(57)【要約】  スタックの平均温度の低下なしにスタックの内部に形成される温度勾配を最少化することにより、スタックの信頼性を向上させ、性能および寿命を増加させることができるように、電解質膜の両面にアノード電極とカソード電極を形成し、燃料と酸化剤との電気化学的反応を利用して電気エネルギーを生成する単位電池と、前記単位電池の両面に配置され、前記アノード電極とカソード電極に燃料と酸化剤を供給する通路がそれぞれ形成された一対の分離板とを含む単位セルが複数積層され、前記単位セルは、隣り合う単位セル間の燃料または酸化剤の流れ方向が互いに異なる構造である燃料電池スタックを提供する。
2014505332.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に正極と負極を形成し、酸化剤と燃料との電気化学的反応を利用して電気エネルギーを生成する単位電池と、前記単位電池の両面に配置され、前記負極と正極に燃料と酸化剤を供給する通路がそれぞれ形成された一対の分離板とを含む単位セルが複数積層され、
前記単位セルとこれに隣り合う単位セルとの間の燃料の流れ方向または／および酸化剤の流れ方向が互いに異なる構造であることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記隣り合う単位セル間の燃料の流れ方向または／および酸化剤の流れ方向は互いに逆方向の構造であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記燃料電池スタックは、一単位セルにおいて、一面の燃料の流れ方向と反対側面の酸化剤の流れ方向が互いに同一のコフロー構造であることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記燃料電池スタックは、一単位セルにおいて、一面の燃料の流れ方向と反対側面の酸化剤の流れ方向が互いに反対のカウンターフロー構造であることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記燃料電池スタックは、一単位セルにおいて、一面の燃料の流れ方向と反対側面の酸化剤の流れ方向が互いに直角のクロスフロー構造であることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
燃料と酸化剤との電気化学的反応を通じて電気エネルギーを発生させるスタックと、燃料を前記スタックに供給する燃料供給源と、酸化剤を前記スタックに供給する酸化剤供給源とを含み、
前記スタックは、電解質膜の両面に正極と負極を形成する単位電池と、前記単位電池の両面に配置され、前記負極と正極に燃料と酸化剤を供給する通路がそれぞれ形成された一対の分離板とを含む単位セルが複数積層され、
前記単位セルとこれに隣り合う単位セルとの間の燃料の流れ方向または／および酸化剤の流れ方向が互いに異なる構造であることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
前記隣り合う単位セル間の燃料の流れ方向または／および酸化剤の流れ方向は互いに逆方向の構造であることを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記スタックは、一単位セルにおいて、一面の燃料の流れ方向と反対側面の酸化剤の流れ方向が互いに同一のコフロー構造であることを特徴とする請求項６または７記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記スタックは、一単位セルにおいて、一面の燃料の流れ方向と反対側面の酸化剤の流れ方向が互いに反対のカウンターフロー構造であることを特徴とする請求項６または７記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記スタックは、一単位セルにおいて、一面の燃料の流れ方向と反対側面の酸化剤の流れ方向が互いに直角のクロスフロー構造であることを特徴とする請求項６または７記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料供給源は、水素を含む燃料を貯蔵する燃料タンクと、前記燃料タンクに連結設置される燃料ポンプとを含むことを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
前記燃料供給源は、前記スタックと、燃料タンクに連結設置され、前記燃料タンクから燃料が供給されて水素ガスを発生させ、前記水素ガスを電気発生部に供給する改質器をさらに含むことを特徴とする請求項１１記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記酸化剤供給源は、空気を吸入し、この空気を前記電気発生部に供給する空気ポンプを含むことを特徴とする請求項６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ものである。より詳細には、本発明は、内部の温度分布を均一化させることができる燃料電池システムおよびスタックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は、炭化水素系の物質内に含まれている水素と、酸素または酸素を含む空気との化学反応エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。
【０００３】
例えば、固体酸化物燃料電池は、水素と酸素の酸化／還元反応を通じて電気を発生させる単位電池と分離板とからなる電気生成ユニットが複数積層された構造となる。単位電池は、電解質膜と、電解質膜の一面に位置する正極（空気極）と、電解質膜の他の一面に位置する負極（燃料極）とを含む。
【０００４】
これにより、正極に酸素を供給し、負極に水素を供給すると、正極で酸素の還元反応によって生成された酸素イオンが、電解質膜を通って負極に移動した後、負極に供給された水素と反応して水が生成される。この時、負極で生成された電子が正極に伝達されて消耗する過程で外部回路に電子が流れ、単位電池はこのような電子の流れを利用して電気エネルギーを生産する。
【０００５】
１つの単位電池とその両側に位置する分離板とが１つの単位セルを構成する。このような単位セルは、作動電圧が通常１．０Ｖ未満で工業的に応用するには足りない。これにより、燃料電池は、電圧を上昇させることができるように、単位セルを電気的に直列連結可能に複数積層してスタック（ｓｔａｃｋ）を形成する。
【０００６】
前記構造の燃料電池は、作動原理上、燃料と空気を持続的に供給して電気を生産するため、分離板には流体の流動を均一に誘導するための通路が形成され、この通路に沿って燃料および空気が流れるようになる。
【０００７】
燃料電池は、通路に沿って流れる燃料および空気の流れ方向に応じて、コフロー（ｃｏ−ｆｌｏｗ）、カウンターフロー（ｃｏｕｎｔｅｒ  ｆｌｏｗ）、クロスフロー（ｃｒｏｓｓ  ｆｌｏｗ）に区分することができる。コフローとは、単位セルにおいて、燃料と空気が同一方向に流れる流動構造を意味する。カウンターフローとは、単位セルにおいて、燃料と空気が反対方向に流れる流動構造を意味する。そして、クロスフローとは、燃料と空気が互いに直角方向に流れる流動構造を意味する。
【０００８】
燃料電池の単位セルで起こる電気化学反応は、燃料気体の化学エネルギーの一部を電気エネルギーに転換させると同時に、一部を熱エネルギーに転換させたりもする。この時、熱エネルギーは、単位セルの表面で均一に発生するのではなく、単位セルの運転条件や気体の流動方向などに応じて局部的に発生量が異なる。また、このように発生した熱エネルギーは、流体の流れによる対流を通して気体が流れる側に蓄積される傾向を有する。これにより、単位セルの全面に対して、空気の出口側では一単位セル上で最も温度の高い地点の熱点が形成され、空気の入口側には相対的に最も温度の低い地点の冷点が形成される。これにより、スタックを構成するそれぞれの単位セルには、流体の流れ方向に温度勾配が形成される。したがって、各単位セルが積層されたスタックにおいて、コフロー方式の場合、スタックの冷点は燃料および空気が供給される部分に、熱点は燃料および空気が排出される部分に形成される。また、カウンターフロー方式の燃料電池スタックでは、冷点は空気が供給される部分に、熱点は空気の流動によって空気が排出される部分から中央に若干傾いた箇所に形成される。さらに、クロスフロー方式の場合、冷点は燃料が排出され空気が供給される部分に、熱点は燃料が供給され空気が排出される部分から中央に若干傾いた箇所に形成される。
【０００９】
前記のように温度勾配が形成されると、単位セル内において、熱点の温度を、単位セルのみならず、分離板、ガスケット、集電体など、スタックを構成するすべての構成要素の耐熱温度より低く維持しなければならないため、次のような問題をもたらすことがある。
【００１０】
第一、燃料電池で起こる電気化学反応は、基本的には化学反応の一種であるため、温度が高いほど反応速度が速くなるが、スタックの熱点の温度を一定温度以下に管理するために残りの部分の温度を低下させると、スタックの平均温度が低くなるにつれ、反応速度が遅くなり、スタックの性能が低下する。
【００１１】
第二、スタックの熱点の温度がある構成要素の耐熱温度に近いほど当該構成要素の劣化速度が加速し、全体的にスタックの寿命を短縮することになる。
【００１２】
第三、スタックの内部に温度勾配が形成されると、各構成要素の熱膨張の差によりスタックの内部に機械的応力分布が形成され、予期せぬ構成要素の破壊や気体漏れなど、スタックの信頼性に深刻な影響を及ぼすことがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０１０−１７０８９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
そこで、スタックの平均温度の低下なしにスタックの内部に形成される温度勾配を最少化することにより、スタックの信頼性を向上させ、性能および寿命を増加させることができる燃料電池システムおよびスタックを提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
このために、本燃料電池スタックは、電解質膜の両面に正極と負極を形成し、燃料と酸化剤との電気化学的反応を利用して電気エネルギーを生成する単位電池と、前記単位電池の両面に配置され、前記正極と負極に酸化剤と燃料を供給する通路がそれぞれ形成された一対の分離板とを含む単位セルが複数積層され、前記単位セルと隣り合う単位セルとの間の燃料の流れ方向または酸化剤の流れ方向が互いに異なる構造であり得る。
【００１６】
前記単位セルと隣り合う単位セルとの間の燃料の流れ方向および酸化剤の流れ方向が互いに異なる構造であり得る。
【００１７】
前記隣り合う単位セル間の燃料の流れ方向または酸化剤の流れ方向は互いに逆方向の構造であり得る。
【００１８】
前記燃料電池スタックは、一単位セルにおいて、一面の燃料の流れ方向と反対側面の酸化剤の流れ方向が互いに同一のコフロー構造であり得る。
【００１９】
前記燃料電池スタックは、一単位セルにおいて、一面の燃料の流れ方向と反対側面の酸化剤の流れ方向が互いに反対のカウンターフロー構造であり得る。
【００２０】
前記燃料電池スタックは、一単位セルにおいて、一面の燃料の流れ方向と反対側面の酸化剤の流れ方向が互いに直角のクロスフロー構造であり得る。
【００２１】
一方、本燃料電池システムは、燃料と酸化剤との電気化学的反応を通じて電気エネルギーを発生させるスタックと、燃料を前記スタックに供給する燃料供給源と、酸化剤を前記スタックに供給する酸化剤供給源とを含み、前記スタックは、電解質膜の両面に正極と負極を形成する単位電池と、前記単位電池の両面に配置され、前記正極と負極に酸化剤と燃料を供給する通路がそれぞれ形成された一対の分離板とを含む単位セルが複数積層され、前記単位セルは、隣り合う単位セル間の燃料の流れ方向または酸化剤の流れ方向が互いに異なる構造であり得る。
【００２２】
前記単位セルは、隣り合う単位セル間の燃料の流れ方向および酸化剤の流れ方向が互いに異なる構造であり得る。
【００２３】
前記隣り合う単位セル間の燃料の流れ方向または酸化剤の流れ方向は互いに逆方向の構造であり得る。
【００２４】
前記燃料電池スタックは、一単位セルにおいて、一面の燃料の流れ方向と反対側面の酸化剤の流れ方向が互いに同一のコフロー構造であり得る。
【００２５】
前記燃料電池スタックは、一単位セルにおいて、一面の燃料の流れ方向と反対側面の酸化剤の流れ方向が互いに反対のカウンターフロー構造であり得る。
【００２６】
前記燃料電池スタックは、一単位セルにおいて、一面の燃料の流れ方向と反対側面の酸化剤の流れ方向が互いに直角のクロスフロー構造であり得る。
【００２７】
前記燃料供給源は、水素を含む燃料を貯蔵する燃料タンクと、前記燃料タンクに連結設置される燃料ポンプとを含むことができる。
【００２８】
前記燃料供給源は、前記スタックと燃料タンクに連結設置され、前記燃料タンクから燃料が供給されて水素ガスを発生させ、前記水素ガスを電気発生部に供給する改質器を含むことができる。
【００２９】
前記酸化剤供給源は、空気を吸入し、この空気を前記電気発生部に供給する空気ポンプを含むことができる。
【発明の効果】
【００３０】
以上のような本装置によれば、隣り合う単位セル間の燃料または空気の流れ方向を互いに異ならせることにより、空気の流れ方向に沿って入口側で形成される冷点と、出口側で形成される熱点とが、積層された単位セルに沿って交互に現れる。これにより、冷点と熱点が交互に配置されて互いに熱交換されることにより、スタックの温度勾配を最小化することができる。
【００３１】
また、スタックの熱点の温度を低下させると共に、スタックの平均温度を高めて燃料電池で起こる電気化学反応速度を高めることにより、スタックの性能を極大化することができる。
【００３２】
さらに、スタックの局部的な高温現象を防止し、劣化によるスタックの寿命の短縮を防止することができる。
【００３３】
なお、スタックの温度勾配の最小化によりスタックの信頼性を向上させ、性能および寿命を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本実施形態にかかる燃料電池システムの全体的な構成を示す概略図である。
【図２】本実施形態にかかる燃料電池スタックの構成を示す分解斜視図である。
【図３】本実施形態にかかる燃料電池スタックの単位セル間の燃料および空気の流れを示す概略断面図である。
【図４】燃料電池スタックの単位セル間の燃料および空気の流れの他の実施形態を示す概略断面図である。
【図５】図３の実施形態にかかる燃料電池スタックの温度勾配を従来と比較して示すグラフである。
【図６】図４の実施形態にかかる燃料電池スタックの温度勾配を従来と比較して示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、添付した図面を参照して、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できるように本発明の実施形態を説明する。後述する実施形態は、本発明の概念と範囲を逸脱しない限度内で多様な形態に変形可能であり、ここで説明する実施形態に限定されない。
【００３６】
図面は概略的で蓄積に合わせて示されていないことを明らかにする。図面にある部分の相対的な寸法および比率は図面における明確性および便宜のためにその大きさにおいて誇張または縮小して示されており、任意の寸法は単に例示的なものであって限定的ではない。そして、２以上の図面に示される同一の構造物、要素または部品には、同一の参照符号が他の実施形態で対応または類似の特徴を示すために用いられる。
【００３７】
図１は、本実施形態にかかる燃料電池システムの全体的な構成を概略的に示している。
【００３８】
図１を参照すれば、本実施形態の燃料電池システム１００は、液体燃料または気体燃料と酸化剤との直接的な電気化学的反応を利用して電気エネルギーを発生させる直接酸化型燃料電池（ｄｉｒｅｃｔ  ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｆｕｅｌ  ｃｅｌｌ）方式からなる。
【００３９】
しかし、本燃料電池システムは、直接酸化型燃料電池に制限されず、燃料を改質して水素または水素リッチな改質ガスを発生させ、水素または改質ガスと酸化剤とを電気化学的に反応させて電気エネルギーを生成する方式からなってもよい。この場合、燃料電池システムは、水素改質のための改質器をさらに含む。
【００４０】
前述した燃料電池システム１００において、燃料は、メタン、メタノール、エタノール、液化天然ガス、液化石油ガス、ガソリン、およびブタンガスのように液相または気相で存在する炭化水素系燃料を意味する。そして、燃料電池システム１００は、酸化剤として、別の貯蔵手段に貯蔵された酸素ガスを使用したり、外部空気を使用することができる。
【００４１】
本実施形態の燃料電池システム１００は、燃料と酸化剤とを電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生する燃料電池スタック１１０と、燃料電池スタック１１０に燃料を供給する燃料供給部１２０と、燃料電池スタック１１０に酸化剤を供給する酸化剤供給部１３０とを含む。
【００４２】
燃料供給部１２０は、液相または気相の燃料を貯蔵する燃料タンク１２１と、燃料タンク１２１と燃料電池スタック１１０とを連結する燃料供給管１２２と、燃料タンク１２１に連結設置される燃料ポンプ１２３とを含む。燃料ポンプ１２３は、所定のポンピング力で燃料タンク１２１に貯蔵された燃料を排出させ、燃料供給管１２２を通して燃料電池スタック１１０に燃料を供給する。燃料を改質して使用する燃料電池システムの場合、燃料供給部は、燃料タンクから燃料が供給され、この燃料から水素ガスを発生させ、前記水素ガスをスタックに供給する改質器１２４をさらに含む。
【００４３】
酸化剤供給部１３０は、燃料電池スタック１１０に連結される酸化剤供給管１３１と、酸化剤供給管１３１に設けられる酸化剤ポンプ１３２とを含む。酸化剤は、別の貯蔵手段に貯蔵された純粋な酸素または酸素を含む外部空気を用いることができる。酸化剤ポンプ１３２は、所定のポンピング力で純酸素または外部空気を吸入し、酸化剤供給管１３１を通して燃料電池スタック１１０に酸化剤を供給する。この時、酸化剤供給管１３１には、圧力制御のために酸化剤の供給量を調節する制御バルブ（図示せず）が設置可能である。
【００４４】
図２は、燃料電池スタックの構成を示す分解斜視図であり、図３は、燃料電池スタックの断面を概略的に示している。
【００４５】
図２を参照すれば、燃料電池スタック１１０は、互いに距離をおいて位置する複数の単位電池１０と、単位電池１０の間で単位電池１０に密着配置される複数の分離板２０とを含む。１つの単位電池１０とその両側に配置される一対の分離板２０とが、電気エネルギーを生成する１つの電気生成ユニット（以下、単位セル３０と称する）を構成する。
【００４６】
本実施形態では、図２に示されるように、分離板２０、単位電池１０、分離板２０がｚ軸方向に積層され、電力を生産する単位セル３０を形成する。
【００４７】
燃料電池スタック１１０の最外郭には、燃料電池スタック１１０を支持するエンドプレート４０が位置する。燃料電池スタック１１０は、２つのエンドプレート４０を貫通するボルト４１のような締結手段によって強固に組み立てられる。
【００４８】
いずれか１つのエンドプレート４０には、燃料電池スタック１１０に燃料を供給する燃料注入口４２と、酸化剤を供給する酸化剤注入口４３と、未反応燃料を排出する燃料排出口４４と、水分と未反応空気を排出する酸化剤排出口４５とが形成できる。
【００４９】
図２では、１つのエンドプレート４０に２個の注入口４２、４３と２個の排出口４４、４５がすべて形成された場合を示したが、これに限定されない。例えば、いずれか１つのエンドプレートに燃料注入口と酸化剤注入口が形成され、他の１つのエンドプレートに燃料排出口と酸化剤排出口が形成される構成も可能である。
【００５０】
図２と図３に示されるように、単位電池１０は、電解質膜１１と、電解質膜１１の一側に位置する負極１２と、電解質膜１１の他側に位置する正極１３とを含む。
【００５１】
正極１３は、分離板２０を通して酸素が供給され、負極１２は、分離板２０を通して水素が供給される。これにより、単位電池１０は、正極１３で酸素の還元反応によって生成された酸素イオンが、電解質膜１１を通って負極１２に移動した後、負極１２に供給された水素と反応して水が生成される。この時、負極１２で生成された電子が正極１３に伝達されて消耗する過程で外部回路に電子が流れ、単位電池１０は、このような電子の流れを利用して電気エネルギーを生産する。
【００５２】
そして、固体酸化物燃料電池１００（Ｓｏｌｉｄ  Ｏｘｉｄｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）の場合、電解質膜１１は、略５μｍ〜２００μｍの厚さに形成される固体酸化物電解質であって、正極１３で生成された酸素イオンを負極１２に移動させるイオン交換機能を有する。電解質膜１１は、固体酸化物電解質に限定されず、例えば、高分子電解質など、燃料電池の種類に応じて多様に適用可能である。
【００５３】
前記分離板２０は、一側に位置する単位電池１０の負極１２と、他側に位置する単位電池１０の正極１３とを直列に連結する伝導体として機能する。
【００５４】
そして、分離板２０は、負極１２に対向する一面に燃料供給のための燃料チャネル２１を形成し、正極１３に対向する一面に酸化剤供給のための酸化剤チャネル２２を形成する。
【００５５】
燃料チャネル２１と酸化剤チャネル２２は凹み溝形態で、直線構造や曲線構造またはジグザグ構造などと多様に形成できる。
【００５６】
前記分離板２０は、１つの単位電池１０を基準とする時、燃料チャネル２１と酸化剤チャネル２２をそれぞれ形成するが、ｚ軸方向に配置される複数の単位電池１０を基準とする時、すべて同一の構造に形成できる。つまり、分離板２０は、一側面に燃料チャネル２１を形成し、他側面に酸化剤チャネル２２を形成する。例えば、分離板は、互いに取り付けられる２つの部材を含み、各部材の接面の反対側面には燃料チャネルと酸化剤チャネルを形成して製造することができる。
【００５７】
燃料供給のために分離板２０を含み、各単位セル３０には、燃料チャネル２１に連結される貫通口が形成され、この貫通口は、各単位セルの積層方向のｚ軸方向に連通し、燃料が供給される管路の燃料供給マニホールド２３を形成する。前記燃料供給マニホールド２３は、エンドプレート４０に形成された燃料注入口４２に連結される。
【００５８】
同様に、各単位セル３０には、燃料チャネル２１に連結され、単位セル３０を経た未反応燃料の排出のための貫通口が形成され、この貫通口は、各単位セル３０の積層方向のｚ軸方向に連通し、未反応燃料が排出される管路の燃料排出マニホールド２４を形成する。前記燃料排出マニホールド２４は、エンドプレート４０に形成された燃料排出口４４に連結される。
【００５９】
また、酸化剤供給のために分離板２０を含み、各単位セル３０には、酸化剤チャネル２２に連結される貫通口が形成され、この貫通口は、各単位セル３０の積層方向のｚ軸方向に連通し、酸化剤が供給される管路の酸化剤供給マニホールド２５を形成する。前記酸化剤供給マニホールド２５は、エンドプレート４０に形成された酸化剤注入口４３に連結される。
【００６０】
同様に、各単位セル３０には、酸化剤チャネル２２に連結され、単位セル３０を経た未反応酸化剤の排出のための貫通口が形成され、この貫通口は、各単位セル３０の積層方向のｚ軸方向に連通し、未反応酸化剤が排出される管路の酸化剤排出マニホールド２６を形成する。前記酸化剤排出マニホールド２６は、エンドプレート４０に形成された酸化剤排出口４５に連結される。
【００６１】
これにより、燃料は、燃料供給マニホールド２３を通して各単位セル３０の燃料チャネル２１に流入し、燃料チャネルに沿って一方向に流れた後、燃料排出マニホールド２４に流出する。酸化剤も、酸化剤供給マニホールド２５を通して各単位セル３０の酸化剤チャネル２２に流入し、酸化剤チャネルに沿って一方向に流れた後、酸化剤排出マニホールド２６に流出する。
【００６２】
一方、本燃料電池スタックは、図３に示されるように、一単位セルにおいて、一面の燃料の流れ方向と反対側面の酸化剤の流れ方向が互いに同一のコフロー構造であり、積層された一側の単位セルと隣り合う単位セルとの間の燃料の流れ方向が互いに異なる構造となっている。
【００６３】
また、一側の単位セルと隣り合う単位セルとの間の酸化剤の流れ方向も互いに異なる構造となっている。本実施形態において、前記隣り合う単位セル間の燃料または酸化剤の流れ方向は互いに正反対の逆方向をなす。
【００６４】
つまり、図３において、ｚ方向に沿って最上層の単位セル３０は、燃料の流れ方向がｘ軸に沿って左側から右側に形成される。コフロー構造であるので、最上層の単位セル３０において、酸化剤の流れ方向もｘ軸に沿って左側から右側に形成される。
【００６５】
そして、前記最上層の単位セル３０に隣り合う真下の単位セル３０’は、燃料の流れ方向および酸化剤の流れ方向が前記最上層の単位セルと反対に形成される。つまり、燃料の流れ方向は、ｘ軸に沿って右側から左側に形成され、酸化剤の流れ方向も、ｘ軸に沿って右側から左側に形成される。
【００６６】
このように、本スタックは、隣り合う単位セル間の燃料の流れ方向が互いに逆方向であり、酸化剤の流れ方向も隣り合う単位セル間で互いに逆方向をなす。これにより、積層された単位セルに沿って燃料の流れ方向および酸化剤の流れ方向が交番的に変わるようになる。
【００６７】
ここで、本実施形態のように、隣り合う単位セル間で燃料の流れ方向を互いに異ならせるためには、例えば、燃料入口マニホールドと燃料出口マニホールドを各流れに沿って別途に備える構造を適用することができる。このような構造を含めて多様な構造が適用可能であり、隣り合う単位セル間の燃料の流れ方向が互いに異なる場合もすべて本発明の真の精神に属する。
【００６８】
また、隣り合う単位セル間で酸化剤の流れ方向を互いに異ならせるためには、例えば、酸化剤入口マニホールドと酸化剤出口マニホールドを各流れに沿って別途に備える構造を適用することができる。このような構造を含めて多様な構造が適用可能であり、隣り合う単位セル間の酸化剤の流れ方向が互いに異なる場合もすべて本発明の真の精神に属する。
【００６９】
前記のように隣り合う単位セル間の燃料の流れ方向および酸化剤の流れ方向が交番的に変わることにより、単位セルに形成される熱点と冷点も単位セル間で交番的に形成される。
【００７０】
熱エネルギーは、流体が流出する側に蓄積されるため、コフロー構造の場合、熱点は燃料および酸化剤の流れ方向に沿って出口側に形成され、その反対側の入口側に冷点が形成される。
【００７１】
図３に示されるように、最上層の単位セル３０では、熱点Ｈは右側に形成され、冷点Ｃがその反対側の左側に形成される。最上層の単位セル３０に隣り合う真下の単位セル３０’では、燃料および酸化剤の流れ方向が最上層の単位セルと正反対であるので、熱点Ｈは左側に形成され、冷点Ｃは右側に形成される。
【００７２】
これにより、本スタックは、ｚ軸に沿って積層された単位セルで熱点Ｈと冷点Ｃが交互に現れる。したがって、スタックを構成する一単位セルで形成される冷点は、ｚ軸に沿って上下に隣接する隣り合わせの単位セルの熱点と交互に配置されて互いに熱交換される。一単位セルで形成される熱点は、ｚ軸に沿って上下に隣接する隣り合わせの単位セルの冷点と交互に配置されて互いに熱交換される。
【００７３】
このように、スタックの各単位セル間で冷点と熱点が交互に配置され、一単位セルの熱点は隣り合う単位セルの冷点によって冷却され、一単位セルの冷点は隣り合う単位セルの熱点によって加熱される。これにより、スタック内部の温度勾配を最小化することができる。
【００７４】
図５は、本実施形態にかかるスタックの温度勾配を従来と比較して示している。図５において、実施形態のグラフは、本実施形態にかかるスタックの温度勾配を示しており、比較例のグラフは、従来技術にかかるスタックの温度勾配を示している。
【００７５】
実施形態と比較例のスタックは、いずれも同一の素材からなり、臨界温度ＴＬ１、ＴＬ２は同一である。
【００７６】
図示のように、本実施形態にかかるスタックの熱点ＴＨ２の温度が、従来技術にかかるスタックの熱点ＴＨ１の温度より低く維持できることが分かる。また、本実施形態にかかるスタックの冷点ＴＣ２の温度は、従来技術にかかるスタックの冷点ＴＣ１の温度より高く維持できることが分かる。
【００７７】
これにより、本実施形態のスタックは、冷点の温度を高め、熱点の温度を低く維持しながらも、スタックの平均温度ＴＡ２を、従来技術にかかるスタックの平均温度ＴＡ１に比べて上昇させることができる。
【００７８】
したがって、本実施形態のスタックは、熱点の温度を低下させることにより、スタックの寿命および信頼性を増加させると同時に、スタックの平均温度を上昇させてスタックの性能も向上させることができるのである。
【００７９】
一方、図４は、本燃料電池スタックの他の実施形態であって、カウンターフロー構造のスタックにおいて、燃料および酸化剤の流れ構造を示している。
【００８０】
図４に示されるように、本燃料電池スタックは、一単位セルにおいて、一面の燃料の流れ方向と反対側面の酸化剤の流れ方向が互いに逆方向のカウンターフロー構造であり、積層された一側の単位セルと隣り合う単位セルとの間の燃料の流れ方向が互いに異なる構造となっている。
【００８１】
また、一側の単位セルと隣り合う単位セルとの間の酸化剤の流れ方向も互いに異なる構造となっている。本実施形態において、前記隣り合う単位セル間の燃料または酸化剤の流れ方向は互いに逆方向をなす。
【００８２】
つまり、図４において、ｚ方向に沿って、最上層の単位セル３０は、燃料の流れ方向がｘ軸に沿って左側から右側に形成される。カウンターフロー構造であるので、最上層の単位セルにおいて、酸化剤の流れ方向は、燃料とは逆にｘ軸に沿って右側から左側に形成される。
【００８３】
そして、前記最上層の単位セル３０に隣り合う真下の単位セル３０’は、燃料の流れ方向および酸化剤の流れ方向が前記最上層の単位セル３０と反対に形成される。つまり、燃料の流れ方向は、ｘ軸に沿って右側から左側に形成され、酸化剤の流れ方向は、ｘ軸に沿って左側から右側に形成される。
【００８４】
このように、本スタックは、隣り合う単位セル間の燃料の流れ方向および酸化剤の流れ方向が互いに逆方向をなし、積層された単位セル間の燃料の流れ方向および酸化剤の流れ方向が交番的に変わるようになる。
【００８５】
ここで、本実施形態のように、隣り合う単位セル間で燃料の流れ方向を互いに異ならせるためには、例えば、燃料入口マニホールドと燃料出口マニホールドを各流れに沿って別途に備える構造を適用することができる。このような構造を含めて多様な構造が適用可能であり、隣り合う単位セル間の燃料の流れ方向が互いに異なる場合もすべて本発明の真の精神に属する。
【００８６】
また、隣り合う単位セル間で酸化剤の流れ方向を互いに異ならせるためには、例えば、酸化剤入口マニホールドと酸化剤出口マニホールドを各流れに沿って別途に備える構造を適用することができる。このような構造を含めて多様な構造が適用可能であり、隣り合う単位セル間の酸化剤の流れ方向が互いに異なる場合もすべて本発明の真の精神に属する。
【００８７】
前記のように、隣り合う単位セル間の燃料の流れ方向および酸化剤の流れ方向が交番的に変わることにより、単位セルに形成される熱点と冷点も単位セル間で交番的に形成される。
【００８８】
熱エネルギーは、流体が流出する側に蓄積され、カウンターフロー構造の場合、冷点は酸化剤が供給される部分に形成され、熱点は酸化剤の流動によって酸化剤が排出される部分から中央に若干傾いた箇所に形成される。
【００８９】
図４に示されるように、最上層の単位セル３０では、冷点Ｃは右側に形成され、熱点Ｈはその反対側の左側から中央に若干傾いた箇所に形成される。最上層の単位セル３０に隣り合う真下の単位セル３０’では、燃料および酸化剤の流れ方向が最上層の単位セルと正反対であるので、冷点Ｃは左側に形成され、熱点Ｈは右側から中央に若干傾いた箇所に形成される。
【００９０】
これにより、本スタックは、ｚ軸に沿って積層された単位セルにおいて、熱点Ｈと冷点Ｃが交互に現れる。したがって、スタックを構成する一単位セルで形成される冷点は、ｚ軸に沿って上下に隣接する隣り合わせの単位セルの熱点と交互に配置されて互いに熱交換される。一単位セルで形成される熱点は、ｚ軸に沿って上下に隣接する隣り合わせの単位セルの冷点と交互に配置されて互いに熱交換される。
【００９１】
このように、スタックの各単位セル間で冷点と熱点が交互に配置され、一単位セルの熱点は隣り合う単位セルの冷点によって冷却され、一単位セルの冷点は隣り合う単位セルの熱点によって加熱される。これにより、スタック内部の温度勾配を最小化することができる。
【００９２】
図６は、前記のようにカウンターフロー構造のスタックにおいてスタックの温度勾配を従来と比較して示している。図６において、実施形態のグラフは、本実施形態にかかるスタックの温度勾配を示しており、比較例のグラフは、従来技術にかかるスタックの温度勾配を示している。
【００９３】
実施形態と比較例のスタックは、いずれも同一の素材からなり、臨界温度ＴＬ１、ＴＬ２は同一である。
【００９４】
図示のように、本実施形態にかかるスタックの熱点ＴＨ２の温度が、従来技術にかかるスタックの熱点ＴＨ１の温度より低く維持できることが分かる。また、本実施形態にかかるスタックの冷点ＴＣ２の温度は、従来技術にかかるスタックの冷点ＴＣ１の温度より高く維持できることが分かる。
【００９５】
これにより、本実施形態のスタックは、冷点の温度を高め、熱点の温度を低く維持しながらも、スタックの平均温度ＴＡ２を、従来技術にかかるスタックの平均温度ＴＡ１に比べて上昇させることができる。
【００９６】
したがって、本実施形態のスタックは、熱点の温度を低下させることにより、スタックの寿命および信頼性を増加させると同時に、スタックの平均温度を上昇させてスタックの性能も向上させることができるのである。
【００９７】
以上、本発明の例示的な実施形態が示されて説明されたが、多様な変形と他の実施形態が当該分野における熟練した技術者によって実施可能である。このような変形と他の実施形態は、添付した請求の範囲にすべて考慮されて含まれ、本発明の真の趣旨および範囲を逸脱しない。
【符号の説明】
【００９８】
１０：単位電池
２０：分離板
２１：燃料チャネル
２２：酸化剤チャネル
３０、３０’：単位セル
Ｈ：熱点
Ｃ：冷点
【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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【国際調査報告】
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