JP2013004321A

JP2013004321A - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP2013004321A
Application number: JP2011134569A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Tanaka; 秀明田中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-06-16
Filing date: 2011-06-16
Publication date: 2013-01-07
Anticipated expiration: 2031-06-16
Also published as: JP5747677B2

Abstract

【課題】燃料電池の構造を複雑化せずに燃料電池内の水の排水性を確保し、燃料電池の小型化、低コスト化を可能とする燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】セル積層体１２の端部に設けられる非発電部材１４には、セル積層体１２側の内側開口部及びセル積層体１２側と反対側の外側開口部を有する貫通孔２９が形成され、貫通孔２９には前記外側開口部を閉止し、前記内側開口部を開放して、貫通孔２９内に空間部３２ａを形成するシール部材３０が配置され、前記空間部３２ａは、セル積層方向から見て反応ガス排出用マニホールド１６から排水用マニホールド１８に亘って形成され、反応ガス排出用マニホールド１６と排水用マニホールド１８とを連通する連通路２０となる燃料電池を用いる。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池スタックに関するものである。

従来より、燃料ガス（水素）と酸化ガス（空気）との電気化学反応を利用して発電を行うセルを複数積層した燃料電池スタックが知られている。

そして、これらの燃料電池スタックには、セルの積層方向に、燃料ガス、酸化ガスの反応ガスを各セルに供給するための反応ガス供給用マニホールド、反応ガスを燃料電池スタックから排出するための反応ガス排出用マニホールドが形成されている。

ところで、従来では、燃料電池内の水の排水性を確保することを目的として、反応ガス排出用マニホールドの内部に、貯留した水を吸引する開口部を有する吸引部材を設置した燃料電池スタックが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、燃料電池内の水の排水性を確保することを目的として、反応ガス供給用マニホールドから流入する凝縮水を貯留する水溜まり部と、水溜まり部と反応ガス排出用マニホールドと連通して凝縮水を排水する排水流路とを備える燃料電池スタックが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−２６６９２５号公報特開２００７−２６８５６号公報

しかし、従来の燃料電池スタックでは、燃料電池内の水の排水性を確保するために、吸引部材等の追加部材が必要であったり、加工が複雑であったりして、燃料電池の構造が複雑化する。その結果、大型化、高コスト化を招く虞がある。

そこで、本発明の目的は、燃料電池の構造を複雑化せずに燃料電池内の水の排水性を確保し、燃料電池の小型化、低コスト化を可能とする燃料電池スタックを提供することにある。

本発明は、複数のセルが積層されたセル積層体と、前記セル積層体の端部に設けられる非発電部材と、前記セル積層体に形成される反応ガス排出用マニホールドと、前記セル積層体に形成される排水用マニホールドと、前記非発電部材に形成され、前記反応ガス排出用マニホールドと、前記排水用マニホールドとを連通する連通路と、を備える燃料電池スタックであって、前記非発電部材には、前記セル積層体側の内側開口部及び前記セル積層体側と反対側の外側開口部を有する貫通孔が形成され、前記貫通孔には前記外側開口部を閉止し、前記内側開口部を開放して、前記貫通孔内に空間部を形成する閉塞部材が配置され、前記空間部は、セル積層方向から見て前記反応ガス排出用マニホールドから前記排水用マニホールドに亘って形成され、前記連通路となる。

本発明によれば、燃料電池の構造を複雑化せずに燃料電池内の水の排水性を確保し、燃料電池の小型化、低コスト化を可能とする燃料電池スタックを提供することができる。

本実施形態に係る燃料電池スタックの構成の一例を示す模式断面図である。（Ａ）は、本実施形態に係る燃料電池スタックの連通路の構成の一例を示す一部模式断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のセル積層方向（Ｘ方向）から見た連通路の構成を示す模式平面図である。本実施形態に係る燃料電池スタックの連通路の構成の他の一例を示す一部模式断面図である。本実施形態に係る燃料電池スタックの連通路の構成の他の一例を示す一部模式断面図である。

本発明の実施の形態について以下説明する。

図１は、本実施形態に係る燃料電池スタックの構成の一例を示す模式断面図である。図１に示すように、燃料電池スタック１は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセル１０が複数積層されたセル積層体１２と、セル積層方向の両端に、セル積層体１２側から順に配置される、集電板としてのターミナルプレート、絶縁板としてのインシュレータ及びエンドプレート等の非発電部材１４と、を備える。集電板には外部回路に接続される端子部１５が設けられている。端子部１５は、約１０ナノメータの厚さの金めっきが施されている。なお、非発電部材１４は、ターミナルプレート、インシュレータ及びエンドプレートのうち少なくともいずれか１つから構成されるものであればよい。ターミナルプレートの材質は、導電性を有するものであれば特に制限されるものではないが、例えば、アルミ等が挙げられる。

燃料電池スタック１には、反応ガス排出用マニホールド１６、排水用マニホールド１８が、セル１０の積層方向に形成されている。また、不図示であるが、反応ガス供給用マニホールド、冷却水用供給・排出マニホールド等もセル１０の積層方向に形成されている。そして、非発電部材１４には、連通路２０が形成されている。連通路２０を形成する部材については後述するが、連通路２０は、反応ガス排出用マニホールド１６の一方端と排水用マニホールド１８の一方端とを連通するものである。

反応ガス排出用マニホールド１６の他方端（連通路２０側と反対側）には、マニホールド径を小さくした絞り部２２（オリフィス）が形成されている。また、排水用マニホールド１８の他方端（連通路２０側と反対側）には、反応ガス排出用マニホールド１６に合流する合流部２４が形成されている。ここで、図１に示す反応ガス排出用マニホールド１６は、燃料ガス用排出マニホールド又は酸化ガス用排出マニホールドであり、排水用マニホールド１８は、反応ガス排出用マニホールド１６のうち、燃料ガス用排出マニホールド側、酸化ガス用マニホールド側の少なくともいずれか一方に設けられていればよい。

このような燃料電池スタック１の反応ガス及び生成水の流れを、以下に説明する。まず、燃料ガスや酸化ガスが反応ガス供給用マニホールドを通り、各セル１０に分配され、セル１０の発電に利用される。そして、セル１０から排出された燃料ガスや酸化ガス（オフガス）が反応ガス排出用マニホールド１６を通り、燃料電池スタック１から排出される。また、セル１０の発電時に生成する水は、主に排水用マニホールド１８、合流部２４を通り、燃料電池スタック１から排出される。ここで、反応ガスが反応ガス排出用マニホールド１６の絞り部２２を通ることによって、反応ガス排出用マニホールド１６が負圧となるため、反応ガス排出用マニホールド１６と連通する排水用マニホールド１８も負圧となる。その結果、負圧となった排水用マニホールド１８から水が排出され易くなるため、排水用マニホールド１８内の水の排水性を向上させることができる。

図２（Ａ）は、本実施形態に係る燃料電池スタックの連通路の構成の一例を示す一部模式断面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のセル積層方向（Ｘ方向）から見た連通路の構成を示す模式平面図である。図での説明は省略するが、セル積層体１２を構成するセル１０は、電解質膜と、電解質膜を挟持する一対の電極（アノード極及びカソード極）とを備える膜−電極接合体と、膜−電極接合体を挟持する一対のセパレータと、を備える。セパレータには、反応ガス供給用口、反応ガス排出用口、排水用口等が設けられ、各セパレータの反応ガス供給用口が連通することにより反応ガス供給用マニホールドが形成され、各セパレータの反応ガス排出用口が連通することにより反応ガス排出用マニホールド１６が形成され、各セパレータの排水用口が連通することにより排水用マニホールド１８等が形成される。そして、セル１０間には、反応ガス排出用マニホールド１６を周回するシール部材２６及び排水用マニホールド１８を周回するシール部材２８が配置されている。

図２に示すように、非発電部材１４には、反応ガス排出用マニホールド１６と排水用マニホールド１８が連通する連通路２０が形成されている。連通路２０の形成においては、非発電部材１４のセル積層体１２側の面を研削して凹部を形成し、その凹部を連通路２０とすることも考えられるが、高い加工精度が要求され、コストが高くなる。そこで、本実施形態では、まず、金型加工、プレス加工等の打ち抜き成型によって非発電部材１４に貫通孔２９が形成される。このような貫通孔２９の形成には高い加工精度が要求されず、容易に加工することができる。そして、閉塞部材としてのシール部材３０が貫通孔２９に嵌め込まれ、貫通孔２９のセル積層体側と反対側（セル１０と反対側）の外側開口部が閉止される。また、シール部材３０のセル積層体側（セル１０側）の面には凹部３２が形成されており、この凹部３２により、貫通孔２９内に、貫通孔２９のセル積層体側（セル１０側）にある内側開口部が開放された空間部３２ａが形成される。この空間部３２ａが、反応ガス排出用マニホールド１６と排水用マニホールド１８とを連通する連通路２０となる。反応ガス排出用マニホールド１６と排水用マニホールド１８とを連通させる連通路２０を形成するためには、空間部３２ａは、図２（Ｂ）に示すように、セル積層方向から見て反応ガス排出用マニホールド１６から排水用マニホールド１８に亘って形成される必要がある。図２（Ｂ）では、空間部３２ａの上端が平面視において反応ガス排出用マニホールド１６の上端と同じ位置にあり、空間部３２ａの下端が排水用マニホールド１８の下端と同じ位置にあるが、これに制限されず、空間部３２ａの上端が平面視において反応ガス排出用マニホールド１６の上端の内側（下方）又は外側（上方）に位置していてもよいし、空間部３２ａの下端が平面視において排水用マニホールドの下端の内側（上方）又は外側（下方）に位置していてもよい。なお、当然に理解されることであるが、貫通孔２９もセル積層方向から見て反応ガス排出用マニホールド１６から排水用マニホールド１８に亘って形成される必要がある。

シール部材３０としては、例えば、硬化性ゴム等からなるガスケット、液状の硬化性樹脂等を硬化させたもの等が用いられる。硬化性ゴムとしては、例えば、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ポリイソブチレンゴム、エチレン−プロピレンゴム等が挙げられる。また、硬化性樹脂としては、例えば、液状エポキシ樹脂等が挙げられる。凹部３２は、例えば、ガスケットの成形時、硬化性樹脂の硬化時等で金型成型されることにより形成される。

図３は、本実施形態に係る燃料電池スタックの連通路の構成の他の一例を示す一部模式断面図である。図３に示す燃料電池スタック２において、図２に示す燃料電池スタック１と同様の構成については同一の符号を付している。図３に示す燃料電池スタック２は、非発電部材１４とセル積層体１２との間に、セル１０を構成するセパレータと同様の材質等から構成されるセパレータ部材３４が配置されている。このセパレータ部材３４は、通常、セル積層体１２を冷却するための冷却水流路（不図示）を形成するために設けられるものである。非発電部材１４とセル積層体１２との間に配置されるセパレータ部材３４は、セル１０に用いられるセパレータ同様に、反応ガス供給用口、反応ガス排出用口、排水用口等が形成される。セパレータ部材３４の反応ガス供給用口、反応ガス排出用口、排水用口等の形状や大きさは、セル１０に用いられるセパレータに形成される反応ガス供給用口、反応ガス排出用口、排水用口等の形状や大きさと異なるものであってもよいし同じでもよいが、いずれにしろ、セパレータ部材３４に形成される各口とセパレータに形成される各口とが連通していればよい。すなわち、セパレータ部材３４に形成される反応ガス供給用口は、反応ガス供給用マニホールドに連通し、セパレータ部材３４に形成される反応ガス排出用口は、反応ガス排出用マニホールド１６に連通し、セパレータ部材３４に形成される排水用口は、排水用マニホールド１８に連通する。

図３に示すセパレータ部材３４は、反応ガス排出用口と排水用口とが連通した連通路２０ａが形成された構造となっている。そして、この構造により、非発電部材１４（セパレータ部材も含まれる）に形成される連通路２０の幅を拡大することが可能となる。

また、セパレータ部材３４（非発電部材１４）とその他の非発電部材１４との間にシール部材３０ａを配置して、セパレータ部材３４と非発電部材１４との間をシールすることが望ましい。これにより、セパレータ部材３４と非発電部材１４との間に水が侵入することを防ぐことができるため、非発電部材１４の腐食を抑制することが可能となる。セパレータ部材３４（非発電部材１４）とその他の非発電部材１４との間に配置されるシール部材３０ａと、非発電部材１４の貫通孔２９を塞ぐシール部材３０とは一体形成されたものであってもよいし、別体であってもよい。なお、セパレータ部材３４とセル１０との間もシール部材３０ｂによりシールされている。

図４は、本実施形態に係る燃料電池スタックの連通路の構成の他の一例を示す一部模式断面図である。図４に示す燃料電池スタック３において、図２に示す燃料電池スタック１と同様の構成については同一の符号を付している。図４に示すように、非発電部材１４には、反応ガス排出用マニホールド１６と排水用マニホールド１８が連通する連通路２０が形成されている。本実施形態では、金型加工、プレス加工等によって非発電部材１４を打ち抜き成型して貫通孔２９が形成され、その貫通孔２９は、セル積層体１２と反対側から閉塞部材としての板部材３６によって塞がれる。すなわち、貫通孔２９のセル積層体側と反対側（セル１０と反対側）の外側開口部が閉止され、貫通孔２９内に、貫通孔２９のセル積層体側（セル１０側）にある内側開口部が開放された空間部３６ａが形成される。この空間部３６ａが、反応ガス排出用マニホールド１６と排水用マニホールド１８とを連通する連通路２０となる。

板部材３６を非発電部材に固定する方法としては、例えば、板部材３６と非発電部材１４との間に接着剤を塗布して両者を接着させたり、ボルト等を用いて両者を締結させたりする方法等が挙げられる。さらに、板部材３６と非発電部材１４との間に水が侵入することを防止するために、板部材３６と非発電部材１４とにより形成される角部にシール部材３８を配置したり接着剤を塗布したりすることが望ましい。

板部材３６としては、耐食性を有する材質から構成されることが望ましく、例えば、ステンレス等の耐食性の高い金属板やポリプロピレン等の樹脂板等が挙げられる。

以上、非発電部材に加工が容易な貫通孔を形成した上で、その貫通孔をシール部材や板部材等の閉塞部材で塞ぐと共に、貫通孔内に形成される空間部を反応ガス排出マニホールドと排水マニホールドとを連通する連通路とすることにより、燃料電池の構造を複雑化せずに燃料電池内の水の排水性を確保し、燃料電池の小型化、低コスト化が可能となる。

１〜３燃料電池スタック、１０セル、１２セル積層体、１４非発電部材、１５端子部、１６反応ガス排出用マニホールド、１８排水用マニホールド、２０連通路、２０ａ連通路、２２絞り部、２４合流部、２６，２８，３０，３０ａ，３０ｂ，３８シール部材、２９貫通孔、３２凹部、３２ａ，３６ａ空間部、３４セパレータ部材、３６板部材。

Claims

複数のセルが積層されたセル積層体と、前記セル積層体の端部に設けられる非発電部材と、前記セル積層体に形成される反応ガス排出用マニホールドと、前記セル積層体に形成される排水用マニホールドと、前記非発電部材に形成され、前記反応ガス排出用マニホールドと、前記排水用マニホールドとを連通する連通路と、を備える燃料電池スタックであって、
前記非発電部材には、前記セル積層体側の内側開口部及び前記セル積層体側と反対側の外側開口部を有する貫通孔が形成され、
前記貫通孔には前記外側開口部を閉止し、前記内側開口部を開放して、前記貫通孔内に空間部を形成する閉塞部材が配置され、
前記空間部は、セル積層方向から見て前記反応ガス排出用マニホールドから前記排水用マニホールドに亘って形成され、前記連通路となることを特徴とする燃料電池スタック。