JP2011175808A

JP2011175808A - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP2011175808A
Application number: JP2010038062A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Machida; 淳町田; Takeshi Morimoto; 剛森本
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-02-24
Filing date: 2010-02-24
Publication date: 2011-09-08
Anticipated expiration: 2030-02-24
Also published as: JP5574746B2

Abstract

【課題】簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池の積層方向に最適な締め付け荷重を確実に付与するとともに、外部からの荷重負荷から燃料電池を有効に保護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が積層される積層体１４と、前記積層体１４が収容される筐体８２を備える。筐体８２は、第１エンドプレート２０ａ側の一端８２ａに、内方に折り曲げられて前記第１エンドプレート２０ａに係合し、該第１エンドプレート２０ａを前記積層体１４側に押圧する折り曲げ部８４を設ける。筐体８２は、第２エンドプレート２０ｂ側の他端８２ｂに、前記第２エンドプレート２０ｂと結合される結合部８８を設ける。
【選択図】図２

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た積層体の積層方向両端には、第１及び第２エンドプレートが配設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）が、セパレータによって挟持された単位セルを備えている。この燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを積層することにより、例えば、車載用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、積層方向に対して良好な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に開示された燃料電池では、図８に示すように、スタックケース１内に燃料電池スタック２が収容されている。燃料電池スタック２は、複数のセル３が積層されたセル積層体３ａを設けるとともに、前記セル積層体３ａの積層方向両端には、エンドプレート４、５が配設されている。エンドプレート４、５同士は、テンションプレート６により連結されている。

エンドプレート５は、エンドプレート本体５ａを有し、このエンドプレート本体５ａには、ストッパ７が配設されている。ストッパ７には、荷重調整ネジ８が螺合しており、前記荷重調整ネジ８は、スプリングボックス９を介してセル積層体３ａを積層方向に押圧している。

特開２００７−１７３１６９号公報

上記の特許文献１では、燃料電池スタック２の積層方向の荷重を支持するためにエンドプレート４、５間に連結されたテンションプレート６が必要になっている。しかも、車体に搭載する際の被水や塵埃対策、及び耐衝撃性等の観点から、燃料電池スタック２を覆うスタックケース１が、別途必要になっている。

このため、燃料電池は、それぞれの機能を満たすための多数の専用部品が必要になり、部品数が増加してしまう。これにより、燃料電池全体の重量及びコストが増加するとともに、組み立て作業が煩雑化して効率的な組み立て作業が遂行され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、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池の積層方向に最適な締め付け荷重を確実に付与するとともに、外部からの荷重負荷から燃料電池を有効に保護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た積層体の積層方向両端には、第１及び第２エンドプレートが配設さ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、積層体が収容される筐体を備え、前記筐体は、第１エンドプレート側の一端に、内方に折り曲げられて前記第１エンドプレートに係合し、該第１エンドプレートを前記積層体側に押圧する折り曲げ部を設ける一方、第２エンドプレート側の他端に、前記第２エンドプレートと結合される結合部を設けている。

また、結合部は、筐体と第２エンドプレートとをねじ止めする複数のボルトを備えることが好ましい。

さらに、この燃料電池スタックは、第１エンドプレートと積層体との間には、複数の荷重センサが連結部材に一体に連結された荷重測定機構が配設されるとともに、前記第１エンドプレートには、前記荷重測定機構を前記積層体に向かって押圧することにより、前記複数の荷重センサを介して前記積層体に締結荷重を付与するための加圧機構が設けられることが好ましい。

さらにまた、この燃料電池スタックは、積層体の積層方向が垂直方向であることが好ましい。

本発明によれば、燃料電池を外部負荷等の外部環境から保護する筐体は、積層体に積層方向の荷重を付与する機能をも有することができる。このため、各機能毎に専用部品を設ける場合に比べ、部品数が良好に削減される。これにより、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池の積層方向に最適な締め付け荷重を確実に付与するとともに、外部からの荷重負荷から前記燃料電池を有効に保護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の断面側面図である。前記燃料電池スタックの要部分解斜視説明図である。前記燃料電池スタックの、図３中、IＶ−ＩＶ線断面図である。前記燃料電池スタックを構成する燃料電池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筐体の断面説明図である。本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの要部断面説明図である。特許文献１の燃料電池の説明図である。

図１及び図２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（垂直方向）に積層された積層体１４を備える。

積層体１４の積層方向上端（一端）には、第１ターミナルプレート１６ａ、第１絶縁プレート１８ａ、荷重測定機構２２及び第１エンドプレート２０ａが積層されるとともに、前記第１エンドプレート２０ａには、加圧機構２４が設けられる（図１〜図４参照）。

積層体１４の積層方向下端（他端）には、第２ターミナルプレート１６ｂ、第２絶縁プレート１８ｂ及び第２エンドプレート２０ｂが積層される。なお、積層体１４は、複数の燃料電池１２を水平方向（矢印Ｂ方向又は矢印Ｃ方向）に積層して構成してもよい。

図５に示すように、燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体３０が、第１及び第２セパレータ３２、３４に挟持される。第１及び第２セパレータ３２、３４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をプレス成形した弾性を有する波板構造の金属セパレータやカーボンセパレータ等により構成される。

燃料電池１２の矢印Ｂ方向（図５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入口連通孔３８ａ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３８ｂ、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３６ｂ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４０ａ、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４０ｂが設けられる。

第１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、酸化剤ガス入口連通孔３６ａと酸化剤ガス出口連通孔３６ｂとに連通する酸化剤ガス流路４２が設けられる。

第２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、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス出口連通孔３８ｂとに連通する燃料ガス流路４４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３２の面３２ｂと、第２セパレータ３４の面３４ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔４０ａと冷却媒体出口連通孔４０ｂとを連通する冷却媒体流路４６が設けられる。

第１セパレータ３２の面３２ａ、３２ｂには、第１シール部材４８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３４の面３４ａ、３４ｂには、第２シール部材５０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４８、５０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５２と、前記固体高分子電解質膜５２を挟持するカソード側電極５４及びアノード側電極５６とを備える。

カソード側電極５４及びアノード側電極５６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５２の両面に形成されている。

第２エンドプレート２０ｂには、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ、燃料ガス入口連通孔３８ａ、冷却媒体入口連通孔４０ａ、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ及び冷却媒体出口連通孔４０ｂ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、第１エンドプレート２０ａは、これら及びシール部材を削除した平板状に構成される。

図３及び図４に示すように、荷重測定機構２２は、第１絶縁プレート１８ａに載置される加圧板６４を備え、前記加圧板６４には、例えば、四隅近傍にそれぞれ矩形状の凹部６６が形成される。荷重測定機構２２は、枠形状の連結部材６８と、前記連結部材６８の四隅にナット７０を介して固定される荷重センサ、例えば、ロードセル７２とを備える。

連結部材６８には、各ロードセル７２の近傍に底面が球面を有する球面状凹部７４が設けられる。各ロードセル７２には、押圧部材７６が装着されるとともに、前記押圧部材７６は、加圧板６４の各凹部６６に配置される。

加圧機構２４は、複数、例えば、４つの荷重調整ボルト７８を備える。各荷重調整ボルト７８は、第１エンドプレート２０ａに形成されたねじ孔８０にねじ込まれるとともに、各々の球面状先端部７８ａは、連結部材６８の各球面状凹部７４に配置される。各荷重調整ボルト７８の中心と、各ロードセル７２の中心とは、互いに位置がずれている。なお、荷重調整ボルト７８を有するため、積層方向端部にバネ部材が不要になる。

図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１０は、積層体１４が収容される筐体８２を備える。筐体８２は、例えば、アルミニウム材で形成され、略角筒形状を有するとともに、第１エンドプレート２０ａ側の一端８２ａに、内方に折り曲げられて折り曲げ部８４が設けられる。折り曲げ部８４は、第１エンドプレート２０ａの外周縁部にパッキン８６ａを介装して係合し、前記第１エンドプレート２０ａを積層体１４側に押圧する締め付け荷重付与機能を有する。

筐体８２は、第２エンドプレート２０ｂ側の他端８２ｂは、全周にわたって外側に延在するフランジを構成して筐体剛性を確保しており、前記他端８２ｂに、前記第２エンドプレート２０ｂと結合される結合部８８を設けている。結合部８８は、他端８２ｂと第２エンドプレート２０ｂとをねじ止めする複数のボルト９０を備える。なお、他端８２ｂに孔部を設ける一方、第２エンドプレート２０ｂにねじ孔を形成してもよい。

第２エンドプレート２０ｂには、ボルト９０の頭部が収容される段付き孔部９２が形成される一方、他端８２ｂには、前記段付き孔部９２と同軸上に前記ボルト９０が螺合するねじ孔９４が形成される。第２エンドプレート２０ｂと他端８２ｂとの間には、パッキン８６ｂが介装される。

図１に示すように、第１エンドプレート２０ａ側の一端８２ａには、加圧機構２４を構成する荷重調整ボルト７８を外部に露呈させるとともに、後述するスタック組立時に、スタック押圧機構（図示せず）により第１エンドプレート２０ａを押圧するための開口部９６ａ、９６ｂが形成される。開口部９６ａ、９６ｂ間には、補強用の橋架部９８が一端８２ａに一体に設けられる。

図６に示すように、筐体８２の内面において、第１及び第２セパレータ３２、３４の長尺方向（矢印Ｂ方向）に延在する内面８２ｌには、例えば、それぞれ２つのリブ１００ａが上下方向に延在して設けられる。筐体８２の内面において、第１及び第２セパレータ３２、３４の短尺方向（矢印Ｃ方向）に延在する内面８２ｓには、例えば、それぞれ１つのリブ１００ｂが上下方向に延在して設けられる。

リブ１００ａ、１００ｂは、筐体８２の剛性を確保する。このリブ１００ａ、１００ｂは、さらに第１及び第２セパレータ３２、３４の外周の位置決め用ガイドとしての機能を有するとともに、車両に外部から衝撃が付与された際、前記第１及び第２セパレータ３２、３４のずれ防止機能を有する。なお、リブ１００ａ、１００ｂと第１及び第２セパレータ３２、３４の外周との間には、電気的絶縁体が介装されることが好ましい。

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５に示すように、酸化剤ガス入口連通孔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、燃料ガス入口連通孔３８ａ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４０ａ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３６ａから第１セパレータ３２の酸化剤ガス流路４２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３０を構成するカソード側電極５４に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３８ａから第２セパレータ３４の燃料ガス流路４４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３０を構成するアノード側電極５６に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体３０では、カソード側電極５４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極５６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５４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３６ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、アノード側電極５６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３８ｂ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４０ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２セパレータ３２、３４間の冷却媒体流路４６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３０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔４０ｂから排出される。

ところで、燃料電池スタック１０を組み立る際には、先ず、第２エンドプレート２０ｂ上に、第２絶縁プレート１８ｂ及び第２ターミナルプレート１６ｂを介装して複数の燃料電池１２、すなわち、積層体１４が積層される。そして、積層体１４上には、第１ターミナルプレート１６ａ、第１絶縁プレート１８ａ、荷重測定機構２２及び第１エンドプレート２０ａが積層される。

次に、第１エンドプレート２０ａは、筐体８２の開口部９６ａ、９６ｂに対応して配置されているスタック押圧機構（図示せず）により、第２エンドプレート２０ｂ側に押圧される。従って、積層体１４には、締め付け荷重（積層荷重）以上の荷重が付与される。

この状態で、筐体８２の一端８２ａが、第１エンドプレート２０ａの外周縁部に当接する一方、前記筐体８２の他端８２ｂが、第２エンドプレート２０ｂに重ね合わされる。そして、結合部８８を構成するボルト９０は、第２エンドプレート２０ｂの段付き孔部９２に挿入されて、他端８２ｂのねじ孔９４に螺合される。このため、筐体８２は、第２エンドプレート２０ｂに固定される。

さらに、第１エンドプレート２０ａを押圧しているスタック押圧機構は、前記第１エンドプレート２０ａから離脱される。これにより、第１エンドプレート２０ａは、外周縁部を筐体８２の折り曲げ部８４に押圧保持され、燃料電池スタック１０が組み立てられる。

そこで、加圧機構２４を構成する荷重調整ボルト７８が、第２エンドプレート２０ｂのねじ孔８０にねじ込まれると、この荷重調整ボルト７８の球面状先端部７８ａは、連結部材６８の球面状凹部７４の底面を積層体１４側に押圧する。

このため、連結部材６８に荷重調整ボルト７８に近接して装着されているロードセル７２は、押圧部材７６を介して加圧板６４を積層体１４側に押圧する。これにより、加圧板６４を介して積層体１４に締め付け荷重が付与される。

各荷重調整ボルト７８を増し締めすることにより、各荷重調整ボルト７８近傍に配置されている各ロードセル７２が、加圧板６４を介して積層体１４に締め付け荷重を付与している。従って、各ロードセル７２は、積層体１４に増し締め荷重を付与しながら、この増し締め荷重の値を正確に検出することが可能になる。

しかも、積層体１４に付与される締結荷重の全体量は、各ロードセル７２から検出される締め付け荷重の合計値によって検出することができ、簡単な構成で、高精度な増し締め処理が遂行される。

この場合、第１の実施形態では、燃料電池１２を外部負荷等の外部環境から保護する筐体８２は、積層体１４に積層方向の荷重を付与する機能をも有することができる。このため、各機能毎に専用部品、例えば、タイロッドやテンションプレート等の締結部品を設ける場合に比べ、部品数が良好に削減される。

これにより、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池１２の積層方向に最適な締め付け荷重を確実に付与するとともに、外部からの荷重負荷から前記燃料電池１２を有効に保護することが可能になるという効果が得られる。

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１１０の要部断面説明図である。

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を構成する第１エンドプレート２０ａには、加圧機構１１２が設けられる。この加圧機構１１２は、第１エンドプレート２０ａと連結部材６８との間に介装される複数のコイルスプリング（皿バネでもよい）１１４を備える。このように構成される第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

１０、１１０…燃料電池スタック１２…燃料電池
１４…積層体１６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８ａ、１８ｂ…絶縁プレート２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２２…荷重測定機構２４、１１２…加圧機構
３０…電解質膜・電極構造体３２、３４…セパレータ
３６ａ…酸化剤ガス入口連通孔３６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３８ａ…燃料ガス入口連通孔３８ｂ…燃料ガス出口連通孔
４０ａ…冷却媒体入口連通孔４０ｂ…冷却媒体出口連通孔
４２…酸化剤ガス流路４４…燃料ガス流路
４６…冷却媒体流路５２…固体高分子電解質膜
５４…カソード側電極５６…アノード側電極
８２…筐体８２ａ…一端
８２ｂ…他端８４…折り曲げ部
８６ａ、８６ｂ…パッキン８８…結合部
９０…ボルト１００ａ、１００ｂ…リブ

Claims

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た積層体の積層方向両端には、第１及び第２エンドプレートが配設される燃料電池スタックであって、
前記積層体が収容される筐体を備え、
前記筐体は、前記第１エンドプレート側の一端に、内方に折り曲げられて前記第１エンドプレートに係合し、該第１エンドプレートを前記積層体側に押圧する折り曲げ部を設ける一方、
前記第２エンドプレート側の他端に、該第２エンドプレートと結合される結合部を設け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、前記結合部は、前記筐体と前記第２エンドプレートとをねじ止めする複数のボルトを備え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、前記第１エンドプレートと前記積層体との間には、複数の荷重センサが連結部材に一体に連結された荷重測定機構が配設されるとともに、
前記第１エンドプレートには、前記荷重測定機構を前記積層体に向かって押圧することにより、前記複数の荷重センサを介して前記積層体に締結荷重を付与するための加圧機構が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
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、前記積層体の積層方向は、垂直方向であることを特徴とする燃料電池スタック。