(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層を介してアノードとカソードが配されたセルと、両面にアノードガスチャンネル及びカソードガスチャンネルがそれぞれ形成されたセパレータ板とを交互に複数枚積層した電池スタックの前記アノードガスチャンネルのアノードガス流入側端部開口が露出する表面に外部マニホールドが冠着された燃料電池において、
前記外部マニホールドは、該外部マニホールドの内壁と電池スタック表面との間のアノードガス流通空間に、アノードガス流通方向と交差する方向に仕切り板が設置され、該アノードガス流通空間が前記仕切り板によって、前記電池スタック表面側の第１空間と、前記外部マニホールドへアノードガスを供給するアノードガス入口部を含む第２空間とに仕切られ、
前記仕切り板は、前記アノードガス流通空間をアノードガス流通方向に対して位置調節して前記第１空間の容積Ｑを規定することによって、前記電池スタックの体積Ｖと前記第１空間の容積Ｑとの比Ｖ／Ｑが１５以上４０以下となるように設置位置を選定することが可能であり、
前記仕切り板の主面には、１個または２個以上の貫通孔が開設され、該貫通孔を通じてアノードガスが、前記第２空間から第１空間へ流通する構成であることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記仕切り板には、
２個以上の貫通孔が、該仕切り板の主面全体にわたってほぼ均一となるように、分散して開設されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関し、特に外部マニホールドを用いた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、電解質層を介してアノードとカソードが配されたセルと、両面にアノードガスチャンネル及びカソードガスチャンネルがそれぞれ形成されたセパレータ板とを交互に所定枚数積層して組み立てられた電池スタックに、アノードガス（水素リッチな燃料ガス）及びカソードガス（空気等の酸化剤ガス）がそれぞれ供給されるようになっており、そのアノードガスとカソードガスが電気化学反応する際の化学エネルギーを電気エネルギーとして取り出すことにより、外部に電力を供給するものである。中でも、小寸法のセルを積層させた小型の電池スタックを備えた燃料電池は、可搬性に優れており、屋外における土木建築工事用電源や屋内での非常用電源として注目されている。
【０００３】
電池スタックには、アノードガスをアノードガスチャンネルに分配したりアノードガスチャンネルから回収するためにアノードガス分配マニホールドやアノードガス回収マニホールドが設けられている。このようなマニホールドは、電池スタックのアノードガスチャンネルの端部開口が露出した表面をカバーする蓋状の外部マニホールドと、電池スタックの内部に貫通孔や溝を形成した内部マニホールドとに分類されている。そして、外部マニホールドは、内部マニホールドに比べて構造が簡単であり、小型の電池スタックにも作業性よく取り付けることができるため、小型の燃料電池においても多く用いられている。
【０００４】
ところで、アノードガス分配用の外部マニホールドには、アノードガス入口部が設けられ、そこにアノードガスの配管が連結されるが、燃料電池をできるだけコンパクトにするため、通常、このアノードガス入口部は、外部マニホールドの外周部の側面に設けられ、アノードガスの配管が外部マニホールドの主表面の外側に出ないような構造となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような外部マニホールドを用いた燃料電池では、外部マニホールドに取り込まれたアノードガスは、その多くはアノードガス入口部の近傍に位置しているセルに供給され、アノードガス入口部から遠くに位置しているセルにはあまり供給されず、そのため、電池スタックにおいて各セルに対するアノードガスの分配供給が不均一となる状態が生じていた。
【０００６】
そして、アノードガス供給量の少ないセル、即ち、アノードガス入口部から遠くに位置しているセルでは、所定の発電電圧が得られず、その結果、高い発電効率が得られないという問題があった。
このような問題は、特に、アノードガスの流量が少ない場合、即ち、燃料電池が低負荷で運転される場合や、アノードガスの利用率が高い状態で運転される場合において顕著に現れていた。
【０００７】
このような問題に対して、例えば、アノードガス分配マニホールドにおけるアノードガス入口部の位置をアノードガス分配マニホールドの上面に設けたり、アノードガス分配マニホールドのアノードガス流通空間内に、アノードガス流入用の分岐管を挿入したりして、アノードガス分配マニホールド内におけるアノードガスの吹き出し方向を工夫すれば、電池スタックの各セルに対してある程度均一にアノードガスを分配供給することは可能であり、上記の問題を解消することができると考えられるが、そのようにした場合には、アノードガス分配マニホールドが嵩高くなったり、アノードガス入口部からのアノードガスの配管の形状が複雑になったりして製作に手間がかかり、製造コストも高くなってしまう。
【０００８】
特に、小型の燃料電池においては、外部マニホールド内のガス流通空間も狭いため、外部マニホールド内に上記のような分岐管を設けることは容易ではなく、好ましい方法であるとは言えない。
そこで、本発明は上記問題点に鑑み、アノードガス分配用の外部マニホールドを用いた燃料電池において、外部マニホールドのアノードガス入口部の位置を移動させず、また、外部マニホールド周辺の構造を複雑にすることなく、電池スタックの各セルにアノードガスを均一に分配供給することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明においては、電解質層を介してアノードとカソードが配されたセルと、両面にアノードガスチャンネル及びカソードガスチャンネルがそれぞれ形成されたセパレータ板とを交互に複数枚積層した電池スタックの前記アノードガスチャンネルのアノードガス流入側端部開口が露出する表面に外部マニホールドが冠着された燃料電池において、前記外部マニホールドは、該外部マニホールドの内壁と電池スタック表面との間のアノードガス流通空間に、アノードガス流通方向と交差する方向に仕切り板が設置され、該アノードガス流通空間が前記仕切り板によって、前記電池スタック表面側の第１空間と、前記外部マニホールドへアノードガスを供給するアノードガス入口部を含む第２空間と、に仕切られ、前記仕切り板は、前記アノードガス流通空間をアノードガス流通方向に対して位置調節して前記第１空間の容積Ｑを規定することによって、前記電池スタックの体積Ｖと前記第１空間の容積Ｑとの比Ｖ／Ｑが１５以上４０以下となるように設置位置を選定することが可能であり、前記仕切り板の主面には、１個または２個以上の貫通孔が開設され、該貫通孔を通じてアノードガスが、前記第２空間から第１空間へ流通する構成であることを特徴としている。
【００１０】
この燃料電池においては、アノードガス入口部から取り入れられたアノードガスは、第２空間を通って１個または２個以上の貫通孔から第１空間内に放出されるが、貫通孔から放出されたアノードガスは、第１の空間内を電池スタックに向かって進みながら広がっていき、電池スタックの各アノードガスチャンネル内に入り込む。
【００１１】
ここで、貫通孔の位置あるいは仕切り板と電池スタックとの間隔を適切に設定すれば、アノードガスチャンネル全体に均一にアノードガスを分散させることができるが、請求項１記載の燃料電池においては、仕切り板における貫通孔の開設位置及びアノードガス分配マニホールド内における仕切り板の取り付け位置を調節するだけで、容易に適切な設定を行うことができる。
【００１２】
また、従来と同様のアノードガス分配マニホールドの空間内に、仕切り板を設けるだけでよいので、燃料電池の構成が簡単であり、その作製も比較的容易である。
また、前記外部マニホールドのアノードガス流通空間内における前記仕切り板の設置位置は、前記電池スタックの体積Ｖと前記第１空間の容積Ｑとの比Ｖ／Ｑが、１５以上４０以下となるように、前記第１空間の容積Ｑを規定する位置に選ばれていることを特徴としている。
【００１３】
本研究者等は、これまで電池スタックの体積Ｖと外部マニホールドの第１空間の容積Ｑとの比Ｖ／Ｑを種々変化させた燃料電池を作製し、それぞれの燃料電池について各セルの発電電圧を測定した結果、電池スタックの体積Ｖは外部マニホールドの第１空間の容積Ｑに対して１５倍以上４０倍以下であることが望ましく、Ｖ／Ｑの値がこのような範囲となるようにアノードガス分配マニホールド内に仕切り板を取り付けることにより、燃料電池の発電効率が良好となることがわかった。
【００１４】
したがって、燃料電池は、電池スタックの体積Ｖと外部マニホールドの第１空間の容積Ｑとの比Ｖ／Ｑが１５以上４０以下となるように構成されているので、各セルに対するアノードガスの供給を均一にすることができ、燃料電池の発電特性の向上を図ることができる。
【００１５】
また、請求項２記載の発明においては、前記仕切り板は、２個以上の貫通孔が、該仕切り板の主面全体にわたってほぼ均一となるように、分散して開設されていることを特徴としている。
したがって、請求項２記載の発明によれば、アノードガスは、均一に分散された２個以上の貫通孔を通って第１空間内に導入されるので、それぞれのセルに対するアノードガスの均一分配性をより効果的に図ることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態の一例を図面を参照しながら具体的に説明する。
図１は、本発明に係る燃料電池を搭載したポータブル燃料電池システムの全体斜視図である。なお、説明の都合上、図面の左方向をポータブル燃料電池システムの左方向とし、図面の上方向をポータブル燃料電池システムの上方向としている。
【００１７】
ポータブル燃料電池システムは、図１に示すように、筺体１の左側部空間１０１内に水素吸蔵合金タンク２が収容され、中央空間１０３内に燃料電池３、上部空間１０４内に空気供給ファン４及び制御装置５、右側部空間１０２内に触媒燃焼器６がそれぞれ設置された構成をしている。
また、筺体１の上部には、スリット状の空気取入口１３が開設され、閉塞蓋１５には空気排出口１４が開設されているが、筺体１には上蓋１６をかぶせることができ、ポータブル燃料電池システム非使用時に、これらの空気取入口１３及び空気排出口１４から筺体１内に空気が入り込まないようになっている。
【００１８】
水素吸蔵合金タンク２は、一対の支柱２１，２１の間に、例えば５本の水素吸蔵合金タンク単体２２，…を横架させた構成であり、一方の支柱２１の上端には、水素ガスの送出口となる水素送出カプラー２３が設けられている。そして、水素送出カプラー２３と後述する燃料電池３の水素導入口４４（図２を参照）とが水素供給管２４によって連結され、燃料電池３へ水素ガスが送り込まれるようになっている。
【００１９】
空気供給ファン４は、空気取入口１３から筺体１内に空気を取り込むと共に、燃料電池３へ供給する働きをする。
制御装置５は、例えば燃料電池３へ供給する水素ガス流量の制御や、空気供給ファン４の送風量の制御等、ポータブル燃料電池システムの運転に関する種々の制御を司っている。
【００２０】
触媒燃焼器６は、燃料電池３内に送り込まれた水素ガスで電気化学反応に供されなかった未反応水素を触媒燃焼する働きをする。
図２は、燃料電池３の分解斜視図であり、図３は、図２のＸ−Ｘ線断面における部分拡大図である。
燃料電池３は、図２に示すように、電池スタック３０の上面３７に水素分配マニホールド４０を配設し、下面（図示せず）に水素回収マニホールド４１を配設して組み立てられている。
【００２１】
電池スタック３０は、リン酸が含浸された電解質マトリックスの一方の側にアノード（図示せず）を配し他方の側にカソード（図示せず）を配したセル３１と、左右方向に複数本の空気チャンネル３３，…が、上下方向に複数本の水素チャンネル３４，…がそれぞれ形成されたセパレータ板３２とを交互に所定枚数（例えばセル３１を３０枚）前後方向に積層し、その両端を一対のエンドプレート３５，３５で押さえて構成されており、電池スタック３０の左側面３６及び右側面（図示せず）には、空気チャンネル３３，…の端部開口が露出し、電池スタック３０の上面３７及び下面（図示せず）には、水素チャンネル３４，…の端部開口が露出している。
【００２２】
水素分配マニホールド４０は、例えば尿素樹脂やメラミン樹脂等の耐熱性材料からなり、電池スタック３０の上面３７と同じ縦横寸法をした板状部材の下面中央部に、水素ガス流通空間となる凹部４３が穿設された構成をしている。そして、凹部４３内には、凹部４３の底面４０ａと平行に仕切り板５１が取り付けられている。なお、本実施形態においては、水素分配マニホールド４０の外寸は、縦１３０ｍｍ×横１２０ｍｍ×高さ２０ｍｍとしている。
【００２３】
また、前記凹部４３の外周部４２の左側面には、該外周部４２を水平方向に貫通して凹部４３と連通された水素導入口４４が開設されており、水素導入口４４と水素吸蔵合金タンク２の水素送出カプラー２３とが水素供給管２４（図１参照）によって連結され、凹部４３内に水素ガスが導入されるようになっている。
仕切り板５１は、水素分配マニホールド４０と同様の耐熱性材料からなり、上記凹部４３の縦横内寸と同じ縦横外寸をした板体の上面中央部に凹部５２が穿設されている。そして、凹部５２の底面５１ａには、４つの貫通孔５４，…が仕切り板５１を対角線方向に横切る線上に分散して開設されている。なお、本実施形態においては、仕切り板５１の高さＨ（図３参照）は５ｍｍとし、貫通孔５４の直径は約３ｍｍとしている。
【００２４】
また、前記凹部５２を囲む厚肉の外周土手部５６の左側部分であって水素分配マニホールド４０の水素導入口４４と対応する位置には、仕切り板５１を凹部４３内に保持するための支持片５５がはめ込まれている。この支持片５５の高さは、凹部４３の深さＩ（図２参照）と同じに設定されている。したがって、水素分配マニホールド４０を電池スタック３０に組み付けた状態では、支持片５５の下端は電池スタック３０の上面３７と接しており、仕切り板５１は、支持片５５で支持されることによって、外周土手部５６の上面と水素分配マニホールド４０の凹部４３の底面４０ａとが接するようになっている。また、支持片５５の上端面及び仕切り板５１の外周土手部５６には切り欠き５３が形成されており、水素導入口４４から凹部５２内に水素ガスが流入できるようになっている。
【００２５】
なお、支持片５５は、水素導入口４４の、凹部４３の側面４５側の開口下部を蔽っており、水素導入口４４から水素ガスが直接電池スタック３０へ流れ込まないようになっている。
一方、水素回収マニホールド４１は、上記の水素分配マニホールド４０と同じ大きさ、同じ材質で構成されているが、水素回収マニホールド４１の凹部（図示せず）内には、仕切り板５１は取り付けられていない。また、水素回収マニホールド４１の一側端には水素排出口（図示せず）が開設されており、この水素排出口に水素排出管（図示せず）を螺合して水素回収マニホールド４１と触媒燃焼器６とを連結することにより、触媒燃焼器６内に未反応水素を導入させるようになっている。
【００２６】
上記構成の燃料電池３においては、水素分配マニホールド４０内の水素ガス流通空間が、図３に示すように、２つの空間６１及び６２に区画されている。即ち、水素分配マニホールド４０の凹部４３の底面４０ａと仕切り板５１の凹部５２の底面５１ａ及び側面５１ｂで囲まれた第２空間６１、並びに水素分配マニホールド４０の凹部４３の側面４５と仕切り板５１の下面５８と電池スタック３０の上面３７で囲まれた第１空間６２である。そして、第２空間６１内の水素ガスは黒塗り矢印Ｐで示すように、貫通孔５４，…を通って第１空間６２内へ導入される。
【００２７】
第１空間６２内では、水素ガスは、黒塗り矢印Ｐで示すように、水平方向に広がりながら下方へ流通し、各水素チャンネル３４，…に導入される。したがって、仕切り板５１における貫通孔５４，…の開設位置及び第１空間６２の高さＴを適切に設定すれば、電池スタック３０の上面３７の全体にほぼ均一に水素ガスを分散させることができる。
【００２８】
ここで、第１空間６２の高さＴの値は、水素分配マニホールド４０の凹部４３の深さＩを変えなくても、仕切り板５１の厚みＨを変えることによって調節することができる。また、貫通孔５４の個数や開設位置についても、仕切り板５１の作製時に容易に調整することができるので、水素ガスを均一に分散させるための調整が容易である。
【００２９】
本実施形態においては、４つの貫通孔５４，…は、仕切り板５１の対角線を４等分した位置に開設されているが（図４（ａ）参照）、貫通孔５４の個数が４つの場合は、このような位置に開設するのが望ましい。また、第１空間６２の高さＴは、図３に示すように、それぞれの貫通孔５４，…から放出された水素ガスの流れが第１空間６２内の下方で十分に広がり、かつ、互いにその流れが重なったりせず、凹部４３の側面４５と衝突しないような値に設定することが、均一な水素ガスの分散を実現する上で望ましいと考えられる。
【００３０】
なお、さらに良好な電池特性を得るためには、電池スタック３０の体積Ｖと水素分配マニホールド４０の第１空間６２の容積Ｑとの比Ｖ／Ｑを、１５以上４０以下の範囲に設定するのがよいことが実験的に分かっているが、本発明によれば、上述したように、水素分配マニホールド４０はそのままで、仕切り板５１の厚みＨを変化させるだけで、水素分配マニホールド４０における第１空間６２の深さＴを変化させることができ、それに伴って、第１空間６２の容積Ｑを変化させることができる。
【００３１】
したがって、電池スタック３０の体積Ｖが変化した場合においても、電池スタック３０の体積Ｖと水素分配マニホールド４０の第１空間６２の容積Ｑとの比Ｖ／Ｑを、電池特性の向上に効果的な範囲（１５以上４０以下）に容易に調節することができる。
本発明の効果を確かめるために、水素分配マニホールド４０の凹部４３内に仕切り板を取り付けていない従来例の燃料電池（Ｎｏ．１）、並びに、水素分配マニホールド４０の凹部４３内に仕切り板５１、仕切り板７１、仕切り板８１をそれぞれ取り付けた本発明例の燃料電池（Ｎｏ．４〜Ｎｏ．２）を作製し、各セル３１，…の発電電圧を測定した。
【００３２】
なお、実験で用いた電池スタック３０はセル３１（セル面積１９０ｃｍ2 ）を３０枚積層したものであり、電池運転温度を１００℃に設定し、アノードガスとして純水素ガスを用いて燃料利用率９０％、定格電流値１９Ａとした。
さらに、実験で用いた仕切り板５１、仕切り板７１及び仕切り板８１は、すべて同じ大きさであるが、それぞれ仕切り板に対する貫通孔の個数及び開設位置が異なっており、以下のような形状をしている。即ち、仕切り板５１は、図４（ａ）に示すように、対角線の交点Ｇ１と端点Ｇ２とを結ぶ線分の中点に、それぞれ直径約３ｍｍの貫通孔５４が開設されている。また、仕切り板７１は、図４（ｂ）に示すように、対角線の交点Ｇ１と端点Ｇ２とを結ぶ線分を六等分する位置で交点Ｇ１寄りに、それぞれ直径約３ｍｍの貫通孔７２が開設されている。また、仕切り板８１は、図４（ｃ）に示すように、対角線の交点に直径約６ｍｍの貫通孔８２が開設されている。
【００３３】
【表１】
0003691141.tif 000002
その結果を表１に示すが、表１における最低値は３０枚のセル３１，…の各発電電圧での最低値を示したものである。その結果、以下のことがわかる。
負荷１００％時、負荷５０％時いずれの場合においても、本発明例の燃料電池Ｎｏ．２〜Ｎｏ．４は、従来例の燃料電池Ｎｏ．１と比べて、発電電圧の平均値と最低値との差が小さくなっている。これは、本発明例の燃料電池Ｎｏ．２〜Ｎｏ．４においては、水素ガスの各セル３１，…への分配が均一になされていることを示している。
【００３４】
さらに、本発明例の燃料電池Ｎｏ．２〜Ｎｏ．４は、従来例の燃料電池Ｎｏ．１と比べて発電電圧の平均値自体も増大している。この結果も、本発明例の燃料電池Ｎｏ．２〜Ｎｏ．４において、各セル３１，…への水素ガスの分配が均一になされていることを裏付けている。
また、従来例の燃料電池Ｎｏ．１では、負荷１００％時に比べて負荷５０％時において発電電圧の平均値と最低値の差が大きいことから、低負荷時に水素ガスの分配が特に不均一となりやすいことがわかるが、本発明例の燃料電池Ｎｏ．２〜Ｎｏ．４では、負荷５０％時における発電電圧の最低値が従来例の燃料電池Ｎｏ．１のそれと比べて４０〜５０ｍＶも増大しており、低負荷時における水素ガスの均一分配性に大きな効果があることがわかる。
【００３５】
さらに、本発明例の各燃料電池Ｎｏ．２〜Ｎｏ．４を比較してみると、燃料電池Ｎｏ．４において、セル３１，…の発電電圧の平均値が最大で、しかも平均値と最低値との差が最小となり、最も水素ガスの均一分配性に効果があった。また、２番目に水素ガスの均一分配性に効果があるものは燃料電池Ｎｏ．３であり、３番目は燃料電池Ｎｏ．２であった。このことから、仕切り板に開設する貫通孔の個数は１個よりも複数個の方がよく、しかも開設位置は仕切り板全体にわたった方が水素ガスの均一分配性により効果的であることがわかる。
【００３６】
なお、本実施形態においては、仕切り板５１，…に開設する貫通孔５４の個数を１個または４個としたが、これに限られることはなく、仕切り板５１の大きさや電池スタック３０の大きさ、水素ガスの流量やその勢い等に基づいて、最適の効果が得られるように設定すればよい。
また、水素分配マニホールド４０の凹部４３内に仕切り板５１を取り付ける際、凹部４３の底面４０ａと仕切り板５１の外周土手部５６との間を、例えばフッ素ゴム等の耐熱性、耐化学薬品性に優れた材料を用いてパッキングすることも可能である。
【００３７】
さらに、仕切り板を、複数個の貫通孔が開設された平面状薄板によって構成し、その端縁部と水素分配マニホールド４０の凹部４３の側面４５とを例えば溶接等により固着しても、仕切り板を凹部４３内に保持させることができ、水素分配マニホールド４０内の水素ガスの流通空間を第１空間と第２空間に区画することができるので、その場合にも同様の効果を奏する。
【００３８】
また、本実施形態においては、リン酸型燃料電池を用いたが、これに限られることはなく、例えば、固体高分子型燃料電池であってもよいし、ポータブル電源用の小型の燃料電池に限らず、外部マニホールド方式の燃料電池であれば、一般的に適用することができる。
【００３９】
【発明の効果】
上述のように、請求項１記載の発明によれば、アノードガス分配マニホールド自体の設計は変更することなしに、アノードガス分配マニホールドの中に仕切り板を取り付けるだけで、アノードガスの分配を均一化することができる。しかも、仕切り板の作製を比較的容易に行うことができ、構成が簡単であるため、小型の燃料電池の場合でも容易に作製することができる。そして、アノードガスの分配を均一にすることによって、燃料電池としての発電特性を向上させることができる。また、電池スタックにおける各セルの発電電圧のばらつきを抑えることができるので、一部のセルが他のセルに比べて早く劣化したりするのを防ぐことができ、燃料電池の寿命特性の向上にもつながり、経済的な効果が大きい。さらに、１つの形状の外部マニホールドを複数の電池スタックに併用することも可能であり、燃料電池の発電特性を優れたものとすることができる。
【００４０】
その上、請求項２記載の発明によれば、仕切り板には２個以上の貫通孔が均一に分散して開設されている。したがって、アノードガスはより均一に各セルへ分配供給されるため、より効果的に燃料電池の発電特性を向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るポータブル燃料電池システムの全体斜視図である。
【図２】本発明に係る燃料電池の分解斜視図である。
【図３】図３のＸ−Ｘ線断面における部分拡大図である。
【図４】（ａ）仕切り板５１の斜視図である。（ｂ）仕切り板７１の斜視図である。（ｃ）仕切り板８１の斜視図である。
【符号の説明】
３    燃料電池
３０  電池スタック
３１  セル
３２  セパレータ板
３３  空気チャンネル
３４  水素チャンネル
４０  水素分配マニホールド
４１  水素回収マニホールド
４４  水素導入口
５１  仕切り板
５４  貫通孔
６１  第２空間
６２  第１空間
【図１】
0003691141.tif 000003
【図２】
0003691141.tif 000004
【図３】
0003691141.tif 000005
【図４】
0003691141.tif 000006