JP2014182922A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】マニホールド内に水滴が流入する恐れがある場合に、マニホールドのガス流路入口部において、水滴の入口部への直接到達を抑制し、ガス流路の水滴による閉塞を抑制することで、電気出力安定性を向上できる燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【解決手段】固体高分子電解質膜とガス拡散電極を含む電解質膜−電極接合体と、ガス拡散電極にガスを供給するガス流路溝を備えたセパレータと、を含む燃料電池スタックにおいて、ガス流路にガスを供給するマニホールドと、マニホールドにガスを供給するための筒状のガス供給口を備えるガス供給部材と、を備え、ガス供給部材のガス供給口が、ガス流路の入口の鉛直上方に設けられ、セパレータの厚み方向から見て、ガス供給口とガス流路の入口との間に配置され、ガス供給口からマニホールド側に延びるように設けられた、板状の遮蔽部材と、を備える、燃料電池スタック。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池スタックに関するものである。

高分子電解質型燃料電池（以下、ＰＥＦＣという）は、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：電解質膜−電極接合体）を有し、ＭＥＡの両側主面それぞれを、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸化剤ガスとに曝露して、燃料ガスと酸化剤ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱とを発生させる装置である。

ＭＥＡに燃料ガスおよび酸化剤ガスを供給するため、ＭＥＡは、ガス流路溝が形成されたセパレータと当接している。

また、ガス流路溝の上流側の一端は、各セルへ供給するガス量の等配性を確保するため、マニホールドと接続されており、このマニホールドに、燃料電池スタックのガス導入口からガス導入部材のガス導入部を介してガスが供給される。

ところで、ＰＥＦＣ停止時において、燃料電池システムが冷却されることから、燃料電池システム内の燃料電池スタックに接続されたガス供給配管内には、残留した加湿ガスが結露することによる水滴が生じることになる。

ＰＥＦＣ再運転時において、停止時にガス供給配管内で発生した結露水は、水滴の状態でガス供給側マニホールドへ流入することになり、安定した出力を得るためには、これら水滴がマニホールドと接続されたガス流路の入口へ直接到達するのを回避する必要がある。

すなわち、ガス供給側マニホールド内のガス流路の入口に水滴が直接達した場合、ガス流路の入口を水滴が閉塞することにつながり、ガスの流れを阻害し、ＭＥＡにガスが供給されないことになる。その結果、フラッディング現象を起こし、電気出力が不安定化する等、燃料電池スタックの性能を低下させることが知られている。

そこで、従来は、マニホールド内に流入した水滴を、マニホールド内に設けた水分貯水部へ誘導し、ガス流路に流れ込まないようにする方法が開示されている。（例えば、特許文献１参照）

特許第４９８９０８９号公報

しかしながら、特許文献１の構成において、マニホールドへガスを供給するガス導入部材のガス導入部が、マニホールドと接続されたガス流路の入口の近傍に配設されている場合、水滴が水分貯水部に到達する前に、ガス流路の入口に直接到達し、ガス流路を閉塞する可能性があった。そのため、ＰＥＦＣ起動時において、安定した電気出力を得ることは困難であった。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、マニホールド内のガス流路の入口部において、水滴の直接到達を抑制し、ガス流路の水滴による閉塞を抑制することで、電気出力の安定性を向上できる燃料電池スタックの提供を目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池スタックは、セパレータの厚み方向から見て、ガス供給口とガス流路の入口との間に板状の遮蔽部材を、ガス導入部からマニホールド側に延びるように設けるものである。

これにより、マニホールド内のガス流路の入口部において、水滴の直接到達を抑制し、ガス流路の水滴による閉塞を抑制することで、電気出力の安定性を向上できる。

本発明の燃料電池スタックによれば、マニホールド内に水滴が流入する状態においても、ガス供給部材のガス供給口と、ガス流路の入口との間に設けられた、板状の遮蔽部材により、ガス流路の入口部において、水滴の直接到達を抑制し、ガス流路が水滴により閉塞されることを抑制するので、燃料電池の性能を安定的に確保することができる。

本発明の実施の形態１に係る燃料電池用スタックの概略構成を示す模式図および斜視図 本発明の実施の形態１に係る電池モジュールの概略構成を示す断面図 本発明の実施の形態１に係るセパレータのガス流路パターンを示す平面図 本発明の実施例１に係る燃料電池用スタックの燃料ガス供給側マニホールドの断面図 本発明の実施例２に係る燃料電池用スタックの燃料ガス供給側マニホールドの断面図 本発明の比較例１に係る燃料電池用スタックの燃料ガス供給側マニホールドの断面図 本発明の比較例２に係る燃料電池用スタックの燃料ガス供給側マニホールドの断面図 本発明の比較例３に係る燃料電池用スタックの燃料ガス供給側マニホールドの断面図

第１の発明は、固体高分子電解質膜を一対のガス拡散電極で挟んでなる電解質膜−電極接合体と、前記ガス拡散電極と当接することでガス流路を形成するガス流路溝を備えたセパレータと、をそれぞれ複数積層することで形成される燃料電池スタックにおいて、
前記ガス流路にガスを供給するための筒状のマニホールドと、
前記マニホールドにガスを供給するための筒状のガス供給口を備えるガス供給部材と、を備え、前記ガス供給部材の前記ガス供給口が、前記ガス流路の入口の鉛直上方に設けられ、前記セパレータの厚み方向から見て、前記ガス供給口と前記ガス流路の入口との間に配置され、前記ガス供給口から前記マニホールド側に延びるように設けられた、板状の遮蔽部材と、を備えることを特徴とする。

この構成により、マニホールドを電解質膜−電極接合体の鉛直上方に配置することで、マニホールドを配置する外周部分のデットスペースを無くし、コンパクトに設計した燃料電池スタックにおいても、遮蔽部材により、ガス供給口からの水滴が、ガス流路の入口部への直接到達するのを抑制することができ、よって、マニホールドと接続されたガス流路の入口部が、水滴により閉塞されるのを抑制することができるので、燃料電池の性能を安
定的に確保することができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記セパレータの厚み方向から見て、前記ガス流路の入口の全てのガス流路溝の幅と、前記ガス流路溝に挟まれた全ての隔壁部の幅と、を合わせた長さを入口幅とし、前記遮蔽部材は、前記セパレータの厚み方向から見て、前記入口幅より前記遮蔽部材の幅の方が大きいことを特徴とする。

この構成により、遮蔽部材の幅がガス流路の入口幅より小さい場合と比較し、ガス供給口から遮蔽部材へ到達した水滴を、確実にガス流路の入口部近傍から遠ざけることができ、ガス流路の入口部が、水滴により閉塞されるのを抑制することができるので、燃料電池の性能を安定的に確保することができる。

第３の発明は、第１乃至２いずれかの発明において、前記遮蔽部材は、前記セパレータの厚み方向から見て、水平方向に対して傾斜するように設けられていることを特徴とする。

この構成により、遮蔽部材が傾斜していない場合と比較し、ガス供給口から遮蔽部材へ到達した水滴を、より容易にガス流路の入口部近傍から遠ざけることができ、ガス流路の入口部が、水滴により閉塞されるのを抑制することができるので、燃料電池の性能を安定的に確保することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、先に説明した実施の形態と同一構成については同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
［燃料電池の構成］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池スタック１０１の構成について、図１を参照しながら説明する。

ここで、一般的な構成として、内部マニホールド型スタックを例に説明するが、内部マニホールド型スタックに限定されるものではなく、外部マニホールド型スタックでも同様の効果がある。

図１（ａ）は、燃料電池スタック１０１の概略構成を示す模式図、図１（ｂ）は斜視図、である。

図１（ａ）に示すように、燃料電池スタック１０１は、複数のセル１０がその厚み方向に積層されたセル積層体８０と、このセル積層体８０の両端に配置された端板８１、８２と、セル積層体８０と端板８１、８２をセル１０の積層方向において締結する締結具（図示せず）と、を有する。また、端板８１とセル積層体８０の間には、絶縁板８３及び集電板８５が配置されていて、端板８２とセル積層体８０との間には、絶縁板８４及び集電板８６が配置されている。

図１（ｂ）に示すように、セル積層体８０には、セル１０の積層方向に延びるように、燃料ガス供給側マニホールド３１、酸化剤ガス供給側マニホールド３３、熱媒体供給側マニホールド（図示せず）、が構成されており、それぞれ、燃料ガス供給配管４１、酸化剤ガス供給配管５１、熱媒体供給配管（図示せず）と接続されている。更に、燃料ガス排出側マニホールド３２、酸化剤ガス排出側マニホールド３４、熱媒体排出側マニホールド（図示せず）、が構成されており、それぞれ、燃料ガス排出口、酸化剤ガス排出口、熱媒体
排出口（いずれも図示せず）と接続されている。

ここで、燃料電池スタックを出来るだけコンパクトに設計するためには、マニホールドを配置する外周部分のデットスペースをなくすことが望ましい。このため、燃料ガス供給側マニホールド、酸化剤ガス供給側マニホールド、熱媒体供給側マニホールドと、燃料ガス排出側マニホールド、酸化剤ガス排出側マニホールド、熱媒体排出側マニホールドと、を対向する２面に集中させ、スペースの有効利用を図ることが一般的である。

また、燃料電池スタックを燃料電池システムへ組み込む際の組立性、及び、燃料電池スタックのメンテナンス性の観点から、燃料ガス供給口、酸化剤ガス供給口、熱媒体供給口のそれぞれの間隔は、できるだけ大きい方が良く、よって、燃料ガス供給口、及び、酸化剤ガス供給口は、両端に配設される方が好ましい。
［セルの構成］
次に、本実施の形態１に係る燃料電池スタック１０１のセル１０について、図２、および、図３を参照しながら説明する。

図２は、図１に示す燃料電池スタック１０１におけるセル１０の概略構成を模式的に示す断面図である。なお、図２においては、一部を省略している。

図２に示すように、セル１０は、電解質膜−電極接合体１８（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ：以降、ＭＥＡと記載）と、ガスケット１９と、アノードセパレータ１６と、カソードセパレータ１７と、を備えている。

ＭＥＡ１８は、水素イオンを選択的に輸送する電解質層（高分子電解質膜）１１と、アノード１２と、カソード１３と、を有している。電解質層１１は、略４角形の形状を有しており、電解質層１１の両面には、その周縁部より内方に位置するようにアノード１２とカソード１３がそれぞれ設けられている。なお、電解質層１１の周縁部には、燃料ガス供給側マニホールド孔、酸化剤ガス供給側マニホールド孔、熱媒体供給側マニホールド孔、および、燃料ガス排出側マニホールド孔、酸化剤ガス排出側マニホールド孔、熱媒体排出側マニホールド孔、（いずれも図示せず）が厚み方向に貫通するように設けられている。

アノード１２は、電解質層１１の一方の主面上に設けられ、白金系金属触媒（電極触媒）を担持したカーボン粉末（導電性炭素粒子）からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含むアノード触媒層と、ガス通気性と導電性を兼ね備えたアノードガス拡散層（いずれも図示せず）と、を有している。アノード触媒層は、一方の主面が電解質層１１と接触するように配置されていて、アノード触媒層の他方の主面には、アノードガス拡散層が配置されている。同様に、カソード１３は、電解質層１１の他方の主面上に設けられ、白金系金属触媒（電極触媒）を担持したカーボン粉末（導電性炭素粒子）からなる触媒担持カーボンと触媒担持カーボンに付着した高分子電解質を含むカソード触媒層と、カソード触媒層の上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたカソードガス拡散層（いずれも図示せず）と、を有している。

また、ＭＥＡ１８のアノード１２、および、カソード１３の周囲には、電解質層１１を挟んで一対のフッ素ゴム製でドーナツ状のガスケット１９が配設されている。これにより、燃料ガス、酸化剤ガス、熱媒体が電池外にリークされることが防止され、また、セル１０内でこれらが互いに混合されることが防止される。なお、ガスケット１９の周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる燃料ガス供給側マニホールド孔、酸化剤ガス供給側マニホールド孔、熱媒体供給側マニホールド孔、および、燃料ガス排出側マニホールド孔、酸化剤ガス排出側マニホールド孔、熱媒体排出側マニホールド孔（いずれも図示せず）が設けられている。

また、ＭＥＡ１８とガスケット１９を挟むように、導電性のアノードセパレータ１６とカソードセパレータ１７が配設されている。これにより、ＭＥＡ１８が機械的に固定され、複数のセル１０をその厚み方向に積層したときには、ＭＥＡ１８が電気的に接続される。なお、アノードセパレータ１６及びカソードセパレータ１７は、熱伝導性及び導電性に優れた金属、黒鉛、又は、黒鉛と樹脂を混合したものを使用することができ、例えば、カーボン粉末とバインダー（溶剤）との混合物を射出成形により作製したものやチタンやステンレス鋼製の板の表面に金メッキを施したものを使用することができる。

アノードセパレータ１６のアノード１２と接触する一方の主面（以下、内面という）には、燃料ガスが通流するための溝状の燃料ガス流路溝１４が設けられており、他方の面には、熱媒体が通流するための溝状の熱媒体流路溝２２が設けられている。同様に、カソードセパレータ１７のカソード１３と接触する一方の主面（以下、内面という）には、酸化剤ガスが通流するための溝状の酸化剤ガス流路溝１５が設けられており、他方の面には、熱媒体が通流するための溝状の熱媒体流路溝２３が設けられている。

図３（ａ）は、図１に示す燃料電池スタック１０１におけるアノードセパレータ１６、図３（ｂ）は、カソードセパレータ１７、それぞれのガス流路側の平面図である。

アノードセパレータ１６、および、カソードセパレータ１７のそれぞれの周縁部には、燃料ガス供給側マニホールド１１１、酸化剤ガス供給側マニホールド１１３、熱媒体供給側マニホールド１１２、および、燃料ガス排出側マニホールド１１４、酸化剤ガス排出側マニホールド１１６、熱媒体排出側マニホールド１１５、が厚み方向に貫通するように設けられている。また、燃料ガス流路溝１４、および、酸化剤ガス流路溝１５、の形状は任意であり、例えば、セル１０の厚み方向から見て、サーペンタイン状に形成されていても良く、ストレート形状に形成されていても良い。

これにより、アノード１２、および、カソード１３には、それぞれ、燃料ガス、および、酸化剤ガスが供給され、これらのガスが反応して電気と熱が発生する。

そして、このように形成されたセル１０が、その厚み方向に積層されることにより、セル積層体８０が形成される。

（実施例１）
実施例１にて行なった、燃料電池スタックの燃料ガス供給側マニホールド３１のセパレータ厚み方向の断面図を図４（ａ）、鉛直方向の断面図を図４（ｂ）、（ｃ）に示す。

実施の形態１にて作製した燃料電池スタック１０１の、燃料ガス供給側マニホールド３１において、燃料ガス供給口３６とガス流路入口部２４との間に、ガス流路入口部全体の幅より大きい幅を有する、遮蔽部材３５を水平方向に配設し、燃料電池スタックを作製した。

遮蔽部材は、燃料ガス供給口３６と一体樹脂成型にて作製した。なお、遮蔽部材のみを作製しマニホールド内に組み込む方法など、ガス供給口とガス流路入口部との間に配設されるいずれの手段でも用いることが可能である。また、遮蔽部材は、酸化剤ガス供給口側に適用してもよい。

（実施例２）
実施例２にて行なった、燃料電池スタックの燃料ガス供給側マニホールド３１の鉛直方向の断面図を図５に示す。

実施の形態１にて作製した燃料電池スタック１０１の、燃料ガス供給側マニホールド３１において、燃料ガス供給口３６とガス流路入口部２４との間に、ガス流路入口部全体の幅より大きい幅を有する遮蔽部材３５を水平方向に対して傾斜するように配設し、燃料電池スタックを作製した。

（比較例１）
比較例１にて行なった、燃料電池スタックの燃料ガス供給側マニホールド３１のセパレータ厚み方向の断面図を図６（ａ）、鉛直方向の断面図を図６（ｂ）に示す。

実施の形態１にて作製した燃料電池スタック１０１の、燃料ガス供給配管４１において、ガス流路入口部２４の鉛直方向上側に燃料ガス供給口３６が配設されないようにし、且つ、遮蔽部材を配設せずに、燃料電池スタックを作製した。

（比較例２）
比較例２にて行なった、燃料電池スタックの燃料ガス供給側マニホールド３１のセパレータ厚み方向の断面図を図７（ａ）、鉛直方向の断面図を図７（ｂ）に示す。

実施の形態１にて作製した燃料電池スタック１０１の燃料ガス供給側マニホールド３１において、燃料ガス供給口３６とガス流路入口部２４との間には、遮蔽部材を配設せずに、燃料電池スタックを作製した。

（比較例３）
比較例３にて行なった、燃料電池スタックの燃料ガス供給側マニホールド３１のセパレータ厚み方向の断面図を図８（ａ）、鉛直方向の断面図を図８（ｂ）に示す。

実施の形態１にて作製した燃料電池スタック１０１の、燃料ガス供給側マニホールド３１において、燃料ガス供給口３６とガス流路入口部２４との間に、ガス流路入口部全体の幅より小さい幅を有する遮蔽部材３５を水平方向に配設し、燃料電池スタックを作製した。

なお、実施例１〜２、及び、比較例１〜３にて作製した燃料電池スタックを燃料電池システムに組み込み、このときの作業時間にてシステム組込み性の評価とした。

また、２４ｈ発電後、２４ｈ停止し、その後、再起動した時のフラッディングの有無にて電気出力安定性の評価とした。

以上により、燃料電池スタックのシステム組込み性、および、電気出力安定性を評価した結果を表１に示す。

実施例１の燃料電池スタックは、表１より、ガス流路入口部２４の鉛直方向上側に燃料ガス供給口３６が配設されてなく、且つ、遮蔽部材が配設されていない、比較例１と比較すると、共にフラッディングが無く電気出力安定性は良好であるが、システム組込み性に違いがあり、実施例１の方が良好である。また、ガス流路入口部２４の鉛直方向上側に燃料ガス供給口３６が配設されているが、遮蔽部材が配設されていない比較例２と比較すると、共にシステム組立性は良好であるが、遮蔽部材が無い比較例２の燃料電池スタックは、フラッディングが発生し電気出力が不安定である。

このことから、燃料ガス供給口、酸化剤ガス供給口、熱媒体供給口のそれぞれの間隔を、できるだけ大きくするため、燃料ガス供給口、及び、酸化剤ガス供給口は、ガス流路入口の鉛直上方に配設する必要があり、これらを実現するためには、ガス供給口からの水滴が、ガス流路入口へ直接到達するのを抑制する遮蔽部材が必要であり、遮蔽部材は、ガス流路が水滴により閉塞されるのを抑制する効果があると考えられる。

実施例２の燃料電池スタックは、表１より、遮蔽部材３５が水平方向で傾きがある場合においても、ガス供給口からの水滴が、ガス流路入口へ直接到達するのを抑制し、ガス流路が水滴により閉塞されるのを抑制する効果があると考えられる。

遮蔽部材上のガス供給口からの水滴を効率良く除去するためには、遮蔽部材を水平方向で傾きがある様に配設する方が好ましい。

実施例１の燃料電池スタックは、表１より、遮蔽部材３５の幅が、ガス流路入口幅より小さい、比較例３と比較し、フラッディングが無いことから、ガス供給口からの水滴が、ガス流路入口へ直接到達するのを抑制し、ガス流路が水滴により閉塞されるのを抑制する効果があると考えられる。

このことは、遮蔽部材の幅が、ガス流路入口幅より小さい場合、ガス供給口からの水滴が、遮蔽部材で覆われていないガス流路入口に直接到達し、ガス流路が水滴により閉塞され、フラッディングにつながったものと考えられる。

このように構成された本実施の形態１に係る燃料電池スタックは、マニホールド内に水滴が流入する状態においても、ガス供給部材のガス供給口と、ガス流路の入口との間に設けられた、板状の遮蔽部材により、ガス流路の入口部において、水滴の直接到達を抑制し、ガス流路が水滴により閉塞されることを抑制するので、燃料電池の性能を安定的に確保することができる。

なお、遮蔽部材の必要長さは、供給ガス量などの運転条件により、水滴の飛散状態を考慮し、適宜決定することができる。

以上のように、本発明に係る燃料電池スタックは、供給側マニホールド内に水滴が流入する状態においても、ガス流路が水滴により閉塞することの抑制に有効であり、供給側マニホールドのガス流路入口部において水滴が滞留することによる、フラッディングなどの影響を受け難く、電気出力安定性が要望される、高分子型固体電解質を用いた燃料電池、燃料電池デバイス、定置用燃料電池コジェネレーションシステム等の用途に適用できる。

１０ セル
１１ 電解質層
１２ アノード
１３ カソード
１４ 燃料ガス流路溝
１５ 酸化剤ガス流路溝
１６ アノードセパレータ
１７ カソードセパレータ
１８ 膜−電極接合体
１９ ガスケット
２２、２３ 熱媒体流路溝
２４ ガス流路入口部
３１ 燃料ガス供給側マニホールド
３２ 燃料ガス排出側マニホールド
３３ 酸化剤ガス供給側マニホールド
３４ 酸化剤ガス排出側マニホールド
３５ 遮蔽部材
３６ 燃料ガス供給口
４０ ガス流路溝
４１ 燃料ガス供給配管
５１ 酸化剤ガス供給配管
８０ セル積層体
８１、８２ 端板
８３、８４ 絶縁板
８５、８６ 集電板
１０１ 燃料電池スタック
１１１ 燃料ガス供給側マニホールド
１１２ 熱媒体供給側マニホールド
１１３ 酸化剤ガス供給側マニホールド
１１４ 燃料ガス排出側マニホールド
１１５ 熱媒体排出側マニホールド
１１６ 酸化剤ガス排出側マニホールド

Claims (3)

1. 固体高分子電解質膜を一対のガス拡散電極で挟んでなる電解質膜−電極接合体と、前記ガス拡散電極と当接することでガス流路を形成するガス流路溝を備えたセパレータと、をそれぞれ複数積層することで形成される燃料電池スタックにおいて、
   前記ガス流路にガスを供給するための筒状のマニホールドと、
   前記マニホールドにガスを供給するための筒状のガス供給口を備えるガス供給部材と、を備え、
   前記ガス供給部材の前記ガス供給口が、前記ガス流路の入口の鉛直上方に設けられ、
   前記セパレータの厚み方向から見て、前記ガス供給口と前記ガス流路の入口との間に配置され、前記ガス供給口から前記マニホールド側に延びるように設けられた、板状の遮蔽部材と、
   を備える、燃料電池スタック。
2. 前記セパレータの厚み方向から見て、前記ガス流路の入口の全てのガス流路溝の幅と、前記ガス流路溝に挟まれた全ての隔壁部の幅と、を合わせた長さを入口幅とし、
   前記遮蔽部材は、前記セパレータの厚み方向から見て、前記入口幅より前記遮蔽部材の幅の方が大きい、請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記遮蔽部材は、前記セパレータの厚み方向から見て、水平方向に対して傾斜するように設けられている、請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。