WO2010109917A1 - 固体高分子形燃料電池スタック - Google Patents

固体高分子形燃料電池スタック Download PDF

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WO2010109917A1
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cell stack
end plate
hole
fluid
fuel cell
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PCT/JP2010/002211
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松本敏宏
山本曜子
森本隆志
吉村光生
新井健二
長尾善輝
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パナソニック株式会社
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell stack.
  • the fuel cell stack has a structure in which fuel cells (single cells) are stacked.
  • the single cell is composed of a polymer electrolyte membrane and a membrane electrode assembly (hereinafter also referred to as “MEA”) having a pair of catalyst electrodes sandwiching the polymer electrolyte membrane, and a pair of separators sandwiching the membrane electrode assembly. It consists of.
  • MEA membrane electrode assembly
  • the polymer electrolyte membrane is composed of an electrolyte having a polymer ion exchange membrane such as a fluororesin ion exchange membrane having a sulfonic acid group or a hydrocarbon resin ion exchange membrane.
  • the catalyst electrode is located on the polymer electrolyte membrane side, and includes a catalyst layer that promotes a redox reaction in the catalyst electrode, and a gas diffusion layer that is located outside the catalyst layer and has air permeability and conductivity. . Further, the gas diffusion layer is located on the catalyst layer side, and a carbon coating layer for improving the contact property with the catalyst layer, and a gas diffusion base material for diffusing the gas supplied from the outside and supplying the catalyst layer Composed of layers.
  • the catalyst layer of the fuel electrode includes, for example, platinum or an alloy of platinum and ruthenium
  • the catalyst layer of the air electrode includes, for example, an alloy of platinum, platinum, and cobalt.
  • the separator is a conductive member for preventing the fuel gas supplied to the fuel electrode and the oxidizing gas supplied to the air electrode from being mixed.
  • the fuel cell stack can be electrically connected in series by stacking such single cells.
  • the fuel cell stack further includes an end plate that sandwiches the cell stack (see, for example, Patent Document 1).
  • the end plate has a fluid tube body for supplying gas and a cooling medium to the fuel cell stack and discharging the gas and the cooling medium from the fuel cell stack.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a fuel cell stack 10 disclosed in Patent Document 1.
  • the fuel cell stack 10 disclosed in Patent Document 1 includes a cell stack 11 and end plates 13 and 15 that sandwich the cell stack 11.
  • the end plate 13 has fluid pipes 17 and 19.
  • Electrical energy can be continuously extracted by supplying fuel gas (including hydrogen) and oxidizing gas (including oxygen) to each single cell of the fuel cell stack having such a configuration.
  • fuel gas including hydrogen
  • oxidizing gas including oxygen
  • Hydrogen molecules supplied to the fuel electrode are separated into hydrogen ions and electrons by the catalyst layer of the fuel electrode. Hydrogen ions move to the air electrode side through the humidified polymer electrolyte membrane. On the other hand, the electrons move through the external circuit to the air electrode to which the oxidizing gas is supplied. At this time, the electrons passing through the external circuit can be used as electric energy. In the air electrode catalyst layer, hydrogen ions that have moved through the polymer electrolyte membrane, electrons that have moved through the external circuit, and oxygen supplied to the air electrode react to generate water. Further, heat is generated by the above-described chemical reaction.
  • the fuel cell stack is used as a domestic cogeneration system for power generation and hot water supply (see, for example, Patent Document 3).
  • a domestic cogeneration system heat generated during power generation is sequentially recovered using a cooling medium or the like discharged from a fluid pipe. The recovered heat is further stored in a hot water storage tank or the like and used as heat energy as necessary.
  • a fuel cell system having a fuel cell stack sandwiched between end plates, a fuel processing device that manufactures fuel gas supplied to the fuel cell stack, and an interconnect unit that connects the end plate and the fuel processing device. It is known (see, for example, Patent Document 4).
  • a partial gap is provided between the interconnect portion and the end plate in order to minimize heat transfer between the fuel processing device and the fuel cell stack.
  • JP 2007-294330 A Japanese Patent Laid-Open No. 09-63623 JP 2008-293996 A US Patent Application Publication No. 2006/0134470
  • heat generated during power generation may be conducted to the end plate in addition to being recovered by a cooling medium or the like. Since the heat conducted to the end plate is released from the end plate to the outside, the heat cannot be recovered as heat energy, and the heat generated during power generation cannot be recovered efficiently.
  • An object of the present invention is to provide a fuel cell stack capable of efficiently recovering heat generated during power generation by reducing the amount of heat conducted from a fluid pipe body to an end plate and released to the outside. That is.
  • the present inventor has found that the release of heat can be suppressed by partially separating the fluid pipe body and the end plate to provide a gap, and has further studied and completed the invention. That is, the present invention relates to the following fuel cell stack.
  • a cell laminate in which a single cell comprising a membrane electrode assembly and a separator sandwiching the membrane electrode assembly is laminated, and a cell having a manifold for supplying or discharging a fluid to the laminated single cell
  • a fluid tube connected to the manifold, wherein a part of the outer surface of the fluid tube facing the inner surface of the through hole is the through-hole.
  • the convex portion includes a rib, and the rib is along a flow direction of the fluid flowing through the fluid pipe body.
  • the air in the gap functions as a heat insulating material. For this reason, the amount of heat conducted from the fluid flowing in the fluid pipe to the end plate is small, and the amount of heat released to the outside through the end plate is small. Therefore, according to the fuel cell stack of the present invention, the heat generated during power generation can be efficiently recovered.
  • FIG. 1 Sectional view of fuel cell stack of Embodiment 1 Enlarged sectional view of the fuel cell stack of the first embodiment
  • Sectional view of the fuel cell stack of the second embodiment Enlarged sectional view of the fuel cell stack of the second embodiment
  • the fuel cell stack according to the present invention has 1) a cell stack, 2) an end plate stacked on the cell stack, and 3) a fluid tube body detachably mounted on the end plate. Further, the fuel cell stack may have a current collector plate between the cell stack and the end plate.
  • a cell laminate is a single cell laminate comprising a membrane electrode assembly (hereinafter also referred to as “MEA”) and a pair of separators sandwiching the membrane electrode assembly.
  • MEA membrane electrode assembly
  • the cell stack has a manifold penetrating in the cell stacking direction.
  • the manifold is a flow path for supplying or discharging fuel gas, oxidizing gas, or cooling medium to each single cell.
  • the MEA has a polymer electrolyte membrane and a pair of catalyst electrodes composed of a fuel electrode and an air electrode that sandwich the polymer electrolyte membrane.
  • the catalyst electrode preferably has a catalyst layer in contact with the polymer electrolyte membrane and a gas diffusion layer laminated on the catalyst layer.
  • the polymer electrolyte membrane is a polymer membrane having a function of selectively transporting protons in a wet state.
  • the material of the polymer electrolyte membrane is not particularly limited as long as it selectively moves hydrogen ions. Examples of such materials include fluorine-based polymer electrolyte membranes and hydrocarbon-based polymer electrolyte membranes. Specific examples of fluorine-based polymer electrolyte membranes include DuPont's Nafion (registered trademark), Asahi Glass Corporation's Flemion (registered trademark), Asahi Kasei Corporation's Aciplex (registered trademark), and Japan Gore-Tex Corporation's GORE. -SELECT (R) etc. are included.
  • the catalyst layer is a layer containing a catalyst that promotes a redox reaction of hydrogen or oxygen.
  • the catalyst layer is not particularly limited as long as it has conductivity and has a catalytic ability to promote a redox reaction of hydrogen and oxygen.
  • the catalyst layer on the air electrode side includes, for example, platinum, an alloy of platinum and cobalt, an alloy of platinum, cobalt, and nickel as a catalyst.
  • the catalyst layer on the fuel electrode side contains platinum or an alloy of platinum and ruthenium as a catalyst.
  • the catalyst layer is made of, for example, a polymer electrolyte membrane prepared by mixing a proton conductive electrolyte and a water repellent PTFE resin into carbon fine particles such as acetylene black, ketjen black, and vulcan that carry these catalysts. It is formed by applying on top.
  • the gas diffusion layer is a porous layer having conductivity.
  • the material of the gas diffusion layer is not particularly limited as long as it has conductivity and can diffuse the reaction gas.
  • the gas diffusion layer may be composed of a gas diffusion base layer that diffuses the gas supplied from the separator side into the catalyst layer, and a carbon coat layer that improves the contact between the gas diffusion base layer and the catalyst layer. Good.
  • the separator is a conductive member having a fuel gas channel on the surface in contact with the fuel electrode and an oxidizing gas channel on the surface in contact with the air electrode.
  • the surface on which the separator has the gas flow path has a concave part and a convex part, and the concave part forms the gas flow path.
  • the separator has a cooling medium inlet manifold hole for supplying the cooling medium and a cooling medium outlet manifold hole for discharging the cooling medium.
  • the separator has a manifold hole for supplying and exhausting fuel gas and a manifold hole for supplying and exhausting oxidizing gas.
  • the separator may have a rubber-like seal portion that prevents leakage of the cooling medium, oxidizing gas, fuel gas, and the like.
  • the end plate is a member constituting the end of the fuel cell stack in the stacking direction.
  • the fuel cell stack usually has a pair of end plates, and the pair of end plates sandwich the cell stack.
  • the end plate preferably has high rigidity to support a load applied to the cell stack.
  • the end plate has a through hole along the stacking direction of the cell stack (see FIG. 3).
  • a fluid tube described later is inserted into the through hole.
  • the end plate may have a plurality of such through holes (see FIG. 3).
  • the material of the end plate is preferably a resin having low thermal conductivity. This is because if the end plate is made of a material having low thermal conductivity, the amount of heat conducted from the fluid pipe described later to the end plate can be reduced, and the amount of heat released to the outside can be reduced. Examples of such materials include thermoplastic resins such as polyphenylene sulfide and thermosetting resins such as phenol resins.
  • a load is applied to a laminate composed of a cell laminate, a current collector plate and an end plate (hereinafter also simply referred to as “laminate”), and the load is applied.
  • a load may be applied to the cell laminate by winding and holding the laminate with a rigid annular band.
  • a load may be applied to the cell stack by applying a load to the stack and fixing the stack in a state where the load is applied with a stud and a nut.
  • the fluid tube is a tube that is connected to the manifold of the cell stack and supplies or discharges fluid to the manifold.
  • the fluid tubular body is detachably inserted into the through hole of the end plate and penetrates the end plate (see FIG. 4B). In this way, since the fluid tube passes through the end plate, the fluid in the fluid tube does not directly contact the end plate.
  • “fluid” means fuel gas, oxidizing gas, or cooling medium.
  • the fluid pipe is a fuel gas supply pipe that supplies fuel gas to the fuel gas supply manifold; a fuel gas discharge pipe that discharges fuel gas from the fuel gas discharge manifold; and an oxidizing gas supply that supplies oxidizing gas to the oxidizing gas supply manifold
  • An oxidant gas discharge pipe that discharges the oxidant gas from the oxidant gas discharge manifold; a cooling medium supply pipe that supplies the cooling medium to the cooling medium supply manifold; or a cooling medium discharge pipe that discharges the cooling medium from the cooling medium discharge manifold .
  • a part of the outer surface of the fluid tubular body that faces the inner surface of the through hole (hereinafter also simply referred to as “through hole facing surface”) is separated from the inner surface of the through hole. It is characterized by. For this reason, in this invention, a space
  • an uneven shape can be provided on the surface facing the through hole of the fluid pipe body or the inner surface of the through hole of the end plate. That's fine.
  • the concave and convex shape When the concave and convex shape is provided on the through hole facing surface of the fluid pipe body, the top surface of the convex portion of the through hole facing surface of the fluid pipe body is in contact with the inner surface of the through hole.
  • the concave portion on the surface facing the through hole of the fluid tubular body is separated from the inner surface of the through hole, and constitutes a gap between the surface facing the through hole of the fluid tubular body and the inner surface of the through hole (Embodiment 1). reference).
  • the number of the convex parts which the through-hole opposing surface of the fluid pipe body has may be one, but it is preferable that it is plural. . Since the surface facing the through hole of the fluid tube has a plurality of convex portions in contact with the inner surface of the through hole, the fluid tube inserted into the through hole of the end plate can be prevented from wobbling.
  • the convex part which the through-hole opposing surface of the fluid pipe body has includes the rib formed in the through-hole opposing surface of the fluid pipe body. It is preferable that the rib formed on the surface facing the through hole of the fluid pipe body is along the flow direction of the fluid flowing through the fluid pipe body (see FIG. 5). This is because the rib can ensure the strength of the fluid pipe body along the fluid flowing direction.
  • the shape of the concave and convex portions on the inner surface of the through hole is such that part of the surface facing the through hole of the fluid tubular body is separated from the inner surface of the through hole
  • a void can be formed between the through-hole facing surface and the through-hole inner surface of the tube (see Embodiment 2).
  • the number of convex portions on the inner surface of the through hole may be one, but it is preferable to be plural. Since the inner surface of the through hole has a plurality of convex portions that come into contact with the through hole facing surface of the fluid tube, the fluid tube inserted into the through hole of the end plate can be prevented from wobbling.
  • the material of the fluid tube is preferably a resin having low thermal conductivity. This is because if the fluid tube is made of a material having low thermal conductivity, the amount of heat conducted from the fluid tube to the end plate can be reduced, and the amount of heat released to the outside can be reduced. Examples of such materials include thermoplastic resins such as polyphenylene sulfide and thermosetting resins such as phenol resins.
  • the through hole facing surface of the fluid tube and the inner surface of the end hole of the end plate are partially separated from each other, and between the through hole facing surface of the fluid tube and the inner surface of the through hole of the end plate. Since the air gap is provided, the air in the air gap functions as a heat insulating material. For this reason, when the fluid tube is a tube that discharges fluid (a fuel gas discharge tube, an oxidizing gas discharge tube, or a cooling medium discharge tube), the thermal energy accumulated in the fluid flowing through the fluid tube is It is difficult to conduct to the end plate and little heat energy is released to the outside through the end plate. For this reason, the thermal energy accumulated in the fluid can be efficiently recovered.
  • the fluid tube is preferably a cooling medium discharge pipe connected to the cooling medium discharge manifold.
  • the fluid pipe body is a pipe body (fuel gas supply pipe, oxidizing gas supply pipe, or cooling medium supply pipe) that supplies fluid
  • the through hole facing surface of the fluid pipe body and the inner surface of the through hole of the end plate If a gap is provided between the end plate and the end plate, the amount of heat energy conducted from the end plate to the fluid pipe body is small. Therefore, the fluid can be supplied to the manifold through the fluid pipe body without being affected by heat.
  • FIG. 2 is a perspective view of the fuel cell stack 100 of the first embodiment.
  • the fuel cell stack 100 includes a cell stack 101, a current collector plate 103, an end plate 105, and an annular band 109.
  • the annular band 109 is held by winding a laminate composed of the cell laminate 101, the current collector plate 103, and the end plate 105.
  • the fuel cell stack 100 further includes an oxidizing gas supply pipe 111, a cooling medium supply pipe 113, a fuel gas supply pipe 115, a fuel gas discharge pipe 117, a cooling medium discharge pipe 119, and an oxidizing gas discharge pipe 121.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along one-dot chain line A of the fuel cell stack 100 shown in FIG. As shown in FIG. 3, the cell stack 101 is sandwiched between a pair of current collector plates 103, and the cell stack 101 and the current collector plate 103 are sandwiched between a pair of end plates 105.
  • the end plate 105 has a through hole 106 along the stacking direction of the cell stack 101.
  • the cooling medium supply pipe 113 is connected to the cooling medium supply manifold 102 a of the cell stack 101, and the cooling medium discharge pipe 119 is connected to the cooling medium discharge manifold 102 b of the cell stack 101.
  • the cooling medium supply pipe 113 and the cooling medium discharge pipe 119 are removably inserted into the through holes 106 and pass through the end plate 105.
  • FIG. 4A is an enlarged view of a square X in FIG.
  • a surface of the outer surface of the cooling medium discharge pipe 119 that faces the inner surface of the through hole 106 has a convex portion 131 and a concave portion 133.
  • the top surface of the protrusion 131 is in contact with the inner surface of the through hole 106.
  • the recess 133 is separated from the inner surface of the through hole 106. For this reason, a gap 135 is formed between the end plate 105 and the cooling medium discharge pipe 119.
  • the air gap 135 is provided between the through hole facing surface of the cooling medium discharge pipe 119 and the inner surface of the through hole 106 of the end plate 105, the air in the air gap 135 functions as a heat insulating material. The amount of heat conducted from the cooling medium that has accumulated the heat energy flowing through the cooling medium discharge pipe 119 to the end plate 105 is reduced.
  • FIG. 4B shows how the cooling medium discharge pipe 119 is attached to the end plate 105.
  • the cooling medium discharge pipe 119 is attached to the end plate 105 by being removably inserted into the through hole 106 of the end plate 105.
  • FIG. 5 is a perspective view of the cooling medium discharge pipe 119.
  • the convex 131 provided on the outer surface of the cooling medium discharge pipe 119 is a rib.
  • the rib 131 is along the direction in which the refrigerant flowing in the cooling medium discharge pipe 119 flows. Since the rib 131 is along the flow direction of the refrigerant, the strength of the cooling medium discharge pipe 119 can be ensured with less material.
  • the diameter ⁇ of the cooling medium discharge pipe 119 is 5 to 15 mm, and is about 8 mm.
  • the amount of heat energy accumulated in the cooling medium conducted to the end plate is small, and the amount of heat released to the outside through the end plate is reduced. For this reason, the heat generated during power generation can be efficiently recovered.
  • the cooling medium discharge pipe has been mainly described.
  • the fuel gas supply pipe, the fuel gas discharge pipe, the oxidizing gas supply pipe, the oxidizing gas discharge pipe, and the cooling medium supply pipe have the same configuration. It may be.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the fuel cell stack 200 of the second embodiment.
  • the fuel cell stack 200 is the same as the fuel cell stack 100 of the first embodiment, except that the shapes of the coolant supply pipe, the coolant discharge pipe, and the through holes of the end plate are different. Constituent members that are the same as those in the first embodiment are given the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted.
  • the end plate 205 of the fuel cell stack 200 has a through hole 206 along the stacking direction of the cell stack 101. Further, the cooling medium supply pipe 213 and the cooling medium discharge pipe 219 are inserted into the through holes 206 and penetrate the end plate 205.
  • FIG. 7A is an enlarged view of the square X in FIG.
  • the inner surface of the through hole 206 has a convex portion 231 and a concave portion 233.
  • the top surface of the convex portion 231 is in contact with the cooling medium discharge pipe 219.
  • the recess 233 does not contact the cooling medium discharge pipe 219. For this reason, a gap 235 is formed between the end plate 205 and the cooling medium discharge pipe 219.
  • FIG. 7B shows a state where the cooling medium discharge pipe 219 is attached to the end plate 205.
  • the cooling medium discharge pipe 219 is attached to the end plate 205 by being removably inserted into the through hole 206 of the end plate 205.
  • the cooling medium discharge pipe has been mainly described.
  • the fuel gas supply pipe, the fuel gas discharge pipe, the oxidizing gas supply pipe, the oxidizing gas discharge pipe, and the cooling medium supply pipe have the same configuration. Also good.
  • the fuel cell stack of the present invention is useful as a fuel cell stack for use in a home cogeneration system because of the small amount of heat released to the outside.

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Abstract

　膜電極接合体、および前記膜電極接合体を挟むセパレータからなる単セルを積層したセル積層体であって、前記積層された単セルに流体を供給または排出するためのマニホールドを有するセル積層体と、前記セル積層体に積層され、かつ前記セル積層体の積層方向に沿った貫通孔を有するエンドプレートと、前記エンドプレートの前記貫通孔に取り外し可能に挿入され、前記エンドプレートを貫通し、かつ前記マニホールドに接続された流体用管体と、を有する燃料電池スタックであって、前記流体用管体の外面のうち、前記貫通孔の内面に対向する面の一部は、前記貫通孔の内面と離間している、燃料電池スタック。

Description

固体高分子形燃料電池スタック
　本発明は、固体高分子形燃料電池スタックに関する。
　燃料電池スタックは、燃料電池セル（単セル）を積層した構造を有する。単セルは、高分子電解質膜、および高分子電解質膜を挟む一対の触媒電極を有する膜電極接合体（membrane electrode assembly；以下「ＭＥＡ」とも称する）と、膜電極接合体を挟む一対のセパレータと、からなる。
　高分子電解質膜は、スルホン酸基を有するフッ素樹脂系イオン交換膜や、炭化水素樹脂系イオン交換膜のような高分子イオン交換膜などを有する電解質から構成される。
　触媒電極は、高分子電解質膜側に位置し、触媒電極内における酸化還元反応を促進させる触媒層と、触媒層の外側に位置し、通気性および導電性を有するガス拡散層とから構成される。さらに、ガス拡散層は、触媒層側に位置し、触媒層との接触性を向上させるカーボンコート層と、外部から供給されるガスを拡散させて、触媒層に供給するためのガス拡散基材層とから構成される。燃料極の触媒層には、例えば白金や白金とルテニウムとの合金などが含まれ、空気極の触媒層には、例えば、白金や白金とコバルトとの合金などが含まれる。
　セパレータは、燃料極に供給される燃料ガスと空気極に供給される酸化ガスとが混ざらないようにするための導電性部材である。
　燃料電池スタックはこのような単セルを積層することで、電気的に直列に接続されうる。燃料電池スタックは、さらにセル積層体を挟むエンドプレートを有する（例えば特許文献１参照）。エンドプレートは、燃料電池スタックにガスや冷却媒体を供給したり、燃料電池スタックからガスや冷却媒体を排出するための流体用管体を有する。
　図１は特許文献１に開示された燃料電池スタック１０の断面図である。図１に示されるように特許文献１に開示された燃料電池スタック１０は、セル積層体１１とセル積層体１１を挟むエンドプレート１３、１５を有する。エンドプレート１３は、流体用管体１７、１９を有する。
　図１に示されるように特許文献１に開示された燃料電池スタック１０では、エンドプレート１３と流体用管体１７、１９とは、空隙無く接触している。また、流体用管体を熱伝導性の低い材料で作製し、流体用管体を流れる流体の熱がエンドプレートに伝導することを抑制する技術が知られている（例えば特許文献２参照）。
　このような構成を有する燃料電池スタックのそれぞれの単セルに、燃料ガス（水素を含む）、および酸化ガス（酸素を含む）を供給することで、電気エネルギを継続的に取り出すことができる。以下、単セルに燃料ガスおよび酸化ガスを供給することによって生じる化学反応について説明する。
　燃料極に供給された水素分子は、燃料極の触媒層によって、水素イオンと電子に分けられる。水素イオンは、加湿された高分子電解質膜を通して空気極側に移動する。一方、電子は、外部回路を通して、酸化ガスが供給される空気極に移動する。このとき、外部回路を通る電子は、電気エネルギとして利用されうる。空気極触媒層では、高分子電解質膜を通して移動してきた水素イオンと、外部回路を通して移動してきた電子と、空気極に供給された酸素とが反応し、水が生成される。また、上述した化学反応により熱が発生する。
　このように、燃料電池に燃料ガスおよび酸化ガスを供給することで、電気エネルギと熱エネルギとを同時に得ることができる。このため燃料電池スタックは、発電および給湯のための家庭用コージェネレーションシステムとして利用されている（例えば特許文献３参照）。家庭用コージェネレーションシステムでは、発電中に発生した熱を、流体用管体から排出される冷却媒体などを用いて逐次回収する。回収された熱は、さらに貯湯タンクなどに貯蔵され、必要に応じて熱エネルギとして利用される。
　また、エンドプレートに挟まれた燃料電池スタックと、燃料電池スタックに供給される燃料ガスを製造する燃料処理装置と、エンドプレートと燃料処理装置とを接続するインターコネクト部と、を有する燃料電池システムが知られている（例えば特許文献４参照）。特許文献４に開示された燃料電池システムでは、燃料処理装置と燃料電池スタックとの間の熱移動を最小化するために、インターコネクト部と、エンドプレートとの間に一部ギャップを設けている。
特開２００７－２９４３３０号公報 特開平０９－６３６２３号公報 特開２００８－２９３９９６号公報 米国特許出願公開第２００６／０１３４４７０号明細書
　しかしながら、従来の燃料電池スタックでは、発電中に発生した熱は、冷却媒体などによって回収される以外に、エンドプレートに伝導することがあった。エンドプレートに伝導した熱は、エンドプレートから外部に放出されることから、熱エネルギとして回収できず、発電中に発生した熱を効率的に回収できなくなるという問題があった。
　特に、図１に示される燃料電池スタックのように、エンドプレートと流体用管体とが密着している場合、流体用管体からエンドプレートへ熱エネルギが伝導しやすい。また、特許文献２に開示されたように、流体用管体が熱伝導性の低い材料からなる場合であっても、エンドプレートと流体用管体とが密着している以上、流体用管体からエンドプレートへ熱エネルギが伝導してしまう。
　本発明の目的は、流体用管体からエンドプレートに伝導し、外部へと放出される熱量を減少させて、発電中に発生した熱を効率的に回収することができる燃料電池スタックを提供することである。
　本発明者は、流体用管体とエンドプレートとを部分的に離間させて空隙を設けることで、熱の放出を抑えることができることを見出し、さらに検討を加え、発明を完成させた。すなわち本発明は、以下に示す燃料電池スタックに関する。
　［１］膜電極接合体、および前記膜電極接合体を挟むセパレータからなる単セルを積層したセル積層体であって、前記積層された単セルに流体を供給または排出するためのマニホールドを有するセル積層体と、前記セル積層体に積層され、かつ前記セル積層体の積層方向に沿った貫通孔を有するエンドプレートと、前記エンドプレートの前記貫通孔に取り外し可能に挿入され、前記エンドプレートを貫通し、かつ前記マニホールドに接続された流体用管体と、を有する燃料電池スタックであって、前記流体用管体の外面のうち、前記貫通孔の内面に対向する面の一部は、前記貫通孔の内面と離間している、燃料電池スタック。
　［２］前記流体用管体の外面のうち、前記貫通孔の内面に対向する面は、凹凸形状を有する、［１］に記載の燃料電池スタック。
　［３］前記凸部はリブを含み、前記リブは、前記流体用管体内を流れる流体の流れる方向に沿う、［２］に記載の燃料電池スタック。
　［４］前記流体用管体は、冷却媒体を排出するための前記マニホールドに接続されている、［１］～［３］のいずれか一つに記載の燃料電池スタック。
　本発明によれば、流体用管体と、エンドプレートとの間に空隙が形成されることから、空隙内の空気が断熱材として機能する。このため、流体用管体内を流れる流体からエンドプレートへ伝導する熱量が小さく、エンドプレートを通して外部へ放出される熱量が少ない。このため本発明の燃料電池スタックによれば発電時に発生した熱を効率的に回収することができる。
従来の燃料電池スタックの断面図 実施の形態１の燃料電池スタックの斜視図 実施の形態１の燃料電池スタックの断面図 実施の形態１の燃料電池スタックの拡大断面図 実施の形態１の燃料電池スタックにおける、冷却媒体排出管の斜視図 実施の形態２の燃料電池スタックの断面図 実施の形態２の燃料電池スタックの拡大断面図
　本発明の燃料電池スタックは、１）セル積層体と、２）セル積層体に積層されたエンドプレートと、３）エンドプレートに着脱可能に装着された流体用管体とを有する。また、燃料電池スタックは、セル積層体とエンドプレートとの間に集電板を有していてもよい。以下、それぞれの構成要件について説明する。
　１．セル積層体について
　セル積層体とは、膜電極接合体（membrane electrode assembly；以下「ＭＥＡ」とも称する）、および膜電極接合体を挟む一対のセパレータからなる単セルの積層体である。また、セル積層体は、セルの積層方向に貫通するマニホールドを有する。マニホールドは、各単セルに燃料ガス、酸化ガス、または冷却媒体の供給または排出を行うための流路である。
　ＭＥＡは、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を挟む燃料極および空気極からなる一対の触媒電極とを有する。触媒電極は、それぞれ高分子電解質膜に接する触媒層と、触媒層に積層されるガス拡散層とを有することが好ましい。
　高分子電解質膜は、湿潤状態において、プロトンを選択的に輸送する機能を有する高分子膜である。高分子電解質膜の材料は、水素イオンを選択的に移動させるものであれば特に限定されない。このような材料の例にはフッ素系の高分子電解質膜や炭化水素系の高分子電解質膜などが含まれる。フッ素系の高分子電解質膜の具体的な例には、デュポン社のＮａｆｉｏｎ（登録商標）や旭硝子株式会社のＦｌｅｍｉｏｎ（登録商標）、旭化成株式会社のＡｃｉｐｌｅｘ（登録商標）、ジャパンゴアテックス社のＧＯＲＥ－ＳＥＬＥＣＴ（登録商標）などが含まれる。
　触媒層は、水素または酸素の酸化還元反応を促進する触媒を含む層である。触媒層は、導電性を有し、かつ水素および酸素の酸化還元反応を促進する触媒能を有するものであれば特に限定されない。空気極側の触媒層は、例えば触媒として白金や白金とコバルトとの合金、白金とコバルトとニッケルとの合金など含む。燃料極側の触媒層は、触媒として白金や白金とルテニウムとの合金などを含む。
　触媒層は、例えば、これらの触媒を担持させたアセチレンブラックやケッチェンブラック、バルカンなどのカーボン微粒子に、プロトン導電性を有する電解質と撥水性を有するＰＴＦＥなどの樹脂を混合し、高分子電解質膜上に塗布することで形成される。
　ガス拡散層は、導電性を有する多孔質層である。ガス拡散層の材料は、導電性を有し、かつ反応ガスが拡散できるものであれば特に限定されない。ガス拡散層は、セパレータ側から供給されるガスを触媒層に拡散させるガス拡散基材層と、ガス拡散基材層と触媒層との接触性を向上させるカーボンコート層とから構成されていてもよい。
　セパレータは、燃料極と接する面に燃料ガス流路、空気極と接する面に酸化ガス流路を有する導電性の部材である。セパレータがガス流路を有する面は、凹部と凸部を有し、凹部がガス流路を形成する。
　セパレータは、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口マニホールド孔および冷却媒体を排出するための冷却媒体出口マニホールド孔を有する。また、セパレータは、燃料ガスを給排気するためのマニホールド孔、および酸化ガスを給排気するためのマニホールド孔を有する。さらにセパレータは、冷却媒体や酸化ガス、燃料ガスなどが漏れないようにするゴム状のシール部を有していてもよい。
　２．エンドプレートについて
　エンドプレートは、燃料電池スタックの積層方向の端部を構成する部材である。燃料電池スタックは通常、一対のエンドプレートを有し、一対のエンドプレートはセル積層体を挟む。また、エンドプレートは、セル積層体に加える荷重を支持するために高い剛性を有することが好ましい。
　本発明の燃料電池スタックでは、エンドプレートがセル積層体の積層方向に沿った貫通孔を有することを特徴とする（図３参照）。貫通孔は、後述する流体用管体が挿入される。エンドプレートは、このような、貫通孔を複数有していてもよい（図３参照）。
　エンドプレートの材料は、熱伝導性が低い樹脂であることが好ましい。エンドプレートが熱伝導性の低い材料からなると、後述する流体用管体からエンドプレートに伝導する熱量を減少させ、外部へ放出される熱量を減少させることができるからである。このような材料の例には、ポリフェニレンサルファイドなどの熱可塑性樹脂やフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂などが含まれる。
　このように構成された燃料電池スタックでは、セル積層体に荷重を加えることが好ましい。セル積層体に荷重を加える手段は特に限定されないが、例えば、セル積層体、集電板およびエンドプレートからなる積層物（以下単に「積層物」とも称する）に荷重を加え、荷重がかかった状態の積層物を剛性を有する環状バンドで巻き込み、保持することで、セル積層体に荷重を加えてもよい。また、積層物に荷重を加え、荷重がかかった状態の積層物をスタッドとナットとで固定することで、セル積層体に荷重を加えてもよい。セル積層体に荷重を加えることで、セル内およびセル間の接触抵抗を低減し、燃料電池スタックの出力を向上させることができる。
　３．流体用管体について
　流体用管体とは、セル積層体のマニホールドに接続され、マニホールドに流体を供給または排出するための管体である。上述のように流体用管体は、エンドプレートの貫通孔に取り外し可能に挿入され、エンドプレートを貫通する（図４Ｂ参照）。このように、流体用管体がエンドプレートを貫通するので、流体用管体内の流体がエンドプレートに直接接触することはない。ここで、「流体」とは、燃料ガス、酸化ガスまたは冷却媒体を意味する。
　すなわち流体用管体は、燃料ガス供給マニホールドへ燃料ガスを供給する燃料ガス供給管；燃料ガス排出マニホールドから燃料ガスを排出する燃料ガス排出管；酸化ガス供給マニホールドへ酸化ガスを供給する酸化ガス供給管；酸化ガス排出マニホールドから酸化ガスを排出する酸化ガス排出管；冷却媒体供給マニホールドへ冷却媒体を供給する冷却媒体供給管；または冷却媒体排出マニホールドから冷却媒体を排出する冷却媒体排出管でありうる。
　本発明は、流体用管体の外面のうち、前記貫通孔の内面に対向する面（以下単に「貫通孔対向面」とも称する）の一部が、前記貫通孔の内面と離間していることを特徴とする。このため、本発明では、流体用管体の貫通孔対向面とエンドプレートの貫通孔内面との間に、空隙が形成される。
　流体用管体の貫通孔対向面の一部を、エンドプレートの貫通孔内面と離間させるには、流体用管体の貫通孔対向面、またはエンドプレートの貫通孔内面に、凹凸形状を設ければよい。
　流体用管体の貫通孔対向面に凹凸形状を設ける場合、流体用管体の貫通孔対向面の凸部の頂面は、貫通孔の内面と接触する。一方、流体用管体の貫通孔対向面の凹部は、貫通孔の内面と離間し、流体用管体の貫通孔対向面と、貫通孔内面との間の空隙を構成する（実施の形態１参照）。
　また、流体用管体の貫通孔対向面に凹凸形状を設ける場合、流体用管体の貫通孔対向面が有する凸部の数は、１つであってもよいが、複数であることが好ましい。流体用管体の貫通孔対向面が、貫通孔の内面と接触する複数の凸部を有することで、エンドプレートの貫通孔に挿入された流体用管体がぐらつくことを防止できる。
　流体用管体の貫通孔対向面が有する凸部は、流体用管体の貫通孔対向面に形成されたリブを含む。流体用管体の貫通孔対向面に形成されたリブは、流体用管体内を流れる流体の流れる方向に沿うことが好ましい（図５参照）。リブが、流体の流れる方向に沿うことで、流体用管体の強度を確保できるからである。
　一方、エンドプレートの貫通孔内面に凹凸形状を設ける場合、貫通孔内面の凹部および凸部の形状は、流体用管体の貫通孔対向面の一部が、貫通孔内面と離間し、流体用管体の貫通孔対向面と貫通孔内面との間に空隙を形成できるのであれば特に限定されない（実施の形態２参照）。
　また、エンドプレートの貫通孔内面に凹凸形状を設ける場合、貫通孔内面が有する凸部の数は、１つであってもよいが、複数であることが好ましい。貫通孔内面が、流体用管体の貫通孔対向面と接触する複数の凸部を有することで、エンドプレートの貫通孔に挿入された流体用管体がぐらつくことを防止できる。
　流体用管体の材料は、熱伝導性が低い樹脂であることが好ましい。流体用管体が熱伝導性の低い材料からなると、流体用管体からエンドプレートに伝導する熱量を減少させ、外部へ放出される熱量を減少させることができるからである。このような材料の例には、ポリフェニレンサルファイドなどの熱可塑性樹脂やフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂などが含まれる。
　このように、本発明では、流体用管体がエンドプレートを貫通することから、流体用管体を流れる流体が、直接エンドプレートに触れることはない。このため、流れる流体の熱がエンドプレートに伝導しにくい。
　さらに、本発明では、流体用管体の貫通孔対向面とエンドプレートの貫通孔内面とが部分的に離間し、流体用管体の貫通孔対向面とエンドプレートの貫通孔内面との間に、空隙が設けられていることから、空隙内の空気が断熱材として機能する。このため、流体用管体が、流体を排出する管体（燃料ガス排出管、酸化ガス排出管または冷却媒体排出管）である場合、流体用管体内を流れる流体に蓄積された熱エネルギが、エンドプレートへ伝導しにくく、エンドプレートを通して外部に放出される熱エネルギが少ない。このため流体に蓄積された熱エネルギを効率的に回収することができる。特に、冷却媒体排出管内の冷却媒体は最も多くの熱エネルギを蓄積していることから、流体用管体は、冷却媒体排出マニホールドに接続された冷却媒体排出管であることが好ましい。
　一方、流体用管体が、流体を供給する管体（燃料ガス供給管、酸化ガス供給管または冷却媒体供給管）である場合、流体用管体の貫通孔対向面とエンドプレートの貫通孔内面との間に空隙が設けられていると、エンドプレートから流体用管体に伝導する熱エネルギの量が少ない。このため、熱による影響をうけることなく、流体を流体用管体を通してマニホールドに供給することができる。
　以下、本発明の燃料電池スタックの実施の形態について、図面を参照して説明する。
　［実施の形態１］
　図２は、実施の形態１の燃料電池スタック１００の斜視図である。図２に示されるように燃料電池スタック１００は、セル積層体１０１、集電板１０３、エンドプレート１０５、環状バンド１０９を有する。環状バンド１０９は、セル積層体１０１、集電板１０３およびエンドプレート１０５からなる積層物を巻き込むことで保持する。燃料電池スタック１００は、さらに、酸化ガス供給管１１１、冷却媒体供給管１１３、燃料ガス供給管１１５、燃料ガス排出管１１７、冷却媒体排出管１１９および酸化ガス排出管１２１を有する。
　図３は、図２に示す燃料電池スタック１００の一点鎖線Ａによる断面図である。図３に示されるように、セル積層体１０１は、一対の集電板１０３によって挟まれ、セル積層体１０１および集電板１０３は一対のエンドプレート１０５によって挟まれる。
　図３に示されるように、エンドプレート１０５は、セル積層体１０１の積層方向に沿った貫通孔１０６を有する。また、冷却媒体供給管１１３はセル積層体１０１の冷却媒体供給マニホールド１０２ａに接続し、冷却媒体排出管１１９は、セル積層体１０１の冷却媒体排出マニホールド１０２ｂに接続している。冷却媒体供給管１１３および冷却媒体排出管１１９は、それぞれ貫通孔１０６に取り外し可能に挿入され、エンドプレート１０５を貫通している。
　図４Ａは、図３の四角Ｘの拡大図である。図４Ａに示されるように、冷却媒体排出管１１９の外面のうち、貫通孔１０６の内面と対向する面は凸部１３１および凹部１３３を有する。凸部１３１の頂面は、貫通孔１０６の内面と接する。一方、凹部１３３は貫通孔１０６の内面と離間する。このため、エンドプレート１０５と冷却媒体排出管１１９との間には空隙１３５が形成される。
　このように冷却媒体排出管１１９の貫通孔対向面と、エンドプレート１０５の貫通孔１０６の内面との間に、空隙１３５が設けられていることから、空隙１３５内の空気が断熱材として機能し、冷却媒体排出管１１９を流れる熱エネルギを蓄積した冷却媒体からエンドプレート１０５へ伝導する熱量が低減される。
　図４Ｂは、冷却媒体排出管１１９がエンドプレート１０５に装着される様子を示す。図４に示されるように、冷却媒体排出管１１９は、エンドプレート１０５の貫通孔１０６に取り外し可能に挿入されることで、エンドプレート１０５に装着される。
　図５は、冷却媒体排出管１１９の斜視図である。図５に示されるように冷却媒体排出管１１９の外面が有する凸部１３１は、リブである。また、リブ１３１は、冷却媒体排出管１１９内を流れる冷媒の流れる方向に沿う。リブ１３１が、冷媒の流れ方向に沿うことで、より少ない材料で冷却媒体排出管１１９の強度を確保することができる。冷却媒体排出管１１９の径Φは、５～１５ｍｍであり、約８ｍｍである。
　このように本実施の形態によれば、エンドプレートへ伝導する冷却媒体に蓄積された熱エネルギの量が少なく、エンドプレートを通して外部へ放出される熱量が低減される。このため発電時に発生した熱を効率的に回収することができる。
　また、本実施の形態では、主に冷却媒体排出管について説明したが、燃料ガス供給管、燃料ガス排出管、酸化ガス供給管、酸化ガス排出管および冷却媒体供給管も同様の構成を有していてもよい。
　［実施の形態２］
　実施の形態１では、流体用管体の貫通孔対向面が凹凸形状を有する態様について説明した。実施の形態２では、エンドプレートの貫通孔内面が凹凸形状を有する例について説明する。
　図６は、実施の形態２の燃料電池スタック２００の断面図である。燃料電池スタック２００は、冷却媒体供給管、冷却媒体排出管およびエンドプレートの貫通孔の形状が異なる以外は、実施の形態１の燃料電池スタック１００と同じである。実施の形態１と同一の構成部材については、同一の符号を付し、説明を省略する。
　図６に示されるように燃料電池スタック２００のエンドプレート２０５は、セル積層体１０１の積層方向に沿った貫通孔２０６を有する。また、冷却媒体供給管２１３および冷却媒体排出管２１９は、それぞれ貫通孔２０６に挿入され、エンドプレート２０５を貫通する。
　図７Ａは、図６の四角Ｘの拡大図である。図７Ａに示されるように、貫通孔２０６の内面は、凸部２３１および凹部２３３を有する。凸部２３１の頂面は、冷却媒体排出管２１９と接する。一方、凹部２３３は、冷却媒体排出管２１９と接しない。このため、エンドプレート２０５と冷却媒体排出管２１９との間には空隙２３５が形成される。
　図７Ｂは、冷却媒体排出管２１９がエンドプレート２０５に装着される様子を示す。図７Ｂに示されるように、冷却媒体排出管２１９は、エンドプレート２０５の貫通孔２０６に取り外し可能に挿入されることで、エンドプレート２０５に装着される。
　本実施の形態では、主に冷却媒体排出管について説明したが、燃料ガス供給管、燃料ガス排出管、酸化ガス供給管、酸化ガス排出管および冷却媒体供給管も同様の構成を有していてもよい。
　本出願は、２００９年３月２７日出願の特願２００９－０８０３６２に基づく優先権を主張する。当該出願明細書に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。
　本発明の燃料電池スタックでは、外部へ放出される熱量が少ないことから、家庭用コージェネレーションシステムに利用される燃料電池スタックとして有用である。
　１００、２００　燃料電池スタック
　１０１　セル積層体
　１０２　集電板とエンドプレートとが対向する領域
　１０３　集電板
　１０５、２０５　エンドプレート
　１０６、２０６　エンドプレートの貫通孔
　１０９　環状バンド
　１１１　酸化ガス供給管
　１１３、２１３　冷却媒体供給管
　１１５　燃料ガス供給管
　１１７　燃料ガス排出管
　１１９、２１９　冷却媒体排出管
　１２１　酸化ガス排出管
　１３１　流体用管体の貫通孔対向面が有する凸部
　１３３　流体用管体の貫通孔対向面が有する凹部
　１３５、２３５　空隙
　２３１　貫通孔内面が有する凸部
　２３３　貫通孔内面が有する凹部

Claims (4)

  1. 　膜電極接合体、および前記膜電極接合体を挟むセパレータからなる単セルを積層したセル積層体であって、前記積層された単セルに流体を供給または排出するためのマニホールドを有するセル積層体と、
    　前記セル積層体に積層され、かつ前記セル積層体の積層方向に沿った貫通孔を有するエンドプレートと、
    　前記エンドプレートの前記貫通孔に取り外し可能に挿入され、前記エンドプレートを貫通し、かつ前記マニホールドに接続された流体用管体と、を有する燃料電池スタックであって、
    　前記流体用管体の外面のうち、前記貫通孔の内面に対向する面の一部は、前記貫通孔の内面と離間している、燃料電池スタック。
  2. 　前記流体用管体の外面のうち、前記貫通孔の内面に対向する面は、凹凸形状を有する、請求項１に記載の燃料電池スタック。
  3. 　前記凸部はリブを含み、
    　前記リブは、前記流体用管体内を流れる流体の流れる方向に沿う、請求項２に記載の燃料電池スタック。
  4. 　前記流体用管体は、冷却媒体を排出するための前記マニホールドに接続されている、請求項１に記載の燃料電池スタック。
     
     
     
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