JP2000090955A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】燃料電池スタック内に不要な水が導入されるこ
とを確実に阻止するとともに、構成の簡素化を可能にす
る。 【解決手段】マニホールド部材１８は、単位燃料電池セ
ル１２に水素ガスを供給する燃料ガス流路５２と、前記
単位燃料電池セル１２に空気を供給する酸化剤ガス流路
５４と、前記単位燃料電池セル１２を冷却するための冷
却水を供給する冷媒流路５６とを設ける。冷媒流路５６
の出口側は、燃料ガス流路５２および酸化剤ガス流路５
４の入口側に設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子電解質
膜をアノード側電極とカソード側電極で挟んで構成され
る単位燃料電池セルとセパレータとを、交互に複数積層
した燃料電池スタックに関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、通常、高分子
イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質の両側
にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を配置
した単位燃料電池セルを、セパレータによって挟持する
ことにより互いに複数積層して燃料電池スタックを構成
している。

【０００３】この種の燃料電池スタックにおいて、アノ
ード側電極に供給された燃料ガス、例えば、水素ガス
は、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された
電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間
に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネ
ルギとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガ
ス、例えば、酸素ガスあるいは空気が供給されているた
めに、このカソード側電極において、前記水素イオン、
前記電子および酸素が反応して水が生成される。

【０００４】この場合、高分子イオン交換膜からなる電
解質は、イオン透過性を保持するために十分に加湿させ
ておく必要がある。このため、一般的には、燃料電池の
外部に設けられているガス加湿装置を用いて酸化剤ガス
と燃料ガスとを加湿し、これらを水蒸気として燃料電池
スタックに送ることにより、電解質を加湿するように構
成されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、固体高分子
型燃料電池は、作動温度が比較的低温（〜１００℃）で
あるため、酸化剤ガスや燃料ガスに加湿用に供給された
水分が燃料電池スタックに導入される前に配管内で結露
するおそれがある。一方、燃料電池スタックに導入され
た後に電解質に吸収されなかった水分や、反応によって
生成された水分が、前記燃料電池スタック内のガス流路
や該燃料電池スタックから排出後に配管内で冷却され、
水の状態で存在し易い。

【０００６】しかしながら、上記のように、燃料電池ス
タック近傍の配管内や前記燃料電池スタック内のガス流
路に水が存在すると、各単位燃料電池セルに酸化剤ガス
や燃料ガスを十分に供給することが困難になってしま
う。これにより、反応ガスである燃料ガスおよび酸化剤
ガスの触媒電極層への拡散性が低下し、セル性能が著し
く悪化するという問題が指摘されている。

【０００７】本発明はこの種の問題を解決するものであ
り、燃料電池スタック内に不要な水が導入されることを
確実に阻止するとともに、構成の簡素化が可能な燃料電
池スタックを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る燃料電池ス
タックでは、燃料電池スタックに組み込まれたマニホー
ルド部材が燃料ガス流路、酸化剤ガス流路および冷媒流
路を備えるとともに、この冷媒流路の出口側が前記燃料
ガス流路および前記酸化剤ガス流路の入口側に設定され
ている。このため、冷却媒体は、先ず、マニホールド部
材を通ることによりこのマニホールド部材を温めた後、
燃料電池スタック内に導入される。さらに、冷却媒体
は、燃料電池スタックの内部を通過する際に吸熱を行っ
て温度が上昇した後、前記燃料電池スタックからマニホ
ールド部材内に導入されてこのマニホールド部材を加温
する。

【０００９】これにより、マニホールド部材と燃料電池
スタックとの間に温度差が発生することがなく、燃料ガ
スや酸化剤ガスに含まれる水蒸気がマニホールド内で凝
結することがない。従って、燃料電池スタックのガス入
口近傍やガス出口近傍で水蒸気が凝結してこの燃料電池
スタック内のガス流路に不要な水が導入されることを確
実に阻止し、燃料ガスおよび酸化剤ガスを各燃料電池ス
タックに良好かつ円滑に供給することが可能になる。

【００１０】また、本発明では、複数の燃料電池スタッ
ク同士がマニホールド部材で一体的に連結されて大出力
を得る燃料電池スタックにおいて、このマニホールド部
材が冷却媒体を介して加温されるため、前記マニホール
ド部材と各燃料電池スタックとの温度差が減少される。
これにより、各燃料電池スタック近傍で水蒸気が凝結す
ることを確実に阻止し、前記各燃料電池スタック内のガ
ス流路に水が進入することを回避することができる。

【００１１】さらにまた、本発明では、マニホールド部
材が、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の入口側を形
成する第１および第２入口管体と、前記燃料ガス流路お
よび前記酸化剤ガス流路の出口側を形成する第１および
第２出口管体とを有するとともに、冷媒流路が前記第１
および第２出口管体を囲繞する入口空間と、前記第１お
よび第２入口管体を囲繞する出口空間とを有している。
これにより、マニホールド部材は、全体として二重管構
造を採用しており、燃料ガス流路および酸化剤ガス流路
のガス出入口温度を燃料電池スタックとほぼ同一の温度
に調整することができるとともに、前記マニホールド部
材全体の小型化および簡素化が容易に図られる。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の第１の実施形態
に係る燃料電池スタック１０の概略斜視説明図であり、
図２は、前記燃料電池スタック１０の縦断面説明図であ
る。

【００１３】燃料電池スタック１０は、単位燃料電池セ
ル１２と、この単位燃料電池セル１２を挟持する第１お
よび第２セパレータ１４、１６とを備え、必要に応じて
これらが複数組だけ矢印Ａ方向に積層されるとともに、
積層方向一端側にマニホールド部材１８が連結されてい
る。単位燃料電池セル１２は、固体高分子電解質膜２０
と、この電解質膜２０を挟んで配設されるアノード側電
極２２およびカソード側電極２４とを有する。

【００１４】単位燃料電池セル１２の両側には、第１お
よび第２ガスケット２６、２８が設けられ、前記第１ガ
スケット２６は、アノード側電極２２を収納するための
大きな開口部３０を有する一方、前記第２ガスケット２
８は、カソード側電極２４を収納するための大きな開口
部３２を有する（図２参照）。単位燃料電池セル１２と
第１および第２ガスケット２６、２８とが、第１および
第２セパレータ１４、１６によって挟持され、これらが
水平方向（矢印Ａ方向）に複数組積層される。

【００１５】燃料電池スタック１０内には、上部側に燃
料ガス供給流路３４、酸化剤ガス供給流路３６および冷
却水排出流路３８が一体的に形成されるとともに、下部
側には、燃料ガス排出流路４０、酸化剤ガス排出流路４
２および冷却水供給流路４４が一体的に形成されてい
る。

【００１６】図２に示すように、第１セパレータ１４の
アノード側電極２２に対向する面部には、燃料ガス供給
流路３４と燃料ガス排出流路４０とを連通して上下方向
に延在する第１流路４６が形成される。第２セパレータ
１６のカソード側電極２４に対向する面部には、酸化剤
ガス供給流路３６と酸化剤ガス排出流路４２とを連通し
て上下方向に延在する第２流路４８が形成される。第１
および第２セパレータ１４、１６のそれぞれ他方の面部
には、冷却水供給流路４４と冷却水排出流路３８とを連
通して上下方向に延在する第３流路５０が形成される。

【００１７】図１および図２に示すように、マニホール
ド部材１８は、略矩形状を有しており、アノード側電極
２２に水素ガス（燃料ガス）を供給する燃料ガス流路５
２と、カソード側電極２４に酸化剤ガスである空気（ま
たは酸素ガス）を供給する酸化剤ガス流路５４と、冷却
媒体、例えば、冷却水を供給する冷媒流路５６とを設け
るとともに、前記冷媒流路５６の出口側は、前記燃料ガ
ス流路５２および前記酸化剤ガス流路５４の入口側に設
定される。

【００１８】マニホールド部材１８の内部には、下部側
に冷媒流路５６を構成する入口空間５８が形成される一
方、上部側にこの冷媒流路５６を構成する出口空間６０
が形成される。マニホールド部材１８の幅狭な側部１８
ａには、入口空間５８に連通する冷却水入口６２と、出
口空間６０に連通する冷却水出口６４とが形成されると
ともに、このマニホールド部材１８の幅広な面部１８ｂ
には、前記入口空間５８と冷却水供給流路４４とを連通
する導入孔部６６、および前記出口空間６０と冷却水排
出流路３８とを連通する導出孔部６８が形成される。

【００１９】出口空間６０には、燃料ガス流路５２を構
成する第１入口管体７０が配置され、この第１入口管体
７０の一方の端部７０ａがマニホールド部材１８の側部
１８ａから外部に導出されるとともに、前記第１入口管
体７０の他方の端部７０ｂが前記マニホールド部材１８
の面部１８ｂから燃料電池スタック１０内の燃料ガス供
給流路３４に連なっている。出口空間６０には、酸化剤
ガス流路５４を構成する第２入口管体７２が配置され、
この第２入口管体７２の一方の端部７２ａがマニホール
ド部材１８の側部１８ａから外部に導出されるととも
に、前記第２入口管体７２の他方の端部７２ｂが前記マ
ニホールド部材１８の面部１８ｂから酸化剤ガス供給流
路３６に連なる。

【００２０】入口空間５８には、燃料ガス流路５２を構
成する第１出口管体７４と、酸化剤ガス流路５４を構成
する第２出口管体７６とが配置される。第１および第２
出口管体７４、７６の端部７４ａ、７６ａは、マニホー
ルド部材１８の面部１８ｂから外部に導出される一方、
端部７４ｂ、７６ｂは、前記マニホールド部材１８の面
部１８ｂからそれぞれ燃料ガス排出流路４０および酸化
剤ガス排出流路４２に連なる。図３に示すように、冷媒
流路５６の途上には、冷却水タンク７８とポンプ８０と
が配置され、冷却水がこの冷却水タンク７８内と燃料電
池スタック１０内を循環する。

【００２１】このように構成される第１の実施形態に係
る燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明す
る。

【００２２】図３に示すように、冷却水タンク７８内の
冷却水は、ポンプ８０の作用下に冷媒流路５６を介して
マニホールド部材１８の冷却水入口６２から入口空間５
８内に導入される（図１参照）。冷却水は、入口空間５
８に連通する導入孔部６６から燃料電池スタック１０内
の冷却水供給流路４４に供給され、第１および第２セパ
レータ１４、１６の第３流路５０を下方向から上方側に
向かって流れることにより、各単位燃料電池セル１２の
冷却を行う（図２参照）。さらに、冷却水は、冷却水排
出流路３８から出口空間６０に導出された後、冷却水出
口６４から冷媒流路５６を介して冷却水タンク７８に戻
される。

【００２３】燃料ガス流路５２に導入される水素ガス
は、第１入口管体７０を通って端部７０ｂから燃料ガス
供給流路３４に供給される。水素ガスは、第１セパレー
タ１４の第１流路４６に沿って下方向に移動しながら、
単位燃料電池セル１２のアノード側電極２２に供給され
る。一方、酸化剤ガス流路５４に導入される空気は、同
様に第２入口管体７２の端部７２ｂから酸化剤ガス供給
流路３６に送られる。この空気は、第２セパレータ１６
の第２流路４８に沿って下方向に移動しながら、単位燃
料電池セル１２を構成するカソード側電極２４に供給さ
れる。

【００２４】これにより、アノード側電極２２に供給さ
れた水素ガスは、水素イオン化されて電解質膜２０を介
してカソード側電極２４側へと移動し、各単位燃料電池
セル１２で発電が行われる。なお、未使用の水素ガス
は、燃料ガス排出流路４０から第１出口管体７４に送ら
れるとともに、未使用の空気は、酸化剤ガス排出流路４
２から第２出口管体７６に導出される。

【００２５】この場合、燃料電池スタック１０の運転時
における温度は、７０℃〜９０℃であり、この燃料電池
スタック１０に供給される水素ガスおよび空気は、マニ
ホールド部材１８の入口側および出口側で７０℃〜９０
℃の温度範囲内に調整されている。ところが、マニホー
ルド部材１８の温度は、各単位燃料電池セル１２の作動
温度に比べて低くなり易く、このマニホールド部材１８
に配置されている第１および第２入口管体７０、７２内
や第１および第２出口管体７４、７６内で水素ガスおよ
び空気中に含まれている水蒸気が凝結して水が生成され
るおそれがある。

【００２６】そこで、第１の実施形態では、マニホール
ド部材１８内に第１および第２出口管体７４、７６を囲
繞して入口空間５８が設けられるとともに、第１および
第２入口管体７０、７２を囲繞して出口空間６０が形成
される。そして、冷却水タンク７８と燃料電池スタック
１０の内部とを循環する冷却水が、先ず、入口空間５８
に導入されてマニホールド部材１８内を温めた後、各単
位燃料電池セル１２を冷却することによって昇温され、
出口空間６０に導入されて前記マニホールド部材１８内
を温める。冷却水は、さらに、冷却水出口６４から冷媒
流路５６を介して冷却水タンク７８に戻された後、マニ
ホールド部材１８側に送り出される。なお、燃料電池ス
タック１０の起動時には、冷却水の温度が水素ガスや空
気の温度よりも低いため、ヒータ等によりこの冷却水を
温めて入口空間５８に供給している。

【００２７】このように、第１の実施形態では、マニホ
ールド部材１８を冷却水により加温することによって、
前記マニホールド部材１８と各単位燃料電池セル１２と
の温度差を減少させることができる。このため、マニホ
ールド部材１８内に配置されている第１および第２入口
管体７０、７２内や第１および第２出口管体７４、７６
内で、水素ガスや空気中に含まれる水蒸気が凝結するこ
とがない。

【００２８】特に、第１および第２入口管体７０、７２
を囲繞して出口空間６０が設けられており、昇温された
冷却水により前記第１および第２入口管体７０、７２を
確実に保温または加温することができる。従って、第１
および第２入口管体７０、７２内での水の生成を阻止
し、この水がガス流に乗って燃料電池スタック１０内に
導入されることを有効に阻止することが可能になる。

【００２９】これにより、マニホールド部材１８内や燃
料電池スタック１０内に水が滞留することを確実に阻止
し、各単位燃料電池セル１２に水素ガスおよび空気を均
一かつ円滑に分配することができるという効果が得られ
る。従って、燃料電池スタック１０を長時間にわたって
安定して運転させることが可能になる。

【００３０】図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃
料電池スタック１００の概略斜視説明図である。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。

【００３１】燃料電池スタック１００は、複数の燃料電
池スタック１０２ａ〜１０２ｄ同士をマニホールド部材
１０４で一体的に連結して構成されている。図４および
図５に示すように、マニホールド部材１０４内に形成さ
れた出口空間６０には、燃料ガス流路５２を構成する第
１入口管体１０６と酸化剤ガス流路５４を構成する第２
入口管体１０８とが配置される。

【００３２】第１および第２入口管体１０６、１０８に
は、燃料電池スタック１０２ａ、１０２ｂの各燃料ガス
供給流路３４および各酸化剤ガス供給流路３６に対応し
て端部１０６ａ、１０６ｂおよび端部１０８ａ、１０８
ｂが形成されるとともに、燃料電池スタック１０２ｃ、
１０２ｄの燃料ガス供給流路３４および酸化剤ガス供給
流路３６に対応して端部１０６ｃ、１０６ｄおよび端部
１０８ｃ、１０８ｄが設けられる。

【００３３】マニホールド部材１０４の入口空間５８に
は、燃料ガス流路５２を構成する第１出口管体１１０と
酸化剤ガス流路５４を構成する第２出口管体１１２とが
配置される。第１および第２出口管体１１０、１１２に
は、各燃料電池スタック１０２ａ〜１０２ｄの燃料ガス
排出流路４０および酸化剤ガス排出流路４２に連通する
端部１１０ａ〜１１０ｄおよび端部１１２ａ〜１１２ｄ
が形成される。

【００３４】マニホールド部材１０４の両面１０４ａ、
１０４ｂには、燃料電池スタック１０２ａ〜１０２ｄの
冷却水供給流路４４と入口空間５８とを連通する導入孔
部１１４ａ〜１１４ｄが設けられるとともに、前記燃料
電池スタック１０２ａ〜１０２ｄの冷却水排出流路３８
と出口空間６０とを連通する導出孔部１１６ａ〜１１６
ｄが形成される。

【００３５】このように構成される第２の実施形態で
は、複数の燃料電池スタック１０２ａ〜１０２ｄをマニ
ホールド部材１０４に一体的に連結して燃料電池スタッ
ク１００を構成しており、大出力を得ることができる。
しかも、単一のマニホールド部材１０４に燃料ガス流路
５２および酸化剤ガス流路５４を集約することが可能に
なり、ガス流路長を一挙に短尺化し得るとともに、前記
マニホールド部材１０４の小型化が容易に図られるとい
う効果がある。

【００３６】さらに、第２の実施形態では、マニホール
ド部材１０４と各燃料電池スタック１０２ａ〜１０２ｄ
との温度差を有効に減少させ、水蒸気の凝結を防止して
前記燃料電池スタック１０２ａ〜１０２ｄの内部に水が
進入することを確実に阻止することができる。

【００３７】

【発明の効果】本発明に係る燃料電池スタックでは、マ
ニホールド部材が燃料ガス流路と酸化剤ガス流路と冷媒
流路とを設けているため、冷却媒体を介して前記マニホ
ールド部材を加温することができ、該マニホールド部材
と単位燃料電池セルとの温度差を小さくして水蒸気の凝
結を確実に阻止することが可能になる。さらに、冷媒流
路の出口側が燃料ガス流路および酸化剤ガス流路の入口
側に設定されており、燃料ガスおよび酸化剤ガスの温度
を均一化するとともに、燃料電池スタック内にガス流に
乗って水が導入されることを回避することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】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。

【図２】前記燃料電池スタックの縦断面説明図である。

【図３】前記燃料電池スタックを構成する冷媒流路の説
明図である。

【図４】本発明の第２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。

【図５】前記燃料電池スタックを構成するマニホールド
部材の縦断面説明図である。

【符号の説明】

１０、１００、１０２ａ〜１０２ｄ…燃料電池スタック １２…単位燃料電池セル １４、１６…セパレ
ータ １８、１０４…マニホールド部材 ２０…電解質膜 ２２…アノード側電極 ２４…カソード側電
極 ３４…燃料ガス供給流路 ３６…酸化剤ガス供
給流路 ３８…冷却水排出流路 ４０…燃料ガス排出
流路 ４２…酸化剤ガス排出流路 ４４…冷却水供給流
路 ４６、４８、５０…流路 ５２…燃料ガス流路 ５４…酸化剤ガス流路 ５６…冷媒流路 ５８…入口空間 ６０…出口空間 ６２…冷却水入口 ６４…冷却水出口 ６６、１１４ａ〜１１４ｄ…導入孔部 ６８、１１６ａ〜１１６ｄ…導出孔部 ７０、７２、１０６、１０８…入口管体 ７４、７６、１１０、１１２…出口管体 ７８…冷却水タンク ８０…ポンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田中 学 埼玉県和光市中央１−４−１ 株式会社本 田技術研究所内 (72)発明者 藤井 洋介 埼玉県和光市中央１−４−１ 株式会社本 田技術研究所内 (72)発明者 佐藤 修二 埼玉県和光市中央１−４−１ 株式会社本 田技術研究所内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC08 CX06

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固体高分子電解質膜をアノード側電極およ
   びカソード側電極で挟んで構成される単位燃料電池セル
   とセパレータとを交互に複数積層するとともに、マニホ
   ールド部材が連結された燃料電池スタックであって、 前記マニホールド部材は、前記アノード側電極に燃料ガ
   スを供給する燃料ガス流路と、 前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス
   流路と、 前記単位燃料電池セルを冷却するための冷却媒体を供給
   する冷媒流路と、 を設けるとともに、 前記冷媒流路の出口側は、前記燃料ガス流路および前記
   酸化剤ガス流路の入口側に設定されることを特徴とする
   燃料電池スタック。
2. 【請求項２】固体高分子電解質膜をアノード側電極およ
   びカソード側電極で挟んで構成される単位燃料電池セル
   とセパレータとを交互に複数積層した複数の燃料電池ス
   タック同士が、マニホールド部材で一体的に連結された
   燃料電池スタックであって、 前記マニホールド部材は、各燃料電池スタックの前記ア
   ノード側電極に燃料ガスを供給する燃料ガス流路と、 前記カソード側電極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス
   流路と、 前記各燃料電池スタックを冷却するための冷却媒体を供
   給する冷媒流路と、 を設けるとともに、 前記冷媒流路の出口側は、前記燃料ガス流路および前記
   酸化剤ガス流路の入口側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３】請求項１または２記載の燃料電池スタック
   において、前記マニホールド部材は、前記燃料ガス流路
   の入口側を形成する第１入口管体と、 前記燃料ガス流路の出口側を形成する第１出口管体と、 前記酸化剤ガス流路の入口側を形成する第２入口管体
   と、 前記酸化剤ガス流路の出口側を形成する第２出口管体
   と、 前記冷媒流路の入口側を形成し、前記第１および第２出
   口管体を囲繞する入口空間と、 前記冷媒流路の出口側を形成し、前記第１および第２入
   口管体を囲繞する出口空間と、 を備えることを特徴とする燃料電池スタック。