JP2008218087A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】外部マニホールド方式の燃料電池で、ガス排出部の水の凝縮による性能低下を防ぎ、かつモールド成形により安価に製造できるようにする。
【解決手段】燃料ガス流通路は燃料入口マニホールド１４および燃料出口マニホールド１５に接続され、酸化剤ガス流通路は酸化剤入口マニホールド１０および酸化剤出口マニホールド１２に接続されている。燃料入口マニホールド１４、燃料出口マニホールド１５、酸化剤入口マニホールド１０および酸化剤出口マニホールド１２の積層体８に面する側面側の開口部大きさが開口部の反対側の底面５２大きさよりも大きく、底面５２から側面側の開口部に向けて次第に拡大するテーパーが設けられている。
【選択図】図１

Description

この発明は、複数の単位電池を積層した積層体の外側にマニホールドを配置した外部マニホールド方式の燃料電池に関する。

電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いた燃料電池スタックは、電解質膜を燃料極と酸化剤極で狭持した膜電極複合体（ＭＥＡ）の両面に、ガス流通路を設けた電気伝導性のセパレータを配置して単セル電池を構成し、単セル電池を複数積層した積層体の両端をエンドプレートで保持し、両エンドプレートを貫通した孔に複数のスタッドを通し、スプリングを介して積層体を締め付けている。

燃料電池スタックの各単セル電池には、反応に必要な燃料（水素）と酸化剤（空気）及び冷却に必要な冷却水を均等に供給する必要があるが、反応ガス・冷却水を分配・回収するマニホールドには内部マニホールド方式と外部マニホールド方式がある。内部マニホールド方式では単セル電池を構成する膜電極複合体とセパレータの周辺部にはガスおよび冷却水供給・排出用の内部マニホールドが設けられており、セパレータのガス流通路・冷却水流通路と連通している。内部マニホールドは積層されて分配・回収マニホールドを形成する。分配・回収マニホールドは集電板とエンドプレートを貫通し、エンドプレートに設けられたパイプと連通している。

外部マニホールド方式では、セパレータに設けたガス流通路をセパレータ端部まで延長して積層体側面に開口させ、別体の外部マニホールドを側面に設けて流通させている。外部マニホールド方式ではセパレータにマニホールドを含まないため、膜電極複合体の有効面積と同等の大きさとなり、セパレータをコンパクトにでき、コストダウンに有利である。また外部マニホールドには絶縁性の安価なプラスチックを用いることが可能で、コストアップは最小限に抑えられる。マニホールドの容積もセパレータの大きさの制約を受けずに設定可能であり、積層体を構成する各単セル電池のガス・冷却水流通路により均一にガスや冷却水を分配することが可能である。
特開２００５−７１９５９号公報 特開２００４−３２７１２５号公報

外部マニホールド方式では、外部マニホールドの開口部の幅と積層体側面の幅、つまりセパレータの幅は概略同じ寸法となる(特許文献１)。このため、マニホールドにガスを供給・排出するポートの位置が、積層体のセパレータの最下部より高い位置となってしまい、ガス排出部のマニホールド内で水が凝縮し、燃料電池スタックの運転が不安定になる課題があった。特にマニホールドを金型によりモールド成形する場合には、特許文献１や特許文献２に示すようにマニホールドの外側に抜きテーパーが必要となるため、ポートの設置位置がより困難になる課題があった。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、ガス排出部の水の凝縮による性能低下を防ぎ、かつモールド成形により安価に製造できる外部マニホールド方式の燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池は、複数の単位電池を所定の積層方向に積層した積層体と、前記複数の単位電池それぞれに燃料ガスを配給する燃料入口マニホールドと、前記複数の単位電池それぞれに酸化剤ガスを配給する酸化剤入口マニホールドと、前記複数の単位電池それぞれから燃料ガスを排出する燃料出口マニホールドと、前記複数の単位電池それぞれから酸化剤ガスを排出する酸化剤出口マニホールドとを有し、前記燃料入口マニホールド、酸化剤入口マニホールド、燃料出口マニホールドおよび酸化剤出口マニホールドがそれぞれ前記積層体の側面に接して前記積層方向に延びるように配置された燃料電池において、前記単位電池のそれぞれは、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟持した膜・電極複合体と、前記ガス拡散電極にそれぞれ接して配置されて前記ガス拡散電極にそれぞれ接した位置に燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路を形成するセパレータと、を前記積層方向に重ね合わせて構成され、前記燃料ガス流通路は燃料ガス入口で前記燃料入口マニホールドに接続され、前記燃料ガス流通路は燃料ガス出口で前記燃料出口マニホールドに接続され、前記酸化剤ガス流通路は酸化剤ガス入口で前記酸化剤入口マニホールドに接続され、前記酸化剤ガス流通路は酸化剤ガス出口で前記酸化剤出口マニホールドに接続され、前記燃料入口マニホールド、燃料出口マニホールド、酸化剤入口マニホールドおよび酸化剤出口マニホールドの少なくとも一つの前記積層体に面する側面側の開口部大きさが前記開口部の反対側の底面大きさよりも大きく、前記底面から前記側面側の開口部に向けて次第に拡大するテーパーが設けられていること、を特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池の他の態様は、複数の単位電池を所定の積層方向に積層した積層体と、前記複数の単位電池それぞれに燃料ガスを配給する燃料入口マニホールドと、前記複数の単位電池それぞれに酸化剤ガスを配給する酸化剤入口マニホールドと、前記複数の単位電池それぞれから燃料ガスを排出する燃料出口マニホールドと、前記複数の単位電池それぞれから酸化剤ガスを排出する酸化剤出口マニホールドとを有し、前記燃料入口マニホールド、酸化剤入口マニホールド、燃料出口マニホールドおよび酸化剤出口マニホールドがそれぞれ前記積層体の側面に接して前記積層方向に延びるように配置された燃料電池において、前記単位電池のそれぞれは、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟持した膜・電極複合体と、前記ガス拡散電極にそれぞれ接して配置されて前記ガス拡散電極にそれぞれ接した位置に燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路を形成するセパレータと、を前記積層方向に重ね合わせて構成され、前記燃料ガス流通路は燃料ガス入口で前記燃料入口マニホールドに接続され、前記燃料ガス流通路は燃料ガス出口で前記燃料出口マニホールドに接続され、前記酸化剤ガス流通路は酸化剤ガス入口で前記酸化剤入口マニホールドに接続され、前記酸化剤ガス流通路は酸化剤ガス出口で前記酸化剤出口マニホールドに接続され、前記燃料入口マニホールド、燃料出口マニホールド、酸化剤入口マニホールドおよび酸化剤出口マニホールドの少なくとも一つの前記積層体に面する側面側の開口部の周囲を構成する壁面の厚さが、前記開口部に接する側とその開口部の反対側の底面側の中間位置で最も厚く、この中央位置から前記開口部に接する側および前記底面側に向かって次第に薄くなっていること、を特徴とする。

この発明によれば、外部マニホールド方式の燃料電池において、ガス排出部の水の凝縮による性能低下を防ぎ、かつモールド成形により安価に製造できる。

以下、本発明に係る燃料電池の実施形態について、図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
図１および図２を用いて第１の実施形態の固体高分子型燃料電池を説明する。図１は第１の実施形態の燃料電池を示す模式的平断面図であり、図２は図１のII−II線縦断面図である。第１の実施形態は、燃料電池スタックの外側にマニホールドを配置したいわゆる外部マニホールド型燃料電池である。

単セル電池（単位電池）１は、膜・電極複合体（ＭＥＡ）２と、燃料セパレータ３と、酸化剤・冷却水セパレータ４とが積層されて構成されている。燃料セパレータ３の表面には溝によって燃料ガス流通路５が形成されており、その端部は燃料セパレータ３の側面に開口している。酸化剤・冷却水セパレータ４の一方の表面には酸化剤ガス流通路６が、もう一方の表面には冷却水流通路７がそれぞれ溝によって形成されており、それらの端部は酸化剤・冷却水セパレータ４の側面に開口している。単セル電池１は複数積層されて積層体８を構成する。

積層体８の側面には、酸化剤入口マニホールド１０、冷却水出口マニホールド１１、酸化剤（空気）出口マニホールド１２、冷却水入口マニホールド１３、燃料入口マニホールド１４、燃料出口マニホールド１５が積層方向に延びるように配置され、酸化剤ガス流通路６、燃料ガス流通路５、冷却水流通路７のいずれかと連通している。各マニホールド１０〜１５の外壁を形成する板材の端部は積層体８の側面とシール材４０を介して接合され、ガスおよび冷却水の漏洩を防いでいる。

上述の構成により、反応に必要な燃料・酸化剤ガスを膜・電極複合体２に供給・排出し、所定の流量の冷却水を供給し、反応に伴う発熱の冷却を行なう。

膜・電極複合体２は、電解質膜１７の両側にアノード触媒層１８およびカソード触媒層１９をそれぞれ配置し、さらに外側にはガス拡散層２０、２１を配置して構成される。アノード触媒層１８およびガス拡散層２０によりアノード電極３０が構成され、カソード触媒層１９およびガス拡散層２１によりカソード電極３１が構成されている。電解質膜１７はイオン伝導性とともにガスバリア性が必要であり、反応ガスの混合を防ぐため、燃料セパレータ３および酸化剤・冷却水セパレータ４と同じ大きさまで延長されている。アノード触媒層１８およびカソード触媒層１９はセパレータ３、４や電解質膜１７よりも一回り小さく、その周囲には反応ガスをシールするエッジシール材２２が配置される。エッジシール材２２の内側端部は、燃料ガス流通路５および酸化剤ガス流通路６の外端部の溝の外端部とほぼ重なる位置にある。

アノード触媒層１８、カソード触媒層１９およびガス拡散層２０、２１の範囲がガス拡散電極有効部３３（図１参照）である。ガス拡散電極有効部３３の幅Ｌ１は、両側のエッジ幅Ｌ２×２の分だけ燃料セパレータ幅Ｌ３よりも小さい。燃料入口マニホールド１４および燃料出口マニホールド１５の幅Ｌ４は燃料セパレータ幅Ｌ３に等しい。また、燃料入口マニホールド１４および燃料出口マニホールド１５の開口部幅Ｌ５は、燃料出口マニホールド１５の幅Ｌ４から両側のマニホールド壁厚さ（マニホールドシール部厚さ）Ｌ６×２を差し引いた長さになる。ガス拡散電極有効部幅Ｌ１は開口部幅L５よりも小さく、燃料ガス流通路５は開口部幅L５よりも内側に位置している。

各マニホールド１０〜１５には、ガス不透過性と電気絶縁性が必要であり、熱可塑性樹脂もしくは熱硬化性樹脂を金型により圧縮成形もしくはインジェクション成形して製造する。熱可塑性樹脂としてはポリフェレンサルファイド（ＰＰＳ）、熱硬化性樹脂としてはエポキシ樹脂やフェノール樹脂などがある。各マニホールド１０〜１５は積層体８側を開口部とした箱状の形状であり、各マニホールド１０〜１５の外側面５０および内側面５１に積層体８側から各マニホールド１０〜１５の底面５２に向かって抜きテーパーが設けられ、金型の離型性を確保している。

さらに、本実施形態では、各マニホールド１０〜１５の側面または底面に、燃料ガス、酸化剤ガスまたは冷却水を供給または排出するための継手５５が各マニホールド１０〜１５と一体成形されている。継手５５の形状は、たとえば、ワンタッチ装着が可能なクイックファスナー構造またはホース用タケノコ形状が好ましいが、単純なストレートパイプ構造としてもよい。

継手５５のうちで、燃料ガス出口継手５５ａは、燃料ガス出口マニホールド１５の側面に形成され、その上面の高さ位置Ｈは燃料ガス流通路５（図２）の最下面の高さ位置と同じになっている。これにより燃料ガス流通路５の出口のガス中の水分が凝縮しても確実に燃料ガス出口継手５５ａより排出することができる。

［第２の実施形態］
図３および図４を用いて第２の実施形態の固体高分子型燃料電池スタックの構成を説明する。図３は第２の実施形態の燃料電池を示す模式的平断面図であり、図４は図３のIV−IV線縦断面図である。ここで、第１の実施形態と同一または類似の部分には共通の符号を付して重複説明は省略する。

この実施形態では、燃料入口マニホールド１４および燃料出口マニホールド１５の開口部が積層体８の幅よりも広く、燃料入口マニホールド１４は酸化剤ガス入口マニホールド１０および冷却水入口マニホールド１３の側面と、シール材４０を介して接し、燃料出口マニホールド１５は冷却水出口マニホールド１１および酸化剤ガス出口マニホールド１２の側面と、シール材４０を介して接している。これにより、ガス拡散電極有効部３３（図３参照）の燃料流通路５幅方向寸法を拡大することができ、セパレータ幅と同等としている。

図４は、燃料電池スタックの断面図（燃料流通路幅方向）を示す。膜・電極複合体２は電解質膜１７の両側にアノード触媒層１８およびカソード触媒層１９を配置し、さらに外側にはガス拡散層２０、２１を配置して構成される。電解質膜１７はイオン伝導性とともにガスバリア性が必要であり、反応ガスの混合を防ぐため、セパレータ３、４と同じ大きさまで延長されている。この実施形態では、触媒層１８、１９もセパレータ３、４や電解質膜１７と同じ大きさとしている。

セパレータ３、４や電解質膜１７、触媒層１８、１９、ガス拡散層２０、２１の外側側面には、反応ガスをシールするエッジシール材２２が配置される。このようなシール材２２としては、絶縁性がありガス気密性があれば良く、熱可塑性の溶融シートや、絶縁性接着剤、絶縁性接着テープなどが用いられる。具体的な材質として、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）やＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）といったフッ素系材料や、ポリエチレンやポリオレフィン、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）などが好適である。

燃料ガスマニホールドの開口部は図４の破線６２で示された位置にあり、セパレータ３、４よりも外側に位置し、図３に示すように空気・冷却水マニホールドに固定され、拡大されたガス流通路をカバーする。

各マニホールド１０〜１５の材質は第１の実施形態と同様である。各マニホールド１０〜１５は積層体８側を開口部とした箱状の形状であり、各マニホールド１０〜１５の内側面５１に積層体８側から各マニホールド１０〜１５の底面５２に向かって抜きテーパーが設けられている。

さらに、本実施形態では、空気・冷却水マニホールドの側面は、その開口部と底面５２の間の位置に厚さが最大となる部分があり、その外側面５０は最大肉厚部から開口部と底面５２の両方に向かって肉厚が薄くなるように傾斜している。このような構成により、各マニホールドを容易に型形成することができる。

［第３の実施形態］
図５を用いて第３の実施形態の固体高分子型燃料電池スタックの構成を説明する。図５は第３の実施形態の燃料電池を示す模式的平断面図である。ここで、第１の実施形態と同一または類似の部分には共通の符号を付して重複説明は省略する。

この実施形態は、第１の実施形態の変形である。第１の実施形態では、各マニホールド１０〜１５の側面または底面に、燃料ガス、酸化剤ガスまたは冷却水を供給または排出するための継手５５が各マニホールド１０〜１５と一体成形されている。これに対してこの第３の実施形態では、これらの継手５５を、各マニホールド１０〜１５と別体とし、マニホールド１０〜１５の開口部にインサート成形する。インサートはマニホールドよりも耐熱性が良い材質のものが好ましく、熱可塑性樹脂のマニホールドに対しては熱硬化性樹脂のインサート、熱硬化性樹脂のマニホールドに対しては金属のインサートを用いるのが好ましい。

なお、図５に示した実施形態は、第１の実施形態の継手５５の構造を変えた変形例である場合について示したが、第２の実施形態の継手５５の構造をこの第３の実施形態と同様のものに置き換えてもよい。

本発明に係る燃料電池の第１の実施形態を示す模式的平断面図である。 本発明に係る燃料電池の第１の実施形態の燃料電池積層体を示す図であって、図１のII−II線縦断面図である。 本発明に係る燃料電池の第２の実施形態を示す模式的平断面図である。 本発明に係る燃料電池の第２の実施形態の燃料電池積層体を示す図であって、図３のIV−IV線縦断面図である。 本発明に係る燃料電池の第３の実施形態を示す模式的平断面図である。

符号の説明

１…単セル電池（単位電池）、２…膜・電極複合体（ＭＥＡ）、３…燃料セパレータ、４…酸化剤・冷却水セパレータ、５…燃料ガス流通路、６…酸化剤ガス流通路、７…冷却水流通路、８…積層体、１０…酸化剤入口マニホールド、１１…冷却水出口マニホールド、１２…酸化剤（空気）出口マニホールド、１３…冷却水入口マニホールド、１４…燃料入口マニホールド、１５…燃料出口マニホールド、１７…電解質膜、１８…アノード触媒層、１９…カソード触媒層、２０，２１…ガス拡散層、２２…エッジシール材、３０…アノード電極（ガス拡散電極）、３１…カソード電極（ガス拡散電極）、３３…ガス拡散電極有効部、４０…シール材、５０…外側面、５１…内側面、５２…底面、５５…継手

Claims (10)

1. 複数の単位電池を所定の積層方向に積層した積層体と、前記複数の単位電池それぞれに燃料ガスを配給する燃料入口マニホールドと、前記複数の単位電池それぞれに酸化剤ガスを配給する酸化剤入口マニホールドと、前記複数の単位電池それぞれから燃料ガスを排出する燃料出口マニホールドと、前記複数の単位電池それぞれから酸化剤ガスを排出する酸化剤出口マニホールドとを有し、前記燃料入口マニホールド、酸化剤入口マニホールド、燃料出口マニホールドおよび酸化剤出口マニホールドがそれぞれ前記積層体の側面に接して前記積層方向に延びるように配置された燃料電池において、
   前記単位電池のそれぞれは、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟持した膜・電極複合体と、前記ガス拡散電極にそれぞれ接して配置されて前記ガス拡散電極にそれぞれ接した位置に燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路を形成するセパレータと、を前記積層方向に重ね合わせて構成され、
   前記燃料ガス流通路は燃料ガス入口で前記燃料入口マニホールドに接続され、前記燃料ガス流通路は燃料ガス出口で前記燃料出口マニホールドに接続され、前記酸化剤ガス流通路は酸化剤ガス入口で前記酸化剤入口マニホールドに接続され、前記酸化剤ガス流通路は酸化剤ガス出口で前記酸化剤出口マニホールドに接続され、
   前記燃料入口マニホールド、燃料出口マニホールド、酸化剤入口マニホールドおよび酸化剤出口マニホールドの少なくとも一つの前記積層体に面する側面側の開口部大きさが前記開口部の反対側の底面大きさよりも大きく、前記底面から前記側面側の開口部に向けて次第に拡大するテーパーが設けられていること、
   を特徴とする燃料電池。
2. 複数の単位電池を所定の積層方向に積層した積層体と、前記複数の単位電池それぞれに燃料ガスを配給する燃料入口マニホールドと、前記複数の単位電池それぞれに酸化剤ガスを配給する酸化剤入口マニホールドと、前記複数の単位電池それぞれから燃料ガスを排出する燃料出口マニホールドと、前記複数の単位電池それぞれから酸化剤ガスを排出する酸化剤出口マニホールドとを有し、前記燃料入口マニホールド、酸化剤入口マニホールド、燃料出口マニホールドおよび酸化剤出口マニホールドがそれぞれ前記積層体の側面に接して前記積層方向に延びるように配置された燃料電池において、
   前記単位電池のそれぞれは、固体高分子電解質膜を２枚のガス拡散電極で挟持した膜・電極複合体と、前記ガス拡散電極にそれぞれ接して配置されて前記ガス拡散電極にそれぞれ接した位置に燃料ガス流通路および酸化剤ガス流通路を形成するセパレータと、を前記積層方向に重ね合わせて構成され、
   前記燃料ガス流通路は燃料ガス入口で前記燃料入口マニホールドに接続され、前記燃料ガス流通路は燃料ガス出口で前記燃料出口マニホールドに接続され、前記酸化剤ガス流通路は酸化剤ガス入口で前記酸化剤入口マニホールドに接続され、前記酸化剤ガス流通路は酸化剤ガス出口で前記酸化剤出口マニホールドに接続され、
   前記燃料入口マニホールド、燃料出口マニホールド、酸化剤入口マニホールドおよび酸化剤出口マニホールドの少なくとも一つの前記積層体に面する側面側の開口部の周囲を構成する壁面の厚さが、前記開口部に接する側とその開口部の反対側の底面側の中間位置で最も厚く、この中央位置から前記開口部に接する側および前記底面側に向かって次第に薄くなっていること、
   を特徴とする燃料電池。
3. 前記燃料入口マニホールド、燃料出口マニホールド、酸化剤入口マニホールドおよび酸化剤出口マニホールドの少なくとも一つが、熱可塑性または熱硬化性樹脂製の電気絶縁材料で圧縮成形またはインジェクション成形により一体成形されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記燃料入口マニホールド、燃料出口マニホールド、酸化剤入口マニホールドおよび酸化剤出口マニホールドの少なくとも一つの底面または側面に、燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給または排出する継手が一体成形されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
5. 前記燃料入口マニホールド、燃料出口マニホールド、酸化剤入口マニホールドおよび酸化剤出口マニホールドの少なくとも一つの底面または側面に、燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給または排出する継手が異種材料でインサート成形されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
6. 前記燃料入口マニホールド、燃料出口マニホールド、酸化剤入口マニホールドおよび酸化剤出口マニホールドの少なくとも一つが、そのマニホールドに隣接する他のマニホールドの側面に接合され、当該マニホールドの前記積層体側開口部の幅が前記セパレータの前記開口部に面した幅よりも大きいこと、を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の燃料電池。
7. 前記燃料出口マニホールドまたは酸化剤出口マニホールドの前記積層体に面する側面側の開口部の下面よりも低い位置に、燃料ガスを排出する燃料ガス出口継手または酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス出口継手の少なくとも一方が形成されていること、を特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の燃料電池。
8. 前記複数の単位電池それぞれが、冷却水が通る冷却水流通路を有し、
   前記冷却水流通路に前記積層体の外側から配給する冷却水入口マニホールドと、前記冷却水流通路から冷却水を前記積層体の外側に排出する冷却水出口マニホールドとが、前記積層体の側面に接して前記積層体の積層方向に延びるように配置されており、
   前記冷却水入口マニホールドおよび冷却水出口マニホールドの少なくとも一方が、前記積層体に面する側面側の開口部大きさが前記開口部の反対側の底部大きさよりも大きく、前記底面から前記側面側の開口部に向けて次第に拡大するテーパーが設けられていること、
   を特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
9. 前記複数の単位電池それぞれが、冷却水が通る冷却水流通路を有し、
   前記冷却水流通路に前記積層体の外側から配給する冷却水入口マニホールドと、前記冷却水流通路から冷却水を前記積層体の外側に排出する冷却水出口マニホールドとが、前記積層体の側面に接して前記積層体の積層方向に延びるように配置されており、
   前記冷却水入口マニホールドおよび冷却水出口マニホールドの少なくとも一方の前記積層体に面する側面側の開口部の周囲を構成する壁面の厚さが、前記開口部に接する側とその開口部の反対側の底面側の中間位置で最も厚く、この中央位置から前記開口部に接する側および前記底面側に向かって次第に薄くなっていること、
   を特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
10. 前記冷却水入口マニホールドおよび冷却水出口マニホールドの少なくとも一方が、熱可塑性または熱硬化性樹脂製の電気絶縁材料で圧縮成形またはインジェクション成形により一体成形されていることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の燃料電池。

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