JP5378074B2 - 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とともに、積層方向両端に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。

燃料電池は、例えば、車載用として所望の発電力を得るために、所定数（例えば、数十〜数百）の単位セルを積層した燃料電池スタックとして使用されている。この種の燃料電池スタックでは、各単位セルが所望の発電性能を有しているか否かを検出する必要がある。このため、一般的には、セパレータに設けられたセル電圧端子を電圧検出装置（セル電圧モニタ）に接続して、発電時の各単位セル毎のセル電圧を検出する作業が行われている。

例えば、特許文献１に開示されている燃料電池は、図９に示すように、発電体１とセパレータ２とが交互に複数積層されるとともに、その積層方向両端には、ターミナル３、インシュレータ４を介装してエンドプレート５ａ、５ｂが配置されている。

セパレータ２には、前記セパレータ２の外周の一の長辺上に外側へ突出して長方形状の接触部６が形成されている。発電体１には、セパレータ２の接触部６に対応する位置に抜け止め部７が形成されている。

接触部６には、セル電圧モニタ端子８が取り付けられるとともに、前記セル電圧モニタ端子８は、抜け止め部７に係合して抜け止め機能が発揮されている。各セパレータ２に取り付けられているセル電圧モニタ端子８は、セルモニタケーブル９ａを介して回路基板９に接続されている。

特開２００７−１７９８７６号公報

上記の特許文献１では、多数本、例えば、数百本のセルモニタケーブル９ａを、整然とした状態で束ねる作業が必要である。しかしながら、この種の作業には、非常に多くの時間がかかるとともに、製造コストが高騰するという問題がある。しかも、例えば、テープにより束ね作業を行う際には、チッピングや泥はね等の外乱によって、セルモニタケーブル９ａに損傷が発生し易いという問題がある。

さらに、テープによる束ね作業では、セルモニタケーブル９ａを確実に固定することができない。このため、外力によって、いずれかのセルモニタケーブル９ａが引き出される等、整線が崩れるという問題が発生し易い。

一方、セルモニタケーブル９ａをコルゲート等のフレキシブルパイプにより束ねる際には、束ね部の厚さ（径寸法）が増加してしまう。これにより、燃料電池全体が大型化するという問題がある。

本発明はこの種の課題を解決するものであり、コネクタに接続されるハーネスの取り扱い性を向上させるとともに、簡単且つコンパクトな構成で、前記ハーネスの損傷を可及的に抑制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とともに、積層方向両端に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ものである。

セパレータには、コネクタに接続されて外部へ電流を取り出す電流取り出し端子が設けられる一方、前記コネクタに接続されるハーネスは、ケース部材内に配設されるとともに、前記ケース部材は、エンドプレートに固定されており、前記ケース部材は、内部空間に前記ハーネスが配置された状態で、前記ハーネスが内壁面に接する厚さに設定され、且つ、前記内部空間には、前記ハーネスを一旦折り返して前記コネクタ側に導出させる複数のリブが設けられている。

また、電流取り出し端子は、セパレータの長方形状の短辺側一方の角部に設けられるとともに、ケース部材は、エンドプレートの短辺側に固定されることが好ましい。

さらに、ケース部材は、コネクタを覆うカバー部を設けることが好ましい。

さらにまた、カバー部は、ケース部材に対して傾動可能に構成されることが好ましい。

本発明によれば、コネクタに接続されるハーネスは、ケース部材内に配設されている。このため、テープやフレキシブルパイプ等によりハーネスを束ねる構造に比べて、前記ハーネスの取り扱い性を良好に向上させることができる。従って、簡単且つコンパクトな構成で、ハーネスの損傷を可及的に抑制することが可能になる。

しかも、ケース部材は、エンドプレートに固定されている。これにより、ハーネスを確実に保持することができるとともに、燃料電池スタック全体のコンパクト化が容易に図られる。

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を構成するケース部材の概略斜視説明図である。 前記ケース部材の断面説明図である。 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。 前記燃料電池スタックを構成するケース部材の説明図である。 本発明の第３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。 前記燃料電池スタックを構成するケース部材の説明図である。 特許文献１の燃料電池の斜視説明図である。

図１に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、平面視で長方形状を有するとともに、複数の燃料電池１２が矢印Ａ方向（鉛直方向又は水平方向）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、前記燃料電池１２の積層方向上端（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、すなわち、長方形状の一方の短辺側には、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、すなわち、長方形状の他方の短辺側には、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。

第１セパレータ２２は、長方形状の各短辺側一方の角部に、切り欠き部４２ａ、４２ｂを設けるとともに、前記切り欠き部４２ａ、４２ｂに膨出して電圧測定に使用される電圧測定端子（電流取り出し端子）４４ａ、４４ｂが設けられる。第１セパレータ２２は、長方形状の各短辺側他方の角部に、燃料ガス入口連通孔２８ａ及び燃料ガス出口連通孔２８ｂが設けられる。

なお、長方形状の一方の短辺側の一方の角部にのみ、例えば、酸化剤ガス入口連通孔２６ａに隣接する角部にのみ、電圧測定端子４４ａを設けるとともに、電圧測定端子４４ｂは、削除してもよい。

第２セパレータ２４は、同様に、長方形状の各短辺側一方の角部には、切り欠き部４６ａ、４６ｂを設けるとともに、前記切り欠き部４６ａ、４６ｂに膨出して電圧測定に使用される電圧測定端子４８ａ、４８ｂが設けられる。第２セパレータ２４は、長方形状の各短辺側他方の角部には、燃料ガス入口連通孔２８ａ及び燃料ガス出口連通孔２８ｂが設けられる。

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５０と、前記固体高分子電解質膜５０を挟持するカソード側電極５２及びアノード側電極５４とを備える。

カソード側電極５２及びアノード側電極５４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５０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５６が架け渡される。連結部材５６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５６は、第１及び第２エンドプレート１８ａ、１８ｂの側部にねじ５８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。

各燃料電池１２の電圧測定端子４４ａ、４８ａには、コネクタ６０が装着される。各コネクタ６０には、ハーネス６２が接続されるとともに、前記ハーネス６２は、ケース部材６４内に配設される。

ケース部材６４は、燃料電池スタック１０の一方の短辺側に配置されて、矢印Ａ方向に長尺に構成される。ケース部材６４の上下方向（矢印Ａ方向）両端には、取り付け部６６ａ、６６ｂが設けられ、前記取り付け部６６ａ、６６ｂは、ボルト６８を介して第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂの一方の短辺側にねじ止め固定される。

ケース部材６４内には、図３に示すように、それぞれ略Ｌ字状に屈曲する複数の仕切り板７０が設けられる。ケース部材６４は、各コネクタ６０の配列方向に沿う一方の長辺６４ａ側が開放されるとともに、前記ケース部材６４内には、長辺６４ａの開口端縁部に複数のリブ７２が設けられる。

リブ７２には、コネクタ６０に接続される各ハーネス６２が係合する。各ハーネス６２は、２つのリブ７２にＳ字状に沿うことにより、折り返し形状を構成している。

ケース部材６４の一方の短辺（上端辺）６４ｂに、各ハーネス６２が取り出されるとともに、前記ハーネス６２は、ケーブル７４に一体化されて電圧測定装置７６に接続される（図１参照）。ケース部材６４は、内部空間に各ハーネス６２を配列した状態で、前記ハーネス６２が内壁面に接する程度の厚さに設定される（図４参照）。

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５２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５４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５２に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極５４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５２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５４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、第１の実施形態では、各コネクタ６０に接続されるハーネス６２は、ケース部材６４内に配設されている。このため、テープやフレキシブルパイプ等によりハーネス６２を束ねる構造に比べて、前記ハーネス６２の取り扱い性を有効に向上させることができる。従って、簡単且つコンパクトな構成で、ハーネス６２の損傷を可及的に抑制することが可能になるという効果が得られる。

しかも、ケース部材６４は、第１エンドプレート１８ａと第２エンドプレート１８ｂとにボルト６８を介して固定されている。これにより、ハーネス６２を確実に保持することができるとともに、燃料電池スタック１０全体のコンパクト化が容易に図られる。

また、ケース部材６４では、このケース部材６４内に各ハーネス６２が１列に配列されるとともに、前記ケース部材６４の厚さは、前記ハーネス６２の径寸法とほぼ同一に設定されている（図４参照）。このため、各ハーネス６２は、ケース部材６４の内面に接しており、外部からの衝撃等によって前記ハーネス６２がずれることを良好に阻止することが可能になる。

その上、ケース部材６４の厚さが薄肉化されるため、前記ケース部材６４が装着された燃料電池スタック１０は、外形寸法が大型化することがない。従って、前記燃料電池スタック１０のコンパクト化が容易に図られる。

さらに、ケース部材６４内には、ハーネス６２を一旦折り返してコネクタ６０側に導出させるために、複数のリブ７２が設けられている。これにより、例えば、コネクタ６０とケース部材６４との間に露呈するハーネス６２に、外力が付与されても、前記ハーネス６２が前記ケース部材６４から引き出されることを確実に阻止することができる。

さらにまた、燃料電池スタック１０は、長方形状を有するとともに、長方形状の短辺側一方の角部には、電圧測定端子４４ａ、４８ａが設けられている。そして、電圧測定端子４４ａ、４８ａは、長方形状の短辺側に突出形成されている。

このため、燃料電池スタック１０の長辺側には、電圧測定端子４４ａ、４８ａの他、コネクタ６０やハーネス６２等が配置されていない。従って、燃料電池スタック１０は、短辺側の幅寸法を可及的に小型化することができ、例えば、燃料電池車両を構成するセンターコンソール内の幅狭なスペースに効果的に収容することが可能になる。これにより、収容スペースの効率利用が容易に図られるという効果が得られる。

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。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。

燃料電池スタック９０は、ケース部材９２を備え、前記ケース部材９２の一方の長辺側には、コネクタ６０を覆うカバー部９４が一体又は別体に設けられる。カバー部９４は、図６に示すように、山形状の切り欠きを設けることにより矢印Ａ方向に延在して形成されたヒンジ部９６を支点に、傾動可能に構成される。

カバー部９４の矢印Ａ方向両端は、それぞれ上方及び下方に突出している。第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂには、支柱９８ａ、９８ｂが膨出形成されるとともに、前記支柱９８ａ、９８ｂに螺合するボルト１００を介して、カバー部９４が第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂに固定される。

このように構成される第２の実施形態では、各コネクタ６０を電圧測定端子４４ａ、４８ａに取り付ける際には、図６に示すように、カバー部９４をヒンジ部９６を支点に外方に傾動させた状態で、前記コネクタ６０の取り付け作業が行われる。

次いで、カバー部９４は、ヒンジ部９６を支点にコネクタ６０側に傾動され、前記カバー部９４の長手方向両端がボルト１００を介して第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂに固定される。

従って、第２の実施形態では、カバー部９４が、コネクタ６０を覆って第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂに固定されるため、前記コネクタ６０が外部からの衝撃等によって損傷することを可及的に阻止することができるという効果が得られる。

さらに、カバー部９４は、ヒンジ部９６を介して傾動可能である。このため、予め、カバー部９４を傾動させておくことにより、図６に示すように、コネクタ６０の取り付け作業が容易に遂行される。

図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック１１０の斜視説明図である。

燃料電池スタック１１０は、ケース部材１１２を備え、このケース部材１１２は、矢印Ａ方向に延在するヒンジ部１１４を介して傾動可能なカバー部１１６を一体又は別体に有する。

カバー部１１６は、図８に示すように、断面略Ｌ字状を有し、第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂの短辺側から長辺側に折り返した端部に、矢印Ａ方向両側に突出する取り付け部を有する。この取り付け部は、第１エンドプレート１８ａ及び第２エンドプレート１８ｂにボルト１１８を介して固定される。

このように構成される第３の実施形態では、上記の第２の実施形態と同様の効果が得られる他、カバー部１１６を介してコネクタ６０全体を確実に覆うことができ、前記コネクタ６０の損傷を可及的に阻止することが可能になるという利点がある。

１０、９０、１１０…燃料電池スタック
１２…燃料電池 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
３２…酸化剤ガス流路 ３４…燃料ガス流路
３６…冷却媒体流路 ３８、４０…シール部材
４４ａ、４４ｂ、４８ａ、４８ｂ…電圧測定端子
５０…固体高分子電解質膜 ５２…カソード側電極
５４…アノード側電極 ５６…連結部材
６０…コネクタ ６２…ハーネス
６４、９２、１１２…ケース部材 ６６ａ、６６ｂ…取り付け部
７２…リブ ９４、１１６…カバー部
９８ａ、９８ｂ…支柱 １１４…ヒンジ部

Claims (5)

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とともに、積層方向両端にエンドプレートが配設される燃料電池スタックであって、
   前記セパレータには、コネクタに接続されて外部へ電流を取り出す電流取り出し端子が設けられる一方、
   前記コネクタに接続されるハーネスは、ケース部材内に配設されるとともに、
   前記ケース部材は、前記エンドプレートに固定されており、
   前記ケース部材は、内部空間に前記ハーネスが配置された状態で、前記ハーネスが内壁面に接する厚さに設定され、且つ、前記内部空間には、前記ハーネスを一旦折り返して前記コネクタ側に導出させる複数のリブが設けら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、前記電流取り出し端子は、前記セパレータの前記長方形状の短辺側一方の角部に設けられるとともに、
   前記ケース部材は、前記エンドプレートの短辺側に固定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、前記ケース部材は、前記コネクタを覆うカバー部を設けることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項３記載の燃料電池スタックにおいて、前記カバー部は、前記ケース部材に対して傾動可能に構成されることを特徴とする燃料電池スタック。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記ケース部材内には、略Ｌ字状に屈曲する仕切り板が設けられるとともに、
   前記ハーネスは、整列した状態で配置されることを特徴とする燃料電池スタック。

Images