JP2007188773A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】エンドプレート自体の剛性を有効に利用してマウント部を構成することができ、所望の取り付け部位に強固且つ確実に保持することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２が積層された積層体１４をケーシング２４内に収容する。ケーシング２４を構成するエンドプレート２０ａ、２０ｂには、燃料電池スタック１０を取り付け部位に固定するためのマウント部８０が４個所に設けられる。マウント部８０は、該マウント部８０に付与される荷重をエンドプレート２０ａ、２０ｂの面方向に分散可能な梁部８２を設ける。
【選択図】図４

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、セパレータとが複数積層された積層体を、積層方向両端部に配置されるエンドプレート間に締め付け保持す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、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合した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・電極構造体を、セパレータにより挟持して燃料電池が構成されている。

通常、燃料電池は、所望の発電力を得るために、所定数（例えば、数十〜数百）だけ積層した燃料電池スタックとして使用されている。この燃料電池スタックは、燃料電池の内部抵抗の増大や反応ガスのシール性の低下等を阻止するために、積層されている各燃料電池同士を確実に加圧保持する必要がある。

そこで、例えば、特許文献１の燃料電池スタックが知られている。この燃料電池スタックは、図９に示すように、複数の単位セル１を積層した積層体２を備えるとともに、この積層体２の積層方向両端にエンドプレート３、３を介装して補助プレート４ａ、４ｂが配設されている。

積層体２の両側部に沿って、一対の締結バンド５、５が配置されている。締結バンド５、５及び補助プレート４ａ、４ｂの端部には、円筒状のボス部６がそれぞれの孔部が一直線上に並ぶように設けられている。そして、各ボス部６に金属ピン７が挿入されることにより、締結バンド５、５及び補助プレート４ａ、４ｂが一体的に連結されている。

補助プレート４ａには、複数のボルト８が螺合する一方、補助プレート４ｂには、複数の皿ばね９が配設されている。従って、ボルト８が螺入されると、エンドプレート３が下方に押圧されるとともに、補助プレート４ｂに配置された皿ばね９が圧縮され、一対のエンドプレート３を介して積層体２に必要な締結圧が付与される、としている。

特開２００１−１３５３４４号公報（図５）

ところで、上記の特許文献１では、燃料電池スタックを車両等に搭載する場合、比較的肉厚で高剛性を有する補助プレート４ａ、４ｂでマウント構造を兼用することが考えられる。例えば、補助プレート４ａ、４ｂの側部に、外方に突出するマウント部を設け、このマウント部を車両側取り付け部に固定する構成が考えられる。

しかしながら、車両の走行状態等によりマウント部に曲げ荷重等が付与される際、補助プレート４ａ、４ｂと前記マウント部との境界部位に前記曲げ荷重等が集中し易く、前記補助プレート４ａ、４ｂ自体の剛性を有効に利用することができないという問題がある。これにより、燃料電池スタックを所望の取り付け部位に強固且つ正確に保持することが困難になるという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、エンドプレート自体の剛性を有効に利用してマウント部を構成することができ、所望の取り付け部位に強固且つ確実に保持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、セパレータとが複数積層された積層体を、積層方向両端部に配置されるエンドプレート間に締め付け保持する燃料電池スタックに関するものである。

エンドプレートには、燃料電池スタックを取り付け部位に固定するためのマウント部が設けられるとともに、前記マウント部は、該マウント部に付与される荷重を前記エンドプレートの面方向に分散可能な梁部を設けている。また、エンドプレートには、マウント部が少なくとも３個所に設けられることが好ましい。

さらに、梁部は、エンドプレートの面から厚さ方向に膨出する肉圧部により構成されることが好ましい。さらにまた、梁部は、エンドプレートに取り付けられる別部材で構成されることが好ましい。

また、燃料電池スタックは、積層体を収容するケーシングを備え、前記ケーシングは、端板であるエンドプレートと、前記積層体の側部に配置される複数の側板とを備えることが好ましい。

本発明によれば、マウント部に曲げ荷重等が付与された際に、前記マウント部に設けられている梁部を介して前記曲げ荷重等がエンドプレートの面方向に分散される。このため、マウント部に荷重が集中することがなく、前記エンドプレート自体の剛性により該荷重を良好に受けることができる。これにより、簡単な構成で、燃料電池スタックを所望の取り付け部位に対して強固且つ確実に保持することが可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の一部分解概略斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の一部断面側面図である。

図１に示すように、燃料電池スタック１０は、複数の単位セル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１８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、絶縁性スペーサ部材２２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、略四角形に構成されるエンドプレート２０ａ、２０ｂを端板として含む箱状ケーシング２４により一体的に保持される。

スペーサ部材２２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。なお、積層体１４の積層方向の長さの変動が、後述する第１及び第２金属セパレータ３２、３４自体の弾性等で吸収可能であれば、スペーサ部材２２を用いなくてもよい。

図２及び図３に示すように、各単位セル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。

単位セル１２の水平方向（図３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。

単位セル１２の水平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た電極触媒層（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２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べく、シール５７が介装される。

図１及び図２に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの端部には、面方向に突出する板状の端子部５８ａ、５８ｂが形成される。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。

ケーシング２４は、図１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側板６０ａ〜６０ｄと、前記側板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（例えば、Ｌアングル）６２ａ〜６２ｄと、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂと前記側板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。

エンドプレート２０ａ、２０ｂの上下各辺には、それぞれ２つのボス部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１つのボス部６６ａ、６６ｂが突出形成される。

積層体１４の両側に配置される側板６０ａ、６０ｃの長手方向両端には、ボス部７０ａ、７０ｂが２つずつ形成される。積層体１４の上下に配置される側板６０ｂ、６０ｄの長手方向両端には、ボス部７２ａ、７２ｂが３つずつ形成される。

側板６０ａ、６０ｃの各ボス部７０ａ、７０ｂと、エンドプレート２０ａ、２０ｂの両側の各辺のボス部６６ａ、６６ｂとが、交互に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、前記側板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、側板６０ｂ、６０ｄのボス部７２ａ、７２ｂと、エンドプレート２０ａ、２０ｂの上辺及び下辺のボス部６６ａ、６６ｂとが、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、前記側板６０ｂ、６０ｄが前記エンドプレート２０ａ、２０ｂに取り付けられる。

側板６０ａ〜６０ｄには、短手方向両端縁部にそれぞれ複数のねじ孔７４が形成される一方、アングル部材６２ａ〜６２ｄの各辺には、前記ねじ孔７４に対応して孔部７６が形成される。各孔部７６に挿入される各ねじ７７がねじ孔７４に螺合することにより、アングル部材６２ａ〜６２ｄを介して側板６０ａ〜６０ｄ同士が固定される。これにより、ケーシング２４が構成される（図４参照）。

図１及び図４に示すように、エンドプレート２０ａには、少なくとも３箇所、第１の実施形態では、各角部に合計４箇所にマウント部８０が一体に設けられる。各マウント部８０は、エンドプレート２０ａの各角部から外方に膨出して形成されており、略板状を有する。マウント部８０は、梁部８２を一体に有しており、この梁部８２は、エンドプレート２０ａの面内で該エンドプレート２０ａの板厚を部分的に肉厚に設定することにより構成される。

梁部８２は、酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、燃料ガス排出連通孔４０ｂ、燃料ガス供給連通孔４０ａ及び酸化剤ガス排出連通孔３６ｂを避けて２方向（矢印Ｂ方向及び矢印Ｃ方向）に且つ互いに９０°の角度を有して所定の長さだけ分岐形成される。マウント部８０の先端縁部には、取り付けボルト挿入用の孔部８４が矢印Ａ方向に貫通して形成される。

図１に示すように、エンドプレート２０ｂには、上記のエンドプレート２０ａと同様に、各角部にそれぞれ外方に向かって突出するマウント部８０が一体成形されており、その詳細な説明は省略する。

図５に示すように、燃料電池スタック１０は、車両側取り付け部位８６に取り付けられる。車両側取り付け部位８６には、燃料電池スタック１０を構成する各マウント部８０に対応して支柱部８８が設けられる。各支柱部８８には、各マウント部８０の孔部８４と同軸上にねじ孔９０が形成される。

支柱部８８の外方にマウント部８０が配置され、このマウント部８０の孔部８４に取り付けボルト９２が挿入される。取り付けボルト９２は、支柱部８８のねじ孔９０に螺合しており、これによって、燃料電池スタック１０は、車両側取り付け部位８６に固定される。

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。

先ず、図４に示すように、燃料電池スタック１０では、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、オイ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組の単位セル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３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、第１の実施形態では、図４に示すように、エンドプレート２０ａ、２０ｂには、マウント部８０が一体成形されるとともに、このマウント部８０は、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂの肉厚を大きくして構成される梁部８２を有している。そして、梁部８２は、エンドプレート２０ａ、２０ｂの各角部に、それぞれ矢印Ｂ方向及び矢印Ｃ方向に分岐して前記エンドプレート２０ａ、２０ｂの面方向に延在している。

このため、図５に示すように、燃料電池スタック１０が車両側取り付け部位８６に取り付けられた状態で、車両走行状況等に起因してマウント部８０に曲げ荷重等が付与されると、前記マウント部８０に設けられている梁部８２を介して前記曲げ荷重がエンドプレート２０ａ、２０ｂの面方向に分散される。

従って、マウント部８０に荷重が集中することがなく、エンドプレート２０ａ、２０ｂ自体の剛性により該荷重を良好に受けることができる。これにより、簡単な構成で、エンドプレート２０ａ、２０ｂ自体の剛性を有効に利用することが可能になり、燃料電池スタック１０を車両側取り付け部位８６に強固且つ確実に保持することができるという効果が得られる。

しかも、エンドプレート２０ａ、２０ｂには、例えば、各角部に対応して４箇所にマウント部８０が設けられている。このため、各マウント部８０に付与される荷重は、エンドプレート２０ａ、２０ｂの面方向全体に分散され、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂ全体の剛性によって荷重を受けることが可能になり、特に車両走行時に発生し易い曲げ荷重を一層確実に受けることができる。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００を構成するエンドプレート１０２の斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０を構成するエンドプレート２０ａと同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。また、以下に説明する第３及び第４の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

エンドプレート１０２の４隅には、それぞれ外方に膨出してマウント部１０４が一体形成される。各マウント部１０４は、エンドプレート１０２の厚さ方向を大きく設定した梁部１０６を一体に有している。この梁部１０６は、酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、燃料ガス排出連通孔４０ｂ、燃料ガス供給連通孔４０ａ及び酸化剤ガス排出連通孔３６ｂの近傍で終端する。

これにより、第２の実施形態では、マウント部１０４に付与される荷重を梁部１０６を介してエンドプレート１０２自体の剛性により良好に受けることができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１１０を構成するエンドプレート１１２の斜視説明図である。

エンドプレート１１２には、３つの角部に対応してそれぞれ外方に突出する３つのマウント部１１４が一体に設けられる。マウント部１１４は、第１の実施形態のマウント部８０と同様に構成される。

このように構成される第３の実施形態では、エンドプレート１１２には、マウント部１１４が３箇所に設けられるため、前記マウント部１１４に付与される曲げ荷重等は、前記エンドプレート１１２の面方向に分散される。これにより、マウント部１１４に付与される荷重をエンドプレート１１２自体の剛性によって確実に受けることができる等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

図８は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタック１２０を構成するエンドプレート１２２の要部分解斜視説明図である。

エンドプレート１２２の各角部には、外方に突出して膨出部１２４が一体に設けられるとともに、各膨出部１２４には、孔部１２６が形成される。エンドプレート１２２の外側の面１２２ａには、マウント部材１２８ａ、１２８ｂがボルト１３０を介して着脱自在に取り付けられる。

マウント部材１２８ａ、１２８ｂは、エンドプレート１２２の面１２２ａに取り付けられる梁部を構成するとともに、それぞれ膨出部１２４に対応するマウント部１３２が設けられる。マウント部１３２には、各孔部１２６と同軸上に孔部１３４が形成される。孔部１３４、１２６には、図示しない取り付けボルトが一体に挿入されることにより、燃料電池スタック１２０が所定の取り付け部位に固定可能である。

マウント部材１２８ａ、１２８ｂは、マニホールドプレート部を構成しており、酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、冷却媒体供給連通孔３８ａ及び燃料ガス排出連通孔４０ｂに連通する配管１３６ａ、１３６ｂ及び１３６ｃと、燃料ガス供給連通孔４０ａ、冷却媒体排出連通孔３８ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに連通する配管１３８ａ、１３８ｂ及び１３８ｃを設ける。

このように構成される第４の実施形態では、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる他、マウント部材１２８ａ、１２８ｂをエンドプレート１２２とは別部材で構成することにより、前記マウント部材１２８ａ、１２８ｂを高剛性の材料で構成することが可能になる。従って、マウント部材１２８ａ、１２８ｂ自体を薄肉且つ軽量化するとともに、梁部としての機能を確実に維持することができるという利点がある。

本発明の第１の実施形態に係る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一部断面側面図である。 前記燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視説明図である。 前記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を車両側取り付け部位に取り付けた状態の平面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するエンドプレートの斜視説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するエンドプレートの斜視説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するエンドプレートの要部分解斜視説明図である。 特許文献１の燃料電池スタックの概略説明図である。

符号の説明

１０、１００、１１０、１２０…燃料電池スタック
１２…単位セル １４…積層体
１６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
２０ａ、２０ｂ、１０２、１１２、１２２…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 ６０ａ〜６０ｄ…側板
７６、８４、１２６、１３４…孔部
８０、１０４、１１４、１３２…マウント部
８２、１０６…梁部 ８６…車両側取り付け部位
８８…支柱部 ９２…取り付けボルト
１２４…膨出部 １２８ａ、１２８ｂ…マウント部材

Claims (5)

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、セパレータとが複数積層された積層体を、積層方向両端部に配置されるエンドプレート間に締め付け保持する燃料電池スタックであって、
   前記エンドプレートには、前記燃料電池スタックを取り付け部位に固定するためのマウント部が設けられるとともに、
   前記マウント部は、該マウント部に付与される荷重を前記エンドプレートの面方向に分散可能な梁部を設け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には、前記マウント部が少なくとも３個所に設けられ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、前記梁部は、前記エンドプレートの面から厚さ方向に膨出する肉圧部により構成されることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記梁部は、前記エンドプレートに取り付けられる別部材で構成されることを特徴とする燃料電池スタック。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記積層体を収容するケーシングを備え、
   前記ケーシングは、端板である前記エンドプレートと、
   前記積層体の側部に配置される複数の側板と、
   を備えることを特徴とする燃料電池スタック。

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