JP2006048984A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】水分が残留することによる腐食の発生を防止するとともに、所望の絶縁性を保持することを可能にする。
【解決手段】エンドプレート２０ａに流体連通孔４６ｄが形成され、この流体連通孔４６ｄに絶縁グロメット４８が装着される。流体連通孔４６ｄの内壁面には、波形状部５２が形成され、この波形状部５２と絶縁グロメット４８の外周面との間には、複数の空間部５４が形成される。この空間部５４は、通路部５６、すなわち、環状溝部５８ａ、５８ｂに一体的に連通し、第１及び第２開放孔部６２ａ、６２ｂを介して外部に開放される。
【選択図】図２

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを交互に積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも冷却媒体又は反応ガスのいずれかを流す流体連通孔が形成される燃料電池スタックに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

この燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜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は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。

上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、カソード側電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路とが設けられている。さらに、セパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面方向に沿って設けられている。

一般的に、燃料電池は、セパレータの積層方向に貫通する流体供給連通孔及び流体排出連通孔が燃料電池内部に設けられた、所謂、内部マニホールドを構成している。そして、流体である燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体は、それぞれの流体供給連通孔から燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷却媒体流路に供給された後、それぞれの流体排出連通孔に排出されている。

この種の内部マニホールド型燃料電池では、必要に応じてターミナルプレートやエンドプレートにも、上記の流体供給連通孔及び流体排出連通孔が設けられている。その際、ターミナルプレートやエンドプレート等のような金属製プレートでは、反応ガス中の生成水や冷却水(冷却媒体)が接触することにより、電蝕による腐食が発生し易くなるという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池では、図７に示すように、図示しない単セルの積層方向一端に配設されるプレッシャプレート（エンドプレート）１の上部には、貫通孔２ａ、２ｂ及び２ｃが設けられており、このプレッシャプレート１には、入口孔集合導管３が装着されてる。入口孔集合導管３は、燃料ガス入口孔導管４ａ、冷却水入口孔導管４ｂ及び酸化剤ガス入口孔導管４ｃを備えており、これらが共通の鍔部５により一体的に保持されている。

燃料ガス入口孔導管４ａには、燃料ガス入口孔６ａが設けられ、冷却水入口孔導管４ｂには、冷却水入口孔６ｂが設けられ、さらに酸化剤ガス入口孔導管４ｃには、酸化剤ガス入口孔６ｃが設けられている。

燃料ガス入口孔導管４ａ、冷却水入口孔導管４ｂ及び酸化剤ガス入口孔導管４ｃは、耐食性のＰＰＯ（ポリフェニレンオキサイト）製であり、腐食を防止することができる、としている。

特開２０００−１６４２３８号公報（図２）

上記の特許文献１では、燃料ガス入口孔導管４ａ、冷却水入口孔導管４ｂ及び酸化剤ガス入口孔導管４ｃが、それぞれ貫通孔２ａ、２ｂ及び２ｃに嵌合することにより、金属製のプレッシャプレート１に生成水や冷却水が直接接触することを阻止している。

しかしながら、燃料ガスや酸化剤ガスに混在する生成水や冷却水からの水蒸気は、燃料ガス入口孔導管４ａ、冷却水入口孔導管ｂ及び酸化剤ガス入口孔導管４ｃを透過して、これらと貫通孔２ａ、２ｂ及び２ｃとの間に水が滞留し易い。このため、貫通孔２ａ、２ｂ及び２ｃ間の絶縁性が低下するという問題が指摘されている。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、液体連通孔を構成する内壁面に水分が残留することを確実に阻止し、所望の絶縁性を保持するとともに、腐食を防止すること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。

本発明は、電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを交互に積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも冷却媒体又は反応ガスのいずれかを流す流体連通孔が形成される燃料電池スタックである。

燃料電池スタックは、少なくとも流体連通孔のいずれかを構成する内壁面に配設される筒状の絶縁性流路部材を備え、前記内壁面と前記絶縁性流路部材の外周面との間には、複数の空間部が形成されるとともに、前記空間部は、通路部を介して外部に開放されている。

また、空間部は、内壁面又は外周面に周方向に沿って設けられる凹凸部により形成されるとともに、通路部は、前記凹凸部の少なくとも一端に設けられ、複数の前記空間部同士を前記周方向に沿って連通する環状溝部と、前記環状溝部に連通して外部に開放される２以上の開放孔部とを有することが好ましい。

本発明によれば、絶縁性流路部材を透過する水蒸気は、流体連通孔を構成する
内壁面と前記絶縁性流路部材の外周面との間に形成される複数の空間部に導入された後、前記空間部に連通する通路部を通って外部に円滑に排出される。このため、流体連通孔の内壁面に水が滞留することがなく、腐食を防止するとともに、所望の絶縁性を確実に維持することができる。

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の一部分解斜視図である。

燃料電池スタック１０は、例えば、自動車等の車両に搭載されている。この燃料電池スタック１０には、図示しないが、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（空気等）を供給する酸化剤ガス供給部と、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給する燃料ガス供給部と、冷却媒体、例えば、純水やエチレングリコール等を供給する冷却媒体供給部とが接続される。

燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が矢印Ａ方向に積層された積層体１４を備え、前記積層体１４の積層方向両端には、ターミナルプレート１６及び絶縁プレート１８を介装してエンドプレート２０ａ、２０ｂが配置される。エンドプレート２０ａ、２０ｂは、図示しない締め付けボルトにより積層方向に締め付けられる。

各発電セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ２４、２６とを備える。なお、第１及び第２金属セパレータ２４、２６に代替して、例えば、カーボンプレートを採用してもよい。

発電セル１２の矢印Ｂ方向の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔２８ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３０ａ、及び燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３２ｂが設けられる。

発電セル１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３２ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３０ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２８ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体２２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３４と、前記固体高分子電解質膜３４を挟持するアノード側電極３６及びカソード側電極３８とを備える。

アノード側電極３６及びカソード側電極３８は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されることにより形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３４の両面に形成される。

第１金属セパレータ２４は、電解質膜・電極構造体２２に向かう面に燃料ガス供給連通孔３２ａと燃料ガス排出連通孔３２ｂとを連通する燃料ガス流路４０を設ける。第１金属セパレータ２４は、反対の面に冷却媒体供給連通孔３０ａと冷却媒体排出連通孔３０ｂとを連通する冷却媒体流路４２を設ける。

第２金属セパレータ２６は、電解質膜・電極構造体２２に向かう面に酸化剤ガス流路４４を設けるとともに、この酸化剤ガス流路４４は、酸化剤ガス供給連通孔２８ａと酸化剤ガス排出連通孔２８ｂとに連通する。第２金属セパレータ２６は、反対の面に第１金属セパレータ２４と重なり合って冷却媒体流路４２が一体的に形成される。

燃料ガス流路４０、冷却媒体流路４２及び酸化剤ガス流路４４は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成される。第１及び第２金属セパレータ２４、２６の面の周縁部には、図示しないシール部材が一体成形される。

図１に示すように、エンドプレート２０ａには、酸化剤ガス供給連通孔２８ａ、冷却媒体供給連通孔３０ａ、燃料ガス排出連通孔３２ｂ、燃料ガス供給連通孔３２ａ、冷却媒体排出連通孔３０ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに連通する流体連通孔４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４６ｄ、４６ｅ及び４６ｆが形成される。流体連通孔４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４６ｄ、４６ｅ及び４６ｆには、エンドプレート２０ａの両面を跨いで筒状の絶縁性流路部材、例えば、絶縁グロメット４８が配設される。

絶縁グロメット４８は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材で構成されており、連通孔嵌合部であるボディ５０ａの両端にフランジ部５０ｂが一体的に形成される。フランジ部５０ｂには、外方に向かって突出するリップ状シール部５０ｃが設けられる。

流体連通孔４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４６ｄ、４６ｅ及び４６ｆは、同様に構成されており、以下に、例えば、前記流体連通孔４６ｄ（図２参照）について詳細に説明し、他の流体連通孔４６ａ〜４６ｃ、４６ｅ及び４６ｆについての詳細な説明は省略する。

図２及び図３に示すように、流体連通孔４６ｄの内壁面には、周方向に沿って凹凸部、例えば、波形状部５２が設けられる。波形状部５２は、波間ピッチＰが、例えば、０．１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内に設定されるとともに、深さｈが０．１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内に設定される。なお、凹凸部として、波形状部５２に代替して台形状部やパルス形状部等を採用することができる。

波形状部５２は、互いに隣接する山部及び谷部が、流体連通孔４６ｄの貫通方向（矢印Ａ方向）に延在している。波形状部５２の山部に絶縁グロメット４８のボディ５０ａの外周面が摺接し、前記外周面と前記流体連通孔４６ｄの内壁面（波形状部５２）との間には、複数の空間部５４が形成される。

各空間部５４は、矢印Ａ方向に延在しており、前記空間部５４の両端（少なくとも一端）は、通路部５６を介して外部に開放される。通路部５６は、エンドプレート２０ａの幅方向両端に設けられ、複数の空間部５４同士を周方向に沿って連通する環状溝部５８ａ、５８ｂを備える。

環状溝部５８ａ、５８ｂは、上部及び側部下方に設けられた連通溝６０ａ、６０ｂ(実質的には、波形状部５２の谷部)を介して連通する。連通溝６０ａは、鉛直方向に延在してエンドプレート２０ａの上端面から外部に開放される第１開放孔部６２ａに連通する一方、連通溝６０ｂは、前記エンドプレート２０ａの側面から外部に開放し、且つ前記側面に向かって下方に傾斜する第２開放孔部６２ｂに連通する。

流体連通孔４６ｅには、エンドプレート２０ａの側方に上下に所定間隔だけ離間して設けられる第１開放孔部６２ａと第２開放孔部６２ｂとが連通する。流体連通孔４６ｆには、エンドプレート２０ａの側方及び前記エンドプレート２０ａの下面に設けられる第１開放孔部６２ａ及び第２開放孔部６２ｂに連通する。

流体連通孔４６ａ〜４６ｃでは、それぞれ第１及び第２開放孔部６２ａ、６２ｂが上記の流体連通孔４６ｄ〜４６ｆと同様に設けられる。流体連通孔４６ａ〜４６ｆに絶縁グロメット４８が挿入されると、前記絶縁グロメット４８のフランジ部５０ｂが環状溝部５８ａ、５８ｂの外側に設けられた溝部６４ａ、６４ｂに配設され、環状溝部５８ａ、５８ｂを液密に保持する(図２参照)。

図４に示すように、ターミナルプレート１６及び絶縁プレート１８には、あるいは前記ターミナルプレート１６には、必要に応じて絶縁グロメット４８ａが装着される。この絶縁グロメット４８ａの装着部分には、上記の絶縁グロメット４８が装着されるエンドプレート２０ａと同様の構成を採用してもよい。

エンドプレート２０ａには、酸化剤ガス供給連通孔２８ａ、冷却媒体供給連通孔３０ａ、燃料ガス排出連通孔３２ｂ、燃料ガス供給連通孔３２ａ、冷却媒体排出連通孔３０ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに連通する図示しない配管部材が接続される。

このように構成される燃料電池スタック１０の動作について、以下に説明する。

先ず、酸化剤ガスは、燃料電池スタック１０の酸化剤ガス供給連通孔２８ａに供給される。一方、燃料ガスは、燃料電池スタック１０の燃料ガス供給連通孔３２ａに供給される。また、冷却媒体は、燃料電池スタック１０の冷却媒体供給連通孔３０ａに供給される。

図１に示すように、燃料電池スタック１０内では、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給連通孔２８ａから第２金属セパレータ２６の酸化剤ガス流路４４に導入され、電解質膜・電極構造体２２のカソード側電極３８に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３２ａから第１金属セパレータ２４の燃料ガス流路４０に導入され、電解質膜・電極構造体２２のアノード側電極３６に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体２２では、カソード側電極３８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３６に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード側電極３８に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに沿って流動した後、エンドプレート２０ａから排出される。同様に、アノード側電極３６に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３２ｂに排出されて流動し、エンドプレート２０ａから排出される。

また、純水やエチレングリコール等の冷却媒体は、第１及び第２金属セパレータ２４、２６間の冷却媒体流路４２に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３０ｂを移動してエンドプレート２０ａから排出され、循環使用される。

この場合、第１の実施形態では、エンドプレート２０ａに形成されている流体連通孔４６ａ〜４６ｆに、絶縁グロメット４８が配設されている。この絶縁グロメット４８は、水蒸気透過性を有しており、内部を流れる燃料ガスや酸化剤ガスに混在する生成水や冷却媒体が、水蒸気化して前記絶縁グロメット４８を透過し、流体連通孔４６ａ〜４６ｆを構成する内壁面と前記絶縁グロメット４８の外周面との間に浸入し易い。

ここで、図２及び図３に示すように、例えば、流体連通孔４６ｄでは、この流体連通孔４６ｄを構成する内壁面に波形状部５２が形成されており、前記流体連通孔４６ｄに絶縁グロメット４８が装填された状態で、前記絶縁グロメット４８の外周面と前記波形状部５２との間には、それぞれ矢印Ａ方向に延在する複数の空間部５４が形成されている。

さらに、各空間部５４の両端部は、環状溝部５８ａ、５８ｂを介して一体的に連通するとともに、連通溝６０ａ、６０ｂから第１及び第２開放孔部６２ａ、６２ｂに連通している。

このため、絶縁グロメット４８を透過した水蒸気は、空間部５４に導入された後に環状溝部５８ａ、５８ｂから連通溝６０ａ、６０ｂを通り、第１及び第２開放孔部６２ａ、６２ｂから外部に放出される。従って、流体連通孔４６ｄの内壁面に水が滞留することがなく、この内壁面が腐食することを防止するとともに、所望の絶縁性を確実に維持することができるという効果が得られる。

さらに、流体連通孔４６ｄの上部には、鉛直上方向に向かって第１開放孔部６２ａが連通するとともに、前記流体連通孔４６ｄの下部側に下方に傾斜して第２開放孔部６２ｂが連通している。これにより、流体連通孔４６ｄの内壁面に沿って水蒸気の流通性が向上するとともに、特に、この水蒸気は、第１開放孔部６２ａを通って外部に放出される一方、空間部５４に凝結する水は、第２開放孔部６２ｂを介して円滑に外部に排出される。

さらにまた、第１の実施形態では、図３に示すように、絶縁グロメット４８のボディ５０ａの外周面と流体連通孔４６ｄの内壁面との間に、この外周面を周回して複数の空間部５４が形成されている。これにより、絶縁グロメット４８内を流動する燃料ガス（酸化剤ガス及び冷却媒体でも同様）の圧力変動を介して、前記絶縁グロメット４８の前記ボディ５０ａは、波形状部５２の形状に沿って変形し易い。

このため、空間部５４の体積が変化してポンピング動作が発生し、前記空間部５４に導出された水蒸気の排出及び前記空間部５４への外気の導入が確実に行われ、水分排出機能が有効に向上するという利点がある。

なお、第１の実施形態では、第１及び第２開放孔部６２ａ、６２ｂを個別に設けて、それぞれエンドプレート２０ａの上面と側面とから外部に開放するように構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、第１及び第２開放孔部６２ａ、６２ｂの途上で合流して単一の開放孔部を形成し、この単一の開放孔部が外部に開放するように構成してもよい。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック８０を構成するエンドプレート８２と、筒状の絶縁性流路部材、例えば、絶縁グロメット８４との分解説明図である。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。

この第２の実施形態では、流体連通孔４６ｄの内壁面に凹凸部が設けられておらず、絶縁グロメット８４を構成するボディ５０ａの外周面には、矢印Ａ方向に延在して凹凸部８６が形成される。凹凸部８６は、例えば、波形状に構成されており、流体連通孔４６ｄの内壁面との間に複数の空間部８８が形成される。

ボディ５０ａの両端部には、このボディ５０ａの外周面を周回し、且つ各空間部８８の両端部を一体的に連通する環状溝部９０が形成される。この環状溝部９０は、第１及び第２開放孔部６２ａ、６２ｂに連通して外部に開放される。

このように構成される第２の実施形態では、絶縁グロメット８４を透過する水蒸気は、この絶縁グロメット８４の外周面に形成される複数の空間部８８に導入された後、環状溝部９０から第１及び第２開放孔部６２ａ、６２ｂを介して外部放出される。

従って、流体連通孔４６ｄの内壁面に水が滞留することがなく、腐食を防止するとともに、所望の絶縁性を確実に維持することができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。しかも、絶縁グロメット８４外周面に凹凸部８６を形成すればよく、流体連通孔４６ｄの内壁面に凹凸部を設ける構成に比べて一層経済的であるという利点がある。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解斜視図である。 前記燃料電池スタックを構成するエンドプレート及び絶縁グロメットの一部分解斜視図である。 前記エンドプレート及び前記絶縁グロメットの断面説明図である。 前記燃料電池スタックの一部断面説明図である。 本発明の第２実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解斜視図である。 前記燃料電池スタックを構成するエンドプレート及び絶縁グロメットの断面説明図である。 特許文献１に係る燃料電池の分解斜視説明図である。

符号の説明

１０、８０…燃料電池スタック １２…発電セル
１４…積層体 １６…ターミナルプレート
１８…絶縁プレート
２０ａ、２０ｂ、８２…エンドプレート
２２…電解質膜・電極構造体 ２４、２６…金属セパレータ
２８ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ２８ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
３０ａ…冷却媒体供給連通孔 ３０ｂ…冷却媒体排出連通孔
３２ａ…燃料ガス供給連通孔 ３２ｂ…燃料ガス排出連通孔
４０…燃料ガス流路 ４２…冷却媒体流路
４４…酸化剤ガス流路 ４６ａ〜４６ｆ…流体連通孔
４８、４８ａ、８４…絶縁グロメット ５０ａ…ボディ
５０ｂ…フランジ部 ５２…波形状部
５４、８８…空間部 ５６…通路部
５８ａ、５８ｂ、９０…環状溝部 ６０ａ、６０ｂ…連通溝
６２ａ、６２ｂ…開放孔部 ８６…凹凸部

Claims (2)

1. 電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを交互に積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも冷却媒体又は反応ガスのいずれかを流す流体連通孔が形成される燃料電池スタックであって、
   少なくとも前記流体連通孔のいずれかを構成する内壁面に配設される筒状の絶縁性流路部材を備え、
   前記内壁面と前記絶縁性流路部材の外周面との間には、複数の空間部が形成されるとともに、
   前記空間部は、通路部を介して外部に開放されることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記空間部は、前記内壁面又は前記外周面に周方向に沿って設けられる凹凸部により形成されるとともに、
   前記通路部は、前記凹凸部の少なくとも一端に設けられ、複数の前記空間部同士を前記周方向に沿って連通する環状溝部と、
   前記環状溝部に連通して外部に開放される２以上の開放孔部と、
   を有することを特徴とする燃料電池スタック。
   
   

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