JP2000090954A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】燃料電池スタック内に不要な水が導入されるこ
とを確実に阻止するとともに、構成の簡素化を可能にす
る。 【解決手段】燃料電池スタック１０の第１エンドプレー
ト３２に設けられ、燃料ガス供給流路３８に連結される
第１供給配管５４と、酸化剤ガス供給流路４０に連結さ
れる第２供給配管５６と、燃料ガス排出流路４４に連結
される第１排出配管５８と、酸化剤ガス排出流路４６に
連結される第２排出配管６０とを備え、これらを構成す
る管路６６には、下方に突出する段差部位７０を有した
拡大部６８が設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子電解質
膜をアノード側電極とカソード側電極で挟んで構成され
る単位燃料電池セルとセパレータとを、交互に積層した
燃料電池スタックに関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、通常、高分子
イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質の両側
にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を配置
した単位燃料電池セルを、セパレータによって挟持する
ことにより互いに積層して燃料電池スタックを構成して
いる。

【０００３】この種の燃料電池スタックにおいて、アノ
ード側電極に供給された燃料ガス、例えば、水素は、触
媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質
を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じ
た電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギと
して利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例
えば、酸素ガスあるいは空気が供給されているために、
このカソード側電極において、前記水素イオン、前記電
子および酸素が反応して水が生成される。

【０００４】この場合、高分子イオン交換膜からなる電
解質は、イオン透過性を保持すべく十分に加湿させてお
く必要がある。このため、一般的には、燃料電池の外部
に設けられているガス加湿装置を用いて酸化剤ガスと燃
料ガスとを加湿し、これらを水蒸気として燃料電池スタ
ックに送ることにより、電解質を加湿するように構成さ
れている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、固体高分子
型燃料電池は、作動温度が比較的低温（〜１００℃）で
あるため、酸化剤ガスや燃料ガスに加湿用に供給された
水分が燃料電池スタックに導入される前に配管内で結露
するおそれがある。一方、燃料電池スタックに導入され
た後に電解質に吸収されなかった水分や、反応によって
生成された水分が、前記燃料電池スタック内のガス流路
や該燃料電池スタックから排出後に配管内で冷却され、
水の状態で存在し易い。

【０００６】しかしながら、上記のように、燃料電池ス
タック近傍の配管内や前記燃料電池スタック内のガス流
路に水が存在すると、各単位燃料電池セルに酸化剤ガス
や燃料ガスを十分に供給することが困難になってしま
う。これにより、反応ガスである燃料ガスおよび酸化剤
ガスの触媒電極層への拡散性が低下し、セル性能が著し
く悪化するという問題が指摘されている。

【０００７】本発明はこの種の問題を解決するものであ
り、燃料電池スタック内に不要な水が導入されることを
確実に阻止するとともに、構成の簡素化が可能な燃料電
池スタックを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る燃料電池ス
タックでは、この燃料電池スタック内の燃料ガス流路お
よび酸化剤ガス流路の入口側に連結される第１および第
２供給配管と、前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス
流路の出口側に連結される第１および第２排出配管とを
備えるとともに、少なくとも１つの配管が、管路の一部
分に他の部分よりも下方に突出する段差部位を有した拡
大部を設けている。

【０００９】ここで、燃料電池スタックには、結露を防
ぐために冷却水温度（スタック温度）以下の露点を有し
た加湿ガスが供給されている。ところが、配管部分とス
タック温度に温度差が存在すると、前記配管部分で水蒸
気の凝結が起こり、凝結した水が燃料電池スタック内に
導入されるおそれがある。その際、本発明では、第１供
給配管や第２供給配管に設けられた拡大部に、下方に突
出する段差部位が形成されており、配管内で凝結した水
が前記段差部位に貯留されるため、燃料電池スタック内
のガス流路に不要な水が導入されることを確実に阻止す
ることができる。

【００１０】一方、燃料電池スタックのガス出口側に連
通する配管内で凝結した水は、前記燃料電池スタック内
に逆流するおそれがある。その際、本発明では、第１排
出配管や第２排出配管に拡大部を設けることにより、配
管内の水がこの拡大部の段差部位に貯留されるため、燃
料電池スタック内のガス流路に水が逆流することを有効
に阻止することが可能になる。

【００１１】また、本発明では、燃料ガス流路および酸
化剤ガス流路の入口および出口に連結される第１供給配
管、第２供給配管、第１排出配管および第２排出配管の
うち少なくとも１つが、燃料電池スタックに向かって上
方に傾斜する傾斜部を設けている。このため、第１供給
配管や第２供給配管内で凝結した水が、傾斜部によって
燃料電池スタック内に導入されることがなく、一方、第
１排出配管や第２排出配管内で凝結した水が、前記燃料
電池スタック内に逆流することを確実に阻止することが
できる。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の第１の実施形態
に係る燃料電池スタック１０の概略斜視説明図であり、
図２は、前記燃料電池スタック１０の要部断面説明図で
あり、図３は、前記燃料電池スタック１０の一部分解斜
視説明図である。

【００１３】燃料電池スタック１０は、単位燃料電池セ
ル１２と、この単位燃料電池セル１２を挟持する第１お
よび第２セパレータ１４、１６とを備え、必要に応じて
これらが複数組だけ積層されている。単位燃料電池セル
１２は、固体高分子電解質膜１８と、この電解質膜１８
を挟んで配設されるアノード側電極２０およびカソード
側電極２２とを有する。

【００１４】図３に示すように、単位燃料電池セル１２
の両側には、第１および第２ガスケット２４、２６が設
けられ、前記第１ガスケット２４は、アノード側電極２
０を収納するための大きな開口部２８を有する一方、前
記第２ガスケット２６は、カソード側電極２２を収納す
るための大きな開口部３０を有する。単位燃料電池セル
１２と第１および第２ガスケット２４、２６とが、第１
および第２セパレータ１４、１６によって挟持され、こ
れらが水平方向に複数組積層される。単位燃料電池セル
１２と第１および第２セパレータ１４、１６の積層方向
両端部には、第１および第２エンドプレート３２、３４
が配置され、タイロッド３６を介して前記第１および第
２エンドプレート３２、３４が一体的に締付け固定され
ている。

【００１５】燃料電池スタック１０内には、上部側に燃
料ガス供給流路３８、酸化剤ガス供給流路４０および冷
却水排出流路４２が一体的に形成されるとともに、下部
側には、燃料ガス排出流路４４、酸化剤ガス排出流路４
６および冷却水供給流路４８が一体的に形成されてい
る。

【００１６】第１セパレータ１４のアノード側電極２０
に対向する面部には、燃料ガス供給流路３８と燃料ガス
排出流路４４とを連通して上下方向に延在する第１流路
５０が形成される。第２セパレータ１６のカソード側電
極２２に対向する面部には、酸化剤ガス供給流路４０と
酸化剤ガス排出流路４６とを連通して上下方向に延在す
る第２流路５２が形成される（図２参照）。第１および
第２セパレータ１４、１６のそれぞれ他方の面部には、
冷却水排出流路４２と冷却水供給流路４８とを連通して
上下方向に延在する第３流路５３が形成される。

【００１７】図１に示すように、第１エンドプレート３
２には、燃料ガス供給流路３８に連結される第１供給配
管５４と、酸化剤ガス供給流路４０に連結される第２供
給配管５６と、燃料ガス排出流路４４に連結される第１
排出配管５８と、酸化剤ガス排出流路４６に連結される
第２排出配管６０と、冷却水排出流路４２に連結される
冷却水排出配管６２と、冷却水供給流路４８に連結され
る冷却水供給配管６４とが設けられる。

【００１８】図２に示すように、第１供給配管５４は、
図示しない燃料ガス供給源に連結される管路６６を備
え、この管路６６の第１エンドプレート３２の近傍に拡
大部６８が設けられる。拡大部６８は、管路６６よりも
下方に突出する段差部位７０を有しており、実際上、前
記管路６６の開口直径を拡径した円筒形状に設定されて
いる。なお、第２供給配管５６、第１排出配管５８およ
び第２排出配管６０は、第１供給配管５４と同様に構成
されており、同一の構成要素には同一の参照符号を付し
てその詳細な説明は省略する。

【００１９】このように構成される燃料電池スタック１
０の動作について、以下に説明する。

【００２０】第１エンドプレート３２に接続されている
第１供給配管５４から燃料ガス供給流路３８に対し、予
め水蒸気が含まれた水素ガス（燃料ガス）が供給される
とともに、第２供給配管５６から酸化剤ガス供給流路４
０に対して水蒸気が含まれた酸化剤ガスである空気（ま
たは酸素ガス）が供給される。

【００２１】燃料ガス供給流路３８に導入された水素ガ
スは、第１流路５０に沿って下方向に移動しながら単位
燃料電池セル１２のアノード側電極２０に供給される。
一方、酸化剤ガス供給流路４０に導入された空気は、同
様に第２流路５２に沿って下方向に移動しながら単位燃
料電池セル１２を構成するカソード側電極２２に供給さ
れる。これにより、水素ガスは、水素イオン化されて電
解質膜１８を介してカソード側電極２２側へと移動し、
前記単位燃料電池セル１２で発電が行われる。未使用の
水素ガスは、燃料ガス排出流路４４から第１排出配管５
８に送られるとともに、未使用の空気は、酸化剤ガス排
出流路４６から第２排出配管６０に導出される。

【００２２】なお、冷却水供給流路４８には、冷却水供
給配管６４から冷却水が供給されている。この冷却水
は、第１および第２セパレータ１４、１６の第３流路５
３を流れることによって各単位燃料電池セル１２を冷却
した後、冷却水排出配管６２に導出される。

【００２３】ところで、例えば、第１供給配管５４に
は、予め電解質加湿用の水蒸気が含まれた水素ガスが供
給されており、この第１供給配管５４と燃料電池スタッ
ク１０のスタック温度（冷却水温度）に温度差が生じる
と、前記第１供給配管５４内で水蒸気の凝結が惹起され
る。そして、凝結した水は、水素ガスの流れに沿って燃
料電池スタック１０内に移動しようとする。

【００２４】この場合、第１の実施形態では、図２に示
すように、第１供給配管５４を構成する管路６６が第１
エンドプレート３２の近傍に位置する拡大部６８を設け
ており、この拡大部６８には、前記管路６６よりも下方
に突出する段差部位７０が形成されている。このため、
第１供給配管５４内で凝結した水７２は、段差部位７０
に溜まって燃料電池スタック１０内の燃料ガス供給流路
３８に流れることを防止することが可能になる。これに
より、第１供給配管５４内で凝結した水７２が燃料電池
スタック１０内に入り込んで滞留することを確実に阻止
し、各単位燃料電池セル１２への水素ガスの均一分配を
阻害することがない。

【００２５】一方、第１排出配管５８内で凝結した水７
２も同様に、この第１排出配管５８を構成する拡大部６
８内に貯留され、燃料電池スタック１０内に逆流するこ
とを確実に阻止することができる。これによって、燃料
電池スタック１０内に不要な水７２が導入されることが
なく、この燃料電池スタック１０を長時間にわたって安
定して運転させることが可能になるという効果が得られ
る。

【００２６】また、空気の導入および導出を行う第２供
給配管５６および第２排出配管６０においても同様に、
凝結した水７２が燃料電池スタック１０内に導入される
ことがない。なお、第１の実施形態では、第１および第
２供給配管５４、５６と第１および第２排出配管５８、
６０とにそれぞれ拡大部６８を設けているが、水蒸気の
凝結が懸念されない部分にはこの拡大部６８を設ける必
要がなく、前記拡大部６８を選択的に採用することがで
きる。

【００２７】図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃
料電池スタック８０の概略斜視説明図であり、図５は、
前記燃料電池スタック８０の要部断面説明図である。な
お、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一
の構成要素には、同一の参照符号を付してその詳細な説
明は省略する。

【００２８】燃料電池スタック８０を構成する第１エン
ドプレート８２には、燃料ガス供給流路３８に接続され
る第１供給配管８４と、酸化剤ガス供給流路４０に接続
される第２供給配管８６と、燃料ガス排出流路４４に接
続される第１排出配管８８と、酸化剤ガス排出流路４６
に接続される第２排出配管９０とが設けられる。第２の
実施形態では、第１および第２供給配管８４、８６と第
１および第２排出配管８８、９０のうち少なくとも１つ
に、燃料電池スタック８０に向かって全体的に上方に傾
斜する傾斜部９２が設けられている。

【００２９】このように構成される第２の実施形態で
は、例えば、第１供給配管８４内を流れる水素ガス中の
水蒸気が凝結してこの第１供給配管８４内に水が発生し
ても、燃料電池スタック８０に向かって上方に傾斜する
傾斜部９２の勾配により、凝結した水が前記燃料電池ス
タック８０内に移動することがない。一方、未使用の水
素ガスが燃料電池スタック１０から排出される第１排出
配管８８は、同様に傾斜部９２を有している。従って、
第１排出配管８８内で凝結した水が燃料電池スタック８
０内に逆流することを確実に阻止することが可能にな
る。

【００３０】これにより、第２の実施形態では、簡単な
構成で、燃料電池スタック８０を長時間にわたって安定
して運転させることができる等、第１の実施形態と同様
の効果が得られる。

【００３１】図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃
料電池スタック１００の一部断面説明図である。なお、
第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構
成要素には、同一の参照符号を付してその詳細な説明は
省略する。

【００３２】燃料電池スタック１００は、第１および第
２供給配管５４、５６と、第１および第２排出配管５
８、６０とを備えるとともに、それぞれ排水管１０２ａ
〜１０２ｄを介して液溜り部１０４ａ〜１０４ｄに接続
されている。液溜り部１０４ａ〜１０４ｄには、それぞ
れ貯留される水７２の水位を検出する水位計１０６ａ〜
１０６ｄと、前記水位計１０６ａ〜１０６ｄにより前記
液溜り部１０４ａ〜１０４ｄに一定量以上の水７２が貯
留されていると判断された際、前記水７２を排出するた
めの排出弁１０８ａ〜１０８ｄとが設けられる。

【００３３】このように構成される第３の実施形態で
は、例えば、水素ガスを燃料電池スタック１００内に供
給するための第１供給配管５４内で凝結した水７２は、
排水管１０２ａを介して液溜り部１０４ａ内に貯留され
る。この液溜り部１０４ａでは、水位計１０６ａを介し
て水７２の水位が計測され、この水位が一定量以上であ
ると、排出弁１０８ａが開かれて前記液溜り部１０４ａ
内の水７２が自動的に排出される。次いで、液溜り部１
０４ａ内の水位が下限値に達すると、再び排出弁１０８
ａが閉じられて自動排水処理が終了する。

【００３４】このように、第３の実施形態では、第１供
給配管５４内で凝結した水が、一旦、液溜り部１０４ａ
に貯留された後、排出弁１０８ａを介して自動排水され
ている。従って、燃料電池スタック１００内に不要な水
７２が導入されることを阻止するとともに、この燃料電
池スタック１００を一層長時間にわたって安定して連続
運転し得るという利点がある。

【００３５】図７は、本発明の第４の実施形態に係る燃
料電池スタック１２０の一部断面説明図である。なお、
第３の実施形態に係る燃料電池スタック１００と同一の
構成要素には、同一の参照符号を付してその詳細な説明
は省略する。

【００３６】この燃料電池スタック１２０では、第１お
よび第２供給配管５４、５６と第１および第２排出配管
５８、６０とが、燃料電池スタック１２０に向かって上
方に傾斜する傾斜部１２２を設けている。従って、第４
の実施形態では、段差部位７０と傾斜部１２２とを介
し、燃料電池スタック１２０内に水７２が不要に導入さ
れることを確実に阻止することができる他、第３の実施
形態と同様の効果が得られる。

【００３７】

【発明の効果】本発明に係る燃料電池スタックでは、こ
の燃料電池スタック内の燃料ガス流路および酸化剤ガス
流路に連結される第１および第２供給配管と第１および
第２排出配管のうち少なくとも１つが、管路の一部分に
管路の他の部分よりも下方に突出する段差部位を有した
拡大部を設けており、この管路内で凝結した水が前記段
差部位に溜められるため、前記燃料電池スタック内に導
入されることがない。これにより、簡単な構成で、燃料
電池スタックを長時間にわたって安定して運転させるこ
とができる。

【００３８】また、本発明では、燃料電池スタックの燃
料ガス流路および酸化剤ガス流路に連結される第１およ
び第２供給配管と第１および第２排出配管のうち少なく
とも１つが、前記燃料電池スタックに向かって上方に傾
斜する傾斜部を設けている。このため、管路内で凝結し
た水が燃料電池スタック内に送り込まれたり、この燃料
電池スタック内に逆流したりすることがなく、前記燃料
電池スタックの発電性能を有効に維持することが可能に
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタッ
クの概略斜視説明図である。

【図２】前記燃料電池スタックの要部断面説明図であ
る。

【図３】前記燃料電池スタックの一部分解斜視説明図で
ある。

【図４】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタッ
クの概略斜視説明図である。

【図５】図４に示す前記燃料電池スタックの要部断面説
明図である。

【図６】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタッ
クの一部断面説明図である。

【図７】本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタッ
クの一部断面説明図である。

【符号の説明】

１０、８０、１００、１２０…燃料電池スタック １２…単位燃料電池セル １４、１６…セパ
レータ １８…電解質膜 ２０…アノード側
電極 ２２…カソード側電極 ２４、２６…ガス
ケット ３２、３４、８２…エンドプレート ３８…燃料ガス供
給流路 ４０…酸化剤ガス供給流路 ４２…冷却水排出
流路 ４４…燃料ガス排出流路 ４６…酸化剤ガス
排出流路 ４８…冷却水供給流路 ５０、５２、５３
…流路 ５４、５６、８４、８６…供給配管 ５８、６０、８
８、９０…排出配管 ６２…冷却水排出配管 ６４…冷却水供給
配管 ６８…拡大部 ７０…段差部位 ９２、１２２…傾斜部 １０４ａ〜１０４
ｄ…液留り部 １０６ａ〜１０６ｄ…水位計 １０８ａ〜１０８
ｄ…排出弁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 学 埼玉県和光市中央１−４−１ 株式会社本 田技術研究所内 (72)発明者 藤井 洋介 埼玉県和光市中央１−４−１ 株式会社本 田技術研究所内 (72)発明者 佐藤 修二 埼玉県和光市中央１−４−１ 株式会社本 田技術研究所内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC08 CX06 HH03

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固体高分子電解質膜をアノード側電極およ
   びカソード側電極で挟んで構成される単位燃料電池セル
   とセパレータとを水平方向に交互に積層するとともに、 前記アノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路
   と、前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤
   ガス流路とが設けられた燃料電池スタックであって、 前記燃料電池スタックのエンドプレートに設けられ、前
   記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路の入口側に連
   結される第１および第２供給配管と、 前記エンドプレートに設けられ、前記燃料ガス流路およ
   び前記酸化剤ガス流路の出口側に連結される第１および
   第２排出配管と、 を備え、 前記第１供給配管、前記第２供給配管、前記第１排出配
   管および前記第２排出配管のうち少なくとも１つは、管
   路の一部分に他の部分よりも下方に突出する段差部位を
   有した拡大部を設けることを特徴とする燃料電池スタッ
   ク。
2. 【請求項２】固体高分子電解質膜をアノード側電極およ
   びカソード側電極で挟んで構成される単位燃料電池セル
   とセパレータとを交互に積層するとともに、 前記アノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路
   と、前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤
   ガス流路とが設けられた燃料電池スタックであって、 前記燃料電池スタックのエンドプレートに設けられ、前
   記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路の入口側に連
   結される第１および第２供給配管と、 前記エンドプレートに設けられ、前記燃料ガス流路およ
   び前記酸化剤ガス流路の出口側に連結される第１および
   第２排出配管と、 を備え、 前記第１供給配管、前記第２供給配管、前記第１排出配
   管および前記第２排出配管のうち少なくとも１つは、前
   記燃料電池スタックに向かって上方に傾斜する傾斜部を
   設けることを特徴とする燃料電池スタック。