(57)【要約】【課題】半球面状の各燃料電池セルによって形成された円環状の燃料電池スタックを有する燃料電池を提供する。【解決手段】各燃料電池セル１０は、全体として半球面状に形成され、半球面状の外側面１２を一方極として内側面１４を他方極としている。例えば、外側面１２をカソードとして内側面１４をアノードとしている。複数の燃料電池セル１０を積層させる際、隣接する２つの燃料電池セル１０のうちの一方の外側面１２と他方の内側面１４とが重ね合わされる。そして、複数の燃料電池セル１０を円周に沿った積層方向に積層させることにより、全体として円環状のドーナツ型の燃料電池スタック５０が形成される。燃料電池スタック５０には、その円環状の外周に沿って締結ベルト３０が取り付けられ、燃料電池スタック５０は、締結ベルト３０によって外周から締め付けられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池セルを積層させた燃料電池スタックを有する燃料電池であって、
前記各燃料電池セルは、全体として半球面状に形成され、半球面状の外側面を一方極として内側面を他方極とし、
前記燃料電池スタックは、隣接する２つの燃料電池セルのうちの一方の外側面と他方の内側面とを重ね合わせて、複数の燃料電池セルを円周に沿った積層方向に積層させることにより、全体として円環状に形成される、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
前記燃料電池スタックは、その円環状の外周から締め付けられ、
前記積層された複数の燃料電池セルに対して積層方向に沿った荷重がかけられる、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池において、
前記各燃料電池セルと略同形の半球面状のダミーセルを有し、
前記ダミーセルは、円環状に形成される燃料電池スタック内において２つの燃料電池セルの間に挿入され、燃料電池スタックから電気を取り出すターミナルとして機能し、
前記ダミーセルを介して、燃料電池スタックにガスが供給されて燃料電池スタックからガスが排出される、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池において、
前記各燃料電池セルには、内側面からセル内に供給されて外側面からセル外に排出されるガスの流路が形成され、
前記燃料電池スタックには、複数の燃料電池セルの積層方向に沿って、各燃料電池セルの内側面から外側面に向かうガスの流路が形成される、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池において、
前記燃料電池スタックには、隣接する２つの燃料電池セルのうちの一方の外側面と他方の内側面との間に入り込み、各燃料電池セルの表面を流れてセルを冷却する冷却水の流路が形成される、
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池において、
前記燃料電池スタックの円環状の外周に沿って取り付けられて燃料電池スタックを外周から締め付ける締結ベルトを有し、
前記各燃料電池セルには、締結ベルトが接触する部分に締結ベルトを支持する支持部が形成される、
ことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の燃料電池セルを積層させた燃料電池スタックを有する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素を含有した燃料ガスと酸素を含有した酸化ガスとを反応させて得られる化学エネルギーを電気エネルギーに変換する燃料電池が知られている。一般に、燃料電池は、上述した化学反応をおこす燃料電池セルを何枚も重ねて形成される燃料電池スタックを備えている。そして、各燃料電池セルの形状や燃料電池スタックの形状について、従来から様々な提案が成されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、長方形の面をもつ平板状のイオン伝導エレメント（燃料電池セル）を積層させて環状のイオン伝導モジュール（燃料電池スタック）を形成する旨の技術が記載されている。また特許文献２には、略円錐面形状に構成された燃料電池（燃料電池セル）を積層させて円柱状の燃料電池スタックを形成する旨の技術が記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特表平８−５００６９２号公報
【特許文献２】特開２００４−４７１５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように、各燃料電池セルの形状や燃料電池スタックの形状に関する様々な技術が提案されているなかで、本願発明者は、環状に形成される燃料電池スタックの構造について研究開発を重ねてきた。特に、環状の燃料電池スタックを構成する各燃料電池セルの形状に注目した。
【０００６】
本発明は、その研究開発の過程において成されたものであり、その目的は、環状の燃料電池スタックを構成する各燃料電池セルの形状を改良することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の好適な態様である燃料電池は、複数の燃料電池セルを積層させた燃料電池スタックを有する燃料電池であって、前記各燃料電池セルは、全体として半球面状に形成され、半球面状の外側面を一方極として内側面を他方極とし、前記燃料電池スタックは、隣接する２つの燃料電池セルのうちの一方の外側面と他方の内側面とを重ね合わせて、複数の燃料電池セルを円周に沿った積層方向に積層させることにより、全体として円環状に形成されることを特徴とする。
【０００８】
上記態様により、半球面状の各燃料電池セルによって形成された円環状の燃料電池スタックを有する燃料電池が提供される。上記態様において、各燃料電池セルは、全体的に半球面状であればよく、各燃料電池セルの一部において半球面状と異なる部分が存在してもよい。なお、半球面状は、理想的な半球面を含むが、本発明の本質を逸脱しない範囲において真の半球面を歪めたものであってもよい。また、燃料電池スタックは、全体的に円環状であればよく、燃料電池スタックの一部において円環状と異なる部分が存在してもよい。なお、円環状は、理想的な円環形を含むが、本発明の本質を逸脱しない範囲において真の円環形を歪めたものであってもよい。例えば、真の円環形に近い楕円環形なども円環状の概念に含まれる。また、真の円環形や楕円環形などを少し捻った形状なども円環状の概念に含まれる。
【０００９】
望ましい態様において、前記燃料電池スタックは、その円環状の外周から締め付けられ、前記積層された複数の燃料電池セルに対して積層方向に沿った荷重がかけられることを特徴とする。この態様によれば、従来の長方形の面をもつ平板状の燃料電池セルを積層させた環状の燃料電池スタックと比べて、複数の燃料電池セルの各々に対して均一に荷重をかけることができ、各燃料電池セルの面内において均一に荷重をかけることができる。
【００１０】
望ましい態様において、前記各燃料電池セルと略同形の半球面状のダミーセルを有し、前記ダミーセルは、円環状に形成される燃料電池スタック内において２つの燃料電池セルの間に挿入され、燃料電池スタックから電気を取り出すターミナルとして機能し、前記ダミーセルを介して、燃料電池スタックにガスが供給されて燃料電池スタックからガスが排出されることを特徴とする。
【００１１】
望ましい態様において、前記各燃料電池セルには、内側面からセル内に供給されて外側面からセル外に排出されるガスの流路が形成され、前記燃料電池スタックには、複数の燃料電池セルの積層方向に沿って、各燃料電池セルの内側面から外側面に向かうガスの流路が形成されることを特徴とする。
【００１２】
望ましい態様において、前記燃料電池スタックには、隣接する２つの燃料電池セルのうちの一方の外側面と他方の内側面との間に入り込み、各燃料電池セルの表面を流れてセルを冷却する冷却水の流路が形成されることを特徴とする。
【００１３】
望ましい態様において、前記燃料電池スタックの円環状の外周に沿って取り付けられて燃料電池スタックを外周から締め付ける締結ベルトを有し、前記各燃料電池セルには、締結ベルトが接触する部分に締結ベルトを支持する支持部が形成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明により、半球面状の各燃料電池セルによって形成された円環状の燃料電池スタックを有する燃料電池が提供される。例えば、本発明の好適な態様により、従来の環状の燃料電池スタックと比べて、複数の燃料電池セルの各々に対して均一に荷重をかけることができ、各燃料電池セルの面内において均一に荷重をかけることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の好適な実施形態を説明する。図１は、本発明の好適な実施形態を示す図であり、図１には、燃料電池１００と燃料電池セル１０の斜視図が示されている。燃料電池１００は、複数の燃料電池セル１０を環状に積層させた燃料電池スタック５０を有している。
【００１６】
図１（Ｂ）に示すように、各燃料電池セル１０は、全体として半球面状に形成され、半球面状の外側面１２を一方極として内側面１４を他方極としている。例えば、外側面１２をカソードとして内側面１４をアノードとしている。もちろん、外側面１２をアノードとして内側面１４をカソードとしてもよい。
【００１７】
各燃料電池セル１０は、例えば、半球面状のアノード層と半球面状の電解質膜と半球面状のカソード層とを重ね合わせて形成される。例えば、内側面１４側から順に、アノードセパレータ、アノード拡散層、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層、カソード拡散層、カソードセパレータを積層して各燃料電池セル１０が形成される。各燃料電池セル１０の天頂部分に丸孔が設けられてもよい。
【００１８】
図１（Ｂ）に示す燃料電池セル１０を複数積層させる際、隣接する２つの燃料電池セル１０のうちの一方の外側面１２と他方の内側面１４とが重ね合わされる。そして、複数の燃料電池セル１０を円周に沿った積層方向に積層させることにより、図１（Ａ）に示すように、全体として円環状のドーナツ型の燃料電池スタック５０が形成される。
【００１９】
燃料電池スタック５０には、その円環状の外周に沿って締結ベルト３０が取り付けられ、燃料電池スタック５０は、締結ベルト３０によって外周から締め付けられている。この締結ベルト３０の締め付けにより、積層された複数の燃料電池セル１０に対して積層方向に沿った荷重がかけられ、隣接する２つの燃料電池セル１０のうちの一方の外側面１２と他方の内側面１４とが物理的に強く接触して、その間の電気的な接触抵抗（電気抵抗）が低減される。なお、各燃料電池セル１０が半球面状であるため、例えば平板状の場合に比べて、複数の燃料電池セル１０の各々に対して均一に荷重をかけることができ、各燃料電池セル１０の面内において均一に荷重をかけることができる。
【００２０】
燃料電池スタック５０内には、各燃料電池セル１０と同形の半球面状のダミーセル２０が設けられている。ダミーセル２０は、円環状に形成される燃料電池スタック５０内において２つの燃料電池セル１０の間に挿入される。ダミーセル２０は、燃料電池スタック５０から電気を取り出すターミナルとして機能し、また、ダミーセル２０を介して、燃料電池スタック５０にガスが供給されて燃料電池スタック５０からガスが排出される。なお、ダミーセル２０を介して、燃料電池スタック５０に対して冷却水の供給や排出が行われてもよい。
【００２１】
燃料電池スタック５０は、燃料電池スタック５０に類似した形状の恒温容器４０内に封入される。そして、恒温容器４０内において冷却水が循環されて、冷却水によって燃料電池スタック５０の各燃料電池セル１０が冷却される。
【００２２】
図２は、図１に示す円環状の燃料電池スタックの製造方法の一例を示す図である。円環状の燃料電池スタックを形成する際には、例えば、図２に示すように、円環の半分に相当する半円環スタックを２つ形成し、それら２つの半円環スタックを合体させる。これにより、比較的容易に円環状の燃料電池スタックを形成することが可能になる。
【００２３】
図３は、各燃料電池セル１０ごとのガスの流れを説明するための図である。燃料電池スタックは、ダミーセル２０を介して、外部とガスを遣り取りする。つまり、ダミーセル２０には、ガス入口２２Ｉとガス出口２２Ｄが設けられており、ガス入口２２Ｉから燃料電池スタック内にガスが取り込まれ、ガス出口２２Ｄから燃料電池スタック内のガスが排出される。
【００２４】
なお、ガス入口２２Ｉから酸化ガス（例えばエア）と燃料ガス（例えば水素）のうちの一方のガスが取り込まれ、もう１つのガス入口２２´Ｉから他方のガスが取り込まれる。また、ガス出口２２Ｄから酸化ガスと燃料ガスのうちの一方のガスが排出され、もう１つのガス出口２２´Ｄから他方のガスが排出される。
【００２５】
ダミーセル２０のガス入口２２Ｉから取り込まれたガスは、燃料電池セル１０に向かって流れ（符号６２）、燃料電池セル１０の発電に利用される。なお、ダミーセル２０から取り込まれて燃料電池セル１０に向かって流れるガス（符号６２）は、燃料電池セル１０を通り抜けて、図示しない次の燃料電池セル１０へも送られる（符号６８）。
【００２６】
燃料電池セル１０に到達したガス（符号６２）は、燃料電池セル１０の内側面からセル内に入り、セル内において拡散する（符号６４）。セル内において拡散して発電に利用されたガスは、燃料電池セル１０の外側面の天頂部分から排出される（符号６６）。ガスが半球面の内側面から入り外側面の天頂部分から排出される構成のため分散性に優れている。また、例えば、図紙面の表側の位置から一方のガスをセル内に取り込み、図紙面の裏側の位置から他方のガスをセル内に取り込むようにしてクロスフローを実現してもよい。
【００２７】
なお、ダミーセル２０に冷却水入口２４Ｉと冷却水出口２４Ｄを設け、冷却水入口２４Ｉから燃料電池スタック内に冷却水が取り込まれ、冷却水出口２４Ｄから燃料電池スタック内の循環後の冷却水が排出されてもよい。
【００２８】
図４は、燃料電池スタック５０内におけるガスの流れを説明するための図である。ダミーセルに設けられたガス入口２２Ｉから取り込まれたガスは、燃料電池スタック５０内において、複数の燃料電池セルの積層方向に沿って、各燃料電池セルの内側面から外側面へ進む向きに流れる。例えば、図４に示すような左回りの流れ（符号７２）となる。そして、各燃料電池セルにおいて発電に利用されたガスは、各燃料電池セルの天頂部分の排出通路を流れて、ガス出口２２Ｄから排出される。
【００２９】
なお、図４に示すように、ダミーセルを２つ設けて、２つのガス入口２２Ｉから同一のガスを取り込み、２つのガス出口２２Ｄからその同一のガスを排出するようにしてもよい。例えば、一方のガス入口２２Ｉから燃料電池スタック５０の半分のスタックへガスを供給し、反対の位置（１８０°異なる位置）にある一方のガス出口２２Ｄからガスを排出する。そして、他方のガス入口２２Ｉから燃料電池スタック５０の残りの半分のスタックへガスを供給し、反対の位置にある他方のガス出口２２Ｄからガスを排出する。同一ガスの入口と出口を複数設けることにより、圧損を低減することができる。
【００３０】
図５は、恒温容器４０内における冷却水の流れを説明するための図である。恒温容器４０内において、冷却水は、燃料電池スタック５０の積層方向に沿って、符号８０の矢印の向きに流れ、燃料電池スタック５０内の各燃料電池セルを冷却する。例えば、空冷などの手法により恒温容器４０ごと冷却して恒温容器４０内を流れる冷却水を冷却してもよい。
【００３１】
図６および図７は、燃料電池セル１０の表面における冷却水の流れを説明するための図である。燃料電池スタックには、隣接する２つの燃料電池セル１０のうちの一方の外側面と他方の内側面との間に入り込み、各燃料電池セル１０の表面を流れてセルを冷却する冷却水の流路が形成される。
【００３２】
つまり、図６に示すように、隣接する２つの燃料電池セル１０の赤道部分の隙間から、一方の燃料電池セル１０（１）の外側面と他方の燃料電池セル１０（２）の内側面との間に冷却水が入り込み、入り込んだ冷却水が燃料電池セル１０（１）と燃料電池セル１０（２）の冷却に利用された後に、燃料電池セル１０（２）の天頂部分を通って排出される。
【００３３】
例えば、図７に示すように、冷却水が燃料電池セル１０（１）の外側面に沿って流れて（符号７２）燃料電池セル１０（１）を冷却しつつ、燃料電池セル１０（１）の天頂部分に向かって流れ、燃料電池セル１０（１）の天頂部分から排出される（符号７４）。ちなみに、燃料電池セル１０（１）の前のセルからの排水７６は、燃料電池セル１０（１）の中心部を通って符号７４の流れに合流する。円環状の燃料電池スタックの外周を冷却水が循環して各燃料電池セル１０の中心部を通って排水されることにより、例えば、ダミーセルに設ける冷却水の入口を省略することもできる。
【００３４】
図８は、燃料電池スタックに取り付けられる締結ベルト３０を説明するための図である。締結ベルト３０は、燃料電池スタックの円環状の外周に沿って取り付けられ、図８（Ａ）に示すように、燃料電池スタックの外周から複数の燃料電池セル１０を締め付ける。これにより、円環状に積層された複数の燃料電池セル１０に対して積層方向に沿った荷重がかけられ、隣接する２つの燃料電池セル１０のうちの一方の外側面１２と他方の内側面１４とが物理的に強く接触して、その間の電気的な接触抵抗（電気抵抗）が低減される。
【００３５】
各燃料電池セル１０には、締結ベルト３０が接触する部分に締結ベルト３０を支持する支持部が形成される。例えば、図８（Ｂ）に示すように、半球面状の各燃料電池セル１０に対して、締結ベルト３０と接触する部分に凹み１６を設ける。また、図８（Ｃ）に示すように、各燃料電池セル１０に対して、締結ベルト３０と接触する部分にひっかき１８を設けてもよい。凹み１６やひっかき１８によって締結ベルト３０が燃料電池スタックの外周からずれないように支持され、締結ベルト３０を強力に締め付けることが可能になる。
【００３６】
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、上述した実施形態は、あらゆる点で単なる例示にすぎず、本発明の範囲を限定するものではない。本発明は、その本質を逸脱しない範囲で各種の変形形態を包含する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る燃料電池１００と燃料電池セル１０の斜視図である。
【図２】円環状の燃料電池スタックの製造方法の一例を示す図である。
【図３】各燃料電池セル１０ごとのガスの流れを説明するための図である。
【図４】燃料電池スタック５０内におけるガスの流れを説明するための図である。
【図５】恒温容器４０内における冷却水の流れを説明するための図である。
【図６】燃料電池セル１０の表面における冷却水の流れを説明するための図である。
【図７】燃料電池セル１０の表面における冷却水の流れを説明するための図である。
【図８】燃料電池スタックに取り付けられる締結ベルトを説明するための図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０  燃料電池セル、２０  ダミーセル、３０  締結ベルト、５０  燃料電池スタック、１００  燃料電池。
【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】
2009123521.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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