JP2004259637A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】圧力損失をほとんど生じさせずに、マニホールドに流入する反応ガスの旋回流や渦流の発生を抑制し各セルへのガスの分配を均一化することができる燃料電池の提供。
【解決手段】複数の単電池の積層体を有する燃料電池スタック２３と、燃料電池スタックへの反応ガスの供給管３２、３３と、複数の単電池の積層体に形成され反応ガスの供給管を通して供給された反応ガスを複数の単電池の各々に分配するマニホールド３０、３１と、燃料電池スタックへの反応ガスの供給管３２、３３とマニホールド３０、３１とを接続するガス通路３６、３７に設けられ単電池積層方向と平行な方向に延びる１以上の板３８と、を備えた燃料電池。
【選択図】 図１
【解決手段】複数の単電池の積層体を有する燃料電池スタック２３と、燃料電池スタックへの反応ガスの供給管３２、３３と、複数の単電池の積層体に形成され反応ガスの供給管を通して供給された反応ガスを複数の単電池の各々に分配するマニホールド３０、３１と、燃料電池スタックへの反応ガスの供給管３２、３３とマニホールド３０、３１とを接続するガス通路３６、３７に設けられ単電池積層方向と平行な方向に延びる１以上の板３８と、を備えた燃料電池。
【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（たとえば、固体高分子電解質型燃料電池）に関し、とくに圧損をほとんど増加させずに、各セルへのガスの分配の均一化をはかった燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６、図７に示すように、単電池（セル）１９を積層して構成した燃料電池スタック２３のうち、セル積層体の各単電池（セル）１９に燃料ガス、酸化ガスなどの反応ガスを供給するのに、従来、セル積層体中にセル積層方向に延びるマニホールド２９、３０、３１（冷媒マニホールド２９、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１）を形成し、燃料電池スタック２３に供給された反応ガスをマニホールド３０、３１に流し、マニホールド３０、３１から各セル１９に分配する方法がとられている。
【０００３】
通常、反応ガスを外部からセル積層体内のマニホールド３０、３１に供給するガス供給管３２、３３は、図６に示すように、配置上、寸法上の都合などから曲がり管とならざるを得ない。また、ガス供給管の断面は、燃料電池スタックへの入口部近傍においては、単純な円形ではなく、楕円形や長方形になる場合が多いため、ガスは管内を複雑な流線を描いて流れる。その結果、曲がり管から燃料電池スタック２３のガス流入口に入ったガスは、ガス流入口近傍およびマニホールド３０、３１のガス流入口側端部において、図８に示すように、旋回流Ｓを形成したり、マニホールド３０、３１に流入した所に渦を発生したりする。
【０００４】
この旋回流や渦はつぎの問題を生じる。
供給される反応ガスが加湿ガスである場合で燃料電池起動時等には、マニホールド３０、３１のガス流入口側端部に結露水Ｗが集中しやすい。その場合、旋回流Ｓが結露水Ｗを巻き上げ、マニホールド３０、３１のガス流入口側端部にあるセル１９に水を押し込み、そのセル１９のガス流路２７、２８に水により閉塞が生じて電圧低下を生じさせ、セル間に発電能力のばらつきを生じさせるおそれがある。
また、マニホールド３０、３１内の旋回流、渦は、各セル１９へのガス分配を不均一にする。とくにセル積層方向端部のセルはガスの流入量が少なくなるという現象が見られる。その結果、セルの発電能力にばらつきが発生し、ガスの供給の少ないセルの電圧が低下し、極端な場合、電池全体の運転を停止せざるを得なくなる場合も生じる。
【０００５】
従来、上記の問題に対処するには、以下の提案がなされている。
たとえば、特開平８−２９３３１８号のように、マニホールド流入部と外部との間にパンチングメタルのような穴あき板を設置することが行われている。これはパンチングメタルを通過する間に圧力損失が起こることにより、ガスの流入部の圧力を均一にする。その結果、ガスの流れ（主として流量）を均一にすることを狙っている。
また、特開平８−２１３０４４号のように、マニホールド流入部に、多孔質体を介してガスを導入する例もある。この場合も、多孔質体を通過するときに生じる圧力損失を利用してガスの流れ（主として流量）を均一にすることを狙っている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−２９３３１８号公報
【特許文献２】
特開平８−２１３０４４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平８−２９３３１８号のように、パンチングメタルを設けるものでは、ガスがパンチングメタルを通過する際に圧力損失が発生する。近年の燃料電池は、マニホールドのガス通過断面積を小さくして、ガスの流速を上げる傾向にある。とくに積層するセルの枚数が多くなる場合には、ガスの流量、流速が増大する。したがって、パンチングメタルなどの圧力損失を発生する部分があると、ガスを送るポンプの動力損失が増大してしまう。また、パンチングメタルでは、ガスが孔を通過するときに孔のエッジにて渦が発生し、その渦により、近傍のセルには、ガスの流入が少なくなるという問題もある。
また、特開平８−２１３０４４号公報のように、多孔質体を介してガスを導入するものにも、ガスが多孔質体を通過する際に圧力損失が発生するため、特開平８−２９３３１８号の場合と同様の問題が生じる。
本発明の目的は、圧力損失をほとんど生じさせずに、マニホールドに流入する反応ガスの旋回流や渦流の発生を抑制し各セルへのガスの分配を均一化することができる燃料電池を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、
複数の単電池の積層体を有する燃料電池スタックと、
燃料電池スタックへの反応ガスの供給管と、
上記複数の単電池の積層体に形成され上記反応ガスの供給管を通して供給された反応ガスを上記複数の単電池の各々に分配するマニホールドと、
上記燃料電池スタックへの反応ガスの供給管と上記マニホールドとを接続するガス通路に設けられ上記複数の単電池の積層体の単電池積層方向と平行な方向に延びる１以上の板と、
を備えている。
上記燃料電池において、望ましくは、上記板の、前記ガス通路の軸芯と平行な方向の長さは、前記板同士の間隔または前記ガス通路内面との間隔の２倍以上である。
また、望ましくは、上記燃料電池スタックがエンドプレートを有し、上記ガス通路が上記エンドプレートに形成されている。
また、上記板が、複数設けられ、互いに交わっていてもよい。
また、望ましくは、上記板の、上記ガス通路の軸芯と平行な方向の長さは、１０ｍｍ以上である。
また、望ましくは、上記板の、板同士の間隔または上記ガス通路内面との間隔は１０ｍｍ以下である。
【０００９】
上記本発明の燃料電池では、ガス通路に単電池積層方向と平行な方向に延びる板を設けたので、マニホールドにほぼストレートにガスを導入することができ、ガス通路およびマニホールドのガス入口部に旋回流が生じることを抑制できる。また、単電池積層方向と平行な方向に延びる板であるので、マニホールドのガス入口部に、板のエッジにて渦が生じることを抑制できる。旋回流、渦を抑制することにより、マニホールドに流入したガスの各セルへの分配を均一化でき、かつ、特定のセルへの凝縮水の巻き上げ、押し込みも防止できる。この場合、ガス通路に単電池積層方向と平行な方向に延びる板としたので、ガス通路の流路断面積はほとんど縮小せず、板部を通過するガス流れにはほとんど圧損が生じない。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池の望ましい実施例を、図１〜図６を参照して説明する。従来技術で参照した図４〜図６とその説明は、本発明の燃料電池にも準用される。
本発明の燃料電池１０は、たとえば低温型燃料電池であり、たとえば固体高分子電解質型燃料電池である。燃料電池１０は、たとえば車両に搭載される。ただし、車両搭載用に限るものではない。
【００１１】
図４〜図６に示すように、固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ ）とセパレータ１８との積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられてもよい。セパレータ１８にはアノード１４、カソード１７に反応ガスである燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するためのガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）および／または冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねて単電池（セル）１９を構成し、セルを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、図示しないセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）、ボルト・ナットにて固定して、燃料電池スタック２３を構成する。
【００１２】
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子に変換する反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成する反応が行われ、かくして発電が行われる。
アノード側：Ｈ２ →２Ｈ＋ ＋２ｅ−
カソード側：２Ｈ＋ ＋２ｅ− ＋（１／２）Ｏ２ →Ｈ２ Ｏ
【００１３】
電極１４、１７は、たとえば、カーボンと触媒（たとえば、Ｐｔ）と電解質とから構成されている。
拡散層１３、１６は、たとえば、通気性カーボン層から構成されている。
セパレータ１８は燃料ガス、酸化ガス、冷媒を区画するため不透過性でなければならず、また隣接セル間の電子通路となるため導電性をもたなければならない。そのために、セパレータ１８は、通常、カーボンプレート（カーボン、黒鉛等の導電材料と樹脂との混合材料の成型カーボンプレート、あるいはカーボン、黒鉛等の導電材料の焼結カーボンプレート）、導電性樹脂に流体流路を形成したもの、あるいはメタルプレート（たとえば、ＳＵＳプレート）に流体流路を形成したもの、あるいはメタルプレートに流体流路を形成したものと樹脂フレームとの組み合わせ、等からなる。図４は、セパレータ１８がカーボンセパレータからなる場合を示しているが、セパレータ１８がカーボンセパレータに限るものではない。
【００１４】
セパレータ１８には、冷媒流路２６、燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８の何れか少なくとも１つの流路が形成される。これらの流路は、セル面に平行に延びる。図５は酸化ガス流路２８を示している。
また、セル積層体には、冷媒マニホールド２９、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１がそれぞれ形成される。これらのマニホールドはセル面と直交する方向、すなわちセル積層方向に延び、セパレータ１８を貫通し、それぞれ冷媒、燃料ガスおよび酸化ガスを各セル１９に分配する。
【００１５】
燃料電池スタック２３の一端のエンドプレート２２には、燃料ガス供給管３２、酸化ガス供給管３３、冷媒供給管、燃料ガス排出管３４、酸化ガス排出管３５、冷媒排出管が取付けられる。これらの反応ガス（燃料ガスまたは酸化ガス）の供給、排出管は、曲がり管からなる。
燃料ガス供給管３２と燃料ガスマニホールド３０との間には燃料ガスのガス通路３６が形成されており、酸化ガス供給管３３と酸化ガスマニホールド３１との間には酸化ガスのガス通路３７が形成されている。同様に、燃料ガス排出管３４と燃料ガスマニホールド３０との間には燃料ガスのガス通路が形成されており、酸化ガス排出管３５と酸化ガスマニホールド３１との間には酸化ガスのガス通路が形成されている。
図１は、燃料ガス供給管３２と燃料ガスマニホールド３０との間に形成された燃料ガスのガス通路３６、または酸化ガス供給管３３と酸化ガスマニホールド３１との間に形成された酸化ガスのガス通路３７を示している。
【００１６】
燃料ガスのガス通路３６または酸化ガスのガス通路３７は、図１に示すように、燃料電池の単電池積層方向と平行な方向に延びていてもよいし、図２に示すように、燃料電池の単電池積層方向と斜交する方向に延びていてもよい。ガス供給管３２、３３をエンドプレート２２にフランジ接続とする場合は、フランジがエンドプレート２２の端からはみ出ないようにするために、ガス供給管３２、３３の軸芯をエンドプレート２２の端から内側にオフセットさせる必要が生じる場合があるが、そのような場合には、図２のような配置となる場合がある。
【００１７】
燃料ガスのガス通路３６と酸化ガスのガス通路３７との少なくとも一方のガス通路（両方のガス通路３６、３７であることが望ましい）には、図１〜図３に示すように、複数の単電池の積層体の単電池積層方向と平行な方向に延びる１以上の板（整流板）３８が設置される。
板３８は、複数の単電池の積層体の単電池積層方向と直交する面内方向には、板３８部をガスが流れる時に板３８が無かったならば生じるであろうガスの旋回流（図８のＳ）を切る方向に延びている。
【００１８】
ガス通路３６、３７の単電池積層方向と直交する横断面における、１以上の板３８の、単電池積層方向と直交する面内方向の配置パターンは、図３に示す通りである。図３の（ａ）では、板３８の枚数は１つで、１つの板３８がガス通路３６、３７の断面の長手方向に延びている。図３の（ｂ）では、板３８の枚数は複数で、複数の板３８が互いに平行で、かつ、ガス通路３６、３７の断面の長手方向に延びている。図３の（ｃ）では、板３８の枚数は複数で、複数の板３８はガス通路３６、３７の断面の長手方向およびそれと直交する幅方向に延びており、かつ、格子状に互いに組み合わされている。図３の（ｄ）では、板３８の枚数は複数で、複数の板３８はガス通路３６、３７の断面の長手方向およびそれと直交する幅方向に斜交しており、かつ、格子状に互いに組み合わされている。図３の（ｅ）では、板３８の枚数は複数で、複数の板３８はハニカム状に互いに組み合わされている。図３の（ｆ）では、板３８の枚数は複数で、複数の板３８が互いに平行で、かつ、ガス通路３６、３７の断面の幅方向に延びている。図３の（ｆ）のパターンは、図２のガス通路３６、３７が単電池積層方向に対して斜めに延びている場合にも、適用されることができ、その場合、板３８は単電池積層方向に平行である。
【００１９】
板３８は、板３８のガス流れ方向上流端面およびガス流れ方向下流端面が、端面近傍にて、ガスに渦流を発生させない程度の薄厚とされている。板３８の厚さが薄いため、ガス通路３６、３７の流路断面積は、板３８が設けられているにかかわらず、ほとんど減少しない。
【００２０】
十分な整流作用を得る上から、つぎの構造条件を具備することが望ましい。板３８の、ガス通路３６、３７の軸芯と平行な方向の長さは、板３８同士の間隔またはガス通路３６、３７内面との間隔の２倍以上であることが望ましい。板３８の、ガス通路３６、３７の軸芯と平行な方向の長さは、１０ｍｍ以上であることが望ましい。板３８の、板同士の間隔またはガス通路内面との間隔が１０ｍｍ以下であることが望ましい。
【００２１】
燃料電池スタック２３はエンドプレート２２を有しており、ガス通路３６、３７はエンドプレート２２に形成されている。
板３８がエンドプレート２２に形成されたガス通路３６、３７に設けられる場合、板３８は上流側のガス供給管内に突出していてもよいし、あるいは板３８は下流側のターミナル２０、インシュレータ２１内のガス通路３６、３７に突出していてもよい。
【００２２】
つぎに、本発明の燃料電池の作用を説明する。
ガス通路３６、３７に単電池積層方向と平行な方向に延びる板３８を設けたので、マニホールド３０、３１にほぼストレートに反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）を導入することができ、ガス通路３６、３７およびマニホールド３０、３１のガス入口部に旋回流（図８のＳ）が生じることを抑制できる。また、板３８は単電池積層方向と平行な方向に延びる板であり板厚は薄いので、マニホールド３６、３７のガス入口部に、板３８のエッジにて渦が生じることを抑制できる。
【００２３】
旋回流、渦を抑制し、マニホールド３０、３１にほぼストレートに反応ガスを導入した結果、マニホールド３０、３１に流入したガスの各セル１９への分配を均一化できる。板３８による整流で流れをまっすぐにして各セル１９への分配を均一化しており、従来のパンチングメタルや多孔質体を設けて圧損を利用してガス分配の均一化をはかるものと自然法則の利用の仕方が異なる。また、旋回流を抑制したため、特定のセル（ガス流入側の端部またはその近傍にあるセル）への凝縮水（図８のＷ）の巻き上げ、押し込みも防止できる。
【００２４】
この場合、板３８をガス通路３６、３７内で単電池積層方向と平行な方向に延びる板としたので、ガス通路３６、３７の流路断面積はほとんど縮小せず、板部３８設置部を通過する反応ガス流れにはほとんど圧損が生じない。その結果、従来のパンチングメタルや多孔質体を設けて圧損を利用してガス分配の均一化をはかる場合のようなガスポンプの動力増大を伴わない。
【００２５】
（イ）板３８の、ガス通路３６、３７の軸芯と平行な方向の長さを、板同士の間隔または前記ガス通路内面との間隔の２倍以上とした場合や、（ロ）板３８の、ガス通路３６、３７の軸芯と平行な方向の長さを、１０ｍｍ以上とした場合や、（ハ）板３８の、板同士の間隔またはガス通路内面との間隔を１０ｍｍ以下とした場合、（ニ）複数の板３８を交わらせて格子状とした場合には、板３８設置部を通過する時に、十分な反応ガスの整流が得られ、その結果、十分な各セルへのガス分配の均一化、凝縮水の巻き上げ抑制が得られる。
また、燃料電池スタックのエンドプレート２２に形成されたガス通路３６、３７に板３８を設置した場合は、エンドプレート２２が適宜の厚さと強度を有するので、板３８の設置、固定、および板３８の形状寸法の確保が容易である。
【００２６】
【発明の効果】
請求項１〜６の燃料電池によれば、ガス通路に単電池積層方向と平行な方向に延びる板を設けたので、マニホールドにほぼストレートにガスを導入することができ、ガス通路およびマニホールドのガス入口部に旋回流が生じることを抑制できる。また、単電池積層方向と平行な方向に延びる板であるので、マニホールドのガス入口部に、板のエッジにて渦が生じることを抑制できる。旋回流、渦を抑制することにより、マニホールドに流入したガスの各セルへの分配を均一化でき、かつ、特定のセルへの凝縮水の巻き上げ、押し込みも防止できる。この場合、ガス通路に単電池積層方向と平行な方向に延びる板としたので、ガス通路の流路断面積はほとんど縮小せず、板部を通過するガス流れにはほとんど圧損が生じない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池（ガス通路がセル積層方向と平行な方向に延びている場合）の一部の拡大断面図である。
【図２】本発明の燃料電池（ガス通路がセル積層方向に対し斜め方向に延びている場合）の一部の拡大断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｆ）は図１、図２の燃料電池のガス通路における板の配置パターン図である。
【図４】本発明の燃料電池の一部の拡大断面図である。
【図５】本発明の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図６】本発明の燃料電池スタックの斜視図である。
【図７】従来の燃料電池の一部の拡大断面図である。
【図８】従来の燃料電池のガス通路またはマニホールドのガス導入部の、旋回流および凝縮水も併せて示した、断面図である。
【符号の説明】
１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１２ 触媒層
１３ 拡散層
１４ 電極（アノード、燃料極）
１５ 触媒層
１６ 拡散層
１７ 電極（カソード、空気極）
１８ セパレータ
１９ 単電池（単セル）
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ スタック
２４ 締結部材（テンションプレート）
２５ ボルト・ナット
２６ 冷媒流路
２７ 燃料ガス流路
２８ 酸化ガス流路
２９ 冷媒マニホールド
３０ 燃料ガスマニホールド
３１ 酸化ガスマニホールド
３２ 燃料ガス供給管
３３ 酸化ガス供給管
３４ 燃料ガス排出管
３５ 酸化ガス排出管
３６ ガス通路（燃料ガス用）
３７ ガス通路（酸化ガス用）
３８ 板（整流板）
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池（たとえば、固体高分子電解質型燃料電池）に関し、とくに圧損をほとんど増加させずに、各セルへのガスの分配の均一化をはかった燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６、図７に示すように、単電池（セル）１９を積層して構成した燃料電池スタック２３のうち、セル積層体の各単電池（セル）１９に燃料ガス、酸化ガスなどの反応ガスを供給するのに、従来、セル積層体中にセル積層方向に延びるマニホールド２９、３０、３１（冷媒マニホールド２９、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１）を形成し、燃料電池スタック２３に供給された反応ガスをマニホールド３０、３１に流し、マニホールド３０、３１から各セル１９に分配する方法がとられている。
【０００３】
通常、反応ガスを外部からセル積層体内のマニホールド３０、３１に供給するガス供給管３２、３３は、図６に示すように、配置上、寸法上の都合などから曲がり管とならざるを得ない。また、ガス供給管の断面は、燃料電池スタックへの入口部近傍においては、単純な円形ではなく、楕円形や長方形になる場合が多いため、ガスは管内を複雑な流線を描いて流れる。その結果、曲がり管から燃料電池スタック２３のガス流入口に入ったガスは、ガス流入口近傍およびマニホールド３０、３１のガス流入口側端部において、図８に示すように、旋回流Ｓを形成したり、マニホールド３０、３１に流入した所に渦を発生したりする。
【０００４】
この旋回流や渦はつぎの問題を生じる。
供給される反応ガスが加湿ガスである場合で燃料電池起動時等には、マニホールド３０、３１のガス流入口側端部に結露水Ｗが集中しやすい。その場合、旋回流Ｓが結露水Ｗを巻き上げ、マニホールド３０、３１のガス流入口側端部にあるセル１９に水を押し込み、そのセル１９のガス流路２７、２８に水により閉塞が生じて電圧低下を生じさせ、セル間に発電能力のばらつきを生じさせるおそれがある。
また、マニホールド３０、３１内の旋回流、渦は、各セル１９へのガス分配を不均一にする。とくにセル積層方向端部のセルはガスの流入量が少なくなるという現象が見られる。その結果、セルの発電能力にばらつきが発生し、ガスの供給の少ないセルの電圧が低下し、極端な場合、電池全体の運転を停止せざるを得なくなる場合も生じる。
【０００５】
従来、上記の問題に対処するには、以下の提案がなされている。
たとえば、特開平８−２９３３１８号のように、マニホールド流入部と外部との間にパンチングメタルのような穴あき板を設置することが行われている。これはパンチングメタルを通過する間に圧力損失が起こることにより、ガスの流入部の圧力を均一にする。その結果、ガスの流れ（主として流量）を均一にすることを狙っている。
また、特開平８−２１３０４４号のように、マニホールド流入部に、多孔質体を介してガスを導入する例もある。この場合も、多孔質体を通過するときに生じる圧力損失を利用してガスの流れ（主として流量）を均一にすることを狙っている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−２９３３１８号公報
【特許文献２】
特開平８−２１３０４４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特開平８−２９３３１８号のように、パンチングメタルを設けるものでは、ガスがパンチングメタルを通過する際に圧力損失が発生する。近年の燃料電池は、マニホールドのガス通過断面積を小さくして、ガスの流速を上げる傾向にある。とくに積層するセルの枚数が多くなる場合には、ガスの流量、流速が増大する。したがって、パンチングメタルなどの圧力損失を発生する部分があると、ガスを送るポンプの動力損失が増大してしまう。また、パンチングメタルでは、ガスが孔を通過するときに孔のエッジにて渦が発生し、その渦により、近傍のセルには、ガスの流入が少なくなるという問題もある。
また、特開平８−２１３０４４号公報のように、多孔質体を介してガスを導入するものにも、ガスが多孔質体を通過する際に圧力損失が発生するため、特開平８−２９３３１８号の場合と同様の問題が生じる。
本発明の目的は、圧力損失をほとんど生じさせずに、マニホールドに流入する反応ガスの旋回流や渦流の発生を抑制し各セルへのガスの分配を均一化することができる燃料電池を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、
複数の単電池の積層体を有する燃料電池スタックと、
燃料電池スタックへの反応ガスの供給管と、
上記複数の単電池の積層体に形成され上記反応ガスの供給管を通して供給された反応ガスを上記複数の単電池の各々に分配するマニホールドと、
上記燃料電池スタックへの反応ガスの供給管と上記マニホールドとを接続するガス通路に設けられ上記複数の単電池の積層体の単電池積層方向と平行な方向に延びる１以上の板と、
を備えている。
上記燃料電池において、望ましくは、上記板の、前記ガス通路の軸芯と平行な方向の長さは、前記板同士の間隔または前記ガス通路内面との間隔の２倍以上である。
また、望ましくは、上記燃料電池スタックがエンドプレートを有し、上記ガス通路が上記エンドプレートに形成されている。
また、上記板が、複数設けられ、互いに交わっていてもよい。
また、望ましくは、上記板の、上記ガス通路の軸芯と平行な方向の長さは、１０ｍｍ以上である。
また、望ましくは、上記板の、板同士の間隔または上記ガス通路内面との間隔は１０ｍｍ以下である。
【０００９】
上記本発明の燃料電池では、ガス通路に単電池積層方向と平行な方向に延びる板を設けたので、マニホールドにほぼストレートにガスを導入することができ、ガス通路およびマニホールドのガス入口部に旋回流が生じることを抑制できる。また、単電池積層方向と平行な方向に延びる板であるので、マニホールドのガス入口部に、板のエッジにて渦が生じることを抑制できる。旋回流、渦を抑制することにより、マニホールドに流入したガスの各セルへの分配を均一化でき、かつ、特定のセルへの凝縮水の巻き上げ、押し込みも防止できる。この場合、ガス通路に単電池積層方向と平行な方向に延びる板としたので、ガス通路の流路断面積はほとんど縮小せず、板部を通過するガス流れにはほとんど圧損が生じない。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の燃料電池の望ましい実施例を、図１〜図６を参照して説明する。従来技術で参照した図４〜図６とその説明は、本発明の燃料電池にも準用される。
本発明の燃料電池１０は、たとえば低温型燃料電池であり、たとえば固体高分子電解質型燃料電池である。燃料電池１０は、たとえば車両に搭載される。ただし、車両搭載用に限るものではない。
【００１１】
図４〜図６に示すように、固体高分子電解質型燃料電池１０は、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ ）とセパレータ１８との積層体からなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換膜からなる電解質膜１１とこの電解質膜の一面に配置された触媒層１２からなる電極（アノード、燃料極）１４および電解質膜の他面に配置された触媒層１５からなる電極（カソード、空気極）１７とからなる。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８との間には、アノード側、カソード側にそれぞれ拡散層１３、１６が設けられてもよい。セパレータ１８にはアノード１４、カソード１７に反応ガスである燃料ガス（水素）および酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するためのガス流路２７、２８（燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８）および／または冷媒（通常、冷却水）を流すための冷媒流路２６が形成されている。膜−電極アッセンブリとセパレータ１８を重ねて単電池（セル）１９を構成し、セルを積層してセル積層体とし、セル積層体のセル積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置し、セル積層体をセル積層方向に締め付け、図示しないセル積層体の外側でセル積層方向に延びる締結部材（たとえば、テンションプレート）、ボルト・ナットにて固定して、燃料電池スタック２３を構成する。
【００１２】
各セルの、アノード側では、水素を水素イオン（プロトン）と電子に変換する反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動し、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる、またはセル積層方向一端のセルのアノードで生成した電子が外部回路を通して他端のセルのカソードにくる）から水を生成する反応が行われ、かくして発電が行われる。
アノード側：Ｈ２ →２Ｈ＋ ＋２ｅ−
カソード側：２Ｈ＋ ＋２ｅ− ＋（１／２）Ｏ２ →Ｈ２ Ｏ
【００１３】
電極１４、１７は、たとえば、カーボンと触媒（たとえば、Ｐｔ）と電解質とから構成されている。
拡散層１３、１６は、たとえば、通気性カーボン層から構成されている。
セパレータ１８は燃料ガス、酸化ガス、冷媒を区画するため不透過性でなければならず、また隣接セル間の電子通路となるため導電性をもたなければならない。そのために、セパレータ１８は、通常、カーボンプレート（カーボン、黒鉛等の導電材料と樹脂との混合材料の成型カーボンプレート、あるいはカーボン、黒鉛等の導電材料の焼結カーボンプレート）、導電性樹脂に流体流路を形成したもの、あるいはメタルプレート（たとえば、ＳＵＳプレート）に流体流路を形成したもの、あるいはメタルプレートに流体流路を形成したものと樹脂フレームとの組み合わせ、等からなる。図４は、セパレータ１８がカーボンセパレータからなる場合を示しているが、セパレータ１８がカーボンセパレータに限るものではない。
【００１４】
セパレータ１８には、冷媒流路２６、燃料ガス流路２７、酸化ガス流路２８の何れか少なくとも１つの流路が形成される。これらの流路は、セル面に平行に延びる。図５は酸化ガス流路２８を示している。
また、セル積層体には、冷媒マニホールド２９、燃料ガスマニホールド３０、酸化ガスマニホールド３１がそれぞれ形成される。これらのマニホールドはセル面と直交する方向、すなわちセル積層方向に延び、セパレータ１８を貫通し、それぞれ冷媒、燃料ガスおよび酸化ガスを各セル１９に分配する。
【００１５】
燃料電池スタック２３の一端のエンドプレート２２には、燃料ガス供給管３２、酸化ガス供給管３３、冷媒供給管、燃料ガス排出管３４、酸化ガス排出管３５、冷媒排出管が取付けられる。これらの反応ガス（燃料ガスまたは酸化ガス）の供給、排出管は、曲がり管からなる。
燃料ガス供給管３２と燃料ガスマニホールド３０との間には燃料ガスのガス通路３６が形成されており、酸化ガス供給管３３と酸化ガスマニホールド３１との間には酸化ガスのガス通路３７が形成されている。同様に、燃料ガス排出管３４と燃料ガスマニホールド３０との間には燃料ガスのガス通路が形成されており、酸化ガス排出管３５と酸化ガスマニホールド３１との間には酸化ガスのガス通路が形成されている。
図１は、燃料ガス供給管３２と燃料ガスマニホールド３０との間に形成された燃料ガスのガス通路３６、または酸化ガス供給管３３と酸化ガスマニホールド３１との間に形成された酸化ガスのガス通路３７を示している。
【００１６】
燃料ガスのガス通路３６または酸化ガスのガス通路３７は、図１に示すように、燃料電池の単電池積層方向と平行な方向に延びていてもよいし、図２に示すように、燃料電池の単電池積層方向と斜交する方向に延びていてもよい。ガス供給管３２、３３をエンドプレート２２にフランジ接続とする場合は、フランジがエンドプレート２２の端からはみ出ないようにするために、ガス供給管３２、３３の軸芯をエンドプレート２２の端から内側にオフセットさせる必要が生じる場合があるが、そのような場合には、図２のような配置となる場合がある。
【００１７】
燃料ガスのガス通路３６と酸化ガスのガス通路３７との少なくとも一方のガス通路（両方のガス通路３６、３７であることが望ましい）には、図１〜図３に示すように、複数の単電池の積層体の単電池積層方向と平行な方向に延びる１以上の板（整流板）３８が設置される。
板３８は、複数の単電池の積層体の単電池積層方向と直交する面内方向には、板３８部をガスが流れる時に板３８が無かったならば生じるであろうガスの旋回流（図８のＳ）を切る方向に延びている。
【００１８】
ガス通路３６、３７の単電池積層方向と直交する横断面における、１以上の板３８の、単電池積層方向と直交する面内方向の配置パターンは、図３に示す通りである。図３の（ａ）では、板３８の枚数は１つで、１つの板３８がガス通路３６、３７の断面の長手方向に延びている。図３の（ｂ）では、板３８の枚数は複数で、複数の板３８が互いに平行で、かつ、ガス通路３６、３７の断面の長手方向に延びている。図３の（ｃ）では、板３８の枚数は複数で、複数の板３８はガス通路３６、３７の断面の長手方向およびそれと直交する幅方向に延びており、かつ、格子状に互いに組み合わされている。図３の（ｄ）では、板３８の枚数は複数で、複数の板３８はガス通路３６、３７の断面の長手方向およびそれと直交する幅方向に斜交しており、かつ、格子状に互いに組み合わされている。図３の（ｅ）では、板３８の枚数は複数で、複数の板３８はハニカム状に互いに組み合わされている。図３の（ｆ）では、板３８の枚数は複数で、複数の板３８が互いに平行で、かつ、ガス通路３６、３７の断面の幅方向に延びている。図３の（ｆ）のパターンは、図２のガス通路３６、３７が単電池積層方向に対して斜めに延びている場合にも、適用されることができ、その場合、板３８は単電池積層方向に平行である。
【００１９】
板３８は、板３８のガス流れ方向上流端面およびガス流れ方向下流端面が、端面近傍にて、ガスに渦流を発生させない程度の薄厚とされている。板３８の厚さが薄いため、ガス通路３６、３７の流路断面積は、板３８が設けられているにかかわらず、ほとんど減少しない。
【００２０】
十分な整流作用を得る上から、つぎの構造条件を具備することが望ましい。板３８の、ガス通路３６、３７の軸芯と平行な方向の長さは、板３８同士の間隔またはガス通路３６、３７内面との間隔の２倍以上であることが望ましい。板３８の、ガス通路３６、３７の軸芯と平行な方向の長さは、１０ｍｍ以上であることが望ましい。板３８の、板同士の間隔またはガス通路内面との間隔が１０ｍｍ以下であることが望ましい。
【００２１】
燃料電池スタック２３はエンドプレート２２を有しており、ガス通路３６、３７はエンドプレート２２に形成されている。
板３８がエンドプレート２２に形成されたガス通路３６、３７に設けられる場合、板３８は上流側のガス供給管内に突出していてもよいし、あるいは板３８は下流側のターミナル２０、インシュレータ２１内のガス通路３６、３７に突出していてもよい。
【００２２】
つぎに、本発明の燃料電池の作用を説明する。
ガス通路３６、３７に単電池積層方向と平行な方向に延びる板３８を設けたので、マニホールド３０、３１にほぼストレートに反応ガス（燃料ガス、酸化ガス）を導入することができ、ガス通路３６、３７およびマニホールド３０、３１のガス入口部に旋回流（図８のＳ）が生じることを抑制できる。また、板３８は単電池積層方向と平行な方向に延びる板であり板厚は薄いので、マニホールド３６、３７のガス入口部に、板３８のエッジにて渦が生じることを抑制できる。
【００２３】
旋回流、渦を抑制し、マニホールド３０、３１にほぼストレートに反応ガスを導入した結果、マニホールド３０、３１に流入したガスの各セル１９への分配を均一化できる。板３８による整流で流れをまっすぐにして各セル１９への分配を均一化しており、従来のパンチングメタルや多孔質体を設けて圧損を利用してガス分配の均一化をはかるものと自然法則の利用の仕方が異なる。また、旋回流を抑制したため、特定のセル（ガス流入側の端部またはその近傍にあるセル）への凝縮水（図８のＷ）の巻き上げ、押し込みも防止できる。
【００２４】
この場合、板３８をガス通路３６、３７内で単電池積層方向と平行な方向に延びる板としたので、ガス通路３６、３７の流路断面積はほとんど縮小せず、板部３８設置部を通過する反応ガス流れにはほとんど圧損が生じない。その結果、従来のパンチングメタルや多孔質体を設けて圧損を利用してガス分配の均一化をはかる場合のようなガスポンプの動力増大を伴わない。
【００２５】
（イ）板３８の、ガス通路３６、３７の軸芯と平行な方向の長さを、板同士の間隔または前記ガス通路内面との間隔の２倍以上とした場合や、（ロ）板３８の、ガス通路３６、３７の軸芯と平行な方向の長さを、１０ｍｍ以上とした場合や、（ハ）板３８の、板同士の間隔またはガス通路内面との間隔を１０ｍｍ以下とした場合、（ニ）複数の板３８を交わらせて格子状とした場合には、板３８設置部を通過する時に、十分な反応ガスの整流が得られ、その結果、十分な各セルへのガス分配の均一化、凝縮水の巻き上げ抑制が得られる。
また、燃料電池スタックのエンドプレート２２に形成されたガス通路３６、３７に板３８を設置した場合は、エンドプレート２２が適宜の厚さと強度を有するので、板３８の設置、固定、および板３８の形状寸法の確保が容易である。
【００２６】
【発明の効果】
請求項１〜６の燃料電池によれば、ガス通路に単電池積層方向と平行な方向に延びる板を設けたので、マニホールドにほぼストレートにガスを導入することができ、ガス通路およびマニホールドのガス入口部に旋回流が生じることを抑制できる。また、単電池積層方向と平行な方向に延びる板であるので、マニホールドのガス入口部に、板のエッジにて渦が生じることを抑制できる。旋回流、渦を抑制することにより、マニホールドに流入したガスの各セルへの分配を均一化でき、かつ、特定のセルへの凝縮水の巻き上げ、押し込みも防止できる。この場合、ガス通路に単電池積層方向と平行な方向に延びる板としたので、ガス通路の流路断面積はほとんど縮小せず、板部を通過するガス流れにはほとんど圧損が生じない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池（ガス通路がセル積層方向と平行な方向に延びている場合）の一部の拡大断面図である。
【図２】本発明の燃料電池（ガス通路がセル積層方向に対し斜め方向に延びている場合）の一部の拡大断面図である。
【図３】（ａ）〜（ｆ）は図１、図２の燃料電池のガス通路における板の配置パターン図である。
【図４】本発明の燃料電池の一部の拡大断面図である。
【図５】本発明の燃料電池のセパレータの正面図である。
【図６】本発明の燃料電池スタックの斜視図である。
【図７】従来の燃料電池の一部の拡大断面図である。
【図８】従来の燃料電池のガス通路またはマニホールドのガス導入部の、旋回流および凝縮水も併せて示した、断面図である。
【符号の説明】
１０ （固体高分子電解質型）燃料電池
１１ 電解質膜
１２ 触媒層
１３ 拡散層
１４ 電極（アノード、燃料極）
１５ 触媒層
１６ 拡散層
１７ 電極（カソード、空気極）
１８ セパレータ
１９ 単電池（単セル）
２０ ターミナル
２１ インシュレータ
２２ エンドプレート
２３ スタック
２４ 締結部材（テンションプレート）
２５ ボルト・ナット
２６ 冷媒流路
２７ 燃料ガス流路
２８ 酸化ガス流路
２９ 冷媒マニホールド
３０ 燃料ガスマニホールド
３１ 酸化ガスマニホールド
３２ 燃料ガス供給管
３３ 酸化ガス供給管
３４ 燃料ガス排出管
３５ 酸化ガス排出管
３６ ガス通路（燃料ガス用）
３７ ガス通路（酸化ガス用）
３８ 板（整流板）
Claims (6)
- 複数の単電池の積層体を有する燃料電池スタックと、
燃料電池スタックへの反応ガスの供給管と、
前記複数の単電池の積層体に形成され前記反応ガスの供給管を通して供給された反応ガスを前記複数の単電池の各々に分配するマニホールドと、
前記燃料電池スタックへの反応ガスの供給管と前記マニホールドとを接続するガス通路に設けられ前記複数の単電池の積層体の単電池積層方向と平行な方向に延びる１以上の板と、
を備えた燃料電池。 - 前記板の、前記ガス通路の軸芯と平行な方向の長さは、前記板同士の間隔または前記ガス通路内面との間隔の２倍以上である請求項１記載の燃料電池。
- 前記燃料電池スタックがエンドプレートを有し、前記ガス通路が前記エンドプレートに形成されている請求項１または請求項２記載の燃料電池。
- 前記板が、複数設けられ、互いに交わっている請求項１または請求項２または請求項３記載の燃料電池。
- 前記板の、前記ガス通路の軸芯と平行な方向の長さが、１０ｍｍ以上である請求項１または請求項２記載の燃料電池。
- 前記板の、板同士の間隔または前記ガス通路内面との間隔が１０ｍｍ以下である請求項１または請求項２記載の燃料電池。
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