JP4031860B2 - 締め付け構造を有する燃料電池 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質を挟んでアノード側電極とカソード側電極を対設した燃料電池セルがセパレータを介して複数積層されるとともに、前記燃料電池セルの積層方向両端にエンドプレートが配設される締め付け構造を有する燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、固体高分子電解質膜を挟んでアノード側電極とカソード側電極とを対設した燃料電池セルを、セパレータにより挟持して複数積層することにより構成された燃料電池が知られている。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水素ガス(燃料ガス)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、酸素ガスあるいは空気が供給されているため、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。
【0003】
ところで、燃料電池セル内の接触抵抗が増大すると、内部抵抗損失が増大して端子電圧が低下してしまう。このため、接触抵抗を低減させるべく電極面に付与される面圧が均一になるように、燃料電池セルに所望の締め付け力を付与する必要がある。
【0004】
そこで、例えば、特開昭58−164168号公報に開示されているように、複数の単電池をセパレートプレートを介して積層してなるセルブロックを相互間に剛性の中間プレートを介在して複数段積み重ね、さらに両端に配したエンドプレートの間に挟んで一体に締め付けて組み立て構成した燃料電池のセルスタックにおいて、セルブロックの端面全域をカバーする寸法を有し、かつ少なくともセルブロックに接する側の壁面がフレキシブルな壁面として構成された液体封入の密閉容器をセルブロックと前記プレートとの間に介挿するとともに、各密閉容器の相互間を連通接続した燃料電池のセルスタックが知られている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、液体封入の密閉容器がセルブロックと中間プレートおよびエンドプレートとの間に介挿されるため、この中間プレートやエンドプレートには、セルブロックに供給される水素ガス、酸化剤ガスおよび冷却水等の通路を形成することができない。これにより、水素ガス、過酸化剤ガスおよび冷却水等を流すための専用の通路構造が必要となり、燃料電池全体の構成が複雑化してしまい、軽量化およびコンパクト化が遂行されないという問題が指摘されている。
【0006】
さらに、複数段のセルブロック毎に密閉容器が設けられるとともに、各密閉容器が連通接続されている。従って、各セルブロック毎の締め付け力を制御することができないという問題がある。
【0007】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、軽量化およびコンパクト化に適するとともに最適な締め付け力を確実に付与することが可能な締め付け構造を有する燃料電池を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る締め付け構造を有する燃料電池では、セパレータを介して複数積層された燃料電池セルの両端にエンドプレートが配設されるとともに、少なくとも一方のエンドプレートの外側面に液体チャンバが設けられ、この液体チャンバ内に面圧付与用液体が封入される。他方のエンドプレートの外側面には、燃料電池セルを一方のエンドプレート側に押圧するための加圧手段が設けられている。さらに、液体チャンバを挟んで一方のエンドプレートに対向するバックアッププレートと、加圧手段を挟んで他方のエンドプレートに対向する取り付けプレートと、前記バックアッププレートと前記取り付けプレートとを一体的に固定し、複数積層された前記燃料電池セルを締め付けるボルト部材とを備え、前記液体チャンバは、前記バックアッププレートまたは前記一方のエンドプレートに可撓性の金属板材が固着されることにより、前記バックアッププレートまたは前記一方のエンドプレートと前記金属板材との間に構成されている。
【0009】
従って、エンドプレートを介してセパレータに均一な面圧を付与することができ、燃料電池セルの性能を効率的に維持することが可能になる。しかも、エンドプレートの燃料電池セル側の内面側には、水素ガス、酸化剤ガスおよび冷却水等を流すための通路を設けることができ、燃料電池全体の軽量化およびコンパクト化が容易に図られる。
【0011】
さらに、バックアッププレートが一方のエンドプレートよりも可撓性を有しており、液体チャンバ内の液体圧力によって前記一方のエンドプレートが撓曲することがなく、前記一方のエンドプレートに均一な面圧を付与することができる。なお、液体チャンバは、可撓性の金属板材で構成され、確実な面圧付与が遂行される。一方、加圧手段は皿ばねを備えており、構成の簡素化が図られる。
【0012】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の第1の実施形態に係る締め付け構造10を有する燃料電池12の断面平面説明図である。
【0013】
燃料電池12は、多数の燃料電池セル14を第1および第2セパレータ16、18により挟持した状態で水平方向に積層して構成される。図2に示すように、燃料電池セル14は、固体高分子電解質膜20と、この電解質膜20の両面に設けられるアノード側電極22およびカソード側電極24とを備えるとともに、前記アノード側電極22および前記カソード側電極24には、例えば、カーボンペーパ等の多孔質層である第1および第2ガス拡散層23、25が配設される。
【0014】
電解質膜20の上部には、水素ガス等の燃料ガスを通過させるための孔部26aと、冷却水を通過させるための孔部26bと、酸化剤ガス、例えば、空気を通過させるための長円状の孔部26cとが設けられる。電解質膜20の下部には、燃料ガスを通過させるための孔部28aと、冷却水を通過させるための孔部28bと、酸化剤ガスを通過させるための長円状の孔部28cとが設けられる。電解質膜20の上部および下部には、位置決め穴30a、30bが形成されている。
【0015】
第1セパレータ16は板状に構成されており、その上部側に燃料ガスを通過させるための孔部32aと、冷却水を通過させるための孔部32bと、酸化剤ガスを通過させるための長円状の孔部32cとが設けられる。第1セパレータ16の下部側には、燃料ガスを通過させるための孔部34aと、冷却水を通過させるための孔部34bと、酸化剤ガスを通過させるための長円状の孔部34cとが設けられるとともに、この第1セパレータ16の上部および下部には、位置決め孔36a、36bが形成される。
【0016】
アノード側電極22に対向する第1セパレータ16の一方の面16aには、燃料ガスを通過させるための孔部32a、34aを連通するための複数条の溝38が互いに平行して上下方向に延在して設けられる。この溝38は、孔部32aから孔部34aに向かって燃料ガスを通過させるための通路を構成し、前記燃料ガスがこの溝38を介してアノード側電極22に供給される。第1セパレータ16の他方の面16bには、冷却水を通過させるための孔部32b、34bを連通する複数条の溝40が上下方向に形成される。
【0017】
第2セパレータ18は、第1セパレータ16と同様に板状に構成され、その上部側に燃料ガスを通過させるための孔部42aと、冷却水を通過させるための孔部42bと、酸化剤ガスを通過させるための長円状の孔部42cとが設けられる。第2セパレータ18の下部側には、燃料ガス用の孔部44aと、冷却水用の孔部44bと、酸化剤ガス用の長円状の孔部44cとが設けられるとともに、この第2セパレータ18の上部および下部には、位置決め孔46a、46bが形成される。カソード側電極24に対向する第2セパレータ18の一方の面18aには、酸化剤ガス用の孔部42c、44cを連通し、互いに平行して上下方向に設けられる複数条の溝48が形成され、この溝48に沿って流れる酸化剤ガスが前記カソード側電極24に供給される。第2セパレータ18の他方の面18bには、冷却水用の孔部42b、44bを連通し、互いに平行して上下方向に設けられる複数条の溝50が形成される。第2セパレータ18の溝50は、第1セパレータ16の溝40と一体的に冷却水用の通路を構成する。
【0018】
図1に示すように、複数積層された燃料電池セル14の積層方向両端にはターミナルプレート52a、52bが配設され、このターミナルプレート52a、52bには、前記燃料電池セル14から取り出される電気エネルギを付与するための負荷54が接続されている。ターミナルプレート52a、52bには、絶縁板56a、56bを介して第1および第2エンドプレート58、60が配設される。第1および第2エンドプレート58、60には、図示していないが、積層されている燃料電池セル14に燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水を供給するための孔部と排出するための孔部とが形成され、これらの孔部が図示しない外部機器に接続されている。
【0019】
締め付け構造10は、第1エンドプレート58の燃料電池セル14側の内側面とは反対の外面58a側に設けられる液体チャンバ62と、この液体チャンバ62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64と、第2エンドプレート60の前記燃料電池セル14側の内面側とは反対の外面60a側に設けられ、該燃料電池セル14を前記第1エンドプレート58側に押圧する加圧手段66とを備える。
【0020】
液体チャンバ62を挟んで第1エンドプレート58に対向してバックアッププレート68が配設される。バックアッププレート68は、第1エンドプレート58よりも薄肉状に構成されており、この第1エンドプレート58よりも可撓性を有している。バックアッププレート68の一方の面には、可撓性の金属板材、例えば、アルミニウム薄板70が溶接、ろう付け、あるいは接着等により固着され、このアルミニウム薄板70と前記バックアッププレート68との間に液体チャンバ62が構成される。
【0021】
図3に示すように、バックアッププレート68の外面68aには、液体チャンバ62にシリコンオイル64を充填するための液体封入口72が形成され、この液体封入口72がシーリングワシャ74およびシーリングボルト76を介して閉塞される。液体封入口72と対角な位置にセンサ取り付け口78が設けられ、このセンサ取り付け口78にワシャ80を介して圧力センサ82が取着され、この圧力センサ82が液体チャンバ62内のシリコンオイル64の液体圧を検出する。バックアッププレート68には、4つのボルト孔84が貫通形成されている。
【0022】
加圧手段66は、図1に示すように、第2エンドプレート60の内面60aに一端が当接する皿ばね86を備え、この皿ばね86の他端側に取り付けプレート88が配設される。取り付けプレート88には、4つのボルト孔90が形成され、バックアッププレート68のボルト孔84から前記取り付けプレート88のボルト孔90にわたってボルト92が挿入され、このボルト92の端部にナット94が螺合する。なお、加圧手段66が単一の皿ばね86を備えているが、複数の皿ばねを採用してもよい。
【0023】
このように構成される第1の実施の形態に係る燃料電池12の動作について、以下に説明する。
【0024】
先ず、燃料電池セル14が第1および第2セパレータ16、18を介して複数積層されるとともに、前記燃料電池セル14の積層方向両端にターミナルプレート52a、52b、絶縁板56a、56bを介して第1および第2エンドプレート58、60が配設される。さらに、第1エンドプレート58側には、この第1エンドプレート58の外面58aに液体チャンバ62を対向させてバックアッププレート68が配設される一方、第2エンドプレート60の外面60a側には、加圧手段66を構成する皿ばね86および取り付けプレート88が配設される。
【0025】
バックアッププレート68のボルト孔84から取り付けプレート88のボルト孔90にわたってボルト92が一体的に挿入され、このボルト92の先端にナット94が螺合する。これにより、複数積層された燃料電池セル14は、バックアッププレート68と取り付けプレート88との間で一体的に締め付け保持される。その際、具体的には、各ボルト92による締め付け荷重がそれぞれ500kgであり、液体チャンバ62に封入されているシリコンオイル64の使用時における液圧が6〜7kg/cm2 であり、燃料電池セル14のアノード側電極22およびカソード側電極24の面積が150mm×150mmに設定されている。
【0026】
燃料電池12では、第1セパレータ16の溝38に燃料ガスが供給されることにより、この燃料ガスがアノード側電極22に供給される。一方、酸化剤ガスが第2セパレータ18の溝48を流れることにより、この酸化剤ガスがカソード側電極24に供給される。また、冷却水が第1および第2セパレータ16、18のそれぞれの溝40、50間に供給され、各燃料電池セル14を所定の温度に冷却する。これにより、各燃料電池セル14に電子が発生し、この電子がターミナルプレート52a、52bから外部回路である負荷54に取り出され、直流の電気エネルギとして利用される。
【0027】
この場合、第1の実施形態では、第1エンドプレート58の外面58a側にアルミニウム薄板70を介して液体チャンバ62が設けられ、この液体チャンバ62内に封入されたシリコンオイル64の液圧を介して前記第1エンドプレート58が複数積層されている燃料電池セル14側に均一に押圧される。このため、第1エンドプレート58により第1および第2セパレータ16、18に均一な面圧を与えることができ、各燃料電池セル14に所望の締め付け力を付与して前記燃料電池セル14の性能を効率的に維持することが可能になるという効果が得られる。
【0028】
しかも、バックアッププレート68が液体チャンバ62内のシリコンオイル64の液圧によって変形しても、第1エンドプレート58に均一な面圧を付与することができるため、このバックアッププレート68を相当に薄肉状に構成することが可能になる。さらに、バックアッププレート68が設けられるため、第1エンドプレート58自体の薄肉化が図られ、燃料電池12全体の軽量化およびコンパクト化が容易に遂行される。
【0029】
また、第1エンドプレート58の外面58a側に液体チャンバ62が設けられるため、この第1エンドプレート58には、燃料電池セル14に対して燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水等を供給するための各種孔部を形成することができる。従って、燃料電池12全体の構成が有効に簡素化するという利点がある。
【0030】
さらにまた、第2エンドプレート60の外面60a側に加圧手段66を構成する皿ばね86が配設されている。このため、第2エンドプレート60を第1エンドプレート58側に均一に加圧することができるとともに、燃料電池セル14を含む燃料電池構造体の膨張率とボルト92の膨張率との相違による膨張差を有効に吸収することが可能になる。
【0031】
なお、液体チャンバ62内のシリコンオイル64の液圧は、バックアッププレート68に装着されている圧力センサ82により検出されており、この圧力センサ82による検出結果に基づいて、前記液体チャンバ62内の該シリコンオイル64の液量を調整することができる。
【0032】
図4は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池を構成する締め付け構造100の要部説明図である。なお、第1の実施形態に係る締め付け構造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。
【0033】
この締め付け構造100では、ボルト92の頭部92aとバックアッププレート68の間に球面ワシャ102と、この球面ワシャ102に当接する球面受座104とが配設されている。従って、第2の実施形態では、ボルト92を締め付けて燃料電池セル14を加圧する際、バックアッププレート68が球面ワシャ102および球面受座104を介して全体に撓曲する。これにより、バックアッププレート68は、特にボルト92に近接する位置で応力が集中することがなく、このバックアッププレート68の損傷を一層確実に阻止することができるという効果が得られる。
【0034】
図5は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池を構成する締め付け構造120の要部説明図である。
【0035】
この締め付け構造120では、エンドプレート122の外面122a側にアルミニウム薄板124が溶接、接着、またはろう付けにより固着されて液体チャンバ126が形成される。エンドプレート122の外面122a側には、バックアッププレート128が配設され、ボルト92を介してこのバックアッププレート128が前記エンドプレート122側に締め付けられる。これにより、エンドプレート122には、液体チャンバ126内のシリコンオイル64を介して均一な面圧が付与される。従って、締め付け構造120では、第1の実施形態と同様の効果が得られることになる。
【0036】
図6は、本発明に関連する燃料電池を構成する締め付け構造140の要部説明図である。
【0037】
この締め付け構造140では、エンドプレート142とバックアッププレート144との間に、別体のアルミニウム薄板146を介して液体チャンバ148が介装されている。アルミニウム薄板146は、中空円板状に構成されており、このアルミニウム薄板146内にシリコンオイル64が封入されている。従って、第4の実施形態では、第3の実施形態と同様の効果が得られることになる。
【0038】
図7は、本発明の第4の実施形態に係る燃料電池を構成する締め付け構造160を組み込む燃料電池162の断面平面説明図である。なお、第1の実施形態に係る燃料電池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。
【0039】
この締め付け構造160は、第2エンドプレート60の外面60a側に配設される液体チャンバ164と、この液体チャンバ164内に封入されるシリコンオイル166と、前記液体チャンバ164を挟んで前記第2エンドプレート60に対向するバックアッププレート168とを備えている。
【0040】
バックアッププレート168の第2エンドプレート60側の面には、アルミニウム薄板170が固着され、このアルミニウム薄板170と前記バックアッププレート168との間に液体チャンバ164が形成される。加圧手段66は、複数個、例えば、4個の皿ばね172を備えている。
【0041】
このように構成される締め付け構造160では、ボルト92を介してバックアッププレート68と取り付けプレート88とが一体的に固定される際、第1エンドプレート58が液体チャンバ62内のシリコンオイル64の液圧により加圧される一方、第2エンドプレート60が液体チャンバ164内のシリコンオイル1166の液圧を介して押圧される。従って、第1および第2エンドプレート58、60間に複数積層されている燃料電池セル14と第1および第2セパレータ16、18とに均一な面圧が付与され、接触抵抗を有効に減少させて所望のセル性能を確保し得るという効果がある。
【0042】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池では、複数積層される燃料電池セルの両端に配設されるエンドプレートの少なくとも一方の外面に液体チャンバが設けられ、この液体チャンバ内に封入される液体を介して前記燃料電池セルに均一な面圧が付与される。これにより、燃料電池セルの性能を効率的に維持し得るとともに、エンドプレートに燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水等の孔部(または通路)を形成することができ、燃料電池全体の軽量化およびコンパクト化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1の実施形態に係る締め付け構造を有する燃料電池の断面平面説明図である。
【図2】 前記燃料電池を構成する燃料電池セルの分解斜視説明図である。
【図3】 前記締め付け構造を構成するバックアッププレートの分解斜視説明図である。
【図4】 本発明の第2の実施形態に係る燃料電池を構成する締め付け構造の要部説明図である。
【図5】 本発明の第3の実施形態に係る燃料電池を構成する締め付け構造の要部説明図である。
【図6】 本発明に関連する燃料電池を構成する締め付け構造の要部説明図である。
【図7】 本発明の第4の実施形態に係る燃料電池を構成する締め付け構造を組み込む燃料電池の断面平面説明図である。
【符号の説明】
10、100、120、140、160…締め付け構造
12、162…燃料電池 14…燃料電池セル
16、18…セパレータ 20…電解質膜
22…アノード側電極 24…カソード側電極
58、60、122、142…エンドプレート
62、126、148、164…液体チャンバ
64、166…シリコンオイル 66…加圧手段
68、128、144、168…バックアッププレート
70、124、146、170…アルミニウム薄板
86、172…皿ばね 92…ボルト
102…球面ワシャ 104…球面受座
Claims (3)
- 電解質を挟んでアノード側電極とカソード側電極を対設した燃料電池セルがセパレータを介して複数積層されるとともに、前記燃料電池セルの積層方向両端にエンドプレートが配設される締め付け構造を有する燃料電池であって、
少なくとも一方のエンドプレートの前記燃料電池セル側の内面側とは反対の外面側に設けられる液体チャンバと、
前記液体チャンバ内に封入される面圧付与用液体と、
他方のエンドプレートの前記燃料電池セル側の内面側とは反対の外面側に設けられ、該燃料電池セルを前記一方のエンドプレート側に押圧する加圧手段と、
前記液体チャンバを挟んで前記一方のエンドプレートに対向するバックアッププレートと、
前記加圧手段を挟んで前記他方のエンドプレートに対向する取り付けプレートと、
前記バックアッププレートと前記取り付けプレートとを一体的に固定し、複数積層された前記燃料電池セルを締め付けるボルト部材と、
を備え、
前記液体チャンバは、前記バックアッププレートまたは前記一方のエンドプレートに可撓性の金属板材が固着されることにより、前記バックアッププレートまたは前記一方のエンドプレートと前記金属板材との間に構成されることを特徴とする締め付け構造を有する燃料電池。 - 請求項1記載の燃料電池において、前記バックアッププレートは、前記一方のエンドプレートよりも可撓性を有することを特徴とする締め付け構造を有する燃料電池。
- 請求項1または2記載の燃料電池において、前記加圧手段は、皿ばねを備えることを特徴とする締め付け構造を有する燃料電池。
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