JP6981317B2 - Fuel cell stack - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池スタックに関する。 The present invention relates to a fuel cell stack.
燃料電池スタックは、複数の燃料電池セルを積層して構成され、それぞれの燃料電池セルは、膜電極接合体をカソードセパレータとアノードセパレータで挟持する。セパレータによる膜電極接合体の挟持に当たっては、膜電極接合体を枠状の樹脂シートで取り囲んだ上で、膜電極接合体を樹脂シートごとカソード・アノードの両セパレータで挟持する手法が提案されている(例えば特許文献1)。 The fuel cell stack is configured by stacking a plurality of fuel cell cells, and each fuel cell has a membrane electrode assembly sandwiched between a cathode separator and an anode separator. When sandwiching the membrane electrode assembly with a separator, a method has been proposed in which the membrane electrode assembly is surrounded by a frame-shaped resin sheet, and then the membrane electrode assembly is sandwiched together with the resin sheet by both cathode and anode separators. (For example, Patent Document 1).
燃料電池スタックは、燃料電池セルのセル積層方向が水平な水平姿勢となるよう設置されるが、常時、水平姿勢にあるとは限らない。例えば、車両等の移動体に搭載された燃料電池では、登坂路での車両の走行過程や、傾斜した駐車路面での駐車過程において、セル積層方向の一端側、例えば燃料電池スタック前端が下で、セル積層方向の他端側の燃料電池スタック後端が上となるように傾斜する場合がある。こうした傾斜姿勢では、膜電極接合体の外縁領域で燃料電池スタックをセル積層方向に貫く燃料ガス・酸化ガスの給排用のマニホールドも傾斜するため、マニホールドに達した水、具体的には生成水や電解質膜を透過した水(詳しくは、水蒸気)がマニホールドを伝わって傾斜下方側に貯まってしまうことが有り得る。こうしてマニホールドにおいて水が貯まると、水が貯まった傾斜下方側の燃料電池セルにおいては、セル内への水の浸透が過多に起きて、燃料電池セルの発電性能が維持できなくなる事態が起き得る。燃料電池スタック後端が下で燃料電池前端が上となるように傾斜する場合も同様である。こうしたことから、燃料電池スタックが傾斜した状況下における燃料電池セルの発電性能の維持を図ることが要請されるに到った。 The fuel cell stack is installed so that the cell stacking direction of the fuel cell cells is in a horizontal horizontal posture, but the fuel cell stack is not always in the horizontal posture. For example, in a fuel cell mounted on a moving body such as a vehicle, one end side in the cell stacking direction, for example, the front end of the fuel cell stack is below in the traveling process of the vehicle on an uphill road or the parking process on a sloped parking road surface. , The rear end of the fuel cell stack on the other end side in the cell stacking direction may be inclined so as to be upward. In such an inclined posture, the manifold for supplying and discharging fuel gas and oxide gas that penetrates the fuel cell stack in the cell stacking direction in the outer edge region of the membrane electrode assembly is also inclined, so that the water that reaches the manifold, specifically the generated water, is also inclined. It is possible that water that has permeated the electrolyte membrane (specifically, water vapor) travels through the manifold and accumulates on the lower side of the slope. When water is accumulated in the manifold in this way, in the fuel cell on the lower side of the slope where water is accumulated, water may permeate excessively into the cell, and the power generation performance of the fuel cell may not be maintained. The same applies when the fuel cell stack is tilted so that the rear end is at the bottom and the fuel cell front end is at the top. For these reasons, it has been required to maintain the power generation performance of the fuel cell when the fuel cell stack is tilted.
本発明は、上述の課題を踏まえてなされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and can be realized as the following forms.
(1)燃料電池スタックの一形態は、枠状の樹脂シートで取り囲んだ膜電極接合体を前記樹脂シートごと前記膜電極接合体の外縁領域でカソード側とアノード側の両セパレータで挟持した燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタックであって、前記樹脂シートの前記外縁領域に設けられたガス排出用のシート側マニホールド孔と、前記両セパレータの前記外縁領域に前記シート側マニホールド孔の開口形状より大きい開口形状で設けられたガス排出用のセパレータ側マニホールド孔とが、前記燃料電池セルの積層によりガス排出用マニホールドを形成し、前記燃料電池セルは、前記燃料電池スタックが設置された姿勢における前記ガス排出用マニホールドの底辺の一部領域において前記シート側マニホールド孔の底辺側周壁を切り欠いて形成された切欠部を有し、該切欠部は、前記両セパレータの前記セパレータ側マニホールド孔の底辺側周壁を前記一部領域において前記切欠部の底部から前記ガス排出用マニホールドの内側に向けて突出させて、前記燃料電池セルのセル積層方向に連続して並んでいる。 (1) One form of a fuel cell stack is a fuel cell in which a film electrode joint surrounded by a frame-shaped resin sheet is sandwiched together with the resin sheet by both cathode side and anode side separators in the outer edge region of the film electrode joint. A fuel cell stack in which a plurality of cells are stacked, the seat side manifold hole for gas discharge provided in the outer edge region of the resin sheet, and the seat side manifold hole opening in the outer edge region of both separators. A separator-side manifold hole for gas discharge provided with an opening shape larger than the shape forms a gas discharge manifold by laminating the fuel cell, and the fuel cell has a posture in which the fuel cell stack is installed. Has a notch formed by cutting out the bottom peripheral wall of the seat-side manifold hole in a part of the bottom portion of the gas discharge manifold in the above, and the notch is the separator-side manifold hole of both separators. The peripheral wall on the bottom side is projected from the bottom of the notch portion toward the inside of the gas discharge manifold in the partial region, and is continuously arranged in the cell stacking direction of the fuel cell.
この形態の燃料電池スタックでは、次のようにして、ガス排出用マニホールドに入り込んだ水の排出を図る。ガス排出用マニホールドに入り込んだ水は、ガス排出用マニホールドの底辺の側において水塊として留まる。切欠部に重なるようにして留まった水塊は、切欠部の並びに沿うよう帯状となる。切欠部では、セパレータ側マニホールド孔の底辺側周壁が切欠部の底部から突出しているが、セパレータ側マニホールド孔はシート側マニホールド孔より開口形状が大きいことから、セパレータ側マニホールド孔の底辺側周壁は、切欠部においては、切欠部開口のシート側マニホールド孔の底辺側周壁より低くなる。よって、セパレータ側マニホールド孔の底辺側周壁は、この周壁から切欠部開口までの間における帯状の水塊が切欠部の並びに沿うよう流れる際の流れの抵抗とはならない。従って、セル積層方向に対して垂直なセル高さ方向に対して燃料電池スタック前端が下で燃料電池スタック後端が上となるように傾斜すると、セル積層方向に連続して並ぶ切欠部も傾斜し、この切欠部においてセパレータ側マニホールド孔の底辺側周壁から切欠部開口までの間で帯状となった水塊は、傾斜した切欠部の並びに沿って流れ出し、ガス排出用マニホールドから排出され得る。こうしたガス排出用マニホールドからの水の排出により、燃料電池スタック前端の側に水が過多に貯まってしまうような事態が起きることを抑制できる。燃料電池スタック後端が下で燃料電池スタック前端が上となるように傾斜する場合も同様である。よって、この形態の燃料電池スタックによれば、燃料電池スタックが傾斜した状況下においても燃料電池セルの発電性能の維持を図ることが可能となる。 In this form of fuel cell stack, the water that has entered the gas discharge manifold is discharged as follows. The water that has entered the gas discharge manifold stays as a water mass on the bottom side of the gas discharge manifold. The water mass that stays so as to overlap the notch forms a band along the notch. In the notch, the peripheral wall on the bottom side of the manifold hole on the separator side protrudes from the bottom of the notch, but since the manifold hole on the separator side has a larger opening shape than the manifold hole on the seat side, the peripheral wall on the bottom side of the manifold hole on the separator side is formed. In the notch, it is lower than the bottom peripheral wall of the seat side manifold hole of the notch opening. Therefore, the peripheral wall on the bottom side of the separator-side manifold hole does not serve as a flow resistance when the band-shaped water mass flows along the notch portion from the peripheral wall to the notch opening. Therefore, when the front end of the fuel cell stack is tilted and the rear end of the fuel cell stack is top with respect to the cell height direction perpendicular to the cell stacking direction, the notches continuously arranged in the cell stacking direction are also tilted. However, the band-shaped water mass in this notch from the peripheral wall on the bottom side of the separator-side manifold hole to the opening of the notch can flow out along the line of the inclined notch and be discharged from the gas discharge manifold. Due to the discharge of water from the gas discharge manifold, it is possible to prevent a situation in which excessive water is accumulated on the front end side of the fuel cell stack. The same applies when the rear end of the fuel cell stack is tilted down and the front end of the fuel cell stack is up. Therefore, according to this form of the fuel cell stack, it is possible to maintain the power generation performance of the fuel cell even when the fuel cell stack is tilted.
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、燃料電池スタックの停止制御方法等の形態で実現することができる。 The present invention can be realized in various aspects. For example, it can be realized in the form of a stop control method for the fuel cell stack.
図1は、実施形態に係る燃料電池スタック110を有する燃料電池100の概略構成を示す説明図である。燃料電池100は、燃料電池セル110Sを複数積層した燃料電池スタック110を、一対のエンドプレート170F,170Eで挟持して構成される。燃料電池100は、その一端側のエンドプレート170Fと燃料電池セル110Sとの間に、絶縁板165Fを介在させてターミナルプレート160Fを有する。以下、エンドプレート170Fが配設された燃料電池100の一端側を、便宜上、前端側と称し、図における紙面右側の他端側を後端側と称する。
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a schematic configuration of a
燃料電池100は、後端側のエンドプレート170Eと燃料電池セル110Sとの間にも、同様に、後端側の絶縁板165Eを介在させて後端側のターミナルプレート160Eを有する。燃料電池セル110Sと、ターミナルプレート160F,160Eと、絶縁板165F,165Eおよびエンドプレート170F,170Eは、それぞれ、略矩形状の外形を有するプレート構造を有しており、長辺がx軸方向(水平方向)で短辺がy軸方向(垂直方向、鉛直方向)に沿うように配置されている。燃料電池セル110Sは、前端側と後端側のエンドプレート間にz軸方向に沿って積層され、燃料電池100は、図示するように、燃料電池セル110Sの積層方向(z軸方向)が水平方向に重なる水平姿勢となるよう、車両等に設置される。
The
燃料電池100は、前端側のエンドプレート170Fに、酸素含有の酸化ガスであるエアーの供給用マニホールド116と排出用マニホールド117、および、燃料ガスである水素ガスの供給用マニホールド118と排出用マニホールド119とを備える。図において、エアーの供給用マニホールド116は、水素ガスの供給用マニホールド118より紙面手前に配設され、エアーの排出用マニホールド117は、水素ガスの供給用マニホールド118より紙面奥側に配設されている。
The
燃料電池スタック110におけるそれぞれの燃料電池セル110Sは、供給用マニホールド116から送り込まれたエアーをセル内と隣接セルに導くと共に、セル内を通過した余剰のエアーを排出用マニホールド117に排出する。水素ガスについても同様であり、燃料電池セル110Sは、供給用マニホールド118から送り込まれた水素ガスをセル内と隣接セルに導くと共に、セル内を通過した余剰の水素ガスを排出用マニホールド119に排出する。つまり、エアーと水素ガスは、エンドプレート170Fの側から個別の供給用マニホールドを経て送り込まれ、エンドプレート170Eの側の燃料電池セル110Sからリターンされて、余剰分がエンドプレート170Fの個別の排出用マニホールドから排出される。エンドプレート170Fの側にエアー用の供給用マニホールド116と排出用マニホールド117とを設け、エンドプレート170Eの側に水素ガス用の供給用マニホールド118と排出用マニホールド119を設けてもよい。こうしても、エアーおよび水素ガスは、それぞれリターンして排出される。なお、エアーは、生成水と共に排出される。
Each
上記した供給用マニホールド116等は、セル外のマニホールドであり、後述のセル内のガス用マニホールドと連通する。なお、燃料電池100は、冷却水の給排マニホールドも有するが、この冷却水給排マニホールドは本発明の要旨と直接関係しないので、図1においては、その図示は省略されている。
The
前端側のターミナルプレート160Fおよび後端側のターミナルプレート160Eは、各燃料電池セル110Sの発電電力の集電板であり、図示しない集電端子から集電した電力を外部へ出力する。
The
図2は、本発明の一実施形態における燃料電池セル110Sを分解して示す説明図である。燃料電池セル110Sは、水素と酸素の供給を受けて発電する固体高分子形の燃料電池セルである。燃料電池セル110Sは、発電体10と、樹脂シート20と、カソード側のセパレータ40aと、アノード側のセパレータ40bとを備える。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing the
発電体10は、電解質膜(図示せず)と、電解質膜の両面にそれぞれ隣接して形成された触媒層(図示せず)と、ガス拡散層(図示せず)とを備える。電解質膜は湿潤状態において良好なプロトン伝導性を示す固体高分子薄膜である。電解質膜は、例えば、フッ素系樹脂のイオン交換膜によって構成される。触媒層は水素と酸素の化学反応を促進する触媒と、触媒を担持したカーボン粒子とを備える。そして、電解質膜の両膜面に触媒層を形成することで、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)が得られる。
The
ガス拡散層は、それぞれ触媒層側の面に隣接して設けられている。ガス拡散層は、電極反応に用いられる反応ガスを電解質膜の面方向に沿って拡散させる層であり、多孔質の拡散層用基材により構成されている。拡散層用基材としては、炭素繊維基材や黒鉛繊維基材、発泡金属など、導電性およびガス拡散性を有する多孔質の基材が用いられる。この電解質膜、触媒層、ガス拡散層を合わせて、膜電極ガス拡散層接合体(MEGA:Membrane Electrode Gass−diffusion−layer Assembly)ともいう。 The gas diffusion layer is provided adjacent to the surface on the catalyst layer side. The gas diffusion layer is a layer that diffuses the reaction gas used for the electrode reaction along the surface direction of the electrolyte membrane, and is composed of a porous base material for the diffusion layer. As the base material for the diffusion layer, a porous base material having conductivity and gas diffusivity such as a carbon fiber base material, a graphite fiber base material, and a foamed metal is used. The electrolyte membrane, the catalyst layer, and the gas diffusion layer are collectively referred to as a membrane electrode gas diffusion layer junction (MEGA: Membrane Electrode Gass-diffusion-layer Assembly).
樹脂シート20は、膜電極接合体を含む発電体10の周囲全域を取り囲む枠状の樹脂部材である。樹脂部材として、本実施形態では、例えばポリエチレンテレフタレート(PET)が用いられる。ただし、樹脂部材として、ポリプロピレン、ポリエチレン等の他の種々の熱可塑性樹脂部材やゴム材料も利用可能である。樹脂シート20は、中央域に発電体10を取り囲んで収納する開口部21を備え、この開口部21の両側、詳しくはx軸方向に沿った開口部21の両側に、ガス供給用のシート側マニホールド孔30aiとガス排出用のシート側マニホールド孔30aoと冷却マニホールド孔31とを有する。
The
ガス供給用のシート側マニホールド孔30aiとガス排出用のシート側マニホールド孔30aoは、y軸方向に上下に並んで形成され、それぞれのシート側マニホールド孔は、反応ガス(水素ガス、エアー)についての既述した供給用マニホールド116、排出用マニホールド117、供給用マニホールド118、排出用マニホールド119の1つと重なり、樹脂シート20を貫く方向(z軸方向)に反応ガスを流す。冷却マニホールド孔31は、図1において図示を省略した冷却水の給排マニホールドと重なり、樹脂シート20を貫く方向(z軸方向)に冷却水を流す。
The seat side manifold hole 30ai for gas supply and the seat side manifold hole 30ao for gas discharge are formed side by side in the y-axis direction, and each seat side manifold hole is for a reaction gas (hydrogen gas, air). It overlaps with one of the
樹脂シート20は、シート側マニホールド孔30aiと開口部21との間、およびシート側マニホールド孔30aoと開口部21との間に、複数のガス給排路50を備えている。ガス給排路50は、x軸方向に沿った直線経路の長径のシート貫通孔として形成されている。そして、このガス給排路50は、シート側マニホールド孔30aiの側では、発電体10へのガス供給用のガス通過路となり、シート側マニホールド孔30aoの側では、発電体10からのガス排出用のガス通過路となる。このガス給排路50を、凹溝状の長径のガス給排路としてもよい。この場合、ガス給排路50をシート貫通孔として形成することで、凹溝状のガス給排路とするよりも、樹脂シート20の厚み、延いては、燃料電池セル110Sの厚みを薄くすることができる。
The
樹脂シート20は、シート側マニホールド孔30aiとシート側マニホールド孔30aoが形成された領域、即ち発電体10の外縁領域のシート表面において、既述した樹脂部材固有の性状から撥水性を有する。この場合、樹脂シート20における外縁領域のシート表面やシート全表面に、プラズマ照射や化学蒸着、紫外線照射、或いはエッチングといった撥水性付与処理を、樹脂シート20の製造過程において施してもよい。
The
この他、樹脂シート20は、ガス排出用のシート側マニホールド孔30aoの底辺の一部領域に切欠部32を有する。この切欠部32は、ガス給排路50から離れた側に、シート側マニホールド孔30aoの底辺側周壁を切り欠いて形成される。切欠部32が形成された底辺は、図1に示すように燃料電池100が水平に設置された姿勢における鉛直下方側の底辺である。なお、切欠部32については、セパレータ40a、40bのガス排出用のセパレータ側マニホールド孔30boとの関係を合わせて後述する。
In addition, the
一対のセパレータ40a、40bは、膜電極接合体を含む発電体10を樹脂シート20ごと発電体10の外縁領域で挟持するように樹脂シート20に積層されている。セパレータ40a、40bの両セパレータは、例えば、ステンレス鋼やチタン、あるいはそれらの合金からなる金属板をプレス成型することによって形成されている。よって、セパレータ40a、40bは、既述した金属材料固有の性状から、その表面に親水性を備える。この場合、セパレータ40a、40bにおける外縁領域のセパレータ表面やセパレータ全表面に、プラズマ照射や化学蒸着、紫外線照射、或いはエッチングといった親水性付与処理を、セパレータ40a、40bの製造過程において施してもよい。
The pair of
本実施形態において、セパレータ40aは、カソード側のセパレータであり、セパレータ40bは、アノード側のセパレータである。そして、セパレータ40a、40bの両セパレータは、発電体10の外縁領域に、ガス供給用のセパレータ側マニホールド孔30biとガス排出用のセパレータ側マニホールド孔30boと冷却マニホールド孔31とを有する。冷却マニホールド孔31は、樹脂シート20の冷却マニホールド孔31と重なり、セパレータ40a、40bの両セパレータを貫く方向(z軸方向)に冷却水を流す。なお、セパレータ40a、40bは、重なり合った燃料電池セル110Sの間においてセル間冷却流路を形成するが、セル間冷却流路は本発明の要旨と直接関係しないので、図2においては、その図示は省略されている。
In the present embodiment, the
セパレータ40a、40bのセパレータ側マニホールド孔30biおよびセパレータ側マニホールド孔30boは、発電体10の膜電極接合体への反応ガス(水素ガス、エアー)の給排に用いられ、樹脂シート20のシート側マニホールド孔30ai、セパレータ側マニホールド孔30boにそれぞれ重なる。本実施形態では、図においては、樹脂シート20とセパレータ40a、40bの上記の各マニホールド孔を矩形形状としたが、三角形や多角形、異形形状の開口形状のマニホールド孔としてもよい。いずれの形状のセパレータ側マニホールド孔30biおよびセパレータ側マニホールド孔30boであっても、その開口形状は、既述した樹脂シート20のシート側マニホールド孔30aiとシート側マニホールド孔30aoより大きい開口形状とされている。本実施形態では、以下、シート側マニホールド孔30aoとセパレータ側マニホールド孔30boとが重なった形成されたマニホールドをガス排出用マニホールド30と称する。このガス排出用マニホールド30は、樹脂シート20のガス排出用のシート側マニホールド孔30aoと、セパレータ40a、40bの両セパレータのガス排出用のセパレータ側マニホールド孔30boとが燃料電池セル110Sの積層により重なることで形成される。
The separator side manifold holes 30bi and the separator side manifold holes 30bo of the
セパレータ40a、40bの両セパレータは、反応ガス(水素ガス、エアー)の供給側のセパレータ側マニホールド孔30biから排出側のセパレータ側マニホールド孔30boに掛けて流路41を備える。この流路41は、セパレータ40a、40bの凹凸により形成され、供給側のセパレータ側マニホールド孔30biの近傍において分配流路42から分岐した複数筋の流路構成を有する。そして、流路41は、排出側のセパレータ側マニホールド孔30boの近傍において合流して合流流路43をなす。分配流路42は、供給側のセパレータ側マニホールド孔30biの近傍において樹脂シート20のガス給排路50と重なって連通し、合流流路43は、排出側のセパレータ側マニホールド孔30boの近傍において樹脂シート20のガス給排路50と重なって連通する。これにより、供給側のセパレータ側マニホールド孔30biとこれに重なる樹脂シート20のシート側マニホールド孔30aiに流れ込んだ反応ガス(水素ガス、エアー)は、樹脂シート20のガス給排路50から分配流路42を通過して複数筋の流路41を流れ、発電体10に供給される。流路41を通過した反応ガス(水素ガス、エアー)は、合流流路43からガス給排路50を通過して、排出側のセパレータ側マニホールド孔30boとこれに重なる樹脂シート20のシート側マニホールド孔30aoから排出される。
Both the
図3は、燃料電池スタック110におけるエアーのガス排出用マニホールド30をセル積層状態で拡大して概略視する説明図である。このガス排出用マニホールド30は、図2の燃料電池セル110Sにおける左下方側のエアー排出用のマニホールド孔である。図4は、燃料電池セル110Sを複数積層した状況においてガス排出用マニホールド30を図3の4−4線に沿って断面視して示す説明図である。図5は、燃料電池セル110Sを複数積層した状況においてガス排出用マニホールド30を図3の5−5線に沿って断面視して示す説明図である。図6は、燃料電池セル110Sを複数積層した状況においてガス排出用マニホールド30を図3の6−6線に沿って断面視して示す説明図である。図7は、燃料電池セル110Sを複数積層した状況においてガス排出用マニホールド30を図3の7−7線に沿って断面視して示す説明図である。
FIG. 3 is an explanatory view showing an enlarged view of the air
図3に示すように、樹脂シート20のシート側マニホールド孔30aoとセパレータ40a、40bのセパレータ側マニホールド孔30boとは重なってガス排出用マニホールド30を形成し、マニホールド周囲においては、紙面上面側から、カソード側のセパレータ40aと樹脂シート20とアノード側のセパレータ40bとが積層状態にある。そして、樹脂シート20のシート側マニホールド孔30aoは、既述したように、その開口形状がセパレータ側マニホールド孔30boの開口形状よりも小さいことから、ガス排出用マニホールド30の底辺において、樹脂シート20の先端がアノード側・カソード側の両セパレータの先端よりガス排出用マニホールド30の内側に位置する。つまり、樹脂シート20は、シート側マニホールド孔30aoにおける底辺側周壁の底辺壁面30atを、図4に示すように、セル積層方向に対して垂直なセル高さ方向(y軸方向)にセパレータ側マニホールド孔30boにおける底辺側周壁の底辺壁面30btより突出させている。また、樹脂シート20は、シート側マニホールド孔30aoの側方壁面30asを、図6と図7に示すように、水平方向(x軸方向)に沿ってセパレータ側マニホールド孔30boの側方壁面30bsより突出させている。セパレータ側マニホールド孔30boにおける天井側周壁でも同様である。こうした樹脂シート20のマニホールド孔周壁の突出により、樹脂シート20を挟んで向かい合うセパレータ40aとセパレータ40bのマニホールド孔周壁同士の撓みによる接触が回避され、セパレータ間の絶縁が確保されている。
As shown in FIG. 3, the sheet-side manifold hole 30ao of the
セパレータ40a、40bは、セパレータ側マニホールド孔30boの孔周壁回りにおいて樹脂シート20から遠ざかるよう屈曲して、図4に示すように、シート側マニホールド孔30aoの底辺壁面30atの側および側方壁面30asの側で樹脂シート20の表裏シート面に間隙凹所23を形成する。この間隙凹所23は、凹所底部側が傾斜した凹所であって、単体の燃料電池セル110Sでは、セパレータ40a、40bの底辺壁面30bt或いは側方壁面30bsまでの凹所となる。その一方、燃料電池セル110Sが積層された状態においては、樹脂シート20の底辺壁面30at或いは側方壁面30asまでの凹所として形成される。本実施形態の燃料電池セル110Sは、間隙凹所23での液水の保水量を少なくすべく、セル単独での間隙凹所23の深さを約1.0〜1.4mmとし、樹脂シート20の突出長Dを約0.6〜1.0mmの深さとすることで、燃料電池セル110Sが積層された状態において、約1.6〜2.4mmの保水空間を間隙凹所23として設けた。この間隙凹所23を形成するセパレータ40a、40bが表面に親水性を有すること、およびシート面に間隙凹所23を有する樹脂シート20が撥水性を備えることから、燃料電池セル110Sは、間隙凹所23の取り囲み領域において、凹所底部側では撥水性を発揮し、凹所開口側では親水性を発揮することになる。なお、上記した間隙凹所23の深さ寸法は、セル間ピッチやガス排出用マニホールド30の大きさ、或いは反応ガスの最大ガス給排量に応じて適宜設定すればよく、上記の寸法数値に限るわけではない。
The
樹脂シート20が有するガス給排路50は、シート側マニホールド孔30aoの近傍のガス導入部51を残してセパレータ40a、40bと重なる。このセパレータ40a、40bのうち、カソード側のセパレータ40aは、図2に示すように、セパレータ側マニホールド孔30boの近傍に合流流路43を有し、この合流流路43は、図7に示すように、ガス給排路50と重なる。よって、ガス給排路50は、カソード側のセパレータ40aと樹脂シート20との間において、図3に示すエアーのガス排出用マニホールド30では、燃料電池セル110Sにおけるエアー排出に関与する。これに対して、アノード側のセパレータ40bは、エアー排出用のセパレータ側マニホールド孔30boの近傍に合流流路43を有しないので、ガス給排路50は、エアー排出に関与しない。こうしたガス給排路50のガス給排への関与は、エアーについての供給用のガス用マニホールド、および水素ガスについての供給・排出用のガス用マニホールドでも同様である。そして、ガス給排路50のガス給排の関与によって、供給用のガス用マニホールドに流れ込んだ水素ガスは、アノード側のセパレータ40bが有する流路41を通過して発電体10の膜電極接合体に供給され、ガス排出用マニホールド30から排出される。また、供給用のガス用マニホールドに流れ込んだエアーは、カソード側のセパレータ40aが有する流路41を通過して発電体10の膜電極接合体に供給され、ガス排出用マニホールド30から排出される。本実施形態の樹脂シート20は、既述したようにガス給排に関与するガス給排路50を、図3に示すように、セパレータ側マニホールド孔30boの底辺壁面30btよりもセル高さ方向(y軸方向)において低い位置まで備えている。
The gas supply /
隣り合う燃料電池セル110Sの間において、一方の燃料電池セル110Sのセパレータ40aと、他方の燃料電池セル110Sのセパレータ40bとの間には、ガス排出用マニホールド30を取り囲むガスケット60が設けられている。このガスケット60は、セパレータ40aに接着され、燃料電池100の積層により、セル間においてガス排出用マニホールド30をシールする。ガスケット60は、例えばシリコーンゴムにより形成される。隣り合う燃料電池セル110Sの間には冷却マニホールド孔31から冷却水が流通する冷却流路が形成されており、この冷却流路にあっても、ガスケット60によってシールされている。
Between the
樹脂シート20がエアー排出用のシート側マニホールド孔30aoに有する切欠部32は、図3に示すように、ガス排出用マニホールド30へのエアー出口となるガス導入部51から底辺壁面30atの中央より遠ざかるように離間して切り欠き形成され、燃料電池セル110Sの積層状態において、セル積層方向に連続して一筋の筋として並ぶ。図3では、切欠部32の明示のために、切欠部32を拡大視している。本実施形態の燃料電池スタック110では、切欠部32の切り欠き幅を2〜5mmとし、既述した間隙凹所23の深さを考慮して切り欠き深さを0.3〜0.6mmとした。このように寸法調整することで、切欠部32は、図3および図5に示すように、セパレータ40a、40bの両セパレータのセパレータ側マニホールド孔30boの底辺側周壁の底辺壁面30btを切欠部底部32tから突出させる。よって、切欠部底部32tから突出した部位のセパレータ側マニホールド孔30boの底辺側周壁の底辺壁面30btは、図3に示すように、セル積層方向に連続して並ぶことになる。
As shown in FIG. 3, the
以上説明した本実施形態の燃料電池スタック110は、エアー排出用のガス排出用マニホールド30を構成するよう重なり合うシート側マニホールド孔30aoとセパレータ側マニホールド孔30boに仮に水Wが到達しても、この水Wを、ガス排出用マニホールド30の底辺において、樹脂シート20の表裏シート面の間隙凹所23に保水する。ガス排出用マニホールド30に到達する水Wは、ガス給排路50からの排出エアーに混入した生成水である。燃料電池スタック110は、この保水状態を、ガス排出用マニホールド30の底辺において内側に先端が位置する樹脂シート20で保つ。ガス排出用マニホールド30に到達した水Wが少量であれば、燃料電池スタック110は、間隙凹所23に保水された水Wを、図3に示す鉛直方向下方側(−y軸方向)のガス給排路50を経て、図7に示す合流流路43および流路41から発電体10の膜電極接合体に導く。燃料電池スタック110は、エアー排出用のガス排出用マニホールド30に到達する水Wが増えても、燃料電池100の傾斜時において、次のようにして水Wを排出する。
In the
図8はエアー排出用のガス排出用マニホールド30に到達した水Wの挙動を模式的に示す説明図である。それぞれの燃料電池セル110Sにおけるガス排出用マニホールド30に各セルの間隙凹所23での保水量を超える多量の水Wが到達すると、その水Wは、図8の上段に示すように、ガス排出用マニホールド30の底辺の側において水塊として留まる。こうして留まった水Wは、図中の白抜き矢印に示すように、燃料電池セル110Sにおける間隙凹所23から切欠部32に向けて流れたり、切欠部32の開口に重なる部位から切欠部32に流れて、図8の下段に示すように、切欠部32の並びに沿うよう帯状の水塊となる。
FIG. 8 is an explanatory diagram schematically showing the behavior of the water W reaching the
切欠部32では、セパレータ側マニホールド孔30boの底辺側周壁の底辺壁面30btが切欠部底部32tから突出しているが、セパレータ側マニホールド孔30boはシート側マニホールド孔30aoより開口形状が大きいことから、セパレータ側マニホールド孔30boの底辺側周壁は、切欠部32においては、切欠部開口、即ち底辺壁面30atより低くなる。よって、セパレータ側マニホールド孔30boの底辺側周壁は、図3や図8に示すように、この周壁の底辺壁面30btから切欠部開口までの間における帯状水塊の水Wが切欠部32の並びに沿うよう流れる際の流れの抵抗とはならない。
In the
図9は、燃料電池100の燃料電池前端が鉛直下方となるように燃料電池100が傾斜した状況を模式的に示す説明図である。図示する燃料電池100の傾斜姿勢は、燃料電池100の搭載車両が登坂道路を走行していたり、傾斜路面で駐車している過程に起きえ、燃料電池100がこうした傾斜姿勢となると、ガス排出用マニホールド30も傾斜する。こうした傾斜姿勢では、セル積層方向に連続して並ぶ切欠部32も傾斜し、この切欠部32においてセパレータ側マニホールド孔30boの底辺側周壁の底辺壁面30btから切欠部32の開口までの間における帯状水塊の水Wは、図中の白抜き矢印に示すように、傾斜した切欠部32の並びに沿って流れ出し、ガス排出用マニホールド30から排出される。こうしたガス排出用マニホールド30からの水Wの排出により、燃料電池前端の側に水Wが過多に貯まってしまうような事態が起き難くなる。燃料電池100の燃料電池後端が鉛直下方で燃料電池前端が上となるように傾斜する場合も同様である。よって、本実施形態の燃料電池スタック110によれば、燃料電池スタック110が傾斜した状況下においても燃料電池セル110Sの発電性能の維持を図ることが可能となる。
FIG. 9 is an explanatory diagram schematically showing a situation in which the
本実施形態の燃料電池スタック110は、燃料電池100が水平姿勢にある状況下でも、ガス排出用マニホールド30を流れる排出エアーにより、切欠部32において帯状水塊となった水Wを、下流側に押し出す。これにより、ガス排出用マニホールド30には、水Wが残存し難くなる。よって、寒冷環境下における燃料電池100の停止中に残存水の凍結を防止できるので、寒冷環境下における始動性が高まる。
In the
本実施形態の燃料電池スタック110は、ガス排出用マニホールド30を構成する樹脂シート20におけるシート側マニホールド孔30aoの形成領域のシート表面に撥水性を備え、セパレータ40a、40bにおけるセパレータ側マニホールド孔30boの形成領域のセパレータ表面に親水性を備える。よって、ガス排出用マニホールド30における樹脂シート20の両面の間隙凹所23に保水されている水Wは、帯状水塊となって切欠部32の並びに沿って流れ落ちる水Wに引き連れられて、間隙凹所23から排水される。この点からも、燃料電池スタック110が傾斜した状況下における発電性能の維持に有益である。
The
本実施形態の燃料電池スタック110は、切欠部32の形成領域において、樹脂シート20の両側のセパレータ40a、40bにおけるセパレータ側マニホールド孔30boの周囲壁を直に向かい合わせる。しかしながら、切欠部32は、その切り欠き幅が充分に小さいので、セパレータ40a、40bにおけるマニホールド孔周壁同士の撓みによる接触を回避でき、セパレータ間の絶縁を切欠部32の形成領域においても確保できる。
In the
本実施形態の燃料電池スタック110は、切欠部32を、図3に示すように、ガス給排路50から底辺壁面30atの中央より遠ざかるように形成したので、ガス給排路50からガス排出用マニホールド30に吹き出されるエアーにより、間隙凹所23保水済みの水Wを切欠部32の側に移動させることができる。よって、切欠部32の形成箇所への水Wの集まりが促進され、既述した水Wの排出効率が高まる。
In the
本実施形態の燃料電池スタック110は、ガス給排路50を、図3に示すように、セル高さ方向(y軸方向)においてセパレータ側マニホールド孔30boの底辺壁面30btよりも低い位置に備えるので、間隙凹所23に保水された水Wを、確実にガス給排路50を経て発電体10に導くことができる。
As shown in FIG. 3, the
本実施形態の燃料電池スタック110は、間隙凹所23に保水した水Wをガス給排路50を経て発電体10の膜電極接合体に導くものの、その量は、間隙凹所23に保水された少量の水量に限られる。よって、本実施形態の燃料電池スタック110によれば、間隙凹所23に保水した水Wによる発電体10の加湿を過多とすることはなく、燃料電池セル110Sの発電性能の不用意な低下を来さない。
The
本発明は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be realized with various configurations within a range not deviating from the gist thereof. For example, the technical features in the embodiments corresponding to the technical features in each embodiment described in the column of the outline of the invention are for solving a part or all of the above-mentioned problems, or one of the above-mentioned effects. It is possible to replace or combine as appropriate to achieve the part or all. Further, if the technical feature is not described as essential in the present specification, it can be appropriately deleted.
既述した実施形態では、ガス排出用マニホールド30の側方壁や天井壁にも間隙凹所23を形成したが、側方壁と天井壁の間隙凹所23を省略してもよい。
In the above-described embodiment, the
既述した実施形態では、エンドプレート170Fとエンドプレート170Eとの間に積層された総ての燃料電池セル110Sを、切欠部32を有するセルとしたがこれに限らない。例えば、エンドプレート側の所定範囲(例えば、セル積層枚数の2〜5%)を除く燃料電池セル110Sを、切欠部32を有する燃料電池セルとし、エンドプレート側の所定範囲の燃料電池セル110Sについては、切欠部32を有しない燃料電池セルとしてもよい。
In the above-described embodiment, all the
既述した実施形態では、エアー排出用のガス排出用マニホールド30において、樹脂シート20におけるシート側マニホールド孔30aoの底辺に切欠部32を形成したが、水素ガス排出用のマニホールドにおいても、樹脂シート20のシート側マニホールド孔30aoに切欠部32を形成してもよい。
In the above-described embodiment, the
既述した実施形態では、エアー排出用のガス排出用マニホールド30において、樹脂シート20におけるシート側マニホールド孔30aoの底辺に切欠部32を一筋形成したが、この底辺に切欠部32を二筋、或いは複数筋、形成してもよい。
In the above-described embodiment, in the
既述した実施形態では、燃料電池100が燃料電池セル110Sの積層方向が水平方向に重なる水平姿勢となるよう車両等に設置されて、ガス排出用マニホールド30は水平に伸びるが、これに限らない。例えば、燃料電池100が水平姿勢である状況下で、ガス排出用マニホールド30がスタック前端から後端に掛けて傾斜している燃料電池スタック110に適用できる。
In the above-described embodiment, the
10…発電体
20…樹脂シート
21…開口部
23…間隙凹所
30…ガス排出用マニホールド
30ai…シート側マニホールド孔
30ao…シート側マニホールド孔
30as…側方壁面
30at…底辺壁面
30bi…セパレータ側マニホールド孔
30bo…セパレータ側マニホールド孔
30bs…側方壁面
30bt…底辺壁面
31…冷却マニホールド孔
32…切欠部
32t…切欠部底部
40a…セパレータ
40b…セパレータ
41…流路
42…分配流路
43…合流流路
50…ガス給排路
51…ガス導入部
60…ガスケット
100…燃料電池
110…燃料電池スタック
110S…燃料電池セル
116…供給用マニホールド
117…排出用マニホールド
118…供給用マニホールド
119…排出用マニホールド
160E…ターミナルプレート
160F…ターミナルプレート
165E…絶縁板
165F…絶縁板
170E…エンドプレート
170F…エンドプレート
D…突出長
W…水
10 ...
Claims (1)
前記樹脂シートの前記外縁領域に設けられたガス排出用のシート側マニホールド孔と、前記両セパレータの前記外縁領域に前記シート側マニホールド孔の開口形状より大きい開口形状で設けられたガス排出用のセパレータ側マニホールド孔とが、前記燃料電池セルの積層によりガス排出用マニホールドを形成し、
前記燃料電池セルは、
前記燃料電池スタックが設置された姿勢における前記ガス排出用マニホールドの底辺の一部領域において前記シート側マニホールド孔の底辺側周壁を切り欠いて形成された切欠部を有し、
該切欠部は、
前記両セパレータの前記セパレータ側マニホールド孔の底辺側周壁を前記一部領域において前記切欠部の底部から前記ガス排出用マニホールドの内側に向けて突出させて、前記燃料電池セルのセル積層方向に連続して並んでいる、
燃料電池スタック。 A fuel cell stack consisting of a plurality of fuel cell cells in which a membrane electrode assembly surrounded by a frame-shaped resin sheet is sandwiched between the cathode side and anode side separators in the outer edge region of the membrane electrode assembly together with the resin sheet. There,
A sheet-side manifold hole for gas discharge provided in the outer edge region of the resin sheet, and a gas discharge separator provided in the outer edge region of both separators with an opening shape larger than the opening shape of the sheet-side manifold hole. The side manifold holes form a gas discharge manifold by stacking the fuel cell cells.
The fuel cell is
It has a notch formed by cutting out the bottom peripheral wall of the seat side manifold hole in a part of the bottom surface of the gas discharge manifold in the posture in which the fuel cell stack is installed.
The notch is
The peripheral wall on the bottom side of the separator-side manifold hole of both separators is projected from the bottom of the notch toward the inside of the gas discharge manifold in the partial region, and is continuous in the cell stacking direction of the fuel cell. Lined up,
Fuel cell stack.
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