JP2010257609A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、外部荷重等を確実に受けることができ、変形や締め付け荷重の抜け等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は、複数の燃料電池１２が積層されるとともに、積層方向両端には、エンドプレート１８ａ、１８ｂが配設される。燃料電池スタック１０は、一対のエンドプレート１８ａ、１８ｂ間に架け渡されて一対の前記エンドプレート１８ａ、１８ｂ同士を一体に保持する複数の連結部材５０と、前記連結部材５０同士を互いに結合するための複数の結合部材８０ａ、８０ｂとを備える。結合部材８０ａは、燃料電池スタック１０の長辺側に２本ずつ配設される連結部材５０間を結合するために長尺板状部材を構成する一方、結合部材８０ｂは、前記燃料電池スタック１０の短辺側と前記長辺側とに配設される連結部材５０間を結合するためにＬ字状に屈曲する板状部材を構成する。
【選択図】図１

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る燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層されるとともに、積層方向両端には、エンドプレートが設けら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（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。

この種の燃料電池スタックでは、所望の発電性能を得るとともに、シール機能を発揮させるために、積層方向に対して所望の締め付け荷重を付与する必要がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池では、図９に示すように、セパレータ１と、電極ユニット２とが所定数だけ積層された積層体の両端部に、プレッシャプレート３ａ、３ｂが配設されている。プレッシャプレート３ａ、３ｂの各角部には、断面Ｌ字形状の保持部材４が配設されるとともに、前記保持部材４は、ねじ５を介して前記プレッシャプレート３ａ、３ｂに締結されている。

すなわち、プレッシャプレート３ａ、３ｂ間に固定された４本の保持部材４を介して、セパレータ１及び電極ユニット２に積層方向への締め付け荷重が付与されるように構成されている。

特開２０００−４８８５０号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、各保持部材４とプレッシャプレート３ａ、３ｂとは、前記プレッシャプレート３ａ、３ｂの側部に形成されたねじ孔（図示せず）に、前記保持部材４を貫通してねじ込まれるねじ５によって締結されているだけである。

従って、燃料電池に外部から荷重が付与されると、スタック外形が変形し易い。このため、積層方向の締め付け荷重を維持することができず、荷重抜けが惹起するという問題がある。

しかも、燃料電池にねじれ方向に外力が付与される際には、ねじれ剛性が低く、前記燃料電池にねじれが惹起し易い。これにより、特に車載用燃料電池として使用される場合、走行振動や外部からの衝撃等に対する保持剛性を確保することができな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、簡単な構成で、外部荷重等を確実に受けることができ、変形や締め付け荷重の抜け等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、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る燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層されるとともに、積層方向両端には、エンドプレートが設けられる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、一対のエンドプレート間に架け渡されて一対の前記エンドプレート同士を一体に保持する複数の連結部材と、前記連結部材同士を互いに結合するための結合部材とを備えている。

また、結合部材は、連結部材間に固定される板状部材で構成されることが好ましい。

さらに、結合部材は、連結部材間に固定されるブレース部材で構成されることが好ましい。

さらにまた、燃料電池は、積層方向に連通して、それぞれ反応ガス又は冷却媒体を流す複数の流体連通孔を設けるとともに、連結部材とエンドプレートの側面との連結部位は、前記流体連通孔からオフセットした位置に設けられることが好ましい。

本発明によれば、複数の連結部材を介して一対のエンドプレート同士が一体に保持されており、簡単な構成で、所望の締め付け力を確実に付与することが可能になる。しかも、連結部材同士は、結合部材を介して互いに結合されている。このため、特に締め付け荷重の支持方向以外の方向の外力に対し、燃料電池を確実に保護するとともに、前記燃料電池が変形することを良好に阻止することが可能になる。

本発明の第１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発電セルの要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する保持機構及び固定機構の一方からの分解斜視説明図である。 前記保持機構及び固定機構の他方から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の他の構成の概略斜視説明図である。 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保持機構及び固定機構の分解斜視説明図である。 特許文献１に係る燃料電池の斜視説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１２が矢印Ａ方向（鉛直方向）又は矢印Ｂ方向（水平方向）に積層されるとともに、前記燃料電池１２の積層方向両端には、ターミナルプレート１４ａ、１４ｂ、絶縁プレート１６ａ、１６ｂ及びエンドプレート１８ａ、１８ｂが配設される。

図２に示すように、燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体２０が、第１及び第２セパレータ２２、２４に挟持される。第１及び第２セパレータ２２、２４は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等の金属セパレータやカーボンセパレータにより構成される。

燃料電池１２の矢印Ｂ方向（図２中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印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入口連通孔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入口連通孔２８ａが、矢印Ｃ方向（水平方向）に配列して設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２６ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｃ方向の両端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３０ａ、及び前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３０ｂが設けられる。

第１セパレータ（カソード側セパレータ）２２の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２２ａには、酸化剤ガス入口連通孔２６ａと酸化剤ガス出口連通孔２６ｂとに連通する酸化剤ガス流路３２が設けられる。

第２セパレータ（アノード側セパレータ）２４の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２４ａには、燃料ガス入口連通孔２８ａと燃料ガス出口連通孔２８ｂとに連通する燃料ガス流路３４が設けられる。

互いに隣接する燃料電池１２を構成する第１セパレータ２２の面２２ｂと、第２セパレータ２４の面２４ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３０ａと冷却媒体出口連通孔３０ｂとを連通する冷却媒体流路３６が設けられる。

第１セパレータ２２の面２２ａ、２２ｂには、第１シール部材３８が、一体的又は個別に設けられるとともに、第２セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、第２シール部材４０が、一体的に又は個別に設けられる。

第１及び第２シール部材３８、４０は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。

電解質膜・電極構造体２０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を挟持するカソード側電極４４及びアノード側電極４６とを備える。

カソード側電極４４及びアノード側電極４６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、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の両面に形成されている。

図１に示すように、例えば、アルミニウム製のエンドプレート１８ａ、１８ｂ間には、複数本の連結部材５０が架け渡される。連結部材５０は、例えば、アルミニウム製の長尺な板状を有し、燃料電池スタック１０の長辺側に２本ずつで、且つ、前記燃料電池スタック１０の短辺側に１本ずつ配設される。

連結部材５０の配置位置は、長辺側では、冷却媒体入口連通孔３０ａ及び冷却媒体出口連通孔３０ｂから離間した位置（オフセットした位置）に設定される一方、短辺側では、酸化剤ガス入口連通孔２６ａと燃料ガス入口連通孔２８ａとの間及び酸化剤ガス出口連通孔２６ｂと燃料ガス出口連通孔２８ｂとの間（オフセットした位置）に設定される。

燃料電池スタック１０は、エンドプレート１８ａ、１８ｂの側面５１ａ、５１ｂと連結部材５０とに設けられ、締め付け方向（矢印Ａ方向）に張力を付与するための保持機構５２と、前記エンドプレート１８ａ、１８ｂの側面５１ａ、５１ｂと前記連結部材５０とを、互いに固定させるための固定機構５４とを備える。

図３及び図４に示すように、保持機構５２は、エンドプレート１８ａ、１８ｂの側面５１ａ、５１ｂに形成される第１孔部５６ａと、連結部材５０の上下両端部にそれぞれ２つずつ形成される第２孔部５６ｂと、前記第１及び第２孔部５６ａ、５６ｂに一体的に挿入されるピン部材５８とを備える。ピン部材５８は、例えば、鉄系材料で構成される。

第１及び第２孔部５６ａ、５６ｂには、例えば、鉄系材料で構成される補強リング６０ａ、６０ｂが圧入され、前記補強リング６０ａ、６０ｂ内にピン部材５８が一体に挿入される。

固定機構５４は、エンドプレート１８ａ、１８ｂの側面５１ａ、５１ｂに第１孔部５６ａの両側に位置して設けられるねじ孔６２と、前記ねじ孔６２に締結されるねじ６４とを備える。

連結部材５０には、ねじ孔６２に対応して一対の孔部６６が形成される。この連結部材５０の表面側には、ピンカバー６８が配設され、前記ピンカバー６８に形成された一対の孔部７０にねじ６４が挿入されるとともに、このねじ６４は、孔部６６を通ってねじ孔６２に締め付けられる。

連結部材５０には、第２孔部５６ｂの両端開口を周回してシール溝７２ａ、７２ｂが形成され、前記シール溝７２ａ、７２ｂにそれぞれＯリング７４が装着される。連結部材５０の裏面側、すなわち、エンドプレート１８ａ、１８ｂの側面５１ａ、５１ｂ側には、肉厚部７６が形成され、この肉厚部７６が前記エンドプレート１８ａ、１８ｂの側面５１ａ、５１ｂに当接する。

図１に示すように、連結部材５０同士は、結合部材８０ａ、８０ｂを介して互いに結合される。結合部材８０ａ、８０ｂは、例えば、連結部材５０と同一材料であるアルミニウムで構成されるが、その他、連結による電位差腐食が発生しない材料であれば、種々の材料により構成することができる。

結合部材８０ａは、燃料電池スタック１０の長辺側に２本ずつ配設される連結部材５０間を結合するために長尺板状部材を構成する一方、結合部材８０ｂは、前記燃料電池スタック１０の短辺側と前記長辺側とに配設される連結部材５０間を結合するためにＬ字状に屈曲する板状部材を構成する。

各連結部材５０には、矢印Ａ方向に沿って２列に複数のねじ孔８２が形成されるとともに、結合部材８０ａ、８０ｂの各両端部には、前記ねじ孔８２に対応して孔部８４が２つずつ形成される。孔部８４に挿入されるねじ８６が、ねじ孔８２に螺合されることにより、結合部材８０ａ、８０ｂが連結部材５０に固定される。なお、結合部材８０ａ、８０ｂは、一体に構成されてもよい。

エンドプレート１８ａには、酸化剤ガス入口連通孔２６ａ、燃料ガス入口連通孔２８ａ、冷却媒体入口連通孔３０ａ、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂ、燃料ガス出口連通孔２８ｂ及び冷却媒体出口連通孔３０ｂに連通し、外部に延在するマニホールド（図示せず）が設けられる一方、エンドプレート１８ｂは、閉塞された平板状に構成される。

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。

先ず、図２に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３０ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２６ａから第１セパレータ２２の酸化剤ガス流路３２に導入される。酸化剤ガスは、矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２０を構成するカソード側電極４４に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２８ａから第２セパレータ２４の燃料ガス流路３４に導入される。この燃料ガスは、矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２０を構成するアノード側電極４６に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体２０では、カソード側電極４４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４６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４４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、アノード側電極４６に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔２８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔３０ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２セパレータ２２、２４間の冷却媒体流路３６に導入された後、矢印Ｃ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３０ｂから排出される。

この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０は、一対のエンドプレート１８ａ、１８ｂ間に複数の連結部材５０が架け渡されて前記エンドプレート１８ａ、１８ｂ同士が一体に保持されている。このため、連結部材５０とエンドプレート１８ａ、１８ｂとには、互いに締め付け方向に張力が付与されるとともに、前記連結部材５０と前記エンドプレート１８ａ、１８ｂとの締結力が維持されている。従って、簡単な構成で、所望の締め付け力を確実に付与することが可能になる。

しかも、連結部材５０同士は、結合部材８０ａ、８０ｂを介して互いに結合されている。これにより、特に締め付け荷重の支持方向以外の方向の外力（倒れやねじれ等）に対し、燃料電池１２を確実に保護するとともに、前記燃料電池１２が変形することを阻止することが可能にな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。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。

燃料電池スタック９０は、連結部材５０同士を連結するために結合部材９２を備える。結合部材９２は、ブレース（筋交い）構造を有しており、上下一対の平板状部９２ａと互いに公差する板状筋交い部９２ｂとを一体に設ける。

結合部材９２の四隅には、孔部９４が形成される一方、燃料電池スタック９０の長辺側に２本ずつ配設される連結部材５０には、前記孔部９４に対応するねじ孔９６が形成される。結合部材９２の孔部９４に挿入されるねじ９８が、ねじ孔９６に螺合することにより、前記結合部材９２が一対の連結部材５０に固定される。

このように構成される第２の実施形態では、ブレース構造を有する結合部材９２により、一対の連結部材５０同士を互いに結合している。従って、締め付け荷重の支持方向以外の方向の外力（倒れやねじれ等）に対し、燃料電池１２を確実に保護することができる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第２の実施形態では、結合部材９２のみを用いているが、例えば、図６に示すように、前記結合部材９２と複数の結合部材８０ｂとを併用することも可能である。また、結合部材９２は、２本の板状筋交い部９２ｂを用いているが、１本であってもよく、さらに、ブレース構造の他、トラス構造等を採用してもよい。

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の概略斜視説明図である。

燃料電池スタック１００は、一対のエンドプレート１８ａ、１８ｂ間に架け渡される連結部材１０２と、前記エンドプレート１８ａ、１８ｂの側面５１ａ、５１ｂと前記連結部材１０２とに設けられ、互いに締め付け方向に張力を付与するための保持機構１０４と、前記エンドプレート１８ａ、１８ｂの側面５１ａ、５１ｂと前記連結部材１０２とを、互いに固定させるための固定機構１０６と、前記連結部材１０２同士を互いに結合させる結合部材８０ａ、８０ｂ（及び／又は結合部材９２）とを備える。

連結部材１０２は、連結部材５０と同様に、長辺側に２本で、且つ、短辺側に１本ずつ配設されるとともに、それぞれ酸化剤ガス入口連通孔２６ａ、燃料ガス入口連通孔２８ａ、冷却媒体入口連通孔３０ａ、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂ、燃料ガス出口連通孔２８ｂ及び冷却媒体出口連通孔３０ｂからオフセットした位置に設けられる。

図８に示すように、保持機構１０４は、エンドプレート１８ａ、１８ｂの側面５１ａ、５１ｂに設けられる突起部１０８と、連結部材１０２の両端に設けられ、前記連結部材１０２の幅方向外方に突出して前記突起部１０８に係合する突出部１１０とを備える。

突起部１０８は、エンドプレート１８ａ、１８ｂの側面５１ａ、５１ｂから所定の長さにわたって外方に突出するとともに、両端部に膨出する係止部１０８ａを設ける。突出部１１０は、突起部１０８を跨いで積層方向外方に配置されるとともに、前記突起部１０８と前記突出部１１０との間には、前記積層方向の寸法調整を行うためのスペーサ部材１１２が介装される。

突出部１１０には、エンドプレート１８ａ、１８ｂの側面５１ａ、５１ｂ側に突出する段部形状を形成することにより突起部１０８に当接する引っ掛け部１１４が設けられる。

固定機構１０６は、エンドプレート１８ａ、１８ｂの側面５１ａ、５１ｂに形成されるねじ孔１１６と、連結部材１０２の突出部１１０に形成される孔部１１８と、前記孔部１１８に挿入されて前記ねじ孔１１６に螺合するねじ１２０とを備える。突出部１１０には、ねじ１２０を配置するための凹部１２２が設けられる。

このように構成される第３の実施形態では、連結部材１０２の長尺方向両端に設けられている突出部１１０が、エンドプレート１８ａ、１８ｂに設けられている突起部１０８を跨いで取り付けられている。従って、突起部１０８と突出部１１０とは、互いに圧着し、燃料電池スタック１００に対して締め付け方向に張力が付与されている。さらに、第３の実施形態では、連結部材１０２同士が結合部材８０ａ、８０ｂ（及び／又は、結合部材９２）を介して一体に結合されており、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。

１０、９０、１００…燃料電池スタック １２…燃料電池
１８ａ、１８ｂ…エンドプレート ２０…電解質膜・電極構造体
２２、２４…セパレータ ２６ａ…酸化剤ガス入口連通孔
２６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ２８ａ…燃料ガス入口連通孔
２８ｂ…燃料ガス出口連通孔 ３０ａ…冷却媒体入口連通孔
３０ｂ…冷却媒体出口連通孔 ３２…酸化剤ガス流路
３４…燃料ガス流路 ３６…冷却媒体流路
４２…固体高分子電解質膜 ４４…カソード側電極
４６…アノード側電極 ５０、１０２…連結部材
５２、１０４…保持機構 ５４、１０６…固定機構
５６ａ、５６ｂ、６６、７０、８４、９４、１１８…孔部
５８…ピン部材 ６０ａ、６０ｂ…補強リング
６２、８２、９６、１１６…ねじ孔 ６４、８６、９８、１２０…ねじ
７４…Ｏリング ８０ａ、８０ｂ、９２…結合部材
１０８…突起部 １１０…突出部
１２２…凹部

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る燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層されるとともに、積層方向両端には、エンドプレートが設けられる燃料電池スタックであって、
   一対の前記エンドプレート間に架け渡されて一対の前記エンドプレート同士を一体に保持する複数の連結部材と、
   前記連結部材同士を互いに結合するための結合部材と、
   を備え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、前記結合部材は、前記連結部材間に固定される板状部材で構成さ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、前記結合部材は、前記連結部材間に固定されるブレース部材で構成されることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池は、前記積層方向に連通してそれぞれ反応ガス又は冷却媒体を流す複数の流体連通孔を設けるとともに、
   前記連結部材と前記エンドプレートの側面との連結部位は、前記流体連通孔からオフセットした位置に設けられることを特徴とする燃料電池スタック。

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