JP4862206B2 - Fuel cell - Google Patents

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Description

【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[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell including a hydrogen electrode and an oxygen electrode with an electrolyte layer that transmits hydrogen ions interposed therebetween, and relates to a technique for downsizing a stack formed by stacking cells.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a hydrogen electrode and an oxygen electrode are provided across an electrolyte layer that transmits hydrogen ions, and a reaction according to the following reaction formulas (1) and (2) is performed at a cathode (hydrogen electrode) and an anode (oxygen electrode), respectively. A fuel cell that generates an electromotive force by generating it has been proposed. The electrolyte layer is
Cathode (hydrogen electrode)
H2→ 2H+  + 2e-                      ... (1)
Anode (oxygen electrode)
(1/2) O2+ 2H++ 2e-  → H2O (2)
[0003]
Various types of fuel cells have been proposed, such as phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, solid electrolyte fuel cells, and alkaline fuel cells, depending on the type of electrolyte layer. In recent years, polymer electrolyte fuel cells using a hydrogen ion conductive polymer membrane as an electrolyte layer have been attracting attention for reasons such as high output density and miniaturization, and various improvements have been studied. ing.
[0004]
In any type of fuel cell, a theoretical electromotive force per unit cell is about 1.23 V. Therefore, a large number of cells are stacked to obtain a desired voltage. A unit in which cells are stacked and fixed by a case is called a stack. In general, in a stack, the stacking accuracy of cells appears as an internal resistance. Therefore, when an extremely large number of cells are stacked, the internal resistance increases and the efficiency of the fuel cell decreases. In addition, if an extremely large number of cells are stacked, it becomes difficult to uniformly supply the fuel gas to each cell. For these reasons, avoid forming a fuel cell from a single stack in which cells are stacked to the extent that a desired voltage can be obtained, and divide the fuel cell into multiple stacks and connect them in series. Usually, a desired voltage is obtained. The applicant of the present application has proposed a technique described in Japanese Patent Laid-Open No. 8-171926 as a technique capable of supplying fuel evenly to each stack and reducing the overall size in a fuel cell using a plurality of stacks. ing. This is a structure in which four stacks are coupled via a supply / discharge member.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, when trying to mount the stack on various devices such as a vehicle, it has been found that there are various problems shown below in addition to the problem of fuel supply and discharge. Conventionally, in the means for solving each of these problems, the miniaturization of the fuel cell has not been sufficiently considered. Therefore, if each problem is to be solved, another problem of increasing the size of the fuel cell may be caused. there were. In this sense, preferred solutions have not been sufficiently studied for the following problems.
[0006]
The first problem with the stack is the problem due to cooling. The fuel cell is cooled by cooling water. The cooling water flows through a cooling water passage formed in a separator constituting a gas flow path of the cell. The separator is generally composed of a conductive member. Therefore, the cooling water is charged according to the potential of the electrode by contacting the conductive separator in the process of cooling the cell. Depending on the configuration of the water supply port for supplying cooling water to the stack and the drain port for discharging cooling water from the stack, there may be a potential difference in the vicinity of these. In such a case, due to this potential difference, there is a possibility of causing harmful effects such as electrolytic corrosion between the water supply port and the drain port. In order to avoid such harmful effects, if measures such as covering the water supply port and the drain port with an insulating material are taken, the stack will be enlarged accordingly. In particular, in a structure in which a plurality of stacks are connected via a supply / discharge member, the potential difference between the water supply port and the water discharge port reaches several hundred volts, which necessitates an increase in the size of the insulation member coating, which is given to the size of the device. A large impact. In addition, if a water supply port and a drainage port are installed in a region where there is no potential difference, restrictions on the installation site of the water supply port and the drainage port will increase, so the degree of freedom in design of the cooling water channel will be reduced, and the device size will be reduced. It becomes a factor that inhibits conversion.
[0007]
The second problem with the stack is the problem caused by the discharge of water produced during the reaction. As previously indicated by equations (1) and (2), the fuel cell is water (H2O) is generated. The water produced in this cell is carried by the gas flow through a manifold that supplies gas to the stack to a gas outlet. In the solid polymer membrane type fuel cell, water used for humidifying the electrolyte membrane is also transported to the gas outlet through the same route. At this time, when the amount of water carried to the gas discharge port increases, a phenomenon called flooding occurs, and the operation of the fuel cell may become unstable. In other words, the water droplets condensed inside the gas discharge port reduce the cross-sectional area of the gas flow path, thereby obstructing the gas flow, and thus also inhibiting the gas supply to each cell, thereby preventing power generation. Make it stable. In order to avoid such an adverse effect, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-204126 discloses a structure in which a drain port is provided in the stack. However, this structure is provided with a drain valve and a discharge port outside the stack, and there is a problem that the structure of the stack, and thus the structure of the entire fuel cell, becomes extremely large. In addition, in a fuel cell having a plurality of stacks, it is necessary to provide a drainage mechanism for each stack, which further increases the size of the fuel cell.
[0008]
A third problem regarding the stack is a problem caused by the insulating properties of the cells. The stack is configured by fixing the stacked cells so that they are not separated in the stacking direction. The external structure that serves to fix the cells is referred to herein as a stack case. Since a cell is a collection of electrodes, when a stack is formed in this way, it is necessary to insulate between the stack case and the cell. Conventionally, an insulating material such as silicon rubber is inserted between the cell and the stack case to ensure the insulation between them. However, in the case where insulation between the two is intended with such a structure, a step of inserting an insulator is required in the manufacturing process of the stack, and the productivity may be lowered. As described above, the process of stacking cells to form a stack is a process that requires precision related to internal resistance, so that the productivity increases drastically due to the increased number of insulator insertion processes. There was also. In general, insulators such as silicon rubber have a relatively low accuracy with respect to the thickness. Therefore, in order to construct a stack without applying unnecessary load to the cell, the thickness of the insulator is taken into consideration. The case had to be made larger. Furthermore, in order to maintain the shape of the insulator itself, a certain amount of thickness is required. Therefore, the insulator becomes unnecessarily large, resulting in an increase in the size of the stack case.
[0009]
The applicant of the present application has disclosed a technique for avoiding such an increase in size as Japanese Patent Laid-Open No. 8-162143. This technique is a technique in which rubber is applied and coated on the four surfaces of the stack. However, in order to insulate the stack by such a method, an extra step of applying rubber is required, and in the case where damage occurs in the stack once covered with rubber, it is difficult to repair. Invite challenges. From this point of view, there has been a demand for a technique that can reliably insulate the stack without impairing the productivity of the stack, and that can avoid an increase in the size of the stack case.
[0010]
The fourth problem regarding the stack is a problem caused by securing waterproofness, dustproofness, and rigidity of the stack. As described above, the stack has a plurality of cells fixed by the stack case. However, in view of the necessity of attaching a terminal for monitoring the voltage of the cell and workability when attaching the terminal, the stack case is often not completely sealed. Therefore, when the stack having such a structure is used by being mounted on various devices such as a vehicle, there is a possibility that water, dust or the like may enter the gap between the cells depending on the use environment. Further, when these devices are operated, vibrations are usually accompanied. When such vibrations and loads resulting from the vibrations act on the stack, there is a possibility that a gap is generated between the cells due to strain generated in the stack. Due to these factors, the stack may cause a decrease in power generation efficiency due to an increase in internal resistance or a power generation failure.
[0011]
In order to solve such a problem, it is possible to completely seal the outer periphery of the stack case and to increase the rigidity of the stack case to such an extent that the stack case is not deformed by vibration or the like. However, providing a process for sealing the outer periphery of the stack case impairs the productivity of the stack. In addition, in order to sufficiently increase the rigidity of the stack case, it is necessary to increase the thickness of the stack case, resulting in an increase in the weight and size of the stack. In particular, in a fuel cell using a plurality of stacks, the influence is great.
[0012]
The fifth problem regarding the stack is a problem caused by a mechanism for applying an elastic force to the stacked cells. When a stack is formed by stacking cells, it is desirable that the cells be brought into close contact as much as possible in order to reduce internal resistance. On the other hand, heat is generated due to chemical reaction during power generation, and the cells expand thermally, so if the stacked cells are completely fixed, deformation due to thermal stress may occur, power generation failure, life reduction, etc. May cause adverse effects. A technique for solving this problem is disclosed in JP-A-11-233132. This is a technology for assembling the end plate to the end where the cells are stacked via a disc spring. The elastic force of the disc spring absorbs deformation caused by thermal expansion, etc. To do. The applicant of the present application also discloses a technique for solving the above problem in Japanese Patent Laid-Open No. 7-335243. This is a technology that attaches an end plate to one end of the stacked cells via an elastic member and uses the space between the end plate and one end of the cell as a pressure chamber into which fluid can be injected. By utilizing the elastic force of the member and the pressure of the fluid, a force for bringing the cells into close contact with each other is absorbed while absorbing deformation caused by thermal expansion or the like.
[0013]
However, in these techniques, since the end plate is fixed with bolts penetrating in the stacking direction, there is a problem that the stack becomes large due to the bolt space. In particular, the stack was long in the stacking direction. A fuel cell needs to be stacked with a large number of cells in order to secure a voltage, and the dimension in the stacking direction inevitably tends to increase. On the other hand, it is often preferable to avoid a shape having an extremely large size in one direction from the viewpoint of securing a space when the fuel cell is mounted on various devices such as a vehicle. From this point of view, it is desirable to suppress the size of the cells in the stacking direction as much as possible, and the increase in size caused by the above-described bolt space impairs efficiency when the stack is mounted on the device. In particular, the influence in a fuel cell using a plurality of stacks is great. Therefore, there has been a demand for a technique capable of reducing the size of the stack, particularly the size in the stacking direction, while applying an appropriate elastic force in the cell stacking direction.
[0014]
As described above, the conventional fuel cell has various problems in practical use, resulting in a large problem of increasing the size of the stack. The present invention has been made in view of these problems, and an object of the present invention is to solve at least a part of the above-described five problems including the viewpoint of avoiding an increase in the size of the stack.
[0015]
[Means for solving the problems and their functions and effects]
  In order to solve at least a part of the various problems described above while solving one problem of downsizing the fuel cell, the present invention employs the following configuration.
  The present inventionBurningThe battery is
A fuel cell comprising a laminated battery in which unit cells are laminated,
  The laminated batteryStacking direction ofIn which a conductive refrigerant is allowed to pass through to cool the battery, and a supply port for supplying the refrigerant to the stacked battery and a discharge port for discharging the refrigerant from the stacked battery have different potentials. A cooling mechanism provided;
  Regarding the refrigerant path through which the refrigerant flows, short-circuit means for electrically short-circuiting the refrigerant path upstream of the supply port and the refrigerant path downstream of the discharge portWhen
  With,
The supply port and the discharge port are connected without being insulated from the refrigerant path in the stacked battery among the refrigerant paths.This is the gist.
[0016]
  thisAccording to the fuel cell, since the potential difference of the cooling water generated at the supply port and the discharge port can be eliminated by the short-circuit means, adverse effects such as electrolytic corrosion can be easily avoided. The means for electrically short-circuiting the refrigerant path having a potential difference can be realized by connecting the two with a conductive member, and thus does not cause adverse effects such as an increase in the size of the fuel cell and an increase in manufacturing cost. In addition, this makes it possible to avoid an increase in the size of the apparatus due to the provision of insulating members at the supply port and the discharge port. In addition, since there is no restriction such as providing both of them in a region where there is no potential difference, the degree of freedom in design increases, and the device can be further miniaturized.
[0017]
The supply port and the discharge port mean holes provided in the stacked battery for supplying and discharging the refrigerant. The “refrigerant path upstream from the supply port” and the “refrigerant path downstream from the discharge port” are provided. "Means a refrigerant path communicating with the laminated battery. Therefore, the short-circuit means of the present invention is provided not on the inside of the laminated battery but on the outside. As a result, the short-circuit means can be mounted after the laminated battery is configured, and thus there is an advantage that the short-circuit means can be provided without impairing the productivity of the laminated battery. In addition, there is an advantage that it is easy to deal with a failure such as disconnection.
[0018]
The short-circuit means may be applied to a single stacked battery, but when the fuel cell includes a plurality of the stacked batteries,
In the refrigerant path, at least a part of the refrigerant path upstream from the supply port of each stacked battery and at least a part of the refrigerant path downstream from the discharge port of each stacked battery are configured as a common refrigerant path. And
It is desirable that the short-circuit means be provided at a location configured as a refrigerant path common to a plurality of stacked batteries.
[0019]
According to such a configuration, since the short circuit means is provided in the common refrigerant path, the potential difference of the refrigerant can be eliminated without providing the short circuit means in each stacked battery. Therefore, the process and cost for providing a short circuit means can be suppressed. Since the refrigerant that has passed through the plurality of stacked batteries may have a very large potential difference, the utility of the present invention is very high in that the potential difference can be easily eliminated. As an example of a fuel cell including a plurality of stacked batteries, the outside and each stacked battery by performing a function of distributing the supplied fuel gas to each stacked battery and a function of collecting exhaust gas from each stacked battery, The structure provided with the supply / discharge member which implement | achieves supply / discharge of the fuel between can be mentioned. In this case, the above-described common refrigerant path is formed inside the supply / discharge member. In such a case, for example, the configuration of the above-described invention can be realized by short-circuiting the vicinity of the supply port and the discharge port for supplying and discharging the cooling water to and from the supply and discharge member.
[0020]
  TakeFuel cell,in frontBy supplying a plurality of stacked batteries and a function of distributing the supplied fuel gas to each stacked battery and a function of collecting exhaust gases from each stacked battery, fuel supply between the outside and each stacked battery is performed. It has a supply / discharge member that realizes discharge,
  The supply / discharge member has an internal structure,
    An aggregate gas flow path through which the aggregated exhaust gas flows;
    A structure having a drainage mechanism that branches off from the aggregated gas flow path and discharges water droplets in the gas flow pathMay be.
[0021]
  thisAccording to the fuel cell, water droplets in the gas channel can be appropriately discharged by the drainage mechanism provided in the supply / discharge member, so that flooding can be avoided. Further, since the drainage mechanism is provided in the supply / discharge member, unlike the prior art described in JP-A-11-204126, it is not necessary to provide a drain valve or the like outside, and the size of the apparatus can be avoided. In particular, since the drainage mechanism is provided on the supply / discharge member, it is possible to avoid providing the drainage mechanism individually for each stacked battery, and the apparatus can be downsized.
[0022]
The drainage mechanism can be constituted by a water storage mechanism that branches off from the gas flow path and temporarily stores water droplets, and a drain pipe that discharges the stored water. The drain pipe can be configured to discharge water by gravity, but can also be configured to positively discharge water using the pressure of the gas flowing in the gas flow path. In order to supply the fuel gas to the unit cell uniformly and without stagnation, the gas is usually supplied at a relatively high pressure, and although there is a pressure loss in the unit cell, the discharged gas is sufficiently higher than the atmospheric pressure. It is normal to have pressure. Therefore, a water storage mechanism in which the pressure of the exhaust gas acts on the water surface, for example, a water storage mechanism provided in a portion where the gas flow path is bent and the pressure is locally increased, or an acute angle with respect to the flow direction of the exhaust gas. By using a water storage mechanism or the like provided through a branch that is connected to each other, water can be positively discharged using this pressure. In the case of draining using pressure, the degree of freedom with respect to the position of the drain pipe becomes higher than in the case of draining by gravity, so that the apparatus can be further downsized.
[0023]
  Of this applicationFuel cell,in frontThe laminated battery includes a fixing member for fixing the stacked unit cells,
  The fixing member is integrally provided with an insulating layer on the surface in contact with the unit cell.It is good as a thing.
[0024]
  thisAccording to the fuel cell, in the process of manufacturing the laminated battery, the step of inserting an insulating material between the unit cell and the fixing member can be omitted, and the productivity can be improved. In particular, since unit cell stacking is a precision operation that greatly affects the performance of the stacked battery, simplification in this process leads to a significant improvement in productivity. As a method of providing the insulating layer integrally, various methods such as a method of adhering the insulating member to one surface of the fixing member and a method of applying an insulating material to one surface of the fixing member can be applied. By forming them integrally by these methods, the thickness of the insulating layer itself can be reduced as compared with the case where the insulating layer is prepared separately. In addition, a dimensional error in thickness can be suppressed. Furthermore, when the insulating layer is prepared separately, it is necessary to provide a sufficient gap so that the unit battery and the fixing member do not contact even if the position of the insulating layer is shifted. However, when the insulating layer is integrated with the fixing member, such consideration is not necessary, and the gap between the unit cell and the fixing member can be reduced. Insulating layer is integrated with the fixing memberThis kindIn these fuel cells, the device can be miniaturized by these actions.
[0025]
  Of this applicationFuel cellIsA plurality of the laminated batteries;
  And a container having a sealed structure that accommodates the plurality of stacked batteries together and prevents entry of foreign matter from the outside.Can be good. Examples of the foreign material include dust and water.
[0026]
By providing such a container, it is not necessary to completely deal with foreign matter in each laminated battery. Therefore, the structure of the laminated battery can be simplified and the size of the laminated battery can be reduced. Further, productivity can be improved and manufacturing costs can be reduced. Furthermore, when it is necessary to monitor the electric potential of the unit cell, the use of the above-described container is highly useful because the unit cell can be configured in a state where the unit cell can be seen.
[0027]
  thisThe fuel cell is also advantageous from the viewpoint of securing rigidity. When a fuel cell is mounted on a vehicle or the like, vibration and various external forces act on the fuel cell. In order to generate power stably, it is necessary to ensure the rigidity of the fuel cell that does not cause deformation due to vibration or external force. Here, the deformation is mainly bending deformation and torsional deformation, and the rigidity for these can be determined using the cross-sectional secondary moment and the cross-sectional secondary pole moment as indices. It is known that these coefficients increase as the cross section increases in distance from the neutral axis of bending deformation and the rotation axis of torsional deformation.This kindSince the fuel cell container accommodates the laminated batteries together, the sectional moment of inertia and the sectional secondary pole moment are clearly larger than those of the laminated battery. Therefore,thisThe fuel cell can ensure sufficient rigidity while suppressing the plate thickness of the material. If the container has sufficient rigidity, the laminated battery does not need to have such high rigidity, and thus can be miniaturized. Moreover, since the plate | board thickness of a container can be suppressed, the increase in the weight of the whole fuel cell can also be suppressed.
[0028]
  the aboveIn the fuel cell of
  In addition to the mechanism for supplying and discharging the fuel gas, the oxidizing gas, and the cooling water to and from the stacked battery in the container, the gas or liquid generated in the container is discharged to the outside of the container. A discharge mechanism may be provided.
[0029]
  Since hydrogen used as a fuel gas is a very fine molecule, it may leak out from the various joints of the unit cell during operation. In addition, water generated by the reaction of the fuel cell may leak out of the laminated battery.aboveSince the fuel cell seals the container, the gas and liquid thus exhausted may accumulate in the container. According to the above configuration, the gas and the liquid can be appropriately discharged from the container by the discharge mechanism. In addition, although the simple structure which attached the discharge pipe can also be applied for a discharge mechanism, in order to prevent the penetration | invasion of the foreign material from the outside, it is preferable to provide a valve body etc. in the attachment part.
[0030]
  Of this applicationFuel cellThenThe laminated battery is
    An elastic member for applying an elastic force in the stacking direction to the unit cell;
    A pair of end plates disposed at both ends of the stacked unit cells in parallel with the unit cells and having rigidity that can be regarded as a rigid body with respect to the elastic force;
    A pair of connecting members for connecting the pair of end plates to each other and applying a force that balances the elastic force to the end plates;
  The end plate and the connecting member are fastened by a fastening member inserted in a direction orthogonal to the stacking direction.Can be good.
[0031]
  thisAccording to the fuel cell, it is possible to realize a stable operation by sufficiently adhering the unit cells while absorbing deformation due to heat by the elastic force of the elastic member. In the mechanism for applying the elastic force in this way,This kindThe fuel cell employs a structure in which a load applied to the end plate as a reaction of the elastic force applied to the single cell is supported by the connecting member. Here, the fastening member of the connecting member and the end plate is inserted in a direction orthogonal to the stacking direction. When the fastening member is inserted in the stacking direction, the product bidirectional size is increased correspondingly. However, when the fastening member is inserted in the direction orthogonal to the stacking direction, the increase in size can be avoided.
[0032]
  The above-described configuration is particularly useful in a fuel cell including a plurality of stacked cells as described below. In a fuel cell including a plurality of stacked cells, it is preferable to provide a supply port and a discharge port in the stacking direction in order to uniformly supply fuel gas and the like to each single cell. In particular, when a plurality of stacked batteries are combined using the supply / discharge member described above, each stacked battery is connected to the supply / discharge member via one end plate.This kindAccording to this fuel cell, since the fastening member is inserted in the direction orthogonal to the stacking direction, it is possible to avoid interference of the fastening member on the coupling surface with the supply / discharge member. In addition, since the fastening state can be confirmed by the fastening member even after the supply / discharge member and the laminated battery are coupled, the maintainability is improved. Even when the supply / discharge member is not used, the same effect can be obtained to some extent.
[0033]
  further,thisIn the fuel cell, when a plurality of the stacked batteries are provided, it is preferable that the stacked batteries are arranged in a direction orthogonal to the insertion direction of the fastening member. By adopting such an arrangement, it is possible to prevent the fastening members from interfering with each other between the stacked batteries, and to further reduce the size of the fuel cell. In addition, maintainability can be improved. In addition,With such a configurationThe fuel cell is particularly useful when it includes a plurality of stacked cells, but it goes without saying that the fuel cell can also be effectively applied to a single stacked cell.
[0034]
  The fuel cell of the present invention can be implemented in various modes as described in the examples. In addition, other configurations of the embodiment andVarious combinations of fuel cells can also be configured.ofA fuel cell having the advantages of a fuel cell can be realized. The above invention is preferably applied to a polymer electrolyte fuel cell that is particularly expected to be miniaturized. However, the invention is not limited to this, and the phosphoric acid fuel cell and the molten carbonate fuel cell are not limited thereto. The present invention can be applied to various types of fuel cells such as solid oxide fuel cells and alkaline fuel cells.
[0035]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. overall structure:
B. Cooling system short-circuit means:
C. Drainage mechanism:
D. Tension plate insulation configuration:
E. Structures and stack arrangements to secure cells:
F. Outer case:
[0036]
A. overall structure:
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a stack 10 of the present embodiment. The stack 10 is formed in the form of a stacked battery in which a predetermined number of cells 100 as unit batteries that generate electromotive force are stacked. The stacked cells are fastened and fixed to tension plates 170 and 172 arranged above and below. Each cell 100 is formed as a polymer electrolyte fuel cell, and each cell generates an electromotive voltage of more than 1V. In this embodiment, 100 cells are stacked so that an electromotive voltage of about 100 V is generated in each stack. Although the detailed structure of the cell 100 will be described later, it has a structure in which an oxygen electrode, an electrolyte membrane, and a hydrogen electrode are sandwiched in this order by separators. In the stack 10, the separators of adjacent cells 100 are shared. In general, the term “stack” may be used simply as a generic term for stacked cells, or may mean a structure including a member for fixing cells. In the present specification, when the stack 10 is simply referred to, the latter meaning, that is, a structure including the upper and lower tension plates 170 and 172 in addition to the stacked cells 100 is used. Is called a “narrowly defined stack”.
[0037]
The stack 10 is configured by stacking an end plate 12, an insulating plate 16, a current collecting plate 18, a plurality of cells 100, a current collecting plate 20, an insulating plate 22, and an end plate 14 in this order from one end. The end plates 12 and 14 are made of metal such as steel in order to ensure rigidity. The current collecting plates 18 and 20 are formed of a gas impermeable conductive member such as dense carbon or copper plate, and the insulating plates 16 and 22 are formed of an insulating member such as rubber or resin. The electric power generated in the stack 10 is output by connecting to the current collector plates 18 and 20.
[0038]
One end plate 14 is provided with a fuel gas supply port 35, a fuel gas discharge port 36, an oxidizing gas supply port 33, an oxidizing gas discharge port 34, a cooling water supply port 31, and a cooling water discharge port 32. The fuel gas supplied to the stack 10 from the fuel gas supply port 35 is distributed to each cell 100 while flowing toward the end plate 12. The fuel gas distributed to each cell 100 is distributed to each cell 100 while flowing toward the end plate 12, and after flowing through the flow path in the cell 100 from the left to the right in the figure, the end plate 14 side And is discharged from the fuel gas discharge port 36. Similarly, after the oxidant gas is supplied from the oxidant gas supply port 33, it is distributed to each cell 100 while flowing toward the end plate 12, and after flowing through the flow path in each cell 100 from the upper side to the lower side in the figure. , And is discharged from the oxidizing gas outlet 34. The cooling water is supplied from the cooling water supply port 31, passes through a cooling separator provided at a predetermined interval, cools the cell, and then is discharged from the cooling water discharge port 32. In the stack 10, the gas flow path of each cell 100 is formed inside so as to realize such a flow of gas and cooling water. The electrolyte membrane 132 constituting each cell 100 of the stack 10 is sealed in the peripheral region in contact with the separators 110 and 120. This seal serves to prevent fuel gas and oxidizing gas from leaking out of the cell 100 and mixing them.
[0039]
FIG. 2 is a perspective view showing the structure of the cell 100. The cell 100 is configured as a solid polymer fuel cell. The cell 100 has a structure in which an electrolyte membrane 132 is sandwiched between a hydrogen electrode 134 and an oxygen electrode 136 and both sides thereof are sandwiched between separators 110 and 120. The oxygen electrode 136 exists on the back surface of the hydrogen electrode 134 with the electrolyte membrane 132 interposed therebetween, on the hidden surface in the drawing. The hydrogen electrode 134 and the oxygen electrode 136 are gas diffusion electrodes. The separators 110 and 120 are formed with a plurality of concave and convex ribs on the surface facing the hydrogen electrode 134 and the oxygen electrode 136. The separators 110 and 120 sandwich the hydrogen electrode 134 and the oxygen electrode 136 from both sides, so that the fuel gas channel 112 and the oxidizing gas channel 122 are formed between the hydrogen electrode 134 and the oxygen electrode 136. . The separators 110 and 120 have ribs formed on both sides, one side forms the fuel gas flow path 112 with the hydrogen electrode 134, and the other side oxidizes with the oxygen electrode 136 provided in the adjacent cell 100. A flow path 122 is formed. As described above, the separators 110 and 120 form a gas flow path between the gas diffusion electrodes and play a role of separating the flow of the fuel gas and the oxidizing gas between adjacent cells.
[0040]
The electrolyte membrane 132 is a proton conductive ion exchange membrane formed of a solid polymer material such as a fluorine resin, and exhibits good electrical conductivity in a wet state. As the electrolyte membrane 132, for example, a Nafion membrane (manufactured by DuPont) or the like can be applied. Platinum as a catalyst is applied to the surface of the electrolyte membrane 132. In this embodiment, carbon powder supporting platinum as a catalyst is dispersed in an organic solvent, an appropriate amount of electrolyte solution (for example, Aldrich Chemical Co., Nafion Solution) is added to form a paste, and a screen is formed on the electrolyte membrane 132. The catalyst was applied by a printing method. Various other methods can be applied as the method for forming the catalyst layer. For example, a sheet containing a carbon powder carrying the catalyst can be formed into a sheet and pressed onto the electrolyte membrane 132. Good. Moreover, the alloy which consists of platinum and another metal can also be used for a catalyst. The hydrogen electrode 134 and the oxygen electrode 136 are formed of carbon cloth woven from carbon fibers. The hydrogen electrode 134 and the oxygen electrode 136 may be formed of carbon paper or carbon felt made of carbon fiber. Further, since the above-described catalyst only needs to be interposed between the gas diffusion electrode and the electrolyte membrane 132, the electrolyte membrane of the hydrogen electrode 134 and the oxygen electrode 136 can be used instead of the method of applying the catalyst to the electrolyte membrane 132 side. A catalyst may be applied to the side in contact with 132.
[0041]
The separators 110 and 120 are formed of a gas-impermeable conductive member, for example, dense carbon that has been made to be gas-impermeable by compressing carbon. The separators 110 and 120 have a plurality of ribs arranged in parallel on both surfaces. The ribs are not necessarily formed in parallel on both surfaces, and can be formed at various angles such as orthogonal to each surface. Further, the rib does not necessarily have a parallel groove shape as long as the flow path of the fuel gas and the oxidizing gas can be formed.
[0042]
The separators 110 and 120 are formed with cooling water holes 151 and 152 having a circular cross section at two locations on the periphery thereof. The cooling water holes 151 and 152 form a cooling water channel that penetrates the stack 10 in the stacking direction when the cells 100 are stacked. In the vicinity of each side of the separators 110 and 1120, elongated fuel gas holes 153 and 154 and oxidizing gas holes 155 and 156 are formed along the respective sides. When the stack 10 is formed by stacking the cells 100, the fuel gas holes 153 and 154 and the oxidizing gas holes 155 and 156 serve as the fuel gas channel 112 and the oxidizing gas channel 122 that penetrate the stack 10 in the stacking direction. Form. In this embodiment, a fuel gas supply path is formed along the left side of FIG. 3, and a fuel gas discharge path is formed along the right side. Further, an oxidizing gas supply path is formed along the upper side, and an oxidizing gas discharge path is formed along the lower side.
[0043]
The fuel gas supply port 35 of the stack 10 is connected to the fuel gas supply path, and the fuel gas discharge port 36 is connected to the fuel gas discharge path. The fuel gas supplied from the fuel gas supply port 35 flows into the fuel gas flow path 112 of each cell 100 through the fuel gas supply path. After being subjected to a predetermined reaction at the hydrogen electrode 134, it flows out from the fuel gas discharge path to the fuel gas discharge port 36. Oxidizing gas also flows through a similar path. The oxidizing gas supply port 33 of the stack 10 is connected to the oxidizing gas supply path, and the oxidizing gas discharge port 34 is connected to the oxidizing gas discharge path. The oxidizing gas supplied from the oxidizing gas supply port 33 flows into the oxidizing gas flow path 122 of each cell 100 through the oxidizing gas supply path. After being subjected to a predetermined reaction at the oxygen electrode 136, the oxygen electrode 136 flows out from the oxidizing gas discharge path to the oxidizing gas discharge port 34.
[0044]
In the stack 10, the cooling separator 140 is provided at a rate of one for every five cells 100 stacked. The cooling separator 140 is a separator for forming a cooling water channel for cooling the cell 100. The cooling separator 140 is formed with a distorted cooling water groove 142 connecting the cooling water holes. The surface of the separators 110 and 120 facing the cooling separator 140 is a flat surface without ribs, and the groove provided in the cooling separator 140 forms a cooling water channel between the separators 110 and 120. The separators 110 and 120 and the cooling separator 140 can be formed of various materials having conductivity in addition to dense carbon. For example, it may be formed of a metal such as a copper alloy or an aluminum alloy with emphasis on rigidity and heat conductivity. The ratio of providing the cooling separator 140 can be set in a range suitable for cooling according to conditions such as the heat generation amount of the cell 100 according to the required output of the stack 10, the temperature and flow rate of the cooling water.
[0045]
The fuel cell 1 of the present embodiment is configured by connecting four stacks 10 described above. FIG. 3 is an exploded perspective view showing a schematic structure of the fuel cell 1. In the present embodiment, the configuration in which the four stacks 10A to 10D are connected to the two opposing surfaces of the rectangular parallelepiped supply / discharge box 200 is applied. The supply / discharge box 200 is connected to a fuel supply source, an oxidizing gas supply source, and a cooling water supply source, and the fuel, the oxidizing gas, and the cooling water are equally distributed to the stacks 10A to 10D through the supply / discharge box 200, respectively. In addition, the stacks 10A to 10D are collected in the supply / discharge box 200 and discharged to the outside.
[0046]
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the supply and discharge status of fuel gas, oxidizing gas, and cooling water. The supply / discharge box 200 includes a fuel gas supply port 35, a fuel gas discharge port 36, an oxidant gas supply port 33, an oxidant gas discharge port 34, a cooling water supply port 31, and a cooling water discharge port provided in each of the stacks 10A to 10D. A hole communicating with 32 is provided. The remaining four surfaces that are not joined to the stacks 10A to 10D are provided with holes for connecting to a fuel supply source, an oxidizing gas supply source, a cooling water supply source, and the like. Although a detailed description of the internal structure of the supply / discharge box 200 is omitted, the supply / discharge box 200 realizes supply / discharge of fuel gas, oxidizing gas, and cooling water to each of the stacks 10A to 10D through these holes. ing.
[0047]
As shown in the figure, the cooling water is supplied and discharged through a water supply port 201 and a water discharge port 202 provided on the upper surface of the supply / discharge box 200. Inside the water supply / discharge box 200, the cooling water supplied from the water supply port 201 is distributed and supplied to the cooling water supply port 31 of each stack, and the cooling water discharged from the cooling water discharge port 32 of each stack. A flow path for collecting water at the drain port 202 is formed. The cooling water supplied from the outside is supplied to the stack through a path indicated by a solid line arrow in the figure, and is discharged from the stack through a path indicated by a broken line. Here, in order to avoid complication of the drawing, the path of the cooling water is shown only for the stack 10C, but the same applies to the stacks 10A, 10B, and 10D.
[0048]
As shown in the figure, the oxidizing gas is supplied through a supply port 203 provided on the upper surface of the supply / discharge box 200 and discharged from a discharge port provided on the lower surface. Inside the supply / discharge box 200, a flow path is provided for distributing and supplying the oxidizing gas supplied to the supply port 203 to the oxidizing gas supply ports 33 of the respective stacks 10A to 10D. Moreover, the flow path for collecting the oxidizing gas discharged | emitted from the oxidizing gas discharge port 34 of each stack 10A-10D to a discharge port is provided. The oxidizing gas supplied from the outside is supplied to the stack along a path indicated by an arrow in the drawing and is discharged from each stack. Here, in order to avoid complication of the drawing, the oxidizing gas path is shown only for the stacks 10A and 10D, but the same applies to the stacks 10B and 10C.
[0049]
The fuel gas is supplied from the supply port provided on the back surface of the supply / discharge box 200 in FIG. 4 and discharged from the discharge port 204 provided on the front side surface in FIG. Inside the supply / discharge box 200, a flow path for distributing and supplying the fuel gas supplied to the supply port to the fuel gas supply ports 35 of the stacks 10A to 10D is provided. In addition, a flow path for collecting the fuel gas discharged from the fuel gas discharge port 36 of each of the stacks 10 </ b> A to 10 </ b> D into the discharge port 204 is provided. The fuel gas supplied from the outside is supplied to the stack along a path indicated by an arrow in the drawing and is discharged from each stack. Here, in order to avoid complication of the drawing, the oxidizing gas path is shown only for the stacks 10A and 10D, but the same applies to the stacks 10B and 10C.
[0050]
The stacks 10A to 10D are connected in series. Since each stack generates an electromotive voltage of about 100 V, the fuel cell of the present embodiment realizes an electromotive voltage of about 400 V by four stacks. In the present embodiment, a configuration in which the stacks are coupled using the supply / discharge box 200 is adopted, but various other structures can be applied to the stack coupling. Also, the number of stacks can be variously set according to the required voltage. In the fuel cell of this embodiment, the supply / discharge box 200 and the four stacks 10A to 10D are accommodated in one outer case. The structure of the outer case will be described later. The general schematic configuration of the fuel cell has been described above. In the following, a characteristic configuration of the fuel cell according to the present embodiment will be described separately.
[0051]
B. Cooling system short-circuit means:
FIG. 5 is an explanatory view showing the concept of the short-circuit means provided in the cooling system. As illustrated in FIG. 4, in the fuel cell of this embodiment, four stacks 10 </ b> A to 100 </ b> D are coupled via a supply / discharge box 200, and cooling water is supplied to these four stacks in the supply / discharge box 200. There are water supply and discharge ports for distributing and collecting and discharging. Although FIG. 4 shows the structure provided on the upper surface of the supply / discharge box 200, here, in order to avoid complication of the drawing when the features of the short-circuit means are illustrated, the water supply port 201A and the drain port 202A are provided on the side surfaces. Is shown as being provided.
[0052]
In the present embodiment, a short-circuit cable 210 is provided as a short-circuit means for electrically short-circuiting both the water supply port 201A and the water discharge port 202A thus provided. In this embodiment, in order to short-circuit the water supply port 201A and the drain port 202A with certainty, the conductive wire short-circuit cable 210 is fixed so as to be wound around both. The short-circuit cable 210 can be fixed in various modes that can electrically short-circuit the water supply port 201A and the drain port 202A. For example, each of the two points may be soldered or bolted. Further, the short-circuit cable 210 is not necessarily formed of a conductive wire, and a conductive plate having a hole through which the water supply port 201A and the water discharge port 202A pass can be used. As the short-circuit means, in addition to connecting the water supply port 201A and the drain port 202A with a conductive member in this way, a method of arranging them so as to be short-circuited may be adopted. Furthermore, it may be formed on the surface of the supply / discharge box 200 by etching or the like by the same method as that for the printed circuit board.
[0053]
The operation of the short-circuit cable 210 is as follows. As described in FIG. 2, the cooling water supplied to the stack cools the cell by passing through the cooling separator. However, since the cooling separator is formed of a conductive member, It is charged according to the potential. As a result, a potential difference may occur in the cooling water between the cooling water supply port 201A and the drain port 202A. FIG. 5 shows the flow of cooling water in this example. As shown in the figure, the cooling water supplied from the water supply port 201A is distributed to each of the stacks 10A to 10D, and after cooling the respective stacks, they are collected and discharged from the drain port 202A. Here, in this embodiment, since four stacks are connected in series, the potential rises from the stack 10A toward the stack 10D in increments of 100V. Therefore, as illustrated, the cooling water that has cooled the stacks 10A and 10B is charged to about 100V, and the cooling water that has cooled the stacks 10C and 10D is charged to about 300V. As a result, a potential difference of about 200 V is generated between the water supply port 201A and the drain port 202A.
[0054]
According to the present embodiment, the water supply port 201A and the drainage port 202A are electrically short-circuited by the short-circuit cable 210 described above, so that the potential difference between them can be eliminated. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to avoid harmful effects such as electrolytic corrosion caused by a potential difference generated between the water supply port 201A and the drain port 202A. Moreover, since the short-circuit means can be realized relatively easily as described above, it does not cause adverse effects such as an increase in the size of the fuel cell and an increase in manufacturing cost. In addition, this makes it possible to avoid an increase in the size of the apparatus due to the provision of insulating members at the supply port and the discharge port. In addition, since there is no restriction such as providing both of them in a region where there is no potential difference, the degree of freedom in design increases, and the device can be further miniaturized.
[0055]
In this embodiment, the short-circuit cable 210 is connected between the water supply port 201A and the water discharge port 202A of the water supply / discharge box 200. A short-circuit cable may be provided for each stack, but by using the supply / exhaust box 200, it is only necessary to install one place. Therefore, it is easy to install the short-circuit cable 210 and a failure such as disconnection occurs. There is an advantage that the work load can be reduced such as easy handling of cases.
[0056]
The modification about the installation method of the short circuit cable 210 is shown. FIG. 6 is an explanatory view showing an installation method of the short-circuit cable 210 as a first modification. Here, the top views of the stacks 10A to 10D and the supply / discharge box 200 are shown. As shown in the figure, the first modification is different from the embodiment in that the water supply port 201B and the water discharge port 202B are provided on the opposing surfaces of the water supply / discharge box 200. In such a case, the short-circuit cable 210 may be installed so as to short-circuit the water supply port 201 </ b> B and the drain port 202 </ b> B so as to cross the supply / discharge box 200. In this case, it is easy to install the short-circuit cable so as to pass outside the supply / discharge box 200, but the short-circuit cable may cross the inside.
[0057]
FIG. 7 is an explanatory view showing a method of installing a short-circuit cable 210 as a second modification. In the embodiment, the short-circuit cable 210 is fixed to the supply / discharge box 200, but here, the case of fixing to each stack is illustrated. As apparent from FIG. 5, in the configuration of this embodiment, when viewed from each stack, water supply and drainage are performed from the same potential portion, and therefore there is no potential difference between the cooling water. However, when the water supply port 201C and the water discharge port 202C are provided at both ends of the stack as shown in FIG. 7, a potential difference is generated. The second modification can be applied to such a case, and the short-circuit cable 210 is provided so as to connect the water supply port 201C and the drainage port 202C so as to cross the stack.
[0058]
Also in the first modification and the second modification, the short-circuit means can be provided in various manners as in the embodiment. The short-circuiting means is not limited to the modes exemplified in the examples and the modifications, and can be provided in various modes depending on the portion where the potential difference exists.
[0059]
C. Drainage mechanism:
FIG. 8 is an explanatory view showing a drainage mechanism provided at the fuel gas outlet 204. It is a cut away figure at the time of cut | disconnecting the supply / discharge box 200 of a present Example by the plane containing the gas discharge port 204. FIG. In order to avoid complication of the drawing, the state of the cross section shows only the vicinity of the discharge port 204. As already described, the fuel gas discharged from each of the stacks 10A to 10D is collected in the supply / discharge box 200 and discharged from the gas discharge port 204 to the outside. FIG. 8 shows the flow path after the gas from each stack is collected.
[0060]
As shown in the figure, the gas flow path is branched in the vicinity of the discharge port 204, and a drain port 205 is provided. The flow path from the branch to the drainage port may be formed in a state in which water can flow, and can be appropriately provided at a position that does not interfere with other flow paths provided in the supply / discharge box 200. Although FIG. 8 illustrates a flow path bent in an L shape, the flow path may be configured in a curved shape. In the present embodiment, as will be described later, the bent portion of the L-shaped channel serves as a water storage unit that temporarily stores water droplets. The drainage flow path is provided in the vicinity of the gas discharge port 204, and the static pressure AP locally increased at the joint portion where another pipe is connected to the discharge port 204 is generated in the water storage unit. It is provided at a position that sufficiently acts on the water surface of the accumulated water droplets.
[0061]
The operation of the drainage mechanism is as follows. Since the fuel cell generates power based on the equations (1) and (2) shown in the prior art, water is generated as a result of power generation. In this embodiment, a polymer electrolyte fuel cell is used, and in order to generate electric power, it is necessary to appropriately humidify the electrolyte membrane of each cell. As a result, not a few water droplets are mixed in the fuel gas that has passed through the cell. In the fuel cell, since fuel gas is supplied to each cell at a relatively high pressure, these water droplets are carried to the discharge port 204 by the gas pressure. However, the water droplets generated in this way need to be discharged at any part of the fuel gas flow path. This is because if water droplets remain in the gas flow channel, the water droplets may adhere to the inner surface of the gas flow channel and hinder the supply and discharge of the fuel gas. The drainage mechanism of the present embodiment has an effect of discharging water droplets mixed in the discharged gas to the outside.
[0062]
Water droplets carried near the fuel gas discharge port 204 flow into the flow path on the drain port side. The bent portion of the L-shaped channel serves as a water storage unit 206 for temporarily storing these water droplets. The channel on the drain port side is preferably provided below the gas channel so that water droplets can flow efficiently by the action of gravity. The water droplets thus stored are sequentially discharged from the drain port 205.
[0063]
Such a drainage mechanism can be provided in any part of the flow path for discharging the fuel gas, and can also be provided outside the fuel cell. However, the present embodiment is greatly characterized in that in the supply / discharge box 200, the gas discharged from each of the stacks 10A to 10D is provided at a site after being collected. By providing in such a site, water droplets can be efficiently discharged by a single drainage mechanism. In addition, since the drainage mechanism only needs to be provided at one place, the configuration of the apparatus can be simplified and the size can be reduced. By providing it inside the supply / discharge box 200, there is no need to provide a drain valve or the like outside, and the apparatus can be further miniaturized.
[0064]
Further, the drainage mechanism of the present embodiment has an advantage that water droplets can be efficiently discharged by utilizing not only gravity but also the pressure of fuel gas. As described above, in the present embodiment, the water storage unit 206 is provided in the drainage flow path, and the gas pressure AP is configured to sufficiently act on the water surface stored therein. . Since the fuel gas is supplied to each stack at a high pressure, the discharged fuel gas is generally at a higher pressure than the atmospheric pressure. Therefore, by applying this pressure to the water surface of the water droplets stored in the water storage unit 206, water can be actively and efficiently discharged. Thus, by making it possible to drain using the pressure of the gas, the diameter of the drain port 205 can be reduced, and the apparatus can be downsized.
[0065]
In the present embodiment, a configuration is adopted in which a static pressure AP capable of efficiently discharging water is applied to the water storage unit 206 by providing a branch in the vicinity of the gas discharge port 204. However, the position and shape of the branch are Various modes in which the gas pressure can be applied can be adopted. For example, a branch may be provided at a portion where the gas flow path is bent and the pressure is locally increased, or the branch is connected at an acute angle with respect to the flow direction of the exhaust gas, and the dynamic pressure of the gas acts. You may do it. Of course, the configuration using the gas pressure is not essential, and a mechanism that drains only by gravity may be used.
[0066]
By draining using the pressure of gas, there also exists an advantage that the freedom degree with respect to the position of a drainage port becomes high. An example of a drainage port taking advantage of such advantages will be shown as a modification. FIG. 9 is an explanatory view showing a drainage mechanism as a modified example. The modification is different from the embodiment in that the drainage port 205 is provided above the gas discharge port 204. As shown in the drawing, the flow path leading to the drainage port branches off from the flow path for discharging the gas at the same site as in the embodiment. Similar to the embodiment, the branch portion is provided in the lower portion of the flow path for discharging the gas. This branch part constitutes a water storage part 206A. In the modification, a drainage channel 207 is provided in the water storage section 206A so as to open to the drainage port 205A. When the pressure AP of the discharged gas acts on the water surface of the water storage unit 206A, this pressure is higher than the atmospheric pressure, so that water droplets pass through the drainage flow path 207 and are discharged from the drainage port 205A. Thus, by providing the water storage part 206A at the site where the gas pressure acts, the drainage port 205A can be provided at an arbitrary site. Accordingly, the degree of freedom with respect to the position of the drain port 205A is increased, and the overall size of the apparatus can be reduced by design. Also in the modification, as described in the embodiment, the water storage unit 206A can be provided in various modes in which the gas pressure can be applied.
[0067]
8 and 9, the drainage mechanism for the fuel gas discharge portion has been described. It is necessary to drain the oxidizing gas as well as the fuel gas. In this embodiment, a drainage mechanism similar to the fuel gas is also provided in the oxidizing gas flow path. The mechanism of the modified example (FIG. 9) can also be applied to such a mechanism.
[0068]
D. Tension plate insulation configuration:
FIG. 10 is an explanatory view showing the structure of the tension plate. Here, of the tension plates shown in FIG. 1, only the tension plate 172 provided on the lower surface of the narrow stack 10n is shown. Since the tension plate 170 provided on the upper surface has the same configuration, the illustration and description are omitted below.
[0069]
The tension plate 172 is provided with an insulating layer 174 on the contact surface with a narrowly defined stack of cells. In this embodiment, the insulating layer 174 is formed by bonding a silicon rubber sheet. The material of the insulating layer 174 is not necessarily limited to the silicon rubber sheet, and various materials having an insulating action can be applied. When a silicon rubber sheet is used, there is an advantage that the stack 10n in a narrow sense can be vibrated in addition to the insulating action. When the tension plate 172 is formed of an insulating material or when it is not necessary to insulate the stack 10n in the narrow sense and the tension plate 172 again, the insulating layer 174 can be prevented from performing only a vibration-proofing function. It may be provided as a vibration layer. The insulating layer 174 may be formed by coating in addition to adhesion. As described above, the insulating layer 174 can be formed by various materials and methods depending on whether the insulating function or the vibration isolating function is achieved.
[0070]
If the tension plate 172 of the present embodiment is used, there is an advantage that the process of manufacturing the stack 10 can be simplified. For example, when the insulating layer 174 is separately provided, a step of inserting an insulating material between the stack 10n in the narrow sense and the tension plate is necessary. However, if the tension plate 172 of this embodiment is used, such a step is required. It can be omitted. Since the process of stacking cells to form the stack 10 is a precision operation that greatly affects the performance of the fuel cell, simplification in such a process leads to a significant improvement in productivity.
[0071]
Further, by integrally forming the insulating layer 174 on the tension plate 172, there is an advantage that the stack 10 can be reduced in size for the following reason. First, when the insulating material is prepared separately, it tends to be thick to maintain the shape of the insulating material itself, but the insulating layer 174 is integrally formed on the tension plate 172 as in this embodiment. If so, the thickness can be reduced. In addition, a dimensional error in thickness can be suppressed. Secondly, when the insulating material is prepared separately, a sufficient gap is provided so that the narrow stack 10n and the tension plate 172 do not contact even if the position of the insulating material is shifted. Although it is necessary, if the insulating layer 174 is integrally formed on the tension plate 172 as in the present embodiment, such consideration is not necessary, and the gap between the two can be reduced. Due to these actions, the use of the tension plate 172 described in the present embodiment makes it possible to reduce the size of the stack 10 and thus the entire fuel cell.
[0072]
Here, the configuration (see FIG. 1) in which the tension plates 170 and 172 are arranged above and below the stack 10 has been described as an example. However, the configuration in which the insulating layer is formed integrally is a box-like shape that completely accommodates the stack 10. The present invention can be applied to various structures such as using a case or fixing four surfaces of the stack 10 with a plate.
[0073]
E. Structures and stack arrangements to secure cells:
FIG. 11 is an explanatory diagram showing a structure for fixing cells. As already described, the stack 10 is fixed with the upper and lower sides sandwiched between tension plates 170 and 172. Here, the fixing method will be described in more detail.
[0074]
FIG. 11A is a perspective view of the stack 10 as viewed from the end plate 12 side. As illustrated, the end plates 12 and 14 of the stack 10 are fastened to the tension plate 170 by eight bolts 175 inserted in the vertical direction in the figure. Although it does not appear in the perspective view, the tension plate 172 on the lower surface is similarly fastened by eight bolts inserted in the vertical direction. The end plate 12 is provided with a protrusion 12A near the center.
[0075]
FIG. 11B is a cross-sectional view of the stack 10 taken along the line AA. As already described, the stack 10 is formed by stacking a large number of cells 100. The cell 100 is fixed so that both ends thereof are sandwiched between end plates 12 and 14. A disc spring 220 is inserted between one end of the cell 100 and the end plate 12. The central portion of the end plate 12 is deformed into a tray shape so as to prevent the disc spring 220 from being displaced. The protrusion 12A is an appearance of this deformation. The disc spring 220 is inserted so as to urge the elastic force EF in the direction in which the cells 100 are brought into close contact with each other.
[0076]
When the disc spring 220 applies an elastic force to the cell 100, the reaction F1, F2 acts on the end plates 12,14. In this embodiment, as shown in FIG. 11A, the tension plates 170 and 172 fixed up and down act on the end plates 12 and 14 by applying elastic forces TF1 and TF2 that balance the reaction F1 and F2, respectively. The structure of is established. The end plates 12 and 14 are formed of a material and a plate thickness that can maintain sufficient rigidity against such elastic force.
[0077]
The effect | action by the above-mentioned structure is as follows. Since the cells 100 are brought into close contact with each other by the elastic force EF of the disc spring 220, it is possible to reduce internal resistance caused by a gap between the cells. Although the cell 100 is deformed by heat during power generation, the disc spring 220 can adhere the cell 100 while absorbing this deformation. Therefore, the fuel cell of this embodiment can always achieve stable power generation. . The disc spring 220 may be appropriately selected in terms of elastic force and size so that such an effect can be sufficiently achieved.
[0078]
In addition, by fastening the tension plates 170 and 172 and the end plates 12 and 14 with bolts inserted in the vertical direction in the drawing, that is, in the direction perpendicular to the stacking direction of the cells 100, the size of the apparatus can be reduced as described below. There is also an advantage that can be achieved. Since the bolt is inserted in the first direction, the head of the bolt can be prevented from projecting in the stacking direction, and the size of the stack 10 in the stacking direction can be reduced accordingly. Since a plurality of cells are stacked in order to secure a voltage, the stack 10 is generally elongated in the stacking direction. When the fuel cell is mounted on a device such as a vehicle, the stacking direction is particularly preferable. Since strict requirements are often imposed on the dimensions of the material, shortening the stacking direction is significant.
[0079]
Further, as shown in FIG. 1, the fuel cell of this embodiment is configured by connecting four stacks 10 </ b> A to 10 </ b> D to a supply / discharge box 200. In each stack, when the bolt for fixing the cell protrudes in the stacking direction, it interferes with the supply / discharge box 200, and a configuration for avoiding this interference is required. There is a risk that the configuration of the waste box 200 may be complicated. On the other hand, according to the stack of the present embodiment, the stacks 10A to 10D can be coupled to the supply / discharge box 200 without interfering with bolts, and the structure can be simplified and downsized.
[0080]
In addition, the above-mentioned effect is an effect acquired by inserting a volt | bolt in the direction orthogonal to a lamination direction. In this embodiment, the device is further miniaturized by devising the arrangement of a plurality of stacks. FIG. 12 is an explanatory diagram showing the arrangement of stacks in this embodiment. As shown in FIG. 1, the fuel cell of this embodiment is configured by connecting four stacks 10 </ b> A to 10 </ b> D to a supply / discharge box 200. Here, the arrangement of the stacks 10A and 10D is illustrated. The stacks 10B and 10C are also arranged according to this.
[0081]
As illustrated, in the present embodiment, the two adjacent stacks 10A and 10D are arranged in a direction orthogonal to the direction in which the bolts 175 are inserted. By arranging in this way, the stacks 10A and 10D can be arranged in the nectar without interference between the bolts 175, so that the size of the entire fuel cell can be reduced. FIG. 13 is an explanatory view showing a state in which the stack is arranged in the direction in which the bolt 175 is inserted. FIG. 13A is a perspective view when the stack 10D is stacked on the stack 10A. FIG. 13B is a side view in such a case. When stacks are arranged in the vertical direction as described above, the bolts 175 interfere with each other in the regions B1 and B2 between the stacks 10A and 10D as shown in FIG. Cannot be placed in close contact with each other, resulting in an increase in size. On the other hand, as shown in FIG. 12, if the stacks 10A and 10D are arranged in a direction orthogonal to the insertion direction of the bolt 175, the distance between the two can be reduced.
[0082]
The stacks 10A and 10D need only be arranged in such a direction as to avoid interference between the bolts 175, and are not limited to those arranged so that the stacking directions of the cells of the stacks 10A and 10D are parallel as shown in FIG. . The stacks 10A and 10D may be arranged in the cell stacking direction.
[0083]
In the present embodiment, the case where the tension plate 170 is formed of a rectangular plate is illustrated, but the shape of the tension plate 170 is not limited to this. FIG. 14 is an explanatory view showing a modification of the tension plate. The tension plate 170A of the modified example is formed in an H shape having a wide width at both ends coupled to the end plate and a narrow width near the center. Even in such a shape, the elastic forces TF1 and TF2 can be applied, so that a stack can be formed. According to the tension plate 170A of the modified example, when the cell 100 is thermally deformed, the modified example of the tension plate 170A by the tensile loads F1 and F2 acting through the end plate is larger than that of the embodiment. That is, in addition to the disc spring, the tension plate 170A can also act to absorb thermal deformation of the cell 100. As a result, excess or deficiency of the elastic force of the disc spring can be compensated by the tension plate 170A, the selection range of the disc spring is expanded, and the manufacturing cost of the fuel cell can be reduced. The tension plate 170 is not limited to the shape exemplified here, but can be configured in various plate thicknesses and shapes according to the demand for elastic force.
[0084]
In this embodiment and the modification, the structure in which the end plate that sandwiches the cell via the disc spring is supported from above and below by the tension plate is illustrated. The first feature of the present embodiment is that a bolt for fastening the tension plate is inserted in a direction perpendicular to the stacking direction. If the bolt is inserted in such a direction, a tension plate is further provided in the left-right direction. It is possible to adopt a structure in which tension plates are provided on four surfaces, top, bottom, left and right. When sufficient rigidity can be secured between the end plate and the tension plate, the cell may be fixed by a tension plate provided only on one of the upper, lower, left and right sides. Moreover, although the case where it fastened with a volt | bolt was illustrated in the present Example and the modification, a fastening member is not limited to these. Further, the member that gives the elastic force is not limited to the disc spring, and various springs, rubber sheets, and the like can be used as appropriate.
[0085]
F. Outer case:
As described in the description of the overall configuration, the fuel cell 1 of the present embodiment is accommodated in the outer case. FIG. 15 is an explanatory view showing a state in which the fuel cell is accommodated in the outer case. FIG. 15A is a perspective view showing a state in which the fuel cell 1 is accommodated. The fuel cell 1 is indicated by a broken line in the figure. As shown in the drawing, the outer case is composed of a main body 2 and a lid 3. A drain hose 5 is attached to the main body 2, and an exhaust hose 4 is attached to the lid 3. The outer case is connected to the fuel cell 1 with pipes for supplying and discharging fuel gas, oxidizing gas, and cooling water, but the illustration is omitted here to avoid complication of the drawing.
[0086]
FIG.15 (b) is sectional drawing in the BB surface of a perspective view. The hatched portion in the figure corresponds to the fuel cell 1. The main body 2 and the lid 3 of the outer case are sealed with a seal 6 at the joint surface. In the present embodiment, the outer case is sealed in order to prevent foreign matters such as water and dust from entering the fuel cell 1 from the outside. In this embodiment, silicon rubber is applied to the seal 6, but it can be sealed by various materials and methods as long as the purpose is met. For example, the main body 2 and the lid 3 can be sealed. It is good also as what is welded, and good also as what fixes the main body 2 and the lid | cover 3 by methods, such as caulking.
[0087]
The drain hose 5 is a hose for discharging water accumulated in the outer case for some reason, and is fixed to a hole provided in a lower portion of the main body 2 with a stopper. The exhaust hose 4 is a hose for discharging various gases accumulated in the outer case, and is fixed to a hole provided in an upper portion of the lid 3 with a stopper. The drain hose 5 and the exhaust hose 4 have a structure that can prevent entry of foreign matters such as water and dust from the outside. In this embodiment, the length of these hoses is made sufficiently long and appropriately bent so that such an effect is achieved. In order to more reliably prevent the intrusion of foreign matter, a valve body may be provided at the attachment portion of these hoses. In addition, the drain hose 5 and the exhaust hose 4 are not essential for the outer case, and when the necessity is low, such as when there is a low possibility that water or various gases are generated from the fuel cell inside the outer case, these are not necessary. At least one of these may be omitted.
[0088]
The operation of the outer case is as follows. First, it is possible to prevent foreign matter from entering by housing the fuel cell 1 in the outer case. Therefore, it can be avoided that foreign matter is mixed in between the cells and the power generation efficiency is lowered. Further, since the fuel cell 1 does not need to take measures against foreign matters such as completely covering the periphery, the entire structure can be simplified, and the stacked battery can be miniaturized. At the same time, the productivity of the fuel cell can be improved and the manufacturing cost can be reduced.
[0089]
The outer case also has an advantage that rigidity can be ensured without increasing the weight or increasing the size of the fuel cell. The axes Ax and Ay in FIG. 15 mean neutral axes in bending deformation in the vertical direction and the horizontal direction, respectively. In order to configure the fuel cell 1 while ensuring sufficient bending rigidity, it is desirable to sufficiently increase the cross-sectional secondary moment about the neutral axes Ax and Ay. Here, since the distance from the neutral axes Ax, Ay to the outer periphery of the fuel cell itself is generally small, the sectional moment of inertia is smaller than that of the outer case. Therefore, in order to ensure sufficient bending rigidity when the outer case is not used, it is necessary to increase the thickness of the fuel cell 1, particularly the thickness of the tension plate. On the other hand, since the outer case can secure a sufficient distance from the neutral axes Ax and Ay to the outer periphery, the second moment of the section is large. Therefore, sufficient bending rigidity can be ensured even with a relatively thin plate thickness. When the outer case has sufficient bending rigidity, almost no bending load acts on the fuel cell 1, so that the thickness of the fuel cell 1 can be reduced.
[0090]
Examples of the load acting on the fuel cell 1 include a torsional load in addition to the bending load described above. In order to ensure sufficient rigidity against the torsional load, it is desirable to increase the cross-sectional secondary pole moment with respect to the center axis of torsion, that is, the intersection of the neutral axes Ax and Ay in FIG. The cross-sectional secondary pole moment increases as the distance from the central axis to the outer periphery increases. Therefore, when the outer case is used, it is possible to realize a large second-order secondary pole moment as compared with the case of a single fuel cell. As a result, the outer case can ensure sufficient torsional rigidity with a relatively thin plate thickness. When the outer case has a sufficient torsional rigidity, almost no torsional load acts on the fuel cell 1, so that the thickness of the fuel cell 1 can be reduced.
[0091]
Due to these actions, sufficient rigidity can be easily ensured by using the outer case, so that the thickness of the fuel cell 1 can be reduced, and weight reduction and downsizing can be achieved. Although the volume of the outer case is larger than that of the fuel cell alone, the periphery of the fuel cell 1 has a predetermined space for piping for supplying and discharging fuel gas, oxidizing gas, and cooling water. Therefore, the disadvantage of increasing the volume can be eliminated by appropriately arranging these pipes in the outer case.
[0092]
The outer case can be configured in various shapes in addition to those shown in FIG. FIG. 16 is a perspective view showing an outer case as a first modification. In the embodiment, the fuel cell 1 is almost completely accommodated in the main body 2 and the lid 3 is covered. On the other hand, in the modification, the main body 2A is formed relatively small and the lid 3A is enlarged. For example, when a fuel cell, an oxidizing gas, cooling water, and other pipes are sufficiently provided around the fuel cell and accommodated in the outer case, in a modification, after the fuel cell is accommodated in the main body 2A and before the cover 3A is covered, Since most of the fuel cells are exposed, there is an advantage that the above-described piping work can be performed easily and reliably. The dimensions of the main body and the lid do not need to be increased as in the embodiment or the first modification, and may be formed in the same size.
[0093]
FIG. 17 is a perspective view showing an outer case as a second modification. In the embodiment and the modification, the case where the outer case is constituted by the main body and the lid is illustrated. That is, the case where the member divided | segmented up and down is combined and it is set as an outer case was illustrated. The outer case is not necessarily configured as described above. For example, the outer case may be configured by combining two members divided into left and right. Such a configuration corresponds to a second modification. The outer case is a structure that can prevent foreign matter such as water and dust from entering the internal fuel cell, and various structures other than those exemplified here can be used as long as the structure is suitable for ensuring rigidity. Can be applied.
[0094]
Of course, an outer case for the purpose of entering only foreign matter may be used when not so high rigidity is required depending on the situation where the fuel cell is mounted. In such a case, a relatively small outer case can be used. In addition, since rigidity is not required, it can be formed using a resin.
[0095]
According to the fuel cell of the present embodiment described above, first, it is possible to suppress adverse effects caused by the potential difference generated in the cooling water by the short-circuit means of the cooling system. Second, the drainage mechanism can avoid power generation failure and unstable operation due to so-called flooding. Thirdly, the productivity of manufacturing the fuel cell can be improved by the tension plate insulating structure. Fourth, the structure for fixing the cells and the arrangement of the stacks can give an appropriate elastic force to the cells of the fuel cell and avoid stacking failure between the cells. Fifth, by using the outer case, it is possible to prevent foreign matter from entering the fuel cell. Furthermore, in the fuel cell of the present embodiment, the above-described effects are realized by the configuration in consideration of the downsizing of the device. Therefore, according to the present embodiment, practicality when the fuel cell is mounted on various devices can be greatly improved.
[0096]
In the above-described embodiment, the case where all the five features of the cooling system short-circuit means, the drainage mechanism, the tension plate insulation structure, the cell fixing structure and the stack arrangement, and the outer case are applied is illustrated. These features can be applied individually. The above-described means may be selectively applied as appropriate depending on the problem to be solved by the fuel cell actually used. As mentioned above, although the various Example of this invention was described, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to these Examples, and can take a various structure in the range which does not deviate from the meaning.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of a stack 10 of the present embodiment.
FIG. 2 is a perspective view showing a structure of a cell 100. FIG.
3 is an exploded perspective view showing a schematic structure of the fuel cell 1. FIG.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing the supply / discharge status of fuel gas, oxidizing gas, and cooling water.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing the concept of short-circuit means provided in the cooling system.
FIG. 6 is an explanatory view showing an installation method of a short-circuit cable 210 as a first modified example.
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a method of installing a short-circuit cable 210 as a second modification.
FIG. 8 is an explanatory view showing a drainage mechanism provided at a fuel gas discharge port 204;
FIG. 9 is an explanatory view showing a drainage mechanism as a modified example.
FIG. 10 is an explanatory view showing a structure of a tension plate.
FIG. 11 is an explanatory diagram showing a structure for fixing a cell.
FIG. 12 is an explanatory diagram showing the arrangement of stacks in the present embodiment.
FIG. 13 is an explanatory view showing a state in which the stack is arranged in the direction in which the bolt 175 is inserted.
FIG. 14 is an explanatory view showing a modification of the tension plate.
FIG. 15 is an explanatory view showing a state in which the fuel cell is housed in the outer case.
FIG. 16 is a perspective view showing an outer case as a first modification.
FIG. 17 is a perspective view showing an outer case as a second modified example.
[Explanation of symbols]
2, 2A ... Body
4 ... Exhaust hose
5 ... Drain hose
6 ... Seal
10, 10A, 10B, 10C, 10D ... Stack
10n ... Stack
12 ... End plate
12A ... Projection
14 ... End plate
16 ... Insulating plate
18, 20 ... current collector
22 ... Insulating plate
31 ... Cooling water supply port
32 ... Cooling water outlet
33 ... Oxidizing gas supply port
34 ... Oxidizing gas outlet
35 ... Fuel gas supply port
36 ... Fuel gas outlet
100 ... cell
110 ... Separator
112 ... Fuel gas flow path
122 ... oxidizing gas flow path
132 ... electrolyte membrane
134 ... Hydrogen electrode
136 ... oxygen electrode
140 ... Cooling separator
142 ... cooling water groove
151 ... Cooling water hole
153 ... Fuel gas hole
155 ... Oxidizing gas hole
170, 170A ... tension plate
172 ... Tension plate
174 ... Insulating layer
175 ... Bolt
200 ... Supply / discharge box
201, 201A, 201B, 201C ... water inlet
202, 202A, 202B, 202C ... Drain port
203 ... supply port
204 ... discharge port
205, 205A ... Drain port
206A ... Water storage part
206 ... Water storage part
207 ... Drainage channel
210 ... Short-circuit cable
220 ... Belleville spring

Claims (2)

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。A fuel cell comprising a laminated battery in which unit cells are laminated,
A mechanism for cooling by passing a conductive refrigerant in the stacking direction of the stacked battery, the supply port for supplying the refrigerant to the stacked battery, and the discharge port for discharging the refrigerant from the stacked battery, A cooling mechanism provided at a site where the potential is different;
With respect to the refrigerant path through which the refrigerant flows, a short circuit means for electrically short-circuiting the refrigerant path upstream of the supply port and the refrigerant path downstream of the discharge port,
The supply port and the discharge port are connected to each other without being insulated from a refrigerant path in the stacked battery among the refrigerant paths. 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。The fuel cell according to claim 1, wherein
The fuel cell includes a plurality of the stacked cells,
In the refrigerant path, at least a part of the refrigerant path upstream from the supply port of each stacked battery and at least a part of the refrigerant path downstream from the discharge port of each stacked battery are configured as a common refrigerant path. And
The fuel cell, wherein the short-circuit means is provided at a location configured as a refrigerant path common to a plurality of stacked batteries.
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