JP2009283302A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータの端部に設けられたシール部材の損傷を良好に抑制することができ、前記セパレータの電気的絶縁性を向上させることを可能にする。
【解決手段】単位セル１２は、電解質膜・電極構造体３０と、前記電解質膜・電極構造体３０を挟持する第１及び第２金属セパレータ３２、３４とを備える。第１金属セパレータ３２の端部には、ケーシング２４の内面に対向する部位に折り返し部５３が設けられるとともに、前記折り返し部５３は、第１シール部材５４に囲繞されている。第２金属セパレータ３４の端部には、ケーシング２４の内面に対向する部位に折り返し部５５が設けられるとともに、前記折り返し部５５は、第２シール部材５６に囲繞されている。
【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・電極構造体と、セパレータとが複数積層された積層体を箱状ケーシング内に収容す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が知られている。この燃料電池スタックは、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、セパレータとが複数積層された積層体を、箱状ケーシング内に収容している。ケーシングは、積層体の積層方向両端部に配置される端板と、前記積層体の側部に配置される複数の側板と、前記積層体の角部に配置されるアングル部材とを備えている。

特開２００６−２２１８４６号公報

ところで、上記の燃料電池スタックでは、セパレータとして金属セパレータが使用される場合がある。カーボンセパレータに比べて容易に薄肉化が可能であり、燃料電池スタック全体の小型化が有効に図られるからである。

金属セパレータは、一般的に金属プレートの外周部に絶縁用のシール部材（ゴム被覆）が一体成形されている。その際、金属プレートは、相当に薄板状に構成されている。このため、特に、車載用燃料電池スタックとして用いられる場合、側方（積層体の側部）から外部荷重が付与されると、前記金属プレートの端部エッジによりシール部材が破損されるおそれがある。これにより、金属プレートとケーシングとの電気的絶縁距離が減少し、絶縁性が低下して短絡し易いという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、セパレータの端部に設けられたシール部材の損傷を良好に抑制することができ、前記セパレータの電気的絶縁性を向上させ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・電極構造体と、セパレータとが複数積層された積層体を箱状ケーシング内に収容する燃料電池スタックに関するものである。

セパレータは、金属プレートを備えるとともに、前記金属プレートの端部には、箱状ケーシングの内面に対向する部位に折り返し部が設けられ、且つ前記折り返し部を囲繞してシール部材が一体成形されている。

また、金属プレートの端部には、外周全域にわたって折り返し部が設けられることが好ましい。

さらに、折り返し部は、箱状ケーシングの内面に対向し且つ該内面と平行に延在する平坦部位を有することが好ましい。

本発明では、箱状ケーシングの内面に対向する金属プレートの端部に、折り返し部が設けられるため、積層体の側部から外部荷重が付与された際、前記金属プレートの端部エッジでシール部材を損傷させることがない。これにより、セパレータの電気的絶縁性を良好に向上させることが可能になる。

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、好適には、車載用燃料電池スタックとして使用可能である。

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、四角形に構成されるエンドプレート２０ａ、２０ｂを端板として含むケーシング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。

単位セル１２の長辺方向（図３中、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、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、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３８ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔４０ｂが設けられる。

単位セル１２の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔４０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔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。

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４０ａと燃料ガス排出連通孔４０ｂとを連通し矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路４８が形成される。第１金属セパレータ３２の面３２ｂには、冷却媒体供給連通孔３８ａと冷却媒体排出連通孔３８ｂとを連通し矢印Ｂ方向に延在する冷却媒体流路５０が形成される。

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Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路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の端部には、図４に示すように、ケーシング２４の内面（後述する側板６０ａ〜６０ｄの内面）に対向する部位に、すなわち、前記端部の外周全域にわたって折り返し部５３が設けられる。折り返し部５３は、例えば、アノード側電極４４から離間する方向に屈曲するとともに、セパレータ面との間に所定の隙間Ｓを有して形成される。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（少なくとも折り返し部５３を囲繞して）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の端部には、ケーシング２４の内面（後述する側板６０ａ〜６０ｄの面）に対向する部位に、すなわち、前記端部の外周全域にわたって折り返し部５５が設けられる。折り返し部５５は、例えば、カソード側電極４６から離間する方向に屈曲するとともに、セパレータ面との間に所定の隙間Ｓを有して形成される。

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（少なくとも折り返し部５５を囲繞して）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の略中央部には、積層方向に突出する棒状の端子部５８ａ、５８ｂが形成される。端子部５８ａ、５８ｂには、例えば、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。

エンドプレート２０ａ、２０ｂの上下各辺には、それぞれ２つの第１ヒンジ部６６ａ、６６ｂが突出形成されるとともに、両側の各辺には、それぞれ２つの第１ヒンジ部６６ｃ、６６ｄが突出形成される。第１ヒンジ部６６ａ〜６６ｄには、孔６７ａ〜６７ｄが貫通形成される。

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ヒンジ部７０ａ、７０ｂが２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ヒンジ部７２ａ、７２ｂが３つずつ形成される。第２ヒンジ部７０ａ、７０ｂには、孔部７１ａ、７１ｂが形成されるとともに、第２ヒンジ部７２ａ、７２ｂには、孔部７３ａ、７３ｂが形成される。

側板６０ａ、６０ｃの各第２ヒンジ部７０ａ、７０ｂ間には、エンドプレート２０ａ、２０ｂの両側の各辺の第１ヒンジ部６６ｃ、６６ｄが配置されるとともに、これらに短尺な連結ピン６４ａが一体的に挿入される。

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

図１に示すように、側板６０ａ〜６０ｄには、短手方向両端縁部にそれぞれ複数のねじ孔７４が形成される一方、アングル部材６２ａ〜６２ｄの各辺には、前記ねじ孔７４に対応して孔部７６が形成される。各孔部７６に挿入される各ねじ７７がねじ孔７４に螺合することにより、アングル部材６２ａ〜６２ｄを介して側板６０ａ〜６０ｄ同士が固定される。これにより、ケーシング２４が構成される（図５参照）。

図１及び図５に示すように、側板６０ｂの矢印Ａ方向両端には、この側板６０ｂよりも肉厚な取り付け板部材７９が固着されるとともに、前記取り付け板部材７９には、連結ピン６４ｂを挿入するための３つの第２ヒンジ部７２ａが接合される。なお、接合強度や形状等を維持可能であれば、第２ヒンジ部７２ａを側板６０ｂに直接接合してもよい。

側板６０ａ、６０ｃ及び６０ｄは、図１に示すように、上記の側板６０ｂと同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。また、エンドプレート２０ａ、２０ｂは、必要に応じて上記の側板６０ｂと同様に構成してもよい。

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。

この燃料電池スタック１０では、先ず、図５に示すように、エンドプレート２０ａの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、燃料ガス供給連通孔４０ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔３８ａ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、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４０ａ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から外部に排出される。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４０ｂに排出されて流動し、エンドプレート２０ａ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３８ａ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３８ｂを移動してエンドプレート２０ａから排出される。

この場合、第１の実施形態では、図２及び図４に示すように、第１金属セパレータ３２の端部には、ケーシング２４の内面に対向する部位に折り返し部５３が設けられるとともに、前記折り返し部５３は、第１シール部材５４に囲繞されている。同様に、第２金属セパレータ３４の端部には、ケーシング２４の内面に対向する部位に折り返し部５５が設けられるとともに、前記折り返し部５５は、第２シール部材５６に囲繞されている。

このため、燃料電池スタック１０に積層体１４の側部から、図４中、外部荷重Ｆが付与された際、第１及び第２金属セパレータ３２、３４の端部エッジで第１及び第２シール部材５４、５６を損傷させることがない。これにより、第１及び第２金属セパレータ３２、３４の電気的絶縁性を良好に向上させることが可能になるという効果が得られる。

しかも、折り返し部５３、５５は、所定の隙間Ｓを設けている。従って、第１及び第２シール部材５４、５６が第１及び第２金属セパレータ３２、３４に一体成形される際、隙間Ｓにもシール材が充填される。これにより、第１及び第２シール部材５４、５６は、第１及び第２金属セパレータ３２、３４に確実且つ強固に固定されて抜け止めされるとともに、前記第１及び第２金属セパレータ３２、３４の剛性が有効に向上す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８０を構成する単位セル８２の要部拡大説明図である。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。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。

単位セル８２は、電解質膜・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８４、８６とを備える。第１金属セパレータ８４の端部には、ケーシング２４の内面に対向する部位に折り返し部８８が設けられるとともに、前記折り返し部８８は、第１シール部材５４に囲繞されている。第２金属セパレータ８６の端部には、ケーシング２４の内面に対向する部位に折り返し部９０が設けられるとともに、前記折り返し部９０は、第２シール部材５６に囲繞されている。

折り返し部８８、９０は、ケーシング２４の内面に対向し且つ前記内面と平行（矢印Ｍ方向）に延在する平坦部位を有する。

このように構成される第２の実施形態では、燃料電池スタック８０に積層体１４の側部から外部荷重Ｆが付与された際、第１及び第２金属セパレータ８４、８６の端部エッジで第１及び第２シール部材５４、５６を損傷させることがない等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

しかも、折り返し部８８、９０は、ケーシング２４の内面に対向し且つ前記内面と平行（矢印Ｍ方向）に延在する平坦部位を有している。従って、ケーシング２４に対向する面積が増加され、第１及び第２金属セパレータ８４、８６に作用する応力を一層良好に緩和することができる。その上、第１及び第２シール部材５４、５６の損傷も、一層確実に阻止することが可能になる。

図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１００を構成する単位セル１０２の要部拡大説明図である。

単位セル１０２は、電解質膜・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１０４、１０６とを備える。第１金属セパレータ１０４の端部には、ケーシング２４の内面に対向する部位に折り返し部１０８が設けられるとともに、前記折り返し部１０８は、第１シール部材５４に囲繞されている。第２金属セパレータ１０６の端部には、ケーシング２４の内面に対向する部位に折り返し部１１０が設けられるとともに、前記折り返し部１１０は、第２シール部材５６に囲繞されている。

折り返し部１０８、１１０は、ケーシング２４の内面に対向し且つ前記内面と平行（矢印Ｍ方向）に延在する平坦部位と、折り返し基部側に向かう屈曲部位とを有し、略三角形状に構成される。

このように構成される第３の実施形態では、燃料電池スタック１００に積層体１４の側部から荷重Ｆが付与された際、第１及び第２金属セパレータ１０４、１０６の端部エッジで第１及び第２シール部材５４、５６を損傷させることがない等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

しかも、折り返し部１０８、１１０は、ケーシング２４の内面に対向し且つ前記内面と平行（矢印Ｍ方向）に延在する平坦部位を有している。従って、ケーシング２４に対向する面積が増加される等、上記の第２の実施形態と同様の効果が得られる他、剛性の一層の向上が図られる。

本発明の第１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。 前記単位セルの要部拡大説明図である。 前記燃料電池スタックの斜視説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する単位セルの要部拡大説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成する単位セルの要部拡大説明図である。

符号の説明

１０、８０、１００…燃料電池スタック
１２、８２、１０２…単位セル １４…積層体
２０ａ、２０ｂ…エンドプレート ２４…ケーシング
３０…電解質膜・電極構造体
３２、３４、８４、８６、１０４、１０６…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
５３、５５、８８、９０、１０８、１１０…折り返し部
５４、５６…シール部材 ６０ａ〜６０ｄ…側板
６４ａ、６４ｂ…連結ピン
６６ａ〜６６ｄ、７０ａ、７０ｂ、７２ａ、７２ｂ…ヒンジ部

Claims (3)

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、セパレータとが複数積層された積層体を箱状ケーシング内に収容する燃料電池スタックであって、
   前記セパレータは、金属プレートを備えるとともに、
   前記金属プレートの端部には、前記箱状ケーシングの内面に対向する部位に折り返し部が設けられ、且つ前記折り返し部を囲繞してシール部材が一体成形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、前記金属プレートの端部には、外周全域にわたって前記折り返し部が設けられ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、前記折り返し部は、前記箱状ケーシングの前記内面に対向し且つ該内面と平行に延在する平坦部位を有することを特徴とする燃料電池スタック。

Images