JP4820068B2

JP4820068B2 - 燃料電池スタック

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Publication number: JP4820068B2
Application number: JP2004225229A
Authority: JP
Inventors: 雅彦佐藤; 修平後藤; 忠志西山
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2004-08-02
Filing date: 2004-08-02
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2024-08-02
Also published as: JP2006048983A; US20060024561A1

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、一対のセパレータで挟持する単セルを備え、複数の前記単セルが積層されるとともに、前記単セルの積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁部材及びエンドプレートが配設され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固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、電極触媒と多孔質カーボンからなるアノード側電極及びカソード側電極を対設して構成される電解質膜・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。

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。

一般的に、燃料電池は、セパレータの積層方向に貫通する流体供給連通孔及び流体排出連通孔が燃料電池内部に設けられた、所謂、内部マニホールドを構成している。そして、流体である燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体は、それぞれの流体供給連通孔から燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷却媒体流路に供給された後、それぞれの流体排出連通孔に排出されている。

この種の内部マニホールド型燃料電池では、必要に応じてターミナルプレートやエンドプレートにも、上記の流体供給連通孔及び流体排出連通孔が設けられている。その際、ターミナルプレート等のような金属製プレートでは、生成水や冷却水が接触して電蝕が発生し易くなり、腐食が惹起されるおそれがある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体高分子電解質型燃料電池が知られている。この特許文献１では、図７に示すように、単電池のセパレータ１の側面に集電板２が配設されるとともに、この集電板２の側面に電気絶縁板３が配設されている。セパレータ１、集電板２及び電気絶縁板３には、積層方向に貫通して貫通孔４が形成され、この貫通孔４には、前記電気絶縁板３に取り付けられた配管接続体５から冷却用流体が供給されている。集電板２には、貫通孔４を周回して絶縁性ブッシュ６が装着されている。

特開平８−１３００２８号公報（図４）

しかしながら、上記の特許文献１では、集電板２に貫通孔４を周回して絶縁性ブッシュ６が装着されており、通常、単一の前記集電板２には、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体用に最低６つの貫通孔４が設けられている。従って、各集電板２毎に最低６つの絶縁性ブッシュ６を用意しなければならず、部品数が増加して経済的ではないという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、ターミナルプレートを良好に絶縁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。

本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、一対のセパレータで挟持する単セルを備え、複数の前記単セルが積層されるとともに、前記単セルの積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁部材及びエンドプレートが配設される燃料電池スタックである。

絶縁部材は、中央部にターミナルプレートが収容される凹部が設けられるとともに、前記凹部の外側には、前記絶縁部材を貫通して少なくとも反応ガス又は冷却媒体を流す流体連通孔が形成されている。

また、反応ガスは、燃料ガス及び酸化剤ガスであり、流体連通孔は、燃料ガス供給連通孔、燃料ガス排出連通孔、酸化剤ガス供給連通孔、酸化剤ガス排出連通孔、冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔を有することが好ましい。

本発明では、絶縁部材の凹部にターミナルプレートが収容されるとともに、前記絶縁部材に流体連通孔が設けられるため、このターミナルプレートには、前記流体連通孔が設けられていない。このため、従来、ターミナルプレートに装着されていた絶縁ブッシュ等の絶縁部材が不要になる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、ターミナルプレートを良好に絶縁す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の概略斜視図であり、図３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（絶縁部材）１８ａ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、絶縁プレート（絶縁部材）１８ｂ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を端板として含む箱状ケーシング２４により一体的に保持される。

ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの略中央には、図１に示すように、積層方向外方に延在する端子部２６ａ、２６ｂが設けられる。端子部２６ａ、２６ｂは、絶縁性筒体２８ａ、２８ｂに挿入されてエンドプレート２０ａ、２０ｂの外部に突出する（図３参照）。

図３及び図４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、金属製薄板を波形状やディンプル形状等にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有している。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。

単セル１２の長辺方向（図４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（流体連通孔）３６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔（流体連通孔）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（流体連通孔）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（流体連通孔）４０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔（流体連通孔）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（流体連通孔）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し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１シール部材５４は、面３２ａに凸状シール部５５ａを設けるとともに、面３２ｂに凸状シール部５５ｂを設ける。

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。第２シール部材５６は、面３４ａに凸状シール部５８を設ける。

図１及び図５に示すように、絶縁プレート１８ａ、１８ｂは、絶縁性材料、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）やフェノール樹脂等で形成されている。絶縁プレート１８ａ、１８ｂは、中央部に矩形状の凹部６０ａ、６０ｂが設けられるとともに、この凹部６０ａ、６０ｂの略中央に孔部６２ａ、６２ｂが形成される。凹部６０ａ、６０ｂには、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂが収容され、前記ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの端子部２６ａ、２６ｂが絶縁性筒体２８ａ、２８ｂを介装して孔部６２ａ、６２ｂに挿入される。

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７０ａ〜７０ｄと、前記側板７０ａ〜７０ｄ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）７２ａ〜７２ｄと、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂと前記側板７０ａ〜７０ｄとを連結するそれぞれ長さの異なる連結ピン７４ａ、７４ｂ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７６ａ、７６ｂ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７６ｃ、７６ｄ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７８ａ、７８ｂが形成される。このボス部７８ａ、７８ｂ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７０ａ、７０ｃの長手方向両端には、第２連結部８０ａ、８０ｂ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７０ｂ、７０ｄの長手方向両端には、第２連結部８２ａ、８２ｂが３つずつ形成される。

側板７０ａ、７０ｃの各第２連結部８０ａ、８０ｂ間には、エンドプレート２０ａ、２０ｂの両側の各辺の第１連結部７６ｃ、７６ｄが配置されるとともに、これらに短尺な連結ピン７４ａが一体的に挿入されて、前記側板７０ａ、７０ｃ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７０ｂ、７０ｄの第２連結部８２ａ、８２ｂがエンドプレート２０ａ、２０ｂの上辺及び下辺の第１連結部７６ａ、７６ｂと交互に配置されるとともに、これらに長尺な連結ピン７４ｂが一体的に挿入されて、前記側板７０ｂ、７０ｄが前記エンドプレート２０ａ、２０ｂに取り付けられる。

側板７０ａ〜７０ｄには、短手方向両端縁部にそれぞれ複数のねじ孔８４が形成される一方、アングル部材７２ａ〜７２ｄの各辺には、前記ねじ孔８４に対応して孔部８６が形成される。各孔部８６に挿入される各ねじ８８がねじ孔８４に螺合することにより、アングル部材７２ａ〜７２ｄを介して側板７０ａ〜７０ｄ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２参照）。

図６に示すように、エンドプレート２０ａには、流体連通孔である酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、冷却媒体供給連通孔３８ａ、燃料ガス排出連通孔４０ｂ、燃料ガス供給連通孔４０ａ、冷却媒体排出連通孔３８ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔３６ｂにそれぞれ絶縁グロメット９０が装着される。なお、図６以外の図面では、絶縁グロメット９０の図示は省略している。エンドプレート２０ａ、２０ｂの略中央には、孔部９２ａ、９２ｂが形成される（図１参照）。

なお、アングル部材７２ａ〜７２ｄにねじ孔を形成する一方、側板７０ａ〜７０ｄに孔部を形成し、前記アングル部材７２ａ〜７２ｄを前記側板７０ａ〜７０ｄ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。また、アングル部材７２ａ〜７２ｄを側板７０ａ〜７０ｄのいずれかに一体化して構成してもよい。

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。

先ず、図２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、それぞれ矢印Ａ方向に供給される。

図４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（図３参照）。

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、図６に示すように、絶縁プレート１８ａの中央部に矩形状の凹部６０ａが設けられ、この凹部６０ａにターミナルプレート１６ａが収容されている。さらに、凹部６０ａの外側には、絶縁プレート１８ａを貫通して酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、冷却媒体供給連通孔３８ａ、燃料ガス排出連通孔４０ｂ、燃料ガス供給連通孔４０ａ、冷却媒体排出連通孔３８ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔３６ｂを含む流体連通孔が形成されている。

このため、ターミナルプレート１６ａには、上記の流体連通孔が設けられておらず、前記ターミナルプレート１６ａには、各流体連通孔に対応して絶縁ブッシュ等の絶縁部材を装着する必要がない。これにより、エンドプレート２０ａにのみ絶縁グロメット９０を用いるだけでよく、簡単且つ経済的な構成で、ターミナルプレート１６ａを良好に絶縁することが可能になるという効果が得られる。

なお、本実施形態では、絶縁プレート１８ｂには、上記の連通孔が設けられていないが、必要に応じてこの絶縁プレート１８ｂにも、絶縁プレート１８ａと同様に前記流体連通孔を設けてもよい。

さらに、燃料電池スタック１０では、箱状ケーシング２４内に積層体１４を収容しているが、これに代替し、例えば、エンドプレート２０ａ、２０ｂ間を図示しないタイロッドにより締め付けるように構成してもよい。

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要部分解斜視図である。前記燃料電池スタックの要部断面説明図である。前記燃料電池スタックを構成する一方のエンドプレート、絶縁プレート及びターミナルプレートとの分解斜視説明図である。特許文献１の燃料電池の一部断面説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池スタック１２…単セル
１４…積層体１６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８ａ、１８ｂ…絶縁プレート２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２４…箱状ケーシング３０…電解質膜・電極構造体
３２、３４…金属セパレータ３６ａ…酸化剤ガス供給連通孔
３６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔３８ａ…冷却媒体供給連通孔
３８ｂ…冷却媒体排出連通孔４０ａ…燃料ガス供給連通孔
４０ｂ…燃料ガス排出連通孔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、６０ｂ…凹部
６２ａ、６２ｂ…孔部７０ａ〜７０ｂ…側板
７２ａ〜７２ｄ…アングル部材

Claims

電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を、一対の金属セパレータで挟持する単セルを備え、複数の前記単セルが積層されるとともに、前記単セルの積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁部材及びエンドプレートが配設される燃料電池スタックであって、
前記絶縁部材は、平板状を有し、中央部に前記ターミナルプレートが収容される凹部が設けられるとともに、
前記凹部の外側には、前記絶縁部材を貫通して少なくとも反応ガス又は冷却媒体を流す流体連通孔が形成される一方、
前記絶縁部材を介装して前記ターミナルプレートに隣接する前記金属セパレータは、波板状を有し、且つ前記金属セパレータの外周に一体成形されたシール部材が、前記絶縁部材に当接す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、前記反応ガスは、燃料ガス及び酸化剤ガスであり、
前記流体連通孔は、燃料ガス供給連通孔、燃料ガス排出連通孔、酸化剤ガス供給連通孔、酸化剤ガス排出連通孔、冷却媒体供給連通孔及び冷却媒体排出連通孔を有することを特徴とする燃料電池スタック。