JPH07118330B2 - 燃料電池用ガスヘッダーおよびそれを用いた燃料電池 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は燃料電池用ガスヘッダー
およびそれを用いた燃料電池に係り、セルの大面積化に
伴なう内部マニホールド方式の燃料電池において、反応
ガスを各マニホールド内に均一な温度にて供給すること
のできる好適なガスヘッダー構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】セルの大面積化に有効なセル及びスタッ
ク積層構造として、図５に示すような構成が提案されて
いる。セルは、一平面上に複数の単位セル22を有する複
合大容量型セルが考えられている。さらに、このセルの
各単位セル22内の反応ガスは、セル外周部及び中央部に
設けた単位セル内のマニホールドｎにより供給、排気さ
れている。また、前記マニホールド内のガスは、内部に
入口ガス室、出口ガス室及びその各ガス室に接続した配
管を有する複数のガスヘッダー、つまり、本図では、ア
ノード側の反応ガスである燃料ガスのためのスタック上
下に位置するアノードガスヘッダー23、およびカソード
側の反応ガスである酸化剤ガスのためのスタックの中央
部に位置するカソードガスヘッダー１’により供給、排
出されている。

【０００３】将来の燃料電池の大容量化に伴い、前記ガ
スヘッダーの一層の大型化が予想され、その対策として
のガスヘッダー構造として、図６に示されるような、単
位セル内にガスを供給しかつ排気するガス室を有する燃
料電池のガスベッダー１”において、前記ガス室のう
ち、ガスヘッダー内の両外側のガス室５１、５２間に連
結室５３を設けて一体化することで、ガスヘッダー平面
上でＵ字型を形成し、また、そのＵ字型の中央の空間を
利用しガス室５４を形成し、さらに、その各ガス室を仕
切板５５を介して隣り合った位置で、ガスヘッダー内部
構造が形成されているガスヘッダー構造が提案されてい
る（本発明と同一出願人に係る特願平２-241108号参
照）。なお、図において、５６、５７は供給および排気
マニホールドであり、５８は補強板である。このガスヘ
ッダーは、そのガス流入部の独特の構成により、ガスヘ
ッダー自体の構造が単純化でき、電池の取扱いが容易に
なるとともに、それぞれのガス流入部を隣り合わせ、一
層構造で構成できることから、積層スタックの全高を低
減できる効果がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】燃料電池において、各
セルに供給されるガスの温度が均一なことは、発電効率
を高める観点から重要なことであるが、これまでのよう
に、小面積のセルにおいては、一般に、ガス供給配管か
らガス供給マニホールドまでの距離が短かいため、各マ
ニホールド内に流入するガスの温度の偏差については、
特に問題にはならなかった。しかし、高出力を得るため
のセル大面積化に対応する従来の技術、特に、カソード
側のガスヘッダー構造は、入口ガス室側面にガス供給配
管を設けたと共に、酸化剤ガスをガス供給配管から直接
入口ガス室内へ供給するものであり、ガス供給配管部か
ら近いマニホールドと遠いマニホールド間の距離が長く
なる構造であった。そのため、入口ガス室内に流入した
ガスは、ガス供給配管部側から次第に電池本体の熱によ
り加熱されガス供給配管部側から近いマニホールドと遠
いマニホールド内に流入するガス温度の偏差が大きくな
る。さらに、各単位セルにおいても前記の影響を受け、
セル面内の温度分布が不均一になり、性能及び寿命の低
下という問題があった。

【０００５】本発明は、ガスヘッダー内から各ガス供給
マニホールド内へ均一な温度の反応ガスを供給し、それ
により各単位セル及びセル面内の温度分布の均一化を図
ることのできる燃料電池用ガスヘッダー構造、およびそ
のようなガスヘッダーを用いた燃料電池を提供すること
を目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、側部に入口ガス供給配管との接続部およ
び内部に複数の入口ガスマニホールドを有するガスヘッ
ダーにおいて、該入口ガスマニホールドへのガス供給開
口をガスヘッダーの内部中央部に位置させ、該ガス供給
開口と該入口ガス供給配管との接続部とをガス流路を介
して接続したことを特徴とする、燃料電池用ガスヘッダ
ー、およびそのガスヘッダーを用いて燃料電池を開示す
る。

【０００７】該ガス流路がガスヘッダー内のより高温部
分と接していて、入口ガスとの間で熱交換しうるように
することにより、各単位セル及びセル面内の温度分布の
均一化を図る目的をより確実に達成することができる。
さらに、該ガス流路の少なくとも一部を、ガスヘッダー
内において出口ガス流路と接しさせることにより、熱交
換能は一層向上する。

【０００８】また、該ガス流路を、ガスヘッダーの中心
線に対し対照形に２系列設けることにより、より大型の
スタック構造に適切に対処することが可能となる。本発
明のヘッダー構造は、カソード側、アノード側のいずれ
に用いても用いることができるが、、カソード側のガス
ヘッダーに適用すれば特に有効である。

【０００９】

【作用】本発明のガスヘッダー構造をカソードガスヘッ
ダー内部に適用した場合において、酸化剤ガスは、ガス
供給配管から出口ガス流路と隣接している熱交換用流路
内に流入し、カソードガスヘッダー中央に設けたガス供
給口に流入する。前記熱交換用流路内の酸化剤ガスは、
セル内での反応熱によって温度の高い出口ガスの熱によ
り熱交換される。前記ガス供給口からの酸化剤ガスは、
さらに、熱交換用流路を通りながら電池運転に必要な温
度まで熱交換され、各ガス供給マニホールド内を通して
各単位セル内へ供給される。

【００１０】本発明のカソードガスヘッダー内のガス流
入構造にすることにより、ガス供給配管からの酸化剤ガ
スを均一な温度で各ガス供給マニホールド内へ供給する
ことができるため、各ガス供給マニホールド内のガス温
度の偏差が少なくなると共に各単位セルにおいても均一
な温度のガスを、供給することができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１及び図２より
説明する。図１は、本発明をカソードガスヘッダーに適
用した場合の該カソードガスヘッダーの一部破断した斜
視図、図２は、図１のII-II 線による本発明の熱交換用
流路部の断面図である。この実施例のカソードガスヘッ
ダー１は、図１に示す様に、上下の基板２、２’とその
基板の四辺外周部に設けた枠板３とで囲まれた空間を有
する。また、ガスヘッダー１の枠板３の内、相対向する
枠板３ａ，３ｂ（図１の左右の枠板）の幅方向のほぼ中
央部に、一方にはガス供給配管１７が、他方にはガス排
気配管１８が接合されている。そして、ガス供給配管１
７とガス排気配管１８のと中心を結ぶ線P-P に対して対
称な位置には、一端を枠板３ａに接し他端を枠板３ｂ方
向に延出している２枚の仕切板４’、４'''が設けてあ
り、該２枚の仕切板４' 、４''' の延出端側は枠板３ｂ
との間に所定の間隔を保って、他の仕切板４''により接
合されている。

【００１２】従って、ガスヘッダー１は、枠板３と仕切
板４とにより２つの空間に区分されており、各空間はそ
れぞれガスが漏洩しない様相互に密閉されている。以下
において、仕切板４で囲包される空間を入口ガス室Ａ、
枠板３と仕切板４とで囲包される空間を出口ガス室Ｂと
呼ぶこととする。さらに、２枚の仕切板４’、４''' は
ガス供給配管１７を接続している枠板３a に近接した位
置において第２の仕切板１２により接合されており、そ
こにガス供給経路１１を形成するとともに、該第２の仕
切板１２は仕切板４’、４''' との接合部分近傍に開口
１３、１３' を有している。 以上の説明から明らかな
ように、このガスヘッダー１は、上記の中心線P-P を境
として対称な形状となっている。以下においては、その
一方の構成についてのみ説明し、他方の説明は省略す
る。

【００１３】入口ガス室Ａは、ほぼ中央部に、即ち、仕
切板４''と第２の仕切板１２および後述する熱交換用流
路とで囲まれる入口ガス流路７を有し、出口ガス室Ｂは
両側部の出口ガス流路８、８およびその両流路を連結す
るための連結流路５とを有している。また、この各ガス
室内には、その空間部の補強をするために、複数の穴を
持った補強リブ６a(入口ガス室Ａ側）、６b(出口ガス室
Ｂ側）がそれぞれ設けられている。

【００１４】本発明におけるガスヘッダー１の入口ガス
室Ａは、さらに、仕切板４’から中心線P-P の方向に所
定距離隔離した箇所に、仕切板４''から第２の仕切板１
２とに至る第３の仕切板２１を有しており、仕切板４'
と第３の仕切板２１との間に熱交換用流路９を形成して
いるとともに、該第３の仕切板２１はその長さ方向ほぼ
中央位置が開口していて、そこにガス供給開口１０を形
成している。

【００１５】従って、ガス供給配管１７からのカソード
ガスは、枠板３aと第２の仕切板１２とにより形成され
たガス供給流路１１を通り、第２の仕切板１２に形成さ
れた開口１３を通過した後、仕切板４'と第３の仕切板
２１との間の熱交換用流路９を通過し、第３の仕切板２
１の開口１０を通過て、上記入口ガス流路７に達する。
さらに、上下の基板２、２’には、上記した入口ガス流
路７に相当する箇所に各単位セル内へガスを供給するた
めの複数のガス供給マニホールド15を、および出口ガス
流路８に相当する箇所には各単位セル内からのガス排気
を吸引するための複数の排気ガスマニホールド16をそれ
ぞれ設ける。

【００１６】図２は、熱交換用流路９の構造の好ましい
態様の断面図を示している。この例においては、熱交換
用流路９の上下に断熱層形成板19を設けて、基板２、
２’と断熱層形成板19間に空間を形成し、セル内の熱が
ガスヘッダー内に伝導しにくくするための断熱層20を設
けてある。また、熱交換用流路９内には、内部補強をす
るため開口を有する仕切補強板22を設けている。

【００１７】次に、このガスヘッダー１構造内のガス流
れについて、図１及び図２より説明する。カソード側の
ガスである反応前の酸化剤ガスｘは、まず、ガスヘッダ
ーの側部中央部（枠板３ａ）に設けられた、ガス供給配
管17からガス供給流路11へ流入し、このガス供給流路11
内で両側に分配され第２の仕切板12のガス流入口13を通
り各々の熱交換用流路９内へ流入される。熱交換用流路
９内へ流入した反応前の酸化剤ガスｘは、ガスヘッダー
中央のガス供給口10から入口側の補強リブ６aの穴を通
り、各ガス供給マニホールド15内へ分岐されて、ガスヘ
ッダー上、下方向にガスが流出し、各単位セル（図示せ
ず）内へ供給される。そして、各単位セル内において、
反応して排気されてきた反応後の酸化剤ガスｘ' は、ガ
スヘッダー両外部のガス排気マニホールド16を通り、ガ
スヘッダー両外部の出口ガス室内に分散される。この分
散されたガスは、出口ガス室内の出口側の補強リブ６b
の穴及び出口ガス流路８を通りながら連結流路５へと集
められ、その連結流路５がら同様にガスヘッダーの側部
中央部（枠板３ｂ）に設けられたガス排気配管18により
外部へ排出される。

【００１８】従って、このカソードガスヘッダー１内に
おいては、特に、入口ガス室の熱交換用流路９と出口ガ
ス流路８とが隣接した位置にあると共に、カソードガス
ヘッダー１中央にガス供給口10を設けたものでことか
ら、温度の低い反応前の酸化剤ガスｘは前記熱交換用流
路９内において、単位セル内の反応熱により昇温されて
きた反応後の酸化剤ガスｘ'により仕切板４を介して熱
交換を受け、さらに、この熱交換された反応前の酸化剤
ガスｘがカソードガスヘッダー１中央のガス供給口10か
ら各ガス供給マニホールド15内に供給される。また、そ
れにより、酸化剤ガスｘは昇温するとともに、この間の
流路、つまり、ガス供給配管１７から各ガス供給マニホ
ールド１５までのガス流路の距離をほぼ等しくすること
が可能となる。

【００１９】この結果、各単位セルおよびセル面内の温
度分布の均一化を図られ、燃料電池の発電効率を向上さ
せることがてきる。図３及び図４は、本発明によるガス
ヘッダーの他の実施例を示している。いずれのものも、
ガス供給流路11とガス供給開口10との間のガス流路、つ
まり、熱交換用流路９の長さを複数の邪魔板３０を介在
させることにより、より長くすることによって、より均
一な温度の反応前の酸化剤ガスｘを中央のガス供給開口
１０から各ガス供給マニホールド15内へ供給することが
できる。この２つの実施例は、ガス流路の形状を変化さ
せる、つまり、熱交換用流路９及びガス供給マニホール
ド15までのガス流路の長さをさらに長くすることによ
り、その流路内において、出口ガスの熱の他に電池本体
の熱においても、反応前の酸化剤ガスｘをより均一な温
度及び電池運転に必要な温度になるまで熱交換し、各ガ
ス供給マニホールド15内へ供給するようにしている。な
お、前記熱交換用の流路部は、図２の構造と同様に、断
熱層（図示せず）を必要に応じ設けることができる。

【００２０】なお、上記の実施例においては、入口ガス
供給配管１７とガス供給口１０との間のガス流路を積極
的に熱交換の機能を果たし得る構成のものとして説明し
たが、本発明の目的は、入口ガスマニホールドへのガス
供給開口がガスヘッダーの内部中央部に位置する構成を
有していれば、入口ガス供給配管とガス供給口との間の
ガス流路に積極的に熱交換を果たす機構、例えばガス流
路を出口ガス流路と接した位置に置く構成、を有してい
なくても達成し得るものであることは明らかであろう。

【００２１】また、ガスヘッダー１の上下の基板２、
２’を一枚の板体からなるものとして説明してきたが、
ガスヘッダーの組立あるいは保守、管理の便の観点か
ら、一方あるいは双方の基板を複数の分割した部材、例
えば入口ガス室Ａに相当する部分と出口ガス室Ｂに相当
する部分とに分割して作成するようにすることもでき
る。さらに、上記の実施例においては、カソードガスヘ
ッダーについて述べてきたが、本発明は燃料ガスを各ガ
ス供給マニホールド内に供給するアノードガスヘッダー
の入口ガス室内に用いても、等しく適用できるものであ
り、同様の効果を得ることができる。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、ガス供給配管から各ガ
ス供給マニホールドまでの流路長さがほぼ等しいもので
あり、また、その間の流路内で酸化剤ガスを電池運転に
必要な温度まで熱交換させることができるので、各ガス
供給マニホールド内に流入する酸化剤ガスの温度が均一
なものとなり、各ガス供給マニホールド間ガス温度の偏
差が少なくなる効果がある。また、各単位セル内におい
ても均一な温度分布が図れる効果がある。それにより、
燃料電池の発電効率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるカソードガスヘッダーの一部破断
斜視図。

【図２】図１のII-II 線による熱交換用流路部の断面
図。

【図３】本発明によるカソードガスヘッダーの他の実施
例を示す図。

【図４】本発明によるカソードガスヘッダーのさらに他
の実施例を示す図。

【図５】スタックの積層状態を示す図

【図６】従来のカソードガスヘッダーの一部破断斜視
図。

【符号の説明】

１ カソードガスヘッダー ２ 基板 ３ 枠板 ４ 仕切板 ５ 連結流路 ６a 入口側の補強板 ６b 出口側の補強板 ７ 入口ガス流路 ８ 出口ガス流路 ９ 熱交換用流路 10 ガス供給口 11 ガス供給流路 12 第２の仕切板 13 ガス流入口 14a, 14b 蓋板 15 ガス供給マニホー
ルド 16 ガス排気マニホールド 17 ガス供給配管 18 ガス排気配管 19 断熱層形成板 20 断熱層 21 第３の仕切板 ｘ 反応前の酸化剤ガス ｘ' 反応後の酸化剤
ガス

フロントページの続き (72)発明者 高橋 務 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社 日立製作所 日立工場内 (72)発明者 吉田 正 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社 日立製作所 日立工場内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一平面上に複数の単位セルを有する内部マ
   ニホールド式燃料電池のスタック中に配置されて各単位
   セルへガスを給排する燃料電池用ガスヘッダーにおい
   て、 対向する側部にガス供給配管及びガス排気配管が接続さ
   れ、中央部に前記ガス供給配管からの供給ガスを各単位
   セルに供給する複数のガス供給マニホールドが配置さ
   れ、前記中央部を挟む両外側に各単位セルからのガス排
   気を吸引して前記ガス排気配管に排気する複数のガス排
   気マニホールドが配置され、前記ガス供給配管と前記複
   数のガス供給マニホールド及び前記複数のガス排気マニ
   ホールドと前記ガス排気配管は仕切板で形成された流路
   によって接続され、前記ガス供給配管から供給されたガ
   スは前記ガス排気が流れる流路と接する流路を流れたの
   ち前記複数のガス供給マニホールドに供給されることを
   特徴とする燃料電池用ガスヘッダー。
2. 【請求項２】供給ガスの流れる流路及びガス排気の流れ
   る流路は、前記ガス供給配管が接続された側部の中心と
   前記ガス排気配管が接続された側部の中心を結ぶ線に対
   して対称形に設けられていることを特徴とする請求項１
   記載の燃料電池用ガスヘッダー。
3. 【請求項３】一平面上に複数の単位セルを有する複合セ
   ルを積層したスタックと、前記スタックに積層されて各
   単位セルへガスを給排するガスヘッダーとを含む内部マ
   ニホールド式燃料電池において、 前記ガスヘッダーは、対向する側部にガス供給配管及び
   ガス排気配管が接続され、中央部に前記ガス供給配管か
   らの供給ガスを各単位セルに供給する複数のガス供給マ
   ニホールドが配置され、前記中央部を挟む両外側に各単
   位セルからのガス排気を吸引して前記ガス排気配管に排
   気する複数のガス排気マニホールドが配置され、前記ガ
   ス供給配管と前記複数のガス供給マニホールド及び前記
   複数のガス排気マニホールドと前記ガス排気配管は仕切
   板で形成された流路によって接続され、前記ガス供給配
   管から供給されたガスは前記ガス排気が流れる流路と接
   する流路を流れたのち前記複数のガス供給マニホールド
   に供給されるものであることことを特徴とする内部マニ
   ホールド式燃料電池。
4. 【請求項４】前記供給ガスの流れる流路及びガス排気の
   流れる流路は、前記ガス供給配管が接続された側部の中
   心と前記ガス排気配管が接続された側部の中心を結ぶ線
   に対して対称形に設けられていることを特徴とする請求
   項３記載の内部マニホールド式燃料電池。