JP4510267B2 - 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、電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とを対設して構成される膜電極構造体を一対の金属製セパレータで挟持してなる単位燃料電池が複数個積層されて構成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）からなる固体高分子電解質膜の両側にそれぞれアノード側電極とカソード側電極とを対設して膜電極構造体を形成し、さらに、この膜電極構造体を両側からセパレータによって挟持することにより構成されている。このような固体高分子型燃料電池は、通常、膜電極構造体を両側からセパレータで挟持した単位燃料電池を所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この種の燃料電池スタックにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、水素ガスは、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された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が外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば酸素ガスあるいは空気が供給されているために、このカソード側電極において、前記水素イオン、前記電子および酸素ガスが反応して水が生成される。
【０００４】
上記のような燃料電池スタックにおいては、セパレータを、導電性等の電気的特性や耐食性に優れさらに精度的にも優れたカーボン製とすることが一般に行われているが、カーボン製のものは、厚さが大きくなってしまう上、強度、生産性が低いという問題がある。このような点から、プレス加工で形成でき薄肉で生産性が高い金属性のセパレータを用いることが検討され、金属製セパレータに関する技術が既に開示されている（特開２０００−２１４１９号公報）。
【０００５】
すなわち、金属製セパレータを用いる燃料電池スタックは、図４に示すように、固体高分子電解質膜１０１の両側にアノード側電極１０２とカソード側電極１０３とを有してなる膜電極構造体１０４のさらに両側に一対の波板状の金属製セパレータ１０５，１０６を配置して単位燃料電池１０７を構成し、このような単位燃料電池１０７を、隣り合う金属セパレータ１０５，１０６同士を、凸部１０５ａ，１０６ａ同士を突き合わせ凹部１０５ｂ，１０６ｂ同士を対向させるようにして複数積層してなるものである。そして、金属製セパレータ１０５，１０６の対向する凹部１０５ｂ，１０６ｂ間の空間を冷却媒体用の流路１０９とし、金属製セパレータ１０５の凸部１０５ａの裏側の凹部１０５ｃとアノード側電極１０２との間の空間を燃料ガス流路１１０とし、金属製セパレータ１０６の凸部１０６ａの裏側の凹部１０６ｃとカソード電極１０３との間の空間を酸化剤ガス流路１１１としている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、プレス加工により形成される金属製セパレータは、反りやうねり等の形状誤差が発生しやすいため、そのまま用いると、平面度を確保できず、特に締め付け荷重がかかると、図５に示すように、金属製セパレータを含む単位燃料電池１０７に反りや変形が発生し、その結果、隣接するアノード側電極やカソード側電極の電極面にかかる面圧が不均一となり接触抵抗が増え燃料電池の内部抵抗が大きくなって目的とする性能を得ることができず、また金属製セパレータ間のシール性を確保することが難しく、さらに、複数が積層されることによって上記形状誤差が累積されて燃料電池スタック全体としての寸法精度の低下を生じてしまうという問題が発生した。
【０００７】
したがって、本発明は、金属製セパレータを用いることで生産性を向上させることができ、その上で、該金属製セパレータを積層した際に形状誤差を小さく抑えることにより、発電性能の低下および燃料電池スタック全体としての寸法精度の低下を防止することができる燃料電池スタックの提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、電解質膜（例えば実施の形態における固体高分子電解質膜１１）の両側にアノード側電極（例えば実施の形態におけるアノード側電極１２）とカソード側電極（例えば実施の形態におけるカソード側電極１３）とを対設して構成される膜電極構造体（例えば実施の形態における膜電極構造体１４）を、該膜電極構造体の前記カソード側電極側に設置されて酸化剤ガス流路（例えば実施の形態における酸化剤ガス流路２４）を形成する、プレス加工で形成されたカソードセパレータ（例えば実施の形態における金属製セパレータ１６）と、前記膜電極構造体の前記アノード側電極側に設置されて燃料ガス流路（例えば実施の形態における燃料ガス流路２３）を形成する、プレス加工で形成されたアノードセパレータ（例えば実施の形態における金属製セパレータ１５）とで挟持してなる単位燃料電池（例えば実施の形態における単位燃料電池１７）が複数個積層されて構成される固体高分子型の燃料電池スタックであって、前記カソードセパレータと前記アノードセパレータとが互いの凸部（例えば実施の形態における凸部１５ｄ，１６ｄ）を直接突き合わせた状態で重ね合わせられて冷却媒体流路（例えば実施の形態における冷却媒体流路２５）を構成し、所定数の前記単位燃料電池と所定数の前記単位燃料電池との間に、一方を前記カソードセパレータに、他方を前記アノードセパレータに当接させてカーボン製または金属製の一枚の平板状の矯正プレート（例えば実施の形態における矯正プレート５０）を介在させ、該矯正プレートは、前記カソードセパレータおよび前記アノードセパレータの形状誤差を矯正できる程度の剛性を有することを特徴としている。
請求項２に係る発明は、電解質膜（例えば実施の形態における固体高分子電解質膜１１）の両側にアノード側電極（例えば実施の形態におけるアノード側電極１２）とカソード側電極（例えば実施の形態におけるカソード側電極１３）とを対設して構成される膜電極構造体（例えば実施の形態における膜電極構造体１４）を、該膜電極構造体の前記カソード側電極側に設置されて酸化剤ガス流路（例えば実施の形態における酸化剤ガス流路２４）を形成する、プレス加工で形成されたカソードセパレータ（例えば実施の形態における金属製セパレータ１６）と、前記膜電極構造体の前記アノード側電極側に設置されて燃料ガス流路（例えば実施の形態における燃料ガス流路２３）を形成する、プレス加工で形成されたアノードセパレータ（例えば実施の形態における金属製セパレータ１５）とで挟持してなる単位燃料電池（例えば実施の形態における単位燃料電池１７）が複数個積層されて構成される固体高分子型の燃料電池スタックであって、前記カソードセパレータと前記アノードセパレータとが互いの凸部（例えば実施の形態における凸部１５ｄ，１６ｄ）を直接突き合わせた状態で重ね合わせられて冷却媒体流路（例えば実施の形態における冷却媒体流路２５）を構成し、所定数の前記単位燃料電池と所定数の前記単位燃料電池との間に、膜電極構造体（例えば実施の形態における膜電極構造体５８）と一対のカーボン製の平板状の矯正プレート（例えば実施の形態における矯正プレート５３，５４）とで構成される単位電池（例えば実施の形態における単位燃料電池６０）を、一方の前記矯正プレートを前記カソードセパレータに、他方の前記矯正プレートを前記アノードセパレータに当接させて介在させ、前記一対の矯正プレートは、前記カソードセパレータおよび前記アノードセパレータの形状誤差を矯正できる程度の剛性を有し、膜電極構造体のアノード側電極と隣接する前記矯正プレートには燃料ガス流路が形成され、膜電極構造体のカソード側電極と隣接する前記矯正プレートには酸化剤ガス流路が形成されていることを特徴としている。
【０００９】
このように所定数の単位燃料電池毎にカーボン製または金属製の矯正プレートを介在させるため、金属製セパレータは、該矯正プレートで反りやうねり等の形状誤差が矯正されることになり、平面度を確保できる。よって、金属製セパレータとアノード側電極やカソード側電極との電極面にかかる面圧が均一となり接触抵抗が減って燃料電池の内部抵抗を低減でき、また金属製セパレータ間のシール性を確保することができるため、発電性能の低下を防止できる。また、複数が積層されても累積される上記形状誤差が小さくなるため、燃料電池スタック全体としての寸法精度の低下を防止できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態の燃料電池スタックを図１〜図３を参照して以下に説明する。
【００１１】
図１は、この実施形態の燃料電池スタック１０を示すものであり、この燃料電池スタック１０は車載用のものである。燃料電池スタック１０は、図２に示すように、固体高分子電解質膜（電解質膜）１１の厚さ方向における両側にこれを挟むようにアノード側電極１２とカソード側電極１３とを対設して構成される膜電極構造体１４をさらに一対の金属製セパレータ１５，１６で厚さ方向における両側から挟持してなる単位燃料電池１７を有しており、この単位燃料電池１７を厚さ方向に複数個積層させて構成された一つの積層体１８の両端から電力を取り出すようになっている。
【００１２】
金属製セパレータ１５，１６は、例えば板厚０．１〜０．５ｍｍのステンレス製板材をプレス加工で打ち抜きかつ折り曲げて形成された一対のもので、金属製セパレータ１５には、それぞれの中央部に凸部１５ａと凹部１５ｂとが交互に配設された波板部２０が設けられており、金属製セパレータ１６には、それぞれの中央部に凸部１６ａと凹部１６ｂとが交互に配設された波板部２１が設けられている。なお、金属製セパレータ１５，１６の材質としては、上記ステンレス鋼またはステンレス鋼の表面に耐食性を有する材料でコーティングを施したものを用いることができる。
【００１３】
金属製セパレータ１５は、その複数の凸部１５ａをアノード側電極１２に当接させ、その複数の凹部１５ｂをアノード側電極１２に対向させるようにして配置される。
【００１４】
また、金属製セパレータ１６は、その複数の凸部１６ａをカソード側電極１３に当接させ、その複数の凹部１６ｂをカソード側電極１３に対向させるようにして配置される。
【００１５】
ここで、単位燃料電池１７を厚さ方向に複数個積層させる際に、金属製セパレータ１５，１６が隣り合うことになり、このとき、金属製セパレータ１５の凸部１５ａの裏側に形成される凹部１５ｃと、金属製セパレータ１６の凸部１６ａの裏側に形成される凹部１６ｃとが対向し、金属製セパレータ１５の凹部１５ｂの裏側に形成される凸部１５ｄと、金属製セパレータ１６の凹部１６ｂの裏側に形成される凸部１６ｄとが突き合わせられるように、金属製セパレータ１５，１６同士が重ね合わせられる。
【００１６】
そして、アノード側電極１２とこれに隣接する金属製セパレータ１５の凹部１５ｂとの間の空間が燃料ガス流路２３とされて該燃料ガス流路２３に水素ガスが供給され、一方、カソード側電極１３とこれに隣接する金属製セパレータ１６の凹部１６ｂとの間の空間が酸化剤ガス流路２４とされて該酸化剤ガス流路２４に空気が供給される。また、金属製セパレータ１５，１６の相互対向側の凹部１５ｃ，１６ｃの間が冷却媒体流路２５とされて該冷却媒体流路２５に冷却液が供給され、膜電極構造体１４を冷却するようになっている。
【００１７】
それぞれが膜電極構造体１４および一対の金属製セパレータ１５，１６から構成されるとともに複数が積層される単位燃料電池１７は、図１に示すように、複数の挿通穴２８に挿通される複数のスタッドボルト２９により積層方向における両側から締め付けられるものであり、単位燃料電池１７を積層させた積層体１８の両端部側には、各スタッドボルト２９を挿通させる複数の挿通穴３０を有する電極プレート３１が設けられている。
【００１８】
一端側の電極プレート３１の外側には、各スタッドボルト２９を挿通させる複数の挿通穴３２を有する絶縁板３３を介して、締め付け構造部３５が前記積層方向に設けられている。
【００１９】
この締め付け構造部３５は、各スタッドボルト２９を挿通させる複数の挿通穴３６を有するエンドプレート３７と、各スタッドボルト２９を挿通させる複数の挿通穴３８を有するバックアッププレート３９と、これらの間に介装される皿ばね４０とで構成されている。
【００２０】
また、他端側の電極プレート３１の外側には、各スタッドボルト２９を挿通させる複数の挿通穴３２を有する絶縁板３３を介して、締め付け構造部４２が前記積層方向に設けられている。
【００２１】
この締め付け構造部４２は、各スタッドボルト２９を挿通させる複数の挿通穴３６を有するエンドプレート３７と、各スタッドボルト２９を挿通させる複数の挿通穴３８を有するバックアッププレート３９と、これらの間に介装されるワッシャー等の緩衝部材４３とで構成されている。
【００２２】
そして、これら両締め付け構造部３５，４２により必要な締め付け力で積層体１８に締め付け力を付与している。すなわち、積層方向における両端位置に設けられたバックアッププレート３９同士をスタッドボルト２９で近接方向に締め付けることで、一方のバックアッププレート３９を含む締め付け構造部３５と、他方のバックアッププレート３９を含む締め付け構造部４２とで積層体１８を締め付けるのである。
【００２３】
そして、一端側の締め付け構造部３５のバックアッププレート３９には、車体への設置用の取付部材４５が設けられており、また、他端側の締め付け構造部４２のバックアッププレート３９にも、同様に車体への設置用の取付部材４６が設けられている。そして、各取付部材４５，４６が車体パネル４７に固定されるようになっている。
【００２４】
ここで、各締め付け構造部３５，４２のバックアッププレート３９に取付部材４５，４６を支持する場合を例にして説明したが、電極プレート３１の外側のエンドプレート３７に取付部材４５，４６を支持しても良い。
【００２５】
そして、この実施形態では、積層体１８の内部において、膜電極構造体１４およびその両側の一対の金属製セパレータ１５，１６とで構成されるとともに複数が積層される単位燃料電池１７の、一定の所定数（図示例は３つ）毎にカーボン製の平板状の矯正プレート５０を介在させている。すなわち、連続して配置される一定の所定数（図示例は３つ）の単位燃料電池１７を１つの組とし、複数ある組の各組の間に矯正プレート５０がそれぞれ配置されるのである。この矯正プレート５０にも、各スタッドボルト２９を挿通させる複数の挿通穴５１が形成されている。なお、矯正プレート５０の配設ピッチは、図示例の３つの単位燃料電池１７毎に限定されることはなく、言い換えれば、３より小の単位燃料電池１７毎あるいは３より大の単位燃料電池１７毎であってもよい。ここで、矯正プレート５０は、板厚が０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ程度のもので、金属製セパレータ１５，１６の形状誤差を矯正できる程度の剛性を有するものが用いられる。また、この矯正プレート５０は、平板に限定されず、リブ構造を有していてもよい。さらに、この矯正プレート５０は、カーボン製ではなく、金属製としてもよい。金属製とした場合も、矯正プレート５０は、板厚が０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ程度とされ、金属製セパレータ１５，１６の形状誤差を矯正できる程度の剛性を有するもので、その材質としてはステンレス鋼またはステンレス鋼の表面に耐食性を有する材料でコーティングを施したものを用いることができる。
【００２６】
このようなカーボン製の複数の矯正プレート５０が積層体１８の内部に所定のピッチで介在することで、積層体１８を両側の締め付け構造部３５，４２およびスタッドボルト２９により近接方向に締め付けると、各矯正プレート５０の両側の金属製セパレータ１５，１６がそれぞれ当接する矯正プレート５０に倣うことで反りやうねり等の形状誤差が矯正されることになり、その結果、平面度が確保され、さらに該矯正された金属製セパレータ１５，１６に倣うことで矯正プレート５０に直接当接しない他の金属製セパレータ１５，１６についても平面度が向上する。よって、金属製セパレータ１５とアノード側電極１２との電極面および金属製セパレータ１６とカソード側電極１３との電極面にかかる面圧が均一となり接触抵抗が減って燃料電池の内部抵抗を低減でき、また金属製セパレータ間のシール性を確保することができるため、発電性能の低下を防止できる。また、複数が積層されても累積される上記形状誤差が小さくなるため、燃料電池スタック全体としての寸法精度の低下を防止できる。
【００２７】
以上のように、金属製セパレータ１５，１６を用いることで生産性を向上させることができ、その上で、該金属製セパレータ１５，１６を積層した際に形状誤差を小さく抑え、発電性能の低下および燃料電池スタック全体としての寸法精度の低下を防止することができる。
【００２８】
なお、以上の実施の形態を図３に示すように変更することも可能である。
すなわち、上記カーボン製の矯正プレート５０に換えて、所定数（例えば３つ）の単位燃料電池１７の各組の間に、一対のカーボン製の矯正プレート５３，５４を配置する。そして、これら矯正プレート５３，５４をセパレータとして用い、これら矯正プレート５３，５４の間に、固体高分子電解質膜５５とこれを両側から挟むようにアノード側電極５６とカソード側電極５７とを対設して構成される膜電極構造体５８を配設する。これにより、膜電極構造体５８と一対の矯正プレート５３，５４とで単位燃料電池６０を構成する。
【００２９】
このように構成すれば、金属製セパレータ１５，１６の反りやうねり等の形状誤差を矯正する矯正プレート５３，５４を単位燃料電池６０のセパレータとして兼用できることになる。この場合も、矯正プレート５３，５４は、板厚が０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ程度のもので、金属製セパレータ１５，１６の形状誤差を矯正できる程度の剛性を有するものが用いられる。また、矯正プレート５３，５４は、平板に限定されず、リブ構造を有していてもよい。さらに、矯正プレート５３、５４は、カーボン製ではなく金属製としてもよい。金属製とした場合も、矯正プレート５３，５４は、板厚が０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ程度とされ、金属製セパレータ１５，１６の形状誤差を矯正できる程度の剛性を有するもので、その材質としてはステンレス鋼またはステンレス鋼の表面に耐食性を有する材料でコーティングを施したものを用いることができる。
【００３０】
なお、この場合、単位燃料電池６０のアノード側電極５６と隣接する矯正プレート５３には水素ガスが供給される燃料ガス流路６１が形成され、一方、カソード側電極５７と隣接する矯正プレート５４には空気が供給される酸化剤ガス流路６２が形成される。また、各矯正プレート５３，５４の背面側に当接される金属製セパレータ１５，１６の凹部１５ｃ，１６ｃは、それぞれ冷却液を供給する冷却媒体流路６３となるが、これに加えて各矯正プレート５３，５４の背面に冷却媒体流路を形成してもよい。
【００３１】
また、上記のように金属製セパレータ１５，１６の矯正用の矯正プレート５３，５４を利用して単位燃料電池６０を構成する以外に、金属製セパレータ１５，１６の矯正用の矯正プレートを利用して水素ガスまたは空気を供給する流路を形成するのみとしたり、金属製セパレータ１５，１６の矯正用の矯正プレートを利用して冷却液を供給する流路を形成するのみとしたり、さらには、金属製セパレータ１５，１６の矯正用の矯正プレートを利用して水素ガスまたは空気を供給する流路と、冷却液を供給する流路とを形成するのみとしたりできる。
【００３２】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の燃料電池スタックによれば、所定数の単位燃料電池毎にカーボン製または金属製の矯正プレートを介在させるため、金属製セパレータは、該矯正プレートで反りやうねり等の形状誤差が矯正されることになり、平面度を確保できる。よって、金属製セパレータとアノード側電極やカソード側電極との電極面にかかる面圧が均一となり接触抵抗が減って燃料電池の内部抵抗を低減でき、また金属製セパレータ間のシール性を確保することができるため、発電性能の低下を防止できる。また、複数が積層されても累積される上記形状誤差が小さくなるため、燃料電池スタック全体としての寸法精度の低下を防止できる。
【００３３】
したがって、金属製セパレータを用いることで生産性を向上させることができ、その上で、該金属製セパレータを積層した際の形状誤差を小さく抑え、発電性能の低下および燃料電池スタック全体としての寸法精度の低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態の燃料電池スタックの車載状態を示す側断面図。
【図２】 本発明の一実施形態の燃料電池スタックの積層体の一例を示す部分拡大断面図。
【図３】 本発明の一実施形態の燃料電池スタックの積層体の別の例を示す部分拡大断面図。
【図４】 燃料電池スタックの一例について積層体を示す部分拡大断面図。
【図５】 燃料電池スタックの一例について単位燃料電池の変形状態を示す側面図。
【符号の説明】
１０ 燃料電池スタック
１１ 固体高分子電解質膜（電解質膜）
１２ アノード側電極
１３ カソード側電極
１４ 膜電極構造体
１５，１６ 金属製セパレータ
１７ 単位燃料電池
５０，５３，５４ 矯正プレート

Claims (2)

1. 電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とを対設して構成される膜電極構造体を、該膜電極構造体の前記カソード側電極側に設置されて酸化剤ガス流路を形成する、プレス加工で形成されたカソードセパレータと、前記膜電極構造体の前記アノード側電極側に設置されて燃料ガス流路を形成する、プレス加工で形成されたアノードセパレータとで挟持してなる単位燃料電池が複数個積層されて構成される固体高分子型の燃料電池スタックであって、
   前記カソードセパレータと前記アノードセパレータとが互いの凸部を直接突き合わせた状態で重ね合わせられて冷却媒体流路を構成し、
   所定数の前記単位燃料電池と所定数の前記単位燃料電池との間に、一方を前記カソードセパレータに、他方を前記アノードセパレータに当接させてカーボン製または金属製の一枚の平板状の矯正プレートを介在させ、
   該矯正プレートは、前記カソードセパレータおよび前記アノードセパレータの形状誤差を矯正できる程度の剛性を有することを特徴とする燃料電池スタック。
2. 電解質膜の両側にアノード側電極とカソード側電極とを対設して構成される膜電極構造体を、該膜電極構造体の前記カソード側電極側に設置されて酸化剤ガス流路を形成する、プレス加工で形成されたカソードセパレータと、前記膜電極構造体の前記アノード側電極側に設置されて燃料ガス流路を形成する、プレス加工で形成されたアノードセパレータとで挟持してなる単位燃料電池が複数個積層されて構成される固体高分子型の燃料電池スタックであって、
   前記カソードセパレータと前記アノードセパレータとが互いの凸部を直接突き合わせた状態で重ね合わせられて冷却媒体流路を構成し、
   所定数の前記単位燃料電池と所定数の前記単位燃料電池との間に、膜電極構造体と一対のカーボン製の平板状の矯正プレートとで構成される単位電池を、一方の前記矯正プレートを前記カソードセパレータに、他方の前記矯正プレートを前記アノードセパレータに当接させて介在させ、
   前記一対の矯正プレートは、前記カソードセパレータおよび前記アノードセパレータの形状誤差を矯正できる程度の剛性を有し、
   膜電極構造体のアノード側電極と隣接する前記矯正プレートには燃料ガス流路が形成され、膜電極構造体のカソード側電極と隣接する前記矯正プレートには酸化剤ガス流路が形成されていることを特徴とする燃料電池スタック。

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