JP4872918B2 - 燃料電池スタックの流体通路構造 - Google Patents

Description

この発明は、燃料電池スタックの各燃料電池に燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水等の流体を分配するための流体通路の構造に関する。

多数の燃料電池を積層した燃料電池スタックにおいては、燃料ガス等の流体をスタックの各燃料電池に均等に分配し、各燃料電池から均等に排出させることが重要である。各燃料電池は、セル本体とその両側に積層されたセパレータからなる。セパレータにはセル本体に臨むセル内流体通路が形成される。さらに、流体をセル内流体通路に分配する内部マニホールドと、セル内流体通路から流出する流体を集合させる別の内部マニホールドとが燃料電池の積層方向、すなわち燃料電池スタックを縦断する方向に貫通する。
発明者らの研究によれば、燃料電池スタックの外側に開口する内部マニホールドの端部に直交方向から流体を供給すると、内部マニホールドの上流部の横断面内に大きな圧力偏差が発生する。この圧力偏差のために、各燃料電池の流体通路への流体の供給流量が内部マニホールドの上流部では少なく、内部マニホールドの比較的下流の部分で多くなるという偏りが生じる。
一方、燃料電池スタックにおける流体分配の偏りの修正に関して、以下のような様々な提案がなされている。
すなわち、日本国特許庁が２００２年に発行したＪＰ２００２−２５２０２１Ａはマニホールドの内周から適宜の隙間を空けて円柱状の貫通体を配置し、マニホールドに流入した流体を円柱状の貫通体により整流した後スタックに供給することを提案している。日本国特許庁が２００４年に発行したＪＰ２００４−２５９６３７Ａは、マニホールドに整流板を備えた導入流路を接続することを提案している。ＪＰＨ０６−３１４５７０Ａは、マニホールドと流体通路の間に多孔材を配置することにより流体を整流することを提案している。

ＪＰ２００２−２５２０２１Ａの提案は、マニホールド内に円柱状の貫通体を挿入し、貫通体とマニホールドの内周との間に流体の流れる隙間を確保する必要がある。したがって、マニホールドが大型化することは避けられない。ＪＰ２００４−２５９６３７Ａ 及び ＪＰＨ０６−３１４５７０Ａの提案は、整流板や多孔材を用いることでマニホールドの構成部品の数が増加するとともに、整流板や多孔材が流体の流通抵抗となり、圧力損失をもたらすという問題がある。
この発明の目的は、したがって、流体の分配や流体の流出に偏りを生じさせない燃料電池スタックのマニホールドの構造を、簡易かつコンパクトな構造のもとで実現することである。
以上の目的を達成するために、この発明は、複数の燃料電池の積層体の内側に積層方向に形成された内部マニホールドと、内部マニホールドに流体を供給する外部流体通路とを備え、各燃料電池が内部マニホールドに直交方向から接続されるセル内流体通路を備え、外部流体通路が内部マニホールドの一端に直交方向から接続される燃料電池スタックの流体通路構造において、流体通路から内部マニホールドに流入する流体のエネルギーを用いて、内部マニホールド内に旋回流を生起するように流体通路を内部マニホールドに接続する接続部、を備えている。
この発明の詳細並びに他の特徴や利点は、明細書の以降の記載の中で説明されるとともに、添付された図面に示される。

ＦＩＧ．１はこの発明による流体通路構造を備えた燃料電池スタックの一部切欠を含む斜視図である。
ＦＩＧ．２はＦＩＧ．１に類似するが外部マニホールドを外した状態を示す。
ＦＩＧ．３はこの発明によるセパレータの正面図である。
ＦＩＧ．４は燃料電池スタックの概略水平断面図である。
ＦＩＧ．５はこの発明による外部マニホールドの正面図と垂直断面図の複合図である。
ＦＩＧ．６は流線の交角αを説明するセパレータ要部の拡大正面図である。
ＦＩＧ．７はＦＩＧ．５に類似するが、この発明の第２の実施例を示す。
ＦＩＧ．８はＦＩＧ．６に類似するが、この発明の第３の実施例を示す。
ＦＩＧ．９はこの発明の第３の実施例による外部流体通路と内部マニホールドとの接続部の概略構成図である。
ＦＩＧ．１０はＦＩＧ．６に類似するが、この発明の第４の実施例を示す。
ＦＩＧ．１１はＦＩＧ．９に類似するが、この発明の第４の実施例を示す。
ＦＩＧ．１２はＦＩＧ．９に類似するが、この発明の第５の実施例を示す。
ＦＩＧ．１３はこの発明の第５の実施例による渦流の発生を説明する、外部流体通路と内部マニホールドとの接続部の概略構成図である。
ＦＩＧ．１４は流線の交角αをゼロとした従来の流体通路構造によるセル内流体通路の流量に関して、発明者らが行ったシミュレーション結果を示すダイアグラムである。
ＦＩＧ．１５はこの発明による流体通路構造のセル内流体通路の流量に関して、発明者らが行ったシミュレーション結果を示すダイアグラムである。
ＦＩＧ．１６は流線の交差角αをゼロとした従来の流体通路構造を説明する、外部マニホールドの正面図と垂直断面図との複合図である。
ＦＩＧｓ．１７Ａと１７Ｂは従来の流体通路構造における逆循環現象を説明する、燃料電池スタックの水平断面図と、内部マニホールド上流部の横断面内の流量分布を示すダイアグラムである。
ＦＩＧｓ．１８Ａと１８Ｂはこの発明による流体通路構造のもとでの流体の流れの状況を説明する、燃料電池スタックの水平断面図と、内部マニホールド上流部の横断面図である。
ＦＩＧ．１９はこの発明による外部流体通路、接続部及び内部マニホールドの、流体の流れの状況を説明する透視状態の斜視図である。

図面のＦＩＧ．１を参照すると、燃料電池スタックは、セル本体とセパレータからなる数多くの燃料電池を積層した３基のスタック本体１と、３個のスタック本体１に隣接する一対の外部マニホールド４Ａ，４Ｂと、スタック本体１と外部マニホールド４Ａ，４Ｂを収装するケース３と、を備える。各スタック本体１を構成する燃料電池はスタック本体１の両端に配置したエンドプレート２によって積層状態に保持される。一対の外部マニホールド４Ａ，４Ｂは３個のスタック本体１に燃料ガス、酸化剤ガス及び水を供給し、使用後の燃料廃ガス、酸化剤廃ガス及び余剰水を３基のスタック本体１から回収するために設けられる。
一方の外部マニホールド４Ａには余剰水分Ｆｗｅを排出する余剰水分排出管６、酸化剤ガスＦｏを供給する酸化剤ガス供給管８，及び燃料ガスＦｈを供給する燃料ガス供給管１０が接続される。もう一方の外部マニホールド４Ｂには水Ｆｗを供給する水供給管５、酸化剤廃ガスＦｏｅを排出する酸化剤廃ガス排出管７，及び燃料廃ガスＦｈｅを排出する燃料廃ガス排出管９が接続される。
ＦＩＧ．２を参照すると、各スタック本体１の一方のエンドプレート２の一端には、一方の外部マニホールド４Ａの余剰水分排出管６、酸化剤ガス供給管８、及び燃料ガス供給管１０にそれぞれ連通する３項の内部マニホールド１６が開口する。各スタック本体１のエンドプレート２のもう一端には、もう一方の外部マニホールド４Ａの水供給管５、酸化剤廃ガス排出管７、及び燃料廃ガス排出管９にそれぞれ連通する３個の内部マニホールド１６が開口する。このようにして、エンドプレート２の両端にはそれぞれ内部マニホールド１６の開口部が垂直方向に３個ずつ並んだ状態で形成される。
これらの内部マニホールド１６は外部マニホールド４Ａ，４Ｂ内に流体別に形成したスペース２０を介して対応する配管に接続される。
ＦＩＧ．４を参照すると、各内部マニホールド１６はスタック本体１を貫通して形成され、各内部マニホールド１６の末端はスタック本体１を挟んで外部マニホールド４Ａ，４Ｂと反対側に位置するエンドプレート２によって閉塞される。例えば酸化剤ガスＦｏの供給と、酸化剤廃ガスＦｏｅの排出に関しては、酸化剤ガス供給管８から外部マニホールド４Ａ内の酸化剤ガス用のスペース２０に酸化剤ガスＦｏが供給される。この酸化剤ガスＦｏは酸化剤ガス用のスペース２０から各スタック本体１の、図の上部に示される酸化剤ガス用の内部マニホールド１６に分配される。
ＦＩＧ．３を参照すると、この内部マニホールド１６は各燃料電池のセパレータ１４に形成されたセル内流体通路１５の一端に連通する。セル内流体通路１５のもう一端は、セパレータ１４の反対側の端部を貫通する内部マニホールド１６に直交方向から接続する。
各セパレータ１４においては、したがって、酸化剤ガスＦｏが図の右上の内部マニホールド１６からセル内流体通路１５に分配され、セル内流体通路１５において消費される。セル内流体通路１５の残存する酸化剤ガスは酸化剤廃ガスＦｏｅとして図の左下に開口する内部マニホールド１６に排出される。
再びＦＩＧ．４を参照すると、酸化剤廃ガスＦｏｅは図の下部に位置する内部マニホールド１６から外部マニホールド４Ｂの酸化剤廃ガス用のスペース２０に集められ、酸化剤廃ガス排出管７に排出される。
水Ｆｗの供給と余剰水Ｆｗｅの排出、燃料ガスＦｈの供給と燃料廃ガスＦｈｅの排出も、同様にスタック本体１に形成された専用の内部マニホールド１６と、外部マニホールド４Ａ，４Ｂに形成された専用のスペース２０を介して行われる。
次にＦＩＧ．５を参照して、スペース２０の形状を説明する。
外部マニホールド４Ｂに形成されるスペース２０は、酸化剤ガス供給管８から流入する酸化剤ガスを一時的に貯留する容積部２１と、容積部２１個の酸化剤ガスをスタック本体１の酸化剤ガス用の各内部マニホールド１６に分配する３本の外部流体通路２２とからなる。
３本の外部流体通路２２は、それぞれ内部マニホールド１６の接続部１６ａに内部マニホールド１６と直交する方向から接続される。この接続に際しては、外部流体通路２２から内部マニホールド１６に流入する酸化剤ガスが内部マニホールド１６の内部に旋回流を生成するような接続構造が適用される。
この実施例では、ＦＩＧ．６に示すように、内部マニホールド１６を扁平な矩形断面とし、外部流体通路２２をその中心線２２ｄとセル内流体通路１５の形成方向１５ｄとが所定の交差角αをなすように斜め上方から内部マニホールド１６に接続することで実現している。ここで、交差角αはゼロ度より大きく９０度より小さい値である。
内部マニホールド１６の内部に旋回流を形成するのは、次の理由による。
スタック本体１に供給される酸化剤ガスは内部マニホールド１６に高速で流入する。流入速度は最高で毎秒５０から１００メートルにも達する。
外部流体通路２２は内部マニホールド１６と直交する方向から接続部１６ａに接続されるため、ＦＩＧ．１６に示すように外部流体通路２２とセル内流体通路１５の形成方向１５ｄとの交差角αをゼロ度とすると、ＦＩＧｓ．１７Ａと１７Ｂに示すように、高速で流入した酸化剤ガスの流れは、接続部１６ａにおいて流れの方向を９０度変化させることで、曲がりの外側に大きく偏る結果、内部マニホールド１６の上流部のスタック本体１よりの壁面から剥離してしまう。その結果、内部マニホールド１６の上流部の横断面内に大きな圧力偏差が発生し、図に示すように低圧となるスタック本体１寄りの部分に下流の酸化剤ガスが逆流する逆循環現象が発生する。ＦＩＧ．１７Ｂは、内部マニホールド１６の最上流に位置する燃料電池のセル内流体通路１５の入口付近で切り取った、内部マニホールド１６の横断面内の酸化剤ガスの速度分布を示す。
逆循環現象が発生するような状況では、内部マニホールド１６の上流部に面したセル内流体通路１５の入口部は、内部マニホールド１６の下流部に面したセル内流体通路１５の入口部より低圧となる。この圧力差のために、内部マニホールド１６の上流部に面したセル内流体通路１５への酸化剤ガスの供給量は他のセル内流体通路１５より少なくなる。ＦＩＧ．１４はこうした状況のもとでの各燃料電池への酸化剤ガスの供給流量を比較した、発明者らのシミレーション結果を示す。図に示すように、スタック本体１を構成する各燃料電池間への酸化剤ガスの供給量に大きな偏りが生じている。
この発明による接続構造は、内部マニホールド１６の内部に旋回流を生成することで、内部マニホールド１６の横断面内における圧力偏差を少なくし、酸化剤ガスの流れの剥離や逆循環現象が生じないようにする。内部マニホールド１６の内部に旋回流を生成することを、別の言葉で表せば、内部マニホールド１６の酸化剤ガスの流れに横断方向の速度成分を持たせることである。
ＦＩＧｓ．１８Ａと１８Ｂ及びＦＩＧ．１９は、内部マニホールド１６を扁平な矩形断面とし、外部流体通路２２を所定の交差角αで内部マニホールド１６に接続した場合の、外部流体通路２２から接続部１６ａを介して内部マニホールド１６に至る酸化剤ガスの流れの様相を示す。これらは、発明者らのシミュレーションによる。
ＦＩＧ．１８ＢとＦＩＧ．１９に示すように、この構成のもとでは、接続部１６ａ及び内部マニホールド１６の上流部の横断面内に、２方向の旋回流が形成される。その結果、横断面内の圧力偏差が解消される。ただし、接続部１６ａが形成する旋回流の形成風向は２方向でなく、１方向でも良い。
この接続構造のもとで、内部マニホールド１６の内部に旋回流を生成すると、内部マニホールド１６の横断面内の圧力偏差が小さくなり、各セル内流体通路１５の入口部の圧力が小さくなる。その結果、ＦＩＧ．１５に示すように、スタック本体１を構成する各燃料電池への酸化剤ガスの供給量が均一化され、スタック本体１の発電効率を向上させることができる。
以上は、酸化剤ガスの供給に関して説明したが、この発明は燃料ガスや水の供給に関しても、同様の接続構造を適用することで好ましい効果が得られる。その場合には、外部マニホールド４Ａ，４Ｂ内に各流体専用のスペース２０を個別に形成し、スペース２０同士が干渉しないように配置する。
以上の実施例では、３つの接続部１６ａのすべてにおいて交差角αを同一としているが、これらは必ずしも同一でなくとも良い。好ましい交差角αの値は、流体の種類や速度、外部流体通路２２と内部マニホールド１６の形状と寸法などによって異なる。
旋回流を形成する接続構造については、上記の交差角αの設定に限らず、さまざまな構成が可能である。
ＦＩＧｓ．７−１３を参照して、接続構造についてのバリエーションを、この発明の異なる実施例として説明する。
ＦＩＧ．７を参照すると、この発明の第２の実施例による接続構造では、外部流体通路２２を斜め下方から接続部１６ａに接続することで交差角αを確保している。
ＦＩＧｓ．８と９を参照すると、この発明の第３の実施例による接続構造では、第２の実施例と同様に外部流体通路２２を斜め下方から交差角αのもとで接続部１６ａに接続するが、接続位置がＦＩＧ．７の実施例と異なる。第２の実施例においては、外部流体通路２２は扁平な矩形断面の接続部１６ａの底部に開口しているのに対して、この実施例では同様の形状の接続部１６ａの側面に外部流体通路２２が開口する。開口部１６ａの横の寸法をａ、縦の寸法をｂ、外部流体通路２２の通路幅をｃとすると、ａ＞ｃかつａ＞ｂとなるように開口部１６ａと外部流体通路２２の寸法を設定する。
ＦＩＧｓ．１０と１１を参照すると、この発明の第４の実施例による接続構造では、接続部１６ａを縦長の矩形断面に形成し、接続部１６ａの側面に斜め下方から外部流体通路２２を接続する。内部マニホールド１６の横断面も縦長の矩形断面とする。開口部１６ａの横の寸法をａ、縦の寸法をｂ、外部流体通路２２の通路幅をｃとすると、ｂ＞ｃかつｂ＞ａとなるように開口部１６ａと外部流体通路２２の寸法を設定する。
ＦＩＧｓ．１２と１３を参照すると、この発明の第５の実施例による接続構造では、扁平な矩形断面の接続部１６ａの偶部に側面に斜め下方から外部流体通路２２を接続し、外部流体通路２２の中心線が接続部１６ａの中心１６ｃを通るようにする。この接続構造においても、第１の実施例と同様、ＦＩＧ．１３に示すように、接続部１６ａ及び内部マニホールド１６の上流部の横断面内に、２方向の旋回流が形成される。
発明者らのシミュレーションによれば、以上のいずれの実施例による接続構造においても、内部マニホールド１６に旋回流を形成することができる。
２００５年１０月２７日を出願日とする日本国における特願２００５−３１２９９９号、の内容をここに引用により合体する。
以上のように、この発明をいくつかの特定の実施例を通じて説明して来たが、この発明は上記の各実施例に限定されるものではない。当業者にとっては、クレームの技術範囲でこれらの実施例にさよざまな修正あるいは変更を加えることが可能である。
例えば、以上の各実施例はいずれも所定の交差角αのもとで、外部流体通路２２を接続部１６ａに接続しているが、内部マニホールド１６の内部に旋回流を生成する接続構造として交差角αは不可欠の構造要件ではない。ＦＩＧ．１６の従来技術と同様に交差角αがゼロ度の場合であっても、例えば接続部１６ａの横断面を正方形に形成し、横断面の中心線からオフセットした位置で外部流体通路２２を接続部１６ａに接続することにより、接続部１６ａ並びに内部マニホールド１６内に旋回流を形成することが可能である。
外部流体通路２２と内部マニホールド１６との接続構造はしたがって、流体力学的に内部マニホールド１６内に旋回流を生起し得るいかなる構造であっても良い。

以上のように、この発明は外部流体通路から燃料電池スタックの内部マニホールドに流入する流体のエネルギーを用いて、内部マニホールド内に旋回流を生起する。したがって、コンパクトな構造により、内部マニホールドの横断面内の圧力偏差を小さくし、内部マニホールドからセル内流体通路への流体の分配を均一化することがてきる。そのため、自動車用燃料電池システムへの適用において特に好ましい効果が得られる。

Claims (10)

1. 複数の燃料電池の積層体の内側に積層方向に形成された内部マニホールド、各燃料電池は内部マニホールドに直交方向から接続されるセル内流体通路を備える、と、内部マニホールドに流体を供給する外部流体通路、外部流体通路は内部マニホールドの一端に直交方向から接続される、とを備えた燃料電池スタックの流体通路構造において：
   外部流体通路から内部マニホールドに流入する流体のエネルギーを用いて、内部マニホールド内に旋回流を生起するように外部流体通路を内部マニホールドに接続する接続部、を備えたことを特徴とする燃料電池スタックの流体通路構造。
2. 請求の範囲第１項の燃料電池スタックの流体通路構造において、接続部は内部マニホールドの横断面内に旋回流を形成することで、内部マニホールドの壁面からの流体の剥離を阻止するように構成される。
3. 請求の範囲第１項の燃料電池スタックの流体通路構造において、接続部は内部マニホールド内の流体の流れに逆循環現象が起こるのを阻止するように構成される。
4. 請求の範囲第１項の燃料電池スタックの流体通路構造において、接続部は内部マニホールドの流体の流れに、内部マニホールドの横断方向の速度成分を持たせるように構成される。
5. 請求の範囲第１項から第４項のいずれかの燃料電池スタックの流体通路構造において、接続部は、セル内流体通路の形成方向と外部流体通路とが内部マニホールドの中心軸方向から眺めた状態で所定の交差角をなすように、外部流体通路を内部マニホールドに接続するように構成される。
6. 請求の範囲第１項から第４項のいずれかの燃料電池スタックの流体通路構造において、接続部は、内部マニホールドの横断面の中心線からオフセットした位置で、外部流体通路を内部マニホールドに接続するように構成される。
7. 請求の範囲第１項から第４項のいずれかの燃料電池スタックの流体通路構造において、内部マニホールドの横断面は扁平な矩形断面に形成される。
8. 請求の範囲第１項から第４項のいずれかの燃料電池スタックの流体通路構造において、内部マニホールドの横断面は縦長の矩形断面に形成される。
9. 請求の範囲第１項から第４項のいずれかの燃料電池スタックの流体通路構造において、接続部は、内部マニホールド内に方向の異なるふたつの旋回流を形成するように構成される。
10. 請求の範囲第１項から第４項のいずれかの燃料電池スタックの流体通路構造において、燃料電池スタックは複数の積層体と、複数の積層体の外側に形成された外部マニホールドとを備え、外部流体通路は外部マニホールド内に形成された流体の貯留スペースと各積層体の内部マニホールドとを接続する、外部マニホールド内に形成された分岐通路で構成される。

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