JP2012178302A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、エンドプレートの変形によりマニホールドに発生する応力を良好に削減することができ、しかも所望のシール性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を構成する第１エンドプレート１８ａには、供給マニホールド部材５０が取り付けられる。供給マニホールド部材５０は、第１エンドプレート１８ａの一対の冷却媒体供給連通孔３０ａ、３０ａに連通する一対のマニホールド５４ａ、５４ａと、前記一対のマニホールド５４ａ、５４ａ同士を連結するゴムホース５６ａとを備える。マニホールド５４ａの配管連結部５８ａの外周部には、１以上の凸部６２ａが形成される。ゴムホース５６ａの配管連結部５８ａに外嵌される両端連結部には、凸部６２ａに係合する凹部６６ａが形成される。
【選択図】図３

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、積層方向に延在して同一の供給流体又は排出流体を流通させる複数の流体連通孔が形成される積層体を備え、前記積層体の積層方向両端に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、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、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池スタックでは、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（流体連通孔）及び燃料ガス排出連通孔（流体連通孔）と、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス供給連通孔（流体連通孔）及び酸化剤ガス排出連通孔（流体連通孔）と、冷却媒体を流すための冷却媒体供給連通孔（流体連通孔）及び冷却媒体排出連通孔（流体連通孔）とを内部に備える、所謂、内部マニホールド型燃料電池スタックを構成する場合が多い。

上記の燃料電池スタックは、積層方向両端にエンドプレートが配設されるとともに、少なくとも一方の前記エンドプレートには、各流体連通孔に連通し配管部材を介して燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体である流体の供給や排出を行うためのマニホールドが設けられている。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池のマニホールドは、図１０に示すように、ＭＥＡとセパレータとを重ねてセルを形成し、前記セルを複数積層してモジュール１を構成している。さらに、モジュール１が積層されることにより、モジュール群２が構成されるとともに、前記モジュール群２の積層方向両端には、エンドプレート３が配置されている。

モジュール群２には、冷却媒体、燃料ガス又は酸化剤ガスである流体を積層方向に流通させるための流体連通孔４が貫通形成されるとともに、エンドプレート３には、マニホールド部材５がボルト６を介して取り付けられている。マニホールド部材５には、流体連通孔４に連通する配管部材７が設けられてる。

マニホールド部材５では、フランジ８の剛性が、前記フランジ８がスタック締め付け時にスタック一端のエンドプレート３に生じる弾性反り変形に追従して変形できる大きさに設定されている。これにより、スタック締め付け時に、エンドプレート３に反りが生じても、フランジ部８と前記エンドプレート３との接続部のシール性を確保することができる、としている。

特開２００２−３４３４１０号公報

ところで、燃料電池スタックでは、スタック内部に同一の流体を供給するため、及び／又は前記スタック内部から同一の流体を排出するため、複数の流体連通孔４が形成されている場合がある。その際、複数の流体連通孔４に連通するマニホールド部材５を用いると、前記マニホールド部材５は、エンドプレート３の面内で各流体連通孔４の配置位置に対応して比較的大きな寸法に構成されてしまう。

このため、スタック締結時にエンドプレート３に弾性変形が発生すると、マニホールド部材５は、前記エンドプレート３に追従して比較的大きく変形し易く、前記マニホールド部材５に高応力が発生するという問題がある。特に、マニホールド部材５は、樹脂材で成形される場合が多く、前記マニホールド部材５が、付与される高応力によって損傷し易いという問題がある。

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、エンドプレートの変形によりマニホールドに発生する応力を良好に削減することができ、しかも所望のシール性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、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、積層方向に延在して同一の供給流体又は排出流体を流通させる複数の流体連通孔が形成される積層体を備え、前記積層体の積層方向両端に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。

この燃料電池スタックでは、少なくとも一方のエンドプレートには、各流体連通孔に連通する一対のマニホールドが設けられ、前記一対のマニホールド間は、ゴムホースにより連結されるとともに、各マニホールドは、外周部に凸部が設けられる配管連結部を備える一方、前記ゴムホースの前記配管連結部に外嵌される両端連結部には、前記凸部に係合する凹部が形成されている。

また、この燃料電池スタックでは、凸部と凹部とが係合した状態で、ゴムホースの両端連結部の外周部に前記凸部を周回してホースバンドが取り付けられることが好ましい。

さらに、この燃料電池スタックでは、凹部は、ゴムホースを径方向に貫通して形成されることが好ましい。

本発明によれば、各流体連通孔に連通する複数のマニホールド同士は、ゴムホースにより連結されている。このため、エンドプレートが弾性変形する際に、ゴムホース自体が変形してマニホールドに高応力が発生することを阻止することができる。

しかも、マニホールドの配管連結部に設けられた凸部とゴムホースに設けられた凹部とが係合することにより、前記マニホールドと前記ゴムホースとが連結されている。従って、ゴムホースの回転及び抜けを防止することができ、前記ゴムホースの偏肉変形による面圧抜けを抑制してシール性の向上が図られる。

本発明の第１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供給マニホールド部材側の分解斜視説明図である。 前記供給マニホールド部材側の要部断面説明図である。 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供給マニホールド部材側の要部断面説明図である。 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供給マニホールド部材側の要部断面説明図である。 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供給マニホールド部材側の要部断面説明図である。 特許文献１の燃料電池のマニホールドの説明図である。

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、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用される。この燃料電池スタック１０は、燃料電池１２を備え、複数の前記燃料電池１２を水平方向（矢印Ａ方向）に沿って互いに積層して積層体が構成される。

燃料電池１２の積層方向一端（積層体の一端）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、積層方向他端（積層体の他端）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。

長方形状に構成される第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂは、矢印Ａ方向に延在する複数のタイロッド１９により一体的に締め付け保持される。なお、燃料電池スタック１０は、第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂを端板として含む箱状ケーシング（図示せず）により一体的に保持されてもよい。

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、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の他、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される。

燃料電池１２の矢印Ｃ方向（図２中、重力方向）の上端縁部には、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供給連通孔（流体連通孔）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供給連通孔（流体連通孔）２８ａが、矢印Ｂ方向（水平方向）に配列して設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｃ方向の下端縁部には、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（流体連通孔）２６ｂ、及び燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔（流体連通孔）２８ｂが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｂ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供給連通孔（流体連通孔）３０ａ、及び前記冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体排出連通孔（流体連通孔）３０ｂが、例えば、それぞれ上下に設けられる。

第１セパレータ２２の電解質膜・電極構造体２０に対向する面２２ａには、酸化剤ガス供給連通孔２６ａと酸化剤ガス排出連通孔２６ｂとに連通する酸化剤ガス流路３２が設けられる。酸化剤ガス供給連通孔２６ａと酸化剤ガス流路３２とは、連通路３３ａを介して連通するとともに、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂと前記酸化剤ガス流路３２とは、連通路３３ｂを介して連通する。

第２セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２０に対向する面２４ａには、燃料ガス供給連通孔２８ａと燃料ガス排出連通孔２８ｂとに連通する燃料ガス流路３４が設けられる。燃料ガス供給連通孔２８ａと燃料ガス流路３４とは、連通路３５ａを介して連通するとともに、燃料ガス排出連通孔２８ｂと前記燃料ガス流路３４とは、連通路３５ｂを介して連通する。

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、冷却媒体供給連通孔３０ａと冷却媒体排出連通孔３０ｂとを連通する冷却媒体流路３６が設けられる。各冷却媒体供給連通孔３０ａと冷却媒体流路３６とは、連通路３８ａを介して連通するとともに、各冷却媒体排出連通孔３０ｂと前記冷却媒体流路３６とは、連通路３８ｂを介して連通する。

第１セパレータ２２の面２２ａ、２２ｂには、第１シール部材４０ａが、一体的に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４０ｂが、一体的に又は個別に設けられる。

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エンドプレート１８ａの外面側には、上部側に供給マニホールド部材５０が取り付けられるとともに、下部側に排出マニホールド部材５２が取り付けられる。

供給マニホールド部材５０は、第１エンドプレート１８ａの一対の冷却媒体供給連通孔３０ａ、３０ａに連通する一対のマニホールド５４ａ、５４ａと、前記一対のマニホールド５４ａ、５４ａ同士を連結するゴムホース５６ａとを備える。

マニホールド５４ａ、５４ａは、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等の樹脂材で構成されるとともに、第１エンドプレート１８ａの長辺方向（矢印Ｃ方向）に沿って長尺な直方体形状を有する。マニホールド５４ａ、５４ａは、第１エンドプレート１８ａに一体成形され、又は、ねじ止めされる。なお、以下に説明する各マニホールドも同様である。

図３及び図４に示すように、一対のマニホールド５４ａは、互いに対向する面からそれぞれ突出する配管連結部５８ａを備える。配管連結部５８ａの先端には、バルジ部６０ａが設けられるとともに、前記配管連結部５８ａの外周部には、１以上の凸部６２ａが形成される。配管連結部５８ａの外周部には、例えば、３つの凸部６２ａが等角度間隔ずつ離間して設けられる。凸部６２ａの先端には、傾斜面６４ａが形成される。

ゴムホース５６ａの配管連結部５８ａに外嵌される両端連結部には、凸部６２ａに係合する凹部６６ａが形成される。凹部６６ａは、ゴムホース５６ａの内周面に所定の深さに設けられるとともに、凸部６２ａの形状に対応する開口形状を有する。

排出マニホールド部材５２は、第１エンドプレート１８ａの一対の冷却媒体排出連通孔３０ｂ、３０ｂに連通する一対のマニホールド５４ｂ、５４ｂと、一対の前記マニホールド５４ｂ、５４ｂ同士を連結するゴムホース５６ｂとを備える。マニホールド５４ｂ、５４ｂは、第１エンドプレート１８ａの長辺方向に沿って長尺な直方体形状を有するとともに、前記長辺方向に沿って、マニホールド５４ａと前記マニホールド５４ｂとが配列される。

マニホールド５４ｂ、５４ｂは、上記のマニホールド５４ａ、５４ａと同様に、構成されており、同一の構成要素には、同一の参照数字にｂを付して、その詳細な説明は省略する。

一方のマニホールド５４ａには、冷却媒体供給管６８ａが一体に設けられるとともに、一方のマニホールド５４ｂには、冷却媒体排出管６８ｂが一体に設けられる（図１参照）。

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、第２エンドプレート１８ｂでは、酸化剤ガス供給連通孔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、燃料ガス供給連通孔２８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。

さらに、図１に示すように、第１エンドプレート１８ａでは、供給マニホールド部材５０の冷却媒体供給管６８ａから一対の冷却媒体供給連通孔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、図２に示すように、酸化剤ガス供給連通孔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。この酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３２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２０のカソード側電極４４に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔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、燃料ガス流路３４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２０のアノード側電極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て発電が行われる。

次いで、電解質膜・電極構造体２０のカソード側電極４４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。電解質膜・電極構造体２０のアノード側電極４６に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔２８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

一方、一対の冷却媒体供給連通孔３０ａ、３０ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ２２と第２セパレータ２４との間に形成された冷却媒体流路３６に導入される。この冷却媒体は、矢印Ｃ方向に移動して電解質膜・電極構造体２０を冷却した後、一対の冷却媒体排出連通孔３０ｂ、３０ｂから排出マニホールド部材５２の冷却媒体排出管６８ｂを介して外部に排出される。

この場合、燃料電池スタック１０は、複数のタイロッド１９により第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂが、互いに積層方向に一体的に締め付け保持されている。このため、第１エンドプレート１８ａは、面方向に湾曲するように弾性変形し易い。

その際、第１の実施形態では、供給マニホールド部材５０は、一対のマニホールド５４ａ、５４ａ同士を、ゴムホース５６ａにより連結する一方、排出マニホールド部材５２は、一対のマニホールド５４ｂ、５４ｂ同士を、ゴムホース５６ｂ、５６ｂにより連結している。

従って、第１エンドプレート１８ａが弾性変形する際に、ゴムホース５６ａ、５６ｂ自体が弾性変形し、マニホールド５４ａ、５４ａ及びマニホールド５４ｂ、５４ｂは、前記第１エンドプレート１８ａに追従することができる。これにより、供給マニホールド部材５０及び排出マニホールド部材５２には、第１エンドプレート１８ａの弾性変形によって高応力が発生することを確実に阻止することが可能になる。

しかも、第１の実施形態では、マニホールド５４ａの配管連結部５８ａに設けられた凸部６２ａと、ゴムホース５６ａに設けられた凹部６６ａとが係合することにより、前記マニホールド５４ａと前記ゴムホース５６ａとが連結されている。このため、ゴムホース５６ａの回転や抜けを確実に阻止することができる。従って、ゴムホース５６ａの偏肉変形による面圧抜けを抑制することが可能になり、シール性の向上が図られるという効果が得られる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック７０の概略斜視説明図である。

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３以降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。

燃料電池スタック７０では、図５及び図６に示すように、マニホールド５４ａの配管連結部５８ａに設けられた凸部６２ａと、ゴムホース５６ａに設けられた凹部６６ａとが係合した状態で、前記ゴムホース５６ａの両端連結部の外周部に前記凸部６２ａを周回してホースバンド７２が取り付けられる。

このように、第２の実施形態では、ゴムホース５６ａとマニホールド５４ａの配管連結部５８ａとの連結部位に、ホースバンド７２が取り付けられるため、前記ゴムホース５６ａの抜け止め及び回転止めが一層確実に遂行可能になる。さらに、バルジ部６０ａにおける面圧抜けが可及的に阻止されるため、所望のシール性が確実に維持される。

図７に示すように、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック８０では、第１エンドプレート１８ａに、供給マニホールド部材８２と排出マニホールド部材８４とが、前記第１エンドプレート１８ａの長辺方向に沿って配列される。

供給マニホールド部材８２は、一対のマニホールド５４ａ、５４ａと、前記一対のマニホールド５４ａ、５４ａ同士を連結するゴムホース８６ａとを備える。排出マニホールド部材８４は、同様に一対のマニホールド５４ｂ、５４ｂと、前記一対のマニホールド５４ｂ、５４ｂ同士を連結するゴムホース８６ｂとを備える。

図７及び図８に示すように、マニホールド５４ａを構成する配管連結部５８ａの外周部には、１以上の凸部８８ａが形成される。凸部８８ａは、実質的に、第１の実施形態の凸部６２ａよりも高さ寸法が大きく設定される。ゴムホース８６ａの両端連結部には、凸部８８ａに係合する凹部９０ａが形成される。凹部９０ａは、ゴムホース８６ａを軸方向に貫通して形成される。

マニホールド５４ｂ、５４ｂは、上記のマニホールド５４ａ、５４ａと同様に、構成されており、同一の構成要素には、同一の参照数字にｂを付して、その詳細な説明は省略する。

このように構成される第３の実施形態では、高さ寸法の大きな凸部８８ａと貫通開口部である凹部９０ａとにより、ゴムホース８６ａとマニホールド５４ａの配管連結部５８ａとが連結されている。このため、ゴムホース８６ａは、回転止め及び抜け止めが一層確実に遂行されるという効果が得られる。

図９は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタック１００の要部断面説明図である。なお、第３の実施形態に係る燃料電池スタック８０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。

燃料電池スタック１００では、マニホールド５４ａの配管連結部５８ａに設けられた凸部８８ａと、ゴムホース８６ａに設けられた凹部９０ａとが係合した状態で、前記ゴムホース８６ａの両端連結部の外周部に、前記凸部８８ａを周回してホースバンド７２が取り付けられる。

従って、第４の実施形態では、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、本発明は、一対のマニホールドを連結するゴムホースであればよく、冷却媒体に限定されるものではなく、反応ガス（燃料ガスや酸化剤ガス）用の一対のマニホールドにも適用可能である。

１０、７０、８０、１００…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…酸化剤ガス供給連通孔
２６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ２８ａ…燃料ガス供給連通孔
２８ｂ…燃料ガス排出連通孔 ３０ａ…冷却媒体供給連通孔
３０ｂ…冷却媒体排出連通孔 ３２…酸化剤ガス流路
３３ａ、３３ｂ、３５ａ、３５ｂ、３８ａ、３８ｂ…連通路
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、８２…供給マニホールド部材
５２、８４…排出マニホールド部材
５４ａ、５４ｂ…マニホールド
５６ａ、５６ｂ、８６ａ、８６ｂ…ゴムホース
５８ａ…配管連結部 ６０ａ…バルジ部
６２ａ、８８ａ…凸部 ６６ａ、９０ａ…凹部
７２…ホースバンド

Claims (3)

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、積層方向に延在して同一の供給流体又は排出流体を流通させる複数の流体連通孔が形成される積層体を備え、前記積層体の積層方向両端に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、
   少なくとも一方の前記エンドプレートには、各流体連通孔に連通する一対のマニホールドが設けられ、前記一対のマニホールド間は、ゴムホースにより連結されるとともに、
   各マニホールドは、外周部に凸部が設けられる配管連結部を備える一方、
   前記ゴムホースの前記配管連結部に外嵌される両端連結部には、前記凸部に係合する凹部が形成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、前記凸部と前記凹部とが係合した状態で、前記ゴムホースの両端連結部の外周部に前記凸部を周回してホースバンドが取り付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、前記凹部は、前記ゴムホースを径方向に貫通して形成されることを特徴とする燃料電池スタック。

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