JP2005251635A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、各単セルの発電部とマニホールド部とにそれぞれ所望の荷重を確実に付与することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の単セル１２が積層された積層体１４を備え、前記積層体１４とエンドプレート２０ｂとの間に絶縁性のスペーサ部材２２が介装される。スペーサ部材２２は、額縁状に構成されており、発電部４７ａに対応して矩形状の凹部６０を設けるとともに、この凹部６０の略中央には、孔部６２が形成される。凹部６０には、ターミナルプレート１６ｂが収容され、このターミナルプレート１６ｂの端子部２６ｂが孔部６２に挿入される。
【選択図】図５

Description

本発明は、電解質の両側に電極を設けた電解質・電極構造体を、一対のセパレータで挟持する単セルを備え、複数の前記単セルが積層され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固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、電極触媒と多孔質カーボンからなるアノード側電極及びカソード側電極を対設して構成される電解質膜・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。

この燃料電池において、アノード側電極には、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）が供給される一方、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）が供給される。アノード側電極に供給された燃料ガスは、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。

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では、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加圧保持する必要がある。

その際、燃料電池は、中央部に設けられる発電部と、該発電部の周囲に設けられる連通孔をシールするマニホールド部とを備えており、前記発電部と前記マニホールド部とでは、それぞれの最適締め付け荷重が異なっている。このため、例えば、特許文献１に開示されているように、マニホールド部が位置する領域を締め付ける第１の締め付け手段と、発電部が位置する領域を締め付ける第２の締め付け手段とを備えた固体高分子型燃料電池が知られている。

この特許文献１の燃料電池は、具体的には、図６に示すように、複数の単セル１が積層された燃料電池積層体２を備え、この燃料電池積層体２の積層方向両端に、エンドプレート３、４が配置されている。エンドプレート３、４は、締め付け板５ａ、５ｂに挟持されるとともに、前記締め付け板５ａ、５ｂは、ボルト６により積層方向に締め付けられている。

エンドプレート４は、発電部に臨む中央板部４ａと、マニホールド部に臨む枠状板部４ｂとから分離構成されている。枠状板部４ｂは、ボルト６を介して締め付け板５ａ、５ｂ間に付与される締め付け力によりマニホールド部に対して締め付け力を付与する一方、中央板部４ａは、締め付け板５ｂに配置されている複数のボルト７を介して発電部に対して締め付け力を付与している。従って、発電部とマニホールド部とは、それぞれ適合した締め付け力を付与することができる、としている。

特開平８−８８０１８号公報（図３）

しかしながら、上記の特許文献１では、発電部に所望の締め付け力を付与するために、締め付け板５ｂに配設された複数のボルト７の締め付け調整をしなければならず、各ボルト７の調整作業が相当に煩雑化し、作業性が低下するという問題が指摘される。さらに、ボルト７に代えて、複数の皿ばねや調整板又はベローズ等を用いることが開示されているが、部品数が増加するとともに、積層方向に長尺化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、簡単且つ経済的な構成で、各単セルの発電部とマニホールド部とに、それぞれ所望の荷重を確実に付与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。

本発明は、電解質の両側に電極を設けた電解質・電極構造体を、一対のセパレータで挟持する単セルを備え、複数の前記単セルが積層されるとともに、前記単セルは、中央部分に発電部が設けられる一方、該発電部の周囲に少なくとも反応ガスを前記単セルの積層方向に流す反応ガス連通孔を含むマニホールド部が設けられる燃料電池スタックである。

燃料電池スタックは、少なくとも単セルの積層方向一端側に配設され、マニホールド部に荷重を付与する絶縁性スペーサ部材と、前記絶縁性スペーサ部材の内側に配置され、発電部に荷重を付与するターミナル部材とを備えている。

また、絶縁性スペーサ部材の中央部に凹部が形成され、前記凹部にターミナル部材が収容されるとともに、前記ターミナル部材の厚さを調整することにより、発電部に付与される荷重が調整可能であることが好ましい。

さらに、絶縁性スペーサ部材の中央部に凹部が形成され、前記凹部にターミナル部材が収容されるとともに、前記ターミナル部材の厚さを調整することにより、マニホールド部に付与される荷重が調整可能であることが好ましい。

さらにまた、セパレータは、断面凹凸形状の反応ガス流路を形成する金属セパレータで構成されるとともに、複数の単セルが積層された積層体を収容する箱状ケーシングを備えることが好ましい。

本発明では、マニホールド部に荷重を付与する絶縁性スペーサ部材と、発電部に荷重を付与するターミナル部材とが個別に設けられており、前記マニホールド部と前記発電部とに、それぞれ所望の締め付け荷重を確実に付与することができる。これにより、簡単且つ小型な構成で、信頼性及び耐久性の向上を図ることが可能になるとともに、経済的である。

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の概略斜視図であり、図３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、絶縁性のスペーサ部材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、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。

ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの略中央には、図１に示すように、積層方向外方に延在する端子部２６ａ、２６ｂが設けられる。端子部２６ａ、２６ｂは、絶縁性筒体２８ａ、２８ｂに挿入されて第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂの外部に突出する（図３参照）。

図３及び図４に示すように、各単セル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を挟持する第１及び第２金属セパレータ３２、３４とを備える。第１及び第２金属セパレータ３２、３４は、金属製薄板を波形状やディンプル形状等にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有している。

単セル１２の長辺方向（図４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。

単セル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、固体高分子電解質膜４２の両面に接合される。

単セル１２では、アノード側電極４４及びカソード側電極４６を含む発電部４７ａが中央部に設けられる一方、該発電部４７ａの周囲に酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体を積層方向に流すマニホールド部４７ｂが設けられる。

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１シール部材５４は、面３２ａに凸部５５ａを設けるとともに、面３２ｂに凸部５５ｂを設ける。

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。第２シール部材５６は、面３４ａに凸部５８を設ける。

図１及び図５に示すように、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）やフェノール樹脂等で形成されている。スペーサ部材２２は、額縁状に構成されており、発電部４７ａに対応して矩形状の凹部６０を設けるとともに、この凹部６０の略中央には、孔部６２が形成される。凹部６０には、ターミナルプレート１６ｂが収容され、このターミナルプレート１６ｂの端子部２６ｂが絶縁性筒体２８ｂを介装して孔部６２に挿入される。

スペーサ部材２２の厚さＴ１は、矢印Ａ方向に積層されているマニホールド部４７ｂに所望の締め付け荷重を付与可能な厚さに設定される一方、前記スペーサ部材２２の凹部６０に収容されたターミナルプレート１６ｂと該スペーサ部材２２との積層厚さＴ２は、矢印Ａ方向に積層されている発電部４７ａに所望の締め付け荷重を付与可能な厚さに設定される。実際上、スペーサ部材２２の凹部６０の深さは、予め設定されており、積層厚さＴ２は、ターミナルプレート１６ｂの厚さＴ３を変更することによって設定される。

なお、スペーサ部材２２の厚さＴ１を予め一定の厚さに設定しておき、ターミナルプレート１６ｂの厚さＴ３を変更することにより、マニホールド部４７ｂに所望の締め付け荷重を付与することも可能である。

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７０ａ〜７０ｄと、前記側板７０ａ〜７０ｄ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）７２ａ〜７２ｄと、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂと前記側板７０ａ〜７０ｄとを連結するそれぞれ長さの異なる連結ピン７４ａ、７４ｂとを備える。

エンドプレート２０ａ、２０ｂの上下各辺には、それぞれ２つの第１連結部７６ａ、７６ｂが突出形成されるとともに、両側の各辺には、それぞれ１つの第１連結部７６ｃ、７６ｄ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７８ａ、７８ｂが形成される。このボス部７８ａ、７８ｂ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の横方向両側に配置される側板７０ａ、７０ｃの長手方向両端には、第２連結部８０ａ、８０ｂが２つずつ形成される。積層体１４の上下両側に配置される側板７０ｂ、７０ｄの長手方向両端には、第２連結部８２ａ、８２ｂが３つずつ形成される。

側板７０ａ、７０ｃの各第２連結部８０ａ、８０ｂ間には、エンドプレート２０ａ、２０ｂの両側の各辺の第１連結部７６ｃ、７６ｄが配置されるとともに、これらに短尺な連結ピン７４ａが一体的に挿入されて、前記側板７０ａ、７０ｃ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７０ｂ、７０ｄの第２連結部８２ａ、８２ｂがエンドプレート２０ａ、２０ｂの上辺及び下辺の第１連結部７６ａ、７６ｂと交互に配置されるとともに、これらに長尺な連結ピン７４ｂが一体的に挿入されて、前記側板７０ｂ、７０ｄが前記エンドプレート２０ａ、２０ｂに取り付けられる。

側板７０ａ〜７０ｄには、短手方向両端縁部にそれぞれ複数のねじ孔８４が形成される一方、アングル部材７２ａ〜７２ｄの各辺には、前記ねじ孔８４に対応して孔部８６が形成される。各孔部８６に挿入される各ねじ８８がねじ孔８４に螺合することにより、アングル部材７２ａ〜７２ｄを介して側板７０ａ〜７０ｄ同士が固定される。これにより、ケーシング２４が構成される（図２参照）。

なお、アングル部材７２ａ〜７２ｄにねじ孔を形成する一方、側板７０ａ〜７０ｄに孔部を形成し、前記アングル部材７２ａ〜７２ｄを前記側板７０ａ〜７０ｄの内方に配置した状態で、これらを一体的にねじ止めしてもよい。

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２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単セル１２に対し、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が、それぞれ矢印Ａ方向に供給される。

図４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（図３参照）。

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、図１及び図５に示すように、エンドプレート２０ｂに近接してスペーサ部材２２が配設されるとともに、このスペーサ部材２２は、中央部に矩形状の凹部６０を設け、この凹部６０にターミナルプレート１６ｂが収容されている。

このため、発電部４７ａとマニホールド部４７ｂとには、ターミナルプレート１６ｂとスペーサ部材２２とを介して、個別に所望の締め付け荷重を付与することができる。その際、それぞれの締め付け荷重を調整するためには、スペーサ部材２２の厚さＴ１とターミナルプレート１６ｂの厚さＴ３とを選択するだけでよく、簡単且つ小型な構成で、信頼性及び耐久性の向上を図ることが可能になるとともに、経済的であるという効果が得られる。

しかも、本実施形態では、スペーサ部材２２をケーシング２４内に収容するだけでよい。従って、スペーサ調整用ボルトや皿ばね、調整板又はベローズ等の部品が不要になり、部品点数の削減を図ることができ、経済的であるという利点がある。

なお、本実施形態では、ターミナルプレート１６ｂをスペーサ部材２２の凹部６０に収容しているが、ターミナルプレート１６ａにおいても、前記ターミナルプレート１６ｂと同様に構成することが可能である。

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セルの要部分解斜視図である。 前記燃料電池スタックの要部断面説明図である。 特許文献１の燃料電池の一部断面説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池スタック １２…単セル
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…箱状ケーシング
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 ４７ａ…発電部
４７ｂ…マニホールド部 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 ６０…凹部
６２…孔部 ７０ａ〜７０ｄ…側板
７２ａ〜７２ｄ…アングル部材 ７４ａ、７４ｂ…連結ピン

Claims (4)

1. 電解質の両側に電極を設けた電解質・電極構造体を、一対のセパレータで挟持する単セルを備え、複数の前記単セルが積層されるとともに、前記単セルは、中央部分に発電部が設けられる一方、該発電部の周囲に少なくとも反応ガスを前記単セルの積層方向に流す反応ガス連通孔を含むマニホールド部が設けられる燃料電池スタックであって、
   少なくとも前記単セルの積層方向一端側に配設され、前記マニホールド部に荷重を付与する絶縁性スペーサ部材と、
   前記絶縁性スペーサ部材の内側に配置され、前記発電部に荷重を付与するターミナル部材と、
   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、前記絶縁性スペーサ部材の中央部に凹部が形成され、前記凹部に前記ターミナル部材が収容されるとともに、
   前記ターミナル部材の厚さを調整することにより、前記発電部に付与される荷重が調整可能であることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記絶縁性スペーサ部材の中央部に凹部が形成され、前記凹部に前記ターミナル部材が収容されるとともに、
   前記ターミナル部材の厚さを調整することにより、前記マニホールド部に付与される荷重が調整可能であ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、前記セパレータは、断面凹凸形状の反応ガス流路を形成する金属セパレータで構成されるとともに、
   複数の前記単セルが積層された積層体を収容する箱状ケーシングを備えることを特徴とする燃料電池スタック。
   
   

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