JP4617661B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。特に、燃料電池のセパレータと、これに設けた流路形状に関する。
燃料電池では、以下のような反応が生じることにより発電が行われる。
アノード反応：Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋ ２ｅ-
カソード反応：１／２Ｏ2 ＋ ２Ｈ+ ＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ
燃料電池内では、電気化学反応の進行に伴って、カソード側で水が生成される。生成水は、カソード側に供給されている酸化剤ガス中に気化し、酸化剤ガスと共に燃料電池外に排出されるが、生成水量が多いときや酸化剤ガスが流通する流路中に部分的に温度が低い領域があると、酸化剤ガス流路内で生成水が凝縮し、流路内に滞留してしまうことがある。
また、アノード極側では、電気化学反応によって水が生じることはないが、例えば、燃料ガスを燃料電池に供給されるに先立って加湿した場合には、燃料ガスの消費とともにガス量が減少することにより、燃料ガス中の水分が凝縮し、流路内に滞留してしまうことがある。
カソードガス流路、アノードガス流路で水が滞留するとフラッディングが起こり、反応ガスの拡散を妨げるため、燃料電池の性能が悪化するという問題が生じる。凝縮水の滞留は、流路の曲がり部に多く生じるため、特に反応ガス流路を蛇行形状に構成した場合に、フラッディングによる燃料電池の効率低下が生じ易くなる。
従来の蛇行形状のガス流路を有する燃料電池として以下のようなものが知られている。
セパレータには酸化剤ガス供給孔、酸化剤ガス排出孔及び流通溝が形成されている。酸化剤ガス供給孔に隣接して酸化剤ガス集合孔Ａが、酸化剤ガス排出孔に隣接して酸化剤ガス集合孔Ｂが、それぞれ形成されている。酸化剤ガス供給孔と酸化剤ガス集合孔Ｂとが向い合い、酸化剤ガス排出孔と酸化剤ガス集合孔Ａが向い合うように配置される。これら集合孔Ａ、Ｂは流通溝を連通させるように構成される（例えば、特許文献１、参照。）。
または、セパレータは、三つの孔部を備え、また、その一方の面上には、二つの凹部が形成されている。セパレータを用いて組み立てた燃料電池では、これらの凹部は、アノードとの間で単セル内酸化ガス流路を形成する。外部から燃料電池に供給される酸化ガスは、孔部のうち一つが形成する酸化ガス供給マニホールドから分配されて、それぞれの凹部が形成する単セル内酸化ガス流路を通過し、もう一つの孔部が形成する酸化ガス排出マニホールドに集まって外部に排出される。その際、各単セル内酸化ガス流路を通過する酸化ガスは、残るもう一つの孔部が形成する酸化ガス配流マニホールドを経由する（例えば、特許文献２、参照。）。
特開２０００−１００４５８号公報 特開２０００−８２４８２号公報
上記背景技術においては、燃料ガス、酸化ガスの出入口マニホールドの位置を近接して配置していなかったため、アノードガス流路とカソード流路は積層方向に略重なる流路となっていない。このため、燃料ガスと酸化ガスの流路は積層方向から見て流路方向が平行に形成されたカウンタフローにできないため、カソードで発生する生成水を効率的に膜を通してアノード側に移動させることができない。その結果、カソード側とアノード側での水分量が均一化できずに、フラッディング（水つまり）が発生し易いといった問題があった。
また、上記背景技術においては、配流マニホールドを燃料ガス、酸化ガス流路の片側あるいは流路の中間部にしか配置していなかった。このため、凝縮水が発生する燃料ガス、酸化ガスの流路下流部に配流マニホールドが設置できていないため、流路の後半でフラッディング（水つまり）が起こり、燃料電池の性能が悪化してしまう問題があった。
そこで本発明は、上記問題を鑑みて、水分布をより適切にすることができる燃料電池を提供することを目的とする。
本発明は、固体高分子電解質膜の両面に備えた、触媒電極を有する燃料極と酸化剤極と、燃料極との間に、二つ以上のＵ字状曲がり部を有する蛇行形状に構成したアノードガス流路を設けたアノードセパレータと、酸化剤極との間に、二つ以上のＵ字状曲がり部を有する蛇行形状に構成したカソード流路を設けたカソードセパレータと、を備える単位セルを、アノードガス流路とカソードガス流路とが固体高分子電解質膜を介して略重なるようにして積層した燃料電池スタックである。そして、単位セルを積層方向に貫通し、アノードガス流路の上流端に開口してそのアノードガス流路にアノードガスを供給するアノード入口マニホールドと、単位セルを積層方向に貫通し、アノードガス流路の下流端に開口してそのアノードガス流路からアノードガスを排出するアノード出口マニホールドと、アノード出口マニホールドに隣接するように設けられ、単位セルを積層方向に貫通し、カソードガス流路の上流端に開口してそのカソードガス流路にカソードガスを供給するカソード入口マニホールドと、アノード入口マニホールドに隣接するように設けられ、単位セルを積層方向に貫通し、カソードガス流路の下流端に開口してそのカソードガス流路からカソードガスを排出するカソード出口マニホールドと、単位セルを積層方向に貫通し、アノードガス流路とカソードガス流路の、少なくとも一方のガス流路の最下流に位置するＵ字状曲がり部同士を連通させる配流マニホールドと、を備えることを特徴とする。
蛇行形状のアノードガス流路とカソードガス流路を、積層方向に略重なるように構成した際にも、それぞれのＵ字状曲がり部のうち最下流に位置するＵ字状曲がり部に単位セル間でアノードガスまたはカソードガスの異動を可能とする配流マニホールドを備えることができる。その結果、積層方向に略重なるアノードガス流路とカソードガス流路との間で水の移動を促進させて、アノード側とカソード側の水分布を抑制するとともに、配流マニホールドによる凝縮水除去を行い、単位セル内の水分布をより適切にすることができる。
第１の実施形態について説明する。燃料電池システムの構成を図１を用いて説明する。
燃料電池システムを、後述するように蛇行形状のアノードガス流路３２、カソードガス流路３６（以下、反応ガス流路３２、３６）を有する燃料電池１と、これを運転するための補機類から構成する。補機類として、燃料電池１の温度を最適に維持するために、冷媒として不凍液であるロングライフクーラント（ＬＬＣ）を燃料電池１に循環させるＬＬＣ循環系２を備える。ＬＬＣとしては、例えば、エチレングリコールと水との混合液等を用いる。ＬＬＣ循環系２には、ＬＬＣタンク１２、ＬＬＣポンプ１３、温度センサ１４、バイパスバルブ１５、ラジエータ１６を備える。温度センサ１４で検出したＬＬＣの温度に応じて、ラジエータ１６を流通するＬＬＣ流量をバイパスバルブ１５で調整し、燃料電池１を最適な温度に維持する。
また、燃料電池１では、水素を含んだアノードガスと、酸素を含んだカソードガスとの電気化学反応を生じることにより発電を行うため、アノードガス供給系３、カソードガス供給系４を備える。燃料電池１内の水分状態を最適に保つため、アノードガス供給系３には図示しないアノードガス供給手段から供給されたアノードガスを加湿するアノード水回収装置１７を備える。アノードガスとしては、例えば水素ガスを用いる。また、カソードガス供給系４には、図示しないカソードガス供給手段から供給されたカソードガスを加湿するカソード水回収装置１８を備える。カソードガスとしては、例えば空気を用いる。
アノード水回収装置１７、カソード水回収装置１８を、例えば、ガス間で水移動を行うための膜、中空糸、あるいはポーラス材を用いたプレート等から構成する。図１には、燃料電池１に供給される以前のアノードガスおよびカソードガス（以下、反応ガス）と、燃料電池１から排出された排出ガスとの間で、それぞれ水交換を行うことにより燃料電池１に供給する反応ガスの加湿を行う場合を示す。このとき水交換は同種の反応ガス間で行っても良いし、異種の反応ガス間で行っても良い。または、ポンプやイジェクタを用いて、湿潤している燃料電池１からの排出ガスを入口側に再循環させることにより、反応ガスの加湿を行ってもよい。
次に、燃料電池１の構成を、図２を用いて説明する。ここでは、複数の単位セル２０を積層することにより構成したスタックにより燃料電池１を構成する。なお、一つの単位セル２０より燃料電池１を構成してもよい。
電解質膜に電極触媒を担持させることにより膜電極接合体（ＭＥＡ）２１を構成する。その両面に、ガス拡散層（ＧＤＬ）２２を配置する。なお、ここでは電解質膜に電極触媒を担持させることによりＭＥＡを構成しているが、ＧＤＬ２２に触媒電極を担持して、電解質膜とＧＤＬ２２を一体化してもよい。
ＧＤＬ２２の外側から、さらにアノードセパレータ２３、カソードセパレータ２４（以下、セパレータ２３、２４）で狭持することにより単位セル２０を構成する。ＧＤＬ２２とアノードセパレータ２３の間には、アノードガスを流通するアノードガス流路３２を備える。ここではアノードセパレータ２３の表面に構成した、複数の並列した溝によりアノードガス流路３２を構成する。なお、アノードガス流路３２の形状については後で詳記する。
また、ＧＤＬ２２とカソードセパレータ２４の間には、カソードガスを流通するカソードガス流路３６を備える。ここでは、カソードパレータ２４の表面に構成した、複数の並列した溝によりカソードガス流路３６を構成する。なお、カソードガス流路３６の形状についても後に詳記する。
さらに、隣接する単位セル２０間にはＬＬＣ流路２７を備える。カソードセパレータ２４とそれに隣接するアノードセパレータ２３との間にＬＬＣ流路２７を構成する。ここでは、カソードセパレータ２４の、カソードガス流路３６を設けた面の裏面に、複数の溝を設けることによりＬＬＣ流路２７を構成するが、この限りではない。例えば、アノードセパレータ２３側に溝を設けても良いし、アノードセパレータ２３、カソードセパレータ２４それぞれに設けた溝を組み合わせることでＬＬＣ流路２７を構成してもよい。
次に、燃料電池１における一般的な水分布状態について説明する。なお、ここでは反応ガス流路３２、３６を蛇行形状に限った場合ではなく、電気化学反応や反応ガス量の変化に応じた一般的な特徴について説明する。
まず、カソードガス流路３６の水分布状態について図３を用いて説明する。図３には、カソードガス流路３６内の相対湿度（ＲＨ）と凝縮水量の変化を示す。
電解質膜のドライアウトを防ぐために、前述したカソード水回収装置１８によって加湿されたカソードガスが、燃料電池１のカソードガス流路３６に供給される。カソード流路３６内では、電解質膜、触媒層、あるいはＧＤＬ２２等のポーラス部から水が蒸発するので、流れに沿ってカソードガスのＲＨが増大する。特に、カソード側では、発電反応に伴い生成水が生じるため、図３に示すようにＲＨが１００％に向かって急激に増加する。カソードガス流路３６全般に渡って水が生成されるので、流路下流側ではカソードガスが飽和状態となり、凝縮水が生じる。
次に、アノードガス流路３２の水分布状態について図４を用いて説明する。図４には、アノードガス流路３２内の相対湿度（ＲＨ）と凝縮水量の変化を示す。
アノード側では、生成水の発生がないのに加えて、電気浸透によって水がアノード側からカソード側に移動する。このため、カソード側にも増して、電解質膜２１のドライアウト防止が重要となり、アノードガス流路３２の入口における要求相対湿度は高くなる。ここでは、前述したように、アノード水回収装置１７によって予め加湿したアノードガスをアノードガス流路３２に供給する。カソード側と同様に、アノードガス流路３２では、電解質膜、触媒層、あるいはＧＤＬ２２等のポーラス部から水が蒸発する。また、例えばアノードガスとして水素、または水素濃度の高い燃料ガスを用いた場合には、反応の進行に伴ってアノードガス量が大きく低減される。このようなことが原因となり、アノードガス流路３２内では流れに従ってアノードガスのＲＨが増大する。その結果、カソード側と同様に、下流側でアノードガス中の水蒸気が飽和し、凝縮水が生じる。
図３、図４に示すように、アノードガス流路３２、カソードガス流路３６それぞれの流路下流側ではＲＨが高くなり、凝縮水が発生し易い状態となる。
そこで、本実施形態では、アノードガス流路３２の下流側とカソードガス流路の上流側で、またアノードガス流路３２の上流側と、カソードガス流路３６の下流側で、それぞれの流路が重なるように構成する。これにより、アノード側とカソード側との間で、電解質膜を介した水の移動が促進される。つまり、水過剰となったアノードガス流路３２下流の水分をカソードガス流路３６上流に移動させ、水過剰となったカソードガス流路３６下流の水分をアノードガス流路３２の上流に移動させることができ、アノード側とカソード側の間の水分布を抑制することができる。
以下、アノードガス流路３２とカソードガス流路３６が積層方向に重なり、水移動を促進することができる構成について説明する。なお、反応ガス流路３２、３６としては、蛇行形状の流路を用い、かつ、フラッディングを抑制するために、少なくとも一つの曲がり部に配流マニホールド（３３、３７）を備えた流路を用いる。
アノードガス流路３２、カソードガス流路３６の詳細を説明する。図５（ａ）にアノードセパレータ２３の平面図を、図５（ｂ）にカソードセパレータ２４の平面図を示す。ここでは、各セパレータ２３、２４を構成するプレートの積層面を同形状とし、略正方形に構成する。
反応ガス流路３２、３６の上流端には、燃料電池１を積層方向に貫通し、各単位セル２０に反応ガスを分配する入口マニホールド３１、３５（アノード入口マニホールド３１、カソード入口マニホールド３５）を備える。また、各単位セル２０に分配された反応ガスを、さらに並列に構成された全ての反応ガス流路３２、３６に分配する分配部４１、４３（アノード分配部４１、カソード分配部４３）を備える。分配部４１、４３は、それぞれのセパレータ２３、２４表面に設けた溝により構成する。
反応ガス流路３２、３６を、Ｕ字状曲がり部５１、５２を二つ備え、ストレート形状のパス部を三つ備えた流路に構成する。アノードガス流路３２、カソードガス流路３６は、少なくとも流路数、流路間幅、パス部の長さ、Ｕ字状曲がり部５１、５２の形状を同じとする。また、ここでは、流路幅も同じとする。
また、反応ガス流路３２、３６における最下流のＵ字状曲がり部５１ａ、５２ａに、配流マニホールド３３、３７（アノード配流マニホールド３３、カソード配流マニホールド３７）を備える。配流マニホールド３３、３７は、それぞれ燃料電池１を積層方向に貫通する孔により構成する。配流マニホールド３３、３７では、その上流側の複数の反応ガス流路３２、３６を流れる反応ガスを一端合流させてから、下流側の複数の反応ガス流路３２、３６に再分配する。ここでは積層方向に貫通する孔により構成するので、配流マニホールド３３、３７では、反応ガスは、同セル面内のみではなく、積層されたセル間の移動が可能となる。なお、ここでは、配流マニホールド３３、３７を、燃料電池１を積層方向に貫通するように構成したが、複数の単位セル２０を貫通するように構成してもよい。
配流マニホールド３３、３７では複数の反応ガス流路３２、３６が合流しているため、反応ガス流路３２、３６よりも流路断面が大きくなる。そのため、配流マニホールド３３、３７で凝縮水が滞留しても、反応ガスの流れに与える影響は小さくなる。特に、セルの積層方向によっては、重力等により配流マニホールド３３、３７の下部にあるボリュームを確保することにより、凝縮水の影響を排除することができる。その結果、反応ガス流路３２、３６の下流部で凝縮水が生じても、配流マニホールド３３、３７で凝縮水を取り除き、フラッディングによる性能低下が生じるのを抑制することができる。
さらに、反応ガス流路３２、３６の下流端には、反応ガス流路３２、３６を流通した反応ガスを回収する回収部４２、４４（アノード回収部４２、カソード回収部４４）を備える。回収部４２、４４は、それぞれのセパレータ２３、２４表面に設けた溝により構成する。また、回収部４２、４４に連通して、出口マニホールド３４、３８（アノード出口マニホールド３４、カソード出口マニホールド３８）を備える。出口マニホールド３４、３８は、燃料電池１を積層方向に貫通する孔により構成され、各単位セル２０から反応後の反応ガスを回収して燃料電池１の外部に排出する。
なお、反応ガス流路３２、３６の一方の端部近傍にアノード入口マニホールド３１およびカソード出口マニホールド３８を、もう一端の近傍にアノード出口マニホールド３４およびカソード入口マニホールド３５を設ける。
なお、この他にも、セパレータ２３、２４には、各単位セル２０のＬＬＣ流路２７（図２）にＬＬＣを分配するＬＬＣ入口マニホールド３９と、各単位セル２０からＬＬＣ流路２７のＬＬＣを回収するＬＬＣ出口マニホールド４０を備える。ＬＬＣ流路２７は、図５（ｂ）に示すカソードセパレータ２４平面の裏面に構成した、図示しない溝により構成する。
次に、図５に示すようなセパレータ２３、２４の積層時の状態について説明する。
アノードセパレータ２３、カソードセパレータ２４は、アノードガス流路３２、カソードガス流路３６が積層方向に重なるように積層される。ここでは、アノードガス流路３２の上流側とカソードガス流路３６の下流側が積層方向に重なるように配置する。また、アノードガス流路３２の下流側とカソードガス流路３６の上流側が積層方向に重なるように配置する。このとき、前述したように、アノード入口マニホールド３１はカソード出口マニホールド３８近傍に構成され、アノード出口マニホールド３４はカソード入口マニホールド３５の近傍に構成されている。また、アノード分配部４１とカソード回収部４４、アノード回収部４２とカソード分配部４３がそれぞれ重なるように積層する。つまり、アノードガスの流れと、カソードガスの流れは、カウンターフローとなるように構成される。
このように構成すると、配流マニホールド３３を備えたアノード側のＵ字状曲がり部５１ａは、配流マニホールドを備えないカソード側のＵ字状曲がり部５２ｎの近傍に重なる位置に設けられ、配流マニホールド３７を備えたカソード側のＵ字状曲がり部５２ａは、配流マニホールドを備えないアノード側のＵ字状曲がり部５１ｎの近傍に重なる位置に設けられる。そこで、配流マニホールド３３をＵ字状曲がり部５２ｎの外側に、配流マニホールド３７をＵ字状曲がり部５１ｎの外側に位置するように構成することで、燃料電池１を積層する配流マニホールド３３、３７を設けた場合にも、アノードガス流路３２とカソードガス流路３６を、略全域にかけて積層方向に重なるように構成することができる。
次に、燃料電池１の運転時の状態について説明する。
アノードガスは、アノード入口マニホールド３１からセルに導入された後、アノードガス流路３２を通ってアノード配流マニホールド３３を経由し、アノード出口マニホールド３４から排出される。カソードガスは、カソード入口マニホールド３５からセルに導入された後、カソードガス流路３６を通ってカソード配流マニホールド３７を経由し、カソード出口マニホールド３８から排出される。
このとき、凝縮水を生じる各反応ガス流路３２、３６の下流側を、異種の反応ガス流路３６、３２の上流側に、水透過性を有する電解質膜、触媒層、ＤＧＬ２２を介して隣接するように構成している。そのため、反応ガス流路３２、３６それぞれの出入口付近において、電解質膜を介した水の移動が生じ、アノード側とカソード側の水濃度差が低減され、ひいては単位セル２０内の水分布を均一化することができる。その結果、端セル内でフラッディングがドライアウトが生じるのを抑制することができる。また、蛇行形状の流路においては、Ｕ字状曲がり部５１、５２において凝縮水が生じ易いが、最下流のＵ字状曲がり部５１ａ、５２ａに配流マニホールド３３、３７を設けることで、この凝縮水によるフラッディングを抑制することができる。
次に、本実施形態の効果について説明する。
単位セル２０を積層することにより構成したスタックを用いる燃料電池において、電解質膜の両面に備えた触媒電極を有する燃料極と酸化剤極を備える。ここでは電解質膜の一方の面に触媒を担持させ、さらにＧＤＬ２２を配置することにより燃料極を構成し、電解質膜のもう一方の面にも触媒を担持させ、さらにＧＤＬ２２を配置することにより酸化剤極を構成する。燃料極との間に、二つ以上のＵ字状曲がり部５１を有する蛇行形状に構成したアノードガス流路３２を設けた、アノードセパレータ２３を備える。また、酸化剤極との間に、二つ以上のＵ字状曲がり部５２を有する蛇行形状に構成すると共に、アノードガス流路３２に積層方向に略重なるカソード流路３６を設けた、カソードセパレータ２４を備える。さらに、アノードガス流路３２とカソードガス流路３６の、それぞれのＵ字状曲がり部５１、５２のうち最下流に位置するＵ字状曲がり部５１ａ、５２ａに、単位セル２０間でアノードガスまたはカソードガスの移動を可能とする配流マニホールド３３、３７を備える。
これにより、アノードガス流路３２とカソードガス流路３６を重ねて形成した場合にも、配流マニホールド３３、３７を構成することができるので、アノード側とカソード側の水移動を促進させることにより水分布を抑制することができるとともに、各反応ガス流路３２、３６の凝縮水を除去することにより、フラッディングを抑制することができる。そのため、セル全体の水分布を適切化することができる。特に、最も凝縮水が生じ易い最下流のＵ字状曲がり部５１ａ、５２ａに配流マニホールド３３、３７を設けるため、効率良く凝縮水を除去することができる。
また、この際に、アノードガスとカソードガスがカウンターフローとなるように構成することができる。これにより、アノードガス流路３２の上流側とカソードガス流路３６の下流側、アノードガス流路３２の下流側とカソードガス流路３６の上流側が重なるので、カソード側とアノード側の水の移動により、セル内の水分布をより適切化することができる。
なお、反応ガス流路３２、３６それぞれの間で、ガス分配にバラツキが発生した場合には、配流マニホールド３３、３７で反応ガスの再分配が行われるため、ガス不足あるいはガス濃度低下による性能の悪化を抑制することができる。
次に、第２の実施形態について説明する。図６（ａ）にアノードセパレータ２３の平面図を、図６（ｂ）にカソードセパレータ２４の平面図を示す。以下、第１の実施形態とは異なる部分を中心に説明する。
反応ガス流路３２、３６を、Ｕ字状曲がり部５１、５２を四つ、ストレート形状のパス部を五つ備えた流路により構成する。配流マニホールド３３、３７を、反応ガス流路３２、３６の最下流のＵ字状曲がり部５１ａ、５２ａに備える。
このような反応ガス流路３２、３６を有するセパレータ２３、２４を、第１の実施形態と同様に積層すると、配流マニホールド３３、３７は、それぞれ配流マニホールドを備えないＵ字状曲がり部５２ｎ、５１ｎの近傍に設けられる。そこで、配流マニホールド３３、３７を、Ｕ字状曲がり部５２ｎ、５１ｎの外側に設けることで、配流マニホールド３３、３７を用いた場合にも、反応ガス流路３２、３６を重ねて構成することができる。その結果、図３、図４に示したように、反応ガス流路３２、３６の下流領域で凝縮水が発生しても、配流マニホールド３３、３７で凝縮水を排除することができ、また、アノード側とカソード側の水の移動を促進することができるので、フラッディングによる燃料電池１の性能低下を抑制することができるとともに、セル内の水分布を適切化することができる。
なお、第１、第２実施形態では、Ｕ字状曲がり部５１、５２を二つまたは四つ備え、ストレート形状のパス部を三つまたは五つ設けた流路を反応ガス流路３２、３６として用いた場合を説明したがこの限りではない。Ｕ字状曲がり部５１、５２を二つ以上、ストレート形状のパス部を三つ以上備えた流路を反応ガス流路３２、３６として用いた場合には、配流マニホールド３３、３７を最下流のＵ字状曲がり部５１ａ、５２ａに設けることで、反応ガス流路３２、３６を重ねて構成することができる。これにより、第一の実施形態と同様に、凝縮の生じ易い最下流のＵ字状曲がり部５１ａ、５２ａで反応ガスから過剰水分を除去することができるとともに、アノード側とカソード側の水分布を均一化することができる。
次に、第３の実施形態について説明する。図７（ａ）にアノードセパレータ２３の平面図を、図７（ｂ）にカソードセパレータ２４の平面図を示す。以下、第１の実施形態とは異なる部分を中心に説明する。
反応ガス流路３２、３６を、それぞれＵ字状曲がり部５１、５２を四つ、ストレート形状のパス部を五つ備えた流路により構成する。また、配流マニホールド３３ａ、３７ａを、反応ガス流路３２、３６の最下流（上流端から四つ目）のＵ字状曲がり部５１ａ、５２ａに備える。これに加えて、上流端から数えて二つ目のＵ字状曲がり部５１ｂ、５２ｂに、配流マニホールド３３ｂ、３７ｂを備える。つまり、反応ガス流路３２、３６のそれぞれの上流端から偶数番目のＵ字状曲がり部５１、５２に配流マニホールド３３、３７を備える。
このような反応ガス流路３２、３６を構成したセパレータ２３、２４を積層すると、アノード側の配流マニホールド３３ａ、３３ｂを備えたＵ字状曲がり部５１ａ、５１ｂは、配流マニホールドを有さないカソードガス流路３６のＵ字状曲がり部５２ｎ近傍に重なるように構成される。また、カソード側の配流マニホールド３７ａ、３７ｂを備えたＵ字状曲がり部５２ａ、５２ｂは、配流マニホールドを有さないアノードガス流路３２のＵ字状曲がり部５１ｎ近傍に重なるように構成される。そこで、積層時に、配流マニホールド３３ａ、３３ｂをそれぞれカソード側のＵ字状曲がり部５２ｎの外側に、配流マニホールド３７ａ、３７ｂをそれぞれＵ字状曲がり部５１ｎの外側に重なるように構成する。これにより、複数の配流マニホールド３３ａ、３３ｂおよび３７ａ、３７ｂを備えた場合にも、反応ガス流路３２、３６を、全般的に積層方向に重ねて構成することができる。これにより、各配流マニホールド３３、３７において、凝縮水を排除することができ、また、アノード側とカソード側の水の移動を速やかに行って水分布を均一化することができるので、フラッディングによりセル性能が低下するのを抑制することができる。
なお、ここでは、Ｕ字状曲がり部５１、５２を四つ備え、ストレート形状のパス部を五つ備えた流路を用いた場合を示したがこの限りではない。アノードガス流路３２およびカソードガス流路３６を、四つ以上の偶数個のＵ字状曲がり部５１、５２を備えた流路により構成する。なお、このときには、例えばストレート形状のパス部は五つ以上となる。最下流に位置するＵ字状曲がり部５１ａ、５２ａに加え、Ｕ字状曲がり部５１ａ、５２ａ以外の、入口から数えて偶数番目のＵ字状曲がり部のうち少なくとも一つに、ここではＵ字状曲がり部５１ｂ、５２ｂに配流マニホールド３３ｂ、３７ｂを設ける。このように、アノードガス流路３２とカソードガス流路３６を積層方向に重ねて構成した場合にも、複数の配流マニホールド３３ａ、３３ｂおよび３７ａ、３７ｂを設けることができるため、より効率よく凝縮水を除去することができ、フラッディングを抑制することができる。
次に、第４の実施形態について説明する。図８（ａ）にアノードセパレータ２３の平面図を、図８（ｂ）にカソードセパレータ２４の平面図を示す。以下、第１の実施形態とは異なる部分を中心に説明する。
反応ガス流路３２、３６として、それぞれＵ字状曲がり部５１、５２を三つ、ストレート形状のパス部を四つ備える流路を用いる。このとき、アノード入口マニホールド３１とアノード出口マニホールド３４、カソード入口マニホールド３５とカソード出口マニホールド３８は、それぞれプレート内の同じ側に形成される。また、反応ガス流路３２、３６の最下流のＵ字状曲がり部５１ａ、５２ａに配流マニホールド３３、３７を設ける。
このように、反応ガス流路３２、３６に、Ｕ字状曲がり部５１、５２を奇数個、パス部を偶数個の流路を用いる場合にも、最下流のＵ字状曲がり部５１ａ、５２ａに配流マニホールド３３、３７を備えることで、凝縮水を除去するとともに、アノードガス流路３２とカソードガス流路３６を重ねて構成することができる。その結果、第１の実施形態と同様に、各反応ガス流路３２、３６の下流側で凝縮水が発生しても、配流マニホールド３３、３７で凝縮水を除去することができ、フラッディングによるセル性能の低下を抑制することができる。また、複数の並列に形成されたアノードガス流路３２、カソードガス流路３６それぞれが、積層方向に重なるように構成されるので、電解質膜を介したアノード側、カソード側間の水の移動を速やかに行うことができる。その結果、アノード側とカソード側の水分布を均一化することができる。
さらに、アノードガス流路３２およびカソードガス流路３６を、奇数個のＵ字状曲がり部５１、５２を備えた流路により構成する。これにより、流路幅、深さ等の溝形状をアノード、カソードで同じとすれば、アノードセパレータ２３、カソードセパレータ２４を同一形状のプレートにより構成することができ、作製コストを低減することができる。
次に、第５の実施形態について説明する。図９（ａ）にアノードセパレータ２３の平面図を、図９（ｂ）にカソードセパレータ２４の平面図を示す。以下、第１の実施形態とは異なる部分を中心に説明する。
反応ガス流路３２、３６として、それぞれＵ字状曲がり部５１、５２を七つ、ストレート形状のパス部を八つ備えた流路を用いる。このとき、アノード入口マニホールド３１とアノード出口マニホールド３４、カソード入口マニホールド３５とカソード出口マニホールド３８は、それぞれプレートの同じ側に形成される。
また、反応ガス流路３２、３６の最下流のＵ字状曲がり部５１ａ、５２ａに配流マニホールド３３ａ、３７ａを設ける。これに加えて、上流側から５番目、６番目のＵ字状曲がり部５１ｄ、５２ｄ、５１ｃ、５２ｃにも、配流マニホールド３３ｄ、３７ｄ、３３ｃ、３７ｃを設ける。つまり、反応ガス流路３２、３６の下流半分以降に構成されたＵ字状曲がり部５１、５２に、配流マニホールド３３、３７を設ける。
このようなセパレータ２３、２４を積層した際には、アノード配流マニホールド３３ａ、ｃ、ｄを備えたＵ字状曲がり部５１ａ、ｃ、ｄは、カソードガス流路３６の配流マニホールドを配置されていないＵ字状曲がり部位５２ｎ近傍に重なる。同様に、カソード配流マニホールド３７ａ、ｃ、ｄを備えたＵ字状曲がり部５２ａ、ｃ、ｄは、アノードガス流路３２の配流マニホールドを配置されていないＵ字状曲がり部５１ｎ近傍に重なる。そこで、各配流マニホールド３３、３７を、それぞれ配流マニホールドを有さないＵ字状曲がり部５２ｎ、５１ｎの外側に位置するように構成する。
このように構成することで、反応ガス流路３２、３６を、全般的に重ねて構成した際にも、複数の配流マニホールド３３、３７をそれぞれの反応ガス流路３２、３６に構成することができる。その結果、反応ガス流路３２、３６の凝縮水が生じ易い下流後半において、複数の配流マニホールド３３、３７で凝縮水を排出するとともに、アノード側とカソード側の水移動を促進することができ、セル内の水分布を適切化することができる。
なお、ここでは、反応ガス流路３２、３６として、それぞれＵ字状曲がり部５１、５２を七つ、ストレート形状のパス部を八つ備えた流路を用いたが、この限りではない。アノードガス流路３２とカソードガス流路３６を、五つ以上の奇数のＵ字状曲がり部５１、５２を有する流路により構成し、最下流に位置するＵ字状曲がり部５１ａ、５２ａに加え、Ｕ字状曲がり部５１ａ、５２ａ以外の、流路下流半分に位置するＵ字状曲がり部５１、５２のうち少なくとも一つ、ここではＵ字状曲がり部５１ｄ、５２ｄおよび５１ｃ、５２ｃに配流マニホールド３３、３７を備える。これにより、フラッディングが生じ易い流路後半において、凝縮水を生じ易いＵ字状曲がり部５１、５２に配流マニホールド３３、３７を設けることができるので、確実に凝縮水を排水でき、フラッディングを防止することができる。
次に、第６の実施形態について説明する。図１０（ａ）のアノードセパレータ２３の平面図を、図１０（ｂ）にカソードセパレータ２４の平面図を示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
反応ガス流路３２、３６の形状を、第１の実施形態と同様に構成する。つまり、反応ガス流路３２、３６を、それぞれ二つのＵ字状曲がり部５１、５２と、三つのパス部を備える流路により構成し、最下流のＵ字状曲がり部５１ａ、５２ａに配流マニホールド３３、３７を備える。ここでは、さらに、配流マニホールド３３、３７を設けたＵ字状曲がり部５１、５２に、水抜き用の排水マニホールド４５、４６（アノード排水マニホールド４５、カソード排水マニホールド４６）を設ける。排水マニホールド４５、４６を、燃料電池１を積層方向に貫通する孔により構成し、少なくとも一端が燃料電池１の外部に連通するように構成する。ここでは、排水マニホールド４５、４６を、燃料電池１の設置時に、それぞれ配流マニホールド３３、３７の最下端部と成る部分に設ける。
このように、配流マニホールド３３、３７の少なくとも一つに、水抜き用の排水マニホールド４５、４６を連通させる。その結果、配流マニホールド３３、３７に滞留している凝縮水を確実に排水でき、滞留した水が反応ガス流路３２、３６に流れ込むことによりフラッディングが生じて性能が低下するのを防ぐことができる。
次に、第７の実施形態について説明する。図１１（ａ）にアノードセパレータ２３の平面図を、図１１（ｂ）に、カソードセパレータ２４の平面図を示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
反応ガス流路３２、３６の形状を、第１の実施形態と同様に構成する。つまり、反応ガス流路３２、３６を、それぞれ二つのＵ字状曲がり部５１、５２と、三つのパス部を備える流路により構成し、最下流のＵ字状曲がり部５１ａ、５２ａに配流マニホールド３３、３７を備える。
さらに、本実施形態では、一方のセパレータにおいて、マニホールドと反応ガス流路との間をＬ字曲がり部５２でつなぐように構成する。ここでは、アノードセパレータ２３において、アノード入口マニホールド３１とアノードガス流路３２をＬ字曲がり部５３ｕでつなぐように構成する。また、アノードガス流路３２とアノード出口マニホールド３４を、Ｌ字曲がり部５３ｄでつなぐように構成する。このように構成した場合には、各入口マニホールド３１、３５、出口マニホールド３４、３８を、各反応ガス流路３２、３６が並列に構成される領域の幅に合わせて構成することができる。つまり、アノードガス流路３２を、アノード入口マニホールド３１、アノード出口マニホールド３４それぞれに、並列に連通させることができ、かつ、カソードガス流路３６を、カソード入口マニホールド３５、カソード出口マニホールド３８それぞれに並列に連通させることができる。その結果、流路幅の変化による圧力損失等を抑制することができる。
アノードガスは、アノード入口マニホールド３１からＬ字曲がり部５３ｕを経由し、さらにアノード配流マニホールド３３を経由した後に、Ｌ字曲がり部５３ｄを経由して、アノード出口マニホールド３４から排出される。最下流に配置されたＬ字曲がり部５３ｄには配流マニホールドは設けないが、Ｌ字形曲がりで垂直に流路が変化するように燃料電池１を配置することで、この部分に凝縮水が滞留するのを防ぐことができる。これに対して、凝縮水が排出されない最下流に設けられたＵ字状曲がり部５１ａについては、アノード配流マニホールド３３を設けることで、フラッディングによる性能低下を抑制することができる。
なお、ここではアノード側にＬ字形曲がり部５３を形成したが、この限りではなく、カソード側に形成し、アノード側は、第１の実施形態と同様の形状としてもよい。
次に、第８の実施形態について説明する。図１２（ａ）には、カソードセパレータ２４のＬＬＣ流路２７を設けた平面の概略図を、図１２（ｂ）には、カソードセパレータ２４のカソードガス流路３６を設けた平面の概略図を示す。以下、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
反応ガス流路３２、３６の形状を、第１の実施形態と同様に構成する。つまり、反応ガス流路３２、３６を、それぞれ二つのＵ字状曲がり部５１、５２と、三つのパス部を備える流路により構成し、最下流のＵ字状曲がり部５１ａ、５２ａに配流マニホールド３３、３７を備える。
ここでは、反応ガス流路３２、３６に加えて、ＬＬＣ流路２７も、積層方向に重なるように構成する。ただし、ＬＬＣ流路２７には配流マニホールドは設けない。
反応ガス流路３２、３６およびＬＬＣ流路２７の両端にまとめてマニホールド３１、３４、３５、３８、３９、４０を構成する。このように、マニホールド３１、３３、３５、３８、３９、４０を二箇所に集中させることにより、セル面内において、反応ガス流路３２、３６が配置されずに反応に寄与しない無駄面積を低減することができ、セル面内の有効性を活用することができる。また、ＬＬＣ入口マニホールド３９から各単位セル２０に分配されたＬＬＣを、全ての並列するＬＬＣ流路２７に分配するＬＬＣ分配部４９を備える。また、ＬＬＣ流路２７を流通したＬＬＣを回収し、ＬＬＣ出口マニホールド４０に排出するＬＬＣ回収部５０を備える。このように構成することで、アノードガス流路３２、カソードガス流路３６、ＬＬＣ流路２７を積層方向に重なるように構成する。
ここでは、アノード入口マニホールド３１、カソード出口マニホールド３８の近傍にＬＬＣ出口マニホールド４０を構成し、アノード出口マニホールド３４、カソード入口マニホールド３５の近傍にＬＬＣ入口マニホールド３９を構成する。つまり、ＬＬＣとカソードガスの流れがコフローとなる。これにより、単位セル２０内では、カソードガスの流れに沿って温度が上昇し、カソードガスの水蒸気分圧が上昇する。つまり、カソードガスとＬＬＣをコフローとすることで、カソードガス流路３６の下流領域の温度が上昇し、生成水をカソードガス中に吸収され易くすることができるので、凝縮水によりフラッディングが生じるのを抑制することができる。
このように、積層された複数の単位セル２０のうち、隣接する単位セル２０の間に、アノードガス流路３２およびカソードガス流路３６と積層方向に略重ねて構成されるとともに、冷媒をカソードガスと同一方向に流通するＬＬＣ流路２７を備える。これにより、カソードガス流路３６では入口から出口に向かって温度が上昇するため、凝縮水の生じ易い下流側において、生成水をカソードガス中に気相で取り込み易くすることができるため、よりフラッディングを防止することができる。
また、単位セル２０にアノードガス、カソードガス、冷媒それぞれを分配する入口マニホールド３１、３５、４９と、単位セル２０からアノードガス、カソードガス、冷媒をそれぞれ回収する出口マニホールド３４、３８、５０を備える。それぞれの入口マニホールド３１、３５、４９、出口マニホールド３４、３８、５０を、積層方向に重ねて構成されたアノードガス流路３２、カソードガス流路３６、ＬＬＣ流路２７の端部二箇所のいずれかに配置する。これにより、セル面内の無駄面積を抑制することができ、セル内の反応面積を大きくすることができる。
なお、本発明は、上記発明を実施するための最良の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で、様々な変更を為し得ることはいうまでもない。
本発明は、配流マニホールドを有する蛇行形状の反応ガス流路を備えた固体高分子型燃料電池に適用することができる。
第１の実施形態における燃料電池システムの概略構成図である。 第１の実施形態における燃料電池の概略構成図である。 第１の実施形態におけるカソードガス流路内の水分布を示す図である。 第１の実施形態におけるアノードガス流路内の水分布を示す図である。 第１の実施形態における反応ガス流路の構成図である。 第２の実施形態における反応ガス流路の構成図である。 第３の実施形態における反応ガス流路の構成図である。 第４の実施形態における反応ガス流路の構成図である。 第５の実施形態における反応ガス流路の構成図である。 第６の実施形態における反応ガス流路の構成図である。 第７の実施形態における反応ガス流路の構成図である。 第８の実施形態におけるＬＬＣ流路の構成図である。
符号の説明
１ 燃料電池
１２ ＬＬＣタンク
１３ ＬＬＣポンプ
１４ 温度センサ
１５ バイパスバルブ
１６ ラジエータ
１７ アノード水回収装置
１８ カソード水回収装置
２０ 単位セル
２１ 膜電極接合体（ＭＥＡ）
２２ ＧＤＬ
２３ アノードセパレータ
２４ カソードセパレータ
２７ ＬＬＣ流路（冷媒流路）
３１ アノード入口マニホールド
３２ アノードガス流路
３３ アノード配流マニホールド
３４ アノード出口マニホールド
３５ カソード入口マニホールド
３６ カソードガス流路
３７ カソード配流マニホールド
３８ カソード出口マニホールド
３９ ＬＬＣ入口マニホールド
４０ ＬＬＣ出口マニホールド
４１ アノード分配部
４２ アノードガス回収部
４３ カソード分配部
４４ カソードガス回収部
４５ アノード排水マニホールド
４６ カソード排水マニホールド
４９ ＬＬＣ入口マニホールド
５０ ＬＬＣ出口マニホールド
５１、５２ Ｕ字状曲がり部
５１ａ、５２ａ 最下流のＵ字状曲がり部

Claims (6)

  1. 固体高分子電解質膜の両面に備えた、触媒電極を有する燃料極と酸化剤極と、
    前記燃料極との間に、二つ以上のＵ字状曲がり部を有する蛇行形状に構成したアノードガス流路を設けたアノードセパレータと、
    前記酸化剤極との間に、二つ以上のＵ字状曲がり部を有する蛇行形状に構成したカソード流路を設けたカソードセパレータと、
    を備える単位セルを、前記アノードガス流路と前記カソードガス流路とが前記固体高分子電解質膜を介して略重なるようにして積層した燃料電池スタックであって、
    前記単位セルを積層方向に貫通し、前記アノードガス流路の上流端に開口してそのアノードガス流路にアノードガスを供給するアノード入口マニホールドと、
    前記単位セルを積層方向に貫通し、前記アノードガス流路の下流端に開口してそのアノードガス流路からアノードガスを排出するアノード出口マニホールドと、
    前記アノード出口マニホールドに隣接するように設けられ、前記単位セルを積層方向に貫通し、前記カソードガス流路の上流端に開口してそのカソードガス流路にカソードガスを供給するカソード入口マニホールドと、
    前記アノード入口マニホールドに隣接するように設けられ、前記単位セルを積層方向に貫通し、前記カソードガス流路の下流端に開口してそのカソードガス流路からカソードガスを排出するカソード出口マニホールドと、
    前記単位セルを積層方向に貫通し、前記アノードガス流路と前記カソードガス流路の、少なくとも一方のガス流路の最下流に位置する前記Ｕ字状曲がり部同士を連通させる配流マニホールドと、
    を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
  2. 前記アノードガス流路およびカソードガス流路を、四つ以上の偶数個のＵ字状曲がり部を備えた流路により構成し、
    前記最下流に位置するＵ字状曲がり部に加え、前記最下流に位置するＵ字状曲がり部以外の、入口から数えて偶数番目のＵ字状曲がり部のうち少なくとも一つに、前記配流マニホールドを設ける請求項１に記載の燃料電池スタック。
  3. 前記アノードガス流路およびカソードガス流路を、奇数個のＵ字状曲がり部を備えた流路により構成する請求項１に記載の燃料電池スタック。
  4. 前記アノードガス流路および前記カソードガス流路を、五つ以上の奇数のＵ字状曲がり部を有する流路により構成し、
    前記最下流に位置するＵ字状曲がり部に加え、前記最下流に位置するＵ字状曲がり部以外の、流路下流半分に位置するＵ字状曲がり部のうち少なくとも一つに、前記配流マニホールドを備える請求項３に記載の燃料電池スタック。
  5. 前記配流マニホールドの少なくとも一つに、水抜き用の排水マニホールドを連通させる請求項１から４のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
  6. 積層された複数の単位セルのうち、隣接する単位セルの間に、前記アノードガス流路およびカソードガス流路と積層方向に略重ねて構成するとともに、冷媒をカソードガスと同一方向に流通する冷媒流路を備える請求項１から５のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
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