JP2009043542A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】各燃料電池セルへ均一に流体を分配するに好適な燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】燃料ガス、酸化剤ガス若しくは冷却媒体の少なくとも一つの出口マニホールド１４〜１６を、上流域から下流域に亘り、間仕切り部材２３により各燃料電池セル２に形成したガス流路９Ａ，１０Ａ若しくは冷媒流路１０Ｂの出口に臨んでそれらに連通する第１室２１と、燃料電池スタック２の外部への排出口に連なる第２室２２と、に分割し、前記第１室２１と第２室２２とを連通手段としての連通口２５により連通させるようにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、複数の燃料電池セルを積層して構成され、積層された燃料電池セルの周縁部に積層方向に貫通させて設けた入口マニホールドから反応ガスを各燃料電池セルに形成したガス流路に夫々流入させ、各ガス流路から同じく燃料電池セルの周縁部に積層方向に貫通させて設けた出口マニホールドに夫々排出させる構造の燃料電池スタックに関するものである。

従来から各燃料電池セルに供給する流体の入口マニホールド内における静圧分布を理想的な状態に近づけて均一に配流するためのマニホールド構造を備える燃料電池スタックが提案されている（特許文献１参照）。

これは、積層された燃料電池セルの周縁部に積層方向に貫通させて設けた入口マニホールドから反応ガスを各燃料電池セルのセパレータの板面に形成したガス流路に順次流入させ、各ガス流路から同じく燃料電池セルの周縁部に積層方向に貫通させて設けた出口マニホールドに夫々排出させる構造の燃料電池スタックにおいて、前記入口マニホールドに隣接させて燃料電池セルの積層方向に貫通させて整流マニホールドを形成すると共に、この整流マニホールドと入口マニホールドとを各セパレータの板面に夫々設けた分岐路により連通させ、反応ガスを整流マニホールドから各分岐路を経由させて順次入口マニホールドに流入させるようにしている。
特開２００１‐２０２９８４号公報

ところで、上記従来例も含めて、複数の燃料電池セルを積層し、入口マニホールドから反応ガスを各セパレータの板面に形成したガス流路に順次流入させ、各ガス流路から出口マニホールドに順次排出させる構造の燃料電池スタックにおいては、出口マニホールド内の圧力がマニホールド内を通過する反応ガスの流量・流速が相違することに起因して、上流側では圧力が高く、下流側では圧力が低い状態となる。これは、出口マニホールド内において、上流から下流に進むにつれて各燃料電池セルから反応ガスが合流して徐々に流速が増大することにより生ずる圧力低下と、下流に至るほど大きい乱流による圧力損失によって生じる圧力低下が複合されて、出口マニホールドの上流側と下流側とで大きな圧力勾配を生じることに起因する。

一方、入口マニホールドにおいては、上流から下流に行くにつれて各燃料電池セルに反応ガスが分配されて徐々に流速が低下することにより生じる圧力上昇と、上流側であるほど大きい乱流による圧力損失によって生じる圧力低下が互いに相殺して、入口マニホールドの上流側と下流側とで比較的緩やかな圧力勾配となる。

この結果、燃料電池セルの各ガス流路を挟んで入口マニホールドと出口マニホールドの間の差圧が、入口マニホールドにおいての上流側（出口マニホールドにおいての下流側）であるほど大きくなり、これに伴って燃料電池セルのガス流路を通過する流量も増加する。

したがって、上記従来例のように、整流マニホールドと入口マニホールドとを順次分岐路により連通させて入口マニホールド側での反応ガスの流速・流量による上流側での圧力低下を緩和しても、燃料電池セルのガス流路への通過流量の上記積層位置による偏差に対して充分な改善が得られない。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、各燃料電池セルへ均一に流体を分配するに好適な燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明は、複数の燃料電池セルを積層して構成され、積層された燃料電池セルの周縁部に積層方向に配列された入口マニホールドから燃料ガス、酸化剤ガス若しくは冷却媒体を各燃料電池セルに形成したガス流路若しくは冷媒流路に夫々流入させ、各ガス流路若しくは冷媒流路から同じく燃料電池セルの周縁部に積層方向に配列された出口マニホールドに夫々排出させる燃料電池スタックであり、前記燃料ガス、酸化剤ガス若しくは冷却媒体の少なくとも一つの出口マニホールドを、上流域から下流域に亘り、間仕切り手段により各燃料電池セルに形成したガス流路若しくは冷媒流路の出口に臨んでそれらに連通する第１室と、燃料電池スタックの外部への排出口に連なる第２室と、に分割し、前記第１室と第２室とを連通手段の連通口により連通させるようにした。

したがって、本発明では、燃料ガス、酸化剤ガス若しくは冷却媒体の少なくとも一つの出口マニホールドを、上流域から下流域に亘り、間仕切り手段により各燃料電池セルに形成したガス流路若しくは冷媒流路の出口に臨んでそれらに連通する第１室と、燃料電池スタックの外部への排出口に連なる第２室と、に分割し、前記第１室と第２室とを連通手段の連通口により連通させるようにしたため、積層方向の流れにより生じる上下流間の圧力差が大きい出口マニホールドにおいても、出口マニホールド内における各燃料電池セルの流路からの流出部近傍での積層方向圧力分布が緩和されるので、各燃料電池セルの流路の入口・出口間の差圧が均一化することによって、各燃料電池セルへの流体の分配を均一化することができる。

以下、本発明の燃料電池スタックを各実施形態に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１〜図４は本発明を適用した第１実施形態の燃料電池スタックの第１実施例を示し、図１は燃料電池スタックの斜視図、図２は燃料電池スタックを構成する燃料電池セルおよびエンドプレートの分解斜視図、図３は同じく図２のＡ−Ａ断面で示す燃料電池スタックの断面図、図４は図３における燃料電池スタックのＢ−Ｂ断面図である。

図１において、第１実施例の燃料電池スタック１は、複数の燃料電池セル２を積層して構成したセル積層体３の積層端の外側に、集電板４および絶縁層５、さらにその外側に、エンドプレート６をこの順に積層配置して構成している。前記両エンドプレート６同士は各四隅においてテンションプレート７が架け渡され、これらテンションプレート７の端部が各々エンドプレート６にボルト７Ａにより固定されることにより、燃料電池セル２のセル積層体３の積層方向に所定の圧縮力（締結荷重）を加えるようにしている。なお、本実施例では、後述するように、燃料電池セル２が上下方向に積層され、下方に配置するエンドプレート６側より燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒が給排されるよう燃料電池スタック１が設置される。

前記燃料電池セル２は、図２に示すように、イオン交換膜からなる電解質膜８Ａ及びこれを両面から挟んだ一対の電極触媒層８Ｂからなる膜・電極接合体８（以下では「ＭＥＡ」という）と、このＭＥＡ８を外側から挟持する一対のセパレータ９，１０と、で構成されている。一対のセパレータ９，１０は、例えば金属やカーボン等を基材とする導電体で形成される。前記一対のセパレータ９，１０の一方を構成するアノードセパレータ９は、ＭＥＡ８と隣接して積層される板面にＭＥＡ８の対応する電極触媒層８Ｂに水素ガス等のアノードガスを供給するためのガス流路９Ａを備える。また、他方を構成するカソードセパレータ１０は、ＭＥＡ８と隣接して積層される板面（図中の背面側）にＭＥＡ８の対応する電極触媒層８Ｂに空気等のカソードガスを供給するためのガス流路１０Ａを備えると共に、ＭＥＡ８と対面しない側（図中の正面側）に、隣接して積層される隣の燃料電池セル２におけるアノードセパレータ９の背面側との間に燃料電池冷却用の冷媒（冷却水等）を流すための冷媒流路１０Ｂを備える。

各電極触媒層８Ｂに供給されたカソードガス及びアノードガスは、燃料電池セル２のＭＥＡ８内において電気化学反応を生じさせて起電力を発生させる。また、前記電気化学反応は発熱反応であり、前記カソードセパレータ１０のＭＥＡ８と対面しない側の冷媒流路１０Ｂに燃料電池冷却用の冷媒（冷却水等）を流すことにより冷却する。

また、前記各燃料電池セル２を構成するＭＥＡ８、アノードセパレータ９およびカソードセパレータ１０には、前記（アノードガス用およびカソードガス用）ガス流路９Ａ，１０Ａおよび冷媒流路１０Ｂの入口および出口に夫々独立して連通するマニホールド形成用の貫通穴１１Ａ〜１６Ａが形成されている。また、燃料電池スタック１を構成する図示しない集電板４および絶縁層５、および一方に配置したエンドプレート６にも、同様に、前記（アノードガス用およびカソードガス用）ガス流路および冷媒流路１０Ｂの入口および出口に夫々独立して連通するマニホールド形成用の貫通穴１１Ｂ〜１６Ｂが形成されている。そして、これらが、燃料電池スタック１として積層された際には、これら貫通穴１１Ａ〜１６Ａおよび１１Ｂ〜１６Ｂが重ね合わせられて、アノードガス流通用の入口マニホールド１１および出口マニホールド１４、カソードガス流通用の入口マニホールド１３および出口マニホールド１６、及び冷媒流通用の入口マニホールド１２および出口マニホールド１５がセル積層方向に貫通形成される。これらマニホールド１１〜１６は各セパレータ９，１０およびＭＥＡ８に貫通穴１１Ａ〜１６Ａを設けてこれを積層した際にマニホールド１１〜１６とする内部マニホールド方式であり、以下では内部マニホールド方式を適応した例について説明する。

前記一方のエンドプレート６には、前記各マニホールド１１〜１６の開放端に連ねて、図１に示すように、夫々導入管１１Ｃ〜１３Ｃおよび排出管１４Ｃ〜１６Ｃが配置され、これらの導入管１１Ｃ〜１３Ｃを通じて対応する入口マニホールド１１〜１３に燃料ガス（アノードガス）、酸化剤ガス（カソードガス）および冷媒（冷却水）を導入し、各出口マニホールド１４〜１６から対応する排出管１４Ｃ〜１６Ｃを通じて燃料電池セル２で反応に消費されなかった燃料ガス（アノードガス）、酸化剤ガス（カソードガス）および冷媒（冷却水）を排出するようにしている。

以上の構成からなる燃料電池スタック１において、本実施形態の第１実施例では、アノードガス（燃料ガスとも称する）、カソードガス（酸化剤ガスともいう）、冷媒（冷却水ともいう）の少なくともいずれか一つの出口マニホールド１４〜１６に、以下に記載する圧力勾配緩和手段２０を適用するものである。なお、本実施例では、燃料電池セル２を上下方向に積層されると共に入口マニホールド１１〜１３の供給口（前記貫通穴１１Ｂ〜１３Ｂ）および出口マニホールド１４〜１６の排出口（前記貫通穴１４Ｂ〜１６Ｂ）を燃料電池スタック１の下側に配置した構成としている。

前記圧力勾配緩和手段２０は、図３に示すように、出口マニホールド１４〜１６の内部を各燃料電池セル２のガス流路９Ａ，１０Ａ冷媒流路１０Ｂの出口に臨んでそれらに連通する第１室２１と、エンドプレート６に設けた燃料電池スタック１の外部への排出口（貫通穴１４Ｂ〜１６Ｂ）に連なる第２室２２と、に分割する、セル積層方向に延びた板状の間仕切り部材２３を備える。

燃料ガスの出口マニホールド１４においては、前記第１室２１は、その下端においてエンドプレート６に設けた生成水排出口２４を介して燃料電池スタック１の外部へと連通可能としている。前記燃料ガス排出口（貫通穴１４Ｂ）は、燃料電池スタック１の外部に設けた、図示しない燃料ガス循環ポンプに接続され、前記生成水排出口２４は、同じく燃料電池スタック１の外部に設けた、所定の圧力を保持する機能を持つ、図示しない生成水排出タンクに接続されている。

前記間仕切り部材２３には、図４に示すように、第１室２１と第２室２２とを連通させるよう多数の小穴によって形成した連通口２５が設けられている。このため、各燃料電池セル２の反応に利用されずにガス流路９Ａ，１０Ａおよび冷媒流路１０Ｂから排出された反応ガスや冷媒は、第１室２１に流入し、次いで間仕切り部材２３の多数の連通口２５を経由して第２室２２に流入することになる。なお、燃料ガスの出口マニホールド１４においては、前記間仕切り部材２３に設ける連通口２５は、間仕切り部材２３のエンドプレート６に近接した下端部近傍には設けないようにしている。

前記間仕切り部材２３は、出口マニホールド１４〜１６内において、その上流側では第１室２１側の断面積が第２室２２側の断面積より大きく、下流側では第１室２１側の断面積が第２室２２側の断面積より小さくなるよう、出口マニホールド１４〜１６内で傾斜させて配置されている。このため、第１室２１は出口マニホールド１４〜１６の上流側で容積が大きく下流側で容積が小さくなり、第２室２２は出口マニホールド１４〜１６の上流側で容積が小さく下流側で容積が大きくなるようにしている。

以上の構成になる燃料電池スタックの動作について以下に説明する。まず、燃料電池スタック１には、水素を含有する燃料ガスが燃料ガス供給口（前記貫通穴１１Ｂ）から入口マニホールド１１に、酸素を含有する空気等の酸化剤ガスが酸化剤ガス供給口（前記貫通穴１３Ｂ）から入口マニホールド１３に、純水若しくはエチレングリコール等の冷却媒体が冷却水供給口（前記貫通穴１２Ｂ）から入口マニホールド１２に、夫々供給される。

前記燃料ガスは、入口マニホールド１１から夫々の燃料電池セル２の燃料ガス流路９Ａに導入され、ＭＥＡ８の一方の燃料電極触媒層８Ｂに沿って流動する。また、酸化剤ガスは、入口マニホールド１３から夫々の燃料電池セル２の酸化剤ガス流路１０Ａに導入され、ＭＥＡ８の他方の酸化剤電極触媒層８Ｂに沿って流動する。このため、ＭＥＡ８では、酸化剤電極触媒層８Ｂに供給された酸化剤ガスと、燃料電極触媒層８Ｂに供給される燃料ガスとが、ＭＥＡ８内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

燃料電極触媒層８Ｂに供給されて消費された燃料ガスは、出口マニホールド１４に至り、出口マニホールド１４から排出される。酸化剤電極触媒層８Ｂに供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路１０Ａの出口から出口マニホールド１６から排出される。前記電気化学反応により生成された反応生成水は、酸化剤ガス流路１０Ａに沿って上流側から下流側に向かって流れる。さらに、冷却媒体は入口マニホールド１２から燃料電池セル２同士のセパレータ間に形成された冷却媒体流路１０Ｂに導入され、燃料電池セル２を冷却して出口マニホールド１５に至り排出される。

ところで、燃料電池スタック１の燃料ガスおよび酸化剤ガスの入口マニホールド１１〜１３および出口マニホールド１４〜１６内には、以下に記載する理由により、積層方向に圧力勾配を生じる。図５はその圧力勾配を生ずるメカニズムを示すものである。

なお、この図では、燃料電池セル２を縦（上下）方向に積層すると共に各マニホールド１１〜１６の供給口（貫通穴１１Ｂ〜１３Ｂ）および排出口（貫通穴１４Ｂ〜１６Ｂ）を下側に配置するようにしているが、燃料電池セル２を横（左右）方向に積層する場合や供給口（貫通穴１１Ｂ〜１３Ｂ）および排出口（貫通穴１４Ｂ〜１６Ｂ）を異なる部位に設けた場合においても同様の現象が生じる。また、冷却水の入口マニホールド１２および出口マニホールド１５においては、さらに冷却水の自重による因子が加わるが、この因子は入口マニホールド１２と出口マニホールド１５との間で各燃料電池セル２毎に相殺するため各燃料電池セル２への分配に関する基本的な現象は変わらない。

図示するように、入口マニホールド１１〜１３においては、上流から下流に進むにつれて各燃料電池セル２に流体（ガスや液体）が分配され、徐々に流速が低下することにより生じる圧力上昇と、入口１１Ｂ〜１３Ｂ近傍の乱流による圧力損失によって生じる圧力低下と、が互いに相殺して比較的緩やかな圧力勾配となる。

一方、出口マニホールド１４〜１６においては、上流から下流に進むにつれて各燃料電池セル２から流体が合流して徐々に流速が増大することにより生じる圧力低下と、出口近傍に特に生ずる乱流による圧力損失によって生じる圧力低下と、が複合されて大きな圧力勾配を生じる。以上の理由により、入口マニホールド１１〜１３と出口マニホールド１４〜１６との間の差圧が図中下側に積層される燃料電池セル２ほど大きくなり、これに伴って図中下側に積層される燃料電池セル２ほどその流量も増加する。

また、各燃料電池セル２への燃料ガスおよび酸化剤ガス、冷却水の分配を均一化するために、出口マニホールド１４〜１６の容積（断面積）を拡大する場合には、各出口マニホールド１４〜１６の容積を流量に対して十分に大きく取る必要があり、燃料電池スタック１全体が大型化するという問題点がある。特に、燃料電池スタック１を高出力化するために積層する燃料電池セル２の枚数を増加させる場合には、出口マニホールド１４〜１６内の流速を低く保つために、燃料電池スタック１に流入する各流体の流量増加に対応して積層方向と直交する断面積を拡大するとともに、各燃料電池セル２に対する供給・排出のため燃料電池セル２の枚数の増加に応じて、積層方向の寸法も拡大する必要があるため、出口マニホールド１４〜１６の容積を大幅に拡大する必要が生じる。

しかしながら、本実施例によれば、通常は、燃料ガス、酸化剤ガス若しくは冷媒の出口マニホールド１４〜１６内の全体で生じる積層方向の流れが、主に第２室２２内で生じるため、第１室２１内の積層方向の圧力勾配が緩和されて、各燃料電池セル２の燃料ガス流路９Ａ、酸化剤ガス流路１０Ａおよび冷媒流路１０Ｂの出口近傍の圧力も平準化される。ただし、第２室２２内の上流から下流への圧力低下が大きい場合には、第１室２１から第２室２２への間仕切り部材２３を介した流量も下流側に行くにつれて増大することになり、結果として第１室２１内にもある程度の圧力勾配を生じることとなる。しかしながら、本実施例では、第２室２２の積層方向と直交する通路断面積を下流に行くにつれて拡大するよう構成していることにより、各燃料電池セル２からの合流による流量増加に伴う流速増大を抑制し、第２室２２内の圧力勾配を低減できる。

一方、入口マニホールド１１〜１３の内部は、下流に行くにつれて各燃料電池セル２への流体分配による流速低下によって生じる圧力上昇と、乱流による圧力損失によって生じる圧力低下が互いに相殺するために、もともと比較的緩やかな圧力勾配となっている。このため、出口マニホールド１４〜１６を、本実施例のように分割して、各燃料電池セル２のガス流路９Ａ，１０Ａおよび冷媒流路１０Ｂの出口近傍の圧力勾配を緩和することによって、入口マニホールド１１〜１３と出口マニホールド１４〜１６との間の差圧が積層方向で均一化され、これに伴って各燃料電池セル２への燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒の分配も均一化することができる。

ところで、各燃料電池セル２から排出される酸化剤ガスには、電気化学反応によって生じた生成水が含まれており、また、燃料ガスにも、カソード側で生じた生成水が、ＭＥＡ８を透過してアノード側に移動する、所謂「逆拡散」と呼ばれる現象によって、同様に生成水が含まれ、伴に気液２相流となっている。

前記酸化剤ガスに関しては、気液２相状態のまま、燃料電池システム外部に排出することが可能であるが、燃料ガスに関しては、循環ポンプ等の燃料循環手段を介して再度燃料電池スタック１上流から供給して再循環させるために、気液分離する必要がある。

このため、通常は、燃料電池スタック１の燃料ガス排出口（貫通穴１４Ｂ）と外部の燃料循環ポンプの間に、気液分離手段を設け、ここで分離した生成水を所定の圧力を保持する機能を持つ生成水排出タンクを介して、燃料電池システム外部に排出する方法が採用される。本実施形態においても、燃料電池スタック１の燃料電池セル２が横方向に積層されて、出口マニホールド１４が燃料電池スタック１において水平方向に配置される場合には、同様の構成、即ち、気液分離手段を利用して、分離した生成水を所定の圧力を保持する機能を持つ生成水排出タンクを介して、燃料電池システム外部に排出する方法を採用する。

しかしながら、本実施例では、出口マニホールド１４が上方から下方へのガス流れを伴い、燃料ガス排出口（貫通穴１４Ｂ）が出口マニホールド１４の最下端に設けられているため、出口マニホールド１４内に設けた間仕切り部材２３により、燃料ガスと生成水を分離することができ、燃料電池スタック１外部に、従来のように、気液分離手段を設ける必要がなく、燃料電池システム全体として小型化・低コスト化を図ることができる。この気液分離の際に、出口マニホールド１４内で分離した生成水が第２室２２に流入するのを防ぐために、本実施例では、第１室２１〜第２室２２間を連通させる連通口２５を間仕切り部材２３の下端部近傍には設けないようにしている。

一方、酸化剤ガスに含まれる生成水に関しては、上記した気液分離手段により燃料ガスと同様の構成により処理することも可能であるし、逆に、第１室２１〜第２室２２間の連通口２５の一部を間仕切り部材２３の下端にも設けることにより、酸化剤ガスと伴に燃料電池スタック１外部に排出することもできる。

図６および図７は本実施形態の第２実施例の燃料電池スタックを示し、図６は前記した図３と同様のＡ−Ａ断面で示す燃料電池スタックの断面図、図７は図６における燃料電池スタックのＢ−Ｂ断面図である。

本実施例の燃料電池スタック１においては、図６に示すように、出口マニホールド１４〜１６内を第１室２１と第２室２２とに仕切る間仕切り部材２３の設置を斜めから鉛直方向（出口マニホールド１４〜１６の流体流動方向と平行）に配置するようにしている。また、図７に示すように、間仕切り部材２３に設ける連通口２５の分布を出口マニホールド１４〜１６の下流に進むにつれて少なくすることで、第１室２１から第２室２２への間仕切り部材２３を介した流量を均一化させている。その他の構成は第１実施例と同様に構成している。

本実施例においても、連通口２５の分布により圧力勾配の緩和作用を発揮させ、第１実施例と同様の効果を発揮させることができる。また、間仕切り部材２３が燃料電池セル２の積層方向と平行に配置されているため、その保持が容易になるという特徴がある。なお、この実施例において、間仕切り部材２３を第１実施例と同様に斜めに設置することにより、第１実施例で得られる間仕切り部材２３の斜め設置による圧力勾配の緩和効果と連通口２５の分布による圧力勾配の緩和効果とが組み合わさって、さらに圧力勾配の緩和効果をより一層高めることもできる。

なお、前記第１実施例および第２実施例に示した間仕切り部材２３の勾配、連通口２５の数・分布、間仕切り部材２３の設置位置は、適用する燃料電池スタック１により異なり、実験により最適な設定値を求めることが望ましい。

なお、上記実施形態において、圧力勾配緩和手段２０として、いずれも出口マニホールド１４〜１６のみに間仕切り手段としての間仕切り部材２３を設けるものについて説明したが、図示はしないが、出口マニホールド１４〜１６に加えて、入口マニホールド１１〜１３にも同様の構成の間仕切り手段を設けるものであってもよい。このように構成することにより、入口マニホールド１１〜１３に関しても、各燃料電池セル２の燃料ガス流路９Ａ、酸化剤ガス流路１０Ａ若しくは冷媒流路１０Ｂの入口圧力を均一化することができる。

また、上記実施形態において、圧力勾配緩和手段２０として、出口マニホールド１４〜１６を間仕切り手段により第１室２１と第２室２２の２室に分割するものについて説明したが、図示はしないが、第１室２１と第２室２２の間に、更に新たな間仕切り手段により新たな空間を設けて、３室以上に分割するものであってもよい。このように構成すると、出口マニホールド１４〜１６内の第１室２１内の圧力勾配を更に一層均一化することが可能となる。

さらに、上記実施形態において、マニホールド方式として、内部マニホールド方式に適用した場合について説明したが、図示はしないが、間仕切り部材２３およびその設置方法、燃料電池スタック１外部との接続方法は、各燃料電池セル２の端部に燃料ガス流路９Ａ、酸化剤ガス流路１０Ａ、冷媒流路１０Ｂの出入口を開口させると共に、積層された燃料電池セル２の端面全体を覆うように深皿型のマニホールドを当接させて設ける外部マニホールド方式であっても、全く同様に適用することができる。

さらに、上記実施形態においては、特に燃料ガスおよび酸化剤ガスの出口マニホールド１４，１６さらには入口マニホールド１１，１３について説明しているが、冷却水の出口マニホールド１５更には入口マニホールド１２に適用するものであってもよい。また、いずれかの目的とする出口マニホールド１４〜１６の一つのみに適用するものであってもよい。

本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。

（ア）複数の燃料電池セル２を積層して構成され、積層された燃料電池セル２の周縁部に積層方向に配列された入口マニホールド１１〜１３から燃料ガス、酸化剤ガス若しくは冷却媒体を各燃料電池セル２に形成したガス流路９Ａ，１０Ａ若しくは冷媒流路１０Ｂに夫々流入させ、各ガス流路９Ａ，１０Ａ若しくは冷媒流路１０Ｂから同じく燃料電池セル２の周縁部に積層方向に配列された出口マニホールド１４〜１６に夫々排出させる燃料電池スタック１であり、前記燃料ガス、酸化剤ガス若しくは冷却媒体の少なくとも一つの出口マニホールド１４〜１６を、上流域から下流域に亘り、間仕切り手段としての間仕切り部材２３により各燃料電池セル２に形成したガス流路９Ａ，１０Ａ若しくは冷媒流路１０Ｂの出口に臨んでそれらに連通する第１室２１と、燃料電池スタック１の外部への排出口に連なる第２室２２と、に分割し、前記第１室２１と第２室２２とを連通手段としての連通口２５により連通させるようにしたため、積層方向の流れにより生じる上下流間の圧力差が大きい出口マニホールド１４〜１６においても、出口マニホールド１４〜１６内における各燃料電池セル２のガス流路９Ａ，１０Ａもしくは冷媒流路１０Ｂからの流出部近傍での積層方向圧力分布が緩和されるので、各燃料電池セル２のガス流路９Ａ，１０Ａもしくは冷媒流路１０Ｂの入口・出口間の差圧が均一化することによって、各燃料電池セル２への流体の分配を均一化することができる。

（イ）間仕切り手段としての間仕切り部材２３は、出口マニホールド１４〜１６内に積層方向に挿入されて第１室２１と第２室２２とを間仕切りする、連通手段としての連通口２５を備えた板状部材により構成されていることにより、連通口２５の寸法・分布個数および各室（第１，２室２１，２２）の容積比率を燃料電池セル２の積層方向位置に応じて自由に設定できるので、各燃料電池セル２への流体の分配をより均一化することができる。

（ウ）間仕切り手段としての間仕切り部材２３は、前記第２室２２の燃料電池セル２の積層方向と直交する断面積が下流に進むにつれて拡大させるよう配置されていることにより、第２室２２内の積層方向流速が下流に行くにつれて増大するのを抑制して、上流下流間の圧力勾配を緩和することができ、積層方向の各位置での第１室２１から第２室２２への流量が均等化し、各燃料電池セル２への流体の分配をより均一化することができる。

（エ）連通手段としての連通口２５は、第１室２１と第２室２２とを連通させる複数の連通口２５の分布割合を下流に進むにつれて小さく設定していることにより、出口マニホールド１４〜１６内の積層方向各位置での第１室２１から第２室２２への流量が大きくなる下流側に進むにつれて開口面積が小さくなることにより、積層方向各位置での第１室２１から第２室２２への流量を均等化することができ、各燃料電池セル２への流体の分配をより均一化することができる。

（オ）燃料電池スタック１は、上下方向に燃料電池セル２が積層されるとともに、出口マニホールド１４〜１６が積層上端側から下端側に燃料ガス若しくは酸化剤ガスを排出するよう上下方向に配置して構成され、前記第１室２１の下端にガスから分離された生成水を燃料電池スタック１外部に設けた生成水排出手段に排出するようにする、即ち、出口マニホールド１４，１６を分割する間仕切り手段としての間仕切り部材２３によりガスと生成水が分離されるので、第２室２２をガス排出ないし循環手段に、第１室２１を生成水排出手段に各々接続することにより、燃料電池スタック１外部に気液分離手段を設けることなく、ガスと生成水を別々に処理することができる。

（第２実施形態）
図８〜図９は、本発明を適用した燃料電池スタックの第２実施形態を示し、図８は燃料電池スタックを燃料電池セルの構成部材に分離して示す斜視図、図９は燃料電池スタックの出口マニホールドの要部の断面図である。本実施形態においては、出口マニホールド内に配置する間仕切り手段を、セパレータおよびＭＥＡにより形成する構成を第１実施形態に追加したものである。なお、第１実施形態と同一装置・部材には同一符号を付してその説明を省略ないし簡略化する。

図８において、本実施形態における燃料電池スタック１では、アノードセパレータ９およびカソードセパレータ１０の出口マニホールド１４〜１６を構成する貫通穴１４Ａ〜１６Ａを、第１室２１を構成する第１貫通穴２６と第２室２２を構成する第２貫通穴２７とに２分割して形成し、第１，２貫通穴２６，２７間には両者を画成する間仕切り部２８を備える。一方、燃料電池セル２を構成するＭＥＡ８のマニホールド形成用の貫通穴１４Ａ〜１６Ａは、分割することなく前記第１，２貫通穴２６，２７に跨らせて、第１実施形態と同様に、１個の貫通穴によって形成する。その他の構成は、第１実施形態と同様に構成している。

この実施形態の燃料電池スタック１の出口マニホールド１４〜１６は、図９に示すように、第１貫通穴２６同士を連ねて形成され、各燃料電池セル２のガス流路９Ａ，１０Ａおよび冷媒流路１０Ｂの出口に臨んでそれらに連通する第１室２１と、第２貫通穴２７同士を連ねて形成され、エンドプレート６に設けた燃料電池スタック１の外部への排出口に連なる第２室２２と、を各セパレータ９，１０に設けた間仕切り部２８により画成して備える。前記第１室２１と第２室２２とは、間仕切り部２８を備えないＭＥＡ８の貫通穴１４Ａ〜１６Ａによって互いに連通される。前記ＭＥＡ８は、ガス通路９Ａ，１０Ａを備えるセパレータ９，１０に比較して比較的薄肉に構成されることから、前記ＭＥＡ８の貫通穴１４Ａ〜１６Ａは、第１室２１と第２室２２とをＭＥＡ８の厚さ分の隙間により連通させる連通口２５の機能を持たせることができる。

本実施形態の燃料電池スタック１の出口マニホールド１４〜１６は、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒は燃料電池セル２のガス流路９Ａ，１０Ａおよび冷媒流路１０Ｂから第１室２１の流入し、次いでＭＥＡ８の貫通穴１４Ａ〜１６Ａによって形成した連通口を経由して第２室２２に至り、第２室２２内でセル積層方向の流れとなって排出口に流れ出ることになる。即ち、各流体の出口マニホールド１４〜１６内の全体で生じる積層方向の流れが、主に第２室２２内で生じるため、第１室２１内の積層方向の圧力勾配が緩和されて、各燃料電池セル２のガス流路９Ａ，１０Ａおよび冷媒流路１０Ｂの出口近傍の圧力も平準化される。

なお、前記連通口として、ＭＥＡ８の出口マニホールド形成用の貫通穴１４Ａ〜１６Ａを使用するものについて説明したが、図示しないが、いずれか一方のセパレータ９若しくは１０とＭＥＡ８の出口マニホールド形成用の貫通穴１４Ａ〜１６Ａを２分割し、分割しないセパレータ１０若しくは９の貫通穴１４Ａ〜１６Ａを連通口としてもよい。さらには、全ての燃料電池セル２の構成部材のマニホールド形成用の貫通穴１４Ａ〜１６Ａを２分割し、各構成部材の出口マニホールド１４〜１６の分割部位の板厚を薄く形成することにより隙間を設けて、連通口としても差し支えない。

また、上記実施例では、出口マニホールド１４〜１６を２室に分割しているが、第１室２１と第２室２２の間に更に空間を設けて、３室以上に分割してもよい。これにより、出口マニホールド１４〜１６内の第１室２１の圧力勾配を更に均一化することが可能となる。

なお、第２室２２内の上流から下流への圧力低下が大きい場合には、第１室２１から第２室２２への間仕切り部２８を介した流量も下流側に行くにつれて増大し、結果として第１室２１内にもある程度の圧力勾配を生じることとなるが、第２室２２の積層方向と直交する通路断面積を下流に行くにつれて拡大するよう構成するか、若しくは、第１室２１と第２室２２とを連通させる通路断面積、例えば、ＭＥＡ８に設ける出口マニホールド形成用の貫通穴１４Ａ〜１６Ａの前記間仕切り部２８における溝幅を下流に進むにつれて狭く形成することにより、各燃料電池セル２からの合流による流量増加に伴う流速増大を抑制し、第２室２２内の圧力勾配を低減できる。

また、上記実施例では、出口マニホールド１４〜１６のみに間仕切り手段を設けているが、出口マニホールド１４〜１６に加えて、入口マニホールド１１〜１３にも同様の構成を適用しても差し支えない。これにより、入口マニホールド１１〜１３に対しても、各燃料電池セル２の各流体流路９Ａ，１０Ａ，１０Ｂの入口圧力を均一化することができる。

さらに、上記実施形態においては、特に燃料ガスおよび酸化剤ガスの出口マニホールド１４、１６さらには入口マニホールド１１，１３について説明しているが、冷却水の出口マニホールド１５更には入口マニホールド１２に適用するものであってもよい。また、いずれかの目的とする出口マニホールド１４〜１６の一つのみに適用するものであってもよい。

本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）〜（オ）に加えて以下に記載した効果を奏することができる。

（カ）燃料電池セル２は、電解質膜及びこれを両面から挟んだ一対の電極触媒層８Ｂからなる膜・電極接合体８と、膜・電極接合体８を外側から挟持し、各入口マニホールド１１〜１３から夫々導入した燃料ガス、酸化剤ガス若しくは冷却媒体を流通させ各出口マニホールド１４〜１６に導くガス流路９Ａ，１０Ａ若しくは冷媒流路１０Ｂを備えるセパレータ９，１０とにより構成され、前記各燃料電池セル２の周縁部に積層方向に前記膜・電極接合体８および一対のセパレータ９，１０を貫通させて設ける各出口マニホールド１４〜１６は、隣接して複数に分割されて貫通形成された貫通穴２６，２７により間仕切りされて前記第１室２１および第２室２２を構成し、前記連通手段として、前記膜・電極接合体８または一対のセパレータ９，１０の少なくとも一つに貫通させて設ける複数の貫通穴２６，２７を互いに連通させて設けられることにより、間仕切り手段のために専用の部材を設ける必要がないので、通常の燃料電池スタック１と同一の部品点数で各燃料電池セル２への流体の分配を均一化することができる。

本発明の一実施形態を示す燃料電池スタックの第１実施例の斜視図。 同じく燃料電池スタックを構成する燃料電池セルおよびエンドプレートの分解斜視図。 同じく図２のＡ−Ａ断面で示す燃料電池スタックの断面図。 図３における燃料電池スタックのＢ−Ｂ断面図。 入口マニホールドおよび出口マニホールド内で圧力勾配を生ずるメカニズムを示す説明図。 図３と同様のＡ−Ａ断面で示す第２実施例の燃料電池スタックの断面図。 図６における燃料電池スタックのＢ−Ｂ断面。 本発明の第２実施形態の燃料電池スタックを燃料電池セルの構成部材に分離して示す斜視図。 燃料電池スタックの出口マニホールドの要部の断面図。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２ 燃料電池セル
３ セル積層体
４ 集電板
５ 絶縁層
６ エンドプレート
７ テンションプレート
８ 膜・電極接合体、ＭＥＡ
９ アノードセパレータ
１０ カソードセパレータ
１１〜１３ 入口マニホールド
１４〜１６ 出口マニホールド
２０ 圧力勾配緩和手段
２１ 第１室
２２ 第２室
２３ 間仕切り手段としての間仕切り部材
２５ 連通手段としての連通口

Claims (9)

1. 複数の燃料電池セルを積層して構成され、積層された燃料電池セルの周縁部に積層方向に配列された入口マニホールドから燃料ガス、酸化剤ガス若しくは冷却媒体を各燃料電池セルに形成したガス流路若しくは冷媒流路に夫々流入させ、各ガス流路若しくは冷媒流路から同じく燃料電池セルの周縁部に積層方向に配列された出口マニホールドに夫々排出させる燃料電池スタックにおいて、
   前記燃料ガス、酸化剤ガス若しくは冷却媒体の少なくとも一つの出口マニホールドを、上流域から下流域に亘り、各燃料電池セルに形成したガス流路若しくは冷媒流路の出口に臨んでそれらに連通する第１室と、燃料電池スタックの外部への排出口に連なる第２室と、に分割する間仕切り手段と、
   前記間仕切り手段に設けられて前記第１室と第２室とを連通口により連通させる連通手段と、を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記間仕切り手段は、出口マニホールド内に積層方向に挿入されて第１室と第２室とを間仕切りする、連通手段を備えた板状部材により構成さ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. 前記間仕切り手段は、前記第２室の燃料電池セルの積層方向と直交する断面積が下流に進むにつれて拡大させるよう配置されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記連通手段は、第１室と第２室とを連通させる複数の連通口の分布割合を下流に進むにつれて小さく設定していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
5. 前記燃料電池スタックは、上下方向に燃料電池セルが積層されるとともに、出口マニホールドが積層上端側から下端側に燃料ガス若しくは酸化剤ガスを排出するよう上下方向に配置して構成され、
   前記第１室の下端にガスから分離された生成水を燃料電池スタック外部に設けた生成水排出手段に排出することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
6. 前記燃料電池セルは、電解質膜及びこれを両面から挟んだ一対の電極触媒層からなる膜・電極接合体と、膜・電極接合体を外側から挟持し、各入口マニホールドから夫々導入した燃料ガス、酸化剤ガス若しくは冷却媒体を流通させ各出口マニホールドに導くガス流路若しくは冷媒流路を備えるセパレータとにより構成され、
   前記各燃料電池セルの周縁部に積層方向に前記膜・電極接合体および一対のセパレータを貫通させて設ける各出口マニホールドは、隣接して複数に分割されて貫通形成された貫通穴により間仕切りされて前記第１室および第２室を構成し、
   前記連通手段は、前記膜・電極接合体または一対のセパレータの少なくとも一つに貫通させて設ける複数の貫通穴を互いに連通させて設けられることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
7. 複数の燃料電池セルを積層して構成され、積層された燃料電池セルの周縁部に積層方向に配列された入口マニホールドから燃料ガス、酸化剤ガス若しくは冷却媒体を各燃料電池セルに形成したガス流路若しくは冷媒流路に夫々流入させ、各ガス流路若しくは冷媒流路から同じく燃料電池セルの周縁部に積層方向に配列された出口マニホールドに夫々排出させる燃料電池スタックにおいて、
   前記燃料ガス、酸化剤ガス若しくは冷却媒体の少なくとも一つの出口マニホールドを、各燃料電池セルに形成したガス流路若しくは冷媒流路の出口に臨んでそれらに連通する、燃料電池セル積層方向に延在させた第１室と、前記第１室に燃料電池セル積層方向に配列した複数の連通口を介して連通し且つ燃料電池セルの積層方向に延在され、燃料電池スタックの外部への排出口に連なる第２室と、に分割し、
   各燃料電池セルに形成したガス流路若しくは冷媒流路の出口からの流体を、先ず前記第１室に流入させ、次いで複数の連通口を介して第２室に流入させて排出口から燃料電池スタック外に排出させるようにしたことを特徴とする燃料電池スタック。
8. 前記第２室の燃料電池セル積層方向に直交する断面積は、排出口に近づくにつれて大きく形成されて、上流側と下流側とで排出口への流体の流速差が抑制されていることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池スタック。
9. 前記第１室と第２室とを連通させる複数の連通口は、排出口に近づくにつれて分布割合が減少されて、燃料電池セルの積層方向の各領域で流体の第１室から第２室への流量差が抑制されていることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の燃料電池スタック。

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