JP2006092991A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】反応ガス連通孔に滞留水が発生することを確実に阻止し、簡単な構成で、安定した発電電圧を得るとともに、特に低温始動性の向上を図ることを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１２が積層された積層体１４を備え、前記積層体１４を積層方向に貫通して内部マニホールドが構成される。酸化剤ガス出口連通孔３６ｂの積層方向一端側は、第１エンドプレート２０ａ側に開放されるとともに、前記酸化剤ガス出口連通孔３６ｂの積層方向他端側は、第２エンドプレート２０ｂ側で閉塞される。この積層方向他端側には、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに連通する湾曲部７０を有する第２絶縁プレート１８ｂが配設される。
【選択図】図４

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが水平方向に積層された積層体を備えるとともに、内部マニホールドを構成する燃料電池スタックに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒（電極触媒層）と多孔質カーボン（ガス拡散層）からなるアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持する発電セルにより構成されている。通常、燃料電池では、この発電セルを所定の数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。

この種の燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス（反応ガス）、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス（反応ガス）、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜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は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。

上記の燃料電池では、積層されている各発電セルのアノード側電極及びカソード側電極に、それぞれ反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するため、内部マニホールドを構成する場合が多い。この内部マニホールドは、発電セルの積層方向に貫通して設けられる反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔を備えており、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路の入口側及び出口側には、前記反応ガス入口連通孔及び前記反応ガス出口連通孔がそれぞれ連通している。

ところで、酸化剤ガスが積層方向に流れる酸化剤ガス出口連通孔や酸化剤ガス入口連通孔である酸化剤ガス連通孔（反応ガス連通孔）には、発電時に生成される反応生成水が導入され易く、この酸化剤ガス連通孔内に滞留水が存在する場合がある。一方、燃料ガスが積層方向に流れる燃料ガス出口連通孔や燃料ガス入口連通孔である燃料ガス連通孔（反応ガス連通孔）には、結露等による滞留水が発生するおそれがある。これにより、酸化剤ガス連通孔や燃料ガス連通孔が滞留水によって縮小又は閉塞され易く、酸化剤ガスや燃料ガスの流れが妨げられて発電性能が低下するという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックは、図８に示すように、複数のセル１を積層するとともに、前記複数のセル１の積層体は、エンドプレート２により両端が挟持されている。エンドプレート２には、燃料ガス又は酸化剤ガスを供給するガス供給配管３と、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスを排出するガス排気配管４とが接続されている。

ガス供給配管３及びガス排気配管４には、凝縮水や生成水を一旦貯留するための水溜まり部５が設けられ、この水溜まり部５の下方には、電磁弁６を介して排水管７が接続されている。

複数のセル１をエンドプレート２で挟持した燃料電池スタック８には、内部マニホールド９が形成されている。この内部マニホールド９は、ガス供給配管３及びガス排気配管４に向かって孔径を徐々に広げることにより下面に傾斜を付けている。これにより、内部マニホールド９の凝縮水や生成水は、前記内部マニホールド９の下面の傾斜に沿って各水溜まり部５に円滑に流れるとともに、電磁弁６の作用下に前記水溜まり部５の水が排水管７を介して排出されている。

特開２００３−１７８７９１号公報（図３）

しかしながら、上記の特許文献１では、各水溜まり部５の下方に電磁弁６が接続されており、この電磁弁６の制御が必要となってシステム全体が複雑化している。これにより、システム全体のコストが高騰するとともに、信頼性が低下するという問題がある。

しかも、内部マニホールド９の奥側（反応ガス出入口とは反対側）が閉塞されており、この奥側に水溜まりが発生し易い。従って、内部マニホールド９の下面に傾斜が設けられていても、前記内部マニホールド９の奥側に滞留する水を水溜まり部５に良好に排出することができないおそれがある。これにより、燃料電池スタック８の発電電圧の安定性が低下するとともに、特に、低温始動時における内部マニホールド９の閉塞が発生するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、反応ガス連通孔の奥側に滞留水が発生することを確実に阻止し、簡単な構成で、安定した発電電圧を得るとともに、特に低温始動性の向上を図ること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。

本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが水平方向に積層された積層体を備え、前記電解質・電極構造体と一方のセパレータとの間には、前記電極の面方向に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガス流路の供給側端部又は排出側端部に連通して前記積層体を積層方向に貫通する反応ガス連通孔が形成される内部マニホールド型燃料電池スタックである。

反応ガス連通孔は、積層方向一端が開放され且つ積層方向他端が閉塞されるとともに、前記積層方向他端には、少なくとも下部側に前記反応ガス連通孔に連通する湾曲部を有する端部部材が配設されている。

また、端部部材は、少なくとも積層体に積層されるターミナルプレート、絶縁プレート又はエンドプレートのいずれかであることが好ましい。構成の簡素化が容易に図られるからである。

さらに、湾曲部は、端部部材に配設される装填部材に設けられることが好ましい。端部部材の形状が有効に簡素化されるとともに、前記装填部材を絶縁部材で構成することにより、前記端部部材の絶縁性を良好に維持することが可能になるからである。

本発明によれば、反応ガス連通孔の積層方向他端に排出される凝縮水（生成水を含む）は、少なくとも下部側に設けられた湾曲部に沿って円滑且つ確実に移動し、前記積層方向他端に滞留することがない。このため、凝縮水は、湾曲部に連通する反応ガス連通孔を介して積層方向一端側に排出される。これにより、反応ガス連通孔に滞留水による閉塞等が惹起することがなく、簡単な構成で、安定した発電電圧を得るとともに、特に低温始動性の向上を図ることが可能になる。

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の概略斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の一部断面側面図である。

燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１２が積層された積層体１４を備え、前記積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）両端部には、第１及び第２ターミナルプレート１６ａ、１６ｂと、第１及び第２絶縁プレート１８ａ、１８ｂと、第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂとが、順次、設けられる。なお、燃料電池スタック１０は、図示しないが、例えば、締め付けボルトやボックス状のケーシング等により締め付け保持される。

図３に示すように、燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体３０と、前記電解質膜・電極構造体３０を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ３２、３４とを備える。なお、第１及び第２金属セパレータ３２、３４に代替して、例えば、カーボンセパレータを採用してもよい。

燃料電池１２の矢印Ｂ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔（反応ガス連通孔）３６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３８ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔（反応ガス連通孔）４０ｂが設けられる。

酸化剤ガス入口連通孔３６ａ、冷却媒体入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔４０ｂは、第１エンドプレート２０ａ側の積層方向一端が開放される一方、第２エンドプレート２０ｂ側の積層方向他端が閉塞される。

燃料電池１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔（反応ガス連通孔）４０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔（反応ガス連通孔）３６ｂが設けられる。

燃料ガス入口連通孔４０ａ、冷却媒体出口連通孔３８ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３６ｂは、第１エンドプレート２０ａ側の積層方向一端が開放される一方、第２エンドプレート２０ｂ側の積層方向他端が閉塞される。

第１金属セパレータ３２の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３２ａには、燃料ガス入口連通孔４０ａと燃料ガス出口連通孔４０ｂとを連通する燃料ガス流路（反応ガス流路）４２が形成される。この燃料ガス流路４２は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成される。第１金属セパレータ３２の面３２ｂには、冷却媒体入口連通孔３８ａと冷却媒体出口連通孔３８ｂとを連通する冷却媒体流路４４が形成される。この冷却媒体流路４４は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成される。

第２金属セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３４ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガス流路（反応ガス流路）４６が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路４６は、酸化剤ガス入口連通孔３６ａと酸化剤ガス出口連通孔３６ｂとに連通する。第２金属セパレータ３４の面３４ｂには、第１金属セパレータ３２の面３２ｂと重なり合って冷却媒体流路４４が一体的に形成される。

第１金属セパレータ３２の面３２ａ、３２ｂには、この第１金属セパレータ３２の外周端部を周回して第１シール部材４８が一体成形される。第１シール部材４８は、面３２ａで燃料ガス入口連通孔４０ａ、燃料ガス出口連通孔４０ｂ及び燃料ガス流路４２を囲繞してこれらを連通させる一方、面３２ｂで冷却媒体入口連通孔３８ａ、冷却媒体出口連通孔３８ｂ及び冷却媒体流路４４を囲繞してこれらを連通させる。

第２金属セパレータ３４の面３４ａ、３４ｂには、この第２金属セパレータ３４の外周端部を周回して第２シール部材５０が一体成形される。第２シール部材５０は、面３４ａで酸化剤ガス入口連通孔３６ａ、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス流路４６を囲繞してこれらを連通させる一方、面３４ｂで冷却媒体入口連通孔３８ａ、冷却媒体出口連通孔３８ｂ及び冷却媒体流路４４を囲繞してこれらを連通させる。

電解質膜・電極構造体３０は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜５２と、前記固体高分子電解質膜５２を挟持するアノード側電極５４及びカソード側電極５６とを備える。

アノード側電極５４及びカソード側電極５６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜５２の両面に形成される。

図２に示すように、第１及び第２絶縁プレート１８ａ、１８ｂは、絶縁性材料、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）やフェノール樹脂等で形成されている。第１及び第２絶縁プレート１８ａ、１８ｂは、中央部に矩形状の凹部６０ａ、６０ｂが設けられるとともに、この凹部６０ａ、６０ｂの略中央に孔部６２ａ、６２ｂが連通する。

凹部６０ａ、６０ｂには、第１及び第２ターミナルプレート１６ａ、１６ｂが収容され、前記第１及び第２ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの端子部６４ａ、６４ｂが絶縁性筒体６６ａ、６６ｂを介装して孔部６２ａ、６２ｂに挿入される。第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂには、孔部６２ａ、６２ｂと同軸的に孔部６８ａ、６８ｂが形成される。

図４に示すように、端部部材である第２絶縁プレート１８ｂには、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂの閉塞される積層方向他端に対応して前記酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに連通する湾曲部７０が形成される。湾曲部７０は、第２絶縁プレート１８ｂの面を抉るようにして形成されており、全周にわたってＲが設けられている。

このＲは、１．０〜５０の範囲内、より好ましくは、１．５〜３０の範囲内に設定されている。なお、凝縮水の自重による流れを考慮すると、Ｒは、湾曲部７０の少なくとも下部側に設けられていればよい。

図５に示すように、第２絶縁プレート１８ｂには、燃料ガス出口連通孔４０ｂの閉塞される積層方向他端に、前記燃料ガス出口連通孔４０ｂに連通する湾曲部７０ａが形成される。この第２絶縁プレート１８ｂには、さらに、必要に応じて酸化剤ガス入口連通孔３６ａの閉塞される積層方向他端、及び燃料ガス入口連通孔４０ａの閉塞される積層方向他端に、それぞれ前記酸化剤ガス入口連通孔３６ａと前記燃料ガス入口連通孔４０ａとに連通する湾曲部７０ｂ、７０ｃが形成される。

図１に示すように、第１エンドプレート２０ａには、矢印Ｂ方向一端側に酸化剤ガス入口連通孔３６ａ、冷却媒体入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔４０ｂに連通する配管マニホールド７２ａ、７８ａ及び８０ｂが絶縁グロメット８２を介装して取り付けられる。

第１エンドプレート２０ａの矢印Ｂ方向他端側には、燃料ガス入口連通孔４０ａ、冷却媒体出口連通孔３８ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに連通する配管マニホールド８０ａ、７８ｂ及び７２ｂが絶縁グロメット８２を介装して取り付けられる（図１及び図４参照）。配管マニホールド７２ｂ、８０ｂは、水平方向（矢印Ａ方向）に対して下方向に傾斜する傾斜部８４を有している。

このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、燃料電池スタック１０では、配管マニホールド７２ａから酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、配管マニホールド８０ａから水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、配管マニホールド７８ａから純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。このため、各燃料電池１２に対して酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が矢印Ａ方向に供給される。

図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３６ａから第２金属セパレータ３４の酸化剤ガス流路４６に導入され、電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極５６に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔４０ａから第１金属セパレータ３２の燃料ガス流路４２に導入され、電解質膜・電極構造体３０のアノード側電極５４に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体３０では、カソード側電極５６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極５４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる（図２参照）。

次いで、カソード側電極５６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに沿って矢印Ａ方向に流動した後、配管マニホールド７２ｂに排出される（図１参照）。同様に、アノード側電極５４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔４０ｂに排出されて矢印Ａ方向に流動し、配管マニホールド８０ｂに排出される。

また、冷却媒体は、図３に示すように、冷却媒体入口連通孔３８ａから第１及び第２金属セパレータ３２、３４間の冷却媒体流路４４に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３８ｂを移動して配管マニホールド７８ｂに排出される（図１参照）。

この場合、第１の実施形態では、図４に示すように、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂは、第１エンドプレート２０ａ側の積層方向一端が開放され、且つ第２エンドプレート２０ｂ側の積層方向他端が閉塞されている。さらに、積層方向他端に配設されている第２絶縁プレート（端部部材）１８ｂには、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに連通する湾曲部７０が形成されている。

酸化剤ガス出口連通孔３６ｂの閉塞されている積層方向他端には、反応による生成水が滞留し易い。そこで、この積層方向他端にＲを有する湾曲部７０を設けることによって、生成水が前記湾曲部７０に沿って円滑且つ確実に移動し、該積層方向他端側に前記生成水が滞留することを阻止することができる。

従って、湾曲部７０に導出される生成水は、この湾曲部７０に連通する酸化剤ガス出口連通孔３６ｂを介して積層一端側に移動し、配管マニホールド７２ｂに排出される。これにより、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに滞留水による閉塞等が惹起することがなく、簡単な構成で、安定した発電電圧を得るとともに、特に、低温始動性の向上を図ることが可能になるという効果が得られる。

さらに、湾曲部７０のＲは、１．０〜５０の範囲内、より好適には、１．５〜３０の範囲内に設定されている。このため、滞留水の発生を確実に阻止するとともに、第２絶縁プレート１８ｂが矢印Ａ方向に肉厚化することがなく、燃料電池スタック１０全体を良好に小型化することが可能になる。

なお、燃料ガス出口連通孔４０ｂ、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ及び燃料ガス入口連通孔４０ａでは、積層方向他端に所定のＲを有する湾曲部７０ａ、７０ｂ及び７０ｃが設けられており、上述した酸化剤ガス出口連通孔３６ｂと同様の効果が得られる。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック９０の一部断面側面図である。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。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

燃料電池スタック９０では、少なくとも酸化剤ガス出口連通孔３６ｂの閉塞される積層方向他端に、第２絶縁プレート１８ｂから第２エンドプレート２０ｂにわたって湾曲部９２が形成される。第２絶縁プレート１８ｂ及び第２エンドプレート２０ｂは、一体的に端部部材を構成しており、所定のＲを有する湾曲部９２は、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに連通している。ここで、湾曲部９２のＲは、湾曲部７０のＲと同一である。

この第２の実施形態では、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂの閉塞される積層方向他端に、第２絶縁プレート１８ｂから第２エンドプレート２０ｂにわたって湾曲部９２が一体的に設けられており、この積層方向他端に滞留水が発生することを確実に阻止することができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第２エンドプレート２０ｂのみを端部部材とし、この第２エンドプレート２０ｂのみに酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに連通する湾曲部９２を形成してもよい。

図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１００の一部断面側面図である。

燃料電池スタック１００では、端部部材、例えば、第２エンドプレート２０ｂに凹部１０２が形成され、この凹部１０２に装填部材１０４が配設される。装填部材１０４には、少なくとも酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに連通する湾曲部１０６が形成されるとともに、装填部材１０４は、絶縁部材で構成される。

このように構成される第３の実施形態では、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂの積層方向他端に湾曲部１０６が連通しており、この積層方向他端に滞留水が発生することを阻止することができる等、第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。しかも、装填部材１０４を絶縁部材で構成することにより、絶縁性を良好に維持することが可能になるという利点が得られる。また、装填部材１０４は、第２絶縁プレート１８ｂに用いてもよい。

なお、第１〜第３の実施形態では、第２ターミナルプレート１６ｂが第２絶縁プレート１８ｂに形成された凹部６０ｂに収容されているが、これに限定されるものではなく、前記第２ターミナルプレート１６ｂと前記第２絶縁プレート１８ｂとを同一の外形寸法に構成してもよい。

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図である。 前記燃料電池スタックの断面側面説明図である。 前記燃料電池スタックの要部分解斜視図である。 前記燃料電池スタックの一部断面側面図である。 前記燃料電池スタックを構成するターミナルプレートと絶縁プレートの分解斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの一部断面側面図である。 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側面図である。 特許文献１の燃料電池スタックを概略構成説明図である。

符号の説明

１０、９０、１００…燃料電池スタック
１２…燃料電池 １４…積層体
１６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート １８ａ、１８ｂ…絶縁プレート
２０ａ、２０ｂ…エンドプレート ３０…電解質膜・電極構造体
３２、３４…金属セパレータ ３６ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ３８ａ…冷却媒体入口連通孔
３８ｂ…冷却媒体出口連通孔 ４０ａ…燃料ガス入口連通孔
４０ｂ…燃料ガス出口連通孔 ４２…燃料ガス流路
４４…冷却媒体流路 ４６…酸化剤ガス流路
５２…固体高分子電解質膜 ５４…アノード側電極
５６…カソード側電極 ６０ａ、６０ｂ、１０２…凹部
７０、７０ａ〜７０ｃ、９２、１０６…湾曲部
７２ａ、７２ｂ、７８ａ、７８ｂ、８０ａ、８０ｂ…配管マニホールド
１０４…装填部材

Claims (3)

1. 電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが水平方向に積層された積層体を備え、前記電解質・電極構造体と一方のセパレータとの間には、前記電極の面方向に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、前記反応ガス流路の供給側端部又は排出側端部に連通して前記積層体を積層方向に貫通する反応ガス連通孔が形成される内部マニホールド型燃料電池スタックであって、
   前記反応ガス連通孔は、積層方向一端が開放され且つ積層方向他端が閉塞されるとともに、
   前記積層方向他端には、少なくとも下部側に前記反応ガス連通孔に連通する湾曲部を有する端部部材が配設されることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記端部部材は、少なくとも前記積層体に積層されるターミナルプレート、絶縁プレート又はエンドプレートのいずれかであることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記湾曲部は、前記端部部材に配設される装填部材に設けられることを特徴とする燃料電池スタック。

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