(57)【要約】      （修正有）【課題】冷却水を適切に流通させることが可能な燃料電池スタックを提供する。【解決手段】燃料電池スタック１は、複数の燃料電池セルを含む積層体２と、前記積層体の上方に設けられた冷却水出口マニホールド７ｃと、前記積層体の下方に設けられた冷却水入口マニホールド８ｃとを備える。さらに、前記スタックは、前記冷却水出口マニホールドに設けられた冷却水出口配管７ｄと、前記冷却水入口マニホールドに設けられた冷却水入口配管８ｄとを備える。さらに、前記冷却水出口マニホールドの内壁は、前記積層体の上下方向に対して傾いた上面を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池セルを含む積層体と、
前記積層体の上方に設けられた冷却水出口マニホールドと、
前記積層体の下方に設けられた冷却水入口マニホールドと、
前記冷却水出口マニホールドに設けられた冷却水出口配管と、
前記冷却水入口マニホールドに設けられた冷却水入口配管とを備え、
前記冷却水出口マニホールドの内壁は、前記積層体の上下方向に対して傾いた上面を有する、燃料電池スタック。
【請求項２】
前記冷却水出口マニホールドの内壁は、前記冷却水出口配管が設けられた第１側面と、前記第１側面に対向する第２側面とを有し、
前記冷却水出口マニホールドの前記上面は、前記第１側面から前記第２側面に向かって低くなるように傾いている、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記冷却水出口マニホールドの内壁は、前記冷却水出口配管が設けられた第１側面と、前記第１側面に対向する第２側面とを有し、
前記冷却水出口配管は、前記第１側面の最上部に接する位置に設けられている、請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記冷却水出口マニホールドの内壁は、前記冷却水出口配管が設けられた第１側面と、前記第１側面に対向する第２側面と、前記第１側面と前記第２側面との間に位置する第３側面とを有し、
前記第３側面は、前記積層体の上下方向に対して傾いている、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記冷却水出口配管は、前記冷却水出口マニホールドの前記上面の最上部に設けられている、請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記冷却水出口マニホールドの前記上面の最上部の幅は、前記冷却水出口配管の内径よりも小さい、請求項５に記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記冷却水出口マニホールドの前記上面は、上に凸な形状を有するように傾いている、請求項５または６に記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
前記冷却水出口マニホールドの内壁は、前記積層体の上下方向に対して傾いた側面を有する、請求項１から７のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料極に水素を含む燃料ガスを導入し、酸化剤極に酸素を含む酸化剤ガスを導入し、これらの反応ガスの電気化学反応により電気と水を生成する装置である。酸化剤ガスとしては、一般的に空気が使用される。燃料電池に関しては、一般家庭、コンビニエンスストア、通信基地、病院などで使用する定置用途、自動車やバスなどに搭載する車載用途、モバイルパソコンや携帯電話などに適用する携帯用途の開発が進んでいる。例えば、一般家庭用の燃料電池システムは、電気を供給すると同時に、発電時に発生する熱を回収することで温水も供給するコージェネレーションシステムである。
【０００３】
高分子電解質形燃料電池は、プロトン伝導性の高分子電解質膜の両面に燃料極と酸化剤極を有する複数の燃料電池セルと、燃料電池セル同士を分離する複数のセパレータとを備えており、燃料電池セルとセパレータが交互に積層されて燃料電池スタックが形成されている。セパレータの例は、反応ガスの流路を形成するガスセパレータや、燃料電池セルを冷却する冷却水の流路を形成する冷却水セパレータである。燃料電池スタックにより温められた冷却水は、燃料電池スタックの下流に設けられた熱交換器にて水道水と熱交換し、これにより燃料電池スタックで発生した熱が回収される。
【０００４】
燃料ガスと酸化剤ガスはそれぞれ、燃料ガスの供給手段と酸化剤ガスの供給手段により燃料電池スタックのガスマニホールドに導入される。そして、ガスマニホールドに面するガスセパレータの開口部から個々の燃料電池セルにこれらの反応ガスが供給される。冷却水も同様に、ポンプにより冷却水マニホールドに供給され、冷却水マニホールドに面する冷却水セパレータの開口部から個々の燃料電池セルに供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２１８０８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
長期運転された燃料電池スタックでは、冷却水中に二酸化炭素などのガスがリークインすることが問題となる。リークインしたガスは、燃料電池スタックの最上部である冷却水出口マニホールドに溜まっていき、溜まったガスは、不定期的に冷却水出口配管から排出される。この場合、長期運転によりポンプの性能が低下していると、冷却水中のガスの影響でポンプの能力が損なわれ、冷却水の流量が減少するおそれがある。そこで、燃料電池セルを冷却水により冷却する燃料電池スタックでは、冷却水の流通が困難になることを回避することが求められる。
【０００７】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、冷却水を適切に流通させることが可能な燃料電池スタックを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一の実施形態によれば、燃料電池スタックは、複数の燃料電池セルを含む積層体と、前記積層体の上方に設けられた冷却水出口マニホールドと、前記積層体の下方に設けられた冷却水入口マニホールドとを備える。さらに、前記スタックは、前記冷却水出口マニホールドに設けられた冷却水出口配管と、前記冷却水入口マニホールドに設けられた冷却水入口配管とを備える。さらに、前記冷却水出口マニホールドの内壁は、前記積層体の上下方向に対して傾いた上面を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態の燃料電池スタックの構造を示す斜視図である。
【図２】第１実施形態の第３マニホールドの構造を示す斜視図および断面図である。
【図３】比較例の第３マニホールドの構造を示す斜視図である。
【図４】第２実施形態の第３マニホールドの構造を示す斜視図および断面図である。
【図５】第３実施形態の第３マニホールドの構造を示す斜視図および断面図である。
【図６】第４実施形態の第３マニホールドの構造を示す斜視図および断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図１から図６では、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１１】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の燃料電池スタック１の構造を示す斜視図である。
【００１２】
図１の燃料電池スタック１は、積層体２と、第１締付板３と、第２締付板４と、第１マニホールド５と、第２マニホールド６と、第３マニホールド７と、第４マニホールド８とを備えている。
【００１３】
積層体２は、複数の燃料電池セルと複数のセパレータとを交互に積層することで形成されている。図１は、積層体２の上下方向に平行なＺ方向と、Ｚ方向に垂直で互いに平行なＸ方向およびＹ方向を示している。本実施形態の燃料電池スタック１を水平面上に設置する場合、Ｚ方向は重力方向に平行となる。
【００１４】
各燃料電池セルは、おおむね平板状の形状を有し、高分子電解質膜と、高分子電解質膜の一方の側面に設けられた燃料極と、高分子電解質膜の他方の側面に設けられた酸化剤極とを備えている。各セパレータは、おおむね平板状の形状を有し、多孔質材で形成されている。セパレータの例は、反応ガスの流路を形成するガスセパレータや、冷却水の流路を形成する冷却水セパレータである。図１の燃料電池スタック１は、各燃料電池セルや各セパレータの長辺、短辺、法線方向がそれぞれ、Ｘ方向、Ｚ方向、Ｙ方向に平行になるように設置されている。
【００１５】
第１締付板３は、積層体２の−Ｙ方向の側面に設けられており、第２締付板４は、積層体２の＋Ｙ方向の側面に設けられている。積層体２は、第１締付板３と第２締付板４とを用いて積層体２の積層方向に平行な荷重をかけることで締め付けられている。
【００１６】
第１マニホールド５は、積層体２の−Ｘ方向の側面に設けられており、燃料ガスを一時的に収容するための燃料ガス入口マニホールド５ａと、燃料ガス入口マニホールド５ａに接続された燃料ガス入口配管５ｂとを備えている。
【００１７】
第２マニホールド６は、積層体２の＋Ｘ方向の側面に設けられており、燃料ガスを一時的に収容するための燃料ガス出口マニホールド６ａと、燃料ガス出口マニホールド６ａに接続された燃料ガス出口配管６ｂとを備えている。
【００１８】
第３マニホールド７は、積層体２の上面に設けられており、空気を一時的に収容するための空気入口マニホールド７ａと、空気入口マニホールド７ａに接続された空気入口配管７ｂと、冷却水を一時的に収容するための冷却水出口マニホールド７ｃと、冷却水出口マニホールド７ｃに接続された冷却水出口配管７ｄとを備えている。
【００１９】
第４マニホールド８は、積層体２の下面に設けられており、空気を一時的に収容するための空気出口マニホールド８ａと、空気出口マニホールド８ａに接続された空気出口配管８ｂと、冷却水を一時的に収容するための冷却水入口マニホールド８ｃと、冷却水入口マニホールド８ｃに接続された冷却水入口配管８ｄとを備えている。
【００２０】
燃料ガスは、燃料ガス入口配管５ｂから燃料ガス入口マニホールド５ａを経由して燃料電池セルに供給される。一方、空気は、空気入口配管７ｂから空気入口マニホールド７ａを経由して燃料電池セルに供給される。そして、燃料ガス中の水素と空気中の酸素が燃料電池セルで反応し、電気と水が生成される。燃料電池セルに供給された燃料ガスは、燃料ガス出口マニホールド６ａを経由して燃料ガス出口配管６ｂに排出される。一方、燃料電池セルに供給された空気は、空気出口マニホールド８ａを経由して空気出口配管８ｂに排出される。なお、本実施形態では、空気以外の酸化剤ガスを使用してもよい。
【００２１】
冷却水は、冷却水入口配管８ｄから冷却水入口マニホールド８ｃを経由して燃料電池セルに供給され、燃料電池を冷却するために使用される。燃料電池セルに供給された冷却水は、冷却水出口マニホールド７ｃを経由して冷却水出口配管７ｄに排出される。燃料電池スタック１により温められた冷却水は、燃料電池スタック１の下流に設けられた熱交換器にて水道水と熱交換し、これにより燃料電池スタック１で発生した熱が回収される。
【００２２】
なお、仮に冷却水入口マニホールド８ｃが積層体２の上面に設けられ、冷却水出口マニホールド７ｃが積層体２の下面に設けられていると、燃料電池スタック１の停止時に冷却水が自重で積層体２から抜けてしまう。そこで、本実施形態では、冷却水入口マニホールド８ｃを積層体２の下面に設け、冷却水出口マニホールド７ｃを積層体２の上面に設けることで、このような冷却水の抜けを防止している。これにより、燃料電池スタック１の停止時にも燃料電池セルを冷却水で冷却することが可能となる。
【００２３】
なお、図１は、図面を見やすくするため、積層体２と第１から第４マニホールド５〜８との間に隙間を記載しているが、実際の第１から第４マニホールド５〜８は積層体２に取り付けられているので留意されたい。
【００２４】
図２は、第１実施形態の第３マニホールド７の構造を示す斜視図および断面図である。
【００２５】
図２(ａ)の符号Ｓ１〜Ｓ４はそれぞれ、冷却水出口マニホールド７ｃの内壁を構成する複数の面のうちの上面、第１側面、第２側面、第３側面を示している。図２(ｂ)は、冷却水出口マニホールド７ｃのＹＺ断面を示している。
【００２６】
上面Ｓ１は、冷却水出口マニホールド７ｃの天井に相当し、おおむね長方形の形状を有している。第１側面Ｓ２は、冷却水出口配管７ｄが設けられた側面であり、上面Ｓ１の短辺に接している。第２側面Ｓ３は、第１側面Ｓ２に対向する側面であり、上面Ｓ１の短辺に接している。第３側面Ｓ４は、第１側面Ｓ２と第２側面Ｓ３との間に位置する側面であり、上面Ｓ１の長辺に接している。第３側面Ｓ４は、空気入口マニホールド７ａ側に位置している。
【００２７】
図２(ｂ)に示すように、本実施形態の上面Ｓ１は、積層体２の上下方向（Ｚ方向）に対して傾いており、第１側面Ｓ２から第２側面Ｓ３に向かって低くなっている。ＸＹ平面に対する上面Ｓ１の傾斜角度は、例えば１度〜１０度であり、ここでは約２度である。
【００２８】
図２(ａ)と図２(ｂ)は、第１側面Ｓ２の最上部Ｐ１を示している。本実施形態の冷却水出口配管７ｄは、第１側面Ｓ２の最上部Ｐ１に接する位置に設けられている。具体的には、冷却水出口配管７ｄの内壁または外壁の最上部が、第１側面Ｓ２の最上部Ｐ１付近に位置している。冷却水出口マニホールド７ｃは例えば、第１側面Ｓ２において冷却水出口配管７ｄの継手と接続されている。
【００２９】
図３は、比較例の第３マニホールド７の構造を示す断面図である。
【００３０】
本比較例の上面Ｓ１は、Ｚ方向に対して傾いておらず、ＸＹ平面に対して平行となっている。この場合、冷却水中にリークインしたガスが、上面Ｓ１と第２側面Ｓ３との境界付近の領域Ｒ１に溜まりやすくなる。このガスが不定期的に冷却水出口配管７ｄから排出されると、冷却水用のポンプの性能が損なわれる可能性がある。
【００３１】
また、本比較例の冷却水出口配管７ｄは、第１側面Ｓ２の最上部Ｐ１よりも低い位置に設けられている。この場合、冷却水中にリークインしたガスが、上面Ｓ１と第１側面Ｓ２との境界付近の領域Ｒ２に溜まりやすくなる。このガスが不定期的に冷却水出口配管７ｄから排出されると、冷却水用のポンプの性能が損なわれる可能性がある。
【００３２】
一方、本実施形態の上面Ｓ１は、Ｚ方向に対して傾いており、第１側面Ｓ２から第２側面Ｓ３に向かって低くなっている。これにより、冷却水中にリークインしたガスが、上述の領域Ｒ１に溜まりにくくなる。
【００３３】
また、本実施形態の冷却水出口配管７ｄは、第１側面Ｓ２の最上部Ｐ１に接する位置に設けられている。これにより、冷却水中にリークインしたガスが、上述の領域Ｒ２に溜まりにくくなる。
【００３４】
その結果、本実施形態では、長期運転によりポンプの性能が低下している場合にも、ガスの影響でポンプの能力が損なわれることを抑制することができ、冷却水の流通が困難になることを回避することができる。よって、本実施形態によれば、燃料電池スタック１用の冷却水を適切に流通させることが可能となる。
【００３５】
（第２実施形態）
図４は、第２実施形態の第３マニホールド７の構造を示す斜視図および断面図である。
【００３６】
本実施形態の第３側面Ｓ４は、Ｚ方向に対して傾いている。その結果、第１側面Ｓ２の上辺は、第１側面Ｓ２の下辺より短くなっている。同様に、第２側面Ｓ３の上辺は、第２側面Ｓ３の下辺より短くなっている。ＸＹ平面に対する第３側面Ｓ４の傾斜角度は、例えば２０度〜７０度であり、ここでは約６０度である。
【００３７】
本実施形態では、第３側面Ｓ４がＺ方向に対して傾いているため、冷却水出口マニホールド７ｃ内のガスが上面Ｓ１に向かいやすくなる。その結果、このガスが冷却水出口マニホールド７ｃ内に溜まりにくくなることから、ガスの影響でポンプの能力が損なわれることを抑制することが可能となる。
【００３８】
なお、本実施形態では、第３側面Ｓ４に加え、あるいは第３側面Ｓ４の代わりに、第３側面Ｓ４に対向する側面が、Ｚ方向に対して傾いていてもよい。同様に、第１側面Ｓ２がＺ方向に対して傾いていてもよい。同様に、第２側面Ｓ３がＺ方向に対して傾いていてもよい。これは、後述する第４実施形態でも同様である。
【００３９】
（第３実施形態）
図５は、第３実施形態の第３マニホールド７の構造を示す斜視図および断面図である。
【００４０】
本実施形態の上面Ｓ１は、上に凸な形状を有しており、上面Ｓ１の最上部Ｐ２から第１および第２側面Ｓ２、Ｓ３に向かって低くなっている（図５(ｂ)）。その結果、本実施形態の上面Ｓ１はＺ方向に対して傾いている。ＸＹ平面に対する上面Ｓ１の傾斜角度は、例えば１度〜１０度であり、ここでは約２度である。上面Ｓ１はさらに、最上部Ｐ２から第３側面Ｓ４やその対向側面に向かって低くなっていてもよい。本実施形態では、最上部Ｐ２と第１側面Ｓ２との距離が、最上部Ｐ２と第２側面Ｓ３との距離とほぼ同じに設定されている。
【００４１】
本実施形態の冷却水出口配管７ｄは、冷却水出口マニホールド７ｃの上面Ｓ１の最上部Ｐ２に設けられている（図５(ｂ)）。具体的には、冷却水出口マニホールド７ｃの上面Ｓ１は、最上部Ｐ２に設けられた開口部を有し、この開口部に冷却水出口配管７ｄが接続されている。冷却水出口マニホールド７ｃは例えば、上面Ｓ１において冷却水出口配管７ｄの継手と接続されている。
【００４２】
図５(ｂ)は、冷却水出口配管７ｄの内径Ｄ１と、上面Ｓ１の最上部Ｐ２の幅Ｄ２を示している。本実施形態では、上面Ｓ１の最上部Ｐ２の幅Ｄ２が、冷却水出口配管７ｄの内径Ｄ１よりも小さくなっている（Ｄ２＜Ｄ１）。本実施形態の最上部Ｐ２の幅Ｄ２は、最上部Ｐ２に設けられた開口部の口径に相当する。
【００４３】
以上のように、本実施形態の上面Ｓ１は、Ｚ方向に対して傾いており、上面Ｓ１の最上部Ｐ２から第１および第２側面Ｓ２、Ｓ３に向かって低くなっている。これにより、冷却水中にリークインしたガスが、上面Ｓ１の角部に溜まりにくくなる。
【００４４】
また、本実施形態の冷却水出口配管７ｄは、上面Ｓ１の最上部Ｐ２に設けられているため、冷却水中にリークインしたガスが、最上部Ｐ２に溜まりにくくなる。理由は、仮に冷却水出口配管７ｄが最上部Ｐ２以外の位置に設けられていると、最上部Ｐ２から冷却水出口配管７ｄにガスが移動しにくいからである。
【００４５】
また、本実施形態の最上部Ｐ２の幅Ｄ２は、冷却水出口配管７ｄの内径Ｄ１よりも小さくなっている。仮に幅Ｄ２が内径Ｄ１よりも大きいと、最上部Ｐ２の周辺にガスが溜まりやすくなり、このガスが冷却水出口配管７ｄに移動しにくくなる。よって、幅Ｄ２を内径Ｄ１よりも小さくすることで、このような事態を抑制している。
【００４６】
その結果、本実施形態では、長期運転によりポンプの性能が低下している場合にも、ガスの影響でポンプの能力が損なわれることを抑制することができ、冷却水の流通が困難になることを回避することができる。よって、本実施形態によれば、燃料電池スタック１用の冷却水を適切に流通させることが可能となる。
【００４７】
（第４実施形態）
図６は、第４実施形態の第３マニホールド７の構造を示す斜視図および断面図である。
【００４８】
本実施形態の第３側面Ｓ４は、Ｚ方向に対して傾いている。その結果、第１側面Ｓ２の上辺は、第１側面Ｓ２の下辺より短くなっている。同様に、第２側面Ｓ３の上辺は、第２側面Ｓ３の下辺より短くなっている。ＸＹ平面に対する第３側面Ｓ４の傾斜角度は、例えば２０度〜７０度であり、ここでは約６０度である。
【００４９】
本実施形態では、第３側面Ｓ４がＺ方向に対して傾いているため、冷却水出口マニホールド７ｃ内のガスが上面Ｓ１に向かいやすくなる。その結果、このガスが冷却水出口マニホールド７ｃ内に溜まりにくくなることから、ガスの影響でポンプの能力が損なわれることを抑制することが可能となる。
【００５０】
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、冷却水を適切に流通させることができる。
【００５１】
以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な燃料電池スタックは、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した燃料電池スタックの形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。
【符号の説明】
【００５２】
１：燃料電池スタック、２：積層体、３：第１締付板、４：第２締付板、
５：第１マニホールド、５ａ：燃料ガス入口マニホールド、５ｂ：燃料ガス入口配管、
６：第２マニホールド、６ａ：燃料ガス出口マニホールド、６ｂ：燃料ガス出口配管、
７：第３マニホールド、７ａ：空気入口マニホールド、７ｂ：空気入口配管、
７ｃ：冷却水出口マニホールド、７ｄ：冷却水出口配管、
８：第４マニホールド、８ａ：空気出口マニホールド、８ｂ：空気出口配管、
８ｃ：冷却水入口マニホールド、８ｄ：冷却水入口配管
【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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