(57)【要約】【課題】  燃料電池スタック内の空気流量分布が小さく，温度分布、電池反応の分布が小さな電池を提供する。【解決手段】  上面に空気流入口が形成され下面に空気排出口が形成された直方体状の燃料電池スタックと、前記空気流入口に接続され、前記燃料電池スタックの一方から前記燃料電池スタックの上面とほぼ平行に空気を導入し、前記空気流入口に空気を供給する空気供給ダクトと、前記空気排出口に接続され、前記燃料電池スタックから排出された空気を前記燃料電池の下面とほぼ平行に他方へ排気する空気排気ダクトとを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックの下方に、前記空気排出口から排出される空気の流速の分布を低減するためのバッフルを設置した燃料電池システム。【選択図】  図２
2008251330.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面に空気流入口が形成され下面に空気排出口が形成された直方体状の燃料電池スタックと、前記空気流入口に接続され、前記燃料電池スタックの一方から前記燃料電池スタックの上面とほぼ平行に空気を導入し、前記空気流入口に空気を供給する空気供給ダクトと、前記空気排出口に接続され、前記燃料電池スタックから排出された空気を前記燃料電池の下面とほぼ平行に他方へ排気する空気排気ダクトとを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックの下方に、前記空気排出口から排出される空気の流速の分布を低減するためのバッフルを設置したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記バッフルは、前記燃料電池スタックの空気導入方向と反対側の下端から、前記燃料電池スタックの中心に向かって下方に傾斜して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池スタックに前記空気供給ダクトを通して常圧空気を供給する空気供給手段を備えたことを特徴とする請求項１または２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し、特に常圧作動型の燃料電池における気体の供給および排出機構に特徴を有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料極と酸素極を電解質膜等を介して配置した単位燃料電池を複極板を介在させて電気的に直列に積層したものを複数個を直列、あるいは直並列に接続して、燃料電池スタックを形成している。
燃料電池スタックの燃料極には燃料供給手段によって水素等の燃料が供給されている。また、燃料電池スタックの酸素極に対して空気を供給する空気供給ファンからの空気を供給する空気供給ダクトとともに、燃料電池反応で生じた水を含んだ空気を排出する空気排気ダクトが結合されている。
【０００３】
燃料電池スタックに対して加圧した空気を供給する加圧作動型では、燃料電池の出力を高めたることが可能であると言う特徴を有しているものの、空気の加圧手段が必要となる。
しかしながら、改質器等の排出ガスで作動するターボチャージャ等が利用可能な場合でも、燃料電池で発生した電力を自己消費することとなるので、これらのエネルギーを使用できない小型の燃料電池においては加圧式は取り出すことができるエネルギー効率が小さいので有効なものとは言えない。
そこで、本出願人は、常圧作動型であって、空気供給ファンにより導入された空気が空気導入ダクトを介して燃料電池スタックへ均一に供給されるようにした燃料電池システムを提案している（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
図５は、常圧作動型の燃料電池システムの一例を説明する図である。
図５（Ａ）は斜視図を示し、図５（Ｂ）は、空気の流れを説明する平面図である。
燃料電池システム１の燃料電池スタック１００には、空気供給ダクト５４が結合されており、供給ダクト５４は、空気を送気する空気ファン１２２が設けられている。
空気導入路１２３から空気ファンで取り込まれた空気が導入されて、空気を拡散するための拡散部材１２３ｍによって拡散された後に、空気供給ダクト５４内を流れて燃料電池スタック１００に送られる。燃料電池スタック１００の上面から酸素極に送られた空気は、燃料電池スタック１００の下部から排出されて、凝縮器等（図示せず）に送られて燃料電池反応で発生した水、および燃料電池の冷却用に酸素極に供給された水を分離して外部へ放出される。そして凝縮器等で回収された水は、電解質膜を加湿する水として利用される。
燃料電池スタック１００の下部に充分な空間がある場合には、燃料電池スタック内での空気流の流速の分布等は生じにくいが、燃料電池システムが自動車等の内部に設置される場合には、設置環境が燃料電池システムの性能に影響を及ぼすことがあった。
【０００５】
図６は、燃料電池システムの他の例を説明する図である。
図６（Ａ）は斜視図を示し、図６（Ｂ）は、空気の流れを説明する平面図であり、図６（Ｃ）は、設置時の空気の流れを説明する側面図である。
燃料電池システム１に設けた燃料電池スタック１００には空気供給ダクト５４が接続されており、空気ファン１２２から空気導入路１２３内に設けた拡散部材１２３ｍを通じて燃料電池スタック１００に送られる。燃料電池スタック１００の上面から酸素極に送られた空気は、燃料電池スタック１００の下部から空気排気ダクト１２４を通じて排出される。
ところが、自動車の床部分のように設置部空間１３０に制限がある場所に設置する場合には、空気供給ダクトおよび空気排気ダクトによって流れ方向が変化させられるので、燃料電池スタックの上部と下部との差圧について分布（偏差）が発生する。すなわち、ファン側Ａに比べて出口側Ｂに近くなるにつれて差圧が大きくなる結果、燃料電池スタック内部の空気の流速はファン側が早く、出口側は遅くなるという現象が生じることが明かとなった。
燃料電池スタック内において、空気の流速に分布が生じると、燃料電池スタックを構成する各単位燃料電池において温度分布や発電反応の分布が発生するので燃料電池の特性にも大きな影響を及ぼすと言う問題があった。
【特許文献１】特開２００４−４２４７４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、設置する空間の高さ方向に制約があるために、燃料電池スタックから空気を排出する空気排出ダクトを燃料電池スタックの排出口と直角方向に設けた場合であっても、燃料電池スタック内の流速の分布を小さくした燃料電池システムを提供することを課題とするものである。
また、燃料電池の酸素極側への空気の供給が不均一となって、反応熱による熱分布が不均一となったり、また燃料電池が損傷を受けることを防止することを課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上面に空気流入口が形成され下面に空気排出口が形成された直方体状の燃料電池スタックと、前記空気流入口に接続され、前記燃料電池スタックの一方から前記燃料電池スタックの上面とほぼ平行に空気を導入し、前記空気流入口に空気を供給する空気供給ダクトと、前記空気排出口に接続され、前記燃料電池スタックから排出された空気を前記燃料電池の下面とほぼ平行に他方へ排気する空気排気ダクトとを備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池スタックの下方に、前記空気排出口から排出される空気の流速の分布を低減するためのバッフルを設置した燃料電池システムである。
前記バッフルは、前記燃料電池スタックの空気導入方向と反対側の下端から、前記燃料電池スタックの中心に向かって下方に傾斜して配置されている前記の燃料電池システムである。
前記燃料電池スタックに前記空気供給ダクトを通して常圧空気を供給する空気供給手段を備えた前記の燃料電池システムである。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１記載の構成によれば、燃料電池スタックの空気排出口に、該空気排出口の空気排気ダクトの下流部側の端部から中心部に向かって傾斜して延びるバッフルを配置して空気排出ダクト内の流路を制限したので、燃料電池スタックの上部と下部の差圧の分布（差圧）を小さくすることにより、燃料電池スタック内部の流速を流入部との距離にかかわらず均一化することができる。
また、請求項２記載の構成によれば、排出ダクトの壁面との距離が短くなっても燃料電池内部の差圧の分布を均一化することができるので効率的で安定した燃料電池システムを提供することが可能となる。
また、請求項３記載の構成によれば、常圧空気で作動する燃料電池における差圧の分布の乱れの影響を防止し、発電効率、電池特性に優れた燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は、自動車用の燃料電池のように設置場所に制限を受ける場合であっても、燃料電池スタック内の空気の流速の分布を空気排出路にバッフルを設けることによって差圧が大きくなる部分をなくし、電池スタック内部の空気の流速の分布を均一化することによって、熱分布、電池反応の分布を小さくした燃料電池システムの提供が可能であることを見いだしたものである。
【００１０】
まず、本発明の燃料電池システムを図１を参照して説明する。
燃料供給系１０の構成について説明する。圧縮水素ボンベ、水素吸蔵合金等の水素貯蔵手段１１は、燃料ガス供給流路２０１Ａ、２０１Ｂを介して燃料電池スタック１００の燃料取入口１０１に接続されている。燃料ガス供給流路２０１Ａには、水素元バルブ１８、一次圧センサＳ０、レギュレータ１９、二次圧センサＳ１、第１ガス供給弁２０及び水素調圧弁２１、第２ガス供給弁２２、三次圧センサＳ２が順に設けられ、この燃料ガス供給流路２０１Ａは、燃料ガス供給流路２０１Ｂの一端に接続している。燃料ガス供給流路２０１Ｂの他端は、燃料電池スタック１００の燃料取入口１０１に接続されている。
【００１１】
燃料電池スタック１００の燃料排出口１０２には、燃料排出流路２０２の一端が接続され、その他端は、燃料ガス供給流路２０１Ｂに接続され、燃料ガスの循環路が構成される。ガス排出流路２０２には、燃料電池スタック１００のガス排出口側から順に、トラップ２４、循環ポンプ２５、循環電磁弁２６が配置されている。
トラップ２４には、水レベルセンサＳ１０が取り付けられ、さらに、ガス導出路２０３の一端が接続されている。ガス導出路２０３の他端は、空気ダクト１２４に接続されている。ガス導出路２０３には、排気電磁弁２７が設けられている。
【００１２】
次に空気供給系１２について説明する。空気供給系１２は、空気導入路１２３と、空気供給ダクト５４と、空気排出路である空気排出ダクト１２４とを備えている。空気導入路１２３には、フィルタ１２１、空気ファン１２２、空気供給ダクト５４の順で空気の流れる方向に沿って設けられている。
【００１３】
空気導入路１２３内には、拡散手段である板状のメッシュ、ハニカム等で構成された拡散部材１２３ｍが設けられ、更に、その下流側には、空気供給ダクト５４内の直前の位置に、加湿冷却水を空気導入路１２３内へ向けて噴射するノズル５５が設けられている。このノズル５５は、空気導入ダクト５４内に設けられていてもよい。
空気導入路１２３の空気導入側端部の取入口には、送風手段としての空気ファン１２２が接続されている。空気ファン１２２の吸引口には、フィルタ１２１が設けられ、吸引時に、粉塵等のゴミが除去される。空気ファン１２２は、回転翼を回転させることにより、送風する遠心ブロアであり、回転翼を回転させるためのモータＭが、回転翼の回転軸に接続されている。
【００１４】
拡散部材１２３ｍは、空気導入路１２３の横断面全面を覆い、空気マニホールド５４へ送られる空気は、拡散部材１２３ｍを通過する際に拡散されて、空気導入路内を均一に流れるように構成されている。
【００１５】
次に、燃料電池の空気の排気側について説明する。燃料電池スタック１００の空気の出口側には、燃料電池スタック１００の空気排出口の開口面に平行な方向へ空気排出ダクト１２４が設けられており、空気排出ダクト１２４にはバッフルが取り付けられており、燃料電池スタック内の空気の流速を均一なものとしている。
空気排出ダクト１２４から流出した空気を、凝縮器５１を介して外部へ排出する。空気ダクト１２４の終端部には、ファンが取り付けられた凝縮器５１が設けられ、続いてフィルタ１２５が接続されている。凝縮器５１は、空気から水分を取り出す。また、ノズル５５から供給された水のうち燃料電池スタック１００内で蒸発した水分も、ここで回収される。空気ダクト１２４には、排気温度センサＳ９が設けられ、燃料電池スタック１００内の温度が間接的に検出される。
【００１６】
次に、水供給系について説明する。水供給系５０は、貯水手段としての水タンク５３１と、凝縮器５１で回収した水を水タンク５３１へ導く導水管５７と、水タンク５３１の水を上述したノズル５５へ導く給水管５６とを有する。導水管５７には、回収ポンプ６２が設けられている。回収ポンプ６２は、凝縮器５１で排気から取り出された水を、水タンク５３１へ送り込む。また、給水管５６には、フィルタ６４、水供給手段である供給ポンプ６１が順に設けられている。水タンク５３１には、貯水量検出手段であるタンク水位センサＳ７が設けられている。
【００１７】
燃料電池スタック１００には、負荷系７が接続されており、燃料電池スタック１００で出力される電力は、この負荷系７に供給される。燃料電池スタック１００の電極端には、配線７１を介してインバータ７３に接続され、インバータ７３からモータなどの負荷に電力が供給される。インバータ７３には、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子等のスイッチング手段７５を介して補助電源７６が接続されている。補助電源７６は、例えば、二次電池、電池二重層キャパシタなどで構成することができる。この負荷系７には、燃料電池スタック１００の出力電圧を検出する電圧センサＳ４と、同じく出力電流を検出する電流センサＳ３が設けられている。
【００１８】
燃料電池システム１の制御系は、各センサＳ０〜Ｓ４、Ｓ７、Ｓ９、Ｓ１０の検出値が入力され、レギュレータ１９、各電磁弁１８〜１９、２０、２２、２６、２７、各ポンプ２５、６１、６２、空気ファン１２２、凝縮器５１のファン、インバータ７３、スイッチング手段７５を制御する制御装置（ＥＣＵ）を備えている。この制御装置には、図示しないイグニッションスイッチが接続され、車両を駆動させる駆動モータの駆動や停止の指示信号が入力される。
【００１９】
図２は、本発明の燃料電池システムの実施態様を説明する図である。
図２（Ａ）は、本発明の燃料電池システムの一実施態様を説明する図であり、図２（Ｂ）は、他の実施態様を説明する図であり、いずれも側面から見た各構成要素の配置を説明する図である。
図２（Ａ）に示す燃料電池システム１では、複数の単位燃料電池が積層された燃料電池スタックの上部の空気流入口１０３に、空気流入口１０３の開口面と平行な方向で該燃料電池スタックの空気流入口１０３を端部とする流路を形成する空気供給ダクト５４が結合されている。ここで、開口面と平行な方向とは、厳密な意味での平行ではなく、水平な空気流入口の開口面に対して概ね横方向であることを意味している。
【００２０】
また、空気供給ダクト５４には、空気を吸引して送風する空気ファン１２２が接続されている。空気は空気ファンによって大気圧よりも０．１ｋＰａないし３ｋＰａの圧力であって、一般に常圧と称される大気圧よりもわずかに高い圧力で送風される。また、空気供給ダクト５４内に結合した空気導入路１２３には空気を拡散する拡散部材１２３ｍが設けられている。
【００２１】
燃料電池スタック１００の下部の空気排出口１０４の開口面と平行方向に、空気供給ダクト５４内の空気流の流れ方向と同方向の流路を形成する空気排気ダクト１２４が結合されており、該燃料電池スタックの空気排出口１０４の空気排気ダクト１２４の下流部側の端部１０４Ａから空気排出口１０４の中心方向であって、該空気排出口に対向する空気排気ダクト面側に傾斜して延びて空気排気ダクトの流路を制限するバッフル１０５が設けられている。空気排気ダクトを出た水蒸気を含んだ空気は凝縮器５１によって水を分離して外部へ放出される。
【００２２】
図２（Ｂ）は、他の実施態様を説明する図である。図２（Ａ）で示した例が、バッフルを燃料電池スタック１００の空気排出口１０４の空気排気ダクト１２４の下流部側の端部１０４Ａに設けたものであるのに対して、図２（Ｂ）で示した例では、下流部側の端部１０４Ａに、バッフル１０５Ａを設けるとともに、空気排出口１０４の空気排気ダクト１２４の上流側の端部１０４Ｂに、上流部側の端部１０４Ｂから空気排出口１０４の中心方向であって、該空気排出口に対向する空気排気ダクト面側に傾斜して延びて空気排気ダクトの流路を制限するするバッフル１０５Ｂを設けたものである。
以上のように、空気排気ダクトにバッフルを設けて燃料電池上部と下部の差圧についての分布すなわち偏差を小さくすることにより、燃料電池スタック内で生じる流速の分布を小さなものとすることが可能となる。
また、バッフルは、燃料電池スタックの空気排出口の半分の長さの７５％ないし８０％の位置まで延びたものとすることが好ましい。また高さについては、排出口の開口部面から排気ダクトの壁面までの半分程度の位置まで延びたものとすることが好ましい。
【００２３】
図３は、燃料電池スタックにおける流速分布の一例を説明する図である。
図３は、横軸に燃料電池スタックの空気供給ファン側からの距離を示し、縦軸には流速を示したものである。
バッフルを設置していない場合には、ファン側から出口側に向かうにしたがって流速が大きく減少することを示しているのに対して、出口側のみに１枚のバッフルを中心部に向けて設けた場合、およびファン側にもバッフルを設けた場合のいずれの場合にも流速分布が大きく改善することを示している。
【００２４】
図４は、バッフルの一例を説明する図である。
図４（Ａ）は、バッフルを説明する斜視図であり、バッフル１０５は、耐食性がある金属、合成樹脂の板状体で作製することができる。バッフル１０５は、支柱１０５Ｃ、側柱１０５Ｄを設けてたわみを防止することが好ましい。
また、バッフル１０５と燃料電池スタック１００の会合部は、ガスケット１０７あるいはその他のシール材等を配置して隙間から空気が漏れないようにすることが好ましい。
図４（Ｂ）は、バッフルの設置状体を説明する側面図であり、バッフルを１個のみを配置した例であり、燃料電池スタック１００の周縁部１００Ａには、ガスケット１０７を配置してバッフル１０５と周縁部１００Ａとの間に空隙が生じないようにしたものである。
また、他方の周縁部１００Ｂには、スペーサ１０８Ｂが配置されて燃料電池スタック１００を保持している。
図４（Ｃ）は、バッフルの設置状体を説明する他の側面図であり、バッフルを１個のみを配置した例であり、燃料電池スタック１００の周縁部１００Ａには、スペーサ１０８Ａに加えてガスケット１０７とバッフル１０５と周縁部１００Ａとの空隙が生じないようにしたものである。また、他方の周縁部１００Ｂには、スペーサ１０８Ｂが配置されている。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池スタックの空気排出口に、該空気排出口の空気排気ダクトの下流部側の端部から中心部に向かって傾斜して延びるバッフルを配置して空気排出ダクト内の流路を制限したので、燃料電池スタックの空気排気ダクトの下流部側に生じる圧力分布（偏差）を小さくすることにより、流速分布が小さくなり燃料電池スタック内部の流速を流入部との距離にかかわらず均一化することができるので、流量の不均一によって生じる特性の劣化を防止することができる。また、常圧作動型の燃料電池システムに極めて有用である
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の燃料電池システムを説明する図である。
【図２】図２は、本発明の燃料電池システムの実施態様を説明する図である。
【図３】図３は、燃料電池スタックにおける流速分布の一例を説明する図である。
【図４】図４は、バッフルの一例を説明する図である。
【図５】図５は、常圧作動型の燃料電池システムの一例を説明する図である。
【図６】図６は、燃料電池システムの他の例を説明する図である。
【符号の説明】
【００２７】
１…燃料電池システム、
１００…燃料電池スタック、１００Ａ，１００Ｂ…燃料電池スタックの周縁部
１０４…空気排出口、１０４Ａ…下流部側の端部、１０４Ｂ…上流側の端部
１０５，１０５Ａ，１０５Ｂ…バッフル、１０５Ｃ…支柱、１０５Ｄ…側柱
１０７…ガスケット
１０８，１０８Ａ，１０８Ｂ…スペーサ
１２３…空気導入路、１２３ｍ…拡散部材、１２４…空気排気ダクト
１３０…設置部空間
５４…空気供給ダクト
【図１】
2008251330.tif 000003
【図２】
2008251330.tif 000004
【図３】
2008251330.tif 000005
【図４】
2008251330.tif 000006
【図５】
2008251330.tif 000007
【図６】
2008251330.tif 000008