特開 2022-165808 燃料電池スタック

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022165808

(43)【公開日】2022-11-01

(54)【発明の名称】燃料電池スタック

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/2483 20160101AFI20221025BHJP

   H01M 8/2465 20160101ALI20221025BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20221025BHJP

【ＦＩ】

H01M8/2483

H01M8/2465

H01M8/10 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021071319

(22)【出願日】2021-04-20

(71)【出願人】

【識別番号】000241500

【氏名又は名称】トヨタ紡織株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(72)【発明者】

【氏名】青野 晴之

(72)【発明者】

【氏名】大津 亘

【テーマコード（参考）】

5H126

【Ｆターム（参考）】

5H126AA23

5H126AA28

5H126BB06

5H126EE11

(57)【要約】

【課題】発電セルの膜電極接合体に液水が流れることを抑制できる燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】燃料電池スタック１１は、ガスを用いて発電する複数の発電セル１２が積層され、且つ複数の発電セル１２の積層方向Ｘの一端部に位置する発電セル１２に発電しないダミーセル１３が積層されている。各発電セル１２は、膜電極接合体１８を支持した支持フレーム１９と、支持フレーム１９を挟む一対のセパレータ２０とを備えている。各発電セル１２及びダミーセル１３には、積層方向Ｘに延びて燃料ガスが供給される燃料ガス供給通路２８を形成する燃料ガス供給孔２１が形成されている。各発電セル１２における燃料ガス供給孔２１と膜電極接合体１８との間には、積層方向Ｘに延びる通路２９を形成する通路形成孔２２が形成されている。通路２９は、燃料ガス供給通路２８及び膜電極接合体１８の両方と連通している。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ガスを用いて発電する複数の発電セルが積層され、且つ複数の前記発電セルの積層方向の一端部に位置する前記発電セルに発電しないダミーセルが積層された燃料電池スタックであって、
前記各発電セルは、膜電極接合体を支持した支持フレームと、前記支持フレームを挟む一対のセパレータとを備え、
前記各発電セル及び前記ダミーセルには、前記積層方向に延びて前記ガスが供給されるガスマニホールドを形成する第１孔が形成され、
前記各発電セルにおける前記第１孔と前記膜電極接合体との間には、前記積層方向に延びる通路を形成する第２孔が形成され、
前記通路は、前記ガスマニホールド及び前記膜電極接合体の両方と連通していることを特徴とする燃料電池スタック。

【請求項2】

前記第１孔は、前記第２孔よりも面積が小さいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池スタックに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、燃料電池スタックとして、例えば、特許文献１に示すものが知られている。こうした燃料電池スタックは、複数の発電セルをその厚さ方向に積層することによって形成されている。各発電セルは、電解質膜・電極構造体と、電解質膜・電極構造体を挟持する第１金属セパレータ及び第２金属セパレータと、を備えている。電解質膜・電極構造体は、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜を挟持するアノード側電極及びカソード側電極とを備えている。

【0003】

各発電セルの一端縁部には、積層方向に互いに連通して、例えば酸素を含有するガスである酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔及び例えば水素を含有するガスである燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔が設けられている。各発電セルの他端縁部には、積層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出口連通孔及び燃料ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔が設けられている。

【0004】

第２金属セパレータにおける電解質膜・電極構造体側の面には、酸化剤ガス流路が設けられている。酸化剤ガス流路は、酸化剤ガス入口連通孔と酸化剤ガス出口連通孔とを連通している。第１金属セパレータにおける電解質膜・電極構造体側の面には、燃料ガス流路が設けられている。さらに、第１金属セパレータには、複数の供給孔部と、複数の排出孔部とが設けられている。複数の供給孔部は、燃料ガス入口連通孔と燃料ガス流路とを連通している。複数の排出孔部は、燃料ガス流路と燃料ガス出口連通孔とを連通している。

【0005】

そして、燃料電池スタックによって発電を行う場合には、まず、酸化剤ガス入口連通孔から酸化剤ガスを供給するとともに、燃料ガス入口連通孔から燃料ガスを供給する。酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔から第２金属セパレータの酸化剤ガス流路に導入されて電解質膜・電極構造体のカソード側電極に供給される。燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔から供給孔部を通って第１金属セパレータの燃料ガス流路に導入されて電解質膜・電極構造体のアノード側電極に供給される。そして、これら燃料ガス及び酸化剤ガスの電解質膜・電極構造体での電気化学反応に基づき発電が行われる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００６－１４７５０２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

ところで、上述のような燃料電池スタックでは、未反応の燃料ガスが回収されて再利用される。この再利用される燃料ガスには、発電を行った際に生成される液水が含まれている。このため、液水が含まれた燃料ガスが電解質膜・電極構造体のアノード側電極に供給されてしまう。この結果、電解質膜・電極構造体での燃料ガスの電気化学反応が液水によって阻害されて電圧が低下するという問題がある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決する燃料電池スタックは、ガスを用いて発電する複数の発電セルが積層され、且つ複数の前記発電セルの積層方向の一端部に位置する前記発電セルに発電しないダミーセルが積層された燃料電池スタックであって、前記各発電セルは、膜電極接合体を支持した支持フレームと、前記支持フレームを挟む一対のセパレータとを備え、前記各発電セル及び前記ダミーセルには、前記積層方向に延びて前記ガスが供給されるガスマニホールドを形成する第１孔が形成され、前記各発電セルにおける前記第１孔と前記膜電極接合体との間には、前記積層方向に延びる通路を形成する第２孔が形成され、前記通路は、前記ガスマニホールド及び前記膜電極接合体の両方と連通していることを要旨とする。

【0009】

この構成によれば、ガスマニホールドにおけるダミーセル側とは反対側からガスを勢いよく供給すると、ガスの勢いによってガスに含まれる液水（水蒸気）がガスマニホールドを通ってダミーセルまで飛ばされて分離される。液水が分離されたガスは、通路を介してダミーセルよりも手前側（上流側）にある各発電セルの膜電極接合体に供給される。したがって、各発電セルの膜電極接合体に液水が流れることを抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】一実施形態の燃料電池スタックの端面図。

【図2】発電セルの分解斜視図。

【図3】燃料ガス供給孔及び通路形成孔の形状を示す正面図。

【図4】ダミーセルの分解斜視図。

【図5】燃料電池スタック内の燃料ガスの流れを示す要部拡大端面図。

【図6】変更例の燃料ガス供給孔及び通路形成孔の形状を示す正面図。

【図7】別の変更例の燃料ガス供給孔及び通路形成孔の形状を示す正面図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、燃料電池スタックの一実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、燃料電池スタック１１は、例えば水素を含む燃料ガス及び例えば酸素を含む酸化剤ガスを用いて発電する複数の矩形板状の発電セル１２及び発電しない１つの矩形板状のダミーセル１３がそれらの厚さ方向に積層されたセル積層体１４を備えている。ダミーセル１３は、複数の発電セル１２の積層方向Ｘの一端部に位置する発電セル１２に積層されている。すなわち、ダミーセル１３は、セル積層体１４の積層方向Ｘの一端部に位置している。セル積層体１４の積層方向Ｘの両端には、集電を行うターミナルプレート１５及び絶縁を行う絶縁プレート１６を介してエンドプレート１７がそれぞれ配置されている。

【0012】

図１及び図２に示すように、各発電セル１２は、枠状に形成されて中央の開口部に矩形シート状をなす膜電極接合体１８（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を支持した合成樹脂製の支持フレーム１９と、膜電極接合体１８及び支持フレーム１９を厚さ方向に挟む一対の金属製のセパレータ２０とを有している。各発電セル１２は、膜電極接合体１８の厚さ方向の一方側（アノード側）の部分に燃料ガスが供給され且つ膜電極接合体１８の厚さ方向の他方側（カソード側）の部分に酸化剤ガスが供給されると、それら燃料ガス及び酸化剤ガスの膜電極接合体１８での電気化学反応に基づき発電を行う。

【0013】

各発電セル１２の長手方向の両端部、すなわち各支持フレーム１９及び各セパレータ２０の長手方向の両端部には、第１孔の一例としての燃料ガス供給孔２１、第２孔の一例としての通路形成孔２２、燃料ガス排出孔２３、酸化剤ガス供給孔２４、酸化剤ガス排出孔２５、冷却媒体供給孔２６、及び冷却媒体排出孔２７が貫通して形成されている。各燃料ガス供給孔２１は、積層方向Ｘに延びてガスの一例としての燃料ガスが供給されるガスマニホールドの一例としての燃料ガス供給通路２８を形成する。

【0014】

各通路形成孔２２は、燃料ガス供給孔２１と膜電極接合体１８との間に配置され、積層方向Ｘに延びる通路２９を形成する。通路２９は、燃料ガス供給通路２８と各膜電極接合体１８との間に配置され、燃料ガス供給通路２８及び膜電極接合体１８の両方と連通している。

【0015】

図３に示すように、各燃料ガス供給孔２１と各通路形成孔２２とは、互いに隣り合って配置されている。本実施形態における各燃料ガス供給孔２１は、一例として、楕円形状をなしている。本実施形態における各通路形成孔２２は、一例として、Ｌ字状をなしている。燃料ガス供給孔２１は、通路形成孔２２よりも面積が小さくなっている。

【0016】

図１及び図２に示すように、各燃料ガス排出孔２３は、積層方向Ｘに延びて燃料ガスが排出される燃料ガス排出通路３０を形成する。各酸化剤ガス供給孔２４は、積層方向Ｘに延びて酸化剤ガスが供給される酸化剤ガス供給通路（図示略）を形成する。各酸化剤ガス排出孔２５は、積層方向Ｘに延びて酸化剤ガスが排出される酸化剤ガス排出通路（図示略）を形成する。各冷却媒体供給孔２６は、積層方向Ｘに延びて例えば冷却水などの冷却媒体が供給される冷却媒体供給通路（図示略）を形成する。各冷却媒体排出孔２７は、積層方向Ｘに延びて冷却媒体が排出される冷却媒体排出通路（図示略）を形成する。

【0017】

図１及び図４に示すように、ダミーセル１３は、発電セル１２において膜電極接合体１８を矩形シート状の導電体３１に変更し且つ支持フレーム１９を合成樹脂製のダミーフレーム３２に変更したものであり、セパレータ２０が発電セル１２と共通になっている。すなわち、ダミーセル１３は、枠状に形成されて中央の開口部に導電体３１を支持したダミーフレーム３２と、導電体３１及びダミーフレーム３２を厚さ方向に挟む一対のセパレータ２０とを有している。

【0018】

ダミーフレーム３２は、発電セル１２の支持フレーム１９から通路形成孔２２を省略したものであり、これ以外は支持フレーム１９と同一の構成になっている。つまり、ダミーフレーム３２には、燃料ガス供給孔２１が形成されているが、通路形成孔２２が形成されていない。ダミーセル１３は、膜電極接合体１８を有していないので、燃料ガス及び酸化剤ガスが供給されても発電しない。

【0019】

図１に示すように、燃料電池スタック１１において、ターミナルプレート１５とセパレータ２０との間、ダミーフレーム３２とセパレータ２０との間、支持フレーム１９とセパレータ２０との間、及びセパレータ２０同士の間は、ガスケット３３によってシールされている。

【0020】

燃料電池スタック１１における積層方向Ｘにおけるダミーセル１３側とは反対側の端部に位置するターミナルプレート１５、絶縁プレート１６、及びエンドプレート１７には、これらを貫通してなる燃料ガス供給口３４及び燃料ガス排出口３５がそれぞれ形成されている。燃料ガス供給口３４及び燃料ガス排出口３５は、燃料ガス供給通路２８及び燃料ガス排出通路３０とそれぞれ連通している。燃料ガス供給口３４は、燃料ガス供給通路２８を形成する燃料ガス供給孔２１と断面形状及び断面積が同じになっている。

【0021】

燃料電池スタック１１における積層方向Ｘにおけるダミーセル１３側とは反対側の端部に位置するターミナルプレート１５、絶縁プレート１６、及びエンドプレート１７には、これらを貫通してなる酸化剤ガス供給口（図示略）及び酸化剤ガス排出口（図示略）がそれぞれ形成されている。これら酸化剤ガス供給口及び酸化剤ガス排出口は、上記酸化剤ガス供給通路（図示略）及び上記酸化剤ガス排出通路（図示略）とそれぞれ連通している。

【0022】

燃料電池スタック１１における積層方向Ｘにおけるダミーセル１３側とは反対側の端部に位置するターミナルプレート１５、絶縁プレート１６、及びエンドプレート１７には、これらを貫通してなる冷却媒体供給口（図示略）及び冷却媒体排出口（図示略）がそれぞれ形成されている。これら冷却媒体供給口及び冷却媒体排出口は、上記冷却媒体供給通路（図示略）及び上記冷却媒体排出通路（図示略）とそれぞれ連通している。

【0023】

各発電セル１２の支持フレーム１９におけるアノード側の面（本例ではダミーセル１３側の面）には、通路２９と膜電極接合体１８とを連通する第１連通路３６と、膜電極接合体１８と燃料ガス排出通路３０とを連通する第２連通路３７とが形成されている。ダミーセル１３のダミーフレーム３２における発電セル１２側とは反対側の面には、燃料ガス供給通路２８と導電体３１とを連通する第３連通路３８と、導電体３１と燃料ガス排出通路３０とを連通する第４連通路３９とが形成されている。

【0024】

各発電セル１２の支持フレーム１９におけるカソード側の面（本例ではダミーセル１３側とは反対側の面）には、膜電極接合体１８と、上記酸化剤ガス供給通路（図示略）及び上記酸化剤ガス排出通路（図示略）のそれぞれとを連通する２種類の連通路（図示略）が形成されている。

【0025】

次に、燃料電池スタック１１の作用について説明する。
図１及び図５に示すように、燃料電池スタック１１において発電を行う際には、燃料ガス供給口３４から燃料ガス供給通路２８に勢いよく燃料ガスが供給される。このとき、燃料ガスには、液水Ｗ（水蒸気）が含まれている。このため、液水Ｗは、その重みに基づく燃料ガスの流れによる慣性力で一部の燃料ガスと一緒に燃料ガス供給通路２８を通ってダミーセル１３のダミーフレーム３２における発電セル１２側とは反対側の面まで飛ばされて分離される。

【0026】

この分離された液水Ｗは、一部の燃料ガスと一緒に、第３連通路３８、導電体３１、及び第４連通路３９を通って燃料ガス排出通路３０へ流れた後、燃料ガス排出口３５から排出される。このとき、導電体３１が液水Ｗによって濡れるが、導電体３１では発電が行われないので、燃料電池スタック１１の発電効率への影響は全く無い。

【0027】

一方、ほとんどの液水Ｗが分離された後の燃料ガスは、燃料ガス供給通路２８から通路２９及び第１連通路３６を介してダミーセル１３よりも手前側（上流側）にある各発電セル１２の膜電極接合体１８におけるアノード側の面に供給される。すなわち、各発電セル１２の膜電極接合体１８におけるアノード側の面には液水Ｗがほとんど含まれていない燃料ガスが供給されるため、膜電極接合体１８におけるアノード側の面が液水Ｗで濡れることが抑制される。このとき、ダミーフレーム３２には通路２９を形成する通路形成孔２２が形成されていないため、液水Ｗが分離された後の燃料ガスが通路２９からダミーフレーム３２における発電セル１２側とは反対側の面に流れることはない。

【0028】

また、各発電セル１２の膜電極接合体１８におけるカソード側の面には、酸化剤ガス供給口（図示略）から酸化剤ガス供給通路（図示略）及び連通路（図示略）を介して酸化剤ガスが供給される。そして、燃料電池スタック１１では、各発電セル１２の膜電極接合体１８におけるカソード側の面に供給された酸化剤ガスと、各発電セル１２の膜電極接合体１８におけるアノード側の面に供給された燃料ガスとの膜電極接合体１８での電気化学反応に基づいて発電される。

【0029】

膜電極接合体１８での未反応の燃料ガスは、第２連通路３７及び燃料ガス排出通路３０を介して燃料ガス排出口３５から排出される。膜電極接合体１８での未反応の酸化剤ガスは、連通路（図示略）及び酸化剤ガス排出通路（図示略）を介して酸化剤ガス供給口（図示略）から排出される。

【0030】

以上詳述した実施形態によれば、次のような効果が発揮される。
（１）燃料電池スタック１１は、燃料ガスを用いて発電する複数の発電セル１２が積層され、且つ複数の発電セル１２の積層方向Ｘの一端部に位置する発電セル１２に発電しないダミーセル１３が積層されたセル積層体１４を備える。各発電セル１２は、膜電極接合体１８を支持した支持フレーム１９と、支持フレーム１９を挟む一対のセパレータ２０とを備える。各発電セル１２及びダミーセル１３には、積層方向Ｘに延びて燃料ガスが供給される燃料ガス供給通路２８を形成する燃料ガス供給孔２１が形成される。各発電セル１２における燃料ガス供給孔２１と膜電極接合体１８との間には、積層方向Ｘに延びる通路２９を形成する通路形成孔２２が形成される。通路２９は、燃料ガス供給通路２８及び膜電極接合体１８の両方と連通している。

【0031】

この構成によれば、燃料ガス供給通路２８におけるダミーセル１３側とは反対側から燃料ガスを勢いよく供給すると、燃料ガスの勢いによって燃料ガスに含まれる液水Ｗ（水蒸気）が燃料ガス供給通路２８を通ってダミーセル１３まで飛ばされて分離される。液水Ｗが分離された燃料ガスは、通路２９を介してダミーセル１３よりも手前側（上流側）にある各発電セル１２の膜電極接合体１８に供給される。したがって、各発電セル１２の膜電極接合体１８に液水Ｗが流れることを抑制できる。

【0032】

（２）燃料電池スタック１１において、燃料ガス供給孔２１は、通路形成孔２２よりも面積が小さくなっている。
この構成によれば、複数の燃料ガス供給孔２１によって形成される燃料ガス供給通路２８を流れる燃料ガスに含まれる液水Ｗの流速を速くすることができる。このため、燃料ガスに含まれる液水Ｗを燃料ガス供給通路２８に供給される燃料ガスの勢いによってより確実にダミーセル１３まで飛ばすことができる。したがって、液水Ｗを含む燃料ガスから液水Ｗを効果的に分離できる。

【0033】

（変更例）
上記実施形態は、以下のように変更して実施することができる。また、上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

【0034】

・図６に示すように、支持フレーム１９及びセパレータ２０において、燃料ガス供給孔２１を三角形状にするとともに通路形成孔２２を略五角形状にしてもよい。
・図７に示すように、支持フレーム１９及びセパレータ２０において、燃料ガス供給孔２１及び通路形成孔２２を共に長方形状にしてもよい。

【0035】

・支持フレーム１９及びセパレータ２０において、燃料ガス供給孔２１及び通路形成孔２２は、任意の形状に変更してもよい。
・ダミーセル１３のセパレータ２０における通路形成孔２２は、省略してもよい。

【0036】

・支持フレーム１９及びセパレータ２０において、燃料ガス供給孔２１は、通路形成孔２２と面積が同じであってもよいし、通路形成孔２２よりも面積が大きくてもよい。
・燃料電池スタック１１において、第１孔を酸化剤ガス供給孔２４とし、酸化剤ガス供給通路（図示略）と各発電セル１２の膜電極接合体１８とを連通するように通路２９を形成してもよい。このようにすれば、特に酸化剤ガスを加湿して使用する場合に、酸化剤ガスに含まれる液水Ｗが膜電極接合体１８に流れることを効果的に抑制できる。

【0037】

・燃料電池スタック１１は、積層方向Ｘが鉛直方向と一致する姿勢で使用してもよいし、積層方向Ｘが鉛直方向と交差する姿勢で使用してもよい。

【符号の説明】

【0038】

１１…燃料電池スタック
１２…発電セル
１３…ダミーセル
１４…セル積層体
１５…ターミナルプレート
１６…絶縁プレート
１７…エンドプレート
１８…膜電極接合体
１９…支持フレーム
２０…セパレータ
２１…第１孔の一例としての燃料ガス供給孔
２２…第２孔の一例としての通路形成孔
２３…燃料ガス排出孔
２４…酸化剤ガス供給孔
２５…酸化剤ガス排出孔
２６…冷却媒体供給孔
２７…冷却媒体排出孔
２８…燃料ガス供給通路
２９…通路
３０…燃料ガス排出通路
３１…導電体
３２…ダミーフレーム
３３…ガスケット
３４…燃料ガス供給口
３５…燃料ガス排出口
３６…第１連通路
３７…第２連通路
３８…第３連通路
３９…第４連通路
Ｗ…液水
Ｘ…積層方向

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】