JP5162841B2

JP5162841B2 - 燃料電池用エンドプレート

Info

Publication number: JP5162841B2
Application number: JP2006109256A
Authority: JP
Inventors: 誠武山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-04-12
Filing date: 2006-04-12
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2026-04-12
Also published as: JP2007280896A

Description

本発明は、燃料電池セルを複数枚積層した燃料電池スタックの端面に配置される燃料電池用エンドプレートに関する。特に、燃料電池用エンドプレートに備えられる流路であって、一方の面から他方の面へガス等の流体を連絡する連絡流路の構造に関する。

フッ素系高分子材料からなる電解質膜の両面に電極を備える膜−電極複合体（Membrane-Electrode Assembly, 以下、ＭＥＡ）上において、水素ガス等の燃料ガスと、酸素ガス等の酸化ガスとを反応させて電気を取り出す固体高分子電解質型燃料電池（以下、燃料電池）が知られている。この種の燃料電池は、通常、１枚のＭＥＡを含む燃料電池（セル）を複数枚積層し、セル同士を電気的に直列に接続して、１つの燃料電池スタックとして用いられる。燃料電池スタックは、その両端面に、ステンレス等からなるエンドプレートを備え、エンドプレート同士を所定の締結手段によって固定することにより、燃料電池スタック中のセルが束ねられ、固定されている。

ところで、燃料電池は、各セルのＭＥＡにおいて発電を行う為、外部から供給された燃料ガス、酸化ガス等のガスを、各セルに行き渡らせる必要がある。また各セルにおいて発電に用いられなかったガス等を各セルから回収し、外部へ排出する必要がある。その為、燃料電池内には、外部から燃料ガス等を供給し、または内部から未使用のガス等を排出するための配管（所謂、マニホールド）が設けられている。燃料電池内のマニホールドと、外部の配管との間を連絡するために、エンドプレートには、連絡流路が備えられる（例えば、特許文献１参照）。なお外部の配管は、エンドプレート上にボルト等の固定手段によって固定される。

特開２００２−３４３４０６号公報

特許文献１において示されるように、燃料電池のマニホールドと、外部の配管とが一直線上に配置されず、それぞれマニホールドの中心軸と外部の配管との中心軸がずれ、異なった状態とされる場合がある。そのような場合、エンドプレートには、中心軸の異なるマニホールドと配管との間を連絡するために、エンドプレート中を傾斜して貫通する連絡流路が形成される。

エンドプレートが傾斜した連絡流路を備えると、以下の問題を生じる。例えば、外部の配管等をボルトでエンドプレート上に固定する際、ボルト孔の位置を、傾斜した連絡流路の近傍に設定せざるを得ない場合がある。このように、連絡流路の近傍にボルト孔等の孔を設けざるを得ない場合、連絡流路と孔との距離が近くなり、連絡流路と孔との間の肉厚が薄くなる。その結果、エンドプレートの強度、特に連絡流路の強度が不充分となることがあり、問題であった。

本発明の目的は、燃料電池用エンドプレートの傾斜した連絡流路の強度を確保することである。

本発明に係る燃料電池用エンドプレートは、一方の面の分配管接続口と、他方の面の燃料電池接続口との間を傾斜して連絡する傾斜連絡流路と、分配管接続口の近傍に配置し、一方の面から前記傾斜連絡流路へ向けて掘り下げられた有底の有底孔部と、を備える燃料電池用エンドプレートにおいて、前記傾斜連絡流路は分配管接続口から略垂直に彫り込まれた立壁を備えており、前記有底孔部は、前記分配管接続口に近い位置に形成され前記分配管接続口を周回し前記燃料電池用エンドプレートに固定される分配管との間をシールするためのリング状シール部材を収容するリング状シール部材収容部と、前記分配管のフランジ部をボルトで燃料電池用エンドプレートに固定するために前記リング状シール部材収容部よりも前記分配管接続口から離れた位置に形成された雌ねじ孔とを含み、前記立壁は前記リング状シール部材収容部の深さおよび前記雌ねじ孔の深さに応じて彫り込まれていることを特徴とする。

上記燃料電池用エンドプレートにおいて、前記立壁の長さは前記傾斜連絡流路の強度と共に前記傾斜連絡流路内部の流体の流れ易さも考慮して設定されることを特徴とする。

上記燃料電池用エンドプレートにおいて、前記傾斜連絡流路は、例えば、一方の面側に配置される分配管と、他方の面側に配置される燃料電池のマニホールドとの間を連絡する。

本発明によれば、燃料電池用エンドプレートの傾斜した連絡流路の強度を確保することが出来る。

以下、本発明に係る実施の形態を詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る燃料電池用エンドプレート１０を備える燃料電池装置３０の概略構成図である。燃料電池装置３０は、燃料電池１，２と、燃料電池１，２の端面に配置される燃料電池用エンドプレート１０（以下、単にエンドプレート１０と称する場合がある）とを備える。

燃料電池１，２は、フッ素系高分子材料からなる電解質膜の両面に電極を形成した膜−電極複合体（ＭＥＡ）を備える、所謂、固体高分子電解質型燃料電池である。この種の燃料電池１，２は、一方の面に、水素ガス等の燃料ガスが反応する燃料極（アノード）を有し、他方の面に、酸素ガス等の酸化ガス（通常は、空気）が反応する空気極（カソード）を有するＭＥＡを備え、このＭＥＡにおいて燃料ガスと酸化ガスとを反応させて発電する。本実施形態において、燃料電池１，２は、１枚のＭＥＡと、ＭＥＡのアノード側の表面に配置するアノード側セパレータおよびＭＥＡのカソード側の表面に配置するカソード側セパレータの１組のセパレータとを備える燃料電池セル３を、複数枚重ね合わせ、電気的に直列に接続した燃料電池スタックとして用いられる。

燃料電池１，２の両端面には、エンドプレート１０，１１が配置される。エンドプレート１０，１１は、燃料電池セル３を複数枚積層した燃料電池スタックからなる燃料電池１，２を両端から押圧し、締め付けて固定するための締結部材４を備える。締結部材４としては、例えば、燃料電池１，２の長手方向に延びた板状のテンションプレート４の一端を一方のエンドプレート１０と固定し、他端を他方のエンドプレート１１と固定する締結部材４がある。本実施形態において、燃料電池装置３０は、２個の燃料電池１，２（燃料電池スタック）を備える。これらの燃料電池スタックは、１組のエンドプレート１０．１１を共有している。エンドプレート１０，１１は、アルミ、ステンレス等の金属材料からなる。なお締結部材４（例えば、テンションプレート４）も同様の金属材料からなる。

燃料電池１，２は、燃料ガスや酸化ガス等のガスや、冷却水等の液体等の流体を流すための流路であるマニホールド５，６を備える。マニホールド５，６は、通常、燃料ガスマニホールド、酸化ガスマニホールド、冷却水マニホールド等の独立した複数のマニホールドを備える。図１においては、説明の便宜上、酸化ガスマニホールド５，６のみを図示した。マニホールド５は、主として、燃料電池スタックの一端側から他端側へ向けて燃料電池スタック内を貫く並列した２本の流路部５Ａ，５Ｂを備える。一方の流路部５Ａのマニホールド５に、外部からガスや液体等の流体を通すことによって、各燃料電池セル３に流体を行き渡らせることが出来る。各燃料電池セル３へ流体が行き渡った後、消費等されなかったガスや、反応に伴って生成した水等の流体は、各燃料電池セル３内または燃料電池セル３同士の外側に沿った所定の流路（図示せず）に沿って移動し、その後、他方の流路部５Ｂのマニホールド５内へ入り、燃料電池５（燃料電池スタック）の外部へ排出される。燃料電池２のマニホールド６においても同様、並列した２本の流路部６Ａ，６Ｂを備える。

ここで、図１において示される酸化ガスマニホールド５について説明する。酸化ガスマニホールド５は、燃料電池１の外部から供給される発電に必要な酸化ガス（通常は、空気）を各燃料電池セル３に行き渡らせる為の流路部５Ａと、各燃料電池セル３から排出される未使用の酸化ガスや、発電により各燃料電池セル３のカソードで生成した水等を回収し、燃料電池１の外部へ排出するための流路部５Ｂとを備える。酸化ガスは、図示されない酸化ガス供給装置より所定の配管を通り、その後、燃料電池１のエンドプレート１０上に固定される分配管７およびエンドプレートを経由して燃料電池のマニホールド内へ至る。図１において示されるように、分配管７に実線矢印の向きに酸化ガス（空気）が進入し、その後、エンドプレート１０内を通過して、燃料電池１のマニホールド５（５Ａ）へ進入する（図１の破線矢印の向きを参照）。

ここで、更に図２を用いて酸化ガスマニホールド５について詳しく説明する。図２は、図１中の一点鎖線で囲まれた領域Ａ内を拡大して示した、分配管７、エンドプレート１０および燃料電池１の部分断面図である。燃料電池１の酸化ガスマニホールド５は、その一部が、直方体状の燃料電池１（燃料電池スタック）の長手方向に真っ直ぐに伸びた流路部５Ａであり、各燃料電池セル３の一方の端部を貫く流路部５Ａを備える。

図２において示されるように、エンドプレート１０上に固定された分配管７の流路８と、燃料電池１内のマニホールド５（５Ａ）とは、一直線上に配置されず、それぞれの流路の中心軸（図２中の破線aと破線b）がずれた状態となっている。この中心軸のずれた２つの流路８，５Ａ間を連絡するために、エンドプレート１０は、傾斜した連絡流路である傾斜連絡流路９を備える。

傾斜連絡流路９は、例えば、ワイヤーカット加工、切削加工等の公知の加工方法を用いてエンドプレート１０をくり貫くことによって形成することが出来る。傾斜連絡流路９は、エンドプレート１０内を貫通する流路であり、エンドプレート１０の一方の面には、分配管７の流路８と接続する分配管接続口１２を有し、他方の面には、燃料電池１のマニホールド５（５Ａ）と接続する燃料電池接続口１３を有する。なお本実施形態において、分配管７が固定される側をエンドプレート１０の上面とし、燃料電池１が配置される側をエンドプレート１０の下面とする。

本実施形態において、傾斜連絡流路９は、分配管接続口１２から下方へ向けて略垂直に彫り込まれた立壁（略垂直壁）１４を備える。したがって、傾斜連絡流路９は、分配管接続口１２から下方へ垂直に延び、その後、屈曲して下面の燃料電池接続口１３まで延びた壁面１５を有する。その結果、傾斜連絡流路９は、分配管接続口１２と燃料電池接続口１３との間を、直接結んで形成される仮想的な壁面Ｘ（図２において破線Ｘで示される壁面）よりも、内側へ隆起した壁面１５を備えることになる。

ところで、エンドプレート１０上の分配管７は、ボルト等の固定手段１６によって固定されている。分配管７はフランジ部１８を備え、このフランジ部１８の下面と、エンドプレート１０の上面とを合わせて固定される。分配管７のフランジ部１８は、ボルト１６が挿入されるボルト挿入孔２０を有する。ボルト挿入孔２０の真下のエンドプレート１０の上面には、ボルト孔２１Ａが設けられる。ボルト孔２１Ａは、エンドプレート１０の上面から下方へ掘り下げて形成された有底の孔部２１である。ボルト孔２１Ａには、ボルト１６の先端のねじ山２２（雄ねじ部２２）と螺合させるためのねじ溝２３（雌ねじ部２３）が螺刻されている。分配管７のボルト挿入孔２０およびエンドプレート１０上のボルト孔２１Ａにボルト１６を挿入し、かつ螺合することによって、分配管７はエンドプレート１０上に固定される。

またエンドプレート１０とエンドプレート１０の上面に固定された分配管７との間の気密性を確保するために、エンドプレート１０の上面には円環状（リング状）のシール部材２４（例えば、シリコーン、ＥＰＤＭ等からなるＯリング２４）を収容する為のリング状シール部材収容部２１Ｂが備えられる。前記収容部２１Ｂは、エンドプレート１０の上面を掘り下げて形成される有底の孔部２１である。この収容部２１Ｂは、エンドプレート１０の上面の分配管側接続口１２の近傍を周回する溝である。このリング状シール部材収容部２１Ｂ内にＯリング２４を収容することによって、分配管７とエンドプレート１０との間の気密性が確保される。

上記のように、本実施形態に係る燃料電池用エンドプレート１０には、上記ボルト孔２１Ａやリング状シール部材収容部２１Ｂ等の上面から下方へ向けて掘り下げされた有底の孔部２１（有底孔部２１）が備えられる。それらの有底孔部２１の中には、分配管接続口１２の近傍に配置されるものがある。分配管接続口１２の近傍に有底孔部２１が配置される場合、有底孔部２１は、エンドプレート１０中の傾斜連絡流路９へ向けて掘り下げられて、形成されることになる。傾斜連絡流路９へ向けて堀り下げられると、その個所は、掘り下げられた分だけエンドプレート１０の肉厚（厚み）が薄くなり、しかも有底孔部２１の底の位置と、傾斜連絡流路９（壁面１５）との距離が近づくことになる。しかし、本実施形態に係る傾斜連絡流路９は、エンドプレート１０の上面の分配管接続口１２から下方へ略垂直に彫り込んだ立壁１４を備え、上記仮想的な壁面Ｘよりも内側へ隆起した壁面１５が形成される。その為、有底孔部２１の底の位置と、傾斜連絡流路９の壁面１５との間の距離（肉厚）が確保され、傾斜連絡流路９の強度を確保することが出来、ひいては燃料電池用エンドプレート１０全体の強度を確保出来る。

立壁１４の長さ（Ｄ）、即ち、エンドプレート１０の上面の分配管接続口１２から下方へ垂直に彫り込む距離が長くなるほど、傾斜連絡流路９内の壁面１５が大きく隆起して、有底孔部２１の底の位置と、傾斜連絡流路９との間の距離が長くなり、厚みを増す。したがって、垂直壁の長さ（Ｄ）を長くすれば、傾斜連絡流路９の強度を上げることが出来る。立壁１４の長さ（Ｄ）は、例えば、分配管接続口１２の近傍に設けられる有底孔部２１の孔の深さ（ボルト孔２１Ａの深さｄ₁，収容部２１Ｂの深さｄ₂）に応じて定めれば良い。例えば、ボルト孔２１Ａの底の位置（深さｄ₁）と仮想的な壁面Ｘとの間の距離およびその距離における傾斜連絡流路９の強度を把握し、その結果に基づいて、立壁１４の長さ（Ｄ）を決めればよい。なお立壁１４の長さＤを、長く設定し過ぎると、傾斜連絡流路９の内径が小さくなり過ぎて、内部を流体が流れ難くなってしまう。その為、立壁１４の長さＤを決める際、傾斜連絡流路９の強度と共に、流体の流し易さをも考慮することが望ましい。

ここで、エンドプレート１０中の傾斜連絡流路９の全体構造を把握するため、図３を用いて説明する。図３は、エンドプレート１０中の傾斜連絡流路９の透過図である。傾斜連絡流路９は、エンドプレート１０の上面に矩形状の分配管接続口１２を有し、その矩形状の分配管接続口１２の一辺から下方へ垂直に彫り込んだ立壁１４を有する。なお傾斜連絡流路９は、エンドプレート１０の下面に矩形状の燃料電池接続口１３を有する。本実施形態の傾斜連絡流路９は、矩形状の断面を有するが、他の実施形態においては、例えば、楕円形状、円形状、多角形状等の断面を有する傾斜連絡流路であっても良い。

図１に戻り以下、説明を続ける。分配管７の流路およびエンドプレート１０内の傾斜連絡流路９を通過した酸化ガスは、燃料電池１内の酸化ガスマニホールド５（５Ａ）内へ入る。酸化ガスマニホールド５（５Ａ）内へ入った酸化ガスは、酸化ガスマニホールド５（５Ａ）内を通過する間に、各燃料電池セル３へ酸化ガスを行き渡らせる。各燃料電池セル３へ行き渡った酸化ガスの内、発電に用いられなかった酸ガス等は、各燃料電池セル３内を通過して、各燃料電池セル３の他の端部内を貫き、燃料電池スタック内を真っ直ぐに伸びる他の流路部５Ｂの酸化ガスマニホールド５へ入り、集められる。酸化ガスマニホールド５（５Ｂ）へ集められたガス等は、再びエンドプレート１０内を通り、エンドプレート１０上に設けられる他の分配管１７内を通って、燃料電池１の外部へ排出される。

ここで、図４を用いて燃料電池１，２の外部へ排出されるガス等の流れを、更に詳しく説明する。図４は、図１中の一点鎖線で囲まれた領域Ｂ内を拡大して示した、分配管１７、エンドプレート１０および燃料電池１，２の部分断面図である。エンドプレート１０は、傾斜連絡流路１９を備える。この傾斜連絡流路１９は、２つの燃料電池１，２内のそれぞれの酸化ガスマニホールド５Ｂ，６Ｂから排出されるガスや水等の流体を併合して、酸化ガスマニホールド５Ｂ，６Ｂと分配管１７の流路３８との間を連絡するものである。傾斜連絡流路１９は、エンドプレート１０の下面に２つの燃料電池側接続口３３，３４を有し、上面に１つの分配管側接続口３２を有する。したがって、傾斜連絡流路１９は、二股に別れた流路部１９Ａ，１９Ｂを備える。それぞれの燃料電池１，２の酸化ガスマニホールド５Ｂ，６Ｂから排出されるガス等の流体は、それぞれの酸化ガスマニホールド５Ｂ，６Ｂと接続する燃料電池接続口３３，３４から傾斜連絡流路１９（１９Ａ，１９Ｂ）内へ進入する。傾斜連絡流路１９（１９Ａ，１９Ｂ）内へ進入した流体は、傾斜したそれぞれの流路部１９Ａ，１９Ｂ内を通り、その後、１つの分配管接続口３２において合流する。合流した流体は、分配管接続口３２と接続する分配管１７の流路３８内へ進入し、分配管１７と接続する所定の配管（図示せず）を通って外部へ排出される。

分配管１７は、フランジ部１８を備え、このフランジ部１８を介してエンドプレート１０の上面にボルト１６で固定される。なおエンドプレート１０の上面であって分配管接続口３２の近傍には、傾斜連絡流路１９へ向けて掘り下げられた、ボルト孔２１Ａ、リング状シール部材収容部２１Ｂ等の有底孔部２１が設けられている。

この傾斜連絡流路１９は、エンドプレート１０の上面の分配管接続口１９から下方へ垂直へ彫り込んだ２つの垂直壁（立壁）３５，３６を備える。ここで図５を用いて傾斜連絡流路１９の全体構造を示す。図５は、エンドプレート１０に形成された傾斜連絡流路１９の透過図である。なお説明の便宜上、図５では、傾斜連絡流路１９のみを示した。図５において示されるように、傾斜連絡流路１９は、矩形状の１つの分配管接続口３２と、矩形状の２つの燃料電池接続口３３，３４とを備える。この傾斜連絡流路１９は、図４において示されるように、分配管接続口３２の近傍に有底孔部２１（２１Ａ，２１Ｂ）を備えるが、垂直壁３５，３６を備える為、有底孔部２１と傾斜連絡流路１９との間の肉厚（間隔）を確保することが出来る。即ち、垂直壁３５を備えることにより、傾斜連絡流路１９の流路部１９Ａの壁面と、有底孔部２１との間の肉厚が確保され、垂直壁３６を備えることにより、傾斜連絡流路１９の流路部１９Ｂの壁面と、有底孔部２１との間の肉厚が確保される。その為、エンドプレート１０は、有底孔部２１と傾斜連絡流路１９との間の強度を確保出来る。

燃料電池用エンドプレート１０を有する燃料電池１，２を備える燃料電池装置３０は、車両用燃料電池装置、定置用燃料電池装置として用いられる。なお、エンドプレート１０は、２つの燃料電池１，２において共有されるものに限られず、燃料電池毎に用いられるものであってもよい。上記実施形態において、エンドプレート１１においては、エンドプレート１０の様に、傾斜連絡流路を備えるものではない。しかし、エンドプレート１１の側より、燃料電池１，２内へ流体の出し入れを行う場合には、エンドプレート１１に、傾斜連絡流路９，１９等の所定の連絡流路が形成されてもよい。

本実施形態に係る燃料電池用エンドプレートを備える燃料電池装置の概略構成図である。図１において示される領域Ａ内を拡大して示した部分断面図である。エンドプレート中の傾斜連絡流路の透過図である。図１において示される領域Ｂ内を拡大して示した部分断面図である。エンドプレート中の他の傾斜連絡流路の透過図である。

符号の説明

１，２燃料電池、３燃料電池セル、４締結部材（テンションプレート）、５，５Ａ，５Ｂ，６，６Ａ，６Ｂマニホールド（酸化ガスマニホールド）、７分配管、８分配管７の流路、９傾斜連絡流路、１０燃料電池用エンドプレート、１１他の燃料電池用エンドプレート、１２分配管接続口、１３燃料電池接続口、１４立壁、１５立壁１４を含む壁面、１６ボルト（固定手段）、１７分配管、１８フランジ部、１９傾斜連絡流路、１９Ａ，１９Ｂ傾斜連絡流路の流路部、２０ボルト挿入孔、２１有底孔部、２１Ａボルト孔、２１Ｂリング状シール部材収容部、２２ボルトのねじ山（雄ねじ部）、２３ボルト孔内のねじ溝（雌ねじ部）、２４リング状シール部材（Ｏリング）、３０燃料電池装置、３２分配管接続口、３３，３４燃料電池接続口、３５，３６垂直壁、３８分配管１７の流路、Ｘ仮想的な壁面。

Claims

一方の面の分配管接続口と、他方の面の燃料電池接続口との間を傾斜して連絡する傾斜連絡流路と、
分配管接続口の近傍に配置し、一方の面から前記傾斜連絡流路へ向けて掘り下げられた有底の有底孔部と、を備える燃料電池用エンドプレートにおいて、
前記傾斜連絡流路は分配管接続口から略垂直に彫り込まれた立壁を備えており、前記有底孔部は、前記分配管接続口に近い位置に形成され前記分配管接続口を周回し前記燃料電池用エンドプレートに固定される分配管との間をシールするためのリング状シール部材を収容するリング状シール部材収容部と、前記分配管のフランジ部をボルトで燃料電池用エンドプレートに固定するために前記リング状シール部材収容部よりも前記分配管接続口から離れた位置に形成された雌ねじ孔とを含み、前記立壁は前記リング状シール部材収容部の深さおよび前記雌ねじ孔の深さに応じて彫り込まれていることを特徴とする燃料電池用エンドプレート。
請求項１に記載の燃料電池用エンドプレートにおいて、
前記立壁の長さは、前記傾斜連絡流路の強度と共に前記傾斜連絡流路内部の流体の流れ易さも考慮して設定されることを特徴とする燃料電池用エンドプレート。
請求項１または２に記載の燃料電池用エンドプレートにおいて、
前記傾斜連絡流路は、一方の面側に配置される分配管の流路と、他方の面側に配置される燃料電池のマニホールドとの間を連絡することを特徴とする燃料電池用エンドプレート。