JP6126567B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側に電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が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の一方の面側にアノード電極が、他方の面側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータによって挟持されることにより、発電セルを構成している。燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層し、積層方向両端にエンドプレートを配設することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして燃料電池車両に組み込まれている。

燃料電池は、セパレータの面内に、アノード電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、カソード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。一方、互いに隣接するセパレータ間には、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。

燃料電池では、積層方向に貫通して燃料ガスを流通させる燃料ガス連通孔と、酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス連通孔と、冷却媒体を流通させる冷却媒体連通孔とが設けられた、所謂、内部マニホールド型燃料電池を採用する場合がある。燃料ガス連通孔は、燃料ガス入口連通孔及び燃料ガス出口連通孔を有している。酸化剤ガス連通孔は、酸化剤ガス入口連通孔及び酸化剤ガス出口連通孔を有し、冷却媒体連通孔は、冷却媒体入口連通孔及び冷却媒体出口連通孔を有している。

上記の燃料電池では、少なくとも一方のエンドプレートには、各連通孔に連なって流体（燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体）を供給又は排出する流体マニホールドが設けられている。

その際、燃料電池に設けられている各連通孔は、矩形状、例えば、長方形状や台形状等、非円形状を有する一方、流体マニホールドに接続される外部配管は、円筒形状に設定される場合が多い。このため、燃料電池の非円形状連通孔と外部設備の円形状外部配管とを良好に連結することが望まれており、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックが知られている。

この燃料電池スタックでは、一方のエンドプレートには、非円形状連通孔と円形状外部配管とを連通する樹脂製マニホールド部材が設けられている。樹脂製マニホールド部材は、一方のエンドプレートの内部に設けられ、非円形状連通孔に連通する非円形状筒部と、円形状外部配管に連通する円形状筒部とを有している。そして、非円形状筒部と円形状筒部とを連通する連結形状筒部が、一方のエンドプレートの厚さの範囲内に設けられている。

特許第５２１４２８９号公報

本発明は、この種の技術に関連してなされたものであり、簡単且つ経済的な構成で、燃料電池の非円形連通孔と円形状外部配管とを連結するとともに、反応ガスを円滑に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。

本発明に係る燃料電池スタックは、電解質膜の両側に電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が積層されて積層方向両端にエンドプレートが配設されている。燃料電池には、前記燃料電池の積層方向に反応ガスを流通させる非円形連通孔である反応ガス連通孔が設けられている。

一方のエンドプレートには、反応ガス連通孔と円形状外部配管とを繋ぐ樹脂製マニホールド部材が設けられている。樹脂製マニホールド部材は、一方のエンドプレートの内部に設けられ、反応ガス連通孔に連通し且つ該反応ガス連通孔と同一形状の非円形状開口部を有する連結部と、円形状外部配管に連通する円形状開口部を有する配管接続部と、を設けている。そして、一方のエンドプレートの正面視で、非円形状開口部は、円形状開口部の範囲内に配置されている。

また、この燃料電池スタックでは、非円形状開口部は、円形状開口部の中心から一方のエンドプレートの外側にオフセットして配置されることが好ましい。

本発明によれば、樹脂製マニホールド部材には、燃料電池の非円形状の反応ガス連通孔と外部の円形状外部配管との間で、反応ガスの圧力損失が有効に低減される。しかも、一方のエンドプレートの正面視で、非円形状開口部は、円形状開口部の範囲内に配置されている。従って、簡単且つ経済的な構成で、反応ガスを円滑に流通させることが可能になる。

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの第１エンドプレート側から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要部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酸化剤ガス供給マニホールド部材の斜視説明図である。 前記酸化剤ガス供給マニホールド部材及び前記第１エンドプレートの、図３中、ＩＶ−ＩＶ線断面図である。 前記酸化剤ガス供給マニホールド部材の正面説明図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、例えば、図示しない燃料電池電気自動車に搭載される。燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１２が電極面を立位姿勢にして水平方向（矢印Ｂ方向）に積層される。なお、複数の燃料電池１２を重力方向（矢印Ｃ方向）に積層して燃料電池スタック１０を構成してもよい。

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、外方に向かって順次配設される。燃料電池１２の積層方向他端には、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、外方に向かって順次配設される。

矩形状の第１エンドプレート１８ａの中央部からは、第１ターミナルプレート１４ａに接続された第１電力出力端子２０ａが外方に向かって延在する。矩形状の第２エンドプレート１８ｂの中央部からは、第２ターミナルプレート１４ｂに接続された第２電力出力端子２０ｂが外方に向かって延在する。

第１エンドプレート１８ａと第２エンドプレート１８ｂの各辺間には、連結バー２２の両端がねじ２４により固定され、複数の積層された燃料電池１２に積層方向（矢印Ｂ方向）の締め付け荷重を付与する。

図２に示すように、燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体２６と、前記電解質膜・電極構造体２６を挟持するカソードセパレータ２８及びアノードセパレータ３０とを備える。

カソードセパレータ２８及びアノードセパレータ３０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。カソードセパレータ２８及びアノードセパレータ３０は、平面が矩形状（長方形状や正方形状）を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、カソードセパレータ２８及びアノードセパレータ３０は、金属セパレータに代えて、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。

燃料電池１２の長辺方向（矢印Ａ方向）の一端縁部には、矢印Ｂ方向に互いに連通して、酸化剤ガス入口連通孔（反応ガス連通孔）３２ａ、冷却媒体入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔（反応ガス連通孔）３６ｂが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔３２ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。冷却媒体入口連通孔３４ａは、冷却媒体を供給するとともに、燃料ガス出口連通孔３６ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス入口連通孔３２ａ、冷却媒体入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３６ｂは、非円形連通孔であり、例えば、長方形状を有しているが、正方形、台形、５角形、略三角形、菱形等、種々の形状に設定可能であり、形状は、特に限定されない。また、各辺の角部は、Ｒ形状（湾曲形状）にすることが好ましい。

燃料電池１２の長辺方向の他端縁部には、矢印Ｂ方向に互いに連通して、燃料ガス入口連通孔（反応ガス連通孔）３６ａ、冷却媒体出口連通孔３４ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔（反応ガス連通孔）３２ｂが設けられる。燃料ガス入口連通孔３６ａは、燃料ガスを供給し、冷却媒体出口連通孔３４ｂは、冷却媒体を排出し、酸化剤ガス出口連通孔３２ｂは、酸化剤ガスを排出する。燃料ガス入口連通孔３６ａ、冷却媒体出口連通孔３４ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３２ｂは、酸化剤ガス入口連通孔３２ａ、冷却媒体入口連通孔３４ａ及び燃料ガス出口連通孔３６ｂと同様に、非円形連通孔である。

電解質膜・電極構造体２６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３８と、前記固体高分子電解質膜３８を挟持するカソード電極４０及びアノード電極４２とを備える。

カソード電極４０及びアノード電極４２は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）を有する。白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子は、ガス拡散層の表面に一様に塗布されて電極触媒層（図示せず）が形成される。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３８の両面に形成される。

カソードセパレータ２８の電解質膜・電極構造体２６に向かう面２８ａには、酸化剤ガス入口連通孔３２ａと酸化剤ガス出口連通孔３２ｂとを連通する酸化剤ガス流路（反応ガス流路）４４が形成される。酸化剤ガス流路４４は、矢印Ａ方向に延在する複数本の直線状流路溝（又は波状流路溝）により形成される。

アノードセパレータ３０の電解質膜・電極構造体２６に向かう面３０ａには、燃料ガス入口連通孔３６ａと燃料ガス出口連通孔３６ｂとを連通する燃料ガス流路（反応ガス流路）４６が形成される。燃料ガス流路４６は、矢印Ａ方向に延在する複数本の直線状流路溝（又は波状流路溝）により形成される。

アノードセパレータ３０の面３０ｂと隣接するカソードセパレータ２８の面２８ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体出口連通孔３４ｂとに連通する冷却媒体流路４８が形成される。冷却媒体流路４８は、水平方向に延在しており、電解質膜・電極構造体２６の電極範囲にわたって冷却媒体を流通させる。

カソードセパレータ２８の面２８ａ、２８ｂには、このカソードセパレータ２８の外周端縁部を周回して第１シール部材５０が一体成形される。アノードセパレータ３０の面３０ａ、３０ｂには、このアノードセパレータ３０の外周端縁部を周回して第２シール部材５２が一体成形される。

第１シール部材５０及び第２シール部材５２としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材等の弾性を有するシール部材が用いられる。

図１に示すように、第１エンドプレート１８ａには、酸化剤ガス供給マニホールド部材５４ａ、酸化剤ガス排出マニホールド部材５４ｂ、燃料ガス供給マニホールド部材５６ａ及び燃料ガス排出マニホールド部材５６ｂが装着される。酸化剤ガス供給マニホールド部材５４ａ、酸化剤ガス排出マニホールド部材５４ｂ、燃料ガス供給マニホールド部材５６ａ及び燃料ガス排出マニホールド部材５６ｂは、樹脂材料で形成される。樹脂材料としては、例えば、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）又はＰＡＩ（ポリアミドイミド）等が使用される。

図３及び図４に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド部材５４ａは、第１絶縁プレート１６ａと第１エンドプレート１８ａとの間に挟持されるフランジ部５８を有する。フランジ部５８には、位置決め用ノックピン５９が挿入される孔部５８ｈが形成される（図３参照）。フランジ部５８は、円筒形状の本体部（連結部）６０の一端に一体成形されるとともに、前記本体部６０には、前記フランジ部５８側の端部に開口される非円形状開口部６２が形成される。フランジ部５８の裏面側（本体部６０とは反対側）には、酸化剤ガス入口連通孔３２ａを周回してシール部材６３ａが配設される。

非円形状開口部６２は、本体部６０の内壁面６０ｓの中心に対して第１エンドプレート１８ａの外側にオフセットして設けられる（図３及び図５参照）。図４に示すように、本体部６０の内壁面６０ｓは、平坦面であるが、傾斜を有していてもよい（図４中、二点鎖線参照）。内壁面６０ｓの非円形状開口部６２側の角部は、Ｒ形状を有する。非円形状開口部６２は、酸化剤ガス入口連通孔３２ａと同一形状を有し且つ前記酸化剤ガス入口連通孔３２ａと積層方向に一致（連通）する。

本体部６０には、フランジ部５８とは反対側の端部に円筒部（配管接続部）６４が一体成形され、前記円筒部６４には、円形状開口部６４ａが設けられる。図５に示すように、第１エンドプレート１８ａの正面視で、非円形状開口部６２は、円形状開口部６４ａの範囲内に且つ前記第１エンドプレート１８ａの外側に偏心して配置される。図４に示すように、円筒部６４には、円形状外部配管（ジョイント筒体）６６を介装して開閉弁や流体圧機器等の外部機器６８が接続される。

円形状外部配管６６の一端側外周には、シール溝６６ｍ１が形成され、前記シール溝６６ｍ１と円筒部６４の内周部６４ｉｎとの間には、シール部材６３ｂが介装される。円形状外部配管６６の他端側外周には、シール溝６６ｍ２が形成され、前記シール溝６６ｍ２と外部機器６８の端部内周部６８ｉｎとの間には、シール部材６３ｃが介装される。外部機器６８は、屈曲部６８ｒを有する。なお、円形状外部配管６６のシール溝６６ｍ１及び６６ｍ２に代えて、円筒部６４の内周部６４ｉｎ及び外部機器６８の端部内周部６８ｉｎにシール溝を設けてもよい。

なお、酸化剤ガス排出マニホールド部材５４ｂ、燃料ガス供給マニホールド部材５６ａ及び燃料ガス排出マニホールド部材５６ｂは、上記の酸化剤ガス供給マニホールド部材５４ａと同様に構成されている。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。

第２エンドプレート１８ｂには、図示しないが、冷却媒体入口連通孔３４ａに連通する冷却媒体供給マニホールド部材と、冷却媒体出口連通孔３４ｂに連通する冷却媒体排出マニホールド部材とが、それぞれ取り付けられる。

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、第１エンドプレート１８ａの酸化剤ガス供給マニホールド部材５４ａから酸化剤ガス入口連通孔３２ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。第１エンドプレート１８ａの燃料ガス供給マニホールド部材５６ａから燃料ガス入口連通孔３６ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。

一方、第２エンドプレート１８ｂの図示しない冷却媒体供給マニホールド部材から冷却媒体入口連通孔３４ａには、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。

これにより、図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３２ａからカソードセパレータ２８の酸化剤ガス流路４４に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４４に沿って矢印Ａ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２６のカソード電極４０に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３６ａからアノードセパレータ３０の燃料ガス流路４６に供給される。燃料ガスは、燃料ガス流路４６に沿って矢印Ａ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２６のアノード電極４２に供給される。

このため、電解質膜・電極構造体２６では、カソード電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４２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２６のカソード電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３２ｂに沿って矢印Ｂ方向に流通し、酸化剤ガス排出マニホールド部材５４ｂから排出される（図１参照）。一方、電解質膜・電極構造体２６のアノード電極４２に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３６ｂに沿って矢印Ｂ方向に流通し、燃料ガス排出マニホールド部材５６ｂから排出される。

また、図２に示すように、冷却媒体入口連通孔３４ａに供給された冷却媒体は、カソードセパレータ２８及びアノードセパレータ３０間の冷却媒体流路４８に導入される。冷却媒体は、矢印Ａ方向に移動して電解質膜・電極構造体２６を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３４ｂに排出される。冷却媒体は、第２エンドプレート１８ｂから排出される。

この場合、本実施形態では、図３〜図５に示すように、酸化剤ガス供給マニホールド部材５４ａには、非円形状開口部６２と円形状開口部６４ａとが、互いに連通して設けられている。非円形状開口部６２は、燃料電池１２の非円形状の酸化剤ガス入口連通孔３２ａに連通する一方、円形状開口部６４ａは、円形状外部配管６６に連通している。このため、燃料電池１２の非円形状の酸化剤ガス入口連通孔３２ａと円形状外部配管６６との間で、酸化剤ガスの圧力損失が有効に低減される。

しかも、第１エンドプレート１８ａの正面視で、非円形状開口部６２は、円形状開口部６４ａの範囲内に配置されている（図５参照）。従って、簡単且つ経済的な構成で、酸化剤ガスを円滑に流通させることが可能になるという効果が得られる。

特に、非円形状開口部６２は、本体部６０の中心に対して第１エンドプレート１８ａの外側にオフセットして設けられている。これにより、図４に示すように、外部機器６８から円形状外部配管６６に導入された酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給マニホールド部材５４ａの外方側に設けられている非円形状開口部６２に円滑に流入することができる。このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３２ａに良好且つ確実に供給されるという利点がある。

なお、酸化剤ガス排出マニホールド部材５４ｂ、燃料ガス供給マニホールド部材５６ａ及び燃料ガス排出マニホールド部材５６ｂでは、上記の酸化剤ガス供給マニホールド部材５４ａと同様の効果が得られる。

１０…燃料電池スタック １２…燃料電池
１８ａ、１８ｂ…エンドプレート ２６…電解質膜・電極構造体
２８…カソードセパレータ ３０…アノードセパレータ
３２ａ…酸化剤ガス入口連通孔 ３２ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３４ａ…冷却媒体入口連通孔 ３４ｂ…冷却媒体出口連通孔
３６ａ…燃料ガス入口連通孔 ３６ｂ…燃料ガス出口連通孔
３８…固体高分子電解質膜 ４０…カソード電極
４２…アノード電極 ４４…酸化剤ガス流路
４６…燃料ガス流路 ４８…冷却媒体流路
５４ａ…酸化剤ガス供給マニホールド ５４ｂ…酸化剤ガス排出マニホールド
５６ａ…燃料ガス供給マニホールド ５６ｂ…燃料ガス排出マニホールド
５８…フランジ部 ６０…本体部
６２…非円形状開口部 ６４…円筒部
６４ａ…円形状開口部 ６６…円形状外部配管
６８…外部機器

Claims (1)

1. 電解質膜の両側に電極が設けられる電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が積層されて積層方向両端にエンドプレートが配設されるとともに、前記燃料電池の積層方向に反応ガスを流通させる非円形連通孔である反応ガス連通孔が設けら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、前記反応ガス連通孔と円形状外部配管とを繋ぐ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は、一方の前記エンドプレートの内部に設けられ、前記反応ガス連通孔に連通し且つ該反応ガス連通孔と同一形状の非円形状開口部を有する連結部と、
   前記円形状外部配管に連通する円形状開口部を有する配管接続部と、
   を設け、
   一方の前記エンドプレートの正面視で、前記非円形状開口部は、前記円形状開口部の範囲内に配置され、
   且つ前記非円形状開口部は、前記円形状開口部の中心から一方の前記エンドプレートの外側にオフセットして配置されることを特徴とする燃料電池スタック。

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