JP4684585B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを交互に積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔が形成される燃料電池スタックに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜（電解質）の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

この燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）が供給される一方、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されている。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。

上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、カソード側電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路とが設けられている。さらに、セパレータ間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路が前記セパレータの面方向に沿って設けられている。

一般的に、燃料電池は、セパレータの積層方向に貫通する流体供給連通孔及び流体排出連通孔が燃料電池内部に設けられた内部マニホールドを構成している。そして、流体である燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体は、それぞれの流体供給連通孔から燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷却媒体流路に供給された後、それぞれの流体排出連通孔に排出されている。

この種の内部マニホールド型燃料電池として、特許文献１の「燃料電池のマニホールド」が知られている。この特許文献１では、図５に示すように、膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ）とセパレータとを重ねて構成される単セル１を備えており、前記単セル１を複数積層したモジュール２の積層方向両端には、ターミナル３、インシュレータ４及びエンドプレート５が配設され、燃料電池スタック６が構成されている。

燃料電池スタック６内には、積層方向に貫通して冷媒マニホールド７ａ、７ｂが設けられており、前記冷媒マニホールド７ａ、７ｂは、各単セル１に設けられている図示しない冷媒流路に連通している。燃料電池スタック６の一端に設けられているエンドプレート５には、冷媒を冷媒マニホールド７ａ、７ｂに供給及び排出する冷媒配管８ａ、８ｂが接続されている。入口側の冷媒配管８ａから冷媒マニホールド７ａに供給された冷媒は、燃料電池スタック６内に導入され、各単セル１を冷却した後に冷媒マニホールド７ｂから出口側の冷媒配管８ｂに排出されている。

特開２００２−３４３４０６号公報（図１）

しかしながら、上記の特許文献１では、冷媒配管８ａから冷媒マニホールド７ａに供給される冷媒中にエアが混在している際や、燃料電池スタック６の組み立て後に冷媒を注入することによりエアが混在している際、前記エアが前記冷媒マニホールド７ａの上方領域に残存するおそれがある。これにより、冷媒マニホールド７ａの上部には、冷却機能を有しない空間部が存在し、各単セル１の発電面全体を良好に冷却することができないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、冷却媒体中に混在するエアを確実に排出することができ、簡単な構成で、良好な冷却機能を維持することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。

本発明は、電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを交互に積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔が形成される燃料電池スタックである。

この燃料電池スタックは、冷却媒体供給連通孔に連通する冷却媒体供給口が設けられるマニホールド部材を備えており、前記マニホールド部材は、前記冷却媒体供給口よりも高い位置に前記冷却媒体供給連通孔に連通するエア抜き口を設けている。

また、本発明は、電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを交互に積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔が形成される燃料電池スタックである。

この燃料電池スタックは、冷却媒体排出連通孔に連通する冷却媒体排出口が設けられるマニホールド部材を備えており、前記マニホールド部材は、前記冷却媒体排出口よりも高い位置に前記冷却媒体排出連通孔に連通するエア抜き口を設けている。

さらに、エア抜き口に一端が接続される配管部材を備え、前記配管部材は、前記エア抜き口よりも高い位置に維持されるとともに、他端に開閉弁が装着されることが好ましい。

さらにまた、冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔は、燃料電池スタックの外部を循環する冷却媒体循環路に連通することが好ましい。

本発明によれば、冷却媒体が冷却媒体供給口に供給されると、この冷却媒体に混在するエアが、前記冷却媒体供給口の鉛直方向上方に移動してエア抜き口から円滑且つ確実に排出される。このため、冷却媒体供給連通孔にエアが導入されることを有効に阻止することができ、簡単な構成で、燃料電池スタック全体の冷却効率が良好に向上する。

また、本発明によれば、冷却媒体が冷却媒体排出口に排出されると、この冷却媒体に混在するエアが、前記冷却媒体排出口の鉛直方向上方に移動してエア抜き口から円滑且つ確実に排出される。従って、冷却媒体排出口から冷却媒体供給口に冷却媒体を循環させる際に、冷却媒体供給連通孔にエアが導入されることを有効に阻止することが可能になる。これにより、簡単な構成で、燃料電池スタック全体の冷却効率が良好に向上する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０を組み込む燃料電池システム１２の概略斜視図である。

燃料電池システム１２は、例えば、自動車等の車両に搭載されており、冷却媒体循環供給部１４に接続される燃料電池スタック１０を備える。燃料電池スタック１０には、図示しないが、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（空気等）を供給する酸化剤ガス供給部と、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給する燃料ガス供給部とが接続される。

燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１６が矢印Ａ方向に積層された積層体１８を備え、前記積層体１８の積層方向両端には、エンドプレート２０ａ、２０ｂが配置される。エンドプレート２０ａ、２０ｂは、図示しない締め付けボルトにより積層方向に締め付けられる。

図２に示すように、各発電セル１６は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ２４、２６とを備える。

発電セル１６の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔２８ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３０ａ、及び燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３２ｂが設けられる。

発電セル１６の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３２ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３０ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２８ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体２２は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３４と、前記固体高分子電解質膜３４を挟持するアノード側電極３６及びカソード側電極３８とを備える。

アノード側電極３６及びカソード側電極３８は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されることにより形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３４の両面側に形成される。

第１金属セパレータ２４は、電解質膜・電極構造体２２に向かう面に燃料ガス供給連通孔３２ａと燃料ガス排出連通孔３２ｂとを連通する燃料ガス流路４０を設ける。第１金属セパレータ２４は、反対の面に冷却媒体供給連通孔３０ａと冷却媒体排出連通孔３０ｂとを連通する冷却媒体流路４２を設ける。

第２金属セパレータ２６は、電解質膜・電極構造体２２に向かう面に酸化剤ガス流路４４を設けるとともに、この酸化剤ガス流路４４は、酸化剤ガス供給連通孔２８ａと酸化剤ガス排出連通孔２８ｂとに連通する。第２金属セパレータ２６は、反対の面に第１金属セパレータ２４と重なり合って冷却媒体流路４２が一体的に形成される。

燃料ガス流路４０、冷却媒体流路４２及び酸化剤ガス流路４４は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成される。第１及び第２金属セパレータ２４、２６の面には、図示しないシール部材が一体成形される。

エンドプレート２０ａには、酸化剤ガス供給連通孔２８ａ、冷却媒体供給連通孔３０ａ及び燃料ガス排出連通孔３２ｂを囲繞して複数のねじ孔４５ａが形成されるとともに、燃料ガス供給連通孔３２ａ、冷却媒体排出連通孔３０ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂを囲繞して複数のねじ孔４５ｂが形成される。

エンドプレート２０ａには、配管マニホールド（マニホールド部材）４６、４８が積層体１８とは反対の面に固定される。配管マニホールド４６、４８は、エンドプレート２０ａの横方向（矢印Ｂ方向）両端に配置される取り付け板状部５０ａ、５０ｂを設ける。各取り付け板状部５０ａ、５０ｂには、エンドプレート２０ａのねじ孔４５ａ、４５ｂと同軸的に複数の孔部５２ａ、５２ｂが形成される。孔部５２ａ、５２ｂにねじ５４が挿入され、該ねじ５４の先端がねじ孔４５ａ、４５ｂにねじ込まれることにより、配管マニホールド４６、４８がエンドプレート２０ａに固定される。

図２及び図３に示すように、配管マニホールド４６には、酸化剤ガス供給連通孔２８ａ、冷却媒体供給連通孔３０ａ及び燃料ガス排出連通孔３２ｂに連通する酸化剤ガス供給口５６ａ、冷却媒体供給口５８ａ及び燃料ガス排出口６０ｂが形成される。

配管マニホールド４６は、冷却媒体供給口５８ａよりも高い位置に冷却媒体供給連通孔３０ａに連通するエア抜き口６２を設ける。酸化剤ガス供給口５６ａ、冷却媒体供給口５８ａ及び燃料ガス排出口６０ｂは、円筒部内に形成されるとともに、エア抜き口６２が小径な円筒部内に形成される。

図２に示すように、配管マニホールド４８には、燃料ガス供給連通孔３２ａ、冷却媒体排出連通孔３０ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに連通する燃料ガス供給口６０ａ、冷却媒体排出口５８ｂ及び酸化剤ガス排出口５６ｂが形成される。

図１に示すように、冷却媒体循環供給部１４は、冷却媒体供給口５８ａに接続される供給配管６４ａと、冷却媒体排出口５８ｂに接続される排出配管６４ｂとを備えるとともに、前記供給配管６４ａと前記排出配管６４ｂとが循環用ポンプ６６に接続される。

酸化剤ガス供給口５６ａと酸化剤ガス排出口５６ｂとは、図示しない酸化剤ガス供給部に接続される一方、燃料ガス供給口６０ａと燃料ガス排出口６０ｂとは、図示しない燃料ガス供給部に接続される。

エア抜き口６２には、配管部材６８の一端が接続される。この配管部材６８は、エア抜き口６２の高さ位置Ｐよりも高い位置（矢印Ｃ１方向）に維持されるとともに、他端には開閉弁７０が装着されて車外に開放可能である。開閉弁７０は、配管部材６８からエア抜きを行う際や、冷却媒体を燃料電池スタック１０内に充填する際に開放される。

このように構成される燃料電池システム１２の動作について、以下に説明する。

先ず、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給口５６ａから燃料電池スタック１０の酸化剤ガス供給連通孔２８ａに供給される。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給口６０ａから燃料電池スタック１０の燃料ガス供給連通孔３２ａに供給される。

図２に示すように、燃料電池スタック１０内では、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給連通孔２８ａから第２金属セパレータ２６の酸化剤ガス流路４４に導入され、電解質膜・電極構造体２２のカソード側電極３８に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３２ａから第１金属セパレータ２４の燃料ガス流路４０に導入され、電解質膜・電極構造体２２アノード側電極３６に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体２２では、カソード側電極３８に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３６に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

次いで、カソード側電極３８に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２８ｂに沿って流動した後、エンドプレート２０ａに連結された酸化剤ガス排出口５６ｂに排出される。同様に、アノード側電極３６に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３２ｂに排出されて流動し、エンドプレート２０ａに連結された燃料ガス排出口６０ｂに排出される。

また、純水やエチレングリコール等の冷却媒体は、図１に示すように、冷却媒体循環供給部１４を構成するポンプ６６の作用下に、供給配管６４ａから冷却媒体供給口５８ａに送られ、燃料電池スタック１０内の冷却媒体供給連通孔３０ａに供給される。冷却媒体は、図２に示すように、第１及び第２金属セパレータ２４、２６間の冷却媒体流路４２に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３０ｂを移動してエンドプレート２０ａに連結された冷却媒体排出口５８ｂから排出配管６４ｂに排出され、循環使用される。

この場合、第１の実施形態では、エンドプレート２０ａに固定される配管マニホールド４６を備え、この配管マニホールド４６には、冷却媒体供給連通孔３０ａに連通する冷却媒体供給口５８ａが設けられるとともに、この冷却媒体供給口５８ａよりも高い位置に、前記冷却媒体供給連通孔３０ａに連通するエア抜き口６２が設けられている。

このため、冷却媒体循環供給部１４を介して冷却媒体供給口５８ａに冷却媒体が供給されると、この冷却媒体に混在するエアは、前記冷却媒体供給口５８ａの上方に移動してエア抜き口６２から円滑且つ確実に排出される。

これにより、冷却媒体供給連通孔３０ａにエアが導入されることを有効に阻止することができ、簡単な構成で、燃料電池スタック１０全体の冷却効率が良好に向上するという効果が得られる。

さらに、第１の実施形態では、エア抜き口６２に一端が接続される配管部材６８は、このエア抜き口６２の高さよりも高い位置に維持されている。従って、配管部材６８内のエア抜き等が良好に遂行される。なお、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０が設置された際の高さ方向を基準にして、エア抜き口６２の位置が設定されている。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック８０を組み込む燃料電池システム８２の概略斜視図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池システム１２と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

燃料電池スタック８０では、配管マニホールド４８が冷却媒体排出口５８ｂよりも高い位置に冷却媒体排出連通孔３０ｂに連通するエア抜き口８４を設けている。エア抜き口８４には、配管部材８６の一端が接続され、この配管部材８６は、前記エア抜き口８４の高さ位置Ｐよりも上方に維持されるとともに、他端に開閉弁８８が装置される。

このように構成される第２の実施形態では、冷却媒体循環供給部１４によって排出配管６４ｂから供給配管６４ａに冷却媒体が循環され、前記冷却媒体が燃料電池スタック８０内に供給される。ここで、冷却媒体に混在するエアは、冷却媒体排出口５８ｂの上方に移動してエア抜き口８４から円滑且つ確実に排出される。その際、開閉弁８８を制御することによってエア圧が調整され、エア抜き口８４から車外にエア抜き処理を良好に行うことが可能になる。

これにより、冷却媒体排出口５８ｂから冷却媒体供給口５８ａに循環される冷却媒体には、エアが混在することがなく、冷却媒体供給連通孔３０ａにエアが導入されることを確実に阻止することができ、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第１及び第２の実施形態では、エア抜き口６２、８４が冷却媒体供給口５８ａや冷却媒体排出口５８ｂに対して重なることなく、独立して設けられているが、前記冷却媒体供給口５８ａや前記冷却媒体排出口５８ｂの高さ方向に対して一部が重なって設けられていてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムの概略斜視図である。 前記燃料電池スタックの要部分解斜視図である。 前記燃料電池スタックを構成する配管マニホールドの断面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを組み込む燃料電池システムの概略斜視図である。 特許文献１の燃料電池のマニホールドの概略説明図である。

符号の説明

１０、８０…燃料電池スタック １２、８２…燃料電池システム
１４…冷却媒体循環供給部 １６…発電セル
２０ａ、２０ｂ…エンドプレート ２２…電解質膜・電極構造体
２４、２６…セパレータ ２８ａ…酸化剤ガス供給連通孔
２８ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ３０ａ…冷却媒体供給連通孔
３０ｂ…冷却媒体排出連通孔 ３２ａ…燃料ガス供給連通孔
３２ｂ…燃料ガス排出連通孔 ３４…固体高分子電解質膜
３６…アノード側電極 ３８…カソード側電極
４０…燃料ガス流路 ４２…冷却媒体流路
４４…酸化剤ガス流路 ４６、４８…配管マニホールド
５６ａ…酸化剤ガス供給口 ５６ｂ…酸化剤ガス排出口
５８ａ…冷却媒体供給口 ５８ｂ…冷却媒体排出口
６０ａ…燃料ガス供給口 ６０ｂ…燃料ガス排出口
６２、８４…エア抜き口 ６４ａ…供給配管
６４ｂ…排出配管 ６６…ポンプ
６８、８６…配管部材 ７０、８８…開閉弁

Claims (3)

1. 電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを水平方向に交互に積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔が形成される燃料電池スタックであって、
   前記冷却媒体供給連通孔に連通する冷却媒体供給口が設けられるマニホールド部材を備え、
   前記電解質・電極構造体と前記セパレータとを交互に積層した積層体の積層方向の端部には、前記冷却媒体供給連通孔及び前記冷却媒体排出連通孔と連通するエンドプレートが配置されおり、
   前記エンドプレートの前記積層体とは反対側に前記マニホールド部材が固定され、
   前記マニホールド部材には、酸化剤ガス供給口、燃料ガス供給口及び前記冷却媒体供給口が一体形成されるとともに、前記冷却媒体供給口よりも高い位置に前記冷却媒体供給連通孔に連通するエア抜き口が前記冷却媒体供給口に一体形成され、
   さらに、前記エア抜き口に一端が接続される配管部材を備え、
   前記配管部材は、前記エア抜き口よりも高い位置に維持されるとともに、他端に開閉弁が装着されることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 電解質の両側に一対の電極が配設される電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを水平方向に交互に積層するとともに、積層方向に貫通して少なくとも冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔が形成される燃料電池スタックであって、
   前記冷却媒体排出連通孔に連通する冷却媒体排出口が設けられるマニホールド部材を備え、
   前記電解質・電極構造体と前記セパレータとを交互に積層した積層体の積層方向の端部には、前記冷却媒体供給連通孔及び前記冷却媒体排出連通孔と連通するエンドプレートが配置されおり、
   前記エンドプレートの前記積層体とは反対側に前記マニホールド部材が固定され、
   前記マニホールド部材には、酸化剤ガス排出口、燃料ガス排出口及び前記冷却媒体排出口が一体形成されるとともに、前記冷却媒体排出口よりも高い位置に前記冷却媒体排出連通孔に連通するエア抜き口が前記冷却媒体排出口に一体形成され、
   さらに、前記エア抜き口に一端が接続される配管部材を備え、
   前記配管部材は、前記エア抜き口よりも高い位置に維持されるとともに、他端に開閉弁が装着され、
   前記冷却媒体供給連通孔及び前記冷却媒体排出連通孔は、前記燃料電池スタックの外部を循環する冷却媒体循環路に連通することを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、前記冷却媒体供給連通孔及び前記冷却媒体排出連通孔は、前記燃料電池スタックの外部を循環する冷却媒体循環路に連通することを特徴とする燃料電池スタック。

Images