JP5764479B2

JP5764479B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP5764479B2
Application number: JP2011257725A
Authority: JP
Inventors: 全前川
Original assignee: Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp
Current assignee: Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2031-11-25
Also published as: JP2013114801A

Description

本発明の実施形態は、燃料電池に関する。

固体高分子型燃料電池は、電解質層の両面に触媒層を配置した単位セルを、複数枚積層した燃料電池積層体を用いて構成される。燃料電池積層体の両端には、燃料電池積層体における燃料と酸化剤の化学反応によって発生した電流を燃料電池積層体の外部に導通させるための集電板と電流ケーブルが設置されている。さらに、集電板の両端には集電板と各単セルとを互いに近接する方向に締め付けて保持する締付板が設置されている。

集電板の材質としては、耐食性と電気伝導性に優れた炭素板や黒鉛板或いは炭素質や黒鉛質を主体とする成型品などの非金属材料を採用することが望まれている。しかし、この種の非金属材料は、金属材料に比べて圧縮方向の強度に比べ引っ張り方向や曲げ方向の強度が弱い。そこで、集電板と電流ケーブルとの接続部において、締付板に設けられたネジ穴に係合する固定用ネジと固定用バネにより、電流ケーブル先端の接続部を集電板の表面に押圧して、電流ケーブルと集電板とが固定される構造が提案されている。

一方、締付板の材質としては、平面度を維持するための剛性の確保が必要であり、炭素鋼やステンレス鋼等の導電性の材料が望ましい。締付板を導電性の材料で構成した場合、締付板と集電板との短絡を防止するために、締付板と集電板との間に平板状の絶縁板を挿入する必要がある。さらに、固定用ネジ及び固定用バネによる締付板と集電板との短絡を防止するために、絶縁ボルト或いは専用設計の絶縁スペーサが必要となる。

しかし、この種の燃料電池においては、次のような問題があった。

第１に、コストの増加である。燃料電池の運転環境下に用いられる絶縁材料は金属に比較して高価であるばかりではなく、絶縁スペーサを専用設計とした場合には、製造に際して絶縁板とは別に金型を用意する必要があり、製造コストが上昇する。

第２に、組立の煩雑化である。電流ケーブルは燃料電池積層体の両側（正極、負極）に取付ける必要があるため、組立時に燃料電池積層体を横倒し（セル積層面が鉛直）にして作業することが望ましい。しかし、固定用バネ及び電流ケーブル先端部分の何れもが固定用ネジが締め込まれるまで無拘束状態にあるため、仮固定による位置決めが必要となり、組立作業が煩雑になる。さらに、上記に加えて絶縁スペーサも無拘束状態になるため、作業は更に煩雑になる。

第３に、電流ケーブル周囲の絶縁信頼性の低下である。即ち、運転中に何らかの原因で固定用ネジが緩んだ場合或いは固定用バネがずれて締付板に接触した場合に短絡が生じる。また、メンテナンス等で電流ケーブルを着脱する場合にも絶縁スペーサ及び固定用バネが落下或いは位置ずれを生じてしまうおそれがある。

特開２００７−１７９９９２号公報特開２００５−４４５２７号公報特開２０１０−１１３８８４号公報

発明が解決しようとする課題は、ケーブル接続部における集電板と締付板との短絡及び集電板の破損を防止することができ、且つ組み立て作業の容易化をはかることができる燃料電池を提供することである。

実施形態の燃料電池は、単位電池を複数個積層することにより構成された燃料電池積層体と、前記燃料電池積層体の積層方向の両端に設置された導電性の集電板と、前記燃料電池積層体と前記集電板を締め付けて保持する導電性の締付板と、前記集電板と前記締付板との間に、且つ一部分が前記締付板に非接触に設けられた絶縁板と、ケーブルに接続されて前記集電板に電気的に接続される接続金具と、前記締付板と前記絶縁板の前記一部分との間に配置され、前記接続金具を固定する固定用部材と、を具備している。そして、前記固定用部材は、前記絶縁板の前記一部分と前記集電板との間に前記接続金具を設けた状態で、前記絶縁板の前記一部分を介して前記接続金具を前記集電板に押圧して固定するようになっている。そして、前記絶縁板は、前記締付板と前記集電板に直接挟持された第１の部分と、前記接続金具と前記固定用部材に直接挟持された第２の部分と、前記第１の部分と前記第２の部分を接続する接続部からなる一体の構造物であり、前記接続部が可撓性を有している。そして、前記第２の部分は、外周エッジ部が中央部よりも厚くなっている。

本発明によれば、電流ケーブルの接続部を改良することにより、ケーブル接続部における集電板と締付板との短絡及び集電板の破損を防止することができ、且つ組み立て作業の容易化をはかることができる。

第１の実施形態に係わる燃料電池の全体構成を示す斜視図。図１の燃料電池におけるケーブル接続部付近の構成を示す断面図。図１の燃料電池における絶縁板の構成を示す平面図。第２の実施形態に係わる燃料電池におけるケーブル接続部付近の構成を示す断面図。

以下、本実施形態の燃料電池を、図面を参照して説明する。ここで、同一又は類似の構成部分には共通の符号を付し、重複する説明は省略する。

（第１の実施形態）
［構成］
図中の１は、第１の実施形態に係わる燃料電池の全体構成を示す斜視図、図２は図１の燃料電池におけるケーブル接続部付近の構成を示す断面図、図３は図１の燃料電池における絶縁板の構成を示す平面図である。

図１において、１は単位セルを複数枚積層して構成される燃料電池積層体である。単位セルは、電解質の両側に触媒層を介してアノード電極とカソード電極を配置し、更にアノード電極とカソード電極にそれぞれ接し、燃料ガス流通路と酸化剤ガス流通路及び冷却水流通路を有するセパレータを配置したものである。

燃料電池積層体１の積層方向の両端には、燃料電池積層体１及び後述する集電板等を互いに近接する方向に締め付ける導電性の締付板３と、締付板３を互いに近接する方向に締め付けるタイロッド４が設置されている。また、締付板３にはケーブル接続金具１３を設置する領域を確保するための開口部６が設けられている。

燃料電池積層体１の側面には、ガスマニホールド５が設置されている。このガスマニホールド５は、燃料電池積層体１に対向した面に開口部を有する箱型の構造物であって、各単位セルのセパレータの燃料ガス流通路，酸化剤ガス流通路及び冷却水流通路に、燃料，酸化剤及び冷却水を供給するためのガス室及び冷却水室を構成する。

図２に示すように、燃料電池積層体１の両端には、燃料電池積層体１における燃料と酸化剤の化学反応によって発生した電流を燃料電池積層体１の外部に導通させるための導電性の集電板２が設置されている。集電板２の中央部で締付板３の開口部６に位置する領域には、電流ケーブル９に接続されるケーブル接続金具１３等が設置されている。さらに、集電板２と締付板３との間には絶縁板１４が配置されている。

ケーブル接続金具はＬ字型に形成され、底部が集電板２に接するように配置されている。絶縁板１４は、図３に示すように、集電板２と締付板３との間に直接接して設けられる第１の部分１４ａと、締付板３の開口部６内に位置し集電板２と非接触に設けられた第２の部分１４ｂと、第１及び第２の部分１４ａ，１４ｂを接続する可撓性の接続部１４ｃとで構成され、全体として一体化されている。接続部１４ｃは、可撓性を実現するために、厚さを薄くし、接続部１４ｃの幅も開口部６の幅よりも小さくしている。

ここで、集電板２としては、耐食性と電気伝導性に優れた炭素板や黒鉛板或いは炭素質や黒鉛質を主体とする成型品などの非金属材料が用いられている。さらに、締付板３は、平面度を維持するための剛性の確保の点から炭素鋼或いはステンレス鋼等の金属材料で構成されている。絶縁板１４の材料としては、例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等の樹脂を用いることができる。

また、電流ケーブル９は、Ｌ字型のケーブル接続金具１３の上部に接続端子１０及び止めネジ１２により接続されている。締付板３には、集電板２が外部に露出する形に形成された開口部６と、この開口部６に面して設置されたネジ穴７が設置されており、ネジ穴７にはケーブル接続金具１３の固定用ネジ８がねじ込まれている。

集電板２と締付板３の接触面は、絶縁板１４の第１の部分１４ａにより絶縁されている。開口部６において、締付板３のきり欠き寸法は絶縁板１４の第１の部分１４ａの切り欠き寸法より大きく設定してあり、絶縁板１４の第１の部分１４ａの一部が締付板３の露出面の一部或いは全面を覆うように構成されている。絶縁板１４の第２の部分１４ｂは、開口部６に突き出すように設置されている。

締付板３と絶縁板１４の第２の部分１４ｂに挟持されて固定用ネジ８、固定用バネ１１が設置されると共に、ケーブル接続金具１３は絶縁板１４の第２の部分１４ｂと集電板２との間に挟持されている。ここで、固定用バネ１１はバネ鋼をコの字に折り曲げて形成した板バネであり、バネの復元力により絶縁板１４の第２の部分１４ｂをケーブル接続金具１３に押し付けるように予め変形した状態で設置されている。また、ここで、絶縁板１４の第２の部分１４ｂは、接続部１４ｃの有する可撓性により前記の板バネの復元力の大部分をケーブル接続金具１３に伝え、接続端子１３を集電板２に押し付けるようになっている。

また、固定用バネ１１はコの字の開いた側がケーブル接続金具１３の差込側に向くように配置されており、固定用ネジ８が固定用バネ１１に接触する位置は、折り曲げ断面形状の重心位置より、接続金具１３の差込側に位置している。さらに、絶縁板１４の第２の部分１４ｂの外周エッジ部は中央部より厚くなっており、中央部の位置する固定用バネ１１の移動範囲を制約すると共に、所要の絶縁距離を確保している。

［作用効果］
上記の構成を有する実施形態における作用について説明する。

本実施形態において、集電板２及び接続金具１３は、締付板３，固定用ネジ８及び固定用バネ１１との間で絶縁板１４により電気的に絶縁される。また、弾性体からなる固定用バネ１１の復元力によりケーブル接続金具１３が絶縁板１４の第２の部分１４ｂを介して集電板２に押圧され、ケーブル接続金具１３と集電板２とが固定されると共に、両者の導通が確保される。その結果、集電板２には圧縮方向の外力しか加わることがない。また、固定用バネ１１の復元力は固定用ネジ８の緩みを防止するため、燃料電池の長期の運転において接続金具１３と集電板２の接触抵抗が低下することによる電気抵抗の増大を防止できる。また、固定用ネジ８が固定用バネ１１に接触する位置は、折り曲げ断面形状の重心位置より、接続金具１３の差込側に位置しているため、固定用バネ１１の反力は、バネを締付板内へ押す方向に作用するため、固定用バネ１１は外れにくくなっている。

固定用ネジ８で締め付ける強さを調整することができるので、適切な押圧力で接続金具１３を固定することができる。本実施形態では、総締付荷重の１０％以下の押圧力で、十分接続金具１３と集電板２との導通を実現できた。

さらに、固定用ネジ８を緩め、固定用バネ１１と絶縁板１４の第２の部分１４ｂに挟持された接続金具１３を引き抜くことにより、電流ケーブル９は容易に燃料電池本体に着脱することが可能となる。その際、接続金具１３や固定用バネ１１は保持されて落ちることがないため、作業が容易で組立て性に優れている。

このように本実施形態によれば、絶縁板１４の第１の部分１４ａにより締付板３と集電板２を絶縁することができ、絶縁板１４の第２の部分１４ｂによりケーブル接続金具１３と締付板３を絶縁することができる。従って、締付板３には樹脂材料よりも安価で強度上有利な金属材料を用いることができる。また、固定用ネジ８と固定用バネ１１により、ケーブル接続金具１３の接続部は絶縁板１４の第２の部分１４ｂを介して集電板２に押圧されて固定されるので、集電板２には圧縮方向の外力しか加わることがない。このため、集電板２を炭素板や黒鉛板或いは炭素質や黒鉛質を主体とする成型品などの非金属材料で構成した場合でも、集電板２が容易に破損してしまうことがない。さらに、絶縁板１４の第１の部分１４ａと第２の部分１４ｂとの接続部１４ｃには柔軟性があるため、絶縁板１４の曲げ反力が押圧力に与える影響を小さくできる。しかも、絶縁板１４は一体として安価で量産性に優れたモールド部材として成形することが可能である。

また、固定用バネ１１の反力によって固定用ネジ８の緩みを防止できる。さらに、固定用バネ１１と締付板３が同電位であり、共に電流ケーブルと絶縁されていることから、組立中、或いは運転中に板バネ１１の位置がずれて締付板３と接触しても短絡を生じない。また、固定用ネジ８の作用点が固定用バネ１１の重心よりも外側に位置しているため、固定用バネ１１が外れにくくなる。さらに、電流ケーブル接続部は絶縁板１４と集電板２との間に挟持されているため、着脱に際して、固定用ネジ８を緩めても落下することがなく、組立て作業性に優れている。これにより、集電板２と電流ケーブルとの接続部において集電板２が破損し難い構造を有することになる。

従って本実施形態によれば、ケーブル接続部の短絡と集電板の破損を防止し、組立作業が容易で、低コストの燃料電池を実現することができる。

（第２の実施形態）
［構成］
図４は、第２の実施形態に係わる燃料電池におけるケーブル接続部の構成を示す断面図である。なお、図３と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。

本実施形態が先に説明した第１の実施形態と異なる点は、接続部のケーブル接続金具を変えたものである。

本実施形態では、Ｌ字型ではなく平板状のケーブル接続金具２３を用いている。このケーブル接続金具２３の一端には電流ケーブル９が接続されている。そして、ケーブル接続金具２３は、絶縁板１４の第２の部分１４ｂと集電板２との間に挟み込まれ、固定用ネジ８の締付により集電板２に押圧されている。これにより、ケーブル接続金具２３の一主面の全体が集電板２と接触し、これらの間の良好な導通が可能となっている。

［作用効果］
このような構成であっても、先の第１の実施形態と同様に、締付板３には安価で強度上有利な金属材料を用いることができ、集電板２を炭素板や黒鉛板或いは炭素質や黒鉛質を主体とする成型品などの非金属材料で構成した場合でも集電板２が容易に破損してしまうことがない。さらに、絶縁板１４は一体として安価で量産性に優れたモールド部材として成形することが可能である。従って、先の第１の実施形態と同様の効果が得られる。

（変形例）
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。

実施形態では、締付板に直接ネジ穴を加工したが、この代わりに、ネジ穴を有する部品を締付板３に取り付けた構成としてもよい。また、固定用バネも、移動止め処置を併用することによりバネ鋼を折り曲げて形成した板バネでなく、圧縮コイルやブロック状の弾性体で構成することも可能である。さらに、固定用ネジ及び固定用バネの代わりに、締結板と絶縁板との間にコイルバネを設置することも可能である。

実施形態では、開口部が締付板の中央に設けられ、固定用バネ又は固定用ネジにより接続金具が集電板の中央に固定されている。しかし、開口部の位置や接続金具を固定させる場所は、例示であってこれらに限定されるものではない。例えば、開口部の位置は、締付板の中央である必要はなく、集電板に接続金具を固定できる場所ならば、自由に設置することもできる。さらに、開口部の向きも、集電板に対して垂直でなくても良く、集電板に対して平行に設けることも可能である。

本発明の幾つかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…燃料電池積層体
２…集電板
３…締付板
４…タイロッド
５…ガスマニホールド
６…締付板の開口部
７…締付板のネジ穴
８…固定用ネジ
９…電流ケーブル
１０…接続端子
１１…固定用バネ
１２…止めネジ
１３，２３…ケーブル接続金具
１４…絶縁板
１４ａ…絶縁板の第１の部分
１４ｂ…絶縁板の第２の部分
１４ｃ…接続部

Claims

単位電池を複数個積層することにより構成された燃料電池積層体と、
前記燃料電池積層体の積層方向の両端に設置された導電性の集電板と、
前記燃料電池積層体と前記集電板を締め付けて保持する導電性の締付板と、
前記集電板と前記締付板との間に、且つ一部分が前記締付板に非接触に設けられた絶縁板と、
前記絶縁板の前記一部分と前記集電板との間に設けられ、電流ケーブルに接続された接続金具と、
前記締付板と前記絶縁板の前記一部分との間に配置され、前記絶縁板の前記一部分を介して前記接続金具を前記集電板に押圧して、前記接続金具と前記集電板とを電気的に接続する固定用部材とを、
具備し、
前記絶縁板は、前記締付板と前記集電板に直接挟持された第１の部分と、前記接続金具と前記固定用部材に直接挟持された第２の部分と、前記第１の部分と前記第２の部分を接続する接続部からなる一体の構造物であり、前記接続部が可撓性を有し、
前記第２の部分は、外周エッジ部が中央部よりも厚くなっていることを特徴とする燃料電池。
前記固定用部材は、前記締付板に螺合するように設けられた固定用ネジとこの固定用ネジの先端に隣接して設置された固定用バネであり、
前記固定用ネジを締め付けることと前記固定用バネの弾性変形の復元力により、前記接続金具が前記集電板に押圧されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。