JP4417224B2

JP4417224B2 - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP4417224B2
Application number: JP2004309720A
Authority: JP
Inventors: 雅章坂野; 優小田; 龍吾鈴木
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-10-25
Filing date: 2004-10-25
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2024-10-25
Also published as: US7803492B2; CA2522479C; CA2522479A1; US20060088752A1; JP2006120562A

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた少なくとも第１及び第２電解質・電極構造体を、少なくとも第１乃至第３セパレータのそれぞれの間で挟持する燃料電池ユニットを備え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）からなる固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ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（電解質・電極構造体）を、セパレータによって挟持することにより単位セルとして構成されている。

この単位セルにおいて、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。

ところで、燃料電池は、通常、数十〜数百の単位セルを積層してスタックを構成している。その際、各単位セル同士を正確に位置決めする必要があり、このため、前記単位セルに形成された位置決め用孔部にノックピンを挿入する作業が行われている。しかしながら、単位セルの積層数が増加するのに伴って、ノックピンの挿入作業が困難なものとなり、作業性が低下するとともに、部材の位置ずれが惹起し易く、シール機能が低下するという問題がある。

そこで、上記の問題を解決するために、特許文献１には、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、第１及び第２セパレータで挟持して構成される燃料電池であって、前記第１及び第２セパレータは、第１及び第２位置決め用孔部を設け、前記第１及び第２位置決め用孔部に、第１及び第２絶縁性位置決め部材が装着されるとともに、前記第１絶縁性位置決め部材の内周壁部に、前記第２絶縁性位置決め部材の外周壁部が嵌合することにより、前記第１及び第２セパレータ同士が絶縁状態で位置決めされることを特徴とする燃料電池が開示されている。

さらに、第１絶縁性位置決め部材は、第１セパレータの一方の面を支持する支持部と、前記第１セパレータの第１位置決め用孔部に嵌合するとともに、内周壁部が設けられる膨出部とを備え、第２絶縁性位置決め部材は、第２セパレータの一方の面を支持する支持部と、前記第２セパレータの第２位置決め用孔部に嵌合する第１膨出部と、前記第１膨出部とは反対側に突出するとともに、外周壁部が設けられる第２膨出部とを備えている。

特開２００４−１７２０９４号公報（図３）

上記の特許文献１は、第１及び第２セパレータ間に電解質・電極構造体を挟持する燃料電池（単位セル）において、前記第１及び第２セパレータ同士を位置決めする構造に関するものである。

ところが、最近、部品点数を削減して燃料電池スタック全体のコンパクト化を図るため、所謂、間引き冷却型燃料電池が採用されている。この間引き冷却型燃料電池では、２枚の電解質・電極構造体をそれぞれ３枚のセパレータ間に、順次、配設して燃料電池ユニットを構成している。そして、各燃料電池ユニット間に冷却媒体流路を形成するとともに、前記燃料電池ユニットを積層することにより、燃料電池スタックが構成されている。

本発明はこの種の間引き冷却型燃料電池に関するものであり、簡単な構成で、少なくとも３枚以上のセパレータ同士の位置決めが容易且つ効率的に遂行されるとともに、所望の剛性を確保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。

本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた少なくとも第１及び第２電解質・電極構造体と、少なくとも第１、第２及び第３金属セパレータとを設け、前記第１金属セパレータ及び前記第２金属セパレータの間で前記第１電解質・電極構造体を挟持する一方、前記第２金属セパレータ及び前記第３金属セパレータの間で前記第２電解質・電極構造体を挟持して構成される燃料電池ユニットと、前記第１乃至第３金属セパレータ同士を相互に位置決めする位置決め機構とを備えている。

位置決め機構は、第２金属セパレータの一方の面から第１金属セパレータ側に突出して樹脂材料で一体成形される第１凸状部と、前記第２金属セパレータの他方の面から第３金属セパレータ側に突出して樹脂材料で一体成形される第２凸状部と、前記第１金属セパレータに樹脂材料で一体成形され、前記第１凸状部が嵌合する第１凹状部と、前記第３金属セパレータに樹脂材料で一体成形され、前記第２凸状部が嵌合する第２凹状部とを有している。

しかも、第１及び第２凸状部と第１及び第２凹状部の内壁面とは、樹脂材料で成形されるため表面の滑り性が良い。これにより、第１及び第２凸状部と第１及び第２凹状部とは、スムーズ且つ確実に嵌合することができるとともに、嵌合部位の絶縁性を確保することが可能になる。

さらに、第１凸状部と第２凸状部とは、径寸法乃至形状が異なることが好ましい。第１凸状部と第２凹状部及び第２凸状部と第１凹状部とは、それぞれ嵌合することがないため、第１乃至第３セパレータの順序が入れ替わって誤組み立てが発生することを確実に阻止することができるからである。

さらにまた、第１及び第２凸状部は、位置決め部材に設けられるとともに、隣接する燃料電池ユニットの一方の位置決め部材には、他方の位置決め部材に設けられる開口部に嵌合する突起部が形成され、各位置決め部材同士が位置決めされることが好ましい。隣り合う燃料電池ユニット同士を容易且つ正確に位置決めすることが可能になるからである。

本発明によれば、燃料電池ユニットの略中央に配設される第２セパレータの両面に、第１セパレータ側に突出する第１凸状部と第３セパレータ側に突出する第２凸状部とが設けられ、この第２セパレータを基準にして両側の前記第１及び第３セパレータが位置決めされる。従って、簡単な構成及び作業で、第１乃至第３セパレータ同士を精度よく位置決めすることができる。さらに、例えば、第１セパレータ又は第３セパレータに凸状部を設ける構成に比べ、第１及び第２凸状部が短尺化されて、前記第１及び第２凸状部の剛性が有効に向上する。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０の概略構成説明図である。

燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池ユニット１２を矢印Ａ方向に積層した積層体１４を備える。積層体１４の積層方向両端には、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂ、絶縁プレート１８ａ、１８ｂ及びエンドプレート２０ａ、２０ｂが配設されており、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂ間には、所定の締め付け荷重が付与されている。

図２に示すように、燃料電池ユニット１２は、少なくとも第１及び第２電解質膜（電解質）・電極構造体２２ａ、２２ｂと、少なくとも第１、第２及び第３セパレータ２４、２６及び２８とを設ける。第１セパレータ２４及び第２セパレータ２６の間で第１電解質膜・電極構造体２２ａを挟持する一方、前記第２セパレータ２６及び第３セパレータ２８の間で第２電解質膜・電極構造体２２ｂを挟持する。第１乃至第３セパレータ２４、２６及び２８は、金属セパレータで構成されているが、例えば、カーボンセパレータを採用してもよい。

燃料電池ユニット１２の長辺方向（図２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入口連通孔３０ａと、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出口連通孔３２ｂとが設けられる。

燃料電池ユニット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入口連通孔３２ａと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとが設けられる。

燃料電池ユニット１２の上端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３４ａが設けられるとともに、前記燃料電池ユニット１２の下端縁部には、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３４ｂが設けられる。

第１及び第２電解質膜・電極構造体２２ａ、２２ｂ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３６と、前記固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード側電極３８及びカソード側電極４０とを備える。

アノード側電極３８及びカソード側電極４０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（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塗布されて形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３６の両面に形成される。

図３に示すように、第１セパレータ２４の第１電解質膜・電極構造体２２ａに向かう面２４ａには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第１燃料ガス流路４２が形成される。この第１燃料ガス流路４２は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数の溝部により構成される。図２に示すように、第１セパレータ２４の面２４ｂには、冷却媒体入口連通孔３４ａと冷却媒体出口連通孔３４ｂとを連通する冷却媒体流路４４が形成される。この冷却媒体流路４４は、矢印Ｃ方向に延在する複数の溝部により構成される。

第２セパレータ２６の第１電解質膜・電極構造体２２ａに向かう面２６ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数の溝部からなる第１酸化剤ガス流路４６が設けられるとともに、この第１酸化剤ガス流路４６は、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂとに連通する。第２セパレータ２６の第２電解質膜・電極構造体２２ｂに向かう面２６ｂには、燃料ガス入口連通孔３２ａと燃料ガス出口連通孔３２ｂとを連通する第２燃料ガス流路４８が形成される。

第３セパレータ２８の第２電解質膜・電極構造体２２ｂに向かう面２８ａには、酸化剤ガス入口連通孔３０ａと酸化剤ガス出口連通孔３０ｂと連通する第２酸化剤ガス流路５０が設けられる。第３セパレータ２８の面２８ｂには、第１セパレータ２４の面２４ｂと重なり合って冷却媒体流路４４が一体的に形成される。

第１セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、この第１セパレータ２４の外周端縁部を周回して第１シール部材５２が一体成形される。第２セパレータ２６の面２６ａ、２６ｂには、この第２セパレータ２６の外周端縁部を周回して第２シール部材５４が一体成形されるとともに、第３セパレータ２８の面２８ａ、２８ｂには、この第３セパレータ２８の外周端縁部を周回して第３シール部材５６が一体成形される。

燃料電池スタック１０は、燃料電池ユニット１２を構成する第１乃至第３セパレータ２４、２６及び２８同士を相互に位置決めするための位置決め機構６０を備える。位置決め機構６０は、第２セパレータ２６の矢印Ｂ方向両端縁部に一体成形される樹脂材料製位置決め部材６２を備える。なお、樹脂材料としては、絶縁性、射出成形性及び硬度に優れる、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）や、ＬＣＰ（液晶ポリマー）等が使用される。以下、同様である。

この位置決め部材６２は、第２セパレータ２６を構成する金属板が成形トリミングされた後、この金属板には、第２シール部材５４が一体成形される際、前記金属板に一体成形され、あるいは、前記第２シール部材５４が一体成形された後、前記金属板に取り付けられる。

図４及び図５に示すように、位置決め部材６２は、略リング状を有し、面２６ａから第１セパレータ２４側に突出する第１凸状部６４と、面２６ｂから第３セパレータ２８側に突出する第２凸状部６６とを有する。第１凸状部６４は、リング形状部を所定角度ずつ切り欠いて、例えば、３箇所に突出形成されるとともに、第２凸状部６６は、同様に、リング形状部を所定角度ずつ切り欠いて、例えば、３箇所に突出成形される。第１凸状部６４の外周直径は、第２凸状部６６の外周直径よりも大径に設定される。

位置決め部材６２は、第１凸状部６４側に円形状穴部（開口部）６８を設ける一方、第２凸状部６６側に、他の位置決め部材６２の穴部６８に嵌合して前記位置決め部材６２同士を位置決めする突起部７０が軸方向（矢印Ａ方向）に膨出形成される。

第１セパレータ２４の矢印Ｂ方向両端縁部には、樹脂材料製の第１リング部材７２が一体成形される（図２及び図３参照）。この第１リング部材７２には、第２セパレータ２６の第１凸状部６４が嵌合する第１孔部（第１凹状部）７４が形成される（図４及び図５参照）。

第３セパレータ２８の矢印Ｂ方向両端縁部には、樹脂材料製の第２リング部材７６が一体成形されるとともに（図２参照）、前記第２リング部材７６には、第２セパレータ２６の第２凸状部６６が嵌合する第２孔部（第２凹状部）７８が形成される（図４及び図５参照）。第１孔部７４の開口直径は、第２孔部７８の開口直径よりも大径に設定される。

図２に示すように、第２セパレータ２６の外周面中、例えば、矢印Ｂ方向一端縁部には、位置決め部材６２と同一材料で一体成形されるガイド部８０が、外方に突出して設けられる。

次に、燃料電池スタック１０を組み付ける作業について、以下に説明する。

先ず、燃料電池ユニット１２では、第１セパレータ２４と第２セパレータ２６との間に第１電解質膜・電極構造体２２ａが配設されるとともに、前記第２セパレータ２６と第３セパレータ２８との間に第２電解質膜・電極構造体２２ｂが配設される（図２参照）。この状態で、第１乃至第３セパレータ２４、２６及び２８同士が積層方向（矢印Ａ方向）に押圧される。

このため、図４及び図５に示すように、第２セパレータ２６に一体成形されている位置決め部材６２では、第１凸状部６４が第１セパレータ２４に一体成形されている第１リング部材７２の第１孔部７４に嵌合する。一方、位置決め部材６２の第２凸状部６６は、第３セパレータ２８に一体成形されている第２リング部材７６の第２孔部７８に嵌合する。従って、第１乃至第３セパレータ２４、２６及び２８同士は、位置決め機構６０を介して位置決めされるとともに、燃料電池ユニット１２が組み付けられる。

このように、本実施形態では、燃料電池ユニット１２の中央に配設される第２セパレータ２６の両面２６ａ、２６ｂに、第１凸状部６４と第２凸状部６６とが設けられ、この第２セパレータ２６を基準にして両側の第１及び第３セパレータ２４、２８が位置決めされている。具体的には、第２セパレータ２６の第１凸状部６４が、第１セパレータ２４の第１孔部７４に嵌合する一方、前記第２セパレータ２６の第２凸状部６６が、第３セパレータ２８の第２孔部７８に嵌合している。

このため、位置決め機構６０では、簡単な構成及び作業で、第１乃至第３セパレータ２４、２６及び２８同士を精度よく位置決めすることができるという効果が得られる。

さらに、例えば、第１セパレータ２４に凸状部を設け、この凸状部を第２及び第３セパレータ２６、２８に一体的に貫通して位置決めを行う構成に比べ、第１及び第２凸状部６４、６６の軸方向の長さが大幅に短尺化される。これにより、第１及び第２凸状部６４、６６の剛性が有効に向上するとともに、抜き勾配や撓み等が発生し難く、位置決め精度が良好に維持されるという利点がある。

また、本実施形態では、第１乃至第３セパレータ２４、２６及び２８が金属セパレータで構成されており、これらに第１リング部材７２、位置決め部材６２及び第２リング部材７６が樹脂材料で一体成形されている。従って、位置決め機構６０は、部品点数が大幅に削減されるとともに、第１乃至第３セパレータ２４、２６及び２８の位置決め作業が簡単且つ迅速に遂行される。

しかも、第１及び第２凸状部６４、６６と、第１及び第２孔部７４、７８の内壁面とは、樹脂材料で成形されているため嵌合部位の絶縁性を確保することが可能になる。

さらに、第１凸状部６４は、第２凸状部６６よりも大径に形成されるとともに、第１孔部７４は、第２孔部７８よりも開口直径が大径に設定されている。これにより、第２セパレータ２６の第１凸状部６４が、第３セパレータ２８の第２孔部７８に嵌合することがなく、第１乃至第３セパレータ２４、２６及び２８の順序が入れ替わって誤組み立てが発生することを確実に阻止することができるという効果がある。

上記のように組み付けられた燃料電池ユニット１２は、図６に示すように、ガイドレール９０に沿って互いに積層される。その際、各燃料電池ユニット１２では、略中央に配置されている第２セパレータ２６の側部にガイド部８０が膨出形成されている。従って、ガイド部８０をガイドレール９０に沿って案内させるだけで、燃料電池ユニット１２同士を容易且つ正確に積層することが可能になる。

さらに、各燃料電池ユニット１２同士が積層される際に、一方の位置決め部材６２に設けられている突起部７０が、他方の位置決め部材６２に設けられている穴部６８に嵌合している。このため、燃料電池ユニット１２同士の位置決めが容易且つ正確に遂行されるという利点がある。

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１に示すように、燃料電池スタック１０では、酸素含有ガス等の酸化剤ガス（空気）が供給されるとともに、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、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。

図２に示すように、酸化剤ガスは、燃料電池ユニット１２の酸化剤ガス入口連通孔３０ａに供給されて矢印Ａ方向に移動し、第２セパレータ２６の第１酸化剤ガス流路４６及び第３セパレータ２８の第２酸化剤ガス流路５０に導入される。第１酸化剤ガス流路４６に導入された酸化剤ガスは、第１電解質膜・電極構造体２２ａのカソード側電極４０に沿って移動する一方、第２酸化剤ガス流路５０に導入された酸化剤ガスは、第２電解質膜・電極構造体２２ｂのカソード側電極４０に沿って移動する。

燃料ガスは、燃料電池ユニット１２の燃料ガス入口連通孔３２ａから第１セパレータ２４の第１燃料ガス流路４２及び第２セパレータ２６の第２燃料ガス流路４８に導入される。このため、燃料ガスは、第１及び第２電解質膜・電極構造体２２ａ、２２ｂの各アノード側電極３８に沿って移動する。

従って、第１及び第２電解質膜・電極構造体２２ａ、２２ｂでは、各カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスと、各アノード側電極３８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、各カソード側電極４０に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔３０ｂに沿って流動した後、燃料電池スタック１０から排出される。同様に、各アノード側電極３８に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３２ｂに排出されて流動し、燃料電池スタック１０から排出される。

また、冷却媒体は、冷却媒体入口連通孔３４ａから燃料電池ユニット１２間の冷却媒体流路４４に導入された後、矢印Ｃ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、第１及び第２電解質膜・電極構造体２２ａ、２２ｂを間引き冷却した後、冷却媒体出口連通孔３４ｂを移動して燃料電池スタック１０から排出される。

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの概略構成説明図である。前記燃料電池スタックを構成する燃料電池ユニットの分解斜視説明図である。前記燃料電池ユニットを構成する第１セパレータの正面図である。前記燃料電池ユニットを位置決めする位置決め機構の断面拡大説明図である。前記位置決め機構の要部分解斜視図である。前記燃料電池ユニットを積層する際の断面説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池スタック１２…燃料電池ユニット
２２ａ、２２ｂ…電解質膜・電極構造体
２４、２６、２８…セパレータ３６…固体高分子電解質膜
３８…アノード側電極４０…カソード側電極
４２、４８…燃料ガス流路４４…冷却媒体流路
４６、５０…酸化剤ガス流路６０…位置決め機構
６２…位置決め部材６４、６６…凸状部
６８…穴部７０…突起部
７２、７６…リング部材７４、７８…孔部
８０…ガイド部

Claims

電解質の両側に一対の電極を設けた少なくとも第１及び第２電解質・電極構造体と、少なくとも第１、第２及び第３金属セパレータとを設け、前記第１金属セパレータ及び前記第２金属セパレータの間で前記第１電解質・電極構造体を挟持する一方、前記第２金属セパレータ及び前記第３金属セパレータの間で前記第２電解質・電極構造体を挟持する燃料電池ユニットと、
前記第１乃至第３金属セパレータ同士を相互に位置決めする位置決め機構と、
を備え、
前記位置決め機構は、前記第２金属セパレータの一方の面から前記第１金属セパレータ側に突出して樹脂材料で一体成形される第１凸状部と、
前記第２金属セパレータの他方の面から前記第３金属セパレータ側に突出して樹脂材料で一体成形される第２凸状部と、
前記第１金属セパレータに樹脂材料で一体成形され、前記第１凸状部が嵌合する第１凹状部と、
前記第３金属セパレータに樹脂材料で一体成形され、前記第２凸状部が嵌合する第２凹状部と、
を有することを特徴とする燃料電池スタック。
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記第１凸状部と前記第２凸状部とは、径寸法乃至形状が異な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、前記第１及び第２凸状部は、位置決め部材に設けられるとともに、
隣接する燃料電池ユニットの一方の位置決め部材には、他方の位置決め部材に設けられる開口部に嵌合する突起部が形成され、各位置決め部材同士が位置決めされることを特徴とする燃料電池スタック。