JP2010282747A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、セパレータの面内における温度分布を均一化させることができ、発電性能及び耐久性の向上を図ることを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０を構成する発電セル１２は、第１セパレータ１４、電解質膜・電極構造体１６及び第２セパレータ１８を備える。発電セル１２の短辺方向の第１の辺には、冷却媒体供給連通孔３４ａと冷却媒体排出連通孔３６ｂとが上下方向に設けられる。発電セル１２の短辺方向の第２の辺には、冷却媒体排出連通孔３４ｂと冷却媒体供給連通孔３６ａとが上下方向に設けられる。冷却媒体供給連通孔３４ａは、冷却媒体排出連通孔３４ｂと向かい合う位置に設定される一方、冷却媒体排出連通孔３６ｂは、冷却媒体供給連通孔３６ａと向かい合う位置に設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、前記セパレータの各電極対向面には、前記電極に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路及び酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路が設けられ、且つ、前記セパレータ間には、冷却媒体を流通させる冷却媒体流路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、一対の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、一方のセパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路が設けられるとともに、他方のセパレータの面内に、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路が設けられている。また、セパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が、前記セパレータの面方向に沿って設けられている。

さらに、この種の燃料電池では、単位セルの積層方向に貫通して燃料ガスを流すための燃料ガス供給連通孔及び燃料ガス排出連通孔と、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス供給連通孔及び酸化剤ガス排出連通孔と、冷却媒体を流すための冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔とを内部に備える、所謂、内部マニホールド型燃料電池を構成する場合が多い。

内部マニホールド型燃料電池として、例えば、特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池が知られている。この燃料電池は、図８に示すように、長方形状のセパレータ１を備えている。セパレータ１の長手方向一端部側には、燃料ガス供給孔２ａ、酸化剤ガス供給孔３ａ及び一対の冷却水供給孔４ａ１、４ａ２が形成されるとともに、前記セパレータ１の長手方向他端部側には、燃料ガス排出孔２ｂ、酸化剤ガス排出孔３ｂ及び一対の冷却水排出孔４ｂ１、４ｂ２が形成されている。

セパレータ１の面内には、冷却水用の凹溝５ａを備える冷却水流路５が長手方向に延在して設けられている。冷却水流路５の入口側は、入口接続通路６ａを介して一対の冷却水供給孔４ａ１、４ａ２に連通する一方、前記冷却水流路５の出口側は、出口接続通路６ｂを介して一対の冷却水排出孔４ｂ１、４ｂ２に連通している。

特開２００７−２１３９７１号公報

上記の特許文献１では、セパレータ１の左右両端の角部に、それぞれ一対の冷却水供給孔４ａ１、４ａ２及び冷却水排出孔４ｂ１、４ｂ２が設けられている。従って、冷却水は、セパレータ１の長手方向一端側から長手方向他端側に向かって流動するため、前記セパレータ１の面内に温度勾配が発生し易い。これにより、セパレータ１の面内での温度分布を均一化させることができず、燃料電池の発電性能及び耐久性が低下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、簡単な構成で、セパレータの面内における温度分布を均一化させることができ、発電性能及び耐久性の向上を図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が設けられる電解質・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、前記セパレータの各電極対向面には、前記電極に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路及び酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路が設けられ、且つ、前記セパレータ間には、冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成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、セパレータの互いに対向する一方の第１の辺及び第２の辺には、それぞれ複数の連通孔が、積層方向に貫通して設けられるとともに、前記第１の辺には、前記連通孔である冷却媒体供給連通孔と冷却媒体排出連通孔とが配置され、前記冷却媒体供給連通孔は、前記第２の辺に設けられる前記連通孔である冷却媒体排出連通孔と向かい合い、且つ前記冷却媒体排出連通孔は、前記第２の辺に設けられる前記連通孔である冷却媒体供給連通孔と向かい合う位置に設定されている。

また、第１の辺には、冷却媒体供給連通孔と冷却媒体排出連通孔とが交互に配置されることが好ましい。

本発明によれば、セパレータの第１の辺には、冷却媒体供給連通孔と冷却媒体排出連通孔とが配置されるとともに、前記冷却媒体供給連通孔は、前記セパレータの第２の辺に設けられる冷却媒体排出連通孔と向かい合い、且つ前記冷却媒体排出連通孔は、前記セパレータの前記第２の辺に設けられる冷却媒体供給連通孔と向かい合っている。

このため、セパレータの面内では、冷却媒体は、種々の方向に流通するとともに、前記冷却媒体の流れが撹拌される。これにより、簡単な構成で、発電面内における温度分布を均一化させることができ、発電性能及び耐久性の向上を図ることが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電セルの要部分解斜視説明図である。 前記発電セルを構成する第１セパレータの正面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電セルの要部分解斜視説明図である。 前記発電セルを構成する第１セパレータの正面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電セルの要部分解斜視説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する発電セルの要部分解斜視説明図である。 前記発電セルを構成する第１セパレータの正面説明図である。 特許文献１のセパレータの説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、発電セル１２を備え、複数の前記発電セル１２を水平方向（矢印Ａ方向）に沿って互いに積層して構成される。発電セル１２の積層方向両端には、図示しないが、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが積層されるとともに、前記エンドプレート間には、タイロッドが配置されて積層方向に締め付け荷重が付与されている。なお、エンドプレートを端板とするケーシング内に収容して構成してもよい。

発電セル１２は、第１セパレータ１４、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）１６及び第２セパレータ１８を備える。第１セパレータ１４及び第２セパレータ１８は、例えば、カーボンセパレータや金属セパレータにより構成される。

電解質膜・電極構造体１６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２０と、前記固体高分子電解質膜２０を挟持するアノード側電極２２及びカソード側電極２４とを備える。

アノード側電極２２及びカソード側電極２４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２０の両面に形成される。

発電セル１２の長辺方向（矢印Ｃ方向）の上端縁部には、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３０ａ、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３２ａが設けられる。

発電セル１２の長辺方向の（矢印Ｃ方向）下端縁部には、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排出連通孔３２ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３０ｂが設けられる。

発電セル１２の短辺方向（矢印Ｂ方向）の第１の辺には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３４ａと、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３６ｂとが、隣接して上下方向に設けられる。

発電セル１２の短辺方向（矢印Ｂ方向）の第２の辺には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３４ｂと、前記冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３６ａとが、隣接して上下方向に設けられる。冷却媒体供給連通孔３４ａは、冷却媒体排出連通孔３４ｂと矢印Ｂ方向に沿って互いに向かい合う位置に設定される一方、冷却媒体排出連通孔３６ｂは、冷却媒体供給連通孔３６ａと矢印Ｂ方向に沿って互いに向かい合う位置に設定される。

第１セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１６に向かう面１４ａには、燃料ガス供給連通孔３２ａと燃料ガス排出連通孔３２ｂとを連通する燃料ガス流路３８が形成される。

第２セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１６に向かう面１８ａには、酸化剤ガス供給連通孔３０ａと酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとを連通する酸化剤ガス流路４０が形成される。

第１セパレータ１４の面１４ｂと第２セパレータ１８の面１８ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔３４ａ、３６ａと冷却媒体排出連通孔３４ｂ、３６ｂとを連通する冷却媒体流路４２が形成される（図１及び図２参照）。冷却媒体流路４２は、上下にも隣接する溝部同士が連通している。

第１セパレータ１４の面１４ａ、１４ｂには、第１シール部材５０が配設されるとともに、第２セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、第２シール部材５２が配設される。

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１に示すように、酸化剤ガス供給連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔３２ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔３４ａ、３６ａ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、酸化剤ガス供給連通孔３０ａから第２セパレータ１８の酸化剤ガス流路４０に導入される。この酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４０に沿って矢印Ｃ方向（重力方向）に移動し、電解質膜・電極構造体１６のカソード側電極２４に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３２ａから第１セパレータ１４の燃料ガス流路３８に導入される。この燃料ガスは、燃料ガス流路３８に沿って重力方向（矢印Ｃ方向）に移動し、電解質膜・電極構造体１６のアノード側電極２２に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体１６では、カソード側電極２４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２２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て発電が行われる。

次いで、電解質膜・電極構造体１６のカソード側電極２４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。電解質膜・電極構造体１６のアノード側電極２２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３２ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

一方、２つの冷却媒体供給連通孔３４ａ、３６ａに供給された冷却媒体は、図１及び図２に示すように、第１セパレータ１４と第２セパレータ１８との間に形成された冷却媒体流路４２に導入される。

この場合、第１の実施形態では、発電セル１２の第１の辺には、冷却媒体供給連通孔３４ａと冷却媒体排出連通孔３６ｂとが上下方向に設けられる一方、前記発電セル１２の第２の辺には、冷却媒体排出連通孔３４ｂと冷却媒体供給連通孔３６ａとが上下方向に設けられている。

そして、冷却媒体供給連通孔３４ａと冷却媒体排出連通孔３４ｂ及び冷却媒体供給連通孔３６ａと冷却媒体排出連通孔３６ｂとは、矢印Ｂ方向に沿って互いに向かい合った位置に配置されている。このため、冷却媒体流路４２の面内では、冷却媒体は、種々の方向に、すなわち、冷却媒体供給連通孔３４ａから冷却媒体排出連通孔３４ｂ及び／又は冷却媒体排出連通孔３６ｂに、冷却媒体供給連通孔３６ａから冷却媒体排出連通孔３６ｂ及び／又は冷却媒体排出連通孔３４ｂに、流通するとともに、前記冷却媒体の流れが攪拌されている。

これにより、簡単な構成で、発電セル１２の発電面内における温度分布を均一化させることができ、燃料電池スタック１０全体の発電性能及び耐久性の向上を図ることが可能になるという効果が得られる。

図３は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック６０を構成する発電セル６２の要部分解斜視説明図である。

なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０を構成する発電セル１２と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

発電セル６２は、第１セパレータ６４、電解質膜・電極構造体６６及び第２セパレータ６８を備える。図３及び図４に示すように、発電セル６２の短辺方向の第１の辺には、矢印Ａ方向に互いに連通して冷却媒体供給連通孔７０ａ、冷却媒体排出連通孔７２ｂ、冷却媒体供給連通孔７４ａ及び冷却媒体排出連通孔７６ｂが上下方向に設けられる。

発電セル６２の短辺方向の第２の辺には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体排出連通孔７０ｂ、冷却媒体供給連通孔７２ａ、冷却媒体排出連通孔７４ｂ及び冷却媒体供給連通孔７６ａが上下方向に沿って設けられる。

冷却媒体供給連通孔７０ａと冷却媒体排出連通孔７０ｂとは、矢印Ｂ方向に沿って互いに向かい合う位置に設定され、冷却媒体供給連通孔７２ａと冷却媒体排出連通孔７２ｂとは、矢印Ｂ方向に沿って互いに向かい合う位置に設定される。同様に、冷却媒体供給連通孔７４ａと冷却媒体排出連通孔７４ｂとは、矢印Ｂ方向に沿って互いに向かい合う位置に設定されるとともに、冷却媒体供給連通孔７６ａと冷却媒体排出連通孔７６ｂとは、互いに向かい合う位置に設定される。

このように構成される第２の実施形態では、冷却媒体流路４２には、発電セル６２の第１の辺に設けられている２つの冷却媒体供給連通孔７０ａ、７４ａと、前記発電セル６２の第２の辺に設けられている２つの冷却媒体供給連通孔７２ａ、７６ａからそれぞれ冷却媒体が導入されている。

従って、冷却媒体流路４２の面内では、冷却媒体は、種々の方向に、すなわち、冷却媒体供給連通孔７０ａから冷却媒体排出連通孔７０ｂ及び／又は冷却媒体排出連通孔７２ｂに、冷却媒体供給連通孔７２ａから冷却媒体排出連通孔７２ｂ及び／又は冷却媒体排出連通孔７０ｂに、冷却媒体供給連通孔７４ａから冷却媒体排出連通孔７４ｂ及び／又は冷却媒体排出連通孔７６ｂに、冷却媒体供給連通孔７６ａから冷却媒体排出連通孔７６ｂ及び／又は冷却媒体排出連通孔７４ｂに、流通するとともに、互いに攪拌されることにより、前記冷却媒体流路４２全体にわたって冷却媒体が均等に行き渡ることができる。これにより、冷却媒体流路４２全面における温度分布を、一層確実に均一化することが可能になるという効果が得られる。

図５は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック８０を構成する発電セル８２の要部分解斜視説明図である。

なお、第２の実施形態に係る燃料電池スタック６０を構成する発電セル６２と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第４の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

発電セル８２を構成する第２セパレータ６８は、面１８ｂ側に仕切り用凸部８４を設けることにより、上下に２つの冷却媒体流路４２ａ、４２ｂが分割形成される。なお、凸部８４は、第１セパレータ６４及び／又は第２セパレータ６８に設けることができる。

冷却媒体流路４２ａには、冷却媒体供給連通孔７０ａ、７２ａ及び冷却媒体排出連通孔７０ｂ、７２ｂが連通するとともに、冷却媒体流路４２ｂには、冷却媒体供給連通孔７４ａ、７６ａ及び冷却媒体排出連通孔７４ｂ、７６ｂが連通する。

このように構成される第３の実施形態では、冷却面を凸部８４により仕切ることにより、上下に２つの冷却媒体流路４２ａ、４２ｂが独立して形成されている。そして、各冷却媒体流路４２ａ、４２ｂは、実質的に第１の実施形態と同様に構成されており、この第３の実施形態では、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

しかも、各冷却媒体流路４２ａ、４２ｂは、独立しているため、例えば、上側の前記冷却媒体流路４２ａを低温に、且つ下側の前記冷却媒体流路４２ｂを高温に設定し、上下で温度を変えることができる。また、各冷却媒体流路４２ａ、４２ｂで、それぞれ冷却媒体の流量を変えることも可能である。

図６は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタック９０を構成する発電セル９２の要部分解斜視説明図である。

発電セル９２は、第１セパレータ９４、電解質膜・電極構造体９６、第２セパレータ９８を備える。図６及び図７に示すように、発電セル９２の短辺方向の第１の辺には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体供給連通孔７０ａ、冷却媒体排出連通孔７２ｂ、冷却媒体供給連通孔７４ａ及び冷却媒体排出連通孔７６ｂが上下方向に設けられる。発電セル９２の短辺方向の第２の辺には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体排出連通孔７０ｂ、冷却媒体供給連通孔７２ａ、冷却媒体供給連通孔７６ａ及び冷却媒体排出連通孔７４ｂが上下方向に設けられる。

このように構成される第４の実施形態では、酸化剤ガス流路４０及び燃料ガス流路３８の下流側、すなわち、発電セル９２の下部側に対応して冷却媒体排出連通孔７４ｂ、７６ｂが配置され、前記冷却媒体排出連通孔７４ｂ、７６ｂの上部側に冷却媒体供給連通孔７６ａ、７４ａが配置されている。

従って、発電セル９２の下部側の温度が他の部分よりも低く、酸化剤ガス流路４０や燃料ガス流路３８の下流側で結露が発生し易い際に、前記下部側に比較的高温の冷却媒体を流すことができる。これにより、発電セル９２の下部側の温度を高く保つことが可能になり、結露水の発生を良好に阻止することができるという利点が得られる。

１０、６０、８０、９０…燃料電池スタック
１２、６２、８２、９２…発電セル
１４、１８、６４、６８、９４、９８…セパレータ
１６、６６、９６…電解質膜・電極構造体
２０…固体高分子電解質膜 ２２…アノード側電極
２４…カソード側電極 ３０ａ…酸化剤ガス供給連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ３２ａ…燃料ガス供給連通孔
３２ｂ…燃料ガス排出連通孔
３４ａ、３６ａ、７０ａ、７２ａ、７４ａ、７６ａ…冷却媒体供給連通孔
３４ｂ、３６ｂ、７０ｂ、７２ｂ、７４ｂ、７６ｂ…冷却媒体排出連通孔
３８…燃料ガス流路 ４０…酸化剤ガス流路
４２、４２ａ、４２ｂ…冷却媒体流路 ８４…凸部

Claims (2)

1. 電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、前記セパレータの各電極対向面には、前記電極に沿って燃料ガスを供給する燃料ガス流路及び酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路が設けられ、且つ、前記セパレータ間には、冷却媒体を流通させる冷却媒体流路が形成される燃料電池スタックであって、
   前記セパレータの互いに対向する一方の第１の辺及び第２の辺には、それぞれ複数の連通孔が、積層方向に貫通して設けられるとともに、
   前記第１の辺には、前記連通孔である冷却媒体供給連通孔と冷却媒体排出連通孔とが配置され、
   前記冷却媒体供給連通孔は、前記第２の辺に設けられる前記連通孔である冷却媒体排出連通孔と向かい合い、且つ前記冷却媒体排出連通孔は、前記第２の辺に設けられる前記連通孔である冷却媒体供給連通孔と向かい合う位置に設定さ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、前記第１の辺には、前記冷却媒体供給連通孔と前記冷却媒体排出連通孔とが交互に配置されることを特徴とする燃料電池スタック。

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