JP2002100392A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 積層方向及び高さ方向の占有スペースをでき
るかぎり少なくでき、かつ、効率よく電力を取り出すこ
とができる燃料電池スタックを提供する。 【解決手段】 固体高分子電解質膜１２の両側に各々ア
ノード側電極１３とカソード側電極１４を設けた単位燃
料電池セル１５をセパレータ１６，１７を介して水平方
向に積層し、各電極１３，１４に対する水素ガス、空
気、冷却水の給排用の連通孔が前記各電極１３，１４等
の面内を貫通して形成された燃料電池スタックにおい
て、最も外側に位置する単位燃料電池セル１５の端部を
構成する導電プレート２２の外側に、周囲を絶縁部材３
４で囲んだ導電性の平板３５を設け、この平板３５から
略垂直方向に向かって外周を絶縁した導電性材料から成
る突起部３６を設け、この突起部３６を電力取り出し用
のターミナルとして構成したことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、燃料電池スタッ
クに関するものであり、特に、電力取り出し用の端子を
改良した燃料電池スタックに係るものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、固体高分子型燃料電池は、高分
子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の
両側にそれぞれアノード側電極とカソード側電極を対設
して構成された単位燃料電池セルを、セパレータによっ
て挟持することにより構成されている。この固体高分子
型燃料電池は、通常、単位燃料電池セル及びセパレータ
を所定数だけ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】この種の燃料電池スタックにおいて、アノ
ード側電極に供給された燃料ガス、例えば、水素ガス
は、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された
電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その
間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エ
ネルギーとして利用される。カソード側電極には、酸化
剤ガス、例えば酸素ガスあるいは空気が供給されている
ために、このカソード側電極において、前記水素イオ
ン、前記電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。

【０００４】ところで、上記燃料電池スタックを車両、
特に乗用車に搭載して使用する場合には、車室の床下に
配置される場合が多い関係で高さ方向のスペースが大き
く制限されるため、単位燃料電池セルの高さを抑えるた
めに、各単位燃料電池セルをセパレータを介して水平方
向に複数個積層し、かつ、燃料電池スタックに供給する
燃料ガスや酸化剤ガスなどの供給通路を各セパレータの
面内に連通孔として設けた内部マニホールド構造として
いる（例えば、特開平８−１７１９２６号公報参照）。

【０００５】この一例を図８、図９によって説明する
と、同図において、１は燃料電池スタックを示し、この
燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜をアノード
側電極とカソード側電極とで挟んで構成される単位燃料
電池セルが、セパレータ２を介して水平方向に複数個積
層されたものである。アノード側電極及びカソード電極
には、各々の面内を貫く燃料ガス、酸化剤ガス、冷却液
の供給・排出用の各連通孔３が設けられ内部マニホール
ドが構成されている。各単位燃料電池セルはスタッドボ
ルト４により締め付けられるが、燃料電池スタック１の
積層方向の一端側には皿ばね等から成る締め付け構造部
５が、他端側にはワッシャー等から成る他の締め付け構
造部６が各々設けられ、必要な締め付け力で中央部分の
発電セル部の各単位燃料電池セルに締め付け力を付与し
ている。ここで、図９に示すように、前記積層方向の最
も外側に位置する単位燃料電池セルの端面には、電極プ
レート７が設けられ、この電極プレート７の外側に絶縁
プレート８を介して前記締め付け構造部５，６が設けら
れている。そして、前記電極プレート７の上部には電力
取り出し用の端子部９が延出し、この端子部９が燃料電
池スタック１の端部側に向かって屈曲形成されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の燃料電池スタック１においては、前記内部マニホー
ルド構造により、外部マニホールドタイプに比較して設
置高さを低く抑えている点で優れているが、前記電極プ
レート７の端子部９が燃料電池スタック１の周囲から延
出してしまう分、せっかく高さを低く抑えているのにも
かかわらず、燃料電池スタック周囲のスペースを狭くし
てしまうという問題がある。つまり、前記締め付け構造
部５，６の外側端面を構成するバックアッププレート１
０が、スタッドボルト４挿通のためのスペースを確保す
る分だけ高さ方向のスペースが大きくなる点を除けば、
燃料電池スタック１の各電極プレート７は高さ方向の寸
法Ｈ１を確保すれば済むのだが、電気配線を配索した後
のバックアッププレート１０と端子部９の結線との間隔
を離すため、前記端子部９をバックアッププレート１０
の上端よりも更に上方に延ばす必要があるため、その分
だけ燃料電池スタック１の周囲のスペースを狭くしてし
まい、結果としてバックアッププレート１０の下側から
の全高Ｈ２も高いものとなってしまうのである。

【０００７】また、前記端子部９が電極プレート７の周
囲に設けられている関係で、中央部から電力を取り出す
場合に比較して、電気抵抗が大きいという問題がある。
これに対して、できるだけ電気抵抗を少なくするため
に、電極プレート７を厚くすることも考えられるが、こ
のようにすると燃料電池スタック１の前記積層方向の長
さが増加し、占有スペースが大きくなるという問題があ
る。そこで、この発明は、積層方向及び高さ方向の占有
スペースをできるかぎり少なくでき、かつ、効率よく電
力を取り出すことができる燃料電池スタックを提供する
ものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１に記載した発明は、電解質（例えば、実施
形態における固体高分子電解質膜１２）の両側に各々ア
ノード側電極（例えば、実施形態におけるアノード側電
極１３）とカソード側電極（例えば、実施形態における
カソード側電極１４）を設けた単位燃料電池セル（例え
ば、実施形態における単位燃料電池セル１５）をセパレ
ータ（例えば、実施形態におけるセパレータ１６，１
７）を介して水平方向に積層し、前記各電極に対する反
応ガス、冷却液の給排用の連通孔（例えば、実施形態に
おける連通孔２５，２６，２７）を各電極等の面内を貫
通して形成した燃料電池スタックにおいて、前記積層方
向の最も外側に位置する単位燃料電池セルの端面に導電
性の平板（例えば、実施形態における平板３５）を設
け、この平板から略垂直方向に向かって外周を絶縁した
導電性材料から成る突起部（例えば、実施形態における
突起部３６）を設け、この突起部を電力取り出し用のタ
ーミナルとして構成したことを特徴とする。このように
構成することで、内部マニホールド構造によりできる限
り周囲への占有スペースの拡大を抑制し、突起部により
平板の周囲への突出をなくすと共に外部との絶縁を確保
した状態で電力の取り出しが可能となる。

【０００９】請求項２に記載した発明は、前記突起部の
平板に対する取付位置を、前記各電極の中央部寄りに設
定したことを特徴とする。このように構成することで、
平板の周囲から電力を取り出した場合に比較して、アノ
ード側電極あるいはカソード側電極の双方において、少
ない電気抵抗で効率よく電力を取り出せることが可能と
なる。

【００１０】請求項３に記載した発明は、前記突起部
を、単位燃料電池セルを積層方向で締め付ける締め付け
構造部（例えば、実施形態における締め付け構造部３
３）の環状付勢力付与手段（例えば、実施形態における
ワッシャー３２、皿ばね３０）の内部に挿通したことを
特徴とする。このように構成することで、環状付勢力付
与手段の内部空間を有効利用することが可能となる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施形態を図面
と共に説明する。図１〜図４において、１１は車載用の
燃料電池スタックを示している。燃料電池スタック１１
は、固体高分子電解質膜（電解質）１２をアノード側電
極１３とカソード側電極１４とで挟んで構成される単位
燃料電池セル１５が、セパレータ１６，１７を介して水
平方向に複数個積層された固体高分子型の燃料電池スタ
ックである。

【００１２】アノード側電極１３と隣接するセパレータ
１６との間に水素ガス（反応ガスである燃料ガス）の供
給路１８が形成され、一方、カソード側電極１４と隣接
するセパレータ１７との間に空気（反応ガスである酸化
剤ガス）の供給路１９が形成される。また、各セパレー
タ１６，１７の背面間の供給路２０にエチレングリコー
ルなどの冷却水（冷却液）が供給され、単位燃料電池セ
ル１５を冷却するようになっている。尚、図示都合上、
図１において、断面を示すハッチングは省略する。

【００１３】そして、上記水素ガス、空気、冷却水を各
供給路１８，１９，２０に供給するために、各単位燃料
電池セル１５のアノード側電極１３、カソード側電極１
４、及び、後述する電極プレート２１、導電プレート２
２、絶縁プレート２３、エンドプレート２４の各面内を
貫通して連通孔２５，２６，２７が各々形成され、内部
マニホールド構造となっている。

【００１４】積層された単位燃料電池セル１５は、スタ
ッドボルト２８により締め付けられるが、前記単位燃料
電池セル１５の積層方向の最も外側に位置する単位燃料
電池セル１５の端面を構成するセパレータ１６の外側に
は、カーボン材料で形成された冷却水隔離用の導電プレ
ート２２が各々接触して配置されている。

【００１５】そして、燃料電池スタック１の一端側（図
１において左側）の導電プレート２２の外側には、後述
する電極プレート２１を介して樹脂などから成る絶縁プ
レート２３が配置され、この絶縁プレート２３の外側に
は、エンドプレート２４とバックアッププレート２９間
に皿ばね（環状付勢力付与手段）３０が介装された締め
付け構造部３１が前記積層方向に設けられている。

【００１６】一方、燃料電池スタック１の他端側（図１
において右側）の導電プレート２２の外側には、後述す
る電極プレート２１を介して樹脂などから成る絶縁プレ
ート２３が配置され、この絶縁プレート２３の外側には
エンドプレート２４とバックアッププレート２９間にワ
ッシャー（環状付勢力付与手段）３２が介装された締め
付け構造部３３が設けられている。そして、これら両締
め付け構造部３１，３３により、必要な締め付け力で積
層された単位燃料電池セル１５に締め付け力を付与して
いる。この実施形態では前記皿ばね３０は、図３に示す
ように、上部に３個、下部に３個、２段に配置され、図
４に示すように、ワッシャー３２は水平方向に２つ配置
されている。

【００１７】ここで、図２に示すように、前記電極プレ
ート２１は、図３、図４に示すようにエンドプレート２
４（セパレータ１６，１７）の高さ寸法Ｈ１と同じ高さ
寸法Ｈ１に収まっており、周囲を絶縁部材３４で囲まれ
た導電性の平板３５と、この平板３５の略中央部から略
垂直方向、つまり前記単位燃料電池セル１５の積層方向
に向かって突出する円柱状の突起部３６とで構成されて
いる。

【００１８】この電極プレート２１の具体的形状を図
２、図５に基づいて説明する。ここで、両端に配置され
た２つの電極プレート２１は構成が同じであるので、一
端側の電極プレート２１のみを説明する。電極プレート
２１は、積層方向の最も外側の単位燃料電池セル１５の
外側の導電プレート２２に当接して導通し電力を取り出
すものである。電極プレート２１は、周囲が樹脂などの
絶縁部材３４で形成され、中央部には電気伝導率の高い
銅製の平板３５を備えている。絶縁部材３４には、前述
したように水素ガス供給・排出用の連通孔２５と、空気
の供給・排出用の連通孔２６が、各々側部の対角位置に
設けられ、冷却水の連通孔２７は、スタッドボルト２８
の挿通孔３７が形成された上部と下部であって、スタッ
ドボルト２８の３つの挿通孔３７の間に各々２つ設けら
れている。

【００１９】ここで、図示しないセパレータ１６，１７
についても同様のことがいえるが、冷却水の連通孔２７
をスタッドボルト２８の挿通孔３７間に形成すること
で、スタッドボルト２８の挿通のために設けられたスペ
ースを冷却水の連通孔２７の配置スペースとして有効利
用し、高さ寸法を低く抑えている。

【００２０】平板３５の上下方向中央部には、幅方向
（図２の左右方向）にオフセットした位置に略垂直方
向、つまり前記単位燃料電池セル１５の積層方向に向か
って突出する突起部３６が設けられている。具体的に
は、突起部３６はできるだけ平板３５の中央部寄り（縦
横共に全長の２０％〜８０％程度の位置）に設定される
が、燃料電池スタック１１の一端側では、締め付け構造
部３１の上下の皿ばね３０の配置位置をさけるようにし
て、上下方向中央部であって、２個の皿ばね３０間に対
応する位置に取り付けられ、また、燃料電池スタック１
１の他端側では、締め付け構造部３３の一方のワッシャ
ー３２の内部を貫く位置に対応して取り付けられてい
る。尚、前記皿ばね３０の内部を貫く位置でもよい。

【００２１】前記突起部３６は平板３５にろう付け、あ
るいはねじ込みなどで固定された中空円筒形状の銅製の
ターミナルジョイント３８と、このターミナルジョイン
ト３８内に挿通され、ターミナルジョイント３８の先端
からねじ部３９Ａを突出させるボルト３９と、このボル
ト３９の頭部３０Ｂを平板３５に抜け止めして固定する
クリップ４０から構成されている。前記ターミナルジョ
イント３８の先端から突出するボルト３９のねじ部３９
Ａには、図６、図７で後述するように、電力取り出し用
の配線４１の圧着端子４２をターミナルジョイント３８
の端面に当接させた状態でナット４３により締め付ける
ようになっている。

【００２２】ターミナルジョイント３８の外周は、絶縁
材料から成る絶縁チューブ４４で覆われ、この突起部３
６により貫通されるエンドプレート２４、バックアップ
プレート２９の貫通孔４５周囲との電気的短絡を防止し
ている。ここで、ターミナルジョイント３８の端面は絶
縁されず露出しており、この部分が前記圧着端子４２と
接触して導通させ電力を取り出す。尚、ターミナルジョ
イント３８の断面形状は円形に限らず、角型の筒形状で
あってもよい。また、ボルト３９を別部材として設けな
いで、ターミナルジョイント３８の先端に一体でねじ部
として形成してもよい。

【００２３】ここで、図５に示すように、前記エンドプ
レート２４に形成された突起部３６の貫通孔４５の周縁
にはゴム製のグロメット４６が装着され、グロメット４
６の内周部のリップ部４６Ａによりエンドプレート２４
に対してガタツキなく、かつ、絶縁を確実なものとして
支持されるようになっている。尚、その他、絶縁プレー
ト２３、バックアッププレート２９にもグロメット４６
を設けてもよい。

【００２４】このように構成された電極プレート２１の
突起部３６は、燃料電池スタック１１の一端側では、図
６に示すように、バックアッププレート２９から突出
し、燃料電池スタック１１の他端側では、図７に示すよ
うに、バックアッププレート２９から突出し、先端から
突出するボルト３９のねじ部３９Ａに、配線４１の圧着
端子４２がナット４３により締め付けられる。そして、
図示しないが、図６のバックアッププレート２９の各連
通孔２５，２６，２７には、空気、水素ガス、冷却水の
給排用の配管が接続され、空気、水素ガス、冷却水が燃
料電池スタック１１の内部をＵターンするようにして流
れ、前記２つの圧着端子４２から電力が取り出される。
尚、図７に示すバックアッププレート２９には前記各連
通孔２５，２６，２７は設けられていない。

【００２５】上記実施形態によれば、積層方向の最も外
側の単位燃料電池セル１５の端部を構成する導電プレー
ト２２に、周囲が絶縁部材３４で囲まれた電極プレート
２１の銅製の平板３５が当接し、この平板３５から略垂
直方向に向かって外周を絶縁した主として銅製の突起部
３６が、絶縁プレート２３、エンドプレート２４、バッ
クアッププレート２９を貫通して設けられている。した
がって、平板３５の周囲に対する絶縁は絶縁部材３４で
これを行い、突起部３６により平板３５の周囲への突出
をなくすと共に絶縁チューブ４４により外部との絶縁を
確保した状態で電力の取り出しが可能となるので、燃料
電池スタック１１の積層方向、高さ方向の占有スペース
をできる限り少なくして、小型化を図ることができる。
したがって、内部マニホールド構造によりできる限り周
囲への占有スペースの拡大を抑制することができること
も相俟って、設置スペースの点で制約の多い車載用とし
て床下に搭載して使用した場合に好適である。

【００２６】また、前記突起部３６の平板３５に対する
取付位置を、前記アノード側電極１３やカソード側電極
１４の中央部寄りに設定したため、平板３５の周囲から
電力を取り出した場合に比較して、アノード側電極１３
あるいはカソード側電極１４の双方において、少ない電
気抵抗で効率よく電力を取り出すことが可能となる。し
たがって、電気的ロス分が少なくなりその分だけ発電効
率を高めることができる。その結果、電気抵抗を少なく
するため平板３５の板圧を厚くする必要が無くなるた
め、この点でも、燃料電池スタック１１の積層方向の長
さを短くでき、小型化に寄与することができる。

【００２７】そして、前記突起部３６を、単位燃料電池
セル１５を積層方向で締め付ける他端側の締め付け構造
部３３のワッシャー３２の内部に挿通したことで、ワッ
シャー３２の内部空間を有効利用することが可能とな
る。したがって、ワッシャー３２の外側に配置した場合
に比較して余分なスペースが節約でき、各種周辺機器類
の配置自由度をその分だけ高めることができる。

【００２８】尚、この発明は上記実施形態に限られるも
のではなく、例えば、燃料電池スタック１１の一端側で
は皿ばね３０を上下２段で６個備えた締め付け構造部３
１を例にして説明したが、配置段数や皿ばね３０の数は
これに限られるものではない。同様に、燃料電池スタッ
ク１１の他端側の締め付け構造部３３のワッシャー３２
についても２個に限られない。そして、上記一端側の電
極プレート２１の突起部３６は皿ばね３０の配置位置を
さけるようにして、バックアッププレート２９を貫通し
ているが、皿ばね３０の配置数に応じて、他端側のワッ
シャー３２のように皿ばね３０を貫通するようにして設
けてもいよい。もちろん、ワッシャー３２の配置数に応
じて、燃料電池スタック１１の他端側の電極プレート２
１の突起部３６をワッシャー３２をさけるようにして配
置することは自由である。

【００２９】

【発明の効果】以上説明してきたように、請求項１に記
載した発明によれば、内部マニホールド構造によりでき
る限り周囲への占有スペースの拡大を抑制し、突起部に
より平板の周囲への突出をなくすと共に外部との絶縁を
確保した状態で電力の取り出しが可能となるため、積層
方向、高さ方向の占有スペースをできる限り少なくして
小型化することができるという効果がある。したがっ
て、設置スペースの点で制約の多い車載用として使用し
た場合に好適である。

【００３０】請求項２に記載した発明によれば、請求項
１の効果に加え、平板の周囲から電力を取り出した場合
に比較して、アノード側電極あるいはカソード側電極の
双方において、少ない電気抵抗で効率よく電力を取り出
せることが可能となるため、電気的ロス分が少なくなり
その分だけ発電効率を高めることができるという効果が
ある。また、電気抵抗を少なくするため平板の板圧を厚
くする必要が無くなるため、この点でも、燃料電池スタ
ックの積層方向の長さを短くでき、小型化に寄与するこ
とができるという効果がある。

【００３１】請求項３に記載した発明によれば、環状付
勢力付与手段の内部空間を有効利用することが可能とな
るため、その分のスペースが節約でき、各種周辺機器類
の配置自由度をその分だけ高めることができるという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の第１実施形態の模式的正断面図で
ある。

【図２】 この発明の第１実施形態の電極プレートの模
式的平面図である。

【図３】 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

【図４】 図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。

【図５】 図２の上側から見た電極プレートの挿入状態
を示す断面説明図である。

【図６】 図１のＣ側（燃料電池スタックの一端側）か
ら見たバックアッププレートの斜視図である。

【図７】 図１のＤ側（燃料電池スタックの他端側）か
ら見たバックアッププレートの斜視図である。

【図８】 従来技術の模式的正面図である。

【図９】 従来技術の図８のＥ−Ｅ線に沿う断面図であ
る。

【符号の説明】

１２ 固体高分子電解質膜（電解質） １３ アノード電極 １４ カソード電極 １５ 単位燃料電池セル １６，１７ セパレータ ２５，２６，２７ 連通孔 ３２ ワッシャー（環状付勢力付与手段） ３５ 平板 ３６ 突起部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 若穂囲 俊哉 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC08

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電解質の両側に各々アノード側電極とカ
   ソード側電極を設けた単位燃料電池セルをセパレータを
   介して水平方向に積層し、各電極に対する反応ガス、冷
   却液の給排用の連通孔を前記各電極等の面内を貫通して
   形成した燃料電池スタックにおいて、前記積層方向の最
   も外側に位置する単位燃料電池セルの端面に導電性の平
   板を設け、この平板から略垂直方向に向かって外周を絶
   縁した導電性材料から成る突起部を設け、この突起部を
   電力取り出し用のターミナルとして構成したことを特徴
   とする燃料電池スタック。
2. 【請求項２】 前記突起部の平板に対する取付位置を、
   前記各電極の中央部寄りに設定したことを特徴とする請
   求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 【請求項３】 前記突起部を、単位燃料電池セルを積層
   方向で締め付ける締め付け構造部の環状付勢力付与手段
   の内部に挿通したことを特徴とする請求項１又は請求項
   ２に記載の燃料電池スタック。