JP4663623B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、反応ガス流路を形成した電池プレートに特徴を有する固体高分子型燃料電池に関する。

従来の固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の面にアノード（燃料極）を他方の面にカソード（酸化剤極）を配してなる単セルを、電池プレート（セパレータ）で挟み付けるようにして多数積層することで燃料電池スタックが形成されている。前記アノードに接する電池プレート面には燃料流路が形成され、カソードに接する電池プレート面には酸化剤流路が形成される。

電池プレートは、通常燃料（水素主体の改質ガス又は水素ガス）供給マニホールド、燃料排出マニホールド、酸化剤（空気又は酸素ガス）供給マニホールド、酸化剤排出マニホールドが前記燃料流路又は酸化剤流路と関連して形成されている。各マニホールドには供給口又は排出口が電池プレートを貫通して設けられ、これらの供給口又は排出口は燃料電池スタックにおいて積層方向に連通し、燃料供給路、燃料排出路、酸化剤供給路、酸化剤排出路をそれぞれ構成している（例えば、特開平９−９２３０８号公報）。

燃料電池スタックの燃料供給口に改質ガス等の燃料ガスが供給されると、この燃料ガスは前記燃料供給路を通過しながら各電池プレートの燃料供給マニホールドに分配供給され、その燃料供給マニホールドから燃料流路にそれぞれ供給される。これと同様に、燃料電池スタックの酸化剤供給路に空気等の酸化剤ガスが供給されると、この酸化剤ガスは前記酸化剤供給路を通過しながら各電池プレートの酸化剤供給マニホールドに分配供給され、その酸化剤供給マニホールドから酸化剤流路にそれぞれ供給される。

各電池プレートに分配供給された燃料ガスと酸化剤ガスとにより、前記固体高分子電解質膜を介して電気化学反応が起こり、起電力を生じる。これらの起電力を集めて燃料電池スタックから取り出し、ＤＣ／ＡＣインバータ等の電力変換装置で所望の電力に変換して使用に供される。

各電池プレートで未反応に終わった燃料ガスは、前記燃料排出マニホールドに排出され、燃料電池スタックの積層方向に連通する燃料排出路を経て外部に排出される。排出された未反応燃料ガスは、燃料改質装置の改質器バーナに導かれて燃焼される。一方、各電池プレートで未反応に終わった酸化剤ガスは、前記酸化剤排出マニホールドに排出され、燃料電池スタックの積層方向に連通する酸化剤排出路を経て外部に排出される。
特開平０９−０９２３０８号公報 特開平１１−３５４１４２号公報 特開２００１−１４３７４０号公報 特開２００１−２０２９８４号公報

上記のような従来の固体高分子型燃料電池においては、固体高分子電解質膜を湿潤状態に保持するため、反応ガスは燃料電池システム内に設けられた水タンクで加湿した後、加湿反応ガスとして燃料電池スタックに供給される。しかしながら、加湿反応ガス中の水分が凝縮することにより凝縮水が発生し、この凝縮水が電池プレートの反応ガス流路に付着すると、反応ガスの流れを阻害して発電性能を低下させる問題があった。図２に示すような従来構造の電池プレートであると、電池プレートＡの反応ガス排出口Ｂ（反応ガス排出路）が反応ガス流路Ｃの出口に位置しているため、排出口Ｂの下部に凝縮水Ｄが溜まって反応ガス流路出口を狭め、反応ガスの流れを阻害する事態が発生した。

本発明は、このような従来の事態に対処するためになされ、電池プレートの反応ガス排出口に溜まる凝縮水により、反応ガスの流れが阻害されないようにした固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明の手段は、請求項１に記載したように、電解質膜の一方の面に燃料極を他方の面に酸化剤極を配してなる単セルを、電池プレートを介して水平面に対して垂直状態で面方向に多数積層して燃料電池スタックを形成する燃料電池において、燃料または酸化剤のうち少なくとも一方の反応流体を供給する反応流体供給マニホールドと、前記反応流体を排出する反応流体排出マニホールドと、前記燃料電池スタックを冷却する冷却媒体を供給する冷却媒体供給マニホールドと、前記冷却媒体を排出する冷却媒体排出マニホールドと、前記反応流体供給マニホールドと前記反応流体排出マニホールドとの間に位置し、下部に前記反応流体供給マニホールドと連通する反応流体流路入口が形成され、上部に前記反応流体排出マニホールドと連通する反応流体流路出口が形成された反応流体流路と、前記反応流体排出マニホールドとの間に隙間を有して前記反応流体排出マニホールド内に設けられ、前記単セルの積層方向に貫通する燃料電池スタックの締付用タイロッドと、を有し、前記反応流体排出マニホールドは、前記反応流体流路の側方に形成され、前記反応流体流路出口よりも下方に延長形成されて下部に排出口を備え、前記排出口の上端は前記タイロッドよりも下方に位置することを特徴とするものである。

また、請求項２に記載したように、請求項１記載の燃料電池において、前記反応流体排出マニホールドは、鉛直方向の寸法が水平方向の寸法よりも大きく形成されることを特徴とするものである。

以上説明したように、本発明は、固体高分子型燃料電池の燃料電池スタックにおいて、電池プレートに設ける反応ガス排出マニホールドを反応ガス流路出口より下方に延長形成し、反応ガス流路出口より下方に燃料電池スタック外へ導く排出口を設けたので、反応ガス流路出口付近で生じる凝縮水を反応ガス排出マニホールドに沿って下方に移動させ、排出口の下端部に溜めることができる。この排出口は反応ガス流路出口より下方に位置しているため、凝縮水によって流路出口が狭められることはない。これにより、反応ガスの流れは阻害されず、発電性能を良好に保持する効果を奏する。特に電池プレートの反応ガス流路が横方向に蛇行する屈曲形態で、電池プレートの下部から上部に流す場合に反応ガス流路出口が反応ガス流路の上部にくるため、反応ガス排出口を反応ガス流路出口より下方向に電池プレートのスペースを有効利用しながら設置することができる。

次に、本発明に係る固体高分子型燃料電池（酸化剤マニホールドが横にある場合）の実施形態について添付図面により説明する。

図１において、１は電池プレートであり、その一面に複数並設された凹溝からなる酸化剤流路２が横向きに蛇行する屈曲形態に形成され、その下端部を流路入口２ａ、上端部を流路出口２ｂとしてある。電池プレート１の一方の側部には凹溝状の酸化剤供給マニホールド３が垂直方向に形成され、その上部には供給口３ａが電池プレート１を貫通して設けられている。この反応ガス供給マニホールド３は、下部において前記酸化剤流路２の流路入口２ａに連通している。電池プレート１の他方の側部には凹溝状の酸化剤排出マニホールド４が垂直方向に形成され、その下部には排出口４ａが電池プレート１を貫通して設けられている。この酸化剤排出マニホールド４は、上部において前記酸化剤流路２の流路出口２ｂに連通している。

前記酸化剤供給マニホールド３の供給口３ａ及び酸化剤排出マニホールド４の排出口４ａは、燃料電池スタックの積層方向に連通してそれぞれ酸化剤供給路、酸化剤排出路を構成する。これにより、燃料電池スタックの端部から酸化剤供給路に加湿酸化剤ガスが供給されると、この加湿酸化剤ガスは酸化剤供給路を通過しながら各電池プレート１の酸化剤供給マニホールド３に分配供給され、未反応に終わった酸化剤ガスは酸化剤排出マニホールド４に排出され、更に酸化剤排出路を通過して燃料電池スタックの端部から排気ガスとして外部に排出される。

電池プレート１の下部には、燃料排出口５及び冷却水供給口６が貫通して形成され、電池プレート１の上部には燃料供給口７及び冷却水排出口８が貫通して形成されている。これらは燃料電池スタックの積層方向にそれぞれ連通して燃料排出路、冷却水供給路、燃料供給路、冷却水排出路を構成する。電池プレート１の酸化剤流路２面と反対側の面には、図示は省略したが燃料流路が形成され、且つ前記燃料排出口５に関連する燃料排出マニホールドと、燃料供給口７に関連する燃料供給マニホールドとが設けられる。又、燃料電池スタック内には冷却用のプレートが介在されるが、この冷却プレートには前記冷却水排出口８に関連する冷却水排出マニホールドと、冷却水供給口６に関連する冷却水供給マニホールドとが設けられる。

前記電池プレート１の酸化剤供給マニホールド３に分配供給された加湿酸化剤ガスは、下端部の流路入口２ａから酸化剤流路２内に流入し、横に蛇行しながら流れて上端部の流路出口２ｂに至る。この電池プレート１の酸化剤流路２面は、前記のように固体高分子電解質膜のカソードに面接合しており、反対側の燃料流路面はアノードに面接合している。そして、燃料流路には前記燃料供給路から分配供給される燃料ガスが、燃料供給マニホールドを介して流れる。このようにして燃料ガスと酸化剤ガスとが電池プレート１に供給され、固体高分子電解質膜を介して電気化学反応が生じることにより直流電力が発電される。この発電時において、前記酸化剤流路２を流れる加湿酸化剤ガスは、特に流路出口２ｂ付近で水分が凝縮して凝縮水が発生することが多い。

凝縮により生じた凝縮水９は、流路出口２ｂ付近から酸化剤排出マニホールド４に沿って下方に移動し、排出口４ａの下端部に溜まる。排出口４ａの下端部に凝縮水９が溜まっても、この排出口４ａは酸化剤流路出口２ｂよりも下方に位置しているため、流路出口２ｂが凝縮水９によって狭められることはない。従って、酸化剤流路２を流れる酸化剤ガスの流れは阻害されず、発電性能を良好に保持することができる。

電池プレート１で未反応に終わった酸化剤ガスは、前記のように流路出口２ｂから酸化剤排出マニホールド４内に排出される。そして、排出口４ａ（酸化剤排出路）を経て燃料電池スタックの端部から外部に排出される。この未反応酸化剤ガスが排気口４ａを通過する際に、前記排出口４ａの下部に溜まっている凝縮水９を速やかに排除するため、多量の凝縮水が排出口４ａの下部に長時間滞留することない。従って、未反応酸化剤ガスの流れも凝縮水９によって阻害されることなく、前記のように酸化剤排出路を経て燃料電池スタックの外部に円滑に排出される。

ところで、酸化剤排出マニホールド４の一部を利用し、燃料電池スタックの締付用タイロッド１０を貫通させて設けることが可能である。この際、タイロッド１０と酸化剤排出マニホールド４との間にガスの流れる隙間を設けておく。この隙間によってガスの流れを絞ることで流速を速め、排出口４ａ下部に溜まる凝縮水９を短時間で排除することができる。

上記の実施形態では、電池プレートの酸化剤マニホールドが横方向に位置する場合について説明したが、電池プレートの燃料マニホールドが横方向に位置する場合にも同様に実施して効果をあげることが可能である。要するに、反応ガスが酸化剤ガスであっても燃料ガスであっても同様に適用することができる。

本発明に係る固体高分子型燃料電池の実施形態を示すもので、電池プレートの酸化剤流路面側の正面図である。 従来の固体高分子型燃料電池における電池プレートの酸化剤流路面側の正面図である。

符号の説明

１…電池プレート
２…酸化剤流路
２ａ…流路入口
２ｂ…流路出口
３…酸化剤供給マニホールド
３ａ…供給口
４…酸化剤排出マニホールド
４ａ…排出口
５…燃料排出口
６…冷却水供給口
７…燃料供給口
８…冷却水排出口
９…凝縮水
１０…タイロッド

Claims (2)

1. 電解質膜の一方の面に燃料極を他方の面に酸化剤極を配してなる単セルを、電池プレートを介して水平面に対して垂直状態で面方向に多数積層して燃料電池スタックを形成する燃料電池において、
   燃料または酸化剤のうち少なくとも一方の反応流体を供給する反応流体供給マニホールドと、
   前記反応流体を排出する反応流体排出マニホールドと、
   前記燃料電池スタックを冷却する冷却媒体を供給する冷却媒体供給マニホールドと、
   前記冷却媒体を排出する冷却媒体排出マニホールドと、
   前記反応流体供給マニホールドと前記反応流体排出マニホールドとの間に位置し、下部に前記反応流体供給マニホールドと連通する反応流体流路入口が形成され、上部に前記反応流体排出マニホールドと連通する反応流体流路出口が形成された反応流体流路と、
   前記反応流体排出マニホールドとの間に隙間を有して前記反応流体排出マニホールド内に設けられ、前記単セルの積層方向に貫通する燃料電池スタックの締付用タイロッドと、を有し、
   前記反応流体排出マニホールドは、前記反応流体流路の側方に形成され、前記反応流体流路出口よりも下方に延長形成されて下部に排出口を備え、
   前記排出口の上端は前記タイロッドよりも下方に位置することを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、
   前記反応流体排出マニホールドは、鉛直方向の寸法が水平方向の寸法よりも大きく形成されることを特徴とする燃料電池。
   

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