JP5214289B2

JP5214289B2 - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP5214289B2
Application number: JP2008067693A
Authority: JP
Inventors: 征治鈴木; 英明菊池
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-03-17
Filing date: 2008-03-17
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2028-03-17
Also published as: JP2009224194A

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体と、セパレータとが積層された複数の燃料電池を有し、前記燃料電池の積層方向に少なくとも反応ガス又は冷却媒体である流体を流す非円形状連通孔が形成されるとともに、積層方向両端には、エンドプレートが配設され、少なくとも一方の前記エンドプレートには、外部から円形状外部配管が接続され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電解質膜（電解質）の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを一対のエンドプレート間に積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、カソード側電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路とが設けられている。さらに、セパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面方向に沿って設けられている。

その際、少なくとも積層方向一端に配設されるエンドプレートには、燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給連通孔、前記燃料ガス流路から使用済みの燃料ガスを排出する燃料ガス排出連通孔、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給連通孔、前記酸化剤ガス流路から使用済みの酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出連通孔、冷却媒体流路に冷却媒体を供給する冷却媒体供給連通孔、及び前記冷却媒体流路から使用済みの冷却媒体を排出する冷却媒体排出連通孔が形成されている。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池では、図１０に示すように、一方のプレッシャプレート（エンドプレート）１の一端部側に、燃料ガス供給貫通孔２ａ、冷却水供給貫通孔３ａ及び酸化剤ガス供給貫通孔４ａが形成されるとともに、前記プレッシャプレート１の他端部側には、燃料ガス排出貫通孔２ｂ、冷却水排出貫通孔３ｂ及び酸化剤ガス排出貫通孔４ｂが形成されている。

プレッシャプレート１には、入口孔集合導管５ａと出口孔集合導管５ｂとが装着されている。入口孔集合導管５ａは、燃料ガス供給貫通孔２ａに嵌合する燃料ガス入口孔導管６ａ、冷却水供給貫通孔３ａに嵌合する冷却水入口孔導管７ａ及び酸化剤ガス供給貫通孔４ａに嵌合する酸化剤ガス入口孔導管８ａを有し、これらが鍔部９ａによって一体化されている。

出口孔集合導管５ｂは、燃料ガス排出貫通孔２ｂに嵌合する燃料ガス出口孔導管６ｂ、冷却水排出貫通孔３ｂに嵌合する冷却水出口孔導管７ｂ及び酸化剤ガス排出貫通孔４ｂに嵌合する酸化剤ガス出口孔導管８ｂを有し、これらが鍔部９ｂにより一体化されている。

特開２０００−１６４２３８号公報

ところで、燃料電池には、例えば、酸化剤ガスや燃料ガスをこの燃料電池に供給する前に加湿する加湿装置等の外部設備が接続されている。その際、外部設備に設けられる配管をプレッシャプレート１の入口孔集合導管５ａ及び出口孔集合導管５ｂに接続する必要がある。しかしながら、配管は、円筒形状に設定されるものが多く、一方、入口孔集合導管５ａ及び出口孔集合導管５ｂは、矩形状（非円形状）を有している。このため、円形状の配管と矩形状の入口孔集合導管５ａ及び出口孔集合導管５ｂとを、気密に接続することが困難であるという問題がある。

そこで、外部設備側の配管と入口孔集合導管５ａ及び出口孔集合導管５ｂとの間に、配管接続構造が必要となり、部品数が増加するとともに、経済的ではないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、燃料電池の非円形状連通孔と外部設備の円形状外部配管とを良好に連結す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を設けた電解質・電極構造体と、セパレータとが積層された複数の燃料電池を有し、前記燃料電池の積層方向に少なくとも反応ガス又は冷却媒体である流体を流す非円形状連通孔が形成されるとともに、積層方向両端には、エンドプレートが配設され、少なくとも一方の前記エンドプレートには、外部から円形状外部配管が接続される燃料電池スタックに関するものである。

一方のエンドプレートには、非円形状連通孔と円形状外部配管とを連通する樹脂製マニホールド部材が設けられるとともに、前記樹脂製マニホールド部材は、一方の前記エンドプレートの内部に設けられ、前記非円形状連通孔に連通する非円形状筒部と、前記円形状外部配管に連通する円形状筒部と、一方の前記エンドプレートの厚さの範囲内に設けられ、前記非円形状筒部と前記円形状筒部とを連通する連結形状筒部とを一体に設けている。

また、円形状筒部は、一方のエンドプレートの端部から外方に突出し、円形状外部配管に連結されるフランジ部を有することが好ましい。

本発明によれば、樹脂製マニホールド部材に非円形状筒部、円形状筒部及び連結形状筒部が一体に設けられるため、燃料電池の非円形状連通孔と外部の円形状外部配管との間で、反応ガスや冷却媒体の圧力損失が有効に低減される。しかも、円形状外部配管は、樹脂製マニホールド部材に直接接続されるため、部品数を削減することができるとともに、コストの削減が可能になる。さらに、樹脂製マニホールド部材を用いることにより、絶縁性を確保することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０の一部省略斜視図である。この燃料電池スタック１０は、車載用として使用可能である。

燃料電池スタック１０は、複数の発電セル（燃料電池）１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層されるとともに、積層方向の両端には、図示しないが、ターミナルプレート及び絶縁プレートを介して金属製エンドプレート１４ａ、１４ｂが配設される。エンドプレート１４ａ、１４ｂから積層方向外方に電力取り出し端子１６ａ、１６ｂが突出し、前記電力取り出し端子１６ａ、１６ｂは、図示しない走行用モータや補機類に接続される。

燃料電池スタック１０は、鉛直方向（矢印Ｃ方向）に長尺（縦長）な四角形に構成されるエンドプレート１４ａ、１４ｂを端板として含むボックス状のケーシング１８を備えている。

図２に示すように、各発電セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）２０と、前記電解質膜・電極構造体２０を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ２２、２４とを備えるとともに、縦長に構成される。なお、第１及び第２金属セパレータ２２、２４に代替して、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。

発電セル１２の長辺方向（矢印Ｃ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供給連通孔２６ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔２８ａが設けられる。

発電セル１２の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ及び燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔２８ｂが設けられる。

発電セル１２の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３０ａが設けられるとともに、前記発電セル１２の短辺方向の他端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３０ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体２０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３２と、前記固体高分子電解質膜３２を挟持するアノード側電極３４及びカソード側電極３６とを備える。

第１金属セパレータ２２の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２２ａには、燃料ガス供給連通孔２８ａと燃料ガス排出連通孔２８ｂとを連通する燃料ガス流路３８が形成される。第１金属セパレータ２２の面２２ｂには、冷却媒体供給連通孔３０ａと冷却媒体排出連通孔３０ｂとを連通する冷却媒体流路４０が形成される。

第２金属セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２４ａには、矢印Ｃ方向に延在する酸化剤ガス流路４２が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路４２は、酸化剤ガス供給連通孔２６ａと酸化剤ガス排出連通孔２６ｂとに連通する。第２金属セパレータ２４の面２４ｂには、第１金属セパレータ２２の面２２ｂと重なり合って冷却媒体流路４０が一体的に形成される。図示しないが、第１及び第２金属セパレータ２２、２４には、シール部材が一体成形される。

図３及び図４に示すように、エンドプレート１４ａには、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ、燃料ガス供給連通孔２８ａ、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ及び燃料ガス排出連通孔２８ｂに連通する酸化剤ガス供給マニホールド孔５０ａ、燃料ガス供給マニホールド孔５２ａ、酸化剤ガス排出マニホールド孔５０ｂ及び燃料ガス排出マニホールド孔５２ｂが形成される。

酸化剤ガス供給マニホールド孔５０ａは、発電セル１２側の内面５４ａに略台形の酸化剤ガス供給連通孔（非円形状連通孔）２６ａの形状に対応する略台形状の非円形状開口部５６と、前記エンドプレート１４ａの外面５４ｂに開放して設けられる円形状開口部５８と、前記非円形状開口部５６と前記円形状開口部５８とを前記エンドプレート１４ａの厚さ方向に沿って連通する三次元形状の連結形状開口部６０とを有する。

なお、燃料ガス供給マニホールド孔５２ａ、酸化剤ガス排出マニホールド孔５０ｂ及び燃料ガス排出マニホールド孔５２ｂは、上記の酸化剤ガス供給マニホールド孔５０ａ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。

酸化剤ガス排出マニホールド孔５０ｂ及び燃料ガス排出マニホールド孔５２ｂでは、図４に示すように、円形状開口部５８の下端高さは、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ及び燃料ガス排出連通孔２８ｂの下端高さよりも距離ｈだけ下方に設定される。水の逆流を阻止して円滑な排水処理が可能になるからである。

エンドプレート１４ａには、酸化剤ガス供給マニホールド孔５０ａ、燃料ガス供給マニホールド孔５２ａ、酸化剤ガス排出マニホールド孔５０ｂ及び燃料ガス排出マニホールド孔５２ｂに対応して樹脂製マニホールド部材６２ａ、６４ａ、６２ｂ及び６４ｂが一体成形される。

樹脂製マニホールド部材６２ａ、６４ａ、６２ｂ及び６４ｂは、例えば、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）又はＰＥＩ（ポリアミドイミド）等で成形される。

図５及び図６に示すように、樹脂製マニホールド部材６２ａは、非円形状開口部５６に形成され、非円形状連通孔である酸化剤ガス供給連通孔２６ａに連通する非円形状筒部６６と、円形状開口部５８に形成され、後述する円形状外部配管に連通する円形状筒部６８と、エンドプレート１４ａの厚さ方向に沿って前記非円形状筒部６６と前記円形状筒部６８とを連通する三次元形状の連結形状筒部７０とを一体に設ける。三次元形状とは、段差のない滑らかに繋がった形状であり、液状水の堆積がなく、圧損の低減が図られる。

円形状筒部６８は、エンドプレート１４ａの外面５４ｂから外方に突出するフランジ部７２を有する。このフランジ部７２内には、凹部７４が形成される。樹脂製マニホールド部材６２ａは、エンドプレート１４ａに対して樹脂材料を一体成形して製造される。三次元形状の連結形状筒部７０を効率よく製造することができるからである。

樹脂製マニホールド部材６４ａ、６２ｂ及び６４ｂは、上記の樹脂製マニホールド部材６２ａ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。

図７及び図８に示すように、燃料電池スタック１０には、エンドプレート１４ａを介して外部設備である、例えば、加湿器７６が接続される。燃料電池スタック１０と加湿器７６とには、加湿空気供給配管７８と、使用済みの酸化剤ガス（以下、オフガスという）を加湿流体として供給するためのオフガス供給配管８０とが接続される。燃料電池スタック１０には、さらに燃料ガス供給配管８２と、使用済みの燃料ガスが排出される排出燃料ガス配管８４とが接続される。

図９に示すように、樹脂製マニホールド部材６２ａ、６２ｂ、６４ａ及び６４ｂと、加湿空気供給配管７８、オフガス供給配管８０、燃料ガス供給配管８２及び排出燃料ガス配管８４とは、それぞれ中間配管８６を介して連結される。

中間配管８６は、略円筒状を有するとともに、その外周部両端縁部には、周溝８８ａ、８８ｂを介してＯリング９０ａ、９０ｂが装着される。各中間配管８６は、一方のＯリング９０ａを樹脂製マニホールド部材６２ａ、６２ｂ、６４ａ及び６４ｂのフランジ部７２の内周面に摺接させるとともに、他方のＯリング９０ｂを加湿空気供給配管７８、オフガス供給配管８０、燃料ガス供給配管８２及び排出燃料ガス配管８４の各フランジ部９４の内周面に摺接させる。

酸化剤ガス用の円形状外部配管部の断面積は、燃料ガス用の円形状外部配管部の断面積よりも大きく設定される。

なお、エンドプレート１４ｂには、図示していないが、冷却媒体供給連通孔３０ａに連通する冷却媒体供給マニホールドと、冷却媒体排出連通孔３０ｂに連通する冷却媒体排出マニホールドとが設けられ、冷却媒体を燃料電池スタック１０内に循環供給する。

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、酸化剤ガスである外部空気が、加湿器７６内に導入され、後述するように、反応に使用された酸化剤ガスであるオフガス中に含まれる水分により加湿される。加湿された空気は、加湿空気供給配管７８からエンドプレート１４ａを通って燃料電池スタック１０内の酸化剤ガス供給連通孔２６ａに供給される。

一方、燃料ガス（水素ガス）は、燃料ガス供給配管８２からエンドプレート１４ａを通って燃料電池スタック１０内の燃料ガス供給連通孔２８ａに導入される。さらに、冷却媒体は、エンドプレート１４ｂを通って燃料電池スタック１０内の冷却媒体供給連通孔３０ａに冷却媒体が導入される。

図２に示すように、燃料電池スタック１０内の発電セル１２に供給された空気は、酸化剤ガス供給連通孔２６ａから第２金属セパレータ２４の酸化剤ガス流路４２に導入され、電解質膜・電極構造体２０のカソード側電極３６に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔２８ａから第１金属セパレータ２２の燃料ガス流路３８に導入され、電解質膜・電極構造体２０のアノード側電極３４に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体２０では、カソード側電極３６に供給される空気中の酸素と、アノード側電極３４に供給される燃料ガス（水素）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。

次いで、カソード側電極３６に供給されて消費された空気は、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂに沿って流動した後、オフガスとしてエンドプレート１４ａからオフガス供給配管８０に排出される（図８参照）。

同様に、アノード側電極３４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２８ｂに排出されて流動し、排出燃料ガスとしてエンドプレート１４ａから排出燃料ガス配管８４に排出される。排出燃料ガス配管８４に排出された排出燃料ガスの一部は、燃料ガス供給配管８２に戻され、新たな燃料ガスに混在して燃料電池スタック１０内に供給される。

また、冷却媒体は、図２に示すように、冷却媒体供給連通孔３０ａから第１及び第２金属セパレータ２２、２４間の冷却媒体流路４０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２０を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３０ｂを移動してエンドプレート１４ｂから排出される。

この場合、本実施形態では、例えば、燃料電池スタック１０内に延在する酸化剤ガス供給連通孔２６ａと、外部設備である加湿器７６の加湿空気供給配管７８とを連結するために、樹脂製マニホールド部材６２ａが設けられている。この樹脂製マニホールド部材６２ａは、図５及び図６に示すように、酸化剤ガス供給連通孔２６ａの開口形状に対応する非円形状筒部６６と、加湿空気供給配管７８の開口形状、より具体的には、中間配管８６の形状に対応する円形状筒部６８と、連結形状筒部７０とから一体的に設けられている。

このため、各発電セル１２の非円形状連通孔である酸化剤ガス供給連通孔２６ａと、円形状外部配管である加湿空気供給配管７８との間で、酸化剤ガスの圧力損失が有効に低減される。

しかも、樹脂製マニホールド部材６２ａは、エンドプレート１４ａに一体成形されるとともに、この樹脂製マニホールド部材６２ａに加湿空気供給配管７８が直接接続されている。これにより、部品数を有効に削減することができるとともに、コストの削減が可能になるという効果が得られる。さらに、樹脂製マニホールド部材６２ａを設けることにより、絶縁性を確保することができる。

なお、非円形状連通孔は、発電セル１２のデザインにより略三角形、長方形、正方形、菱形等でもよく、角部にＲが設けられていてもよい。

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの一部省略斜視図である。前記燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視説明図である。前記燃料電池スタックの加湿器側からの流路の説明図である。前記燃料電池スタックを構成する一方のエンドプレートの正面説明図である。前記一方のエンドプレートに一体成形される樹脂製マニホールド部材の斜視説明図である。前記樹脂製マニホールド部材の断面説明図である。セパレータ燃料電池スタックに加湿器が装着された状態の斜視図である。前記加湿器と前記燃料電池スタックとの接続構造の説明図である。前記接続構造の断面図である。特許文献１の燃料電池用加湿システムの分解説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池スタック１２…発電セル
１４ａ、１４ｂ…エンドプレート２０…電解質膜・電極構造体
２２、２４…金属セパレータ２６ａ…酸化剤ガス供給連通孔
２６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔２８ａ…燃料ガス供給連通孔
２８ｂ…燃料ガス排出連通孔３２…固体高分子電解質膜
３４…アノード側電極３６…カソード側電極
３８…燃料ガス流路４０…冷却媒体流路
４２…酸化剤ガス流路５０ａ…酸化剤ガス供給マニホールド孔
５０ｂ…酸化剤ガス排出マニホールド孔
５２ａ…燃料ガス供給マニホールド孔５２ｂ…燃料ガス排出マニホールド孔
５６…非円形状開口部５８…円形状開口部
６０…連結形状開口部
６２ａ、６２ｂ、６４ａ、６４ｂ…樹脂製マニホールド部材
６６…非円形状筒部６８…円形状筒部
７０…連結形状筒部７２…フランジ部
７６…加湿器７８…加湿空気供給配管
８０…オフガス供給配管８２…燃料ガス供給配管
８４…排出燃料ガス配管８６…中間配管

Claims

電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体と、セパレータとが積層された複数の燃料電池を有し、前記燃料電池の積層方向に少なくとも反応ガス又は冷却媒体である流体を流す非円形状連通孔が形成されるとともに、積層方向両端には、エンドプレートが配設され、少なくとも一方の前記エンドプレートには、外部から円形状外部配管が接続される燃料電池スタックであって、
一方の前記エンドプレートには、前記非円形状連通孔と前記円形状外部配管とを連通する樹脂製マニホールド部材が設けられるとともに、
前記樹脂製マニホールド部材は、一方の前記エンドプレートの内部に設けられ、前記非円形状連通孔に連通する非円形状筒部と、
前記円形状外部配管に連通する円形状筒部と、
一方の前記エンドプレートの厚さの範囲内に設けられ、前記非円形状筒部と前記円形状筒部とを連通する連結形状筒部と、
を一体に設けることを特徴とする燃料電池スタック。
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記円形状筒部は、一方の前記エンドプレートの端部から外方に突出し、前記円形状外部配管に連結されるフランジ部を有することを特徴とする燃料電池スタック。