(57)【要約】【課題】燃料電池の内部構造に関し、簡易な構成で低温始動性を向上させる。【解決手段】複数の単位セルを積層した構造を有し、反応ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池において、当該燃料電池は、各単位セルに対して設けられるガス流路の入口側に連通する入口マニホールドと、前記ガス流路の出口側に連通する出口マニホールドと、を有し、入口マニホールドと出口マニホールドとの少なくとも一方に配置され、反応ガスの熱を吸収する吸熱部材を備える。吸熱部材は、好ましくは、フィン形状の金属多孔体で構成され、入口マニホールド或いは出口マニホールドの末端部に配置される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単位セルを積層した構造を有し、反応ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池において、
前記燃料電池は、
各単位セルに対して設けられるガス流路の入口側に連通する入口マニホールドと、
前記ガス流路の出口側に連通する出口マニホールドと、を有し、
前記入口マニホールドと前記出口マニホールドとの少なくとも一方に配置され、反応ガスの熱を吸収する吸熱部材を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記吸熱部材は、前記入口マニホールド或いは前記出口マニホールドの末端部に配置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】
前記吸熱部材は、前記入口マニホールド或いは前記出口マニホールドの末端部に配置された金属板に接続されてい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】
前記吸熱部材は、金属多孔体で構成されている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。
【請求項５】
前記吸熱部材は、フィン形状で構成されていることを特徴とする請求項１乃至４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、複数毎の燃料電池セル（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は、電解質膜を高湿潤状態に保つことで発電反応を効率よく行うことができる。このため、燃料電池内部は、発電反応により生成される水分と、反応ガスが燃料電池内部に持ち込む水分とにより、常に高湿潤状態が保たれるようになっている。ここで、発電反応が停止されると、燃料電池内部のガスに含まれる水分が凝縮して結露する。このため、特に寒冷地等においては、結露した水分により反応ガスの流路が閉塞される現象（フラッディング）が発生し始動性が低下するおそれがある。
【０００４】
上記問題を解決するために、例えば、特開２００３−１４２１３６号公報には、燃料電池から排出されるオフガスに含まれる水分を凝縮するための凝縮部を備える燃料電池システムが開示されている。このシステムによれば、より具体的には、発電停止後に、該オフガスが当該凝縮部に導入される。凝縮部は、燃料電池から排出されるオフガスよりも低温に保たれている。このため、オフガスに含まれる水分を凝縮して凝縮部に回収することができ、燃料電池内部での結露の発生を抑制することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１４２１３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来のシステムにおいては、燃料電池本体とは別に凝縮部を設ける必要があるため、システムの体格が増大してしまう問題がある。また、凝縮部が該燃料電池から離れた場所に配置されているため、効率よく該燃料電池内部の水分を回収することができないおそれがあった。
【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、簡易な構成で低温始動性を向上させ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、複数の単位セルを積層した構造を有し、反応ガスの供給を受けて発電を行う燃料電池において、
前記燃料電池は、
各単位セルに対して設けられるガス流路の入口側に連通する入口マニホールドと、
前記ガス流路の出口側に連通する出口マニホールドと、を有し、
前記入口マニホールドと前記出口マニホールドとの少なくとも一方に配置され、反応ガスの熱を吸収する吸熱部材を備え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、
前記吸熱部材は、前記入口マニホールド或いは前記出口マニホールドの末端部に配置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２の発明において、
前記吸熱部材は、前記入口マニホールド或いは前記出口マニホールドの末端部に配置された金属板に接続されていることを特徴とする。
【００１１】
また、第４の発明は、第１乃至３の何れか１つの発明において、
前記吸熱部材は、金属多孔体で構成されていることを特徴とする。
【００１２】
また、第５の発明は、第１乃至４の何れか１つの発明において、
前記吸熱部材は、フィン形状で構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
第１の発明によれば、燃料電池はすべての単位セルに対して設けられているガス流路と連通しているマニホールドを有し、該マニホールド内には吸熱部材が配置されている。発電反応が停止された後のガス流路には、高湿潤の反応ガスが多量に滞留している。吸熱部材は該反応ガスの熱を吸収することができるため、高湿潤の反応ガスは該ガス流路から該吸熱部材に向かって対流し、該吸熱部材周囲で凝縮する。このため、本発明によれば、反応ガスに含まれていた水分が当該ガス流路内部で凝縮して流路を閉塞する事態を効果的に抑制することができ、次回の始動性を向上させることができる。
【００１４】
第２の発明によれば、吸熱部材はマニホールドの末端部に配置されている。マニホールドの末端部は燃料電池中心部に比して温度が低下しやすい。このため、本発明によれば、該吸熱部材の放熱性能を向上させることができ、効率よく反応ガスに含まれる水分を凝縮することができる。また、マニホールドの末端部は反応ガスの流れを妨げ難いので、吸熱部位を設けたことにより発電効率が低下する事態を回避することができる。
【００１５】
第３の発明によれば、吸熱部材はマニホールドの末端部に配置された金属板に接続されている。金属板は熱伝導性が高いため、該吸熱部材の熱が効率よく該金属板に伝導する。このため、本発明によれば、該吸熱部材の放熱性能を向上させることができ、効率よく反応ガスに含まれる水分を凝縮することができる。
【００１６】
第４の発明によれば、吸熱部材は金属多孔体で構成されている。金属多孔体は表面積が大きいので吸熱性に優れている。このため、本発明によれば、反応ガスに含まれる水分を効率よく凝縮することができる。また、金属多孔体はその構造から孔内部に水分を蓄えることができる。このため、該吸熱部材周囲で凝縮した水分が単位セル内に流入してしまう事態を効果的に抑制することができる。
【００１７】
第５の発明によれば、吸熱部材はフィン形状で構成されている。フィン形状は表面積が大きく、また、反応ガスを効率よく接触させることができる。このため、本発明によれば、反応ガスに含まれる水分を効率よく凝縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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。
【００１９】
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６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６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。
【００２０】
図６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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
図１に示すとおり、燃料電池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、電解質膜をアノードとカソードとで挟んで構成された膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly，以下、「ＭＥＡ」と称す）、カソードガスおよびアノードガスが流れる多孔体流路、および隣接するＭＥＡを隔離するセパレータによって構成されている。
【００２５】
単位セル１０が積層された積層体の両端には、ターミナル１２ａ，１２ｂ（以下、これらを特に区別しないときは単に「ターミナル１２」と称す）、インシュレータ１４ａ，１４ｂ（以下、これらを特に区別しないときは単に「インシュレータ１４」と称す）、およびエンドプレート１６ａ，１６ｂ（以下、これらを特に区別しないときは単に「エンドプレート１６」と称す）がそれぞれ配置されている。単位セルの積層方向に延びたテンションプレート１８は、エンドプレート１６ａと１６ｂとにボルトで締結されている。これにより、単位セル１０の積層体が積層方向に締め付けられる。また、単位セル１０の積層体の側面には、単位セル１０のズレを防止するための外部拘束部材２０が配置されている。
【００２６】
また、燃料電池１００は、カソードガスを各単位セル１０の多孔体流路に導入するための入口マニホールド２２と、該多孔体流路から排出されるカソードオフガスを燃料電池１００の外部に排出するための出口マニホールド２４とを備えている。入口マニホールド２２および出口マニホールド２４は、単位セル１０の積層方向に延在している。このような構成によれば、燃料電池１００に導入されたカソードガスは、入口マニホールド２２を介して各単位セル１０の多孔体流路に略均等に導入され、カソードにおいて発電反応に使用される。反応後のカソードオフガスは各単位セル１０の多孔体流路から出口マニホールド２４に排出され、燃料電池１００の外部に排出される。
【００２７】
同様に、燃料電池１００には、図示しないアノードガスの入口マニホールドと出口マニホールドが設けられている。燃料電池１００に導入されたアノードガスは、入口マニホールドを介して各単位セル１０の多孔体流路に略均等に導入され、アノードにおいて発電反応に使用される。反応後のアノードオフガスは各単位セル１０の多孔体流路から出口マニホールドに排出され、燃料電池１００の外部に排出される。
【００２８】
さらに、図１に示す燃料電池１００においては、入口マニホールド２２末端部に部材２６が接続されている。図２は、部材２６の接続部を拡大して示す模式図である。図２に示すとおり、部材２６は入口マニホールド２２内部におけるターミナル１２ａ面上に接続されている。部材２６は金属多孔体により構成され、フィン状の形状を有している。また、出口マニホールド２４内部におけるターミナル１２ａ面上には、上記同様に部材２６が接続されている。尚、ショート防止のため、部材２６はセパレータ等の他の金属部と接触しない位置に接続される。
【００２９】
［実施の形態１における特徴的動作］
次に、図３乃至図５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。上述した構成を有する燃料電池１００の発電中においては、燃料電池１００内部が高湿潤状態に保たれている。より具体的には、十分に加湿された反応ガス（水素および酸素）が燃料電池１００に導入されることにより該燃料電池１００内部に水分が供給されている。また、発電反応により生成された水分に関しても、該燃料電池１００内部の加湿に寄与される。      
【００３０】
燃料電池１００の発電中においては、内部温度が８０℃前後に保たれている。このような状態において発電が停止されると、燃料電池１００の温度は外気温に応じて次第に低下する。ここで、燃料電池１００の内部に滞留している高湿潤の反応ガスの温度が低下すると、水分が凝縮して結露する現象が起きる。これらの水分が反応ガスの流路を閉塞してしまうと次回の始動性が低下してしまうため、かかる水分の処理が問題となる。また、特に外気温が氷点下となる寒冷地等において発電を停止した場合、結露した水分が凍結してしまうため、上記問題がより顕著に表れることとなる。
【００３１】
図３は、従来の燃料電池において、発電停止後のガスの流れを模式的に示す図である。図３に示す燃料電池２００は、部材２６を有しない点以外はすべて燃料電池１００と同様の構成である。この図に示すとおり、燃料電池２００の発電が停止された場合、内部に滞留する反応ガスは両端部付近の単位セルに向かって対流する。これは、燃料電池２００における両端部付近の単位セルが中心部付近の単位セルに比して温度低下しやすいからである。両端部付近の単位セル内に流入した反応ガスは、該単位セル内部で冷却され水分が凝縮する。したがって、上記燃料電池２００の両端付近の単位セル１０内に水分が多量に滞留し、当該単位セル１０のガス流路が閉塞する事態が発生するおそれがある。
【００３２】
そこで、本実施の形態においては、部材２６を備えた燃料電池１００が使用される。図４は、本実施の形態の燃料電池１００において、発電停止後のガスの流れを模式的に示す図である。上述したとおり、部材２６はフィン形状の金属多孔体で構成されているため、反応ガスの熱を効率よく吸収することができる。また、部材２６は、エンドプレート１６ａ近傍に配置されたターミナル１２ａに接続されているため、放熱性に優れている。このため、図４に示すとおり、燃料電池１００の発電が停止された場合、内部に滞留する反応ガスは、各単位セル１０のガス流路から部材２６に向かって対流する。部材２６に接触した反応ガスは冷却され水分が凝縮する。したがって、部材２６において反応ガスに含まれる水分を集中的に凝縮することができ、燃料電池１００の単位セル１０内に水分が滞留し、反応ガス流路が閉塞する事態を効果的に抑制することができる。
【００３３】
また、部材２６の金属多孔体は、その構造上結露した水分を孔内部に蓄えることができるので、凝縮した水分が単位セル１０のガス流路に流入する事態を効果的に抑制することができる。さらに、部材２６は入口マニホールド２２および出口マニホールド２４の末端部のターミナル１２ａに接続されているので、発電時に流通する反応ガスの流れを妨げてしまう事態を効果的に回避することができる。
【００３４】
ところで、上述した実施の形態１においては、平面部材であるターミナル１２ａに部材２６が接続されることとしているが、ターミナル１２ａは平面部材に限られない。すなわち、ターミナル１２ａの形状を種々変形することにより、部材２６の放熱性を更に向上させることができる。
【００３５】
図５は、部材２６の接続部構造の変形例として、部材２６の接続部近傍を拡大して示す模式図である。図５に示すとおり、ターミナル１２ａにおける部材２６の接続部の裏面には凸形状が形成されている。また、これに伴い、インシュレータ１４ａには凹形状が形成されている。このような構成によれば、部材２６から外部雰囲気への放熱性能が向上するため、効率よく反応ガスに含まれる水分を凝縮することができる。
【００３６】
また、上述した実施の形態１においては、フィン形状を有する部材２６を配置することとしているが、部材２６の形状はこれに限られない。すなわち、所望の吸熱性能を確保しうるだけの表面積を確保することができ、また、発電時のガス流を妨げない形状であれば、例えば棒状の形状でもよい。
【００３７】
また、上述した実施の形態１においては、部材２６に金属多孔体を使用することとしているが、使用する材料はこれに限られない。すなわち、所望の吸熱性能を確保しうるのであれば、金属板等を使用することとしてもよい。
【００３８】
また、上述した実施の形態１においては、部材２６を入口マニホールド２２或いは出口マニホールド２４の末端部におけるターミナル１２ａに配置することとしているが、部材２６の配置はこれに限られない。すなわち、該部材２６の周囲に水が凝縮してもガス流路が閉塞せず、また、所望の放熱性能を確保しうる場所であれば特に末端部に限定しない。
【００３９】
また、上述した実施の形態１においては、燃料電池１００内部のカソード系の入口マニホールド２２および出口マニホールド２４に部材２６を配置することとしているが、アノード系においても適用可能である。すなわち、アノードガスの入口マニホールド或いは出口マニホールドにカソード同様の構成を備え、アノードガスに含まれる水分を凝縮させることとしてもよい。
【００４０】
尚、上述した実施の形態１においては、部材２６が前記第１の発明における「吸熱部材」に、ターミナル１２ａが前記第３の発明における「金属板」に、それぞれ相当している。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態１の燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。
【図２】部材２６の接続部を拡大して示す模式図である。
【図３】従来の燃料電池において、発電停止後のガスの流れを模式的に示す図である。
【図４】部材２６を備える燃料電池において、発電停止後のガスの流れを模式的に示す図である。
【図５】部材２６の接続部構造の変形例を説明するための図である。
【図６】燃料電池システムの全体を示す概略構成図である。
【符号の説明】
【００４２】
１０  単位セル
１２  ターミナル
１４  インシュレータ
１６  エンドプレート
１８  テンションプレート
２０  外部拘束部材
２２  入口マニホールド
２４  出口マニホールド
２６  部材
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
２００  燃料電池
【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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