JP2009199815A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】単位電池中央部での面圧の不足による接触抵抗の増大およびタイロッド近傍での面圧の過大による単位電池部材の破損を防止する。
【解決手段】燃料電池は、燃料電池積層体１と、燃料電池積層体１を挟持するように配置されたエンドプレート２と、エンドプレート２それぞれを互いに近接する方向に締め付けて燃料電池積層体１およびエンドプレート２を保持するタイロッド３と、を有する。エンドプレート２は、外側エンドプレート２ａと内側エンドプレート２ｂとに分割可能である。外側エンドプレート２ａおよび内側エンドプレート２ｂの接触面積は、燃料電池積層体１および内側エンドプレート２ｂの接触面積よりも小さい。タイロッド取付け部７近傍では、外側エンドプレート２ａと内側エンドプレート２ｂとの間に隙間部６が形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池積層体を挟んで加圧および固定するエンドプレートを有する燃料電池に関する。

一般的な燃料電池は、単位電池を複数枚積層した燃料電池積層体と、この燃料電池積層体の両端に配置されたエンドプレートと、を有する。これらの単位電池は、平板状の電解質と、この電解質の両側にそれぞれ配置されたアノード電極およびカソード電極と、アノード電極およびカソード電極それぞれに接して配置されたセパレータとを有する。セパレータには、燃料ガス流通路、酸化剤ガス流通路、および冷却水流通路が形成されている。

燃料電池は、上記の燃料電池積層体に水素等の燃料と空気等の酸化剤を供給して電気化学的に反応させることにより、燃料が保有する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。

燃料電池積層体の両端には、一対のエンドプレートと複数のタイロッドが設置されている。タイロッドおよび一対のエンドプレートは、燃料電池積層体を挟んで互いに近接する方向に締め付けて、燃料電池積層体を構成する各部材間の接触電気抵抗を低減させている。

燃料電池積層体を締め付ける面圧が、小さ過ぎると内部的な接触電気抵抗が増大し単位電池の電圧ロスが発生する。逆に、締め付ける面圧が大きすぎると燃料電池積層体を構成している部材が破損してしまう場合がある。

そこで、特許文献１に開示されているように、燃料電池積層体の両端に設置した平板状のエンドプレートの材質を強度の高い樹脂材料として、エンドプレートの周囲を複数のタイロッドで締め付ける方法などが提案されている。
特開２００１−２３６９８２号公報

しかし、強度の高い樹脂材料を使用した場合においても、タイロッドによる締付けで発生する締付力によりエンドプレートが変形する。この変形により、タイロッドの近傍と単位電池中央部とでは締付け面圧にばらつきが生じて不均一となる場合がある。

この面圧が不均一な状態は、単位電池中央部での面圧の不足による接触抵抗の増大、およびタイロッド近傍での面圧の過大による単位電池部材の破損が発生する可能性がある。

また、エンドプレートの厚さを厚くすることにより、タイロッド近傍と単位電池中央部との締付け面圧を均一にすることが可能である。しかし、この手法では、エンドプレートを構成する部材の製造コストが増大し、燃料電池の外形寸法や重量が大きくなる可能性がある。

本発明は上記問題点を解決するものであり、その目的は、各単位電池中央部での面圧の不足による接触抵抗の増大、およびタイロッド近傍での面圧の過大による単位電池部材の破損を抑制することにある。

上記目的を達成するため本発明に係る燃料電池は、単位電池を複数個積層して形成された燃料電池積層体と、前記燃料電池積層体を積層方向から挟持するように配置された１対のエンドプレートと、前記燃料電池積層体の外側で前記エンドプレートを互いに近接する方向に締め付けて前記燃料電池積層体およびエンドプレートを保持する複数のタイロッドと、を有する燃料電池において、前記エンドプレートの少なくとも一方は、前記燃料電池積層体の外側に張り出した位置に複数のタイロッド取付け部を有する外側エンドプレートと前記外側エンドプレートおよび前記燃料電池積層体に挟持されるように構成された内側エンドプレートとに分割可能で、前記外側エンドプレートおよび内側エンドプレートの接触面積は、前記燃料電池積層体および内側エンドプレートの接触面積よりも小さくなるように形成されて、前記タイロッド取付け部近傍では、前記外側エンドプレートと前記内側エンドプレートとの間に隙間部が形成されていること、を特徴とする。

本発明によれば、各単位電池中央部での面圧の不足による接触抵抗の増大、およびタイロッド近傍での面圧の過大による単位電池部材の破損を抑制できる。

以下に、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。

［第１の実施形態］
先ず、図１〜図４を用いて本発明の燃料電池に係る第１の実施形態の構成について説明する。図１は、本実施形態の燃料電池を示す概略斜視図である。図２は、図１の燃料電池の部分断面図である。図３は、図２に示す内側エンドプレート２ｂの概略斜視図である。図４は、図２の燃料電池のエンドプレート２をタイロッド３により締め付けた場合の変形状態を示す概略断面図である。

本実施形態の燃料電池は、単位電池を複数枚積層した燃料電池積層体１と、この燃料電池積層体１の両端に配置された１対のエンドプレート２と、これらのエンドプレート２が互いに近接する方向に締め付ける複数のタイロッド３と、を有する。

単位電池は、全体で扁平な略直方体形状をなし、長方形平板状の電解質と、この電解質の両側にそれぞれ配置されたアノード電極およびカソード電極と、アノード電極およびカソード電極それぞれに接して配置されたセパレータとを有する。セパレータには、燃料ガス流通路、酸化剤ガス流通路、および冷却水流通路が形成されている。

燃料電池積層体１の側面には、ガスマニホールド４が配置されている。このガスマニホールド４は、燃料電池積層体１に対向した面に開口部を有する、例えば直方体形状の箱型構造物である。このガスマニホールド４は、燃料ガス流通路、酸化剤ガス流通路、および冷却水流通路それぞれに、燃料、酸化剤、および冷却水を供給するためのガス室および冷却水室を有する。

少なくとも一方のエンドプレート２は、外側エンドプレート２ａおよび内側エンドプレート２ｂに分割可能に構成されている。内側エンドプレート２ｂは、図２および図３に示すように、中央に凸部１１を有する平板状の部材で、外側エンドプレート２ａは、内側エンドプレート２ｂの凸部１１と接触するように構成されている。

外側エンドプレート２ａは４つの角部が燃料電池積層体１の外側に張り出したタイロッド取付け部７を有する。このタイロッド取付け部７には、タイロッド取付け部７を貫通するタイロッド用貫通孔１２が形成されている。このタイロッド用貫通孔１２にタイロッド３が貫通して、ナット等で締め付けるようになっている。内側エンドプレート２ｂは、燃料電池積層体１を形成する単位電池と接触している。タイロッド３の近傍には、外側エンドプレート２ａと内側エンドプレート２ｂの間に隙間部６が形成されている。

すなわち、外側エンドプレート２ａおよび内側エンドプレート２ｂの接触面積は、燃料電池積層体１および内側エンドプレート２ｂの接触面積よりも小さくなるように形成されている。

内側エンドプレート２ｂは金属材料で形成され、外側エンドプレート２ａは電気絶縁材料で形成されている。外側エンドプレート２ａを貫通して内側エンドプレート２ｂに接続されたケーブル（図示せず）を通じて燃料電池積層体１で発生させた電気を燃料電池の外部に取り出すことが可能である。

また、タイロッド３は金属材料で形成されているが、外側エンドプレート２ａが電気絶縁材料で形成されているのでタイロッド３と外側エンドプレート２ａとの間の絶縁状態を保つことが可能である。

続いて、本実施形態の燃料電池において、タイロッド３により外側エンドプレート２ａを締め付けたときに、燃料電池積層体１および内側エンドプレート２ｂの接触面に作用する面圧について説明する。

比較例として、従来のエンドプレートを用いた場合について説明する。図８は、従来のエンドプレート２ｄを有する燃料電池の部分断面図である。従来のエンドプレート２ｄは、電気絶縁材で一体成形されている。

タイロッド３によりエンドプレート２ｄを締め付けると、図８に示すように、従来のエンドプレート２ｄはタイロッド３による締付け力および燃料電池積層体１による反力により弓なりに変形する。このとき、燃料電池積層体１における従来のエンドプレート２ｄとの接触面は、凸形状を形成するように変形する。このとき、燃料電池積層体１が圧縮される方向を正として、当該接触面の中央部を基準として、当該接触面の中央部と任意の位置との差をＹとする。

この差Ｙは、中央部から燃料電池積層体１の端部に近づくにつれて増大する。このため、当該接触面に作用する面圧は外周部では大きく、中央部では小さい。

これに対して、本実施形態における外側エンドプレート２ａおよび内側エンドプレート２ｂを用いた場合について、図４を用いて説明する。

タイロッド３により外側エンドプレート２ａを締め付けると、図４に示すように、タイロッド３による締付け力および内側エンドプレート２ｂによる反力により、外側エンドプレート２ａは、弓なりに変形する。外側エンドプレート２ａの変形量は、内側エンドプレート２ｂと接触する燃料電池積層体１の単位電池の中央部から、外側部（タイロッド取付け部７付近）に近づくにつれて増大する。

一方、内側エンドプレート２ｂは、外側エンドプレート２ａによる締付け力および燃料電池積層体１からの反力により変形する。この変形により、燃料電池積層体１における内側エンドプレート２ｂとの接触面には、凹凸形状が形成される。このとき、燃料電池積層体１が圧縮される方向を正として、当該接触面の中央部を基準として、当該接触面の中央部と任意の位置との差をＸとする。

この差Ｘは、締付け力を作用させると、当該接触面の中央部の近くでは外側に行くにつれて大きくなり、さらに外側では燃料電池積層体１の端部に近づくにつれて小さくなる。これは、タイロッド３の近傍では内側エンドプレート２ｂおよび外側エンドプレート２ａが接触しないように隙間部６が設けられていることにより、内側エンドプレート２ｂの端部を曲げようとする力が作用するためである。

なお、この差Ｘの形状は、外側エンドプレート２ａおよび内側エンドプレート２ｂの接触面の面積および形状、外側エンドプレート２ａおよび内側エンドプレート２ｂの材質、並びにタイロッド３による締め付け力などの複数の因子により決まる。この差Ｘの面方向のバラツキ、すなわちＸの最大値と最小値の差が小さいことが好ましい。そのため、図４に示すように、この差Ｘが燃料電池積層体１の端部付近で、ほぼ０となるように上記因子を設定することが好ましい。

よって、本実施形態は、図８に示す比較例に比べて、当該接触面内の面圧ばらつきが抑制される。したがって、内側エンドプレート２ｂと、内側エンドプレート２ｂに接触した燃料電池積層体１の単位電池との間に作用する締付け面圧は、ほぼ均一となる。

以上の説明から明らかなように本実施形態によれば、タイロッド３近傍および各単位電池中央部の締付け面圧の均一化により、単位電池中央部での面圧の不足による接触電気抵抗の増大、およびタイロッド近傍での面圧の過大による単位電池部材の破損を抑制することが可能となる。

したがって、信頼性の高い燃料電池を提供することが可能となる。

［第２の実施形態］
本発明に係る燃料電池の第２の実施形態について以下に説明する。なお、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。図５は、本実施形態の燃料電池の構造を示す概略斜視図である。図６は、図５の燃料電池の部分断面図である。

本実施形態の燃料電池は、第１の実施形態と同様に、エンドプレート２は外側エンドプレート２ａと内側エンドプレート２ｂとに分割可能に構成されている。

本実施形態の外側エンドプレート２ａは金属材料により形成されて、内側エンドプレート２ｂは絶縁材料により形成されている。さらに、内側エンドプレート２ｂおよび燃料電池積層体１が対向する面の間に、集電板５が接触するように配置されている。この集電板５は、金属材料等の導電性材により形成されている。

内側エンドプレート２ｂが絶縁材料で形成されていることから、仮に外側エンドプレート２ａが金属材料により形成された場合であっても、外側エンドプレート２ａとタイロッド３との間に絶縁部品を挿入する必要がない。したがって、外側エンドプレート２ａが、樹脂等の絶縁材料で形成された場合と比較して比較的安価な金属材料により形成された場合であっても、十分な強度を確保することが可能となる。また、十分な強度を確保できるため、より小型化することが可能となる。

よって、タイロッド取付け部７付近でのエンドプレートの割れ等の破損の発生を抑制することが可能となる。したがって、第１の実施形態に比べて、より安価で十分な強度を確保することが可能となる。

また、集電板５の端部には、燃料電池積層体１の積層方向に延びた平板状の外部接続部５ａが形成されている。内側エンドプレート２ｂおよび外側エンドプレート２ａには外部接続部用貫通孔１３が形成されて、外部接続部５ａは、この外部接続部用貫通孔１３を貫通するように形成されている。また、外部接続部５ａは金属材料等の導電性材により形成されており、燃料電池で発電した電力を燃料電池の外部に送り出す機能を有している。なお、外部接続部５ａの形状は棒状でもよい。

さらに、内側エンドプレート２ｂおよび外側エンドプレート２ａの間には、ガスマニホールド４の内部空間４ａと集電板５とを遮断するように、シール材９が充填されている。このシール材９により、ガスマニホールド４の内部空間４ａに存在する反応ガスや冷却水や生成水が、外部接続部５ａを含む集電板５に接触することを抑制している。

以上の説明から明らかなように本実施形態では、第１の実施形態の効果に加えて、安価で小型な燃料電池を提供することが可能となる。さらに、集電板５からのコンタミネーションの流出、および集電板５の腐食を防止することにより、信頼性の高い燃料電池を提供することが可能となる。

［第３の実施形態］
本発明に係る燃料電池の第３の実施形態について以下に説明する。この実施形態は第２の実施形態の変形であって、第２の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。図７は、本実施形態の燃料電池の構造を示す概略斜視図である。

外側エンドプレート２ａには、一対の切り欠き部１０が形成されている。この切り欠き部１０は、タイロッド取付け部７の間に形成されている。この外側エンドプレート２ａは、切り欠き部１０により外部接続部５ａと干渉しないように形成されている。

本実施形態の内側エンドプレート２ｂには、第１および第２の実施形態と同様に、凸部１１が形成されている。よって、タイロッド取付け部７に締め付け力が作用した状態であっても、外側エンドプレート２ａおよび内側エンドプレート２ｂとの間には、隙間部６が形成されている。したがって、タイロッド３により外側エンドプレート２ａを締め付けても、第１および第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。

さらに、この切り欠き部１０を形成したことにより、燃料電池の重量を軽減することが可能となる。

［その他の実施形態］
上記実施形態の説明は、本発明を説明するための例示であって、特許請求の範囲に記載の発明を限定するものではない。また、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

上記実施形態では、燃料電池積層体１の側面にガスマニホールド４を設置した外部マニホールド式の燃料電池に適用した例について説明したが、これに限ることはない。例えば、単位電池に設置された貫通穴を積層方向に連結することでガスマニホールドを形成する内部マニホールド方式の燃料電池にも適用可能である。

さらに、上記第２および第３の実施形態では、集電板５と外部接続部５ａが一体として形成されている例を示したが、これに限らない。例えば、集電板５と外部接続部５ａを別体として形成した後に、これらを組み立てて燃料電池に取り付けてもよい。

また、外側エンドプレート２ａの内側に凸部を設け、内側エンドプレート２ｂ側を平板としてもよい。

本発明に係る第１の実施形態の燃料電池を示す概略斜視図である。 図１の燃料電池の部分断面図である。 図２に示す内側エンドプレートの概略斜視図である。 図２の燃料電池のエンドプレートをタイロッドにより締め付けた場合の変形状態を示す概略断面図である。 本発明に係る第２の実施形態の燃料電池を示す概略斜視図である。 図５の燃料電池の部分断面図である。 本発明に係る第３の実施形態の燃料電池を示す概略斜視図である。 従来の燃料電池の部分断面図であって、従来のエンドプレートをタイロッドにより締め付けた場合の変形状態を示している。

符号の説明

１…燃料電池積層体、２…エンドプレート、２ａ…外側エンドプレート、２ｂ…内側エンドプレート、２ｄ…従来のエンドプレート、３…タイロッド、４…ガスマニホールド、５…集電板、５ａ…外部接続部、６…隙間部、７…タイロッド取付け部、９…シール材、１０…切り欠き部、１１…凸部、１２…タイロッド用貫通孔、１３…外部接続部用貫通孔

Claims (4)

1. 単位電池を複数個積層して形成された燃料電池積層体と、前記燃料電池積層体を積層方向から挟持するように配置された１対のエンドプレートと、前記燃料電池積層体の外側で前記エンドプレートを互いに近接する方向に締め付けて前記燃料電池積層体およびエンドプレートを保持する複数のタイロッドと、を有する燃料電池において、
   前記エンドプレートの少なくとも一方は、前記燃料電池積層体の外側に張り出した位置に複数のタイロッド取付け部を有する外側エンドプレートと、前記外側エンドプレートおよび前記燃料電池積層体に挟持されるように構成された内側エンドプレートとに分割可能で、
   前記外側エンドプレートおよび内側エンドプレートの接触面積は、前記燃料電池積層体および内側エンドプレートの接触面積よりも小さくなるように形成されて、
   前記タイロッド取付け部近傍では、前記外側エンドプレートと前記内側エンドプレートとの間に隙間部が形成されていること、
   を特徴とする燃料電池。
2. 前記外側エンドプレートは電気絶縁性を有する絶縁材料により形成されて、前記内側エンドプレートは金属材料により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. 前記内側エンドプレートおよび前記燃料電池積層体が対向する面の間に挟み込まれるように配置されて導電性材により平板状に形成された集電板と、
   前記集電板の端部に形成されて、前記燃料電池積層体の積層方向に延びて、前記内側エンドプレートおよび外側エンドプレートを貫通して外部に接続可能な外部接続部と、
   を有し、
   前記内側エンドプレートは電気絶縁性を有する絶縁材料により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。
4. 前記燃料電池積層体およびエンドプレートに固定配置されたガスマニホールドと、
   前記ガスマニホールドの内部空間と前記集電板とを遮断するように、前記燃料電池積層体と内側エンドプレートとの間に配置されたシール材と、
   をさらに有することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。

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