JP4989161B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、電解質の両側に電極が設けられる電解質・電極構造体と、セパレータとが積層される積層体を備え、前記積層体の両側にエンドプレートが配置されるとともに、一方のエンドプレートと前記積層体との間に可動加圧プレートが配置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電解質膜（電解質）の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）を、セパレータによって挟持した発電セル（単セル）を備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを積層する積層体を備え、この積層体の両側にエンドプレートが配置されることにより、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は、各発電セルの電気反応領域に所望の面圧を付与するとともに、反応ガス（及び冷却媒体）のシール部に対して所望の面圧を付与する必要がある。例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックでは、図８に示すように、単セル１とセパレータ２とが積層される積層体３を、シリンダ４内に収納している。

積層体３の一方の端部には、固定エンドプレート５が当接するとともに、前記積層体３の他方の端部には、可動エンドプレート６が当接している。可動エンドプレート６は、単セル１の電気反応領域に対応する内側部６ａと、シール部に対応する外側部６ｂとに分割されている。内側部６ａ及び外側部６ｂは、それぞれ個別の内側スプリング７ａ及び外側スプリング７ｂによって積層体３に押し付けられている。

特開２００４−３３５３３６号公報（図１）

しかしながら、上記の特許文献１では、可動エンドプレート６がシリンダ４内に積層方向に移動自在に収納しており、この可動エンドプレート６を前記シリンダ４内で積層方向に円滑に摺動させることができないという問題がある。特に、平面形状が矩形の積層体３では、可動エンドプレート６の外周とシリンダ４の内周との公差を所定精度に維持して、前記可動エンドプレート６を円滑に摺動させることは、極めて困難であ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、積層体の収縮等による締め付け荷重の変動を良好に吸収するとともに、所望の面圧を確実に付与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、電解質の両側に電極が設けられる電解質・電極構造体と、セパレータとが積層される積層体を備え、前記積層体の両側にエンドプレートが配置されるとともに、一方のエンドプレートと前記積層体との間に可動加圧プレートが配置される燃料電池スタックに関するものである。

そして、可動加圧プレートと一方のエンドプレートとの間には、積層体に積層方向に荷重を付与する弾性部材と、前記積層方向に延在する複数のガイドバーと、前記ガイドバーが前記積層方向に摺動自在に挿入される複数の軸受部材とが設けられるとともに、前記弾性部材と前記ガイドバーとは、互いに個別に且つ前記積層方向に並列されている。

また、弾性部材は、皿ばねであることが好ましい。

さらにまた、ガイドバーは、可動加圧プレート又は一方のエンドプレートに設けられるとともに、軸受部材は、前記一方のエンドプレート又は前記可動加圧プレートに設けられることが好ましい。また、積層体は、平面形状が矩形に構成されることが好ましい。

本発明によれば、可動加圧プレートは、積層方向に延在する複数のガイドバーと複数の軸受部材との案内作用下に、前記積層方向に円滑且つ確実に摺動することができる。これにより、積層体の収縮等による締め付け荷重の変動を吸収するとともに、例えば、電気反応領域やシール部に対して所望の面圧を確実に付与することが可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の分解斜視説明図である。

燃料電池スタック１０は、複数の単セル１２が矢印Ａ方向に積層され且つ互いに電気的に直列接続される積層体１４を備える。積層体１４の積層方向両端部には、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂ及び絶縁プレート１８ａ、１８ｂを介装してそれぞれエンドプレート２０ａ、２０ｂが配設されるとともに、前記積層体１４は、筐体状のケーシング２２に収容される。絶縁プレート１８ｂとエンドプレート２０ｂとの間には、後述するように、支持プレート７０及び締め付け荷重付与機構２３が設けられる。

図２及び図３に示すように、単セル１２は、アノード側電極２４とカソード側電極２６との間に固体高分子電解質膜２８が介装される電解質膜・電極構造体３０を備える。固体高分子電解質膜２８としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレンスルホン酸の薄膜に水を含浸させたもの等のような水素イオン導電体が選定される。

アノード側電極２４及びカソード側電極２６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て形成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２８の両面に形成される。

電解質膜・電極構造体３０は、ガスケット３２ａ、３２ｂを介装してセパレータ３４ａ、３４ｂに挟持される。セパレータ３４ａ、３４ｂは、金属プレート又はカーボンプレートで構成される。

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が矢印Ｃ方向に、順次、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が矢印Ｃ方向に、順次、設けられる。

セパレータ３４ａの電解質膜・電極構造体３０に向かう面には、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４２が形成される。この燃料ガス流路４２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。セパレータ３４ａの反対の面には、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４４が形成される。この冷却媒体流路４４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。

セパレータ３４ｂの電解質膜・電極構造体３０に向かう面には、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４６が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路４６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。セパレータ３４ｂの反対の面には、セパレータ３４ａと重なり合って冷却媒体流路４４が一体的に形成される。

図１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４８ａ、４８ｂが形成される。端子部４８ａ、４８ｂ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２２は、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５０ａ〜５０ｄと、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂと前記側板５０ａ〜５０ｄとを連結するそれぞれ長さの異なる連結ピン５２ａ、５２ｂとを備える。

エンドプレート２０ａ、２０ｂの上下左右の各辺には、それぞれ所定数のボス部５４ａ、５４ｂが突出形成されるとともに、左右各辺の下方には、マウント用ボス部５６ａ、５６ｂが突出形成される。側板５０ａ〜５０ｄの長手方向両端には、それぞれ所定数のボス部５８ａ〜５８ｄが突出形成される。

側板５０ａ、５０ｃの上下両端縁部には、それぞれ複数の孔部６０が形成されるとともに、側板５０ｂ、５０ｄの短手方向（矢印Ｂ方向）両端部には、折り曲げ部６２、６４が形成され、前記折り曲げ部６２、６４には、孔部６０に対応してねじ孔６６が設けられる。ボルト６８が孔部６０を通ってねじ孔６６に螺合することにより、側板５０ａ〜５０ｄが組み付けられる。

側板５０ａ、５０ｃのボス部５８ａ、５８ｃと、エンドプレート２０ａ、２０ｂの左右のボス部５４ａ、５４ｂとに連結ピン５２ａが挿入される一方、側板５０ａ、５０ｄのボス部５８ｂ、５８ｄと、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂの上下のボス部５４ａ、５４ｂとに連結ピン５２ｂが挿入されてケーシング２２が構成される。

絶縁プレート１８ｂには、支持プレート７０及び締め付け荷重付与機構２３を介装してエンドプレート２０ｂが積層される。支持プレート７０は、酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂ、燃料ガス供給連通孔４０ａ、燃料ガス排出連通孔４０ｂ、冷却媒体供給連通孔３８ａ及び冷却媒体排出連通孔３８ｂを閉塞する機能を有する。

図４に示すように、締め付け荷重付与機構２３は、支持プレート７２に積層される可動加圧プレート７４を備える。可動加圧プレート７４のエンドプレート２０ｂに向かう面７４ａには、所定数の弾性部材、例えば、１０組の皿ばね（又はコイルスプリング、ゴム部材、樹脂部材等）７６を配置するための円板状凹部７８が形成され、各凹部７８の中心部に孔部（又は穴部）８０が形成される。孔部８０には、支軸８２の小径先端部８２ａが圧入されるとともに、前記支軸８２に皿ばね７６が支持される。エンドプレート２０ｂには、各支軸８２を挿入するための孔部８４が形成される。

可動加圧プレート７４に積層方向（矢印Ａ方向）に延在する複数のガイドバー８６が設けられるとともに、エンドプレート２０ｂには、前記ガイドバー８６が前記積層方向に摺動自在に挿入される複数の軸受部材８８が設けられる。ガイドバー８６は、略棒状を有し、一端部側に近接してフランジ部８６ａが形成される。可動加圧プレート７４には、所定数、例えば、４本のガイドバー８６をフランジ部８６ａ側の一端部から圧入可能な孔部（又は穴部）８９が形成される。

図２及び図４に示すように、軸受部材８８は、ハウジング９０と、このハウジング９０内に配置される軸受９２とを備える。ハウジング９０のフランジ部分９４には、４つの孔部９６が形成される。エンドプレート２０ｂには、各孔部９６に対応してボルト穴９８が形成されるとともに、４つのボルト穴９８の中央部には、孔部１００が形成される。

ハウジング９０の孔部９６には、ボルト１０２が挿入され、前記ボルト１０２の先端がボルト穴９８に螺合することにより、ハウジング９０がエンドプレート２０ｂに取り付けられる。孔部９６は、ボルト１０２の直径よりも大径に設定されており、前記ボルト１０２がボルト穴９８に確実に螺合し得るように構成される。ハウジング９０の軸部分９０ａは、孔部１００に嵌合するとともに、この軸部分９０ａ内に軸受９２が配置される。軸受９２には、ガイドバー８６が積層方向に摺動自在に嵌合する。

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１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、オイ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組の単セル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からセパレータ３４ｂの酸化剤ガス流路４６に導入され、電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極２６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からセパレータ３４ａの燃料ガス流路４２に導入され、電解質膜・電極構造体３０のアノード側電極２４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２６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極２４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２６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２４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からセパレータ３４ａ、３４ｂ間の冷却媒体流路４４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、第１の実施形態では、可動加圧プレート７４には、複数の皿ばね７６による積層方向への荷重が付与されるとともに、前記可動加圧プレート７４には、複数のガイドバー８６が積層方向に延在して固着される。一方、エンドプレート２０ｂには、ガイドバー８６が積層方向に摺動自在に挿入される複数の軸受部材８８が設けられている。

このため、可動加圧プレート７４は、図２に示すように、積層方向に延在する複数のガイドバー８６と、複数の軸受部材８８との案内作用下に、前記積層方向に円滑且つ確実に摺動することができる。これにより、例えば、積層体１４の収縮等による締め付け荷重の変動を、可動加圧プレート７４の摺動作用下に確実に吸収することができ、各単セル１２の電気反応領域及びシール部に対し、それぞれ均一且つ良好な面圧を付与することが可能になるという効果が得られる。

さらに、第１の実施形態では、皿ばね７６とガイドバー８６とが、積層方向に並列されており、それぞれ個別に構成されている。従って、例えば、皿ばね７６の寸法の設計自由度を確保するとともに、軸受部材８８の形状自由度の向上が容易に図られる。

具体的には、図５に示す軸受部材８８ａでは、軸部分９０ａがエンドプレート２０ｂの肉厚よりも長尺に構成される。これによって、可動加圧プレート７４は、積層方向に対して一層円滑に摺動することができるという利点がある。

さらにまた、燃料電池スタック１０では、エンドプレート２０ａ側に燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体のマニホールドを集中してレイアウトする一方、エンドプレート２０ｂ側には、この種のマニホールドを用いることがなく、締め付け荷重付与機構２３のみが配置されている。従って、エンドプレート２０ａでは、各マニホールドとして固定配管を用いることができ、配管レイアウトが容易に簡素化されるという効果がある。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１２０の一部断面側面図であり、図７は、前記燃料電池スタック１２０を構成する締め付け荷重付与機構１２２の分解斜視説明図である。

なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

締め付け荷重付与機構１２２は、エンドプレート２０ｂに固着される複数本のガイドバー８６と、可動加圧プレート７４に装着される軸受部材８８とを備えている。エンドプレート２０ｂには、ガイドバー８６を圧入するための孔部８９が形成される一方、可動加圧プレート７４は、比較的肉厚に構成されるとともに、軸受部材８８を構成するハウジング９０が、ボルト１０２を介して前記可動加圧プレート７４に固定される。

従って、第２の実施形態では、可動加圧プレート７４が、この可動加圧プレート７４に装着されている軸受部材８８と、エンドプレート２０ｂに積層方向に延在して固定されているガイドバー８６との案内作用下に、前記積層方向に円滑且つ確実に摺動することができる。これにより、積層体１４に対して所望の面圧を確実に付与することが可能になる等、第１の実施形態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分解斜視説明図である。 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概略分解斜視図である。 前記燃料電池スタックを構成する締め付け荷重付与機構の分解斜視説明図である。 他の軸受部材を組み込む締め付け荷重付与機構の説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る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締め付け荷重付与機構の分解斜視説明図である。 特許文献１に開示されている燃料電池スタックの断面説明図である。

符号の説明

１０、１２０…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
２３…締め付け荷重付与機構 ２４…アノード電極
２６…カソード電極 ２８…固体高分子電解質膜
３０…電解質膜・電極構造体 ３４ａ、３４ｂ…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 ４０…燃料ガス排出連通孔
４０ａ…燃料ガス供給連通孔 ４２…燃料ガス流路
４４…冷却媒体流路 ４６…酸化剤ガス流路
５０ａ〜５０ｄ…側板 ５２ａ、５２ｂ…連結ピン
７２…支持プレート ７０、７４…可動加圧プレート
７６…皿ばね ８２…支軸
８６…ガイドバー ８８、８８ａ…軸受部材
９０…ハウジング １２２…締め付け荷重機構

Claims (4)

1. 電解質の両側に電極が設けられる電解質・電極構造体と、セパレータとが積層される積層体を備え、前記積層体の両側にエンドプレートが配置されるとともに、一方のエンドプレートと前記積層体との間に可動加圧プレートが配置される燃料電池スタックであって、
   前記可動加圧プレートと前記一方のエンドプレートとの間には、前記積層体に積層方向に荷重を付与する弾性部材と、
   前記積層方向に延在する複数のガイドバーと、
   前記ガイドバーが前記積層方向に摺動自在に挿入される複数の軸受部材と、
   が設けられるとともに、
   前記弾性部材と前記ガイドバーとは、互いに個別に且つ前記積層方向に並列されることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記弾性部材は、皿ばねであることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記ガイドバーは、前記可動加圧プレート又は前記一方のエンドプレートに設けられるとともに、
   前記軸受部材は、前記一方のエンドプレート又は前記可動加圧プレートに設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 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、前記積層体は、平面形状が矩形に構成されることを特徴とする燃料電池スタック。

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