JP5318458B2 - 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・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セル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スタックが知られている。この燃料電池スタックでは、燃料ガスが供給されるアノード側電極、酸化剤ガスが供給されるカソード側電極、及び前記アノード側電極と前記カソード側電極との間に介装された電解質を有する接合体と、前記燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路又は前記酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給路が設けられて前記接合体を挟持する１対のセパレータとを備える単セルが、所定数で互いに電気的に直列接続された積層体を具備している。

そして、積層体の外側には、集電用電極を介してエンドプレートがそれぞれ配設されており、前記積層体及び前記集電用電極は、少なくとも一側面が着脱可能なケースに収容されており、且つ前記ケースの開口端部には、前記エンドプレートがヒンジ機構によって該ケースに連結されていることを特徴としている。

特開２００２−２９８９０１号公報

ところで、上記のヒンジ機構は、エンドプレート及びケース等の板状取り付け部に、複数のヒンジ部が設けられるとともに、前記ヒンジ部に連結ピンが一体に挿入されている。

その際、連結ピンがヒンジ部から離脱することを阻止するために、抜け止め構造が必要である。この抜け止め構造としては、通常、連結ピンの一端を大径に形成したつば部（大径フランジ部）を設けるとともに、前記連結ピンの他端に、Ｅリング装着用の溝部を形成する構造が採用されている。

しかしながら、連結ピンの一端につば部を形成する一方、前記連結ピンの他端に溝部を形成するため、前記連結ピンの製造作業が煩雑化するとともに、製造コストが高騰するという問題がある。さらに、Ｅリングの装着作業に時間がかかって作業効率が低下し、しかも前記Ｅリングが外れ易く、連結ピンの抜け止め機能を確実に得ることができないおそれがある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、連結ピンの抜け止めを確実に行う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・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セル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矩形状の端板と、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ピンと、前記端板の角部に配置され、該端板の互いに隣り合う辺に沿って延在する２つの前記連結ピンの端面に対向する屈曲形状の抜け止め部材とを備え、前記抜け止め部材の一端は、一方の前記連結ピンの端面に対向し、且つ、前記抜け止め部材の他端は、他方の前記連結ピンの端面に対向している。

本発明では、端板の角部に配置される抜け止め部材が、連結ピンの端面に対向するため、前記連結ピンの抜け止めを確実に行うことができる。しかも、連結ピンには、つば部やＥリング装着用溝部を形成する必要がない。このため、簡単な構成で、連結ピンを経済的に製造することが可能になるとともに、Ｅリングの装着作業等が不要になり、組み立て作業性が有効に向上する。

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の一部分解概略斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の一部断面側面図である。

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１８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、絶縁性スペーサ部材２２（絶縁プレート１８を用いてもよい）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、縦長の長方形状に構成されるエンドプレート（長方形状エンドプレート）２０ａ、２０ｂを端板として含む箱状のケーシング２４により一体的に保持される。

図２及び図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）３０と、前記電解質膜・電極構造体３０を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ３２、３４とを備える。なお、第１及び第２金属セパレータ３２、３４に代えて、カーボンセパレータを用いてもよい。

単位セル１２の長辺方向（図３中、矢印Ｃ方向）の一端縁部（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供給連通孔３８ａが設けられる。

単位セル１２の長辺方向の他端縁部（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３８ｂ、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３６ｂ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、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔４０ａが設けられるとともに、前記単位セル１２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４０ｂが設けられる。

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４２と、前記固体高分子電解質膜４２を挟持するアノード側電極４４及びカソード側電極４６とを備える。

アノード側電極４４及びカソード側電極４６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され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４２の両面に形成される。

第１金属セパレータ３２の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３２ａには、燃料ガス供給連通孔３８ａと燃料ガス排出連通孔３８ｂとを連通する燃料ガス流路４８が矢印Ｃ方向に沿って形成される。第１金属セパレータ３２の面３２ｂには、冷却媒体供給連通孔４０ａと冷却媒体排出連通孔４０ｂとを連通する冷却媒体流路５０が矢印Ｂ方向に沿って形成される。

第２金属セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３４ａには、矢印Ｃ方向に沿って酸化剤ガス流路５２が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路５２は、酸化剤ガス供給連通孔３６ａと酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとに連通する。第２金属セパレータ３４の面３４ｂには、第１金属セパレータ３２の面３２ｂと重なり合って冷却媒体流路５０が一体的に形成される。

第１金属セパレータ３２の面３２ａ、３２ｂには、この第１金属セパレータ３２の外周端縁部を周回して第１シール部材５４が一体成形される。第２金属セパレータ３４の面３４ａ、３４ｂには、この第２金属セパレータ３４の外周端縁部を周回して第２シール部材５６が一体成形される。

図２に示すように、第１及び第２シール部材５４、５６間には、固体高分子電解質膜４２の外周が、直接、ケーシング２４に接触することを阻止するために、シール５７が介装される。

図１に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの中央部上方側には、積層方向に突出する棒状の端子部５８ａ、５８ｂが設けられる。端子部５８ａ、５８ｂは、エンドプレート２０ａ、２０ｂに形成された孔部５９ａ、５９ｂを通って外部に突出するとともに、前記端子部５８ａ、５８ｂには、例えば、走行用モータ等の負荷が接続される。

ケーシング２４は、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６０ａ〜６０ｄと、前記側板６０ａ〜６０ｄの互いに近接する端部同士を連結するアングル部材６２ａ〜６２ｄと、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂと前記側板６０ａ〜６０ｄとを連結するそれぞれ長さの異なる丸棒状の連結ピン６４ａ、６４ｂと、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂの各角部に配置され、該エンドプレート２０ａ、２０ｂの互いに隣り合う辺に沿って延在する２つの前記連結ピン６４ａ、６４ｂの端面に対向する屈曲形状の抜け止め部材６５とを備える。

側板６０ａ〜６０ｄは、例えば、薄板金属製プレートで構成される。側板６０ａ〜６０ｄは、アングル部材６２ａ〜６２ｄ及びボルト６７を介して互いに固定され、ケーシング２４が構成される（図４参照）。

図１及び図４に示すように、エンドプレート２０ａ、２０ｂの上下各辺（短辺）には、それぞれ１つの第１支持部６６ａ、６６ｂが突出形成されるとともに、両側の各辺（長辺）には、それぞれ２つの第１支持部６６ｃ、６６ｄが突出形成される。エンドプレート２０ａ、２０ｂの各角部近傍には、抜け止め部材６５を取り付けるためのねじ穴６８が形成される。

積層体１４の矢印Ｂ方向両側に配置される側板６０ａ、６０ｃの長手方向（矢印Ａ方向）両端には、第２支持部７０ａ、７０ｂが３つずつ形成される。積層体１４の上下両側に配置される側板６０ｂ、６０ｄの長手方向両端には、第２支持部７２ａ、７２ｂが２つずつ形成される。

図４に示すように、側板６０ａ、６０ｃの各第２支持部７０ａ、７０ｂ間には、エンドプレート２０ａ、２０ｂの両側の各辺の第１支持部６６ｃ、６６ｄが配置されるとともに、これらに長尺な連結ピン６４ａが一体的に挿入される。

同様に、側板６０ｂ、６０ｄの第２支持部７２ａ、７２ｂは、エンドプレート２０ａ、２０ｂの上辺及び下辺の第１支持部６６ａ、６６ｂと交互に配置されるとともに、これらに短尺な連結ピン６４ｂが一体的に挿入される。

抜け止め部材６５は、例えば、エンドプレート２０ａ、２０ｂと同一の材料で形成されるＬ字状板部材である。この抜け止め部材６５の両端部には、連結ピン６４ａ、６４ｂの端面に対向する受け部６５ａ、６５ｂが屈曲形成される。抜け止め部材６５には、エンドプレート２０ａ、２０ｂのねじ穴６８に対応して孔部７４が形成される。この孔部７４に挿入されるボルト６７が、ねじ穴６８に螺合することにより、抜け止め部材６５は、エンドプレート２０ａ、２０ｂの各角部に対応して固着される。

図１に示すように、エンドプレート２０ａには、酸化剤ガス供給連通孔３６ａに連通する酸化剤ガス入口７６ａ、燃料ガス供給連通孔３８ａに連通する燃料ガス入口７８ａ、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに連通する酸化剤ガス出口７６ｂ及び燃料ガス排出連通孔３８ｂに連通する燃料ガス出口７８ｂが設けられる。

エンドプレート２０ｂには、冷却媒体供給連通孔４０ａに連通する冷却媒体入口８０ａと、冷却媒体排出連通孔４０ｂに連通する冷却媒体出口８０ｂ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。

図４に示すように、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス入口７６ａ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７８ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、エンドプレート２０ｂの冷却媒体入口８０ａ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（図１参照）。

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、酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、燃料ガス供給連通孔３８ａ及び冷却媒体供給連通孔４０ａに、それぞれ酸化剤ガス、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３６ａから第２金属セパレータ３４の酸化剤ガス流路５２に導入され、電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極４６に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３８ａから第１金属セパレータ３２の燃料ガス流路４８に導入され、電解質膜・電極構造体３０のアノード側電極４４に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体３０では、カソード側電極４６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４４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４６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３６ｂに沿って流動した後、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス出口７６ｂから外部に排出される（図４参照）。同様に、アノード側電極４４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３８ｂに排出されて流動し、エンドプレート２０ａの燃料ガス出口７８ｂ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４０ａから第１及び第２金属セパレータ３２、３４間の冷却媒体流路５０に導入され、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３０を冷却した後、冷却媒体排出連通孔４０ｂを移動してエンドプレート２０ｂの冷却媒体出口８０ｂから排出される（図１参照）。

この場合、第１の実施形態では、エンドプレート２０ａ、２０ｂの各角部に対応して抜け止め部材６５が固着されるとともに、前記抜け止め部材６５の両端部に形成された受け部６５ａ、６５ｂは、連結ピン６４ａ、６４ｂの端面に対向している。このため、連結ピン６４ａ、６４ｂの抜け止めを確実に行うことができるという効果が得られる。

しかも、連結ピン６４ａ、６４ｂには、つば部やＥリング装着用溝部を形成する必要がない。これにより、簡単な構成で、連結ピン６４ａ、６４ｂを経済的に製造することが可能になるとともに、Ｅリングの装着作業等が不要になり、組み立て作業性が有効に向上する。

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の斜視説明図である。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を構成するケーシング９２は、連結ピン６４ａ、６４ｂの抜け止め機能を有する抜け止め部材９４を備える。抜け止め部材９４は、比較的肉厚な板部材をＬ字状に屈曲して構成される。抜け止め部材９４の両端面９４ａ、９４ｂは、連結ピン６４ａ、６４ｂの端面に対向する。

このように構成される第２の実施形態では、簡単な構成で、連結ピン６４ａ、６４ｂの抜け止めを確実に行うことができるとともに、前記連結ピン６４ａ、６４ｂを経済的に製造することが可能になる等、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分解概略斜視図である。 前記燃料電池スタックの一部断面側面図である。 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斜視説明図である。

符号の説明

１０、９０…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
１８…絶縁プレート ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２２…スペーサ部材 ２４、９２…ケーシング
３０…電解質膜・電極構造体 ３２、３４…金属セパレータ
４２…固体高分子電解質膜 ４４…アノード側電極
４６…カソード側電極 ４８…燃料ガス流路
５０…冷却媒体流路 ５２…酸化剤ガス流路
６０ａ〜６０ｄ…側板 ６４ａ、６４ｂ…連結ピン
６５、９４…抜け止め部材

Claims (2)

1. 一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セル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矩形状の端板と、
   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ピンと、
   前記端板の角部に配置され、該端板の互いに隣り合う辺に沿って延在する２つの前記連結ピンの端面に対向する屈曲形状の抜け止め部材と、
   を備え、
   前記抜け止め部材の一端は、一方の前記連結ピンの端面に対向し、且つ、前記抜け止め部材の他端は、他方の前記連結ピンの端面に対向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、前記端板は、前記積層体の積層方向両端に配置されるエンドプレートであり、
   前記抜け止め部材は、前記エンドプレートの各角部に対応して固着されることを特徴とする燃料電池スタック。

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