JP3691141B2 - 燃料電池 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関し、特に外部マニホールドを用いた燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池は、電解質層を介してアノードとカソードが配されたセルと、両面にアノードガスチャンネル及びカソードガスチャンネルがそれぞれ形成されたセパレータ板とを交互に所定枚数積層して組み立てられた電池スタックに、アノードガス(水素リッチな燃料ガス)及びカソードガス(空気等の酸化剤ガス)がそれぞれ供給されるようになっており、そのアノードガスとカソードガスが電気化学反応する際の化学エネルギーを電気エネルギーとして取り出すことにより、外部に電力を供給するものである。中でも、小寸法のセルを積層させた小型の電池スタックを備えた燃料電池は、可搬性に優れており、屋外における土木建築工事用電源や屋内での非常用電源として注目されている。
【0003】
電池スタックには、アノードガスをアノードガスチャンネルに分配したりアノードガスチャンネルから回収するためにアノードガス分配マニホールドやアノードガス回収マニホールドが設けられている。このようなマニホールドは、電池スタックのアノードガスチャンネルの端部開口が露出した表面をカバーする蓋状の外部マニホールドと、電池スタックの内部に貫通孔や溝を形成した内部マニホールドとに分類されている。そして、外部マニホールドは、内部マニホールドに比べて構造が簡単であり、小型の電池スタックにも作業性よく取り付けることができるため、小型の燃料電池においても多く用いられている。
【0004】
ところで、アノードガス分配用の外部マニホールドには、アノードガス入口部が設けられ、そこにアノードガスの配管が連結されるが、燃料電池をできるだけコンパクトにするため、通常、このアノードガス入口部は、外部マニホールドの外周部の側面に設けられ、アノードガスの配管が外部マニホールドの主表面の外側に出ないような構造となっている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような外部マニホールドを用いた燃料電池では、外部マニホールドに取り込まれたアノードガスは、その多くはアノードガス入口部の近傍に位置しているセルに供給され、アノードガス入口部から遠くに位置しているセルにはあまり供給されず、そのため、電池スタックにおいて各セルに対するアノードガスの分配供給が不均一となる状態が生じていた。
【0006】
そして、アノードガス供給量の少ないセル、即ち、アノードガス入口部から遠くに位置しているセルでは、所定の発電電圧が得られず、その結果、高い発電効率が得られないという問題があった。
このような問題は、特に、アノードガスの流量が少ない場合、即ち、燃料電池が低負荷で運転される場合や、アノードガスの利用率が高い状態で運転される場合において顕著に現れていた。
【0007】
このような問題に対して、例えば、アノードガス分配マニホールドにおけるアノードガス入口部の位置をアノードガス分配マニホールドの上面に設けたり、アノードガス分配マニホールドのアノードガス流通空間内に、アノードガス流入用の分岐管を挿入したりして、アノードガス分配マニホールド内におけるアノードガスの吹き出し方向を工夫すれば、電池スタックの各セルに対してある程度均一にアノードガスを分配供給することは可能であり、上記の問題を解消することができると考えられるが、そのようにした場合には、アノードガス分配マニホールドが嵩高くなったり、アノードガス入口部からのアノードガスの配管の形状が複雑になったりして製作に手間がかかり、製造コストも高くなってしまう。
【0008】
特に、小型の燃料電池においては、外部マニホールド内のガス流通空間も狭いため、外部マニホールド内に上記のような分岐管を設けることは容易ではなく、好ましい方法であるとは言えない。
そこで、本発明は上記問題点に鑑み、アノードガス分配用の外部マニホールドを用いた燃料電池において、外部マニホールドのアノードガス入口部の位置を移動させず、また、外部マニホールド周辺の構造を複雑にすることなく、電池スタックの各セルにアノードガスを均一に分配供給することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項1記載の発明においては、電解質層を介してアノードとカソードが配されたセルと、両面にアノードガスチャンネル及びカソードガスチャンネルがそれぞれ形成されたセパレータ板とを交互に複数枚積層した電池スタックの前記アノードガスチャンネルのアノードガス流入側端部開口が露出する表面に外部マニホールドが冠着された燃料電池において、前記外部マニホールドは、該外部マニホールドの内壁と電池スタック表面との間のアノードガス流通空間に、アノードガス流通方向と交差する方向に仕切り板が設置され、該アノードガス流通空間が前記仕切り板によって、前記電池スタック表面側の第1空間と、前記外部マニホールドへアノードガスを供給するアノードガス入口部を含む第2空間と、に仕切られ、前記仕切り板は、前記アノードガス流通空間をアノードガス流通方向に対して位置調節して前記第1空間の容積Qを規定することによって、前記電池スタックの体積Vと前記第1空間の容積Qとの比V/Qが15以上40以下となるように設置位置を選定することが可能であり、前記仕切り板の主面には、1個または2個以上の貫通孔が開設され、該貫通孔を通じてアノードガスが、前記第2空間から第1空間へ流通する構成であることを特徴としている。
【0010】
この燃料電池においては、アノードガス入口部から取り入れられたアノードガスは、第2空間を通って1個または2個以上の貫通孔から第1空間内に放出されるが、貫通孔から放出されたアノードガスは、第1の空間内を電池スタックに向かって進みながら広がっていき、電池スタックの各アノードガスチャンネル内に入り込む。
【0011】
ここで、貫通孔の位置あるいは仕切り板と電池スタックとの間隔を適切に設定すれば、アノードガスチャンネル全体に均一にアノードガスを分散させることができるが、請求項1記載の燃料電池においては、仕切り板における貫通孔の開設位置及びアノードガス分配マニホールド内における仕切り板の取り付け位置を調節するだけで、容易に適切な設定を行うことができる。
【0012】
また、従来と同様のアノードガス分配マニホールドの空間内に、仕切り板を設けるだけでよいので、燃料電池の構成が簡単であり、その作製も比較的容易である。
また、前記外部マニホールドのアノードガス流通空間内における前記仕切り板の設置位置は、前記電池スタックの体積Vと前記第1空間の容積Qとの比V/Qが、15以上40以下となるように、前記第1空間の容積Qを規定する位置に選ばれていることを特徴としている。
【0013】
本研究者等は、これまで電池スタックの体積Vと外部マニホールドの第1空間の容積Qとの比V/Qを種々変化させた燃料電池を作製し、それぞれの燃料電池について各セルの発電電圧を測定した結果、電池スタックの体積Vは外部マニホールドの第1空間の容積Qに対して15倍以上40倍以下であることが望ましく、V/Qの値がこのような範囲となるようにアノードガス分配マニホールド内に仕切り板を取り付けることにより、燃料電池の発電効率が良好となることがわかった。
【0014】
したがって、燃料電池は、電池スタックの体積Vと外部マニホールドの第1空間の容積Qとの比V/Qが15以上40以下となるように構成されているので、各セルに対するアノードガスの供給を均一にすることができ、燃料電池の発電特性の向上を図ることができる。
【0015】
また、請求項2記載の発明においては、前記仕切り板は、2個以上の貫通孔が、該仕切り板の主面全体にわたってほぼ均一となるように、分散して開設されていることを特徴としている。
したがって、請求項2記載の発明によれば、アノードガスは、均一に分散された2個以上の貫通孔を通って第1空間内に導入されるので、それぞれのセルに対するアノードガスの均一分配性をより効果的に図ることができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態の一例を図面を参照しながら具体的に説明する。
図1は、本発明に係る燃料電池を搭載したポータブル燃料電池システムの全体斜視図である。なお、説明の都合上、図面の左方向をポータブル燃料電池システムの左方向とし、図面の上方向をポータブル燃料電池システムの上方向としている。
【0017】
ポータブル燃料電池システムは、図1に示すように、筺体1の左側部空間101内に水素吸蔵合金タンク2が収容され、中央空間103内に燃料電池3、上部空間104内に空気供給ファン4及び制御装置5、右側部空間102内に触媒燃焼器6がそれぞれ設置された構成をしている。
また、筺体1の上部には、スリット状の空気取入口13が開設され、閉塞蓋15には空気排出口14が開設されているが、筺体1には上蓋16をかぶせることができ、ポータブル燃料電池システム非使用時に、これらの空気取入口13及び空気排出口14から筺体1内に空気が入り込まないようになっている。
【0018】
水素吸蔵合金タンク2は、一対の支柱21,21の間に、例えば5本の水素吸蔵合金タンク単体22,…を横架させた構成であり、一方の支柱21の上端には、水素ガスの送出口となる水素送出カプラー23が設けられている。そして、水素送出カプラー23と後述する燃料電池3の水素導入口44(図2を参照)とが水素供給管24によって連結され、燃料電池3へ水素ガスが送り込まれるようになっている。
【0019】
空気供給ファン4は、空気取入口13から筺体1内に空気を取り込むと共に、燃料電池3へ供給する働きをする。
制御装置5は、例えば燃料電池3へ供給する水素ガス流量の制御や、空気供給ファン4の送風量の制御等、ポータブル燃料電池システムの運転に関する種々の制御を司っている。
【0020】
触媒燃焼器6は、燃料電池3内に送り込まれた水素ガスで電気化学反応に供されなかった未反応水素を触媒燃焼する働きをする。
図2は、燃料電池3の分解斜視図であり、図3は、図2のX−X線断面における部分拡大図である。
燃料電池3は、図2に示すように、電池スタック30の上面37に水素分配マニホールド40を配設し、下面(図示せず)に水素回収マニホールド41を配設して組み立てられている。
【0021】
電池スタック30は、リン酸が含浸された電解質マトリックスの一方の側にアノード(図示せず)を配し他方の側にカソード(図示せず)を配したセル31と、左右方向に複数本の空気チャンネル33,…が、上下方向に複数本の水素チャンネル34,…がそれぞれ形成されたセパレータ板32とを交互に所定枚数(例えばセル31を30枚)前後方向に積層し、その両端を一対のエンドプレート35,35で押さえて構成されており、電池スタック30の左側面36及び右側面(図示せず)には、空気チャンネル33,…の端部開口が露出し、電池スタック30の上面37及び下面(図示せず)には、水素チャンネル34,…の端部開口が露出している。
【0022】
水素分配マニホールド40は、例えば尿素樹脂やメラミン樹脂等の耐熱性材料からなり、電池スタック30の上面37と同じ縦横寸法をした板状部材の下面中央部に、水素ガス流通空間となる凹部43が穿設された構成をしている。そして、凹部43内には、凹部43の底面40aと平行に仕切り板51が取り付けられている。なお、本実施形態においては、水素分配マニホールド40の外寸は、縦130mm×横120mm×高さ20mmとしている。
【0023】
また、前記凹部43の外周部42の左側面には、該外周部42を水平方向に貫通して凹部43と連通された水素導入口44が開設されており、水素導入口44と水素吸蔵合金タンク2の水素送出カプラー23とが水素供給管24(図1参照)によって連結され、凹部43内に水素ガスが導入されるようになっている。
仕切り板51は、水素分配マニホールド40と同様の耐熱性材料からなり、上記凹部43の縦横内寸と同じ縦横外寸をした板体の上面中央部に凹部52が穿設されている。そして、凹部52の底面51aには、4つの貫通孔54,…が仕切り板51を対角線方向に横切る線上に分散して開設されている。なお、本実施形態においては、仕切り板51の高さH(図3参照)は5mmとし、貫通孔54の直径は約3mmとしている。
【0024】
また、前記凹部52を囲む厚肉の外周土手部56の左側部分であって水素分配マニホールド40の水素導入口44と対応する位置には、仕切り板51を凹部43内に保持するための支持片55がはめ込まれている。この支持片55の高さは、凹部43の深さI(図2参照)と同じに設定されている。したがって、水素分配マニホールド40を電池スタック30に組み付けた状態では、支持片55の下端は電池スタック30の上面37と接しており、仕切り板51は、支持片55で支持されることによって、外周土手部56の上面と水素分配マニホールド40の凹部43の底面40aとが接するようになっている。また、支持片55の上端面及び仕切り板51の外周土手部56には切り欠き53が形成されており、水素導入口44から凹部52内に水素ガスが流入できるようになっている。
【0025】
なお、支持片55は、水素導入口44の、凹部43の側面45側の開口下部を蔽っており、水素導入口44から水素ガスが直接電池スタック30へ流れ込まないようになっている。
一方、水素回収マニホールド41は、上記の水素分配マニホールド40と同じ大きさ、同じ材質で構成されているが、水素回収マニホールド41の凹部(図示せず)内には、仕切り板51は取り付けられていない。また、水素回収マニホールド41の一側端には水素排出口(図示せず)が開設されており、この水素排出口に水素排出管(図示せず)を螺合して水素回収マニホールド41と触媒燃焼器6とを連結することにより、触媒燃焼器6内に未反応水素を導入させるようになっている。
【0026】
上記構成の燃料電池3においては、水素分配マニホールド40内の水素ガス流通空間が、図3に示すように、2つの空間61及び62に区画されている。即ち、水素分配マニホールド40の凹部43の底面40aと仕切り板51の凹部52の底面51a及び側面51bで囲まれた第2空間61、並びに水素分配マニホールド40の凹部43の側面45と仕切り板51の下面58と電池スタック30の上面37で囲まれた第1空間62である。そして、第2空間61内の水素ガスは黒塗り矢印Pで示すように、貫通孔54,…を通って第1空間62内へ導入される。
【0027】
第1空間62内では、水素ガスは、黒塗り矢印Pで示すように、水平方向に広がりながら下方へ流通し、各水素チャンネル34,…に導入される。したがって、仕切り板51における貫通孔54,…の開設位置及び第1空間62の高さTを適切に設定すれば、電池スタック30の上面37の全体にほぼ均一に水素ガスを分散させることができる。
【0028】
ここで、第1空間62の高さTの値は、水素分配マニホールド40の凹部43の深さIを変えなくても、仕切り板51の厚みHを変えることによって調節することができる。また、貫通孔54の個数や開設位置についても、仕切り板51の作製時に容易に調整することができるので、水素ガスを均一に分散させるための調整が容易である。
【0029】
本実施形態においては、4つの貫通孔54,…は、仕切り板51の対角線を4等分した位置に開設されているが(図4(a)参照)、貫通孔54の個数が4つの場合は、このような位置に開設するのが望ましい。また、第1空間62の高さTは、図3に示すように、それぞれの貫通孔54,…から放出された水素ガスの流れが第1空間62内の下方で十分に広がり、かつ、互いにその流れが重なったりせず、凹部43の側面45と衝突しないような値に設定することが、均一な水素ガスの分散を実現する上で望ましいと考えられる。
【0030】
なお、さらに良好な電池特性を得るためには、電池スタック30の体積Vと水素分配マニホールド40の第1空間62の容積Qとの比V/Qを、15以上40以下の範囲に設定するのがよいことが実験的に分かっているが、本発明によれば、上述したように、水素分配マニホールド40はそのままで、仕切り板51の厚みHを変化させるだけで、水素分配マニホールド40における第1空間62の深さTを変化させることができ、それに伴って、第1空間62の容積Qを変化させることができる。
【0031】
したがって、電池スタック30の体積Vが変化した場合においても、電池スタック30の体積Vと水素分配マニホールド40の第1空間62の容積Qとの比V/Qを、電池特性の向上に効果的な範囲(15以上40以下)に容易に調節することができる。
本発明の効果を確かめるために、水素分配マニホールド40の凹部43内に仕切り板を取り付けていない従来例の燃料電池(No.1)、並びに、水素分配マニホールド40の凹部43内に仕切り板51、仕切り板71、仕切り板81をそれぞれ取り付けた本発明例の燃料電池(No.4〜No.2)を作製し、各セル31,…の発電電圧を測定した。
【0032】
なお、実験で用いた電池スタック30はセル31(セル面積190cm2 )を30枚積層したものであり、電池運転温度を100℃に設定し、アノードガスとして純水素ガスを用いて燃料利用率90%、定格電流値19Aとした。
さらに、実験で用いた仕切り板51、仕切り板71及び仕切り板81は、すべて同じ大きさであるが、それぞれ仕切り板に対する貫通孔の個数及び開設位置が異なっており、以下のような形状をしている。即ち、仕切り板51は、図4(a)に示すように、対角線の交点G1と端点G2とを結ぶ線分の中点に、それぞれ直径約3mmの貫通孔54が開設されている。また、仕切り板71は、図4(b)に示すように、対角線の交点G1と端点G2とを結ぶ線分を六等分する位置で交点G1寄りに、それぞれ直径約3mmの貫通孔72が開設されている。また、仕切り板81は、図4(c)に示すように、対角線の交点に直径約6mmの貫通孔82が開設されている。
【0033】
【表1】
その結果を表1に示すが、表1における最低値は30枚のセル31,…の各発電電圧での最低値を示したものである。その結果、以下のことがわかる。
負荷100%時、負荷50%時いずれの場合においても、本発明例の燃料電池No.2〜No.4は、従来例の燃料電池No.1と比べて、発電電圧の平均値と最低値との差が小さくなっている。これは、本発明例の燃料電池No.2〜No.4においては、水素ガスの各セル31,…への分配が均一になされていることを示している。
【0034】
さらに、本発明例の燃料電池No.2〜No.4は、従来例の燃料電池No.1と比べて発電電圧の平均値自体も増大している。この結果も、本発明例の燃料電池No.2〜No.4において、各セル31,…への水素ガスの分配が均一になされていることを裏付けている。
また、従来例の燃料電池No.1では、負荷100%時に比べて負荷50%時において発電電圧の平均値と最低値の差が大きいことから、低負荷時に水素ガスの分配が特に不均一となりやすいことがわかるが、本発明例の燃料電池No.2〜No.4では、負荷50%時における発電電圧の最低値が従来例の燃料電池No.1のそれと比べて40〜50mVも増大しており、低負荷時における水素ガスの均一分配性に大きな効果があることがわかる。
【0035】
さらに、本発明例の各燃料電池No.2〜No.4を比較してみると、燃料電池No.4において、セル31,…の発電電圧の平均値が最大で、しかも平均値と最低値との差が最小となり、最も水素ガスの均一分配性に効果があった。また、2番目に水素ガスの均一分配性に効果があるものは燃料電池No.3であり、3番目は燃料電池No.2であった。このことから、仕切り板に開設する貫通孔の個数は1個よりも複数個の方がよく、しかも開設位置は仕切り板全体にわたった方が水素ガスの均一分配性により効果的であることがわかる。
【0036】
なお、本実施形態においては、仕切り板51,…に開設する貫通孔54の個数を1個または4個としたが、これに限られることはなく、仕切り板51の大きさや電池スタック30の大きさ、水素ガスの流量やその勢い等に基づいて、最適の効果が得られるように設定すればよい。
また、水素分配マニホールド40の凹部43内に仕切り板51を取り付ける際、凹部43の底面40aと仕切り板51の外周土手部56との間を、例えばフッ素ゴム等の耐熱性、耐化学薬品性に優れた材料を用いてパッキングすることも可能である。
【0037】
さらに、仕切り板を、複数個の貫通孔が開設された平面状薄板によって構成し、その端縁部と水素分配マニホールド40の凹部43の側面45とを例えば溶接等により固着しても、仕切り板を凹部43内に保持させることができ、水素分配マニホールド40内の水素ガスの流通空間を第1空間と第2空間に区画することができるので、その場合にも同様の効果を奏する。
【0038】
また、本実施形態においては、リン酸型燃料電池を用いたが、これに限られることはなく、例えば、固体高分子型燃料電池であってもよいし、ポータブル電源用の小型の燃料電池に限らず、外部マニホールド方式の燃料電池であれば、一般的に適用することができる。
【0039】
【発明の効果】
上述のように、請求項1記載の発明によれば、アノードガス分配マニホールド自体の設計は変更することなしに、アノードガス分配マニホールドの中に仕切り板を取り付けるだけで、アノードガスの分配を均一化することができる。しかも、仕切り板の作製を比較的容易に行うことができ、構成が簡単であるため、小型の燃料電池の場合でも容易に作製することができる。そして、アノードガスの分配を均一にすることによって、燃料電池としての発電特性を向上させることができる。また、電池スタックにおける各セルの発電電圧のばらつきを抑えることができるので、一部のセルが他のセルに比べて早く劣化したりするのを防ぐことができ、燃料電池の寿命特性の向上にもつながり、経済的な効果が大きい。さらに、1つの形状の外部マニホールドを複数の電池スタックに併用することも可能であり、燃料電池の発電特性を優れたものとすることができる。
【0040】
その上、請求項2記載の発明によれば、仕切り板には2個以上の貫通孔が均一に分散して開設されている。したがって、アノードガスはより均一に各セルへ分配供給されるため、より効果的に燃料電池の発電特性を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るポータブル燃料電池システムの全体斜視図である。
【図2】本発明に係る燃料電池の分解斜視図である。
【図3】図3のX−X線断面における部分拡大図である。
【図4】(a)仕切り板51の斜視図である。(b)仕切り板71の斜視図である。(c)仕切り板81の斜視図である。
【符号の説明】
3 燃料電池
30 電池スタック
31 セル
32 セパレータ板
33 空気チャンネル
34 水素チャンネル
40 水素分配マニホールド
41 水素回収マニホールド
44 水素導入口
51 仕切り板
54 貫通孔
61 第2空間
62 第1空間
Claims (2)
- 電解質層を介してアノードとカソードが配されたセルと、両面にアノードガスチャンネル及びカソードガスチャンネルがそれぞれ形成されたセパレータ板とを交互に複数枚積層した電池スタックの前記アノードガスチャンネルのアノードガス流入側端部開口が露出する表面に外部マニホールドが冠着された燃料電池において、
前記外部マニホールドは、該外部マニホールドの内壁と電池スタック表面との間のアノードガス流通空間に、アノードガス流通方向と交差する方向に仕切り板が設置され、該アノードガス流通空間が前記仕切り板によって、前記電池スタック表面側の第1空間と、前記外部マニホールドへアノードガスを供給するアノードガス入口部を含む第2空間とに仕切られ、
前記仕切り板は、前記アノードガス流通空間をアノードガス流通方向に対して位置調節して前記第1空間の容積Qを規定することによって、前記電池スタックの体積Vと前記第1空間の容積Qとの比V/Qが15以上40以下となるように設置位置を選定することが可能であり、
前記仕切り板の主面には、1個または2個以上の貫通孔が開設され、該貫通孔を通じてアノードガスが、前記第2空間から第1空間へ流通する構成であることを特徴とする燃料電池。 - 前記仕切り板には、
2個以上の貫通孔が、該仕切り板の主面全体にわたってほぼ均一となるように、分散して開設されていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池。
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