JP5203250B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

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Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、反応ガスを前記セパレータの面方向に流す反応ガス流路と、前記反応ガスを積層方向に流通させる反応ガス連通孔とが形成される発電セルを備え、複数の前記発電セルが重力方向に積層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配設した電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)(MEA)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、車載用として使用される際、所望の発電力を得るために、所定数(例えば、数十〜数百)の発電セルを積層した燃料電池スタックとして使用されている。その際、燃料電池スタックは、一般的に、セパレータの面内に発電面に沿って反応ガスを流す反応ガス流路と、前記反応ガス流路に連通し、前記発電セルの積層方向に貫通する反応ガス連通孔とを設ける、所謂、内部マニホールドを採用している。
この種の内部マニホールド型燃料電池スタックでは、特に出口側マニホールド(出口側反応ガス連通孔)に、発電反応により生成された生成水が滞留するおそれがある。そこで、フラッディングによる不安定動作を回避するために、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池が知られている。
上記の燃料電池は、イオン伝導性電解質膜と、前記イオン伝導性電解質膜の両面にそれぞれ配置したアノード及びカソードと、前記アノードに燃料ガスを、前記カソードに酸化剤ガスをそれぞれ供給・排出する燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を有する一対の導電性セパレータ板とを具備する単位電池が積層されてなる電池スタックを具備している。
電池スタックはさらに、燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路に供給する燃料ガス入口側マニホールド及び酸化剤ガス入口側マニホールドと、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路から前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスを排出する燃料ガス出口側マニホールド及び酸化剤ガス出口側マニホールドと、前記燃料ガス入口側マニホールド及び酸化剤ガス入口側マニホールドに連結された燃料ガス入口部及び酸化剤ガス入口部と、前記燃料ガス出口側マニホールド及び前記酸化剤ガス出口側マニホールドに連結された燃料ガス出口部及び酸化剤ガス出口部とを具備し、前記各マニホールドが前記導電性セパレータ板をその積層方向に貫通するように形成された燃料電池であって、前記各マニホールドのうちの少なくとも1つのマニホールドを、ガス進行方向に向かって低位になるように傾斜配置し、且つ当該マニホールドの貫通方向が水平に対してなす傾斜角を、当該マニホールドの水滴転落角以上45度以下としている。
特開2004−146303号公報
上記の特許文献1では、例えば、導電性セパレータ板の酸化剤ガス出口側マニホールドに、使用済みの酸化剤ガスと生成水とが排出される際、前記生成水が、前記酸化剤ガス出口側マニホールドの端面を回り込んで他の導電性セパレータ板に付着するおそれがある。このため、単位電池(発電セル)間で液絡が発生し、導電性セパレータ板の腐食や、該腐食による前記導電性セパレータ板の薄肉化が発生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、反応ガス流路の結露水を反応ガス連通孔に沿って、直接、重力方向に確実に落下させることができ、発電セル間の液絡の発生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を配設した電解質・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、反応ガスを前記セパレータの面方向に流す反応ガス流路と、前記反応ガスを積層方向に流通させる反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔とが形成される発電セルを備え、複数の前記発電セルが重力方向に積層される燃料電池スタックに関するものである。
そして、少なくとも反応ガス排出連通孔には、結露水を前記反応ガス排出連通孔に沿って、直接、重力方向に落下させるための水ガイド部材が配設されているとともに、前記水ガイド部材は、前記反応ガス排出連通孔を形成する内周壁部から該反応ガス排出連通孔の内部に突出する板部材である。
また、水ガイド部材は、重力方向に向かって傾斜する板部材であることが好ましい。
さらに、水ガイド部材は、重力方向に向かって屈曲する板部材であることが好ましい。
さらにまた、水ガイド部材は、反応ガス連通孔を周回するリング状に構成されることが好ましい。
また、水ガイド部材は、樹脂製部材で構成されることが好ましい。
さらに、セパレータは、金属セパレータであり、前記金属セパレータにシール部材が一体成形されるとともに、水ガイド部材は、前記シール部材で構成されることが好ましい。
さらにまた、セパレータは、金属セパレータであり、水ガイド部材は、前記金属セパレータにより一体に構成されるとともに、前記水ガイド部材には、絶縁被膜処理が施されることが好ましい。
本発明によれば、反応ガス排出連通孔に反応ガスと結露水とが排出されると、この結露水は、水ガイド部材の案内作用下に、前記反応ガス排出連通孔に沿って、直接、重力方向に落下することができる。従って、反応生成水により発電セル間に液絡が発生することを可及的に阻止す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の一部断面図である。 前記燃料電池スタックを構成する発電セル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カソード側セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池スタックを構成するアノード側セパレータの正面説明図である。 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する水ガイド部材の斜視説明図である。 本発明の第3の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する水ガイド部材の斜視説明図である。 本発明の第4の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する水ガイド部材の断面説明図である。 本発明の第5の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する水ガイド部材の断面説明図である。 本発明の第6の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する水ガイド部材の斜視説明図である。 本発明の第7の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する水ガイド部材の斜視説明図である。
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の一部断面図である。
燃料電池スタック10は、複数の発電セル12が重力方向(矢印A方向)に積層された積層体14を設ける。積層体14の積層方向(矢印A方向)の一端(上端)には、ターミナルプレート16a、絶縁プレート18a及びエンドプレート20aが上方に向かって配設される。積層体14の積層方向の他端(下端)には、ターミナルプレート16b、絶縁プレート18b及びエンドプレート20bが下方に向かって配設される。エンドプレート20a、20bは、図示しないタイロッドにより積層方向に締め付け荷重が付与される。なお、タイロッドに代えてボックス状のケーシングを採用してもよい。
図3に示すように、各発電セル12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を挟持するカソード側セパレータ24及びアノード側セパレータ26とを備える。カソード側セパレータ24及びアノード側セパレータ26は、金属セパレータで構成されているが、例えば、カーボンセパレータで構成してもよい。
発電セル12の矢印B方向(水平方向)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、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、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)32bが設けられる。
発電セル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(反応ガス排出連通孔)28bが設けられる。
図3及び図4に示すように、カソード側セパレータ24の電解質膜・電極構造体22側の面24aには、例えば、矢印B方向に延在する酸化剤ガス流路36が設けられる。酸化剤ガス流路36は、酸化剤ガス供給連通孔28a及び酸化剤ガス排出連通孔28bに連通する。カソード側セパレータ24の面24aとは反対の面24bには、冷却媒体流路38が形成される。冷却媒体流路38は、冷却媒体供給連通孔30a及び冷却媒体排出連通孔30bに連通する。
アノード側セパレータ26の電解質膜・電極構造体22側の面26aには、図5に示すように、燃料ガス供給連通孔32aと燃料ガス排出連通孔32bとに連通し、矢印B方向に延在する燃料ガス流路40が形成される。アノード側セパレータ26の面26aとは反対の面26bには、カソード側セパレータ24の面24bと重なり合うことにより、冷却媒体供給連通孔30aと冷却媒体排出連通孔30bとに連通する冷却媒体流路38が形成される。
カソード側セパレータ24は、金属薄板上に第1シール部材42が一体に射出成形されるとともに、アノード側セパレータ26は、金属薄板上に第2シール部材44が一体に射出成形される。
図4に示すように、第1シール部材42は、カソード側セパレータ24の面24a側に、酸化剤ガス供給連通孔28a及び酸化剤ガス排出連通孔28bを酸化剤ガス流路36に連通する突起部42aを有する。第1シール部材42は、酸化剤ガス供給連通孔28aと酸化剤ガス排出連通孔28bとにそれぞれ近接して、ゴムブリッジを構成する複数の突起部42bと突起部42cとが突起部42aと一体に成形される。
第2シール部材44は、図5に示すように、アノード側セパレータ26の面26a側に、燃料ガス供給連通孔32a及び燃料ガス排出連通孔32bと燃料ガス流路40とを連通する突起部44aを有する。第2シール部材44は、燃料ガス供給連通孔32aと燃料ガス排出連通孔32bとにそれぞれ近接して、ゴムブリッジを構成する複数の突起部44bと突起部44cとが突起部44aと一体に成形される。
図2及び図3に示すように、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(電解質)46と、前記固体高分子電解質膜46を挟持するカソード側電極48及びアノード側電極50とを備える。
カソード側電極48及びアノード側電極50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ることにより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46の両面に形成されている。
カソード側セパレータ24には、図2及び図4に示すように、酸化剤ガス排出連通孔28b内に突出して水ガイド部材52が設けられる。水ガイド部材52は、酸化剤ガス流路36から排出される使用済みの酸化剤ガスに含まれる生成水(結露水)を、酸化剤ガス排出連通孔28bに沿って、直接、重力方向に落下させるための案内面52aを有する。
水ガイド部材52は、酸化剤ガス排出連通孔28b内に突出し且つ重力方向に向かって傾斜する板部材であり(図2参照)、樹脂製部材で構成される。なお、樹脂製部材の表面には、例えば、フッ素を含む溶液を塗布して撥水処理を行ってもよい。この水ガイド部材52は、一端部が第1シール部材42に埋設されており、前記第1シール部材42に一体化されている。
アノード側セパレータ26では、同様に、燃料ガス排出連通孔32b内に突出して水ガイド部材54が設けられる。この水ガイド部材54は、燃料ガス排出連通孔32b内に突出し且つ重力方向に向かって傾斜する板部材であり、第2シール部材44に一端部が埋設される。水ガイド部材54は、樹脂製部材で構成され、燃料ガス排出連通孔32b内に突出する案内面54aを有する。
図1に示すように、エンドプレート20aの矢印B方向の一端縁部には、酸化剤ガス供給連通孔28aに連通する酸化剤ガス入口56a、冷却媒体供給連通孔30aに連通する冷却媒体入口58a、及び燃料ガス排出連通孔32bに連通する燃料ガス出口60bが設けられる。
エンドプレート20aの矢印B方向の他端縁部には、燃料ガス供給連通孔32aに連通する燃料ガス入口60a、冷却媒体排出連通孔30bに連通する冷却媒体出口58b、及び酸化剤ガス排出連通孔28bに連通する酸化剤ガス出口56b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、図1に示すように、エンドプレート20aの酸化剤ガス入口56aから酸化剤ガス供給連通孔28a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60aから燃料ガス供給連通孔32a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58aから冷却媒体供給連通孔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3に示すように、酸化剤ガス供給連通孔28aからカソード側セパレータ24に設けられた酸化剤ガス流路36に導入される。これにより、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路36を矢印B方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体22を構成するカソード側電極48に供給される。
一方、燃料ガスは、アノード側セパレータ26に設けられている燃料ガス流路40に導入される。燃料ガス流路40に導入された燃料ガスは、矢印B方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体22を構成するアノード側電極50に供給される。
従って、電解質膜・電極構造体22では、カソード側電極48に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極50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48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に排出され、酸化剤ガス出口56bを介して燃料電池スタック10の外部に排出される(図1参照)。
一方、アノード側電極50に供給されて消費された使用済みの燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔32bに導出された後、燃料ガス出口60bを介して燃料電池スタック10の外部に排出される(図1参照)。
また、冷却媒体は、図3に示すように、冷却媒体供給連通孔30aから冷却媒体流路38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に排出される。さらに、冷却媒体は、図1に示すように、冷却媒体出口58bを介して燃料電池スタック10の外部に排出される。
この場合、第1の実施形態では、図2〜図4に示すように、カソード側セパレータ24には、酸化剤ガス排出連通孔28b内に突出して板状の水ガイド部材52が設けられている。
酸化剤ガス流路36では、酸化剤ガス供給連通孔28aから送られる酸化剤ガスが発電反応により使用されるとともに、水が生成されている。この生成水は、使用済みの酸化剤ガスとともに、酸化剤ガス排出連通孔28bに排出されている。
その際、酸化剤ガス排出連通孔28b内に突出して水ガイド部材52が設けられており、生成水(結露水)は、前記水ガイド部材52の案内面52aに沿って前記酸化剤ガス排出連通孔28bに、直接、落下することができる。従って、生成水は、酸化剤ガス排出連通孔28bの内壁面を回り込んで、下方に配置される発電セル12に付着することを阻止することができる。
このため、発電セル12間に液絡が発生することを可及的に阻止し、特に金属製のカソード側セパレータ24やアノード側セパレータ26が腐食して貫通したり、薄肉化したりすることを良好に抑制することが可能になる。これにより、各発電セル12を長期間にわたって効率的且つ良好に発電使用することができるという効果が得られる。
なお、アノード側セパレータ26には、同様に、燃料ガス排出連通孔32b内に突出して水ガイド部材54が設けられている。従って、燃料ガス流路40に発生する生成水を、燃料ガス排出連通孔32bに沿って、直接、重力方向に落下させることができ、上記の水ガイド部材52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を構成する水ガイド部材70の斜視説明図である。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の実施形態以降においても同様に、その詳細な説明は省略する。
水ガイド部材70は、三角形状の板部材で構成されており、酸化剤ガス排出連通孔28b内に突出し且つ重力方向に向かって傾斜する三角形案内面70aを有する。
この第2の実施形態では、酸化剤ガス流路36から排出される生成水は、三角形案内面70aの形状及び傾斜に沿って案内される。このため、生成水は、三角形案内面70aの先端部から酸化剤ガス排出連通孔28b内に重力方向に、直接、落下することができる。
図7は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する水ガイド部材80の斜視説明図である。
水ガイド部材80は、水ガイド部材52と同様に、四角板形状を有するとともに、酸化剤ガス排出連通孔28b内に突出する案内面80aには、流路溝82が複数形成されている。
このように構成される第3の実施形態では、酸化剤ガス流路36から酸化剤ガス排出連通孔28b側に排出される生成水は、水ガイド部材80の案内面80aに形成されている複数の流路溝82に沿って円滑且つ確実に流動し、酸化剤ガス排出連通孔28bに、直接、落下することができる。
なお、第1〜第3の実施形態では、水ガイド部材52、54、70及び80は、樹脂製材料で構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、第1シール部材42自体により水ガイド部材52、54、70及び80を一体成形してもよい。その表面には、撥水処理を行ってもよい。
図8は、本発明の第4の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する水ガイド部材90の断面説明図である。
水ガイド部材90は、カソード側セパレータ24により一体構成されるとともに、前記水ガイド部材90には、絶縁被膜処理92が施される。なお、水ガイド部材90の形状は、第2の実施形態又は第3の実施形態と同様に構成してもよい。
これにより、第4の実施形態では、上記の第1〜第3の実施形態と同様の効果が得られる他、部品点数の削減が容易に図られるという利点がある。
図9は、本発明の第5の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する水ガイド部材100の断面説明図である。
水ガイド部材100は、酸化剤ガス排出連通孔28b内に突出し且つ重力方向に向かって屈曲する略L字形状の板部材で構成される。
このため、第5の実施形態では、酸化剤ガス流路36から排出される生成水は、水ガイド部材100の水平面に沿って酸化剤ガス排出連通孔28b内に移動した後、重力方向に屈曲する屈曲部分から重力方向に落下する。従って、生成水は、酸化剤ガス排出連通孔28b内に確実に落下することができる。なお、水ガイド部材100の先端形状は、第2の実施形態又は第3の実施形態と同様に構成してもよい。
図10は、本発明の第6の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する水ガイド部材110の斜視説明図である。
水ガイド部材110は、酸化剤ガス排出連通孔28bを周回する角形リング状に構成されており、この酸化剤ガス排出連通孔28b側に向かって重力方向に傾斜する略円錐形状の案内面110aを有する。水ガイド部材110の案内面110aは、第1の実施形態の水ガイド部材52と同様に傾斜している。
これにより、酸化剤ガス排出連通孔28b側に排出された生成水は、角形リング状の水ガイド部材110の案内面110aに沿って案内され、前記酸化剤ガス排出連通孔28b内に重力方向に、直接、落下させることが可能になる。
図11は、本発明の第7の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する水ガイド部材120の斜視説明図である。
水ガイド部材120は、酸化剤ガス排出連通孔28bを周回する角形リング状に構成される案内面120aを有する。この案内面120aは、酸化剤ガス排出連通孔28bの内壁面側から水平方向に延在した後、重力方向に略90°屈曲成形される。
この水ガイド部材120の断面形状は、第5の実施形態の水ガイド部材100と同様であり、略L字形状を有する。従って、第7の実施形態では、上記の第5の実施形態及び第6の実施形態と同様の効果が得られる。
なお、上記の第2〜第7の実施形態は、第1の実施形態に係る燃料電池スタック10に適用されているが、これに限定されるものではない。例えば、図1に示す反応ガス及び冷却媒体の供給口や排出口が設けられたエンドプレート20aを下端とする一方、エンドプレート20bを上端とするように、燃料電池スタック10を反転させて用いてもよい。
10…燃料電池スタック 12…発電セル
14…積層体 16a、16b…ターミナルプレート
18a、18b…絶縁プレート 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
36…酸化剤ガス流路 38…冷却媒体流路
40…燃料ガス流路 46…固体高分子電解質膜
48…カソード側電極 50…アノード側電極
52、54、70、80、90、100、110、120…水ガイド部材
52a、54a、70a、80a、110a、120a…案内面
82…流路溝 92…絶縁被膜処理

Claims (7)

  1. 電解質の両側に一対の電極を配設した電解質・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、反応ガスを前記セパレータの面方向に流す反応ガス流路と、前記反応ガスを積層方向に流通させる反応ガス供給連通孔及び反応ガス排出連通孔とが形成される発電セルを備え、複数の前記発電セルが重力方向に積層される燃料電池スタックであって、
    少なくとも前記反応ガス排出連通孔には、結露水を該反応ガス排出連通孔に沿って、直接、重力方向に落下させるための水ガイド部材が配設されるとともに、
    前記水ガイド部材は、前記反応ガス排出連通孔を形成する内周壁部から該反応ガス排出連通孔の内部に突出する板部材であ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、前記水ガイド部材は、重力方向に向かって傾斜する板部材であ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、前記水ガイド部材は、重力方向に向かって屈曲する板部材であることを特徴とする燃料電池スタック。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記水ガイド部材は、前記反応ガス排出連通孔を周回するリング状に構成されることを特徴とする燃料電池スタック。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記水ガイド部材は、樹脂製部材で構成されることを特徴とする燃料電池スタック。
  6. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記セパレータは、金属セパレータであり、
    前記金属セパレータにシール部材が一体成形されるとともに、
    前記水ガイド部材は、前記シール部材で構成されることを特徴とする燃料電池スタック。
  7. 請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記セパレータは、金属セパレータであり、
    前記水ガイド部材は、前記金属セパレータにより一体に構成されるとともに、
    前記水ガイド部材には、絶縁被膜処理が施されることを特徴とする燃料電池スタック。
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