(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードとアノードとの間に電解質膜が設けられた単電池が複数積層された積層体と、
前記積層体を貫通し、各単電池に反応ガスを供給するための反応ガス供給マニホールドと、
前記反応ガス供給マニホールドに挿通され、反応ガスを導入する筒状の中空管と、
前記中空管に挿通され、前記中空管の内腔の底面に設置された吸水部材と、
を備え、
前記中空管の側面に複数の噴出口が設けられていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記噴出口の向きが、前記反応ガス供給マニホールドと接続する前記単電池の反応ガス流路の入口部分と対向しないことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記複数の噴出口の面積が反応ガスの流れの上流側から下流側に向けて徐々に大きくなっていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記中空管と前記反応ガス供給マニホールドの壁面との間に隙間が設けてられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記吸水部材が前記中空管の端部で折り返され、前記反応ガス供給マニホールドの内部に挿入された折り返し部を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エネルギー変換効率が高く、かつ、発電反応により有害物質を発生しない燃料電池が注目を浴びている。こうした燃料電池の一つとして、１００℃以下の低温で作動する固体高分子形燃料電池が知られている。
【０００３】
固体高分子形燃料電池は、電解質膜である固体高分子膜を燃料極と空気極との間に配した基本構造を有し、燃料極に水素を含む燃料ガス、空気極に酸素を含む酸化剤ガスを供給し、以下の電気化学反応により発電する装置である。
【０００４】
燃料極：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−（１）
空気極：１／２Ｏ２＋２Ｈ＋＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ（２）
燃料極においては、供給された燃料中に含まれる水素が上記式（１）に示されるように水素イオンと電子に分解される。このうち水素イオンは固体高分子電解質膜の内部を空気極に向かって移動し、電子は外部回路を通って空気極に移動する。一方、空気極においては、空気極に供給された酸化剤ガスに含まれる酸素が燃料極から移動してきた水素イオンおよび電子と反応し、上記式（２）に示されるように水が生成する。このように、外部回路では燃料極から空気極に向かって電子が移動するため、電力が取り出される。
【０００５】
また、燃料極および空気極の外側にはセパレータが設けられる。燃料極側のセパレータには燃料ガス流路が設けられており、燃料極に燃料ガスが供給される。同様に、空気極側のセパレータには酸化剤ガス流路が設けられ、空気極に酸化剤ガスが供給される。なお、本明細書において、燃料ガスおよび酸化剤ガスを合わせて「反応ガス」と呼ぶ。また、これらのセパレータ間には、電極を冷却するための冷却水の流路が設けられる。
【０００６】
ここで、反応ガスは、通常加湿器により加湿されて導入されるが、反応ガス供給用のマニホールド内において冷却されると、大量の凝縮水が発生する。反応ガス由来の凝縮水が反応ガス流路に浸入し、反応ガスの流路が凝縮水によって閉塞されると、電極表面への均一な反応ガスの供給が阻害され、燃料電池の出力が低下することがあった。
【０００７】
反応ガス供給用のマニホールドから凝縮水を排出する技術として、反応ガス供給用のマニホールド内に吸水体を設置する構成が知られている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００１−１５５７５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
反応ガス供給用のマニホールド内に多孔質吸水体を設置した構成では、反応ガス供給用のマニホールドの底部に多孔質吸水体で吸収しきれない量の凝縮水が滞留した場合には、反応ガスとともに凝縮水が各セルに混入してしまうおそれがある。このように、反応ガス供給用のマニホールドから凝縮水を排出する技術には依然として改良の余地が残されている。
【０００９】
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、反応ガス供給用のマニホールド内において気水分離の度合いを高め、反応ガス供給用のマニホールドから効率的に凝縮水を排出することができる技術の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のある態様は、燃料電池スタックである。当該燃料電池スタックは、燃料極と酸化剤極との間に解質膜が設けられた単電池が複数積層された積層体と、積層体を貫通し、各単電池に反応ガスを供給するための反応ガス供給マニホールドと、反応ガス供給マニホールドに挿通された筒状の中空管と、中空管に挿通され、中空管の内腔の底面に設置された吸水部材と、を備え、中空管の側面に複数の噴出口が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
この態様によれば、反応ガスが流通する中空管内において、凝縮水が吸水部材に吸収され、吸水部材を伝わって反応ガス供給マニホールドから排出される。一方、中空管は反応ガス供給マニホールド内に挿通されているため、過剰な凝縮水が反応ガス供給マニホールドの底面に滞留した場合であっても、中空管を流通する反応ガスはこの凝縮水の影響を受けにくくなる。
【００１２】
噴出口の向きが、反応ガス供給マニホールドと接続する単電池の反応ガス流路の入口部分と対向しなくてもよい。
【００１３】
また、複数の噴出口の面積が反応ガスの流れの上流側から下流側に向けて徐々に大きくなっていてもよい。
【００１４】
また、中空管と前記反応ガス供給マニホールドの壁面との間に隙間が設けていてもよい。
【００１５】
また、吸水部材が中空管の端部で折り返され、反応ガス供給マニホールドの内部に挿入された折り返し部を有してもよい。
【００１６】
なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、反応ガス供給用のマニホールド内において気水分離の度合いを高め、反応ガス供給用のマニホールドから効率的に凝縮水を排出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１９】
図１は、実施の形態に係る燃料電池スタック１０の構成を示す斜視図である。図２は、図１の燃料電池スタック１０をＡ１方向からみたときの側面図である。図３は、図１の燃料電池スタック１０をＡ２方向からみたときの側面図である。図４は、図１の燃料電池スタック１０をＡ３方向からみたときの側面図である。
【００２０】
燃料電池スタック１０は、カソードとアノードとの間に電解質膜が設けられたセル（単電池）が複数積層された積層体２０と、一対の集電体３０ａ，３０ｂ（以下、適宜、集電体３０という）と、一対の端板３２ａ，３２ｂ（以下、適宜、端板３２という）と、を備える。なお、本実施の形態では、端板３２ａ，３２ｂは絶縁体（樹脂）で形成される。
【００２１】
積層体２０は、アノードとカソードとの間に固体高分子電解質膜が設けられたセルが複数積層されたものである。集電体３０は、セルが発電した電流を外部へ導くために、積層体２０の両端部に位置するセルにそれぞれ接している。集電体３０には、外部との接続用の接続端子３１が設けられている。端板３２は、積層体２０を締め付ける締め付け力が集電体３０を介して積層体２０の両端にかかるように、ボルト、ナットなどの締結機構（図示せず）により締め付けられている。
【００２２】
燃料電池スタック１０には、酸化剤供給マニホールド１００、酸化剤排出マニホールド１１０、燃料供給マニホールド１２０、燃料排出マニホールド１３０、冷却水供給マニホールド１４０および冷却水排出マニホールド１５０が設けられている。
【００２３】
酸化剤供給マニホールド１００に供給された酸化剤としての空気は、各セルのカソードに分配される。酸化剤供給マニホールド１００は、燃料電池スタック１０を貫通し、燃料電池スタック１０の端板３２ａ，３２ｂにそれぞれ入口および出口を有する。酸化剤供給マニホールド１００の出口側は、凝縮水（ドレイン）排出用の配管に接続される。各セルを未反応のまま通過した空気は、酸化剤排出マニホールド１１０に集められ、燃料電池スタック１０から排出される。なお、酸化剤排出マニホールド１１０は、積層体２０および端板３２ｂを貫通し、端板３２ｂに出口を有する。酸化剤供給マニホールド１００には、筒状の中空管２００および吸水部材２１０が挿通されている。中空管２００および吸水部材２１０の詳細については後述する。
【００２４】
一方、燃料供給マニホールド１２０に供給された燃料ガス（改質ガス）は、各セルアノードに分配される。燃料供給マニホールド１２０は、燃料電池スタック１０を貫通し、燃料電池スタック１０の端板３２ａ，３２ｂにそれぞれ入口および出口を有する。燃料供給マニホールド１２０の出口側は、凝縮水（ドレイン）排出用の配管に接続される。各セルを未反応のまま通過した電池オフガスは、燃料排出マニホールド１３０に集められ、燃料電池スタック１０から排出される。なお、燃料排出マニホールド１３０は、積層体２０および端板３２ｂを貫通し、端板３２ｂに出口を有する。燃料供給マニホールド１２０には、筒状の中空管２２０および吸水部材２３０が挿通されている。中空管２２０および吸水部材２３０の詳細は、それぞれ、後述する中空管２００および吸水部材２１０と同様である。
【００２５】
また、冷却水供給マニホールド１４０に供給された冷却水は、各セルを冷却するための冷却水流路が設けられた冷却水プレートに分配される。冷却水流路を通過した冷却水は、冷却水排出マニホールド１５０に集められ、燃料電池スタック１０から排出される。冷却水供給マニホールド１４０は、燃料電池スタック１０を貫通し、燃料電池スタック１０の端板３２ｂ，３２ａにそれぞれ入口および出口を有する。冷却水供給マニホールド１４０の出口側は、冷却水供給マニホールド１４０に入り込んだガスを抜くためのガス抜き口として用いられる。
【００２６】
各セルのカソードには、図５に示すカソード用セパレータ４００が接している。カソード用セパレータ４００には、空気が流通するガス流路４０２が設けられている。カソード用セパレータ４００には、酸化剤供給マニホールド１００とガス流路４０２とを接続するガス導入路４０４が設けられている。また、カソード用セパレータ４００には、ガス流路４０２と酸化剤排出マニホールド１１０とを接続するガス排出路４０６が設けられている。
【００２７】
各セルのアノードには、図６に示すアノード用セパレータ４２０が接している。アノード用セパレータ４２０には、燃料ガスが流通するガス流路４２２が設けられている。アノード用セパレータ４２０には、燃料供給マニホールド１２０とガス流路４２２とを接続するガス導入路４２４が設けられている。また、アノード用セパレータ４２０には、ガス流路４２２と燃料排出マニホールド１３０とを接続するガス排出路４２６が設けられている。
【００２８】
アノード用セパレータ４２０の裏面側には、図７に示すように冷却水流路４１０が設けられている。アノード用セパレータ４２０の裏面側には、冷却水供給マニホールド１４０と冷却水流路４１０とを接続する冷却水導入路４１２が設けられている。また、アノード用セパレータ４２０の裏面側には、冷却水流路４１０と冷却水排出マニホールド１５０とを接続する冷却水排出４１４が設けられている。
【００２９】
以上のように構成された燃料電池スタック１０は、燃料として水素ガスを用いるとともに、酸化剤として空気を用いて発電を行う。具体的には、燃料電池スタック１０を構成する各セル（単電池）において、固体高分子電解質膜の一方の面に接するアノードでは、式（１）で示す電極反応が起きる。一方、固体高分子膜の一方の面に接するカソードでは、式（２）で示す電極反応が起きる。各セルは、冷却水プレートを流通する冷却水によって冷却され、約７０〜８０℃の適温に調節される。
【００３０】
（マニホールドの構成）
図８は、実施の形態１に係る燃料電池スタック１０の酸化剤供給マニホールド１００内の構成を示す部分透過斜視図である。図９は、実施の形態１に係る燃料電池スタック１０の酸化剤供給マニホールド１００内の構成を示す部分破断斜視図である。図１０は、実施の形態１に係る燃料電池スタック１０の酸化剤供給マニホールド１００内の構成を示す断面図である。図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）は、それぞれ、酸化剤供給マニホールド１００の入口部分（図１０のＡ部分）および出口部分（図１０のＢ部分）を示す拡大部分断面図である。
【００３１】
図８乃至図１０に示すように、中空管２００は酸化剤供給マニホールド１００に挿通されている。中空管２００は、酸化剤供給マニホールド１００の入口側および出口側において、それぞれＯリング２９０ａ、２９０ｂにより固定されている（図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）参照）。これにより、中空管２００と酸化剤供給マニホールド１００の壁面との間に隙間が設けられ、中空管２００は酸化剤供給マニホールド１００内で宙に浮いた状態となっている。
【００３２】
図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）は、それぞれ中空管２００の上面図、側面図である。図１２（Ｃ）は、図１２（Ａ）のＡ−Ａ線上の中空管２００の断面図である。
【００３３】
中空管２００は、たとえば、フェノール樹脂やエポキシ樹脂などの合成樹脂により形成される。中空管２００の上面には、所定の間隔で噴出口２０２が設けられている。中空管２００を流通する空気は、噴出口２０２から中空管２００の外に噴出し、各セルに分配される。噴出口２０２の開口面積は、反応ガスの流れの上流側から下流側に向けて、徐々に大きくなっている。これによれば、反応ガスの流れの上流側において反応ガスが過剰に噴出することにより、反応ガスの流れの下流側において噴出に必要な反応ガスが不足することが抑制される。この結果、中空管２００に設けられた各噴出口２０２から均等に反応ガスが噴出される。
【００３４】
なお、噴出口２０２がカソード用セパレータのガス導入路の入口とは対向しないように、たとえば、噴出口２０２が当該ガス導入路の入口の反対側になるように、中空管２００が酸化剤供給マニホールド１００の中に設置されることが望ましい。これによれば、噴出口２０２から噴出した空気は、カソード用セパレータのガス導入路の入口とは反対側の酸化剤供給マニホールド１００の壁により方向を変えられた後、カソード用セパレータのガス導入路の流路入口に流れ込む。このとき、空気に混じった凝縮水は、酸化剤供給マニホールド１００の壁に当たって酸化剤供給マニホールド１００内に流れ落ちる。この結果、噴出口２０２から空気が噴出する際に、凝縮水が空気とともにカソード用セパレータに設けられたガス流路に混入することが抑制される。
【００３５】
中空管２００の内腔には、ひも状の吸水部材２１０が挿通されている。吸水部材２１０は、たとえば、メタ系アラミド繊維（デュポン社製、ＮＯＭＥＸ（登録商標）Ｆｉｂｅｒ）などの吸水性の高い部材により形成される。吸水部材２１０は、中空管２００の内腔の底面に設置されていることが望ましい。これによれば、中空管２００に滞留した水を効率的に吸水部材２１０に吸水させることができる。
【００３６】
吸水部材２１０の長さは、中空管２００の長さより長い。酸化剤供給マニホールド１００の入口側において中空管２００から出た吸水部材２１０が折り返されている。酸化剤供給マニホールド１００の入口側で折り返された吸水部材２１０はＯリング２９０ａと中空管２００との間を通り、酸化剤供給マニホールド１００の内部に吸水部材２１０の端部が到達している。一方、酸化剤供給マニホールド１００の出口側において中空管２００から出た吸水部材２１０が折り返されている。酸化剤供給マニホールド１００の出口側で折り返された吸水部材２１０は、Ｏリング２９０ｂと中空管２００との間を通り、酸化剤供給マニホールド１００の内部に到達し、さらに、酸化剤供給マニホールド１００の内部において折り返され、Ｏリング２９０ｂと酸化剤供給マニホールド１００との間を通り、酸化剤供給マニホールド１００の出口から外に出ている。酸化剤供給マニホールド１００の外に出た吸水部材２１０は、凝縮水排出用の配管に挿入される。
【００３７】
これによれば、中空管２００に滞留した凝縮水は吸水部材２１０に速やかに吸収され、吸水部材２１０を伝わって、酸化剤供給マニホールド１００の外に排出される。一方、中空管２００は酸化剤供給マニホールド１００内で宙に浮いているため、過剰な凝縮水が酸化剤供給マニホールド１００の底面に滞留した場合であっても、中空管２００を流通する空気はこの凝縮水の影響を受けにくくなる。これにより、酸化剤供給マニホールド１００における気水分離の度合いを高めることができる。さらに、吸水部材２１０の端部を折り返して酸化剤供給マニホールド１００の内部に到達させることにより、酸化剤供給マニホールド１００の内部に滞留した凝縮水も吸水部材２１０により吸収される。これにより、酸化剤供給マニホールド１００の内部に滞留した凝縮水が吸水部材２１０を伝わって酸化剤供給マニホールド１００の外部に排出される。
【００３８】
本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。
【００３９】
たとえば、上述の実施の形態では、電解質膜として、固体高分子膜が用いられているが、電解質膜は、これに限られず、無機／有機複合高分子電解質膜を用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】実施の形態１に係る燃料電池スタックの構成を示す斜視図である。
【図２】図１の燃料電池スタックをＡ１方向からみたときの側面図である。
【図３】図１の燃料電池スタックをＡ２方向からみたときの側面図である。
【図４】図１の燃料電池スタックをＡ３方向からみたときの側面図である。
【図５】燃料電池スタックに用いられるカソード用セパレータを示す平面図である。
【図６】燃料電池スタックに用いられるアノード用セパレータを示す平面図である。
【図７】燃料電池スタックに用いられるアノード用セパレータの裏面を示す平面図である。
【図８】実施の形態１に係る燃料電池スタックの酸化剤供給マニホールド内の構成を示す部分透過斜視図である。
【図９】実施の形態１に係る燃料電池スタックの酸化剤供給マニホールド内の構成を示す部分破断斜視図である。
【図１０】実施の形態１に係る燃料電池スタックの酸化剤供給マニホールド内の構成を示す断面図である。
【図１１】図１１（Ａ）および図１１（Ｂ）は、それぞれ、酸化剤供給マニホールドの入口部分（図１０のＡ）および出口部分（図１０のＢ）を示す拡大部分断面図である。
【図１２】図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）は、それぞれ中空管の上面図、側面図である。図１２（Ｃ）は、図１２（Ａ）のＡ−Ａ線上の中空管の断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０  燃料電池スタック、２０  積層体、１００  酸化剤供給マニホールド、１１０  酸化剤排出マニホールド、１２０  燃料供給マニホールド、１３０  燃料排出マニホールド、１４０  冷却水供給マニホールド、１５０  冷却水排出マニホールド、２００  中空管、２０２  噴出口、２１０  吸水部材
【図１】
0005137515.tif 000002
【図２】
0005137515.tif 000003
【図３】
0005137515.tif 000004
【図４】
0005137515.tif 000005
【図５】
0005137515.tif 000006
【図６】
0005137515.tif 000007
【図７】
0005137515.tif 000008
【図８】
0005137515.tif 000009
【図９】
0005137515.tif 000010
【図１０】
0005137515.tif 000011
【図１１】
0005137515.tif 000012
【図１２】
0005137515.tif 000013