JP2006216247A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】ケーシング内のスペースを有効に利用することができ、簡単且つコンパクトな構成で、電極面積を良好に拡大させることを可能にする。
【解決手段】複数の単位セル１２を積層する積層体１４が、ケーシング２４内に収容される。このケーシング２４を構成する１つの側板６０ｂとエンドプレート２０ａ、２０ｂとは、連結ピン６４ｂにより連結される。側板６０ｂの板厚中心ＰＣは、連結ピン６４ｂの中心Ｏに対してケーシング２４の外方にオフセットするとともに、積層体１４の側面１４ａは、前記側板６０ｂの内壁面７８と、前記連結ピン６４ｂの外周面を通り且つ前記内壁面７８に平行する仮想面８２との間に配設される。
【選択図】図２

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アノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・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、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の燃料電池スタックが知られている。この燃料電池スタックは、図７に示すように、複数の単位セル１を積層した積層体２を備えるとともに、この積層体２の積層方向両端にエンドプレート３、３を介装して補助プレート４ａ、４ｂが配設されている。

積層体２の両側部に沿って、一対の締結バンド５、５が配置されている。締結バンド５、５及び補助プレート４ａ、４ｂの端部には、円筒状のボス部６がそれぞれの孔部が一直線上に並ぶように設けられている。そして、各ボス部６に金属ピン７が挿入されることにより、締結バンド５、５及び補助プレート４ａ、４ｂが一体的に連結されている。

補助プレート４ａには、複数のボルト８が螺合する一方、補助プレート４ｂには、複数の皿ばね９が配設されている。従って、ボルト８が螺入されると、エンドプレート３が下方に押圧されるとともに、補助プレート４ｂに配置された皿ばね９が圧縮され、一対のエンドプレート３を介して積層体２に必要な締結圧が付与される、としている。

特開２００１−１３５３４４号公報（図５）

しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池スタックの締め付け荷重を調整するために、専用部品である複数のボルト８及び複数の皿ばね９を備えている。従って、専用部品の追加により燃料電池スタック全体の重量が増加するという問題がある。

しかも、補助プレート４ａ、４ｂ間において、積層体２は積層方向両端からボルト８及び皿ばね９により押圧保持されている。このため、補助プレート４ａ、４ｂ間には、積層体２が配置されないスペースが存在しており、燃料電池スタックは、単位セル１の積層方向に相当に大型化してスペースの効率的な活用が図られ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、ケーシング内のスペースを有効利用することができ、簡単且つコンパクトな構成で、電極面積を良好に拡大させ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、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが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、前記端板と前記側板とを連結する連結ピンとを備えている。そして、少なくとも１つの側板の板厚中心は、連結ピンの中心に対してケーシングの外方にオフセットするとともに、積層体の側面は、前記側板の内壁面と、前記連結ピンの前記内壁面とは反対側の外周面を通り且つ前記内壁面に平行する仮想面との間に配設されている。

また、少なくとも１つの側板は、連結ピンを挿入するボス部と内壁面とが湾曲面により連続的に繋がれることが好ましい。一対の連結ピン間にスタック締め付け荷重が付与される際、側板に作用する一対の応力集中点は、湾曲面の内側端部に寄っており、応力集中点間の距離が短尺化される。このため、側板が撓み変形することを良好に阻止することが可能になる。

本発明では、側板の板厚中心が連結ピンの中心に対してケーシングの外方にオフセットするため、前記側板の内壁面を積層体側から離間させることができる。このため、積層体の側面を側板の内壁面に近接して配設することによって、ケーシング全体が大型化することがなく、前記積層体の電極面積を良好に拡大させることが可能になる。

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、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。なお、第１及び第２金属セパレータ３２、３４に代替して、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。

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の両面に形成される。

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るために、シール５７が介装される。

図１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。

ケーシング２４は、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。側板６０ａ〜６０ｄは、薄板金属製プレートで構成される。

エンドプレート２０ａ、２０ｂの上下各辺には、それぞれ２つの第１ボス部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つの第１ボス部６６ｃ、６６ｄが突出形成される。第１ボス部６６ａ〜６６ｄには、孔６７ａ〜６７ｄが貫通形成される。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の矢印Ｂ方向両側に配置される側板６０ａ、６０ｃの長手方向（矢印Ａ方向）両端には、第２ボス部７０ａ、７０ｂ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６０ｂ、６０ｄの長手方向両端には、第２ボス部７２ａ、７２ｂが３つずつ形成される。第２ボス部７０ａ、７０ｂには、孔７１ａ、７１ｂが形成されるとともに、第２ボス部７２ａ、７２ｂには、孔７３ａ、７３ｂが形成される。

側板６０ａ、６０ｃの各第２ボス部７０ａ、７０ｂ間には、エンドプレート２０ａ、２０ｂの両側の各辺の第１ボス部６６ｃ、６６ｄ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の第２ボス部７２ａ、７２ｂがエンドプレート２０ａ、２０ｂの上辺及び下辺の第１ボス部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ねじ孔７４が形成される一方、アングル部材６２ａ〜６２ｄの各辺には、前記ねじ孔７４に対応して孔部７６が形成される。各孔部７６に挿入される各ねじ７７がねじ孔７４に螺合することにより、アングル部材６２ａ〜６２ｄを介して側板６０ａ〜６０ｄ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４参照）。

なお、アングル部材６２ａ〜６２ｄにねじ孔を形成する一方、側板６０ａ〜６０ｄに孔部を形成し、前記アングル部材６２ａ〜６２ｄを前記側板６０ａ〜６０ｄ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。

図２及び図５に示すように、少なくとも側板６０ｂでは、この側板６０ｂの板厚中心ＰＣが、連結ピン６４ｂの中心Ｏに対してケーシング２４の外方、すなわち、積層体１４から離間する方向に距離ｈだけオフセットする。第２ボス部７２ａと側板６０ｂの内壁面７８とは、湾曲面８０により連続的に繋がれる。この湾曲面８０のＲは、種々設定可能であり、少なくとも積層体１４に干渉しない位置に中心が設定される。

積層体１４の側面（上面）１４ａは、内壁面７８と、連結ピン６４ｂの前記内壁面７８とは反対側の外周面を通り且つ前記内壁面７８に平行する仮想面８２との間に配設される。この仮想面８２は、より好ましくは、連結ピン６４ｂの中心Ｏを通り且つ内壁面７８に平行する位置に設定される。側板６０ｂでは、連結ピン６４ｂ、６４ｂに矢印方向のスタック締め付け荷重が付与される際、前記側板６０ｂに作用する一対の応力集中点８４が、湾曲面８０の内側端部に寄って発生する。

側板６０ｄは、図２に示すように、上記の側板６０ｂと同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。また、側板６０ａ、６０ｂは、必要に応じて上記の側板６０ｂと同様に構成される（図１参照）。

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。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。

この燃料電池スタック１０では、先ず、図４に示すように、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、図２及び図５に示すように、例えば、側板６０ｂにおいて、この側板６０ｂの板厚中心ＰＣが、連結ピン６４ｂの中心Ｏに対してケーシング２４の外方にオフセットしており、前記側板６０ｂの内壁面７８を積層体１４側から離間させることができる。従って、積層体１４の側面１４ａを側板６０ｂの内壁面７８に近接して、すなわち、前記側面１４ａを前記内壁面７８と、連結ピン６４ｂの外周面を通る仮想面８２との間に配設することが可能になる。

これにより、ケーシング２４全体が大型化することがなく、各単位セル１２の寸法を長尺化することができ、電極面積を良好に拡大させることが可能になるという効果が得られる。

さらに、図５に示すように、側板６０ｂは、一対の連結ピン６４ｂを挿入する第２ボス部７２ａと内壁面７８とが、湾曲面８０により連続的に繋がれている。このため、一対の連結ピン６４ｂ間にスタック締め付け荷重が付与される際、側板６０ｂに作用する一対の応力集中点８４は、湾曲面８０の内側端部に寄った位置に発生する。

これに対して、図６に示すように、湾曲面を設けない側板６０ｂ１では、連結ピン６４ｂ、６４ｂ間にスタック締め付け荷重が付与される際、前記側板６０ｂ１に作用する一対の応力集中点８４ａは、第２ボス部７２ａの基端部に発生する。従って、湾曲面８０を設ける側板６０ｂでは、一対の応力集中点８４間の距離が、側板６０ｂ１の一対の応力集中点８４ａ間よりも有効に短尺化され、前記側板６０ｂの撓み変形量は、前記側板６０ｂ１の撓み変形量に比べて相当に減少するという利点がある。

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。 ケーシングを構成する側板の説明図である。 湾曲面を設けない側板の説明図である。 特許文献１の燃料電池スタックの説明図である。

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 ６０ａ〜６０ｄ…側板
６２ａ〜６２ｄ…アングル部材 ６４ａ、６４ｂ…連結ピン
６６ａ〜６６ｄ、７０ａ、７０ｂ、７２ａ、７２ｂ…ボス部
７８…内壁面 ８０…湾曲面
８２…仮想面 ８４…応力集中点

Claims (2)

1. 一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが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、
   前記端板と前記側板とを連結する連結ピンと、
   を備え、
   少なくとも１つの前記側板の板厚中心は、前記連結ピンの中心に対して前記ケーシングの外方にオフセットするとともに、
   前記積層体の側面は、前記側板の内壁面と、前記連結ピンの前記内壁面とは反対側の外周面を通り且つ前記内壁面に平行する仮想面との間に配設され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、少なくとも１つの前記側板は、前記連結ピンを挿入するボス部と前記内壁面とが湾曲面により連続的に繋がれることを特徴とする燃料電池スタック。

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