JP2004127771A

JP2004127771A - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP2004127771A
Application number: JP2002291512A
Authority: JP
Inventors: Toshiya Wakahoi; 若穂囲　俊哉; Ken Takahashi; 高橋　謙
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-10-03
Filing date: 2002-10-03
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2022-10-03
Also published as: JP4185752B2

Abstract

【課題】燃料電池スタックを確実に固定するともに、所望の発電性能を確保することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０の両端部には、マウント構造７０ａ、７０ｂおよび７０ｃが組み込まれる。マウント構造７０ａは、車両の設置面７２に固定される固定部材７６と、燃料電池スタック１０に固定されるマウント部材８０とを備える。固定部材７６は係止部８２を有し、マウント部材８０は、この係止部８２に水平方向に摺動可能に係合する円板部９０を設け、隙間Ｈ分だけ摺動可能である。固定部材７６と円筒部８８との間には、振動や衝撃を吸収するための緩衝部材であるゴム部材９２が介装される。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質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構造体が、セパレータを介装して水平方向に沿って複数個積層される燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、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）からなる電解質膜を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合したアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体（発電部）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより構成される単位セルを備えている。通常、この単位セルは、所定数だけ積層して燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質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として利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、上記の燃料電池スタックを車両等に搭載して使用する場合、走行中の振動や発進および停止の繰り返し等によって前記燃料電池スタックに負荷が作用してしまうため、該燃料電池スタックを車両に対して強固に固定する必要がある。このため、例えば、特許文献１に開示されているように、燃料電池スタックの周域に補強枠を構築するとともに、前記補強枠の頂部に支持具を介して燃料電池スタックの上部締め付け板を支持する支持構造が知られている。
【０００５】
この特許文献１では、燃料電池スタックがセルスタック、マニホールドおよび上部締め付け板から構成されており、この燃料電池スタックを車体の床面上にベース架台を介して据え付けるとともに、前記燃料電池スタックの周域に補強枠を構築し、この補強枠を構成する支持ピンで上部締め付け板を拘束支持することにより、該燃料電池スタックを固定支持している。
【０００６】
【特許文献１】
特開平５−８２１５７号公報（図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献１では、支持構造が高さ方向に相当に大きな寸法を有することになり、燃料電池スタックを配置する車両等の種類や配置箇所が限定されてしまい、例えば、前記燃料電池スタックを乗用車車体の床下等に設置することができないという問題が指摘されている。
【０００８】
さらに、燃料電池スタックが、特に車載用として車両に組み込まれる際には、走行時の振動や、急発進時および急停止時の衝撃（慣性力）を受け易い。ところが、上記の支持構造では、燃料電池スタックに作用する振動や衝撃等を良好に吸収することができず、損傷が発生するおそれがあるとともに、燃料ガスや酸化剤ガス等の密封性が十分でなく、発電性能が劣化するという不具合が指摘されている。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、振動や衝撃等に影響されることがなく、燃料電池スタックを確実に固定するとともに、所望の発電性能を保持することが可能な燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池スタックでは、燃料電池スタックを設置部位に水平方向に沿って取り付けるためのマウント構造が、前記設置部位に固定されるとともに、水平方向内方または外方に突出する係止部を設ける固定部材と、前記燃料電池スタックの積層方向両端に設けられ、前記係止部に水平方向に摺動可能に係合する案内部を有するマウント部材と、前記固定部材と前記マウント部材との間に介装される緩衝部材とを備えている。
【００１１】
このため、燃料電池スタックの周囲温度や運転温度の変化等によって前記燃料電池スタックが積層方向に伸縮する際、車載時の急発進および急停止により前記燃料電池スタックに衝撃が作用する際、マウント部材の案内部と固定部材の係止部とが摺動するとともに、緩衝部材が衝撃の吸収を行う。従って、マウント構造に過度な応力が発生することを阻止し、かつ燃料電池スタックの内部に燃料ガスや酸化剤ガス等の反応ガスを完全に密封することができる。これにより、簡単な構成で、発電性能を高く維持することが可能になる。
【００１２】
さらに、マウント部材の案内部が固定部材の係止部に水平方向に摺動可能に係合するため、マウント構造に上下方向の振動等の外力が作用しても、燃料電池スタックの上下動を有効に規制することができる。このため、燃料電池スタックの内部に反応ガスを完全に密封することが可能になる。
【００１３】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池スタックでは、固定部材とマウント部材とには、該マウント部材が水平方向に移動する距離を規制するためのストッパが設けられている。従って、燃料電池スタックを構成する構造体とセパレータとの間に大きな隙間が形成されることがなく、反応ガスおよび冷却媒体のシール性を良好に維持することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
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の一部分解概略斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の一部断面側面図であり、図３は、前記燃料電池スタック１０の概略平面図である。
【００１５】
燃料電池スタック１０は、図１および図２に示すように、複数の単位セル１２が矢印Ａ方向に積層された積層体１４を備え、前記積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）両端には、それぞれターミナル端子板１６ａ、１６ｂと、インシュレータ板１８ａ、１８ｂと、エンドプレート２０ａ、２０ｂとが外方に向かって、順次、配設される。
【００１６】
ターミナル端子板１６ａ、１６ｂの中央部には、積層方向に突出して柱状の端子部２２ａ、２２ｂが形成されるとともに、前記端子部２２ａ、２２ｂは、インシュレータ板１８ａ、１８ｂの中央部から積層方向に突出する円筒部２４ａ、２４ｂに挿入される。エンドプレート２０ａ、２０ｂは、ケーシング２６を介して一体的に結合される。
【００１７】
図４に示すように、各単位セル１２は、電解質膜・電極構造体（構造体）３４と、前記電解質膜・電極構造体３４を挟持する第１および第２セパレータ３６、３８とを備える。第１および第２セパレータ３６、３８は、例えば、金属製の板材により構成されている。なお、第１および第２セパレータ３６、３８はカーボン材等により構成してもよい。電解質膜・電極構造体３４と第１および第２セパレータ３６、３８との間には、後述する連通孔の周囲および電極面の外周を覆って、シール部材３９が介装されている。
【００１８】
単位セル１２の長辺（矢印Ｂ方向）側の一端縁部には、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４０ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔４２ａ、および燃料ガス、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４４ｂが設けられる。
【００１９】
単位セル１２の長辺側の他端縁部には、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４４ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔４２ｂ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔４０ｂが設けられる。
【００２０】
電解質膜・電極構造体３４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸されてなる固体高分子電解質膜４６と、該固体高分子電解質膜４６を挟持するアノード側電極４８およびカソード側電極５０とを備える。
【００２１】
アノード側電極４８およびカソード側電極５０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てなる電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜４６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜４６の両面に接合されている。
【００２２】
第１セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３４側の面３６ａには、燃料ガス供給連通孔４４ａと燃料ガス排出連通孔４４ｂとを連通する燃料ガス流路５２が形成される。この燃料ガス流路５２は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成されている。第１セパレータ３６の面３６ｂには、冷却媒体供給連通孔４２ａと冷却媒体排出連通孔４２ｂとを連通する冷却媒体流路５４が形成される。この冷却媒体流路５４は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成されている。
【００２３】
第２セパレータ３８の電解質膜・電極構造体３４側の面３８ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガス流路５６が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路５６は、酸化剤ガス供給連通孔４０ａと酸化剤ガス排出連通孔４０ｂとに連通する。
【００２４】
ケーシング２６は、図１および図２に示すように、下板６４ａ、上板６４ｂおよび側板６４ｃ、６４ｄを備えており、これらがボルト６６を介してエンドプレート２０ａ、２０ｂに固定される。エンドプレート２０ａには、マウント構造７０ａが設けられるとともに、エンドプレート２０ｂには、マウント構造７０ｂ、７０ｃが設けられる（図１〜図３参照）。
【００２５】
なお、マウント構造７０ａ〜７０ｃは、同様に構成されており、以下、マウント構造７０ａについて詳細に説明し、マウント構造７０ｂ、７０ｃについては、前記マウント構造７０ａと同一の構成要素に同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００２６】
マウント構造７０ａは、例えば、車両の設置面（設置部位）７２にボルト７４を介して固定される金属製固定部材７６と、エンドプレート２０ａにボルト７８を介して固定される金属製マウント部材８０とを備える。固定部材７６は、鉛直上方向に膨出するとともに、水平方向外方に突出する円板状の係止部８２を設ける。係止部８２の中央には、上部から所定の深さにねじ穴８４が形成される。
【００２７】
マウント部材８０は、鉛直方向に延在してエンドプレート２０ａに当接される取り付け部８６と、鉛直方向に軸線を有する円筒部８８とを一体的に備える。円筒部８８の上部には、半径内方に突出し、係止部８２に水平方向に摺動可能に係合する円板部（案内部）９０が設けられる。
【００２８】
図２に示すように、円筒部８８内には、固定部材７６の首部７６ａを周回して緩衝部材、例えば、リング状ゴム部材９２が配設される。円筒部８８の内周面と係止部８２の外周面との間には、所定の間隙Ｈが設けられる。この間隙Ｈは、マウント部材８０が水平方向に移動する距離を規制するためのストッパとして機能する。
【００２９】
係止部８２のねじ穴８４には、止め部材９４がねじ込まれる。この止め部材９４は、ねじ穴８４に螺合するねじ部９６と、マウント部材８０の円板部９０を固定部材７６の係止部８２と挟持する円板状押さえ部９８とを一体的に設ける。
【００３０】
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。
【００３１】
まず、図１に示すように、燃料電池スタック１０では、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス供給連通孔４０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔４４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔４２ａ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。このため、積層体１４では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数組の単位セル１２に対し、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体が矢印Ａ１方向に供給されることになる。
【００３２】
図４に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔４０ａから第２セパレータ３８の酸化剤ガス流路５６に導入され、電解質膜・電極構造体３４を構成するカソード側電極５０に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４４ａから第１セパレータ３６の燃料ガス流路５２に導入され、電解質膜・電極構造体３４を構成するアノード側電極４８に沿って移動する。
【００３３】
従って、各電解質膜・電極構造体３４では、カソード側電極５０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４８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。
【００３４】
次いで、アノード側電極４８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔４４ｂに排出されて矢印Ａ２方向に流動し、エンドプレート２０ａから排出される。同様に、カソード側電極５０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔４０ｂに沿って矢印Ａ２方向に流動した後、エンドプレート２０ａから排出される。
【００３５】
また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔４２ａから第１セパレータ３６の冷却媒体流路５４に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３４を冷却した後、冷却媒体排出連通孔４２ｂを矢印Ａ２方向に移動し、エンドプレート２０ａから排出される。
【００３６】
この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０を構成するエンドプレート２０ａにマウント構造７０ａが設けられる一方、エンドプレート２０ｂには、マウント構造７０ｂ、７０ｃが設けられている。マウント構造７０ａ〜７０ｃは、図１および図２に示すように、燃料電池スタック１０に組み付けられるマウント部材８０と、設置面７２に固定される固定部材７６とを備えており、このマウント部材８０の円板部９０が、前記固定部材７６の係止部８２に水平方向（矢印Ａ方向）に摺動可能に係合している。さらに、マウント部材８０の円筒部８８と固定部材７６の首部７６ａとの間に、ゴム部材９２が介装されている。
【００３７】
このため、例えば、燃料電池スタック１０の周囲温部や運転温度の変化等によって、前記燃料電池スタック１０が積層方向（矢印Ａ方向）に伸縮する際、車両の急発進や急停止により前記燃料電池スタック１０に衝撃が作用する際、円板部９０が係止部８２を摺動するとともに、ゴム部材９２が緩衝部材として機能する。この結果、マウント構造７０ａ〜７０ｃに過度な応力が発生することがなく、前記マウント構造７０ａ〜７０ｃを良好に維持することが可能になる。
【００３８】
しかも、マウント部材８０は、固定部材７６に対して円筒部８８の内周面と係止部８２の外周面との隙間Ｈだけスライド可能である。従って、この隙間Ｈはストッパとして機能し、車両の急発進時や急停止時に燃料電池スタック１０が矢印Ａ１方向および矢印Ａ２方向に隙間Ｈ以上の距離を移動することが規制される。
【００３９】
これにより、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０を構成する各単位セル１２内に大きな隙間が形成されることがなく、燃料ガスおよび酸化剤ガスや冷却媒体のシール性を良好に維持することができるという効果が得られる。
【００４０】
さらにまた、マウント構造７０ａ〜７０ｃでは、設置面７２に金属製の固定部材７６が固定され、この固定部材７６の係止部８２に金属製のマウント部材８０の円板部９０が摺接し、この円板部９０が止め部材９４の押さえ部９８を介して前記係止部８２に押圧保持されている。このため、マウント構造７０ａ〜７０ｃは、上下方向（矢印Ｃ方向）に振動等の外力が作用しても、上下方向に移動することがない。
【００４１】
これにより、燃料電池スタック１０の上下動を有効に規制することができ、前記燃料電池スタック１０の内部に燃料ガスや酸化剤ガス等の反応ガスや冷却媒体を完全に密封することが可能になり、簡単な構成で、発電性能を高く維持することができるという利点がある。
【００４２】
なお、摺動部位である係止部８２と円板部９０との摺動面には、異音の低減や摺動性の向上を図るために、樹脂材やクロム等のメッキ処理を施すことが望ましい。また、係止部８２と円板部９０との間および固定部材７６と円筒部８８の先端面との間には、所定の隙間を設けることによって、摺動摩擦の低減を図ることが望ましい。さらに、ゴム部材９２は、燃料電池スタック１０の大きさや重量等に基づいて硬度および体積が選択される。
【００４３】
さらにまた、第１の実施形態では、エンドプレート２０ａにマウント構造７０ａを設ける一方、エンドプレート２０ｂにマウント構造７０ｂ、７０ｃを設けているが、このエンドプレート２０ａに前記マウント構造７０ａを２つ設けてもよい。
【００４４】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００の一部断面側面図である。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。
【００４５】
燃料電池スタック１００では、積層方向両端にマウント構造１０２が所定の数ずつ設けられる。図５および図６に示すように、マウント構造１０２は、設置面７２に固定される金属製固定部材１０４と、この金属製固定部材１０４上にボルト１０６を介して取り付けられるストッパ部材１０８と、燃料電池スタック１００に固定される金属製マウント部材１１０とを備える。
【００４６】
ストッパ部材１０８は、上下方向に軸心を有する円筒形状に設定されるとともに、その上部には、半径内方向（水平方向内方）に突出して係止部１１２が形成される。マウント部材１１０には、ストッパ部材１０８内に配置される円板部（案内部）１１４が設けられるとともに、この円板部１１４の底面には、緩衝部材、例えば、ゴム部材１１６が固着される。ストッパ部材１０８の内周面と円板部１１４の外周面との間には所定の間隙Ｈ１が設けられ、この間隙Ｈ１は、マウント部材１１０の水平方向に移動する距離を規制するためのストッパとして機能する。
【００４７】
なお、係止部１１２と円板部１１４との摺動部位には、少なくとも一方に樹脂材を設けて摺動時の異音発生を防止するとともに、摺動性を向上させることが望ましい。
【００４８】
このように構成される第２の実施形態では、マウント部材１１０が固定部材１０４に対して水平方向に所定距離（隙間Ｈ１）だけ摺動可能であるとともに、緩衝部材としてゴム部材１１６が設けられている。これにより、特に、走行時の振動や加減速時の衝撃（慣性力）を有効に緩和することができ、燃料電池スタック１００の損傷を阻止するとともに、反応ガスおよび冷却媒体を完全に密封することが可能になり、良好な発電性能を維持することができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４９】
なお、第２の実施形態では、略円筒形状のストッパ部材１０８を用いているが、図７に示すように、分割されたストッパ部材１０８ａ、１０８ｂおよび１０８ｃを同心円上に配置してもよい。
【００５０】
また、ゴム部材１１６は、円柱状に形成されているが、これに限定されるものではない。例えば、図８に示すように、外周部に複数の凹部１２０が等角度間隔ずつ離間して設けられるゴム部材１１６ａや、図９に示すように、中央部に孔部１２２が設けられるゴム部材１１６ｂや、図１０に示すように、複数の孔部１２４が同心円上に等角度間隔ずつ離間して設けられるゴム部材１１６ｃ等を用いることも可能である。
【００５１】
さらに、第１および第２の実施形態では、積層体１４をケーシング２６に収容しているが、これに限定されるものではなく、前記ケーシング２６を用いない構成にも、良好に適用することができる。
【００５２】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、燃料電池スタックの周囲温度や運転温度の変化等によって前記燃料電池スタックが積層方向に伸縮する際や、車載時の急発進および急停止により前記燃料電池スタックに衝撃が作用する際、マウント部材の案内部と固定部材の係止部とが摺動するとともに、緩衝部材が衝撃の吸収を行う。従って、マウント構造に過度な応力が発生することを阻止し、かつ燃料電池スタックの内部に燃料ガスや酸化剤ガス等の反応ガスや冷却媒体を完全に密封することができる。これにより、簡単な構成で、発電性能を高く維持することが可能になる。
【００５３】
さらに、マウント部材の案内部が固定部材の係止部に水平方向に摺動可能に係合するため、マウント構造に上下方向の振動等の外力が作用しても、燃料電池スタックの上下動を有効に規制することができる。これにより、燃料電池スタックの内部に反応ガスや冷却媒体を完全に密封することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの一部分解概略斜視図である。
【図２】前記燃料電池スタックの一部断面側面図である。
【図３】前記燃料電池スタックの概略平面図である。
【図４】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。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの一部断面側面図である。
【図６】前記燃料電池スタックを構成するマウント構造の斜視図である。
【図７】別の構成を有するマウント構造の斜視図である。
【図８】別の形状のゴム部材の斜視図である。
【図９】さらに別の形状を有するゴム部材の斜視図である。
【図１０】さらにまた別の形状を有するゴム部材の斜視図である。
【符号の説明】
１０、１００…燃料電池スタック　　　１２…単位セル
２０ａ、２０ｂ…エンドプレート　　　２４ａ、２４ｂ、８８…円筒部
２６…ケーシング　　　　　　　　　　３４…電解質膜・電極構造体
３６、３８…セパレータ　　　　　　　４６…固体高分子電解質膜
４８…アノード側電極　　　　　　　　５０…カソード側電極
５２…燃料ガス流路　　　　　　　　　５４…冷却媒体流路
５６…酸化剤ガス流路　　　　　　　　７２…設置面
７６、１０４…固定部材　　　　　　　８０、１１０…マウント部材
８２、１１２…係止部　　　　　　　　９０、１１４…円板部
９２、１１６、１１６ａ〜１１６ｃ…ゴム部材
９４…止め部材　　　　　　　　　　　９８…押さえ部
１０２…マウント構造
１０８、１０８ａ〜１０８ｃ…ストッパ部材

Claims

電解質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構造体が、セパレータを介装して水平方向に沿って複数個積層される燃料電池スタックであって、
前記燃料電池スタックを設置部位に水平方向に沿って取り付けるためのマウント構造を備え、
前記マウント構造は、前記設置部位に固定されるとともに、水平方向内方または外方に突出する係止部を設ける固定部材と、
前記燃料電池スタックの積層方向両端に設けられ、前記係止部に水平方向に摺動可能に係合する案内部を有するマウント部材と、
前記固定部材と前記マウント部材との間に介装される緩衝部材と、
を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記固定部材と前記マウント部材とには、該マウント部材が水平方向に移動する距離を規制するためのストッパが設けられることを特徴とする燃料電池スタック。