JP4564273B2

JP4564273B2 - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP4564273B2
Application number: JP2004094369A
Authority: JP
Inventors: 宗藤原; 裕也佐藤; 謙高橋; 一郎馬場; 大介和知
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-03-29
Filing date: 2004-03-29
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2024-03-29
Also published as: JP2005285405A; US20050214619A1

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体を、一対の金属セパレータにより挟持した単セルを備え、前記単セルが水平方向に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、前記金属セパレータは、金属プレートの外周縁部を覆って被覆部材が設けられた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（単セル）が構成されている。アノード側電極及びカソード側電極は、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ている。

この燃料電池において、アノード側電極には、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）が供給される一方、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。アノード側電極に供給された燃料ガスは、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。

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）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、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、姿勢を崩すことなく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の燃料電池保持装置が知られている。この燃料電池保持装置は、図５に示すように、複数の単セル１が積層されたセル積層体２を備え、前記セル積層体２は、例えば、４列に配列されてハウジング３内に収容されている。ハウジング３は、セル積層体２のセル積層方向を水平方向に向けたときに、前記セル積層体２の上下に位置する壁３ａ、３ｂと、並列のセル積層体２の左右に位置する壁３ｃ、３ｄとを有するとともに、前記壁３ａ、３ｂと一体化されて各セル積層体２同士を仕切る仕切り壁３ｅを有している。

壁３ａ、３ｂには、金属部材からなるテンション部材４が埋め込まれており、このテンション部材４は、図示しないセパレータに対して前記壁３ａ、３ｂの樹脂材で絶縁されている。ハウジング３の壁３ａ〜３ｄ内には、テンション部材４と干渉しない部位にガスマニホールド５が形成されている。

このような構成において、ハウジング３は、各セル積層体２を囲んで、壁３ａ〜３ｄ及び仕切り壁３ｅにより前記セル積層体２のセル面と直交方向に保持している。このため、セル積層体２の姿勢を崩すことなく、変形を防止することができる、としている。

さらに、壁３ａ、３ｂ内にテンション部材４が埋設されており、前記壁３ａ、３ｂを樹脂で、前記テンション部材４を金属部材で作成することにより、前記壁３ａ、３ｂで衝撃を容易に緩衝する一方、前記テンション部材４でセル積層体２の締め付け荷重を容易に受けることができる、としている。

特開２００３−７７５０１号公報（図２）

ところで、単位セル１を構成するセパレータは、薄肉化且つ軽量化が容易に図られることから、金属プレートで構成する場合がある。その際、金属プレートの外周面には、絶縁性及びシール性を確保するために、ゴムシール等の被覆部材が設けられている。

しかしながら、この種の金属セパレータを上記の特許文献１に使用すると、この金属セパレータの外周部である被覆部材と壁３ａ〜３ｄ及び仕切り壁３ｅの内周面との間には、比較的大きな摩擦抵抗が発生してしまう。

これにより、特に、車載用燃料電池として用いられる場合に、セル積層体２に慣性力が作用した際、金属セパレータの外周部と内壁面との間で滑りが発生する部分と、滑りが発生しない部分とが混在し易い。従って、互いに隣接する金属セパレータ間に部分的な隙間が発生す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、単セルが積層された積層体をケーシング内に良好に収容するとともに、前記積層体の外周部と前記ケーシングの内面との摺動抵抗を良好に低減させ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が設けられた電解質・電極構造体を、一対の金属セパレータにより挟持した単セルを備え、前記単セルが水平方向に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、前記金属セパレータは、金属プレートの外周縁部を覆って被覆部材が設けられた燃料電池スタックである。

ケーシングは、積層体の積層方向両端部に配置される端板と、前記積層体の側部に配置される複数の側板とを備えるとともに、前記積層体の少なくとも１つの側部と側板内面との間には、前記積層体と前記ケーシングの内面との隙間を吸収し且つ前記被覆部材を摺動可能に摺接させるフッ素樹脂製シート体のみが介装されている。

また、フッ素樹脂製シート体は、ケーシング内で少なくとも積層体の底面を構成する１つの側部とケーシング底面との間に介装されることが好ましい。従って、積層体の底面は、フッ素樹脂製シート体上に載置されており、この積層体の底面は、前記フッ素樹脂製シート体に沿って円滑に摺動することができる。

本発明によれば、積層体の側部と側板内面との摺動抵抗（摩擦抵抗）が、フッ素樹脂製シート体により良好に低減される。このため、積層体の側部、すなわち、各金属セパレータの外周縁部を覆って設けられている被覆部材は、フッ素樹脂製シート体に沿って円滑に摺動することができ、前記金属セパレータ間が必要以上に離間することを阻止することが可能になる。これにより、金属セパレータの変形を可及的に防止することができる。

しかも、フッ素樹脂製シート体は、積層体の側部と側板内面との隙間を吸収している。従って、積層体は、ケーシング内でがたつくことがなく、前記積層体を前記ケーシング内に良好に収容することが可能になる。さらに、フッ素樹脂製シート体は、絶縁性を有しており、前記フッ素樹脂製シート体に当接する単セル間で短絡が発生することを防止することができる。

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１８及びエンドプレート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及びエンドプレート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、四角形に構成されるエンドプレート２０ａ、２０ｂを端板として含むケーシング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。第１及び第２金属セパレータ３２、３４は、薄板状金属プレート、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、あるいはめっき処理鋼板等により構成される。

単セル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、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（被覆部材）５４が一体成形される。第１シール部材５４は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。

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、第１金属セパレータ３２と同様にこの第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（被覆部材）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。

ケーシング２４は、図１に示すように、端板であるエンドプレート２０ａ、２０ｂと、積層体１４の側部に配置される複数の側板６０ａ〜６０ｄと、前記側板６０ａ〜６０ｄの互いに近接する端部同士を連結するアングル部材（例えば、Ｌアングル）６２ａ〜６２ｄと、前記エンドプレート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。

エンドプレート２０ａ、２０ｂの上下各辺には、それぞれ２つの第１連結部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つの第１連結部６６ｃ、６６ｄ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６８ａ、６８ｂが形成される。このボス部６８ａ、６８ｂが、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。

積層体１４の横方向両側に配置される側板６０ａ、６０ｃの長手方向両端には、第２連結部７０ａ、７０ｂが２つずつ形成される。積層体１４の上下両側に配置される側板６０ｂ、６０ｄの長手方向両端には、第２連結部７２ａ、７２ｂが３つずつ形成される。

側板６０ａ、６０ｃの各第２連結部７０ａ、７０ｂ間には、エンドプレート２０ａ、２０ｂの両側の各辺の第１連結部６６ｃ、６６ｄ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の第２連結部７２ａ、７２ｂがエンドプレート２０ａ、２０ｂの上辺及び下辺の第１連結部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が前記エンドプレート２０ａ、２０ｂに取り付けられる。

側板６０ａ〜６０ｄには、短手方向両端縁部にそれぞれ複数のねじ孔７４が形成される一方、アングル部材６２ａ〜６２ｄの各辺には、前記ねじ孔７４に対応して孔部７６が形成される。各孔部７６に挿入される各ねじ７８がねじ孔７４に螺合することにより、アングル部材６２ａ〜６２ｄを介して側板６０ａ〜６０ｄ同士が固定される。これにより、ケーシング２４が構成される（図４参照）。

なお、アングル部材６２ａ〜６２ｄにねじ孔を形成する一方、側板６０ａ〜６０ｄに孔部を形成し、前記アングル部材６２ａ〜６２ｄを前記側板６０ａ〜６０ｄの内方に配置した状態で、これらを一体的にねじ止めしてもよい。

図１及び図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、厚さが調整される。

図１に示すように、積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）に平行な４つの側部と、側板６０ａ〜６０ｄとの間には、前記積層体１４とケーシング２４の内面との隙間を吸収してフッ素樹脂製シート体８０ａ〜８０ｄが介装される。フッ素樹脂製シート体８０ａ〜８０ｄは、積層体１４とケーシング２４の内面との隙間に応じて厚さが設定されており、例えば、予め側板６０ａ〜６０ｃの内面に貼り付けられている。

このように構成される燃料電池スタック１０では、図４に示すように、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の単セル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、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、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の各側部とケーシング２４を構成する側板６０ａ〜６０ｄとの間には、フッ素樹脂製シート体８０ａ〜８０ｄが介装されている。このため、積層体１４の各単セル１２を構成する第１及び第２金属セパレータ３２、３４の外周端部に、第１及び第２シール部材５４、５６が一体成形されている際、この第１及び第２シール部材５４、５６がフッ素樹脂製シート体８０ａ〜８０ｄの内面に直接接触している。

従って、積層体１４の側部とフッ素樹脂製シート体８０ａ〜８０ｄとの摺動抵抗（摩擦抵抗）は、前記側部と側板６０ａ〜６０ｄとの摺動抵抗に比べて大幅に低減される。これにより、積層体１４の各単セル１２は、それぞれの第１及び第２シール部材５４、５６をフッ素樹脂製シート体８０ａ〜８０ｃに沿って円滑に摺動させることができ、例えば、前記第１及び第２金属セパレータ３２、３４間が必要以上に離間することを阻止することが可能になる。

このため、本実施形態では、第１及び第２金属セパレータ３２、３４の変形を可及的に防止することができるという効果が得られる。

しかも、フッ素樹脂製シート体８０ａ〜８０ｄは、積層体１４の側部と側板６０ａ〜６０ｄの内面との隙間を吸収して配置されている。従って、積層体１４は、ケーシング２４内でがたつくことがなく確実に保持され、例えば、燃料電池スタック１０の車載時に慣性力が作用しても、前記積層体１４が振動する等の不具合を回避することができる。

さらに、フッ素樹脂製シート体８０ａ〜８０は、絶縁性を有しており、単セル１２が前記フッ素樹脂製シート体８０ａ〜８０ｄに当接しても、各単セル１２間に短絡が発生することを防止することが可能になる。

なお、本実施形態では、積層体１４の４つの側部に対応してフッ素樹脂製シート体８０ａ〜８０ｄが配置されているが、ケーシング２４内で少なくとも前記積層体１４の底面を構成する側部に対応してフッ素樹脂製シート体８０ｄのみを配置してもよい。積層体１４は、フッ素樹脂製シート体８０ｄ上に載置された状態で、このフッ素樹脂製シート体８０ｄに沿って円滑に摺動することができるからである。

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。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…単セル
１４…積層体２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２４…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６０ａ〜６０ｄ…側板
６２ａ〜６２ｄ…アングル部材６４ａ、６４ｂ…連結ピン
６６ａ〜６６ｄ、７０ａ、７０ｂ、７２ａ、７２ｂ…連結部
８０ａ〜８０ｄ…フッ素樹脂製シート体

Claims

電解質の両側に一対の電極が設けられた電解質・電極構造体を、一対の金属セパレータにより挟持した単セルを備え、前記単セルが水平方向に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、前記金属セパレータは、金属プレートの外周縁部を覆って被覆部材が設けられた燃料電池スタックであって、
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端板と、
前記積層体の側部に配置される複数の側板と、
を備えるとともに、
前記積層体の少なくとも１つの側部と前記側板内面との間には、前記積層体と前記ケーシングの内面との隙間を吸収し且つ前記被覆部材を摺動可能に接触させるフッ素樹脂製シート体のみが介装され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、前記フッ素樹脂製シート体は、前記ケーシング内で少なくとも前記積層体の底面を構成する１つの側部と前記ケーシングの底面との間に介装されることを特徴とする燃料電池スタック。