JP4214022B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、電解質の両側に電極を設けた電解質・電極構造体を、金属セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが複数積層された積層体を一対のエンドプレート間に配置して箱状ケーシング内に収容する燃料電池スタックに関する。

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（電解質）を採用している。この電解質膜の両側に、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及びカソード側電極を対設した電解質膜・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。

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は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、電子及び酸素が反応して水が生成される。

通常、この種の燃料電池は、所望の発電力を得るために、所定数（例えば、数十〜数百）積層した燃料電池スタックとして使用されている。この燃料電池スタックは、燃料電池の内部抵抗の増大や反応ガスのシール性の低下等を阻止するために、積層されている各燃料電池同士を確実に加圧保持する必要がある。

そこで、例えば、特許文献１の固体高分子型燃料電池が知られている。この燃料電池は、図８に示すように、燃料電池積層体１がエンドプレート２ａ、２ｂに挟持されるとともに、前記エンドプレート２ａ、２ｂが締め付け板３ａ、３ｂ間に配置されている。エンドプレート２ａは、発電部に臨む中央板部４ａと、マニホールド部に臨む枠状板部４ｂとから構成されている。

締め付け板３ａには、中央板部４ａに臨む部分にボルト５が螺着されるとともに、締め付け板３ａ、３ｂ間にボルト６が介装されている。これにより、ボルト５の締め付けによって中央板部４ａを介し発電部に締め付け力が付与されるとともに、ボルト６の締め付けによってマニホールド部に対して締め付け力が付与される。

特開平８−８８０１８号公報（段落［００１５］、［００１６］、図３）

しかしながら、上記の特許文献１では、締め付け板３ａ、３ｂ間にボルト６を介して締め付け力が付与されているため、前記締め付け板３ａ、３ｂ同士を互いに平行に維持することが極めて困難である。従って、締め付け板３ａ、３ｂを介して積層体１のマニホールド部に対し均一な締め付け力を付与することができないという問題がある。

しかも、ボルト５の調整によって中央板部４ａを介し積層体１の発電部に締め付け力を付与しているが、締め付け板３ａ、３ｂ自体の平行度を維持することができないため、前記積層体１の発電部全面に対して均一な締め付け力を付与することが困難である。さらに、積層体１を挟持するエンドプレート２ａ、２ｂの外方に締め付け板３ａ、３ｂが配置されており、燃料電池全体の積層方向の寸法が長尺であるという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、積層体を箱状ケーシング内に収容するとともに、簡単且つコンパクトな構成で、前記積層体に良好な締め付け荷重を確実に付与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。

本発明の燃料電池スタックでは、単位セルが複数積層された積層体を箱状ケーシング内に収容するとともに、前記ケーシングは、前記積層体の積層方向両端部に配置される一対のエンドプレートと、前記積層体の側部に配置されて前記一対のエンドプレートに連結される複数の側板とを備えている。少なくとも一方のエンドプレートには、該一方のエンドプレートが積層体に接する面の位置を調整する積層長調整機構が設けられている。

また、一方のエンドプレートは、第１プレート部材及び第２プレート部材を備えるとともに、積層長調整機構は、前記第１プレート部材のプレート面内に開口部を設けることによって該第１プレート部材の厚さ方向に延在して形成される内側摺動面と、前記第２プレート部材の厚さ方向に延在して設けられ、前記内側摺動面に摺接する外側摺動面と、前記内側摺動面及び前記外側摺動面の案内作用下に、前記第２プレート部材を前記第１プレート部材から前記積層体に向かって位置調整可能な押圧部とを備えている。

さらに、第２プレート部材には、外側摺動面の端部からプレート面方向外方に突出する係止部が設けられるとともに、押圧部は、前記外側摺動面を周回して第１プレート部材に螺合し、前記係止部を積層体に向かって押圧するねじ部材を備えることが好ましい。さらに、第２プレート部材は、プレート面内中央部が積層体に向かって突出する湾曲形状面を有することが好ましい。

本発明によれば、箱状ケーシングを構成する一対のエンドプレートは、側板に連結されて平行度が確実に維持されるため、このエンドプレートは、積層長調整機構の作用下に積層体に対して均一な締め付け力を付与することができる。従って、簡単な構成で、積層体に所望の締め付け荷重を確実に付与し、形状保持機能を有さない薄板波形状の金属セパレータを組み込む単位セルであっても、面圧分布を均一化することができ、前記単位セルの発電性及びシール性が有効に向上する。

しかも、一方のエンドプレートでは、第２プレート部材が第１プレート部材の開口部内に配設されるため、前記エンドプレートの厚さ方向の寸法が短尺化され、燃料電池スタック全体の積層方向の小型化が容易に図られる。

また、第１プレート部材に螺合するねじ部材を操作するだけで、第２プレート部材が前記第１プレート部材に対して平行状態を維持しながら、積層体を押圧することができる。従って、積層長調整機構の操作が容易且つ効率的に遂行可能になる。

さらに、第２プレート部材のプレート面内中央部が積層体に向かって突出している。このため、第２プレート部材の周縁部を押圧するだけで、前記第２プレート部材のプレート面略全面で前記積層体を良好に押圧することができる。

図１は、本発明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。

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が水平方向（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及び第１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及び第２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、四角形に構成される第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂを端板として含む箱状ケーシング２４により一体的に保持される。

図２及び図３に示すように、各単位セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）３０と、前記電解質膜・電極構造体３０を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ３２、３４とを備える。

単位セル１２の長辺方向（図３中、矢印Ｂ方向）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、及び燃料ガス、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。

単位セル１２の長辺方向の他端縁部には、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、及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。

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た固体高分子電解質膜４２と、前記固体高分子電解質膜４２を挟持するアノード側電極４４及びカソード側電極４６とを備える。

アノード側電極４４及びカソード側電極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た電極触媒層とを有する。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の両面に接合される。

第１金属セパレータ３２の電解質膜・電極構造体３０に向かう面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る。第１金属セパレータ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る。

第２金属セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３０に向かう面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。第２金属セパレータ３４の面３４ｂには、第１金属セパレータ３２の面３２ｂと重なり合って冷却媒体流路５０が一体的に形成される。

第１金属セパレータ３２の面３２ａ、３２ｂには、この第１金属セパレータ３２の外周端部を周回して第１シール部材５４が一体成形される。第１シール部材５４は、面３２ａで燃料ガス供給連通孔４０ａ、燃料ガス排出連通孔４０ｂ及び燃料ガス流路４８を囲繞してこれらを連通させる一方、面３２ｂで冷却媒体供給連通孔３８ａ、冷却媒体排出連通孔３８ｂ及び冷却媒体流路５０を囲繞してこれらを連通させる。

第２金属セパレータ３４の面３４ａ、３４ｂには、この第２金属セパレータ３４の外周端部を周回して第２シール部材５６が一体成形される。第２シール部材５６は、面３４ａで酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス流路５２を囲繞してこれらを連通させる一方、面３４ｂで冷却媒体供給連通孔３８ａ、冷却媒体排出連通孔３８ｂ及び冷却媒体流路５０を囲繞してこれらを連通させる。

図２に示すように、第１及び第２シール部材５４、５６間には、固体高分子電解質膜４２の外周が直接箱状ケーシング２４に接触することを阻止すべく、シール５７が介装される。第１及び第２シール部材５４、５６の外周端部は、箱状ケーシング２４の内面との間に僅かな隙間を有していてもよく、また、前記内面に接していてもよい。これは、第１及び第２金属セパレータ３２、３４が所定量以上に曲がることを規制するためである。

図１及び図２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５８ａ、５８ｂが形成される。端子部５８ａ、５８ｂには、例えば、走行用モータ等の負荷が接続される。

箱状ケーシング２４は、図１に示すように、端板である第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂと、積層体１４の側部に配置される複数の側板６０ａ〜６０ｄと、前記第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂと前記側板６０ａ〜６０ｄとを連結するそれぞれ長さの異なる連結ピン６４ａ、６４ｂとを備える。

第１及び第２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６６ａ、６６ｂ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６６ａ、６６ｂが突出形成される。第１及び第２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６８ａ、６８ｂが形成される。図示しないが、このボス部６８ａ、６８ｂが、搭載部位にボルト等を介して固定されることにより、燃料電池スタック１０は、例えば、車両に搭載される。

積層体１４の両側に配置される側板６０ａ、６０ｃの長手方向両端には、タブ部７０ａ、７０ｂが２つずつ形成される。積層体１４の上下に配置される側板６０ｂ、６０ｄ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７２ａ、７２ｂが３つずつ形成される。

側板６０ａ、６０ｃの各タブ部７０ａ、７０ｂ間には、第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂの両側の各辺のタブ部６６ａ、６６ｂが配置されるとともに、これらに短尺な連結ピン６４ａが一体的に挿入されて、前記側板６０ａ、６０ｃが前記第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂに取り付けられる。

同様に、側板６０ｂ、６０ｄのタブ部７２ａ、７２ｂが第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂの上辺及び下辺のタブ部６６ａ、６６ｂと交互に配置されるとともに、これらに長尺な連結ピン６４ｂが一体的に挿入されて、前記側板６０ｂ、６０ｄが前記第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂに取り付けられる。

側板６０ａ、６０ｂの短手方向両端縁部には、それぞれ複数の孔部７４が形成される一方、側板６０ｃ〜６０ｄの屈曲部には、前記孔部７４に対応して複数のねじ孔７６が形成される。各孔部７４に挿入される各ねじ７８がねじ孔７６に螺合することにより、側板６０ａ〜６０ｄ同士が固定される。これにより、箱状ケーシング２４が構成される（図４参照）。

図１、図２及び図５に示すように、少なくとも第２エンドプレート２０ｂには、前記第２エンドプレート２０ｂが積層体１４に接するプレート面８４ａ（後述する）の位置を調整する積層長調整機構８０が設けられる。第２エンドプレート２０ｂは、第１プレート部材８２及び第２プレート部材８４を備える。第１プレート部材８２のプレート面内中央部には、段付開口部８６が設けられることにより、前記第１プレート部材８２の厚さ方向に延在する内側摺動面８８が形成される。

第１プレート部材８２には、第２プレート部材８４に向かう面側に段部９０が設けられ、この段部９０には、複数のねじ孔９２が貫通形成される。第２プレート部材８４には、厚さ方向（矢印Ａ方向）に延在して内側摺動面８８に摺接する外側摺動面９４が形成される。この第２プレート部材８４には、外側摺動面９４の端部からプレート面方向外方（矢印Ｂ方向及び矢印Ｃ方向）に突出する係止部９６が設けられる。

第１プレート部材８２のねじ孔９２には、ねじ部材（押圧部）９８が螺合し、前記ねじ部材９８は、第２プレート部材８４の係止部９６を積層体１４に向かって押圧する。ねじ部材９８は、その先端部９８ａを球面状に構成してもよい。

第２プレート部材８４は、積層体１４に向かうプレート面８４ａの面内中央部が前記積層体１４に向かって突出する湾曲形状面を有する。第１プレート部材８２の内側摺動面８８、第２プレート部材８４の外側摺動面９４及び係止部９６に当接するねじ部材９８により、積層長調整機構８０が構成される。

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。

先ず、図４に示すように、燃料電池スタック１０では、第１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、図１及び図２に示すように、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、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が矢印Ａ方向に供給される。

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金属セパレータ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金属セパレータ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。

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。

次いで、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、第１エンドプレート２０ａから外部に排出される。同様に、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、第１エンドプレート２０ａから外部に排出される。

また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔３８ａから第１及び第２金属セパレータ３２、３４間の冷却媒体流路５０に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。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を移動して第１エンドプレート２０ａから排出される。

この場合、本実施形態では、積層体１４が箱状ケーシング２４内に収容されるとともに、前記箱状ケーシング２４は、前記積層体１４の積層方向両端部に配置される第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂと、前記積層体１４の側部に配置されて前記第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂに連結される複数の側板６０ａ〜６０ｄとを備えている。

このため、第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂは、側板６０ａ〜６０ｄに連結されて平行度が確実に維持され、前記第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂは、積層体１４に均一な締め付け力を付与することができる。

その際、第２エンドプレート２０ｂは、側板６０ａ〜６０ｄに連結ピン６４ａ、６４ｂを介して固定される第１プレート部材８２と、この第１プレート部材８２の内側摺動面８８に摺接する外側摺動面９４を設けた第２プレート部材８４とを備えている。この第２プレート部材８４は、内側摺動面８８及び外側摺動面９４の案内作用下に、積層体１４に向かって位置調整可能であるとともに、前記第１プレート部材８２は、箱状ケーシング２４を構成して正確に平行度を維持することができる。

従って、第２プレート部材８４により、積層体１４に所望の締め付け荷重を確実且つ容易に付与することが可能になるという効果が得られる。特に、形状保持機能を有さない薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ３２、３４を組み込む各単位セル１２であっても、面圧分布を均一化することができ、前記単位セル１２の発電性及びシール性が有効に向上する。

しかも、第２プレート部材８４は、第１プレート部材８２の段付開口部８６内に配置されており、第２エンドプレート２０ｂの厚さ方向の寸法が短尺化され、燃料電池スタック１０全体の積層方向の小型化が容易に図られるという利点がある。

さらにまた、積層長調整機構８０を構成するねじ部材９８を第１プレート部材８２のねじ孔９２に螺合させるだけで、第２プレート部材８４は、前記第１プレート部材８２に対して平行状態を維持しながら、積層体１４を押圧することができる。これにより、積層長調整機構８０の操作が容易且つ効率的に遂行可能になるという効果がある。

また、第２プレート部材８４のプレート面８４ａでは、中央部が積層体１４に向かって突出する湾曲形状面を構成している。このため、ねじ部材９８により第２プレート部材８４の周縁部である係止部９６を押圧するだけで、該第２プレート部材８４のプレート面８４ａの略全面で積層体１４を均一且つ良好に押圧することができる。

さらに、ねじ部材９８の先端部９８ａが球面形状に構成されることにより、第２プレート部材８４の係止部９６を、積層体１４に向かって確実に押圧することが可能になる。

なお、本実施形態では、ねじ部材９８を第１プレート部材８２のねじ孔９２に螺合させているが、図６に示すように、このねじ部材９８に回り止め用ナット１００を螺合させることもできる。一方、図７に示すように、ねじ部材９８に代替して、いもねじ（セットビス）１０２ａ、１０２ｂを第１プレート部材８２のねじ孔９２に螺合させてもよい。

本発明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。 前記燃料電池スタックの一部断面側面図である。 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。 前記燃料電池スタックの斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する第２エンドプレートの分解斜視説明図である。 ねじ部材にナットを設ける際の説明図である。 前記ねじ部材に代替して、いもねじを用いる際の説明図である。 特許文献１の燃料電池の概略説明図である。

符号の説明

１０…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…箱状ケーシング ３０…電解質膜・電極構造体
３２、３４…金属セパレータ 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 ５４、５６…シール部材
６０ａ〜６０ｄ…側板 ６４ａ、６４ｂ…連結ピン
８０…積層長調整機構 ８２、８４…プレート部材
８４ａ…プレート面 ８６…段付開口部
８８…内側摺動面 ９０…段部
９２…ねじ孔 ９４…外側摺動面
９６…係止部 ９８…ねじ部材

Claims (3)

1. ガス拡散層及び触媒層を有する一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体を、金属セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルが複数積層された積層体を箱状ケーシング内に収容する燃料電池スタックであって、
   前記箱状ケーシングは、前記積層体の積層方向両端部に配置される一対のエンドプレートと、
   前記積層体の側部に配置されて前記一対のエンドプレートに連結される複数の側板と、
   を備えるとともに、
   少なくとも一方のエンドプレートには、該一方のエンドプレートが前記積層体に接する面の位置を調整する積層長調整機構が設けられ、
   前記一方のエンドプレートは、第１プレート部材及び第２プレート部材を備える一方、
   前記積層長調整機構は、前記第１プレート部材のプレート面内に開口部を設けることによって該第１プレート部材の厚さ方向に延在して形成される内側摺動面と、
   前記第２プレート部材の厚さ方向に延在して設けられ、前記内側摺動面に摺接する外側摺動面と、
   前記内側摺動面及び前記外側摺動面の案内作用下に、前記第２プレート部材を前記第１プレート部材から前記積層体に向かって位置調整可能な押圧部と、
   を備え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、前記第２プレート部材には、前記外側摺動面の端部からプレート面方向外方に突出する係止部が設けられるとともに、
   前記押圧部は、前記外側摺動面を周回して前記第１プレート部材に螺合し、前記係止部を前記積層体に向かって押圧するねじ部材を備えることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記第２プレート部材は、プレート面内中央部が前記積層体に向かって突出する湾曲形状面を有することを特徴とする燃料電池スタック。

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