(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の燃料電池セルが積層されて構成された燃料電池スタックにおいて、
前記燃料電池スタックに供給されるエア、冷媒、或いは、前記燃料電池スタックから排出される水素、エア、冷媒のうち少なくとも一つの流路が前記燃料電池スタックのエンドプレートの側面に沿って設けられ、
前記流路は前記エンドプレートの側面に形成された溝と、断面形状が円弧状の蓋とから構成されていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
前記流路は樹脂材料で成形されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記流路の前記エンドプレート側の内壁面には一又は複数のフィンが形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記流路は前記燃料電池スタックから排出される液体冷媒の流路であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項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、複数の燃料電池セルが積層されて構成された燃料電池スタックに係り、特に、燃料電池スタックの端セルの保温技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１に記載されているように、燃料電池は複数毎の燃料電池セルの積層体をエンドプレートで挟んで構成された燃料電池スタックとして使用されている。エンドプレートは、燃料電池セルを挟んで固定する固定具として機能するとともに、外部から燃料電池スタックに水素、エア、及び冷媒を供給するための供給管や、燃料電池スタックで用いられた水素、エア、及び冷媒を外部に排出するための排出管を燃料電池スタックに連結するための連結具としても機能している。
【特許文献１】特開２０００−９０９５４号公報
【特許文献２】特開平７−２８２８３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、燃料電池セルには好適な運転温度範囲があり、この運転温度範囲より高温でも、逆に低温でも十分な発電性能を得ることができない。通常、燃料電池セルは、冷媒によって冷却されることで反応熱による温度上昇を抑えられ、適正な運転温度に温度調整されている。しかし、燃料電池スタックの最も外側に位置している燃料電池セル（以下、端セルという）は、低気温時には隣接するエンドプレートからの放熱により熱を奪われ、温度が適正運転温度よりも低下してしまう。端セルの温度低下は燃料電池スタック全体の発電性能の低下を招くため、エンドプレートからの放熱による端セルの温度低下を抑制するための何らかの工夫が必要となる。
【０００４】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、端セルの温度低下を抑制して発電性能の低下を防止できるようにした燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、複数の燃料電池セルが積層されて構成された燃料電池スタックにおいて、
前記燃料電池スタックに供給されるエア、冷媒、或いは、前記燃料電池スタックから排出される水素、エア、冷媒のうち少なくとも一つの流路が前記燃料電池スタックのエンドプレートの側面に沿って設けられ、
前記流路は前記エンドプレートの側面に形成された溝と、断面形状が円弧状の蓋とから構成されていることを特徴としている。
また、第２の発明は、第１の発明において、前記流路は樹脂材料で成形されていることを特徴としている。
【０００６】
また、第３の発明は、第１又は第２の何れか１つの発明において、前記流路の前記エンドプレート側の内壁面には一又は複数のフィンが形成されていることを特徴としている。
【０００７】
また、第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、前記流路は前記燃料電池スタックから排出される液体冷媒の流路であることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
第１及び第２の発明によれば、供給エア、供給冷媒、排出水素、排出エア、及び排出冷媒は、気温に比較して高温であるので、これらのうち少なくとも一つが燃料電池スタックのエンドプレートの側面に沿って流れることでエンドプレートは暖められ、これにより低気温時における端セルの温度低下は抑制される。
【０００９】
第３の発明によれば、フィンによって流体との接触面積が拡大するので、流体からエンドプレートへの伝熱が促進され、端セルの温度低下はより抑制される。
【００１０】
第４の発明によれば、排出冷媒は燃料電池セル内の反応熱によって昇温されており、しかも液体は熱交換率が高いので、エンドプレートをより効果的に暖めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図１乃至図４を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の燃料電池スタックは、例えば、燃料電池自動車に搭載される固体高分子型燃料電池に適用することができる。ただし、他の形式の燃料電池に適用することも勿論可能である。
【００１２】
図４は燃料電池スタック１の全体構成を示す概略図である。燃料電池スタック１は、複数の燃料電池セル６を一方向に積層され、その積層方向の両端部にエンドプレート２，４を配置されて構成されている。燃料電池セル６は、図示は省略するが、水素イオン透過性の電解質膜がアノードとカソードで挟まれ、さらに、その両側を導電性のセパレータによって挟まれた構成を有している。両端のエンドプレート２，４は、燃料電池セル６の積層体を両側から締め付け固定するように、タイロッド等の図示しない締結部材によって互いに連結されている。なお、片方のエンドプレート２は二つの燃料電池スタック１を連結する連結部材としても機能している。
【００１３】
燃料電池スタック１内には、燃料電池セル６での発電に必要な流体（水素、エア、及び冷媒）が流通するスタック内流路８が設けられている。図では省略しているが、スタック内流路８は水素、エア、冷媒のそれぞれに別々に設けられ、それらが混合しないようシールされている。水素とエアは各燃料電池セル６での発電に用いられ、冷媒は発電時の反応熱による温度上昇を抑制するために用いられる。スタック内流路８は、燃料電池セル６の両端部を燃料電池セル６の積層方向に貫いて延びる供給流路８ａ及び排出流路８ｃと、各燃料電池セル６に形成されて供給流路８ａと排出流路８ｃを接続するセル流路８ｂとからなる。供給流路８ａと排出流路８ｃはそれぞれエンドプレート２を介して燃料電池スタック１の外部に設けられたスタック外流路１０に接続されている。スタック外流路１０から供給流路８ａに供給された流体は、供給流路８ａから各燃料電池セル６のセル流路８ｂへ供給され、セル流路８ｂの通過中に発電や冷却に用いられた後、排出流路８ｃからスタック外流路１０に排出される。
【００１４】
スタック外流路１０は、燃料電池スタック１に流体を供給する供給流路１０ａと、燃料電池スタック１から流体を排出する排出流路１０ｂの２種類からなる。図では省略しているが、これらスタック外流路１０も水素、エア、冷媒のそれぞれに別々に設けられている。従来、流体を供給、排出のための管路はエンドプレート２に対して略垂直に接続されていたが（例えば、特許文献１参照）、本実施形態の燃料電池スタック１では、少なくとも一部のスタック外流路１０はエンドプレート２の側面に沿って設けられている。
【００１５】
図１及び図２を用いてスタック外流路（以下、単に流路と言い、スタック内流路８と区別するときのみスタック外流路と言う）１０の基本構成について説明する。図１は流れに垂直な方向における断面図、図２は流れ方向における断面図である。図に示すように、エンドプレート２の側面には溝２０が形成され、その溝２０を覆うように蓋４０が取り付けられている。溝２０にはその形成方向に沿って複数のフィン２２が設けられている。蓋４０は溝２０に沿って設けられた容積部４２と、容積部４２の縁を取り巻くように設けられたフランジ部４４とからなり、樹脂等の熱伝導率の低い材料（一般に水素供給管に用いられている絶縁材でもよい）によって一体成型されている。容積部４２は外に向かって膨らんでおり、溝２０の形成方向に垂直な方向における断面形状が円弧状になるように形成されている。蓋４０はフランジ部４４を溝２０の外縁に密着させた状態でエンドプレート２の側面に固定されている。このように溝２０に蓋４０が被せられることにより溝２０と容積部４２との間に密閉された空間ができ、この空間が流路１０になっている。流路１０とスタック内流路８とはエンドプレート２を貫通して形成された連通孔２４によって接続されている。また、フランジ部４４のエンドプレート２との接触面には溝４８が形成されており、溝４８内には流路１０の密閉性を保つためのシール材４６が埋設されている。シール材４６としてはゴムパッキンの他、液体パッキンや接着剤を用いてもよい。
【００１６】
エンドプレート２に設けられた溝２０と蓋４０によって流路１０が構成されることで、流路１０内の流体はエンドプレート２の側面に沿ってエンドプレート２に接しながら流れることになる。これにより、流路１０内を流通する流体とエンドプレート２との間で熱交換が起こることになる。燃料電池スタック１では、供給エア、供給冷媒、排出水素、排出エア、及び排出冷媒が気温に比較して高温であるが、流路１０がこれらのうち少なくとも一つの流路である場合には、流体からの熱供給によって低気温時におけるエンドプレート２の温度低下は抑制され、端セル６ａの温度低下は抑制される。特に、冷媒が液体であり、流路１０がその排出冷媒の流路である場合には、排出冷媒は燃料電池セル６内の反応熱によって昇温されており、しかも液体は熱交換率が高いので、エンドプレート２をより効果的に暖めることができる。
【００１７】
また、溝２０にはフィン２２が設けられているが、フィン２２は流路１０内におけるエンドプレート２と流体との接触面積を拡大させる。これにより、流体からエンドプレートへ２の伝熱が促進され、エンドプレート２の温度低下の抑制に大きな効果が得られる。さらに蓋２０に関しては、その断面形状が円弧状に形成されることで容積に対する表面積を小さくするようにしており、蓋４０から外気への放熱は抑えられている。したがって、本実施形態にかかる流路１０の構成によれば、流路１０内を流れる流体の有する熱を効率よくエンドプレート２に伝達することができる。また、外気への放熱が抑えられることで、流路１０内を流れる流体自体の温度低下も抑制することができ、水分を含む流体であれば流路１０内での結露を防止することができる。
【００１８】
次に、図３を用いて本実施形態にかかる流路１０の具体的な適用例について説明する。図３は本実施形態にかかるエンドプレート２の側面図であり、図４のＡ方向から見た図に相当している。図に示すように、エンドプレート２の両端部には３つの連通孔２４ａ，２４ｂ，２４ｃが同間隔で一列に形成され、中央部には３つの連通孔２４ｄ，２４ｅ，２４ｆが同間隔で二列に形成されている。このうち、連通孔２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ，２４ｅはエンドプレート２を貫通する貫通孔である。エンドプレート２の端部に形成された連通孔２４ａ，２４ｂ，２４ｃは燃料電池スタック１内の供給流路８ａ（図１参照）に通じる孔であり、中央部に形成された連通孔２４ｄ，２４ｅ，２４ｆは燃料電池スタック１内の排出流路８ｃ（図１参照）に通じる孔である。ここでは、連通孔２４ａは水素供給孔、連通孔２４ｂはエア供給孔、連通孔２４ｃは冷媒供給孔、連通孔２４ｄは冷媒排出孔、連通孔２４ｅはエア排出孔、連通孔２４ｆは水素排出孔である。
【００１９】
左右の水素供給孔２４ａ間、エア供給孔２４ｂ間、冷媒供給孔２４ｃ間、冷媒排出孔２４ｄ間、及びエア排出孔２４ｅ間には、左右の孔をエンドプレート２の側面において接続するように、それぞれエンドプレート２の側面に沿って図示しない溝が形成されている。そして、各溝を覆うようにエンドプレート２の側面には蓋５０，６０ａ，６０ｂ，７０，８０がボスによって固定されている。このように溝を蓋５０，６０ａ，６０ｂ，７０，８０で覆うことで、蓋６０ａの下にはエアの供給流路１０Ｂが形成され、蓋６０ｂの下にはエアの排出流路１０Ｅが形成されている。また、蓋７０の下には冷媒の供給流路１０Ｃが形成され、蓋８０の下には冷媒の排出流路１０Ｄが形成され、蓋５０の下には水素の供給流路１０Ａが形成されている。
【００２０】
蓋５０，６０ａ，７０には、流体を供給流路１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃに供給するための供給口５２，６２，７２が設けられ、蓋６０ｂ，８０には、流体を排出流路１０Ｄ，１０Ｅから排出するための排出口６４，８２が設けられている。供給流路１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、供給口５２，６２，７２から供給された流体を各供給孔２４ａ，２４ｂ，２４ｃに分配し、排出流路１０Ｄ，１０Ｅは各排出孔２４ｄ，２４ｅから排出された流体を排出口６４，８２へ集合させる。
【００２１】
各蓋５０，６０ａ，６０ｂ，７０，８０には、図１及び図２に示す蓋４０の構成が適用されている。ただし、隣接するエア供給流路１０Ｂとエア排出流路１０Ｅの各蓋６０ａ，６０ｂは一体成型されて一つの蓋６０を構成しており、エア供給流路１０Ｂとエア排出流路１０Ｅとを区切るシール材（図示略）は二つの蓋６０ａ，６０ｂの間で共通化されている。このように、同種の流体同士であればその流路を隣接させることで蓋の一体化やシール材の共通化等が可能であり、部品点数を削減することができる。
【００２２】
図１及び図２に示す流路１０の構成は、エア供給流路１０Ｂ、エア排出流路１０Ｅ、冷媒供給流路１０Ｃ、及び冷媒排出流路１０Ｄにそのまま適用されている。これら流路１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅはエンドプレート２の側面に沿って設けられるとともに、内部の溝の壁面には伝熱を促進するためのフィンが設けられている。供給エア、供給冷媒、供給エア、及び供給冷媒は、気温に比較して高温であるので、これらがエンドプレート２の側面に沿って流れることでエンドプレート２は暖められる。これにより、低気温時でも燃料電池セル６、特に、最も外側に位置する端セル６ａの温度低下は抑制される。
【００２３】
一方、水素供給流路１０Ａは、他の流路１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅとは異なった構成が採られている。水素供給流路１０Ａはエンドプレート２の側面に沿って設けられていることでは共通するが、内部の溝の壁面にはフィンが設けられていない。これは、エンドプレート２からの熱伝達を抑えて端セルを保温し、端セル内での結露を防止するためである。なお、上述のエア供給流路１０Ｂの構成は供給エアが乾燥エアであることを想定したものであるが、供給エアが水分を含む加湿エアの場合には結露を防止すべく水素供給流路１０Ａと同じようにフィンをなくしてもよい。
【００２４】
上記の各流路１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅがエンドプレート２の外側に設けられているのに対し、水素の排出流路１０Ｆのみエンドプレート２の内部に形成されている。水素排出孔２４ｆはエンドプレート２の燃料電池セル６側面からエンドプレート２の中央部まであけられており、左右の水素排出孔２４ｆを結ぶように水素排出流路１０Ｆが形成されている。水素排出流路１０Ｆから外部へ水素を排出するための排出口９２は、エンドプレート２の底面に形成されている。このように、エンドプレート２の内部に水素排出流路１０Ｆが設けられることで、排出水素の熱がエンドプレート２に効率良く伝達されるとともに、エンドプレート２の底面に排出口９２が形成されることで燃料電池スタック１の内部で生成された水の排水性が向上する。
【００２５】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、エンドプレート２と蓋４０，５０，６０ａ，６０ｂ，７０，８０を同一の溶着可能な樹脂で作製してもよい。これによれば、溶着によって固定とシールを同時に実現することができ、シール材や取り付けボスを削減することが可能になる。
【００２６】
また、実施の形態では、水素排出流路１０Ｆをエンドプレート２の内部に形成しているが、他の流体と同様、排出水素もエンドプレート２の側面に沿って流れるように排出水素流路を形成してもよい。また、比較的低温の供給水素が流れる水素供給流路１０Ａに関しては、エンドプレート２から離して設けてもよい。図３に示す流路の配置や構成はあくまでも本発明を具体化する場合の一例であり、供給エア、供給冷媒、排出水素、排出エア、及び排出冷媒のうち少なくとも一つの流路がエンドプレート２の側面に沿って設けられていればよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態にかかる流路の基本構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかる流路の基本構成を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態にかかるエンドプレートの側面図である。
【図４】本発明の実施の形態としての燃料電池スタックの全体構成を示す概略図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  燃料電池スタック
２，４  エンドプレート
６  燃料電池セル
８  流路（スタック内流路）
１０  流路（スタック外流路）
１０Ａ  水素供給流路
１０Ｂ  エア供給流路
１０Ｃ  冷媒供給流路
１０Ｄ  冷媒排出流路
１０Ｅ  エア排出流路
１０Ｆ  水素排出流路
２０  溝
２２  フィン
２４  連通孔
４０，５０，６０ａ，６０ｂ，７０，８０  蓋
４６  シール材
５２，水素供給口
６２，エア供給口
７２，冷媒供給口
８２，冷媒排出口
６４，エア排出口
９２，水素排出口
【図１】
0004706173.tif 000002
【図２】
0004706173.tif 000003
【図３】
0004706173.tif 000004
【図４】
0004706173.tif 000005