JP5231055B2 - 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又は反応ガスを流す少なくとも流体供給用又は流体排出用の連通孔が、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８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

ところで、上記の特許文献１では、燃料電池スタックの内圧によりプレッシャプレート１に曲げ応力が発生し、前記プレッシャプレート１が変形するおそれがある。特に、長方形状のプレッシャプレート１では、長辺方向に比較的大きな変形が惹起される。

その際、プレッシャプレート１の長辺方向に沿って樹脂製の入口孔集合導管５ａ及び出口孔集合導管５ｂが配置される構成では、前記入口孔集合導管５ａ及び前記出口孔集合導管５ｂの長尺方向の端部に、樹脂の剛性による曲げ応力に対する抗力が発生し易い。これにより、入口孔集合導管５ａ及び出口孔集合導管５ｂの端部は、プレッシャプレート１から剥離するとともに、前記端部にクラック等が生じ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、長方形状のエンドプレートの長辺方向に沿って設けられる樹脂製マニホールド部材が、前記エンドプレートから剥離することを確実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て構成される単位セルを備え、該単位セルの積層方向両端には、長方形状のエンドプレートが配設されるとともに、前記積層方向に冷却媒体又は反応ガスを流す少なくとも流体供給用又は流体排出用の連通孔が、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の単位セルと反対側には、前記エンドプレートから突出した状態で、長辺方向に沿って延在する樹脂製マニホールド部材が設けられ、前記樹脂製マニホールド部材には、連通孔に連通し、前記一方の前記エンドプレートに積層方向に貫通して設けられた流体入口又は流体出口に挿入される挿入部が一体に設けられるとともに、前記樹脂製マニホールド部材の長手方向の少なくとも一方の端部で且つ前記挿入部から離間した位置には、前記樹脂製マニホールド部材が前記一方の前記エンドプレートから剥離することを阻止する補強部が設けられている。

また、補強部は、一方のエンドプレートに形成された貫通孔に充填されるとともに、一方の前記エンドプレートの両面で樹脂製マニホールド部材と一体に連結される柱状部を備えることが好ましい。

さらに、補強部は、一方のエンドプレートに貫通形成された開口部に挿入されるとともに、一方の前記エンドプレートの両面に突出する爪部で樹脂製マニホールド部材を保持する補強金具を備えることが好ましい。

本発明によれば、エンドプレートに荷重等が印加した場合、このエンドプレートが長辺方向に沿って変形し、樹脂製マニホールド部材の長手方向の少なくとも一方の端部に設けられている補強部の作用下に、前記端部が前記エンドプレートから剥離することを確実に阻止することができる。これにより、所望のシール性を確保するとともに、樹脂製マニホールド部材にクラック等が発生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を備え、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４つの冷却媒体供給連通孔３０ａが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４つの冷却媒体排出連通孔３０ｂが設けられる。

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（鉛直方向）に延在する。

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。

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と冷却媒体排出連通孔３０ｂ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。

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の上下両端縁部には、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に連通する冷却媒体入口５０ａと、冷却媒体排出連通孔３０ｂに連通する冷却媒体出口５０ｂとが設けられる。エンドプレート２４ａには、長辺方向（矢印Ｃ方向）両端に設けられる冷却媒体入口５０ａ及び冷却媒体出口５０ｂに近接してそれぞれ一対の貫通孔５２ａ、５２ｂ、５２ｃ及び５２ｄが形成される。

エンドプレート２４ａの両面には、酸化剤ガス入口４６ａ、燃料ガス入口４８ａ、酸化剤ガス出口４６ｂ及び燃料ガス出口４８ｂを周回して溝部５５ａが形成される。エンドプレート２４ａの両面には、さらに冷却媒体入口５０ａ及び冷却媒体出口５０ｂを周回して溝部５５ｂが形成される。

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、複数の冷却媒体入口５０ａに一体に連通する冷却媒体入口マニホールド６０ａと、複数の冷却媒体出口５０ｂ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、樹脂製マニホールド部材であり、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、複数の冷却媒体供給連通孔３０ａ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が形成されるとともに、エンドプレート２４ａの一方の面側（外部側）の溝部５５ｂに成形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４つの冷却媒体入口５０ａに挿入される４つの挿入部７２ａの一端部が一体化され、各挿入部７２ａの他端部が略板状の連結部７４ａに一体化される。連結部７４ａは、エンドプレート２４ａの他方の面側（単位セル１８側）の溝部５５ｂに成形される。

冷却媒体入口マニホールド６０ａの長手方向の両端部には、エンドプレート２４ａに形成されたそれぞれ２つの貫通孔５２ａ、５２ｂに充填されるとともに、マニホールド本体部７０ａと連結部７４ａとに一体に連結される柱状部（補強部）７６ａが設けられる。

なお、エンドプレート２４ａにそれぞれ１つの貫通孔５２ａを設け、冷却媒体入口マニホールド６０ａの長手方向の両端部にそれぞれ１つの柱状部７６ａを設けてもよい。また、冷却媒体入口マニホールド６０ａの長手方向の一端部にのみ、２つの柱状部７６ａ又は１つの柱状部７６ａを設けてもよい。

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、４つの挿入部７２ａに分流される。各挿入部７２ａは、各冷却媒体供給連通孔３０ａに連通しており、前記冷却媒体供給連通孔３０ａ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が、エンドプレート２４ａの長辺方向（矢印Ｃ方向）に延在して設けられるとともに、図４及び図５に示すように、前記冷却媒体入口マニホールド６０ａの長手方向の両端部には、前記エンドプレート２４ａに形成された貫通孔５２ａ、５２ｂに充填されるとともに、マニホールド本体部７０ａと連結部７４ａとに一体に連結される柱状部７６ａが設けられている。

このため、燃料電池スタック１０の内圧（例えば、燃料電池スタック１０の締め付け荷重や固体高分子電解質膜３４の水分量の増加による膨張）によりエンドプレート２４ａが長辺方向に沿って変形しても、冷却媒体入口マニホールド６０ａの長手方向の両端部に設けられている柱状部７６ａの作用下に、前記両端部が前記エンドプレート２４ａから剥離することを確実に阻止することができる。これにより、所望のシール性を確保するとともに、冷却媒体入口マニホールド６０ａにクラック等が発生することを良好に阻止することが可能になるという効果が得られる。

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を構成するエンドプレート８２と冷却媒体入口マニホールド８４ａ及び冷却媒体出口マニホールド８４ｂ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、長辺方向（矢印Ｃ方向）両端に設けられる冷却媒体入口５０ａ及び冷却媒体出口５０ｂに近接してそれぞれ開口部８６が形成される。開口部８６には、補強金具（補強部）８８が挿入されるとともに、前記補強金具８８は、エンドプレート８２の両面に突出して屈曲し、冷却媒体入口マニホールド８４ａの両端及び冷却媒体出口マニホールド８４ｂの両端を保持する爪部９０を有する（図６及び図７参照）。

このように構成される第２の実施形態では、エンドプレート８２が長辺方向に沿って変形しても、冷却媒体入口マニホールド８４ａの長手方向の両端部が補強金具８８に保持されるため、前記両端部が前記エンドプレート８２から剥離することを阻止することができる。これにより、所望のシール性を確保するとともに、冷却媒体入口マニホールド８４ａにクラック等が発生することを良好に阻止することが可能になる等、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。 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…冷却媒体供給連通孔 ３０ｂ…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…冷却媒体入口 ５０ｂ…冷却媒体出口
５２ａ〜５２ｄ…貫通孔 ５５ａ、５５ｂ…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 ５８ｂ…燃料ガス出口マニホールド
６０ａ、８４ａ…冷却媒体入口マニホールド
６０ｂ、８４ｂ…冷却媒体出口マニホールド
６８ａ、６８ｂ…マニホールド室 ７０ａ…マニホールド本体部
７２ａ…挿入部 ７４ａ…連結部
７６ａ…柱状部 ８６…開口部
８８…補強金具

Claims (2)

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て構成される単位セルを備え、該単位セルの積層方向両端には、長方形状のエンドプレートが配設されるとともに、前記積層方向に冷却媒体又は反応ガスを流す少なくとも流体供給用又は流体排出用の連通孔が、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前記単位セルと反対側には、前記エンドプレートから突出した状態で、前記長辺方向に沿って延在する樹脂製マニホールド部材が設けられ、
   前記樹脂製マニホールド部材には、前記連通孔に連通し、前記一方の前記エンドプレートに前記積層方向に貫通して設けられた流体入口又は流体出口に挿入される挿入部が一体に設けられるとともに、
   前記樹脂製マニホールド部材の長手方向の少なくとも一方の端部で且つ前記挿入部から離間した位置には、前記樹脂製マニホールド部材が前記一方の前記エンドプレートから剥離することを阻止する補強部が設けられ、
   前記補強部は、前記一方の前記エンドプレートに形成された貫通孔に充填されるとともに、前記一方の前記エンドプレートの両面で前記樹脂製マニホールド部材と一体に連結される柱状部を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 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、前記積層方向に冷却媒体又は反応ガスを流す少なくとも流体供給用又は流体排出用の連通孔が、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には、前記連通孔に連通し且つ前記長辺方向に沿って延在する樹脂製マニホールド部材が設けられるとともに、
   前記樹脂製マニホールド部材の長手方向の少なくとも一方の端部には、前記樹脂製マニホールド部材が前記一方の前記エンドプレートから剥離することを阻止する補強部が設けられ、
   前記補強部は、前記一方の前記エンドプレートに貫通形成された開口部に挿入されるとともに、前記一方の前記エンドプレートの両面に突出する爪部で前記樹脂製マニホールド部材を保持する補強金具を備えることを特徴とする燃料電池スタック。

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