JP2005251667A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】
ねじれに対する抵抗力が大きく、かつ、低コスト化が可能な燃料電池を提供すること。
【解決手段】
セル１１を積層したセル積層体１０の積層方向の一端側に配置された第１のエンドプレート５０と、セル積層体の積層方向の他端側に配置された第２のエンドプレート５１と、第１のエンドプレートの側端で螺合する複数のボルト８１と、セル積層体の外側で積層方向に配置されるとともに、ボルトにて第１のエンドプレートの側端に締結される１又は２つ以上のテンションプレート８０と、前記テンションプレートと一体に構成されるとともに、前記第２のエンドプレートを貫通する複数のロッド部８０ａと、第２のエンドプレートを貫通したロッド部の先端で螺合するナット８２と、を備える。
【選択図】
図１

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に、ねじれに対する抵抗力が大きく、かつ、低コスト化が可能な燃料電池に関する。

固体高分子電解質型燃料電池は、セルの積層体の積層方向両端に、ターミナル、インシュレータ、エンドプレートを配置してスタックを構成し、スタックを外側で積層方向に延びるテンションプレートにて締め付け、固定したものからなる。セルは、イオン交換膜からなる電解質膜と、この電解質膜の一面に配置された触媒層及び拡散層からなる電極（アノード、燃料極）と、電解質膜の他面に配置された触媒層及び拡散層からなる電極（カソード、空気極）と、から構成された膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly ）を有するとともに、ＭＥＡの両外側に、アノードに燃料ガス（水素）を供給するための第１流体通路が形成された第１セパレータと、カソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための第２流体通路が形成された第２セパレータと、を有する。

固体高分子電解質型燃料電池では、アノード側では、水素を水素イオンと電子にする反応が行われ、水素イオンは電解質膜中をカソード側に移動するとともに、カソード側では酸素と水素イオンおよび電子（隣りのＭＥＡのアノードで生成した電子がセパレータを通してくる）から水を生成する反応が行われる。
アノード側：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
カソード側：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ

上記の電気化学反応が正常に行われるには、スタックの締め付け荷重がスタックの電極部の横断面全域にわたって均一で、しかも大きく変動しないことが必要である。また、カソードでの水生成反応では熱が出るので、セパレータ間には、各セル毎にあるいは複数個のセル毎に、冷却媒体（通常は冷却水）が流れる流路が形成されており、燃料電池を冷却している。そのため、燃料電池の環境温度は、運転停止時の周囲温度（たとえば、２０℃）と運転時の冷却媒体温度（約８０℃）との間に繰り返し変化し、それによって締め付け荷重も変動する。また、膜、電極のクリープによっても荷重は変わる。

このような問題を解決するために、単セルを積層したスタックの下部を支持する下部ホルダと、スタックの頂部を押さえる上部ホルダと、この上部ホルダの上部に配置された押さえ材と、この押さえ材と下部ホルダを貫通し両端にナットが螺合する締付けロッドと、下部ホルダの下部に設けられたナットと下部ホルダの間に設けられ締付けロッドが内部を貫通しているバネと、押さえ材に螺合し先端が上部ホルダの頂部に当接する複数の締付け力調整ボルトと、を備えるものがある。これによれば、比較的簡単な構造でスタックを均一に締結することができるというものである。また、この構造では、ナットでバネの圧縮量を調整することが可能であり、組み付け方法の工夫によっては外部に設けた荷重センサで所望の圧縮力を与え、その状態を保つようにナットを締め付けることが可能である（特許文献１参照）。

また、エンドプレートに凹部を設け、プレッシャプレートに凸部を設けた燃料電池であって、エンドプレートとテンションプレートとをセレーション結合させ、エンドプレートに雌ねじ部と雄ねじ部からなる調整部を設け、荷重変動低減機構を設け、インシュレータに凹部を設け、プレッシャプレートを配置し、凸部を円筒面とし、荷重変動低減機構が複数組の皿ばねからなり、エンドプレートに皿ばねを配置し、プレッシャプレートに皿ばねを配置し、荷重センサを設け、皿ばねはスタック締結時に反転状態となり、皿ばねを受ける座面に傾斜をつけたものがある。これによれば、面圧がほぼ均一になるようにセル積層方向に加圧できるというものである。また、この構造では、テンションプレートをボルトでエンドプレートに締め付けているが、エンドプレート間の寸法がテンションプレートのボルト用の穴ピッチによって決まってしまうため、調整部と荷重センサを設けている。これによれば、積層したセル部の寸法のバラツキを吸収することができる（特許文献２）。

特開２０００−２０８１６３号公報 特開２００２−１２４２９１号公報 特開２００１−１３５３４４号公報 特開２０００−６７９０３号公報 特開平２−６８８６５号公報 特開２０００−４８８５０号公報

特許文献１に記載の構造では、スタックの締結に４本のロッドを使用しているため、ねじれに対して弱くなる。すなわち、４本のそれぞれのロッドは、スタックの積層方向のテンション荷重には十分な張力を持たせられるが、スタックの横方向への倒れる力に対しては抵抗力が小さいため、スタックは、ねじれに対して十分な抵抗力を持たない。

特許文献２に記載の構造では、スタックのテンション荷重をテンションプレートで受けているので、特許文献１のようなロッドを用いる場合と異なり、ねじれに対する抵抗力は大きいが、この構造では外部に設けた荷重センサでばね力を測定することができないため、荷重センサを搭載することが必須であり、低コスト化は困難である。

本発明の目的は、ねじれに対する抵抗力が大きく、かつ、低コスト化が可能な燃料電池を提供することである。

本発明の第１の視点においては、燃料電池において、セルを積層したセル積層体の積層方向の一端側に配置された第１のエンドプレートと、前記セル積層体の積層方向の他端側に配置された第２のエンドプレートと、前記第１のエンドプレートの側端で螺合する複数のボルトと、前記セル積層体の外側で積層方向に配置されるとともに、前記ボルトにて前記第１のエンドプレートの側端に締結される１又は２つ以上のテンションプレートと、前記テンションプレートと一体に構成されるとともに、前記第２のエンドプレートを貫通する複数のロッド部と、前記第２のエンドプレートを貫通した前記ロッド部の先端で螺合するナットと、を備えることを特徴とする。

本発明の第２の視点においては、燃料電池において、セルを積層したセル積層体の積層方向の一端側に配置されるとともに、前記セル積層体と接する第１のエンドプレートと、前記セル積層体の積層方向の他端側に配置されるとともに、前記セル積層体と接するプレッシャプレートと、前記プレッシャプレートと間隔をおいて配置された第２のエンドプレートと、前記第１のエンドプレートの側端で螺合する複数のボルトと、前記セル積層体の外側で積層方向に配置されるとともに、前記ボルトにて前記第１のエンドプレートの側端に締結される１又は２つ以上のテンションプレートと、前記テンションプレートと一体に構成されるとともに、前記第２のエンドプレートを貫通する複数のロッド部と、前記第２のエンドプレートを貫通した前記ロッド部の先端で螺合するナットと、前記プレッシャプレートと前記第２のエンドプレートの間に配される１又は２つ以上の弾性部材と、を備えることを特徴とする。

本発明の第３の視点においては、燃料電池において、セルを積層したセル積層体の積層方向の一端側に配置されるとともに、前記セル積層体と接する第１のエンドプレートと、前記セル積層体の積層方向の他端側に配置されるとともに、前記セル積層体と接する第２のエンドプレートと、前記第１のエンドプレートの側端で螺合する複数のボルトと、前記セル積層体の外側で積層方向に配置されるとともに、前記ボルトにて前記第１のエンドプレートの側端に締結される１又は２つ以上のテンションプレートと、前記テンションプレートと一体に構成されるとともに、前記第２のエンドプレートを貫通する複数のロッド部と、前記第２のエンドプレートを貫通した前記ロッド部の先端で螺合するナットと、前記第２のエンドプレートと前記ナットの間に配されるとともに、前記ロッド部が貫通する複数の弾性部材と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の前記燃料電池において、前記テンションプレートは、所定角度に曲げられた１又は２以上の曲げ部を有することが好ましい。

本発明によれば、セル積層体（スタック）のテンション荷重をテンションプレートで受けているので、ねじれに対する抵抗力が大きく、しかも、ナットの締め付け調整により、外部に設けた荷重センサでバネ力を測定することができるので、一度所定のバネ力に設定してしまえば、荷重センサを外すことができるので、低コスト化が実現できる。

また、本発明によれば、テンションプレートと一方のエンドプレートとの寸法が合えば、当該テンションプレートと他方のエンドプレートとの寸法調整が可能であるので、テンションプレートの寸法のバラツキを吸収することができる。

また、本発明によれば、１又は２以上の曲げ部を有することにより、テンションプレートの強度が増強され、ねじれに対する抵抗力をさらに大きくすることができ、しかも、エンドプレートの形状に沿って曲げられた（折り曲げられた）テンションプレートを用いれば、１つテンションプレート用いるだけですむので、部品点数の減少により低コスト化が実現できる。

さらに、本発明によれば、第２のエンドプレートとテンションプレートを、第２のエンドプレートのロッド部と、当該ロッド部と螺合するナットと、によって接合することにより、ナットとエンドプレートとが積層方向で当接することでテンションプレートが固定されるため、第２のエンドプレートとテンションプレートの締結力が向上する。

本発明の実施形態１について図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態１に係る燃料電池の構成を模式的に示した正面図である。図２は、本発明の実施形態１に係る燃料電池の構成を模式的に示した平面図である。図３は、本発明の実施形態１に係る燃料電池のセル積層体の細部の構成を模式的に示した部分断面図である。

この燃料電池１は、固体高分子電解質型燃料電池であり、例えば、燃料電池自動車に搭載される。ただし、自動車以外に用いられてもよい。

燃料電池１は、セル積層体１０と、第１のターミナル３０と、第２のターミナル３１と、第１のインシュレータ４０と、第２のインシュレータ４１と、第１のエンドプレート５０と、第２のエンドプレート５１と、プレッシャプレート６０と、弾性部材７０と、テンションプレート８０と、ボルト８１と、ナット８２と、を有する（図１及び図２参照）。

セル積層体１０は、セル１１の積層体と、第１のターミナル３０、第１のインシュレータ４０、第２のターミナル３１、第２のインシュレータ４１よりなる（図１及び図２参照）。セル１１は、イオン交換膜からなる電解質膜１２と、この電解質膜１２の一面に配置された触媒層１３及び拡散層１４からなる電極１５（アノード、燃料極）と、電解質膜１２の他面に配置された触媒層１６及び拡散層１７からなる電極１８（カソード、空気極）と、から構成された膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Membrane-Electrode Assembly）を有するとともに、ＭＥＡの両外側に、電極１５に燃料ガス（水素）を供給するための第１の流体通路１９ａが形成された第１のセパレータ１９と、カソードに酸化ガス（酸素、通常は空気）を供給するための第２の流体通路２０ａが形成された第２のセパレータ２０と、を有する（図３参照）。セル１１の積層方向の一端に第１のターミナル３０、第１のインシュレータ４０が配置され、セル１１の積層方向の他端に第２のターミナル３１、第２のインシュレータ４１が配置されている。

第１のターミナル３０は、セル１１の積層方向における一端と電気的に直接接続するための金具ないし端子であり、第２のターミナル３１は、セル１１の積層方向における他端と電気的に直接接続するための金具ないし端子である。第１のインシュレータ４０は、第１のターミナル３０と第１のエンドプレート５０との間を絶縁する絶縁体であり、第２のインシュレータ４１は、第２のターミナル３１とプレッシャプレート６０との間を電気的に絶縁する絶縁体である。

第１のエンドプレート５０は、セル積層体１０側からの押付圧力を受けるプレートであり、第１のエンドプレート５０の側端にボルト８１と螺合する複数の孔（図示せず）を有する。第１のエンドプレート５０の外側の面には、空気の供給口５０ａ及び排気口５０ｂ、燃料の供給口５０ｃ及び排気口５０ｄを有する。

第２のエンドプレート５１は、プレッシャプレート６０と間隔をおいて配置されたプレートであり、テンションプレート８０のロッド部８０ａが貫通する複数の孔（図示せず）を有する。第２のエンドプレート５１は、弾性部材７０の押付圧力を受ける。

プレッシャプレート６０は、弾性部材７０の押付けによってセル積層体１０を第１のエンドプレート５０側に押付けるプレートである。

弾性部材７０は、プレッシャプレート６０を介してセル積層体１０に押付圧力を付与するための弾性体であり、第２のエンドプレート５１とプレッシャプレート６０との間に複数（図１及び図２では４つ）配されている。弾性部材７０には、例えば、圧縮コイルスプリング、皿ばね等を用いることができる。

テンションプレート８０は、第１のエンドプレート５０と第２のエンドプレート５１を締結するための平板状のプレートであり、セル積層体１０の外側で積層方向に配置され、ボルト８１にて第１のエンドプレート５０の側端に締結するための複数の孔（図示せず）を有し、第２のエンドプレート５１の孔（図示せず）を貫通するロッドが溶接された複数のロッド部８０ａを有する。図１及び図２を参照すると、テンションプレート８０は２つ存在し、１つのテンションプレート８０につきロッド部８０ａが２つ存在し、１つのテンションプレート８０につき第１のエンドプレート５０に締結するための孔が２つ存在するが、これに限られるものではない（実施形態２を参照）。

ボルト８１は、テンションプレート８０を第１のエンドプレート５０に取り付けるための取付部材であり、テンションプレート８０の孔（図示せず）を貫通し、第１のエンドプレート５０の側端の孔（図示せず）で螺合する。ナット８２は、弾性部材７０によって押付けられた第２のエンドプレート５１を受けるための部材であり、第２のエンドプレート５１の孔（図示せず）を貫通したロッド部８０ａの先端で螺合する。

実施形態１に係る燃料電池の組立方法の一例について説明する。テンションプレート８０をボルト８１で第１のエンドプレート５０に取付けた後、セル積層体１０を第１のエンドプレート５０を載置し、プレッシャプレート６０をセル積層体１０上に載置し、プレッシャプレート６０の板面に弾性部材７０を配置する。次に、第２のエンドプレート５１を孔（図示ぜず）にテンションプレート８０のロッド部８０ａを差し込んで、エンドプレート５１を荷重計（図示せず）を介して押圧する。所望の荷重になると圧縮を止め、ナットを軽く締めた後、荷重計を除去する。これにより、プレッシャプレート６０には所望のバネ荷重が負荷される。

実施形態１によれば、板状のテンションプレート８０で第１のエンドプレート５０と第２のエンドプレート５１を締結しているため、ねじれに対する抵抗力が大きい。また、テンションプレート８０のロッド部８０ａの先端で螺合するナット８２の締め付け調整により、外部に設けた荷重センサでバネ力を測定することができ、寸法のバラツキを吸収することができる。

次に、本発明の実施形態２について図面を用いて説明する。図４は、本発明の実施形態２に係る燃料電池の構成を模式的に示した正面図である。図５は、本発明の実施形態２に係る燃料電池の構成を模式的に示した左側面図である。

実施形態２に係る燃料電池１は、テンションプレート８０の構成が実施形態１に係る燃料電池と異なる。すなわち、実施形態２に係る燃料電池のテンションプレート８０は、１つであり、所定角度に曲げられた（折り曲げられた）２つの曲げ部８０ｂ（積層面方向の断面形状がコの字型）を有し、ロッド部８０ａを３つ有し、孔（図示せず）を６つ有する（図４及び図５参照）。その他の構成については、テンションプレート８０に対応して第１のエンドプレート５０の構成、第２のエンドプレート５１の構成、ボルト８１の数、及びナット８２の数が異なる以外は、実施形態１に係る燃料電池の構成と同様である。なお、実施形態２に係る燃料電池のテンションプレート８０は、２以上有していてもよく、２つの曲げ部８０ｂに限らず１つの曲げ部（積層面方向の断面形状がＬの字型）であってもよい。

実施形態２によれば、曲げ部８０ｂを有するテンションプレート８０で第１のエンドプレート５０と第２のエンドプレート５１を締結しているため、テンションプレート８０自体のねじれに対する抵抗力が強化される。また、テンションプレート８０のロッド部８０ａの先端で螺合するナット８２の締め付け調整により、外部に設けた荷重センサでバネ力を測定することができ、テンションプレートの寸法のバラツキを吸収することができる。さらに、テンションプレート８０の部品点数も１つで済ませることができるので、部品点数の減少により低コスト化が実現できる。

次に、本発明の実施形態３について図面を用いて説明する。図６は、本発明の実施形態３に係る燃料電池の構成を模式的に示した正面図である。図７は、本発明の実施形態３に係る燃料電池の構成を模式的に示した左側面図である。

実施形態３に係る燃料電池は、実施形態１に係る燃料電池のようなプレッシャプレート（図１の６０参照）がなく、弾性部材７０の配設位置が異なる。図６及び図７を参照すると、第２のエンドプレート５１は、弾性部材７０の押付けによってセル積層体１０を第１のエンドプレート５０側に押付ける。弾性部材７０は、中心軸に孔を有する弾性体（例えば、コイルスプリング、皿ばね等）であり、第２のエンドプレート５１の孔（図示せず）を貫通したロッド部８０ａの先端で螺合するナット８２と第２のエンドプレート５１の間に配され、かつ、弾性部材７０の孔にロッド部８０ａが貫通するように配されている。

実施形態３によれば、部品点数を減少させつつ、実施形態１と同様に、ねじれ抵抗力を得ることができ、寸法のバラツキを吸収することができる。

本発明の実施形態１に係る燃料電池の構成を模式的に示した正面図である。 本発明の実施形態１に係る燃料電池の構成を模式的に示した平面図である。 本発明の実施形態１に係る燃料電池のセル積層体の細部の構成を模式的に示した部分断面図である。 本発明の実施形態２に係る燃料電池の構成を模式的に示した正面図である。 本発明の実施形態２に係る燃料電池の構成を模式的に示した左側面図である。 本発明の実施形態３に係る燃料電池の構成を模式的に示した正面図である。 本発明の実施形態３に係る燃料電池の構成を模式的に示した平面図である。

符号の説明

１ 燃料電池
１０ セル積層体
１１ セル
１２ 電解質膜
１３ 触媒層
１４ 拡散層
１５ 電極
１６ 触媒層
１７ 拡散層
１８ 電極
１９ 第１のセパレータ
１９ａ 第１の流体通路
２０ 第２のセパレータ
２０ａ 第２の流体通路
３０ 第１のターミナル
３１ 第２のターミナル
４０ 第１のインシュレータ
４１ 第２のインシュレータ
５０ 第１のエンドプレート
５０ａ 供給口
５０ｂ 排気口
５０ｃ 供給口
５０ｄ 排気口
５１ 第２のエンドプレート
６０ プレッシャプレート
７０ 弾性部材
８０ テンションプレート
８０ａ ロッド部
８０ｂ 曲げ部
８１ ボルト
８２ ナット

Claims (4)

1. セルを積層したセル積層体の積層方向の一端側に配置された第１のエンドプレートと、
   前記セル積層体の積層方向の他端側に配置された第２のエンドプレートと、
   前記第１のエンドプレートの側端で螺合する複数のボルトと、
   前記セル積層体の外側で積層方向に配置されるとともに、前記ボルトにて前記第１のエンドプレートの側端に締結される１又は２つ以上のテンションプレートと、
   前記テンションプレートと一体に構成されるとともに、前記第２のエンドプレートを貫通する複数のロッド部と、
   前記第２のエンドプレートを貫通した前記ロッド部の先端で螺合するナットと、
   を備えることを特徴とする燃料電池。
2. セルを積層したセル積層体の積層方向の一端側に配置されるとともに、前記セル積層体と接する第１のエンドプレートと、
   前記セル積層体の積層方向の他端側に配置されるとともに、前記セル積層体と接するプレッシャプレートと、
   前記プレッシャプレートと間隔をおいて配置された第２のエンドプレートと、
   前記第１のエンドプレートの側端で螺合する複数のボルトと、
   前記セル積層体の外側で積層方向に配置されるとともに、前記ボルトにて前記第１のエンドプレートの側端に締結される１又は２つ以上のテンションプレートと、
   前記テンションプレートと一体に構成されるとともに、前記第２のエンドプレートを貫通する複数のロッド部と、
   前記第２のエンドプレートを貫通した前記ロッド部の先端で螺合するナットと、
   前記プレッシャプレートと前記第２のエンドプレートの間に配される１又は２つ以上の弾性部材と、
   を備えることを特徴とする燃料電池。
3. セルを積層したセル積層体の積層方向の一端側に配置されるとともに、前記セル積層体と接する第１のエンドプレートと、
   前記セル積層体の積層方向の他端側に配置されるとともに、前記セル積層体と接する第２のエンドプレートと、
   前記第１のエンドプレートの側端で螺合する複数のボルトと、
   前記セル積層体の外側で積層方向に配置されるとともに、前記ボルトにて前記第１のエンドプレートの側端に締結される１又は２つ以上のテンションプレートと、
   前記テンションプレートと一体に構成されるとともに、前記第２のエンドプレートを貫通する複数のロッド部と、
   前記第２のエンドプレートを貫通した前記ロッド部の先端で螺合するナットと、
   前記第２のエンドプレートと前記ナットの間に配されるとともに、前記ロッド部が貫通する複数の弾性部材と、
   を備えることを特徴とする燃料電池。
4. 前記テンションプレートは、所定角度に曲げられた１又は２以上の曲げ部を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の燃料電池。

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