JP5488943B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、水素含有ガスや酸素含有ガスを流出入させるためのマニホールドを備えた燃料電池に関する。

この種の燃料電池として、特許文献１に「燃料電池システム」とした名称において開示された構成のものがある。
特許文献１に記載の燃料電池システムでは、アノード出口内部マニホールドは、セル構成体の反応エリアの鉛直方向の下側よりも下方領域に容積が拡大され、これに伴い、各セパレータ及びセル構成体の電解質膜の下方輪郭が部分的に鉛直方向下方に突出する形状となっており、その拡大されたアノード出口内部マニホールドが、アノードガス流路の出口から排出される凝縮水を溜める水溜り部を構成している。

特開２０１０‐１２９４７９号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の燃料電池システムでは、上記拡大されたアノード出口内部マニホールドの水溜まり部をガス流路よりも鉛直方向下側に位置させているために、セル構成体の一部が膨出して大型化しやすくスタッキング構造も複雑となる。

また、セル構成体の一部が膨出するために面圧バラツキの要因となりやすく、その結果、性能低下やシール性の悪化を招来するとともに、膨出した部分を含む矩形としても無駄領域ができるために大型化を回避できない。

そこで本発明は、マニホールドに液水が残留するときにも、その残留している液水が発電部へ流入することを防止でき、かつ、面圧を一定にして小型化を図ることができる燃料電池の提供を目的としている。

一対のセパレータ間に、アノードとカソードとを電解質膜の両側に接合した発電部を有するセル構成体が挟入された燃料電池であって、アノードとカソードに対して水素含有ガスと酸素含有ガスを互いに分離して流出入させるためのマニホールドをセル構成体及び一対のセパレータに形成し、セル構成体及び一対のセパレータに形成されたマニホールドを互いに対向する位置に形成した燃料電池であって、上記セル構成体に形成されたマニホールド内に残留する液水が発電部に流入することを防止する流入防止部を上記セル構成体に形成されたマニホールドに設けているとともに、上記マニホールドには、重力方向下側に位置する底辺縁が設けられ、上記流入防止部は発電部の反対側の底辺縁に対して発電部側の底辺縁が重力方向上側に位置させることによって形成されている。

本発明によれば、水素含有ガスと酸素含有ガスを互いに分離して流出入させるためのマニホールドに液水が残留するときにも、その残留している液水が発電部へ流入することを防止でき、かつ、面圧を一定にして小型化を図ることができる。

本発明の第一の実施形態に係る燃料電池を積層してなる燃料電池スタックの斜視図である。 同上の燃料電池スタックの分解斜視図である。 本発明の第一の実施形態に係る燃料電池の一部をなすセル構成体の正面図である。 （Ａ）は、図３に包囲線ＩＩで示す部分の部分拡大図、（Ｂ）は、アノード流出側マニホールドに残留している液水の逆流を防止する作用を示す説明図である。 同上の第一の実施形態に係る燃料電池の一部をなすアノード側セパレータ（カソード側セパレータ）の正面図である。 本発明の他の実施形態に係る燃料電池の一部をなすセル構成体の部分拡大図である。

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池を積層してなる燃料電池スタックの斜視図、図２は、その燃料電池スタックの分解斜視図である。また、図３は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池の一部をなすセル構成体の正面図、図４（Ａ）は、図３に包囲線ＩＩで示す部分の部分拡大図、（Ｂ）は、アノード流出側マニホールドに残留している液水の逆流を防止する作用を示す説明図、図５は、本発明の第一の実施形態に係る燃料電池の一部をなす一例に係るアノード側セパレータ（カソード側セパレータ）の正面図である。

燃料電池スタック１０は、図１，２に示すように、一対のエンドプレート２０、２１及び締結板３０，３１によって、本発明の第一の実施形態に係る複数の燃料電池Ａ１どうしを積層させ、かつ、それらの積層方向αにおいて所定の挟持力で締結しているとともに、図示左右両側面に配設した補強板４０，４０によって鉛直方向βでの補強を施したものである。なお、８，９は集電板である。

燃料電池Ａ１は、図５に示す一対のセパレータ５０ａ，５０ｂ間に、図３に示すセル構成体６０を挟入した構成になっている。
セル構成体６０は、図３に示すように、積層方向αから見た正面視において、横長方形に形成されており、それは、ＭＥＡ(Membrane‐Electrode Assembly)６１と、このＭＥＡ６１の反応エリアＳ１の両面に、例えばカーボン製の多孔質部材である一対のガス拡散層（図示しない）をそれぞれ積層して構成されている。

ＭＥＡ６１は、アノードとカソードとを電解質膜の両側に接合した膜電極接合体である。
具体的には、固体高分子材料、例えばパーフルオロカーボンスルホン酸を備えるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す電解質膜と、電解質膜の反応エリアＳ１の両面にアノードとカソードとを構成するようにして、電気化学反応を促進する触媒、例えば、白金若しくは白金と他の金属から成る合金を備えた一対の電極触媒層（いずれも図示しない）を接合して形成されている。以下、本実施形態においては、膜電極接合体を「発電部」という。
なお、図３においては、矢印β方向が鉛直方向であり、従ってまた、上記した矢印α方向と直交する向きとなっている。

セル構成体６０の発電部Ｓ１の両外端部には、上記したアノード，カソード側セパレータ５０ａ，５０ｂとの間隔を保持するための円柱形状にした複数のディフューザ６２が、互いに所要の間隔にし、かつ、セル構成体６０と一体に突出させて配列されている。

本実施形態においては、複数のディフューザ６２を上下辺縁６０ａ，６０ｂ間に３列に配設しており、それらのうち外側及び内側の列をなす複数のディフューザ６２と、中央の列をなす複数のディフューザ６２とは、両端部から見た側面視において互い違いに配列している。

換言すると、両端部から見た側面視において、外側及び内側の列をなす複数のディフューザ６２の間に中央の列をなす複数のディフューザ６２が配列されている。なお、本実施形態においては、複数のディフューザ６２を配列した領域をディフューザ配列領域Ｓ２，Ｓ２という。

ディフューザ配列領域Ｓ２，Ｓ２の一の外側部には、カソード流入側マニホールド６３，冷却水流入側マニホールド６４及びアノード流出側マニホールド６５が上下方向に順次形成されている一方、当該他の外側部には、アノード流入側マニホールド６６，冷却水流出側マニホールド６７及びカソード流出側マニホールド６８が上下方向に順次形成されている。

カソード流入側マニホールド６３，冷却水流入側マニホールド６４及びアノード流出側マニホールド６５、及びアノード流入側マニホールド６６，冷却水流出側マニホールド６７及びカソード流出側マニホールド６７の外側には、シール７０が所要の厚さ及び幅にして突設されている。

シール７０は、アノード側セパレータ５０ａ，カソード側セパレータ５０ｂとの気密性及び液密性を保持するためのものであり、例えばガスケットや接着剤により形成されている。
上記シール７０は、セル構成体６０の辺縁に沿って連続して形成された外周シール部７１、カソード流入側マニホールド６３と冷却水流入側マニホールド６４とを区画して囲繞するマニホールド囲繞部７２、冷却水流出側マニホールド６７とカソード流出側マニホールド６８とを区画して囲繞するマニホールド囲繞部７３を有している。

セル構成体６０のアノード流出側マニホールド６５、及びアノード流入側マニホールド６６は、正面視において略横長方形に形成されており、これら流入防止部８０ａ，８０ｂが形成されている。
流入防止部８０ａは、上記アノード流出側マニホールド６５内に残留する凝縮水等の液水が発電部Ｓ１に流入することを防止するものであり、そのアノード流出側マニホールド６５と発電部Ｓ１との間のガス流出入経路外に偏倚膨出させることなく設けられている。

流入防止部８０ｂは、上記アノード流入側マニホールド６６内に残留する凝縮水等の液水が発電部Ｓ１に流入することを防止するものであり、そのアノード流入側マニホールド６６と発電部Ｓ１との間のガス流出入経路外に偏倚膨出させることなく設けられている。なお、本実施形態においては、上記したアノード流出側マニホールド６５と同形同大にして形成されている。

流入防止部８０ａは、アノード流出側マニホールド６５の重力方向下側に位置する底辺縁６５ｂが、外縁６５ｄ側（発電部Ｓ１の反対側）に対して内縁６５ｃ側（発電部Ｓ１側）が重力方向上側に位置されることによって形成したものである。
すなわち、底辺縁６５ｂの内縁６５ｃが所要の寸法Ｔ１だけ天辺縁６５ａ側に突出させて段差をもって形成したものである。
底辺縁６５ｂの内縁６５ｃ側を突出させる高さＴ１は、アノード流出側マニホールド６５内の残留液水が、毛細管現象によってディフューザ配列領域Ｓ２に逆流しないように設定すればよい。

上記した流入防止部８０ａによれば、図４（Ｂ）に示すように、水素含有ガスの送給を停止したときに、アノード流出側マニホールド６５内に残留している液水Ｗが毛細管現象により逆流することを防止できる。
なお、流入防止部８０ｂについては、流入防止部８０ａと同じ構成になっているので、その詳細な説明を省略する。

すなわち、本実施形態において説明した上記のセル構成体６０は、水素含有ガスを流出させるためのマニホールドに配設した順逆流防止部８０ａ，８０ｂが点対称にして形成されている。
これにより、燃料電池Ａ１を組み立てるときに、セル構成体６０の組み立て方向を勘案する必要がないので、組み立て工程を簡略化することができる。

次に一例に係るアノード側セパレータについて、図５を参照して説明する。なお、図５には、一例に係るアノード側セパレータを示しているが、カソード側セパレータはアノード側セパレータと同形同大のものであるので、本実施形態においては、その詳細な説明を省略する。

上記アノード側セパレータ５０ａは、導電性材料による薄板状部材により、積層方向αから見た正面視における外郭形状がセル構成体６０と同一の長方形にして形成されている。
アノード側セパレータ５０ａには、セル構成体６０に臨む内面であって、そのセル構成体６０の発電部Ｓ１に接触する部位に、上記したアノード流入側マニホールド６６からアノード流出側マニホールド６５に到る多数の波形にしたアノードガス流路５１が形成されている。

上記アノードガス流路５１を挟む両側部であって、カソード流入側マニホールド６３、冷却水流入側マニホールド６４及びアノード流出側マニホールド６５、及びアノード流入側マニホールド６６、冷却水流出側マニホールド６７及びカソード流出側マニホールド６７にそれぞれ対向する位置には、カソード流入側マニホールド５２、冷却水流入側マニホールド５３及びアノード流出側マニホールド５４、及びアノード流入側マニホールド５５、冷却水流出側マニホールド５６及びカソード流出側マニホールド５７が開口形成されている。

アノード側，カソード側セパレータ５０ａ，５０ｂは、隣接する他の燃料電池Ａ１をなすアノード側，カソード側セパレータ５０ａ，５０ｂの外面どうしが接触され、接触するいずれか一方の面若しくは両方の面に、冷却水流入側マニホールド５３から冷却水流出側マニホールド５６に到る多数の冷却水路（図示しない）が形成されている。

上記の構成においては、カソード流出側マニホールドとアノード流入側マニホールドとが同じ端部側に配設されているので、アノードガス流路を流れるアノードガスと、カソードガス流路を流れるカソードガスとは、セル構成体６０を挟んで互いに逆方向に流れるようになっている。

上記した実施形態からなる燃料電池によれば、次の効果を得ることができる。
・水素含有ガスと酸素含有ガスを互いに分離して流出入させるためのマニホールドに液水が残留するときにも、その残留している液水が発電部に流入することを防止でき、かつ、小型化を図ることができる。

マニホールドに残留する液水の発電部への流入を防止できるので、流路，ディフューザの閉塞や環境温度が零下になるような状況であっても、上記残留した液水が凍結して起動できないといった問題を解決できる。
・正面視において、燃料電池を横長方形の輪郭形状に形成できるために、面圧を一定にすることができ、このためにシール性を向上させることができる。

・液水が残留しやすい流出側マニホールドに流入防止部を配設することにより、流出側マニホールドに残留している液水の逆流や流路内での凍結を、より効果的に防止することができる。

・流出側マニホールドを重力方向下側に位置させた場合、運転中は液水を流出側マニホールドに排出しやすく、従って、流路に液水が残留しないためにガス流入を阻害しにくい。また、ガス停止後は流入防止部により液水の流入を防ぐために零下において起動できるとともに、燃料電池を搭載した車両が左右に傾いた状態で停止しても、液水の発電部への流入を防ぐことができる。

また、上述した実施形態においては、アノード流出側マニホールドとアノード流入側マニホールドに流入防止部を配設した構成のものを例示したが、カソード流出側マニホールド又はカソード流入側マニホールド若しくはそれら双方に流入防止部を配設してもよいことは勿論である。

さらに、上述した実施形態においては、ＭＥＡ側にディフューザ及びシールラインを配設した例について説明したが、それらディフューザ及びシールライン若しくはいずれか一方をセパレータ側に配設した構成にしてもよい。

６３ カソード流入側マニホールド
６４ 冷却水流入側マニホールド
６５ アノード流出側マニホールド
６６ アノード流入側マニホールド
６７ 冷却水流出側マニホールド
６８ カソード流出側マニホールド
８０ａ，８０ｂ 流入防止部
Ａ１，Ａ２ 燃料電池

Claims (7)

1. 一対のセパレータ間に、アノードとカソードとを電解質膜の両側に接合した発電部を有するセル構成体が挟入された燃料電池であって、アノードとカソードに対して水素含有ガスと酸素含有ガスを互いに分離して流出入させるためのマニホールドをセル構成体及び一対のセパレータに形成し、セル構成体及び一対のセパレータに形成されたマニホールドを互いに対向する位置に形成した燃料電池であって、
   上記セル構成体に形成されたマニホールド内に残留する液水が発電部に流入することを防止する流入防止部を上記セル構成体に形成されたマニホールドに設けているとともに、
   上記マニホールドには、重力方向下側に位置する底辺縁が設けられ、上記流入防止部は発電部の反対側の底辺縁に対して発電部側の底辺縁が重力方向上側に位置させることによって形成されていることを特徴とする燃料電池。
2. 上記流入防止部は底辺縁の段差によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 少なくともいずれか一箇所のマニホールドに、流入防止部を配設したことを特徴とする請求項１又は３に記載の燃料電池。
4. アノードに流接した水素含有ガスを流出させるためのマニホールドに流入防止部を配設していることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
5. カソードに流接した酸素含有ガスを流出させるためのマニホールドに流入防止部を配設していることを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料電池。
6. 流入防止部を配設したマニホールドが重力方向下側に位置するように互いに積層されていることを特徴とする請求項１，３〜６のいずれか１項に記載の燃料電池。
7. 流入防止部を設けたマニホールドが点対称にして形成されていることを特徴とする請求項１，３〜７のいずれか１項に記載の燃料電池。

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