JP5312172B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、複数の燃料電池が積層されるとともに、積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが配設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）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。

燃料電池スタックでは、通常、発電セルが複数積層された積層体の積層方向両端に、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが配設されている。ターミナルプレートは、積層体からの発電電力を外部に取り出すために電力取り出し端子を備えており、この電力取り出し端子は、コンタクタ（又はリレー）に接続されてモータ等の外部負荷に対して電力の供給制御（ＯＮ／ＯＦＦ制御）を行っている。

例えば、特許文献１に開示された燃料電池の端子装置では、図５に示すように、単位セル１とバイポーラプレート２とが交互に積層されるとともに、積層方向両端には、それぞれハーフプレート２ａ、ターミナルプレート３及び絶縁板４を介装してエンドプレート５が配置されている。

ターミナルプレート３には、極柱（電力取り出し端子）６が電気的に接続され、この極柱６が絶縁板４及びエンドプレート５を貫通して外部に突出している。極柱６は、絶縁スリーブ７に挿入されるとともに、ナット８を介して固定されている。極柱６には、高電圧ケーブル９が接続され、このケーブル９が図示しないコンタクタ等に接続されている。

実開昭６１−７８６８号公報

通常、単位セル１には、積層方向に沿って反応ガスを供給する反応ガス供給部、前記反応ガスを排出する反応ガス排出部、冷媒体を供給する冷媒体供給部及び前記冷媒体を排出する冷媒体排出部が形成される、所謂、内部マニホールド型燃料電池を構成する場合がある。

その際、上記の特許文献１では、エンドプレート５には、反応ガス及び冷媒体をシールするために、例えば、Ｏリングを配設する溝部が形成されている。しかも、極柱６は、絶縁板４及びエンドプレート５を貫通して外部に突出しており、前記極柱６の周囲にも、Ｏリング配設用の溝部を設ける必要がある。これにより、エンドプレート５は、形状が複雑化するとともに、肉厚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、シール構造を不要にし、燃料電池スタック全体をコンパクトに構成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、積層方向一端には、第１ターミナルプレート、第１絶縁プレート及び第１エンドプレートが積層される一方、積層方向他端には、第２ターミナルプレート、第２絶縁プレート及び第２エンドプレートが積層される燃料電池スタックに関するものである。

第１エンドプレートには、積層方向に沿って反応ガスを供給する反応ガス供給部、前記反応ガスを排ガスする反応ガス排出部、冷媒体を供給する冷媒体供給部及び前記冷媒体を排出する冷媒体排出部と、一方の電力取り出し端子とが設けられ、第２エンドプレートには、他方の電力取り出し端子が設けられている。

そして、第２絶縁プレートには、積層方向に突出して第２エンドプレートに挿入される絶縁性筒状部が設けられ、且つ前記絶縁性筒状部の内壁面には、他方の電力取り出し端子を周回するカバー部材がラジアルシールを介在して嵌合している。

また、第２エンドプレートと第２絶縁プレートとの間には、積層荷重を調整するために複数の平板状スペーサが介装されることが好ましい。

さらに、燃料電池は、重力方向に積層されるとともに、第１エンドプレートは、重力方向下端に配置されることが好ましい。

本発明によれば、第２エンドプレートには、反応ガス供給部、反応ガス排出部、冷媒体供給部及び冷媒体排出部が設けられておらず、例えば、Ｏリング配設用の溝部が不要になる。しかも、第２絶縁プレートに設けられる絶縁性筒状部の内壁面には、他方の電力取り出し端子を周回するカバー部材がラジアルシールを介在して嵌合しており、第２エンドプレートには、前記他方の電力取り出し端子をシールするための、例えば、Ｏリング配設用の溝部が不要になる。

これにより、第２エンドプレートには、シール構造を設ける必要がなく、前記第２エンドプレートの構成が一挙に簡素化して経済的であるとともに、肉薄化が容易に図られて、燃料電池スタック全体をコンパクトに構成することが可能になる。

本発明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の要部分解斜視説明図である。 前記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断面説明図である。

図１に示すように、本発明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。燃料電池１２の積層方向下端（一端）には、第１ターミナルプレート１４ａ、第１絶縁プレート１６ａ及び第１エンドプレート１８ａが積層される一方、積層方向上端（他端）には、第２ターミナルプレート１４ｂ、第２絶縁プレート１６ｂ及び第２エンドプレート１８ｂが積層される。

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、アルミニウム製の第１及び第２エンドプレート１８ａ、１８ｂ間には、複数本の連結部材５０が架け渡されることにより、前記第１及び第２エンドプレート１８ａ、１８ｂ同士が一体に固定される。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は、第１及び第２エンドプレート１８ａ、１８ｂの側部にねじ５２を介して固定される。

第１エンドプレート１８ａには、酸化剤ガス入口連通孔（反応ガス供給部）２６ａ、燃料ガス入口連通孔（反応ガス供給部）２８ａ、冷却媒体入口連通孔（冷媒体供給部）３０ａ、酸化剤ガス出口連通孔（反応ガス排出部）２６ｂ、燃料ガス出口連通孔（反応ガス排出部）２８ｂ及び冷却媒体出口連通孔（冷媒体排出部）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、第２エンドプレート１８ｂは、これらを削除した平板状に構成される。

図３に示すように、第２ターミナルプレート１４ｂには、所望の位置に積層方向（重力方向）上方に突出して棒状の電力取り出し端子（他方の電力取り出し端子）５４が設けられる。この電力取り出し端子５４の先端には、軸方向にねじ穴５５が形成される。

図３及び図４に示すように、第２絶縁プレート１６ｂには、電力取り出し端子５４を周回して積層方向上方に突出する絶縁性筒状部５６が一体又は別体に設けられる。筒状部５６は、第２エンドプレート１８ｂに形成された孔部５８に嵌合するとともに、前記第２エンドプレート１８ｂには、前記孔部５８の上端側に径方向内部に膨出して凸状部６０が設けられる。

電力取り出し端子５４には、ねじ６２を介して導電板６４の一端部が固定されるとともに、前記導電板６４の他端は、第２エンドプレート１８ｂの側方に突出し、図示しないケーブルに接続される。

導電板６４及び電力取り出し端子５４を囲繞してカバー部材６６が設けられる。カバー部材６６は、第２絶縁プレート１６ｂの筒状部５６の内壁面にラジアルシール６７を介装して摺動自在に嵌合する筒体部６８を有する。ラジアルシール６７は、筒状部５６の内壁面を径方向にシールする機能を有しており、例えば、Ｏリングが使用される。なお、ラジアルシール６７は、筒体部６８の外周面に設けたシール溝に嵌合しているが、これに代えて、筒状部５６の内周面に設けられたシール溝（図示せず）に嵌合するようにしてもよい。

筒体部６８は、第２エンドプレート１８ｂの凸状部６０に圧入され、前記凸状部６０に固定されることにより、第２エンドプレート１８ｂの端面とカバー部材６６との距離Ｌが一定に維持される。

カバー部材６６は、導電板６４を収容するアーム部６９を有するとともに、前記アーム部６９内には、前記導電板６４の両面との間に隙間Ｓ１、Ｓ２が形成される。

なお、第１ターミナルプレート１４ａ、第１絶縁プレート１６ａ及び第１エンドプレート１８ａにおいても、上記の構成と同様に構成されており、その詳細な説明は省略する。第１エンドプレート１８ａには、一方の電力取り出し端子（図示せず）が設けられる。

図３に示すように、第２絶縁プレート１６ｂ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を削除した平板状に構成されるとともに、電力取り出し端子５４を周回する筒状部５６のみが設けられている。

第２エンドプレート１８ｂと第２絶縁プレート１６ｂとの間には、積層荷重を調整するための平板状スペーサ７０が所定の枚数だけ積層して配置される。平板状スペーサ７０は、長方形状の板材で構成され、第２絶縁プレート１６ｂの筒状部５６を挿入するための孔部７２のみが設けられる。平板状スペーサ７０は、樹脂材の他、金属材又はカーボン材で構成される。

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、本実施形態では、第１エンドプレート１８ａ側に、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体をそれぞれ流通させるためのマニホールドが集中して設けられており、第２エンドプレート１８ｂ側、具体的には、第２絶縁プレート１６ｂ、平板状スペーサ７０及び前記第２エンドプレート１８ｂには、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体を流通させる必要がない。

従って、第２絶縁プレート１６ｂ、平板状スペーサ７０及び第２エンドプレート１８ｂは、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体をシールするためのシール構造が不要になる。このため、第２絶縁プレート１６ｂ、平板状スペーサ７０及び第２エンドプレート１８ｂは、構成が一挙に簡素化され、製造コストが大幅に削減されるという効果が得られる。

しかも、筒状部５６の内壁面には、電力取り出し端子５４を周回するカバー部材６６の筒体部６８が、ラジアルシール６７を介在して嵌合している。従って、第２エンドプレート１８ｂには、電力取り出し端子５４をシールするための、例えば、Ｏリング配設用の溝部が不要になる。

これにより、第２エンドプレート１８ｂには、シール構造を設ける必要がなく、前記第２エンドプレート１８ｂの構成が一挙に簡素化して経済的であるとともに、肉薄化が容易に図られて、燃料電池スタック１０全体をコンパクトに構成することが可能になるという効果が得られる。

また、図４に示すように、導電板６４を収容するアーム部６９内には、前記導電板６４の両面との間に隙間Ｓ１、Ｓ２が形成されている。従って、平板状スペーサ７０の枚数又は厚さが変更される際、隙間Ｓ１、Ｓ２により第２エンドプレート１８ｂの端面に対する電力取り出し端子５４の高さ変動を吸収することができる。このため、第２エンドプレート１８ｂの端面とカバー部材６６との距離Ｌは、常時、一定に維持されるという利点がある。

なお、本実施形態では、燃料電池スタック１０は、第２エンドプレート１８ｂを上方に配置して複数の燃料電池１２を重力方向に積層しているが、前記燃料電池１２の上下を反転させて、第１エンドプレート１８ａを上方に配置してもよい。また、これに代えて、燃料電池１２を水平方向に積層して構成してもよい。

１０…燃料電池スタック １２…燃料電池
１４ａ、１４ｂ…ターミナルプレート １６ａ、１６ｂ…絶縁プレート
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…連結部材
５４…電力取り出し端子 ５６…筒状部
５８、７２…孔部 ６０…凸状部
６４…導電板 ６６…カバー部材
６７…ラジアルシール ６８…筒体部
６９…アーム部 ７０…平板状スペーサ

Claims (3)

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、積層方向一端には、第１ターミナルプレート、第１絶縁プレート及び第１エンドプレートが積層される一方、積層方向他端には、第２ターミナルプレート、第２絶縁プレート及び第２エンドプレートが積層される燃料電池スタックであって、
   前記第１エンドプレートには、前記積層方向に沿って反応ガスを供給する反応ガス供給部、前記反応ガスを排ガスする反応ガス排出部、冷媒体を供給する冷媒体供給部及び前記冷媒体を排出する冷媒体排出部と、一方の電力取り出し端子とが設けられ、
   前記第２エンドプレートには、他方の電力取り出し端子が設けられるとともに、
   前記第２絶縁プレートには、積層方向に突出して前記第２エンドプレートに挿入される絶縁性筒状部が設けられ、且つ前記絶縁性筒状部の内壁面には、他方の前記電力取り出し端子を周回するカバー部材がラジアルシールを介在して嵌合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２エンドプレートと前記第２絶縁プレートとの間には、積層荷重を調整するために複数の平板状スペーサが介装されることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記燃料電池は、重力方向に積層されるとともに、
   前記第１エンドプレートは、重力方向下端に配置されることを特徴とする燃料電池スタック。

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