JP5366793B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が鉛直方向に積層される燃料電池スタックを設けるとともに、複数の前記燃料電池スタックが互いに電極を反転させて並列される燃料電池システムに関する。

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、セパレータによって挟持した単位セルを備えている。

通常、この燃料電池は、所望の発電力を得るために、単位セルを所定数（例えば、数十〜数百）だけ積層した燃料電池スタックとして使用されている。その際、燃料電池の積層方向の長さが相当に長尺化し、燃料ガスを各燃料電池に対して均等に供給することができない等の問題がある。そこで、複数の燃料電池スタックを用意するとともに、各燃料電池スタックを互いに並列させた燃料電池システムが採用されている。

例えば、特許文献１に開示された燃料電池では、図５に示すように、互いに並列された積層体１ａ、１ｂを備えている。積層体１ａ、１ｂは、図示しないが、それぞれ単電池と冷却部材とを積層している。単電池は、電解質膜と、この電解質膜を両側から挟んでサンドイッチ構造を形成する２つのガス拡散電極と、前記サンドイッチ構造を両側から挟持する２つの集電極とから構成されている。

積層体１ａ、１ｂの積層端には、それぞれ端子板２、３が設置されている。端子板２は、端子板３側に突出する係合凸部４を設けている。端子板３は、端子板２側に突出する凸状部５を設けるとともに、前記凸状部５には、係合凸部４が係合可能な係合凹部６が形成されている。

特開平８−１７１９２６号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、積層体１ａ、１ｂの積層端には、それぞれ形状の異なる端子板２、３が個別に設置されている。このため、部品点数が増加するとともに、製造コストが高騰するという問題がある。しかも、係合凸部４を係合凹部６に係合させる必要があり、燃料電池スタックの組み立て作業が煩雑化す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、簡単且つ経済的な構成で、互いに並列される燃料電池スタック間を電気的に接続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を設けた電解質・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が鉛直方向に積層される燃料電池スタックを設けるとともに、複数の前記燃料電池スタックが互いに電極を反転させて並列される燃料電池システムに関するものである。

この燃料電池システムは、隣接する燃料電池スタックの下部には、共通ターミナルプレートが配設されるとともに、前記共通ターミナルプレートは、隣接する前記燃料電池スタックの各電極面に対向する複数の集電部と、複数の前記集電部に一体成形され、隣接する前記燃料電池スタック間に配置される接続部とを設け、前記接続部の幅寸法は、前記集電部の幅寸法よりも小さく設定されている。

また、燃料電池スタックは、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体である流体を鉛直方向に流通させる３つの流体供給連通孔と３つの流体排出連通孔とを設けるとともに、集電部は、３つの前記流体供給連通孔及び３つの前記流体排出連通孔により周回される面内に配設され、且つ、接続部は、前記流体供給連通孔間、前記流体排出連通孔間又は前記流体供給連通孔と前記流体排出連通孔との間に配設されることが好ましい。

さらに、接続部の両側には、流体供給連通孔である冷却媒体入口連通孔と流体排出連通孔である冷却媒体出口連通孔とが配置されていることが好ましい。

さらにまた、接続部は、２つの集電部の幅方向の中央部に一体に設けられることが好ましい。

また、この燃料電池システムは、共通ターミナルプレートに隣接する絶縁プレートを備えるとともに、前記絶縁プレートには、集電部及び接続部の一部を収容する凹部が形成されることが好ましい。

さらに、この燃料電池システムは、複数の燃料電池スタックを一体に収容するボックスを備えることが好ましい。

本発明によれば、隣接する燃料電池スタックの下部には、共通ターミナルプレートが配設されるとともに、前記共通ターミナルプレートは、バスバーとして機能する接続部を一体に設けている。従って、共通ターミナルプレートは、各集電部と接続部とが一体に構成されるため、独立した複数のターミナルプレート同士が電力ケーブル等で電気的に接続される構成に比べ、前記接続部周辺のレイアウト性の自由度が良好に向上する。

しかも、各集電部と接続部とが一体成形されるため、部品点数が削減されて共通ターミナルプレート自体の構成が簡素化される。その上、共通ターミナルプレートは、板の打ち抜き成形で得られるため、前記共通ターミナルプレートの製造コストが容易に削減される。さらに、省スペース化が図られ、燃料電池スタックの小型化により燃料電池システム全体の小型化が遂行可能になる。

本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略斜視説明図である。 前記燃料電池システムを構成する第１及び第２燃料電池スタックの要部斜視説明図である。 前記第１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。 前記燃料電池システムを構成する共通ターミナルプレートの説明図である。 特許文献１に係る燃料電池の斜視説明図である。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０は、互いに平行に且つ極性を反転して配列される同一構成の複数、例えば、２組の第１及び第２燃料電池スタック１２Ａ、１２Ｂを備える。

第１燃料電池スタック１２Ａは、複数の燃料電池１４Ａが鉛直方向（矢印Ａ方向）に積層して構成される。図１及び図２に示すように、燃料電池１４Ａの積層方向下端には、共通ターミナルプレート１６、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａが配設される。燃料電池１４Ａの積層方向上端には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが配設される。

エンドプレート２０ａ、２０ｂ間は、複数本のタイロッド１９により積層方向に締め付けられ、複数の燃料電池１４Ａに締め付け荷重が付与される。なお、エンドプレート２０ａ、２０ｂは、これらに一体に架け渡される長尺平板状の連結部材により固定されることも可能である。

図３に示すように、燃料電池１４Ａは、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２１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ているが、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。

燃料電池１４Ａの矢印Ｂ方向（図３中、水平方向）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入口連通孔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入口連通孔２８ａが、矢印Ｃ方向（水平方向）に配列して設けられる。

燃料電池１４Ａ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、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２８ｂ、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２６ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

燃料電池１４Ａの矢印Ｃ方向の両端縁部には、冷却媒体を供給するための一対の冷却媒体入口連通孔３０ａ、３０ａ及び前記冷却媒体を排出するための一対の冷却媒体出口連通孔３０ｂ、３０ｂが設けられる。

第１セパレータ２２の電解質膜・電極構造体２１に向かう面２２ａには、酸化剤ガス入口連通孔２６ａと酸化剤ガス出口連通孔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２１に向かう面２４ａには、燃料ガス入口連通孔２８ａと燃料ガス出口連通孔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１４Ａ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、冷却媒体入口連通孔３０ａと冷却媒体出口連通孔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３８が、一体的又は個別に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４０が、一体的に又は個別に設けられる。

第１及び第２シール部材３８、４０は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。

電解質膜・電極構造体２１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を挟持するカソード側電極４４及びアノード側電極４６とを備える。

カソード側電極４４及びアノード側電極４６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４２の両面に形成されている。

第２燃料電池スタック１２Ｂは、複数の燃料電池１４Ｂが鉛直方向（矢印Ａ方向）に積層して構成される。図１及び図２に示すように、燃料電池１４Ｂの積層方向下端には、共通ターミナルプレート１６、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａが配設される。燃料電池１４Ｂの積層方向上端には、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が配設される。

第１及び第２燃料電池スタック１２Ａ、１２Ｂを構成する燃料電池１４Ａ、１４Ｂは、全く同一の構成を有しており、それぞれの極性を逆にするために、例えば、前記燃料電池１４Ｂを、前記燃料電池１４Ａに対して長尺方向（矢印Ｂ方向）に延在する水平軸回りに１８０°反転させる（図２参照）。

図２及び図４に示すように、共通ターミナルプレート１６は、隣接する第１及び第２燃料電池スタック１２Ａ、１２Ｂの各電極面に対向する２つ（複数）の集電部５０ａ、５０ｂと、前記集電部５０ａ、５０ｂに一体成形され、隣接する前記第１及び第２燃料電池スタック１２Ａ、１２Ｂ間に配置される接続部５２とを設ける。

接続部５２は、バスバーとしての機能を有しており、２つの集電部５０ａ、５０ｂの幅方向の中央部に一体に設けられるとともに、前記接続部５２の幅寸法は、前記集電部５０ａ、５０ｂの幅寸法よりも小さく設定される。

集電部５０ａ、５０ｂは、酸化剤ガス入口連通孔２６ａ、燃料ガス入口連通孔２８ａ、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂ、燃料ガス出口連通孔２８ｂ、冷却媒体入口連通孔３０ａ、３０ａ及び冷却媒体出口連通孔３０ｂ、３０ｂにより周回される面内に配設される。接続部５２は、冷却媒体入口連通孔３０ａと冷却媒体出口連通孔３０ｂとの間に配設されるが、これに限定されるものではなく、任意の２つの連通孔間に配置可能である。

各絶縁プレート１８ａには、図２に示すように、集電部５０ａ、５０ｂを収容するための凹部５４ａと、接続部５２の一部を収容するための凹部５４ｂとが形成される。各絶縁プレート１８ｂには、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂを収容するための凹部５６が形成される一方、前記ターミナルプレート１６ａ、１６ｂには、上方に突出して互いに極性の異なるターミナル端子５８ａ、５８ｂが形成される。

エンドプレート２０ａには、酸化剤ガス入口連通孔２６ａ、燃料ガス入口連通孔２８ａ、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂ、燃料ガス出口連通孔２８ｂ、冷却媒体入口連通孔３０ａ、３０ａ及び冷却媒体出口連通孔３０ｂ、３０ｂに連通するマニホールド（図示せず）が設けられる一方、エンドプレート２０ｂは、平面状に構成される。第１及び第２燃料電池スタック１２Ａ、１２Ｂは、ボックス６０内に一体に収容される（図１参照）。

このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。

先ず、第１及び第２燃料電池スタック１２Ａ、１２Ｂには、図示しないマニホールドを介して、酸素含有ガス等の酸化剤ガス、水素含有ガス等の燃料ガス及び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。図３に示すように、燃料電池１４Ａでは、酸化剤ガス入口連通孔２６ａに酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２８ａに燃料ガスが供給される。さらに、一対の冷却媒体入口連通孔３０ａ、３０ａに冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔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。酸化剤ガスは、矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２１を構成するカソード側電極４４に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔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、矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２１を構成するアノード側電極４６に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体２１では、カソード側電極４４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４６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４４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２６ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、アノード側電極４６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２８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、一対の冷却媒体入口連通孔３０ａ、３０ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２セパレータ２２、２４間の冷却媒体流路３６に導入され、一旦、互いに近接する方向に流動した後、矢印Ｃ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２１を冷却した後、一対の冷却媒体出口連通孔３０ｂ、３０ｂに振り分けられて排出される。

なお、第２燃料電池スタック１２Ｂを構成する燃料電池１４Ｂでは、上記の燃料電池１４Ａと同様に、酸化剤ガス入口連通孔２６ａに酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２８ａに燃料ガスが供給される。さらに、一対の冷却媒体入口連通孔３０ａ、３０ａに冷却媒体が供給される。

従って、燃料電池１４Ｂでは、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。これにより、ターミナル端子５８ａ、５８ｂは、互いに異なる極性となって電力の取り出しが可能になる。

この場合、本実施形態では、共通ターミナルプレート１６は、隣接する第１及び第２燃料電池スタック１２Ａ、１２Ｂの各電極面に対向する２つの集電部５０ａ、５０ｂと、前記集電部５０ａ、５０ｂに一体成形され、隣接する前記第１及び第２燃料電池スタック１２Ａ、１２Ｂ間に配置されるバスバーとして機能する接続部５２とを設けている。

このため、共通ターミナルプレート１６は、各集電部５０ａ、５０ｂと接続部５２とが一体に構成されるため、独立した２つのターミナルプレート同士が電力ケーブル等で電気的に接続される構成に比べ、余分なスペースが不要になるため、前記接続部５２周辺のレイアウト性の自由度が良好に向上するという効果が得られる。

しかも、各集電部５０ａ、５０ｂと接続部５２とが一体化されるため、部品点数が削減されて共通ターミナルプレート１６自体の構成が簡素化される。その上、共通ターミナルプレート１６は、板の打ち抜き成形で得られるため、前記共通ターミナルプレート１６の製造コストが容易に削減される。さらに、省スペース化が図られ、第１及び第２燃料電池スタック１２Ａ、１２Ｂの小型化により、燃料電池システム１０全体の小型化が遂行可能になる。

さらにまた、第１及び第２燃料電池スタック１２Ａ、１２Ｂは、共通ターミナルプレート１６により連結された状態で、ボックス６０内に収容されている。従って、共通ターミナルプレート１６の接続部５２は、外部に露呈することがなく、専用の防水構造が不要になり、経済的であるという利点がある。

また、各集電部５０ａ、５０ｂと接続部５２とが一体化され、略Ｈ型形状を有している。これにより、酸化剤ガス入口連通孔２６ａ、燃料ガス入口連通孔２８ａ、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂ、燃料ガス出口連通孔２８ｂ、冷却媒体入口連通孔３０ａ及び冷却媒体出口連通孔３０ｂを接続部５２の周辺に配置することができ、レイアウト性の向上が容易に図られる。

１０…燃料電池システム １２Ａ、１２Ｂ…燃料電池スタック
１４Ａ、１４Ｂ…燃料電池 １６…共通ターミナルプレート
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 ２１…電解質膜・電極構造体
２２、２４…セパレータ ２６ａ…酸化剤ガス入口連通孔
２６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ２８ａ…燃料ガス入口連通孔
２８ｂ…燃料ガス出口連通孔 ３０ａ…冷却媒体入口連通孔
３０ｂ…冷却媒体出口連通孔 ３２…酸化剤ガス流路
３４…燃料ガス流路 ３６…冷却媒体流路
４２…固体高分子電解質膜 ４４…カソード側電極
４６…アノード側電極 ５０ａ、５０ｂ…集電部
５２…接続部 ５４ａ、５４ｂ、５６…凹部
６０…ボックス

Claims (4)

1. 電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が鉛直方向に積層される燃料電池スタックを設けるとともに、複数の前記燃料電池スタックが互いに電極を反転させて並列される燃料電池システムであって、
   隣接する前記燃料電池スタックの下部には、共通ターミナルプレートが配設されるとともに、
   前記共通ターミナルプレートは、隣接する前記燃料電池スタックの各電極面に対向する複数の集電部と、
   複数の前記集電部に一体成形され、隣接する前記燃料電池スタック間に配置される接続部と、
   を設け、
   前記接続部の幅寸法は、前記集電部の幅寸法よりも小さく設定され、
   前記燃料電池スタックは、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体である流体を前記鉛直方向に流通させる３つの流体供給連通孔と３つの流体排出連通孔とを設けるとともに、
   前記集電部は、３つの前記流体供給連通孔及び３つの前記流体排出連通孔により周回される面内に配設され、且つ、前記接続部は、前記流体供給連通孔間、前記流体排出連通孔間又は前記流体供給連通孔と前記流体排出連通孔との間に配設され、
   前記接続部の両側には、前記流体供給連通孔である冷却媒体入口連通孔と前記流体排出連通孔である冷却媒体出口連通孔とが配置されることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１記載の燃料電池システムにおいて、前記接続部は、２つの前記集電部の幅方向の中央部に一体に設けられることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池システムにおいて、前記共通ターミナルプレートに隣接する絶縁プレートを備えるとともに、
   前記絶縁プレートには、前記集電部及び前記接続部の一部を収容する凹部が形成されることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムにおいて、複数の前記燃料電池スタックを一体に収容するボックスを備えることを特徴とする燃料電池システム。

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