(57)【要約】【課題】燃料電池スタックの積層数が多くマニホールドに流れ込むガス流量が大きい場合であっても、各単位セルに均一に反応ガスを供給することができる燃料電池のガス供給構造を提供する。【解決手段】正極、電解質、負極からなる単位セル２を、セパレータ板３を介して積層するセルスタック１と、セルスタック１を挟持する一対のエンドプレート６と、セパレータ板３及びエンドプレート６に形成され、反応ガスを各単位セル２に供給するガス供給マニホールド４とを有する燃料電池のガス供給構造であって、反応ガスを導入するためのガス導入管９と、ガス導入管９から導入された反応ガスを一旦貯留して略均一化するガス均一化部８と、ガス均一化部８に連設され、そのガス均一化部８で均一化されたガスを整流してガス供給マニホールド４に通流させて、各単位セル２に略均等に分配するガス均等分配部７とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極、電解質、負極からなる単位セルを、セパレータ板を介して積層するセルスタックと、
前記セルスタックを挟持する一対のエンドプレートと、
前記セパレータ板及びエンドプレートに形成され、反応ガスを前記各単位セルに供給するガス供給マニホールドと、
を有する燃料電池のガス供給構造であって、
前記反応ガスを導入するためのガス導入管と、
前記ガス導入管に連設され、そのガス導入管から導入された反応ガスを一旦貯留して略均一化するガス均一化部と、
前記ガス均一化部に連設され、そのガス均一化部で均一化されたガスを整流して前記ガス供給マニホールドに通流させて、前記各単位セルに略均等に分配するガス均等分配部と、
を有することを特徴とする燃料電池のガス供給構造。
【請求項２】
前記ガス均等分配部は、前記ガス均一化部で均一化されたガスを層流化して各単位セルに分配する、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のガス供給構造。
【請求項３】
前記ガス均等分配部は、所定の厚さを有するハニカム部材である、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池のガス供給構造。
【請求項４】
前記ハニカム部材は、厚さが５ｍｍ以上である、
ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池のガス供給構造。
【請求項５】
前記ハニカム部材は、厚さが前記エンドプレートの厚さと略同等である、
ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の燃料電池のガス供給構造。
【請求項６】
前記ハニカム部材は、各ハニカム孔の大きさが、前記単位セルに形成されているガス流路の溝幅及び深さのいずれよりも小さい、
ことを特徴とする請求項３から請求項５までのいずれか１項に記載の燃料電池のガス供給構造。
【請求項７】
前記ハニカム部材は、各ハニカム孔の大きさが、水素燃焼炎の消炎距離より小さい、
ことを特徴とする請求項３から請求項６までのいずれか１項に記載の燃料電池のガス供給構造。
【請求項８】
前記ハニカム部材は、各ハニカム孔の大きさが０．６ｍｍ以下である、
ことを特徴とする請求項３から請求項７までのいずれか１項に記載の燃料電池のガス供給構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池のガス供給構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池では、正極、電解質、負極からなる単位セルが、セパレータ板を介して積層されてセルスタックが形成され、そのセルスタックが一組のエンドプレートで挟持されている。セパレータ板及びエンドプレートには、セル積層方向に沿って、反応ガスを供給するガス供給マニホールドと反応ガスを排出するガス排出マニホールドが形成されている。
【０００３】
反応ガスの円滑に流すには、燃料電池に反応ガスを供給する供給配管を、燃料電池のガス供給マニホールドの延設方向の延長線上に延設することが望ましい。ところが燃料電池の搭載性から、そのように供給配管を設けることができないことが多い。
【０００４】
そこで、供給配管をエンドプレートの側面に設け、ガス供給マニホールドの手前で曲折させてガス供給マニホールドに連接している。
【０００５】
しかし、このようにした場合には、曲折された供給配管の外側を流れるガスほど流速が速くなり、ガス供給マニホールドを流れるガスは上（燃料電池セルから遠い側）の流速が早くなる。その結果、燃料電池セルに分配されるガス流量がセルごとにばらついて各単位セルの放電特性がばらついてしまう。
【０００６】
そこで、特許文献１では、ガス供給マニホールドの手前に、反応ガスを拡散し均一化するためのガス拡散用空間部と、多数の孔の形成された厚さ０．０５〜０．０８ｍｍ程度のパンチングメタル薄板のガス整流板を設けている。このようにすることで、反応ガスは、ガス拡散用空間部で拡散されて均一化され、ガス整流板で整流されてガス供給マニホールド内を通流し、各単位セルに均一に供給される。そのため、各単位セルの放電特性のばらつきを抑制することができる。
【特許文献１】特開平８−２９３３１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、前述した従来の燃料電池のガス供給構造では、燃料電池スタックの積層数が多くマニホールドに流れ込むガス流量が大きい場合には、各単位セルに均一に反応ガスを供給することができない。
【０００８】
本発明は、このような従来の問題点に着目した発明者の鋭意研究によってなされたものであり、燃料電池スタックの積層数が多くマニホールドに流れ込むガス流量が大きい場合であっても、各単位セルに均一に反応ガスを供給することができる燃料電池のガス供給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】
【０００９】
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。
【００１０】
本発明は、正極、電解質、負極からなる単位セル（２）を、セパレータ板（３）を介して積層するセルスタック（１）と、前記セルスタック（１）を挟持する一対のエンドプレート（６）と、前記セパレータ板（３）及びエンドプレート（６）に形成され、反応ガスを前記各単位セル（２）に供給するガス供給マニホールド（４）とを有する燃料電池のガス供給構造であって、前記反応ガスを導入するためのガス導入管（９）と、前記ガス導入管（９）に連設され、そのガス導入管（９）から導入された反応ガスを一旦貯留して略均一化するガス均一化部（８）と、前記ガス均一化部（８）に連設され、そのガス均一化部（８）で均一化されたガスを整流して前記ガス供給マニホールド（４）に通流させて、前記各単位セル（２）に略均等に分配するガス均等分配部（７）とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ガス導入管から導入された反応ガスを略均一化してから、整流してガス供給マニホールドに通流させるようにした。このようにしたので、燃料電池スタックの積層数が多くマニホールドに流れ込むガス流量が大きい場合であっても、各単位セルに略均等に反応ガスを供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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。
【００１３】
図１は本発明による燃料電池のガス供給構造の一実施形態の構成を示す図である。
【００１４】
本実施形態の燃料電池スタック１は、複数枚の燃料電池セル２がセパレータ板３を介して積層され、一組のエンドプレート６で挟持されることで形成される。
【００１５】
燃料電池セル２は、正極、電解質、負極からなる単位セルである。燃料電池セル２の表面には、反応ガスを通流させるためのガス流路が形成されている。
【００１６】
セパレータ板３及びエンドプレート６には、燃料電池セル２に反応ガスを供給するガス供給マニホールド４と、燃料電池セル２から反応ガスを排出するガス排出マニホールド５とが形成されている。
【００１７】
エンドプレート６には、ガス供給マニホールド４の開口が形成されている。この開口にはハニカム部材７が挿嵌されるとともに、箱形のガス均一化部８が設置されている。ガス均一化部８は、ガス導入管９に連設され、そのガス導入管９から供給された反応ガスを一旦貯留することで、ガスの流れによって内部でガスを攪拌して略均一化する。
【００１８】
図２はハニカム部材の拡大構成図である。
【００１９】
ハニカム部材７は、ガス均一化部８で略均一化されたガスを整流する。ハニカム部材７に形成された貫通孔（以下「ハニカム孔」という）は、図２に示すように正方形でも、蜂巣状でも、円形でもよい。ハニカム孔の大きさは、燃料電池セル２に形成されたガス流路の溝幅及び深さのいずれよりも小さい。このようにすることで、万一、供給ガスに微細なゴミなどが含まれていても、その微細ゴミはハニカム孔に引っかかるので、燃料電池セル２の内部には侵入しない。したがって、燃料電池の反応ガス流路の閉塞による電池性能低下や短絡などを防止することができる。またハニカム孔の最小内径を、水素燃焼炎の消炎距離である０．６ｍｍより小さくするとよい。このようにすれば、万一、燃料電池内部で燃焼が発生した場合でも、火炎がハニカム孔を通過できないので、燃料電池スタックの外部に火炎が伝播することを防ぐことができ、燃焼がシステム全体へ及ぶようなトラブルに発展することを回避することができる。ハニカム部材７の厚さ（反応ガスの通流方向の寸法）については後述する。なおハニカム孔の内径ｄ、ハニカム孔を流れるガスの流速ｖ、ガスの動粘性係数νのとき、レイノルズ数Ｒe＝ｖｄ／νであり、Ｒe＜Ｒec(臨界レイノルズ数)のときはハニカム孔を流れるガスは層流であり、Ｒe＞Ｒecのときは乱流である。層流のときにガス供給マニホールド内のガスは、均一な状態で流れ、各燃料電池セル２に均等に分配される。
【００２０】
以上のように構成することで、ガス導入管９から燃料電池スタック１に供給された反応ガスは、ガス均一化部８を通り、ハニカム部材７のハニカム孔を通過してガス供給マニホールド４へ供給されて各燃料電池セル２に分配される。
【００２１】
次にハニカム部材７の厚さの決め方について図３を参照して説明する。図３は、ガスを一定流量で供給したときに、ハニカム部材７からの距離に対する各燃料電池セル２に分配されるガス流量の変化を示す図である。ハニカム部材７の厚さを３ｍｍにしたときを点線で示し、５ｍｍにしたときを破線で示し、１０ｍｍにしたときを実線で示す。
【００２２】
この図３を見ると、ハニカム部材７の厚さを３ｍｍ→５ｍｍ→１０ｍｍと厚くするのにしたがって、各燃料電池セル２へのガス分配流量は一定に近づくことがわかる。
【００２３】
アノード側に純水素を用いてストイキ比１．０５で運転する場合を想定すると、各燃料電池セル２へのガス分配流量の最小値と最大値の差を５％以内に抑える必要がある。
【００２４】
そしてこのようにするには、図３からハニカム部材７の厚さを少なくとも５ｍｍ以上にするとよいことがわかる。
【００２５】
なおハニカム部材７の孔の形状や大きさを変化させても、各燃料電池セル２に分配されるガス流量のバラツキには、ほとんど影響がなかった。そこで、各燃料電池セル２にストイキ比１以上のガスを供給するために最低限必要なハニカム部材７の厚さとして５ｍｍ以上とした。
【００２６】
本実施形態によれば、反応ガスがガス均一化部８に導入されて拡散、均一化され、ついでハニカム部材７を通ってガス供給マニホールド４に供給されるので、ガス供給マニホールド内のガスの流れは非常に均一な状態に保たれ、各燃料電池セル２の特性ばらつきを少なくすることができる。
【００２７】
またハニカム孔の大きさは、燃料電池セル２に形成されたガス流路の溝幅及び深さのいずれよりも小さいので、万一、供給ガスに微細なゴミなどが含まれていても、その微細ゴミはハニカム孔に引っかかるため、燃料電池セル２の内部には侵入しない。したがって、燃料電池の反応ガス流路の閉塞による電池性能低下や短絡などを防止することができる。
【００２８】
さらにハニカム孔の最小内径を、水素燃焼炎の消炎距離である０．６ｍｍより小さくすることで、万一、燃料電池内部で燃焼が発生した場合でも、火炎がハニカム孔を通過できないので、燃料電池スタックの外部に火炎が伝播することを防ぐことができ、燃焼がシステム全体へ及ぶようなトラブルに発展することを回避することができる。
【００２９】
さらにまたハニカム部材７の厚さを５ｍｍ以上にしたので、各燃料電池セル２へのガス分配流量の最小値と最大値の差を５％以内に抑えることができ、燃料電池スタック１のセル積層数が大きい場合にも、ガス供給マニホールド内のガスの流れを非常に均一な状態に保つことができ各単位セルの特性ばらつきを少なくすることができる。
【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。
【００３１】
例えば、上記実施形態のハニカム部材は、孔の断面形状がいわゆる蜂巣状の形状のものには限定されない。例えば正方形や円状など種々の形状であってよい。また寸法も上記実施形態に限定されないのはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明による燃料電池のガス供給構造の一実施形態の構成を示す図である。
【図２】ハニカム部材の拡大構成図である。
【図３】ガスを一定流量で供給したときに、ハニカム部材からの距離に対する各燃料電池セルに分配されるガス流量の変化を示す図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  燃料電池スタック
２  燃料電池セル（単位セル）
３  セパレータ板
４  ガス供給マニホールド
５  ガス排出マニホールド
６  エンドプレート
７  ハニカム部材（ガス均等分配部）
８  ガス均一化部
９  ガス導入管
【図１】
2006147456.tif 000003
【図２】
2006147456.tif 000004
【図３】
2006147456.tif 000005