JP2011198538A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックにおいて、組み立て工数を低減するとともに省スペース化を図る。
【解決手段】エンドプレート４２は、樹脂を用いて、積層体に対応する数種類の流体がそれぞれ流れるマニホールドと一体成形されたエンドプレート本体４３と、エンドプレート本体４３の開口を覆う樹脂製の蓋４４，４５を有する。このように、エンドプレート４２内部にマニホールドが形成されることにより、従来の構成に比べ、燃料電池スタック１１の組み立て工数を低減するとともに省スペース化を図ることができる。
【選択図】図６

Description

本発明は、単位セルを複数積層して構成される積層体と、積層方向における積層体の両端に設けられるエンドプレートとを有する燃料電池スタックに関し、特にエンドプレートの構造の改良に関する。

燃料電池スタックは、反応ガスである燃料ガス（水素）と酸化ガス（酸素）を電気化学反応させて発電を行う燃料電池を含む装置である。近年、２つの電極の間の電解質に固体高分子を用いた固体高分子型の燃料電池が開発され、その優れた車載性から、自動車等の車両用の電力供給源として期待されている。

燃料電池スタックは、複数の単位セルを積層して構成される積層体を有する。単位セルは、一方の電極である燃料極（以下、アノードと記す）と、高分子電解質膜と、他方の電極である空気極（以下、カソードと記す）とが順に積層した膜電極接合体を、２枚のセパレータで狭持した構造である。積層方向における積層体の両端には、一組の金属製のエンドプレートが設けられる。

下記特許文献１には、セルを所要数積層した積層体の積層方向における両端が共通のエンドプレートでそれぞれ支持された燃料電池スタックが記載されている。この燃料電池スタックのエンドプレートには、燃料電池に空気を供給するための空気入口部と、燃料電池から空気を排出するための空気出口部とが形成されている。そして、空気入口部には、エアコンプレッサからの空気を空気入口部に案内するエアインテークマニホールドが接続され、空気出口部には、ここから空気を外部へ案内するエアエキゾーストマニホールドがそれぞれ接続される。

下記特許文献２には、単セルを複数積層することにより構成される燃料電池スタックと、このスタックの積層方向の両端にそれぞれ配置される１対のエンドプレートとを有する燃料電池システムが記載されている。そして、この特許文献２には、一方のエンドプレートのさらに外側に、樹脂により形成された分割マニホールドが配置され、このエンドプレートと分割マニホールドの積層面が同形状であることが示されている。

特開２００９−２９８１９６号公報 特開２００４−１２７７８７号公報

従来の燃料電池スタックにおいては、十分な強度を確保するため、エンドプレートには金属製のものが使用される。そして、従来の燃料電池スタックにおいては、積層体とエンドプレートとの間に、積層体で生じた電力を取り出す集電板が配置される。このため、集電板と金属製のエンドプレートの間を絶縁するため絶縁体を取り付けなければならず、組み立てに手間がかかるという問題があった。

また、従来の燃料電池スタックにおいては、上述した特許文献１，２に開示されるように、燃料電池スタックに供給または燃料電池スタックから排出される流体のマニホールドがエンドプレートに接続される。この場合、マニホールドとエンドプレートを接続するため、フランジおよびＯリングを取り付けなければならず、組み立てに手間がかかるとともに、設置スペースが大きくなってしまうという問題があった。

本発明の目的は、組み立て工数を低減するとともに省スペース化を図ることができる燃料電池スタックを提供することにある。

本発明は、複数の単位セルを積層して構成される積層体と、積層方向における積層体の両端にそれぞれ設けられるエンドプレートと、を有する燃料電池スタックにおいて、エンドプレートは、樹脂を用いて、積層体に対応する数種類の流体がそれぞれ流れるマニホールドと一体成形されたエンドプレート本体と、エンドプレート本体の開口を覆う樹脂製の蓋とを有することを特徴とする。

また、請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、エンドプレート本体は、この本体の内部空間を積層体側と外側に分ける中間板プレートと、中間板プレートから積層体側と外側にそれぞれ延びるリブとを有し、蓋は、エンドプレート本体の積層体側の開口を塞ぐ第一蓋と、エンドプレート本体の外側の開口を塞ぐ第二蓋とを有し、マニホールドは、エンドプレート本体の内周面、中間板プレート、リブ、第一蓋及び第二蓋のいずれかにより囲まれる空間であることが好適である。

また、エンドプレート本体と蓋は、これらの接触面を溶着させて固定されることができる。

また、マニホールドは、燃料ガスを積層体に供給する燃料ガス供給マニホールドと、積層体から燃料ガスを排出する燃料ガス排出マニホールドと、酸化ガスを積層体に供給する酸化ガス供給マニホールドと、積層体から酸化ガスを排出する酸化ガス排出マニホールドと、冷却媒体を積層体に供給する冷却媒体供給マニホールドと、積層体から冷却媒体を排出する冷却媒体排出マニホールドとを有することができる。

本発明の燃料電池スタックによれば、組み立て工数を低減するとともに省スペース化を図ることができる。

本実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す図である。 燃料電池スタックの構成を示す図である。 エンドプレートの構成を示す斜視図である。 図３のＡ方向から見た図である。 図３のＢ方向から見た図である。 図３のＣ−Ｃ線による断面図である。 図３から５のＤ−Ｄ線による断面図である。 図３から５のＥ−Ｅ線による断面図である。

以下、本発明に係る燃料電池スタックの実施形態について、図を用いて説明する。まず、燃料電池スタックを用いた燃料電池システムの構成について、図１を用いて説明する。

燃料電池システム１０は、燃料ガスと酸化ガスとを電気化学反応させて発電を行なう燃料電池スタック１１を有する。また、燃料電池システム１０は、燃料電池スタック１１に燃料ガスを供給する燃料ガス配管系１２と、燃料電池スタック１１に酸化ガスを供給する酸化ガス配管系１３と、燃料電池スタック１１を冷却する冷却配管系１４とを有する。なお、燃料電池システム１０に用いられる燃料ガスは水素であり、酸化ガスは空気である。

燃料ガス配管系１２は、燃料ガスを高圧状態にして貯蔵するタンク１５と、タンク１５と燃料電池スタック１１を接続して燃料ガスを燃料電池スタック１１に供給する燃料ガス供給流路１６と、燃料電池スタック１１から排出された燃料ガスのオフガスを燃料ガス供給流路１６に戻す循環流路１７とを有する。

燃料ガス供給流路１６には、タンク１５から循環流路１７の合流位置へ向けて主止弁１８と減圧弁１９が順に取り付けられている。

主止弁１８は、電気信号により電磁石を駆動して弁を開閉する電磁弁である。主止弁１８は、燃料電池スタック１１が停止している場合、閉状態となり、燃料電池スタック１１が運転している場合、開状態となるように制御される。

減圧弁１９は、タンク１５から燃料電池スタック１１に供給される燃料ガスの流量や圧力を調整する。

一方、循環流路１７には、燃料電池スタック１１から燃料ガス供給流路１６の合流位置までの間に、気液分離器２０と循環ポンプ２１とが順に設けられている。燃料電池スタック１１から排出される燃料ガスのオフガスには、未反応の燃料ガスと、電気化学反応により生成される水（水蒸気も含む）とが含まれる。気液分離器２０は、燃料ガスのオフガスに含まれる水を分離する。

気液分離器２０には、排出弁２２を介して排出流路２３が接続されている。排出弁２２を開弁することにより、気液分離器２０で燃料ガスのオフガスから分離された水が排出流路２３に排出される。また、排出弁２２の開弁により、循環流路１７内の不純物を含む燃料ガスのオフガスを排出流路２３に排出、いわゆるパージすることもできる。

循環ポンプ２１は、燃料電池スタック１１から排出される燃料ガスのオフガスを加圧して燃料ガス供給流路１６に送り出す。

酸化ガス配管系１３は、外部の空気を燃料電池スタック１１に供給する酸化ガス供給流路２４と、燃料電池スタック１１から排出された酸化ガスのオフガスを希釈器２５に導く酸化ガス排出流路２６と、希釈器２５から外部に酸化ガスのオフガスを排気する排気流路２７とを有する。

酸化ガス供給流路２４は、その端部を外部に開放している。酸化ガス供給流路２４には、その端部から燃料電池スタック１１に向けてフィルタ２８とコンプレッサ２９とが順に設けられる。

フィルタ２８は、外部から取り込まれた空気である酸化ガスを濾過して不純物を除去する。コンプレッサ２９は、外部から取り込まれた酸化ガスを圧縮して燃料電池スタック１１に送り出す装置であり、このコンプレッサ２９の動作により、酸化ガスが燃料電池スタック１１に供給される。

一方、酸化ガス排出流路２６には、調圧弁３１が設けられる。調圧弁３１は、酸化ガスのオフガスの圧力を調整する弁である。

希釈器２５は、排出流路２３から流入する燃料ガスのオフガスを、酸化ガス排出流路２６から流入する酸化ガスのオフガスで希釈する。希釈器２５により希釈されたガスは、排気流路２７を介して外部に排気される。

冷却配管系１４は、ラジエータ３３から燃料電池スタック１１に冷却媒体、例えば冷却水を供給する冷却媒体供給流路３４と、燃料電池スタック１１から排出された冷却媒体をラジエータ３３に導く冷却媒体排出流路３５とを有する。

冷却媒体供給流路３４には、冷却媒体ポンプ３６が設けられる。このポンプ３６の動作により、ラジエータ３３で放熱された冷却媒体が燃料電池スタック１１に供給されて燃料電池スタック１１の熱を奪うことで、燃料電池スタック１１が冷却され適温に維持される。

このように構成される燃料電池システム１０においては、タンク１５からインジェクタ１９で制御された燃料ガスが燃料ガス供給流路１６を介して燃料電池スタック１１のアノード（図示せず）に供給される。一方で、コンプレッサ２９の動作により、酸化ガスが酸化ガス供給流路２４を介して燃料電池スタック１１のカソード（図示せず）に供給される。このように、燃料ガスと酸化ガスが燃料電池スタック１１に供給されることにより、燃料電池スタック１１の発電が行なわれる。

そして、燃料電池スタック１１から排出された燃料ガスのオフガスが、循環ポンプ２１の動作により、気液分離器２０で水が分離されてから燃料ガス供給流路１６に導入され、タンク１５側の燃料ガスと混合されて再び燃料電池スタック１１に供給される。

また、排出弁２２の開弁により、気液分離器２０によって分離された水と、循環流路１７内の不純物を含む燃料ガスのオフガスとが、排出流路２３を介して希釈器２５に流入する。そして、希釈器２５において、それらの水および燃料ガスのオフガスが、燃料電池スタック１１から酸化ガス排出流路２６を介して流入される酸化ガスのオフガスと混合して希釈され、排気流路２７を介して外部に排気される。

次に、燃料電池スタック１１の構成について、図２を用いて説明する。燃料電池スタック１１は、例えばフッ素樹脂などの高分子材料により形成されたプロトン導電性の膜体である電解質膜を有する固体高分子型の燃料電池である。

燃料電池スタック１１は、複数の単位セル４０を積層して構成される積層体４１と、席層方向における積層体４１の両端にそれぞれ設けられるエンドプレート４２とを有する。

単位セル４０は、電解質膜をアノードとカソードとで挟んで構成される膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を、二枚のセパレータでさらに挟んで構成される。

本実施形態のエンドプレート４２は、樹脂を用いて、積層体に対応する数種類の流体がそれぞれ流れるマニホールドと一体成形されたエンドプレート本体と、エンドプレート本体の開口を覆う樹脂製の蓋とを有する。このように、エンドプレート４２とマニホールドを一体成形し、エンドプレート４２内にマニホールドを組み込むことにより、エンドプレート４２とマニホールドとが別体である従来の燃料電池スタックの場合に比べ、組み立て工数を低減するとともに省スペース化を図ることができる。さらに、上述のようにエンドプレート４２を樹脂製にすることにより、集電板との絶縁を考慮する必要がなくなり、金属製のものに比べて軽量化を図ることができる。

以下、一方のエンドプレート４２の具体的な構成について、図３から８を用いて説明する。図３は、エンドプレートの構成を示す斜視図である。図４は、図３のＡ方向から見た図である。図５は、図３のＢ方向から見た図である。図６は、図３のＣ−Ｃ線による断面図である。図７は、図３から５のＤ−Ｄ線による断面図である。図８は、図３から５のＥ−Ｅ線による断面図である。

エンドプレート４２はエンドプレート本体４３を有する。エンドプレート本体４３は樹脂製であり、例えば射出成形により製造される。エンドプレート本体４３の積層体側の面と、この積層体側に対向する方向である外側の面には、開口がそれぞれ形成される。そして、積層体側の開口を覆うように第一蓋４４が設けられ、外側の開口を覆うように第二蓋４５が設けられる。エンドプレート本体４３と第一及び第二蓋４４，４５は、レーザ溶着、熱板溶着または摩擦溶着等により、それらの接触面を溶着させて固定される。第一蓋４４は、エンドプレート４２が積層体４１の両端に取り付けられるとき、その積層体４１に対して密着して固定される。

エンドプレート本体４３には、燃料ガス供給流路１６に接続する燃料ガス供給接続口４６と、循環流路１７に接続する燃料ガス排出接続口４７と、酸化ガス供給流路２４に接続する酸化ガス供給接続口４８と、酸化ガス排出流路２６に接続する酸化ガス排出接続口４９と、冷却媒体供給流路３４に接続する冷却媒体供給接続口５０と、冷却媒体排出流路３５に接続する冷却媒体排出接続口５１が設けられる。これらの接続口は、樹脂製の円筒状であり、エンドプレート本体４３の側面に溶着させて固定される。

本実施形態においては、燃料ガス供給接続口４６、酸化ガス供給接続口４８、冷却媒体供給接続口５０及び冷却媒体排出接続口５１が、エンドプレート本体４３の一方の側面に設けられ、この側面に対向する面に、燃料ガス排出接続口４７と酸化ガス排出接続口４９が設けられる。しかし、本発明はこの構成に限定されない。これらの接続口を他の側面に設けることも、外側に位置する第二蓋４５に設けることもできる。また、本実施形態では、これらの接続口とエンドプレート本体４３とが別部材であり、溶着により一体化される場合について説明したが、この構成に限定されず、これらの接続口に対してはスライド型を用いて射出成形によりエンドプレート本体４３と一体成形されてもよい。

また、エンドプレート本体４３は、図６に示されるように、この本体４３の内部空間を積層体側と外側に分ける中間板プレート５２と、中間板プレート５２から積層体側と外側にそれぞれ延びるリブ５３とを有する。リブ５３の端部は、第一及び第二蓋４４，４５にそれぞれ溶着される。

このように、リブ５３が、中間板プレート５２を介して第一蓋４４と第二蓋４５の間を接続しているので、エンドプレート４２が樹脂製であったとしても、積層方向におけるエンドプレート４２の強度を十分確保することができ、かつ金属製のものに比べ軽量化を図ることができる。

第一蓋４４は、燃料ガスを積層体４１に供給する燃料ガス供給口５４と、燃料ガスのオフガスを積層体４１から排出する燃料ガス排出口５５と、酸化ガスを積層体４１に供給する酸化ガス供給口５６と、酸化ガスのオフガスを積層体４１から排出する酸化ガス排出口５７と、冷却媒体を積層体４１に供給する冷却媒体供給口５８と、冷却媒体を積層体４１から排出する冷却媒体排出口５９とを有する。なお、図３に示されるような、第一蓋４４におけるこれらの供給口及び排出口の配置は、一例であり、本発明は、この配置に限定されない。

そして、エンドプレート４２は、積層体４１に対応する流体が流れるマニホールドを有する。マニホールドは、エンドプレート本体４３の内周面、中間板プレート５２、リブ５３、第一及び第二蓋４４，４５のいずれかにより囲まれる空間である。本実施形態においては、エンドプレート本体４３の中間板プレート５２により、エンドプレート４２の内部は、積層体側の空間と、外側の空間との２層に分けられる。このようにエンドプレート４２の内部空間を積層方向に２層に分けることにより、マニホールドの立体的な交差が可能になり、各接続口と、各供給口及び排出口との配置の自由度を増加させることができる。

マニホールドは、燃料ガスを積層体４１に供給する燃料ガス供給マニホールド６０と、積層体４１から燃料ガスを排出する燃料ガス排出マニホールド６１と、酸化ガスを積層体４１に供給する酸化ガス供給マニホールド６２と、積層体４１から酸化ガスを排出する酸化ガス排出マニホールド６３と、冷却媒体を積層体４１に供給する冷却媒体供給マニホールド６４と、積層体４１から冷却媒体を排出する冷却媒体排出マニホールド６５とを有する。

燃料ガス供給マニホールド６０は、図７に示されるように、エンドプレート４２の内部において積層体側の層にのみ形成される。燃料ガス供給マニホールド６０は、燃料ガス供給接続口４６と、この近くにある燃料ガス供給口５４とを接続するように形成される。

燃料ガス排出マニホールド６１は、図７に示されるように、エンドプレート４２の内部において積層体側の層にのみ形成される。燃料ガス排出マニホールド６１は、燃料ガス排出接続口４７と、これの近くにある燃料ガス排出口５５とを接続するように形成される。

酸化ガス供給マニホールド６２は、図６から８に示されるように、エンドプレート４２の内部において積層体側と外側の２層に形成される。酸化ガス供給マニホールド６２は、中間板プレート５２を貫通する酸化ガス供給貫通口６６を介して、酸化ガス供給接続口４８と酸化ガス供給口５６を接続するように形成される。

酸化ガス排出マニホールド６３は、図６から８に示されるように、エンドプレート４２の内部において積層体側と外側の２層に形成される。酸化ガス排出マニホールド６３は、中間板プレート５２を貫通する酸化ガス排出貫通口６７を介して、酸化ガス排出接続口４９と酸化ガス排出口５７を接続するように形成される。

冷却媒体供給マニホールド６４は、図７に示されるように、エンドプレート４２の内部において積層体側の層にのみ形成される。冷却媒体供給マニホールド６４は、冷却媒体供給接続口５０と、これの近くにある冷却媒体供給口５８とを接続するように形成される。

冷却媒体排出マニホールド６５は、図６から８に示されるように、エンドプレート４２の内部において積層体側と外側の２層に形成される。冷却媒体排出マニホールド６５は、中間板プレート５２を貫通する冷却媒体排出貫通口６８を介して、冷却媒体排出接続口５１と冷却媒体排出口５９を接続するように形成される。

このように構成されるエンドプレート４２においては、燃料ガス供給流路１６から供給される燃料ガスが燃料ガス供給マニホールド６０を介して積層体４１のアノード（図示せず）に供給される。一方で、酸化ガス供給流路２４から供給される酸化ガスが酸化ガス供給マニホールド６２を介して積層体４１のカソード（図示せず）に供給される。これにより、燃料電池スタック１１の発電が行なわれる。

そして、積層体４１から排出された燃料ガスのオフガスが、燃料ガス排出マニホールド６１を介して循環流路１７へ導かれ、積層体４１から排出された酸化ガスのオフガスが、酸化ガス排出マニホールド６３を介して酸化ガス排出流路２６へ導かれる。また、冷却媒体供給流路３４から供給される冷却媒体が冷却媒体供給マニホールド６４を介して積層体４１に供給され、そこから排出された冷却媒体が冷却媒体排出マニホールド６５を介して冷却媒体排出流路３５へ導かれる。

本実施形態の燃料電池スタック１１によれば、樹脂製のエンドプレート４２自体が絶縁体であるので、このエンドプレート４２と、積層体４１の端部に配置される集電板との間に、別の絶縁体を取り付ける必要がなくなり、部品点数を削減することができるとともに組み立て工数を低減することができる。

また、本実施形態の燃料電池スタック１１によれば、エンドプレート４２に、上述したようなマニホールドが組み込まれるので、従来のようなマニホールドとエンドプレートを接続するため、フランジおよびＯリングを取り付ける必要がなくなり、組み立て工数を低減することができるとともに省スペース化を図ることができる。

さらに、本実施形態の燃料電池スタック１１によれば、樹脂製のエンドプレート４２をリブ構造とすることで、積層方向における強度を十分に確保しつつ、軽量化を図ることができる

本実施形態においては、一方のエンドプレート４２内に、６種類の流体がそれぞれ流れる６個のマニホールドが設けられる場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。それらの幾つかのマニホールドを他方のエンドプレート４２に設けることもできる。なお、他方のエンドプレート４２には、これの内部に流体が流れなくても、部品点数の削減の観点から、一方のエンドプレート４２と同様の構成のもの、すなわちマニホールドが形成されたものを用いることができる。

本実施形態においては、中間板プレート５２により、エンドプレート４２の内部が積層体側の空間と外側の空間との２層に分けられる場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。エンドプレート４２の内部においてマニホールドの立体的な交差が必要なければ、中間板プレート５２を設けずに１層とすることもできる。この場合、射出成形により、エンドプレート本体４３と、第一及び第二蓋４４，４５のいずれか一方とを一体に成形することができ、製造工程の簡略化を図ることができる。

１０ 燃料電池システム、１１ 燃料電池スタック、１６ 燃料ガス供給流路、１７ 循環流路、２４ 酸化ガス供給流路、２６ 酸化ガス排出流路、３４ 冷却媒体供給流路、３５ 冷却媒体排出流路、４０ 単位セル、４１ 積層体、４２ エンドプレート、４３ エンドプレート本体、４４ 第一蓋、４５ 第二蓋、４６ 燃料ガス供給接続口、４７ 燃料ガス排出接続口、４８ 酸化ガス供給接続口、４９ 酸化ガス排出接続口、５０ 冷却媒体供給接続口、５１ 冷却媒体排出接続口、５２ 中間板プレート、５３ リブ、５４ 燃料ガス供給口、５５ 燃料ガス排出口、５６ 酸化ガス供給口、５７ 酸化ガス排出口、５８ 冷却媒体供給口、５９ 冷却媒体排出口、６０ 燃料ガス供給マニホールド、６１ 燃料ガス排出マニホールド、６２ 酸化ガス供給マニホールド、６３ 酸化ガス排出マニホールド、６４ 冷却媒体供給マニホールド、６５ 冷却媒体排出マニホールド、６６ 酸化ガス供給貫通口、６７ 酸化ガス排出貫通口、６８ 冷却媒体排出貫通口。

Claims (4)

1. 複数の単位セルを積層して構成される積層体と、
   積層方向における積層体の両端にそれぞれ設けられるエンドプレートと、
   を有する燃料電池スタックにおいて、
   エンドプレートは、
   樹脂を用いて、積層体に対応する数種類の流体がそれぞれ流れるマニホールドと一体成形されたエンドプレート本体と、
   エンドプレート本体の開口を覆う樹脂製の蓋と、
   を有することを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、
   エンドプレート本体は、この本体の内部空間を積層体側と外側に分ける中間板プレートと、中間板プレートから積層体側と外側にそれぞれ延びるリブとを有し、
   蓋は、エンドプレート本体の積層体側の開口を塞ぐ第一蓋と、エンドプレート本体の外側の開口を塞ぐ第二蓋とを有し、
   マニホールドは、エンドプレート本体の内周面、中間板プレート、リブ、第一蓋及び第二蓋のいずれかにより囲まれる空間である、
   ことを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池スタックにおいて、
   エンドプレート本体と蓋は、これらの接触面を溶着させて固定される、
   ことを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項１から３のいずれか１つに記載の燃料電池スタックにおいて、
   マニホールドは、燃料ガスを積層体に供給する燃料ガス供給マニホールドと、積層体から燃料ガスを排出する燃料ガス排出マニホールドと、酸化ガスを積層体に供給する酸化ガス供給マニホールドと、積層体から酸化ガスを排出する酸化ガス排出マニホールドと、冷却媒体を積層体に供給する冷却媒体供給マニホールドと、積層体から冷却媒体を排出する冷却媒体排出マニホールドとを有する、
   ことを特徴とする燃料電池スタック。

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