JP4630529B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持する単位セルを設け、複数の前記単位セルを水平方向に積層した燃料電池スタックを備える燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質（電解質膜）の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質・電極構造体を、セパレータによって挟持する単位セル（燃料電池）を備えている。この種の単位セルは、通常、電解質・電極構造体およびセパレータを交互に所定の数だけ積層して燃料電池スタックを構成している。
【０００３】
この単位セルにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、燃料電池スタックは、例えば、車載用として使用される場合、所望の高出力を得るために多数の単位セルを積層する必要がある。その際、単位セルの積層方向の長さが相当に長尺化し、燃料ガスを各単位セルに対して均等に供給することができない等の問題がある。
【０００５】
そこで、特許文献１に開示されている燃料電池では、図７に示すように、２個のスタック１ａ、１ｂが下部共通締め付け板２上に直接配置されている。スタック１ａは、正極を下に設定する一方、スタック１ｂは、正極を上に設定しており、前記スタック１ａ、１ｂ同士が下部共通締め付け板２により電気的に直列に接続されている。スタック１ａの上部締め付け板３ａは、負極端子４に接続されるとともに、スタック１ｂの上部締め付け板３ｂは、正極端子５に接続され、前記負極端子４と前記正極端子５とが接続されている。
【０００６】
スタック１ａ、１ｂは、それぞれ複数の単位セル６ａ、６ｂを矢印Ｘ方向に積層しており、前記スタック１ａ、１ｂの側面には、それぞれ反応ガス供給排出用マニホールド７ａ、７ｂが取り付けられている。マニホールド７ａ、７ｂには、接ぎ手８ａ、８ｂが設けられており、前記接ぎ手８ａ、８ｂが外部配管（図示せず）に接続されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平６−２７５３０７号公報（段落［００１２］、図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献１では、各スタック１ａ、１ｂに燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体を供給排出するために、それぞれ専用のマニホールド７ａ、７ｂが用いられている。このため、配管系が複雑かつ大型化してしまい、燃料電池スタック全体が相当に大型なものとなる。これにより、スペース効率が低下して、特に車載用に有効に適用させることができないという問題が指摘されている。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単かつコンパクトな構成で、第１および第２燃料電池スタックを並列に接続するとともに、所望の発電性能を確保することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は、簡単かつコンパクトな構成で、種々の設置場所に容易に組み込むことが可能な、しかも取り扱い性に優れる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池システムでは、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持する単位セルを設け、複数の前記単位セルを水平方向に積層する積層体を有するとともに、各単位セルの積層方向に貫通して燃料ガス入口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔、冷却媒体入口連通孔、燃料ガス出口連通孔、酸化剤ガス出口連通孔および冷却媒体出口連通孔を含む流体連通孔が形成され、前記積層体の両側には、前記積層体に設けられた前記流体連通孔に連通する連通孔である第１および第２エンドプレートが配設された同一構成の第１および第２燃料電池スタックを備えている。
【００１２】
第１および第２燃料電池スタックは、積層方向に沿って互いに平行にかつ極性を反転して配列されている。第１および第２燃料電池スタックの互いに隣接する一端側の第１および第２エンドプレートには、マニホールド配管部が装着され、他端側の第２および第１エンドプレートは、連通孔が閉塞されている。マニホールド配管部には、それぞれの燃料ガス入口連通孔間、酸化剤ガス入口連通孔間、冷却媒体入口連通孔間、燃料ガス出口連通孔間、酸化剤ガス出口連通孔間および冷却媒体出口連通孔間を連通する各配管が、第１および第２燃料電池スタックに対して対称に設けられている。
【００１３】
このように、第１および第２燃料電池スタックは、同一に構成されており、極性を反転させて配列するだけでよい。従って、第１および第２燃料電池スタックが異なる構成を有する場合に比べ、前記第１および第２燃料電池スタックの製造コストが大幅に削減される。
【００１４】
しかも、マニホールド配管部では、それぞれの燃料ガス入口連通孔間、酸化剤ガス入口連通孔間、冷却媒体入口連通孔間、燃料ガス出口連通孔間、酸化剤ガス出口連通孔間および冷却媒体出口連通孔間を連通する各配管が、第１および第２燃料電池スタックに対して対称構造を有している。このため、マニホールド配管部を、第１および第２燃料電池スタックの中間位置に対応して接続することができる。
【００１５】
これにより、マニホールド配管部から第１および第２燃料電池スタックに対し、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体を均等に分配することが可能になるため、前記第１および第２燃料電池スタックは所望の発電性能を確実に発揮することができる。さらに、マニホールド配管部の接続構造が簡素化されるとともに、省スペース化が容易に図られる。
【００１６】
また、燃料電池システムでは、第１および第２燃料電池スタックは、マニホールド配管部が装着された一端側に電気的に接続される直列接続部を備えている。このため、第１および第２燃料電池スタックの一端側間の電位差が少なくなり、前記一端側に装着されるマニホールド配管部内に液絡が惹起されることがない。従って、例えば、金属部品の電食等が有効に阻止される。
【００１８】
積層体には、各単位セルの横方向一端部上下に積層方向に貫通して第１〜第３連通孔が形成され、かつ横方向他端部上下に前記積層方向に貫通して第４〜第６連通孔が形成されている。その際、第１〜第６連通孔は、燃料ガス入口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔、冷却媒体入口連通孔、燃料ガス出口連通孔、酸化剤ガス出口連通孔および冷却媒体出口連通孔に選択的に設定されている。そして、第１および第２エンドプレートには、積層方向に貫通し、それぞれ第１〜第６連通孔に連通する第１〜第６貫通孔および第７〜第１２貫通孔が形成されている。
【００１９】
これにより、燃料電池スタックでは、第１エンドプレートの第１〜第６貫通孔にマニホールド配管部を接続する一方、第２エンドプレートの第７〜第１２貫通孔を閉塞した配管構造と、前記第２エンドプレートの前記第７〜第１２貫通孔にマニホールド配管部を接続する一方、前記第１エンドプレートの第１〜第６貫通孔を閉塞した配管構造とが、選択的に採用される。従って、燃料電池スタックの設置個所に応じて最適な配管接続が可能となり、前記燃料電池スタックの設置自由度が有効に向上する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０の概略全体斜視図である。
【００２１】
燃料電池システム１０は、水平方向（矢印Ａ方向）に沿って互いに平行にかつ極性を反転して配列される第１燃料電池スタック１２と第２燃料電池スタック１４とを備える。図１および図２に示すように、第１燃料電池スタック１２は、複数の単位セル１６が矢印Ａ方向に積層された積層体１８を備え、前記積層体１８の積層方向両端には、第１および第２ターミナルプレート２０ａ、２０ｂと、第１および第２インシュレータ板２２ａ、２２ｂと、第１および第２エンドプレート２４ａ、２４ｂとが外方に向かって、順次、配設される。第１および第２エンドプレート２４ａ、２４ｂは、複数本の締め付けロッド２５を介して積層方向に締め付けられ、積層体１８に所望の締め付け荷重が付与される。
【００２２】
図２および図３に示すように、単位セル１６は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）２６が、第１および第２セパレータ２８、３０に挟持されて構成される。第１および第２セパレータ２８、３０は、金属製プレートまたはカーボン製プレートにより構成されている。
【００２３】
単位セル１６の矢印Ｂ方向（図３中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔（第１連通孔）３２ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔（第２連通孔）３４ａ、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔（第３連通孔）３６ａが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２４】
単位セル１６の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔（第４連通孔）３６ｂ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔（第５連通孔）３４ｂ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔（第６連通孔）３２ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２５】
電解質膜・電極構造体２６は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３８と、前記固体高分子電解質膜３８を挟持するアノード側電極４０およびカソード側電極４２とを備える。アノード側電極４０およびカソード側電極４２は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜３８を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜３８の両面に接合されている。
【００２６】
第１セパレータ２８のカソード側電極４２に対向する面２８ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する直線状の酸化剤ガス流路４４が設けられる。図４に示すように、第２セパレータ３０のアノード側電極４０に対向する面３０ａには、燃料ガス入口連通孔３６ａと燃料ガス出口連通孔３６ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に延在する直線状の燃料ガス流路４６が形成される。
【００２７】
第１セパレータ２８の面２８ｂと第２セパレータ３０の面３０ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体出口連通孔３４ｂとに連通する冷却媒体流路４８が形成される（図２および図３参照）。この冷却媒体流路４８は、矢印Ｂ方向に直線状に延在する。第１セパレータ２８の面２８ａ、２８ｂには、第１シール部材５０が一体化されるとともに、第２セパレータ３０の面３０ａ、３０ｂには、第２シール部材５２が一体化される。
【００２８】
図５に示すように、第１エンドプレート２４ａには、矢印Ｂ方向の一端縁部に積層方向に貫通して酸化剤ガス入口（第１貫通孔）５４ａ、冷却媒体入口（第２貫通孔）５６ａおよび燃料ガス入口（第３貫通孔）５８ａが設けられる。第１エンドプレート２４ａの他端縁部には、積層方向に貫通して燃料ガス出口（第４貫通孔）５８ｂ、冷却媒体出口（第５貫通孔）５６ｂおよび酸化剤ガス出口（第６貫通孔）５４ｂが設けられる。
【００２９】
第２燃料電池スタック１４は、上記のように構成される第１燃料電池スタック１２と略同一に構成されており、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００３０】
第１および第２燃料電池スタック１２、１４を構成する積層体１８は、全く同一の構成を有しており、それぞれの極性を逆にするために、例えば、前記第２燃料電池スタック１４を構成する積層体１８を、前記第１燃料電池スタック１２を構成する積層体１８に対して鉛直軸回りに１８０°反転させている。
【００３１】
第２燃料電池スタック１４では、図５に示すように、第２エンドプレート２４ｂに酸化剤ガス入口（第７貫通孔）６０ａ、冷却媒体入口（第８貫通孔）６２ａ、燃料ガス入口（第９貫通孔）６４ａ、燃料ガス出口（第１０貫通孔）６４ｂ、冷却媒体出口（第１１貫通孔）６２ｂおよび酸化剤ガス出口（第１２貫通孔）６０ｂが設けられる。
【００３２】
第１および第２燃料電池スタック１２、１４の中間位置Ｐに対して、酸化剤ガス入口５４ａ、６０ａ、冷却媒体入口５６ａ、６２ａおよび燃料ガス入口５８ａ、６４ａが、互いに近接する位置にかつ対称となる位置に設けられる一方、燃料ガス出口５８ｂ、６４ｂ、冷却媒体出口５６ｂ、６２ｂおよび酸化剤ガス出口５４ｂ、６０ｂが、互いに離間する位置にかつ対称となる位置に設けられる。
【００３３】
図１に示すように、第１および第２燃料電池スタック１２、１４の互いに隣接する一端側の第１および第２エンドプレート２４ａ、２４ｂには、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体の供給と排出とを行うためのマニホールド配管部７０が装着される。
【００３４】
このマニホールド配管部７０は、酸化剤ガス入口５４ａ、６０ａを連通する酸化剤ガス供給管７２と、冷却媒体入口５６ａ、６２ａを連通する冷却媒体供給管７４と、燃料ガス入口５８ａ、６４ａを連通する燃料ガス供給管７６と、燃料ガス出口５８ｂ、６４ｂを連通する燃料ガス排出管７８と、冷却媒体出口５６ｂ、６２ｂを連通する冷却媒体排出管８０と、酸化剤ガス出口５４ｂ、６０ｂを連通する酸化剤ガス排出管８２とを備える。
【００３５】
酸化剤ガス供給管７２、冷却媒体供給管７４、燃料ガス供給管７６、燃料ガス排出管７８、冷却媒体排出管８０および酸化剤ガス排出管８２は、第１および第２燃料電池スタック１２、１４の中間位置Ｐに対して対称構造に設定される。
【００３６】
第１燃料電池スタック１２のマニホールド配管部７０に近接する第１ターミナルプレート２０ａと、第２燃料電池スタック１４の前記マニホールド配管部７０に近接する第２ターミナルプレート２０ｂとは、ケーブル（直列接続部）８４を介して電気的に接続される。第１ターミナルプレート２０ａは、例えば、負極である一方、第２ターミナルプレート２０ｂは、例えば、正極であり、これらがケーブル８４により電気的に接続されることによって、第１および第２燃料電池スタック１２、１４が電気的に直列に接続される。
【００３７】
第１燃料電池スタック１２の第２ターミナルプレート２０ｂと、第２燃料電池スタック１４の第１ターミナルプレート２０ａとは、例えば、モータ等の外部負荷８６に接続されている。
【００３８】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００３９】
まず、図１に示すように、マニホールド配管部７０を構成する酸化剤ガス供給管７２に酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給管７６に水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給管７４には、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００４０】
酸化剤ガス供給管７２に供給された酸化剤ガスは、図５に示すように、この酸化剤ガス供給管７２内で矢印Ｂ方向（左右）に分配されて第１燃料電池スタック１２の第１エンドプレート２４ａに設けられた酸化剤ガス入口５４ａから積層体１８の酸化剤ガス入口連通孔３２ａに供給されるとともに、第２燃料電池スタック１４の第２エンドプレート２４ｂに設けられた酸化剤ガス入口６０ａから積層体１８の酸化剤ガス入口連通孔３２ａに供給される。
【００４１】
同様に、燃料ガス供給管７６に供給された燃料ガスは、左右に分配されて第１エンドプレート２４ａの燃料ガス入口５８ａから第１燃料電池スタック１２を構成する積層体１８の燃料ガス入口連通孔３６ａに供給される一方、第２エンドプレート２４ｂの燃料ガス入口６４ａから第２燃料電池スタック１４を構成する積層体１８の燃料ガス入口連通孔３６ａに供給される。
【００４２】
さらに、冷却媒体供給管７４に供給された冷却媒体は、左右に分散されて冷却媒体入口５６ａ、６２ａから第１および第２燃料電池スタック１２、１４を構成する積層体１８の各冷却媒体入口連通孔３４ａに供給される。
【００４３】
このため、図３に示すように、酸化剤ガスは、矢印Ａ１方向に移動して酸化剤ガス入口連通孔３２ａから第１セパレータ２８の酸化剤ガス流路４４に導入され、矢印Ｂ方向に移動しながら電解質膜・電極構造体２６を構成するカソード側電極４２に供給される。一方、燃料ガスは、矢印Ａ１方向に移動して燃料ガス入口連通孔３６ａから第２セパレータ３０の燃料ガス流路４６に導入され、矢印Ｂ方向に移動しながら電解質膜・電極構造体２６を構成するアノード側電極４０に供給される。
【００４４】
従って、各電解質膜・電極構造体２６では、カソード側電極４２に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００４５】
次いで、カソード側電極４２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３２ｂに沿って矢印Ａ２方向に流動した後、第１燃料電池スタック１２の第１エンドプレート２４ａに設けられた酸化剤ガス出口５４ｂと、第２燃料電池スタック１４の第２エンドプレート２４ｂに設けられた酸化剤ガス出口６０ｂとから排出される（図５参照）。
【００４６】
同様に、アノード側電極４０に供給されて消費された燃料ガスは、図３に示すように、燃料ガス出口連通孔３６ｂに沿って矢印Ａ２方向に流動した後、第１燃料電池スタック１２の第１エンドプレート２４ａに設けられた燃料ガス出口５８ｂと、第２燃料電池スタック１４の第２エンドプレート２４ｂに設けられた燃料ガス出口６４ｂとから排出される（図５参照）。
【００４７】
また、冷却媒体入口連通孔３４ａに供給された冷却媒体は、第１および第２セパレータ２８、３０間の冷却媒体流路４８に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２６を冷却した後、矢印Ａ２方向に移動して第１燃料電池スタック１２の第１エンドプレート２４ａに設けられた冷却媒体出口５６ｂと、第２燃料電池スタック１４の第２エンドプレート２４ｂに設けられた冷却媒体出口６２ｂとから排出される（図５参照）。
【００４８】
この場合、第１および第２燃料電池スタック１２、１４が同一の構成を有しており、互いの極性を反転させて積層方向に沿って平行に配列させるだけでよい。このため、第１および第２燃料電池スタック１２、１４が異なる構成を有する場合に比べ、前記第１および第２燃料電池スタック１２、１４の製造コストが大幅に削減される。
【００４９】
しかも、マニホールド配管部７０では、少なくとも酸化剤ガス供給管７２、冷却媒体供給管７４および燃料ガス供給管７６が、第１および第２燃料電池スタック１２、１４の中間位置Ｐに対して対称構造を有している。従って、マニホールド配管部７０から第１および第２燃料電池スタック１２、１４に対し、酸化剤ガス、冷却媒体および燃料ガスを均等に分配して供給することが可能になり、前記第１および第２燃料電池スタック１２、１４は所望の発電性能を確実に発揮することができるという効果が得られる。
【００５０】
さらに、マニホールド配管部７０では、配管構造が有効に簡素化されるとともに、容易に小型化がなされ、燃料電池システム１０全体の省スペース化を図ることが可能になる。
【００５１】
さらにまた、第１および第２燃料電池スタック１２、１４は、第１および第２ターミナルプレート２０ａ、２０ｂを、マニホールド配管部７０に近接してケーブル８４を介し電気的に直列に接続している。これにより、第１および第２エンドプレート２４ａ、２４ｂ間の電位差が少なくなり、前記第１および第２エンドプレート２４ａ、２４ｂに装着されるマニホールド配管部７０内に液絡が惹起されることがない。このため、例えば、金属部品の電触が有効に阻止される。
【００５２】
図６は、本発明に関連する燃料電池システム９０の概略斜視説明図である。なお、燃料電池システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００５３】
この場合、燃料電池システム９０が単一の燃料電池スタック９２を備えている。燃料電池スタック９２を構成する第１エンドプレート２４ａには、酸化剤ガス入口５４ａ、冷却媒体入口５６ａ、燃料ガス入口５８ａ、燃料ガス出口５８ｂ、冷却媒体出口５６ｂおよび酸化剤ガス出口５４ｂが設けられる。燃料電池スタック９２を構成する第２エンドプレート２４ｂには、酸化剤ガス入口６０ａ、冷却媒体入口６２ａ、燃料ガス入口６４ａ、燃料ガス出口６４ｂ、冷却媒体出口６２ｂおよび酸化剤ガス出口６０ｂが設けられる。
【００５４】
このように、第１および第２エンドプレート２４ａ、２４ｂに貫通孔（図示せず）が形成されている。従って、第１エンドプレート２４ａにマニホールド配管部７０を接続する一方、第２エンドプレート２４ｂを閉塞した配管構造と、前記第２エンドプレート２４ｂに前記マニホールド配管部７０を接続する一方、前記第１エンドプレート２４ａを閉塞した配管構造とが、選択的に採用される。
【００５５】
これにより、燃料電池スタック９２の設置個所に応じて最適な配管接続が可能となり、燃料電池スタック９２の設置自由度が有効に向上するという効果が得られる。しかも、複数の燃料電池スタック９２を積層方向に配列するだけで、複数の前記燃料電池スタック９２を電気的に直列に配置することができる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムでは、第１および第２燃料電池スタックが同一に構成され、極性を反転させて配列するだけでよいため、前記第１および第２燃料電池スタックが異なる構成を有する場合に比べ、該第１および第２燃料電池スタックの製造コストが大幅に削減される。
【００５７】
しかも、マニホールド配管部では、それぞれの燃料ガス入口連通孔間、酸化剤ガス入口連通孔間および冷却媒体入口連通孔間を連通する各配管が、第１および第２燃料電池スタックに対して対称構造を有している。このため、マニホールド配管部から第１および第２燃料電池スタックに対し、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体を均等に分配することが可能になり、前記第１および第２燃料電池スタックは所望の発電性能を確実に発揮することができる。さらに、マニホールド配管部の接続構造が簡素化されるとともに、省スペース化が容易に図られる。
【００５８】
また、本発明では、第１エンドプレートと第２エンドプレートとに配管を選択的に接続することができる。これにより、燃料電池スタックの設置個所に応じた最適な配管接続が可能になって、前記燃料電池スタックの設置自由度が有効に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略斜視説明図である。
【図２】 前記燃料電池システムを構成する第１燃料電池スタックの一部断面側面図である。
【図３】 前記第１および第２燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視図である。
【図４】 前記単位セルを構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図５】 前記燃料電池システムの反応ガスおよび冷却媒体の流れ説明図である。
【図６】 本発明に関連する燃料電池システムの概略斜視説明図である。
【図７】 特許文献１に係る燃料電池の構成説明図である。
【符号の説明】
１０、９０…燃料電池システム １２、１４、９２…燃料電池スタック
１６…単位セル １８…積層体
２０ａ、２０ｂ…ターミナルプレート ２２ａ、２２ｂ…インシュレータ板
２４ａ、２４ｂ…エンドプレート ２６…電解質膜・電極構造体
２８、３０…セパレータ ３２ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３２ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ３４ａ…冷却媒体入口連通孔
３４ｂ…冷却媒体出口連通孔 ３６ａ…燃料ガス入口連通孔
３６ｂ…燃料ガス出口連通孔 ３８…固体高分子電解質膜
４０…アノード側電極 ４２…カソード側電極
４４…酸化剤ガス流路 ４６…燃料ガス流路
４８…冷却媒体流路 ５０、５２…シール部材
５４ａ、６０ａ…酸化剤ガス入口 ５４ｂ、６０ｂ…酸化剤ガス出口
５６ａ、６２ａ…冷却媒体入口 ５６ｂ、６２ｂ…冷却媒体出口
５８ａ、６４ａ…燃料ガス入口 ５８ｂ、６４ｂ…燃料ガス出口
７０…マニホールド配管部 ７２…酸化剤ガス供給管
７４…冷却媒体供給管 ７６…燃料ガス供給管
７８…燃料ガス排出管 ８０…冷却媒体排出管
８２…酸化剤ガス排出管 ８４…ケーブル
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持する単位セルを設け、複数の前記単位セルを水平方向に積層した燃料電池スタックを備える燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質（電解質膜）の両側に、それぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質・電極構造体を、セパレータによって挟持する単位セル（燃料電池）を備えている。この種の単位セルは、通常、電解質・電極構造体およびセパレータを交互に所定の数だけ積層して燃料電池スタックを構成している。
【０００３】
この単位セルにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、燃料電池スタックは、例えば、車載用として使用される場合、所望の高出力を得るために多数の単位セルを積層する必要がある。その際、単位セルの積層方向の長さが相当に長尺化し、燃料ガスを各単位セルに対して均等に供給することができない等の問題がある。
【０００５】
そこで、特許文献１に開示されている燃料電池では、図７に示すように、２個のスタック１ａ、１ｂが下部共通締め付け板２上に直接配置されている。スタック１ａは、正極を下に設定する一方、スタック１ｂは、正極を上に設定しており、前記スタック１ａ、１ｂ同士が下部共通締め付け板２により電気的に直列に接続されている。スタック１ａの上部締め付け板３ａは、負極端子４に接続されるとともに、スタック１ｂの上部締め付け板３ｂは、正極端子５に接続され、前記負極端子４と前記正極端子５とが接続されている。
【０００６】
スタック１ａ、１ｂは、それぞれ複数の単位セル６ａ、６ｂを矢印Ｘ方向に積層しており、前記スタック１ａ、１ｂの側面には、それぞれ反応ガス供給排出用マニホールド７ａ、７ｂが取り付けられている。マニホールド７ａ、７ｂには、接ぎ手８ａ、８ｂが設けられており、前記接ぎ手８ａ、８ｂが外部配管（図示せず）に接続されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平６−２７５３０７号公報（段落［００１２］、図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献１では、各スタック１ａ、１ｂに燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体を供給排出するために、それぞれ専用のマニホールド７ａ、７ｂが用いられている。このため、配管系が複雑かつ大型化してしまい、燃料電池スタック全体が相当に大型なものとなる。これにより、スペース効率が低下して、特に車載用に有効に適用させることができないという問題が指摘されている。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単かつコンパクトな構成で、第１および第２燃料電池スタックを並列に接続するとともに、所望の発電性能を確保することが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は、簡単かつコンパクトな構成で、種々の設置場所に容易に組み込むことが可能な、しかも取り扱い性に優れる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池システムでは、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持する単位セルを設け、複数の前記単位セルを水平方向に積層する積層体を有するとともに、各単位セルの積層方向に貫通して燃料ガス入口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔、冷却媒体入口連通孔、燃料ガス出口連通孔、酸化剤ガス出口連通孔および冷却媒体出口連通孔を含む流体連通孔が形成され、前記積層体の両側には、前記積層体に設けられた前記流体連通孔に連通する連通孔である第１および第２エンドプレートが配設された同一構成の第１および第２燃料電池スタックを備えている。
【００１２】
第１および第２燃料電池スタックは、積層方向に沿って互いに平行にかつ極性を反転して配列されている。第１および第２燃料電池スタックの互いに隣接する一端側の第１および第２エンドプレートには、マニホールド配管部が装着され、他端側の第２および第１エンドプレートは、連通孔が閉塞されている。マニホールド配管部には、それぞれの燃料ガス入口連通孔間、酸化剤ガス入口連通孔間、冷却媒体入口連通孔間、燃料ガス出口連通孔間、酸化剤ガス出口連通孔間および冷却媒体出口連通孔間を連通する各配管が、第１および第２燃料電池スタックに対して対称に設けられている。
【００１３】
このように、第１および第２燃料電池スタックは、同一に構成されており、極性を反転させて配列するだけでよい。従って、第１および第２燃料電池スタックが異なる構成を有する場合に比べ、前記第１および第２燃料電池スタックの製造コストが大幅に削減される。
【００１４】
しかも、マニホールド配管部では、それぞれの燃料ガス入口連通孔間、酸化剤ガス入口連通孔間、冷却媒体入口連通孔間、燃料ガス出口連通孔間、酸化剤ガス出口連通孔間および冷却媒体出口連通孔間を連通する各配管が、第１および第２燃料電池スタックに対して対称構造を有している。このため、マニホールド配管部を、第１および第２燃料電池スタックの中間位置に対応して接続することができる。
【００１５】
これにより、マニホールド配管部から第１および第２燃料電池スタックに対し、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体を均等に分配することが可能になるため、前記第１および第２燃料電池スタックは所望の発電性能を確実に発揮することができる。さらに、マニホールド配管部の接続構造が簡素化されるとともに、省スペース化が容易に図られる。
【００１６】
また、燃料電池システムでは、第１および第２燃料電池スタックは、マニホールド配管部が装着された一端側に電気的に接続される直列接続部を備えている。このため、第１および第２燃料電池スタックの一端側間の電位差が少なくなり、前記一端側に装着されるマニホールド配管部内に液絡が惹起されることがない。従って、例えば、金属部品の電食等が有効に阻止される。
【００１８】
積層体には、各単位セルの横方向一端部上下に積層方向に貫通して第１〜第３連通孔が形成され、かつ横方向他端部上下に前記積層方向に貫通して第４〜第６連通孔が形成されている。その際、第１〜第６連通孔は、燃料ガス入口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔、冷却媒体入口連通孔、燃料ガス出口連通孔、酸化剤ガス出口連通孔および冷却媒体出口連通孔に選択的に設定されている。そして、第１および第２エンドプレートには、積層方向に貫通し、それぞれ第１〜第６連通孔に連通する第１〜第６貫通孔および第７〜第１２貫通孔が形成されている。
【００１９】
これにより、燃料電池スタックでは、第１エンドプレートの第１〜第６貫通孔にマニホールド配管部を接続する一方、第２エンドプレートの第７〜第１２貫通孔を閉塞した配管構造と、前記第２エンドプレートの前記第７〜第１２貫通孔にマニホールド配管部を接続する一方、前記第１エンドプレートの第１〜第６貫通孔を閉塞した配管構造とが、選択的に採用される。従って、燃料電池スタックの設置個所に応じて最適な配管接続が可能となり、前記燃料電池スタックの設置自由度が有効に向上する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０の概略全体斜視図である。
【００２１】
燃料電池システム１０は、水平方向（矢印Ａ方向）に沿って互いに平行にかつ極性を反転して配列される第１燃料電池スタック１２と第２燃料電池スタック１４とを備える。図１および図２に示すように、第１燃料電池スタック１２は、複数の単位セル１６が矢印Ａ方向に積層された積層体１８を備え、前記積層体１８の積層方向両端には、第１および第２ターミナルプレート２０ａ、２０ｂと、第１および第２インシュレータ板２２ａ、２２ｂと、第１および第２エンドプレート２４ａ、２４ｂとが外方に向かって、順次、配設される。第１および第２エンドプレート２４ａ、２４ｂは、複数本の締め付けロッド２５を介して積層方向に締め付けられ、積層体１８に所望の締め付け荷重が付与される。
【００２２】
図２および図３に示すように、単位セル１６は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）２６が、第１および第２セパレータ２８、３０に挟持されて構成される。第１および第２セパレータ２８、３０は、金属製プレートまたはカーボン製プレートにより構成されている。
【００２３】
単位セル１６の矢印Ｂ方向（図３中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔（第１連通孔）３２ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔（第２連通孔）３４ａ、および燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔（第３連通孔）３６ａが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２４】
単位セル１６の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔（第４連通孔）３６ｂ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔（第５連通孔）３４ｂ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔（第６連通孔）３２ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２５】
電解質膜・電極構造体２６は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３８と、前記固体高分子電解質膜３８を挟持するアノード側電極４０およびカソード側電極４２とを備える。アノード側電極４０およびカソード側電極４２は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜３８を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜３８の両面に接合されている。
【００２６】
第１セパレータ２８のカソード側電極４２に対向する面２８ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する直線状の酸化剤ガス流路４４が設けられる。図４に示すように、第２セパレータ３０のアノード側電極４０に対向する面３０ａには、燃料ガス入口連通孔３６ａと燃料ガス出口連通孔３６ｂとに連通し、矢印Ｂ方向に延在する直線状の燃料ガス流路４６が形成される。
【００２７】
第１セパレータ２８の面２８ｂと第２セパレータ３０の面３０ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体出口連通孔３４ｂとに連通する冷却媒体流路４８が形成される（図２および図３参照）。この冷却媒体流路４８は、矢印Ｂ方向に直線状に延在する。第１セパレータ２８の面２８ａ、２８ｂには、第１シール部材５０が一体化されるとともに、第２セパレータ３０の面３０ａ、３０ｂには、第２シール部材５２が一体化される。
【００２８】
図５に示すように、第１エンドプレート２４ａには、矢印Ｂ方向の一端縁部に積層方向に貫通して酸化剤ガス入口（第１貫通孔）５４ａ、冷却媒体入口（第２貫通孔）５６ａおよび燃料ガス入口（第３貫通孔）５８ａが設けられる。第１エンドプレート２４ａの他端縁部には、積層方向に貫通して燃料ガス出口（第４貫通孔）５８ｂ、冷却媒体出口（第５貫通孔）５６ｂおよび酸化剤ガス出口（第６貫通孔）５４ｂが設けられる。
【００２９】
第２燃料電池スタック１４は、上記のように構成される第１燃料電池スタック１２と略同一に構成されており、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００３０】
第１および第２燃料電池スタック１２、１４を構成する積層体１８は、全く同一の構成を有しており、それぞれの極性を逆にするために、例えば、前記第２燃料電池スタック１４を構成する積層体１８を、前記第１燃料電池スタック１２を構成する積層体１８に対して鉛直軸回りに１８０°反転させている。
【００３１】
第２燃料電池スタック１４では、図５に示すように、第２エンドプレート２４ｂに酸化剤ガス入口（第７貫通孔）６０ａ、冷却媒体入口（第８貫通孔）６２ａ、燃料ガス入口（第９貫通孔）６４ａ、燃料ガス出口（第１０貫通孔）６４ｂ、冷却媒体出口（第１１貫通孔）６２ｂおよび酸化剤ガス出口（第１２貫通孔）６０ｂが設けられる。
【００３２】
第１および第２燃料電池スタック１２、１４の中間位置Ｐに対して、酸化剤ガス入口５４ａ、６０ａ、冷却媒体入口５６ａ、６２ａおよび燃料ガス入口５８ａ、６４ａが、互いに近接する位置にかつ対称となる位置に設けられる一方、燃料ガス出口５８ｂ、６４ｂ、冷却媒体出口５６ｂ、６２ｂおよび酸化剤ガス出口５４ｂ、６０ｂが、互いに離間する位置にかつ対称となる位置に設けられる。
【００３３】
図１に示すように、第１および第２燃料電池スタック１２、１４の互いに隣接する一端側の第１および第２エンドプレート２４ａ、２４ｂには、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体の供給と排出とを行うためのマニホールド配管部７０が装着される。
【００３４】
このマニホールド配管部７０は、酸化剤ガス入口５４ａ、６０ａを連通する酸化剤ガス供給管７２と、冷却媒体入口５６ａ、６２ａを連通する冷却媒体供給管７４と、燃料ガス入口５８ａ、６４ａを連通する燃料ガス供給管７６と、燃料ガス出口５８ｂ、６４ｂを連通する燃料ガス排出管７８と、冷却媒体出口５６ｂ、６２ｂを連通する冷却媒体排出管８０と、酸化剤ガス出口５４ｂ、６０ｂを連通する酸化剤ガス排出管８２とを備える。
【００３５】
酸化剤ガス供給管７２、冷却媒体供給管７４、燃料ガス供給管７６、燃料ガス排出管７８、冷却媒体排出管８０および酸化剤ガス排出管８２は、第１および第２燃料電池スタック１２、１４の中間位置Ｐに対して対称構造に設定される。
【００３６】
第１燃料電池スタック１２のマニホールド配管部７０に近接する第１ターミナルプレート２０ａと、第２燃料電池スタック１４の前記マニホールド配管部７０に近接する第２ターミナルプレート２０ｂとは、ケーブル（直列接続部）８４を介して電気的に接続される。第１ターミナルプレート２０ａは、例えば、負極である一方、第２ターミナルプレート２０ｂは、例えば、正極であり、これらがケーブル８４により電気的に接続されることによって、第１および第２燃料電池スタック１２、１４が電気的に直列に接続される。
【００３７】
第１燃料電池スタック１２の第２ターミナルプレート２０ｂと、第２燃料電池スタック１４の第１ターミナルプレート２０ａとは、例えば、モータ等の外部負荷８６に接続されている。
【００３８】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００３９】
まず、図１に示すように、マニホールド配管部７０を構成する酸化剤ガス供給管７２に酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給管７６に水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給管７４には、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。
【００４０】
酸化剤ガス供給管７２に供給された酸化剤ガスは、図５に示すように、この酸化剤ガス供給管７２内で矢印Ｂ方向（左右）に分配されて第１燃料電池スタック１２の第１エンドプレート２４ａに設けられた酸化剤ガス入口５４ａから積層体１８の酸化剤ガス入口連通孔３２ａに供給されるとともに、第２燃料電池スタック１４の第２エンドプレート２４ｂに設けられた酸化剤ガス入口６０ａから積層体１８の酸化剤ガス入口連通孔３２ａに供給される。
【００４１】
同様に、燃料ガス供給管７６に供給された燃料ガスは、左右に分配されて第１エンドプレート２４ａの燃料ガス入口５８ａから第１燃料電池スタック１２を構成する積層体１８の燃料ガス入口連通孔３６ａに供給される一方、第２エンドプレート２４ｂの燃料ガス入口６４ａから第２燃料電池スタック１４を構成する積層体１８の燃料ガス入口連通孔３６ａに供給される。
【００４２】
さらに、冷却媒体供給管７４に供給された冷却媒体は、左右に分散されて冷却媒体入口５６ａ、６２ａから第１および第２燃料電池スタック１２、１４を構成する積層体１８の各冷却媒体入口連通孔３４ａに供給される。
【００４３】
このため、図３に示すように、酸化剤ガスは、矢印Ａ１方向に移動して酸化剤ガス入口連通孔３２ａから第１セパレータ２８の酸化剤ガス流路４４に導入され、矢印Ｂ方向に移動しながら電解質膜・電極構造体２６を構成するカソード側電極４２に供給される。一方、燃料ガスは、矢印Ａ１方向に移動して燃料ガス入口連通孔３６ａから第２セパレータ３０の燃料ガス流路４６に導入され、矢印Ｂ方向に移動しながら電解質膜・電極構造体２６を構成するアノード側電極４０に供給される。
【００４４】
従って、各電解質膜・電極構造体２６では、カソード側電極４２に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４０に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００４５】
次いで、カソード側電極４２に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３２ｂに沿って矢印Ａ２方向に流動した後、第１燃料電池スタック１２の第１エンドプレート２４ａに設けられた酸化剤ガス出口５４ｂと、第２燃料電池スタック１４の第２エンドプレート２４ｂに設けられた酸化剤ガス出口６０ｂとから排出される（図５参照）。
【００４６】
同様に、アノード側電極４０に供給されて消費された燃料ガスは、図３に示すように、燃料ガス出口連通孔３６ｂに沿って矢印Ａ２方向に流動した後、第１燃料電池スタック１２の第１エンドプレート２４ａに設けられた燃料ガス出口５８ｂと、第２燃料電池スタック１４の第２エンドプレート２４ｂに設けられた燃料ガス出口６４ｂとから排出される（図５参照）。
【００４７】
また、冷却媒体入口連通孔３４ａに供給された冷却媒体は、第１および第２セパレータ２８、３０間の冷却媒体流路４８に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２６を冷却した後、矢印Ａ２方向に移動して第１燃料電池スタック１２の第１エンドプレート２４ａに設けられた冷却媒体出口５６ｂと、第２燃料電池スタック１４の第２エンドプレート２４ｂに設けられた冷却媒体出口６２ｂとから排出される（図５参照）。
【００４８】
この場合、第１および第２燃料電池スタック１２、１４が同一の構成を有しており、互いの極性を反転させて積層方向に沿って平行に配列させるだけでよい。このため、第１および第２燃料電池スタック１２、１４が異なる構成を有する場合に比べ、前記第１および第２燃料電池スタック１２、１４の製造コストが大幅に削減される。
【００４９】
しかも、マニホールド配管部７０では、少なくとも酸化剤ガス供給管７２、冷却媒体供給管７４および燃料ガス供給管７６が、第１および第２燃料電池スタック１２、１４の中間位置Ｐに対して対称構造を有している。従って、マニホールド配管部７０から第１および第２燃料電池スタック１２、１４に対し、酸化剤ガス、冷却媒体および燃料ガスを均等に分配して供給することが可能になり、前記第１および第２燃料電池スタック１２、１４は所望の発電性能を確実に発揮することができるという効果が得られる。
【００５０】
さらに、マニホールド配管部７０では、配管構造が有効に簡素化されるとともに、容易に小型化がなされ、燃料電池システム１０全体の省スペース化を図ることが可能になる。
【００５１】
さらにまた、第１および第２燃料電池スタック１２、１４は、第１および第２ターミナルプレート２０ａ、２０ｂを、マニホールド配管部７０に近接してケーブル８４を介し電気的に直列に接続している。これにより、第１および第２エンドプレート２４ａ、２４ｂ間の電位差が少なくなり、前記第１および第２エンドプレート２４ａ、２４ｂに装着されるマニホールド配管部７０内に液絡が惹起されることがない。このため、例えば、金属部品の電触が有効に阻止される。
【００５２】
図６は、本発明に関連する燃料電池システム９０の概略斜視説明図である。なお、燃料電池システム１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００５３】
この場合、燃料電池システム９０が単一の燃料電池スタック９２を備えている。燃料電池スタック９２を構成する第１エンドプレート２４ａには、酸化剤ガス入口５４ａ、冷却媒体入口５６ａ、燃料ガス入口５８ａ、燃料ガス出口５８ｂ、冷却媒体出口５６ｂおよび酸化剤ガス出口５４ｂが設けられる。燃料電池スタック９２を構成する第２エンドプレート２４ｂには、酸化剤ガス入口６０ａ、冷却媒体入口６２ａ、燃料ガス入口６４ａ、燃料ガス出口６４ｂ、冷却媒体出口６２ｂおよび酸化剤ガス出口６０ｂが設けられる。
【００５４】
このように、第１および第２エンドプレート２４ａ、２４ｂに貫通孔（図示せず）が形成されている。従って、第１エンドプレート２４ａにマニホールド配管部７０を接続する一方、第２エンドプレート２４ｂを閉塞した配管構造と、前記第２エンドプレート２４ｂに前記マニホールド配管部７０を接続する一方、前記第１エンドプレート２４ａを閉塞した配管構造とが、選択的に採用される。
【００５５】
これにより、燃料電池スタック９２の設置個所に応じて最適な配管接続が可能となり、燃料電池スタック９２の設置自由度が有効に向上するという効果が得られる。しかも、複数の燃料電池スタック９２を積層方向に配列するだけで、複数の前記燃料電池スタック９２を電気的に直列に配置することができる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池システムでは、第１および第２燃料電池スタックが同一に構成され、極性を反転させて配列するだけでよいため、前記第１および第２燃料電池スタックが異なる構成を有する場合に比べ、該第１および第２燃料電池スタックの製造コストが大幅に削減される。
【００５７】
しかも、マニホールド配管部では、それぞれの燃料ガス入口連通孔間、酸化剤ガス入口連通孔間および冷却媒体入口連通孔間を連通する各配管が、第１および第２燃料電池スタックに対して対称構造を有している。このため、マニホールド配管部から第１および第２燃料電池スタックに対し、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体を均等に分配することが可能になり、前記第１および第２燃料電池スタックは所望の発電性能を確実に発揮することができる。さらに、マニホールド配管部の接続構造が簡素化されるとともに、省スペース化が容易に図られる。
【００５８】
また、本発明では、第１エンドプレートと第２エンドプレートとに配管を選択的に接続することができる。これにより、燃料電池スタックの設置個所に応じた最適な配管接続が可能になって、前記燃料電池スタックの設置自由度が有効に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略斜視説明図である。
【図２】 前記燃料電池システムを構成する第１燃料電池スタックの一部断面側面図である。
【図３】 前記第１および第２燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視図である。
【図４】 前記単位セルを構成する第２セパレータの正面説明図である。
【図５】 前記燃料電池システムの反応ガスおよび冷却媒体の流れ説明図である。
【図６】 本発明に関連する燃料電池システムの概略斜視説明図である。
【図７】 特許文献１に係る燃料電池の構成説明図である。
【符号の説明】
１０、９０…燃料電池システム １２、１４、９２…燃料電池スタック
１６…単位セル １８…積層体
２０ａ、２０ｂ…ターミナルプレート ２２ａ、２２ｂ…インシュレータ板
２４ａ、２４ｂ…エンドプレート ２６…電解質膜・電極構造体
２８、３０…セパレータ ３２ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３２ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ３４ａ…冷却媒体入口連通孔
３４ｂ…冷却媒体出口連通孔 ３６ａ…燃料ガス入口連通孔
３６ｂ…燃料ガス出口連通孔 ３８…固体高分子電解質膜
４０…アノード側電極 ４２…カソード側電極
４４…酸化剤ガス流路 ４６…燃料ガス流路
４８…冷却媒体流路 ５０、５２…シール部材
５４ａ、６０ａ…酸化剤ガス入口 ５４ｂ、６０ｂ…酸化剤ガス出口
５６ａ、６２ａ…冷却媒体入口 ５６ｂ、６２ｂ…冷却媒体出口
５８ａ、６４ａ…燃料ガス入口 ５８ｂ、６４ｂ…燃料ガス出口
７０…マニホールド配管部 ７２…酸化剤ガス供給管
７４…冷却媒体供給管 ７６…燃料ガス供給管
７８…燃料ガス排出管 ８０…冷却媒体排出管
８２…酸化剤ガス排出管 ８４…ケーブル
Claims (3)
- 電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持する単位セルを設け、複数の前記単位セルを水平方向に積層する積層体を有するとともに、各単位セルの積層方向に貫通して燃料ガス入口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔、冷却媒体入口連通孔、燃料ガス出口連通孔、酸化剤ガス出口連通孔および冷却媒体出口連通孔である流体連通孔が形成され、前記積層体の両側には、前記積層体に設けられた前記流体連通孔に連通する連通孔を有する第１および第２エンドプレートが配設された同一構成の第１および第２燃料電池スタックを備え、
前記第１および第２燃料電池スタックは、前記積層方向に沿って互いに平行にかつ極性を反転して配列されるとともに、
前記第１および第２燃料電池スタックの互いに隣接する一端側の第１および第２エンドプレートには、それぞれの燃料ガス入口連通孔間、酸化剤ガス入口連通孔間、冷却媒体入口連通孔間、燃料ガス出口連通孔間、酸化剤ガス出口連通孔間および冷却媒体出口連通孔間を連通する各配管を、該第１および第２燃料電池スタックに対して対称に設けたマニホールド配管部が装着され、
他端側の第２および第１エンドプレートは、前記連通孔が閉塞されることを特徴とする燃料電池システム。 - 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記第１および第２燃料電池スタックは、前記マニホールド配管部が装着された前記一端側に電気的に接続される直列接続部を備えることを特徴とする燃料電池システム。
- 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記積層体には、各単位セルの横方向一端部上下に積層方向に貫通して第１〜第３連通孔が形成され、かつ横方向他端部上下に前記積層方向に貫通して第４〜第６連通孔が形成され、
前記流体連通孔である前記第１〜第６連通孔は、燃料ガス入口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔、冷却媒体入口連通孔、燃料ガス出口連通孔、酸化剤ガス出口連通孔および冷却媒体出口連通孔に選択的に設定されるとともに、
前記第１および第２エンドプレートには、前記積層方向に貫通し、それぞれ前記第１〜第６連通孔に連通する第１〜第６貫通孔および第７〜第１２貫通孔が形成されることを特徴とする燃料電池システム。
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