JP5269480B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが複数積層された積層体を箱状ケーシング内に収容す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、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。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池が知られている。この燃料電池は、図８に示すように、電解質膜と該電解質膜を挟持する電極とを有する単電池２を積層した積層体３を備えている。積層体３の積層方向両側には、エンドプレート４、５が設けられるとともに、前記エンドプレート５と前記積層体３との間には、皿ばね６が設けられている。

積層体３の積層方向に沿う各側面には、前記積層体３に面圧を作用させるとともに、その面圧を保持する金属製のテンションプレート７が設けられている。

特開２００３−２０３６７０号公報

ところで、上記の燃料電池では、特に、車載用として用いられる場合、外部からの荷重を受け易い。その際、燃料電池に対して単電池２の積層方向に圧縮荷重が付与されると、エンドプレート４、５に比べて強度の低いテンションプレート７に座屈が発生するおそれがある。これにより、テンションプレート７は、積層体３側（内側）又は前記積層体３から離間する側（外側）に変形し、単電池２の損傷や外部のハーネスや周辺部品の損傷が惹起され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、燃料電池スタックに対して単位セルの積層方向に外力が付与された際、ケーシングの座屈による変形を良好に抑制するとともに、構成の簡素化を図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、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが複数積層された積層体を箱状ケーシング内に収容する燃料電池スタックに関するものである。

ケーシングは、積層体の積層方向両端部に配置される端板と、前記積層体の側部に配置される複数の側板と、前記端板と前記側板とを連結する連結部材とを備えている。そして、少なくとも端板は、側板により形成される外形輪郭線の内側に配置されている。さらに、燃料電池スタックは、矩形状の端板と積層体との間に配置される矩形状のインシュレータを備え、前記インシュレータの四隅の角部は、前記端板の四隅の角部よりも外方に突出し且つケーシングの角部内壁面よりも内方に配置されている。

また、端板は、角部に切り欠き部を設けることが好ましい。

さらに、端板及び側板は、切り欠き部を避けて設けられるヒンジ部に、連結部材である連結ピンを挿入して固定されることが好ましい。

また、インシュレータの角部には、切り欠き部が設けられることが好ましい。

本発明では、端板は、側板により形成される外形輪郭線の内側に配置されているため、燃料電池スタックに積層方向に荷重（圧縮力）が付与されると、前記側板は、前記端板を収容するようにして該端板に対して相対的に前記積層方向に移動することができる。従って、燃料電池スタックに積層方向に付与される荷重を有効に吸収することが可能になる。これにより、特に側板の座屈による変形を良好に抑制するとともに、構成の簡素化を図ることが可能になる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の一部断面概略斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の一部分解斜視図である。燃料電池スタック１０は、好適には、車載用燃料電池スタックとして使用可能である。

燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を備える。積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート（インシュレータ）１８ａ及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート（インシュレータ）１８ｂ及びエンドプレート２０ｂ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２０ａ、２０ｂを端板として含むケーシング２２により一体的に保持される。

図３に示すように、各単位セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）２６が、アノード側の第１金属セパレータ２８とカソード側の第２金属セパレータ３０とに挟持される。第１及び第２金属セパレータ２８、３０は、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有するとともに、４つの角部が切り欠かれている。

なお、第１及び第２金属セパレータ２８、３０は、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。また、第１及び第２金属セパレータ２８、３０に代替して、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。

単位セル１２の長辺方向（図３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３２ａ、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３４ａが設けられる。

単位セル１２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３４ｂ、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３２ｂが設けられる。

単位セル１２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３６ａ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３６ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体２６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３８と、前記固体高分子電解質膜３８を挟持するアノード側電極４０及びカソード側電極４２とを備える。アノード側電極４０は、カソード側電極４２よりも小さな表面積を有している。

アノード側電極４０及びカソード側電極４２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３８の両面に形成される。

第１金属セパレータ２８の電解質膜・電極構造体２６に向かう面２８ａには、燃料ガス供給連通孔３４ａと燃料ガス排出連通孔３４ｂとを連通する燃料ガス流路４４が形成される。この燃料ガス流路４４は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有するとともに、前記燃料ガス流路４４の上端及び下端に位置して入口バッファ部４６ａ及び出口バッファ部４６ｂが設けられる。

第１金属セパレータ２８の面２８ａには、燃料ガス供給連通孔３４ａと入口バッファ部４６ａとを連通する複数の供給孔部４８ａと、燃料ガス排出連通孔３４ｂと出口バッファ部４６ｂとを連通する複数の排出孔部４８ｂとが形成される。

第２金属セパレータ３０の電解質膜・電極構造体２６に向かう面３０ａには、酸化剤ガス供給連通孔３２ａと酸化剤ガス排出連通孔３２ｂとを連通する酸化剤ガス流路５０が形成される。この酸化剤ガス流路５０は、矢印Ｃ方向に延在する複数の波状流路溝を有するとともに、前記酸化剤ガス流路５０の上端及び下端に位置して入口バッファ部５２ａ及び出口バッファ部５２ｂが設けられる。

第２金属セパレータ３０の面３０ｂと、第１金属セパレータ２８の面２８ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔３６ａと冷却媒体排出連通孔３６ｂとに連通する冷却媒体流路５４が形成される。この冷却媒体流路５４は、燃料ガス流路４４の裏面形状と酸化剤ガス流路５０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２８の面２８ａ、２８ｂには、この第１金属セパレータ２８の外周端縁部を周回して第１シール部材５６が一体成形される。第２金属セパレータ３０の面３０ａ、３０ｂには、この第２金属セパレータ３０の外周端縁部を周回して第２シール部材５８が一体成形される。第１及び第２シール部材５６、５８としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、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が用いられる。

図２に示すように、ターミナルプレート１６ａの面内中央から上方に所定距離だけ離間する位置には、積層方向外方に延在して第１電力取り出し端子６０ａが設けられる。第１電力取り出し端子６０ａは、絶縁性筒状部６２に挿入された状態で、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａの孔部６４を貫通して外部に突出する（図１参照）。ターミナルプレート１６ｂの面内中央から上方に所定距離だけ離間する位置には、同様に積層方向外方に延在して第２電力取り出し端子６０ｂが設けられる（図２参照）。

エンドプレート２０ａ、２０ｂは、それぞれ４つの角部に切り欠き部６６ａ、６６ｂを設ける一方、絶縁プレート１８ａ、１８ｂの各角部６８ａ、６８ｂは、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂの角部よりも外方に突出する。角部６８ａ、６８ｂには、切り欠き部７０ａ、７０ｂが設けられる。

ケーシング２２は、図１及び図２に示すように、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７４ａ〜７４ｄと、前記側板７４ａ〜７４ｄの互いに近接する端部同士を連結するアングル部材７６と、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂ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、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２０ａ、２０ｂの上下各辺に設けられるそれぞれ２つの第１ヒンジ部８０ａ、８０ｂと、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂの左右両側の各辺に設けられるそれぞれ４つの第１ヒンジ部８０ｃ、８０ｄとを備える。

図２に示すように、ヒンジ機構７８は、さらに積層体１４の矢印Ｂ方向両側に配置される側板７４ａ、７４ｃの長手方向（矢印Ａ方向）両端に設けられるそれぞれ３つの第２ヒンジ部８２ａ、８２ｂと、前記積層体１４の上下両側に配置される側板７４ｂ、７４ｄの長手方向両端に設けられるそれぞれ３つの第２ヒンジ部８４ａ、８４ｂとを備える。

側板７４ａ、７４ｃの各３つの第２ヒンジ部８２ａ、８２ｂは、エンドプレート２０ａ、２０ｂの両側の各４つの第１ヒンジ部８０ｃ、８０ｄと交互に配置されるとともに、これらに長尺な連結ピン（連結部材）８６ａが一体的に挿入されて、前記側板７４ａ、７４ｃが前記エンドプレート２０ａ、２０ｂに取り付けられる。

同様に、側板７４ｂ、７４ｄの各３つの第２ヒンジ部８４ａ、８４ｂがエンドプレート２０ａ、２０ｂの上辺及び下辺の各２つの第１ヒンジ部８０ａ、８０ｂと交互に配置されるとともに、これらに短尺な連結ピン（連結部材）８６ｂが一体的に挿入されて、前記側板７４ｂ、７４ｄが前記エンドプレート２０ａ、２０ｂに取り付けられる。

各アングル部材７６は、単位セル１２の形状に対応して切り欠き形状の角部８８を有する。図２に示すように、側板７４ａ〜７４ｄには、短手方向両端縁部にそれぞれ複数のねじ孔９０が形成される一方、アングル部材７６の各辺には、前記ねじ孔９０に対応して孔部９２が形成される。各孔部９２に挿入される各ねじ９４は、ねじ孔９０に螺合することにより、アングル部材７６を介して側板７４ａ〜７４ｄ同士が固定される。これにより、ケーシング２２が構成される（図１参照）。

ケーシング２２は、側板７４ａ〜７４ｄ及びアングル部材７６を介して外形輪郭線を形成するとともに、エンドプレート２０ａ、２０ｂは、前記外形輪郭線の内側に配置される。絶縁プレート１８ａ、１８ｂは、角部６８ａ、６８ｂがエンドプレート２０ａ、２０ｂの角部よりも外方に突出し且つケーシング２２の角部内壁面（アングル部材７６の内壁面）よりも内方に配置される。

図１及び図２に示すように、エンドプレート２０ａには、矢印Ｃ方向に延在してそれぞれ冷却媒体入口マニホールド９６ａと、冷却媒体出口マニホールド９６ｂとが設けられる。冷却媒体入口マニホールド９６ａは、冷却媒体供給連通孔３６ａに連通する一方、冷却媒体出口マニホールド９６ｂは、冷却媒体排出連通孔３６ｂに連通する。

図２に示すように、エンドプレート２０ｂの上部側には、酸化剤ガス供給連通孔３２ａに連通する酸化剤ガス入口マニホールド９８ａと、燃料ガス供給連通孔３４ａに連通する燃料ガス入口マニホールド９９ａとが設けられる。エンドプレート２０ｂの下部側には、酸化剤ガス排出連通孔３２ｂに連通する酸化剤ガス出口マニホールド９８ｂと、燃料ガス排出連通孔３４ｂに連通する燃料ガス出口マニホールド９９ｂとが設けられる。

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。

燃料電池スタック１０では、先ず、エンドプレート２０ｂの酸化剤ガス入口マニホールド９８ａから酸化剤ガス供給連通孔３２ａ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９９ａから燃料ガス供給連通孔３４ａ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２０ａの冷却媒体入口マニホールド９６ａから冷却媒体供給連通孔３６ａ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１４では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数の単位セル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３２ａから第２金属セパレータ３０の酸化剤ガス流路５０に導入され、電解質膜・電極構造体２６のカソード側電極４２に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３４ａから第１金属セパレータ２８の供給孔部４８ａを通って燃料ガス流路４４に導入され、電解質膜・電極構造体２６のアノード側電極４０沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体２６では、カソード側電極４２に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４０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４２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３２ｂに沿って流動した後、エンドプレート２０ｂの酸化剤ガス出口マニホールド９８ｂから外部に排出される。同様に、アノード側電極４０に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部４８ｂを通って燃料ガス排出連通孔３４ｂに排出されて流動し、エンドプレート２０ｂの燃料ガス出口マニホールド９９ｂ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３６ａから第１及び第２金属セパレータ２８、３０間の冷却媒体流路５４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２６を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３６ｂを移動してエンドプレート２０ａの冷却媒体出口マニホールド９６ｂから排出される。

この場合、第１の実施形態では、ケーシング２２は、側板７４ａ〜７４ｄ及びアングル部材７６を介して外形輪郭線を形成するとともに、エンドプレート２０ａ、２０ｂは、前記外形輪郭線の内側に配置されている。このため、燃料電池スタック１０では、例えば、車載用として使用される際に、積層方向（矢印Ａ方向）に荷重が付与されると、前記側板７４ａ〜７４ｄ及び前記アングル部材７６は、エンドプレート２０ａ、２０ｂを収容するようにして前記エンドプレート２０ａ、２０ｂに対して相対的に前記積層方向に移動することができる。

従って、燃料電池スタック１０に積層方向に付与される荷重を有効に吸収することが可能になり、特に側板７４ａ〜７４ｄ及びアングル部材７６の座屈による変形を良好に抑制するとともに、構成の簡素化を図ることが可能になる。これにより、側板７４ａ〜７４ｄが内方に変形して単位セル１２が損傷したり、前記側板７４ａ〜７４ｄが外方に変形して、図示しないハーネスや周辺部品を損傷したりすることを、有効に阻止することが可能になる。

しかも、絶縁プレート１８ａ、１８ｂの角部６８ａ、６８ｂは、エンドプレート２０ａ、２０ｂの角部よりも外方に突出し且つケーシング２２の角部内壁面（アングル部材７６の内壁面）よりも内側に配置されている(図４参照)。

ここで、積層方向の荷重によってヒンジ機構７８が回転する時に、側板７４ａ〜７４ｄが外方に開く一方、各アングル部材７６の角部８８が内方に移動する。その際、角部８８は、絶縁プレート１８ａ（１８ｂ）の角部６８ａ（６８ｂ）の案内作用下に、前記積層方向に移動することができる(図５参照)。

しかも、高強度部材である絶縁プレート１８ａ、１８ｂの角部６８ａ、６８ｂは、エンドプレート２０ａ、２０ｂの角部よりも外方に突出している。これにより、側板７４ａ〜７４ｄ及びアングル部材７６は、エンドプレート２０ａ、２０ｂに接触することがなく、単位セル１２側への変形を良好に阻止することが可能になるという利点が得られる。

なお、第１の実施形態では、エンドプレート２０ａ、２０ｂと側板７４ａ〜７４ｄとを連結する連結部材として、連結ピン８６ａ、８６ｂを採用しているが、これに限定されるものではない。例えば、エンドプレート２０ａ、２０ｂと側板７４ａ〜７４ｄとを溶接、カシメ、ねじ止め又は引っ掛け等の連結部材により連結してもよい。

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１００の一部断面概略斜視図であり、図７は、前記燃料電池スタック１００の一部分解斜視図である。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１００では、各単位セル１２は、４つの角部に切り欠き部が設けられておらず、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂ、絶縁プレート１８ａ、１８ｂ及びエンドプレート２０ａ、２０ｂの角部にも、切り欠き部が設けられていない。絶縁プレート１８ａ、１８ｂの各角部６８ａ、６８ｂは、切り欠き部を有していないものの、第１の実施形態と同様に、エンドプレート２０ａ、２０ｂの角部よりも外方に突出する。

燃料電池スタック１００を構成するケーシング１０２は、各アングル部材７６に単位セル１２の形状に対応して９０度だけ屈曲する角部８８ａを有する。絶縁プレート１８ａ、１８ｂは、角部６８ａ、６８ｂがエンドプレート２０ａ、２０ｂの角部よりも外方に突出し且つケーシング１０２の角部内壁面（アングル部材７６の内壁面）よりも内方に配置される。

このように構成される第２の実施形態では、エンドプレート２０ａ、２０ｂは、ケーシング１０２の外形輪郭線の内側に配置されるとともに、絶縁プレート１８ａ、１８ｂの角部６８ａ、６８ｂは、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂの角部よりも外方に突出し且つ前記ケーシング１０２の角部内壁面よりも内方に配置されている。これにより、第２の実施形態は、上記の第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一部断面概略斜視図である。 前記燃料電池スタックの一部分解斜視図である。 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。 前記燃料電池スタックの要部拡大斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの動作説明図である。 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概略斜視図である。 前記燃料電池スタックの一部分解斜視図である。 特許文献１に開示されている燃料電池の説明図である。

符号の説明

１０、１００…燃料電池スタック １２…単位セル
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、１０２…ケーシング ２６…電解質膜・電極構造体
２８、３０…金属セパレータ ３８…固体高分子電解質膜
４０…アノード側電極 ４２…カソード側電極
４４…燃料ガス流路 ５０…酸化剤ガス流路
５４…冷却媒体流路
６６ａ、６６ｂ、７０ａ、７０ｂ…切り欠き部
６８ａ、６８ｂ、８８、８８ａ…角部 ７４ａ〜７４ｄ…側板
７６…アングル部材 ７８…ヒンジ機構
８０ａ〜８０ｄ、８２ａ、８２ｂ、８４ａ、８４ｂ…ヒンジ部
８６ａ、８６ｂ…連結ピン

Claims (4)

1. 一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体と、セパレータとが複数積層された積層体を箱状ケーシング内に収容する燃料電池スタックであって、
   前記ケーシングは、前記積層体の積層方向両端部に配置される端板と、
   前記積層体の側部に配置される複数の側板と、
   前記端板と前記側板とを連結する連結部材と、
   を備え、
   少なくとも前記端板は、前記側板により形成される外形輪郭線の内側に配置されるとともに、
   前記燃料電池スタックは、矩形状の前記端板と前記積層体との間に配置される矩形状のインシュレータを備え、
   前記インシュレータの四隅の角部は、前記端板の四隅の角部よりも外方に突出し且つ前記ケーシングの角部内壁面よりも内方に配置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、前記端板は、前記角部に切り欠き部を設け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、前記端板及び前記側板は、前記切り欠き部を避けて設けられるヒンジ部に、前記連結部材である連結ピンを挿入して固定されることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記インシュレータの前記角部には、切り欠き部が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。

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