JP4202291B2 - 燃料電池スタック構造 - Google Patents

Description

本発明は、電極構造体とセパレータとを交互に積層した積層体と、該積層体の両端に設けた一対のエンドプレートとを有する燃料電池スタック構造に係り、特に車両等の移動体に搭載される燃料電池スタック構造に関するものである。

近年、車両等の移動体に搭載される燃料電池としては、電極構造体とセパレータとを交互に積層した積層体に、一対のエンドプレートを前記積層体の積層方向に配設してスタックとし、一体化させた構造のものが知られている。
例えば、特許文献１には、前記積層体の積層方向の各隅部を覆うアングル部材（保持部材６０）を側面部材として設けて、エンドプレート（プレッシャプレート４ａ、４ｂ）間を連結する構造のものが提案されている。
特開２０００−０４８８５０号公報

しかしながら、従来の燃料電池スタックにおいては、アングル部材とエンドプレートとの位置合わせが困難であり、所定の位置で位置決めを行うための作業負担が大きくなってしまうという問題がある。
また、燃料電池スタックを車両等の移動体に搭載する場合には、小型化するために積層体の周囲に配設されるアングル部材やエンドプレートの薄肉化が望まれる。しかしながら、走行時等に発生する振動による荷重から積層体を保護する必要があり、アングル部材やエンドプレートには一定以上の強度が要求され、薄肉化をしつつ強度を高めることは困難である。

従って、本発明は、エンドプレートと側面部材とを組付ける際の位置決め作業を容易にして作業性を向上することができるとともに、燃料電池スタックの小型化と強度の向上とを両立することができる燃料電池スタック構造を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、電極構造体（例えば、実施の形態における電極構造体７）とセパレータ（例えば、実施の形態におけるセパレータ１１、１２）とを交互に積層してなる積層体（例えば、実施の形態における積層体３）と、該積層体の積層方向（例えば、実施の形態における矢印Ａ方向）両端に設けた一対のエンドプレート（例えば、実施の形態におけるエンドプレート２５）と、前記積層体の側面に設けて前記一対のエンドプレートを連結する側面部材（例えば、実施の形態におけるアングル部材３１、側面パネル３５）とを備え、少なくとも一方のエンドプレートには、前記積層方向およびこれに交差する方向への前記側面部材の移動を規制するように、前記側面部材の前記積層方向における端部に係合する係合部（例えば、実施の形態における係合部３３）が形成され、前記係合部は、前記エンドプレートの周縁部を前記積層方向に前記積層体から離反するように屈曲形成した形状とされ、前記係合部と前記側面部材の端面とが当接していることを特徴とする。

この発明によれば、前記積層体の積層方向両端に設けたエンドプレートを前記側面部材により連結する際に、前記係合部に前記側面部材を係合させることで、前記側面部材を前記エンドプレートに対して位置決めすることができる。これにより、前記エンドプレートと前記側面部材との連結を強化することができる。よって、前記側面部材に対して前記積層方向やこれに交差する方向に荷重が作用した場合でも、前記係合部を介して前記エンドプレートにより荷重を受けることができ、前記側面部材の前記積層方向やこれに交差する方向への変位を規制することができる。このように、燃料電池スタックの強度を高めることができるので、燃料電池スタックの強度を一定以上に維持しつつ、前記エンドプレートや前記側面部材の薄肉化が可能となる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のものであって、前記積層体は略直方体形状に形成され、前記側面部材は前記積層体の積層方向の各隅部を覆うアングル部材であることを特徴とする。

この発明によれば、前記積層体を略直方体形状に形成することで、前記側面部材としてアングル部材を用いることができる。そして、前記側面部材であるアングル部材が前記エンドプレートの係合部に係合することで、前記積層方向（例えば、実施の形態における矢印Ａ方向）やこの積層方向に直交するとともに互いに直交する２つの方向（例えば、実施の形態における矢印Ｂ方向、矢印Ｃ方向）に対して前記アングル部材に作用する荷重を前記係合部を介して前記エンドプレートにより受けることができる。よって、前記アングル部材の上述した各方向への変位を規制することができる。これにより、燃料電池スタックの強度をさらに高めることができるので、前記エンドプレートと前記アングル部材のさらなる薄肉化が可能となる。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載のものであって、前記側面部材は、前記アングル部材同士を覆う側面パネルをさらに備え、該側面パネルには前記アングル部材に係合可能な段差部（例えば、実施の形態における段差部３７）が形成されていることを特徴とする。

この発明によれば、前記側面パネルにより前記アングル部材同士を連結することができる。加えて、前記段差部に前記アングル部材を係合させることにより、前記側面パネルを前記アングル部材に対して位置決めできるとともに、位置決めされた前記アングル部材を介して前記側面パネルと前記エンドプレートとの連結を強化することができ、燃料電池スタックの強度をさらに高めることができる。

請求項１に係る発明によれば、エンドプレートと側面部材との位置決め作業を容易にして作業性を向上することができる。また、燃料電池スタックの強度を一定以上に維持しつつ、前記エンドプレートや前記側面部材の薄肉化が可能となり、燃料電池スタックの小型化と強度の向上とを両立することができる。

請求項２に係る発明によれば、前記エンドプレートと前記アングル部材との連結をさらに強化することができるので、前記エンドプレートや前記アングル部材のさらなる薄肉化が可能となり、強度を向上しつつ燃料電池スタックのさらなる小型化をすることができる。

請求項３に係る発明によれば、前記側面パネルと前記アングル部材とのて位置決め作業を容易にして作業性を向上することができるとともに、前記側面パネルにより燃料電池スタックの強度をさらに高めることができる。

以下、この発明の実施の形態における燃料電池スタック構造を図面と共に説明する。
図１は本発明が適用される燃料電池スタックの概略を示す分解斜視図である。同図に示す燃料電池スタック１は、所定数の単位セル２を矢印Ａ方向に積層されてなる積層体３を備えている。すなわち、矢印Ａ方向は積層体３の積層方向を示している。

前記単位セル２は、固体高分子電解質膜４をアノード５とカソード６とで挟み込んでなる電極構造体７を、一対のセパレータ１１、１２で挟持したものである。
固体高分子電解質膜４としては、ペルフルオロスルホン酸ポリマーに水を含浸させたもの等が用いられる。また、アノード５およびカソード６は、カーボンペーパー等からなる多孔質ガス拡散層（図示せず）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積層されてなる電極触媒層（図示せず）とをそれぞれ有している。そして、電極触媒層同士が固体高分子電解質膜４を介して対向するように、アノード５およびカソード６が固体高分子電解質膜４にそれぞれ接合されている。

本実施の形態においては、金属板をプレス加工により成形したセパレータ１１、１２を用いている。セパレータ１１、１２には、幅方向両端側の上部に連通孔１３、１６が、中部に連通孔１４、１７が、下部に連通孔１５、１８がそれぞれ形成されている。本実施の形態においては、連通孔１３、１８が燃料ガス供給口とその排出口、連通孔１６、１５が酸化剤ガス供給口とその排出口、連通孔１４、１７が冷却媒体供給口とその排出口にそれぞれ設定されている。
このように構成された各単位セル２が互いに電気的に直列に接続されて積層体３が構成されている。

積層体３の両端に位置する単位セル２には、ターミナルプレート２１がそれぞれ対向配置される。このターミナルプレート２１により、積層体３を構成する各単位セル２で発電した電力を集電する。ターミナルプレート２１の材質としては、銅やステンレス等が好ましい。
そして、ターミナルプレート２１の外側には、絶縁プレート２３がそれぞれ対向配置される。この絶縁プレート２３により、ターミナルプレート２１で集電した電力の漏洩を防止している。絶縁プレート２３の材質としては、フェノール樹脂が好ましい。

ターミナルプレート２１や絶縁プレート２３は、積層体３の積層方向から見て積層体３の外形と同程度の大きさに形成されている。絶縁プレート２３の外側に配置されるエンドプレート２５は、これらのプレート２１、２３よりも大きいサイズに形成されている。そして、エンドプレート２５は、前記プレート２１、２３や積層体３からはみ出す部位である周縁部３３を、積層方向（矢印Ａ方向）に対して離間する方向に屈曲形成されている。そして、この周縁部３３については、詳細を後述する。

また、各プレート２１、２３、２５には、各単位セル２に構成された連通孔１３〜１８に対応する部位に、連通孔１３〜１８が形成されている。そして、エンドプレート２５、２５の連通孔１３〜１８に水素含有ガス供給機構、酸素含有ガス供給機構、冷却水供給機構（いずれも図示せず）がそれぞれ連結されるとともに、連通孔１３〜１８にガス回収機構、冷却水回収機構（いずれも図示せず）が連結される。

また、積層体３には、その積層方向の各隅部を覆うようにアングル部材３１が配設される。各アングル部材３１は、断面略Ｌ字形状に形成されて、その両端面を前記エンドプレート２５の周縁部３３に当接させて、前記積層体３に配設される。上述したように、エンドプレート２５の周縁部３３は、積層方向に対して離間する方向に屈曲形成されている。このため、各アングル部材３１は、図２、図３に示すように、前記エンドプレート２５の周縁部３３に、積層方向（矢印Ａ方向）とこれに直交する２方向（矢印Ｂ方向、Ｃ方向）とに対して係合した状態で配設される（以下、「周縁部３３」を適宜「係合部３３」と言う）。

従って、エンドプレート２５をアングル部材３１により連結する際に、前記エンドプレート２５に形成された係合部３３にアングル部材３１を係合させることで、前記エンドプレート２５とアングル部材３１との位置決めを行うことができる。
また、アングル部材３１が前記エンドプレート２５の係合部３３に係合することで、積層体３の積層方向（矢印Ａ方向）やこの積層方向に直交する２方向（矢印Ｂ方向、矢印Ｃ方向）に対して、前記アングル部材３１に作用する荷重を前記係合部３３を介して前記エンドプレート２５により受けることができる。よって、前記アングル部材３１の各方向（Ａ〜Ｃ方向）への変位を規制することができる。

また、本実施の形態においては、前記アングル部材３１同士を覆う側面パネル３５をさらに備えている。そして、側面パネル３５には前記アングル部材３１に係合可能な段差部３７が形成されている。加えて、図４に示すように、前記側面パネル３５には貫通孔４４が形成され、前記アングル部材３１に形成された貫通孔４３と位置合わせをした状態で、締結ボルト４５により締結される。

また、図２に示すように、前記側面パネル３５の端面およびその内側面縁部は、エンドプレート２５の係合部３３に係合する。このように、側面パネル３５を設けることにより積層体３の側面に設けられるアングル部材３１同士を連結することができる。そして、側面パネル３５の段差部３７に前記アングル部材３１を係合させることにより、前記側面パネル３５を前記アングル部材３１に対して位置決めできる。加えて、位置決めされた前記アングル部材３１を介して前記側面パネル３５と前記エンドプレート３３との連結を強化することができ、燃料電池スタック１の強度をさらに高めることができる。

従って、燃料電池スタック１の強度を一定以上に維持しつつ、一対のエンドプレート２５を連結するアングル部材３１や側面パネルの薄肉化が可能となり、燃料電池スタックの小型化と強度の向上とを両立することができる。

なお、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものでないことはもちろんである。例えば、セパレータ１１、１２は金属を折り曲げ成形して形成してもよいし、カーボンを切削して形成してもよい。
また、実施の形態では、積層体３の両端に設けたエンドプレート２５を連結する側面部材として、アングル部材３１や側面パネル３５を用いた、エンドプレート２５を前記積層体３の側面を介して連結する部材であればよく、例えば帯板状のプレートでもよい。

また、エンドプレート２５の係合部３３は周縁部を積層方向に離反するように屈曲形成した形状のものとしたが、これに限らず、例えば、周縁部を積層方向に直交する平面に対して突出形成させた肩部を用いてもよい。

本発明の実施の形態における燃料電池スタックの分解斜視図である。 図１のＡ方向（積層方向）から見た燃料電池スタックの一部断面図である。 図１のＢ方向（積層方向に直交する方向）から見た燃料電池スタックの一部断面図である。 アングル部材と側面パネルとの連結工程を示す説明図である。

符号の説明

１…燃料電池スタック
３…積層体
７…電極構造体
１１、１２…セパレータ
２５…エンドプレート
３１…アングル部材（側面部材）
３３…係合部
３５…側面パネル（側面部材）
３７…段差部

Claims (3)

1. 電極構造体とセパレータとを交互に積層してなる積層体と、
   該積層体の積層方向両端に設けた一対のエンドプレートと、
   前記積層体の側面に設けて前記一対のエンドプレートを連結する側面部材とを備え、
   少なくとも一方のエンドプレートには、前記積層方向およびこれに交差する方向への前記側面部材の移動を規制するように、前記側面部材の前記積層方向における端部に係合する係合部が形成され、
   前記係合部は、前記エンドプレートの周縁部を前記積層方向に前記積層体から離反するように屈曲形成した形状とされ、
   前記係合部と前記側面部材の端面とが当接していることを特徴とする燃料電池スタック構造。
2. 前記積層体は略直方体形状に形成され、前記側面部材は前記積層体の積層方向の各隅部を覆うアングル部材であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック構造。
3. 前記側面部材は、前記アングル部材同士を覆う側面パネルをさらに備え、
   該側面パネルには前記アングル部材に係合可能な段差部が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池スタック構造。

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