JP2007042457A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】積層状態の燃料電池セルを挟み込むエンドプレートのたわみが電装品に影響を与えることのない信頼性に優れた燃料電池を提供する。
【解決手段】複数の燃料電池セルを積層させ、これら燃料電池セルを一対のエンドプレート２２によって挟み込む。エンドプレート２２に電装品４１を取り付ける。電装品４１のエンドプレート２２への取り付け面４３Ａ側に、エンドプレート２２側へ向かって突出するスペーサ４５を一体成形する。スペーサ４５によってエンドプレート２２に対して隙間Ｓをあけて電装品４１を取り付ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、電装品が取り付けられた燃料電池に関する。

水素と酸素の電気化学反応を利用して発電を行う燃料電池は、次世代のエネルギ源として期待されており、例えば、自動車への搭載が研究されている。この燃料電池は、例えば電解質膜及びその両面に配置した一対の電極からなるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と、これを挟持する一対のセパレータとで構成された燃料電池セルを有している。

そして、この燃料電池セルは、全体として積層形態とされて両端側からエンドプレートによって挟んだ燃料電池スタックとされており、エンドプレートには、リレー等の電装品が直付けにて取り付けられている（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池スタックのエンドプレート同士は、燃料電池セルの積層状態を保持等すべく、テンションプレートやテンションボルトによって互いに連結されている。
特開２００２−３６２１６５号公報

ところで、燃料電池セル内にて発電時に生じた生成水が燃料電池セルの電解質膜に含まれると、各燃料電池セルが膨張する。このため、テンションプレートやテンションボルトによって連結したエンドプレートが、積層された燃料電池セルの膨張の累積によりたわんで変形してしまい、このエンドプレートに直付けされた電装品に影響を与える恐れがあった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、積層状態の燃料電池セルを挟み込むエンドプレートの変形が電装品に影響を与えることのない信頼性に優れた燃料電池を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、一対のエンドプレート間に複数の燃料電池セルが積層された燃料電池であって、前記エンドプレートに対してその変形を吸収し得る変形吸収部を介在させて電装品が取り付けられていることを特徴とする。

この構成によれば、積層状態の燃料電池セルを挟み込むエンドプレートに各燃料電池セルの膨張によってたわむ等の変形が生じたとしても、エンドプレートの変形が変形吸収部にて吸収されるので電装品に影響を与えることがない。よって、エンドプレートの変形による電装品の不具合の発生を抑制することができ、信頼性を大幅に向上させることができる。

前記電装品は、前記エンドプレートに対してスペーサによって隙間をあけて取り付けられており、該隙間が前記変形吸収部とされていてもよい。

この構成によれば、変形吸収部としての隙間が断熱層としても機能するので、燃料電池から電装品への放熱あるいはそれとは逆に電装品から燃料電池への放熱の影響を緩和することが可能となる。

前記スペーサは、前記電装品あるいは前記エンドプレートのいずれかに一体成形されていてもよい。

この構成によれば、部品点数の増加が抑制されるので、構造の簡略化および組立性の向上が図られる

前記一対のエンドプレートは、例えば、前記燃料電池セルの積層方向に沿って架け渡された架設手段によって相互に連結されている、あるいは、前記燃料電池セルの積層方向に沿って挿通された締結手段によって相互に連結されている。なお、これら架設手段および締結手段は、燃料電池セルの積層方向に付与された圧縮力を保持する機能を有する。

本発明の燃料電池によれば、積層状態の燃料電池セルを挟み込むエンドプレートに各燃料電池セルの膨張によってたわみ等の変形が生じたとしても、エンドプレートの変形が電装品に影響を与えることがなく、エンドプレートの変形による電装品の不具合の発生を抑制することができ、信頼性を大幅に向上させることができる。

以下、本発明に係る燃料電池の一実施の形態について図面を参照して説明する。本実施形態の燃料電池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、本発明の燃料電池は、自動車以外にも、船舶，航空機，電車、歩行ロボット等のあらゆる移動体に適用可能である他、建物（住宅、ビル等）用の発電設備に適用されても良い。

図１及び図２に示すように、固体高分子電解質型燃料電池１０は、イオン交換膜からなる電解質膜１１と、この電解質膜１１の両面に配置された電極１４（アノード、燃料極）および電極１７（カソード、空気極）とからなるＭＥＡ（Membrane-Electrode Assembly）１５を有している。

このＭＥＡ１５とセパレータ１８とが重ねられて燃料電池セル１６が構成されており、セパレータ１８によって、電極１４、１７に燃料ガス（アノードガス、水素）、酸化ガス（カソードガス、酸素、通常は空気）を供給するための流体通路２７（燃料ガス流路２７Ａ、酸化ガス流路２７Ｂ）及び燃料電池冷却用の冷媒（冷却水）が流れる冷媒流路（冷却水流路）２６が形成されている。

そして、これら燃料電池セル１６を複数積層してモジュール１９とし、モジュール１９を積層してモジュール群を構成し、モジュール１９群の燃料電池セル１６の積層方向両端に、ターミナル２０、インシュレータ２１、エンドプレート２２を配置してスタック２３を構成し、スタック２３を積層方向に締め付け、テンションプレート（架設手段）２４をボルト２５で固定して一体化した構造とされている。

セパレータ１８は、燃料ガスと酸化ガス、燃料ガスと冷却水、酸化ガスと冷却水の何れかを互いに分離するとともに、隣り合う燃料電池セル１６のアノードからカソードに電子が流れる電気の通路を形成している。

セパレータ１８は、導電材料からなる例えばカーボン板に冷媒流路２６やガス流路２７（燃料ガス流路２７ａ、酸化ガス流路２７ｂ）を形成したもの、または、流路２６、２７を形成する凹凸のある金属板を複数枚重ね合わせたもの、または、導電製樹脂板（たとえば、導電材粒子を混入して導電性をもたせた樹脂板）に冷媒流路２６やガス流路２７を形成したものの何れかからなる。図示例は、セパレータ１８がカーボン板からなる場合を示している。

燃料電池セル１６内のガス流路２７（燃料ガス流路２７ａ、酸化ガス流路２７ｂ）は、１本の溝状流路、並行する複数本の溝状流路の群、または複数突起により隔てられた一対の板間の面状流路の何れであってもよい。

燃料電池スタック２３内には、冷媒マニホールド２８が設けられており、冷媒マニホールド２８は燃料電池セル１６の冷媒流路２６に連通している。冷媒は入側の冷媒マニホールド２８から燃料電池セル１６の冷媒流路２６に流れ、該冷媒流路２６から出側の冷媒マニホールド２８に流れる。同様に、燃料電池スタック２３内には、ガスマニホールド２９が設けられており、ガスマニホールド２９は燃料ガスマニホールド２９ａと酸化ガスマニホールド２９ｂとからなる。

燃料ガスマニホールド２９ａと酸化ガスマニホールド２９ｂは、それぞれ燃料電池セル１６の燃料ガス流路２７ａと酸化ガス流路２７ｂに連通している。燃料ガスは入側の燃料ガスマニホールド２９ａから燃料電池セル１６の燃料ガス流路２７ａに流れ、該燃料ガス流路２７ａから出側の燃料ガスマニホールド２９ａに流れる。酸化ガスは入側の酸化ガスマニホールド２９ｂから燃料電池セル１６の酸化ガス流路２７ｂに流れ、該酸化ガス流路２７ｂから出側の酸化ガスマニホールド２９ｂに流れる。

スタック２３の燃料電池セル１６の積層方向一端にあるエンドプレート２２には、冷媒（冷却水）を燃料電池スタック２３内の冷媒マニホールド２８に供給・排出する冷媒配管３０と、反応ガスをスタック２３内のガスマニホールド２９に供給・排出するガス配管３１が接続されている。ガス配管３１は、燃料ガスをスタック２３内の燃料ガスマニホールド２９ａに供給・排出する燃料ガス配管３１ａと、酸化ガスをスタック２３内の酸化ガスマニホールド２９ｂに供給・排出する酸化ガス配管３１ｂとからなる。

冷媒、燃料ガス、酸化ガスは、スタック２３の燃料電池セル１６の積層方向一端にあるエンドプレート２２からスタック２３内に入り、Ｕターンして同じエンドプレート２２から出る。配管３０、３１の内部は流体流路３５であり、流体流路３５はスタック２３内のマニホールド２８に連通する。

スタック２３の他端にあるエンドプレート２２の内側には、プレッシャプレート３２が設けられ、プレッシャプレート３２とエンドプレート２２との間にはスタック締め付け荷重の変動を吸収するばね機構（例えば、皿ばね）３３が設けられている。なお、スタック２３の他端にあるエンドプレート２２側には、冷媒、反応ガスの配管は接続されない。

上記構造の燃料電池１０には、他端側のエンドプレート２２に、電装品４１が取り付けられている。この電装品４１は、複数の端子４２を備えた端子台４３からなるもので、この端子台４３には、リレー、漏電検知器あるいはセルモニタ基板などの電装部品が搭載され、バスバー４４などによって配線されている。

この電装品４１を構成する端子台４３には、エンドプレート２２への取り付け面４３Ａ側に、エンドプレート２２側へ突出する複数のスペーサ４５が一体成形されており、これらスペーサ４５には、それぞれ図示しない挿通孔が形成されている。

そして、電装品４１は、スペーサ４５の挿通孔に挿入した取り付けボルト４６を、エンドプレート２２に形成した図示しないネジ孔へねじ込むことにより、エンドプレート２２に締結固定されている。これにより、このエンドプレート２２に固定された電装品４１は、エンドプレート２２との間に、スペーサ４５の突出寸法分だけ隙間（変形吸収部）Ｓをあけた状態に取り付けられている。

ここで、上記燃料電池１０では、燃料電池セル１６内にて発電時に生じた生成水が燃料電池セル１６の電解質膜１１に含まれると、各燃料電池セル１６が膨張する。このため、図３に示すように、燃料電池１０では、テンションプレート２４によって連結したエンドプレート２２に、積層された燃料電池セル１６の膨張が累積することによりたわみが生じることがある。

また、エンドプレート２２へテンションプレート２４を締結固定する際にも、テンションプレート２４による締め付けによってエンドプレート２２に大きな締結力が作用してたわみが生じることがある。

ここで、上記実施形態に係る燃料電池１０では、他端側のエンドプレート２２に取り付けた電装品４１が、エンドプレート２２との間に、スペーサ４５の突出寸法分だけ隙間Ｓをあけた状態に取り付けられているので、エンドプレート２２のたわみが端子台４３の取り付け面Ａに当接することなく隙間Ｓに吸収されることになり、電装品４１に影響を及ぼすことがない。

これにより、電装品４１である端子台４３における端子４２とバスバー４４との接続部分や搭載させた各種電装部品自体に、エンドプレート２２のたわみの影響が及ぶことによる不具合がなくされる。したがって、接続部分における接触抵抗の増加、電装部品の想定外の発熱、端子４２の固着や電装部品などの樹脂材の変形などの不具合の発生を抑えることができる。

つまり、上記実施形態によれば、積層状態の燃料電池セル１６を挟み込むエンドプレート２２に各燃料電池セル１６の膨張の累積によってたわみが生じたとしても、エンドプレート２２のたわみが電装品４１に影響を及ぼすことがなく、エンドプレート２２のたわみにより生じる電装品４１の不具合の発生を抑制することができ、信頼性を大幅に向上させることができる。

なお、上記実施形態では、エンドプレート２２と電装品４１との隙間Ｓを形成するスペーサ４５を、電装品４１を構成する端子台４３に一体成形したが、このスペーサ４５は、別体でも良く、あるいはエンドプレート２２側に一体成形されていても良い。

また、上記の例では、エンドプレート２２同士をテンションプレート２４によって連結したが、スタック２３の長手方向（燃料電池セルの積層方向）に沿って複数（例えば、エンドプレート２２の正面視でその中央から等距離に位置する４箇所）にテンションボルト（締結手段）を挿通し、このテンションボルトによって互いに連結した構造としても良い。

この場合には、積層状態の燃料電池セル１６を挟み込むエンドプレート２２が、上記の例のようにテンションプレート２４を用いて相互連結した場合よりも３次元的に複雑にたわむ（変形する）ものの、このようなたわみがエンドプレート２２に発生しても、該たわみの電装品４１への影響を抑制して、信頼性を高めることができる。

また、本発明の変形吸収部は、必ずしも上記実施形態のような隙間Ｓである必要はない。例えば、端子台４３の取り付け面４３Ａのうち、エンドプレート２２の変形度合いの大きい部分（例えば、正面視で中央部分）に対応する部分が、他の部分よりも変形容易な弾性体よりなり、この弾性体部分によってエンドプレート２２の変形を吸収させる構成の採用も可能である。

本実施形態に係る燃料電池の構造を説明する燃料電池の側面図である。 図１の燃料電池の一部の拡大断面図である。 エンドプレートの変形時における燃料電池の側面図である。

符号の説明

１０…燃料電池、１６…燃料電池セル、２２…エンドプレート、２４…テンションプレート（架設手段）、４１…電装品、４５…スペーサ、Ｓ…隙間（変形吸収部）

Claims (5)

1. 一対のエンドプレート間に複数の燃料電池セルが積層された燃料電池であって、
   前記エンドプレートに対してその変形を吸収し得る変形吸収部を介在させて電装品が取り付けられていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記電装品は、前記エンドプレートに対してスペーサによって隙間をあけて取り付けられており、該隙間が前記変形吸収部とされていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記スペーサは、前記電装品あるいは前記エンドプレートのいずれかに一体成形されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記一対のエンドプレートは、前記燃料電池セルの積層方向に沿って架け渡された架設手段によって相互に連結されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
5. 前記一対のエンドプレートは、前記燃料電池セルの積層方向に沿って挿通された締結手段によって相互に連結されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
   
   
   

Images