JP2009146830A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、電力取り出し端子と導電部材とを電気的に確実に接続させることを可能にし、車載用に適することができる。
【解決手段】ターミナルプレート２０ｂの面内中央から第２電力取り出し端子５４ｂが設けられ、この第２電力取り出し端子５４ｂには、締結手段６４を介してバスバー６８の一端が電気的に接続される。バスバー６８は、ケーシング７０に収容されるとともに、前記ケーシング７０を構成する矩形状本体部７２には、前記バスバー６８を第２電力取り出し端子５４ｂに対して押圧するための板ばね８８が配設される。この板ばね８８は、矩形状本体部７２内に形成されたリブ部７２ａとバスバー６８とに開放側両端部が接しており、弾性力を介して前記バスバー６８を第２電力取り出し端子５４ｂに対して押圧する。
【選択図】図５

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有する発電セルを設け、前記発電セルが複数積層された積層体の積層方向両端にターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが配設されるとともに、各ターミナルプレートから外方に突出して電力取り出し端子が設けら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）の両側に、それぞれ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（電解質・電極構造体）を、セパレータによって挟持した発電セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

この種の燃料電池スタックでは、通常、発電セルが複数積層された積層体の積層方向両端に、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが配設されている。ターミナルプレートは、積層体からの発電電力を外部に取り出すために電力取り出し端子を備えており、この電力取り出し端子は、コンタクタ（又はリレー）に接続されてモータ等の外部負荷に対して電力の供給を行っている。

例えば、特許文献１に開示された燃料電池の端子装置では、図９に示すように、単位セル１とバイポーラプレート２とが交互に積層されるとともに、積層方向両端には、それぞれハーフプレート２ａ、ターミナルプレート３及び絶縁板４を介装してエンドプレート５が配置されている。

ターミナルプレート３には、極柱（電力取り出し端子）６が電気的に接続され、この極柱６が絶縁板４及びエンドプレート５を貫通して外部に突出している。極柱６は、絶縁スリーブ７に挿入されるとともに、ナット８を介して固定されている。極柱６には、図示しない高電圧ケーブル（導電部材）が接続され、このケーブルが図示しないコンタクタ等に接続されている。

実開昭６１−７８６８号公報

ところで、この種の燃料電池は、通常、車両に搭載されて使用されるため、振動等に起因してナット８に緩みや損傷が発生し易い。これにより、極柱６と、これに接続されているケーブルとの間に、電気的接触不良が惹起され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、簡単且つ経済的な構成で、電力取り出し端子と導電部材とを、電気的に確実に接続させることが可能な、特に車載用に適した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有する発電セルを設け、前記発電セルが複数積層された積層体の積層方向両端にターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが配設されるとともに、各ターミナルプレートから外方に突出して電力取り出し端子が設けられる燃料電池スタックに関するものである。

この燃料電池スタックは、少なくとも一方の電力取り出し端子に電気的に接続され、前記燃料電池スタックの外方に延在する導電部材と、一方の前記電力取り出し端子と前記導電部材とを固定するための締結手段と、前記導電部材を一方の前記電力取り出し端子に対して押圧するための弾性部材とを備えている。

また、導電部材は、電気絶縁性ケーシングに収容されるとともに、一方の電力取り出し端子と交差するエンドプレート面方向に屈曲して延在するバスバーで構成され、前記バスバーには、他方の電力取り出し端子側に延在するケーブルが電気的に接続されることが好ましい。

さらに、弾性部材は、電気絶縁性ケーシング内に配置されるばね部材を備えることが好ましい。

さらにまた、締結手段は、ボルト及びナットを備えることが好ましい。

本発明によれば、一方の電力取り出し端子と導電部材とは、締結手段により固定されるとともに、前記導電部材は、一方の前記電力取り出し端子に対し弾性部材を介して押圧されている。このため、締結手段に緩みや損傷等が惹起しても、弾性部材の押圧力（弾性力）により、導電部材と一方の電力取り出し端子とを、電気的に確実に接続させることができる。

これにより、簡単且つ経済的な構成で、導電部材と一方の電力取り出し端子との電気的接続不良を、可及的に阻止することが可能になる。従って、特に、振動等が発生し易い車載用燃料電池スタックとして、良好に使用することができる。

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が搭載される車両１２の一部平面説明図である。

燃料電池スタック１０は、車両１２の車長方向（矢印Ｌ方向）略中央部に位置して配置される。燃料電池スタック１０の走行方向（矢印Ｌ１方向）前方には、前記燃料電池スタック１０の発生電力の供給を制御するコンタクタ等を有するデバイス１４が配置される。

図２に示すように、燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１６が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１８を設ける。積層体１８の積層方向（矢印Ａ方向）の一端には、ターミナルプレート２０ａ、絶縁プレート２２ａ及びエンドプレート２４ａが外方に向かって配設される。積層体１８の積層方向の他端には、ターミナルプレート２０ｂ、絶縁プレート２２ｂ及びエンドプレート２４ｂが外方に向かって配設される。

燃料電池スタック１０は、鉛直方向（矢印Ｃ方向）に長尺（縦長）な四角形に構成される金属製のエンドプレート２４ａ、２４ｂを端板として含むケーシング２６を備えている。このケーシング２６は、エンドプレート２４ａ、２４ｂにヒンジ構造を介して固定される４枚の側板２８を有する（図２及び図３参照）。

図４に示すように、各発電セル１６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、これらが縦長に構成される。なお、第１及び第２金属セパレータ３２、３４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。

発電セル１６の矢印Ｃ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、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３８ａが設けられる。発電セル１６の矢印Ｃ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔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。

発電セル１６の矢印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４０ａが設けられるとともに、前記発電セル１６の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔４０ｂ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。

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３８ａと燃料ガス排出連通孔３８ｂ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Ｃ方向に延在する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４０ａと冷却媒体排出連通孔４０ｂ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Ｃ方向に延在する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及び第２金属セパレータ３４の面３４ａ、３４ｂには、図示しないが、シール部材が一体成形される。

図２に示すように、ターミナルプレート２０ａ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５４ａが設けられる。第１電力取り出し端子５４ａは、絶縁性筒状部５６に挿入された状態で、絶縁プレート２２ａ及びエンドプレート２４ａの孔部５８ａを貫通して外部に突出する。第１電力取り出し端子５４ａには、ボルト６０を介して略Ｌ字状の導電板６２が固定される。

図３に示すように、ターミナルプレート２０ｂ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２電力取り出し端子５４ｂが設けられる。

図３及び図５に示すように、第２電力取り出し端子５４ｂには、締結手段６４を介して導電部材、例えば、バスバー６８の一端が電気的に接続されるとともに、前記バスバー６８は、前記第２電力取り出し端子５４ｂと交差するエンドプレート面方向に屈曲して延在する。

締結手段６４は、第２電力取り出し端子５４ｂの内部に形成された段付き孔部６６に、ターミナルプレート２０ｂの内側（積層体１８側）から挿入される取り付けボルト６４ａと、バスバー６８の孔部６８ａに挿入される前記取り付けボルト６４ａの端部に螺合する締結ナット６４ｂとを備える。第２電力取り出し端子５４ｂには、円柱外周面の両側部を切り欠いて平坦係止面６９が形成される（図３参照）。

バスバー６８は、ケーシング７０に収容される。ケーシング７０は、電気絶縁部材、例えば、樹脂系材料で形成されており、バスバー６８を収容する長尺な矩形状本体部７２と、前記矩形状本体部７２の両端に設けられる第１円筒連結部７４ａ及び第２円筒連結部７４ｂとを有する。

矩形状本体部７２には、第１円筒連結部７４ａ側に近接して膨出部７６が設けられ、この膨出部７６に孔部７８が形成される。この孔部７８から挿入されるボルト８０は、エンドプレート２４ｂに形成されたねじ孔８２に螺合することにより、矩形状本体部７２が前記エンドプレート２４ｂに固定される。

第１円筒連結部７４ａには、第２電力取り出し端子５４ｂを嵌合するための孔部８４が形成される。この孔部８４は、第２電力取り出し端子５４ｂの平坦係止面６９に対応する開口形状に設定されることにより、ケーシング７０の回り止め機構が構成される。図５に示すように、第１円筒連結部７４ａは、エンドプレート２４ｂに形成された孔部８６に挿入される。

矩形状本体部７２には、バスバー６８を第２電力取り出し端子５４ｂに対して押圧するための弾性部材、例えば、金属製板ばね（ばね部材）８８が配設される。この板ばね８８は、矩形状本体部７２内に形成されたリブ部７２ａとバスバー６８とに開放側両端部が接しており、前記板ばね８８の弾性力を介して前記バスバー６８を第２電力取り出し端子５４ｂに押圧する。なお、板ばね８８は、複数箇所に設けてもよく、また、前記板ばね８８に代えて金属製コイルスプリングや金属製皿ばねを使用してもよい。

バスバー６８の他端は、第２円筒連結部７４ｂ内でボルト９２を介して高電圧ケーブル９４に固定される。第２円筒連結部７４ｂは、エンドプレート２４ｂの下部側に配置される（図３参照）。この第２円筒連結部７４ｂに連結された高電圧ケーブル９４は、燃料電池スタック１０の側方に沿ってエンドプレート２４ａ側に延在し、デバイス１４に電気的に接続される。図５に示すように、第１円筒連結部７４ａ及び第２円筒連結部７４ｂの開口端側には、絶縁性キャップ９６が装着される。

図２に示すように、エンドプレート２４ａ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１００ａと、冷却媒体出口マニホールド１００ｂとが装着される。冷却媒体入口マニホールド１００ａは、冷却媒体供給連通孔４０ａに連通する一方、冷却媒体出口マニホールド１００ｂは、冷却媒体排出連通孔４０ｂに連通する。冷却媒体入口マニホールド１００ａ及び冷却媒体出口マニホールド１００ｂは、図示しないが、車体前方に配置されたラジエータ（熱交換器）に連通している。

図３に示すように、エンドプレート２４ｂの上部側には、酸化剤ガス供給連通孔３６ａに連通する酸化剤ガス入口マニホールド１０２ａと、燃料ガス供給連通孔３８ａに連通する燃料ガス入口マニホールド１０４ａとが設けられる。エンドプレート２４ｂの下部側には、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに連通する酸化剤ガス出口マニホールド１０２ｂと、燃料ガス排出連通孔３８ｂに連通する燃料ガス出口マニホールド１０４ｂとが設けられる。

図２及び図３に示すように、エンドプレート２４ａ、２４ｂの下側には、マウントブラケット１０６がボルト１０８を介して固定される。各マウントブラケット１０６は、ボルト１１０を介して車両１２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。

燃料電池スタック１０では、先ず、図３に示すように、エンドプレート２４ｂの酸化剤ガス入口マニホールド１０２ａから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、燃料ガス入口マニホールド１０４ａから燃料ガス供給連通孔３８ａ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２４ａの冷却媒体入口マニホールド１００ａから冷却媒体供給連通孔４０ａ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１８では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数の発電セル１６に対して、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４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３８ａ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２４ｂの酸化剤ガス出口マニホールド１０２ｂから外部に排出される（図３参照）。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３８ｂに排出されて流動し、エンドプレート２４ｂの燃料ガス出口マニホールド１０４ｂから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４０ａ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４０ｂを移動してエンドプレート２４ａの冷却媒体出口マニホールド１００ｂから排出される。

この場合、第１の実施形態では、図５に示すように、第２電力取り出し端子５４ｂとバスバー６８とは、締結手段６４を介して固定されるとともに、矩形状本体部７２に配置された板ばね８８は、前記バスバー６８を前記第２電力取り出し端子５４ｂに対して押圧している。

このため、例えば、締結手段６４を構成する締結ナット６４ｂに緩みが発生したり（図６参照）、この締結手段６４に損傷等が惹起した際、板ばね８８の押圧力（弾性力）により、バスバー６８と第２電力取り出し端子５４ｂとを電気的に確実に接続させることができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、バスバー６８と第２電力取り出し端子５４ｂとの電気的接続不良を、可及的に阻止することが可能になる。

特に、燃料電池スタック１０を車両１２に搭載して用いる際のように、この燃料電池スタック１０に振動等が発生し易い場合にも、締結手段６４の緩みや破損等に影響されることがなく、バスバー６８を第２電力取り出し端子５４ｂに電気的に接続させることができる。このため、燃料電池スタック１０は、特に車載用として良好に使用することが可能になるという効果が得られる。

なお、第１の実施形態では、板ばね８８を用いているが、これに代えて、例えば、コイルスプリングの他、ゴム部材や樹脂部材等の各種弾性を有する部材を用いることもできる。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１２０の一部断面図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同様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１２０は、ケーシング７０を構成する第１円筒連結部７４ａ内に、コイルスプリング１２２を配設する。このコイルスプリング１２２は、一端が締結ナット６４ｂを周回してバスバー６８に接触するとともに、他端が絶縁性キャップ９６に接する。コイルスプリング１２２は、圧縮状態で配置されることにより、バスバー６８を第２電力取り出し端子５４ｂに対して、常時、押圧している。

図８は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１３０の一部断面図である。

燃料電池スタック１３０は、ケーシング７０を構成する第１円筒連結部７４ａ内に、皿ばね１３２を配設する。第１円筒連結部７４ａの内部には、リング状リブ１３４が周回形成され、皿ばね１３２の一端が締結ナット６４ｂを周回してバスバー６８に接触する一方、他端が前記リング状リブ１３４に当接する。皿ばね１３２は、バスバー６８とリング状リブ１３４との間で圧縮保持されており、前記バスバー６８を第２電力取り出し端子５４ｂに対して、常時、押圧している。

このように構成される第２及び第３の実施形態では、バスバー６８は、コイルスプリング１２２や皿ばね１３２の押圧作用下に、第２電力取り出し端子５４ｂに、常時、押圧されている。従って、締結手段６４に緩みや損傷等が惹起した際にも、バスバー６８を第２電力取り出し端子５４ｂに対し電気的に確実に接触させることができる。

これにより、簡単且つ経済的な構成で、振動等の発生にも影響されることがなく、バスバー６８を第２電力取り出し端子５４ｂに電気的に接続させることができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第１〜第３の実施形態では、導電部材としてバスバー６８を用いているが、これに限定されるものではなく、例えば、第２電力取り出し端子５４ｂに連結部材を介してケーブル（図示せず）の一端を前記第２電力取り出し端子５４ｂと直交する方向に延在して固定してもよい。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックが搭載される車両の一部平面説明図である。 前記燃料電池スタックの一方のエンドプレート側の概略斜視図である。 前記燃料電池スタックの他方のエンドプレート側の概略斜視図である。 前記燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの図３中、Ｖ−Ｖ線断面図である。 前記燃料電池スタックを構成する締結手段に緩みが発生した状態の断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの一部断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの一部断面図である。 従来技術の端子装置の断面説明図である。

符号の説明

１０、１２０、１３０…燃料電池スタック
１２…車両 １４…デバイス
１６…発電セル １８…積層体
２４ａ、２４ｂ…エンドプレート ２６、７０…ケーシング
３０…電解質膜・電極構造体 ３２、３４…金属セパレータ
５４ａ、５４ｂ…電力取り出し端子 ６４…締結手段
６４ａ…取り付けボルト ６４ｂ…締結ナット
６８…バスバー ６９…平坦係止面
７２…矩形状本体部 ７４ａ、７４ｂ…円筒連結部
８８…板ばね ９４…高電圧ケーブル
１２２…コイルスプリング １３２…皿ばね
１３４…リング状リブ

Claims (4)

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有する発電セルを設け、前記発電セルが複数積層された積層体の積層方向両端にターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが配設されるとともに、各ターミナルプレートから外方に突出して電力取り出し端子が設けられる燃料電池スタックであって、
   少なくとも一方の前記電力取り出し端子に電気的に接続され、前記燃料電池スタックの外方に延在する導電部材と、
   一方の前記電力取り出し端子と前記導電部材とを固定するための締結手段と、
   前記導電部材を一方の前記電力取り出し端子に対して押圧するための弾性部材と、
   を備え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、前記導電部材は、電気絶縁性ケーシングに収容されるとともに、一方の前記電力取り出し端子と交差するエンドプレート面方向に屈曲して延在するバスバーで構成され、
   前記バスバーには、他方の前記電力取り出し端子側に延在するケーブルが電気的に接続されることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、前記弾性部材は、前記電気絶縁性ケーシング内に配置されるばね部材を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記締結手段は、ボルト及びナットを備えることを特徴とする燃料電池スタック。

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