JP2009021052A - 燃料電池 - Google Patents

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、連通孔２３から第２バッファ部である第１の空間１５に送られ、第１の空間１５で放射状に拡散されて流量が均一にされ、同一の円周Ｓ上に形成された微小開口２４に送られて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、前記微小開口は、前記導入孔の投影部を中心にした同一円周上に備えられ、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周方向に拡散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、投影部を中心に同心円上に配された微小開口に流速が低下したアノード流体を分散させるので、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、前記微小開口は、前記複数のセルの各セルにそれぞれ対応して同一円周上に備えられていることを特徴とする。

請求項２に係る本発明では、全てのセルに対して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３に係る本発明の燃料電池は、請求項２に記載の燃料電池において、前記微小開口は、前記円周の前記複数のセルの並び方向に延びる中心線を挟んで交互に各セルに対応して中心線方向に等間隔に備えられていることを特徴とする。

請求項３に係る本発明では、全てのセル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４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、前記微小開口は、前記複数のセルの各セルに複数個対応して同一円周上に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、全てのセルに対して均一且つ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５に係る本発明の燃料電池は、請求項４に記載の燃料電池において、前記微小開口は、前記円周の前記複数のセルの並び方向に対する中心線を中心に線対称に、且つ、前記円周の中心点を中心に点対称に備えられ、各セルに対応して中心線方向に等間隔に複数個づつ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、全てのセルに対して均一、且つ、より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１〜請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池において、前記投影部を中心にした前記微小開口の外側における前記流通空間には流体阻止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、アノード流体は流体阻止壁により外側への流通が阻止されるので、供給圧力が十分に確保されてアノード流体をより確実に微小開口に供給することができる。

上記目的を達成するための請求項７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、前記微小開口は、前記第２導入孔の第２投影部を中心にした同一円周上に備えられ、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周方向に拡散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７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、投影部を中心に同心円上に配された微小開口に充分に流速が低下したアノード流体を分散させるので、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８に係る本発明の燃料電池は、請求項７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８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９に係る本発明の燃料電池は、請求項７もしくは請求項８に記載の燃料電池において、前記微小開口は、前記複数のセルの各セルにそれぞれ対応して同一円周上に備えられていることを特徴とする。

請求項９に係る本発明では、全てのセルに対して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、前記微小開口は、前記円周の前記複数のセルの並び方向に延びる中心線を挟んで交互に各セルに対応して中心線方向に等間隔に備えられていることを特徴とする。

請求項１０に係る本発明では、全てのセル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１１に係る本発明の燃料電池は、請求項７もしくは請求項８に記載の燃料電池において、前記微小開口は、前記複数のセルの各セルに複数個対応して同一円周上に備えられていることを特徴とする。

請求項１１に係る本発明では、全てのセルに対して均一且つ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１２に係る本発明の燃料電池は、請求項１１に記載の燃料電池において、前記微小開口は、前記円周の前記複数のセルの並び方向に対する中心線を中心に線対称に、且つ、前記円周の中心点を中心に点対称に備えられ、各セルに対応して中心線方向に等間隔に複数個づつ備えられていることを特徴とする。

請求項１２に係る本発明では、全てのセルに対して均一、且つ、より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１３に係る本発明の燃料電池は、請求項７〜請求項１２のいずれか一項に記載の燃料電池において、前記投影部を中心にした前記微小開口の外側における前記流通空間には流体阻止壁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、アノード流体は流体阻止壁により外側への流通が阻止されるので、供給圧力が十分に確保されてアノード流体をより確実に微小開口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６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には底板を流れる燃料の状況を表す底板の内側面の外観を示してある。

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（図示省略）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６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の略中央部には第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、連通孔２３の流路面積は導入孔２２の流路面積よりも大きく形成されている。

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、投影部２３ａを中心とした同一の円周Ｓ上に形成され、例えば、一つのセル１１（図１参照）に対してそれぞれ１個配されるように形成されている。つまり、図５中の上下方向に対して等間隔になるように、図中左右方向に右左交互に１２個配されている。

上述した外部マニホールド２では、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、流路面積が大きな連通孔２３から底板１３の上面（投影部２３ａ）に当てられて第２の空間１６に送られ、水平方向に放射状に拡散される（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。

底板１３の上面で放射状に拡散されて減速された水素は、図６に矢印で示すように拡散されて微小開口２４に均一に分配される。微小開口２４に均一に分配された水素は、微小開口２４から下向きに流れてセル１１（図１参照）のアノード流体通路に供給される。

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バッファ部で放射状に拡散され、流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。

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を設けない構成とすることも可能である。この場合、導入孔２２の位置は底板１３の略中心に対応する位置（円周Ｓの略中心位置）とされ、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て放射状に拡散され、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。

図７に基づいて第２実施形態例を説明する。

図７には本発明の第２実施形態例に係る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、底板１３以外の部材は第１実施形態例と同一である。

図に示すように、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２４個形成されている。微小開口２４は、投影部２３ａを中心とした同一の円周Ｓ上に形成され、一つのセル１１（図１参照）に対してそれぞれ２個配されるように形成されている。つまり、底板１３の中心線Ｐ（図中上下方向）を挟んでそれぞれ微小開口２４が１２個形成され、１２個の微小開口２４は中心線Ｐを基準に線対称、且つ、投影部２３ａを中心に点対称に形成されている。このため、全てのセル１１（図１参照）のアノード流体通路に対して均一且つ確実に水素を分散させることができる。

図８に基づいて第３実施形態例を説明する。

図８には本発明の第３実施形態例に係る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、底板１３以外の部材は第１実施形態例と同一である。

図に示すように、微小開口２４の外側における底板１３の上面には、微小開口２４の並び方向に沿って延びる（円周Ｓと同心状に延びる）円弧状の流体阻止壁３１が備えられている。投影部２３ａに接触して放射状に拡散された水素は、流体阻止壁３１により外側への流通が阻止されるので、供給圧力が十分に確保されて水素をより確実に微小開口２４に供給することができる。

尚、図７に示した底板１３に対し、図８に示した流体阻止壁３１を設けることも可能である。

上述した実施形態例では、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。 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３実施形態例に係る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 外部マニホールド
３ 電池スタック
１１ セル
１２ 天板
１３ 底板
１４ 仕切板
１５ 第１の空間
１６ 第２の空間
２１ 凹部
２２ 導入孔
２３ 連通孔
２４ 微小開口
３１ 流体阻止壁

Claims (13)

1. 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、
   前記微小開口は、前記導入孔の投影部を中心にした同一円周上に備えられ、
   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周方向に拡散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。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記微小開口は、前記複数のセルの各セルにそれぞれ対応して同一円周上に備えられている
   ことを特徴とする燃料電池。
3. 請求項２に記載の燃料電池において、
   前記微小開口は、前記円周の前記複数のセルの並び方向に延びる中心線を挟んで交互に各セルに対応して中心線方向に等間隔に備えられている
   ことを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記微小開口は、前記複数のセルの各セルに複数個対応して同一円周上に備えられている
   ことを特徴とする燃料電池。
5. 請求項４に記載の燃料電池において、
   前記微小開口は、前記円周の前記複数のセルの並び方向に対する中心線を中心に線対称に、且つ、前記円周の中心点を中心に点対称に備えられ、各セルに対応して中心線方向に等間隔に複数個づつ備えられている
   ことを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池において、
   前記投影部を中心にした前記微小開口の外側における前記流通空間には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。
7. 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、
   前記微小開口は、前記第２導入孔の第２投影部を中心にした同一円周上に備えられ、
   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周方向に拡散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。
8. 請求項７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。
9. 請求項７もしくは請求項８に記載の燃料電池において、
   前記微小開口は、前記複数のセルの各セルにそれぞれ対応して同一円周上に備えられている
   ことを特徴とする燃料電池。
10. 請求項９に記載の燃料電池において、
    前記微小開口は、前記円周の前記複数のセルの並び方向に延びる中心線を挟んで交互に各セルに対応して中心線方向に等間隔に備えられている
    ことを特徴とする燃料電池。
11. 請求項７もしくは請求項８に記載の燃料電池において、
    前記微小開口は、前記複数のセルの各セルに複数個対応して同一円周上に備えられている
    ことを特徴とする燃料電池。
12. 請求項１１に記載の燃料電池において、
    前記微小開口は、前記円周の前記複数のセルの並び方向に対する中心線を中心に線対称に、且つ、前記円周の中心点を中心に点対称に備えられ、各セルに対応して中心線方向に等間隔に複数個づつ備えられている
    ことを特徴とする燃料電池。
13. 請求項７〜請求項１２のいずれか一項に記載の燃料電池において、
    前記投影部を中心にした前記微小開口の外側における前記流通空間には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。

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