JP6036500B2

JP6036500B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP6036500B2
Application number: JP2013081855A
Authority: JP
Inventors: 田中　秀明; 秀明田中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-04-10
Filing date: 2013-04-10
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2033-04-10
Also published as: JP2014203800A

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池を構成する複数のセルそれぞれに対してガスを供給するためにマニホールドが用いられる。マニホールドは、セルの積層方向への流路を形成する。この流路において圧損が生じるので、各セルに供給される流量は、流路の流れ方向の位置によってバラツキが生じる。このバラツキを軽減するために、流路に邪魔板を設ける構成が知られている（例えば特許文献１）。

特開２００９−１４０８８８号公報

上記先行技術が有する課題は、各セルに供給される流量のバラツキの軽減が不十分なことである。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

（１）本発明の一形態によれば、燃料電池システムが提供される。この燃料電池システムは、積層された複数のセルそれぞれへのガスの供給と、積層された複数のセルそれぞれからのガスの排出との何れかのために、セルスタック内において前記セルの積層方向への流路を形成するマニホールドと；前記セルスタック内において前記積層方向への流路を形成する補助流路と；前記マニホールド及び前記補助流路を接続する接続流路とを備え；前記マニホールド及び前記補助流路は、同じ側で開口している。この形態によれば、各セルに供給される流量のバラツキが軽減される。供給用マニホールドの場合、接続流路とマニホールドの開口部とから、マニホールドにガスが流入する。よって、マニホールドの開口部から流入したガスの圧損を、接続流路から流入したガスの圧力によって補うことができる。この結果、マニホールドの流れ方向についての圧力のバラツキが軽減され、ひいては各セルの流量のバラツキが軽減される。しかも、マニホールド及び補助流路が同じ側で開口しているので、供給用の配管の構成を簡素にでき、コスト面で有利である。この効果は、排出用マニホールドの場合についても同様である。

（２）固体高分子形燃料電池を用いる燃料電池システムであって；積層された複数のセルそれぞれへのガスの供給と、積層された複数のセルそれぞれからのガスの排出との何れかのために、前記セルの積層方向への流路を形成するマニホールドを備え；前記マニホールドは、両側で開口している。この形態によれば、各セルに供給される流量のバラツキが軽減される。供給用マニホールドの場合、両側の開口部からマニホールドにガスが流入する。よって、一方の開口部から流入したガスの圧損を、他方の開口部から流入したガスの圧力によって補うことができる。この結果、マニホールドの流れ方向についての圧力のバラツキが軽減され、ひいては各セルの流量のバラツキが軽減される。この効果は、排出用マニホールドの場合についても同様である。

セルスタックの概略。図１（Ｂ）のＡ−Ａ断面図。実施形態２におけるＡ−Ａ断面図。実施形態３におけるＡ−Ａ断面図。実施形態４におけるＡ−Ａ断面図。実施形態５の補助流路の概略。流路の模式図。流路の模式図。流路の模式図。各セパレータの流量のシミュレーション結果を示すグラフ。接続流路を排出側に用いた場合におけるシミュレーション結果を示すグラフ。

実施形態１を説明する。図１は、セルスタック２０を示す。図１（Ａ）は正面図、図１（Ｂ）は側面図である。セルスタック２０は、固体高分子形燃料電池を用いた燃料電池システムの一部である。セルスタック２０は内部に、複数のセル（図示無し）と、複数のセパレータ３０と、マニホールド４１〜４６と、補助流路５１とを備える。

マニホールド４１〜４６と補助流路５１とのそれぞれは、セルの積層方向への流路を形成し、セルスタック２０の片面（左側面）において開口する。マニホールド４１は、セパレータ３０内の流路に水素を分配して供給するための流路である。マニホールド４１〜４６は、水素の排出、空気の供給および排出、冷却水の供給および排出の何れかのための流路である。

補助流路５１は、マニホールド４１に水素を供給するための流路である。補助流路５１に流入した水素は、接続流路６１を経由して、マニホールド４１に流入する。接続流路６１は、図１（Ａ）に示されるように、セルスタック２０の右側に配置されている。よって、マニホールド４１には、左右両側から水素が流入する。

図２は、図１（Ｂ）のＡ−Ａ断面図である。セパレータ３０は、隣接する一方のセパレータ３０に対して接着剤１１０によって結合し、隣接する他方のセパレータ３０に対してシール材１２０によって結合する。

実施形態１によれば、マニホールド４１に対して両側から水素が供給されるので、開口部から遠くなるにつれてマニホールド４１内のガス圧が低下することを回避できる。この結果、各セパレータ３０に供給される水素の流量のバラツキが軽減される。

図３は、実施形態２におけるＡ−Ａ断面図を示す。図３に示されるように、マニホールド４１と補助流路５１との隔壁として機能するシールの一部が接着剤２１０によって置換されている。シールの一部が接着剤２１０によって置換された部位は、シール性が低下して、接続流路６２として機能する。

実施形態２によれば、補助流路５１からマニホールド４１へ水素を流入させる部位を、マニホールド４１の途中に設けることができると共に、任意の数の接続流路６２を設けることができる。この結果、各セパレータ３０の流量のバラツキを抑制する設計が容易になる。実施形態２において、接続流路６１は、有っても無くてもよい。下記の実施形態３，４においても、接続流路６１は、有っても無くてもよい。

図４は、実施形態３におけるＡ−Ａ断面図を示す。図４に示されるように、シール材３２０は、シール材１２０の位置に比べて位置がずれており、シール性が低下している。シール性が低下した部位は、接続流路６３として機能する。実施形態３によっても、実施形態２と同じ効果を得ることができる。

図５は、実施形態４におけるＡ−Ａ断面図を示す。図５に示されるように、シール材４２１は、シールが不十分になるように隙間を形成する。この隙間は、接続流路６４ａとして機能する。シール材４２２は、シール材４２１よりも下流に位置する。シール材４２２は、シール材４２１よりも大きな隙間を形成する。この隙間は、接続流路６４ｂとして機能する。このように、位置に応じて接続流路の流路面積が調整できれば、各セパレータ３０の流量のバラツキを抑制する設計が容易になる。

図６は、実施形態５の補助流路５５１を示す。補助流路５５１は、マニホールド４１の内部に挿入された中空の管である。補助流路５５１の開口部は、マニホールド４１の開口部と積層方向の位置が揃っている。その一方で、補助流路５５１は、マニホールド４１よりも少し短い。この結果、マニホールド４１の下流側の端付近において、補助流路５５１からマニホールド４１に水素が流入する。つまり、補助流路５５１の下流側の開口部が、接続流路６５として機能する。実施形態５によれば、実施形態１と同じ効果を得ることができる。

先述した実施形態における補助流路および接続流路は、水素を供給するためのマニホールド４１に関連したものであった。補助流路および接続流路は、マニホールド４１に限られず、マニホールド４１〜４５の少なくとも何れか１つについて関連するものであってもよい。

図７は、水素の流路の模式図である。図７に示された流路は、マニホールド４１に関連した補助流路５１及び接続流路６１に加え、マニホールド４２に関連した補助流路５２及び接続流路６１を備える場合に対応する。マニホールド４２は、水素を排出するためのものである。

図８は、水素の流路の模式図である。図８に示された流路は、マニホールド４１に関連した補助流路５１及び接続流路６２に加え、マニホールド４２に関連した補助流路５２及び接続流路６２を備える場合に対応する。

図９は、水素の流路の模式図である。図９に示された流路は、先述した実施形態とは異なり、マニホールド４１の両側から水素を流入させると共に、マニホールド４２の両側から水素を流出させる場合に対応する。

図７，８，９に示された何れの場合についても、マニホールド４１とマニホールド４２との少なくとも一方に接続流路を設けることによって、各セパレータ３０の流量のバラツキを抑制する効果を得ることができる。

図１０は、各セパレータ３０の流量のシミュレーション結果を示す。図１０（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）それぞれのグラフは、縦軸が流量、横軸がセパレータ３０の位置を示す。図１０（Ａ）は「前入前出」、図１０（Ｂ）は「前入後出」、図１０（Ｃ）は「前入前出」および「前入後出」の合計、並びに「前入前出のみ」の場合を示す。

前入前出とは、先述した何れの実施形態とも異なり、補助流路および接続流路を用いず、マニホールド４１とマニホールド４２との開口部が同じ側にある場合に対応する。前入後出とは、先述した何れの実施形態とも異なり、補助流路および接続流路を用いず、マニホールド４１とマニホールド４２との開口部が異なる側にある場合に対応する。前入前出および前入後出の合計は、「前入両出」の場合に相当する。前入両出とは、先述した実施形態の変形例に該当し、補助流路および接続流路を排出側に採用した場合に対応する。

図１０（Ｃ）に示された「前入前出のみ」は、前入両出の場合と流量の総量が同じになることを条件にした前入前出に相当する。図１０（Ｃ）に示されるように、前入両出の場合における最低流量（ＭＩＮ（Ｃ））は、前入前出のみの場合における最低流量（ＭＩＮ（Ｄ））よりも大きい。このことは、前入両出によって各セパレータ３０の流量のバラツキが軽減されたことを意味する。

図１１は、接続流路６２を排出側に用いた場合におけるシミュレーション結果を示す。このシミュレーションは、できるだけ流量のバラツキを抑制することを目指して、接続流路の数および位置を決定するために実行されたものである。この結果、４つの接続流路６２が、図１１に示されるように配置された。

図１１に示された６つのグラフはそれぞれ、縦軸が流量、横軸がセパレータ３０の位置を示す。Ａはマニホールド４２のみから水素が排出される場合、Ｂは接続流路６２Ｂのみを経由して補助流路５２のみから水素が排出される場合を示す。Ｃ〜ＥについてもＢと同様である。合計を示す曲線は、Ａ〜Ｅを合計した値である。Ａ〜Ｅを合計した場合は、前入前出のみの場合と比べて、流量のバラツキが抑制されている。

本発明は、本明細書の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現できる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、先述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、先述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことができる。その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除できる。

２０…セルスタック
３０…セパレータ
４１…マニホールド
４２…マニホールド
４３…マニホールド
４４…マニホールド
４５…マニホールド
４６…マニホールド
５１…補助流路
５２…補助流路
６１…接続流路
６２…接続流路
６２Ｂ…接続流路
６２Ｃ…接続流路
６２Ｄ…接続流路
６２Ｅ…接続流路
６３…接続流路
６４ａ…接続流路
６４ｂ…接続流路
６５…接続流路
１１０…接着剤
１２０…シール材
２１０…接着剤
３２０…シール材
４２１…シール材
４２２…シール材
５５１…補助流路

Claims

積層された複数のセルそれぞれへのガスの供給と、積層された複数のセルそれぞれからのガスの排出との何れかの目的のために、セルスタック内において前記セルの積層方向への流路を形成するマニホールドと、
前記目的が供給の場合は前記マニホールドに前記ガスを供給するために、前記目的が排出の場合は前記マニホールドから前記ガスを排出するために、前記セルスタック内において前記積層方向への流路を形成する補助流路と、
前記マニホールド及び前記補助流路を接続する接続流路とを備え、
前記マニホールド及び前記補助流路は、同じ側で開口しており、
前記接続流路は、前記マニホールド及び前記補助流路の前記開口している側とは反対側の端部で、前記マニホールド及び前記補助流路を接続する
燃料電池システム。