JP5054080B2 - 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、積層方向両端に長方形状のエンドプレートが配設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、例えば、車載用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及び燃料ガス排出連通孔と、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス供給連通孔及び酸化剤ガス排出連通孔と、冷却媒体を流すための冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出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を構成する場合が多い。

内部マニホールド型燃料電池に関連する技術として、例えば、特許文献１が知られている。この特許文献１では、図７に示すように、冷却媒体通路を確保するためのスペーサ１を備えており、このスペーサ１の周辺部２には、上下に一方の反応ガス流路となる孔３と、他方の反応ガス流路となる孔４とが設けられている。周辺部２の両側部には、それぞれ冷却媒体通路となる一対の孔５ａ、５ｂが上下に設けられており、各一対の前記孔５ａ、５ｂは、連通路６を介して中央部の冷却媒体用空間７に連通している。

特開２０００−２６０４３９号公報

ところで、上記の燃料電池では、冷却媒体供給通路となる一対の孔５ａ同士及び冷却媒体排出通路となる一対の孔５ｂ同士を、エンドプレートに設けられたそれぞれ単一の供給マニホールド及び排出マニホールドで連通する場合がある。

その際、例えば、供給マニホールドが四角形状に構成されていると、前記供給マニホールドの内部容積が大きくなる。このため、供給マニホールドに連結された供給配管から前記供給マニホールド内に冷却媒体が流入されると、前記冷却媒体の流速が著しく低下し易い。従って、供給マニホールド内で冷却媒体の圧損が相当に増加するとともに、前記供給マニホールド内の流れに渦流が惹起され、一対の孔５ａに前記冷却媒体を良好に供給することができないという問題がある。一方、排出マニホールド内でも同様の問題がある。

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、マニホールド内の圧損を良好に低減させることができ、冷却媒体を円滑且つ均一に燃料電池に供給流通させ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・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、積層方向両端に長方形状のエンドプレートが配設される燃料電池スタックに関するものである。

燃料電池スタックの互いに対向する長辺側の２辺には、それぞれの一端側に積層方向に連通して冷却媒体を流通させる冷却媒体供給連通孔が互いに対向して一対設けられ、且つ、それぞれの他端側に冷却媒体排出連通孔が互いに対向して一対設けられている。そして、一方のエンドプレートには、少なくとも一対の冷却媒体供給連通孔又は一対の冷却媒体排出連通孔のいずれかに連通する一対のマニホールド部と、前記一対のマニホールド部同士を連結し且つ長辺側に沿う幅寸法が前記一対のマニホールド部の寸法よりも小さく設定される連結部とが設けられている。

また、エンドプレートには、冷却媒体供給連通孔に連通する一対のマニホールド部である一対の供給マニホールド部と、前記一対の供給マニホールド部同士を連結する連結部である供給連結部と、前記冷却媒体排出連通孔に連通する前記一対のマニホールド部である一対の排出マニホールド部と、前記一対の排出マニホールド部同士を連結する前記連結部である排出連結部とが設けられることが好ましい。

さらに、一対の供給マニホールド部の一方には、エンドプレートの外部に延在する供給配管が設けられるとともに、一対の排出マニホールド部の前記供給配管と対角位置には、前記エンドプレートの外部に延在する排出配管が設けられることが好ましい。

本発明によれば、一対のマニホールド部が、幅寸法の小さな連結部により連結されている。このため、マニホールド全体として矩形状を有することがなく、マニホールドの内部容積及び重量（コスト）が良好に削減される。従って、マニホールド内に流入する冷却媒体の圧損の増加を有効に抑制することができ、前記冷却媒体を円滑且つ均一に燃料電池に供給流通させることが可能になる。

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第１エンドプレートの正面説明図である。 連結部の幅寸法と圧損との関係説明図である。 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。 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。 特許文献１のスペーサの説明図である。

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）又は鉛直方向（矢印Ｃ方向）に沿って互いに積層して構成される。

燃料電池１２の積層方向一端には、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２６ｂ、及び燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔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（長辺側の２辺）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。

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。

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、上部側に冷却媒体供給マニホールド５０が設けられるとともに、下部側に冷却媒体排出マニホールド５２が設けられる。冷却媒体供給マニホールド５０及び冷却媒体排出マニホールド５２は、下方に開口する略コ字状を有する。

なお、第１エンドプレート１８ａ側に、例えば、冷却媒体供給マニホールド５０を設ける一方、第２エンドプレート１８ｂ側に、例えば、冷却媒体排出マニホールド５２を設けてもよい。また、上記とは逆の構成でもよい。

図１及び図３に示すように、冷却媒体供給マニホールド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に連通する一対の供給マニホールド部５４ａ、５４ａと、一対の前記供給マニホールド部５４ａ、５４ａの上部側同士を連結するとともに、長辺方向（矢印Ｃ方向）に沿う幅寸法が、一対の前記供給マニホールド部５４ａ、５４ａの寸法よりも小さく設定される供給連結部５６ａとを備える。供給連結部５６ａの底面は、供給マニホールド部５４ａ、５４ａの底面から距離Ｘ（後述する）だけ上方に離間する。

供給マニホールド部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いる。一方の供給マニホールド部５４ａには、第１エンドプレート１８ａの外部に延在する供給配管５８ａが一体に設けられる。この供給配管５８ａは、図示しない冷却媒体供給部に連通する。

冷却媒体排出マニホールド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に連通する一対の排出マニホールド部５４ｂ、５４ｂと、一対の前記排出マニホールド部５４ｂ、５４ｂの上部側同士を連結するとともに、長辺方向（矢印Ｃ方向）に沿う幅寸法が、一対の前記排出マニホールド部５４ｂ、５４ｂの寸法よりも小さく設定される排出連結部５６ｂとを備える。排出連結部５６ｂの底面は、排出マニホールド部５４ｂ、５４ｂの底面から距離Ｘ（後述する）だけ上方に離間する。なお、供給マニホールド部５４ａ、５４ａの距離Ｘと、排出マニホールド部５４ｂ、５４ｂの距離Ｘとは、異なる値であってもよい。

排出マニホールド部５４ｂ、５４ｂ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いる。排出マニホールド部５４ｂには、供給配管５８ａと対角位置に、第１エンドプレート１８ａの外部に延在する排出配管５８ｂが一体に設けられる。この排出配管５８ｂは、図示しない冷却媒体供給部に連通する。

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、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ、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、供給配管５８ａから冷却媒体供給マニホールド５０内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。この冷却媒体の一部分は、供給配管５８ａが設けられる一方の供給マニホールド部５４ａから冷却媒体供給連通孔３０ａに供給されるとともに、前記冷却媒体の残余の部分は、供給連結部５６ａを通って他方の供給マニホールド部５４ａから冷却媒体供給連通孔３０ａに供給される。

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から冷却媒体排出マニホールド５２の一対の排出マニホールド部５４ｂ、５４ｂに排出される。

図１に示すように、一方の排出マニホールド部５４ｂに排出された冷却媒体は、直接、排出配管５８ｂを介して外部に排出される。他方の排出マニホールド部５４ｂに排出された冷却媒体は、排出連結部５６ｂを通って一方の排出マニホールド部５４ｂに流入した後、排出配管５８ｂを介して外部に排出される。

この場合、第１の実施形態では、図３に示すように、冷却媒体供給マニホールド５０は、一対の供給マニホールド部５４ａ、５４ａと幅狭な供給連結部５６ａとを一体に有するとともに、一方の前記供給マニホールド部５４ａには、供給配管５８ａが設けられている。さらに、冷却媒体排出マニホールド５２は、一対の排出マニホールド部５４ｂ、５４ｂと幅狭な排出連結部５６ｂとを一体に有するとともに、供給配管５８ａと対角位置の前記排出マニホールド部５４ｂには、排出配管５８ｂが設けられている。

ここで、供給連結部５６ａの底面は、供給マニホールド部５４ａ、５４ａの底面から距離Ｘだけ上方に離間する一方、排出連結部５６ｂの底面は、排出マニホールド部５４ｂ、５４ｂの底面から距離Ｘだけ上方に離間している。

図４には、供給配管５８ａから排出配管５８ｂまでの冷却媒体の圧損と、距離Ｘとの関係が示されている。これにより、距離Ｘが０の際、すなわち、冷却媒体供給マニホールド５０（及び冷却媒体排出マニホールド５２）が、四角形状（矩形状）の場合には、前記冷却媒体供給マニホールド５０の内部容積が相当に大きくなる。従って、供給配管５８ａから冷却媒体供給マニホールド５０内に冷却媒体が流入されると、前記冷却媒体の流速が著しく低下し、該冷却媒体の圧損が相当に増加している。

一方、距離Ｘが増加すると、冷却媒体供給マニホールド５０及び冷却媒体排出マニホールド５２の内部容積が減少するため、前記冷却媒体供給マニホールド５０及び前記冷却媒体排出マニホールド５２の圧損が低下する。そして、距離Ｘ１を超えると、供給連結部５６ａ及び排出連結部５６ｂの流路断面積が縮小し、圧損が増加する。

このため、距離Ｘ１に設定することにより、冷却媒体供給マニホールド５０及び冷却媒体排出マニホールド５２の圧損を最も低下させることができる。これにより、簡単な構成で、冷却媒体を円滑且つ確実に流通させることが可能になるという効果が得られる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック７０の一部省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は、第１エンドプレート１８ａの外面側に設けられる冷却媒体供給マニホールド７２及び冷却媒体排出マニホールド７４を備える。冷却媒体供給マニホールド７２及び冷却媒体排出マニホールド７４は、略Ｈ字状を有する。

冷却媒体供給マニホールド７２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に連通する一対の縦長形状の供給マニホールド部７６ａ、７６ａと、一対の前記供給マニホールド部７６ａ、７６ａの略中間位置同士を連結し且つ長辺方向（矢印Ｃ方向）に沿う幅寸法が、一対の前記供給マニホールド部７６ａ、７６ａよりも小さく設定される供給連結部７８ａとを備える。一方の供給マニホールド部７６ａには、第１エンドプレート１８ａの外部に延在する供給配管８０ａが一体に設けられる。

冷却媒体排出マニホールド７４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に連通する一対の排出マニホールド部７６ｂ、７６ｂと、一対の前記排出マニホールド部７６ｂ、７６ｂの略中間位置同士を連結し且つ長辺方向（矢印Ｃ方向）に沿う幅寸法が、一対の前記排出マニホールド部７６ｂ、７６ｂよりも小さく設定される排出連結部７８ｂとを備える。排出マニホールド部７６ｂには、供給配管８０ａと対角位置に、第１エンドプレート１８ａの外部に延在する排出配管８０ｂが一体に設けられる。

このように構成される第２の実施形態では、冷却媒体供給マニホールド７２及び冷却媒体排出マニホールド７４は、略Ｈ字状を有している。このため、第２の実施形態は、略コ字状の冷却媒体供給マニホールド５０及び冷却媒体排出マニホールド５２を備える第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９０の一部省略斜視説明図である。

燃料電池スタック９０は、第１エンドプレート１８ａの外面側に設けられる冷却媒体供給マニホールド９２及び冷却媒体排出マニホールド９４を備える。冷却媒体供給マニホールド９２及び冷却媒体排出マニホールド９４は、上方に開口する略コ字状を有する。

冷却媒体供給マニホールド９２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に連通する一対の縦長形状の供給マニホールド部９６ａ、９６ａと、一対の前記供給マニホールド部９６ａ、９６ａの下部側同士を連結し且つ長辺方向に沿う幅寸法が、一対の前記供給マニホールド部９６ａ、９６ａよりも小さく設定される供給連結部９８ａとを備える。一方の供給マニホールド部９６ａには、第１エンドプレート１８ａの外部に延在する供給配管１００ａが一体に設けられる。

冷却媒体排出マニホールド９４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に連通する一対の排出マニホールド部９６ｂ、９６ｂと、一対の前記排出マニホールド部９６ｂ、９６ｂの下部側同士を連結し且つ長辺方向に沿う幅寸法が、一対の前記排出マニホールド部９６ｂ、９６ｂよりも小さく設定される排出連結部９８ｂとを備える。排出マニホールド部９６ｂには、供給配管１００ａと対角位置に、第１エンドプレート１８ａの外部に延在する排出配管１００ｂが一体に設けられる。

このように構成される第３の実施形態では、冷却媒体供給マニホールド９２及び冷却媒体排出マニホールド９４は、上方に開口する略コ字状を有している。このため、第３の実施形態は、下方に開口する略コ字状の冷却媒体供給マニホールド５０及び冷却媒体排出マニホールド５２を備える第１の実施形態、並びに略Ｈ字状の冷却媒体供給マニホールド７２及び冷却媒体排出マニホールド７４を備える第２の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、７０、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…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
３４…燃料ガス流路 ３６…冷却媒体流路
３８ａ、３８ｂ…連通路 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、９２…冷却媒体供給マニホールド
５２、７４、９４…冷却媒体排出マニホールド
５４ａ、７６ａ、９６ａ…供給マニホールド部
５４ｂ、７６ｂ、９６ｂ…排出マニホールド部
５６ａ、７８ａ、９８ａ…供給連結部 ５６ｂ、７８ｂ、９８ｂ…排出連結部
５８ａ、８０ａ、１００ａ…供給配管 ５８ｂ、８０ｂ、１００ｂ…排出配管

Claims (3)

1. 電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、積層方向両端に長方形状のエンドプレートが配設される燃料電池スタックであって、
   前記燃料電池スタックの互いに対向する長辺側の２辺には、それぞれの一端側に積層方向に連通して冷却媒体を流通させる冷却媒体供給連通孔が互いに対向して一対設けられ、且つ、それぞれの他端側に冷却媒体排出連通孔が互いに対向して一対設けられるとともに、
   一方の前記エンドプレートには、少なくとも前記一対の冷却媒体供給連通孔又は前記一対の冷却媒体排出連通孔のいずれかに連通する一対のマニホールド部と、
   前記一対のマニホールド部同士を連結し且つ前記長辺側に沿う幅寸法が前記一対のマニホールド部の寸法よりも小さく設定される連結部と、
   が設けら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、前記冷却媒体供給連通孔に連通する前記一対のマニホールド部である一対の供給マニホールド部と、
   前記一対の供給マニホールド部同士を連結する前記連結部である供給連結部と、
   前記冷却媒体排出連通孔に連通する前記一対のマニホールド部である一対の排出マニホールド部と、
   前記一対の排出マニホールド部同士を連結する前記連結部である排出連結部と、
   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、前記一対の供給マニホールド部の一方には、前記エンドプレートの外部に延在する供給配管が設けられるとともに、
   前記一対の排出マニホールド部の前記供給配管と対角位置には、前記エンドプレートの外部に延在する排出配管が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。

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