JP2001006714A

JP2001006714A - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP2001006714A
Application number: JP11175478A
Authority: JP
Inventors: Eiki Ito; 栄基伊藤; Toshiro Kobayashi; 敏郎小林; Takuya Moriga; 卓也森賀
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1999-06-22
Filing date: 1999-06-22
Publication date: 2001-01-12

Abstract

(57)【要約】【課題】電池反応による発熱を抑制するとともに、燃料
電池用セパレータの軽量化及びコスト低減をなしえるこ
とを課題とする。【解決手段】固体高分子膜の両側に電極を配置した複数
の単位セルと、前記単位セル間及び最外側に配置された
燃料電池用セパレータとを交互に積層した燃料電池スタ
ック本体１に、前記単位セルや燃料電池用セパレータの
積層方向に沿って冷却水を通すための冷却水用マニホー
ルド６を設けたことを特徴とする燃料電池スタック。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子膜の両
側に電極を配置した複数の単位セルと、前記単位セル間
及び最外側に配置された燃料電池用セパレータとを交互
に積層した燃料電池用スタックに関する。

【０００２】

【従来の技術】周知の如く、固体高分子膜を２種類の電
極で挟み込み、更にこれらの部材をセパレータで挟んだ
構成の固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅ
ｒＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）が
知られている。ところで、こうした燃料電池において
は、内部を流れる酸素、水素による電池反応が起きて発
熱するため、セパレータ内部に冷却水を通して電池反応
による発熱を抑制する構成となっている。従来、前記セ
パレータは、冷却水用の溝を形成するために３枚のステ
ンレス製のセパレータ部材を重ね合わせた構成となって
いる。

【０００３】しかし、従来、セパレータは、全てステン
レス製で製作されているため、重量が非常に大きくなる
という問題点があった。また、金属材料を用いているた
め、酸化剤ガスや燃料ガスの導入，排出用のマニホール
ド間をつなぐ溝の加工が難しく、コスト高を招いてい
た。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、こうした事
情を考慮してなされたもので、単位セルや燃料電池用セ
パレータの積層方向に沿って冷却水を通すための冷却水
用マニホールドを設けた構成とすることにより、電池反
応による発熱を抑制するとともに、燃料電池用セパレー
タの軽量化及びコスト低減をなしえる燃料電池スタック
を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、固体高分子膜
の両側に電極を配置した複数の単位セルと、前記単位セ
ル間及び最外側に配置された燃料電池用セパレータとを
交互に積層した燃料電池スタック本体に、前記単位セル
や燃料電池用セパレータの積層方向に沿って冷却水を通
すための冷却水用マニホールドを設けたことを特徴とす
る燃料電池スタックである。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の燃料電池スタック
について更に具体的に説明する。本発明において、前記
冷却水用マニホールドは、まず燃料電池スタック本体の
中央部に１つ設けられている場合が挙げられる。また、
前記冷却水用マニホールドは、燃料電池スタック本体を
単位セルや燃料電池用セパレータの積層方向と直交する
方向に切断したとき、均等に４つに分けた夫々の面の中
央部に１つづつ合計４つ設けられている場合が挙げられ
る。ここで、前記冷却水用マニホールドの断面形状とし
ては、例えば円形状、楕円形状、多角形状が挙げられ
る。ここで、楕円形状や楕円形状の場合は、円形状の場
合と比べて冷却効果が大きい。

【０００７】本発明において、前記冷却水用マニホール
ドの断面形状を円としたとき、円の径Ｄと冷却できる範
囲ｄ’との関係を、ｄ’≦ａ・Ｄとすることが好ましい
（但し、ａは材料によって決まる定数を示す）。

【０００８】図４は、冷却水用マニホールドの断面形状
が円の場合の冷却範囲を示す模式図である。つまり、マ
ニホールドの径をＤ（ｃｍ）としたとき、ある温度Ｔ
（℃）以下になる温度（温度Ｔ℃以下に冷却できる）範
囲ｄ’は上記式で表される。また、相対幅（マニホール
ド径と冷却範囲の半径の比の２倍）Ｍ（ｃｍ）は、Ｍ＝
２ａとする。

【０００９】図６は、炭素材料を用いて冷却水の温度を
８０℃とし、Ｄ＝ｒ（ｃｍ）とした場合の相対幅（距
離）Ｍ（ｃｍ）と温度の相関を示す。なお、図６におい
て、曲線（イ）はａ＝１の場合、曲線（ロ）はａ＝２の
場合、曲線（ハ）はａ＝３の場合、曲線（ニ）はａ＝６
の場合を示す。燃料電池内の温度の上限を１００（℃）
としたとき、炭素材料を用いた場合ではａ≦３であるこ
とが分かる（好ましい温度の上限は９０℃であるので、
ａ≦２．１が好ましい）。炭素材料を用いた場合、冷却
水が８０℃の場合は、マニホールド径の３倍の半径をも
つ円部分を１００℃以下に冷却することができる。

【００１０】図５は、冷却水用マニホールド２１が長方
形である場合の冷却方法を示す。マニホールド２１を図
５に示すように並べたとき、ある温度Ｔ（℃）以下にな
る発電部２２の縦幅をＬ（ｃｍ）、発電部２２の横幅を
ｘ、冷却水用マニホールド２１の幅をｔ（＝０．５）と
する。ここで、Ｌ（ｃｍ）の最大幅をｂ（ｃｍ）とする
と、Ｌ＜ｂとなる。

【００１１】図７は、炭素材料を用いて冷却水の温度を
８０℃としたときの、セル幅Ｌ（ｃｍ）と温度（℃）と
の相関を示す。なお、曲線（イ）はｂ＝４．０の場合、
曲線（ロ）はｂ＝５．０の場合、曲線（ハ）はｂ＝８．
０の場合、曲線（ニ）はｂ＝１６．２の場合を示す。図
７において、燃料電池内の温度を１００（℃）としたと
き、炭素材料を用いた場合ではｂ＝８（ｃｍ）にしなけ
ればならない（好ましい温度の上限は９０℃であるの
で、ｂ＝５ｃｍである）。

【００１２】下記表１は、炭素材料及びＡｌ材料での上
記a及びｂの値を示す。表１より、セパレータの厚さに
応じてマニホールド径、冷却範囲を設計する。下記表２
に、ａ及びｂの値とセパレータの厚さの関係を示す。

【００１３】

【表１】

【００１４】

【表２】

【００１５】本発明において、前記冷却水マニホールド
が形成された燃料電池スタック本体に、該燃料電池スタ
ック本体をネジ止めするスタック締付け用ボルトを設け
ること、特に、冷却水用マニホールドが設けられた箇所
に対応しボルトを設けることが好ましい。具体的には、
冷却水用マニホールドが燃料電池スタック本体の中央部
に１つ設けられている場合には、マニホールドの内側に
配置する。また、冷却水用マニホールドが、燃料電池ス
タック本体を単位セルや燃料電池用セパレータの積層方
向と直交する方向に切断したとき、均等に４つに分けた
夫々の面の中央部に１つづつ合計４つ設けられている場
合には、夫々のマニホールドの内側に前記ボルトを設け
ることが好ましい。これは、前記ボルトにより燃料電池
スタック本体の中心で締付け圧力を与えることができ、
均一な面圧を燃料電池スタックに与えることができるか
らである。

【００１６】本発明において、前記スタック締付け用ボ
ルトの径を適度に設定することにより、冷却水用マニホ
ールドに同じ流量の冷却水を導入したときに、冷却水流
路の断面積が小さくなるため、冷却水の流速が速くな
り、冷却能力の向上が期待できる。また、前記ボルトを
中空構造（パイプ状）にすることにより、ボルトを軽量
化することができる。ここで、ボルトを中空構造にした
場合、ボルトの中にヒータを装着すれば、燃料電池起動
時に電池を内部から暖めることができ、起動時間を短縮
することができる。なお、この時ボルト周囲は水で満た
されているために、良好な熱導電性が期待できる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。な
お、下記実施例に記載された数値、材料等は一例を示す
もので、本願の権利範囲を特定するものではない。（実施例１）図１、図２及び図３（Ａ），（Ｂ）を参照
して説明する。ここで、図１は、実施例１に係る燃料電
池スタックの一部切り欠いた斜視図、図２は図１の平面
図、図３（Ａ）は図１の燃料電池スタックの要部の平面
図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）の断面図を示す。なお、本
実施例１に係る締付け手段は燃料電池スタックの上下面
で同じような構成となっている。

【００１８】図１において、付番１は単位セル２を複数
個縦方向に積層した燃料電池スタック本体を示す。前記
単位セル２は、図示しないが、固体高分子膜の両側に夫
々電極（酸素極，水素極）を配置し、更にこれらの積層
体の外側に夫々炭素及びＡｌ等の軽金属からなるセパレ
ータを配置した構成となっている。前記燃料電池スタッ
ク本体１及び該スタック本体１の上下方向に沿う両端面
に配置された押え板３には、スタック本体１を構成する
単位セル２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給穴４ａ、
燃料ガスを排出する燃料ガス排出穴４ｂ、酸化剤（空
気）を供給する酸化剤供給穴５ａ、酸化剤を排出する酸
化剤排出穴５ｂが夫々設けられれいる。また、前記スタ
ック本体１及び押え板３には、積層方向に沿う中央部に
は、単位セル２を冷却する冷却水を供給する冷却水用マ
ニホールド６が夫々設けられている。

【００１９】前記燃料電池スタック本体１は、締付け手
段により前記燃料電池スタック本体１の積層方向に締め
付けられる。ここで、締付け手段は、前記燃料電池スタ
ック本体１の長手方向（図１の上下方向）に沿う両端側
に夫々配置されたフランジ付き支持部材７と、前記スタ
ック本体１の長手方向に沿う対向する側面に前記支持部
材７同士に連結された状態で夫々配置された厚さ１．０
ｍｍのステンレス鋼の薄板（連結部材）８と、前記薄板
８を前記スタック本体１の長手方向に締め付ける締付け
具９とから構成されている。なお、前記燃料電池スタッ
ク本体１及び締付け手段により燃料電池スタックが構成
されている。

【００２０】前記支持部材６は、内部に空洞部を有する
板状の中空体１０と、この中空体１０内に配置されたリ
ブ１１と、前記中空体１０の両側に連結されたフランジ
１２とを有している。前記冷却水用マニホールド６は、
図３に示すような構成となっている。即ち、前記スタッ
ク本体１及び押え板３の中央部に沿う前記フランジ１２
には開口部１２ａが形成され、この開口部１２ａに前記
押え板３と一体の冷却水供給管１３が設けられている。
前記冷却水供給管１３の内側の前記スタック本体１の上
面には、皿ばね１４が配置されている。この皿ばね１４
を介して前記スタック本体１は、該本体１の軸方向にス
タック締付け用ボルト１５及び図示しないナットを用い
て固定されている。なお、図中の付番１６は、冷却水供
給ヘッダを示す。

【００２１】前記締付け具９は、端部で折り曲げられた
薄板８を押える押え治具１７と、前記押え治具１７、薄
板７及びフランジ１２を締め付ける固定ボルト１８とか
ら構成されている。固定ボルト１８は、押え治具１７,
フランジ１２に夫々形成された溝付き穴、薄板７に夫々
形成された穴を利用して螺合されている。

【００２２】このように、上記実施例１によれば、燃料
電池スタック本体１の積層方向に沿う中央部に単位セル
を冷却する冷却水用マニホールド６を設けた構成となっ
ているため、従来のように３層重ね合わせ構造のセパレ
ータを用いることなく、単位セルを冷却することができ
る。従って、セパレータを簡単に作ることができ、セパ
レータの製造コストを低減できる。また、セパレータが
炭素及びＡl等の軽金属で作られているため、セパレー
タの軽量化を図ることができる。

【００２３】更に、冷却水用マニホールド６の内側にス
タック締付け用ボルト１５を配置して燃料電池スタック
本体１を締め付けるため、燃料電池スタック本体１の中
心で締付け圧力を与えることができ、均一な面圧を与え
ることができる。

【００２４】事実、実施例１に係るセパレータを用いた
場合の燃料電池スタックの発電性能試験を行った（但
し、単位セルは１１セル積層した）ところ、下記表３に
示すセル温度、セル電圧を得た。但し、セル電圧は電流
密度（０．５Ａ／ｃｍ²）での電圧値を示し、測定条件
はＨ₂−Ａｉｒ、１ａｔｍとした。

【００２５】

【表３】

【００２６】（実施例２）図８を参照する。但し、実施
例１と同部材は同符号を付して説明を省略する。実施例
２に係る燃料電池スタックは、該スタックを平面的に見
た場合、その平面を４つに均等に分け、各面の中央部に
実施例１で述べたような冷却水用マニホールド３１及び
スタック締付け用ボルト（図示せず）を夫々設けたこと
を特徴とする。その他の部材については、実施例１の場
合と同様である。なお、図中の付番３２ａは単位セルに
燃料ガスを供給する燃料ガス供給穴、付番３２bは燃料
ガスを排出する燃料ガス排出穴３２ｂ、付番３２ａは単
位セルに酸化剤（空気）を供給する酸化剤供給穴、付番
３２ｂは酸化剤を排出する酸化剤排出穴を示す。

【００２７】実施例２によれば、４つの冷却水用マニホ
ールド３１を平面的に見て均一に配置するため、実施例
１と比べ、単位セルへの冷却効果を一層向上することが
できる。また、各冷却水用マニホールド３１の内側に夫
々スタック締付け用ボルトを設けることになるので、燃
料電池スタック本体の締付けも一層均一に行うことがで
きる。

【００２８】（実施例３）図９を参照する。但し、実施
例１、２と同部材は同符号を付して説明を省略する。実
施例２に係る燃料電池スタックは、断面形状が多角形状
の冷却水用マニホールド４１、断面形状が楕円の冷却水
用マニホールド４２を夫々設けたことを特徴とする。そ
の他の部材については、実施例１の場合と同様である。
実施例３によれば、断面形状が円の冷却水用マニホール
ドを用いた場合と比較して、単位セルへの冷却効果を一
層向上することができる。

【００２９】下記表４は、実施例１、実施例２及び実施
例３に係るセパレータを用いた燃料電池スタックの発電
性能試験結果を示す。但し、単位セルは１１セル積層し
た。但し、表４におけるセル電圧は電流密度は（０．５
Ａ／ｃｍ²）での電圧値を示し、測定条件はＨ₂−Ａｉ
ｒ、１ａｔｍとした。

【００３０】

【表４】

【００３１】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、単
位セルや燃料電池用セパレータの積層方向に沿って冷却
水を通すための冷却水用マニホールドを設けた構成とす
ることにより、電池反応による発熱を抑制するととも
に、燃料電池用セパレータの軽量化及びコスト低減をな
しえる燃料電池スタックを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池スタックの部
分的に切欠した全体図。

【図２】図１の平面図。

【図３】図１の燃料電池スタックの冷却水用マニホール
ドの説明図。

【図４】本発明の燃料電池スタックにおいて冷却水用マ
ニホールドの断面形状が円の場合の冷却状況の説明図。

【図５】冷却水用マニホールドの断面形状が長方形であ
る場合の冷却状況の説明図。

【図６】冷却水用マニホールドの相対幅と温度との関係
を示す特性図。

【図７】冷却水用マニホールドのセル幅と温度との関係
を示す特性図。

【図８】本発明の実施例２に係る燃料電池スタックに使
用される冷却水用マニホールドの説明図。

【図９】本発明の実施例３に係る燃料電池スタックに使
用される冷却水用マニホールドの説明図。

【符号の説明】

１…燃料電池スタック本体、２…単位セル、３…押え板、４、３２…反応ガス供給穴、５、３３…反応ガス排出穴、６、３１、４１、４２…冷却水用マニホールド、７…フランジ付き支持部材、８…薄板、９…締付け具、１０…中空体、１１…リブ、１２…フランジ、１３…冷却水供給管、１４…皿ばね、１５…スタック締付け用ボルト、１６…冷却水供給ヘッダ、１７…押え治具、１８…固定ボルト。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者森賀卓也広島県広島市西区観音新町四丁目６番22号三菱重工業株式会社広島研究所内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 BB02 CC08 HH01 HH05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体高分子膜の両側に電極を配置した複
数の単位セルと、前記単位セル間及び最外側に配置され
た燃料電池用セパレータとを交互に積層した燃料電池ス
タック本体に、前記単位セルや燃料電池用セパレータの
積層方向に沿って冷却水を通すための冷却水用マニホー
ルドを設けたことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】前記冷却水用マニホールドは、燃料電池
スタック本体の中央部に１つ設けられていることを特徴
とする請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】前記冷却水用マニホールドは、燃料電池
スタック本体を単位セルや燃料電池用セパレータの積層
方向と直交する方向に切断したとき、均等に４つに分け
た夫々の面の中央部に１つづつ設けられていることを特
徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項４】前記冷却水用マニホールドの断面形状
は、円形状、楕円形状、多角形状の少なくともいずれか
１つであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池ス
タック。
【請求項５】前記冷却水用マニホールドの断面形状を
円としたとき、円の径Ｄと冷却できる範囲ｄ’との関係
は、ｄ’≦ａ・Ｄとなることを特徴とする請求項１記載
の燃料電池スタック。但し、ａは材料によって決まる定
数を示す。
【請求項６】前記冷却水マニホールドが形成された燃
料電池スタック本体に、該燃料電池スタック本体をネジ
止めするスタック締付け用ボルトが設けられていること
を特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。