JP2007048553A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】構造の複雑化や大型化を招くことなく、積層体に所要の締め付け荷重を容易に付加するようにした燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】積層体（１２）の両端に配置されて積層体（１２）を挟持する２個のエンドプレート（１４ａ，１４ｂ）の間に、積層体（１２）の積層方向の長さよりも所定の長さだけ小さく設定されたスペーサ（１６ａ，１６ｂ）を介挿すると共に、２個のエンドプレート（１４ａ，１４ｂ）がスペーサ（１６ａ，１６ｂ）に当接するように２個のエンドプレート（１４ａ，１４ｂ）同士をボルト（７２）で締結する。
【選択図】図２

Description

この発明は、燃料電池スタックに関する。

積層された複数個のセルからなる積層体を備えた燃料電池スタックにあっては、セルからのガスや冷却水のリークを防止すると共に、セル間の接触抵抗を最小化するため、積層体に所要の締め付け荷重（積層体を積層方向に押圧する荷重）を付加する必要がある。

そこで、従来、積層体とその端部に配置されるエンドプレートの間にバネやゴムなどの弾性体を介挿することにより、積層体に締め付け荷重を付加するようにした技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。
特開平８−１１５７３７号公報（図１など）

また、単に、積層体の両端に配置された２個のエンドプレート同士をボルトで締結することによって積層体に締め付け荷重を加えることも広く行われている。

しかしながら、弾性体によって締め付け荷重を付加するように構成した場合、構造が複雑化すると共に、燃料電池スタックの大型化を招くという不具合があった。また、エンドプレート同士をボルトで締結する場合、ボルトの締め付けトルクに応じて積層体の締め付け荷重が容易に変化してしまい、所要の締め付け荷重を得るのが困難であるという不具合があった。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、構造の複雑化や大型化を招くことなく、積層体に所要の締め付け荷重を容易に付加するようにした燃料電池スタックを提供することにある。

上記の目的を解決するために、請求項１にあっては、少なくとも積層された複数個のセルからなる積層体と、前記積層体の両端に配置されて前記積層体を挟持する２個のエンドプレートとを備えた燃料電池スタックにおいて、前記積層体の積層方向の長さと同一あるいは略同一の長さを有するスペーサを、前記２個のエンドプレートの間に介挿するように構成した。

また、請求項２に係る燃料電池スタックにあっては、前記スペーサの長さを前記積層体の積層方向の長さよりも所定の長さだけ小さく設定すると共に、前記２個のエンドプレートが前記スペーサに当接するように前記２個のエンドプレート同士をボルトで締結するように構成した。

また、請求項３に係る燃料電池スタックにあっては、前記スペーサは、前記積層体の積層方向と平行な側面を覆う複数個のスペーサ片からなるように構成した。

請求項１に係る燃料電池スタックにあっては、積層体の両端に配置されて積層体を挟持する２個のエンドプレートの間に、積層体の積層方向の長さと同一あるいは略同一の長さを有するスペーサを介挿するように構成したので、２個のエンドプレート同士を締結することで、積層体に所要の締め付け荷重を容易に付加することができる。また、弾性体を使用した従来技術に比し、構造の複雑化や燃料電池スタックの大型化を招くことがない。

また、請求項２に係る燃料電池スタックにあっては、スペーサの長さを積層体の積層方向の長さよりも所定の長さだけ小さく設定すると共に、２個のエンドプレートがスペーサに当接するように２個のエンドプレート同士をボルトで締結するように構成したので、所要の締め付け荷重をより確実に得ることができる。

また、請求項３に係る燃料電池スタックにあっては、スペーサが、積層体の積層方向と平行な側面を覆う複数個のスペーサ片からなる、換言すれば、スペーサが分割構造とされるように構成したので、上記した効果に加え、燃料電池スタックの組み立て性を向上させることができる。

以下、添付図面に即してこの発明に係る燃料電池スタックの最良の実施の形態について説明する。

図１は、この発明の第１実施例に係る燃料電池スタックの斜視図である。また、図２は、図１に示す燃料電池スタックの分解斜視図である。

図１および図２において、符合１０は燃料電池スタックを示す。燃料電池スタック１０は、公知の固体高分子型の燃料電池であり、積層体１２と、積層体１２の両端に配置されて積層体１２を挟持する２個のエンドプレート１４ａ，１４ｂと、２個のエンドプレート１４ａ，１４ｂの間に介挿されるスペーサ１６とを備える。図２に示すように、積層体１２とエンドプレート１４ａ，１４ｂは、略直方体を呈する。また、スペーサ１６は、複数個、具体的には２個のスペーサ片１６ａ，１６ｂからなる。

図３は、積層体１２の拡大側面図である。図３に示すように、積層体１２は、積層された複数個（具体的には１５個）のセル１８と、積層されたセル１８の両端（積層方向における両端）に順次配設されたターミナルプレート２０ａ，２０ｂと絶縁プレート２２ａ，２２ｂとからなる。尚、符号１８ａは、各セル１８に設けられた出力端子である。

図４は、セル１８の拡大断面図である。図４に示すように、セル１８は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）２４と、ＭＥＡ２４を挟持するセパレータ２６とから構成される。ＭＥＡ２４は、電解質膜（固体高分子膜）２８と、電解質膜２８の一方の側面に接合されたカソード電極３０と、他方の側面に接続されアノード電極３２とからなる。

セパレータ２６は金属製であり、波型状に形成される。セパレータ２６とカソード電極３０の間には、カソードガス流路３４が形成される。また、セパレータ２６とアノード電極３２の間には、アノードガス流路３６が形成される。さらに、隣接するセパレータ２６同士の間には、冷却水流路３８が形成される。

図１および図２の説明に戻ると、エンドプレート１４ａには、カソードガス流入口４０ａと、カソードガス排出口４２ａと、アノードガス流入口４４ａと、アノードガス排出口４６ａと、冷却水流入口４８ａと、冷却水排出口５０ａとが設けられる。また、絶縁プレート２２ａにも、カソードガス流入口５２ａと、カソードガス排出口５４ａと、アノードガス流入口（図示せず）と、アノードガス排出口５６ａと、冷却水流入口（図示せず）と、冷却水排出口５８ａとが設けられる。尚、エンドプレート１４ｂと絶縁プレート２２ｂの構造は、エンドプレート１４ａと絶縁プレート２２ａの構造と同じであるので、説明を省略する。

また、各セル１８には、カソードガス流入口６０ａと、カソードガス排出口６２ａと、アノードガス流入口（図示せず）と、アノードガス排出口６４ａと、冷却水流入口６６ａと、冷却水排出口６８ａとが形成される。セル１８に形成されたカソードガス流入口６０ａとカソードガス排出口６２ａは、それぞれ前記したカソードガス流路３４に接続されると共に、アノードガス流入口とアノードガス排出口６４ａは、それぞれアノードガス流路３６に接続される。また、冷却水流入口６６ａと冷却水排出口６８ａは、それぞれ冷却水流路３８に接続される。

各エンドプレート１４ａ，１４ｂの縁部には、ボルト孔７０が複数個、具体的には１０個（エンドプレート１４ｂについては５個のみ示す）ずつ穿設される。ボルト孔７０は、具体的には、各エンドプレート１４ａ，１４ｂの各長辺付近に３個ずつ形成されると共に、各短辺付近に２個ずつ形成される。尚、エンドプレート１４ａ，１４ｂの外径は、積層体１２のそれよりも大きく形成される。

２個のエンドプレート１４ａ，１４ｂ同士は、積層体１２をセル１８の積層方向に挟持しつつ、複数本（１０本）のボルト７２によって締結される。ボルト７２は、具体的には、エンドプレート１４ａのボルト孔７０から挿通され、積層体１２の外方を通過し、さらにエンドプレート１４ｂのボルト孔７０に挿通されてナット７４（５個のみ示す）と締結される。

このとき、２個のエンドプレート１４ａ，１４ｂの間には、スペーサ１６が介挿される。ボルト７２は、各エンドプレート１４ａ，１４ｂがスペーサ１６に当接するまで締め付けられる。

各エンドプレート１４ａ，１４ｂが積層体１２を挟持しつつ締結されることにより、エンドプレート１４ａ，１４ｂに形成されたカソードガス流入口、カソードガス排出口、アノードガス流入口、アノードガス排出口、冷却水流入口および冷却水排出口が、絶縁プレート２２ａ，２２ｂに形成されたそれらと、セル１８に形成されたそれらに連通させられる。

エンドプレート１４ａ，１４ｂのカソードガス流入口、アノードガス流入口および冷却水流入口には、それぞれカソードガス供給源、アノードガス供給源および冷却水供給源（いずれも図示せず）が接続される。カソードガス供給源から圧送されたカソードガス（空気）は、エンドプレート１４ａ，１４ｂ、絶縁プレート２２ａ，２２ｂおよびセル１８のカソードガス流入口を通過してセル１８のカソードガス流路３４（カソード電極３０）に供給された後、カソードガス排出口から燃料電池スタック１０の外部に排出される。同様に、アノードガス供給源から圧送されたアノードガス（水素）は、エンドプレート１４ａ，１４ｂ、絶縁プレート２２ａ，２２ｂおよびセル１８のアノードガス流入口を通過してセル１８のアノードガス流路３６（アノード電極３２）に供給された後、アノードガス排出口から燃料電池スタック１０の外部に排出される。また、冷却水供給源から圧送された冷却水は、エンドプレート１４ａ，１４ｂ、絶縁プレート２２ａ，２２ｂおよびセル１８の冷却水流入口を通過してセル１８の冷却水通路３８に供給された後、冷却水排出口から燃料電池スタック１０の外部に排出される。

カソードガスとアノードガスが供給されることによってセル１８で発電された電流は、積層体１２の端部に設けられた図示しない出力端子を介して電気負荷に供給される。尚、前述した出力端子１８ａは電子制御ユニット（図示せず）に接続され、そこで各セル１８の出力電圧が検出される。

次いで、スペーサ１６について詳説する。図５は、スペーサ１６の拡大正面図（積層体１２の積層方向から見た図）である。図２および図５に示すように、スペーサ１６は、積層体１２の側面、具体的には、積層方向と平行な４つの側面１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを覆うように形成される。

また、スペーサ１６は、積層体１２の積層方向から見たときに略矩形となるように形成されると共に、その矩形の対向する２辺をそれぞれ２等分した位置でスペーサ片１６ａとスペーサ片１６ｂに分割される。

即ち、スペーサ１６はスペーサ片１６ａとスペーサ片１６ｂの２分割構造とされ、スペーサ片１６ａは積層体１２の側面１２ａの全面と側面１２ａに直交する２つの側面１２ｂ，１２ｄの半分を覆うと共に、スペーサ片１６ｂは残余の面（側面１２ａと対向する側面１２ｃの全面と、側面１２ｂ，１２ｄの半分）を覆う。

また、各スペーサ片１６ａ，１６ｂの内周面には、上記したボルト７２を挿通させるための凹部７６が形成される。さらに、スペーサ片１６ａには、セル１８の出力端子１８ａを挿通させるための孔７８が２個穿設される。

図６は、スペーサ１６の拡大側面図である。図６に示すように、スペーサ１６は、積層体１２の積層方向の長さαと同一あるいは略同一の長さβを有する。より具体的には、スペーサ１６の長さβは、積層体１２の積層方向の長さαよりも所定の長さだけ小さく設定される。

従って、２個のエンドプレート１４ａ，１４ｂがスペーサ１６に当接するように２個のエンドプレート１４ａ，１４ｂ同士をボルト７２で締結することにより、積層体１２は積層方向に圧縮され、締め付け荷重が付加される。

上記した所定の長さは、積層体１２に付加すべき締め付け荷重の大きさに応じて決定される。これにより、セル１８からのガスや冷却水のリークが防止されると共に、セル１８とセル１８の間の接触抵抗が減少され、発電効率が向上する。尚、スペーサ１６は金属材、具体的にはアルミニウムから製作され、エンドプレート１４ａ，１４ｂが当接されても変形しないように肉厚などが設定される。

図７は、本願に係る燃料電池スタック１０の出力電圧を、従来技術（締め付け荷重を得るために弾性体を使用した燃料電池スタック）のそれと比較するグラフである。図示の如く、本願に係る燃料電池スタック１０にあっては、弾性体を使用しない簡素な構成でありながら、弾性体を使用した従来技術と同等な出力電圧を得ることができた。これは、スペーサ１６を介挿しながらエンドプレート１４ａ，１４ｂ同士を締結することで、積層体１２に所要の締め付け荷重を付加できたことを意味する。

このように、この発明の第１実施例に係る燃料電池スタック１０にあっては、積層体１２の両端に配置されて積層体１２を挟持する２個のエンドプレート１４ａ，１４ｂの間に、積層体１２の積層方向の長さと同一あるいは略同一の長さを有するスペーサ１６を介挿するように構成したので、２個のエンドプレート１４ａ，１４ｂ同士を締結することで、積層体１２に所要の締め付け荷重を容易に付加することができる。また、弾性体を使用した従来技術に比し、構造の複雑化や燃料電池スタックの大型化を招くことがない。

より具体的には、スペーサ１６の長さβを積層体１２の積層方向の長さαよりも所定の長さだけ小さく設定すると共に、２個のエンドプレート１４ａ，１４ｂがスペーサ１６に当接するように２個のエンドプレート１４ａ，１４ｂ同士をボルト７２で締結するように構成したので、所要の締め付け荷重をより確実に得ることができる。

また、スペーサ１６が、積層体１２の積層方向と平行な側面を覆う複数個（２個）のスペーサ片１６ａ，１６ｂからなる、換言すれば、スペーサ１６が分割構造とされるように構成したので、燃料電池スタック１０の組み立て性を向上させることができる。

また、スペーサ１６は、積層体１２の積層方向と平行な４つの側面、即ち、積層体１２の側面のうち、エンドプレート１４ａ，１４ｂに挟持される２つの側面を除く全面を覆うことから、積層体１２のケーシングとしても機能する。

尚、上記において、スペーサ１６を２個のスペーサ片１６ａ，１６ｂに分割したが、３個以上に分割してもよく、あるいは分割しなくてもよい。また、分割した際の各スペーサ片の形状も図示のものに限られず、組み立て性を考慮して適宜設計してよい。さらに、スペーサ１６で積層体１２の積層方向の側面１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄの全てを覆うようにしたが、部分的に覆うようにしてもよい。

また、ボルト７２の本数やセル１８の個数は例示であり、上記に限定されるものではない。また、各セル１８に出力端子１８ａを設けない場合は、スペーサ片１６ａに孔７８を設けるには及ばない。

以上のように、この発明の第１実施例にあっては、少なくとも積層された複数個のセルからなる（具体的には、セル１８と、ターミナルプレート２０ａ，２０ｂと、絶縁プレート２２ａ，２２ｂとからなる）積層体（１２）と、前記積層体（１２）の両端に配置されて前記積層体（１２）を挟持する２個のエンドプレート（１４ａ，１４ｂ）とを備えた燃料電池スタック（１０）において、前記積層体（１２）の積層方向の長さ（α）と同一あるいは略同一の長さ（β）を有するスペーサ（１６）を、前記２個のエンドプレート（１４ａ，１４ｂ）の間に介挿するように構成した。

また、前記スペーサ（１６）の長さ（β）を前記積層体（１２）の積層方向の長さ（α）よりも所定の長さだけ小さく設定すると共に、前記２個のエンドプレート（１４ａ，１４ｂ）が前記スペーサ（１６）に当接するように前記２個のエンドプレート（１４ａ，１４ｂ）同士をボルト（７２）で締結するように構成した。

また、前記スペーサ（１６）は、前記積層体（１２）の積層方向と平行な側面（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ）を覆う複数個のスペーサ片（１６ａ，１６ｂ）からなるように構成した。

この発明の第１実施例に係る燃料電池スタックの斜視図である。 図１に示す燃料電池スタックの分解斜視図である。 図２に示す積層体の拡大側面図である。 図３に示すセルの拡大断面図である。 図１に示すスペーサの拡大正面図である。 図１に示すスペーサの拡大側面図である。 図１に示す燃料電池スタックの出力電圧を、従来技術のそれと比較するグラフである。

符号の説明

１０：燃料電池スタック、１２：積層体、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ：側面、１４ａ，１４ｂ：エンドプレート、１６：スペーサ、１６ａ，１６ｂ：スペーサ片、１８：セル（積層体）、２０ａ，２０ｂ：ターミナルプレート（積層体）、２２ａ，２２ｂ：絶縁プレート（積層体）、７２：ボルト

Claims (3)

1. 少なくとも積層された複数個のセルからなる積層体と、前記積層体の両端に配置されて前記積層体を挟持する２個のエンドプレートとを備えた燃料電池スタックにおいて、前記積層体の積層方向の長さと同一あるいは略同一の長さを有するスペーサを、前記２個のエンドプレートの間に介挿したことを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記スペーサの長さを前記積層体の積層方向の長さよりも所定の長さだけ小さく設定すると共に、前記２個のエンドプレートが前記スペーサに当接するように前記２個のエンドプレート同士をボルトで締結することを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。
3. 前記スペーサは、前記積層体の積層方向と平行な側面を覆う複数個のスペーサ片からなることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池スタック。
   

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