JP6059615B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、電解質の両側に電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向両側には、ターミナルプレート及び樹脂製エンドプレートが外方に向かって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固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒（電極触媒層）及び多孔質カーボン（ガス拡散層）を有するアノード電極とカソード電極とを配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持されることにより発電セルを構成している。発電セルは、所定の数だけ積層されることにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

通常、燃料電池は、所望の発電力を得るために、発電セルを所定数（例えば、数十〜数百）だけ積層した積層体を採用している。そして、積層体の積層方向両端には、ターミナルプレート、インシュレータ及びエンドプレートが、外方に向かって配設されるとともに、一対の前記エンドプレート間には、所定の締め付け荷重が付与されている。

この種の燃料電池スタックでは、軽量化が望まれており、例えば、金属製のエンドプレートに代えて樹脂製のエンドプレートを用いる構成が提案されている。例えば、特許文献１に開示されている燃料電池では、単電池モジュールを複数積層した状態で、両端に一対の集電板（ターミナルプレート）と樹脂の一対の端板（エンドプレート）とが配置されている。

特許第５１３６０５１号公報

しかしながら、上記の燃料電池では、積層体の積層方向に所望の締め付け荷重を付与する必要がある。このため、樹脂製の端板自体の剛性を確保しなければならず、前記端板を相当に肉厚に構成することが考えられる。従って、燃料電池スタック全体が積層方向に大型化す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、軽量且つコンパクトな構成で、樹脂製エンドプレートの剛性を良好に確保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。

本発明に係る燃料電池スタックは、電解質の両側に電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが積層される積層体を備えている。積層体の積層方向両側には、ターミナルプレート及び樹脂製エンドプレートが外方に向かって配設されている。そして、樹脂製エンドプレートと別部材であるターミナルプレートの電極面に平行な面内で樹脂製エンドプレートとの当接面には、補強用リブが設けられている。さらに、樹脂製エンドプレートには、補強用リブが設けられるとともに、樹脂製エンドプレートの補強用リブは、ターミナルプレートの補強用リブと積層方向から見て重なる位置に設けられている。

また、この燃料電池スタックでは、ターミナルプレートは、樹脂製エンドプレートに当接する面に複数の凹部を形成することにより補強用リブ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、ターミナルプレートの外形寸法は、樹脂製エンドプレートの外形寸法よりも小さく設定されることが好ましい。樹脂製エンドプレートには、ターミナルプレートの外周を嵌合させる凹部が形成されている。

さらにまた、ターミナルプレートの補強用リブは格子状に形成されている。

また、この燃料電池スタックでは、樹脂製エンドプレートの補強用リブは、前記樹脂製エンドプレートの中央部側の高さが周縁部側の高さよりも高く設定されることが好ましい。

さらに、この燃料電池スタックでは、ターミナルプレートの面内には、樹脂製エンドプレート側に突出する端子部が一体に設けられることが好ましい。

本発明によれば、樹脂製エンドプレートに隣接するターミナルプレートの電極面に平行な面内には、補強用リブが設けられている。このため、ターミナルプレート自体の軽量化を図るとともに、樹脂製エンドプレートの剛性を確実に補強することができる。

本発明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の一部分解概略斜視図である。 前記燃料電池スタックの、図２中、ＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。 前記燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視説明図である。

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は、複数の発電セル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及び樹脂製エンドプレート１８ａが外方に向かって、順次、配設される（図２参照）。積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ及び樹脂製エンドプレート１８ｂが外方に向かって、順次、配設される。ターミナルプレート１６ａ、１６ｂは、電気導電性を有する材料、例えば、銅、アルミニウム又はステンレスにより構成される。樹脂製エンドプレート１８ａ、１８ｂは、電気絶縁性を有する。

図１に示すように、樹脂製エンドプレート１８ａ、１８ｂは、横長（縦長でもよい）の長方形状を有するとともに、各辺間には、連結バー２０が配置される。各連結バー２０は、両端を樹脂製エンドプレート１８ａ、１８ｂの内面にボルト２２を介して固定され、複数の積層された発電セル１２に積層方向（矢印Ａ方向）の締め付け荷重を付与する。

なお、連結バー２０は、樹脂製エンドプレート１８ａ、１８ｂの側面（厚さ方向）に配置され、各側面にボルト締めされてもよい。また、燃料電池スタック１０では、樹脂製エンドプレート１８ａ、１８ｂを端板とする筐体を備え、前記筐体内に積層体１４を収容するように構成してもよい。

発電セル１２は、図３及び図４に示すように、電解質膜・電極構造体２４が、第１セパレータ２６及び第２セパレータ２８に挟持される。第１セパレータ２６及び第２セパレータ２８は、金属セパレータを採用する。第１セパレータ２６及び第２セパレータ２８は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した金属薄板を波形にプレス成形して構成される。なお、第１セパレータ２６及び第２セパレータ２８は、金属セパレータに代えて、例えば、カーボンセパレータを用いてもよい。

発電セル１２の矢印Ｂ方向（図４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、酸化剤ガス供給連通孔３０ａ及び燃料ガス排出連通孔３２ｂが設けられる。酸化剤ガス供給連通孔３０ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する。燃料ガス排出連通孔３２ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。酸化剤ガス供給連通孔３０ａと燃料ガス排出連通孔３２ｂとは、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列される。

発電セル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、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３２ａ、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３０ｂが設けられる。燃料ガス供給連通孔３２ａと酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとは、矢印Ｃ方向に配列される。

発電セル１２の矢印Ｃ方向の上端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３４ａが設けられる。発電セル１２の矢印Ｃ方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３４ｂが設けられる。

第１セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２４に向かう面２６ａには、酸化剤ガス供給連通孔３０ａと酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとに連通する酸化剤ガス流路３６が設けられる。酸化剤ガス流路３６は、水平方向（矢印Ｂ方向）に延在する複数本の流路溝を有する。

第２セパレータ２８の電解質膜・電極構造体２４に向かう面２８ａには、燃料ガス供給連通孔３２ａと燃料ガス排出連通孔３２ｂとに連通する燃料ガス流路３８が設けられる。燃料ガス流路３８は、水平方向（矢印Ｂ方向）に延在する複数本の流路溝を有する。

互いに隣接する発電セル１２を構成する第１セパレータ２６の面２６ｂと、第２セパレータ２８の面２８ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔３４ａと冷却媒体排出連通孔３４ｂとを連通する冷却媒体流路４０が設けられる。冷却媒体流路４０は、鉛直方向（矢印Ｃ方向）に延在する。

第１セパレータ２６及び第２セパレータ２８には、シール部材４２及びシール部材４４が、一体的又は個別に設けられる。シール部材４２、４４としては、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、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等の弾性を有するシール部材が使用される。

電解質膜・電極構造体２４は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜（又は炭化水素系膜）に水が含浸された固体高分子電解質膜４６と、前記固体高分子電解質膜４６を挟持するカソード電極４８及びアノード電極５０とを備える。

固体高分子電解質膜４６は、カソード電極４８及びアノード電極５０よりも大きな平面寸法（表面寸法）を有している。なお、電解質膜・電極構造体２４は、カソード電極４８とアノード電極５０とが互いに異なる平面寸法（表面寸法）に設定される段差ＭＥＡを構成してもよい。

カソード電極４８及びアノード電極５０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４６の両面に形成されている。

図２及び図３に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの略中央には、積層方向外方に延在する端子部５２ａ、５２ｂが設けられる。端子部５２ａ、５２ｂは、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの面１６ａｓ、１６ｂｓに、例えば、摩擦撹拌溶接（ＦＳＷ）により一体化してもよく、また、ねじ止め構造等により一体化してもよい。端子部５２ａ、５２ｂは、樹脂製エンドプレート１８ａ、１８ｂの孔部５６ａ、５６ｂを貫通して前記樹脂製エンドプレート１８ａ、１８ｂの外部に突出する。端子部５２ａ、５２ｂは、樹脂製エンドプレート１８ａ、１８ｂを貫通することなく、側面から突出してもよく、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂと電気的に接続していればよく、設置位置は特に限定されない。

ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの樹脂製エンドプレート１８ａ、１８ｂに当接する面（電極面に平行な面）１６ａｓ、１６ｂｓには、第１補強用リブ５８ａ、５８ｂが設けられる。第１補強用リブ５８ａ、５８ｂは、面１６ａｓ、１６ｂｓにそれぞれ複数の略矩形状の凹部６０ａ、６０ｂを水平方向及び鉛直方向に配列して形成することにより、例えば、格子状に設けられる。なお、凹部６０ａ、６０ｂの形状及び個数は、種々変更可能である。ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの発電セル１２側の面は、平坦な形状を有しており、隣接する前記発電セル１２のセパレータ（第１セパレータ２６、第２セパレータ２８）に当接する。

樹脂製エンドプレート１８ａ、１８ｂの中央部には、積層体１４側の端部が開口される凹状収容部６２ａ、６２ｂが形成される。凹状収容部６２ａ、６２ｂを構成する底面の略中央には、孔部５６ａ、５６ｂが連通するとともに、前記凹状収容部６２ａ、６２ｂには、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの外周が嵌合する。

図１及び図２に示すように、樹脂製エンドプレート１８ａ、１８ｂの外面（積層体１４側とは反対の面）１８ａｓ、１８ｂｓには、第２補強用リブ６４ａ、６４ｂが設けられる。第２補強用リブ６４ａ、６４ｂは、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの第１補強用リブ５８ａ、５８ｂと積層方向から見て重なる位置に設けられる。

第２補強用リブ６４ａ、６４ｂは、外面１８ａｓ、１８ｂｓにそれぞれ複数の略矩形状の凹部６６ａ、６６ｂを水平方向及び鉛直方向に配列して形成することにより、例えば、格子状に設けられる。凹部６６ａ、６６ｂは、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの凹部６０ａ、６０ｂと同一の開口寸法を有し、且つ、積層方向から見て重なる位置に設けられる。なお、凹部６６ａ、６６ｂの形状及び個数は、凹部６０ａ、６０ｂに対応して種々変更可能である。

第２補強用リブ６４ａ、６４ｂは、図２に示すように、樹脂製エンドプレート１８ａ、１８ｂの中央部側の高さｔ１が周縁部側の高さｔ２よりも高く設定される（ｔ１＞ｔ２）。第２補強用リブ６４ａ、６４ｂは、樹脂製エンドプレート１８ａ、１８ｂの長手方向（矢印Ｂ方向）に沿って円弧状に湾曲することにより、前記樹脂製エンドプレート１８ａ、１８ｂの剛性を向上させている。なお、第２補強用リブ６４ａ、６４ｂは、直線状でもよい。

樹脂製エンドプレート１８ａには、酸化剤ガス供給連通孔３０ａ、酸化剤ガス排出連通孔３０ｂ、燃料ガス供給連通孔３２ａ及び燃料ガス排出連通孔３２ｂが形成される。樹脂製エンドプレート１８ａは、酸化剤ガス供給連通孔３０ａ及び酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに配設される酸化剤ガス入口マニホールド６８ａ及び酸化剤ガス出口マニホールド６８ｂを備える。樹脂製エンドプレート１８ａは、燃料ガス供給連通孔３２ａ及び燃料ガス排出連通孔３２ｂに配設される燃料ガス入口マニホールド７０ａ及び燃料ガス出口マニホールド７０ｂを備える。

樹脂製エンドプレート１８ｂには、冷却媒体供給連通孔３４ａ及び冷却媒体排出連通孔３４ｂが形成される。樹脂製エンドプレート１８ｂは、冷却媒体供給連通孔３４ａ及び冷却媒体排出連通孔３４ｂに配設される冷却媒体入口マニホールド７２ａ及び冷却媒体出口マニホールド７２ｂを備える。本実施形態では、燃料電池スタック１０の積層体１４の端部にばね部材が設けられることがなく、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂは、直接端部の発電セル１２に当接する。

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１に示すように、酸素含有ガス等の酸化剤ガスは、樹脂製エンドプレート１８ａの酸化剤ガス入口マニホールド６８ａから酸化剤ガス供給連通孔３０ａに供給される。水素含有ガス等の燃料ガスは、樹脂製エンドプレート１８ａの燃料ガス入口マニホールド７０ａから燃料ガス供給連通孔３２ａに供給される。純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、樹脂製エンドプレート１８ｂの冷却媒体入口マニホールド７２ａから冷却媒体供給連通孔３４ａに供給される。

酸化剤ガスは、図４に示すように、酸化剤ガス供給連通孔３０ａから第１セパレータ２６の酸化剤ガス流路３６に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路３６に沿って水平方向（矢印Ｂ方向）に流動しながら、電解質膜・電極構造体２４を構成するカソード電極４８に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３２ａから第２セパレータ２８の燃料ガス流路３８に導入される。この燃料ガスは、燃料ガス流路３８に沿って水平方向（矢印Ｂ方向）に流動しながら、電解質膜・電極構造体２４を構成するアノード電極５０に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体２４では、カソード電極４８に供給される酸化剤ガスと、アノード電極５０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、カソード電極４８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３０ｂに沿って矢印Ａ方向に流通し、樹脂製エンドプレート１８ａの酸化剤ガス出口マニホールド６８ｂから排出される（図１参照）。一方、アノード電極５０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３２ｂに沿って矢印Ａ方向に流通し、樹脂製エンドプレート１８ａの燃料ガス出口マニホールド７０ｂから排出される。

また、冷却媒体供給連通孔３４ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ２６及び第２セパレータ２８間の冷却媒体流路４０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２４を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３４ｂから樹脂製エンドプレート１８ｂの冷却媒体出口マニホールド７２ｂに排出される。

この場合、本実施形態では、図２に示すように、樹脂製エンドプレート１８ａに隣接するターミナルプレート１６ａの面１６ａｓ内には、複数の凹部６０ａを介して第１補強用リブ５８ａが設けられている。このため、ターミナルプレート１６ａ自体の軽量化を図るとともに、樹脂製エンドプレート１８ａの剛性を補強することができるという効果が得られる。

さらに、樹脂製エンドプレート１８ａの外面１８ａｓには、第２補強用リブ６４ａが設けられている。従って、樹脂製エンドプレート１８ａ自体の剛性を向上させることが可能になる。しかも、樹脂製エンドプレート１８ａの第２補強用リブ６４ａは、ターミナルプレート１６ａの第１補強用リブ５８ａと積層方向に重なる位置に設けられている。これにより、ターミナルプレート１６ａが補強部材として機能し、樹脂製エンドプレート１８ａの剛性を一層確実に向上させることができるとともに、前記樹脂製エンドプレート１８ａの補強機能が良好に向上するという利点がある。

また、樹脂製エンドプレート１８ａの第２補強用リブ６４ａは、前記樹脂製エンドプレート１８ａの中央部側の高さｔ１が周縁部側の高さｔ２よりも高く設定されている。具体的には、第２補強用リブ６４ａは、樹脂製エンドプレート１８ａの長手方向（矢印Ｂ方向）に沿って円弧状に湾曲している。このため、軽量化を図りながら、特に、長方形状を有する樹脂製エンドプレート１８ａの剛性を良好に向上させることができるという効果が得られる。

なお、ターミナルプレート１６ｂ及び樹脂製エンドプレート１８ｂでは、上記のターミナルプレート１６ａ及び樹脂製エンドプレート１８ａと同様の効果が得られる。

１０…燃料電池スタック １２…発電セル
１４…積層体 １６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１６ａｓ、１６ｂｓ…面 １８ａ、１８ｂ…樹脂製エンドプレート
１８ａｓ、１８ｂｓ…外面 ２４…電解質膜・電極構造体
２６、２８…セパレータ ３０ａ…酸化剤ガス供給連通孔
３０ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ３２ａ…燃料ガス供給連通孔
３２ｂ…燃料ガス排出連通孔 ３４ａ…冷却媒体供給連通孔
３４ｂ…冷却媒体排出連通孔 ３６…酸化剤ガス流路
３８…燃料ガス流路 ４０…冷却媒体流路
４６…固体高分子電解質膜 ４８…カソード電極
５０…アノード電極 ５２ａ、５２ｂ…端子部
５８ａ、５８ｂ、６４ａ、６４ｂ…補強用リブ
６０ａ、６０ｂ、６６ａ、６６ｂ…凹部
６２ａ、６２ｂ…凹状収容部

Claims (6)

1. 電解質の両側に電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向両側には、ターミナルプレート及び樹脂製エンドプレートが外方に向かって配設される燃料電池スタックであって、
   前記樹脂製エンドプレートと別部材である前記ターミナルプレートの電極面に平行な面内で前記樹脂製エンドプレートとの当接面には、補強用リブが設けられ、
   前記樹脂製エンドプレートには、補強用リブが設けられるとともに、
   前記樹脂製エンドプレートの前記補強用リブは、前記ターミナルプレートの前記補強用リブと積層方向から見て重なる位置に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、前記ターミナルプレートは、前記樹脂製エンドプレートに当接する面に複数の凹部を形成することにより前記補強用リブ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、前記ターミナルプレートの外形寸法は、前記樹脂製エンドプレートの外形寸法よりも小さく設定されるとともに、
   前記樹脂製エンドプレートには、前記ターミナルプレートの外周を嵌合させる凹部が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記ターミナルプレートの前記補強用リブは格子状に形成されてい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、前記樹脂製エンドプレートの前記補強用リブは、該樹脂製エンドプレートの中央部側の高さが周縁部側の高さよりも高く設定されることを特徴とする燃料電池スタック。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記ターミナルプレートの前記面内には、前記樹脂製エンドプレート側に突出する端子部が一体に設けられることを特徴とする燃料電池スタック。

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