JP2009277358A

JP2009277358A - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP2009277358A
Application number: JP2008124575A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Morimoto; 剛森本; Hideaki Kikuchi; 英明菊池; Ayumi Ishizuka; 歩石塚
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-05-12
Filing date: 2008-05-12
Publication date: 2009-11-26
Anticipated expiration: 2028-05-12
Also published as: JP5313548B2

Abstract

【課題】エンドプレートの軽量化を図るとともに、締め付け荷重による長方形状の前記エンドプレートの変形を良好に抑制することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０を構成するケーシング２４は、端板であるエンドプレート２０ａ、２０ｂを備える。エンドプレート２０ａは、長方形状を有するとともに、厚さ方向に切り欠いてそれぞれ複数の第１肉抜き部８２ａ、第２肉抜き部８２ｂ、第３肉抜き部８２ｃ及び第４肉抜き部８２ｄを設ける。第１肉抜き部８２ａ〜第４肉抜き部８２ｄは、それぞれ厚さ方向の深さが異なる値に設定される。
【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一対の長方形状エンドプレート間に挟持して構成さ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）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、この燃料電池は、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の締結構造が知られている。この従来技術では、図６に示すように、膜電極アセンブリ及び分離板が交互に積層された燃料電池スタック１を設けるとともに、この燃料電池スタック１の両端には、エンドプレート２ａ、２ｂが配置されている。

燃料電池スタック１には、第１締結バンド３及び第２締結バンド４が装着されている。第１締結バンド３は、燃料電池スタック１の平行な２つの側面に沿って延在する一方、第２締結バンド４は、前記燃料電池スタック１の平行な他の２つの側面に沿って延在している。第１締結バンド３の両端は、エンドプレート２ａに図示しないボルトを介して固定されるとともに、第２締結バンド４の両端は、エンドプレート２ｂに図示しないボルトを介して固定されている。

特開２００５−１４２１４５号公報

ところで、上記の燃料電池スタック１では、軽量化を図るためにエンドプレート２ａ、２ｂを薄肉状に構成することが望まれている。しかしながら、特に、長方形状（縦長形状）のエンドプレート２ａ、２ｂでは、第１締結バンド３及び第２締結バンド４により積層方向に締め付け荷重を付与する際、前記エンドプレート２ａ、２ｂが長手方向に沿って撓み易くな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、エンドプレートの軽量化を図るとともに、締め付け荷重による長方形状の前記エンドプレートの変形を良好に抑制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、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一対の長方形状エンドプレート間に挟持して構成される燃料電池スタックに関するものである。

少なくとも一方の長方形状エンドプレートは、厚さ方向に切り欠いて肉抜き部を設けるとともに、前記肉抜き部は、前記長方形状エンドプレートの長辺方向に沿って前記厚さ方向の深さが異なっている。

また、肉抜き部は、長辺方向の中央部から長辺方向両端側に向かって厚さ方向の深さが連続的又は断続的に大きく設定されることが好ましい。

さらに、燃料電池スタックは、エンドプレートを端板とし、複数の側板を積層体の側部に配置するとともに、前記端板及び前記側板が連結ピンにより連結される箱状ケーシングを備えることが好ましい。

本発明では、長方形状エンドプレートに、厚さ方向に切り欠いて肉抜き部が設けられるため、前記長方形状エンドプレート自体の剛性を維持するとともに、軽量化を図ることができる。

しかも、肉抜き部は、長方形状エンドプレートの長辺方向に沿って厚さ方向の深さが異なっている。従って、長方形状エンドプレートは、締め付け荷重が付与される際に変形し難い部分を、変形し易い部分に比べて薄肉状に構成することが可能になる。これにより、長方形状エンドプレートは、簡単な構成で、全体として一層の軽量化が確実に図られる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０の一部分解概略斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の一部断面側面図である。

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１８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、絶縁性スペーサ部材２２（絶縁プレート１８を用いてもよい）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、縦長の長方形状に構成されるエンドプレート（長方形状エンドプレート）２０ａ、２０ｂを端板として含む箱状のケーシング２４により一体的に保持される。

図２及び図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）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とを備える。なお、第１及び第２金属セパレータ３２、３４に代えて、カーボンセパレータを用いてもよい。

単位セル１２の長辺方向（図３中、矢印Ｃ方向）の一端縁部（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。

単位セル１２の長辺方向の他端縁部（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。

単位セル１２の短辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、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、前記単位セル１２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。

アノード側電極４４及びカソード側電極４６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され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４２の両面に形成される。

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が矢印Ｃ方向に沿って形成される。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が矢印Ｂ方向に沿って形成される。

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、矢印Ｃ方向に沿って酸化剤ガス流路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には、この第１金属セパレータ３２の外周端縁部を周回して第１シール部材５４が一体成形される。第２金属セパレータ３４の面３４ａ、３４ｂには、この第２金属セパレータ３４の外周端縁部を周回して第２シール部材５６が一体成形される。

図２に示すように、第１及び第２シール部材５４、５６間には、固体高分子電解質膜４２の外周が、直接、ケーシング２４に接触することを阻止するために、シール５７が介装される。

図１に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの中央部上方側には、積層方向に突出する棒状の端子部５８ａ、５８ｂが設けられる。端子部５８ａ、５８ｂは、エンドプレート２０ａ、２０ｂの長手方向及び短手方向の中央部に形成された孔部５９ａ、５９ｂを通って外部に突出するとともに、前記端子部５８ａ、５８ｂには、例えば、車両走行用モータ等の負荷が接続される。

ケーシング２４は、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６０ａ〜６０ｄと、前記側板６０ａ〜６０ｄの互いに近接する端部同士を連結するアングル部材６２ａ〜６２ｄと、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂと前記側板６０ａ〜６０ｄとを連結するそれぞれ長さの異なる連結ピン６４ａ、６４ｂとを備える。

側板６０ａ〜６０ｄは、例えば、薄板金属製プレートで構成される。側板６０ａ〜６０ｄは、アングル部材６２ａ〜６２ｄ及びボルト６５を介して互いに固定され、ケーシング２４が構成される（図４参照）。

エンドプレート２０ａ、２０ｂの上下各辺（短辺）には、それぞれ１つの第１支持部６６ａ、６６ｂが突出形成されるとともに、両側の各辺（長辺）には、それぞれ２つの第１支持部６６ｃ、６６ｄが突出形成される。

積層体１４の矢印Ｂ方向両側に配置される側板６０ａ、６０ｃの長手方向（矢印Ａ方向）両端には、第２支持部７０ａ、７０ｂが３つずつ形成される。積層体１４の上下両側に配置される側板６０ｂ、６０ｄの長手方向両端には、第２支持部７２ａ、７２ｂが２つずつ形成される。

図４に示すように、側板６０ａ、６０ｃの各第２支持部７０ａ、７０ｂ間には、エンドプレート２０ａ、２０ｂの両側の各辺の第１支持部６６ｃ、６６ｄが配置されるとともに、これらに長尺な連結ピン６４ａが一体的に挿入される。

同様に、側板６０ｂ、６０ｄの第２支持部７２ａ、７２ｂは、エンドプレート２０ａ、２０ｂの上辺及び下辺の第１支持部６６ａ、６６ｂと交互に配置されるとともに、これらに短尺な連結ピン６４ｂが一体的に挿入される。

図１に示すように、エンドプレート２０ａ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７６ａ、燃料ガス供給連通孔３８ａに連通する燃料ガス入口７８ａ、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに連通する酸化剤ガス出口７６ｂ及び燃料ガス排出連通孔３８ｂに連通する燃料ガス出口７８ｂが設けられる。

エンドプレート２０ｂには、冷却媒体供給連通孔４０ａに連通する冷却媒体入口８０ａと、冷却媒体排出連通孔４０ｂに連通する冷却媒体出口８０ｂとが設けられる。

図４及び図５に示すように、少なくともエンドプレート２０ａの外方に向かう面には、厚さ方向に切り欠いてそれぞれ複数の第１肉抜き部８２ａ、第２肉抜き部８２ｂ、第３肉抜き部８２ｃ及び第４肉抜き部８２ｄが設けられる。

第１肉抜き部８２ａは、エンドプレート２０ａの略中央に孔部５９ａを囲繞する範囲に設けられるとともに、前記第１肉抜き部８２ａの上下両外方には、第２肉抜き部８２ｂが形成される。第２肉抜き部８２ｂの上下両外方には、酸化剤ガス入口７６ａ及び燃料ガス入口７８ａの間と、酸化剤ガス出口７６ｂ及び燃料ガス出口７８ｂの間とに、それぞれ第３肉抜き部８２ｃが２つずつ形成される。第３肉抜き部８２ｃの幅方向（矢印Ｂ方向）外方には、第４肉抜き部８２ｄが形成される。

図５に示すように、第１肉抜き部８２ａの厚さ方向の深さｔ１、第２肉抜き部８２ｂの厚さ方向の深さｔ２、第３肉抜き部８２ｃの厚さ方向の深さｔ３及び第４肉抜き部８２ｄの厚さ方向の深さｔ４は、ｔ１＜ｔ２＜ｔ３＜ｔ４の関係に設定される。なお、第１肉抜き部８２ａ〜第４肉抜き部８２ｄは、厚さ方向の深さｔ１〜ｔ４が断続的に大きくなるように設定されているが、例えば、連続的に大きくなるように設定してもよい。また、短手方向については、一定の深さに設定されている。短手方向の肉抜きは、リブにより複数の領域に分けられている。

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。

図４に示すように、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス入口７６ａ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７８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、エンドプレート２０ｂの冷却媒体入口８０ａ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（図１参照）。

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、酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、燃料ガス供給連通孔３８ａ及び冷却媒体供給連通孔４０ａに、それぞれ酸化剤ガス、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２０ａの酸化剤ガス出口７６ｂから外部に排出される（図４参照）。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２０ａの燃料ガス出口７８ｂ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、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２０ｂの冷却媒体出口８０ｂから排出される（図１参照）。

この場合、本実施形態では、図４及び図５に示すように、エンドプレート２０ａに厚さ方向に切り欠いて第１肉抜き部８２ａ〜第４肉抜き部８２ｄがそれぞれ複数設けられている。そして、エンドプレート２０ａの中央部分に配置されている第１肉抜き部８２ａは、厚さ方向の深さｔ１が比較的浅溝に構成されている。

このため、長方形状のエンドプレート２０ａに締め付け荷重が付与される際、特に変形し易い中央部分の剛性を維持することができる。従って、エンドプレート２０ａの長辺方向（矢印Ｃ方向）の変形を規定値以下に抑制することが可能になるとともに、軽量化を図ることができる。

しかも、エンドプレート２０ａでは、締め付け荷重により変形し難い部分に向かうのに従って、すなわち、第２肉抜き部８２ｂ、第３肉抜き部８２ｃ及び第４肉抜き部８２ｄの順に、それぞれの厚さ方向の深さｔ２、ｔ３及びｔ４は、ｔ１＜ｔ２＜ｔ３＜ｔ４の関係に設定されている。これにより、エンドプレート２０ａ全体として、軽量化が一層確実に図られるという効果が得られる。

さらに、エンドプレート２０ａの厚さは、平面全体にわたって一定に維持されている。このため、燃料電池スタック１０全体の小型化及び軽量化が、簡単な構成で容易に遂行されるという利点がある。

なお、エンドプレート２０ｂは、上記のエンドプレート２０ａと同様に構成することができる。また、燃料電池スタック１０は、箱状のケーシング２４内に積層体１４を収容して構成しているが、例えば、エンドプレート２０ａ、２０ｂ間を図示しないタイロッドにより締め付け保持する構成を採用することも可能である。

また、エンドプレート２０ａ、２０ｂの肉抜きは、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂに対向する面側（実施形態とは反対の面側）に行ってもよい。これにより、エンドプレート２０ａ、２０ｂの外側は、平面に形成される。

本発明の実施形態に係る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の一部断面側面図である。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の、図４中、Ｖ−Ｖ線断面図である。特許文献１に開示されている燃料電池スタックの締結構造の斜視説明図である。

符号の説明

１０…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
１８…絶縁プレート２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２２…スペーサ部材２４…ケーシング
３０…電解質膜・電極構造体３２、３４…金属セパレータ
４２…固体高分子電解質膜４４…アノード側電極
４６…カソード側電極４８…燃料ガス流路
５０…冷却媒体流路５２…酸化剤ガス流路
６０ａ〜６０ｄ…側板６４ａ、６４ｂ…連結ピン
８２ａ〜８２ｄ…肉抜き部

Claims

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一対の長方形状エンドプレート間に挟持して構成される燃料電池スタックであって、
少なくとも一方の前記長方形状エンドプレートは、厚さ方向に切り欠いて肉抜き部を設けるとともに、
前記肉抜き部は、前記長方形状エンドプレートの長辺方向に沿って前記厚さ方向の深さが異なることを特徴とする燃料電池スタック。
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記肉抜き部は、前記長辺方向の中央部から長辺方向両端側に向かって前記厚さ方向の深さが連続的又は断続的に大きく設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
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、前記エンドプレートを端板とし、複数の側板を前記積層体の側部に配置するとともに、前記端板及び前記側板が連結ピンにより連結される箱状ケーシングを備えることを特徴とする燃料電池スタック。