JP2008041475A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】外部マニホールドのシール材の寸法変化を確実に吸収できるとともに、積層体の高さに合わせて、外部マニホールドの固定位置を容易に調整可能な燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】膜・電極複合体１を酸化剤セパレータ２と燃料・冷却水セパレータ３で挟んで複数積層した積層体の両端を、締め付け保持するエンドプレート４、積層体の側面に配置された酸化剤入口・冷却水出口外部マニホールド６１、酸化剤出口・冷却水入口外部マニホールド６２、燃料入口外部マニホールド６３、燃料出口外部マニホールド６４を備える。各外部マニホールド６１〜６４にスライド機構用長孔６５を設け、スライド移動用長孔６５を介してエンドプレート４に固定用ボルト７で固定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質膜を燃料極と酸化剤極で挟持した単セル電池を複数積層し、周囲に反応ガス供給用の外部マニホールドを設けた燃料電池スタックに関する。

燃料電池は、水素等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスを、電池本体に供給することにより、電気化学的に反応させ、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換して外部へ取り出す発電装置である。燃料電池は、発電効率が高く、汚染物質の排出および騒音が少ない環境性に優れた発電装置として評価されている。

このような燃料電池は、基本的には、電解質膜を燃料極と酸化剤極で挟持することにより構成されているが、電解質層としてプロトン伝導性を有する固体高分子膜を使用した固体高分子型燃料電池は、比較的低温で運転ができ、起動時間が短く、大きな出力密度が得られることから、定置電源用、車載電源用、携帯電源用として大きな注目を浴びている。

ここで、固体高分子型燃料電池の一例を説明する。まず、電解質膜を燃料極と酸化剤極で狭持した膜電極複合体（ＭＥＡ：Ｍembrane and Ｅlectrode Ａssembly）の両面に、ガス流通路を設けた電気伝導性のセパレータを配置することにより、単セル電池が形成されている。そして、この単セル電池を複数積層した積層体の両端を、エンドプレートで保持し、両エンドプレートを貫通した孔に複数のスタッドを通し、スプリングを介して積層体を締め付けることにより、燃料電池スタックが構成されている。

燃料電池スタックの各単セル電池には、反応に必要な燃料（水素）と酸化剤（空気）及び冷却に必要な冷却水を均等に供給し、反応後はこれを回収する必要がある。このように、反応ガス・冷却水を分配・回収するマニホールドとしては、内部マニホールド方式と外部マニホールド方式がある。

内部マニホールド方式では、単セル電池を構成する膜電極複合体とセパレータの周辺部には、ガスおよび冷却水供給・排出用の内部マニホールドが設けられており、セパレータのガス流通路・冷却水流通路と連通している。内部マニホールドは積層されて、分配・回収マニホールドを形成する。この分配・回収マニホールドは、集電板とエンドプレートを貫通し、エンドプレートに設けられたパイプと連通している。

外部マニホールド方式では、セパレータに設けたガス流通路を、セパレータ端部まで延長して積層体側面に開口させ、別体の外部マニホールドを、積層体の４側面に配置して流通させている。このような外部マニホールド方式では、セパレータにマニホールドを含まないため、膜電極複合体の有効面積と同等の大きさとなり、セパレータをコンパクトにでき、コストダウンに有利である。

また、外部マニホールドには絶縁性の安価なプラスチックを用いることが可能なので、コストアップは最小限に抑えられる。外部マニホールドの容積も、セパレータの大きさの制約を受けずに設定可能であり、積層体を構成する各単セル電池のガス・冷却水流通路によって、均一にガスや冷却水を分配することが可能となる。

特開平７−２５４４２７号 特開２００６−４０８０７号 特開２００１−９３５６３号

ところで、外部マニホールド方式の場合には、外部マニホールドの寸法を積層体側面の寸法に合わせる必要があり、特に、積層体の高さに合せて設置することが難しい。また、外部マニホールドと積層体側面は、シール材によりシールする必要があり、外部マニホールドと積層体側面との確実な固定も必要となる。

このような外部マニホールドの固定方法としては、外部マニホールド同士をボルトで固定する方法（特許文献１参照）や、ワイヤーで締結する方法（特許文献２参照）、外部マニホールドを締付板に固定する方法（特許文献３参照）が開示されている。

外部マニホールド同士をボルトやワイヤーで固定する方法では、外部マニホールドの開口部の内寸が、積層体側面の溝開口部範囲より広く設定されていればよく、固定位置に制約はない。しかし、積層体に直接固定しないため、４側面における外部マニホールドのシール材の寸法変化を吸収することが困難である。一方、外部マニホールドを締付板に固定する方法では、外部マニホールドのシール材の寸法変化を独立して吸収できる。しかし、外部マニホールドの固定位置の調整が必要になる。

本発明は、上述した従来技術の課題を解決するために提案されたものであり、その目的は、外部マニホールドのシール材の寸法変化を確実に吸収できるとともに、積層体の高さに合わせて、外部マニホールドの固定位置を調整可能な燃料電池スタックを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明は、電解質を一対の電極で挟持した単位電池と、前記電極に接する位置に配設され、反応ガス流通路が設けられたセパレータとによって構成される基本要素を、複数積層して積層体を構成し、前記積層体の両端を締め付け保持するエンドプレートと、前記積層体の側面に配置され、前記反応ガス流通路と連通した外部マニホールドとを備えた燃料電池スタックにおいて、前記外部マニホールドが、前記エンドプレートに固定され、前記外部マニホールド若しくは前記エンドプレートには、前記積層体の長さに合わせて固定場所を調整可能なスライド機構が設けられていることを特徴とする。

以上のような本発明では、スライド機構によって、エンドプレートに対する外部マニホールドの位置を調整できるので、シール材等が介在する場合や、積層体の高さが個体差により変化した場合であっても、寸法変化を吸収でき、外部マニホールドを確実に固定することが可能となる。

以上のように、本発明によれば、外部マニホールドのシール材の寸法変化を確実に吸収できるとともに、積層体の高さに合わせて、外部マニホールドの固定位置を容易に調整可能な燃料電池スタックを提供することができる。

以下、本発明の燃料電池スタックの実施の形態（以下、実施形態とする）について、図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
［構成］
図１〜３を参照して、本実施形態の構成を説明する。まず、図１に示すように、単セル電池は膜・電極複合体(MEA)１と、酸化剤セパレータ２、燃料・冷却水セパレータ３によって構成されている。酸化剤セパレータ２の表面には、酸化剤ガス流通路２１が設けられており、その端部は、酸化剤セパレータ２の側面に開口している。燃料・冷却水セパレータ３の一方の表面には、燃料ガス流通路３１が、もう一方の表面には冷却水流通路３２が設けられており、それらの端部は、燃料・冷却水セパレータ３の側面に開口している。

このような単セル電池は、複数積層されて積層体を構成している。積層体の長手方向の両端には、エンドプレート４が配置されている。このエンドプレート４は、絶縁性外部プレート４１と導電性内部プレート４２とで構成されている。絶縁性外部プレート４１は、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂などの耐熱性樹脂材料からなり、電池反応部分に対応する内側に凹状の窪み４３が設けられている。絶縁性外部プレート４１のコーナーには、突起４４が設けられている。突起４４の中心には孔が設けられ、この孔に締付スタッド５の両端を通し、締付スプリング５１によって、積層体を挟んだエンドプレート４が締め付けられる構成となっている。

導電性内部プレート４２は、ステンレスなどの導電性材料からなる１枚の平板（集電板）で、絶縁性外部プレート４１の窪み４３に配置されている。窪み４３の中央には開口部４５が設けられ、積層体の発電電流を外部に取り出す構造となっている。さらに、エンドプレート４の側面には、後述するマニホールドを固定するための固定用ネジ孔４６が、複数個設けられている。

積層体の各側面には、図２に示すように、それぞれ酸化剤入口・冷却水出口外部マニホールド６１、酸化剤出口・冷却水入口外部マニホールド６２、燃料入口外部マニホールド６３、燃料出口外部マニホールド６４が配置されている。これらの各外部マニホールド６１〜６４は、酸化剤ガス流通路、燃料ガス流通路、冷却水流通路と連通していて、反応に必要な燃料・酸化剤ガスを膜電極複合体に供給・排出し、所定の流量の冷却水を供給し、反応に伴う発熱の冷却を行うように構成されている。なお、図中、６１ａは酸化剤入口、６２ａは酸化材出口、６２ｂは冷却水入口、６１ｂは冷却水出口、６３ａは燃料入口、６４ａは燃料出口である。

各外部マニホールド６１〜６４のエンドプレート４に対応する端部には、段差が設けられ、この段差には、図３に示すように、スライド機構用長孔６５が形成されている。そして、スライド機構用長孔６５を通した固定用ボルト（固定具）７が、固定用ネジ孔４６にねじ込まれることにより、各外部マニホールド６１〜６４が、エンドプレート４に固定されている。

各外部マニホールド６１〜６４とエンドプレート４の側面との間は、マニホールドシール材８によってシールされている。そして、固定用ボルト７と各外部マニホールド６１〜６４との間には、バネ座金７１が挿入されており、マニホールドシール材８の経年劣化による寸法変化があっても締め付け力を維持するように構成されている。

エンドプレート４のシール幅（Ｘ）は、各外部マニホールド６１〜６４のシール幅（Ｙ）よりも大きく設定され、積層体を構成する単位電池Ｓの厚み寸法がばらつき、積層体高さが変化しても、確実にシールできようになっている。一方、エンドプレート４のマニホールドシール部分の外側に、エンドプレート４を固定する固定用ボルト７が挿入されるスライド機構用長孔６５が設けられており、外部マニホールド６１〜６４の固定位置は、範囲（ｂ）で示されるスライド機構用長孔６５の幅の範囲で調整できる。

範囲（ｂ）は、次式（１）の通り、エンドプレートシール位置に対するマニホールドシール位置の可動範囲（ａ）、すなわち、エンドプレート４のシール幅（Ｘ）と外部マニホールド６１〜６４のシール幅（Ｙ）の差よりも大きく設定されている。
ｂ≧ａ＝Ｘ−Ｙ …式（１）

さらに、次式（２）の通り、外部マニホールド６１〜６４のスライド範囲のうち、外側部分（ｄ）は、エンドプレート４のシール部分の内側と外部マニホールド６１〜６４のシール部分の内側のクリアランス（ｃ）よりも小さく設定されている。
ｃ≧ｄ …式（２）

［作用効果］
以上のような本実施形態によれば、式（１）の関係により、積層体の高さが個体差により変化しても、シール可動範囲（ａ）の範囲内で寸法変化を吸収でき、これより、外部マニホールド６１〜６４のスライド範囲（ｂ）を大きくすることで、外部マニホールド６１〜６４を確実に固定することができる。

また、式（２）の関係により、外部マニホールド６１〜６４の調整範囲内において上記のクリアランスは常に正に保たれ、外部マニホールド６１〜６４のシール部分の内側がエンドプレート４のシール部分の内側、すなわち積層体の単位電池Ｓの外側に必ず位置し、積層体側面に開口したガス・冷却水流通路の溝を塞ぐことを防止できる。

［第２の実施形態］
［構成］
図４〜６を参照して、本実施形態の構成を説明する。本実施形態の基本的な構成は、上記の第１の実施形態と同様である。但し、図４に示すように、エンドプレート４の側面に、スライド機構用長孔４７が複数個設けられている。このスライド機構用長孔４７は、図５に示すように、各外部マニホールド６１〜６４を固定するためのものであり、固定箇所は、次のような構造となっている。

すなわち、図６（Ａ）（Ｂ）に示すように、各外部マニホールド６１〜６４の両端には、固定用ツメ（固定用突出部）６６が設けられている。この固定用ツメ６６は、エンドプレート４の側面のスライド機構用長孔４７に挿入されている。スライド機構用長孔４７の内部には、厚みと平行な方向の鋸状の溝４７ａが形成されており、この溝４７ａに、固定用ツメ６６の先鋭化した端部が係合する係合部となっていて、任意の位置で固定されるように構成されている。エンドプレート４と外部マニホールド６１〜６４との間には、上記の第１の実施形態と同様に、マニホールドシール材８とバネ座金７１が挿入されている。エンドプレート４のシール幅（Ｘ）と外部マニホールド６１〜６４のシール幅（Ｙ）の設定も、第１の実施形態と同様である。

そして、外部マニホールド６１〜６４の固定位置は、範囲（ｂ）で示されるスライド機構用長孔４７の幅の範囲で調整できる。範囲（ｂ）は、エンドプレートシール位置に対するマニホールドシール位置の可動範囲（ａ）、すなわち、エンドプレート４のシール幅（Ｘ）と外部マニホールド６１〜６４のシール幅（Ｙ）の差よりも大きく設定されている（式（１）と同様）。

さらに、外部マニホールド６１〜６４のスライド範囲のうち、内側部分（ｄ）は、エンドプレート４のシール部分の内側と外部マニホールド６１〜６４のシール部分の内側のクリアランス（ｃ）よりも小さく設定されている（式（２）と同様）。

［作用効果］
以上のような本実施形態によれば、式（１）及び式（２）の関係により、上記の第１の実施形態と同様の作用効果が得られる。また、固定用ボルト７の代わりに固定用ツメ６６を利用して、外部マニホールド６１〜６４を固定しているので、ボルト締めの必要がなく、ワンタッチで外部マニホールド６１〜６４の装着を実現できる。従って、外部マニホールド６１〜６４の装着の時間を大幅に低減でき、スタック製造コストの低減に寄与する。

［第３の実施形態］
［構成］
図７及び図８を参照して、本実施形態の構成を説明する。本実施形態の基本的な構成は、上記の第１の実施形態と同様である。但し、図７及び図８に示すように、各外部マニホールド６１〜６４とエンドプレート４とは、マニホールドシール材８を介して金属製のバックル９で固定されている。バックル９にはバネ性が備わっており、マニホールドシール材８の経年劣化による寸法変化があっても、締め付け力を維持する。バックル９は、エンドプレート４の表面の突起部分に取り付けられており、ヒンジ機構により自由に回転できる構成となっている。エンドプレート４のシール幅（Ｘ）と外部マニホールド６１〜６４のシール幅（Ｙ）の設定も、第１の実施形態と同様である。

そして、外部マニホールド６１〜６４の固定位置は、範囲（ｂ）で示されるバックルの端部が接するスライド機構用窪み６７の幅の範囲で調整できる。範囲（ｂ）は、エンドプレートシール位置に対するマニホールドシール位置の可動範囲（ａ）、すなわち、エンドプレート４のシール幅（Ｘ）と外部マニホールド６１〜６４のシール幅（Ｙ）の差よりも大きく設定されている（式（１）と同様）。

さらに、外部マニホールド６１〜６４のスライド範囲のうち、外側部分（ｄ）は、エンドプレート４のシール部分の内側と外部マニホールド６１〜６４のシール部分の内側のクリアランス（ｃ）よりも、小さく設定されている（式（２）と同様）。

［作用効果］
以上のような本実施形態によれば、式（１）及び式（２）の関係により、上記の第１の実施形態と同様の作用効果が得られる。また、固定用ボルト７の代わりに、バックル９を利用して外部マニホールド６１〜６４を固定しているので、ボルト締めの必要がなく、バックル９の回動により、ワンタッチで外部マニホールド６１〜６４の装着を実現できる。さらに、外部マニホールド６１〜６４の外側からバックル９によって留めるので、位置合せが容易となる。従って、外部マニホールド６１〜６４の装着の時間を大幅に低減でき、スタック製造コストの低減に寄与する。

［他の実施形態］
本発明は、上記のような実施形態に限定されるものではない。例えば、各部材の寸法、数量、材質、形状等は自由に変更可能である。また、本発明は、固体高分子型燃料電池には限定されず、同様のマニホールドを必要とする燃料電池スタックに広く適用可能である。

本発明の第１の実施形態の燃料電池スタックの積層体を示す斜視図 図１の実施形態の燃料電池スタックを示す斜視図 図１の実施形態の燃料電池スタックの断面図 本発明の第２の実施形態の燃料電池スタックの積層体を示す斜視図 図４の実施形態の燃料電池スタックを示す斜視図 図４の実施形態の燃料電池スタックの長手方向断面図（Ａ）、これに直交する断面図（Ｂ） 本発明の第３の実施形態の燃料電池スタックを示す斜視図 図７の実施形態の燃料電池スタックの断面図

符号の説明

１…膜・電極複合体
２…酸化剤セパレータ
３…燃料・冷却水セパレータ
４…エンドプレート
５…締付スタッド
７…固定用ボルト
８…マニホールドシール材
９…バックル
２１…酸化剤ガス流通路
３１…燃料ガス流通路
３２…冷却水流通路
４１…絶縁性外部プレート
４２…導電性内部プレート
４３…窪み
４４…突起
４５…開口部
４６…固定用ネジ孔
４７，６５…スライド機構用長孔
４７ａ…溝
５１…締付スプリング
６１…酸化剤入口・冷却水出口外部マニホールド
６２…酸化剤出口・冷却水入口外部マニホールド
６３…燃料入口外部マニホールド
６４…燃料出口外部マニホールド６４
６１ａ…酸化剤入口
６２ａ…酸化材出口
６２ｂ…冷却水入口
６１ｂ…冷却水出口
６３ａ…燃料入口
６４ａ…燃料出口
６６…固定用ツメ
７１…バネ座金

Claims (5)

1. 電解質を一対の電極で挟持した単位電池と、前記電極に接する位置に配設され、反応ガス流通路が設けられたセパレータとによって構成される基本要素を、複数積層して積層体を構成し、前記積層体の両端を締め付け保持するエンドプレートと、前記積層体の側面に配置され、前記反応ガス流通路と連通した外部マニホールドとを備えた燃料電池スタックにおいて、
   前記外部マニホールドが、前記エンドプレートに固定され、
   前記外部マニホールド若しくは前記エンドプレートには、前記積層体の長さに合わせて固定場所を調整可能なスライド機構が設けられていることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記外部マニホールドを前記エンドプレートに固定する固定具を有し、
   前記スライド機構は、前記外部マニホールドに設けられ、前記固定具が挿通される長孔を有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. 前記スライド機構は、前記外部マニホールドに設けられた固定用突出部と、前記エンドプレートに設けられ、前記固定用突出部が係合する係合部とを有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。
4. 前記スライド機構は、エンドプレートに設けられたバックルを有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。
5. 前記エンドプレート側面のシール幅と前記マニホールドのシール幅との差が、前記スライド機構の調整幅よりも小さく設定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。

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