(57)【要約】【課題】部品の種類の増大を抑制しつつ各セルに分配される流体の分配率を変更することができる燃料電池スタックを提供する。【解決手段】燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させて発電するセル５０を複数積層したセル積層体５１に、各セル５０へ燃料ガス、酸化ガス、および冷媒の少なくとも１つの流体を分配するマニホールド５５を積層方向に沿って設け、積層方向両側にセル５０で発電した電力を取り出す集電板５２，５３を設けた燃料電池スタック１０の集電板５２，５３に、マニホールド５５内に突出する凸部６１，６４を設け、これら凸部６１，６４によってマニホールド５０で各セル５０に分配される流体の分配率を変更する。【選択図】図２
2008053060.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させて発電するセルが複数積層されてなるセル積層体と、前記セル積層体の積層方向に沿って延在し各セルへ燃料ガス、酸化ガス、および冷媒の少なくとも１つの流体を分配するマニホールドと、前記セル積層体の積層方向両側に配置され前記セルで発電した電力を取り出す集電板と、を備えた燃料電池スタックであって、
前記集電板に、前記マニホールド内に突出する凸部が設けられている燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池スタックであって、
前記凸部が前記集電板と一体である燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池スタックであって、
前記凸部は積層方向端部に配置されたセルへの前記流体の分配量を制限するものである燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池スタックであって、
前記凸部は前記冷媒を前記セルへ分配するマニホールドに設けられたものである燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池スタックであって、
前記凸部は前記酸化ガスを前記セルへ分配するマニホールドに設けられたものである燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反応ガスを電気化学反応させて発電するセルを複数積層した燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料ガスと酸化ガス（以下、これらを反応ガスという。）の電気化学反応によって発電する燃料電池をエネルギ源とした燃料電池システムが注目されている。このような燃料電池システムに用いられる燃料電池は、セルを複数積層した燃料電池スタックとして構成されている。
【０００３】
そして、このような燃料電池スタックにおいては、各セルへ反応ガス又は冷媒を分配するマニホールドが形成されることになるが、セルのマニホールド形成側に面取部を設け、面取部の断面積を各セルの位置に応じて変化させることで、各セルへの反応ガス又は冷媒の分配性を均一化したものがある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−２００１３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のようにセルのマニホールド形成側に断面積の異なる面取部を設けるのでは、一つの燃料電池スタックを形成するために必要なセルの種類が増大してしまう。
【０００５】
そこで、本発明は、部品の種類の増大を抑制しつつ各セルに分配される流体の分配率を変更することができる燃料電池スタック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】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明の燃料電池スタックは、燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させて発電するセルが複数積層されてなるセル積層体と、前記セル積層体の積層方向に沿って延在し各セルへ燃料ガス、酸化ガス、および冷媒の少なくとも１つの流体を分配するマニホールドと、前記セル積層体の積層方向両側に配置され前記セルで発電した電力を取り出す集電板と、を備えた燃料電池スタックであって、前記集電板に、前記マニホールド内に突出する凸部が設けられている。
【０００７】
この構成によれば、セル積層体のセルとして特定のセルについて特別なものを用いることなく全て同種のセルを用いても、マニホールド内に突出するようにして設けられた凸部で流体流路を狭めることにより、マニホールドから各セルに分配される流体の分配率を変更することができる。
【０００８】
この場合、凸部が集電板に一体であっても良い。
【０００９】
この構成によれば、ボルト等の別部材を用いて集電板に凸部を設ける場合のように貫通孔（例えば、ボルト挿通孔）の形成時等に必要となる流体漏れ防止対策のためのシール構造が必要なくなる。
【００１０】
また、前記凸部で積層方向端部に配置されたセルへの前記流体の分配量を制限しても良い。
【００１１】
この構成によれば、例えば、積層方向端部のセルへの冷媒や酸化ガスや燃料ガスの分配量を他のセルよりも減らす等により、当該積層方向端部のセルへの温度低下を抑制することが可能となり、特に低温時の始動性が向上する。
【００１２】
さらに、前記凸部は前記冷媒を前記セルへ分配するマニホールドに設けられたものであっても良い。
【００１３】
この構成によれば、積層方向端部のセルの冷媒による温度低下が他のセルよりも抑制される。
【００１４】
加えて、前記凸部は前記酸化ガスを前記セルへ分配するマニホールドに設けられたものでも良い。
【００１５】
この構成によれば、積層方向端部のセルの発電効率が他のセルよりも低下し、これにより、当該積層方向端部のセルの発熱量が他のセルよりも増加して温度低下が抑制される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、セル積層体のセルとして特定のセルについて特別なものを用いず全て同種のセルを用いても、マニホールド内に突出する凸部を集電板に設けることで、部品の種類の増大を抑制しつつマニホールドで各セルに分配される流体の分配率を変更することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に、本発明に係る燃料電池スタックの一実施形態を図面を参照しつつ説明する。
【００１８】
図１は、燃料電池システム１のシステム構成図である。この燃料電池システム１は、燃料電池自動車の車載発電システムや船舶、航空機、電車あるいは歩行ロボット等のあらゆる移動体用の発電システム、さらには、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システム等に適用可能であるが、具体的には自動車用となっている。
【００１９】
燃料電池システム１は、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電気化学反応により電力を発生する燃料電池スタック１０を備えるとともに、この燃料電池スタック１０への酸化ガスとしての空気のガス供給を調整するカソード系の酸化ガス配管系２と、燃料ガスとしての水素ガスのガス供給を調整するアノード系の燃料ガス配管系３とを備えている。
【００２０】
酸化ガス配管系２は、加湿器２０により加湿された酸化ガス（空気）を燃料電池スタック１０に供給する空気供給配管２１と、燃料電池スタック１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に導く導出配管２２と、加湿器２０から外部に酸化オフガスを導くための排出配管２３とを備えている。空気供給配管２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４が設けられている。
【００２１】
燃料ガス配管系３は、高圧の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池スタック１０に供給するための燃料供給配管３１と、燃料電池スタック１０から排出された燃料ガスのオフガスとしての水素オフガスを導く導出配管３２と、導出配管３２の水素オフガスを燃料供給流路３１に戻す循環配管３３とを備えている。
【００２２】
燃料供給配管３１には、燃料電池スタック１０に燃料ガスを供給するために、水素タンク３０からの水素ガスの供給を遮断又は許容するとともに許容時に水素ガスの圧力を調整する遮断弁付調圧弁３４が設けられている。この遮断弁付調圧弁３４に換えて、上流側のガス状態（流量、圧力、温度、モル濃度等）を調整して下流側に供給するインジェクタを設けても良い。
【００２３】
導出配管３２には、燃料電池スタック１０から排出された水素オフガスを循環配管３３を介して再び燃料電池スタック１０に供給するために、気液分離器３５が設けられている。この気液分離器３５は、燃料電池スタック１０から排出された水素オフガスの気液を分離するもので、具体的には水素オフガスから水分を回収するものである。
【００２４】
この気液分離器３５には、排出弁３６が接続されており、この排出弁３６には、排出配管３７が接続されている。排出弁３６は、図示略の制御装置からの指令によって作動することにより、気液分離器３５で回収した水分と、導出配管３２内の不純物を含む水素オフガスとを排出配管３７を介して外部に排出（パージ）するものである。
【００２５】
循環配管３３には、燃料電池スタック１０から排出された循環配管３３内の水素オフガスを吸引し加圧して燃料供給配管３１側へ吐出することで燃料電池スタック１０から排出されるガスの循環を調整する水素ポンプ３８が設けられている。また、排出配管３７には水素オフガスを排出配管２３からの酸化オフガスで希釈するための希釈器３９が設けられている。
【００２６】
燃料電池スタック１０には、さらに、冷媒としての冷却水を循環させる冷却配管４１が接続されている。この冷却配管４１には、冷却水の熱を外部に放熱するラジエータ４３、及び冷却水を加圧して循環させるポンプ４４が設けられており、ラジエータ４３には、モータによって回転駆動される冷却ファン４６が設けられている。
【００２７】
このような燃料電池システム１において、水素タンク３０から燃料供給配管３１を介し遮断弁付調圧弁３４で調整されて燃料電池スタック１０に供給された水素ガスと、コンプレッサ２４による圧送で空気供給配管２１を介し加湿器２０で加湿されて燃料電池スタック１０に導入された酸化ガスとが、燃料電池スタック１０において電気化学反応を起こし、発電する。
【００２８】
また、燃料電池スタック１０からの水素オフガスは、導出配管３２を介して気液分離器３５に導入され、水素ポンプ３８で循環配管３３を介して燃料供給配管３１に導入されて、再び燃料電池スタック１０に導入される。
【００２９】
さらに、適宜のタイミングで排出弁３６が開かれると、燃料電池スタック１０からの水素オフガスは、気液分離器３５から排出配管３７を介して希釈器３９に導入され希釈器３９において、燃料電池スタック１０から排出された酸化オフガスで希釈されて外部に排出される。
【００３０】
本実施形態の燃料電池スタック１０は、図２に示すように、反応ガスの供給を受けて発電するセル５０を所要数積層して構成されるセル積層体５１と、セル積層体５１の積層方向両側に配置されてセル５０で発電した電力を取り出す一対の集電板５２，５３とを有している。
【００３１】
セル５０は、すべて同種のものが用いられており、セル５０を複数積層したセル積層体５１には、各セル５０へ例えば冷媒を分配する一定断面形状のマニホールド５５が積層方向に沿って貫通するように設けられている。このマニホールド５５は、例えば断面円形状をなしている。
【００３２】
一対の集電板５２，５３は、セル積層体５１に対し、その積層方向と直交する方向に延出しており、集電板５２のセル積層体５１からの延出部分には電力取り出し用の端子５６が設けられ、集電板５３にも、同様の端子５７が設けられている。
【００３３】
一方の集電板５２には、上記した冷却配管４１のポンプ４４の吐出側に接続されるとともに、マニホールド５５に連通しこのマニホールド５５に冷媒としての冷却水を導入するための開口部５９が形成されており、他方の集電板５３は、このような冷却水導入用の開口部５９は形成されておらず、マニホールド５５を閉塞している。
【００３４】
そして、本実施形態においては、冷却水導入側つまり開口部５９を有する側の集電板５２が、図２，図３に示すように、板状をなし開口部５９が形成されてセル積層体５１の一端部のセル５０に当接する集電板本体部６０と、集電板本体部６０の開口部５９を形成する内縁部からマニホールド５５内に突出する凸部６１とを有している。この凸部６１は、開口部５９の内縁部の一部から一端部のセル５０のみとラップするように突出しており、しかもマニホールド５５の内面に対して離間するように形成されている。
【００３５】
冷却水導入側でない側つまりマニホールド５５を閉塞する側の集電板５３も、図２，図４に示すように、板状をなしセル積層体５１の他端部のセル５０に当接する集電板本体部６３と、集電板本体部６３からマニホールド５５内に突出する凸部６４とを有している。この凸部６４は、例えばマニホールド５５と同心の円柱状をなしており、他端部のセル５０のみとラップし、しかもマニホールド５５の内面に対して所定距離離間するようにマニホールド５５の内径よりも所定量小径に形成されている。
【００３６】
ここで、凸部６１は集電板５２に一体とされ、凸部６４も集電板５３に一体とされている。つまり、集電板５２は、例えば銅、アルミニウムあるいはステンレス鋼材等の金属からなるもので、凸部６１と集電板本体部６０とを含んで鋳造等で素材が一体成形され、この素材が適宜切削加工等されることで形成されたり、凸部６１と集電板本体部６０とが一枚の板状の素材からプレス成形で一体成形されたり、それぞれ別体に構成された凸部６１と集電板本体部６０とが溶接等により一体成形されたりする。集電板５３も凸部６４と集電板本体部６３とが上記と同様に一体成形される。
【００３７】
以上に述べた燃料電池スタック１０によれば、セル積層体５１のセル５０として、例えば積層方向両端部に配置されている特定のセル５０について特別なものを用いずに他のセル５０と同種のものを用いても、集電板５２，５３にマニホールド５５内に突出する凸部６１，６４を設け、これら凸部６１，６４で流路を狭めることで、マニホールド５５で各セル５０に分配される反応ガス又は／及び冷却水の分配率を変更することができる。
【００３８】
具体的には、凸部６１，６４で流路が狭められた端部のセル５０への冷却水の分配率を中間のセル５０への分配率よりも下げる（つまり分配量を制限する）ことができる。したがって、部品の種類の増大を抑制しつつマニホールド５５で各セル５０に分配される反応ガス又は／及び冷媒の分配率を変更することができる。
【００３９】
また、凸部６１が集電板５２と一体であり、凸部６４が集電板５３と一体であるため、ボルト等の別部材を用いて集電板５２あるいは集電板５３に凸部を設ける場合のように貫通孔（例えば、ボルト挿通孔）の形成等で必要となる反応ガス又は／及び冷媒の漏れ防止対策のためのシール構造が必要なくなる。
【００４０】
さらに、凸部６１，６４で積層方向端部のセル５０への冷却水の分配量を制限するため、積層方向端部のセル５０の冷却水による温度低下を抑制して、特に低温時の始動性を向上できる。
【００４１】
なお、凸部６１，６４の形状を工夫することにより、端部側のセル５０に流れる冷却水の量を最適にチューニングすることも可能である。
【００４２】
例えば、図５に示すように、凸部６１において端部のセル５０とラップする基部６１ａが最も断面積が広く、端部から二番目のセル５０にラップする先部６１ｂがこれよりも断面積が狭くなるように二段の段差状にし、同様に、図６に示すように、凸部６４において端部のセル５０とラップする基部６４ａが最も断面積が広く、端部から二番目のセル５０とラップする先部６４ａがこれよりも断面積が狭くなるように二段の段差状の円柱にすれば、端部側のセル５０から中間側に向けて徐々に冷却水の分配量を増やすことができる。勿論、段差を３段以上の多段にしたり、先細のテーパ状としても良い。
【００４３】
以上の実施形態においては、各セル５０に冷媒を分配する冷媒流路としてのマニホールド５５に凸部６１，６４を突出させる場合を例にとり説明したが、各セル５０に酸化ガスを分配する酸化ガス流路としてのマニホールドや、各セル５０に燃料ガスを分配する燃料ガス流路としてのマニホールドについても上記をそのまま適用できる。
【００４４】
酸化ガス流路又は／及び燃料ガス流路としてのマニホールドに上記を適用して凸部を突出させれば、積層方向端部のセル５０への酸化ガス又は／及び燃料ガスの分配率が下がり、当該セル５０における発電効率を敢えて低下させることによる発熱量の増加を図ることが可能になる結果、当該セル５０の温度低下を抑制することができる。勿論、冷媒流路としてのマニホールド、酸化ガス流路としてのマニホールド、燃料ガス流路としてのマニホールドの少なくとも２つに凸部を突出させても良い。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明に係る燃料電池スタックの一実施形態が適用された燃料電池システムの概略構成図である。
【図２】本発明に係る燃料電池スタックの一実施形態の部分正断面図である。
【図３】本発明に係る燃料電池スタックの一実施形態における一方の凸部の部分拡大平面図である。
【図４】本発明に係る燃料電池スタックの一実施形態における他方の凸部の部分拡大側面図である。
【図５】本発明に係る燃料電池スタックの一実施形態における一方の凸部の変形例の部分拡大平面図である。
【図６】本発明に係る燃料電池スタックの一実施形態における他方の凸部の変形例の部分拡大正断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０…燃料電池スタック、５０…セル、５１…セル積層体、５５…マニホールド、５２，５３…集電板、６１，６４…凸部。
【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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