JP2009158220A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】反応ガスマニホールド内の水分を排出させ、単セルの冷却効率を向上させる。
【解決手段】セルスタック１００ａ，１００ｂの下端側部分に設けられた冷媒導入口４２ａ，４２ｂと、セルスタック１００ａ，１００ｂの上端側部分に設けられた冷媒排出口４４ａ，４４ｂと、を含み、水平面ｈに垂直な平面ｖに対し互いに対称配置されたセルスタック対（１００ａ，１００ｂ）を備え、セルスタック１００ａ，１００ｂのそれぞれにおける単セル５０の積層方向が、水平面ｈに対しθ_１、θ_２だけ傾斜して配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、詳細には燃料極と酸化極とを有する単セルを複数積層させてなるセルスタックを複数備える燃料電池システムに関する。

一般的な燃料電池単セル（単セルとも称する）の構成、特に電極部分を含む要部の構成についてその概略を説明する。図３に例示するように、カソード触媒層１２（酸化極またはカソード極とも称する）とアノード触媒層１４（燃料極またはアノード極とも称する）を、電解質膜１０を挟んで互いに対向するように設け、さらにカソード触媒層１２の外側にカソード拡散層１６を、またアノード触媒層１４の外側にアノード拡散層１８を、それぞれ設けることにより、いわゆる膜電極接合体（ＭＥＡ）が構成されている。また、カソード拡散層１６の外側には、酸化ガス流路２０およびセル冷媒流路２２が形成されたカソード側セパレータ２６が、アノード拡散層１８の外側には、燃料ガス流路２４およびセル冷媒流路２２が形成されたアノード側セパレータ２８が、例えば、接着などにより一体化されて、単セル５０が形成されている。

図３に示す単セル５０において、カソード触媒層１２に酸素や空気等の、少なくとも酸素を含む酸化ガスを、アノード触媒層１４に水素や改質ガス等の、少なくとも水素を含む燃料ガスを、反応ガスとしてそれぞれ供給して発電する。このような燃料電池は一般に、発電時には化学反応に伴う熱を発生するため、水やエチレングリコールなどの冷却媒体を図３に示すセル冷媒流路２２に流通させて燃料電池の過熱を防止し、例えば６０℃から１００℃程度の所定の温度範囲となるように制御している。

図４は、図３に例示した単セル５０を複数積層させてなる一般的なセルスタックの構成の概略について、その一例を示す図である。なお、図４においては、外部からセルスタック内部に供給され、排出される流体（反応ガス（酸化ガスまたは燃料ガス）および冷却媒体を含む）の流通について説明するためのものであり、セパレータやＭＥＡなどを含む単セル５０の詳細な構成については省略し、または簡略な記載にとどめた。

図４において、燃料電池スタック３００は通常、所望の発電性能を獲得するために必要な、複数の単セル５０を積層させている。そして、単セル５０の積層両端の外側から、例えば図示しないボルト等による締結などの方法により全体を積層方向に押圧保持し、固定され、燃料電池スタック３００が構成される。

また、図４において、流体供給マニホールド１３２および流体ガス排出マニホールド１３６が、単セル５０のそれぞれを貫通するように、それぞれ形成されている。流体が例えば矢印１３４のように外部から供給された後、各単セル５０の間に形成された、ここでは図示しない流体流路内を流通し、各単セル５０内部の図示しない電極部分において、電池反応または熱交換に供された後、矢印１３８のように外部へ排出される。

図４において、流体供給マニホールド１３２は、流体の種類が異なる少なくとも３つの独立した供給マニホールドのいずれか、つまり燃料ガス供給マニホールド、酸化ガス供給マニホールドまたは冷却媒体供給マニホールドのいずれかを指している。同様に、流体排出マニホールド１３６は、流体供給マニホールド１３２と対応する３つの独立した排出マニホールドのいずれか、つまり燃料ガス排出マニホールド、酸化ガス排出マニホールドまたは冷却媒体排出マニホールドのいずれかを指している。

つまり、図４に示す燃料電池スタック３００において、燃料ガス供給マニホールド（１３２）から供給された燃料ガスは、各単セル５０に形成された図示しない燃料ガス流路（図３に示す単セル５０に形成された燃料ガス流路２４に相当）に配分され、単セル５０内での電池反応に供された後、オフガスとして燃料ガス排出マニホールド（１３６）から排出される。一方、酸化ガス供給マニホールド（１３２）から供給された酸化ガスは、各単セル５０に形成された図示しない酸化ガス流路（図３に示す単セル５０に形成された酸化ガス流路２０に相当）に配分され、単セル５０内での電池反応に供された後、オフガスとして酸化ガス排出マニホールド１３６から排出される。さらに、冷媒供給マニホールド（１３２）から供給された冷却媒体は、各単セル５０に形成された図示しない冷媒流路（図３に示す単セル５０に形成されたセル冷媒流路２２に相当）に配分され、単セル５０との熱交換に供された後、冷媒排出マニホールド（１３６）から排出される。

ところで、図３に示した単セル５０において、電解質膜１０が、燃料電池として所定の機能を発揮するためには、プロトン導電性電解質膜として機能することが要求されるが、そのためには、少なくとも所定の水分量以上を維持することが必要である。このため、例えば予め所定の水分量に加湿させた燃料ガスおよび／または酸化ガス（これらを反応ガスと総称する場合がある）を単位セル５０内に供給する等により、電解質膜１０の水分量を維持することが一般に行なわれている。

一方、運転停止時には一般に、燃料電池スタックの温度が室温程度まで低下する。このため、上述のように、運転時に加湿させた反応ガスを流通させると、各反応ガス供給／排出マニホールド中に残存する反応ガス中の水分が凝縮する場合がある。このとき、凝縮する水分量が多く、排水が困難な場合には、マニホールドや流体流路が水分により閉塞する、いわゆるフラッディングが発生する場合がある。また、特に寒冷時にはこのような凝縮水が流路内で凍結してしまい、再起動に時間がかかる場合も想定される。

そこで、図５に示すように、単セルの積層枚数を２つに分割させた構成を有する、第１のセルスタック４００ａと第２のセルスタック４００ｂからなるセルスタック対を組み合わせて用いることができる。本実施の形態によれば、必要な起電力はセルスタック対全体で確保する一方、凝縮水の排出距離、より具体的には、反応ガス供給／排出マニホールドの長さ、を短くすることにより滞留する凝縮水の量を減少させることができる。

しかしながら、単セルの積層枚数を少なくするだけでは、生成水を含む凝縮水の排出は各反応ガスマニホールド内を流通するオフガスの流量や流速、温度などに依存するため、依然として不十分な場合がある。

特許文献１には、スタックケース内の残水素を排出するために単セル積層方向から見てＶ字形に配置されたスタックについて記載されている。

特許文献２には、所定の角度だけ傾けることにより、レイアウト上のバランスを整えるとともに、冷却水の流路内に混入した空気を効率的に抜き出すための短筒が設けられた燃料電池スタックについて記載されている。

特開２００５−１５８３３９号公報 特開２００７−１０３０８２号公報

本発明は、反応ガス流路内、特に反応ガスマニホールド内の水分を簡便かつ速やかに外部へ排出させるとともに、冷却媒体による単セルの冷却効率を向上させることが可能な燃料電池スタックを提供する。

本発明の構成は以下のとおりである。

（１）燃料極と酸化極とを有する単セルを複数積層させてなるセルスタックと、前記単セルとの間の熱交換に供される冷却媒体を前記セルスタックの内部に導入するための、前記セルスタックの下端側部分に設けられた冷媒導入口と、前記単セルとの間で熱交換された使用済み冷却媒体を前記セルスタックの外部に排出するための、前記セルスタックの上端側部分に設けられた冷媒排出口と、を含み、水平面に垂直な平面に対し互いに対称配置されたセルスタック対を備え、前記セルスタック対は、前記セルスタックのそれぞれにおける単セル積層方向が、前記水平面に対し傾斜して配置されている、燃料電池システム。

（２）上記（１）に記載の燃料システムにおいて、前記セルスタック対は、単セル積層方向の側面から見てＶ字またはΛ字形状に配置されている、燃料電池システム。

（３）上記（１）または（２）に記載の燃料電池システムにおいて、前記セルスタックの近傍に、流体流通配管または電気配線の少なくとも一方が配索されている、燃料電池システム。

（４）上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の燃料システムにおいて、前記冷媒排出口の近傍部分に、前記セルスタックの外部に排出された前記冷却媒体から空気を除去する脱気手段を備える、燃料電池システム。

反応ガスマニホールド内の水分を簡便かつ速やかに外部へ排出させるとともに、冷却媒体による単セルの冷却効率を向上させることが可能となる。

本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、各図面において、同様の構成については同一の符号を付すとともに、重複する説明については省略する。

図１は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成の一例を示す概略図であり、図１（ａ）は、特に反応ガスの流通について着目した図である。

図１（ａ）において、燃料電池システム１００は、水平面ｈに垂直な平面ｖに対し互いに対称配置された第１のセルスタック１００ａおよび第２のセルスタック１００ｂが、セルスタック対を構成し、単セル５０積層方向の側面から見て略Ｖ字形状に傾斜して配置されている。

図１（ａ）において、セルスタック対を構成する第１のセルスタック１００ａおよび第２のセルスタック１００ｂはそれぞれ、図５に示す第１のセルスタック４００ａおよび第２のセルスタック４００ｂと同様の構成のものを適用することが可能である。第１のセルスタック１００ａおよび第２のセルスタック１００ｂにおいて、反応ガス供給マニホールド３２ａ，３２ｂから各セルスタック内にそれぞれ供給された反応ガスは、各単セル５０内での電極反応に供された後、オフガスとして反応ガス排出マニホールド３６ａ，３６ｂからそれぞれ各セルスタックの外部へ排出される。このとき、第１のセルスタック１００ａおよび第２のセルスタック１００ｂを、水平面ｈに対しそれぞれθ_１，θ_２だけ互いに前傾配置させる（つまり、対面するセルスタック対の下端部分に対し、上端部分を互いに近づける）ことにより、各単セル５０を貫通する反応ガス供給マニホールド３２ａ，３２ｂおよび反応ガス排出マニホールド３６ａ，３６ｂもまた、水平面ｈに対しほぼθ_１またはθ_２だけ傾くことになる。このとき、θ_１＝θ_２とし、セルスタック対を水平面ｈに垂直な面ｖに対し対称配置させると、各セルスタックをほぼ同様に運転制御を行うことができ、好適である。

本実施の形態によれば、傾斜した反応ガスマニホールドを有することにより、例えば反応ガスの流量や流速が十分でない低負荷運転時や排出すべき水分量が増大する高加湿運転時、さらに反応ガスの流通が停止する各セルスタックの運転停止時においても、反応ガスマニホールド内で凝縮し得る水分を自重により速やかに外部へ排出させることが可能となるため、好適である。

本実施の形態において、反応ガスの流通経路は、各マニホールドの内部に凝縮水が滞留しない構成であれば必ずしも図１（ａ）に示した方向に限らず、いかなる構成とすることも可能である。なお、効率化、小型化の観点から、各反応ガスマニホールドに連通し、反応ガスの供給またはオフガスの排出を行う反応ガス流路の少なくとも一部を合流させて共通化させる構成とすることが好ましい。

図１（ｂ）は、図１（ａ）に示した燃料電池システムにおいて、特に冷却媒体の流通について着目した図である。図１（ｂ）に示す燃料電池システム１００は、各セルスタックの下端側部分に、冷媒導入口４２ａ，４２ｂがそれぞれ設けられた冷媒供給マニホールド３２ｃ，３２ｄと、各セルスタックの上端側部分に、冷媒排出口４４ａ，４４ｂがそれぞれ設けられた冷媒排出マニホールド３６ｃ，３６ｄと、をそれぞれ備え、冷却媒体の流通が行われる。本実施の形態におけるセルスタックの下端側部分とは、セルスタックに形成された冷媒流路のうち、水平面に対し下端側に位置する部分を指し、ここでは図１（ｂ）に示す冷媒供給マニホールド３２ｃ、３２ｄの一方端部分を指す。また、セルスタックの上端側部分とは、セルスタックに形成された冷媒流路のうち、水平面に対し上端側に位置する部分を指し、ここでは図１（ｂ）に示す冷媒排出マニホールド３６ｃ、３６ｄの一方端部分を指す。

実施の形態において、分岐部４６で二分された冷却媒体はそれぞれ、第１のセルスタック１００ａおよび第２のセルスタック１００ｂを構成する各単セル５０との熱交換に供された後、冷媒排出マニホールド３６ｃ，３６ｄから排出される。本実施の形態によれば、各セルスタックの下端側部分から供給された冷却媒体が各セルスタックの上端側へ向けて、冷媒流路を満たしながら流通するため、各単セル５０の冷却効率が向上する。

また、図１（ｂ）において、冷却媒体の流通に循環方式を採用する場合には、冷媒排出口４４ａ，４４ｂから各セルスタックの外部に排出された使用済みの冷却媒体を図示しない合流部で合流させた後、温度交換や不純物の除去などの再生処理が行われ、再び冷却媒体として利用する構成を採用することができる。このとき、冷媒流路の途中、好ましくは冷媒排出口４４ａ，４４ｂの近傍部分であって、冷却媒体の流通が、下降側に転じる付近に脱気手段４８ａ，４８ｂを設け、環境中の空気など、冷却媒体に混入する気体を除去することが好適である。本実施の形態によれば、循環させる冷却媒体の冷却効率を維持するとともに、冷却媒体として例えばエチレングリコールなどを採用する場合には、劣化防止にも繋がるため、好適である。なお、脱気手段４８ａ，４８ｂとして、好ましくは脱気孔としての開口を有するエア溜まりを用いることが可能であるが、これに限らない。

本実施の形態において、セルスタック対を構成する第１のセルスタック１００ａおよび第２のセルスタック１００ｂは、それぞれが直列接続されていてもよく、他の実施の形態として、並列に接続されていてもよい。

図２は、本発明の他の実施の形態における燃料電池システムの構成の一例を示す概略図であり、図２（ａ）は、特に反応ガスの流通について着目した図である。

図２（ａ）に示す燃料電池システム２００は、水平面ｈに垂直な平面ｖに対し互いに対称配置され、セルスタック対を構成する第２のセルスタック２００ａおよび第２のセルスタック２００ｂが、単セル５０積層方向の側面から見て略Λ字形状に傾斜して配置されていることを除き、図１に示す燃料電池システム１００とほぼ同様の構成を有している。

図２（ａ）に示す第１のセルスタック２００ａおよび第２のセルスタック２００ｂにおいて、反応ガス供給マニホールド３２ａ，３２ｂから各セルスタック内にそれぞれ供給された反応ガスは、各単セル５０内での電極反応に供された後、オフガスとして反応ガス排出マニホールド３６ａ，３６ｂからそれぞれ各セルスタックの外部へ排出される。このとき、第１のセルスタック２００ａおよび第２のセルスタック２００ｂを、水平面ｈに対しそれぞれθ_３，θ_４だけ互いに後傾配置させる（つまり、対面するセルスタック対の下端部分に対し、上端部分を互いに離す）ことにより、各単セル５０を貫通する反応ガス供給マニホールド３２ａ，３２ｂおよび反応ガス排出マニホールド３６ａ，３６ｂもまた、水平面ｈに対しほぼθ_３またはθ_４だけ傾くことになる。このとき、θ_３＝θ_４とし、水平面ｈに垂直な面ｖに対し対称配置させることにより、各セルスタックの運転制御をほぼ同じにすることができる。

本実施の形態によれば、傾斜した反応ガスマニホールドを有することにより、各セルスタックがいかなる運転状態であっても、反応ガスマニホールド内で凝縮し得る水分を速やかに外部へ排出させることが可能となるため、好適である。

本実施の形態において、反応ガスの流通経路は、各マニホールドの内部に凝縮水が滞留しない構成であれば必ずしも図２（ａ）に示したものに限らず、いかなる構成とすることも可能である。なお、効率化、小型化の観点から、各反応ガスマニホールドに連通し、反応ガスの供給またはオフガスの排出を行う反応ガス流路の少なくとも一部を合流させて共通化させる構成とすることが好ましい。

図２（ｂ）は、図２（ａ）に示した燃料電池システムにおいて、特に冷却媒体の流通について着目した図である。図２（ｂ）に示す燃料電池システム２００は、各セルスタックの下端側部分に、冷媒導入口４２ａ，４２ｂがそれぞれ設けられた冷媒供給マニホールド３２ｃ，３２ｄと、各セルスタックの上端側部分に、冷媒排出口４４ａ，４４ｂがそれぞれ設けられた冷媒排出マニホールド３６ｃ，３６ｄと、をそれぞれ備え、冷却媒体の流通が行われる。

実施の形態において、各セルスタックに供給された冷却媒体はそれぞれ、第１のセルスタック２００ａおよび第２のセルスタック２００ｂを構成する各単セル５０との熱交換に供された後、冷媒排出マニホールド３６ｃ，３６ｄから排出される。本実施の形態によれば、各セルスタックの下端側部分から供給された冷却媒体が各セルスタックの上端側へ向けて、冷媒流路を満たしながら流通するため、各単セル５０の冷却効率が向上する。

図２（ｂ）において、冷却媒体の流通に循環方式を採用する場合には、冷媒排出口４４ａ，４４ｂから各セルスタックの外部に排出された使用済みの冷却媒体が合流部５６で合流された後、温度交換や不純物の除去などの再生処理が行われ、再び冷却媒体として利用する構成を採用することができる。このとき、冷媒流路の途中、好ましくは冷媒排出口４４ａ，４４ｂの近傍部分であって、冷却媒体の流通が、下降側に転じる付近、すなわち、図２（ｂ）においては合流部５６の近傍部分に脱気手段４８ｃを設け、環境中の空気など、冷却媒体に混入する気体を除去することが好適である。本実施の形態によれば、循環させる冷却媒体の冷却効率を維持するとともに、冷却媒体として例えばエチレングリコールなどを採用する場合には、劣化防止にも繋がるため、好適である。なお、脱気手段４８ｃとして、図１（ｂ）に示す脱気手段４８ａ，４８ｂと同様の構成を適用することが可能であるが、これに限らない。

図１（ａ）において、θ_１（θ_２）としての好適な角度は、燃料電池スタックの体格、特に積層方向の長さや各反応ガスマニホールドの大きさ、反応ガスマニホールド内表面の水和性（親水性／撥水性の程度）、などの諸条件にも依存するため、一概に規定することは困難であるが、具体的には、θ_１（θ_２）の角度を、例えば５°〜６０°程度、より具体的には１０〜４５°程度に設定することが可能である。

一方、図２（ａ）において、θ_３（θ_４）としての好適な角度は、燃料電池スタックの体格、特に積層方向の長さや各反応ガスマニホールドの大きさ、反応ガスマニホールド内表面の水和性（親水性／撥水性の程度）、などの諸条件にも依存するため、一概に規定することは困難であるが、具体的には、θ_３（θ_４）の角度を、例えば５°〜６０°程度、より具体的には１０〜４５°程度に設定することが可能である。

なお、実施の形態において、定置型燃料電池システムのようにセルスタック対を所定の位置に固定させる場合には、図示しないスペーサや台座などを介して図１に示す水平面ｈとの間に所定の傾きを保持するように設置することができる。一方、車両などの移動体にセルスタック対を搭載するようなシステムの場合には、移動体に搭載したセルスタック対が水平となるように保持した状態であることを意味しており、かかる場合、予め移動体の移動する経路の状態に応じて水平面に対して傾斜させる角度を適宜設定することも可能である。また、他の実施の形態として、搭載させた移動体の体勢（傾き）にかかわらず水平面に対し一定の角度を保つような構成を採用することも好適である。

このように、水平面に対して傾斜させる角度によっては、セルスタックの近傍、具体的にはセルスタック対の上下方に、筐体などを含む他の装置の設置が困難なデッドスペース（例えば、図１（ｂ）に示すスペースＳ１，Ｓ２，Ｓ３、図２（ｂ）に示すスペースＳ４，Ｓ５，Ｓ６など）が生じ得る。このとき、このわずかなスペースに、必要に応じて反応ガスや冷却媒体を流通させる流体流通配管および／または電気配線などを配索させることも好適である。本実施の形態によれば、わずかなスペースも有効に活用することが可能となり、燃料電池システム全体としての小型化に寄与し得る。

本発明はいかなる燃料電池システムにおいて利用することが可能であるが、特に水分を含む反応ガスを、反応ガス供給マニホールドを介して供給し、水分を含む反応ガスのオフガスを、反応ガス排出マニホールドを介して排出させるセルスタックを備える燃料電池システムにおいて特に有用である。

本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成の概略について例示する図である。 本発明の他の実施の形態における燃料電池システムの構成の概略について例示する図である。 単セルの要部の構成の概略について例示する図である。 燃料電池スタックの構成の概略について、その一例を示す図である。 セルスタック対を備える燃料電池システムの構成の概略について例示する図である。

符号の説明

１０ 電解質膜、１２ カソード触媒層、１４ アノード触媒層、１６ カソード拡散層、１８ アノード拡散層、２０ 酸化ガス流路、２２ セル冷媒流路、２４ 燃料ガス流路、２６ カソード側セパレータ、２８ アノード側セパレータ、３２ａ，３２ｂ 反応ガス供給マニホールド、３２ｃ、３２ｄ 冷媒供給マニホールド、３６ａ，３６ｂ 反応ガス排出マニホールド、３６ｃ，３６ｄ 冷媒排出マニホールド、４２ａ，４２ｂ 冷媒導入口、４４ａ，４４ｂ 冷媒排出口、４６ 分岐部、４８ａ，４８ｂ，４８ｃ 脱気手段、５０ 単セル、５６ 合流部、１００ａ，１００ｂ，２００ａ，２００ｂ，４００ａ，４００ｂ，３００ セルスタック、１００，２００ 燃料電池システム、１３２，１３２ａ，１３２ｂ 流体供給マニホールド、１３６，１３６ａ，１３６ｂ 流体排出マニホールド。

Claims (4)

1. 燃料極と酸化極とを有する単セルを複数積層させてなるセルスタックと、
   前記単セルとの間の熱交換に供される冷却媒体を前記セルスタックの内部に導入するための、前記セルスタックの下端側部分に設けられた冷媒導入口と、
   前記単セルとの間で熱交換された使用済み冷却媒体を前記セルスタックの外部に排出するための、前記セルスタックの上端側部分に設けられた冷媒排出口と、
   を含み、水平面に垂直な平面に対し互いに対称配置されたセルスタック対を備え、
   前記セルスタック対は、前記セルスタックのそれぞれにおける単セル積層方向が、前記水平面に対し傾斜して配置されていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１に記載の燃料システムにおいて、
   前記セルスタック対は、単セル積層方向の側面から見てＶ字またはΛ字形状に配置されていることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池システムにおいて、
   前記セルスタックの近傍に、流体流通配管または電気配線の少なくとも一方が配索されていることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料システムにおいて、
   前記冷媒排出口の近傍部分に、前記セルスタックの外部に排出された前記冷却媒体から空気を除去する脱気手段を備えることを特徴とする燃料電池システム。

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