JP2010003475A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】部品精度及び部品強度を向上させるとともに、廉価に製造することを可能にする。
【解決手段】ケーシング２４は、積層体１４の積層方向両端部に配置されるエンドプレート２０ａ、２０ｂと、前記積層体１４の側部に配置される複数の側板６０ａ〜６０ｄと、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂと前記側板６０ａ〜６０ｄとを連結するヒンジ機構６４とを備える。ヒンジ機構６４は、エンドプレート２０ａ、２０ｂに固着される第１ヒンジ部材６６ａ、６６ｂと、側板６０ａ〜６０ｄに固着される第２ヒンジ部材６８ａ〜６８ｄと、連結ピン７０ａ、７０ｂとを設ける。第２ヒンジ部材６８ａ〜６８ｄは、複数枚の平板７６を積層してカシメにより一体に結合されている。
【選択図】図１

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では、アノード側電極とカソード側電極との間に介装された電解質を有する接合体と、前記接合体を挟持する１対のセパレータとを備える単セルが、所定の数だけ互いに電気的に直列接続された積層体を具備している。そして、積層体の外側には、集電用電極を介してエンドプレートがそれぞれ配設されるとともに、前記積層体及び前記集電用電極は、ケースに収容されており、前記エンドプレートがヒンジ機構によって該ケースに連結されている。

特開２００２−２９８９０１号公報

上記のヒンジ機構では、エンドプレート及びケース等に、複数のヒンジ部材（筒状挿入部）が設けられており、前記ヒンジ部材に連結ピンが一体に挿入されている。この種のヒンジ部材は、一般的にプレス品で構成されている。このため、連結ピンを挿入するための孔部の真円度が得られ難く、部品精度が低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、部品精度及び部品強度を向上させるとともに、廉価に製造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。

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、前記端板と前記側板とを連結するヒンジ機構とを備えている。そして、ヒンジ機構は、端板に固着される第１ヒンジ部材と、側板に固着される第２ヒンジ部材と、前記第１及び第２ヒンジ部材に一体に挿入される連結ピンとを設けるとともに、少なくとも前記第１ヒンジ部材又は前記第２ヒンジ部材は、複数枚の平板を積層しカシメにより一体に結合して構成されている。

また、第１及び第２ヒンジ部材は、連結ピンが挿入される孔部を有するとともに、少なくとも前記第１ヒンジ部材又は前記第２ヒンジ部材は、平板に対して前記孔部の近傍に２ヶ所のカシメ処理が行われることが好ましい。

さらに、第１及び第２ヒンジ部材は、連結ピンを挿入される孔部を有するとともに、少なくとも前記第１ヒンジ部材又は前記第２ヒンジ部材は、平板に対して前記孔部を形成する壁部にカシメ処理が行われることが好ましい。

本発明では、複数枚の平板を積層してカシメにより一体に結合されるため、従来のプレス品のヒンジ部材に比べて、連結ピンが挿入される孔部の真円度を高く維持することができ、部品精度の向上が容易に図られる。

しかも、複数枚の平板は、カシメにより一体化されるため、連結ピンに荷重（せん断荷重）が付与された際、一部の平板に応力が集中することがない。これにより、複数枚の平板に応力を均等に分散させることが可能になり、ヒンジ機構に偏力が加わることを防止し、部品強度が良好に向上する。さらに、複数枚の平板を溶接又はろう付けする必要がなく、ヒンジ機構を廉価に且つ精度良く製造することができる。

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、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。なお、第１及び第２金属セパレータ３２、３４に代替して、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。

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とを連通する燃料ガス流路４８が形成される。この燃料ガス流路４８は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成される。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とを連通する冷却媒体流路５０が形成される。この冷却媒体流路５０は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成される。

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、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガス流路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、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（例えば、Ｌアングル）６２ａ〜６２ｄと、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂと前記側板６０ａ〜６０ｄとを連結するヒンジ機構６４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。

ヒンジ機構６４は、エンドプレート２０ａ、２０ｂの上下左右各辺に設けられる第１ヒンジ部材６６ａ、６６ｂと、側板６０ａ〜６０ｄの長手方向（矢印Ａ方向）両端に設けられる第２ヒンジ部材６８ａ〜６８ｄと、交互に配列される前記第１ヒンジ部材６６ａ、前記第２ヒンジ部材６８ａ間、前記第１ヒンジ部材６６ａ、前記第２ヒンジ部材６８ｃ間、前記第１ヒンジ部材６６ｂ、前記第２ヒンジ部材６８ａ間及び前記第１ヒンジ部材６６ｂ、前記第２ヒンジ部材６８ｃ間に一体に挿入される短尺な連結ピン７０ａと、交互に配列される前記第１ヒンジ部材６６ａ、前記第２ヒンジ部材６８ｂ間、前記第１ヒンジ部材６６ａ、前記第２ヒンジ部材６８ｄ間、前記第１ヒンジ部材６６ｂ、前記第２ヒンジ部材６８ｂ間及び前記第１ヒンジ部材６６ｂ、前記第２ヒンジ部材６８ｄ間に一体に挿入される長尺な連結ピン７０ｂとを設ける。

第１ヒンジ部材６６ａ、６６ｂには、ピン挿入用の第１孔部７２ａ、７２ｂが形成される一方、第２ヒンジ部材６８ａ〜６８ｄには、ピン挿入用の第２孔部７４ａ〜７４ｄが形成される。

第１ヒンジ部材６６ａ、６６ｂは、エンドプレート２０ａ、２０ｂに一体成形されるとともに、第２ヒンジ部材６８ａ〜６８ｄは、側板６０ａ〜６０ｄとは個別に構成される。第２ヒンジ部材６８ａ〜６８ｄは、同様に構成されており、以下に、例えば、前記第２ヒンジ部材６８ｂについてのみ詳細に説明する。

図５に示すように、第２ヒンジ部材６８ｂは、複数枚の金属製平板７６を積層してカシメにより一体に結合される。各平板７６は、例えば、厚さが０．２ｍｍ〜１０．０ｍｍのステンレス鋼等の金属製ブランク材をプレスで打ち抜き加工される。

平板７６の一端側には、第２孔部７４ｂが形成されるとともに、前記平板７６の他端側には、長方形状の溝部７８が形成される。平板７６は、ダボカシメ部８０を介して互いに連結されるとともに、このダボカシメ部８０は、第２孔部７４ｂの近傍に２ヶ所に設定される。各第２ヒンジ部材６８ｂは、溝部７８に取り付け板部材８２を挿入させて、種々の接合方式によって接合される。

なお、取り付け板部材８２を用いずに、第２ヒンジ部材６８ｂを側板６０ｂに直接接合してもよい。また、第１ヒンジ部材６６ａ、６６ｂは、エンドプレート２０ａ、２０ｂに一体に形成されているが、前記第１ヒンジ部材６６ａ、６６ｂは、上記の第２ヒンジ部材６８ｂと同様に構成してもよい。

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８４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８４に対応して孔部８６が形成される。各孔部８６に挿入される各ねじ８８がねじ孔８４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４参照）。

なお、アングル部材６２ａ〜６２ｄにねじ孔を形成する一方、側板６０ａ〜６０ｄに孔部を形成し、前記アングル部材６２ａ〜６２ｄを前記側板６０ａ〜６０ｄの内方に配置した状態で、これらを一体的にねじ止めしてもよい。

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。

先ず、第２ヒンジ部材６８ａ〜６８ｄを製造する作業について説明する。なお、説明の便宜上、第２ヒンジ部材６８ｂの製造方法についてのみ、以下に説明する。

各平板７６は、プレスにより打ち抜き加工されるとともに、前記平板７６には、第２孔部７４ｂに近接して２つのダボ８０ａが成形される（図６参照）。１枚の平板７６が、成形型９０に対してダボ８０ａが下方に向かうように配置される。

次いで、別の平板７６は、ダボ８０ａが成形型９０上の平板７６のダボ８０ａの反対側の凹み部に配置されるようにして、前記平板７６上に積層される。そして、上方の平板７６のダボ８０ａを、下方の平板７６の凹み部に押し込むようにして、カシメ処理が施される。これにより、２枚の平板７６は、２つのダボカシメ部８０を介して互いに一体に結合される。

同様にして、所定枚数の平板７６は、順次、成形型９０上でカシメ処理が施される。従って、所定枚数の平板７６は、ダボカシメ部８０を介して一体に結合されることにより、第２ヒンジ部材６８ｂが製造される。

第２ヒンジ部材６８ｂは、溝部７８に取り付け板部材８２が挿入されて前記取り付け板部材８２に接合されるとともに、前記取り付け板部材８２は、側板６０ｂの端部に固着される。

このように構成される第１の実施形態では、第２ヒンジ部材６８ｂが、複数枚の平板７６を積層しカシメ処理（ダボカシメ部８０）によって一体に結合されている。このため、従来のプレス品のヒンジ部材に比べて、連結ピン７０ｂが挿入される第２孔部７４ｂの真円度を高く維持することができ、部品精度の向上が容易に図られる。

しかも、複数枚の平板７６は、カシメにより一体化されている。従って、連結ピン７０ｂにせん断荷重が付与された際、一部の平板７６に、例えば、積層方向両端部の平板７６に応力が集中することがない。各平板７６同士は、ダボカシメ部８０を介して一体に結合されているからである。これにより、複数枚の平板７６に応力が均等に分散され、ヒンジ機構６４に偏力が加わることを阻止し、部品強度が良好に向上するという効果が得られる。その上、複数枚の平板７６を溶接又はろう付けする必要がなく、ヒンジ機構６４を廉価に且つ精度よく製造することができる。

さらに、平板７６同士は、２ヶ所のダボカシメ部８０により連結されている。このため、２つのダボカシメ部８０が回り止め機能を有し、平板７６同士が相対的に回転することを確実に阻止することが可能になる。

次いで、燃料電池スタック１０の動作について説明すると、図４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。

図７は、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ヒンジ機構１００の概略分解斜視説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０を構成するヒンジ機構６４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。

ヒンジ機構１００は、複数枚の平板１０２を積層し、カシメにより一体に結合される第２ヒンジ部材６８ｂを備える。平板１０２は、第２孔部７４ｂを形成する壁部にダボカシメ部１０４を設けて各平板１０２同士が一体に結合される。なお、第２ヒンジ部材６８ａ、６８ｃ及び６８ｄは、図示していないが、上記の第２ヒンジ部材６８ｂと同様に構成される。

このように構成されるヒンジ機構１００では、先ず、図８に示すように、各平板１０２がプレスにより打ち抜き加工されるとともに、第２孔部７４ｂを周回するリング状ダボ１０４ａが形成される。

次いで、平板１０２は、成形型１０６に対してダボ１０４ａが下向きになるように配置される。そして、次の平板１０２は、ダボ１０４ａが前記成形型１０６上の平板１０２の第２孔部７４ｂに対向するように、前記平板１０２上に配置される。さらに、ダボ１０４ａにカシメ処理が施されることにより、２枚の平板１０２が一体に結合される。

同様にして、所定枚数の平板１０２は、ダボ１０４ａにカシメ処理が施されることにより一体に結合される。これにより、第２ヒンジ部材６８ｂが製造される。

このように構成される第２の実施形態では、複数枚の平板１０２は、カシメにより一体化されるとともに、第２孔部７４ｂを形成する壁部にカシメ処理が施されている。このため、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる他、ダボ１０４ａにより各第２孔部７４ｂ同士の位置決めが容易に行われる。従って、第２ヒンジ部材６８ｂ全体として、第２孔部７４ｂの真円度を一層確実に高めることができるという利点がある。

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ヒンジ機構の概略分解斜視説明図である。 前記ヒンジ機構のカシメ処理の説明図である。 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ヒンジ機構の概略分解斜視説明図である。 前記ヒンジ機構のカシメ処理の説明図である。

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
５４、５６…シール部材 ６０ａ〜６０ｄ…側板
６４、１００…ヒンジ機構
６６ａ、６６ｂ、６８ａ〜６８ｄ…ヒンジ部材
７０ａ、７０ｂ…連結ピン ７６、１０２…平板
７８…溝部 ８０、１０４…ダボカシメ部
８０ａ、１０４ａ…ダボ ８２…取り付け板部材

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、
   前記ケーシングは、前記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、
   前記端板と前記側板とを連結するヒンジ機構と、
   を備え、
   前記ヒンジ機構は、前記端板に固着される第１ヒンジ部材と、
   前記側板に固着される第２ヒンジ部材と、
   前記第１及び第２ヒンジ部材に一体に挿入される連結ピンと、
   を設けるとともに、
   少なくとも前記第１ヒンジ部材又は前記第２ヒンジ部材は、複数枚の平板を積層しカシメにより一体に結合して構成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、前記第１及び第２ヒンジ部材は、前記連結ピンが挿入される孔部を有するとともに、
   少なくとも前記第１ヒンジ部材又は前記第２ヒンジ部材は、前記平板に対して前記孔部の近傍に２ヶ所のカシメ処理が行われることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１及び第２ヒンジ部材は、前記連結ピンを挿入される孔部を有するとともに、
   少なくとも前記第１ヒンジ部材又は前記第２ヒンジ部材は、前記平板に対して前記孔部を形成する壁部にカシメ処理が行われることを特徴とする燃料電池スタック。

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