JP2007207555A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】高電圧部品を取り付ける場合において、省スペース化を図ることが可能な構造の燃料電池を提供する。
【解決手段】セル積層体３と、インシュレータと、エンドプレート８と、高電圧部品９とを備えた燃料電池１について、剛性を有する部材によってインシュレータを形成するととともに、該インシュレータ上に高電圧部品９を配置する。インシュレータが樹脂板によって形成され、高電圧部品９が該インシュレータ上に直接配置されていることが好ましい。また、高電圧部品９の一部が、インシュレータに取り付けられる締結手段１０を利用して当該インシュレータ上にて締結されていることも好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に関する。さらに詳述すると、本発明は、各種高電圧部品が併設されるセル積層体（セルスタック）における構造、特に絶縁のための構造の改良に関する。

一般に、燃料電池（例えば固体高分子形燃料電池）は電解質をセパレータで挟んだセルを複数積層することによって構成されている。

このようにセルが積層されることによって構成されるセル積層体（セルスタック）には、その積層方向両端にエンドプレートが設けられ、さらに、例えばリレーやバスバー（導電板）といった高電圧部品が設けられる場合がある。このような場合、セル積層体とエンドプレートとを電気的に絶縁するためのインシュレータが設けられている（例えば、特許文献１参照）。また、これら高電圧部品を取り付けるにあたり、端部を固定するための端子台が設けられる場合もある。
特開２００４−１２７７７８号公報

しかしながら、セルを絶縁するためにインシュレータを備え、さらに端子台を備えているという従前の燃料電池は、その分だけスペースを要する構造となっている点で不利であった。

そこで、本発明は、高電圧部品を取り付ける場合において省スペース化を図ることが可能な構造の燃料電池を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するべく本発明者は種々の検討を行った。例えば、セル積層体の積層方向両端にはエンドプレート（材質は例えばアルミニウムやＳＵＳ）が設けられ、このエンドプレートの近傍に高電圧部品が取り付けられている場合がある。ところが、エンドプレート（例えばアルミニウム製のエンドプレート）は僅かながらも電位をもっていることから、その近傍に高電圧部品を取り付けるとしても絶縁のための距離をおいて取り付ける必要が生じている。実際、エンドプレートとの間にスペースを設けて絶縁を確保しているものがあるが、その分だけ省スペース化を図るうえでは不利となっている。この点にさらに検討を重ねた本発明者は、セル積層体（セルスタック）やその周辺部分の省スペース化を図るにあたり、端子台やインシュレータをそれぞれ設置するスペースを確保することが難しくなっている点に着目し、かかる課題を解決するための技術を知見するに至った。

本発明はかかる知見に基づくものであり、セル積層体と、インシュレータと、エンドプレートと、前記セル積層体およびエンドプレートとは電気的に絶縁した状態で配置される高電圧部品と、を備えた燃料電池において、前記インシュレータが剛性を有する部材によって形成されているとともに、該インシュレータ上に前記高電圧部品が配置されていることを特徴としている。

この燃料電池においては、従前のインシュレータをインシュレータとしてのみでなく、高電圧部品を配置して取り付けるための端子台としても兼用できるような構造とすることにより、絶縁のためのスペースを設けなくても済むようにしている。すなわち、従前用いられていたインシュレータはその厚みが例えば１ｍｍにも満たないような薄いものであり、あくまでも絶縁のために使用されるばかりであり、当該インシュレータの構造を変えるという工夫は見られなかったのに対し、本発明においては、剛性を有するインシュレータを採用する（別の表現をすれば、当該インシュレータに剛性を併有させる）ことにより、当該インシュレータ上に高電圧部品を配置することが可能となっている。この場合、高電圧部品を配置するにあたり従前は必要だった絶縁のためのスペースを省略することが可能となるから、省スペース化を図るうえで有利となる。

また、かかる燃料電池においては、前記インシュレータが樹脂板によって形成されていることが好ましい。樹脂板によって形成されたインシュレータは、絶縁性能を発揮しつつ、例えばリレーやバスバー（導電板）といった高電圧部品を支持するのに十分な剛性を備えたものとなりうる。

さらに本発明においては、前記高電圧部品が、前記インシュレータ上に直接配置されている。従前の高電圧部品はエンドプレートから所定の距離だけ離した状態で取り付けていたのに対し、本発明によればかかる高電圧部品をこのインシュレータ上に直接取り付けるという構造となる。こうした場合、絶縁のための空間を設けなくても高電圧部品を取り付けることが可能である。

また、本発明にかかる燃料電池においては、前記高電圧部品の一部が、前記インシュレータに取り付けられる締結手段を利用して当該インシュレータ上にて締結されていることも好ましい。この場合のインシュレータは、例えばバスバーの端部といったような高電圧部品の一部を接続するための端子台としても機能しうる。このように端子台としての機能も発揮しうるインシュレータには、ねじやボルト等の締結手段を利用して高電圧部品の一部が直接的に締結される。

さらに、本発明にかかる燃料電池においては、前記インシュレータが、前記セル積層体に対して積層方向側部に配置されている。この場合のインシュレータは、セルの積層方向側部に配置され、尚かつその上に配置された高電圧部品を支持する部材としても機能しうる。

また、本発明にかかる燃料電池においては、前記セル積層体の外表面のうち、前記高電圧部品が配置される面に沿って設けられた第１の前記インシュレータの剛性は、前記高電圧部品が配置されない面に沿って設けられた第２の前記インシュレータの剛性よりも高く、前記高電圧部品は前記第１のインシュレータ自体に配置されている。

本発明によれば、従前の燃料電池にて用いられていたインシュレータに剛性を備えさせ、当該剛性を備えたインシュレータに高電圧部品を直接的に配置することが可能となる。これによれば、高電圧部品を取り付ける場合に省スペース化を図ることが可能な構造を実現することができる。

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。

図１〜図４に本発明にかかる燃料電池の実施形態を示す。以下に示す燃料電池１は、セル積層体３と、インシュレータ７と、エンドプレート８と、セル積層体３およびエンドプレート８とは電気的に絶縁した状態で配置される高電圧部品９と、を備えたものとして構成されている。ここで、本実施形態では、剛性を有する部材、例えば樹脂板によってインシュレータ７を形成したうえで、該インシュレータ７上に上述の高電圧部品９を配置することとしている（図２等参照）。

以下においては、まず、燃料電池１を構成するセル２の概略構成について説明し、その後、上述のように形成されたインシュレータ７やその上に配置される高電圧部品９などについて説明することとする。

図１に本実施形態における燃料電池１のセル２の概略構成を示す。図示するように構成されるセル２は、順次積層されることによってセル積層体（スタック）３を構成する。このように形成されたセル積層体（スタック）３は、スタック両端を例えばエンドプレート８で挟まれ（図３参照）、さらにこれら対向するエンドプレート８どうしを繋ぐようにテンションプレート１２が配置された状態で積層方向への荷重がかけられて締結される。

なお、このようなセル２が積層されたセル積層体（スタック）３によって構成される燃料電池１は、例えば燃料電池車両（ＦＣＨＶ；Fuel Cell Hybrid Vehicle）の車載発電システムとして利用可能なものであるがこれに限られることはなく、各種移動体（例えば船舶や飛行機など）やロボットなどといった自走可能なものに搭載される発電システムとして用いることができる。また、場合によっては定置の燃料電池１としても用いることも可能である。

セル２は、電解質、具体例として膜−電極アッセンブリ（以下ＭＥＡ；Membrane Electrode Assemblyと呼ぶ）３０と、ＭＥＡ３０を挟持する一対のセパレータ２０（図１においてはそれぞれ符号２０ａ，２０ｂを付して示している）とで構成されている（図１参照）。ＭＥＡ３０および各セパレータ２０ａ，２０ｂはおよそ矩形の板状に形成されている。また、ＭＥＡ３０はその外形が各セパレータ２０ａ，２０ｂの外形よりも僅かに小さくなるように形成されている。さらに、ＭＥＡ３０と各セパレータ２０ａ，２０ｂとは、それらの間の周辺部を第１シール部材１３ａ、第２シール部材１３ｂとともに成形樹脂によってモールドされている。

ＭＥＡ３０は、高分子材料のイオン交換膜からなる高分子電解質膜（以下、単に電解質膜ともいう）３１と、電解質膜３１を両面から挟んだ一対の電極３２ａ，３２ｂ（アノードおよびカソード）とで構成されている（図１参照）。これらのうち、電解質膜３１は、各電極３２ａ，３２ｂよりも僅かに大きくなるように形成されている。この電解質膜３１には、その周縁部３３を残した状態で各電極３２ａ，３２ｂが例えばホットプレス法により接合されている。

ＭＥＡ３０を構成する電極３２ａ，３２ｂは、その表面に付着された白金などの触媒を担持した例えば多孔質のカーボン素材（拡散層）で構成されている。一方の電極（アノード）３２ａには燃料ガス（反応ガス）としての水素ガス、他方の電極（カソード）３２ｂには空気や酸化剤などの酸化ガス（反応ガス）が供給され、これら２種類の反応ガスによりＭＥＡ３０内で電気化学反応が生じてセル２の起電力が得られるようになっている。

セパレータ２０ａ，２０ｂは、ガス不透過性の導電性材料で構成されている。導電性材料としては、例えばカーボンや導電性を有する硬質樹脂のほか、アルミニウムやステンレス等の金属（メタル）が挙げられる。本実施形態のセパレータ２０ａ，２０ｂの基材は板状のメタルで形成されているものであり（メタルセパレータ）、この基材の電極３２ａ，３２ｂ側の面には耐食性に優れた膜（例えば金メッキで形成された皮膜）が形成されている。

また、セパレータ２０ａ，２０ｂの両面には、複数の凹部によって構成される溝状の流路が形成されている。これら流路は、例えば板状のメタルによって基材が形成されている本実施形態のセパレータ２０ａ，２０ｂの場合であればプレス成形によって形成することができる。このようにして形成される溝状の流路は、酸化ガスのガス流路３４や水素ガスのガス流路３５、あるいは冷却水流路３６を構成している。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａの電極３２ａ側となる内側の面には水素ガスのガス流路３５が複数形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が複数形成されている（図１参照）。同様に、セパレータ２０ｂの電極３２ｂ側となる内側の面には酸化ガスのガス流路３４が複数形成され、その裏面（外側の面）には冷却水流路３６が複数形成されている（図１参照）。例えば本実施形態の場合、セル２におけるこれらガス流路３４およびガス流路３５は互いに平行となるように形成されている。さらに、本実施形態においては、隣接する２つのセル２，２に関し、一方のセル２のセパレータ２０ａの外面と、これに隣接するセル２のセパレータ２０ｂの外面とを付き合わせた場合に両者の冷却水流路３６が一体となり断面が例えば矩形あるいはハニカム形の流路が形成される構造となっている（図１参照）。なお、隣接するセル２，２のセパレータ２０ａとセパレータ２０ｂは、それらの間における周辺の部分が成形樹脂によりモールドされるようになっている。

さらに、上述したように各セパレータ２０ａ，２０ｂは、少なくとも流体の流路をなすための凹凸形状が表面と裏面とで反転した関係になっている。より具体的に説明すると、セパレータ２０ａにおいては、水素ガスのガス流路３５を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３５を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）である。さらに、セパレータ２０ｂにおいては、酸化ガスのガス流路３４を形成する凸形状（凸リブ）の裏面が冷却水流路３６を形成する凹形状（凹溝）であり、ガス流路３４を形成する凹形状（凹溝）の裏面が冷却水流路３６を形成する凸形状（凸リブ）である。

また、セパレータ２０ａ，２０ｂの長手方向の端部付近（本実施形態の場合であれば、図１中向かって左側に示す一端部の近傍）には、酸化ガスの入口側のマニホールド１５ａ、水素ガスの出口側のマニホールド１６ｂ、および冷却水の出口側のマニホールド１７ｂが形成されている。例えば本実施形態の場合、これらマニホールド１５ａ，１６ｂ，１７ｂは各セパレータ２０ａ，２０ｂに設けられた略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている（図１参照）。さらに、セパレータ２０ａ，２０ｂのうち反対側の端部には、酸化ガスの出口側のマニホールド１５ｂ、水素ガスの入口側のマニホールド１６ａ、および冷却水の入口側のマニホールド１７ａが形成されている。本実施形態の場合、これらマニホールド１５ｂ，１６ａ，１７ａも略矩形ないしは台形の透孔によって形成されている（図１参照）。

上述のような各マニホールドのうち、セパレータ２０ａにおける水素ガス用の入口側マニホールド１６ａと出口側マニホールド１６ｂは、セパレータ２０ａに溝状に形成されている入口側の連絡通路６１および出口側の連絡通路６２を介してそれぞれが水素ガスのガス流路３５に連通している。同様に、セパレータ２０ｂにおける酸化ガス用の入口側マニホールド１５ａと出口側マニホールド１５ｂは、セパレータ２０ｂに溝状に形成されている入口側の連絡通路６３および出口側の連絡通路６４を介してそれぞれが酸化ガスのガス流路３４に連通している（図１参照）。さらに、各セパレータ２０ａ，２０ｂにおける冷却水の入口側マニホールド１７ａと出口側マニホールド１７ｂは、各セパレータ２０ａ，２０ｂに溝状に形成されている入口側の連絡通路６５および出口側の連絡通路６６を介してそれぞれが冷却水流路３６に連通している。ここまで説明したような各セパレータ２０ａ，２０ｂの構成により、セル２には、酸化ガス、水素ガスおよび冷却水が供給されるようになっている。ここで具体例を挙げておくと、例えば水素ガスは、セパレータ２０ａの入口側マニホールド１６ａから連絡通路６１を通り抜けてガス流路３５に流入し、ＭＥＡ３０の発電に供された後、連絡通路６２を通り抜けて出口側マニホールド１６ｂに流出することになる。

第１シール部材１３ａ、第２シール部材１３ｂは、ともに複数の部材（例えば小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成されているものである（図１参照）。これらのうち、第１シール部材１３ａはＭＥＡ３０とセパレータ２０ａとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ａのうちガス流路３５の周囲の部分との間に介在するように設けられる。また、第２シール部材１３ｂは、ＭＥＡ３０とセパレータ２０ｂとの間に設けられるもので、より詳細には、その一部が、電解質膜３１の周縁部３３と、セパレータ２０ｂのうちガス流路３４の周囲の部分との間に介在するように設けられる。

さらに、隣接するセル２，２のセパレータ２０ｂとセパレータ２０ａとの間には、複数の部材（例えば小型の４つの矩形枠体と、流体流路を形成するための大きな枠体）で形成された第３シール部材１３ｃが設けられている（図１参照）。この第３シール部材１３ｃは、セパレータ２０ｂにおける冷却水流路３６の周囲の部分と、セパレータ２０ａにおける冷却水流路３６の周囲の部分との間に介在するように設けられてこれらの間をシールする部材である。

続いて、インシュレータ７やその上に配置される高電圧部品９などについて説明する（図２、図３参照）が、その前に、図３を用いてまず一般的なセル積層体３’について説明しておき、その後、本実施形態にかかる燃料電池１の構造等について説明する。

図３に示すように、燃料電池１はセル（単セル）２が積層されたスタック構造となっている。より具体的に説明すると、この燃料電池１は、複数のセル２を積層したセル積層体３’を有しており、かかるセル積層体３’の両端に位置するセル２，２の外側に順次、出力端子５付きの集電板６、絶縁板７’およびエンドプレート８’が各々配置された構造となっている。

また、セル積層体３’には、燃料電池１の運転状態を監視し制御するためにセル２の電圧を測定するためのセルモニタ（図示省略）が設けられている。燃料電池１においては、この電圧測定結果に基づく出力等の制御が行われる。なお、図３においては出力端子５付きの集電板６を２個例示したが、このようなセルモニタによる電圧監視を実行するためには、セル積層方向に沿った所定の複数箇所にさらに別の出力端子（および集電板）をあらかじめ設けておき、セル電圧を監視しながらこれら別の出力端子に切り換えられるようにしておくことも可能である。

ここで、図３に示した燃料電池における絶縁板７’はインシュレータとして機能しうるものであり、この燃料電池の場合には、図示するように周電板６とエンドプレート８’との間に介在した状態で設けられている。ただし、図３に示したセル積層体３は本発明の特徴を明瞭にするため参考までに記載したもので、これに対して本実施形態の燃料電池１におけるインシュレータ（絶縁部材）は以下のような特徴を有するものとなっている（図２参照）。

すなわち、上述したように、本実施形態の燃料電池１においては剛性を有する部材によってインシュレータ７を形成し、該インシュレータ７上に高電圧部品９を配置するようにしている。このような構造の燃料電池１の場合、従前のインシュレータ（例えば図３に示した絶縁板７’のようなもの）を、単なるインシュレータとしてだけではなく各種高電圧部品９を配置して取り付けるための端子台としても兼用することが可能となるから、高電圧部品９を絶縁するために要していたスペースを設けなくても済むようになる。このように、インシュレータ７自体に各種高電圧部品９の取付けが可能な程度の剛性を保有させることにより、従前のような絶縁スペースを省略して少なくともその分だけ省スペース化を図ることを可能としている。

インシュレータ７を形成するための剛性を有する部材としては例えば樹脂板が好適である。一例として、耐熱性に優れるエンジニアリングプラスチックを採用した場合には堅牢性の面でも有利であるし、また燃料電池１の軽量化を図るうえでも好適である。ただし、ここで例示した樹脂板は好適例に過ぎず、要は、絶縁材として機能することができ、尚かつ高電圧部品９を直接取り付けることができる程度の剛性を有する部材であればこれ以外のものでも用いることは当然に可能である。例示すれば、例えば従前用いられていたような薄く可撓性のある板状の絶縁材を複数積層することによって形成したものを本実施形態におけるインシュレータ７として適用することも可能である。

また、本実施形態においては、上述のようなインシュレータ７を、セル積層体３に対して積層方向側部に配置することとしている（図２参照）。このように配置された本実施形態のインシュレータ７は、四隅がそれぞれボルト１１によって各エンドプレート８の側面に固定されている。さらに、このインシュレータ７の表面（積層方向側部となる面）には、高電圧部品９が直接的に配置されている（図２参照）。

さらに、本実施形態におけるインシュレータ７は、セル積層体（ただし、この場合、エンドプレート８、集電板６、テンションプレート１２を含まないセル積層体単体）３の面に沿って設けられている。さらに、インシュレータ７は、セル積層体３と、セル積層体３に近接する導電性部材（スタックケースや、マウント構成、エンドプレート８、テンションプレート１２）との間に介在するように設けられている。

ここで、インシュレータ７に直接的に配置される高電圧部品９としては、例えばリレー９ａやバスバー（導電板）９ｂといった部品を例示することができる（図２参照）。これら高電圧部品９をインシュレータ７に取り付けることとすれば、より狭小なスペース内に各部品を配置することが可能である。さらに、場合によっては上述したセルモニタ（図示省略）をこのようにセル積層体３の側部に配置されたインシュレータ７を利用して配置することも可能である。

また、上述のような燃料電池１においては、高電圧部品９の一部を、インシュレータ７に取り付けられる締結手段１０を利用して当該インシュレータ７上にて締結していることも好ましい。一例として、本実施形態においては、バスバー９ｂの端部を締結手段（例えばボルト）１０を用いてインシュレータ７に締結した状態としている（図２参照）。こうした場合、インシュレータ７は、高電圧部品９の一部を接続するためのいわば端子台としても機能することができる。

以上のような本実施形態の燃料電池１によれば、インシュレータ（絶縁板）に剛性を備えさせ、当該剛性を備えたインシュレータ７に高電圧部品９を直接的に配置することとしているから、絶縁のために従前要していたスペースを狭小にし、あるいは省略することが可能である。このため、高電圧部品９を取り付ける場合に省スペース化を図ることが可能な構造を実現することができる。

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述した実施形態ではセル積層体３の側部に一部のインシュレータ７のみ配置した例を示したが、これは一例にすぎず、セル積層体３を挟んで対向するようにもう一部を配置して対となる構造とすることもできる。

また、本実施形態においてはインシュレータ７をセル積層体３の側部に配置したがこれはインシュレータ７の配置例の一つに過ぎず、このような形態に限られるわけではない。このインシュレータ７を上述以外の位置、例えばセル積層体３の積層方向両端に配置することも可能であり、いずれの配置にせよ、従前要していた絶縁スペースを省略できる構成とすればその分だけ燃料電池１の省スペース化を図ることが可能となる。

以下においては、本発明の他の実施形態として、およそ直方体形状のセル積層体３の各面のそれぞれにインシュレータ７を配置した形態について説明しておく（図４参照）。なお、この場合、各インシュレータ７の形状や大きさ、剛性は等しくても構わないが、セル積層体３の外表面のうち、高電圧部品９が配置される面に沿って設けられる第１のインシュレータ７の剛性を、高電圧部品９が配置されない面に沿って設けられる第２のインシュレータ７の剛性よりも高くしておき、高電圧部品９を第１のインシュレータ７自体に配置することが好ましい。こうした場合、第１のインシュレータ７には高電圧部品９を支持しうる剛性を備えさせ、第２のインシュレータ７には絶縁材として足りるだけの剛性を備えさせることが可能となるから、燃料電池１全体として省スペース化を図るうえで好適である。例えば図４に示している燃料電池１においては、図中向かって左下に表示されている手前側（セル積層方向側面）の第１のインシュレータ７は厚く形成して剛性を備えさせておき、これ以外の５つの第２のインシュレータ７についてはこれよりも薄く形成している（図４参照）。

本実施形態におけるセル積層体を構成するセルを分解して示す分解斜視図である。 本発明の一実施形態を示す斜視図で、インシュレータが剛性を有する部材によって形成されている燃料電池の構成を概略的に示すものである。 本発明の特徴を明瞭にするため参考までに示す従前のセル積層体の一例を示す斜視図である。 本発明の他の実施形態を示す燃料電池の分解斜視図である。

符号の説明

１…燃料電池、２…セル、３…セル積層体、７…樹脂板（インシュレータ）、８…エンドプレート、９…高電圧部品、１０…締結手段

Claims (6)

1. セル積層体と、インシュレータと、エンドプレートと、前記セル積層体およびエンドプレートとは電気的に絶縁した状態で配置される高電圧部品と、を備えた燃料電池において、
   前記インシュレータが剛性を有する部材によって形成されているとともに、
   該インシュレータ上に前記高電圧部品が配置されている
   ことを特徴とする燃料電池。
2. 前記インシュレータが樹脂板によって形成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. 前記高電圧部品が、前記インシュレータ上に直接配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 前記高電圧部品の一部が、前記インシュレータに取り付けられる締結手段を利用して当該インシュレータ上にて締結されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池。
5. 前記インシュレータが、前記セル積層体に対して積層方向側部に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池。
6. 前記セル積層体の外表面のうち、前記高電圧部品が配置される面に沿って設けられた第１の前記インシュレータの剛性は、前記高電圧部品が配置されない面に沿って設けられた第２の前記インシュレータの剛性よりも高く、前記高電圧部品は前記第１のインシュレータ自体に配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池。
   
   

Images