JP2012182092A

JP2012182092A - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP2012182092A
Application number: JP2011045835A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Nishio; 仁西尾; Kazuyoshi Miyajima; 一嘉宮島
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2011-03-03
Filing date: 2011-03-03
Publication date: 2012-09-20

Abstract

【課題】積層体の荷重を確実に保持して変形を良好に抑制するとともに、単位セルの機能低下を可及的に阻止することを可能にする。
【解決手段】燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２を積層した積層体１３をボックス状のケーシング１４内に収容する。ケーシング１４内には、積層体１３の下面に配置され、前記積層体１３の荷重を受けるとともに、少なくとも前記積層体１３の積層方向に移動可能な可動支持部６２が設けられる。この可動支持部６２は、ボール付きリニアガイドを構成する。
【選択図】図２

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、水平方向に複数積層した積層体を備え、前記積層体がエンドプレート間に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（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（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持することにより単位セルが構成されている。通常、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）の単位セルを積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

この場合、燃料電池スタックは、多数の単位セルが積層された積層体を備えているため、重量物になるとともに、積層方向に相当に長尺化されている。従って、燃料電池スタック全体に積層方向に締め付け力を付与した状態でも、振動や揺動等に起因して積層体の積層形状が変形し易い。このように、積層体の積層形状が変形すると、単位セルと外部部品との干渉が惹起され易くなり、前記単位セルのシール機能や絶縁機能が低下するおそれがある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池は、図６に示すように、下部ケース１を備えており、この下部ケース１は、底部２と側部３とから構成されている。底部２には、上に凸となる湾曲部４が形成されるとともに、側部３の近傍にそれぞれ湾曲部５が形成されている。

底部２には、下に凸となるように、湾曲部６が形成されている。湾曲部４、５は、図示しない積層体を積層する際の位置決めとして用いられている。さらに、湾曲部４、５及び６により、下部ケース１の剛性の向上が図られている。

特開平８−１７１９２６号公報

ところで、上記の特許文献１では、特に、重量物の積層体が下部ケース１内に配置されると、前記積層体の底面が湾曲部４、５に直接接触している。このため、単位セルと湾曲部４、５との固有振動数の相違による擦れ音が発生するとともに、前記単位セルの表面摩耗によるシール機能及び絶縁機能の低下が惹起され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、積層体の荷重を確実に保持することができ、変形を良好に抑制して、単位セルの機能低下を可及的に阻止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膜の両側に設けられた電解質膜・電極構造体をセパレータにより挟持した単位セルを、水平方向に複数積層した積層体を備え、前記積層体がエンドプレート間に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では、積層体の下面に配置され、前記積層体の荷重を受けるとともに、少なくとも前記積層体の積層方向に移動可能な可動支持部を備えている。

また、この燃料電池スタックでは、可動支持部は、ボール付きリニアガイドを備えることが好ましい。

本発明では、可動支持部が積層体の自重を支持することにより、前記積層体に撓み（積層方向の変形）が発生することを抑制することができる。しかも、可動支持部は、積層体の積層方向に移動可能である。このため、例えば、電解質膜の含水量が変動して積層体が積層方向に伸縮する際に、可動支持部は、前記積層体が伸縮する方向に滑らかに移動することができる。これにより、単位セルと可動支持部との間に擦れが発生することがなく、前記単位セルのシール機能の低下や絶縁機能の低下を可及的に抑制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可動支持部の要部断面説明図である。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説明図である。特許文献１に開示されている燃料電池の一部断面説明図である。

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、複数の単位セル１２が矢印Ａ方向に積層された積層体１３をボックス状のケーシング１４内に収容している。

ケーシング１４は、積層体１３の積層方向両端に配置されるエンドプレート１６ａ、１６ｂと、前記積層体１３の側部に配置される４枚の側部パネル１８ａ〜１８ｄと、前記エンドプレート１６ａ、１６ｂ及び前記側部パネル１８ａ〜１８ｄを互いに連結するヒンジ機構２０とを備える。側部パネル１８ａ〜１８ｄは、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４等）、その他の金属材又はカーボンファイバーで構成される。

図２及び図３に示すように、単位セル１２は、アノード側電極２４とカソード側電極２６との間に、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２８が介装された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）３０を備える。

アノード側電極２４及びカソード側電極２６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た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２８の両面に形成される。

電解質膜・電極構造体３０は、ガスケット３２ａ、３２ｂを介装してセパレータ３４ａ、３４ｂに挟持される。セパレータ３４ａ、３４ｂは、金属プレート又はカーボンプレートで構成される。

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が矢印Ｃ方向に、順次、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が矢印Ｃ方向に、順次、設けられる。

セパレータ３４ａの電解質膜・電極構造体３０に対向する面には、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４２が形成される。この燃料ガス流路４２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。セパレータ３４ａの反対の面には、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４４が形成される。この冷却媒体流路４４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。

セパレータ３４ｂの電解質膜・電極構造体３０に向かう面には、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４６が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路４６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。セパレータ３４ｂの反対の面には、セパレータ３４ａと重なり合って冷却媒体流路４４が一体的に形成される。

図２に示すように、積層体１３の積層方向一端側には、ターミナルプレート４８ａ及び絶縁プレート５０ａが配設されるとともに、前記積層体１３の積層方向他端側には、ターミナルプレート４８ｂ及び絶縁プレート５０ｂが配設される。ターミナルプレート４８ａ、４８ｂの端部には、面方向に突出する板状の端子部５２ａ、５２ｂが形成される。端子部５２ａ、５２ｂには、例えば、図示しない走行用モータ等の負荷が接続される。

絶縁プレート５０ｂとエンドプレート１６ｂとの間には、支持プレート５４及び可動加圧プレート５６が配設される。可動加圧プレート５６のエンドプレート１６ｂに対向する面には、複数の支軸５８が設けられるとともに、各支軸５８には、所定数の弾性部材、例えば、複数の皿ばね（又はコイルスプリング、ゴム部材、樹脂部材等）６０が配置される。

ケーシング１４内には、積層体１３の下面に配置され、前記積層体１３の荷重を受けるとともに、少なくとも前記積層体１３の積層方向に移動可能な可動支持部６２が設けられる。

可動支持部６２は、ボール付きリニアガイドを構成しており、側部パネル１８ｄ上にボルトや溶接等により固定される固定板６４を備える。固定板６４には、複数のボール６６及びボールリテーナ６８を介して可動板７０が配設される。可動板７０は、水平面内を３６０°移動可能であり、燃料電池スタックを構成する積層体１３の一部の単位セル１２である複数の単位セル１２、例えば、３つの前記単位セル１２を載置する。可動支持部６２は、積層体１３の積層方向略中央に配置される他、前記積層体１３の積層方向の中間部分に配置されてもよい。可動支持部６２の配置数及び配置場所は、積層体１３の重量や寸法等に応じて種々設定可能である。

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１に示すように、燃料電池スタック１０では、エンドプレート１６ａ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、オイル等の冷却媒体が供給される。このため、積層体１３では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数組の単位セル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からセパレータ３４ｂの酸化剤ガス流路４６に導入され、電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極２６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からセパレータ３４ａの燃料ガス流路４２に導入され、電解質膜・電極構造体３０のアノード側電極２４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２６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２４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２６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１６ａから外部に排出される。同様に、アノード側電極２４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１６ａ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からセパレータ３４ａ、３４ｂ間の冷却媒体流路４４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１６ａから排出される。

この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、ケーシング１４内に可動支持部６２が設けられており、積層体１３は、所定数の単位セル１２が前記可動支持部６２上に載置されている。このため、可動支持部６２は、積層体１３の自重を支持することにより、前記積層体１３に撓み（積層方向の変形）が発生することを抑制することができる。

しかも、可動支持部６２では、単位セル１２が直接載置される可動板７０は、複数のボール６６及びボールリテーナ６８を介して固定板６４に対し水平面内に種々の方向、特に積層体１３の積層方向に移動可能である。従って、例えば、固体高分子電解質膜２８の含水量が変動して積層体１３が積層方向に伸縮する際に、可動支持部６２は、前記積層体１３が伸縮する方向に移動することができる。

これにより、単位セル１２と可動支持部６２との間に擦れが発生することがなく、前記単位セル１２のシール機能の低下や絶縁機能の低下を可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。しかも、可動支持部６２は、構成が簡素化されており、製造コストが有効に削減されて経済的である。

図４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可動支持部８０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。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。

可動支持部８０は、ボールトランスファ（ボール付きリニアガイド）を構成しており、側部パネル１８ｄ上に配置（又は固着）される基台８２を備える。基台８２は、半球面状のボールガイド８４を有し、このボールガイド８４に複数のボール８６が収容されるとともに、前記ボール８６により球状体８８が回転自在に支持される。

球状体８８には、板状のステージ９０が載置され、このステージ９０は、水平面内に３６０°にわたって移動可能である。ステージ９０上には、所定数の単位セル１２が載置される。

このように構成される第２の実施形態では、可動支持部６２に代えて可動支持部８０が設けられている。従って、積層体１３に撓みが発生することを有効に抑制するとともに、単位セル１２と前記可動支持部８０との間に擦れが惹起されることを阻止できる等、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

図５は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１００の側面説明図である。

燃料電池スタック１００は、マウント部材１０２ａ、１０２ｂを介して取り付け板１０４に固定される。マウント部材１０２ａ、１０２ｂは、エンドプレート１６ａ、１６ｂをねじ止め等により固定保持するとともに、前記エンドプレート１６ａ、１６ｂ間は、図示しないが、例えば、タイロッドにより積層方向に締め付けられる。積層体１３の下面には、可動支持部６２が設けられる。なお、可動支持部６２に代えて、可動支持部８０を採用してもよい。

このように構成される第３の実施形態では、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、１００…燃料電池スタック１２…単位セル
１３…積層体１４…ケーシング
１６ａ、１６ｂ…エンドプレート１８ａ〜１８ｄ…側部パネル
２４…アノード側電極２６…カソード側電極
２８…固体高分子電解質膜３０…電解質膜・電極構造体
３４ａ、３４ｂ…セパレータ３６ａ…酸化剤ガス供給連通孔
３６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔３８ａ…冷却媒体供給連通孔
３８ｂ…冷却媒体排出連通孔４０ａ…燃料ガス供給連通孔
４０ｂ…燃料ガス排出連通孔４２…燃料ガス流路
４４…冷却媒体流路４６…酸化剤ガス流路
６０…皿ばね６２、８０…可動支持部
６４…固定板６６、８６…ボール
６８…ボールリテーナ７０…可動板
８２…基台８４…ボールガイド
８８…球状体９０…ステージ
１０２ａ、１０２ｂ…マウント部材１０４…取り付け板

Claims

一対の電極が電解質膜の両側に設けられた電解質膜・電極構造体をセパレータにより挟持した単位セルを、水平方向に複数積層した積層体を備え、前記積層体がエンドプレート間に配設される燃料電池スタックであって、
前記積層体の下面に配置され、該積層体の荷重を受けるとともに、
少なくとも前記積層体の積層方向に移動可能な可動支持部を備え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、前記可動支持部は、ボール付きリニアガイドを備えることを特徴とする燃料電池スタック。