JP2009218172A - 燃料電池スタックおよび燃料電池スタックの電流取り出し方法 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数を増加させずに、省スペースにて短い経路で直列接続することが可能な燃料電池スタックおよび燃料電池スタックの電流取り出し方法を提供する。
【解決手段】膜電極接合体２１とセパレータ２２を積層してなる積層体３を備えた燃料電池スタック１であり、前記積層体３の積層方向の一方側に、出力端子１２，１３である正極端子および負極端子が設けられ、前記出力端子の一方は、前記積層体３の一方側と導電材料からなる第１導電部３２を介して導通する。さらに、前記出力端子の他方は、前記積層体３を積層方向から押圧しつつ保持するために積層方向に延びて形成される保持手段８に設けられた、導電材料からなる第２導電部３５を介して、前記積層体３の他方側に導通する。
【選択図】図１１

Description

本発明は、膜電極接合体とセパレータを積層してなる積層体を備えた燃料電池スタック、および燃料電池スタックの電流取り出し方法に関する。

燃料電池では、電解質膜の両面に電極を設けた膜電極接合体とセパレータを複数積層した積層体を、外部から保持して固定することで燃料電池スタックを形成する（例えば、特許文献１参照）。この燃料電池スタックを複数直列に接続することで、高電圧出力を得ることができる。しかし、燃料電池スタックの正極，負極端子は積層方向の両端に各々設けられるため、省スペースにて短い経路で直列接続するためには、接続する正極端子と負極端子が同一側に位置するように、スタックを反転させることが好ましい。
特開２００１−１３５３４３号公報

しかし、燃料電池スタックのガスとクーラントの出入り口（マニホールド部）は、積層方向の一方側からのみ設けられるため、同一構造の燃料電池スタックを反転させるとマニホールド部が反対側に位置してしまう。また、互いに反転させた燃料電池スタックの両方に、同一方向にマニホールド部を配置させるには、燃料電池スタックの集電板、エンドプレート等の構造を変更する必要が生じ、部品点数が増加するという問題がある。

本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、部品点数を増加させずに、省スペースにて短い経路で直列接続することが可能な燃料電池スタックおよび燃料電池スタックの電流取り出し方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明に係る燃料電池スタックは、膜電極接合体とセパレータを積層してなる積層体を備えた燃料電池スタックである。当該燃料電池スタックは、前記積層体の積層方向の一方側に、出力端子である正極端子および負極端子が設けられ、前記出力端子の一方は、前記積層体の一方側と導電材料からなる第１導電部を介して導通する。さらに、前記出力端子の他方は、前記積層体を積層方向から押圧しつつ保持するために積層方向に延びて形成される保持手段に設けられた、導電材料からなる第２導電部を介して、前記積層体の他方側に導通する。

上記目的を達成する本発明に係る燃料電池スタックの電流取り出し方法は、膜電極接合体とセパレータを積層してなる積層体を備えた燃料電池スタックから電流を取り出すための方法である。当該方法は、前記積層体の積層方向の一方側に、出力端子である正極端子および負極端子を設け、前記出力端子の一方を、前記積層体の一方側と導電材料からなる第１導電部を介して導通させる。さらに、前記出力端子の他方を、前記積層体を積層方向から押圧しつつ保持するために積層方向に延びて形成される保持手段に設けられた、導電材料からなる第２導電部を介して、前記積層体の他方側に導通させる。

上記のように構成した本発明に係る燃料電池スタックは、保持手段に第２導電部が設けられており、この第２導電部を介して、出力端子の他方が積層体の他方側に導通するため、両電極端子を、同一の側に設けることができる。したがって、複数の燃料電池スタックを直列接続する際に、各々の燃料電池スタックのマニホールド部が同一側に位置するため、燃料電池スタックの構成を変更させて反転させる必要がなく、部品点数の増加を抑制できる。また、省スペースにて短い経路で直列接続することができる。

上記のように構成した本発明に係る燃料電池スタックの電流取り出し方法は、保持手段に設けられた第２導電部を介して、出力端子の他方を積層体の他方側に導通するため、両電極端子を、同一の側に設けることができる。したがって、複数の燃料電池スタックを直列接続する際に、各々の燃料電池スタックのマニホールド部が同一側に位置するため、燃料電池スタックの構成を変更させて反転させる必要がなく、部品点数の増加を抑制できる。また、省スペースにて短い経路で直列接続することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。なお、理解を容易にするために、図面によっては各構成要素が誇張して示されている。また、以下の説明において用いられる「上」「下」の表現は、説明の便宜のために用いるものであり、燃料電池スタックの構成および使用状態を限定するものではない。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池スタックを示す斜視図、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図、図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図、図４は、図１のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図、図５は、セパレータの１つを示す平面図、図６は、燃料電池スタックの流路を示す部分拡大断面図である。

図７は、燃料電池スタックの集電板の一方を示す斜視図、図８は、燃料電池スタックの集電板の他方を示す斜視図、図９は、燃料電池スタックのエンドプレートとテンションプレートを示す斜視図、図１０は、エンドプレートおよびテンションプレートに集電板を配置した状態を示す斜視図である。

図１１は、テンションプレートの上端部を示す部分拡大平面図、図１２は、電極端子の分解斜視図、図１３は、電極端子の斜視図、図１４は、本発明に係る燃料電池スタックを直列に接続した状態を示す斜視図である。

第１実施形態に係る燃料電池スタック１は、図１〜３に示すように、燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（酸素）との反応により起電力を生じる単セル２を所定数だけ積層した積層体３が設けられている。積層体３の積層方向に沿う周囲は、短絡防止のために絶縁部材５により覆われている。

積層体３の積層方向両側には、電流を取り出すための第１集電板６および第２集電板７が設けられる。積層体３の一方側（本実施形態では下方側）に設けられる第２集電板７のさらに下方には、エンドプレート４が配置されている。エンドプレート４には、エンドプレート４から積層体３の側面に沿って積層方向へ延びる複数のテンションプレート８（保持手段）が、一体的に設けられている。したがって、部品点数を削減できる。

積層体３の他方側（本実施形態では上方側）に設けられる第１集電板６のさらに上方には、皿ばねやスプリング等からなる熱膨張吸収装置９が設けられる。熱膨張吸収装置９は、積層体３の温度変化による膨張収縮を吸収し、スタックの面圧を制御する機能を有している。熱膨張吸収装置９のさらに上方には、プレッシャープレート１０および締結カバー１１が設けられる。締結カバー１１は、前述のテンションプレート８の上端にボルト１４により締結される。締結カバー１１は、テンションプレート８を下方へ付勢し、テンションプレート８は、熱膨張吸収装置９を下方へ押圧している。

中央の締結カバー１１には、第１，第２集電板６，７と電気的に接続する第１，第２電極端子１２，１３が設けられている。

エンドプレート４には、燃料電池スタック１内部において燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却水のそれぞれを流通させるために、燃料ガス導入口１５、燃料ガス排出口１６、酸化剤ガス導入口１７、酸化剤ガス排出口１８、冷却水導入口１９、および冷却水排出口２０が形成されている（図９参照）。

エンドプレート４、テンションプレート８および締結カバー１１は、絶縁材からなることが好ましい。

単セル２は、図６に示すように、膜電極接合体２１と、膜電極接合体２１の両面のそれぞれに配置されるセパレータ２２とを有している。

膜電極接合体２１は、固体高分子電解質膜を、その両側から燃料極と空気極とによって挟み込んだ積層構造を有している。固体高分子電解質膜としては、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体膜などを使用することができる。燃料極および空気極のそれぞれは、触媒層およびガス拡散層を含んでいる。

セパレータ２２は、図４，５に示すように、流路溝を形成するための凹凸形状を有している。膜電極接合体２１の両面のそれぞれにセパレータ２２を配置することにより、燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路２３、酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガス流路２４、および冷却水を流通させるための冷却水流路２５を形成している。セパレータ２２は、本実施形態では金属製の基材をプレス成形することにより成形しており、例えばステンレス製である。したがって、セパレータ２２の流路は、プレス成形により形成される。燃料ガスは、燃料ガス導入口１５から導入され、セパレータ２２の燃料ガス流路２３を流れ、燃料ガス排出口１６から排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口１７から導入され、セパレータ２２の酸化剤ガス流路２４を流れ、酸化剤ガス排出口１８から排出される。冷却水は、冷却水導入口１９から導入され、セパレータ２２の冷却水流路２５を流れ、冷却水排出口２０から排出される。

セパレータ２２には、燃料ガス導入口１５、燃料ガス排出口１６、酸化剤ガス導入口１７、酸化剤ガス排出口１８、冷却水導入口１９、および冷却水排出口２０に対応して、複数の導入マニホールド２６aおよび排出マニホールド２６ｂ（導入マニホールド２６aおよび排出マニホールド２６ｂを総じてマニホールド２６と称する。）が設けられている。導入マニホールド２６aおよび排出マニホールド２６ｂは、流路２３，２４または２５に連通する。セパレータ２２は、これらのマニホールド２６からそれぞれの流路２３，２４または２５へ特定の媒体を流入、排出させるために、特定のマニホールド以外のマニホールド２６の回りが、シール材（不図示）により封止されている。

シール材は、セパレータ２２および膜電極接合体２１のそれぞれの間を密封するとともに、接合する機能を有している。シール材は、本実施形態では熱硬化性樹脂が用いられる。熱硬化性樹脂には、例えばフェノール樹脂、エポキシ樹脂または不飽和ポリエステル等が使用できる。

セパレータ２２の側端には、８つの突出部２８が設けられている。この突出部２８は、複数に分割されて設けられるテンションプレート８の間に配置される。したがって、セパレータ２２を積層する際に、セパレータ２２がテンションプレート８により位置決めできるため、別途の位置決め治具を設けることなく積層でき、工数を低減できる。なお、膜電極接合体２１にも同様の突出部（不図示）が設けられており、同様の効果を奏する。

また、セパレータ２２の突出部の１つは、外部において電圧をモニターするための電圧モニタータブ２７として利用されている。

第１集電板６は、図７に示すように、板状の第１集電部３１と、第１集電部３１の側端から積層方向に沿って上方へ延びる第１導電部３２とを有している。また、第１導電部３２の上端部には、外部へ電流を取り出すための第１電極部３３が設けられる。このように、第１集電部３１、第１導電部３２および第１電極部３３が一体で形成されるため、部品点数を削減できる。

第２集電板７は、図８に示すように、板状の第２集電部３４と、第２集電部３４の側端から積層方向に沿って上方へ延びる第２導電部３５とを有している。第２導電部３５には、セパレータ２２のマニホールド２６に対応して、孔部３６が設けられる。第２導電部３５は、第１導電部３２よりも長く形成される。第２導電部３５の上端部には、外部へ電流を取り出すための第２電極部３７が設けられる。このように、第２集電部３４、第２導電部３５および第２電極部３７が一体で形成されるため、部品点数を削減できる。

第１電極部３３は、電極端子１２（例えば正極端子）の一部となり、第２電極部３７は、電極端子１３（例えば負極端子）の一部となる。

積層体３の１側面に並ぶ複数のテンションプレート８のうち、中央部に位置するテンションプレート８Ａには、図９，１０および１１に示すように、積層体３と面する側に、第１溝部３８および第２溝部３９が形成されている。第１溝部３８は、テンションプレート８Ａの上端部から第１集電板６の位置よりも下方まで延在している。第１溝部３８には、第１集電板６の第１導電部３２が収容され、さらに、第１導電部３２を覆うように第１絶縁部材４０が配置される。第１絶縁部材４０は、第１導電部３２の短絡を防止する機能を果たしている。第１溝部３８は、第１集電板６が溝の延在方向と垂直な方向に移動できるように、逃げ空間４１（隙間）が設けられている。

第１溝部３８は、第１集電板６よりも下方まで延在し、かつ逃げ空間４１を備えているため、第１導電部３２が、第１溝部３８の内部において溝の延在方向およびその垂直方向へ移動することができる。したがって、第１導電部３２とテンションプレート８Ａの熱膨張係数が異なることで、膨張収縮による変位が異なっても、第１導電部３２が第１溝部３８内で移動することができ、熱膨張吸収装置９によるスタック面圧制御を確保できる。また、第１導電部３２が第１溝部３８内で移動することで、第１電極部３３と後述する強電コネクタ４５の導通を良好に保持することができる。

第２溝部３９は、テンションプレート８Ａの上端部から第２集電板７の位置まで延在している。第２溝部３９には、第２集電板７の第２導電部３５が収容され、さらに、第２導電部３５を覆うように第２絶縁部材４２が配置される。第２絶縁部材４２は、第２導電部３５の短絡を防止する機能を果たしている。第２溝部３９は、第２集電板７が溝の延在方向と垂直な方向に移動できるように、逃げ空間４３（隙間）が設けられている。

第２溝部３９は、逃げ空間４３を備えているため、第２導電部３５が、第２溝部３９の内部において溝の延在方向の垂直な方向へ移動することができる。したがって、第２導電部３５とテンションプレート８Ａの熱膨張係数が異なることで、膨張収縮による変位が異なっても、第２導電部３５が第２溝部３９内で移動することができ、第２電極部３７と後述する強電コネクタ４５の導通を良好に保持することができる。

第１電極部３３および第２電極部３７は、締結カバー１１の孔部を貫通して、締結カバー１１の上面から突出している。第１電極部３３および第２電極部３７は、図１２に示すように、上端面４６から上端方向へ向かって幅が広がるテーパ形状のテーパ部４７を有している。テーパ部４７には、幅方向へ貫通する貫通孔４８が形成されている。

テーパ部４７には、強電コネクタ４５が連結される。強電コネクタ４５は、テーパ部４７を両側から挟む把持部４９を備え、把持部４９の両方を貫通するボルト孔５０にボルト５１を取り付けることによって、両把持部４９の隙間を狭めることができ、テーパ部４７を挟圧することができる。テーパ部４７の貫通孔４８は、ボルト５１の径よりも断面が大きく、上下方向へ長い楕円形断面を有している。したがって、強電コネクタ４５によりテーパ部４７を挟んでボルト締めすることにより、強電コネクタ４５がテーパ部４７によって押し下げられて、第１電極部３３または第２電極部３７の上端面４６に強接し、接触抵抗の低い良好な接続が実現できる。

強電コネクタ４５の上面５２には、他の燃料電池スタックの電極端子と接続するためのバスバー５３をボルトにより取り付ける取付孔５４が設けられている。このとき、テーパ部４７を挿通するボルト５１が側方から設けられるため、電極端子１２，１３の上方のスペースが確保されて、バスバー５３の取り付けが容易となる。

第１実施形態に係る燃料電池スタック１によれば、テンションプレート８Ａに第１導電部３２および第２導電部３５を収容することによって、第１電極部３３および第２電極部３７の両方を、積層方向の一方側に配置することができる。したがって、図１４に示すように、直列接続する複数の燃料電池スタック１のマニホールド部を同一側に配置しつつ、積層方向は変更せず（上下方向に反転せず）に側面を交互に反転することで、電極端子１２，１３の両方をマニホールド部の反対側に配置することができる。すなわち、マニホールド部に阻害されずに燃料電池スタック１のレイアウトの自由度を確保でき、燃料電池スタック同士を省スペースにて短い経路で直列接続することができる。したがって、バスバー５３を短くでき、耐ノイズ性を強化できる。

なお、直列接続する複数の燃料電池スタック１の側面を交互に反転することで、省スペースにて短い経路で直列接続するためには、互いに反転した燃料電池スタック１の互いに接続する電極端子１２，１３が、極力近接することが好ましい。したがって、反転した際に、一方の燃料電池スタック１の電極端子１２と他方の燃料電池スタック１の電極端子１３が近接するように、１つの燃料電池スタック１に設けられる電極端子１２，１３が、中央部に近接しつつ側端に並んで配置されることが好ましい
＜第２実施形態＞
図１５は、第２実施形態に係る燃料電池スタックを示す斜視図、図１６は、図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿う断面図、図１７は、テンションプレート内部のエキスパンドメタルを示す平面図である。なお、第１実施形態と同様の機能を有する部位には同一符号を付し、重複する記載を避けため、説明を省略する。

第２実施形態に係る燃料電池スタック６０は、図１５，１６に示すように、テンションプレート６１が、積層体３の側面全体を覆って設けられる。テンションプレート６１は、図１７に示すように複数の孔が設けられたエキスパンドメタル６２の両面に、絶縁材料６３として樹脂材料を一体的に設けて形成されている。

積層体３の上下には、第１集電板６４および第２集電板６５が配置される。エキスパンドメタル６２（第２導電部）は、下方にて第２集電板６５と一体的に連結し、上方にて第２電極部３７と一体的に連結する。このように、第２集電板６５、エキスパンドメタル６２および第２電極部３７が一体的に形成することで、部品点数を削減できる。

締結カバー６６は、エキスパンドメタル６２（第２導電部）に対応して、１つの部材で形成される。

第１集電板６４には、締結カバー６６およびプレッシャープレート１０を貫通して締結カバー６６の上方へ突出する第１導電部６７が電気的に接続されている。

第２実施形態に係る燃料電池スタック６０によっても、テンションプレート６１に第２エキスパンドメタル６２（第２導電部）を収容することによって、第１電極部３３および第２電極部３７の両方を、積層方向の一方側に配置することができる。したがって、直列接続する複数の燃料電池スタック６０のマニホールド部を同一側に配置しつつ、積層方向は変更せず（上下方向に反転せず）に側面を交互に反転することで、電極端子１２，１３の両方をマニホールド部の反対側に配置することができる。これにより、燃料電池スタック６０同士を省スペースにて短い経路で直列接続することができる。

また、エキスパンドメタル６２が用いられるために、強電ケーブルからのノイズを外部に発生させるアンテナを有さず、電磁妨害（ＥＭＣ）対策として優れている。

また、エキスパンドメタル６２を内部に含んでいるため、放熱性、剛性に優れている。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。例えば、バスバーの形状を変更することで、複数の燃料電池スタックを全く反転させることなく、直列接続することも可能である。また、第１実施形態におけるテンションプレート８の数は限定されない。また、第２実施形態のテンションプレート６１が、かならずしも積層体３の側面全体を覆っていなくてもよい。

本発明の第１実施形態に係る燃料電池スタックを示す斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。 図１のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。 セパレータの１つを示す平面図である。 燃料電池スタックの流路を示す部分拡大断面図である。 燃料電池スタックの集電板の一方を示す斜視図である。 燃料電池スタックの集電板の他方を示す斜視図である。 燃料電池スタックのエンドプレートとテンションプレートを示す斜視図である。 エンドプレートおよびテンションプレートに集電板を配置した状態を示す斜視図である。 テンションプレートの上端部を示す部分拡大平面図である。 電極端子の分解斜視図である。 電極端子の斜視図である。 本発明に係る燃料電池スタックを直列に接続した状態を示す斜視図である。 第２実施形態に係る燃料電池スタックを示す斜視図である。 図１５のＸＶＩ−ＸＶＩ線に沿う断面図である。 テンションプレート内部のエキスパンドメタルを示す平面図である。

符号の説明

１，６０ 燃料電池スタック、
３ 積層体、
４ エンドプレート、
６，６４ 第１集電板、
７，６５ 第２集電板、
８，６１ テンションプレート、
１２，１３ 電極端子、
２１ 膜電極接合体、
２２ セパレータ、
２６ マニホールド、
２８ 突出部、
３２ 第１導電部、
３３，６７ 第１電極部、
３５ 第２導電部、
３７ 第２電極部、
３８ 第１溝部、
３９ 第２溝部、
４５ 強電コネクタ、
４６ 上端面、
４７ テーパ部、
４８ 貫通孔、
４９ 把持部、
５１ ボルト、
６２ エキスパンドメタル（第２導電部）。

Claims (11)

1. 膜電極接合体とセパレータを積層してなる積層体を備えた燃料電池スタックであって、
   前記積層体の積層方向の一方側に、出力端子である正極端子および負極端子が設けられ、前記出力端子の一方は、前記積層体の一方側と導電材料からなる第１導電部を介して導通し、前記出力端子の他方は、前記積層体を積層方向から押圧しつつ保持するために積層方向に延びて形成される保持手段に設けられた、導電材料からなる第２導電部を介して、前記積層体の他方側に導通する燃料電池スタック。
2. 前記出力端子は、前記積層体のマニホールド部が設けられる側の反対側に設けられる請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記第１，第２導電部の少なくとも一方が、前記保持手段に形成される溝部に収容された請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
4. 前記保持手段は、絶縁材料の内部に第２導電部としてエキスパンドメタルを有する請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
5. 前記保持手段は、前記積層体の側面を覆う請求項４に記載の燃料電池スタック。
6. 前記第１，第２導電部の少なくとも一方が、前記集電板および前記電極端子の少なくとも一方と一体的に形成された請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
7. 前記保持手段は、積層方向へ延びる複数の部材により構成され、前記膜電極接合体およびセパレータの少なくとも一方の側端には、前記保持手段の複数の部材の間に位置決めされる突出部が設けられる請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
8. 前記第１，第２導電部の少なくとも一方が、前記溝部に移動可能に収容された請求項３に記載の燃料電池スタック。
9. 前記溝部に収容された前記第１，第２導電部の少なくとも一方が、絶縁材料により覆われた請求項３または８に記載の燃料電池スタック。
10. 前記出力端子は、当該出力端子の端面から突出して幅が広がるテーパ形状であり、幅方向へ貫通する貫通孔を有するテーパ部を有し、
    前記出力端子のテーパ部には、前記テーパ部を両側から挟む把持部を備え、当該把持部の両方に貫通するボルトによって両把持部の隙間を狭めて前記テーパ部を挟圧するコネクタが連結する請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料電池スタック。
11. 膜電極接合体とセパレータを積層してなる積層体を備えた燃料電池スタックから電流を取り出すための燃料電池スタックの電流取り出し方法であって、
    前記積層体の積層方向の一方側に、出力端子である正極端子および負極端子を設け、前記出力端子の一方を、前記積層体の一方側と導電材料からなる第１導電部を介して導通させ、前記出力端子の他方を、前記積層体を積層方向から押圧しつつ保持するために積層方向に延びて形成される保持手段に設けられた、導電材料からなる第２導電部を介して、前記積層体の他方側に導通させる、燃料電池スタックの電流取り出し方法。

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