JP4430311B2 - 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、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極構造体を、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て積層体を構成するとともに、前記積層体の両端にターミナルプレートを配設してケーシング内に収容される燃料電池スタックに関する。
【0002】
【従来の技術】
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燃料電池が構成されている。
【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、電子および酸素が反応して水が生成される。
【0004】
通常、この燃料電池は、所望の発電力を得るために、所定数(例えば、数十〜数百)だけ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、例えば、ケース内に収容されており、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加圧保持する必要がある。
【0005】
そこで、例えば、特許文献1の燃料電池が知られている。この燃料電池は、図6に示すように、複数の単位セルを積層した積層セル体1と、この積層セル体1を収容するスタック容器2と、このスタック容器2に螺着可能な蓋体3とを備えている。
【0006】
蓋体3の底部には、押圧部3aが設けられるとともに、この蓋体3の側面部には、ねじ部3bが形成されており、前記ねじ部3bがスタック容器2のねじ溝2aに螺着されている。このため、蓋体3をスタック容器2にねじ込むことにより、この蓋体3の押圧部3aが積層セル体1を押圧し、前記積層セル体1を構成する単位セル間に所定の面圧を与えることができる、としている。
【0007】
また、例えば、特許文献2の燃料電池スタックは、図7に示すように、複数の燃料電池4を積層した積層体の上下両端にそれぞれエンドプレートアセンブリ5a、5bが配置されるとともに、前記エンドプレートアセンブリ5a、5bが複数本のタイロッド6により締め付けられている。
【0008】
上方のエンドプレートアセンブリ5aを構成するエンドプレート7には、面内に複数個のねじ孔7aが形成されており、各ねじ孔7aにねじ8が螺合している。そして、各ねじ8をねじ孔7aに所定の長さだけねじ込むことにより、前記ねじ8の先端がエンドプレートアセンブリ5aを介して燃料電池4を押圧し、前記燃料電池4に所定の面圧を付与する、としている。
【0009】
【特許文献1】
特開平10−214634号公報(段落[0014]、[0015]、図1)
【特許文献2】
米国特許第6,428,921号公報(図1、図5)
【0010】
【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、スタック容器2に蓋体3がねじ込まれるため、この蓋体3が大型であるとともに、ねじ部3bおよびねじ溝2aの軸長が相当に長い。これにより、燃料電池全体が、積層方向に相当に長尺化してしまい、この燃料電池全体が大型でかつ重量物であるという問題が指摘されている。
【0011】
また、上記の特許文献2では、アジャストボルトとしての複数のねじ8がエンドプレート7の面内に配置されている。このため、燃料電池4の積層体に対して、平行度を維持しながら各ねじ8を調整することは極めて難しく、前記燃料電池4に所望の面圧を付与することができないという問題がある。
【0012】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単かつ小型な構成で、ケーシング内の各単位セルに所望の締め付け荷重を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。
【0013】
【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、電解質・電極構造体と金属セパレータとを複数積層した積層体を備えるとともに、前記積層体の両端にターミナルプレートを配設してケーシング内に収容する。そして、少なくとも一方のターミナルプレートとケーシングの内壁面(エンドプレートに相当)との間には、絶縁性スペーサ部材が介装される。
【0014】
これにより、積層体の積層方向の長さが変動しても、絶縁性スペーサ部材の厚さを調整するだけで前記長さの変動を確実に吸収することができ、前記積層体に所望の締め付け荷重を付与することが可能になる。従って、燃料電池スタック全体が有効に小型化かつ軽量化されるとともに、前記燃料電池スタックの組み付け作業が容易に簡素化する。
【0015】
しかも、絶縁性スペーサ部材は、ターミナルプレートに接触する面が球面状の加圧プレートと、前記加圧プレートとケーシングの内壁面との間に介装され、積層体の積層方向の長さに応じて厚さが選択可能な平板部材とを備える。
【0016】
このため、平板部材の厚さを選択するだけで、積層体の積層方向の長さ変動に容易に対応することができ、簡単な構成で、前記積層体に所望の締め付け荷重を確実に付与することが可能になる。しかも、加圧プレートは、ターミナルプレートに対して球面で接触するため、均一な電極面圧分布が得られる。
【0017】
さらに、金属セパレータ自体の弾性により積層体のへたり等を吸収することができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明に関連す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。
【0019】
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18およびエンドプレート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、絶縁性スペーサ部材22およびエンドプレート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、エンドプレート20a、20bを含むケーシング24を介して一体的に保持される。
【0020】
図2および図3に示すように、各単位セル12は、電解質膜(電解質)・電極構造体30と、前記電解質膜・電極構造体30を挟持する第1および第2セパレータ32、34とを備える。第1および第2セパレータ32、34は、例えば、金属製プレート(金属セパレータ)により構成されている。なお、第1および第2セパレータ32、34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30と第1および第2セパレータ32、34との間には、後述する各種連通孔の周囲および電極面の外周を覆って、シール部材35が介装されている。
【0021】
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、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40bが設けられる。
【0022】
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、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36bが設けられる。
【0023】
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およびカソード側電極46とを備える。
【0024】
アノード側電極44およびカソード側電極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。
【0025】
第1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。
【0026】
第2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。
【0027】
図1および図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54a、54bが形成される。
【0028】
ケーシング24は、図1に示すように、エンドプレート20a、20bと、下板56と、上板58と側板60a、60bとを備える。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62a、62b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62a、62bが突出形成される。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64a、64bが形成される。このボス部64a、64bは、図示しない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を、例えば、車両に搭載する。
【0029】
下板56および上板58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66a、66bが3つずつ形成される。側板60a、60bの長手方向両端には、タブ部68a、68bが2つずつ形成される。
【0030】
下板56のタブ部66aとエンドプレート20a、20bの下辺のタブ部62a、62bは、交互に配置されるとともに、これらにピン70が一体的に挿入されて、前記下板56が前記エンドプレート20a、20bに組み付けられる。同様に、上板58のタブ部66bがエンドプレート20a、20bの上辺のタブ部62aと交互に配置されるとともに、これらにピン70が一体的に挿入されて、前記上板58が前記エンドプレート20a、20bに取り付けられる。
【0031】
側板60a、60bのそれぞれのタブ部68a、68bは、エンドプレート20a、20bの両側の各辺のタブ部62aと同軸状に配置され、これらにピン72が一体的に挿入されることによって、前記側板60a、60bが前記エンドプレート20a、20bに取り付けられる。これにより、ケーシング24が構成される。
【0032】
図1および図2に示すように、スペーサ部材22は、ケーシング24の内周で位置決めされるように所定の寸法に設定された矩形状を有する。このスペーサ部材22は、積層体14の積層方向の長さ変動を吸収して前記積層体14に所望の締め付け荷重を付与可能にするために、厚さTが調整される。このスペーサ部材22は、絶縁性材料、例えば、ポリカーボネート(PC)やフェノール樹脂で形成されている。
【0033】
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。
【0034】
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、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、燃料ガスおよび冷却媒体が矢印A方向に供給される。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
次いで、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、エンドプレート20aから外部に排出される。同様に、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、エンドプレート20aから外部に排出される。
【0038】
また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔38aから第1セパレータ32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を移動してエンドプレート20aから排出される。
【0039】
この場合、ターミナルプレート16bとエンドプレート20bとの間に、スペーサ部材22が介装されている。このため、各単位セル12毎の寸法差等によって積層体14の積層方向の長さが変動しても、スペーサ部材22の厚さTを調整するだけで、前記積層体14の長さ変動を確実に吸収することができる。
【0040】
従って、予め規定の寸法に設定されているケーシング24内において、積層体14に対して所望の締め付け荷重を確実に付与することが可能になる。しかも、スペーサ部材22を用いるだけでよく、燃料電池スタック10全体が有効に小型化かつ軽量化されるとともに、前記燃料電池スタック10の組み付け作業が容易に簡素化されるという効果が得られる。
【0041】
ここで、スペーサ部材22の厚さTを設定する際には、図4に示すように、積層体14の全長と、この積層体14の締め付け荷重との関係が考慮される。積層体14の全長と締め付け荷重とは、比例関係にあり、前記積層体14の全長がLである際に、荷重適正範囲がL1(締め付け荷重がF1〜F2の範囲内)となる。一方、積層体14が熱により伸縮する範囲は、L2となっている。
【0042】
そこで、積層体14の初期締め付け荷重点P1が得られるように、スペーサ部材22の厚さTが設定される。その際、積層体14の内部のへたり等によって前記積層体14の全長が短縮され易く、初期締め付け荷重点P1から締め付け荷重点P2に圧力が減少する。
【0043】
すなわち、積層体14の内部のへたりや熱による伸縮を考慮して、初期締め付け荷重点P1が、所望の締め付け荷重点P2よりも上方(高荷重側)に予め設定される。これにより、燃料電池スタック10が使用される際に、積層体14には、荷重適正範囲L1内に維持し得るような締め付け荷重が付与されることになる。従って、ケーシング24内に、例えば、皿ばねやアジャストボルト等による加圧構造を用いる必要がなく、コンパクトかつ軽量な燃料電池スタック10を得ることができるという利点がある。
【0044】
また、第1および第2セパレータ32、34が金属製プレートにより構成されている。このため、第1および第2セパレータ32、34自体の弾性により積層体14のへたり等を吸収することができ、所望の締め付け荷重を確実に付与することが可能になる。
【0045】
図5は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池スタック80の一部断面側面図である。なお、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。
【0046】
燃料電池スタック80のケーシング24内には、ターミナルプレート16bとエンドプレート20bとの間に位置して絶縁性スペーサ部材82が介装される。このスペーサ部材82は、ターミナルプレート16bに接触する面84aが球面状の加圧プレート84と、前記加圧プレート84とエンドプレート20bとの間に介装され、積層体14の積層方向の長さに応じて厚さTが選択可能な平板部材86とを備える。
【0047】
このように構成される第1の実施形態では、積層体14の積層方向の長さの変動に応じて平板部材86の厚さTを選択するだけでよく、簡単かつコンパクトな構成で、前記積層体14に所望の締め付け荷重を確実に付与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。しかも、加圧プレート84は、ターミナルプレート16bに対して球面状の面84aで接触するため、各単位セル12の均一な電極面圧分布を有効に得ることが可能になるという利点がある。
【0048】
なお、第1の実施形態では、スペーサ部材82をターミナルプレート16bとエンドプレート20bとの間にのみ設けているが、これに限定されるものではなく、ターミナルプレート16aとエンドプレート20aとの間にも、同様に前記スペーサ部材82を配設してもよい。
【0049】
また、上記の第2の実施形態では、ターミナルプレート16bとエンドプレート20bとの間に加圧プレート84を配設する一方、ターミナルプレート16aとエンドプレート20aとの間に平板部材86を配設してもよい。さらにまた、スペーサ部材22および平板部材86の各厚さTは、各積層体14の積層方向の長さに応じて選択してもよく、あるいは種々の異なる厚さTに設定された複数のスペーサ部材22および平板部材86を予め用意しておき、積層体14の寸法に応じて任意のスペーサ部材22および平板部材86を選択して使用するようにしてもよい。
【0050】
本発明に係る燃料電池スタックでは、積層体の積層方向の長さが変動しても、絶縁性スペーサ部材を構成する平板部材の厚さを調整するだけで、前記長さの変動を確実に吸収することができ、前記積層体に所望の締め付け荷重を付与することが可能になる。従って、燃料電池スタック全体が有効に小型化かつ軽量化されるとともに、前記燃料電池スタックの組み付け作業が容易に簡素化する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に関連す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を構成する単位セルの分解斜視説明図である。
【図4】 積層体の全長と締め付け荷重との関係説明図である。
【図5】 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断面側面図である。
【図6】 特許文献1の燃料電池の概略説明図である。
【図7】 特許文献2の燃料電池スタックの概略斜視説明図である。
【符号の説明】
10、80…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
18…絶縁プレート 20a、20b…エンドプレート
22、82…スペーサ部材 24…ケーシング
30…電解質膜・電極構造体 32、34…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 56…下板
58…上板 60a、60b…側板
84…加圧プレート 84a…面
86…平板部材
Claims (2)
- 電解質の両側にそれぞれ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て積層体を構成するとともに、前記積層体の両端にターミナルプレートを配設してケーシング内に収容される燃料電池スタックであって、
前記積層体に所望の締め付け荷重を付与可能にするために、少なくとも一方のターミナルプレートと前記ケーシングの内壁面との間に介装される絶縁性スペーサ部材を備え、
前記絶縁性スペーサ部材は、前記ターミナルプレートに接触する面が球面状の加圧プレートと、
前記加圧プレートと前記ケーシングの内壁面との間に介装され、前記積層体の積層方向の長さに応じて厚さが選択可能な平板部材と、
を備えることを特徴とする燃料電池スタック。 - 請求項1記載の燃料電池スタックにおいて、前記積層体の初期締め付け荷重が前記所望の締め付け荷重よりも高荷重側になるように、前記平板部材の厚さが設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
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