JP5372860B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

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・電極構造体と長方形状の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の各長辺同士は、締結部材により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（発電セル）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。

例えば、特許文献１に開示された燃料電池セルスタックは、図６に示すように、複数の燃料電池セル１をエンドプレート２、３で挟んだ積層体を保持するとともに、複数枚の締め付け板４を備えている。締め付け板４は、積層体の側部に当接し、且つ、前記積層体の上部又は下部の少なくとも一方に折り曲げ部４ａを設けている。そして、締め付け板４の折り曲げ部４ａは、エンドプレート２、３にボルト５及びナット６を介して固定されている。

特開２００４−３６２９４０号公報

上記の特許文献１では、長方形状の４枚の締め付け板４が用いられており、各締め付け板４の両端部である折り曲げ部４ａは、エンドプレート２、３の各辺の中央部に固定されている。このため、エンドプレート２、３には、締め付け方向（積層方向）の特定位置に応力が集中し易くなる。これにより、エンドプレート２、３に歪み等が惹起し、積層体の全面（特に、発電面全面）に均一な締め付け力を付与することができ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、小型且つ軽量な構成で、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・電極構造体と長方形状の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の各長辺同士は、締結部材により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では、一方のエンドプレートには、積層体に向かって付与される締結荷重を調整可能な加圧調整装置が設けられるとともに、締結部材は、前記一方のエンドプレート側の一端部に、該一方のエンドプレートの面方向に屈曲して前記加圧調整装置に連結される折り曲げ部と、他方のエンドプレート側の他端部に、前記他方のエンドプレート長辺側に向かって幅寸法が伸びた幅広部とを設けている。

また、この燃料電池スタックでは、締結部材は、一対のエンドプレートの各長辺間に同一の幅寸法で延在する本体部を備えるとともに、前記本体部の他端部側には、それぞれ他方のエンドプレートの長辺両端部に向かって互いに離間する方向に延在することにより、幅広部を構成する一対の補強板部が設けられることが好ましい。

さらに、この燃料電池スタックでは、加圧調整装置は、複数の荷重センサが一方のエンドプレートに連結された荷重測定機構と、折り曲げ部に設けられるねじ孔にねじ込まれ、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、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複数の荷重調整ボルトを有する加圧機構とを備えるとともに、前記荷重調整ボルトは、前記締結部材に対して前記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、締結部材を構成する折り曲げ部に、加圧調整装置が連結されているため、前記加圧調整装置を取り付けるための専用プレートが不要になる。従って、部品点数が有効に削減され、小型化及び軽量化が図られるとともに、構成を簡素化することができる。

しかも、締結部材は、他方のエンドプレート側の他端部に、幅広部を設けている。このため、幅広部とエンドプレートとは、前記エンドプレートの長辺方向に比較的広範囲で連結され、前記エンドプレートに応力が集中することを良好に阻止することが可能になる。

これにより、小型且つ軽量な構成で、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の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの一部分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの、図３中、ＩＶ−ＩＶ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。 特許文献１の燃料電池セルスタックの斜視説明図である。

図１及び図２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では、複数の燃料電池１２が矢印Ａ方向（鉛直方向）に積層されることにより積層体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（他方のエンドプレート）２０ａが積層される。

図１〜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、第２エンドプレート（一方のエンドプレート）２０ｂ及び加圧調整装置２２が積層される。加圧調整装置２２は、荷重測定機構２４と加圧機構２６とを備える。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５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５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及び図２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、一対の締結部材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。締結部材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の各長辺側（第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂの長辺側）に１本ずつ配設される。締結部材６０は、左右対称形状に構成される。

締結部材６０は、第２エンドプレート２０ｂ側の一端部に、前記第２エンドプレート２０ｂの面方向に屈曲して加圧調整装置２２、具体的には、加圧機構２６に連結される折り曲げ部６２を設けるとともに、第１エンドプレート２０ａ側の他端部に、前記第１エンドプレート２０ａの長辺側に向かって幅寸法が伸びた幅広部６４を設ける。

締結部材６０は、第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂの各長辺間に同一の幅寸法で延在する本体部６６を備えるとともに、前記本体部６６の他端部側には、それぞれ第１エンドプレート２０ａの長辺両端部に向かって互いに離間する方向に延在することにより、幅広部６４を構成する一対の補強板部６８が設けられる。

本体部６６の幅寸法は、第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂの長辺寸法よりも小さく設定されるとともに、前記本体部６６の幅中心は、前記第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂの長辺中心と略一致する。

一対の補強板部６８は、本体部６６の下端縁部から下方に向かって互いに離間する方向に傾斜しており、前記補強板部６８の下端部は、横架板部７０を介して前記本体部６６の下端部に一体に連結される。横架板部７０の幅寸法は、本体部６６の幅寸法よりも大きい。本体部６６及び一対の補強板部６８には、少なくとも１以上のリブ７２が設けられる。本体部６６及び一対の補強板部６８との間にも、リブを設けてもよい。また、本体部６６と折り曲げ部６２との間に、リブを設けてもよい。

本体部６６及び一対の補強板部６８は、図２に示すように、第１エンドプレート２０ａの長辺側に形成された孔部７４に挿入されるねじ７６がねじ込まれるねじ孔７８を設け、前記ねじ７６を介して前記第１エンドプレート２０ａに固定される。なお、本体部６６及び一対の補強板部６８は、第１エンドプレート２０ａの側面から底面に回り込んで前記第１エンドプレート２０ａに引っ掛けるように固定してもよい。

折り曲げ部６２は、鉛直方向に延在する一対（又は３個以上）の雌ねじ部８０を備える。各雌ねじ部８０は、所定の間隔だけ離間しており、鉛直方向に延在してねじ孔８０ａが貫通形成される。

図２に示すように、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８２ａ〜８２ｆが設けられる。

図３に示すように、第２エンドプレート２０ｂは、平板状に構成されるとともに、この第２エンドプレート２０ｂには、例えば、４箇所にそれぞれ円柱状の凹部８４が形成される。

図３及び図４に示すように、荷重測定機構２４は、一対の連結部材８６と、凹部８４に収容される荷重センサ、例えば、ロードセル８８とを備える。なお、一対の連結部材８６に代えて、例えば、一対の連結部材同士を結合して枠形状に一体に構成される連結部材（図示せず）を用いてもよい。

ロードセル８８には、押圧部材９０が装着されるとともに、前記押圧部材９０は、凹部８４に配置される。ロードセル８８上には、球面受け部９２が設けられる。連結部材８６の両端には、各球面受け部９２に対応する位置（同軸上の位置）に、底面が球面を有する球面状凹部９４が設けられる。

加圧機構２６は、複数、例えば、４つの荷重調整ボルト９６を備える。各荷重調整ボルト９６は、締結部材６０の雌ねじ部８０に形成されたねじ孔８０ａにねじ込まれるとともに、各々の球面状先端部９６ａは、連結部材８６の各球面状凹部９４に配置される。各荷重調整ボルト９６の中心と、各ロードセル８８の中心とは、互いに同軸上の位置に配置される。荷重調整ボルト９６には、回り止めナット９８が螺合する。

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５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５２やカーボンセペーパ等に収縮によるへたりが発生することがある。

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、２本の締結部材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、図４に示すように、加圧機構２６を構成する荷重調整ボルト９６が、第２エンドプレート２０ｂを構成する雌ねじ部８０のねじ孔８０ａにねじ込まれると、この荷重調整ボルト９６の球面状先端部９６ａは、連結部材８６の球面状凹部９４の底面を積層体１４側に押圧する。

このため、連結部材８６に荷重調整ボルト９６と同軸上に装着されているロードセル８８は、押圧部材９０を介して第２エンドプレート２０ｂを積層体１４側に押圧する。これにより、第２エンドプレート２０ｂ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９６を増し締めすることにより、各荷重調整ボルト９６と同軸上に配置されている各ロードセル８８が、第２エンドプレート２０ｂ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８８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。また、検出しながら増し締めを行うことが可能であり、面内に均一な荷重を付与することができる。

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２６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。

この場合、本実施形態では、締結部材６０は、第２エンドプレート２０ｂの面方向に屈曲して加圧調整装置２２を構成する加圧機構２６に連結される折り曲げ部６２を設けている。具体的には、折り曲げ部６２は、鉛直方向に延在する一対の雌ねじ部８０を備え、前記雌ねじ部８０に形成されているねじ孔８０ａには、加圧機構２６を構成する荷重調整ボルト９６がねじ込まれている。

従って、加圧機構２６を取り付けるための専用プレートが不要になり、部品点数が削減されて小型化及び軽量化が図られるとともに、構成を簡素化することができるという効果がある。

さらに、加圧機構２６を構成する各荷重調整ボルト９６は、各ロードセル８８と同軸上に連結部材８６を押圧している。従って、各荷重調整ボルト９６による増し締め荷重は、ロードセル８８に直接伝達される。このため、荷重調整ボルト９６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、締結部材６０には、荷重調整ボルト９６の増し締め荷重により作用する荷重が少ない。これにより、締結部材６０に必要な剛性が少なくてよく、小型及び軽量化を容易に図ることができる。その上、締結部材６０には、少なくとも１以上のリブ７２が設けられている。従って、締結部材６０の軽量化を図るとともに、強度の向上が容易に遂行される。

さらにまた、締結部材６０は、第１エンドプレート２０ａ側の他端部に、前記第１エンドプレート２０ａ側に向かって幅寸法が大きく設定される幅広部６４を設けている。これにより、幅広部６４と第１エンドプレート２０ａとは、前記第１エンドプレート２０ａの長辺方向に比較的広範囲で連結され、前記第１エンドプレート２０ａに応力が集中することを阻止することが可能になる。

これにより、小型且つ軽量な構成で、燃料電池１２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になる。

１０…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…加圧調整装置 ２４…荷重測定機構
２６…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…締結部材
６２…折り曲げ部 ６４…幅広部
６６…本体部 ６８…補強板部
７０…横架板部 ７２…リブ
７６…ねじ ８０…雌ねじ部
８０ａ…ねじ孔 ８４…凹部
８６…連結部材 ８８…ロードセル
９４…球面状凹部 ９６…荷重調整ボルト
９６ａ…球面状先端部

Claims (3)

1. 電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体と長方形状の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の各長辺同士は、締結部材により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には、前記積層体に向かって付与される締結荷重を調整可能な加圧調整装置が設けられるとともに、
   前記締結部材は、前記一方のエンドプレート側の一端部に、該一方のエンドプレートの面方向に屈曲して前記加圧調整装置に連結される折り曲げ部と、
   前記他方のエンドプレート側の他端部に、該他方のエンドプレートの長辺側に向かって幅寸法が伸びた幅広部と、
   を設け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、前記締結部材は、前記一対のエンドプレートの各長辺間に同一の幅寸法で延在する本体部を備えるとともに、
   前記本体部の前記他端部側には、それぞれ前記他方のエンドプレートの長辺両端部に向かって互いに離間する方向に延在することにより、前記幅広部を構成する一対の補強板部が設けら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、前記加圧調整装置は、複数の荷重センサが前記一方のエンドプレートに連結された荷重測定機構と、
   前記折り曲げ部に設けられるねじ孔にねじ込まれ、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複数の荷重調整ボルトを有する加圧機構と、
   を備えるとともに、
   前記荷重調整ボルトは、前記締結部材に対して前記荷重センサと同軸上の位置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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