JP2007042471A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックにおいて、内部漏電を抑制しつつ積層された電解質とセパレータとを締結する技術を提供することを目的とする。
【解決手段】 本発明は、燃料電池スタックを提供する。この燃料電池スタックは、電解質層と第１のセパレータプレートと第２のセパレータプレートと絶縁性部材とを積層するとともに、これらの貫通孔に締結部材を貫通させて構成されている。絶縁性部材の貫通孔は、第１のセパレータプレートと第２のセパレータプレートのいずれの貫通孔よりも小さな径を有する。積層方向の投影において、第１のセパレータプレートと第２のセパレータプレートのいずれの貫通孔の内面にも絶縁性部材の貫通孔の内面が接しない位置に固定されている。
【選択図】図４

Description

この発明は、燃料電池及び燃料電池用セパレータに関する。

従来から、積層された電解質とセパレータとをボルトで締結して燃料電池スタックを構成することが行われてきた。このような燃料電池スタックでは、セパレータとボルトの接触に起因する内部漏電を防止するために、以下のような技術が提案されている。すなわち、ボルトに絶縁皮膜を形成する技術（特許文献１）やボルトが貫通するセパレータの孔に絶縁皮膜を形成する技術（特許文献２）、セパレータを覆うとともにセパレータの面外で締結可能な絶縁部材を利用する技術（特許文献３）といった種々の技術である。

特開２００２−５６８８２号公報 特開２００３−２６３９９５号公報 特開２００３−２２３９０５号公報 特開２００１−６７１５号公報 特開２００１−５７２２６号公報

しかし、ボルトやセパレータの孔に絶縁皮膜を形成する方法は、絶縁皮膜の剥離によって絶縁状態が維持できなくなる場合があった。一方、セパレータの面外で締結可能な絶縁部材を利用する技術では、セパレータの面外で締結しなければならないため、容積や重量の増大の原因となるという問題があった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、燃料電池スタックにおいて、内部漏電を抑制しつつ積層された電解質とセパレータとを締結する技術を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために燃料電池スタックを提供する。
この燃料電池スタックは、
電解質層と、
前記電解質層の一方の面に配置される第１の電極と、
前記電解質層の他方の面に配置される第２の電極と、
弾性を有する直線状の導電性の締結部材と、
前記第１の電極の前記電解質層側の面とは反対側の面に対向するように配置されるとともに、前記締結部材を貫通させるための第１の貫通孔が形成された導電性を有する第１のセパレータプレートと、
前記第１のセパレータプレートの前記第１の電極側の面とは反対側の面に対向するように配置されるとともに、前記締結部材を貫通させるための第２の貫通孔が形成された導電性を有する第２のセパレータプレートと、
前記第１のセパレータプレートと前記第２のセパレータプレートと間の少なくとも一部に挟持されるとともに、前記締結部材を貫通させるための絶縁性部材貫通孔が形成された絶縁性を有する絶縁性部材と、
を備え、
前記燃料電池スタックは、前記電解質層と、前記第１の電極と、前記第２の電極と、前記第１のセパレータプレートと、前記第２のセパレータプレートと、前記絶縁性部材と、を積層するとともに、前記第１の貫通孔と前記第２の貫通孔と前記絶縁性部材貫通孔とに前記締結部材を貫通させて締結することによって構成されており、
前記絶縁性部材貫通孔は、前記第１の貫通孔と前記第２の貫通孔のいずれよりも小さな径を有し、前記積層方向の投影において、前記第１の貫通孔と前記第２の貫通孔のいずれの内面にも前記絶縁性部材貫通孔の内面が接しない位置に固定されていることを特徴とする。

本発明の燃料電池スタックでは、絶縁性部材貫通孔が第１の貫通孔と第２の貫通孔のいずれよりも小さな径を有するとともに、積層方向の投影において第１の貫通孔と第２の貫通孔のいずれの内面にも絶縁性部材貫通孔の内面が接しない位置に固定されているので、絶縁性部材貫通孔を貫通する締結部材を第１のセパレータと第２のセパレータのいずれにも接触させないようにすることができる。これにより、たとえば金属製ボルトとナットといった弾性を有する導電性の締結部材を用いて、内部漏電を抑制しつつ積層された電解質とセパレータとを締結することができる。このような位置の固定は、たとえば絶縁性部材、第１のセパレータ、および第２のセパレータを接着することによって実現することもできるし、あるいは後述の方法で実現することもできる。

上述の燃料電池スタックにおいて、
前記絶縁性部材は、前記第１の貫通孔と前記締結部材との間の少なくとも一部と、前記第２の貫通孔と前記締結部材との間の少なくとも一部と、に前記絶縁性部材の一部が入り込むことによって、前記積層方向の投影において、前記第１の貫通孔と前記第２の貫通孔のいずれの内面にも前記絶縁性部材貫通孔の内面が接しない位置に固定されるようにしても良い。

こうすれば、絶縁性部材、第１のセパレータ、および第２のセパレータの位置決めを確実にすることができるとともに、位置決めの組立や検査において省力化を図ることもできる。

上述の燃料電池スタックにおいて、
前記絶縁性部材は、前記第１のセパレータプレートと前記第２のセパレータプレートとに接合されることによって、前記積層方向の投影において、前記第１の貫通孔と前記第２の貫通孔のいずれの内面にも前記絶縁性部材貫通孔の内面が接しない位置に固定されるようにしても良い。

上述の燃料電池スタックにおいて、
前記第１のセパレータプレートは、前記第１の電極に対向する発電部が平面であり、
前記第２のセパレータプレートは、前記第２の電極に対向する発電部が平面であり、
前記絶縁性部材は、前記セパレータを厚さ方向に貫通するとともに反応ガスが供給される反応ガス供給マニホールドを形成する反応ガス供給マニホールド形成部を有し、
前記第１のセパレータプレートは、さらに、前記前記第１のセパレータプレートを厚さ方向に貫通するとともに、前記発電部の端部に形成される複数個の反応ガス供給孔を有し、
前記絶縁性部材は、さらに、前記絶縁性部材を厚さ方向に貫通するとともに、一端が前記反応ガス供給マニホールドと連通し、他端が前記第１の電極対向プレートに備えられた前記複数個の反応ガス供給孔の少なくとも１つと連通する反応ガス供給流路を形成する反応ガス供給流路形成部を備えるようにしても良い。

このように、本発明は、発電部が平面の２枚のセパレータプレートで絶縁性部材を挟持することによって形成されるように構成されたセパレータに適用することもできる。このように構成されたセパレータでは、セパレータの絶縁性部材を活用することによって簡易に本発明を適用することができる。

なお、本発明は、燃料電池システムや燃料電池を搭載する車両その他の種々の態様で実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、実施例に基づき以下の順序で説明する。
Ａ．本発明の実施例における燃料電池スタックの構成：
Ｂ．本発明の実施例における燃料電池スタックの内部流路の形成：
Ｃ．変形例：

Ａ．本発明の実施例における燃料電池スタックの構成：
図１は、本発明の一実施例としての燃料電池システムの概要構成を示す説明図である。本燃料電池システムは、燃料電池スタック１０と、燃料電池スタック１０に配管３５０を介して空気を供給するエアポンプ３１０と、開閉バルブ２２０と調圧バルブ２３０と配管２５０とを介して水素を供給する水素タンク２１０と、配管２６０を介して配管２５０に水素オフガスを循環させる循環ポンプ２４０と、燃料電池スタック１０に配管４５０、４６０とラジエータ４２０とを経由して冷却水を供給する冷却水ポンプ４１０とを備えている。

図２は、本発明の一実施例としての燃料電池スタック１０の外観斜視図である。燃料電池スタック１０は、積層された複数の反応モジュール２０と、一対のターミナル３４と、２枚のエンドプレート３０と、２枚のインシュレータ３３と、を備えている。反応モジュール２０は、電気化学反応によって電力を出力するモジュールである。ターミナル３４は、積層された複数の反応モジュール２０から電力を取り出すためのターミナルである。インシュレータ３３は、ターミナル３４とエンドプレート３０との間で絶縁するための絶縁部材である。エンドプレート３０は、４組の締結ボルト３２Ｂおよび締結ナット３２Ｎで積層された複数の反応モジュール２０を締結して燃料電池スタック１０を構成するための部材である。

図３は、反応モジュール２０の構成を示す分解斜視図である。反応モジュール２０は、膜電極複合体２１と、アノード対向プレート２２と、中間プレート２３と、カソード対向プレート２４と、を備えている。膜電極複合体２１は、供給された反応ガスによって電気化学反応を起こして電力を発生させる。他の３つのプレート２２、２３、２４は、膜電極複合体２１に反応ガスを供給できるように複数の孔が形成されている。なお、反応ガスの供給経路の形成方法については後述する。

膜電極複合体２１、アノード対向プレート２２、中間プレート２３、およびカソード対向プレート２４の各々には、さらに、ボルト３２Ｂを貫通させるための４個の孔２１Ｈ、２２Ｈ、２３Ｈ、２４Ｈがそれぞれ形成されている。

図４は、Ａ−Ａ断面（図３）において締結ボルト３２Ｂが反応モジュール２０の各プレート２１、２２、２３、２４を貫通する様子を示している。各プレート２１、２２、２３、２４のうち導電性を有するのは、アノード対向プレート２２およびカソード対向プレート２４とである。中間プレート２３および膜電極複合体２１は、それぞれ孔２３Ｈおよび孔２１Ｈにおいて絶縁性を有する。中間プレート２３は、孔２３Ｈの全周に渡って突起する突起部２３Ｐを有している。なお、突起部２３Ｐは、図３では図示が省略されている。

反応モジュール２０は、図４から分かるように、アノード対向プレート２２およびカソード対向プレート２４のいずれもが締結ボルト３２Ｂに接触しないように構成されている。アノード対向プレート２２およびカソード対向プレート２４が有する孔２２Ｈ、２４Ｈと締結ボルト３２Ｂとの間に、突起部２３Ｐが入り込んでいるからである。

このように、本実施例では、導電性を有するアノード対向プレート２２およびカソード対向プレート２４が有する孔２２Ｈ、２４Ｈと締結ボルト３２Ｂとの間に、絶縁性を有する中間プレート２３の一部が込んでいるので、内部漏電を効果的に抑制することができる。

さらに、本実施例では、セパレータ２５が２枚の平板プレート２２、２４で絶縁性の中間プレート２３を狭持することによって構成されているので、後述するよう突起部２３Ｐと流路の形成との有機的な関係によって当業者が到底予測できない顕著な効果を奏する。

Ｂ．本発明の実施例における燃料電池スタックの内部流路の形成：
図５および図６は、燃料電池スタック１０の内部に形成される酸化剤ガス供給流路と燃料ガス供給流路と冷却媒体供給流路の一部を示す説明図である。これらの流路は、反応モジュール２０が有する膜電極複合体２１と、アノード対向プレート２２と、中間プレート２３と、カソード対向プレート２４と、を積層することによって形成されている。膜電極複合体２１は、２つのガス拡散電極２１ａ、２１ｂと、電解質膜２１ｃとを備えている。

酸化剤ガス供給流路は以下のように形成されている。酸化剤ガスは、まず酸化剤ガス供給マニホールド（図５）から各反応モジュール２０に分配される。酸化剤ガス供給マニホールドは、反応モジュール２０（図３、図５）の各プレート２１、２２、２３、２４の各々が有する孔２１２ａ、２２２ａ、２３２ａ、２４２ａが連通することによって形成されている（図５）。

酸化剤ガス供給マニホールドから各反応モジュール２０への分配は、中間プレート２３が有する孔２３２ａの一部を形成する酸化剤ガス分配路２３７（図３、図５）からカソード対向プレート２４が有する孔２４５に向かって形成される流路によって行われる。分配された酸化剤ガスは、膜電極複合体２１のガス拡散電極２１ｂ（図３、図５）に供給され、電気化学反応に供される。

電気化学反応に供された酸化剤ガスは、図３や図６に示されるように、カソード対向プレート２４が有する孔２４６から酸化剤ガス排出路２３８と中間プレートが有する孔２３２ｂとを経て酸化剤ガス排出マニホールドに排出される。酸化剤ガス排出マニホールドは、反応モジュール２０（図３、図６）の各プレート２１、２２、２３、２４の各々が有する孔２１２ｂ、２２２ｂ、２３２ｂ、２４２ｂが連通することによって形成されている（図６）。

一方、燃料ガス供給流路は酸化剤ガス供給流路と同様に以下のように形成されている。燃料ガスは、まず燃料ガス供給マニホールド（図５）から各反応モジュール２０に分配される。燃料ガス供給マニホールドは、反応モジュール２０（図３、図５）の各プレート２１、２２、２３、２４の各々が有する孔２１１ａ、２２１ａ、２３１ａ、２４１ａが連通することによって形成されている（図５）。

燃料ガス供給マニホールドから各反応モジュール２０への分配は、中間プレート２３が有する孔２３１ａの一部を形成する燃料ガス分配路２３５（図３、図５）からアノード対向プレート２２が有する孔２２５に向かって形成される流路によって行われる。分配された燃料ガスは、膜電極複合体２１のガス拡散電極２１ａ（図３、図５）に供給され、電気化学反応に供される。

電気化学反応に供された燃料ガスは、図３や図６に示されるように、アノード対向プレート２２が有する孔２２６から燃料ガス排出路２３６と中間プレートが有する孔２３１ｂとを経て燃料ガス排出マニホールドに排出される。燃料ガス排出マニホールドは、反応モジュール２０（図３、図６）の各プレート２１、２２、２３、２４の各々が有する孔２１１ｂ、２２１ｂ、２３１ｂ、２４１ｂが連通することによって形成されている（図６）。

冷却媒体供給流路は、各プレート２１、２２、２３、２４の各々が有する孔２１３ａ、２２３ａ、２４３ａ（図３）が連通することによって形成される冷却媒体供給マニホールドから、中間プレートを縦断する長孔の冷却媒体流路形成部２３９（図５、図６）を経由して、各プレート２１、２２、２３、２４の各々が有する孔２１３ｂ、２２３ｂ、２４３ｂ（図３）が連通することによって形成される冷却媒体排出マニホールドに向かって形成されている。

このように、本実施例では、３枚の平板のプレートを使用して立体的に流路が形成されているので、セパレータの生産性の向上に大きく寄与している。ただし、このような流路の形成は、膜電極複合体２１と３枚の平板のプレート２２、２３、２４の位置関係を精度良く組み合わせることによって実現される。たとえば酸化剤ガス分配路２３７（図３、図５）からカソード対向プレート２４の孔２４５に向かって形成される流路は、中間プレート２３とカソード対向プレート２４の面方向の位置関係が精度良く組み合わされて実現される。

なお、上記実施例では、２つのガス拡散電極２１ａ、２１ｂに直接的に反応ガスが供給されるように構成されているが、アノード対向プレート２２やカソード対向プレート２４と膜電極複合体２１との間に発泡焼結金属その他の金属多孔体を配置することによって反応ガス流路を形成するように構成しても良い。さらに、アノード対向プレート２２やカソード対向プレート２４自体に凹凸を設けて反応ガス流路を形成するように構成しても良い。

本実施例は、このような位置合わせの組立と検査の工程を省略して生産性をさらに向上させることができるという利点を有する。本実施例の構成では、突起部２３Ｐ（図４）によって３枚の平板のプレートの位置関係が一義的に固定されるので、位置合わせの組立と検査の工程の少なくとも一部を削除して生産性をさらに向上させることができるからである。

加えて、突起部２３Ｐの位置を基準としてその近傍の流路の位置を定めるようにすれば、公差の集積を抑制することができるので、公差を大きくして膜電極複合体２１と３枚の平板のプレート２２、２３、２４の加工精度を緩くすることもできるという利点もある。このような突起部２３Ｐと流路の形成との有機的な関係によって生ずる効果は、出願時の技術文献に開示や示唆がなければ当業者が到底予測できないものである。

Ｃ．変形例：
以上、本発明のいくつかの実施の形態について説明したが、本発明はこのような実施の形態になんら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々なる態様での実施が可能である。例えば、以下のような変形例が可能である。

Ｃ−１．上記実施例では、中間プレート２３の貫通孔の全周に渡って突起する突起部が、アノード対向プレート２２とカソード対向プレート２４の貫通孔の全周に渡って、各プレートの厚さ方向の全体に入り込むことによってアノード対向プレート２２およびカソード対向プレート２４のいずれもが締結ボルト３２Ｂに接触しないように構成されているが、必ずしも貫通孔の全周に渡って入り込むことは必要ない。さらに、各プレートの厚さ方向の全部に、すなわち、完全に奥まで入り込む必要もない。

一般に、本発明では、絶縁性を有する部材の一部が入り込むことによって、積層方向の投影において、導電性を有するアノード対向プレート２２とカソード対向プレート２４ののいずれの内面にも絶縁性部材貫通孔の内面が接しない位置に固定されれば良い。

Ｃ−２．上記実施例や変形例では、絶縁性を有する部材の一部が入り込むことによって、積層方向の投影において、導電性を有するアノード対向プレート２２とカソード対向プレート２４ののいずれの内面にも絶縁性部材貫通孔の内面が接しない位置に固定されているが、たとえば図７に示すように絶縁性を有する部材の一部が入り込まなくても、中間プレート２３、アノード対向プレート２２、およびカソード対向プレート２４を接着やカシメといった他の固定方法、すなわち接合によって内部漏電の抑制を実現することもできる。

一般に、本発明では、絶縁性を有する部材の貫通孔がセパレータプレートの貫通孔よりも小さな径を有し、積層方向の投影において、セパレータプレートの貫通孔の内面に絶縁性を有する部材の貫通孔の内面が接しない位置に相互に固定されていれば良い。

本発明の一実施例としての燃料電池システムの概要構成を示す説明図。 本発明の一実施例としての燃料電池スタック１０の外観斜視図。 反応モジュール２０の構成を示す分解斜視図。 Ａ−Ａ断面（図３）において締結ボルト３２Ｂが反応モジュール２０の各プレート２１、２２、２３、２４を貫通する様子を示す断面図。 燃料電池スタック１０の内部に形成される酸化剤ガス供給流路と燃料ガス供給流路と冷却媒体供給流路の一部を示す説明図。 燃料電池スタック１０の内部に形成される酸化剤ガス供給流路と燃料ガス供給流路と冷却媒体供給流路の一部を示す説明図。 変形例において締結ボルト３２Ｂが反応モジュール２０の各プレート２１、２２、２３、２４を貫通する様子を示す断面図。

符号の説明

１０…燃料電池スタック
２０…反応モジュール
２１…膜電極複合体
２２…アノード対向プレート
２３…中間プレート
２３Ｐ…突起部
２４…カソード対向プレート
２５…セパレータ
３０…エンドプレート
３２Ｂ…締結ボルト
３２Ｎ…締結ナット
３３…インシュレータ
３４…ターミナル
２１０…水素タンク
２２０…開閉バルブ
２３０…調圧バルブ
２３７…酸化剤ガス分配路
２３９…冷却媒体流路形成部
２４０…循環ポンプ
２５０、２６０、３５０…配管
３１０…エアポンプ
４１０…冷却水ポンプ
４２０…ラジエータ
４５０…配管

Claims (4)

1. 燃料電池スタックであって、
   電解質層と、
   前記電解質層の一方の面に配置される第１の電極と、
   前記電解質層の他方の面に配置される第２の電極と、
   弾性を有する直線状の導電性の締結部材と、
   前記第１の電極の前記電解質層側の面とは反対側の面に対向するように配置されるとともに、前記締結部材を貫通させるための第１の貫通孔が形成された導電性を有する第１のセパレータプレートと、
   前記第１のセパレータプレートの前記第１の電極側の面とは反対側の面に対向するように配置されるとともに、前記締結部材を貫通させるための第２の貫通孔が形成された導電性を有する第２のセパレータプレートと、
   前記第１のセパレータプレートと前記第２のセパレータプレートと間の少なくとも一部に挟持されるとともに、前記締結部材を貫通させるための絶縁性部材貫通孔が形成された絶縁性を有する絶縁性部材と、
   を備え、
   前記燃料電池スタックは、前記電解質層と、前記第１の電極と、前記第２の電極と、前記第１のセパレータプレートと、前記第２のセパレータプレートと、前記絶縁性部材と、を積層するとともに、前記第１の貫通孔と前記第２の貫通孔と前記絶縁性部材貫通孔とに前記締結部材を貫通させて締結することによって構成されており、
   前記絶縁性部材貫通孔は、前記第１の貫通孔と前記第２の貫通孔のいずれよりも小さな径を有し、前記積層方向の投影において、前記第１の貫通孔と前記第２の貫通孔のいずれの内面にも前記絶縁性部材貫通孔の内面が接しない位置に固定されてい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であって、
   前記絶縁性部材は、前記第１の貫通孔と前記締結部材との間の少なくとも一部と、前記第２の貫通孔と前記締結部材との間の少なくとも一部と、に前記絶縁性部材の一部が入り込むことによって、前記積層方向の投影において、前記第１の貫通孔と前記第２の貫通孔のいずれの内面にも前記絶縁性部材貫通孔の内面が接しない位置に固定される、燃料電池スタック。
3. 請求項１記載の燃料電池スタックであって、
   前記絶縁性部材は、前記第１のセパレータプレートと前記第２のセパレータプレートとに接合されることによって、前記積層方向の投影において、前記第１の貫通孔と前記第２の貫通孔のいずれの内面にも前記絶縁性部材貫通孔の内面が接しない位置に固定される、燃料電池スタック。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池スタックであって、
   前記第１のセパレータプレートは、前記第１の電極に対向する発電部が平面であり、
   前記第２のセパレータプレートは、前記第２の電極に対向する発電部が平面であり、
   前記絶縁性部材は、前記セパレータを厚さ方向に貫通するとともに反応ガスが供給される反応ガス供給マニホールドを形成する反応ガス供給マニホールド形成部を有し、
   前記第１のセパレータプレートは、さらに、前記前記第１のセパレータプレートを厚さ方向に貫通するとともに、前記発電部の端部に形成される複数個の反応ガス供給孔を有し、
   前記絶縁性部材は、さらに、前記絶縁性部材を厚さ方向に貫通するとともに、一端が前記反応ガス供給マニホールドと連通し、他端が前記第１の電極対向プレートに備えられた前記複数個の反応ガス供給孔の少なくとも１つと連通する反応ガス供給流路を形成する反応ガス供給流路形成部を備える、燃料電池スタック。

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