(57)【要約】【課題】簡単な構成でマニホールド間の静圧差の不均一を是正する燃料電池スタックのマニホールド構造を提供する。【解決手段】プレート１１，１３および膜−電極接合体１２を有するセル１０を積層する燃料電池スタック１において、カソードガス、アノードガス、冷却水のうち少なくとも一つの流体が流れるマニホールド５０を備え、入口マニホールド５０は、流れ方向に直角な断面の面積が流れ方向で変化する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プレート及び膜−電極接合体を有するセルを積層する燃料電池スタックにおいて、
カソードガス、アノードガス、冷却水のうち少なくとも一つの流体を前記セルに供給する入口マニホールドを備え、
前記入口マニホールドは、流れ方向に直角な断面の面積が流れ方向で変化する、
ことを特徴とする燃料電池スタックのマニホールド構造。
【請求項２】
前記入口マニホールドは、流れ方向に対して下流側にいくほど前記断面積が縮小する、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタックのマニホールド構造。
【請求項３】
前記セルを流れた流体を排出する出口マニホールドをさらに備え、
前記出口マニホールドは、流れ方向に直角な断面の面積が流れ方向に対して下流側にいくほど拡大する、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池スタックのマニホールド構造。
【請求項４】
前記入口マニホールド又は前記出口マニホールドに挿通され、前記断面積を変更する断面積変更部材を備える、
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池スタックのマニホールド構造。
【請求項５】
前記入口マニホールド又は前記出口マニホールドは、前記積層セルの内部を積層方向に貫通する内部マニホールドである、
ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の燃料電池スタックのマニホールド構造。
【請求項６】
前記断面積変更部材は絶縁体で構成され、前記内部マニホールドの内壁面と接して前記セルの積層方向の基準面を形成する、
ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池スタックのマニホールド構造。
【請求項７】
前記入口マニホールド又は前記出口マニホールドは、前記積層セルの外部に配置され、前記セルと分離可能な外部マニホールドである、
ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の燃料電池スタックのマニホールド構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックのマニホールド構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
セルを積層した燃料電池スタックには、積層方向にマニホールドが延設されている。このマニホールドは、アノードガス、カソードガス、冷却水を各セルに分配して供給し、また、各セルから集合して排出する。このように、マニホールドは分配管や集合管として機能する。各セルへの流体の分配や各セルからの流体の集合により圧力損失や静圧変化が発生し、マニホールド間の静圧差は不均一となる。したがって、各セルへの流体の分配を均等にすることは困難である。また、流体供給装置は、この不均一な流れの最小流量を補償するように運転するため、補機動力を増加させる。
【０００３】
そこで、セルを構成するプレートのマニホールドに接続する部分の端部を湾曲させることによって、分岐圧損や集合圧損を低減し、マニホールド間の静圧差の不均一を是正することが提案されている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２０００−３３１６９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、このようにプレートの端部を湾曲させると、当該部分のプレートの厚さが極めて薄くなってしまうため、欠け、割れ、折れが生じてしまう問題点があった。
【０００５】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、プレート端部の加工を必要とせずに、簡単な構成でマニホールド間の静圧差の不均一を是正する燃料電池スタックのマニホールド構造を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００７】
本発明は、プレート（１１，１３）および膜−電極接合体（１２）を有するセル（１０）を積層する燃料電池スタック（１）において、カソードガス、アノードガス、冷却水のうち少なくとも一つの流体が流れるマニホールド（５０）を備え、前記入口マニホールド（５０）は、流れ方向に直角な断面の面積が流れ方向で変化することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、内部マニホールドの断面積を変化させることによってガスなどの流体の流速を変化させ、マニホールドの上流と下流の間の静圧差の不均一を是正することができる。これにより、発電性能及び発電効率の向上が図られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下では図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は、本実施形態における燃料電池スタック１の単セル１０を構成するプレートを示す図である。図１（Ａ）は、アノードプレート１１のＭＥＡ１２との接触面、図１（Ｂ）は、ＭＥＡ１２のカソードプレート１３との接触面、図１（Ｃ）は、カソードプレート１３のアノードプレート１１との接触面である。
【００１０】
単セル１０は、アノードプレート１１とカソードプレート１３の間に膜−電極接合体１２（Membrane Electrode Assemblies、以下「ＭＥＡ」と略す）を挟み込む構成となっている。
【００１１】
ＭＥＡ１２は、長方形のプレート状であって、中央に高分子固体電解質膜と触媒層とガス拡散層とからなる発電部１６を備える。さらに、ＭＥＡ１２は、長辺方向両端部にガスや冷却水のマニホールドを形成する連通孔を備える。形成されるマニホールドは、カソード入口マニホールド２１と、冷却水入口マニホールド２２と、アノード出口マニホールド２３と、アノード入口マニホールド２４と、冷却水出口マニホールド２５と、カソード出口マニホールド２６である。各マニホールドの高さは、発電部１６の略１／３となっている。冷却水入口マニホールド２２と冷却水出口マニホールド２５は、ＭＥＡ１２の短辺方向略中央に位置する。また、カソード入口マニホールド２１とカソード出口マニホールド２６及びアノード入口マニホールド２４とアノード出口マニホールド２３は、長辺方向両端部の対角に位置するように形成される。例えば、図１（Ｂ）に示すように、カソード入口マニホールド２１がＭＥＡ１２の左上方に位置する場合には、右下方にカソード出口マニホールド２６が位置する。
【００１２】
また、ＭＥＡ１２において、図１（Ｂ）に示す発電部１６ではカソードガスと接触し、アノードプレート１３側の反対面ではアノードガスと接触する。このように、ＭＥＡ１２のアノードプレート１１側にはアノードガスが、カソードプレート１３側にはカソードガスが、それぞれ発電部１６に接触することによって電気化学反応をおこして発電する。
【００１３】
なお、ＭＥＡ１２とアノードプレート１１及びカソードプレート１３の間は、アノードガスとカソードガスと冷却水と大気とが互いに接触することを防ぐために、それぞれシールされている。
【００１４】
アノードプレート１１は、主としてカーボンからなる。アノードプレート１１は、ＭＥＡ１２と同様に、マニホールドを形成する連通孔を備える。アノードプレート１１は、アノード入口マニホールド２４から発電部１５にかけてアノードガスを整流するディフューザ１８を備えている。発電部１５には、アノードガスが通過する多数の溝（流路）が形成されている。ディフューザ１８には、ガイド２８を備えており、マニホールドから発電部に至るまでにアノードガスを各流路に分配する。また、発電部１５からアノード出口マニホールド２３にアノードガスを整流する部分にも同様にディフューザ１８を備えている。カソードプレート１３側の接触面には、後述するカソードプレート１３と同様に冷却水の流路となる断面積変更部材部や溝(流路)が形成されている。
【００１５】
カソードプレート１３は、主としてカーボンからなる。カソードプレート１３は、ＭＥＡ１２と同様に、マニホールドを形成する連通孔を備える。カソードプレート１３は、冷却水入口マニホールド２２から発電部１７に冷却水を整流するディフューザ１９を備える。発電部１７には、冷却水が通過する多数の溝（流路）が形成されている。ディフューザ１９には、ガイド２８を備えており、マニホールドから発電部に至るまでに冷却水を各流路に分配する。また、発電部１７から冷却水出口マニホールド２５に冷却水を整流する部分にもディフューザ１９を備えている。また、ＭＥＡ１２との接触面には、カソードガスをＭＥＡ１２の発電部１６に接触させるために、前述のアノードプレート１１とＭＥＡ１２との接触面と同様に断面積変更部材部や溝(流路)が形成されている。
【００１６】
図２は、本発明による燃料電池スタック１の全体図である。燃料電池スタック１は、複数の単セル１０と、集電プレート２９、３０と、エンドプレート３１、３２とを有する。単セル１０は、アノードプレート１１、ＭＥＡ１２、カソードプレート１３を積層して構成される。単セル１０は、複数枚積み重ねられている。集電プレート２９、３０は、積み重ねられた単セル１０を挟むように配置される。集電プレート２９、３０には燃料電池の電力を外部に取り出す端子部３３が設けられている。エンドプレート３１、３２は、集電プレート２９、３０のさらに外側を挟むように配置される。エンドプレート３２は燃料電池内に均一に面圧を加えることができるように、バネ３４を介して、プレッシャプレート３５とタイロッド３６で結合されている。
【００１７】
また、エンドプレート３１と集電プレート２９、３０には、マニホールドにガスや冷却水の流体を供給する連通孔が設けられている。集電プレート２９、３０及びエンドプレート３１は、ガスや冷却水の接触を防ぐために各プレートと同様にシール機能を備えている。
【００１８】
図３は、図２の燃料電池スタック１の内部マニホールド５０を含む断面図である。内部マニホールド５０は、エンドプレート３１の連通孔３１ａから集電プレート２９、積層された単セル１０、集電プレート３０を貫通するように形成されている。その内部マニホールド５０に断面積変更部材３７が挿通されている。断面積変更部材３７は、内部マニホールド５０の入口となるエンドプレート３１の連通孔３１ａからエンドプレート３２に向けて徐々に断面積が大きくなる傾斜面３７ａを有する。断面積変更部材３７は、内部マニホールド５０の側面と傾斜面３７ａの反対面が接するように配置される。断面積変更部材３７は、絶縁体で形成されている。断面積変更部材３７は、エンドプレート３２に結合されている。
【００１９】
次に、本実施形態における燃料電池スタック１の作用について説明する。
【００２０】
図４は、図３に示す断面図について流体の経路を拡大して表示した概略図である。ガスや冷却水といった流体が矢印Ａ方向から供給され、矢印Ｂ方向に排出される様子を示している。例えば、カソード入口マニホールド２１から供給されたカソードガスは、ＭＥＡ１２とカソードプレート１３の間を通過して、カソード出口マニホールド２６から排出される。カソード入口マニホールド２１では、エンドプレート３２側すなわち下流ほど断面積変更部材３７の断面積が増加するため、マニホールドの断面積は減少する。
【００２１】
図５は、図３に示す燃料電池スタック１のように入口側のマニホールドに断面積変更部材３７を挿入した場合におけるマニホールド内の静圧分布を示している。また、参考までに破線で従来の静圧分布を示している。なお、縦軸は静圧を表し、横軸はエンドプレート３１からの距離を表している。図５によると、断面積変更部材３７の作用によって、断面積変更部材を挿通しない従来の構造と比較して入口側マニホールド内の静圧が上昇している。また、エンドプレート３２に近づくほど静圧は上昇しており、マニホールド各部において上流と下流との静圧差の不均一が改善されている。
【００２２】
本実施形態によれば、断面積変更部材３７を内部マニホールド５０に挿入することによって、流路内の静圧差の不均一を是正することができる。入口側マニホールドと出口側マニホールド内との静圧差は、各プレート間を通過する際の流体の圧力に相当する。したがって、燃料電池スタック１を構成する単セル１０への流体の供給を均一化することができ、燃料電池スタック１の発電性能及び発電効率が有効に向上させることができる。
【００２３】
また、本実施形態によれば、セルの端部を加工する必要がなく、加工コストを抑えることができる。さらに、断面積変更部材３７を内部マニホールド５０に挿入することによってマニホールドの断面積を変化させるため、各セルの連通孔の形状を同一形状とすることができ、各プレートの形状を共通化することができる。
【００２４】
さらに、断面積変更部材３７は、セルを積層する際に位置決めをするロケート部品を兼ねることができるため、大幅に部品数を増加させることなく本発明を実施することが可能である。
【００２５】
なお、外部マニホールドを有する燃料電池スタックに適用する場合には、外部マニホールドの形状を出入口に近づくにつれて断面積が大きくなるように加工することによって本実施形態と同様の効果を得ることができる。
（第２実施形態）
図６は、本発明による燃料電池スタック１の第２実施形態を示す内部マニホールド５０を含む断面の概略図である。
【００２６】
なお以下に示す各実施形態では前述した実施形態と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【００２７】
図６に示すように本実施形態では、出口側のマニホールドにも断面積変更部材３８を挿通する。断面積変更部材３８は、内部マニホールド５０の出口となるエンドプレート３１の連通孔３１ｂからエンドプレート３２に向けて徐々に断面積が大きくなる傾斜面３８ａを有する。断面積変更部材３８は、内部マニホールド５０の側面と傾斜面３８ａの反対面が接するように配置される。断面積変更部材３８は、絶縁体で形成されている。断面積変更部材３８は、エンドプレート３２に結合されている。他の構成については第１実施形態と同様である。
【００２８】
図７は、図６に示す燃料電池スタック１のように入口側及び出口側のマニホールドに断面積変更部材３７、３８を挿入した場合におけるマニホールド内の静圧分布を示している。また、参考までに破線で従来の静圧分布を示している。図７によると、本実施形態では入口側のマニホールドの静圧を上昇させるとともに、出口側のマニホールドの静圧を低下させることができる。
【００２９】
本実施形態によれば、入口側のマニホールドだけでなく出口側のマニホールドについても静圧の調整が可能である。したがって、各プレート間を流れる流体の静圧をより精確に調整し、均一かつ円滑に分配することができる。
【００３０】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】燃料電池スタックの単セルを構成するプレートを示す図である。
【図２】単セルを積層して構成される燃料電池スタックを示す図である。
【図３】図２に示す本発明による燃料電池スタックのマニホールド構造の第１実施形態の断面図である。
【図４】本発明による燃料電池スタックのマニホールド構造の第１実施形態の流体の流路の概略図である。
【図５】本発明による燃料電池スタックのマニホールド構造の第１実施形態のマニホールド内の静圧分布を示す図である。
【図６】本発明による燃料電池スタックのマニホールド構造の第２実施形態の流体の流路の概略図である。
【図７】本発明による燃料電池スタックのマニホールド構造の第２実施形態のマニホールド内の静圧分布を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  単セル  （セル）
１１  アノードプレート  （プレート）
１２  ＭＥＡ  （膜−電極接合体）
１３  カソードプレート  （プレート）
２１  カソード入口  （連通孔）
２２  冷却水入口  （連通孔）
２３  アノード出口  （連通孔）
２４  アノード入口  （連通孔）
２５  冷却水出口  （連通孔）
２６  カソード出口  （連通孔）
２９，３０  集電プレート
３１，３２  エンドプレート
３７，３８  断面積変更部材
５０  内部マニホールド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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