JP2007141574A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】反応ガスを各セルへ均等且つ十分に供給可能として高い発電性能を発揮させる。
【解決手段】燃料電池スタック１の積層体の外周には、上端が閉塞されて下端が開口する４つの筒状体１２〜１５が装着される。筒状体１２〜１５のうち、筒状体１２，１３は、積層体の上方へ行くに従って徐々に通路断面積が狭くなる先細り状となって、筒状体１２の内部に、下端開口が入口１７となり、内側に形成した分岐口によって各セル２の燃料通路に対応する燃料ガス供給路１６を、筒状体１３の内部に、下端開口が入口２０となり、内側に形成した分岐口によって各セル２の空気通路に対応する空気供給路１９を夫々形成している。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質の両側に配置した電極をセパレータで挟持したセルを複数積層してなる積層体と、その積層体の各セルに反応ガスを供給する供給路とを備えた燃料電池スタックに関する。

例えば固体高分子型燃料電池の燃料電池スタックは、固体高分子電解質膜の両面にアノード極とカソード極とを対向配置してその外側をセパレータで挟持してなるセルを複数積層した積層体を有する。このセパレータとアノード極との間に燃料ガス（例えば水素ガス）を、セパレータとカソード極との間に酸化剤ガス（例えば空気）を夫々通過させると、アノード極では、電極触媒上で水素がイオン化され、固体高分子電解質膜を介してカソード極へ移動し、カソード極では酸素と水素イオンから水を生成する反応が行われる。この化学反応から電子を取り出し直流の電気エネルギーとして利用可能となる。この燃料ガス及び酸化剤ガス（以下両者をまとめて「反応ガス」という）の各セルへの供給路は、各セルの外側に同じ大きさ及び形状で形成された透孔が、セルの積層方向で筒状に繋がることで形成され、燃料電池スタックの一方側のエンドプレートに設けた入口から各供給路に夫々反応ガスが供給可能となっている（例えば特許文献１参照）。

特開２００５−２５１６０４号公報

上記燃料電池スタックにおいては、各供給路から各セルに反応ガスが夫々分かれて供給されることで、入口近くのセルへの流量は多くなるが、入口からの距離が遠くなるセル程流量が減少する。その上、各供給路の断面積が均一であるから、反応ガスの流速が徐々に減速し、入口から遠くなるセルほど反応ガスが届きにくくなってしまう。よって、各セルにおいて取り出される電力にムラが生じ、発電性能の低下を招くことになる。

そこで、本発明は、反応ガスを各セルへ均等且つ十分に供給可能として高い発電性能を発揮できる燃料電池スタックを提供することを目的としたものである。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、燃料ガス供給路及び／又は酸化剤ガス供給路を、ガスの入口から遠ざかるに従って通路断面積が徐々に狭くなる先細り状に形成したことを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１の目的に加えて、先細り状の供給路を簡単に形成するために、先細り状の燃料ガス供給路及び／又は酸化剤ガス供給路を、積層体に別体で装着される筒状体としたものである。

請求項１に記載の発明によれば、先細り状の供給路により、反応ガスの流量減少に伴う流速低下を招くことがなく、入口から最も遠いセルまで反応ガスを均等且つ十分に供給可能となる。よって、高い発電性能を発揮できる。
請求項２に記載の発明によれば、請求項１の効果に加えて、先細り状の供給路が簡単に形成可能となり、既存の燃料電池スタックにも本発明が容易に適用できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の燃料電池スタックの一例を示す説明図で、固体高分子型の燃料電池スタック１は、平面円形状のセル２，２・・が複数上下方向に積層された積層体を有し、積層体の両端には、電力取り出し用の正負のターミナルプレート３，３が設けられて、ターミナルプレート３，３の外側にエンドプレート４，４が夫々配置されている。
各セル２は、図２に示すように、中央に円形状に形成した固体高分子電解質膜５の両面に、夫々アノード極（燃料極）６とカソード極（空気極）７とを対向配置し、その外側にセパレータ８，９を配置して挟持させた周知の構造で、セパレータ８，９における電極との対向面に形成した突起や溝等によって、セパレータ８とアノード極６との間に燃料通路１０を、セパレータ９とカソード極７との間に空気通路１１を夫々形成している。

そして、積層体の外周には、上端が閉塞されて下端が開口する４つの筒状体１２〜１５が装着されている。これらの筒状体１２〜１５は、積層体の周方向に沿った横断面円弧状に形成されるものであるが、このうち隣接する一組の筒状体１２，１３は、図３にも示すように、積層体の一端側（ここでは上方）へ行くに従って徐々に通路断面積が狭くなる先細り状となって、筒状体１２の内部に、下端開口が入口１７となり、内側に形成した分岐口１８，１８・・によって各セル２の燃料通路１０と対応する燃料ガス供給路１６を形成している。同様に、筒状体１３の内部にも、同じく下端開口が入口２０となり、内側に形成した分岐口２１，２１・・によって各セル２の空気通路１１と対応する酸化剤ガス供給路としての空気供給路１９を形成している。

一方、他の筒状体１４，１５は、上下に亘って同一断面の円弧状となって、筒状体１２の点対称位置にある筒状体１４の内部に、下端開口が出口２３となり、内側に形成した図示しない開口によって各セル２の燃料通路１０と対応する燃料排出路２２を形成している。同様に、筒状体１３の点対称位置にある筒状体１５の内部にも、同じく下端開口が出口２５となり、内側に形成した図示しない開口によって各セル２の空気通路１１と対応する空気排出路２４を形成している。
なお、各セパレータ８には、燃料通路１０を燃料ガス供給路１６の分岐口１８及び燃料排出路２２の分岐口２１に夫々連通させる溝２６，２６が、各セパレータ９には、空気通路１１を空気供給路１９及び空気排出路２４の開口に夫々連通させる溝２７，２７が夫々形成されている。図１では溝２６，２７を最上位置のセル２にのみ表示している。

以上の如く構成された燃料電池スタック１においては、筒状体１２における燃料ガス供給路１６の入口１７から燃料ガスとなる水素ガスを、筒状体１３における空気供給路１９の入口２０から酸化剤ガスとなる空気を夫々所定圧力で供給すると、水素ガスは、燃料ガス供給路１６内を上昇しながら各セル２の燃料通路１０，１０・・に分かれてアノード極６に沿って移動し、筒状体１４の燃料排出路２２に出た後、燃料排出路２２を下降して出口２３から排出される。一方、空気は、空気供給路１９内を上昇しながら各セル２の空気通路１１，１１・・に分かれてカソード極７に沿って水素ガスと平面交差状に移動し、筒状体１５の空気排出路２４に出た後、空気排出路２４を下降して出口２５から排出される。従って、各セル２では、水素ガスと空気とが化学反応により消費されて発電が行われ、ターミナルプレート３，３を介して直流電源を得ることができる。

このとき、燃料ガス供給路１６及び空気供給路１９では、各セル２の燃料通路１０及び空気通路１１に反応ガスが夫々分かれて供給されることで、入口１７，２０近くのセル２への流量が多くなるが、入口１７，２０からの距離が遠くなるセル程流量が減少する。このため、各供給路１６，１９の断面積が均一の場合は、反応ガスの流速が徐々に減速し、入口１７，２０から遠くなるセルほど反応ガスが届きにくくなる。しかし、上記形態の燃料電池スタック１によれば、燃料ガス供給路１６及び空気供給路１９を、ガスの入口１７，２０から遠ざかるに従って通路断面積が徐々に狭くなる先細り状に形成したことで、反応ガスの流量減少に伴う流速低下を招くことがなく、入口１７，２０から最も遠いセル２まで反応ガスを均等且つ十分に供給可能となる。よって、高い発電性能を発揮できるのである。

特にここでは、先細り状の供給路１６，１９を、積層体に別体で装着される筒状体１２，１３で形成しているため、先細り状の供給路１６，１９が簡単に形成可能となり、既存の燃料電池スタックにも本発明が容易に適用できることになる。
従って、例えば図４に示す燃料電池スタック１ａのように、各セル２に設けた同じ大きさ及び形状の円弧状の透孔３０，３０・・によって同一断面積の筒状通路３１が反応ガスの供給路及び排出路として形成される場合でも、各筒状通路３１に筒状体１２，１３を夫々差込装着すれば、先細り状の燃料ガス供給路１６及び空気供給路１９が簡単に形成可能となる。

以下、燃料電池スタックの変更例を説明する。なお、先の形態と同じ構成部には同一の符号を付して重複する説明を省略する。
図５に示す燃料電池スタック１ｂでは、燃料ガス供給路１６と空気供給路１９とは、別体の筒状体を利用せず、積層体に直接形成されている。すなわち、各セル２の外周側で周方向へ形成された２つの円弧状の透孔３２，３３が、積層体の上方へ行くに従って各セル２の半径方向での幅が徐々に小さくなるように各セル２ごとに異なる大きさで形成されることで、上方へ行くに従って徐々に通路断面積が狭くなる先細り状となるものである。この燃料ガス供給路１６及び空気供給路１９に夫々点対称に配置される燃料排出路２２と空気排出路２４は、各セル２に周方向へ形成された２つの同形状の円弧状の透孔３４，３４・・が、同じくセル２の積層方向で連続することで、同一断面積の筒状に形成されている。
一方、下側のターミナルプレート３及びエンドプレート４には、燃料ガス供給路１６及び空気供給路１９に夫々連通する入口３５，３５と、燃料排出路２２及び空気排出路２４に夫々連通する出口３６，３６とが夫々設けられている。

従って、この燃料電池スタック１ｂにおいても、燃料ガス供給路１６及び空気供給路１９を、ガスの入口３５から遠ざかるに従って通路断面積が徐々に狭くなる先細り状に形成したことで、反応ガスの流量減少に伴う流速低下を招くことがなく、入口３５から最も遠いセル２まで反応ガスを均等且つ十分に供給可能となる。よって、高い発電性能を発揮できるのである。

なお、図５に示す形態では、各セルに設けられる透孔を、セルの周方向の長さを変えることなく、セルの半径方向での幅のみを徐々に小さくすることで先絞りの供給路を得ているが、図６に示す燃料電池スタック１ｃのように、各セル２の透孔３２，３３を、幅を変えずに周方向での長さを入口３５から離れるに従って徐々に小さくすることで、先絞りの燃料ガス供給路１６ａ及び空気供給路１９ａを形成しても差し支えない。その他の構成は図５と同様である。この変更は図１で説明した形態でも可能で、筒状体の周方向での長さのみを徐々に小さくすればよい。また、セル周方向の長さとセル半径方向の幅とが共に徐々に小さくなる先細り状の供給路を形成することも可能である。

一方、反応ガスの入口が燃料電池スタックの一方側にのみ設けられる形態に限らず、図７に示すように、上下のエンドプレート４に設けた入口３５，３５から反応ガスを供給する燃料電池スタック１ｄであっても、各セル２ごとの透孔の設定により、両端から中央に向けて徐々に通路断面積が狭くなる先細り状の供給路３７を形成して、上下の入口３５から供給した反応ガスを、反対側に配置された同一断面積の排出路３８から排出させるような構造も考えられる。なお、この場合も図１のような筒状体を用いることができる。

その他、燃料ガス供給路及び酸化剤ガス供給路は、横断面が長円円弧状となる上記形態に限らず、円形や正方形、長方形等の他の断面形状であっても、入口から遠くなるに従って通路断面積が狭くなる先細り状の供給路の形成は可能である。また、各供給路は通路断面積を略直線状に変化させているが、段階的に変化させても差し支えない。
さらに、上記各形態では、燃料ガス供給路と酸化剤ガス供給路との双方を先細り状としているが、何れか一方のみを先細り状としても良い。
そして、燃料電池スタックは上記平面円形状に限らず、正方形や四角形等の他の平面形状でも差し支えなく、ターミナルプレートやエンドプレートの形状や入口と出口の形状等も適宜変更可能である。勿論本発明は固体高分子型に限らず、リン酸型や溶融炭酸型、固体酸化物型等の他の種類の燃料電池にも採用できる。

燃料電池スタックの斜視図である。 セルの断面説明図である。 燃料電池スタックの上端部の拡大説明図である。 燃料電池スタックの変更例の説明図である。 燃料電池スタックの変更例の斜視図である。 燃料電池スタックの変更例の斜視図である。 燃料電池スタックの変更例の説明図である。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ・・燃料電池スタック、２・・セル、３・・ターミナルプレート、４・・エンドプレート、８，９・・セパレータ、１０・・燃料通路、１１・・空気通路、１２〜１５・・筒状体、１６，１６ａ・・燃料ガス供給路、１７，２０・・入口、１９，１９ａ・・空気供給路、２２・・燃料排出路、２３，２５・・出口、２４・・空気排出路。

Claims (2)

1. セルを複数積層してなる積層体と、前記セルの積層方向に形成されて各セルに燃料ガスを供給する燃料ガス供給路及び酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給路とを備えた燃料電池スタックであって、
   前記燃料ガス供給路及び／又は酸化剤ガス供給路を、ガスの入口から遠ざかるに従って通路断面積が徐々に狭くなる先細り状に形成したことを特徴とする燃料電池スタック。
2. 先細り状の燃料ガス供給路及び／又は酸化剤ガス供給路を、積層体に別体で装着される筒状体で形成した請求項１に記載の燃料電池スタック。
   

Images