドを通って、ガス排出口に運ばれる。また、固体高分子膜型の燃料電池では電解質膜の加湿に用いられる水も同様の経路でガス排出口に運ばれる。この際、ガス排出口に運ばれる水の量が増えるとフラッディングと呼ばれる現象が生じ、燃料電池の運転が不安定になることがあった。つまり、ガス排出口の内部に凝縮した水滴が、ガス流路の断面積を低下させることによってガスの流れを阻害し、ひいては各セルへのガスの供給をも阻害するようになり、発電を不安定にするのである。かかる弊害を回避するために、スタックに排水ポートを設けた構造が特開平１１−２０４１２６に開示されている。しかしながら、この構造は、スタックの外部にドレインバルブや排出ポートを設けるものであり、スタックの構造、ひいては燃料電池全体の構造が極端に大型化するという課題がある。また、複数のスタックを備える燃料電池では、各スタックごとにかかる排水機構を設ける必要が生じ、ますます燃料電池の大型化を招くことになる。
【０００８】
スタックについての第３の課題は、セルの絶縁性に起因する課題である。スタックは積層されたセルが積層方向に分離しないように固定することで構成される。セルを固定する役割を果たす外部構造をここでは、スタックケースと呼ぶものとする。セルは電極の集まりであるから、このようにスタックを構成する場合には、スタックケースとセルの間を絶縁する必要がある。従来は、セルとスタックケースとの間にシリコンゴムなどの絶縁体を挿入することによって両者の絶縁性が確保されていた。しかしながら、かかる構造で両者の絶縁を図る場合は、スタックの製造工程において絶縁体を挿入する工程が必要となり生産性が低下することがあった。前述の通り、セルを積層してスタックを構成する工程は、内部抵抗に関与する精密さを要求される工程であるから、絶縁体の挿入工程が増えることにより、生産性が極端に低下することもあった。また、一般にシリコンゴムなどの絶縁体は厚さに対する精度が比較的低いため、セルに不要な荷重をかけることなくスタックを構成するためには、絶縁体の厚さのばらつきを考慮して、スタックケースを大きめに製造しておく必要があった。さらに、絶縁体自体の形状を維持するためには、ある程度の厚さが必要となるから、不必要に絶縁体が大きくなり、スタックケースの大型化を招いていた。
【０００９】
本願出願人は、こうした大型化を回避する一つの技術を特開平８−１６２１４３として開示している。この技術は、スタックの４面に、ゴムを塗布して被覆する技術である。しかしながら、かかる方法でスタックの絶縁を図る場合、ゴムを塗布する工程が余分に必要となる他、一旦ゴムで被覆されたスタック内で破損などが生じた場合に、修理が困難であるという別の課題を招く。かかる観点から、スタックの生産性を損なうことなく、確実にスタックの絶縁を施すことができ、しかも、スタックケースの大型化を回避できる技術が要望されていた。
【００１０】
スタックについての第４の課題は、防水性、防塵性、およびスタックの剛性の確保に起因する課題である。前述の通り、スタックは複数のセルがスタックケースによって固定されている。しかしながら、セルの電圧を監視するための端子をとりつける必要性および端子を取り付ける際の作業性などに鑑みて、スタックケースは完全な密閉構造になっていないことが多い。従って、かかる構造のスタックを車両など種々の装置に搭載して使用した場合、使用環境に応じて水、埃などがセルの隙間に入り込む可能性があった。また、これらの装置の運転時には振動を伴うことが通常であり、かかる振動やそれに起因する荷重などがスタックに作用すると、スタックに生じる歪みによってセル間に隙間が生じる可能性があった。これらの要因によって、スタックは内部抵抗の増大による発電効率の低下や、発電不良などを生じる可能性があった。
【００１１】
かかる課題を解決するために、スタックケースの外周を完全にシールするとともに、振動などによって変形しない程度にスタックケースの剛性を高める方法を採ることも可能である。しかしながら、スタックケースの外周をシールする工程を設けることはスタックの生産性を損ねることになる。また、スタックケースの剛性を十分に高めるためには、スタックケースの板厚を増す必要があるため、スタックの重量増大および大型化を招くことになる。特に、複数のスタックを用いる燃料電池においては、その影響は多大であった。
【００１２】
スタックについての第５の課題は、積層されたセルに弾性力を付与するための機構に起因する課題である。セルを積層してスタックを構成する場合、内部抵抗を低減するためにはセル同士を可能な限り密着させることが望ましい。一方、発電時は化学反応によって熱が生じ、セルが熱膨張するから、積層されたセルを完全に固着してしまうと、熱応力による変形が生じる可能性があり、発電不良や寿命の低下などの弊害を招く可能性がある。かかる課題を解決する技術が、特開平１１−２３３１３２に開示されている。これは、セルが積層された一端に皿バネを介してエンドプレートを組み付ける技術であり、皿バネの弾性力によって熱膨張などに起因する変形を吸収しつつ、セル同士を密着させる力を付勢するものである。また、本願出願人も上記課題を解決する技術を特開平７−３３５２４３で開示している。これは、積層されたセルの一端に弾性部材を介してエンドプレートを取り付けるとともに、このエンドプレートとセルの一端との間の空間を、流体を注入可能な圧力室として利用する技術であり、弾性部材による弾性力と流体の圧力とを利用して、熱膨張などに起因する変形を吸収しつつ、セル同士を密着させる力を付勢するものである。
【００１３】
しかしながら、これらの技術では、積層方向に貫通するボルトでエンドプレートを固定しているため、ボルトスペースによってスタックが大型化するという課題があった。特に、スタックが積層方向に長くなっていた。燃料電池は、電圧確保のために多数のセルを積層する必要があり、積層方向の寸法は、必然的に大きくなる傾向にある。一方、燃料電池を車両など種々の装置に搭載する際のスペース確保という観点からは、一方向のサイズが極端に大きい形状を回避した方が好ましいことが多い。かかる観点から、セルの積層方向のサイズは可能な限り抑えることが望ましく、上述したボルトスペースに起因する大型化は、スタックを装置に搭載する際の効率を損ねることになる。特に、複数のスタックを用いる燃料電池における影響は多大である。従って、セルの積層方向に適度の弾性力を付与しつつ、スタックの小型化、特に積層方向の小型化を図ることができる技術が要望されていた。
【００１４】
以上で説明した通り、従来の燃料電池には、実用上の種々の課題があり、これらに起因してスタックの大型化という大きな課題を招いていた。本発明は、これらの課題に鑑みてなされたものであり、上述の５つの課題の少なくとも一部を、スタックの大型化回避という観点も含めて解決することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
燃料電池の小型化を図るという一の課題を解決しつつ、上述した種々の課題の少なくとも一部を解決するために、本発明は次の構成を採用した。
本発明の燃料電池は、
単電池を積層した積層電池を備える燃料電池であって、
該積層電池の積層方向に導電性の冷媒を通過させて冷却を行う機構であって、前記冷媒を前記積層電池に供給する供給口と、前記冷媒を前記積層電池から排出する排出口とは、電位が相違する部位に設けられている冷却機構と、
前記冷媒が流れる冷媒路に関し、前記供給口よりも上流側の冷媒路と、前記排出口よりも下流側の冷媒路とを電気的に短絡させる短絡手段と
を備え、
前記供給口および前記排出口は、前記冷媒路のうち前記積層電池内の冷媒路と絶縁されることなく接続されていることを要旨とする。
【００１６】
この燃料電池によれば、短絡手段によって、供給口と排出口で生じる冷却水の電位差を解消することができるから、電食などの弊害を容易に回避することができる。電位差のある冷媒路を電気的に短絡させる手段は、両者を導電性の部材で接続することにより実現できるため、燃料電池の大型化、製造コストの増大などの弊害を招くこともない。また、これによって供給口と排出口とに絶縁部材を設けることによる装置の大型化を回避することもできる。また、両者を電位差のない部位に設けるなどの制約もなくなるため、設計自由度が増し、装置のより一層の小型化を図ることが可能となる。
【００１７】
なお、供給口、排出口は冷媒を給排するために積層電池に設けられた孔を意味しており、「供給口よりも上流側の冷媒路」、「排出口よりも下流側の冷媒路」とは、積層電池に連通された冷媒路を意味している。従って、本発明の短絡手段は、積層電池の内部ではなく、外部に設けられたものである。このことによって、積層電池を構成した後で短絡手段を装着することができるため、積層電池の生産性を損なうことなく短絡手段を設けることができる利点がある。また、断線などの障害が生じた場合の対処が容易になる利点もある。
【００１８】
上記短絡手段は、単一の積層電池に対して施すものとしても構わないが、該燃料電池が、前記積層電池を複数備えている場合には、
前記冷媒路は、各積層電池の供給口よりも上流側の冷媒路の少なくとも一部、および各積層電池の排出口よりも下流側の冷媒路の少なくとも一部が共通の冷媒路として構成されており、
前記短絡手段が、複数の積層電池に共通の冷媒路として構成された個所に設けるものとすることが望ましい。
【００１９】
かかる構成によれば、共通の冷媒路に短絡手段を設けるため、各積層電池に短絡手段を設けるまでなく、冷媒の電位差を解消することができる。従って、短絡手段を設けるための工程、コストを抑制することができる。複数の積層電池を通過した冷媒は非常に大きな電位差を有することがあるため、容易に電位差を解消することができる点で本発明の有用性は非常に高い。複数の積層電池を備える燃料電池の一例としては、供給された燃料ガスを前記各積層電池に分配する機能および前記各積層電池からの排出ガスを集約する機能を果たすことによって外部と各積層電池との間の燃料の給排を実現する給排部材を備えた構造を挙げることができる。この場合、給排部材の内部に上述した共通の冷媒路が形成されることになる。かかる場合には、例えば、給排部材との間で冷却水の給排を行うための供給口、排出口の近傍を短絡させることにより、上記発明の構成を実現することができる。
【００２０】
かかる燃料電池は、前記複数の積層電池と、供給された燃料ガスを前記各積層電池に分配する機能および前記各積層電池からの排出ガスを集約する機能を果たすことによって外部と各積層電池との間の燃料の給排を実現する給排部材を備え、
該給排部材は、内部構造として、
前記集約された排出ガスが流れる集約ガス流路と、
該集約ガス流路から分岐して、該ガス流路内の水滴を排出する排水機構とを備える構造体としてもよい。
【００２１】
この燃料電池によれば、給排部材に設けられた排水機構により、ガス流路内の水滴を適宜排出することができるから、フラッディングを回避することができる。また、排水機構を給排部材内に設けるため、特開平１１−２０４１２６に記載された従来技術と異なり、外部にドレインバルブなどを設ける必要がなく、装置の大型化を回避することができる。特に、給排部材に排水機構を設けるため、各積層電池に対し個別に排水機構を設けることを回避でき、装置を小型化することができる。
【００２２】
なお、排水機構はガス流路から分岐し、水滴を一時的に蓄える蓄水機構と、蓄えられた水を排出する排水管とから構成することができる。排水管は、重力によって水を排出する構成とすることもできるが、よりガス流路内を流れるガスの圧力を利用して積極的に水を排出する機構とすることもできる。燃料ガスを単位電池に均一に滞りなく供給するため、ガスは比較的高圧で供給されるのが通常であり、単位電池内で圧力損失はあるものの排出されるガスは大気圧に比べ十分に高い圧力を有しているのが通常である。従って、排出ガスの圧力が水面に作用する構成の蓄水機構、例えばガス流路が曲がっており局所的に圧力が高くなる部位に設けられた蓄水機構や、排出ガスの流れ方向に対し鋭角的に結合された分岐を介して設けられた蓄水機構などを用いることにより、この圧力を利用して積極的に水を排出することが可能となる。圧力を利用して排水する場合には、重力で排水する場合に比較して排水管の位置に対する自由度が高くなるから、装置を更に小型化することができる。
【００２３】
本願の燃料電池は、前記積層電池は、積層された単電池を固定するための固定部材を備え、
該固定部材は、前記単電池と接触する側の面に絶縁層が一体的に設けられているものとしても良い。
【００２４】
この燃料電池によれば、積層電池を製造する過程において、単電池と固定部材との間に絶縁材を挿入する工程を省略することができ、生産性の向上を図ることができる。特に、単位電池の積層は、積層電池の性能に大きく影響する精密作業であるため、かかる工程における簡易化は、生産性の大幅な向上につながる。絶縁層を一体的に設ける方法としては、絶縁部材を固定部材の一面に接着する方法、絶縁材料を固定部材の一面に塗布する方法など種々の方法を適用することができる。これらの方法によって一体的に形成することにより、絶縁層を別体で用意する場合に比較して、絶縁層自体の厚さを薄くすることができる。また、厚さの寸法誤差を抑制することもできる。さらに、絶縁層が別体で用意されている場合には、仮に絶縁層の位置にずれが生じても、単位電池と固定部材との間が接触しないよう、十分な空隙を設けておく必要があるが、絶縁層を固定部材に一体化した場合には、このような配慮が不要となり単位電池と固定部材との空隙を縮小することができる。固定部材に絶縁層を一体化したこの種の燃料電池は、これらの作用によって、装置を小型化することができる。
【００２５】
本願の燃料電池は、複数の前記積層電池と、
該複数の積層電池をまとめて収容するとともに、外部からの異物の侵入を防止可能に密閉された構造を有する容器とを備えるものとしても良い。異物としては、埃や水などが挙げられる。
【００２６】
かかる容器を備えることにより、各積層電池には異物への完全な対処を施す必要がなくなる。従って、積層電池の構造を簡易化することができ、積層電池の小型化を図ることができる。また、生産性の向上、製造コストの低減を図ることができる。さらに、単電池の電位を監視する必要がある場合には、上述の容器を備えることにより、単電池が外観できる状態で積層電池を構成することができるため有用性が高い。
【００２７】
この燃料電池は、また、剛性確保という観点でも利点がある。燃料電池を車両などに搭載する場合、燃料電池には振動や種々の外力が作用する。安定して発電を行うためには、燃料電池について、振動や外力によって変形を生じない程度の剛性を確保しておく必要がある。ここで、変形とは主として曲げ変形および捩れ変形であり、これらに対する剛性は、断面二次モーメント、断面二次極モーメントを指標として判断することができる。これらの係数は、曲げ変形の中立軸、および捩れ変形の回転軸からの距離が大きい断面ほど大きくなることが知られている。この種の燃料電池の容器は、積層電池をまとめて収容するため、断面二次モーメント、断面二次極モーメントが積層電池よりも明らかに大きくなる。従って、この燃料電池は、材料の板厚を抑制しつつ、十分な剛性を確保することができる。容器が剛性を確保すれば、積層電池はそれほど高い剛性を確保する必要がなくなるため、小型化を図ることができる。また、容器の板厚を抑制することができるから、燃料電池全体の重量の増加も抑制できる。
【００２８】
上記の燃料電池において、
さらに、容器内の前記積層電池との間で燃料ガス、酸化ガスおよび冷却水の供給および排出を行うための機構とは別に、該容器内に生じた気体または液体を容器外部に排出するための排出機構を備えるものとしてもよい。
【００２９】
燃料ガスとして用いられる水素は、非常に微細な分子であるため、運転時に単位電池の各種の接合部から浸み出るようにして漏れることがある。また、燃料電池の反応で生成される水も積層電池外部に漏れ出ることもある。上記の燃料電池は容器を密閉するため、こうして排出される気体および液体が容器内に蓄積される可能性がある。上記構成によれば、排出機構により、これらの気体、液体を適切に容器内から排出することができる。なお、排出機構は、排出管を取り付けた簡易な構成を適用することもできるが、外部からの異物の侵入を防ぐため、取り付け部に弁体などを合わせて設けることが好ましい。
【００３０】
本願の燃料電池では、前記積層電池は、
前記単電池に対し積層方向に弾性力を与える弾性部材と、
前記積層された単電池の両端に該単電池と平行に配置され、前記弾性力に対し剛体とみなし得る剛性を有する一対の端板と、
該一対の端板同士を連結し、該端板に前記弾性力と釣り合う力を作用させる連結部材とを備え、
前記端板と前記連結部材とは、前記積層方向と直交する方向に挿入された締結部材で締結されたものとしても良い。
【００３１】
この燃料電池によれば、弾性部材の弾性力によって、熱による変形を吸収しつつ、単電池を十分に密着させ安定した運転を実現することができる。このように弾性力を付与する機構において、この種の燃料電池は、単電池に付与される弾性力の反作用として端板にかかる荷重を、連結部材で支持する構造を採る。ここで、連結部材と端板との締結部材は積層方向と直交する方向に挿入されている。締結部材を積層方向に挿入する場合には、その分、積双方向のサイズが大型化するが、積層方向と直交する方向に挿入する場合には、かかる大型化を回避できる。
【００３２】
上記構成は、複数の積層電池を備える燃料電池において、以下に示す通り、特に有用性が高い。複数の積層電池を備える燃料電池では、各単電池に均一に燃料ガスなどの供給を行うために、積層方向に供給口、排出口を設けることが好ましい。特に、前述した給排部材を用いて複数の積層電池を結合する場合、各積層電池は一方の端板を介して給排部材に結合されることになる。この種の燃料電池によれば、積層方向と直交する方向に締結部材が挿入されているため、給排部材との結合面で締結部材が干渉することを回避できる。また、給排部材と積層電池とを結合した後も、締結部材による締結状態の確認などを行うことができるため、整備性も向上する。給排部材を利用しない場合でも、程度の差こそあれ、同様の効果を得ることができる。
【００３３】
さらに、この燃料電池においては、前記積層電池を複数備える場合には、該積層電池が前記締結部材の挿入方向と直交する方向に配列されているものとすることが望ましい。かかる配置とすることにより、積層電池同士で締結部材が干渉することを回避でき、燃料電池のより一層の小型化を図ることができる。また、整備性を向上することもできる。なお、かかる構成を備えた燃料電池は、複数の積層電池を備える場合に、特に有用性が高いが、単一の積層電池にも有効に適用できることはいうまでもない。
【００３４】
本発明の燃料電池は、実施例に説明するように、種々の態様で実施可能である。また、実施例の他の構成と組み合わせた燃料電池を種々構成することもでき、それぞれの燃料電池の利点を兼ね備えた燃料電池を実現することができる。なお、上記発明は、特に小型化が期待されている固体高分子型の燃料電池に適用することが望ましいが、これに限定されるものではなく、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体電解質型燃料電池、アルカリ型燃料電池など種々の形式の燃料電池に適用可能である。
【００３５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、実施例に基づき、以下の順序で説明する。
Ａ．全体構成：
Ｂ．冷却系統の短絡手段：
Ｃ．排水機構：
Ｄ．テンションプレートの絶縁構成：
Ｅ．セルを固定する構造およびスタックの配置：
Ｆ．アウタケース：
【００３６】
Ａ．全体構成：
図１は本実施例のスタック１０の概略構成を示す斜視図である。スタック１０は、起電力を生じる単位電池としてのセル１００を所定数だけ積層した積層電池の形態で形成される。積層されたセルは、上下に配置されたテンションプレート１７０，１７２と締結されて固定されている。セル１００は、それぞれ固体高分子型燃料電池として形成されており、各セルが１Ｖ強の起電圧を生じる。本実施例では、各スタックで約１００Ｖの起電圧を生じるよう、１００枚のセルを積層している。セル１００の詳細構造は、後述するが、それぞれセパレータで酸素極、電解質膜、水素極をこの順序に挟んだ構造をなしている。スタック１０では、隣接するセル１００のセパレータは共有されている。一般には、「スタック」という用語は、単に積層されたセルの総称として用いる場合と、セルを固定する部材も含めた構造体を意味する場合とがある。本明細書では、単にスタック１０と呼ぶ場合には、後者の意味、即ち積層されたセル１００の他、上下のテンションプレート１７０、１７２も含めた構造体を意味し、前者の意味で用いる場合には、「狭義のスタック」と呼ぶものとする。
【００３７】
スタック１０は、一端からエンドプレート１２、絶縁板１６、集電板１８、複数のセル１００、集電板２０、絶縁板２２、エンドプレート１４の順に積層されて構成される。エンドプレート１２、１４は、剛性を確保するため、鋼等の金属によって形成されている。集電板１８、２０は緻密質カーボンや銅板などガス不透過な導電性部材によって形成され、絶縁板１６、２２はゴムや樹脂等の絶縁性部材によって形成されている。スタック１０で生じた電力は、集電板１８、２０に結線することによって出力される。
【００３８】
一方のエンドプレート１４には、燃料ガス供給口３５、燃料ガス排出口３６、酸化ガス供給口３３、酸化ガス排出口３４、冷却水供給口３１、冷却水排出口３２が設けられている。燃料ガス供給口３５からスタック１０に供給された燃料ガスは、エンドプレート１２に向かって流れながら各セル１００に分配される。各セル１００に配分された燃料ガスは、エンドプレート１２に向かって流れながら各セル１００に分配され、図中の左方から右方にセル１００内の流路を流れた後、エンドプレート１４側に流れ、燃料ガス排出口３６から排出される。酸化ガスも同様に、酸化ガス供給口３３から供給された後、エンドプレート１２に向かって流れながら各セル１００に分配され、各セル１００内の流路を図中の上方から下方に流れた後、酸化ガス排出口３４から排出される。冷却水は、冷却水供給口３１から供給された後、所定の間隔で設けられた冷却用のセパレータを通り、セルを冷却した後、冷却水排出口３２から排出される。スタック１０は、このようなガスおよび冷却水の流れを実現できるよう内部で各セル１００のガス流路が形成されている。スタック１０の各セル１００を構成する電解質膜１３２は、セパレータ１１０、１２０と接する周辺領域がシールされている。このシールは、セル１００内部から燃料ガスおよび酸化ガスが漏れ出し、両者が混合するのを防止する役割を果たす。
【００３９】
図２はセル１００の構造を示す斜視図である。セル１００は固体高分子型燃料電池として構成されている。セル１００は、電解質膜１３２を水素極１３４、酸素極１３６で挟み込み、さらにその両側をセパレータ１１０、１２０で挟んだ構造を有している。酸素極１３６は電解質膜１３２を挟んで水素極１３４の裏面、図中では隠れた側の面に存在する。水素極１３４、酸素極１３６は、ガス拡散電極である。セパレータ１１０、１２０は水素極１３４、酸素極１３６と対向する面に複数の凹凸状のリブが形成されている。セパレータ１１０、１２０が、水素極１３４、酸素極１３６をさらに両側から挟み込むことによって、水素極１３４との間に燃料ガス流路１１２、酸素極１３６との間に酸化ガス流路１２２が形成される。セパレータ１１０、１２０は両面にリブが形成されており、片面は水素極１３４との間で燃料ガス流路１１２を形成し、他面は隣接するセル１００が備える酸素極１３６との間で酸化ガス流路１２２を形成する。このように、セパレータ１１０、１２０は、ガス拡散電極との間でガス流路を形成するとともに、隣接するセル間で燃料ガスと酸化ガスの流れを分離する役割を果たしている。
【００４０】
電解質膜１３２は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。電解質膜１３２としては、例えばナフィオン膜（デュポン社製）などを適用することができる。電解質膜１３２の表面には、触媒としての白金が塗布されている。本実施例では、触媒としての白金を担持したカーボン粉を有機溶剤に分散させ、電解質溶液（例えば、Ａｌｄｒｉｃｈ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ社、Ｎａｆｉｏｎ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）を適量添加してペースト化した上で、電解質膜１３２上にスクリーン印刷する方法で触媒を塗布した。触媒層の形成方法は、他にも種々の方法を適用でき、例えば、上記触媒を担持したカーボン粉を含有するペーストを膜成形してシートを作製し、電解質膜１３２上にプレスするものとしてもよい。また、触媒には白金と他の金属からなる合金を用いることもできる。水素極１３４および酸素極１３６は、炭素繊維を織成したカーボンクロスにより形成されている。水素極１３４および酸素極１３６を炭素繊維からなるカーボンペーパまたはカーボンフエルトにより形成するものとしてもよい。また、上述の触媒は、ガス拡散電極と電解質膜１３２との間に介在しておればよいため、電解質膜１３２側に触媒を塗布する方法に代えて、水素極１３４および酸素極１３６の電解質膜１３２と接する側に、触媒を塗布するものとしてもよい。
【００４１】
セパレータ１１０、１２０は、ガス不透過の導電性部材、例えば、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンにより形成されている。セパレータ１１０、１２０はその両面に、平行に配置された複数のリブが形成されている。リブは、必ずしも両面で平行に形成する必要はなく、面毎に直交するなど種々の角度で形成することができる。また、リブは燃料ガスおよび酸化ガスの流路を形成可能な形状であれば、必ずしも平行な溝状である必要はない。
【００４２】
セパレータ１１０、１２０には、その周辺部の２カ所に、円形断面の冷却水孔１５１、１５２が形成されている。この冷却水孔１５１、１５２は、セル１００を積層した際に、スタック１０を積層方向に貫通する冷却水路を形成する。セパレータ１１０、１１２０の各辺付近には、それぞれの辺に沿う細長い形状の燃料ガス孔１５３、１５４および酸化ガス孔１５５、１５６が形成されている。燃料ガス孔１５３、１５４および酸化ガス孔１５５、１５６は、セル１００を積層することによってスタック１０を形成した際に、スタック１０を積層方向に貫通する燃料ガス流路１１２および酸化ガス流路１２２を形成する。本実施例では、図３の左方の辺に沿って燃料ガス供給路、右方の辺に沿って燃料ガス排出路が形成される。また、上方の辺に沿って酸化ガス供給路、下方の辺に沿って酸化ガス排出路が形成される。
【００４３】
スタック１０の燃料ガス供給口３５は燃料ガス供給路につながっており、燃料ガス排出口３６は燃料ガス排出路につながっている。燃料ガス供給口３５から供給された燃料ガスは、燃料ガス供給路を通じて各セル１００の燃料ガス流路１１２に流れ込む。そして、水素極１３４で所定の反応に供された後、燃料ガス排出路から燃料ガス排出口３６に流出する。酸化ガスも同様の経路で流れる。スタック１０の酸化ガス供給口３３は酸化ガス供給路につながっており、酸化ガス排出口３４は酸化ガス排出路につながっている。酸化ガス供給口３３から供給された酸化ガスは、酸化ガス供給路を通じて各セル１００の酸化ガス流路１２２に流れ込む。そして、酸素極１３６で所定の反応に供された後、酸化ガス排出路から酸化ガス排出口３４に流出する。
【００４４】
スタック１０では、セル１００が５枚積層されるごとに１枚の割合で、冷却セパレータ１４０が設けられている。冷却セパレータ１４０は、セル１００を冷却する冷却水路を形成するためのセパレータである。冷却セパレータ１４０には、冷却水孔を連絡する葛折状の冷却水溝１４２が形成されている。セパレータ１１０、１２０のうち冷却セパレータ１４０と対向する面は、リブのないフラットな面となっており、冷却セパレータ１４０に設けられた溝はセパレータ１１０、１２０との間で冷却水路を形成する。なお、セパレータ１１０、１２０および冷却セパレータ１４０は、緻密質カーボンの他、導電性を有する種々の材料によって形成することができる。例えば、剛性および伝熱性を重視して銅合金やアルミニウム合金などの金属で形成してもよい。また、冷却セパレータ１４０を設ける割合は、スタック１０の要求出力に応じたセル１００の発熱量、冷却水の温度および流量などの条件に応じて冷却に適した範囲で設定することができる。
【００４５】
本実施例の燃料電池１は、上述したスタック１０を４つ連結して構成される。図３は燃料電池１の概略構造を示す分解斜視図である。本実施例では、直方体状の給排ボックス２００の対向する２面に４つのスタック１０Ａ〜１０Ｄを連結する構成を適用した。給排ボックス２００は燃料供給源、酸化ガス供給源、冷却水供給源に連結されており、燃料、酸化ガス、冷却水は、それぞれ給排ボックス２００を介して各スタック１０Ａ〜１０Ｄに均等に分配されるとともに、各スタック１０Ａ〜１０Ｄから給排ボックス２００に集約されて外部に排出される。
【００４６】
図４は燃料ガス、酸化ガス、冷却水の給排状況を示す説明図である。給排ボックス２００には、各スタック１０Ａ〜１０Ｄに設けられた燃料ガス供給口３５、燃料ガス排出口３６、酸化ガス供給口３３、酸化ガス排出口３４、冷却水供給口３１、冷却水排出口３２に連通する孔が設けられている。また、スタック１０Ａ〜１０Ｄと接合しない残りの４面には、それぞれ燃料供給源、酸化ガス供給源、冷却水供給源などと連接するための孔が設けられている。給排ボックス２００の内部構造については詳細な説明を省略するが、これらの孔を介して給排ボックス２００は、各スタック１０Ａ〜１０Ｄへの燃料ガス、酸化ガス、冷却水の給排を実現している。
【００４７】
冷却水は、図示する通り、給排ボックス２００の上面に設けられた給水口２０１、排水口２０２を介して給排される。給排ボックス２００の内部には、給水口２０１から供給された冷却水を各スタックの冷却水供給口３１に分配して供給する流路、および各スタックの冷却水排出口３２から排出された冷却水を排水口２０２に集約する流路が形成されている。外部から供給された冷却水は、図中に実線の矢印で示す経路でスタックに供給され、破線で示す経路でスタックから排出される。ここでは、図の煩雑化を避けるため、スタック１０Ｃについてのみ冷却水の経路を示したが、スタック１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｄについても同様である。
【００４８】
酸化ガスは、図示する通り、給排ボックス２００の上面に設けられた供給口２０３を介して供給され、下面に設けられた排出口から排出される。給排ボックス２００の内部には、供給口２０３に供給された酸化ガスを各スタック１０Ａ〜１０Ｄの酸化ガス供給口３３に分配して供給するための流路が設けられている。また、各スタック１０Ａ〜１０Ｄの酸化ガス排出口３４から排出された酸化ガスを排出口に集約するための流路が設けられている。外部から供給された酸化ガスは、図中に矢印で示す経路でスタックに供給されるとともに、各スタックから排出される。ここでは、図の煩雑化を避けるため、スタック１０Ａ，１０Ｄについてのみ酸化ガスの経路を示したが、スタック１０Ｂ、１０Ｃについても同様である。
【００４９】
燃料ガスは、図４において給排ボックス２００の背面に設けられた供給口から供給され、図４において手前の側面に設けられた排出口２０４から排出される。給排ボックス２００の内部には、供給口に供給された燃料ガスを各スタック１０Ａ〜１０Ｄの燃料ガス供給口３５に分配して供給するための流路が設けられている。また、各スタック１０Ａ〜１０Ｄの、燃料ガス排出口３６から排出された燃料ガスを排出口２０４に集約するための流路が設けられている。外部から供給された燃料ガスは、図中に矢印で示す経路でスタックに供給されるとともに、各スタックから排出される。ここでは、図の煩雑化を避けるため、スタック１０Ａ，１０Ｄについてのみ酸化ガスの経路を示したが、スタック１０Ｂ、１０Ｃについても同様である。
【００５０】
スタック１０Ａ〜１０Ｄは直列に結線されている。各スタックは約１００Ｖの起電圧を生じるから、本実施例の燃料電池は、４つのスタックにより約４００Ｖの起電圧を実現している。本実施例では、給排ボックス２００を用いて各スタックを結合する構成を採用したが、スタックの結合には、その他種々の構造を適用することができる。また、スタックの数も、要求される電圧に応じて種々設定可能である。なお、本実施例の燃料電池は、給排ボックス２００および４つのスタック１０Ａ〜１０Ｄを、一つのアウターケースに収容している。アウターケースの構造については、後述する。以上では、燃料電池についての一般的な概略構成を説明した。以下では、本実施例の燃料電池について特徴的な構成についてそれぞれ項を分けて説明する。
【００５１】
Ｂ．冷却系統の短絡手段：
図５は冷却系統に設けられた短絡手段の概念を示す説明図である。図４で説明した通り、本実施例の燃料電池は、給排ボックス２００を介して４つのスタック１０Ａ〜１００Ｄが結合されており、給排ボックス２００には、これらの４つのスタックに冷却水を分配・集約して給排するための給水口、排出口が設けられている。図４では、給排ボックス２００の上面に設けられている構造を示したが、ここでは短絡手段の特徴を図示する際の図の煩雑化を回避するため、側面に給水口２０１Ａ、排水口２０２Ａが設けられているものとして示した。
【００５２】
本実施例では、このように設けられた給水口２０１Ａと排水口２０２Ａとの間に、両者を電気的に短絡させる短絡手段として短絡ケーブル２１０が設けられている。本実施例では、給水口２０１Ａと排水口２０２Ａとを確実に短絡するために、両者に巻回するようにして導電線の短絡ケーブル２１０を固定した。短絡ケーブル２１０の固定は、給水口２０１Ａと排水口２０２Ａとを電気的に短絡可能な種々の態様で行うことができる。例えば、両者の一点にそれぞれハンダ漬けしてもよいし、ボルト止めしてもよい。また、短絡ケーブル２１０は、必ずしも導電線で形成する必要はなく、給水口２０１Ａ、排水口２０２Ａが貫通する孔をあけた導電板を用いることもできる。短絡手段としては、このように給水口２０１Ａと排水口２０２Ａとを導電性の部材で接続する他、両者が短絡するように接触させて配置する方法を採るものとしてもよい。さらに、プリント基板と同様の手法により、給排ボックス２００の表面にエッチングなどで形成するものとしても構わない。
【００５３】
短絡ケーブル２１０の作用は次の通りである。図２で説明した通り、スタックに供給された冷却水は冷却セパレータを通過ることによってセルの冷却を行うが、冷却セパレータは導電性の部材で形成されているため、冷却水は、冷却時にセルの電位に応じて帯電する。この結果、冷却水の給水口２０１Ａと排水口２０２Ａとで冷却水に電位差が生じることがある。図５に本実施例における冷却水の流れを示した。図示する通り、給水口２０１Ａから供給された冷却水は、各スタック１０Ａ〜１０Ｄに分配され、それぞれのスタックを冷却した後、集約されて排水口２０２Ａから排出される。ここで、本実施例では、４つのスタックを直列に接続しているから、スタック１０Ａからスタック１０Ｄに向けて電位は１００Ｖ刻みで上昇する。従って、図示する通り、スタック１０Ａ、１０Ｂを冷却した冷却水は約１００Ｖに帯電し、スタック１０Ｃ、１０Ｄを冷却した冷却水は約３００Ｖに帯電することになる。この結果、給水口２０１Ａと排水口２０２Ａとの間には、約２００Ｖの電位差が生じる。
【００５４】
本実施例によれば、上述した短絡ケーブル２１０によって、給水口２０１Ａと排水口２０２Ａとが電気的に短絡されているため、両者の電位差を解消することができる。従って、本実施例によれば、給水口２０１Ａと排水口２０２Ａとの間に生じる電位差に起因する電食などの弊害を回避することができる。また、短絡手段は、上述した通り、比較的容易に実現できるため、燃料電池の大型化、製造コストの増大などの弊害を招くこともない。また、これによって供給口と排出口とに絶縁部材を設けることによる装置の大型化を回避することもできる。また、両者を電位差のない部位に設けるなどの制約もなくなるため、設計自由度が増し、装置のより一層の小型化を図ることが可能となる。
【００５５】
本実施例では、給排ボックス２００の給水口２０１Ａおよび排水口２０２Ａの間に短絡ケーブル２１０を接続するものとした。短絡ケーブルは各スタックごとに設けても構わないが、給排ボックス２００を利用することにより、１箇所の設置で済むため、短絡ケーブル２１０の設置が容易となり、また、断線などの障害が生じた場合の対処が容易になるなど、作業負担を軽減できる利点がある。
【００５６】
短絡ケーブル２１０の設置方法についての変形例を示す。図６は第１の変形例としての短絡ケーブル２１０の設置方法を示す説明図である。ここでは、スタック１０Ａ〜１０Ｄおよび給排ボックス２００の平面図を示した。第１の変形例では、図示する通り、給水口２０１Ｂと排水口２０２Ｂとが給排ボックス２００の対向する面に設けられている点で、実施例と相違する。かかる場合には、短絡ケーブル２１０を、給排ボックス２００を横断する形で給水口２０１Ｂと排水口２０２Ｂとを短絡するように設置すればよい。なお、この場合において、短絡ケーブルは、給排ボックス２００の外部を通るように設置することが簡便であるが、内部を横断するようにしても構わない。
【００５７】
図７は第２の変形例としての短絡ケーブル２１０の設置方法を示す説明図である。実施例では、給排ボックス２００に短絡ケーブル２１０を固定したが、ここでは、各スタックに固定する場合を例示した。図５から明らかな通り、本実施例の構成では、各スタックごとに見れば、同電位の部分から給水および排水がなされているため、冷却水の電位差は生じない。しかしながら、図７に示すようにスタックの両端に給水口２０１Ｃ、排水口２０２Ｃを設ける場合には、電位差が生じる。第２の変形例は、かかる場合に適用でき、短絡ケーブル２１０は、スタックを横断するようにして給水口２０１Ｃと排水口２０２Ｃとを結合するように設けられる。
【００５８】
第１の変形例および第２の変形例においても、実施例と同様、種々の態様で短絡手段を設けることができる。短絡手段は、実施例および変形例に例示した態様に限定されず、電位差が存在する部位に応じて種々の態様で設けることが可能である。
【００５９】
Ｃ．排水機構：
図８は燃料ガスの排出口２０４に設けられた排水機構を示す説明図である。本実施例の給排ボックス２００をガスの排出口２０４を含む平面で切断した場合のカットアウェイ図である。図の煩雑化を避けるため、断面の様子は、排出口２０４近傍のみを示した。既に説明した通り、各スタック１０Ａ〜１０Ｄから排出された燃料ガスは給排ボックス２００で集約され、ガスの排出口２０４から外部に排出される。図８には、各スタックからのガスが集約された後の流路を示した。
【００６０】
図示する通り、ガスの流路は、排出口２０４近傍で分岐しており、排水ポート２０５が設けられている。分岐から排水ポートに至る流路は、水が流れ得る状態で形成されていればよく、給排ボックス２００に設けられた他の流路を妨げない位置に適宜設けることができる。図８では、Ｌ字型に折れ曲がった流路を図示したが、曲線状に構成されていても構わない。本実施例では、後述する通り、Ｌ字型の流路の屈曲部が一時的に水滴を蓄える蓄水部となる。排水用の流路は、ガスの排出口２０４の近傍に設けられており、排出口２０４に別の配管が接続される継ぎ手部分で局所的に高くなった静圧ＡＰが、この蓄水部に蓄えられた水滴の水面に十分作用する位置に設けられている。
【００６１】
排水機構の作用は、次の通りである。燃料電池は、先に従来技術で示した式（１）（２）に基づいて発電を行うため、発電の結果物として水を生成する。また、本実施例では、固体高分子型の燃料電池を用いており、発電を行うためには、各セルの電解質膜を適度に加湿する必要がある。これらの結果、セルを通過した燃料ガスには、少なからず水滴が混入する。燃料電池では、比較的高い圧力で各セルに燃料ガスが供給されるため、これらの水滴は、ガスの圧力によって排出口２０４に運ばれる。しかしながら、こうして発生した水滴は、燃料ガスの流路のいずれかの部分で排出する必要がある。ガス流路に水滴が残存したままでは、水滴がガス流路の内面に付着し燃料ガスの給排を妨げる可能性があるからである。本実施例の排水機構は、排出されたガスに混入した水滴を外部に排出する作用を奏するものである。
【００６２】
燃料ガスの排出口２０４付近に運ばれてきた水滴は、排水ポート側の流路に流れ込む。Ｌ字型に構成された流路の屈曲部はこれらの水滴を一時的に蓄える蓄水部２０６としての役割を果たす。排水ポート側の流路は、重力の作用によって水滴が効率的に流れ込むよう、ガス流路の下方に設けることが望ましい。こうして蓄えられた水滴は逐次、排水ポート２０５から排出される。
【００６３】
このような排水機構は、燃料ガスを排出する流路のいかなる部位に設けることもでき、燃料電池の外部に設けてることも可能である。しかしながら、本実施例では、給排ボックス２００において、各スタック１０Ａ〜１０Ｄから排出されたガスが集約された後の部位に設けた点に大きな特徴がある。かかる部位に設けることにより、単一の排水機構で、水滴を効率的に排出することができるのである。また、排水機構を一箇所に設ければ済むため、装置の構成を簡易にするとともに、小型化を図ることも可能となる。給排ボックス２００の内部に設けることにより、外部にドレインバルブなどを設ける必要がなく、装置を更に小型化することができる。
【００６４】
また、本実施例の排水機構は、重力のみならず燃料ガスの圧力をも利用することで、効率的に水滴を排出することができる利点もある。先に説明した通り、本実施例では、排水用の流路内に蓄水部２０６が設けられており、ここに蓄えられた水面にガスの圧力ＡＰが十分に作用するように構成されている。燃料ガスは高圧で各スタックに供給されるため、一般に排出される燃料ガスも大気圧に比較して圧力が高い状態にある。従って、蓄水部２０６に蓄えられた水滴の水面にこの圧力を作用させることによって、積極的に効率よく水を排出することができるのである。このようにガスの圧力を利用して排水可能とすることにより、排水ポート２０５の径を小さくすることができ、装置の小型化を図ることが可能となる。
【００６５】
本実施例では、ガスの排出口２０４の近傍に分岐を設けることにより、水を効率的に排出可能な静圧ＡＰを蓄水部２０６に作用させる構成を採用したが、分岐の位置、形状はガスの圧力を作用させ得る種々の態様を採ることができる。例えば、ガスの流路が曲がっており局所的に圧力が高くなる部位に分岐を設けるものとしてもよいし、排出ガスの流れ方向に対し鋭角的に分岐を結合し、ガスの動圧が作用するようにしてもよい。もちろん、ガスの圧力を利用する構成は、必須のものではなく、重力のみで排水する機構を用いるものとしても構わない。
【００６６】
ガスの圧力を利用して排水することにより、排水ポートの位置に対する自由度が高くなる利点もある。かかる利点を活かした排水ポートの例を変形例として示す。図９は変形例としての排水機構を示す説明図である。変形例では、排水ポート２０５がガスの排出口２０４よりも上方に設けられている点で実施例と相違する。図示する通り、排水ポートに至る流路は、ガスを排出する流路から、実施例と同様の部位で分岐する。分岐部は実施例と同様、ガスを排出する流路の下部に設けられている。この分岐部は蓄水部２０６Ａを構成する。変形例では、この蓄水部２０６Ａに内に開口し、排水ポート２０５Ａに連通するように排水流路２０７が設けられている。排出されるガスの圧力ＡＰが蓄水部２０６Ａの水面に作用すると、この圧力は、大気圧よりも高いから、水滴は排水流路２０７を通り、排水ポート２０５Ａから排出される。このようにガスの圧力が作用する部位に蓄水部２０６Ａを設けることにより、任意の部位に排水ポート２０５Ａを設けることができるのである。従って、排水ポート２０５Ａの位置に対する自由度が高くなり、設計によって装置全体の小型化を図ることが可能となる。変形例においても、実施例で説明したのと同様、蓄水部２０６Ａはガスの圧力を作用させ得る種々の態様で設けることができる。
【００６７】
図８および図９では、燃料ガスの排出部についての排水機構を説明した。酸化ガスについても燃料ガスと同様、排水を行う必要がある。本実施例では、酸化ガスの流路にも燃料ガスと同様の排水機構が設けられている。かかる機構について、変形例（図９）の機構を適用することも可能である。
【００６８】
Ｄ．テンションプレートの絶縁構成：
図１０はテンションプレートの構造を示す説明図である。ここでは、図１に示したテンションプレートのうち、狭義のスタック１０ｎの下面に設けられるテンションプレート１７２のみを図示した。上面に設けられるテンションプレート１７０も同一の構成をなしているため、以下では図示および説明を省略する。
【００６９】
テンションプレート１７２には、セルを積層した狭義のスタックとの接面に絶縁層１７４が設けられている。本実施例では、シリコンゴムシートを接着することで絶縁層１７４を形成した。絶縁層１７４の素材は必ずしもシリコンゴムシートに限られず、絶縁作用を奏する種々の素材を適用することができる。シリコンゴムシートをもちいる場合には、絶縁作用の他、狭義のスタック１０ｎを防振することもできる利点がある。テンションプレート１７２が絶縁性の材料で形成されている場合など、狭義のスタック１０ｎとテンションプレート１７２との間を改めて絶縁する必要がない場合などには、絶縁層１７４を防振作用のみを果たす防振層として設けても構わない。また、絶縁層１７４は接着の他、コーティングによって形成するものとしてもよい。このように絶縁層１７４は、絶縁作用、防振作用のいずれを果たすかに応じて、種々の素材、方法で形成することができる。
【００７０】
本実施例のテンションプレート１７２を用いれば、スタック１０を製造する工程を簡素化できる利点がある。例えば、絶縁層１７４を別途設ける場合には、狭義のスタック１０ｎとテンションプレートとの間に絶縁材を挿入する工程が必要となるが、本実施例のテンションプレート１７２を利用すれば、かかる工程を省略することができるのである。セルを積層してスタック１０を形成する工程は、燃料電池の性能に大きく影響する精密作業であるため、かかる工程における簡易化は、生産性の大幅な向上につながる。
【００７１】
また、絶縁層１７４をテンションプレート１７２に一体的に形成することにより、以下に示す理由により、スタック１０を小型化することができる利点もある。第１に絶縁材を別体で用意する場合には、絶縁材自体の形状維持のため厚くなりがちであるが、本実施例のようにテンションプレート１７２に絶縁層１７４を一体的に形成するものとすれば、その厚さを薄くすることができる。また、厚さの寸法誤差を抑制することもできる。第２に絶縁材が別体で用意されている場合には、仮に絶縁材の位置にずれが生じても、狭義のスタック１０ｎとテンションプレート１７２とが接触しないよう、十分な空隙を設けておく必要があるが、本実施例のようにテンションプレート１７２に絶縁層１７４を一体的に形成するものとすれば、このような配慮が不要となり両者の空隙を縮小することができる。これらの作用によって、本実施例で説明したテンションプレート１７２を用いれば、スタック１０、ひいては燃料電池全体の小型化を図ることが可能となる。
【００７２】
ここでは、スタック１０の上下にテンションプレート１７０、１７２を配置する構成（図１参照）を例にとって説明したが、絶縁層を一体的に形成する構成は、スタック１０を完全に収容する箱状のケースを用いる場合や、スタック１０の４面を板で固定する場合など種々の構造に適用することができる。
【００７３】
Ｅ．セルを固定する構造およびスタックの配置：
図１１はセルを固定する構造を示す説明図である。既に説明した通り、スタック１０は上下をテンションプレート１７０、１７２で挟んで固定されている。ここでは、固定方法について更に詳述する。
【００７４】
図１１（ａ）はスタック１０をエンドプレート１２側から見た斜視図である。図示する通り、スタック１０のエンドプレート１２、１４は図中の上下方向に挿入された８本のボルト１７５によって、テンションプレート１７０と締結されている。斜視図には現れないが、下面のテンションプレート１７２とも同様、上下方向に挿入された８本のボルトで締結されている。エンドプレート１２には、中央付近に突部１２Ａが設けられている。
【００７５】
図１１（ｂ）はスタック１０のＡ−Ａ断面図である。既に説明した通り、スタック１０は多数のセル１００を積層して形成されている。セル１００は、その両端をエンドプレート１２、１４で挟むようにして固定されている。セル１００の一端とエンドプレート１２との間には皿バネ２２０が挿入されている。エンドプレート１２の中央部は、皿バネ２２０の位置ずれを防止するよう受け皿状に変形されている。突部１２Ａはこの変形を外観したものである。なお、皿バネ２２０はセル１００を密着させる方向に弾性力ＥＦを付勢するよう、挿入されている。
【００７６】
皿バネ２２０がセル１００に弾性力を作用させると、その反作用Ｆ１，Ｆ２がエンドプレート１２、１４に働く。本実施例では、図１１（ａ）に示す通り、上下に固定されたテンションプレート１７０、１７２がこの反作用Ｆ１，Ｆ２と釣り合う弾性力ＴＦ１，ＴＦ２をエンドプレート１２、１４に作用させることで、全体の構造を成立させている。エンドプレート１２、１４はかかる弾性力に対し、十分な剛性を維持することができる素材および板厚で形成されている。
【００７７】
上述の構造による作用は次の通りである。皿バネ２２０の弾性力ＥＦによってセル１００間が密着されるため、セル間の隙間などに起因する内部抵抗を低減することができる。セル１００は発電時の熱によって変形するが、皿バネ２２０はこの変形を吸収しつつ、セル１００を密着させることができるため、本実施例の燃料電池は常に安定した発電を実現することができる。皿バネ２２０は、かかる作用を十分奏することができるよう、弾性力および大きさを適宜選択すればよい。
【００７８】
また、テンションプレート１７０、１７２とエンドプレート１２、１４とを図中の上下方向、即ちセル１００の積層方向に直交する方向に挿入されたボルトで締結することによって、以下に示す通り、装置の小型化を図ることができる利点もある。第１にかかる方向にボルトを挿入するため、積層方向にボルトの頭部が突出することを回避でき、その分、スタック１０の積層方向のサイズを抑制することができる利点がある。電圧を確保するために、複数枚のセルを積層することから、一般に、スタック１０は積層方向に長くなるのが通常であり、燃料電池を車両などの機器に搭載する場合には、特に積層方向の寸法に対して厳しい要求が課せられることが大きいため、積層方向の短縮は意義が大きい。
【００７９】
また、図１に示したように本実施例の燃料電池は、給排ボックス２００に４つのスタック１０Ａ〜１０Ｄを結合して構成される。各スタックにおいて、セルを固定するためのボルトが積層方向に突出している場合には、給排ボックス２００と干渉し、この干渉を回避するための構成が必要となり、燃料電池全体の大型化や給排ボックス２００の構成の複雑化などにつながる恐れがある。これに対し、本実施例のスタックによれば、ボルトが干渉することなく、各スタック１０Ａ〜１０Ｄを給排ボックス２００に結合することができ、構造の簡素化、小型化を図ることができる。
【００８０】
なお、上述の効果は、ボルトを積層方向に直交する方向に挿入することによって得られる効果である。本実施例では、複数のスタックの配置を工夫することによって、装置の更なる小型化を図っている。図１２は本実施例におけるスタックの配置を示す説明図である。本実施例の燃料電池は、図１に示す通り、４つのスタック１０Ａ〜１０Ｄを給排ボックス２００に結合して構成されている。ここでは、それらのうち、スタック１０Ａ，１０Ｄの配置を図示した。スタック１０Ｂ，１０Ｃもこれに準じた配置がなされている。
【００８１】
図示する通り、本実施例では、隣接する２つのスタック１０Ａ，１０Ｄは、ボルト１７５が挿入された方向と直交する方向に配列されている。このように配列することにより、ボルト１７５同士の干渉なく、スタック１０Ａ、１０Ｄを蜜に配置することができるため、燃料電池全体の小型化を図ることができる。図１３はボルト１７５が挿入されている方向にスタックを配置した状態を示す説明図である。図１３（ａ）はスタック１０Ａの上にスタック１０Ｄを積み重ねた場合の斜視図である。図１３（ｂ）はかかる場合の側面図である。このように上下方向にスタックを配置した場合には、図１３（ｂ）に示す通り、スタック１０Ａ，１０Ｄの間の領域Ｂ１，Ｂ２において、それぞれのボルト１７５同士が干渉するため、スタック１０Ａ，１０Ｄを密着して配置することができず、大型化を招くことになる。これに対し、図１２に示したように、ボルト１７５の挿入方向に直交する方向にスタック１０Ａ，１０Ｄを配置すれば、両者の間隔を狭めることができるのである。
【００８２】
スタック１０Ａ，１０Ｄの配置は、ボルト１７５同士の干渉を回避できる方向であればよく、図１２に示すようにスタック１０Ａ，１０Ｄのセルの積層方向が平行になるように配置するものに限定はされない。スタック１０Ａ、１０Ｄをセルの積層方向に並べて配置するものとしてもよい。
【００８３】
本実施例では、テンションプレート１７０を矩形の板で構成する場合を例示したが、テンションプレート１７０の形状はこれに限定されない。図１４はテンションプレートの変形例を示す説明図である。変形例のテンションプレート１７０Ａは、エンドプレートと結合される両端部では幅が広く、中央付近で幅が狭いＨ字型に形成されている。かかる形状でも弾性力ＴＦ１，ＴＦ２を作用することができるため、スタックを構成することが可能である。変形例のテンションプレート１７０Ａによれば、セル１００に熱変形が生じた場合、エンドプレートを通じて作用する引張り荷重Ｆ１，Ｆ２によるテンションプレート１７０Ａの変形例が実施例よりも大きくなる。つまり、皿バネの他、テンションプレート１７０Ａによってもセル１００の熱変形を吸収する作用を奏することができる。この結果、皿バネの弾性力の過不足をテンションプレート１７０Ａで補償することができ、皿バネの選択範囲が広がり、燃料電池の製造コストを低減することが可能となる。テンションプレート１７０は、ここで例示した形状に限らず、弾性力の要求に応じて、種々の板厚、形状で構成することが可能である。
【００８４】
本実施例および変形例では、皿バネを介してセルを挟持するエンドプレートをテンションプレートで上下から支持する構造を例示した。本実施例の第１の特徴は、テンションプレートを締結するボルトを積層方向に直交する方向に挿入することであり、かかる方向にボルトを挿入するものであれば、更に左右方向にテンションプレートを設ける構造、上下左右の４面にテンションプレートを設ける構造を採ることが可能である。また、エンドプレートとテンションプレート間の剛性を十分に確保できる場合には、上下左右のいずれか一方にのみ設けられたテンションプレートでセルを固定するものとしてもよい。また、本実施例および変形例ではボルトによって締結する場合を例示したが、締結部材は、これらに限定されるものではない。また、弾性力を与える部材も，皿バネに限らず種々のバネやゴムシートなどを適宜用いることができる。
【００８５】
Ｆ．アウタケース：
全体構成についての説明で述べた通り、本実施例の燃料電池１は、アウタケースに収容されている。図１５は燃料電池がアウタケースに収容された状態を示す説明図である。図１５（ａ）には燃料電池１が収容された状態を斜視図で示した。図中の破線で燃料電池１である。図示する通り、アウタケースは本体２とふた３とから構成されている。本体２にはドレインホース５が取り付けられており、ふた３には排気ホース４が取り付けられている。なお、アウタケースには、燃料電池１に燃料ガス、酸化ガス、冷却水を給排するためのパイプが接合されているが、図の煩雑化を回避するため、ここでは図示を省略した。
【００８６】
図１５（ｂ）は斜視図のＢ−Ｂ面における断面図である。図中のハッチングを付した部分が燃料電池１に相当する。アウタケースの本体２とふた３は接合面でシール６で密閉されている。本実施例では、燃料電池１に水や埃などの異物が外部から浸入することを防止するために、アウタケースを密閉している。本実施例では、シール６にシリコンゴムを適用するものとしたが、上記目的に沿うものであれば、種々の素材および方法により密閉することが可能であり、例えば、本体２とふた３とを溶接するものとしてもよいし、かしめなどの方法によって本体２とふた３とを固着するものとしてもよい。
【００８７】
ドレインホース５は何らかの原因によりアウタケース内にたまった水を排出するためのホースであり、本体２の下部に設けられた孔に止め具で固定されている。排気ホース４はアウタケース内にたまった種々のガスを排出するためのホースであり、ふた３の上部に設けられた孔に止め具で固定されている。なお、ドレインホース５および排気ホース４は外部からの水、埃などの異物の侵入を抑制できる構造となっている。本実施例では、これらのホースの長さを十分に長くし、適度に屈曲させておくことで、かかる作用を奏するようにした。異物の侵入を更に確実に防止するために、これらのホースの取り付け部に弁体を設けるものとしてもよい。なお、ドレインホース５、排気ホース４は、アウタケースに必須のものではなく、アウタケース内部で燃料電池から水や種々の気体が生じる可能性が低い場合など、必要性が低い場合には、これらの少なくとも一方を省略する構成としても構わない。
【００８８】
アウタケースの作用は、次の通りである。第１に、アウタケース内に燃料電池１を収納することによって異物の侵入を防止することができる。従って、セル間に異物が紛れ込んで発電効率が低下することを回避できる。また、燃料電池１は、周囲を完全に被覆するといった異物への対策を施す必要がなくなるため、全体の構造を簡易化することができ、積層電池の小型化を図ることができる。同時に燃料電池の生産性の向上、製造コストの低減を図ることもできる。
【００８９】
アウタケースは、また、重量の増加や燃料電池の大型化をもたらすことなく、剛性を確保することができる利点もある。図１５の軸Ａｘ，Ａｙはそれぞれ上下方向および左右方向の曲げ変形における中立軸を意味している。十分な曲げ剛性を確保して燃料電池１を構成するためには、これらの中立軸Ａｘ，Ａｙについての断面二次モーメントを十分に大きくすることが望ましい。ここで燃料電池自体は、中立軸Ａｘ，Ａｙから外周までの距離が全般に小さいため、アウタケースに比較して断面二次モーメントが小さくなる。従って、アウタケースを用いない場合に十分な曲げ剛性を確保しようとすれば、燃料電池１の板厚、特にテンションプレートの板厚を厚くする必要が生じる。これに対し、アウタケースは中立軸Ａｘ，Ａｙから外周までの距離を十分に確保することができるため、断面二次モーメントが大きい。従って、比較的薄い板厚でも十分な曲げ剛性を確保することができる。アウタケースが十分な曲げ剛性を有している場合、燃料電池１には、ほとんど曲げ荷重は作用しなくなるから、燃料電池１の板厚を薄くすることができる。
【００９０】
燃料電池１に作用する荷重としては、上述した曲げ荷重の他に捩れ荷重が挙げられる。捩れ荷重に対して十分な剛性を確保するためには、捩れの中心軸、即ち図１５において中立軸Ａｘ，Ａｙの交点に対する断面二次極モーメントを大きくすることが望ましい。断面二次極モーメントは、中心軸から外周までの距離が大きい程大きくなる。従って、アウタケースを用いた場合には、燃料電池単体の場合に比較して大きな断面二次極モーメントを実現することができる。この結果、アウタケースは、比較的薄い板厚で十分な捩れ剛性を確保することができる。アウタケースが十分な捩れ剛性を有している場合、燃料電池１には、ほとんど捩れ荷重は作用しなくなるから、燃料電池１の板厚を薄くすることができる。
【００９１】
これらの作用により、アウタケースを用いることにより、容易に十分な剛性を確保することができるから、燃料電池１の板厚を薄くすることができ、重量軽減および小型化を図ることができる。なお、アウタケースを用いることにより容積的には、燃料電池単体よりも大きくなるものの、燃料電池１の周囲は、燃料ガス、酸化ガス、冷却水を給排するための配管のために所定のスペースが要求されるのが通常であるから、アウタケース内にこれらの配管を適宜配置することにより、容積が大きくなるデメリットを解消することができる。
【００９２】
アウタケースは、図１５に示した他、種々の形状で構成することができる。図１６は第１の変形例としてのアウタケースを示す斜視図である。実施例では、本体２に燃料電池１をほぼ完全に収容し、ふた３をかぶせる構成とした。これに対し、変形例では、本体２Ａを比較的小さく形成し、ふた３Ａを大きくした。例えば、燃料電池の周囲に燃料ガス、酸化ガス、冷却水などの配管を十分に施してアウタケースに収容する場合、変形例では、本体２Ａに燃料電池を収容した後、ふた３Ａを被せる前は、燃料電池の大半が露出されている状態となるため、上述の配管作業を容易かつ確実に行うことができる利点がある。本体およびふたの寸法は、実施例または第１の変形例のようにいずれか一方を大きくする必要はなく、同じ大きさで形成してもよい。
【００９３】
図１７は第２の変形例としてのアウタケースを示す斜視図である。実施例および変形例では、本体とふたの２つからアウタケースを構成する場合を例示した。つまり、上下に分割された部材を結合してアウタケースとする場合を例示した。アウタケースは、必ずしもかかる構成とする必要はなく、例えば、左右に分割された２つの部材を結合して構成するものとしてもよい。かかる構成が第２の変形例に相当する。アウタケースは、水、埃などの異物が内部の燃料電池に侵入することを防止できる構造であり、剛性を確保するのに適した構造であれば、ここに例示した以外にも種々の構造を適用することができる。
【００９４】
もちろん、燃料電池を搭載する状況によって、それほど高い剛性が要求されない場合には異物の侵入のみを目的としたアウタケースを用いるものとしてもよい。かかる場合には、比較的小型のアウタケースを用いることができる。また、剛性が要求されないため、樹脂を用いて形成することも可能である。
【００９５】
以上で説明した本実施例の燃料電池によれば、第１に冷却系統の短絡手段により冷却水に生じる電位差に起因する弊害を抑制することができる。第２に排水機構により、いわゆるフラッディングによる発電不良や不安定な運転を回避することができる。第３にテンションプレートの絶縁構成により、燃料電池を製造する際の生産性を向上することができる。第４にセルを固定する構造およびスタックの配置により、燃料電池のセルに適切な弾性力を与え、セル間の積層不良を回避することができる。第５にアウタケースを用いることにより、燃料電池に異物が侵入することを回避することができる。さらに、本実施例の燃料電池では、それぞれ装置の小型化に配慮した構成によって、上述した効果を実現している。従って、本実施例によれば、燃料電池を種々の装置に搭載する際の実用性を大きく向上することができる。
【００９６】
なお、上述の実施例では、冷却系統の短絡手段、排水機構、テンションプレートの絶縁構成、セルを固定する構造およびスタックの配置、アウタケースという５つの特徴を全て適用した場合を例示したが、これらの特徴は、それぞれ個別に適用することが可能である。実際に使用される燃料電池が解決すべき課題に応じて、上述の各手段を適宜選択的に適用すればよい。以上、本発明の種々の実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の構成を採ることができることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例のスタック１０の概略構成を示す斜視図である。
【図２】セル１００の構造を示す斜視図である。
【図３】燃料電池１の概略構造を示す分解斜視図である。
【図４】燃料ガス、酸化ガス、冷却水の給排状況を示す説明図である。
【図５】冷却系統に設けられた短絡手段の概念を示す説明図である。
【図６】第１の変形例としての短絡ケーブル２１０の設置方法を示す説明図である。
【図７】第２の変形例としての短絡ケーブル２１０の設置方法を示す説明図である。
【図８】燃料ガスの排出口２０４に設けられた排水機構を示す説明図である。
【図９】変形例としての排水機構を示す説明図である。
【図１０】テンションプレートの構造を示す説明図である。
【図１１】セルを固定する構造を示す説明図である。
【図１２】本実施例におけるスタックの配置を示す説明図である。
【図１３】ボルト１７５が挿入されている方向にスタックを配置した状態を示す説明図である。
【図１４】テンションプレートの変形例を示す説明図である。
【図１５】燃料電池がアウタケースに収容された状態を示す説明図である。
【図１６】第１の変形例としてのアウタケースを示す斜視図である。
【図１７】第２の変形例としてのアウタケースを示す斜視図である。
【符号の説明】
２、２Ａ…本体
４…排気ホース
５…ドレインホース
６…シール
１０、１０Ａ、１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ…スタック
１０ｎ…スタック
１２…エンドプレート
１２Ａ…突部
１４…エンドプレート
１６…絶縁板
１８、２０…集電板
２２…絶縁板
３１…冷却水供給口
３２…冷却水排出口
３３…酸化ガス供給口
３４…酸化ガス排出口
３５…燃料ガス供給口
３６…燃料ガス排出口
１００…セル
１１０…セパレータ
１１２…燃料ガス流路
１２２…酸化ガス流路
１３２…電解質膜
１３４…水素極
１３６…酸素極
１４０…冷却セパレータ
１４２…冷却水溝
１５１…冷却水孔
１５３…燃料ガス孔
１５５…酸化ガス孔
１７０，１７０Ａ…テンションプレート
１７２…テンションプレート
１７４…絶縁層
１７５…ボルト
２００…給排ボックス
２０１、２０１Ａ、２０１Ｂ、２０１Ｃ…給水口
２０２、２０２Ａ、２０２Ｂ、２０２Ｃ…排水口
２０３…供給口
２０４…排出口
２０５、２０５Ａ…排水ポート
２０６Ａ…蓄水部
２０６…蓄水部
２０７…排水流路
２１０…短絡ケーブル
２２０…皿バネ
【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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