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JP2007035558A - 燃料電池スタック - Google Patents

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JP2007035558A JP2005220588A JP2005220588A JP2007035558A JP 2007035558 A JP2007035558 A JP 2007035558A JP 2005220588 A JP2005220588 A JP 2005220588A JP 2005220588 A JP2005220588 A JP 2005220588A JP 2007035558 A JP2007035558 A JP 2007035558A
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Abstract

【課題】エンドプレート及びマニホールド部材の軽量化を図るとともに、簡単な構成で、所望の強度を確保することを可能にする。
【解決手段】エンドプレート20aには、補強用リブ80が設けられており、この補強用リブ80は、リブ部分80a、80b及び80cを有する。エンドプレート20aに取り付けられるマニホールド部材84a、84bには、リブ部分80aの端部に対向して補強用リブ96a、96d、96f及び96iが一体成形されて、これらにより略連続したリブ構造が構成される。さらに、マニホールド部材84a、84bには、リブ部分80bの端部に対向して補強用リブ96c、96hが一体成形され、これらにより略連続したリブ構造が構成される。
【選択図】図5

Description

本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルを備え、前記発電セルが複数積層された積層体を一対のエンドプレートで挟持するとともに、前記積層体には、少なくとも反応ガスを積層方向に流動させる連通孔が貫通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(電解質)を採用している。この電解質膜の両側に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・電極構造体が、セパレータによって挟持された発電セルを備え、前記発電セルが複数積層されることにより、燃料電池スタックが構成されている。
燃料電池スタックでは、積層されている各発電セルのアノード側電極及びカソード側電極に、それぞれ反応ガスである燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するとともに、必要に応じて発電セル間に冷却媒体を供給するため、内部マニホールドを構成する場合が多い。
この内部マニホールドは、発電セルの積層方向に貫通して設けられる反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔を備えており、電極面に沿って反応ガスを供給する反応ガス流路(酸化剤ガス流路及び燃料ガス流路)の入口側端部及び出口側端部には、前記反応ガス入口連通孔及び前記反応ガス出口連通孔がそれぞれ連通している。
この種の燃料電池スタックは、発電セルが複数積層された積層体の積層方向両端に、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが配設されている。そして、少なくとも一方のエンドプレートには、反応ガス入口連通孔及び反応ガス出口連通孔に連通するマニホールド部材が取り付けられている。
そこで、燃料電池スタック全体の軽量化を図るために、エンドプレートを薄肉化する工夫がなされている。例えば、特許文献1に開示されている燃料電池スタックでは、エンドプレートに外面から突出し且つ雌ねじが形成されたボス部を設けるとともに、このボス部に取り付け部材であるマニホールド部材がねじ止めされている。これにより、エンドプレートの薄肉化を図るとともに、マニホールド部材を強固且つ確実にねじ止めすることが可能になる。
特開2005−100755号公報(図5)
ところで、燃料電池スタックの軽量化を図るために、マニホールド部材を樹脂材で構成することが考えられる。しかしながら、樹脂製のマニホールド部材では、強度が低下し易く、エンドプレート全体の強度を維持することが困難にな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、エンドプレート及びマニホールド部材の軽量化を図るとともに、簡単な構成で、所望の強度を確保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、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルを備え、前記発電セルが複数積層された積層体を一対のエンドプレートで挟持するとともに、前記積層体には、少なくとも反応ガスを積層方向に流通させる連通孔が貫通形成される燃料電池スタックである。
少なくとも一方のエンドプレートには、連通孔に連結されるマニホールド部材が取り付けられるとともに、前記一方のエンドプレートに設けられる補強用リブと、前記マニホールド部材に設けられる補強用リブとは、互いに略連続したリブ構造を構成している。
また、発電セルの積層方向は、鉛直方向に設定されるとともに、マニホールド部材は、燃料電池スタック全体を他の部材上に載置させるためのマウントを構成することが好ましい。
さらに、電解質・電極構造体は、電解質を電極であるアノード側電極及びカソード側電極で挟んで構成されるとともに、前記カソード側電極は、前記アノード側電極に対して鉛直方向下側に配置されることが好ましい。さらにまた、マニホールド部材は、樹脂材で構成されることが好ましい。
本発明では、少なくとも一方のエンドプレート及びマニホールド部材に、それぞれ補強用リブが設けられるため、前記エンドプレート及び前記マニホールドは、薄肉化による軽量化が容易に図られる。しかも、エンドプレートからマニホールド部材にわたって略連続したリブ構造が構成されるため、前記エンドプレート及び前記マニホールド部材の補強機能が良好に向上する。これにより、エンドプレートに付与される荷重を一層確実に均一化させることができる。
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック10の斜視図であり、図2は、前記燃料電池スタック10の一部分解概略斜視図である。
図2に示すように、燃料電池スタック10は、複数の発電セル12が鉛直方向(矢印A方向)に積層された積層体14を備える。積層体14の積層方向(矢印A方向)一端(下端)には、ターミナルプレート16a、絶縁プレート18a及びエンドプレート20aが外方に向かって、順次、配設される。積層体14の積層方向他端(上端)には、ターミナルプレート16b、絶縁プレート18b及びエンドプレート20bが外方に向かって、順次、配設される。燃料電池スタック10は、四角形、例えば、長方形に構成されるエンドプレート20a、20bを端板として含むケーシング24を備えている。
図3及び図4に示すように、各発電セル12は、電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)30と、前記電解質膜・電極構造体30を挟持する薄板波形状の第1及び第2金属セパレータ32、34とを備える。なお、第1及び第2金属セパレータ32、34に代替して、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。
発電セル12の長辺方向(図4中、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、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36a、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔38a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔40bが設けられる。
発電セル12の長辺方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔40a、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔38b、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36bが設けられる。
電解質膜・電極構造体30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42と、前記固体高分子電解質膜42を挟持するアノード側電極44及びカソード側電極46とを備える。
アノード側電極44及びカソード側電極46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され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42の両面に形成される。
第1金属セパレータ32の電解質膜・電極構造体30に向かう面32aには、燃料ガス供給連通孔40aと燃料ガス排出連通孔40bとを連通する燃料ガス流路48が形成される。この燃料ガス流路48は、例えば、矢印B方向に延在する複数本の溝部により構成される。第1金属セパレータ32の面32bには、冷却媒体供給連通孔38aと冷却媒体排出連通孔38bとを連通する冷却媒体流路50が形成される。この冷却媒体流路50は、矢印B方向に延在する複数本の溝部により構成される。
第2金属セパレータ34の電解質膜・電極構造体30に向かう面34aには、例えば、矢印B方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガス流路52が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路52は、酸化剤ガス供給連通孔36aと酸化剤ガス排出連通孔36bとに連通する。第2金属セパレータ34の面34bには、第1金属セパレータ32の面32bと重なり合って冷却媒体流路50が一体的に形成される。
第1金属セパレータ32の面32a、32bには、この第1金属セパレータ32の外周端縁部を周回して第1シール部材54が一体成形される。第1シール部材54は、面32aで燃料ガス供給連通孔40a、燃料ガス排出連通孔40b及び燃料ガス流路48を囲繞してこれらを連通させる。
第2金属セパレータ34の面34a、34bには、この第2金属セパレータ34の外周端縁部を周回して第2シール部材56が一体成形される。第2シール部材56は、面34aで酸化剤ガス供給連通孔36a、酸化剤ガス排出連通孔36b及び酸化剤ガス流路52を囲繞してこれらを連通させる。
図3に示すように、第1及び第2シール部材54、56間には、固体高分子電解質膜42の外周が、直接、ケーシング24に接触することを阻止するために、シール55が介装される。
図1〜図3に示すように、ターミナルプレート16a、16bの面内中央から矢印C方向一方に所定距離だけ離間する位置には、積層方向外方に延在する出力端子部58a、58bが設けられる。出力端子部58a、58bには、例えば、走行用モータ等の負荷が接続される。
出力端子部58a、58bは、絶縁性筒体57に挿入されて絶縁プレート18a、18b及びエンドプレート20a、20bの貫通孔部59a、59bに挿入されて外部に突出する。絶縁プレート18a、18bは、絶縁性材料、例えば、ポリカーボネート(PC)やフェノール樹脂等で形成されている。
ケーシング24は、図2に示すように、端板であるエンドプレート20a、20bと、積層体14の側部に配置される複数のパネル部材60a〜60dと、前記パネル部材60a〜60dの互いに近接する端部同士を連結するアングル部材62a〜62dと、前記エンドプレート20a、20bと前記パネル部材60a〜60dとを連結するそれぞれ長さの異なる連結ピン64a、64bとを備える。パネル部材60a〜60dは、薄板金属製プレートで構成される。
エンドプレート20a、20bの上下各辺には、それぞれ2つの円筒状第1連結部66a、66bが突出形成されるとともに、両側の各辺には、それぞれ2つの第1連結部66a、66bが突出形成される。
積層体14の矢印B方向両側に配置されるパネル部材60a、60cの長手方向(矢印A方向)両端には、第2連結部70a、70bが2つずつ形成される。積層体14の矢印C方向両側に配置されるパネル部材60b、60dの長手方向両端には、第2連結部72a、72bが3つずつ形成される。
パネル部材60a、60cの各第2連結部70a、70b間には、エンドプレート20a、20bの両側の各辺の第1連結部66a、66bが配置されるとともに、これらに短尺な連結ピン64aが一体的に挿入されて、前記パネル部材60a、60cが前記エンドプレート20a、20bに取り付けられる。
同様に、パネル部材60b、60dの第2連結部72a、72bがエンドプレート20a、20bの上辺及び下辺の第1連結部66a、66bと交互に配置されるとともに、これらに長尺な連結ピン64bが一体的に挿入されて、前記パネル部材60b、60dが前記エンドプレート20a、20bに取り付けられる。
パネル部材60a〜60dには、短手方向両端縁部にそれぞれ複数のリング状凹部74aが形成されるとともに、前記凹部74aには、小径な孔部74bが同軸上に連通する。アングル部材62a〜62dは、湾曲する角部を挟んで各片に薄肉部75が形成されるとともに、各薄肉部75には、各孔部74bに対応してねじ孔76が形成される。
各凹部74aに締結ボルト78の頭部78aが挿入されるとともに、前記締結ボルト78のねじ部78bが、孔部74bを通ってねじ孔76に螺合する。これにより、アングル部材62a〜62dを介してパネル部材60a〜60dが固定され、ケーシング24が構成される(図1参照)。
締結ボルト78の頭部78aには、ボルト回転用工具(図示せず)を係止するための、複数、例えば、3つの貫通孔部79が、等角度間隔ずつ離間して形成される。各締結ボルト78のねじ部78bには、このねじ部78bの緩みを防止し、且つ、防水機能を有する緩み防止剤(図示せず)が塗布される。
図2及び図3に示すように、絶縁プレート18bは、ケーシング24の内周で位置決めされるように所定の寸法に設定された矩形状を有する。この絶縁プレート18bは、積層体14の積層方向の長さ変動を吸収して前記積層体14に所望の締め付け荷重を付与可能にするために、厚さが調整される。
図5に示すように、エンドプレート20aには、このエンドプレート20aの中央領域Sを通る複数の補強用リブ80が設けられる。補強用リブ80は、少なくともエンドプレート20aの対角位置に向かって中央領域Sを通るリブ部分80aの他、水平方向(矢印B方向)に向かって前記中央領域Sを通るリブ部分80b、貫通孔部59aを周回する略円形状のリブ部分80c等を有する。貫通孔部59aは、補強用リブ80を避けて中央領域Sから離間し、且つ発電セル12の発電領域D内に位置して形成される。
エンドプレート20aには、発電領域Dの外方に位置して凹部82a、82bが形成され、前記凹部82a、82bに樹脂製マニホールド部材84a、84bが取り付けられる。マニホールド部材84a、84bが凹部82a、82bに配設された状態で、このマニホールド部材84a、84bの面86a、86bは、エンドプレート20aの面88と略同一面上に配置される(図6参照)。
マニホールド部材84aには、図5に示すように、酸化剤ガス供給連通孔36a、冷却媒体供給連通孔38a及び燃料ガス排出連通孔40bに連結される円筒状配管部90a、92a及び94bが外部に膨出して一体成形される。配管部90aには、補強用リブ96a、96bが一体成形される。
補強用リブ96a、96bは、傾斜面を有するとともに、前記補強用リブ96aは、エンドプレート20aのリブ部分80aの端部に対向し、互いに略連続したリブ構造を構成する。すなわち、リブ部分80aと補強用リブ96aとは、エンドプレート20aの中央領域Sから前記エンドプレート20aの一方の角部近傍に向かって略直線的に延在するリブ構造を構成する。補強用リブ96bは、配管部92a側に延在して設けられる。
配管部92aには、補強用リブ96cが一体成形される。この補強用リブ96cは、傾斜面を有するとともに、エンドプレート20aのリブ部分80bと互いに略連続したリブ構造を構成する。
配管部94bには、補強用リブ96d、96eが一体成形される。補強用リブ96dは、傾斜面を有し、エンドプレート20aのリブ部分80aの端部に対向して互いに略連続したリブ構造を構成する。補強用リブ96eは、傾斜面を有し、配管部92a側に突出して設けられる。
同様に、マニホールド部材84bには、燃料ガス供給連通孔40a、冷却媒体排出連通孔38b及び酸化剤ガス排出連通孔36bに連結される円筒状配管部94a、92b及び90bが外部に膨出して一体成形される。
配管部94aには、傾斜面を有する補強用リブ96f、96gが一体成形される。補強用リブ96fは、エンドプレート20aのリブ部分80aの端部に対向し、互いに略連続したリブ構造を構成する一方、前記補強用リブ96gは、配管部92b側に突出形成される。
配管部92bには、補強用リブ96hが形成され、この補強用リブ96hは、エンドプレート20aのリブ部分80bの端部に対向して略連続したリブ構造を構成する。配管部90bには、補強用リブ96i、96jが一体成形され、前記補強用リブ96iとエンドプレート20aのリブ部分80aとは、互いに略連続したリブ構造を構成するとともに、前記補強用リブ96jが配管部92b側に突出形成される。
なお、補強用リブ96b、96e、96g及び96jは、必要に応じて設ければよく、また、リブ数も必要に応じて増加させてもよい。一方、配管部92a、92bには、補強用リブ96bに相当するリブを追加してもよい。
図3に示すように、燃料電池スタック10は、エンドプレート20aを最下位置にしてマニホールド部材84a、84bが配置板100上に直接載置されるとともに、前記マニホールド部材84a、84bには、複数の配管102が接続される。
燃料電池スタック10では、各発電セル12を構成する電解質膜・電極構造体30において、カソード側電極46がアノード側電極44に対して鉛直方向下側に配置される。すなわち、各発電セル12では、電解質膜・電極構造体30を挟んで酸化剤ガス流路52が下側に、燃料ガス流路48が上側に、それぞれ配置される。
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。
燃料電池スタック10では、先ず、図1に示すように、エンドプレート20aの酸化剤ガス供給連通孔36aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔40aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔38a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。このため、積層体14では、鉛直方向(矢印A方向)に重ね合わされた複数の発電セル12に対し、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が鉛直上方向に向かって供給される。
図4に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔36aから第2金属セパレータ34の酸化剤ガス流路52に導入され、電解質膜・電極構造体30のカソード側電極46に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔40aから第1金属セパレータ32の燃料ガス流路48に導入され、電解質膜・電極構造体30のアノード側電極44に沿って移動する。
従って、各電解質膜・電極構造体30では、カソード側電極46に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極44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46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36bに沿って鉛直下方向に流動した後、エンドプレート20aのマニホールド部材84bから外部に排出される。同様に、アノード側電極44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40bに排出されて鉛直下方向に流動し、エンドプレート20aのマニホールド部材84aから外部に排出される。
また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔38aから第1及び第2金属セパレータ32、34間の冷却媒体流路50に導入された後、矢印B方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体30を冷却した後、冷却媒体排出連通孔38bを鉛直下方向に移動してエンドプレート20aのマニホールド部材84bから排出される。
この場合、本実施形態では、エンドプレート20aに補強用リブ80が設けられるとともに、このエンドプレート20aの両側部に軽量な樹脂製のマニホールド部材84a、84bが取り付けられている。これにより、エンドプレート20a全体をマニホールド部を含めて金属で構成するものに比べ、前記エンドプレート20a自体を薄肉化するとともに、該エンドプレート20a全体を一挙に軽量化することが可能になる。
しかも、図5に示すように、マニホールド部材84a、84bには、エンドプレート20aのリブ部分80aと互いに略連続したリブ構造を構成する補強用リブ96a、96d、96f及び96iが一体形成されるとともに、リブ部分80bと互いに略連続したリブ構造を構成する補強用リブ96c、96hが一体成形されている。
このため、エンドプレート20aの略全面にわたって対角位置から中央領域Sを通るリブ構造と、矢印B方向の両端から中央領域Sを通るリブ構造とが、実質的に一体構成されており、前記エンドプレート20a及びマニホールド部材84a、84bの補強機能が良好に向上するという効果が得られる。これにより、図3に示すように、燃料電池スタック10が鉛直方向に積層されてマニホールド部材84a、84bが配置板100上に配置された状態で、エンドプレート20aに付与される荷重を一層確実に均一化させることができる。
さらに、本実施形態では、燃料電池スタック10が鉛直方向に積層されており、酸化剤ガス排出連通孔36b及び燃料ガス排出連通孔40bが鉛直方向に向かって延在している。従って、酸化剤ガス排出連通孔36b及び燃料ガス排出連通孔40b内の滞留水は、鉛直下方向に向かって流動し、排水性が良好に向上する。このため、酸化剤ガス排出連通孔36bや燃料ガス排出連通孔40bに滞留した生成水による液絡の発生が阻止され、燃料電池構成部材の電解腐食を抑制して、電池性能の低下を防止することが可能になる。
さらにまた、各発電セル12では、電解質膜・電極構造体30の下方に酸化剤ガス流路52が配設されている。ここで、発電セル12の運転時に発生する反応生成水は、特に酸化剤ガス流路52に残留し易く、特に高電流密度又は高加湿環境下で発電反応を行う際、この反応生成水が酸化剤ガス流路52内に凝縮して滞留し易くなる。
従って、酸化剤ガス流路52が電解質膜・電極構造体30の下方に配置されることにより、カソード側電極46の表面が滞留水により覆われることがなく、酸化剤ガスの拡散性の低下を阻止して、良好な電池性能を維持することができるという効果が得られる。
本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの一部分解概略斜視図である。 前記燃料電池スタックの断面側面図である。 前記燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの正面説明図である。 エンドプレートの、図5中、VI−VI線断面図である。
符号の説明
10…燃料電池スタック 12…発電セル
14…積層体 16a、16b…ターミナルプレート
18a、18b…絶縁プレート 20a、20b…エンドプレート
24…ケーシング 30…電解質膜・電極構造体
32、34…金属セパレータ 42…固体高分子電解質膜
44…アノード側電極 46…カソード側電極
48…燃料ガス流路 50…冷却媒体流路
52…酸化剤ガス流路 60a〜60d…パネル部材
80、96a〜96j…補強用リブ 80a〜80c…リブ部分
82a、82b…凹部 84a、84b…マニホールド部材
90a、90b、92a、92b、94a、94b…配管部
100…配置板 D…発電領域
S…中央領域

Claims (4)

  1. 一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルを備え、前記発電セルが複数積層された積層体を一対のエンドプレートで挟持するとともに、前記積層体には、少なくとも反応ガスを積層方向に流通させる連通孔が貫通形成される燃料電池スタックであって、
    少なくとも一方のエンドプレートには、前記連通孔に連結されるマニホールド部材が取り付けられるとともに、
    前記一方のエンドプレートに設けられる補強用リブと、前記マニホールド部材に設けられる補強用リブとは、互いに略連続したリブ構造を構成することを特徴とする燃料電池スタック。
  2. 請求項1記載の燃料電池スタックにおいて、発電セルの積層方向は、鉛直方向に設定されるとともに、
    前記マニホールド部材は、前記燃料電池スタック全体を他の部材上に載置させるためのマウントを構成することを特徴とする燃料電池スタック。
  3. 請求項2記載の燃料電池スタックにおいて、前記電解質・電極構造体は、前記電解質を前記電極であるアノード側電極及びカソード側電極で挟んで構成されるとともに、
    前記カソード側電極は、前記アノード側電極に対して鉛直方向下側に配置されることを特徴とする燃料電池スタック。
  4. 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記マニホールド部材は、樹脂材で構成されることを特徴とする燃料電池スタック。
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