(57)【要約】【課題】燃料電池の内部構造に関し、反応ガスをガス流路内に均一に導入することのできる燃料電池を提供する。【解決手段】電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体２０と、膜電極接合体２０の面に沿って設けられた多孔体流路１４と、膜電極接合体２０との間で多孔体流路１４を挟むように設けられたセパレータ１８と、多孔体流路１４の上流端に反応ガスを供給するための入口マニホールド３０と、セパレータ１８の内部に形成され、入口マニホールド３０と多孔体流路１４とを連通させる複数の小経路３８と、を備え、小経路３８は、多孔体流路１４との連通部近傍において、隣接する他の小経路３８と互いに連通している。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の面に沿って設けられたガス流路と、
前記膜電極接合体との間で前記ガス流路を挟むように設けられたセパレータと、
前記ガス流路の上流端に反応ガスを供給するための入口マニホールドと、
前記セパレータの内部に形成され、前記入口マニホールドと前記ガス流路とを連通させる複数の小経路と、を備え、
前記小経路は、前記ガス流路との連通部近傍において、隣接する他の小経路と互いに連通していることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記入口マニホールドは、複数に分割されて形成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記入口マニホールドは、反応ガスとしての酸化ガスを供給するためのマニホールド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。
【請求項４】
前記ガス流路は、前記小経路に比して圧力損失が高いことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関し、特に、燃料電池の内部構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、複数枚の燃料電池セル（以下、「単位セル」と称す）が積層された燃料電池スタックとして使用される。単位セル自体も平面状の部材の積層体であり、電解質膜をその両側から電極で挟んで構成された膜電極接合体（ＭＥＡ;Membrane Electrode Assembly）を有し、該ＭＥＡをその両側からガス流路、およびセパレータで挟むことで構成されている。
【０００３】
このような燃料電池において発電効率を向上させるためには、該燃料電池の各単位セルに均一且つ確実に反応ガスが供給されることが好ましい。そこで、例えば、特開２０００−３３１６９１号公報では、供給される反応ガスの圧力損失を低減させるためのセパレータ構造が開示されている。この燃料電池においては、セパレータにおける反応ガスが導入或いは導出される部位に、反応ガスの流れを整流するためのガイド部が設けられている。このような構成によれば、各単位セルへの反応ガスの分配損失或いは集合損失を低減することができ、燃料電池の各単位セルに均一且つ確実に反応ガスを供給することができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３３１６９１号公報
【特許文献２】特開２００３−７７４９９号公報
【特許文献３】特開平６−２６０１９１号公報
【特許文献４】特開２００５−１５８５１３号公報
【特許文献５】特開２００６−１４７３０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃料電池スタックにおけるガス流路の上流端には、各単位セルに対して反応ガスを供給するための入口マニホールドが接続されている。入口マニホールドに供給された反応ガスは、各単位セルのセパレータ内部を介してガス流路に導入される。ここで、燃料電池スタックの小型化或いは省スペース化等の要請により、該マニホールドの配置可能範囲が制限されて、複数に分割されてしまうことがある。図９は、複数の入口マニホールドを備えた燃料電池スタックの内部構造を説明するための図である。この図に示すとおり、入口マニホールド２ａ、２ｂを備えた燃料電池スタック１において、入口マニホールド２ａ、２ｂに反応ガスが供給されると、セパレータ４の内部に複数設けられた小経路を介してガス流路４に導入される。
【０００６】
しかしながら、このような燃料電池スタック１においては、各小経路に均等に反応ガスが導入されるため、ガス流路への導出部面積が大きい小経路（図中の中央部）では、供給すべき反応ガス量が他の小経路に比して不足してしまう事態が想定される。このため、ガス流路に均一に反応ガスを供給することができず、燃料電池における発電効率が低下するおそれがあった。
【０００７】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、反応ガスをガス流路内に均一に導入することのできる燃料電池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】
【０００８】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池であって、
電解質膜の両面に電極が配置された膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の面に沿って設けられたガス流路と、
前記膜電極接合体との間で前記ガス流路を挟むように設けられたセパレータと、
前記ガス流路の上流端に反応ガスを供給するための入口マニホールドと、
前記セパレータの内部に形成され、前記入口マニホールドと前記ガス流路とを連通させる複数の小経路と、を備え、
前記小経路は、前記ガス流路との連通部近傍において、隣接する他の小経路と互いに連通していることを特徴とする。
【０００９】
また、第２の発明は、第１の発明において、
前記入口マニホールドは、複数に分割されて形成されていることを特徴とする。
【００１０】
また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記入口マニホールドは、反応ガスとしての酸化ガスを供給するためのマニホールドであることを特徴とする。
【００１１】
また、第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記ガス流路は、前記小経路に比して圧力損失が高いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
燃料電池の入口マニホールドは、単位セルに設けられているガス流路と、セパレータ内部に形成された複数の小経路を介して連通している。このため、入口マニホールドに供給された反応ガスは、当該複数の小経路に均等に導入されてガス流路上流端へ導出される。第１の発明によれば、各小経路は、ガス流路への導出部近傍において隣接する他の小経路と連通している。このため、本発明によれば、通過した小経路の導出部面積によらず、反応ガスを均一にガス流路に導入することができる。
【００１３】
また、特に、入口マニホールドが複数に分断されている場合には、ガス流路の上流端の全面に沿って単一の入口マニホールドを形成することができないため、各小経路におけるガス流路への導出部面積の大小差が顕著となる。第２の発明によれば、各小経路がガス流路への導出部近傍において隣接する他の小経路と連通しているので、各小経路の導出部面積が異なる場合であっても、反応ガスを均一にガス流路に導入することができる。
【００１４】
第３の発明によれば、反応ガスとしての酸化ガスをガス流路内に均一に導入することができる。
【００１５】
第４の発明によれば、ガス流路内部は小経路で形成される集合空間に比して圧力損失が高い。このため、入口マニホールドから各小経路へ導入された反応ガスは、当該小経路で形成される空間で一端集合され、所定の圧力に達した後に一斉にガス流路内部に導入される。このため、本発明によれば、反応ガスをガス流路内部に均一に導入することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１７】
実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
本発明の実施の形態としての燃料電池は、図８に示すような発電システム（燃料電池システム）に使用される。図８は、本発明にかかる燃料電池を使用可能な燃料電池システムの全体を示す概略構成図である。この燃料電池システムは、燃料電池自動車に搭載される車両用燃料電池システムとして好適である。尚、他の用途の燃料電池システムへの適用も勿論可能である。
【００１８】
図８に示す燃料電池システムでは、燃料ガスとしての水素が燃料電池１００に供給される。燃料電池１００に供給される水素は高圧の水素タンク１１４に貯蔵されている。水素タンク１１４と燃料電池１００のアノードとは水素供給管１１０によって接続され、水素供給管１１０の途中にはシャットバルブ１１６および調圧バルブ１１８が配置されている。また、燃料電池１００のアノードには、アノードオフガスを排出するためのオフガス排出管１１２が接続されている。オフガス排出管１１２は、水素供給管１１０における調圧バルブ１１８の下流側に接続され、水素供給管１１０と共に水素の循環系を構成している。オフガス排出管１１２の途中には、循環系内で水素を循環させるための循環ポンプ１２０が配置されている。
【００１９】
このシステムでは、酸化ガスとしての空気が燃料電池１００に供給される。燃料電池１００に供給される空気は、コンプレッサ１３４によって大気から取り込まれる。コンプレッサ１３４と燃料電池１００のカソードとは空気供給管１３０によって接続されている。また、燃料電池１００のカソードには、カソードオフガスを排出するためのオフガス排出管１３２が接続されている。オフガス排出管１３２は大気開放され、その管路の途中には空気圧を調整する為の調圧バルブ１３６が設けられている。
【００２０】
更に、このシステムでは、上記の反応ガス（燃料ガスおよび酸化ガス）とは別に、燃料電池１００を冷却するための冷媒（水、不凍液或いは空気等）が燃料電池１００に供給される。燃料電池１００には冷媒を供給するための冷媒供給管１４０と冷媒を排出するための冷媒排出管１４２とが接続されている。冷媒供給管１４０と冷媒排出管１４２はともにラジエータ１４６に接続され、冷媒はラジエータ１４６を通って冷媒排出管１４２から冷媒供給管１４０へ循環するようになっている。冷媒排出管１４２の途中には、循環系内で冷媒を循環させるための循環ポンプ１４８が配置されている。
【００２１】
本実施の形態の燃料電池１００は、図１に示すような構成を有している。図１は、本実施の形態の燃料電池１００の構成を模式的に示す断面図である。図１に示すとおり、燃料電池スタック１００は単位セル１０を複数積層したスタック構造を有している。単位セル１０は、発電体１２、カソードガスおよびアノードガスが流れる多孔体流路１４および１６、隣接する発電体１２を隔離するセパレータ１８によって構成されている。発電体１２は、電解質膜を挟んでアノードとカソードが配置された膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly，以下、「ＭＥＡ」と称す）２０の外側に、図示しないガス拡散層をシールガスケットで囲んで一体として形成されている。
【００２２】
多孔体流路１４および１６は、ステンレス鋼やチタン、或いはチタン合金などの発砲焼結金属や、金属メッシュなどの内部に多数の細孔を備えた多孔体によって形成されている。多孔体流路１４および１６は所定方向へ反応ガスを流すことを主目的としているため、反応ガスの流れの圧力損失を抑え、排水性を構造させるように、比較的気孔率の大きい多孔体が使用される。当該多孔体流路１４および１６に導入された反応ガスは内部の細孔を通過しＭＥＡ２０のアノードおよびカソードに供給される。
【００２３】
図１に示すとおり、燃料電池セル１０には空間が形成されており、これらが単位セル１０の積層方向に延在することにより、カソード系の入口マニホールド３０、およびカソード系の出口マニホールド３２が形成されている。上述した多孔体流路１４は、上記カソード系入口マニホールド３０とカソード系出口マニホールド３２との間に介在するように設けられている。同様に、燃料電池スタック１００には、図示しないアノード系入口マニホールド、およびアノード系出口マニホールドが形成されている。そして、上述した多孔体流路１６は、上記アノード系入口マニホールドとアノード系出口マニホールドとの間に介在するように設けられている。
【００２４】
セパレータ１８は、ステンレス鋼、チタンなどの導電性の金属の薄板を積層して形成される三層積層型のセパレータである。より具体的には、多孔体流路１４と接触するカソードプレート２２と、多孔体流路１６と接触するアノードプレート２４と、これらのプレートの中間に挟まれた中間プレート２６とから構成されている。図１に示すとおり、中間プレート２６には複数の溝が形成されている。これにより、セパレータ１８内部に複数の冷媒流路２８が形成されている。
【００２５】
[本実施の形態の特徴的構成]
次に、図２乃至図４を参照して、本実施の形態の特徴的構成について説明する。図２は、単位セル１０の分解斜視図を示す。この図に示すとおり、本実施の形態における発電体１２およびセパレータ１８には、中央部上方および下方に凹部が形成されている。この凹部は、燃料電池スタック１００の小型化或いは省スペース化などの要請に対応するために形成されたものである。このため、上述した入口マニホールド３０は、入口マニホールド３０ａと３０ｂとに分割されて形成されている（以下、これらを特に区別しないときは、単に「入口マニホールド３０」と称す）。
【００２６】
図３は、上述したセパレータ１８における入口マニホールド３０近傍の構造を説明するための図である。この図に示すとおり、セパレータ１８におけるカソードプレート２２には、上述した入口マニホールド３０と、酸化ガスを多孔体流路１４に導入するための導入口３４とが形成されている。また、セパレータ１８における中間プレート２６には、入口マニホールド３０とカソードプレート２２における導入口３４とを連通させるための空間が形成されている。かかる空間には、補強材としてのリブ３６が複数配置されることで、酸化ガスが通過するための小経路３８が形成されている。
【００２７】
図４は、図３におけるIV−IV断面を示す図である。この図に示すとおり、リブ３６は、導入口３４を塞がないように、カソードプレート２２における入口マニホールド３０の下端部から導入口３４の上端部までの範囲で配置されている。
【００２８】
図５は、図３におけるV−V断面を示す図である。この図に示すとおり、入口マニホールド３０を流通する酸化ガスは、中間プレート２６に形成された小経路３８を通過して、カソードプレート２２に形成された導入口３４から多孔体流路１４に供給される。
【００２９】
[本実施の形態と特徴的動作]
次に、図６および図７を参照して、本実施の形態の特徴的動作について説明する。図６は、従来のセパレータにおける入口マニホールド近傍の内部構造およびガスの流れを説明するための図である。尚、図３に示す単位セル１０と同一の部位については、同一の符号を付してその詳細な説明を省略あるいは簡略化するものとする。
【００３０】
発明が解決しようとする課題において既述したとおり、従来のセパレータ構造は、中間プレート２６におけるリブ３６が該中間プレート２６本体と分断されることなく一体として形成されている。このような構造の燃料電池スタックにおいて酸化ガスが導入されると、入口マニホールド３０を流通する酸化ガスが、各小経路３８をそれぞれ通過して、導入口３４から多孔体流路１４へそれぞれ導入される。
【００３１】
ここで、本実施の形態の燃料電池スタック１００は中央部に凹部が形成されているため、多孔体流路１４における上流端に沿って単一の入口マニホールドを形成することができない。このため、入口マニホールドを配置できない多孔体流路１４の中央付近には、中央寄りの小経路３８を導入口３４に沿って中央方向に延在させることで対応している。
【００３２】
しかしながら、かかる構成によれば、入口マニホールド３０の酸化ガスが各小経路３８に均等に導入される。このため、多孔体流路１４への導出部面積が大きい中央部の小経路３８においては、多孔体流路１４への酸化ガスの導出量が不足してしまい、発電効率が低下してしまうおそれがある。
【００３３】
そこで、本実施の形態においては、各導入経路を導入口３４部において連通させたセパレータ１８が使用される。図７は、セパレータ１８における入口マニホールド近傍のガスの流れを説明するための図である。上述したとおり、中間プレート２６におけるリブ３６が導入口３４部において分断されているため、セパレータ１８における導入口３４近傍において、小経路３８がすべて合流して一連の空間が形成されている。このような構造の燃料電池スタックにおいて酸化ガスが導入されると、入口マニホールド３０から各小経路３８に導入された酸化ガスは当該空間で集合される。多孔体流路１４内部は当該集合空間に比して圧力損失が高い。このため、集合された酸化ガスは、所定の圧力に達した後に一斉に多孔体流路１４内部に導入される。
【００３４】
以上説明したとおり、セパレータ１８を備えた燃料電池スタック１００によれば、各小経路３８の多孔体流路１４への導出部面積が異なる場合であっても、酸化ガスを多孔体流路１４内に均一に導入することができる。このため、該燃料電池における発電効率を有効に向上させることができる。
【００３５】
また、中間プレート２６におけるリブ３６は、カソードプレート２２における入口マニホールド３０の下端部から導入口３４の上端部までの範囲で配置されているため、単位セル１０が複数積層されることにより、小経路３８が押し潰されてしまう事態を効果的に回避することができる。
【００３６】
ところで、上述した実施の形態１においては、セパレータ１８における酸化ガス経路に本発明を適用して、酸化ガスを多孔体流路１４内に均一に供給する構造としているが、本発明が適用される経路は酸化ガス経路に限られない。すなわち、燃料ガス経路に本発明を適用して、燃料ガスを多孔体流路１６内に均一に供給する構造としてもよい。
【００３７】
また、上述した実施の形態１においては、２つに分割された入口マニホールド３０ａ、３０ｂを備える燃料電池スタック１００において、本発明を実行することとしているが、本発明の効果を奏することのできる入口マニホールドの構成はこれに限られない。すなわち、各小経路３８が、多孔体流路１４におけるガス導入部に対して均等に対応していない構成であれば、単一の入口マニホールドによる構成であっても、複数のマニホールドによる構成であってもよい。
【００３８】
尚、上述した実施の形態１においては、多孔体流路１４が前記第１の発明における「ガス流路」に相当している。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態の燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】単位セルの分解斜視図を示す図である。
【図３】セパレータにおける入口マニホールド近傍の構造を説明するための図である。
【図４】図３におけるIV−IV断面を示す図である。
【図５】図３におけるV−V断面を示す図である。
【図６】従来のセパレータにおける入口マニホールド近傍のガスの流れを説明するための図である。
【図７】本発明の実施形態のセパレータにおける入口マニホールド近傍のガスの流れを説明するための図である。
【図８】燃料電池システムの全体を示す概略構成図である。
【図９】複数の入口マニホールドを備える燃料電池スタックの内部構造を説明するための図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０  単位セル
１２  発電体
１４  多孔体流路
１６  多孔体流路
１８  セパレータ
２０  外部拘束部材
２２  カソードプレート
２４  アノードプレート
２６  中間プレート
３０  入口マニホールド
３２  出口マニホールド
３４  導入口
３６  リブ
３８  小経路
１００  燃料電池
１１０  水素供給管
１１２  オフガス排出管
１１４  水素タンク
１１６  シャットバルブ
１１８  調圧バルブ
１２０  循環ポンプ
１３０  空気供給管
１３２  オフガス排出管
１３４  コンプレッサ
１３６  調圧バルブ
１４０  冷媒供給管
１４２  冷媒排出管
１４６  ラジエータ
１４８  循環ポンプ
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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