(57)【要約】【課題】通常運転時におけるバイパス流路への燃料ガスの流入を抑制することで発電効率を向上させる。【解決手段】  本発明の燃料電池スタックは、反応ガスを供給する内部マニホールド（６）からガス流路（１２）へと反応ガスが流通する連通口のうち、最も下流側の連通口（１７）よりさらに下流側から反応ガスを排出する内部マニホールド（７）へと反応ガスを流通するバイパス流路（１５）を備え、ガス流路（１２）へ反応ガスを供給することで燃料電池スタック（１）を起動した後に、バイパス流路（１５）の流動抵抗を大きくする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体の両側にセパレータが配置されるように、膜電極接合体とセパレータとを複数積層したものを両側からエンドプレートによって挟持して構成される燃料電池スタックにおいて、
内部を流通する反応ガスが前記膜電極接合体に接触するように前記セパレータに凹設されるガス流路と、
前記燃料電池スタックの積層方向に設けられ、一端から導入された反応ガスを複数の前記ガス流路へ配分する、他端が閉塞されている供給内部マニホールドと、
前記燃料電池スタックの積層方向に設けられ、複数の前記ガス流路において反応に供された反応ガスを集約して一端から排出する、他端が閉塞されている排出内部マニホールドと、
前記供給内部マニホールドから前記ガス流路へと反応ガスが流通する連通口のうち、最も下流側の連通口よりさらに下流側から前記排出内部マニホールドへと反応ガスを流通するバイパス流路と、
前記バイパス流路の途中あるいは前記バイパス流路の入口近傍又は出口近傍に設けられ、前記ガス流路へ反応ガスを供給することで前記燃料電池スタックを起動した後に、前記バイパス流路の流動抵抗を大きくする流動抵抗増大手段と、
を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記流動抵抗増大手段は、前記バイパス流路を開閉する電磁弁によって構成され、前記電磁弁の開度を小さくすることで前記バイパス流路の流動抵抗を大きくする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】
前記流動抵抗増大手段は、温度が高くなるほど伸長し、伸長方向が前記バイパス流路の径方向となるように前記バイパス流路内に設けられる伸長部材によって構成される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４】
前記流動抵抗増大手段は、前記バイパス流路の一部の断面積を他の部分よりも小さくした絞り部によって構成され、前記燃料電池スタックが起動した後に反応ガスの流量が増加すると前記絞り部によって流動抵抗が増大する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５】
前記流動抵抗増大手段は、前記バイパス流路に反応ガスの流動方向に交互に設けられた親水性の領域及び撥水性の領域によって構成される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６】
前記絞り部には、前記バイパス流路の断面積が最小となる部分近傍に親水性の領域が設けられ、その他の部分に撥水性の領域が設けられることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記絞り部のうち前記バイパス流路の断面積が最小となる部分が前記絞り部の上流端より下流端に近い位置にあることを特徴とする請求項４または６に記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
前記バイパス流路の流動方向に垂直な断面形状は、前記親水性の領域と前記撥水性の領域との境界部において略円形であることを特徴とする請求項５または６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、燃料電池スタックの起動時において反応ガスの端部セルへの流入量を増大させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池システムは、燃料が有する化学エネルギを電気エネルギに変換する装置であり、電解質膜を挟んで設けられた一対の電極のうち陽極に水素を含有する燃料ガスを供給するとともに、陰極に酸素を含有する酸化剤ガスを供給し、それぞれの電極の電解質膜側の表面で生じる以下の（１）式及び（２）式に示す電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出す。
【０００３】
陽極反応：  H2 → 2H+ ＋ 2e-・・・・・・（１）  
陰極反応：  2H+ ＋ 1/2O2 ＋ 2e-  → H2O・・・・・・（２）
【０００４】
陽極に供給する燃料ガスは、水素貯蔵装置から直接供給する方法や、天然ガス、メタノール、ガソリン等を改質して改質した水素含有ガスを供給する方法などが知られている。また水素貯蔵装置としては、高圧ガスタンク、液化水素タンク、水素吸蔵合金タンク等がある。陰極に供給する燃料ガスは、一般的に空気が利用されている。
【０００５】
ところで、実用に供される燃料電池は出力増大等の目的のために単位セルを積層して燃料電池スタックを構成する。この場合、ガス供給マニホールドの下流端付近において燃料ガスの流動が弱まるので、下流端付近の単位セルへと流入する燃料ガスの流量が低下するという問題がある。
【０００６】
そこで、ガス供給マニホールドの下流端付近にバイパス流路を設けることで、下流端付近における燃料ガスの流動低下を防止して、下流端付近のセルへの燃料ガスの流入を促進させる方法が特許文献１に開示されている。
【特許文献１】特開２００１−２３６９７５公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし上記従来の技術では、発電に関与しない燃料ガスが流れるバイパス流路に常時燃料ガスが流れる構造となっており、特に高出力時には大量の燃料ガスが流れるので、燃料電池の発電効率が低下する。
【０００８】
本発明では、通常運転時におけるバイパス流路への燃料ガスの流入を抑制することで発電効率を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の燃料電池スタックは、反応ガスを供給する内部マニホールドからガス流路へと反応ガスが流通する連通口のうち、最も下流側の連通口よりさらに下流側から反応ガスを排出する内部マニホールドへと反応ガスを流通するバイパス流路を備え、ガス流路へ反応ガスを供給することで燃料電池スタックを起動した後に、バイパス流路の流動抵抗を大きくする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃料電池の起動時に最下流部のセルへの燃料ガスの流入量を増加させて燃料電池の起動性を向上させながら、起動後にバイパス流路の流動抵抗を大きくしてバイパス流路を流れる発電に寄与しない燃料ガスの流量を低下させることで通常運転時の発電効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下では図面等を参照して本発明の実施形態について詳しく説明する。
【００１２】
（第１実施形態）
図１は、本実施形態における燃料電池スタックの全体構成図である。燃料電池スタック１は、セル２を多数積層し、その両端からカレントコレクタ３及びインシュレータ４を介してエンドプレート５によってボルト等で圧縮締結することで構成される。カレントコレクタ３は、導電性部材によって構成され燃料電池スタック１において発電された電流を取り出すための端子が接続される。インシュレータ４は、絶縁性部材によって構成されカレントコレクタ３とエンドプレート５との間を絶縁する。
【００１３】
供給内部マニホールド６及び排出内部マニホールド７は、燃料電池スタック１を積層方向に貫通するように燃料電池スタック１の内部に画成される。供給内部マニホールド６は、一端がカレントコレクタ３によって塞がれており、他端から導入された燃料ガスを各セル２へと流通させる。排出内部マニホールド７は、一端がカレントコレクタ３によって塞がれており、他端から各セル２で反応に供された燃料ガスを排出する。
【００１４】
図２は図１のＡ部の拡大断面図である。セパレータ８は、一方の面に酸化剤ガス流路１０（ガス流路）が形成され、他方の面に冷却水流路１１が形成される。セパレータ９は、一方の面に燃料ガス流路１２（ガス流路）が形成される。なお、図２ではセパレータ９の燃料ガス流路１２とセパレータ８の酸化剤ガス流路１０とが直交するように設けられているが、これに限定されるものではない。
【００１５】
セル２は、燃料ガス流路１２と酸化剤ガス流路１０とがＭＥＡ１３の両側に設けられるようにセパレータ８、９によってＭＥＡ１３を挟持して構成される。また、積層されたセル２のうち供給内部マニホールド６の最下流側に位置する端部セル１４とカレントコレクタ３との間にはセパレータ９が介装される。これにより、供給内部マニホールド６から燃料ガス流路１２への連通口のうち最も下流側の連通口１７、すなわち端部セル１４の燃料ガス流路１２への入口よりさらに下流側から排出内部マニホールド７へと連通するバイパス流路１５が形成される。
【００１６】
図３は本実施形態における燃料電池起動時のバイパス流路の拡大図である。図４は本実施形態における燃料電池起動後のバイパス流路の拡大図である。バイパス流路１５には電磁駆動方式の絞り弁１６（流動抵抗増大手段）が設けられる。絞り弁１６は燃料電池の起動時には図３に示すように解放状態とし、起動後の通常運転時には図４に示すように閉塞状態とする。
【００１７】
以上の構成に基づいて本実施形態の作用について説明する。燃料電池の起動時は、絞り弁１６が解放していることにより供給内部マニホールド６の最下流部６ａにおいて燃料ガスが滞留することなく流れるので、端部セル１４への燃料ガスの流入量が増加する。また、通常運転時には絞り弁１６の開度を小さくすることにより供給内部マニホールド６からバイパス流路１５への燃料ガスの流入が抑制される。
【００１８】
よって、起動時に端部セル１４への燃料ガスの流入量を増加させて燃料電池の起動性を向上させながら、起動後にバイパス流路１５を流れる発電に寄与しない燃料ガスの流量を低下させることで通常運転時の発電効率を向上させることができる。
【００１９】
（第２実施形態）
次に図５、図６を参照しながら第２実施形態について説明する。図５は本実施形態における燃料電池起動時のバイパス流路の拡大図である。図６は本実施形態における燃料電池起動後のバイパス流路の拡大図である。本実施形態ではバイパス流路以外の構成については第１実施形態と同一である。なお、以下の実施形態において同一の構成については同一の符号を付して適宜説明を省略する。
【００２０】
本実施形態ではバイパス流路１５に形状記憶合金製のダイヤフラム２０が互いにバイパス流路１５内で対向するように設けられている。ダイヤフラム２０は、温度が低下すると図５に示すようにバイパス流路１５の径方向に縮小し、温度が上昇すると図６に示すようにバイパス流路１５の径方向に伸長する。
【００２１】
以上の構成に基づいて本実施形態の作用について説明する。燃料電池の起動時は、バイパス流路１５の温度が略外気温度と等しいので、ダイヤフラム２０は縮小しており、ダイヤフラム間の間隙は比較的大きくなっている。これにより、バイパス流路内における燃料ガスの流動抵抗は小さいので、供給内部マニホールド６の最下流部６ａにおいて燃料ガスが滞留することなく流れ、端部セル１４への燃料ガスの流入量が増加する。
【００２２】
燃料電池の起動後は、燃料ガス及び酸化剤ガスの反応による発熱によって燃料電池スタック１の温度が上昇するので、ダイヤフラム２０が伸長してダイヤフラム間の間隙が小さくなる。これにより、供給内部マニホールド６からバイパス流路１５への燃料ガスの流入が抑制される。
【００２３】
よって、起動時に端部セル１４への燃料ガスの流入量を増加させて燃料電池の起動性を向上させながら、起動後にバイパス流路１５を流れる発電に寄与しない燃料ガスの流量を低下させることで通常運転時の発電効率を向上させることができる。また、弁の開閉のための動力を要しないので、燃料電池システム全体としての効率を向上させることができる。
【００２４】
（第３実施形態）
次に図７を参照しながら第３実施形態について説明する。図７は、本実施形態におけるバイパス流路の拡大図である。本実施形態ではバイパス流路以外の構成については第１実施形態と同一である。
【００２５】
本実施形態では、バイパス流路１５の途中にバイパス流路１５の断面積が他の部分より小さくなる絞り部３０を有する。絞り部３０は、バイパス流路１５の上流側から下流側へ向かって断面積が徐々に小さくなり、その後急激に断面積が大きくなって元の断面積となるような形状である。すなわち、バイパス流路１５の流動方向に垂直な断面形状は図７に示すように、絞り部３０の断面積が最小の部分３０ａより上流側の傾斜３０ｂは比較的緩く、下流側の傾斜３０ｃは急となる。これにより、絞り部３０の断面積が最小の部分３０ａは、絞り部３０の上流端より下流端に近い位置となる。
【００２６】
以上の構成に基づいて本実施形態の作用について説明する。燃料電池の起動時は、燃料ガスの流量が比較的少ないのでバイパス流路１５の圧損が小さい。これにより、バイパス流路１５の流動抵抗は小さいので供給内部マニホールド６の最下流部６ａにおいて燃料ガスが滞留することなく流れ、端部セル１４への燃料ガスの流入量が増加する。
【００２７】
燃料電池の起動後は、燃料ガスの流量が増加するのでバイパス流路１５の絞り部３０において乱流が生じて圧損が急激に増大する。これにより、バイパス流路１５の流動抵抗が増大して供給内部マニホールド６からバイパス流路１５への燃料ガスの流入が抑制される。
【００２８】
よって、起動時に端部セル１４への燃料ガスの流入量を増加させて燃料電池の起動性を向上させながら、起動後にバイパス流路１５を流れる発電に寄与しない燃料ガスの流量を低下させることで通常運転時の発電効率を向上させることができる。また、絞り部３０は可動部を有しないので、簡易な構造で起動後のバイパス流路１５への燃料ガスの流入量を抑制することができる。
【００２９】
さらに、絞り部３０の断面積が最小の部分３０ａが、絞り部３０の上流端より下流端に近い位置にあるので、燃料ガスの流量の増加に伴って発生する乱流がより強くなり、起動後にバイパス流路１５を流れる発電に寄与しない燃料ガスの流量をさらに低下させることができる。
【００３０】
（第４実施形態）
次に図８、図９を参照しながら第４実施形態について説明する。図８は、本実施形態における燃料電池起動時のバイパス流路の拡大図である。図９は、本実施形態における燃料電池起動後のバイパス流路の拡大図である。本実施形態ではバイパス流路以外の構成については第１実施形態と同一である。
【００３１】
本実施形態では、バイパス流路１５の内壁面に燃料ガスの流動方向に沿って親水性の親水部４０と撥水性の撥水部４１とを交互に設ける。
【００３２】
以上の構成に基づいて本実施形態の作用について説明する。燃料電池の起動時は、燃料ガスが乾燥しているのでバイパス流路１５の内壁面の濡れ性にかかわらず燃料ガスが内部を流通する。これにより、供給内部マニホールド６の最下流部６ａにおいて燃料ガスが滞留することなく流れ、端部セル１４への燃料ガスの流入量が増加する。
【００３３】
燃料電池の起動後は、燃料ガスが加湿されることにより湿度が上昇するのでバイパス流路内で凝縮水４２が発生する。凝縮水４２は所定量を超えると図９に示すように親水部４０に保持され、バイパス流路１５を閉塞する。これにより、供給内部マニホールド６からバイパス流路１５への燃料ガスの流入が抑制される。
【００３４】
よって、起動時に端部セル１４への燃料ガスの流入量を増加させて燃料電池の起動性を向上させながら、起動後にバイパス流路１５を流れる発電に寄与しない燃料ガスの流量を低下させることで通常運転時の発電効率を向上させることができる。また、本実施形態はバイパス流路１５の内壁面を親水性及び撥水性にしただけであるので、バイパス流路１５の構造を変えることなくより簡易な構成で起動後のバイパス流路１５への燃料ガスの流入量を抑制することができる。
【００３５】
（第５実施形態）
次に図１０、図１１を参照しながら第５実施形態について説明する。図１０は、本実施形態における燃料電池起動時のバイパス流路の拡大図である。図１１は、本実施形態における燃料電池起動後のバイパス流路の拡大図である。本実施形態ではバイパス流路以外の構成については第１実施形態と同一である。
【００３６】
本実施形態では、第４実施形態の構成に加えてバイパス流路１５の断面積が連続的に大きくなったり小さくなったりするように複数の絞り部５０を有する形状とする。複数の絞り部５０は、それぞれバイパス流路１５の上流側から下流側へ向かって断面積が徐々に小さくなり、その後急激に断面積が大きくなって元の断面積となるような形状である。すなわち、バイパス流路１５の流動方向に垂直な断面形状は図１０に示すように、絞り部５０の断面積が最小の部分５０ａより上流側の傾斜５０ｂは比較的緩く、下流側の傾斜５０ｃは急となる。これにより、絞り部５０の断面積が最小の部分５０ａは、絞り部５０の上流端より下流端に近い位置となる。
【００３７】
さらに、各絞り部５０のうち断面積が最小の部分付近を親水性の親水部５１とし、その他の部分を撥水性の撥水部５２とした。
【００３８】
以上の構成に基づいて本実施形態の作用について説明する。燃料電池の起動時は第４実施形態と同一である。燃料電池の起動後は、燃料ガスが加湿されることにより湿度が上昇するのでバイパス流路内で凝縮水５３が発生する。凝縮水５３は所定量を超えると図１１に示すように親水部５１に保持され、バイパス流路１５を閉塞する。このとき、親水部５１の断面積が第４実施形態の構成より小さいので、より少ない凝縮水量でバイパス流路１５を閉塞することができる。
【００３９】
よって、供給内部マニホールド６からバイパス流路１５への燃料ガスの流入をより早期に抑制できるとともに、起動後の燃料ガスの流量が少ないときでも確実に燃料ガスの流入を抑制できる。
【００４０】
また、絞り部５０の断面積が最小の部分５０ａが、絞り部５０の上流端より下流端に近い位置にあるので、燃料ガスの流量の増加に伴って発生する乱流が強くなり、またバイパス流路内で生じた凝縮水５３が親水部に保持されやすいので、起動後にバイパス流路１５を流れる発電に寄与しない燃料ガスの流量をさらに低下させることができる。
【００４１】
（第６実施形態）
本実施形態では、第４実施形態及び第５実施形態において、親水部４０、５１と撥水部４１、５２との境界付近におけるバイパス流路１５の流動方向に垂直な断面形状を略円形とする。これにより、凝縮水４２、５３とバイパス流路１５との隙間が生じにくくなるので、供給内部マニホールド６からバイパス流路１５への燃料ガスの流入をさらに早期に抑制できるとともに、起動後の燃料ガスの流量が少ないときでもより確実に燃料ガスの流入を抑制できる。
【００４２】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能である。
【００４３】
例えば本実施形態では、燃料ガスの流動するバイパス流路を設けて、燃料電池起動後に燃料ガスの流動抵抗を大きくする構成について説明したが、酸化剤ガスについても同様の構成とすることで同様の作用効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本実施形態における燃料電池スタックの全体構成図である。
【図２】図１のＡ部の拡大断面図である。
【図３】第１実施形態における燃料電池起動時のバイパス流路の拡大図である。
【図４】第１実施形態における燃料電池起動後のバイパス流路の拡大図である。
【図５】第２実施形態における燃料電池起動時のバイパス流路の拡大図である。
【図６】第２実施形態における燃料電池起動後のバイパス流路の拡大図である。
【図７】第３実施形態におけるバイパス流路の拡大図である。
【図８】第４実施形態における燃料電池起動時のバイパス流路の拡大図である。
【図９】第４実施形態における燃料電池起動後のバイパス流路の拡大図である。
【図１０】第５実施形態における燃料電池起動時のバイパス流路の拡大図である。
【図１１】第５実施形態における燃料電池起動後のバイパス流路の拡大図である。
【符号の説明】
【００４５】
１  燃料電池スタック
２  セル
３  カレントコレクタ
４  インシュレータ
５  エンドプレート
６  供給内部マニホールド
６ａ  供給内部マニホールドの最下流部
７  排出内部マニホールド
８  セパレータ
９  セパレータ
１０  酸化剤ガス流路
１１  冷却水流路
１２  燃料ガス流路
１３  ＭＥＡ
１４  端部セル
１５  バイパス流路
１６  絞り弁
１７  連通口
２０  ダイヤフラム
３０  絞り部
３０ａ  断面積最小部
３０ｂ  傾斜面
３０ｃ  傾斜面
４０  親水部
４１  撥水部
４２  凝縮水
５０  絞り部
５０ａ  断面積最小部
５０ｂ  傾斜面
５０ｃ  傾斜面
５１  親水部
５２  撥水部
５３  凝縮水
【図１】
2007018800.tif 000003
【図２】
2007018800.tif 000004
【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】
2007018800.tif 000009
【図８】
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【図９】
2007018800.tif 000011
【図１０】
2007018800.tif 000012
【図１１】
2007018800.tif 000013