JP2021128823A - 燃料電池及びマニホールド - Google Patents

Abstract

【課題】より均一な配流を実現可能である燃料電池及びマニホールドを提供する。【解決手段】本実施形態に係る燃料電池は、燃料電池積層体と、マニホールドとを備える。燃料電池積層体は、セパレータ流路に供給された反応ガスを用いて発電する単セル電池を複数積層した構造である。マニホールドは、セパレータ流路に連通され、該セパレータ流路に前記反応ガスを供給し、１つの内部空間を有するように成形され、複数のピラー構造を有する。【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、燃料電池及びマニホールドに関する。

電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いた燃料電池スタックは、電解質膜を燃料極と酸化剤極で狭持した膜電極複合体の両面に、ガス流通路を設けた電気伝導性のセパレータを配置して単セル電池を構成する。この単セル電池を複数積層した積層体の両端をエンドプレートで保持し、両エンドプレートを貫通した孔に複数のスタッドを通し、スプリングを介して積層体を締め付けている。

燃料電池スタックの各単セル電池には、反応に必要な燃料（水素）と酸化剤（空気）及び冷却に必要な冷却水を均等に供給する必要があり、反応ガス・冷却水を分配・回収するマニホールドには内部マニホールド方式と外部マニホールド方式がある。外部マニホールド方式では、セパレータに設けたガス流通路をセパレータ端部まで延長して積層体側面に開口させ、別体の外部マニホールドを側面に設けて流通させている。外部マニホールド方式ではセパレータにマニホールドを含まないため、セパレータは膜電極複合体の有効面積と同等の大きさとなり、セパレータをコンパクトにでき、コストダウンに有利である。また外部マニホールドには絶縁性の安価なプラスチックを用いることが可能で、コストアップは最小限に抑えられる。マニホールドの容積もセパレータの大きさの制約を受けずに設定可能であり、積層体を構成する各単セル電池のガス・冷却水流通路により均一にガスや冷却水を分配することが可能である。

特開２０１３−１４３２６９号公報

ところが、従来の外部マニホールドでは、各セルへの配流を均一にするために、ガス入口部に配流板を設けた構造や、マニホールド内部が段差構造になっており、ガス入り口から奥に行く程流路を狭くする構造が用いられている。配流板を置く場合は、別パーツを取り付ける作業が必要となる。

また、マニホールド内部に段差構造を設ける場合は、配流版等の別パーツを用いることなく、ガスの配流を均一化することが可能になるが、セルの積層数を増やした長尺の積層体に適用した場合、配流にバラつきが起こるという問題がある。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、本発明が解決しようとする課題は、より均一な配流を実現可能である燃料電池及びマニホールドを提供することである。

本実施形態に係る燃料電池は、燃料電池積層体と、マニホールドとを備える。燃料電池積層体は、セパレータ流路に供給された反応ガスを用いて発電する単セル電池を複数積層した構造である。マニホールドは、セパレータ流路に連通され、該セパレータ流路に反応ガスを供給し、１つの内部空間を有するように成形され、複数のピラー構造を有する。

本実施形態によれば、より均一な配流を実現できる。

第１の実施形態に係わる燃料電池の全体構成を示すブロック図。 燃料電池積層体の概略断面図。 燃料電池積層体及びマニホールドの概略図。 酸化剤ガス入口部マニホールドの概略断面図。 比較例である従来の酸化剤ガス入口部マニホールドの概略断面図。 比較例と、複数のピラー構造を有するマニホールドの流速偏差（割合）と圧力偏差（割合）との流動モデル解析の結果を示す図。

以下、本発明の実施形態に係る燃料電池及びマニホールドについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明の実施形態の一例であって、本発明はこれらの実施形態に限定して解釈されるものではない。また、本実施形態で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号又は類似の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、図面の寸法比率は説明の都合上実際の比率とは異なる場合や、構成の一部が図面から省略される場合がある。

（第１実施形態）
図１は、第１の実施形態に係わる燃料電池１００の全体構成を示すブロック図である。図１に示すように、燃料電池１００は、燃料電池積層体１と、燃料ガス供給装置２と、酸化剤ガス供給装置３と、水循環装置４とを備える。更に後述する図３に示すように、燃料電池１００は、複数のマニホールドを備える。

燃料電池積層体１は、水素含有ガス、及び酸化剤ガスの反応ガスを用いて発電する。燃料ガス供給装置２は、燃料電池積層体１水素含有ガスを供給する。

酸化剤ガス供給装置３は、酸素を含む酸化剤ガスを燃料電池積層体１に供給する。水循環装置４は、燃料電池積層体１に供給される冷却水を循環させる。ここで、酸化剤ガスは空気を利用している。

図２は、燃料電池積層体１の概略断面図である。図２を用いて、単セル電池１０について説明する。単セル電池１０は、固体高分子電解質膜１１と、燃料極１２と、酸化剤極１３と、電気伝導性の燃料極セパレータ１４と、酸化剤極セパレータ１５とを有する。燃料極１２及び酸化剤極１３は、ガス拡散電極である。

ガス拡散電極である燃料極１２は、固体高分子電解質膜１１の一方の面に配置され、ガス拡散電極である酸化剤極１３は、固体高分子電解質膜１１の燃料極１２とは反対側の面に配置される。酸化剤極１３及び燃料極１２には、触媒として例えばＰｔが用いられる。このように、固体高分子電解質膜１１を燃料極１２及び酸化剤極１３で挟持することにより、膜電極複合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が構成される。

燃料極セパレータ１４は、燃料極１２に接しており、水素含有ガスが燃料極１２に接して流れるように溝（燃料ガス流路）１６が形成されている。酸化剤極セパレータ１５は、酸化剤極１３に接しており、空気が酸化剤極１３に接して流れるように溝である酸化剤ガス流路１７が形成されている。各単セル電池１０の間には水流路１８が設けられ、発電により発生した熱は、水流路１８を流れる水によって燃料電池積層体１の外部に排出される。なお、本実施形態に係る燃料ガス流路１６、酸化剤ガス流路１７がセパレータ流路に対応する。

このように、固体高分子電解質膜１１を、ガス拡散電極である燃料極１２と、ガス拡散電極である酸化剤極１３で狭持した膜電極複合体の両面に、ガス流通路を設けた電気伝導性の燃料極セパレータ１４と酸化剤極セパレータ１５とを配置して単セル電池１０を構成する。そして、この単セル電池１０を複数積層した積層体の両端をエンドプレートで保持し、両エンドプレートを貫通した孔に複数のスタッドを通し、スプリングを介して積層体を締め付けて、燃料電池積層体１が構成される。

また、燃料極１２に水素含有ガスを供給すると共に、他方の酸化剤極１３に酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、これら一対の電極で生じる電気化学反応、
燃料極反応：Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻…（１）
酸化剤極反応：２Ｈ＋２ｅ⁻＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ…（２）
を利用して、燃料が有する化学エネルギーから電気エネルギー及び熱エネルギーを取り出すことができる。なお、燃料極セパレータ１４及び酸化剤極セパレータ１５は、水素含有ガスや酸化剤ガスなどの反応ガスを透過させない物質で構成される。

図３は、燃料電池積層体１及びマニホールド３０の概略図である。図３（ａ）、（ｂ）を用いて、単セル電池及びマニホールドにおける、反応ガス及び冷却水の流れを説明する。図３（ａ）は燃料電池積層体１とマニホールド３０の位置関係を示す斜視図、図３（ｂ）は反応ガス及び水の流れを示す断面模式図である。なお、マニホールド３０には、反応ガスとしての水素含有ガス用の入口及び出口マニホールド、反応ガスとしての酸化剤ガス用の入口及び出口マニホールド、及び水用の入口及び出口マニホールドがあるが、ここでは説明を簡単にするために酸化剤ガス用の入口部マニホールド３０のみを示す。

燃料電池積層体１は、酸化剤ガス入口部マニホールド３０に酸化剤ガス流路（反応ガス供給溝）１７が開口するように配置されており、酸化剤ガスはマニホールド３０から各単セル電池１０に分配される構造になっている。

酸化剤ガス入口管３１はマニホールド３０に接続している。酸化剤ガス入口管３１及びその延長上の流入方向面３２は、酸化剤ガス流路１７の閉口部にあり、酸化剤ガス流路１７の開口部（ガス流路入口面）３３の上にはない。

なお、燃料電池積層体１に単セル電池１０は数十枚有り、最も酸化剤ガス入口管３１に近いセルをＮｏ．１セルとして、そこからマニホールド奥面方向、つまり積層方向に進むにつれて、セルＮｏ．が増える。ここでは、マニホールド３０を外部マニホールドとした。

空気は酸化剤ガス入口管３１を通って、マニホールド３０から酸化剤ガス流路１７を通り、図示しない酸化剤出口部マニホールドへ出ていき、図示しない酸化剤ガス出口管から排出される。ここで、酸化剤ガス流路１７は単セル電池の一方の側面から他方の側面に渡る直線状のものであっても良いし、途中から折り返すものであっても良い。また、水素含有ガスは図示しない水素含有ガス入口部マニールドから水素含有ガス流路を通り、電極を通過するようになっている。さらに、水は図示しない冷却水入口マニホールドから水流路を通り、電極部分を通過するようになっている。

図４は、酸化剤ガス入口部マニホールド３０の概略断面図である。図４を用いて、マニホールドの構成を更に説明する。図４（ａ）はマニホールド３０を燃料電積層体１側から見た上面図であり、図４（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。

マニホールド３０は、１つの内部空間を有するように一体成形され、且つ酸化剤ガス入口管３１からのガス流入方向に沿った反応ガスの流れを抑制するための複数のピラー構造３４を有するように形成されている。ピラー構造（突起物）３４は、例えば円柱形状で有あり、高さが８〜１５ミリメートルであり、直径が２〜４ミリメートルである。なお、本実施形態では、ピラー構造を円柱として説明するがこれに限定されない。例えば、だ円柱、円錐、三角柱などでもよい。

複数のピラー構造３４は、マニホールド３０と一体化成型されている。従って、配流板や多孔体やオリフィスのように接着する工数やコストが削減できる。

図４に示すように、複数のピラー構造３４は、千鳥形状で形成される。また、マニホールド３０は、燃料電池積層体１と対向する底面を有し、複数のピラー構造３４は底面に設けられる。すなわち、ピラー構造３４は、マニホールド３０の底面に対して垂直に構成され、ガスの導入方向に対しても垂直である。なお、底面は長方形状の形状であるが、長方形状の角を丸めてもよい。

複数のピラー構造３４は、反応ガスが供給される酸化剤ガス入口管３１が設けられた底面の第１短辺側と対向する第２短辺側との間の、第１短辺側における底面の３分の１以内の領域に設けられる。また、複数のピラー構造の底面での設置面積は、底面の面積の１５％以上である。

図４において、酸化剤ガスの流れが複数のピラー構造３４に抑制され、酸化剤ガスの流速が低下する。また、複数のピラー構造３４により、流れの一部が対流をおこし、Ｎｏ．１側に戻ってくる。そのため、この複数のピラー構造３４をガスが通過することで、燃料電池積層体１の単セル電池１０に均一にガスが供給される。

図５は、比較例である従来の酸化剤ガス入口部マニホールド３０の概略断面図である。図５（ａ）は比較例である従来のマニホールド３０を燃料電積層体１側から見た上面図であり、図５（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。ガス流抑制面３５が酸化剤ガス入口管３１のガス流入断面の面積よりも大きく、ガスの流れを全て遮っている。また、マニホールド３０の底面は階段状に構成されており、酸化剤ガス入口管３１から離れるに従い底面の高さが高くなるように構成されている。

図６は、比較例ｎ１（図５）と、複数のピラー構造３４を有するマニホールド３０であるｎ２，ｎ３の流速偏差（割合）と圧力偏差（割合）との流動モデル解析の結果を示す図である。図６（ａ）は、流速偏差（割合）を示す図である。縦軸は、流速偏差（割合）であり、横軸は、単セル電池１０の位置である。図６（ｂ）は、圧力偏差（割合）を示す図である。縦軸は、圧力偏差（割合）であり、横軸は、単セル電池１０の位置である。左側が酸化剤ガス入口管３１に近い側であり、右側がマニホールド３０の奥側である。ｎ２とｎ３は、ピラー構造３４の長さが異なる。ｎ２が例えば１１ミリメートルであり、ｎ３が例えば１４ミリメートルである。

図６（ａ）に示すように、ピラー構造３４を有するｎ２とｎ３は、Ｎｏ．１セル側の酸化剤ガス流速とマニホールド奥面側の酸化剤ガス流速の不均一性が比較例ｎ１よりも少なくなっている。即ち、図４の構成では、従来構造に比べて、酸化剤ガス流速とマニホールド奥面側の酸化剤ガス流速の不均一性が少なくなっている。また、ｎ２とｎ３は、どちらも酸化剤ガス流速の不均一性が比較例よりも少なくなっているが、その長さにより効果が異なる。

同様に、図６（ｂ）に示すように、ピラー構造３４を有するｎ２とｎ３は、Ｎｏ．１セル側の酸化剤ガス圧力とマニホールド奥面側の酸化剤ガス圧力の不均一性が比較例ｎ１よりも少なくなっている。即ち、図４の構成では、従来構造に比べて、酸化剤ガス圧力とマニホールド奥面側の酸化剤ガス圧力の不均一性が少なくなっている。また、ｎ２とｎ３は、どちらも酸化剤ガス圧力の不均一性が比較例よりも少なくなっているが、その長さにより効果が異なる。

以上説明したように、マニホールド３０に複数のピラー構造３４を設けることにより、より均一な配流を実現可能である。

１：燃料電池積層体、１６：燃料ガス流路、１７：酸化剤ガス流路、３０：マニホールド、３４：ピラー構造、１００：燃料電池。

Claims (9)

1. セパレータ流路に供給された反応ガスを用いて発電する単セル電池を複数積層した燃料電池積層体と、
   前記セパレータ流路に連通され、該セパレータ流路に前記反応ガスを供給するマニホールドと、を備え、
   前記マニホールドは、１つの内部空間を有するように成形され、複数のピラー構造を有する、燃料電池。
2. 複数のピラー構造は、千鳥形状で形成される、請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記マニホールドは、前記燃料電池積層体と対向する底面を有し、前記複数のピラー構造は前記底面に設けられる、請求項１又は２に記載の燃料電池。
4. 前記複数のピラー構造の前記底面での設置面積は、前記底面の面積の１５％以上である、請求項３に記載の燃料電池。
5. 前記底面は長方形形状であり、
   前記複数のピラー構造は、前記反応ガスが供給される流入口が設けられた前記底面の第１短辺側と対向する第２短辺側との間の、前記第１短辺側における前記底面の３分の１以内の領域に設けられる、請求項３又は４に記載の燃料電池。
6. 前記複数のピラー構造は、前記マニホールドと一体化成型されている、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池。
7. 前記ピラー構造は、円柱形状で有あり、高さが８〜１５ミリメートルである、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の燃料電池。
8. 前記ピラー構造は、円柱形状で有あり、直径が２〜４ミリメートルである、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の燃料電池。
9. セパレータ流路に供給された反応ガスを用いて発電する単セル電池を複数積層した燃料電池積層体の前記セパレータ流路に連通され、該セパレータ流路に前記反応ガスを供給するマニホールドであって、
   １つの内部空間を有するように成形され、複数のピラー構造を有する、マニホールド。

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