JP2004207008A

JP2004207008A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2004207008A
Application number: JP2002373997A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ono; 孝小野; Masanaga Inagaki; 正祥稲垣
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-12-25
Filing date: 2002-12-25
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2022-12-25
Also published as: JP4025640B2

Abstract

【課題】簡単な構造で、各燃料電池セルにガスを均一に分配、供給できる燃料電池を提供する。
【解決手段】収納容器内に複数収納された燃料電池セル１と、該複数の燃料電池セル１にガスを供給するための給気側マニホールド２２とを具備する燃料電池であって、前記給気側マニホールド２２に形成されたガス供給路２１がフラクタル構造であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関するもので、特に燃料電池セルに均一にガスを分配、供給する給気側マニホールドを有する燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、次世代エネルギーとして、燃料電池セルのスタックを収納容器内に収容した燃料電池が種々提案されている。
【０００３】
燃料電池セルは固体電解質を空気極、燃料極で挟持して構成され、空気極に酸素含有ガスを供給し、燃料極に水素を含むガス、もしくは水素に変化しうるガスを供給することで、固体電解質を挟んで対峙する両電極に電位差が発生し、発電するものである。
【０００４】
これらの燃料電池は、用いる電解質や形態により様々な組み合わせが考えられるが、ほとんどの場合、燃料電池セルに酸素を含むガスと水素を含むガス、もしくは水素に変化しうるガスを供給して発電を行う。
【０００５】
また、燃料電池は燃料電池セル当たりの発電量が小さいため、複数の燃料電池セルを電気的に接続して構成されている。
【０００６】
そのため、複数の燃料電池セルに酸素を含むガスと、水素を含むガス、もしくは水素に変化しうるガスをそれぞれ供給する必要がある。また、同時に、発電量並びに発電効率を向上させるため、それぞれの燃料電池セルに供給するガスの量は同じにする必要がある。
【０００７】
図８は、従来の平板型燃料電池を示すもので、この平板型燃料電池では、外部からガスを複数の燃料電池セル１に導入するための給気側ガス配管３が給気側マニホールド５に接続され、給気側マニホールド５には、複数の燃料電池セル１の一方端部のガス導入口７にそれぞれガスを導く給気側ガス室９が形成されている。
【０００８】
燃料電池セル１の他方端部には燃料電池セル１からガスを排出するガス排出口１１が形成されており、排気されたガスを燃料電池外に排出するための排気側マニホールド１３と排気側ガス配管１５が配置されている。排気側マニホールド１３には排気ガスを集めるための排気側ガス室１７が形成されている。また、燃料電池セル１間には、ガス導入口７からガス排出口１１に連通するガス流路１９が形成されている。
【０００９】
平板型燃料電池では、燃料電池セル１は一般に矩形板状の形状を有しており、図８に示した給気側マニホールド５と排気側マニホールド１３は燃料電池セル１に燃料ガスを供給し、排気するためのもので、図示しないが、ガス流れが燃料ガスと直交する方向に、酸素含有ガスを供給、排気するための給気側マニホールド５と排気側マニホールド１３を有している。
【００１０】
図９に、図８の燃料電池セル１を積層したモジュールを示す。
【００１１】
燃料電池セル１は、燃料極１ａ、固体電解質１ｂ、空気極１ｃ、セパレータ１ｄから構成され、セパレータ１ｄの両面にはガス流路１９が形成されており、燃料極１ａと接する側のガス流路１９には燃料ガスが供給され、空気極１ｃと接する側のガス流路１９には酸素含有ガスが供給される。
【００１２】
このような平板型燃料電池では、図８に示す給気側マニホールド５に、燃料ガスを供給し、給気側ガス室９を通じて、燃料電池セル１の一方の端部に形成されたガス導入口７にガスを導き、燃料電池セル１間に形成されたガス流路１９を通過させる。ガス流路１９を通過したガスは、燃料電池セル１の他方端部に形成されたガス排出口１１から、排気側マニホールド１３に形成された排気側ガス室１７に導かれ、排気側ガス管１５を経由して、燃料電池外へと排気される。
【００１３】
同時に、他方の給気側マニホールド（図示せず）を通じて、燃料電池セル１に酸素含有ガスを供給し、発電を行う（例えば、特許文献１参照）。
【００１４】
このような燃料電池では、給気側ガス配管３から、給気側マニホールド５に設けられた給気側ガス室９を通じて、ガスが複数の燃料電池セル１に分配、供給されている。
【００１５】
【特許文献１】
特開平９−１９９１５０号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構造の燃料電池では、給気側マニホールド５に接続された給気側ガス配管３近傍の燃料電池セル１により多くのガスが供給され、給気側ガス配管３から離れた位置にある燃料電池セル１には、ガスが供給されにくいといった問題があった。そのため、給気側ガス配管３から離れた位置にある燃料電池セル１の有効利用がなされておらず、燃料電池の発電量が低下したり、発電効率が低下するという問題があった。
【００１７】
燃料電池では、それぞれの燃料電池セル１に供給されるガス量が過剰であったり、不足することが燃料電池の発電量や発電効率に大きく影響するために、それぞれの燃料電池セル１への、ガスの供給量を均一に供給するように制御する必要がある。
【００１８】
そのため、各々の燃料電池セル１のガス流量を測定し、弁などを用いてガス流量を制御するなどの手法が考えられるが、構造が複雑になり、また、制御用のシステムが必要となるため、装置が大型化したり、高コストになるなどの問題がある。
【００１９】
本発明は、簡単な構造で複数の燃料電池セルに均一にガスを供給することができる燃料電池を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池は、収納容器内に複数収納された燃料電池セルと、該複数の燃料電池セルにガスを供給するための給気側マニホールドとを具備する燃料電池であって、前記給気側マニホールドに形成されたガス供給路がフラクタル構造であることを特徴とする。
【００２１】
フラクタルとは、一定規則の枝分かれパターンが繰り返して発生する模様である。特に、１方向からきた路が左右それぞれ９０度に枝分かれするパターンをエッチフラクタルと呼ぶ。本発明の給気側マニホールド内のガス供給路は、このフラクタルの模様に従って作製される構造であり、ガス供給路の幅とガス供給路の深さは全てのガス供給路で等しくなる。
【００２２】
給気側マニホールドのガス供給路をフラクタル構造にする事により、給気側ガス配管から、燃料電池セルのガス導入部までのガス供給路距離、断面積、ガス供給路の分岐回数及び、分岐角度が、どの燃料電池セルを見ても等しくなる。流体の特性からガス供給路の距離、断面積、分岐回数、及び分岐角度が等しければ、ガスが給気側マニホールドに設けられたガス供給路を通過する際の圧力損失がどの燃料電池セルをみても等しくなり、特別な制御装置を必要とせず、簡単な構造で各燃料電池セルに均一にガスを分配、供給することができ、燃料電池の小型化や低コスト化を達成できる。
【００２３】
また、本発明の燃料電池は、給気側マニホールドが、貫通孔が形成された板状体を複数積層してなるとともに、連続した前記貫通孔によってガス供給路が形成されていることを特徴とする。
【００２４】
このような給気側マニホールドは作製が容易で、安価に製造することができる。また、板状体に形成された貫通孔をスリット状とすることで、特に、平板型の燃料電池の燃料電池セルのそれぞれのガス流路に均一にガスを分配できる。また、板状体に形成された貫通孔を一定の間隔をおいて設けることで、３次元のガス供給路を形成でき、例えば、筒型の燃料電池セルを用いる燃料電池へ適用することができる。
【００２５】
また、本発明の燃料電池は、給気側マニホールドが管によって形成されていることを特徴とする。
【００２６】
このような給気側マニホールドは多数の燃料電池セルへガスを均一に分配でき、特に、筒型燃料電池セルを用いる燃料電池において好適に用いられる。
【００２７】
また、本発明の燃料電池は、給気側マニホールドに形成された複数のガス供給口が、複数の燃料電池セルへのガスを導入するためのガス導入口にそれぞれ接続されていることを特徴とする。
【００２８】
このような燃料電池は、給気側マニホールドに形成された複数のガス供給口が燃料電池セルのガス導入口にそれぞれ１対１で接続されているため、全ての燃料電池セルのガス流路にガスを均一に分配できる。
【００２９】
また、本発明の燃料電池は、給気側マニホールドに形成された複数のガス供給口が、複数の燃料電池セルへのガスを導入するためのガス導入口にそれぞれ所定間隔をおいて対向して設けられていることを特徴とする。
【００３０】
このような燃料電池では、給気側マニホールドに形成された複数のガス供給口と燃料電池セルのガス導入口が対をなして設けられているため、全ての燃料電池セルにガスを均一に分配できる。また、ガス供給口と燃料電池セルのガス導入口とが所定間隔をおいて対向して設けられているため、ガス供給口とガス導入口との間に空間が設けられており、前記ガス供給口と前記燃料電池セルのガス導入口とを直接接続しない構造とすることで、各ガス供給口と各燃料電池セルのガス導入口ガス供給口とガス導入口との位置合わせが不要で、給気側マニホールドの取り付けが簡単になる。
【００３１】
また、本発明の燃料電池は、燃料電池セルからガスを排気するためのガス排気口側端部に、ガス流路のガス流通量を抑制するガス排出抑制孔を有する蓋状部材が設けられていることを特徴とする。
【００３２】
このような燃料電池では、例えば、燃料電池セル間あるいは燃料電池セル内部のガス流通路の形状にばらつきがあっても、燃料電池セル間あるいは燃料電池セル内部を流通するガス量を均一にすることができるため、燃料電池セル間あるいは燃料電池セル内部に均一にガスを供給する給気側マニホールドと併せて用いることで、さらに、供給されるガス量を均一にすることができ、さらに燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の燃料電池の一形態の断面図を示す。尚、従来の技術と同一部材には、同一符号を付した。
【００３４】
ここに示した燃料電池は平板型燃料電池で、固体電解質１ｂ、燃料極１ａ、空気極１ｃ、セパレータ１ｄからなる燃料電池セル１が積層されて、図７に示すモジュールが構成されており、このモジュールの燃料電池セル１間にはガス流路１９が形成されている。燃料電池セル１の片方の端部にはガス導入口７が形成されており、そのガス導入口７が形成されたモジュールの側面に、内部にガス供給路２１が形成された給気側マニホールド２２が配置されている。燃料電池セル１の他方の端部にはガス排出口１１が形成されており、そのガス排出口１１が形成されたモジュールの側面に、内部に排気側ガス室１７が形成された排気側マニホールド１３が配置されている。また、給気側マニホールド２２には給気側ガス配管３が接続され、排気側マニホールド１３には排気側ガス配管１５が接続されている。
【００３５】
給気側マニホールド２２に形成されたガス供給路２１はフラクタル構造を有しており、このガス供給路２１は給気側ガス配管３から、燃料電池セル１のガス導入口７へと燃料ガスを供給する。ガス供給路２１は、全て、給気側ガス配管３から燃料電池セル１のガス導入口７までの距離が等しく、また、断面積、分岐回数及び、分岐の角度が等しいため、特別な制御装置等を用いることなく、全ての燃料電池セル１のガス導入口７に均一に燃料ガスを供給することができ、燃料電池の発電能力を最大限に発揮することができる。
【００３６】
即ち、従来、給気側ガス配管３から離れた燃料電池セル１には十分なガスが供給されず、例えば、燃料ガスが不足することにより燃料極１ａが酸化され、導電性を失うという問題があった。また、酸素含有ガスが不足することにより、空気極１ｃが体積膨張し、固体電解質１ｂと剥離するという問題があった。
【００３７】
また、給気側ガス配管３に近い燃料電池セル１では燃料ガスや酸素含有ガスが過剰に供給され、発電効率が低下するという問題があった。
【００３８】
これに対し、本発明の燃料電池では全ての燃料電池セル１のガス導入口７に均一にガスを供給できるため、上記の問題を解決でき、燃料電池の発電能力を最大限に発揮することができる。
【００３９】
一方、図示しないが酸素含有ガスを燃料電池セル１の他のガス導入口７に供給するための給気側マニホールド２２が、燃料ガスを供給するためのガス導入口７が設けられたモジュールの面と直交する面に設けられており、燃料ガスと同様に、酸素含有ガスも燃料電池セル１の他のガス導入口７に供給される。
【００４０】
図２は給気側マニホールド２２の斜視図である。給気側マニホールド２２の燃料電池モジュールと向き合う面に、複数のガス供給口２１ａが形成され、該複数のガス供給口２１ａから、同じガス量の燃料ガスが燃料電池セル１のガス導入口７に供給される。
【００４１】
図３は、図２のＡ部の拡大図であり、給気側マニホールド２２に形成されたガス供給路２１と、ガス供給路２１を通過するガスの模式図を示すものである。給気側マニホールド２２にフラクタル形状のガス供給路２１が形成されており、ガス供給路２１を通過したガスは、ガス供給口２１ａから燃料電池セル１のガス導入口７へと供給される。
【００４２】
図４は本発明の燃料電池の他の形態を示すもので、この燃料電池は、図１と同様の平板型燃料電池であり、燃料電池セル１のガス導入口７と、給気側マニホールド２２に形成されたガス供給路２１のガス供給口２１ａとが所定間隔をおいて、対向して設けられており、その間に給気側ガス室９が形成されている。
【００４３】
このような燃料電池は、燃料電池セル１のガス導入口７と、給気側マニホールド２２に形成されたガス供給路２１のガス供給口２１ａとを、それぞれ接続する必要がないため、給気側マニホールド２２とモジュールとの位置合わせが簡単になる。また、各燃料電池セル１のガス導入口７には、給気側マニホールド２２に形成されたガス供給口２１ａを通じて、均一に燃料ガスあるいは酸素含有ガスを供給することができ、燃料電池の発電能力を最大限に発揮することができる。
【００４４】
図５は本発明の給気側マニホールド２２の作製方法の一例を示すもので、給気側マニホールド２２は、例えば、図５の（ａ）〜（ｋ）に示す板状体２２ｂに貫通孔２３を設け、積層することで容易に精度よく作製することができる。貫通孔２３の形状は例えば、スリット状でも、穴状であってもよく、または、その組み合わせであってもよい。また、板状体２２ｂの接合には、例えば、ろう材などが用いられる。このとき、図５の（ａ）〜（ｋ）に示す板状体２２ｂに設けられた貫通孔２３は、積層後にガス供給路２１となる。
【００４５】
図６は本発明の燃料電池の、さらに他の形態を示すもので、この燃料電池は筒型燃料電池セル２５を用いて構成されている。筒型燃料電池セル２５は片方の端部で給気側マニホールド２２と接続され、給気側マニホールド２２には給気側ガス配管３が接続されている。この筒型燃料電池セル２５は、固体電解質２５ｂを燃料極２５ａと空気極２５ｃとで挟持した発電部を燃料極支持体２５ｅ上に形成しており、筒型燃料電池セル２５のガス導入口７に、給気側マニホールド２２のガス供給口２１ａがそれぞれ接続されている。筒型燃料電池セル２５の内部には燃料ガスを流通させるガス流路１９が形成されている。燃料電池セル２５の外側には、酸素含有ガスが供給される。
【００４６】
このような燃料電池において、筒型燃料電池セル２５に接続された給気側マニホールド２２は管状で、エッチフラクタル構造を有しており、全ての筒型燃料電池セル２５に均一に燃料ガスあるいは酸素含有ガスを分配することができる。
【００４７】
なお、管状の給気側マニホールド２２は複雑な構造であるが、複数の管を溶接したり、ねじ等を用いて接合することで容易に作製することができる。
【００４８】
図７は、蓋状部材２７を設けた筒型燃料電池セル２５を示すもので、筒型燃料電池セル２５のガス排気口側端部に、ガス流路１９のガス流通量を抑制するガス排出抑制孔２６を有する蓋状部材２７が設けられている。
【００４９】
即ち、筒型燃料電池セル２５の給気側端部には、上記したように、フラクタル構造のガス供給路２１を有する管状の給気側マニホールド２２が接続されており、排気口側端部にはガス排出抑制孔２６を有する蓋状部材２７が接続されている。
【００５０】
筒型燃料電池セル２５は、多孔質な支持体２５ｅの表面に、多孔質な燃料極２５ａ、緻密質な固体電解質２５ｂ、多孔質な空気極２５ｃを順次積層して構成されている。また、蓋状部材２７は、ガス排出抑制孔２６が形成された遮蔽板２７ａと、蓋状部材２７を筒型燃料電池セル２５に外嵌する環状体２７ｂとから構成されている。
【００５１】
このような燃料電池では、管状の給気側マニホールド２２内のフラクタル構造を有するガス供給路２１を通じて、燃料ガスが筒型燃料電池セル２５のガス導入口７に均一に供給され、筒型燃料電池セル２５の内部に形成されたガス流路１９を通過し、さらに、蓋状部材２７に形成されたガス排出抑制孔２６を通過する。
【００５２】
また、筒型燃料電池セル２５の外部には酸素含有ガスが供給され、多孔質な燃料極２５ａ、緻密質な固体電解質２５ｂ、多孔質な空気極２５ｃが積層された発電部で発電する。
【００５３】
このような燃料電池では、フラクタル構造を有するガス供給路２１を通じて、ガスが筒型燃料電池セル２５のガス導入口７に均一に供給されるとともに、筒型燃料電池セル２５の排気口側端部に設けられた蓋状部材２７によって、排気側でも均一に排気することができるため、複数の筒型燃料電池セル２５を通過するガスの量をさらに精度よく均一にすることができる。
【００５４】
そのため、このような燃料電池では、各筒型燃料電池セル２５のガス流路１９に最適なガス量を供給することができ、発電量を最大限にすることができる。
【００５５】
なお、本発明は上記形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。
【００５６】
例えば、給気側マニホールド２２内に形成されたガス供給路２１の分岐の角度は必ずしも９０度である必要はなく、ガスが均一に流れるように対称に分岐すればよい。また、本発明の給気側マニホールド２２と同様の形状を排気側マニホールド１３に用いてもよい。尚、上記の蓋状部材２７は平板型燃料電池に用いてもよい。
【００５７】
【発明の効果】
本発明では、燃料電池セルを収納容器内に複数収納してなる燃料電池において、ガス供給路をフラクタル構造とすることで、発電に用いられるガスを各燃料電池セルに均一に分配、供給することができ、構造の簡略化、発電効率の向上、低コスト化を同時に達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の平板型燃料電池を示す縦断面図である。
【図２】図１の給気側マニホールドを示す斜視図である。
【図３】図２の給気側マニホールドを示す模式図である。
【図４】本発明の燃料電池の他の形態を示す縦断面図である。
【図５】本発明の燃料電池に用いられる給気側マニホールドの作製例を示す縦断面図である。
【図６】本発明の燃料電池の他の形態を示す平面図である。
【図７】排気口側端部に蓋状部材を設けた本発明の一形態を示す縦断面図（ａ）と、蓋状部材の斜視図（ｂ）である。
【図８】従来の燃料電池を示す縦断面図である。
【図９】従来の燃料電池を示す斜視図である。
【符号の説明】
１・・・燃料電池セル
５・・・給気側マニホールド
７・・・ガス導入口
１９・・・ガス流路
２１・・・ガス供給路
２１ａ・・・ガス供給口
２２ｂ・・・板状体
２３・・・貫通孔
２６・・・ガス排出抑制孔
２７・・・蓋状部材

Claims

収納容器内に複数収納された燃料電池セルと、該複数の燃料電池セルにガスを供給するための給気側マニホールドとを具備する燃料電池であって、前記給気側マニホールドに形成されたガス供給路がフラクタル構造であることを特徴とする燃料電池。
給気側マニホールドが、貫通孔が形成された板状体を複数積層してなるとともに、連続した前記貫通孔によってガス供給路が形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
給気側マニホールドが管によって形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
給気側マニホールドに形成された複数のガス供給口が、複数の燃料電池セルへのガスを導入するためのガス導入口にそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の燃料電池。
給気側マニホールドに形成された複数のガス供給口が、複数の燃料電池セルへのガスを導入するためのガス導入口にそれぞれ所定間隔をおいて対向して設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の燃料電池。
燃料電池セルからガスを排気するためのガス排気口側端部に、ガス流路のガス流通量を抑制するガス排出抑制孔を有する蓋状部材が設けられていることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載の燃料電池。