JP4776886B2 - 燃料電池スタック構造 - Google Patents

Description

本発明は、電解質を一対の電極で挟持した電極構造体を一対のセパレータを介して複数個積層してなる積層体を有する燃料電池スタックの構造に係り、特に車両等の移動体に搭載される燃料電池スタックの構造に関するものである。

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）からなる電解質膜の両側にそれぞれアノード（水素極）とカソード（空気極）とで挟持した電極構造体を、一対のセパレータを介して複数個積層することにより構成されている。この固体高分子型燃料電池は、通常、各電極構造体を一対のセパレータを介してそれぞれ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。

この種の燃料電池スタックとして、前記積層体により発電した電力を集電するターミナルプレートを前記積層体の両側に設けるとともに、さらにその外側に絶縁プレートを介してエンドプレートを設け、これらの部材や積層体をスタッドボルトにより積層方向に貫通させて締結保持させる構造のものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このように構成された燃料電池スタックにおいて、アノード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、このカソードにおいて、前記水素イオン、前記電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。
特開平８−１３００２８号公報

ところで、燃料電池スタックを車両に搭載するにあたっては、燃料電池スタックの小型化や軽量化が大きな課題となっている。この観点からは、積層体の両側に設けられるターミナルプレート、絶縁プレート、及びエンドプレートの厚さをそれぞれの機能を確保し得る範囲で薄板化することが望まれる。

しかしながら、車両に搭載された燃料電池スタックは、車両走行時等に発生する振動に対する耐久性を確保する必要がある。すなわち、燃料電池スタックの耐久性が低下すると、絶縁プレートやターミナルプレートを介してエンドプレートが積層体の各電極構造体に与える面圧を一定以上に確保できず、車両で発生する振動によりガスシール機能や発電性能が低下してしまう。従って、ターミナルプレート、絶縁プレート、及びエンドプレートのそれぞれに、機能確保に必要な厚さ以上の厚さを余分に確保せざるを得ず、燃料電池スタックの小型化や軽量化の障害となってしまうという問題がある。

従って、本発明は、ターミナルプレート、絶縁プレート、及びエンドプレートのそれぞれを耐久性を維持しつつ薄板化することができ、燃料電池スタック全体を小型化、軽量化することができる燃料電池スタック構造を提供することを目的とする。

本発明は、電解質（例えば、実施の形態における固体高分子電解質膜４）を一対の電極（例えば、実施の形態におけるアノード５、カソード６）で挟持した電極構造体を一対のセパレータを介して複数個積層してなる積層体を有し、前記積層体により発電した電力を集電するターミナルプレートと、前記積層体および前記ターミナルプレートを押圧保持するためのエンドプレートと、前記ターミナルプレートと前記エンドプレートとを絶縁する絶縁プレートとを、前記ターミナルプレート、前記絶縁プレート、前記エンドプレートの順に前記積層体の両側に設けて端部部材を構成し、前記端部部材を構成する三者が一体化手段により一体化されてなり、前記一体化手段は、前記端部部材を積層方向に貫通する貫通孔に挿入され前記端部部材を前記積層方向に締結する締結手段を備えていることを特徴とする。

この発明によれば、前記ターミナルプレートと、前記絶縁プレートと、前記エンドプレートとを前記一体化手段により一体化させることにより、これら三者で構成される端部部材の剛性を高めることができる。そして、前記端部部材が振動した場合にも各プレートの位置ずれ等が抑制され、前記端部部材全体としての耐久性を高めることができる。従って、各プレートの厚さを必要な機能を確保できる程度のものに抑えても、前記積層体の各電極構造体に与える面圧を一定以上に維持することができる。ゆえに、各プレートのそれぞれの耐久性を一定以上に維持しつつ薄板化することができる。このように、端部部材の剛性を高めることができ、端部部材全体としての耐久性を高めることができるので、端部部材を構成する各プレートのそれぞれの耐久性を一定以上に維持しつつ薄板化することができ、燃料電池スタック全体を小型化、軽量化することができる。
また、前記端部部材を構成する各プレートを前記締結手段により締結することにより、せん断応力や垂直応力に対する前記端部部材の耐久性をさらに高めることができ、信頼性をさらに向上することができる。

また、前記積層体と、前記端部部材には、積層方向に貫通して、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガスまたは冷却媒体のいずれかを流通可能な連通孔が設けられるとともに、前記一体化手段は、前記端部部材の前記連通孔の内周面に配設され、前記ターミナルプレート、前記絶縁プレートおよび前記エンドプレートを一体的に跨いでなる筒状部材（例えば、実施の形態におけるゴムグロメット３１）を備えていることを特徴とする。

この発明によれば、各連通孔の流通機能を維持しつつ、前記筒状部材により各プレートを一体化させることができる。従って、各プレートに新たな加工等を施すことなく簡易かつ短時間の処理で、前記端部部材の剛性を高めることが可能となる。これにより、端部部材を構成する各プレートのそれぞれの耐久性を効率良く高めることができるので、作業性が向上する。

また、前記締結手段として、前記端部部材を貫通する導電端子部材（例えば、実施の形態におけるターミナルジョイント４１、５１）を備えていることを特徴とする。

この発明によれば、燃料電池スタック外部に発電電力を供給するための前記導電端子部材により、前記端部部材を構成する各プレートを一体化させる。このように、前記導電端子部材に一体化手段としての機能を兼ね備えることで、部品点数の増加や作業工程の増大を抑えつつ、前記端部部材の耐久性を高めることができる。

また、前記一体化手段は、前記端部部材の積層方向に配設されるノックピンを備えていることを特徴とする。
この発明によれば、前記配設されたノックピンにより、前記端部部材を構成する各プレートのせん断方向への位置ずれを抑制することができるので、前記端子部材の耐久性の向上に寄与することができる。
また、前記締結手段として、締結ボルトを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、端部部材の剛性を高めることができ、端部部材全体としての耐久性を高めることができるので、端部部材を構成する各プレートのそれぞれの耐久性を一定以上に維持しつつ薄板化することができ、燃料電池スタック全体を小型化、軽量化することができる。
また、せん断応力や垂直応力に対する前記端部部材の耐久性をさらに高めることができ、信頼性をさらに向上することができる。

以下、この発明の実施の形態における燃料電池スタック構造を図面と共に説明する。
図１は本発明が適用される燃料電池スタックの概略を示す分解斜視図である。同図に示す燃料電池スタック１は、所定数の単位セル２を矢印Ａ方向に積層されてなる積層体３を備えている。そして、ターミナルプレート２１と、絶縁プレート２３と、エンドプレート２５とで構成される一対の端部部材２０により、積層体３の両端面を挟持して、燃料電池スタック１が構成される。以下、それぞれについて説明する。

前記単位セル２は、固体高分子電解質膜４をアノード５とカソード６とで挟み込んでなる電極構造体７を、一対のセパレータ１１、１２で挟持したものである。
固体高分子電解質膜４としては、ペルフルオロスルホン酸ポリマーに水を含浸させたもの等が用いられる。また、アノード５およびカソード６は、カーボンペーパー等からなる多孔質ガス拡散層（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積層されてなる電極触媒層（図示せず）とをそれぞれ有している。そして、電極触媒層同士が固体高分子電解質膜４を介して対向するように、アノード５およびカソード６が固体高分子電解質膜４にそれぞれ接合されている。

本実施の形態においては、金属板をプレス加工により成形したセパレータ１１、１２を用いている。セパレータ１１、１２について図９〜図１１を用いて説明する。図９はセパレータ１１のアノード対向面を示す平面図である。また、図１０はセパレータ１２のカソード対向面を示す平面図である。また、図１１はセパレータ１１、１２におけるそれぞれの対向面の裏側の面を示す平面図である。

これらの図に示すように、セパレータ１１、１２には、幅方向両端側の上部に連通孔１３、１６が、中部に連通孔１４、１７が、下部に連通孔１５、１８がそれぞれ形成されている。本実施の形態においては、連通孔１３、１８が燃料ガス供給口とその排出口、連通孔１６、１５が酸化剤ガス供給口とその排出口、連通孔１４、１７が冷却媒体供給口とその排出口にそれぞれ設定されている。

図９に示すように、セパレータ１１には、アノード４に対向する部位に、燃料ガス流路６１が形成されている。そして、セパレータ１１には、燃料ガスの流通する部位の周囲や他の連通孔１４〜１７の周囲を覆うように、シール部材８が配設されている。これにより、燃料ガスは、燃料ガス供給口１３から供給され、燃料ガス流路６１を流通して、燃料ガス排出口１８から排出される。

また、図１０に示すように、セパレータ１２には、カソード６に対向する部位に、酸化剤ガス流路６２が形成されている。そして、セパレータ１２には、酸化剤ガスの流通する部位の周囲や他の連通孔１３、１４、１７、１８の周囲を覆うように、シール部材９が配設されている。これにより、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給口１６から供給され、酸化剤ガス流路６２を流通して、酸化剤ガス排出口１５から排出される。

また、図１１に示すように、セパレータ１１、１２には、前記流路６１，６２の形成された部位のそれぞれの裏側に、冷却媒体流路６３が形成されている。そして、セパレータ１１、１２には、冷却媒体の流通する部位の周囲や他の連通孔１３、１５、１６、１８の周囲を覆うように、シール部材１０が配設されている。これにより、冷却対媒は、冷却媒体供給口１４から供給され、冷却媒体流路６３を流通して、冷却媒体排出口１７から排出される。

また、図８に示すように、各単位セル２は、隣り合う金属製のセパレータ１１、１２同士を、凸部１１ａ、１２ａ同士を突き合わせ凹部１１ｂ、１２ｂ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、セパレータ１１、１２の対向する凹部１２ａ、１２ｂ間の空間を冷却媒体用の流路６３とし（図１１参照）、セパレータ１１の凸部１１ａとアノード５との間の空間を燃料ガス流路６１とし（図９参照）、セパレータ１２の凸部１２ａとカソード６との間の空間を酸化剤ガス流路６２としている（図１０参照）。
このように構成された各単位セル２が互いに電気的に直列に接続されて積層体３が構成されている。

積層体３の両端に位置する単位セル２には、ターミナルプレート２１がそれぞれ対向配置される。このターミナルプレート２１により、積層体３を構成する各単位セル２で発電した電力を集電する。ターミナルプレート２１の材質としては、銅やステンレス等が好ましい。
そして、ターミナルプレート２１の外側には、絶縁プレート２３がそれぞれ対向配置される。この絶縁プレート２３により、ターミナルプレート２１で集電した電力の漏洩を防止している。絶縁プレート２３の材質としては、フェノール樹脂が好ましい。

ターミナルプレート２１や絶縁プレート２３は、積層体３の積層方向から見て積層体３の外形と同程度の大きさに形成されている。絶縁プレート２３の外側に配置されるエンドプレート２５は、これらのプレート２１、２３よりも大きいサイズに形成されてている。エンドプレート２５の四隅部には、挿通孔２８が形成されている。そして、絶縁プレート２３の外側にそれぞれ対向配置されたエンドプレート２５の挿通孔２８に、スタッドボルト２９を挿入して締め付け固定することにより、積層体３およびターミナルプレート２１、絶縁プレート２３を押圧保持させる。

また、各プレート２１、２３、２５には、各単位セル２に構成された連通孔１３〜１８に対応する部位に、連通孔１３〜１８が形成されている。そして、エンドプレート２５、２５の連通孔１３〜１８に水素含有ガス供給機構、酸素含有ガス供給機構、冷却水供給機構（いずれも図示せず）がそれぞれ連結されるとともに、連通孔１３〜１８にガス回収機構、冷却水回収機構（いずれも図示せず）が連結される。

また、上述したように、前記ターミナルプレート２１と、前記絶縁プレート２３と、前記エンドプレート２５とで、端部部材２０を構成する。そして、前記端部部材２０を構成する各プレート２１、２３、２５は一体化手段により一体化されている。これについて、図３〜図７を用いて説明する。

図３は本発明の第１の参考の形態における燃料電池スタックの端部部材２０を一体化する一体化手段を示す断面図である。同図に示すように、本参考の形態においては、端部部材２０を一体化する手段として、ゴムグロメット３１を備えている。ゴムグロメット３１は、ターミナルプレート２１、絶縁プレート２３およびエンドプレート２５を一体的に跨いでなり、前記端部部材２０の前記連通孔１３〜１８の内周面にそれぞれ配設されている。そして、ターミナルプレート２１とエンドプレート２５のそれぞれの表面に張り出すように、断面コ字状および断面逆コ字状に形成されている。ゴムグロメット３１の各端部には膨出形成された係止部３１ａ、３１ｂが設けられている。このゴムグロメット３１の係止部３１ａ、３１ｂが、ターミナルプレート２１と、エンドプレート２５に形成された係止用穴２６、２７にそれぞれ係止して位置決め保持される。

このように、各プレート２１、２３、２５をゴムグロメット３１を介して一体化させることにより、これら三者で構成される端部部材２０の剛性を高めることができる。そして、端部部材２０が車両に搭載されて、車両走行時などに振動した場合にも各プレート２１、２３、２５の位置ずれ等が抑制され、前記端部部材２０全体としての耐久性を高めることができる。

従って、各プレート２１、２３、２５の厚さを必要な機能を確保できる程度のものに抑えても、前記積層体３の各電極構造体７に与える面圧を一定以上に維持することができる。ゆえに、各プレート２１、２３、２５のそれぞれの耐久性を一定以上に維持しつつ薄板化することができる。

また、ゴムグロメット３１を連通孔１３〜１８の内周面に配設したので、各連通孔１３〜１８の流通機能を維持しつつ、ゴムグロメット３１により各プレート２１、２３、２５を一体化させることができる。従って、各プレート２１、２３、２５に新たな加工等を施すことなく簡易かつ短時間の処理で、前記端部部材２０の剛性を高めることが可能となる。

図４は本発明の第２の実施の形態における燃料電池スタックの端部部材を一体化する一体化手段を示す断面図である。同図に示すように、本実施の形態においては、端部部材２０を一体化する手段として、ゴムグロメット３１に加えて、締結手段である締結ボルト３２や締結ナット３４を備えている。そして、端部部材２０を構成する各プレート２１、２３、２５には、積層方向に貫通する貫通孔３０が形成され、その両端部には座ぐり穴３３、３５が形成されている。そして、ターミナルプレート２１の座ぐり穴３５に密着するように、締結ボルト３２が貫通孔３０に挿入されている。そして、エンドプレート２５の座ぐり穴３３から突出する締結ボルト３２の先端部を、締結ナット３４で螺合させて固着している。

このように、前記端部部材２０を構成する各プレート２１、２３、２５を締結ナット３４や締結ボルト３２を介して締結することにより、せん断応力や垂直応力に対する前記端部部材２０の耐久性をさらに高めることができ、信頼性をさらに向上することができる。

図５は本発明の第３の参考の形態における燃料電池スタックの端部部材を一体化する一体化手段を示す断面図である。同図に示すように、本参考の形態においては、ゴムグロメット３１に加え、端部部材２０を構成する各プレート２１、２３、２５の接触面に、接着剤を塗布してなる接着層３８を介在させて、各プレート２１、２３、２５を一体化させている。
このようにすることで、各プレート２１、２３、２５のせん断方向や垂直方向への変位を抑制するように補強することができ、耐久性をさらに向上できる。

図６は本発明の第４の実施の形態における燃料電池スタックの端部部材を一体化する一体化手段を示す断面図である。同図に示すように、本実施の形態においては、端部部材２０を一体化する手段として、前記積層体３により発電した電力を端子接続部材４５を介して燃料電池スタック１外部に供給するためのターミナルジョイント４１を用いている。すなわち、導電性部材で構成されたターミナルジョイント４１を上述した締結ボルト３２と同様の形状に構成するとともに、ターミナルプレート２１やエンドプレート２５に座ぐり穴４２を設けて、締結ナット４３により螺合させることで、集電機能を有するターミナルジョイント４１に一体化手段としての機能を兼ねさせることができる。

このように、前記ターミナルジョイント４１に各プレート２１、２３、２５を一体化させる機能を兼ね備えることで、部品点数の増加や作業工程の増大を抑えつつ、前記端部部材２０の耐久性を高めることができる。

図７は本発明の第５の実施の形態における燃料電池スタックの端部部材を一体化する一体化手段を示す断面図である。同図に示すように、端部部材２０を一体化する手段として、締結ボルトと同形状をなすターミナルジョイント５１や締結ナット５２に加えて、前記端部部材２０の積層方向に配設されるノックピン５３を備えている。このノックピン５３を各プレート２１、２３、２５の係合用孔５４に係合させることにより、前記端部部材２０を構成する各プレート２１、２３、２５のせん断方向への位置ずれを抑制することができるので、前記端子部材２０の耐久性の向上に寄与することができる。

なお、本発明の内容は上述の実施の形態のみに限られるものでないことはもちろんである。例えば、セパレータは金属を折り曲げ成形して形成してもよいし、カーボンを切削して形成してもよい。また、積層体や端部部材をスタッドボルトにより締結したが、スタッドボルトを用いずに、積層体の両側に端部部材を配設した状態で、ケーシングにしてもよい。

本発明の第１から第５の実施の形態に共通する燃料電池スタックの概略を示す分解斜視図である。 図１の燃料電池スタックの積層方向の断面図である。 本発明の第１の実施の形態における燃料電池スタックの端部部材を一体化する一体化手段を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態における燃料電池スタックの端部部材を一体化する一体化手段を示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態における燃料電池スタックの端部部材を一体化する一体化手段を示す断面図である。 本発明の第４の実施の形態における燃料電池スタックの端部部材を一体化する一体化手段を示す断面図である。 本発明の第５の実施の形態における燃料電池スタックの端部部材を一体化する一体化手段を示す断面図である。 図１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である。 図１の燃料電池スタックのセパレータにおけるアノード対向面を示す平面図である。 図１の燃料電池スタックのセパレータにおけるカソード対向面を示す平面図である。 図９、図１０のセパレータにおける前記対向面の裏側の面を示す平面図である。

符号の説明

１…燃料電池スタック
３…積層体
４…固体高分子電解質膜（電解質）
５…アノード（電極）
６…カソード（電極）
７…電極構造体
１１、１２…セパレータ
１３〜１８…連通孔
２０…端部部材
２１…ターミナルプレート
２３…絶縁プレート
２５…エンドプレート
３１…ゴムグロメット（筒状部材、一体化手段）
３２…締結ボルト（締結手段、一体化手段）
３４、４３、５２…締結ナット（締結手段、一体化手段）
３８…接着層（一体化手段）
４１、５１…ターミナルジョイント（導電端子部材、一体化手段）
５３…ノックピン（一体化手段）

Claims (3)

1. 電解質を一対の電極で挟持した電極構造体を一対のセパレータを介して複数個積層してなる積層体を有し、
   前記積層体により発電した電力を集電するターミナルプレートと、前記積層体および前記ターミナルプレートを押圧保持するためのエンドプレートと、前記ターミナルプレートと前記エンドプレートとを絶縁する絶縁プレートとを、前記ターミナルプレート、前記絶縁プレート、前記エンドプレートの順に前記積層体の両側に設けて端部部材を構成し、
   前記端部部材を構成する三者が一体化手段により一体化されてなり、
   前記一体化手段は、前記端部部材を積層方向に貫通する貫通孔に挿入され前記端部部材を前記積層方向に締結する締結手段を備えていることを特徴とする燃料電池スタック構造。
2. 前記締結手段として、前記端部部材を貫通する導電端子部材を備えていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック構造。
3. 前記締結手段として、締結ボルトを備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池スタック構造。

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