JP4185752B2 - 燃料電池スタック - 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構造体が、セパレータを介装して水平方向に沿って複数個積層される燃料電池スタックに関する。
【0002】
【従来の技術】
通常、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・電極構造体(発電部)を、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持することにより構成される単位セルを備えている。通常、この単位セルは、所定数だけ積層して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】
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、特許文献1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】
この特許文献1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部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部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】
【特許文献1】
特開平5−82157号公報(図1)
【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では、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等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。
【0008】
さらに、燃料電池スタックが、特に車載用として車両に組み込まれる際には、走行時の振動や、急発進時および急停止時の衝撃(慣性力)を受け易い。ところが、上記の支持構造では、燃料電池スタックに作用する振動や衝撃等を良好に吸収することができず、損傷が発生するおそれがあるとともに、燃料ガスや酸化剤ガス等の密封性が十分でなく、発電性能が劣化するという不具合が指摘されている。
【0009】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、振動や衝撃等に影響されることがなく、燃料電池スタックを確実に固定するとともに、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。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池スタックでは、燃料電池スタックを水平方向に沿って設けられる設置部位に対し、積層方向に沿って摺動可能に取り付けるために、前記燃料電池スタックの積層方向一端及び他端に設けられる第1及び第2のマウント構造が、前記設置部位に固定されるとともに、水平方向外方に突出する係止部を設ける固定部材と、前記燃料電池スタックの積層方向一端及び他端に設けられ、前記係止部の上面に前記積層方向に摺動可能に係合する案内部を有するマウント部材と、前記固定部材に取り付けられ、前記案内部を前記係止部に押圧保持して前記マウント部材の上下動を規制する止め部材と、前記固定部材と前記マウント部材との間に介装され、前記マウント部材が水平動する際に機能する緩衝部材とを備えている。
【0011】
このため、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、車載時の急発進および急停止により前記燃料電池スタックに衝撃が作用する際、マウント部材の案内部と固定部材の係止部とが摺動するとともに、緩衝部材が衝撃の吸収を行う。従って、マウント構造に過度な応力が発生することを阻止し、かつ燃料電池スタックの内部に燃料ガスや酸化剤ガス等の反応ガスを完全に密封することができる。これにより、簡単な構成で、発電性能を高く維持することが可能になる。
【0012】
さらに、マウント部材の案内部が固定部材の係止部に水平方向に摺動可能に係合するため、マウント構造に上下方向の振動等の外力が作用しても、燃料電池スタックの上下動を有効に規制することができる。このため、燃料電池スタックの内部に反応ガスを完全に密封することが可能になる。
【0013】
また、固定部材とマウント部材とには、該マウント部材が水平方向に移動する距離を規制するためのストッパが設けられている。従って、燃料電池スタックを構成する構造体とセパレータとの間に大きな隙間が形成されることがなく、反応ガスおよび冷却媒体のシール性を良好に維持することができる。
【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り、図3は、前記燃料電池スタック10の概略平面図である。
【0015】
燃料電池スタック10は、図1および図2に示すように、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、前記積層体14の積層方向(矢印A方向)両端には、それぞれターミナル端子板16a、16bと、インシュレータ板18a、18bと、エンドプレート20a、20bとが外方に向かって、順次、配設される。
【0016】
ターミナル端子板16a、16bの中央部には、積層方向に突出して柱状の端子部22a、22bが形成されるとともに、前記端子部22a、22bは、インシュレータ板18a、18bの中央部から積層方向に突出する円筒部24a、24bに挿入される。エンドプレート20a、20bは、ケーシング26を介して一体的に結合される。
【0017】
図4に示すように、各単位セル12は、電解質膜・電極構造体(構造体)34と、前記電解質膜・電極構造体34を挟持する第1および第2セパレータ36、38とを備える。第1および第2セパレータ36、38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36、38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34と第1および第2セパレータ36、38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39が介装されている。
【0018】
単位セル12の長辺(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40a、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔42a、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44bが設けられる。
【0019】
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44a、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔42b、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40bが設けられる。
【0020】
電解質膜・電極構造体34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46と、該固体高分子電解質膜46を挟持するアノード側電極48およびカソード側電極50とを備える。
【0021】
アノード側電極48およびカソード側電極50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46を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜46の両面に接合されている。
【0022】
第1セパレータ36の電解質膜・電極構造体34側の面36aには、燃料ガス供給連通孔44aと燃料ガス排出連通孔44bとを連通する燃料ガス流路52が形成される。この燃料ガス流路52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36の面36bには、冷却媒体供給連通孔42aと冷却媒体排出連通孔42bとを連通する冷却媒体流路54が形成される。この冷却媒体流路54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。
【0023】
第2セパレータ38の電解質膜・電極構造体34側の面38a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56が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路56は、酸化剤ガス供給連通孔40aと酸化剤ガス排出連通孔40bとに連通する。
【0024】
ケーシング26は、図1および図2に示すように、下板64a、上板64bおよび側板64c、64dを備えており、これらがボルト66を介してエンドプレート20a、20bに固定される。エンドプレート20aには、マウント構造70aが設けられるとともに、エンドプレート20bには、マウント構造70b、70cが設けられる(図1〜図3参照)。
【0025】
なお、マウント構造70a〜70cは、同様に構成されており、以下、マウント構造70aについて詳細に説明し、マウント構造70b、70cについては、前記マウント構造70aと同一の構成要素に同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【0026】
マウント構造70aは、例えば、車両の設置面(設置部位)72にボルト74を介して固定される金属製固定部材76と、エンドプレート20aにボルト78を介して固定される金属製マウント部材80とを備える。固定部材76は、鉛直上方向に膨出するとともに、水平方向外方に突出する円板状の係止部82を設ける。係止部82の中央には、上部から所定の深さにねじ穴84が形成される。
【0027】
マウント部材80は、鉛直方向に延在してエンドプレート20aに当接される取り付け部86と、鉛直方向に軸線を有する円筒部88とを一体的に備える。円筒部88の上部には、半径内方に突出し、係止部82に水平方向に摺動可能に係合する円板部(案内部)90が設けられる。
【0028】
図2に示すように、円筒部88内には、固定部材76の首部76aを周回して緩衝部材、例えば、リング状ゴム部材92が配設される。円筒部88の内周面と係止部82の外周面との間には、所定の間隙Hが設けられる。この間隙Hは、マウント部材80が水平方向に移動する距離を規制するためのストッパとして機能する。
【0029】
係止部82のねじ穴84には、止め部材94がねじ込まれる。この止め部材94は、ねじ穴84に螺合するねじ部96と、マウント部材80の円板部90を固定部材76の係止部82と挟持する円板状押さえ部98とを一体的に設ける。
【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40a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44a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42a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A1方向に供給されることになる。
【0032】
図4に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔40aから第2セパレータ38の酸化剤ガス流路56に導入され、電解質膜・電極構造体34を構成するカソード側電極50に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔44aから第1セパレータ36の燃料ガス流路52に導入され、電解質膜・電極構造体34を構成するアノード側電極48に沿って移動する。
【0033】
従って、各電解質膜・電極構造体34では、カソード側電極50に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極48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48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44bに排出されて矢印A2方向に流動し、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50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40bに沿って矢印A2方向に流動した後、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42aから第1セパレータ36の冷却媒体流路54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34を冷却した後、冷却媒体排出連通孔42bを矢印A2方向に移動し、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、燃料電池スタック10を構成するエンドプレート20aにマウント構造70aが設けられる一方、エンドプレート20bには、マウント構造70b、70cが設けられている。マウント構造70a〜70cは、図1および図2に示すように、燃料電池スタック10に組み付けられるマウント部材80と、設置面72に固定される固定部材76とを備えており、このマウント部材80の円板部90が、前記固定部材76の係止部82に水平方向(矢印A方向)に摺動可能に係合している。さらに、マウント部材80の円筒部88と固定部材76の首部76aとの間に、ゴム部材92が介装されている。
【0037】
このため、例えば、燃料電池スタック10の周囲温部や運転温度の変化等によって、前記燃料電池スタック10が積層方向(矢印A方向)に伸縮する際、車両の急発進や急停止により前記燃料電池スタック10に衝撃が作用する際、円板部90が係止部82を摺動するとともに、ゴム部材92が緩衝部材として機能する。この結果、マウント構造70a〜70cに過度な応力が発生することがなく、前記マウント構造70a〜70cを良好に維持することが可能になる。
【0038】
しかも、マウント部材80は、固定部材76に対して円筒部88の内周面と係止部82の外周面との隙間Hだけスライド可能である。従って、この隙間Hはストッパとして機能し、車両の急発進時や急停止時に燃料電池スタック10が矢印A1方向および矢印A2方向に隙間H以上の距離を移動することが規制される。
【0039】
これにより、第1の実施形態では、燃料電池スタック10を構成する各単位セル12内に大きな隙間が形成されることがなく、燃料ガスおよび酸化剤ガスや冷却媒体のシール性を良好に維持することができるという効果が得られる。
【0040】
さらにまた、マウント構造70a〜70cでは、設置面72に金属製の固定部材76が固定され、この固定部材76の係止部82に金属製のマウント部材80の円板部90が摺接し、この円板部90が止め部材94の押さえ部98を介して前記係止部82に押圧保持されている。このため、マウント構造70a〜70cは、上下方向(矢印C方向)に振動等の外力が作用しても、上下方向に移動することがない。
【0041】
これにより、燃料電池スタック10の上下動を有効に規制することができ、前記燃料電池スタック10の内部に燃料ガスや酸化剤ガス等の反応ガスや冷却媒体を完全に密封することが可能になり、簡単な構成で、発電性能を高く維持することができるという利点がある。
【0042】
なお、摺動部位である係止部82と円板部90との摺動面には、異音の低減や摺動性の向上を図るために、樹脂材やクロム等のメッキ処理を施すことが望ましい。また、係止部82と円板部90との間および固定部材76と円筒部88の先端面との間には、所定の隙間を設けることによって、摺動摩擦の低減を図ることが望ましい。さらに、ゴム部材92は、燃料電池スタック10の大きさや重量等に基づいて硬度および体積が選択される。
【0043】
さらにまた、第1の実施形態では、エンドプレート20aにマウント構造70aを設ける一方、エンドプレート20bにマウント構造70b、70cを設けているが、このエンドプレート20aに前記マウント構造70aを2つ設けてもよい。
【0044】
図5は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタック100の一部断面側面図である。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て、その詳細な説明は省略する。
【0045】
燃料電池スタック100では、積層方向両端にマウント構造102が所定の数ずつ設けられる。図5および図6に示すように、マウント構造102は、設置面72に固定される金属製固定部材104と、この金属製固定部材104上にボルト106を介して取り付けられるストッパ部材108と、燃料電池スタック100に固定される金属製マウント部材110とを備える。
【0046】
ストッパ部材108は、上下方向に軸心を有する円筒形状に設定されるとともに、その上部には、半径内方向(水平方向内方)に突出して係止部112が形成される。マウント部材110には、ストッパ部材108内に配置される円板部(案内部)114が設けられるとともに、この円板部114の底面には、緩衝部材、例えば、ゴム部材116が固着される。ストッパ部材108の内周面と円板部114の外周面との間には所定の間隙H1が設けられ、この間隙H1は、マウント部材110の水平方向に移動する距離を規制するためのストッパとして機能する。
【0047】
なお、係止部112と円板部114との摺動部位には、少なくとも一方に樹脂材を設けて摺動時の異音発生を防止するとともに、摺動性を向上させることが望ましい。
【0048】
このように構成される第2の実施形態では、マウント部材110が固定部材104に対して水平方向に所定距離(隙間H1)だけ摺動可能であるとともに、緩衝部材としてゴム部材116が設けられている。これにより、特に、走行時の振動や加減速時の衝撃(慣性力)を有効に緩和することができ、燃料電池スタック100の損傷を阻止するとともに、反応ガスおよび冷却媒体を完全に密封することが可能になり、良好な発電性能を維持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。
【0049】
なお、第2の実施形態では、略円筒形状のストッパ部材108を用いているが、図7に示すように、分割されたストッパ部材108a、108bおよび108cを同心円上に配置してもよい。
【0050】
また、ゴム部材116は、円柱状に形成されているが、これに限定されるものではない。例えば、図8に示すように、外周部に複数の凹部120が等角度間隔ずつ離間して設けられるゴム部材116aや、図9に示すように、中央部に孔部122が設けられるゴム部材116bや、図10に示すように、複数の孔部124が同心円上に等角度間隔ずつ離間して設けられるゴム部材116c等を用いることも可能である。
【0051】
さらに、第1および第2の実施形態では、積層体14をケーシング26に収容しているが、これに限定されるものではなく、前記ケーシング26を用いない構成にも、良好に適用することができる。
【0052】
【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や、車載時の急発進および急停止により前記燃料電池スタックに衝撃が作用する際、マウント部材の案内部と固定部材の係止部とが摺動するとともに、緩衝部材が衝撃の吸収を行う。従って、マウント構造に過度な応力が発生することを阻止し、かつ燃料電池スタックの内部に燃料ガスや酸化剤ガス等の反応ガスや冷却媒体を完全に密封することができる。これにより、簡単な構成で、発電性能を高く維持することが可能になる。
【0053】
さらに、マウント部材の案内部が固定部材の係止部に水平方向に摺動可能に係合するため、マウント構造に上下方向の振動等の外力が作用しても、燃料電池スタックの上下動を有効に規制することができる。これにより、燃料電池スタックの内部に反応ガスや冷却媒体を完全に密封することが可能になる。
【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の概略平面図である。
【図4】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5】本発明の第2の実施形態に係る燃料電池スタックの一部断面側面図である。
【図6】前記燃料電池スタックを構成するマウント構造の斜視図である。
【図7】別の構成を有するマウント構造の斜視図である。
【図8】別の形状のゴム部材の斜視図である。
【図9】さらに別の形状を有するゴム部材の斜視図である。
【図10】さらにまた別の形状を有するゴム部材の斜視図である。
【符号の説明】
10、100…燃料電池スタック 12…単位セル
20a、20b…エンドプレート 24a、24b、88…円筒部
26…ケーシング 34…電解質膜・電極構造体
36、38…セパレータ 46…固体高分子電解質膜
48…アノード側電極 50…カソード側電極
52…燃料ガス流路 54…冷却媒体流路
56…酸化剤ガス流路 72…設置面
76、104…固定部材 80、110…マウント部材
82、112…係止部 90、114…円板部
92、116、116a〜116c…ゴム部材
94…止め部材 98…押さえ部
102…マウント構造
108、108a〜108c…ストッパ部材
Claims (3)
- 電解質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構造体が、セパレータを介装して水平方向に沿って複数個積層される燃料電池スタックであって、
前記燃料電池スタックを水平方向に沿って設けられる設置部位に対し、積層方向に沿って摺動可能に取り付けるために、前記燃料電池スタックの積層方向一端に設けられる第1のマウント構造及び前記燃料電池スタックの積層方向他端に設けられる第2のマウント構造を備え、
前記第1及び第2のマウント構造は、前記設置部位に固定されるとともに、水平方向外方に突出する係止部を設ける固定部材と、
前記燃料電池スタックの積層方向一端及び他端に設けられ、前記係止部の上面に前記積層方向に摺動可能に係合する案内部を有するマウント部材と、
前記固定部材に取り付けられ、前記案内部を前記係止部に押圧保持して前記マウント部材の上下動を規制する止め部材と、
前記固定部材と前記マウント部材との間に介装され、前記マウント部材が水平動する際に機能する緩衝部材と、
を備えることを特徴とする燃料電池スタック。 - 電解質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構造体が、セパレータを介装して水平方向に沿って複数個積層される燃料電池スタックであって、
前記燃料電池スタックを水平方向に沿って設けられる設置部位に対し、積層方向に沿って摺動可能に取り付けるために、前記燃料電池スタックの積層方向一端に設けられる第1のマウント構造及び前記燃料電池スタックの積層方向他端に設けられる第2のマウント構造を備え、
前記第1及び第2のマウント構造は、前記設置部位に固定されるとともに、水平方向内方に突出する係止部を設ける固定部材と、
前記燃料電池スタックの積層方向一端及び他端に設けられ、前記係止部の下面に前記積層方向に摺動可能に係合する案内部を有するマウント部材と、
前記固定部材と前記マウント部材との間に介装され、前記案内部を前記係止部に押圧保持して前記マウント部材の上下動を規制し且つ前記マウント部材が水平動する際に機能する緩衝部材と、
を備えることを特徴とする燃料電池スタック。 - 請求項1又は2記載の燃料電池スタックにおいて、前記固定部材と前記マウント部材とには、該マウント部材が水平方向に移動する距離を規制するためのストッパが設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
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