(57)【要約】【課題】  オフガスマニホールド内の液水の排出を促進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】  燃料電池スタック（１００）は、シール部材（３２）を備える膜−電極接合体（３０）とセパレータ（４０）とが交互に積層され、シール部材およびセパレータを積層方向に貫通するオフガスマニホールドが形成された積層体と、オフガスマニホールド内に設けられ、オフガスマニホールドを流動するガスに旋回流を発生させる旋回流発生手段（５０）と、を備え、隣接してオフガスマニホールドの内壁を構成するセパレータおよびシール部材の一方は、他方に対してマニホールドの内側に凸である凸部と、他方に対して凹である凹部と、を備える。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シール部材を備える膜−電極接合体とセパレータとが交互に積層され、前記シール部材および前記セパレータを積層方向に貫通するオフガスマニホールドが形成された積層体と、
前記オフガスマニホールド内に設けられ、前記オフガスマニホールドを流動するガスに旋回流を発生させる旋回流発生手段と、を備え、
隣接して前記オフガスマニホールドの内壁を構成する前記セパレータおよび前記シール部材の一方は、他方に対して前記マニホールドの内側に凸である凸部と、前記他方に対して凹である凹部と、を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記旋回流発生手段は、螺旋のフィン形状を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記旋回流発生手段は、捻られた複数のワイヤであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記オフガスマニホールドにおいて、前記セパレータおよび前記シール部材の一方は、略矩形の孔形状を有し、他方は、楕円形の孔形状を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記オフガスマニホールドは、燃料ガスのオフガスマニホールドであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか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、複数の燃料電池が積層された燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的には水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れかつ高いエネルギー効率が実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。特に、固体高分子型燃料電池は、各種の燃料電池の中でも比較的低温で作動することから、良好な起動性を有する。そのため、多方面における実用化のために盛んに研究がなされている。
【０００３】
燃料電池は、複数積層されてスタックとして用いられることが多い。この場合、反応ガスが流動するためのマニホールドがスタック内に形成されている。特に、オフガスのマニホールドに液水が溜まりやすいことが知られている。この液水は氷点下において氷結によって膨張することから、シール部材が損傷してガス漏れが発生するおそれがある。そこで、オフガスマニホールド内で生成された水を排出するために、旋回流発生手段を用いる技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３３９８１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の技術では、マニホールド内の段差によって水の排出が阻害されることがある。この場合、液水を排出できないおそれがある。
【０００６】
本発明は、オフガスマニホールド内の液水の排出を促進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】
【０００７】
本発明に係る燃料電池スタックは、シール部材を備える膜−電極接合体とセパレータとが交互に積層されシール部材およびセパレータを積層方向に貫通するオフガスマニホールドが形成された積層体と、オフガスマニホールド内に設けられオフガスマニホールドを流動するガスに旋回流を発生させる旋回流発生手段と、を備え、隣接してオフガスマニホールドの内壁を構成するセパレータおよびシール部材の一方は、他方に対してマニホールドの内側に凸である凸部と、他方に対して凹である凹部と、を備えることを特徴とするものである。
【０００８】
本発明に係る燃料電池スタックにおいては、旋回流発生手段によってオフガスに旋回流が付与される。この旋回流によって、シール部材の凹部に溜まった液水が旋回流方向に移動する。この場合、液水は、シール部材の凹部から凸部へと移動することから、セパレータを乗り越えることができる。それにより、液水は、オフガスマニホールドの軸方向に排出される。また、オフガスによって排出されなかった液水は、セパレータの凹部に溜まる。しかしながら、この液水は、オフガスの旋回流方向にさらに移動する。この場合、液水は、セパレータの凹部から凸部へと移動することから、シール部材を乗り越えることができる。それにより、液水は、オフガスマニホールドの軸方向に排出される。以上のことから、オフガスマニホールド内の液水の排出を促進することができる。
【０００９】
旋回流発生手段は、螺旋のフィン形状を有していてもよい。また、旋回流発生手段は、捻られた複数のワイヤであってもよい。また、オフガスマニホールドにおいて、セパレータおよびシール部材の一方は、略矩形の孔形状を有し、他方は、楕円形の孔形状を有していてもよい。また、オフガスマニホールドは、燃料ガスのオフガスマニホールドであってもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、オフガスマニホールド内の液水の排出を促進することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【実施例１】
【００１２】
図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池スタック１００を説明するための図である。図１（ａ）は、燃料電池スタック１００の模式的な概観図である。図１（ａ）に示すように、燃料電池スタック１００は、複数のセル１０が積層された積層体の両端をエンドプレート２０ａおよびエンドプレート２０ｂによって締結された構造を有する。
【００１３】
次に、セル１０の積層体について説明する。図１（ｂ）は、セル１０の積層体の模式的な断面図である。図１（ｂ）に示すように、セル１０の積層体は、シール部材付き膜−電極接合体３０がセパレータ４０を介して積層された構造を有する。シール部材付き膜−電極接合体３０は、発電部３１およびシール部材３２を備える。発電部３１は、プロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜がアノードおよびカソードによって挟持された構造を有する。シール部材３２は、ガス漏れ等を抑制するための部材であり、例えばゴム等からなる。シール部材３２の詳細は、後述する。セパレータ４０は、ステンレス等の導電性部材からなる。セパレータ４０には、燃料ガスおよび酸化剤ガスが流動するための流路が形成されている。
【００１４】
図２（ａ）は、シール部材付き膜−電極接合体３０の平面図である。図２（ｂ）は、セパレータ４０の平面図である。図２（ａ）に示すように、シール部材付き膜−電極接合体３０は、発電部３１の周囲をシール部材３２が覆う構造を有している。シール部材３２には、孔３３〜孔３８が形成されている。また、図２（ｂ）に示すように、セパレータ４０には、孔４３〜孔４８が形成されている。
【００１５】
孔３３および孔４３は、互いに連通し、酸化剤ガスマニホールドを形成する。孔３４および孔４４は、互いに連通し、燃料ガスマニホールドを形成する。孔３５および孔４５は、互いに連通し、冷媒入口マニホールドを形成する。孔３６および孔４６は、互いに連通し、燃料オフガスマニホールドを形成する。孔３７および孔４７は、互いに連通し、冷媒出口マニホールドを形成する。孔３８および孔４８は、互いに連通し、酸化剤オフガスマニホールドを形成する。
【００１６】
燃料ガスマニホールドは、図示しない燃料ガス流路を介してアノードおよび燃料オフガスマニホールドに連通する。酸化剤マニホールドは、図示しない酸化剤ガス流路を介してカソードおよび酸化剤オフガスマニホールドに連通する。冷媒入口マニホールドは、図示しない冷媒流路を介して冷媒出口マニホールドに連通する。
【００１７】
続いて、燃料電池スタック１００における発電について説明する。まず、燃料ガスは、燃料ガスマニホールドを経由してアノードに供給される。燃料ガスに含まれる水素は、アノードの触媒を介してプロトンと電子とに解離する。プロトンは、固体高分子電解質膜を伝導してカソードに到達する。一方、酸化剤ガスは、酸化剤ガスマニホールドを経由してカソードに供給される。カソードにおいては、触媒を介してプロトンと酸化剤ガスに含まれる酸素とが反応する。それにより、電力が発生するとともに水が生成される。
【００１８】
なお、発電に供された後の燃料オフガスは、アノードから燃料オフガスマニホールドを経由して排出される。発電に供された後の酸化剤オフガスは、カソードから酸化剤オフガスマニホールドを経由して排出される。また、冷媒は、冷媒入口マニホールドを経由して冷媒流路に供給され。冷媒出口マニホールドを経由して排出される。それにより、燃料電池スタック１００が所定の温度に維持される。
【００１９】
続いて、燃料オフガスマニホールドの詳細について説明する。図３（ａ）は、燃料電池スタック１００における燃料オフガスマニホールドを表した模式図である。図３（ａ）に示すように、燃料オフガスマニホールドには、旋回流発生手段５０がガス流動方向に伸びるように配置されている。この旋回流発生手段５０は、燃料オフガスに旋回流を付与する構造を有する。例えば、図３（ｂ）に示すように、旋回流発生手段５０は、螺旋のフィン形状を有していてもよい。また、旋回流発生手段５０は、図３（ｃ）に示すように、複数のワイヤを捻って形成されたものでもよい。このように、旋回流発生手段５０は、燃料オフガスに旋回流を付与する構造であればどのような構造を有していてもよい。
【００２０】
図４（ａ）は、シール部材３２における孔３６の形状を示す図である。図４（ａ）に示すように、孔３６は、楕円形状を有する。図４（ｂ）は、セパレータ４０における孔４６の形状を示す図である。図４（ｂ）に示すように、孔４６は、矩形状を有する。この場合の燃料オフガスマニホールドの内壁面について説明する。
【００２１】
図４（ｃ）は、燃料オフガスマニホールドを燃料オフガスの流動方向から見た図である。図４（ｄ）は、図４（ｃ）のＯ−Ａ面断面図である。図４（ｅ）は、図４（ｃ）のＯ−Ｂ面断面図である。図４（ｄ）に示すように、Ｏ−Ａ面断面においては、セパレータ４０は、隣接するシール部材３２に対して燃料オフガスマニホールドの内側に凸である。この凸のことを、セパレータ４０の凸部と称する。また、シール部材３２は、このセパレータ４０に対して燃料オフガスマニホールドの内側に凹である。この凹のことを、シール部材３２の凹部と称する。
【００２２】
一方、図４（ｅ）に示すように、Ｏ−Ｂ面断面においては、セパレータ４０は、隣接するシール部材３２に対して燃料オフガスマニホールドの内側に凹である。この凹のことを、セパレータ４０の凹部と称する。また、シール部材３２は、このセパレータ４０に対して、燃料オフガスマニホールドの内側に凸である。この凸のことを、シール部材３２の凸部と称する。
【００２３】
続いて、燃料オフガスマニホールド内における燃料オフガスと液水との関係について説明する。図５（ａ）は、燃料オフガスマニホールド内に旋回流発生手段５０が配置された様子を示す模式図である。図５（ａ）に示すように、燃料オフガスマニホールドに燃料オフガスが流入すると、旋回流発生手段５０によって燃料オフガスに旋回流が付与される。
【００２４】
図５（ｂ）は、燃料オフガスマニホールドにおける液水の流れを示す模式図である。図５（ｂ）に示すように、シール部材３２の凹部に液水が溜まっているとする。この場合、セパレータ４０が壁となることから、液水の燃料オフガスマニホールドの軸方向への排出が困難となる。しかしながら、燃料オフガスに旋回流が付与されると、シール部材３２の凹部に溜まった液水が燃料オフガスの旋回流方向に移動する。この場合、液水は、シール部材３２の凹部から凸部へと移動することから、セパレータ４０を乗り越えることができる。それにより、液水は、燃料オフガスマニホールドの軸方向に排出される。
【００２５】
なお、燃料オフガスによって排出されなかった液水は、セパレータ４０の凹部に溜まる。しかしながら、この液水は、燃料オフガスの旋回流方向によってさらに移動する。この場合、液水は、セパレータ４０の凹部から凸部へと移動することから、シール部材３２を乗り越えることができる。それにより、液水は、燃料オフガスマニホールドの軸方向に排出される。
【００２６】
このように、シール部材３２およびセパレータ４０に凹部および凸部を設けて、旋回流発生手段５０を配置することによって、燃料オフガスマニホールドの段差に溜まった液水の排出を促進することができる。それにより、液水の氷結を抑制することができる。その結果、シール部材３２の損傷を抑制して、ガス漏れを抑制することができる。
【００２７】
なお、本実施例においては孔３６の形状を楕円形状にして孔４６の形状を矩形状にしたが、それに限られない。隣接するセパレータ４０およびシール部材３２の一方が他方に対してマニホールドの内側に凸である凸部と他方に対して凹である凹部とを備えていれば、孔３６および孔４６の形状は特に限定されない。例えば、図６に示すように、孔３６および孔４６は、ともに楕円形を有していてもよい。
【００２８】
また、図７（ａ）に示すように、シール部材３２は、セパレータ４０に対して凹になる部分と、マニホールドの内側に山型に突出するはみ出し部とを有していてもよい、また、図７（ｂ）に示すように、セパレータ４０は、シール部材３２に対してマニホールドの内側に突出する部分と、シール部材３２に対してマニホールドの内側に凹部となる切欠きとを有していてもよい。
【００２９】
なお、孔３６と孔４６とで形成される壁面が平面になるように、孔３６および孔４６の形状を合わせることも考えられる。しかしながら、シール部材３２を構成する部材はゴムであり、セパレータ４０を構成する部材は金属であることから、熱膨張率に差が生じる。また、締結圧力によって、シール部材３２がマニホールドの内側に突出することも考えられる。それにより、孔３６と孔４６とで形成される壁面には段差が生じてしまう。したがって、本実施例のように、凹部と凸部とをあらかじめ設けておくことによって、マニホールド内の液水の排出を促進することができる。
【００３０】
また、本実施例においては、燃料オフガスマニホールドに旋回流発生手段と凹凸部とを設けたが、それに限られない。液水が溜まる可能性のあるマニホールドに旋回流発生手段と凹凸部とを設けることによって、液水の排出を促進することができる。例えば、酸化剤オフガスマニホールドに旋回流発生手段と凹凸部とを設けてもよい。ただし、燃料ガスの循環レスシステムにおいては、燃料オフガスの流量が微小であるため、燃料オフガスマニホールドに液水が溜まりやすい。したがって、燃料ガスの循環レスシステムにおいては、燃料オフガスマニホールドに旋回流発生手段と凹凸部とを設けることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１実施例に係る燃料電池スタックを説明するための図である。
【図２】シール部材付き膜−電極接合体およびセパレータ４０の平面図である。
【図３】燃料オフガスマニホールドの詳細について説明するための図である。
【図４】燃料オフガスマニホールドの詳細について説明するための図である。
【図５】燃料オフガスマニホールド内における燃料オフガスと液水との関係について説明するための図である。
【図６】孔の他の形状を示す図である。
【図７】シール部材およびセパレータの形状の他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  セル
３０  シール部材付き膜−電極接合体
３１  発電部
３２  シール部材
４０  セパレータ
５０  旋回流発生手段
１００  燃料電池スタック
【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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