特開 2024-86123 燃料電池ユニットおよび電源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024086123

(43)【公開日】2024-06-27

(54)【発明の名称】燃料電池ユニットおよび電源装置

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/241 20160101AFI20240620BHJP

   H01M 8/2465 20160101ALI20240620BHJP

   H01M 8/04014 20160101ALI20240620BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20240620BHJP

   H01M 8/04701 20160101ALI20240620BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20240620BHJP

【ＦＩ】

H01M8/241

H01M8/2465

H01M8/04014

H01M8/04 J

H01M8/04701

H01M8/04746

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022201080

(22)【出願日】2022-12-16

(71)【出願人】

【識別番号】000103921

【氏名又は名称】オリオン機械株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100104787

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 伸司

(72)【発明者】

【氏名】北條 芙美

(72)【発明者】

【氏名】高井 希紗

(72)【発明者】

【氏名】中根 孝浩

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126AA22

5H126AA23

5H126BB06

5H126DD05

5H126EE03

5H126EE11

5H126JJ03

5H127AA06

5H127AC15

5H127BA02

5H127BA22

5H127BB02

5H127BB12

5H127BB37

5H127DC22

5H127DC72

5H127EE03

(57)【要約】

【課題】温度調整用流体との熱交換による積層体の温度調整効率を十分に向上させる。
【解決手段】セパレータ２１，２２およびＭＥＡ２３を少なくとも含む複数の被積層物を積層したセル積層体１１と、セル積層体１１の両端に配設された一対のエンドプレート１２，１２とを備え、両プレート１２，１２の間において各被積層物が互いに密着させられ、かつ両プレート１２，１２に対してセル積層体１１が密着させられると共に、積層体１１に接して積層体１１との熱交換によって積層体１１の温度を調整する空気を積層体１１における被積層物の一辺に沿って通過させる導風路Ｌを積層体１１との間に形成する導風板１３が積層体１１に並設され、積層体１１は、積層体１１の外周面において導風板１３と対向する第１の対向部に凸状部１１ａおよび凹状部１１ｂが各被積層物の積層方向において交互に存在するように各被積層物が積層されている。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃料電池用セパレータおよび燃料電池用膜電極接合体を少なくとも含む平面視Ｎ角形状（Ｎは、３以上の自然数）で平板状の複数の被積層物を積層したＮ角柱状の積層体と、
前記積層体の両端に配設された一対の基板とを備え、
前記両基板の間において前記各被積層物が互いに密着させられると共に当該両基板に対して前記積層体が密着させられた燃料電池ユニットであって、
前記積層体に接して当該積層体との熱交換によって当該積層体の温度を調整する温度調整用流体を当該積層体における前記被積層物の一辺に沿って通過させる流路を当該積層体との間に形成する流路形成部材が当該積層体に並設され、
前記積層体は、前記積層体の外周面において前記流路形成部材と対向する第１の対向部に、当該各被積層物の板面方向における外側に向かって突出した凸状部、および当該板面方向における内側に向かって凹んだ凹状部が当該各被積層物の積層方向において交互に存在するように当該各被積層物が積層されている燃料電池ユニット。

【請求項2】

前記流路形成部材は、前記積層体と対向する第２の対向部に、前記第１の対向部に接する当接部が形成されている請求項１記載の燃料電池ユニット。

【請求項3】

前記流路形成部材において前記積層体と対向する第２の対向部と、前記凸状部の突端との第１の離間距離、および当該第２の対向部と、前記凹状部の底部との第２の離間距離の少なくとも一方が、前記流路における前記温度調整用流体の通過方向における下流側ほど大きくなるように当該積層体および当該流路形成部材が構成されている請求項１記載の燃料電池ユニット。

【請求項4】

請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池ユニットと、
前記温度調整用流体を移動させる流体移動機構とを備え、
前記流体移動機構によって移動させられて前記流路を通過させられる前記温度調整用流体によって前記積層体の温度を調整しつつ、前記燃料電池ユニットによって発電した電力を外部装置に供給可能に構成されている電源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池用セパレータおよび燃料電池用膜電極接合体を少なくとも含む複数の被積層物を積層した積層体が一対の基板の間に挟み込まれた燃料電池ユニット、およびそのような燃料電池ユニットを備えて供給対象に電力を供給可能に構成された電源装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

例えば、下記の特許文献には、固体高分子型燃料電池システム（以下、単に「燃料電池システム」ともいう）の発明が開示されている。この燃料電池システムでは、積層型の電池スタック、クロスフローファンおよび軸流ファンがケース内に収容されると共に、水素ガスが収容された燃料ボンベがケース外に配設されている。

【0003】

電池スタックは、金属セパレータを介して複数の単位電池セルが積層された電池集合体を２組備えて構成されている。この場合、この燃料電池システムでは、ヒートシンク部を一体に形成したヒートシンク一体型の金属セパレータを備えて電池スタックが構成されている。クロスフローファンは、電池スタックの各金属セパレータにおける一方のヒートシンク部と対向するように配置されている。軸流ファンは、電池スタック電池スタックを挟んでクロスフローファンと対向し、かつ金属セパレータにおける他方のヒートシンク部と対向するように配置されている。

【0004】

この燃料電池システムでは、クロスフローファンが、ケースに設けられた吸気口から吸入した冷却用の空気を電池スタック（金属セパレータにおける一方の各ヒートシンク部）に向けて送風すると共に、軸流ファンが、電池スタック側から空気を吸い込み、ケースに設けられた排気口からケース外に排気する。これにより、電池スタックの過剰な温度上昇が回避されて、発電効率の低下や単位電池セルの破損を防止することが可能となっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１０－０５５８３２号公報（第６－１２頁、第１－９図）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ところが、上記特許文献に開示の燃料電池システムには、以下のような解決すべき問題点が存在する。具体的には、上記特許文献に開示の燃料電池システムでは、電池スタック（金属セパレータ）における一方のヒートシンク部に対向配置されたクロスフローファンによって吸入口からケース外の空気を吸い込んで一方のヒートシンク部に向けて送風すると共に、電池スタック（金属セパレータ）における他方のヒートシンク部に対向配置された軸流ファンによって電池スタックの近傍の空気を吸い込んでケース外に排気口から排気することで、電池スタックの過剰な温度上昇を回避する構成が採用されている。

【0007】

この場合、クロスフローファンによって送風された空気は、電池スタック（一方のヒートシンク部）に接して一方のヒートシンク部との熱交換によってこれを冷却しつつ、電池スタックにおける一方のヒートシンクの形成面に沿ってケース内を移動して電池スタックから離脱する。このため、上記特許文献に開示の燃料電池システムでは、クロスフローファンによって送風された空気の進行方向が電池スタックに接した後に変化させられることに起因して、ケース内に冷却用の空気の乱流が生じる結果、クロスフローファンによって順次吸い込まれる空気を電池スタックにおける一方のヒートシンクに好適に接触させるのが困難となっている。

【0008】

また、上記特許文献に開示の燃料電池システムでは、軸流ファンによってケース内の空気をケース外に排気するときに、電池スタックにおける他方のヒートシンクに接してこれを冷却した空気の流れに引き摺られるようにして、他方のヒートシンクに接していない空気が排気されてしまう。このように、上記特許文献に開示の燃料電池システムでは、クロスフローファンによる吸気、および軸流ファンによる排気による電池スタックの冷却効率を向上させるのが困難となっている現状があり、これを解決する必要がある。

【0009】

本発明は、かかる解決すべき問題点に鑑みてなされたものであり、温度調整用流体との熱交換による積層体の温度調整効率を十分に向上させ得る燃料電池ユニット、およびそのような燃料電池ユニットを備えた電源装置を提供することを主目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記目的を達成すべく、請求項１記載の燃料電池ユニットは、燃料電池用セパレータおよび燃料電池用膜電極接合体を少なくとも含む平面視Ｎ角形状（Ｎは、３以上の自然数）で平板状の複数の被積層物を積層したＮ角柱状の積層体と、前記積層体の両端に配設された一対の基板とを備え、前記両基板の間において前記各被積層物が互いに密着させられると共に当該両基板に対して前記積層体が密着させられた燃料電池ユニットであって、前記積層体に接して当該積層体との熱交換によって当該積層体の温度を調整する温度調整用流体を当該積層体における前記被積層物の一辺に沿って通過させる流路を当該積層体との間に形成する流路形成部材が当該積層体に並設され、前記積層体は、前記積層体の外周面において前記流路形成部材と対向する第１の対向部に、当該各被積層物の板面方向における外側に向かって突出した凸状部、および当該板面方向における内側に向かって凹んだ凹状部が当該各被積層物の積層方向において交互に存在するように当該各被積層物が積層されている。

【0011】

請求項２記載の燃料電池ユニットは、請求項１記載の燃料電池ユニットにおいて、前記流路形成部材は、前記積層体と対向する第２の対向部に、前記第１の対向部に接する当接部が形成されている。

【0012】

請求項３記載の燃料電池ユニットは、請求項１記載の燃料電池ユニットにおいて、前記流路形成部材において前記積層体と対向する第２の対向部と、前記凸状部の突端との第１の離間距離、および当該第２の対向部と、前記凹状部の底部との第２の離間距離の少なくとも一方が、前記流路における前記温度調整用流体の通過方向における下流側ほど大きくなるように当該積層体および当該流路形成部材が構成されている。

【0013】

請求項４記載の電源装置は、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池ユニットと、前記温度調整用流体を移動させる流体移動機構とを備え、前記流体移動機構によって移動させられて前記流路を通過させられる前記温度調整用流体によって前記積層体の温度を調整しつつ、前記燃料電池ユニットによって発電した電力を外部装置に供給可能に構成されている。

【発明の効果】

【0014】

請求項１記載の燃料電池ユニットでは、積層体に接して積層体との熱交換によって積層体の温度を調整する温度調整用流体を積層体における被積層物の一辺に沿って通過させる流路を積層体との間に形成する流路形成部材が積層体に並設され、積層体の外周面において流路形成部材と対向する第１の対向部に、各被積層物の板面方向における外側に向かって突出した凸状部、および板面方向における内側に向かって凹んだ凹状部が各被積層物の積層方向において交互に存在するように各被積層物が積層されている。また、請求項４記載の電源装置では、上記の燃料電池ユニットを備えて構成されている。

【0015】

したがって、請求項１記載の燃料電池ユニット、および請求項４記載の電源装置によれば、流路内に吸引される温度調整用流体が、積層体に接する位置から大きく離脱することなく、積層体における各被積層物の一辺に沿って流路内をスムースに移動させられるため、流路内において積層体と温度調整用流体とが好適に熱交換される結果、積層体を効率よく温度調整することができる。また、積層体における第１の対向部に凸状部や凹状部が存在しない構成と比較して、流路内における積層体の表面積が十分に広くなっており、積層体と温度調整用流体との熱交換効率が十分に向上するため、積層体を一層効率よく温度調整することができる。

【0016】

請求項２記載の燃料電池ユニット、およびそのような燃料電池ユニットを備えた電源装置によれば、流路形成部材の積層体と対向する第２の対向部に、第１の対向部に接する当接部を形成したことにより、積層体における第１の対向面（凸状部の突端）と流路形成部材における第２の対向部とが当接部の高さよりも短い距離に近接した状態となることがないため、燃料電池ユニット（電源装置）に振動や衝撃が加わったとしても、流路の有効断面積が過剰に小さくなる事態を回避することができる。これにより、冷却用の温度調整用流体をスムースに通過させることが可能な状態を維持することができる。

【0017】

請求項３記載の燃料電池ユニット、およびそのような燃料電池ユニットを備えた電源装置によれば、流路形成部材において積層体と対向する第２の対向部と、凸状部の突端との第１の離間距離、および第２の対向部と、凹状部の底部との第２の離間距離の少なくとも一方が、流路における温度調整用流体の通過方向における下流側ほど大きくなるように積層体および流路形成部材を構成したことにより、流路の有効断面積が上流側から下流側に向かって徐々に大きくなり、流路内の温度調整用流体の通過速度が上流側から下流側に移動するほど徐々に低下する状態となるため、流路の下流側においても積層体と温度調整用流体とを十分に熱交換させることが可能となり、これにより、積層体の第１の対向部における温度調整用流体の通過方法の上流側から下流側まで確実に温度調整することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】電源装置１の構成図である。

【図2】燃料電池ユニット２の断面図である。

【図3】図２におけるＢ１－Ｂ１線断面図である。

【図4】図２におけるＢ２－Ｂ２線断面図である。

【図5】セル積層体１１の拡大断面図である。

【図6】図３，４におけるＣ１－Ｃ１線断面図である。

【図7】図３，４におけるＣ２－Ｃ２線断面図である。

【図8】図３，４におけるＣ３－Ｃ３線断面図である。

【図9】燃料電池ユニット２Ａの断面図である。

【図10】燃料電池ユニット２Ｂの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、添付図面を参照して、燃料電池ユニットおよび電源装置の実施の形態について説明する。

【0020】

図１に示す電源装置１は、「電源装置」の一例であって、発電用の気体（一例として、水素ガスおよび空気（大気：酸素））が供給されることによって電力を生じさせて各種の供給対象に対して供給することができるように構成されている。具体的には、電源装置１は、燃料電池ユニット２、水素ガス供給部３、吸引ポンプ４，５ａ、ファン５ｂ、インバータ６および制御部７を備えて構成されている。

【0021】

燃料電池ユニット２は、「燃料電池ユニット」の一例であって、図２～４に示すように、セル積層体１１、エンドプレート１２，１２、導風板１３，１３およびボルト１４，１４・・を備えて構成されている。また、セル積層体１１は、「積層体」の一例であって、図５に示すように、セパレータ２１，２２、ＭＥＡ２３およびセパレータ２４が積層されて両エンドプレート１２，１２の間に挟み込まれている。なお、図２～５では、燃料電池ユニット２の構成に関する理解を容易とするために、各セパレータ２１，２２，２４やＭＥＡ２３の厚みを厚く図示すると共に、エンドプレート１２，１２間に挟み込まれた各セパレータ２１，２２，２４やＭＥＡ２３の枚数についても実際の枚数よりも少なく図示している。

【0022】

セパレータ２１は、「燃料電池用セパレータ」の一例であるメタルセパレータであって、複数のスリットが形成されたプレート２１ａと、プレート２１ａの各スリットを連通させる複数の貫通孔が形成されたプレート２１ｂと、プレート２１ｂの各貫通孔を閉塞するプレート２０ａとを備え、プレート２１ａのスリットおよびプレート２１ｂの貫通孔によって水素ガスの流路（溝部）が形成されるように各プレート２１ａ，２１ｂ，２０ａが積層されている。

【0023】

セパレータ２２は、「燃料電池用セパレータ」の他の一例であるメタルセパレータであって、複数のスリットが形成されたプレート２２ａと、プレート２２ａの各スリットを連通させる複数の貫通孔が形成されたプレート２２ｂと、プレート２２ｂの各貫通孔を閉塞するプレート２０ｂとを備え、プレート２２ａのスリットおよびプレート２２ｂの貫通孔によって水素ガスと反応させる空気の流路（溝部）が形成されるように各プレート２２ａ，２２ｂ，２０ｂが積層されている。

【0024】

ＭＥＡ２３は、「燃料電池用膜電極接合体」の一例であって、電解質部２３ａ（電解質膜）を挟んで燃料極部２３ｂ（触媒層およびガス拡散層）と空気極部２３ｃ（触媒層およびガス拡散層）とが設けられている。この場合、本例の燃料電池ユニット２では、燃料極部２３ｂおよび空気極部２３ｃを囲むようにして枠状のガスケット２３ｄが配設されて、電解質部２３ａとセパレータ２１，２２（プレート２１ａ，２２ａ）との間にガスケット２３ｄが挟み込まれるようにしてＭＥＡ２３がセパレータ２１，２２の間に配設される構成が採用されている。

【0025】

セパレータ２４は、セパレータ２１，２２およびＭＥＡ２３の温度を調整する温度調整用流体（一例として、空気（大気））の通過が可能に構成されたメタルセパレータであって、複数のスリットが形成されたプレート２４ａと、プレート２４ａの各スリットを連通させる複数の貫通孔が形成されたプレート２４ｂと、プレート２４ｂの各貫通孔を閉塞するプレート２０ａとを備え、プレート２４ａのスリットおよびプレート２４ｂの貫通孔によって温度調整用流体の流路（溝部）が形成されるように各プレート２４ａ，２４ｂ，２０ａが積層されている。

【0026】

この場合、本例の燃料電池ユニット２では、一例として、セパレータ２１，２４において１枚のプレート２０ａを共用する構成が採用されているが、セパレータ２１のプレート２０ａに代えて、セパレータ２２のプレート２０ｂをセパレータ２２，２４で共用する構成を採用することもできる。また、セパレータ２４のプレート２０ａに代えて、セパレータ２１のプレート２０ａやセパレータ２２のプレート２０ｂと同様の専用のプレートを配設して構成することもできる。

【0027】

なお、本例の燃料電池ユニット２では、上記の各プレート２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ａや電解質部２３ａ、燃料極部２３ｂおよび空気極部２３ｃがそれぞれ「平面視Ｎ角形状で平板状の被積層物」に相当し、本例では、一例として、これらの「被積層物」が、それぞれＮ＝４角形状に形成されて、その積層物であるセル積層体１１がＮ＝４角柱状に形成されている。

【0028】

エンドプレート１２は、「積層体の両端に配設された一対の基板」の一例であって、図２～４に示すように、上記の各プレート２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ａよりも十分に厚みのある平板状に形成されてセル積層体１１の両端に配設されている。この場合、本例の燃料電池ユニット２では、両エンドプレート１２，１２の間にセル積層体１１が挟み込まれた状態においてボルト１４，１４・・によってエンドプレート１２，１２を互いに接近する方向（セル積層体１１における「被積層物」の積層方向）に引き寄せることで、エンドプレート１２，１２の間において各「被積層物」が互いに密着させられると共にエンドプレート１２，１２に対してセル積層体１１が密着させられた状態となるように構成されている。

【0029】

導風板１３は、「流路形成部材」に相当し、一例として、エンドプレート１２，１２の間に挟み込まれるようにしてセル積層体１１に並設されている。この導風板１３は、セル積層体１１に接してセル積層体１１との熱交換によってセル積層体１１の温度を調整する「温度調整用流体（一例として、空気（大気））」を、セル積層体１１における「被積層物」の一辺に沿って通過させる導風路Ｌ（「流路」の一例）をセル積層体１１との間に形成する。また、本例の燃料電池ユニット２では、導風板１３の両端にボルト１４をねじ込み可能なねじ孔が設けられており、前述のエンドプレート１２を挿通させたボルト１４を導風板１３に対してねじ込むことで両エンドプレート１２を互いに引き寄せて接近させることが可能に構成されている。

【0030】

この場合、図５に示すように、本例の燃料電池ユニット２では、上記のセル積層体１１の外周面において導風板１３と対向する部位（図３，４に示すセル積層体１１における上側部位および下側部位：「第１の対向部」の一例）に、セル積層体１１を構成する各「被積層物」の板面方向における外側に向かって突出した凸状部１１ａ、および「被積層物」の板面方向における内側に向かって凹んだ凹状部１１ｂが各「被積層物」の積層方向（図３～５における左右方向）において交互に存在するように各「被積層物」が積層されてセル積層体１１が構成されている。

【0031】

具体的には、本例の燃料電池ユニット２では、一例として、前述のプレート２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２２ａ，２４ａおよびＭＥＡ２３（電解質部２３ａおよびガスケット２３ｄ）が、プレート２１ｂ，２２ｂ，２４ｂよりも大きく形成されており、これらの被積層物が積層されることで、前述のプレート２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２２ａ，２４ａおよびＭＥＡ２３（電解質部２３ａおよびガスケット２３ｄ）によってＮ＝４角柱状のセル積層体１１における対向する２つの側面（２つの「「第１の対向部」）に凸状部１１ａが形成され、かつプレート２１ｂ，２２ｂ，２４ｂによって凹状部１１ｂの底部が形成されている。

【0032】

また、図３，４，６に示すように、本例の燃料電池ユニット２では、導風板１３においてセル積層体１１の外周面（第１の対向部）と対向する部位（「第２の対向部」の一例）に、セル積層体１１の「第１の対向部」に接する当接部１３ａ（「当接部」の一例）が複数形成されている。具体的には、本例の燃料電池ユニット２では、一例として、セル積層体１１に並設された状態の導風板１３における「被積層物の積層方向」の両端および中央部の３カ所に当接部１３ａがそれぞれ形成され、これらの突端がセル積層体１１における「第１の対向部（凸状部１１ａの突端）」に接するように導風板１３がセル積層体１１に並設されている。

【0033】

さらに、図７，８に示すように、本例の燃料電池ユニット２では、導風板１３における「第２の対向部」の当接部１３ａ以外の部位がほぼ平坦に形成されている。これにより、本例の燃料電池ユニット２では、導風板１３の「第２の対向部」と、セル積層体１１における凸状部１１ａの突端との離間距離Ｄ１（図７参照：「第１の離間距離」の一例）よりも、導風板１３の「第２の対向部」と、凹状部１１ｂの底部との離間距離Ｄ２ａ～Ｄ２ｂ（図８参照：「第２の離間距離」の一例）の方が大きくなるように形成されている。

【0034】

また、本例の燃料電池ユニット２では、図７に示すように、導風板１３の「第２の対向部」と、セル積層体１１における凸状部１１ａの突端との離間距離Ｄ１（第１の離間距離）が、「温度調整用流体」としての空気の通過させる導風路Ｌにおける空気の通過方向（図２，６～８における矢印Ａの向き）における上流側から下流側まで一定の距離になると共に、図８に示すように、導風板１３の「第２の対向部」と、セル積層体１１における凹状部１１ｂの底部との離間距離Ｄ２ａ～Ｄ２ｂ（第２の離間距離）が、導風路Ｌにおける空気の通過方向における下流側ほど大きくなるように（離間距離Ｄ２ａよりも離間距離Ｄ２ｂの方が大きくなるように）セル積層体１１および導風板１３が構成されている。

【0035】

具体的には、本例の燃料電池ユニット２では、図７に示すように、一例として、凸状部１１ａを構成するプレート２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２２ａ，２４ａおよびＭＥＡ２３が平面視矩形状に形成されており、これらを凹状部１１ｂを構成する他の「被積層物」の間に挟み込むことにより、「第１の離間距離」が上流側から下流側まで一定となるように構成されている。また、本例の燃料電池ユニット２では、図８に示すように、一例として、凹状部１１ｂを構成するプレート２１ｂ，２２ｂ，２４ｂが平面視台形状に形成されており、長辺（図８における左辺）を「流路」の上流側に位置させ、かつ短辺（図８における右辺）を「流路」の下流側に位置させるようにして、凸状部１１ａを構成する他の「被積層物」の間に挟み込むことにより、「第２の離間距離」が、上流側から下流側に向かって、同図に示す離間距離Ｄ２ａ～Ｄ２ｂのように徐々に大きくなっている。

【0036】

なお、図３，４，６～８、および後に参照する図９，１０では、「燃料電池ユニット」の構成に関する理解を容易とするために、「流路」の一例である導風路Ｌの大きさ（各図における高さ：「第１の離間距離」や「第２の離間距離」）を誇張して大きく図示している。

【0037】

一方、水素ガス供給部３は、一例として、水素ガスが充填された携行型のガスタンクを接続可能に構成されると共に、制御部７の制御に従ってガスタンクから燃料電池ユニット２（各セパレータ２１）に水素ガスを供給する。吸引ポンプ４は、制御部７の制御に従って燃料電池ユニット２（各セパレータ２２）から空気を吸引することにより、水素ガスと反応させる新たな空気を燃料電池ユニット２（各セパレータ２２）に供給する。なお、吸引ポンプ４に代えて、水素ガスと反応させる空気を燃料電池ユニット２（各セパレータ２２）に向けて圧送する圧送ポンプを備えて「電源装置」を構成することもできる。

【0038】

吸引ポンプ５ａは、制御部７の制御に従って燃料電池ユニット２（各セパレータ２４）から空気を吸引することによって燃料電池ユニット２の温度を調整するための新たな空気を燃料電池ユニット２（各セパレータ２４）に供給する。なお、吸引ポンプ５ａに代えて、温度調整用の空気を燃料電池ユニット２（各セパレータ２４）に向けて圧送する圧送ポンプを備えて「電源装置」を構成することもできる。ファン５ｂは、「流体移動機構」の一例であって、本例の電源装置１では、図２に破線で示すように燃料電池ユニット２における前述の導風路Ｌの下流側に配置されて燃料電池ユニット２に固定されている。このファン５ｂは、制御部７の制御に従って導風路Ｌ内の空気を吸引することで、新たな空気を導風路Ｌ内に流入させる。なお、ファン５ｂについては、導風路Ｌの上流側に配置して燃料電池ユニット２に固定することで、導風路Ｌ内に空気を流入させる構成とすることもできる。

【0039】

インバータ６は、制御部７の制御に従い、燃料電池ユニット２によって発電された直流の電力を交流に変換して出力する。制御部７は、電源装置１を総括的に制御する。具体的には、制御部７は、水素ガス供給部３による燃料電池ユニット２への水素ガスの供給、吸引ポンプ４，５ａによる燃料電池ユニット２からの空気の吸引（燃料電池ユニット２への空気の供給）、ファン５ｂによる燃料電池ユニット２（導風路Ｌ）からの空気の吸引（導風路Ｌへの空気の供給）、およびインバータ６による交流変換処理などを制御し、インバータ６によって変換された交流の電力を供給対象に対して供給する。

【0040】

この電源装置１によって供給対象に対して電力を供給するときには、制御部７が、水素ガス供給部３を制御して燃料電池ユニット２（セパレータ２１）に水素ガスを供給させると共に、吸引ポンプ４を制御して燃料電池ユニット２（セパレータ２２）から空気を吸引させることで新たな空気を燃料電池ユニット２（セパレータ２２）に供給させる。これにより、燃料電池ユニット２において水素ガスと空気（酸素）との反応によって電力が発生し、この直流の電力がインバータ６において交流に変換されて供給対象に供給される。

【0041】

一方、この種の電源装置１では、燃料電池ユニット２における発電（水素と酸素との反応）によって燃料電池ユニット２の温度が上昇する。したがって、本例の電源装置１では、燃料電池ユニット２の過剰な温度上昇によってその発電効率が低下する状態となるのを回避すべく、吸引ポンプ５ａによって燃料電池ユニット２（セパレータ２４）から空気を吸引して新たな空気をセパレータ２４に流入させることで、空気との熱交換によってセル積層体１１（セパレータ２１，２２，２４およびＭＥＡ２３）を冷却する構成が採用されている。また、本例の電源装置１では、では、上記の吸引ポンプ５ａによるセパレータ２４からの空気の吸引と並行して、ファン５ｂによって燃料電池ユニット２の導風路Ｌから空気を吸引して新たな空気を導風路Ｌに流入させることで、空気との熱交換によってセル積層体１１（セパレータ２１，２２，２４およびＭＥＡ２３）を冷却する構成が採用されている。

【0042】

この場合、本例の燃料電池ユニット２（電源装置１）では、前述したように、両エンドプレート１２，１２の間に挟み込まれるようにして導風板１３がセル積層体１１に並設され、これにより、セル積層体１１と導風板１３との間に温度調整用（冷却用）の空気を通過させる導風路Ｌが形成されている。したがって、本例の燃料電池ユニット２では、ファン５ｂによる導風路Ｌ内の空気の吸引によって導風路Ｌ内に吸引される新たな空気が、セル積層体１１に接する位置から離脱することなく、セル積層体１１における各「被積層物」の一辺に沿って導風路Ｌ内をスムースに移動させられる。

【0043】

また、本例の燃料電池ユニット２（電源装置１）では、前述のように、セル積層体１１の外周面における導風板１３との対向部（第１の対向部）に凸状部１１ａおよび凹状部１１ｂが交互に存在するようにセル積層体１１が構成されている。したがって、凸状部１１ａや凹状部１１ｂが存在しない「積層体」を備えた構成と比較して、導風路Ｌ内におけるセル積層体１１の表面積が十分に広くなっており、セル積層体１１と空気との熱交換効率が十分に向上している。

【0044】

また、本例の燃料電池ユニット２（電源装置１）では、導風板１３においてセル積層体１１と対向する部位（第２の対向部）と、セル積層体１１における凸状部１１ａの突端との離間距離Ｄ１よりも、導風板１３においてセル積層体１１と対向する部位（第２の対向部）と、セル積層体１１における凹状部１１ｂの底部との離間距離Ｄ２ａ～Ｄ２ｂの方が大きくなるように形成されている。つまり、本例の燃料電池ユニット２では、導風板１３における「第２の対向部」がセル積層体１１における「第１の対向部」よりも凹凸していない状態（本例では、ほぼ平坦の状態）となっている。これにより、本例の燃料電池ユニット２では、導風板１３における「第２の対向部」がセル積層体１１における「第１の対向部」と同様に凹凸している構成と比較して、導風路Ｌ内の空気の通過抵抗が過剰に大きくなる事態が回避されており、冷却用の空気が導風路Ｌ内をスムースに移動させられる。

【0045】

また、本例の燃料電池ユニット２では、導風板１３においてセル積層体１１と対向する部位（第２の対向部）と、セル積層体１１における凹状部１１ｂの底部との離間距離Ｄ２ａ～Ｄ２ｂが、導風路Ｌにおける空気（温度調整用流体）の通過方向における下流側ほど大きくなるようにセル積層体１１および導風板１３が構成されている。この場合、ファン５ｂによる吸引によって冷却用の空気が導風路Ｌ内を通過させられるときには、発電によって温度上昇しているセル積層体１１との熱交換によって導風路Ｌ内の空気が下流側に移動するほど徐々に温度上昇する。この結果、空気の通過方法における上流側よりも下流側の方がセル積層体１１の冷却効率が低下するおそれがある。

【0046】

したがって、本例の燃料電池ユニット２（電源装置１）では、上記のように導風板１３における「第２の対向部」とセル積層体１１における凹状部１１ｂの底部との離間距離Ｄ２ａ～Ｄ２ｂが空気の通過方向における下流側ほど大きくすることで、導風路Ｌの有効断面積を上流側から下流側に向かって徐々に大きくし、導風路Ｌ内の空気の通過速度が上流側から下流側に移動するほど徐々に低下するようにセル積層体１１および導風板１３を形成している。これにより、導風路Ｌの下流側においてもセル積層体１１と空気とを十分に熱交換させることが可能となっている。

【0047】

また、本例の燃料電池ユニット２では、前述したように、導風板１３においてセル積層体１１と対向する部位（第２の対向部）にセル積層体１１の外周面（第１の対向部）に接する当接部１３ａが形成されている。具体的には、本例の燃料電池ユニット２では、図６に示すように、セル積層体１１における凸状部１１ａの突端に接するようにして導風板１３に当接部１３ａが形成されている。これにより、セル積層体１１における凸状部１１ａの突端と導風板１３における「第２の対向部」とが当接部１３ａの高さよりも短い距離に近接した状態となることがないため、燃料電池ユニット２（電源装置１）に振動や衝撃が加わったとしても、導風路Ｌの有効断面積が過剰に小さくなる事態を回避することができる。

【0048】

この場合、本例の燃料電池ユニット２では、セル積層体１１に導風板１３が並設されてセル積層体１１と導風板１３との間に導風路Ｌが形成されており、セル積層体１１を構成する各「被積層物」の一辺に沿って導風路Ｌ内を冷却用の空気が通過するようにファン５ｂによって吸引する構成が採用されている。したがって、導風路Ｌ内に流入してセル積層体１１（第１の対向面）に接した空気がセル積層体１１から離脱することなく導風路Ｌ内を移動させられるため、この空気との熱交換によってセル積層体１１を効率良く冷却することが可能となっている。

【0049】

このように、この燃料電池ユニット２では、セル積層体１１に接してセル積層体１１との熱交換によってセル積層体１１の温度を調整する「温度調整用流体（本例では、空気）」をセル積層体１１における「被積層物」の一辺に沿って通過させる導風路Ｌをセル積層体１１との間に形成する導風板１３がセル積層体１１に並設され、セル積層体１１の外周面において導風板１３と対向する「第１の対向部」に、各「被積層物」の板面方向における外側に向かって突出した凸状部１１ａ、および板面方向における内側に向かって凹んだ凹状部１１ｂが各「被積層物」の積層方向において交互に存在するように各「被積層物」が積層されている。また、この電源装置１では、上記の燃料電池ユニット２を備えて構成されている。

【0050】

したがって、この燃料電池ユニット２および電源装置１によれば、導風路Ｌ内に吸引される空気が、セル積層体１１に接する位置から大きく離脱することなく、セル積層体１１における各「被積層物」の一辺に沿って導風路Ｌ内をスムースに移動させられるため、導風路Ｌ内においてセル積層体１１と空気とが好適に熱交換される結果、セル積層体１１を効率よく冷却することができる。また、セル積層体１１における「第１の対向部」に凸状部１１ａや凹状部１１ｂが存在しない構成と比較して、導風路Ｌ内におけるセル積層体１１の表面積が十分に広くなっており、セル積層体１１と空気との熱交換効率が十分に向上するため、セル積層体１１を一層効率よく冷却することができる。

【0051】

また、この燃料電池ユニット２および電源装置１によれば、導風板１３の「第２の対向部」に、セル積層体１１の「第１の対向部」に接する当接部１３ａを形成したことにより、セル積層体１１における「第１の対向面（本例では、凸状部１１ａの突端）」と導風板１３における「第２の対向部」とが当接部１３ａの高さよりも短い距離に近接した状態となることがないため、燃料電池ユニット２（電源装置１）に振動や衝撃が加わったとしても、導風路Ｌの有効断面積が過剰に小さくなる事態を回避することができる。これにより、冷却用の空気をスムースに通過させることが可能な状態を維持することができる。

【0052】

また、この燃料電池ユニット２および電源装置１によれば、導風板１３の「第２の対向部」と、セル積層体１１の凹状部１１ｂの底部との「第２の離間距離（離間距離Ｄ２ａ～Ｄ２ｂ）」が、導風路Ｌにおける「温度調整用流体（空気）」の通過方向における下流側ほど大きくなるようにセル積層体１１および導風板１３を構成したことにより、導風路Ｌの有効断面積が上流側から下流側に向かって徐々に大きくなり、導風路Ｌ内の空気の通過速度が上流側から下流側に移動するほど徐々に低下する状態となるため、導風路Ｌの下流側においてもセル積層体１１と空気とを十分に熱交換させることが可能となり、これにより、セル積層体１１の「第１の対向部」における空気の通過方法の上流側から下流側まで確実に冷却することができる。

【0053】

なお、「燃料電池ユニット」の構成は、上記の燃料電池ユニット２の構成の例に限定されない。

【0054】

例えば、前述の燃料電池ユニット２では、「第２の対向部」と凹状部１１ｂの底部との離間距離Ｄ２ａ～Ｄ２ｂ（第２の離間距離）が、導風路Ｌにおける空気の通過方向における下流側ほど大きくなるようにセル積層体１１および導風板１３が構成されているが、図９に示す燃料電池ユニット２Ａ（「燃料電池ユニット」の他の一例）のように、導風板１３の「第２の対向部」と、セル積層体１１における凸状部１１ａの突端との離間距離Ｄ１ａ～Ｄ１ｂ（「第１の離間距離」の一例）が、「温度調整用流体」としての空気の通過させる導風路Ｌにおける空気の通過方向（同図における矢印Ａの向き）における下流側ほど大きくなるように（離間距離Ｄ１ａよりも離間距離Ｄ１ｂの方が大きくなるように）セル積層体１１Ａおよび導風板１３を構成することもできる。具体的には、この燃料電池ユニット２Ａでは、凸状部１１ａを構成するプレート２５ａを平面視台形状に形成し、長辺（同図における左辺）を「流路」の上流側に位置させ、かつ短辺（同図における右辺）を「流路」の下流側に位置させるようにして、凹状部１１ｂを構成する他の「被積層物」の間に挟み込むことにより、「第１の離間距離」が上流側から下流側に向かって徐々に大きくなるように構成されている。

【0055】

この場合、「第１の離間距離」が「温度調整用流体」の通過方向における下流側ほど大きくなるように構成したときには、図１０に示す燃料電池ユニット２Ｂ（「燃料電池ユニット」のさらに他の一例）のように、導風板１３の「第２の対向部」と、セル積層体１１における凸状部１１ａの突端との離間距離Ｄ１を導風路Ｌにおける「温度調整用流体」の通過方向（同図における矢印Ａの向き）の上流側から下流側まで一定の距離とすることもできる。

【0056】

これら燃料電池ユニット２Ａ，２Ｂのような構成を採用した場合においても、前述の燃料電池ユニット２と同様にして、導風路Ｌの有効断面積が上流側から下流側に向かって徐々に大きくなり、導風路Ｌ内の空気の通過速度が上流側から下流側に移動するほど徐々に低下する状態となるため、導風路Ｌの下流側においてもセル積層体１１と空気とを十分に熱交換させることが可能となり、これにより、セル積層体１１の「第１の対向部」における空気の通過方法の上流側から下流側まで確実に冷却することができる。

【0057】

なお、燃料電池ユニット２，２Ａ，２Ｂにおけるセル積層体１１のような構成に代えて（または、セル積層体１１のような構成に加えて）、「積層体」における「第１の対向部」に対して「流路形成部材」における「第２の対向部」を傾斜させることで、「第２の対向部」と「凸状部」の突端との「第１の離間距離」、および「第２の対向部」と、「凹状部」の底部との「第２の離間距離」が、「流路」における「温度調整用流体の通過方向」における下流側ほど大きくなるように構成することもできる（図示せず）。

【0058】

また、発電に起因して温度上昇したセル積層体１１を冷却するために、セル積層体１１と導風板１３との間に形成された導風路Ｌに「温度調整用流体」としての冷却用の空気を流入させてセル積層体１１を冷却する構成を例に挙げて説明したが、このような構成に加えて（または、このような構成に代えて）、「積層体」を加熱することを目的として「温度調整用流体」を「流路」に流入させる構成を採用することもできる。一例として、冬期などに電源装置１を始動させるときには、セル積層体１１の温度が周囲温度と同程度の低い温度であることで発電効率が低い状態となっている。したがって、導風路Ｌの入口に加熱源（電気ヒータ等）を配設し、加熱源によって温度上昇させた空気を「温度調整用流体」として導風路Ｌを通過させることにより、この空気との熱交換によってセル積層体１１を加熱することで、始動直後から発電効率を十分に高くすることができる。

【0059】

また、「温度調整用流体」としての空気（大気）を使用する構成を例に挙げて説明したが、空気以外の各種の気体や、各種の液体を「温度調整用流体」として使用する構成を採用することもできる。

【0060】

また、大きな「被積層物（プレート２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２２ａ，２４ａおよびＭＥＡ２３）」、および小さな「被積層物（プレート２１ｂ，２２ｂ，２４ｂ）」を交互に積層することで、大きな「被積層物」によって凸状部１１ａを形成すると共に、小さな「被積層物」によって凹状部１１ｂを形成したセル積層体１１を備えた構成を例に挙げて説明したが、このような構成に代えて、同程度の大きさの「被積層物」を板面方向に沿ってずらし、隣接する「被積層物」から突出させて「凸状部」を形成した「積層体」を備えて構成することもできる。このような構成の「積層体」では、上記のように「凸状部」を形成した「被積層物」における対向辺側が、隣接する「被積層物」に対して板面方向の内側に向かって凹んだ「凹状部」の底部を構成する。

【0061】

また、平面視Ｎ＝４角形状の「被積層物」を積層したＮ＝４角柱状のセル積層体１１を備えた構成を例に挙げて説明したが、平面視Ｎ＝３角形状の「被積層物」を積層したＮ＝３角柱状の「積層体」を備えて構成したり、平面視Ｎ＝５以上の多角形状の「被積層物」を積層した多角柱状の「積層体」を備えて構成したりすることもできる。このような構成の「燃料電池ユニット」においても、「積層体」に「流路形成部材用」を並設して、「被積層物」の一辺に沿って「温度調整用流体」を通過させる「流路」を形成することにより、前述の燃料電池ユニット２と同様の効果を奏することができる。

【符号の説明】

【0062】

１ 電源装置
２，２Ａ，２Ｂ 燃料電池ユニット
３ 水素ガス供給部
４，５ａ 吸引ポンプ
５ｂ ファン
６ インバータ
７ 制御部
１１ セル積層体
１１ａ 凸状部
１１ｂ 凹状部
１２ エンドプレート
１３ 導風板
１３ａ 当接部
１４ ボルト
２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂ プレート
２１，２２，２４ セパレータ
２３ ＭＥＡ
２３ａ 電解質部
２３ｂ 燃料極部
２３ｃ 空気極部
２３ｄ ガスケット
Ｌ 導風路
Ｄ１，Ｄ１ａ，Ｄ１ｂ，Ｄ２，Ｄ２ａ，Ｄ２ｂ 離間距離

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】