JP2008243384A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、電極の発電面全面に対して均一な面圧を付与することができ、しかも応力の低減化を図ることを可能にする。
【解決手段】ケーシング２２は、エンドプレート２０ａ、２０ｂと、側板６４ａ〜６４ｄとを連結するヒンジ機構６８を備える。発電面範囲７８は、距離Ｌ１と距離Ｌ２とで規定される。ヒンジ機構６８を構成する第１ヒンジ部７０ｃ及び第２ヒンジ部７２ａは、交互に配置された状態で、距離Ｌ１内に収容されるとともに、連結ピン７６ａは、好適には、距離Ｌ１以下の軸寸法に設定される。第１ヒンジ部７０ａ及び第２ヒンジ部７４ａは、交互に配置された状態で、距離Ｌ２内に収容されるとともに、連結ピン７６ｄは、好適には、距離Ｌ２以下の軸寸法に設定される。
【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・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが複数積層された積層体を箱状ケーシング内に収容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・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより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に開示されている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では、所定数の単位セルを積層した積層体の外側に集電用電極（ターミナルプレート）を介装してエンドプレートが配設されるとともに、前記エンドプレートがヒンジ機構によってケーシングに連結されている。このケーシングは、エンドプレート間に上下及び左右に配設される複数枚のパネル（側板）を備えている。

これにより、特許文献１では、部品点数が有効に削減されるとともに、薄肉状のエンドプレートを用いることができ、燃料電池スタック全体の小型化及び軽量化が容易に図られる。

特開２００２−２９８９０１号公報（図１）

ところで、上記の特許文献１では、図６に示すように、ケーシング１を構成するエンドプレート２は、ヒンジ機構３を介して、４枚の側板４ａ、４ｂ、４ｃ及び４ｄに固定されている。ヒンジ機構３は、エンドプレート２の四辺に設けられているタブ部５と、各側板４ａ〜４ｄに設けられているタブ部６とを備えており、前記タブ部５、６が互いに交互に配置された状態で、連結ピン７が一体的に挿入されている。

ケーシング１内では、発電面８が設けられるとともに、この発電面８の両側には、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体を積層方向に供給するための連通孔９ａ〜９ｆが形成されている。

この場合、ケーシング１内に複数の単位セルを収容して燃料電池スタックが組み付けられる際、このケーシング１では、エンドプレート２間に所望の締め付け荷重が付与されている。このため、ヒンジ機構３では、連結ピン７の軸方向中央部材側に作用する荷重が、軸方向両端部側に作用する荷重よりも大きくなっている。

しかしながら、特にエンドプレート２と幅広な側板４ｂ、４ｄとを連結する連結ピン７は、相当に長尺に形成されており、前記連結ピン７に大きな撓みが発生し易い。これにより、発電面８全面に対して所望の電極荷重を良好に付与することができないという問題がある。しかも、ヒンジ機構３には、比較的大きな応力が発生し易く、強度が低下する場合がある。

本発明はこの種の課題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、電極の発電面全面に対して均一な面圧を付与することができ、しかも応力の低減化を図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・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが複数積層された積層体を箱状ケーシング内に収容する燃料電池スタックに関するものである。

ケーシングは、積層体の積層方向両端部に配置される端板と、前記積層体の側部に配置される複数の側板と、前記端板と前記側板とを連結するヒンジ機構とを備えている。そして、ヒンジ機構は、電極の発電面範囲内の寸法に設定されている。

また、発電面は、矩形状を有するとともに、ヒンジ機構は、連結ピンが挿入される複数のヒンジ部を有し、複数の前記ヒンジ部は、前記発電面の各辺に沿って且つ前記各辺の長さ以下の範囲内に配置されることが好ましい。

さらに、単位セルには、積層方向に貫通して反応ガス及び冷却媒体を流す複数の流体連通孔が、電極の発電面の外方に位置して形成されることが好ましい。

本発明では、端板と側板とを連結するヒンジ機構が、電極の発電面範囲内の寸法に設定されている。このため、簡単且つ経済的な構成で、電極の発電面全面に対して均一な面圧を確実に付与することができるとともに、荷重バランスの均等化及び応力の低減を図ることが可能になる。これにより、ケーシングの強度を最適化することができ、しかもコンパクトな燃料電池スタックを提供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の一部断面概略斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の一部分解概略斜視図である。

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１８ａ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、絶縁プレート１８ｂ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、四角形に構成されるエンドプレート２０ａ、２０ｂを端板として含むケーシング２２により一体的に保持される。

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）２６が、アノード側の第１金属セパレータ２８とカソード側の第２金属セパレータ３０とに挟持されている。第１及び第２金属セパレータ２８、３０は、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有している。

なお、第１及び第２金属セパレータ２８、３０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。また、第１及び第２金属セパレータ２８、３０に代替して、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。

単位セル１２の長辺方向（図３中、矢印Ｃ方向）の上端縁部には、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、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３４ａが設けられる。

単位セル１２の長辺方向の下端縁部には、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。

単位セル１２の短辺方向（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、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３６ａが設けられるとともに、短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３６ｂ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。アノード側電極４０は、カソード側電極４２よりも小さな表面積を有している。

アノード側電極４０及びカソード側電極４２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して形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３８の両面に形成される。

第１金属セパレータ２８の電解質膜・電極構造体２６に向かう面２８ａには、燃料ガス供給連通孔３４ａと燃料ガス排出連通孔３４ｂ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、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有するとともに、前記燃料ガス流路４４の上端及び下端に位置して入口バッファ部４６ａ及び出口バッファ部４６ｂが設けられる。

第１金属セパレータ２８の面２８ａには、燃料ガス供給連通孔３４ａと入口バッファ部４６ａとを連通する複数の供給孔部４８ａと、燃料ガス排出連通孔３４ｂと出口バッファ部４６ｂとを連通する複数の排出孔部４８ｂとが形成される。 第２金属セパレータ３０の電解質膜・電極構造体２６に向かう面３０ａには、酸化剤ガス供給連通孔３２ａと酸化剤ガス排出連通孔３２ｂとを連通する酸化剤ガス流路５０が形成される。この酸化剤ガス流路５０は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有するとともに、前記酸化剤ガス流路５０の上端及び下端に位置して入口バッファ部５２ａ及び出口バッファ部５２ｂが設けられる。

第２金属セパレータ３０の面３０ｂと、第１金属セパレータ２８の面２８ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔３６ａと冷却媒体排出連通孔３６ｂとに連通する冷却媒体流路５４が形成される。この冷却媒体流路５４は、燃料ガス流路４４の裏面形状と酸化剤ガス流路５０の裏面形状とが重なり合うことによって、矢印Ｂ方向に延在して形成される。

第１金属セパレータ２８の面２８ａ、２８ｂには、この第１金属セパレータ２８の外周端縁部を周回して第１シール部材５６が一体成形される。第２金属セパレータ３０の面３０ａ、３０ｂには、この第２金属セパレータ３０の外周端縁部を周回して第２シール部材５８が一体成形される。第１及び第２シール部材５６、５８としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。

図１及び図２に示すように、ターミナルプレート１６ａの面内中央から上方に所定距離だけ離間する位置には、積層方向外方に延在して第１電力取り出し端子６０ａが設けられる。第１電力取り出し端子６０ａは、絶縁性筒状部６２に挿入された状態で、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａの孔部６４を貫通して外部に突出する。ターミナルプレート１６ｂの面内中央から上方に所定距離だけ離間する位置には、同様に積層方向外方に延在して第２電力取り出し端子６０ｂが設けられる（図２参照）。

ケーシング２２は、図１及び図２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６４ａ〜６４ｄと、前記側板６４ａ〜６４ｄの互いに近接する端部同士を連結するアングル部材６６と、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂと前記側板６４ａ〜６４ｄとを連結するヒンジ機構６８とを備える。側板６４ａ〜６４ｄは、薄板金属製プレートで構成される。

ヒンジ機構６８は、エンドプレート２０ａ、２０ｂの上下各辺に設けられるそれぞれ２つの第１ヒンジ部７０ａ、７０ｂと、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂｎの左右両側の各辺に設けられるそれぞれ４つの第１ヒンジ部７０ｃ、７０ｄとを備える。

図２に示すように、ヒンジ機構６８は、さらに積層体１４の矢印Ｂ方向両側に配置される側板６４ａ、６４ｃの長手方向（矢印Ａ方向）両端に設けられるそれぞれ３つの第２ヒンジ部７２ａ、７２ｂと、前記積層体１４の上下両側に配置される側板６４ｂ、６４ｄの長手方向両端に設けられるそれぞれ２つの第２ヒンジ部７４ａ、７４ｂとを備える。

側板６４ａ、６４ｃの各３つの第２ヒンジ部７２ａ、７２ｂは、エンドプレート２０ａ、２０ｂの両側の各４つの第１ヒンジ部７０ｃ、７０ｄと交互に配置されるとともに、これらに長尺な連結ピン７６ａが一体的に挿入されて、前記側板６４ａ、６４ｃ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６４ｂ、６４ｄの各３つの第２ヒンジ部７４ａ、７４ｂがエンドプレート２０ａ、２０ｂの上辺及び下辺の第１ヒンジ部７０ａ、７０ｂと交互に配置されるとともに、これらに短尺な連結ピン７６ｂが一体的に挿入されて、前記側板６４ｂ、６４ｄが前記エンドプレート２０ａ、２０ｂに取り付けられる。

図４に示すように、ヒンジ機構６８は、アノード側電極４０及びカソード側電極４２の発電面範囲７８内の寸法に設定される。具体的には、発電面範囲７８は、矢印Ｃ方向の距離Ｌ１と矢印Ｂ方向の距離Ｌ２とで規定されている。ヒンジ機構６８を構成する第１ヒンジ部７０ｃ及び第２ヒンジ部７２ａは、交互に配置された状態で、矢印Ｃ方向に距離Ｌ１内に収容される。連結ピン７６ａは、距離Ｌ１以下の軸寸法に設定されることが好ましい。

同様に、ヒンジ機構６８を構成する第１ヒンジ部７０ａ及び第２ヒンジ部７４ａは、交互に配置された状態で、矢印Ｂ方向に距離Ｌ２内に収容されるとともに、連結ピン７６ｂは、好適には、前記距離Ｌ２以下の軸寸法に設定される。

距離Ｌ１＞距離Ｌ２に設定されるとともに、距離Ｌ１が距離Ｌ２に対して相当に大きな値に設定されることにより、本実施形態の効果が顕著になる。より具体的には、距離Ｌ１＞１．５×距離Ｌ２の関係を有することが好ましい。

図２に示すように、側板６４ａ〜６４ｄには、短手方向両端縁部にそれぞれ複数の孔部８０が形成される一方、アングル部材６６の各辺には、前記孔部８０に対応してねじ孔８２が形成される。各孔部８０に挿入される各ねじ８４は、ねじ孔８２に螺合することにより、アングル部材６６を介して側板６４ａ〜６４ｄ同士が固定される。これにより、ケーシング２２が構成される（図１参照）。

なお、アングル部材６２ａ〜６２ｄに孔部を形成する一方、側板６４ａ〜６４ｄにねじ孔を形成し、前記アングル部材６２ａ〜６２ｄを前記側板６４ａ〜６４ｄの外方に配置した状態で、これらを一体的にねじ止めしてもよい。

図１及び図２に示すように、エンドプレート２０ａには、矢印Ｃ方向に延在してそれぞれ冷却媒体入口マニホールド９０ａと、冷却媒体出口マニホールド９０ｂとが設けられる。冷却媒体入口マニホールド９０ａは、冷却媒体供給連通孔３６ａに連通する一方、冷却媒体出口マニホールド９０ｂは、冷却媒体排出連通孔３６ｂに連通する。

図２に示すように、エンドプレート２０ｂの上部側には、酸化剤ガス供給連通孔３２ａに連通する酸化剤ガス入口マニホールド９２ａと、燃料ガス供給連通孔３４ａに連通する燃料ガス入口マニホールド９４ａとが設けられる。エンドプレート２０ｂの下部側には、酸化剤ガス排出連通孔３２ｂに連通する酸化剤ガス出口マニホールド９２ｂと、燃料ガス排出連通孔３４ｂに連通する燃料ガス出口マニホールド９４ｂとが設けられる。

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。

燃料電池スタック１０では、先ず、エンドプレート２０ｂの酸化剤ガス入口マニホールド９２ａから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、燃料ガス入口マニホールド９４ａから燃料ガス供給連通孔３４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。一方、エンドプレート２０ａの冷却媒体入口マニホールド９０ａから冷却媒体供給連通孔３６ａ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、積層体１４では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数の単位セル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３２ａから第２金属セパレータ３０の酸化剤ガス流路５０に導入され、電解質膜・電極構造体２６のカソード側電極４２に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３４ａから第１金属セパレータ２８の供給孔部４８ａを通って燃料ガス流路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沿って移動する。

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、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に沿って流動した後、エンドプレート２０ｂの酸化剤ガス出口マニホールド９２ｂ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、排出孔部４８ｂを通って燃料ガス排出連通孔３４ｂに排出されて流動し、エンドプレート２０ｂの燃料ガス出口マニホールド９４ｂ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３６ａから第１及び第２金属セパレータ２８、３０間の冷却媒体流路５４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２６を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３６ｂを移動してエンドプレート２０ａの冷却媒体出口マニホールド９０ｂ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、ヒンジ機構６８を構成する第１ヒンジ部７０ｃ及び第２ヒンジ部７２ａは、交互に配置された状態で、矢印Ｃ方向に距離Ｌ１内に収容されるとともに、連結ピン７６ａは、好適には、前記距離Ｌ１以下の軸寸法に設定されている。同様に、ヒンジ機構６８を構成する第１ヒンジ部７０ａ及び第２ヒンジ部７４ａは、交互に配置された状態で、矢印Ｂ方向に距離Ｌ２内に収容されるとともに、連結ピン７６ｂは、好適には、前記距離Ｌ２以下の軸寸法に設定されている。

ここで、ヒンジ機構６８が、発電面範囲７８の外方まで設けられていると、連結ピン７６ａ、７６ｂの軸長が相当に長尺化されるとともに、前記発電面範囲７８の外方で荷重が一挙に低下する。このため、ヒンジ機構６８では、発電面範囲７８の中央部に対応して荷重が集中し易くなり、連結ピン７６ａ、７６ｂが大きく撓むおそれがある。

そこで、第１の実施形態では、ヒンジ機構６８が、発電面範囲７８内に配置されるため、連結ピン７６ａ、７６ｂの軸長が有効に短尺化される。これにより、簡単且つ経済的な構成で、発電面範囲７８の全面に対して均一な面圧を確実に付与することができるとともに、荷重バランスの均等化及び応力の低減を図ることが可能になる。

これにより、ケーシング２２の強度を最適化することができ、しかもコンパクトな燃料電池スタック１０を提供することが可能になるという効果が得られる。

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１００の正面説明図である。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。

第２の実施形態では、矢印Ｂ方向の一端縁部に冷却媒体供給連通孔３６ａが上下に２つ（又は、４つ）設けられるとともに、矢印Ｂ方向の他端縁部には、冷却媒体排出連通孔３６ｂが上下に２つ（又は、４つ）設けられている。

燃料電池スタック１００を構成するケーシング１０２は、ヒンジ機構１０４を備える。ヒンジ機構１０４は、エンドプレート２０ａ、２０ｂの左右両側の各辺に、複数の第１ヒンジ部７０ｃ、７０ｄが、上下略中央部分に間隙１０６ａ、１０６ｂを設けることにより分割して構成される。側板６４ａ、６４ｃは、第１ヒンジ部７０ｃ、７０ｄと交互に配置される第２ヒンジ部７２ａ、７２ｂを、同様に間隙１０６ａ、１０６ｂを介して上下に２分割して設けている。

上部側の第１ヒンジ部７０ｃ、７０ｄと第２ヒンジ部７２ａ、７２ｂとに、連結ピン１０８ａが挿入されるとともに、下部側の第１ヒンジ部７０ｃ、７０ｄと第２ヒンジ部７２ａ、７２ｂとに、連結ピン１０８ｂが挿入される。ヒンジ機構１０４は、ヒンジ機構６８と同様に、アノード側電極４０及びカソード側電極４２の発電面範囲７８内の寸法に設定される。

このように構成される第２の実施形態では、ヒンジ機構１０４は、エンドプレート２０ａ、２０ｂの長辺側に、すなわち、距離Ｌ１内に２本の連結ピン１０８ａ、１０８ｂが個別に配置されている。このため、単一の連結ピン７６ａを使用する場合に比べて、連結ピン１０８ａ、１０８ｂの軸長が半分以下の寸法に設定可能になる。

これにより、簡単且つ経済的な構成で、発電面範囲７８の全面に対して均一な電圧を確実に付与することができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

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断面概略斜視図である。 前記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正面説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの正面説明図である。 特許文献１の燃料電池スタックの正面説明図である。

符号の説明

１０、１００…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
１８ａ、１８ｂ…絶縁プレート ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２２、１０２…ケーシング ２６…電解質膜・電極構造体
２８、３０…金属セパレータ 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 ５０…酸化剤ガス流路
５４…冷却媒体流路 ６４ａ〜６４ｄ…側板
６８、１０４…ヒンジ機構
７０ａ〜７０ｄ、７２ａ、７２ｂ、７４ａ、７４ｂ…ヒンジ部
７６ａ、７６ｂ…連結ピン ７８…発電面範囲

Claims (3)

1. 一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが複数積層された積層体を箱状ケーシング内に収容する燃料電池スタックであって、
   前記ケーシングは、前記積層体の積層方向両端部に配置される端板と、
   前記積層体の側部に配置される複数の側板と、
   前記端板と前記側板とを連結するヒンジ機構と、
   を備え、
   前記ヒンジ機構は、前記電極の発電面範囲内の寸法に設定され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、前記発電面は、矩形状を有するとともに、
   前記ヒンジ機構は、連結ピンが挿入される複数のヒンジ部を有し、複数の前記ヒンジ部は、前記発電面の各辺に沿って且つ前記各辺の長さ以下の範囲内に配置さ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、前記単位セルには、積層方向に貫通して反応ガス及び冷却媒体を流す複数の流体連通孔が、前記電極の発電面の外方に位置して形成されることを特徴とする燃料電池スタック。

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