JP2012043553A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、燃料電池に付与される外部荷重を確実に受け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を備えるとともに、前記積層体１４の積層方向両端には、第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂが配設される。第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂの各長辺同士は、一対の締結部材６０により一体に固定される。一方の締結部材６０は、燃料電池１２の一方の長辺に形成された凸部５７ａ、５７ｃが嵌め合う嵌合部７３を設けるとともに、他方の締結部材６０は、前記燃料電池１２の他方の長辺に形成された凸部５７ｂ、５７ｄが嵌め合う嵌合部７３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・電極構造体と長方形状の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、一対のエンドプレートが配設されるとともに、前記一対のエンドプレートの各長辺同士は、締結部材により固定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（発電セル）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、車載用燃料電池スタック等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。しかも、特に車載用燃料電池スタックでは、走行時等に外部から荷重（衝撃力）が付与される場合があり、単位セルの積層方向に交差する方向への位置ずれを阻止する必要がある。

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、図７に示すように、一端から、エンドプレート１ａ、絶縁プレート２ａ、集電プレート３ａ、複数の単位セル４、集電プレート３ｂ、絶縁プレート２ｂ及びエンドプレート１ｂの順に積層されている。エンドプレート１ａ、１ｂの四隅には、前記エンドプレート１ａ、１ｂ間に積層方向の荷重を付与するために、四角柱状の締結部材５が固定されている。

燃料電池スタックは、積層方向に延在する４本の外部拘束部材６ａ、６ｂ、６ｃ及び６ｄを備えている。エンドプレート１ａ、１ｂ、絶縁プレート２ａ、２ｂ、集電プレート３ａ、３ｂ及び積層された複数の単位セル４の各上側長辺、下側長辺、左側短辺及び右側短辺の中央部には、外部拘束部材６ａ、６ｂ、６ｃ及び６ｄが嵌合する凹部７ａ、７ｂ、７ｃ及び７ｄが形成されている。

特開２００９−７０６７４号公報

上記の特許文献１では、エンドプレート１ａ、１ｂ間に、４本の締結部材５が固定されるとともに、４本の外部拘束部材６ａ〜６ｄが前記エンドプレート１ａ、１ｂに固定されている。このため、部品点数が相当に増加するとともに、コストが高騰するという問題がある。しかも、燃料電池スタックの組み立て作業が煩雑化するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成且つ少ない部品点数で、燃料電池に付与される外部荷重を確実に受け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・電極構造体と長方形状の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、一対のエンドプレートが配設されるとともに、前記一対のエンドプレートの各長辺同士は、それぞれ締結部材により固定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では、各締結部材が配置される積層体の積層方向両側面には、それぞれ凸部又は凹部が形成される一方、前記締結部材には、前記凸部又は前記凹部に嵌め合う嵌合部が設けられている。

また、この燃料電池スタックでは、締結部材には、嵌合部に隣接し積層方向に延在して補強用リブが設けられることが好ましい。

さらに、この燃料電池スタックでは、締結部材は、一方のエンドプレート側の一端部に、前記一方のエンドプレートの面方向に屈曲する折り曲げ部を設けるとともに、他方のエンドプレート側の他端部に、前記他方のエンドプレートの長辺側に向かって幅寸法が拡大される幅広部を設けることが好ましい。

本発明によれば、一対のエンドプレートの各長辺同士を連結する各締結部材には、積層体の積層方向両側面に形成された凸部又は凹部に嵌め合う嵌合部が設けられている。このため、各締結部材が積層方向の荷重を受ける一方、嵌合部が前記積層方向に交差する発電面方向の荷重を受けることができる。

しかも、部品点数が有効に削減され、簡単な構成で、燃料電池に付与される外部荷重を確実に受けることが可能になる。

本発明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要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの一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の、図１中、ＶＩ−ＶＩ線断面図である。 特許文献１の燃料電池セルスタックの斜視説明図である。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０では、複数の燃料電池１２が矢印Ａ方向（鉛直方向）に積層されることにより積層体１４が構成される。積層体１４の積層方向下端（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及び第１エンドプレート（他方のエンドプレート）２０ａが積層される。

図１〜図３に示すように、積層体１４の積層方向上端（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、第２エンドプレート（一方のエンドプレート）２０ｂ及び加圧調整装置２２が積層される。加圧調整装置２２は、荷重測定機構２４と加圧機構２６とを備える。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、長方形状の第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、すなわち、各長辺には、冷却媒体を供給するための一対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一対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１セパレータ３２は、各長辺の中央部に一対の冷却媒体入口連通孔４０ａの間及び一対の冷却媒体出口連通孔４０ｂの間に位置して、すなわち、前記第１セパレータ３２の長辺方向の略中央部に位置して、それぞれ外方に突出する凸部５７ａ、５７ｂが形成される。第２セパレータ３４は、各長辺の中央部に一対の冷却媒体入口連通孔４０ａの間及び一対の冷却媒体出口連通孔４０ｂの間に位置して、すなわち、前記第２セパレータ３４の長辺方向の略中央部に位置して、それぞれ外方に突出する凸部５７ｃ、５７ｄが形成される。凸部５７ａ〜５７ｄは、例えば、樹脂材料により第１及び第２セパレータ３２、３４と一体に成形してもよく、又は別体に接合してもよい。

図１及び図２に示すように、例えば、アルミニウム製の第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂ間には、一対の締結部材６０が架けわたされ、前記第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂ間の距離が一定に保持される。締結部材６０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の各長辺側（第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂの長辺側）に１本ずつ配設される。締結部材６０は、左右対称形状に構成される。

締結部材６０は、第２エンドプレート２０ｂ側の一端部に、前記第２エンドプレート２０ｂの面方向に屈曲して加圧調整装置２２、具体的には、加圧機構２６に連結される折り曲げ部６２を設けるとともに、第１エンドプレート２０ａ側の他端部に、前記第１エンドプレート２０ａの長辺側に向かって幅寸法が拡大される幅広部６４を設ける。

締結部材６０は、第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂの各長辺間に同一の幅寸法で延在する本体部６６を備えるとともに、前記本体部６６の他端部側には、それぞれ第１エンドプレート２０ａの長辺両端部に向かって互いに離間する方向に延在することにより、幅広部６４を構成する一対の補強板部６８が設けられる。本体部６６は、第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂの長辺寸法よりも小さな幅寸法に設定され、且つ前記第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂの長辺中心に幅中心が略一致する。

一対の補強板部６８は、本体部６６の下端縁部から下方に向かって互いに離間する方向に傾斜しており、前記補強板部６８の下端部は、横架板部７０を介して前記本体部６６の下端部に一体に連結される。本体部６６及び一対の補強板部６８には、少なくとも１以上の補強用リブ７２が設けられる。

本体部６６には、補強用リブ７２と平行して、すなわち、積層方向（矢印Ａ方向）に延在して嵌合部７３が形成される。嵌合部７３は、燃料電池１２の外方に膨出形成される。図６に示すように、一方の締結部材６０では、嵌合部７３に燃料電池１２の凸部５７ａ、５７ｃが嵌め合うとともに、他方の締結部材６０では、前記嵌合部７３に前記燃料電池１２の凸部５７ｂ、５７ｄが嵌め合う。

なお、上記とは反対に、燃料電池１２の凸部５７ａ〜５７ｄを凹部に構成する一方、締結部材６０の嵌合部７３を凸部に構成してもよい。

本体部６６及び一対の補強板部６８は、図２に示すように、第１エンドプレート２０ａの長辺側に形成された孔部７４に挿入されるねじ７６がねじ込まれるねじ孔７８を設け、前記ねじ７６を介して前記第１エンドプレート２０ａに固定される。

折り曲げ部６２は、鉛直方向に延在する一対（３つ以上でもよい）の雌ねじ部８０を備える。各雌ねじ部８０は、所定の間隔だけ離間しており、鉛直方向に延在してねじ孔８０ａが貫通形成される。

図２に示すように、第１エンドプレート２０ａ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８２ａ〜８２ｆが設けられる。

図３に示すように、第２エンドプレート２０ｂは、平板状に構成されるとともに、この第２エンドプレート２０ｂには、例えば、４箇所にそれぞれ円柱状の凹部８４が形成される。

図３及び図４に示すように、荷重測定機構２４は、一対の連結部材８６と、凹部８４に収容される荷重センサ、例えば、ロードセル８８とを備える。なお、一対の連結部材８６に代えて、例えば、一対の連結部材同士を結合して枠形状に一体に構成される連結部材（図示せず）を用いてもよい。

ロードセル８８には、押圧部材９０が装着されるとともに、前記押圧部材９０は、凹部８４に配置される。ロードセル８８上には、球面受け部９２が設けられる。連結部材８６の両端には、各球面受け部９２に対応する位置（同軸上の位置）に、底面が球面を有する球面状凹部９４が設けられる。

加圧機構２６は、複数、例えば、４つの荷重調整ボルト９６を備える。各荷重調整ボルト９６は、締結部材６０の雌ねじ部８０に形成されたねじ孔８０ａにねじ込まれるとともに、各々の球面状先端部９６ａは、連結部材８６の各球面状凹部９４に配置される。各荷重調整ボルト９６の中心と、各ロードセル８８の中心とは、互いに同軸上の位置に配置される。荷重調整ボルト９６には、回り止めナット９８が螺合する。

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。

この場合、本実施形態では、第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂ間には、一対の締結部材６０が架けわたされており、燃料電池スタック１０に積層方向の荷重が付与された際、前記荷重を前記一対の締結部材６０により良好に受けることができる。

しかも、締結部材６０には、積層体１４の積層方向両側面、具体的には、燃料電池１２の両長辺側に形成された凸部５７ａ、５７ｃ又は５７ｂ、５７ｄに嵌め合う嵌合部７３が設けられている。

このため、図６に示すように、燃料電池スタック１０に長辺方向一方（矢印Ｂ１方向）に荷重（衝撃）Ｇ１が付与される際、一方の締結部材６０の嵌合部７３と凸部５７ａ、５７ｃとが、及び他方の締結部材６０の嵌合部７３と凸部５７ｂ、５７ｄとが、前記荷重Ｇ１を良好に受けることが可能になる。

さらに、燃料電池スタック１０に長辺方向他方（矢印Ｂ２方向）に荷重（衝撃）Ｇ２が付与される際には、同様に、各嵌合部７３と凸部５７ａ、５７ｃ及び凸部５７ｂ、５７ｄとの作用下に、前記荷重Ｇ２を良好に受けることができる。

さらにまた、燃料電池スタック１０の短辺方向に荷重（衝撃）Ｇ３が付与される際には、一対の締結部材６０の当接作用下に、前記荷重Ｇ３を良好に受けることができる。

なお、燃料電池スタック１０では、前記燃料電池スタック１０の各長辺側に締結部材６０が１本ずつ配設されているが、これに限定されるものではない。例えば、燃料電池スタック１０の各短辺側にも、同様に締結部材６０を１本ずつ配設してもよい。

従って、本実施形態では、部品点数が有効に削減され、簡単な構成で、燃料電池１２に付与される外部荷重を確実に受けることが可能になる。これにより、衝突時の積層体１４を良好に保持するとともに、シール性の低下を阻止することができるという利点がある。

１０…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…加圧調整装置 ２４…荷重測定機構
２６…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 ５７ａ〜５７ｄ…凸部
６０…締結部材 ６２…折り曲げ部
６４…幅広部 ６６…本体部
６８…補強板部 ７０…横架板部
７２…リブ ７３…嵌合部

Claims (3)

1. 電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と長方形状の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、一対のエンドプレートが配設されるとともに、前記一対のエンドプレートの各長辺同士は、それぞれ締結部材により固定される燃料電池スタックであって、
   各締結部材が配置される前記積層体の積層方向両側面には、それぞれ凸部又は凹部が形成される一方、
   前記締結部材には、前記凸部又は前記凹部に嵌め合う嵌合部が設けら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、前記締結部材には、前記嵌合部に隣接し前記積層方向に延在して補強用リブ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、前記締結部材は、一方のエンドプレート側の一端部に、前記一方のエンドプレートの面方向に屈曲する折り曲げ部を設けるとともに、
   他方のエンドプレート側の他端部に、前記他方のエンドプレートの長辺側に向かって幅寸法が拡大される幅広部を設けることを特徴とする燃料電池スタック。

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