JP5203162B2 - 燃料電池スタックの積層荷重調整装置 - Google Patents

Description

本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータとを有する複数の単位セルが積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向両端には、エンドプレートが配設される燃料電池スタックの積層荷重調整装置に関する。

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（ＭＥＡ）を、セパレータによって挟持することにより燃料電池（単位セル）が構成されている。

通常、この燃料電池は、所望の発電力を得るために、所定数（例えば、数十〜数百）だけ積層した燃料電池スタックとして使用されている。この燃料電池スタックは、燃料電池の内部抵抗の増大や反応ガスのシール性の低下等を阻止するために、積層されている各燃料電池同士を確実に加圧保持する必要がある。

このため、例えば、特許文献１に開示されている平板形固体電解質燃料電池では、図９に示すように、底板１と、この底板１の両端から直立する側板２ａ、２ｂとからなる保持枠３を備えている。

底板１には、水平方向に単電池を積層したスタック４が載置されるとともに、前記スタック４の端面に重ねられた傾斜面５ａを有する締付板５と側板２ａとの間には、楔状の傾斜板６が挿入されている。そして、傾斜板６に重りが載せられることにより、下向きの荷重を傾斜面５ａを介して水平方向の力を生じさせ、この力によってスタック４を締め付けている。

特開平６−１８８０２３号公報

しかしながら、上記の特許文献１では、傾斜面５ａを有する単一の締付板５の押圧作用下にスタック４を締め付けるため、前記スタック４を積層方向に均等に押圧することができないおそれがある。特に、傾斜面５ａから離間する底板１側では、スタック４に所望の締め付け力が付与され難くなり、前記スタック４に撓みが発生し易いという問題がある。しかも、締付板５の平行度を維持することが困難になり、調芯機能を有することができず、外部からの衝撃や振動に対する揺れを有効に抑制することが困難にな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、積層体の締め付け荷重調整を簡単且つ良好に行うとともに、調芯機能を有して撓み等の低減を図ることが可能な高品質な燃料電池スタックの積層荷重調整装置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・電極構造体とセパレータを有する複数の単位セルが積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向両端には、エンドプレートが配設される燃料電池スタックの積層荷重調整装置に関するものである。

この積層荷重調整装置は、少なくとも一方のエンドプレートの内側に配置され、前記エンドプレートの面方向に移動可能で且つ互いに逆方向に傾斜する傾斜面を有する一対の傾斜部材と、右ねじ部及び左ねじ部を有し、一方向の回転によって前記一対の傾斜部材を互いに近接する方向に移動させるとともに、他方向の回転によって前記一対の傾斜部材を互いに離間する方向に移動させる移動機構と、前記一対の傾斜部材と前記積層体との間に配置され、前記一対の傾斜部材の移動作用下に前記積層体の積層方向に移動する押圧部材とを備えている。

また、移動機構は、一方の傾斜部材に固定される右ねじ部と、他方の傾斜部材に固定される左ねじ部と、前記右ねじ部及び前記左ねじ部が一体に螺合するとともに、回転操作されるナット部とを備えることが好ましい。

さらに、エンドプレートには、ナット部を外方から回転操作するための開口部が形成されることが好ましい。

さらにまた、移動機構は、一方の傾斜部材に螺合される右ねじ部及び他方の傾斜部材に螺合される左ねじ部が一体に連結される連結棒体と、前記連結棒体の端部に設けられ、該連結棒体を回転操作する操作部とを備えることが好ましい。

また、押圧部材は、一対の傾斜部材の各傾斜面に当接する傾斜面を有することが好ましい。

本発明によれば、移動機構を一方向に回転させると、一対の傾斜部材が互いに近接する方向に移動するため、前記一対の傾斜部材の傾斜面に当接する押圧部材は、平行度を維持した状態で積層体の積層方向一方に移動する。さらに、移動機構を他方向に回転させると、一対の傾斜部材が互いに離間する方向に移動するため、前記一対の傾斜部材の傾斜面に当接する押圧部材は、平行度を維持した状態で積層体の積層方向他方に移動する。

従って、移動機構を回転させるだけで、押圧部材が平行度を維持した状態で、積層方向に進退することができる。これにより、押圧部材を介して積層体の締め付け荷重調整を簡単且つ良好に行うとともに、調芯機能を有して撓み等の低減を図ることが可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る積層荷重調整装置１０を組み込む燃料電池スタック１２の概略斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池スタック１２の側面説明図である。

燃料電池スタック１２は、例えば、車載用として使用される。この燃料電池スタック１２は、複数の単位セル１４が矢印Ａ方向に積層された積層体を構成する。図３に示すように、単位セル１４は、電解質膜・電極構造体１６と、前記電解質膜・電極構造体１６を挟持する第１セパレータ１８及び第２セパレータ２０とを有する。第１セパレータ１８及び第２セパレータ２０は、カーボンセパレータ又は金属セパレータにより構成される。

第１セパレータ１８及び第２セパレータ２０は、縦長形状を有するとともに、長辺が重力方向（矢印Ｃ方向）に向かい且つ短辺が水平方向（矢印Ｂ方向）に向かうように構成される。

単位セル１４の長辺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２２ａ、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２４ａが設けられる。

単位セル１４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２４ｂ、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２２ｂが設けられる。

単位セル１４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２６ａが設けられるとともに、前記単位セル１４の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２６ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体１６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２８と、前記固体高分子電解質膜２８を挟持するカソード側電極３０及びアノード側電極３２とを備える。

カソード側電極３０及びアノード側電極３２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２８の両面に形成される。

第１セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１６に向かう面１８ａには、酸化剤ガス供給連通孔２２ａと酸化剤ガス排出連通孔２２ｂとを連通する酸化剤ガス流路３４が形成される。酸化剤ガス流路３４は、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に延在する。

第２セパレータ２０の電解質膜・電極構造体１６に向かう面２０ａには、燃料ガス供給連通孔２４ａと燃料ガス排出連通孔２４ｂとを連通する燃料ガス流路３６が形成される。燃料ガス流路３６は、矢印Ｃ方向に延在する。

第２セパレータ２０の面２０ｂと、第１セパレータ１８の面１８ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔２６ａと冷却媒体排出連通孔２６ｂとに連通する冷却媒体流路３８が形成される。冷却媒体流路３８は、矢印Ｂ方向に延在する。

電解質膜・電極構造体１６と第１セパレータ１８及び第２セパレータ２０との間、並びに互いに隣接する前記第１セパレータ１８と前記第２セパレータ２０との間（隣接する単位セル１４間）には、図示しないが、シール部材が配設される。

図１及び図２に示すように、単位セル１４の積層方向両端には、ターミナルプレート４０ａ、４０ｂ、絶縁プレート４２ａ、４２ｂ及びエンドプレート４４ａ、４４ｂが外方に向かって配設される。エンドプレート４４ａ、４４ｂは、例えば、アルミニウムやマグネシウム等の軽金属で構成される。

燃料電池スタック１２では、例えば、長方形状に構成されるエンドプレート４４ａ、４４ｂが、矢印Ａ方向に延在する複数のタイロッド４６により一体的に締め付け保持される。なお、燃料電池スタック１２は、エンドプレート４４ａ、４４ｂを端板として含む箱状ケーシング（図示せず）により一体的に保持してもよい。

積層荷重調整装置１０は、エンドプレート４４ａと絶縁プレート４２ａとの間に配設される。この積層荷重調整装置１０は、図１、図２及び図４に示すように、エンドプレート４４ａの内側面に摺接して配置され、互いに対称形状を有する一対の傾斜部材５０ａ、５０ｂと、前記傾斜部材５０ａ、５０ｂを互いに近接する方向及び離間する方向に一体に移動させる移動機構５２と、前記傾斜部材５０ａ、５０ｂと絶縁プレート４２ａとの間に配置され、該傾斜部材５０ａ、５０ｂの移動作用下に、複数の単位セル１４の積層方向（矢印Ａ方向）に移動する押圧部材５４とを備える。

傾斜部材５０ａ、５０ｂは、略楔形状を有する。上方に配置される傾斜部材５０ａは、エンドプレート４４ａに隣接する摺動面５６ａを有するとともに、この摺動面５６ａの反対側には、押圧部材５４に対向する傾斜面５８ａが設けられる。この傾斜面５８ａは、鉛直下方向に向かってエンドプレート４４ａ側に傾斜する。

下方に配置される傾斜部材５０ｂは、エンドプレート４４ａに摺接する摺動面５６ｂを有するとともに、この摺動面５６ｂとは反対側には、押圧部材５４に対向して傾斜面５８ｂが設けられる。傾斜面５８ｂは、傾斜面５８ａとは逆方向に、すなわち、鉛直上方向に向かってエンドプレート４４ａ側に傾斜する。

移動機構５２は、傾斜部材５０ａ内に埋設され、下端部が前記傾斜部材５０ａから下方に延在する一以上、例えば、２本の右ねじ部材６０ａと、傾斜部材５０ｂ内に埋設され、上端部が前記傾斜部材５０ｂから上方に延在する一以上、例えば、２本の左ねじ部材６０ｂと、前記右ねじ部材６０ａ及び前記左ねじ部材６０ｂを一体に螺合する２つのナット部材６２とを備える（所謂、ターンバックル）。ナット部材６２は、例えば、外周が６角形状を有することにより、スパナ（図示せず）を介して回転操作が簡素化される。

なお、傾斜部材５０ａ、５０ｂは、それぞれ２本の右ねじ部材６０ａ及び２本の左ねじ部材６０ｂに対応して左右に分割（例えば、２分割）されていてもよい。

エンドプレート４４ａには、各ナット部材６２を外部から回転操作可能な２つの開口部６４が形成される。押圧部材５４は、単位セル１４側に平坦面６６を有するとともに、傾斜部材５０ａ、５０ｂ側には、それぞれの傾斜面５８ａ、５８ｂに対応する傾斜面６８ａ、６８ｂを有する。

図示しないが、エンドプレート４４ｂの左右両端縁部には、冷却媒体供給連通孔２６ａと冷却媒体排出連通孔２６ｂとが設けられる。エンドプレート４４ｂの上下両端縁部には、酸化剤ガス供給連通孔２２ａ、燃料ガス供給連通孔２４ａ、酸化剤ガス排出連通孔２２ｂ及び燃料ガス排出連通孔２４ｂが設けられる。

このように構成される燃料電池スタック１２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１２では、エンドプレート４４ｂ側から酸素含有ガス等の酸化剤ガスと、水素含有ガス等の燃料ガスと、純水やエチレングリコール等の冷却媒体とが供給される。

図３に示すように、酸化剤ガスは、各単位セル１４を構成する酸化剤ガス供給連通孔２２ａから第１セパレータ１８の酸化剤ガス流路３４に導入され、電解質膜・電極構造体１６のカソード側電極３０に沿って鉛直下方向に移動する。一方、燃料ガスは、各単位セル１４を構成する燃料ガス供給連通孔２４ａから第２セパレータ２０の燃料ガス流路３６に導入され、電解質膜・電極構造体１６のアノード側電極３２に沿って鉛直下方向に移動する。

上記のように、各電解質膜・電極構造体１６では、カソード側電極３０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３２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３０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２２ｂからエンドプレート４４ｂ側に排出される。同様に、アノード側電極３２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２４ｂからエンドプレート４４ｂ側に排出される。

また、冷却媒体は、第１及び第２セパレータ１８、２０間の冷却媒体流路３８に導入される。この冷却媒体は、矢印Ｂ方向（水平方向）に沿って流動し、電解質膜・電極構造体１６を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２６ｂからエンドプレート４４ｂ側に排出される。

この場合、第１の実施形態では、燃料電池スタック１２内に積層荷重調整装置１０を備えている。この積層荷重調整装置１０では、移動機構５２を構成する各ナット部材６２が、エンドプレート４４ａの各開口部６４を介して一方向に回転されると、前記ナット部材６２に螺合する右ねじ部材６０ａは、例えば、鉛直下方向に移動し、前記右ねじ部材６０ａが埋設される傾斜部材５０ａは、鉛直下方向に移動する（図５参照）。

一方、ナット部材６２に螺合する左ねじ部材６０ｂは、右ねじ部材６０ａとは逆方向に、すなわち、鉛直上方向に移動する。このため、左ねじ部材６０ｂが埋設される傾斜部材５０ｂは、鉛直上方向に移動する（図５参照）。

従って、一対の傾斜部材５０ａ、５０ｂは、互いに近接する方向に移動し、前記傾斜部材５０ａ、５０ｂの傾斜面５８ａ、５８ｂに当接する傾斜面６８ａ、６８ｂを有する押圧部材５４は、平行度を維持した状態で、複数の単位セル１４の積層方向一方（エンドプレート４４ｂ側）に移動する。これにより、押圧部材５４は、一対の傾斜部材５０ａ、５０ｂの移動作用下に、複数の単位セル１４の締め付け荷重調整を簡単且つ良好に行うことができるという効果が得られる。

しかも、上下一対の傾斜部材５０ａ、５０ｂは、互いに対称形状に配置されている。このため、押圧部材５４が積層方向に対して揺動することを抑制するとともに、傾斜部材５０ａ、５０ｂの楔形状による調芯機能を発揮することができる。従って、複数の単位セル１４は、積層方向に対して互いに平行移動を維持することが可能になり、例えば、撓み等の発生を可及的に阻止して円滑且つ良好に締め付け荷重調整が遂行されるという利点がある。これにより、高品質な燃料電池スタック１２を容易に得ることができる。

なお、積層荷重調整装置１０による締め付け荷重を緩和する際には、ナット部材６２を逆方向に回転させ、このナット部材６２に螺合する右ねじ部材６０ａ及び左ねじ部材６０ｂを互いに離間する方向に移動させる。このため、一対の傾斜部材５０ａ、５０ｂは、互いに離間する方向に移動し、押圧部材５４がエンドプレート４４ａ側に移動して締め付け荷重の緩和が行われる。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る積層荷重調整装置８０の概略斜視説明図であり、図７は、前記積層荷重調整装置８０の側面説明図である。なお、第１の実施形態に係る積層荷重調整装置１０及び燃料電池スタック１２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。

積層荷重調整装置８０は、一対の傾斜部材８２ａ、８２ｂと、移動機構８４と、押圧部材５４とを備える。上方の傾斜部材８２ａには、鉛直方向に貫通して一以上、例えば、２本のねじ孔８６ａが設けられるとともに、下方の傾斜部材８２ｂには、前記ねじ孔８６ａと同軸上に且つ逆ねじである２本のねじ孔８６ｂが、鉛直方向に貫通形成される。

移動機構８４は、傾斜部材８２ａのねじ孔８６ａに螺合される右ねじ部８８ａ及び傾斜部材８２ｂのねじ孔８６ｂに螺合される左ねじ部８８ｂが一体に連結された連結棒体９０を備える。各連結棒体９０の端部には、前記連結棒体９０を回転操作するつまみ部（操作部）９２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、移動機構８４を構成するつまみ部９２が一方向に回転されると、連結棒体９０に設けられている右ねじ部８８ａ及び左ねじ部８８ｂが一方向に回転する。従って、右ねじ部８８ａが螺合するねじ孔８６ａを設けた傾斜部材８２ａと、左ねじ部８８ｂに螺合するねじ孔８６ｂを設けた傾斜部材８２ｂとは、例えば、互いに近接する方向に移動する。

このため、傾斜部材８２ａ、８２ｂの傾斜面５８ａ、５８ｂの押圧作用下に、押圧部材５４は、各単位セル１４を締め付ける方向に移動し、前記単位セル１４に締め付け荷重を付与する。その際、押圧部材５４は、平行移動を維持して積層方向に確実に移動することができ、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

また、第２の実施形態では、操作部であるつまみ部９２が連結棒体９０の端部に設けられており、例えば、エンドプレート４４ａには、このつまみ部９２を露呈させるための開口部が不要になるという利点がある。

図８は、本発明の第３の実施形態に係る積層荷重調整装置１００を組み込む燃料電池スタック１２の側面説明図である。なお、第２の実施形態に係る積層荷重調整装置８０及び燃料電池スタック１２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。

積層荷重調整装置１００は、一対の傾斜部材８２ａ、８２ｂと、移動機構８４と、エンドプレート１０２とを備える。エンドプレート１０２は、単位セル１４に向かって傾斜面６８ａ、６８ｂを有する一方、傾斜部材８２ａ、８２ｂは、傾斜面５８ａ、５８ｂを前記傾斜面６８ａ、６８ｂに対向して配置される。

このように構成される第３の実施形態では、移動機構８４を構成するつまみ部９２が一方向に回転されると、連結棒体９０に設けられている右ねじ部８８ａ及び左ねじ部８８ｂが一方向に回転する。従って、傾斜部材８２ａ及び傾斜部材８２ｂは、例えば、互いに近接する方向に移動する。このため、傾斜部材８２ａ、８２ｂの傾斜面５８ａ、５８ｂとエンドプレート１０２の傾斜面６８ａ、６８ｂとの押圧作用下に、前記傾斜部材８２ａ及び前記傾斜部材８２ｂは、各単位セル１４を締め付ける方向に移動する。

これにより、第３の実施形態では、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第１〜第３の実施形態では、上下に一対の傾斜部材５０ａ、５０ｂと８２ａ、８２ｂとを備えているが、これに限定されるものではない。例えば、左右に一対の傾斜部材（図示せず）を配設してもよい。

本発明の第１の実施形態に係る積層荷重調整装置を組み込む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側面説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視図である。 前記積層荷重調整装置の要部斜視説明図である。 前記積層荷重調整装置の動作説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る積層荷重調整装置の要部斜視説明図である。 前記積層荷重調整装置の側面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る積層荷重調整装置を組み込む燃料電池スタックの側面説明図である。 特許文献１に開示されている平板形固体電解質燃料電池の説明図である。

符号の説明

１０、８０、１００…積層荷重調整装置 １２…燃料電池スタック
１４…単位セル １６…電解質膜・電極構造体
１８、２０…セパレータ ２８…固体高分子電解質膜
３０…カソード側電極 ３２…アノード側電極
４０ａ、４０ｂ…ターミナルプレート ４２ａ、４２ｂ…絶縁プレート
４４ａ、４４ｂ、１０２…エンドプレート
５０ａ、５０ｂ、８２ａ、８２ｂ…傾斜部材
５２、８４…移動機構 ５４…押圧部材
５８ａ、５８ｂ…傾斜面 ６０ａ、８８ａ…右ねじ部材
６０ｂ、８８ｂ…左ねじ部材 ６２…ナット部材
６４…開口部 ８６ａ、８６ｂ…ねじ孔
９０…連結棒体 ９２…つまみ部

Claims (5)

1. 電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体とセパレータとを有する複数の単位セルが積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向両端には、エンドプレートが配設される燃料電池スタックの積層荷重調整装置であって、
   少なくとも一方の前記エンドプレートの内側に配置され、前記エンドプレートの面方向に移動可能で且つ互いに逆方向に傾斜する傾斜面を有する一対の傾斜部材と、
   右ねじ部及び左ねじ部を有し、一方向の回転によって前記一対の傾斜部材を互いに近接する方向に移動させるとともに、他方向の回転によって前記一対の傾斜部材を互いに離間する方向に移動させる移動機構と、
   前記一対の傾斜部材と前記積層体との間に配置され、前記一対の傾斜部材の移動作用下に前記積層体の積層方向に移動する押圧部材と、
   を備えることを特徴とする燃料電池スタックの積層荷重調整装置。
2. 請求項１記載の積層荷重調整装置において、前記移動機構は、一方の前記傾斜部材に固定される前記右ねじ部と、
   他方の前記傾斜部材に固定される前記左ねじ部と、
   前記右ねじ部及び前記左ねじ部が一体に螺合するとともに、回転操作されるナット部と、
   を備えることを特徴とする燃料電池スタックの積層荷重調整装置。
3. 請求項２記載の積層荷重調整装置において、前記エンドプレートには、前記ナット部を外方から回転操作するための開口部が形成されることを特徴とする燃料電池スタックの積層荷重調整装置。
4. 請求項１記載の積層荷重調整装置において、前記移動機構は、一方の前記傾斜部材に螺合される前記右ねじ部及び他方の前記傾斜部材に螺合される前記左ねじ部が一体に連結される連結棒体と、
   前記連結棒体の端部に設けられ、該連結棒体を回転操作する操作部と、
   を備えることを特徴とする燃料電池スタックの積層荷重調整装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の積層荷重調整装置において、前記押圧部材は、前記一対の傾斜部材の各傾斜面に当接する傾斜面を有することを特徴とする燃料電池スタックの積層荷重調整装置。

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