JP2023089338A - 空冷式燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池の発電性能を向上させることができる空冷式燃料電池システムを提供する。【解決手段】空冷式燃料電池システムであって、前記空冷式燃料電池システムは、燃料電池、酸化剤ガス系、及び、冷却ガス系を有し、前記燃料電池は、単セルを複数積層した燃料電池スタックを有し、前記単セルは、波板形状の酸化剤ガス流路を有するカソードセパレータ、膜電極ガス拡散層接合体、波板形状の燃料ガス流路を有するアノードセパレータ、及び、波板形状の冷却ガス流路を有する冷却フィンを備え、前記酸化剤ガス流路と前記冷却ガス流路は、上面視において少なくとも一部が互いに交差し、前記冷却ガス系は、前記燃料電池に冷却ガスを供給する冷却ガス供給部と、冷却ガス配管と、当該冷却ガス配管の当該燃料電池よりも上流に圧損体を有し、前記空冷式燃料電池システムは、前記酸化剤ガス流路の酸化剤ガス流れ方向に対して冷却能力において分布を有する。【選択図】図１
Description
本開示は、空冷式燃料電池システムに関する。
燃料電池システムに関して様々な技術が提案されている。
例えば特許文献１では、単電池とセパレータとを交互に積層してなる燃料電池積層体において、冷却ガスの供給口と排出口を単電池の積層方向に沿って交互に設けた空冷型燃料電池が開示されている。
特許文献２では、燃料電池発電体（１）と、この燃料電池発電体（１）の両面側に夫々設けられたセパレータ（３）とを具備し、前記セパレータ（３）の両面に燃料ガス供給用溝（４）及び酸化剤ガス供給用溝（５）を夫々設け、かつ燃料電池発電体（１）を冷却する貫通穴（１０）を前記セパレータ（３）に設けたことを特徴とする燃料電池が開示されている。
例えば特許文献１では、単電池とセパレータとを交互に積層してなる燃料電池積層体において、冷却ガスの供給口と排出口を単電池の積層方向に沿って交互に設けた空冷型燃料電池が開示されている。
特許文献２では、燃料電池発電体（１）と、この燃料電池発電体（１）の両面側に夫々設けられたセパレータ（３）とを具備し、前記セパレータ（３）の両面に燃料ガス供給用溝（４）及び酸化剤ガス供給用溝（５）を夫々設け、かつ燃料電池発電体（１）を冷却する貫通穴（１０）を前記セパレータ（３）に設けたことを特徴とする燃料電池が開示されている。
酸化剤ガス流路と冷却ガス流路が波板形状で形成され、酸化剤ガス流路と冷却ガス流路が交差する構造の２流路方式の空冷式の燃料電池においては、構造上どうしても発生するセル（以下単セルと称する場合がある）面内の酸素濃度分布、及び、セル面内の温度分布により、セル面内の発電分布が偏り、燃料電池の性能が低くなる。また、上記特許文献１では、部品点数の増加が懸念される。また、上記特特許文献１では、構造的に圧損が高くなる可能性が高く、横長の形状のセルでは発電における発電部の面積利用率が低い。
本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の発電性能を向上させることができる空冷式燃料電池システムを提供することを主目的とする。
本開示の第１実施形態においては、空冷式燃料電池システムであって、
前記空冷式燃料電池システムは、燃料電池、酸化剤ガス系、及び、冷却ガス系を有し、
前記燃料電池は、単セルを複数積層した燃料電池スタックを有し、
前記単セルは、波板形状の酸化剤ガス流路を有するカソードセパレータ、膜電極ガス拡散層接合体、波板形状の燃料ガス流路を有するアノードセパレータ、及び、波板形状の冷却ガス流路を有する冷却フィンを備え、
前記酸化剤ガス流路と前記冷却ガス流路は、上面視において少なくとも一部が互いに交差し、
前記冷却ガス系は、前記燃料電池に冷却ガスを供給する冷却ガス供給部と、冷却ガス配管と、当該冷却ガス配管の当該燃料電池よりも上流に圧損体を有し、
前記空冷式燃料電池システムは、前記酸化剤ガス流路の酸化剤ガス流れ方向に対して冷却能力において分布を有することを特徴とする空冷式燃料電池システムを提供する。
前記空冷式燃料電池システムは、燃料電池、酸化剤ガス系、及び、冷却ガス系を有し、
前記燃料電池は、単セルを複数積層した燃料電池スタックを有し、
前記単セルは、波板形状の酸化剤ガス流路を有するカソードセパレータ、膜電極ガス拡散層接合体、波板形状の燃料ガス流路を有するアノードセパレータ、及び、波板形状の冷却ガス流路を有する冷却フィンを備え、
前記酸化剤ガス流路と前記冷却ガス流路は、上面視において少なくとも一部が互いに交差し、
前記冷却ガス系は、前記燃料電池に冷却ガスを供給する冷却ガス供給部と、冷却ガス配管と、当該冷却ガス配管の当該燃料電池よりも上流に圧損体を有し、
前記空冷式燃料電池システムは、前記酸化剤ガス流路の酸化剤ガス流れ方向に対して冷却能力において分布を有することを特徴とする空冷式燃料電池システムを提供する。
本開示の第２実施形態においては、前記空冷式燃料電池システムは、前記酸化剤ガス流路の入口側の冷却能力が高く、前記酸化剤ガス流路の出口側の冷却能力が低くてもよい。
本開示の第３実施形態においては、前記酸化剤ガス流路及び前記冷却ガス流路は、前記酸化剤ガス流路入口側と前記冷却ガス流路との接触面積の方が、前記酸化剤ガス流路出口側と前記冷却ガス流路との接触面積よりも大きく、前記酸化剤ガス流路入口側から前記酸化剤ガス流路出口側に向かって前記接触面積が小さくなるように接触面積分布を有していてもよい。
本開示の第４実施形態においては、前記圧損体は、酸化剤ガス流路流れ方向に対して前記酸化剤ガス流路入口側の方が前記酸化剤ガス流路出口側よりも圧損が低く、前記酸化剤ガス流路入口側から前記酸化剤ガス流路出口側に向かって前記圧損が高くなるように圧損分布を有していてもよい。
本開示の第５実施形態においては、前記冷却ガス供給部が、前記酸化剤ガス流路の中心よりも前記酸化剤ガス流路入口側に配置されていてもよい。
本開示の第６実施形態においては、前記冷却フィンは、酸化剤ガス流路流れ方向に対して前記酸化剤ガス流路入口側の方が前記酸化剤ガス流路出口側よりも前記冷却ガス流路のフィンピッチが狭くなるようにフィンピッチ分布を有していてもよい。
本開示の第７実施形態においては、前記酸化剤ガス流路及び前記冷却ガス流路は、前記酸化剤ガス流路と冷却ガス流路入口側との接触面積の方が、前記酸化剤ガス流路と冷却ガス流路出口側との接触面積よりも小さくてもよい。
本開示の第８実施形態においては、前記カソードセパレータが前記酸化剤ガス流路の一部に複数の絞り部を有し、
上面視において前記冷却ガス流路と前記酸化剤ガス流路が交差して接触する部分において、前記酸化剤ガス流路入口側から前記酸化剤ガス流路出口側に向かって、前記絞り部と前記冷却ガス流路の接触箇所が増加していてもよい。
上面視において前記冷却ガス流路と前記酸化剤ガス流路が交差して接触する部分において、前記酸化剤ガス流路入口側から前記酸化剤ガス流路出口側に向かって、前記絞り部と前記冷却ガス流路の接触箇所が増加していてもよい。
本開示の第９実施形態においては、前記カソードセパレータが前記酸化剤ガス流路の一部に複数の絞り部を有し、
上面視において前記冷却ガス流路と前記酸化剤ガス流路が交差して接触する部分に前記絞り部を設けなくてもよい。
上面視において前記冷却ガス流路と前記酸化剤ガス流路が交差して接触する部分に前記絞り部を設けなくてもよい。
本開示の空冷式燃料電池システムは、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
以下、本開示による実施の形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本開示の実施に必要な事柄（例えば、本開示を特徴付けない燃料電池システムの一般的な構成および製造プロセス）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本開示は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。
また、図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は実際の寸法関係を反映するものではない。
本明細書において数値範囲を示す「～」とは、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。
また、数値範囲における上限値と下限値は任意の組み合わせを採用できる。
また、図における寸法関係（長さ、幅、厚さ等）は実際の寸法関係を反映するものではない。
本明細書において数値範囲を示す「～」とは、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。
また、数値範囲における上限値と下限値は任意の組み合わせを採用できる。
図１０は、本開示において解決しようとする課題である温度分布発生メカニズムを説明するための図である。図１０に示すように、冷却ガス流路の冷却ガスが、酸化剤ガス流路のガス流れ方向と交差する方向に流れる流路構造の場合、酸化剤ガス流路の入口付近の方が、酸化剤ガス流路の出口付近よりも酸素濃度が高くなり、セル内温度が高くなり、発電量が増加することにより生成水の量も増大する。そのため、酸化剤ガス流路の出口付近では、セルの発電性能が低くなり、セル面における発電部の面積利用率が低くなり、セル面内の電極を十分に使いきれない。また、酸化剤ガス流路の出口付近では、温度が低くなり、結露が発生しやすく、フラッディングが発生する。
本開示は空冷式の燃料電池（ＦＣ）の性能向上に関するもので、特にセル面内の発電分布の抑制、及び、セル面内の接触抵抗分布の抑制において有効である。
本研究者らは空冷式の燃料電池において、水冷ＦＣ構造には無いフィルターを圧損体と考え、圧損の分布をつけることで、発電量が低い箇所の温度を上げることができることを見出した。さらに、空冷式の燃料電池において、ファン等の冷却ガス供給部の位置を変更すること、及び、流路の形状を面内方向で変更すること等で更なる温度分布がつけられることを見出した。
本開示によれば、酸素濃度が下がり、発電性能が低下し、温度が下がり、生成水が凝縮しやすい酸化剤ガス流路の出口側の温度を上げることで空冷式の燃料電池の発電性能を向上させることができるため、空冷式燃料電池システムの部品点数の削減およびセルが横長の形状であっても発電における発電部の面積利用率を高くできる。
本研究者らは空冷式の燃料電池において、水冷ＦＣ構造には無いフィルターを圧損体と考え、圧損の分布をつけることで、発電量が低い箇所の温度を上げることができることを見出した。さらに、空冷式の燃料電池において、ファン等の冷却ガス供給部の位置を変更すること、及び、流路の形状を面内方向で変更すること等で更なる温度分布がつけられることを見出した。
本開示によれば、酸素濃度が下がり、発電性能が低下し、温度が下がり、生成水が凝縮しやすい酸化剤ガス流路の出口側の温度を上げることで空冷式の燃料電池の発電性能を向上させることができるため、空冷式燃料電池システムの部品点数の削減およびセルが横長の形状であっても発電における発電部の面積利用率を高くできる。
第１実施形態
本開示の第１実施形態においては、空冷式燃料電池システムであって、
前記空冷式燃料電池システムは、燃料電池、酸化剤ガス系、及び、冷却ガス系を有し、
前記燃料電池は、単セルを複数積層した燃料電池スタックを有し、
前記単セルは、波板形状の酸化剤ガス流路を有するカソードセパレータ、膜電極ガス拡散層接合体、波板形状の燃料ガス流路を有するアノードセパレータ、及び、波板形状の冷却ガス流路を有する冷却フィンを備え、
前記酸化剤ガス流路と前記冷却ガス流路は、上面視において少なくとも一部が互いに交差し、
前記冷却ガス系は、前記燃料電池に冷却ガスを供給する冷却ガス供給部と、冷却ガス配管と、当該冷却ガス配管の当該燃料電池よりも上流に圧損体を有し、
前記空冷式燃料電池システムは、前記酸化剤ガス流路の酸化剤ガス流れ方向に対して冷却能力において分布を有することを特徴とする空冷式燃料電池システムを提供する。
本開示の第１実施形態においては、空冷式燃料電池システムであって、
前記空冷式燃料電池システムは、燃料電池、酸化剤ガス系、及び、冷却ガス系を有し、
前記燃料電池は、単セルを複数積層した燃料電池スタックを有し、
前記単セルは、波板形状の酸化剤ガス流路を有するカソードセパレータ、膜電極ガス拡散層接合体、波板形状の燃料ガス流路を有するアノードセパレータ、及び、波板形状の冷却ガス流路を有する冷却フィンを備え、
前記酸化剤ガス流路と前記冷却ガス流路は、上面視において少なくとも一部が互いに交差し、
前記冷却ガス系は、前記燃料電池に冷却ガスを供給する冷却ガス供給部と、冷却ガス配管と、当該冷却ガス配管の当該燃料電池よりも上流に圧損体を有し、
前記空冷式燃料電池システムは、前記酸化剤ガス流路の酸化剤ガス流れ方向に対して冷却能力において分布を有することを特徴とする空冷式燃料電池システムを提供する。
図１は、本開示の空冷式の燃料電池の構成の一例を示す斜視模式図である。
図１に示す空冷式の燃料電池は、燃料電池スタック（単にスタックと称する場合がある）を有し、スタックの両端に集電板と加圧板が順に配置されている。反応Ａｉｒ入口及び反応Ａｉｒ出口で示される酸化剤ガス流路と、反応Ｈ２入口及び反応Ｈ２出口で示される燃料ガス流路は、対向流となるように設けられ、冷却Ａｉｒが通る冷却ガス流路は、酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路と交差するように設けられている。
図１に示す空冷式の燃料電池は、燃料電池スタック（単にスタックと称する場合がある）を有し、スタックの両端に集電板と加圧板が順に配置されている。反応Ａｉｒ入口及び反応Ａｉｒ出口で示される酸化剤ガス流路と、反応Ｈ２入口及び反応Ｈ２出口で示される燃料ガス流路は、対向流となるように設けられ、冷却Ａｉｒが通る冷却ガス流路は、酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路と交差するように設けられている。
図２は、本開示の空冷式の燃料電池の単セルの一例を示す分解斜視模式図である。
図２に示す空冷式の燃料電池の単セル（単にセルと称する場合がある）は、冷却フィン、第１セパレータ、ＭＥＧＡを開口部に収容する樹脂フレーム、第２セパレータをこの順に有する。
冷却フィンは、第１セパレータの面上のＭＥＧＡとは反対側の領域に配置されている。
第１セパレータ、樹脂フレーム、第２セパレータには、矢印で示すように酸化剤ガスである反応用空気が流通可能な酸化剤ガス供給マニホールド（反応Ａｉｒ ｉｎ）、及び、酸化剤ガス排出マニホールド（反応Ａｉｒ ｏｕｔ）、並びに、燃料ガスである水素が流通可能な燃料ガス供給マニホールド（反応Ｈ２ ｉｎ）、及び、燃料ガス排出マニホールド（反応Ｈ２ ｏｕｔ）が設けられている。なお、本開示においては、便宜のため、酸化剤ガス供給マニホールド、酸化剤ガス排出マニホールド、燃料ガス供給マニホールド、及び、燃料ガス排出マニホールドは、まとめて反応ガスマニホールドと称する。
第１セパレータ（カソードセパレータ）には、矢印で示すように酸化剤である反応用空気が流通可能な波板形状の酸化剤ガス流路が設けられている。
第２セパレータ（アノードセパレータ）には、矢印で示すように燃料ガスである水素が流通可能な波板形状の燃料ガス流路が設けられている。
冷却フィンには、矢印で示すように冷媒である冷却用空気（冷却ガス）が流通可能な波板形状の冷却ガス流路が設けられている。
なお、空冷式の燃料電池は、側面を冷媒が流れる構造を有していてもよい。
図２に示す空冷式の燃料電池の単セル（単にセルと称する場合がある）は、冷却フィン、第１セパレータ、ＭＥＧＡを開口部に収容する樹脂フレーム、第２セパレータをこの順に有する。
冷却フィンは、第１セパレータの面上のＭＥＧＡとは反対側の領域に配置されている。
第１セパレータ、樹脂フレーム、第２セパレータには、矢印で示すように酸化剤ガスである反応用空気が流通可能な酸化剤ガス供給マニホールド（反応Ａｉｒ ｉｎ）、及び、酸化剤ガス排出マニホールド（反応Ａｉｒ ｏｕｔ）、並びに、燃料ガスである水素が流通可能な燃料ガス供給マニホールド（反応Ｈ２ ｉｎ）、及び、燃料ガス排出マニホールド（反応Ｈ２ ｏｕｔ）が設けられている。なお、本開示においては、便宜のため、酸化剤ガス供給マニホールド、酸化剤ガス排出マニホールド、燃料ガス供給マニホールド、及び、燃料ガス排出マニホールドは、まとめて反応ガスマニホールドと称する。
第１セパレータ（カソードセパレータ）には、矢印で示すように酸化剤である反応用空気が流通可能な波板形状の酸化剤ガス流路が設けられている。
第２セパレータ（アノードセパレータ）には、矢印で示すように燃料ガスである水素が流通可能な波板形状の燃料ガス流路が設けられている。
冷却フィンには、矢印で示すように冷媒である冷却用空気（冷却ガス）が流通可能な波板形状の冷却ガス流路が設けられている。
なお、空冷式の燃料電池は、側面を冷媒が流れる構造を有していてもよい。
本開示においては、発電用の酸化剤ガスとしての空気の流れと燃料ガスとしての水素の流れに対して、交差する形で冷却ガス流路が構成される。この構成により波板形状の流路同士がクロスするような形で接触することが特徴的な構造となる。
本開示によれば、冷却ガス流路の冷却ガスが、酸化剤ガス流路のガス流れ方向と交差する方向に流れることで発生する図１０に示すような温度分布を改善し、セルの発電性能を向上させることができる。
本開示の第１実施形態においては、酸化剤ガス流路の流れ方向に対して冷却能力に分布を有することで燃料電池の発電性能を向上させることができる。
本開示によれば、冷却ガス流路の冷却ガスが、酸化剤ガス流路のガス流れ方向と交差する方向に流れることで発生する図１０に示すような温度分布を改善し、セルの発電性能を向上させることができる。
本開示の第１実施形態においては、酸化剤ガス流路の流れ方向に対して冷却能力に分布を有することで燃料電池の発電性能を向上させることができる。
第２実施形態
本開示の第２実施形態においては、前記空冷式燃料電池システムは、前記酸化剤ガス流路の入口側の冷却能力が高く、前記酸化剤ガス流路の出口側の冷却能力が低くてもよい。
本開示の第２実施形態においては、前記空冷式燃料電池システムは、前記酸化剤ガス流路の入口側の冷却能力が高く、前記酸化剤ガス流路の出口側の冷却能力が低くてもよい。
本開示の第２実施形態においては、酸化剤ガス流路中の酸素濃度が下がり、セルの発電性能が低下し、セル内の温度が下がることにより、生成水が凝縮しやすい酸化剤ガス流路の出口側の温度を上げることで燃料電池の発電性能を向上させることができる。
なお、本開示において、酸化剤ガス流路入口とは、単セルにおいては、カソードセパレータの貫通孔であって、当該貫通孔がカソードセパレータの酸化剤ガス流路が形成されている面において酸化剤ガスを酸化剤ガス流路に供給することが可能な酸化剤ガス供給孔であってもよく、燃料電池スタックにおいては、酸化剤ガス供給孔が連通した酸化剤ガス供給マニホールドであってもよい。
また、本開示において、酸化剤ガス流路出口とは、単セルにおいては、カソードセパレータの貫通孔であって、当該貫通孔がカソードセパレータの酸化剤ガス流路が形成されている面において酸化剤ガスを酸化剤ガス流路から排出することが可能な酸化剤ガス排出孔であってもよく、燃料電池スタックにおいては、酸化剤ガス排出孔が連通した酸化剤ガス排出マニホールドであってもよい。
また、本開示において、酸化剤ガス流路入口側とは、燃料電池のセル面内において、酸化剤ガスの流れ方向の上流側の領域であってもよく、燃料電池のセル面内において、酸化剤ガスの流れ方向に沿って燃料電池を２等分したときの上流側半分の領域であってもよい。
さらに、本開示において、酸化剤ガス流路出口側とは、燃料電池のセル面内において、酸化剤ガスの流れ方向の下流側の領域であってもよく、燃料電池のセル面内において、酸化剤ガスの流れ方向に沿って燃料電池を２等分したときの下流側半分の領域であってもよい。
なお、本開示において、酸化剤ガス流路入口とは、単セルにおいては、カソードセパレータの貫通孔であって、当該貫通孔がカソードセパレータの酸化剤ガス流路が形成されている面において酸化剤ガスを酸化剤ガス流路に供給することが可能な酸化剤ガス供給孔であってもよく、燃料電池スタックにおいては、酸化剤ガス供給孔が連通した酸化剤ガス供給マニホールドであってもよい。
また、本開示において、酸化剤ガス流路出口とは、単セルにおいては、カソードセパレータの貫通孔であって、当該貫通孔がカソードセパレータの酸化剤ガス流路が形成されている面において酸化剤ガスを酸化剤ガス流路から排出することが可能な酸化剤ガス排出孔であってもよく、燃料電池スタックにおいては、酸化剤ガス排出孔が連通した酸化剤ガス排出マニホールドであってもよい。
また、本開示において、酸化剤ガス流路入口側とは、燃料電池のセル面内において、酸化剤ガスの流れ方向の上流側の領域であってもよく、燃料電池のセル面内において、酸化剤ガスの流れ方向に沿って燃料電池を２等分したときの上流側半分の領域であってもよい。
さらに、本開示において、酸化剤ガス流路出口側とは、燃料電池のセル面内において、酸化剤ガスの流れ方向の下流側の領域であってもよく、燃料電池のセル面内において、酸化剤ガスの流れ方向に沿って燃料電池を２等分したときの下流側半分の領域であってもよい。
第３実施形態
本開示の第３実施形態においては、前記酸化剤ガス流路及び前記冷却ガス流路は、前記酸化剤ガス流路入口側と前記冷却ガス流路との接触面積の方が、前記酸化剤ガス流路出口側と前記冷却ガス流路との接触面積よりも大きく、前記酸化剤ガス流路入口側から前記酸化剤ガス流路出口側に向かって前記接触面積が小さくなるように接触面積分布を有していてもよい。
本開示の第３実施形態においては、前記酸化剤ガス流路及び前記冷却ガス流路は、前記酸化剤ガス流路入口側と前記冷却ガス流路との接触面積の方が、前記酸化剤ガス流路出口側と前記冷却ガス流路との接触面積よりも大きく、前記酸化剤ガス流路入口側から前記酸化剤ガス流路出口側に向かって前記接触面積が小さくなるように接触面積分布を有していてもよい。
図３は、上から順に、（１）本開示の第３実施形態の空冷式燃料電池システムにおいて、冷却ガス流路と酸化剤ガス流路の接触面積の分布をつける状態を示す図、（２）Ａ－Ａ断面図、（３）Ｂ－Ｂ断面図、及び、（４）Ｃ－Ｃ断面図である。図３に示すように、冷却ガス流路とカソードセパレータとの接触面積と放熱性に相関があることを利用して、波板形状同士の接触という構造の中で、酸化剤ガス流路形状（冷却ガス流路との接触側の形状）について、酸化剤ガス流路入口側の方が、酸化剤ガス流路出口側よりもカソードセパレータの酸化剤ガス流路を構成するリブと冷却ガス流路の接触面積が大きくなるように、面内で酸化剤ガス流路を構成するリブと冷却ガス流路の接触面積の分布を持たせる（例えば、酸化剤ガス流路を構成するリブの酸化剤ガス流路出口側の形状をより円弧に近づける）ことにより、冷却能力の差を生み出し、酸化剤ガス流路出口側の温度を上げることができる。
第４実施形態
本開示の第４実施形態においては、前記圧損体は、酸化剤ガス流路流れ方向に対して前記酸化剤ガス流路入口側の方が前記酸化剤ガス流路出口側よりも圧損が低く、前記酸化剤ガス流路入口側から前記酸化剤ガス流路出口側に向かって前記圧損が高くなるように圧損分布を有していてもよい。
本開示の第４実施形態においては、前記圧損体は、酸化剤ガス流路流れ方向に対して前記酸化剤ガス流路入口側の方が前記酸化剤ガス流路出口側よりも圧損が低く、前記酸化剤ガス流路入口側から前記酸化剤ガス流路出口側に向かって前記圧損が高くなるように圧損分布を有していてもよい。
図４は、本開示の第４実施形態の空冷式燃料電池システムにおいて、圧損体に圧損分布を付け、冷却能力に分布をつける状態を示す図である。第４実施形態においては、空冷ＦＣスタックの冷却ガス入り口側には異物を入れないためのフィルターを設置することが望ましく、そのフィルターを圧損体として考え、圧損体について、酸化剤ガス流路入口側の方が、酸化剤ガス流路出口側よりも圧損が小さくなるように、且つ、酸化剤ガス流路入口側から酸化剤ガス流路出口側に向かって圧損が高くなるように酸化剤ガス流れ方向に対して圧損分布を持たせることで、酸化剤ガス流路出口側の温度を上げる。
第５実施形態
本開示の第５実施形態においては、前記冷却ガス供給部が、前記酸化剤ガス流路の中心よりも前記酸化剤ガス流路入口側に配置されていてもよい。
本開示の第５実施形態においては、前記冷却ガス供給部が、前記酸化剤ガス流路の中心よりも前記酸化剤ガス流路入口側に配置されていてもよい。
図５は、本開示の第５実施形態の空冷式燃料電池システムにおいて、冷却ガス供給部の配置によって冷却能力に分布をつける状態を示す図である。第５実施形態においては、図５に示すように、冷却ガス供給部として空冷ＦＣスタックに冷却ガスを送り込む装置（ファン等）をＦＣスタック中心又は酸化剤ガス流路の中心よりも、酸化剤ガス流路入口側に設置することで冷却ガスの流量が酸化剤ガス流路入口側の方が、酸化剤ガス流路出口側よりも大きくなるように、冷却ガスの流量について流れ方向に分布を持たせ、酸化剤ガス流路出口側の温度を上げる。
第６実施形態
本開示の第６実施形態においては、前記冷却フィンは、酸化剤ガス流路流れ方向に対して前記酸化剤ガス流路入口側の方が前記酸化剤ガス流路出口側よりも前記冷却ガス流路のフィンピッチが狭くなるようにフィンピッチ分布を有していてもよい。
本開示の第６実施形態においては、前記冷却フィンは、酸化剤ガス流路流れ方向に対して前記酸化剤ガス流路入口側の方が前記酸化剤ガス流路出口側よりも前記冷却ガス流路のフィンピッチが狭くなるようにフィンピッチ分布を有していてもよい。
図６は、上から順に、（１）本開示の第６実施形態の空冷式燃料電池システムにおいて、フィンピッチに分布をつけることで冷却能力に分布をつける状態を示す図、（２）Ａ－Ａ断面図、及び、（３）Ｂ－Ｂ断面図である。冷却ガス流路のフィンピッチが狭いほど放熱面積が上がり、冷却能力が上がる。第６実施形態において、酸化剤ガス流路入口側の方が、酸化剤ガス流路出口側よりもフィンピッチを狭く、酸化剤ガス流路出口側の方が、酸化剤ガス流路入口側よりもフィンピッチを広く（粗く）することで、酸化剤ガス流路出口側の温度を上げる。
第７実施形態
本開示の第７実施形態においては、前記酸化剤ガス流路及び前記冷却ガス流路は、前記酸化剤ガス流路と冷却ガス流路入口側との接触面積の方が、前記酸化剤ガス流路と冷却ガス流路出口側との接触面積よりも小さくてもよい。
本開示の第７実施形態においては、前記酸化剤ガス流路及び前記冷却ガス流路は、前記酸化剤ガス流路と冷却ガス流路入口側との接触面積の方が、前記酸化剤ガス流路と冷却ガス流路出口側との接触面積よりも小さくてもよい。
図７は、上から順に、（１）本開示の第７実施形態の空冷式燃料電池システムにおいて、冷却ガス流路流れ方向に対する温度分布を改善するために冷却ガス流路と酸化剤ガス流路との接触面積に分布を持たせる状態を示す図、（２）Ａ－Ａ断面図、（３）Ｂ－Ｂ断面図、及び、（４）Ｃ－Ｃ断面図である。
図７に示すように、冷却ガス流路入口側の方が、冷却ガス流路出口側よりも冷却ガス流路と酸化剤ガス流路との接触面積が小さくなるようにすることで、冷却ガス流路入口側の放熱性を小さくし、冷却ガス流路出口側の放熱性を大きくする。これにより、冷却ガス流路入口側と冷却ガス流路出口側の温度差を小さくし、冷却ガス流路入口側と冷却ガス流路出口側との間のセルの発電性能の差の発生を抑制することができる。
なお、本開示において、冷却ガス流路入口側とは、燃料電池のセル面内において、冷却ガスの流れ方向の上流側の領域であってもよく、燃料電池のセル面内において、冷却ガスの流れ方向に沿って燃料電池を２等分したときの上流側半分の領域であってもよい。
また、本開示において、冷却ガス流路出口側とは、燃料電池のセル面内において、冷却ガスの流れ方向の下流側の領域であってもよく、燃料電池のセル面内において、冷却ガスの流れ方向に沿って燃料電池を２等分したときの下流側半分の領域であってもよい。
図７に示すように、冷却ガス流路入口側の方が、冷却ガス流路出口側よりも冷却ガス流路と酸化剤ガス流路との接触面積が小さくなるようにすることで、冷却ガス流路入口側の放熱性を小さくし、冷却ガス流路出口側の放熱性を大きくする。これにより、冷却ガス流路入口側と冷却ガス流路出口側の温度差を小さくし、冷却ガス流路入口側と冷却ガス流路出口側との間のセルの発電性能の差の発生を抑制することができる。
なお、本開示において、冷却ガス流路入口側とは、燃料電池のセル面内において、冷却ガスの流れ方向の上流側の領域であってもよく、燃料電池のセル面内において、冷却ガスの流れ方向に沿って燃料電池を２等分したときの上流側半分の領域であってもよい。
また、本開示において、冷却ガス流路出口側とは、燃料電池のセル面内において、冷却ガスの流れ方向の下流側の領域であってもよく、燃料電池のセル面内において、冷却ガスの流れ方向に沿って燃料電池を２等分したときの下流側半分の領域であってもよい。
第８実施形態
本開示の第８実施形態においては、前記カソードセパレータが前記酸化剤ガス流路の一部に複数の絞り部を有し、
上面視において前記冷却ガス流路と前記酸化剤ガス流路が交差して接触する部分において、前記酸化剤ガス流路入口側から前記酸化剤ガス流路出口側に向かって、前記絞り部と前記冷却ガス流路の接触箇所が増加していてもよい。
本開示の第８実施形態においては、前記カソードセパレータが前記酸化剤ガス流路の一部に複数の絞り部を有し、
上面視において前記冷却ガス流路と前記酸化剤ガス流路が交差して接触する部分において、前記酸化剤ガス流路入口側から前記酸化剤ガス流路出口側に向かって、前記絞り部と前記冷却ガス流路の接触箇所が増加していてもよい。
図８は、上から順に、（１）本開示の第８実施形態の空冷式燃料電池システムにおいて、酸化剤ガス流路に絞り部を設けた流路を適用する場合に、絞り部を構成するリブと冷却ガス流路との接触箇所に分布をつけることで温度分布をつける状態を示す図、（２）当該図の部分拡大図、及び、（３）Ａ－Ａ断面図である。第８実施形態においては、酸化剤ガスである発電用の空気のセル面内での拡散性を向上させるために酸化剤ガス流路に絞り部を設ける。絞り部によって、酸化剤ガス流路が絞られることで酸化剤ガス流路を構成するリブと冷却ガス流路との接触面積が低下することで冷却機能が低下することを利用し、セル面内で放熱性の分布を生むために絞り部と冷却ガス流路の接触箇所を変化させる。酸化剤ガス流路入口側の方が、酸化剤ガス流路出口側よりも絞り部と冷却ガス流路との接触箇所が少なくなるように、酸化剤ガス流路入口側から酸化剤ガス流路出口側に向かって、絞り部と冷却ガス流路の接触箇所を増加させることで、酸化剤ガス流路出口側での温度を上げる。
第９実施形態
本開示の第９実施形態においては、前記カソードセパレータが前記酸化剤ガス流路の一部に複数の絞り部を有し、
上面視において前記冷却ガス流路と前記酸化剤ガス流路が交差して接触する部分に前記絞り部を設けなくてもよい。
本開示の第９実施形態においては、前記カソードセパレータが前記酸化剤ガス流路の一部に複数の絞り部を有し、
上面視において前記冷却ガス流路と前記酸化剤ガス流路が交差して接触する部分に前記絞り部を設けなくてもよい。
図９は、上から順に、（１）本開示の第９実施形態の空冷式燃料電池システムにおいて、絞り部を冷却ガス流路が接触しない位置に配置することで酸化剤ガス流路と冷却ガス流路の接触抵抗を低減し、セルの発電性能低下を防ぐ構造を示す図、（２）Ａ－Ａ断面図、及び、（３）Ｂ－Ｂ断面図である。図９に示すように、セルの発電性能向上のために酸化剤ガス流路に絞り部を設けるが、冷却ガス流路との接触部に絞り部を設けないことで酸化剤ガス流路と冷却ガス流路の接触抵抗の増加を抑制し、他の手段で酸化剤ガス出口温度を上げる。
本開示においては、燃料ガス、及び、酸化剤ガスをまとめて反応ガスと称する。アノードに供給される反応ガスは、燃料ガスであり、カソードに供給される反応ガスは酸化剤ガスである。燃料ガスは、主に水素を含有するガスであり、水素であってもよい。酸化剤ガスは酸素、空気、乾燥空気等であってもよい。
本開示の空冷式燃料電池システムは、燃料電池、酸化剤ガス系（反応用空気系）、及び、冷却ガス系を有し、通常さらに燃料ガス系を有する。
本開示における燃料電池は、空冷式の燃料電池である。
空冷式の燃料電池は、冷媒として主に空気を用い、冷却機能を有するガスであれば空気に限定されず、その他のガスを用いることもできる。本開示においては、冷媒としての空気を冷却ガス又は冷却用空気と称する場合がある。本開示においては、酸化剤ガスとしての空気を反応用空気と称する場合がある。
燃料電池は、単セルを複数積層した燃料電池スタックを有する。単セルの積層数は特に限定されず、２～数百個であってもよい。
空冷式の燃料電池は、冷媒として主に空気を用い、冷却機能を有するガスであれば空気に限定されず、その他のガスを用いることもできる。本開示においては、冷媒としての空気を冷却ガス又は冷却用空気と称する場合がある。本開示においては、酸化剤ガスとしての空気を反応用空気と称する場合がある。
燃料電池は、単セルを複数積層した燃料電池スタックを有する。単セルの積層数は特に限定されず、２～数百個であってもよい。
単セルは、波板形状の酸化剤ガス流路を有するカソードセパレータ、膜電極ガス拡散層接合体、波板形状の燃料ガス流路を有するアノードセパレータ、及び、波板形状の冷却ガス流路を有する冷却フィンを備える。
膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ）は、アノード側ガス拡散層、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層、及び、カソード側ガス拡散層をこの順に有する。
本開示において発電部とは、主に膜電極ガス拡散層接合体を意味する。
本開示において発電部とは、主に膜電極ガス拡散層接合体を意味する。
カソード（酸化剤極）は、カソード触媒層及びカソード側ガス拡散層を含む。
アノード（燃料極）は、アノード触媒層及びアノード側ガス拡散層を含む。
カソード触媒層及びアノード触媒層をまとめて触媒層と称する。
アノード（燃料極）は、アノード触媒層及びアノード側ガス拡散層を含む。
カソード触媒層及びアノード触媒層をまとめて触媒層と称する。
カソード側ガス拡散層及びアノード側ガス拡散層をまとめてガス拡散層又は拡散層と称する。
ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材等であってもよい。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。
ガス拡散層は、ガス透過性を有する導電性部材等であってもよい。
導電性部材としては、例えば、カーボンクロス、及びカーボンペーパー等のカーボン多孔質体、並びに、金属メッシュ、及び、発泡金属などの金属多孔質体等が挙げられる。
単セルは、触媒層とガス拡散層との間にマイクロポーラス層（ＭＰＬ）を有していてもよい。マイクロポーラス層は、ＰＴＦＥ等の撥水性樹脂とカーボンブラック等の導電性材料との混合物を含んでいてもよい。
電解質膜は、固体高分子電解質膜であってもよい。固体高分子電解質膜としては、例えば、水分が含まれたパーフルオロスルホン酸の薄膜等のフッ素系電解質膜、及び、炭化水素系電解質膜等が挙げられる。電解質膜としては、例えば、ナフィオン膜（デュポン社製）等であってもよい。
アノードセパレータとカソードセパレータとをまとめてセパレータと称する。
膜電極ガス拡散層接合体は、アノードセパレータとカソードセパレータにより挟持される。
セパレータは、反応ガス等の流体を単セルの積層方向に流通させるための複数の貫通孔を有していてもよい。貫通孔としては、酸化剤ガス供給孔、酸化剤ガス排出孔、燃料ガス供給孔、及び、燃料ガス排出孔等が挙げられる。
燃料電池においては、複数の同種の貫通孔が積層方向に連通することにより反応ガスマニホールドが形成されていてもよい。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、熱硬化樹脂、熱可塑樹脂、及び、樹脂繊維等の樹脂材、カーボン粉末、及び、カーボン繊維等のカーボン材を含む混合物をプレス成形したカーボンコンポジット材、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属（例えば、チタン、鉄、アルミニウム、及び、ＳＵＳ等）板等であってもよい。また、セパレータが集電機能を備えるものであってもよい。
セパレータの形状は、長方形、横長６角形、横長８角形、円形、及び、長丸形状等であってもよい。
膜電極ガス拡散層接合体は、アノードセパレータとカソードセパレータにより挟持される。
セパレータは、反応ガス等の流体を単セルの積層方向に流通させるための複数の貫通孔を有していてもよい。貫通孔としては、酸化剤ガス供給孔、酸化剤ガス排出孔、燃料ガス供給孔、及び、燃料ガス排出孔等が挙げられる。
燃料電池においては、複数の同種の貫通孔が積層方向に連通することにより反応ガスマニホールドが形成されていてもよい。
セパレータは、ガス不透過の導電性部材等であってもよい。導電性部材としては、例えば、熱硬化樹脂、熱可塑樹脂、及び、樹脂繊維等の樹脂材、カーボン粉末、及び、カーボン繊維等のカーボン材を含む混合物をプレス成形したカーボンコンポジット材、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン、及び、プレス成形した金属（例えば、チタン、鉄、アルミニウム、及び、ＳＵＳ等）板等であってもよい。また、セパレータが集電機能を備えるものであってもよい。
セパレータの形状は、長方形、横長６角形、横長８角形、円形、及び、長丸形状等であってもよい。
カソードセパレータは、波板形状の酸化剤ガス流路を有する。具体的にはカソードセパレータは、酸化剤ガス流路となる溝とリブを交互に所定の溝ピッチで周期的に有する。
カソードセパレータは、酸化剤ガス流路の一部に複数の絞り部を有していてもよい。
絞り部の幅は、酸化剤ガス流路の幅よりも狭ければよい。
アノードセパレータは、波板形状の燃料ガス流路を有する。具体的にはアノードセパレータは、燃料ガス流路となる溝とリブを交互に所定の溝ピッチで周期的に有する。
溝ピッチとは、溝幅とリブ幅の和の繰り返し単位を意味する。
セパレータは、ガス拡散層に接する面に反応ガス流路を有していてもよい。また、セパレータは、ガス拡散層に接する面とは反対側の面に燃料電池の温度を一定に保つための冷媒流路を有していてもよい。
セパレータは、ガス分配部を有していてもよい。ガス分配部は、反応ガスマニホールドと反応ガス流路との間の領域に配置され、反応ガスマニホールドから発電領域へガス流れを広げるか又は収束させる部分である。ガス分配部は、反応ガスの入り口側ではガス流れを広げる構造を有する。ガス分配部は、反応ガスの出口側では、ガス流れを収束させる構造を有する。
カソードセパレータは、酸化剤ガス流路の一部に複数の絞り部を有していてもよい。
絞り部の幅は、酸化剤ガス流路の幅よりも狭ければよい。
アノードセパレータは、波板形状の燃料ガス流路を有する。具体的にはアノードセパレータは、燃料ガス流路となる溝とリブを交互に所定の溝ピッチで周期的に有する。
溝ピッチとは、溝幅とリブ幅の和の繰り返し単位を意味する。
セパレータは、ガス拡散層に接する面に反応ガス流路を有していてもよい。また、セパレータは、ガス拡散層に接する面とは反対側の面に燃料電池の温度を一定に保つための冷媒流路を有していてもよい。
セパレータは、ガス分配部を有していてもよい。ガス分配部は、反応ガスマニホールドと反応ガス流路との間の領域に配置され、反応ガスマニホールドから発電領域へガス流れを広げるか又は収束させる部分である。ガス分配部は、反応ガスの入り口側ではガス流れを広げる構造を有する。ガス分配部は、反応ガスの出口側では、ガス流れを収束させる構造を有する。
冷却フィンは、波板形状の冷却ガス流路を有する。具体的には冷却フィンは、冷却ガス流路となる溝とリブを交互に所定のフィンピッチで周期的に有する。フィンピッチは溝ピッチと同義である。
冷却フィンは、冷却ガス流路として機能する複数の溝を有するコルゲート状の板であってもよい。
冷却フィンはアルミニウム、Ｔｉ、及び、ＳＵＳ等の金属板をコルゲート状に折り曲げ加工されたもの等を用いることができる。冷却フィンは、表面に銀、ニッケル、及び、カーボン等の導電処理がされていてもよい。
冷却フィンの形状は、長方形、横長６角形、横長８角形、円形、及び、長丸形状等であってもよい。
カソードセパレータの酸化剤ガス流路と冷却フィンの冷却ガス流路は、上面視において少なくとも一部が互いに交差していればよく、ＭＥＧＡと対向する領域の少なくとも一部で互いに交差していてもよく、ＭＥＧＡと対向する領域の全域で互いに交差していてもよい。カソードセパレータの酸化剤ガス流路と、冷却フィンの冷却ガス流路は、上面視において直交していてもよい。
冷却フィンは、冷却ガス流路として機能する複数の溝を有するコルゲート状の板であってもよい。
冷却フィンはアルミニウム、Ｔｉ、及び、ＳＵＳ等の金属板をコルゲート状に折り曲げ加工されたもの等を用いることができる。冷却フィンは、表面に銀、ニッケル、及び、カーボン等の導電処理がされていてもよい。
冷却フィンの形状は、長方形、横長６角形、横長８角形、円形、及び、長丸形状等であってもよい。
カソードセパレータの酸化剤ガス流路と冷却フィンの冷却ガス流路は、上面視において少なくとも一部が互いに交差していればよく、ＭＥＧＡと対向する領域の少なくとも一部で互いに交差していてもよく、ＭＥＧＡと対向する領域の全域で互いに交差していてもよい。カソードセパレータの酸化剤ガス流路と、冷却フィンの冷却ガス流路は、上面視において直交していてもよい。
単セルは樹脂フレームを備えていてもよい。
樹脂フレームは、膜電極ガス拡散層接合体の外周に配置され、且つ、カソードセパレータとアノードセパレータとの間に配置されてもよい。
樹脂フレームは、骨格部と、開口部と、貫通孔を有していてもよい。
骨格部は、膜電極ガス拡散層接合体と接続する樹脂フレームの主要部分である。
開口部は、膜電極ガス拡散層接合体の保持領域であり、膜電極ガス拡散層接合体を収納するために骨格部の一部を貫通する領域である。開口部は、樹脂フレームにおいて、膜電極ガス拡散層接合体の周囲（外周部）に骨格部が配置される位置に配置されていればよく、樹脂フレームの中央に有していてもよい。
樹脂フレームの貫通孔は、反応ガス等の流体を単セルの積層方向に流通させる。樹脂フレームの貫通孔は、セパレータの貫通孔と連通するように位置合わせされて配置されていてもよい。
樹脂フレームは、従来公知の材料を用いることができる。
樹脂フレームは、膜電極ガス拡散層接合体の外周に配置され、且つ、カソードセパレータとアノードセパレータとの間に配置されてもよい。
樹脂フレームは、骨格部と、開口部と、貫通孔を有していてもよい。
骨格部は、膜電極ガス拡散層接合体と接続する樹脂フレームの主要部分である。
開口部は、膜電極ガス拡散層接合体の保持領域であり、膜電極ガス拡散層接合体を収納するために骨格部の一部を貫通する領域である。開口部は、樹脂フレームにおいて、膜電極ガス拡散層接合体の周囲（外周部）に骨格部が配置される位置に配置されていればよく、樹脂フレームの中央に有していてもよい。
樹脂フレームの貫通孔は、反応ガス等の流体を単セルの積層方向に流通させる。樹脂フレームの貫通孔は、セパレータの貫通孔と連通するように位置合わせされて配置されていてもよい。
樹脂フレームは、従来公知の材料を用いることができる。
燃料電池は隣り合う２つの単セルの間において反応ガスを封止するガスケットを備えていてもよい。
ガスケットは、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）ゴム、シリコンゴム、及び、熱可塑性エラストマー樹脂等を材料として用いてもよい。
ガスケットは、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）ゴム、シリコンゴム、及び、熱可塑性エラストマー樹脂等を材料として用いてもよい。
空冷式燃料電池システムは、冷却ガス系を備える。
冷却ガス系は、燃料電池に冷却ガスを供給する冷却ガス供給部と、冷却ガス配管と、当該冷却ガス配管の当該燃料電池よりも上流に圧損体を有する。
冷却ガス配管は、燃料電池よりも上流に圧損体を有する。
圧損体は、フィルター等であってもよい。
冷却ガス配管は、空冷式燃料電池システム外部と燃料電池の冷却ガス入口とを接続し、且つ燃料電池の冷却ガス出口と空冷式燃料電池システム外部とを接続する。
冷却ガス供給部は、冷却ガス配管の任意の位置に配置されていてもよく、冷却ガス配管の燃料電池よりも下流に配置されていてもよい。
冷却ガス供給部は、エアポンプ、エアコンプレッサー、エアブロワー、及び、エアファン等が挙げられる。
冷却ガス供給部は、制御部と電気的に接続される。冷却ガス供給部は、制御部からの制御信号に従って駆動される。制御部によって冷却ガス供給部から燃料電池に供給される冷却ガスの流量が制御される。これにより燃料電池の温度が制御されてもよい。
冷却ガス系はバルブを持たない大気開放構造とし、冷却用空気を外気圧と等圧（例えば－０．０１～－０．３ ｋＰａＧ）にすることで、燃料電池の構造への差圧ストレスを防ぐことができ、安価で軽量のハウジング部材を使用することができる。
冷却ガス系は、燃料電池に冷却ガスを供給する冷却ガス供給部と、冷却ガス配管と、当該冷却ガス配管の当該燃料電池よりも上流に圧損体を有する。
冷却ガス配管は、燃料電池よりも上流に圧損体を有する。
圧損体は、フィルター等であってもよい。
冷却ガス配管は、空冷式燃料電池システム外部と燃料電池の冷却ガス入口とを接続し、且つ燃料電池の冷却ガス出口と空冷式燃料電池システム外部とを接続する。
冷却ガス供給部は、冷却ガス配管の任意の位置に配置されていてもよく、冷却ガス配管の燃料電池よりも下流に配置されていてもよい。
冷却ガス供給部は、エアポンプ、エアコンプレッサー、エアブロワー、及び、エアファン等が挙げられる。
冷却ガス供給部は、制御部と電気的に接続される。冷却ガス供給部は、制御部からの制御信号に従って駆動される。制御部によって冷却ガス供給部から燃料電池に供給される冷却ガスの流量が制御される。これにより燃料電池の温度が制御されてもよい。
冷却ガス系はバルブを持たない大気開放構造とし、冷却用空気を外気圧と等圧（例えば－０．０１～－０．３ ｋＰａＧ）にすることで、燃料電池の構造への差圧ストレスを防ぐことができ、安価で軽量のハウジング部材を使用することができる。
空冷式燃料電池システムは、酸化剤ガス系（反応用空気系）を備える。
酸化剤ガス系は、酸化剤ガス供給部、酸化剤ガス配管、及び、酸化剤ガス調圧弁等を備えていてもよい。
酸化剤ガス配管は、空冷式燃料電池システム外部と燃料電池の酸化剤ガス入口とを接続し、且つ燃料電池の酸化剤ガス出口と空冷式燃料電池システム外部とを接続する。
酸化剤ガス供給部は、燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する。
酸化剤ガス供給部は、酸化剤ガス配管の任意の位置に配置されていてもよく、酸化剤ガス配管の燃料電池よりも上流に配置されていてもよい。
酸化剤ガス供給部としては、例えば、エアポンプ、エアコンプレッサー、エアブロワー、及び、エアファン等が挙げられる。
酸化剤ガス系は酸化剤ガスを燃料電池に導入する前に独立した酸化剤ガス供給部を備える。冷却ガス系と酸化剤ガス系のそれぞれの系に独立して冷却ガス供給部、酸化剤ガス供給部を備えることにより、冷却用空気と酸化剤ガスである反応用空気の流量を独立して制御することができ、排水性の制御、湿度の制御を精度よく行うことができ、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
酸化剤ガス供給部は、制御部と電気的に接続される。酸化剤ガス供給部は、制御部からの制御信号に従って駆動される。
酸化剤ガス系は、酸化剤ガス供給部、酸化剤ガス配管、及び、酸化剤ガス調圧弁等を備えていてもよい。
酸化剤ガス配管は、空冷式燃料電池システム外部と燃料電池の酸化剤ガス入口とを接続し、且つ燃料電池の酸化剤ガス出口と空冷式燃料電池システム外部とを接続する。
酸化剤ガス供給部は、燃料電池のカソードに酸化剤ガスを供給する。
酸化剤ガス供給部は、酸化剤ガス配管の任意の位置に配置されていてもよく、酸化剤ガス配管の燃料電池よりも上流に配置されていてもよい。
酸化剤ガス供給部としては、例えば、エアポンプ、エアコンプレッサー、エアブロワー、及び、エアファン等が挙げられる。
酸化剤ガス系は酸化剤ガスを燃料電池に導入する前に独立した酸化剤ガス供給部を備える。冷却ガス系と酸化剤ガス系のそれぞれの系に独立して冷却ガス供給部、酸化剤ガス供給部を備えることにより、冷却用空気と酸化剤ガスである反応用空気の流量を独立して制御することができ、排水性の制御、湿度の制御を精度よく行うことができ、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
酸化剤ガス供給部は、制御部と電気的に接続される。酸化剤ガス供給部は、制御部からの制御信号に従って駆動される。
空冷式燃料電池システムは、通常、燃料ガス系を備える。
燃料ガス系は、燃料電池に燃料ガスを供給する。
燃料ガス系は、燃料ガスを貯蔵する燃料ガスタンク、当該燃料ガスタンクと燃料電池の燃料ガス入口を接続する燃料ガス供給配管、及び、燃料電池の燃料ガス出口と空冷式燃料電池システム外部とを接続する燃料ガス排出配管等を有していてもよい。
燃料ガス系は、燃料電池に燃料ガスを供給する。
燃料ガス系は、燃料ガスを貯蔵する燃料ガスタンク、当該燃料ガスタンクと燃料電池の燃料ガス入口を接続する燃料ガス供給配管、及び、燃料電池の燃料ガス出口と空冷式燃料電池システム外部とを接続する燃料ガス排出配管等を有していてもよい。
空冷式燃料電池システムは、制御部を備えていてもよい。
制御部は、冷却ガス供給部、及び、酸化剤ガス供給部等の駆動のＯＮ・ＯＦＦ及び出力等を制御する。
制御部は、物理的には、例えば、ＣＰＵ（中央演算処理装置）等の演算処理装置と、ＣＰＵで処理される制御プログラム及び制御データ等を記憶するＲＯＭ（リードオンリーメモリー）、並びに、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭ（ランダムアクセスメモリー）等の記憶装置と、入出力インターフェースとを有するものである。また、制御部は、例えば、電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）等の制御装置であってもよい。
制御部は、冷却ガス供給部、及び、酸化剤ガス供給部等の駆動のＯＮ・ＯＦＦ及び出力等を制御する。
制御部は、物理的には、例えば、ＣＰＵ（中央演算処理装置）等の演算処理装置と、ＣＰＵで処理される制御プログラム及び制御データ等を記憶するＲＯＭ（リードオンリーメモリー）、並びに、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭ（ランダムアクセスメモリー）等の記憶装置と、入出力インターフェースとを有するものである。また、制御部は、例えば、電子制御ユニット（ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）等の制御装置であってもよい。
Claims (9)
- 空冷式燃料電池システムであって、
前記空冷式燃料電池システムは、燃料電池、酸化剤ガス系、及び、冷却ガス系を有し、
前記燃料電池は、単セルを複数積層した燃料電池スタックを有し、
前記単セルは、波板形状の酸化剤ガス流路を有するカソードセパレータ、膜電極ガス拡散層接合体、波板形状の燃料ガス流路を有するアノードセパレータ、及び、波板形状の冷却ガス流路を有する冷却フィンを備え、
前記酸化剤ガス流路と前記冷却ガス流路は、上面視において少なくとも一部が互いに交差し、
前記冷却ガス系は、前記燃料電池に冷却ガスを供給する冷却ガス供給部と、冷却ガス配管と、当該冷却ガス配管の当該燃料電池よりも上流に圧損体を有し、
前記空冷式燃料電池システムは、前記酸化剤ガス流路の酸化剤ガス流れ方向に対して冷却能力において分布を有することを特徴とする空冷式燃料電池システム。 - 前記空冷式燃料電池システムは、前記酸化剤ガス流路の入口側の冷却能力が高く、前記酸化剤ガス流路の出口側の冷却能力が低い、請求項１に記載の空冷式燃料電池システム。
- 前記酸化剤ガス流路及び前記冷却ガス流路は、前記酸化剤ガス流路入口側と前記冷却ガス流路との接触面積の方が、前記酸化剤ガス流路出口側と前記冷却ガス流路との接触面積よりも大きく、前記酸化剤ガス流路入口側から前記酸化剤ガス流路出口側に向かって前記接触面積が小さくなるように接触面積分布を有する、請求項１又は２に記載の空冷式燃料電池システム。
- 前記圧損体は、酸化剤ガス流路流れ方向に対して前記酸化剤ガス流路入口側の方が前記酸化剤ガス流路出口側よりも圧損が低く、前記酸化剤ガス流路入口側から前記酸化剤ガス流路出口側に向かって前記圧損が高くなるように圧損分布を有する、請求項１～３のいずれか一項に記載の空冷式燃料電池システム。
- 前記冷却ガス供給部が、前記酸化剤ガス流路の中心よりも前記酸化剤ガス流路入口側に配置されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の空冷式燃料電池システム。
- 前記冷却フィンは、酸化剤ガス流路流れ方向に対して前記酸化剤ガス流路入口側の方が前記酸化剤ガス流路出口側よりも前記冷却ガス流路のフィンピッチが狭くなるようにフィンピッチ分布を有する、請求項１～５のいずれか一項に記載の空冷式燃料電池システム。
- 前記酸化剤ガス流路及び前記冷却ガス流路は、前記酸化剤ガス流路と冷却ガス流路入口側との接触面積の方が、前記酸化剤ガス流路と冷却ガス流路出口側との接触面積よりも小さい、請求項１～６のいずれか一項に記載の空冷式燃料電池システム。
- 前記カソードセパレータが前記酸化剤ガス流路の一部に複数の絞り部を有し、
上面視において前記冷却ガス流路と前記酸化剤ガス流路が交差して接触する部分において、前記酸化剤ガス流路入口側から前記酸化剤ガス流路出口側に向かって、前記絞り部と前記冷却ガス流路の接触箇所が増加する、請求項１～７のいずれか一項に記載の空冷式燃料電池システム。 - 前記カソードセパレータが前記酸化剤ガス流路の一部に複数の絞り部を有し、
上面視において前記冷却ガス流路と前記酸化剤ガス流路が交差して接触する部分に前記絞り部を設けない、請求項１～７のいずれか一項に記載の空冷式燃料電池システム。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021203783A JP2023089338A (ja) | 2021-12-16 | 2021-12-16 | 空冷式燃料電池システム |
| US18/064,462 US20230197984A1 (en) | 2021-12-16 | 2022-12-12 | Air-cooled fuel cell system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021203783A JP2023089338A (ja) | 2021-12-16 | 2021-12-16 | 空冷式燃料電池システム |
Publications (1)
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|---|---|
| JP2023089338A true JP2023089338A (ja) | 2023-06-28 |
Family
ID=86769051
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2021203783A Pending JP2023089338A (ja) | 2021-12-16 | 2021-12-16 | 空冷式燃料電池システム |
Country Status (2)
| Country | Link |
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| US (1) | US20230197984A1 (ja) |
| JP (1) | JP2023089338A (ja) |
-
2021
- 2021-12-16 JP JP2021203783A patent/JP2023089338A/ja active Pending
-
2022
- 2022-12-12 US US18/064,462 patent/US20230197984A1/en active Pending
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20230197984A1 (en) | 2023-06-22 |
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