JP4993828B2 - 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、特に酸化ガス、燃料ガスおよび冷却水の供給の効率の向上に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池は、図12に示すように、電解質膜910の上下面に触媒を担持した電極911,912が形成された電池部91を積層するとともに、層間にセパレータ92,93を設けた積層体9aが本体部分となっており、セパレータ92,93の表面の流路溝921,922,931,932により、酸化ガス(以下、適宜、単にガスという)または燃料ガス(以下、適宜、単にガスという)または冷却水を流す流路942,952,962が形成される。そして、これらのガスを電池反応に供するとともに、発生した熱を冷却水により奪熱している。前記流路942〜962は、上流端および下流端で、前記積層体9aを貫通するマニホールドにより1本化している(特許第3029416号等)。マニホールドは流路942の上流端で接続するマニホールド941のみ図示している。
【0003】
燃料電池全体の効率を向上すべく、ガスや冷却水の供給効率を高めることが考えられる。特開2000−215904号公報には、電池セルの積層体をダクト内に格納し、マニホールドは電極のうち陽極に供給する燃料ガスの流路用のみ形成し、電極のうち陰極に供給する酸化ガスを、流路の上流端開口部と対向するダクトの入口から流路に供給するようにして、前記ハウジングをマニホールドとして機能せしめたものが提案されており、圧力損失の低減を図っている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特開2000−215904号公報記載の技術は、酸化ガスが電池セルの冷却用に膨大な量が流れ、積層体にマニホールドのスペースを確保することが困難な構成においてなされた特殊な技術であり、燃料ガスの流路については適用することができず、また、電池セルの積層体をダクト状のハウジング内に格納するという、大きな構造上の改変を伴う。
【0005】
また、前掲図12の構成において、流路942〜962では、流路壁面を介してガスを供給したり、冷却水が熱交換を行うため、要求される流路断面積はあまり大きくはないし、燃料電池の小型化の観点からも要求される流路断面積を満たしている限り、できるだけ小さい方が望ましい。しかし、流路断面積が小さいと、マニホールドと流路との接続部における圧力損失が大きくなり、結局、その分、ポンプに過剰な能力を強いることになる。かかる問題点に対しては、前記特開2000−215904号公報記載の技術では対応することができない。
【0006】
本発明は前記実情に鑑みなされたもので、簡単な構成でガスや冷却水の供給における圧力損失を低減することのできる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】
請求項1記載の発明では、電解質膜の両面に電極を形成してなる電池部を積層するとともに、層間にセパレータを設けた積層体を有し、セパレータの表面に形成した流路溝により酸化ガスまたは燃料ガスまたは冷却水を流す流路がそれぞれ形成され、複数の流路が、上流端および下流端で前記積層体を貫通するマニホールドにより1本化した燃料電池において、
前記マニホールドと前記流路との接続部を、前記積層体の積層方向に対向する二面のうち、少なくとも前記流路溝の底面側を傾斜させることにより、マニホールド側が拡径するテーパ形状とし、該テーパ形状により流路断面積が前記積層方向に変化するようにする。
【0008】
接続部をマニホールド側が拡径するテーパ形状とすることで、流路の断面積がガスや冷却水の流通方向に変化し、マニホールド側で大きくなる。したがって、ガスや冷却水の供給側のマニホールドと流路との接続部を前記テーパ形状とした場合には、ガスや冷却水の圧力がマニホールド側から徐々に低下していき、ガスや冷却水の排出側のマニホールドと流路との接続部を前記テーパ形状とした場合には、圧力が流路側から徐々に回復していく。急激な圧力変化を回避することで、圧力損失を低減することができる。
【0009】
また、接続部の形状の改変だけでよいから、構成が大がかりにならず簡単である。
【0010】
請求項2記載の発明では、請求項1の発明の構成において、前記接続部をR形状にマニホールド側が拡径する形状とする。
【0011】
マニホールド側から接続部にかけて、接続部から流路にかけて、それぞれ壁面が滑らかに連続するから、一層流路断面積が滑らかに変化し、さらに圧力損失を低減することができる。
【0012】
請求項3記載の発明では、請求項1または2の発明の構成において、マニホールド内にマニホールド壁面に沿って挿入された追加板を具備せしめ、該追加板には、前記流路を横切る位置にマニホールド側が拡径する孔を形成して、前記接続部となす。
【0013】
積層体の各層のそれぞれにおいてマニホールドと流路との接続部をテーパ形状とするには、例えばすべてのセパレータについて接続部がテーパ形状となるように加工を加える必要があるのに対して、マニホールドが共通の接続部の数だけ、追加板1つに孔を形成するだけでよいから、実施が容易である。
【0014】
請求項4記載の発明では、請求項3の発明の構成において、前記追加板を、断面コ字状板として、前記流路側のマニホールド壁面と当接する等幅帯状の本体部と、前記流路側のマニホールド壁面に連なる対向壁面と弾接する折り曲げ部とからなる構成とする。
【0015】
追加板の固定用の部材が不要なので、簡単に取り付けることができる。また、追加板以外は従来のものと同じものを用いることができ、部材の共通化を図ることができる。
【0016】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
図1(A)、図1(B)に本発明の第1実施形態になる燃料電池の断面を示し、図2に外観を示す。燃料電池は、その本体としての電池スタック1を有している。電池スタック1は、電池部2を積層するとともに、層間には二層構造のセパレータ31,32が設けられてなる積層体であり、電池部2をセパレータ31とセパレータ32とで挟んだ単セル11が各層で実質的に同じ構造を繰り返す。電池スタック1の全体形状は直方体である。電池部2は、電解質膜20の両面に、ガスが拡散可能な多孔質層等の構造を有する電極21,22を成膜した一般的な構造を有している。
【0017】
電池部2の電極21,22と対向するセパレータ31,32の表面には、流路溝311,321が形成されて、流路溝311により、酸素を含有する空気等の酸化ガスが電極21との間隙を流れる流路43が形成される。また、流路溝321により、水素を含有する水素リッチガス等の燃料ガスが電極22との間隙を流れる流路53が形成される。流路43,53を流通するこれらのガスは、電極21,22の表面の、セパレータ31,32とは非接触の部分から電極21,22内に拡散し、電池反応に供される。電極21,22と対向するセパレータ31,32の表面は、流路溝311,321の段上面にて対向する電極21,22と密着し、該電極21,22とセパレータ31,32とが導通するようになっている。
【0018】
密着対向するセパレータ31,32の対向面にも流路溝312,322が形成され、これにより、電池反応で発生する熱の放熱用の冷却水が流れる流路63が形成される。
【0019】
電池スタック1の辺縁部は、電極21,22が非形成で、ここには、積層方向に電池スタック1を貫通して、流路43,53,63を1本化するマニホールド41,45,51,55,61,65が形成してある。マニホールド41〜65は、酸化ガス、燃料ガスおよび冷却水用にそれぞれ、供給側と排出側との1対ずつ形成され、供給側のマニホールド41,51,61は流路の上流側で、排出側のマニホールド45,55,65は流路の下流側で流路を1本化するようになっている。
【0020】
マニホールド41〜65と流路43,53,63との接続構造について説明する。酸化ガス、燃料ガスおよび冷却水用で同様の構造を有するので、代表して酸化ガスの流通系について説明する。マニホールド41,45のそれぞれは、電解質膜20とセパレータ31,32とに、同位置に基本的に板厚方向に貫通する長方形の孔(以下、適宜、マニホールド形成孔という)201,313,323,202,314,324を形成してなる。形成位置は、セパレータ31のマニホールド形成孔313が流路43の最上流部である導入部431位置で流路溝311の底面に開口するように、セパレータ31のマニホールド形成孔314が流路43の最下流部である排出部432位置で流路溝311の底面に開口するように設定され、供給側のマニホールド41が流路43の導入部431を横切るように、排出側のマニホールド45が流路43の排出部432を横切るようになっている。
【0021】
また、マニホールド形成孔201〜324の外周で電解質膜20とセパレータ31との間にはパッキン33が、電解質膜20とセパレータ32との間にはパッキン34が設けられて気密または液密が保持されている。
【0022】
セパレータ31のマニホールド形成孔313,314のそれぞれは流路43側で面とりされ、マニホールド41,45の壁面から流路溝311底面にかけてが、一定の傾斜角をもって連なっている。これにより、マニホールド41と流路43との接続部42、マニホールド45と流路43との接続部44がそれぞれマニホールド41,45側で拡径するテーパ形状となる。
【0023】
本燃料電池の作動について説明する。各供給側のマニホールド41,51,61に流入したガスや冷却水は、対応する流路43,53,63を流通し、排出側のマニホールド45,55,65を介して排出される。図1中の矢印は酸化ガスの流れを示している(以下、同じ)。
【0024】
ここで、代表して酸化ガスの流通系に注目すると、供給側のマニホールド41と流路43との接続部42では、流路断面積が酸化ガスの流通方向に連続的に変化し、下流側ほど小さくなっている。したがって、酸化ガスの圧力が、マニホールド41側から流路43側へと急激に低下するのではなく、徐々に低下していく。これにより、圧力損失の低減を図ることができる。
【0025】
一方、同様に、流路43と排出側のマニホールド45との接続部44では、流路断面積が酸化ガスの流通方向に連続的に変化し、下流側ほど大きくなっている。したがって、酸化ガスの圧力が、流路43側からマニホールド45側へと急激に変化するのではなく、徐々に上昇していく。これにより、圧力損失の低減を図ることができる。
【0026】
(第2実施形態)
図3に本発明の第2実施形態になる燃料電池の要部の断面を示す。本燃料電池は、基本的な構造は第1実施形態と同じで、セパレータのマニホールド形成孔の形状が相違している。
【0027】
セパレータ31Aのマニホールド形成孔313Aは、流路43側をR加工することにより、第1実施形態のごとく、マニホールド41と流路43との接続部42Aがマニホールド41側ほど拡径するようにしたものである。R加工とすることで、さらに、次のように圧力損失の低減効果が高くなっている。すなわち、マニホールド41から接続部42Aへ、また、接続部42Aから流路43へ壁面が滑らかに連続する。これにより、一層、マニホールド41から流路43にかけて流路断面積が滑らかに変化し、さらに圧力損失を低減することができる。
【0028】
(第3実施形態)
図4に本発明の第3実施形態になる燃料電池の要部の断面を示す。本燃料電池は、従来構成(図12)の燃料電池をベースに僅かの部材の追加で、前記各実施形態と同等の効果が得られるようにしたものである。
【0029】
セパレータ31Bはマニホールド形成孔313Bが前記従来のものと同様に板厚方向の単純な孔である。
【0030】
そして、本実施形態では、マニホールド41内には、流路43側のマニホールド壁面(以下、適宜、流路側マニホールド壁面という)41aに沿って細長の長方形の追加板7が挿入されており、流路側マニホールド壁面41aを覆っている。追加板7のマニホールド41への固定はセパレータ31A,32への溶接やネジ止め等の係合手段等により行い得る。
【0031】
図5(A)、図5(B)に追加板を示す。追加板7は、流路導入部431を横切る位置に、流路導入部431の流路断面形状と同じ形状の長孔701が単セル11の積層ピッチと等間隔で形成したもので、マニホールド41に取り付けた状態で各層の流路43と1対1に対応して、流路導入部431と重なるようになっており、長孔701がマニホールド41と流路43との接続部となっている。
【0032】
なお、図示はしないが、排出側のマニホールドや燃料ガスや冷却水用のマニホールドにも同様の追加板を挿入し得る。
【0033】
この接続部となる長孔701は、マニホールド41側が面とりされており、マニホールド41側が拡径するテーパ状としてある。これにより、第1実施形態と同等の圧力損失低減作用を得ることができる。
【0034】
本実施形態によれば、単純な平板に長孔を形成するとともに面とりすればよいから、セパレータへの面とり加工が困難な場合に有効であり、また、すべてのセパレータの1つ1つについてマニホールド形成孔の面とりをしなくとも、追加板1つについて、その長孔の面とりすればよいから、製造工程が簡略化される。
【0035】
なお、長孔701の形状は、第2実施形態のようにR形状でもよい。
【0036】
(第4実施形態)
図6に本発明の第4実施形態になる燃料電池の要部の断面を示す。本燃料電池は、追加板を設けた第3実施形態の構成において、長孔の断面形状を別の形状としたものである。
【0037】
追加板7Aの長孔701Aは第2実施形態のごとくマニホールド41側が拡径するR形状としてあり、第2実施形態と等価な燃料電池を簡単に実現することができる。
【0038】
(第5実施形態)
図7に本発明の第5実施形態になる燃料電池の要部の断面を示し、図8に外観を示す。本燃料電池は、追加板をマニホールドに挿入する構造において、追加板の固定を容易に行い得るようにしたものである。
【0039】
マニホールド41内に挿入される追加板7Bは、断面コ字状のもので、流路43側のマニホールド壁面41aおよびこれに連なる1対の対向壁面(以下、適宜、サイド側マニホールド壁面という)41b,41cとに密着対向している。流路側マニホールド壁面41aと密着対向する追加板7Bの本体部71は、前記第3実施形態の追加板7と同様に、流路導入部431を横切る位置に、流路導入部431の流路断面形状と同じ形状の長孔701が流路導入部431と重なるように開口しており、マニホールド41と流路43との接続部となっている。
【0040】
追加板7Bは、例えば長方形の鋼板から製作され、先ず前記長孔701を単セル11の積層ピッチと等間隔で形成した後、長孔701の両側部分を、長孔701の配列方向に平行な折り曲げ線に沿って折り曲げ加工して断面コ字状とし、完成となる。長孔701の配列方向に長い帯状の本体部71の両側の折り曲げ部72,73の折り曲げ角度を、折り曲げ部72,73が、流路側マニホールド壁面41aとサイド側マニホールド壁面72a,72cとのなす角度である直角よりもやや外側に開いた形状となるようにする。このときの折り曲げは塑性変形である。
【0041】
追加板7Bは、電池部2およびセパレータ31,32の積層体が組上がってからマニホールド41に挿入する。挿入に先立って、作業者は、追加板7Bの折り曲げ部72,73を対向方向にさらに少し折り曲げ、折り曲げ角度をやや鋭角とする。このときの折り曲げは弾性変形である。この状態で、追加板7Bをマニホールド41に挿入する。
【0042】
作業者による折り曲げ力が解除された追加板7Bは、折り曲げ部72,73と対向するサイド側マニホールド壁面41b,41cと弾接し、追加板7Bがマニホールド41に固定される。
【0043】
本実施形態によれば、溶接等によることなく追加板7Bをマニホールド41に固定することができるので、製造が容易である。
【0044】
また、セパレータ31Bに、追加板7B固定のための加工が不要で、追加板7Bを除く燃料電池の構成が実質的に従来の燃料電池と同じであるから、従来の燃料電池と使用部材の共通化を図ることができ、さらに低コスト化できる。
【0045】
なお、本実施形態ではマニホールド形成孔の形状が矩形のものについて説明したが、他の形状のものにも適用することができる。例えば、図9に示すようにマニホールド41Aの形状がサイド側マニホールド壁面41d,41eが弧状のものであってもよく、この場合はサイド側マニホールド壁面41d,41eと弾接する折り曲げ部72A,73Aも図のように弧状の形状とするが、折り曲げ部72A,73Aの幅を、折り曲げ部72A,73Aの先端が、長孔701の長手方向のマニホールド41Aの幅が最大となる位置に達し当該位置にてサイド側マニホールド壁面41d,41eと弾接するように設定する。
【0046】
また、追加板7B,7Cは、マニホールド41,41Aへの挿入状態のときに本体部71が撓まないように折り曲げ部72,73,72A,73Aよりも肉厚として剛性を高めるのがよい。
【0047】
最後に、図10に本発明の効果を確認した測定結果を示す。図12の従来の燃料電池の構成のもの(比較例)と、これに、供給側のマニホールド41のみに第4実施形態に示した追加板7を挿入したもの(本発明)とについて、圧力損失を測定したものである。測定は、マニホールド41,45内の酸化ガスの流通方向に積層する単セル11について、酸化ガスの供給側のマニホールド41と流路43との接続部42の直上流位置における供給側のマニホールド41の圧力と、流路43と排出側のマニホールド45との接続部44の直下流位置における排出側のマニホールド45の圧力とを測定し、その差を算出して、各単セル11の圧力損失とした。また、図11に示すように、マニホールド41のガス流通方向の最上流側(A点)から最も下流側(B点)までの複数の単位セル11について測定した。図10より知られるように、本発明では、マニホールド41内のガス流通方向の位置によらず、圧力損失が大幅に低減されていることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A)は本発明の第1実施形態になる燃料電池の図2におけるIA−IA線に沿う断面図であり、(B)は図2におけるIB−IB線に沿う断面図である。
【図2】前記燃料電池の全体斜視図である。
【図3】本発明の第2実施形態になる燃料電池の断面図である。
【図4】本発明の第3実施形態になる燃料電池の断面図である。
【図5】(A)は前記燃料電池の部品の平面図であり、(B)は(A)におけるVB−VB線に沿う断面図である。
【図6】本発明の第4実施形態になる燃料電池の断面図である。
【図7】本発明の第5実施形態になる燃料電池の断面図である。
【図8】前記燃料電池の分解斜視図である。
【図9】前記燃料電池の変形例を示す図である。
【図10】本発明の効果を確認した測定結果を示すグラフである。
【図11】前記測定結果の測定条件を説明する図である。
【図12】従来の燃料電池の代表例の断面図である。
【符号の説明】
1 電池スタック(積層体)
11 単セル
2 電池部
20 電解質膜
21,22 電極
31,31A,31B,32 セパレータ
311,312,321,322 流路溝
313,313A,313B,314,323,324 孔
41,41A,45,51,55,61,65 マニホールド
41a マニホールド壁面
41b,41c マニホールド壁面(対向壁面)
42,42A,44 接続部
43,53,63 流路
7,7A,7B,7C 追加板
71 本体部
72,73,72A,73A 折り曲げ部
701 長孔
Claims (4)
- 電解質膜の両面に電極を形成してなる電池部を積層するとともに、層間にセパレータを設けた積層体を有し、セパレータの表面に形成した流路溝により酸化ガスまたは燃料ガスまたは冷却水を流す流路がそれぞれ形成され、複数の流路が、上流端または下流端で前記積層体を貫通するマニホールドにより1本化した燃料電池において、
前記マニホールドと前記流路との接続部を、前記積層体の積層方向に対向する二面のうち、少なくとも前記流路溝の底面側を傾斜させることにより、マニホールド側が拡径するテーパ形状とし、該テーパ形状により流路断面積が前記積層方向に変化するようにしたことを特徴とする燃料電池。 - 請求項1記載の燃料電池において、前記接続部をR形状にマニホールド側が拡径する形状とした燃料電池。
- 請求項1または2いずれか記載の燃料電池において、マニホールド内にマニホールド壁面に沿って追加板を挿入し、該追加板には、前記流路を横切る位置にマニホールド側が拡径する孔を形成して、前記接続部となした燃料電池。
- 請求項3記載の燃料電池において、前記追加板を、断面コ字状板として、前記流路側のマニホールド壁面と当接する等幅帯状の本体部と、前記流路側のマニホールド壁面に連なる対向壁面と弾接する折り曲げ部とからなる構成とした燃料電池。
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