JP4220615B2 - 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、固体高分子膜を有した固体高分子型燃料電池セルを複数個積層した燃料電池積層体を締付け手段により一体化した燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知の如く、最近、都市化につれてガソリン等を使用する自動車の数が増加し、一家に約２台の自動車を所有するまでに至っている。従って、当然の如く排気ガスの発生が問題視されており、地球環境保護の観点から燃料電池を自動車の内燃機関に代えて作動するモーターの電源として利用し、このモーターにより自動車を駆動することが検討されている。この燃料電池は、資源の枯渇問題を有する化石燃料を使う必要がないので排気ガス等を発生することがないとともに、騒音をほとんど発生せず、またエネルギーの回収効率も他のエネルギー機関と比べて高くできる等の優れた特徴を有している。
【０００３】
しかるに、燃料電池を自動車に利用する場合、あまり大きな出力は必要としないが、燃料電池は他の付帯設備とともにできるだけ小型であることが望ましい。このようなことから、燃料電池の中でも固体高分子膜を２種類の電極で挟み込み、更にこれらの部材をセパレータで挟んだ構成の固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）が注目されている。
【０００４】
図７は、固体高分子型燃料電池の基本構造を示す。以下、図７を用いてかかる燃料電池の基本的な構成及び動作について説明する。
電池本体１は、固体高分子膜２の両側に酸素極３、水素極４を接合することにより構成されている。そして、この接合体は、固体高分子膜２の両側に酸素極３，水素極４を合わせた後、ホットプレス等により製造されている。前記酸素極３，水素極４は、夫々反応膜５ａ，５ｂ及びガス拡散膜６ａ，６ｂが接合されたもので、前記固体高分子膜２とは反応膜５ａ，５ｂの表面が接触している。電池反応は、主に固体高分子膜２と反応膜５ａ，５ｂとの間の接触面で起こる。前記酸素極３の表面には酸素供給溝７ａを有するセパレータ７が、前記水素極４の表面には水素供給溝８ａを有するセパレータ８が夫々接合されている。
【０００５】
こうした構成の燃料電池において、酸素供給溝７ａ及び水素供給溝８ａは酸素及び水素を夫々供給すると、酸素，水素は各々のガス拡散膜６ａ，６ｂを介して反応膜５ａ，５ｂ側へ供給され、各反応膜５ａ，５ｂと固体高分子膜２との界面で次のような反応が起こる。
【０００６】
反応膜５ａ界面での反応：(1/2)Ｏ₂ ＋２Ｈ⁺ →Ｈ₂ Ｏ
反応膜５ｂ界面での反応：Ｈ₂ →２Ｈ⁺ ＋２ｅ^-
ここで、２Ｈ⁺ は固体高分子膜２を通って水素極４から酸素極３へ流れるが、２ｅ^- は負荷９を通って水素極４から酸素極３へ流れ、電気エネルギーが得られる。
【０００７】
ところで、上記燃料電池においては、前記セパレータ７，８は、各々の背面に燃料ガスと酸化剤ガスを均一にかつ完全に分離して供給するとともに、反応によって発生した電気を効率良く集電するという性能を有する必要がある。また、電池反応により発熱が生じるので、運転条件の安定化を図るために反応熱をガスセパレータを介して放熱させる必要がある。そのため、様々なセパレータが提案されている。図８は、複数のセパレータ（Ｓ）を用いたＰＥＦＣ構造体（燃料電池積層体）の展開図の一例を示す。こうした構成の燃料電池スタックでは、燃料ガス供給板と酸化剤ガス供給板を重ね合わせた際、２種類の溝によって形成される通路に冷却水を流して、酸素極、水素極と固体高分子電解質との界面での反応によって生じる反応熱を抑制することができる。
【０００８】
従来、上記燃料電池積層体は、例えば図９及び図１１に示すように組み立てられて燃料電池スタックを構成している。なお、図１１は図９の平面図を示す。燃料電池スタック１１は複数の単位セル１０を上下方向に積層したものであり、単位セル１０の上下方向の端面より一回り大きい上下の２枚のフランジ１２、１３により挟まれている。前記燃料電池スタック１１は、該スタック１１の外側に位置する上下のフランジ１２、１３にボルト穴を設け、このボルト穴に複数の締付けボルト１４を夫々挿入し、ナット（図示せず）を締付けボルト１４の端部に螺合して締め付けることにより固定されている。なお、図１１において、付番１５，１６は夫々フランジ１２、１３及び燃料電池スタック１１に設けられた冷却水供給穴，冷却水排出穴を、付番１７，１８は夫々フランジ１２、１３及び燃料電池スタック１１に設けられた反応ガス供給穴，反応ガス排出穴を示す。
【０００９】
また、従来、燃料電池積層体は、例えば図１０に示すようにして組み立てられて、燃料電池スタック１１を構成している。図１０のスタックは、図９のそれと比べ、フランジ１２、１３の大きさを単位セル１０の上下方向の単面と同じ大きさにしている点が異なるが、他の点は同じである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の燃料電池スタックによれば、多数の締付けボルト１４を使用して燃料電池積層体を固定するため、燃料電池スタックの有効面積率が低いという問題があった。事実、図９の場合、燃料電池スタックの横の長さをＹ₁ （例えば１４０ｍｍ），縦の長さをＴ₁ （例えば１２０ｍｍ）としたとき、締付けボルトの領域（図１１の斜線部分）の横の長さはＹ₂ （例えば１３０ｍｍ）であり、縦の長さはＴ₂ （例えば１００ｍｍ）であるので、有効面積率は、Ｔ₂ ・Ｙ₂ ／Ｔ₁ ・Ｙ₂ ＝｛（１００×１３０）／（１２０×１４０）｝×１００≒７７％となる。また、従来のスタックの場合、上記と同様な理由により、重量及び外径寸法ともに大きくなるという問題があった。
【００１１】
本発明は、こうした事情を考慮してなされたもので、燃料電池積層体の長手方向に沿う両端側に夫々配置されたフランジ付き支持部材と、前記積層体の長手方向に沿う対向する側面に前記支持部材同士に連結された状態で夫々配置された接合部材と、前記支持部材を前記積層体の長手方向に締め付ける締付け具とを有する締付け手段を具備した構成とすることにより、従来と比べ燃料電池スタックの有効面積率を大きくとれ、かつ重量、外径寸法を小さくしえる燃料電池スタックを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、固体高分子膜の両側に夫々電極を介した単位セルを複数個積層してなる燃料電池積層体と、この燃料電池積層体を前記単位セルの積層方向に締め付ける締付け手段とを具備する燃料電池スタックにおいて、前記締付け手段は、前記燃料電池積層体の長手方向に沿う両端側に夫々配置されたフランジ付き支持部材と、前記燃料電池積層体の長手方向に沿う対向する側面に前記支持部材同士に連結された状態で夫々配置された連結部材と、前記支持部材を前記燃料電池積層体の長手方向に締め付ける締付け具とを備え、前記支持部材は、中空体と、この中空体内に配置されたリブと、前記中空体の両側に連結されたフランジと、前記中空体に設けられ前記締付け具による力を前記燃料電池スタックの上下の端面に均一に伝える押え調整部材とを有することを特徴とする燃料電池スタックである。
また、前記押え調整部材は、前記中空体の底面と前記燃料電池スタックの上面又は下面間に配置された押圧部材と、この押圧部材上に配置された押え板と、前記中空体の一部に設けた凹部にボルト穴を設けこの穴を利用して前記押圧部材上に位置するように設けたボルトとから構成されていることを特徴とする。
また、前記連結部材は、ステンレス鋼製の板状部材もしくはピアノ線であることを特徴とする。
また、前記締付け具は、前記支持部材のフランジ部分に螺合されたボルトであることを特徴とする。
また、前記板状部材は溶接により前記支持部材に接合されていることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について更に具体的に説明する。
本発明において、前記締付け手段は、燃料電池積層体を単位セルの積層方向に沿う両端から締め付けるものであるから、構造を簡略化する上で両端で同じ構成の方が好ましいが、必ずしも同じである必要はない。
【００１４】
また、締付け部材は、上記のように、燃料電池積層体の長手方向に沿う両端側に夫々配置されたフランジ付き支持部材と、前記積層体の長手方向に沿う対向する側面に前記支持部材同士に連結された状態で夫々配置された連結部材と、前記支持部材を前記積層体の長手方向に締め付ける締付け具とから構成されている。
【００１５】
前記フランジ付き支持部材は、例えば、中空体と、この中空体内に配置されたリブと、前記中空体の両側に連結されたフランジと、前記中空体に設けられた押え調整部材とから構成されている。ここで、リブは、中空体を構成する上下の壁間に配置されて中空体の強度を保持する働きをする。前記押え調整部材は、例えば図３に示すように、皿ばねと、該皿ばね上の押え板と、該押え板上の皿ばねボルトにより構成されている。前記押え調整部材は、前記締付け具からの押圧を燃料電池積層体の押圧面側に均等に伝えるために押圧面にバランスよく配置されていることが好ましい。なお、皿ばねの代わりに、板ばね、螺旋状のばね等押圧部材による押圧力を燃料電池スタックの押圧面に均等に伝達できるものであればよく、これに限定するものではない。
【００１６】
本発明において、前記連結部材としては、ステンレス鋼製の板状部材もしくはピアノ線等が挙げられる。ここで、板状部材は溶接あるいは機械的に支持部材に連結することができる。前記ピアノ線は、１本で燃料電池積層体の積層方向に沿う両端の支持部材同士を連結してもよいし、複数本用いて連結してもよい。
【００１７】
本発明において、前記締付け具は、燃料電池積層体を単位セルの積層方向に沿う両端から締め付けるものであるから、支持部材のフランジ部分に適度な押圧力を伝達できるものが好ましい。具体的には、例えば後述するようにネジ切り穴を有した押え治具とフランジ間に連結部材を介在させ、固定ボルトを押え治具に螺合させることにより、連結部材をフランジに固定させるとともに、固定ボルトによる押圧力を燃料電池積層体に伝達させる構造（図３参照）が挙げられる。また、図４に示すように、２種類の押え治具からなる押え部材及び固定ボルトを用いた構造のものでもよい。更に、図５や図６のように１本あるいは複数のピアノ線を固定するフックを用いた構造のものでもよい。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の各実施例について図面を参照して説明する。
（実施例１）
図１，図２及び図３を参照して説明する。ここで、図１は、実施例１に係る燃料電池スタックの一部切り欠いた斜視図、図２は図１の平面図、図３は図１の要部Ｘの部分拡大断面図を示す。なお、本実施例１に係る締付け手段は燃料電池スタックの上下面で同じような構成となっている。
【００１９】
図１において、付番３１は単位セル３２を複数個縦方向に積層した燃料電池積層体を示す。前記単位セル３２は、図示しないが、固体高分子膜の両側に夫々電極（酸素極，水素極）を配置し、更にこれらの積層体の外側に夫々セパレータを配置した構成となっている。前記単位セル３２の基本的な構成や作用は、従来技術で説明した図７と同様である。前記燃料電池積層体３１及び該積層体３１の上下方向に沿う両端面に配置された第１の押え板３０には、該積層体３１を構成する単位セル３２に反応ガスを供給する反応ガス供給穴３３、反応ガスを排出する反応ガス排出穴３４、前記単位セル３２に冷却水を供給する冷却水供給穴３５及び冷却水を排出する排出穴３６が夫々設けられている。
【００２０】
前記燃料電池積層体３１は、締付け手段により前記燃料電池積層体３１の積層方向に締め付けられる。ここで、締付け手段は、前記積層体３１の長手方向（図１の上下方向）に沿う両端側に夫々配置されたフランジ付き支持部材３７と、前記積層体３１の長手方向に沿う対向する側面に前記支持部材３７同士に連結された状態で夫々配置された厚さ１．０ｍｍのステンレス鋼の薄板（連結部材）３８と、前記薄板３８を前記積層体３１の長手方向に締め付ける締付け具３９とから構成されている。なお、前記燃料電池積層体３１及び締付け手段により燃料電池スタック６１が構成されている。
【００２１】
前記支持部材３７は、内部に空洞部を有する板状の中空体４０と、この中空体４０内に配置されたリブ４１と、前記中空体４０の両側に連結されたフランジ４２と、前記中空体４０に設けられた押え調整部材４３とから構成されている。ここで、押え調整部材４３は、中空体４０の底面と前記スタック３１の上面（又は下面）間に配置された皿ばね４４と、この皿ばね４４上に配置された第２の押え板４５と、中空体４０の一部に設けた凹部４０ａにボルト穴４０ｂを設けこの穴４０ｂを利用して前記皿ばね４４上に位置するように設けた皿ばねボルト４６とから構成されている。
【００２２】
前記締付け具３９は、端部で折り曲げられた薄板３８を押える押え治具４７と、前記押え治具４７、薄板３８及びフランジ４２を締め付ける固定ボルト４８とから構成されている。固定ボルト４８は、押え治具４７,フランジ４２に夫々形成された溝付き穴、薄板３８に夫々形成された穴を利用して螺合されている。ここで、前記固定ボルト４８を締め付けると、押圧力がフランジ４２に働き、更にこの力が皿ばねボルト４６の下面の皿ばね４４に働き、これにより燃料電池スタック３１をセルの積層方向に押圧するようになっている。
【００２３】
このように、上記実施例１によれば、燃料電池積層体３１の長手方向に沿う両端側に夫々配置されたフランジ付き支持部材３７と、前記燃料電池積層体３１の長手方向に沿う対向する側面に前記支持部材３７同士に接続された状態で夫々配置された薄板３８と、前記薄板３８を前記燃料電池積層体３１の長手方向に締め付ける締付け具３９とから締付け手段を構成し、また前記支持部材３７は、内部に空洞部を有する板状の中空体４０と、この中空体４０内に配置されたリブ４１と、前記中空体４０の両側に連結されたフランジ４２と、前記中空体４０に設けられた押え調整部材４３とから構成し、更に前記締付け具３９は、端部で折り曲げられた薄板３８を押える押え治具４７と、前記押え治具４７、薄板３８及びフランジ４２を締め付ける固定ボルト４８とから構成している。
【００２４】
しかるに、実施例１の燃料電池モジュールでは、従来のように長尺な締付けボルトを使用することなく、薄板３８を締め付けるための固定ボルト４８やスタック端面を均等に押圧するための皿ばねボルト４４等で燃料電池スタック３１の締付けを行なうので、モジュール全体の重量を軽くできるとともに、有効面積率を大きくとることができる。
【００２５】
事実、図２を参照して、実施例１に係る燃料電池スタックの有効面積率を求めたところ、次のようになった。スタックの横の長さをＹ₁ （例えば１３０ｍｍ），縦の長さをＴ₁ （例えば１１２ｍｍ）としたとき、セル領域（図２の斜線部分）の横の長さはＹ₁ （例えば１３０ｍｍ）であり、縦の長さはＴ₂ （例えば１００ｍｍ）であるので、有効面積率は、Ｙ₁ ・Ｔ₂ ／Ｙ₁ ・Ｔ₁ ＝有効面積率＝セル面積／全体面積＝｛（１３０×１００）／（１３０×１１２）｝×１００≒８９％となり、従来の燃料電池スタックに比べて有効面積率を向上できる事が確認できた。また、上記と同様な理由により、重量及び外径寸法ともに小さくすることができる。
【００２６】
なお、上記実施例１では、固定ボルトを用いて薄板をフランジに固定する場合について述べたが、これに限らず、薄板を溶接により接合することにより固定してもよい。また、薄板の厚さ及び材質は上記のものに限定するものではない。
【００２７】
また、上記実施例１では、皿ばねを用いた押え調整部材を５個所に配置した場合について述べたが、押え調整部材は固定ボルトによる力を燃料電池スタックの上下の端面に均一に伝えることを目的とするものであるから、この目的に沿えば数は限定されない。例えば１箇所でもよいし、４箇所でもよい。また、皿ばねの代わりに例えば螺旋状のスプリングを用いてもよい。
【００２８】
（実施例２）
図４を参照する。なお、図１〜図３と同部材は同符号を付し、要部のみを説明する。本実施例２において、押え治具４７は、固定ボルト５１が差し込まれる開口部５２ａを有した下押え部材５２と、この下押え部材５２の上部に設けられ、固定ボルト５１が螺合されるボルト穴５３ａを有した上押え部材５３とから構成されている。薄板３８の上下方向の端部は、下押え部材５２の縁部で折り曲げられて両押え部材５２，５３間の奥の方まで延出するが、固定ボルト５１を上押え部材５３のネジ部に螺合させることにより、薄板３８の一部は下押え部材５２の開口部５２ａのフランジ側に押し込まれ、薄板３８が強固に締付けられる。
【００２９】
こうした本実施例２では、固定ボルト５１を締め付けると、その力が押え具４７、フランジ４２を介して第２の押え板４５に伝わり、更にこの力が皿ばねボルト４６の下面の皿ばね４４に働き、これにより燃料電池スタック３１をセルの積層方向に押圧するようになっている。
【００３０】
なお、上記実施例２の場合、下押え部材５２とフランジ４２は溶接等により一体化しているが、成形等により一体ものとして形成してもよい。
【００３１】
（実施例３）
図５を参照する。なお、図１〜図３と同部材は同符号を付し、要部のみを説明する。本実施例３では、実施例１や実施例２で用いた薄板の代わりに、図５に示すようにピアノ線５３を用いるとともに、ピアノ線５３を固定するフック５４を設けたことを特徴とする。前記フック５４は、フランジ４２の上部で該フランジ４２と一体的に断面Ｌ字状に設けられているが、形状はこれに限定されない。また、フック５４側壁にはピアノ線５３を通すための穴が設けられ、フック５４の内側ではピアノ線５３の端部がフック５４の穴から外れないように結び目５５が形成されている。
【００３２】
（実施例４）
図６を参照する。なお、図１〜図３と同部材は同符号を付し、要部のみを説明する。本実施例４は、上下のフランジ４２の側壁に該フランジ４２と一体のフック５６を複数個設け、これらのフック５６に連続したピアノ線５３を上下のフランジ４２のフック５６に交互に掛け、最後にピアノ線５３の両端を接続するものである。
【００３３】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、燃料電池積層体の長手方向に沿う両端側に夫々配置されたフランジ付き支持部材と、前記積層体の長手方向に沿う対向する側面に前記支持部材同士に連結された状態で夫々配置された連結部材と、前記支持部材を前記積層体の長手方向に締め付ける締付け具とを備えた締付け手段を具備し、前記支持部材は、前記中空体と、この中空体内に配置されたリブと、前記中空体の両側に連結されたフランジと、前記中空体に設けられ前記締付け具による力を前記燃料電池スタックの上下の端面に均一に伝える押え調整部材とを有する構成とすることにより、従来と比べ燃料電池スタックの有効面積率を大きくとれるとともに、かつ重量、外径寸法を小さくしえる燃料電池スタックを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係る燃料電池スタックの一部切欠した斜視図。
【図２】図１の平面図。
【図３】図１の燃料電池スタックの要部Ｘを拡大して示す断面図。
【図４】本発明の実施例２に係る燃料電池スタックの要部を示す断面図。
【図５】本発明の実施例３に係る燃料電池スタックの要部を示す断面図。
【図６】本発明の実施例４に係る燃料電池スタックの要部を示す断面図。
【図７】固体高分子型燃料電池の原理を説明するための説明図。
【図８】固体高分子型燃料電池セル構造体の説明図。
【図９】従来の燃料電スタックの斜視図。
【図１０】従来の他の燃料電池スタックの斜視図。
【図１１】図９の平面図。
【符号の説明】
３１…燃料電池スタック、
３２…単位セル、
３３…反応ガス供給穴、
３４…反応ガス排出穴、
３５…冷却水供給穴、
３６…冷却水排出穴、
３７…支持部材、
３８…薄板、
３９…締付け具、
４０…中空体、
４１…リブ、
４２…フランジ、
４３…押圧調整部材、
４４…皿ばね、
４５…第２の押え板、
４６…皿ばねボルト、
４７…押え治具、
４８…固定ボルト、
５１…固定ボルト、
５３…ピアノ線、
５４、５６…フック、
６１…燃料電池スタック。

Claims (5)

1. 固体高分子膜の両側に夫々電極を介した単位セルを複数個積層してなる燃料電池積層体と、この燃料電池積層体を前記単位セルの積層方向に締め付ける締付け手段とを具備する燃料電池スタックにおいて、
   前記締付け手段は、前記燃料電池積層体の長手方向に沿う両端側に夫々配置されたフランジ付き支持部材と、前記燃料電池積層体の長手方向に沿う対向する側面に前記支持部材同士に連結された状態で夫々配置された連結部材と、前記支持部材を前記燃料電池積層体の長手方向に締め付ける締付け具とを備え、
   前記支持部材は、中空体と、この中空体内に配置されたリブと、前記中空体の両側に連結されたフランジと、前記中空体に設けられ前記締付け具による力を前記燃料電池スタックの上下の端面に均一に伝える押え調整部材とを有することを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記押え調整部材は、前記中空体の底面と前記燃料電池スタックの上面又は下面間に配置された押圧部材と、この押圧部材上に配置された押え板と、前記中空体の一部に設けた凹部にボルト穴を設けこの穴を利用して前記押圧部材上に位置するように設けたボルトとから構成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。
3. 前記連結部材は、ステンレス鋼製の板状部材もしくはピアノ線であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。
4. 前記締付け具は、前記支持部材のフランジ部分に螺合されたボルトであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池スタック。
5. 前記板状部材は溶接により前記支持部材に接合されていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池スタック。

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