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技術 燃料電池スタック及びその設置方法

出願人 本田技研工業株式会社
発明者 杉浦誠治
出願日 2008年8月29日 (12年3ヶ月経過) 出願番号 2008-221368
公開日 2010年3月11日 (10年9ヶ月経過) 公開番号 2010-055995
状態 特許登録済
技術分野 燃料電池(システム) 燃料電池(本体)
主要キーワード 反転設置 エア抜き配管 電流ケーブル 積層方向上方 棒状端子 排出回路 冷却媒体供給配管 線断面説明図
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図面 (14)

課題

簡単且つ経済的な構成で、単位セル耐久性を良好に向上させることを可能にする。

解決手段

燃料電池スタック10は、エンドプレート20aを備えるとともに、前記エンドプレート20aには、酸化剤ガス供給配管接続部72aと酸化剤ガス排出配管接続部72bとが、点対称に配置されるとともに、燃料ガス供給配管接続部76aと燃料ガス排出配管接続部76bとが、点対称に配置される。エンドプレート20aの下部には、第1取り付けねじ孔部92aが設けられる一方、前記エンドプレート20aの上部には、第2取り付けねじ孔部92bが設けられ、前記第1取り付けねじ孔部92aと前記第2取り付けねじ孔部92bとは、点対称に配置される。

概要

背景

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜電解質)の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)を、セパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池では、アノード側電極の電極面に沿って燃料ガス(例えば、水素ガス)が供給されるとともに、カソード側電極の電極面に沿って酸化剤ガス(例えば、空気)が供給されることにより、発電が行われている。

その際、電極面内電流密度分布が発生しており、この電流密度分布は、燃料ガス濃度の高い部分、すなわち、燃料ガス入口部分で大きくなっている。このため、燃料電池は、燃料ガス入口部分での劣化速度が他の部分に比べて速くなり、前記燃料電池の寿命が短くなるおそれがある。

そこで、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池発電装置が知られている。この従来技術では、図13に示すように、切換スイッチSが、所定条件の信号に基づいて第1三方弁V1を切換え供給回路LAを第1回路L1に接続するとともに、第2三方弁V2を切換え、排出回路LBを第2回路L2に接続している。従って、燃料ガスGは、供給回路LA、第1回路L1、燃料電池FC、第2回路L2及び排出回路LBに沿って流れるとともに、燃料電池FCを矢印a方向に流れている。

一方、スイッチSが、所定条件の信号に基づいて第1三方弁V1を切換え、供給回路LAを第3回路L3に切換えるとともに、第2三方弁V2を切換え、排出回路LBを第4回路L4に切換えている。このため、燃料ガスGは、供給回路LA、第3回路L3、第2回路L2、燃料電池FC、第1回路L1、第4回路L4及び排出回路LBに沿って流れるとともに、燃料電池FCを矢印b方向に流れている。

これにより、燃料電池FCにおける燃料ガスGの流れは、所定時間毎に矢印a方向及び矢印b方向に交互に反転されるため、電池面が平均して使用され、前記燃料電池FCの寿命が長期化される、としている。

特開平5−343082号公報

概要

簡単且つ経済的な構成で、単位セルの耐久性を良好に向上させることを可能にする。燃料電池スタック10は、エンドプレート20aを備えるとともに、前記エンドプレート20aには、酸化剤ガス供給配管接続部72aと酸化剤ガス排出配管接続部72bとが、点対称に配置されるとともに、燃料ガス供給配管接続部76aと燃料ガス排出配管接続部76bとが、点対称に配置される。エンドプレート20aの下部には、第1取り付けねじ孔部92aが設けられる一方、前記エンドプレート20aの上部には、第2取り付けねじ孔部92bが設けられ、前記第1取り付けねじ孔部92aと前記第2取り付けねじ孔部92bとは、点対称に配置される。

目的

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、単位セルの耐久性を良好に向上させることが可能な燃料電池スタック及びその設置方法を提供することを目的とする。

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

一対の電極電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体セパレータとを有する単位セルを設け、複数の前記単位セルが横方向に積層されるとともに、積層方向両端エンドプレートが配設される燃料電池スタックであって、少なくとも一方の前記エンドプレートには、反応ガスを供給する反応ガス供給配管接続部と前記反応ガスを排出する反応ガス排出配管接続部とが、前記エンドプレートのプレート面中央部位を中心に点対称に配置されるとともに、前記エンドプレートの上部及び下部には、前記燃料電池スタックを設置するための取り付け部位が、前記プレート面中央部位を中心に点対称に設けられることを特徴とする燃料電池スタック。

請求項2

一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する単位セルを設け、複数の前記単位セルが縦方向に積層されるとともに、積層方向両端にターミナルプレート介装してエンドプレートが配設される燃料電池スタックであって、積層方向上方の前記エンドプレートには、反応ガスを供給する反応ガス供給配管接続部と前記反応ガスを排出する反応ガス排出配管接続部とが、前記エンドプレートのプレート面中央部位を中心に点対称に配置されるとともに、少なくとも一方の前記ターミナルプレートには、外部に突出する第1電流取り出し端子及び第2電流取り出し端子が、前記プレート面中央部位を中心に点対称に設けら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において、前記エンドプレートには、点対称の一方の姿勢を示す第1マーク部と、点対称の他方の姿勢を示す第2マーク部と、が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。

請求項4

一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する単位セルを設け、複数の前記単位セルが積層されるとともに、積層方向両端にエンドプレートが配設される燃料電池スタックの設置方法であって、少なくとも一方の前記エンドプレートには、反応ガスを供給する反応ガス供給配管接続部と前記反応ガスを排出する反応ガス排出配管接続部とが、前記エンドプレートのプレート面中央部位を中心に点対称に配置されており、前記燃料電池スタックを点対称の一方の姿勢で設置する工程と、前記燃料電池スタックの劣化状態を検出する工程と、検出された前記劣化状態に応じて、前記燃料電池スタックを、積層方向回転軸として180゜回転させることにより、点対称の他方の姿勢で設置する工程と、を有することを特徴とする燃料電池スタックの設置方法。

請求項5

請求項4記載の設置方法において、前記エンドプレートは、点対称の一方の姿勢を示す第1マーク部と、点対称の他方の姿勢を示す第2マーク部と、を有することを特徴とする燃料電池スタックの設置方法。

技術分野

0001

本発明は、一対の電極電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体セパレータとを有する単位セルを設け、複数の前記単位セルが積層されるとともに、積層方向両端エンドプレートが配設される燃料電池スタック及びその設置方法に関する。

背景技術

0002

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜(電解質)の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)を、セパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

0003

燃料電池では、アノード側電極の電極面に沿って燃料ガス(例えば、水素ガス)が供給されるとともに、カソード側電極の電極面に沿って酸化剤ガス(例えば、空気)が供給されることにより、発電が行われている。

0004

その際、電極面内電流密度分布が発生しており、この電流密度分布は、燃料ガス濃度の高い部分、すなわち、燃料ガス入口部分で大きくなっている。このため、燃料電池は、燃料ガス入口部分での劣化速度が他の部分に比べて速くなり、前記燃料電池の寿命が短くなるおそれがある。

0005

そこで、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池発電装置が知られている。この従来技術では、図13に示すように、切換スイッチSが、所定条件の信号に基づいて第1三方弁V1を切換え供給回路LAを第1回路L1に接続するとともに、第2三方弁V2を切換え、排出回路LBを第2回路L2に接続している。従って、燃料ガスGは、供給回路LA、第1回路L1、燃料電池FC、第2回路L2及び排出回路LBに沿って流れるとともに、燃料電池FCを矢印a方向に流れている。

0006

一方、スイッチSが、所定条件の信号に基づいて第1三方弁V1を切換え、供給回路LAを第3回路L3に切換えるとともに、第2三方弁V2を切換え、排出回路LBを第4回路L4に切換えている。このため、燃料ガスGは、供給回路LA、第3回路L3、第2回路L2、燃料電池FC、第1回路L1、第4回路L4及び排出回路LBに沿って流れるとともに、燃料電池FCを矢印b方向に流れている。

0007

これにより、燃料電池FCにおける燃料ガスGの流れは、所定時間毎に矢印a方向及び矢印b方向に交互に反転されるため、電池面が平均して使用され、前記燃料電池FCの寿命が長期化される、としている。

0008

特開平5−343082号公報

発明が解決しようとする課題

0009

上記の従来技術では、燃料電池FCにおける燃料ガスGの流れを反転させるために、燃料ガス回路及び反転燃料ガス回路である第1回路L1、第2回路L2、第3回路L3、第4回路L4、第1三方弁V1、第2三方弁V2及び切換スイッチSを設けている。このため、構成が複雑化するとともに、コストが高騰して経済的ではないという問題がある。

0010

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、単位セルの耐久性を良好に向上させることが可能な燃料電池スタック及びその設置方法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

0011

本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する単位セルを設け、複数の前記単位セルが横方向に積層されるとともに、積層方向両端にエンドプレートが配設される燃料電池スタックに関するものである。

0012

少なくとも一方のエンドプレートには、反応ガスを供給する反応ガス供給配管接続部と前記反応ガスを排出する反応ガス排出配管接続部とが、前記エンドプレートのプレート面中央部位を中心に点対称に配置されるとともに、前記エンドプレートの上部及び下部には、燃料電池スタックを設置するための取り付け部位が、前記プレート面中央部位を中心に点対称に設けられている。

0013

また、本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する単位セルを設け、複数の前記単位セルが縦方向に積層されるとともに、積層方向両端にターミナルプレート介装してエンドプレートが配設される燃料電池スタックに関するものである。

0014

積層方向上方のエンドプレートには、反応ガスを供給する反応ガス供給配管接続部と前記反応ガスを排出する反応ガス排出配管接続部とが、前記エンドプレートのプレート面中央部位を中心に点対称に配置されるとともに、少なくとも一方のターミナルプレートには、外部に突出する第1電流取り出し端子及び第2電流取り出し端子が、前記プレート面中央部位を中心に点対称に設けられている。

0015

さらに、エンドプレートには、点対称の一方の姿勢を示す第1マーク部と、点対称の他方の姿勢を示す第2マーク部とが設けられることが好ましい。

0016

さらにまた、本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する単位セルを設け、複数の前記単位セルが積層されるとともに、積層方向両端にエンドプレートが配設される燃料電池スタックの設置方法に関するものである。

0017

少なくとも一方のエンドプレートには、反応ガスを供給する反応ガス供給配管接続部と前記反応ガスを排出する反応ガス排出配管接続部とが、前記エンドプレートのプレート面中央部位を中心に点対称に配置されている。

0018

そして、この設置方法は、燃料電池スタックを点対称の一方の姿勢で設置する工程と、前記燃料電池スタックの劣化状態を検出する工程と、検出された前記劣化状態に応じて、前記燃料電池スタックを、積層方向回転軸として180゜回転させることにより、点対称の他方の姿勢で設置する工程とを有している。

0019

また、エンドプレートは、点対称の一方の姿勢を示す第1マーク部と、点対称の他方の姿勢を示す第2マーク部とを有することが好ましい。

発明の効果

0020

本発明によれば、燃料電池スタックは、例えば、点対称の一方の姿勢で設置される際、反応ガス供給配管接続部が外部の反応ガス供給配管に接続されるとともに、反応ガス排出配管接続部が外部の反応ガス排出配管に接続される。

0021

次いで、燃料電池スタックは、積層方向を回転軸として180゜回転することにより、点対称の他方の姿勢で設置される。このため、燃料電池スタックは、反応ガス供給配管接続部が反応ガス排出配管に接続されるとともに、反応ガス排出配管接続部が反応ガス供給配管に接続される。従って、燃料電池スタック内では、反応ガスの流れ方向が反転される。

0022

これにより、燃料電池スタックを180゜回転させるだけで、前記燃料電池スタック内の反応ガスの流れ方向を反転させることができ、専用の反転燃料ガス回路等が不要になる。このため、簡単且つ経済的な構成で、単位セルの耐久性を良好に向上させることが可能になり、燃料電池スタック全体の寿命が有効に長期化される。

発明を実施するための最良の形態

0023

図1は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタック10の概略斜視説明図である。

0024

燃料電池スタック10は、複数の単位セル12が横方向である水平方向(矢印A方向)に積層された積層体14を設ける。積層体14の積層方向(矢印A方向)の一端には、ターミナルプレート16a、絶縁プレート18a及びエンドプレート20aが外方に向かって配設される。積層体14の積層方向の他端には、ターミナルプレート16b、絶縁プレート18b及びエンドプレート20bが外方に向かって配設される。エンドプレート20a、20bは、複数(例えば、4本)のタイロッド21を介して締め付け保持される。

0025

図2に示すように、各単位セル12は、電解質膜・電極構造体22と、前記電解質膜・電極構造体22を挟持するカソード側セパレータ24及びアノード側セパレータ26とを備える。カソード側セパレータ24及びアノード側セパレータ26は、例えば、カーボンセパレータ又は金属セパレータで構成される。

0026

単位セル12の矢印B方向の一端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔28a、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔30a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔32bが設けられる。燃料ガス排出連通孔32bの下方には、冷媒エア抜き孔34aが設けられる。

0027

単位セル12の矢印B方向の他端縁部には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔32a、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔30b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔28bが設けられる。燃料ガス供給連通孔32aの上方には、冷媒エア抜き孔34bが設けられる。

0028

単位セル12では、酸化剤ガス供給連通孔28aと酸化剤ガス排出連通孔28bとが、積層方向を回転軸として点対称に配置される。燃料ガス供給連通孔32aと燃料ガス排出連通孔32bとは、同様に点対称に配置されるとともに、冷却媒体供給連通孔30aと冷却媒体排出連通孔30bとは、点対称に配置される。冷媒エア抜き孔34aと冷媒エア抜き孔34bとは、点対称に配置される。なお、これらの関係は、必要に応じて設定すればよく、少なくともエンドプレート20aが、後述する点対称関係を有していればよい。

0029

図2及び図3に示すように、カソード側セパレータ24の電解質膜・電極構造体22側の面24aには、例えば、矢印B方向に延在する酸化剤ガス流路36が設けられる。酸化剤ガス流路36は、複数の溝部を備えており、前記酸化剤ガス流路36と酸化剤ガス供給連通孔28a及び酸化剤ガス排出連通孔28bとは、連結流路38a、38bを介して連通する。連結流路38a、38bには、蓋部材ブリッジ)39a、39bが配設される。

0030

図2に示すように、カソード側セパレータ24の面24aとは反対の面24bには、冷却媒体流路40が形成される。冷却媒体流路40と冷却媒体供給連通孔30a及び冷却媒体排出連通孔30bとは、連結流路42a、42bを介して連通する。

0031

アノード側セパレータ26の電解質膜・電極構造体22側の面26aには、燃料ガス供給連通孔32aと燃料ガス排出連通孔32bとに連通し、矢印B方向に延在する燃料ガス流路44が形成される。燃料ガス流路44は、複数の溝部を備えるとともに、前記燃料ガス流路44と燃料ガス供給連通孔32a及び燃料ガス排出連通孔32bとは、後述するように、連通路部50a、50bを介して連通する。

0032

図4に示すように、アノード側セパレータ26の面26aとは反対の面26bには、冷却媒体供給連通孔30aと冷却媒体排出連通孔30bとに連通する冷却媒体流路40が形成される。冷却媒体流路40と冷却媒体供給連通孔30a及び冷却媒体排出連通孔30bとは、連結流路46a、46bを介して連通する。

0033

連通路部50aは、図2及び図4に示すように、複数の孔部52aと、前記孔部52aの一端に連通するとともに、燃料ガス供給連通孔32aに連通する複数の第1通路部54aと、前記孔部52aの他端に連通するとともに、燃料ガス流路44に連通する複数の第2通路部56aとを有する。

0034

連通路部50bは、上記の連通路部50aと同様に、図2及び図4に示すように、複数の孔部52bと、前記孔部52bの一端に連通するとともに、燃料ガス排出連通孔32bに連通する複数の第1通路部54bと、前記孔部52bの他端に連通するとともに、燃料ガス流路44に連通する複数の第2通路部56bとを有する。

0035

カソード側セパレータ24は、金属薄板上に第1シール部材58が一体に射出成形されるとともに、アノード側セパレータ26は、金属薄板上に第2シール部材60が一体に射出成形される。アノード側セパレータ26の長手方向(矢印B方向)両端部には、単位セル12のセル電圧を検出するためのセル電圧端子62a、62bが点対称に設けられる。なお、アノード側セパレータ26に代えて、カソード側セパレータ24にセル電圧端子62a、62bを設けてもよい。

0036

図2に示すように、電解質膜・電極構造体22は、例えば、パーフルオロスルホン酸薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜64と、前記固体高分子電解質膜64を挟持するカソード側電極66及びアノード側電極68とを備える。

0037

カソード側電極66及びアノード側電極68は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されることにより形成される電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜64の両面に形成されている。

0038

図1に示すように、ターミナルプレート16a、16bは、略中央部に棒状端子70a、70bを設ける。棒状端子70a、70bは、絶縁プレート18a、18b及びエンドプレート20a、20bを貫通して外部に露出する。

0039

エンドプレート20aの矢印B方向の一端縁部には、酸化剤ガス供給連通孔28aに連通する酸化剤ガス供給配管接続部(反応ガス供給配管接続部)72a、冷却媒体供給連通孔30aに連通する冷却媒体供給配管接続部74a、燃料ガス排出連通孔32bに連通する燃料ガス排出配管接続部(反応ガス排出配管接続部)76b、及び冷媒エア抜き孔34aに連通する第1冷媒エア配管接続部78aが設けられる。

0040

エンドプレート20aの矢印B方向の他端縁部には、冷媒エア抜き孔34bに連通する第2冷媒エア配管接続部78b、燃料ガス供給連通孔32aに連通する燃料ガス供給配管接続部(反応ガス供給配管接続部)76a、冷却媒体排出連通孔30bに連通する冷却媒体排出配管接続部74b、及び酸化剤ガス排出連通孔28bに連通する酸化剤ガス排出配管接続部(反応ガス排出配管接続部)72bが設けられる。

0041

図1及び図5に示すように、酸化剤ガス供給配管接続部72aと酸化剤ガス排出配管接続部72bとは、エンドプレート20aのプレート面中央部位を中心に点対称に配置されるとともに、燃料ガス供給配管接続部76aと燃料ガス排出配管接続部76bとは、前記プレート面中央部位を中心に点対称に配置される。冷却媒体供給配管接続部74aと冷却媒体排出配管接続部74bとは、エンドプレート20aのプレート面中央部位を中心に点対称に配置されるとともに、第1冷媒エア配管接続部78aと第2冷媒エア配管接続部78bとは、前記プレート面中央部位を中心に点対称に配置される。

0042

図6に示すように、酸化剤ガス供給配管接続部72aは、ブラケットを構成しており、エンドプレート20aの酸化剤ガス供給連通孔28aに連通する孔部80に挿入される筒状部82を有する。筒状部82は、シール部材84aを介して孔部80に気密に挿入されるとともに、前記筒状部82の端部には、フランジ部86が形成される。フランジ部86には、シール部材84bを内装して筒状連結部88が一体に設けられ、前記フランジ部86は、ボルト90によりエンドプレート20aに固定される。

0043

冷却媒体供給配管接続部74a、燃料ガス排出配管接続部76b、第1冷媒エア配管接続部78a、第2冷媒エア配管接続部78b、燃料ガス供給配管接続部76a、冷却媒体排出配管接続部74b及び酸化剤ガス排出配管接続部72bは、上記の酸化剤ガス供給配管接続部72aと同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。

0044

図5に示すように、エンドプレート20aの下部には、燃料電池スタック10を点対称の一方の姿勢で設置するための第1取り付けねじ孔部(取り付け部位)92aが2つ設けられる一方、前記エンドプレート20aの上部には、前記燃料電池スタック10を積層方向を回転軸として180゜回転させて点対称の他方の姿勢で設置するための第2取り付けねじ孔部(取り付け部位)92bが2つ設けられる。第1取り付けねじ孔部92aと第2取り付けねじ孔部92bとは、エンドプレート20aのプレート面中央部位を中心に点対称に配置される。

0045

エンドプレート20aのプレート面には、点対称の一方の姿勢を示す第1マーク部94aと、点対称の他方の姿勢を示す第2マーク部94bとが設けられる。第1マーク部94aは、図1に示す姿勢で正しい向きに配置される「NORMAL」の標記を有する。第2マーク部94bは、「REVERSE」の標記を有し、第1マーク部94aとは逆向きに配置された際に、正しい向きになる。

0046

図1に示すように、例えば、自動車車両内の取り付け面96には、マウント部材98が配設される。このマウント部材98は、ボルト100が第1取り付けねじ孔部92aに螺合することにより、燃料電池スタック10を一方の姿勢で設置する。

0047

なお、エンドプレート20bには、必要に応じて、第1取り付けねじ孔部92a及び第2取り付けねじ孔部92bを設けてもよく、また、第1マーク部94a及び第2マーク部94bを設けてもよい。

0048

燃料電池スタック10では、一方の姿勢において、各単位セル12のセル電圧端子62aにセル電圧コネクタ102が接続される。酸化剤ガス供給配管接続部72a、冷却媒体供給配管接続部74a及び燃料ガス排出配管接続部76bには、それぞれ酸化剤ガス供給配管104a、冷却媒体供給配管106a及び燃料ガス排出配管108bが接続される。第1冷媒エア配管接続部78aは、蓋110により閉塞される一方、第2冷媒エア配管接続部78bには、エア抜き配管112が接続される。

0049

燃料ガス供給配管接続部76a、冷却媒体排出配管接続部74b及び酸化剤ガス排出配管接続部72bには、それぞれ燃料ガス供給配管108a、冷却媒体排出配管106b及び酸化剤ガス排出配管104bが接続される。

0050

棒状端子70a、70bには、電流ケーブル114a、114bが電気的に接続され、図示しない負荷(例えば、走行用モータ補機等)に所定の電流を供給する。

0051

このように構成される燃料電池スタック10の動作について、以下に説明する。

0052

先ず、図1に示すように、燃料ガス供給配管108aから燃料ガス供給連通孔32aに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給配管104aから酸化剤ガス供給連通孔28aに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給配管106aから冷却媒体供給連通孔30aに純水やエチレングリコールオイル等の冷却媒体が供給される。

0053

このため、燃料ガスは、図2に示すように、アノード側セパレータ26に設けられている連通路部50aを介して燃料ガス流路44に導入される。燃料ガス流路44に導入された燃料ガスは、矢印B方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体22を構成するアノード側電極68に供給される。

0054

一方、酸化剤ガスは、図3に示すように、酸化剤ガス供給連通孔28aからカソード側セパレータ24に設けられた各連結流路38aを通って酸化剤ガス流路36に導入される。これにより、酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路36を矢印B方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体22を構成するカソード側電極66に供給される。

0055

従って、電解質膜・電極構造体22では、カソード側電極66に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極68に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。

0056

次いで、アノード側電極68に供給されて消費された使用済みの燃料ガスは、連通路部50bを介して燃料ガス排出連通孔32bに導出された後、この燃料ガス排出連通孔32bに沿って矢印A方向に排出される。この使用済みの燃料ガスは、図1に示すように、燃料ガス排出配管108bを介して燃料電池スタック10の外部に排出される。

0057

一方、カソード側電極66に供給されて消費された酸化剤ガスは、各連結流路38bを通って酸化剤ガス排出連通孔28bに排出される。この酸化剤ガスは、図1に示すように、酸化剤ガス排出配管104bを介して燃料電池スタック10の外部に排出される。

0058

また、冷却媒体は、図2に示すように、冷却媒体供給連通孔30aから連結流路42a、46aを通って冷却媒体流路40に導入された後、矢印B方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体22を冷却した後、連結流路42b、46bを通って冷却媒体排出連通孔30bに排出される。さらに、冷却媒体は、図1に示すように、冷却媒体排出配管106bを介して燃料電池スタック10の外部に排出される。

0059

冷却媒体流路40の上部側には、冷媒エア抜き孔34bが連通している。このため、冷却媒体流路40を流動する冷却媒体に含まれるエアは、冷媒エア抜き孔34bからエア抜き配管112を介して燃料電池スタック10の外部に排出される(図1参照)。

0060

この場合、第1の実施形態では、燃料電池スタック10の劣化状態が検出される。この劣化状態は、例えば、セル電圧コネクタ102に接続される検出器(図示せず)により検出される各単位セル12のセル電圧の低下に基づいて判断することができる。

0061

また、以下に説明する劣化係数計算式から判断することも可能である。具体的には、「NORMAL」方向で運転した際の劣化係数をDn、「REVERSE」方向で運転した際の劣化係数をDrとすると、Dn=A×Nn+B×Tn及びDr=A×Nr+B×Trの計算式が得られる。

0062

ここで、Aは、起動ダメージ係数、Bは、発電及びOCV開回路電圧)のダメージ係数、Nnは、「NORMAL」方向の搭載状態での起動回数、Nrは、「REVERSE」方向の搭載状態での起動回数、Tnは、「NORMAL」方向の搭載状態での0.8v以上の運転時間、Trは、「REVERSE」方向の搭載状態での0.8v以上の運転時間である。

0063

そして、例えば、定期点検時にDn>Drであれば、「REVERSE」方向に搭載する一方、Dn<Drであれば、「NORMAL」方向に搭載する。なお、燃料電池スタック10が、最初に「NORMAL」方向に搭載された際には、予め設定された運転時間等に基づいて、前記燃料電池スタック10を「REVERSE」方向に姿勢変更をして搭載する。

0064

姿勢変更をする際には、酸化剤ガス供給配管接続部72a、冷却媒体供給配管接続部74a及び燃料ガス排出配管接続部76bから、それぞれ酸化剤ガス供給配管104a、冷却媒体供給配管106a及び燃料ガス排出配管108bが取り外される。一方、燃料ガス供給配管接続部76a、冷却媒体排出配管接続部74b及び酸化剤ガス排出配管接続部72bから、それぞれ燃料ガス供給配管108a、冷却媒体排出配管106b及び酸化剤ガス排出配管104bが取り外される。また、第1冷媒エア配管接続部78aから蓋110が取り外されるとともに、第2冷媒エア配管接続部78bからエア抜き配管112が取り外される。

0065

さらに、各単位セル12のセル電圧端子62aからセル電圧コネクタ102が取り外されるとともに、ボルト100が第1取り付けねじ孔部92aから離脱されて燃料電池スタック10がマウント部材98から取り外される。

0066

次いで、燃料電池スタック10は、積層方向(矢印A方向)を回転軸として180゜反転され、点対称の他方の姿勢に変換される。このため、図7に示すように、第2マーク部94bが上方に配置され、「REVERSE」の標記が正しい向きに配置される。

0067

そこで、ボルト100が第2取り付けねじ孔部92bに螺合することにより、燃料電池スタック10は、マウント部材98に他方の姿勢で設置される。この燃料電池スタック10では、各単位セル12のセル電圧端子62bにセル電圧コネクタ102が接続される。

0068

酸化剤ガス排出配管接続部72b、冷却媒体排出配管接続部74b及び燃料ガス供給配管接続部76aには、それぞれ酸化剤ガス供給配管104a、冷却媒体供給配管106a及び燃料ガス排出配管108bが接続される。第2冷媒エア配管接続部78bは、蓋110により閉塞される一方、第1冷媒エア配管接続部78aには、エア抜き配管112が接続される。

0069

燃料ガス排出配管接続部76b、冷却媒体供給配管接続部74a及び酸化剤ガス供給配管接続部72aには、それぞれ燃料ガス供給配管108a、冷却媒体排出配管106b及び酸化剤ガス排出配管104bが接続される。

0070

上記の「REVERSE」の姿勢で設置された燃料電池スタック10では、各単位セル12が積層方向を回転軸として180゜回転されている。このため、電解質膜・電極構造体22において、カソード側電極66の電極面に沿って流動する酸化剤ガスの流れ及びアノード側電極68の電極面に沿って流動する燃料ガスの流れは、逆方向となる。酸化剤ガス供給連通孔28aと酸化剤ガス排出連通孔28bとが、入れ替わる一方、燃料ガス供給連通孔32aと燃料ガス排出連通孔32bとが、入れ替わっているからである。

0071

第1の実施形態では、図1及び図7に示すように、酸化剤ガス供給配管接続部72aと酸化剤ガス排出配管接続部72bとは、エンドプレート20aのプレート面中央部位を中心に点対称に配置されるとともに、燃料ガス供給配管接続部76aと燃料ガス排出配管接続部76bとは、前記プレート面中央部位を中心に点対称に配置されている。

0072

さらに、冷却媒体供給配管接続部74aと冷却媒体排出配管接続部74bとは、エンドプレート20aのプレート面中央部位を中心に点対称に配置されるとともに、第1冷媒エア配管接続部78aと第2冷媒エア配管接続部78bとは、前記プレート面中央部位を中心に点対称に配置されている。さらにまた、第1取り付けねじ孔部92aと第2取り付けねじ孔部92bとは、エンドプレート20aのプレート面中央部位を中心に点対称に配置されている。

0073

従って、燃料電池スタック10は、積層方向を回転軸として180゜回転するだけで、点対称の一方の姿勢と他方の姿勢とに設置することができ、前記燃料電池スタック10内の酸化剤ガス及び燃料ガスの流れ方向を反転させることが可能になる。

0074

これにより、例えば、専用の反転燃料ガス回路等が不要になるとともに、単位セル12の部分的な劣化の進行を抑制することができる。このため、簡単且つ経済的な構成で、単位セル12の耐久性を良好に向上させることが可能になり、燃料電池スタック10全体の寿命が有効に長期化されるという効果が得られる。

0075

図8は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタック120の概略平面説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池スタック10と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。なお、以下に説明する第3及び際4の実施においても同様に、その詳細な説明は省略する。

0076

燃料電池スタック120は、複数の単位セル122を備えるとともに、各単位セル122は、電解質膜・電極構造体22と、前記電解質膜・電極構造体22を挟持するカソード側セパレータ124及びアノード側セパレータ126とを備える。

0077

カソード側セパレータ124の矢印B方向一端部には、セル電圧端子62aが設けられる一方、アノード側セパレータ126の矢印B方向他端部には、セル電圧端子62bが設けられる。セル電圧端子62a、62bは、点対称の位置に設定される。

0078

このように構成される第2の実施形態では、燃料電池スタック120が、積層方向を回転軸として180゜回転される際に、セル電圧端子62aとセル電圧端子62bとは、セル電圧コネクタ102の取り付け位置に交互に配置される。従って、燃料電池スタック120の反転設置作業が簡素化される等、第1の実施形態と同様の効果が得られる。

0079

図9は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池スタック130の概略平面説明図である。

0080

燃料電池スタック130は、単位セル132a、132bを交互に積層する。各単位セル132aは、電解質膜・電極構造体22と、前記電解質膜・電極構造体22を挟持するカソード側セパレータ134a及びアノード側セパレータ136aとを備えるとともに、各単位セル132bは、電解質膜・電極構造体22と、前記電解質膜・電極構造体22を挟持するカソード側セパレータ134b及びアノード側セパレータ136bとを備える。

0081

単位セル132aを構成するカソード側セパレータ134aの矢印B方向一端部には、セル電圧端子62aが設けられる一方、単位セル132bを構成するカソード側セパレータ134bの矢印B方向他端部には、セル電圧端子62bが設けられる。セル電圧端子62a、62bは、点対称の位置に設定される。

0082

なお、カソード側セパレータ134a、134bに代えて、アノード側セパレータ136a、136bにセル電圧端子62a、62bを設けてもよい。

0083

このように構成される第3の実施形態では、上記の第2の実施形態と同様の効果が得られる。

0084

図10は、本発明の第4の実施形態に係る燃料電池スタック140の概略斜視説明図である。

0085

燃料電池スタック140は、複数の単位セル142が縦方向である鉛直方向(矢印C方向)に積層された積層体144を設ける。積層体144の積層方向(矢印C方向)の上方側には、ターミナルプレート146a、絶縁プレート148a及びエンドプレート150aが外方に向かって配設される。積層体144の積層方向の下方側には、ターミナルプレート146b、絶縁プレート148b及びエンドプレート150bが外方に向かって配設される。単位セル142は、冷媒エア抜き孔34a、34bが設けられない以外、第1の実施形態に係る単位セル12と同様に構成される。

0086

図11に示すように、少なくとも一方のターミナルプレート146aには、外部に突出する板状の第1電流取り出し端子152a及び第2電流取り出し端子154aが、エンドプレート150aのプレート面中央部位を中心に点対称の位置に設けられる。ターミナルプレート146bには、外部に突出する板状の第1電流取り出し端子152b及び第2電流取り出し端子154bが、エンドプレート150aのプレート面中央部位を中心に点対称の位置に設けられる。

0087

エンドプレート150bの四隅には、図12に示すように、4つのマウント部材156に固定される取り付け部158が点対称位置に設けられる。取り付け部158は、例えば、マウント部材156にねじ止めされるねじ孔等により構成される。

0088

このように構成される第4の実施形態では、燃料電池スタック140は、図10に示すように、一方の姿勢である「NORMAL」の姿勢に配置される。すなわち、酸化剤ガス供給配管接続部72a、冷却媒体供給配管接続部74a及び燃料ガス排出配管接続部76bには、それぞれ酸化剤ガス供給配管104a、冷却媒体供給配管106a及び燃料ガス排出配管108bが接続される。

0089

燃料ガス供給配管接続部76a、冷却媒体排出配管接続部74b及び酸化剤ガス排出配管接続部72bには、それぞれ燃料ガス供給配管108a、冷却媒体排出配管106b及び酸化剤ガス排出配管104bが接続される。第1電流取り出し端子152a、152bには、電流ケーブル114a、114bが電気的に接続される。

0090

一方、燃料電池スタック140は、積層方向を回転軸として180゜回転されることにより、図12に示すように、点対称の他方の姿勢である「REVERSE」の姿勢に配置される。その際、酸化剤ガス排出配管接続部72b、冷却媒体排出配管接続部74b及び燃料ガス供給配管接続部76aには、それぞれ酸化剤ガス供給配管104a、冷却媒体供給配管106a及び燃料ガス排出配管108bが接続される。

0091

燃料ガス排出配管接続部76b、冷却媒体供給配管接続部74a及び酸化剤ガス供給配管接続部72aには、それぞれ燃料ガス供給配管108a、冷却媒体排出配管106b及び酸化剤ガス排出配管104bが接続される。そして、第2電流取り出し端子154a、154bには、電流ケーブル114a、114bが電気的に接続される。

0092

これにより、第4の実施形態では、簡単且つ経済的な構成で、燃料電池スタック140の耐久性を良好に向上させることが可能になる等、第1〜第3の実施形態と同様の効果が得られる。

図面の簡単な説明

0093

本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視説明図である。
前記燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視説明図である。
前記単位セルを構成するカソード側セパレータの正面図である。
前記単位セルを構成するアノード側セパレータの正面図である。
前記燃料電池スタックを構成するエンドプレートの正面説明図である。
前記燃料電池スタックを構成する酸化剤ガス供給配管接続部の、図1中、VI−VI線断面説明図である。
前記燃料電池スタックが点対称の他方の姿勢に設置された際の斜視説明図である。
本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタックの概略平面説明図である。
本発明の第3の実施形態に係る燃料電池スタックの概略平面説明図である。
本発明の第4の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視説明図である。
前記燃料電池スタックを構成するターミナルプレートの斜視説明図である。
前記燃料電池スタックが点対称の他方の姿勢に設置された際の概略斜視説明図である。
特許文献1に開示されている燃料電池発電装置の説明図である。

符号の説明

0094

10、120、130、140…燃料電池スタック
12、122、132a、132b、142…単位セル
14、144…積層体
16a、16b、146a、146b…ターミナルプレート
18a、18b、148a、148b…絶縁プレート
20a、20b、150a、150b…エンドプレート
22…電解質膜・電極構造体
24、124、134a、134b…カソード側セパレータ
26、126、136a、136b…アノード側セパレータ
28a…酸化剤ガス供給連通孔28b…酸化剤ガス排出連通孔
30a…冷却媒体供給連通孔30b…冷却媒体排出連通孔
32a…燃料ガス供給連通孔32b…燃料ガス排出連通孔
34a、34b…冷却エア抜き孔36…酸化剤ガス流路
40…冷却媒体流路44…燃料ガス流路
64…固体高分子電解質膜66…カソード側電極
68…アノード側電極72a…酸化剤ガス供給配管接続部
72b…酸化剤ガス排出配管接続部 74a…冷却媒体供給配管接続部
74b…冷却媒体排出配管接続部 76a…燃料ガス供給配管接続部
76b…燃料ガス排出配管接続部 78a、78b…冷媒エア配管接続部
92a、92b…取り付けねじ孔部 94a、94b…マーク部
98…マウント部材104a…酸化剤ガス供給配管
104b…酸化剤ガス排出配管 106a…冷却媒体供給配管
106b…冷却媒体排出配管 108a…燃料ガス供給配管
108b…燃料ガス排出配管 110…蓋
112…エア抜き配管114a、114b…電流ケーブル

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