JP5113326B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池に供給される一方の反応ガスを、加湿流体によって加湿する水透過性膜を設ける平膜型加湿器とが、積層方向にスタックされる燃料電池システムに関する。

通常、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池では、有効な発電機能を発揮させるために、電解質膜を適度な湿潤状態に維持することが必要とされている。このため、燃料ガスや酸化剤ガスを、予め水を介して加湿する加湿装置を用意し、この加湿装置を燃料電池に連結することにより、前記加湿された燃料ガスや酸化剤ガスを燃料電池に供給する構成が知られている。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックは、図１４に示すように、発電ユニット１と加湿ユニット２とを積層方向に組み付けて構成されている。発電ユニット１は、複数のセル１ａを積層する一方、加湿ユニット２は、水素ガスを加湿する水素ガス加湿器２ａと、酸素含有ガス（空気）を加湿する酸素含有ガス加湿器２ｂとを有する。

水素ガス加湿器２ａは、多孔質膜３ａの両面に水素ガス流路４ａ及び水流路４ｂが形成されるとともに、酸素含有ガス加湿器２ｂは、多孔質膜３ｂの両側に酸素ガス流路４ｃ及び水流路４ｄが形成されている。各セル１ａの冷却水流路（図示せず）には、ポンプ５を介して水通路５ａから冷却水が供給され、前記セル１ａの冷却水出口側には、水通路５ｂが接続されている。この水通路５ｂは、加湿ユニット２の水流路４ｂ、４ｄに連通している。

加湿ユニット２の水素ガス流路４ａには、ブロア６を介して水素ガスが水素ガス通路６ａから送られるとともに、前記水素ガス流路４ａの出口側には、水素ガス通路６ｂを介して各セル１ａの水素ガス流路（図示せず）が連通している。加湿ユニット２の酸素ガス流路４ｃには、ブロア７を介して空気が酸素ガス通路７ａから送られる一方、前記酸素ガス流路４ｃの出口側には、酸素ガス通路７ｂを介して各セル１ａの酸素ガス流路（図示せず）が連通している。

特開平８−１３８７０４号公報（図１）

ところで、上記の燃料電池スタックでは、水通路５ａ、５ｂ、水素ガス通路６ａ、６ｂ及び酸素ガス通路７ａ、７ｂがスタック外部に設けられた外部マニホールド型で燃料電池スタックを構成しようとすると、配管が煩雑になるとともに、特に燃料電池スタック全体が大型化するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、配管を有効に簡素化するとともに、軽量化及び小型化を図ることが可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜・電極構造体と長方形状のセパレータとが積層される固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池に供給される少なくとも一方の反応ガスを、加湿流体によって加湿する水透過性膜とセパレータとが積層される平膜型加湿器とが、それぞれの積層方向を同一方向にしてスタックされる燃料電池システムである。

平膜型加湿器は、一方の反応ガスを水透過性膜の一方の面側に沿って流通させる反応ガス流路と、加湿流体を前記水透過性膜の他方の面側に沿って流通させる加湿流体流路とを、少なくとも一部が対向して流れる互いに異なる流路形状に構成するとともに、加湿された前記一方の反応ガスを固体高分子型燃料電池に供給する反応ガス出口連通孔、及び前記固体高分子型燃料電池から前記加湿流体であるオフガスが排出されるオフガス入口連通孔を、それぞれ積層方向に沿って設け、前記固体高分子型燃料電池は、加湿された前記一方の反応ガスが導入される反応ガス供給連通孔を前記積層方向に沿って且つ前記反応ガス出口連通孔と並列して設けるとともに、前記オフガスを排出するオフガス排出連通孔を前記積層方向に沿って前記オフガス入口連通孔と同一直線上に設け、且つ、前記反応ガス供給連通孔と前記オフガス排出連通孔とが前記セパレータの対角位置に設けられて前記一方の反応ガスがセパレータの長辺方向に流通し、前記反応ガス出口連通孔と前記反応ガス供給連通孔とは、前記固体高分子型燃料電池と前記平膜型加湿器との間に介装されるプレート部材に形成される連結路を介して連通している。

また、本発明では、平膜型加湿器は、一方の反応ガスを水透過性膜の一方の面側に沿って流通させる反応ガス流路と、加湿流体を前記水透過性膜の他方の面側に沿って流通させる加湿流体流路とを、少なくとも一部が対向して流れる互いに異なる流路形状に構成するとともに、加湿された前記一方の反応ガスを固体高分子型燃料電池に供給する反応ガス出口連通孔、及び前記固体高分子型燃料電池から前記加湿流体であるオフガスが排出されるオフガス入口連通孔を、それぞれ前記積層方向に沿って設け、前記固体高分子型燃料電池は、前記オフガスを排出するオフガス排出連通孔を前記積層方向に沿って且つ前記オフガス入口連通孔と並列して設けるとともに、加湿された前記一方の反応ガスが導入される反応ガス供給連通孔を前記積層方向に沿って前記反応ガス出口連通孔と同一直線上に設け、且つ、前記反応ガス供給連通孔と前記オフガス排出連通孔とがセパレータの対角位置に設けられて前記一方の反応ガスがセパレータの長辺方向に流通し、前記オフガス入口連通孔と前記オフガス排出連通孔とは、前記固体高分子型燃料電池と前記平膜型加湿器との間に介装されるプレート部材に形成される連結路を介して連通している。

本発明では、平膜型加湿器の反応ガス出口連通孔と固体高分子型燃料電池の反応ガス供給連通孔とが、プレート部材に形成される連結路を介して連通するため、外部に配管を設置する必要がない。これにより、配管で結露が発生して水滴が発電面に浸透することがない。しかも、配管が有効に簡素化されるとともに、燃料電池システム全体の軽量化及び小型化が容易に遂行可能になる。

また、本発明では、固体高分子型燃料電池のオフガス排出連通孔と平膜型加湿器のオフガス入口連通孔とが、プレート部材に形成される連結路を介して連通するため、外部に配管を設置する必要がない。従って、配管で結露が発生して水滴が発電面に浸透することがない。しかも、配管が有効に簡素化されるとともに、燃料電池システム全体の軽量化及び小型化が容易に遂行可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システム１０の概略構成説明図であり、図２は、前記燃料電池システム１０の概略斜視図である。

燃料電池システム１０は、例えば、自動車等の燃料電池車両に搭載されており、固体高分子型燃料電池１２と、平膜型加湿器１４とを積層方向（矢印Ａ方向）にスタックして構成される。燃料電池１２は、複数の発電セル１６を矢印Ａ方向に積層するとともに、積層方向両端にターミナルプレート１７ａ、１７ｂ及び絶縁プレート１９ａ、１９ｂを介装して第１及び第２エンドプレート１８ａ、１８ｂが配置される。

第２エンドプレート１８ｂには、加湿器１４が直接積層される。加湿器１４を構成する第３エンドプレート１８ｃは、第１エンドプレート１８ａに対し、第２エンドプレート１８ｂを介装して複数の締め付けボルト２１により積層方向に締め付けられる（図２参照）。

図１及び図３に示すように、発電セル１６は、固体高分子電解質膜２０ａの両側にアノード側電極２０ｂとカソード側電極２０ｃとを配置した電解質膜・電極構造体２０と、前記電解質膜・電極構造体２０を挟持する一対の金属製又はカーボン製セパレータ２２、２４とを備える。

図３に示すように、発電セル１６の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）２６ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔（オフガス排出連通孔）３０ｂが設けられる。

発電セル１６の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）３０ａ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔（オフガス排出連通孔）２６ｂが設けられる。

発電セル１６の短手方向（矢印Ｃ方向）の一端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔２８ａが設けられるとともに、前記発電セル１６の短手方向の他端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔２８ｂが設けられる。

セパレータ２２の電解質膜・電極構造体２０に向かう面には、燃料ガス供給連通孔３０ａと燃料ガス排出連通孔３０ｂとを連通する燃料ガス流路３２が形成される。セパレータ２２の反対側の面には、冷却媒体供給連通孔２８ａと冷却媒体排出連通孔２８ｂとを連通する冷却媒体流路３４が形成される。

セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２０に向かう面には、酸化剤ガス供給連通孔２６ａと酸化剤ガス排出連通孔２６ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。セパレータ２４の反対側の面には、セパレータ２２と重なり合って冷却媒体流路３４が一体的に形成される。

図４及び図５に示すように、加湿器１４は、水透過性膜４０の一方の面４０ａに配設される第１セパレータ４２と、前記水透過性膜４０の他方の面４０ｂに配設される第２セパレータ４４とを備える。第１及び第２セパレータ４２、４４は、水透過性膜４０を介装して交互に矢印Ａ方向に積層されて積層体４６を構成する。第１及び第２セパレータ４２、４４は、金属製プレートを波形状に成形して構成される。なお、この第１及び第２セパレータ４２、４４は、例えば、カーボンプレートに削り加工等を施して構成してもよい。

図４に示すように、積層体４６の矢印Ｂ方向の一端縁部には、互いに矢印Ａ方向に貫通して、反応前の空気（一方の反応ガス）を導入する空気入口連通孔４８ａと、加湿された反応前の空気を燃料電池１２に供給する空気出口連通孔（反応ガス出口連通孔）４８ｂとが矢印Ｃ方向に配列して形成される。

燃料電池１２の酸化剤ガス供給連通孔２６ａと加湿器１４の空気出口連通孔４８ｂとは、積層方向（矢印Ａ方向）に沿って同一直線上に配置される（図３及び図４参照）。

図４に示すように、積層体４６の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、空気オフガスが供給される空気オフガス入口連通孔（オフガス入口連通孔）５０ａと、反応前の空気を加湿した後の空気オフガスを排出する空気オフガス出口連通孔５０ｂとが矢印Ｃ方向に配列して設けられる。燃料電池１２の酸化剤ガス排出連通孔２６ｂと加湿器１４の空気オフガス入口連通孔５０ａとは、積層方向（矢印Ａ方向）に沿って上下に並列して配置される（図３及び図４参照）。

第１セパレータ４２は、水透過性膜４０の一方の面４０ａに向かう面４２ａ側に、空気入口連通孔４８ａと空気出口連通孔４８ｂとを連通し、略Ｕ字状に屈曲乃至湾曲する複数の溝部を有する第１流路５２を設ける。

第１セパレータ４２の面４２ａとは反対の面４２ｂ側には、空気入口連通孔４８ａと空気出口連通孔４８ｂとを連通し、略Ｕ字状の複数の溝部を有する第２流路５４が設けられる。この第２流路５４は、第１流路５２と交互に形成され、全体として波形状を有している（図５参照）。

第２セパレータ４４は、水透過性膜４０の他方の面４０ｂに向かう面４４ａ側に空気オフガス入口連通孔５０ａと空気オフガス出口連通孔５０ｂとを連通する略Ｕ字状の複数の溝部を有する第３流路５６を設ける。

第２セパレータ４４は、面４４ａとは反対の面４４ｂ側に、空気オフガス入口連通孔５０ａと空気オフガス出口連通孔５０ｂとを連通する略Ｕ字状の複数の溝部を有する第４流路５８を設ける。この第４流路５８は、第３流路５６と交互に配設される。

図３に示すように、第２エンドプレート１８ｂは、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂと空気オフガス入口連通孔５０ａとを連通する連結路６０を設ける。第２エンドプレート１８ｂには、積層方向に酸化剤ガス排出連通孔２６ｂと同一直線上に配置される溝部６２と、空気オフガス入口連通孔５０ａと同一直線上に配置される孔部６４とが形成される。連結路６０は、溝部６２と孔部６４とを連通する略半リング状の溝部により構成される。

第２エンドプレート１８ｂには、酸化剤ガス供給連通孔２６ａと空気出口連通孔４８ｂとを連通する孔部６６が形成される。絶縁プレート１９ｂには、第２エンドプレート１８ｂの溝部６２及び孔部６６に連通する孔部６８ａ、６８ｂが形成される。

図１に示すように、燃料電池システム１０は、加湿器１４側に設けられる酸化剤ガス供給系７０と、燃料電池１２側に設けられる燃料ガス供給系７２及び冷却媒体供給系７４とを備える。

酸化剤ガス供給系７０は、第３エンドプレート１８ｃに接続されて加湿器１４の空気入口連通孔４８ａに空気を供給する空気供給流路７６と、前記加湿器１４の空気オフガス出口連通孔５０ｂから排出される空気オフガスを、外部に排気するための空気排出流路７８とを備える。空気供給流路７６には、空気を圧縮して供給するためにスーパーチャージャ（又はポンプ）８０が設けられる。

燃料ガス供給系７２は、第１エンドプレート１８ａに接続されて燃料電池１２の燃料ガス供給連通孔３０ａに水素ガスを供給するための水素供給流路８２と、前記燃料電池１２の燃料ガス排出連通孔３０ｂから排出される未使用の水素ガスを含む排ガスを、前記水素供給流路８２の途上に戻して該燃料電池１２に供給するための水素循環流路８４とを備える。

水素供給流路８２には、高圧水素を貯留する水素タンク８６と、前記水素タンク８６から供給される水素ガスの圧力を減圧するレギュレータ８８と、減圧された前記水素ガスを燃料電池１２に供給するとともに、水素循環流路８４から排ガスを吸引して前記燃料電池１２に戻すためのエゼクタ９０とが配設される。

冷却媒体供給系７４は、第１エンドプレート１８ａに接続されて燃料電池１２の冷却媒体供給連通孔２８ａに冷却媒体を供給するための冷却媒体供給流路９２と、前記燃料電池１２の冷却媒体排出連通孔２８ｂから排出される冷却媒体を冷却媒体タンク９４に戻す冷却媒体循環流路９６と、前記冷却媒体タンク９４内の前記冷却媒体を循環させるポンプ９８とを備える。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

図１に示すように、水素タンク８６から水素供給流路８２に供給される水素ガスは、レギュレータ８８を介して所定の圧力に減圧された後、エゼクタ９０を通って燃料電池１２の燃料ガス供給連通孔３０ａに供給される。

図３に示すように、水素ガスは、各発電セル１６を構成する燃料ガス流路３２に沿って矢印Ｂ方向に移動し、アノード側電極２０ｂに供給された後、未使用の水素を含む燃料オフガスが、燃料ガス排出連通孔３０ｂに排出される。この燃料オフガスは、図１に示すように、水素循環流路８４に排出されてエゼクタ９０の吸引作用下に水素供給流路８２に途上に戻された後、再度、燃料電池１２に燃料ガスとして供給される。

一方、スーパーチャージャ８０を介して、空気供給流路７６に空気が供給される。この空気は、第３エンドプレート１８ｃから加湿器１４を構成する積層体４６の空気入口連通孔４８ａに供給される。

図４に示すように、加湿器１４では、第１セパレータ４２の第１及び第２流路５２、５４が空気入口連通孔４８ａに連通している。このため、空気入口連通孔４８ａに導入された空気は、略Ｕ字状の第１及び第２流路５２、５４に沿って移動する。第１流路５２を流れる空気は、水透過性膜４０の一方の面４０ａに接触するとともに、第２流路５４に沿って移動する空気は、他の水透過性膜４０の他方の面４０ｂに接触する（図５参照）。

加湿器１４では、燃料電池１２の発電に使用された反応済みの空気である空気オフガスが、空気オフガス入口連通孔５０ａに供給される。この空気オフガスは、第２セパレータ４４の空気オフガス入口連通孔５０ａに連通する第３及び第４流路５６、５８に導入される。第３流路５６を移動する空気オフガスは、水透過性膜４０の他方の面４０ｂに接触する一方、第４流路５８に沿って移動する空気オフガスは、他の水透過性膜４０の一方の面４０ａに接触する（図５参照）。

従って、第２セパレータ４４の第３流路５６に沿って移動する空気オフガス中の水分は、水透過性膜４０を透過し第１流路５２に沿って移動する反応前の空気に供給され、この空気が加湿される。さらに、第２流路５４に沿って移動する反応前の空気は、第４流路５８に沿って移動する空気オフガス中の水分により加湿される。そして、加湿された空気は、第１及び第２流路５２、５４に連通する空気出口連通孔４８ｂから燃料電池１２の酸化剤ガス供給連通孔２６ａに供給される。

図３に示すように、加湿された空気は、第２エンドプレート１８ｂの孔部６６及び絶縁プレート１９ｂの孔部６８ｂを通って各発電セル１６に供給される。この加湿された空気は、セパレータ２４に形成される酸化剤ガス流路３６を流れることによって、カソード側電極２０ｃに供給される。未使用の空気を含む空気オフガスは、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂに排出された後、上記のように、加湿器１４内で加湿処理に用いられて空気オフガス出口連通孔５０ｂから空気排出流路７８に排出される（図１参照）。これにより、各発電セル１６では、アノード側電極２０ｂに供給される水素と、カソード側電極２０ｃに供給される空気中の酸素とが反応して発電が行われる。

また、図１に示すように、冷却媒体供給系７４では、ポンプ９８の作用下に冷却媒体タンク９４内の冷却媒体が、冷却媒体供給流路９２から燃料電池１２の冷却媒体供給連通孔２８ａに供給される。この冷却媒体は、図３に示すように、セパレータ２２、２４間に形成される冷却媒体流路３４を通ることによって各発電セル１６を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２８ｂから冷却媒体循環流路９６に排出され、冷却媒体タンク９４に戻される。

この場合、第１の実施形態では、図３に示すように、発電セル１６の酸化剤ガス排出連通孔２６ｂに排出された空気オフガスは、第２エンドプレート１８ｂの溝部６２に導入される。この溝部６２には、連結路６０が連通しており、空気オフガスは、前記連結路６０を通って孔部６４に供給される。この孔部６４は、加湿器１４の空気オフガス入口連通孔５０ａに対して積層方向に沿って同一直線上に連通しており、空気オフガスは、前記空気オフガス入口連通孔５０ａから第３及び第４流路５６、５８に供給されている。

このように、積層方向に対し同一直線上から離間して互いに並列して設けられている酸化剤ガス排出連通孔２６ｂと空気オフガス入口連通孔５０ａとは、第２エンドプレート１８ｂに形成された溝形状の連結路６０を介して連通している。このため、燃料電池１２及び加湿器１４の外部には、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂと空気オフガス入口連通孔５０ａとを連結するための配管が配置されていない。

これにより、第１の実施形態では、配管を有効に簡素化することができ、燃料電池システム１０全体の軽量化及び小型化が容易に遂行可能になるという効果が得られる。しかも、燃料電池１２と加湿器１４とが直接連結されているため、第２エンドプレート１８ｂの端面からの放熱が抑制される。従って、燃料電池１２の電力特性を良好に向上させることができる。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システム１００の概略斜視説明図である。

なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。

燃料電池システム１００は、燃料電池１２と平膜型加湿器１０４とを備える（図６及び図７参照）。加湿器１０４は、図８に示すように、水透過性膜１１２の一方の面１１２ａに配設される第１セパレータ１１４と、前記水透過性膜１１２の他方の面１１２ｂに配設される第２セパレータ１１６とを設ける。

第１及び第２セパレータ１１４、１１６は、水透過性膜１１２を介装して交互に矢印Ａ方向に積層されることにより積層体１１８を構成する。積層体１１８の矢印Ｂ方向の一端縁部には、空気オフガス出口連通孔５０ｂ及び空気出口連通孔４８ｂが設けられる。積層体１１８の矢印Ｂ方向の他端縁部には、空気入口連通孔４８ａ及び空気オフガス入口連通孔５０ａが設けられる。

第１セパレータ１１４の両面には、空気入口連通孔４８ａと空気出口連通孔４８ｂとを連通し、矢印Ｂ方向に一往復半だけ折り返すサーペンタイン流路である第１及び第２流路１２０、１２２が設けられる。第２セパレータ１１６の両面には、空気オフガス入口連通孔５０ａと空気オフガス出口連通孔５０ｂとを連通し、矢印Ｂ方向に一往復半だけ折り返すサーペンタイン流路である第３及び第４流路１２４、１２６が設けられる。

燃料電池１２の酸化剤ガス供給連通孔２６ａと加湿器１０４の空気出口連通孔４８ｂとは、積層方向に沿って上下に並列される一方、前記燃料電池１２の酸化剤ガス排出連通孔２６ｂと前記加湿器１０４の空気オフガス入口連通孔５０ａとは、積層方向に沿って同一直線上に配置される。

図７に示すように、第２エンドプレート１８ｂは、酸化剤ガス供給連通孔２６ａと空気出口連通孔４８ｂとを連通する連結路６０ａを設ける。第２エンドプレート１８ｂには、積層方向に酸化剤ガス供給連通孔２６ａと同一直線上に配置される溝部６２ａと、空気出口連通孔４８ｂと同一直線上に配置される孔部６６ａとが形成される。連結路６０ａは、溝部６２ａと孔部６６ａとを連通する略半リング状の溝部により構成される。第２エンドプレート１８ｂには、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂと空気オフガス入口連通孔５０ａとを連通する孔部６４ａが形成される。

このように構成される第２の実施形態では、図８に示すように、反応前の空気が第１及び第２流路１２０、１２２を流れる一方、空気オフガスが第３及び第４流路１２４、１２６を流れることにより、前記反応前の空気が加湿される。加湿された空気は、空気出口連通孔４８ｂから第２エンドプレート１８ｂの孔部６６ａに導入される。

このため、加湿された空気は、図７に示すように、孔部６６ａに連通する連結路６０ａを通って、溝部６２ａから燃料電池１２の酸化剤ガス供給連通孔２６ａに供給される。一方、燃料電池１２で反応後の空気オフガスは、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂから空気オフガス入口連通孔５０ａに排出される。

その際、積層方向に互いに並列されている酸化剤ガス供給連通孔２６ａと空気出口連通孔４８ｂとは、第２エンドプレート１８ｂに形成された溝形状の連結路６０ａを介して連通している。従って、燃料電池１２及び加湿器１０４の外部には、酸化剤ガス供給連通孔２６ａと空気出口連通孔４８ｂとを連結するための配管を配置する必要がない。

これにより、第２の実施形態では、配管を有効に簡素化することができ、燃料電池システム１００全体の軽量化及び小型化が容易に遂行可能になる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図９は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１３０の概略斜視説明図である。

燃料電池システム１３０は、燃料電池１２と平膜型加湿器１３２とを備える（図９及び図１０参照）。加湿器１３２は、図１１に示すように、水透過性膜１３４を第１及び第２セパレータ１３６、１３８で挟持して積層体１４０を構成する。

積層体１４０の矢印Ｂ方向の一端縁部には、空気オフガス出口連通孔５０ｂ及び空気入口連通孔４８ａが設けられる。積層体１４０の矢印Ｂ方向の他端縁部には、空気出口連通孔４８ｂ及び空気オフガス入口連通孔５０ａが設けられる。

第１セパレータ１３６の両面には、空気入口連通孔４８ａと空気出口連通孔４８ｂとを連通し、矢印Ｂ方向に一往復半だけ折り返すサーペンタイン流路である第１及び第２流路１４２、１４４が設けられる。第２セパレータ１３８の両面には、空気オフガス入口連通孔５０ａと空気オフガス出口連通孔５０ｂとを連通し、矢印Ｂ方向に一往復半だけ折り返すサーペンタイン流路である第３及び第４流路１４６、１４８が設けられる。

燃料電池１２の酸化剤ガス供給連通孔２６ａと加湿器１３２の空気出口連通孔４８ｂとは、積層方向に沿って左右に並列される一方、前記燃料電池１２の酸化剤ガス排出連通孔２６ｂと前記加湿器１３２の空気オフガス入口連通孔５０ａとは、積層方向に沿って同一直線上に配置される。

図１０に示すように、第２エンドプレート１８ｂは、酸化剤ガス供給連通孔２６ａと空気出口連通孔４８ｂとを連通する連結路６０ｂを設ける。第２エンドプレート１８ｂには、積層方向に酸化剤ガス供給連通孔２６ａと同一直線上に配置される溝部６２ｂと、空気出口連通孔４８ｂと同一直線上に配置される孔部６６ｂとが形成される。連結路６０ｂは、溝部６２ｂと孔部６６ｂとを連通する幅広な略直線状の溝部により構成される。第２エンドプレート１８ｂには、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂと空気オフガス入口連通孔５０ａとを連通する孔部６４ｂが形成される。

このように構成される第３の実施形態では、積層方向に互いに並列されている酸化剤ガス供給連通孔２６ａと空気出口連通孔４８ｂとは、第２エンドプレート１８ｂに形成された溝形状の連結路６０ｂを介して連通している。このため、配管を有効に簡素化することができ、燃料電池システム１３０全体の軽量化及び小型化が容易に遂行可能になる等、第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

図１２は、本発明に関連する燃料電池システム１６０の概略斜視説明図である。

燃料電池システム１６０は、固体高分子型燃料電池１６２と加湿器１４とを備える。燃料電池１６２は、矢印Ａ方向に積層される発電セル１６４を設けるとともに、前記発電セル１６４は、図１３に示すように、電解質膜・電極構造体２０を挟持するセパレータ１６６、１６８を備える。

発電セル１６４の長辺方向の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２６ｂが設けられる。発電セル１６４の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガス供給連通孔３０ａ及び燃料ガス排出連通孔３０ｂが設けられる。

セパレータ１６６の電解質膜・電極構造体２０に向かう面には、燃料ガス供給連通孔３０ａ及び燃料ガス排出連通孔３０ｂに連通する略Ｕ字状の燃料ガス流路３２ａが形成される。セパレータ１６８の電解質膜・電極構造体２０に向かう面には、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２６ｂに連通する略Ｕ字状の酸化剤ガス流路３６ａが形成される。

燃料電池１６２の酸化剤ガス供給連通孔２６ａと加湿器１４の空気出口連通孔４８ｂとは、積層方向に沿って同一直線上に配置される一方、前記燃料電池１６２の酸化剤ガス排出連通孔２６ｂと前記加湿器１４の空気オフガス入口連通孔５０ａとは、積層方向に沿って対角位置に並列される。

第２エンドプレート１８ｂは、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂと空気オフガス入口連通孔５０ａとを連通する連結路６０ｃを設ける。第２エンドプレート１８ｂには、積層方向に酸化剤ガス排出連通孔２６ｂと同一直線上に配置される溝部６２ｃと、空気オフガス入口連通孔５０ａと同一直線上に配置される孔部６４ｃとが形成される。連結路６０ｃは、溝部６２ｃと孔部６４ｃとを連通する幅広な略直線状の溝部により構成される。第２エンドプレート１８ｂには、酸化剤ガス供給連通孔２６ａと空気出口連通孔４８ｂとを連通する孔部６６ｃが形成される。

このように構成される燃料電池システム１６０では、積層方向に互いに並列されている酸化剤ガス供給連通孔２６ａと空気出口連通孔４８ｂとは、第２エンドプレート１８ｂに形成された溝形状の連結路６０ｃを介して連通している。

このため、配管を有効に簡素化することができ、燃料電池システム１６０全体の軽量化及び小型化が容易に遂行可能になる等、第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。しかも、連通孔の位置を設置する自由度が向上するとともに、同一の加湿器１４を用いて、種々の異なる燃料電池１２、１６２に容易に対応することができ、汎用性に優れるという利点がある。

なお、第１〜第３の実施形態では、反応前の空気を空気オフガスで加湿する構成を採用しているが、これに限定されるものではない。例えば、反応前の空気を燃料オフガス（反応後の燃料ガス）で加湿する構成、反応前の燃料ガスを空気オフガスで加湿する構成、又は反応前の燃料ガスを燃料オフガスで加湿する構成等を採用してもよい。さらに、流路形状は、略Ｕ字状やサーペンタインに限定されず、種々の形状が採用可能である。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成説明図である。 前記燃料電池システムの概略斜視説明図である。 前記燃料電池システムを構成する燃料電池の要部分解斜視図である。 前記燃料電池システムを構成する加湿器の一部分解斜視説明図である。 前記燃料電池システムを構成する加湿器の一部断面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略斜視説明図である。 前記燃料電池システムを構成する燃料電池の要部分解斜視図である。 前記燃料電池システムを構成する加湿器の一部分解斜視説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システムの概略斜視説明図である。 前記燃料電池システムを構成する燃料電池の要部分解斜視図である。 前記燃料電池システムを構成する加湿器の一部分解斜視説明図である。 本発明に関連する燃料電池システムの概略斜視説明図である。 前記燃料電池システムを構成する燃料電池の一部分解斜視説明図である。 特許文献１の燃料電池スタックの概略構成説明図である。

符号の説明

１０、１００、１３０、１６０…燃料電池システム
１２、１６２…燃料電池 １４、１０４、１３２…加湿器
１６、１６４…発電セル １８ａ〜１８ｃ…エンドプレート
２０ａ…固体高分子電解質膜 ２０ｂ…アノード側電極
２０ｃ…カソード側電極
２２、２４、４２、４４、１１４、１１６、１３６、１３８、１６６、１６８…セパレータ
２６ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ２６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
２８ａ…冷却媒体供給連通孔 ２８ｂ…冷却媒体排出連通孔
３０ａ…燃料ガス供給連通孔 ３０ｂ…燃料ガス排出連通孔
３２、３２ａ…燃料ガス流路 ３４…冷却媒体流路
３６、３６ａ…酸化剤ガス流路 ４０、１１２、１３４…水透過性膜
４６、１１８、１４０…積層体 ４８ａ…空気入口連通孔
４８ｂ…空気出口連通孔 ５０ａ…空気オフガス入口連通孔
５０ｂ…空気オフガス出口連通孔
５２〜５８、１２０〜１２６、１４２〜１４８…流路
６２、６２ａ〜６２ｃ…溝部
６４、６４ａ〜６４ｃ、６６、６６ａ〜６６ｃ…孔部
７０…酸化剤ガス供給系 ７２…燃料ガス供給系
７４…冷却媒体供給系

Claims (2)

1. 電解質膜・電極構造体と長方形状のセパレータとが積層される固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池に供給される少なくとも一方の反応ガスを、加湿流体によって加湿する水透過性膜とセパレータとが積層される平膜型加湿器とが、それぞれの積層方向を同一方向にしてスタックされる燃料電池システムであって、
   前記平膜型加湿器は、前記一方の反応ガスを前記水透過性膜の一方の面側に沿って流通させる反応ガス流路と、前記加湿流体を前記水透過性膜の他方の面側に沿って流通させる加湿流体流路とを、少なくとも一部が対向して流れる互いに異なる流路形状に構成するとともに、
   加湿された前記一方の反応ガスを前記固体高分子型燃料電池に供給する反応ガス出口連通孔、及び前記固体高分子型燃料電池から前記加湿流体であるオフガスが排出されるオフガス入口連通孔を、それぞれ前記積層方向に沿って設け、
   前記固体高分子型燃料電池は、加湿された前記一方の反応ガスが導入される反応ガス供給連通孔を前記積層方向に沿って且つ前記反応ガス出口連通孔と並列して設けるとともに、
   前記オフガスを排出するオフガス排出連通孔を前記積層方向に沿って前記オフガス入口連通孔と同一直線上に設け、且つ、前記反応ガス供給連通孔と前記オフガス排出連通孔とが前記セパレータの対角位置に設けられて前記一方の反応ガスが前記セパレータの長辺方向に流通し、
   前記反応ガス出口連通孔と前記反応ガス供給連通孔とは、前記固体高分子型燃料電池と前記平膜型加湿器との間に介装されるプレート部材に形成される連結路を介して連通することを特徴とする燃料電池システム。
2. 電解質膜・電極構造体と長方形状のセパレータとが積層される固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池に供給される少なくとも一方の反応ガスを、加湿流体によって加湿する水透過性膜とセパレータとが積層される平膜型加湿器とが、それぞれの積層方向を同一方向にしてスタックされる燃料電池システムであって、
   前記平膜型加湿器は、前記一方の反応ガスを前記水透過性膜の一方の面側に沿って流通させる反応ガス流路と、前記加湿流体を前記水透過性膜の他方の面側に沿って流通させる加湿流体流路とを、少なくとも一部が対向して流れる互いに異なる流路形状に構成するとともに、
   加湿された前記一方の反応ガスを前記固体高分子型燃料電池に供給する反応ガス出口連通孔、及び前記固体高分子型燃料電池から前記加湿流体であるオフガスが排出されるオフガス入口連通孔を、それぞれ前記積層方向に沿って設け、
   前記固体高分子型燃料電池は、前記オフガスを排出するオフガス排出連通孔を前記積層方向に沿って且つ前記オフガス入口連通孔と並列して設けるとともに、
   加湿された前記一方の反応ガスが導入される反応ガス供給連通孔を前記積層方向に沿って前記反応ガス出口連通孔と同一直線上に設け、且つ、前記反応ガス供給連通孔と前記オフガス排出連通孔とが前記セパレータの対角位置に設けられて前記一方の反応ガスが前記セパレータの長辺方向に流通し、
   前記オフガス入口連通孔と前記オフガス排出連通孔とは、前記固体高分子型燃料電池と前記平膜型加湿器との間に介装されるプレート部材に形成される連結路を介して連通することを特徴とする燃料電池システム。

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