JP5054079B2 - 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設けられる電解質・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、積層方向に延在して同一の供給流体又は排出流体を流通させる複数の流体連通孔が形成される積層体を備え、前記積層の積層方向両端にエンドプレートが設けら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配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位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。

この種の燃料電池スタックでは、単位セルの積層方向に貫通して燃料ガスを流すための燃料ガス供給連通孔（流体連通孔）及び燃料ガス排出連通孔（流体連通孔）と、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス供給連通孔（流体連通孔）及び酸化剤ガス排出連通孔（流体連通孔）と、冷却媒体を流すための冷却媒体供給連通孔（流体連通孔）及び冷却媒体排出連通孔（流体連通孔）とを内部に備える、所謂、内部マニホールド型燃料電池スタックを構成する場合が多い。

上記の燃料電池スタックは、積層方向両端にエンドプレートが配設されるとともに、少なくとも一方の前記エンドプレートには、各流体連通孔に連通し配管部材を介して燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体である流体の供給や排出を行うためのマニホールドが設けられている。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池のマニホールドは、図１０に示すように、ＭＥＡとセパレータとを重ねてセルを形成し、前記セルを複数積層してモジュール１を構成している。さらに、モジュール１が積層されることにより、モジュール群２が構成されるとともに、前記モジュール群２の積層方向両端には、エンドプレート３が配置されている。

モジュール群２には、冷却媒体、燃料ガス又は酸化剤ガスである流体を積層方向に流通させるための流体連通孔４が貫通形成されるとともに、エンドプレート３には、マニホールド部材５がボルト６を介して取り付けられている。マニホールド部材５には、流体連通孔４に連通する配管部材７が設けられてる。

マニホールド部材５では、フランジ８の剛性が、前記フランジ８がスタック締め付け時にスタック一端のエンドプレート３に生じる弾性反り変形に追従して変形できる大きさに設定されている。これにより、スタック締め付け時に、エンドプレート３に反りが生じても、フランジ部８と前記エンドプレート３との接続部のシール性を確保することができる、としている。

特開２００２−３４３４１０号公報

ところで、燃料電池スタックでは、スタック内部に同一の流体を供給するため、及び／又は前記スタック内部から同一の流体を排出するため、複数の流体連通孔４が形成されている場合がある。その際、複数の流体連通孔４に連通するマニホールド部材５を用いると、前記マニホールド部材５は、エンドプレート３の面内で各流体連通孔４の配置位置に対応して比較的大きな寸法に構成されてしまう。

このため、スタック締結時にエンドプレート３に弾性変形が発生すると、マニホールド部材５は、前記エンドプレート３に追従して比較的大きく変形し易く、前記マニホールド部材５に高応力が発生するという問題がある。特に、マニホールド部材５は、樹脂材で成形される場合が多く、前記マニホールド部材５が、付与される高応力によって損傷し易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、簡単な構成で、エンドプレートの変形によりマニホールドに発生する応力を良好に削減することができ、前記マニホールドの損傷を可及的に阻止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設けられる電解質・電極構造体と長方形状のセパレータとが積層されるとともに、積層方向に延在して冷媒体を流通させるそれぞれ複数の冷媒体供給連通孔及び冷媒体排出連通孔が形成される積層体を備え、前記積層体の積層方向両端にエンドプレートが設けられる燃料電池スタックに関するものである。

この燃料電池スタックは、少なくとも一方のエンドプレートには、互いに対向する２辺に長辺方向に沿って、各冷媒体供給連通孔に連通する冷媒体供給マニホールドと、各冷媒体排出連通孔に連通する冷媒体排出マニホールドとが設けられ、一対の前記冷媒体供給マニホールド同士及び一対の前記冷媒体排出マニホールド同士は、それぞれ配管部材により連結されるとともに、前記配管部材は、該配管部材自体が伸縮性を有する材料で形成されている。

本発明によれば、各冷媒体供給連通孔及び各冷媒体排出連通孔にそれぞれ連通する冷媒体供給マニホールド同士及び冷媒体排出マニホールド同士は、それぞれ配管部材により連結されるとともに、前記配管部材は、該配管部材自体が伸縮性を有する材料で形成されている。このため、エンドプレートが弾性変形する際に、配管部材自体が伸縮してマニホールドに高応力が発生することを阻止することができる。

これにより、簡単な構成で、エンドプレートの変形に起因してマニホールドに発生する応力を良好に削減することが可能になって、前記マニホールドの損傷を可及的に阻止することができる。

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説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する供給マニホールド部材及び排出マニホールド部材の動作説明図である。 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説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する供給マニホールド部材及び排出マニホールド部材の動作説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する供給マニホールド部材及び排出マニホールド部材の動作説明図である。 本発明に関連する燃料電池スタックの概略斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する供給マニホールド部材及び排出マニホールド部材の動作説明図である。 特許文献１の燃料電池のマニホールドの説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、燃料電池１２を備え、複数の前記燃料電池１２を水平方向（矢印Ａ方向）に沿って互いに積層して積層体が構成される。

燃料電池１２の積層方向一端（積層体の一端）には、第１ターミナルプレート１４ａ、第１絶縁プレート１６ａ及び第１エンドプレート１８ａが積層される一方、積層方向他端（積層体の他端）には、第２ターミナルプレート１４ｂ、第２絶縁プレート１６ｂ及び第２エンドプレート１８ｂが積層される。

長方形状に構成される第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂは、矢印Ａ方向に延在する複数のタイロッド１９により一体的に締め付け保持される。なお、燃料電池スタック１０は、第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂを端板として含む箱状ケーシング（図示せず）により一体的に保持されてもよい。

図２に示すように、燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体２０が、第１及び第２セパレータ２２、２４に挟持される。第１及び第２セパレータ２２、２４は、例えば、カーボンセパレータの他、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等の金属セパレータにより構成される。

燃料電池１２の矢印Ｃ方向（図２中、重力方向）の上端縁部には、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（流体連通孔）２６ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔（流体連通孔）２８ａが、矢印Ｂ方向（水平方向）に配列して設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｃ方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔（流体連通孔）２６ｂ、及び燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔（流体連通孔）２８ｂが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｂ方向の両端縁部には、冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体供給連通孔（流体連通孔）３０ａ、及び前記冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体排出連通孔（流体連通孔）３０ｂが、例えば、それぞれ上下に設けられる。

第１セパレータ２２の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２２ａには、酸化剤ガス供給連通孔２６ａと酸化剤ガス排出連通孔２６ｂとに連通する酸化剤ガス流路３２が設けられる。酸化剤ガス供給連通孔２６ａと酸化剤ガス流路３２とは、連通路３３ａを介して連通するとともに、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂと前記酸化剤ガス流路３２とは、連通路３３ｂを介して連通する。

第２セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２４ａには、燃料ガス供給連通孔２８ａと燃料ガス排出連通孔２８ｂとに連通する燃料ガス流路３４が設けられる。燃料ガス供給連通孔２８ａと燃料ガス流路３４とは、連通路３５ａを介して連通するとともに、燃料ガス排出連通孔２８ｂと前記燃料ガス流路３４とは、連通路３５ｂを介して連通する。

互いに隣接する燃料電池１２を構成する第１セパレータ２２の面２２ｂと、第２セパレータ２４の面２４ｂとの間には、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３６が設けられる。各冷却媒体供給連通孔３０ａと冷却媒体流路３６とは、連通路３８ａを介して連通するとともに、各冷却媒体排出連通孔３０ｂと前記冷却媒体流路３６とは、連通路３８ｂを介して連通する。

第１セパレータ２２の面２２ａ、２２ｂには、第１シール部材４０ａが、一体的に又は個別に設けられるとともに、第２セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、第２シール部材４０ｂが、一体的に又は個別に設けられる。

電解質膜・電極構造体２０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４２と、前記固体高分子電解質膜４２を挟持するカソード側電極４４及びアノード側電極４６とを備える。

カソード側電極４４及びアノード側電極４６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、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て形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４２の両面に形成されている。

図１に示すように、第１エンドプレート１８ａの外面側には、上部側に供給マニホールド部材５０が取り付けられるとともに、下部側に排出マニホールド部材５２が取り付けられる。

供給マニホールド部材５０は、第１エンドプレート１８ａの一対の冷却媒体供給連通孔３０ａ、３０ａに連通する一対のマニホールド５４ａ、５４ａと、一対の前記マニホールド５４ａ、５４ａ同士を連結するとともに、伸縮性を有する配管部材５６ａとを備える。マニホールド５４ａ、５４ａは、第１エンドプレート１８ａの長辺方向（矢印Ｃ方向）に沿って長尺な直方体形状を有しており、第１エンドプレート１８ａに一体成形され、又は、ねじ止めされる。なお、以下に説明する各マニホールドも同様である。

マニホールド５４ａ、５４ａは、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等の樹脂材で構成される一方、配管部材５６ａは、円筒形状を有し、伸縮性を確保するために、ゴム材やＰＰ（ポリプロピレン）等の樹脂材で構成される。配管部材５６ａは、マニホールド５４ａ、５４ａに対し、例えば、一体成形により一体化され、又はバンド等の締結部材により締結される。一方のマニホールド５４ａには、冷却媒体供給管５８ａが一体に設けられる。

排出マニホールド部材５２は、第１エンドプレート１８ａの一対の冷却媒体排出連通孔３０ｂ、３０ｂに連通する一対のマニホールド５４ｂ、５４ｂと、一対の前記マニホールド５４ｂ、５４ｂ同士を連結するとともに、伸縮性を有する配管部材５６ｂとを備える。マニホールド５４ｂ、５４ｂは、第１エンドプレート１８ａの長辺方向に沿って長尺な直方体形状を有するとともに、前記長辺方向に沿って、マニホールド５４ａと前記マニホールド５４ｂとが配列される。

マニホールド５４ｂ、５４ｂは、上記のマニホールド５４ａ、５４ａと同様に、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）等の樹脂材で構成される一方、配管部材５６ｂは、上記の配管部材５６ａと同様に、伸縮性を確保するために、ゴム材やＰＰ（ポリプロピレン）等の樹脂材で構成される。一方のマニホールド５４ｂには、冷却媒体排出管５８ｂが一体に設けられる。

第２エンドプレート１８ｂには、図示しないが、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ、酸化剤ガス流路３２、燃料ガス供給連通孔２８ａ及び燃料ガス排出連通孔２８ｂに対応して、それぞれマニホールドが設けられる。

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。

先ず、第２エンドプレート１８ｂでは、酸化剤ガス供給連通孔２６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔２８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。

さらに、図１に示すように、第１エンドプレート１８ａでは、供給マニホールド部材５０の冷却媒体供給管５８ａから冷却媒体供給連通孔３０ａ、３０ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、図２に示すように、酸化剤ガス供給連通孔２６ａから第１セパレータ２２の酸化剤ガス流路３２に導入される。この酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３２に沿って矢印Ｃ方向（重力方向）に移動し、電解質膜・電極構造体２０のカソード側電極４４に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔２８ａから第２セパレータ２４の燃料ガス流路３４に導入される。この燃料ガスは、燃料ガス流路３４に沿って重力方向（矢印Ｃ方向）に移動し、電解質膜・電極構造体２０のアノード側電極４６に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体２０では、カソード側電極４４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４６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て発電が行われる。

次いで、電解質膜・電極構造体２０のカソード側電極４４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２６ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。電解質膜・電極構造体２０のアノード側電極４６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２８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

一方、２つの冷却媒体供給連通孔３０ａ、３０ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ２２と第２セパレータ２４との間に形成された冷却媒体流路３６に導入される。この冷却媒体は、矢印Ｃ方向に移動して電解質膜・電極構造体２０を冷却した後、２つの冷却媒体排出連通孔３０ｂ、３０ｂから排出マニホールド部材５２の冷却媒体排出管５８ｂを介して外部に排出される。

この場合、燃料電池スタック１０は、複数のタイロッド１９により第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂが、互いに積層方向に一体的に締め付け保持されている。このため、第１エンドプレート１８ａは、図３に示すように、湾曲するように弾性変形し易い。

その際、第１の実施形態では、供給マニホールド部材５０は、一対のマニホールド５４ａ、５４ａ同士を、伸縮性を有する配管部材５６ａにより連結する一方、排出マニホールド部材５２は、一対のマニホールド５４ｂ、５４ｂ同士を、伸縮性を有する配管部材５６ｂ、５６ｂにより連結している。

従って、第１エンドプレート１８ａが弾性変形する際に、配管部材５６ａ、５６ｂ自体が伸縮し、マニホールド５４ａ、５４ａ及びマニホールド５４ｂ、５４ｂは、前記第１エンドプレート１８ａに追従することができる（図３中、二点鎖線参照）。これにより、供給マニホールド部材５０及び排出マニホールド部材５２には、第１エンドプレート１８ａの弾性変形によって高応力が発生することを確実に阻止することが可能になる。

このため、第１エンドプレート１８ａの変形に起因して供給マニホールド部材５０及び排出マニホールド部材５２に発生する応力を、良好に削減することができる。従って、簡単な構成で、供給マニホールド部材５０及び排出マニホールド部材５２の損傷を、可及的に阻止することが可能にな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７０の概略斜視説明図である。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及び第４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７０を構成する第１エンドプレート１８ａには、供給マニホールド部材７２と排出マニホールド部材７４とが、前記第１エンドプレート１８ａの長辺方向に沿って配列される。

供給マニホールド部材７２は、一対のマニホールド５４ａ、５４ａと、一対の前記マニホールド５４ａ、５４ａ同士を連結するとともに、伸縮性を有する配管部材７６ａとを備える。排出マニホールド部材７４は、同様に一対のマニホールド５４ｂ、５４ｂと、一対の前記一対のマニホールド５４ｂ、５４ｂ同士を連結するとともに、伸縮性を有する配管部材７６ｂとを備える。配管部材７６ａ、７６ｂは、図４及び図５に示すように、第１エンドプレート１８ａ側に屈曲する略くの字形状を有する。

このように構成される第２の実施形態では、図５に示すように、第１エンドプレート１８ａが、積層荷重によって中央外方に向かって湾曲するように弾性変形し易い。その際、配管部材７６ａ、７６ｂは、第１エンドプレート１８ａ側に屈曲する略くの字形状を有するため、前記配管部材７６ａ、７６ｂは、略直線状になるよう屈曲変形することができる。

これにより、マニホールド５４ａ、５４ａ及びマニホールド５４ｂ、５４ｂに高応力が発生することを阻止することができる。このため、簡単な構成で、供給マニホールド部材７２及び排出マニホールド部材７４の損傷を可及的に阻止することができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック８０の概略斜視説明図である。

燃料電池スタック８０を構成する第１エンドプレート１８ａには、供給マニホールド部材８２と排出マニホールド部材８４とが、前記第１エンドプレート１８ａの長辺方向に沿って配列される。

供給マニホールド部材８２は、一対のマニホールド５４ａ、５４ａと、一対の前記マニホールド５４ａ、５４ａ同士を連結するとともに、伸縮性を有する配管部材８６ａとを備える。排出マニホールド部材８４は、同様に一対のマニホールド５４ｂ、５４ｂと、一対の前記一対のマニホールド５４ｂ、５４ｂ同士を連結するとともに、伸縮性を有する配管部材８６ｂとを備える。配管部材８６ａ、８６ｂは、蛇腹状のホースにより構成されており、ゴム材又は樹脂材で形成される。

このように構成される第３の実施形態では、図７に示すように、第１エンドプレート１８ａが弾性変形する際に、蛇腹状の配管部材８６ａ、８６ｂ自体が伸縮することにより、供給マニホールド部材８２及び排出マニホールド部材８４に高応力が発生することを阻止することが可能になる。

従って、第２の実施形態では、簡単な構成で、供給マニホールド部材８２及び排出マニホールド部材８４の損傷を可及的に阻止することができる等、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。

図８は、本発明に関連する燃料電池スタック９０の概略斜視説明図である。

燃料電池スタック９０を構成する第１エンドプレート１８ａには、供給マニホールド部材９２と排出マニホールド部材９４とが、前記第１エンドプレート１８ａの長辺方向に沿って配列される。

供給マニホールド部材９２は、一対のマニホールド５４ａ、５４ａと、一対の前記マニホールド５４ａ、５４ａの互いに対向する側部から膨出形成される円筒部９６ａ、９６ａと、一対の前記円筒部９６ａ、９６ａに形成された段付き孔部９８ａ、９８ａにシール（Ｏリング）１００ａ、１００ａを介装して軸方向に摺動可能に挿入される配管部材１０２ａとを有する。なお、円筒部９６ａ、９６ａの外周にシールを介装して配管部材（図示せず）を外嵌してもよい。

排出マニホールド部材９４は、同様に一対のマニホールド５４ｂ、５４ｂと、一対の前記マニホールド５４ｂ、５４ｂの互いに対向する側部に膨出形成される円筒部９６ｂ、９６ｂの段付き孔部９８ｂ、９８ｂに、シール１００ｂ、１００ｂを介装して進退自在に嵌合する配管部材１０２ｂとを有する。

このように構成される燃料電池スタック９０では、第１エンドプレート１８ａが弾性変形する際に、配管部材１０２ａ、１０２ｂは、シール１００ａ、１００ｂによりシールされた状態で、円筒部９６ａ、９６ｂの内周面を摺動することができ、マニホールド５４ａ、５４ｂに高応力が付与されることがない。

１０、７０、８０、９０…燃料電池スタック １２…燃料電池
１８ａ、１８ｂ…エンドプレート ２０…電解質膜・電極構造体
２２、２４、９２…セパレータ ２６ａ…酸化剤ガス供給連通孔
２６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ２８ａ…燃料ガス供給連通孔
２８ｂ…燃料ガス排出連通孔 ３０ａ…冷却媒体供給連通孔
３０ｂ…冷却媒体排出連通孔 ３２…酸化剤ガス流路
３３ａ、３３ｂ、３５ａ、３５ｂ、３８ａ、３８ｂ…連通路
３６…冷却媒体流路 ４２…固体高分子電解質膜
４４…カソード側電極 ４６…アノード側電極
５０、７２、８２、９２…供給マニホールド部材
５２、７４、８４、９４…排出マニホールド部材
５４ａ、５４ｂ…マニホールド
５６ａ、５６ｂ、７６ａ、７６ｂ、８６ａ、８６ｂ、１０２ａ、１０２ｂ…配管部材
９６ａ、９６ｂ…円筒部 ９８ａ、９８ｂ…段付き孔部
１００ａ、１００ｂ…シール

Claims (3)

1. 電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体と長方形状のセパレータとが積層されるとともに、積層方向に延在して冷媒体を流通させるそれぞれ複数の冷媒体供給連通孔及び冷媒体排出連通孔が形成される積層体を備え、前記積層体の積層方向両端にエンドプレートが設けられる燃料電池スタックであって、
   少なくとも一方の前記エンドプレートには、互いに対向する２辺に長辺方向に沿って、各冷媒体供給連通孔に連通する冷媒体供給マニホールドと、各冷媒体排出連通孔に連通する冷媒体排出マニホールドとが設けられ、
   一対の前記冷媒体供給マニホールド同士及び一対の前記冷媒体排出マニホールド同士は、それぞれ配管部材により連結されるとともに、
   前記配管部材は、該配管部材自体が伸縮性を有する材料で形成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、前記配管部材は、前記エンドプレート側にくの字形状に屈曲することを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記配管部材は、蛇腹状に構成されることを特徴とする燃料電池スタック。

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