JP6413897B2

JP6413897B2 - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP6413897B2
Application number: JP2015074004A
Authority: JP
Inventors: 濱田　仁; 仁濱田; 達彦清水
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2015-03-31
Filing date: 2015-03-31
Publication date: 2018-10-31
Anticipated expiration: 2035-03-31
Also published as: JP2016195017A

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。

燃料電池スタックと、燃料電池スタックを収容し、移動体に搭載されたとき上側になる上側壁を有するケース本体と、上側壁に上向きに形成され、ケース本体の内側と外側とを連通する貫通孔と、貫通孔を覆うように上側壁の表面に平行に配置されたガス透過膜と、ガス透過膜を覆うように配置された保護部材と、を備える燃料電池スタック用ケースが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

燃料電池スタックでは、燃料ガスである水素ガスがシール部から外部にリークすることがある。そのため、燃料電池スタックが燃料電池スタック用ケースに収容されている場合、燃料電池スタック用ケース内の水素ガス濃度が高くなるおそれがある。そこで、特許文献１では、軽量の水素ガスが拡散し易い上側壁に貫通孔が設けられ、貫通孔がガス透過膜で覆われる。それにより、水素ガスが燃料電池スタックから燃料電池スタック用ケース内にリークした場合でも、水素ガスが貫通孔からガス透過膜を介して外部に拡散するので、燃料電池スタック用ケース内の水素ガス濃度が低い濃度に保たれる。ところが、貫通孔が上側壁に上向きに形成されると、ガス透過膜上に水や埃などが溜まり易くなり、ガス透過膜が目詰まりし、水素ガスを換気する性能が悪化するおそれがある。そこで、特許文献１では、ガス透過膜の上側に、ガス透過膜を覆うように保護手段が設けられる。

特開２００５−１４９７３２号公報

ところで、特許文献１には燃料電池スタック用ケースに収容される燃料電池スタックは、詳細は説明されていないが、複数の燃料電池単セルが積層方向に積層された積層体を含む燃料電池本体と、燃料電池本体を積層方向に圧縮しつつ取り囲む複数のプレートとを備えていると考えられる。複数のプレートは、例えば燃料電池本体が直方体の場合、直方体の六面を覆う六枚のプレートである。この場合、水密性の確保のためにプレート間にガスケットが挿入される。一方、本願の発明者らは、プレートの代わりに箱型のケースを用意し、そのケースに燃料電池本体を収めることで、水密性を確保しつつ、製造コストを低減でき、生産性を向上できることを見出した。この場合、燃料電池スタックの水密性が高いので、燃料電池スタックを更に特許文献１のような燃料電池スタック用ケースに収容する必要はない。

しかし、この場合、燃料電池本体から水素ガスがリークして、燃料電池本体を収める箱型のケース内に水素ガスが滞留するおそれがある。それに対処するため、発明者らは、特許文献１のような燃料電池スタック用ケースから水素ガスを外部に排気する構造を、燃料電池本体を収めるケースに適用することを検討した。その結果、特許文献１の保護手段（網目状構造体や多孔質材）を用いても、詳細にみると少しずつ水や埃が保護手段を通過し、長期的にみると無視できない量の水や埃が通過する可能性があることを見出した。水や埃が保護手段を通過すると、ガス透過膜上に水や埃などが溜まり、ガス透過膜が目詰まりして、水素ガスを換気する性能が悪化するおそれがある。水や埃の影響を受けずにケース内の水素ガスを排気することが可能な技術が望まれる。

本発明によれば、複数の燃料電池単セルを積層方向に沿って積層することにより形成される積層体を含む燃料電池本体と、前記積層方向に沿い前記燃料電池本体を囲む四つの側壁と少なくとも一つの開口とを有し、前記燃料電池本体を収容するケースと、を備える、燃料電池スタックであって、前記四つの側壁は、前記燃料電池スタックが移動体に搭載されたとき上側に配置される上側壁を含み、前記ケースは、前記上側壁に形成された換気部を備え、前記換気部は、前記上側壁に形成され、前記ケースの内側と外側とを連通する貫通孔と、ガス透過膜で形成され、前記ガス透過膜が自立するように前記貫通孔の周縁から前記ケースの外側へ立設された筒状壁部と、前記筒状壁部の外端に取り付けられた蓋部と、を備える、燃料電池スタックが提供される。

本発明により、水や埃の影響を受けずにケース内の水素ガスを排気することが可能となる。

燃料電池スタックの構成例の斜視図である。燃料電池スタックの構成例の断面図である。燃料電池スタックの構成例の断面図である。換気部の構成例の斜視図である。換気部の構成例の断面図である。別の実施例のガス透過膜の構成例の断面図である。換気部の作用を説明する概略図である。別の実施例の換気部の構成例の断面図である。更に別の実施例の換気部の構成例の断面図である。更に別の実施例の換気部の構成例の斜視図である。更に別の実施例のガス透過膜の構成例の断面図である。更に別の実施例の燃料電池スタックの構成例の斜視図である。更に別の実施例のガス透過膜の構成例の断面図である。更に別の実施例のガス透過膜の構成例の断面図である。

実施例に係る燃料電池スタックＡについて説明する。図１は燃料電池スタックＡの構成例の概略斜視図である。燃料電池スタックＡは、燃料電池本体１と、燃料電池本体１を収容するケース２とを備えている。ケース２には、ケース２内の換気のために複数の換気部４が設けられている。

図２及び図３は燃料電池スタックＡの構成例の概略断面図である。ただし、図２は図１のＥ２−Ｅ２断面図であり、図３は図１のＥ３−Ｅ３断面図である。燃料電池本体１は、積層体１１と、一対のターミナルプレート１２と、一対のエンドプレート１４と、一対の絶縁プレート１３とを備えている。積層体１１は、複数の燃料電池単セルを積層方向Ｓに沿って積層することにより形成される。ターミナルプレート１２は、積層体１１の積層方向Ｓの両端部に配置される。エンドプレート１４は、ターミナルプレート１２の積層方向Ｓの外側に配置される。絶縁プレート１３は、ターミナルプレート１２とエンドプレート１４との間に配置される。ターミナルプレート１２、エンドプレート１４及び絶縁プレート１３は、積層方向Ｓに垂直な断面でみると、それぞれ長方形状をなしている。そのとき、ターミナルプレート１２及び絶縁プレート１３は互いにほぼ同じ大きさである。一方、エンドプレート１４はターミナルプレート１２及び絶縁プレート１３とほぼ同じ大きさか又はこれらよりもわずかに大きい。ターミナルプレート１２及びエンドプレート１４は導電性材料から形成され、絶縁プレート１３は電気絶縁性材料から形成される。

ケース２は、緩衝層３を介して燃料電池本体１を収容し、燃料電池本体１を拘束する。ケース２は、ケース本体２２と、蓋プレート２１とを備えている。ケース本体２２は、その内部に燃料電池本体１を積層方向Ｓに圧縮しつつ収容する。ケース本体２２は、ほぼ直方体であり、積層方向Ｓに沿い燃料電池本体１を囲む四つの側壁２２ａと底壁２２ｂとを有し、底壁２２ｂに対向して開口２２ｃを有する。ケース本体２２の内部における底壁２２ｂの広さは、燃料電池本体１の積層方向Ｓに垂直な断面よりもやや大きい。ケース本体２２の内部における積層方向Ｓの長さ、すなわち深さは、燃料電池本体１が積層方向Ｓに圧縮されたときの積層方向Ｓの長さと同じかやや長い。蓋プレート２１は、ケース本体２２の蓋であり、ケース本体２２の開口２２ｃを塞ぐようにケース本体２２に締結部材（図示せず）で締結される。ケース本体２２及び蓋プレート２１は、ステンレスやアルミニウムのような金属で形成される。なお、図２及び図３に示す実施例では側壁２２ａ及び底壁２２ｂは略平板状の側壁であるが、図示しない他の実施例では側壁２２ａ及び底壁２２ｂの少なくとも一方は一部又は全部に曲面を有する側壁である。図示しない更に他の実施例では、燃料電池本体１は積層方向Ｓに圧縮されることなくケース２内に収容される。

ケース本体２２の四つの側壁２２ａは、燃料電池スタックＡが車両のような移動体に搭載されるとき上側に配置される上側壁２２ａ１と、下側に配置される下側壁２２ａ２と、上側壁２２ａ１と下側壁２２ａ２とをつなぐ横側壁２２ａ３、２２ａ４と、を含んでいる。換気部４は上側壁２２ａ１に形成される。換気部４は、水素ガスや空気のような気体は流通するが水は流通しないようにケース２の内部と外部とを連通する。図２に示す実施例では、上側壁２２ａ１に５個の換気部４が配置されている。ただし、換気される気体の量に応じて、換気部４の数は増減され得る。

ケース本体２２内に燃料電池本体１が収容されて、蓋プレート２１が開口２２ｃを塞ぎ、ケース本体２２と蓋プレート２１とが締結部材で締結されると、燃料電池本体１は蓋プレート２１とケース本体２２の底壁２２ｂとにより両側から積層方向Ｓ内向きに押されて、拘束される。その結果、燃料電池本体１の両側のエンドプレート１４、１４が積層方向Ｓ内向きに互いに近づく。したがって、積層体１１、ターミナルプレート１２、絶縁プレート１３及びエンドプレート１４が積層方向Ｓに関し互いに密着される。このとき、積層方向Ｓに沿った燃料電池本体１の外周面１ａと外周面１ａに対向するケース２の側壁２２ａの内周面２ａとの間に距離Ｄの隙間Ｇが形成される。なお、ケース本体２２の深さが圧縮状態の燃料電池本体１の積層方向Ｓの長さよりやや長いときには、ケース本体２２の底壁２２ｂの外側からボルトが締め込まれ、底壁２２ｂの内側から突き出したボルトが燃料電池本体１のエンドプレート１４を押して燃料電池本体１を拘束する。

緩衝層３は、燃料電池本体１に加わる衝撃を吸収し、燃料電池本体１の位置ずれを抑制し、燃料電池本体１とケース２とを電気的に絶縁し、外力により変化した寸法を元の寸法に戻そうとする復元力を有する部材である。緩衝層３は、好ましくは、ゆっくりとした入力荷重には流動性を示し、ゆっくり変形し、急激な入力荷重には固体のように振る舞い、ほとんど変形しないダイラタント的特性を更に有する。緩衝層３は、燃料電池本体１とケース２との間、すなわち隙間Ｇ内に圧縮状態で配置される。図２及び図３に示す実施例では、緩衝層３は、積層方向Ｓで見ると（図２）、積層方向Ｓに沿って燃料電池本体１の一端から他端に亘って設けられ、積層方向Ｓと垂直な方向で見ると（図３）、少なくとも燃料電池本体１の四つの角部Ｃｎの近傍に設けられる。緩衝層３の材料としては、例えばシリコーンオイルとホウ酸の混合物や、シリコーン樹脂とシリカとの混合物のような樹脂と固形物との混合物が挙げられる。

燃料電池スタックＡの積層方向Ｓの一端に位置する蓋プレート２１、ターミナルプレート１２、絶縁プレート１３及びエンドプレート１４は、これらプレートを積層方向Ｓに貫通して燃料電池スタックＡの外部から積層体１１に到る複数の流通路（図示せず）を備えている。これら流通路には、燃料ガスを積層体１１に供給する供給路、燃料ガスを積層体１１から排出する排出路、酸化剤ガスを積層体１１に供給する供給路、酸化剤ガスを積層体１１から排出する排出路、冷却水を積層体１１に供給する供給路、及び冷却水を積層体１１から排出する排出路が含まれる。

燃料電池単セルはそれぞれアノード極及びカソード極（図示せず）を有し、アノード極は一側に隣接する燃料電池単セルのカソード極に電気的に接続され、カソード極は他側に隣接する燃料電池単セルのアノード極に電気的に接続される。積層体１１の一端のアノード極は一方のターミナルプレート１２に電気的に接続され、他端のカソード極は他方のターミナルプレート１２に電気的に接続される。燃料電池単セルは、燃料電池単セルのアノード極に供給された燃料ガス（例示：水素ガス）とカソード極に酸化剤ガス（例示：空気）との電気化学反応により電力を発生する。複数の燃料電池単セルで発生した電力は、ターミナルプレート１２から燃料電池スタックＡの外部に到る複数の配線を介して燃料電池スタックＡの外部に取り出される。燃料電池スタックＡから取り出された電力は例えば車両の駆動用電気モータ又は蓄電器に供給される。エンドプレート１４及びケース２は接地されている。なお、これら電気的な構成については、図示を省略している。

図４は換気部４の構成例を示す斜視図であり、図５は燃料電池スタックＡに取り付けられた換気部４の構成例を示す断面図である。ただし、図５は上側壁２２ａ１に垂直な断面を示している。換気部４は、ケース２の外部から内部への水の進入を防止しつつ、ケース２の内部から外部への水素ガスの流路を形成する。それにより、燃料電池本体１からケース２の内部へ漏洩した水素ガスは、ケース２の内部に滞留することなく、ケース２の外部へ拡散できる。

換気部４は、上側壁２２ａ１に形成され、ケース２の内側と外側とを連通する貫通孔４０と、ガス透過膜４５で形成され、ガス透過膜４５が自立するように貫通孔４０の周縁からケース２の外側へ立設された筒状壁部４１と、筒状壁部４１の外端に取り付けられた蓋部４２と、を備えている。図４に示す実施例では、円形の貫通孔４０の周縁に沿って、円筒状のガス透過膜４５が立設されている。また、図示しない更に別の実施例では、貫通孔４０の形状は他の形状、例えば楕円形又は多角形である。

また、図４に示す実施例では、筒状壁部４１は、貫通孔４０の周縁の上側壁２２ａ１上に設けられた板状の基材４３を備えている。基材４３は留め具４４により上側壁２２ａ１に固定され、それにより筒状壁部４１は上側壁２２ａ１に固定される。また、図５に示す実施例では、基材４３には貫通孔４０を囲むように形成された差し込み溝４３ｈが形成される。ガス透過膜４５の末端４５ｐ１が差し込み溝４３ｈに挿入され、接着剤又は溶着等により固定されることで、ガス透過膜４５が自立するように基材４３からケース本体２２の外側へ円筒状に立設される。蓋部４２には差し込み溝４３ｈに対向するように差し込み溝４２ｈが形成される。ガス透過膜４５の外側の端部である先端４５ｐ２が差し込み溝４２ｈに挿入され、接着剤又は溶着等により固定されることで、蓋部４２は筒状壁部４１に支持される。図示しない別の実施例では基材４３は上側壁２２ａ１に溶接又は接着剤で接合される。図示しない更に別の実施例では、筒状壁部４１は基材４３を有さず、ガス透過膜４５は貫通孔４０の周縁の上側壁２２ａ１上に設けられた差し込み溝に挿入され、接着剤又は溶着等により固定される。図示しない更に別の実施例では、筒状壁部４１は基材４３を有さず、ガス透過膜４５は貫通孔４０の内周縁に接するように貫通孔４０内に挿入され、接着剤又は溶着等により固定される。

筒状壁部４１の基材４３及び蓋部４２は、気体や液体の透過しない材料、例えばステンレスやアルミニウムのような金属や、エンジニアリングプラスチックのような合成樹脂で形成される。図５に示す実施例ではアルミニウムを用いる。ガス透過膜４５は、水素ガスや空気のような気体は透過するが水は透過しない材料で形成され、例えば住友電気工業株式会社製のポアフロン（登録商標）を用いることができる。ガス透過膜４５は、筒状にしたとき自立して立設可能な程度の膜厚を有する。図５に示す実施例ではガス透過膜４５は一層の膜であるが、図６に示す別の実施例では、ガス透過膜４５は、厚さ方向ＳＰに互いに積層された複数のガス透過膜４５ａ〜４５ｃから形成される。なお、図６では三層のガス透過膜４５ａ〜４５ｃが積層されているが、その層数には特に制限はなく、二層であっても四層以上であってもよい。図示しない別の実施例では、ガス透過膜４５は、ガス透過用の膜に、支持用の膜が厚さ方向に積層されて形成される。支持用の膜としては、合成樹脂やセラミックスや金属で形成された多孔体の膜が挙げられる。

水素ガスが燃料電池本体１からケース２の内部にリークしたとき、図７に示すように、水素ガスは主に隙間Ｇを流通しつつケース２の上方へ拡散し、貫通孔４０から換気部４に進入する。換気部４では、水素ガスはガス透過膜４５を経由して、ケース２の外部へ拡散する。それにより、水素ガスがケース２の内部に滞留せず、ケース２の内部の水素ガス濃度が低い濃度に保たれる。このように、軽量な水素ガスが集まり易いケース２の上側壁２２ａ１に換気部４が配置されているので、換気部４を介して効率的で確実に水素ガスをケース２の外部に排気できる。

また、図５に示す実施例では、ガス透過膜４５は上側壁２２ａ１に対して略垂直に立設されている。そのため、水や埃が付着し難く、付着したとしてもすぐ落下して溜まり難くなっている。それにより、水や埃がガス透過膜４５に付着したり溜まったりすることが抑制され、水素ガスの排気が良好に行われる。

また、図８に示す別の実施例では、ガス透過膜４５は上側壁２２ａ１に対して鋭角に、すなわちガス透過膜４５が末端４５ｐ１から先端４５ｐ２に向かって広がるように立設されている。この場合の鋭角は、ガス透過膜４５が自立できる程度の角度であり、例えば６０度以上である。このとき、図５に示す実施例と比較して、より水や埃が付着し難くなり、それにより、水や埃がガス透過膜４５に付着したり溜まったりすることが抑制され、水素ガスの排気が良好に行われる。

また、図９に示す別の実施例では、ガス透過膜４５は上側壁２２ａ１に対して鈍角に、すなわちガス透過膜４５が末端４５ｐ１から先端４５ｐ２に向かって窄まるように立設されている。この場合の鈍角は、ガス透過膜４５が自立できる程度の角度であり、例えば１２０度以下である。このとき、特許文献１と比較して、水や埃が付着し難くなり、それにより、水や埃がガス透過膜４５に付着したり溜まったりすることが抑制され、水素ガスの排気が良好に行われる。

また、他の換気部として、上側壁２２ａ１の貫通孔４０の周縁から筒状に立設する側壁と、その側壁の上部を覆う蓋部と、その側壁に形成された貫通孔と、その貫通孔を覆うガス透過膜とを備える、という構成が考えられる。この換気部ではガス透過膜は自立しておらず、側壁をガス透過膜用の支持部材として使用している。一方、図５に示す実施例では、ガス透過膜４５は自立するように立設されており、基材４３以外の支持部材が使用されていない。すなわち、上記他の換気部と比較して、上記側壁が存在しない分だけ、ガス透過膜４５における水素ガスが透過する面積をより広くとることができる。それにより、水素ガスの排気の効率を高めることができる。

次に、図１０〜図１２を参照して、別の実施例について説明する。

図１０は別の実施例の換気部４の構成例を示す斜視図であり、図１１は図１０におけるガス透過膜４５の構成例を示す断面図である。ただし、図１１は、換気部４をケース本体２２に設置した場合でのガス透過膜４５における上側壁２２ａ１に平行な断面を示している。ガス透過膜４５における上側壁２２ａ１に平行な断面は、凹部５１ｂと凸部５１ａとが周方向Ｑに沿って交互に連続した形状、すなわち凹凸形状５１を有している。

ところで、図４に示すガス透過膜４５における上側壁２２ａ１に平行な断面は円形状を有している。ここで、図４に示すガス透過膜４５の断面の円形状を、例えば図１１に示す凹凸形状５１に外接する円形状５０とする。この場合、凹凸形状５１の設置に要する面積は円形状５０の設置に要する面積と概ね同じとなる。ここで、凹凸形状５１の凹部５１ｂの凹み具合を適度に選択することで、凹凸形状５１の周の長さを、円形状５０の周の長さよりも大きくすることができる。それにより、ガス透過膜４５の高さを一定とすれば、凹凸形状５１のガス透過膜４５の面積を、円形状５０のガス透過膜４５の面積よりも大きくすることができる。言い換えると、凹凸形状５１の設置に要する面積を円形状５０の設置に要する面積と概ね同じとしながら、図１１のガス透過膜４５の面積を図４のガス透過膜４５の面積よりも増加することができる。すなわち、図１１に示すガス透過膜４５を用いることにより、図１０に示す換気部４は、図４に示す換気部４と比較して、ケース２内の換気の効率を向上できる。

図１２は別の実施例の燃料電池スタックＡの構成例を示す斜視図である。図１２に示す燃料電池スタックＡは、換気部として図１０に示す換気部４を使用し、かつ、換気部４の数が少ない点で、図１に示す燃料電池スタックＡと相違している。図１０に示す換気部４は図４に示す換気部と比較してケース２内の換気の効率を向上しているので、図１２に示す燃料電池スタックＡは図１に示す燃料電池スタックＡと比較して換気部４の数を削減できる。それにより、貫通孔４０の数が削減できるため、換気部４の設置によるケース本体２２の剛性の低下を抑制できる。また、換気部４の材料を削減できるため、換気部４のコストを削減できる。また、ガス透過膜４５の高さを低くしたり、設置に要する面積を小さくしたりできるので、換気部４全体の大きさを小さくでき、換気部４の材料が削減されて、換気部４のコストを削減できる。

ただし、ガス透過膜４５の凹凸形状５１における凹部５１ｂ及び凸部５１ａの数や大きさは、図１１に示す例に限定されるものではない。例えば、凹部５１ｂ及び凸部５１ａの数は、図１１に示す実施例ではそれぞれ７個であるが、図１３に示す実施例の１０個や、図１４に示す実施例の１６個のように、図１１に示す実施例よりも多くてもよいし、図示しないが、少なくてもよい。また、凹部５１ｂの最奥部５１ｂｂは図１１及び図１４に示されるように貫通孔４０に隣接してもよいし、図１３に示されるように貫通孔４０から離間してもよい。図１１及び図１４に示される例では、図１３に示される例に比べて、凹凸形状５１を形成するガス透過膜４５の一辺の長さＬを長くすることができ、したがってガス透過膜４５の面積を大きくすることができる。

１燃料電池本体
２ケース
４換気部
１１積層体
２２ａ側壁
２２ａ１上側壁
２２ｃ開口
４０貫通孔
４１筒状壁部
４５ガス透過膜
４２蓋部
Ａ燃料電池スタック
Ｓ積層方向

Claims

複数の燃料電池単セルを積層方向に沿って積層することにより形成される積層体を含む燃料電池本体と、
前記積層方向に沿い前記燃料電池本体を囲む四つの側壁と少なくとも一つの開口とを有し、前記燃料電池本体を収容するケースと、
を備える、燃料電池スタックであって、
前記四つの側壁は、前記燃料電池スタックが移動体に搭載されたとき上側に配置される上側壁を含み、
前記ケースは、前記上側壁に形成された換気部を備え、
前記換気部は、
前記上側壁に形成され、前記ケースの内側と外側とを連通する貫通孔と、
ガス透過膜で形成され、前記ガス透過膜が自立するように前記貫通孔の周縁から前記ケースの外側へ立設された筒状壁部と、
前記筒状壁部の外端に取り付けられた蓋部と、
を備え、
前記ガス透過膜は、前記上側壁に対して交差するように立設されている、
燃料電池スタック。
前記筒状壁部の前記上側壁に平行な断面は、凹部と凸部とが周方向に沿って交互に連続した形状である、
請求項１に記載の燃料電池スタック。
前記ガス透過膜は、厚さ方向に互いに積層された複数のガス透過膜から形成される、
請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。