JP2010003603A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つコンパクトな構成で、液絡を確実に阻止することができ、良好な発電性能を確保することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０を構成するエンドプレート６２ｂには、燃料ガス排出連通孔７６ｂに連通する燃料ガス出口マニホールド１００ｂが設けられる。燃料ガス出口マニホールド１００ｂには、出口配管１２０が連結され、この出口配管１２０の先端１２０ａがエンドプレート６２ｂから外方に突出し、水捕集タンク５３内に挿入される。水捕集タンク５３の室１２２に貯留される水の最高水位における水面１２４は、出口配管１２０の先端１２０ａよりも下方に離間するように設定される。
【選択図】図６

Description

本発明は、複数の発電セルが積層され、発電反応に使用された反応ガスを積層方向に流通させる反応ガス連通孔が設けられるとともに、積層方向の一端部に配置されるエンドプレートには、前記反応ガス連通孔に連通する反応ガス出口が開口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配設した電解質膜・電極構造体（電解質・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。

燃料電池では、積層されている各発電セルのアノード側電極及びカソード側電極に、それぞれ反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するため、内部マニホールドを構成する場合が多い。この内部マニホールドは、発電セルの積層方向に貫通して設けられる反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔を備えており、燃料電池スタックには、前記反応ガス供給連通孔及び前記反応ガス排出連通孔に連通する供給側配管及び排出側配管が接続されている。その際、燃料電池スタックと供給側配管及び排出側配管との接続部位から漏電するおそれがある。

そこで、この種の漏電を抑制するために、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが提案されている。この燃料電池システムは、図７に示すように、燃料電池スタック１を備えており、この燃料電池スタック１は、複数のセルモジュール２を積層した積層体を備えるとともに、この積層体の積層方向両端には、エンドプレート３ａ、３ｂが配設されている。

一方のエンドプレート３ａには、加湿された水素ガス、加湿された空気及び冷却液のそれぞれの供給配管４ａ、５ａ及び６ａと、それぞれの排出配管４ｂ、５ｂ及び６ｂが接続されている。これらの供給配管４ａ〜６ａ及び排出配管４ｂ〜６ｂは、電気絶縁性部材で形成されている。

特開２００５−３３２６７４号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、特に排出配管５ｂに連通する空気排出連通孔（図示せず）には、発電により生成される生成水が凝縮して滞留水が発生し易い一方、排出配管４ｂに連通する水素ガス排出連通孔（図示せず）には、生成水の電解質膜を介した逆拡散による水分が凝縮して滞留水が発生し易い。

このため、排出配管４ｂ、５ｂ内には、凝縮水が反応ガス排出圧力によって排出されており、この凝縮水を介して金属部材同士が電気的に短絡（液絡）するという問題がある。その際、排出配管４ｂ、５ｂを相当に長尺に構成して絶縁抵抗を大きくすることが考えられる。ところが、排出配管４ｂ、５ｂは、電気絶縁性部材で形成されるため、長尺化により強度不足が発生し易くなるとともに、外部配管の取り回しが煩雑化し、配管構造が大型化す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、簡単且つコンパクトな構成で、液絡を確実に阻止することができ、良好な発電性能を確保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、複数の発電セルが積層され、発電反応に使用された反応ガスを積層方向に流通させる反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔が設けられるとともに、積層方向の一端部に配置されるエンドプレートには、前記反応ガス排出連通孔に連通する反応ガス出口が開口される燃料電池スタックに関するものである。

燃料電池スタックは、反応ガス出口に連結され、先端がエンドプレートから外方に突出する出口配管と、前記出口配管の先端から排出される反応ガスに含まれる水分を捕集するとともに、前記出口配管の先端よりも下方に水面が位置するように配置される水捕集機構とを備えている。

また、燃料電池スタックは、反応ガス出口から排出される反応ガスを、反応ガス供給連通孔に循環供給するための反応ガス循環系を備え、前記反応ガス循環系に水捕集機構が配設されることが好ましい。

本発明によれば、反応ガス排出連通孔に排出された反応ガスは、出口配管を通って水捕集機構に送られるとともに、前記反応ガスに含まれている水分は、前記水捕集機構により捕集されている。

その際、水捕集機構の水面は、出口配管の先端よりも下方に位置しており、前記出口配管内の水と前記水捕集機構内の水とによる導電経路が遮断されている。従って、簡単且つコンパクトな構成で、液絡が発生することを良好に阻止することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０を組み込む燃料電池システム１２の概略構成図である。

燃料電池システム１２は、図示しない燃料電池車両に搭載されており、燃料電池スタック１０と、前記燃料電池スタック１０に冷却媒体を供給するための冷却媒体供給機構１６と、前記燃料電池スタック１０に酸化剤ガス（反応ガス）を供給するための酸化剤ガス供給機構１８と、前記燃料電池スタック１０に燃料ガス（反応ガス）を供給するための燃料ガス供給機構２０とを備える。

冷却媒体供給機構１６は、ラジエータ２４を備える。このラジエータ２４には、冷媒用ポンプ２６を介して冷却媒体供給配管２８と、冷却媒体排出配管３０とが接続される。

酸化剤ガス供給機構１８は、空気用ポンプ３２を備え、この空気用ポンプ３２に一端が接続される空気供給配管３４は、加湿器３６に他端が接続されるとともに、この加湿器３６には、加湿空気供給配管３８を介して燃料電池スタック１０が接続される。燃料電池スタック１０と加湿器３６とには、使用済みの生成水を含んだ酸化剤ガス（以下、オフガスという）を加湿流体として供給するためのオフガス供給配管４０が接続される。加湿器３６では、オフガス供給配管４０を介して供給されたオフガスの排出側に、背圧弁４２が配設される。

燃料ガス供給機構２０は、燃料ガスとして水素ガスが貯留される燃料ガスタンク（燃料タンク）４４を備える。この燃料ガスタンク４４には、燃料ガスパイプ４５の一端が接続され、前記燃料ガスパイプ４５には、遮断弁４６、レギュレータ４８及びエゼクタ５０を介して燃料ガス供給配管５１が接続されるとともに、前記燃料ガス供給配管５１が燃料電池スタック１０に接続される。

燃料電池スタック１０には、使用済みの燃料ガスが排出される排出燃料ガス配管５２が、水捕集タンク（水捕集機構）５３を介装して接続される。この排出燃料ガス配管５２は、リターン配管５４を介してエゼクタ５０に接続され、燃料ガス循環系（反応ガス循環系）を構成するとともに、一部がパージ弁５６に連通する。

燃料電池スタック１０は、複数の発電セル６０が車長方向である水平方向（図２及び図３中、矢印Ａ方向）に積層されるとともに、積層方向の両端には、図示しないが、ターミナルプレート及び絶縁プレートを介して金属製エンドプレート６２ａ、６２ｂが配設される（図１参照）。エンドプレート６２ａ、６２ｂから積層方向外方に電力取り出し端子６３ａ、６３ｂが突出し、前記電力取り出し端子６３ａ、６３ｂは、図示しない車両走行用モータや補機類に接続される。

図２に示すように、各発電セル６０は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）６６と、前記電解質膜・電極構造体６６を挟持する第１及び第２セパレータ６８、７０とを備えるとともに、縦長に構成される。なお、第１及び第２セパレータ６８、７０は、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。

発電セル６０の長辺方向（矢印Ｃ方向）の一端縁部（上端縁部）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供給連通孔７２ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔７６ａが設けられる。

発電セル６０の長辺方向の他端縁部（下端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔（反応ガス排出連通孔）７２ｂ及び燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔（反応ガス排出連通孔）７６ｂが設けられる。

発電セル６０の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔７４ａが設けられるとともに、前記発電セル６０の短辺方向の他端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔７４ｂが設けられる。冷却媒体供給連通孔７４ａ及び冷却媒体排出連通孔７４ｂは、縦長形状に設定される。

電解質膜・電極構造体６６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７８と、前記固体高分子電解質膜７８を挟持するアノード側電極８０及びカソード側電極８２とを備える。

第１セパレータ６８の電解質膜・電極構造体６６に向かう面６８ａには、燃料ガス供給連通孔７６ａと燃料ガス排出連通孔７６ｂとを連通する燃料ガス流路８４が形成される。この燃料ガス流路８４は、例えば、矢印Ｃ方向に延在する溝部により構成される。第１セパレータ６８の面６８ａとは反対の面６８ｂには、冷却媒体供給連通孔７４ａと冷却媒体排出連通孔７４ｂとを連通する冷却媒体流路８６が形成される。

第２セパレータ７０の電解質膜・電極構造体６６に向かう面７０ａには、例えば、矢印Ｃ方向に延在する溝部からなる酸化剤ガス流路８８が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路８８は、酸化剤ガス供給連通孔７２ａと酸化剤ガス排出連通孔７２ｂとに連通する。第２セパレータ７０の面７０ａとは反対の面７０ｂには、第１セパレータ６８の面６８ｂと重なり合って冷却媒体流路８６が一体的に形成される。図示しないが、第１及び第２セパレータ６８、７０には、必要に応じてシール部材が設けられる。

図３に示すように、燃料電池スタック１０は、例えば、エンドプレート６２ａ、６２ｂを端板とするケーシング８９を備える。なお、ケーシング８９に代えて、エンドプレート６２ａ、６２ｂ間を図示しないタイロッドで連結して構成してもよい。

図１に示すように、エンドプレート６２ａには、冷却媒体入口マニホールド９６ａと、冷却媒体出口マニホールド９６ｂとが設けられる。冷却媒体入口マニホールド９６ａは、冷却媒体供給連通孔７４ａに連通する一方、冷却媒体出口マニホールド９６ｂは、冷却媒体排出連通孔７４ｂに連通する。冷却媒体入口マニホールド９６ａ及び冷却媒体出口マニホールド９６ｂは、冷却媒体供給配管２８及び冷却媒体排出配管３０を介してラジエータ２４に連通している。

図３に示すように、エンドプレート６２ｂには、酸化剤ガス供給連通孔７２ａに連通する酸化剤ガス入口マニホールド９８ａ、燃料ガス供給連通孔７６ａに連通する燃料ガス入口マニホールド１００ａ、酸化剤ガス排出連通孔７２ｂに連通する酸化剤ガス出口マニホールド９８ｂ、及び燃料ガス排出連通孔７６ｂに連通する燃料ガス出口マニホールド１００ｂが設けられる。

図４に示すように、燃料電池スタック１０のエンドプレート６２ｂには、加湿器３６が固定される。加湿器３６のケーシングは、例えば、鋳造成形されており、エンドプレート６２ｂに接するフランジ部１０６に複数のボルト１０８が挿入される。ボルト１０８がエンドプレート６２ｂに螺合することにより、加湿器３６が前記エンドプレート６２ｂに直接固定される。

加湿器３６内には、第１及び第２加湿部１１０ａ、１１０ｂが上下に配列して収容される。第１加湿部１１０ａ及び第２加湿部１１０ｂは、空気供給配管３４と加湿空気供給配管３８とに接続される。第１加湿部１１０ａ及び第２加湿部１１０ｂは、例えば、中空糸膜型加湿構造を採用することができる。加湿器３６には、燃料ガス供給機構２０を構成する各補機類、例えば、遮断弁４６、レギュレータ４８、エゼクタ５０及び背圧弁４２が一体化される。

図３、図５及び図６に示すように、燃料ガス出口マニホールド１００ｂには、出口配管１２０が連結され、この出口配管１２０の先端１２０ａがエンドプレート６２ｂから外方に突出する。出口配管１２０は、電気絶縁材（例えば、樹脂材）又は内面に樹脂コートが施された金属部材で構成されており、水捕集タンク５３の室１２２に先端１２０ａが挿入される（図５及び図６参照）。

図６に示すように、水捕集タンク５３の室１２２に貯留される水の最高水位における水面１２４は、出口配管１２０の先端１２０ａの下部よりも下方に距離ｈだけ離間するように設定される。水捕集タンク５３の下部には、室１２２内の水を外部に排出するためのドレン管１２６が設けられる。

このように構成される燃料電池システム１２の動作について、以下に説明する。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス供給機構１８を構成する空気用ポンプ３２が駆動され、酸化剤ガスである外部空気が吸引されて空気供給配管３４に導入される。この空気は、空気供給配管３４から加湿器３６内に導入され、第１及び第２加湿部１１０ａ、１１０ｂを通って加湿空気供給配管３８に供給される（図４参照）。

その際、オフガス供給配管４０には、後述するように、反応に使用された酸化剤ガスであるオフガスが供給されている。このため、使用前の空気には、加湿器３６の水透過膜（図示せず）を介してオフガス中に含まれる水分が移動し、この使用前の空気が加湿される。加湿された空気は、加湿空気供給配管３８からエンドプレート６２ｂを通って燃料電池スタック１０内の酸化剤ガス供給連通孔７２ａに供給される。

一方、燃料ガス供給機構２０では、遮断弁４６の開放作用下に、燃料ガスタンク４４内の燃料ガス（水素ガス）がレギュレータ４８で降圧された後、エゼクタ５０を通って燃料ガス供給配管５１からエンドプレート６２ｂを通って燃料電池スタック１０内の燃料ガス供給連通孔７６ａに導入される。

さらに、冷却媒体供給機構１６では、冷媒用ポンプ２６の作用下に、冷却媒体供給配管２８からエンドプレート６２ａを通って燃料電池スタック１０内の冷却媒体供給連通孔７４ａに冷却媒体が導入される。

図２に示すように、燃料電池スタック１０内の発電セル６０に供給された空気は、酸化剤ガス供給連通孔７２ａから第２セパレータ７０の酸化剤ガス流路８８に導入され、電解質膜・電極構造体６６のカソード側電極８２に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔７６ａから第１セパレータ６８の燃料ガス流路８４に導入され、電解質膜・電極構造体６６のアノード側電極８０に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体６６では、カソード側電極８２に供給される空気中の酸素と、アノード側電極８０に供給される燃料ガス（水素）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８２に供給されて消費された空気は、酸化剤ガス排出連通孔７２ｂに沿って流動した後、オフガスとしてエンドプレート６２ｂからオフガス供給配管４０に排出される（図１参照）。

同様に、アノード側電極８０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７６ｂに排出されて流動し、排出燃料ガスとしてエンドプレート６２ｂから水捕集タンク５３を通って排出燃料ガス配管５２に排出される（図１参照）。排出燃料ガス配管５２に排出された排出燃料ガスは、一部がリターン配管５４を通ってエゼクタ５０の吸引作用下に燃料ガス供給配管５１に戻される。

排出燃料ガスは、新たな燃料ガスに混在して燃料ガス供給配管５１から燃料電池スタック１０内に供給される。残余の排出燃料ガスは、パージ弁５６の開放作用下に排出される。

ここで、アノード側電極８０では、生成水が逆拡散しており、この生成水が燃料ガス排出連通孔７６ｂに排出されている。燃料ガス排出連通孔７６ｂでは、エンドプレート６２ｂ側に導入された生成水が、排出燃料ガスの流れに沿って出口配管１２０を通って水捕集タンク５３に送られる。従って、生成水は、出口配管１２０の先端１２０ａから水捕集タンク５３に滴下して前記水捕集タンク５３の室１２２内に貯留（捕集）されている。

この場合、本実施形態では、図６に示すように、室１２２に貯留される水の最高水位における水面１２４は、出口配管１２０の先端１２０ａよりも下方に距離ｈだけ離間するように設定されている。これにより、出口配管１２０内の水と水捕集タンク５３内の水とによる導電経路が遮断され、簡単且つコンパクトな構成で、液絡が発生することを良好に阻止することができるという効果が得られる。

また、冷却媒体は、図２に示すように、冷却媒体供給連通孔７４ａから第１及び第２セパレータ６８、７０間の冷却媒体流路８６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６６を冷却した後、冷却媒体排出連通孔７４ｂを移動してエンドプレート６２ａの冷却媒体出口マニホールド９６ｂから冷却媒体排出配管３０に排出される。この冷却媒体は、図１に示すように、ラジエータ２４により冷却された後、冷媒用ポンプ２６の作用下に冷却媒体供給配管２８から燃料電池スタック１０に供給される。

なお、本実施形態では、燃料ガス排出連通孔７６ｂから排出される水分を除去するために、排出燃料ガス配管５２に水捕集タンク５３を設けているが、これに限定されるものではない。例えば、酸化剤ガス排出連通孔７２ｂから排出される水分を除去するために、オフガス供給配管４０にも水捕集タンク５３を設けることができる。

また、酸化剤ガスとして高純度の酸素ガスを使用し、上記の燃料ガス循環系と同様に酸素ガス循環系（反応ガス循環系）を構成して、この酸素ガス循環系に水捕集タンク５３を設けてもよい。

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムの概略構成図である。 前記燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの加湿器側からの斜視説明図である。 前記加湿器及び前記燃料電池スタックの斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する出口配管及び水捕集タンクの概略斜視説明図である。 前記出口配管及び前記水捕集タンクの断面説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池システムの概略説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池スタック １２…燃料電池システム
１６…冷却媒体供給機構 １８…酸化剤ガス供給機構
２０…燃料ガス供給機構 ２４…ラジエータ
２６、３２…ポンプ ２８…冷却媒体供給配管
３０…冷却媒体排出配管 ３４…空気供給配管
３６…加湿器 ３８…加湿空気供給配管
４０…オフガス供給配管 ４４…燃料ガスタンク
５１…燃料ガス供給配管 ５２…排出燃料ガス配管
５３…水捕集タンク ５４…リターン配管
６０…発電セル ６２ａ、６２ｂ…エンドプレート
６６…電解質膜・電極構造体 ６８、７０…セパレータ
７２ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ７２ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
７４ａ…冷却媒体供給連通孔 ７４ｂ…冷却媒体排出連通孔
７６ａ…燃料ガス供給連通孔 ７６ｂ…燃料ガス排出連通孔
７８…固体高分子電解質膜 ８０…アノード側電極
８２…カソード側電極 ８４…燃料ガス流路
８６…冷却媒体流路 ８８…酸化剤ガス流路
９６ａ…冷却媒体入口マニホールド ９６ｂ…冷却媒体出口マニホールド
９８ａ…酸化剤ガス入口マニホールド ９８ｂ…酸化剤ガス出口マニホールド
１００ａ…燃料ガス入口マニホールド １００ｂ…燃料ガス出口マニホールド
１２０…出口配管 １２０ａ…先端
１２２…室

Claims (2)

1. 複数の発電セルが積層され、発電反応に使用された反応ガスを積層方向に流通させる反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔が設けられるとともに、積層方向の一端部に配置されるエンドプレートには、前記反応ガス排出連通孔に連通する反応ガス出口が開口される燃料電池スタックであって、
   前記反応ガス出口に連結され、先端が前記エンドプレートから外方に突出する出口配管と、
   前記出口配管の先端から排出される前記反応ガスに含まれる水分を捕集するとともに、前記出口配管の先端よりも下方に水面が位置するように配置される水捕集機構と、
   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、前記反応ガス出口から排出される前記反応ガスを、前記反応ガス供給連通孔に循環供給するための反応ガス循環系を備え、
   前記反応ガス循環系に前記水捕集機構が配設されることを特徴とする燃料電池スタック。

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