JP3946617B2 - 燃料電池スタック - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池スタックに関し、一層詳細には、小型かつ軽量であり、しかも、高電流かつ高電圧を得ることが可能な燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
大多数の燃料電池スタックは、例えば、特許文献１の図１および図３に示されているように、平板形状の単位セルを複数個積層するとともに、該単位セル同士を互いに電気的に接続することによって構成されている。
【０００３】
単位セルは、アノード側電極、電解質およびカソード側電極が順次接合されてなる接合体が、１対のセパレータで挟持されることによって構成される。このセパレータは、通常、金属製である。
【０００４】
ところで、長尺なテープ状の高分子膜からなる固体電解質の各端面にアノード側電極またはカソード側電極をそれぞれ形成することによって複数個の電極対を設け、隣接する電極対同士が電気的に接続するように円筒状基材に巻回して燃料電池を構成することが特許文献２に提案されている。
【０００５】
なお、特許文献２では、電極対の一部同士を積層し、下側の電極対を構成するアノード側電極に上側の電極対を構成するカソード側電極を当接させることによって、隣接する電極対同士を電気的に接続するようにしている（図４および請求項１４参照）。
【０００６】
この燃料電池では、燃料ガスとしての水素ガスが円筒状基材の中空内部に供給される。この水素ガスは、円筒状基材の内周壁から外周壁に指向して透過した後、外周壁に当接したアノード側電極において、プロトンと電子とに電離する。
【０００７】
このうちの電子は、外部回路を付勢する電気エネルギとなり、一方、プロトンは、カソード側電極に指向して高分子膜内を移動する。プロトンは、最終的に、円筒状基材の周囲に雰囲気ガスとして存在する空気中の酸素と、外部回路を付勢してカソード側電極に移動してきた電子と結合する。これにより、Ｈ2Ｏが生成する。
【０００８】
特許文献２によれば、このように構成された燃料電池は、高電圧で放電させることが可能であるという利点を有し、しかも、特許文献１の図３に示されるような流路が設けられたセパレータが不要となるので、製造コストを低廉化することもできるとされている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−１７０５９０号公報（特に、図１および図３）
【特許文献２】
米国特許明細書第６００７９３２号（特に、図１）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
近年における環境保護への関心の高まりから、燃料電池スタックを駆動源とするモータの作用下に走行する燃料電池車を実用化することが試みられている。この場合、燃料電池スタックには、高電流が発生することが希求される。燃料電池スタックから高電流を取り出すことができた場合、モータ内に発生する磁界の強さも大きくなるので、その結果、モータに大きなトルクを発生させることができるからである。
【００１１】
また、トルクを発生させるための電流をモータに供給するには、発生トルク、換言すれば、負荷に応じた電圧を燃料電池スタックから得ることが必要となる。すなわち、大きな発生トルクを得るために、燃料電池スタックから高電圧の出力を得ることも希求される。
【００１２】
ところで、特許文献２に開示された燃料電池は、単体である。このような燃料電池のみでは、高電流および高電圧を得ることは困難である。そこで、この燃料電池を構成する電極対の数を増すことが想起される。しかしながら、この場合、燃料電池の長さ方向の寸法が大きくなり、これに伴って重量も増すという不具合がある。
【００１３】
また、この燃料電池には、冷却水を導入することが可能な構成が採用されていない。このため、燃料電池の温度を制御することが容易ではないという不具合が顕在化している。
【００１４】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、高電流および高電圧を得ることが可能であり、しかも、小型かつ軽量で、温度制御も容易な燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、プロトンが伝導可能な高分子膜の一端面に複数のアノード側電極が形成され、かつ前記高分子膜の他端面における前記アノード側電極の各々に対向する位置にカソード側電極が形成された接合体が、気体が透過可能な円筒状基材の外周壁に巻回されることによって構成された単位燃料電池を複数具備するとともに、前記円筒状基材の内周に燃料ガスまたは酸素含有ガスのいずれか一方が流通し、かつ外周に燃料ガスまたは酸素含有ガスの残余の一方が接触する燃料電池スタックであって、
複数の前記単位燃料電池を収容するケーシングと、
前記ケーシングの内周に嵌合されて前記円筒状基材の各端部を挿入する貫通孔が設けられた第１隔壁部材および第２隔壁部材と、
を有し、
前記接合体においては、前記高分子膜によって隔てられた各々の前記アノード側電極および前記カソード側電極によって電極対が構成され、
前記電極対は、隣接する電極対に電気的に接続され、
前記単位燃料電池のうち隣接する単位燃料電池同士は、前記電極対の巻回開始点および巻回終点がともに１８０°相違して互いに当接していることを特徴とする。
【００１６】
この燃料電池スタックにおいては、高分子膜を介して円筒状基材に巻回された電極対が電気的に直列接続されている。このため、単位燃料電池には、直列接続された電極対によって大きな起電力が生じる。換言すれば、高電圧を発生する燃料電池スタックを構成することができる。
【００１７】
また、本発明によれば、電極対の巻回開始点および巻回終点が１８０°ずつ相違するように単位燃料電池同士を隣接配置することにより、両単位燃料電池においてｎ回目に巻回された電極対同士を確実に当接させることができる。このように当接した電極対は、電気回路としては、電位点が互いに同等である電極同士が電気的に並列接続されたことと等価であり、結局、電極面積が増したことと等価である。しかも、当接した電極対同士では、電流が流れる方向が一致する。このため、燃料電池スタックは、発電に際して高電流を発生する。
【００１８】
なお、隣接する単位燃料電池における両電極対において、巻回開始点および巻回終点の相違が１８０°でない場合には、当接した電極対の電位点が相違するとともに、電流が流れる方向が互いに異なる。このため、単位燃料電池同士を離間したり、または絶縁材を使用したりすること等によって、隣接する単位燃料電池間を絶縁する必要が生じる。しかしながら、本発明においては、上記したように巻回開始点および巻回終点の相違が１８０°であるので、隣接する単位燃料電池間を絶縁する必要は特にない。
【００１９】
換言すれば、本発明においては、隣接する単位燃料電池における両電極対の巻回開始点および巻回終点を１８０°ずつ相違するようにしているため、単位燃料電池同士を離間したり、絶縁材を使用したりする必要がない。したがって、燃料電池スタックが大型化することや大重量となることを回避することができ、その結果、小型かつ軽量な燃料電池スタックを構成することができる。
【００２０】
その上、本発明によれば、金属製のセパレータが不要となる。このため、燃料電池スタックの重量を著しく小さくすることができる。
【００２１】
なお、６個の前記単位燃料電池を構成する前記円筒状基材の底面の中心が正六角形の各頂点位置に配置されていることが好ましい。これにより、隣接する単位燃料電池同士を互いに当接させ、かつ最も密な配置とすることができる。
【００２２】
この場合、６個の前記単位燃料電池が正六角形の各頂点位置に配置されることによってその中心部に形成された間隙に挿入された冷却媒体流通管と、
前記ケーシングの内周に嵌合されて前記冷却媒体流通管の各端部を挿入する貫通孔が設けられた第３隔壁部材および第４隔壁部材と、
を有し、
前記第１隔壁部材と前記第３隔壁部材との間に燃料ガスまたは酸素含有ガスのいずれか一方が導入される第１ガス室が形成され、
かつ前記第２隔壁部材と前記第４隔壁部材との間に燃料ガスまたは酸素含有ガスの残余の一方が導入される第２ガス室が形成されることが好ましい。
【００２３】
このような構成とすることにより、燃料電池スタックに冷却管を組み込むためのスペースを設ける必要がなくなる。すなわち、冷却管を組み込むことに伴って燃料電池スタックが大型化することを回避することができる。
【００２４】
ここで、隣接する電極対同士を互いに電気的に接続する手段の好適な例としては、電極対の一部を隣接する電極対に積層することが挙げられる。この場合、電極対には、隣接する電極対が当接する箇所にガス透過防止処理を施すことが好ましい。これにより、例えば、任意の電極対を構成するアノード側電極に供給された水素ガスが、該電極対に隣接する電極対を構成するカソード側電極に拡散することを回避することができる。このため、水素ガスと酸素とが直接反応して水が生成することを回避することができる。
【００２５】
さらに、高分子膜に漏洩防止部が設けられていることが好ましい。この漏洩防止部により、例えば、円筒状基材を通過した水素ガスが該円筒状基材の外周壁から漏洩することを回避することができる。したがって、水素ガスと酸素とが直接反応して水が生成することを回避することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池スタックにつき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２７】
本実施の形態に係る燃料電池スタックの一部破断全体斜視図を図１に示す。この燃料電池スタック１０は、その中空内部に連通する水素ガス供給管１２、水素ガス排出管１４、空気供給管１６、空気排出管１８、冷却水供給管２０および冷却水排出管２２が外周壁に設けられた円筒体形状のケーシング２４を有する。また、該ケーシング２４の外周壁からは、２本のターミナル端子２６ａ、２６ｂが突出している。これらターミナル端子２６ａ、２６ｂには、図示しないモータ等の外部負荷が電気的に接続される。
【００２８】
ケーシング２４の肉厚は、燃料ガスおよび酸素含有ガスが導入された際のガス圧に対して充分な耐圧性を有するように設定される。また、ケーシング２４を構成する素材としては、アルミニウム等の軽合金やステンレス鋼、または各種のエンジニアリングプラスチック等の耐熱性を有するものが選定される。
【００２９】
ここで、図１のＩＩ−ＩＩ線またはＩＩＩ−ＩＩＩ線からの各矢視断面図を図２または図３に示す。これら図２および図３から諒解されるように、ケーシング２４には、単位燃料電池２８と、冷却水を流通させるための冷却管３０とがそれぞれ複数個収容されている。
【００３０】
この場合、単位燃料電池２８は、図４に示すように、水素ガスを透過することが可能な物質からなる円筒状基材３２と、該円筒状基材３２に巻回された接合体３４とを有する。
【００３１】
図５に示すように、接合体３４は、各端部に第１幅広部３６および第２幅広部３８がそれぞれ設けられたテープ状の高分子膜４０の一端面に所定間隔で互いに離間したアノード側電極４２と、高分子膜４０の他端面において、各アノード側電極４２に対応する位置に設けられたカソード側電極４４とを有する。なお、第１幅広部３６と第２幅広部３８は、互いに相反する方向に突出形成されているとともに、その長手方向には、傾斜辺４６ａ、４６ｂを有する。これら第１幅広部３６および第２幅広部３８は、後述するように、円筒状基材３２を透過した水素ガスを遮蔽する。すなわち、第１幅広部３６および第２幅広部３８は、水素ガスが円筒状基材３２の外周壁から漏洩することを防止する漏洩防止部として機能する。
【００３２】
高分子膜４０の素材は、プロトンが伝導可能な素材からなるものであれば特に限定されるものではないが、好適な例としては、ナフィオン（登録商標）に代表されるパーフルオロスルホン系高分子、ポリケトンに強酸基を導入した高分子、ポリケトン側鎖を有する高分子に強酸基を導入した高分子、ポリスチレンに強酸基を導入した高分子、ポリスチレンの少なくとも一部をフッ化した高分子に強酸基を導入した高分子、塩基性高分子に強酸を複合あるいは共有結合させた高分子、塩基性高分子に強酸基を有する有機化合物を複合あるいは共有結合させた高分子が挙げられる。
【００３３】
一方、アノード側電極４２は、電極触媒層、ガス拡散層（いずれも図示せず）が高分子膜４０上にこの順序で形成されてなる。電極触媒層は、白金を５０％以上含有する金属粉末や、該金属粉末をカーボンブラック等の粉末炭素材の表面に担持させたものをアルコール等の溶媒でペースト状にしたものを高分子膜４０に塗布した後、乾燥することによって設けることができる。塗布方法としては、スクリーン印刷法等の公知技術を採用すればよい。
【００３４】
また、ガス拡散層は、カーボン繊維、カーボンクロス、カーボンペーパや、耐食処理を施した金属製の繊維、クロス、ペーパ等からなる。ガス拡散層は、このような素材を上記のようにして設けられた電極触媒層上に載置した後、例えば、ホットプレスを行うことによって形成することができる。
【００３５】
または、ガス拡散層となる素材上に電極触媒層を上記のようにして設けた後、これを高分子膜４０の端面に載置してホットプレスを行うようにしてもよい。
【００３６】
さらに、ガス拡散層の上方に電子導電層を設けるようにしてもよい。電子導電層は、ガス拡散層を構成する素材と同様の素材、すなわち、カーボン繊維、カーボンクロス、カーボンペーパや、耐食処理を施した金属製の繊維、クロス、ペーパ等から構成することができる。
【００３７】
カソード側電極４４は、アノード側電極４２と同様に構成されており、したがって、詳細な説明を省略する。
【００３８】
上記したアノード側電極４２およびカソード側電極４４が高分子膜４０に隔てられることによって、電極対４８が構成されている。そして、本実施の形態においては、アノード側電極４２とカソード側電極４４とがテープ状の高分子膜４０の長手方向に沿って１０個ずつ設けられることにより、１０個の電極対４８が設けられた形態となっている。
【００３９】
このように構成された接合体３４は、図６に示すように、全アノード側電極４２が外周壁に当接するように、かつ全カソード側電極４４が露呈するように円筒状基材３２に巻回される。この際、第１幅広部３６の傾斜辺４６ａが円筒状基材３２の一端部と面一となるように合わせられて巻回が開始され、巻回が終了する時点では、第２幅広部３８の傾斜辺４６ｂが円筒状基材３２の他端部と面一となる。
【００４０】
巻回の途中では、要部を拡大して示した図７から諒解されるように、露呈したカソード側電極４４の一部に、隣接する電極対４８を構成するアノード側電極４２の一部が積層される。これが繰り返されることにより、隣接する電極対４８同士が互いに電気的に直列接続される。
【００４１】
なお、アノード側電極４２およびカソード側電極４４における積層箇所には、ガスが透過することを防止するためのガス透過防止処理が施されている。具体的には、カーボン粉末を含有する導電性エポキシ樹脂等の導電性ペーストが、積層箇所間に注入された上で乾燥固化されている。
【００４２】
燃料電池スタック１０においては、図３およびその一部を示す図８に示すように、以上の構成の単位燃料電池２８が６個で１ユニットを形成している。すなわち、６個の単位燃料電池２８の各々は正六角形の頂点位置に配置され、かつ隣接する単位燃料電池２８同士は互いに当接している。
【００４３】
前記冷却管３０は、この正六角形の中心に配置されている（図３参照）。換言すれば、冷却管３０は、６個の単位燃料電池２８が正六角形の各頂点位置に配置されることに伴ってその中心部に形成された間隙に挿入されている。冷却管３０をこのように配置した場合、冷却管３０を組み込むためのスペースを設ける必要がなくなる。このため、６個の単位燃料電池２８を正六角形の各頂点位置に配置し、かつ該正六角形の中心部に冷却管３０を配置するようにしたことに伴って燃料電池スタック１０の形状が大きくなることもない。
【００４４】
また、図３から諒解されるように、ユニットＵ１を構成する単位燃料電池２８は、該ユニットＵ１に隣接するユニットＵ２を構成する単位燃料電池２８を兼ねる。同様に、任意のユニットを構成する単位燃料電池２８は、該ユニットに隣接するユニットを構成する単位燃料電池２８を兼ねる。
【００４５】
ここで、図８に示すように、隣接する単位燃料電池２８同士では、各電極対４８の巻回開始点および巻回終点が１８０°相違している。すなわち、例えば、単位燃料電池２８ａにおける電極対４８の巻回開始点が図８におけるＡ点である場合、この単位燃料電池２８ａに隣接する２個の単位燃料電池２８ｂ、２８ｃは、Ａ点から１８０°回転した位置にあるＢ点が電極対４８の巻回開始点となるように、正六角形の頂点に配置されている。
【００４６】
勿論、単位燃料電池２８ｂ、２８ｃにそれぞれ隣接する単位燃料電池２８ｄ、２８ｅにおいては、電極対４８の巻回開始位置はともにＡ点であり、これら単位燃料電池２８ｄ、２８ｅに隣接する単位燃料電池２８ｆにおいては、電極対４８の巻回開始位置はともにＢ点である。必然的に、図９に示すように、隣接する単位燃料電池２８同士では、電極対４８の巻回終点も１８０°ずつ相違する。
【００４７】
このように、隣接する単位燃料電池２８における各電極対４８の巻回開始点および巻回終点を１８０°異ならせることにより、単位燃料電池２８ａにおいて１回目に巻回された電極対４８ａと、該単位燃料電池２８ａに隣接する単位燃料電池２８ｂ、２８ｃにおいて１回目に巻回された電極対４８ａ、４８ａとが互いに当接する。同様に、２回目〜１０回目に巻回された電極対４８ｂ〜４８ｊ同士が互いに当接する。すなわち、電極対４８の巻回開始点および巻回終点が１８０°ずつ相違するように単位燃料電池２８同士を隣接配置することにより、ｎ回目に巻回された電極対４８同士を確実に当接させることができる。
【００４８】
隣接した単位燃料電池２８、２８の電極対４８、４８同士がこのように当接した場合、電気回路としての観点では、電位点が互いに同等である電極同士が電気的に並列接続されたこととなり、結局、電極面積が増したことと等価となる。
【００４９】
各々の円筒状基材３２の各端部は、ケーシング２４の内周壁に嵌合された第１隔壁部材５０または第２隔壁部材５２に設けられた貫通孔にそれぞれ通されている。なお、円筒状基材３２と貫通孔との間は、接着性の封止剤によってシールおよび接合がなされている。
【００５０】
第１隔壁部材５０と第２隔壁部材５２との間には、第１仕切板５４および第２仕切板５６が配設されている。このため、ケーシング２４の内部においては、第１隔壁部材５０と第１仕切板５４とによって第１室５８が区画されるとともに、第２隔壁部材５２と第２仕切板５６とによって第２室６０が区画されている。
【００５１】
これら第１仕切板５４および第２仕切板５６にも貫通孔が設けられており、該貫通孔には、円筒状基材３２が通されている。なお、電極対４８は、第１仕切板５４と第２仕切板５６との間に形成された発電室６２に位置している。
【００５２】
前記空気供給管１６は第２室６０に連通しており、その一方で、前記空気排出管１８は、第１室５８に連通している。また、第１仕切板５４および第２仕切板５６には小貫通孔６４が複数個設けられており、したがって、後述するように、空気供給管１６を介してケーシング２４の内部に導入された空気は、第２室６０、発電室６２、第１室５８および空気排出管１８を経てケーシング２４の外部へ排出される。
【００５３】
第１仕切板５４および第２仕切板５６は、銅合金等の導電性に優れる素材からなり、ケーシング２４の内周壁に位置決め固定された樹脂製グロメット６６に嵌合支持されている。この樹脂製グロメット６６により、第１仕切板５４および第２仕切板５６とケーシング２４とは、互いに絶縁されている。なお、第１仕切板５４および第２仕切板５６を構成する素材は、銅合金に金メッキが施されたものであってもよい。
【００５４】
前記ターミナル端子２６ａ、２６ｂは、第２仕切板５６または第１仕切板５４にそれぞれ当接している。この当接により、ターミナル端子２６ａと第２仕切板５６、ターミナル端子２６ｂと第１仕切板５４とが互いに電気的に接続されている。
【００５５】
そして、単位燃料電池２８のうち、図２における最右端に位置する単位燃料電池２８のアノード側電極４２は第１仕切板５４に、カソード側電極４４は第２仕切板５６にそれぞれ電気的に接続されている。すなわち、図１０に示すように、アノード側電極４２と円筒状基材３２との間には通電板６８ａが介装されており、該通電板６８ａの一端部は、第２仕切板５６の小貫通孔６４の１つを通過して第２室６０に進入した後、折曲されて第２仕切板５６の一端面に着座している。
【００５６】
一方、カソード側電極４４においては、図１１に示すように、その上端面に通電板６８ｂが接合されており、該通電板６８ｂの一端部は、第１仕切板５４の小貫通孔６４の１つを通過して第１室５８に進入した後、折曲されて第１仕切板５４の一端面に着座している。なお、図１０および図１１中、参照符号７０は、導電性ペーストを示す。
【００５７】
上記したように、１つの単位燃料電池２８における各電極対４８は、互いに電気的に直列接続されている。また、単位燃料電池２８同士における各電極対４８は、隣接する単位燃料電池２８の電極対４８と電気的に並列接続されている。このため、１個のアノード側電極４２およびカソード側電極４４を第２仕切板５６および第１仕切板５４にそれぞれ電気的に接続することにより、全アノード側電極４２が第２仕切板５６を介してターミナル端子２６ａに、全カソード側電極４４が第１仕切板５４を介してターミナル端子２６ｂに電気的に接続される。換言すれば、第２仕切板５６はアノード側電極４２の集電板として作用し、かつ第１仕切板５４はカソード側電極４４の集電板として作用する。
【００５８】
円筒状基材３２に比して長尺な冷却管３０の外周壁には、樹脂材からなる被膜（図示せず）が設けられている。この被膜が存在することによって、冷却管３０と単位燃料電池２８とが互いに絶縁されている。
【００５９】
また、図２に示すように、冷却管３０の各端部は、第１隔壁部材５０および第２隔壁部材５２の外方にそれぞれ配設された第３隔壁部材７２および第４隔壁部材７４の貫通孔に嵌合されている。そして、これら第３隔壁部材７２および第４隔壁部材７４は、ケーシング２４の内周壁に嵌合支持されている。
【００６０】
そして、ケーシング２４の内部には、第３隔壁部材７２と第１隔壁部材５０とによって第３室７６が区画されるとともに、第４隔壁部材７４と第２隔壁部材５２とによって第４室７８が区画されている。前記水素ガス供給管１２および前記水素ガス排出管１４は、第３室７６および第４室７８にそれぞれ連通して設けられている。また、第３室７６と第４室７８とは、円筒状基材３２の中空内部を介して連通している。
【００６１】
さらに、ケーシング２４の両端部は、第１蓋部材８０および第２蓋部材８２によってそれぞれ封止されており、このため、ケーシング２４の内部には、第１蓋部材８０と第３隔壁部材７２とによって第５室８４が区画され、かつ第２蓋部材８２と第４隔壁部材７４とによって第６室８６が区画されている。そして、これら第５室８４および第６室８６には、前記冷却水供給管２０および前記冷却水排出管２２が連通して設けられている。
【００６２】
そして、水素ガス供給管１２、水素ガス排出管１４、空気供給管１６、空気排出管１８、冷却水供給管２０および冷却水排出管２２に、水素ガス供給経路、水素ガス排出経路、空気供給経路、空気排出経路、冷却水供給経路および冷却水排出経路がそれぞれ接続され、燃料電池システムが構成される（いずれも図示せず）。なお、水素ガス供給経路および圧縮空気供給経路の末端には、水素貯蔵源およびコンプレッサが接続される。さらに、燃料電池スタック１０には、加熱ヒータおよび温度制御機構（いずれも図示せず）が付設される。
【００６３】
本実施の形態に係る燃料電池スタック１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。
【００６４】
この燃料電池スタック１０を運転するに際しては、冷却水供給源から冷却水を流通する。冷却水は、冷却水供給管２０を介して第５室８４に導入され、該第５室８４に臨んで開口した冷却水管の中空内部を介して第６室８６に移動した後、冷却水排出管２２から排出される。
【００６５】
その一方で、加熱ヒータおよび温度制御機構の作用下に、燃料電池スタック１０を所定温度まで昇温させる。
【００６６】
次いで、水素ガス供給経路において、前記水素貯蔵源から高圧の水素ガスを供給する。この水素ガスは、所定圧力、所定流量かつ所定温度に調整された後、水素ガス供給管１２を介してケーシング２４の内部に設けられた第３室７６に導入される。水素ガスは、さらに、第３室７６に露呈した円筒状基材３２の中空内部に進入して流通する。
【００６７】
上記したように、円筒状基材３２は、水素ガスを透過させる物質からなる。このため、水素ガスは、円筒状基材３２を透過して、該円筒状基材３２の外周壁に当接しているアノード側電極４２のガス拡散層を通過した後、電極触媒層に到達する。
【００６８】
ここで、円筒状基材３２上において電極対４８が存在しない箇所、例えば、両端部には、第１幅広部３６または第２幅広部３８が巻回されている。このため、円筒状基材３２を透過した水素ガスが発電室６２等に漏洩することが回避され、該発電室６２において水素ガスと酸素とが直接反応して水が生成することを回避することができる。
【００６９】
また、上記したように、任意の電極対４８を構成するアノード側電極４２と、該電極対４８に隣接する電極対４８を構成して前記アノード側電極４２に積層されたカソード側電極４４とには、導電性ペーストによってガス透過防止処理が施されている。このため、アノード側電極４２に供給された水素ガスがカソード側電極４４に拡散することはない。このため、積層箇所においても、水素ガスと酸素とが直接反応して水が生成することを回避することができる。
【００７０】
未反応の水素ガスは、第４室７８および水素ガス排出管１４を通過してケーシング２４の外部に排出された後、水素ガス排出経路によって処理される。
【００７１】
その一方で、空気供給経路において、前記コンプレッサを介して圧縮空気を供給する。この圧縮空気は、水素ガスと同様、所定圧力、所定流量および所定温度に調整された後、空気供給管１６を介して第２室６０に導入される。
【００７２】
第２室６０に導入された圧縮空気は、第１仕切板５４に設けられた小貫通孔６４を通過して発電室６２に進入する。圧縮空気は、その後、該発電室６２に露呈したカソード側電極４４のガス拡散層を通過して電極触媒層に到達する。
【００７３】
そして、アノード側電極４２の電極触媒層に到達した水素ガスは、プロトンと電子とに電離する。このうち、電子は、ターミナル端子２６ａを介して燃料電池システムの外部に取り出され、ターミナル端子２６ａ、２６ｂに電気的に接続されたモータ等の負荷を付勢する電気エネルギとして使用される。なお、圧縮空気中の窒素や未反応の酸素は、第１室５８および空気排出管１８を通過してケーシング２４の外部に排出された後、空気排出経路によって処理される。
【００７４】
一方、プロトンは、プロトン伝導体である高分子膜４０を通過してカソード側電極４４の電極触媒層に到達する。この電極触媒層において、水素イオンと、負荷およびターミナル端子２６ｂを介してカソード側電極４４に到達した電子と、カソード側電極４４に供給されて該カソード側電極４４のガス拡散層を通過した圧縮空気中の酸素とが反応を起こし、Ｈ2Ｏが生成する。
【００７５】
この際、単位燃料電池２８の各々においては、１回目〜１０回目に巻回された電極対４８が電気的に順次直列接続されている。このため、単位燃料電池２８には、直列接続された電極対４８によって大きな起電力が生じる。換言すれば、燃料電池スタック１０は、高電圧を発生する。
【００７６】
さらに、上記したように、本実施の形態においては、隣接する単位燃料電池２８におけるｎ回目に巻回された両電極対４８が互いに当接することによって、電極面積が増している状態と等価となっている。しかも、当接した電極対４８同士では、電流が流れる方向が一致する。このため、燃料電池スタック１０は、上記の反応が生じることに伴って高電流を発生する。
【００７７】
すなわち、電極対４８の巻回開始点および巻回終点が１８０°ずつ相違するように単位燃料電池２８同士を隣接配置することにより、高電流を発生する燃料電池スタック１０を構成することができる。
【００７８】
なお、隣接する単位燃料電池２８における両電極対４８の巻回開始点および巻回終点の相違が１８０°でない場合には、例えば、任意の単位燃料電池２８においてｎ回目に巻回された電極対４８と、該単位燃料電池２８に隣接する単位燃料電池２８において（ｎ−１）回目、または（ｎ＋１）回目に巻回された電極対４８とが当接する。この場合、当接した電極対４８同士では電位点が相違するため、電流が流れる方向が互いに異なる。このため、単位燃料電池２８同士を離間したり、または絶縁材を使用したりすること等によって、隣接する単位燃料電池２８間を絶縁する必要が生じる。
【００７９】
換言すれば、本実施の形態においては、隣接する単位燃料電池２８における電極対４８同士の巻回開始点および巻回終点を１８０°ずつ相違するようにしたので、単位燃料電池２８同士を離間したり、または絶縁材を使用したりする必要がない。このため、燃料電池スタック１０が大型化することおよび大重量となることを回避することができ、その結果、小型かつ軽量な燃料電池スタック１０を構成することができる。
【００８０】
このように、本実施の形態に係る燃料電池スタック１０によれば、複数個の電極対４８を互いに電気的に直列接合しているので高電圧を発生する。また、隣接する単位燃料電池２８における両電極対４８の巻回開始点および巻回終点の相違が１８０°であるので、高電流を発生するとともに、小型かつ軽量な構成となる。
【００８１】
その上、この燃料電池スタック１０では、金属製のセパレータを組み込むことなく、各電極対４８に水素ガスおよび圧縮空気を供給することができる。すなわち、本実施の形態においては、金属製のセパレータが不要となる。このため、重量が著しく小さい燃料電池スタック１０を構成することができる。
【００８２】
なお、上記した実施の形態においては、各端部に第１幅広部３６および第２幅広部３８がそれぞれ設けられたテープ状の高分子膜４０に電極対４８を設けるようにしているが、図１２に示すように、長方形状の高分子膜９０を使用するようにしてもよい。この場合、アノード側電極４２およびカソード側電極４４を傾斜するように高分子膜９０に設けて接合体９２を形成し、図１３に示すように、該接合体９２の長手方向を円筒状基材３２の長手方向と合致させた上で該接合体９２を円筒状基材３２に巻回すればよい。これにより、図１４に示す単位燃料電池９４が構成される。この際、高分子膜９０における電極対４８が設けられていない箇所が漏洩防止部として機能し、例えば、円筒状基材３２の両端部等から水素ガスが漏洩することが防止される。
【００８３】
この場合においても、図１５に示すように、任意の電極対４８におけるカソード側電極４４上に、該電極対４８に隣接する電極対４８を構成するアノード側電極４２が積層される。積層箇所には、上記と同様にガス透過防止処理を施すことが好ましい。
【００８４】
また、本実施の形態では、円筒状基材３２の中空内部に水素ガスを流通させ、かつ酸素を含有する雰囲気に外周壁を曝露するようにしているが、中空内部に酸素を含有するガスを流通させ、かつ外周壁を囲繞する雰囲気を水素ガスとしてもよいことはいうまでもない。この場合、円筒状基材３２の外周壁にカソード側電極４４を当接させるとともに、アノード側電極４２を露呈させればよい。
【００８５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る燃料電池スタックによれば、高分子膜上に複数の電極対を設けて接合体とした上で、該接合体を円筒状基材に巻回する際に電極対同士を互いに電気的に直列接続して単位燃料電池を構成し、さらに、複数の該単位燃料電池をケーシングに収容する際に、隣接する単位燃料電池同士における両電極対の巻回開始点および巻回終点が１８０°相違して互いに当接している。
【００８６】
このように構成された単位燃料電池においては、直列接続された電極対によって大きな起電力が生じるので、高電圧を発生する燃料電池スタックを構成することができる。
【００８７】
また、電極対の巻回開始点および巻回終点が１８０°ずつ相違するように単位燃料電池同士が隣接配置されているので、電気回路としては、電極面積が増したことと等価となる。しかも、当接した電極対同士では、電流が流れる方向が一致する。このため、発電の際、燃料電池スタックに高電流を発生させることができる。
【００８８】
さらに、この場合、隣接する単位燃料電池間を絶縁する必要は特になく、かつ金属製のセパレータを組み込む必要もない。したがって、燃料電池スタックが大型化することや大重量となることを回避することができる。換言すれば、小型かつ軽量な燃料電池スタックを構成することができる。
【００８９】
すなわち、本発明によれば、燃料電池スタックから高電流および高電圧を得ることができるとともに、該燃料電池スタックの小型化かつ軽量化を図ることができるという効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る燃料電池スタックの一部破断全体斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面図である。
【図４】図１の燃料電池スタックを構成する単位燃料電池の概略全体正面図である。
【図５】図４の単位燃料電池を構成する接合体の一部省略正面図である。
【図６】図５の接合体を円筒状基材に巻回する状態を示す概略全体正面図である。
【図７】図６の要部拡大断面図である。
【図８】６個の単位燃料電池を正六角形の頂点位置に配置するとともに、各単位燃料電池における電極対の巻回開始点を示した概略平面図である。
【図９】図８に示す各単位燃料電池における各接合体の巻回開始点および巻回終点を示す要部斜視図である。
【図１０】アノード側電極と第１仕切板とを電気的に接続する構成を説明する要部拡大断面図である。
【図１１】カソード側電極と第２仕切板とを電気的に接続する構成を説明する要部拡大断面図である。
【図１２】別の接合体の概略全体正面図である。
【図１３】図１２の接合体を円筒状基材に巻回する状態を示す概略全体正面図である。
【図１４】図１２の接合体が円筒状基材に巻回されて構成された単位燃料電池の概略全体正面図である。
【図１５】図１４に示す単位燃料電池の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池スタック ２４…ケーシング
２８、２８ａ〜２８ｆ、９４…単位燃料電池
３０…冷却管 ３２…円筒状基材
３４、９２…接合体 ３６、３８…幅広部
４０、９０…高分子膜 ４２…アノード側電極
４４…カソード側電極 ４８、４８ａ〜４８ｊ…電極対
５０、５２、７２、７４…隔壁部材 ５４、５６…仕切板
５８、６０、７６、７８、８４、８６…室
６２…発電室 ６４…小貫通孔
８０、８２…蓋部材
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池スタックに関し、一層詳細には、小型かつ軽量であり、しかも、高電流かつ高電圧を得ることが可能な燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
大多数の燃料電池スタックは、例えば、特許文献１の図１および図３に示されているように、平板形状の単位セルを複数個積層するとともに、該単位セル同士を互いに電気的に接続することによって構成されている。
【０００３】
単位セルは、アノード側電極、電解質およびカソード側電極が順次接合されてなる接合体が、１対のセパレータで挟持されることによって構成される。このセパレータは、通常、金属製である。
【０００４】
ところで、長尺なテープ状の高分子膜からなる固体電解質の各端面にアノード側電極またはカソード側電極をそれぞれ形成することによって複数個の電極対を設け、隣接する電極対同士が電気的に接続するように円筒状基材に巻回して燃料電池を構成することが特許文献２に提案されている。
【０００５】
なお、特許文献２では、電極対の一部同士を積層し、下側の電極対を構成するアノード側電極に上側の電極対を構成するカソード側電極を当接させることによって、隣接する電極対同士を電気的に接続するようにしている（図４および請求項１４参照）。
【０００６】
この燃料電池では、燃料ガスとしての水素ガスが円筒状基材の中空内部に供給される。この水素ガスは、円筒状基材の内周壁から外周壁に指向して透過した後、外周壁に当接したアノード側電極において、プロトンと電子とに電離する。
【０００７】
このうちの電子は、外部回路を付勢する電気エネルギとなり、一方、プロトンは、カソード側電極に指向して高分子膜内を移動する。プロトンは、最終的に、円筒状基材の周囲に雰囲気ガスとして存在する空気中の酸素と、外部回路を付勢してカソード側電極に移動してきた電子と結合する。これにより、Ｈ2Ｏが生成する。
【０００８】
特許文献２によれば、このように構成された燃料電池は、高電圧で放電させることが可能であるという利点を有し、しかも、特許文献１の図３に示されるような流路が設けられたセパレータが不要となるので、製造コストを低廉化することもできるとされている。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−１７０５９０号公報（特に、図１および図３）
【特許文献２】
米国特許明細書第６００７９３２号（特に、図１）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
近年における環境保護への関心の高まりから、燃料電池スタックを駆動源とするモータの作用下に走行する燃料電池車を実用化することが試みられている。この場合、燃料電池スタックには、高電流が発生することが希求される。燃料電池スタックから高電流を取り出すことができた場合、モータ内に発生する磁界の強さも大きくなるので、その結果、モータに大きなトルクを発生させることができるからである。
【００１１】
また、トルクを発生させるための電流をモータに供給するには、発生トルク、換言すれば、負荷に応じた電圧を燃料電池スタックから得ることが必要となる。すなわち、大きな発生トルクを得るために、燃料電池スタックから高電圧の出力を得ることも希求される。
【００１２】
ところで、特許文献２に開示された燃料電池は、単体である。このような燃料電池のみでは、高電流および高電圧を得ることは困難である。そこで、この燃料電池を構成する電極対の数を増すことが想起される。しかしながら、この場合、燃料電池の長さ方向の寸法が大きくなり、これに伴って重量も増すという不具合がある。
【００１３】
また、この燃料電池には、冷却水を導入することが可能な構成が採用されていない。このため、燃料電池の温度を制御することが容易ではないという不具合が顕在化している。
【００１４】
本発明は上記した問題を解決するためになされたもので、高電流および高電圧を得ることが可能であり、しかも、小型かつ軽量で、温度制御も容易な燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明は、プロトンが伝導可能な高分子膜の一端面に複数のアノード側電極が形成され、かつ前記高分子膜の他端面における前記アノード側電極の各々に対向する位置にカソード側電極が形成された接合体が、気体が透過可能な円筒状基材の外周壁に巻回されることによって構成された単位燃料電池を複数具備するとともに、前記円筒状基材の内周に燃料ガスまたは酸素含有ガスのいずれか一方が流通し、かつ外周に燃料ガスまたは酸素含有ガスの残余の一方が接触する燃料電池スタックであって、
複数の前記単位燃料電池を収容するケーシングと、
前記ケーシングの内周に嵌合されて前記円筒状基材の各端部を挿入する貫通孔が設けられた第１隔壁部材および第２隔壁部材と、
を有し、
前記接合体においては、前記高分子膜によって隔てられた各々の前記アノード側電極および前記カソード側電極によって電極対が構成され、
前記電極対は、隣接する電極対に電気的に接続され、
前記単位燃料電池のうち隣接する単位燃料電池同士は、前記電極対の巻回開始点および巻回終点がともに１８０°相違して互いに当接していることを特徴とする。
【００１６】
この燃料電池スタックにおいては、高分子膜を介して円筒状基材に巻回された電極対が電気的に直列接続されている。このため、単位燃料電池には、直列接続された電極対によって大きな起電力が生じる。換言すれば、高電圧を発生する燃料電池スタックを構成することができる。
【００１７】
また、本発明によれば、電極対の巻回開始点および巻回終点が１８０°ずつ相違するように単位燃料電池同士を隣接配置することにより、両単位燃料電池においてｎ回目に巻回された電極対同士を確実に当接させることができる。このように当接した電極対は、電気回路としては、電位点が互いに同等である電極同士が電気的に並列接続されたことと等価であり、結局、電極面積が増したことと等価である。しかも、当接した電極対同士では、電流が流れる方向が一致する。このため、燃料電池スタックは、発電に際して高電流を発生する。
【００１８】
なお、隣接する単位燃料電池における両電極対において、巻回開始点および巻回終点の相違が１８０°でない場合には、当接した電極対の電位点が相違するとともに、電流が流れる方向が互いに異なる。このため、単位燃料電池同士を離間したり、または絶縁材を使用したりすること等によって、隣接する単位燃料電池間を絶縁する必要が生じる。しかしながら、本発明においては、上記したように巻回開始点および巻回終点の相違が１８０°であるので、隣接する単位燃料電池間を絶縁する必要は特にない。
【００１９】
換言すれば、本発明においては、隣接する単位燃料電池における両電極対の巻回開始点および巻回終点を１８０°ずつ相違するようにしているため、単位燃料電池同士を離間したり、絶縁材を使用したりする必要がない。したがって、燃料電池スタックが大型化することや大重量となることを回避することができ、その結果、小型かつ軽量な燃料電池スタックを構成することができる。
【００２０】
その上、本発明によれば、金属製のセパレータが不要となる。このため、燃料電池スタックの重量を著しく小さくすることができる。
【００２１】
なお、６個の前記単位燃料電池を構成する前記円筒状基材の底面の中心が正六角形の各頂点位置に配置されていることが好ましい。これにより、隣接する単位燃料電池同士を互いに当接させ、かつ最も密な配置とすることができる。
【００２２】
この場合、６個の前記単位燃料電池が正六角形の各頂点位置に配置されることによってその中心部に形成された間隙に挿入された冷却媒体流通管と、
前記ケーシングの内周に嵌合されて前記冷却媒体流通管の各端部を挿入する貫通孔が設けられた第３隔壁部材および第４隔壁部材と、
を有し、
前記第１隔壁部材と前記第３隔壁部材との間に燃料ガスまたは酸素含有ガスのいずれか一方が導入される第１ガス室が形成され、
かつ前記第２隔壁部材と前記第４隔壁部材との間に燃料ガスまたは酸素含有ガスの残余の一方が導入される第２ガス室が形成されることが好ましい。
【００２３】
このような構成とすることにより、燃料電池スタックに冷却管を組み込むためのスペースを設ける必要がなくなる。すなわち、冷却管を組み込むことに伴って燃料電池スタックが大型化することを回避することができる。
【００２４】
ここで、隣接する電極対同士を互いに電気的に接続する手段の好適な例としては、電極対の一部を隣接する電極対に積層することが挙げられる。この場合、電極対には、隣接する電極対が当接する箇所にガス透過防止処理を施すことが好ましい。これにより、例えば、任意の電極対を構成するアノード側電極に供給された水素ガスが、該電極対に隣接する電極対を構成するカソード側電極に拡散することを回避することができる。このため、水素ガスと酸素とが直接反応して水が生成することを回避することができる。
【００２５】
さらに、高分子膜に漏洩防止部が設けられていることが好ましい。この漏洩防止部により、例えば、円筒状基材を通過した水素ガスが該円筒状基材の外周壁から漏洩することを回避することができる。したがって、水素ガスと酸素とが直接反応して水が生成することを回避することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池スタックにつき好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２７】
本実施の形態に係る燃料電池スタックの一部破断全体斜視図を図１に示す。この燃料電池スタック１０は、その中空内部に連通する水素ガス供給管１２、水素ガス排出管１４、空気供給管１６、空気排出管１８、冷却水供給管２０および冷却水排出管２２が外周壁に設けられた円筒体形状のケーシング２４を有する。また、該ケーシング２４の外周壁からは、２本のターミナル端子２６ａ、２６ｂが突出している。これらターミナル端子２６ａ、２６ｂには、図示しないモータ等の外部負荷が電気的に接続される。
【００２８】
ケーシング２４の肉厚は、燃料ガスおよび酸素含有ガスが導入された際のガス圧に対して充分な耐圧性を有するように設定される。また、ケーシング２４を構成する素材としては、アルミニウム等の軽合金やステンレス鋼、または各種のエンジニアリングプラスチック等の耐熱性を有するものが選定される。
【００２９】
ここで、図１のＩＩ−ＩＩ線またはＩＩＩ−ＩＩＩ線からの各矢視断面図を図２または図３に示す。これら図２および図３から諒解されるように、ケーシング２４には、単位燃料電池２８と、冷却水を流通させるための冷却管３０とがそれぞれ複数個収容されている。
【００３０】
この場合、単位燃料電池２８は、図４に示すように、水素ガスを透過することが可能な物質からなる円筒状基材３２と、該円筒状基材３２に巻回された接合体３４とを有する。
【００３１】
図５に示すように、接合体３４は、各端部に第１幅広部３６および第２幅広部３８がそれぞれ設けられたテープ状の高分子膜４０の一端面に所定間隔で互いに離間したアノード側電極４２と、高分子膜４０の他端面において、各アノード側電極４２に対応する位置に設けられたカソード側電極４４とを有する。なお、第１幅広部３６と第２幅広部３８は、互いに相反する方向に突出形成されているとともに、その長手方向には、傾斜辺４６ａ、４６ｂを有する。これら第１幅広部３６および第２幅広部３８は、後述するように、円筒状基材３２を透過した水素ガスを遮蔽する。すなわち、第１幅広部３６および第２幅広部３８は、水素ガスが円筒状基材３２の外周壁から漏洩することを防止する漏洩防止部として機能する。
【００３２】
高分子膜４０の素材は、プロトンが伝導可能な素材からなるものであれば特に限定されるものではないが、好適な例としては、ナフィオン（登録商標）に代表されるパーフルオロスルホン系高分子、ポリケトンに強酸基を導入した高分子、ポリケトン側鎖を有する高分子に強酸基を導入した高分子、ポリスチレンに強酸基を導入した高分子、ポリスチレンの少なくとも一部をフッ化した高分子に強酸基を導入した高分子、塩基性高分子に強酸を複合あるいは共有結合させた高分子、塩基性高分子に強酸基を有する有機化合物を複合あるいは共有結合させた高分子が挙げられる。
【００３３】
一方、アノード側電極４２は、電極触媒層、ガス拡散層（いずれも図示せず）が高分子膜４０上にこの順序で形成されてなる。電極触媒層は、白金を５０％以上含有する金属粉末や、該金属粉末をカーボンブラック等の粉末炭素材の表面に担持させたものをアルコール等の溶媒でペースト状にしたものを高分子膜４０に塗布した後、乾燥することによって設けることができる。塗布方法としては、スクリーン印刷法等の公知技術を採用すればよい。
【００３４】
また、ガス拡散層は、カーボン繊維、カーボンクロス、カーボンペーパや、耐食処理を施した金属製の繊維、クロス、ペーパ等からなる。ガス拡散層は、このような素材を上記のようにして設けられた電極触媒層上に載置した後、例えば、ホットプレスを行うことによって形成することができる。
【００３５】
または、ガス拡散層となる素材上に電極触媒層を上記のようにして設けた後、これを高分子膜４０の端面に載置してホットプレスを行うようにしてもよい。
【００３６】
さらに、ガス拡散層の上方に電子導電層を設けるようにしてもよい。電子導電層は、ガス拡散層を構成する素材と同様の素材、すなわち、カーボン繊維、カーボンクロス、カーボンペーパや、耐食処理を施した金属製の繊維、クロス、ペーパ等から構成することができる。
【００３７】
カソード側電極４４は、アノード側電極４２と同様に構成されており、したがって、詳細な説明を省略する。
【００３８】
上記したアノード側電極４２およびカソード側電極４４が高分子膜４０に隔てられることによって、電極対４８が構成されている。そして、本実施の形態においては、アノード側電極４２とカソード側電極４４とがテープ状の高分子膜４０の長手方向に沿って１０個ずつ設けられることにより、１０個の電極対４８が設けられた形態となっている。
【００３９】
このように構成された接合体３４は、図６に示すように、全アノード側電極４２が外周壁に当接するように、かつ全カソード側電極４４が露呈するように円筒状基材３２に巻回される。この際、第１幅広部３６の傾斜辺４６ａが円筒状基材３２の一端部と面一となるように合わせられて巻回が開始され、巻回が終了する時点では、第２幅広部３８の傾斜辺４６ｂが円筒状基材３２の他端部と面一となる。
【００４０】
巻回の途中では、要部を拡大して示した図７から諒解されるように、露呈したカソード側電極４４の一部に、隣接する電極対４８を構成するアノード側電極４２の一部が積層される。これが繰り返されることにより、隣接する電極対４８同士が互いに電気的に直列接続される。
【００４１】
なお、アノード側電極４２およびカソード側電極４４における積層箇所には、ガスが透過することを防止するためのガス透過防止処理が施されている。具体的には、カーボン粉末を含有する導電性エポキシ樹脂等の導電性ペーストが、積層箇所間に注入された上で乾燥固化されている。
【００４２】
燃料電池スタック１０においては、図３およびその一部を示す図８に示すように、以上の構成の単位燃料電池２８が６個で１ユニットを形成している。すなわち、６個の単位燃料電池２８の各々は正六角形の頂点位置に配置され、かつ隣接する単位燃料電池２８同士は互いに当接している。
【００４３】
前記冷却管３０は、この正六角形の中心に配置されている（図３参照）。換言すれば、冷却管３０は、６個の単位燃料電池２８が正六角形の各頂点位置に配置されることに伴ってその中心部に形成された間隙に挿入されている。冷却管３０をこのように配置した場合、冷却管３０を組み込むためのスペースを設ける必要がなくなる。このため、６個の単位燃料電池２８を正六角形の各頂点位置に配置し、かつ該正六角形の中心部に冷却管３０を配置するようにしたことに伴って燃料電池スタック１０の形状が大きくなることもない。
【００４４】
また、図３から諒解されるように、ユニットＵ１を構成する単位燃料電池２８は、該ユニットＵ１に隣接するユニットＵ２を構成する単位燃料電池２８を兼ねる。同様に、任意のユニットを構成する単位燃料電池２８は、該ユニットに隣接するユニットを構成する単位燃料電池２８を兼ねる。
【００４５】
ここで、図８に示すように、隣接する単位燃料電池２８同士では、各電極対４８の巻回開始点および巻回終点が１８０°相違している。すなわち、例えば、単位燃料電池２８ａにおける電極対４８の巻回開始点が図８におけるＡ点である場合、この単位燃料電池２８ａに隣接する２個の単位燃料電池２８ｂ、２８ｃは、Ａ点から１８０°回転した位置にあるＢ点が電極対４８の巻回開始点となるように、正六角形の頂点に配置されている。
【００４６】
勿論、単位燃料電池２８ｂ、２８ｃにそれぞれ隣接する単位燃料電池２８ｄ、２８ｅにおいては、電極対４８の巻回開始位置はともにＡ点であり、これら単位燃料電池２８ｄ、２８ｅに隣接する単位燃料電池２８ｆにおいては、電極対４８の巻回開始位置はともにＢ点である。必然的に、図９に示すように、隣接する単位燃料電池２８同士では、電極対４８の巻回終点も１８０°ずつ相違する。
【００４７】
このように、隣接する単位燃料電池２８における各電極対４８の巻回開始点および巻回終点を１８０°異ならせることにより、単位燃料電池２８ａにおいて１回目に巻回された電極対４８ａと、該単位燃料電池２８ａに隣接する単位燃料電池２８ｂ、２８ｃにおいて１回目に巻回された電極対４８ａ、４８ａとが互いに当接する。同様に、２回目〜１０回目に巻回された電極対４８ｂ〜４８ｊ同士が互いに当接する。すなわち、電極対４８の巻回開始点および巻回終点が１８０°ずつ相違するように単位燃料電池２８同士を隣接配置することにより、ｎ回目に巻回された電極対４８同士を確実に当接させることができる。
【００４８】
隣接した単位燃料電池２８、２８の電極対４８、４８同士がこのように当接した場合、電気回路としての観点では、電位点が互いに同等である電極同士が電気的に並列接続されたこととなり、結局、電極面積が増したことと等価となる。
【００４９】
各々の円筒状基材３２の各端部は、ケーシング２４の内周壁に嵌合された第１隔壁部材５０または第２隔壁部材５２に設けられた貫通孔にそれぞれ通されている。なお、円筒状基材３２と貫通孔との間は、接着性の封止剤によってシールおよび接合がなされている。
【００５０】
第１隔壁部材５０と第２隔壁部材５２との間には、第１仕切板５４および第２仕切板５６が配設されている。このため、ケーシング２４の内部においては、第１隔壁部材５０と第１仕切板５４とによって第１室５８が区画されるとともに、第２隔壁部材５２と第２仕切板５６とによって第２室６０が区画されている。
【００５１】
これら第１仕切板５４および第２仕切板５６にも貫通孔が設けられており、該貫通孔には、円筒状基材３２が通されている。なお、電極対４８は、第１仕切板５４と第２仕切板５６との間に形成された発電室６２に位置している。
【００５２】
前記空気供給管１６は第２室６０に連通しており、その一方で、前記空気排出管１８は、第１室５８に連通している。また、第１仕切板５４および第２仕切板５６には小貫通孔６４が複数個設けられており、したがって、後述するように、空気供給管１６を介してケーシング２４の内部に導入された空気は、第２室６０、発電室６２、第１室５８および空気排出管１８を経てケーシング２４の外部へ排出される。
【００５３】
第１仕切板５４および第２仕切板５６は、銅合金等の導電性に優れる素材からなり、ケーシング２４の内周壁に位置決め固定された樹脂製グロメット６６に嵌合支持されている。この樹脂製グロメット６６により、第１仕切板５４および第２仕切板５６とケーシング２４とは、互いに絶縁されている。なお、第１仕切板５４および第２仕切板５６を構成する素材は、銅合金に金メッキが施されたものであってもよい。
【００５４】
前記ターミナル端子２６ａ、２６ｂは、第２仕切板５６または第１仕切板５４にそれぞれ当接している。この当接により、ターミナル端子２６ａと第２仕切板５６、ターミナル端子２６ｂと第１仕切板５４とが互いに電気的に接続されている。
【００５５】
そして、単位燃料電池２８のうち、図２における最右端に位置する単位燃料電池２８のアノード側電極４２は第１仕切板５４に、カソード側電極４４は第２仕切板５６にそれぞれ電気的に接続されている。すなわち、図１０に示すように、アノード側電極４２と円筒状基材３２との間には通電板６８ａが介装されており、該通電板６８ａの一端部は、第２仕切板５６の小貫通孔６４の１つを通過して第２室６０に進入した後、折曲されて第２仕切板５６の一端面に着座している。
【００５６】
一方、カソード側電極４４においては、図１１に示すように、その上端面に通電板６８ｂが接合されており、該通電板６８ｂの一端部は、第１仕切板５４の小貫通孔６４の１つを通過して第１室５８に進入した後、折曲されて第１仕切板５４の一端面に着座している。なお、図１０および図１１中、参照符号７０は、導電性ペーストを示す。
【００５７】
上記したように、１つの単位燃料電池２８における各電極対４８は、互いに電気的に直列接続されている。また、単位燃料電池２８同士における各電極対４８は、隣接する単位燃料電池２８の電極対４８と電気的に並列接続されている。このため、１個のアノード側電極４２およびカソード側電極４４を第２仕切板５６および第１仕切板５４にそれぞれ電気的に接続することにより、全アノード側電極４２が第２仕切板５６を介してターミナル端子２６ａに、全カソード側電極４４が第１仕切板５４を介してターミナル端子２６ｂに電気的に接続される。換言すれば、第２仕切板５６はアノード側電極４２の集電板として作用し、かつ第１仕切板５４はカソード側電極４４の集電板として作用する。
【００５８】
円筒状基材３２に比して長尺な冷却管３０の外周壁には、樹脂材からなる被膜（図示せず）が設けられている。この被膜が存在することによって、冷却管３０と単位燃料電池２８とが互いに絶縁されている。
【００５９】
また、図２に示すように、冷却管３０の各端部は、第１隔壁部材５０および第２隔壁部材５２の外方にそれぞれ配設された第３隔壁部材７２および第４隔壁部材７４の貫通孔に嵌合されている。そして、これら第３隔壁部材７２および第４隔壁部材７４は、ケーシング２４の内周壁に嵌合支持されている。
【００６０】
そして、ケーシング２４の内部には、第３隔壁部材７２と第１隔壁部材５０とによって第３室７６が区画されるとともに、第４隔壁部材７４と第２隔壁部材５２とによって第４室７８が区画されている。前記水素ガス供給管１２および前記水素ガス排出管１４は、第３室７６および第４室７８にそれぞれ連通して設けられている。また、第３室７６と第４室７８とは、円筒状基材３２の中空内部を介して連通している。
【００６１】
さらに、ケーシング２４の両端部は、第１蓋部材８０および第２蓋部材８２によってそれぞれ封止されており、このため、ケーシング２４の内部には、第１蓋部材８０と第３隔壁部材７２とによって第５室８４が区画され、かつ第２蓋部材８２と第４隔壁部材７４とによって第６室８６が区画されている。そして、これら第５室８４および第６室８６には、前記冷却水供給管２０および前記冷却水排出管２２が連通して設けられている。
【００６２】
そして、水素ガス供給管１２、水素ガス排出管１４、空気供給管１６、空気排出管１８、冷却水供給管２０および冷却水排出管２２に、水素ガス供給経路、水素ガス排出経路、空気供給経路、空気排出経路、冷却水供給経路および冷却水排出経路がそれぞれ接続され、燃料電池システムが構成される（いずれも図示せず）。なお、水素ガス供給経路および圧縮空気供給経路の末端には、水素貯蔵源およびコンプレッサが接続される。さらに、燃料電池スタック１０には、加熱ヒータおよび温度制御機構（いずれも図示せず）が付設される。
【００６３】
本実施の形態に係る燃料電池スタック１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。
【００６４】
この燃料電池スタック１０を運転するに際しては、冷却水供給源から冷却水を流通する。冷却水は、冷却水供給管２０を介して第５室８４に導入され、該第５室８４に臨んで開口した冷却水管の中空内部を介して第６室８６に移動した後、冷却水排出管２２から排出される。
【００６５】
その一方で、加熱ヒータおよび温度制御機構の作用下に、燃料電池スタック１０を所定温度まで昇温させる。
【００６６】
次いで、水素ガス供給経路において、前記水素貯蔵源から高圧の水素ガスを供給する。この水素ガスは、所定圧力、所定流量かつ所定温度に調整された後、水素ガス供給管１２を介してケーシング２４の内部に設けられた第３室７６に導入される。水素ガスは、さらに、第３室７６に露呈した円筒状基材３２の中空内部に進入して流通する。
【００６７】
上記したように、円筒状基材３２は、水素ガスを透過させる物質からなる。このため、水素ガスは、円筒状基材３２を透過して、該円筒状基材３２の外周壁に当接しているアノード側電極４２のガス拡散層を通過した後、電極触媒層に到達する。
【００６８】
ここで、円筒状基材３２上において電極対４８が存在しない箇所、例えば、両端部には、第１幅広部３６または第２幅広部３８が巻回されている。このため、円筒状基材３２を透過した水素ガスが発電室６２等に漏洩することが回避され、該発電室６２において水素ガスと酸素とが直接反応して水が生成することを回避することができる。
【００６９】
また、上記したように、任意の電極対４８を構成するアノード側電極４２と、該電極対４８に隣接する電極対４８を構成して前記アノード側電極４２に積層されたカソード側電極４４とには、導電性ペーストによってガス透過防止処理が施されている。このため、アノード側電極４２に供給された水素ガスがカソード側電極４４に拡散することはない。このため、積層箇所においても、水素ガスと酸素とが直接反応して水が生成することを回避することができる。
【００７０】
未反応の水素ガスは、第４室７８および水素ガス排出管１４を通過してケーシング２４の外部に排出された後、水素ガス排出経路によって処理される。
【００７１】
その一方で、空気供給経路において、前記コンプレッサを介して圧縮空気を供給する。この圧縮空気は、水素ガスと同様、所定圧力、所定流量および所定温度に調整された後、空気供給管１６を介して第２室６０に導入される。
【００７２】
第２室６０に導入された圧縮空気は、第１仕切板５４に設けられた小貫通孔６４を通過して発電室６２に進入する。圧縮空気は、その後、該発電室６２に露呈したカソード側電極４４のガス拡散層を通過して電極触媒層に到達する。
【００７３】
そして、アノード側電極４２の電極触媒層に到達した水素ガスは、プロトンと電子とに電離する。このうち、電子は、ターミナル端子２６ａを介して燃料電池システムの外部に取り出され、ターミナル端子２６ａ、２６ｂに電気的に接続されたモータ等の負荷を付勢する電気エネルギとして使用される。なお、圧縮空気中の窒素や未反応の酸素は、第１室５８および空気排出管１８を通過してケーシング２４の外部に排出された後、空気排出経路によって処理される。
【００７４】
一方、プロトンは、プロトン伝導体である高分子膜４０を通過してカソード側電極４４の電極触媒層に到達する。この電極触媒層において、水素イオンと、負荷およびターミナル端子２６ｂを介してカソード側電極４４に到達した電子と、カソード側電極４４に供給されて該カソード側電極４４のガス拡散層を通過した圧縮空気中の酸素とが反応を起こし、Ｈ2Ｏが生成する。
【００７５】
この際、単位燃料電池２８の各々においては、１回目〜１０回目に巻回された電極対４８が電気的に順次直列接続されている。このため、単位燃料電池２８には、直列接続された電極対４８によって大きな起電力が生じる。換言すれば、燃料電池スタック１０は、高電圧を発生する。
【００７６】
さらに、上記したように、本実施の形態においては、隣接する単位燃料電池２８におけるｎ回目に巻回された両電極対４８が互いに当接することによって、電極面積が増している状態と等価となっている。しかも、当接した電極対４８同士では、電流が流れる方向が一致する。このため、燃料電池スタック１０は、上記の反応が生じることに伴って高電流を発生する。
【００７７】
すなわち、電極対４８の巻回開始点および巻回終点が１８０°ずつ相違するように単位燃料電池２８同士を隣接配置することにより、高電流を発生する燃料電池スタック１０を構成することができる。
【００７８】
なお、隣接する単位燃料電池２８における両電極対４８の巻回開始点および巻回終点の相違が１８０°でない場合には、例えば、任意の単位燃料電池２８においてｎ回目に巻回された電極対４８と、該単位燃料電池２８に隣接する単位燃料電池２８において（ｎ−１）回目、または（ｎ＋１）回目に巻回された電極対４８とが当接する。この場合、当接した電極対４８同士では電位点が相違するため、電流が流れる方向が互いに異なる。このため、単位燃料電池２８同士を離間したり、または絶縁材を使用したりすること等によって、隣接する単位燃料電池２８間を絶縁する必要が生じる。
【００７９】
換言すれば、本実施の形態においては、隣接する単位燃料電池２８における電極対４８同士の巻回開始点および巻回終点を１８０°ずつ相違するようにしたので、単位燃料電池２８同士を離間したり、または絶縁材を使用したりする必要がない。このため、燃料電池スタック１０が大型化することおよび大重量となることを回避することができ、その結果、小型かつ軽量な燃料電池スタック１０を構成することができる。
【００８０】
このように、本実施の形態に係る燃料電池スタック１０によれば、複数個の電極対４８を互いに電気的に直列接合しているので高電圧を発生する。また、隣接する単位燃料電池２８における両電極対４８の巻回開始点および巻回終点の相違が１８０°であるので、高電流を発生するとともに、小型かつ軽量な構成となる。
【００８１】
その上、この燃料電池スタック１０では、金属製のセパレータを組み込むことなく、各電極対４８に水素ガスおよび圧縮空気を供給することができる。すなわち、本実施の形態においては、金属製のセパレータが不要となる。このため、重量が著しく小さい燃料電池スタック１０を構成することができる。
【００８２】
なお、上記した実施の形態においては、各端部に第１幅広部３６および第２幅広部３８がそれぞれ設けられたテープ状の高分子膜４０に電極対４８を設けるようにしているが、図１２に示すように、長方形状の高分子膜９０を使用するようにしてもよい。この場合、アノード側電極４２およびカソード側電極４４を傾斜するように高分子膜９０に設けて接合体９２を形成し、図１３に示すように、該接合体９２の長手方向を円筒状基材３２の長手方向と合致させた上で該接合体９２を円筒状基材３２に巻回すればよい。これにより、図１４に示す単位燃料電池９４が構成される。この際、高分子膜９０における電極対４８が設けられていない箇所が漏洩防止部として機能し、例えば、円筒状基材３２の両端部等から水素ガスが漏洩することが防止される。
【００８３】
この場合においても、図１５に示すように、任意の電極対４８におけるカソード側電極４４上に、該電極対４８に隣接する電極対４８を構成するアノード側電極４２が積層される。積層箇所には、上記と同様にガス透過防止処理を施すことが好ましい。
【００８４】
また、本実施の形態では、円筒状基材３２の中空内部に水素ガスを流通させ、かつ酸素を含有する雰囲気に外周壁を曝露するようにしているが、中空内部に酸素を含有するガスを流通させ、かつ外周壁を囲繞する雰囲気を水素ガスとしてもよいことはいうまでもない。この場合、円筒状基材３２の外周壁にカソード側電極４４を当接させるとともに、アノード側電極４２を露呈させればよい。
【００８５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る燃料電池スタックによれば、高分子膜上に複数の電極対を設けて接合体とした上で、該接合体を円筒状基材に巻回する際に電極対同士を互いに電気的に直列接続して単位燃料電池を構成し、さらに、複数の該単位燃料電池をケーシングに収容する際に、隣接する単位燃料電池同士における両電極対の巻回開始点および巻回終点が１８０°相違して互いに当接している。
【００８６】
このように構成された単位燃料電池においては、直列接続された電極対によって大きな起電力が生じるので、高電圧を発生する燃料電池スタックを構成することができる。
【００８７】
また、電極対の巻回開始点および巻回終点が１８０°ずつ相違するように単位燃料電池同士が隣接配置されているので、電気回路としては、電極面積が増したことと等価となる。しかも、当接した電極対同士では、電流が流れる方向が一致する。このため、発電の際、燃料電池スタックに高電流を発生させることができる。
【００８８】
さらに、この場合、隣接する単位燃料電池間を絶縁する必要は特になく、かつ金属製のセパレータを組み込む必要もない。したがって、燃料電池スタックが大型化することや大重量となることを回避することができる。換言すれば、小型かつ軽量な燃料電池スタックを構成することができる。
【００８９】
すなわち、本発明によれば、燃料電池スタックから高電流および高電圧を得ることができるとともに、該燃料電池スタックの小型化かつ軽量化を図ることができるという効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る燃料電池スタックの一部破断全体斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面図である。
【図４】図１の燃料電池スタックを構成する単位燃料電池の概略全体正面図である。
【図５】図４の単位燃料電池を構成する接合体の一部省略正面図である。
【図６】図５の接合体を円筒状基材に巻回する状態を示す概略全体正面図である。
【図７】図６の要部拡大断面図である。
【図８】６個の単位燃料電池を正六角形の頂点位置に配置するとともに、各単位燃料電池における電極対の巻回開始点を示した概略平面図である。
【図９】図８に示す各単位燃料電池における各接合体の巻回開始点および巻回終点を示す要部斜視図である。
【図１０】アノード側電極と第１仕切板とを電気的に接続する構成を説明する要部拡大断面図である。
【図１１】カソード側電極と第２仕切板とを電気的に接続する構成を説明する要部拡大断面図である。
【図１２】別の接合体の概略全体正面図である。
【図１３】図１２の接合体を円筒状基材に巻回する状態を示す概略全体正面図である。
【図１４】図１２の接合体が円筒状基材に巻回されて構成された単位燃料電池の概略全体正面図である。
【図１５】図１４に示す単位燃料電池の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池スタック ２４…ケーシング
２８、２８ａ〜２８ｆ、９４…単位燃料電池
３０…冷却管 ３２…円筒状基材
３４、９２…接合体 ３６、３８…幅広部
４０、９０…高分子膜 ４２…アノード側電極
４４…カソード側電極 ４８、４８ａ〜４８ｊ…電極対
５０、５２、７２、７４…隔壁部材 ５４、５６…仕切板
５８、６０、７６、７８、８４、８６…室
６２…発電室 ６４…小貫通孔
８０、８２…蓋部材
Claims (6)
- プロトンが伝導可能な高分子膜の一端面に複数のアノード側電極が形成され、かつ前記高分子膜の他端面における前記アノード側電極の各々に対向する位置にカソード側電極が形成された接合体が、気体が透過可能な円筒状基材の外周壁に巻回されることによって構成された単位燃料電池を複数具備するとともに、前記円筒状基材の内周に燃料ガスまたは酸素含有ガスのいずれか一方が流通し、かつ外周に燃料ガスまたは酸素含有ガスの残余の一方が接触する燃料電池スタックであって、
複数の前記単位燃料電池を収容するケーシングと、
前記ケーシングの内周に嵌合されて前記円筒状基材の各端部を挿入する貫通孔が設けられた第１隔壁部材および第２隔壁部材と、
を有し、
前記接合体においては、前記高分子膜によって隔てられた各々の前記アノード側電極および前記カソード側電極によって電極対が構成され、
前記電極対は、隣接する電極対に電気的に接続され、
前記単位燃料電池のうち隣接する単位燃料電池同士は、前記電極対の巻回開始点および巻回終点がともに１８０°相違して互いに当接していることを特徴とする燃料電池スタック。 - 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、６個の前記単位燃料電池を構成する前記円筒状基材の底面の中心が正六角形の各頂点位置に配置されていることを特徴とする燃料電池スタック。
- 請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、６個の前記単位燃料電池が正六角形の各頂点位置に配置されることによってその中心部に形成された間隙に挿入された冷却媒体流通管と、
前記ケーシングの内周に嵌合されて前記冷却媒体流通管の各端部を挿入する貫通孔が設けられた第３隔壁部材および第４隔壁部材と、
を有し、
前記第１隔壁部材と前記第３隔壁部材との間に燃料ガスまたは酸素含有ガスのいずれか一方が導入される第１ガス室が形成され、
かつ前記第２隔壁部材と前記第４隔壁部材との間に燃料ガスまたは酸素含有ガスの残余の一方が導入される第２ガス室が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。 - 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記電極対の一部が隣接する電極対に積層されることによって、隣接する電極対同士が電気的に接続されていることを特徴とする燃料電池スタック。
- 請求項４記載の燃料電池スタックにおいて、前記電極対には、隣接する電極対が当接する箇所にガス透過防止処理が施されていることを特徴とする燃料電池スタック。
- 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記高分子膜に漏洩防止部が設けられていることを特徴とする燃料電池スタック。
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