燃料電池セルスタックの温度管理
【課題】 簡単な構成で複数のセルの発熱量を個別に調整し、セルスタック構造体の温度分布を均一化する。
【解決手段】 セルスタック構造体１に、反応ガスＧをセル２に供給するガス通路１１と、温度調節媒体をセル２に供給する媒体通路とを設ける。ガス通路１１のガス分配口１４を反応ガスＧの上流側に位置するセル２ほど小さくなるように形成し、ガス供給量を上流側で少なくし、下流側で多くする。これにより、発電時の発熱量がガス上流側のセル２で増加し、ガス下流側のセル２で減少する。同様に、媒体通路の媒体分配口を反応ガスＧの上流側に位置するセル２ほど小さくなるように形成し、温度調節媒体が奪い取る熱量をガス上流側で減少させ、ガス下流側で増加させる。
【解決手段】 セルスタック構造体１に、反応ガスＧをセル２に供給するガス通路１１と、温度調節媒体をセル２に供給する媒体通路とを設ける。ガス通路１１のガス分配口１４を反応ガスＧの上流側に位置するセル２ほど小さくなるように形成し、ガス供給量を上流側で少なくし、下流側で多くする。これにより、発電時の発熱量がガス上流側のセル２で増加し、ガス下流側のセル２で減少する。同様に、媒体通路の媒体分配口を反応ガスＧの上流側に位置するセル２ほど小さくなるように形成し、温度調節媒体が奪い取る熱量をガス上流側で減少させ、ガス下流側で増加させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルスタック構造体の温度を管理する機能を備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池のセルは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応に伴って電気と水と熱を発生する。セルが発生した熱は反応ガスや温度調節媒体によって上流側のセルから下流側のセルへ伝播するため、セルスタック構造体の温度分布にばらつきが発生し、燃料電池の発電効率を低下させる要因となる。そこで、従来、セルスタック構造体の温度管理を行う技術が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、セルスタック構造体の入口と出口における冷却水（温度調節媒体）の温度をセンサーで検出し、温度検出値に基づいてセルスタック構造体に流す冷却水の供給量を電気的に制御する方法が記載されている。特許文献２には、冷却水量の制御に加え、ヒータによってセルの温度を制御する方法が記載されている。
【特許文献１】特開２００６−１６４６０５号公報
【特許文献２】特開２０００−１２３８５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の燃料電池によると、温度調節媒体の供給量を電気的に制御しているため、電気制御システムが複雑化するという問題点があった。また、セルスタック構造体の温度は、伝熱により反応ガス通路の上流側に位置するセルほど低くなり、下流側に位置するセルほど高くなる傾向にあるため、セルスタック全体の媒体供給量を制御しても、個々のセルの発熱量を調整することはできず、セルスタック構造体の温度分布にばらつきが残るという問題点もあった。
【０００５】
本発明の目的は、簡単な構成でセルの発熱量を個別に調整し、セルスタック構造体の温度分布を均一化できる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池は、複数のセルを積層したセルスタック構造体に、反応ガスを各セルに供給するガス通路と、温度調節媒体を各セルに供給する媒体通路とを設けた構成を基本とし、次のような手段（１）、（２）、（３）を採用したことを特徴とする。
【０００７】
（１）ガス通路が反応ガスを複数のセルに別々に分配するガス分配口を備え、各ガス分配口が反応ガスの上流側に位置するセルほど小さくなるように形成されていることを特徴とする燃料電池。
【０００８】
上記燃料電池によれば、反応ガスの供給量がガス上流側のセルで相対的に少なくなり、ガス下流側のセルで相対的に多くなる。このため、発電時の発熱量が、ガス上流側のセルで増加し、ガス下流側のセルで減少し、セルスタック構造体各部の温度が均一な分布となるように制御される。
【０００９】
（２）媒体通路が温度調節媒体を複数のセルに別々に分配する媒体分配口を備え、各媒体分配口が反応ガスの上流側に位置するセルほど小さくなるように形成されていることを特徴とする燃料電池。
【００１０】
上記燃料電池によれば、温度調節媒体の供給量がガス上流側のセルで相対的に少なくなり、ガス下流側のセルで相対的に多くなる。このため、発電時に温度調節媒体が奪い取る熱量が、ガス上流側のセルで減少し、ガス下流側のセルで増加し、セルスタック構造体各部の温度が均一な分布となるように制御される。
【００１１】
（３）ガス通路が反応ガスを複数のセルに別々に分配するガス分配口を備え、各ガス分配口が反応ガスの上流側に位置するセルほど小さくなるように形成され、媒体通路が温度調節媒体を複数のセルに別々に分配する媒体分配口を備え、各媒体分配口が反応ガスの上流側に位置するセルほど小さくなるように形成されていることを特徴とする燃料電池。
【００１２】
上記燃料電池によれば、反応ガスと温度調節媒体の供給量が共に、ガス上流側のセルで相対的に少なくなり、ガス下流側のセルで相対的に多くなる。このため、セルスタック構造体の温度分布が効率よく均一化される。
【発明の効果】
【００１３】
したがって、本発明の燃料電池は、ガス分配口または媒体供給口の大きさを変えるだけの簡単な構成で複数のセルの発熱量を個別に調整でき、セルスタック構造体の温度分布を均一化して、発電効率を高めることができるという優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は複数のセル２を積層したセルスタック構造体１を示す。図２は各セル２に反応ガスＧを供給するガス通路１１の構成を示す。図３は各セル２に温度調節媒体Ｗを供給する媒体通路２１の構成を示す。
【実施例１】
【００１５】
図１に示すように、燃料電池のセルスタック構造体１は、複数のセル２とセパレータ３とを積層し、両端の締付板４，５で締め付けて構成されている。一方の締付板４には、燃料ガスと酸化剤ガスからなる反応ガスＧの導入管６と、生成水からなる温度調節媒体Ｗの排出管７とが設けられている。他方の締付板５には、温度調節媒体Ｗの導入管８と、反応ガスＧの排出管９とが設けられている。
【００１６】
図２に示すように、セルスタック構造体１の内部には、反応ガスＧを各セル２に供給するガス通路１１が形成されている。ガス通路１１は、スタック構造体１を横断する横断路１２と、横断路１２から分岐しセル２に沿って広がる分岐路１３とから構成されている。横断路１２と分岐路１３との接続部には、反応ガスＧを各セル２に分配するガス分配口１４が設けられている。
【００１７】
各ガス分配口１４の断面積は、反応ガスＧの上流側（導入管６側）に位置するセル２ほど小さく、反応ガスＧの下流側（排出管９側）に位置するセル２ほど大きくなるように設定されている。そして、比較的低温となるガス導入側のセル２に相対的に少量の反応ガスＧを分配し、比較的高温となるガス排出側のセル２に相対的に多量の反応ガスＧを分配するようになっている。
【００１８】
このため、各セル２の発電能力は、ガス導入側のセル２ほど低くなり、ガス排出側のセル２ほど高くなる。発電時には各セル２に同じ値の電流が流れるから、ガス導入側のセル２ほど発熱量が多くなり、ガス排出側のセル２ほど発熱量が少なくなる。したがって、ガス分配口１４の断面積を変えるだけの簡単な構成でセル２の発熱量を個別に調整し、セルスタック構造体１における温度分布のばらつきを抑えることができる。
【実施例２】
【００１９】
図３に示すように、セルスタック構造体１の内部には、温度調節媒体Ｗを各セル２に供給する媒体通路２１が形成されている。媒体通路２１は、セルスタック構造体１を横断する横断路２２と、横断路２２から分岐しセル２に沿って広がる分岐路２３とから構成されている。横断路２２と分岐路２３との接続部には、温度調節媒体Ｗを各セル２に分配する媒体分配口２４が設けられている。
【００２０】
各媒体分配口２４の断面積は、反応ガスＧの上流側（導入管６側）に位置するセル２ほど小さく、反応ガスＧの下流側（排出管９側）に位置するセル２ほど大きくなるように設定されている。そして、比較的低温となるガス導入側のセル２に相対的に少量の温度調節媒体Ｗを分配し、比較的高温となるガス排出側のセル２に相対的に多量の温度調節媒体Ｗを分配するようになっている。
【００２１】
このため、発電時に温度調節媒体Ｗが奪い取る熱量は、ガス導入側のセル２ほど少なくなり、ガス排出側のセル２ほど多くなり、セルスタック構造体１が全体として均一な温度分布となる。したがって、媒体分配口２４の断面積を変えるだけの簡単な構成により、セル２の発熱量を個別に調整し、セルスタック構造体１における温度分布のばらつきを抑えることができる。
【００２２】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、例えば、一つのセルスタック構造体１において、実施例１のガス通路１１と実施例２の媒体通路２１とを併用することで、温度分布をさらに効率よく均一化するなど、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、各部の形状や構成を適宜に変更して実施することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態を示すセルスタック構造体の斜視図である。
【図２】反応ガスの通路を示すセルスタック構造体の透視図である。
【図３】温度調節媒体の通路を示すセルスタック構造体の透視図である。
【符号の説明】
【００２４】
１ セルスタック構造体
２ セル
１１ ガス通路
１４ ガス分配口
２１ 媒体通路
２４ 媒体分配口
Ｇ 反応ガス
Ｗ 温度調節媒体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルスタック構造体の温度を管理する機能を備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池のセルは、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応に伴って電気と水と熱を発生する。セルが発生した熱は反応ガスや温度調節媒体によって上流側のセルから下流側のセルへ伝播するため、セルスタック構造体の温度分布にばらつきが発生し、燃料電池の発電効率を低下させる要因となる。そこで、従来、セルスタック構造体の温度管理を行う技術が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、セルスタック構造体の入口と出口における冷却水（温度調節媒体）の温度をセンサーで検出し、温度検出値に基づいてセルスタック構造体に流す冷却水の供給量を電気的に制御する方法が記載されている。特許文献２には、冷却水量の制御に加え、ヒータによってセルの温度を制御する方法が記載されている。
【特許文献１】特開２００６−１６４６０５号公報
【特許文献２】特開２０００−１２３８５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、従来の燃料電池によると、温度調節媒体の供給量を電気的に制御しているため、電気制御システムが複雑化するという問題点があった。また、セルスタック構造体の温度は、伝熱により反応ガス通路の上流側に位置するセルほど低くなり、下流側に位置するセルほど高くなる傾向にあるため、セルスタック全体の媒体供給量を制御しても、個々のセルの発熱量を調整することはできず、セルスタック構造体の温度分布にばらつきが残るという問題点もあった。
【０００５】
本発明の目的は、簡単な構成でセルの発熱量を個別に調整し、セルスタック構造体の温度分布を均一化できる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池は、複数のセルを積層したセルスタック構造体に、反応ガスを各セルに供給するガス通路と、温度調節媒体を各セルに供給する媒体通路とを設けた構成を基本とし、次のような手段（１）、（２）、（３）を採用したことを特徴とする。
【０００７】
（１）ガス通路が反応ガスを複数のセルに別々に分配するガス分配口を備え、各ガス分配口が反応ガスの上流側に位置するセルほど小さくなるように形成されていることを特徴とする燃料電池。
【０００８】
上記燃料電池によれば、反応ガスの供給量がガス上流側のセルで相対的に少なくなり、ガス下流側のセルで相対的に多くなる。このため、発電時の発熱量が、ガス上流側のセルで増加し、ガス下流側のセルで減少し、セルスタック構造体各部の温度が均一な分布となるように制御される。
【０００９】
（２）媒体通路が温度調節媒体を複数のセルに別々に分配する媒体分配口を備え、各媒体分配口が反応ガスの上流側に位置するセルほど小さくなるように形成されていることを特徴とする燃料電池。
【００１０】
上記燃料電池によれば、温度調節媒体の供給量がガス上流側のセルで相対的に少なくなり、ガス下流側のセルで相対的に多くなる。このため、発電時に温度調節媒体が奪い取る熱量が、ガス上流側のセルで減少し、ガス下流側のセルで増加し、セルスタック構造体各部の温度が均一な分布となるように制御される。
【００１１】
（３）ガス通路が反応ガスを複数のセルに別々に分配するガス分配口を備え、各ガス分配口が反応ガスの上流側に位置するセルほど小さくなるように形成され、媒体通路が温度調節媒体を複数のセルに別々に分配する媒体分配口を備え、各媒体分配口が反応ガスの上流側に位置するセルほど小さくなるように形成されていることを特徴とする燃料電池。
【００１２】
上記燃料電池によれば、反応ガスと温度調節媒体の供給量が共に、ガス上流側のセルで相対的に少なくなり、ガス下流側のセルで相対的に多くなる。このため、セルスタック構造体の温度分布が効率よく均一化される。
【発明の効果】
【００１３】
したがって、本発明の燃料電池は、ガス分配口または媒体供給口の大きさを変えるだけの簡単な構成で複数のセルの発熱量を個別に調整でき、セルスタック構造体の温度分布を均一化して、発電効率を高めることができるという優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は複数のセル２を積層したセルスタック構造体１を示す。図２は各セル２に反応ガスＧを供給するガス通路１１の構成を示す。図３は各セル２に温度調節媒体Ｗを供給する媒体通路２１の構成を示す。
【実施例１】
【００１５】
図１に示すように、燃料電池のセルスタック構造体１は、複数のセル２とセパレータ３とを積層し、両端の締付板４，５で締め付けて構成されている。一方の締付板４には、燃料ガスと酸化剤ガスからなる反応ガスＧの導入管６と、生成水からなる温度調節媒体Ｗの排出管７とが設けられている。他方の締付板５には、温度調節媒体Ｗの導入管８と、反応ガスＧの排出管９とが設けられている。
【００１６】
図２に示すように、セルスタック構造体１の内部には、反応ガスＧを各セル２に供給するガス通路１１が形成されている。ガス通路１１は、スタック構造体１を横断する横断路１２と、横断路１２から分岐しセル２に沿って広がる分岐路１３とから構成されている。横断路１２と分岐路１３との接続部には、反応ガスＧを各セル２に分配するガス分配口１４が設けられている。
【００１７】
各ガス分配口１４の断面積は、反応ガスＧの上流側（導入管６側）に位置するセル２ほど小さく、反応ガスＧの下流側（排出管９側）に位置するセル２ほど大きくなるように設定されている。そして、比較的低温となるガス導入側のセル２に相対的に少量の反応ガスＧを分配し、比較的高温となるガス排出側のセル２に相対的に多量の反応ガスＧを分配するようになっている。
【００１８】
このため、各セル２の発電能力は、ガス導入側のセル２ほど低くなり、ガス排出側のセル２ほど高くなる。発電時には各セル２に同じ値の電流が流れるから、ガス導入側のセル２ほど発熱量が多くなり、ガス排出側のセル２ほど発熱量が少なくなる。したがって、ガス分配口１４の断面積を変えるだけの簡単な構成でセル２の発熱量を個別に調整し、セルスタック構造体１における温度分布のばらつきを抑えることができる。
【実施例２】
【００１９】
図３に示すように、セルスタック構造体１の内部には、温度調節媒体Ｗを各セル２に供給する媒体通路２１が形成されている。媒体通路２１は、セルスタック構造体１を横断する横断路２２と、横断路２２から分岐しセル２に沿って広がる分岐路２３とから構成されている。横断路２２と分岐路２３との接続部には、温度調節媒体Ｗを各セル２に分配する媒体分配口２４が設けられている。
【００２０】
各媒体分配口２４の断面積は、反応ガスＧの上流側（導入管６側）に位置するセル２ほど小さく、反応ガスＧの下流側（排出管９側）に位置するセル２ほど大きくなるように設定されている。そして、比較的低温となるガス導入側のセル２に相対的に少量の温度調節媒体Ｗを分配し、比較的高温となるガス排出側のセル２に相対的に多量の温度調節媒体Ｗを分配するようになっている。
【００２１】
このため、発電時に温度調節媒体Ｗが奪い取る熱量は、ガス導入側のセル２ほど少なくなり、ガス排出側のセル２ほど多くなり、セルスタック構造体１が全体として均一な温度分布となる。したがって、媒体分配口２４の断面積を変えるだけの簡単な構成により、セル２の発熱量を個別に調整し、セルスタック構造体１における温度分布のばらつきを抑えることができる。
【００２２】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、例えば、一つのセルスタック構造体１において、実施例１のガス通路１１と実施例２の媒体通路２１とを併用することで、温度分布をさらに効率よく均一化するなど、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、各部の形状や構成を適宜に変更して実施することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施形態を示すセルスタック構造体の斜視図である。
【図２】反応ガスの通路を示すセルスタック構造体の透視図である。
【図３】温度調節媒体の通路を示すセルスタック構造体の透視図である。
【符号の説明】
【００２４】
１ セルスタック構造体
２ セル
１１ ガス通路
１４ ガス分配口
２１ 媒体通路
２４ 媒体分配口
Ｇ 反応ガス
Ｗ 温度調節媒体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルを積層したセルスタック構造体に、反応ガスを各セルに供給するガス通路と、温度調節媒体を各セルに供給する媒体通路とを設けた燃料電池において、
前記ガス通路が反応ガスを複数のセルに別々に分配するガス分配口を備え、各ガス分配口が反応ガスの上流側に位置するセルほど小さくなるように形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
複数のセルを積層したセルスタック構造体に、反応ガスを各セルに供給するガス通路と、温度調節媒体を各セルに供給する媒体通路とを設けた燃料電池において、
前記媒体通路が温度調節媒体を複数のセルに別々に分配する媒体分配口を備え、各媒体分配口が反応ガスの上流側に位置するセルほど小さくなるように形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
複数のセルを積層したセルスタック構造体に、反応ガスを各セルに供給するガス通路と、温度調節媒体を各セルに供給する媒体通路とを設けた燃料電池において、
前記ガス通路が反応ガスを複数のセルに別々に分配するガス分配口を備え、各ガス分配口が反応ガスの上流側に位置するセルほど小さくなるように形成され、前記媒体通路が温度調節媒体を複数のセルに別々に分配する媒体分配口を備え、各媒体分配口が反応ガスの上流側に位置するセルほど小さくなるように形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
複数のセルを積層したセルスタック構造体に、反応ガスを各セルに供給するガス通路と、温度調節媒体を各セルに供給する媒体通路とを設けた燃料電池において、
前記ガス通路が反応ガスを複数のセルに別々に分配するガス分配口を備え、各ガス分配口が反応ガスの上流側に位置するセルほど小さくなるように形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
複数のセルを積層したセルスタック構造体に、反応ガスを各セルに供給するガス通路と、温度調節媒体を各セルに供給する媒体通路とを設けた燃料電池において、
前記媒体通路が温度調節媒体を複数のセルに別々に分配する媒体分配口を備え、各媒体分配口が反応ガスの上流側に位置するセルほど小さくなるように形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
複数のセルを積層したセルスタック構造体に、反応ガスを各セルに供給するガス通路と、温度調節媒体を各セルに供給する媒体通路とを設けた燃料電池において、
前記ガス通路が反応ガスを複数のセルに別々に分配するガス分配口を備え、各ガス分配口が反応ガスの上流側に位置するセルほど小さくなるように形成され、前記媒体通路が温度調節媒体を複数のセルに別々に分配する媒体分配口を備え、各媒体分配口が反応ガスの上流側に位置するセルほど小さくなるように形成されていることを特徴とする燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００９−２３８６２６（Ｐ２００９−２３８６２６Ａ）
【公開日】平成２１年１０月１５日（２００９．１０．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−８４１１３（Ｐ２００８−８４１１３）
【出願日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【出願人】（０００１２４５９１）河村電器産業株式会社 (857)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月１５日（２００９．１０．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【出願人】（０００１２４５９１）河村電器産業株式会社 (857)
【Ｆターム（参考）】
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