JP2005243278A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つコンパクトな構成で、積層体の位置ずれを可及的に阻止し、各単位セルに所望の発電性能とシール性と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は、複数の単位セル１２が積層された積層体１４をケーシング２４内に収容する。ケーシング２４は、エンドプレート２０ａ、２０ｂと、複数の側板６０ａ〜６０ｄと、前記側板６０ａ〜６０ｄの互いに近接する端部同士を連結するアングル部材６２ａ〜６２ｄとを備える。アングル部材６２ａ〜６２ｄは、積層体１４と側板６０ａ〜６０ｄとの間に介装されるとともに、前記積層体１４の四隅に配置される。
【選択図】図１

Description

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・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが水平方向に沿って複数積層された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からなる電解質膜（電解質）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、セパレータにより挟持して燃料電池が構成されている。

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。

通常、この燃料電池は、所望の発電力を得るために、所定数（例えば、数十〜数百）だけ積層した燃料電池スタックとして使用されている。この燃料電池スタックは、燃料電池の内部抵抗の増大や反応ガスのシール性の低下等を阻止するために、積層されている各燃料電池同士を確実に加圧保持する必要がある。

そこで、例えば、特許文献１の燃料電池が知られている。この燃料電池では、図６に示すように、複数のセパレータ１と発電部（図示せず）とが積層されるとともに、その積層方向両端には、電気を取り出すためのターミナルプレート２ａ、２ｂが配設されている。ターミナルプレート２ａ、２ｂの外側には、電気的絶縁のためのインシュレータプレート３ａ、３ｂが配置され、さらに前記インシュレータプレート３ａ、３ｂの外側には、プレッシャプレート４ａ、４ｂが配置されている。

プレッシャプレート４ａ、４ｂは、断面形状がＬ字形状の複数の保持部材５により四隅が連結されている。すなわち、各保持部材５は、両端部にボルト孔６が形成されており、前記ボルト孔６にボルト７を挿入するとともに、それぞれの先端をプレッシャプレート４ａ、４ｂに螺合している。

特開２０００−４８８５０号公報（図１）

上記の特許文献１では、プレッシャプレート４ａ、４ｂの四隅にボルト７を介して４つの保持部材５が固定されることにより、燃料電池全体に締め付け荷重を付与している。しかしながら、燃料電池がアングル部材である４つの保持部材５のみによって保持されるため、この燃料電池に衝撃や振動が付与される際に、剛性不足によりセパレータ１及び発電部の積層体に位置ずれが発生するおそれがある。これにより、面圧分布が不均一になって発電性能及びシール性の低下が惹起す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、簡単且つコンパクトな構成で、積層体の位置ずれを可及的に阻止し、各単位セルに所望の発電性能とシール性とを確保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。

本発明では、電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備えるとともに、前記単位セルが水平方向に沿って複数積層された積層体が箱状ケーシング内に収容されている。ケーシングは、積層体の積層方向両端部に配置される端板と、前記積層体の側部に配置される複数の側板と、前記積層体と前記側板との間に介装されるとともに、該積層体の角部に配置されるアングル部材とを備えている。

また、アングル部材は、側板の互いに近接する端部同士を連結するとともに、端板と前記側板とが連結ピンにより連結されることが好ましい。

さらに、側板とアングル部材とは、締結部材により一体化されることが好ましい。

さらにまた、セパレータの外周端部を周回してシール部材が一体成形されるとともに、前記シール部材は、アングル部材の内側に当接することが好ましい。

また、セパレータの四隅には、アングル部材を配置するために切り欠き部が形成されることが好ましい。

本発明によれば、積層体が箱状ケーシング内に収容されるため、積層体を良好に保持するとともに、面圧分布を均一化することができ、単位セルの発電性及びシール性が有効に向上する。

さらに、アングル部材が積層体と側板との間に介装されるため、燃料電池スタックに衝撃や振動が付与される際、前記アングル部材は、前記積層体を直接保持することができる。これにより、特に薄肉状の側板が使用されても、この側板に変形等が発生することがなく、積層体の位置ずれを確実に阻止することが可能になる。しかも、側板が薄肉状に構成されるため、燃料電池スタック全体の小型化が容易に図られる。

また、側板と端板とを連結するために、連結ピンが使用されることにより、燃料電池スタックの組立時にボルトの締め付け調整等が不要になる。このため、組立作業の簡素化が容易に遂行可能になる。

図１は、本発明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る。

図１に示すように、燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を備える。積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁性スペーサ部材２２及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される。燃料電池スタック１０は、略四角形に構成されるエンドプレート２０ａ、２０ｂを端板として含む箱状ケーシング２４により一体的に保持される。

図２及び図３に示すように、各単位セル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。

単位セル１２の水平方向（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。

単位セル１２の水平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、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、この第１金属セパレータ３２の外周端部を周回して第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、この第２金属セパレータ３４の外周端部を周回して第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２に示すように、第１及び第２シール部材５４、５６間には、固体高分子電解質膜４２の外周が直接ケーシング２４に接触することを阻止すべく、シール５７が介装される。第１及び第２シール部材５４、５６の外周端部は、ケーシング２４の内面との間に僅かな隙間を有していてもよく、また、前記内面に接していてもよい。これにより、第１及び第２シール部材５４、５６による絶縁性を確保することができる。

図１及び図２に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの端部には、面方向に突出する板状の端子部５８ａ、５８ｂが形成される。端子部５８ａ、５８ｂには、例えば、走行用モータ等の負荷が接続される。図１に示すように、積層体１４、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂ、絶縁プレート１８及びスペーサ部材２２の四隅には、後述するアングル部材６２ａ〜６２ｄを配置するために切り欠き部５９ａ〜５９ｄが形成される。

ケーシング２４は、図１に示すように、端板であるエンドプレート２０ａ、２０ｂと、積層体１４の側部に配置される複数の側板６０ａ〜６０ｄと、前記側板６０ａ〜６０ｄの互いに近接する端部同士を連結するアングル部材（例えば、Ｌアングル）６２ａ〜６２ｄと、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂと前記側板６０ａ〜６０ｄとを連結するそれぞれ長さの異なる連結ピン６４ａ、６４ｂとを備える。

アングル部材６２ａ〜６２ｄは、積層体１４と側板６０ａ〜６０ｄとの間に介装されるとともに、前記積層体１４の四隅（角部）に配置される。側板６０ａ〜６０ｄは、比較的肉薄に構成される一方、アングル部材６２ａ〜６２ｄは、前記側板６０ａ〜６０ｄよりも肉厚に構成される。

エンドプレート２０ａ、２０ｂの上下各辺には、それぞれ２つのタブ部６６ａ、６６ｂが突出形成されるとともに、両側の各辺には、それぞれ１つのタブ部６６ａ、６６ｂが突出形成される。エンドプレート２０ａ、２０ｂの両側の各辺下端には、マウント用ボス部６８ａ、６８ｂが形成される。このボス部６８ａ、６８ｂが、図示しない搭載部位にボルト等を介して固定されることにより、燃料電池スタック１０を、例えば、車両に搭載する。

積層体１４の両側に配置される側板６０ａ、６０ｃの長手方向両端には、タブ部７０ａ、７０ｂが２つずつ形成される。積層体１４の上下に配置される側板６０ｂ、６０ｄの長手方向両端には、タブ部７２ａ、７２ｂが３つずつ形成される。

側板６０ａ、６０ｃの各タブ部７０ａ、７０ｂ間には、エンドプレート２０ａ、２０ｂの両側の各辺のタブ部６６ａ、６６ｂが配置されるとともに、これらに短尺な連結ピン６４ａが一体的に挿入されて、前記側板６０ａ、６０ｃが前記エンドプレート２０ａ、２０ｂに取り付けられる。

同様に、側板６０ｂ、６０ｄのタブ部７２ａ、７２ｂがエンドプレート２０ａ、２０ｂの上辺及び下辺のタブ部６６ａ、６６ｂと交互に配置されるとともに、これらに長尺な連結ピン６４ｂが一体的に挿入されて、前記側板６０ｂ、６０ｄが前記エンドプレート２０ａ、２０ｂに取り付けられる。

側板６０ａ〜６０ｄには、短手方向両端縁部にそれぞれ複数の孔部７４が形成される一方、アングル部材６２ａ〜６２ｄの各辺には、前記孔部７４に対応してねじ孔７６が形成される。各孔部７４に挿入される各ねじ７８がねじ孔７６に螺合することにより、側板６０ａ〜６０ｄがアングル部材６２ａ〜６２ｄに固定される。これにより、ケーシング２４が構成される（図４参照）。

図１及び図２に示すように、スペーサ部材２２は、ケーシング２４の内周で位置決めされるように所定の寸法に設定された矩形状を有する。このスペーサ部材２２は、積層体１４の積層方向の長さ変動を吸収して前記積層体１４に所望の締め付け荷重を付与可能にするために、厚さが調整される。このスペーサ部材２２は、絶縁性材料、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）やフェノール樹脂で形成されている。なお、積層体１４の積層方向の長さの変動が、第１及び第２金属セパレータ３２、３４自体の弾性等で吸収可能であれば、スペーサ部材２２を用いなくてもよい。

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４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３６ａ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４０ａ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３８ａ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、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が矢印Ａ方向に供給される。

図３に示すように、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。一方、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。

従って、各電解質膜・電極構造体３０では、カソード側電極４６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４４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。

次いで、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に沿って流動した後、エンドプレート２０ａから外部に排出される。同様に、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に排出されて流動し、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を移動してエンドプレート２０ａから排出される。

この場合、本実施形態では、積層体１４がケーシング２４内に収容されるとともに、前記ケーシング２４は、前記積層体１４の積層方向両端部に配置されるエンドプレート（端板）２０ａ、２０ｂと、前記積層体１４の側部に配置される複数の側板６０ａ〜６０ｄと、前記側板６０ａ〜６０ｄの互いに近接する端部同士を連結するアングル部材６２ａ〜６２ｄとを備えている。このため、積層体１４を良好に保持するとともに、面圧分布を均一化することができ、単位セル１２の発電性及びシール性が有効に向上する。

さらに、アングル部材６２ａ〜６２ｄは、積層体１４と側板６０ａ〜６０ｄとの間に介装されている。従って、燃料電池スタック１０に衝撃や振動が付与される際、アングル部材６２ａ〜６２ｄは、積層体１４を直接保持することができる。これにより、特に薄肉状の側板６０ａ〜６０ｄが使用されても、この側板６０ａ〜６０ｄに変形等が発生することがなく、積層体１４の位置ずれを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。しかも、側板６０ａ〜６０ｄが薄肉状に構成されるため、燃料電池スタック１０全体の小型化及び軽量化が容易に図られる。

また、側板６０ａ〜６０ｄとエンドプレート２０ａ、２０ｂとを連結するために、連結ピン６４ａ、６４ｂが使用されている。従って、燃料電池スタック１０の組立時にボルトの締め付け調整等が不要になって、組立作業の簡素化が容易に遂行可能になる。

さらに、アングル部材６２ａ〜６２ｄにねじ孔７６が形成されている。そして、側板６０ａ〜６０ｄの孔部７４に挿入される各ねじ７８が、ねじ孔７６に螺合することにより、前記側板６０ａ〜６０ｄがアングル部材６２ａ〜６２ｄに固定されている。このため、アングル部材６２ａ〜６２ｄの周辺の構造がコンパクト且つ簡素化され、燃料電池スタック１０全体の小型化が容易に遂行可能になる。

さらにまた、図１に示すように、積層体１４、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂ、絶縁プレート１８及びスペーサ部材２２の四隅には、アングル部材６２ａ〜６２ｄを配置するために切り欠き部５９ａ〜５９ｄが形成されている。これにより、ケーシング２４内に積層体１４を効率的に収容することができるとともに、前記積層体１４の側方には、側板６０ａ〜６０ｄに向かって膨出する膨出部が設けられる（図５参照）。

従って、ケーシング２４内のスペースの有効利用が図られるとともに、この膨出部を利用して、例えば、単位セル１２毎に固定具（図示せず）を配置することが可能になる。しかも、膨出部を設けることにより、各単位セル１２のシールラインを外方に設定することができ、発電面積の拡大が容易に図られて発電が効率的に行われる。

本発明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。 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単位セルの分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの断面説明図である。 特許文献１の燃料電池の概略説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池スタック １２…単位セル
１４…積層体 １６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８…絶縁プレート ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２２…スペーサ部材 ２４…ケーシング
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
５４、５６…シール部材 ５９ａ〜５９ｄ…切り欠き部
６０ａ〜６０ｄ…側板 ６２ａ〜６２ｄ…アングル部材
６４ａ、６４ｂ…連結ピン
６６ａ、６６ｂ、７０ａ、７０ｂ、７２ａ、７２ｂ…タブ部
７８…ねじ部

Claims (5)

1. 一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが水平方向に沿って複数積層された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、
   前記ケーシングは、前記積層体の積層方向両端部に配置される端板と、
   前記積層体の側部に配置される複数の側板と、
   前記積層体と前記側板との間に介装されるとともに、該積層体の角部に配置されるアングル部材と、
   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、前記アングル部材は、前記側板の互いに近接する端部同士を連結するとともに、
   前記端板と前記側板とが連結ピンにより連結されることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記側板と前記アングル部材とは、締結部材により一体化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、前記セパレータの外周端部を周回してシール部材が一体成形されるとともに、
   前記シール部材は、前記アングル部材の内側に当接することを特徴とする燃料電池スタック。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記セパレータの四隅には、前記アングル部材を配置するために切り欠き部が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
   
   

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