JP7059767B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関する。

従来、このような分野の技術として、特開２００９－０５９５１３号公報がある。この公報に記載された燃料電池では、発電部を挟むように、燃料ガスマニホールドと、冷却水マニホールドと、エアマニホールドが設けられている。ここで冷却水マニホールドは、発電部のいずれの端部側においても、燃料ガスマニホールドとエアマニホールドに挟まれるように中段に設けられている。

燃料電池のセルを挟むように配置されたセパレータには、燃料ガスマニホールドから発電部に燃料ガスを供給するために、凹凸状の溝が流路として形成されている。また、セパレータには、エアマニホールドから発電部にエアを供給するために凹凸状の溝が流路として形成されている。ここで、冷却水が冷却水マニホールドから発電部に供給される際には、これらの多数の凹凸形状の箇所を経由しながら供給されている。

特開２００９－０５９５１３号公報

しかしながら、前述した従来の燃料電池のセパレータに設けられた夫々の流路では、セルの中段は、上段や下段に比べて経由する凹凸の数が多くなり、冷却水が発電部に達するまでの抵抗が大きくなる。そのため、発電部の中段部に到達する冷却水の流量が減少してしまい、発電部を十分に冷却できない可能性がある。
本発明は、発電部に各部に到達する冷却水の流量を調節する燃料電池を提供するものである。

本発明にかかる燃料電池は、複数の燃料ガスを反応させることで発電を行う発電領域と、燃料電池単セルに対して前記燃料ガスを供給するための燃料ガスマニホールドと、前記燃料ガスマニホールドから供給された燃料ガスを前記発電領域に流通させるための流路と、前記発電領域で発生する熱を除去するための冷却水を供給するための冷却水マニホールドと、を備え、前記冷却水マニホールドの幅は、前記発電領域の幅より小さく形成されているとともに、前記発電領域の端部ではない中間位置に設けられ、前記燃料ガスマニホールドは、前記発電領域の端部に設けられ、前記流路は、前記燃料ガスマニホールドから前記発電領域全体に向かって複数本設けられており、前記発電領域の端部に設けられた前記流路は、流路どうしの間隔が第１の間隔に設定されており、前記発電領域において、前記冷却水マニホールドに略平行な位置である中間位置に設けられた前記流路は、流路どうしの間隔が第１の間隔に比べて広い第２の間隔に設定されている。
これにより、冷却水が発電部に供給される際に、流路の位置によってかかる抵抗の強弱を調整できる。

これにより、発電部に各部に到達する冷却水の流量を調節する燃料電池セパレータを提供することができる。

燃料電池のセルの上面図である。 積層させたセルの断面図である。 第１のセパレータの上面図である。 第２のセパレータの上面図である。 燃料ガスとエアと冷却水が流れる状態の模式図である。 第１のセパレータと第２のセパレータが積層された状態の上面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１に示すように、燃料電池のセル１は、発電部（発電領域）１１と、エア入り口マニホールド１２と、エア出口マニホールド１３と、冷却水入り口マニホールド１４と、冷却水出口マニホールド１５と、水素入り口マニホールド１６と、水素出口マニホールド１７と、を備える。

ここで図１に示すように、セル１内において、発電部１１は、Ｘ方向に延在し、ＸＹ平面に略平行に設けられた矩形状であるものとして説明する。また以下では、Ｘ方向を左右方向、Ｙ方向を上下方向として説明する。

また図２に示すように、１つのセル（単セル）は、略平面状の第１のセパレータ２１と、略平面状の第２のセパレータ２２と、Ｚ方向において第１のセパレータ２１と第２のセパレータ２２との間に挟まれて配置される膜電極接合体２３と、樹脂シート２４と、により形成されている。なお図２は、２つのセルを積層させた状態である。燃料電池として利用されるスタックは、単セルをＺ方向に３００～４００枚積層させたものと、その両端に設けられる集電板（図示せず）と、エンドプレート（図示せず）等により形成される。

なお、夫々のマニホールド１２～１７は、セル１を積層する方向に連なる空間である。エア入り口マニホールド１２とエア出口マニホールド１３のセットでエアマニホールド、冷却水入り口マニホールド１４と冷却水出口マニホールド１５のセットで冷却水マニホールド、水素入り口マニホールド１６と水素出口マニホールド１７のセットで水素マニホールドとする。なお燃料ガスとして、水素ガスと、エアに含まれる酸素を用いるものとする。

発電部１１では、水素入り口マニホールド１６から供給される水素ガスと、エア入り口マニホールド１２から供給される酸素と、を化学反応させて、電気エネルギーを生成する。すなわち発電部１１では、電極として膜電極接合体２３が配置され、供給された水素ガスと酸素から電気エネルギーを生成する。

発電部１１の左側において、エア入り口マニホールド１２と、冷却水入り口マニホールド１４と、水素出口マニホールド１７は、上下方向に連続するように配置されている。
なお上方向から、エア入り口マニホールド１２、冷却水入り口マニホールド１４、水素出口マニホールド１７の順番に、並んで配置されている。

発電部１１の右側において、水素入り口マニホールド１６と、冷却水出口マニホールド１５と、エア出口マニホールド１３は、上下方向に連続するように配置されている。なお上方向から、水素入り口マニホールド１６、冷却水出口マニホールド１５、エア出口マニホールド１３の順番に、並んで配置されている。

言い換えると、冷却水入り口マニホールド１４及び冷却水出口マニホールド１５は、Ｙ方向において発電部１１の幅より小さい幅であって、発電部１１の端部ではない中間位置、すなわちＹ方向における中段に設けられている。

また、エア入り口マニホールド１２、エア出口マニホールド１３、水素入り口マニホールド１６、水素出口マニホールド１７は、Ｙ方向における上段又は下段に設けられている。

ここで、第１のセパレータ２１に設けられた流路について説明する。

第１のセパレータ２１には、複数の溝状の流路が形成されている。ここで、第１のセパレータ２１において、発電部１１の端部近傍に配置される複数の流路群を流路３１ａ～３１ｃとする。また、発電部１１の左右方向の中央部付近に配置される流路群を流路３２ａ～３２ｃとする。

ここで、図３に示すように、第１のセパレータ２１の左側端部の近傍に着目して説明する。第１のセパレータ２１をＹ方向に上段、中段、下段に分けた場合に、下段に流路３１ａ，３２ａ、中段に流路３１ｂ，３２ｂ、上段に３１ｃ，３２ｃが配置されるものとして説明する。なお、第１のセパレータ２１の右側端部の近傍についても、左側端部の近傍の構造と同様であるため説明を省略する。なお、流路３１ａ，３１ｂ，３１ｃは、セル１の積層方向において発電部１１の端部にあたる位置に配置される。

流路３１ａは、水素出口マニホールド１７の右側に設けられた複数の流路群である。また、流路３１ａは、斜め方向に延びる斜め部４１ａを有している。斜め部４１ａでは、左側が上方、中央寄りが下方となるように流路が斜めに形成されており、これらの複数の流路は互いに平行に形成されている。斜め部４１ａを形成している箇所において、複数の流路は、互いに狭ピッチ（第１の間隔）となるように形成されている。なお流路３１ａには、左右方向や上下方向に延びる平行部等を有していても良い。

なお、斜め部４１ａは発電部１１の中央側において、流路３２ａと一体となるように連結されている。複数の流路から構成されている流路３２ａは発電部１１のＹ方向の下段、Ｘ方向の中央部付近で左右方向に延在するように設けられている。

言い換えると、水素入り口マニホールド１６の近傍の流路、及び水素出口マニホールド１７の近傍に配置される流路３１ａは、発電部１１の全体に向かって水素ガスを供給するために、ＸＹ方向において斜めに複数本設けられている。ここで、Ｘ方向端部に設けられた水素ガスを流すための流路は、夫々の流路がＸＹ方向における斜め方向に延在する箇所において、流路同士の間隔が狭ピッチである第１の間隔で形成されている。

流路３１ｂは、例えば、冷却水入り口マニホールド１４の右側に配置された複数の流路群である。また、流路３１ｂは、左側が上方、中央寄りが下方となるように、斜め方向に延びる斜め部４１ｂが形成されている。斜め部４１ｂを形成している複数の夫々の流路は、互いに平行に形成されている。斜め部４１ｂを形成している流路同士のピッチ幅は、流路３１ａの斜め部４１ａのピッチ幅に比べて広く、広ピッチ（第２の間隔）となるように形成されている。なお、流路３１ｂとして、斜め方向に延びる斜め部４１ｂ以外に、上下方向や左右方向に延びる平行部等が形成されていても良い。

斜め部４１ｂは、Ｙ方向中段に設けられた流路３２ｂや、Ｙ方向下段に設けられた流路３２ａと一体となるように連結されている。複数の流路から構成されている流路３２ｂは発電部１１のＹ方向の中段、Ｘ方向の中央部付近で左右方向に延在するように設けられている。

流路３１ｃは、例えば、エア入り口マニホールド１２の右側に配置された複数の流路群である。また、流路３１ｃは、左側が上方、中央寄りが下方となるように、斜め方向に延びる斜め部４１ｃが形成されている。なお斜め部４１ｃを形成している複数の夫々の流路は、互いに平行に形成されている。斜め部４１ｃを形成している流路同士のピッチ幅は、流路３１ｂの斜め部４１ｂのピッチ幅に比べて狭い、狭ピッチ（第３の間隔）となるように形成されている。ここで、第３の間隔は、流路３１ａの斜め部４１ａの第１の間隔と同等のピッチ間隔であってもよい。なお、流路３１ｃとして、斜め方向に延びる斜め部４１ｃ以外に、上下方向や左右方向に延びる平行部等が形成されていても良い。

斜め部４１ｃは、Ｙ方向上段に配置された流路３２ｃや、Ｙ方向中段に配置された流路３２ｂと一体となるように連結されている。複数の流路から構成されている流路３２ｃは発電部１１のＹ方向の上段、Ｘ方向の中央部付近で左右方向に延在するように設けられている。

次に、第２のセパレータ２２に設けられた流路について、図４を用いて説明する。なお、図３を用いて説明した第１のセパレータ２１と同様に、左側端部近傍について説明するが、右側端部近傍についても同様である。

第２のセパレータ２２には、複数の溝状の流路が形成されている。ここで、第２のセパレータ２２において、発電部１１の端部近傍に配置される複数の流路群を流路３３ａ～３３ｃとする。また、発電部１１の左右方向の中央部付近に配置される流路群を流路３４ａ～３４ｃとする。

また、第２のセパレータ２２をＹ方向に上段、中段、下段に分けた場合に、下段に流路３３ａ，３４ａ、中段に流路３３ｂ，３４ｂ、上段に３３ｃ，３４ｃが配置されるものとして説明する。なお、流路３３ａ，３３ｂ，３３ｃは、セル１の積層方向において発電部１１の端部にあたる位置に配置される。

流路３３ａは、例えば、水素出口マニホールド１７の右側に設けられた複数の流路群である。また、流路３３ａは、斜め方向に延びる斜め部４２ａ、を有している。斜め部４２ａは、左側が下方、中央寄りが上方となるように斜めに形成されている。なお、これらの複数の流路は、互いに平行に形成されている。この斜め部４２ａにおける、流路同士のピッチ間隔を第４のピッチとする。

斜め部４２ａは、Ｙ方向下段に設けられた流路３４ａや、Ｙ方向中段に設けられた流路３４ｂと一体となるように連結されている。また例えば、複数の流路から構成されている流路３４ａは発電部１１のＹ方向の下段、Ｘ方向の中央部付近で、上下方向に蛇行しながら左右方向に延在するように設けられている。

流路３３ｂは、例えば、冷却水入り口マニホールド１４の右側に配置された複数の流路群である。また、流路３３ｂは、左側が下方、中央寄りが上方となるように、斜め方向に延びる斜め部４２ｂが形成されている。なお斜め部４２ｂを形成している複数の夫々の流路は、互いに平行に形成されている。斜め部４２ｂを形成している流路同士のピッチ幅を、第５の間隔とする。なお、流路３３ｂとして、斜め方向に延びる斜め部４２ｂ以外に、上下方向や左右方向に延びる平行部等が形成されていても良い。

斜め部４２ｂは、Ｙ方向中段に設けられた流路３４ｂや、Ｙ方向上段に設けられた流路３４ｃと一体となるように連結されている。また例えば、複数の流路から構成されている流路３４ｂは発電部１１のＹ方向の中段、Ｘ方向の中央部付近で、上下方向に蛇行しながら左右方向に延在するように設けられている。

流路３３ｃは、例えば、エア入り口マニホールド１２の右側に配置された複数の流路群である。また、流路３３ｃは、左側が下方、中央寄りが上方となるように、斜め方向に延びる斜め部４２ｃが形成されている。なお斜め部４２ｃを形成している複数の夫々の流路は、互いに平行に形成されている。斜め部４２ｃを形成している流路同士のピッチ幅は、第６の間隔とする。なお、流路３３ｃとして、斜め方向に延びる斜め部４２ｃ以外に、上下方向や左右方向に延びる平行部等が形成されていても良い。

斜め部４２ｃは、Ｙ方向上段に設けられた流路３４ｃと一体となるように連結されている。また例えば、複数の流路から構成されている流路３４ｃは発電部１１のＹ方向の上段、Ｘ方向における中央部付近で、上下方向に蛇行しながら左右方向に延在するように設けられている。

なお、第２のセパレータ２２における、斜め部４２ａ，４２ｂ，４２ｃにおける流路どうしのピッチ間隔である第４の間隔、第５の間隔、第６の間隔は、ここでは略同間隔であるものとする。

ここで図２に示すように、第１のセパレータ２１と、第２のセパレータ２２は、複数のセル１が重なってスタックを形成する。したがって図５に示すように、セル１では、水素ガス、エアの流路の背面に冷却水を流す構成であって、冷却水を、エアの流路と、水素ガスの流路に交差させて発電部１１において面内に分配する。

これにより、複数のセルを積層させた際に、第１のセパレータ２１の端部近傍のＹ方向に斜めに延在するように形成されている箇所の溝ピッチが、Ｙ方向中段部で広く、両端部で狭くなるように形成される。これにより、冷却水の流れるスペースがＹ方向中段で広く、両端部で狭くなる。

ここで、図６は、上記に説明したような溝のピッチの変更を行っていない燃料電池において、積層されたセパレータに流れる冷却水の流れの一例を示す図である。図６に示しているように、冷却水を発電部１１に供給する際に、Ｘ方向端部において、Ｙ方向中段では冷却水は多数回の流れの屈曲を経てＸ方向中央部に供給される。したがって、抵抗が大きくなるためＹ方向中段への冷却水の流量が減少してしまう。これに対して、Ｙ方向上段及び下段では屈曲回数が少ない状態で、Ｘ方向中央部に到達できるため、これら両端部における抵抗は小さく、冷却水が大量に流れてしまう。

そのため、Ｙ方向端部に配置される流路のピッチ間隔（第１の間隔、第３の間隔）を狭くして、冷却水の流れるスペースを狭くするとともに、Ｙ方向中段部に配置される流路のピッチ間隔（第２の間隔）を広くすることで、冷却水が流れるスペースを広くする。これにより、冷却水が発電部に供給される際に、流路の位置によってかかる抵抗の強弱を変更できる。したがって、Ｙ方向における上段部、中段部、下段部の冷却水の配流率を均等にし、発電部における冷却水の分配を均一化することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

例えば、上記では第１のセパレータ２１のＸ方向端部において、Ｙ方向端部に配置される流路の第１の間隔と第３の間隔にあたる夫々のピッチ間隔を狭く、Ｙ方向中央部に配置される流路の第２の間隔にあたるピッチ間隔を広くするものとして説明したが、第２のセパレータ２２についても同様にすることができる。すなわち、第２のセパレータ２２のＸ方向端部において、Ｙ方向端部に配置される流路の第４の間隔と第６の間隔にあたる夫々のピッチ間隔を狭く、Ｙ方向中央部に配置される流路の第５の間隔にあたるピッチ間隔を広くすることで、セル１に流れる冷却水の分配状態を調整することができる。

また、第１のセパレータ２１の第１の間隔～第３の間隔の夫々のピッチ間隔は同一にして、第２のセパレータ２２の第４の間隔と第６の間隔の夫々のピッチ間隔を狭くし、第５の間隔のピッチ間隔を広くすることで、セル１に流れる冷却水の分配状態を調整することができる。言い換えると、第１のセパレータ２１と、第２のセパレータ２２のいずれか少なくとも一方で、Ｙ方向端部に配置される流路の斜め部を狭ピッチとし、Ｙ方向中央部に配置される流路の斜め部を広ピッチとすることで、冷却水の分配状態を調整できる。

また、第１のセパレータ２１について、第１の間隔を狭ピッチ間隔、第２の間隔を広ピッチ間隔とするとともに、第３のピッチ間隔も広ピッチ間隔とすることもできる。すなわち、上記では、広ピッチ間隔の流路は、狭ピッチ間隔の流路に挟まれているものとして説明したが、Ｙ方向の片端だけが狭ピッチ間隔であっても良い。また、第２のセパレータ２２の斜め部のピッチ間隔である、第４のピッチ間隔、第５のピッチ間隔、第６のピッチ間隔についても同様に変更することができる。

さらに、第２の間隔を広ピッチ間隔にするものとして説明したが、広ピッチ間隔の第２の間隔とするエリアの中に、一本だけ狭いピッチ溝となるように流路が形成されていても良い。すなわち第１のセパレータ２１において、Ｙ方向中段部分について、第２の間隔を広ピッチ間隔で形成するものとした場合であっても、そのエリアの全ての流路を広ピッチ間隔とするのではなく、そのエリア内に狭ピッチ間隔の状態となるように配置した流路を含めることができる。なお、第２のセパレータ２２においても同様である。

また、上記ではピッチ間隔は斜め部において変更しているものとして説明したが、これに限られない。すなわち流路のピッチ間隔は、流路が延在する方向に関わらず、Ｙ方向の上段、中段、下段の各位置関係に依存して変更することができる。

１ セル
１１ 発電部
１２ エア入り口マニホールド
１３ エア出口マニホールド
１４ 冷却水入り口マニホールド
１５ 冷却水出口マニホールド
１６ 水素入り口マニホールド
１７ 水素出口マニホールド
２１ 第１のセパレータ
２２ 第２のセパレータ
２３ 膜電極接合体
２４ 樹脂シート
３１ａ，３１ａ，３１ｃ，３２ａ，３２ｂ，３２ｃ 流路
４１ａ，４１ｂ，４１ｃ 斜め部
４２ａ，４２ｂ，４２ｃ 斜め部

Claims (1)

1. 複数の燃料ガスを反応させることで発電を行う発電領域と、
   燃料電池単セルに対して前記燃料ガスを供給する燃料のガス入り口マニホールドと、燃料のガス出口マニホールドと、を有する燃料ガスマニホールドと、
   前記燃料ガスマニホールドから供給された燃料ガスを前記発電領域に流通させるための燃料の流路と、
   前記発電領域にエアを供給するエア入り口マニホールドと、エア出口マニホールドと、を有するエアガスマニホールドと、
   前記発電領域で発生する熱を除去するための冷却水を供給する冷却水入り口マニホールドと、冷却水出口マニホールドと、を有する冷却水マニホールドと、を備え、
   第１の方向における一方の端部に、前記エア入り口マニホールドと、前記冷却水入り口マニホールドと、前記燃料の出口マニホールドと、が前記第１の方向に対して垂直方向である第２の方向に連続して配され、
   前記第１の方向における他方の端部に、前記燃料の入り口マニホールドと、前記冷却水出口マニホールドと、前記エア出口マニホールドと、が前記第２の方向に連続して配され、
   前記第１の方向における前記一方の端部と前記他方の端部の間に、前記発電領域が配され、
   前記冷却水入り口マニホールドは、前記第２の方向の長さが前記発電領域の前記第２の方向の長さより短く形成されているとともに、前記エア入り口マニホールドと、前記燃料の出口マニホールドと、の間に配され、
   前記冷却水出口マニホールドは、第２の方向の長さが前記発電領域の前記第２の方向の長さより短く形成されているとともに、前記燃料の入り口マニホールドと、前記エア出口マニホールドと、の間に配され、
   前記燃料の流路は、前記燃料の入り口ガスマニホールドから前記発電領域全体に向かって複数本設けられているとともに、前記燃料の流路の夫々は、前記冷却水入り口マニホールドから前記冷却水出口マニホールドに向かって流れる冷却水の流路と交差し、
   前記発電領域の前記第２の方向における両端部である上段部及び下段部に設けられた前記燃料の流路は、流路どうしの間隔が、それぞれ第１の間隔及び第３の間隔に設定され、
   前記発電領域において、前記第２の方向における両端部の間である中段部に設けられた前記燃料の流路は、流路どうしの間隔が第１の間隔及び第３の間隔のそれぞれに比べて広い第２の間隔に設定され、
   前記第２の方向における前記中段部において、前記冷却水が前記冷却水の流路を流れる際にかかる抵抗を調整することで、前記発電領域の前記第２の方向における前記中段部に流れる冷却水と、前記両端部に流れる冷却水の分配状態を調整する、
   燃料電池。

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