JP2019175740A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池において、積層方向に所定の圧力が付与された状態で複数のスタックを容易且つ確実に連結する。【解決手段】燃料電池１０を構成する複数のスタック１８は、セル１２を挟むようにベースプレート１４とカバープレート１６が設けられモジュール化されている。そして、各スタック１８の間にガスケット２０が挟持され複数のスタック１８が積層された状態で、それぞれ連結ボルト３６によって隣接するスタック１８同士が連結される。また、ガスケット２０には、その中央部に弾性及び導電性を有した接点プレート５４を備え、この接点プレート５４が、各スタック１８におけるカバープレート１６及びベースプレート１４に当接した状態で挟持される。これにより、複数のスタック１８を積層させるように連結する際、該スタック１８の構成部品の製造誤差等に起因して生じた変形が、接点プレート５４の弾性によって吸収される。【選択図】図２

Description

本発明は、積層された複数のセルを有した燃料電池に関する。

従来から、複数のセルが積層された燃料電池が知られており、このような燃料電池は、例えば、特許文献１に開示されるように、積層された複数のセルからなる積層体の一端側に固定エンドプレートが設けられ、他端側に可動プレートが配置されている。そして、可動プレートは、他端側に設けられた別の固定エンドプレートのシリンダによって積層体側へと押されることで、前記積層体を構成するセルが加圧される。また、積層体の一端及び他端側に設けられた固定エンドプレートは、締結ロッドによって軸方向に固定されている。

特許第４１３６４４３号公報

上述したような平板状のセルを積層させた燃料電池では、所望の発電性能を得るためにセルの全体に対し、所望の荷重が均一に付与されることが望ましい。そのため、複数のセルの積層方向に沿った両端に固定エンドプレートと可動プレートとを配置し、この可動プレートをシリンダで押圧することで複数のセルに対して所望の荷重を付与している。

しかしながら、セルの数が多くなると各構成部品の製造誤差やばらつきが、その数量分だけ積み重なって増加してしまい、それに伴って、前記セルに対して積層方向へ付与される荷重にばらつきが生じ、スタック内における各セルの間の接触圧力が低下し電気抵抗が増加することで発電効率が低下したり、燃料の供給・排出されるポートのシール面圧が低下して漏れが発生するという問題がある。

本発明は、前記の課題を考慮してなされたものであり、積層方向に所定の圧力が付与された状態で複数のスタックを容易且つ確実に連結することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、セルを有した複数のスタックが積層された燃料電池において、
スタックは、積層方向においてセルの一端側に設けられる第１のベースと、積層方向においてセルの他端側に設けられる第２のベースとを有し、
隣接する２つのスタックにおいて、一方のスタックにおける第１のベースと、他方のスタックにおける第２のベースとが対向し締結部材によって積層方向に互いに連結されることを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池を構成するスタックが、積層方向においてセルに対して一端側に設けられる第１のベースと、積層方向においてセルに対して他端側に設けられる第２のベースとを備え、隣接する２つのスタックにおいて、互いに対向する一方のスタックにおける第１のベースと、他方のスタックにおける第２のベースとが締結部材によって積層方向に連結される。

従って、隣接する一方のスタックにおける第１のベースと他方のスタックにおける第２のベースとを締結部材によって連結可能な構成とすることで、複数のスタックを積層させた場合でも、各スタックにおける構成部品の製造誤差やばらつきが積み重なって増加してしまうことがない。

その結果、複数のセルを固定エンドプレートと可動プレートとの間に挟持して荷重を付与していた従来の燃料電池と比較し、各スタックに対して積層方向に付与される荷重が均一となるように管理できるため、所定の圧力を付与した状態で各スタックを容易且つ確実に積層させ連結することができ、各スタック間のシール性を確保することも可能となる。

また、一方のスタックと他方のスタックとの間には、各ユニット間の燃料の漏れを防止するガスケットと、ガスケットに設けられ、弾性及び導電性を有したプレートと、が設けられ、プレートの少なくとも一部をセルに臨むように配置するとよい。

さらに、プレートを、スタックに臨む表面が積層方向に凹凸状となるように形成するとよい。

本発明によれば、以下の効果が得られる。

すなわち、燃料電池を構成するスタックを、積層方向においてセルの一端側に設けられる第１のベースと、積層方向においてセルの他端側に設けられる第２のベースとから構成し、隣接する２つのスタックにおいて、互いに対向する一方のスタックにおける第１のベースと、他方のスタックにおける第２のベースとを締結部材によって積層方向に連結することにより、複数のスタックを積層させた場合でも、各スタックにおける構成部品の製造誤差やばらつきが積み重なって増加してしまうことがない。

その結果、固定エンドプレートと可動プレートとの間に複数のセルを挟持して保持していた従来の燃料電池と比較し、各スタックに対して積層方向に付与される荷重を均一となるように管理しながら容易且つ確実に積層させ連結することができ、各スタック間のシール性を確保して燃料の漏出を防止できる。

本発明の実施の形態に係る燃料電池の外観斜視図である。 図１に示す燃料電池の分解斜視図である。 図１の燃料電池におけるベースプレート及びカバープレート外縁近傍の拡大断面図である。 図３におけるガスケット近傍のさらなる拡大断面図である。

本発明に係る燃料電池について好適な実施の形態を挙げ、添付の図面を参照しながら以下詳細に説明する。図１において、参照符号１０は、本発明の実施の形態に係る燃料電池を示す。

この燃料電池１０は、図１及び図２に示されるように、セル１２と、該セル１２の一端部に当接するベースプレート（第１のベース）１４と、該セル１２の他端部に当接するカバープレート（第２のベース）１６とがモジュール化されたスタック１８を有し、このスタック１８は、単一又は複数のセル１２が積層されて形成され、このスタック１８が複数設けられて積層されると共に、隣接する一方のスタック１８のベースプレート１４と他方のスタック１８のカバープレート１６との間にガスケット２０が挟持されている。なお、本実施の形態では、５つのスタック１８が積層された燃料電池１０について説明する。

また、複数のスタック１８が積層された燃料電池１０において、その積層方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）における一端部側（矢印Ａ１方向）にトップカバー２２が設けられ、該積層方向（矢印Ａ２方向）に沿った他端部側にアンダーカバー２４が設けられる。すなわち、燃料電池１０の両端部が、トップカバー２２及びアンダーカバー２４によって覆われている。

セル１２は、図示しない電解質膜の両側に設けられるアノード層及びカソード層と、その外側に設けられるセパレータとから構成され、このセパレータにはガス通路１２ａ（図３参照）が形成される。

ベースプレート１４は、図１〜図３に示されるように、例えば、セル１２よりも大きな面積を有した矩形状のプレートからなり、その四隅近傍には、厚さ方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）に沿って貫通した第１ボルト孔２６がそれぞれ形成されている。なお、第１ボルト孔２６は、ベースプレート１４の角部２８を挟むように一対ずつ設けられ合計８個形成されている。

また、ベースプレート１４には、セル１２に臨む位置に反応ガス（燃料）の供給される第１供給ポート３０（図３参照）と、余剰となった該反応ガスの排出される第１排出ポート（図示せず）とが対になるように形成され、前記第１供給ポート３０及び前記第１排出ポートは、例えば、長尺な長円状にそれぞれ形成され、略平行となるように形成されると共に厚さ方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）に沿って貫通している。

さらに、ベースプレート１４には、第１供給ポート３０及び第１排出ポートの長手方向に臨むように第２ボルト孔３２が形成され、この第２ボルト孔３２は、その内周面に沿ってねじの刻設されたねじ孔であり、スタック１８を構成するセル１２、ベースプレート１４、カバープレート１６を厚さ方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）に固定するための固定ボルト３４が螺合される。

すなわち、ベースプレート１４において、第２ボルト孔３２、第１供給ポート３０及び第１排出ポートが、第１ボルト孔２６よりも内側となる位置に形成されている。

カバープレート１６は、ベースプレート１４と略同一形状となるプレートからなり、セル１２を挟んでベースプレート１４と対向するように設けられ、第１ボルト孔２６に臨む四隅近傍には、該第１ボルト孔２６に挿通された連結ボルト（締結部材）３６の螺合される第３ボルト孔３８が形成されている。第３ボルト孔３８は、その内周面にねじの刻設されたねじ孔であり、ベースプレート１４の第１ボルト孔２６に対応して８個設けられている。

また、カバープレート１６には、図２及び図３に示されるように、セル１２に臨み、且つ、その厚さ方向においてベースプレート１４の第１供給ポート３０及び第１排出ポートと一直線状となる位置に、それぞれ第２供給ポート４０、第２排出ポート４２が形成される。この第２供給ポート４０及び第２排出ポート４２は、第１供給ポート３０及び第１排出ポートと略同一形状となる長円状に形成される（図２参照）。

さらに、カバープレート１６には、第３ボルト孔３８よりも内側となる位置に４個の第４ボルト孔４４が形成され、カバープレート１６の厚さ方向において、ベースプレート１４の第２ボルト孔３２と一直線状となるように形成される。

そして、第４ボルト孔４４には、カバープレート１６側からセル１２側（矢印Ａ２方向）に向かって固定ボルト３４が挿通され、該セル１２に挿通された後にベースプレート１４の第２ボルト孔３２へと螺合されることで、前記カバープレート１６、前記セル１２、前記ベースプレート１４が厚さ方向（積層方向）に一体的に固定されてモジュール化された１つのスタック１８が構成される。

ガスケット２０は、図１〜図４に示されるように、例えば、マイカ等から一定厚さで形成されたプレートからなり、ベースプレート１４及びカバープレート１６と略同一面積となるように形成され、積層される各スタック１８のカバープレート１６の上面と隣接するスタック１８におけるベースプレート１４の下面との間に挟持される。

このガスケット２０には、ベースプレート１４の第１供給ポート３０及び第１排出ポート、カバープレート１６の第２供給ポート４０及び第２排出ポート４２にそれぞれ臨んで連通する供給孔４６及び排出孔４８を有すると共に、連結ボルト３６の挿通される挿通孔５０が８個形成される（図２参照）。

これにより、隣接する２つのスタック１８の間における第１供給ポート３０と第２供給ポート４０との間、第１排出ポートと第２排出ポート４２との間が、ガスケット２０によってそれぞれシールされ、反応ガスの外部への漏出が防止される。

また、ガスケット２０の中央には、断面矩形状で厚さ方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）に貫通した収納孔５２が形成され、この収納孔５２にはプレート状に形成された接点プレート（プレート）５４が収納される。この接点プレート５４は、例えば、導電性を有した鋼板を成形することで弾性を有しており、ガスケット２０と略同一厚さ又は若干厚くなるように形成される。

また、接点プレート５４は、図３及び図４に示されるように、各スタック１８に臨む表面が断面凹凸状に形成されており、積層された各スタック１８のベースプレート１４、カバープレート１６がそれぞれ当接した際、該接点プレート５４の両面に対して十分な接触圧力で接触させることが可能となる。

そして、燃料電池１０の積層方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）において、積層される一方のスタック１８におけるベースプレート１４と、該スタック１８に対してアンダーカバー２４側に配置される他方のスタック１８のカバープレート１６との間に、接点プレート５４を含むガスケット２０が挟持され、前記ベースプレート１４の第１ボルト孔２６に挿通された連結ボルト３６を、ガスケット２０の挿通孔５０を介して前記カバープレート１６の第３ボルト孔３８へと螺合させることで、隣接するスタック１８同士が積層方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）において連結される。すなわち、連結ボルト３６は、第１及び第３ボルト孔２６、３８の数量に対応して８本設けられる。

トップカバー２２及びアンダーカバー２４は、図１及び図２に示されるように、それぞれベースプレート１４及びカバープレート１６と同一形状となるプレートからなり、前記トップカバー２２が、最も一端部側（矢印Ａ１方向）となるスタック１８のカバープレート１６に対してガスケット２０を挟んで配置される。そして、トップカバー２２の孔部５６に挿通された８本の第１締結ボルト５８が、該カバープレート１６の第３ボルト孔３８へと螺合されることで固定される。

また、トップカバー２２の角部には、電源線であるパワーライン６０が電源用ボルト６２によって接続され、例えば、セル１２で発電された電力が外部へと出力される。

一方、アンダーカバー２４は、最も他端部側（矢印Ａ２方向）となるスタック１８のベースプレート１４に対してガスケット２０を挟んで配置され、その孔部６４に挿通された８本の第２締結ボルト６６が、該ベースプレート１４の第１ボルト孔２６へと螺合されることで固定される。また、アンダーカバー２４には、各スタック１８の第１及び第２供給ポート３０、４０、第１及び第２排出ポート４２に臨む位置に、図示しない供給口及び排出口が開口して連通している。

そして、供給口から反応ガスが供給されることで、各スタック１８の第１及び第２供給ポート３０、４０を介して該反応ガスが積層方向（矢印Ａ１方向）に沿って流れ、各セル１２へと供給されると共に、余剰となった反応ガスが、各スタック１８の第１排出ポート、第２排出ポート４２を通じて積層方向（矢印Ａ２方向）に沿って流れて排出口から外部へと排出される。

本発明の実施の形態に係る燃料電池１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、複数のセル１２を積層して組み付ける場合について説明する。なお、ここでは、図１及び図２に示されるように、５つのスタック１８を積層させて組み付ける場合について説明する。

先ず、燃料電池１０における積層方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）において、隣接する各スタック１８の間にガスケット２０を配置し、下方（矢印Ａ２方向）に配置される一方のスタック１８のカバープレート１６と、このスタック１８に対して上方（矢印Ａ１方向）に配置される他方のスタック１８のベースプレート１４とを対向させ、且つ、両者の間に接点プレート５４を有したガスケット２０を配置した状態で、該ガスケット２０を介して両者を当接させる。

すなわち、一方のスタック１８と他方のスタック１８との間にガスケット２０が挟まれた状態となる。

そして、各スタック１８におけるベースプレート１４の第１ボルト孔２６とカバープレート１６の第３ボルト孔３８とが、スタック１８の積層方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）に一直線状となった状態で、前記第１ボルト孔２６に挿通させた連結ボルト３６を、ガスケット２０の挿通孔５０を介して第３ボルト孔３８へと螺合させる。

これにより、積層方向に隣接する２つのスタック１８のうち、一方のスタック１８のベースプレート１４と他方のスタック１８のカバープレート１６とが連結ボルト３６によって連結されることで、隣接する２つのスタック１８が積層された状態で互いに連結される。

この際、各スタック１８における構成部品からの反力等によってベースプレート１４やカバープレート１６が変形することがあるが、このような場合でも、前記ベースプレート１４と前記カバープレート１６との間に挟持されたガスケット２０の接点プレート５４が弾性変形することで前記変形が好適に吸収される。

そのため、各スタック１８を連結した際に生じる変形の影響を受けることなく、各スタック１８を所定の位置で高精度に積層させ、且つ、積層方向へと均一な荷重が付与された状態で連結できるため、各スタック１８を所定の接触圧力で確実に接続することが可能となる。

そして、最後に、最も一端部側に配置されたスタック１８と、最も他端部側に配置されたスタック１８に対し、それぞれトップカバー２２及びアンダーカバー２４を第１及び第２締結ボルト５８、６６によって固定することで、複数のスタック１８の積層された燃料電池１０が構成される。

以上のように、本実施の形態では、積層された複数のスタック１８を有した燃料電池１０において、セル１２と、該セル１２の一端部を覆うベースプレート１４と、該セル１２の他端部を覆うカバープレート１６とをモジュール化してスタック１８を構成し、このスタック１８を、前記燃料電池１０の積層方向（矢印Ａ１、Ａ２方向）に積層させ、その隣接する２つのスタック１８において、互いに対向させたベースプレート１４とカバープレート１６とを複数の連結ボルト３６によって連結している。

このように、隣接するスタック１８同士をそれぞれ連結ボルト３６で連結可能な構成とすることで、複数のスタック１８を積層させた場合でも、各スタック１８における構成部品の製造誤差やばらつきが積み重なって増加してしまうことがなく、複数のセルを固定エンドプレートと可動プレートとの間に挟持して荷重を付与していた従来の燃料電池と比較し、各スタック１８に対して積層方向に付与される荷重が均一となるように容易且つ高精度に管理することができる。

その結果、複数のスタック１８を容易且つ確実に積層させて互いに連結することができ、それに伴って、各スタック１８の間における反応ガスのシール性を確保することができる。

また、隣接するスタック１８の間にガスケット２０を設けて挟持する構成とすることで、隣接する各スタック１８の第１及び第２供給ポート３０、４０や、第１排出ポート、第２排出ポート４２を流れる反応ガスの外部への漏出が確実に防止される。

さらに、弾性及び導電性を有した接点プレート５４をガスケット２０に設け、このガスケット２０を介して隣接するスタック１８同士を当接させることで、例えば、複数のスタック１８を積層させて組み付けた際に、各スタック１８の構成部品の反力等によってベースプレート１４及びカバープレート１６が変形した場合でも、接点プレート５４の弾性によって該変形を好適に吸収することができる。

そのため、各スタック１８を互いに連結した際に生じる変形の影響を受けることなく、各スタック１８を所定の位置で高精度に積層させることができ、各スタック１８を所望の接触圧力で確実に接続することが可能となるため、電気抵抗の増加が回避され、従来の燃料電池と比較して発電効率を向上させることができる。

さらにまた、セル１２と、該セル１２を挟むように配置されたベースプレート１４及びカバープレート１６からスタック１８を構成することで、その構成を簡素化することができ、前記スタック１８の数量を増減させるための取り扱いが容易であり、その作業も容易となる。

またさらに、各スタック１８同士を連結するためのベースプレート１４及びカバープレート１６が同一形状で形成されているため、その連結作業を容易に行うことができると共に、スタック１８の管理や保管等も容易である。

また、スタック１８をモジュール化することで、このスタック１８の数量を容易に増減させることができ、それに伴って、燃料電池１０の出力を容易に調整することが可能となる。

さらに、連結ボルト３６は、ベースプレート１４及びカバープレート１６において、セル１２を中心として均等となるように配置されているため、前記連結ボルト３６でスタック１８を連結する際の締結力（荷重）が前記セル１２に対して均等に付与するように組み付けることができる。

さらに、上述した燃料電池１０では、５つのスタック１８を有する構成について説明したが、これに限定されるものではなく、必要とされる出力に応じて前記スタック１８の数量を適宜増減させればよい。

なお、本発明に係る燃料電池は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。

１０…燃料電池 １２…セル
１４…ベースプレート １６…カバープレート
１８…スタック ２０…ガスケット
２２…トップカバー ２４…アンダーカバー
２６…第１ボルト孔 ３２…第２ボルト孔
３４…固定ボルト ３６…連結ボルト
３８…第３ボルト孔 ４４…第４ボルト孔
５４…接点プレート

Claims (3)

1. セルを有した複数のスタックが積層された燃料電池において、
   前記スタックは、積層方向において前記セルの一端側に設けられる第１のベースと、前記積層方向において前記セルの他端側に設けられる第２のベースとを有し、
   隣接する２つのスタックにおいて、一方のスタックにおける第１のベースと、他方のスタックにおける第２のベースとが対向し締結部材によって前記積層方向に互いに連結されることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、
   一方のスタックと他方のスタックとの間には、各ユニット間の燃料の漏れを防止するガスケットと、
   該ガスケットに設けられ、弾性及び導電性を有したプレートと、
   が設けられ、
   前記プレートの少なくとも一部が前記セルに臨むように配置されることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池において、
   前記プレートは、前記スタックに臨む表面が前記積層方向に凹凸状となるように形成されることを特徴とする燃料電池。

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