JP2019153548A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】重力方向上部の放熱性の低下を抑制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１Ｂは、発電部２Ａと該発電部２Ａを挟持する一対のセパレータ２３，２３とを有する燃料電池セル２が複数積層されたものである。燃料電池スタック１Ｂは、発電部２Ａの両側に配置される冷媒入口マニホールド２７ｅ及び冷媒出口マニホールド２７ｂと、隣接する燃料電池セル２同士の間に挟持されるとともに、冷媒入口マニホールド２７ｅ、冷媒出口マニホールド２７ｂ及び発電部２Ａを取り囲むように配置されるガスケット２８とを備える。ガスケット２８は、冷媒出口マニホールド２７ｂよりも重力方向Ｚ上方に配置されて冷媒に混入された気泡の発電部２Ａへの逆流を抑制する凸部２８１を有する。【選択図】図８

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。

従来、このような分野の技術として、例えば下記特許文献１に記載されるものがある。この特許文献１に記載の燃料電池スタックでは、膜電極接合体からなる発電部と該発電部を挟持する一対のセパレータとを有する燃料電池セルが複数積層されており、セパレータの一方の面に反応ガスを流通させる反応ガス流路、セパレータの他方の面に発電部を冷却するための冷媒流路がそれぞれ複数形成されている。

特開２００９−１６０７０号公報

しかし、上述の燃料電池スタックでは、冷媒に気泡が混入された場合に、気泡が冷媒流路を流れ込み、燃料電池セルにおける重力方向上部に溜まる傾向がある。また、燃料電池スタックの運転停止時に、冷媒によって冷媒出口マニホールドまで運ばれた気泡が発電部に逆流し、燃料電池セルにおける重力方向上部に溜まってしまう。このように気泡が燃料電池セルの重力方向上部に溜まることで、燃料電池スタックにおける重力方向上部の放熱性の低下を招く問題があった。

本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、重力方向上部の放熱性の低下を抑制できる燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池スタックは、発電部と該発電部を挟持する一対のセパレータとを有する燃料電池セルが複数積層される燃料電池スタックであって、重力方向に直交する方向において、前記発電部の両側に配置される冷媒入口マニホールド及び冷媒出口マニホールドと、隣接する前記燃料電池セル同士の間に挟持されるとともに、前記冷媒入口マニホールド、前記冷媒出口マニホールド及び前記発電部を取り囲むように配置されるガスケットまたはシール接合部と、を備え、前記ガスケットまたは前記シール接合部と前記セパレータとからなる形状は、前記冷媒出口マニホールドよりも重力方向上方に配置されて冷媒に混入された気泡の前記発電部への逆流を抑制する堰き止め部又は凸部を有することを特徴としている。

本発明に係る燃料電池スタックでは、ガスケットまたはシール接合部とセパレータとからなる形状は、冷媒出口マニホールドよりも重力方向上方に配置されて冷媒に混入された気泡の発電部への逆流を抑制する凸部又は堰き止め部を有する。このため、冷媒に混入された気泡は、冷媒出口マニホールドよりも重力方向上方に配置される凸部又は堰き止め部に集まり、そこに溜まることになる。そして、燃料電池スタックの運転停止時に、溜まった気泡が発電部に逆流しようとすると、凸部又は堰き止め部によって阻止されるので、その逆流は抑制される。その結果、気泡が燃料電池セルの重力方向上部に溜まることを防止でき、燃料電池スタックにおける重力方向上部の放熱性の低下を抑制することができる。

本発明によれば、燃料電池スタックにおける重力方向上部の放熱性の低下を抑制することができる。

第１実施形態に係る燃料電池スタックを示す側面図である。 第１実施形態に係る燃料電池スタックを示す正面図である。 図２のＡ−Ａ線に沿う部分断面図である。 ガスケットの凸部を示す拡大図である。 ガスケットの凸部の変形例を示す拡大図である。 第２実施形態のガスケットの堰き止め部を示す拡大図である。 燃料電池スタックの傾斜状態を示す側面図である。 第３実施形態に係る燃料電池スタックを示す正面図である。 （ａ）は図２のＢ−Ｂ線に沿う部分断面図であり、（ｂ）はシール接合される場合の凸部を示す模式断面図である。

以下、図面を参照して本発明に係る燃料電池スタックの実施形態について説明する。各図において、燃料電池セルの積層方向を積層方向Ｘ、重力方向を重力方向Ｚ、積層方向Ｘ及び重力方向Ｚに直交する水平方向を水平方向Ｙとする。

＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態に係る燃料電池スタックを示す側面図であり、図２は第１実施形態に係る燃料電池スタックを示す正面図であり、図３は図２のＡ−Ａ線に沿う部分断面図である。なお、図２において、燃料電池セルの内部構造をより分かり易くするために、エンドプレート、絶縁板及び集電板を省略したものを示す。

本実施形態の燃料電池スタック１は、車両、船舶、航空機及び電車等の駆動源、又は建物の発電設備として用いられる。図１に示すように、燃料電池スタック１は、エンドプレート３Ａと、絶縁板４Ａと、集電板５Ａと、複数の燃料電池セル２と、集電板５Ｂと、絶縁板４Ｂと、エンドプレート３Ｂとが、この順に積層されたスタック構造を有している。複数の燃料電池セル２は、積層方向Ｘの両側にあるエンドプレート３Ａ，３Ｂによって所定の圧縮荷重で締結固定されている。

燃料電池セル２は、固体高分子電解質型燃料電池を構成する単セルであり、薄板状に形成されている。この燃料電池セル２は、中央位置に配置されたＭＥＧＡ（膜電極ガス拡散層接合体 Membrane Electrode & Gas Diffusion Layer Assembly）２１と、ＭＥＧＡ２１を取り囲むように該ＭＥＧＡ２１の外周に配置された枠状のシール部２２と、ＭＥＧＡ２１及びシール部２２とを挟持する一対のセパレータ（すなわち、アノードセパレータ及びカソードセパレータ）２３，２３とを備えている。固体高分子電解質型燃料電池は、このような構造を有する燃料電池セル２を重力方向Ｚに立てた状態で積層方向Ｘに沿って複数積層することにより形成されている。

ＭＥＧＡ２１は、積層方向Ｘから見たときに略矩形状を呈しており、ＭＥＡ（膜電極接合体 Membrane Electrode Assembly）２１１と、積層方向Ｘに沿ってＭＥＡ２１１の両側に配置されたガス拡散層２１２，２１２とが一体化されたものである。ＭＥＡ２１１は、電解質膜２１１ａと、電解質膜２１１ａを挟むように接合された一対の電極２１１ｂ，２１１ｂとからなる。電解質膜２１１ａは、固体高分子材料で形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜からなる。電極２１１ｂは、例えば、白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材により形成されている。電解質膜２１１ａの一方側に配置された電極２１１ｂがアノード電極となり、他方側の電極２１１ｂがカソード電極となる。ガス拡散層２１２は、例えばカーボンペーパ若しくはカーボンクロス等のカーボン多孔質体、または、金属メッシュ若しくは発泡金属等の金属多孔質体などのガス透過性を有する導電性部材によって形成されている。

本実施形態において、ＭＥＧＡ２１は燃料電池セル２の発電部２Ａを構成しており、セパレータ２３はＭＥＧＡ２１のガス拡散層２１２に接するように配置されている。一方、ガス拡散層２１２が省略されるＭＥＡ２１１を備えた燃料電池セルの場合には、ＭＥＡ２１１が燃料電池セル２の発電部２Ａを構成する。この場合、セパレータ２３は、ＭＥＡ２１１の電極２１１ｂに接するように配置される。セパレータ２３は、例えば、カーボン粒子を圧縮してガス不透過とした緻密質カーボン等のカーボン製部材や、プレス成形したステンレス鋼やチタン鋼などの金属部材によって形成されている。

また、本実施形態の燃料電池スタック１は、燃料電池セル２に燃料ガスを供給する燃料ガス流路２４と、燃料電池セル２に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス流路２５と、燃料電池セル２に冷媒を供給する冷媒流路２６とをそれぞれ複数備えている。

具体的には、図３に示すように、セパレータ２３の発電部２Ａに対応する部分は、凹部２３ａと凸部２３ｂとを交互に繰り返すことにより波形に形成されている。凹部２３ａの底部は平面状を呈しており、ＭＥＧＡ２１のガス拡散層２１２と面接触している。一方、凸部２３ｂの頂部も平面状を呈しており、隣接するセパレータ２３における凸部２３ｂの頂部と面接触している。

一対のガス拡散層２１２，２１２のうち一方のガス拡散層２１２は、それに隣接するセパレータ２３の凸部２３ｂとともに、燃料ガスが流通する燃料ガス流路２４を構成している。他方のガス拡散層２１２は、それに隣接するセパレータ２３の凸部２３ｂとともに、酸化剤ガスが流通する酸化剤ガス流路２５を構成している。

また、隣接する燃料電池セル２同士は、一方の燃料電池セル２の電極（例えばアノード電極）２１１ｂと、それに隣接する他方の燃料電池セル２の電極（例えばカソード電極）２１１ｂとを向き合わせた状態で積層されている。これによって、隣接するセパレータ２３の凹部２３ａ同士の間には空間が形成され、この空間は冷媒が流通する冷媒流路２６になる。冷媒流路２６は、水平方向Ｙに沿って延びており、後述する冷媒入口マニホールド２７ｅと冷媒出口マニホールド２７ｂとを連通する。なお、冷媒としては、例えば、水、エチレングリコール等の不凍水等が用いられる。

図２に示すように、燃料電池セル２において、発電部２Ａを挟んで一方側（図２では、水平方向Ｙの右側）には、燃料ガス入口マニホールド２７ａと、冷媒出口マニホールド２７ｂと、酸化剤ガス出口マニホールド２７ｃとが重力方向Ｚに沿って上から順に配置されている。一方、発電部２Ａを挟んで他方側（図２では、水平方向Ｙの左側）には、酸化剤ガス入口マニホールド２７ｄと、冷媒入口マニホールド２７ｅと、燃料ガス出口マニホールド２７ｆとが重力方向Ｚに沿って上から順に配置されている。そして、冷媒入口マニホールド２７ｅと冷媒出口マニホールド２７ｂとは、重力方向Ｚにおいて略同じ高さに配置されている。

一方、シール部２２は、中間位置に配置されたコア層２２１と、該コア層２２１を挟む一対のセパレータ２３，２３とを有する（図３参照）。コア層２２１は、例えば熱可塑性樹脂によって形成されており、図示しない樹脂接着層によってセパレータ２３と固定されている。コア層２２１の下端部分は、接着剤層２２２を介してＭＥＡ２１１の上端部分に固定されている。シール部２２を挟持するセパレータ２３，２３は、ＭＥＧＡ２１を挟むセパレータ２３，２３におけるシール部２２まで延設された上端部分である。

また、燃料電池スタック１は、隣接する燃料電池セル２同士の間に配置されたセル間シール部材としてのガスケット２８を更に備えている。ガスケット２８は、ゴムや熱可塑性エラストマー等によって形成されており、隣接する２つの燃料電池セル２のセパレータ２３，２３間に挟持され、隣接するセパレータ２３，２３同士の間の空間を封止する。図２に示すように、このガスケット２８は、冷媒の外部への漏れを防止するために、冷媒入口マニホールド２７ｅ、発電部２Ａ及び冷媒出口マニホールド２７ｂを取り囲むように環状に形成されている。

また、反応ガスの漏れを防止するために、燃料ガス入口マニホールド２７ａ、燃料ガス出口マニホールド２７ｆ、酸化剤ガス入口マニホールド２７ｄ、酸化剤ガス出口マニホールド２７ｃは、ガスケット２８とは異なるガスケット２９によってそれぞれ取り囲まれている（図２参照）。ガスケット２９は、上述したガスケット２８と同様に、ゴムや熱可塑性エラストマー等によって形成されている。

本実施形態において、ガスケット２８は、冷媒出口マニホールド２７ｂよりも重力方向Ｚ上方に配置されて、冷媒に混入された気泡の発電部２Ａへの逆流を抑制するための凸部２８１を有する。図４及び図９（ａ）に示すように、凸部２８１は、燃料ガス入口マニホールド２７ａと冷媒出口マニホールド２７ｂとの間の領域に配置されており、重力方向Ｚ上方に突出する略三角形状に形成されている。凸部２８１における発電部２Ａ側の稜線部２８１ａは、発電部２Ａ側から外側（すなわち、水平方向Ｙの左側から右側）に向けて重力方向Ｚ上方に傾斜するようになっている。そして、水平方向Ｙに対する稜線部２８１ａの傾斜角度αは１８°である。また、図９（ｂ）に示すように、セパレータ２３，２３間は、ガスケットの代わりに溶接や接着剤によりシール接合される場合もある。この場合、凸部２８１はセパレータ２３とシール接合部２８５とにより形成される空間である。シール接合部２８５は、隣接するセパレータ２３，２３の凸部同士をレーザ溶接又は接着剤で接合することによって形成される。

このように構成された燃料電池スタック１では、ガスケット２８は、冷媒出口マニホールド２７ｂよりも重力方向Ｚ上方に配置されて冷媒に混入された気泡の発電部２Ａへの逆流を抑制する凸部２８１を有する。このため、冷媒に混入された気泡は、冷媒出口マニホールド２７ｂよりも重力方向Ｚ上方に配置される凸部２８１に集まり、そこに溜まることになる。そして、燃料電池スタック１の運転停止時に、溜まった気泡が発電部２Ａに逆流しようとすると、凸部２８１によって阻止されるので、その逆流は抑制される。その結果、気泡が燃料電池セル２の重力方向上部に溜まることを防止でき、燃料電池スタック１における重力方向Ｚ上部の放熱性の低下を抑制することができる。

また、燃料電池セル２の発電時に生成された水を効率良く外部に排出するために、燃料電池スタック１を水平方向Ｙに対して所定の角度θで傾斜した状態で車両に搭載する場合がある。本発明は、このような燃料電池スタック１を傾斜した状態で搭載した場合に特に好適である。

具体的には、例えば図７に示すように、燃料電池スタック１における積層方向Ｘの一端部には、各冷媒入口マニホールド２７ｅと連通する冷媒供給管３０と、各冷媒出口マニホールド２７ｂと連通する冷媒排出管３１とが設けられている。燃料電池スタック１は、冷媒供給管３０及び冷媒排出管３１が設けられた一端部が重力方向Ｚ下方、他端部が重力方向Ｚ上方に位置するように車両に搭載されている。このような場合、気泡が燃料電池スタック１における重力方向Ｚの最上部の空間Ｓに溜まり易い。溜まった気泡が発電部２Ａに逆流すると、発電部２Ａを流れる冷媒が空気に置換されてしまう。この状態で燃料電池セル２が発電を行うと、空気に置換された部分の熱容量が小さいため、過加熱となり、電解質膜２１１ａの溶損や触媒の劣化などの不具合が発生するリスクがある。

そこで、本実施形態のような構造を採用すれば、仮に燃料電池スタック１における重力方向Ｚの最上部の空間Ｓに気泡が溜まったとしても、溜まった気泡による発電部２Ａへの逆流を防止することができるので、電解質膜２１１ａの溶損や触媒の劣化などの不具合の発生を抑制することができる。

なお、ガスケット２８の凸部は、上述の三角形状に限定されず、様々な変形例が考えられる。例えば図５に示すように、重力方向Ｚ上方に突出する凸部２８２は矩形状を呈している。矩形状の凸部２８２は、三角形状の凸部２８１と比べて気泡の発電部２Ａへの逆流を防止する効果を更に高めることができる。また、ガスケット２８の凸部は、重力方向Ｚ上方に突出する円弧状、三角形状及び矩形状以外の多角形状であっても良い。

＜第２実施形態＞
図６は第２実施形態のガスケットの堰き止め部を示す拡大図である。本実施形態の燃料電池スタック１Ａは、ガスケット２８が堰き止め部２８３を有する点において上述の第１実施形態と異なるが、その他の構造は第１実施形態と同様である。

具体的には、ガスケット２８は、冷媒出口マニホールド２７ｂよりも重力方向Ｚ上方に配置されて、冷媒に混入された気泡の発電部２Ａへの逆流を抑制するための堰き止め部２８３を有する。堰き止め部２８３は、燃料ガス入口マニホールド２７ａと冷媒出口マニホールド２７ｂとの間の領域に配置されるとともに、発電部２Ａに隣接する側に位置している。この堰き止め部２８３は、燃料ガス入口マニホールド２７ａと冷媒出口マニホールド２７ｂとの間に配置されたガスケット２８の水平部２８４と直交するように配置されている。

堰き止め部２８３における重力方向Ｚの上端は水平部２８４と連結されている。一方、堰き止め部２８３における重力方向Ｚの下端は、堰き止め部２８３と水平部２８４との間に気泡が容易に流れるように、冷媒出口マニホールド２７ｂとの間に隙間を有するようになっている。

本実施形態に係る燃料電池スタック１Ａによれば、上述の第１実施形態と同じ作用効果を得られる。

＜第３実施形態＞
図８は第３実施形態に係る燃料電池スタックを示す正面図である。本実施形態の燃料電池スタック１Ｂは、冷媒入口マニホールド２７ｅと冷媒出口マニホールド２７ｂとの配置位置において上述の第１実施形態と異なるが、その他の構造は第１実施形態と同様である。

具体的には、冷媒入口マニホールド２７ｅと冷媒出口マニホールド２７ｂとは、重力方向Ｚにおいて略同じ高さに配置されておらず、冷媒出口マニホールド２７ｂの高さは冷媒入口マニホールド２７ｅよりも高い。図８に示すように、重力方向Ｚにおいて、冷媒入口マニホールド２７ｅは発電部２Ａの左側の最下部、冷媒出口マニホールド２７ｂは発電部２Ａの右側の最上部にそれぞれ設けられている。そして、冷媒出口マニホールド２７ｂよりも重力方向Ｚ上方には、気泡の発電部２Ａへの逆流を抑制する凸部２８１が形成されている。

本実施形態に係る燃料電池スタック１Ｂによれば、上述の第１実施形態と同じ作用効果を得られるほか、冷媒出口マニホールド２７ｂの高さが冷媒入口マニホールド２７ｅよりも高いので、気泡が凸部２８１により集まり易くなる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１，１Ａ，１Ｂ 燃料電池スタック
２ 燃料電池セル
２Ａ 発電部
２１ ＭＥＧＡ
２２ シール部
２３ セパレータ
２３ａ 凹部
２３ｂ 凸部
２４ 燃料ガス流路
２５ 酸化剤ガス流路
２６ 冷媒流路
２７ａ 燃料ガス入口マニホールド
２７ｂ 冷媒出口マニホールド
２７ｃ 酸化剤ガス出口マニホールド
２７ｄ 酸化剤ガス入口マニホールド
２７ｅ 冷媒入口マニホールド
２７ｆ 燃料ガス出口マニホールド
２８，２９ ガスケット
２８１，２８２ 凸部
２８１ａ 稜線部
２８３ 堰き止め部
２８５ シール接合部

Claims (1)

1. 発電部と該発電部を挟持する一対のセパレータとを有する燃料電池セルが複数積層される燃料電池スタックであって、
   重力方向に直交する方向において、前記発電部の両側に配置される冷媒入口マニホールド及び冷媒出口マニホールドと、
   隣接する前記燃料電池セル同士の間に挟持されるとともに、前記冷媒入口マニホールド、前記冷媒出口マニホールド及び前記発電部を取り囲むように配置されるガスケットまたはシール接合部と、
   を備え、
   前記ガスケットまたは前記シール接合部と前記セパレータとからなる形状は、前記冷媒出口マニホールドよりも重力方向上方に配置されて冷媒に混入された気泡の前記発電部への逆流を抑制する堰き止め部又は凸部を有することを特徴とする燃料電池スタック。

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