JP2011070783A

JP2011070783A - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP2011070783A
Application number: JP2009218464A
Authority: JP
Inventors: Yoshito Kimura; 義人木村; Hideharu Naito; 秀晴内藤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-09-24
Filing date: 2009-09-24
Publication date: 2011-04-07

Abstract

【課題】簡単な構成で、下側エンドプレートと上側エンドプレートとの間に積層されている各燃料電池の温度を均一に保持することができ、発電性能の低下及び耐久性の悪化を良好に抑制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、積層方向両端には、下側エンドプレート１８ａ及び上側エンドプレート１８ｂが配設される。下側エンドプレート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に連通するマニホールド５４が設けられる。一方、上側エンドプレート１８ｂの燃料電池１２側のプレート面５６には、冷却媒体を前記プレート面５６に沿って流通させる冷却媒体通路５８が形成される。
【選択図】図１

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固体高分子型燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が鉛直方向に向かって積層されるとともに、積層方向両端には、下側エンドプレート及び上側エンドプレートが設けら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。

この種の燃料電池スタックでは、複数の単位セルを鉛直方向に向かって積層する構成が知られている。例えば、特許文献１に開示されている燃料電池は、図５に示すように、複数の単セル１が多段に積層されたスタック２を備えるとともに、左右並列されている前記スタック２は、共通の下部端板３に一体に支持されている。

各スタック２の上部には、個別に上部端板４、４が配設されており、下部端板３側の抑え枠５と前記上部端板４側の抑え枠６とは、ボルト７により締め付け固定されている。

下部端板３には、燃料ガスの入口及び出口と酸化剤ガスの入口及び出口とが設けられている。すなわち、燃料ガスは、下部端板３に供給されて上昇しながら各単セル１に供給された後、下降して前記下部端板３から排出されている。同様に、酸化剤ガスは、下部端板３に供給されて上昇しながら各単セル１に供給された後、下降して前記下部端板３から排出されている。

特開平５−４７４０７号公報

上記の特許文献１では、下部端板３には、燃料ガスの入口及び出口と酸化剤ガスの入口及び出口とが設けられている。このため、下部端板３に、さらに冷却媒体の入口及び出口が設けられる場合には、前記下部端板３に全ての配管が集中（マニホールド）されるため、上部端板４側では配管を通って熱が伝達されることがなく、温度が著しく低下してしまう。

従って、上部端板４側の単セル１では、生成水が凝縮してガス流路が閉塞し、ガス供給不足による発電性能の低下及び耐久性の悪化が惹起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、下側エンドプレートと上側エンドプレートとの間に積層されている燃料電池の温度を、均一に保持することができ、発電性能の低下及び耐久性の悪化を良好に抑制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固体高分子型燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が鉛直方向に向かって積層されるとともに、積層方向両端には、下側エンドプレート及び上側エンドプレートが設けられる燃料電池スタックに関するものである。

そして、下側エンドプレートには、燃料電池に供給される酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体の全ての供給口及び排出口が設けられる一方、上側エンドプレート又は前記上側エンドプレートに隣接する上側絶縁プレートには、前記冷却媒体をプレート面に沿って流通させる冷却媒体通路が形成されている。

また、燃料電池には、冷却媒体を積層方向に供給する複数の冷却媒体供給連通孔と、使用済みの前記冷却媒体を前記積層方向に排出する複数の冷却媒体排出連通孔とが設けられるとともに、前記冷却媒体通路は、複数の前記冷却媒体供給連通孔同士を連通する供給側連結溝部と、複数の前記冷却媒体排出連通孔同士を連通する排出側連結溝部と、前記供給側連結溝部及び前記排出側連結溝部を連通する複数の通路溝部とを有することが好ましい。

本発明によれば、下側エンドプレートは、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体の流通により保温される一方、上側エンドプレートは、冷却媒体通路を流通する前記冷却媒体により保温される。

このため、簡単な構成で、下側エンドプレートと上側エンドプレートとの間に積層されている各燃料電池の温度を、均一に保持することができる。これにより、燃料電池スタック全体として、発電性能の低下及び耐久性の悪化を良好に抑制することが可能になる。

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を構成する上側エンドプレートの正面説明図である。前記上側エンドプレートの斜視説明図である。特許文献１に係る燃料電池の説明図である。

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）に積層されるとともに、前記燃料電池１２の積層方向下端には、下側ターミナルプレート１４ａ、下側絶縁プレート１６ａ及び下側エンドプレート１８ａが配設される。燃料電池１２の積層方向上端には、上側ターミナルプレート１４ｂ、上側絶縁プレート１６ｂ及び上側エンドプレート１８ｂが配設される。

図２に示すように、燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２０が、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、カーボンセパレータで構成されているが、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により構成してもよい。

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。

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。

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一対の冷却媒体入口連通孔３０ａ、３０ａ及び前記冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔３０ｂ、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。

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。

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。

第１セパレータ２２の面２２ａ、２２ｂには、第１シール部材３８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４０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３８、４０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、例えば、アルミニウム製の下側エンドプレート１８ａ及び上側エンドプレート１８ｂ間には、複数本の連結部材５０が架け渡される。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の矢印Ａ方向の両端部は、ボルト５２を介して下側エンドプレート１８ａ及び上側エンドプレート１８ｂの側部に固定される。

下側エンドプレート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に連通するマニホールド５４が設けられる一方、上側エンドプレート１８ｂは、閉塞された平板状に構成される。

図３及び図４に示すように、上側エンドプレート１８ｂの燃料電池１２側（内側）のプレート面５６には、冷却媒体を前記プレート面５６に沿って流通させる冷却媒体通路５８が形成される。

冷却媒体通路５８は、一対の冷却媒体入口連通孔３０ａ、３０ａに対向する一対の連通孔溝部６０ａ、６０ａと、一対の冷却媒体出口連通孔３０ｂ、３０ｂに対向する一対の連通孔溝部６０ｂ、６０ｂと、前記連通孔溝部６０ａ、６０ａ同士を連通する供給側連結溝部６２ａと、前記連通孔溝部６０ｂ、６０ｂ同士を連通する排出側連結溝部６２ｂと、前記供給側連結溝部６２ａ及び前記排出側連結溝部６２ｂを連通する複数の通路溝部６４とを有する。通路溝部６４は、上側エンドプレート１８ｂの長手方向（矢印Ｂ方向）に沿って並列される。

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、一対の冷却媒体入口連通孔３０ａ、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、一対の冷却媒体入口連通孔３０ａ、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、一旦、互いに近接する方向に流動した後、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、一対の冷却媒体出口連通孔３０ｂ、３０ｂに振り分けられて排出される。

ここで、下側エンドプレート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に連通するマニホールド５４が設けられる一方、上側エンドプレート１８ｂは、閉塞された平板状に構成されている。このため、下側エンドプレート１８ａは、各連通孔内を流通する流体（酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体）の熱が伝わるため、比較的高温に維持される一方、上側エンドプレート１８ｂは、低温になり易い。

この場合、本実施形態では、図３及び図４に示すように、上側エンドプレート１８ｂには、冷却媒体をプレート面５６に沿って流通させる冷却媒体通路５８が形成されている。この冷却媒体通路５８では、燃料電池スタック１０内の一対の冷却媒体入口連通孔３０ａ、３０ａを流通した冷却媒体が、一対の連通孔溝部６０ａ、６０ａから供給側連結溝部６２ａに導入される。なお、一対の連通孔溝部６０ａ、６０ａを備えることにより、上側エンドプレート１８ｂの保温分布を均一にすることができる。

供給側連結溝部６２ａには、複数の通路溝部６４が連通しており、冷却媒体は、複数の前記通路溝部６４に沿って上側エンドプレート１８ｂのプレート面５６を矢印Ｂ方向に移動する。さらに、冷却媒体は、排出側連結溝部６２ｂに導入された後、一対の連通孔溝部６０ｂ、６０ｂから一対の冷却媒体出口連通孔３０ｂ、３０ｂに排出されている。なお、一対の連通孔溝部６０ｂ、６０ｂを備えることにより、上側エンドプレート１８ｂの保温分布を均一にすることができる。

従って、上側エンドプレート１８ｂは、比較的高温の冷却媒体が冷却媒体通路５８を流通することにより保温されている。このため、簡単な構成で、下側エンドプレート１８ａと上側エンドプレート１８ｂとの間に積層されている各燃料電池１２の温度を、均一に保持することができる。これにより、燃料電池スタック１０全体として、発電性能の低下及び耐久性の悪化を良好に抑制することが可能になるという効果が得られる。

なお、本実施形態では、冷却媒体入口連通孔３０ａ、３０ａを流通した冷却媒体が、上側エンドプレート１８ｂのプレート面５６の冷却媒体通路５８に導入された後、冷却媒体出口連通孔３０ｂに排出されているが、これに限定されるものではない。

例えば、上側エンドプレート１８ｂに代えて、上側絶縁プレート１６ｂに冷却媒体通路（図示せず）を形成してもよい。また、冷却媒体出口連通孔３０ｂに排出された冷却媒体（温まった冷却媒体）を、燃料電池スタック１０の外部に取り出した後、この冷却媒体を上側エンドプレート１８ｂ（又は上側絶縁プレート１６ｂ）に形成された冷却媒体通路（図示せず）に供給して、前記上側エンドプレート１８ｂ側の保温を行うことも可能である。

１０…燃料電池スタック１２…燃料電池
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

Claims

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固体高分子型燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が鉛直方向に向かって積層されるとともに、積層方向両端には、下側エンドプレート及び上側エンドプレートが設けられる燃料電池スタックであって、
前記下側エンドプレートには、前記燃料電池に供給される酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体の全ての供給口及び排出口が設けられる一方、
前記上側エンドプレート又は該上側エンドプレートに隣接する上側絶縁プレートには、前記冷却媒体をプレート面に沿って流通させる冷却媒体通路が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池には、前記冷却媒体を前記積層方向に供給する複数の冷却媒体供給連通孔と、
使用済みの前記冷却媒体を前記積層方向に排出する複数の冷却媒体排出連通孔と、
が設けられるとともに、
前記冷却媒体通路は、複数の前記冷却媒体供給連通孔同士を連通する供給側連結溝部と、
複数の前記冷却媒体排出連通孔同士を連通する排出側連結溝部と、
前記供給側連結溝部及び前記排出側連結溝部を連通する複数の通路溝部と、
を有することを特徴とする燃料電池スタック。