JP4672989B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

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対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより燃料電池が構成されている。アノード側電極及びカソード側電極は、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ている。

この燃料電池において、アノード側電極には、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）が供給される一方、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。アノード側電極に供給された燃料ガスは、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は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。

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膜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の反応ガス流路（酸化剤ガス流路及び／又は燃料ガス流路）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。

しかしながら、上記のように、燃料電池スタックの反応ガス流路内に水が存在すると、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、発電性能が著しく悪化するという問題が指摘されている。

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。

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。

特開２０００−９０９５４号公報（図２、図５）

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及び排出配管を備え、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。しかも、反応ガス流路の排出側では、反応ガス出口マニホールドが設けられている一端側とは反対の他端側にも、水が滞留するおそれがあり、この水の処理が困難となっている。

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、燃料電池スタック内の水を容易且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。

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、前記電極に供給された少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを排出する反応ガス排出連通孔が積層方向に延在して設けられる燃料電池スタックである。

燃料電池スタックの積層方向一端には、反応ガス排出連通孔の一端側に連通する第１排水用配管が設けられ、前記燃料電池スタックの積層方向他端には、前記反応ガス排出連通孔の他端側に連通する第２排水用配管が設けられている。

また、第１及び第２排水用配管は、排水処理部に接続されており、少なくとも前記第２排水用配管は、燃料電池スタックの積層方向他端と前記排水処理部との間で配管高低差Ｈ１を設けるとともに、前記燃料電池スタックの積層方向他端と前記排水処理部との圧力差に対応する水中高さＨ２は、前記配管高低差Ｈ１よりも高く設定されることが好ましい。排水処理部は、例えば、排水チャンバや車載時の排気管により構成される。

さらに、第２排水用配管は、排水処理部に接続されており、前記第２排水用配管の途上に該第２排水用配管よりも短尺な第１排水用配管が接続されるとともに、前記第１排水用配管には、圧損増加手段が配設されることが好ましい。圧損増加手段は、例えば、オリフィスを備える他、第１排水用配管の開口径を細く設定することにより構成される。

さらにまた、少なくとも第１排水用配管又は第２排水用配管は、配管マニホールドの下部に設けられることが好ましい。

本発明によれば、反応ガス排出連通孔の一端側に第１排水用配管が設けられる一方、前記反応ガス排出連通孔の他端側に第２排水用配管が設けられ、前記第１及び第２排水用配管から個別に排水することが可能になる。これにより、第１及び第２排水用配管内の圧力差があっても、影響を受けることがなく、簡単な構成で、反応ガス排出連通孔内の結露水を良好且つ確実に排出することが可能になる。

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の要部分解斜視説明図である。

燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１２が積層された積層体１４を備え、前記積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）両端部には、第１及び第２ターミナルプレート１６ａ、１６ｂと、第１及び第２絶縁プレート１８ａ、１８ｂと、第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂとが、順次、設けられる。燃料電池スタック１０の積層方向一端に設けられる第１エンドプレート２０ａには、後述する６つの連通孔にそれぞれ反応ガスや冷却媒体の供給、排出を行う配管マニホールド２２ａ、２２ｂが複数のねじ２４によって固定される。なお、燃料電池スタック１０は、図示しないが、例えば、ボックス状のケーシングにより締め付け保持される。

図２に示すように、燃料電池１２は、電解質膜・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採用してもよい。

燃料電池１２の矢印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入口連通孔３６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔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出口連通孔（反応ガス排出連通孔）４０ｂが設けられる。

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入口連通孔４０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔（反応ガス排出連通孔）３６ｂが設けられる。

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、燃料ガス入口連通孔４０ａと燃料ガス出口連通孔４０ｂとを連通する燃料ガス流路４２が形成される。この燃料ガス流路４２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、冷却媒体入口連通孔３８ａと冷却媒体出口連通孔３８ｂとを連通する冷却媒体流路４４が形成される。この冷却媒体流路４４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４６が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路４６は、酸化剤ガス入口連通孔３６ａと酸化剤ガス出口連通孔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４４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の外周端部を周回して第１シール部材４８が一体成形される。第１シール部材４８は、面３２ａで燃料ガス入口連通孔４０ａ、燃料ガス出口連通孔４０ｂ及び燃料ガス流路４２を囲繞してこれらを連通させる一方、面３２ｂで冷却媒体入口連通孔３８ａ、冷却媒体出口連通孔３８ｂ及び冷却媒体流路４４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の外周端部を周回して第２シール部材５０が一体成形される。第２シール部材５０は、面３４ａで酸化剤ガス入口連通孔３６ａ、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス流路４６を囲繞してこれらを連通させる一方、面３４ｂで冷却媒体入口連通孔３８ａ、冷却媒体出口連通孔３８ｂ及び冷却媒体流路４４を囲繞してこれらを連通させる。

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５２と、前記固体高分子電解質膜５２を挟持するアノード側電極５４及びカソード側電極５６とを備える。

アノード側電極５４及びカソード側電極５６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た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５２の両面に接合される。

図１及び図３に示すように、配管マニホールド２２ａには、第１エンドプレート２０ａの酸化剤ガス入口連通孔３６ａ、冷却媒体入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔４０ｂに連通する酸化剤ガス供給口６０ａ、冷却媒体供給口６２ａ及び燃料ガス排出口６４ｂが形成される。配管マニホールド２２ａには、燃料ガス排出口６４ｂに連通して下方に延在する第１ドレン排出口６６ａが形成される。

酸化剤ガス供給口６０ａ、冷却媒体供給口６２ａ及び燃料ガス排出口６４ｂには、それぞれ配管６８ａ、７０ａ及び７２ｂが設けられる一方、第１ドレン排出口６６ａには、第１排水用配管７４ａが設けられる。この第１排水用配管７４ａは、排水処理部、例えば、大気圧雰囲気の排水チャンバ７６ａに接続される。

図１に示すように、配管マニホールド２２ｂには、第１エンドプレート２０ａの燃料ガス入口連通孔４０ａ、冷却媒体出口連通孔３８ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに連通する燃料ガス供給口６４ａ、冷却媒体排出口６２ｂ及び酸化剤ガス排出口６０ｂが形成される。配管マニホールド２２ｂには、酸化剤ガス排出口６０ｂに連通して下方に延在する第１ドレン排出口６６ｂが形成される。

燃料ガス供給口６４ａ、冷却媒体排出口６２ｂ及び酸化剤ガス排出口６０ｂには、それぞれ配管７２ａ、７０ｂ及び６８ｂが設けられる一方、第１ドレン排出口６６ｂには、第１排水用配管７４ｂが設けられる。この第１排水用配管７４ｂは、排水処理部、例えば、大気圧雰囲気の排水チャンバ７６ｂに接続される。なお、排水チャンバ７６ａ、７６ｂは、単一の排水チャンバで構成してもよい。

図１及び図３に示すように、燃料電池スタック１０の積層方向他端に設けられる第２エンドプレート２０ｂには、燃料ガス出口連通孔４０ｂに連通して下方に延在する第２ドレン排出口７８ａと、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに連通して下方に延在する第２ドレン排出口７８ｂとが形成される。第２ドレン排出口７８ａ、７８ｂには、それぞれ第２排水用配管８０ａ、８０ｂが設けられるとともに、前記第２排水用配管８０ａ、８０ｂは、排水チャンバ７６ａ、７６ｂに接続される。

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。

先ず、図１に示すように、燃料電池スタック１０では、配管マニホールド２２ａの配管６８ａから酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、配管マニホールド２２ｂの配管７２ａから水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、配管マニホールド２２ａの配管７０ａから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、各燃料電池１２に対して酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が矢印Ａ方向に供給される。

図２に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔３６ａから第２金属セパレータ３４の酸化剤ガス流路４６に導入され、電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極５６に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔４０ａから第１金属セパレータ３２の燃料ガス流路４２に導入され、電解質膜・電極構造体３０のアノード側電極５４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５６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極５４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５６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに沿って矢印Ａ方向に流動した後、配管マニホールド２２ｂの配管６８ｂに排出される（図１参照）。同様に、アノード側電極５４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔４０ｂに排出されて矢印Ａ方向に流動し、配管マニホールド２２ａの配管７２ｂに排出される。

また、冷却媒体は、図２に示すように、冷却媒体入口連通孔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４４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、冷却媒体出口連通孔３８ｂを移動して配管マニホールド２２ｂの配管７０ｂに排出される（図１参照）。

この場合、第１の実施形態では、図３に示すように、燃料ガス出口連通孔４０ｂの一端側に連通する第１排水用配管７４ａと、前記燃料ガス出口連通孔４０ｂの他端側に連通する第２排水用配管８０ａとを備えており、前記第１及び第２排水用配管７４ａ、８０ａは、大気圧雰囲気の排水チャンバ７６ａに接続されている。

従って、燃料ガス出口連通孔４０ｂに発生する結露水が、第１排水用配管７４ａと第２排水用配管８０ａとから個別に排出されるため、前記第１及び第２排水用配管７４ａ、８０ａ内の圧力差を有効に確保することができる。これにより、簡単な構成で、燃料ガス出口連通孔４０ｂ内の結露水を良好且つ確実に排出することが可能になるという効果が得られる。しかも、第１排水用配管７４ａは、配管マニホールド２２ａの下部に設けられており、水が前記配管マニホールド２２ａの底部に滞留することがない。

一方、図１に示すように、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂの一端側に第１排水用配管７４ｂが連通するとともに、前記酸化剤ガス出口連通孔３６ｂの他端側に第２排水用配管８０ｂが連通している。このため、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂに生成される水は、第１及び第２排水用配管７４ｂ、８０ｂから個別に排出され、簡単な構成で、排水性が良好に向上する。

なお、第１及び第２排水用配管７４ｂ、８０ｂは、排水チャンバ７６ｂに接続することなく、例えば、車載時に排気管等の大気開放部分に別々に接続してもよい。

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１００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、その詳細な説明を省略する。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

燃料電池スタック１００は、燃料ガス出口連通孔４０ｂの一端側に連通する第１排水用配管７４ａと、前記燃料ガス出口連通孔４０ｂの他端側に連通する第２排水用配管１０２ａと、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂの一端側に連通する第１排水用配管７４ｂと、前記酸化剤ガス出口連通孔３６ｂの他端側に連通する第２排水用配管１０２ｂとを備えている。

第２排水用配管１０２ａ、１０２ｂでは、例えば、配管レイアウト上、配管高低差Ｈ１が設けられている。その際、第２排水用配管１０２ａ、１０２ｂの一端部と第２エンドプレート２０ｂとの連通部分の圧力Ｐ１は、排水チャンバ７６ａ、７６ｂの圧力Ｐ２（大気圧）に対して、
配管高低差Ｈ１＜圧力差（Ｐ１−Ｐ２）に対応する水中高さＨ２
の関係を有するように設定されている。

これにより、第２エンドプレート２０ｂから第２排水用配管１０２ａ、１０２ｂに排出された結露水は、配管高低差Ｈ１が存在していても、前記第２排水用配管１０２ａ、１０２ｂを円滑に流れて排水チャンバ７６ａ、７６ｂに確実に排出される。従って、配管レイアウトが容易に遂行されるとともに、排水性の低下を阻止することが可能になるという効果が得られる。

図５は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１１０の一部断面側面図である。

燃料電池スタック１１０は、燃料ガス出口連通孔４０ｂの一端側に連通する第１排水用配管１１２ａと、前記燃料ガス出口連通孔４０ｂの他端側に連通する第２排水用配管１１４ａと、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂの一端側に連通する第１排水用配管１１２ｂと、前記酸化剤ガス出口連通孔３６ｂの他端側に連通する第２排水用配管１１４ｂとを備える。

第１排水用配管１１２ａ、１１２ｂは、第２排水用配管１１４ａ、１１４ｂの途上に合流部１１６ａ、１１６ｂで連結されるとともに、前記第２排水用配管１１４ａ、１１４ｂが排水チャンバ７６ａ、７６ｂに連通する。第１排水用配管１１２ａ、１１２ｂには、圧損増加手段、例えば、オリフィス１１８ａ、１１８ｂが配設される。

この場合、第１排水用配管１１２ａ、１１２ｂと第２排水用配管１１４ａ、１１４ｂとは、合流部１１６ａ、１１６ｂの上流側で前記第１排水用配管１１２ａ、１１２ｂの流路長が前記第２排水用配管１１４ａ、１１４ｂの流路長よりも相当に短尺である。このため、第１排水用配管１１２ａ、１１２ｂの圧損は、第２排水用配管１１４ａ、１１４ｂの圧損よりも低くなっている。

そこで、第３の実施形態では、第１排水用配管１１２ａ、１１２ｂの圧損を高く設定するために、オリフィス１１８ａ、１１８ｂが設けられる。これにより、第１排水用配管１１２ａ、１１２ｂと第２排水用配管１１４ａ、１１４ｂとにおいて、均等に圧力差が発生して結露水が第１排水用配管１１２ａ、１１２ｂから第２排水用配管１１４ａ、１１４ｂに逆流を阻止することができ、該結露水を排水チャンバ７６ａ、７６ｂに有効且つ円滑に排出させることが可能になる。

なお、圧損増加手段としては、オリフィス１１８ａ、１１８ｂに代えて、第１排水用配管１１２ａ、１１２ｂの開口径を細く設定してもよい。

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。 前記燃料電池スタックの一部断面側面図である。 前記燃料電池スタックの一部断面側面図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの一部断面側面図である。 本発明の第３の実施形態に係る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、１００…燃料電池スタック １２…燃料電池
１４…積層体 ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２２ａ、２２ｂ…マニホールド配管 ３０…電解質膜・電極構造体
３２、３４…金属セパレータ ３６ａ…酸化剤ガス入口連通孔
３６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ３８ａ…冷却媒体入口連通孔
３８ｂ…冷却媒体出口連通孔 ４０ａ…燃料ガス入口連通孔
４０ｂ…燃料ガス出口連通孔 ４２…燃料ガス流路
４４…冷却媒体流路 ４６…酸化剤ガス流路
５２…固体高分子電解質膜 ５４…アノード側電極
５６…カソード側電極 ６０ａ…酸化剤ガス供給口
６０ｂ…酸化剤ガス排出口 ６２ａ…冷却媒体供給口
６２ｂ…冷却媒体排出口 ６４ａ…燃料ガス供給口
６４ｂ…燃料ガス排出口
６６ａ、６６ｂ、７８ａ、７８ｂ…ドレン排出口
７４ａ、７４ｂ、８０ａ、８０ｂ、１０２ａ、１０２ｂ、１１２ａ、１１２ｂ、１１４ａ、１１４ｂ…排水用配管
７６ａ、７６ｂ…排水チャンバ １１６ａ、１１６ｂ…合流部
１１８ａ、１１８ｂ…オリフィス

Claims (4)

1. 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、前記電極に供給された少なくとも燃料ガス又は酸化剤ガスである反応ガスを排出する反応ガス排出連通孔が積層方向に延在して設けられる燃料電池スタックであって、
   前記燃料電池スタックの積層方向一端に、前記燃料電池スタックの外方に延在して設けられ、前記反応ガス排出連通孔の一端側から下方に延在する第１排出口に連通する第１排水用配管と、
   前記燃料電池スタックの積層方向他端に、前記燃料電池スタックの外方に延在して設けられ、一端側に前記第１排水用配管が連通する前記反応ガス排出連通孔の他端側から下方に延在する第２排出口に連通する第２排水用配管と、
   を備え、
   前記第１及び第２排水用配管は、前記反応ガス排出連通孔の積層方向一端側又は積層方向他端側のいずれかで大気圧雰囲気のチャンバに合流するとともに、
   前記第１排水用配管が前記第１排出口との連通部位から合流するまでの圧損と、前記第２排水用配管が前記第２排出口との連通部位から合流するまでの圧損とは、異な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、少なくとも前記第２排水用配管は、前記燃料電池スタックの積層方向他端から合流するまでの間で配管高低差Ｈ１を設けるとともに、
   前記燃料電池スタックの積層方向他端から合流するまでの間の圧力差に対応する水中高さＨ２は、前記配管高低差Ｈ１よりも高く設定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、前記第２排水用配管の途上に該第２排水用配管よりも短尺な前記第１排水用配管が接続されるとともに、
   前記第１排水用配管には、圧損増加手段が配設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、少なくとも前記第１排水用配管又は前記第２排水用配管は、配管マニホールドの下部に設けられることを特徴とする燃料電池スタック。

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