JP2023127611A

JP2023127611A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2023127611A
Application number: JP2022031387A
Authority: JP
Inventors: 智紀田中; Tomonori Tanaka; 秀明田中; Hideaki Tanaka
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2022-03-02
Filing date: 2022-03-02
Publication date: 2023-09-14

Abstract

【課題】冷却流体の流れの阻害を抑制することができる燃料電池を提供する。【解決手段】発電部の形状が扁平長方形であり、冷却流体を反応ガスに対して直交方向に流す燃料電池であって、前記燃料電池は、前記発電部と、当該発電部を挟持する２枚のエンドプレートと、２枚の当該エンドプレートを介して当該発電部に締結荷重を付与する３本以上の締結部材と、を有し、３本以上の前記締結部材の内２本以上は、平面視において前記発電部と対向しない領域且つ当該発電部の長辺側の領域に配置され、且つ、互いに冷却流体流路に平行な直線に対してずらして配置されていることを特徴とする燃料電池。【選択図】図２

Description

本開示は、燃料電池に関する。

燃料電池については、様々な研究がなされている。
例えば特許文献１では、電池セルが複数積層されて構成される燃料電池積層体を、ボルトを用いて発電領域全体に対し均一に押さえ付けるようにする技術が開示されている。
特許文献２では、熱容量の異方性に起因する電気化学反応セルスタックの性能低下を抑制する技術が開示されている。

特開２００４－０３９５５４号公報特開２０１８－２０６４７５号公報

扁平長方形の発電部を有する燃料電池においては、ファニングの式により、発電部の短辺方向に冷却流体を通過させる場合の方が、発電部の長辺方向に冷却流体を通過させる場合よりも圧力損失が小さい。
また、扁平長方形の発電部を有する燃料電池においては、両端支持持ち梁のたわみ計算式より、発電部の短辺方向に冷却流体を通過させる場合の方が、発電部の長辺方向に冷却流体を通過させる場合よりもたわみが小さい。
そのため、扁平長方形の発電部を有する燃料電池において、冷却流体流路の出入り口及び締結部材の締結点を平面視において発電部の長辺側に配置することが望ましい。
この場合、冷却流体流路上に締結部材が一列に並ぶと、締結部材によって冷却流体の流れが阻害されるという問題がある。

本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、冷却流体の流れの阻害を抑制することができる燃料電池を提供することを主目的とする。

本開示においては、発電部の形状が扁平長方形であり、冷却流体を反応ガスに対して直交方向に流す燃料電池であって、
前記燃料電池は、前記発電部と、当該発電部を挟持する２枚のエンドプレートと、２枚の当該エンドプレートを介して当該発電部に締結荷重を付与する３本以上の締結部材と、を有し、
３本以上の前記締結部材の内２本以上は、平面視において前記発電部と対向しない領域且つ当該発電部の長辺側の領域に配置され、且つ、互いに冷却流体流路に平行な直線に対してずらして配置されていることを特徴とする燃料電池を提供する。

本開示の燃料電池は、冷却流体の流れの阻害を抑制することができる。

図１は、従来の燃料電池を平面視したときの一例を示す模式図である。図２は、本開示の燃料電池を平面視したときの一例を示す模式図である。図３は、本開示の燃料電池を平面視したときの別の一例を示す模式図である。図４は、本開示の燃料電池を平面視したときの別の一例を示す模式図である。

以下、本開示による実施の形態を説明する。なお、本明細書において特に言及している事項以外の事柄であって本開示の実施に必要な事柄（例えば、本開示を特徴付けない燃料電池の一般的な構成および製造プロセス）は、当該分野における従来技術に基づく当業者の設計事項として把握され得る。本開示は、本明細書に開示されている内容と当該分野における技術常識とに基づいて実施することができる。
本明細書において数値範囲を示す「～」とは、その前後に記載された数値を下限値及び上限値として含む意味で使用される。
また、数値範囲における上限値と下限値は任意の組み合わせを採用できる。

本開示の燃料電池は、冷却流体を反応ガスに対して直交方向に流す燃料電池である。
冷却流体は、例えば、空気、酸素、窒素等であってもよい。
本開示の燃料電池は、空冷式の燃料電池であってもよい。
本開示においては、燃料ガス、及び、酸化剤ガスをまとめて反応ガスと称する。燃料電池のアノードに供給される反応ガスは、燃料ガスであり、燃料電池のカソードに供給される反応ガスは酸化剤ガスである。燃料ガスは、主に水素を含有するガスであり、水素であってもよい。酸化剤ガスは、酸素を含有するガスであり、酸素、空気、及び、乾燥空気等であってもよい。

本開示の燃料電池は、発電部と、当該発電部を挟持する２枚のエンドプレートと、２枚の当該エンドプレートを介して当該発電部に締結荷重を付与する３本以上の締結部材と、を有する。

発電部の形状は平面視において扁平長方形であればよい。
発電部は少なくとも一つの単セルを有し、複数の単セルが積層したセル積層体を有していてもよい。
単セルは、電解質膜と、その電解質膜を挟持するように配置された燃料極（アノード）および酸化剤極（カソード）を有している。電解質膜としては、パーフルオロカーボンスルホン酸膜などの固体高分子電解質を用いることができる。燃料極および酸化剤極の周囲には、燃料ガスまたは酸化剤ガスが供給されるように適当な空間が形成される。また、単セルは、隣り合う単セルの燃料極と酸化剤極とが電気的に直列に接続されるようにセパレータを介して積層されて、セル積層体を形成する。
セル積層体における単セルの積層数は特に限定されず、２～数百個であってもよい。

発電部は、２枚のエンドプレートによりを挟持される。
エンドプレートとしては、例えばステンレス鋼などの金属、フェノール樹脂、エポキシガラス、ポリエステルガラスなどの熱硬化性樹脂を含むエンジニアリングプラスチックなどを用いることができる。
エンドプレートは、発電部とは対向しない領域の所定の位置に複数の貫通孔を有する。エンドプレートの発電部とは対向しない領域とは、エンドプレートの面上であって、発電部が積層される領域の面方向の外側の領域であってもよい。
２枚のエンドプレートには、互いに位置合わせして配置された貫通孔が設けられていてもよい。エンドプレートには、貫通孔が少なくとも３以上設けられていればよく、４以上であってもよく、５以上であってもよく、６以上であってもよく、２０以下であってもよい。
エンドプレートには、複数の締結部材が各貫通孔を貫通するように配置されている。

締結部材は、３本以上有していればよく、４本以上であってもよく、５本以上であってもよく、６本以上であってもよく、２０本以下であってもよい。
締結部材は、スタッドボルト（両端ネジボルト）等であってもよい。
締結部材にはナットが装着されていてもよい。
発電部に締結荷重を付与する方法は、例えば、締結機を用いてもよく、締結部材が、スタッドボルトとナットの場合、ナット締めによる締結を行ってもよい。

本開示においては３本以上の締結部材の内２本以上は、平面視において発電部と対向しない領域且つ当該発電部の長辺側の領域に配置され、且つ、互いに冷却流体流路に平行な直線に対してずらして配置されている。
本開示においては平面視において発電部と対向しない領域且つ発電部の長辺側の領域に配置する複数の締結部材を互いに冷却流体流路に平行な直線に対してずらして配置する。
締結部材がずれて配置されている方が各冷却流体流路内での冷却流体の配流がよくなる（流量ばらつきが少なくなる）。
発電部の長辺側の領域に配置される２本以上の締結部材は、互いに冷却流体流路に平行な直線に対してずらして配置されている限り、発電部の一方の冷却流体流路入口側の長辺側の領域と他方の冷却流体流路出口側の長辺側の領域の内、すべての締結部材が発電部の一方の冷却流体流路入口側の長辺側の領域に配置されていてもよく、発電部に締結荷重を均等に付与する観点からは、少なくとも１本の締結部材が一方の冷却流体流路入口側の長辺側の領域に配置され、且つ、残りの締結部材が他方の冷却流体流路出口側の長辺側の領域に配置されていてもよい。

図１は、従来の燃料電池を平面視したときの一例を示す模式図である。
図１に示す従来の燃料電池は、エンドプレート１０と扁平長方形の発電部２０と３本の締結部材３０を有し、３本の締結部材３０の内の２本は、発電部２０の長辺側の領域に配置され、且つ、互いに冷却流体流路ＣＦに平行な直線に対して対向して配置されている。そのため、締結部材３０により冷却流体の流れが阻害される。

図２は、本開示の燃料電池を平面視したときの一例を示す模式図である。
図２に示す本開示の燃料電池は、エンドプレート１０と扁平長方形の発電部２０と３本の締結部材３０を有し、３本の締結部材３０の内の２本は、発電部２０の長辺側の領域に配置され、且つ、互いに冷却流体流路ＣＦに平行な直線に対してずらして配置されている。そのため、締結部材３０により冷却流体の流れが阻害されることを抑制することができる。

燃料電池が、締結部材を５本以上有する場合、５本以上の締結部材の内の４本の締結部材は、扁平長方形の各長辺側端部近傍に配置される長辺側端部締結部材であってもよく、残りの締結部材は、扁平長方形の長辺側中間領域に配置される長辺側中間領域締結部材であってもよく、長辺側端部締結部材は、冷却流体の流れ方向に互いに対向し、冷却流体流路と平行に配置されていてもよく、長辺側端部締結部材と長辺側中間領域締結部材は、互いに冷却流体流路に平行な直線に対してずらして配置されていてもよい。
発電部内には温度分布が存在し、発電部中心（扁平長方形の長辺側中間領域）は冷却したほうがよいため、締結部材の配置をずらして、冷却流体の配流をよくする。一方、発電部の端部（扁平長方形の各長辺側端部）は冷却しなくてもよい（保温してもよい）ため、締結部材の配置をずらさなくてもよく、冷却流体の流量を減らしてもよい。

図３は、本開示の燃料電池を平面視したときの別の一例を示す模式図である。
図３に示す本開示の燃料電池は、エンドプレート１０と扁平長方形の発電部２０と６本の締結部材３０を有し、６本の締結部材３０の内の２本は、発電部２０の長辺側中間領域に配置され、且つ、互いに冷却流体流路ＣＦに平行な直線に対してずらして配置され、６本の締結部材３０の内の４本は、発電部２０の長辺側端部近傍に配置され、且つ、互いに冷却流体流路ＣＦに平行な直線に対して対向して配置されている。
そのため、発電部中心（扁平長方形の長辺側中間領域）は冷却流体の流れの阻害を抑制し配流をよくし、発電部の端部（扁平長方形の各長辺側端部）は、冷却流体の流れを阻害し、保温性を高めることができる。

長辺側中間領域締結部材と発電部との間の距離は、長辺側端部締結部材と発電部との間の距離よりも長くてもよい。
発電部と締結部材との間の距離を長くした方が各冷却流体流路内での冷却流体の配流がよりよくなる（流量ばらつきがより少なくなる）。
そのため、発電部中心（扁平長方形の長辺側中間領域）においては、締結部材の配置をずらし、且つ、発電部と締結部材との間の距離を長くしてもよい。一方、発電部の端部（扁平長方形の各長辺側端部）においては、締結部材の配置をずらさず冷却流体の流れ方向に互いに対向させ、且つ、発電部と締結部材との間の距離を短くしてもよい。

図４は、本開示の燃料電池を平面視したときの別の一例を示す模式図である。
図４に示す本開示の燃料電池は、エンドプレート１０と扁平長方形の発電部２０と６本の締結部材３０を有し、６本の締結部材３０の内の２本は、発電部２０の長辺側中間領域に配置され、且つ、互いに冷却流体流路ＣＦに平行な直線に対してずらして配置され、６本の締結部材３０の内の４本は、発電部２０の長辺側端部近傍に配置され、且つ、互いに冷却流体流路ＣＦに平行な直線に対して対向して配置され、発電部２０の長辺側中間領域の締結部材３０と発電部２０との間の距離は、長辺側端部の締結部材３０と発電部２０との間の距離よりも長くなるように各締結部材３０が配置されている。
そのため、図４に示す燃料電池は、図３に示す燃料電池よりも発電部中心（扁平長方形の長辺側中間領域）の冷却流体の流れの阻害をより抑制し、より配流をよくすることができる。

１０エンドプレート
２０発電部
３０締結部材
ＣＦ冷却流体流路

Claims

発電部の形状が扁平長方形であり、冷却流体を反応ガスに対して直交方向に流す燃料電池であって、
前記燃料電池は、前記発電部と、当該発電部を挟持する２枚のエンドプレートと、２枚の当該エンドプレートを介して当該発電部に締結荷重を付与する３本以上の締結部材と、を有し、
３本以上の前記締結部材の内２本以上は、平面視において前記発電部と対向しない領域且つ当該発電部の長辺側の領域に配置され、且つ、互いに冷却流体流路に平行な直線に対してずらして配置されていることを特徴とする燃料電池。