JP5180948B2

JP5180948B2 - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP5180948B2
Application number: JP2009281632A
Authority: JP
Inventors: 剛森本; 忠志西山; 広行田中
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-12-11
Filing date: 2009-12-11
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2029-12-11
Also published as: US20110143251A1; US8343683B2; JP2011124130A

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た積層体の積層方向両端には、一対のエンドプレートが配設されるとともに、前記一対のエンドプレートは、締結部材により互いの離間距離を保持して一体に固定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）が、セパレータによって挟持され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、車載用燃料電池スタック等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、単位セル全面の圧力分布を均一とすることを目的として、例えば、特許文献１に開示された燃料電池スタック及びその締め付け方法が知られている。この特許文献１では、図６に示すように、加圧装置１を構成するスタッキング台２上には、エンドプレート３ａ、燃料電池構成用部材４及びエンドプレート３ｂが鉛直方向に積層されている。エンドプレート３ａ、３ｂ間には、数本のタイロッドボルト５が配置されており、前記タイロッドボルト５により仮締めが行われている。

加圧装置１は、各加圧力制御装置６から供給される圧力により加圧力が調整される複数の加圧シリンダ７を備えている。各加圧シリンダ７は、先端に押圧ブロック８を配置するとともに、前記押圧ブロック８の押圧面には、ロードセル９が配置されている。

そこで、各加圧シリンダ７の加圧力が均等にゼロトルクになった後、全ての加圧シリンダ７の圧力上昇が開始されている。そして、各ロードセル９から入力される加圧力を監視し、全ての加圧力が予め設定された加圧力値に達すると、全ての圧力制御装置６の圧力上昇が停止されている。次いで、タイロッドボルト５が、順次、締め付けられた後、加圧装置１による加圧力が解放されている。

特開２００５−１４２０４２

上記の特許文献１では、各ロードセル９から得られる加圧力を監視して、セル面内で均等な加圧状態を得た後、タイロッドボルト５の締め付けが行われる一方、加圧装置１の加圧力が解放されている。このため、タイロッドボルト５の締め付け状態によっては、セル面全面に均等な圧力状態を維持することができないおそれがある。

しかも、燃料電池スタックでは、使用時間の経過に伴う締結荷重の減少に対して、積層方向へのさらなる締め付け処理（増し締め）を行う必要がある。その際、上記の特許文献１では、燃料電池スタックを、再度、加圧装置１にセットし、各圧力制御装置６による加圧力付与処理が行われた後、タイロッドボルト５による締め付け処理が必要となってしまう。

これにより、タイロッドボルト５による再度の締め付け時に、セル面内での圧力分布状態にばらつきが発生し易く、高性能且つ良好な増し締め処理が遂行され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、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池の積層方向に最適な締め付け荷重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た積層体の積層方向両端には、一対のエンドプレートが配設されるとともに、前記一対のエンドプレートは、締結部材により互いの離間距離を保持して一体に固定さ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、一方のエンドプレートと積層体との間には、複数の荷重センサが連結部材に一体に連結された荷重測定機構が配設されるとともに、前記一方のエンドプレートには、前記荷重測定機構を積層体に向かって押圧することにより、前記複数の荷重センサを介して前記積層体に締結荷重を付与するための加圧機構が設けられている。

また、加圧機構は、一方のエンドプレートに設けられるねじ孔にねじ込まれる複数の荷重調整ボルトを備えることが好ましい。

さらに、荷重調整ボルトは、連結部材に対して荷重センサの近傍の位置に配置されることが好ましい。

さらにまた、荷重調整ボルトは、連結部材に対して荷重センサと同軸上の位置に配置されることが好ましい。

本発明によれば、加圧機構を介して荷重測定機構が積層体に向かって押圧されると、前記荷重測定機構を構成する複数の荷重センサを介して、前記積層体に締結荷重を付与することができる。このため、複数の荷重センサは、締め付け荷重を正確に検出しながら、燃料電池スタックに最適な締め付け荷重を確実に付与することが可能になる。

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の要部分解斜視説明図である。前記燃料電池スタックの、図２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。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。本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの要部断面説明図である。特許文献１の燃料電池スタックの説明図である。

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）に積層されて積層体１４が構成される。積層体１４の積層方向下端（一端）には、第１ターミナルプレート１６ａ、第１絶縁プレート１８ａ及び第１エンドプレート２０ａが積層される。

図２及び図３に示すように、積層体１４の積層方向上端（他端）には、第２ターミナルプレート１６ｂ、第２絶縁プレート１８ｂ、荷重測定機構２２及び第２エンドプレート（一方のエンドプレート）２０ｂが積層される。第２エンドプレート２０ｂには、加圧機構２４が設けられる。なお、積層体１４は、複数の燃料電池１２を水平方向（矢印Ｂ方向又は矢印Ｃ方向）に積層して構成してもよい。

図４に示すように、燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体３０が、第１及び第２セパレータ３２、３４に挟持される。第１及び第２セパレータ３２、３４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等により構成される。

燃料電池１２の矢印Ｂ方向（図４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３６ａ、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３８ａ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３８ｂ、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３６ｂ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４０ａ、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４０ｂが設けられる。

第１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、酸化剤ガス入口連通孔３６ａと酸化剤ガス出口連通孔３６ｂとに連通する酸化剤ガス流路４２が設けられる。

第２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、燃料ガス入口連通孔３８ａと燃料ガス出口連通孔３８ｂとに連通する燃料ガス流路４４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３２の面３２ｂと、第２セパレータ３４の面３４ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔４０ａと冷却媒体出口連通孔４０ｂとを連通する冷却媒体流路４６が設けられる。

第１セパレータ３２の面３２ａ、３２ｂには、第１シール部材４８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３４の面３４ａ、３４ｂには、第２シール部材５０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４８、５０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５２と、前記固体高分子電解質膜５２を挟持するカソード側電極５４及びアノード側電極５６とを備える。

カソード側電極５４及びアノード側電極５６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５２の両面に形成されている。

図１に示すように、例えば、アルミニウム製の第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂ間には、複数本の連結バー６０が架け渡され、前記第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂ間の距離が一定に保持される。連結バー６０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。連結バー６０は、第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂの側部にねじ６２を介して固定される。

第１エンドプレート２０ａには、酸化剤ガス入口連通孔３６ａ、燃料ガス入口連通孔３８ａ、冷却媒体入口連通孔４０ａ、酸化剤ガス出口連通孔３６ｂ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ及び冷却媒体出口連通孔４０ｂ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、第２エンドプレート２０ｂは、これら及びシール部材を削除した平板状に構成される。

図２及び図３に示すように、荷重測定機構２２は、第２絶縁プレート１８ｂに載置される加圧板６４を備え、前記加圧板６４には、例えば、四隅近傍にそれぞれ矩形状の凹部６６が形成される。荷重測定機構２２は、枠形状の連結部材６８と、前記連結部材６８の四隅にナット７０を介して固定される荷重センサ、例えば、ロードセル７２とを備える。

連結部材６８には、各ロードセル７２の近傍に底面が球面を有する球面状凹部７４が設けられる。各ロードセル７２には、押圧部材７６が装着されるとともに、前記押圧部材７６は、加圧板６４の各凹部６６に配置される。

加圧機構２４は、複数、例えば、４つの荷重調整ボルト７８を備える。各荷重調整ボルト７８は、第２エンドプレート２０ｂに形成されたねじ孔８０にねじ込まれるとともに、各々の球面状先端部７８ａは、連結部材６８の各球面状凹部７４に配置される。各荷重調整ボルト７８の中心と、各ロードセル７２の中心とは、互いに位置がずれている。

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４に示すように、酸化剤ガス入口連通孔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、燃料ガス入口連通孔３８ａ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４０ａ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３６ａから第１セパレータ３２の酸化剤ガス流路４２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３０を構成するカソード側電極５４に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３８ａから第２セパレータ３４の燃料ガス流路４４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３０を構成するアノード側電極５６に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体３０では、カソード側電極５４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極５６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５４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３６ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、アノード側電極５６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３８ｂ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４０ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２セパレータ３２、３４間の冷却媒体流路４６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３０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔４０ｂから排出される。

この場合、燃料電池スタック１０には、スタック組み立て時に予め初期荷重が付与されている。そして、燃料電池スタック１０の発電使用時間の経過に伴って、内部のシール、例えば、第１及び第２シール部材４８、５０や固体高分子電解質膜（カーボンセペーパ）５２等に収縮によるへたりが発生し易い。

その際、燃料電池スタック１０では、第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂ間は、複数本の連結バー６０により一体の距離を保持して固定されている。このため、燃料電池スタック１０は、使用時間の経過に伴って、締結荷重が減少する。

そこで、第１の実施形態では、第２エンドプレート２０ｂと積層体１４との間には、複数のロードセル７２が連結部材６８に一体に連結された荷重測定機構２２が配設されるとともに、前記第２エンドプレート２０ｂには、前記連結部材６８を押圧することにより、前記複数のロードセル７２を介して前記積層体１４に締結荷重を付与させるための加圧機構２４が設けられている。

従って、図３に示すように、加圧機構２４を構成する荷重調整ボルト７８が、第２エンドプレート２０ｂのねじ孔８０にねじ込まれると、この荷重調整ボルト７８の球面状先端部７８ａは、連結部材６８の球面状凹部７４の底面を積層体１４側に押圧する。

このため、連結部材６８に荷重調整ボルト７８に近接して装着されているロードセル７２は、押圧部材７６を介して加圧板６４を積層体１４側に押圧する。これにより、加圧板６４を介して積層体１４に締め付け荷重が付与される。

このように、各荷重調整ボルト７８を増し締めすることにより、各荷重調整ボルト７８近傍に配置されている各ロードセル７２が、加圧板６４を介して積層体１４に締め付け荷重を付与している。従って、各ロードセル７２は、積層体１４に増し締め荷重を付与しながら、この増し締め荷重の値を正確に検出することができる。

これにより、積層体１４の面内の荷重分布を正確に検出することが可能になり、加圧機構２４は、前記積層体１４に付与される荷重分布が、面内で均一な状態になるように、容易且つ確実に締め付け荷重を調整することが可能になるという利点がある。

しかも、積層体１４に付与される締結荷重の全体量は、各ロードセル７２から検出される締め付け荷重の合計値によって検出することができ、簡単な構成で、高精度な増し締め処理が遂行される。

さらに、荷重測定機構２２は、第２エンドプレート２０ｂと積層体１４との間に介装されている。このため、燃料電池スタック１０の発電中における荷重分布を検出することができ、前記燃料電池スタック１０の荷重分布の良否を容易に検知することが可能になる。

さらにまた、検出荷重を図示しない制御部（ＥＣＵ）に入力することにより、各種運転条件の制御に有効利用することができ、発電性能を向上させることも可能になる。

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９０の要部断面説明図である。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９０は、加圧機構９２を備えるとともに、前記加圧機構９２は、複数の荷重調整ボルト９４を有する。荷重測定機構２２は、複数のロードセル７２ａを設けるとともに、第２エンドプレート２０ｂには、前記ロードセル７２ａと同軸上にねじ孔９６が形成される。

各荷重調整ボルト９４は、各ねじ孔９６にねじ込まれることにより、ロードセル７２ａと同軸上の位置に配置される。各荷重調整ボルト９４の先端には、球面状先端部９４ａが設けられる一方、連結部材６８には、球面状凹部９８が形成される。

このように形成される第２の実施形態では、加圧機構９２を構成する各荷重調整ボルト９４は、各ロードセル７２ａと同軸上に連結部材６８を押圧している。従って、各荷重調整ボルト９４による増し締め荷重は、ロードセル７２ａに直接伝達される。このため、荷重調整ボルト９４による増し締め荷重は、積層体１４に一層ダイレクトに伝達されるという利点がある。

しかも、連結部材６８には、荷重調整ボルト９４の増し締め荷重によるモーメントが作用することがない。これにより、連結部材６８の剛性の向上が容易に図られる。

なお、第１及び第２の実施形態では、第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂ間を複数の連結バー６０により固定しているが、これに限定されるものではない。例えば、第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂを端板とし、側部にパネルを配置することにより、全体としてケーシング状に構成されていてもよい。

また、各ロードセル７２、７２ａ毎に、荷重調整ボルト７８、９４を設けているが、これに限定されるものではい。例えば、２つのロードセル７２、７２ａ毎に一体に荷重を付与する荷重調整ボルトを設けることにより、この荷重調整ボルトの数を半数に削減することもできる。

１０、９０…燃料電池スタック１２…燃料電池
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
２２…荷重測定機構２４、９２…加圧機構
３０…電解質膜・電極構造体３２、３４…セパレータ
３６ａ…酸化剤ガス入口連通孔３６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
３８ａ…燃料ガス入口連通孔３８ｂ…燃料ガス出口連通孔
４０ａ…冷却媒体入口連通孔４０ｂ…冷却媒体出口連通孔
４２…酸化剤ガス流路４４…燃料ガス流路
４６…冷却媒体流路５２…固体高分子電解質膜
５４…カソード側電極５６…アノード側電極
６０…連結バー６４…加圧板
６８…連結部材７２、７２ａ…ロードセル
７６…押圧部材７８、９４…荷重調整ボルト

Claims

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た積層体の積層方向両端には、一対のエンドプレートが配設されるとともに、前記一対のエンドプレートは、締結部材により互いの離間距離を保持して一体に固定される燃料電池スタックであって、
一方のエンドプレートと前記積層体との間には、複数の荷重センサが連結部材に一体に連結された荷重測定機構が配設されるとともに、
前記一方のエンドプレートには、前記荷重測定機構を前記積層体に向かって押圧することにより、前記複数の荷重センサを介して前記積層体に締結荷重を付与するための加圧機構が設けられ、
前記加圧機構は、前記一方のエンドプレートに設けられるねじ孔にねじ込まれる複数の荷重調整ボルトを備え、
前記荷重調整ボルトは、前記連結部材に対して前記荷重センサの近傍の位置に配置されるとともに、その中心と、前記荷重センサの中心とが互いに位置ずれしてい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、前記連結部材は枠形状をなす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、前記荷重調整ボルトは、前記連結部材の、前記荷重センサよりも外方の部位を加圧することを特徴とする燃料電池スタック。