JP4939100B2 - 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を設けた電解質・電極構造体と、セパレータとが積層される積層体を備え、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、少なくとも前記反応ガス流路の出口に連通する反応ガス排出連通孔が前記積層体を積層方向に貫通す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固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒（電極触媒層）と多孔質カーボン（拡散層）からなるアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持する発電セルを構成している。通常、燃料電池では、この発電セルを所定の数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。

燃料電池では、積層されている各発電セルのアノード側電極及びカソード側電極に、それぞれ反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するため、内部マニホールドを構成する場合が多い。この内部マニホールドは、発電セルの積層方向に貫通して設けられる反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔を備えており、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路（酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路）の入口側端部及び出口側端部には、前記反応ガス供給連通孔及び前記反応ガス排出連通孔がそれぞれ連通している。

ところで、燃料電池スタックには、反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔に連通する供給側配管及び排出側配管が接続されている。その際、燃料電池スタックと供給側配管及び排出側配管との接続部位から漏電するおそれがある。

そこで、この種の漏電を抑制するために、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムが提案されている。この燃料電池システムは、図９に示すように、燃料電池スタック１を備えており、この燃料電池スタック１は、複数のセルモジュール２を積層した積層体を備えるとともに、この積層体の積層方向両端には、エンドプレート３ａ、３ｂが配設される。

一方のエンドプレート３ａには、加湿された水素ガス、加湿された空気及び冷却液のそれぞれの供給配管４ａ、５ａ及び６ａと、それぞれの排出配管４ｂ、５ｂ及び６ｂが接続されている。これらの供給配管４ａ〜６ａ及び排出配管４ｂ〜６ｂは、電気絶縁性部材で形成されている。

特開２００５−３３２６７４号公報（図１）

しかしながら、上記の特許文献１では、特に排出配管５ｂに連通する空気排出連通孔（図示せず）には、発電により生成される生成水が凝縮して滞留水が発生し易い一方、排出配管４ｂに連通する水素ガス排出連通孔（図示せず）には、生成水の逆拡散による水分が凝縮して滞留水が発生し易い。

このため、排出配管４ｂ、５ｂ内には、凝縮水が反応ガス排出圧力によって排出されており、この凝縮水を介して金属部材同士が電気的に短絡（液絡）するという問題がある。その際、排出配管４ｂ、５ｂを相当に長尺に構成して絶縁抵抗を大きくすることが考えられる。ところが、排出配管４ｂ、５ｂは、電気絶縁性部材で形成されるため、長尺化により強度不足が発生し易くなるとともに、外部配管の取り回しが煩雑化し、配管構造が大型化するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つコンパクトな構成で、液絡を確実に阻止することができ、良好な発電性能を確保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を設けた電解質・電極構造体と、セパレータとが水平方向に積層される積層体を備え、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、少なくとも前記反応ガス流路の出口に連通する反応ガス排出連通孔が前記積層体を積層方向に貫通する燃料電池スタックに関するものである。

積層体の端部に配設されるエンドプレートには、反応ガス排出連通孔に連通する排出マニホールドが設けられるとともに、前記排出マニホールドには、前記反応ガス排出連通孔に挿入され且つ前記反応ガス排出連通孔の底部から重力方向上方に離間する排気用の絶縁性筒部材が装着されている。

また、エンドプレートには、反応ガス排出連通孔内に滞留する滞留水を絶縁性筒部材の下方から排出するためのドレン機構が設けられることが好ましい。さらに、ドレン機構は、反応ガス排出連通孔内に挿入され且つ絶縁性筒部材の下方に配置される絶縁性ドレン配管を備えることが好ましい。

さらにまた、ドレン機構は、エンドプレートの外方に延在する金属性ドレン配管を備えるとともに、前記金属性ドレン配管は、該金属性ドレン配管内の水分を除去するための水切り部に接続されることが好ましい。

本発明によれば、排気用の絶縁性筒部材が、反応ガス排出連通孔の底部から上方に離間して前記反応ガス排出連通孔内に挿入されている。このため、反応ガス排出連通孔内に凝縮水が滞留していても、前記凝縮水と絶縁性筒部材内に排出される凝縮水とを介して液絡が発生することを阻止することができる。しかも、絶縁性筒部材の全長によって所望の絶縁距離（絶縁抵抗）を良好に確保することが可能になる。

これにより、燃料電池スタックの外部に長尺な配管が延在することがなく、前記燃料電池スタック全体を容易にコンパクト化するとともに、外部配管の取り回しが有効に簡素化する。

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の概略斜視図である。

燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１２が矢印Ａ方向（水平方向）に積層される積層体１４を備え、前記積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）両端部には、第１及び第２ターミナルプレート１６ａ、１６ｂと、第１及び第２絶縁プレート１８ａ、１８ｂと、第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂとが設けられる。なお、燃料電池スタック１０は、図示しないが、例えば、締め付けボルトやボックス状のケーシング等により締め付け保持される。

図２に示すように、燃料電池１２は、水平方向（矢印Ａ方向）に積層される電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）２２と、第１及び第２金属セパレータ２４、２６とを備える。なお、第１及び第２金属セパレータ２４、２６に代替して、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。

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２８と、該固体高分子電解質膜２８を挟持するアノード側電極３０及びカソード側電極３２とを備える。アノード側電極３０及びカソード側電極３２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を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。

燃料電池１２の矢印Ｂ方向の一端縁部には、積層方向である矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔４０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔４２ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔（反応ガス排出連通孔）４４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｂ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４４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔４２ｂ、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（反応ガス排出連通孔）４０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

第１金属セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２４ａには、酸化剤ガス供給連通孔４０ａと酸化剤ガス排出連通孔４０ｂとに連通する酸化剤ガス流路（反応ガス流路）４６が設けられる。第２金属セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２６ａには、燃料ガス供給連通孔４４ａと燃料ガス排出連通孔４４ｂとに連通する燃料ガス流路（反応ガス流路）４８が設けられる。第１金属セパレータ２４と第２金属セパレータ２６とは、互いに対向する面２４ｂ、２６ｂに、冷却媒体供給連通孔４２ａと冷却媒体排出連通孔４２ｂとに連通する冷却媒体流路５０を一体的に形成する。

第１金属セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、この第１金属セパレータ２４の外周縁部を周回して第１シール部材５２ａが射出成形等により一体的に設けられる。第２金属セパレータ２６の面２６ａ、２６ｂには、この第２金属セパレータ２６の外周縁部を周回して第２シール部材５２ｂが射出成形等により一体的に設けられる。

図１に示すように、第１エンドプレート２０ａの矢印Ｂ方向一端縁部には、酸化剤ガス供給連通孔４０ａ、冷却媒体供給連通孔４２ａ及び燃料ガス排出連通孔４４ｂに対応して入口孔部５４ａ、入口孔部５６ａ及び出口孔部５８ｂが形成される。入口孔部５４ａ、入口孔部５６ａ及び出口孔部５８ｂには、金属配管６０ａ、６２ａ及び６４ｂが取り付けられる。

第１エンドプレート２０ａの矢印Ｂ方向他端縁部には、燃料ガス供給連通孔４４ａ、冷却媒体排出連通孔４２ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔４０ｂに対応して入口孔部５８ａ、出口孔部５６ｂ及び出口孔部５４ｂが形成される。入口孔部５８ａ、出口孔部５６ｂ及び出口孔部５４ｂには、金属配管６４ａ、６２ｂ及び６０ｂが取り付けられる。なお、第１エンドプレート２０ａでは、入口孔部５４ａ、５６ａ及び５８ａと出口孔部５４ｂ、５６ｂ及び５８ｂの内周面に絶縁材による被覆処理を施してもよい。

金属配管６０ａ、６２ａ及び６４ａには、入口孔部６６ａ、６８ａ及び７０ａが設けられるとともに、金属配管６０ｂ、６２ｂ及び６４ｂには、出口孔部６６ｂ、６８ｂ及び７０ｂが設けられる。金属配管６０ａ、６４ａは、給気マニホールドを構成する一方、金属配管６０ｂ、６４ｂは、排気マニホールドを構成する。

図１及び図３に示すように、金属配管６０ｂには、排気用の絶縁性筒部材７２が装着される。絶縁性筒部材７２は、例えば、電気絶縁性樹脂で形成されており、軸方向に所定の長さＬを有するとともに、外周部には、上方側に開口する多数の開口部７４が形成される。

絶縁性筒部材７２は、第１エンドプレート２０ａ側から酸化剤ガス排出連通孔４０ｂに挿入されるとともに、前記酸化剤ガス排出連通孔４０ｂの底部７６から上方に所定の距離Ｈだけ離間して配置される。

図１に示されるように、金属配管６４ｂには、同様に燃料ガス排出連通孔４４ｂに挿入される絶縁性筒部材７８が装着される。この絶縁性筒部材７８は、上記の絶縁性筒部材７２と同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。

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、以下に説明する。

図１に示すように、燃料電池スタック１０を構成する第１エンドプレート２０ａにおいて、金属配管６０ａから酸化剤ガス供給連通孔４０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、金属配管６４ａから燃料ガス供給連通孔４４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、金属配管６２ａから冷却媒体供給連通孔４２ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。

図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔４０ａから第１金属セパレータ２４の酸化剤ガス流路４６に導入される。このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４６を介して電解質膜・電極構造体２２のカソード側電極３２に沿って移動する。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４４ａから第２金属セパレータ２６の燃料ガス流路４８に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路４８を介して電解質膜・電極構造体２２のアノード側電極３０に沿って移動する。

従って、電解質膜・電極構造体２２では、カソード側電極３２に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３０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３２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４０ｂに排出される（図２参照）。同様に、アノード側電極３０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４４ｂに排出される。

一方、冷却媒体供給連通孔４２ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２金属セパレータ２４、２６間に形成された冷却媒体流路５０に導入される。この冷却媒体流路５０では、冷却媒体が水平方向（矢印Ｂ方向）に移動する。従って、冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２の発電面全面にわたって冷却した後、冷却媒体排出連通孔４２ｂに排出される。

この場合、カソード側電極３２では、発電反応によって生成水が発生し、この生成水は、酸化剤ガス流路４６に沿って使用済みの酸化剤ガスと共に酸化剤ガス排出連通孔４０ｂに排出される。このため、酸化剤ガス排出連通孔４０ｂには、生成水が凝縮された凝縮水の滞留が惹起され易い。

一方、アノード側電極３０では、カソード側電極３２で発生した生成水が逆拡散して燃料ガス流路４８に沿って移動し、燃料ガス排出連通孔４４ｂに凝縮水の滞留が惹起され易い。

そこで、第１の実施形態では、酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ及び燃料ガス排出連通孔４４ｂに絶縁性筒部材７２、７８が配設されている。図３に示すように、絶縁性筒部材７２は、金属配管６０ｂに一端が装着された状態で、第１エンドプレート２０ａ側から酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ内に挿入され且つ前記酸化剤ガス排出連通孔４０ｂの底部７６から上方に距離Ｈだけ離間して配置されている。

このため、各酸化剤ガス流路４６から酸化剤ガス排出連通孔４０ｂに排出された生成水は、底部７６に滞留する。一方、絶縁性筒部材７２の上部側に設けられた複数の開口部７４を介してこの絶縁性筒部材７２内に導入された生成水は、使用済みの酸化剤ガスと共に金属配管６０ｂ側に押し出される。

このように、絶縁性筒部材７２は、酸化剤ガス排出連通孔４０ｂの底部７６から上方に距離Ｈだけ離間しているため、前記底部７６に凝縮水が滞留していても、この凝縮水と前記絶縁性筒部材７２内に排出される凝縮水とを介して液絡が発生することを確実に阻止することができる。

しかも、金属部材間である底部７６と金属配管６０ｂとの間は、絶縁性筒部材７２の全長Ｌによって所望の絶縁距離（絶縁抵抗）を良好に確保することが可能になる。一方、燃料ガス排出連通孔４４ｂにおいても同様に、絶縁性筒部材７８を介して凝縮水による液絡の発生を確実に阻止することが可能になる。

これにより、第１エンドプレート２０ａには、金属配管６０ｂを用いることができるとともに、燃料電池スタック１０の外部に長尺な配管部材が延在することがない。従って、燃料電池スタック１０全体を容易にコンパクト化するとともに、外部配管の取り回しが有効に簡素化するという効果が得られる。

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の概略斜視図であり、図５は、前記燃料電池スタック８０の第１エンドプレート２０ａ側の断面説明図である。

なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０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。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

燃料電池スタック８０は、第１エンドプレート２０ａ側にドレン機構８２を備える。ドレン機構８２は、絶縁性ドレン配管８４を設けるとともに、この絶縁性ドレン配管８４は、金属配管６０ｂに挿入支持されるとともに、酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ内に挿入され且つ絶縁性筒部材７２の下方に配置される。金属配管６０ｂには、絶縁性ドレン配管８４と同軸的に金属ドレン配管８６が取り付けられる。なお、燃料ガス排出連通孔４４ｂ側においても同様に、ドレン機構８２が設けられる。

このように構成される第２の実施形態では、酸化剤ガス排出連通孔４０ｂに排出される生成水は、底部７６と絶縁性筒部材７２との間に滞留し易い。この領域には、絶縁性ドレン配管８４が配置されており、この絶縁性ドレン配管８４内を通って滞留水（凝縮水）が酸化剤ガス排出連通孔４０ｂから円滑に排出される。

これにより、酸化剤ガス排出連通孔４０ｂの底部７６上に多量の滞留水が存在することがなく、この滞留水と絶縁性筒部材７２内の凝縮水とを介して液絡が発生することを一層確実に阻止することができる。しかも、絶縁性筒部材７２内の凝縮水を介して液絡が発生することがないため、この絶縁性筒部材７２の全長Ｌを有効に短尺化することが可能になる。

なお、酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ及び燃料ガス排出連通孔４４ｂでは、ドレン機構８２による排水性を向上させるために、それぞれの開口形状を選択することができる。例えば、図６に示すように、酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ及び燃料ガス排出連通孔４４ｂにテーパ面１０２を設けることにより、それぞれの下部側を狭めて水が溜まり易い形状に設定する。このため、少量の滞留水であっても、絶縁性ドレン配管８４を介して円滑且つ確実に排出することが可能になる。

また、図７に示すように、酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ及び燃料ガス排出連通孔４４ｂの下部に段部を介して狭小開口部１０４を形成し、この狭小開口部１０４に絶縁性ドレン配管８４を配設することができる。これにより、少量の滞留水を容易且つ確実に排出することが可能になる。

図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック９０の第１エンドプレート２０ａ側の断面説明図である。

燃料電池スタック９０は、第１エンドプレート２０ａ側にドレン機構９２を設ける。ドレン機構９２は、第１エンドプレート２０ａに取り付けられる絶縁板９４を備えるとともに、この絶縁板９４に金属ドレン配管９６の一端が連結される。金属ドレン配管９６の他端には、この金属ドレン配管９６内の水分を除去するための水切り部９８に接続される。

このように、第３の実施形態では、酸化剤ガス排出連通孔４０ｂの底部７６に滞留する凝縮水は、ドレン機構９２を構成する金属ドレン配管９６を介して水切り部９８に排出される。このため、所望の絶縁抵抗を確保するとともに、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視図である。 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視図である。 前記燃料電池スタックの第１エンドプレート側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の概略斜視図である。 前記燃料電池スタックの第１エンドプレート側の断面説明図である。 酸化剤ガス排出連通孔及び燃料ガス排出連通孔の他の下部形状の説明図である。 前記酸化剤ガス排出連通孔及び前記燃料ガス排出連通孔のまた別の下部形状の説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの第１エンドプレート側の断面説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池システムの概略説明図である。

符号の説明

１０、８０、９０…燃料電池スタック １２…燃料電池
２０ａ、２０ｂ…エンドプレート ２２…電解質膜・電極構造体
２４、２６…金属セパレータ ２８…固体高分子電解質膜
３０…アノード側電極 ３２…カソード側電極
４０ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ４０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
４２ａ…冷却媒体供給連通孔 ４２ｂ…冷却媒体排出連通孔
４４ａ…燃料ガス供給連通孔 ４４ｂ…燃料ガス排出連通孔
４６…酸化剤ガス流路 ４８…燃料ガス流路
５０…冷却媒体流路
６０ａ、６０ｂ、６２ａ、６２ｂ、６４ａ、６４ｂ…金属配管
７２、７８…絶縁性筒部材 ７４…開口部
７６…底部 ８２、９２…ドレン機構
８４…絶縁性ドレン配管 ８６、９６…金属ドレン配管
９４…絶縁板 ９８…水切り部

Claims (4)

1. 電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体と、セパレータとが水平方向に積層される積層体を備え、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路が形成されるとともに、少なくとも前記反応ガス流路の出口に連通する反応ガス排出連通孔が前記積層体を積層方向に貫通する燃料電池スタックであって、
   前記積層体の端部に配設されるエンドプレートには、前記反応ガス排出連通孔に連通する排出マニホールドが設けられるとともに、
   前記排出マニホールドには、前記反応ガス排出連通孔に挿入され且つ前記反応ガス排出連通孔の底部から重力方向上方に離間する排気用の絶縁性筒部材が装着されることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記エンドプレートには、前記反応ガス排出連通孔内に滞留する滞留水を前記絶縁性筒部材の下方から排出するためのドレン機構が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、前記ドレン機構は、前記反応ガス排出連通孔内に挿入され且つ前記絶縁性筒部材の下方に配置される絶縁性ドレン配管を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、前記ドレン機構は、前記エンドプレートの外方に延在する金属性ドレン配管を備えるとともに、
   前記金属性ドレン配管は、該金属性ドレン配管内の水分を除去するための水切り部に接続されることを特徴とする燃料電池スタック。

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