(57)【要約】【課題】燃料電池セルの入口付近における不純物の集中を抑制することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システム１は、発電部１１１を有する燃料電池セル１１が複数積層される燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０の積層方向の端部に配置されるとともに、燃料ガス入口連通孔１２ａを有するスタックマニホールド１２と、燃料ガス入口連通孔１２ａと連通し、燃料ガス及び燃料オフガスの混合ガスを燃料電池スタック１０に供給する混合ガス供給流路３８とを備える。混合ガス供給流路３８には、混合ガスを旋回する撹拌ミキサー３９が設けられている。スタックマニホールド１２の燃料ガス入口連通孔１２ａの内壁のうち、燃料電池セル１１の発電部１１１側とは反対側には、ガイドリブ１３が設けられている。【選択図】図３
2019145427.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電部を有する燃料電池セルが複数積層される燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの積層方向の端部に配置されるとともに、少なくとも燃料ガス入口連通孔を有するスタックマニホールドと、
前記スタックマニホールドの前記燃料ガス入口連通孔と連通し、燃料ガス及び燃料オフガスの混合ガスを前記燃料電池スタックに供給する混合ガス供給流路と、
を備える燃料電池システムであって、
前記混合ガス供給流路には、前記混合ガスを旋回するための撹拌ミキサーが設けられ、
前記スタックマニホールドの前記燃料ガス入口連通孔の内壁のうち、前記燃料電池セルの前記発電部側とは反対側には、ガイドリブが設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記撹拌ミキサーは、前記混合ガス供給流路における前記燃料ガス入口連通孔の直前位置に設けられている請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記ガイドリブは、前記混合ガスに含まれた不純物の流れに対して垂直になるように配置されている請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、このような分野の技術として、複数の燃料電池セルが積層される燃料電池スタックと、燃料電池スタックに水素などの燃料ガスを供給する燃料ガス供給流路と、燃料電池スタックから排出された燃料オフガス（すなわち、未消費の燃料ガス）を燃料ガス供給流路に還流させる循環流路とを備える燃料電池システムが知られている。このような構成を有する燃料電池システムでは、循環流路を流れる燃料オフガスの中に、気液分離器で分離し切れない生成水や燃料電池スタックの組み付け工程等で付着した金属粉末などの不純物が含まれる可能性がある。そして、これらの不純物が燃料ガスの流れによって燃料電池スタックの内部に侵入すると、燃料電池セルの発電性能の低下を招いてしまう。
【０００３】
このような問題を解決するために、様々な工夫が検討されている。例えば下記特許文献１には、燃料ガス供給流路内に燃料ガスと燃料オフガスとを流し、更に強制的な流れを起こすことで燃料オフガスに含まれる不純物を撹拌して均一化し、その均一化した状態で燃料電池スタックに供給する燃料電池システムが開示されている（例えば特許文献１の段落０１０２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１６４１３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上述の燃料電池システムでは、燃料オフガスの流入によって発生した流れは、燃料ガス供給流路に対して螺旋状の流れとなるので、燃料オフガスに含まれる不純物が燃料電池セル入口付近に集中してしまう可能性がある。
【０００６】
本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、燃料電池セルの入口付近における不純物の集中を抑制することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る燃料電池システムは、発電部を有する燃料電池セルが複数積層される燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの積層方向の端部に配置されるとともに、少なくとも燃料ガス入口連通孔を有するスタックマニホールドと、前記スタックマニホールドの前記燃料ガス入口連通孔と連通し、燃料ガス及び燃料オフガスの混合ガスを前記燃料電池スタックに供給する混合ガス供給流路と、を備える燃料電池システムであって、前記混合ガス供給流路には、前記混合ガスを旋回するための撹拌ミキサーが設けられ、前記スタックマニホールドの前記燃料ガス入口連通孔の内壁のうち、前記燃料電池セルの前記発電部側とは反対側には、ガイドリブが設けられていることを特徴としている。
【０００８】
本発明に係る燃料電池システムでは、混合ガス供給流路に撹拌ミキサーが設けられているので、混合ガスに含まれた不純物は、撹拌ミキサーの回転力によって旋回しながら燃料電池スタック側に流れる。これによって、混合ガスに含まれた不純物を燃料電池セルの発電部側とは反対側の位置に移動することができる。加えて、スタックマニホールドの燃料ガス入口連通孔の内壁のうち燃料電池セルの発電部側とは反対側にガイドリブが設けられているので、混合ガスに含まれた不純物は、更にガイドリブの遮断によって該ガイドリブに留まることになる。その結果、燃料電池セルの入口付近における不純物の集中を抑制することができ、不純物をより広範囲に拡散させることができる。
【０００９】
本発明に係る燃料電池システムにおいて、前記撹拌ミキサーは、前記混合ガス供給流路における前記燃料ガス入口連通孔の直前位置に設けられていることが好ましい。このようにすれば、混合ガスに含まれた不純物を燃料電池セルの発電部側とは反対側の位置に効率良く移動することができる。
【００１０】
本発明に係る燃料電池システムにおいて、前記ガイドリブは、前記混合ガスに含まれた不純物の流れに対して垂直になるように配置されていることが好ましい。このようにすれば、燃料電池セルの入口付近における不純物の集中を効果的に抑制することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、燃料電池セルの入口付近における不純物の集中を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】燃料電池スタック及びスタックマニホールドを示す斜視図である。
【図３】撹拌ミキサー及びガイドリブの配置を説明するための模式図である。
【図４】実施例と比較例の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明に係る燃料電池システムの実施形態について説明する。本発明に係る燃料電池システムは、車両、船舶、航空機、電車等に搭載されて駆動源として用いられても良く、建物の発電設備として用いられても良い。
【００１４】
図１は実施形態に係る燃料電池システムの概略構成図であり、図２は燃料電池スタック及びスタックマニホールドを示す斜視図である。本実施形態の燃料電池システム１は、主に、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０に空気等の酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系２０と、燃料電池スタック１０に水素等の燃料ガスを供給する燃料ガス供給系３０とを備えている。
【００１５】
燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池セル１１が積層されるセルスタックであり、固体高分子電解質型燃料電池を構成している。図示しないが、燃料電池セル１１は、例えばイオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側触媒層（アノード電極）およびカソード側触媒層（カソード電極）とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を有する。更に、燃料電池セル１１は、ＭＥＡを挟持する一対のセパレータ（すなわち、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータ）を有する。
【００１６】
また、ＭＥＡの両側には、燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス拡散層（ＧＤＬ：Gas Diffusion Layer）が更に形成される場合がある。この場合、ＧＤＬが両側に配置された膜電極接合体は、ＭＥＧＡ（Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly）と称される。ＭＥＧＡは、更に上述のアノード側セパレータ及びカソード側セパレータによって挟持されている。そして、ガス拡散層を有するＭＥＧＡの場合、該ＭＥＧＡは燃料電池セル１１の発電部１１１を構成する。一方、ガス拡散層を有さないＭＥＧＡの場合、該ＭＥＡが燃料電池セル１１の発電部１１１を構成する。
【００１７】
図２に示すように、発電部１１１は燃料電池セル１１の略中央位置に配置されている。燃料電池セル１１において、発電部１１１を挟んで一方側（図２では上側）には、燃料ガス入口連通孔１１２ａと、冷媒出口連通孔１１２ｂと、酸化剤ガス出口連通孔１１２ｃとが順に設けられている。発電部１１１を挟んで他方側（図２では下側）には、酸化剤ガス入口連通孔１１２ｄと、冷媒入口連通孔１１２ｅと、燃料ガス出口連通孔１１２ｆとが順に設けられている。これらの連通孔１１２ａ〜１１２ｆは、マニホールド孔ともいい、それぞれ矩形状に形成されている。
【００１８】
そして、燃料電池スタック１０の積層方向の一端部には、スタックマニホールド１２が配置されている。スタックマニホールド１２は、例えばアルミニウム等の金属材料によって略矩形板状に形成されており、ボルト等で燃料電池スタック１０と締結固定されている。スタックマニホールド１２において、燃料電池セル１１の燃料ガス入口連通孔１１２ａと対応する位置には燃料ガス入口連通孔１２ａ、冷媒出口連通孔１１２ｂと対応する位置には冷媒出口連通孔１２ｂ、酸化剤ガス出口連通孔１１２ｃと対応する位置には酸化剤ガス出口連通孔１２ｃ、酸化剤ガス入口連通孔１１２ｄと対応する位置には酸化剤ガス入口連通孔１２ｄ、冷媒入口連通孔１１２ｅと対応する位置には冷媒入口連通孔１２ｅ、燃料ガス出口連通孔１１２ｆと対応する位置には燃料ガス出口連通孔１２ｆが、それぞれ設けられている。
【００１９】
これらの連通孔１２ａ〜１２ｆは、対応する燃料電池セル１１に設けられた連通孔１１２ａ〜１１２ｆと同じ大きさを有するように矩形状に形成されている。
【００２０】
図１に示すように、酸化剤ガス供給系２０は、例えば、燃料電池スタック１０のカソード電極に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給流路２１と、燃料電池スタック１０に供給され、各燃料電池セル１１で電気化学反応に供された後の酸化剤オフガスを燃料電池スタック１０から排出する酸化剤ガス排出流路２２とを有する。酸化剤ガス供給流路２１は、スタックマニホールド１２の酸化剤ガス入口連通孔１２ｄ及び燃料電池セル１１の酸化剤ガス入口連通孔１１２ｄと順に連通している。酸化剤ガス排出流路２２は、スタックマニホールド１２の酸化剤ガス出口連通孔１２ｃ及び燃料電池セル１１の酸化剤ガス出口連通孔１１２ｃと順に連通している。
【００２１】
酸化剤ガス供給流路２１及び酸化剤ガス排出流路２２は、例えばホース、配管及び継手部材等によってそれぞれ構成されている。また、酸化剤ガス供給流路２１には、エアクリーナ２３、エアコンプレッサ２４、インタクーラ２５、バルブ等が備えられている。酸化剤ガス排出流路２２には、マフラ２６、バルブ等が備えられている。
【００２２】
一方、燃料ガス供給系３０は、例えば、水素等の高圧の燃料ガスを貯留する燃料ガス供給源３１と、燃料ガス供給源３１からの燃料ガスを燃料電池スタック１０のアノード電極へ供給する燃料ガス供給流路３２と、燃料電池スタック１０から排出された燃料オフガス（すなわち、未消費の燃料ガス）を燃料ガス供給流路３２に還流させる循環流路３３と、循環流路３３に分岐接続されて循環流路３３内の燃料オフガスを外部へ排出する燃料ガス排出流路３４とを有する。燃料ガス供給流路３２、循環流路３３及び燃料ガス排出流路３４は、例えばホース、配管及び継手部材等によってそれぞれ構成されている。図示しないが、燃料ガス供給流路３２には、圧力計、インジェクタ、レギュレータ、バルブ等が備えられている。
【００２３】
循環流路３３の上流側（すなわち、燃料電池スタック１０側）の端部は、スタックマニホールド１２の燃料ガス出口連通孔１２ｆ及び燃料電池セル１１の燃料ガス出口連通孔１１２ｆと順に連通している。この循環流路３３には、気液分離器３５、水素循環ポンプ３６等が備えられている。気液分離器３５は、循環流路３３を流れる燃料オフガスに含まれる生成水（すなわち、液水）を気液分離して貯留する。この気液分離器３５から分岐して、上述の燃料ガス排出流路３４が設けられている。水素循環ポンプ３６は、気液分離器３５で気液分離した燃料オフガスを供給して燃料ガス供給流路３２へ還流させる。
【００２４】
循環流路３３は、ジャンクションパイプ３７を介して燃料ガス供給流路３２に接続されている。ジャンクションパイプ３７は、燃料ガス供給源３１から供給される燃料ガスと循環流路３３から供給される燃料オフガスとを合流させ、燃料電池スタック１０に送り出す。従って、燃料ガス供給源３１から供給される燃料ガスと循環流路３３から供給される燃料オフガスとは、該ジャンクションパイプ３７で混合して混合ガスとなり、混合ガス供給流路３８を経由して燃料電池スタック１０に流れる。
【００２５】
混合ガス供給流路３８は、燃料ガス供給流路３２の一部であり、すなわち、燃料ガス供給流路３２のうちジャンクションパイプ３７からスタックマニホールド１２までの区間である。そして、混合ガス供給流路３８の下流側（すなわち、燃料電池スタック１０側）の端部は、スタックマニホールド１２の燃料ガス入口連通孔１２ａと燃料電池セル１１の燃料ガス入口連通孔１１２ａと順に連通している。
【００２６】
図示しないが、本実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池スタック１０に冷媒を供給する冷媒供給流路と、燃料電池スタック１０から排出された冷媒をラジエータ側に循環する冷媒排出流路とを更に備えている。冷媒供給流路は、スタックマニホールド１２の冷媒入口連通孔１２ｅ及び燃料電池セル１１の冷媒入口連通孔１１２ｅと順に連通している。冷媒排出流路は、スタックマニホールド１２の冷媒出口連通孔１２ｂと燃料電池セル１１の冷媒出口連通孔１１２ｂと順に連通している。
【００２７】
また、混合ガス供給流路３８には、燃料ガス及び燃料オフガスの混合ガスを旋回するための撹拌ミキサー３９が設けられている。具体的には、図３に示すように、混合ガス供給流路３８を形成する配管の内部には、撹拌ミキサー３９が配置されている。撹拌ミキサー３９は、配管の外部に設置されたモータ（図示せず）によって回転駆動され、混合ガス供給流路３８を流れる混合ガスに回転力を付与する。ここで、撹拌ミキサー３９は、混合ガス供給流路３８におけるスタックマニホールド１２の燃料ガス入口連通孔１２ａの直前位置に設けられることが好ましい。
【００２８】
また、図３に示すように、スタックマニホールド１２の燃料ガス入口連通孔１２ａの内壁のうち、燃料電池セル１１の発電部１１１側とは反対側には、ガイドリブ１３が設けられている。ガイドリブ１３は、例えば樹脂材料によって板状に形成され、接着等で燃料ガス入口連通孔１２ａの内壁のうち発電部１１１側とは反対側（図３においては上側）に固定されている。好適には、ガイドリブ１３は混合ガスに含まれた不純物の流れに対して垂直になるように配置されている。
【００２９】
以上のように構成された燃料電池システム１では、混合ガス供給流路３８に撹拌ミキサー３９が設けられているので、混合ガスに含まれた不純物は、図３の矢印Ｆに示すように、撹拌ミキサー３９の回転力によって旋回しながら燃料電池スタック１０側に流れる。これによって、混合ガスに含まれた不純物を燃料電池セル１１の発電部１１１側とは反対側（図３においては上側）の位置に移動することができる。
【００３０】
加えて、スタックマニホールド１２の燃料ガス入口連通孔１２ａの内壁のうち燃料電池セル１１の発電部１１１側とは反対側にガイドリブ１３が設けられているので、混合ガスに含まれた不純物は、更にガイドリブ１３の遮断によって該ガイドリブ１３に留まることになる。その結果、燃料電池セル１１の入口付近における不純物の集中を抑制することができ、不純物をより広範囲に拡散させることができる（図３の矢印Ｆ参照）。
【００３１】
また、本実施形態の燃料電池システム１において、撹拌ミキサー３９は、混合ガス供給流路３８における燃料ガス入口連通孔１２ａの直前位置に設けられているので、混合ガスに含まれた不純物を燃料電池セル１１の発電部１１１側とは反対側の位置に効率良く移動することができる。更に、ガイドリブ１３は混合ガスに含まれた不純物の流れに対して垂直になるように配置されるので、燃料電池セル１１の入口付近における不純物の集中を効果的に抑制することができる。
【００３２】
本願発明者らは、本発明の効果を検証するために、上述した燃料電池システム１を用いて、スタックマニホールドの燃料ガス入口連通孔の内壁のうち燃料電池スタックの発電部側とは反対側に、ガイドリブを設けないケース（比較例）、ガイドリブを設けるケース（実施例１）、ガイドリブを設けて且つ混合ガスに含まれる液水の流れに垂直に設けるケース（実施例２）をそれぞれ作製した。そして、上述の比較例及び実施例に対し、不純物のうち割合が最も多い液水をピックアップし、その液水量を測定した。
【００３３】
図４は実施例と比較例の結果を示す図である。図４に示すように、比較例と比べて実施例１及び実施例２の方は、燃料電池セルの入口付近の液水量が減少したことが分かった。具体的には、比較例と比べて実施例１の方は液水量が約２１％減少し、実施例２の方は液水量が約３５％減少した。これによって、ガイドリブを設けることによって燃料電池セルの入口付近における液水の集中を抑制できることが証明された。更に、実施例１と比べて実施例２の方は、燃料電池セルの入口付近の液水量が更に減少したことが分かった。これによって、混合ガスに含まれる液水の流れに垂直にガイドリブを設けることによって燃料電池セルの入口付近における液水の集中を抑制する効果を更に向上できることが証明された。
【００３４】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。例えば、燃料電池スタックは、スタックマニホールドに隣接する位置にダミーセル（非発電セル）を更に設けても良い。この場合は、上述の実施形態と同じ作用効果を得られる。
【符号の説明】
【００３５】
１    燃料電池システム
１０    燃料電池スタック
１１    燃料電池セル
１２    スタックマニホールド
１２ａ    燃料ガス入口連通孔
１３    ガイドリブ
３０    燃料ガス供給系
３２    燃料ガス供給流路
３３    循環流路
３７    ジャンクションパイプ
３８    混合ガス供給流路
３９    撹拌ミキサー
１１１    発電部
１１２ａ    燃料ガス入口連通孔
【図１】
2019145427.tif 000003
【図２】
2019145427.tif 000004
【図３】
2019145427.tif 000005
【図４】
2019145427.tif 000006