JP5026461B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層されるとともに、積層方向両端には、エンドプレートが設けら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（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持した単位セルを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数の単位セルを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では、所望の発電性能を得るとともに、シール機能を発揮させるために、積層方向に対して良好な締め付け荷重を付与する必要がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池では、図７に示すように、セパレータ１と、電極ユニット２とが所定数だけ積層された積層体の両端部に、プレッシャプレート３ａ、３ｂが配設されている。プレッシャプレート３ａ、３ｂの各角部には、断面Ｌ字形状の保持部材４が配設されるとともに、前記保持部材４は、ねじ５を介して前記プレッシャプレート３ａ、３ｂに締結されている。

すなわち、プレッシャプレート３ａ、３ｂ間には、４本の保持部材４を介してセパレータ１及び電極ユニット２に積層方向への締め付け荷重が付与されるように構成されている。

特開２０００−４８８５０号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、各保持部材４とプレッシャプレート３ａ、３ｂとは、前記プレッシャプレート３ａ、３ｂの側部に形成されたねじ孔に、前記保持部材４を貫通してねじ込まれるねじ５によって締結されているだけである。

従って、燃料電池に外部から荷重が付与されると、スタック外形が変形し易く、積層方向の締め付け荷重を維持することができず、荷重抜けが惹起するという問題がある。しかも、スタック外形の変形により、セパレータ１や電極ユニット２が移動し易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、簡単な構成で、外部荷重等を確実に受けることができ、変形や締め付け荷重の抜け等を良好に抑制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、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層されるとともに、積層方向両端には、エンドプレートが設けられる燃料電池スタックに関するものである。

この燃料電池スタックは、一対のエンドプレート間に架け渡される連結部材と、前記エンドプレートの側面と前記連結部材とに設けられ、締め付け方向に張力を付与するための保持機構と、前記エンドプレートの側面と前記連結部材とを、互いに固定させるための固定機構とを備えている。

また、保持機構は、少なくともエンドプレートの側面又は連結部材に設けられる孔部と、前記孔部に挿入されるピン部材とを備えることが好ましい。

さらに、孔部には、補強リングが圧入されることが好ましい。

さらにまた、孔部には、ピン部材をシールするためのシール部材が配設されることが好ましい。

また、保持機構は、エンドプレートの側面に設けられる突起部と、連結部材に設けられ、前記連結部材の幅方向外方に突出し、積層方向外方に前記突起部を跨いで該突起部に係合する突出部とを備えることが好ましい。

さらに、突起部と突出部との間には、前記積層方向の寸法調整を行うためのスペーサ部材が介装されることが好ましい。

さらにまた、燃料電池は、積層方向に連通して反応ガス及び冷却媒体を流す流体連通孔を設けるとともに、連結部材とエンドプレートの側面との連結部位は、前記流体連通孔からオフセットした位置に設けられることが好ましい。

本発明によれば、連結部材とエンドプレートとには、保持機構を介して互いに締め付け方向に張力が付与されるとともに、固定機構を介して前記連結部材と前記エンドプレートとの締結力が維持されている。従って、簡単な構成で、所望の締め付け力を確実に付与することが可能になる。

さらに、燃料電池スタックに外部荷重が付与された際には、固定機構の作用下に、連結部材の剥がれを防止することができる。しかも、連結部材は、外部からの衝撃を受け止めて燃料電池を保護するとともに、前記燃料電池が変形することを阻止する（撓む）ことが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する保持機構及び固定機構の一方からの分解斜視説明図である。 前記保持機構及び固定機構の他方からの分解斜視説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する保持機構及び固定機構の分解斜視説明図である。 特許文献１に係る燃料電池の斜視説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池１２が矢印Ａ方向（鉛直方向）に積層されるとともに、前記燃料電池１２の積層方向両端には、ターミナルプレート１４ａ、１４ｂ、絶縁プレート１６ａ、１６ｂ及びエンドプレート１８ａ、１８ｂが配設される。

図２に示すように、燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体２０が、第１及び第２セパレータ２２、２４に挟持される。第１及び第２セパレータ２２、２４は、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の金属セパレータやカーボンセパレータにより構成される。

燃料電池１２の矢印Ｂ方向（図２中、水平方向）の一端縁部には、積層方向である矢印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入口連通孔２６ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔２８ａが、矢印Ｃ方向（水平方向）に配列して設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｂ方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔２８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２６ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｃ方向の両端縁部には、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３０ａ、及び前記冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３０ｂが設けられる。

第１セパレータ（カソード側セパレータ）２２の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２２ａには、酸化剤ガス入口連通孔２６ａと酸化剤ガス出口連通孔２６ｂとに連通する酸化剤ガス流路３２が設けられる。

第２セパレータ（アノード側セパレータ）２４の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２４ａには、燃料ガス入口連通孔２８ａと燃料ガス出口連通孔２８ｂとに連通する燃料ガス流路３４が設けられる。

互いに隣接する燃料電池１２を構成する第１セパレータ２２の面２２ｂと、第２セパレータ２４の面２４ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３０ａと冷却媒体出口連通孔３０ｂとを連通する冷却媒体流路３６が設けられる。

第１セパレータ２２の面２２ａ、２２ｂには、第１シール部材３８が、一体的又は個別に設けられるとともに、第２セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、第２シール部材４０が、一体的に又は個別に設けられる。

第１及び第２シール部材３８、４０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。

電解質膜・電極構造体２０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を挟持するカソード側電極４４及びアノード側電極４６とを備える。

カソード側電極４４及びアノード側電極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て形成される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の両面に形成されている。

図１に示すように、例えば、アルミニウム製のエンドプレート１８ａ、１８ｂ間には、複数本の連結部材５０が架け渡される。連結部材５０は、例えば、アルミニウム製の長尺な板状を有し、燃料電池スタック１０の長辺側に２本ずつで、且つ、前記燃料電池スタック１０の短辺側に１本ずつ配設される。

連結部材５０の配置位置は、長辺側では、冷却媒体入口連通孔３０ａ及び冷却媒体出口連通孔３０ｂから離間した位置（オフセットした位置）に設定される一方、短辺側では、酸化剤ガス入口連通孔２６ａと燃料ガス入口連通孔２８ａとの間及び酸化剤ガス出口連通孔２６ｂと燃料ガス出口連通孔２８ｂとの間に設定される。

燃料電池スタック１０は、エンドプレート１８ａ、１８ｂの側面５１ａ、５１ｂと連結部材５０とに設けられ、締め付け方向（矢印Ａ方向）に張力を付与するための保持機構５２と、前記エンドプレート１８ａ、１８ｂの側面５１ａ、５１ｂと前記連結部材５０とを、互いに固定させるための固定機構５４とを備える。エンドプレート１８ａ、１８ｂに対して、連結部材５０の保持機構５２及び固定機構５４は同一に構成される。

図３及び図４に示すように、保持機構５２は、エンドプレート１８ａ、１８ｂの側面５１ａ、５１ｂに形成される第１孔部５６ａと、連結部材５０の上下両端部に形成される第２孔部５６ｂと、前記第１及び第２孔部５６ａ、５６ｂに一体的に挿入されるピン部材５８とを備える。ピン部材５８は、例えば、鉄系材料で構成される。

第１及び第２孔部５６ａ、５６ｂには、例えば、鉄系材料で構成される補強リング６０ａ、６０ｂが圧入され、前記補強リング６０ａ、６０ｂ内にピン部材５８が一体に挿入される。

固定機構５４は、エンドプレート１８ａ、１８ｂの側面５１ａ、５１ｂに第１孔部５６ａの両側に位置して設けられるねじ孔６２と、前記ねじ孔６２に締結されるねじ６４とを備える。

連結部材５０には、ねじ孔６２に対応して一対の孔部６６が形成される。この連結部材５０の表面側には、ピンカバー６８が配設され、前記ピンカバー６８に形成された一対の孔部７０にねじ６４が挿入されるとともに、このねじ６４は、孔部６６を通ってねじ孔６２に締め付けられる。

連結部材５０には、第２孔部５６ｂの両端開口を周回してシール溝７２ａ、７２ｂが形成され、前記シール溝７２ａ、７２ｂにそれぞれＯリング７４が装着される。連結部材５０の裏面側、すなわち、エンドプレート１８ａ、１８ｂの側面５１ａ、５１ｂ側には、肉厚部７６が形成され、この肉厚部７６が前記エンドプレート１８ａ、１８ｂの側面５１ａ、５１ｂに当接する。肉厚部７６は、連結部材５０の燃料電池１２側を肉薄にすることにより形成される。燃料電池１２との干渉を防止するとともに、連結部材５０の軽量化を図るためである。

図１に示すように、エンドプレート１８ａには、酸化剤ガス入口連通孔２６ａ、燃料ガス入口連通孔２８ａ、冷却媒体入口連通孔３０ａ、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂ、燃料ガス出口連通孔２８ｂ及び冷却媒体出口連通孔３０ｂに連通し、外部に延在するマニホールド（図示せず）が設けられる一方、エンドプレート１８ｂは、閉塞された平板状に構成される。

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２に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔２８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔３０ａ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、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２６ａから第１セパレータ２２の酸化剤ガス流路３２に導入される。酸化剤ガスは、矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２０を構成するカソード側電極４４に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔２８ａから第２セパレータ２４の燃料ガス流路３４に導入される。この燃料ガスは、矢印Ｂ方向に移動しながら、電解質膜・電極構造体２０を構成するアノード側電極４６に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体２０では、カソード側電極４４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４６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４４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、アノード側電極４６に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔２８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔３０ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２セパレータ２２、２４間の冷却媒体流路３６に導入された後、矢印Ｃ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３０ｂから排出される。

この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック１０は、一対のエンドプレート１８ａ、１８ｂ間に架け渡される複数の連結部材５０と、前記エンドプレート１８ａ、１８ｂの側面５１ａ、５１ｂと前記連結部材５０の両端とに設けられ、締め付け方向に張力を付与するための保持機構５２と、前記エンドプレート１８ａ、１８ｂの側面５１ａ、５１ｂと前記連結部材５０の両端とを、互いに固定させるための固定機構５４とを備えている。

このため、連結部材５０とエンドプレート１８ａ、１８ｂとには、保持機構５２を介して互いに締め付け方向に張力が付与されるとともに、固定機構５４を介して前記連結部材５０と前記エンドプレート１８ａ、１８ｂとの締結力が維持されている。従って、簡単な構成で、所望の締め付け力を確実に付与することが可能になるとともに、連結部材５０と保持機構５２とによりエンドプレート１８ａ、１８ｂ間の距離を一定に維持することができる。

さらに、燃料電池スタック１０に外部荷重が付与された際には、固定機構５４の作用下に、連結部材５０の剥がれを防止することができる。

しかも、連結部材５０は、外部からの衝撃を受け止めて燃料電池１２を保護するとともに、前記燃料電池１２が変形する（撓む）ことを阻止することが可能になるという効果が得られる。

さらに、保持機構５２は、エンドプレート１８ａ、１８ｂの側面５１ａ、５１ｂに設けられる第１孔部５６ａと、連結部材５０の両端部に設けられる第２孔部５６ｂと、前記第１及び第２孔部５６ａ、５６ｂに一体に挿入されるピン部材５８とを備えている。これにより、保持機構５２の構成が簡素化されるとともに、経済的であるという利点がある。

その上、第１及び第２孔部５６ａ、５６ｂには、鉄系材料からなる補強リング６０ａ、６０ｂが圧入されている。このため、ピン部材５８が挿入されて締結荷重を保持する第１及び第２孔部５６ａ、５６ｂは、締結荷重によって変形することを有効に阻止することができる。

さらにまた、連結部材５０の両端に形成されたシール溝７２ａ、７２ｂには、ピン部材５８をシールするためのシール部材としてＯリング７４が配設されている。従って、特に、強度上、鉄系材料で構成されるピン部材５８は、被水環境から隔離されるため、前記ピン部材５８に電触が発生することを防止することが可能になる。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック８０の斜視説明図である。

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。

燃料電池スタック８０は、一対のエンドプレート１８ａ、１８ｂ間に架け渡される連結部材８２と、前記エンドプレート１８ａ、１８ｂの側面５１ａ、５１ｂと前記連結部材８２とに設けられ、互いに締め付け方向に張力を付与するための保持機構８４と、前記エンドプレート１８ａ、１８ｂの側面５１ａ、５１ｂと前記連結部材８２とを、互いに固定させるための固定機構８６とを備える。

連結部材８２は、第１の実施形態の連結部材５０と同様に、長辺側に２本で、且つ、短辺側に１本ずつ配設されるとともに、それぞれ酸化剤ガス入口連通孔２６ａ、燃料ガス入口連通孔２８ａ、冷却媒体入口連通孔３０ａ、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂ、燃料ガス出口連通孔２８ｂ及び冷却媒体出口連通孔３０ｂからオフセットした位置に設けられる。

図６に示すように、保持機構８４は、エンドプレート１８ａ、１８ｂの側面５１ａ、５１ｂに設けられる突起部８８と、連結部材８２の両端に設けられ、前記連結部材８２の幅方向外方に突出して前記突起部８８に係合する突出部９０とを備える。

突起部８８は、エンドプレート１８ａ、１８ｂの側面５１ａ、５１ｂから所定の長さにわたって外方に突出するとともに、両端部に膨出する係止部８８ａを設ける。突出部９０は、突起部８８を跨いで積層方向外方に配置されるとともに、前記突起部８８と前記突出部９０との間には、前記積層方向の寸法調整を行うためのスペーサ部材９２が介装される。

突出部９０には、エンドプレート１８ａ、１８ｂの側面５１ａ、５１ｂ側に突出する段部形状を形成することにより突起部８８に当接する引っ掛け部９４が設けられる。

固定機構８６は、エンドプレート１８ａ、１８ｂの側面５１ａ、５１ｂに形成されるねじ孔９６と、連結部材８２の突出部９０に形成される孔部９８と、前記孔部９８に挿入されて前記ねじ孔９６に螺合するねじ１００とを備える。突出部９０には、ねじ１００を配置するための凹部１０２が設けられる。

このように構成される第２の実施形態では、連結部材８２の長尺方向両端に設けられている突出部９０が、エンドプレート１８ａ、１８ｂに設けられている突起部８８を跨いで取り付けられている。従って、突起部８８と突出部９０とは、互いに圧着し、燃料電池スタック８０に対して締め付け方向に張力が付与されている。

その際、固定機構８６を介して、連結部材８２とエンドプレート１８ａ、１８ｂとの締結力が維持されている。これにより、第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる他、連結部材８２と保持機構８４とによりエンドプレート１８ａ、１８ｂ間に距離の調整が可能になる。

１０、８０…燃料電池スタック １２…燃料電池
１８ａ、１８ｂ…エンドプレート ２０…電解質膜・電極構造体
２２、２４…セパレータ ２６ａ…酸化剤ガス入口連通孔
２６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔 ２８ａ…燃料ガス入口連通孔
２８ｂ…燃料ガス出口連通孔 ３０ａ…冷却媒体入口連通孔
３０ｂ…冷却媒体出口連通孔 ３２…酸化剤ガス流路
３４…燃料ガス流路 ３６…冷却媒体流路
４２…固体高分子電解質膜 ４４…カソード側電極
４６…アノード側電極 ５０、８２…連結部材
５２、８４…保持機構 ５４、８６…固定機構
５６ａ、５６ｂ、６６、７０、９８…孔部
５８…ピン部材 ６０ａ、６０ｂ…補強リング
６２、９６…ねじ孔 ６４、１００…ねじ
７４…Ｏリング ８８…突起部
８８ａ…係止部 ９０…突出部
９２…スペーサ部材

Claims (5)

1. 電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層されるとともに、積層方向両端には、エンドプレートが設けられる燃料電池スタックであって、
   一対の前記エンドプレート間に架け渡される連結部材と、
   前記エンドプレートの側面と前記連結部材とに設けられ、締め付け方向に張力を付与するための保持機構と、
   前記エンドプレートの側面と前記連結部材とを、互いに固定させるための固定機構と、
   を備え、
   前記保持機構は、前記エンドプレートの側面に設けられる第１孔部と、
   前記第１孔部に挿入されるピン部材と、を有し、
   前記固定機構は、該エンドプレートの側面に設けられたねじ孔と、前記ねじ孔に前記連結部材の孔部を通って螺入するねじを有す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、前記第１孔部には補強リングが圧入され、該第１孔部の両端に前記ねじ孔が一対設けられ、一方、前記連結部材には肉厚部と肉薄部とが設けられ、前記肉厚部には前記ピン部材が挿通される第２孔部が設けられていることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項２記載の燃料電池スタックにおいて、前記連結部材はアルミニウム材料からなり、前記補強リングは鉄系材料からなることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項３記載の燃料電池スタックにおいて、前記第２孔部には、前記ピン部材をシールするためのシール部材が配設されることを特徴とする燃料電池スタック。
5. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池は、前記積層方向に連通して反応ガス及び冷却媒体を流す流体連通孔を有するとともに、
   前記エンドプレートは短辺と長辺とからなる矩形状であり、前記連結部材は前記短辺と長辺に前記流体連通孔の位置からオフセットして該一対のエンドプレートに架け渡されることを特徴とする燃料電池スタック。

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