JP6059552B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側に電極が設けられた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が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の一方の面側にアノード電極が、他方の面側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池車両に組み込まれている。

上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、カソード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。

積層方向一端に配設されるエンドプレートには、例えば、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、及び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等の流体連通孔が形成されている場合がある。

この内部マニホールド型の燃料電池では、各連通孔と外部設備とを接続するために、配管構造が採用されている。この種の技術として、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックの配管構造が知られている。

特許文献１の配管構造は、図９に示すように、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学反応により反応させて発電する燃料電池スタック２と、前記燃料電池スタック２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス入口配管３と、前記燃料電池スタック２に冷却水を供給する冷却水入口配管４と、前記燃料電池スタック２から燃料ガスを排出する燃料ガス出口配管５と、前記燃料電池スタック２から冷却水を排出する冷却水出口配管６と、前記燃料電池スタック２に燃料ガスを供給する燃料ガス入口配管７と、前記燃料電池スタック２から酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口配管８と、前記酸化剤ガス入口配管３等の各配管を前記燃料電池スタック２に接続する燃料電池マニホールド９とを備えている。

特開２００６−２２８６３２号公報

ところで、上記の配管構造では、各配管が略９０度の角度に屈曲形成されてＬ字状に構成されている。このため、配管内部に大きな圧力損失が発生し易く、流体の円滑な流通が遂行され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、配管内の圧力損失を可及的に抑制することができ、流体を円滑且つ均一に流通させ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、電解質膜の両側に電極が設けられた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が積層されて積層方向両端にエンドプレートが配設されるとともに、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通させる流体連通孔が形成され、少なくとも一方の前記エンドプレートには、前記流体連通孔と外部配管とを連通する連結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。

この燃料電池スタックでは、連結配管は、外部配管に接続される流体入口、流体連通孔に接続される流体出口、前記流体入口と前記流体出口との間に湾曲して設けられ、前記流体出口の開口断面積よりも大きな開口断面積に設定される配管中間部位を有している。そして、配管中間部位は、流体出口の正面視による開口範囲から、流体入口とは反対側に膨出する膨出部を有し、前記配管中間部位の湾曲形状の内側を構成する部分は、前記流体入口とは反対側に突出するとともに前記膨出部に向かって突出している。

また、この燃料電池スタックでは、流体入口の流体流れ方向は、流体連通孔の流体流れ方向に対して直交する方向に設定されることが好ましい。前記配管中間部位は、前記配管中間部位の湾曲形状の外側を構成する部分であって前記膨出部よりも前記流体入口側の部位に、前記流体出口とは反対側に膨出する膨出領域を有することが好ましい。

本発明によれば、連結配管の配管中間部位は、流体出口の開口断面積よりも大きな開口断面積に設定されるとともに、湾曲しており、流体出口の正面視による開口範囲から、流体入口とは反対側に膨出する膨出部を有している。従って、連結配管内では、流体の圧力損失が可及的に抑制されるため、流体を円滑且つ均一に流通させることが可能になる。

しかも、連結配管は、途上で湾曲されている。これにより、配管構造のレイアウト性が向上するとともに、燃料電池の積層方向に対してコンパクトに構成することができる。

本発明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燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する酸化剤ガス供給連結配管の内部を示す斜視説明図である。 前記酸化剤ガス供給連結配管の断面説明図である。 比較例の酸化剤ガス供給連結配管内の速度等高線を示す図である。 本実施形態の酸化剤ガス供給連結配管内の速度等高線を示す図である。 前記比較例の酸化剤ガス出口近傍の圧力等高線を示す図である。 本実施形態の酸化剤ガス出口近傍の圧力等高線を示す図である。 特許文献１の配管構造の斜視説明図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、例えば、図示しない燃料電池電気自動車に搭載される。燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１２が電極面を立位姿勢にして水平方向（矢印Ｂ方向）に積層される。なお、複数の燃料電池１２を重力方向に積層して燃料電池スタック１０を構成してもよい。

燃料電池１２の積層方向一端には、第１ターミナルプレート１４ａ、第１絶縁プレート１６ａ及び第１エンドプレート１８ａが、外方に向かって、順次、配設される。燃料電池１２の積層方向他端には、第２ターミナルプレート１４ｂ、第２絶縁プレート１６ｂ及び第２エンドプレート１８ｂが、外方に向かって、順次、配設される。

横長形状の第１エンドプレート１８ａの中央部からは、第１ターミナルプレート１４ａに接続された第１電力出力端子２０ａが外方に向かって延在する。横長形状の第２エンドプレート１８ｂの中央部からは、第２ターミナルプレート１４ｂに接続された第２電力出力端子２０ｂが外方に向かって延在する。

第１エンドプレート１８ａと第２エンドプレート１８ｂの各辺間には、連結バー２２の両端がねじ２４により固定され、複数の積層された燃料電池１２に積層方向（矢印Ｂ方向）の締め付け荷重を付与する。

図２に示すように、燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体２６と、前記電解質膜・電極構造体２６を挟持するカソード側セパレータ２８及びアノード側セパレータ３０とを備える。

カソード側セパレータ２８及びアノード側セパレータ３０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金属板により構成される。カソード側セパレータ２８及びアノード側セパレータ３０は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形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、カソード側セパレータ２８及びアノード側セパレータ３０は、金属セパレータに代えて、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。

カソード側セパレータ２８及びアノード側セパレータ３０は、横長形状を有するとともに、長辺が水平方向（矢印Ａ方向）に延在し且つ短辺が重力方向（矢印Ｃ方向）に延在するように構成される。なお、短辺が水平方向に延在し且つ長辺が重力方向に延在するように構成してもよい。

燃料電池１２の長辺方向（矢印Ａ方向）の一端縁部には、矢印Ｂ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長方形等の矩形状（又は三角形状）の酸化剤ガス供給連通孔３２ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給する長方形等の矩形状（又は三角形状）の燃料ガス供給連通孔３４ａとが設けられる。

燃料電池１２の長辺方向の他端縁部には、矢印Ｂ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出する長方形等の矩形状（又は三角形状）の燃料ガス排出連通孔３４ｂと、酸化剤ガスを排出する長方形等の矩形状（又は三角形状）の酸化剤ガス排出連通孔３２ｂとが設けられる。

燃料電池１２の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部一方側（水平方向一端側）には、すなわち、酸化剤ガス供給連通孔３２ａ及び燃料ガス供給連通孔３４ａ側には、矢印Ｂ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給する長方形等の矩形状（又は三角形状）の２つの冷却媒体供給連通孔３６ａが、対向する辺に上下に設けられる。

燃料電池１２の短辺方向の両端縁部他方側（水平方向他端側）には、すなわち、燃料ガス排出連通孔３４ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔３２ｂ側には、矢印Ｂ方向に互いに連通して、冷却媒体を排出する長方形等の矩形状（又は三角形状）の２つの冷却媒体排出連通孔３６ｂが、対向する辺に上下に設けられる。

電解質膜・電極構造体２６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３８と、前記固体高分子電解質膜３８を挟持するカソード電極４０及びアノード電極４２とを備える。

カソード電極４０及びアノード電極４２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３８の両面に形成される。

カソード側セパレータ２８の電解質膜・電極構造体２６に向かう面２８ａには、酸化剤ガス供給連通孔３２ａと酸化剤ガス排出連通孔３２ｂとを連通する酸化剤ガス流路４４が形成される。酸化剤ガス流路４４は、矢印Ａ方向に延在する複数本の波状流路溝（又は直線状流路溝）により形成される。

アノード側セパレータ３０の電解質膜・電極構造体２６に向かう面３０ａには、燃料ガス供給連通孔３４ａと燃料ガス排出連通孔３４ｂとを連通する燃料ガス流路４６が形成される。燃料ガス流路４６は、矢印Ａ方向に延在する複数本の波状流路溝（又は直線状流路溝）により形成される。

アノード側セパレータ３０の面３０ｂと隣接するカソード側セパレータ２８の面２８ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔３６ａ、３６ａと冷却媒体排出連通孔３６ｂ、３６ｂとに連通する冷却媒体流路４８が形成される。この冷却媒体流路４８は、水平方向に延在しており、電解質膜・電極構造体２６の電極範囲にわたって冷却媒体を流通させる。

カソード側セパレータ２８の面２８ａ、２８ｂには、このカソード側セパレータ２８の外周端縁部を周回して第１シール部材５０が一体成形される。アノード側セパレータ３０の面３０ａ、３０ｂには、このアノード側セパレータ３０の外周端縁部を周回して第２シール部材５２が一体成形される。

第１シール部材５０及び第２シール部材５２としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、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等の弾性を有するシール部材が用いられる。

図１に示すように、第１エンドプレート１８ａには、酸化剤ガス供給連通孔３２ａ、酸化剤ガス排出連通孔３２ｂ、燃料ガス供給連通孔３４ａ及び燃料ガス排出連通孔３４ｂに連通する酸化剤ガス供給連結配管５４ａ、酸化剤ガス排出連結配管５４ｂ、燃料ガス供給連結配管５６ａ及び燃料ガス排出連結配管５６ｂが取り付けられる。

酸化剤ガス供給連結配管５４ａは、板状取り付け部５８を有し、前記板状取り付け部５８は、シール６０を介し第１エンドプレート１８ａの酸化剤ガス供給連通孔３２ａに対応して配置される。板状取り付け部５８は、ねじ６２により第１エンドプレート１８ａに固定される。板状取り付け部５８から本体部６４が一体成形されるとともに、前記本体部６４の先端には、円形状の酸化剤ガス入口（流体入口）６６が設けられる。

図１及び図３に示すように、板状取り付け部５８には、酸化剤ガス供給連通孔３２ａに連通する矩形状（又は三角形状）の酸化剤ガス出口（流体出口）６８が形成される。酸化剤ガス供給連結配管５４ａは、酸化剤ガス入口６６と酸化剤ガス出口６８との間に位置し、略９０゜の角度を有して湾曲成形される配管中間部位７０を有する。図４に示すように、酸化剤ガス入口６６の酸化剤ガス流れ方向は、酸化剤ガス供給連通孔３２ａの酸化剤ガス流れ方向に対して直交する方向に設定される。

図３及び図４に示すように、配管中間部位７０の開口断面積Ｗ１は、酸化剤ガス入口６６の開口断面積Ｗ２及び酸化剤ガス出口６８の開口断面積Ｗ３よりも大きな値に設定される（Ｗ１＞Ｗ２、Ｗ１＞Ｗ３）。配管中間部位７０は、図４に示すように、酸化剤ガス出口６８の正面視による開口範囲から、酸化剤ガス入口６６とは反対側に膨出する膨出部７２を有する。

酸化剤ガス供給連結配管５４ａの内壁面５４ａｉは、酸化剤ガス入口６６から配管中間部位７０に亘って、及び酸化剤ガス出口６８から前記配管中間部位７０に亘って、それぞれ滑らかに形成される。酸化剤ガス供給連結配管５４ａの内壁面５４ａｉは、全体として滑らかに連続するとともに、配管長さ方向に向かって外方に湾曲する外方湾曲面のみにより構成される。すなわち、酸化剤ガス供給連結配管５４ａの内壁面５４ａｉには、内側に湾曲乃至屈曲する部位（縮小部位）が設けられていない。

なお、酸化剤ガス排出連結配管５４ｂは、上記の酸化剤ガス供給連結配管５４ａ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。酸化剤ガス供給連結配管５４ａ及び酸化剤ガス排出連結配管５４ｂは、例えば、加湿器等の図示しない外部機器に外部配管（図示せず）を介して接続される。

図１に示すように、燃料ガス供給連結配管５６ａ及び燃料ガス排出連結配管５６ｂは、上記の酸化剤ガス供給連結配管５４ａと同様に構成されており、同一の構成要素には、同一の参照数字に符号ａを付して、その詳細な説明は省略する。燃料ガス供給連結配管５６ａ及び燃料ガス排出連結配管５６ｂは、図示しない外部機器に外部配管（図示せず）を介して接続される。

第２エンドプレート１８ｂには、上下の冷却媒体供給連通孔３６ａ、３６ａに一体に連通する冷却媒体供給連結配管（図示せず）及び上下の冷却媒体排出連通孔３６ｂ、３６ｂに一体に連通する冷却媒体排出連結配管（図示せず）が取り付けられる。

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、第１エンドプレート１８ａの酸化剤ガス供給連結配管５４ａから酸化剤ガス供給連通孔３２ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。第１エンドプレート１８ａの燃料ガス供給連結配管５６ａから燃料ガス供給連通孔３４ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。

一方、第２エンドプレート１８ｂの冷却媒体供給連結配管から一対の冷却媒体供給連通孔３６ａには、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。

これにより、図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３２ａからカソード側セパレータ２８の酸化剤ガス流路４４に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４４に沿って矢印Ａ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２６のカソード電極４０に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３４ａからアノード側セパレータ３０の燃料ガス流路４６に供給される。燃料ガスは、燃料ガス流路４６に沿って矢印Ａ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２６のアノード電極４２に供給される。

このため、電解質膜・電極構造体２６では、カソード電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４２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て発電が行われる。

次いで、電解質膜・電極構造体２６のカソード電極４０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３２ｂに沿って矢印Ｂ方向に流通し、酸化剤ガス排出連結配管５４ｂから排出される（図１参照）。一方、電解質膜・電極構造体２６のアノード電極４２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３４ｂに沿って矢印Ｂ方向に流通し、燃料ガス排出連結配管５６ｂから排出される。

また、一対の冷却媒体供給連通孔３６ａに供給された冷却媒体は、カソード側セパレータ２８及びアノード側セパレータ３０間の冷却媒体流路４８に導入される。冷却媒体は、一旦矢印Ｃ方向内方に沿って流動した後、矢印Ａ方向に移動して電解質膜・電極構造体２６を冷却する。冷却媒体は、矢印Ｃ方向外方に移動した後、一対の冷却媒体排出連通孔３６ｂに沿って矢印Ｂ方向に流通し、冷却媒体排出連結配管から排出される。

この場合、本実施形態では、図３及び図４に示すように、酸化剤ガス供給連結配管５４ａは、配管中間部位７０の開口断面積Ｗ１が、酸化剤ガス出口６８の開口断面積Ｗ３よりも大きな値に設定されている（Ｗ１＞Ｗ３）。さらに、配管中間部位７０は、図４に示すように、酸化剤ガス出口６８の正面視による開口範囲から、酸化剤ガス入口６６とは反対側に膨出する膨出部７２を有している。

このため、酸化剤ガス供給連結配管５４ａ内では、酸化剤ガスの圧力損失が可及的に抑制される。従って、酸化剤ガス供給連通孔３２ａには、外部配管（図示せず）から酸化剤ガス供給連結配管５４ａを介して酸化剤ガスを円滑且つ均一に流通させることが可能になるという効果が得られる。

しかも、酸化剤ガス供給連結配管５４ａは、途上で略９０度の角度に湾曲されている。これにより、配管構造のレイアウト性が向上するとともに、燃料電池スタック１０の積層方向に対してコンパクトに構成することができる。なお、燃料ガス供給連結配管５６ａでも、同様の効果が得られる。

ここで、図５に示すように、比較例として酸化剤ガス供給連結配管５４comp.が用意された。酸化剤ガス供給連結配管５４comp.は、酸化剤ガス入口６６comp.、酸化剤ガス出口６８comp.及び配管中間部位７０comp.を有し、前記配管中間部位７０comp.の開口断面積が、前記酸化剤ガス出口６８comp.の開口断面積と同一の値を有する。配管中間部位７０comp.は、略９０度の角度で屈曲するとともに、本実施形態の膨出部７２を設けていない。

比較例である酸化剤ガス供給連結配管５４comp.と本実施形態である酸化剤ガス供給連結配管５４ａとを用いて、配管内の流速及び圧力を検出する実験を行った。その結果、酸化剤ガス供給連結配管５４comp.では、図５の速度等高線に示されているように、配管内の速度が部分的に大きく変動し、特に酸化剤ガス出口６８comp.の近傍に渦巻き領域７０comp.ｓが形成されていた。このため、酸化剤ガス供給連通孔３２ａには、酸化剤ガスを均一に供給することができないという問題がある。

これに対して、本実施形態では、図６の速度等高線に示されているように、酸化剤ガス出口６８の近傍の流速が均一化された。従って、酸化剤ガス供給連通孔３２ａには、酸化剤ガスを均一且つ確実に供給することが可能になる。

また、酸化剤ガス供給連結配管５４comp.では、図７の圧力等高線に示されているように、酸化剤ガス出口６８comp.の近傍に顕著な圧力分布が発生していた。一方、本実施形態では、図８の圧力等高線に示されているように、酸化剤ガス出口６８の近傍に均一な圧力分布が得られ、酸化剤ガス供給連通孔３２ａに酸化剤ガスを良好に供給することができる。

１０…燃料電池スタック １２…燃料電池
１８ａ、１８ｂ…エンドプレート ２６…電解質膜・電極構造体
２８…カソード側セパレータ ３０…アノード側セパレータ
３２ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ３２ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
３４ａ…燃料ガス供給連通孔 ３４ｂ…燃料ガス排出連通孔
３６ａ…冷却媒体供給連通孔 ３６ｂ…冷却媒体排出連通孔
３８…固体高分子電解質膜 ４０…カソード電極
４２…アノード電極 ４４…酸化剤ガス流路
４６…燃料ガス流路 ４８…冷却媒体流路
５４ａ…酸化剤ガス供給連結配管 ５４ａｉ…内壁面
５４ｂ…酸化剤ガス排出連結配管 ５６ａ…燃料ガス供給連結配管
５６ｂ…燃料ガス排出連結配管 ６６…酸化剤ガス入口
６８…酸化剤ガス出口 ７０…配管中間部位
７２…膨出部

Claims (3)

1. 電解質膜の両側に電極が設けられた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が積層されて積層方向両端にエンドプレートが配設されるとともに、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通させる流体連通孔が形成され、少なくとも一方の前記エンドプレートには、前記流体連通孔と外部配管とを連通する連結配管が接続される燃料電池スタックであって、
   前記連結配管は、前記外部配管に接続される流体入口、前記流体連通孔に接続される流体出口、前記流体入口と前記流体出口との間に湾曲して設けられ、前記流体出口の開口断面積よりも大きな開口断面積に設定される配管中間部位を有し、
   前記配管中間部位は、前記流体出口の正面視による開口範囲から、前記流体入口とは反対側に膨出する膨出部を有し、
   前記配管中間部位の湾曲形状の内側を構成する部分は、前記流体入口とは反対側に突出するとともに前記膨出部に向かって突出す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、前記流体入口の流体流れ方向は、前記流体連通孔の流体流れ方向に対して直交する方向に設定され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、前記配管中間部位は、前記配管中間部位の湾曲形状の外側を構成する部分であって前記膨出部よりも前記流体入口側の部位に、前記流体出口とは反対側に膨出する膨出領域を有することを特徴とする燃料電池スタック。

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