JP5550961B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、反応ガスを電極面方向に流す反応ガス流路と、前記反応ガスを前記セパレータの積層方向に流通させる反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔とが形成される発電セルを備え、複数の前記発電セルが電極面を水平面にして重力方向に積層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）（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した単位セル（発電セル）を備えている。

この種の燃料電池は、通常、車載用として使用される際、所望の発電力を得るために、所定数（例えば、数十〜数百）の単位セルを積層した燃料電池スタックとして使用されている。その際、燃料電池スタックは、一般的に、セパレータの面内に電極面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路と、前記反応ガス流路に連通し、単位セルの積層方向に貫通する反応ガス連通孔とを設ける、所謂、内部マニホールドを採用している。

この種の内部マニホールド型燃料電池スタックでは、冷却媒体や反応生成水を介して電流が流れる、所謂、液絡を防止するために、燃料電池システム全体の絶縁性を確保する必要がある。そこで、例えば、特許文献１に開示された燃料電池システムが知られている。

この燃料電池システムは、図１０に示すように、燃料電池１を備えるとともに、この燃料電池１は、一組の燃料電池スタック２が、スタックケース３内に収容されている。燃料電池スタック２は、セルモジュール２ａ、２ｂがエンドプレート４ａ、４ｂ間に締結保持されるように併設されている。エンドプレート４ａには、加湿された水素ガス、加湿された空気及び冷却液のそれぞれの供給配管５ａ、６ａ及び７ａと、それぞれの排出配管５ｂ、６ｂ及び７ｂとが接続されている。これらの供給配管５ａ〜７ａ及び排出配管５ｂ〜７ｂは、電気絶縁性部材で形成されている。

特開２００５−３３２６７４号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、例えば、水素ガスや空気が排出される排出配管５ｂ、６ｂは、電気絶縁性部材で形成されているものの、各セルモジュール２ａ、２ｂ内から凝縮水が連なって排出されるおそれがある。このため、積層されている各セルモジュール２ａ間及び２ｂ間で液絡が惹起し、特に、セパレータとして金属セパレータが使用されている場合、電位差によって前記金属セパレータ表面に腐食電流が発生し易い。

このため、金属セパレータの腐食により溶出される金属イオンが進入して電解質膜の機能が低下するとともに、前記腐食による前記金属セパレータの薄肉化（穴あき）が生じてガス遮断機能が低下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、簡単な構成で、発電セル間の液絡の発生を可及的に阻止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配設した電解質・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、反応ガスを電極面方向に流す反応ガス流路と、前記反応ガスを前記セパレータの積層方向に流通させる反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔とが形成される発電セルを備え、複数の前記発電セルが電極面を水平面にして重力方向に積層される燃料電池スタックに関するものである。

この電解質は、固体高分子電解質膜であり、燃料電池スタックの積層方向下端部には、少なくとも反応ガス排出連通孔に連通するマニホールド部材が接続されるとともに、少なくとも前記反応ガス排出連通孔の重力方向下方に当該反応ガス排出連通孔と連通した状態で設けられた排出配管の下端部には、前記マニホールド部材の内部に突出して配設される突き出し部位が設けられている。

また、この燃料電池スタックは、排出配管の突き出し部位の下端には、下方に向かって傾斜するテーパ形状部が形成されることが好ましい。

さらに、この燃料電池スタックは、排出配管の突き出し部位の外周部には、外部に突出する突起部が形成されることが好ましい。

さらにまた、この燃料電池スタックは、排出配管の突き出し部位の下端には、段部が形成されることが好ましい。

また、この燃料電池スタックは、排出配管の突き出し部位の下端には、湾曲形状部が形成されることが好ましい。

本発明によれば、少なくとも反応ガス排出連通孔の重力方向下方に当該反応ガス排出連通孔と連通した状態で設けられた排出配管の下端部には、マニホールド部材の内部に突出して配設される突き出し部位が設けられている。このため、反応ガス排出連通孔に沿って重力方向に移動する結露水は、突き出し部位の作用下に、連続性（繋がり）が遮断されてマニホールド部材の内部に排出される。従って、簡単な構成で、発電セル間の液絡の発生を可及的に阻止することが可能になる。

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。 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、図２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 前記燃料電池スタックの下端部からの概略斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの、図４中、Ｖ−Ｖ線断面図である。 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明図である。 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明図である。 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明図である。 本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタックの一部断面明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池システムの説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の発電セル（単位セル）１２が、電極面を水平面にして重力方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を設ける。積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）の一端（上端）には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａが上方に向かって配設される。積層体１４の積層方向の他端（下端）には、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが下方に向かって配設される。

エンドプレート２０ａ、２０ｂには、複数の連結バー２１の両端が固定されており、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂ間には、積層方向に締め付け荷重が付与される。なお、エンドプレート２０ａ、２０ｂ間に、図示しないタイロッドを介して積層方向に締め付け荷重を付与してもよく、また、ボックス状のケーシングを介して積層方向に締め付け荷重を付与してもよい。

図２及び図３に示すように、各発電セル１２は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１金属セパレータ２４及び第２金属セパレータ２６とを備える。

第１金属セパレータ２４及び第２金属セパレータ２６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した縦長形状の金属板により構成される。第１及び第２金属セパレータ２４、２６は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波板状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、第１金属セパレータ２４及び第２金属セパレータ２６に代えて、例えば、カーボンセパレータ（図示せず）を用いてもよい。

図２に示すように、発電セル１２の矢印Ｂ方向（水平方向）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（反応ガス供給連通孔）２８ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３０ａ、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排出連通孔（反応ガス排出連通孔）３２ｂが設けられる。

発電セル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供給連通孔（反応ガス供給連通孔）３２ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３０ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔（反応ガス排出連通孔）２８ｂが設けられる。

第１金属セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２側の面２４ａには、例えば、矢印Ｂ方向（電極面方向）に延在する酸化剤ガス流路３６が設けられる。酸化剤ガス流路３６は、酸化剤ガス供給連通孔２８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに連通する。第１金属セパレータ２４の面２４ａとは反対の面２４ｂには、冷却媒体流路３８が形成される。冷却媒体流路３８は、冷却媒体供給連通孔３０ａ及び冷却媒体排出連通孔３０ｂに連通する。

第２金属セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２側の面２６ａには、燃料ガス供給連通孔３２ａと燃料ガス排出連通孔３２ｂとに連通し、矢印Ｂ方向（電極面方向）に延在する燃料ガス流路４０が形成される。第２金属セパレータ２６の面２６ａとは反対の面２６ｂには、第１金属セパレータ２４の面２４ｂと重なり合うことにより、冷却媒体供給連通孔３０ａと冷却媒体排出連通孔３０ｂとに連通する冷却媒体流路３８が形成される。

第１金属セパレータ２４は、金属薄板上に第１シール部材４２が一体に射出成形されるとともに、第２金属セパレータ２６は、金属薄板上に第２シール部材４４が一体に射出成形される。

第１及び第２シール部材４２、４４は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。

第１シール部材４２は、第１金属セパレータ２４の面２４ａ側において、酸化剤ガス供給連通孔２８ａ及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂを酸化剤ガス流路３６に連通する。第１シール部材４２には、酸化剤ガス供給連通孔２８ａと酸化剤ガス排出連通孔２８ｂとにそれぞれ近接して、入口側ブリッジ部４６ａと出口側ブリッジ部４６ｂとが一体に成形される。

第２シール部材４４は、第２金属セパレータ２６の面２６ａ側において、燃料ガス供給連通孔３２ａ及び燃料ガス排出連通孔３２ｂと燃料ガス流路４０とを連通する。第２シール部材４４には、燃料ガス供給連通孔３２ａと燃料ガス排出連通孔３２ｂとにそれぞれ近接して、入口側ブリッジ部４８ａと出口側ブリッジ部４８ｂが一体に成形される。

第２シール部材４４は、第２金属セパレータ２６の面２６ｂ側において、冷却媒体供給連通孔３０ａ及び冷却媒体排出連通孔３０ｂと冷却媒体流路３８とを連通する。第２シール部材４４には、冷却媒体供給連通孔３０ａと冷却媒体排出連通孔３０ｂとにそれぞれ近接して、入口側ブリッジ部５０ａと出口側ブリッジ部５０ｂが一体に成形される。

図２及び図３に示すように、電解質膜・電極構造体２２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（電解質）５２と、前記固体高分子電解質膜５２を挟持するカソード側電極５４及びアノード側電極５６とを備える。

カソード側電極５４及びアノード側電極５６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、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ることにより形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜５２の両面に形成されている。

図４に示すように、燃料電池スタック１０の積層方向下端部であるエンドプレート２０ｂには、酸化剤ガス供給連通孔２８ａ、冷却媒体供給連通孔３０ａ、燃料ガス排出連通孔３２ｂ、燃料ガス供給連通孔３２ａ、冷却媒体排出連通孔３０ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに、それぞれ連通するマニホールド部材６０ａ、６２ａ、６４ｂ、６４ａ、６２ｂ及び６０ｂが設けられる。

エンドプレート２０ｂには、酸化剤ガス供給連通孔２８ａ、冷却媒体供給連通孔３０ａ及び燃料ガス供給連通孔３２ａを形成する供給配管６６ａ、６６ｂ及び６６ｃと、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂ、冷却媒体排出連通孔３０ｂ及び燃料ガス排出連通孔３２ｂを形成する排出配管６８ａ、６８ｂ及び６８ｃが接続される。

図５に示すように、排出配管６８ａは、エンドプレート２０ｂ内に挿入されるとともに、重力方向に貫通して酸化剤ガス排出連通孔２８ｂを形成する。排出配管６８ａの下端部には、マニホールド部材６０ｂの内部に長さｈだけ突出して配設される突き出し部位７０が設けられる。なお、他の排出配管６８ｂ、６８ｃ及び供給配管６６ａ〜６６ｃは、上記の排出配管６８ａと同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。

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、図４に示すように、エンドプレート２０ｂのマニホールド部材６０ａを介して、酸化剤ガス供給連通孔２８ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、マニホールド部材６４ａを介して、燃料ガス供給連通孔３２ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、マニホールド部材６２ａを介して、冷却媒体供給連通孔３０ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、図２に示すように、酸化剤ガス供給連通孔２８ａから第１金属セパレータ２４に設けられた酸化剤ガス流路３６に導入される。これにより、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３６を矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２２を構成するカソード側電極５４に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３２ａから第２金属セパレータ２６に設けられている燃料ガス流路４０に導入される。燃料ガス流路４０に導入された燃料ガスは、矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２２を構成するアノード側電極５６に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体２２では、カソード側電極５４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極５６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。

次いで、カソード側電極５４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに排出される。一方、アノード側電極５６に供給されて消費された使用済みの燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３２ｂに排出される。また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔３０ａから冷却媒体流路３８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２２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３０ｂに排出される。

ところで、酸化剤ガス流路３６では、酸化剤ガス供給連通孔２８ａから送られる酸化剤ガスが発電反応により使用されるとともに、水が生成されている。この生成水は、使用済みの酸化剤ガスに伴って、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに排出されている。

この場合、第１の実施形態では、例えば、図５に示すように、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂを形成する排出配管６８ａの下端部には、マニホールド部材６０ｂの内部に長さｈだけ突出して配設される突き出し部位７０が設けられている。このため、使用済みの酸化剤ガスに伴って、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに沿って重力方向に移動する結露水Ｗは、突き出し部位７０の作用下に連続性（繋がり）が遮断されてマニホールド部材６０ｂの内部に排出される。

従って、簡単な構成で、発電セル１２間の液絡が発生することを可及的に阻止することが可能になる。これにより、特に第１金属セパレータ２４及び第２金属セパレータ２６には、電位差による腐食電流が発生することがなく、薄肉化によるガス遮断機能の低下を良好に阻止することができる。このため、各発電セル１２を長期間にわたって効率的且つ良好に発電反応に使用することが可能になるという効果が得られる。

また、図４に示すように、燃料ガス排出連通孔３２ｂを形成する排出配管６８ｃの下端部には、同様にマニホールド部材６４ｂの内部に突出して配設される突き出し部位７０が設けられている。従って、燃料ガス排出連通孔３２ｂに沿って重力方向に移動する結露水Ｗは、突き出し部位７０に阻止されて連続性が良好に遮断され、液絡が防止される。

なお、エンドプレート２０ｂには、酸化剤ガス供給連通孔２８ａ及び燃料ガス供給連通孔３２ａを形成する供給配管６６ａ及び６６ｃが設けられている。このため、酸化剤ガス供給連通孔２８ａに沿って重力方向に移動する結露水Ｗ及び燃料ガス供給連通孔３２ａに沿って重力方向に移動する結露水Ｗは、それぞれ連続性が良好に遮断され、液絡を阻止することができる。

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８０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。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。ここで、第２の実施形態以降では、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂについてのみ説明するが、他の連通孔においても同様に構成されることは勿論である。

燃料電池スタック８０では、積層方向下端部であるエンドプレート２０ｂに、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂを形成する排出配管８２が設けられる。排出配管８２は、マニホールド部材６０ｂの内部に長さｈだけ突出して配設される突き出し部位８４が設けられるとともに、前記突き出し部位８４の下端には、下方に向かって傾斜する先細り形状のテーパ形状部８６が形成される。従って、結露水Ｗが良好に排出され、液絡を阻止することができる。

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９０の一部断面説明図である。

燃料電池スタック９０は、エンドプレート２０ｂに装着され、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂを形成する排出配管９２を備える。排出配管９２の下端部には、マニホールド部材６０ｂの内部に突出して配設される突き出し部位９４が設けられる。突き出し部位９４の外周部には、外部に突出する突起部９６が形成される。これにより、突き出し部位９４の外周の液繋がりを防止することができる。

図８は、本発明の第４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。

燃料電池スタック１００は、エンドプレート２０ｂに装着され、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂを形成する排出配管１０２を備える。排出配管１０２の下端部には、マニホールド部材６０ｂの内部に突出して配設される突き出し部位１０４が形成されるとともに、前記突き出し部位１０４の下端には、段部１０６が形成される。従って、突き出し部位１０４の下端では、段部１０６により液の連続的な繋がりが阻止される。

図９は、本発明の第５の実施形態に係る燃料電池スタック１１０の一部断面説明図である。

燃料電池スタック１１０は、エンドプレート２０ｂに装着され、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂを形成する排出配管１１２を備える。排出配管１１２の下端部には、マニホールド部材６０ｂの内部に突出して配設される突き出し部位１１４が設けられるとともに、前記突き出し部位１１４の下端には、湾曲形状部１１６が形成される。

このように構成される第２の実施形態〜第５の実施形態では、突き出し部位８４、９４、１０４及び１１４の形状を種々変更することにより、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに沿って自重により移動する凝縮水の連続性を、一層確実に遮断することができる他、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、８０、９０、１００、１１０…燃料電池スタック
１２…発電セル 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 ２２…電解質膜・電極構造体
２４、２６…金属セパレータ ２８ａ…酸化剤ガス供給連通孔
２８ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ３０ａ…冷却媒体供給連通孔
３０ｂ…冷却媒体排出連通孔 ３２ａ…燃料ガス供給連通孔
３２ｂ…燃料ガス排出連通孔 ３６…酸化剤ガス流路
３８…冷却媒体流路 ４０…燃料ガス流路
４２、４４…シール部材 ５２…固体高分子電解質膜
５４…カソード側電極 ５６…アノード側電極
６６ａ、６６ｂ、６６ｃ…供給配管
６８ａ、６８ｂ、６８ｃ、８２、９２、１０２、１１２…排出配管
７０、８４、９４、１０４、１１４…突き出し部位
８６…テーパ形状部 ９６…突起部
１０６…段部 １１６…湾曲形状部

Claims (5)

1. 電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、反応ガスを電極面方向に流す反応ガス流路と、前記反応ガスを前記セパレータの積層方向に流通させる反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔とが形成される発電セルを備え、複数の前記発電セルが電極面を水平面にして重力方向に積層される燃料電池スタックであって、
   前記電解質は、固体高分子電解質膜であり、
   前記燃料電池スタックの積層方向下端部には、少なくとも前記反応ガス排出連通孔に連通するマニホールド部材が接続されるとともに、
   少なくとも前記反応ガス排出連通孔の重力方向下方に当該反応ガス排出連通孔と連通した状態で設けられた排出配管の下端部には、前記マニホールド部材の内部に突出して配設される突き出し部位が設けら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、前記排出配管の前記突き出し部位の下端には、下方に向かって傾斜するテーパ形状部が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記排出配管の前記突き出し部位の外周部には、外部に突出する突起部が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記排出配管の前記突き出し部位の下端には、段部が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
5. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記排出配管の前記突き出し部位の下端には、湾曲形状部が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。

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