JP2009238730A - 燃料電池システムとフロー制御メカニズム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池システムとフロー制御メカニズムを提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池システムは、複数の燃料電池とフロー制御メカニズムとを有する。フロー制御メカニズムは、分流器と合流器とからなり、電池は、分流器と合流器間にスタックされる。分流器、或いは、合流器は、少なくとも１つの入口、少なくとも１つの出口、少なくとも１つの通路、及び、少なくとも１つの緩衝領域を有する。通路は、入口と出口に連通する。緩衝領域は、通路の任意の箇所に配置される。緩衝領域と入口は異なる水平面上である。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池システムとフロー制御メカニズムに関するものであって、特に、フロー制御メカニズムを利用し、燃料を燃料電池に均一に分配する燃料電池システムに関するものである。

図１に示すように、公知の燃料電池システムは、混合タンク１１を有し、燃料（水とメタノール）を混合タンク１１で混合し、その後、燃料電池パイプに送る。
図１に示すように、混合タンク１１は、２つの入口１１１、複数の通路１１２、及び、通路１１２と連通する複数の出口１１３を有し、各出口１１３は、それぞれ、パイプ（図示しない）により、燃料電池（図示しない）と連通される。入口１１１は、それぞれ、水とメタノールを通路１１２に送出する。水とメタノールは通路１１２で混合されて、燃料になる。燃料はその後、出口１１３から排出され、パイプにより燃料電池に運ばれる。

注意すべきことは、そのような従来の燃料電池システムでは、混合タンク１１の入口１１１、経路１１２、出口１１３は同じ水平面にあり（鉛直方向の略同じ位置にあり）、よって、混合タンク１１は水平に配置して、角度傾斜により、燃料が不均一に燃料電池に入るのを防止することが必要である。
しかし、そのような構成においては、多くの燃料電池を積み重ねて（スタック）して、あるいは高密度に実装して燃料電池ユニットを形成する時、パイプを各燃料電池に接続するのが容易ではなく、すなわち、そのような燃料電池ユニットは製造が容易ではなく、効率よく量産をするのが困難であるという問題がある。また、そのような複雑で燃料電池及びパイプが密集した燃料電池ユニットでは、燃料となる液体、あるいは燃料が漏れる可能性が高くなるという問題がある。

本発明は、燃料電池システムとフロー制御メカニズムを提供し、上述の問題を解決することを目的とする。すなわち、本発明の目的は、燃料電池ユニットを構成する場合も、効率よく量産をすることができ、また、燃料が漏れる可能性を低減することのできる燃料電池システム及びフロー制御メカニズムを提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明に係る燃料電池システムは、複数の燃料電池とフロー制御メカニズムとを有する。フロー制御メカニズムは、分流器と合流器とからなり、燃料電池は、分流器と合流器間にスタックされる。分流器、或いは、合流器は、少なくとも１つの入口、少なくとも１つの出口、少なくとも１つの通路、及び、少なくとも１つの緩衝領域を有する。通路は、入口と出口に連通する。緩衝領域は、通路の任意の箇所に配置される。緩衝領域と入口は異なる水平面上である。

傾斜による燃料の不均一配分を防止し、更に、燃料漏れの可能性を減少させ、組み立ての効果と便利性を増加することができる。

図２は、本発明に係る燃料電池システム１００の構成を示す図である。燃料電池システム１００は、３個の燃料電池１０１とフロー制御メカニズム１０２とを有する。フロー制御メカニズム１０２は、分流器１０２１と合流器１０２２とを有する。分流器１０２１と合流器１０２２間に積層状態で配置（スタック）された３つの燃料電池１０１は、分流器１０２１と合流器１０２２に連通する。注意すべきことは、燃料電池１０１の数量は必要に応じて決定するものであって、本実施形態においては燃料電池１０１の数量は３個であるが、これに制限されるものではない。

図３は、本発明に係る分流器１０２１の斜視図であり、図４は、本発明に係る分流器１０２１の上視図であり、図５は、本発明に係る分流器の内部構造を示す図である。分流器１０２１は、入口１０２１ｉ、出口１０２１ｏ、第一通路Ｐ１、３つの第二通路Ｐ２、第一緩衝領域Ｂ１、及び、３つの第二緩衝領域Ｂ２を有する。分流器１０２１は、出口１０２１ｏにより燃料電池１０１の燃料入口１０１ｉと連通する（図２で示される）。入口１０２１ｉに連通する第一通路Ｐ１は、異なる水平面で（異なる鉛直方向の位置で）、第一緩衝領域Ｂ１を形成するように屈曲される。３つの第二通路Ｐ２の一端は、第一緩衝領域Ｂ１と連通し、３つの第二通路Ｐ２のもう一端は、第二緩衝領域Ｂ２を形成し、出口１０２１ｏと連通するように形成される。第二緩衝領域Ｂ２、入口１０２１ｉ、第一緩衝領域Ｂ１は、各々異なる水平面に（異なる鉛直方向の位置に）形成される。

第一緩衝領域Ｂ１と入口１０２１ｉは異なる水平面に（鉛直方向の位置が異なる位置に）形成されるので、燃料は、第一通路Ｐ１から分流器１０２１に進入した後、入口１０２１ｉとは異なる水平面（異なる鉛直方向の位置）にある第一緩衝領域Ｂ１に直接流入する。燃料は、第一緩衝領域Ｂ１で緩衝され、その後、３つの第二通路Ｐ２に同時に進入し、各燃料電池は、均一に燃料が分配される。

第二緩衝領域Ｂ２と第一緩衝領域Ｂ１は異なる水平面（鉛直方向の位置）に形成され、各第二緩衝領域Ｂ２の直径は、各第二通路Ｐ２の直径より大きい。その結果、燃料電池に進入する前、燃料は、出口１０２１ｏに近い第二緩衝領域Ｂ２で蓄積され、燃料電池１０１に流入する燃料の流量を増加させる。

本実施形態において、分流器１０２１と合流器１０２２は同じ構造を有するものとする。よって、合流器１０２２の構造の詳細説明は省略する。
分流器１０２１と合流器１０２２間の差異は、分流器１０２１と合流器１０２２が、それぞれ、対称に燃料電池１０１の両端に設置されることである。これにより、分流器１０２１と合流器１０２２とでは、入口と出口の配置が反対である。つまり、合流器１０２２の構造は、分流器１０２１の同構造とは逆さまで、よって、合流器１０２２の入口は、燃料電池の燃料出口１０１ｏに連通し（図２で示される）、合流器１０２２の出口は、燃料を排出する。分流器１０２１と合流器１０２２とは、入口と出口の配置が反対な以外には、共に同じ構造を有しているが、これに制限されない。通路と緩衝領域の数量は、必要に応じて各々設計され、緩衝領域は通路の任意の部分に配置される。

燃料電池１０１の燃料入口１０１ｉと分流器１０２１の出口１０２１ｏが連通し、燃料電池１０１の燃料出口と合流器１０２２の入口が連通することにより、燃料はタンク（図示しない）から、分流器１０２１に流入し、均一的に各燃料電池１０１に分配される。燃料電池内で生成される反応物（水と二酸化炭素）は、合流器１０２２に流入して、制御され、タンクでリサイクルされる。

図２及び図３に示すように、各燃料電池１０１の燃料入口１０１ｉの両側は、それぞれ、２個の第一接続部分１０１Ｃが形成されており、燃料電池出口１０１ｏ両側は、それぞれ、２個の第二接続部分１０１Ｃ’が形成されちる。一方、分流器１０２１は、３組の第一対応接続部分１０２Ｃを有し、合流器１０２２は、３組の第二対応接続部分１０２Ｃ’を有する。各第一対応接続部分１０２Ｃ間は相互に等しい距離を有し、且つ、各第二対応接続部分１０２Ｃ’間は相互に等しい距離を有する。各燃料電池１０１の２個の第一接続部分１０１Ｃは、一対の第一対応接続部分１０２Ｃに結合され、燃料電池１０１の一端が分流器１０２１に接続される。また、各燃料電池１０１の２個の第二接続部分１０１Ｃ’は、燃料電池１０１のもう一端を合流器１０２２に接続する。従って、燃料電池１０１は、分流器１０２１と合流器１０２２間にしっかり固定され、各燃料電池１０１は、それぞれ、相互に等しい距離を維持する。すなわち、各燃料電池１０１は、それぞれ等しい間隔で設置される。

図２に示すように、第一接続部分１０１Ｃと第二接続部分１０１Ｃ’は突起部（凸部）で、第一対応接続部分１０２Ｃと第二対応接続部分１０２Ｃ’は凹槽（凹部）であるが、これに制限されない。接続部分と対応接続部分は、任意の形状に形成でき、分流器１０２１と合流器１０２２間に、燃料電池１０１をしっかり固定できるものであればよい。

図６は、本発明に係る燃料電池システムの変形例を示す図である。この変形例において、燃料電池システムは、更に、ポンプＰを有し、分流器１０２１は、更に、調整領域（調整部分）を有する。ポンプＰは分流器１０２１と連通し、燃料は、供給開口Ｅにより、分流器１０２１に流入し、ポンプＰに入る。燃料は、その後、ポンプＰにより、再び、分流器１０２１にくみ上げられる。調整領域Ｒは、電子装置を設置して、燃料電池システム内で、燃料状態を監視する。具体的には、調整領域には、例えば、温度計、流量計、濃度計、あるいはこれらを含む装置等が配置される。流量計、或いは、濃度計が調整領域Ｒに配置される時、燃料はポンプＰにより加圧されて、調整領域Ｒを通過し、その後、第一緩衝領域Ｂ１に流入する。この時、調整領域Ｒ、流量計、或いは、濃度計を通過した燃料は、流速、或いは、燃料の濃度が計算される。

本発明に係る燃料電池システム１００のフロー制御メカニズム１０２は、緩衝領域を利用して、燃料の流速を制御する。燃料が分流器１０２１に進入すると、燃料が、各燃料電池１０１に均一的に分配される。そして、緩衝領域Ｂ１、Ｂ２は、入口１０２１ｉと異なる水平面（鉛直方向の位置）に配置され、さらに、フロー制御メカニズム１０２は、傾斜、或いは、水平に配置され、単に燃料流路面を傾斜させているだけの従来の燃料フロー形態、配分形態と比較して、燃料の不均一配分を適切に防止する。更に、燃料電池１０１は、パイプ接続がなく、直接、フロー制御メカニズム１０２に結合している。よって、燃料漏れの可能性を減少させるとともに、組み立てを容易かつ便利にし、製造効率を増大させる。

なお、本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができる。

図１は、公知の混合タンクを示す図である。 図２は、本発明に係る燃料電池システムを示す図である。 図３は、本発明に係る分流器を示す図である。 図４は、本発明に係る分流器の上視図である。 図５は、本発明に係る分流器の内部構造を示す図である。 図６は、本発明に係る燃料電池システムの変形例を示す図である。

符号の説明

１００ 燃料電池システム
１０１ 燃料電池
１０１Ｃ 第一連接部
１０１Ｃ’第二連接部
１０１ｉ燃料入口
１０１ｏ燃料出口
１０２１ｉ入口
１０２１ｏ出口
１０２Ｃ 第一対応接続部
１０２Ｃ’第二対応接続部
１０２２ 合流器
１１ 混合タンク
１１１ 入口
１１２ 通路
１１３ 出口
Ｂ１ 第一緩衝領域
Ｂ２ 第二緩衝領域
Ｐ ポンプ
Ｐ１ 第一通路
Ｐ２ 第二通路
Ｒ 調整部分

Claims (20)

1. 燃料電池システムであって、
   複数の燃料電池と、分流器と、合流器とを有し、
   前記燃料電池が前記分流器と前記合流器との間にスタックされるフロー制御メカニズムを有し、
   前記分流器或いは前記合流器の少なくともいずれか一方は、
   少なくとも１つの入口と、
   少なくとも１つの出口と、
   前記入口と前記出口と連通する少なくとも１つの通路と、
   前記通路の任意箇所に配置され、前記入口と異なる水平面に形成される少なくとも１つの緩衝領域とを有する
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記分流器は、１つの前記入口、複数の前記通路、及び、複数の前記出口を有し、前記複数の燃料電池の各燃料流路は、前記複数の出口にそれぞれ連通することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記合流器は、複数の前記入口、複数の前記通路、及び、１つの前記出口を有し、前記複数の燃料電池の各燃料流路は、前記複数の入口にそれぞれ連通することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記緩衝領域は、前記入口、或いは、前記出口に近接した位置に配置されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 前記分流器或いは前記合流器は、それぞれ、前記入口と前記出口に近接する複数の緩衝領域を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 前記複数の緩衝領域は、各々異なる水平面に配置されることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池システム。
7. 前記緩衝領域は、通路を屈曲することにより形成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。
8. 更に、前記分流器と連通するポンプを有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池システム。
9. 前記燃料電池は、それぞれ、第一接続部分を有し、前記合流器は、前記第一接続部分に接続される少なくとも一つの第一対応接続部分を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池は、それぞれ、第二接続部分を有し、前記合流器は、前記第二接続部分に接続される少なくとも１つの第二対応接続部分を有することを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池システム。
11. 複数の燃料電池と連通するフロー制御メカニズムであって、
    分流器と、合流器とを有し、
    前記分流器或いは前記合流器の少なくともいずれか一方は、
    少なくとも１つの入口と、
    少なくとも１つの出口と、
    前記入口と前記出口と連通する少なくとも１つの通路と、
    前記通路の任意箇所に配置され、前記入口と異なる水平面に形成される少なくとも１つの緩衝領域とを有する
    ことを特徴とするフロー制御メカニズム。
12. 前記分流器は、１つの前記入口、複数の前記通路、及び、複数の前記出口を有し、前記複数の燃料電池の各燃料流路は、前記複数の出口にそれぞれ連通することを特徴とする請求項１１に記載のフロー制御メカニズム。
13. 前記合流器は、複数の前記入口、複数の前記通路、及び、１つの前記出口を有し、前記複数の燃料電池の各燃料流路は、前記複数の入口にそれぞれ連通することを特徴とする請求項１１に記載のフロー制御メカニズム。
14. 前記緩衝領域は、前記入口、或いは、前記出口に近接した位置に配置されることを特徴とする請求項１１〜１３のいずれかに記載のフロー制御メカニズム。
15. 前記分流器或いは前記合流器は、それぞれ、前記入口と前記出口に近接する複数の緩衝領域を有することを特徴とする請求項１１〜１４のいずれかに記載のフロー制御メカニズム。
16. 前記複数の緩衝領域は、各々異なる水平面に配置されることを特徴とする請求項１５に記載のフロー制御メカニズム。
17. 前記緩衝領域は、通路を屈曲することにより形成されることを特徴とする請求項１１〜１６のいずれかに記載のフロー制御メカニズム。
18. 更に、前記分流器と連通するポンプを有することを特徴とする請求項１１〜１７のいずれかに記載のフロー制御メカニズム。
19. 前記燃料電池は、それぞれ、第一接続部分を有し、前記合流器は、前記第一接続部分に接続される少なくとも一つの第一対応接続部分を有することを特徴とする請求項１１〜１８のいずれかに記載のフロー制御メカニズム。
20. 前記燃料電池は、それぞれ、第二接続部分を有し、前記合流器は、前記第二接続部分に接続される少なくとも１つの第二対応接続部分を有することを特徴とする請求項１１〜１９のいずれかに記載のフロー制御メカニズム。

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