JP2018174066A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】セルに供給される前のエア等からより確実に異物を除去する。【解決手段】セル２を積層したスタック３からなり、セル２に設けられたエアまたは水素ガスの入口マニホールド２１を通じて各セル２にエアまたは水素ガスを供給する燃料電池１であって、該燃料電池１は、エアまたは水素ガスの入口マニホールド２１の内壁２１Ａに沿って設置された筒状のフィルター４を含む。筒状のフィルター４は、セル２に流入する前のエアまたは水素ガスから異物を除去する。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池セルへ異物が混入すると短絡など様々な不具合が起こるリスクがあることから、燃料電池に取り入れられる空気から異物を除去するべく、例えば、空気取り入れ口とポンプとの間にフィルターを設置した燃料電池が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１１−１００６２７号公報

しかし、空気取り入れ口にフィルターを設置した燃料電池においては、フィルターよりも下流のポンプや配管で異物が発生するとセルスタック中に異物が入り込んでしまうことがある。すなわち、空気はフィルター通過後、エアコンプレッサー、バルブ、配管などをさらに経由してからセルスタック中に取り入れられるところ、エアコンプレッサー、バルブなどの可動部品は異物が比較的発生しやすいことから、このような異物がセルスタック中に入り込んでしまう可能性がある。

また、配管中に平板状のフィルターを設置する技術が提案されてもいるが、表面積の小さなフィルターを用いると、圧損が高く、エネルギー効率が落ちてしまう。

そこで、本発明は、セルに供給される前のエア等からより確実に異物を除去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。

本発明の一態様に係る燃料電池は、セルを積層したスタックからなり、セルに設けられたエアまたは水素ガスの入口マニホールドを通じて各セルにエアまたは水素ガスを供給する燃料電池であって、
エアまたは水素ガスの入口マニホールドの内壁に沿って設置された筒状のフィルターを含むものである。

上記態様の燃料電池では、エアまたは水素ガスの入口マニホールドの内壁に沿って設置された筒状のフィルターが、セルに流入する前のエアまたは水素ガスから異物を除去する。

本発明によれば、セルに供給される前のエア等からより確実に異物を除去することができる燃料電池を提供することができる。

燃料電池のスタックの断面構造を示す図である。 フィルターの一例を示す斜視図である。 エア入口マニホールド、フィルター等を示すスタックの部分断面図であり、（Ａ）樹脂フレームの隙間が狭い場合の構造、（Ｂ）各セルから薄い樹脂フレームがエア入口マニホールドの全周にわたって当該エア入口マニホールド２１に向けて突出する構造をそれぞれ示す。 自立した形状のフィルターの一例である平面フィルターを参考として示す図である。 自立した形状のフィルターの一例である円錐型フィルターを参考として示す図である。 自立した形状のフィルターの一例であるテーパー状フィルターを参考として示す図である。 実施例１におけるスタックの内部構造を示す斜視図である。 実施例１、比較例２、比較例３における各フィルターを示すセル等の断面図である。

添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。

燃料電池１は、セル２を積層したスタック３、エンドプレート５等で構成される（図１等参照）。セル２には、エア入口マニホールド２１が設けられている。これらエア入口マニホールド２１を通じて、各セル２にエアが供給される（図３（Ｂ）等参照）。

燃料電池１には、さらにフィルター４が設けられている。フィルター４は筒状であり、積層されたセル２のエア入口マニホールド２１の内壁に沿って設置される（図１等参照）。

フィルター４は、例えば、樹脂繊維のメッシュまたは不織布の円筒袋状のバグフィルターからなる（図２参照）。本実施形態で用いるフィルター４は、柔軟な袋状のフィルターであり、当該袋状のフィルターを保持する容器等の形状（本実施形態の燃料電池１であれば、積層されたセル２のエア入口マニホールド２１の内壁２１Ａの形状）に沿わせて設置することができる（図１、図３（Ｂ）参照）。この点で、本実施形態で用いられるフィルター４は、図４〜図６に示すような自立した形状を持ったフィルター、例えば平面フィルター４Ｐ（図４参照）、円錐型フィルター４Ｃ（図５参照）、テーパー状フィルター４Ｔ（図６参照）などとは異なる。

また、フィルター４は、その壁４ａが、内圧によってエア入口マニホールド２１の内壁２１Ａに接触するまで外側に押し広げられる。エア入口マニホールド２１の内壁２１Ａには、マニホールド縁と、隣接するセル間の隙間からなる凹凸があり、エアはフィルター４の壁４ａの全面から透過できることから、当該フィルター４は全面にわたりエア入口マニホールド２１の内壁に沿う状態となる（図１、図３（Ｂ）参照）。

このようなフィルター４によれば、各セル２へのガス（エア、酸化ガスを含む）分配に悪影響を及ぼすことなく異物除去をすることができる。しかも、配管中に表面積の小さなフィルターを設置していた場合に比べて低圧損である。

燃料電池１において、図３中向かって左側に示すように、セル２を構成する樹脂フレーム２ｆ’の隙間が狭いと、フィルター４からガスが十分に透過することができない（図３（Ａ）参照）。この場合、狭いセル開口部にガス透過が集中するため、ゴミ等の異物がその部分に付着し、経時的に圧損が増加してしまう。一方、図３中向かって右側に示すように、各セル２から薄い樹脂フレーム４ｆがエア入口マニホールド２１の全周にわたって当該エア入口マニホールド２１に向けて突出する構造とすることにより、全周から効率的にガスを透過させることができ、低圧損になり、異物の付着も均一となる（図３（Ｂ）参照）。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状およびサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。

例えば、上記の実施形態では、エア入口マニホールド２１にフィルター４を設けた例を示したがこれは好適例にすぎず、同様に、水素ガスの入口マニホールドにフィルターを設けることもできる。

エア入口マニホールド２１に、フィルター４として、ＰＰ不織布のバグフィルターを設置した（図７参照。なお、符号２２はエア出口マニホールドである）。このフィルター４は、濾過精度５０μｍ、長さ４５０ｍｍである。また、燃料電池１のエア入口マニホールド２１の内壁２１Ａにおいては、セルピッチ１．２ｍｍに対して、０．２５ｍｍ厚の樹脂フレーム２ｆをエア入口マニホールド２１に向けて突出させた構造とした。

フィルター無しの場合に比べて、全流量域において圧損増加は０．５ｋＰａ以下であり、性能低下はみられなかった。

比較例１

フィルター無しの場合、金属異物の混入により、短絡が発生してしまった。

比較例２

燃料電池１に平板状のフィルターを設置した場合、圧損が８ｋＰａ増加した。これにより酸素分圧が低下し、発電性能の低下がみられた。

比較例３

燃料電池１に円錐型フィルター４Ｃを設置した場合、圧損は３ｋＰａであり、比較例２より程度は小さいが性能低下がみられた。また、一部の運転領域において、燃料電池１の電圧が不安定になった。これは、フィルター近傍での流速変化により、一部のセルへのガス流れが増減し、各セルのガス流量の均一性が悪化したためと考えられた。

本発明は、燃料電池に適用して好適である。

１…燃料電池、２…セル、３…スタック、４…フィルター、２１…エア入口マニホールド、２１Ａ…内壁

Claims (1)

1. セルを積層したスタックからなり、前記セルに設けられたエアまたは水素ガスの入口マニホールドを通じて各セルにエアまたは水素ガスを供給する燃料電池であって、
   前記エアまたは水素ガスの入口マニホールドの内壁に沿って設置された筒状のフィルターを含む、燃料電池。