JP2006260871A

JP2006260871A - 固体高分子型燃料電池

Info

Publication number: JP2006260871A
Application number: JP2005074497A
Authority: JP
Inventors: Akira Suzuki; 彰鈴木; Takahiro Matsuo; 貴寛松尾; Nobukatsu Tomiyama; 信勝冨山
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2005-03-16
Filing date: 2005-03-16
Publication date: 2006-09-28

Abstract

【課題】ガス配管の円形と細長い内部マニホールドとの間で反応ガスを低圧損で供給し又は排出することができ、かつ加圧板の剛性低下を招くことなく全体をコンパクト化できる固体高分子型燃料電池を提供する。
【解決手段】複数のセル４と、細長い内部マニホールド５ａ，５ｂを有する複数のセパレータ５と、セルをセパレータを介して積層したスタック積層体６を間に挟持する１対の加圧板とを備えた固体高分子型燃料電池。加圧板（エンドプレート）１２ａ，１２ｂは、その外面に取り付けられ反応ガスを内部に供給し又は排出する円形断面のガス配管１４ａ，１４ｂと、セパレータの前記内部マニホールドに面する位置に設けられそれと略同一形状の細長いマニホールド連通口１５ａ，１５ｂと、ガス配管とマニホールド連通口の間に設けられその間でガスをスムーズに分散又は集合させるガス連通チャンバ１６ａ，１６ｂとを有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、内部マニホールド方式の固体高分子型燃料電池に関する。

固体高分子型燃料電池（ＰｏｌｙｍｅｒＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅＦｕｅｌＣｅｌｌ：ＰＥＦＣ）は、図５の原理図に示すように、電解質にプロトン（Ｈ^＋）導電性を有する高分子膜１を用い、この膜の両側に薄い多孔質Ｐｔ触媒電極（アノード２とカソード３）を付けた構造を有する。それぞれの電極にＨ_２およびＯ_２を供給し、室温〜１００℃前後で動作させると、Ｈ_２は燃料極（アノード）でＨ^＋に酸化され、Ｈ^＋は膜内を移動して空気極（カソード）に到達する。一方ｅ^-は外部回路を通って電気的な仕事をしたのち、空気極（カソード）に到達する。空気極ではＯ_２が到達したＨ^＋およびｅ^-と反応してＨ_２Ｏに還元される。

図６は、固体高分子型燃料電池のセル構造図である。なおこの例では燃料と空気は直交して流れる直交流であるが、対向流や平行流もある。この図に示すように、ＰＥＦＣの単セル４は、高分子電解質膜１の両側に、燃料極２（アノード）と空気極３（カソード）を形成しこれを一体化したものである。
この燃料極２と空気極３の外側に、集電材として多孔質の支持層２ａ，３ａを付し、さらに反応ガスの供給通路を兼ねるセパレータ５で挟持することにより、単セルが複数積層された燃料電池スタックが構成される。
スタック構造は、各セルへの反応ガスの供給構造により、外部マニホールド方式と内部マニホールド方式に大別される。外部マニホールド方式は、積層したセルの外側に直接マニホールドを設けるものであり。構造が簡単な反面、大型化しかつシールが難しいなどの問題がある。これに対して、内部マニホールド方式は、各セパレータにガス供給用のマニホールド（貫通孔）を設け、このマニホールドを介して各セルにガスを供給するものであり、小型化ができシールが容易であるが構造が複雑となる特徴がある。

図７は、固体高分子型燃料電池のスタック構造図である。この例は内部マニホールド方式であり、多数の単セルをセパレータ５を介して積層してスタック積層体６を構成し、その両端部を厚肉の加圧板７（エンドプレート）で挟み、全体をボルト等で締め付けたものである。

上述した固体高分子型燃料電池の構造に関し、例えば、特許文献１、２が既に提案されている。

特許文献１の「燃料電池」は、マニホールド内のガス流れの均一性を高め、各セルに均一に反応ガスを供給することを目的とし、図８に示すように、入口側マニホールド５１のガス導入部に箱型のガス拡散用空間部５２と多数の開口部を有する平板からなるガス整流板５３を設けたものである。
また特許文献２の「固体高分子電解質型燃料電池」は、流入する反応ガスに含有される液化された水を除去することを目的とし、図９に示すように、加圧板５４内に水滴除去装置５５を設けたものである。

特許第３３５５８６１号公報、「燃料電池」特許第３４７７９２６号公報、「固体高分子電解質型燃料電池」

上述した従来例からも明らかなように、内部マニホールド方式の燃料電池では、内部マニホールドは通常細長い形状（例えば矩形）となるのに対して燃料電池に反応ガスを供給し又は排出するガス配管は、断面が円形のパイプである。そのためガス配管の円形から細長い内部マニホールド形状へ変化する際の流れの乱れを整流するために、ガス整流装置が必要となる。
一方、燃料電池スタックを構成する加圧板（エンドプレート）は、多数のセルをセパレータを介して積層したスタックの締め付け圧の均一化を図るため、高い剛性を必要とし、一般的に分厚く重い部材となる。

ガス整流装置を加圧板の外部に近接して設置する場合、ガス整流装置の大きさが加算されるため、燃料電池全体の大きさが過大となり、自動車等で要求されるコンパクト化が到底達成できない。
逆にガス整流装置を加圧板の内部に設置する場合、ガス整流装置を内蔵することにより加圧板の剛性が低下する。また、ガス整流装置を無理に小型化すると整流性能の低下や圧損の増大を招く問題点があった。

本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、ガス配管の円形と細長い内部マニホールドとの間で反応ガスを低圧損で供給し又は排出することができ、かつ加圧板の剛性低下を招くことなく全体をコンパクト化できる固体高分子型燃料電池を提供することにある。

本発明によれば、複数のセルと、細長い内部マニホールドを有する複数のセパレータと、セルをセパレータを介して積層したスタック積層体を間に挟持する１対の加圧板とを備えた固体高分子型燃料電池であって、
前記加圧板は、その外面に取り付けられ反応ガスを内部に供給し又は排出する円形断面のガス配管と、セパレータの前記内部マニホールドに面する位置に設けられそれと略同一形状の細長いマニホールド連通口と、ガス配管とマニホールド連通口の間に設けられその間でガスをスムーズに分散又は集合させるガス連通チャンバとを有する、ことを特徴とする固体高分子型燃料電池が提供される。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記ガス連通チャンバは、一端がガス配管と連通し、中間部がマニホールド連通口に向かって扇状に広がり、他端がマニホールド連通口と略同一形状の扇形中空チャンバであり、
前記加圧板は、ガス連通チャンバの間を仕切り前記中間部の剛性を高めるためのスティフナと、中間部にガス配管側に内方に突出しガスの流れを整流する整流部とを有し、該整流部は、ガスの流れをマニホールド連通口に向けてスムーズに案内するように滑らかな山形形状を有する。

上記本発明の構成によれば、加圧板が、ガス配管とマニホールド連通口の間でガスをスムーズに分散又は集合させるガス連通チャンバを有するので、ガス配管からマニホールド連通口へ、或いはマニホールド連通口からガス配管へ、反応ガスを低圧損で供給し又は排出することができる。

また好ましい実施形態によれば、前記ガス連通チャンバは、一端がガス配管と連通し、中間部がマニホールド連通口に向かって扇状に広がり、他端がマニホールド連通口と略同一形状の扇形中空チャンバであるので、ガス配管とマニホールド連通口の間でガスを均等に分散又は集合させることができ、マニホールド連通口における流速分布を一様に近付けることができる。

さらに、前記加圧板は、ガス連通チャンバの間を仕切り前記中間部の剛性を高めるためのスティフナを有するので、内部空間の存在による加圧板の剛性低下を最小限に抑えることができる。
また、加圧板は、中間部にガス配管側に内方に突出しガスの流れを整流する整流部を有し、該整流部は、ガスの流れをマニホールド連通口に向けてスムーズに案内するように滑らかな山形形状を有するので、ガスの圧損を低く抑え、全体をコンパクト化できる。

従って、セパレータ面内の均一流配に利点のある細長い矩形のマニホールドの採用が可能となり、スタックの大きさを過大にせず全体をコンパクトにできる。

以下、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の固体高分子型燃料電池の全体斜視図であり、図２は、図１のセル面を示す図、すなわちＡ断面図である。
図１及び図２に示すように、本発明の固体高分子型燃料電池１０は、複数のセル４と、細長い内部マニホールド５ａ，５ｂを有する複数のセパレータ５と、セル４をセパレータ５を介して積層したスタック積層体６を間に挟持する１対の加圧板１２ａ，１２ｂとを備える。
なお、セル４は、高分子電解質膜１の両側に、燃料極２（アノード）と空気極３（カソード）を形成したものであるが、本発明はこの例に限定されず、異なる構成であってもよい。

この例では、アノードガス８とカソードガス９が直交して流れる直交流であり、各１対の内部マニホールド５ａ，５ｂがそれぞれ対向してセパレータ５の４辺近傍に設けられている。また、内部マニホールド５ａ，５ｂの形状は細長い矩形である。しかし、本発明はこの構成に限定されず、対向流、平行流、その他の流れでもよく、内部マニホールドの位置及び形状も自由に設定することができる。

１対の加圧板１２ａ，１２ｂは、この例では厚肉の金属板であり、その４隅に貫通孔１３を有し、この孔に図示しないコンロッドを通し、ナット等を螺合させて締め付け、間に挟持するスタック積層体６に所定の面圧（例えば１０〜２０ｋｇｆ／ｃｍ^２）を付加するようになっている。なお挟持手段はネジの螺合に限定されずその他の周知の手段であってもよい。

１対の加圧板１２ａ，１２ｂ、その外面にそれぞれ円形断面のガス配管１４ａ，１４ｂが取り付けられ、燃料電池に必要な反応ガス（アノードガス８とカソードガス９）を内部に供給し又は排出するようになっている。すなわちこの例では、加圧板１２ａのガス配管１４ａ，１４ｂからアノードガス８とカソードガス９を内部に供給し、反対側の加圧板１２ｂのガス配管１４ａ，１４ｂからアノードガス８とカソードガス９を外部に排出する。
なおこの例で１対の加圧板１２ａ，１２ｂは、ほぼ同一の厚さを有するそれぞれにガス配管１４ａ，１４ｂが設けられているが、本発明はこの構成に限定されず、一方の加圧板のみを厚くし、すべて又は大部分のガス配管を一方の加圧板に取り付けてもよい。また、反応ガスの供給・排出を上記の例の逆にしてもよい。

図３は、図１の加圧板（エンドプレート）の縦断面図、すなわちＢ断面図であり、図４は、図３のＣ-Ｃ断面図である。
１対の加圧板１２ａ，１２ｂはそれぞれ、上述したガス配管１４ａ，１４ｂの他に、セパレータの内部マニホールド５ａ，５ｂに面する位置に設けられそれと略同一形状の細長いマニホールド連通口１５ａ，１５ｂと、ガス配管とマニホールド連通口の間に設けられその間でガスをスムーズに分散又は集合させるガス連通チャンバ１６ａ，１６ｂとを有する。

図３、図４に示すように、ガス連通チャンバ１６ａは、一端（図で下端）がガス配管１４ａと連通し、中間部がマニホールド連通口１５ａに向かって扇状に広がり、他端がマニホールド連通口１５ａと略同一形状の扇形中空チャンバである。また、加圧板１２ａは、ガス連通チャンバ１６ａの間を仕切り、中間部の剛性を高めるためのスティフナ１８ａと、中間部にガス配管側に内方に突出しガスの流れを整流する整流部１９とを有する。この整流部１９は、ガスの流れをマニホールド連通口に向けてスムーズに案内するように滑らかな山形形状を有する。
扇形中空チャンバ及び山形形状は、円形のパイプから、細長い矩形に層流として流すために、扇形中空チャンバ内で流速を小さくしかつ徐々に流路幅を矩形のマニホールドと同形状まで広げて、マニホールド連通口１５ａにおいて安定した層流となるようにする。

なお整流部１９の形状は、滑らかな山形形状に限定されず、低圧損で供給又は排出でき、かつ加圧板の剛性低下を招かない限りで、異なる形状、例えば、板状、三角形等でもよい。
また、この例では反対側の加圧板１２ｂにも同様のガス連通チャンバ１６ａと整流部１９を備えているが、低圧損で供給又は排出でき、かつ加圧板の剛性低下を招かない限りで、出口側を省略することができる。
さらに、加圧板１２ａ，１２ｂのガス連通チャンバ１６ｂもガス連通チャンバ１６ａと同様に構成するのが好ましいが、低圧損で供給又は排出でき、かつ加圧板の剛性低下を招かない限りで、これを省略することもできる。

図３、図４において、ガス連通チャンバ１６ａ，１６ｂの反対側に、異なる中空チャンバ１７ａ，１７ｂを有する。これらの中空チャンバ１７ａ，１７ｂは、この例ではガス連通チャンバ１６ａ，１６ｂと軸対称の形状を有するが、ガス配管とマニホールド連通口には連通しない点で異なる。かかる中空チャンバ１７ａ，１７ｂを設けることにより、加圧板１２ａ，１２ｂを軽量化し、かつ燃料電池の軸心に対し対称となるので、その変形を最小に抑えることができる。
また、かかる中空チャンバ１７ａ，１７ｂは、省略することができ、省略することにより、加圧板１２ａ，１２ｂの剛性をさらに高く保持することができる。

上述した本発明の構成によれば、加圧板１２ａ，１２ｂが、ガス配管１４ａ，１４ｂとマニホールド連通口１５ａ，１５ｂの間でガスをスムーズに分散又は集合させるガス連通チャンバ１６ａ，１６ｂを有するので、ガス配管からマニホールド連通口へ、或いはマニホールド連通口からガス配管へ、反応ガスを低圧損で供給し又は排出することができる。

またガス連通チャンバ１６ａ，１６ｂは、一端がガス配管１４ａ，１４ｂと連通し、中間部がマニホールド連通口に向かって扇状に広がり、他端がマニホールド連通口１５ａ，１５ｂと略同一形状の扇形中空チャンバであるので、ガス配管とマニホールド連通口の間でガスを均等に分散又は集合させることができ、マニホールド連通口における流速分布を一様に近付け、各スタック内の各セルに均一な流配を行うことができる。

さらに、加圧板１２ａ，１２ｂは、ガス連通チャンバの間を仕切り前記中間部の剛性を高めるためのスティフナ１８ａを有するので、内部空間の存在による加圧板の剛性低下を最小限に抑えることができる。
また、整流部１９は、ガスの流れをマニホールド連通口に向けてスムーズに案内するように滑らかな山形形状を有するので、ガスの圧損を低く抑え、全体をコンパクト化できる。

また、上述した本発明の構成により、ガスの流れが偏向されるので、燃料ガス中および酸化剤ガス中のミスト分離にも効果がある。

なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。

本発明の固体高分子型燃料電池の全体斜視図である。図１のセル面を示す図である。図１の加圧板（エンドプレート）の縦断面図である。図３のＣ-Ｃ断面図である。固体高分子型燃料電池の原理図である。固体高分子型燃料電池のセル構造図である。固体高分子型燃料電池のスタック構造図である。特許文献１の「燃料電池」の構造図である。特許文献２の「固体高分子電解質型燃料電池」の構造図である。

符号の説明

１高分子電解質膜、２燃料極（アノード）、３空気極（カソード）、４セル、
５セパレータ、５ａ，５ｂ内部マニホールド、６スタック積層体、７加圧板、
８アノードガス、９カソードガス、
１０固体高分子型燃料電池、１２ａ，１２ｂ加圧板（エンドプレート）、
１３貫通孔、１４ａ，１４ｂガス配管、
１５ａ，１５ｂマニホールド連通口、
１６ａ，１６ｂガス連通チャンバ、１８ａスティフナ、
１９整流部

Claims

複数のセルと、細長い内部マニホールドを有する複数のセパレータと、セルをセパレータを介して積層したスタック積層体を間に挟持する１対の加圧板とを備えた固体高分子型燃料電池であって、
前記加圧板は、その外面に取り付けられ反応ガスを内部に供給し又は排出する円形断面のガス配管と、セパレータの前記内部マニホールドに面する位置に設けられそれと略同一形状の細長いマニホールド連通口と、ガス配管とマニホールド連通口の間に設けられその間でガスをスムーズに分散又は集合させるガス連通チャンバとを有する、ことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
前記ガス連通チャンバは、一端がガス配管と連通し、中間部がマニホールド連通口に向かって扇状に広がり、他端がマニホールド連通口と略同一形状の扇形中空チャンバであり、
前記加圧板は、ガス連通チャンバの間を仕切り前記中間部の剛性を高めるためのスティフナと、中間部にガス配管側に内方に突出しガスの流れを整流する整流部とを有し、該整流部は、ガスの流れをマニホールド連通口に向けてスムーズに案内するように滑らかな山形形状を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。