JP7059706B2 - 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。

従来、このような分野の技術として、例えば下記特許文献１に記載されるものがある。この特許文献１に記載の燃料電池スタックでは、膜電極接合体と該膜電極接合体を挟持する一対のセパレータとを有する燃料電池セルが複数積層されており、セパレータの一方の面に反応ガスを流通させる反応ガス流路、セパレータの他方の面に冷媒を流通させる冷媒流路がそれぞれ形成されている。

特開２００９－１６０７０号公報

しかし、上述の燃料電池スタックでは、冷媒に気泡が混入された場合に、気泡が冷媒流路を流れ込むので、冷却性能の低下を招く可能性がある。

本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、気泡に起因する冷却性能の低下を抑制できる燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池スタックは、発電部と該発電部を挟持する一対のセパレータとを有する燃料電池セルが複数積層される燃料電池スタックであって、互いに離れて配置される冷媒入口マニホールド及び冷媒出口マニホールドと、前記発電部に対応する領域に設けられ、前記冷媒入口マニホールドと前記冷媒出口マニホールドとを連通する複数の発電部内冷媒流路と、前記発電部よりも重力方向上方の領域に設けられ、前記冷媒入口マニホールドと前記冷媒出口マニホールドとを連通する発電部外冷媒流路と、を備え、前記発電部内冷媒流路と前記発電部外冷媒流路とは、連通していることを特徴としている。

本発明に係る燃料電池スタックでは、発電部内冷媒流路と発電部外冷媒流路とは連通しているので、発電部内冷媒流路を流れる冷媒に気泡が混入された場合、混入された気泡が重力方向上方に位置する発電部外冷媒流路に移ることができる。このため、発電部内冷媒流路を流れる冷媒中に混入された気泡が減少するので、気泡に起因する冷却性能の低下を抑制することができる。

本発明に係る燃料電池スタックにおいて、前記冷媒入口マニホールドと前記冷媒出口マニホールドとは、重力方向に直交する方向に配置されていることが好ましい。

本発明に係る燃料電池スタックにおいて、前記セパレータには、前記発電部内冷媒流路を構成する凹部と、反応ガス流路を構成する凸部とが交互に複数配置され、隣接する前記発電部内冷媒流路同士、前記発電部外冷媒流路と隣接する前記発電部内冷媒流路とは、前記凸部に設けられて該凸部よりも突出高さの低い絞り部によってそれぞれ連通していることが好ましい。このようにすれば、簡単な構造をもって隣接する発電部内冷媒流路同士、発電部外冷媒流路と隣接する発電部内冷媒流路とを容易に連通することができる。

本発明に係る燃料電池スタックにおいて、重力方向において、前記発電部外冷媒流路の断面積は前記発電部内冷媒流路の断面積よりも大きいことが好ましい。このようにすれば、発電部外冷媒流路を流れる冷媒の流速を速くすることで、該発電部外冷媒流路に集まってきた気泡を速やかに外部に排出することができる。従って、気泡の量が多い場合であっても、気泡が発電部内冷媒流路にまで拡がることを防ぐことができ、気泡の存在による発電部の放熱が不十分になることを一層抑制することができる。

本発明によれば、気泡に起因する冷却性能の低下を抑制することができる。

実施形態に係る燃料電池スタックを示す側面図である。 実施形態に係る燃料電池スタックを示す正面図である。 図２のＡ－Ａ線に沿う部分断面図である。 絞り部の構造を説明するための正面図である。 図４のＢ－Ｂ線に沿う部分断面図である。

以下、図面を参照して本発明に係る燃料電池スタックの実施形態について説明する。本発明に係る燃料電池スタックは、車両、船舶、航空機、電車等に搭載されて駆動源として用いられても良く、建物の発電設備として用いられても良い。

図１は実施形態に係る燃料電池スタックを示す側面図であり、図２は実施形態に係る燃料電池スタックを示す正面図であり、図３は図２のＡ－Ａ線に沿う部分断面図である。各図において、燃料電池セルの積層方向を積層方向Ｘ、重力方向を重力方向Ｚ、積層方向Ｘ及び重力方向Ｚに直交する水平方向を水平方向Ｙとする。また、図２において、燃料電池セルの内部構造をより分かり易くするために、エンドプレート、絶縁板及び集電板を省略したものを示す。

図１に示すように、本実施形態の燃料電池スタック１は、エンドプレート３Ａと、絶縁板４Ａと、集電板５Ａと、複数の燃料電池セル２と、集電板５Ｂと、絶縁板４Ｂと、エンドプレート３Ｂとが、この順に積層されたスタック構造を有している。複数の燃料電池セル２は、積層方向Ｘの両側にあるエンドプレート３Ａ，３Ｂによって所定の圧縮荷重で締結固定されている。

燃料電池セル２は、固体高分子電解質型燃料電池を構成する単セルであり、薄板状に形成されている。この燃料電池セル２は、中央位置に配置されたＭＥＧＡ（膜電極ガス拡散層接合体 Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly）２１と、ＭＥＧＡ２１を取り囲むように該ＭＥＧＡ２１の外周に配置された枠状のシール部２２と、ＭＥＧＡ２１及びシール部２２とを挟持する一対のセパレータ（すなわち、アノードセパレータ及びカソードセパレータ）２３，２３とを備えている。固体高分子電解質型燃料電池は、このような構造を有する燃料電池セル２を重力方向Ｚに立てた状態で積層方向Ｘに沿って複数積層することにより形成されている。

ＭＥＧＡ２１は、積層方向Ｘから見たときに矩形状を呈しており、ＭＥＡ（膜電極接合体 Membrane Electrode Assembly）２１１と、積層方向Ｘに沿ってＭＥＡ２１１の両側に配置されたガス拡散層２１２，２１２とが一体化されたものである。ＭＥＡ２１１は、電解質膜２１１ａと、電解質膜２１１ａを挟むように接合された一対の電極触媒層２１１ｂ，２１１ｂとからなる。電解質膜２１１ａは、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜からなる。電極触媒層２１１ｂは、例えば、白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材により形成されている。電解質膜２１１ａの一方側に配置された電極触媒層２１１ｂがアノード電極触媒層となり、他方側の電極触媒層２１１ｂがカソード電極触媒層となる。ガス拡散層２１２は、例えばカーボンペーパ若しくはカーボンクロス等のカーボン多孔質体、または、金属メッシュ若しくは発泡金属等の金属多孔質体などのガス透過性を有する導電性部材によって形成されている。そして、燃料電池セル２において、アノード電極触媒層２１１ｂとカソード電極触媒層２１１ｂとが対向する領域は、燃料電池セル２の発電部２Ａになる。

セパレータ２３は、ＭＥＧＡ２１のガス拡散層２１２に接するように配置されている。セパレータ２３は、例えば、カーボン粒子を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼やチタン鋼などの金属部材によって形成されている。

また、本実施形態の燃料電池スタック１は、燃料電池セル２に燃料ガスを供給する燃料ガス流路２４と、燃料電池セル２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路２５と、燃料電池セル２に冷媒を供給する発電部内冷媒流路２６とをそれぞれ複数備えている。

具体的には、図３に示すように、セパレータ２３における発電部２Ａに対応する部分は、凹部２３ａと凸部２３ｂとを交互に繰り返すことにより波形に形成されている。凹部２３ａの底部は平面状を呈しており、ＭＥＧＡ２１のガス拡散層２１２と面接触している。一方、凸部２３ｂの頂部も平面状を呈しており、隣接するセパレータ２３における凸部２３ｂの頂部と面接触している。

一対のガス拡散層２１２，２１２のうち一方のガス拡散層２１２は、それに隣接するセパレータ２３の凸部２３ｂとともに、燃料ガスが流通する燃料ガス流路２４を構成している。他方のガス拡散層２１２は、それに隣接するセパレータ２３の凸部２３ｂとともに、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路２５を構成している。なお、酸化剤ガスと燃料ガスとは、特許請求の範囲に記載の「反応ガス」に相当するものである。燃料ガス流路２４と酸化剤ガス流路２５とは、特許請求の範囲に記載の「反応ガス流路」に相当するものであり、水平方向Ｙに沿って直線状又は滑らかな曲線状になっている。

また、隣接する燃料電池セル２同士は、一方の燃料電池セル２の電極触媒層（例えばアノード電極触媒層）２１１ｂと、それに隣接する他方の燃料電池セル２の電極触媒層（例えばカソード電極触媒層）２１１ｂとを向き合わせた状態で積層されている。これによって、隣接するセパレータ２３の凹部２３ａ同士の間には空間が形成され、この空間は冷媒が流通する発電部内冷媒流路２６になる。発電部内冷媒流路２６は、発電部２Ａに対応する領域に設けられるとともに水平方向Ｙに沿って延びており、後述する冷媒入口マニホールド２７ｅと冷媒出口マニホールド２７ｂとを連通する。なお、冷媒としては、例えば、水、エチレングリコール等の不凍水等が用いられる。

図２に示すように、燃料電池セル２において、発電部２Ａを挟んで一方側（図２では、水平方向Ｙの右側）には、燃料ガス入口マニホールド２７ａと、冷媒出口マニホールド２７ｂと、酸化剤ガス出口マニホールド２７ｃとが重力方向Ｚに沿って上から順に配置されている。一方、発電部２Ａを挟んで他方側（図２では、水平方向Ｙの左側）には、酸化剤ガス入口マニホールド２７ｄと、冷媒入口マニホールド２７ｅと、燃料ガス出口マニホールド２７ｆとが重力方向Ｚに沿って上から順に配置されている。そして、冷媒入口マニホールド２７ｅと冷媒出口マニホールド２７ｂとは、水平方向Ｙに沿って互いに離れて配置されている。

一方、シール部２２は、中間位置に配置されたコア層２２１と、該コア層２２１を挟む一対のセパレータ２３，２３とを有する（図３参照）。コア層２２１は、例えば熱可塑性樹脂によって形成されており、図示しない樹脂接着層によってセパレータ２３と固定されている。コア層２２１の下端部分は、接着剤層２２２を介してＭＥＡ２１１の上端部分に固定されている。

シール部２２を挟持するセパレータ２３，２３は、ＭＥＧＡ２１を挟むセパレータ２３，２３におけるシール部２２まで延設された上端部分である。図３に示すように、発電部２Ａよりも重力方向Ｚ上方の領域において、隣接する燃料電池セル２同士の間には、一方の燃料電池セル２のセパレータ２３と、他方の燃料電池セル２のセパレータ２３と、後述するガスケット２８とで空間が形成され、この空間は発電部外冷媒流路２９になる。なお、ここでの「発電部外」は、燃料電池セル２において、発電部２Ａを除いた領域であってシール部２２を含む領域のことを指す。

この発電部外冷媒流路２９は、水平方向Ｙに延びており、冷媒入口マニホールド２７ｅと冷媒出口マニホールド２７ｂとを連通する。そして、発電部外冷媒流路２９における冷媒出口マニホールド２７ｂ側の端部は、冷媒出口マニホールド２７ｂの上方に配置された燃料ガス入口マニホールド２７ａを取り囲むように、拡がって形成されている（図２参照）。

また、燃料電池スタック１は、隣接する燃料電池セル２同士の間に配置されたセル間シール部材としてのガスケット２８を更に備えている。ガスケット２８は、ゴムや熱可塑性エラストマー等によって形成されており、隣接する２つの燃料電池セル２のセパレータ２３，２３間に圧入され、隣接するセパレータ２３，２３同士の間の空間を封止する。図２に示すように、このガスケット２８は、冷媒の外部への漏れ出しを防止するために、発電部２Ａ及び各マニホールド２７ａ～２７ｆを取り囲むように環状に形成されている。また、図示しないが、反応ガスの漏れを防止するために、燃料ガス入口マニホールド２７ａ、燃料ガス出口マニホールド２７ｆ、酸化剤ガス入口マニホールド２７ｄ、酸化剤ガス出口マニホールド２７ｃは、更にガスケット２８とは異なるガスケットによってそれぞれ取り囲まれている。

本実施形態では、隣接する発電部内冷媒流路２６同士は、セパレータ２３の凸部２３ｂに設けられて該凸部２３ｂよりも突出高さの低い絞り部２３ｃによってそれぞれ連通している。具体的には、例えば図４及び図５に示すように、各凸部２３ｂにおいて、水平方向Ｙに沿って複数の絞り部２３ｃが設けられている。そして、積層方向Ｘにおいて、ガス拡散層２１２に対する絞り部２３ｃの突出高さｈ２は、ガス拡散層２１２に対する凸部２３ｂの突出高さｈ１よりも低い（図５参照）。これらの絞り部２３ｃは、水平方向Ｙに沿って所定の間隔で配置されている。

このように絞り部２３ｃを設けることで、燃料ガス流路２４又は酸化剤ガス流路２５を流れる反応ガスの流れが絞られるが、隣接する発電部内冷媒流路２６同士は、この絞り部２３ｃを介して重力方向Ｚで容易に連通することになる。なお、絞り部２３ｃは、隣接するセパレータ２３の凸部２３ｂ同士のそれぞれに設けられても良く、片方の凸部２３ｂに設けられても良い。また、絞り部２３ｃの配置場所や配置間隔は、特に限定されておらず、反応ガスの流れに大きな影響を与えない前提で適宜に設定されても良い。

また、発電部外冷媒流路２９と隣接する発電部内冷媒流路２６とは、上述した絞り部２３ｃと同じ構造を有する絞り部によって連通している。ここでは、その重複説明を省略する。

上述したように、発電部内冷媒流路２６及び発電部外冷媒流路２９は、それぞれ冷媒入口マニホールド２７ｅと冷媒出口マニホールド２７ｂとを連通する。このため、冷媒入口マニホールド２７ｅから流れてきた冷媒は、図２の矢印に示すように、発電部２Ａに対応する領域に設けられた各発電部内冷媒流路２６を経由して冷媒出口マニホールド２７ｂに流れることで、発電部２Ａを冷却する。また、冷媒入口マニホールド２７ｅから流れてきた冷媒の一部は、発電部２Ａよりも重力方向Ｚ上方の領域に設けられた発電部外冷媒流路２９を介して冷媒出口マニホールド２７ｂに流れる。

そして、冷媒が発電部内冷媒流路２６を流れる際に、仮に冷媒に気泡が混入された場合、混入された気泡は、重力方向Ｚの下方から絞り部２３ｃを経由して上方に隣接した発電部内冷媒流路２６に順に移り、更に重力方向Ｚの最上方に位置する発電部外冷媒流路２９に移ることができる。このため、発電部内冷媒流路２６を流れる冷媒中に混入された気泡が減少するので、気泡に起因する冷却性能の低下を抑制できる。その結果、気泡の存在による発電部２Ａの放熱が不十分になることを防止し、急激な昇温に起因する電極触媒層２１１ｂの劣化の発生を抑制することができる。

一方、発電部外冷媒流路２９は、発電部２Ａよりも重力方向Ｚ上方の領域、言い換えれば発電部２Ａ以外の領域に設けられたものであり、発電部２Ａを冷却するための構造ではない。従って、該発電部外冷媒流路２９を流れる冷媒の中に気泡が集まってきても、気泡に起因する冷却性能の低下は生じない。そして、該発電部外冷媒流路２９を流れる冷媒に集まってきた気泡は、冷媒の流れによって冷媒出口マニホールド２７ｂまで運ばれ、外部に排出される。

ここで、重力方向において、発電部外冷媒流路２９の断面積は各発電部内冷媒流路２６の断面積よりも大きいことが好ましい。このようにすれば、発電部外冷媒流路２９を流れる冷媒の流速を速くし、冷媒を勢いよく流すことで、該発電部外冷媒流路２９に集まってきた気泡を速やかに外部に排出することができる。従って、気泡の量が多い場合であっても、気泡が発電部内冷媒流路２６にまで拡がることを防ぐことができ、気泡の存在による発電部２Ａの放熱が不十分になることを一層抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１ 燃料電池スタック
２ 燃料電池セル
２Ａ 発電部
２１ ＭＥＧＡ
２２ シール部
２３ セパレータ
２３ａ 凹部
２３ｂ 凸部
２３ｃ 絞り部
２４ 燃料ガス流路
２５ 酸化剤ガス流路
２６ 発電部内冷媒流路
２７ａ 燃料ガス入口マニホールド
２７ｂ 冷媒出口マニホールド
２７ｃ 酸化剤ガス出口マニホールド
２７ｄ 酸化剤ガス入口マニホールド
２７ｅ 冷媒入口マニホールド
２７ｆ 燃料ガス出口マニホールド
２８ ガスケット
２９ 発電部外冷媒流路

Claims (4)

1. 少なくとも膜電極接合体により構成された発電部と該発電部を挟持する一対のセパレータとを有する燃料電池セルが複数積層される燃料電池スタックであって、
   互いに離れて配置される冷媒入口マニホールド及び冷媒出口マニホールドと、
   前記発電部に対応する領域に設けられ、前記冷媒入口マニホールドと前記冷媒出口マニホールドとを連通する複数の発電部内冷媒流路と、
   全体が前記発電部よりも重力方向上方の領域に位置するように設けられ、前記冷媒入口マニホールドと前記冷媒出口マニホールドとを連通する発電部外冷媒流路と、
   を備え、
   前記発電部内冷媒流路と前記発電部外冷媒流路とは、連通していることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記冷媒入口マニホールドと前記冷媒出口マニホールドとは、重力方向に直交する方向に配置されている請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記セパレータには、前記発電部内冷媒流路を構成する凹部と、反応ガス流路を構成する凸部とが交互に複数配置され、
   隣接する前記発電部内冷媒流路同士、前記発電部外冷媒流路と隣接する前記発電部内冷媒流路とは、前記凸部に設けられて該凸部よりも突出高さの低い絞り部によってそれぞれ連通している請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
4. 重力方向において、前記発電部外冷媒流路の断面積は前記発電部内冷媒流路の断面積よりも大きい請求項１～３のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。

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