JP3774622B2

JP3774622B2 - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP3774622B2
Application number: JP2000266105A
Authority: JP
Inventors: 治巳波多野; 成利杉田; 典昭尾棹; 健牛尾
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1999-09-01
Filing date: 2000-09-01
Publication date: 2006-05-17
Anticipated expiration: 2020-09-01
Also published as: JP2001143742A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される単位燃料電池セルが、セパレータを介して水平方向に複数個積層される車載用燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード側電極およびカソード側電極を対設して構成された単位燃料電池セルを、セパレータによって挟持することにより構成されている。この固体高分子型燃料電池は、通常、単位燃料電池セルおよびセパレータを所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池スタックにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、水素含有ガスは、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスあるいは空気が供給されているために、このカソード側電極において、前記水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。
【０００４】
ところで、上記の燃料電池スタックを車両等に搭載して使用する場合、走行中の振動や発進および停止の繰り返し等によって前記燃料電池スタックに負荷が作用してしまうため、該燃料電池スタックを車両に対して強固に固定する必要がある。このため、例えば、特開平５−８２１５７号公報に開示されているように、燃料電池スタックの周域に補強枠を構築するとともに、前記補強枠の頂部に支持具を介して燃料電池スタックの上部締め付け板を支持する支持構造が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来技術では、燃料電池スタックがセルスタック、マニホールドおよび上下締め付け板から構成されており、この燃料電池スタックを車体の床面上にベース架台を介して据え付けるとともに、前記燃料電池スタックの周域に補強枠を構築し、この補強枠を構成する支持ピンで上締め付け板を拘束支持することにより、該燃料電池スタックを固定支持している。
【０００６】
しかしながら、支持構造が高さ方向に相当に大きな寸法を有することになり、燃料電池スタックを配置する車両の種類や配置箇所が限定されてしまい、例えば、前記燃料電池スタックを乗用車車体の床下等に設置することができないという問題が指摘されている。
【０００７】
さらに、燃料電池スタックでは、運転温度と雰囲気温度の差による熱膨張や電解質膜の含水による膨張等によって燃料電池スタックが積層方向に向かって伸縮し易い。ところが、上記の支持構造では、燃料電池スタック自体の伸縮に対応することができず、発電性能の劣化や燃料ガスや酸化剤ガス等の漏れが発生するという不具合が指摘されている。
【０００８】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池スタックを車両等に確実に固定するとともに、前記燃料電池スタック自体の伸縮に確実に対応して所望の発電性能を保持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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池スタックでは、一方のエンドプレート側を車両に保持する固定支持手段と、他方のエンドプレート側を前記車両に対して積層方向に移動可能に保持する可動支持手段とが設けられている。従って、燃料電池スタックの周囲温度や運転温度の変化等によって前記燃料電池スタックが積層方向に伸縮する際、可動支持手段の作用下に他方のエンドプレートが積層方向に進退し、マウント構造に応力が発生することがない。
【００１４】
しかも、固定支持手段では、車両側に固定されるマウントブラケットにバックアッププレートが固定されるとともに、規制部材を介して一方のエンドプレートが前記バックアッププレートから所定間隔以上に離間することを阻止している。これにより、燃料電池スタックに振動等が発生しても、一方のエンドプレートがバックアッププレートから必要以上に大きく離間することがなく、前記一方のエンドプレートにマニホールド等の補器が装着されている際にも、前記補器の締結部やシール部が影響を受けることがない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に関連する第１の実施形態に係る燃料電池スタックが組み込まれる燃料電池システム１０の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池システム１０の側面説明図である。
【００１６】
燃料電池システム１０は、水平方向（矢印Ａ方向）に沿って互いに平行に配列される第１燃料電池スタック１２と第２燃料電池スタック１４とを備える。第１および第２燃料電池スタック１２、１４の同一側の一端部鉛直面を構成する第１エンドプレート１６、１８には、正極である第１電力取り出し端子２０および負極である第２電力取り出し端子２２が設けられる。
【００１７】
第１および第２燃料電池スタック１２、１４の同一側の他端部鉛直面である第２エンドプレート２４、２６側には、前記第１および第２燃料電池スタック１２、１４に対して燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体の供給と排出を行うための配管機構２８が組み込まれる。第１および第２燃料電池スタック１２、１４は、マウント機構３０を介して車両を構成する取り付けプレート３１に固定される。
【００１８】
第１燃料電池スタック１２は、図３および図４に示すように、単位燃料電池セル３２と、この単位燃料電池セル３２を挟持する第１および第２セパレータ３４、３６とを備え、これらが複数組だけ水平方向（矢印Ａ方向）に積層されている。第１燃料電池スタック１２は、全体として直方体状を有しており、短辺方向（矢印Ｂ方向）が重力方向に指向するとともに、長辺方向（矢印Ｃ方向）が水平方向に指向して配置される。
【００１９】
単位燃料電池セル３２は、固体高分子電解質膜３８と、この電解質膜３８を挟んで配設されるカソード側電極４０およびアノード側電極４２とを有するとともに、前記カソード側電極４０および前記アノード側電極４２には、例えば、多孔質層である多孔質カーボンペーパ等からなる第１および第２ガス拡散層４４、４６が配設される。
【００２０】
単位燃料電池セル３２の両側には、第１および第２ガスケット４８、５０が設けられ、前記第１ガスケット４８は、カソード側電極４０および第１ガス拡散層４４を収納するための大きな開口部５２を有する一方、前記第２ガスケット５０は、アノード側電極４２および第２ガス拡散層４６を収納するための大きな開口部５４を有する。単位燃料電池セル３２と第１および第２ガスケット４８、５０とが、第１および第２セパレータ３４、３６によって挟持される。
【００２１】
第１セパレータ３４は、カソード側電極４０に対向する面３４ａおよび反対側の面３４ｂが長方形状に設定されており、例えば、長辺５５ａが水平方向に指向するとともに、短辺５５ｂが重力方向に指向して配置される。
【００２２】
第１セパレータ３４の短辺５５ｂ側の両端縁部上部側には、酸素含有ガスまたは空気である酸化剤ガスを通過させるための酸化剤ガス入口５６ａと、水素含有ガス等の燃料ガスを通過させるための燃料ガス入口５８ａとが、上下方向に長尺形状を有して設けられる。第１セパレータ３４の短辺５５ｂ側の両端縁部下部側には、酸化剤ガス出口５６ｂと燃料ガス出口５８ｂとが、酸化剤ガス入口５６ａおよび燃料ガス入口５８ａと対角位置になるようにかつ上下方向に長尺形状を有して設けられている。
【００２３】
第１セパレータ３４の長辺５５ａの下端部には、矢印Ｃ方向に長尺な４つの冷却媒体入口６０ａ〜６０ｄが設けられるとともに、この第１セパレータ３４の長辺５５ａ側の上部には、同様に、矢印Ｃ方向に長尺な４つの冷却媒体出口６０ｅ〜６０ｈが設けられる。冷却媒体入口６０ａ〜６０ｄには、純水やエチレングリコールやオイル等の冷却媒体が供給される。第１セパレータ３４の面３４ａには、酸化剤ガス入口５６ａに連通する１０本のそれぞれ独立した第１酸化剤ガス流路溝６２が、水平方向に蛇行しながら重力方向に向かって設けられる。第１酸化剤ガス流路溝６２は、５本の第２酸化剤ガス流路溝６３に合流し、前記第２酸化剤ガス流路溝６３が酸化剤ガス出口５６ｂに連通する。第１セパレータ３４には、タイロッド挿通用の孔部６３が６箇所に形成されている。
【００２４】
第２セパレータ３６は長方形状に形成されており、この第２セパレータ３６の短辺６４ｂ側の両端縁部上部側には、酸化剤ガス入口６６ａおよび燃料ガス入口６８ａが貫通形成されるとともに、その両端縁部下部側には、酸化剤ガス出口６６ｂおよび燃料ガス出口６８ｂが、前記酸化剤ガス入口６６ａおよび前記燃料ガス入口６８ａと対角位置になるように貫通形成されている。
【００２５】
第２セパレータ３６の長辺６４ａ側の下部には、矢印Ｃ方向に長尺な４つの冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄが貫通形成され、この長辺６４ａ側の上部には、冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈが、同様に、矢印Ｃ方向に長尺に貫通形成される。
【００２６】
図５に示すように、第２セパレータ３６の面３６ａには、燃料ガス入口６８ａに連通して１０本の燃料ガス流路溝７２が形成される。この第１燃料ガス流路溝７２が５本の第２燃料ガス流路溝７３に合流し、前記第２燃料ガス流路溝７３が燃料ガス出口６８ｂに連通する。
【００２７】
図６に示すように、第２セパレータ３６の面３６ａとは反対側の面３６ｂには、冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄと冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈにそれぞれ個別に連通する冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄが重力方向に向かって設けられる。冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄは、冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄと冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈに連通するそれぞれ９本の第１流路溝７６ａ、７６ｂを備えるとともに、前記第１流路溝７６ａ、７６ｂ間には、それぞれ２本の第２流路溝７８が互いに重力方向に平行しかつ所定間隔ずつ離間して設けられる。第２セパレータ３６には、第１セパレータ３４と同様に、タイロッド挿通用の孔部６３が６箇所に設けられている。
【００２８】
図７に示すように、所定数だけ積層された単位燃料電池セル３２の積層方向両端には、ターミナルプレートである端子板８０と第１導電プレート８２とが配設される。端子板８０には、絶縁板８４を介して第１エンドプレート１６が積層されるとともに、この端子板８０に第１電力取り出し端子２０が装着される。
【００２９】
図８に示すように、第１電力取り出し端子２０は、円柱状の大径部８６の両端に小径なねじ部８８ａ、８８ｂを設けている。このねじ部８８ａは、端子板８０に形成された孔部９０を通って第１セパレータ３４の酸化剤ガス入口５６ａ内に突出し、前記ねじ部８８ａにナット部材９２が螺着される。大径部８６の肩部には、端子板８０との間のシール性を向上させるためにシール部材９４が介装されるとともに、前記大径部８６の外周と第１エンドプレート１６に形成された孔部９６との間に絶縁リング９８が介装される。
【００３０】
図９に示すように、第１導電プレート８２は、第２セパレータ３６とほぼ同一形状、すなわち、長方形状に設定されており、短辺側の両端縁部には、酸化剤ガス入口１００ａ、燃料ガス入口１０２ａおよび酸化剤ガス出口１００ｂ、燃料ガス出口１０２ｂが互いに対角位置に設けられている。第１導電プレート８２の長辺側下部および上部には、それぞれ４つの冷却媒体入口１０４ａ〜１０４ｄと冷却媒体出口１０４ｅ〜１０４ｈが設けられるとともに、タイロッド挿通用の孔部６３が６箇所に形成されている。
【００３１】
第１導電プレート８２には、第１燃料電池スタック１２の下側にかつ第２燃料電池スタック１４に近接して延在する第１接続板部１０６が設けられる。第１接続板部１０６には、下方に突出して２本のボルト部１０８ａ、１０８ｂが設けられ、このボルト部１０８ａ、１０８ｂおよび第１導電プレート８２は、導電性を有する材料、例えば、ＳＵＳや銅等で構成されている。図７に示すように、第１導電プレート８２には、絶縁板１１０、蓋板１１２およびシール部材１１４を介して第２エンドプレート２４が積層される。
【００３２】
図１０および図１１に示すように、第２エンドプレート２４は長方形状に構成されており、その短辺側の両端縁部上部側には、酸化剤ガス入口１２０ａと燃料ガス入口１２２ａとが貫通形成されるとともに、その短辺側の両端縁部下部側には、酸化剤ガス出口１２０ｂと燃料ガス出口１２２ｂとが前記酸化剤ガス入口１２０ａおよび前記燃料ガス入口１２２ａと対角位置になるように設けられる。
【００３３】
第２エンドプレート２４の内側の面２４ａには、第２セパレータ３６の冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄに連通する第１冷却媒体流路溝１２４ａ〜１２４ｄと、前記第２セパレータ３６の冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈに連通する第２冷却媒体流路溝１２４ｅ〜１２４ｈが、水平方向に長尺でかつ所定の深さを有して形成される。第１冷却媒体流路溝１２４ａ〜１２４ｄは、それぞれ１２本の第１溝部１２６ａの端部に連通する。第１溝部１２６ａは、互いに平行に上方に延在した後、それぞれ２本ずつ合流して第２溝部１２６ｂが設けられ、前記第２溝部１２６ｂがそれぞれ２本ずつ第３溝部１２６ｃに合流して冷却媒体供給口１２８に連通する。
【００３４】
第２冷却媒体流路溝１２４ｅ〜１２４ｈは、同様にそれぞれ１２本の第１溝部１３０ａに連通し、前記第１溝部１３０ａが鉛直下方向に延在して第２溝部１３０ｂに２本ずつ合流する。第２溝部１３０ｂは、２本ずつ第３溝部１３０ｃに合流して冷却媒体排出口１３２に連通する。冷却媒体供給口１２８および冷却媒体排出口１３２には、図１０に示すように、供給管路１３４と排出管路１３６が連結されており、この供給管路１３４およびこの排出管路１３６が、第１燃料電池スタック１２の外方に所定の長さだけ突出している。第２エンドプレート２４には、タイロッド挿通用の孔部６３が６箇所に形成されている。
【００３５】
図７に示すように、第１燃料電池スタック１２は、締め付け機構１４０を介して積層方向（矢印Ａ方向）に一体的に締め付け固定される。締め付け機構１４０は、第１エンドプレート１６の外面側に設けられる液体チャンバ１４２と、この液体チャンバ１４２内に封入される非圧縮性の面圧付与用液体、例えば、シリコンオイル１４４と、第２エンドプレート２４の外面側に設けられ、前記第２エンドプレート２４を前記第１エンドプレート１６側に押圧するために水平方向に所定間隔ずつ離間して配置される３つの皿ばね１４６ａ〜１４６ｃとを備える。
【００３６】
液体チャンバ１４２を挟んで第１エンドプレート１６に対向してバックアッププレート１４８が配設され、このバックアッププレート１４８とアルミニウムまたはステンレススチールの薄板１５０との間に液体チャンバ１４２が構成される。皿ばね１４６ａ〜１４６ｃは、第２エンドプレート２４の面内に略等間隔ずつ離間して配置されるとともに、取り付け板１５２により支持される。取り付け板１５２から第１燃料電池スタック１２を貫通してバックアッププレート１４８に６本のタイロッド（締め付けボルト）１５４が挿入される。タイロッド１５４の端部にナット１５６がねじ込まれることにより、第１燃料電池スタック１２が一体的に保持される。
【００３７】
図２および図１２に示すように、マウント構造３０は、第１燃料電池スタック１２の積層方向（矢印Ａ方向）一端側に配設される第２エンドプレート２４側を車両の取り付けプレート３１に保持する固定支持手段１５８ａと、前記第１燃料電池スタック１２の積層方向他端側に配設される第１エンドプレート１６側を前記取り付けプレート３１に対し前記積層方向に移動可能に保持する可動支持手段１５８ｂとを備える。固定支持手段１５８ａおよび可動支持手段１５８ｂは、第１エンドプレート１６の下部側に一体的に設けられるブラケット部（支持部）１６０ａ、１６０ｂと、第２エンドプレート２４の下部側にねじ止めされるマワントブラケット（支持部）１６２ａ、１６２ｂとを備える。ブラケット部１６０ａ、１６０ｂには、第１燃料電池スタック１２の積層方向（矢印Ａ方向）に長尺な長孔１６４ａ、１６４ｂが形成される一方、マウントブラケット１６２ａ、１６２ｂに孔部１６６ａ、１６６ｂが形成される。
【００３８】
長孔１６４ａ、１６４ｂおよび孔部１６６ａ、１６６ｂには、それぞれゴムマウント１６８が配置される。ゴムマウント１６８は、上下にねじ部１７０ａ、１７０ｂが設けられており、上部に突出する前記ねじ部１７０ａにカラー部材１７２が配置されてこのカラー部材１７２がここから長孔１６４ａ、１６４ｂに挿入されるとともに、該ねじ部１７０ａにナット１７４が螺合される。マウントブラケット１６２ａ、１６２ｂ側では、ゴムマウント１６８のねじ部１７０ａが孔部１６６ａ、１６６ｂに挿入されてその先端部にナット１７４が螺合される。ゴムマウント１６８の下部側に突出するねじ部１７０ｂは、取り付けプレート３１に挿入されてナット１７６が螺合されることにより、第１燃料電池スタック１２を車両等に固定する。
【００３９】
図１３に示すように、第２燃料電池スタック１４は、上述した第１燃料電池スタック１２とは対称的に構成されるとともに、電解質膜３８に対してカソード側電極４０とアノード側電極４２とが逆側に配置されており、第１エンドプレート１８側に負極である第２電力取り出し端子２２が設けられる（図１４参照）。第２燃料電池スタック１４は、基本的には第１燃料電池スタック１２と同様に構成されており、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。
【００４０】
図１５に示すように、第２燃料電池スタック１４は、第２導電プレート１８０を備えており、この第２導電プレート１８０には、前記第２燃料電池スタック１４の下側に延在しかつ第１燃料電池スタック１２に設けられている第１導電プレート８２の第１接続板部１０６に近接する第２接続板部１８２を設けている。第１および第２接続板部１０６、１８２には、それぞれ一対のボルト部１０８ａ、１０８ｂと１８４ａ、１８４ｂとが設けられている。
【００４１】
ボルト部１０８ａと１８４ａおよびボルト部１０８ｂと１８４ｂには、それぞれ可撓性接続体、例えば、撚り線１８６ａ、１８６ｂが接続される。撚り線１８６ａ、１８６ｂは、多数の細線状の導線を網状に撚ることにより構成されており、それぞれゴムカバー１８８ａ、１８８ｂにより覆われている。
【００４２】
図１３に示すように、第１および第２燃料電池スタック１２、１４を構成する第２エンドプレート２４、２６には、それぞれ燃料ガス入口１２２ａと酸化剤ガス出口１２０ｂとが互いに近接する位置に配置されており、この第２エンドプレート２４、２６に配管機構２８が組み込まれる。
【００４３】
図１および図１６に示すように、配管機構２８は、互いに並設される第１および第２燃料電池スタック１２、１４を構成する第２エンドプレート２４、２６の各燃料ガス入口１２２ａを覆って前記第２エンドプレート２４、２６に一体的に固定される第１ブラケット１９０を備える。この第１ブラケット１９０には、各燃料ガス入口１２２ａにそれぞれ連通する燃料ガス供給管１９２ａ、１９２ｂが設けられ、前記燃料ガス供給管１９２ａ、１９２ｂが合流して燃料ガス供給口１９４に連通する。
【００４４】
第２エンドプレート２４、２６には、各酸化剤ガス出口１２０ｂを覆って第２ブラケット１９６が固定される。この第２ブラケット１９６に設けられ酸化剤ガス出口１２０ｂにそれぞれ連通する酸化剤ガス排出管１９８ａ、１９８ｂの先端部が、酸化剤ガス排出口２００に一体的に連通する。
【００４５】
第２エンドプレート２４、２６には、それぞれの酸化剤ガス入口１２０ａおよび燃料ガス出口１２２ｂを覆って第３および第４ブラケット２０２、２０４が固定される。第３および第４ブラケット２０２、２０４には、酸化剤ガス入口１２０ａに連通する酸化剤ガス供給管２０６の両端が連通するとともに、この酸化剤ガス供給管２０６の途上に酸化剤ガス供給口２０８が設けられる。第３および第４ブラケット２０２、２０４には、燃料ガス出口１２２ｂに連通する燃料ガス排出管２１０の両端が連通し、この燃料ガス排出管２１０の途上に燃料ガス排出口２１２が設けられる。
【００４６】
第２エンドプレート２４、２６に設けられている各供給管路１３４に冷却媒体供給管２１４の両端が連結され、この冷却媒体供給管２１４に冷却媒体供給口２１６が設けられる。第２エンドプレート２４、２６に設けられている各排出管路１３６に冷却媒体排出管２１８が連結されるとともに、この冷却媒体排出管２１８に冷却媒体排出口２２０が設けられる。
【００４７】
このように構成される燃料電池システム１０の動作について、以下に説明する。
【００４８】
図１に示すように、燃料電池システム１０には、燃料ガス供給口１９４から燃料ガス（例えば、炭化水素を改質した水素を含むガス）が供給されるとともに、酸化剤ガス供給口２０８に酸化剤ガスとして空気または酸素含有ガス（以下、単に空気という）が供給される。さらに、冷却媒体供給口２１６に冷却媒体が供給される。
【００４９】
燃料ガス供給口１９４に供給された燃料ガスは、燃料ガス供給管１９２ａ、１９２ｂを通って第１および第２燃料電池スタック１２、１４を構成する第２エンドプレート２４、２６の各燃料ガス入口１２２ａに送られ、さらに第２セパレータ３６の各燃料ガス入口６８ａから第１燃料ガス流路溝７２に導入される。図５に示すように、第１燃料ガス流路溝７２に供給された燃料ガスは、第２セパレータ３６の面３６ａに沿って水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する。
【００５０】
その際、燃料ガス中の水素ガスは、第２ガス拡散層４６を通って単位燃料電池セル３２のアノード側電極４２に供給される。そして、未使用の燃料ガスは、第１燃料ガス流路溝７２に沿って移動しながらアノード側電極４２に供給される一方、未使用の燃料ガスが第２燃料ガス流路溝７３を介して燃料ガス出口６８ｂから排出される。この未使用の燃料ガスは、第２エンドプレート２４、２６の各燃料ガス出口１２２ｂを通って燃料ガス排出管２１０に導入され、燃料ガス排出口２１２を介して燃料電池システム１０から排出される。
【００５１】
一方、酸化剤ガス供給口２０８に供給された空気は、酸化剤ガス供給管２０６を介して第２エンドプレート２４、２６に設けられた各酸化剤ガス入口１２０ａに送られ、さらに第１および第２燃料電池スタック１２、１４内に組み込まれた第１セパレータ３４の酸化剤ガス入口５６ａに供給される（図３参照）。第１セパレータ３４では、酸化剤ガス入口５６ａに供給された空気が面３４ａ内の第１酸化剤ガス流路溝６２に導入され、この第１酸化剤ガス流路溝６２に沿って水平方向に蛇行しながら重力方向に移動する。
【００５２】
その際、空気中の酸素ガスは、第１ガス拡散層４４からカソード側電極４０に供給される一方、未使用の空気が第２酸化剤ガス流路溝６３を介して酸化剤ガス出口５６ｂから排出される。この酸化剤ガス出口５６ｂに排出された空気は、第２エンドプレート２４、２６に設けられた酸化剤ガス出口１２０ｂから酸化剤ガス排出管１９８ａ、１９８ｂを介して酸化剤ガス排出口２００より排出される（図１参照）。
【００５３】
これにより、第１および第２燃料電池スタック１２、１４で発電が行われ、それぞれ特性の異なる第１および第２電力取り出し端子２０、２２間に接続される負荷、例えば、図示しないモータに電力が供給されることになる。
【００５４】
また、第１および第２燃料電池スタック１２、１４内は、冷却媒体により有効に冷却される。すなわち、冷却媒体供給口２１６に供給された冷却媒体は、冷却媒体供給管２１４から第２エンドプレート２４、２６に設けられている供給管路１３４に導入される。この冷却媒体は、図１１に示すように、第２エンドプレート２４、２６の冷却媒体供給口１２８に導入され、複数の第２溝部１２６ｂから第１溝部１２６ａを通って第１冷却媒体流路溝１２４ａ〜１２４ｄに送られる。
【００５５】
第１冷却媒体流路溝１２４ａ〜１２４ｄに導入された冷却媒体は、第２セパレータ３６の下部側に形成された冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄに導入され、図６に示すように、前記冷却媒体入口７０ａ〜７０ｄに連通する冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄを下方から上方に向かって移動する。冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄを通って各単位燃料電池セル３２を冷却した冷却媒体は、冷却媒体出口７０ｅ〜７０ｈを通って第２エンドプレート２４、２６の第２冷却媒体流路溝１２４ｅ〜１２４ｈに導入される（図１１参照）。この第２冷却媒体流路溝１２４ｅ〜１２４ｈに導入された冷却媒体は、第１溝部１３０ａから第２溝部１３０ｂを介して冷却媒体排出口１３２に送られ、排出管路１３６から冷却媒体排出管２１８を通って冷却媒体排出口２２０より排出される。
【００５６】
この場合、第１の実施形態では、第１および第２燃料電池スタック１２、１４がそれぞれ積層方向（矢印Ａ方向）に平行に配置されるとともに、マウント構造３０を介して車両の取り付けプレート３１に固定されている（図２および図１２参照）。このため、第１および第２燃料電池スタック１２、１４の上部側にマウント構造３０が突出することがなく、この上部側のスペースを有効に活用することが可能になる。従って、特に燃料電池システム１０を車両に搭載する際に、この燃料電池システム１０を床下等に容易に収容することができ、レイアウトの自由度が向上するという効果が得られる。
【００５７】
さらに、マウント構造３０は、可動支持手段１５８ｂを備えており、この可動支持手段１５８ｂが矢印Ａ方向に長尺な長孔１６４ａ、１６４ｂを有するブラケット部１６０ａ、１６０ｂと、ゴムマウント１６８に装着され前記長孔１６４ａ、１６４ｂに沿って移動可能なカラー部材１７２とを備えている。
【００５８】
このため、第１および第２燃料電池スタック１２、１４の周囲温度と運転温度の変化等によって積層部品の熱膨張や熱収縮が惹起し、前記第１および第２燃料電池スタック１２、１４が積層方向に伸縮する際、第１エンドプレート１６、１８が長孔１６４ａ、１６４ｂを介して矢印Ａ方向に移動可能である。従って、第１および第２燃料電池スタック１２、１４の収縮時にマウント構造３０に応力が作用することがなく、前記マウント構造３０の損傷を阻止するとともに、前記第１および第２燃料電池スタック１２、１４からの燃料ガス、酸化剤ガスあるいは冷却媒体の漏れを確実に阻止することが可能になる。
【００５９】
しかも、マウント構造３０は、実質的に第１エンドプレート１６に一体的に設けられ、長孔１６４ａ、１６４ｂが形成されたブラケット部１６０ａ、１６０ｂと、第２エンドプレート２４にねじ止めされるマウントブラケット１６２ａ、１６２ｂとを備えている。これにより、このマウント構造３０全体の構成が有効に簡素化され、極めて経済的であるという利点が得られる。
【００６０】
なお、第１の実施形態では、第１および第２燃料電池スタック１２、１４を並列して燃料電池システム１０を構成しているが、例えば、第１燃料電池スタック１２のみを使用する場合に同様の効果が得られる。
【００６１】
図１７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック２４０の概略斜視説明図である。
【００６２】
この燃料電池スタック２４０は、第２エンドプレート２４ａが配置されており、この第２エンドプレート２４ａ側に配管機構２８が組み込まれている。燃料電池スタック２４０は、マウント構造２４２を備え、このマウント構造２４２は、燃料電池スタック２４０の積層方向一端側に配設される第２エンドプレート２４ａ側を、車両に対して保持する固定支持手段２４４と、前記燃料電池スタック２４０の積層方向他端側に配設される第１エンドプレート１６ａ側を、車両に対して前記積層方向に移動可能に保持する可動支持手段１５８ｂとを備える。なお、第１の実施形態に係る第１燃料電池スタック１２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。
【００６３】
図１７乃至図１９に示すように、固定支持手段２４４は、車両側の取り付けプレート３１に固定されるマウントブラケット２４６と、前記マウントブラケット２４６に固定されるとともに、燃料電池スタック２４０を積層方向に締め付けるタイロッド（締め付けボルト）１５４が係合するバックアッププレート２４８と、第２エンドプレート２４ａと前記バックアッププレート２４８に一体的に設けられ、該第２エンドプレート２４ａが該バックアッププレート２４８から所定間隔以上に離間する（矢印Ａ１方向）ことを阻止する規制部材、例えば、保持ボルト２５０とを備える。
【００６４】
マウントブラケット２４６は、車両側の取り付けプレート３１にボルト２５２を介して固定される水平取り付け部２５４と、バックアッププレート２４８をボルト２５６を介して固定する鉛直取り付け部２５８とを備え、前記鉛直取り付け部２５８は、配管機構２８を避けて前記バックアッププレート２４８の略中央部分に配置されている。
【００６５】
図１８に示すように、第２エンドプレート２４ａの略中央部に、複数、例えば、２つのねじ孔２６０が形成されるとともに、バックアッププレート２４８には、前記ねじ孔２６０に対応して段付孔部２６２が設けられる。保持ボルト２５０は、先端に設けられたねじ部２６４をねじ孔２６０にねじ込むとともに、頭部２６６と前記ねじ部２６４との間に設けられたロッド部２６８が、段付孔部２６２の小径側に摺動し得る程度に隙間を有して挿入される。保持ボルト２５０の頭部２６６は、バックアッププレート２４８の外面部と係合することにより、第２エンドプレート２４ａと前記バックアッププレート２４８との間に所定の間隔を確保し、この間隔以上に前記第２エンドプレート２４ａが前記バックアッププレート２４８から離間することを阻止する。
【００６６】
図１９に示すように、第２エンドプレート２４ａには、横方向両端縁部上部側に酸化剤ガス入口１２０ａと燃料ガス入口１２２ａとが設けられるとともに、その横方向両端縁部下部側には、燃料ガス出口１２２ｂと酸化剤ガス出口１２０ｂとが設けられる。第２セパレータ２４ａの長辺側下部および上部には、それぞれ冷却媒体入口２７０ａと冷却媒体出口２７０ｂとが２つずつ形成されている。
【００６７】
図１７および図１８に示すように、第２エンドプレート２４ａとバックアッププレート２４８との間には、水平方向に２列で合計６個のワッシャプレート２７６が配設される一方、第１エンドプレート１６ａ側には、それぞれの中心が前記ワッシャプレート２７６の中心と矢印Ａ方向に略一致するように、水平方向に２列で合計６個の皿ばね２７８が配設されている。
【００６８】
このように構成される燃料電池スタック２４０では、マウント構造２４２を構成する固定支持手段２４４が、燃料電池スタック２４０に設けられるマウントブラケット２４６と、このマウントブラケット２４６に固定されるバックアッププレート２４８とを備えている。このため、バックアッププレート２４８側には第１エンドプレート１６ａ側のように熱膨張対策としての可動構造を採用する必要がなく、マウントブラケット２４６の取り付け位置の自由度が増大するという効果がある。その際、バックアッププレート２４８側の上下左右に配管機構２８が組み込まれているため、この配管機構２８に干渉することがないように、マウントブラケット２４６を構成する鉛直取り付け部２５８が、前記バックアッププレート２４８の略中央部に容易に取り付けられる。
【００６９】
さらに、第２の実施形態では、車両の取り付けプレート３１にマウントブラケット２４６が固定され、このマウントブラケット２４６にバックアッププレート２４８がボルト２５６を介して固定されるとともに、前記バックアッププレート２４８に係合するタイロッド１５４により、燃料電池スタック２４０が積層方向（矢印Ａ方向）に一体的に締め付けられている。このため、第２エンドプレート２４ａは、マウントブラケット２４６に対して直接固定されておらず、皿ばね２７８およびワッシャプレート２７６を介して燃料電池スタック２４０全体に均一な締め付け力が確実に付与される。
【００７０】
しかも、第２エンドプレート２４ａは、保持ボルト２５０を介してバックアッププレート２４８に保持されている。この保持ボルト２５０は、ロッド部２６８がバックアッププレート２４８の段付孔部２６２内に摺動自在に挿入されており、頭部２６６が前記バックアッププレート２４８の外面部に係合する一方、ねじ部２６４が第２エンドプレート２４ａのねじ孔２６０に螺合している。従って、例えば、軽衝突時のように、燃料電池スタック２４０に振動が発生しても、第２エンドプレート２４ａがバックアッププレート２４８から離間する方向に大きく移動することがない。
【００７１】
その際、第２エンドプレート２４ａには、反応ガスや冷却媒体用マニホールド等の補器（図示せず）が締結されている場合があり、この第２エンドプレート２４ａが矢印Ａ１方向に大きく振動して前記補器の締結部やシール部に悪影響を及ぼすことを確実に阻止することが可能になる。
【００７２】
さらにまた、皿ばね２７８は、配管機構２８とは反対側に位置して第１エンドプレート１６ａ側に配置されている。これにより、配管機構２８との干渉が回避され、皿ばね２７８の設計自由度が向上するという効果が得られる。
【００７３】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、燃料電池スタックの積層方向両端に設けられるそれぞれのエンドプレートがラバーマウントを介して車両に保持されるとともに、一のエンドプレートが可動支持手段を介して積層方向に移動可能に保持される。このため、燃料電池スタックが使用に際して伸縮しても、マウント構造に応力が作用することがなく、しかも積層部からの燃料ガス等の漏れを確実に阻止することができる。
【００７４】
また、本発明に係る燃料電池スタックでは、車両側に固定されるマウントブラケットにバックアッププレートが固定されるとともに、規制部材の作用下に、一方のエンドプレートが前記バックアッププレートから所定間隔以上に離間することを阻止する。これにより、軽振動等が発生しても、一方のエンドプレートがバックアッププレートから必要以上に大きく離間することがなく、前記一方のエンドプレートに装着される補器類の締結部やシール部に悪影響を与えることを阻止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックが組み込まれる燃料電池システムの概略斜視説明図である。
【図２】前記燃料電池システムの側面説明図である。
【図３】前記燃料電池システムを構成する燃料電池スタックの要部分解斜視図である。
【図４】前記燃料電池スタックの要部縦断面説明図である。
【図５】前記燃料電池スタックを構成する第２セパレータの一方の面の正面説明図である。
【図６】前記第２セパレータの他方の面の正面説明図である。
【図７】前記燃料電池スタックの概略縦断面説明図である。
【図８】前記燃料電池スタックを構成する電力取り出し端子の接続構造を示す説明図である。
【図９】前記燃料電池スタックを構成する導電プレートの斜視説明図である。
【図１０】前記燃料電池スタック内の流体の流れを示す流路説明図である。
【図１１】前記燃料電池スタックを構成する第２エンドプレートの内方側の面の正面説明図である。
【図１２】前記燃料電池スタックの平面説明図である。
【図１３】前記燃料電池システムの配管機構を省略した正面説明図である。
【図１４】前記燃料電池システムの背面説明図である。
【図１５】前記燃料電池システムの下側を示す斜視説明図である。
【図１６】前記燃料電池システムの正面説明図である。
【図１７】本発明の第２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。
【図１８】前記燃料電池スタックの側面説明図である。
【図１９】前記燃料電池スタックの正面説明図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池システム１２、１４、２４０…燃料電池スタック
１６、１６ａ、１８、２４、２４ａ、２６…エンドプレート
２０、２２…電力取り出し端子２８…配管機構
３０、２４２…マウント構造３２…単位燃料電池セル
３４、３６…セパレータ３８…電解質膜
４０…カソード側電極４２…アノード側電極
５６ａ、６６ａ、１００ａ、１２０ａ…酸化剤ガス入口
５６ｂ、６６ｂ、１００ｂ、１２０ｂ…酸化剤ガス出口
５８ａ、６８ａ、１０２ａ、１２２ａ…燃料ガス入口
５８ｂ、６８ｂ、１０２ｂ、１２２ｂ…燃料ガス出口
６０ａ〜６０ｄ、７０ａ〜７０ｄ、１０４ａ〜１０４ｄ、２７０ａ…冷却媒体入口
６０ｅ〜６０ｈ、７０ｅ〜７０ｈ、１０４ｅ〜１０４ｈ、２７０ｂ…冷却媒体出口
７２…燃料ガス流路溝７４ａ〜７４ｄ…冷却媒体流路
８０…端子板８２、１８０…導電プレート
１０６、１８２…接続板部１２４ａ〜１２４ｈ…冷却媒体流路溝
１３４…供給管路１３６…排出管路
１４０…締め付け機構１４２…液体チャンバ
１４６ａ〜１４６ｃ、２７８…皿ばね
１５４…タイロッド１５８ａ、２４４…固定支持手段
１５８ｂ…可動支持手段１６０ａ、１６０ｂ…ブラケット部
１６２ａ、１６２ｂ、２４６…マウントブラケット
１６４ａ、１６４ｂ…長孔１６８…ゴムマウント
１７２…カラー部材１８６ａ、１８６ｂ…撚り線
１８８ａ、１８８ｂ…ゴムカバー２４８…バックアッププレート
２５０…保持ボルト２７６…ワッシャプレート

Claims

固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟んで構成される単位燃料電池セルが、セパレータを介して水平方向に沿って複数個積層される車載用燃料電池スタックであって、
前記燃料電池スタックを車両に搭載するためのマウント構造を備え、
前記マウント構造は、前記燃料電池スタックの積層方向一端側に配設される一方のエンドプレートに設けられ、前記一方のエンドプレート側を前記車両に保持する固定支持手段と、
前記燃料電池スタックの積層方向他端側に配設される他方のエンドプレートに設けられ、前記他方のエンドプレート側を前記車両に対して前記積層方向に移動可能に保持する可動支持手段と、
を備えるとともに、
前記固定支持手段は、前記車両側に固定されるマウントブラケットと、
前記マウントブラケットに固定されるとともに、前記燃料電池スタックを積層方向に締め付ける締め付けボルトが係合するバックアッププレートと、
前記一方のエンドプレートと前記バックアッププレートに一体的に設けられ、該一方のエンドプレートが該バックアッププレートから所定間隔以上に離間することを阻止する規制部材と、
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、前記一方のエンドプレートには、前記燃料電池スタックに対して反応ガス及び冷却媒体の供給と排出を行う配管機構が設けられるとともに、
前記マウントブラケットは、前記配管機構を避けて前記バックアッププレートに配置され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、前記他方のエンドプレートと前記燃料電池スタックとの間には、前記燃料電池スタックに対して前記積層方向に締め付け力を付与するためのばね部材が介装されることを特徴とする燃料電池スタック。