JP2004335307A - 燃料電池スタック及び燃料電池自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】高い発電出力密度を保持したまま、燃料電池スタックの高さ寸法を小さくすることができる燃料電池スタック及びこれを搭載した燃料電池自動車の提供を図る。
【解決手段】電解質膜をアノード電極及びカソード電極で挟持した燃料電池セル１０を複数積層した積層体３７を備えた燃料電池スタックであって、前記燃料電池セル１０のそれぞれを、該燃料電池セル１０の法線方向を積層方向に対して傾斜させて配置している。また、燃料電池自動車には前記燃料電池スタック１を略水平状に配置すると共に、前記燃料電池セル１０における電解質膜のカソード側が下側となるように配置している。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池スタック及びこれを搭載した燃料電池自動車に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から燃料電池スタックを乗用車等の車両に搭載する場合には、車室の床下に配置されることが多いため、車室内の居住性を確保するために燃料電池スタックの高さを抑えることが要求されている。そこで、燃料電池スタックを構成する単位燃料電池セルを横長の長方形状に形成することにより、高さ寸法を小さくした燃料電池スタックが開発されている（例えば特許文献１参照 ）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１４３７４０公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の燃料電池スタックでは、燃料電池セルの周辺部と、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却液における各入口側連通孔の周辺部、各出口側連通孔の周辺部とに一定幅のシール部を設ける必要がある。従って、燃料電池セルを横長にすると、燃料電池セルの高さ方向に占めるシール部長さの割合が大きくなり、その結果、燃料電池セル面における発電面積の割合が小さくなり、燃料電池スタックの発電出力密度が小さくなるという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、高い発電出力密度を保持したまま、燃料電池スタックの高さ寸法を小さくすることができる燃料電池スタック及びこれを搭載した燃料電池自動車を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明に係る燃料電池スタックは、電解質膜の両面にアノード電極とカソード電極をそれぞれ設けた燃料電池セルを複数積層し、これによって得られた積層体を有する燃料電池スタックであって、前記燃料電池セルのそれぞれを、燃料電池セルの法線方向が積層方向に対して所定角度傾斜するように配置したことを特徴としている。
【０００７】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックによれば、高さ寸法が大きく発電面積の割合の大きい燃料電池セルを用いても、燃料電池セルを傾斜させながら積層させて積層体を形成するため、燃料電池スタックの発電出力密度を確保しつつ高さを低く抑えることが可能となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面と共に詳述する。
【０００９】
［第１の実施形態］
図１は、本実施形態による燃料電池スタック１を搭載した燃料電池自動車３を側方から見た概略図であり、燃料電池自動車３のフロアパネル４上に前記燃料電池スタック１が配設されている。また、後述するように、燃料電池スタック１を構成する燃料電池セル１０のそれぞれは、上部５が車両後方側に下部６が車両前方側に向くように傾斜して配置されている。
【００１０】
この燃料電池スタック１は、図２及び図３に示すように、車両後方側及び車両前方側の端部に配置された厚い矩形状のエンドプレート３５，３５と、該エンドプレート３５，３５の内方側に配設された支持部材３６，３８と、該支持部材３６，３８によって挟持された、複数の燃料電池セル１０からなる積層体３７とを備えている。これらの支持部材３６，３８と積層体３７は、燃料電池スタック１の長手方向に沿って配置された８本のロッド部材３２、皿バネ３４及び締付ナット３３を介して、車両前後方向に締め付けられて固定されている。なお、前記ロッド部材３２は、表面が絶縁材によって被覆されている。
【００１１】
また、車両後方側に配設された支持部材３６は、上部側が短く下部側が長い断面台形状に形成されており、車両前方側の支持部材３８は、前記支持部材３６を上下逆に配置した形状に形成されている。前記支持部材３６の車両前方側の端面３６ａ及び支持部材３８の車両後方側の端面３８ａは共に同一の傾斜角度を有して略平行状に形成されており、これらの端面２６ａ，２８ａ同士によって、前記複数の燃料電池セル１０からなる積層体３７が挟持されている。従って、支持部材３６の端面３６ａの傾斜角度は燃料電池セル１０の傾斜角度と同一に構成されている。なお、締付ナット３３と共に配設された皿ばね３４は、締付ナット３３を緩まないようにするために設けられている。
【００１２】
前記燃料電池セル１０は、図４に示すように、内方側に配置された電解質膜１１と、該電解質膜１１の両面側に配置されたカソード側電極１５及びアノード側電極（図示せず）と、これらのカソード側電極１５及びアノード側電極の外方側に配置されたカソード側ガス拡散層１６及びアノード側ガス拡散層（図示せず）と、該カソード側ガス拡散層１６及びアノード側ガス拡散層の外方側に配置されたカソードセパレータ１２及びアノードセパレータ１３と、該アノードセパレータ１３の外方側に配置された冷却用セパレータ１４とから構成されている。なお、燃料電池車両に搭載された状態では、電解質膜１１のカソード側が車両後方を向くように燃料電池セル１０が配置されている。
【００１３】
前記燃料電池セル１０の構成物の一例として、カソードセパレータ１２について図５を用いて説明する。
【００１４】
図５は、燃料電池スタック１を構成するカソードセパレータ１２の平面図である。同図に示すように、カソードセパレータ１２は略長方形状に形成されており、燃料ガス入口側連通孔２１、酸化剤ガス入口側連通孔２３、及び冷却液入口側連通孔２５が穿設されている。また、これらの連通孔２１，２３，２５に対して、カソードセパレータ１２の中心について点対称となる位置に、燃料ガス出口側連通孔２２、酸化剤ガス出口側連通孔２４、冷却液出口側連通孔２６が形成されている。即ち、燃料ガス出口側連通孔２２は燃料ガス入口側連通孔２１に対して点対称の位置に配置され、酸化剤ガス出口側連通孔２４は酸化剤ガス入口側連通孔２３に対して点対称の位置に配置され、冷却液出口側連通孔２６は冷却液入口側連通孔２５に対して点対称の位置に配置されている。さらに、カソードセパレータ１２の中央部には広い範囲で反応エリア（流路）２７が形成されており、これらの連通孔２１〜２６及び反応エリア２７は、弾性材で形成されたシール部２８によって囲われている。ただし、酸化剤ガス入口側連通孔２３及び酸化剤ガス出口側連通孔２４は反応エリア２７に連通しているが、燃料ガス入口側連通孔２１、燃料ガス出口側連通孔２２、冷却液入口側連通孔２５及び冷却液出口側連通孔２６は、シール部２８によって反応エリア２７から遮断されている。よって、酸化剤ガス入口側連通孔２３から反応エリア２７に流入した酸化剤ガスは、反応エリア２７を介して酸化剤ガス出口側連通孔２４に流出する一方、燃料ガス入口側連通孔２１、燃料ガス出口側連通孔２２、冷却液入口側連通孔２５及び冷却液出口側連通孔２６内を流れる各種ガスや冷却液は反応エリアに流入せずにそのまま積層方向に流れる。なお、３１は、絶縁材を被膜したロッド部材３２を挿通するための挿通孔である。
【００１５】
以上の構成を有する燃料電池セル１０を用いて燃料電池スタック１を作製する手順を簡単に説明する。まず、図２，３に示すように、燃料電池セル１０のそれぞれを積層方向に対して一定の傾斜を持たせて電解質膜１１のカソード側が下側に配置されるように積層することによって積層体３７を形成する。次いで、この積層体３７の両端側を支持部材３６，３８を介してエンドプレート３５，３５で挟持する。この状態で、絶縁材を被覆したロッド部材３２を前記エンドプレート３５，３５、支持部材３６，３８、及び燃料電池セル１０の挿通孔に貫通させ、皿ばね３４、および締付ナット３３（図３参照）で締め付けて固定することによって、燃料電池スタック１を構成する。
【００１６】
図６に示すように、燃料電池スタック１の酸化剤ガス入口側連通孔２３（図５参照）に供給された酸化剤ガス４１は、酸化剤ガス入口側連通孔２３から各燃料電池セル１０の流路に９０度より大きい角度で流入し、この流路から酸化剤ガス出口側連通孔２４に９０度より大きい角度で流出する。なお、酸化剤ガス４１に限らず、燃料ガス及び冷却液についても入口側連通孔２１，２５から各燃料電池セル１０の流路内に９０度より大きい角度で流入して出口側連通孔２２，２６から９０度より大きい角度で流出する。
【００１７】
本実施形態による燃料電池スタック１によれば、以下の作用効果を奏する。
【００１８】
燃料電池セル１０の法線方向が積層体３７の積層方向（燃料電池スタック１の長軸方向）に対して傾斜させた状態で燃料電池セル１０を積層しているので、セル１０の高さ寸法を大きくとって燃料電池セル１０の発電面積の割合を大きくして燃料電池スタック１の発電出力密度を確保しつつ、燃料電池スタック１の高さを抑えることができる。
【００１９】
また、水が凝縮されフラッディングが生じやすいカソード側が電解質膜１１の下側に配置されているため、重力を利用して凝縮水をセパレータに良好に排出することが可能となる。これを図７を用いて説明すると、カソード側ガス拡散層１６で凝縮した水にかかる重力９１は、カソード側ガス拡散層１６からカソードセパレータ１２に向いた荷重９２と、カソードセパレータ面に沿った下方向の荷重９３とに分解できるので、カソード側ガス拡散層１６で凝縮した水は前記荷重９２によって、カソード側ガス拡散層１６からカソードセパレータ１２に良好に排出することが可能となる。
【００２０】
また、図６で説明したように、酸化剤ガス４１等の反応ガスや冷却液が入口側連通孔２１，２３，２５から各燃料電池セル１０に流入するとき、及び各燃料電池セル１０から出口側連通孔２２，２４，２６に流出するときの角度が９０度以上になるので、流入及び流出時における圧力損失を低減することが可能となる。
【００２１】
また、図３に示すように、絶縁体を被膜したロッド部材３２が各燃料電池セル１０を貫通して設けられているので、燃料電池セル１０を傾斜させて締め付けたときに発生する鉛直方向の荷重はこのロッド部材３２で受けることでき、簡単な構成で燃料電池スタック１の積層状態を保持することが可能となる。
【００２２】
さらに、電解質膜のカソード側を車両後方に向けることによって、より多くの出力が必要を得るためにより多く発電し、結果として凝縮水が増えてフラッディングが生じやすい加速時の加速力を利用して、凝縮水をセパレータに良好に排出することが可能となる。これを図８を用いて説明すると、車両加速時にカソード側ガス拡散層１６で凝縮した水にかかる荷重９６は、カソード側ガス拡散層１６からカソードセパレータ１２の法線方向の荷重９７とカソードセパレータ１２の面に沿った上方への荷重９８とに分解できるので、カソード側ガス拡散層１６で凝縮した水はカソード側ガス拡散層１６から荷重９７によって、カソードセパレータ１２に良好に排出することが可能となる。
【００２３】
［第２の実施形態］
以下に、第２実施形態による燃料電池スタック２を図９を用いて説明するが、前記第１実施形態と同一構造の部位については同一符号を付してその説明を省略する。
【００２４】
図９は、第２実施形態による燃料電池スタック２を示す分解斜視図である。この燃料電池スタック２は、燃料電池セル１０を積層方向（燃料電池スタック２の長軸方向）に対して一定の傾斜を持たせて積層した積層体３７と、該積層体３７を両側から挟持する支持部材３６，３８と、これらの支持部材３６，３８及び積層体３７を収容する板状部材である、スタック下側絶縁被膜板７１、スタック上側絶縁被膜板７２及び側壁７４，７４とから構成されている。また、側壁７４，７４の内方側には弾性部材である皿ばね７３が取り付けられており、積層体３７と支持部材３６を絶縁被覆板７１，７２及び側壁７４，７４内に収容したときに、前記皿ばね７３によって積層体３７と支持部材３６が押圧される。なお、図示しないが、第１実施形態と同様に、前記積層体３７、支持部材３６，３８及び側壁７４，７４には挿通孔が穿設されており、この挿通孔にロッド部材が挿通されて固定されている。
【００２５】
本実施形態によれば、燃料電池スタック２を絶縁被覆板７１，７２で囲っているので、皿ばね７３で締め付けたときに積層体３７に対して発生する鉛直方向の荷重は、スタック下側絶縁被膜板７１およびスタック上側絶縁被膜板７２によって受けることができ、簡単な構成で燃料電池スタック２の積層状態を保持することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による燃料電池スタックを搭載した燃料電池自動車を側方から見た概略図である。
【図２】図１の燃料電池スタックの斜視図である。
【図３】図２の燃料電池スタックの側面図である。
【図４】第１実施形態による燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの分解斜視図である。
【図５】図４のカソードセパレータを示す正面図である。
【図６】第１実施形態による燃料電池スタック内の酸化剤ガスの流れを示す側面図である。
【図７】燃料電池自動車が静止している状態において、第１実施形態による燃料電池セル内の凝縮水に作用する重力を示す斜視図である。
【図８】燃料電池自動車が走行している状態において、第１実施形態による燃料電池セル内の凝縮水に作用する重力を示す斜視図である。
【図９】第２実施形態による燃料電池スタックを示す分解斜視図である。
【符号の説明】
１，２…燃料電池スタック
１０…燃料電池セル
１１…電解質膜
１５…カソード電極
２１…燃料ガス入口側連通孔（入口側連通孔）
２２…燃料ガス出口側連通孔 （出口側連通孔）
２３…酸化剤ガス入口側連通孔（入口側連通孔）
２４…酸化剤ガス出口側連通孔（出口側連通孔）
２５…冷却液入口側連通孔（入口側連通孔）
２６…冷却液出口側連通孔（出口側連通孔）
２７…反応エリア（流路）
３１…挿通孔
３２…ロッド部材
７１…スタック下側絶縁被膜板（板状部材）
７２…スタック上側絶縁被膜板（板状部材）
７３…皿ばね（弾性部材）
４１…酸化剤ガス

Claims (6)

1. 電解質膜をアノード電極及びカソード電極で挟持した燃料電池セルを複数積層した積層体を備えた燃料電池スタックであって、
   前記燃料電池セルのそれぞれを、該燃料電池セルの法線方向が積層方向に対して傾斜するように配置したことを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記燃料電池スタックを略水平状に配置すると共に、前記燃料電池セルにおける電解質膜のカソード側が下側となるように前記燃料電池セルを傾斜させたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記燃料電池スタック内に、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却液の少なくともいずれかを流通させる入口側連通孔と出口側連通孔を燃料電池セルの積層方向に沿って形成する一方、
   前記燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却液のうち少なくともいずれかが、前記入口側連通孔から各燃料電池セル面に形成した流路に９０度より大きい角度で流入し、この流路から前記出口側連通孔に９０度より大きい角度で流出するように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記積層体の積層方向に沿って挿通孔を穿設し、該挿通孔にロッド部材を挿通して該ロッド部材の両端を係止することにより、前記積層体を積層方向に締め付けて固定したことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
5. 前記積層体を板状部材で囲い、かつ、弾性部材を介して前記積層体を積層方向の内方に押圧したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
6. 電解質膜をアノード電極及びカソード電極で挟んでなる複数個の燃料電池セルを積層させた積層体を有する燃料電池スタックを略水平状に搭載した燃料電池自動車であって、
   前記燃料電池セルのそれぞれを、電解質膜のカソード側が下側となるように燃料電池セルの法線方向が積層方向に対して傾斜するように配置すると共に、電解質膜のカソード側を車両後方に向けて配置したことを特徴とする燃料電池自動車。

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