JP5144179B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層され、積層方向両端には、長方形状のエンドプレートが配設されるとともに、積層方向に冷却媒体を流す少なくとも冷却媒体供給用又は冷却媒体排出用の複数の連通孔が、前記エンドプレートの長辺方向に沿って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とともに、積層方向両端にエンドプレートが配設された燃料電池スタックとして使用されている。

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。

その際、少なくとも積層方向一端に配設されるエンドプレートには、燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給連通孔、前記燃料ガス流路から使用済みの燃料ガスを排出する燃料ガス排出連通孔、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給連通孔、前記酸化剤ガス流路から使用済みの酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出連通孔、冷却媒体流路に冷却媒体を供給する冷却媒体供給連通孔、及び前記冷却媒体流路から使用済みの冷却媒体を排出する冷却媒体排出連通孔が形成されている。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池では、図７に示すように、一方のプレッシャプレート（エンドプレート）１の一端部側に、燃料ガス供給貫通孔２ａ、冷却水供給貫通孔３ａ及び酸化剤ガス供給貫通孔４ａが形成されるとともに、前記プレッシャプレート１の他端部側には、燃料ガス排出貫通孔２ｂ、冷却水排出貫通孔３ｂ及び酸化剤ガス排出貫通孔４ｂが形成されている。

プレッシャプレート１には、入口孔集合導管５ａと出口孔集合導管５ｂとが装着されている。入口孔集合導管５ａは、燃料ガス供給貫通孔２ａに嵌合する燃料ガス入口孔導管６ａ、冷却水供給貫通孔３ａに嵌合する冷却水入口孔導管７ａ及び酸化剤ガス供給貫通孔４ａに嵌合する酸化剤ガス入口孔導管８ａを有し、これらが鍔部９ａによって一体化されている。

出口孔集合導管５ｂは、燃料ガス排出貫通孔２ｂに嵌合する燃料ガス出口孔導管６ｂ、冷却水排出貫通孔３ｂに嵌合する冷却水出口孔導管７ｂ及び酸化剤ガス排出貫通孔４ｂに嵌合する酸化剤ガス出口孔導管８ｂを有し、これらが鍔部９ｂにより一体化されている。

特開２０００−１６４２３８号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、プレッシャプレート１に複数の貫通孔（燃料ガス供給貫通孔２ａ等）が形成されているため、特に、アルミニウム製の前記プレッシャプレート１は、剛性が低下するおそれがある。このため、プレッシャプレート１に締め付け荷重が付与されると、このプレッシャプレート１に変形等が惹起し易く、スタックの締め付け圧が変化し易く、セル電圧を均一に維持することができないという問題がある。

その際、プレッシャプレート１には、入口孔集合導管５ａ及び出口孔集合導管５ｂが装着されているが、これらにより、前記プレッシャプレート１の強度を十分に補強することはできない。しかも、プレッシャプレート１に変形が惹起すると、入口孔集合導管５ａや出口孔集合導管５ｂは、前記プレッシャプレート１から容易に離脱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、複数の連通孔を有するエンドプレートを良好に補強するとともに、冷却媒体用マニホールドを前記エンドプレートに強固且つ確実に保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、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層され、積層方向両端には、長方形状のエンドプレートが配設されるとともに、積層方向に冷却媒体を流す少なくとも冷却媒体供給用又は冷却媒体排出用の複数の連通孔が、前記エンドプレートの長辺方向に沿って形成される燃料電池スタックに関するものである。

一方のエンドプレートには、長辺方向に沿って樹脂製の冷却媒体用マニホールドが一体成形されるとともに、前記冷却媒体用マニホールドは、前記長辺方向に沿って延在し、内部に複数の連通孔に一体に連通する単一のマニホールド室が形成されるマニホールド本体部と、複数の前記連通孔に挿入されるとともに、前記マニホールド本体部に一体化される複数の挿入部と、複数の前記連通孔の少なくともいずれかに連通して一方の前記エンドプレートに形成される溝部に充填され、前記挿入部に一体成形される抜け止め部とを備えている。

また、冷却媒体用マニホールドは、冷却媒体供給用の複数の連通孔に連通する入口マニホールドと、冷却媒体排出用の複数の連通孔に連通する出口マニホールドとを有し、一方のエンドプレートの長辺側の両端には、前記入口マニホールド及び前記出口マニホールドが前記長辺方向に延在して設けられることが好ましい。

さらに、エンドプレートは、軽金属で構成されることが好ましい。

本発明によれば、冷却媒体用マニホールドを構成するマニホールド本体部が、エンドプレートの長辺方向に沿って延在するため、特に変形し易い前記エンドプレートの長辺方向に対する強度を良好に補強することができる。従って、エンドプレートは、スタック締め付け荷重を確実に受けることが可能になり、発電面に均一な面圧を確実に付与することができる。

しかも、エンドプレートにアンダーカット部が形成されており、冷却媒体用マニホールドの挿入部には、前記アンダーカット部に充填される抜け止め部が一体成形されている。これにより、冷却媒体用マニホールドは、エンドプレートに強固且つ確実に保持され、前記エンドプレートから離脱することを良好に阻止することが可能になる。

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の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の要部分解概略斜視図である。

燃料電池スタック１０は、図２に示すように、電解質膜・電極構造体１２と、前記電解質膜・電極構造体１２を挟持する第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６とを有する単位セル（燃料電池）１８備え、前記単位セル１８が矢印Ａ方向に積層されて構成される。第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、カーボンセパレータにより構成されているが、金属セパレータを用いてもよい。

図１に示すように、単位セル１８の積層方向両端には、ターミナルプレート２０ａ、２０ｂ、絶縁プレート２２ａ、２２ｂ及びエンドプレート２４ａ、２４ｂが外方に向かって配設される。エンドプレート２４ａ、２４ｂは、例えば、アルミニウムやマグネシウム等の軽金属で構成される。

燃料電池スタック１０では、例えば、長方形状に構成されるエンドプレート２４ａ、２４ｂが、矢印Ａ方向に延在する複数のタイロッド２５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、エンドプレート２４ａ、２４ｂ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いてもよい。

図２に示すように、第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６は、縦長形状を有するとともに、長辺が重力方向（矢印Ｃ方向）に向かい且つ短辺が水平方向（矢印Ｂ方向）に向かうように構成される。

単位セル１８の長辺方向の上端縁部には、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が設けられる。

単位セル１８の長辺方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔２８ｂ、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２６ｂが設けられる。

単位セル１８の短辺方向（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、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３０ａ、３２ａが、それぞれ上下２つずつ設けられるとともに、前記単位セル１８の短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３０ｂ、３２ｂが、それぞれ上下２つずつ設けられる。

電解質膜・電極構造体１２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を挟持するカソード側電極３６及びアノード側電極３８とを備える。

カソード側電極３６及びアノード側電極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して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の両面に形成される。

第１セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１４ａ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とを連通する酸化剤ガス流路４０が形成される。酸化剤ガス流路４０は、矢印Ｃ方向に延在する複数の直線状流路溝４０ａを有する。

第２セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２に向かう面１６ａには、燃料ガス供給連通孔２８ａと燃料ガス排出連通孔２８ｂとを連通する燃料ガス流路４２が形成される。燃料ガス流路４２は、矢印Ｃ方向に延在する複数の直線状流路溝４２ａを有する。

第２セパレータ１６の面１６ｂと、第１セパレータ１４の面１４ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔３０ａ、３２ａと冷却媒体排出連通孔３０ｂ、３２ｂとに連通する冷却媒体流路４４が形成される。冷却媒体流路４４は、矢印Ｂ方向に延在する複数の直線状流路溝４４ａを有する。なお、冷却媒体流路４４は、矢印Ｃ方向の略中間高さ位置で、仕切り壁４４ｂにより上下に仕切られていてもよい。

電解質膜・電極構造体１２と第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６との間、並びに互いに隣接する前記第１セパレータ１４と前記第２セパレータ１６との間（隣接する単位セル１８間）には、図示しないが、シール部材が配設される。

図３に示すように、エンドプレート２４ａには、酸化剤ガス供給連通孔２６ａに連通する酸化剤ガス入口４６ａ、燃料ガス供給連通孔２８ａに連通する燃料ガス入口４８ａ、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂに連通する酸化剤ガス出口４６ｂ、及び燃料ガス排出連通孔２８ｂに連通する燃料ガス出口４８ｂが、上下両端縁部に設けられる。

エンドプレート２４ａの左右両端縁部には、冷却媒体供給連通孔３０ａ、３２ａに連通する冷却媒体入口５０ａ、５２ａと、冷却媒体排出連通孔３０ｂ、３２ｂに連通する冷却媒体出口５０ｂ、５２ｂとが設けられる。冷却媒体入口５０ａ、５２ａ及び冷却媒体出口５０ｂ、５２ｂを形成する内周壁面には、前記冷却媒体入口５０ａ、５２ａ及び前記冷却媒体出口５０ｂ、５２ｂを周回して周回溝部５４が設けられる。なお、周回溝部５４は、少なくとも冷却媒体入口５０ａ、５２ａ又は冷却媒体出口５０ｂ、５２ｂのいずれかに設けていればよい。

図１及び図３に示すように、エンドプレート２４ａの上下両端縁部には、酸化剤ガス入口４６ａに連通する酸化剤ガス入口マニホールド５６ａ、燃料ガス入口４８ａに連通する燃料ガス入口マニホールド５８ａ、酸化剤ガス出口４６ｂに連通する酸化剤ガス出口マニホールド５６ｂ及び燃料ガス出口４８ｂに連通する燃料ガス出口マニホールド５８ｂが、一体成形される。

エンドプレート２４ａの左右両端縁部には、冷却媒体入口５０ａ、５２ａに一体に連通する冷却媒体入口マニホールド６０ａと、冷却媒体出口５０ｂ、５２ｂに一体に連通する冷却媒体出口マニホールド６０ｂとが、前記エンドプレート２４ａの長辺方向に延在して一体成形される。

酸化剤ガス入口マニホールド５６ａ、燃料ガス入口マニホールド５８ａ、酸化剤ガス出口マニホールド５６ｂ、燃料ガス出口マニホールド５８ｂ、冷却媒体入口マニホールド６０ａ及び冷却媒体出口マニホールド６０ｂは、樹脂材で形成されており、それぞれの中央部に管路６２ａ、６４ａ、６２ｂ、６４ｂ、６６ａ及び６６ｂを一体に設けている。

冷却媒体入口マニホールド６０ａは、図３〜図５に示すように、冷却媒体供給連通孔３０ａ、３２ａに一体に連通し、長辺方向に沿って延在する単一のマニホールド室６８ａが形成されるマニホールド本体部７０ａを有する。

マニホールド本体部７０ａには、エンドプレート２４ａのそれぞれ２つの冷却媒体入口５０ａ、５２ａに挿入されるそれぞれ２つの挿入部７２ａ、７４ａが一体化される。各挿入部７２ａ、７４ａには、エンドプレート２４ａに形成された周回溝部５４に充填された樹脂によって抜け止め部７６ａが一体成形される（図５参照）。

冷却媒体出口マニホールド６０ｂは、上記の冷却媒体入口マニホールド６０ａと同様に構成されており、同一の構成要素には同一の参照符号にｂを付して、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。

先ず、図１に示すように、燃料電池スタック１０では、酸化剤ガス入口マニホールド５６ａに、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口マニホールド５８ａに、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口マニホールド６０ａ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、各単位セル１８を構成する酸化剤ガス供給連通孔２６ａから第１セパレータ１４の酸化剤ガス流路４０に導入され、電解質膜・電極構造体１２のカソード側電極３６に沿って鉛直下方向に移動する。

一方、燃料ガスは、各単位セル１８を構成する燃料ガス供給連通孔２８ａから第２セパレータ１６の燃料ガス流路４２に導入され、電解質膜・電極構造体１２のアノード側電極３８に沿って鉛直下方向に移動する。

上記のように、各電解質膜・電極構造体１２では、カソード側電極３６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３８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３６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から酸化剤ガス出口マニホールド５６ｂに排出される（図１参照）。同様に、アノード側電極３８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から燃料ガス出口マニホールド５８ｂに排出される。

また、冷却媒体は、図４に示すように、冷却媒体入口マニホールド６０ａ内のマニホールド室６８ａに供給された後、２つずつの挿入部７２ａ、７４ａに分流される。２つずつの挿入部７２ａ、７４ａは、２つずつの冷却媒体供給連通孔３０ａ、３２ａに連通しており、前記冷却媒体供給連通孔３０ａ、３２ａに供給された冷却媒体は、図２に示すように、第１及び第２セパレータ１４、１６間の冷却媒体流路４４に導入される。

冷却媒体は、矢印Ｂ方向（水平方向）に沿って流動し、電解質膜・電極構造体１２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３０ｂ、３２ｂから冷却媒体出口マニホールド６０ｂ内のマニホールド室６８ｂに排出される（図１参照）。

この場合、第１の実施形態では、冷却媒体入口マニホールド６０ａ及び冷却媒体出口マニホールド６０ｂは、エンドプレート２４ａに一体成形されるとともに、それぞれのマニホールド本体部７０ａ、７０ｂは、前記エンドプレート２４ａの長辺方向（矢印Ｃ方向）に沿って延在している。このため、軽金属で構成されるエンドプレート２４ａにおいて、特に変形し易い長辺方向に対する強度を良好に補強することができる。

従って、エンドプレート２４ａ、２４ｂは、タイロッド２５による矢印Ａ方向（図１参照）へのスタック締め付け荷重を確実に受けることが可能になる。これにより、各燃料電池１８の発電面に均一な面圧を確実に付与することができ、効率的且つ良好な発電が遂行されるという効果が得られる。

しかも、エンドプレート２４ａには、例えば、冷却媒体入口５０ａ、５２ａを周回して周回溝部５４が設けられており、冷却媒体入口マニホールド６０ａの各挿入部７２ａ、７４ａには、前記周回溝部５４に充填される抜け止め部７６ａが一体成形されている（図４及び図５参照）。このため、冷却媒体入口マニホールド６０ａは、エンドプレート２４ａに強固且つ確実に保持され、このエンドプレート２４ａから離脱することを良好に阻止することが可能になる。

なお、冷却媒体出口マニホールド６０ｂにおいても、上記の冷却媒体入口マニホールド６０ａと同様の効果が得られる。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック８０を構成する一方のエンドプレート８２と冷却媒体入口マニホールド８４との分解斜視説明図である。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。

エンドプレート８２には、冷却媒体入口５０ａ、５２ａを形成する内周壁面に前記冷却媒体入口５０ａ、５２ａを周回して円弧状溝部８６が断続的に形成される。エンドプレート８２に一体成形される冷却媒体入口マニホールド８４は、冷却媒体入口５０ａ、５２ａに対応して形成される挿入部７２ａ、７４ａの外周面に、円弧状溝部８６に充填される抜け止め部８８が一体成形される。

このように構成される第２の実施形態では、冷却媒体入口マニホールド８４は、長方形状のエンドプレート８２の長辺方向（矢印Ｃ方向）に延在して一体成形されており、前記エンドプレート８２の前記長辺方向に対する強度を良好に補強することができる。

しかも、エンドプレート８２に円弧状溝部８６が断続的に形成されるとともに、冷却媒体入口マニホールド８４には、前記円弧状溝部８６に充填される抜け止め部８８が、挿入部７２ａ、７４ａの外周面に断続的且つ一体に形成されている。

従って、冷却媒体入口マニホールド８４は、エンドプレート８２から離脱することを確実に阻止することが可能になる等、上記の第１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説明図である。 前記燃料電池スタックの要部分解概略斜視図である。 前記燃料電池スタックを構成するエンドプレートと冷却媒体入口マニホールド及び冷却媒体出口マニホールドとの分解斜視説明図である。 前記エンドプレート及び前記冷却媒体入口マニホールドの断面説明図である。 前記冷却媒体入口マニホールドの斜視説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する一方のエンドプレート及び冷却媒体入口マニホールドの分解斜視説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池の一部斜視説明図である。

符号の説明

１０、８０…燃料電池スタック １２…電解質膜・電極構造体
１４、１６…セパレータ １８…単位セル
２４ａ、２４ｂ、８２…エンドプレート
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、３２ａ…冷却媒体供給連通孔 ３０ｂ、３２ｂ…冷却媒体排出連通孔
３４…固体高分子電解質膜 ３６…カソード側電極
３８…アノード側電極 ４０…酸化剤ガス流路
４２…燃料ガス流路 ４４…冷却媒体流路
４６ａ…酸化剤ガス入口 ４６ｂ…酸化剤ガス出口
４８ａ…燃料ガス入口 ４８ｂ…燃料ガス出口
５０ａ、５２ａ…冷却媒体入口 ５０ｂ、５２ｂ…冷却媒体出口
５４…周回溝部 ５６ａ…酸化剤ガス入口マニホールド
５６ｂ…酸化剤ガス出口マニホールド ５８ａ…燃料ガス入口マニホールド
５６ｂ…燃料ガス出口マニホールド ６０ａ…冷却媒体入口マニホールド
６０ｂ…冷却媒体出口マニホールド
６２ａ、６２ｂ、６４ａ、６４ｂ…管路
６８ａ、６８ｂ…マニホールド室 ７０ａ、７０ｂ…マニホールド本体部
７２ａ、７４ａ…挿入部 ７６ａ…抜け止め部

Claims (3)

1. 電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層され、積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁プレート、長方形状のエンドプレートが外方に向かって順に配設されるとともに、積層方向に冷却媒体を流す少なくとも冷却媒体供給用又は冷却媒体排出用の複数の連通孔が、前記エンドプレートの長辺方向に沿って形成される燃料電池スタックであって、
   一方の前記エンドプレートの外面側には、前記長辺方向に沿って樹脂製の冷却媒体用マニホールドが一体成形されるとともに、
   前記冷却媒体用マニホールドは、前記長辺方向に沿って延在し、内部に複数の前記連通孔に一体に連通する単一のマニホールド室が形成されるマニホールド本体部と、
   複数の前記連通孔に挿入されるとともに、前記マニホールド本体部に一体化される複数の挿入部と、
   複数の前記連通孔の少なくともいずれかに連通して一方の前記エンドプレートに形成される溝部に充填され、前記挿入部に一体成形される抜け止め部と、
   を備え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、前記冷却媒体用マニホールドは、冷却媒体供給用の複数の連通孔に連通する入口マニホールドと、
   冷却媒体排出用の複数の連通孔に連通する出口マニホールドと、
   を有し、
   一方の前記エンドプレートの長辺側の両端には、前記入口マニホールド及び前記出口マニホールドが前記長辺方向に延在して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１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記エンドプレートは、軽金属で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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