JP6804884B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。

燃料電池に冷媒を供給して燃料電池の温度を制御することが知られている（特許文献１）。

特開２０１６−０９６６５８号公報

通常、燃料電池は、複数のセルによるスタック構造を有する燃料電池スタックとして実用に供される。燃料電池スタックを冷却水で冷却するために、燃料電池スタック内に流路が形成される。この流路の一部は、各セルの発電面に対応する部位に冷却水を流すための供給用および排出用マニホールドである。

冷却水は、燃料電池スタックの点検や整備のために、上記流路から排出されることがある。点検や整備が終われば、上記流路には再び冷却水が満たされる。この際、流路に空気ができるだけ残らないようにすることが好ましい。流路に空気が残っていると、燃料電池の運転中に、その空気が冷却水を循環させるポンプに流入し、ポンプ性能を低下させる場合がある。

ところで、燃料電池スタックは、種々の姿勢で搭載される。例えば、発電反応に伴う生成水の排水がスムーズになるように傾いた姿勢で搭載される場合がある。この結果として、排出用マニホールドの出口がやや下を向く場合がある。出口がやや下を向くということは、排出用マニホールドの上流側の端は、出口よりも上に位置することになる。このため、排出用マニホールドの上流側の端には空気が溜まりやすく、先述したようにポンプ性能に影響する虞がある。

なお、出口がやや下を向くような姿勢で搭載されていても、冷却水を満たす際には出口が上を向くように燃料電池スタックの姿勢を変えれば、排出用マニホールドの上流側の端に溜まった空気を排出できる。しかし、このように姿勢を変えるのは、点検や整備の工数を増加させるので回避するのが好ましい。

また、上記の課題は、出口が真下を向くように搭載された場合、より顕著になる。本発明は、上記を踏まえ、排出用マニホールドから空気を排出しやすくすることを解決課題とする。

本発明は、上記課題を解決するためのものであり、以下の形態として実現できる。

本発明の一形態は、複数のセルが積層されたセル積層体と；前記セル積層体から冷却水を排出するための排出用マニホールドと；前記排出用マニホールド内に配置され、両端が開口したパイプとを備え；前記パイプの両端のうちの一端は、前記排出用マニホールドの出口付近に位置し；前記パイプの両端のうちの他端は、前記一端よりも前記排出用マニホールドの上流側に位置する燃料電池スタックである。この形態によれば、冷却水の流路に冷却水を注入する場合に、パイプの他端から一端に向けて空気が流れることによって、パイプの一端を経て、排出用マニホールドの出口から空気が排出される。このため、パイプの他端付近の空気が、排出用マニホールドから排出されやすくなる。パイプの他端から一端に向けて空気が流れるのは、排出用マニホールドにおける冷却水の流れに伴う圧力損失によって、他端の方が一端よりも圧力が高くなるからである。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現できる。例えば、燃料電池スタックからの排気方法等の形態で実現できる。

燃料電池スタックの概略構成を示す斜視図。 カソード側セパレータを示す平面図。 出口付近の拡大図。 図３に示したＡ−Ａ断面図。 変形例のパイプを示すＡ−Ａ断面図。 平積搭載された場合におけるＡ−Ａ断面図。

図１は、燃料電池スタック５００の概略構成を示す斜視図である。燃料電池スタック５００は、自動車に搭載される。燃料電池スタック５００は、セル積層体３００Ａ（符合は図４に示す）を含む。セル積層体３００Ａは、複数のセル３００が積層方向ＳＤに沿って積層されて形成されている。セル３００は、固体高分子型燃料電池である。

燃料電池スタック５００の内部には、６つのマニホールド１〜６が形成されている。燃料ガス供給マニホールド１は、燃料電池スタック５００の外部から、各セル３００に水素ガスを供給するための流路である。燃料ガス排出マニホールド２は、各セル３００から排出されるアノードオフガスを、燃料電池スタック５００の外部へ排出するための流路である。酸化剤ガス供給マニホールド３は、燃料電池スタック５００の外部から、各セル３００に空気を供給するための流路である。酸化剤ガス排出マニホールド４は、各セル３００から排出されるカソードオフガスを、燃料電池スタック５００の外部へ排出するための流路である。冷却水供給マニホールド５は、燃料電池スタック５００の外部から、各セル３００の発電対応部２１０（図２）に、冷却水を供給するための流路である。冷却水排出マニホールド６は、各セル３００の発電対応部２１０から排出される冷却水を、燃料電池スタック５００の外部へ排出するための流路である。６つのマニホールド１〜６は何れも、長手方向が積層方向ＳＤと平行な内部マニホールドである。

各セル３００は、ＭＥＧＡプレート２８０と、カソード側セパレータ１００ｃと、アノード側セパレータ１００ａとを備える。ＭＥＧＡは、Membrane Electrode and Gas diffusion layer Assemblyの頭字語であり、膜電極ガス拡散接合体のことである。カソード側セパレータ１００ｃおよびアノード側セパレータ１００ａは、ＭＥＧＡプレート２８０を積層方向に沿って挟んで配置される一対のセパレータである。

ＭＥＧＡプレート２８０は、ＭＥＧＡ２００と、支持フレーム２５０と、を備える。ＭＥＧＡ２００は、固体高分子電解質膜と、アノード側触媒電極層と、カソード側触媒電極層と、アノード側ガス拡散層と、カソード側ガス拡散層とを積層方向ＳＤに積層した構成を有する。支持フレーム２５０の中央部には、厚さ方向に貫通孔が設けられており、この貫通孔にＭＥＧＡ２００が配置されている。

一対のセパレータは、ＭＥＧＡプレート２８０を積層方向ＳＤに挟むように配置されている。カソード側セパレータ１００ｃは、略矩形形状の薄板部材であり、積層方向ＳＤの両面には凹凸形状が形成されている。この凹凸形状により、反応ガス（燃料ガスあるいは酸化剤ガス）が流れるセル内ガス流路が形成され、さらに、隣り合うセル３００のアノード側セパレータ１００ａとの間に冷却水の流路が形成される。カソード側セパレータ１００ｃは、外周部の所定の位置に６つの略矩形の開口部１１〜１６を備えている。開口部１５は、供給用開口部とも呼ぶ。開口部１６は、排出用開口部とも呼ぶ。複数のセル３００が積層されて燃料電池スタック５００が組み立てられたときに、各セル３００の開口部１１〜１６が積層方向ＳＤに重なることにより、先述の６つのマニホールド１〜６が形成される。

隣り合うセル３００の間、より詳細には、各セル３００の隣り合う２つのセパレータ１００ｃ，１００ａの間には、反応ガスや冷却水等の漏洩の防止を目的としてシール部材３０が介在している。シール部材３０は、第１シール部材３０ａと、第２シール部材３０ｂと、第３シール部材３０ｃと、第４シール部材３０ｄと、第５シール部材３０ｅとを含む。第１シール部材３０ａ〜第４シール部材３０ｄは、何れも平面視形状が略矩形の枠状の部材である。第５シール部材３０ｅは、平面視形状が略十字型の枠状の部材である。第１シール部材３０ａは、開口部１１を囲んで配置されている。同様に、第２シール部材３０ｂは開口部１２を、第３シール部材３０ｃは開口部１３を、第４シール部材３０ｄは開口部１４を、それぞれ囲んで配置されている。第５シール部材３０ｅは、２つの開口部１５、１６およびセパレータ１００におけるＭＥＧＡ２００と対応する部位を囲んで配置されている。ＭＥＧＡ２００と対応する部位とは、ＭＥＧＡ２００と接する面とは反対側の面におけるＭＥＧＡ２００に対応する部位のことである。ＭＥＧＡ２００において、セパレータ１００に接する面は、発電面である。このため、上記のＭＥＧＡ２００に対応する部位は、発電面に対応する部位である。

ここで、右手系の直交座標系としてのＸＹＺ座標系を定義する。Ｙ方向は、積層方向ＳＤと平行であり、６つのマニホールド１〜６の開口部１１〜１６が配置された側から、燃料電池スタック５００内部への向きがプラスである。Ｘ方向は、セル３００の輪郭の長辺方向と平行であり、冷却水排出マニホールド６から冷却水供給マニホールド５への向きがプラスである。Ｚ方向は、セルの輪郭の短辺方向と平行であり、燃料ガス排出マニホールド２から酸化剤ガス排出マニホールド４への向きがプラスである。なお、図１に示すように、最もＹ方向マイナス側に位置するセル３００の開口部１６を、出口１６ａとも呼ぶ。

冷却水排出マニホールド６内には、図１に示すように、パイプ４００が設けられている。パイプ４００については、図３及び図４と共に説明する。

図２は、カソード側セパレータ１００ｃの構成を示す平面図である。カソード側セパレータ１００ｃにおいて、一方の面は、ＭＥＧＡプレート２８０と対面し、他方の面は、シール部材３０を介して隣り合うセル３００のアノード側セパレータ１００ａと対面する。図２では、カソード側セパレータ１００ｃの両面のうち、隣り合うセル３００のアノード側セパレータ１００ａと対面する面を表している。カソード側セパレータ１００ｃの形状は、アノード側セパレータ１００ａの形状に対し、面対称の関係にある。そこで、カソード側セパレータ１００ｃについて代表して説明する。

図２に示すように、カソード側セパレータ１００ｃは、先述の６つの開口部１１〜１６に加えて、６つの壁部２０ａ〜２０ｆを備える。６つの壁部２０ａ〜２０ｆは何れも、隣り合うセル３００のアノード側セパレータ１００ａへの向き（Ｙ方向マイナス向き）に突出している。これらの壁部２０ａ〜２０ｆは、シール部材３０が大きく位置ずれすることを抑制するために形成されている。壁部２０ａは、開口部１１の外周部を囲んで配置されている。壁部２０ｂは開口部１２の外周部を、壁部２０ｃは開口部１３の外周部を、壁部２０ｄは開口部１４の外周部を、それぞれ囲んで配置されている。壁部２０ｅは、２つの開口部１５，１６と、カソード側セパレータ１００ｃにおけるＭＥＧＡ２００と接する部分に対応する部位２１０（以下、発電対応部２１０という）を含む領域を囲んで配置されている。壁部２０ｆは、カソード側セパレータ１００ｃの外縁近傍において、この外縁に沿って配置されている。

カソード側セパレータ１００ｃにおいて、発電対応部２１０には、Ｘ軸方向に沿って延設された複数の流路１１１と、流路１１１の両端部に配置された複数の突起部１１２とが配置されている。流路１１１は、発電対応部２１０内における冷却水の流路であり、互いに平行な複数のリブにより形成されている。カソード側セパレータ１００ｃと対面する隣のアノード側セパレータ１００ａの表面にも同様な複数のリブが設けられている（図示しない）。このため、セル３００が積層された状態において、これら２つの対面するセパレータ１００ｃ，１００ａの流路１１１同士が対面して、隣り合う２つのセパレータ１００ｃ，１００ａ間に冷却水の流路が形成される。突起部１１２のうち、Ｘ方向プラス側の突起部１１２は、開口部１５から発電対応部２１０に流入する冷却水をＺ軸方向に分散させる。また、Ｘ方向マイナス側の突起部１１２から開口部１６へと排出される冷却水を開口部１６に向かう方向に集める。

図３は、出口１６ａ付近の拡大図である。図２に示すように、パイプ４００は、支持部４１０によって、冷却水排出マニホールド６の隅に固定されている。パイプ４００が固定される隅は、Ｘ方向マイナス側、且つＺ方向プラス側の隅である。このため、Ｚ方向プラス側が鉛直方向上向きに一致する場合、パイプ４００は、冷却水排出マニホールド６内において、鉛直方向の最高位置に設置される。支持部４１０は、アノード側セパレータ１００ａ、カソード側セパレータ１００ｃ及び支持フレーム２５０のそれぞれに設けられている。

図４は、図３に示したＡ−Ａ断面図である。図４では、セル３００を１つずつ区別して図示する代わりに、セル３００の積層体であるセル積層体３００Ａとしてまとめて図示する。図４は、燃料電池スタック５００の構成部品として、セル積層体３００Ａ及びパイプ４００に加え、ターミナルプレート２６０，２６５、及び絶縁プレート２７０も示している。

図４に示すように、Ｚ方向は、鉛直方向に一致していない。これは、本実施形態における燃料電池スタック５００が傾いて搭載されていることを示している。ここでいう傾きは、燃料電池スタック５００を搭載した自動車の４つのタイヤが接する面を基準にしている。傾けて搭載する目的は、４つのタイヤが水平面に接している場合に、アノードガスとカソードガスとの反応に伴う生成水の排出をスムーズにすることである。傾けて設置された結果、図４に示すように、出口１６ａがやや下を向いている。

パイプ４００は、両端が開口し、Ｙ方向に沿って真っ直ぐ延びる管である。パイプ４００の一端である開口端４０８は、出口１６ａ付近に配置されている。パイプ４００の他端である開口端４０４は、ターミナルプレート２６０に接触するように配置されている。このため、開口端４０４は、開口端４０８よりも、冷却水排出マニホールド６の上流側に位置する。

開口端４０４は、切り欠き４０５を有する。このため、冷却水排出マニホールド６内の流体は、開口端４０４を介してパイプ４００内に流入できる。なお、切り欠き４０５は、開口端４０４のＺ方向プラス側の位置に設けられている。

図４は、燃料電池スタック５００の運転が停止している間に、一旦、殆どの冷却水を燃料電池スタック５００内から排出した後、冷却水の流路を、再び冷却水で満たそうとしている作業工程の途中経過を示す。流路を冷却水で満たすために、冷却水供給マニホールド５から冷却水が注入される。冷却水供給マニホールド５から注入された冷却水は、各セル３００の発電面に対応する部位を通過して、冷却水排出マニホールド６内に流入する。図４には、作業工程の途中経過として、冷却水排出マニホールド６内の一部が冷却水で満たされている様子が示されている。

冷却水排出マニホールド６内に冷却水が満たされていく過程において、冷却水排出マニホールド６内に存在する空気の一部は、先述したように燃料電池スタック５００が傾いているため、出口１６ａから排出されずに、特定部位の付近に取り残される。特定部位とは、冷却水排出マニホールド６の上流側の端であり、より具体的にいえば、冷却水排出マニホールド６のＹ方向プラス側の端部、且つＺ方向プラス側の端部のことである。つまり、特定部位は、冷却水排出マニホールド６において、最も鉛直方向上側の部位である。

特定部位の付近に取り残された空気は、冷却水排出マニホールド６内において冷却水の水面が上昇するに連れ、切り欠き４０５からパイプ４００内に流入し、開口端４０８から冷却水排出マニホールド６内に流れ込み、燃料電池スタック５００外に排出される。

特定部位の付近に取り残された空気がパイプ４００内に流入するのは、切り欠き４０５における圧力が、開口端４０８における圧力よりも高いからである。このような圧力差が生じる原因は、冷却水排出マニホールド６内における冷却水の流れに伴って発生する圧力損失である。

特定部位の付近に取り残された空気が冷却水排出マニホールド６内に流れ込んだ後に、冷却水排出マニホールド６内を逆流せずに、燃料電池スタック５００外に排出されるのは、開口端４０８が出口１６ａ付近に位置するからである。

このようにして、特定部位の付近に取り残された空気は次第に少なくなり、やがて殆ど無くなる。特定部位に空気が殆ど無くなると、切り欠き４０５から冷却水がパイプ４００内に流入し、やがてパイプ４００内が冷却水で満たされる。このようにして、冷却水排出マニホールド６内から殆どの空気が排出され、冷却水排出マニホールド６内は冷却水で満たされる。冷却水排出マニホールド６内が冷却水で満たされれば、正常に燃料電池スタック５００を運転できる。

本発明は、本明細書の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現できる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、先述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、先述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせができる。その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除できる。例えば、以下のものが例示される。

図５は、先述したパイプ４００の代わりに、パイプ４００ａを備える形態におけるＡ−Ａ断面図である。パイプ４００ａは、パイプ４００と異なり、曲がった管である。具体的には、パイプ４００ａは、開口端４０８付近において、絶縁プレート２７０の貫通孔に接触している。このように、パイプ４００ａの開口端４０８についても、先述したパイプ４００と同様、出口１６ａ付近に配置されている。

さらに別の形態として、図５に示すように、パイプ４００ａは、開口端４０８の代わりに、開口端４０８ａを有していてもよい。開口端４０８ａについても、開口端４０８と同様、出口１６ａ付近に配置されている。より具体的には、開口端４０８ａは、開口端４０８よりもＹ方向マイナス側に位置し、絶縁プレート２７０に接続された冷却水配管６００の流路内に配置されている。

図６は、パイプ４００を備える燃料電池スタック５００が、平積搭載された場合におけるＡ−Ａ断面図である。平積搭載とは、Ｙ方向マイナス側が、鉛直方向下向きに一致する搭載の仕方である。パイプ４００による空気の排出機能は、平積搭載の場合においても発揮される。また、パイプ４００ａを用いても、平積搭載の場合において、空気の排出機能は発揮される。

さらに他の形態として、下記の内容が例示される。

パイプ４００，４００ａの開口端４０４は、ターミナルプレートに接触していなくてもよい。

燃料電池を搭載する自動車は、コネクテッドカーでもよい。コネクテッドカーとは、通信機を搭載し、クラウドとの通信によってサービスを受けることができる自動車である。

パイプ４００又はパイプ４００ａを配置する冷却水排出マニホールドは、外部マニホールドとして形成されたものでもよい。外部マニホールドは、樹脂などで一体成形した部品であり、セル積層体の側面に押し付けて設置される。外部マニホールドは、内部マニホールドと同様、燃料ガスと酸化剤ガスと冷却水とのそれぞれについて、各セルに対する供給および排出を実現するための流路として機能する。外部マニホールドが用いられる場合、各セルには、マニホールドを形成するための開口部は設けられない。

１…燃料ガス供給マニホールド
２…燃料ガス排出マニホールド
３…酸化剤ガス供給マニホールド
４…酸化剤ガス排出マニホールド
５…冷却水供給マニホールド
６…冷却水排出マニホールド
１１…開口部
１２…開口部
１３…開口部
１４…開口部
１５…開口部
１６…開口部
１６ａ…出口
２０ａ…壁部
２０ｂ…壁部
２０ｃ…壁部
２０ｄ…壁部
２０ｅ…壁部
２０ｆ…壁部
３０…シール部材
３０ａ…第１シール部材
３０ｂ…第２シール部材
３０ｃ…第３シール部材
３０ｄ…第４シール部材
３０ｅ…第５シール部材
１００ａ…アノード側セパレータ
１００ｃ…カソード側セパレータ
１１１…流路
１１２…突起部
２１０…発電対応部
２５０…支持フレーム
２６０…ターミナルプレート
２６５…ターミナルプレート
２７０…絶縁プレート
２８０…ＭＥＧＡプレート
３００…セル
３００Ａ…セル積層体
４００…パイプ
４００ａ…パイプ
４０４…開口端
４０８…開口端
４０８ａ…開口端
４１０…支持部
４１０ａ…支持部
５００…燃料電池スタック
６００…冷却水配管

Claims (3)

1. 燃料電池スタックであって、
   複数のセルが積層されたセル積層体と、
   前記セル積層体から冷却水を排出するための排出用マニホールドと、
   前記排出用マニホールド内に配置され、両端が開口しているパイプであって、前記排出用マニホールドに存在する空気を前記燃料スタックの外部に排出するためのパイプとを備え、
   前記パイプの両端のうちの一端は、前記排出用マニホールドの出口付近に位置し、
   前記パイプの両端のうちの他端は、前記一端よりも前記排出用マニホールドの上流側に位置する
   燃料電池スタック。
2. 請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、
   前記パイプの他端は切り欠きを有する、燃料電池スタック。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池スタックはさらに、
   前記セル積層体の両端に配置されているターミナルプレートを備え、
   前記パイプの他端は前記ターミナルプレートに接触している、燃料電池スタック。

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