JP2004342340A

JP2004342340A - 燃料電池用エンドプレート構造

Info

Publication number: JP2004342340A
Application number: JP2003134053A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Okuyama; 良一奥山
Original assignee: Yuasa Corp; Yuasa Battery Corp
Current assignee: Yuasa Corp
Priority date: 2003-05-13
Filing date: 2003-05-13
Publication date: 2004-12-02

Abstract

【課題】材質としてガラス繊維や炭素繊維で強化した樹脂材料やアルミ合金もしくはマグネシウム合金といった比較的比重の小さな材料を用いることが可能な燃料電池用エンドプレート構造を提供する。
【解決手段】１個の燃料電池セル（１）、または２個以上の燃料電池セルからなる積層体を、エンドプレートで挟んで固定する燃料電池用エンドプレート構造であって、
前記エンドプレートには、燃料、空気若しくは冷却水を供給及び排出するための貫通口（２−１−１，２−１−２）を設け、前記燃料、空気若しくは冷却水の流路を形成する管状部材（４，５）を嵌合した燃料電池用エンドプレート構造。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプロトン伝導性高分子固体電解質とその両側に一対の空気極と燃料極が配され、その燃料極側に水素ガスや各種の有機物を含有する溶液を供給し、その空気極に空気中の酸素を供給することを特徴とした高分子固体電解質形燃料電池に関し、特に、１個の燃料電池セル、または、２個以上の燃料電池セルの積層体をエンドプレートで挟んで固定する燃料電池用エンドプレートに関するものである。
また、さらに言えば、上記のエンドプレートのコストダウンを図るとともに、これを軽量化するためのエンドプレートの構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境問題や資源問題への対策が重要になっており、その対策のひとつとして燃料電池の開発が活発に行われている。
特にプロトン伝導性高分子固体電解質を電解質に用いた高分子固体電解質形燃料電池は、運転温度が低く、またコンパクトなシステム構成が可能なことから、移動体用電源、家庭用コジェネレーション電源、携帯用電源として有望である。
【０００３】
高分子固体電解質燃料電池には、燃料に水素ガスを用いるＰＥＦＣと呼ばれるものや、燃料にメタノール水溶液を用いるＤＭＦＣと呼ばれるものがある。
しかしながら、これらの構造はほとんど同じである。
【０００４】
この基本となる構造は電解質膜に触媒層とガス拡散層を接合したＭＥＡを燃料および空気を供給するための空気極セパレーター、燃料極セパレーターで挟み込み、さらにこの外側に必要に応じて冷却水を流して電池の冷却を行うための冷却板を設けた構造であり、これらを複数枚積層した集合電池の外側に、電流を取り出すための負極端子板と正極端子板が設けられる。
さらにこれらの集合体の接触抵抗を小さくするとともに、燃料、空気、冷却水のもれを防止するため、エンドプレートが設けられ、２枚のエンドプレート間にボルト／ナットもしくは締め付け板によって締め付け、これらを一体化させることが行われてきた。
【０００５】
これらのエンドプレートには、燃料や空気、冷却水を電池内に供給もしくは排出するための構造が設けられ、これらの構造を通じて、燃料、空気、冷却水が電池内部に供給されていた。
固体高分子形燃料電池では電池内に金属イオンや、不純物イオンが混入すると特性が低下することが知られている。
したがって、エンドプレートの材質には、これらの流体を流しても、腐食せず、また不純物の混入もほとんど生じないことが求められていた。
【０００６】
また、エンドプレートには上記の燃料、空気、冷却水の導入もしくは排出と同時に、積層した電池群を均一に締め付けることが必要であり、このためには５〜２０ｋｇｆ／ｃｍ^２程度の圧力で締め込んだ際にもそのひずみが小さく、電池群が均一に締め付けられることが必要であった。
【０００７】
図３を用いて従来の燃料電池スタックの構造を説明する。
図３（ａ）は、燃料電池スタックとして組み立てた状態を示す斜視図である。
１は、複数の燃料電池セルで、該複数の燃料電池セルをエンドプレート２−１，２−２により挟んで、固定用ボルトナット３によって締め付けて燃料電池スタックを構成している。
また、図３（ａ）に示す燃料電池スタックにおける、４は燃料の入口となる燃料用管状部材であり、５は空気の出口となる空気用管状部材であり、燃料電池で発生した電気出力を端子板６−１，６−２から取り出す構造になっている。
【０００８】
図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す一方のエンドプレート２−１と燃料電池セル１の一部を分解した状態を示す図である。
図３（ｂ）において、２−１はエンドプレート、４は燃料用管状部材、５は空気用管状部材、１−１〜１−７は燃料電池セル１の構成要素である。
１−１はシリコンゴム製絶縁板、１−２は端子板、１−３は第１のセパレータ、１−４は第１のパッキング、１−５はＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ）、１−６は第２のパッキング、１−７は第２のセパレータである。
【０００９】
エンドプレート２−１には、燃料および空気の供給や排出を行うための燃料供給部材４及び空気排出部材５が取付けられている。
また、締め付け用ボルトを固定するための貫通口２−１−３が、エンドプレートの周囲に複数個設けられている。
【００１０】
このエンドプレート２−１には、シリコンゴム製の絶縁板１−１を介して端子板１−２に接続されている。
また、前記端子板１−２に第１のセパレータ１−３、第１のパッキング１−４、ＭＥＡ１−５、第２のパッキング１−６及び第２のセパレータ１−７は図示の如く積層して燃料電池セルを構成して、該燃料電池セルを複数積層して締め付け用ボルト３を貫通口２−１−３を貫通させて締め付けられる。
【００１１】
次に、図３（ａ）の燃料電池スタックのエンドプレート部分の構造を図４を用いて説明する。
図４は、図３（ａ）の燃料電池スタックのエンドプレート部分の断面図である。
図４において、２−１は一方のエンドプレートであり、該エンドプレートのマニホールド部７に続く貫通口の外側に燃料用管状部材４が取り付けられている状態を示している。
なお、図２では空気用管状部材は示されていない。
【００１２】
図４に示すように、従来の燃料電池スタックのエンドプレート構造では、燃料や空気の供給や排出を行う通路がエンドプレートを貫通する貫通口で構成されているため、燃料や空気がエンドプレートに接触することになる。
したがって、エンドプレートをステンレス等の耐食材料で構成する必要があり、エンドプレートの材質にはアルミ合金もしくはマグネシウム合金といった材料は、比重は小さいものの腐食性があるため、用いることができなかった。
【００１３】
また、従来例として例えば、圧縮強度が１００ＭＰａ以上の樹脂材料を用いたエンドプレートが知られている。（例えば、特許文献１参照）
また、省スペース化とシール性の両方を達成できる燃料電池のマニホールドとして、エンドプレートにＯ−リング付のマニホールド部材をボルトによって接続する構造が知られている。（例えば、特許文献２参照）
しかし、この方法では燃料や、空気、冷却水はエンドプレート部分に接してしまうため、この部分に比重の軽いＡｌ合金、マグネシウム合金を使うことはできない。また、さらに高強度樹脂材料を用いる場合にも多くのネジ穴を設ける必要があり、その加工は困難である。
また、ガス配管パイプをエンドプレートに接触させることなく挿入するものとしては、エンドプレートに貫通口を設け、電池とエンドプレートの間に設けられた絶縁板にガス配管をネジ止めする方法が知られている。（例えば、特許文献３参照）
しかし、この方法では、ガスは直接エンドプレートには接しないものの、絶縁板に新たに接続のためのネジ部を設ける必要がある。
【００１４】
【特許文献１】
特開２００１−２３６９８２号公報（請求項１）
【特許文献２】
特開２００２−３４３４０６号公報（図５及びその説明の項）
【特許文献３】
特開平０７−２８２８３６号公報（図１及びその説明の項）
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の如く、燃料電池スタックのエンドプレートには耐食性の点からステンレス材料もしくは高強度の樹脂材料が用いられ、さらに締め付け時のひずみ防止の点からその肉厚も８〜２０ｍｍ程度の厚さの物が用いられることが多かった。
さらに、燃料、空気、冷却水の導入パイプや排出バイプと接続を行うために、このエンドプレートにコネクター接続用のねじ穴が設けられたり、接続パイプが溶接される必要があった。
【００１６】
また、このような材質の制約、肉厚の制約、燃料や空気、冷却水を供給もしくは排出するための構造を設けるなどの要因はいずれも、エンドプレートのコストを高いものとし、また、その重量を増大させる原因となっていた。
【００１７】
本発明の課題
（目的）は、材質としてガラス繊維や炭素繊維で強化した樹脂材料やアルミ合金もしくはマグネシウム合金といった比較的比重の小さな材料を用いることが可能な燃料電池用エンドプレートを提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記の問題点を解消するために、発明者らは、高分子固体電解質形燃料電池のエンドプレートの構造について検討を行い、有効な方法を見出した。
即ち、１個の燃料電池セル、または２個以上の燃料電池セルからなる積層体を、エンドプレートで挟んで固定する燃料電池用エンドプレート構造であって、
前記エンドプレートには、燃料、空気若しくは冷却水を供給及び排出するための貫通口を設け、前記燃料、空気若しくは冷却水の流路を形成する管状部材を嵌合した燃料電池用エンドプレート構造。（請求項１）
【００１９】
また、前記管状部材にはフランジ部を備え、該フランジ部が前記エンドプレートに形成した凹部に嵌合する構造とする。（請求項２）
また、前記フランジ部を備えた管状部材と他の部品との接合部にパッキング部材を用いる構造とする。（請求項３）
また、前記エンドプレートの材質と前記管状部材の材質を異なる材質とする。（請求項４）
【００２０】
また、前記エンドプレートの材質を樹脂材料とする。（請求項５）
また、前記エンドプレートの材質をガラス繊維もしくは炭素繊維で強化した樹脂材料とする。（請求項６）
また、前記エンドプレートの材質をアルミ合金もしくはマグネシウム合金とする。
（請求項７）
また、前記燃料電池セルは、プロトン伝導性高分子固体電解質とその両側に一対の空気極と燃料極が配され、その燃料極側に燃料を供給するための燃料極セパレータと、その空気極に空気中の酸素を供給するための空気極セパレータを備えているものとする。（請求項８）
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施について説明する。
図１は本発明の燃料電池スタックの構造を示す図である。
図１（ａ）は、複数の燃料電池セルを積層してスタックとして組み立てた状態を示す斜視図である。
１は、複数の燃料電池セルで、該複数のセルをエンドプレート２−１，２−２により挟んで、固定用ボルトナット３によって締め付けて燃料電池スタックを構成している。
また、図１（ａ）に示す燃料電池スタックにおいて、燃料用管状部材４から燃料が供給され、空気用管状部材５から空気が排出され、燃料電池で発生した電気出力を端子板６−１，６−２から取り出す構造になっている。
【００２２】
図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す一方のエンドプレート２−１と燃料電池セル１の一部を分解した状態を示す図である。
図１（ｂ）において、２−１はエンドプレート、４は燃料用管状部材、５は空気用管状部材、１−１〜１−７は燃料電池セル１の構成要素である。
１−１はシリコンゴム製絶縁板、１−２は端子板、１−３は第１のセパレータ、１−４は第１のパッキング、１−５はＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ）、１−６は第２のパッキング、１−７は第２のセパレータである。
【００２３】
エンドプレート２−１には、燃料および空気の供給や排出を行うための燃料用管状部材４及び空気用管状部材５の一部が貫通するように貫通口２−１−１，２−１−２が設けられている。
また、締め付け用ボルトを固定するための貫通口２−１−３も、エンドプレートの周囲に複数個設けられている。
燃料および、空気の供給及び排出を行う燃料用管状部材４及び空気用管状部材５は、フランジ部４−１付きのパイプ状で、このフランジ部４−１がエンドプレート２−１によって押さえつけられる構造となっている。
この実施例では、エンドプレート２−１はＡｌ合金製であり、燃料および、空気の供給や排出を行う燃料用管状部材４及び空気用管状部材５はステンレス製である。
【００２４】
このエンドプレート２−１と燃料および、空気の供給や排出を行う燃料用管状部材４及び空気用管状部材５は、パッキングを兼ねたシリコンゴム製の絶縁板１−１を介して端子板１−２に接続されている。
また、前記端子板１−２に第１のセパレータ１−３、第１のパッキング１−４、ＭＥＡ１−５、第２のパッキング１−６及び第２のセパレータ１−７は図示の如く積層して燃料電池セルを構成して、該燃料電池セルを複数積層して締め付け用ボルト３を貫通口２−１−３を貫通させて締め付けられる。
なお、この実施例では、冷却水を流すための部材や冷却板は用いていないが、冷却水を供給するタイプのものでも良いことはいうまでもない。。
【００２５】
次に、図１（ａ）の燃料電池スタックのエンドプレート部分の構造を図２を用いて説明する。
図２は、図１（ａ）の燃料電池スタックのエンドプレート部分の断面図である。
図２において、２−１は一方のエンドプレートであり、該エンドプレートのマニホールド部７に続く貫通口に燃料用管状部材４のフランジ部４−１が嵌合してシリコンゴム製絶縁板１−１及び端子板１−２で押しつけられている状態を示している。
なお、図２では空気用管状部材は示されていない。
このように、燃料および、空気の供給又は排出を行うフランジ付きの管状部材がＯリングを介してエンドプレート２−１によって絶縁板１−１に押し当てられ、これによって、空気および、燃料の漏れが防止されている。
【００２６】
図２に示すように、本発明の燃料電池スタックのエンドプレート構造では、燃料や空気の供給や排出を行う通路がエンドプレートを貫通する部材（燃料用管状部材４、空気用管状部材５）で構成されているため、燃料や空気がエンドプレートに接触することがない。
したがって、これらの部材のみをステンレス等の耐食材料で構成して、エンドプレートの材質にはガラス繊維や炭素繊維で強化した樹脂材料やアルミ合金もしくはマグネシウム合金といった比較的比重の小さな材料を用いることができる。
【００２７】
上述の如く、本発明の燃料電池スタックのエンドプレートの構造は極めて簡単で、コネクター接続のためのネジ構造等も不用であり、加工のための製造コストが極めて安くすることができる。
また、材質についても従来のステンレスに比べて１／３程度の比重の高強度樹脂材料やＡｌ合金、マグネシウム合金等を用いることが出来るため、ある程度の肉厚のエンドプレートを用いても従来技術と比較して５０％程度の軽量化が可能となった。
【００２８】
【発明の効果】
上記の如く、請求項１〜８に記載の燃料電池用エンドプレート構造では、従来のエンドプレートに必要であった燃料、空気、冷却水の導入パイプや排出バイプと接続を行うためのコネクター接続用のねじ穴が不用となった。
また、燃料、空気、冷却水と直接エンドプレートが接することがないため、エンドプレートの腐食や不純物の混入が問題とならない。従ってこれらと直接接する部材にのみ耐食性をもたせれば良いことになる。
従って、エンドプレートの材質にはガラス繊維や炭素繊維で強化した樹脂材料やアルミ合金もしくはマグネシウム合金といった比較的比重の小さな材料を用いることができ、コストダウンと軽量化方法として最適であり、その効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池スタックの構造を示す図である。
【図２】本発明の燃料電池スタックのエンドプレート部の断面図である。
【図３】従来の燃料電池スタックの構造を示す図である。
【図４】本発明の燃料電池スタックのエンドプレート部の断面図である。
【符号の説明】
１燃料電池セル
１−１絶縁板
１−２第１の端子板
１−３第１のセパレータ
１−４第１のパッキング
１−５ＭＥＡ
１−６第２のパッキング
１−７第２のセパレータ
２−１，２−２エンドプレート
２−１−１，２−１−２貫通口
３ボルト
４燃料用管状部材
５空気用管状部材
４−１，５−１フランジ部
６−１，６−２端子板
７マニホールド部

Claims

１個の燃料電池セル、または２個以上の燃料電池セルからなる積層体を、エンドプレートで挟んで固定する燃料電池用エンドプレート構造であって、
前記エンドプレートには、燃料、空気若しくは冷却水を供給及び排出するための貫通口を設け、
前記燃料、空気若しくは冷却水の流路を形成する管状部材を嵌合したことを特徴とする燃料電池用エンドプレート構造。
前記管状部材にはフランジ部を備え、該フランジ部が前記エンドプレートに形成した凹部に嵌合することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用エンドプレート構造。
前記フランジ部を備えた管状部材と他の部品との接合部にパッキング部材を用いることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用エンドプレート構造。
前記エンドプレートの材質と前記管状部材の材質が異なることを特徴とする請求項第１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用エンドプレート構造。
前記エンドプレートの材質が樹脂材料であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池用エンドプレート構造。
前記エンドプレートの材質がガラス繊維もしくは炭素繊維で強化した樹脂材料であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池用エンドプレート構造。
前記エンドプレートの材質がアルミ合金もしくはマグネシウム合金であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池用エンドプレート構造。
前記燃料電池セルは、プロトン導電性高分子固体電解質とその両側に一対の空気極と燃料極が配され、その燃料極側に燃料を供給するための燃料極セパレータと、その空気極に空気中の酸素を供給するための空気極セパレータを備えていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料電池用エンドプレート構造。