JP2007103279A - 平板型燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】各平板型燃料電池へのガス供給量のばらつきを低減する。
【解決手段】平板型燃料電池スタックは、平板型燃料電池７およびセパレータ５を積層する方向に沿って配置された、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給主経路１と、平板型燃料電池７およびセパレータ５を積層する方向に沿って配置された、燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出主経路３と、セパレータ５毎に配置された、各セパレータ５の燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路と供給主経路１とをつなぐ供給分岐経路２と、セパレータ５毎に配置された、各セパレータ５の燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路と排出主経路３とをつなぐ排出分岐経路４とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、平板型燃料電池とセパレータを交互に積層した平板型燃料電池スタックに関するものである。

図１２は、従来の平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。図１２において、１は燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給主経路、２は燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給分岐経路、４は燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出分岐経路、５はセパレータ、６は燃料ガスまたは酸化剤ガス、７は平板型燃料電池、８は酸化剤ガスまたは燃料ガスの供給分岐経路、９は酸化剤ガスまたは燃料ガスの排出分岐経路である。

ここで、図１２において、６は燃料ガスまたは酸化剤ガスであるが、６が燃料ガスの場合、１は燃料ガスの供給主経路、２は燃料ガスの供給分岐経路、４は燃料ガスの排出分岐経路、８は酸化剤ガスの供給分岐経路、９は酸化剤ガスの排出分岐経路となる。また、図１２において、６が酸化剤ガスの場合、１は酸化剤ガスの供給主経路、２は酸化剤ガスの供給分岐経路、４は酸化剤ガスの排出分岐経路、８は燃料ガスの供給分岐経路、９は燃料ガスの排出分岐経路となる。

燃料極と空気極がセラミックスの電解質を介して配置され、水素を始めとする燃料ガスと空気を始めとする酸化剤ガスとを供給することにより発電する燃料電池において、実用上十分な発電電力を得るためには、平板型燃料電池７を複数個、電気的に接続することが必要となる。隣り合う平板型燃料電池７の燃料ガスと酸化剤ガスとを分離して、燃料電池７の燃料極に燃料ガスを供給し、かつ空気極に酸化剤ガスを供給しつつ、個々の燃料電池７を電気的に接続するために、電気伝導性の高いセパレータ５を用い、平板型燃料電池７をセパレータ５を介して複数個接続するようにしている。セパレータ５は、片面に燃料ガスの流路を有し、且つその反対側の面に酸化剤ガスの流路を有する。

燃料ガスまたは酸化剤ガス６は、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給主経路１および燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給分岐経路２を介して、各セパレータ５の燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路に供給される。このような燃料ガスまたは酸化剤ガス６の供給方式は、外部マニホールド方式と呼ばれる。そして、各セパレータ５の燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路に供給された燃料ガスまたは酸化剤ガス６は、燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出分岐経路４を介して、図１２の平板型燃料電池スタックを収納する容器（不図示）の内部に排出される。

図１３は、図１２に示す従来の平板型燃料電池スタックに燃料ガスを供給した場合の、平板型燃料電池スタックを構成する各平板型燃料電池への燃料ガス供給量の過不足率△Ｍ_Fを示す図である。図１３の例では、電池反応を考慮せずに燃料ガス流のシミュレーションを行って、各平板型燃料電池７への燃料ガス供給量のばらつきを求めている。燃料ガス流のシミュレーションは、燃料ガスの３次元方向の速度と圧力の方程式に境界条件を与えてフルーエント（FLUENT）社の流体解析ソフトウェアを用いて方程式を解くことにより、燃料ガス供給量を計算上で求めたものである。

ここでは、燃料ガスを水素とした。また、平板型燃料電池スタックを構成するセパレータ５の数を５０個としている。図１３のセパレータ番号は、燃料ガスが供給主経路を流れる方向（図１２では下から上への方向）に沿って各セパレータ５に対して順に１，２，３，・・・・，５０と割り振ったものである。燃料ガス供給量の過不足率△Ｍ_Fは以下の式で表される。

△Ｍ_F＝（Ｍ_F−Ｍ_F ^＊）／Ｍ_F ^＊ ・・・（１）
ここで、Ｍ_Fは平板型燃料電池スタックを構成する各セパレータ５への燃料ガス供給量をシミュレーションによって求めた値、Ｍ_F ^＊は各セパレータ５に均一に供給されたと仮定した場合の理想的な燃料ガス供給量である。したがって、シミュレーションによって求めた燃料ガス供給量Ｍ_Fが理想的な燃料ガス供給量Ｍ_F ^＊と一致する場合、過不足率△Ｍ_Fは０％となる。各セパレータ５への燃料ガス供給量のばらつきは大きく、図１３の過不足率△Ｍ_Fで見ると、−７％〜＋１５％のばらつきがあることが分かる。

図１４は、図１２に示す従来の平板型燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給した場合の、平板型燃料電池スタックを構成する各平板型燃料電池への酸化剤ガス供給量の過不足率△Ｍ_Oを示す図である。図１４の例では、電池反応を考慮せずに酸化剤ガス流のシミュレーションを行って、各平板型燃料電池７への酸化剤ガス供給量のばらつきを求めている。酸化剤ガス流のシミュレーションは、酸化剤ガスの３次元方向の速度と圧力の方程式に境界条件を与えて前記流体解析ソフトウェアを用いて方程式を解くことにより、酸化剤ガス供給量を計算上で求めたものである。

ここでは、酸化剤ガスを空気とした。上記と同様にセパレータ５の数を５０個としている。図１４のセパレータ番号は、酸化剤ガスが供給主経路を流れる方向（図１２では下から上への方向）に沿って各セパレータ５に対して順に１，２，３，・・・・，５０と割り振ったものである。酸化剤ガス供給量の過不足率△Ｍ_Oは以下の式で表される。

△Ｍ_O＝（Ｍ_O−Ｍ_O ^＊）／Ｍ_O ^＊ ・・・（２）
ここで、Ｍ_Oは平板型燃料電池スタックを構成する各セパレータ５への酸化剤ガス供給量をシミュレーションによって求めた値、Ｍ_O ^＊は各セパレータ５に酸化剤ガスが均一に供給されたと仮定した場合の理想的な酸化剤ガス供給量である。したがって、シミュレーションによって求めた酸化剤ガス供給量Ｍ_Oが理想的な酸化剤ガス供給量Ｍ_O ^＊と一致する場合、過不足率△Ｍ_Oは０％となる。各セパレータ５への酸化剤ガス供給量のばらつきは大きく、図１４の過不足率△Ｍ_Oで見ると、−５％〜＋３％のばらつきがあることが分かる。

西脇太，「低温作動固体酸化物形燃料電池の開発状況について」，燃料電池，Ｖｏｌ．３，Ｎｏ．２，ｐ．３３−３４，２００３

以上のように、従来の平板型燃料電池スタックでは、平板型燃料電池スタックを構成する各平板型燃料電池に供給される燃料ガス量と酸化剤ガス量のばらつき（△Ｍ_Fと△Ｍ_O）が大きく、ガス量が大幅に不足する（すなわち、△Ｍ_F＜＜０、△Ｍ_O＜＜０となる）平板型燃料電池が存在する可能性があり、ガス量が大幅に不足すると、平板型燃料電池スタックの性能が大きく低下するという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、各平板型燃料電池へのガス供給量のばらつきを低減して、平板型燃料電池スタックの性能を向上させることを目的としている。

本発明の平板型燃料電池スタックでは、燃料極に燃料ガスが供給され、かつ空気極に酸化剤ガスが供給される平板型燃料電池と、片面に燃料ガスの流路を有し、かつ反対側の面に酸化剤ガスの流路を有するセパレータとを、平板型燃料電池の燃料極とセパレータの燃料ガス流路とが相対し、かつ平板型燃料電池の空気極とセパレータの酸化剤ガス流路とが相対するように積層している。そして、本発明は、このような平板型燃料電池スタックにおいて、前記平板型燃料電池および前記セパレータを積層する方向に沿って配置された、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給主経路と、前記平板型燃料電池および前記セパレータを積層する方向に沿って配置された、燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出主経路と、前記セパレータ毎に配置された、各セパレータの燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路と前記供給主経路とをつなぐ供給分岐経路と、前記セパレータ毎に配置された、各セパレータの燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路と前記排出主経路とをつなぐ排出分岐経路とを有するものである。

また、本発明の平板型燃料電池スタックの１構成例において、前記供給主経路は、一端にガスの供給口を有し、前記排出主経路は、一端にガスの排出口を有するものである。
また、本発明の平板型燃料電池スタックの１構成例において、前記供給主経路のガスの供給口と前記排出主経路のガスの排出口とは、前記供給口からのガスの供給方向と前記排出口へのガスの排出方向とが逆方向になるように配置されるものである。
また、本発明の平板型燃料電池スタックの１構成例において、前記供給主経路は、両端にガスの供給口を有し、前記排出主経路は、両端にガスの排出口を有するものである。
また、本発明の平板型燃料電池スタックの１構成例において、前記供給主経路は、両端にガスの供給口を有し、前記排出主経路は、中央部付近にガスの排出口を有するものである。

また、本発明の平板型燃料電池スタックの１構成例は、前記供給主経路と前記排出主経路と前記供給分岐経路と前記排出分岐経路の少なくとも一部に絶縁材料を用いることにより、前記供給主経路と前記排出主経路と前記供給分岐経路と前記排出分岐経路が各平板型燃料電池同士の電気的な経路とならないようにしたものである。
また、本発明の平板型燃料電池スタックの１構成例は、前記燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給排出方式として外部マニホールド方式を採用し、前記供給主経路と前記排出主経路を、それぞれ金属からなる管と絶縁材料からなる管とを交互に積層して管状に成形することにより、前記供給主経路と前記排出主経路と前記供給分岐経路と前記排出分岐経路が各平板型燃料電池同士の電気的な経路とならないようにしたものである。
また、本発明の平板型燃料電池スタックの１構成例は、前記燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給排出方式として外部マニホールド方式を採用し、前記供給主経路と前記排出主経路を、それぞれ絶縁材料を用いて管状に成形することにより、前記供給主経路と前記排出主経路と前記供給分岐経路と前記排出分岐経路が各平板型燃料電池同士の電気的な経路とならないようにしたものである。
また、本発明の平板型燃料電池スタックの１構成例は、前記燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給排出方式として外部マニホールド方式を採用し、前記供給分岐経路と前記排出分岐経路を、それぞれ絶縁材料を用いて管状に成形することにより、前記供給主経路と前記排出主経路と前記供給分岐経路と前記排出分岐経路が各平板型燃料電池同士の電気的な経路とならないようにしたものである。
また、本発明の平板型燃料電池スタックの１構成例は、前記燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給排出方式として内部マニホールド方式を採用し、前記供給主経路と前記排出主経路を、それぞれ各セパレータに設けられた貫通穴と各セパレータ間に存在する絶縁部材に設けられた貫通穴とによって管状に成形することにより、前記供給主経路と前記排出主経路と前記供給分岐経路と前記排出分岐経路が各平板型燃料電池同士の電気的な経路とならないようにしたものである。

本発明によれば、平板型燃料電池およびセパレータを積層する方向に沿って燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出主経路を設けることにより、各平板型燃料電池への燃料ガス供給量または酸化剤ガス供給量を均一にすることができる。その結果、本発明では、平板型燃料電池スタックの性能を従来よりも向上させることができる。

また、本発明では、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給主経路と排出主経路をそれぞれ片端開放とし、供給主経路のガスの供給口と排出主経路のガスの排出口とを、供給口からのガスの供給方向と排出口へのガスの排出方向とが逆方向になるように配置することにより、各平板型燃料電池への燃料ガス供給量または酸化剤ガス供給量を均一にすることができる。

また、本発明では、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給主経路と排出主経路３をそれぞれ両端開放とすることにより、各平板型燃料電池への燃料ガス供給量または酸化剤ガス供給量を均一にすることができる。

また、本発明では、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給主経路を両端開放とし、燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出主経路の中央部付近に排出口を設けることにより、各平板型燃料電池への燃料ガス供給量または酸化剤ガス供給量を均一にすることができる。

また、本発明では、供給主経路と排出主経路と供給分岐経路と排出分岐経路の少なくとも一部に絶縁材料を用いることにより、供給主経路と排出主経路と供給分岐経路と排出分岐経路が各平板型燃料電池同士の電気的な経路とならないようにすることができ、セパレータによる各平板型燃料電池間の電気的な接続を損なうことのないようにすることができる。

また、本発明では、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給排出方式として外部マニホールド方式を採用する場合に、供給主経路と排出主経路を、それぞれ金属からなる管と絶縁材料からなる管とを交互に積層して管状に成形することにより、供給主経路と排出主経路と供給分岐経路と排出分岐経路が各平板型燃料電池同士の電気的な経路とならないようにすることができる。

また、本発明では、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給排出方式として外部マニホールド方式を採用する場合に、供給主経路と排出主経路を、それぞれ絶縁材料を用いて管状に成形することにより、供給主経路と排出主経路と供給分岐経路と排出分岐経路が各平板型燃料電池同士の電気的な経路とならないようにすることができる。

また、本発明では、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給排出方式として外部マニホールド方式を採用する場合に、供給分岐経路と排出分岐経路を、それぞれ絶縁材料を用いて管状に成形することにより、供給主経路と排出主経路と供給分岐経路と排出分岐経路が各平板型燃料電池同士の電気的な経路とならないようにすることができる。

また、本発明では、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給排出方式として内部マニホールド方式を採用する場合に、供給主経路と排出主経路を、それぞれ各セパレータに設けられた貫通穴と各セパレータ間に存在する絶縁部材に設けられた貫通穴とによって管状に成形することにより、供給主経路と排出主経路と供給分岐経路と排出分岐経路が各平板型燃料電池同士の電気的な経路とならないようにすることができる。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。図１において、１は燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給主経路、２は燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給分岐経路、３は燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出主経路、４は燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出分岐経路、５は導電性のセラミックスまたは金属からなるセパレータ、６は燃料ガスまたは酸化剤ガス、７は平板型燃料電池、８は酸化剤ガスまたは燃料ガスの供給分岐経路、９は酸化剤ガスまたは燃料ガスの排出分岐経路、１０は燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給口、３０は燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出口である。

ここで、図１において、６は燃料ガスまたは酸化剤ガスであるが、６が燃料ガスの場合、１は燃料ガスの供給主経路、２は燃料ガスの供給分岐経路、３は燃料ガスの排出主経路、４は燃料ガスの排出分岐経路、８は酸化剤ガスの供給分岐経路、９は酸化剤ガスの排出分岐経路となる。
また、図１において、６が酸化剤ガスの場合、１は酸化剤ガスの供給主経路、２は酸化剤ガスの供給分岐経路、３は酸化剤ガスの排出主経路、４は酸化剤ガスの排出分岐経路、８は燃料ガスの供給分岐経路、９は燃料ガスの排出分岐経路となる。

図２は、平板型燃料電池スタックの平板型燃料電池７およびセパレータ５の断面図である。図２に示すように、各平板型燃料電池７は、セラミックス製の電解質７０の一方の面に燃料極７１を配置し、電解質７０の反対側の面に空気極７２を配置した構成を有する。セパレータ５は、導電性のセラミックスまたは金属からなり、一方の面に燃料ガス流路５０が形成され、反対側の面に酸化剤ガス流路５１が形成されている。

平板型燃料電池７とセパレータ５は交互に積層されるが、このとき平板型燃料電池７の燃料極７１とセパレータ５の燃料ガス流路５０とが相対し、かつ平板型燃料電池７の空気極７２とセパレータ５の酸化剤ガス流路５１とが相対するように積層される。これにより、セパレータ５の燃料ガス流路５０を通じて平板型燃料電池７の燃料極７１に燃料ガスが供給され、セパレータ５の酸化剤ガス流路５１を通じて平板型燃料電池７の空気極７２に酸化剤ガスが供給される。

燃料ガスの供給機構と酸化剤ガスの供給方式は独立に選択することが可能であり、一致させる必要はない。本実施の形態の燃料ガスまたは酸化剤ガス６の供給排出方式は、いわゆる外部マニホールド方式である。

本実施の形態が図１２に示した従来の平板型燃料電池スタックと大きく異なる点は、平板型燃料電池７を積層する方向（図１の上下方向）に沿って燃料ガスまたは酸化剤ガス６を回収する燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出主経路３を設けたことである。
燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給主経路１と燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出主経路３は、それぞれ片端が閉じていて、もう一方の片端にそれぞれ供給口１０と排出口３０が設けられている。そして、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給主経路１の供給口１０と、燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出主経路３の排出口３０とが逆向きに設けられている。

燃料ガスまたは酸化剤ガス６は、供給口１０から供給主経路１に流入し、各供給分岐経路２を介して各セパレータ５の燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路に供給される。そして、各セパレータ５の燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路に供給された燃料ガスまたは酸化剤ガス６は、燃料ガスまたは酸化剤ガスの各排出分岐経路４を介して燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出主経路３に流入し、排出口３０から排出される。

燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給主経路１は、例えば金属製の管と電気的絶縁材料からなる管とを交互に積層して管状に成形したものである。このように金属からなる管と絶縁材料からなる管とを交互に積層することにより、供給主経路１を平板型燃料電池スタックに取り付けたときに、供給主経路１が各平板型燃料電池７同士を接続する電気的な経路とならないようにしている。燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出主経路３も同様に、金属からなる管と絶縁材料からなる管とを交互に積層して管状に成形したものである。

なお、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給主経路１と燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出主経路３を、それぞれ電気的絶縁材料により管状に成形するようにしてもよい。これにより、供給主経路１と排出主経路３を平板型燃料電池スタックに取り付けたときに、供給主経路１と排出主経路３が各平板型燃料電池７同士を接続する電気的な経路とならないようにすることができる。

また、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給主経路１と各セパレータ５の燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路とを接続する各供給分岐経路２と、各セパレータ５の燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路と燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出主経路３とを接続する各排出分岐経路４を、それぞれ電気的絶縁材料により管状に成形するようにしてもよい。これにより、供給主経路１と排出主経路３が金属製であっても、供給主経路１と排出主経路３が各平板型燃料電池７同士を接続する電気的な経路とならないようにすることができる。

図３は、図１に示す本実施の形態の平板型燃料電池スタックに燃料ガスを供給した場合と、図１２に示した従来の平板型燃料電池スタックに燃料ガスを供給した場合の、各平板型燃料電池７への燃料ガス供給量の過不足率△Ｍ_Fを示す図である。図３の例では、電池反応を考慮せずに燃料ガス流のシミュレーションを行って、各平板型燃料電池７への燃料ガス供給量のばらつきを求めている。燃料ガス流のシミュレーションは、図１３の例と同様の手法により行っている。

ここでは、燃料ガスを水素とした。平板型燃料電池スタックを構成するセパレータ５の数は５０である。図３のセパレータ番号は、燃料ガスが供給主経路を流れる方向（図１、図１２では下から上への方向）に沿って各セパレータ５に対して順に１，２，３，・・・・，５０と割り振ったものである。燃料ガス供給量の過不足率△Ｍ_Fは、前記の式（１）で表される。

図３から明らかなように、本実施の形態では、燃料ガス供給量の過不足率△Ｍ_Fが−４％〜＋６％程度に抑えられており、従来の燃料ガス供給量の過不足率△Ｍ_Fが−７％〜＋１５％であるのに対して、燃料ガス供給量のばらつきが改善していることが分かる。

以上のように、本実施の形態では、平板型燃料電池７およびセパレータ５を積層する方向に沿って燃料ガスの排出主経路３を設けることにより、各平板型燃料電池７への燃料ガス供給量のばらつきを低減できることがシミュレーションにより明らかとなった。これにより、本実施の形態では、平板型燃料電池スタックの性能を従来よりも向上させることができる。

また、本実施の形態では、酸化剤ガス流のシミュレーション結果を明示していないが、酸化剤ガスについても同様に排出主経路３を設けることにより、各平板型燃料電池７への酸化剤ガス給量のばらつきを低減できることをシミュレーションで確認している。

なお、燃料ガスについては、図１に示したように供給主経路１の供給口１０と排出主経路３の排出口３０が逆向きの方が燃料ガス供給量のばらつきの低減効果が大きく、一方、酸化剤ガスについては、供給主経路１の供給口１０と排出主経路３の排出口３０が同じ向きの方が酸化剤ガス供給量のばらつきの低減効果が大きいことを、シミュレーションで確認できた。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図４は、本発明の第２の実施の形態に係る平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。第１の実施の形態では、燃料ガスまたは酸化剤ガス６の供給方式として外部マニホールド方式を採用したが、本実施の形態は燃料ガスまたは酸化剤ガス６の供給方式として内部マニホールド方式を採用したものである。

図４において、１は燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給主経路、２は燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給分岐経路、３は燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出主経路、４は燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出分岐経路、５はセパレータ、６は燃料ガスまたは酸化剤ガス、１０は燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給口、３０は燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出口、１１は絶縁部材である。

内部マニホールド方式では、セパレータ５と絶縁部材１１とを交互に積層した図４の円筒形の内部の、供給主経路１と排出主経路３との間の領域に平板型燃料電池（不図示）が配置されている。すなわち、各セパレータ５間にそれぞれ平板型燃料電池が配置され、この平板型燃料電池の周りを取り囲むように絶縁部材１１が配置されている。これにより、図４の円筒形の内部で平板型燃料電池とセパレータ５とを交互に積層した構造が実現されている。

各セパレータ５は、各平板型燃料電池を電気的に接続する役割を持つと共に、燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給・排出の役割を持っている。すなわち、各セパレータ５には、それぞれ４つの貫通穴が形成され、そのうち１つの貫通穴が燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給主経路１を構成し、もう１つの貫通穴が燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出主経路３を構成している。

なお、第１の実施の形態と同様に、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給主経路１と排出主経路３は、それぞれ片端が閉じている。このため、図４の例では、最上層のセパレータ５には供給主経路１用の貫通穴が設けられておらず、また最下層のセパレータ５には排出主経路３用の貫通穴が設けられていない。これにより、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給主経路１の供給口１０と、燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出主経路３の排出口３０とが逆向きに設けられている。

また、各セパレータ５には、供給分岐経路２が管状若しくは溝状に形成されると共に、排出分岐経路４が管状若しくは溝状に形成されている。これにより、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給主経路１と各セパレータ５の燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路とが各供給分岐経路２を介して接続され、各セパレータ５の燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路と燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出主経路３とが各排出分岐経路４を介して接続されている。

セパレータ５と同様に、各絶縁部材１１には、それぞれ４つの貫通穴が形成され、そのうち１つの貫通穴が燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給主経路１を構成し、もう１つの貫通穴が燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出主経路３を構成している。各平板型燃料電池の周囲に絶縁部材１１を設け、この絶縁部材１１に供給主経路１および排出主経路３の役割を持たせることで、供給主経路１と排出主経路３が各平板型燃料電池の燃料極と空気極を接続する電気的な経路とならないようにすることができる。

第１の実施の形態と同様に、燃料ガスまたは酸化剤ガス６は、供給口１０から供給主経路１に流入し、各供給分岐経路２を介して各セパレータ５の燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路に供給される。そして、燃料ガスまたは酸化剤ガス６は、燃料ガスまたは酸化剤ガスの各排出分岐経路４を介して燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出主経路３に流入し、排出口３０から排出される。
こうして、内部マニホールド方式の平板型燃料電池スタックにおいても、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図５は、本発明の第３の実施の形態に係る平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図であり、図１と同様の構成には同一の符号を付してある。

ここで、図５において、６は燃料ガスまたは酸化剤ガスであるが、６が燃料ガスの場合、１は燃料ガスの供給主経路、２は燃料ガスの供給分岐経路、３は燃料ガスの排出主経路、４は燃料ガスの排出分岐経路、８は酸化剤ガスの供給分岐経路、９は酸化剤ガスの排出分岐経路となる。
また、図５において、６が酸化剤ガスの場合、１は酸化剤ガスの供給主経路、２は酸化剤ガスの供給分岐経路、３は酸化剤ガスの排出主経路、４は酸化剤ガスの排出分岐経路、８は燃料ガスの供給分岐経路、９は燃料ガスの排出分岐経路となる。

燃料ガスの供給機構と酸化剤ガスの供給方式は独立に選択することが可能であり、一致させる必要はない。本実施の形態の燃料ガスまたは酸化剤ガス６の供給排出方式は、外部マニホールド方式である。

本実施の形態が図１２に示した従来の平板型燃料電池スタックと大きく異なる点は、平板型燃料電池７を積層する方向に沿って燃料ガスまたは酸化剤ガス６を回収する燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出主経路３を設けたことであり、さらに本実施の形態が第１の実施の形態と異なる点は、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給主経路１と排出主経路３を両端開放としたことである。

燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給主経路１と排出主経路３を両端開放としたことにより、本実施の形態では、供給主経路１の両端に設けられた供給口１０ａ，１０ｂから燃料ガスまたは酸化剤ガス６を供給する。そして、燃料ガスまたは酸化剤ガス６は、第１の実施の形態と同様の経路を通り、排出主経路３の両端に設けられた排出口３０ａ，３０ｂから排出されることになる。
供給主経路１、排出主経路３、供給分岐経路２および排出分岐経路４は、第１の実施の形態と同様の材料を用いて構成すればよい。

図６は、図５に示す本実施の形態の平板型燃料電池スタックに燃料ガスを供給した場合と、図１２に示した従来の平板型燃料電池スタックに燃料ガスを供給した場合の、各平板型燃料電池７への燃料ガス供給量の過不足率△Ｍ_Fを示す図である。図６の例では、電池反応を考慮せずに燃料ガス流のシミュレーションを行って、各平板型燃料電池７への燃料ガス供給量のばらつきを求めている。燃料ガス流のシミュレーションは、図１３の例と同様の手法により行っている。

ここでは、燃料ガスを水素とした。第１の実施の形態と同様にセパレータ５の数は５０である。図６のセパレータ番号は、図５の各セパレータ５に対して例えば下から順に１，２，３，・・・・，５０と割り振ったものである。燃料ガス供給量の過不足率△Ｍ_Fは、前記の式（１）で表される。

図６から明らかなように、本実施の形態では、燃料ガス供給量の過不足率△Ｍ_Fが−４％〜＋６％程度に抑えられており、従来の燃料ガス供給量の過不足率△Ｍ_Fが−７％〜＋１５％であるのに対して、燃料ガス供給量のばらつきが改善していることが分かる。これにより、本実施の形態では、平板型燃料電池スタックの性能を従来よりも向上させることができる。

図７は、図５に示す本実施の形態の平板型燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給した場合と、図１２に示した従来の平板型燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給した場合の、各平板型燃料電池７への酸化剤ガス供給量の過不足率△Ｍ_Oを示す図である。図７の例では、電池反応を考慮せずに酸化剤ガス流のシミュレーションを行って、各平板型燃料電池７への酸化剤ガス供給量のばらつきを求めている。酸化剤ガス流のシミュレーションは、図１４の例と同様の手法により行っている。

ここでは、酸化剤ガスを空気とした。図６の場合と同様に、図７のセパレータ番号は、図５の各セパレータ５に対して例えば下から順に１，２，３，・・・・，５０と割り振ったものである。酸化剤ガス供給量の過不足率△Ｍ_Oは、前記の式（２）で表される。
図７から明らかなように、本実施の形態では、酸化剤ガス供給量の過不足率△Ｍ_Oが−２％〜＋２％程度に抑えられており、従来の酸化剤ガス供給量の過不足率△Ｍ_Oが−５％〜＋３％であるのに対して、酸化剤ガス供給量のばらつきが改善していることが分かる。

以上のように、本実施の形態では、平板型燃料電池７およびセパレータ５を積層する方向に沿って燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出主経路３を設け、さらに燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給主経路１と排出主経路３を両端開放とすることにより、各平板型燃料電池７への燃料ガス供給量または酸化剤ガス供給量のばらつきを低減できることがシミュレーションにより明らかとなった。これにより、本実施の形態では、平板型燃料電池スタックの性能を従来よりも向上させることができる。

［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図８は、本発明の第４の実施の形態に係る平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図であり、図４と同様の構成には同一の符号を付してある。第３の実施の形態では、燃料ガスまたは酸化剤ガス６の供給方式として外部マニホールド方式を採用したが、本実施の形態は燃料ガスまたは酸化剤ガス６の供給方式として内部マニホールド方式を採用したものである。

本実施の形態においても、平板型燃料電池スタックの構成は第２の実施の形態とほぼ同様であるが、本実施の形態では、第３の実施の形態と同様に、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給主経路１と排出主経路３を両端開放としている。したがって、図８の例では、最上層のセパレータ５に供給口１０ａと排出口３０ａが設けられ、最下層のセパレータ５に供給口１０ｂと排出口３０ｂが設けられている。その他の構成は第２の実施の形態と同様である。

第３の実施の形態と同様に、燃料ガスまたは酸化剤ガス６は、供給主経路１の両端に設けられた供給口１０ａ，１０ｂから供給主経路１に流入し、各供給分岐経路２を介して各セパレータ５の燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路に供給される。そして、燃料ガスまたは酸化剤ガス６は、燃料ガスまたは酸化剤ガスの各排出分岐経路４を介して燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出主経路３に流入し、排出主経路３の両端に設けられた排出口３０ａ，３０ｂから排出される。
こうして、内部マニホールド方式の平板型燃料電池スタックにおいても、第３の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。図９は、本発明の第５の実施の形態に係る平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図であり、図１、図５と同様の構成には同一の符号を付してある。

ここで、図９において、６は燃料ガスまたは酸化剤ガスであるが、６が燃料ガスの場合、１は燃料ガスの供給主経路、２は燃料ガスの供給分岐経路、３は燃料ガスの排出主経路、４は燃料ガスの排出分岐経路、８は酸化剤ガスの供給分岐経路、９は酸化剤ガスの排出分岐経路となる。
また、図９において、６が酸化剤ガスの場合、１は酸化剤ガスの供給主経路、２は酸化剤ガスの供給分岐経路、３は酸化剤ガスの排出主経路、４は酸化剤ガスの排出分岐経路、８は燃料ガスの供給分岐経路、９は燃料ガスの排出分岐経路となる。

燃料ガスの供給機構と酸化剤ガスの供給方式は独立に選択することが可能であり、一致させる必要はない。本実施の形態の燃料ガスまたは酸化剤ガス６の供給排出方式は、外部マニホールド方式である。

本実施の形態が図１２に示した従来の平板型燃料電池スタックと大きく異なる点は、平板型燃料電池７を積層する方向に沿って燃料ガスまたは酸化剤ガス６を回収する燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出主経路３を設けたことであり、さらに本実施の形態が第１の実施の形態と異なる点は、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給主経路１を両端開放とし、燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出主経路３の両端を閉じて、排出主経路３の中央部に排出口３０を設けたことである。

供給主経路１を両端開放としたことにより、本実施の形態では、供給主経路１の両端に設けられた供給口１０ａ，１０ｂから燃料ガスまたは酸化剤ガス６を供給する。そして、燃料ガスまたは酸化剤ガス６は、第１の実施の形態と同様の経路を通り、排出主経路３の中央部に設けられた排出口３０から排出されることになる。
供給主経路１、排出主経路３、供給分岐経路２および排出分岐経路４は、第１の実施の形態と同様の材料を用いて構成すればよい。

図１０は、図９に示す本実施の形態の平板型燃料電池スタックに燃料ガスを供給した場合と、図１２に示した従来の平板型燃料電池スタックに燃料ガスを供給した場合の、各平板型燃料電池７への燃料ガス供給量の過不足率△Ｍ_Fを示す図である。図１０の例では、電池反応を考慮せずに燃料ガス流のシミュレーションを行って、各平板型燃料電池７への燃料ガス供給量のばらつきを求めている。燃料ガス流のシミュレーションは、図１３の例と同様の手法により行っている。

ここでは、燃料ガスを水素とした。第１の実施の形態と同様にセパレータ５の数は５０である。図１０のセパレータ番号は、図９の各セパレータ５に対して例えば下から順に１，２，３，・・・・，５０と割り振ったものである。燃料ガス供給量の過不足率△Ｍ_Fは、前記の式（１）で表される。

図１０から明らかなように、本実施の形態では、燃料ガス供給量の過不足率△Ｍ_Fが−２％〜＋４％程度に抑えられており、従来の燃料ガス供給量の過不足率△Ｍ_Fが−７％〜＋１５％であるのに対して、燃料ガス供給量のばらつきが改善していることが分かる。

以上のように、本実施の形態では、平板型燃料電池７およびセパレータ５を積層する方向に沿って燃料ガスの排出主経路３を設け、さらに燃料ガスの供給主経路１を両端開放とし、排出主経路３の中央部付近に排出口を設けることにより、各平板型燃料電池７への燃料ガス供給量のばらつきを低減できることがシミュレーションにより明らかとなった。これにより、本実施の形態では、平板型燃料電池スタックの性能を従来よりも向上させることができる。

また、本実施の形態では、酸化剤ガス流のシミュレーション結果を明示していないが、酸化剤ガスについても同様に、酸化剤ガスの排出主経路３を設け、さらに酸化剤ガスの供給主経路１を両端開放とし、排出主経路３の中央部付近に排出口を設けることにより、各平板型燃料電池７への酸化剤ガス給量のばらつきを低減できることをシミュレーションで確認している。

［第６の実施の形態］
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。図１１は、本発明の第６の実施の形態に係る平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図であり、図４、図８と同様の構成には同一の符号を付してある。第５の実施の形態では、燃料ガスまたは酸化剤ガス６の供給方式として外部マニホールド方式を採用したが、本実施の形態は燃料ガスまたは酸化剤ガス６の供給方式として内部マニホールド方式を採用したものである。

本実施の形態においても、平板型燃料電池スタックの構成は第２の実施の形態とほぼ同様であるが、本実施の形態では、第５の実施の形態と同様に、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給主経路１を両端開放とし、燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出主経路３の両端を閉じて、排出主経路３の中央部に排出口３０を設けている。

したがって、図１１の例では、最上層のセパレータ５に供給口１０ａが設けられ、最下層のセパレータ５に供給口１０ｂが設けられている。また、複数のセパレータ５のうち中央に位置するセパレータ５には、排出主経路３を構成する貫通穴と排出口３０とを接続する管状若しくは溝状の経路が形成されている。その他の構成は第２の実施の形態と同様である。

第５の実施の形態と同様に、燃料ガスまたは酸化剤ガス６は、供給主経路１の両端に設けられた供給口１０ａ，１０ｂから供給主経路１に流入し、各供給分岐経路２を介して各セパレータ５の燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路に供給される。そして、燃料ガスまたは酸化剤ガス６は、燃料ガスまたは酸化剤ガスの各排出分岐経路４を介して燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出主経路３に流入し、排出主経路３の中央部に設けられた排出口３０から排出される。
こうして、内部マニホールド方式の平板型燃料電池スタックにおいても、第５の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

なお、第１〜第６の実施の形態では、燃料ガスまたは酸化剤ガスのいずれか一方に本発明の供給・排出方式を適用した場合で説明し、もう一方のガスの供給・排出については明記していないが、燃料ガスと酸化剤ガスの両方に本発明を適用してもよい。この場合は、燃料ガスと酸化剤ガスの各々について、各平板型燃料電池への供給量を均一化できるので、平板型燃料電池スタックの性能を更に向上させることができる。

本発明は、燃料電池に適用することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態に係る平板型燃料電池スタックの平板型燃料電池およびセパレータの断面図である。 図１の平板型燃料電池スタックおよび図１２の平板型燃料電池スタックにおける各平板型燃料電池への燃料ガス供給量の過不足率を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。 本発明の第３の実施の形態に係る平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。 図５の平板型燃料電池スタックおよび図１２の平板型燃料電池スタックにおける各平板型燃料電池への燃料ガス供給量の過不足率を示す図である。 図５の平板型燃料電池スタックおよび図１２の平板型燃料電池スタックにおける各平板型燃料電池への酸化剤ガス供給量の過不足率を示す図である。 本発明の第４の実施の形態に係る平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。 本発明の第５の実施の形態に係る平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。 図９の平板型燃料電池スタックおよび図１２の平板型燃料電池スタックにおける各平板型燃料電池への燃料ガス供給量の過不足率を示す図である。 本発明の第６の実施の形態に係る平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。 従来の平板型燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。 図１２の平板型燃料電池スタックにおける各平板型燃料電池への燃料ガス供給量の過不足率を示す図である。 図１２の平板型燃料電池スタックにおける各平板型燃料電池への酸化剤ガス供給量の過不足率を示す図である。

符号の説明

１…燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給主経路、２…燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給分岐経路、３…燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出主経路、４…燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出分岐経路、５…セパレータ、６…燃料ガスまたは酸化剤ガス、７…平板型燃料電池、８…酸化剤ガスまたは燃料ガスの供給分岐経路、９…酸化剤ガスまたは燃料ガスの排出分岐経路、１０，１０ａ，１０ｂ…燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給口、１１…絶縁部材、３０，３０ａ，３０ｂ…燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出口、５０…燃料ガス流路、５１…酸化剤ガス流路、７０…電解質、７１…燃料極、７２…空気極。

Claims (10)

1. 平板型燃料電池とガス流路を備えたセパレータとを交互に積層した平板型燃料電池スタックにおいて、
   前記平板型燃料電池および前記セパレータを積層する方向に沿って配置された、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給主経路と、
   前記平板型燃料電池および前記セパレータを積層する方向に沿って配置された、燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出主経路と、
   前記セパレータ毎に配置された、各セパレータの燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路と前記供給主経路とをつなぐ供給分岐経路と、
   前記セパレータ毎に配置された、各セパレータの燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路と前記排出主経路とをつなぐ排出分岐経路とを有することを特徴とする平板型燃料電池スタック。
2. 請求項１に記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
   前記供給主経路は、一端にガスの供給口を有し、
   前記排出主経路は、一端にガスの排出口を有することを特徴とする平板型燃料電池スタック。
3. 請求項２に記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
   前記供給主経路のガスの供給口と前記排出主経路のガスの排出口とは、前記供給口からのガスの供給方向と前記排出口へのガスの排出方向とが逆方向になるように配置されることを特徴とする平板型燃料電池スタック。
4. 請求項１に記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
   前記供給主経路は、両端にガスの供給口を有し、
   前記排出主経路は、両端にガスの排出口を有することを特徴とする平板型燃料電池スタック。
5. 請求項１に記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
   前記供給主経路は、両端にガスの供給口を有し、
   前記排出主経路は、中央部付近にガスの排出口を有することを特徴とする平板型燃料電池スタック。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
   前記供給主経路と前記排出主経路と前記供給分岐経路と前記排出分岐経路の少なくとも一部に絶縁材料を用いることにより、前記供給主経路と前記排出主経路と前記供給分岐経路と前記排出分岐経路が各平板型燃料電池同士の電気的な経路とならないようにしたことを特徴とする平板型燃料電池スタック。
7. 請求項６に記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
   前記燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給排出方式として外部マニホールド方式を採用し、
   前記供給主経路と前記排出主経路を、それぞれ金属からなる管と絶縁材料からなる管とを交互に積層して管状に成形することにより、前記供給主経路と前記排出主経路と前記供給分岐経路と前記排出分岐経路が各平板型燃料電池同士の電気的な経路とならないようにしたことを特徴とする平板型燃料電池スタック。
8. 請求項６に記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
   前記燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給排出方式として外部マニホールド方式を採用し、
   前記供給主経路と前記排出主経路を、それぞれ絶縁材料を用いて管状に成形することにより、前記供給主経路と前記排出主経路と前記供給分岐経路と前記排出分岐経路が各平板型燃料電池同士の電気的な経路とならないようにしたことを特徴とする平板型燃料電池スタック。
9. 請求項６に記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
   前記燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給排出方式として外部マニホールド方式を採用し、
   前記供給分岐経路と前記排出分岐経路を、それぞれ絶縁材料を用いて管状に成形することにより、前記供給主経路と前記排出主経路と前記供給分岐経路と前記排出分岐経路が各平板型燃料電池同士の電気的な経路とならないようにしたことを特徴とする平板型燃料電池スタック。
10. 請求項６に記載の平板型燃料電池スタックにおいて、
    前記燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給排出方式として内部マニホールド方式を採用し、
    前記供給主経路と前記排出主経路を、それぞれ各セパレータに設けられた貫通穴と各セパレータ間に存在する絶縁部材に設けられた貫通穴とによって管状に成形することにより、前記供給主経路と前記排出主経路と前記供給分岐経路と前記排出分岐経路が各平板型燃料電池同士の電気的な経路とならないようにしたことを特徴とする平板型燃料電池スタック。

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