JP2008226811A

JP2008226811A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2008226811A
Application number: JP2007181263A
Authority: JP
Inventors: Toru Ozaki; 徹尾崎; Fumiharu Iwasaki; 文晴岩崎; Kazutaka Yuzurihara; 一貴譲原; Takashi Sarada; 孝史皿田; Tsuneaki Tamachi; 恒昭玉地; Takamasa Yanase; 考応柳瀬; Noboru Ishizone; 昇石曽根
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2007-02-16
Filing date: 2007-07-10
Publication date: 2008-09-25
Anticipated expiration: 2027-07-10
Also published as: US8192887B2; EP2124283B1; CN101584073B; EP2124283A1; CN101584073A; WO2008099567A1; EP2124283A4; US20100015488A1; JP5268044B2

Abstract

【課題】マニホールドを小型化しても各セルに対して水素を均等に供給することができる燃料電池を提供する。
【解決手段】導入孔２２から供給された水素は、第１バッファ部である第１の空間１５で拡散された後、更に、第２バッファ部である第１凹部３０で拡散され、ブロック体群２５の流路２６に均一に分散され、流路２６を流れる水素の量が均一にされて微小開口２４に送られ、各セルに対して水素が均等に供給される。
【選択図】図２

Description

本発明は、マニホールドから電池スタックの各セルにアノード流体を供給する燃料電池に関する。

近年のエネルギー問題の高まりから、より高いエネルギー密度で、排出物がクリーンな電源が要求されている。燃料電池は、既存電池の数倍のエネルギー密度を有する発電機であり、エネルギー効率が高く、また、排出ガスに含まれる窒素酸化物や硫黄酸化物がない、もしくは、少ないといった特徴がある。従って、次世代の電源デバイスとしての要求に合った極めて有効なデバイスである。

燃料電池の電池セルは、電解質膜として固体高分子電解質膜の両面側にアノード側触媒体（アノード）とカソード側触媒体（カソード）を備えている。そして、アノード流体通路とカソード流体通路が背中合わせ状態で形成されたセパレータと電池セルとを交互に配することでセルが形成され、セルを複数積層させることで電池スタックが構成されている。このようなスタック構造の燃料電池では、セルのそれぞれに燃料を均一に分配して燃料の供給を電池スタックで均一に行うため、マニホールドを備え、マニホールドからの燃料を各セルに供給している。

電池スタックの各セルへの燃料の供給が不均一になると、各セルの出力にばらつきが生じ、発電効率が低下して電池スタック全体の出力が低出力のセルの出力に影響されてしまう。このため、マニホールドには、電池スタックの各セルへの燃料の供給に対して高次元での均一分配性能が要求されている。

このような状況から、電池スタックの各セルに対して燃料を均一に供給する技術が種々提案されている（例えば下記特許文献１参照）。特許文献１では、電池スタックに隣接する拡散用の空間（第２空間）と燃料としての水素リッチガスが供給される第１空間とで燃料を供給するためのマニホールドを構成している。第１空間に供給された水素リッチガスは貫通孔から第２空間に送られ、第２空間で拡散されて各セルに供給されている。

水素リッチガスは第２空間で拡散されるため、貫通孔から近いセルに対しての供給量と通孔から遠いセルに対しての供給量とのばらつきが低減され、電池スタック全体のセルに対して均等に水素リッチガスが供給されるようになっている。

しかし、従来の技術では、第２空間で水素リッチガスを拡散させる必要があるため、第１空間と第２空間を合わせた全容積に対し、第２空間の容積の割合を大きくする必要があった。このため、貫通孔からセルまでの距離をある程度確保しないと、貫通孔と各セルとの位置関係により供給量にばらつきが生じてしまい、水素リッチガスを各セルに対して均等に供給するためにはマニホールドの大型化は避けられないものであった。

特開平９−１６１８２８号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、マニホールドを小型化しても各セルに対してアノード流体を均等に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。

上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の燃料電池は、電解質膜を介してアノード及びカソードが接合された電池セルと、アノード流体通路が備えられたセパレータと前記電池セルとを有するセルが複数積層された電池スタックと、前記セルの前記アノード流体通路が臨む位置にアノード流体を供給するためのマニホールドとを備える燃料電池において、前記マニホールドは、前記アノード流体が導入される導入孔を備えた天板と、前記アノード流体通路に臨む微小開口を複数個備え、前記天板の内面との間で前記アノード流体の流通空間が上面に形成される底板とからなり、前記導入孔の投影部と前記微小開口との間の前記底板の上面には、前記導入孔から供給された前記アノード流体を前記微小開口に分散させるための流路を形成するブロック体群が備えられ、前記導入孔から供給された前記アノード流体を前記底板の上面の前記投影部に接触させて流速を低下させ、流速が低下した前記アノード流体を前記ブロック体群の前記流路に流通させて前記微小開口に分散させることを特徴とする。

請求項１に係る本発明では、導入孔から供給されたアノード流体を底板の上面の投影部に接触させて流速を低下させ、流速が低下したアノード流体をブロック体群の流路に流通させて前記微小開口に分散させるので、限られた流通空間で複数の微小開口に対してアノード流体を分散させることができ、マニホールドを小型化してもセルのそれぞれに対してアノード流体を均等に供給することができる。

そして、請求項２に係る本発明の燃料電池は、請求項１に記載の燃料電池において、前記ブロック体群で形成される流路は複数形成され、前記投影部から遠い前記流路の幅を前記投影部から近い前記流路の幅よりも広くしたことを特徴とする。

請求項２に係る本発明では、アノード流体が送られる投影部から遠い流路の幅を広くしたので、遠い流路の流通抵抗が低くなって流通しやすくなり、投影部からの距離に拘わらずアノード流体を複数の流路から微小開口に均等に送ることができる。

また、請求項３に係る本発明の燃料電池は、請求項１もしくは請求項２に記載の燃料電池において、前記ブロック体群で形成される流路は複数形成され、前記投影部から遠い前記流路の長さを前記投影部から近い前記流路の長さよりも短くしたことを特徴とする。

請求項３に係る本発明では、アノード流体が送られる投影部から遠い流路の長さを短くしたので、遠い流路の流通圧力損失が小さくなって流通しやすくなり、投影部からの距離に拘わらずアノード流体を複数の流路から微小開口に均等に送ることができる。

また、請求項４に係る本発明の燃料電池は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池において、前記ブロック体群を挟んで前記微小開口の反対側の前記流通空間を前記微小開口の並び方向で複数の空間に分離すると共に前記アノード流体を前記複数の空間に振り分ける分離板が備えられていることを特徴とする。

請求項４に係る本発明では、分離板によりアノード流体が複数の空間に振り分けられるので、複数の微小開口に対してアノード流体を均一な状態で分散させることができる。

また、請求項５に係る本発明の燃料電池は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池において、前記天板には、前記微小開口の並び方向に沿って複数の導入孔が備えられていることを特徴とする。

請求項５に係る本発明では、複数の導入孔からアノード流体が送られるので、複数の微小開口に対して確実にアノード流体を分散させることができる。

また、請求項６に係る本発明の燃料電池は、請求項５に記載の燃料電池において、前記複数の導入孔に対応して前記流通空間を前記微小開口の並び方向で複数の空間に分離する分離壁が備えられていることを特徴とする。

請求項６に係る本発明では、複数の導入孔から複数の空間にアノード流体が送られるので、複数の微小開口に対して確実にしかも均一にアノード流体を分散させることができる。

また、請求項７に係る本発明の燃料電池は、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池において、前記微小開口を挟んで前記ブロック体群の反対側における前記流通空間に流体阻止壁が備えられていることを特徴とする。

請求項７に係る本発明では、ブロック体群を流通したアノード流体は、流体阻止壁との間の狭い空間とされた流通空間で複数の微小開口に送られるので、供給圧力が十分に確保されてアノード流体を確実に微小開口に供給することができる。

また、請求項８に係る本発明の燃料電池は、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池において、前記ブロック体群から前記導入孔までの距離は、前記導入孔を挟んで前記ブロック体群から前記流通空間の端部までの距離の半分以上であることを特徴とする。

請求項８に係る本発明では、限られた流通空間のなかでブロック体群から導入孔までの距離を十分に確保することができるので、アノード流体を十分に拡散させることができる。

上記目的を達成するための請求項９に係る本発明の燃料電池は、電解質膜を介してアノード及びカソードが接合された電池セルと、アノード流体通路が備えられたセパレータと前記電池セルとを有するセルが複数積層された電池スタックと、前記セルの前記アノード流体通路が臨む位置にアノード流体を供給するためのマニホールドとを備える燃料電池において、前記マニホールドは、前記アノード流体が導入される導入孔を備えた天板と、前記アノード流体通路に臨む微小開口を複数個備え、前記天板の内面との間で前記アノード流体の流通空間が上面に形成される底板と、前記流通空間を前記天板側の第１の空間及び前記底板側の第２の空間に仕切ると共に、前記導入孔の投影部と異なる位置に第２導入孔を備えた仕切板とからなり、前記第２導入孔の第２投影部と前記微小開口との間の前記底板の上面には、前記第２導入孔から供給された前記アノード流体を前記微小開口に分散させるための流路を形成するブロック体群が備えられ、前記導入孔から供給された前記アノード流体の流速を前記第１の空間で低下させ、流速が低下した前記アノード流体を前記第２導入孔から前記底板の上面の前記第２投影部に接触させて流速を低下させ、流速が低下した前記アノード流体を前記ブロック体群の前記流路に流通させて前記微小開口に分散させることを特徴とする。

請求項９に係る本発明では、導入孔から供給されたアノード流体の流速を第１の空間で低下させ、流速が低下したアノード流体を第２導入孔から底板の上面の第２投影部に接触させて流速を更に低下させ、充分に流速が低下したアノード流体をブロック体群の流路に流通させて微小開口に分散させるので、限られた流通空間で複数の微小開口に対してアノード流体を分散させることができ、マニホールドを小型化しても、電池セル及びセパレータからなるセルのそれぞれに対してアノード流体を均等に供給することができる。

そして、請求項１０に係る本発明の燃料電池は、請求項９に記載の燃料電池において、前記導入孔の流路面積に対して前記第２導入孔の流路面積が大きくされていることを特徴とする。

請求項１０に係る本発明では、アノード流体は流路面積が大きい第２導入孔を通過する際に減速が促進される。

また、請求項１１に係る本発明の燃料電池は、請求項９もしくは請求項１０に記載の燃料電池において、前記ブロック体群で形成される流路は複数形成され、前記第２投影部から遠い前記流路の幅を前記第２投影部から近い前記流路の幅よりも広くしたことを特徴とする。

請求項１１に係る本発明では、充分に減速されたアノード流体が送られる第２投影部から遠い流路の幅を広くしたので、遠い流路の流通抵抗が低くなって流通しやすくなり、第２投影部からの距離に拘わらずアノード流体を複数の流路から微小開口に均等に送ることができる。

また、請求項１２に係る本発明の燃料電池は、請求項９〜請求項１１のいずれか一項に記載の燃料電池において、前記ブロック体群で形成される流路は複数形成され、前記第２投影部から遠い前記流路の長さを前記第２投影部から近い前記流路の長さよりも長くしたことを特徴とする。

請求項１２に係る本発明では、充分に減速されたアノード流体が送られる第２投影部から遠い流路の長さを短くしたので、遠い流路の流通圧力損失が小さくなって流通しやすくなり、第２投影部からの距離に拘わらずアノード流体を複数の流路から微小開口に均等に送ることができる。

また、請求項１３に記載の本発明の燃料電池は、請求項９〜請求項１２のいずれか一項に記載の燃料電池において、前記ブロック体群を挟んで前記微小開口の反対側の前記第２の空間を前記微小開口の並び方向で複数の空間に分離すると共に前記アノード流体を前記複数の空間に振り分ける分離板が備えられていることを特徴とする。

請求項１３に係る本発明では、分離板によりアノード流体が複数の空間に振り分けられるので、複数の微小開口に対してアノード流体を均一な状態で分散させることができる。

また、請求項１４に係る本発明の燃料電池は、請求項９〜請求項１２のいずれか一項に記載の燃料電池において、前記仕切板には、前記微小開口の並び方向に沿って複数の第２導入孔が備えられていることを特徴とする。

請求項１４に係る本発明では、複数の第２導入孔からアノード流体が送られるので、複数の微小開口に対して確実にアノード流体を分散させることができる。

また、請求項１５に係る本発明の燃料電池は、請求項１３に記載の燃料電池において、前記第２導入孔に対応して前記第２の空間を前記微小開口の並び方向で複数の空間に分離する分離壁が備えられていることを特徴とする。

請求項１５に係る本発明では、複数の第２導入孔から複数の空間にアノード流体が送られるので、複数の微小開口に対して確実にしかも均一にアノード流体を分散させることができる。

また、請求項１６に係る本発明の燃料電池は、請求項９〜請求項１５のいずれか一項に記載の燃料電池において、前記微小開口を挟んで前記ブロック体群の反対側における前記第２の空間に流体阻止壁が備えられていることを特徴とする。

請求項１６に係る本発明では、ブロック体群を流通したアノード流体は、流体阻止壁との間の狭い空間とされた第２の空間で複数の微小開口に送られるので、供給圧力が十分に確保されてアノード流体を確実に微小開口に供給することができる。

また、請求項１７に係る本発明の燃料電池は、請求項９〜請求項１６のいずれか一項に記載の燃料電池において、前記ブロック体群から前記第２導入孔までの距離は、前記第２導入孔を挟んで前記ブロック体群から前記第２の空間の端部までの距離の半分以上であることを特徴とする。

請求項１７に係る本発明では、限られた第２の空間のなかでブロック体群から導入孔までの距離を十分に確保することができるので、アノード流体を十分に拡散させることができる。

また、請求項１８に係る本発明の燃料電池は、請求項１〜請求項１７のいずれか一項に記載の燃料電池において、前記微小開口から送られる前記アノード流体は、前記ブロック体群の流路を流通した方向に対して交差する方向であることを特徴とする。

請求項１８に係る本発明では、ブロック体群の流路を流通したアノード流体の供給方向を変えて微小開口からセルに供給することができる。

本発明の燃料電池は、マニホールドを小型化しても各セルに対してアノード流体を均等に供給することができる。

図１〜図９に基づいて本発明の第１実施形態例を説明する。

図１には本発明の第１実施形態例に係る燃料電池の外観、図２には外部マニホールドの分解斜視、図３には天板の外観を示してあり、図３（ａ）は天板の平面視、図３（ｂ）は図３（ａ）中のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視の状態である。また、図４には仕切板の外観、図５には底板の内側面の外観、図６には図１中のＶＩ−ＶＩ線矢視、図７には図６中の矢印ＶＩＩ部の詳細、図８には図１中のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線矢視、図９には底板を流れる燃料の状況を示してある。

図に示すように、本実施形態例の燃料電池１は、アノード流体としての燃料（水素）が送られるマニホールドとしての外部マニホールド２を備え、外部マニホールド２から電池スタック３に水素が供給される。外部マニホールド２には、例えば、水素吸蔵合金等から得られた水素を供給する図示しない燃料供給部が接続され、電池スタック３の発電部には、図示しない制御回路が接続されている。

電池スタック３の電池セル４は、電解質膜として固体高分子電解質膜の両面側にアノード側触媒体（アノード）とカソード側触媒体（カソード）を備えた膜・電極接合体となっている。そして、アノード流体通路６（後述する図８に示してある）とカソード流体通路７が背中合わせ状態で形成されたセパレータ５と電池セル４とが交互に積層されてセル１１が形成され、セル１１を複数積層することで電池スタック３が構成されている。このようなスタック構造の燃料電池１では、各セル１１に積層されるセパレータ５のアノード流体通路６（後述する図８に示してある）に水素を均一に分配して水素の供給を電池スタック３で均一に行うため、外部マニホールド２を備えている。尚、セパレータ５は、アノード流体通路６（後述する図８に示してある）とカソード流体通路７が背中合わせ状態で形成された形状に限定されるものではなく、アノード流体をアノードに供給できると共に、カソード流体をカソードに供給できる形状であればよい。

図２〜図５に基づいて外部マニホールド２を説明する。

図２に示すように、外部マニホールド２は、天板１２及び底板１３を有し、天板１２の内面と底板１３との上面との間に水素の流通空間が形成される。天板１２と底板１３との間には仕切板１４が設けられ、仕切板１４により水素の流通空間が天板１２側の第１の空間１５及び底板１３側の第２の空間１６に仕切られている。

図２、図３に示すように、天板１２の内面には流通空間を形成するための凹部２１が形成され、天板１２には水素が導入される導入孔２２が設けられている。導入孔２２には図示しない燃料供給部が接続される。図２、図４に示すように、仕切板１４には第２導入孔としての連通孔２３が設けられ、連通孔２３の位置は、積層方向における導入孔２２の投影部２２ａと異なる位置に形成されている。尚、導入孔２２の位置は、投影部２２ａが連通孔２３から最も離れた位置に設けるのが好ましい。

図２、図５に示すように、底板１３の上面には仕切板１４の連通孔２３を通して水素が供給され、供給された水素は、積層方向における連通孔２３の投影部２３ａ（第２投影部）の底板１３の上面に接触して第２の空間１６に供給される。底板１３の上面にはセル１１（図１参照）のアノード流体通路に臨む微小開口２４が複数（図示例では１２個）形成されている。微小開口２４は、例えば、一つのセル１１（図１参照）に対して１個もしくは複数個形成されている。

尚、図示例では微小開口２４を一列に１２個形成した例を挙げて説明したが、１２個を三列形成する等、多数の微小開口２４を形成することも可能である。

投影部２３ａと微小開口２４との間の底板１３の上面にはブロック体群２５が形成され、連通孔２３から供給された水素を微小開口２４に分散させるための流路２６がブロック体群２５によって形成されている。底板１３と仕切板１４で形成される第２の空間１６は、ブロック体群２５を境にして投影部２３ａ側の第１凹部３０と、微小開口２４側の第２凹部２８とに区画されている。

連通孔２３の位置、即ち、図５に示した投影部２３ａの位置は、ブロック体群２５から投影部２３ａまでの距離Ｌ１が、投影部２３ａを挟んでブロック体群２５から第２の空間の端部である第１凹部３０の端部までの距離Ｌ２と同じ距離に近い距離に設定されている。つまり、ブロック体群２５から投影部２３ａまでの距離Ｌ１は、第１凹部３０の端部までの距離Ｌ２の半分以上に設定される。

ブロック体群２５から投影部２３ａまでの距離Ｌ１が、第１凹部３０の端部までの距離Ｌ２の半分以上に設定されることにより、連通孔２３から供給された水素がブロック体群２５の各流路２６に案内される距離を十分に確保することができ、限られた空間である第１凹部３０のなかで水素の分散を的確に行うことができる。

図５に示すように、ブロック体群２５は複数のブロック体２７が並設され、ブロック体２７の間が流路２６とされている。投影部２３ａに近いブロック体２７の幅（図中左右方向）が、投影部２３ａから遠いブロック体２７の幅に対して広く形成されている。つまり、投影部２３ａから遠い流路２６の幅Ｈが投影部２３ａに近い流路２６の幅ｈに対して広く形成され、投影部２３ａから遠い流路２６の圧力損失が小さくされている。

尚、ブロック体群２５の複数のブロック体２７の幅を同一に構成して流路の幅を等間隔に構成することも可能である。また、図示例では、微小開口２４と流路２６が１対１で対応している状態を示したが、必ずしも対応させて設ける必要はない。

これにより、投影部２３ａからの距離に拘わらず、流路２６から微小開口２４に流れる水素の量が均一に分配される。微小開口２４に均一に分配された水素は、微小開口２４から下向き（流路２６を流通した方向に対して交差する方向）に流下して各セル１１（図１参照）のアノード流体通路６（後述する図８に示してある）に供給される。

尚、上述した実施形態例では、仕切板１４を設けて天板１２と底板１３で形成される水素の流通空間を第１の空間１５と第２の空間１６に仕切るようにしたが、仕切板１４を設けずに水素の流通空間を第１凹部３０と第２凹部２８とに区画する構成とすることも可能である。この場合、導入孔２２の位置は第１凹部３０に対応する位置となり、導入孔２２からの水素は、導入孔２２の投影部に接触して流速が遅くされ、第１凹部３０からブロック体群２５の流路２６を流通して微小開口２４に送られる。この時、導入孔２２の流通面積を広くすることも可能である。また、外部との接続機器との関係から導入孔２２は小さい方が好ましいので、導入孔２２の経路方向に入口から出口に向けて流路面積を漸増させる形状にすることも可能である。更に、水素の導入方向は、天板１２の上からに限定されず、横方向等、他の方向から導入することも可能である。

尚、仕切板を設けない構成は、以下に示した全てに実施形態例に適用することが可能である。

図６〜図９に基づいて水素の流通状況を説明する。

図６、図７に示すように、導入孔２２から第１の空間１５に水素が送られ、第１の空間１５で平面方向（図中矢印Ｗ方向）に拡散される（第１バッファ部）。第１の空間１５で拡散されて減速された水素は、図８、図９に示すように、流路面積が大きな連通孔２３から底板１３の上面（投影部２３ａ：図２、図５参照）に当てられて第２の空間１６の第１凹部３０に送られ、第１凹部３０で水平方向（図中矢印Ｘ方向）に拡散される（第２バッファ部）。

連通孔２３からの水素は、底板１３の上面に当たることにより水平方向（図中矢印Ｘ方向）に沿って拡散が容易になる。更に、連通孔２３の流路面積が大きくされているので、第１バッファ部に供給された水素よりも第２バッファ部に流れた水素がより拡散しやすくなる。

第１凹部３０で拡散されて減速された水素は、図８、図９に示すように、ブロック体群２５の複数の流路２６に分配されて流通する。複数の流路２６は、前述したように（図５に示したように）、投影部２３ａから遠い流路２６の幅Ｈが投影部２３ａに近い流路２６の幅ｈに対して広く形成されているので、投影部２３ａからの距離に拘わらず、流路２６に均一に分配される（図９中矢印Ｙ方向）。流路２６に均一に分配された水素は、図７、図８に示すように、微小開口２４から下向き（流路２６を流通した方向に対して交差する方向：図中矢印Ｚ方向）に流下してセル１１（図８参照）のアノード流体通路６（図８参照）に供給される。

このため、外部マニホールド２を介して水素を電池スタック３に供給する燃料電池１では、導入孔２２から供給された水素は、第１バッファ部で拡散された後、更に、第２バッファ部で拡散され、ブロック体群２５の流路２６に均一に分散され、流路２６を流れる水素の量が均一にされて微小開口２４に送られる。従って、大きな拡散空間を設ける等してマニホールドを大型化することなく、即ち、マニホールドを小型化しても各セル１１に対して水素を均等に供給することができる。

図１０、図１１に基づいて第２実施形態例を説明する。

図１０には本発明の第２実施形態例に係る燃料電池の外部マニホールドの分解斜視、図１１には底板の内側面の外観を示してある。第２実施形態例の燃料電池は、外部マニホールドの底板に形成されたブロック体群の形状が第１実施形態例と異なるものである。このため、図１〜図９に示した部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。

図に示すように、底板１３には、連通孔２３の投影部２３ａと微小開口２４との間の上面にブロック体群３２が形成されている。ブロック体群３２により、連通孔２３から供給された水素を微小開口２４に分散させるための流路３３が形成されている。第１実施形態例と同様に、底板１３と仕切板１４で形成される第２の空間１６は、ブロック体群３２を境にして投影部２３ａ側の第１凹部３０と、微小開口２４側の第２凹部２８とに区画されている。

図１１に示すように、ブロック体群３２は複数のブロック体３４が並設され、ブロック体３４の間が流路３３とされている。投影部２３ａに近いブロック体３４の幅（図中左右方向）が、投影部２３ａから遠いブロック体３４の幅に対して広く形成されている。つまり、投影部２３ａから遠い流路３３の幅Ｈが投影部２３ａに近い流路３３の幅ｈに対して広く形成され、投影部２３ａから遠い流路３３の圧力損失が小さくされている。

また、投影部２３ａに近いブロック体３４の長さ（図中上下方向）が、投影部２３ａから遠いブロック体３４の長さに対して長く形成されている。つまり、投影部２３ａから遠い流路３３の長さｌが投影部２３ａに近い流路３３の長さＬに対して短く形成され、投影部２３ａから遠い流路３３の圧力損失が小さくされている。

尚、ブロック体群３２の複数のブロック体３４の幅を同一に構成して流路の幅を等間隔にして流路の長さだけを変えることも可能である。

流路３３の幅及び長さを変えることにより、投影部２３ａからの距離に拘わらず、流路３３から微小開口２４に流れる水素の量が均一に分配される。微小開口２４に均一に分配された水素は、微小開口２４から下向き（流路３３を流通した方向に対して交差する方向）に流下して各セル１１（図１参照）のアノード流体通路６（図８参照）に供給される。

このため、外部マニホールド３１を介して水素を電池スタック３に供給する燃料電池では、導入孔２２から供給された水素は、第１バッファ部で拡散された後、更に、第２バッファ部で拡散され、ブロック体群３２の流路３３に均一に分散され、流路３３を流れる水素の量が均一にされて微小開口２４に送られる。従って、大きな拡散空間を設ける等してマニホールドを大型化することなく、即ち、マニホールドを小型化しても各セル１１に対して水素を均等に供給することができる。

図１２に基づいて水素の流出量の状況を説明する。図１２には微小開口を流れる水素の流出量の分布を示してある。即ち、縦軸に水素の流出量（ｋｇ／ｓ）を表し、横軸に微小開口の対応位置（ＯｕｔｌｅｔＮｏ）を表してある。

太実線Ａ（□）で示した流量は、第１実施形態例の外部マニホールドの流出量の分布である。

一点鎖線Ｂ（▲）で示した流量は、第１実施形態例の外部マニホールドに対し仕切板を無くすと共に流路幅を不均等にした場合の流出量の分布である。

細実線Ｃ（○）で示した流量は、第１実施形態例の外部マニホールドに対し仕切板を無くすと共に流路幅を同じにした場合の流出量の分布である。

点線Ｄ（●）で示した流量は、天板と底板の間に仕切板を設けただけの外部マニホールド（比較例）の流出量の分布である。

比較例（点線Ｄ）の標準偏差を１００とすると、太実線Ａの場合（第１実施形態例）は標準偏差が約６．０９、一点鎖線Ｂの場合は標準偏差が約６．７５、細実線Ｃの場合は標準偏差が約１３．６０であった。

また、比較例（点線Ｄ）の微小開口からの流量の最大値と最小値の差を１００とすると、太実線Ａの場合（第１実施形態例）は５．２３、一点鎖線Ｂの場合は５．５０、細実線Ｃの場合は１０．１０であった。

このため、第１実施形態例の外部マニホールド、第１実施形態例の外部マニホールドに対し仕切板を無くすと共に流路幅を不均等にした場合のマニホールドを適用することにより、均等に水素を供給することが可能になることが判る。また、流路幅を均等にした場合のマニホールドを適用しても、比較例に比べて１０分の１近くにばらつきが抑制されて略均等に近い状態で水素を供給することが可能になることが判る。

図１２の結果から明らかなように、第１実施形態例及び第２実施形態例の外部マニホールドを用いることにより、各セル１１（図１参照）に対して水素を均等に供給することが可能になることが判る。

図１３に基づいて第３実施形態例を説明する。

図１３には本発明の第３実施形態例に係る燃料電池の外部マニホールドの底板の内側面の外観を示してある。尚、図５に示した底板１３（第１実施形態例）の部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。

ブロック体群２５を挟んで微小開口２４の反対側の第２の空間である第１凹部３０を微小開口２４の並び方向（図中左右方向）で２つの空間３０ａ、３０ｂに分離する分離板３６が設けられ、分離板３６は投影部２３ａを二分する状態に配されている。即ち、分離板３６は、連通孔２３（図２参照）から供給される水素を２つの空間３０ａ、３０ｂに振り分けるようになっている。このため、分離板３６により水素が２つの空間３０ａ、３０ｂに振り分けられるので、複数の微小開口２４に対して水素を均一な状態で分散させることができる。

尚、分離板３６を図１１に示した第２実施形態例の底板１３に設けることも可能である。

図１４に基づいて第４実施形態例を説明する。

図１４には本発明の第４実施形態例に係る燃料電池の外部マニホールドの底板の内側面の外観を示してある。尚、図５に示した底板１３（第１実施形態例）の部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。

微小開口２４を挟んでブロック体群２５の反対側の第２の空間である第２凹部２８には微小開口２４の並び方向に沿って延びる流体阻止壁３７が備えられている。ブロック体群２５の流路２６を流通した水素は、流体阻止壁３７とブロック体群２５の間の狭い空間とされた第２凹部２８で複数の微小開口に送られる。このため、微小開口２４への水素の供給圧力が十分に確保されて、水素を確実に微小開口に供給することができる。

尚、流体阻止壁３７を図１１に示した第２実施形態例の底板１３及び図１３に示した第３実施形態例の底板１３に設けることも可能である。

図１５〜図１８に基づいて第５実施形態例を説明する。

図１５には本発明の第５実施形態例に係る燃料電池の外部マニホールドの分解斜視、図１６には仕切板の外観、図１７には底板の内側面の外観、図１８には底板を流れる燃料の状況を示してある。図示の外部マニホールドは図１に示した電池スタック３に備えられるものである。

図１５に示すように、外部マニホールド４１は、天板４２及び底板４３を有し、天板４２の内面と底板４３との上面との間に水素の流通空間が形成される。天板４２と底板４３との間には仕切板４４が設けられ、仕切板４４により水素の流通空間が天板４２側の第１の空間４５及び底板４３側の第２の空間４６に仕切られている。

天板４２の内面には流通空間を形成するための凹部が形成され、天板４２には水素が導入される導入孔４７が設けられている。導入孔４７には図示しない燃料供給部が接続される。図１５、図１６に示すように、仕切板４４には第２導入孔としての連通孔４８、４９が設けられ、連通孔４８、４９は後述する微小開口５０の並び方向に沿って並設されている。

図１５、図１７に示すように、底板４３の上面には仕切板４４の連通孔４８、４９を通して水素が供給され、供給された水素は、積層方向における連通孔４８、４９の投影部４８ａ、４９ａ（第２投影部）の底板４３の上面に接触して第２の空間４６に供給される。底板４３の上面にはセル１１（図１参照）のアノード流体通路に臨む微小開口５０が複数（図示例では１２個）形成されている。微小開口５０は、例えば、一つのセル１１（図１参照）に対して１個もしくは複数個形成されている。

尚、図示例では微小開口５０を一列に１２個形成した例を挙げて説明したが、１２個を三列形成する等、多数の微小開口５０を形成することも可能である。

投影部４８ａ、４９ａと微小開口５０との間の底板４３の上面にはブロック体群５１が形成され、連通孔４８、４９から供給された水素を微小開口５０に分散させるための流路５２がブロック体群５１によって形成されている。底板４３と仕切板４４で形成される第２の空間４６は、ブロック体群５１を境にして投影部４８ａ、４９ａ側の第１凹部５３と、微小開口５０側の第２凹部５４とに区画されている。

連通孔４８、４９の位置、即ち、図１７に示した投影部４８ａ、４９ａの位置は、ブロック体群５１から投影部４８ａ、４９ａまでの距離Ｌ１が、投影部４８ａ、４９ａを挟んでブロック体群５１から第２の空間の端部である第１凹部５３の端部までの距離Ｌ２と同じ距離に近い距離に設定されている。つまり、ブロック体群５１から投影部４８ａ、４９ａまでの距離Ｌ１は、第１凹部５３の端部までの距離Ｌ２の半分以上に設定される。

ブロック体群５１から投影部４８ａ、４９ａまでの距離Ｌ１が、第１凹部５３の端部までの距離Ｌ２の半分以上に設定されることにより、連通孔４８、４９から供給された水素がブロック体群５１の各流路５２に案内される距離を十分に確保することができ、限られた空間である第１凹部５３のなかで水素の分散を的確に行うことができる。

また、連通孔４８、４９同士の位置、即ち、図１７に示した投影部４８ａ、４９ａ同士の位置は、中心線Ｏに対して線対称の距離Ｘの位置に設定されている。２つの連通孔４８、４９から水素が供給されることにより、ばらつきを少なくした状態で複数の流路５２（微小開口５０）に水素を供給することができる。

図１７に示すように、ブロック体群５１は複数のブロック体５５が並設され、ブロック体５５の間が流路５２とされている。投影部４８ａ、４９ａに近いブロック体５５の幅（図中左右方向）が、投影部４８ａ、４９ａから遠いブロック体５５の幅に対して広く形成されている。つまり、投影部４８ａ、４９ａから遠い流路５２の幅Ｈが投影部４８ａ、４９ａに近い流路５２の幅ｈに対して広く形成され、投影部４８ａ、４９ａから遠い流路５２の圧力損失が小さくされている。

これにより、図１８に示すように、投影部４８ａ、４９ａからの距離に拘わらず、流路５２から微小開口５０に流れる水素の量が均一に分配される。微小開口５０に均一に分配された水素は、微小開口５０から下向き（流路５２を流通した方向に対して交差する方向）に流下して各セル１１（図１参照）のアノード流体通路６（図８参照）に供給される。

尚、ブロック体群５１の複数のブロック体５５の幅を同一に構成して流路の幅を等間隔に構成することも可能である。

図１９に基づいて第６実施形態例を説明する。

図１９には本発明の第６実施形態例に係る燃料電池の外部マニホールドの底板の内側面の外観を示してある。第６実施形態例の燃料電池は、外部マニホールドの底板に形成されたブロック体群の形状が第５実施形態例と異なるものである。このため、図１７に示した部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。

図に示すように、底板４３には、連通孔４８、４９の投影部４８ａ、４９ａと微小開口５０との間の上面にブロック体群５７が形成されている。ブロック体群５７により、連通孔４８、４９から供給された水素を微小開口５０に分散させるための流路５８が形成されている。第５実施形態例と同様に、底板４３と仕切板４４で形成される第２の空間４６は、ブロック体群５７を境にして投影部４８ａ、４９ａ側の第１凹部５３と、微小開口２４側の第２凹部５４とに区画されている。

ブロック体群５７は複数のブロック体５９が並設され、ブロック体５９の間が流路５８とされている。投影部４８ａ、４９ａに近いブロック体５９の幅（図中左右方向）が、投影部４８ａ、４９ａから遠いブロック体５９の幅に対して広く形成されている。つまり、投影部４８ａ、４９ａから遠い流路５８の幅Ｈが投影部４８ａ、４９ａに近い流路５８の幅ｈに対して広く形成され、投影部４８ａ、４９ａから遠い流路５８の圧力損失が小さくされている。

また、投影部４８ａ、４９ａに近いブロック体５９の長さ（図中上下方向）が、投影部４８ａ、４９ａから遠いブロック体５９の長さに対して長く形成されている。つまり、投影部４８ａ、４９ａから遠い流路５８の長さｌが投影部４８ａ、４９ａに近い流路５８の長さＬに対して短く形成され、投影部４８ａ、４９ａから遠い流路５８の圧力損失が小さくされている。流路５８の幅及び長さを変えることにより、投影部４８ａ、４９ａからの距離に拘わらず、流路５８から微小開口５０に流れる水素の量が均一に分配される。

尚、ブロック体群５７の複数のブロック体５９の幅を同一に構成して流路５８の幅を等間隔にして流路の長さだけを変えることも可能である。

図２０に基づいて第７実施形態例を説明する。

図２０には本発明の第７実施形態例に係る燃料電池の外部マニホールドの底板の内側面の外観を示してある。尚、図１７に示した底板４３（第５実施形態例）の部材と同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略してある。

ブロック体群５１を挟んで微小開口５０の反対側の第２の空間である第１凹部５３を微小開口５０の並び方向（図中左右方向）で２つの空間５３ａ、５３ｂに分離する分離壁６１が設けられ、分離壁６１は投影部４８ａ、４９ａに対応して第１凹部５３を２つの空間５３ａ、５３ｂに分離している。このため、分離壁６１により水素が２つの空間５３ａ、５３ｂに送られるので、複数の微小開口２４に対して確実にしかも均一な状態で水素を分散させることができる。

また、微小開口５０を挟んでブロック体群５１の反対側の第２の空間である第２凹部５４には微小開口５０の並び方向に沿って延びる流体阻止壁６２が備えられている。ブロック体群５１の流路５２を流通した水素は、流体阻止壁６２とブロック体群５１の間の狭い空間とされた第２凹部５４で複数の微小開口５０に送られる。このため、微小開口５０への水素の供給圧力が十分に確保されて、水素を確実に微小開口５０に供給することができる。

尚、分離壁６１及び流体阻止壁６２のいずれか一方を設けることも可能である。また、分離壁６１及び（または）流体阻止壁６２を図１９に示した第６実施形態例の底板４３に設けることも可能である。

上述した各実施形態例では、アノード流体として水素を例に挙げて説明したが、メタノールをはじめその他の燃料の供給に適用することが可能である。

本発明は、マニホールドから電池スタックの各セルにアノード流体を供給する燃料電池の産業分野で利用することができる。

本発明の第１実施形態例に係る燃料電池の外観図である。外部マニホールドの分解斜視図である。天板の外観図である。仕切板の外観図である。底板の内側面の外観図である。図１中のＶＩ−ＶＩ線矢視図である。図６中の矢印ＶＩＩ部の詳細図である。図１中のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線矢視図である。底板を流れる燃料の状況を表す底板の内側面の外観図である。本発明の第２実施形態例に係る燃料電池の外部マニホールドの分解斜視図である。底板の内側面の外観図である。微小開口を流れる水素の流出量の分布図である。本発明の第３実施形態例に係る燃料電池の外部マニホールドの底板の内側面の外観図である。本発明の第４実施形態例に係る燃料電池の外部マニホールドの底板の内側面の外観図である。本発明の第５実施形態例に係る燃料電池の外部マニホールドの分解斜視図である。仕切板の外観図である。底板の内側面の外観図である。底板を流れる燃料の状況を表す底板の内側面の外観図である。本発明の第６実施形態例に係る燃料電池の外部マニホールドの底板の内側面の外観図である。本発明の第７実施形態例に係る燃料電池の外部マニホールドの底板の内側面の外観図である。

符号の説明

１燃料電池
２、３１、４１外部マニホールド
３電池スタック
４電池セル
５セパレータ
６アノード流体通路
７カソード流体通路
１１セル
１２、４２天板
１３、４３底板
１４、４４仕切板
１５、４５第１の空間
１６、４６第２の空間
２１凹部
２２、４７導入孔
２３、４８，４９連通孔
２４、５０微小開口
２５、３２、５１、５７ブロック体群
２６、３３、５２、５８流路
２７、３４、５５、５９ブロック体
２８、５４第２凹部
３０、５３第１凹部
３６分離板
３７、６２流体阻止壁
６１分離壁

Claims

電解質膜を介してアノード及びカソードが接合された電池セルと、アノード流体通路が備えられたセパレータと前記電池セルとを有するセルが複数積層された電池スタックと、前記セルの前記アノード流体通路が臨む位置にアノード流体を供給するためのマニホールドとを備える燃料電池において、
前記マニホールドは、
前記アノード流体が導入される導入孔を備えた天板と、
前記アノード流体通路に臨む微小開口を複数個備え、前記天板の内面との間で前記アノード流体の流通空間が上面に形成される底板とからなり、
前記導入孔の投影部と前記微小開口との間の前記底板の上面には、前記導入孔から供給された前記アノード流体を前記微小開口に分散させるための流路を形成するブロック体群が備えられ、
前記導入孔から供給された前記アノード流体を前記底板の上面の前記投影部に接触させて流速を低下させ、流速が低下した前記アノード流体を前記ブロック体群の前記流路に流通させて前記微小開口に分散させる
ことを特徴とする燃料電池。
請求項１に記載の燃料電池において、
前記ブロック体群で形成される流路は複数形成され、前記投影部から遠い前記流路の幅を前記投影部から近い前記流路の幅よりも広くした
ことを特徴とする燃料電池。
請求項１もしくは請求項２に記載の燃料電池において、
前記ブロック体群で形成される流路は複数形成され、前記投影部から遠い前記流路の長さを前記投影部から近い前記流路の長さよりも短くした
ことを特徴とする燃料電池。
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池において、
前記ブロック体群を挟んで前記微小開口の反対側の前記流通空間を前記微小開口の並び方向で複数の空間に分離すると共に前記アノード流体を前記複数の空間に振り分ける分離板が備えられている
ことを特徴とする燃料電池。
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の燃料電池において、
前記天板には、前記微小開口の並び方向に沿って複数の導入孔が備えられている
ことを特徴とする燃料電池。
請求項５に記載の燃料電池において、
前記複数の導入孔に対応して前記流通空間を前記微小開口の並び方向で複数の空間に分離する分離壁が備えられている
ことを特徴とする燃料電池。
請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池において、
前記微小開口を挟んで前記ブロック体群の反対側における前記流通空間に流体阻止壁が備えられている
ことを特徴とする燃料電池。
請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の燃料電池において、
前記ブロック体群から前記導入孔までの距離は、前記導入孔を挟んで前記ブロック体群から前記流通空間の端部までの距離の半分以上である
ことを特徴とする燃料電池。
電解質膜を介してアノード及びカソードが接合された電池セルと、アノード流体通路が備えられたセパレータと前記電池セルとを有するセルが複数積層された電池スタックと、前記セルの前記アノード流体通路が臨む位置にアノード流体を供給するためのマニホールドとを備える燃料電池において、
前記マニホールドは、
前記アノード流体が導入される導入孔を備えた天板と、
前記アノード流体通路に臨む微小開口を複数個備え、前記天板の内面との間で前記アノード流体の流通空間が上面に形成される底板と、
前記流通空間を前記天板側の第１の空間及び前記底板側の第２の空間に仕切ると共に、前記導入孔の投影部と異なる位置に第２導入孔を備えた仕切板とからなり、
前記第２導入孔の第２投影部と前記微小開口との間の前記底板の上面には、前記第２導入孔から供給された前記アノード流体を前記微小開口に分散させるための流路を形成するブロック体群が備えられ、
前記導入孔から供給された前記アノード流体の流速を前記第１の空間で低下させ、流速が低下した前記アノード流体を前記第２導入孔から前記底板の上面の前記第２投影部に接触させて流速を低下させ、流速が低下した前記アノード流体を前記ブロック体群の前記流路に流通させて前記微小開口に分散させる
ことを特徴とする燃料電池。
請求項９に記載の燃料電池において、
前記導入孔の流路面積に対して前記第２導入孔の流路面積が大きくされている
ことを特徴とする燃料電池。
請求項９もしくは請求項１０に記載の燃料電池において、
前記ブロック体群で形成される流路は複数形成され、前記第２投影部から遠い前記流路の幅を前記第２投影部から近い前記流路の幅よりも広くした
ことを特徴とする燃料電池。
請求項９〜請求項１１のいずれか一項に記載の燃料電池において、
前記ブロック体群で形成される流路は複数形成され、前記第２投影部から遠い前記流路の長さを前記第２投影部から近い前記流路の長さよりも短くした
ことを特徴とする燃料電池。
請求項９〜請求項１２のいずれか一項に記載の燃料電池において、
前記ブロック体群を挟んで前記微小開口の反対側の前記第２の空間を前記微小開口の並び方向で複数の空間に分離すると共に前記アノード流体を前記複数の空間に振り分ける分離板が備えられている
ことを特徴とする燃料電池。
請求項９〜請求項１２のいずれか一項に記載の燃料電池において、
前記仕切板には、前記微小開口の並び方向に沿って複数の第２導入孔が備えられている
ことを特徴とする燃料電池。
請求項１３に記載の燃料電池において、
前記第２導入孔に対応して前記第２の空間を前記微小開口の並び方向で複数の空間に分離する分離壁が備えられている
ことを特徴とする燃料電池。
請求項９〜請求項１５のいずれか一項に記載の燃料電池において、
前記微小開口を挟んで前記ブロック体群の反対側における前記第２の空間に流体阻止壁が備えられている
ことを特徴とする燃料電池。
請求項９〜請求項１６のいずれか一項に記載の燃料電池において、
前記ブロック体群から前記第２導入孔までの距離は、前記第２導入孔を挟んで前記ブロック体群から前記第２の空間の端部までの距離の半分以上である
ことを特徴とする燃料電池。
請求項１〜請求項１７のいずれか一項に記載の燃料電池において、
前記微小開口から送られる前記アノード流体は、前記ブロック体群の流路を流通した方向に対して交差する方向である
ことを特徴とする燃料電池。