JP2008270159A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックのマニホールド等に滞留した排水を効率的に排出する。
【解決手段】燃料電池スタック５０には、酸化剤供給マニホールド４００、酸化剤排出マニホールド４１０、燃料供給マニホールド、燃料排出マニホールドが設けられている。酸化剤供給マニホールド４００に供給された酸化剤は、各セル５１のカソードに分配される。酸化剤供給マニホールド４００は、燃料電池スタック５０を貫通し、燃料電池スタック５０に入口および出口を有する。酸化剤供給マニホールド４００の出口に酸化剤ドレン排出配管２００が接続されている。酸化剤ドレン排出配管２００には、酸化剤供給マニホールド４００を流通する酸化剤とともに、酸化剤供給マニホールド４００に滞留した水４５０が流れ込む。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。

近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、１００℃以下の低温で作動する固体高分子形燃料電池が知られている。

固体高分子形燃料電池は、電解質膜である固体高分子膜を燃料極と空気極との間に配した基本構造を有し、燃料極に水素を含む燃料ガス、空気極に酸素を含む酸化剤ガスを供給し、以下の電気化学反応により発電する装置である。
燃料極：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-・・・・（１）
空気極：１／２Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ・・・・（２）
アノードよびカソードは、それぞれ触媒層とガス拡散層が積層した構造からなる。各電極の触媒層が固体高分子膜を挟んで対向配置され、燃料電池を構成する。触媒層は、触媒を担持した炭素粒子がイオン交換樹脂により結着されてなる層である。ガス拡散層は酸化剤ガスや燃料ガスの通過経路となる。

アノードにおいては、供給された燃料中に含まれる水素が上記式（１）に示されるように水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは固体高分子電解質膜の内部を空気極に向かって移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。一方、カソードにおいては、カソードに供給された酸化剤ガスに含まれる酸素が燃料極から移動してきた水素イオンおよび電子と反応し、上記式（２）に示されるように水が生成する。このように、外部回路では燃料極から空気極に向かって電子が移動するため、電力が取り出される（特許文献１参照）。

固体高分子形燃料電池は、電解質膜にプロトン伝導性を発揮させるために、反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）が加湿される。加湿された反応ガスがセルに投入される前にガス流通路の周囲・壁面温度が下がるなどで結露が生じると、生成した凝縮水がセル内に流入し、セル内のガス流路が凝縮水で閉塞し、発電に支障をきたす。この凝縮水を取り除く手段として、ガス流路の適当な場所に水封されたドレン排出口を設けることが考えられる（特許文献１、２参照）。
特開２００５−２５１６０４号公報 特開２００１−２６６９２５号公報

従来のように、燃料電池スタックのマニホールド等に滞留した凝縮水を、凝縮水の表面張力と重力を利用して排出する場合には、ドレン排出口付近で水滴がある程度まで成長しないと排出作用が生じない。また、従来のドレン排出ラインは、ドレンを流すために内径を十分大きくする必要があるため、排出ライン用のスペースが必要となり、燃料電池システムの小型化の妨げとなる。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池スタックのマニホールド等に滞留した凝縮水を効率的に排出することができる技術の提供にある。

本発明のある態様は、燃料電池スタックである。当該燃料電池は、電解質膜をアノードおよびカソードで狭持して構成されるセルがセパレータを介して複数積層された積層体と、反応ガスが供給される反応ガス供給マニホールドと、反応前の反応ガスの一部の流れとともに、反応ガスの供給経路に滞留した水が排出されるドレン排出手段とを備えることを特徴とする。

この態様によれば、反応供給ガスマニホールド等に滞留した排水は、表面張力や重力だけでなく、反応ガスの流れによる外力によりドレン排出手段に押し出される。この結果、反応ガスマニホールド内の凝縮水量（ドレン量）が減少するため、セルに凝縮水が混入することが抑制される。この結果、発電時における燃料電池の電圧の安定性が向上する。また、反応ガスの流れを利用することにより排水の排出が容易になるため、ドレン排出手段として用いられる配管の内径を大きくする必要がない。このため、ドレン排出手段として用いられる配管の小径化が可能になり、ひいては燃料電池システムをコンパクト化することができる。

上記態様の燃料電池スタックにおいて、ドレン排出手段が、反応ガス供給マニホールドの出口側に設けられていてもよい。また、ドレン排出手段が、反応ガス供給マニホールドの入口側に設けられていてもよい。また、ドレン排出手段がセルごとに設けられていてもよい。

また、上記態様の燃料電池スタックにおいて、ドレン排出手段に反応ガスの流量を調節可能な流量調節手段が設けられていてもよい。また、上記態様の燃料電池スタックにおいて、反応ガスが酸化剤であってもよく、また燃料ガスであってもよく、更に酸化剤ガス及び燃料ガスでもよい。

本発明によれば、燃料電池スタックの供給マニホールド等に滞留した排水を効率的に排出することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。はじめに、本実施の形態に係る燃料電池スタックを好適に用いることができる燃料電池システムの一例について説明する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る燃料電池システム１０の全体構成を示す概略図である。

燃料電池システム１０は、改質装置４０、燃料電池スタック５０、燃料用湿熱交換器６０、酸化剤用湿熱交換器７０、コンバータ９０、インバータ９２、制御装置１００を有する。本実施の形態の燃料用湿熱交換器６０および酸化剤用湿熱交換器７０は、タンクに貯留された水を用いて加湿対象の気体をバブリングすることにより、加湿対象の気体を所定の湿度に加湿することができる。

改質装置４０には、水処理装置４２で水処理が施された上水が改質用水として供給される。水処理装置４２は、逆浸透膜とイオン交換樹脂を用いて上水からの水を水処理する。水処理装置４２で水処理が施された水は、改質装置４０が有する改質器の水蒸気改質に用いられる。

燃料電池スタック５０で未反応のまま排出される改質ガスである電池オフガスは、気液分離装置４４を経由して改質装置４０に送られる。気液分離装置４４において、電池オフガスの気体成分のみが取り出されて改質装置４０に送られ、バーナの燃料に用いられる。また、気液分離装置４４は、電池オフガスと改質用水とが熱交換可能な熱交換機能を兼ね備え、電池オフガスの熱により改質用水が加熱される。

燃料電池スタック５０は、燃料極であるアノード５２と酸化剤極であるカソード５６との間に電解質膜５４が設けられたセルが複数積層された構造を有する。燃料電池スタック５０にて発生した直流電力は、コンバータ９０により所定電圧（たとえば２４Ｖ）の直流電力に変換された後、インバータ９２によって交流電力（たとえば１００Ｖ）に変換される。インバータ９２で変換された交流電力は系統９４へ出力される。また、コンバータ９０で変換された所定電圧の直流電力は、制御装置１００などの電源として利用される。

図３に示すように、燃料電池スタック５０に設けられた酸化剤供給マニホールドの出口に酸化剤ドレン排出配管２００が接続されている。酸化剤ドレン排出配管２００の末端は、水封されることなく、水回収タンク３００に連通している。水回収タンク３００には、酸化剤ドレン排出配管２００の末端などが
接続される。水回収タンク３００に貯留された水は、水処理装置４２で水処理された後、改質装置４０で利用されうる。

制御装置１００は、改質装置４０から供給される燃料の供給量および外部から取り込まれる空気の供給量を調節して、燃料電池スタック５０による発電量を制御する。この他に、制御装置１００は、コンバータ９０およびインバータ９２等との間で電気信号を送受信して、これらの各種機器を制御する。制御装置１００はリモートコントローラ９６と赤外線通信が可能である。ユーザは、リモートコントローラ９６を用いて、燃料電池システム１０の動作設定をすることができる。
（燃料電池スタック）
次に、燃料電池スタック５０について詳述する。図２は、実施の形態１に係る燃料電池スタック５０の概観を示す分解斜視図である。図３は、燃料電池スタック５０の側面図である。燃料電池スタック５０は、複数のセル５１が積層された積層体をインシュレータ５４ａ、５４ｂで狭持し、さらにインシュレータ５４ａ、５４ｂの外側にそれぞれ端板５６ａ、５６ｂが設けられた構造を備える。

燃料電池スタック５０には、酸化剤供給マニホールド４００、酸化剤排出マニホールド４１０、燃料供給マニホールド４２０、燃料排出マニホールド４３０が設けられている。酸化剤供給マニホールド４００に供給された酸化剤は、各セル５１のカソードに分配される。酸化剤供給マニホールド４００は、燃料電池スタック５０を貫通し、燃料電池スタック５０に入口および出口を有する。各セル５１を未反応のまま通過した酸化剤は、酸化剤排出マニホールド４１０に集められ、燃料電池スタック５０から排出される。一方、燃料供給マニホールド４２０に供給された燃料（改質ガス）は、各セル５１のアノードに分配される。各セル５１を未反応のまま通過した電池オフガスは、燃料排出マニホールド４３０に集められ、燃料電池スタック５０から排出される。

本実施の形態に係る燃料電池スタック５０では、酸化剤供給マニホールド４００の出口に酸化剤ドレン排出配管２００が接続されている。酸化剤ドレン排出配管２００には、酸化剤供給マニホールド４００を流通する酸化剤とともに、酸化剤供給マニホールド４００に滞留した水４５０が流れ込む。水４５０の成分として、酸化剤に含まれる水蒸気が凝縮することによって生じた凝縮水が含まれる。酸化剤ドレン排出配管２００の末端は、水封されることなく、図１に示した水回収タンク３００に連通している。これによれば、酸化剤供給マニホールド４００に滞留した排水は、表面張力や重力だけでなく、酸化剤の流れによる外力により酸化剤ドレン排出配管２００に押し出される。この結果、酸化剤供給マニホールド４００内の凝縮水量（ドレン量）が減少するため、セルに凝縮水が混入することが抑制される。この結果、発電時における燃料電池の電圧の安定性が向上する。また、酸化剤の流れを利用することにより排水の排出が容易になるため、酸化剤ドレン排出配管２００の内径を大きくする必要がない。このため、酸化剤ドレン排出配管２００の小径化が可能になり、燃料電池システムをコンパクト化することができる。

なお、酸化剤供給マニホールド４００との継手部分２１０の底部は、酸化剤供給マニホールド４００の底部に比べて低いことが望ましい。これによれば、酸化剤供給マニホールド４００から継手部分２１０への排水の排出がよりスムースに進行する。

また、酸化剤ドレン排出配管２００の入口部分に流量調整手段（図示せず）を設けることが好ましい。流量調整手段としては、たとえば、キャピラリ、オリフィス、電磁弁などが挙げられる。酸化剤ドレン排出配管２００に流量調整手段を設けることにより、酸化剤ドレン排出配管２００に流れる酸化剤の流量を最適化することができる。

特に、流量調整手段として電磁弁を用いた場合には、電磁弁の開閉により酸化剤ドレン排出配管２００に酸化剤を間欠的に流したり、酸化剤流量を必要に応じて調節したりすることができる。たとえば、運転時間、電池温度、電圧などに基づいて、ドレン排出が必要と判断されるときに酸化剤流量を増加させてもよい。これによれば、ドレン排出の必要性に応じて、酸化剤を無駄にすることになく、ドレン排出を速やかに行うことができる。

（実施の形態２）
実施の形態１の燃料電池スタックでは、酸化剤ドレン排出配管２００が酸化剤供給マニホールド４００の出口部分に設けられているが、酸化剤ドレン排出配管２００の接続位置はこれに限られない。たとえば、図４に示すように、実施の形態２に係る燃料電池スタック５０では、酸化剤ドレン排出配管２００が酸化剤供給マニホールド４００の入口部分に設けられている。具体的には、酸化剤供給マニホールド４００に接続された配管５００の継手部分２１０に酸化剤ドレン排出配管２００が分岐して設けられている。このため、本実施の形態では、酸化剤供給マニホールド４００の手前で酸化剤の流れが分岐し、酸化剤の一部が酸化剤ドレン排出配管２００に流れ込み、配管５００に滞留した排水を押し流す役目を果たす。

なお、本実施の形態では、酸化剤供給マニホールド４００の入口上流側で酸化剤ドレン排出配管２００が分岐しているが、酸化剤ドレン排出配管２００の分岐位置はこれに限られない。たとえば、端板５６ａの内部、インシュレータ５４ａの内部において、酸化剤供給マニホールド４００から酸化剤ドレン排出配管２００を分岐させてもよい。

（実施の形態３）
図５は、実施の形態３に係る燃料電池スタック５０の構造を示す図である。本実施の形態の燃料電池スタック５０に関して、実施の形態１と同様な構成については適宜説明を省略する。本実施の形態の燃料電池スタック５０では、各セル５１からの排水が流れ込むドレン用マニホールド４１２が設けられている。

図６（Ａ）は、実施の形態３に係る燃料電池スタックが備える酸化剤プレート６００の構造を示すカソード接続面の平面図である。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のＡ−Ａ’線上の断面図である。酸化剤プレート６００はセル５１ごとに設けられ、後述する酸化剤流路６１０が形成された面が各セル５１のカソードに対向している。酸化剤プレート６００には、酸化剤供給マニホールド４００、酸化剤排出マニホールド４１０、燃料供給マニホールド４２０、燃料排出マニホールド４３０およびドレン用マニホールド４１２が設けられている。また、酸化剤プレート６００のカソード接続面には、カソードに供給される酸化剤が流通する酸化剤流路６１０が設けられている。酸化剤供給マニホールド４００と酸化剤流路６１０の入口部分とは、導入側接続部６２０を介して連通しており、酸化剤供給マニホールド４００から各酸化剤流路６１０に酸化剤が分配される。一方、酸化剤排出マニホールド４１０と酸化剤流路６１０の出口部分とは排出側接続部６２２を介して連通しており、各酸化剤流路６１０を通過した未反応の酸化剤が酸化剤排出マニホールド４１０に集められる。

本実施の形態の酸化剤プレート６００では、導入側接続部６２０にドレン用流路６３０が接続されている。ドレン用流路６３０には、酸化剤の一部が流れ込み、酸化剤の流れにより凝縮水が排出される。ドレン用流路６３０は、ドレン用マニホールド４１２に連通している。ドレン用流路６３０に流れ込んだ酸化剤および排水は、ドレン用マニホールド４１２を通って燃料電池スタックの外部へ排出される。

これによれば、各セル毎に、酸化剤が酸化剤流路に分配される前に不要な排水が酸化剤の一部とともに排出されるため、排水によって酸化剤流路が閉塞されることがより一層抑制される。

本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。

たとえば、上述の各実施の形態では、酸化剤供給マニホールドおよび燃料供給マニホールドが燃料電池スタックに内蔵されているが、酸化剤供給マニホールドおよび燃料供給マニホールドを燃料電池スタックの外部に設けてもよい。

また、上述の各実施の形態では、酸化剤ドレン排出配管２００の末端が水封されることなく水回収タンク３００に連通しているが、酸化剤ドレン排出配管２００の末端が水回収タンク３００の水面下に接続されてもよい。これによれば、酸化剤ドレン排出配管に流入した酸化剤をバブリングに使用することにより、水回収タンク３００に貯留された水に含まれる二酸化炭素の脱気等に利用することができる。

また、上述の各実施の形態では、酸化剤ドレン排出配管２００の末端が、水封されることなく、水回収タンク３００に連通しているが、酸化剤用湿熱交換器７０に接続されていてもよい。この場合、酸化剤ドレン排出配管２００の末端が酸化剤用湿熱交換器７０の水面下に接続されたポンプの吸引側に接続されてもよい。酸化剤ドレン排出配管２００の末端をポンプの吸引側に接続することにより、酸化剤および排水の流れが逆流することが抑制される。

また、上述の各実施の形態では、酸化剤供給系に酸化剤ドレン排出配管が設けられているが、燃料供給マニホールドの入口側、燃料供給マニホールドの出口側または各セルの燃料流路の上流側に上述した各実施の形態と同様な構造の燃料ドレン排出配管を設けてもよい。この場合、燃料ドレン排出配管の末端は
燃料用湿熱交換器60に接続され、水封される。また末端を改質装置４０の上流に設けられたポンプの吸引側に接続し、ドレンを水添脱硫に利用してもよい。この場合、安全性を確保しつつ、燃料の利用効率を向上させることができる。

また、上述の各実施の形態は、燃料電池スタックのセル毎に冷却水が流通する冷却水プレートを設けた構成にも適用が可能である。この場合に、流量調整手段として電磁弁を用いた場合に、冷却水温度に基づいて、ドレン排出が必要と判断されるときに反応ガス流量を増加させてもよい。

実施の形態１に係る燃料電池システムの全体構成を示す概略図である。 実施の形態１に係る燃料電池スタックの概観を示す分解斜視図である。 実施の形態１に係る燃料電池スタックの側面図である。 実施の形態２に係る燃料電池スタックの側面図である。 実施の形態３に係る燃料電池スタックの概観を示す分解斜視図である。 図６（Ａ）は、実施の形態３に係る燃料電池スタックが備える酸化剤プレートの構造を示すカソード接続面の平面図である。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のＡ−Ａ’線上の断面図である。

符号の説明

１０ 燃料電池システム、４０ 改質装置、５０ 燃料電池スタック、６０ 燃料用湿熱交換器、７０ 酸化剤用湿熱交換器、９０ コンバータ、９２ インバータ、１００ 制御装置、２００ 酸化剤ドレン排出配管。

Claims (8)

1. 電解質膜をアノードおよびカソードで狭持して構成されるセルがセパレータを介して複数積層された積層体と、
   反応ガスが供給される反応ガス供給マニホールドと、
   反応前の前記反応ガスの一部の流れとともに、前記反応ガスの供給経路に滞留した水が排出されるドレン排出手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記ドレン排出手段が、前記反応ガス供給マニホールドの出口側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記ドレン排出手段が、前記反応ガス供給マニホールドの入口側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
4. 前記ドレン排出手段が前記セルごとに設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
5. 前記ドレン排出手段に反応ガスの流量を調節可能な流量調節手段が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
6. 前記反応ガスが、酸化剤ガスであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
7. 前記反応ガスが、燃料ガスであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
8. 前記反応ガスが、酸化剤ガス及び燃料ガスであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
   
   
   
   
   
   

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