JP2019061772A - 燃料電池スタック - Google Patents
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Abstract
【課題】小型化、軽量化及びスペースの有効化を図ることができる燃料電池スタックを提供する。【解決手段】燃料電池スタック10では、積層体14の発電セル12を構成する第2金属セパレータ36に設けられたセル電圧端子104が導線110を介して電圧検出装置109に接続されている。四角形状の発電セル12の所定の角部に最も近い燃料ガス出口連通孔42bには、所定の角部を指向した傾斜面47が設けられる。積層体14には、各発電セル12の所定の角部を切り欠いて形成されるとともに積層方向に沿って延在した導線収納部112が設けられる。導線110は、積層方向に沿って導線収納部112に収納されている。【選択図】図5
Description
本発明は、複数の発電セルが互いに積層されて構成された積層体を備えた燃料電池スタックに関する。
例えば、燃料電池スタックを構成する各発電セルは、電解質膜の両側にアノード電極及びカソード電極を配設した電解質膜・電極構造体を金属セパレータで挟持することにより構成されている。
この種の燃料電池スタックでは、各発電セルが所望の発電性能を有しているか否か検出する必要がある。このため、一般的に、金属セパレータに設けられたセル電圧端子を電圧検出装置に接続して、発電時の各発電セル又は所定数の発電セルのセル電圧を検出する作業が行われている。
例えば、特許文献1には、各セル電圧端子に接続されたコネクタから延びるハーネスが連結ハーネスを介して電圧検出装置に接続された構成が開示されている。この連結ハーネスは、燃料電池スタックのケーシングの外表面に設けられるとともに発電セルの積層方向に延在している。
本発明は、この種の技術に関連してなされたものであり、小型化、軽量化及びスペースの有効化を図ることができる燃料電池スタックを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池スタックは、電解質膜の両側に電極が配設されてなる電解質膜・電極構造体と前記電解質膜・電極構造体の両側に配設された金属セパレータとを有する複数の四角形状の発電セルが互いに積層されて構成された積層体を備え、前記積層体には、前記発電セルの積層方向に流体を流通させるための複数の連通孔が形成され、前記金属セパレータに設けられたセル電圧端子が導線を介して電圧検出装置に接続された燃料電池スタックであって、前記複数の連通孔のうち四角形状の前記発電セルの所定の角部に最も近い連通孔には、前記所定の角部を指向した傾斜部が設けられ、前記積層体には、各前記発電セルの前記所定の角部を切り欠いて形成されるとともに前記積層方向に沿って延在した導線収納部が設けられ、前記導線は、前記積層方向に沿って前記導線収納部に収納されていることを特徴とする。
上記の燃料電池スタックにおいて、前記積層体は、複数の前記発電セルが水平方向に積層されて構成され、前記導線収納部は、各前記発電セルのうち下方に位置する一方の角部を切り欠いて形成されていてもよい。
上記の燃料電池スタックにおいて、前記セル電圧端子は、前記金属セパレータのうち前記導線収納部に隣接する辺に設けられていてもよい。
上記の燃料電池スタックにおいて、各前記セル電圧端子には、前記導線が延出したコネクタが接続され、各前記コネクタは、複数の前記発電セルに跨るように配置され、前記積層方向に互いに隣接する前記発電セルの前記セル電圧端子に接続された前記コネクタは、前記辺の延在方向にオフセットしていてもよい。
上記の燃料電池スタックにおいて、前記積層体には、各前記金属セパレータの前記辺に形成された凹部が前記積層方向に互いに連通することによって形成されて前記コネクタが配置されたコネクタ配置溝が前記辺の延在方向に複数設けられていてもよい。
上記の燃料電池スタックにおいて、前記積層体を収納するケーシングを備え、前記導線収納部は、前記ケーシングの内面に対向していてもよい。
上記の燃料電池スタックにおいて、各前記発電セルは、前記導線収納部を形成する傾斜縁部を有し、前記傾斜縁部は、前記傾斜部と平行であってもよい。
上記の燃料電池スタックにおいて、前記積層体には、冷却媒体が流通可能な冷却媒体流路が形成され、前記発電セルのうち下方に位置する他方の角部には、前記積層方向に延在して前記燃料電池スタックの前記冷却媒体流路から冷却媒体を排出させるための冷却媒体排出孔が形成されていてもよい。
本発明によれば、各発電セルの所定の角部を切り欠いて形成された導線収納部に導線を収納しているため、燃料電池スタックの小型化、軽量化及びスペースの有効化を図ることができる。
以下、本発明に係る燃料電池スタックについて好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら説明する。
図1及び図2に示すように、燃料電池スタック10は、ケーシング26内に収容されて単位燃料電池を構成する発電セル12が水平方向(矢印A方向)に複数積層された積層体14を備える。燃料電池スタック10は、例えば、図示しない燃料電池電気自動車等の燃料電池車両に搭載される。
積層体14の積層方向一端(矢印A1方向)には、ターミナルプレート16a、インシュレータ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。なお、ターミナルプレート16aは、インシュレータ18aに形成された図示しない凹部内に設けられている。積層体14の積層方向他端には、ターミナルプレート16b、インシュレータ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。なお、ターミナルプレート16bは、インシュレータ18bに形成された図示しない凹部内に設けられている。
エンドプレート20a、20bは、横長(縦長でもよい)の長方形状を有するとともに、各辺間には、連結バー22が配置される。各連結バー22は、両端をエンドプレート20a、20bの内面にボルト23を介して固定され、複数の積層された発電セル12に積層方向(矢印A方向)の締め付け荷重を付与する。
エンドプレート20aの中央部には、ターミナルプレート16aに接続された出力端子24aが延在している。エンドプレート20bの中央部には、ターミナルプレート16bに接続された出力端子24bが延在している(図1参照)。
図1、図4及び図5において、燃料電池スタック10は、エンドプレート20a、20bを端板とするケーシング26を備える。ケーシング26は、2枚のエンドプレート20a、20bと、積層体14を積層方向と直交する方向から覆う4枚のサイドパネル28a〜28dとを有する。サイドパネル28a〜28dは、ボルト30によりエンドプレート20a、20bの側面に固定されている。
図3に示すように、発電セル12は、長方形状(四角形状)に形成されている。発電セル12は、外周に樹脂フィルム付きMEA32と、樹脂フィルム付きMEA32の一方面側(矢印A1方向)に配置された第1金属セパレータ34と、樹脂フィルム付きMEA32の他方面側(矢印A2方向)に配置された第2金属セパレータ36とを備える。
発電セル12の長辺方向である水平方向の一端側(矢印B1方向の一端側)には、積層方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔38a、冷却媒体入口連通孔40a及び燃料ガス出口連通孔42bが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔38a、冷却媒体入口連通孔40a及び燃料ガス出口連通孔42bは、鉛直方向(矢印C方向)に配列して設けられる。酸化剤ガス入口連通孔38aは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。冷却媒体入口連通孔40aは、冷却媒体、例えば、水を供給する。燃料ガス出口連通孔42bは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。
発電セル12の長辺方向の他端側(矢印B2方向の他端側)には、積層方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔42a、冷却媒体出口連通孔40b及び酸化剤ガス出口連通孔38bが設けられる。燃料ガス入口連通孔42a、冷却媒体出口連通孔40b及び酸化剤ガス出口連通孔38bは、鉛直方向に配列して設けられる。燃料ガス入口連通孔42aは、燃料ガスを供給する。冷却媒体出口連通孔40bは、冷却媒体を排出する。酸化剤ガス出口連通孔38bは、酸化剤ガスを排出する。
すなわち、酸化剤ガス入口連通孔38a、酸化剤ガス出口連通孔38b、冷却媒体入口連通孔40a、冷却媒体出口連通孔40b、燃料ガス入口連通孔42a、燃料ガス出口連通孔42bは、各発電セル12(樹脂フィルム52、第1金属セパレータ34及び第2金属セパレータ36)に形成されるとともに、矢印A1方向のインシュレータ18aとエンドプレート20aにも形成されている(図1及び図2参照)。
酸化剤ガス入口連通孔38a、酸化剤ガス出口連通孔38b、冷却媒体入口連通孔40a、冷却媒体出口連通孔40b、燃料ガス入口連通孔42a、燃料ガス出口連通孔42bの配置は、本実施形態に限定されるものではなく、要求される仕様に応じて、適宜設定すればよい。
図6に示すように、燃料ガス出口連通孔42bは、積層方向(矢印A方向)から視て五角形状に形成されている。具体的には、燃料ガス出口連通孔42bは、上面44と2つの側面45、46と2つ傾斜面47、48とによって形成されている。上面44は、水平方向(矢印B方向)に沿って延在している。2つの側面45、46は、上面44のうち水平方向の両端から鉛直下向に延在している。
傾斜面47(傾斜部)は、側面45の下端から下方に向かって矢印B2方向に傾斜している。傾斜面47は、四角形状の発電セル12のうち下方に位置する一方(矢印B1方向)の角部(所定の角部)を指向している。傾斜面48は、側面46の下端から下方に向かって矢印B1方向に傾斜している。傾斜面47と傾斜面48とは、下端で互いに連結している。
図3〜図5において、酸化剤ガス入口連通孔38a、酸化剤ガス出口連通孔38b、冷却媒体入口連通孔40a、冷却媒体出口連通孔40b、燃料ガス入口連通孔42aのそれぞれの形状は、燃料ガス出口連通孔42bと同様に形成されている。ただし、酸化剤ガス入口連通孔38a、酸化剤ガス出口連通孔38b、冷却媒体入口連通孔40a、冷却媒体出口連通孔40b、燃料ガス入口連通孔42aのそれぞれの形状は、任意に変更可能であり、積層方向から視て四角形状に形成されていてもよい。
図3に示すように、樹脂フィルム付きMEA32は、電解質膜・電極構造体50と、電解質膜・電極構造体50の外周部に設けられた枠形状の樹脂フィルム52とを備える。電解質膜・電極構造体50は、電解質膜54と、電解質膜54を挟持するカソード電極56及びアノード電極58とを有する。
電解質膜54は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の固体高分子電解質膜(陽イオン交換膜)である。電解質膜54は、フッ素系電解質の他、HC(炭化水素)系電解質を使用することができる。
カソード電極56は、電解質膜54の矢印A1方向の面に接合されている。アノード電極58は、電解質膜54の矢印A2方向の面に接合されている。カソード電極56及びアノード電極58のそれぞれは、電極触媒層とガス拡散層とを含む。電極触媒層は、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される。ガス拡散層は、カーボンペーパ、カーボンクロス等からなる。
樹脂フィルム52の内周端面は、電解質膜54の外周端面に近接、重なる又は当接する。樹脂フィルム52は、例えば、PPS(ポリフェニレンサルファイド)、PPA(ポリフタルアミド)、PEN(ポリエチレンナフタレート)、PES(ポリエーテルサルフォン)、LCP(リキッドクリスタルポリマー)、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、シリコーン樹脂、フッ素樹脂、又はm−PPE(変性ポリフェニレンエーテル樹脂)、PET(ポリエチレンテレフタレート)、PBT(ポリブチレンテレフタレート)又は変性ポリオレフィンで構成される。なお、樹脂フィルム52を用いることなく、電解質膜54を外方に突出させてもよい。また、外方に突出した電解質膜54の両側に枠形状のフィルムを設けてもよい。
第1金属セパレータ34及び第2金属セパレータ36のそれぞれは、四角形状(長方形状)に形成されている。第1金属セパレータ34及び第2金属セパレータ36のそれぞれは、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の断面を波形にプレス成形して構成される。互いに隣接する発電セル12における一方の発電セル12の第1金属セパレータ34と、他方の発電セル12の第2金属セパレータ36とは、外周を溶接、ろう付け、かしめ等により一体に接合されている。
図3及び図4に示すように、第1金属セパレータ34の樹脂フィルム付きMEA32に向かう面34aには、例えば、矢印B方向に延在する酸化剤ガス流路60が設けられる。酸化剤ガス流路60は、酸化剤ガス入口連通孔38a及び酸化剤ガス出口連通孔38bに流体的に連通する。酸化剤ガス流路60は、矢印B方向に延在する直線状流路溝60aを有する。複数の直線状流路溝60aに代えて、複数の波状流路溝が設けられてもよい。
図4において、酸化剤ガス入口連通孔38aと酸化剤ガス流路60との間には、第1金属セパレータ34の面34aに設けられた矢印C方向に並ぶ複数個のエンボス部62aからなるエンボス列を複数有する入口バッファ部64aが設けられる。酸化剤ガス出口連通孔38bと酸化剤ガス流路60との間には、第1金属セパレータ34の面34aに設けられた矢印C方向に並ぶ複数個のエンボス部62bからなるエンボス列を複数有する出口バッファ部64bが設けられる。
なお、第1金属セパレータ34の、酸化剤ガス流路60とは反対側の面34bには、入口バッファ部64aの上記エンボス列間に、矢印C方向に並ぶ複数個のエンボス部66aからなるエンボス列が設けられるとともに、出口バッファ部64bの上記エンボス列間に、矢印C方向に並ぶ複数個のエンボス部66bからなるエンボス列が設けられる。エンボス部66a、66bは、冷媒面側のバッファ部を構成する。
第1金属セパレータ34の面34aには、プレス成形により第1シールライン67が樹脂フィルム付きMEA32(図3参照)に向かって一体で凸形状に膨出成形される。第1シールライン67は、複数の連通孔ビード部68、内側ビード部70、外側ビード部72を有する。第1シールライン67は、ビードシールでなくてもよく、弾性を有するゴムシールを一体又は別体で設けてもよい。
連通孔ビード部68は、酸化剤ガス入口連通孔38a、酸化剤ガス出口連通孔38b、冷却媒体入口連通孔40a、冷却媒体出口連通孔40b、燃料ガス入口連通孔42a及び燃料ガス出口連通孔42bの周囲をそれぞれ個別に周回する。各連通孔ビード部68は、連通孔(酸化剤ガス入口連通孔38a等)の形状に対応した形状(本実施形態では、五角形状)に形成されている。
内側ビード部70は、酸化剤ガス流路60、入口バッファ部64a、出口バッファ部64b、酸化剤ガス入口連通孔38aを囲む連通孔ビード部68、酸化剤ガス出口連通孔38bを囲む連結孔ビード部68を囲むように設けられる。
外側ビード部72は、内側ビード部70よりも外側に設けられるとともに第1金属セパレータ34の外周に沿って延在するように設けられる。外側ビード部72のうち燃料ガス出口連通孔42bを構成する傾斜面47に対向する部位は、傾斜面47に対して略平行に延在している。
図3及び図5に示すように、第2金属セパレータ36の樹脂フィルム付きMEA32に向かう面36aには、例えば、矢印B方向に延在する燃料ガス流路74が形成される。燃料ガス流路74は、燃料ガス入口連通孔42a及び燃料ガス出口連通孔42bに流体的に連通する。燃料ガス流路74は、矢印B方向に延在する直線状流路溝74aを有する。複数の直線状流路溝74aに代えて、複数の波状流路溝が設けられてもよい。
図5において、燃料ガス入口連通孔42aと燃料ガス流路74との間には、第2金属セパレータ36の面36aに設けられた矢印C方向に並ぶ複数個のエンボス部76aからなるエンボス列を複数有する入口バッファ部78aが設けられる。燃料ガス出口連通孔42bと燃料ガス流路74との間には、第2金属セパレータ36の面36aに設けられた矢印C方向に並ぶ複数個のエンボス部76bからなるエンボス列を複数有する出口バッファ部78bが設けられる。
なお、第2金属セパレータ36の、燃料ガス流路74とは反対側の面36bには、入口バッファ部78aの上記エンボス列間に、矢印C方向に並ぶ複数個のエンボス部80aからなるエンボス列が設けられるとともに、出口バッファ部78bの上記エンボス列間に、矢印C方向に並ぶ複数個のエンボス部80bからなるエンボス列が設けられる。エンボス部80a、80bは、冷媒面側のバッファ部を構成する。
第2金属セパレータ36の面36aには、プレス成形により第2シールライン82が樹脂フィルム付きMEA32(図3参照)に向かって一体で凸形状に膨出成形される。第2シールライン82は、複数の連通孔ビード部84、内側ビード部86、外側ビード部88を有する。第2シールライン82は、ビードシールでなくてもよく、弾性を有するゴムシールを一体又は別体で設けてもよい。
連通孔ビード部84は、酸化剤ガス入口連通孔38a、酸化剤ガス出口連通孔38b、冷却媒体入口連通孔40a、冷却媒体出口連通孔40b、燃料ガス入口連通孔42a及び燃料ガス出口連通孔42bの周囲をそれぞれ個別に周回する。各連通孔ビード部84は、連通孔(酸化剤ガス入口連通孔38a等)の形状に対応した形状(本実施形態では、五角形状)に形成されている。
内側ビード部86は、燃料ガス流路74、入口バッファ部78a、出口バッファ部78b、燃料ガス入口連通孔42aを囲む連通孔ビード部84、燃料ガス出口連通孔42bを囲む連通孔ビード部84を囲むように設けられる。内側ビード部86のうち燃料ガス出口連通孔42bを構成する傾斜面47に対向する部位は、傾斜面47に対して略平行に延在している。
外側ビード部88は、内側ビード部86よりも外側に設けられるとともに第2金属セパレータ36の外周に沿って延在するように設けられる。外側ビード部88のうち燃料ガス出口連通孔42bを構成する傾斜面47に対向する部位は、傾斜面47に対して略平行に延在している。
図3に示すように、互いに接合される第1金属セパレータ34の面34bと第2金属セパレータ36の面36bとの間には、冷却媒体入口連通孔40aと冷却媒体出口連通孔40bとに流体的に連通する冷却媒体流路90が形成される。冷却媒体流路90は、酸化剤ガス流路60が形成された第1金属セパレータ34の裏面形状と、燃料ガス流路74が形成された第2金属セパレータ36の裏面形状とが重なり合って形成される。
図3及び図4において、発電セル12において、第1金属セパレータ34の外周縁部には、第1荷重受け部92a及び第2荷重受け部92bが設けられている。第1荷重受け部92aは、第1金属セパレータ34の上方の長辺における矢印B方向の中央よりも矢印B2方向にずれた位置に接合されている。第2荷重受け部92bは、第1金属セパレータ34の下方の長辺における矢印B方向の略中央に接合されている。
また、図3及び図5において、第2金属セパレータ36の外周縁部には、第1荷重受け部94a及び第2荷重受け部94bが設けられている。第1荷重受け部94aは、第2金属セパレータ36の上方の長辺における矢印B方向の中央よりも矢印B2方向にずれた位置に接合されている。第2荷重受け部94bは、第2金属セパレータ36の下方の長辺における矢印B方向の略中央に接合されている。
図4及び図5に示すように、サイドパネル28dの内面には、第1荷重受け部92a、94aを矢印B方向から挟むように下方に突出した一組の第1突出部96aが設けられている。サイドパネル28cの内面には、第2荷重受け部92b、94bを矢印B方向から挟むように上方に突出した一組の第2突出部96bが設けられている。
燃料電池スタック10に矢印B方向に沿った外部荷重(衝撃荷重)が作用すると、第1荷重受け部92a、94aが第1突出部96aに接触するとともに第2荷重受け部92b、94bが第2突出部96bに接触する。そのため、外部荷重により発電セル12が矢印B方向に位置ずれすることを抑制することができる。第1荷重受け部92a、94a、第2荷重受け部92b、94b、第1突出部96a及び第2突出部96bを設ける位置は、任意に変更可能である。
図3〜図5に示すように、発電セル12のうち下方に位置する矢印B2方向の角部には、積層方向に互いに連通する冷却媒体排出孔98が形成されている。冷却媒体排出孔98は、燃料電池スタック10のメンテナンス時に冷却媒体流路90から燃料電池スタック10の外部に冷媒を排出するための孔である。冷却媒体排出孔98は、図示しない流路を介して冷却媒体流路90に連通している。
発電セル12のうち冷却媒体排出孔98の上方に位置する角部には、積層方向に互いに連通する空気排出孔100が形成されている。空気排出孔100は、冷却媒体入口連通孔40aから冷却媒体を供給する際に、冷却媒体流路90内の空気を排出するための孔である。空気排出孔100は、図示しない流路を介して冷却媒体流路90に連通している。
発電セル12の長辺方向の一端(矢印B1方向の端)には、積層方向(矢印A方向)に互いに連通する6つの凹部102a〜102fが形成されている。凹部102a、凹部102b、凹部102c、凹部102d、凹部102e、凹部102fは、上方から下方に向かってこの順番で並列している。上方に位置する3つの凹部102a〜102cは矢印C方向に等間隔に設けられ、下方に位置する3つの凹部102d〜102fは矢印C方向に等間隔に設けられている。凹部102cと凹部102dとの間隔は、3つの凹部102a〜102cの間隔と3つの凹部102d〜102fの間隔よりも広い。
凹部102a〜102fは、第1金属セパレータ34の長辺方向の一端(第1金属セパレータ34の矢印B1方向の短辺)と第2金属セパレータ36の長辺方向の一端(第2金属セパレータ36の矢印B1方向の短辺)とに形成されている。樹脂フィルム52の長辺方向の一端は、第1金属セパレータ34の長辺方向の一端及び第2金属セパレータ36の長辺方向の一端よりも他端側(矢印B2方向)に位置している。
具体的には、樹脂フィルム52の長辺方向の一端は、第1金属セパレータ34の外側ビード部72(第2金属セパレータ36の外側ビード部88)に位置している。そのため、樹脂フィルム52には、凹部102a〜102fが形成されていない(図3参照)。これにより、樹脂フィルム52に凹部102a〜102fを形成する場合と比較して、樹脂フィルム52の材料コスト及び加工コストを低減することができる。
図3〜図7に示すように、各発電セル12の第2金属セパレータ36には、電解質膜・電極構造体50で発生する電圧を検出するためのセル電圧端子104が1つずつ設けられている。なお、セル電圧端子104は、第1金属セパレータ34に設けられていてもよいし、第1金属セパレータ34及び第2金属セパレータ36の両方に設けられていてもよい。セル電圧端子104は、第2金属セパレータ36に一体的に設けられるとともに金属表面が外部に露呈している。セル電圧端子104は、第2金属セパレータ36の複数の凹部102a〜102fのいずれか1つの底辺から矢印B1方向に突出している。
図7において、本実施形態では、積層方向に連続して配置された6つの発電セル12のセル電圧端子104は、互いに異なる高さにある凹部102a〜102f内に位置している。すなわち、積層方向に互いに隣り合うセル電圧端子104の間には、5つの発電セル12が位置している。具体的には、複数のセル電圧端子104は、矢印A2方向に向かって、凹部102a、凹部102b、凹部102c、凹部102d、凹部102e、凹部102fの順番で位置するように並んでいる。ただし、複数のセル電圧端子104の配置は、互いに隣接する発電セル12のセル電圧端子104が互いに異なる高さにある凹部102a〜102f内に位置していればよく、図7の例に限定されない。
図2、図4〜図7に示すように、各セル電圧端子104には、コネクタ106が接続されている。各コネクタ106は、積層体14に形成された6つのコネクタ配置溝108a〜108fのいずれかに配置されている。コネクタ配置溝108a〜108fは、各凹部102a〜102fが積層方向に互いに連通することによって形成されている。すなわち、コネクタ配置溝108a、コネクタ配置溝108b、コネクタ配置溝108c、コネクタ配置溝108d、コネクタ配置溝108e、コネクタ配置溝108fは、上方から下方に向かってこの順番で位置している。
図2及び図7において、積層方向に連続して配置された6つの発電セル12のセル電圧端子104に接続されたコネクタ106は、互いに異なるコネクタ配置溝108a〜108f内に位置している。具体的には、複数のコネクタ106は、矢印A2方向に向かってコネクタ配置溝108a、コネクタ配置溝108b、コネクタ配置溝108c、コネクタ配置溝108d、コネクタ配置溝108e、コネクタ配置溝108fの順番で位置するように並んでいる。すなわち、積層方向に互いに隣接する発電セル12のセル電圧端子104に接続されたコネクタ106は、第2金属セパレータ36の一方の短辺の延在方向(矢印C方向)にオフセットしている。
コネクタ106の矢印A方向の寸法は、発電セル12の厚さ寸法(矢印A方向に沿った寸法)よりも大きい。つまり、コネクタ106は、複数の発電セル12に跨った状態でコネクタ配置溝108a〜108fに配置されている。同一のコネクタ配置溝108a〜108fに配置された隣り合うコネクタ106の間には、所定の隙間が形成されている。また、コネクタ106は、コネクタ配置溝108a〜108fから矢印B1方向に突出している。
図1〜図7において、各コネクタ106には、ケーシング26の外側(サイドパネル28aの外面)に設けられた電圧検出装置109(図1参照)と各セル電圧端子104とを電気的に接続するための導線110が設けられている。導線110は、各コネクタ106から下方に延出した第1導線部110aと、これら第1導線部110aが束ねられた第2導線部110bとを有する。なお、図2及び図7では、第1導線部110aの図示を省略している。
第2導線部110bは、ケーシング26内で積層方向(矢印A方向)に延在し、サイドパネル28aに形成された開口部111を介してケーシング26の外部に導出されて電圧検出装置109に接続されている。
図2〜図6に示すように、第2導線部110bは、積層方向に延在した状態で積層体14に形成された導線収納部112に収納されている。導線収納部112は、各発電セル12のうち下方に位置する矢印B1方向の角部が切り欠かれることにより形成されている。
すなわち、発電セル12には、四角形状の発電セル12の下方の矢印B1方向の角部(所定の角部)を斜めに直線状に切り欠くことにより形成された傾斜縁部114が形成されている。図3において、傾斜縁部114は、樹脂フィルム52、第1金属セパレータ34及び第2金属セパレータ36のそれぞれに形成されている。図6に示すように、傾斜縁部114は、燃料ガス出口連通孔42bの傾斜面47に対して平行に延在している。換言すれば、燃料ガス出口連通孔42bの傾斜面47は、傾斜縁部114を指向している。
傾斜縁部114は、第2金属セパレータ36のうち矢印B1方向の短辺(セル電圧端子104が設けられた短辺)に連なっている。第2金属セパレータ36の長辺に平行な線分Lと傾斜縁部114とのなす角度(切欠き角度θ)は、例えば、30°に設定されている。この場合、導線収納部112を適度な大きさにすることができる。ただし、切欠き角度θは、任意に設定可能である。
次に、このように構成される燃料電池スタック10の動作について説明する。
まず、図1及び図2に示すように、酸素含有ガス等の酸化剤ガス、例えば、空気は、エンドプレート20aの酸化剤ガス入口連通孔38a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の燃料ガス入口連通孔42a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の冷却媒体入口連通孔40aに供給される。
酸化剤ガスは、図3及び図4に示すように、酸化剤ガス入口連通孔38aから第1金属セパレータ34の酸化剤ガス流路60に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路60に沿って矢印B方向に移動し、電解質膜・電極構造体50のカソード電極56に供給される。
一方、図3及び図5に示すように、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔42aから第2金属セパレータ36の燃料ガス流路74に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路74に沿って矢印B方向に移動し、電解質膜・電極構造体50のアノード電極58に供給される。
従って、各電解質膜・電極構造体50では、カソード電極56に供給される酸化剤ガスと、アノード電極58に供給される燃料ガスとが、電気化学反応により消費されて、発電が行われる。
次いで、図3において、カソード電極56に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔38bに沿って矢印A方向に排出される。同様に、アノード電極58に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔42bに沿って矢印A方向に排出される。
また、冷却媒体入口連通孔40aに供給された冷却媒体は、第1金属セパレータ34と第2金属セパレータ36との間に形成された冷却媒体流路90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50を冷却した後、冷却媒体出口連通孔40bから排出される。
本実施形態は、以下の効果を奏する。
燃料電池スタック10では、各発電セル12の第2金属セパレータ36に設けられたセル電圧端子104が導線110を介して電圧検出装置109に接続されている。そして、四角形状の発電セル12の所定の角部(下方に位置する一方の角部)に最も近い燃料ガス出口連通孔42bには、所定の角部を指向した傾斜面47が設けられている。積層体14には、各発電セル12(樹脂フィルム52、第1金属セパレータ34及び第2金属セパレータ36)の所定の角部を切り欠いて形成されるとともに積層方向に沿って延在した導線収納部112が設けられている。導線110を構成する第2導線部110bは、積層方向に沿って導線収納部112に収納されている。
この場合、各発電セル12の所定の角部を切り欠いて形成された導線収納部112に第2導線部110bを収納しているため、燃料電池スタック10の小型化、軽量化及びスペースの有効化を図ることができる。
積層体14は、複数の発電セル12が水平方向に積層されて構成されている。そして、導線収納部112は、各発電セル12のうち下方に位置する一方(矢印B1方向)の角部を切り欠いて形成されている。そのため、第2導線部110bが重力の作用によって下方に撓んだ場合であっても、第2導線部110bが発電セル12に接触することを抑えることができる。
セル電圧端子104は、第2金属セパレータ36のうち導線収納部112に隣接する短辺(矢印B1方向に位置する短辺)に設けられている。これにより、セル電圧端子104の近くに導線収納部112を配置することができるため、導線110の全長を比較的短くすることができる。
セル電圧端子104には、導線110が延出したコネクタ106が接続され、各コネクタ106は、複数の発電セル12に跨るように配置されている。そして、積層方向に互いに隣接する発電セル12のセル電圧端子104に接続されたコネクタ106は、第2金属セパレータ36の矢印B1方向に位置する短辺の延在方向(矢印C方向)にオフセットしている。これにより、コネクタ106が比較的大きい場合であっても複数のコネクタ106が互いに干渉することを抑えることができる。
積層体14には、第1金属セパレータ34及び第2金属セパレータ36に形成された凹部102a〜102fが積層方向に互いに連通することによって形成されてコネクタ106が配置されたコネクタ配置溝108a〜108fが第2金属セパレータ36の短辺の延在方向(矢印C方向)に沿って複数設けられている。この場合、コネクタ配置溝108a〜108f内にコネクタ106を配置するため、燃料電池スタック10の一層の小型化及び軽量化を図ることができる。
燃料電池スタック10は、積層体14を収納するケーシング26を備える。導線収納部112は、ケーシング26の内面に対向している。これにより、第2導線部110bをケーシング26により保護することができる。
各発電セル12は、導線収納部112を形成する傾斜縁部114を有し、傾斜縁部114は、傾斜面47と平行である。そのため、導線収納部112を効率的に広くすることができる。
積層体14には、冷媒が流通可能な冷却媒体流路90が形成されている。発電セル12(樹脂フィルム52、第1金属セパレータ34及び第2金属セパレータ36)のうち下方に位置する他方(矢印B2方向)の角部には、積層方向に延在して燃料電池スタック10のメンテナンス時に冷却媒体流路90から冷却媒体を排出させるための冷却媒体排出孔98が形成されている。この場合、燃料電池スタック10のメンテナンス時に冷却媒体を冷却媒体排出孔98から排出させることができる。
本発明は、上述した構成に限定されない。導線収納部112は、発電セル12の下方の一方の角部を円弧状に切り欠くことにより形成してもよい。また、導線収納部112は、発電セル12の上方の一方の角部を切り欠くことにより形成してもよい。
凹部102a〜102f及びコネクタ配置溝108a〜108fの数は、2以上であることが好ましいが、任意に設定可能である。燃料電池スタック10では、凹部102a〜102f及びコネクタ配置溝108a〜108fを省略してもよい。また、燃料電池スタック10では、ケーシング26を構成するサイドパネル28a〜28dを省略してもよい。
傾斜縁部114は、導線収納部112に最も近い連通孔を構成する壁面の傾斜面47(傾斜部)に対して平行に延在していなくてもよい。また、上記の実施形態では、導線収納部112に最も近い連通孔が燃料ガス出口連通孔42bである例を示したが、導線収納部112に最も近い連通孔は、燃料ガス入口連通孔42a、酸化剤ガス入口連通孔38a又は酸化剤ガス出口連通孔38b等であっても構わない。
本発明に係る燃料電池スタックは、上述の実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
10…燃料電池スタック 12…発電セル
14…積層体 34…第1金属セパレータ
36…第2金属セパレータ 42b…燃料ガス出口連通孔
47、48…傾斜面 50…電解質膜・電極構造体
54…電解質膜 56…カソード電極
58…アノード電極 98…冷却媒体排出孔
102a〜102f…凹部 104…セル電圧端子
106…コネクタ 108a〜108f…コネクタ配置溝
109…電圧検出装置 110…導線
112…導線収納部 114…傾斜縁部
14…積層体 34…第1金属セパレータ
36…第2金属セパレータ 42b…燃料ガス出口連通孔
47、48…傾斜面 50…電解質膜・電極構造体
54…電解質膜 56…カソード電極
58…アノード電極 98…冷却媒体排出孔
102a〜102f…凹部 104…セル電圧端子
106…コネクタ 108a〜108f…コネクタ配置溝
109…電圧検出装置 110…導線
112…導線収納部 114…傾斜縁部
Claims (8)
- 電解質膜の両側に電極が配設されてなる電解質膜・電極構造体と前記電解質膜・電極構造体の両側に配設された金属セパレータとを有する複数の四角形状の発電セルが互いに積層されて構成された積層体を備え、
前記積層体には、前記発電セルの積層方向に流体を流通させるための複数の連通孔が形成され、
前記金属セパレータに設けられたセル電圧端子が導線を介して電圧検出装置に接続された燃料電池スタックであって、
前記複数の連通孔のうち四角形状の前記発電セルの所定の角部に最も近い連通孔には、前記所定の角部を指向した傾斜部が設けられ、
前記積層体には、各前記発電セルの前記所定の角部を切り欠いて形成されるとともに前記積層方向に沿って延在した導線収納部が設けられ、
前記導線は、前記積層方向に沿って前記導線収納部に収納されている、
ことを特徴とする燃料電池スタック。 - 請求項1記載の燃料電池スタックにおいて、
前記積層体は、複数の前記発電セルが水平方向に積層されて構成され、
前記導線収納部は、各前記発電セルのうち下方に位置する一方の角部を切り欠いて形成されている、
ことを特徴とする燃料電池スタック。 - 請求項1又は2に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記セル電圧端子は、前記金属セパレータのうち前記導線収納部に隣接する辺に設けられている、
ことを特徴とする燃料電池スタック。 - 請求項3記載の燃料電池スタックにおいて、
各前記セル電圧端子には、前記導線が延出したコネクタが接続され、
各前記コネクタは、複数の前記発電セルに跨るように配置され、
前記積層方向に互いに隣接する前記発電セルの前記セル電圧端子に接続された前記コネクタは、前記辺の延在方向にオフセットしている、
ことを特徴とする燃料電池スタック。 - 請求項4記載の燃料電池スタックにおいて、
前記積層体には、各前記金属セパレータの前記辺に形成された凹部が前記積層方向に互いに連通することによって形成されて前記コネクタが配置されたコネクタ配置溝が前記辺の延在方向に複数設けられている、
ことを特徴とする燃料電池スタック。 - 請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記積層体を収納するケーシングを備え、
前記導線収納部は、前記ケーシングの内面に対向している、
ことを特徴とする燃料電池スタック。 - 請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池スタックにおいて、
各前記発電セルは、前記導線収納部を形成する傾斜縁部を有し、
前記傾斜縁部は、前記傾斜部と平行である、
ことを特徴とする燃料電池スタック。 - 請求項1〜7のいずれか1項に記載の燃料電池スタックにおいて、
前記積層体には、冷却媒体が流通可能な冷却媒体流路が形成され、
前記発電セルのうち下方に位置する他方の角部には、前記積層方向に延在して前記燃料電池スタックの前記冷却媒体流路から冷却媒体を排出させるための冷却媒体排出孔が形成されている、
ことを特徴とする燃料電池スタック。
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