JP2006054067A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ小型な構成で、ケーシング内の各単位セルに所望の締め付け荷重を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、複数の単位セル１２が積層された積層体１４を備え、前記積層体１４の両端にターミナルプレート１６ａ、１６ｂを配設してケーシング２４に収容する。このケーシング２４を構成するエンドプレート２０ｂとターミナルプレート１６ｂとの間には、積層体１４の積層方向の長さ変動を吸収して該積層体１４に所望の締め付け荷重を付与可能にするために、厚さＴに調整された複数の絶縁性スペーサ部材２２ａ〜２２ｃが介装される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・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、前記単位セルが複数積層されて積層体を構成するとともに、前記積層体の両端にターミナルプレートを配設してケーシング内に収容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、それぞれ電極触媒（電極触媒層）と多孔質カーボン（拡散層）からなる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（バイポーラ板）によって挟持する単位セル（発電セル）により構成されている。通常、燃料電池では、この単位セルを所定の数だけ積層した燃料電池スタックが使用されている。

この種の燃料電池において、アノード側電極には、燃料ガス（反応ガス）、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（反応ガス）、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。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は、例えば、ケース内に収容されており、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。この燃料電池は、図６に示すように、複数の単位セルを積層した積層セル体１と、この積層セル体１を収容するスタック容器２と、このスタック容器２に螺着可能な蓋体３とを備えている。

蓋体３の底部には、押圧部３ａが設けられるとともに、この蓋体３の側面部には、ねじ部３ｂが形成されており、前記ねじ部３ｂがスタック容器２のねじ溝２ａに螺着されている。このため、蓋体３をスタック容器２にねじ込むことにより、この蓋体３の押圧部３ａが積層セル体１を押圧し、前記積層セル体１を構成する単位セル間に所定の面圧を与えることができる、としている。

また、例えば、特許文献２の燃料電池スタックは、図７に示すように、複数の燃料電池４を積層した積層体の上下両端にそれぞれエンドプレートアセンブリ５ａ、５ｂが配置されるとともに、前記エンドプレートアセンブリ５ａ、５ｂが複数本のタイロッド６により締め付けられている。

上方のエンドプレートアセンブリ５ａを構成するエンドプレート７には、面内に複数個のねじ孔７ａが形成されており、各ねじ孔７ａにねじ８が螺合している。そして、各ねじ８をねじ孔７ａに所定の長さだけねじ込むことにより、前記ねじ８の先端がエンドプレートアセンブリ５ａを介して燃料電池４を押圧し、前記燃料電池４に所定の面圧を付与する、としている。

特開平１０−２１４６３４号公報（段落［００１４］、［００１５］、図１） 米国特許第６，４２８，９２１号公報（図１、図５）

しかしながら、上記の特許文献１では、スタック容器２に蓋体３がねじ込まれるため、この蓋体３が大型であるとともに、ねじ部３ｂ及びねじ溝２ａの軸長が相当に長い。これにより、燃料電池全体が、積層方向に相当に長尺化してしまい、この燃料電池全体が大型で且つ重量物であるという問題が指摘されている。

また、上記の特許文献２では、アジャストボルトとしての複数のねじ８がエンドプレート７の面内に配置されている。このため、燃料電池４の積層体に対して、平行度を維持しながら各ねじ８を調整することは極めて難しく、前記燃料電池４に所望の面圧を付与することができないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ小型な構成で、ケーシング内の各単位セルに所望の締め付け荷重を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、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・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、前記単位セルが複数積層されて積層体を構成するとともに、前記積層体の両端にターミナルプレートを配設してケーシング内に収容される燃料電池スタックである。

この燃料電池スタックは、積層体に所望の締め付け荷重を付与可能にするため、少なくとも一方のターミナルプレートとケーシングの内壁面との間に、厚さ方向に重なり合って介装される複数の絶縁性スペーサ部材を備えている。

また、複数の絶縁性スペーサ部材は、厚さが同一の寸法に設定されることが好ましい。同一の絶縁性スペーサ部材を用意るだけでよく、製造コストの削減が図られるからである。

さらに、複数の絶縁性スペーサ部材は、厚さが２以上の異なる寸法に設定されることが好ましい。このため、絶縁性スペーサ部材の厚さを選択することにより、使用される前記絶縁性スペーサ部材の数を最小限にすることができ、経済的である。

さらにまた、セパレータは、金属セパレータで構成されることが好ましい。金属セパレータ自体の弾性により積層体のへたり等を吸収することができるからである。

本発明によれば、積層体の積層方向の長さが変動しても、使用される絶縁性スペーサ部材の数を設定するだけで、所望の厚さに調整して前記長さの変動を確実に吸収することができ、前記積層体に所望の締め付け荷重を付与することが可能になる。従って、燃料電池スタック全体が有効に小型化且つ軽量化されるとともに、前記燃料電池スタックの組み付け作業が容易に簡素化する。

しかも、複数の絶縁性スペーサ部材を重ね合わせるため、界面が増加して抵抗を上げることができ、前記絶縁性スペーサ部材全体の絶縁性を良好に向上させ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、複数の絶縁性スペーサ部材２２（第１の実施形態では、例えば、３つの絶縁性スペーサ部材２２ａ〜２２ｃを使用して説明する）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、エンドプレート２０ａ、２０ｂを含むケーシング２４を介して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セパレータ３２、３４とを備える。第１及び第２セパレータ３２、３４は、例えば、金属製プレート（金属セパレータ）により構成されている。なお、第１及び第２セパレータ３２、３４はカーボン材等により構成してもよい。電解質膜・電極構造体３０と第１及び第２セパレータ３２、３４との間には、後述する各種連通孔の周囲及び電極面の外周を覆って、シール部材３５が介装されている。

単位セル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。

単位セル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（図示せず）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て形成される電極触媒層（図示せず）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。固体高分子電解質膜４２の外周には、ケーシング２４の内面との絶縁を維持するためにシール部材４７が配設される（図２参照）。

第１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。

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５４ａ、５４ｂが形成される。

ケーシング２４は、図１に示すように、エンドプレート２０ａ、２０ｂと、下板５６と、上板５８と側板６０ａ、６０ｂ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つのタブ部６２ａ、６２ｂ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６２ａ、６２ｂ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６４ａ、６４ｂが形成される。このボス部６４ａ、６４ｂは、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。

下板５６及び上板５８は、断面コ字状に屈曲形成され、それぞれの長手方向両端には、タブ部６６ａ、６６ｂが３つずつ形成される。側板６０ａ、６０ｂの長手方向両端には、タブ部６８ａ、６８ｂが２つずつ形成される。

下板５６のタブ部６６ａとエンドプレート２０ａ、２０ｂの下辺のタブ部６２ａ、６２ｂとは、交互に配置されるとともに、これらにピン７０が一体的に挿入されて、前記下板５６が前記エンドプレート２０ａ、２０ｂに組み付けられる。同様に、上板５８のタブ部６６ｂがエンドプレート２０ａ、２０ｂの上辺のタブ部６２ａと交互に配置されるとともに、これらにピン７０が一体的に挿入されて、前記上板５８が前記エンドプレート２０ａ、２０ｂに取り付けられる。

側板６０ａ、６０ｂのそれぞれのタブ部６８ａ、６８ｂは、エンドプレート２０ａ、２０ｂの両側の各辺のタブ部６２ａ、６２ｂと同軸状に配置され、これらにピン７２が一体的に挿入されることによって、前記側板６０ａ、６０ｂが前記エンドプレート２０ａ、２０ｂに取り付けられる。これにより、ケーシング２４が構成される。

図１及び図２に示すように、絶縁性スペーサ部材２２ａ〜２２ｃ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。絶縁性スペーサ部材２２ａ〜２２ｃは、同一の厚さＴに設定されており、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、積層数が調整される。この絶縁性スペーサ部材２２ａ〜２２ｃ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。

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、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。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セパレータ３２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、第１の実施形態では、ターミナルプレート１６ｂとエンドプレート２０ｂとの間に、複数の絶縁性スペーサ部材２２として、例えば、絶縁性スペーサ部材２２ａ〜２２ｃが介装されている。このため、各単位セル１２毎の寸法差等によって積層体１４の積層方向の長さが変動しても、それぞれ同一の厚さＴに設定された複数の絶縁性スペーサ部材２２ａ〜２２ｃを使用するだけで、所望の厚さ（厚さ３Ｔ）に調整することができ、前記積層体１４の長さ変動を確実に吸収することが可能になる。

従って、予め規定の寸法に設定されているケーシング２４内において、積層体１４に対して所望の締め付け荷重を確実に付与することが可能になる。しかも、絶縁性スペーサ部材２２ａ〜２２ｃを用いるだけでよく、燃料電池スタック１０全体が有効に小型化且つ軽量化されるとともに、前記燃料電池スタック１０の組み付け作業が容易に簡素化されるという効果が得られる。

ここで、絶縁性スペーサ部材２２の積層数を設定する際には、図４に示すように、積層体１４の全長と、この積層体１４の締め付け荷重との関係が考慮される。積層体１４の全長と締め付け荷重とは、比例関係にあり、前記積層体１４の全長がＬである際に、荷重適正範囲がＬ１（締め付け荷重がＦ１〜Ｆ２の範囲内）となる。一方、積層体１４が熱により伸縮する範囲は、Ｌ２となっている。

そこで、積層体１４の初期締め付け荷重点Ｐ１が得られるように、絶縁性スペーサ部材２２の積層厚さ（積層数）が設定される。その際、積層体１４の内部のへたり等によって前記積層体１４の全長が短縮され易く、初期締め付け荷重点Ｐ１から締め付け荷重点Ｐ２に圧力が減少する。

すなわち、積層体１４の内部のへたりや熱による伸縮を考慮して、初期締め付け荷重点Ｐ１が、所望の締め付け荷重点Ｐ２よりも上方（高荷重側）に予め設定される。これにより、燃料電池スタック１０が使用される際に、積層体１４には、荷重適正範囲Ｌ１内に維持し得るような締め付け荷重が付与されることになる。従って、ケーシング２４内に、例えば、皿ばねやアジャストボルト等による加圧構造を用いる必要がなく、コンパクト且つ軽量な燃料電池スタック１０を得ることができるという利点がある。

また、第１の実施形態では、複数の絶縁性スペーサ部材２２ａ〜２２ｃが厚さ方向を重ね合わされている。このため、絶縁性スペーサ部材２２ａ〜２２ｃ間の界面が増加して抵抗を上げることができ、絶縁性スペーサ部材２２全体の絶縁性を良好に向上させることが可能になる。さらに、絶縁性スペーサ部材２２は、同一種類の絶縁性スペーサ部材２２ａ〜２２ｃを使用すればよく、前記絶縁性スペーサ部材２２の製造コストの削減が有効に図られる。

さらにまた、第１の実施形態では、第１及び第２セパレータ３２、３４が金属製プレートにより構成されている。これにより、第１及び第２セパレータ３２、３４自体の弾性により積層体１４のへたり等を吸収することができ、所望の締め付け荷重を確実に付与することが可能になる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック８０の一部断面側面図である。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。

燃料電池スタック８０のケーシング２４内には、ターミナルプレート１６ｂとエンドプレート２０ｂとの間に位置して複数の絶縁性スペーサ部材８２（第２の実施形態では、例えば、３つの絶縁性スペーサ部材８２ａ〜８２ｃを使用して説明する）が介装される。

絶縁性スペーサ部材８２ａ〜８２ｃは、それぞれ異なる厚さＴ１、Ｔ２及びＴ３に設定されており、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、種類（厚さ）及び積層数が調整される。

このように構成される第２の実施形態では、積層体１４の積層方向の長さの変動に応じて、それぞれ異なる厚さＴ１〜Ｔ３に設定された絶縁性スペーサ部材８２ａ〜８２ｃを選択するだけでよい。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、積層体１４に所望の締め付け荷重を確実に付与するとともに、絶縁性を良好に向上させることができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

しかも、絶縁性スペーサ部材８２ａ〜８２ｃは、異なる厚さＴ１〜Ｔ３に設定されており、積層体１４の長さ変動によって、例えば、前記絶縁性スペーサ部材８２ｂ、８２ｃを使用することで対応することが可能になる。従って、薄肉状の絶縁性スペーサ部材８２ａを多数使用する場合に比べ、積層数が大幅に削減されて作業性の向上を図るとともに、経済的である。

本発明の第１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。 積層体の全長と締め付け荷重との関係説明図である。 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断面側面図である。 特許文献１の燃料電池の概略説明図である。 特許文献２の燃料電池スタックの概略斜視説明図である。

符号の説明

１０、８０…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、２２ａ〜２２ｃ、８２、８２ａ〜８２ｃ…絶縁性スペーサ部材
２４…ケーシング ３０…電解質膜・電極構造体
３２、３４…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
５６…下板 ５８…上板
６０ａ、６０ｂ…側板

Claims (4)

1. 電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・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、前記単位セルが複数積層されて積層体を構成するとともに、前記積層体の両端にターミナルプレートを配設してケーシング内に収容される燃料電池スタックであって、
   前記積層体に所望の締め付け荷重を付与可能にするため、少なくとも一方のターミナルプレートと前記ケーシングの内壁面との間に、厚さ方向に重なり合って介装される複数の絶縁性スペーサ部材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、前記複数の絶縁性スペーサ部材は、厚さが同一の寸法に設定され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、前記複数の絶縁性スペーサ部材は、厚さが２以上の異なる寸法に設定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、前記セパレータは、金属セパレータで構成されることを特徴とする燃料電池スタック。
   
   

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