JP4664030B2

JP4664030B2 - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP4664030B2
Application number: JP2004283791A
Authority: JP
Inventors: 歩石塚; 英明菊池; 剛森本
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-09-29
Filing date: 2004-09-29
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2024-09-29
Also published as: US20060068264A1; US7709132B2; JP2006100075A

Description

本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・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た積層体を箱状ケーシング内に収容す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が構成されている。

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に開示されている燃料電池スタックが知られている。この燃料電池スタックでは、所定数の単位セルを積層した積層体の外側に集電用電極（ターミナルプレート）を介装してエンドプレートが配設されるとともに、前記エンドプレートがヒンジ機構によってケーシングに連結されている。このケーシングは、エンドプレート間に上下及び左右に配設される複数枚のパネル（側板）を備えている。

これにより、特許文献１では、部品点数が有効に削減されるとともに、薄肉状のエンドプレートを用いることができ、燃料電池スタック全体の小型化及び軽量化が容易に図られる。

特開２００２−２９８９０１号公報（図１）

ところで、上記の特許文献１では、例えば、図７に示すように、ケーシングを構成するパネル１の長手方向両端には、ヒンジ機構２を構成する連結ピン３を挿入するための複数の円筒状挿入部４ａ〜４ｃが設けられている。その際、挿入部４ａ〜４ｃは、通常、パネル１を構成する面部材５の両端部にレーザ溶接等によって個別に接合されている。

しかしながら、面部材５の端部に挿入部４ａ〜４ｃが個別に接合されるため、前記挿入部４ａ〜４ｃに形成されている挿入孔部６ａ〜６ｃ同士を同軸上に配設させることは、相当に困難である。これにより、連結ピン３を挿入孔部６ａ〜６ｃに一体的に挿入することができず、ヒンジ機構２の組立作業を効率的に行うことができないという問題がある。しかも、ケーシングに荷重が付与される際に、パネル１に曲げモーメントが作用するとともに、ヒンジ機構２の強度が低下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、連結ピン挿入用の複数の筒状挿入部を同軸的に維持して組み立てを行うことができ、簡単な作業で、所望のケーシングを効率的に得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、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・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た積層体を箱状ケーシング内に収容する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、前記端板と前記側板とを連結する連結ピンとを備えている。さらに、側板は、連結ピンを挿入する複数の筒状挿入部が板状取付部に一体に設けられるブラケット部材と、ケーシングの側面を構成するとともに、前記板状取付部に接合される面部材とを備えている。

また、ブラケット部材は、面部材の端部に当接して前記ブラケット部材と前記面部材とを相対的に位置決めするための段差部位を設けることが好ましい。ブラケット部材の段差部位を面部材の端部に突き当てるだけで、前記ブラケット部材と前記面部材との相対的な位置決めが容易且つ確実に遂行される。

さらに、側板の中立面上に筒状挿入部の孔中心が配置されることが好ましい。ここで、側板の中立面とは、側板断面の変形が微少であると仮定した場合に、この側板に曲げ応力が作用する際、理論的に応力及び歪みが０となると推定される面（伸縮が発生しない面）をいう。このため、連結ピンに積層方向に荷重が付与される際、側板に曲げ方向に力が作用することはない。

さらにまた、板状取付部と面部材とは、複数列のスポット溶接部により接合されることが好ましい。板状取付部と面部材との接合強度を向上させることができるとともに、連結ピンに荷重が付与される際、荷重点が集中することを有効に阻止することが可能になる。

本発明では、連結ピンを挿入する複数の筒状挿入部が板状取付部に一体に設けられており、前記複数の筒状挿入部同士を同軸上に確実に維持することができる。このため、板状取付部と面部材とを接合するだけで、複数の筒状挿入部と連結ピンとの軸線のずれを惹起することがなく、簡単な作業で、所望の側板を効率的に組み立てることが可能になる。

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。

燃料電池スタック１０は、複数の単位セル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、各単位セル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。なお、第１及び第２金属セパレータ３２、３４に代替して、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。

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、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、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（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４２の両面に形成される。

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の外周端縁部を周回して第１シール部材５４が一体成形される。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、この第２金属セパレータ３４の外周端縁部を周回して第２シール部材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２に示すように、第１及び第２シール部材５４、５６間には、固体高分子電解質膜４２の外周が、直接、ケーシング２４に接触することを阻止するために、シール５７が介装される。

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。側板６０ａ〜６０ｄは、薄板金属製プレートで構成される。

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（筒状挿入部）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（筒状挿入部）６６ｃ、６６ｄが突出形成される。第１連結部６６ａ〜６６ｄには、孔６７ａ〜６７ｄが貫通形成される。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の矢印Ｂ方向両側に配置される側板６０ａ、６０ｃの長手方向（矢印Ａ方向）両端には、第２連結部（筒状挿入部）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（筒状挿入部）７２ａ、７２ｂが３つずつ形成される。第２連結部７０ａ、７０ｂには、孔７１ａ、７１ｂが形成されるとともに、第２連結部７２ａ、７２ｂには、孔７３ａ、７３ｂが形成される。

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７７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５及び図６に示すように、側板６０ｂは、連結ピン６４ｂを挿入する３つの第２連結部７２ａが板状取付部８０に一体に設けられるブラケット部材８２と、ケーシング２４の側面を構成するとともに、前記板状取付部８０に接合される面部材８４とを備える。板状取付部８０の端部には、必要に応じてテーパ面８０ａを形成してもよい。

ブラケット部材８２は、面部材８４の矢印Ａ方向両端部に当接して前記ブラケット部材８２と前記面部材８４とを相対的に位置決めするための段差部位８６を設ける。ブラケット部材８２の板状取付部８０と面部材８４とは、複数列、例えば、２列の千鳥状のスポット溶接部８８により接合される（図５参照）。

図６に示すように、側板６０ｂの中立面ＮＳ上に第２連結部７２ａの孔７３ａの中心Ｏが配置される。一対の連結ピン６４ｂには、矢印Ａ方向の荷重が付与されており、側板６０ｄに曲げ方向の力が作用することを阻止するためである。

側板６０ａ、６０ｃ及び６０ｄは、図１に示すように、上記の側板６０ｂと同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。また、エンドプレート２０ａ、２０ｂは、必要に応じて上記の側板６０ｂと同様に構成される。

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。なお、積層体１４の積層方向の長さの変動が、第１及び第２金属セパレータ３２、３４自体の弾性等で吸収可能であれば、スペーサ部材２２を用いなくてもよい。

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。

この燃料電池スタック１０では、先ず、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位セル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、例えば、側板６０ｂがブラケット部材８２と面部材８４とを接合して構成されている。図５及び図６に示すように、ブラケット部材８２は、連結ピン６４ｂを挿入する３つの第２連結部７２ａが板状取付部８０に一体に設けられており、前記３つの第２連結部７２ａ同士を同軸上に確実に維持することができる。

これにより、板状取付部８０と面部材８４とを接合するだけで、３つの第２連結部７２ａと連結ピン６４ｂとの軸線のずれを惹起することがなく、簡単な作業で、所望の側板６０ｂを効率的に組み立てることが可能になるという効果が得られる。

また、本実施形態では、ブラケット部材８２には、段差部位８６が設けられている。従って、段差部位８６を面部材８４の端部に突き当てるだけで、ブラケット部材８２と前記面部材８４との相対的な位置決めが容易且つ確実に遂行され、側板６０ｂの組立作業が一挙に効率的に行われる。

さらに、ブラケット部材８２の板状取付部８０と面部材８４とは、千鳥状のスポット溶接部８８により接合されている。このため、板状取付部８０と面部材８４との接合強度を向上させることができるとともに、連結ピン６４ｂに積層方向に荷重が付与される際、荷重点が集中することを有効に阻止することが可能になる。

さらにまた、側板６０ｂの中立面ＮＳ上に第２連結部７２ａの孔７３ａの中心Ｏが配置されている（図６参照）。これにより、側板６０ｂの矢印Ａ方向両端に、連結ピン６４ｂを介して積層体１４の積層方向に荷重が付与される際、前記側板６０ｄに曲げ方向の力が作用することを確実に阻止することができる。

なお、側板６０ｂに作用する曲げ方向の力が小さく抑えられる場合には、前記側板６０ｂの中立面ＮＳに対して第２連結部７２ａの孔７３ａの中心Ｏが僅かにオフセットしていてもよい。

一方、側板６０ａ、６０ｃ及び６０ｄでは、上記の側板６０ｂと同様の効果が得られる。

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分解概略斜視図である。前記燃料電池スタックの断面側面図である。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。前記燃料電池スタックの斜視説明図である。ケーシングを構成する側板の分解斜視図である。前記側板の説明図である。特許文献１の燃料電池スタックを構成するパネルの斜視説明図である。

符号の説明

１０…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…スペーサ部材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
５４、５６…シール部材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
８０…板状取付部８２…ブラケット部材
８４…面部材８６…段差部位
８８…スポット溶接部

Claims

一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・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た積層体を箱状ケーシング内に収容する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、
前記端板と前記側板とを連結する連結ピンと、
を備え、
前記端板は、前記連結ピンを挿入する１以上の筒状挿入部が一体に設けられるとともに、
前記側板は、前記連結ピンを挿入する複数の筒状挿入部が板状取付部に一体に設けられるブラケット部材と、
前記ケーシングの側面を構成するとともに、外側の面に前記板状取付部が接合される面部材と、
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、前記ブラケット部材は、前記面部材の端部に当接して前記ブラケット部材と前記面部材とを相対的に位置決めするための段差部位を設けることを特徴とする燃料電池スタック。
請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、前記側板の中立面上に前記筒状挿入部の孔中心が配置されることを特徴とする燃料電池スタック。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記板状取付部と前記面部材とは、複数列のスポット溶接部により接合されることを特徴とする燃料電池スタック。