JP4424863B2 - 燃料電池 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の各セルに改質ガスを均一に分配供給できるようにした燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、通常炭化水素系の原燃料ガスを改質器で水素リッチガスに改質し、この改質ガスを燃料電池の燃料極に供給すると共に、外部から取り込んだ空気を空気極に供給し、固体高分子等からなる電解質膜を介して燃料極の水素ガスと空気極の酸素ガスとにより電気化学反応が生じて電力と水とを生成する。
このような燃料電池は、例えば図５に示すように電解質膜Ａの一方の面に燃料極Ｂ、他方の面に空気極Ｃを設けたセルＤを、セパレータＨを介して多数積層して積層体Ｅを形成し、この積層体Ｅの両端に締付板Ｆを当てて複数（図では４本）のタイロッドＧを挿通して締め付け一体化してなる構成のものが知られている。
【０００３】
前記燃料極Ｂ（空気極Ｃも同様であるが）は、通常複数の溝（ガス通路）を形成した板状のセパレータＨを介して改質ガスが供給され、このセパレータＨは例えば図６に示すように一方の端部にガス供給用のマニホールドＩが前記各溝に連通状態で形成されると共に、このマニホールドＩの端部にガス供給口Ｊが設けられ、他方の端部にはガス排出用のマニホールドＫが各溝に連通状態で形成されると共に、このマニホールドの端部にはガス排出口Ｌが設けられている。従って、改質ガスはガス供給口Ｊからガス供給用マニホールドＩ内に流入し、このガス供給用マニホールドＩから各溝内を流れてガス排出用マニホールドＫ内に流入し、このガス排出用マニホールドＫからガス排出口Ｌを経て外部に排出される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記構成の燃料電池においては、電池性能上各セルＤの燃料極Ｂに改質ガスが均一に供給されることが要求されるが、その要求を満足できない問題があった。即ち、前記積層体Ｅでは、図７に模式的に示すように前記ガス供給口Ｊが連結してトンネル状の内部マニホールドＭが形成され、この内部マニホールドＭの一方の端部（入口側）から改質ガスが供給されることとなる。この場合、内部マニホールドＭ内に供給される改質ガスは、流速が徐々に弱まるため入口に近いセルＤほど多量の改質ガスが流れ込むが、入口から遠いセルＤほど改質ガスの流入量は減少する傾向がある。このため、各セルＤでの起電力にバラツキが生じて燃料電池の性能が低下してしまう。
【０００５】
このような問題を解決するため、従来例えば入口側マニホールドのガス導入部にガス拡散用空間とガス整流板を設け、各セルに改質ガスを供給するようにした燃料電池（特開平８−２９３３１８号公報）が知られている。又、燃料ガス流路溝の深さが入口側から出口側に向かって漸次浅くなるように形成すると共に、その燃料ガス流路溝に整流板を設けた燃料電池（特開平７−２８８１３３号公報）も開示されている。又、燃料ばかりでなく酸化剤の分配もカソード（空気極）反応への影響が大きく問題である。更に、冷却水の分配は温度分布の不均一化につながり、同様に問題であった。
【０００６】
しかしながら、このように改良された燃料電池では、構造の複雑化と構造部品の増加を招く難点がある。そこで、本発明は構造の複雑化を招くことなく、部品点数の増加を最小限に抑えながら各セルに改質ガスを均一に分配供給できるようにした燃料電池を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための手段として、本発明は、電解質膜の一方の面に燃料極、他方の面に空気極を設けたセルを、セパレータを介して多数積層することで積層体を形成し、この積層体内に燃料、酸化剤乃至冷却剤をセルに分配する供給マニホールド（以下、内部マニホールド）を設けてなる燃料電池において、前記積層体の少なくとも１つの内部マニホールド内を貫通する円筒乃至円柱状貫通材を有し、この円筒乃至円柱状貫通材と内部マニホールド内壁との間に隙間が存在し、前記円筒乃至円柱状貫通材が、前記積層体を締め付け一体化させる締付部材を構成するタイロッドの少なくとも１つであり、前記貫通材が内部マニホールドへのガス供給口と、各セルへのガス通路口との間に位置して、流路を狭くして整流する構成の燃料電池を要旨とする。
又、前記マニホールドがＬ字状で、その角隅部に貫通材を配置すること、
前記円筒乃至円柱状貫通材には多孔質体が巻かれており、この多孔質体により前記隙間を塞ぐこと、を特徴とするものである。
【０００８】
本発明では、積層体を締め付け一体化するタイロッドの役目を果たす円筒乃至円柱状貫通材を用いて内部マニホールドに供給されるガスの整流部材とすることから、構造が複雑になることはない。又、円筒乃至円柱状貫通材には多孔質体が巻かれており、この多孔質体で隙間を塞ぐことでガスの整流をより一層均一化することができる。更に、これらの手段により増加する部品点数は極めて少ない。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る燃料電池の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、燃料電池を模式的に示すもので、多数のセル１がセパレータ（図略）を介して積層されることで積層体２が形成され、この積層体２の両端に締付板３を当てて円筒乃至円柱状の貫通材４を含む複数のタイロッドにより締め付け一体化することで燃料電池５が構成されている。
【００１０】
この場合、図示は省略したが前記セル１は固体高分子電解質膜の一方の面に燃料極、他方の面に空気極が設けられ、これらの極にはセパレータを介して改質ガスの通路面（燃料室）と空気の通路面（空気室）とがそれぞれ気密に配設されている。又、複数のタイロッドについては、貫通材４以外の図示されていないタイロッドは通常は燃料電池５の四隅部を締め付けており、貫通材４は内部マニホールド６内を貫通しており、内部マニホールド６内に供給される改質ガスの整流部材としての役割を兼ねている。この貫通材４は、図３のように燃料電池５の隅部に位置させることも可能であり、その場合にはタイロッドの本数を増やさずに済む。
【００１１】
前記内部マニホールド６は、燃料電池５の内部を積層体２の厚さ方向に沿って貫通するように設けられて密封空間となっており、一方の端部にはガス供給口６ａが設けられ、側部は前記各セル１へのガス供給口即ち燃料極側セパレータ（図略）のガス通路口１ａに対面している。従って、前記ガス供給口６ａから内部マニホールド６内に供給される改質ガス（燃料）は、燃料極側セパレータのガス通路口１ａから各セル１に供給されることとなる。各セル１へのガス供給口として燃料極側セパレータのガス供給用マニホールド（図略）を用いるようにしても良い。その場合には、ガス供給用マニホールドを介して各セルに改質ガスが供給される。
【００１２】
各セル１に供給された改質ガスは、その改質ガス中の水素ガスと前記空気極に供給された空気中の酸素ガス（酸化剤）とで電解質膜を介して電気化学反応が生じ、電力と水とが生成される。各セル１で未反応に終わった改質ガスは、前記ガス排出用マニホールド内に流入すると共にガス排出口から排出される。排出された未反応改質ガスは、前記改質器のバーナに送り込んで燃焼させる。
【００１３】
前記貫通材４は、図２に模式的に示すように内部マニホールド６へのガス供給口６ａと、内部マニホールド６から前記各セル１へのガス通路口１ａとの間に位置して仕切るように配置され、この貫通材４と内部マニホールド６との間には貫通材４の長さ方向に沿って両側に適宜の隙間が生じるようにしてある。
【００１４】
このように構成された本発明による燃料電池５は、内部マニホールド６内に改質ガスが供給されると、貫通材４で流路が狭められていることから整流され、そのため内部マニホールド６内でのガス拡散が促され、各セル１へのガスの分配供給が均一化される。即ち、この場合にはガス供給口６ａに近いセルと遠いセルとで、改質ガスの供給量に差が生じることはなく、各セル１での起電力にバラツキが生じることなく燃料電池５の性能を向上させることができる。貫通材４によるガス整流作用は、貫通材４の片側のみに隙間を設けて実施することも可能である。
【００１５】
図４は、本発明の他の実施形態における円筒乃至円柱状の貫通材を示すもので、その貫通材４の外周面に多孔質体７を巻き付けた例である。多孔質体７としては、例えば網状物、小孔状物、ポーラス状物等が使用でき、改質ガスは高温であるため例えばレーヨン樹脂／ポリエステル樹脂、アラミド樹脂／ポリエステル樹脂等
耐熱性のものが好ましい。
【００１６】
この多孔質体７を巻き付けた貫通材を用いて、前記内部マニホールド６との隙間を塞ぐように構成すれば、その多孔質体７によって更にガス拡散を増大させることで各セル１へのガスの分配をより一層均一化させることができる。以上燃料として改質ガスを一例として述べたが、水素やメタノール等の燃料に対しても有効である。又、空気（酸化剤）や冷却水（冷却剤）に対しても同様の効果が得られる。
【００１７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、燃料電池の内部マニホールドに供給された改質ガスが各セルへ分配される前に円筒乃至円柱状貫通材により整流されるように構成したので、構造の複雑化を招くことなく且つ部品点数の増加を抑えながら各セルに燃料、酸化剤乃至冷却剤を均一に分配供給することが可能となり、その結果各セルでバラツキが生じることなく安定した発電が行われ、燃料電池の性能を向上させる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池の実施形態を模式的に示す説明図
【図２】同、側面から見た略示説明図
【図３】本発明の他の実施形態における側面から見た略示説明図
【図４】本発明の他の実施形態における貫通材の断面図
【図５】燃料電池の構成例を示す説明図
【図６】セパレータの一例を示す説明図
【図７】従来例における各セルへの改質ガス供給状態を模式的に示す説明図
【符号の説明】
１…セル
１ａ…ガス通路口
２…積層体
３…締付板
４…貫通材
５…燃料電池
６…内部マニホールド
６ａ…ガス供給口
７…多孔質体

Claims (3)

  1. 電解質膜の一方の面に燃料極、他方の面に空気極を設けたセルを、セパレータを介して多数積層することで積層体を形成し、この積層体内に燃料、酸化剤乃至冷却剤をセルに分配する供給マニホールド（以下、内部マニホールド）を設けてなる燃料電池において、前記積層体の少なくとも１つの内部マニホールド内を貫通する円筒乃至円柱状貫通材を有し、この円筒乃至円柱状貫通材と内部マニホールド内壁との間に隙間が存在し、前記円筒乃至円柱状貫通材が、前記積層体を締め付け一体化させる締付部材を構成するタイロッドの少なくとも１つであり、前記貫通材が内部マニホールドへのガス供給口と、各セルへのガス通路口との間に位置して、流路を狭くして整流することを特徴とする燃料電池。
  2. 前記マニホールドがＬ字状で、その角隅部に貫通材を配置することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
  3. 前記円筒乃至円柱状貫通材には多孔質体が巻かれており、この多孔質体により前記隙間を塞ぐ請求項１又は２記載の燃料電池。
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