JP2014078428A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池スタック内への液状水の不要な導入を確実に阻止することができ、良好な発電性能を維持することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が積層される積層体１４を設けるとともに、前記積層体１４の積層方向一端には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａが配設される。絶縁プレート１８ａの燃料ガス供給連通孔３８ａには、整流部材７０が設けられ、前記整流部材７０は、供給される燃料ガスの流れを水平方向から上方に偏向させる傾斜面７０ｃを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電解質の両側に電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルを備え、複数の前記発電セルが水平方向に積層される積層体を設けるとともに、前記積層体の積層方向両端には、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配設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固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒（電極触媒層）及び多孔質カーボン（ガス拡散層）を有するアノード電極とカソード電極とを配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持する発電セルを構成している。通常、所定数の発電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、積層されている各発電セルのアノード電極及びカソード電極に、それぞれ反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するため、内部マニホールドを構成する場合が多い。この内部マニホールドは、発電セルの積層方向に貫通して設けられる反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔を備えている。

通常、燃料電池スタックには、外部機器、例えば、エゼクタが、燃料ガス供給配管（反応ガス供給配管）を介して燃料ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）に連通している。また、燃料電池スタックには、加湿器が、酸化剤ガス供給配管（反応ガス供給配管）を介して酸化剤ガス供給連通孔（反応ガス供給連通孔）に連通している。

ここで、燃料電池スタックでは、特に低温時に始動されると、反応ガス供給配管から反応ガス供給連通孔に液状水が導入されるおそれがある。このため、発電セルでは、セル電圧が低下し、発電不良が発生する場合がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されているスタック構造を有する燃料電池が知られている。この特許文献１では、固体高分子電解質型燃料電池のセル積層体のうち、少なくともガス出入り側端部に、発電に寄与しない、入口マニホールドと出口マニホールドとを連通する層であって、ガス供給配管を伝ってくる凝縮水を流れ込ませる層が設けられている。

これにより、セル積層方向端部、特にガス出入り側端セルの、水によるフラッディングや不純物によるコンタミによる電圧低下を抑制でき、また、外部の温度（低温）の影響を緩和でき、水の凝縮を抑制でき、フラッディングを抑制できる、としている。

特許第３８０１０９６号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、発電に寄与しない複数の層（ダミーセル）が積層されている。このため、燃料電池スタック全体は、積層方向に相当に長尺化するとともに、ダミーセルの内部抵抗により燃料電池スタック全体の発電効率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、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池スタックの発電面内への水の不要な導入を確実に阻止することができ、良好な発電性能を維持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、電解質の両側に電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルを備え、複数の前記発電セルが水平方向に積層される積層体を設けるとともに、前記積層体の積層方向両端には、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配設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では、少なくとも一方のエンドプレート及び絶縁プレートには、発電反応に使用される少なくとも一方の反応ガスを、スタック外部から積層体に供給する反応ガス供給連通孔が設けられている。そして、エンドプレートの反応ガス供給連通孔又は絶縁プレートの反応ガス供給連通孔には、供給される反応ガスの流れを水平方向から上方に偏向させる傾斜面を有する整流部材が配設されている。

本発明によれば、燃料電池スタックの反応ガス供給連通孔の入口側には、整流部材が配設されている。このため、スタック外部から供給される反応ガスは、反応ガス供給連通孔の入口側で、流れ方向が水平方向から上方に偏向され、前記反応ガス供給連通孔の底部側の流速が速くなる。

従って、例えば、燃料電池スタックの始動時に、スタック外部から前記燃料電池スタック内に反応ガスに伴って導入される液状水は、燃料電池の発電面とは反対方向に流動する。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池の発電面への液状水の不要な導入を確実に阻止することができ、良好な発電性能を維持す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の一部分解概略斜視図である。 前記燃料電池スタックの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。 前記燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの要部断面説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する整流部材の要部斜視説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの要部断面説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する整流部材の要部斜視説明図である。

図１及び図２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、複数の発電セル（燃料電池）１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を備える。積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される（図１参照）。

燃料電池スタック１０は、例えば、長方形に構成されるエンドプレート２０ａ、２０ｂ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、あるいは、矢印Ａ方向に延在する複数のタイロッド（図示せず）により一体的に締め付け保持される。

発電セル１２は、図２及び図３に示すように、電解質膜・電極構造体２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１金属セパレータ２４及び第２金属セパレータ２６とを備える。第１金属セパレータ２４及び第２金属セパレータ２６は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属薄板を波形にプレス成形して構成されるが、例えば、カーボンセパレータを用いてもよい。

電解質膜・電極構造体２２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２８と、前記固体高分子電解質膜２８を挟持するアノード電極３０及びカソード電極３２とを備える。固体高分子電解質膜２８は、アノード電極３０及びカソード電極３２よりも大きな表面積を有している。

なお、電解質膜・電極構造体２２は、アノード電極３０とカソード電極３２とが互いに異なる平面寸法に設定される段差ＭＥＡを構成してもよい。

アノード電極３０及びカソード電極３２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を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布し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２８の両面に形成されている。

発電セル１２の矢印Ｂ方向（図３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供給連通孔３４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３６ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３８ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

発電セル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、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３８ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３６ｂ、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３４ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

第１金属セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２４ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路４０が形成される。燃料ガス流路４０は、燃料ガス供給連通孔３８ａと燃料ガス排出連通孔３８ｂとに連通する。

第２金属セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２６ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路４２が設けられる。酸化剤ガス流路４２は、酸化剤ガス供給連通孔３４ａと酸化剤ガス排出連通孔３４ｂとに連通する。

互いに隣接する第１金属セパレータ２４の面２４ｂと第２金属セパレータ２６の面２６ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔３６ａと冷却媒体排出連通孔３６ｂとに連通する冷却媒体流路４４が形成される。冷却媒体流路４４は、燃料ガス流路４０の裏面形状と酸化剤ガス流路４２の裏面形状とが重なり合って形成される。

図２及び図３に示すように、第１金属セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、この第１金属セパレータ２４の外周端部を周回して、第１シール部材４８が一体化される。第２金属セパレータ２６の面２６ａ、２６ｂには、この第２金属セパレータ２６の外周端部を周回して、第２シール部材５０が一体化される。

第１シール部材４８及び第２シール部材５０には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、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等の弾性を有するシール部材が用いられる。

図１に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの略中央には、積層方向外方に延在する端子部５８ａ、５８ｂが設けられる。端子部５８ａ、５８ｂは、絶縁性筒体６０に挿入されて、絶縁プレート１８ａ、１８ｂの孔部６２ａ、６２ｂ及びエンドプレート２０ａ、２０ｂの孔部６４ａ、６４ｂを貫通して前記エンドプレート２０ａ、２０ｂの外部に突出する。

絶縁プレート１８ａ、１８ｂは、絶縁性材料、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）やフェノール樹脂等で形成されている。絶縁プレート１８ａ、１８ｂは、中央部に矩形状の凹部６６ａ、６６ｂが設けられるとともに、前記凹部６６ａ、６６ｂの略中央に孔部６２ａ、６２ｂが連通する。凹部６６ａ、６６ｂには、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂが収容され、前記ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの端子部５８ａ、５８ｂが絶縁性筒体６０を介装して孔部６２ａ、６２ｂに挿入される。

絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａには、酸化剤ガス供給連通孔３４ａ、酸化剤ガス排出連通孔３４ｂ、冷却媒体供給連通孔３６ａ、冷却媒体排出連通孔３６ｂ、燃料ガス供給連通孔３８ａ及び燃料ガス排出連通孔３８ｂが形成される。燃料ガス供給連通孔３８ａには、図示しない外部機器（例えば、エゼクタ）が接続される。絶縁プレート１８ｂ及びエンドプレート２０ｂには、連通孔が設けられていない。なお、エンドプレート２０ａ側とエンドプレート２０ｂ側とに、それぞれ任意の連通孔を振り分けて設けることもできる。

図１及び図２に示すように、絶縁プレート１８ａの燃料ガス供給連通孔３８ａには、整流部材７０が支柱部７１を介して一体又は個別に設けられる。整流部材７０は、絶縁プレート１８ａと同一の材料で構成され、断面が略翼形状を有する。

なお、絶縁プレート１８ａの燃料ガス供給連通孔３８ａに代えて、エンドプレート２０ａの燃料ガス供給連通孔３８ａに、整流部材７０を設けてもよい。また、以下に説明する第２以降の実施形態でも、同様である。

整流部材７０は、図２に示すように、水平方向（矢印Ａ方向）に延在する水平部７０ａと、前記水平部７０ａの燃料ガス流れ方向先端に一体に設けられ、前記水平方向から鉛直方向（上方）に傾斜する傾斜部７０ｂとを有する。整流部材７０の底面には、傾斜部７０ｂの底面形状に沿って燃料ガスの流れを水平方向から上方に偏向させる傾斜面７０ｃが設けられる。

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、酸素含有ガス等の酸化剤ガスは、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス供給連通孔３４ａに供給される。水素含有ガス等の燃料ガスは、エンドプレート２０ａの燃料ガス供給連通孔３８ａに供給される。純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、エンドプレート２０ａの冷却媒体供給連通孔３６ａに供給される。

酸化剤ガスは、図３に示すように、酸化剤ガス供給連通孔３４ａから第２金属セパレータ２６の酸化剤ガス流路４２に導入され、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体２２のカソード電極３２に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３８ａから第１金属セパレータ２４の燃料ガス流路４０に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路４０に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２２のアノード電極３０に供給される。

従って、各電解質膜・電極構造体２２では、カソード電極３２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極３０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、カソード電極３２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３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極３０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３８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体供給連通孔３６ａに供給された冷却媒体は、第１金属セパレータ２４と第２金属セパレータ２６との間の冷却媒体流路４４に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３６ｂから排出される。

この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、絶縁プレート１８ａの燃料ガス供給連通孔３８ａには、断面が略翼形状を有する整流部材７０が設けられている。整流部材７０は、水平部７０ａと、水平方向から鉛直方向（上方）に傾斜する傾斜部７０ｂとを有し、前記整流部材７０の底面には、燃料ガスの流れを水平方向から上方に偏向させる傾斜面７０ｃが設けられている。

このため、スタック外部から燃料電池スタック１０内に供給される燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３８ａの入口側で、流れ方向が水平方向から上方に偏向され、前記燃料ガス供給連通孔３８ａの底部側の流速が速くなる。

従って、例えば、燃料電池スタック１０の始動時に、スタック外部から前記燃料電池スタック１０内に燃料ガスに伴って導入される液状水は、発電セル１２の発電面とは反対方向（上方向）に流動する。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、発電セル１２の発電面への液状水の不要な導入を確実に阻止することができ、良好な発電性能を維持することが可能になるという効果が得られる。

なお、酸化剤ガス供給連通孔３４ａには、図示しない外部機器（例えば、加湿器）が接続されている。このため、絶縁プレート１８ａ又はエンドプレート２０ａの酸化剤ガス供給連通孔３４ａに、整流部材７０を設けてもよい。また、以下に説明する第２以降の実施形態でも、同様である。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック８０の要部断面説明図である。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。

図４及び図５に示すように、絶縁プレート１８ａの燃料ガス供給連通孔３８ａには、整流部材８２が一体又は個別に設けられる。整流部材８２は、燃料ガス供給方向に向かって先細りの略台形状を有する。

整流部材８２は、燃料ガス供給連通孔３８ａ内で、エンドプレート２０ａとの境界位置に、一方の対角位置の角部間に延在して配置される後端部８２ｂを有する。整流部材８２は、燃料ガス供給方向先端に先細り形状の先端部８２ａを有し、前記先端部８２ａは、上方側の他の角部位置に向かって配置される。整流部材８２の底面には、一方の対角位置から燃料ガス供給方向に向かって上方且つ他の角部位置に指向する傾斜面８２ｃが設けられる。

このように構成される第２の実施形態では、整流部材８２の底面に傾斜面８２ｃが設けられている。このため、スタック外部から燃料電池スタック８０内に供給される燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３８ａの入口側で、流れ方向が水平方向から上方に偏向され、前記燃料ガス供給連通孔３８ａの底部側の流速が速くなる。

これにより、簡単且つコンパクトな構成で、発電セル１２の発電面への液状水の不要な導入を確実に阻止することができ、良好な発電性能を維持することが可能になる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック９０の要部断面説明図である。

図６及び図７に示すように、絶縁プレート１８ａの燃料ガス供給連通孔３８ａには、整流部材９２が一体又は個別に設けられる。整流部材９２は、燃料ガス供給方向に向かって延在する略台形状を有する。

整流部材９２は、図７に示すように、燃料ガス供給連通孔３８ａ内で、エンドプレート２０ａとの境界位置に、一方の対角位置の角部間に延在して配置される後端部９２ｂを有する。整流部材９２は、一方の側部に燃料ガス供給方向先端に向かって延在する屈曲膨出部９２ａを設ける。屈曲膨出部９２ａは、上方側に湾曲することにより、底面に湾曲面９２ｃを設ける。

このように構成される第３の実施形態では、整流部材９２の底面に湾曲面９２ｃが設けられている。このため、スタック外部から燃料電池スタック９０内に供給される燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３８ａの入口側で、流れ方向が水平方向から上方に偏向され、前記燃料ガス供給連通孔３８ａの底部側の流速が速くなる。

これにより、簡単且つコンパクトな構成で、発電セル１２の発電面への液状水の不要な導入を確実に阻止することができ、良好な発電性能を維持することが可能になる等、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。

１０、８０、９０…燃料電池スタック １２…発電セル
１４…積層体 １６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８ａ、１８ｂ…絶縁プレート ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２２…電解質膜・電極構造体 ２４、２６…金属セパレータ
２８…固体高分子電解質膜 ３０…アノード電極
３２…カソード電極 ３４ａ…酸化剤ガス供給連通孔
３４ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ３６ａ…冷却媒体供給連通孔
３６ｂ…冷却媒体排出連通孔 ３８ａ…燃料ガス供給連通孔
３８ｂ…燃料ガス排出連通孔 ４０…燃料ガス流路
４２…酸化剤ガス流路 ４４…冷却媒体流路
７０、８２、９２…整流部材 ７０ａ…水平部
７０ｂ…傾斜部 ７０ｃ、８２ｃ…傾斜面
８２ａ…先端部 ８２ｂ、９２ｂ…後端部
９２ａ…屈曲膨出部 ９２ｃ…湾曲面

Claims (1)

1. 電解質の両側に電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルを備え、複数の前記発電セルが水平方向に積層される積層体を設けるとともに、前記積層体の積層方向両端には、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配設さ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及び前記絶縁プレートには、発電反応に使用される少なくとも一方の反応ガスを、スタック外部から前記積層体に供給する反応ガス供給連通孔が設けられるとともに、
   前記エンドプレートの前記反応ガス供給連通孔又は前記絶縁プレートの前記反応ガス供給連通孔には、供給される前記反応ガスの流れを水平方向から上方に偏向させる傾斜面を有する整流部材が配設されることを特徴とする燃料電池スタック。

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