JP2014120321A - 燃料電池スタック - Google Patents
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Abstract
【解決手段】燃料電池スタックは、単セルを複数積層した発電積層体40、60と;各単セルを発電積層体の積層方向に貫通して延び、各単セルに燃料ガスを供給するための燃料ガスマニホールドと;各単セルを積層方向に貫通して延び、各単セルに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガスマニホールドと;各単セルを積層方向に貫通して延び、各単セルに冷却媒体を供給するための冷却媒体マニホールドと;発電積層体の積層方向の内側の予め定められた位置に介装され、当該燃料電池スタックを収納するケースを内側から支える支柱プレート50と;を備える。酸化剤ガスおよび冷却媒体は、支柱プレートを介して積層方向に分流され;燃料ガスは、発電積層体の端部からひと筋に供給される構成である。
【選択図】図1
Description
この構成によれば、1本の支柱プレートによって、積層方向端部でのせん断応力を半減することができる。
この構成によれば、酸化剤ガス供給通路および冷却媒体供給通路の支柱プレートへの接続が容易となる。
A.第1実施形態:
A1.全体の構成:
図1は、本発明の第1実施形態としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。図示するように、燃料電池システム1は、燃料電池スタック100と、燃料電池スタック100を収納する収納容器としてのケース200と、燃料電池スタック100に接続される流体供給排出系300とを備えている。
図2は、燃料電池スタック100の単セルCLの平面構成の概略を示す説明図である。単セルCLは、電解質膜の両面に、それぞれ、アノードおよびカソードが配置された膜電極接合体(MEAとも呼ばれる)を含む発電モジュールを、一対のセパレータによって挟持した構成となっている。図中のハッチの領域がMEAの占める領域である。単セルCLは、MEAの領域の周囲に、燃料電池スタック100に供給された酸化剤ガスを各単セルCLに分配する酸化剤ガス供給マニホールド510と、各単セルCLにおいて利用されなかった酸化剤ガスを集めて燃料電池スタック100の外部に排出する酸化剤ガス排出マニホールド520と、燃料電池スタック100に供給された燃料ガスを各単セルCLに分配する燃料ガス供給マニホールド530と、各単セルCLにおいて利用されなかった燃料ガスを集めて燃料電池スタック100の外部に排出する燃料ガス排出マニホールド540と、燃料電池スタック100に供給された冷却媒体を各単セルCLに分配する冷却媒体供給マニホールド550と、各単セルCLから排出される冷却媒体を集めて燃料電池スタック100の外部に排出する冷却媒体排出マニホールド560とが形成されている。上記各マニホールド510〜560は、単セルCLの積層方向、すなわちX方向に延びる形状の流路となる。
図1に戻って、上述した燃料電池スタック100内の各マニホールド510〜560に対して、流体供給排出系300に備えられる各配管330、340、360、370、420、440がどのように接続されているかを、次に説明する。
図5は、本実施形態の燃料電池スタック100の耐衝撃性を従来形態と比較する説明図である。図5(a)が従来形態の燃料電池スタック900についてのもので、図5(b)が本実施形態の燃料電池スタック100についてのものである。図5(a)に示すように、従来形態の燃料電池スタック900は、発電積層体の積層方向の中央に支柱プレートを有していない。この燃料電池スタック900では、ケース910の上面部に入力Gの衝撃を受けたとき、入力Gに抗する最大せん断応力(反力Q)を、セルスタック(発電積層体)の両端部で、1/2ずつ支える必要があった。これに対して、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、発電積層体の積層方向の中央、すなわち、前側の発電積層体40と後側の発電積層体60の間に支柱プレート50が設けられていることから、支柱プレート50を加えた4箇所で支えることができるために、各発電積層体40、60の両端部にかかる力はQ/4で済む。したがって、本実施形態の燃料電池スタック100によれば、衝撃に対する発電積層体の積層方向端部でのせん断応力を半減することができるという効果を奏する。なお、このせん断応力を半減できる効果は、本実施形態では、ケース200における、発電積層体の積層方向に対して垂直な面である前側面部210と後ろ側面部220とを除く4面、すなわち、上面部230、下面部240、右側面部、および左側面部の内の一または複数によって受ける衝撃に対して有効である。
図6は、本発明の第2実施形態としての燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。第1実施形態における燃料電池スタック100は、発電積層体の積層方向の中央に1本の支柱プレート50を設けた構成であったが、これに替えて、この第2実施形態の燃料電池システムの備える燃料電池スタック700は、3本の支柱プレート750、752、754を設けた構成とした。各支柱プレート750、752、754の配設位置は、エンドプレート10とエンドプレート90の間に配置される発電積層体を積層方向に4等分する3つの位置である。
・変形例1:
前記各実施形態では、支柱プレート50においてケース200の上面部230と下面部240に当接する上側面部50cと下側面部50dに、酸化剤ガス供給配管360と酸化剤ガス排出配管370を接続し、支柱プレート50の左側面部50eと右側面部に冷却媒体供給配管420と冷却媒体排出配管440を接続する構成としたが、これに換えて、支柱プレート50の上側面部50cと下側面部50dに冷却媒体供給配管420と冷却媒体排出配管440を接続し、支柱プレート50の左側面部50eと右側面部に酸化剤ガス供給配管360と酸化剤ガス排出配管370を接続する構成としてもよい。さらに、これらの接続位置は、これらの位置に限る必要はなく、支柱プレートに酸化剤ガスおよび冷却媒体を送ることができれば、いずれの位置とすることもできる。
前記第2実施形態では、中央の支柱プレート752は内部に通路を備えない平板としたが、これに換えて、中央の支柱プレートも第1実施形態の支柱プレート50と同様に、ケース200の上面部230と下面部240を内側から支える機能と、酸化剤ガスと冷却媒体の各内部通路を分岐する機能とを有する構成としてもよい。また、支柱プレートの数も、第1実施形態における1つ、第2実施形態における3つに限る必要はなく、その他の数とすることもできる。
前記各実施形態では、支柱プレート50は、ケース200の上面部230、下面部240、右側面部、および左側面部に当接する構成としたが、これに換えて、ケース200の上面部230と下面部240だけに当接する構成としてもよいし、ケース200の右側面部と左側面部だけに当接する構成としてもよい。
前記各実施形態および各変形例では、燃料電池に固体高分子型燃料電池を用いたが、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物形燃料電池等、種々の燃料電池に本発明を適用してもよい。
10…エンドプレート
20…絶縁板
30…集電板
40…発電積層体
50…支柱プレート
50a…前側面部
50b…後側面部
50c…上側面部
50d…下側面部
50e…左側面部
51…酸化剤ガス流入口
52…酸化剤ガス流出口
53…連通路
54…連通路
55…冷却媒体流入口
60…発電積層体
70…集電板
80…絶縁板
90…エンドプレート
100…燃料電池スタック
110〜160…孔部
200…ケース
210…前側面部
220…後側面部
230…上面部
240…下面部
300…流体供給排出系
310…気液分離器
320…ポンプ
330…燃料ガス供給配管
340…燃料ガス排出配管
350…エアーコンプレッサ
360…酸化剤ガス供給配管
370…酸化剤ガス排出配管
380…調圧弁
410…ウォーターポンプ
420…冷却媒体供給配管
430…ラジエータ
440…冷却媒体排出配管
510…酸化剤ガス供給マニホールド
520…酸化剤ガス排出マニホールド
530…燃料ガス供給マニホールド
540…燃料ガス排出マニホールド
550…冷却媒体供給マニホールド
560…冷却媒体排出マニホールド
700…燃料電池スタック
750…支柱プレート
752…支柱プレート
754…支柱プレート
810…酸化剤ガス供給配管
820…酸化剤ガス排出配管
830…冷却媒体供給配管
840…冷却媒体排出配管
M…構造体
CL…単セル
Claims (4)
- 燃料電池スタックであって、
燃料電池を構成する単セルを複数積層した発電積層体と、
前記各単セルを前記発電積層体の積層方向に貫通して延び、各単セルに燃料ガスを供給するための燃料ガスマニホールドと、
前記各単セルを前記積層方向に貫通して延び、各単セルに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガスマニホールドと、
前記各単セルを前記積層方向に貫通して延び、各単セルに冷却媒体を供給するための冷却媒体マニホールドと、
前記発電積層体の積層方向の内側の予め定められた位置に介装され、当該燃料電池スタックを収納するケースを内側から支える支柱プレートと、
前記燃料ガスマニホールドの一方端に接続され、燃料ガスを前記燃料ガスマニホールドに送る燃料ガス供給通路と、
酸化剤ガスを前記支柱プレートに送る酸化剤ガス供給通路と、
冷却媒体を前記支柱プレートに送る冷却媒体供給通路と、
を備え、
前記支柱プレートは、
前記燃料ガスマニホールドをひと筋に連通させるための燃料ガス内部通路と、
前記酸化剤ガス供給通路によって送られてきた酸化剤ガスを、前記酸化剤ガスマニホールドの中途から前記積層方向の一方側および他方側に向かって分配する酸化剤ガス内部通路と、
前記冷却媒体供給通路によって送られてきた冷却媒体を、前記酸化剤ガスマニホールドの中途から前記積層方向の一方側および他方側に向かって分配する冷却媒体内部通路と
を備える燃料電池スタック。 - 前記支柱プレートが設けられる前記予め定められた位置は、前記発電積層体の積層方向の中央である、請求項1に記載の燃料電池スタック。
- 請求項1または請求項2に記載の燃料電池スタックであって、
前記支柱プレートは、平板形状であり、
前記支柱プレートの側面に、前記酸化剤ガス供給通路を接続するための酸化剤ガス流入口と、前記冷却媒体供給通路を接続するための冷却媒体流入口とが設けられた、燃料電池スタック。 - 燃料電池スタックであって、
燃料電池を構成する単セルを複数積層した発電積層体と、
前記各単セルを前記発電積層体の積層方向に貫通して延び、各単セルに燃料ガスを供給するための燃料ガスマニホールドと、
前記各単セルを前記積層方向に貫通して延び、各単セルに酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガスマニホールドと、
前記各単セルを前記積層方向に貫通して延び、各単セルに冷却媒体を供給するための冷却媒体マニホールドと、
前記発電積層体の積層方向の内側の予め定められた位置に介装され、当該燃料電池スタックを収納するケースを内側から支える支柱プレートと、
を備え、
前記酸化剤ガスおよび冷却媒体は、前記支柱プレートを介して前記積層方向に分流され、
前記燃料ガスは、前記発電積層体の端部からひと筋に供給される構成である、燃料電池スタック。
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