JP2007165192A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池に関し、反応ガス流路の水詰まりを自律的に解消できるようにする。
【解決手段】反応ガス流路１０と隣接する燃料電池セルの反応ガス流路１０とを連通路４０によって連通させる。連通路４０は、反応ガス流路１０のマニホールド１２０との合流部よりも上流であって、燃料電池セルの発電部２よりも下流に備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に、複数の燃料電池セルの積層体である燃料電池スタックとして構成される燃料電池に関する。

燃料電池は、通常、複数の燃料電池セルの積層体である燃料電池スタックとして構成されている。各燃料電池セルは、発電部である膜電極接合体の両側をセパレータで挟まれ、各セパレータと膜電極接合体との間に反応ガス（燃料ガス或いは酸化ガス）の流路が設けられている。

燃料電池の発電部では、発電時の化学反応によって水が生成される。この生成水によって反応ガス流路が閉塞されてしまうと、発電部への反応ガスの供給が妨げられて燃料電池の発電性能が低下してしまう（いわゆるフラッディング現象）。したがって、フラッディングを防止して高い発電性能を維持する上では、反応ガス流路内に水詰まりが生じたとき、反応ガス流路を閉塞している水を速やかに排除することが重要になる。

反応ガス流路内の水を排除するための技術としては、例えば特許文献１に記載された従来技術が知られている。この従来技術では、燃料電池に供給される空気を吸引する吸引ポンプを燃料電池の下流に設け、供給空気の圧力を制御する負圧制御弁を燃料電池の上流に設けている。そして、負圧制御弁と吸引ポンプの協調制御によって燃料電池内に負圧を作用させ、空気流量が多いほど負圧を大きくすることで、発電によって生じる生成水の排出を促すようにしている。
特開２００２−３３１１０号公報 特開２００１−２５０５６８号公報 特開２００１−１４３７３４号公報

上記の従来技術において、流路の水詰まりを防止しつつ目標発電量に応じた空気流量を得るためには、負圧制御弁と吸引ポンプの双方を的確に制御するための精度の高いマップを作成しておく必要がある。また、通常時の制御とは別に、実際に水詰まりが生じた場合に生成水を確実に排出するための制御も必要になる。つまり、上記従来技術のように外部から負圧を作用させて反応ガス流路内の水を排除する技術では、高精度で且つ複雑な負圧制御が要求されることになる。

しかしながら、燃料電池を用いた発電システム（燃料電池システム）では、信頼性等の観点においてシステムの制御は可能なかぎり簡単にしたいという要求がある。このような要求を満足するためには、燃料電池自体の構造によって反応ガス流路の水詰まりを自律的に解消できることが望まれる。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、反応ガス流路の水詰まりを自律的に解消できるようにした燃料電池を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池において、
複数の燃料電池セルを積層してなる燃料電池スタックと、
各燃料電池セルに形成されている反応ガス流路と、
前記燃料電池スタックの積層方向に設けられて各反応ガス流路が合流する排気マニホールドと、
各反応ガス流路の前記マニホールドとの合流部よりも上流であって、且つ、前記燃料電池セルの発電部よりも下流において、当該反応ガス流路を隣接する燃料電池セルの反応ガス流路と連通させる連通路と、
を備えることを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明において、
前記連通路は前記マニホールドに比して流路断面積を小さく設定されていることを特徴としている。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記連通路は前記反応ガス流路の流路断面積が最も小さい部位に接続されていることを特徴としている。

第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記連通路は前記反応ガス流路の流路幅と略同じ流路幅に形成されていることを特徴としている。

第１の発明によれば、隣接する燃料電池セル間において互いの反応ガス流路が連通路によって連通されることで、ある燃料電池セルの反応ガス流路において水詰まりが発生した場合、その隣の反応ガス流路を流れる反応ガスのベンチュリー効果により、水詰まりが生じている反応ガス流路の下流には負圧が発生する。しかも、水詰まりによる圧損が大きいほど隣の反応ガス流路のガス流速は大きくなり、このガス流速が大きいほどそのベンチュリー効果によって発生する負圧は大きくなる。したがって、ある反応ガス流路に水詰まりが生じた場合には、その水詰まりの程度に応じた負圧が自動的に反応ガス流路を閉塞している水に作用することになる。そして、この負圧の作用によって反応ガス流路を閉塞している水に動きが生じ、水詰まりは自律的に解消されることになる。

第２の発明によれば、連通路の流路断面積はマニホールドのそれよりも小さくすることで、反応ガス流路からマニホールドへの反応ガスの流れを妨げることがなく、また、連通路に大きな負圧を発生させることができる。

反応ガス流路のガス流速は、その流路断面積が最も小さい部位において最も速くなる。第３の発明によれば、反応ガスの流速が最も速くなる部位に連通路が接続されているので、ベンチュリー効果を最大限に発揮させて、より大きな負圧を連通路に発生させることができる。

第４の発明によれば、連通路の流路幅を反応ガス流路のそれと略同じにすることで、水詰まりが生じている反応ガス流路からその隣の反応ガス流路へ効率的に反応ガスを引き込むことができる。

以下、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態としての燃料電池を構成するセパレータの平面図である。図２は、本発明の実施の形態としての燃料電池の構造を示す図であり、図１のＡ−Ａ断面に相当する断面図である。

図２に示すように、燃料電池は、電解質膜をアノード電極とカソード電極とにより挟んで構成された膜電極接合体２を備えている。燃料電池は、膜電極接合体２をその両面から一対のセパレータ４，６で挟んだものを一つのセルとし、このセルが複数枚一方向に積層された燃料電池スタックとして使用される。セパレータ４，６には、膜電極接合体２のカソード電極側に接する第１セパレータ４と、アノード電極側に接する第２セパレータ６の２種類が用意されている。本実施形態では、セパレータ４，６として金属プレートをプレス成形したメタルセパレータが用いられている。

図１の平面図は、第１セパレータ４の膜電極接合体２に対向する積層面の平面形状を示している。この図に示すように、第１セパレータ４の左右の端部には、それぞれ３つの開口が並んで形成されている。図中、第１セパレータ４の右側端部に形成された開口は、上からカソードガス供給口１１２，冷却水排出口３２２，アノードガス排出口２２２である。また、第１セパレータ４の左側端部に形成された開口は、上からアノードガス供給口２１２，冷却水供給口３１２，カソードガス排出口１２２である。

第１セパレータ４の膜電極接合体２に対向する積層面には、カソードガス供給口１１２とカソードガス排出口１２２とを繋ぐようにして凹部１０が形成されている。この凹部１０は、図２に示すように第１セパレータ４が膜電極接合体２に積層されたときに、カソードガス供給口１１２からカソードガス排出口１２２へカソードガスが流れるガス流路となる。以下、この凹部１０をカソードガス流路という。カソードガス流路１０は、カソードガス供給口１１２からセルの発電部である膜電極接合体２にカソードガスを供給するとともに、反応後のオフガスをカソードガス排出口１２２へ排出する。

カソードガス流路１０内には、左右に直線状に延びる複数の凸部１４が形成されている。これら凸部１４は、セパレータ４，６により膜電極接合体２を挟む際、膜電極接合体２に接触して膜電極接合体２を支持する支持面となる。カソードガス流路１０は、これら凸部１４によって平行な複数のガス流路１２に分かれている。これら複数のガス流路１２の入口とカソードガス供給口１１２との間には、カソードガスを各ガス流路１２に分配するカソードガス分配部１６が設けられている。また、上記複数のガス流路１２の出口とカソードガス排出口１２２との間には、これらガス流路３２を再び１つに集合させてカソードガス排出口１２２に接続するカソードガス集合部１８が設けられている。カソードガス流路１０の流路断面積は、カソードガス分配部１６から複数のガス流路１２に分岐することで一旦拡大し、分岐した複数のガス流路１２が集合するカソードガス集合部１８において再び縮小する。

第２セパレータ６の平面形状についての図示は省略するが、第２セパレータ６も第１セパレータ４と同様の平面形状を有しており、左右の端部にはそれぞれ３つの開口が並んで形成されている。第２セパレータ６に形成された各開口の位置は、第１セパレータ４に形成された各開口の位置にそれぞれ一致している。図２に示すように、セルが積層されて第１セパレータ４の開口（カソードガス排出口）１２２と第２セパレータ６の開口１２４とが交互に重なっていくことにより、燃料電池スタックを積層方向に貫通するマニホールド１２０が構成されている。なお、図２ではカソードガス排出マニホールド１２０の構成を示しているが、他のマニホールドも同様にして構成されている。

第２セパレータ６の膜電極接合体２に対向する積層面には、第２セパレータ６が膜電極接合体２に積層されたときにアノードガスのガス流路２０となる凹部が形成されている。アノードガス流路２０は、アノードガス供給マニホールドからセルの発電部である膜電極接合体２にアノードガスを供給するとともに、反応後のオフガスをアノードガス排出マニホールドへ排出する。

第１セパレータ４と隣接セルの第２セパレータ６との間には、冷却水が流れる冷却水流路３０が形成されている。冷却水は冷却水供給マニホールドから冷却水流路３０に供給され、冷却水流路３０を流れながらセルを冷却した後、冷却水排出マニホールドに排出される。

以上の構成は、本発明が適用されていない従来の燃料電池にも通じる構成である。本実施形態の燃料電池の要部は、以下に説明するように、隣接するセル間において互いのカソードガス流路を連通路によって連通させた構成にある。

図１に示すように、第１セパレータ４のカソードガス流路１０には、カソードガス供給口１１２及びカソードガス排出口１２２とは別の開口４２が形成されている。この開口４２は、カソードガス流路１０におけるカソードガス集合部１８に位置している。開口４２の幅はカソードガス集合部１８の流路幅と略同じに設定され、開口４２の面積はカソードガス排出口１２２の面積よりも格段に小さく設定されている。

図２の断面図に示すように、第２セパレータ６には、第１セパレータ４の開口４２の位置に合わせて開口４４が形成されている。セルが積層されて第１セパレータ４の開口４２と隣接セルの第２セパレータ６の開口４４とが重なることで、カソードガス流路１０を隣接セルのカソードガス流路１０と連通させる連通路４０が構成されている。この連通路４０は、全ての隣接するセル間に設けられている。

このように、隣接するセル間において互いのカソードガス流路１０が連通路４０によって連通されることで、以下のような効果が生じる。

図２に示すように、あるカソードガス流路１０Ａにおいて水詰まりが発生したとする。通常、水詰まりが発生する場所は、セルの発電部、つまり、図１においてカソードガス流路１０が複数のガス流路３２に分岐している部位であり、連通路４０が接続されているカソードガス集合部１８よりも上流である。この場合、カソードガス流路１０Ａではガスの流速は減少するが、隣接セルのカソードガス流路１０Ｂ，１０Ｃでは正常にガスが流れている。

このように、水詰まりが生じているカソードガス流路１０Ａと、隣接セルのカソードガス流路１０Ｂ，１０Ｃとの間にはガス流速に速度差がある。これらガス流速に速度差があるカソードガス流路１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃが連通路４０で接続されることで、カソードガス流路１０Ｂ，１０Ｃを流れるガスのベンチュリー効果により、カソードガス流路１０Ａ内のガスは連通路４０を介してカソードガス流路１０Ｂ，１０Ｃへ吸引される（図２中に矢印で示すガスの流れを参照）。これにより、カソードガス流路１０Ａにおける水詰まり箇所の下流には負圧が発生する。しかも、水詰まりによるカソードガス流路１０Ａ内の圧損が大きいほど、隣接セルのカソードガス流路１０Ｂ，１０Ｃのガス流速が大きくなり、そのベンチュリー効果によってカソードガス流路１０Ａに発生する負圧も大きくなる。

したがって、図２に示すようにカソードガス流路１０Ａに水詰まりが生じた場合には、その水詰まりの程度に応じた負圧が自動的にカソードガス流路１０Ａを閉塞している水に作用することになる。その結果、負圧の作用によってカソードガス流路１０Ａを閉塞している水に動きが生じ、カソードガス流路１０Ａの水詰まりは自律的に解消されることになる。他のカソードガス流路１０において水詰まりが生じた場合にも、同様の作用によって当該カソードガス流路１０の水詰まりは自律的に解消される。

なお、本実施形態の燃料電池の構成において、連通路４０の流路断面積（開口４２の面積）をカソードガス排出マニホールド１２０のそれよりも小さくしているのは、カソードガス流路１０からカソードガス排出マニホールド１２０へのガスの流れを妨げることなく、連通路４０に大きな負圧を発生させるためである。連通路４０の流路幅（開口４２の幅）を連通路４０が接続されているカソードガス集合部１８のそれと略同じにしているのは、水詰まりが生じているカソードガス流路１０から隣接するカソードガス流路１０へ効率的にガスを引き込むためである。また、カソードガス流路１０内のガス流速はカソードガス集合部１８において最も速くなるので、カソードガス集合部１８に連通路４０を接続することには、ベンチュリー効果を最大限に発揮させて大きな負圧を連通路４０に発生させることができるという効果がある。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、次のように変形して実施してもよい。

上記実施の形態では、隣接するセル間において互いのカソードガス流路を連通路によって連通させているが、互いのアノードガス流路を連通路によって連通させることもできる。その場合、連通路を設ける部位は、アノードガス流路のアノードガス排出マニホールドとの合流部よりも上流であって、セルの発電部よりも下流とする。

また、上記実施の形態では、反応ガス流路の流路構造としてストレート型を採用しているが、櫛型或いはサーペンタイン型等、本発明にかかる反応ガス流路の流路構造には限定がない。さらに、本発明は、膜電極接合体とセパレータとの間に多孔質体からなる層を挟み、この多孔質体層を反応ガス流路とする燃料電池にも適用することができる。

本発明の実施の形態としての燃料電池を構成するセパレータの平面図である。 本発明の実施の形態としての燃料電池の構造を示す図であり、図１のＡ−Ａ断面に相当する断面図である。

符号の説明

２ 膜電極接合体
４ 第１セパレータ
６ 第２セパレータ
１０ カソードガス流路
１８ カソードガス集合部
２０ アノードガス流路
３０ 冷却水流路
４０ 連通路
４２ 連通路を構成する第１セパレータの開口
４４ 連通路を構成する第２セパレータの開口
１１２ カソードガス供給口
１２０ カソードガス排出マニホールド
１２２ カソードガス排出口
２１２ アノードガス供給口
２２２ アノードガス排出口
３１２ 冷却水供給口
３２２ 冷却水排出口

Claims (4)

1. 複数の燃料電池セルを積層してなる燃料電池スタックと、
   各燃料電池セルに形成されている反応ガス流路と、
   前記燃料電池スタックの積層方向に設けられて各反応ガス流路が合流する排気マニホールドと、
   各反応ガス流路の前記マニホールドとの合流部よりも上流であって、且つ、前記燃料電池セルの発電部よりも下流において、当該反応ガス流路を隣接する燃料電池セルの反応ガス流路と連通させる連通路と、
   を備えることを特徴とする燃料電池。
2. 前記連通路は前記マニホールドに比して流路断面積を小さく設定されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記連通路は前記反応ガス流路の流路断面積が最も小さい部位に接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池。
4. 前記連通路は前記反応ガス流路の流路幅と略同じ流路幅に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池。
   

Images