JP2008159546A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタック全体の小型化且つ軽量化を図るとともに、防水性及び防塵性が向上し、しかも反応ガスを外部に良好に希釈排出させ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１６が積層される積層体１２を備え、前記積層体１２が絶縁プレート２０ａ、２０ｂ間に配設される。燃料電池スタック１０は、積層体１２を覆って絶縁プレート２０ａ、２０ｂ間に挟まれる範囲を周回する筒状カバー部材５０を備えるとともに、前記筒状カバー部材５０は、液体に対して非透過性で且つ気体に対して透過性を有する気体透過膜を設けている。
【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を積層する積層体が、絶縁部材間に配設され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アノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体が、セパレータによって挟持された単位セルを備えている。通常、単位セルを複数積層することにより燃料電池スタックが構成されている。

ところで、燃料電池スタックでは、外部から水等が浸入して漏電が発生することを阻止する必要がある。一方、燃料電池スタックでは、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体をシールするため、種々のシール部材が用いられているが、前記シール部材を透過した燃料ガスが前記燃料電池スタック内に残存するおそれがある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池用ケースが知られている。図１１に示すように、ケース１内には、燃料電池スタック２が収容されるとともに、前記ケース１の最上部に設けられる換気口３は、水は透過しないが水素や空気等の気体は透過する水素透過膜４により密封されている。

特開２００２−３６７６４７号公報（図１）

しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池スタック２がケース１内に収容されるため、前記ケース１の外形寸法が前記燃料電池スタック２の寸法に比べて大きくなるとともに、前記ケース１自体が相当に重量物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、燃料電池スタック全体の小型化且つ軽量化を図るとともに、防水性及び防塵性が向上し、しかも反応ガスを外部に良好に希釈排出させ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を積層する積層体が、絶縁部材間に配設される燃料電池スタックに関するものである。

燃料電池スタックは、積層体を覆って少なくとも絶縁部材間に挟まれる範囲を周回する筒状カバー部材を備えるとともに、前記筒状カバー部材は、液体に対して非透過性で且つ気体に対して透過性を有する気体透過膜を設けている。

また、筒状カバー部材は、絶縁部材に係合する部分に弾性を有するシール部材を備えることが好ましい。

さらに、絶縁部材が一対のエンドプレート間に挟持されるとともに、積層体及び筒状カバー部材は、前記一対のエンドプレートを端板とするケーシングにより囲繞されることが好ましい。

さらにまた、絶縁部材が一対のエンドプレート間に挟持されるとともに、前記一対のエンドプレートは、締結部材により積層方向に伸縮可能に締め付け保持されることが好ましい。

また、筒状カバー部材は、異方性の素材で構成されるとともに、積層方向に沿って最大の伸縮性を有することが好ましい。

本発明では、少なくとも絶縁部材間に挟まれる範囲を筒状カバー部材により周回するだけでよい。従って、燃料電池スタックの内部に外部から水や塵埃等が進入することを阻止するために、前記燃料電池スタックを、例えば、密封容器内に収容する必要がない。これにより、燃料電池スタック全体の軽量化及び小型化が容易に図られるとともに、前記燃料電池スタックの内部の防水性及び防塵性を向上させることができる。

しかも、燃料電池スタックの内部から反応ガスが漏れた際には、積層体を周回する筒状カバー部材が十分な面積を確保するため、前記反応ガスを速やかに外部に排出させることが可能になる。従って、燃料電池スタックの外部で反応ガスを良好に希釈することができ、例えば、換気装置等が不要になって経済的である。

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の一部分解斜視説明図である。

燃料電池スタック１０は、積層体１２を備え、この積層体１２がケーシング１４内に収容される。積層体１２は、複数の単位セル１６が水平方向（矢印Ａ方向）に積層されるとともに、積層方向の両端には、ターミナルプレート１８ａ、１８ｂ及び絶縁プレート２０ａ、２０ｂを介して、ケーシング１４を構成するエンドプレート２２ａ、２２ｂが配設される。

図３に示すように、各単位セル１６は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）２６と、前記電解質膜・電極構造体２６を挟持する薄板波形状の第１及び第２セパレータ２８、３０とを備えるとともに、縦長に構成される。第１及び第２セパレータ２８、３０としては、例えば、波形状に加工された金属セパレータやカーボンセパレータ等が使用される。

単位セル１６の長辺方向（矢印Ｃ方向）の一端縁部（上端縁部）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３２ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３４ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３６ａが設けられる。

単位セル１６の長辺方向の他端縁部（下端縁部）には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３６ｂ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３４ｂ、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３２ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体２６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３８と、前記固体高分子電解質膜３８を挟持するアノード側電極４０及びカソード側電極４２とを備える。

第１セパレータ２８の電解質膜・電極構造体２６に向かう面には、燃料ガス供給連通孔３６ａと燃料ガス排出連通孔３６ｂとを連通する燃料ガス流路４４が形成される。この燃料ガス流路４４は、例えば、矢印Ｃ方向に延在する溝部により構成される。

第２セパレータ３０の電解質膜・電極構造体２６に向かう面には、例えば、矢印Ｃ方向に延在する溝部からなる酸化剤ガス流路４６が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路４６は、酸化剤ガス供給連通孔３２ａと酸化剤ガス排出連通孔３２ｂとに連通する。第２セパレータ３０の他方の面には、第１セパレータ２８と重なり合って冷却媒体流路４８が一体的に形成される。図示しないが、第１及び第２セパレータ２８、３０には、所望の形状に設定されるシール部材が一体成形又は介装される。

図４に示すように、燃料電池スタック１０は、積層体１２を覆って絶縁プレート２０ａ、２０ｂ間に挟まれる範囲を周回する筒状カバー部材５０を備える。筒状カバー部材５０は、液体に対して非透過性で且つ気体に対して透過性を有する気体透過膜を設けている。この気体透過膜としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を加熱延展させて繊維構造とした多孔質膜により構成されている。筒状カバー部材５０は、異方性を有しており、積層方向に沿って最大の伸縮性を有している。

筒状カバー部材５０の両端には、肉厚部５２ａ、５２ｂが形成されている。この肉厚部５２ａ、５２ｂは、絶縁プレート２０ａ、２０ｂの外周に形成された溝部５３ａ、５３ｂに係合することにより、筒状カバー部材５０が前記絶縁プレート２０ａ、２０ｂに支持される。

図２に示すように、ケーシング１４は、端板であるエンドプレート２２ａ、２２ｂと、単位セル１６が積層された積層体１２の側部に配置される４枚の側部プレート５４ａ〜５４ｄと、前記エンドプレート２２ａ、２２ｂと前記側部プレート５４ａ〜５４ｄとを連結するヒンジ構造５６と、前記側部プレート５４ａ〜５４ｄの互いに近接する端部同士をボルト５８により連結するアングル部材６０ａ〜６０ｄとを備える。

ヒンジ構造５６は、エンドプレート２２ａ、２２ｂの上下左右各辺に設けられる第１円筒部６２ａ、６２ｂと、側部プレート５４ａ〜５４ｄの長手方向両端に設けられ、前記第１円筒部６２ａ、６２ｂと交互且つ同軸に配置される第２円筒部６４ａ〜６４ｄと、前記第１円筒部６２ａ、６２ｂ及び前記第２円筒部６４ａ〜６４ｄに一体に挿入されるそれぞれ長さの異なるピン部材６６ａ、６６ｂとを備える。

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、燃料電池スタック１０では、図１に示すように、エンドプレート２２ａの酸化剤ガス供給連通孔３２ａ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３６ａ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３４ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。このため、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数の単位セル１６に対し、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が、それぞれ矢印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３２ａから第２セパレータ３０の酸化剤ガス流路４６に導入され、電解質膜・電極構造体２６のカソード側電極４２に沿って矢印Ｃ方向に移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３６ａから第１セパレータ２８の燃料ガス流路４４に導入され、電解質膜・電極構造体２６のアノード側電極４０に沿って矢印Ｃ方向に移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体２６では、カソード側電極４２に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４０に供給される燃料ガスとが、図示しない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４２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３２ｂから外部に排出される。同様に、アノード側電極４０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３６ｂ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３４ａから第１及び第２セパレータ２８、３０間の冷却媒体流路４８に導入された後、矢印Ｃ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２６を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３４ｂ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、筒状カバー部材５０が、積層体１２を覆って絶縁プレート２０ａ、２０ｂ間に設けられるとともに、前記筒状カバー部材５０は、液体に対して非透過性で且つ気体に対して透過性を有する気体透過膜を設けている。このため、燃料電池スタック１０の内部に外部から水や塵埃等が進入することを阻止するために、前記燃料電池スタック１０を、例えば、図示しない密封容器内に収容する必要がない。

これにより、燃料電池スタック１０全体の軽量化及び小型化が容易に図られるとともに、前記燃料電池スタック１０の内部の防水性及び防塵性を向上させることができるという効果が得られる。

しかも、積層体１２の内部から反応ガス、例えば、燃料ガスが漏れた際には、前記積層体１２を周回する筒状カバー部材５０が十分な面積を確保するため、前記燃料ガスを速やかに前記積層体１２の外部に排出させることが可能になる。従って、積層体１２の外部で燃料ガスを良好に希釈することができ、例えば、排気装置等が不要になって、経済的であるという利点がある。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック７０の側面説明図である。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。

燃料電池スタック７０は、積層体１２を収容するケーシング７２を備えるとともに、絶縁プレート２０ａ、２０ｂに筒状カバー部材７４が支持される。筒状カバー部材７４は、気体透過膜７６と弾性を有するシール部材７８とを備え、前記気体透過膜７６と前記シール部材７８とが、接着あるいは熱溶着等によって一体化される。シール部材７８には、絶縁プレート２０ａ、２０ｂの溝部５３ａ、５３ｂに係合する膨出部８０ａ、８０ｂが一体形成される。

ケーシング７２は、エンドプレート２２ａ、２２ｂを端板とし、４枚の側部プレート８２がヒンジ構造８４により連結される。ヒンジ構造８４は、積層体１２側に突出するパネル部８６を設けており、前記パネル部８６は、筒状カバー部材７４を構成するシール部材７８に係合する。

パネル部８６は、シール部材７８を押圧保持することにより、筒状カバー部材７４を絶縁プレート２０ａ、２０ｂに固定する機能を有するとともに、シール部材７８の浮き上がりを防止し、シール性を確保する機能をも有している。

これにより、第２の実施形態では、筒状カバー部材７４を用いることによって、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。しかも、筒状カバー部材７４の外周をケーシング７２を介して囲繞することにより、薄肉な気体透過膜７６の損傷を防止することができる。

なお、第１及び第２の実施形態では、筒状カバー部材５０、７４に代えて、例えば、図６に示す筒状カバー部材９０を用いてもよい。この筒状カバー部材９０は、気体透過膜９２の内側に吸水層９４が設けられている。

従って、各単位セル１６を構成する第１セパレータ２８や第２セパレータ３０の表面に生じる結露水を、速やかに吸水層９４により吸収して拡散させることができる。このため、第１セパレータ２８や第２セパレータ３０に結露水が滞留することを防止するとともに、気体透過膜９２を透過して外部への蒸発が促進されるという利点がある。

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１００の概略斜視図であり、図８は、前記燃料電池スタック１００の一部省略斜視図である。

燃料電池スタック１００は、各単位セル１６毎又は複数の単位セル１６毎にセル電圧を検出するための複数のコネクタ１０２を備えており、前記コネクタ１０２は、図示しないセル電圧端子に接続されている。各コネクタ１０２に接続されるハーネス１０４は、図示しない電圧測定装置に接続される。

図８及び図９に示すように、積層体１２を覆って筒状カバー部材１０６が設けられる。筒状カバー部材１０６は、気体透過膜７６とシール部材７８とを一体化して構成されるとともに、コネクタ１０２に対応してシール部１０８が設けられる。このシール部１０８の開口部１１０は、コネクタカバー１１２に覆われており、前記コネクタカバー１１２と前記シール部１０８とは、防水性を確保した接続構造１１４を構成する。

筒状カバー部材１０６は、予め筒状に構成してもよく、あるいはシート状の両端部に防水性を有する接続構造１１４を設け、前記両端部を互いに接合して筒状に形成してもよい。また、この筒状カバー部材１０６を２分割等に分割してもよい。これにより、組立性及びメンテナンス性の向上が図られるからである。

図１０は、本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタック１２０の側面説明図である。

燃料電池スタック１２０は、絶縁プレート２０ａ、２０ｂの外方に、エンドプレート１２２ａと中間プレート１２４とが配置されるとともに、前記中間プレート１２４には、複数の皿ばね１２６を介装してエンドプレート１２２ｂが配設される。エンドプレート１２２ａ、１２２ｂ間には、締結部材、例えば、複数本の締め付けボルト１２８とナット１３０とにより積層方向（矢印Ａ方向）に締め付け力が付与される。なお、締結部材としては、締め付けボルト１２８に代えて、バンド部材やワイヤー部材等が使用可能である。

積層体１２を覆って絶縁プレート２０ａ、２０ｂに筒状カバー部材１３２が装着される。この筒状カバー部材１３２は、例えば、第１の実施形態に用いられている筒状カバー部材５０と同様に構成される。

筒状カバー部材１３２は、絶縁プレート２０ａ、２０ｂ間の寸法変動に応じて矢印Ａ方向に伸縮可能に構成されることが好ましく、矢印Ａ方向に伸縮性を有する繊維構造に設定される。

これにより、第４の実施形態では、ケーシング構造に代えて締め付けボルト１２８とナット１３０とを用いるために、特に、絶縁プレート２０ａ、２０ｂ間の距離が変動する。その際、筒状カバー部材１３２自体の伸縮性によって、絶縁プレート２０ａ、２０ｂ間の変動に容易に追従することができる。従って、積層体１２の内部に外部から水や塵埃等が進入することを阻止するとともに、燃料ガスを外部に速やかに排出させることが可能になる等、上記の第１〜第３の実施形態と同様の効果が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視図である。 前記燃料電池スタックの一部分解斜視説明図である。 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側面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの側面説明図である。 異なる筒状カバー部材が装着された燃料電池スタックの側面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視図である。 前記燃料電池スタックの一部省略斜視図である。 前記燃料電池スタックの側面説明図である。 本発明の第４の実施形態に係る燃料電池スタックの側面説明図である。 特許文献１の燃料電池用ケースの説明図である。

符号の説明

１０、７０、１００、１２０…燃料電池スタック
１２…積層体 １４、７２…ケーシング
１６…単位セル ２０ａ、２０ｂ…絶縁プレート
２２ａ、２２ｂ、１２２ａ、１２２ｂ…エンドプレート
２６…電解質膜・電極構造体 ２８、３０…セパレータ
３２ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ３２ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
３４ａ…冷却媒体供給連通孔 ３４ｂ…冷却媒体排出連通孔
３６ａ…燃料ガス供給連通孔 ３６ｂ…燃料ガス排出連通孔
３８…固体高分子電解質膜 ４０…アノード側電極
４２…カソード側電極 ４４…燃料ガス流路
４６…酸化剤ガス流路 ４８…冷却媒体流路
５０、７４、９０、１０６、１３２…筒状カバー部材
５２ａ、５２ｂ…肉厚部 ５３ａ、５３ｂ…溝部
７６、９２…気体透過膜 ７８…シール部材
８０ａ、８０ｂ…膨出部 ８６…パネル部
９４…吸水層 １０２…コネクタ
１０８…シール部 １１２…コネクタカバー
１２４…中間プレート １２６…皿ばね

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を積層する積層体が、絶縁部材間に配設される燃料電池スタックであって、
   前記積層体を覆って少なくとも前記絶縁部材間に挟まれる範囲を周回する筒状カバー部材を備えるとともに、
   前記筒状カバー部材は、液体に対して非透過性で且つ気体に対して透過性を有する気体透過膜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、前記筒状カバー部材は、前記絶縁部材に係合する部分に弾性を有するシール部材を備え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、前記絶縁部材が一対のエンドプレート間に挟持されるとともに、
   前記積層体及び前記筒状カバー部材は、前記一対のエンドプレートを端板とするケーシングにより囲繞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、前記絶縁部材が一対のエンドプレート間に挟持されるとともに、
   前記一対のエンドプレートは、締結部材により積層方向に伸縮可能に締め付け保持されることを特徴とする燃料電池スタック。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記筒状カバー部材は、異方性の素材で構成されるとともに、
   積層方向に沿って最大の伸縮性を有することを特徴とする燃料電池スタック。

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