JP2006092843A

JP2006092843A - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP2006092843A
Application number: JP2004275169A
Authority: JP
Inventors: Kentaro Nagoshi; 健太郎名越; Hideaki Kikuchi; 英明菊池; Takeshi Morimoto; 剛森本; Shigetoshi Sugita; 成利杉田; Ayumi Ishizuka; 歩石塚
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-09-22
Filing date: 2004-09-22
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2024-09-22
Also published as: JP4523371B2

Abstract

【課題】高さ方向の寸法を低く抑えるとともに、外部衝撃による変形を有効に阻止し、しかも電極面全面を均一且つ円滑に冷却することを可能にする。
【解決手段】単位セル１２を構成する第１金属セパレータ２６には、上部長辺側に矢印Ｂ方向に長尺な冷却媒体入口連通孔３３ａ１、３３ａ２が、リブ部３５に仕切られて形成される。リブ部３５は、単位セル１２の外方側の端部３５ａの幅寸法Ｈ１が、前記単位セル１２の内方側の端部３５ｂの幅寸法Ｈ２よりも幅広に構成される。端部３５ａ、３５ｂの内壁面には、それぞれ曲率Ｒ１、Ｒ２の曲面が形成され、応力の集中を阻止する。
【選択図】図４

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、横長の長方形セパレータにより挟持する単位セルを設け、複数の前記単位セルが長辺側を上下にして水平方向に積層されるとともに、各単位セルの上下には、積層方向に貫通して冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口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）を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合した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・電極構造体を設け、この電解質膜・電極構造体をセパレータによって挟持することにより燃料電池（単位セル）が構成されている。通常、この燃料電池を複数積層することにより燃料電池スタックが用いられている。

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。

ところで、燃料電池スタックを車両等に搭載しようとする場合、所望の電力を得るために各単位燃料電池セルの発電面積を大きく設定する必要があり、前記燃料電池スタック全体が相当に大型化してしまう。ところが、車両内では、燃料電池スタックの収容場所として床等の高さに制限を要するスペースが採用されており、車載用燃料電池スタックとしては、高さ方向の寸法を低く設定した横長の長方形状に構成されることが望ましい。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックが知られている。この燃料電池スタックでは、各単位セルが横長の長方形状に構成されるとともに、前記燃料電池スタック内には、横方向両端上下に位置してそれぞれ燃料ガス及び酸化剤ガスを各単位燃料電池セルに供給するための燃料ガス給排路及び酸化剤ガス給排路が設けられる一方、長辺側上下に位置して冷却媒体を供給するための冷却媒体給排路が設けられている。

特開２００１−１４３７４０号公報（図３）

ところで、この種の燃料電池スタックでは、例えば、図６に示すセパレータ１が使用されている。セパレータ１は、横長の長方形状に構成されており、水平方向（矢印Ｘ方向）一端部には、酸化剤ガス入口２ａ及び燃料ガス出口３ｄが形成されるとともに、水平方向他端部には、燃料ガス入口３ａ及び酸化剤ガス出口２ｂが形成されている。

セパレータ１の矢印Ｙ方向一端部（長辺側下部）には、それぞれ２つの冷却媒体入口４ａ、４ｂが、リブ部５ａ、５ｂにより仕切られて形成されている。一方、矢印Ｙ方向他端（長辺側上部）には、同様に、それぞれ２つの冷却媒体出口４ｃ、４ｄが、リブ部５ｃ、５ｄにより仕切られて形成されている。

この場合、セパレータ１では、横長の電極面（図示せず）に対応して冷却媒体を均一に供給するため、冷却媒体入口４ａ、４ｂ及び冷却媒体出口４ｃ、４ｄは、矢印Ｘ方向に長尺に構成される必要がある。

一方、セパレータ１は、例えば、薄肉金属プレートで構成されており、車載型燃料電池スタックとして使用される際には、走行時に上下方向の衝撃や前後方向の衝撃等を受け易い。従って、セパレータ１は、この種の衝撃に耐え得る構造を採用する必要がある。このため、上記の衝撃が付与されることによって変形し易い冷却媒体入口４ａ、４ｂ及び冷却媒体出口４ｃ、４ｄでは、それぞれの略中央部に補強用のリブ部５ａ、５ｂ及び５ｃ、５ｄが設けられている。

しかしながら、リブ部５ａ〜５ｄでは、走行時の衝撃等によって変形することがないように、幅寸法Ｔを比較的幅広に設定する必要がある。一方、この幅寸法Ｔが大きくなるのに従って、連通孔断面積が小さくなる。これにより、冷却媒体の圧損が上昇し、特に、ポンプ能力を必要以上に上げなければならず、燃費の低下が惹起されるという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、高さ方向の寸法を低く抑えるとともに、外部衝撃による変形を有効に阻止し、しかも電極面全面を均一且つ円滑に冷却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を設けた電解質・電極構造体を、横長の長方形セパレータにより挟持する単位セルを設け、複数の前記単位セルが長辺側を上下にして水平方向に積層されるとともに、各単位セルの上下には、積層方向に貫通して冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔が形成される燃料電池スタックである。

そして、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔は、それぞれリブ部により長辺方向に分割されるとともに、前記リブ部は、単位セルの外方側の端部が前記単位セルの内方側の端部よりも幅広に構成されている。

本発明によれば、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔に設けられているリブ部は、単位セルの外方側が幅広に構成されるため、上下方向に振動等の荷重が付与された際、該荷重を確実に受けることができる。従って、単位セルは、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔の周縁部に変形や撓み等が発生することを有効に阻止することが可能になる。

さらに、リブ部は、単位セルの内方側の端部が幅狭に構成されるため、冷却媒体の流路面積を確保することができ、前記冷却媒体の流動抵抗が低減される。これにより、電極面全面を均一且つ円滑に冷却することが可能になるとともに、冷却媒体供給用のポンプ能力を上げる必要がなく、ポンプ駆動に要する燃費が向上して経済的である。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０の概略全体斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の一部断面側面図である。

燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を備える。積層体１４の積層方向一端には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８及び第１エンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁性スペーサ部材２２及び第２エンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される。燃料電池スタック１０は、四角形（長方形）に構成される第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂを端板として含むケーシング２３により一体的に保持される。

図２及び図３に示すように、各単位セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）２４と、前記電解質膜・電極構造体２４を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ２６、２８とを備える。なお、第１及び第２金属セパレータ２６、２８に代替して、例えば、カーボンセパレータを採用してもよい。

単位セル１２の長辺方向（図３中、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、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔３０ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３２ｂとが設けられる。

単位セル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入口連通孔３２ａと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとが設けられる。

単位セル１２の上端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３３ａ１、３３ａ２と、冷却媒体入口連通孔３４ａ１、３４ａ２とが設けられるとともに、前記単位セル１２の下端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３３ｂ１、３３ｂ２と、冷却媒体出口連通孔３４ｂ１、３４ｂ２とが設けられる。

冷却媒体入口連通孔３３ａ１、３３ａ２は、リブ部３５を介して長辺方向（矢印Ｂ方向）に仕切られている。図４に示すように、リブ部３５は、単位セル１２の外方側の端部３５ａが、前記単位セル１２の内方側の端部３５ｂよりも幅広に構成される。具体的には、端部３５ａの幅寸法Ｈ１と端部３５ｂの幅寸法Ｈ２とは、Ｈ１：Ｈ２＝１０：９〜３：１の範囲内に設定される。

端部３５ａは、冷却媒体入口連通孔３３ａ１、３３ａ２を構成する内壁面に曲率Ｒ１の曲面を設ける一方、端部３５ｂは、前記冷却媒体入口連通孔３３ａ１、３３ａ２を構成する内壁面に曲率Ｒ２の曲面を設ける。

冷却媒体入口連通孔３４ａ１、３４ａ２、冷却媒体出口連通孔３３ｂ１、３３ｂ２及び冷却媒体出口連通孔３４ｂ１、３４ｂ２は、上記の冷却媒体入口連通孔３３ａ１、３３ａ２と同様に、それぞれリブ部３５を介して長辺方向に仕切られている（図３及び図５参照）。

図２及び図３に示すように、電解質膜・電極構造体２４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３６と、前記固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード側電極３８及びカソード側電極４０とを備える。

アノード側電極３８及びカソード側電極４０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て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３６の両面に形成される。

第１金属セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２４に向かう面２６ａには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する燃料ガス流路４２が形成される。第１金属セパレータ２６の面２６ｂには、冷却媒体入口連通孔３３ａ１、３３ａ２及び３４ａ１、３４ａ２と、冷却媒体出口連通孔３３ｂ１、３３ｂ２及び３４ｂ１、３４ｂ２とを連通する冷却媒体流路４４が形成される。

第２金属セパレータ２８の電解質膜・電極構造体２４に向かう面２８ａには、酸化剤ガス流路４６が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路４６は、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する。第２金属セパレータ２８の面２８ｂには、第１金属セパレータ２６の面２６ｂと重なり合って冷却媒体流路４４が一体的に形成される。

第１金属セパレータ２６の面２６ａ、２６ｂには、この第１金属セパレータ２６の外周端縁部を周回して第１シール部材４８が一体成形される。第１シール部材４８は、面２６ａで燃料ガス入口連通孔３２ａ、燃料ガス出口連通孔３２ｂ及び燃料ガス流路４２を囲繞してこれらを連通させる一方、面２６ｂで冷却媒体入口連通孔３３ａ１、３３ａ２、３４ａ１及び３４ａ２と、冷却媒体出口連通孔３３ｂ１、３３ｂ２、３４ｂ１及び３４ｂ２と、冷却媒体流路４４とを囲繞してこれらを連通させる。

第２金属セパレータ２８の面２８ａ、２８ｂには、この第２金属セパレータ２８の外周端縁部を周回して第２シール部材５０が一体成形される。第２シール部材５０は、面２８ａで酸化剤ガス入口連通孔３０ａ、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂ及び酸化剤ガス流路４６を囲繞してこれらを連通させる一方、面２８ｂで冷却媒体入口連通孔３３ａ１、３３ａ２、３４ａ１及び３４ａ２と、冷却媒体出口連通孔３３ｂ１、３３ｂ２、３４ｂ１及び３４ｂ２と、冷却媒体流路４４とを囲繞してこれらを連通させる。

図２に示すように、第１及び第２シール部材４８、５０間には、固体高分子電解質膜３６の外周が直接ケーシング２３に接触することを阻止すべく、シール５１が介装される。図１及び図２に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの端部には、面方向に突出する板状の端子部５２ａ、５２ｂが形成される。

ケーシング２３は、図１及び図２に示すように、端板である第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂと、積層体１４の側部に配置される複数の側板５４ａ〜５４ｄと、前記側板５４ａ〜５４ｄの互いに近接する端部同士をねじ止めにより連結するアングル部材（例えば、Ｌアングル）５６ａ〜５６ｄと、前記第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂと前記側板５４ａ〜５４ｄとを連結するそれぞれ長さの異なる連結ピン５８ａ、５８ｂとを備える。

図１に示すように、第１エンドプレート２０ａの矢印Ｂ方向一端には、酸化剤ガス入口連通孔３０ａに連結される酸化剤ガス供給配管６０ａと、燃料ガス出口連通孔３２ｂに連結される燃料ガス排出配管６２ｂとが設けられる。第１エンドプレート２０ａの矢印Ｂ方向他端には、燃料ガス入口連通孔３２ａに連結される燃料ガス供給配管６２ａと、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに連結される酸化剤ガス排出配管６０ｂとが設けられる。

第１エンドプレート２０ａの上端部には、冷却媒体入口連通孔３３ａ１、３３ａ２、３４ａ１及び３４ａ２に連結される冷却媒体供給配管６４ａが設けられる。第１エンドプレート２０ａの下端部には、冷却媒体出口連通孔３３ｂ１、３３ｂ２、３４ｂ１及び３４ｂ２に連結される冷却媒体排出配管６４ｂが設けられる。

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、図１に示すように、燃料電池スタック１０では、第１エンドプレート２０ａにおいて、酸化剤ガス供給配管６０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガス（空気）が供給されるとともに、燃料ガス供給配管６２ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給配管６４ａには、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３０ａから第２金属セパレータ２８の酸化剤ガス流路４６に導入され、電解質膜・電極構造体２４のカソード側電極４０に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３２ａから第１金属セパレータ２６の燃料ガス流路４２に導入され、電解質膜・電極構造体２４のアノード側電極３８に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体２４では、カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３８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４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って流動した後、酸化剤ガス排出配管６０ｂに排出される（図１参照）。同様に、アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出されて流動し、燃料ガス排出配管６２ｂに排出される。

また、冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔３３ａ１、３３ａ２、３４ａ１及び３４ａ２から第１及び第２金属セパレータ２６、２８間の冷却媒体流路４４に導入された後、矢印Ｃ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２４を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３３ｂ１、３３ｂ２、３４ｂ１及び３４ｂ２を移動して冷却媒体排出配管６４ｂに排出される。

この場合、本実施形態では、図４に示すように、冷却媒体入口連通孔３３ａ１、３３ａ２間にリブ部３５が設けられている。このリブ部３５は、単位セル１２の外方側の端部３５ａの幅寸法Ｈ１が幅広に構成されるため、上下方向（矢印Ｃ方向）に振動等の荷重が付与された際、前記リブ部３５によって前記荷重を確実に受けることができる。従って、単位セル１２は、冷却媒体入口連通孔３３ａ１、３３ａ２の周縁部に変形や撓み等が発生することを有効に阻止することが可能になる。

さらに、リブ部３５は、単位セル１２の内方側の端部３５ｂの幅寸法Ｈ２が幅狭に構成されている。このため、冷却媒体入口連通孔３３ａ１、３３ａ２の流路面積を確保することができ、冷却媒体の流動抵抗が有効に低減される。これにより、電極面全面を均一且つ円滑に冷却することができるとともに、図示しない冷却媒体供給用のポンプ能力を上げる必要がなく、ポンプ駆動に要する燃費が向上して、経済的であるという利点が得られる。

さらにまた、図５に示すように、第１金属セパレータ２６では、通常、金属プレートに対してＬＩＭＳ（液状射出成形システム）成形により樹脂材を用いて第１シール部材４８が一体成形される際、位置Ｐ１〜Ｐ６に対応してＬＩＭＳ成形用ゲートが設けられている。

その際、本実施形態では、冷却媒体入口連通孔３３ａ１、３３ａ２間及び３４ａ１、３４ａ２間と、冷却媒体出口連通孔３３ｂ１、３３ｂ２間及び３４ｂ１、３４ｂ２間とに、それぞれリブ部３５が設けられている。従って、各リブ部３５上の位置Ｐ７〜Ｐ１０に対応してＬＩＭＳ成形用ゲートを設けることができる。

このため、第１金属セパレータ２６の面には、位置Ｐ１〜Ｐ１０に示す位置に対応してそれぞれＬＩＭＳ成形用ゲートを設けることが可能になり、ゲート間隔が有効に短尺化される。これにより、例えば、シリコン樹脂を高温の状態で第１金属セパレータ２６の所望の部位にわたって良好に行きわたらせることができ、所望の第１シール部材４８を効率的且つ高精度に成形することが可能になるという効果が得られる。

また、リブ部３５では、各端部３５ａ、３５ｂに対応して曲率Ｒ１、Ｒ２の曲面が形成されている。従って、単位セル１２に矢印Ｃ方向の荷重が付与された際に、この荷重がリブ部３５に部分的に集中することがなく、前記リブ部３５の損傷を有効に回避することができる。

なお、本実施形態では、連結部材として、例えば、アングル部材５６ａ〜５６ｄを用いているが、これに限定されるものではない。例えば、側板５４ａ〜５４ｄ自体に屈曲するフランジ部を形成し、各フランジ部をねじ止めして前記側板５４ａ〜５４ｄ同士を連結することにより連結部材を構成してもよい。また、側板５４ａ〜５４ｄ同士を溶接して一体化することにより、連結部材を構成してもよい。さらに、ケーシング２３に代替して、第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂを図示しないタイロッドで締め付け保持する構成を採用してもよい。

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの概略全体斜視図である。前記燃料電池スタックの一部断面側面図である。前記燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視説明図である。前記単位セルを構成する第１金属セパレータの要部拡大説明図である。前記金属セパレータのＬＩＭＳ成形を行う際のゲート位置の説明図である。特許文献１に係る燃料電池スタックを構成するセパレータの正面説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池スタック１２…単位セル
１４…積層体２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２３…ケーシング２４…電解質膜・電極構造体
２６、２８…セパレータ３０ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス出口連通孔３２ａ…燃料ガス入口連通孔
３２ｂ…燃料ガス出口連通孔
３３ａ１、３３ａ２、３４ａ１、３４ａ２…冷却媒体入口連通孔
３３ｂ１、３３ｂ２、３４ｂ１、３４ｂ２…冷却媒体出口連通孔
３５…リブ部３５ａ、３５ｂ…端部
３６…固体高分子電解質膜３８…アノード側電極
４０…カソード側電極４２…燃料ガス流路
４４…冷却媒体流路４６…酸化剤ガス流路
５２ａ、５２ｂ…端子部５４ａ〜５４ｄ…側板

Claims

電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、横長の長方形セパレータにより挟持する単位セルを設け、複数の前記単位セルが長辺側を上下にして水平方向に積層されるとともに、各単位セルの上下には、積層方向に貫通して冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔が形成される燃料電池スタックであって、
前記冷却媒体入口連通孔及び前記冷却媒体出口連通孔は、それぞれリブ部により長辺方向に分割されるとともに、
前記リブ部は、前記単位セルの外方側の端部が前記単位セルの内方側の端部よりも幅広に構成されることを特徴とする燃料電池スタック。