JP2009238427A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】車体内の壁部が変形した際に、前記壁部がエンドプレートに設けられた樹脂製マニホールド部材に干渉して損傷させることを確実に阻止することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０を構成するエンドプレート２４ａには、冷却媒体供給連通孔３０ａに連通する冷却媒体入口マニホールド５０ａと、冷却媒体排出連通孔３０ｂに連通する冷却媒体出口マニホールド５０ｂとが、一体成形される。冷却媒体入口マニホールド５０ａ及び冷却媒体出口マニホールド５０ｂの端部には、蓋部材５８ａ、５８ｂが装着されるとともに、エンドプレート２４ａには、前記蓋部材５８ａ、５８ｂを保持する上側ブラケット部材６２ａが固定される。上側ブラケット部材６２ａは、冷却媒体入口マニホールド５０ａ及び冷却媒体出口マニホールド５０ｂよりもセンターコンソール１４の傾斜壁面１４ａに近接して配置される。
【選択図】図４

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層され、積層方向両端には、エンドプレートが配設されるとともに、積層方向に冷却媒体又は反応ガスを流す少なくとも流体供給用又は流体排出用の連通孔が形成される車載用の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とともに、積層方向両端にエンドプレートが配設された燃料電池スタックとして使用されている。

上記の燃料電池では、セパレータの面内に、アノード側電極に燃料ガスを流すための燃料ガス流路と、カソード側電極に酸化剤ガスを流すための酸化剤ガス流路とが設けられている。さらに、発電セル間には、冷却媒体を流すための冷却媒体流路がセパレータの面方向に沿って設けられている。

その際、例えば、積層方向一端に配設されるエンドプレートには、少なくとも燃料ガス流路に燃料ガスを供給する燃料ガス供給連通孔、前記燃料ガス流路から使用済みの燃料ガスを排出する燃料ガス排出連通孔、酸化剤ガス流路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給連通孔、及び前記酸化剤ガス流路から使用済みの酸化剤ガスを排出する酸化剤ガス排出連通孔が形成されており、積層方向他端に配設されるエンドプレートには、冷却媒体流路に冷却媒体を供給する冷却媒体供給連通孔、及び前記冷却媒体流路から使用済みの冷却媒体を排出する冷却媒体排出連通孔が形成されている。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックでは、図９に示すように、複数の単セル１が積層されるとともに、積層方向両端には、フロントプレート２とリアプレート３とが配置されている。フロントプレート２とリアプレート３とは、ボルト４により締結されている。フロントプレート２には、合成樹脂製の冷媒供給マニホールド５ａ及び冷媒排出マニホールド５ｂが成形されている。

特開２００７−２７３４４７号公報

ところで、上記の燃料電池スタックは、車載用として使用される場合が多く、車体内に配置されている。その際、外部荷重等によって車体側の壁部に変形が惹起すると、この壁部が冷媒供給マニホールド５ａや冷媒排出マニホールド５ｂに当接し易い。このため、合成樹脂製の冷媒供給マニホールド５ａや冷媒排出マニホールド５ｂに損傷が発生するおそれがある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、車体内の壁部が変形した際に、エンドプレートに設けられた樹脂製マニホールド部材が前記壁部に干渉して損傷することを確実に阻止す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、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層され、積層方向両端には、エンドプレートが配設されるとともに、積層方向に冷却媒体又は反応ガスを流す少なくとも流体供給用又は流体排出用の連通孔が形成される車載用の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、一方のエンドプレートには、連通孔に連通する樹脂製マニホールド部材と、前記樹脂製マニホールド部材を保護するブラケット部材とが装着されている。

また、この燃料電池スタックは、樹脂製マニホールド部材の長手方向の少なくとも一方の開口端部に装着される蓋部材を有し、ブラケット部材は、車体内の壁部に対して前記樹脂製マニホールド部材よりも近接して配置されるとともに、前記蓋部材を保護することが好ましい。

さらに、この燃料電池スタックは、車体内に収容されるとともに、前記車体は、前記燃料電池スタックの樹脂製マニホールド部材に対向して傾斜する傾斜壁面を有することが好ましい。

さらにまた、燃料電池スタックは、車体内のセンターコンソールに収容されるとともに、前記センターコンソールは、傾斜壁面を有することが好ましい。

本発明によれば、外部荷重等により、車体内の壁部が樹脂製マニホールド部材側に変形した際に、前記壁部は、ブラケット部材に当接して前記樹脂製マニホールド部材に干渉することがない。従って、車体内の壁部の変形により、樹脂製マニホールド部材が損傷することを確実に阻止することができる。

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り、図２は、前記燃料電池スタック１０の概略斜視説明図である。

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、例えば、センターコンソール１４内に配置される。センターコンソール１４は、車両１２の前進方向（矢印Ｌ１方向）前方に、燃料電池スタック１０に対向して鉛直方向前方（矢印Ｌ１方向）に傾斜する傾斜壁面１４ａを有する。

燃料電池スタック１０は、図３に示すように、電解質膜・電極構造体１６と、前記電解質膜・電極構造体１６を挟持する第１セパレータ１８及び第２セパレータ２０とを有する単位セル（燃料電池）２１備え、前記単位セル２１が矢印Ａ方向に積層されて構成される。第１セパレータ１８及び第２セパレータ２０は、カーボンセパレータにより構成されているが、金属セパレータを用いてもよい。

図２に示すように、単位セル２１の積層方向両端には、ターミナルプレート２２ａ、２２ｂ、絶縁プレート２３ａ、２３ｂ及びエンドプレート２４ａ、２４ｂが外方に向かって配設される。エンドプレート２４ａ、２４ｂは、例えば、アルミニウムやマグネシウム等の軽金属で構成される。

燃料電池スタック１０では、例えば、長方形状に構成されるエンドプレート２４ａ、２４ｂが、矢印Ａ方向に延在する複数のタイロッド２５により一体的に締め付け保持される。なお、燃料電池スタック１０は、エンドプレート２４ａ、２４ｂを端板として含む箱状ケーシング（図示せず）により一体的に保持してもよい。

図３に示すように、第１セパレータ１８及び第２セパレータ２０は、縦長形状を有するとともに、長辺が重力方向（矢印Ｃ方向）に向かい且つ短辺が水平方向（矢印Ｂ方向）に向かうように構成される。

単位セル２１の長辺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２６ａ、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２８ａが設けられる。

単位セル２１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２８ｂ、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２６ｂが設けられる。

単位セル２１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４つの冷却媒体供給連通孔３０ａが設けられるとともに、前記単位セル２１の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４つの冷却媒体排出連通孔３０ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体１６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３４と、前記固体高分子電解質膜３４を挟持するカソード側電極３６及びアノード側電極３８とを備える。

カソード側電極３６及びアノード側電極３８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３４の両面に形成される。

第１セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１６に向かう面１８ａには、酸化剤ガス供給連通孔２６ａと酸化剤ガス排出連通孔２６ｂとを連通する酸化剤ガス流路４０が形成される。酸化剤ガス流路４０は、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に延在する。

第２セパレータ２０の電解質膜・電極構造体１６に向かう面２０ａには、燃料ガス供給連通孔２８ａと燃料ガス排出連通孔２８ｂとを連通する燃料ガス流路４２が形成される。燃料ガス流路４２は、矢印Ｃ方向に延在する。

第２セパレータ２０の面２０ｂと、第１セパレータ１８の面１８ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔３０ａと冷却媒体排出連通孔３０ｂとに連通する冷却媒体流路４４が形成される。冷却媒体流路４４は、矢印Ｂ方向に延在する。

電解質膜・電極構造体１６と第１セパレータ１８及び第２セパレータ２０との間、並びに互いに隣接する前記第１セパレータ１８と前記第２セパレータ２０との間（隣接する単位セル２１間）には、図示しないが、シール部材が配設される。

図２及び図４に示すように、エンドプレート２４ａの左右両端縁部には、各冷却媒体供給連通孔３０ａに連通する冷却媒体入口マニホールド５０ａと、各冷却媒体排出連通孔３０ｂに連通する冷却媒体出口マニホールド５０ｂとが、一体成形される。冷却媒体入口マニホールド５０ａ及び冷却媒体出口マニホールド５０ｂは、樹脂製マニホールド部材であり、矢印Ｃ方向に沿って前記エンドプレート２４ａの幅方向両側に設けられるとともに、それぞれの中央部に管路５２ａ、５２ｂを一体に設けている。

エンドプレート２４ｂの上下両端縁部には、図示しないが、酸化剤ガス供給連通孔２６ａに連通する酸化剤ガス入口マニホールド、燃料ガス供給連通孔２８ａに連通する燃料ガス入口マニホールド、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂに連通する酸化剤ガス出口マニホールド、及び燃料ガス排出連通孔２８ｂに連通する燃料ガス出口マニホールドが、一体成形される。

冷却媒体入口マニホールド５０ａは、図４に示すように、複数の冷却媒体供給連通孔３０ａに一体に連通し、長辺方向に沿って延在する単一のマニホールド室５４ａを有する。冷却媒体入口マニホールド５０ａの長手方向両端には、マニホールド室５４ａを外部に開放する開口端部５６ａが設けられ、前記開口端部５６ａには、蓋部材（プラグ）５８ａがシール６０ａを介装して装着される（図４及び図５参照）。

冷却媒体出口マニホールド５０ｂは、上記の冷却媒体入口マニホールド５０ａと同様に構成されており、同一の構成要素には同一の参照符号にｂを付して、その詳細な説明は省略する。

図２に示すように、エンドプレート２４ａには、冷却媒体入口マニホールド５０ａ及び冷却媒体出口マニホールド５０ｂの長手方向の一方の端部（上端部）に装着される蓋部材５８ａ、５８ｂを保持する上側ブラケット部材６２ａと、前記冷却媒体入口マニホールド５０ａ及び前記冷却媒体出口マニホールド５０ｂの長手方向の他方の端部（下端部）に装着される蓋部材５８ａ、５８ｂを保持する下側ブラケット部材６２ｂとが装着される。

上側ブラケット部材６２ａ及び下側ブラケット部材６２ｂは、樹脂よりも高強度の材料で構成され、金属製、例えば、アルミニウムや鉄合金で構成される。上側ブラケット部材６２ａ及び下側ブラケット部材６２ｂは、それぞれ一対のボルト６４を介してエンドプレート２４ａに固定される。

上側ブラケット部材６２ａは、冷却媒体入口マニホールド５０ａの蓋部材５８ａを保持する保持板部６８ａと、冷却媒体出口マニホールド５０ｂの蓋部材５８ｂを保持する保持板部６８ｂとを備える。保持板部６８ａ、６８ｂは、橋架板部７０を介して一体に連結されるとともに、補強板部７２ａ、７２ｂが屈曲形成される。保持板部６８ａ、６８ｂは、蓋部材５８ａ、５８ｂに設けられたボス部７４ａ、７４ｂが挿入される開口部７６ａ、７６ｂを有する。

なお、下側ブラケット部材６２ｂは、上記の上側ブラケット部材６２ａと同様に構成されており、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。

図４に示すように、少なくとも上側ブラケット部材６２ａは、冷却媒体入口マニホールド５０ａ及び冷却媒体出口マニホールド５０ｂよりもセンターコンソール１４の傾斜壁面１４ａに近接して配置される。具体的には、上側ブラケット部材６２ａを構成する補強板部７２ａ、７２ｂの角部と傾斜壁面１４ａとの距離Ｈ１は、冷却媒体入口マニホールド５０ａ及び冷却媒体出口マニホールド５０ｂの角部と前記傾斜壁面１４ａとの距離Ｈ２よりも短尺に構成される（Ｈ１＜Ｈ２）。

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、図２に示すように、燃料電池スタック１０では、エンドプレート２４ｂ側から酸素含有ガス等の酸化剤ガスと、水素含有ガス等の燃料ガスとが供給される一方、エンドプレート２４ａ側から冷却媒体入口マニホールド５０ａを介して純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。

図３に示すように、酸化剤ガスは、各単位セル２１を構成する酸化剤ガス供給連通孔２６ａから第１セパレータ１８の酸化剤ガス流路４０に導入され、電解質膜・電極構造体１６のカソード側電極３６に沿って鉛直下方向に移動する。

一方、燃料ガスは、各単位セル２１を構成する燃料ガス供給連通孔２８ａから第２セパレータ２０の燃料ガス流路４２に導入され、電解質膜・電極構造体１６のアノード側電極３８に沿って鉛直下方向に移動する。

上記のように、各電解質膜・電極構造体１６では、カソード側電極３６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３８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３６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２６ｂからエンドプレート２４ｂ側に排出される（図２参照）。同様に、アノード側電極３８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２８ｂからエンドプレート２４ｂ側に排出される。

また、冷却媒体は、図４に示すように、冷却媒体入口マニホールド５０ａ内のマニホールド室５４ａに供給された後、４つの冷却媒体供給連通孔３０ａに分流される。各冷却媒体供給連通孔３０ａに供給された冷却媒体は、図３に示すように、第１及び第２セパレータ１８、２０間の冷却媒体流路４４に導入される。

冷却媒体は、矢印Ｂ方向（水平方向）に沿って流動し、電解質膜・電極構造体１６を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３０ｂから冷却媒体出口マニホールド５０ｂ内のマニホールド室５４ｂに排出される（図４参照）。

この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、エンドプレート２４ａに上側ブラケット部材６２ａがボルト６４を介して固定されるとともに、前記上側ブラケット部材６２ａは、冷却媒体入口マニホールド５０ａ及び冷却媒体出口マニホールド５０ｂの蓋部材５８ａ、５８ｂを保持する保持板部６８ａ、６８ｂを備えている。

さらに、上側ブラケット部材６２ａを構成する補強板部７２ａ、７２ｂは、冷却媒体入口マニホールド５０ａ及び冷却媒体出口マニホールド５０ｂよりもセンターコンソール１４の傾斜壁面１４ａに近接して配置されている（図４参照）。

このため、外部荷重等によりセンターコンソール１４の傾斜壁面１４ａが冷却媒体入口マニホールド５０ａ及び冷却媒体出口マニホールド５０ｂ側に変形した際に、前記傾斜壁面１４ａは、上側ブラケット部材６２ａに当接して前記冷却媒体入口マニホールド５０ａ及び前記冷却媒体出口マニホールド５０ｂに干渉することがない。従って、センターコンソール１４の傾斜壁面１４ａの変形により、冷却媒体入口マニホールド５０ａ及び冷却媒体出口マニホールド５０ｂが損傷することを確実に阻止することができるという効果が得られる。

しかも、上側ブラケット部材６２ａは、冷却媒体入口マニホールド５０ａ及び冷却媒体出口マニホールド５０ｂに装着される蓋部材５８ａ、５８ｂを保持する機能と、センターコンソール１４の傾斜壁面１４ａの変形による前記冷却媒体入口マニホールド５０ａ及び前記冷却媒体出口マニホールド５０ｂの損傷を阻止する機能とを有している。これにより、構成が有効に簡素化されるとともに、コストの削減及び軽量化が可能であるという利点がある。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック９０の概略斜視説明図である。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。

燃料電池スタック９０を構成するエンドプレート２４ａには、冷却媒体入口マニホールド５０ａ及び冷却媒体出口マニホールド５０ｂの長手方向の一方の端部に装着される蓋部材５８ａ、５８ｂを保持する上側ブラケット部材９２ａと、前記冷却媒体入口マニホールド５０ａ及び前記冷却媒体出口マニホールド５０ｂの長手方向の他方の端部に装着される蓋部材５８ａ、５８ｂを保持する下側ブラケット部材９２ｂとが装着される。

上側ブラケット部材９２ａは、保持板部６８ａ、６８ｂの先端に、冷却媒体入口マニホールド５０ａ及び冷却媒体出口マニホールド５０ｂの上端側角部を覆って保護板部９４ａ、９４ｂを設ける（図６及び図７参照）。

これにより、第２の実施形態では、上側ブラケット部材９２ａの保護板部９４ａ、９４ｂを介して冷却媒体入口マニホールド５０ａ及び冷却媒体出口マニホールド５０ｂの上端側角部を確実に保護することができる。従って、センターコンソール１４の傾斜壁面１４ａの変形により、冷却媒体入口マニホールド５０ａ及び冷却媒体出口マニホールド５０ｂが損傷することを、一層確実に阻止することが可能になる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第１及び第２の実施形態では、燃料電池スタック１０、９０は、図１に示すように、車両１２ａのセンターコンソール１４内に配置されているが、これに限定されるものではない。例えば、図８に示すように、ボンネット１００内に配置されていてもよい。また、その他、トランク側等、適宜配置することができる。

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概略斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの要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エンドプレート及び冷却媒体入口マニホールドの断面説明図である。 冷却媒体入口マニホールドと上側ブラケット部材との分解斜視説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成するエンドプレート及び冷却媒体入口マニホールドの断面説明図である。 前記燃料電池スタックが搭載される他の車両の一部平面説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池の一部斜視説明図である。

符号の説明

１０、９０…燃料電池スタック １２、１２ａ…車両
１４…センターコンソール １４ａ…傾斜壁面
１６…電解質膜・電極構造体 １８、２０…セパレータ
２１…単位セル ２４ａ、２４ｂ…エンドプレート
２６ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ２６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
２８ａ…燃料ガス供給連通孔 ２８ｂ…燃料ガス排出連通孔
３０ａ…冷却媒体供給連通孔 ３０ｂ…冷却媒体排出連通孔
３４…固体高分子電解質膜 ３６…カソード側電極
３８…アノード側電極 ４０…酸化剤ガス流路
４２…燃料ガス流路 ４４…冷却媒体流路
５０ａ…冷却媒体入口マニホールド ５０ｂ…冷却媒体出口マニホールド
５８ａ、５８ｂ…蓋部材 ６２ａ、９２ａ…上側ブラケット部材
６２ｂ、９２ｂ…下側ブラケット部材 ６８ａ、６８ｂ…保持板部
７２ａ、７２ｂ…補強板部 ９４ａ、９４ｂ…保護板部

Claims (4)

1. 電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と、セパレータとが積層され、積層方向両端には、エンドプレートが配設されるとともに、積層方向に冷却媒体又は反応ガスを流す少なくとも流体供給用又は流体排出用の連通孔が形成される車載用の燃料電池スタックであって、
   一方の前記エンドプレートには、前記連通孔に連通する樹脂製マニホールド部材と、
   前記樹脂製マニホールド部材を保護するブラケット部材と、
   が装着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、前記樹脂製マニホールド部材の長手方向の少なくとも一方の開口端部に装着される蓋部材を有し、
   前記ブラケット部材は、車体内の壁部に対して前記樹脂製マニホールド部材よりも近接して配置されるとともに、前記蓋部材を保護す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、前記燃料電池スタックは、前記車体内に収容されるとともに、
   前記車体は、前記燃料電池スタックの前記樹脂製マニホールド部材に対向して傾斜する傾斜壁面を有することを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項３記載の燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池スタックは、前記車体内のセンターコンソールに収容されるとともに、
   前記センターコンソールは、前記傾斜壁面を有することを特徴とする燃料電池スタック。

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