JP2016091943A

JP2016091943A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2016091943A
Application number: JP2014228187A
Authority: JP
Inventors: 将矢小林; Masaya Kobayashi; 大輔菅野; Daisuke Sugano; 知勇芳住; Tomoo Yoshizumi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-11-10
Filing date: 2014-11-10
Publication date: 2016-05-23
Anticipated expiration: 2034-11-10
Also published as: KR20160055689A; CA2909816C; KR101851046B1; US10243230B2; CN105591143B; DE102015118185B4; DE102015118185A1; CN105591143A; CA2909816A1; US20160133983A1; JP6176536B2

Abstract

【課題】大型化を招くことなく防錆プレートの位置ずれを抑制することが可能な燃料電池を提供する。
【解決手段】複数のセル２０を積層させたセル積層体２１と、セル積層体２１の端に設けられた金属材料から形成された集電プレート２２と、集電プレート２２と異なる金属材料から形成されてセル積層体２１と集電プレート２２との間に配置された防錆プレート２３とを備えた燃料電池１１であって、防錆プレート２３は、突起部３１を有し、集電プレート２２は、突起部３１が嵌合される嵌合穴部４１を有する。
【選択図】図６

Description

本発明は、セルを積層したセル積層体を備えた燃料電池に関する。

燃料電池を構成する燃料電池スタックは、膜電極接合体を板状のセパレータで両側から挟持して形成したセルを複数積層したセル積層体の両側に集電プレートを積層した構成とされており、セル積層体と集電プレートとの間に犠牲プレートからなる防錆プレートを配置したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−８７７６６号公報

防錆プレートは、セル積層体と集電プレートとの間において加圧されて挟持された状態で保持されている。このため、防錆プレートと集電プレートとが異なる金属である場合、発電時の温度分布の偏りや異種金属による熱膨張差によって防錆プレートが平面方向へ変位して位置ずれを生じることがある。この場合、例えば、燃料電池スタックの周囲に防錆プレートの位置ずれを抑制する機構を設けることが考えられるが、位置ずれを抑制する機構を設けることで燃料電池の大型化を招いてしまう。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、大型化を招くことなく防錆プレートの位置ずれを抑制することが可能な燃料電池を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、
複数のセルを積層させたセル積層体と、該セル積層体の端に設けられた金属材料から形成された集電プレートと、該集電プレートと異なる金属材料から形成されて前記セル積層体と前記集電プレートとの間に配置された防錆プレートとを備えた燃料電池であって、
前記集電プレート及び前記防錆プレートのいずれか一方は、少なくとも一つの突起部を有し、前記集電プレート及び前記防錆プレートの他方は、前記突起部が嵌合される嵌合穴部を有する。

この構成の燃料電池によれば、突起部が嵌合穴部に嵌合することで、セル積層体と集電プレートとの間に配置された防錆プレートの集電プレートとの熱膨張差等によって生じる平面方向への位置ずれが抑制される。これにより、防錆プレートが位置ずれすることで防錆プレートが周囲の部品等へ接触することによる不具合を抑制できる。また、集電プレートが設けられた集電部分の周囲に防錆プレートの位置ずれを抑制する機構を設ける場合と比較し、大型化を抑制できる。

本発明の燃料電池において、前記突起部は、前記防錆プレートから前記集電プレート側に突出するように設けられ、前記集電プレートに前記嵌合穴部が設けられていても良い。

本発明の燃料電池において、前記突起部の一つは前記防錆プレート又は前記集電プレートの中央部に設けられていても良い。

この構成の燃料電池によれば、防錆プレートと集電プレートとを重ね合わせて一方のプレートの突起部が他方のプレートの嵌合穴部に嵌合されると、防錆プレートと集電プレートの芯合わせが自動的に行われる。

本発明の燃料電池によれば、大型化を招くことなく防錆プレートの位置ずれを抑制することができる。

本実施形態に係る燃料電池の側面図である。本実施形態に係る燃料電池を構成する燃料電池スタックの概略分解斜視図である。燃料電池スタックのセル積層体を構成するセルの断面図である。防錆プレートを示す図であって、（ａ）は防錆プレートの斜視図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。集電プレートを示す図であって、（ａ）は集電プレートの斜視図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。互いに重ね合わされた防錆プレート及び集電プレートを示す図であって、（ａ）は防錆プレート及び集電プレートの斜視図、（ｂ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ断面図である。集電プレートに対する防錆プレートの位置ずれを説明する概略断面図である。

以下、本発明に係る燃料電池の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係る燃料電池の側面図である。図２は、本実施形態に係る燃料電池を構成する燃料電池スタックの概略分解斜視図である。図３は、燃料電池スタックのセル積層体を構成するセルの断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池１１は、燃料電池スタック１２と、この燃料電池スタック１２の両端に設けられたエンドプレート１３とを備えている。燃料電池１１は、例えば、車両等の移動体に搭載して用いられる。エンドプレート１３同士は締結ロッド１４によって締結されて互いに連結されており、燃料電池スタック１２は、その締結力によって両端側から所定の荷重で加圧されている。

図２に示すように、燃料電池スタック１２は、セル積層体２１と、集電プレート２２と、防錆プレート２３とを有している。セル積層体２１は、複数のセル２０を積層させることで構成されている。

図３に示すように、セル２０は、電解質膜１の両側に触媒層２と拡散層３とから構成された電極４が設けられた膜電極接合体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）５を有している。膜電極接合体５の両面にはセパレータ６が設けられている。セパレータ６は、例えば、ステンレスを板状に形成したものである。セル２０は、燃料電池１１における発電を行う単位モジュールであり、水素ガスと空気に含まれる酸素との電気化学反応により発電を行う。

集電プレート２２は、例えば、アルミニウムやステンレス等の導電性金属材料から形成されている。集電プレート２２には、図示しない出力端子が設けられており、出力端子を介して燃料電池スタック１２で発電された電力が取り出される。

防錆プレート２３は、セル積層体２１と正極側の集電プレート２２との間に設けられている。これにより、防錆プレート２３は、セル積層体２１を構成するセル２０のセパレータ６と集電プレート２２とで挟持されている。防錆プレート２３は、集電プレート２２と異なる金属材料から形成されている。防錆プレート２３は、例えば、チタン等の金属材料から形成されている。

図４は、防錆プレートを示す図であって、（ａ）は防錆プレートの斜視図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。図５は、集電プレートを示す図であって、（ａ）は集電プレートの斜視図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。図６は、互いに重ね合わされた防錆プレート及び集電プレートを示す図であって、（ａ）は防錆プレート及び集電プレートの斜視図、（ｂ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ断面図である。

図４（ａ）（ｂ）に示すように、防錆プレート２３には、突起部３１が設けられている。突起部３１は、防錆プレート２３に二つ設けられている。一方の突起部３１は、防錆プレート２３の中央部に設けられている。他方の突起部３１は、長方形板状をなす防錆プレート２３の短辺側の端部における短辺方向中央部に設けられている。つまり、二つの突起部３１，３１は、防錆プレート２３の平面視で突起部３１，３１の中心同士を結ぶ直線が防錆プレート２３の長辺と平行となるよう配置されている。

これらの突起部３１は、防錆プレート２３に重ね合わされる集電プレート２２側へ突出されている。突起部３１は、その突出寸法が、集電プレート２２の厚さ寸法以下とされている。突起部３１は、ピン部材３２からなるもので、このピン部材３２を防錆プレート２３に形成した固定穴３３に圧入することで防錆プレート２３に固定されている。

図５（ａ）（ｂ）に示すように、防錆プレート２３と重ね合わされる集電プレート２２には、嵌合穴部４１が形成されている。嵌合穴部４１は、集電プレート２２に二つ形成されている。これらの嵌合穴部４１は、集電プレート２２と防錆プレート２３とを重ね合わせた際に、防錆プレート２３に設けられた突起部３１に対応する位置に形成されている。嵌合穴部４１は、防錆プレート２３の突起部３１の外径よりも僅かに大きい内径を有している。

図６（ａ）に示すように、突起部３１を有する防錆プレート２３及び嵌合穴部４１を有する集電プレート２２は、燃料電池スタック１２を構成する際に互いに重ね合わされる。そして、これらの防錆プレート２３と集電プレート２２とを重ね合わせると、図６（ｂ）に示すように、防錆プレート２３の突起部３１が集電プレート２２の嵌合穴部４１に嵌合されて相互に芯合わせされた状態で一体化される。

この重ね合わされた防錆プレート２３及び集電プレート２２は、他の集電プレート２２が一端側に積層されたセル積層体２１の他端側に積層されて燃料電池スタック１２を構成する。そして、この燃料電池スタック１２は、その両端にエンドプレート１３が配置され、これらのエンドプレート１３を締結ロッド１４によって締結することで所定の荷重で加圧された状態に一体化されて燃料電池１１とされる。

このような防錆プレート２３を備えた燃料電池１１では、防錆プレート２３をセル積層体２１に重ね合わせて導通することにより、セル積層体２１を構成するセル２０に流れる腐食電流を低減する。したがって、防錆プレート２３は、セル２０のセパレータ６よりも腐食電流が大きくなり、セル２０のセパレータ６の腐食が抑制される。

ところで、セル積層体２１と集電プレート２２との間において加圧されて挟持された状態で保持された防錆プレート２３は、図７に示すように、発電時の温度分布の偏りや集電プレート２２に対して異種金属による熱膨張差によって平面方向へ変位して位置ずれを生じることがある。この場合、例えば、燃料電池スタック１１の周囲に防錆プレート２３の位置ずれを抑制する機構を設けることが考えられるが、位置ずれを抑制する機構を設けることで燃料電池１１の大型化を招いてしまう。

これに対して、本実施形態に係る燃料電池１１によれば、防錆プレート２３に突起部３１が設けられ、集電プレート２２に突起部３１が嵌合される嵌合穴部４１が設けられている。これにより、突起部３１が嵌合穴部４１に嵌合することで、セル積層体２１と集電プレート２２との間に配置された防錆プレート２３の集電プレート２２との熱膨張差等によって生じる平面方向への位置ずれが抑制される。

これにより、防錆プレート２３が位置ずれすることで防錆プレート２３が周囲の部品等へ接触することによる不具合を抑制できる。また、集電プレート２２が設けられた集電部分の周囲に防錆プレート２３の位置ずれを抑制する機構を設ける場合と比較し、大型化を抑制できる。

なお、防錆プレート２３と集電プレート２２との締結方法としては、例えば、接着材や両面接着テープによる接着、溶接、ろう付け、はんだ付け、リベット止め、ねじ止め、加締め、外周に接着テープを貼り付けることによる固定、外周部をピン等の固定具で止めることによる固定などがあるが、いずれも締結作業に手間を要してしまう。また、接着材や両面接着テープによる接着や外周に接着テープを貼り付けることによる固定は、位置ずれ抑制効果が十分に得られず、外周部をピン等の固定具で止めることによる固定は、外周に張り出して燃料電池１１の大型化を招いてしまう。

上記実施形態では、防錆プレート２３に突起部３１を設け、集電プレート２２に嵌合穴部４１を設けたが、集電プレート２２に突起部３１を設け、防錆プレート２３に嵌合穴部４１を設けても良く、また、互いに嵌合する突起部３１及び嵌合穴部４１を、防錆プレート２３及び集電プレート２２の両方に設けても良い。なお、防錆プレート２３に冷却水の止水機能を持たせる場合では、防錆プレート２３に設ける嵌合穴部４１は、嵌合穴部４１から冷却水が漏れないように、防錆プレート２３に対して非貫通とする。

また、上記実施形態では、防錆プレート２３を高電位側の正極側の集電プレート２２とセル積層体２１との間に設けたが、負極側の集電プレート２２とセル積層体２１との間に設けても良い。

１１燃料電池
２０セル
２１セル積層体
２２集電プレート
２３防錆プレート
３１突起部
４１嵌合穴部

Claims

複数のセルを積層させたセル積層体と、該セル積層体の端に設けられた金属材料から形成された集電プレートと、該集電プレートと異なる金属材料から形成されて前記セル積層体と前記集電プレートとの間に配置された防錆プレートとを備えた燃料電池であって、
前記集電プレート及び前記防錆プレートのいずれか一方は、少なくとも一つの突起部を有し、前記集電プレート及び前記防錆プレートの他方は、前記突起部が嵌合される嵌合穴部を有する燃料電池。
前記突起部は、前記防錆プレートから前記集電プレート側に突出するように設けられ、前記集電プレートに前記嵌合穴部が設けられている請求項１に記載の燃料電池。
前記突起部の一つは前記防錆プレート又は前記集電プレートの中央部に設けられている請求項１または請求項２に記載の燃料電池。