JP2011065869A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、外部からの荷重により樹脂マニホールドを所望の部位で確実に破断させることができ、電力取り出し用ターミナル端子が被水することを可及的に阻止することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０を構成する第１エンドプレート１８ａには、配管接続構造５０が設けられる。配管接続構造５０は、冷却媒体供給連通孔３０ａに連通する供給側樹脂マニホールド５２ａを備え、前記供給側樹脂マニホールド５２ａには、供給側外部配管５４ａが接続される供給側配管接続部５６ａが形成される。供給側配管接続部５６ａは、軸線が下方に傾斜して構成される。供給側樹脂マニホールド５２ａと供給側配管接続部５６ａとの間には、外部からの荷重により優先的に破断する破断部位５８ａが、第１エンドプレート１８ａから外部に突出するターミナル端子４６ａよりも下方に位置して設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、積層方向両端には、エンドプレートが配設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両側に、それぞれ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（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池では、一方のセパレータの面内に、アノード側電極に対向して燃料ガスを流すための燃料ガス流路が設けられるとともに、他方のセパレータの面内に、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路が設けられている。また、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。

さらに、この種の燃料電池では、単位セルの積層方向に貫通して燃料ガスを流すための燃料ガス供給連通孔及び燃料ガス排出連通孔と、酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス供給連通孔及び酸化剤ガス排出連通孔と、冷却媒体を流すための冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔とを内部に備える、所謂、内部マニホールド型燃料電池を構成する場合が多い。

内部マニホールド型燃料電池に関連する技術として、例えば、特許文献１の燃料電池が知られている。この特許文献１では、図７に示すように、積層体１を備えており、前記積層体１は、電解質膜と、電解質膜を挟持するガス拡散電極と、このガス拡散電極をシール部材２と共に挟持する集電極３とを複数積層して構成されている。集電極３には、積層方向に貫通する複数の貫通孔が形成されており、この貫通孔により積層体１内に積層方向の燃料の給排用流路が形成されている。

積層体１の両積層端には、エンドプレート４が設置され、前記積層体１の積層方向に沿った４つの側面は、ゴムにより形成された被覆層５により覆われている。エンドプレート４は、樹脂により正方形の板状に形成されており、４つの辺のうち隣接する２つの辺の縁付近の中央に円形の貫通孔６、７が形成されている。一方のエンドプレート４の貫通孔６は、積層体に形成される酸化ガスの給排用流路と連絡しており、貫通孔７は、燃料ガスの給排用流路と連絡している。

この燃料電池では、積層体１に荷重が作用し、燃料の給排用流路の形成部に割れ等が生じても、被覆層５が前記積層体１内と外部とを遮断するので、燃料の給排用流路から燃料が漏れるのを防止することができる、としている。

特開平８−１６２１４３号公報

ところで、上記の特許文献１では、通常、貫通孔６、７に外部配管を接続するために、燃料ガスの樹脂製マニホールド及び酸化剤ガスの樹脂製マニホールドが、エンドプレート４に設けられる場合がある。従って、例えば、燃料電池に外部からの荷重が付与されると、外部配管に過大な荷重が作用し、接続されている樹脂製マニホールドに応力が発生して前記樹脂製マニホールドが損傷を受け易い。

その際、特に冷却媒体の樹脂製マニホールドが破損して前記冷却媒体が外部に導出されると、エンドプレート４から外部に露呈する電力取り出し用ターミナル端子（図示せず）が被水し、液絡を惹起するおそれがある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、外部からの荷重により樹脂マニホールドを所望の部位で確実に破断させることができ、電力取り出し用ターミナル端子が被水することを可及的に阻止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、電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、積層方向両端には、エンドプレートが配設される燃料電池スタックに関するものである。

この燃料電池スタックは、電解質・電極構造体とセパレータとの積層方向に冷却媒体又は反応ガスである流体を流通させる流体連通孔を、外部配管に接続するための配管接続構造を備えている。

そして、配管接続構造は、少なくとも一方のエンドプレートに設けられ、流体連通孔に連通する樹脂マニホールドと、前記樹脂マニホールドに形成され、外部配管が接続される配管接続部とを有するとともに、前記樹脂マニホールドと前記配管接続部との間には、外部からの荷重により優先的に破断する破断部位が、前記エンドプレートから外部に突出する電力取り出し用ターミナル端子よりも下方に位置して設けられている。

また、破断部位は、樹脂マニホールドに設けられる膨出部の軸線に対して、前記膨出部に一体形成される配管接続部の軸線をずらすことにより構成されることが好ましい。

さらに、破断部位は、配管接続部の外周に切り欠き又は凹部を設けることにより構成されることが好ましい。

さらにまた、配管接続部は、軸線が下方に傾斜することが好ましい。

本発明によれば、配管接続構造に外部からの荷重が付与されると、外部配管に加わる過剰な荷重により、樹脂マニホールドと前記配管接続部との間に設けられた偏心する破断部位が、応力の集中により優先的に破断する。ここで、破断部位は、エンドプレートから外部に突出する電力取り出し用ターミナル端子よりも下方に位置しており、前記破断部位から導出される流体は、前記電力取り出し用ターミナル端子よりも下方を確実に流れることができる。

このため、簡単な構成で、外部からの荷重により樹脂マニホールドを所望の切断部位で確実に破断させることが可能になり、電力取り出し用ターミナル端子が被水することを可及的に阻止することができる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の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配管接続構造の正面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック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配管接続構造の一部側面説明図である。 特許文献１に開示された燃料電池の斜視説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、燃料電池１２を備え、複数の前記燃料電池１２を水平方向（矢印Ａ方向）に沿って互いに積層して構成される。この燃料電池スタック１０は、例えば、車載用として使用される。

図１及び図２に示すように、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が積層される一方、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が積層される。

長方形状に構成される第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂは、矢印Ａ方向に延在する複数のタイロッド１９により一体的に締め付け保持される。なお、燃料電池スタック１０は、第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂを端板として含む箱状ケーシング（図示せず）により一体的に保持されてもよい。

図３に示すように、燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体２０が、第１及び第２セパレータ２２、２４に挟持される。第１及び第２セパレータ２２、２４は、例えば、カーボンセパレータで構成されるが、その他、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等の金属セパレータにより構成してもよい。第１及び第２セパレータ２２、２４は、長方形セパレータを構成しており、長辺方向が、例えば、鉛直方向（矢印Ｃ方向）に延在する。

燃料電池１２の矢印Ｃ方向（図３中、重力方向）の上端縁部には、積層方向である矢印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２６ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔２８ａが、矢印Ｂ方向（水平方向）に配列して設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｃ方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ、及び燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔２８ｂが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｂ方向の両端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３０ａ、及び前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３０ｂが設けられる。冷却媒体供給連通孔３０ａ及び冷却媒体排出連通孔３０ｂは、第１及び第２セパレータ２２、２４の長辺方向（矢印Ｃ方向）に長尺な長方形開口部で構成される。

第１セパレータ２２の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２２ａには、酸化剤ガス供給連通孔２６ａと酸化剤ガス排出連通孔２６ｂとに連通する酸化剤ガス流路３２が設けられる。

第２セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２４ａには、燃料ガス供給連通孔２８ａと燃料ガス排出連通孔２８ｂとに連通する燃料ガス流路３４が設けられる。互いに隣接する燃料電池１２を構成する第１セパレータ２２の面２２ｂと、第２セパレータ２４の面２４ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔３０ａと冷却媒体排出連通孔３０ｂとを連通する冷却媒体流路３６が設けられる。

第１セパレータ２２の面２２ａ、２２ｂには、第１シール部材３８ａが設けられるとともに、第２セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、第２シール部材３８ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体２０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４０と、前記固体高分子電解質膜４０を挟持するカソード側電極４２及びアノード側電極４４とを備える。

カソード側電極４２及びアノード側電極４４は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、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とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４０の両面に形成されている。

図１及び図２に示すように、第１ターミナルプレート１４ａの中央上部側には、積層方向外方（第１エンドプレート１８ａ側）に突出して電力取り出し用ターミナル端子４６ａが一体に設けられる。このターミナル端子４６ａは、絶縁筒体４８ａに嵌合した状態で、第１絶縁プレート１６ａ及び第１エンドプレート１８ａを貫通して外部に露呈する。

第２ターミナルプレート１４ｂの中央上部側には、同様に電力取り出し用ターミナル端子４６ｂが一体に設けられる。ターミナル端子４６ｂは、絶縁筒体４８ａに嵌合した状態で、第２絶縁プレート１６ｂ及び第２エンドプレート１８ｂを貫通して外部に露呈する。

第１エンドプレート１８ａの外面側には、配管接続構造５０が設けられる。配管接続構造５０は、第１エンドプレート１８ａに設けられ、冷却媒体供給連通孔３０ａに連通する供給側樹脂マニホールド５２ａと、冷却媒体排出連通孔３０ｂに連通する排出側樹脂マニホールド５２ｂとを備える。供給側樹脂マニホールド５２ａ及び排出側樹脂マニホールド５２ｂは、対向する長辺に沿って縦長形状を有する。

供給側樹脂マニホールド５２ａには、供給側外部配管５４ａを接続するための供給側配管接続部５６ａが形成されるとともに、排出側樹脂マニホールド５２ｂには、排出側外部配管５４ｂを接続するための排出側配管接続部５６ｂが形成される。供給側配管接続部５６ａ及び排出側配管接続部５６ｂは、円筒状を有するとともに、各軸線が下方に傾斜して構成される。

供給側樹脂マニホールド５２ａと供給側配管接続部５６ａとの間には、外部からの荷重により優先的に破断する破断部位５８ａが、第１エンドプレート１８ａから外部に突出するターミナル端子４６ａよりも下方に距離Ｌだけ離間して設けられる（図２参照）。

図２及び図４に示すように、破断部位５８ａは、供給側樹脂マニホールド５２ａに設けられる膨出部６０ａの軸線Ｏ１に対して、前記膨出部６０ａに一体成形される供給側配管接続部５６ａの軸線Ｏ２を距離Ｈだけずらすことにより構成される。破断部位５８ａは、膨出部６０ａに対して肉厚が段状に変化する部位であり、前記膨出部６０ａと供給側配管接続部５６ａとが偏心して接続される部分、すなわち、応力が集中し易い部分である。

排出側樹脂マニホールド５２ｂと排出側配管接続部５６ｂとの間には、外部からの荷重により優先的に破断する破断部位５８ｂが、ターミナル端子４６ｂよりも下方に位置して設けられる。図４に示すように、破断部位５８ｂは、排出側樹脂マニホールド５２ｂに設けられる膨出部６０ｂの軸線Ｏ１に対して、前記膨出部６０ｂに一体成形される排出側配管接続部５６ｂの軸線Ｏ２を距離Ｈだけずらすことにより構成される。

第２エンドプレート１８ｂには、図示しないが、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ、燃料ガス供給連通孔２８ａ、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ及び燃料ガス排出連通孔２８ｂに連通してそれぞれ樹脂マニホールドが設けられる。

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、第２エンドプレート１８ｂの樹脂マニホールド（図示せず）から酸化剤ガス供給連通孔２６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、樹脂マニホールド（図示せず）から燃料ガス供給連通孔２８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。

さらに、図１に示すように、第１エンドプレート１８ａ側では、供給側外部配管５４ａから供給側配管接続部５６ａを介して供給側樹脂マニホールド５２ａに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。この冷却媒体は、供給側樹脂マニホールド５２ａから冷却媒体供給連通孔３０ａに供給される。

このため、酸化剤ガスは、図３に示すように、酸化剤ガス供給連通孔２６ａから第１セパレータ２２の酸化剤ガス流路３２に導入される。この酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３２に沿って矢印Ｃ方向（重力方向）に移動し、電解質膜・電極構造体２０のカソード側電極４２に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔２８ａから第２セパレータ２４の燃料ガス流路３４に導入される。この燃料ガスは、燃料ガス流路３４に沿って重力方向（矢印Ｃ方向）に移動し、電解質膜・電極構造体２０のアノード側電極４４に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体２０では、カソード側電極４２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て発電が行われる。

次いで、電解質膜・電極構造体２０のカソード側電極４２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２６ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。電解質膜・電極構造体２０のアノード側電極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２８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

一方、冷却媒体供給連通孔３０ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ２２と第２セパレータ２４との間に形成された冷却媒体流路３６に導入される。この冷却媒体は、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体２０を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３０ｂに排出される。冷却媒体は、図１に示すように、第１エンドプレート１８ａに設けられた排出側樹脂マニホールド５２ｂに導入され、排出側配管接続部５６ｂから排出側外部配管５４ｂを介して外部に排出される。

この場合、第１の実施形態では、配管接続構造５０は、第１エンドプレート１８ａに設けられ、冷却媒体供給連通孔３０ａに連通する供給側樹脂マニホールド５２ａと、前記供給側樹脂マニホールド５２ａに形成され、供給側外部配管５４ａが接続される供給側配管接続部５６ａとを備えている。

そして、供給側樹脂マニホールド５２ａと供給側配管接続部５６ａとの間には、外部からの荷重により優先的に破断する破断部位５８ａが、ターミナル端子４６ａよりも下方に位置して設けられている。

具体的には、図２及び図４に示すように、破断部位５８ａは、供給側樹脂マニホールド５２ａに設けられる膨出部６０ａの軸線Ｏ１に対して、前記膨出部６０ａに一体成形される供給側配管接続部５６ａの軸線Ｏ２を距離Ｈだけずらすことにより構成されている。破断部位５８ａは、膨出部６０ａと供給側配管接続部５６ａとが偏心して接続される部分、すなわち、応力が集中し易い部分である。

このため、配管接続構造５０に外部からの荷重が付与されると、供給側外部配管５４ａに加わる過剰な荷重により、供給側樹脂マニホールド５２ａに応力が発生する。その際、供給側樹脂マニホールド５２ａと供給側配管接続部５６ａとの間に設けられた偏心する破断部位５８ａは、応力が集中することにより優先的に破断することができる。

ここで、破断部位５８ａは、第１エンドプレート１８ａから外部に突出するターミナル端子４６ａよりも下方に距離Ｌだけ離間している（図２参照）。従って、破断部位５８ａから導出される冷却媒体（流体）は、ターミナル端子４６ａよりも下方に流れ、前記ターミナル端子４６ａの被水が抑制される。

しかも、供給側配管接続部５６ａは、軸線が水平姿勢から下方に傾斜して構成されている。これにより、水平方向に荷重が付与された際に、破断部位５８ａに応力を集中させることができ、前記破断部位５８ａを確実に破断させることが可能になる。このため、供給側樹脂マニホールド５２ａ自体に破損が惹起されることを良好に抑制することができる。その上、供給側配管接続部５６ａが水平方向に突出する構成に比べて、水平方向の専有スペースが有効に削減され、特に車載性の向上を図ることが可能になるという利点がある。

従って、第１の実施形態では、簡単な構成で、外部からの荷重により供給側樹脂マニホールド５２ａを破断部位５８ａで確実に破断させることができ、ターミナル端子４６ａが被水することによる液絡を可及的に阻止することが可能になるという効果が得られる。

なお、排出側樹脂マニホールド５２ｂにおいても、上記の供給側樹脂マニホールド５２ａと同様の効果が得られる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック７０の概略斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と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。

燃料電池スタック７０を構成する第１エンドプレート１８ａには、配管接続構造７２が設けられる。配管接続構造７２は、第１エンドプレート１８ａに設けられ、冷却媒体供給連通孔３０ａに連通する供給側樹脂マニホールド５２ａと、冷却媒体排出連通孔３０ｂに連通する排出側樹脂マニホールド５２ｂとを備える。

供給側樹脂マニホールド５２ａと供給側配管接続部５６ａとの間には、外部からの荷重により優先的に破断する破断部位７４ａが、第１エンドプレート１８ａから外部に突出するターミナル端子４６ａよりも下方に位置して設けられる。

図５及び図６に示すように、破断部位７４ａは、供給側樹脂マニホールド５２ａと供給側配管接続部５６ａとの境界部位に周回する切り欠きを設けることにより構成される。切り欠きを設けることにより、破断部位７４ａの厚さｔ１は、供給側配管接続部５６ａの厚さｔよりも肉薄に設定されることが好ましい（ｔ１＜ｔ）。

排出側樹脂マニホールド５２ｂと排出側配管接続部５６ｂとの間には、外部からの荷重により優先的に破断する破断部位７４ｂが、ターミナル端子４６ｂよりも下方に位置して設けられる。破断部位７４ｂは、上記の破断部位７４ａと同様に構成される。

このように構成される第２の実施形態では、破断部位７４ａは、供給側樹脂マニホールド５２ａと供給側配管接続部５６ａとの境界部位に周回する切り欠きを設けることにより構成されている。従って、破断部位７４ａは、応力が集中し易い部分であり、前記破断部位７４ａで優先的に破断させることができる。これにより、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第２の実施形態では、供給側樹脂マニホールド５２ａと供給側配管接続部５６ａとの境界部位に周回する切り欠きを設けることにより、破断部位７４ａを設けているが、これに代えて、例えば、凹部や部分的な切り欠き等を設けても同様の効果が得られる。

１０、７０…燃料電池スタック １２…燃料電池
１８ａ、１８ｂ…エンドプレート ２０…電解質膜・電極構造体
２２、２４…セパレータ ２６ａ…酸化剤ガス供給連通孔
２６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ２８ａ…燃料ガス供給連通孔
２８ｂ…燃料ガス排出連通孔 ３０ａ…冷却媒体供給連通孔
３０ｂ…冷却媒体排出連通孔 ３２…酸化剤ガス流路
３４…燃料ガス流路 ３６…冷却媒体流路
４０…固体高分子電解質膜 ４２…カソード側電極
４４…アノード側電極 ４６ａ、４６ｂ…ターミナル端子
５０、７２…配管接続構造 ５２ａ…供給側樹脂マニホールド
５２ｂ…排出側樹脂マニホールド ５４ａ…供給側外部配管
５４ｂ…排出側外部配管 ５６ａ…供給側配管接続部
５６ｂ…排出側配管接続部 ５８ａ、５８ｂ、７４ａ、７４ｂ…破断部位
６０ａ、６０ｂ…膨出部

Claims (4)

1. 電解質の両側に一対の電極が設けられる電解質・電極構造体とセパレータとが積層されるとともに、積層方向両端には、エンドプレートが配設される燃料電池スタックであって、
   前記電解質・電極構造体と前記セパレータとの積層方向に冷却媒体又は反応ガスである流体を流通させる流体連通孔を、外部配管に接続するための配管接続構造を備え、
   前記配管接続構造は、少なくとも一方の前記エンドプレートに設けられ、前記流体連通孔に連通する樹脂マニホールドと、
   前記樹脂マニホールドに形成され、前記外部配管が接続される配管接続部と、
   を有するとともに、
   前記樹脂マニホールドと前記配管接続部との間には、外部からの荷重により優先的に破断する破断部位が、前記エンドプレートから外部に突出する電力取り出し用ターミナル端子よりも下方に位置して設けられ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、前記破断部位は、前記樹脂マニホールドに設けられる膨出部の軸線に対して、前記膨出部に一体成形される前記配管接続部の軸線をずらすことにより構成されることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記破断部位は、前記配管接続部の外周に切り欠き又は凹部を設けることにより構成されることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記配管接続部は、軸線が下方に傾斜することを特徴とする燃料電池スタック。

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