JP2010003626A

JP2010003626A - 燃料電池スタック

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Publication number: JP2010003626A
Application number: JP2008163259A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Nishiyama; 忠志西山; Ryoichi Yoshitomi; 亮一吉冨
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-06-23
Filing date: 2008-06-23
Publication date: 2010-01-07
Anticipated expiration: 2028-06-23
Also published as: JP5207847B2

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、異種金属で構成される端板と側板とを、確実に等電位に維持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とを連結するとともに、少なくとも表面に電気絶縁処理が施された連結ピン６４ａ、６４ｂとを備える。エンドプレート２０ａと側板６０ａとは、異なる金属材料で形成され、連結バスバー９６を介して電気的に結合される。
【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。

この場合、燃料電池の発電時に、金属の表面等における電位差に起因して電流が流れ、燃料電池構成部品の一部に腐食が発生するという問題がある。そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池システムでは、セパレータに、燃料電池が複数積層されたときに積層方向に連なる流体流路が形成されているとともに、該流体流路に連通する部分には、発電時における燃料電池積層体のうち最も高電位のセパレータの電位より少なくとも一部が高い電位となっている高電位部材が設けられている。

これにより、高電位部材からセパレータに電流が流れ、分極効果によってセパレータの電位が低くなり、腐食電流を消滅させることができ、燃料電池の構成部品（特にセパレータ）の腐食を効果的に抑制することが可能である、としている。

特開２００８−１６２１６号公報

ところで、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、複数の燃料電池が積層された積層体の積層方向両端にエンドプレートが配設されるとともに、ボックス状のケーシング内に収容される場合がある。

その際、ケーシングを構成するサイドパネル（側板）は、薄板化を図るために、例えば、ステンレス鋼板（ＳＵＳ材）が使用される一方、端板であるエンドプレートは、軽量化を図るために、例えば、アルミニウム板が使用されている。

従って、異種金属であるサイドパネルとエンドプレートとが接触することにより、電位差が発生するため、前記サイドパネルと前記エンドプレートとを連結する連結ピン（連結部材）に腐食電流が流れるという問題がある。このため、連結ピンの表面に絶縁処理を施しているが、これにより、サイドパネルとエンドプレートとの間には、電位差が存在してしまう。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、異種金属で構成される端板と側板とを、確実に等電位に維持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金属製の端板と、前記積層体の側部に配置されるとともに、前記端板とは異なる金属材料で形成される側板と、前記端板と前記側板とを連結するとともに、少なくとも表面が電気絶縁性を有する連結部材とを備え、前記端板と前記側板とは、導電部材を介して電気的に結合されている。

また、少なくとも１つの側板は、互いに離間して配置される一対のプレート部材を有し、前記プレート部材同士は、導電部材を介して電気的に結合されることが好ましい。

本発明では、端板と側板とが、導電部材を介して電気的に結合されるため、簡単且つ経済的な構成で、異種金属で構成される前記端板と前記側板とを、確実に等電位に維持することが可能になる。従って、例えば、端板が電食されて損傷することを確実に阻止することができ、燃料電池スタック全体の耐久性が良好に向上する。

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。この燃料電池スタック１０は、例えば、燃料電池車両に搭載される車載型燃料電池スタックとして使用される。

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。エンドプレート２０ａ、２０ｂは、例えば、アルミニウム合金やマグネシウム等を鋳造又は機械加工することにより形成される。

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丸棒状の連結ピン（連結部材）６４ａ、６４ｂとを備える。

側板６０ａ〜６０ｄは、エンドプレート２０ａ、２０ｂとは異なる金属材料、例えば、ステンレス鋼板（ＳＵＳ材）で形成される。側板６０ａ〜６０ｄは、アングル部材６２ａ〜６２ｄ及びボルト６７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）。連結ピン６４ａ、６４ｂは、少なくとも表面に電着塗装等による電気絶縁処理が施されている。

図１に示すように、エンドプレート２０ａ、２０ｂの上下左右各辺には、それぞれ第１支持部６６ａ、６６ｂ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が形成される。

図１及び図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６６ａ、６６ｂ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に示すように、燃料電池スタック１０のエンドプレート２０ａには、加湿器８２が固定される。加湿器８２のハウジング８４は、例えば、鋳造成形されており、エンドプレート２０ａに接するフランジ部８６に複数のボルト８８が挿入される。ボルト８８がエンドプレート２０ａに螺合することにより、加湿器８２が前記エンドプレート２０ａに直接固定される。

加湿器８２内には、第１及び第２加湿部９０ａ、９０ｂが上下に配列して収容される。第１加湿部９０ａ及び第２加湿部９０ｂは、空気供給配管９２と加湿空気供給配管９４とに接続される。第１加湿部９０ａ及び第２加湿部９０ｂは、例えば、中空糸膜型加湿構造を採用することができる。

空気供給配管９２は、図示しない空気供給用ポンプに接続されるとともに、加湿空気供給配管９４は、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス入口７６ａに接続される。

燃料電池スタック１０と加湿器８２とには、使用済みの生成水を含んだ酸化剤ガス（以下、オフガスという）を加湿流体として供給するためのオフガス供給配管９５が接続される。オフガス供給配管９５は、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス出口７６ｂに接続される。

エンドプレート２０ａと側板６０ａとは、導電率の高い金属材料等を用いた連結バスバー（導電部材）９６を介して電気的に結合される。連結バスバー９６は、エンドプレート２０ａにボルト９８を介して固定される一端部９６ａを備え、この一端部９６ａから９０゜屈曲した後、側板６０ａにボルト９８を介して固定される他端部９６ｂが設けられる。側板６０ａ、連結バスバー９６、エンドプレート２０ａ、加湿器８２のハウジング８４及び車体フレーム１００に連なる導通経路が形成される。

なお、エンドプレート２０ａと側板６０ａとに表面処理がなされている場合には、表面被覆を剥がすことにより、連結バスバー９６と確実に電気的接触状態を保つことが好ましい。また、側板６０ａに代えて、側板６０ｃとエンドプレート２０ａとを連結バスバー９６により結合してもよい。

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、図４に示すように、空気用ポンプ（図示せず）が駆動され、酸化剤ガスである外部空気が吸引されて空気供給配管９２に導入される。この空気は、空気供給配管９２から加湿器８２内に導入され、第１及び第２加湿部９０ａ、９０ｂを通って加湿空気供給配管９４に供給される。

その際、加湿器８２には、後述するように、反応に使用された酸化剤ガスであるオフガスが、オフガス供給配管９５から供給されている。このため、使用前の空気には、加湿器８２の水透過膜（図示せず）を介してオフガス中に含まれる水分が移動し、この使用前の空気が加湿される。加湿された空気は、加湿空気供給配管９４からエンドプレート２０ａの酸化剤ガス入口７６ａに供給される。

一方、図１に示すように、エンドプレート２０ａの燃料ガス入口７８ａには、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には、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、オフガスとしてエンドプレート２０ａからオフガス供給配管９５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から燃料ガス循環供給系（図示せず）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、第１の実施形態では、図４に示すように、エンドプレート２０ａと側板６０ａとは、連結バスバー９６を介して電気的に結合されている。そして、側板６０ａ、連結バスバー９６、エンドプレート２０ａ、加湿器８２のハウジング８４及び車体フレーム１００に連なる導通経路が形成されている。このため、燃料電池スタック１０の発電時に、異種金属であるエンドプレート２０ａと側板６０ａとが接触することにより電位差が発生することを、良好に阻止することができる。

これにより、簡単且つ経済的な構成で、エンドプレート２０ａと側板６０ａとを、確実に等電位に維持することが可能になる。従って、例えば、側板６０ａが電食されて損傷することを確実に阻止することができ、燃料電池スタック１０全体の耐久性が良好に向上するという効果が得られる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１１０の斜視説明図である。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１１０を構成するケーシング１１２は、少なくとも側板６０ａ又は側板６０ｃに代えて側板１１４を備える。側板１１４は、上下（矢印Ｃ方向）に２分割されて互いに距離ｈだけ離間して配置される一対のプレート部１１４ａ、１１４ｂを有する。プレート部１１４ａ、１１４ｂ間には、各単位セル１２毎に、あるいは複数の単位セル１２毎（例えば、２つの単位セル１２毎）に設けられるセル電圧端子（図示せず）に接続されるコネクタ１１６が配置される。

プレート部１１４ａ、１１４ｂは、例えば、ステンレス鋼板で形成され、エンドプレート２０ａと前記プレート部１１４ａとは、連結バスバー（導電部材）９６を介して電気的に結合される。プレート部１１４ａ、１１４ｂ間は、連結バスバー１１８を介して電気的に結合される。この連結バスバー１１８の両端は、例えば、ボルト６７を介してプレート部１１４ａ、１１４ｂに連結される。

このように構成される第２の実施形態では、互いに距離ｈだけ離端して配置される一対のプレート部１１４ａ、１１４ｂが、連結バスバー１１８を介して電気的に結合されている。このため、プレート部１１４ａ、１１４ｂ間に電位差が発生することがなく、しかも側板１１４とエンドプレート２０ａとを、確実に等電位に維持することが可能になる。これにより、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１２０の斜視説明図である。なお、第２の実施形態に係る燃料電池スタック１１０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。

側板１１４を構成するプレート部１１４ａ、１１４ｂ間は、アースケーブル１２２を介して電気的に結合される。アースケーブル１２２の両端は、ボルト６７を介してプレート部１１４ａ、１１４ｂに連結されるとともに、固定部材１２４を介して前記プレート部１１４ａ、１１４ｂに保持される。

このように構成される第３の実施形態では、上記の第２の実施形態と同様の効果が得られる。

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。前記燃料電池スタックの一部斜視説明図である。本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視説明図である。本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視説明図である。

符号の説明

１０、１１０、１２０…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、１１２…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、１１４…側板
６４ａ、６４ｂ…連結ピン８２…加湿器
９６、１１８…連結バスバー１１４ａ、１１４ｂ…プレート部
１２２…アースケーブル

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金属製の端板と、
前記積層体の側部に配置されるとともに、前記端板とは異なる金属材料で形成される側板と、
前記端板と前記側板とを連結するとともに、少なくとも表面が電気絶縁性を有する連結部材と、
を備え、
前記端板と前記側板とは、導電部材を介して電気的に結合され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、少なくとも１つの前記側板は、互いに離間して配置される一対のプレート部材を有し、
前記プレート部材同士は、導電部材を介して電気的に結合されることを特徴とする燃料電池スタック。