JP3673252B2

JP3673252B2 - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP3673252B2
Application number: JP2002295198A
Authority: JP
Inventors: 修二佐藤; 弘道吉田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-10-08
Filing date: 2002-10-08
Publication date: 2005-07-20
Anticipated expiration: 2022-10-08
Also published as: JP2004134130A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜を一組の電極で挟んで構成される電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体とセパレータとを水平方向に交互に積層するとともに、前記電極に少なくとも燃料ガスまたは酸化剤ガスである反応ガスを供給する反応ガス流路が設けられた燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合したアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成される単位セルを備えている。通常、この単位セルは、所定数だけ積層して燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、固体高分子型燃料電池は、作動温度が比較的低温（〜１００℃）であるため、燃料電池スタックに導入された後に電解質に吸収されなかった水分や、反応によって生成された水分が、前記燃料電池スタック内の反応ガス流路（酸化剤ガス流路および／または燃料ガス流路）内や該燃料電池スタックから排出された後に配管内で冷却され、液体の状態で存在し易い。
【０００５】
しかしながら、上記のように、燃料電池スタック内の反応ガス流路に水が存在すると、各単位セルに酸化剤ガスや燃料ガスを十分に供給することが困難になってしまう。これにより、反応ガスである燃料ガスや酸化剤ガスの電極触媒層への拡散性が低下し、セル性能が著しく悪化するという問題が指摘されている。
【０００６】
そこで、例えば、特許文献１に開示されているように、燃料電池スタック内の反応ガス流路の入口側に連結される供給配管と、前記反応ガス流路の出口側に連結される排出配管とを備えるとともに、少なくとも１つの配管が、管路の一部分に他の部分よりも下方に突出する段差部位を有した拡大部を設け、あるいは、少なくとも１つの配管が、燃料電池スタックに向かって上方に傾斜する傾斜部を設けた燃料電池スタックが知られている。
【０００７】
このように、配管に設けられた拡大部には、下方に突出する段差部位が形成されており、配管内の水が前記段差部位に貯留される。一方、配管には、燃料電池スタックに向かって上方に傾斜する傾斜部が設けられており、前記燃料電池スタック内のガス流路に水が逆流することを有効に阻止することが可能になる。
【０００８】
【特許文献１】
特開２０００−９０９５４（図２、図５）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の特許文献１では、反応ガス流路に連結された供給配管および排出配管を備え、この配管に拡大部を設けたり、該配管に傾斜部を設けたりしている。このため、配管から燃料電池スタック内に水が逆流することがないものの、この燃料電池スタック内に反応ガス流路の排出側に連通する反応ガス出口マニホールドが設けられている場合、この反応ガス出口マニホールドに水が滞留してしまうおそれがある。これにより、特に、０℃以下の低温始動時には、反応ガス出口マニホールド内の水が凍結し易く、反応ガスを円滑に流すことができない場合がある。
【００１０】
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、燃料電池スタック内の水を容易かつ確実に排出することができ、所望の発電性能を保持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。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池スタックでは、燃料電池スタック内に積層方向に延在して設けられ、反応ガス流路の排出側に連通する反応ガス出口マニホールドと、前記反応ガス出口マニホールドに連通して前記燃料電池スタックの外部にかつ下方に傾斜して延在する出口配管と、前記反応ガス出口マニホールドと前記出口配管とに連通するバイパス管路とを備えている。そして、バイパス管路は、反応ガス出口マニホールドに連通する第１開口端部位置が、出口配管に連通する第２開口端部位置よりも上方に設定されている。
【００１２】
このため、反応ガス出口マニホールドに存在する水は、重力の作用によりバイパス管路を通って出口配管に排出され、前記反応ガス出口マニホールド内に水が滞留することを有効に阻止することができる。
【００１３】
しかも、出口配管に排出される反応ガスのガス流によって、バイパス管路内が吸引されるため、反応ガス出口マニホールド内の水は、前記バイパス管路を介して前記出口配管に確実に排出される。さらに、バイパス管路内の水は、ガス流の作用により出口配管に運ばれる。従って、特に、低温始動時に、反応ガス出口マニホールド内で水が凍結することがなく、所望の発電性能を良好に保持することが可能になる。
【００１４】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池スタックでは、出口配管が、燃料電池スタックの積層方向一端に設けられるとともに、バイパス管路が、前記燃料電池スタックの積層方向両端に、それぞれ反応ガス出口マニホールドに連通して設けられている。これにより、燃料電池スタックが、積層方向に対して上下方向に傾斜していても、積層方向両端に設けられたバイパス管路の一方から出口配管に水が排出される。このため、反応ガス出口マニホールド内の水を、容易かつ確実に出口配管に排出することができ、簡単な構成で、良好な発電性能を確保することが可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の概略斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の一部断面側面図である。
【００１６】
燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１２を矢印Ａ方向に積層するとともに、積層方向両端には、それぞれターミナル端子板１６ａ、１６ｂと、インシュレータ板１８ａ、１８ｂと、エンドプレート２０ａ、２０ｂとが外方に向かって、順次、配設される。エンドプレート２０ａ、２０ｂ間には、タイロッド２１を介して所定の締め付け荷重が付与されている。
【００１７】
図３に示すように、燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１および第２セパレータ２４、２６とを備える。電解質膜・電極構造体２２と第１および第２セパレータ２４、２６との間には、後述する連通孔の周囲および電極面（発電面）の外周を覆って、ガスケット等のシール部材２８が介装されている。
【００１８】
燃料電池１２の矢印Ｂ方向の一端縁部には、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３０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３２ｂ、および燃料ガス、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３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００１９】
燃料電池１２の矢印Ｂ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３４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３２ａ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２０】
電解質膜・電極構造体２２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３６と、該固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード側電極３８およびカソード側電極４０とを備える。
【００２１】
アノード側電極３８およびカソード側電極４０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を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布した電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜３６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜３６の両面に接合されている。シール部材２８の中央部には、アノード側電極３８およびカソード側電極４０に対応して開口部４４が形成されている。
【００２２】
第１セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２側の面２４ａには、酸化剤ガス供給連通孔３０ａと酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路４６が設けられる。酸化剤ガス流路４６は、例えば、矢印Ｂ方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在する複数本の溝部（サーペンタイン溝部）を備える。
【００２３】
第２セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２側の面２６ａには、燃料ガス供給連通孔３４ａと燃料ガス排出連通孔３４ｂとに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方向に蛇行しながら矢印Ｃ方向に延在する複数本の溝部（サーペンタイン溝部）を備える。第２セパレータ２６の面２６ａとは反対の面２６ｂには、冷却媒体供給連通孔３２ａと冷却媒体排出連通孔３２ｂとに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、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の直線流路溝により構成される。
【００２４】
図１および図２に示すように、エンドプレート２０ａには、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに連通して酸化剤ガス出口マニホールドを構成する第１円筒部５２と、燃料ガス排出連通孔３４ｂに連通して燃料ガス出口マニホールドを構成する第２円筒部５４とが、矢印Ａ１方向に膨出して形成される。第１および第２円筒部５２、５４は、エンドプレート２０ａと一体に形成してもよく、また、前記エンドプレート２０ａとは別部品であってもよい。
【００２５】
第１円筒部５２には、酸化剤ガス出口配管５６が連結されるとともに、第２円筒部５４には、燃料ガス出口配管５８が連結される。酸化剤ガス出口配管５６は、第１円筒部５２に連結される一端部５６ａと、前記一端部５６ａに一体的に設けられ、エンドプレート２０ａから離間する方向（矢印Ａ１方向）に向かって下方向（矢印Ｃ１方向）に傾斜する傾斜部５６ｂと、前記傾斜部５６ｂの下端部から水平方向に延在して排出管路６０に接続される他端部５６ｃとを備える。
【００２６】
燃料ガス出口配管５８は、同様に第２円筒部５４に連結される一端部５８ａと、前記一端部５８ａに一体的に設けられ、エンドプレート２０ａから離間する方向（矢印Ａ１方向）に向かって下方向（矢印Ｃ１方向）に傾斜する傾斜部５８ｂと、前記傾斜部５８ｂの下端部から水平方向に延在して排出管路６２に接続される他端部５８ｃとを備える。
【００２７】
第１円筒部５２の下部と酸化剤ガス出口配管５６の傾斜部５６ｂの途上とに連通して、第１バイパス管路６４が取り付けられる。第１バイパス管路６４は、第１円筒部５２に連通する第１開口端部６６ａの位置が、酸化剤ガス出口配管５６の傾斜部５６ｂに連通する第２開口端部６６ｂの位置よりも距離Ｈだけ上方に設定される。
【００２８】
第２円筒部５４の下部と燃料ガス出口配管５８の傾斜部５８ｂとに連通して、第２バイパス管路６８が取り付けられる。第２バイパス管路６８は、第２円筒部５４に連通する第１開口端部７０ａの位置が、燃料ガス出口配管５８に連通する第２開口端部７０ｂの位置よりも距離Ｈだけ上方に設定される。第１および第２バイパス管路６４、６８は、矢印Ａ１方向に向かって下方向（矢印Ｃ１方向）に０°以上の傾斜角度を有している。
【００２９】
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。
【００３０】
まず、図１に示すように、燃料電池スタック１０内には、水素含有ガス等の燃料ガス、空気等の酸素含有ガスである酸化剤ガス、および純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。
【００３１】
このため、図３に示すように、酸化剤ガス供給連通孔３０ａから第１セパレータ２４の酸化剤ガス流路４６に酸化剤ガスが導入され、この酸化剤ガスが電解質膜・電極構造体２２を構成するカソード側電極４０に沿って移動する。また、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３４ａから第２セパレータ２６の燃料ガス流路４８に導入され、電解質膜・電極構造体２２を構成するアノード側電極３８に沿って移動する。
【００３２】
従って、電解質膜・電極構造体２２では、カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３８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。アノード側電極３８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３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、カソード側電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。その際、反応生成水は、酸化剤ガス流路４６に沿って重力方向に、すなわち、上方から下方に向かって流れる。
【００３３】
さらに、冷却媒体供給連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第２セパレータ２６の冷却媒体流路５０に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３２ｂから排出される。
【００３４】
この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０のエンドプレート２０ａに第１円筒部５２が設けられ、この第１円筒部５２に酸化剤ガス出口配管５６が連結されるとともに、前記第１円筒部５２と前記酸化剤ガス出口配管５６とに第１バイパス管路６４が接続されている。
【００３５】
このため、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂで生成された水は、一部が第１円筒部５２から、直接、酸化剤ガス出口配管５６を介して排出管路６０に排出される一方、残余の部分が前記第１円筒部５２の下部に連通する第１バイパス管路６４を介して前記酸化剤ガス出口配管５６に排出される。
【００３６】
その際、第１バイパス管路６４は、第１円筒部５２に連通する第１開口端部６６ａの位置が、酸化剤ガス出口配管５６に連通する第２開口端部６０ｂの位置よりも距離Ｈだけ上方に設定されている。従って、第１バイパス管路６４では、第１開口端部６６ａと第２開口端部６６ｂとの間に水位差（距離Ｈ）が生じる。
【００３７】
このため、第１バイパス管路６４に導入された水は、酸化剤ガス出口配管５６に向かって流動し、第１円筒部５２内に水が滞留することを有効に阻止することができる。しかも、酸化剤ガス出口配管５６内では、排出される酸化剤ガスのガス流が発生しており、第１バイパス管路６４内が吸引される。
【００３８】
これにより、第１円筒部５２の底部側に存在する水は、第１バイパス管路６４を介して酸化剤ガス出口配管５６内に確実に排出される。特に、第１円筒部５２には、段差部５２ａが存在しており、水の送流が困難となっているが、前記水を酸化剤ガス出口配管５６内に良好に排出することができる。従って、第１円筒部５２を含む酸化剤ガス出口マニホールドに水が存在することがなく、特に、燃料電池スタック１０を低温始動させる際に、酸化剤ガス出口マニホールド内で水が凍結することがなく、所望の発電性能を良好に保持することが可能になるという効果が得られる。
【００３９】
さらに、第１バイパス管路６４は、エンドプレート２０ａから離間する方向（矢印Ａ１方向）に向かって鉛直下方向（矢印Ｃ１方向）に僅かに傾斜している。このため、第１バイパス管路６４内に導入された水は、該第１バイパス管路６４の傾斜に沿って酸化剤ガス出口配管５６側に円滑に流動することができる。
【００４０】
一方、燃料ガス排出連通孔３４ｂに連通する第２円筒部５４には、燃料ガス出口配管５８が接続されるとともに、前記第２円筒部５４と前記燃料ガス出口配管５８とに第２バイパス管路６８が設けられている。これにより、燃料ガス排出連通孔３４ｂに発生している水は、その一部が第２円筒部５４から、直接、燃料ガス出口配管５８に排出されるとともに、残余の水が第２バイパス管路６８を介して前記燃料ガス出口配管５８に排出される。従って、第２円筒部５４を含む燃料ガス出口マニホールド内から水を確実に排出することができ、前記燃料ガス出口マニホールド内での水の凍結を確実に防止することが可能になる。
【００４１】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック８０の概略斜視図であり、図５は、前記燃料電池スタック８０の一部断面側面図である。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。
【００４２】
燃料電池スタック８０を構成するエンドプレート２０ｂには、エンドプレート２０ａの第１円筒部５２と同軸上に位置して、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに連通する第３円筒部８２が設けられる。エンドプレート２０ｂには、エンドプレート２０ａの第２円筒部５４と同軸上に位置して、燃料ガス排出連通孔３４ｂに連通する第４円筒部８４が設けられる。第３および第４円筒部８２、８４は、エンドプレート２０ｂと一体に形成してもよく、また、前記エンドプレート２０ｂとは別部品であってもよい。
【００４３】
第３円筒部８２の下部と第１バイパス管路６４とは、第３バイパス管路８６を介して連結されるとともに、第４円筒部８４の下部と第２バイパス管路６８とは、第４バイパス管路８８を介して連結される。なお、第３および第４バイパス管路８６、８８を、それぞれ酸化剤ガス出口配管５６および燃料ガス出口配管５８に直接連結してもよい。
【００４４】
このように構成される第２の実施形態では、燃料電池スタック８０の積層方向一端であるエンドプレート２０ａに第１および第２円筒部５２、５４が設けられるとともに、積層方向他端であるエンドプレート２０ｂに第３および第４円筒部８２、８４が設けられている。そして、第１および第２円筒部５２、５４と、酸化剤ガス出口配管５６および燃料ガス出口配管５８とが、第１および第２バイパス管路６４、６８を介して接続され、さらに第３および第４円筒部８２、８４と前記第１および第２バイパス管路６４、６８とが、第３および第４バイパス管路８６、８８を介して連結されている。
【００４５】
これにより、例えば、燃料電池スタック８０のエンドプレート２０ｂ側が下方に傾斜した際には、酸化剤ガス出口マニホールドを構成する第３円筒部８２内の水は、第３バイパス管路８６を介して第１バイパス管路６４側に排出される。一方、燃料ガス出口マニホールドを構成する第４円筒部８４内の水は、第４バイパス管路８８を介して第２バイパス管路６８に排出される。
【００４６】
従って、燃料電池スタック８０が上下方向に傾斜していても、積層方向両端に設けられた第１および第２バイパス管路６４、６８または第３および第４バイパス管路８６、８８の一方から、酸化剤ガス出口配管５６および燃料ガス出口配管５８に水が排出される。このため、燃料電池スタック８０内に水が滞留することがなく、酸化剤ガス出口マニホールドおよび燃料ガス出口マニホールド内の水を、一層容易かつ確実に排出して所望の発電性能を確保することが可能になるという効果が得られる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、反応ガス出口マニホールドに存在する水が、バイパス管路を通って出口配管に排出され、前記反応ガス出口マニホールド内に水が滞留することを有効に阻止することができる。しかも、出口配管に排出される反応ガスのガス流によって、バイパス管路内が吸引されるため、反応ガス出口マニホールド内の水は、前記バイパス管路を介して前記出口配管に確実に排出される。従って、特に、低温始動時に、反応ガス出口マニホールド内で滞留した水が凍結することがなく、所望の発電性能を良好に保持することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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図である。
【図２】前記燃料電池スタックの一部断面側面図である。
【図３】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。
【図４】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図である。
【図５】前記燃料電池スタックの一部断面側面図である。
【符号の説明】
１０、８０…燃料電池スタック１２…燃料電池
２０ａ、２０ｂ…エンドプレート２２…電解質膜・電極構造体
２４、２６…セパレータ３０ａ…酸化剤ガス供給連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔３４ａ…燃料ガス供給連通孔
３４ｂ…燃料ガス排出連通孔３６…固体高分子電解質膜
３８…アノード側電極４０…カソード側電極
４６…酸化剤ガス流路４８…燃料ガス流路
５２、５４、８２、８４…円筒部５６…酸化剤ガス出口配管
５６ｂ、５８ｂ…傾斜部５８…燃料ガス出口配管
６０、６２…排出管路６４、６８、８６、８８…バイパス管路
６６ａ、６６ｂ、７０ａ、７０ｂ…開口端部

Claims

固体高分子電解質膜を一組の電極で挟んで構成される電解質膜・電極構造体を備え、前記電解質膜・電極構造体とセパレータとを水平方向に交互に積層するとともに、前記電極に少なくとも燃料ガスまたは酸化剤ガスである反応ガスを供給する反応ガス流路が設けられた燃料電池スタックであって、
前記燃料電池スタック内に積層方向に延在して設けられ、前記反応ガス流路の排出側に連通する反応ガス出口マニホールドと、
前記反応ガス出口マニホールドに連通して前記燃料電池スタックの外部にかつ下方に傾斜して延在する出口配管と、
前記反応ガス出口マニホールドと前記出口配管とに連通するバイパス管路と、
を備え、
前記バイパス管路は、前記反応ガス出口マニホールドに連通する第１開口端部位置が、前記出口配管に連通する第２開口端部位置よりも上方に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記出口配管は、前記燃料電池スタックの積層方向一端に設けられるとともに、
前記バイパス管路は、前記燃料電池スタックの積層方向両端に、それぞれ前記反応ガス出口マニホールドに連通して設けられることを特徴とする燃料電池スタック。