(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルが積層された燃料電池スタックであって、
前記セル積層方向に形成される反応ガス排出用マニホールドと、
前記セル積層方向に形成される排水用マニホールドと、
前記セルの積層方向端部に形成され、前記反応ガス排出用マニホールドと前記排水用マニホールドとを連通する連通路と、
前記連通路を周回する第１シール部材と、
前記第１シール部材の内側に配設され、前記排水用マニホールドを周回する第２シール部材と、を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池スタックであって、
前記連通路と反対側の反応ガス排出用マニホールドの端部に形成される絞り部と、
前記連通路と反対側の排水用マニホールドの端部に形成され、前記連通路と反対側の反応ガス排出用マニホールドに合流する合流部と、を備え、
前記合流部は、前記セルの積層方向端部に配置される非発電部材の積層面に沿って形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池スタックであって、
前記セルは、電解質の両側に一対の電極を配設した膜−電極接合体を挟持する一対のセパレータ間に配設され、前記排水用マニホールドを周回する第３シール部材を備え、
前記セル間に配設され、前記排水用マニホールドを周回する第４シール部材を備え、
前記第３シール部材及び前記第４シール部材の一部は、前記排水用マニホールドに露出して、管状となることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
複数のセルが積層された燃料電池スタックであって、
前記セル積層方向に形成される反応ガス排出用マニホールドと、
前記反応ガス出口側の反応ガス排出用マニホールドの端部に形成される絞り部と、
前記反応ガス排出用マニホールド内に設けられる管状の排水用マニホールドと、を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
【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ものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、燃料ガス（水素）と酸化ガス（空気）との電気化学反応を利用して発電を行うセルを複数積層した燃料電池スタックが知られている。
【０００３】
そして、これらの燃料電池スタックには、セルの積層方向に、燃料ガス、酸化ガスの反応ガスを各セルに供給するための反応ガス供給用マニホールド、反応ガスを燃料電池スタックから排出するための反応ガス排出用マニホールドが形成されている。また、燃料電池スタック内には、セルの積層方向に、セルの発電によって生成した水等を排出する排水用マニホールドが形成されている。
【０００４】
通常、各マニホールドの周囲には、反応ガスや水等のリークを防止するため、シール部材が設けられている（例えば、特許文献１〜５参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−２１３９２８号公報
【特許文献２】特開２００５−２５１５２６号公報
【特許文献３】特開２００８−２７７１８４号公報
【特許文献４】特開２００６−１０００８７号公報
【特許文献５】特開２００９−２１０９９号公報
【特許文献６】特開２００８−１５９５４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、従来では、排水用マニホールド内の水の排水性を確保するために、反応ガス排出用マニホールドと排水用マニホールドとを連通する連通路が、燃料電池スタックのセル積層方向端部に配置される非発電部品等の燃料電池部材に形成されている。しかし、シール部材によるシール性を確保しつつ、連通路を形成するためには、燃料電池部材に複雑な加工が必要となる。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、シール部材によるシール性を確保しつつ、燃料電池部材に連通路を形成するための複雑な加工を必要としない燃料電池スタックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は複数のセルが積層された燃料電池スタックであって、前記セル積層方向に形成される反応ガス排出用マニホールドと、前記セル積層方向に形成される排水用マニホールドと、前記反応ガス排出用マニホールドの一方端と前記排水用マニホールドの一方端とを連通する連通路と、前記連通路を周回する第１シール部材と、前記第１シール部材の内側に配設され、前記排水用マニホールドを周回する第２シール部材と、を備える。
【０００９】
また、前記燃料電池スタックにおいて、前記反応ガス排出用マニホールドの他方端に形成される絞り部と、前記排水用マニホールドの他方端に形成され、前記反応ガス排出用マニホールドに合流する合流部と、を備え、前記合流部は、前記セルの積層方向端部に配置される非発電部材の積層面に形成されることが好ましい。
【００１０】
また、前記燃料電池スタックにおいて、前記セルは、電解質膜の両側に一対の電極を配設した膜−電極接合体を挟持する一対のセパレータ間に配設される第３シール部材を備え、前記セル間に配設され、前記排水用マニホールドを周回する第４シール部材を備え、前記第３シール部材及び第４シール部材の一部は、前記排水用マニホールドに露出して、管状となることが好ましい。
【００１１】
また、本発明は、複数のセルが積層された燃料電池スタックであって、前記セル積層方向に形成される反応ガス排出用マニホールドと、前記反応ガス排出用マニホールドの一方端に形成される絞り部と、排水用マニホールド管と、を備え、前記排水用マニホールド管の少なくとも一部は、前記反応ガス排出用マニホールド内に設けられる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、シール部材によるシール性を確保しつつ、燃料電池部材に連通路を形成するための複雑な加工を必要としない燃料電池スタックを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態に係る燃料電池スタックの構成の一例を示す模式断面図である。
【図２】（Ａ）は、本実施形態の燃料電池スタックの一方端の構成の一例を示す一部模式断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のＸ方向から見たマニホールドとシール部材の構成を示す模式平面図であり、（Ｃ）は、（Ａ）のＹ方向から見たマニホールドとシール部材の構成を示す模式平面図である。
【図３】本実施形態の燃料電池スタックの一方端の構成の他の一例を示す一部模式断面図である。
【図４】連通路を形成したセルの構成の一例を示す一部模式断面図である。
【図５】本実施形態の燃料電池スタックの他方端の構成の一例を示す一部模式断面図である。
【図６】セル積層体を構成するセルの構成の一例を示す一部模式断面図である。
【図７】本実施形態に係る燃料電池スタックの構成の他の一例を示す一部模式断面図である。
【図８】本実施形態に係る燃料電池スタックの構成の他の一例を示す一部模式断面図である。
【図９】（Ａ）は、従来の燃料電池スタックの一方端の構成の一例を示す一部模式断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のＸ方向から見たマニホールドとシール部材の構成を示す模式平面図であり、（Ｃ）は、（Ａ）のＹ方向から見たマニホールドとシール部材の構成を示す模式平面図である。
【図１０】従来の燃料電池スタックの他方端の構成を示す一部模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施の形態について以下説明する。
【００１５】
図１は、本実施形態に係る燃料電池スタックの構成の一例を示す模式断面図である。図１に示すように、燃料電池スタック１は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセル１０が複数積層されたセル積層体１２と、セル積層方向の両端に、セル積層体１２側から順に配置される、集電板としてのターミナルプレート、絶縁板としてのインシュレータ及びエンドプレート等の非発電部材１４と、を備える。
【００１６】
燃料電池スタック１には、反応ガス排出用マニホールド１６、排水用マニホールド１８が、セル１０の積層方向に形成されている。また、不図示であるが、反応ガス供給用マニホールド、冷却水用供給・排出マニホールド等もセル１０の積層方向に形成されている。そして、反応ガス排出用マニホールド１６の一方端と排水用マニホールド１８の一方端とを連通する連通路２０が形成されている。また、反応ガス排出用マニホールド１６の他方端（連通路２０側と反対側）には、マニホールド径を小さくした絞り部２２（オリフィス）が形成されている。また、排水用マニホールド１８の他方端（連通路２０側と反対側）には、反応ガス排出用マニホールド１６に合流する合流部２４が形成されている。ここで、図１に示す反応ガス排出用マニホールド１６は、燃料ガス用排出マニホールド又は酸化ガス用排出マニホールドであり、排水用マニホールド１８は、反応ガス排出用マニホールド１６のうち、燃料ガス用排出マニホールド側、酸化ガス用マニホールド側の少なくともいずれか一方に設けられていればよい。
【００１７】
このような燃料電池スタック１の反応ガス及び生成水の流れを、以下に説明する。まず、燃料ガスや酸化ガスが反応ガス供給用マニホールドを通り、各セル１０に分配され、セル１０の発電に利用される。そして、セル１０から排出された燃料ガスや酸化ガス（オフガス）が反応ガス排出用マニホールド１６を通り、燃料電池スタック１から排出される。また、セル１０の発電時に生成する水は、主に排水用マニホールド１８、合流部２４を通り、燃料電池スタック１から排出される。なお、反応ガスが反応ガス排出用マニホールド１６の絞り部２２を通ることによって、反応ガス排出用マニホールド１６が負圧となるため、反応ガス排出用マニホールド１６と連通する排水用マニホールド１８も負圧となる。その結果、排水用マニホールド１８内の水の排水性を向上させることができる。
【００１８】
図２（Ａ）は、本実施形態の燃料電池スタックの一方端の構成の一例を示す一部模式断面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＸ方向から見たマニホールドとシール部材の構成を示す模式平面図であり、図２（Ｃ）は、図２（Ａ）のＹ方向から見たマニホールドとシール部材の構成を示す模式平面図である。本実施形態では、図２（Ａ）に示すように、連通路２０はセル１０に隣接する非発電部材１４（例えば、ターミナルプレート）に形成されている。そして、燃料電池スタック１は、セル１０と非発電部材１４との間に配置される第１シール部材２６及び第２シール部材２８を備える。そして、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、第１シール部材２６は、反応ガス排出用マニホールド１６から排水用マニホールド１８に亘って、連通路２０を周回し、第２シール部材２８は、第１シール部材２６の内側であって、排水用マニホールド１８を周回している。また、セル１０間には、排水用マニホールド１８を周回する第４シール部材３０と、反応ガス排出用マニホールド１６から排水用マニホールド１８に亘って配置される第５シール部材３２とが配置されている。第４シール部材３０は第２シール部材２８に対向し、第５シール部材３２は第１シール部材２６に対向している。
【００１９】
図９（Ａ）は、従来の燃料電池スタックの一方端の構成の一例を示す一部模式断面図であり、図９（Ｂ）は、図９（Ａ）のＸ方向から見たマニホールドとシール部材の構成を示す模式平面図であり、図９（Ｃ）は、図９（Ａ）のＹ方向から見たマニホールドとシール部材の構成を示す模式平面図である。図９（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、従来では、セル１０と非発電部材１４との間に配置される第１シール部材２６ａは、反応ガス排出用マニホールド１６を周回しており、また、セル１０と非発電部材１４との間に配置される第２シール部材２８ａが排水用マニホールド１８を周回する。このようなシール部材の配置では、反応ガス排出用マニホールド１６内の反応ガス及び排水用マニホールド１８内の水のリークを防止して（すなわちシール部材のシール性を確保して）、連通路２０を形成するためには、連通路２０となる空間にシール部材を受ける受け部３４を形成する複雑な加工や別部材が、非発電部材１４に必要となる。
【００２０】
一方、本実施形態では、第１シール部材２６を反応ガス排出用マニホールド１６から排水用マニホールド１８に亘って、連通路２０を周回するように配置し、第２シール部材２８を第１シール部材２６の内側であって、排水用マニホールド１８を周回するように配置することによって、連通路２０となる空間にシール部材を受ける受け部３４を形成することなく、シール部材のシール性を確保して、連通路２０を形成することができる。その結果、非発電部材１４に複雑な加工や別部材を必要としない。
【００２１】
図３は、本実施形態の燃料電池スタックの一方端の構成の他の一例を示す一部模式断面図である。本実施形態では、図３に示す燃料電池スタック１には、セル１０とターミナルプレート等の非発電部材１４との間に、連通路２０を形成したセル又はセパレータ等の部材３６が更に配置されている。また、上記同様に、燃料電池スタック１は、セル１０と部材３６及び部材３６と非発電部材１４との間に配置される第１シール部材２６及び第２シール部材２８を備える。第１シール部材２６は、反応ガス排出用マニホールド１６から排水用マニホールド１８に亘って、連通路２０を周回し、第２シール部材２８は、第１シール部材２６の内側であって、排水用マニホールド１８を周回している。このようなシール部材の配置により、セルやセパレータ等の部材３６に形成された反応ガス排出用マニホールド１６と排水用マニホールド１８との間を切り落とすだけで、連通路２０を形成することが可能となる。その結果、連通路２０を形成するセルやセパレータ等の部材３６に複雑な加工を必要としない。
【００２２】
図４は、連通路を形成したセルの構成の一例を示す一部模式断面図である。図４に示すセル１０は、膜−電極接合体３８と、膜−電極接合体３８を挟持する一対のセパレータ４０と、を備える。膜−電極接合体３８は、不図示であるが、電解質膜と、電解質膜を挟持する一対の電極（アノード極及びカソード極）とを備えている。このようなセル１０に連通路２０を形成する場合には、上記で説明したように、反応ガス排出用マニホールド１６と排水用マニホールド１８との間を切り落す加工が必要である。そして、この加工の際、セパレータ４０が折り曲がり、セパレータ４０同士が接触し短絡する虞がある。そこで、図４に示すように、第１シール部材２６の内側であって、排水用マニホールド１８を周回する第２シール部材２８の一部を排水用マニホールド１８側及び反応ガス排出用マニホールド１６側に露出させ、また、セパレータ４０間をシールする第３シール部材４２の一部を排水用マニホールド１８側及び反応ガス排出用マニホールド１６側に露出させ、加工の際のセパレータ４０の折り曲がりによる短絡を防止することが好ましい。
【００２３】
図５は、本実施形態の燃料電池スタックの他方端の構成の一例を示す一部模式断面図である。図５に示すように、セル１０の積層方向の他方端（連通路２０側と反対側）には、順にターミナルプレート４４、インシュレータ４６、エンドプレート４８が配置されている。そして、セル１０間、セル１０とターミナルプレート４４間、ターミナルプレート４４とインシュレータ４６間には、反応ガス排出用マニホールド１６を周回するシール部材５０及び排水用マニホールド１８を周回するシール部材５２が配置されている。また、インシュレータ４６とエンドプレート４８間にもシール部材５４が配置されている。なお、本実施形態では、マニホールドから反応ガスや水のリークを防止することができれば、どのようにシール部材５０，５２，５４が配置されていてもよい。
【００２４】
本実施形態では、反応ガス排出用マニホールド１６の他方端（連通路２０側と反対側）に形成される絞り部２２は、インシュレータ４６に形成されているが必ずしもこれに限定されるものではない。また、排水用マニホールド１８の他方端（連通路２０側と反対側）に形成され、反応ガス排出用マニホールド１６に合流する合流部２４は、インシュレータ４６の積層面に形成されている。ここで、合流部２４は、非発電部材１４の積層面に形成されていれば、インシュレータ４６に限定されるものではない。
【００２５】
図１０は、従来の燃料電池スタックの他方端の構成を示す一部模式断面図である。図１０に示すように、セル積層体１２の他方端（連通路２０側と反対側）には、順にターミナルプレート４４、インシュレータ４６、エンドプレート４８が配置されている。そして、セル１０間、セル１０とターミナルプレート４４間、ターミナルプレート４４とインシュレータ４６間には、反応ガス排出用マニホールド１６を周回するシール部材５０及び排水用マニホールド１８を周回するシール部材５２が配置されている。また、インシュレータ４６とエンドプレート４８間にもシール部材５４が配置されている。
【００２６】
また、反応ガス排出用マニホールド１６の他方端（連通路２０側と反対側）に形成される絞り部２２は、インシュレータ４６に形成されている。そして、排水用マニホールド１８の他方端（連通路２０側と反対側）に形成され、反応ガス排出用マニホールド１６に合流する合流部２４ａは、インシュレータ４６の内部に形成されている。そして、合流部２４ａを非発電部材１４の内部に形成すると、その非発電部材１４には、シール部材５０，５２のシール性を確保するために、シール部材５０，５２を受ける受け部５６を形成する複雑な加工が必要となる。
【００２７】
一方、本実施形態のように、反応ガス排出用マニホールド１６に合流する合流部２４を、インシュレータ４６の積層面に形成することによって、非発電部材１４にシール部材５０，５２を受ける受け部５６を形成することなく、シール部材５０，５２のシール性を確保することができる。
【００２８】
図６は、セル積層体を構成するセルの構成の一例を示す一部模式断面図である。図６に示すように、膜−電極接合体３８と、膜−電極接合体３８を挟持する一対のセパレータ４０と、を備える。膜−電極接合体３８は、不図示であるが、電解質膜と、電解質膜を挟持する一対の電極（アノード極及びカソード極）とを備えている。また、セル１０は、セパレータ４０間をシールする第３シール部材４２を備える。
【００２９】
セル１０間には、排水用マニホールド１８を周回する第４シール部材３０と、反応ガス排出用マニホールド１６から排水用マニホールド１８に亘って配置される第５シール部材３２とが配置されている。なお、第４シール部材３０は、図２に示す第２シール部材２８に対向し、第５シール部材３２は、図２に示す第１シール部材２６に対向している。
【００３０】
そして、図６に示すように、第３シール部材４２及び第４シール部材３０の一部は、排水用マニホールド１８側に露出して、管状になっている。第３シール部材４２及び第４シール部材３０が、排水用マニホールド１８側に露出せず、内側に配置されていると、セパレータ４０とシール部材との間で段差が生じ、排水用マニホールド１８全体としては蛇腹状になる。しかし、本実施形態のように、第３シール部材４２及び第４シール部材３０の一部を排水用マニホールド１８側に露出させ、管状とすることにより、段差のない滑らかな排水用マニホールド１８となる。その結果、排水用マニホールド１８内の水の排水性を向上させることができる。
【００３１】
図７は、本実施形態に係る燃料電池スタックの構成の他の一例を示す一部模式断面図である。図７に示すように、燃料電池スタック２は、燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応により発電を行うセル１０が複数積層されたセル積層体１２と、セル積層方向の端部に配置されるインシュレータ等の非発電部材１４とを備える。なお、不図示であるが、セル積層方向の他方端にも、同様に、インシュレータ等の非発電部材１４が配置されている。
【００３２】
燃料電池スタック２には、反応ガス排出用マニホールド１６が、セル積層方向に形成されている。また、不図示であるが、反応ガス供給用マニホールド、冷却水用供給・排出マニホールド等もセル積層方向に形成されている。そして、本実施形態では、反応ガス排出用マニホールド１６の一方端に形成される絞り部２２が、インシュレータ等の非発電部材１４に形成されている。ここで、図７に示す反応ガス排出用マニホールド１６は、燃料ガス用排出マニホールド又は酸化ガス用排出マニホールドである。
【００３３】
また、燃料電池スタック２には、セル１０の発電により生成した水等を排水するための排水用マニホールド管５８を備える。そして、この排水用マニホールド管５８は、反応ガス排出用マニホールド１６内に配置されている。排水用マニホールド管５８は、反応ガス排出用マニホールド１６のうち、燃料ガス用排出マニホールド内、酸化ガス用マニホールド内の少なくともいずれか一方に設けられていればよい。
【００３４】
また、セル１０間、非発電部材１４とセル１０間には、反応ガス排出用マニホールド１６をシールするシール部材５０が配置されている。
【００３５】
通常の燃料電池スタックでは、本実施形態の排水用マニホールド管５８とは異なり、セル積層方向に貫通した排水用マニホールドが設けられ、排水用マニホールド及び反応ガス排出用マニホールドの端部を連通する連通路が形成されている。このような構成の燃料電池スタックでは、排水用マニホールドの加工が必要となること、また、排水用マニホールドや連通路をシールするシール部材が必要となり、燃料電池の構成が複雑となる。
【００３６】
これに対し、本実施形態のように、反応ガスマニホールド内に排水用マニホールド管５８を配置することにより、排水用マニホールドの加工が不要となり、また、排水用マニホールドや連通路をシールするシール部材が不要となる。
【００３７】
本実施形態において、反応ガスマニホールド内に排水用マニホールド管５８を固定する方法は、特に制限されるものではないが、例えば、非発電部材１４等に溝等を形成し、該溝に排水用マニホールド管５８を設置することにより、反応ガス排出用マニホールド１６内に排水用マニホールド管５８を固定する。
【００３８】
図８は、本実施形態に係る燃料電池スタックの構成の他の一例を示す一部模式断面図である。本実施形態では、図７に示すように、排水用マニホールド管５８全体を反応ガス排出用マニホールド１６内に配置してもよいが、図８に示すように、排水用マニホールド管５８の端部を非発電部材１４内に挿入することによって、固定し、排水用マニホールド管５８の一部（端部以外）を反応ガス排出用マニホールド１６内に配置してもよい。排水用マニホールド管５８の一部を反応ガス排出用マニホールド１６内に配置する場合には、排水用マニホールド管５８と反応ガスマニホールドとを繋ぐ合流部６０を非発電部材１４に形成する必要がある。
【００３９】
このような燃料電池スタック２の反応ガス及び生成水の流れは、以下の通りとなる。まず、燃料ガスや酸化ガスが反応ガス供給用マニホールドを通り、各セル１０に分配され、セル１０の発電に利用される。そして、セル１０から排出された燃料ガスや酸化ガス（オフガス）が反応ガス排出用マニホールド１６を通り、燃料電池スタック２から排出される。また、反応ガスが反応ガス排出用マニホールド１６の絞り部２２を通ることによって、反応ガス排出用マニホールド１６は負圧となるため、反応ガス排出用マニホールド１６内の排水用マニホールド管５８も負圧となる。その結果、セル１０の発電時に生成する水が、負圧となった排水用マニホールド管５８を通り、燃料電池スタック２から排出される。
【符号の説明】
【００４０】
１，２  燃料電池スタック、１０  セル、１２  セル積層体、１４  非発電部材、１６反応ガス排出用マニホールド、１８  排水用マニホールド、２０  連通路、２２  絞り部、２４，２４ａ  合流部、２６，２６ａ，２８，２８ａ，３０，３２，４２，５０，５２，５４  シール部材、３４，５６  受け部、３６  部材、３８  膜−電極接合体、４０  セパレータ、４４  ターミナルプレート、４６  インシュレータ、４８  エンドプレート、５８  排水用マニホールド管、６０  合流部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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