JP3981623B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを複数積層した積層体を備えるとともに、前記積層体の両端にターミナルプレート、絶縁プレートおよびエンドプレートが配置される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）からなる電解質膜を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれカーボンを主体とする基材に貴金属系の電極触媒層を接合したアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜（電解質）・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより燃料電池が構成されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質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。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
上記の燃料電池は、通常、数十〜数百の単位セルを積層して積層体を構成している。この積層体の両端には、各燃料電池により発電された電力を集電するためのターミナルプレートと、前記積層体および前記ターミナルプレートを積層方向に押圧保持するためのエンドプレートと、前記ターミナルプレートおよび前記エンドプレート間を絶縁するための絶縁プレートとが配設され、燃料電池スタックが構成されている。
【０００５】
ところで、燃料電池スタックには、積層方向に貫通して燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体を流すための連通孔が設けられている。その際、ターミナルプレートとエンドプレートとの間には、発電により発生した生成水や冷却媒体等による液絡が発生するという問題がある。そこで、例えば、特許文献１には、プレートの反応ガス連通孔に絶縁性ゴム等のグロメット（筒部材）を挿入する技術が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
米国特許第４，３７１，４３３号公報（図２）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献１の技術を採用すると、ターミナルプレート、絶縁プレートおよびエンドプレートを含む各プレート毎にグロメットを装着しなければならない。このため、燃料電池スタック全体として、相当に多数のグロメットが必要となり、コストが高騰するという問題がある。
【０００８】
しかも、各プレートの両面には、グロメットを確実かつ良好に取り付けるために連通孔を周回して溝部が形成されており、前記溝部の深さによって前記プレートの最小厚さが決定される。これにより、各プレートの厚さが相当に大きくなってしまい、燃料電池スタック全体を薄型化および軽量化することができないという問題がある。
【０００９】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、燃料電池スタック全体を容易に薄型化および軽量化するとともに、組み立て作業性に優れる燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【００１０】
【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、電解質・電極構造体とセパレータとを複数積層した積層体と、この積層体の少なくとも一端に配置されるターミナルプレート、絶縁プレートおよびエンドプレートとには、積層方向に貫通して、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガスまたは冷却媒体のいずれかを流す連通孔が設けられている。そして、連通孔の内周面には、複数のプレートを一体的に跨いで絶縁性筒部材が配設されている。
【００１１】
具体的には、ターミナルプレートおよび絶縁プレート、または絶縁プレートおよびエンドプレート、またはターミナルプレート、絶縁プレートおよびエンドプレートには、各連通孔の内周面に沿って単一の絶縁性筒部材が一体に配設されている。そして、絶縁性筒部材は、絶縁性ゴムで構成され、内周面に嵌合するボディの両端にフランジが一体に形成されている。
【００１２】
このため、各プレートの両面に絶縁性筒部材を装着するための溝部を形成する必要がなく、前記溝部の数が減少して前記各プレートの厚さを有効に小さくすることができる。従って、各プレートの機能を維持しながら薄肉化を図ることが可能になり、燃料電池スタック全体の薄型化および軽量化が容易に図られる。しかも、絶縁性筒部材の数が削減されるため、製造コストが有効に低減されるとともに、燃料電池スタックの組み立て作業性が良好に向上する。
【００１３】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池スタックでは、絶縁性筒部材が、少なくとも一方の前記フランジの端面にリップ状シール部を設けている。これにより、絶縁性筒部材のシール性が有効に向上する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の一部分解概略斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の一部断面側面図である。
【００１５】
図１に示すように、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１４を備える。積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａおよびエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１８ｂおよびエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される。燃料電池スタック１０は、エンドプレート２０ａ、２０ｂを含むケーシング２４を介して一体的に保持される。
【００１６】
図２および図３に示すように、各単位セル１２は、電解質膜（電解質）・電極構造体３０と、前記電解質膜・電極構造体３０を挟持する第１および第２セパレータ３２、３４とを備える。第１および第２セパレータ３２、３４は、例えば、金属製の板材により構成されている。なお、第１および第２セパレータ３２、３４はカーボン材等により構成してもよい。電解質膜・電極構造体３０と第１および第２セパレータ３２、３４との間には、後述する連通孔の周囲および電極面の外周を覆って、シール部材３５が介装されている。
【００１７】
単位セル１２の長辺（図３中、矢印Ｂ方向）側の一端縁部には、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、および燃料ガス、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が設けられる。
【００１８】
単位セル１２の長辺側の他端縁部には、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、およ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が設けられる。
【００１９】
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てなる固体高分子電解質膜４２と、該固体高分子電解質膜４２を挟持するアノード側電極４４およびカソード側電極４６とを備える。
【００２０】
アノード側電極４４およびカソード側電極４６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なる電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜４２を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜４２の両面に接合されている。
【００２１】
第１セパレータ３２の電解質膜・電極構造体３０側の面３２ａ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４８が形成される。この燃料ガス流路４８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ている。第１セパレータ３２の面３２ｂ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５０が形成される。この冷却媒体流路５０は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成されている。
【００２２】
第２セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３０側の面３４ａ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５２が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路５２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。図１に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの端部には、面方向に突出する板状の端子部５４ａ、５４ｂが形成される。
【００２３】
ケーシング２４は、エンドプレート２０ａ、２０ｂと、下板５６と、上板５８と側板６０ａ、６０ｂとを備える。エンドプレート２０ａ、２０ｂの上下各辺には、それぞれ２つのタブ部６２ａ、６２ｂが突出形成されるとともに、両側の各辺には、それぞれ１つのタブ部６２ａ、６２ｂが突出形成される。エンドプレート２０ａ、２０ｂの両側の各辺下端には、マウント用ボス部６４ａ、６４ｂが形成される。このボス部６４ａ、６４ｂは、図示しない搭載部位にボルト等により固定されることにより、燃料電池スタック１０を、例えば、車両に搭載する。
【００２４】
下板５６および上板５８は、断面コ字状に屈曲形成され、それぞれの長手方向両端には、タブ部６６ａ、６６ｂが３つずつ形成される。側板６０ａ、６０ｂの長手方向両端には、タブ部６８ａ、６８ｂが２つずつ形成される。
【００２５】
下板５６のタブ部６６ａとエンドプレート２０ａ、２０ｂの下辺のタブ部６２ａ、６２ｂは、交互に配置されるとともに、これらにピン７０が一体的に挿入されて、前記下板５６が前記エンドプレート２０ａ、２０ｂに組み付けられる。同様に、上板５８のタブ部６６ｂがエンドプレート２０ａ、２０ｂの上辺のタブ部６２ａと交互に配置されるとともに、これらにピン７０が一体的に挿入されて、前記上板５８が前記エンドプレート２０ａ、２０ｂに取り付けられる。
【００２６】
側板６０ａ、６０ｂのそれぞれのタブ部６８ａ、６８ｂは、エンドプレート２０ａ、２０ｂの両側の各辺のタブ部６２ａと同軸状に配置され、これらにピン７２が一体的に挿入されることによって、前記側板６０ａ、６０ｂが前記エンドプレート２０ａ、２０ｂに取り付けられる。これにより、ケーシング２４が構成される。
【００２７】
図４および図５に示すように、酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂ、冷却媒体供給連通孔３８ａ、冷却媒体排出連通孔３８ｂ、燃料ガス供給連通孔４０ａおよび燃料ガス排出連通孔４０ｂの各内周面には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａおよびエンドプレート２０ａを一体的に跨いで第１絶縁グロメット（絶縁性筒部材）７４が配設される。
【００２８】
第１絶縁グロメット７４は、例えば、絶縁ゴムで構成されており、連通孔嵌合部であるボディ７６の両端にフランジ７８、８０が一体的に形成される。フランジ７８、８０には、外方に向かって突出するリップ状シール部８２、８４が設けられるとともに、内方に膨出して突部８６、８８がそれぞれ所定の形状に形成される。エンドプレート２０ａは、フランジ７８の突部８６が配置される溝部９０を設ける一方、ターミナルプレート１６ａは、フランジ８０の突部８８が嵌合する溝部９２を設ける。
【００２９】
同様に、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１８ｂおよびエンドプレート２０ｂを一体的に跨いで、第２絶縁グロメット（絶縁性筒部材）９４が装着される。なお、第２絶縁グロメット９４は、第１絶縁グロメット７４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。
【００３０】
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。
【００３１】
まず、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２０ａ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１４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、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体が矢印Ａ方向に供給される。
【００３２】
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から第２セパレータ３４の酸化剤ガス流路５２に導入され、電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極４６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から第１セパレータ３２の燃料ガス流路４８に導入され、電解質膜・電極構造体３０のアノード側電極４４に沿って移動する。
【００３３】
従って、各電解質膜・電極構造体３０では、カソード側電極４６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４４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。
【００３４】
次いで、アノード側電極４４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２０ａから排出される。同様に、カソード側電極４６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２０ａから排出される。
【００３５】
また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔３８ａから第１セパレータ３２の冷却媒体流路５０に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３０を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３８ｂを移動してエンドプレート２０ａから排出される。
【００３６】
この場合、第１の実施形態では、図４および図５に示すように、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａおよびエンドプレート２０ａの連通孔である酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂ、冷却媒体供給連通孔３８ａ、冷却媒体排出連通孔３８ｂ、燃料ガス供給連通孔４０ａおよび燃料ガス排出連通孔４０ｂに生成水や冷却媒体等による液絡を防止するための第１絶縁グロメット７４が装着されている。
【００３７】
その際、第１絶縁グロメット７４は、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａおよびエンドプレート２０ａを一体的に跨いで配設されている。このため、第１絶縁グロメット７４を取り付ける際には、エンドプレート２０ａの片面とターミナルプレート１６ａの片面とに溝部９０、９２を形成するだけでよい。
【００３８】
すなわち、従来のように、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａおよびエンドプレート２０ａにそれぞれ絶縁グロメットを装着する場合には、前記ターミナルプレート１６ａ、前記絶縁プレート１８ａおよび前記エンドプレート２０ａの両面に溝部を形成する必要がある。これに対し、第１の実施形態では、エンドプレート２０ａの片面とターミナルプレート１６ａの片面とに溝部９０、９２を形成するだけでよく、溝数が大幅に削減される。
【００３９】
これにより、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａおよびエンドプレート２０ａは、所望の機能を維持して薄肉化を図ることができ、燃料電池スタック１０全体の薄型化および軽量化が容易に可能になるという効果が得られる。
【００４０】
しかも、第１絶縁グロメット７４は、３枚のプレート、すなわち、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａおよびエンドプレート２０ａに一体的に跨って装着されることにより、前記第１絶縁グロメット７４の数が大幅に（具体的には、１／３に）削減される。従って、製造コストが有効に低減されるとともに、第１絶縁グロメット７４の組み付け作業および取り外し作業が簡素化することにより、燃料電池スタック１０全体の組み立て作業性が良好に向上するという利点がある。
【００４１】
一方、第２絶縁グロメット９４は、上記の第１絶縁グロメット７４と同様に複数枚のプレートであるターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１８ｂおよびエンドプレート２０ｂに一体的に跨って装着されている。このため、第２絶縁グロメット９４の数が大幅に（具体的には、１／４に）削減されるとともに、各プレートの薄肉化および軽量化が容易に図られる。これにより、第２絶縁グロメット９４では、第１絶縁グロメット７４と同様の効果が得られる。
【００４２】
なお、第１の実施形態では、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａおよびエンドプレート２０ａを一体的に跨いで第１絶縁グロメット７４が配設される一方、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１８ｂおよびエンドプレート２０ｂを一体的に跨いで第２絶縁グロメット９４が配設されているが、これに限定されるものではない。例えば、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１８ｂおよびエンドプレート２０ｂに連通孔が設けられていない構造では、第２絶縁グロメット９４が不要になり、第１絶縁グロメット７４のみが使用される。これは、以下に説明する第２の実施形態でも同様である。
【００４３】
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００の要部拡大断面図である。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、その詳細な説明は省略する。
【００４４】
この燃料電池スタック１００は、エンドプレート２０ａに装着される第１絶縁グロメット１０２ａと、ターミナルプレート１６ａおよび絶縁プレート１８ａに一体的に跨って装着される第１絶縁グロメット１０４ａと、エンドプレート２０ｂに装着される第２絶縁グロメット１０２ｂと、ターミナルプレート１６ｂおよび絶縁プレート１８ｂに一体的に装着される第２絶縁グロメット１０４ｂとを備える。
【００４５】
エンドプレート２０ａは、第１絶縁グロメット１０２ａの突部８６、８６ａを収容するために両面に溝部９０、９０ａを備え、絶縁プレート１８ａは、第１絶縁グロメット１０４ａの突部８８ａを挿入するための溝部９２ａを設ける。エンドプレート２０ｂ側は、上記のエンドプレート２０ａ側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。
【００４６】
このように構成される第２の実施形態では、第１絶縁グロメット１０４ａがターミナルプレート１６ａおよび絶縁プレート１８ａに一体的に跨って装着されている。このため、ターミナルプレート１６ａおよび絶縁プレート１８ａの片面のみに溝部９２、９２ａを形成すればよい。これにより、絶縁グロメット数の削減を図るとともに、ターミナルプレート１６ａおよび絶縁プレート１８ａを有効に薄肉化かつ軽量化することができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４７】
一方、第２絶縁グロメット１０４ｂは、上記の第１絶縁グロメット１０４ａと同様に、ターミナルプレート１６ｂおよび絶縁プレート１８ｂに一体的に跨って装着されている。従って、第２絶縁グロメット１０４ｂは、第１絶縁グロメット１０４ａと同様の効果を得ることができる。
【００４８】
なお、第２の実施形態では、第１絶縁グロメット１０４ａがターミナルプレート１６ａおよび絶縁プレート１８ａに一体的に装着されるとともに、第２絶縁グロメット１０４ｂがターミナルプレート１６ｂおよび絶縁プレート１８ｂに一体的に装着されているが、これに限定されるものでない。例えば、エンドプレート２０ａと絶縁プレート１８ａとに一体的に跨って絶縁グロメットを装着する一方、エンドプレート２０ｂと絶縁プレート１８ｂとに一体的に跨って絶縁グロメットを装着してもよい。
【００４９】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、積層方向に貫通する連通孔の内周面に、積層体の少なくとも一端に配設されるターミナルプレートおよび絶縁プレート、または前記絶縁プレートおよびエンドプレート、または前記ターミナルプレート、前記絶縁プレートおよび前記エンドプレートには、各連通孔の内周面に沿って単一の絶縁性筒部材が一体に配設される。
【００５０】
このため、各プレートの両面に溝部を形成する必要がなく、前記溝部の数が減少して前記各プレートの厚さを有効に小さくすることができる。従って、各プレートの機能を維持して薄肉化を図りながら、燃料電池スタック全体の薄型化および軽量化が可能になる。しかも、絶縁性筒部材の数が削減されるため、製造コストが有効に低減されるとともに、前記絶縁性筒部材の取り付けおよび取り外し等の組み立て作業性が良好に向上する。
【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の一部分解概略斜視図である。
【図２】前記燃料電池スタックの一部断面側面図である。
【図３】前記燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視説明図である。
【図４】各プレートに絶縁グロメットが装着された状態の斜視説明図である。
【図５】燃料電池スタックの要部拡大断面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１０、１００…燃料電池スタック １２…単位セル
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
２４…ケーシング ３０…電解質膜・電極構造体
３２、３４…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…固体高分子電解質膜
４４…アノード側電極 ４６…カソード側電極
４８…燃料ガス流路 ５０…冷却媒体流路
５２…酸化剤ガス流路
７４、９４、１０２ａ、１０２ｂ、１０４ａ、１０４ｂ…絶縁グロメット
７６…ボディ ７８、８０…フランジ
８２、８４…シール部 ８６、８６ａ、８８、８８ａ…突部
９０、９０ａ、９２、９２ａ…溝部

Claims (2)

1. 電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを複数積層した積層体を備えるとともに、前記積層体の両端にターミナルプレート、絶縁プレートおよびエンドプレートが配置される燃料電池スタックであって、
   前記積層体と、前記積層体の少なくとも一端に配置される前記ターミナルプレート、前記絶縁プレートおよび前記エンドプレートとには、積層方向に貫通して、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガスまたは冷却媒体のいずれかを流す連通孔が設けられるとともに、
   前記ターミナルプレートおよび前記絶縁プレート、または前記絶縁プレートおよび前記エンドプレート、または前記ターミナルプレート、前記絶縁プレートおよび前記エンドプレートには、各連通孔の内周面に沿って単一の絶縁性筒部材が一体に配設され、
   前記絶縁性筒部材は、絶縁性ゴムで構成され、前記内周面に嵌合するボディの両端にフランジが一体に形成さ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、前記絶縁性筒部材は、少なくとも一方の前記フランジの端面にリップ状シール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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