JP4993828B2

JP4993828B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4993828B2
Application number: JP2001270175A
Authority: JP
Inventors: 史也永井; 育康加藤; 健野村; 稔幸鈴木; 剛高橋
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2001-09-06
Filing date: 2001-09-06
Publication date: 2012-08-08
Anticipated expiration: 2021-09-06
Also published as: JP2003077498A

Description

【０００１】
【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

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。