JP2010272231A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】冷却媒体流路に導入された空気を確実に排出することができ、簡単な構成で、良好な冷却機能を有することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１２が積層されるとともに、積層方向である重力方向上端には、第２ターミナルプレート１４ｂ、第２絶縁プレート１６ｂ及び第２エンドプレート１８ｂが積層される。第２エンドプレート１８ｂと第２絶縁プレート１６ｂとの間には、平板状スペーサ８０が所定の枚数だけ介装される。空気抜き機構６０は、第２絶縁プレート１６ｂに冷却媒体入口連通孔３０ａ等に対応する位置から積層方向に突出して設けられる筒状部５６と、前記筒状部５６の内壁面に沿って積層方向に移動可能に配設される空気抜きバルブ部材６２とを備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が重力方向に積層されるとともに、積層方向下端には、第１ターミナルプレート、第１絶縁プレート及び第１エンドプレートが積層される一方、積層方向上端には、第２ターミナルプレート、第２絶縁プレート及び第２エンドプレートが積層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（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位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。

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（以下、反応ガス流路ともいう）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（以下、反応ガス流路ともいう）とが設けられている。さらに、各発電セル毎又は複数の発電セル毎に、冷却媒体を流すための冷却媒体流路がセパレータの面方向に沿って設けられている。

燃料電池は、セパレータの積層方向に貫通する反応ガス入口連通孔、反応ガス出口連通孔、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔が、前記燃料電池の内部に設けられる、所謂、内部マニホールドを構成する場合がある。

このような構成では、冷却媒体入口連通孔から冷却媒体流路に供給される冷却媒体中にエアが混在している際、及び燃料電池の組み立て後に冷却媒体を注入する際、このエアが前記冷却媒体流路の上方に移動し、該冷却媒体流路の上方領域に前記エアが残存するおそれがある。

これにより、冷却媒体流路の上部には、冷却機能を有しない空間部が存在してしまい、燃料電池の発電面全体を良好且つ均一に冷却することができないという問題が指摘されている。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池では、電解質を一組の電極で挟んで構成される電解質・電極構造体と水平方向に交互に積層されるセパレータには、冷却媒体入口連通孔と冷却媒体出口連通孔とに連通し、前記セパレータの面方向に延在する冷却媒体流路が形成されている。セパレータの水平方向一端部の上下方向略中央部には、冷却媒体入口連通孔が設けられる一方、前記セパレータの水平方向他端部の上下方向略中央部には、冷却媒体出口連通孔が設けられている。

この燃料電池において、冷却媒体に混在した空気が、冷却媒体入口連通孔から冷却媒体流路に導入されると、この空気は、前記冷却媒体流路内を冷却媒体出口連通孔側に向かいながら上方に移動し易い。その際、セパレータの水平方向他端部の上部には、空気抜き用連通孔が、少なくとも一部を冷却媒体流路の最上部よりも上方に位置して積層方向に貫通形成されている。従って、冷却媒体流路内を移動する空気は、空気抜き用連通孔に確実に排出されている。

特開２００４−１９３１１０号公報

ところで、上記の特許文献１の燃料電池は、電解質膜・電極構造体とセパレータとが、交互に水平方向に積層されており、冷却媒体流路は、垂直面を構成する発電面に沿って設けられている。

一方、電解質膜・電極構造体とセパレータとが、重力方向に積層される燃料電池では、冷却媒体流路は、水平面を構成する発電面に沿って設けられている。従って、特許文献１の技術は、重力方向に積層される燃料電池に直接適用することができない。

本発明は重力方向に積層される燃料電池に関するものであり、冷却媒体流路に導入された空気を確実に排出することができ、簡単な構成で、良好な冷却機能を有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、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が重力方向に積層されるとともに、積層方向下端には、第１ターミナルプレート、第１絶縁プレート及び第１エンドプレートが積層される一方、積層方向上端には、第２ターミナルプレート、第２絶縁プレート及び第２エンドプレートが積層される燃料電池スタックに関するものである。

この燃料電池スタックは、積層方向に沿って反応ガスを供給する反応ガス入口連通孔、前記反応ガスを排出する反応ガス出口連通孔、冷媒体を供給する冷媒体入口連通孔及び前記冷媒体を排出する冷媒体出口連通孔を設けている。そして、第２エンドプレートには、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔に対応する位置に複数の空気抜き機構が設けられている。

また、燃料電池は、冷却媒体入口連通孔と冷却媒体出口連通孔とに連通し、電極面に沿って水平方向に延在する冷却媒体流路を備えるとともに、前記冷却媒体流路にバッファ部が設けられ、第２エンドプレートには、前記バッファ部に対応する位置に空気抜き機構が設けられることが好ましい。

さらに、第１エンドプレートと第２エンドプレートとは、連結部材を介して互いの距離を保持して固定されるとともに、前記第２エンドプレートと第２絶縁プレートとの間には、積層荷重を調整するために複数の平板状スペーサが介装され、空気抜き機構は、前記第２絶縁プレートに積層方向に突出して設けられ、前記第２エンドプレートに挿入される絶縁性筒状部と、前記絶縁性筒状部の内壁面に沿って前記積層方向に移動可能に配設される空気抜きバルブ部材とを備えることが好ましい。

さらにまた、空気抜きバルブ部材は、第２エンドプレートに固定されるとともに、絶縁性筒状部の内壁との間に摺接するラジアルシールを備えることが好ましい。

本発明によれば、燃料電池の積層方向上端に配設される第２エンドプレートには、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔に対応する位置に複数の空気抜き機構が設けられている。このため、重力方向に連通する冷却媒体入口連通孔及び重力方向に連通する冷却媒体出口連通孔では、冷却媒体に混在する空気が上方に移動し、第２エンドプレートに設けられている複数の空気抜き機構から確実且つ円滑に排出される。これにより、冷却媒体流路の全面にわたって冷却媒体を流すことが可能になり、簡単な構成で、燃料電池の冷却効率が良好に向上する。

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの、図３中、ＩＶ−ＩＶ線断面説明図である。 平板状スペーサがない状態の前記燃料電池スタックの要部断面説明図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１２が矢印Ａ方向（鉛直方向）に積層される。燃料電池１２の積層方向下端には、第１ターミナルプレート１４ａ、第１絶縁プレート１６ａ及び第１エンドプレート１８ａが積層される一方、積層方向上端には、第２ターミナルプレート１４ｂ、第２絶縁プレート１６ｂ及び第２エンドプレート１８ｂが積層される。

図２に示すように、燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体２０が、薄板金属板の波板構造を有する第１及び第２セパレータ２２、２４に挟持される。第１及び第２セパレータ２２、２４は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等の金属セパレータやカーボンセパレータにより構成される。

燃料電池１２の矢印Ｂ方向（図２中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向（重力方向）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２６ａ、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入口連通孔２８ａが、矢印Ｃ方向（水平方向）に配列して設けられる。酸化剤ガス入口連通孔２６ａと燃料ガス入口連通孔２８ａとの間には、矢印Ａ方向に互いに連通して空気抜き連通孔２９ａが設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２６ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。酸化剤ガス出口連通孔２６ｂと燃料ガス出口連通孔２８ｂとの間には、矢印Ａ方向に互いに連通して空気抜き連通孔２９ｂが設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｃ方向の両端縁部には、冷却媒体を供給するための２つの冷却媒体入口連通孔３０ａ、及び前記冷却媒体を排出するための２つの冷却媒体出口連通孔３０ｂが設けられる。

第１セパレータ２２の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２２ａには、酸化剤ガス入口連通孔２６ａと酸化剤ガス出口連通孔２６ｂとに連通する酸化剤ガス流路３２が設けられる。酸化剤ガス流路３２は、波形状の複数の溝部により構成されるとともに、前記酸化剤ガス流路３２の入口側及び出口側には、入口バッファ部３３ａ及び出口バッファ部３３ｂが設けられる。

第２セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２４ａには、燃料ガス入口連通孔２８ａと燃料ガス出口連通孔２８ｂとに連通する燃料ガス流路３４が設けられる。燃料ガス流路３４は、波形状の複数の溝部により構成されるとともに、前記燃料ガス流路３４の入口側及び出口側には、入口バッファ部３５ａ及び出口バッファ部３５ｂが設けられる。

互いに隣接する燃料電池１２を構成する第１セパレータ２２の面２２ｂと、第２セパレータ２４の面２４ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３０ａと冷却媒体出口連通孔３０ｂとを連通する冷却媒体流路３６が設けられる。冷却媒体流路３６は、酸化剤ガス流路３２の裏面形状と燃料ガス流路３４の裏面形状とが重なり合って構成される。

冷却媒体流路３６には、入口バッファ部３８ａ及び出口バッファ部３８ｂが設けられる。入口バッファ部３８ａは、入口バッファ部３３ａ、３５ａの裏面形状であり、出口バッファ部３８ｂは、出口バッファ部３３ｂ、３５ｂの裏面形状である。入口バッファ部３８ａは、通路４０ａを介して空気抜き連通孔２９ａに連通するとともに、出口バッファ部３８ｂは、通路４０ｂを介して空気抜き連通孔２９ｂに連通する。

第１セパレータ２２の面２２ａ、２２ｂには、第１シール部材４１ａが、一体的又は個別に設けられるとともに、第２セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、第２シール部材４１ｂが、一体的に又は個別に設けられる。

第１及び第２シール部材４１ａ、４１ｂは、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、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を使用する。

電解質膜・電極構造体２０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４２と、前記固体高分子電解質膜４２を挟持するカソード側電極４４及びアノード側電極４６とを備える。

カソード側電極４４及びアノード側電極４６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、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とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４２の両面に形成されている。

図１に示すように、第１及び第２エンドプレート１８ａ、１８ｂ間には、複数本の連結部材５０が架け渡されることにより、前記第１及び第２エンドプレート１８ａ、１８ｂ同士が互いに一定の距離を保持して一体に固定される。

連結部材５０は、例えば、アルミニウム製の長尺な板状を有し、燃料電池スタック１０の長辺側に２本ずつで、且つ、前記燃料電池スタック１０の短辺側に１本ずつ配設される。連結部材５０は、第１及び第２エンドプレート１８ａ、１８ｂの側部にねじ５２を介して固定される。

第１エンドプレート１８ａには、酸化剤ガス入口連通孔２６ａ、燃料ガス入口連通孔２８ａ、冷却媒体入口連通孔３０ａ、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂ、燃料ガス出口連通孔２８ｂ及び冷却媒体出口連通孔３０ｂに連通し、外部に延在するマニホールド（図示せず）が設けられる一方、第２エンドプレート１８ｂは、これらを削除した平板状に構成される。

図３及び図４に示すように、第２絶縁プレート１６ｂには、冷却媒体入口連通孔３０ａ、冷却媒体出口連通孔３０ｂ、空気抜き連通孔２９ａ及び空気抜き連通孔２９ｂに対応する位置に、積層方向上方に突出する複数の絶縁性筒状部５６が一体又は別体に設けられる。筒状部５６は、第２エンドプレート１８ｂに形成された孔部５８に嵌合する。

第２エンドプレート１８ｂには、各筒状部５６に対応する位置、すなわち、冷却媒体入口連通孔３０ａ、冷却媒体出口連通孔３０ｂ、空気抜き連通孔２９ａ及び空気抜き連通孔２９ｂに対応する位置に、空気抜き機構６０が設けられる。

空気抜き機構６０は、筒状部５６と、前記筒状部５６の内壁面に沿って積層方向に移動可能に配設される空気抜きバルブ部材６２とを備える。空気抜きバルブ部材６２は、筒状部５６の内壁面にラジアルシール６４を介装して摺動自在に嵌合する筒体部６６を有する。

ラジアルシール６４は、筒状部５６の内壁面を径方向にシールする機能を有しており、例えば、Ｏリングが使用される。なお、ラジアルシール６４は、筒体部６６の外周部に配置されているが、これに代えて、筒状部５６の内壁面に形成される周溝（図示せず）に配置してもよい。

なお、ラジアルシール６４は、筒体部６６の外周面に設けたシール溝に嵌合しているが、これに代えて、筒状部５６の内周面に設けられたシール溝（図示せず）に嵌合するようにしてもよい。

筒体部６６の上部には、本体部６８が一体成形されるとともに、前記本体部６８に設けられた孔部７０にボルト７２が挿入される。このボルト７２は、第２エンドプレート１８ｂのねじ穴７４に螺合することにより、空気抜きバルブ部材６２が前記第２エンドプレート１８ｂに装着される。

本体部６８には、水平方向に突出するジョイント部７６が設けられ、このジョイント部７６には、図示しない空気配管が接続される。なお、ジョイント部７６には、開閉弁（図示せず）等を設けることにより、空気を外部に自動的に排出することができる。

第２エンドプレート１８ｂと第２絶縁プレート１６ｂとの間には、積層荷重を調整するための平板状スペーサ８０が所定の枚数だけ積層して配置される。平板状スペーサ８０は、長方形状の板材で構成され、第２絶縁プレート１６ｂの筒状部５６を挿入するための孔部８２のみが設けられる。平板状スペーサ８０は、樹脂材の他、金属材又はカーボン材で構成される。

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２に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３０ａに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。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２６ａから第１セパレータ２２の酸化剤ガス流路３２に導入される。酸化剤ガスは、矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２０を構成するカソード側電極４４に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２８ａから第２セパレータ２４の燃料ガス流路３４に導入される。この燃料ガスは、矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２０を構成するアノード側電極４６に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体２０では、カソード側電極４４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４６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４４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２６ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、アノード側電極４６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２８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、各冷却媒体入口連通孔３０ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２セパレータ２２、２４間の冷却媒体流路３６に導入された後、矢印Ｃ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２０を冷却した後、各冷却媒体出口連通孔３０ｂから排出される。

この場合、本実施形態では、第１エンドプレート１８ａ側に、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体をそれぞれ流通させるためのマニホールドが集中して設けられており、第２エンドプレート１８ｂ側、具体的には、第２絶縁プレート１６ｂ、平板状スペーサ８０及び前記第２エンドプレート１８ｂには、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体を流通させる必要がない。

従って、第２絶縁プレート１６ｂ、平板状スペーサ８０及び第２エンドプレート１８ｂは、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体をシールするためのシール構造が不要になる。このため、第２絶縁プレート１６ｂ、平板状スペーサ８０及び第２エンドプレート１８ｂは、構成が一挙に簡素化され、製造コストが大幅に削減される。

さらに、本実施形態では、第２エンドプレート１８ｂには、各筒状部５６に対応する位置、すなわち、冷却媒体入口連通孔３０ａ、冷却媒体出口連通孔３０ｂ、空気抜き連通孔２９ａ及び空気抜き連通孔２９ｂに対応する位置に、空気抜き機構６０が設けられている。

従って、冷却媒体入口連通孔３０ａ、冷却媒体出口連通孔３０ｂ、空気抜き連通孔２９ａ及び空気抜き連通孔２９ｂに沿って上昇する空気は、各筒状部５６から各空気抜き機構６０に円滑且つ確実に排出される。このため、冷却媒体流路３６の全面にわたって冷却媒体を流すことが可能になり、簡単な構成で、所望の冷却機能を保持することが可能になるという効果が得られる。

しかも、空気抜き機構６０は、筒状部５６と、前記筒状部５６の内壁面に沿って積層方向に移動可能に配設される空気抜きバルブ部材６２とを備えている。これにより、平板状スペーサ８０の枚数又は厚さが変更される際、空気抜きバルブ部材６２を構成する筒体部６６は、ラジアルシール６４を介装して筒状部５６の内壁面を摺動することができる（図４及び図５参照）。このため、空気抜き機構６０は、第２絶縁プレート１６ｂと第２エンドプレート１８ｂとの距離が変動しても、簡単な構成で、所望のシール性を確実に維持することが可能になるという利点がある。

１０…燃料電池スタック １２…燃料電池
１４ａ、１４ｂ…ターミナルプレート １６ａ、１６ｂ…絶縁プレート
１８ａ、１８ｂ…エンドプレート ２０…電解質膜・電極構造体
２２、２４…セパレータ ２６ａ…酸化剤ガス入口連通孔
２６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ２８ａ…燃料ガス入口連通孔
２８ｂ…燃料ガス出口連通孔 ３０ａ…冷却媒体入口連通孔
３０ｂ…冷却媒体出口連通孔 ３２…酸化剤ガス流路
３４…燃料ガス流路 ３６…冷却媒体流路
４２…固体高分子電解質膜 ４４…カソード側電極
４６…アノード側電極 ５０…連結部材
５６…筒状部 ６０…空気抜き機構
６２…空気抜きバルブ部材 ６４…ラジアルシール
６６…筒体部 ６８…本体部
８０…平板状スペーサ

Claims (4)

1. 電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が重力方向に積層されるとともに、積層方向下端には、第１ターミナルプレート、第１絶縁プレート及び第１エンドプレートが積層される一方、積層方向上端には、第２ターミナルプレート、第２絶縁プレート及び第２エンドプレートが積層される燃料電池スタックであって、
   前記積層方向に沿って反応ガスを供給する反応ガス入口連通孔、前記反応ガスを排出する反応ガス出口連通孔、冷媒体を供給する冷媒体入口連通孔及び前記冷媒体を排出する冷媒体出口連通孔を設け、
   前記第２エンドプレートには、前記冷却媒体入口連通孔及び前記冷却媒体出口連通孔に対応する位置に複数の空気抜き機構が設けられ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、前記燃料電池は、前記冷却媒体入口連通孔と前記冷却媒体出口連通孔とに連通し、電極面に沿って水平方向に延在する冷却媒体流路を備えるとともに、
   前記冷却媒体流路にバッファ部が設けられ、
   前記第２エンドプレートには、前記バッファ部に対応する位置に空気抜き機構が設けら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、前記第１エンドプレートと前記第２エンドプレートとは、連結部材を介して互いの距離を保持して固定されるとともに、
   前記第２エンドプレートと前記第２絶縁プレートとの間には、積層荷重を調整するために複数の平板状スペーサが介装され、
   前記空気抜き機構は、前記第２絶縁プレートに積層方向に突出して設けられ、前記第２エンドプレートに挿入される絶縁性筒状部と、
   前記絶縁性筒状部の内壁面に沿って前記積層方向に移動可能に配設される空気抜きバルブ部材と、
   を備え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、前記空気抜きバルブ部材は、前記第２エンドプレートに固定されるとともに、
   前記絶縁性筒状部の内壁との間に摺接するラジアルシールを備えることを特徴とする燃料電池スタック。

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