JP2007026695A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、エンドプレートの剛性を良好に確保することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０では、ターミナルプレートから積層方向に出力端子部５８ａが突出形成される。エンドプレート２０ａは、このエンドプレート２０ａの中央領域Ｓを通る複数の補強用リブＲを設けるとともに、前記エンドプレート２０ａには、出力端子部５８ａを挿入させるための貫通孔部５９ａが形成される。貫通孔部５９ａは、補強用リブＲを避けて中央領域Ｓから上方に離間し、且つ、発電領域Ｄ内に位置している。
【選択図】図１

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・電極構造体とセパレータとを有する発電セルを備え、前記発電セルが複数積層された積層体の積層方向両端に、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが配設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対設した電解質膜・電極構造体が、セパレータによって挟持された発電セルを備え、前記発電セルが複数積層されることにより、燃料電池スタックが構成されている。

この種の燃料電池スタックでは、発電セルが複数積層された積層体の積層方向両端に、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが配設されている。ターミナルプレートは、積層体からの発電電力を外部に取り出すために出力端子部を備えており、この出力端子部は、前記ターミナルプレートの端部から外部に突出して設けられている場合が多い。しかしながら、出力端子部が発電面方向に対して端部に存在しているため、発電面内の電流に不均一が発生し易く、特に高出力型の燃料電池スタックでは、前記出力端子部で相当な発熱が生じるという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池の出力端子構造が採用されている。この燃料電池では、図６に示すように、燃料電池本体１を備えており、この燃料電池本体１は、単電池の積層体に集電板、絶縁板、端板及び締付部材等を組み合わせて締め付けられている。燃料電池本体１の両側面には、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却水の出入を行うための外部マニホールド２、３が取り付けられている。

燃料電池本体１の中央部には、積層体の積層方向に突出して出力端子４が設けられている。この出力端子４は、図示しない集電板に接続されており、前記出力端子４は、絶縁カラー５を介して金属板６から絶縁されている。

特許第３４９６８１９号公報（図１）

ところで、上記の特許文献１の出力端子部を、一般的な燃料電池スタックに採用する際、ターミナルプレートの中央部から積層方向に突出して出力端子部が設けられるとともに、絶縁プレート及びエンドプレートの中央部には、前記出力端子部を挿通させるための貫通孔部が形成される。

この場合、エンドプレートは、積層体の各発電セルに均一な面圧を付与して所望の発電性能及びシール性を確保しなければならず、機械的剛性、特に曲げ剛性を有することが必要である。曲げは、エンドプレートの中央部に応力が集中することにより発生しており、曲げ剛性を維持するためには、前記エンドプレートの中央部を通るリブを設けることが要請される。

しかしながら、上記の出力端子部を採用しようとすると、最も剛性を確保したいエンドプレートの中央部に、空所である貫通孔部が設けられてしまう。これにより、エンドプレートの剛性を良好に確保することができず、例えば、各発電セルの発電性能が不均一になるとともに、所望のシール性が得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、簡単且つ経済的な構成で、エンドプレートの剛性を良好に確保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、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を有する発電セルを備え、前記発電セルが複数積層された積層体の積層方向両端に、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが配設される燃料電池スタックである。

ターミナルプレートは、外部に電力を取り出すための出力端子部を、積層方向に突出形成し、エンドプレートは、該エンドプレートの中央領域を通る補強用リブを設けるとともに、前記エンドプレートには、前記補強用リブを避けて前記中央領域から離間し且つ電極の発電領域内に位置して前記出力端子部を挿入させるための貫通孔が形成されている。

また、エンドプレートは、長方形状を有し、補強用リブは、少なくとも前記エンドプレートの対角位置を繋いで前記中央領域を通ることが好ましい。長方形状のエンドプレートの剛性を良好に確保することができるからである。

さらに、積層体は、複数の発電セルが水平方向に積層されるとともに、貫通孔は、中央領域から上方に離間する位置に設定されることが好ましい。冠水時における出力端子部の水没を有効に回避することができるからである。

本発明では、補強用リブがエンドプレートの中央領域を通って設けられるため、前記エンドプレートの剛性を良好に確保することができる。従って、積層体の各発電セルに均一な面圧を付与することが可能になり、所望の発電性能及びシール性を確保することができる。

しかも、出力端子部は、中央領域から離間し且つ電極の発電領域内に位置して設けられている。このため、発電面内の電流は、さほど不均一になることがなく、良好な発電性能を確保す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の斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の一部分解概略斜視図である。

図２に示すように、燃料電池スタック１０は、複数の発電セル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１８ａ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、絶縁プレート１８ｂ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、例えば、長方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を備えている。なお、燃料電池スタック１０は、発電セル１２の積層方向が水平方向に設定されているが、これに限定されるものではなく、例えば、前記発電セルの積層方向を鉛直方向（矢印Ｃ方向）に設定してもよい。

図３及び図４に示すように、各発電セル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。

発電セル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。

発電セル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の外周端縁部を周回して第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の外周端縁部を周回して第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３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５５が介装される。

図１〜図３に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの面内中央から上方に所定距離だけ離間する位置（後述する）には、積層方向外方に延在する出力端子部５８ａ、５８ｂが設けられる。出力端子部５８ａ、５８ｂには、例えば、走行用モータ等の負荷が接続される。

出力端子部５８ａ、５８ｂは、絶縁性筒体５７に挿入されて絶縁プレート１８ａ、１８ｂ及びエンドプレート２０ａ、２０ｂの貫通孔部５９ａ、５９ｂに挿入されて外部に突出する。絶縁プレート１８ａ、１８ｂ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。

図５に示すように、エンドプレート２０ａには、このエンドプレート２０ａの中央領域Ｓを通る複数の補強用リブＲが設けられる。補強用リブＲは、少なくともエンドプレート２０ａの対角位置を繋いで中央領域Ｓを通る部分の他、水平方向（矢印Ｂ方向）の両端を繋いで前記中央領域Ｓを通る部分、貫通孔部５９ａを周回する略円形状の部分等を有する。

貫通孔部５９ａは、補強用リブＲを避けて中央領域Ｓから離間し、且つ発電セル１２の発電領域Ｄ（図４参照）内に位置して形成される。図３及び図５に示すように、燃料電池スタック１０のスタック高さ方向中心線Ｏ１の高さＨに対し、貫通孔部５９ａの中心、すなわち、出力端子部５８ａの中心高さ位置Ｏ２は、高さｈ１だけ高い位置に設定される。

ケーシング２４は、図２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パネル部材６０ａ〜６０ｄと、前記パネル部材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６２ａ〜６２ｄと、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂと前記パネル部材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。パネル部材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つの円筒状第１連結部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２つの第１連結部６６ａ、６６ｂが突出形成される。

積層体１４の矢印Ｂ方向両側に配置されるパネル部材６０ａ、６０ｃの長手方向（矢印Ａ方向）両端には、第２連結部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パネル部材６０ｂ、６０ｄの長手方向両端には、第２連結部７２ａ、７２ｂが３つずつ形成される。

パネル部材６０ａ、６０ｃの各第２連結部７０ａ、７０ｂ間には、エンドプレート２０ａ、２０ｂの両側の各辺の第１連結部６６ａ、６６ｂ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、前記パネル部材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、パネル部材６０ｂ、６０ｄの第２連結部７２ａ、７２ｂがエンドプレート２０ａ、２０ｂの上辺及び下辺の第１連結部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、前記パネル部材６０ｂ、６０ｄが前記エンドプレート２０ａ、２０ｂに取り付けられる。

パネル部材６０ａ〜６０ｄには、短手方向両端縁部にそれぞれ複数のリング状凹部７４ａが形成されるとともに、前記凹部７４ａには、小径な孔部７４ｂが同軸上に連通する。アングル部材６２ａ〜６２ｄは、湾曲する角部を挟んで各片に薄肉部７５が形成されるとともに、各薄肉部７５には、各孔部７４ｂに対応してねじ孔７６が形成される。

各凹部７４ａに締結ボルト７８の頭部７８ａが挿入されるとともに、前記締結ボルト７８のねじ部７８ｂが、孔部７４ｂを通ってねじ孔７６に螺合する。これにより、アングル部材６２ａ〜６２ｄを介してパネル部材６０ａ〜６０ｄが固定され、ケーシング２４が構成される（図１参照）。

締結ボルト７８の頭部７８ａには、ボルト回転用工具（図示せず）を係止するための、複数、例えば、３つの貫通孔部７９が、等角度間隔ずつ離間して形成される。各締結ボルト７８のねじ部７８ｂには、このねじ部７８ｂの緩みを防止し、且つ、防水機能を有する緩み防止剤（図示せず）が塗布される。

図２及び図３に示すように、絶縁プレート１８ｂ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。この絶縁プレート１８ｂ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。

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１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発電セル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。

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、ターミナルプレート１６ａから矢印Ａ方向に突出形成される出力端子部５８ａが、エンドプレート２０ａの中央領域Ｓから上方に離間しており、前記エンドプレート２０ａには、前記出力端子部５８ａを挿入させるための貫通孔部５９ａが、前記中央領域Ｓの上方に離間して形成されている。

このため、エンドプレート２０ａには、中央領域Ｓを通って複数の補強用リブＲが設けられ、前記エンドプレート２０ａの剛性を良好に確保することができる。特に、エンドプレート２０ａの中央部に集中し易い曲げ応力に対し、補強用リブＲを介して所望の剛性を維持することが可能になり、前記エンドプレート２０ａの曲げによる変形を有効且つ確実に阻止することができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、エンドプレート２０ａの剛性を向上させることができるという効果が得られる。

しかも、出力端子部５８ａは、各発電セル１２の発電領域Ｄ内に位置して設けられている。このため、発電面内の電流がさほど不均一になることがなく、良好な発電性能を確保することが可能になる。

さらに、発電セル１２が水平方向に積層されるとともに、出力端子部５８ａは、燃料電池スタック１０のスタック高さ方向中心線Ｏ１よりも上方に距離ｈ１だけ離間した位置に、前記出力端子部５８ａの中心高さ位置Ｏ２が設定されている（図５参照）。

従って、燃料電池スタック１０の冠水時に、この燃料電池スタック１０のスタック高さ方向中心線Ｏ１よりさらに上方に距離ｈ１だけ水位の上昇があっても、出力端子部５８ａが水中に浸ることがない。これにより、燃料電池スタック１０を、例えば、燃料電池自動車の床下に配置しても、冠水時における出力端子部５８ａの水没が良好に回避され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斜視説明図である。 前記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断面側面図である。 前記燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの正面説明図である。 特許文献１の燃料電池の正面説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池スタック １２…発電セル
１４…積層体 １６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８ａ、１８ｂ…絶縁プレート ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
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 ５８ａ、５８ｂ…出力端子部
５９ａ、５９ｂ…貫通孔部 ６０ａ〜６０ｄ…パネル部材
６２ａ〜６２ｄ…アングル部材 ６４ａ、６４ｂ…連結ピン
７６…ねじ孔 ７８…締結ボルト
Ｄ…発電領域 Ｒ…補強用リブ
Ｓ…中央領域

Claims (3)

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を有する発電セルを備え、前記発電セルが複数積層された積層体の積層方向両端に、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが配設される燃料電池スタックであって、
   前記ターミナルプレートは、外部に電力を取り出すための出力端子部を、前記積層方向に突出形成し、
   前記エンドプレートは、該エンドプレートの中央領域を通る補強用リブを設けるとともに、
   前記エンドプレートには、前記補強用リブを避けて前記中央領域から離間し且つ前記電極の発電領域内に位置して前記出力端子部を挿入させるための貫通孔が形成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、前記エンドプレートは、長方形状を有し、
   前記補強用リブは、少なくとも前記エンドプレートの対角位置を繋いで前記中央領域を通ることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記積層体は、複数の前記発電セルが水平方向に積層されるとともに、
   前記貫通孔は、前記中央領域から上方に離間する位置に設定されることを特徴とする燃料電池スタック。

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