JP2006049129A - 燃料電池スタック - Google Patents

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Abstract

【課題】流体連通孔をシールする樹脂製シール部位を確実且つ強固に保持し、簡単な構成で、シール性の向上を図ることを可能にする。
【解決手段】配管マニホールド56は、酸化剤ガス供給連通孔28aに連通する樹脂製配管部材64aを備える一方、エンドプレート20a、絶縁プレート18及びターミナルプレート16には、前記酸化剤ガス供給連通孔28aに連通して絶縁グロメット46が設けられる。配管部材64aと絶縁グロメット46とが積層方向に重なり合ってシール部位を構成するとともに、前記シール部位と積層方向に重なり合う領域には、前記配管部材64aのフランジ部69を前記絶縁グロメット46のリップ状シール部52aとにより挟持する補強部70が設けられる。
【選択図】図3

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として、特許文献1の「燃料電池のマニホールド」が知られている。この特許文献1では、図5に示すように、複数の単セルを積層したモジュール1を備えており、前記モジュール1の積層方向両端にエンドプレート2が配設されて燃料電池スタック3が構成されている。この燃料電池スタック3内には、積層方向に貫通して冷媒マニホールド4、燃料ガスマニホールド5及び図示しない酸化剤ガスマニホールドが設けられている。
エンドプレート2には、冷媒配管6a及び燃料ガス配管6bのフランジ7がねじ止めされるとともに、前記フランジ7には、冷媒マニホールド4及び燃料ガスマニホールド5に連通する流体流路8a、8bが形成されている。この流体流路8a、8bを周回してOリング溝9a、9bが形成され、前記Oリング溝9a、9bには、エンドプレート2とフランジ7との間で冷媒及び燃料ガスが漏れることを阻止するためのOリングR1、R2が装着されている。
特開2002−343406号公報(図7)
上記の特許文献1では、冷媒マニホールド4を流れる冷却水や燃料ガスマニホールド5に導入される生成水等によって、液絡が発生するおそれがあるとともに、冷却水や生成水が金属部分に接触すると、この金属部分に電触による腐食が惹起される場合がある。
従って、冷媒配管6a及び燃料ガス配管6bのフランジ7は、電触による錆等を防止するために、樹脂燃料で形成されることが望ましい。しかしながら、フランジ7がエンドプレート2にねじ止めされる際に、樹脂製のフランジ7が変形し易く、OリングR1、R2だけでは、前記フランジ7に設けられる流体流路8a、8bとエンドプレート2に設けられる冷媒マニホールド4及び燃料ガスマニホールド5とのシール性を十分に確保することができないという問題がある。
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の流体連通孔をシールする樹脂製シール部位を確実且つ強固に保持することができ、簡単な構成で、シール性の向上を図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、流体連通孔に連通して配設され、フランジ部を有する流路部材と、前記フランジ部と積層方向に重なり合ってシール部位を構成する重合部材と、前記流路部材の外側に配置されるとともに、前記積層方向に沿って前記シール部位と重なり合う領域を覆って配設され、前記フランジ部を前記シール部位とにより挟持する補強部材とを備えている。
また、補強部材は、流路部材よりも弾性係数の大きな材料で形成されることが好ましい。さらに、燃料電池スタックの積層方向両端にエンドプレートが配設されるとともに、重合部材は、少なくとも一方のエンドプレートに形成された流体流路の内周面に配設される絶縁性筒部材であることが好ましい。
さらにまた、絶縁性筒部材のフランジ部には、シール部位を構成するリップ状シール部が周回して設けられることが好ましい。
また、流路部材及び補強部材は、流体流路に連通する配管マニホールドを構成し、前記配管マニホールドが一方のエンドプレートに取り付けられることが好ましい。さらに、流路部材は、補強部材を保持するアンダーカット部を備えることが好ましい。
さらにまた、流体連通孔は、電解質・電極構造体とセパレータとの積層体に燃料ガスを供給する燃料ガス供給連通孔、及び前記積層体から前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出連通孔を備え、前記燃料ガス供給連通孔に連通する燃料ガス供給部及び前記燃料ガス排出連通孔に連通する燃料ガス排出部は、前記燃料ガスに接触する全ての部位が樹脂で形成されることが好ましい。
ここで、積層体の両側には、ターミナルプレート、絶縁プレート、エンドプレート及び必要に応じてマニホールドが配設されており、燃料ガス供給部及び燃料ガス排出部は、例えば、前記ターミナルプレート、エンドプレート及びマニホールドに設けられる。なお、一方のエンドプレート及び一方のターミナルプレート側にのみマニホールドが構成される際には、他方のエンドプレート及び他方のターミナルプレート側に燃料ガス供給部及び燃料ガス排出部を設けなくてもよい。
また、流体連通孔は、冷却媒体を供給する冷却媒体供給連通孔及び前記冷却媒体を排出する冷却媒体排出連通孔を備え、前記冷却媒体供給連通孔に連通する冷却媒体供給部及び前記冷却媒体排出連通孔に連通する冷却媒体排出部は、冷却媒体に接触する全ての部位が樹脂で形成されることが好ましい。冷却媒体供給部及び冷却媒体排出部は、例えば、ターミナルプレート、エンドプレート及びマニホールドに設けられる。
本発明によれば、流路部材のフランジ部が、積層方向に沿って重合部材のシール部と補強部材とに挟持されるため、前記シール部位を前記積層方向に沿って樹脂のみにより保持する構成に比べ、前記シール部位の変形やずれ等が有効に阻止される。これにより、簡単な構成で、電蝕の発生を防止するとともに、樹脂製シール部位のシール性を良好に向上させることができる。
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の長辺方向(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の長辺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2及び図3に示すように、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の各矩形状内周面には、ターミナルプレート16、絶縁プレート18及びエンドプレート20aを一体的に跨いで絶縁性筒部材、例えば、絶縁グロメット(重合部材)46が配設される。
絶縁グロメット46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48の両端にフランジ部50a、50bが一体的に形成される。フランジ部50a、50bには、外方に向かって突出するリップ状シール部52a、52bが設けられる。
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及び燃料ガス排出連通孔32bを囲繞して複数のねじ孔54aが形成されるとともに、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を囲繞して複数のねじ孔54bが形成される。
エンドプレート20aには、配管マニホールド56、58が積層体14とは反対の面に固定される。配管マニホールド56、58は、エンドプレート20aの横方向(矢印B方向)両端に配置される取り付け板状部60a、60bを設ける。各取り付け板状部60a、60bには、エンドプレート20aのねじ孔54a、54bと同軸的に複数の孔部62a、62bが形成される。孔部62a、62bにねじ63が挿入され、該ねじ63の先端がねじ孔54a、54bにねじ込まれることにより、配管マニホールド56、58がエンドプレート20aに固定される。
取り付け板状部60aには、酸化剤ガス供給連通孔28a、冷却媒体供給連通孔30a及び燃料ガス排出連通孔32bに連通する樹脂製配管部材(流路部材)64a、66a及び68bが一体的又は個別に配設される。筒状の配管部材64a、66a及び68bは、それぞれの基端部には、フランジ部69とアンダーカット部71とが設けられる。
また、取り付け板状部60aには、配管部材64a、66a及び68bよりも弾性係数の大きな樹脂で形成される。この取り付け板状部60aには、積層方向に沿ってそれぞれの絶縁グロメット46のリップ状シール部52a、すなわち、シール部位と重なり合う領域Hを覆って配設される補強部70が設けられる。
補強部70は、薄板状で且つ各矩形状内周面に対応する形状に設定されており、配管部材64a、66a及び68bのアンダーカット部71に配置される。この補強部70と絶縁グロメット46のシール部位であるリップ状シール部52aとは、フランジ部69を挟持する。
取り付け板状部60bには、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に連通する樹脂製配管部材(流路部材)68a、66b及び64bが一体的又は個別に配設される。なお、取り付け板状部60bは、上述した取り付け板状部60aと同様に構成されており、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。
配管マニホールド56、58では、図示しない成形用金型に取り付け板状部60a、60bを配設した状態で、溶融樹脂を充填して硬化させることにより、前記取り付け板状部60a、60bに各フランジ部69及び各アンダーカット部71を形成することができる。
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、配管部材64aから燃料電池スタック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、配管部材68aから燃料電池スタック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、配管部材66aから燃料電池スタック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に連結された配管部材64bに排出される。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に連結された配管部材68bに排出される。
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に連結された配管部材66bに排出され、循環使用される。
この場合、第1の実施形態では、図3に示すように、配管マニホールド56が、酸化剤ガス供給連通孔28aに連通する樹脂製の配管部材64aを備えるとともに、この配管部材64aと絶縁グロメット46とは、積層方向に重なり合っている。そして、配管部材64aに設けられるアンダーカット部71には、取り付け板状部60aを構成する補強部70が配置されている。
この補強部70は、積層方向に沿ってリップ状シール部52aと重なり合う領域Hを覆って配設され、このリップ状シール部52aを配管部材64a及び前記補強部70と絶縁グロメット46(及び該絶縁グロメット46が装着されたエンドプレート20a)とで挟持している。すなわち、配管部材64aのフランジ部69は、補強部70とリップ状シール部52aとにより挟持されている。
このため、配管マニホールド56がエンドプレート20aに取り付けられた状態で、配管部材64aのフランジ部69に絶縁グロメット46のリップ状シール部52aが押し付けられる際、補強部70の保持作用下に前記フランジ部69に変形やずれ等が発生することを有効に阻止することができる。補強部70は、配管部材64aよりも弾性係数の大きな樹脂で形成されているからである。
これにより、簡単な構成で、樹脂製の配管部材64aと絶縁グロメット46とのシール部位におけるシール性を良好に向上させるとともに、金属製の取り付け板状部60aに生成水や冷却水が接触することがなく、電触による錆等の発生を確実に防止することができるという効果が得られる。
なお、配管部材64b、66a、66b、68a及び68bと各絶縁グロメット46とにおいても、上記の配管部材64aと同様の効果がある。
さらに、第1の実施形態では、配管部材64aにアンダーカット部71を設け、このアンダーカット部71に補強部70が収容保持されている。従って、簡単な構成で、配管部材64aと補強部70とが互いに離脱することを確実に阻止することが可能になる。
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の要部拡大断面図である。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、その詳細な説明は省略する。
この燃料電池スタック100は、エンドプレート20aに装着される絶縁グロメット46aと、ターミナルプレート16及び絶縁プレート18に一体的に跨って装着される絶縁グロメット46bとを備える。
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46aと配管マニホールド56、58とは、上記の第1の実施形態と同様の効果を有する。しかも、絶縁グロメット46a、46bでは、互いのシール部位であるリップ状シール部52bと積層方向に沿って重なり合う領域H1を覆ってエンドプレート20a及び絶縁プレート18の端部が配設されている。これにより、絶縁グロメット46a、46bに積層方向に締め付け力が作用しても、前記絶縁グロメット46a、46bに変形やずれ等が発生することを良好に阻止することが可能になる。
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配管マニホールド及び絶縁グロメットの斜視説明図である。 前記配管マニホールド及び前記絶縁グロメットの断面説明図である。 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する配管マニホールド及び絶縁グロメットの断面説明図である。 特許文献1に係るマニホールドの分解斜視説明図である。
符号の説明
10、100…燃料電池スタック 12…発電セル
16…ターミナルプレート 18…絶縁プレート
20a、20b…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
46、46a、46b…絶縁グロメッド
48…ボディ 50a、50b、69…フランジ部
52a、52b…リップ状シール部 56、58…配管マニホールド
60a、60b…取り付け板状部
64a、64b、66a、66b、68a、68b…配管部材
70…補強部 71…アンダーカット部

Claims (8)

  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、
    前記流体連通孔に連通して配設され、フランジ部を有する流路部材と、
    前記フランジ部と積層方向に重なり合ってシール部位を構成する重合部材と、
    前記流路部材の外側に配置されるとともに、前記積層方向に沿って前記シール部位と重なり合う領域を覆って配設され、前記フランジ部を前記シール部位とにより挟持する補強部材と、
    を備え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、前記補強部材は、前記流路部材よりも弾性係数の大きな材料で形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
  3. 請求項1又は2記載の燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池スタックの積層方向両端にエンドプレートが配設されるとともに、
    前記重合部材は、少なくとも一方のエンドプレートに形成された前記流体連通孔の内周面に配設される絶縁性筒部材であることを特徴とする燃料電池スタック。
  4. 請求項3記載の燃料電池スタックにおいて、前記絶縁性筒部材のフランジ部には、前記シール部位を構成するリップ状シール部が周回して設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
  5. 請求項3記載の燃料電池スタックにおいて、前記流路部材及び前記補強部材は、前記流体連通孔に連通する配管マニホールドを構成し、
    前記配管マニホールドが前記一方のエンドプレートに取り付けられることを特徴とする燃料電池スタック。
  6. 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記流路部材は、前記補強部材を保持するアンダーカット部を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
  7. 請求項1記載の燃料電池スタックにおいて、前記流体連通孔は、前記電解質・電極構造体と前記セパレータとの積層体に燃料ガスを供給する燃料ガス供給連通孔、及び前記積層体から前記燃料ガスを排出する燃料ガス排出連通孔を備え、
    前記燃料ガス供給連通孔に連通する燃料ガス供給部及び前記燃料ガス排出連通孔に連通する燃料ガス排出部は、前記燃料ガスに接触する全ての部位が樹脂で形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
  8. 請求項1記載の燃料電池スタックにおいて、前記流体連通孔は、冷却媒体を供給する冷却媒体供給連通孔及び前記冷却媒体を排出する冷却媒体排出連通孔を備え、
    前記冷却媒体供給連通孔に連通する冷却媒体供給部及び前記冷却媒体排出連通孔に連通する冷却媒体排出部は、冷却媒体に接触する全ての部位が樹脂で形成されることを特徴とする燃料電池スタック。

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