JP2005071869A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ安価な構成で、積層された燃料電池を箱状ケーシング内に確実に保持することができ、各燃料電池においてずれによるガス洩れが発生することを良好に阻止することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池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が箱状ケーシング２２内に収容される。燃料電池スタック１０を構成する隙間調整機構６０は、側部押圧プレート６２と、前記側部押圧プレート６２を積層体１４に向かって押圧可能な複数の調整ねじ６４と、上部押圧プレート６６と、前記上部押圧プレート６６を前記積層体１４に向かって押圧可能な複数の調整ねじ６８とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質を一対の電極で挟んだ電解質・電極構造体が、一対のセパレータで挟持される燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が積層される積層体を箱状ケーシング内に収容する燃料電池スタックに関する。

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（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対設した電解質膜・電極構造体を、セパレータによって挟持している。この種の燃料電池は、通常、電解質膜・電極構造体及びセパレータを交互に所定の数だけ積層して燃料電池スタックを構成している。

こ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は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、電子及び酸素が反応して水が生成される。

ところで、燃料電池スタックは、例えば、車載用として使用される場合、所望の高出力を得るために相当に多数（例えば、数百個程度）の燃料電池を積層して構成する必要がある。その際、燃料電池スタックには、車両の走行状態によって、燃料電池の積層方向及び該積層方向に直交する方向に荷重が作用し易い。このため、燃料電池スタックを積層方向に延在するボルト（タイロッド）により締め付ける構成では、前記燃料電池スタックが、特に積層方向に直交する方向に変形し易いという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池保持装置が知られている。この特許文献１では、図１１に示すように、ＭＥＡとセパレータとを複数積層したセル積層体１を囲むハウジング２を備えている。ハウジング２は、セル積層体１の上下左右の外周を囲う壁３ａと、各セル積層体１同士を仕切る仕切り壁３ｂとを有している。

ハウジング２の壁３ａ内には、金属部材からなるテンション部材４が埋め込まれている。このテンション部材４は、積層方向に延在しており、ハウジング２の剛性、強度を向上させて変形を防止するとともに、セル積層体１の締め付け荷重を容易に受けることができる、としている。

特開２００３−７７５０１号公報（段落［００１０］、［００１１］、［００１８］、図２）

上記のように、特許文献１では、ハウジング２を構成する壁３ａと仕切り壁３ｂとにより、複数組のセル積層体１を互いに仕切って収容している。しかしながら、セル積層体１は、製作上、寸法のばらつきが発生し易く、このセル積層体１とハウジング２の内壁との間には、隙間が生じてしまう。これにより、セル積層体１には、積層方向に直交する方向にずれが惹起されるおそれがあり、反応ガスが洩れるという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ安価な構成で、積層された燃料電池を箱状ケーシング内に確実に保持することができ、各燃料電池にずれによるガス洩れ等が発生することを良好に阻止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。

本発明に係る燃料電池スタックでは、電解質を一対の電極で挟んだ電解質・電極構造体が、一対のセパレータで挟持される燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が積層される積層体を箱状ケーシング内に収容している。そして、積層体の積層方向に交差する外周と、箱状ケーシングの内壁との隙間は、隙間調整機構を介して調整される。

また、隙間調整機構は、積層体の外周と箱状ケーシングの内壁との隙間に、所定数の燃料電池に跨って配置される押圧プレートと、前記押圧プレートを前記積層体の外周に向かって押圧可能な調整部材とを備えることが好ましい。さらに、押圧プレートと積層体の外周との間には、緩衝部材が介装されることが好ましい。

さらにまた、隙間調整機構は、積層体の外周と箱状ケーシングの内壁との隙間に充填される樹脂部材を備えることが好ましい。

本発明に係る燃料電池スタックでは、積層体の外周と箱状ケーシングの内壁との隙間が調整されるため、前記積層体が前記箱状ケーシング内で積層方向に直交する方向にずれることがない。これにより、特に、燃料電池スタックを車載用として使用する際に、振動等によって積層体にずれが発生することを阻止し、ガス漏れ等を可及的に防止することができる。

また、隙間調整機構は、押圧プレートと調整部材（例えば、ねじ）とを用いるだけでよい。このため、隙間調整機構の構成が有効に簡素化し、前記隙間調整機構を経済的に構成することが可能になる。さらに、押圧プレートと積層体の外周との間に、緩衝部材が介装されるため、各燃料電池の外周寸法のばらつきを良好に吸収することができる。

さらにまた、積層体の外周と箱状ケーシングの内壁との隙間に、樹脂部材が充填されるため、一層簡単な構成で、前記積層体のずれを確実に阻止することが可能になる。

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の概略全体斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の一部断面側面図である。

燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池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の積層方向両端には、ターミナルプレート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。

エンドプレート２０ａ、２０ｂは、箱状ケーシング２２の端板を構成しており、積層体１４が前記箱状ケーシング２２内に収容される。箱状ケーシング２２は、下板２４ａ、上板２４ｂ及び側板２４ｃ、２４ｄを備えており、これらがボルト２５を介してエンドプレート２０ａ、２０ｂに固定される。

図３に示すように、燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）３０と、前記電解質膜・電極構造体３０を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ３２、３４とを備える。

燃料電池１２の長辺方向（図３中、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３６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３８ａ、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４０ｂが設けられる。

燃料電池１２の長辺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４０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３８ｂ、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３６ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体３０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た固体高分子電解質膜４２と、前記固体高分子電解質膜４２を挟持するアノード側電極４４及びカソード側電極４６とを備える。

アノード側電極４４及びカソード側電極４６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た電極触媒層とを有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜４２を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜４２の両面に接合される。

第１金属セパレータ３２の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３２ａには、燃料ガス供給連通孔４０ａと燃料ガス排出連通孔４０ｂとを連通する燃料ガス流路４８が形成される。この燃料ガス流路４８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る。第１金属セパレータ３２の面３２ｂには、冷却媒体供給連通孔３８ａと冷却媒体排出連通孔３８ｂとを連通する冷却媒体流路５０が形成される。この冷却媒体流路５０は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成される。

第２金属セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３４ａ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５２が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路５２は、酸化剤ガス供給連通孔３６ａと酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとに連通する。第２金属セパレータ３４の面３４ｂには、第１金属セパレータ３２の面３２ｂと重なり合って冷却媒体流路５０が一体的に形成される。

第１金属セパレータ３２の面３２ａ、３２ｂには、第１シール部材５４が一体成形される。第１シール部材５４は、面３２ａで燃料ガス供給連通孔４０ａ、燃料ガス排出連通孔４０ｂ及び燃料ガス流路４８を囲繞してこれらを連通させる一方、面３２ｂで冷却媒体供給連通孔３８ａ、冷却媒体排出連通孔３８ｂ及び冷却媒体流路５０を囲繞してこれらを連通させる。

第２金属セパレータ３４の面３４ａ、３４ｂには、第２シール部材５６が一体成形される。第２シール部材５６は、面３４ａで酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス流路５２を囲繞してこれらを連通させる一方、面３４ｂで冷却媒体供給連通孔３８ａ、冷却媒体排出連通孔３８ｂ及び冷却媒体流路５０を囲繞してこれらを連通させる。

図１に示すように、燃料電池スタック１０は、積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）に交差する外周と、箱状ケーシング２２の内壁との隙間を調整するための隙間調整機構６０を備える。

隙間調整機構６０は、箱状ケーシング２２を構成する側板２４ｃの内壁と積層体１４の外周側面との隙間に配置される複数の側部押圧プレート６２と、前記側板２４ｃに螺合して前記側部押圧プレート６２を前記積層体１４に向かって押圧可能な複数の調整ねじ（調整部材）６４と、前記箱状ケーシング２２を構成する上板２４ｂの内壁と積層体１４の外周上面との隙間に配置される複数の上部押圧プレート６６と、前記上板２４ｂに螺合して前記上部押圧プレート６６を前記積層体１４に向かって押圧可能な複数の調整ねじ（調整部材）６８とを備える。

図４に示すように、側部押圧プレート６２は、金属、例えば、ＳＵＳ材で形成されており、所定数の燃料電池１２に跨って且つ前記燃料電池１２の高さ方向（図１中、矢印Ｃ方向）略中間部に対応して配置される。側部押圧プレート６２は、積層体１４を箱状ケーシング２２内で矢印Ｂ方向に保持する機能を有する。

この側部押圧プレート６２には、樹脂プレート７０が固着される一方、各燃料電池１２には、外周を覆って枠状の樹脂ガイド７２が設けられ、前記樹脂プレート７０と前記樹脂ガイド７２とが接触する。側板２４ｃには、調整ねじ６４を螺合するねじ孔７４と、側部押圧プレート６２及び樹脂プレート７０を収容する開口部７６とが形成される。

上部押圧プレート６６は、所定数の燃料電池１２に跨って且つ前記燃料電池１２の水平方向（図１中、矢印Ｂ方向）略中間部に対応して配置され、積層体１４を箱状ケーシング２２内で矢印Ｃ方向に保持する機能を有する。なお、上部押圧プレート６６及び調整ねじ６８は、上記の側部押圧プレート６２及び調整ねじ６４と同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。

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。

先ず、図１に示すように、燃料電池スタック１０内には、エンドプレート２０ａの燃料ガス供給連通孔４０ａから水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔３６ａから酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔３８ａから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の燃料電池１２に対し、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体が矢印Ａ１方向に供給される。

このため、図３に示すように、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４０ａから第１金属セパレータ３２の燃料ガス流路４８に導入され、電解質膜・電極構造体３０のアノード側電極４４に沿って移動する。一方、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３６ａから第２金属セパレータ３４の酸化剤ガス流路５２に導入され、電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極４６に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体２６では、アノード側電極４４に供給される燃料ガスと、カソード側電極４６に供給される酸化剤ガスとが、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。

次いで、アノード側電極４４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４０ｂに排出されて矢印Ａ２方向に流動し、エンドプレート２０ａから外部に排出される。同様に、カソード側電極４６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３６ｂに沿って矢印Ａ２方向に流動した後、エンドプレート２０ａから外部に排出される。

また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔３８ａから第１及び第２金属セパレータ３２、３４間の冷却媒体流路５０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３０を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３８ｂを矢印Ａ２方向に移動してエンドプレート２０ａから排出される。

この場合、第１の実施形態では、図１に示すように、積層体１４の積層方向に交差する外周と、箱状ケーシング２２の内壁との隙間を調整するために、隙間調整機構６０が設けられている。

そこで、図４に示すように、側板２４ｃのねじ孔７４に調整ねじ６４をねじ込むと、前記調整ねじ６４の先端が側部押圧プレート６２を箱状ケーシング２２の内方（矢印Ｂ１方向）に押し出す。このため、側部押圧プレート６２は、樹脂プレート７０を介して樹脂ガイド７２を押圧し、所定数の燃料電池１２が一体的に矢印Ｂ１方向に押圧される（図５参照）。従って、積層体１４は、矢印Ｂ１方向に移動して側板２４ｄに押し付けられ、前記側板２４ｄと側部押圧プレート６２とにより外周両側面が保持される（図１参照）。

同様に、図１に示すように、上板２４ｂに螺合する調整ねじ６８をねじ込むことにより、上部押圧プレート６６が積層体１４の外周上面を鉛直下方向に押圧される。このため、積層体１４は、下板２４ａに押し付けられ、前記下板２４ａと上部押圧プレート６６とにより外周上下両面が保持される。

これにより、積層体１４は、箱状ケーシング２２内で積層方向に直交する方向に容易且つ確実に保持され、前記積層体１４が矢印Ｂ方向や矢印Ｃ方向にずれることがない。従って、特に、燃料電池スタック１０を車載用として使用する際に、振動等によって積層体１４にずれが発生することを阻止し、燃料ガスや酸化剤ガスのガス漏れを可及的に防止することができるという効果が得られる。

しかも、隙間調整機構６０は、側部押圧プレート６２及び調整ねじ６４と、上部押圧プレート６６及び調整ねじ６８とを用いるだけでよい。このため、隙間調整機構６０の構成が有効に簡素化し、該隙間調整機構６０を経済的に構成することが可能になる。

さらに、図４及び図５に示すように、側部押圧プレート６２には、樹脂プレート７０が固着される一方、各燃料電池１２には、外周を覆って枠状の樹脂ガイド７２が設けられ、前記樹脂プレート７０と前記樹脂ガイド７２とが接触している。これにより、各燃料電池１２の外周寸法にばらつきが存在していても、樹脂プレート７０及び樹脂ガイド７２の弾性を介して前記ばらつきを吸収することができる。

その際、図６に示すように、樹脂プレート７０と樹脂ガイド７２との間にゴム等の緩衝部材８０を介装すれば、各燃料電池１２の外周寸法のばらつきが、一層確実に吸収される。従って、積層体１４のずれを可及的に阻止することが可能になるという利点がある。

なお、第１の実施形態では、側板２４ｃ及び上板２４ｂに、側部押圧プレート６２及び上部押圧プレート６６を配設しているが、これに追加して、側板２４ｄ及び下板２４ａにも、前記側部押圧プレート６２及び前記上部押圧プレート６６を配設してもよい。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック９０の一部拡大断面図である。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。また、以下に説明する第３及び第４の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

燃料電池スタック９０を構成する隙間調整機構９２は、積層体１４の外周と箱状ケーシング２２を構成する側板２４ｃ（及び図示しない上板）の内壁との隙間、すなわち、開口部７６に充填される樹脂部材９４を備える。側板２４ｃには、開口部７６に連通する樹脂充填口９６と、ピン挿入口９８とが形成されるとともに、前記ピン挿入口９８には、側部押圧プレート６２を積層体１４に向かって押圧するためのピン１００が挿入可能である。

このように構成される第２の実施形態では、図８に示すように、ピン１００がピン挿入口９８に挿入されて、側部押圧プレート６２が積層体１４の外周に押し付けられた状態で、樹脂充填口９６から開口部７６に樹脂が充填される。この樹脂が硬化することにより、開口部７６に樹脂部材９４が形成され、積層体１４が積層方向に直交する方向に移動不能に保持される（図７参照）。

従って、第２の実施形態では、積層体１４のずれを確実に阻止することが可能になる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

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１１０の一部拡大断面図である。

燃料電池スタック１１０を構成する隙間調整機構１１２は、積層体１４の外周と側板２４ｃの開口部７６との間に充填される樹脂部材１１４を備える。これにより、第３の実施形態では、一層簡単な構成で、積層体１４のずれを確実に阻止することができるという効果が得られる。

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１２０の一部拡大断面図である。

燃料電池スタック１２０を構成する隙間調整機構１２２は、積層体１４の外周と箱状ケーシング２２を構成する側板２４ｃの開口部７６との間に充填される樹脂部材１２４を備える。この樹脂ガイド７２は、端部に鋸刃状の凹凸部１２６を設けており、樹脂部材１２４は、前記凹凸部１２６に噛合する形状に成形される。

従って、第３の実施形態では、樹脂部材１２４が樹脂ガイド７２の凹凸部１２６に噛合するため、各燃料電池１２が積層方向にずれることを一層確実に阻止することが可能になるという効果が得られる。

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全体斜視図である。 前記燃料電池スタックの一部断面側面図である。 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の分解斜視図である。 前記燃料電池スタックを構成する隙間調整機構の要部断面説明図である。 前記隙間調整機構の動作説明図である。 前記隙間調整機構に緩衝部材が介装された状態の断面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの一部拡大断面図である。 前記燃料電池スタックを構成する隙間調整機構の動作説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの一部拡大断面図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックの一部拡大断面図である。 特許文献１に係る燃料電池保持装置の構成説明図である。

符号の説明

１０、９０、１１０、１２０…燃料電池スタック
１２…燃料電池 １４…積層体
２０ａ、２０ｂ…エンドプレート ２２…箱状ケーシング
２４ａ…下板 ２４ｂ…上板
２４ｃ、２４ｄ…側板 ２６、３０…電解質膜・電極構造体
３２、３４…金属セパレータ ４２…固体高分子電解質膜
４４…アノード側電極 ４６…カソード側電極
４８…燃料ガス流路 ５０…冷却媒体流路
５２…酸化剤ガス流路 ６０、９２、１１２、１２２…隙間調整機構
６２…側部押圧プレート ６４、６８…調整ねじ
６６…上部押圧プレート ７０…樹脂プレート
７２…樹脂ガイド ７４…ねじ孔
７６…開口部 ９４、１１４、１２４…樹脂部材
９６…樹脂充填口 ９８…ピン挿入口
１００…ピン １２６…凹凸部

Claims (4)

1. 電解質を一対の電極で挟んだ電解質・電極構造体が、一対のセパレータで挟持される燃料電池を有し、複数の前記燃料電池が積層される積層体を箱状ケーシング内に収容する燃料電池スタックであって、
   前記積層体の積層方向に交差する外周と、前記箱状ケーシングの内壁との隙間を調整するための隙間調整機構を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記隙間調整機構は、前記積層体の外周と前記箱状ケーシングの内壁との隙間に、所定数の前記燃料電池に跨って配置される押圧プレートと、
   前記押圧プレートを前記積層体の外周に向かって押圧可能な調整部材と、
   を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、前記押圧プレートと前記積層体の外周との間には、緩衝部材が介装されることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記隙間調整機構は、前記積層体の外周と前記箱状ケーシングの内壁との隙間に充填される樹脂部材を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
   
   

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