特許 6772343 固体高分子形燃料電池、燃料電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6772343

(24)【登録日】2020年10月2日

(45)【発行日】2020年10月21日

(54)【発明の名称】固体高分子形燃料電池、燃料電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/2465 20160101AFI20201012BHJP

   H01M 8/10 20160101ALI20201012BHJP

   H01M 8/2483 20160101ALI20201012BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/2465

   H01M8/10 101

   H01M8/2483

【請求項の数】6

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2019-126258(P2019-126258)

(22)【出願日】2019年7月5日

(62)【分割の表示】特願2014-222261(P2014-222261)の分割

【原出願日】2014年10月31日

(65)【公開番号】特開2019-192648(P2019-192648A)

(43)【公開日】2019年10月31日

【審査請求日】2019年7月5日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006208

【氏名又は名称】三菱重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100112737

【弁理士】

【氏名又は名称】藤田 考晴

(74)【代理人】

【識別番号】100140914

【弁理士】

【氏名又は名称】三苫 貴織

(74)【代理人】

【識別番号】100136168

【弁理士】

【氏名又は名称】川上 美紀

(74)【代理人】

【識別番号】100172524

【弁理士】

【氏名又は名称】長田 大輔

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 栄基

(72)【発明者】

【氏名】谷 俊宏

(72)【発明者】

【氏名】網谷 和之

(72)【発明者】

【氏名】杉原 洸貴

【審査官】 阿川 寛樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−３１３４０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−０２２７１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０９２９９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２１９０００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−００４３２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第５１３２１７４（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／００−８／０２９７， ８／０８−８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

固体高分子電解質を燃料極及び酸化極で挟んだセルと、
前記セルと交互に並ぶように配設されて、当該セルの前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を一方面に形成され且つ前記酸化極に酸化ガスを供給する酸化ガス流路を他方面に形成されると共に、前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路及び当該燃料ガス流路から使用済みの燃料ガスを排出する燃料ガス排出路をそれぞれ形成され且つ前記酸化ガス流路に酸化ガスを供給する酸化ガス供給路及び当該酸化ガス流路から使用済みの酸化ガスと水とを排出する酸化ガス排出路をそれぞれ形成されたセパレータと、
前記セルと前記セパレータとの配列方向外側に対をなすようにしてそれぞれ配設されて、当該セパレータの前記燃料ガス供給路に接続する燃料ガス供給口、当該セパレータの前記燃料ガス排出路に接続する燃料ガス排出口、当該セパレータの前記酸化ガス供給路に接続する酸化ガス供給口、当該セパレータの前記酸化ガス排出路に接続する酸化ガス排出口を、一方及び他方のいずれかにそれぞれ形成された集電板と、
前記集電板の、前記配列方向外側に対をなすようにしてそれぞれ配設されて、前記集電板の前記燃料ガス供給口に接続する燃料ガス供給口、前記集電板の前記燃料ガス排出口に接続する燃料ガス排出口、前記集電板の前記酸化ガス供給口に接続する酸化ガス供給口、前記集電板の前記酸化ガス排出口に接続する酸化ガス排出口を、対応する前記集電板側のものにそれぞれ形成された絶縁板と、
前記絶縁板の、前記配列方向外側に対をなすようにしてそれぞれ配設されて、前記絶縁板の前記燃料ガス供給口に接続する燃料ガス供給口、前記絶縁板の前記燃料ガス排出口に接続する燃料ガス排出口、前記絶縁板の前記酸化ガス供給口に接続する酸化ガス供給口、前記絶縁板の前記酸化ガス排出口に接続する酸化ガス排出口を、対応する前記絶縁板側のものにそれぞれ形成された締付板と、
を有するスタックを備えている固体高分子形燃料電池において、
前記酸化ガス排出口を形成された前記集電板と異なる前記集電板に、前記セパレータの前記酸化ガス排出路に接続する通水路が形成されると共に、
前記酸化ガス排出口を形成された前記絶縁板及び前記締付板と異なる前記絶縁板及び前記締付板の少なくとも一つに、前記集電板の前記通水路に接続して水を貯留する貯水室が前記酸化ガス流路よりも下流側に形成されており、
前記貯水室内の空間を前記配列方向を法線とする平面で切ったときの断面積が前記酸化ガス排出口のそれよりも大きいことを特徴とする固体高分子形燃料電池。

【請求項2】

請求項１に記載の固体高分子形燃料電池において、
前記スタックの前記絶縁板の内部に前記貯水室が形成されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。

【請求項3】

固体高分子電解質を燃料極及び酸化極で挟んだセルと、
前記セルと交互に並ぶように配設されて、当該セルの前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を一方面に形成され且つ前記酸化極に酸化ガスを供給する酸化ガス流路を他方面に形成されると共に、前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路及び当該燃料ガス流路から使用済みの燃料ガスを排出する燃料ガス排出路をそれぞれ形成され且つ前記酸化ガス流路に酸化ガスを供給する酸化ガス供給路及び当該酸化ガス流路から使用済みの酸化ガスと水とを排出する酸化ガス排出路をそれぞれ形成されたセパレータと、
前記セルと前記セパレータとの配列方向外側に対をなすようにしてそれぞれ配設されて、当該セパレータの前記燃料ガス供給路に接続する燃料ガス供給口、当該セパレータの前記燃料ガス排出路に接続する燃料ガス排出口、当該セパレータの前記酸化ガス供給路に接続する酸化ガス供給口、当該セパレータの前記酸化ガス排出路に接続する酸化ガス排出口を、一方及び他方のいずれかにそれぞれ形成された集電板と、
前記集電板の、前記配列方向外側に対をなすようにしてそれぞれ配設されて、前記集電板の前記燃料ガス供給口に接続する燃料ガス供給口、前記集電板の前記燃料ガス排出口に接続する燃料ガス排出口、前記集電板の前記酸化ガス供給口に接続する酸化ガス供給口、前記集電板の前記酸化ガス排出口に接続する酸化ガス排出口を、対応する前記集電板側のものにそれぞれ形成された絶縁板と、
前記絶縁板の、前記配列方向外側に対をなすようにしてそれぞれ配設されて、前記絶縁板の前記燃料ガス供給口に接続する燃料ガス供給口、前記絶縁板の前記燃料ガス排出口に接続する燃料ガス排出口、前記絶縁板の前記酸化ガス供給口に接続する酸化ガス供給口、前記絶縁板の前記酸化ガス排出口に接続する酸化ガス排出口を、対応する前記絶縁板側のものにそれぞれ形成された締付板と、
を有するスタックを備えている固体高分子形燃料電池において、
前記酸化ガス排出口を形成された前記集電板と異なる前記集電板に、前記セパレータの前記酸化ガス排出路に接続する通水路が形成されると共に、
前記酸化ガス排出口を形成された前記絶縁板及び前記締付板と異なる前記絶縁板及び前記締付板の少なくとも一つに、前記集電板の前記通水路に接続して水を貯留する貯水室が前記酸化ガス流路よりも下流側に形成されており、
前記貯水室の内部に補強リブが設けられていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。

【請求項4】

固体高分子電解質を一対の電極で挟んだセルとセパレータとが交互に並ぶように複数配列されて積層されたスタックを含む燃料電池であって、
前記スタックは、前記各セルに燃料ガスを供給するために前記配列方向に延びる燃料ガス供給用連通孔と、前記各セルに酸化ガスを供給するために前記配列方向に延びる酸化ガス供給用連通孔と、使用済みの酸化ガスと水を排出するために前記配列方向に延びる酸化ガス排出用連通孔とを少なくとも有し、
前記酸化ガス排出用連通孔は前記配列方向一端が開放され、他端が閉塞されるとともに、前記他端に水を貯留する貯水室が形成されており、
前記貯水室は前記酸化ガス排出用連通孔と連通し、
前記貯水室内の空間を前記配列方向を法線とする平面で切ったときの断面積が前記酸化ガス排出用連通孔のそれよりも大きいことを特徴とする燃料電池。

【請求項5】

固体高分子電解質を一対の電極で挟んだセルとセパレータとが交互に並ぶように複数配列されて積層されたスタックを含む燃料電池であって、
前記スタックは、前記各セルに燃料ガスを供給するために前記配列方向に延びる燃料ガス供給用連通孔と、前記各セルに酸化ガスを供給するために前記配列方向に延びる酸化ガス供給用連通孔と、使用済みの燃料ガスを排出するために前記配列方向に延びる燃料ガス排出用連通孔とを少なくとも有し、
前記燃料ガス排出用連通孔は前記配列方向一端が開放され、他端が閉塞されるとともに、前記他端に水を貯留する貯水室が形成されており、
前記貯水室は前記燃料ガス排出用連通孔と連通し、
前記貯水室内の空間を前記配列方向を法線とする平面で切ったときの断面積が前記燃料ガス排出用連通孔のそれよりも大きいことを特徴とする燃料電池。

【請求項6】

前記貯水室は、前記他端側に設けられた絶縁板または締付板の少なくとも一方に形成されていることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、固体高分子形燃料電池、燃料電池に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、固体高分子形燃料電池等の燃料電池は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質を、ガス透過性を有する燃料極及び酸化極で挟んだセルと、水素ガス等の燃料ガスの流路を一方面に形成されて酸素ガス等の酸化ガスの流路を他方面に形成された導電性を有するセパレータとを交互に複数配列し、配列方向外側に対をなす集電板及び絶縁板を配設して、さらに配列方向外側に対をなす締付板を配設して締付固定したスタックを備えてなっている。

【0003】

このような固体高分子形燃料電池のスタックにおいては、セパレータの燃料ガス流路からセルの燃料極に燃料ガスを供給し、セパレータの酸化ガス流路からセルの酸化極に酸化ガスを供給すると、燃料ガス中の水素が燃料極からプロトンとなってセルの固体高分子電解質を伝導して酸素極に到達すると同時に、電子が集電板を介して外部回路を流れることにより、プロトンが酸化ガス中の酸素と電気化学的に反応して水を生成すると同時に、外部回路に給電することができる。そして、酸素極で生成した水は、セパレータの酸化ガス流路を介してスタックの外部へ排出されるようになっている。

【0004】

このような固体高分子形燃料電池のスタックを、例えば、水中を移動する水中航行体に搭載して、水の振動等によって当該水中航行体に周期的な揺れが発生すると、当該水中航行体の揺れの方向及び周期によっては、上述した電気化学反応に伴って生成した水が、スタックの酸化ガス排出口から外部へ向かって流れずにセパレータの酸化ガス流路等に滞留してしまう場合がある。このような場合を生じると、セパレータの酸化ガス流路内を酸化ガスが流通できなくなってしまい、発電運転できなくなってしまうおそれがある。

【0005】

このため、例えば、下記特許文献１，２等においては、セパレータの酸化ガス流路内の水を排出する酸化ガス排出口をスタックの複数の方向に設けることにより、スタックの傾斜に対応する方向に位置した酸化ガス排出口から水を排出できるようにすることを提案している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１０−１７７１４８号公報

【特許文献2】特開２０１２−０４３７７８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、前記特許文献１，２で提案されている発明では、水を排出するための配管をスタックの複数の方向に取り付けなければならず、非常に煩雑になってしまうと共に、かなり嵩張ってしまうという問題があった。

【0008】

このようなことから、本発明は、水の滞留による発電性能の低下を簡単且つコンパクトな構造で抑制することができる固体高分子形燃料電池、燃料電池を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

前述した課題を解決するための、第一番目の参考例の発明に係る固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質を燃料極及び酸化極で挟んだセルと、前記セルと交互に並ぶように配設されて、当該セルの前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を一方面に形成され且つ前記酸化極に酸化ガスを供給する酸化ガス流路を他方面に形成されると共に、前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路及び当該燃料ガス流路から使用済みの燃料ガスを排出する燃料ガス排出路をそれぞれ形成され且つ前記酸化ガス流路に酸化ガスを供給する酸化ガス供給路及び当該酸化ガス流路から使用済みの酸化ガスと水とを排出する酸化ガス排出路をそれぞれ形成されたセパレータと、前記セルと前記セパレータとの配列方向外側に対をなすようにしてそれぞれ配設されて、当該セパレータの前記燃料ガス供給路に接続する燃料ガス供給口、当該セパレータの前記燃料ガス排出路に接続する燃料ガス排出口、当該セパレータの前記酸化ガス供給路に接続する酸化ガス供給口、当該セパレータの前記酸化ガス排出路に接続する酸化ガス排出口を、一方及び他方のいずれかにそれぞれ形成された集電板と、前記集電板の、前記配列方向外側に対をなすようにしてそれぞれ配設されて、前記集電板の前記燃料ガス供給口に接続する燃料ガス供給口、前記集電板の前記燃料ガス排出口に接続する燃料ガス排出口、前記集電板の前記酸化ガス供給口に接続する酸化ガス供給口、前記集電板の前記酸化ガス排出口に接続する酸化ガス排出口を、対応する前記集電板側のものにそれぞれ形成された絶縁板と、前記絶縁板の、前記配列方向外側に対をなすようにしてそれぞれ配設されて、前記絶縁板の前記燃料ガス供給口に接続する燃料ガス供給口、前記絶縁板の前記燃料ガス排出口に接続する燃料ガス排出口、前記絶縁板の前記酸化ガス供給口に接続する酸化ガス供給口、前記絶縁板の前記酸化ガス排出口に接続する酸化ガス排出口を、対応する前記絶縁板側のものにそれぞれ形成された締付板と、を有するスタックを備えている固体高分子形燃料電池において、前記酸化ガス排出口を形成された前記集電板と異なる前記集電板に、前記セパレータの前記酸化ガス排出路に接続する通水路が形成されると共に、前記酸化ガス排出口を形成された前記絶縁板及び前記締付板と異なる前記絶縁板及び前記締付板の少なくとも一つに、前記集電板の前記通水路に接続して水を貯留する貯水室が形成され、前記配列方向に沿う直線を法線とする平面に沿った前記貯水室の断面積が、前記配列方向に沿う直線を法線とする平面に沿った前記酸化ガス排出口の断面積よりも大きいものであることを特徴とする。

【0010】

第二番目の参考例の発明に係る固体高分子形燃料電池は、第一番目の発明において、前記スタックの前記絶縁板の内部に前記貯水室が形成されていることを特徴とする。

【0011】

第三番目の参考例の発明に係る固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質を燃料極及び酸化極で挟んだセルと、前記セルと交互に並ぶように配設されて、当該セルの前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を一方面に形成され且つ前記酸化極に酸化ガスを供給する酸化ガス流路を他方面に形成されると共に、前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路及び当該燃料ガス流路から使用済みの燃料ガスを排出する燃料ガス排出路をそれぞれ形成され且つ前記酸化ガス流路に酸化ガスを供給する酸化ガス供給路及び当該酸化ガス流路から使用済みの酸化ガスと水とを排出する酸化ガス排出路をそれぞれ形成されたセパレータと、前記セルと前記セパレータとの配列方向外側に対をなすようにしてそれぞれ配設されて、当該セパレータの前記燃料ガス供給路に接続する燃料ガス供給口、当該セパレータの前記燃料ガス排出路に接続する燃料ガス排出口、当該セパレータの前記酸化ガス供給路に接続する酸化ガス供給口、当該セパレータの前記酸化ガス排出路に接続する酸化ガス排出口を、一方及び他方のいずれかにそれぞれ形成された集電板と、前記集電板の、前記配列方向外側に対をなすようにしてそれぞれ配設されて、前記集電板の前記燃料ガス供給口に接続する燃料ガス供給口、前記集電板の前記燃料ガス排出口に接続する燃料ガス排出口、前記集電板の前記酸化ガス供給口に接続する酸化ガス供給口、前記集電板の前記酸化ガス排出口に接続する酸化ガス排出口を、対応する前記集電板側のものにそれぞれ形成された絶縁板と、前記絶縁板の、前記配列方向外側に対をなすようにしてそれぞれ配設されて、前記絶縁板の前記燃料ガス供給口に接続する燃料ガス供給口、前記絶縁板の前記燃料ガス排出口に接続する燃料ガス排出口、前記絶縁板の前記酸化ガス供給口に接続する酸化ガス供給口、前記絶縁板の前記酸化ガス排出口に接続する酸化ガス排出口を、対応する前記絶縁板側のものにそれぞれ形成された締付板と、を有するスタックを備えている固体高分子形燃料電池において、前記酸化ガス排出口を形成された前記集電板と異なる前記集電板に、前記セパレータの前記酸化ガス排出路に接続する通水路が形成されると共に、前記酸化ガス排出口を形成された前記絶縁板及び前記締付板と異なる前記絶縁板及び前記締付板の少なくとも一つに、前記集電板の前記通水路に接続して水を貯留する貯水室が形成され、前記貯水室の内部に補強リブが設けられていることを特徴とする。

【0012】

第四番目の参考例の発明に係る固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質を燃料極及び酸化極で挟んだセルとセパレータとが交互に並ぶように複数配列されたスタックを備える固体高分子形燃料電池において、前記スタックは、前記各セルに燃料ガスを供給するように前記配列方向に接続する燃料ガス供給口と、前記各セルに酸化ガスを供給するように前記配列方向に接続する酸化ガス供給口と、使用済みの酸化ガス及び水を排出するように前記配列方向に接続する酸化ガス排出口とを有すると共に、前記配列方向一方の外側に位置する前記酸化ガス排出口が、前記スタックの外側へ接続し、前記配列方向他方の外側に位置する前記酸化ガス排出口が、水を貯留する貯水室へ接続し、前記配列方向に沿う直線を法線とする平面に沿った前記貯水室の断面積が、前記配列方向に沿う直線を法線とする平面に沿った前記酸化ガス排出口の断面積よりも大きいものであることを特徴とする。

【0013】

第五番目の発明に係る固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質を燃料極及び酸化極で挟んだセルとセパレータとが交互に並ぶように複数配列されたスタックを備える固体高分子形燃料電池において、前記スタックは、前記各セルに燃料ガスを供給するように前記配列方向に接続する燃料ガス供給口と、前記各セルに酸化ガスを供給するように前記配列方向に接続する酸化ガス供給口と、使用済みの燃料ガスを排出するように前記配列方向に接続する燃料ガス排出口とを有すると共に、前記配列方向一方の外側に位置する前記燃料ガス排出口が、前記スタックの外側へ接続し、前記配列方向他方の外側に位置する前記燃料ガス排出口が、水を貯留する貯水室へ接続し、前記配列方向に沿う直線を法線とする平面に沿った前記貯水室の断面積が、前記配列方向に沿う直線を法線とする平面に沿った前記燃料ガス排出口の断面積よりも大きいものであることを特徴とする。

【0014】

第六番目の参考例の発明に係る固体高分子形燃料電池は、第四番目又は第五番目の発明において、前記スタックは、前記配列方向他方の外側に配設される絶縁板又は締付板の少なくとも一方に前記貯水室が形成されたものであることを特徴とする。

【0015】

また、第１番目の発明に係る固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質を燃料極及び酸化極で挟んだセルと、前記セルと交互に並ぶように配設されて、当該セルの前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を一方面に形成され且つ前記酸化極に酸化ガスを供給する酸化ガス流路を他方面に形成されると共に、前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路及び当該燃料ガス流路から使用済みの燃料ガスを排出する燃料ガス排出路をそれぞれ形成され且つ前記酸化ガス流路に酸化ガスを供給する酸化ガス供給路及び当該酸化ガス流路から使用済みの酸化ガスと水とを排出する酸化ガス排出路をそれぞれ形成されたセパレータと、前記セルと前記セパレータとの配列方向外側に対をなすようにしてそれぞれ配設されて、当該セパレータの前記燃料ガス供給路に接続する燃料ガス供給口、当該セパレータの前記燃料ガス排出路に接続する燃料ガス排出口、当該セパレータの前記酸化ガス供給路に接続する酸化ガス供給口、当該セパレータの前記酸化ガス排出路に接続する酸化ガス排出口を、一方及び他方のいずれかにそれぞれ形成された集電板と、前記集電板の、前記配列方向外側に対をなすようにしてそれぞれ配設されて、前記集電板の前記燃料ガス供給口に接続する燃料ガス供給口、前記集電板の前記燃料ガス排出口に接続する燃料ガス排出口、前記集電板の前記酸化ガス供給口に接続する酸化ガス供給口、前記集電板の前記酸化ガス排出口に接続する酸化ガス排出口を、対応する前記集電板側のものにそれぞれ形成された絶縁板と、前記絶縁板の、前記配列方向外側に対をなすようにしてそれぞれ配設されて、前記絶縁板の前記燃料ガス供給口に接続する燃料ガス供給口、前記絶縁板の前記燃料ガス排出口に接続する燃料ガス排出口、前記絶縁板の前記酸化ガス供給口に接続する酸化ガス供給口、前記絶縁板の前記酸化ガス排出口に接続する酸化ガス排出口を、対応する前記絶縁板側のものにそれぞれ形成された締付板と、を有するスタックを備えている固体高分子形燃料電池において、前記酸化ガス排出口を形成された前記集電板と異なる前記集電板に、前記セパレータの前記酸化ガス排出路に接続する通水路が形成されると共に、前記酸化ガス排出口を形成された前記絶縁板及び前記締付板と異なる前記絶縁板及び前記締付板の少なくとも一つに、前記集電板の前記通水路に接続して水を貯留する貯水室が前記酸化ガス流路よりも下流側に形成されており、前記貯水室内の空間を前記配列方向を法線とする平面で切ったときの断面積が前記酸化ガス排出口のそれよりも大きいことを特徴とする。

【0016】

第２番目の発明に係る固体高分子形燃料電池は、第一番目の発明において、前記スタックの前記絶縁板の内部に前記貯水室が形成されていることを特徴とする。

【0017】

第３番目の発明に係る固体高分子形燃料電池は、固体高分子電解質を燃料極及び酸化極で挟んだセルと、前記セルと交互に並ぶように配設されて、当該セルの前記燃料極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路を一方面に形成され且つ前記酸化極に酸化ガスを供給する酸化ガス流路を他方面に形成されると共に、前記燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給路及び当該燃料ガス流路から使用済みの燃料ガスを排出する燃料ガス排出路をそれぞれ形成され且つ前記酸化ガス流路に酸化ガスを供給する酸化ガス供給路及び当該酸化ガス流路から使用済みの酸化ガスと水とを排出する酸化ガス排出路をそれぞれ形成されたセパレータと、前記セルと前記セパレータとの配列方向外側に対をなすようにしてそれぞれ配設されて、当該セパレータの前記燃料ガス供給路に接続する燃料ガス供給口、当該セパレータの前記燃料ガス排出路に接続する燃料ガス排出口、当該セパレータの前記酸化ガス供給路に接続する酸化ガス供給口、当該セパレータの前記酸化ガス排出路に接続する酸化ガス排出口を、一方及び他方のいずれかにそれぞれ形成された集電板と、前記集電板の、前記配列方向外側に対をなすようにしてそれぞれ配設されて、前記集電板の前記燃料ガス供給口に接続する燃料ガス供給口、前記集電板の前記燃料ガス排出口に接続する燃料ガス排出口、前記集電板の前記酸化ガス供給口に接続する酸化ガス供給口、前記集電板の前記酸化ガス排出口に接続する酸化ガス排出口を、対応する前記集電板側のものにそれぞれ形成された絶縁板と、前記絶縁板の、前記配列方向外側に対をなすようにしてそれぞれ配設されて、前記絶縁板の前記燃料ガス供給口に接続する燃料ガス供給口、前記絶縁板の前記燃料ガス排出口に接続する燃料ガス排出口、前記絶縁板の前記酸化ガス供給口に接続する酸化ガス供給口、前記絶縁板の前記酸化ガス排出口に接続する酸化ガス排出口を、対応する前記絶縁板側のものにそれぞれ形成された締付板と、を有するスタックを備えている固体高分子形燃料電池において、前記酸化ガス排出口を形成された前記集電板と異なる前記集電板に、前記セパレータの前記酸化ガス排出路に接続する通水路が形成されると共に、前記酸化ガス排出口を形成された前記絶縁板及び前記締付板と異なる前記絶縁板及び前記締付板の少なくとも一つに、前記集電板の前記通水路に接続して水を貯留する貯水室が前記酸化ガス流路よりも下流側に形成されており、前記貯水室の内部に補強リブが設けられていることを特徴とする。

【0018】

第４番目の発明に係る燃料電池は、固体高分子電解質を一対の電極で挟んだセルとセパレータとが交互に並ぶように複数配列されて積層されたスタックを含む燃料電池であって、前記スタックは、前記各セルに燃料ガスを供給するために前記配列方向に延びる燃料ガス供給用連通孔と、前記各セルに酸化ガスを供給するために前記配列方向に延びる酸化ガス供給用連通孔と、使用済みの酸化ガスと水を排出するために前記配列方向に延びる酸化ガス排出用連通孔とを少なくとも有し、前記酸化ガス排出用連通孔は前記配列方向一端が開放され、他端が閉塞されるとともに、前記他端に水を貯留する貯水室が形成されており、前記貯水室は前記酸化ガス排出用連通孔と連通し、前記貯水室内の空間を前記配列方向を法線とする平面で切ったときの断面積が前記酸化ガス排出用連通孔のそれよりも大きいことを特徴とする。

【0019】

第５番目の発明に係る燃料電池は、固体高分子電解質を一対の電極で挟んだセルとセパレータとが交互に並ぶように複数配列されて積層されたスタックを含む燃料電池であって、前記スタックは、前記各セルに燃料ガスを供給するために前記配列方向に延びる燃料ガス供給用連通孔と、前記各セルに酸化ガスを供給するために前記配列方向に延びる酸化ガス供給用連通孔と、使用済みの燃料ガスを排出するために前記配列方向に延びる燃料ガス排出用連通孔とを少なくとも有し、前記燃料ガス排出用連通孔は前記配列方向一端が開放され、他端が閉塞されるとともに、前記他端に水を貯留する貯水室が形成されており、前記貯水室は前記燃料ガス排出用連通孔と連通し、前記貯水室内の空間を前記配列方向を法線とする平面で切ったときの断面積が前記燃料ガス排出用連通孔のそれよりも大きいことを特徴とする。

【0020】

第６番目の発明に係る燃料電池は、第４番目又は第５番目の発明において、前記貯水室は、前記他端側に設けられた絶縁板または締付板の少なくとも一方に形成されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0021】

本発明に係る固体高分子形燃料電池、燃料電池によれば、スタックが揺動して、酸化ガス排出口を形成された締付板の高さ位置が、他の締付板の高さ位置よりも高くなるように傾斜すると、セパレータの酸化ガス排出路内の水が、貯水室内に流入して一旦貯留され、酸化ガス排出口を形成された締付板の高さ位置が、他の締付板の高さ位置よりも低くなるように傾斜すると、セパレータの酸化ガス排出路内の水及び貯水室内の水が、締付板の酸化ガス排出口からスタックの外部へ排出されることから、セパレータの酸化ガス流路内に水が貯まってしまうことを大きく抑制することができるので、水の滞留による発電性能の低下を簡単且つコンパクトな構造で抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明に係る燃料電池の主な実施形態のスタックの概略構成図である。

【図2】図１の一方の締付板の概略構成図である。

【図3】図１の一方の絶縁板の概略構成図である。

【図4】図１の一方の集電板の概略構成図である。

【図5】図１のセパレータの一方面側の概略構成図である。

【図6】図１のセパレータの他方面側の概略構成図である。

【図7】図１の他方の集電板の概略構成図である。

【図8】図１の他方の絶縁板の概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

本発明に係る燃料電池の実施形態を図面に基づいて説明するが、本発明は、図面に基づいて説明する以下の実施形態のみに限定されるものではない。

【0024】

〈主な実施形態〉
本発明に係る燃料電池の主な実施形態を図１〜８に基づいて説明する。

【0025】

本実施形態に係る燃料電池（例えば、固体高分子形燃料電池）は、図１に示すように、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質を、ガス透過性を有する燃料極及び酸化極で挟んだセル１１０及びシール材１０１と、水素ガス等の燃料ガスの流路を一方面に形成されて酸素ガス等の酸化ガスの流路を他方面に形成された導電性を有するセパレータ１２０とを交互に複数配列し、配列方向（図１中、左右方向）外側に対をなす集電板１３０，１４０及び絶縁板１５０，１６０をそれぞれ配設して、さらに配列方向（図１中、左右方向）外側に対をなす締付板１７０，１８０をそれぞれ配設して締付固定したスタック１００を備えてなっている。

【0026】

図２に示すように、一方（図１中、左側）の前記締付板１７０には、水素ガス等の燃料ガス１を供給する燃料ガス供給口１７１Ａと、酸素ガス等の酸化ガス２を供給する酸化ガス供給口１７１Ｂと、使用済みの燃料ガス１を排出する燃料ガス排出口１７２Ａと、使用済みの酸化ガス２及び生成した水３を排出する酸化ガス排出口１７２Ｂとがそれぞれ形成されている。

【0027】

図３に示すように、一方（図１中、左側）の前記絶縁板１５０には、前記締付板１７０の前記燃料ガス供給口１７１Ａに接続する燃料ガス供給口１５１Ａと、前記締付板１７０の前記酸化ガス供給口１７１Ｂに接続する酸化ガス供給口１５１Ｂと、前記締付板１７０の前記燃料ガス排出口１７２Ａに接続する燃料ガス排出口１５２Ａと、前記締付板１７０の前記酸化ガス排出口１７２Ｂに接続する酸化ガス排出口１５２Ｂとがそれぞれ形成されている。

【0028】

図４に示すように、一方（図１中、左側）の前記集電板１３０には、前記絶縁板１５０の前記燃料ガス供給口１５１Ａに接続する燃料ガス供給口１３１Ａと、前記絶縁板１５０の前記酸化ガス供給口１５１Ｂに接続する酸化ガス供給口１３１Ｂと、前記絶縁板１５０の前記燃料ガス排出口１５２Ａに接続する燃料ガス排出口１３２Ａと、前記絶縁板１５０の前記酸化ガス排出口１５２Ｂに接続する酸化ガス排出口１３２Ｂとがそれぞれ形成されている。

【0029】

図５，６に示すように、前記セパレータ１２０には、前記板１３０，１５０，１７０の前記燃料ガス供給口１３１Ａ，１５１Ａ，１７１Ａに接続する燃料ガス供給口（燃料ガス供給用連通孔）１２１Ａと、前記板１３０，１５０，１７０の前記酸化ガス供給口１３１Ｂ，１５１Ｂ，１７１Ｂに接続する酸化ガス供給口（酸化ガス供給用連通孔）１２１Ｂと、前記板１３０，１５０，１７０の前記燃料ガス排出口１３２Ａ，１５２Ａ，１７２Ａに接続する燃料ガス排出口１２２Ａと、前記板１３０，１５０，１７０の前記酸化ガス排出口１３２Ｂ，１５２Ｂ，１７２Ｂに接続する酸化ガス排出口（酸化ガス排出用連通孔）１２２Ｂとがそれぞれ形成されている。

【0030】

また、図５に示すように、前記セパレータ１２０の一方面には、前記セル１１０の燃料極に水素ガス等の燃料ガス１を供給する燃料ガス流路１２３Ａと、前記燃料ガス供給口１２１Ａと前記燃料ガス流路１２３Ａとを接続する燃料ガス供給マニホールド１２４Ａと、前記燃料ガス排出口１２２Ａと前記燃料ガス流路１２３Ａとを接続する燃料ガス排出マニホールド１２５Ａとがそれぞれ形成されている。

【0031】

また、図６に示すように、前記セパレータ１２０の他方面には、前記セル１１０の酸化極に酸素ガス等の酸化ガス２を供給する酸化ガス流路１２３Ｂと、前記酸化ガス供給口１２１Ｂと前記酸化ガス流路１２３Ｂとを接続する酸化ガス供給マニホールド１２４Ｂと、前記酸化ガス排出口１２２Ｂと前記酸化ガス流路１２３Ｂとを接続する酸化ガス排出マニホールド１２５Ｂとがそれぞれ形成されている。

【0032】

なお、本実施形態では、前記燃料ガス供給口１２１Ａ及び前記燃料ガス供給マニホールド１２４Ａによりセパレータの燃料ガス供給路を構成し、前記燃料ガス排出口１２２Ａ及び前記燃料ガス排出マニホールド１２５Ａによりセパレータの燃料ガス排出路を構成し、前記酸化ガス供給口１２１Ｂ及び前記酸化ガス供給マニホールド１２４Ｂによりセパレータの酸化ガス供給路を構成し、前記酸化ガス排出口１２２Ｂ及び前記酸化ガス排出マニホールド１２５Ｂによりセパレータの酸化ガス排出路を構成している。

【0033】

図７に示すように、他方（図１中、右側）の前記集電板１４０には、前記セパレータ１２０の前記酸化ガス排出口１２２Ｂに接続する通水口１４２Ｂが形成されている。

【0034】

図１，８に示すように、他方（図１中、右側）の前記絶縁板１６０には、水３を貯留する貯水室１６３Ｂが内部に形成されると共に、前記集電板１４０の前記通水口１４２Ｂに前記貯水室１６３Ｂを接続する接続口１６２Ｂが形成されている。

【0035】

他方の前記絶縁板１６０は、一方の前記絶縁板１５０と同様に、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）等のような絶縁性や高剛性や加工容易性等を有する材料からなり、内部に十分な大きさの前記貯水室１６３Ｂを形成できるように、一方の前記絶縁板１５０よりも厚さが大きくなっている。

【0036】

このようなスタック１００を備えた本実施形態に係る燃料電池においては、当該スタック１００の前記締付板１７０の前記燃料ガス供給口１７１Ａに水素ガス等の燃料ガス１を供給すると共に、当該締付板１７０の前記酸化ガス供給口１７１Ｂに酸素ガス等の酸化ガス２を供給すると、上記燃料ガス１が、前記絶縁板１５０の前記燃料ガス供給口１５１Ａ及び前記集電板１３０の前記燃料ガス供給口１３１Ａを介して各前記セパレータ１２０の前記燃料ガス供給口１２１Ａを流通し、各前記セパレータ１２０の前記燃料ガス供給マニホールド１２４Ａ内に流入して前記燃料ガス流路１２３Ａ内を流れて各セル１１０の燃料極に供給されると共に、上記酸化ガス２が、前記絶縁板１５０の前記酸化ガス供給口１５１Ｂ及び前記集電板１３０の前記酸化ガス供給口１３１Ｂを介して各前記セパレータ１２０の前記酸化ガス供給口１２１Ｂを流通し、各前記セパレータ１２０の前記酸化ガス供給マニホールド１２４Ｂ内に流入して前記酸化ガス流路１２３Ｂ内を流れて各セル１１０の酸化極に供給されることにより、上記燃料ガス１中の水素と上記酸化ガス２中の酸素とが当該セル１１０で電気化学的に反応して、当該セル１１０の酸化極側に水３が生じると共に、前記集電板１３０，１４０を介して外部に給電することができる。

【0037】

前記セル１１０で上記電気化学反応に寄与しなかった残りの前記燃料ガス１は、前記セパレータ１２０の前記燃料ガス流路１２３Ａから前記燃料ガス排出マニホールド１２５Ａ内に流入して前記燃料ガス排出口１２２Ａ内を流れ、前記集電板１３０の前記燃料ガス排出口１３２Ａ及び前記絶縁板１５０の前記燃料ガス排出口１５２Ａを介して前記締付板１７０の前記燃料ガス排出口１７２Ａから前記スタック１００の外部へ排出される。

【0038】

また、前記セル１１０で上記電気化学反応に寄与しなかった残りの前記酸化ガス２は、上記電気化学反応に伴って生成した水３と共に、前記セパレータ１２０の前記酸化ガス流路１２３Ｂから前記酸化ガス排出マニホールド１２５Ｂ内に流入して前記酸化ガス排出口１２２Ｂ内を流れ、前記集電板１３０の前記酸化ガス排出口１３２Ｂ及び前記絶縁板１５０の前記酸化ガス排出口１５２Ｂを介して前記締付板１７０の前記酸化ガス排出口１７２Ｂから前記スタック１００の外部へ排出される。

【0039】

このようなスタック１００を備えた本実施形態に係る燃料電池を、例えば、水中を移動する水中航行体に搭載して、水の振動等によって当該水中航行体に周期的な揺れを生じて、上記スタック１００が、例えば、図１中、左右方向に周期的な揺れを発生して、一方（図１中、左側）の前記締付板１７０の高さ位置が他方（図１中、右側）の前記締付板１８０の高さ位置よりも高くなるように傾斜してしまうと、前記セパレータ１２０の前記酸化ガス排出マニホールド１２５Ｂ及び前記酸化ガス排出口１２２Ｂ並びに一方（図１中、左側）の前記板１３０，１５０，１７０の前記酸化ガス排出口１３２Ｂ，１５２Ｂ，１７２Ｂ内の水３は、他方（図１中、右側）の前記集電板１４０の前記通水口１４２Ｂを介して他方（図１中、右側）の前記絶縁板１６０の前記接続口１６２Ｂから前記貯水室１６３Ｂ内に流入して一旦貯留される。

【0040】

そして、前記スタック１００が、他方（図１中、右側）の前記締付板１８０の高さ位置が一方（図１中、左側）の前記締付板１７０の高さ位置よりも高くなるように傾斜すると、他方の前記絶縁板１６０の前記貯水室１６３Ｂの内部に一旦貯留された前記水３は、前記接続口１６２Ｂから他方（図１中、右側）の前記集電板１４０の前記通水口１４２Ｂを介して前記セパレータ１２０の前記酸化ガス排出口１２２Ｂを流通し、一方（図１中、左側）の前記板１３０，１５０，１７０の前記酸化ガス排出口１３２Ｂ，１５２Ｂ，１７２Ｂを介して外部へ排出される。

【0041】

以下、上記揺動周期に対応して、上記水３は、他方（図１中、左側）の前記絶縁板１６０の前記貯水室１６３Ｂ内への一時貯留と、一方（図１中、右側）の前記板１３０，１５０，１７０の前記酸化ガス排出口１３２Ｂ，１５２Ｂ，１７２Ｂからの外部への排出とが交互に繰り返される。

【0042】

つまり、本実施形態に係る前記スタック１００においては、周期的な揺動により一方（図１中、左側）の前記板１３０，１５０，１７０の前記酸化ガス排出口１３２Ｂ，１５２Ｂ，１７２Ｂから外部に水３を排出できないときに、他方（図１中、右側）の前記絶縁板１６０の内部に形成した前記貯水室１６３Ｂ内に水３を一旦貯留し、一方（図１中、左側）の上記板１３０，１５０，１７０の上記酸化ガス排出口１３２Ｂ，１５２Ｂ，１７２Ｂから外部に水３を排出できるときに、他方（図１中、右側）の上記絶縁板１６０の上記貯水室１６３Ｂ内に一旦貯留した水３が排出されるようにしたのである。

【0043】

このため、本実施形態に係る前記スタック１００では、前記セパレータ１２０の前記酸化ガス排出マニホールド１２５Ｂ及び前記酸化ガス排出口１２２Ｂ並びに前記板１３０，１５０，１７０の前記酸化ガス排出口１３２Ｂ，１５２Ｂ，１７２Ｂ内に水３が貯まってしまうことを大きく抑制することができる。

【0044】

したがって、本実施形態に係る燃料電池によれば、水３の滞留による発電性能の低下を簡単且つコンパクトな構造で抑制することができる。

【0045】

また、前記貯水室１６３Ｂが前記絶縁板１６０の内部に形成されているので、当該貯水室１６３Ｂに対して電気的な腐食防止加工を省略することができる。

【0046】

ここで、図１に示すように、前記スタック１００の他方（図１中、右側）の前記絶縁板１６０に最も近い位置に位置する前記セル１１０の前記燃料極又は前記酸化極の下端部を通る線（面）Ｆと水平線（面）Ｌとのなす角度θが、前記スタック１００の前記揺動周期における最大傾斜角となったときに、当該絶縁板１６０の前記貯水室１６３Ｂの上面１６３Ｂａが上記線（面）Ｆよりも上方に位置するように、当該貯水室１６３Ｂは、その高さＨが設定される。

【0047】

また、前記スタック１００の単位時間当たりの水３の生成量をＱとし、前記スタック１００の揺動の一周期に要する時間をＣとし、前記スタック１００の前記絶縁板１６０の前記貯水室１６３Ｂの内部容積をＶとすると、当該貯水室１６３Ｂは、下記の式（１）を満足できるように、その厚さＴと高さＨと幅Ｗとが設定される。

【0048】

Ｖ＞α×Ｑ×Ｃ （１）
ただし、αは余裕係数であり、任意に設定される１以上の数値である。

【0049】

このとき、上記高さＨ及び上記幅Ｗは、その最大値が、前記セル１１０の大きさ等に基づく前記絶縁板１６０の大きさから自ずと決まるので、上記厚さＴを、上記条件を満足し得る最小値に設定することにより、前記絶縁板１６０は、その厚さの増加が必要最小限に抑えられる。

【0050】

また、前記貯水室１６３Ｂの内部に補強リブを設けると、前記絶縁板１６０の強度を高めることができ、当該絶縁板１６０の厚さの増加をさらに抑えることができるので、好ましい。

【0051】

〈他の実施形態〉
なお、前述した実施形態においては、前記絶縁板１６０に前記貯水室１６３Ｂを形成した前記スタック１００を備えた燃料電池の場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、前記絶縁板１６０の前記貯水室１６３Ｂに代えて、他方の前記締付板１８０に、前記絶縁板１６０の前記接続口１６２Ｂに接続する接続口を形成して当該締付板１８０の内部に貯水室を形成することや、前記絶縁板１６０に前記貯水室１６３Ｂを設けると共に前記締付板１８０にも上記貯水室を設けるようにすることも可能である。

【0052】

ここで、前記締付板１８０に前記貯水室を設ける場合、当該締付板１８０が金属材料からなることから、電気的な腐食を防止するコーティング等を当該貯水室の内壁面に施工すると、好ましい。

【0053】

また、前述した実施形態においては、一方の前記板１３０，１５０，１７０にすべての前記口１３１Ａ，１３１Ｂ，１３２Ａ，１３２Ｂ，１５１Ａ，１５１Ｂ，１５２Ａ，１５２Ｂ，１７１Ａ，１７１Ｂ，１７２Ａ，１７２Ｂを形成するようにしたが、他の実施形態として、例えば、一方の前記板１３０，１５０，１７０に前記供給口１３１Ａ，１３１Ｂ，１５１Ａ，１５１Ｂ，１７１Ａ，１７１Ｂのみを形成して他方の前記板１４０，１６０，１８０に燃料ガス排出口及び酸化ガス排出口をそれぞれ形成し、一方の前記集電板１４０に通水口を形成すると共に一方の前記絶縁板１５０や前記締付板１７０に接続口及び貯水室を形成するようにすることも可能である。

【0054】

つまり、酸化ガス排出口を形成された絶縁板や締付板と異なる絶縁板や締付板に貯水室等を形成するのである。

【0055】

また、上述した電気化学反応によって発生する水３は、前記セル１１０の酸化極側がほとんどであることから、前述した実施形態においては、前記貯水室を酸化ガス排出口に接続するように前記絶縁板等に形成するようにしたが、各種条件等によっては、前記セル１１０の燃料極側にも水３が生成してしまう場合があることから、他の実施形態として、例えば、燃料ガス排出口に接続する貯水室を前記絶縁板等にさらに形成するようにすることも可能である。

【産業上の利用可能性】

【0056】

本発明に係る固体高分子形燃料電池、燃料電池は、水の滞留による発電性能の低下を簡単且つコンパクトな構造で抑制することができるので、産業上、極めて有益に利用することができる。

【符号の説明】

【0057】

１ 燃料ガス
２ 酸化ガス
３ 水
１００ スタック
１０１ シール材
１１０ セル
１２０ セパレータ
１２１Ａ 燃料ガス供給口
１２１Ｂ 酸化ガス供給口
１２２Ａ 燃料ガス排出口
１２２Ｂ 酸化ガス排出口
１２３Ａ 燃料ガス流路
１２３Ｂ 酸化ガス流路
１２４Ａ 燃料ガス供給マニホールド
１２４Ｂ 酸化ガス供給マニホールド
１２５Ａ 燃料ガス排出マニホールド
１２５Ｂ 酸化ガス排出マニホールド
１３０ 集電板
１３１Ａ 燃料ガス供給口
１３１Ｂ 酸化ガス供給口
１３２Ａ 燃料ガス排出口
１３２Ｂ 酸化ガス排出口
１４０ 集電板
１４２Ｂ 通水口（通水路）
１５０ 絶縁板
１５１Ａ 燃料ガス供給口
１５１Ｂ 酸化ガス供給口
１５２Ａ 燃料ガス排出口
１５２Ｂ 酸化ガス排出口
１６０ 絶縁板
１６２Ｂ 接続口
１６３Ｂ 貯水室
１７０ 締付板
１７１Ａ 燃料ガス供給口
１７１Ｂ 酸化ガス供給口
１７２Ａ 燃料ガス排出口
１７２Ｂ 酸化ガス排出口
１８０ 締付板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】