JP3787118B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池に係り、さらに詳細には、例えば燃料電池において生成した水によって一部の空気流路に液詰まり等が生じた場合に、上記液詰まりを能動的に解消可能な燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池本体は、電解質板，高分子電解質膜，固体高分子電解質膜等の電解質層を、燃料極と空気極との間に配置した構成のセルと、両面に反応ガスの供給流路としての溝を形成した構成のセパレータとを交互に積層したスタック構成を有している。
【０００３】
そして、前記各セルと各セパレータとを積層した構成の燃料電池本体に積層方向に連通したマニホールドを備え、このマニホールドと各セルへの供給路とを接続した構成において、各セルに対して反応ガスをほぼ均等に配分するために、前記マニホールドに対する反応ガスの入流側から離れるに従って前記マニホールドの流路面積を漸減する構成が採用されている（例えば特許文献１）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−１９９５５２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述のごとき従来の構成においては、燃料電池における各セルに対して反応ガスをほぼ均等に配分し、各セルにおいて発電を行うことができるものの、例えば反応によって生成した水により反応ガスの供給流路の一部に液詰まりを生じると、反応ガスの流量の偏りが大きくなり、前記液詰まりを生じたセルにおいては発電できなくなることがある。すなわち、燃料電池として出力が不安定になることがある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述のごとき従来の問題に鑑みてなされたもので、一対の流路板間に電解質膜を挟み込んだ構成のセルにおける前記流路板に備えたメイン流路又は積層した複数のセルに対して流体を供給するためのメイン流路から複数に分岐した各分岐流路に流体を供給する構成の燃料電池において、前記各分岐流路の上流側に絞りを設け、前記メイン流路、前記分岐流路及び前記絞りは、それらが固定壁面で構成され、その中の流体の流れが層流であって、入口側と出口側の流量が等しいモデル流路であると仮定した場合に、前記入口側においての圧力をＰ１，前記分岐流路の入口での圧力をＰ２，前記出口側での圧力をＰ３とすると、Ｐ１−Ｐ２＞０．５（Ｐ２−Ｐ３）の関係を保持するように構成してあることを特徴とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明の実施形態について説明するに、先ず、理解を容易にするために、燃料電池の全体的構成について概略的に説明する。
【００１１】
図７に示すように、一般的なＤＭＦＣ（ダイレクトメタノール型燃料電池）のセル５１は、電解質膜５３を一対の流路板（セパレータ）５５，５７によって挟み込んだ構成である。より詳細には、前記電解質膜５３の表裏両面には、触媒層とカーボンペーパで構成された電極５９が接合されている。また、前記電解質膜５３の表裏両面には、前記電極５９を囲繞してパッキン６１が配置されている。そして、前記一対の流路板５５，５７が前記電解質膜５３を挟み込む側の面には流路６３となる溝が形成してある。
【００１２】
上記構成において、前記電解質膜５３の表裏両面にパッキン６１を配置し、かつ一対の前記流路板５５，５７によって前記電解質膜５３を挟み込み、締付機構（図示省略）によって締付けることにより、前記セル５１が構成されるものである。
【００１３】
そして、一方の流路板５５に備えた燃料入口５５Ａから前記流路６３へ燃料（メタノール水溶液）を供給し、他方の流路板５７に備えた空気入口５７Ａから前記流路６３に空気を供給することにより、燃料と酸化剤としての酸素との反応により電気エネルギーとして電力を取り出すことができるものである。また、前記流路板５５の燃料出口５５Ｂからは、未反応のメタノール、水、炭酸ガス等が排出され、前記流路板５７の空気出口５７Ｂからは未反応の空気及び水等が排出されるものである。
【００１４】
ところで、実用的には、図８に示すように、前記セルを複数積み重ね、両側に配置したプレート６５を締付具６７により締付けてスタック構造にして用いるのが一般的である。
【００１５】
本発明は、上述したような燃料電池構造における流路板およびその入口付近の形状に関するものである。
【００１６】
さて、図１を参照するに、スタック構造の燃料電池におけるセルを構成する流路板（セパレータ）１（前記流路板５５，５７に相当する）には、反応ガスの入口３に連通したメイン流路（マニホールド）５として幅広の溝が形成してあると共に、前記メイン流路５に分岐接続した複数の同一長さの分岐流路７が並列して設けてある。上記各分岐流路７は、断面積を小さくした絞り９を介して前記メイン流路５に接続してあり、各分岐流路７の排出側は出口１１に連通した排出マニホールド１３に連通してある。
【００１７】
より詳細には、前記入口３，メイン流路５，各分岐流路７，排出マニホールド１３及び出口１１は、ほぼ同一幅，ほぼ同一深さの溝に形成してあり、前記各絞り９は、前記各分岐流路７に比較して微細なスリット状に形成してある。
【００１８】
そして、前記各絞り９は、前記メイン流路５から各分岐流路７に流体を流した場合における各絞り９での圧力損失が、各絞り９以降の各分岐流路内での圧力損失よりも大きくなるように構成してある。すなわち、前記入口３においての圧力をＰ１、各分岐流路７の入口での圧力Ｐ２、前記出口１１においての圧力をＰ３とすると、正常な常態においてはＰ１−Ｐ２＞０．５（Ｐ２−Ｐ３）の関係を保持するように構成してある。ここで、前記絞り９の前後の圧力損失（圧力降下）及び前記分岐流路７の出口１１に至る圧力損失の関係を模擬的に示すと、図２に示すようになる。
【００１９】
前述のごとき構成において、スタック構造の燃料電池における各セルに対して入口３から反応ガスの供給を行うと、各分岐流路７に対して反応ガスがほぼ均等に分配され、反応により生成した水による液詰まりが発生しない常態においては、図２（Ａ）に示すように、絞り９の前後の圧力損失（Ｐ１−Ｐ２）は、分岐流路７の出口１１に至る圧力損失（Ｐ２−Ｐ３）の０．５倍よりも大きく維持されている。そして、前記各分岐流路７における反応ガスの流量は、図３（Ａ）に示すように、各分岐流路７において僅かなばらつきはあるものの、ほぼ均一な流量となっている。
【００２０】
ここで、図２（Ｂ）に示すように、生成した水滴１５によって分岐流路７に液詰まりを生じると、この液詰まりを生じた分岐流路７に対する反応ガスの流量が減少すると共に、前記水滴１５と絞り９との間の圧力が上昇し、この圧力上昇によって前記水滴１５は出口１１方向へ移動され、前記水滴１５による液詰まりが能動的に解消されるものである。
【００２１】
すなわち、前記絞り９を備えることなくメイン流路５と各分岐流路７とを接続し、かつ各分岐流路７に反応ガスをほぼ均等に分配する構成とした場合において、一部の分岐流路７（ＮＯ２）に前述したごとき液詰まりを生じると、図３（Ｂ）に示すように、液詰りを生じた分岐流路７内の抵抗が大きくなり、当該分岐流路７の反応ガスの流量が大きく低下する。また、流路系全体の抵抗が増すこととなり、流路入口の圧力が高まり、流路抵抗の少ないその他の分岐流路７へ反応ガスが流れるので、他の分岐流路７の反応ガスの流路が僅かに増加する。そして、液詰まりを生じた分岐流路７における前記水滴１５と入口との間の圧力上昇を期待することができず、まして水滴１５を能動的に排出することは困難である。
【００２２】
ところが、前述のように、メイン流路５と各分岐流路７の入口との間にそれぞれ絞り９を設けた構成であって、しかも前記各絞り９の圧力降下幅（Ｐ１−Ｐ２）を、前記各絞り９以降の各分岐流路７の圧力損失（Ｐ２−Ｐ３）の０．５倍より大きく設けた流路構成においては、図３（Ｃ）に示すように、液詰りを生じた分岐流路７における反応ガスの流量減少が抑制されると共に、他の分岐流路７の流量変動も抑制されており、液詰まりを能動的に解消することができるものである。
【００２３】
また、各分岐流路７の入口部分に絞り９を設けた構成により、液詰りを生じた分岐流路７内における水滴１５と絞り９との間の圧力が上昇しても、この上昇した圧力が他の分岐流路７側へ逃げることを抑制でき、前記液詰り現象を効果的に解消し得るものである。したがって、流路における液詰りに起因する発電能力低下を防止でき、常に出力の安定した発電を行うことができるものである。
【００２４】
前述のごとき構成において、前記メイン流路５，各分岐流路７及び各絞り９は固体壁面のみで構成されており、その中を液体又は気体の流体が層流の状態での流れであって、入口側と出口側の流量が等しい（壁面を通じる流れがない）モデル流路を用い、このモデル流路の圧力損失の関係式が（Ｐ１−Ｐ２）＞０．５×（Ｐ２−Ｐ３）で表わされるとき、これと同様の形状の絞り及び流路を燃料電池流路に適用した場合、良好な性能が得られることを実験的に見いだした。
【００２５】
ここで、図４（Ａ）に示すように、絞り９及び分岐流路７を備えた同一流路構成において絞り９の大きさを３種類設け、（Ｐ１−Ｐ２）＝Ｋ（Ｐ２−Ｐ３）と表わした場合の係数Ｋと電圧の安定性との関係を調べたところ、図４（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）に示すごとき結果が得られた。
【００２６】
すなわち、Ｋ＜０．５（例えばＫ＝０．１）のときには、図４（Ｂ）に示すように、流路内の液詰りにより電圧が降下し、液詰まりが長時間に亘って解消されることがなく、燃料電池の実用上に問題がある。
【００２７】
Ｋ＝０．５のときには、図４（Ｃ）に示すように、液詰りによる電圧降下は時々発生するものの、液詰りの解消に伴って電圧は短時間で回復し、かつ前記電圧降下（△Ｖ）は実用上問題のない範囲におさまっている。
【００２８】
Ｋ＞０．５（例えばＫ＝１０）のときには、図４（Ｄ）に示すように、液詰りによる電圧降下は時々発生するものの、その電圧降下は微小であって実用上問題になるようなことのない範囲であり、望ましい状態である。
【００２９】
上記説明より理解されるように、絞り９の大小と電圧の安定性との間には前述したごとき関係があり、実用上問題のない電圧の変動幅（△Ｖ）が得られる絞り９の大きさのしきい値はＫ＝０．５である。したがって、（Ｐ１−Ｐ２）＞０．５×（Ｐ２−Ｐ３）の関係を満す絞りを設けることにより、流路内の液詰りを効果的に解消することができ、燃料電池の出力電圧の変動を実用上問題のない範囲に安定化できるものである。
【００３０】
図５は第２の実施形態を示すもので、流路板（セパレータ）１７にＳ字形状に形成した複数の分岐流路１９と、セパレータ１７の一端側に形成したマニホールド２１との接続部にそれぞれ絞り２３を形成し、かつ前記各分岐流路１９を、前記セパレータ１７の他端側に形成した出口２５に接続した構成である。この構成においても前記実施形態と同様の効果を奏し得るものである。
【００３１】
図６は第３の実施形態を示すものである。前記第１，第２の実施形態においては、流路板（セパレータ）１，１７に形成したマニホールド５，２１と各分岐流路７，１９との間に絞り９，２３を設けた構成の場合について説明したが、第３の実施形態においては、スタック構造の燃料電池において、各セル（図示省略）と交互に積層したセパレータ（流路板）２７とマニホールド２９との間の接続部分にそれぞれ絞り３１を設けた構成であり、この構成においても前述同様の効果を奏し得るものである。
【００３２】
ところで、前記説明においては、反応ガス（気体）の流れが水滴（液体）によって阻害される場合について説明したが、液体に気泡が混入したような場合にも適用可能である。また、絞りを設ける位置としては、マニホールドと各分岐流路の入口との間に絞りを配置した場合について例示したが、反応ガスが反応して水を生成する部分よりも上流側であれば、任意の位置に絞りを配置することが可能である。
【００３３】
【発明の効果】
以上のごとき説明より理解されるように、本発明によれば、燃料電池において、生成した水によって反応ガスの流路に液詰まりが生じたような場合であっても、上記液詰まり現象を能動的に解消可能であって、常に出力が安定な発電を行うことができ、前述したごとき従来の問題を解消し得るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る流路板（セパレータ）の説明図である。
【図２】液詰まり現象が生じる前の常態の流路の圧力変化及び液詰まり現象が生じた場合の流路の圧力変化を示す説明図である。
【図３】１つの分岐路に液詰りを生じたときの各分岐流路における反応ガスの流量変化を示す説明図である。
【図４】絞りの大きさと液詰りによる電圧変動との関係を示した説明図である。
【図５】第２の実施形態に係る流路板の説明図である。
【図６】第３の実施形態に係る絞り配置例の説明図である。
【図７】燃料電池を構成する一般的なセルの全体的構成を示す構成説明図である。
【図８】セルを積み重ねた状態のスタック構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
１，１７，２７ 流路板（セパレータ）
３ 入口
５ メイン流路（マニホールド）
７，１９ 分岐流路
９，２３，３１ 絞り
１１，２５ 出口
１３ 排出マニホールド
１５ 水滴
２１，２９ マニホールド

Claims (3)

1. 一対の流路板間に電解質膜を挟み込んだ構成のセルにおける前記流路板に備えたメイン流路又は積層した複数のセルに対して流体を供給するためのメイン流路から複数に分岐した各分岐流路に流体を供給する構成の燃料電池において、前記各分岐流路の上流側に絞りを設け、前記メイン流路、前記分岐流路及び前記絞りは、それらが固定壁面で構成され、その中の流体の流れが層流であって、入口側と出口側の流量が等しいモデル流路であると仮定した場合に、前記入口側においての圧力をＰ１，前記分岐流路の入口での圧力をＰ２，前記出口側での圧力をＰ３とすると、Ｐ１−Ｐ２＞０．５（Ｐ２−Ｐ３）の関係を保持するように構成してあることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、前記流路板には複数の分岐流路が形成されており、かつメイン流路と前記各分岐流路を接続したそれぞれの絞りが前記流路板に形成してあることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１に記載の燃料電池において、積層した複数の各流路板とメイン流路との間にそれぞれ絞りを設けたことを特徴とする燃料電池。

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