JP5144397B2

JP5144397B2 - 燃料電池スタック

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Publication number: JP5144397B2
Application number: JP2008169806A
Authority: JP
Inventors: 仁西尾; 謙高橋; 大介和知
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-06-30
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2028-06-30
Also published as: JP2010010010A

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極が設けられる複数の電解質・電極構造体と、縦長形状の複数の金属セパレータとが水平方向に積層される積層体を有するとともに、前記積層体が金属製外郭部材内に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）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配設した電解質膜・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。

通常、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）だけ積層した積層体を、一対のエンドプレート間に挟持するとともに、例えば、箱状ケーシング内に収容した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、自動車等に組み込まれて燃料電池車両を構成している。その際、燃料電池スタックは、車体の床下やボンネットの他、車室内の運転席と助手席との間に設けられているセンターコンソール内に収容される場合がある。

上記の燃料電池車両に組み込まれる燃料電池スタックには、衝撃等の外部荷重が付与される場合がある。特に縦長形状の積層体が使用される際、前記積層体には、マウント位置（下端位置）を中心に回転力が発生し、前記積層体の上部側がケーシングに干渉するおそれがある。これにより、金属セパレータと金属製のケーシングとが、直接、接触して短絡が惹起されるという問題がある。

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、積層体の積層方向に沿った４つの側面又は２つの側面に、シート状の絶縁性ゴム（又は樹脂）を接着固定している。

特開平８−１６２１４３号公報

しかしながら、上記の従来技術では、積層体の２以上の側面を覆って絶縁性ゴムや樹脂による被覆層が設けられるため、この被覆層が帯電し易いという問題がある。しかも、積層体が膨張、収縮又は変形する際に、被覆層にずれや剥がれ等が発生し易いという問題がある。

本発明はこの種の課題を解決するものであり、簡単な構成で、金属セパレータと金属製外郭部材との短絡を良好に阻止するとともに、電気絶縁シート部材のずれや剥がれ等を有効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、電解質の両側に一対の電極が設けられる複数の電解質・電極構造体と、縦長形状の複数の金属セパレータとが水平方向に積層される積層体を有するとともに、前記積層体が金属製外郭部材内に配置される燃料電池スタックに関するものである。

燃料電池スタックは、金属製外郭部材の内壁上部には、少なくとも一方の角部に、前記燃料電池スタックに外部荷重が付与された際に、積層体が当接可能な電気絶縁シート部材が設けられている。

また、金属製外郭部材は、積層体を収容した状態で、車両内に設けられたセンターコンソール内に配置される金属製ケーシングであることが好ましい。

さらに、電気絶縁シート部材は、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂又はガラスクロスで構成されることが好ましい。

本発明では、金属製外郭部材の内壁上部には、少なくとも一方の角部に、積層体が当接可能な電気絶縁シート部材が設けられている。従って、簡単な構成で、金属セパレータと金属製外郭部材とが短絡することを、良好に阻止することができる。

しかも、積層体が配置されている金属製外郭部材に、電気絶縁シート部材が設けられている。このため、積層体の側面を覆って被覆層が設けられる構成とは異なり、前記積層体の変形等によって電気絶縁シート部材にずれや剥がれ等が発生することがない。これにより、長期間にわたって有効に使用することが可能になる。さらに、電気絶縁シート部材の面積が大幅に削減される。従って、電気絶縁シート部材には、必要以上に静電気の帯電が発生することを確実に阻止することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０が搭載される燃料電池車両１２の一部側面説明図であり、図２は、前記燃料電池車両１２を構成するとともに、前記燃料電池スタック１０が収容されるセンターコンソール１４の概略断面説明図である。

燃料電池車両１２は、車室１６内に左右のフロントシート（運転席及び助手席）１８ａ、１８ｂ間に位置して、センターコンソール１４が設けられるとともに、前記センターコンソール１４は、前記燃料電池車両１２の車長方向（矢印Ｌ方向）に延在する。センターコンソール１４内の室１４ａには、燃料電池スタック１０が収容される（図２参照）。

図３に示すように、燃料電池スタック１０は、複数の単位セル２２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体２４を備える。積層体２４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート２６ａ、絶縁プレート２８ａ及びエンドプレート３０ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体２４の積層方向他端には、ターミナルプレート２６ｂ、絶縁プレート２８ｂ及びエンドプレート３０ｂ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３０ａ、３０ｂを端板として含むケーシング（金属製外郭部材）３２により一体的に保持される。

図４に示すように、各単位セル２２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）３６が、アノード側の第１金属セパレータ３８とカソード側の第２金属セパレータ４０とに挟持されている。第１及び第２金属セパレータ３８、４０は、金属製薄板を波形状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３８、４０は、縦長形状を有しており、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属板により構成される。

単位セル２２の長辺方向（図４中、矢印Ｃ方向）の上端縁部には、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４２ａ、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供給連通孔４４ａが設けられる。

単位セル２２の長辺方向の下端縁部には、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排出連通孔４４ｂ、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４２ｂが設けられる。

単位セル２２の短辺方向（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、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔４６ａが設けられるとともに、短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔４６ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体３６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４８と、前記固体高分子電解質膜４８を挟持するアノード側電極５０及びカソード側電極５２とを備える。アノード側電極５０は、カソード側電極５２よりも小さな表面積を有している。

アノード側電極５０及びカソード側電極５２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４８の両面に形成される。

第１金属セパレータ３８の電解質膜・電極構造体３６に向かう面３８ａには、燃料ガス供給連通孔４４ａと燃料ガス排出連通孔４４ｂとを連通する燃料ガス流路５４が形成される。この燃料ガス流路５４は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有する。

第１金属セパレータ３８の面３８ａには、燃料ガス供給連通孔４４ａと燃料ガス流路５４とを連通する複数の供給孔部５８ａと、燃料ガス排出連通孔４４ｂと前記燃料ガス流路５４とを連通する複数の排出孔部５８ｂとが形成される。

第２金属セパレータ４０の電解質膜・電極構造体３６に向かう面４０ａには、酸化剤ガス供給連通孔４２ａと酸化剤ガス排出連通孔４２ｂとを連通する酸化剤ガス流路６０が形成される。この酸化剤ガス流路６０は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有する。

第２金属セパレータ４０の面４０ｂと、第１金属セパレータ３８の面３８ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔４６ａと冷却媒体排出連通孔４６ｂとに連通する冷却媒体流路６２が形成される。この冷却媒体流路６２は、燃料ガス流路５４の裏面形状と酸化剤ガス流路６０の裏面形状とが重なり合うことによって、矢印Ｂ方向に延在して形成される。

第１金属セパレータ３８の面３８ａ、３８ｂには、この第１金属セパレータ３８の外周端縁部を周回して第１シール部材６６が一体成形される。第２金属セパレータ４０の面４０ａ、４０ｂには、この第２金属セパレータ４０の外周端縁部を周回して第２シール部材６８が一体成形される。

図３に示すように、ターミナルプレート２６ａ、２６ｂの面内中央から積層方向外方に延在して第１及び第２電力取り出し端子７０ａ、７０ｂが設けられる。第１電力取り出し端子７０ａは、絶縁プレート２８ａ及びエンドプレート３０ａを貫通して外部に突出する一方、第２電力取り出し端子７０ｂは、絶縁プレート２８ｂ及びエンドプレート３０ｂを貫通して外部に突出する。

ケーシング３２は、端板であるエンドプレート３０ａ、３０ｂと、積層体２４の側部に配置される複数の側板７４ａ〜７４ｄと、前記側板７４ａ〜７４ｄの互いに近接する端部同士をねじ７５を介して連結するアングル部材７６と、前記エンドプレート３０ａ、３０ｂと前記側板７４ａ〜７４ｄとを連結するヒンジ機構７８とを備える。側板７４ａ〜７４ｄは、例えば、ＳＵＳ材の薄板金属製プレートで構成される。

ヒンジ機構７８は、エンドプレート３０ａ、３０ｂに設けられる第１ヒンジ部８０ａ、８０ｂと、側板７４ａ〜７４ｄに設けられる第２ヒンジ部８２と、前記第１ヒンジ部８０ａ、８０ｂと第２ヒンジ部８２とが交互に配置された状態で挿入される連結ピン８６ａ、８６ｂとを備える。

エンドプレート３０ａの上部側には、酸化剤ガス供給連通孔４２ａに連通する酸化剤ガス入口マニホールド９０ａと、燃料ガス供給連通孔４４ａに連通する燃料ガス入口マニホールド９２ａとが設けられる。エンドプレート３０ａの下部側には、酸化剤ガス排出連通孔４２ｂに連通する酸化剤ガス出口マニホールド９０ｂと、燃料ガス排出連通孔４４ｂに連通する燃料ガス出口マニホールド９２ｂとが設けられる。

エンドプレート３０ｂには、図示しないが、矢印Ｃ方向に延在してそれぞれ冷却媒体供給連通孔４６ａに連通する冷却媒体入口マニホールドと、冷却媒体排出連通孔４６ｂに連通する冷却媒体出口マニホールドとが設けられる。

図２及び図３に示すように、ケーシング３２の内壁上部には、少なくとも一方の角部、すなわち、燃料ガス供給連通孔４４ａに近接する角部に、燃料電池スタック１０に外部荷重が付与された際に、積層体２４が当接可能な電気絶縁シート部材９４が設けられる。なお、角部は、滑らかなＲ形状に設定されることが好ましい。面圧を下げて、電気絶縁シート部材９４の切創を防止するためである。

本実施形態では、ケーシング３２の内壁上部の他方の角部、すなわち、酸化剤ガス供給連通孔４２ａに近接する角部にも、電気絶縁シート部材９４が設けられる。

電気絶縁シート部材９４は、単位セル２２の積層方向（矢印Ａ方向）に所定の長さを有し、センターコンソール１４の側方から荷重が付与される際、単位セル２２がケーシング３２の内壁に衝突し易い領域に対応した面積に設定される。例えば、フロントシート１８ａ、１８ｂが、外部荷重によってセンターコンソール１４側に突出し易い領域に設定されるとともに、必要以上に静電気の帯電が発生しない面積に設定される。

電気絶縁シート部材９４は、単位セル２２を構成する第１及び第２金属セパレータ３８、４０が当接した際に、この第１及び第２金属セパレータ３８、４０の角部で切断されることがないよう、所望の耐切創性を有する必要がある。電気絶縁シート部材９４は、さらに表面の滑りが良好なように、小さな摩擦係数を有し、スタック温度（９０℃程度）に耐え得る耐熱性を有することが必要である。このため、電気絶縁シート部材９４は、例えば、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂又はガラスクロスで構成される。

このように構成される燃料電池車両１２の動作について、以下に説明する。

先ず、燃料電池スタック１０では、図３に示すように、エンドプレート３０ａの酸化剤ガス入口マニホールド９０ａから酸化剤ガス供給連通孔４２ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口マニホールド９２ａから燃料ガス供給連通孔４４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。一方、エンドプレート３０ｂの冷却媒体入口マニホールドから冷却媒体供給連通孔４６ａ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２４では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数の単位セル２２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４に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔４２ａから第２金属セパレータ４０の酸化剤ガス流路６０に導入され、電解質膜・電極構造体３６のカソード側電極５２に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４４ａから第１金属セパレータ３８の供給孔部５８ａを通って燃料ガス流路５４に導入され、電解質膜・電極構造体３６のアノード側電極５０に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体３６では、カソード側電極５２に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極５０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５２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４２ｂに沿って流動した後、エンドプレート３０ａの酸化剤ガス出口マニホールド９０ｂから外部に排出される。同様に、アノード側電極５０に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部５８ｂを通って燃料ガス排出連通孔４４ｂに排出されて流動し、エンドプレート３０ａの燃料ガス出口マニホールド９２ｂ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４６ａから第１及び第２金属セパレータ３８、４０間の冷却媒体流路６２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３６を冷却した後、冷却媒体排出連通孔４６ｂを移動してエンドプレート３０ｂの冷却媒体出口マニホールドから排出される。

この場合、本実施形態では、図２及び図３に示すように、ケーシング３２の内壁上部の両方の角部には、すなわち、燃料ガス供給連通孔４４ａに近接する角部及び酸化剤ガス供給連通孔４２ａに近接する角部には、それぞれ電気絶縁シート部材９４が設けられている。

このため、例えば、図２に示すように、センターコンソール１４の側方から外部の荷重Ｆが付与される際、燃料電池スタック１０では、特に縦長形状の積層体２４が、マウント位置である下端部を中心に上部側が揺動する。従って、単位セル２２の角部は、ケーシング３２の内壁上部に設けられている電気絶縁シート部材９４に当接し、簡単な構成で、前記ケーシング３２と前記単位セル２２とが短絡することを良好に阻止することができる。

しかも、ケーシング３２の内壁上部の両角部に、電気絶縁シート部材９４が設けられている。このため、積層体２４の側面を覆って被覆層が設けられる構成とは異なり、前記積層体２４の変形等によって電気絶縁シート部材９４にずれや剥がれ等が発生することがない。これにより、燃料電池スタック１０は、長期間にわたって有効に使用することが可能になるという効果が得られる。

さらに、電気絶縁シート部材９４の面積は、大幅に削減されている。従って、電気絶縁シート部材９４に必要以上に静電気の帯電が発生することを阻止することができるとともに、経済的である。

なお、本実施形態では、積層体２４を収容するケーシング３２の内壁上部に、電気絶縁シート部材９４が設けられているが、これに限定されるものではない。例えば、積層体２４を挟持するエンドプレート３０ａ、３０ｂ同士をタイロッド（図示せず）で挟持した燃料電池スタックが採用されるとともに、この燃料電池スタックを燃料電池車両１２内の所定の配置部位に配置する際には、前記燃料電池車両１２を構成する金属製外郭部材の内壁に、電気絶縁シート部材９４を設けることができる。

また、燃料電池スタック１０は、センターコンソール１４の他、燃料電池車両１２内の床下やボンネット等に配置してもよい。

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックが搭載される燃料電池車両の一部側面説明図である。前記燃料電池車両を構成するとともに、燃料電池スタックが収容されるセンターコンソールの概略断面説明図である。前記燃料電池スタックの斜視説明図である。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。

符号の説明

１０…燃料電池スタック１２…燃料電池車両
１４…センターコンソール１８ａ、１８ｂ…フロントシート
２４…積層体３０ａ、３０ｂ…エンドプレート
３２…ケーシング３６…電解質膜・電極構造体
３８、４０…金属セパレータ４８…固体高分子電解質膜
５０…アノード側電極５２…カソード側電極
５４…燃料ガス流路６０…酸化剤ガス流路
６２…冷却媒体流路７４ａ〜７４ｄ…側板
７６…アングル部材７８…ヒンジ構造
９４…電気絶縁シート部材

Claims

電解質の両側に一対の電極が設けられる複数の電解質・電極構造体と、縦長形状の複数の金属セパレータとが水平方向に積層される積層体を有するとともに、前記積層体が金属製外郭部材内に配置される燃料電池スタックであって、
前記金属製外郭部材の内壁上部には、少なくとも一方の角部に、前記燃料電池スタックに外部荷重が付与された際に、前記積層体が当接可能な電気絶縁シート部材が設けられ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、前記金属製外郭部材は、前記積層体を収容した状態で、車両内に設けられたセンターコンソール内に配置される金属製ケーシングであることを特徴とする燃料電池スタック。
請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記電気絶縁シート部材は、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂又はガラスクロスで構成されることを特徴とする燃料電池スタック。