JP6104113B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設ける電解質膜・電極構造体と、横長形状のセパレータとが水平方向に積層される燃料電池に関する。

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両側に、それぞれアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより、発電セルが構成されている。この燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池では、積層されている各発電セルのアノード電極及びカソード電極に、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、所謂、内部マニホールド型燃料電池を構成する場合が多い。

内部マニホールド型燃料電池は、それぞれ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（燃料ガス入口連通孔及び酸化剤ガス入口連通孔）と反応ガス出口連通孔（燃料ガス出口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔）とを備えている。反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔は、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路（燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路）に連通している。反応ガス流路の入口側及び出口側には、反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔がそれぞれ連通している。

ところで、燃料電池の発電時には、カソード電極側に反応による生成水が発生し、この生成水が酸化剤ガス出口連通孔に滞留し易い。一方、アノード電極側には、生成水が逆拡散し、燃料ガス出口連通孔に滞留水が惹起する場合がある。従って、酸化剤ガス出口連通孔や燃料ガス出口連通孔は、滞留水により閉塞されるおそれがある。これにより、酸化剤ガスや燃料ガスの流れが阻害され、前記酸化剤ガスや前記燃料ガスの供給不足による発電性能の低下が発生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用セパレータが知られている。この燃料電池用セパレータでは、一方の面にアノードガスを流通させるアノードガス流路を備えている。アノードガス流路の一端には、アノードガスを前記アノードガス流路に供給するアノードガス入口マニホールドが形成されている。アノードガス流路の他端には、アノードガスを前記アノードガス流路から排出するアノードガス出口マニホールドが形成されている。

そして、燃料電池用セパレータは、アノードガス出口マニホールドを形成する貫通孔を、当該セパレータの面方向に拡張させて水溜り部を形成しており、前記水溜り部には、アノードガス流路の出口から排出される生成水が貯留されている。

特開２０１０−１２９４８２号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、アノードガス出口マニホールドを形成する貫通孔が、拡張して形成されている。このため、燃料電池用セパレータ自体が相当に大型化するという問題がある。従って、例えば、燃料電池を燃料電池車両に搭載する際に、搭載スペースが拡大してしまい、レイアウトが困難になるというおそれがある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、生成水の排水性を向上させるとともに、容易にコンパクト化を図ることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、電解質膜の両側に一対の電極を設ける電解質膜・電極構造体と、横長形状のセパレータとが水平方向に積層された積層体を備えている。セパレータの水平方向両端には、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体を積層方向に流通させる流体連通孔が形成されている。

そして、セパレータの水平方向両端下方に配置される流体連通孔の最下端位置は、電極反応面の下端よりも下方に設定されるとともに、前記セパレータの底辺には、１つの円弧状の第１の切り欠き形状部が設けられている。前記積層体の積層方向の両端には、エンドプレートが配設され、各エンドプレートの底辺には、１つの円弧状の第２の切り欠き形状部が設けられている。

また、この燃料電池では、前記第１の切り欠き形状部の前記セパレータの前記底辺に対する開口幅は、前記セパレータの前記底辺に沿った全長の半分以上の寸法に設定されていることが好ましい。さらに、この燃料電池では、流体連通孔は、燃料ガス入口連通孔、燃料ガス出口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔、酸化剤ガス出口連通孔、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔を有することが好ましい。燃料ガス出口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔の最下端位置と、少なくとも冷却媒体出口連通孔又は冷却媒体入口連通孔の最下端位置とは、電極反応面の下端よりも下方に設定されることが好ましい。

本発明に係る燃料電池では、燃料電池は、燃料電池車両に搭載されるとともに、セパレータの切り欠き形状部は、前記燃料電池車両を構成する車両走行用モータの外形形状に対応する形状に設定される。

本発明によれば、セパレータの水平方向両端下方に配置される流体連通孔の最下端位置は、電極反応面の下端よりも下方に設定されている。このため、生成水の排出性を良好に確保することができる。しかも、セパレータの底辺には、円弧状の切り欠き形状部が設けられている。従って、切り欠き形状部に対応して、他の部品を配置させることができ、燃料電池全体を容易にコンパクト化することが可能になる。これにより、燃料電池は、例えば、燃料電池車両内へのレイアウトが容易に遂行され、レイアウト性の向上が図られる。

本発明の実施形態に係る燃料電池が搭載される燃料電池車両の要部側面説明図である。 前記燃料電池が積層された燃料電池スタックの第１エンドプレート側からの斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの第２エンドプレート側からの斜視説明図である。 前記燃料電池の要部分解斜視図である。 前記燃料電池の正面説明図である。

図１〜図３に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池１０は、水平方向に複数積層されて燃料電池スタック１２を構成する。図１に示すように、燃料電池スタック１２は、燃料電池車両（燃料電池電気自動車）１４のフロントボックス（所謂、モータルーム）１４ａに収容される。

フロントボックス１４ａには、走行用モータ１６が配置される。走行用モータ１６の回転軸は、燃料電池車両１４の車幅方向に延びている。走行用モータ１６は、燃料電池車両１４の車長方向（矢印Ａ方向）両端に、一対のマウント部１６ａと一対のマウント部１６ｂとが外方に突出して膨出形成される。マウント部１６ａとマウント部１６ｂとは、車長方向（矢印Ａ方向）に交差する車幅方向（矢印Ｂ方向）に所定の間隔だけ離間して設けられる。具体的には、後述する第１エンドプレート２４ａと第２エンドプレート２４ｂとの間隔に対応して設けられる。

マウント部１６ａとマウント部１６ｂとには、それぞれボルト１８を介して燃料電池スタック１２を構成する第１エンドプレート２４ａと第２エンドプレート２４ｂとが固定される。なお、本実施形態では、燃料電池スタック１２が走行用モータ１６の上部に搭載されているが、これに限定されるものではなく、他の設備に搭載可能である。

燃料電池スタック１２は、図２及び図３に示すように、複数の燃料電池１０が、立位姿勢で燃料電池車両１４の車長方向（矢印Ａ方向）に交差する車幅方向（矢印Ｂ方向）に積層される。燃料電池１０は、発電面が鉛直方向に沿って立位姿勢に配置されるとともに、各長辺が上辺及び下辺として配置されることにより、積層体１０ａｓを構成する。

積層体１０ａｓの積層方向一端には、第１ターミナルプレート２０ａ、第１絶縁プレート２２ａ及び第１エンドプレート２４ａが外方に向かって、順次、配設される。燃料電池１０の積層方向他端には、第２ターミナルプレート２０ｂ、第２絶縁プレート２２ｂ及び第２エンドプレート２４ｂが外方に向かって、順次、配設される。

第１エンドプレート２４ａの略中央部からは、第１ターミナルプレート２０ａに接続された第１出力端子２６ａが延在する。第２エンドプレート２４ｂの略中央部からは、第２ターミナルプレート２０ｂに接続された第２出力端子２６ｂが延在する。

第１エンドプレート２４ａと第２エンドプレート２４ｂの各長辺間には、連結バー（締結部材）２８の両端がねじ３０により固定される。第１エンドプレート２４ａと第２エンドプレート２４ｂの各短辺間には、連結バー２８の両端がねじ３０により固定される。燃料電池スタック１２には、各連結バー２８により、複数の積層された燃料電池１０に積層方向（矢印Ｂ方向）の締め付け荷重が付与される。

図４に示すように、燃料電池１０は、横長の長方形状を有するとともに、電解質膜・電極構造体３２が、第１セパレータ３４及び第２セパレータ３６に挟持される。横長形状の第１セパレータ３４及び第２セパレータ３６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等の金属セパレータやカーボンセパレータにより構成される。

燃料電池１０の矢印Ａ方向（図４中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ｂ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔４０ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３８ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、燃料ガス出口連通孔４０ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔４０ｂは、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１０の矢印Ａ方向の他端縁部には、矢印Ｂ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔４０ａ、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３８ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

燃料電池１０の矢印Ｃ方向の上端縁部には、冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔４２ａが設けられる。燃料電池１０の矢印Ｃ方向の下端縁部には、冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔４２ｂが設けられる。

酸化剤ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス入口連通孔４０ａは、開口形状が三角形（矩形でもよい）に設定される。酸化剤ガス出口連通孔３８ｂ及び燃料ガス出口連通孔４０ｂは、上方の開口形状が三角形で且つ下方の開口形状が矩形状に設定される。酸化剤ガス出口連通孔３８ｂ及び燃料ガス出口連通孔４０ｂは、酸化剤ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス入口連通孔４０ａに比べて、鉛直方向に長尺に構成される。

一対の冷却媒体入口連通孔４２ａは、開口形状が横長の矩形に設定される。一対の冷却媒体出口連通孔４２ｂは、開口形状が三角形に設定される。冷却媒体出口連通孔４２ｂは、後述する円弧状の切り欠き形状部６２により形状が規制されており、可能であれば開口形状を矩形に設定してもよい。

第１セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３４ａには、酸化剤ガス入口連通孔３８ａと酸化剤ガス出口連通孔３８ｂとに連通し、矢印Ａ方向に延在する酸化剤ガス流路４４が設けられる。酸化剤ガス流路４４の入口側には、複数のエンボスを有する入口バッファ部４５ａが設けられる一方、前記酸化剤ガス流路４４の出口側には、複数のエンボスを有する出口バッファ部４５ｂが設けられる。

第２セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３６ａには、燃料ガス入口連通孔４０ａと燃料ガス出口連通孔４０ｂとに連通し、矢印Ａ方向に延在する燃料ガス流路４６が設けられる。燃料ガス流路４６の入口側には、複数のエンボスを有する入口バッファ部４７ａが設けられる一方、前記燃料ガス流路４６の出口側には、複数のエンボスを有する出口バッファ部４７ｂが設けられる。

互いに隣接する燃料電池１０を構成する第１セパレータ３４の面３４ｂと、第２セパレータ３６の面３６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔４２ａと冷却媒体出口連通孔４２ｂとを連通する冷却媒体流路４８が設けられる。

第１セパレータ３４及び第２セパレータ３６には、それぞれシール部材５０、５２が、一体的又は個別に設けられる。シール部材５０、５２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を使用する。

電解質膜・電極構造体３２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５４と、前記固体高分子電解質膜５４を挟持するカソード電極５６及びアノード電極５８とを備える。

カソード電極５６及びアノード電極５８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て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５４の両面に形成されている。

図５に示すように、第１セパレータ３４及び第２セパレータ３６において、水平方向両端下方に配置される酸化剤ガス出口連通孔３８ｂの最下端位置３８ｂｅ及び燃料ガス出口連通孔４０ｂの最下端位置４０ｂｅは、電極反応面６０の下端６０ｅよりも下方に設定される。電極反応面６０は、カソード電極５６を構成する電極触媒層とアノード電極５８を構成する電極触媒層とが、積層方向に互いに重なり合う領域であり、実際に発電反応が惹起される範囲をいう。

本実施形態では、一対の冷却媒体出口連通孔４２ｂの最下端位置４２ｂｅ、より好ましくは、該最下端位置４２ｂｅを含む全領域は、電極反応面６０の下端６０ｅよりも下方に設定される。なお、一対の冷却媒体入口連通孔４２ａを矢印Ｃ方向一方の端部側に上下に設け、一対の冷却媒体出口連通孔４２ｂを矢印Ｃ方向他方の端部側に上下に設ける場合がある。その際、１つの冷却媒体入口連通孔４２ａ及び１つの冷却媒体出口連通孔４２ｂは、それぞれの最下端位置が電極反応面６０の下端６０ｅよりも下方に設定されることになる。

第１セパレータ３４及び第２セパレータ３６の底辺には、円弧状の切り欠き形状部６２が設けられている。切り欠き形状部６２は、例えば、走行用モータ１６の外形形状に対応する形状に設定される。なお、切り欠き形状部６２には、他の設備を配置することも可能であり、その際、前記切り欠き形状部６２の形状は、収容配置される他の設備の外形形状に対応して設定される。また、電解質膜・電極構造体３２においても、同様に構成される。走行用モータ１６の上方と酸化剤ガス出口連通孔３８ｂ、燃料ガス出口連通孔４０ｂ及び冷却媒体出口連通孔４２ｂとは、重力方向において重なり部を有する。

図２に示すように、第１エンドプレート２４ａの底辺には、円弧状の切り欠き形状部６２ａが設けられる一方、図３に示すように、第２エンドプレート２４ｂの底辺には、円弧状の切り欠き形状部６２ｂが設けられる。切り欠き形状部６２ａ、６２ｂは、例えば、走行用モータ１６の外形形状に対応する形状に設定される。

図２に示すように、第１エンドプレート２４ａの底辺の両側には、それぞれねじ穴６４ａが形成され、走行用モータ１６の各マウント部１６ａにボルト１８を介して固定される。図３に示すように、第２エンドプレート２４ｂの底辺には、一対のねじ穴６４ｂが形成され、走行用モータ１６の各マウント部１６ｂにボルト１８を介して固定される。

第１エンドプレート２４ａには、図２に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド６６ａ、酸化剤ガス排出マニホールド６６ｂ、燃料ガス供給マニホールド６８ａ及び燃料ガス排出マニホールド６８ｂが、ボルト７０を介して取り付けられる。酸化剤ガス供給マニホールド６６ａは、酸化剤ガス入口連通孔３８ａに連通し、酸化剤ガス排出マニホールド６６ｂは、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂに連通する。燃料ガス供給マニホールド６８ａは、燃料ガス入口連通孔４０ａに連通し、燃料ガス排出マニホールド６８ｂは、燃料ガス出口連通孔４０ｂに連通する。

第２エンドプレート２４ｂには、図３に示すように、冷却媒体供給マニホールド７２と、一対の冷却媒体排出マニホールド７４、７４とが、ボルト７６を介して取り付けられる。冷却媒体供給マニホールド７２は、一対の冷却媒体入口連通孔４２ａに連通し、各冷却媒体排出マニホールド７４、７４は、各冷却媒体出口連通孔４２ｂ、４２ｂに連通する。

なお、上記の構成に代えて、第１エンドプレート２４ａに、全てのマニホールド（酸化剤ガス供給マニホールド６６ａ、酸化剤ガス排出マニホールド６６ｂ、燃料ガス供給マニホールド６８ａ、燃料ガス排出マニホールド６８ｂ、冷却媒体供給マニホールド７２及び一対の冷却媒体排出マニホールド７４）を設けてもよい。

このように構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。

先ず、図２に示すように、第１エンドプレート２４ａでは、酸化剤ガス供給マニホールド６６ａから酸化剤ガス入口連通孔３８ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、燃料ガス供給マニホールド６８ａから燃料ガス入口連通孔４０ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。一方、図３に示すように、第２エンドプレート２４ｂでは、冷却媒体供給マニホールド７２から一対の冷却媒体入口連通孔４２ａ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。

このため、図４に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３８ａから第１セパレータ３４の酸化剤ガス流路４４に導入される。酸化剤ガスは、矢印Ａ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体３２を構成するカソード電極５６に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔４０ａから第２セパレータ３６の燃料ガス流路４６に導入される。この燃料ガスは、矢印Ａ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体３２を構成するアノード電極５８に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体３２では、カソード電極５６に供給される酸化剤ガスと、アノード電極５８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。これにより、走行用モータ１６に電力が供給されるため、燃料電池車両１４は、走行可能になる。

カソード電極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３８ｂに沿って矢印Ｂ方向に流通し、酸化剤ガス排出マニホールド６６ｂから排出される（図２参照）。一方、アノード電極５８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に沿って矢印Ｂ方向に流通し、燃料ガス排出マニホールド６８ｂから排出される。

また、一対の冷却媒体入口連通孔４２ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ３４及び第２セパレータ３６間の冷却媒体流路４８に導入された後、矢印Ｃ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３２を冷却した後、一対の冷却媒体出口連通孔４２ｂを流通し、一対の冷却媒体排出マニホールド７４から排出される（図３参照）。

この場合、本実施形態では、図５に示すように、第１セパレータ３４及び第２セパレータ３６において、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂの最下端位置３８ｂｅ及び燃料ガス出口連通孔４０ｂの最下端位置４０ｂｅは、電極反応面６０の下端６０ｅよりも下方に設定されている。このため、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂ及び燃料ガス出口連通孔４０ｂからの生成水の排出性を良好に確保することができる。従って、酸化剤ガス出口連通孔３８ｂ及び燃料ガス出口連通孔４０ｂが閉塞されることを確実に抑制することが可能になる。しかも、電極反応面６０に生成水が逆流することを防止することができる。

しかも、第１セパレータ３４及び第２セパレータ３６の底辺には、円弧状の切り欠き形状部６２が設けられている。さらに、第１エンドプレート２４ａの底辺及び第２エンドプレート２４ｂの底辺には、円弧状の切り欠き形状部６２ａ及び６２ｂが設けられている。

これにより、切り欠き形状部６２、６２ａ及び６２ｂに対応して、他の部品を配置することができ、燃料電池１０全体を容易にコンパクト化することが可能になる。例えば、切り欠き形状部６２、６２ａ及び６２ｂは、走行用モータ１６の外形形状に対応する形状に設定されている。このため、燃料電池スタック１２の内方に、走行用モータ１６を収容配置させることができる。

従って、燃料電池スタック１２及び走行用モータ１６を含む高さ方向の占有寸法を可及的に短尺化させることが可能になる。これにより、燃料電池スタック１２は、燃料電池車両１４内へのレイアウトが容易に遂行され、レイアウト性の向上が図られるという効果が得られる。

１０…燃料電池 １２…燃料電池スタック
１４…燃料電池車両 １４ａ…フロントボックス
１６…走行用モータ ２４ａ、２４ｂ…エンドプレート
３２…電解質膜・電極構造体 ３４、３６…セパレータ
３８ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３８ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
４０ａ…燃料ガス入口連通孔 ４０ｂ…燃料ガス出口連通孔
４２ａ…冷却媒体入口連通孔 ４２ｂ…冷却媒体出口連通孔
４４…酸化剤ガス流路 ４６…燃料ガス流路
４８…冷却媒体流路 ５０、５２…シール部材
５４…固体高分子電解質膜 ５６…カソード電極
５８…アノード電極 ６０…電極反応面
６２、６２ａ、６２ｂ…切り欠き形状部

Claims (4)

1. 電解質膜の両側に一対の電極を設ける電解質膜・電極構造体と、横長形状の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、前記セパレータの水平方向両端には、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体を積層方向に流通させる流体連通孔が形成される燃料電池であって、
   前記セパレータの水平方向両端下方に配置される前記流体連通孔の最下端位置は、電極反応面の下端よりも下方に設定されるとともに、
   前記セパレータの底辺には、１つの円弧状の第１の切り欠き形状部が設けられ、
   前記積層体の積層方向の両端には、エンドプレートが配設され、
   各エンドプレートの底辺には、１つの円弧状の第２の切り欠き形状部が設けられていることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、前記第１の切り欠き形状部の前記セパレータの前記底辺に対する開口幅は、前記セパレータの前記底辺に沿った全長の半分以上の寸法に設定されていることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池において、前記流体連通孔は、燃料ガス入口連通孔、燃料ガス出口連通孔、酸化剤ガス入口連通孔、酸化剤ガス出口連通孔、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔を有し、
   前記燃料ガス出口連通孔及び前記酸化剤ガス出口連通孔の最下端位置と、少なくとも前記冷却媒体出口連通孔又は前記冷却媒体入口連通孔の最下端位置とは、前記電極反応面の下端よりも下方に設定されることを特徴とする燃料電池。
4. 電解質膜の両側に一対の電極を設ける電解質膜・電極構造体と、横長形状のセパレータとが水平方向に積層されるとともに、前記セパレータの水平方向両端には、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体を積層方向に流通させる流体連通孔が形成される燃料電池であって、
   前記セパレータの水平方向両端下方に配置される前記流体連通孔の最下端位置は、電極反応面の下端よりも下方に設定されるとともに、
   前記セパレータの底辺には、円弧状の切り欠き形状部が設けられ、
   前記燃料電池は、燃料電池車両に搭載されるとともに、
   前記セパレータの前記切り欠き形状部は、前記燃料電池車両を構成する車両走行用モータの外形形状に対応する形状に設定されることを特徴とする燃料電池。

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