JP2007005169A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】 単セルにおける各部位での面圧を最適なものとする。
【解決手段】 上部エンドプレート５を、セル部３におけるアクティブエリアＡに対応する内側エンドプレート５Ａと、その外周側の外側エンドプレート５Ｂとに分割し、上部絶縁プレート７も同様に内側絶縁プレート７Ａと外側絶縁プレート７Ｂとに分割する。さらに、内側絶縁プレート７Ａとセル部３との間に電流取出用の上部コレクタプレート９を配置する。下部エンドプレート１１と下部絶縁プレート１３は、それぞれ一体物であり、下部絶縁プレート１３の凹部１３ａに下部コレクタプレート１５を配置する。アクティブエリアＡに対応する部位は、複数の皿ばね１７を介装してプレッシャープレート１９によりボルト締結する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電解質膜の両側に電極を備え、さらにその両側にセパレータを設けた単セルを複数積層し、この積層方向両端をエンドプレートにより挟持して積層方向に荷重を付与する燃料電池スタックに関する。

一般的に、固体高分子型燃料電池は、表面に反応ガス流路や冷却水流路を設けた一対のセパレータと、両面にガス拡散層を設けた電極・電解質膜接合体とからなる単セルを複数積層して、燃料電池スタックとして使用する。

上記した単セルの積層方向両端を、単セルを保持するとともに積層方向に荷重を付与するためのエンドプレートで挟持し、この際積層した単セルには、気密性を確保するとともに、発生した電流を効率よく伝達するために、積層方向に適切な荷重を付与する必要があり、また単セルは、熱膨張や電解質膜の膨潤などによって運転中に厚さ寸法変化が生じるため、これを吸収する機構が必要となる。

例えば、下記特許文献１には、上記した厚さ寸法変化を吸収するために、燃料電池スタックの一端側に皿ばねを設ける点が記載されているが、これは、積層した複数の単セルを挟持するエンドプレートが一体物であることから、単セル全面を覆って均等に積層荷重を付与することになり、圧縮反力差を有する単セルの各部位毎に適切な荷重を付与することができない。

このため、単セルの各部位による圧縮反力差によってエンドプレートが変形し、これによって面圧の不均一を生じることから、エンドプレートの剛性を上げる必要があり、その結果、燃料電池スタックが大型化するとともに重量増を招くものとなる。

これを避ける方法として、下記特許文献２には、単セルの各部位毎に適切な荷重を付与すべく、単セルの中心側と同外周側に異なる荷重を付与できるように、エンドプレートを分割する点が記載されている。
特開２００２−２９８９０１号公報（段落０００４，図５） 特開２００４−３３５３３６号公報（段落００１５，図１）

ところで、単セルを構成するセパレータは、その機能上分割することができない。このため、上記した特許文献２に記載のようなエンドプレートの分割部で、各部位の圧縮反力の差や運転時の厚さ寸法変化が発生した場合には、セパレータが追従せず、この結果単セルの各部位による最適な面圧を得ることができないものとなる。

そこで、本発明は、単セルにおける各部位での面圧を最適なものとすることを目的としている。

本発明は、電解質膜の両側に電極を備え、さらにその両側にセパレータを設けた単セルを複数積層し、この積層方向両端をエンドプレートにより挟持して積層方向に荷重を付与する燃料電池スタックにおいて、前記エンドプレートを、前記荷重を付与する適宜部位毎に複数に分割するとともに、前記セパレータを前記荷重を付与する方向に弾性変形可能な金属薄板製とすることを最も主要な特徴とする。

本発明によれば、エンドプレートの分割部相互間で、単セル各部位の圧縮反力の差や運転時の厚さ寸法変化が発生した場合には、これに伴いセパレータが追従して弾性変形するので、単セルの各部位毎に最適な面圧を得ることができる。

また、分割したエンドプレート相互の各部位によって、ある程度異なる積層厚さを許容することができ、例えば周縁部に設定するシール部の潰れ代を適切に維持したまま、その内側の電気反応部の厚さ寸法変化に対応することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は、本発明の一実施形態を示す燃料電池スタックの断面図、図２は、同燃料電池スタックの平面図である。この燃料電池スタックは、単セル１を図１中で上下方向に複数積層したセル部３を備えており、単セル１は、図示しない電解質膜の両側に電極を備え、さらにその両側に図示しないセパレータを設けている。

ここでのセパレータは、本燃料電池スタックに対し、後述する方法で荷重を付与する方向に弾性変形可能な金属薄板製としている。この金属薄板製のセパレータは、板厚０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度のステンレス製薄板を、プレス成形によって波板状に形成し、波板形状部分の凹凸部により、燃料ガス流路、酸化剤ガス流路や冷却水流路などの流体流路を構成する。

上記したセル部３は、中央部に図示しない電極を備える電気反応部としてのアクティブエリアＡを備え、電極は、カーボンペーパやカーボンクロスからなるガス拡散層を備えている。

セル部３の図１中で上部に設けた上部エンドプレート５は、上記したアクティブエリアＡに対応する内側エンドプレート５Ａと、その外周側の外側エンドプレート５Ｂとに分割しており、これら各エンドプレート５Ａ，５Ｂは、単セル１の積層方向に相対的に変位可能となっている。

また、上部エンドプレート５とセル部３との間に介装し、これら相互間の電気的絶縁を行う上部絶縁プレート７も、上部エンドプレート５と同様に、アクティブエリアＡに対応する内側絶縁プレート７Ａと、その外周側の外側絶縁プレート７Ｂとに分割している。

さらに、セル部３のアクティブエリアＡと内側絶縁プレート７Ａとの間には、セル部３で発生した電流を外部に取り出すための上部コレクタプレート９を設けている。

一方、セル部３の図１中で下部に設けた下部エンドプレート１１は、全体を１枚のプレートで構成した一体物であり、その内側に設けた電気的絶縁を行う下部絶縁プレート１３も、下部エンドプレート１１と同様に、全体を１枚のプレートで構成した一体物である。

下部絶縁プレート１３の前記したアクティブエリアＡに対向する側には凹部１３ａを形成し、この凹部１３ａに、セル部３で発生した電流を外部に取り出すための下部コレクタプレート１５を設けている。

また、上部エンドプレート５における内側エンドプレート５Ａのさらに外側（図１中で上部側）には、寸法変化吸収機構としての複数の皿ばね１７を介してプレッシャープレート１９を設置している。プレッシャープレート１９は、図２中で上下両端部から同方向にそれぞれ突出するボルト締結部１９ａを複数備え、このボルト締結部１９ａと、下部エンドプレート１１に設けた同様のボルト締結部とを、所定の荷重を付与した状態でボルト２１により締結する。

上記した皿ばね１７は、各単セル１が燃料電池スタックの運転時に熱膨張したり、電解質膜が膨潤することによる厚さ寸法の変化を吸収する。

一方、上部エンドプレート５における外側エンドプレート５Ｂは、その複数のボルト締結部５Ｂａと、下部エンドプレート１１に設けた同様のボルト締結部とを、所定の荷重を付与した状態でボルト２３により締結する。

また、図１，２中で左側の端部には、燃料ガス，酸化剤ガスおよび冷却水をセル部３の必要部位にそれぞれ供給するための各入口マニホールド２５，２７および２９を設け、同右側の端部には、燃料ガス，酸化剤ガスおよび冷却水の各出口マニホールド３１，３３および３５をそれぞれ設けている。そして、入口マニホールド２５，２７，２９には外部入口配管接続部３７を、出口マニホールド３１，３３，３５には外部出口配管接続部３９を、それぞれ設置する。

上記した外部入口配管接続部３７および外部出口配管接続部３９により、流体の出入口部を構成しており、この流体の出入口部は、寸法変化吸収機構（皿ばね１７）を設けた面と同一側の面に設けたことになる。

また、前記各単位セル１の外周縁部および、各入口マニホールド２５，２７，２９および各出口マニホールド３１，３３，３５の周囲などには、燃料ガス，酸化剤ガスや冷却水のシールを行う図示しないガスケットを設置する。

上記した本実施形態による燃料電池スタックは、外周側は図示しないガスケットを一定量圧縮した状態でボルト２３によって積層方向に拘束し、この際ガスケット反力によって生じた積層荷重を保持する。

一方、内周側のアクティブエリアＡは、皿ばね１７の荷重によってガス拡散層（電極）を一定量圧縮し、初期状態で外側絶縁プレート７Ｂと上部コレクタプレート９の下面同士がほぼ同一面となるように調整する。

燃料電池スタックの運転時には、各単セル１が熱膨張したり、各単セル１のアクティブエリアＡの電解質膜が膨潤することによって厚さが微小に増加し、これにより上部コレクタプレート９が押し上げられるとともに皿ばね１７が圧縮される。この際、各単セル１を構成するセパレータは、アクティブエリアＡとその外周部との境界で弾性変形して追従するため、アクティブエリアＡの接触状態を所望に維持する。

一方、アクティブエリアＡの外側の外周部では、外側エンドプレート５Ｂと下部エンドプレート１１との間でボルト２３によって直接固定しているため、厚さ寸法変化を発生させることなく、ガスケットの圧縮代を維持することができる。

このように、本実施形態の燃料電池スタックによれば、上部エンドプレート５を、アクティブエリアＡに対応する内側エンドプレート５Ａと、その外周側の外側エンドプレート５Ｂとに分割するとともに、セパレータを弾性変形可能で柔軟性の高い金属薄板製とすることで、アクティブエリアＡとその外側部位に対し、圧縮反力の差や運転時の厚さ寸法変化に応じてそれぞれ独立して適切な荷重を付与することができ、単セル１における各部位での面圧を最適なものとすることができる。

また、セパレータを弾性変形可能な金属製とすることによって、分割した内側および外側の各エンドプレート５Ａおよび５Ｂの各部位によって、ある程度異なる積層厚さを許容することができ、例えば周縁部に設定するシール部の潰れ代を適切に維持したまま、その内側のアクティブエリアＡの厚さ寸法変化に対応することができる。

また、本実施形態では、セパレータを金属製とすることで、各単セル１とこれを積層方向に拘束するボルト２１との熱膨張差を小さくでき、このため単セル１の厚さ寸法変化に対しては主に電解質膜の膨潤についてのみ考慮すればよく、したがって厚さ寸法変化を吸収する皿ばね１７は、アクティブエリアＡに対応する位置のみに設ければよい。これにより、単セル１全体に皿ばねを設ける場合に比べて燃料電池スタックを軽量化することができる。

また、アクティブエリアＡに対応する位置に設けた皿ばね１７を複数としてその配置や荷重を適切に配分することで、アクティブエリアＡの面圧を均一化することができる。アクティブエリアＡにおけるガス拡散層の圧縮反力は通常均一であるため、本実施形態においては荷重の等しい皿ばね１７を互いに等間隔に配置している。
さらに、上記のようにアクティブエリアＡのみに皿ばね１７を配置し、外周部の皿ばねを省くことにより、この省いた部位に外部入口配管接続部３７および外部出口配管接続部３９をそれぞれ配置することができ、これらを下部エンドプレート１１側に設置した場合に比較して燃料電池スタックの全長（図１中で上下方向長さ）を短縮することができる。上記した外部入口配管接続部３７および外部出口配管接続部３９は、燃料電池スタックの図１，２中で、左右両端どちら側にも設置可能なので、外部配管のレイアウト自由度が増加する。

また、上部，下部各コレクタプレート９，１５は、通常導電性を確保するために金メッキなどの表面処理を施すため高価であるが、本実施形態のように実際に電流を発生するアクティブエリアＡに対応する部位のみに設けることにより、その機能を損なうことなくコスト削減を図ることができる。さらに、上部エンドプレート５および上部絶縁プレート７をそれぞれ分割しているものの、上部コレクタプレート９は、アクティブエリアＡにのみ設置して分割する必要がないので、分割による部品点数の増加を最低限に抑えることができる。

また、外側絶縁プレート７Ｂと上部コレクタプレート９との間で、各部品の製造バラツキにより発生する段差についても、セパレータが弾性変形することで吸収することができる。

本発明の一実施形態を示す燃料電池スタックの断面図である。 図１の燃料電池スタックの平面図である。

符号の説明

１ 単セル
５ 上部エンドプレート
５Ａ 上部エンドプレートの内側エンドプレート
５Ｂ 上部エンドプレートの外側エンドプレート
９ 上部コレクタプレート
１１ 下部エンドプレート
１５ 下部コレクタプレート
１７ 皿ばね（寸法変化吸収機構）
３７ 外部入口配管接続部（流体の出入口部）
３９ 外部出口配管接続部（流体の出入口部）
Ａ アクティブエリア（電気反応部）

Claims (6)

1. 電解質膜の両側に電極を備え、さらにその両側にセパレータを設けた単セルを複数積層し、この積層方向両端をエンドプレートにより挟持して積層方向に荷重を付与する燃料電池スタックにおいて、前記エンドプレートを、前記荷重を付与する適宜部位毎に複数に分割するとともに、前記セパレータを前記荷重を付与する方向に弾性変形可能な金属薄板製とすることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、前記エンドプレートを、前記電極を備える電気反応部に対応する部位と、この電気反応部以外の部位とで複数に分割することを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項２に記載の燃料電池スタックにおいて、前記積層方向端部の単セルと前記エンドプレートとの間に、電気取出用のコレクタプレートを設け、このコレクタプレートを、前記電極を備える電気反応部に対応する部位のみに設けたことを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項２または３に記載の燃料電池スタックにおいて、前記単セルの積層方向の寸法変化を吸収する寸法変化吸収機構を、前記電気反応部に対応する部位のみに設けたことを特徴とする燃料電池スタック。
5. 請求項４に記載の燃料電池スタックにおいて、前記寸法変化吸収機構を設けた面と同一側の面に、前記単セルに供給する流体の出入口部を設けたことを特徴とする燃料電池スタック。
6. 請求項４または５に記載の燃料電池スタックにおいて、前記寸法変化吸収機構を、前記電気反応部に対応する部位に複数設けたことを特徴とする燃料電池スタック。

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