JP6100000B2 - 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、インシュレータ及び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、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持する発電セルを構成している。発電セルを所定の数だけ積層することにより、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では、発電セル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、積層されている各発電セル同士を加圧保持する必要がある。

その際、発電セルは、中央部に設けられる発電部と、前記発電部の周囲に設けられる連通孔をシールするマニホールド部とを備えている。そして、発電部とマニホールド部とでは、それぞれの最適な締め付け荷重が異なっている。

このため、例えば、特許文献１に開示されているように、簡単且つ経済的な構成で、各発電セルの発電部とマニホールド部とに、それぞれ所望の荷重を確実に付与することが可能な燃料電池スタックが提案されている。

この燃料電池スタックでは、少なくとも発電セルの積層方向一端側に、箱状ケーシングを構成するエンドプレートに直接接触して配設され、マニホールド部に荷重を付与する絶縁性スペーサ部材と、前記絶縁性スペーサ部材の内側に配置され、発電部に荷重を付与するターミナル部材とを備えている。そして、絶縁性スペーサ部材の中央部に凹部が形成され、前記凹部にターミナル部材が収容されるとともに、前記ターミナル部材の厚さを調整することにより、発電部又はマニホールド部に付与される荷重が調整されている。

特許第４４９４８３０号公報

ところで、この種の燃料電池スタックでは、外部への放熱により他の発電セルに比べて温度低下が惹起され易い発電セルが存在している。例えば、積層方向端部に配置されている発電セル（以下、端部セルともいう）は、この発電セルに隣接するターミナルプレートやエンドプレート等からの放熱が多く、上記の温度低下が顕著になっている。

本発明は、簡単な構成で、端部セルの温度低下を確実に阻止することができ、しかも、発電セルの外周と発電部とに最適な面圧を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、インシュレータ及びエンドプレートがそれぞれ配設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、前記積層体の積層方向両側に配設された各インシュレータは、それぞれ前記積層体側の端部が開口される凹部を設けるとともに、前記凹部には、断熱部材、前記ターミナルプレート及び厚さ調整用のシム部材が前記積層体の積層方向に互いに重なるよう積層されて収容され、前記断熱部材は、前記積層体の積層方向最端部のセパレータに当接する。

また、この燃料電池スタックでは、シム部材は、電気絶縁性を有するとともに、凹部を形成する底面に配置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、シム部材は、導電性を有するとともに、断熱部材の端部のうち前記積層体の積層方向の一方の端部又は前記断熱部材の内部に配置されることが好ましい。

本発明によれば、インシュレータの凹部に断熱部材及びターミナルプレートが収容されるため、前記断熱部材及び前記ターミナルプレートの外周部からの放熱を良好に抑制することができる。このため、積層体の端部に配置される端部セルの温度低下を確実に阻止することが可能になる。

しかも、インシュレータの凹部には、厚さ調整用のシム部材が収容されている。従って、インシュレータの段差の公差を調整することができ、端部セルを構成するセパレータのシール高さを適正な高さに抑制することが可能になる。これにより、シールの倒れや過大な圧縮を抑制することができ、所望のシール性を確保することが可能になる。

このため、簡単な構成で、端部セルの温度低下を確実に阻止することができ、良好な発電性能を維持するとともに、発電セルの外周と発電部とに最適な面圧を付与することが可能になる。

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。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの要部断面説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックの要部断面説明図である。

図１及び図２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、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、インシュレータ（絶縁プレート）１８ａ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（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、インシュレータ（絶縁プレート）１８ｂ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。

図１に示すように、エンドプレート２０ａ、２０ｂ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２４が配置される。各連結バー２４は、両端をエンドプレート２０ａ、２０ｂの内面にボルト２６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、燃料電池スタック１０では、エンドプレート２０ａ、２０ｂ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３０が、第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４に挟持される。第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４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金属セパレータを採用しているが、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、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、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３８ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。

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３８ａ、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、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。

発電セル１２の矢印Ｃ方向の上端縁部には、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、前記発電セル１２の矢印Ｃ方向の下端縁部には、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。

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、酸化剤ガス供給連通孔３６ａと酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとに連通する酸化剤ガス流路４２が設けられる。酸化剤ガス流路４２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３４の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３４ａには、燃料ガス供給連通孔３８ａと燃料ガス排出連通孔３８ｂとに連通する燃料ガス流路４４が設けられる。燃料ガス流路４４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４６が設けられる。

第１セパレータ３２及び第２セパレータ３４には、それぞれシール部材４８、５０が、一体的又は個別に設けられる。シール部材４８、５０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電極５４及びアノード電極５６とを備える。

固体高分子電解質膜５２は、カソード電極５４及びアノード電極５６よりも大きな平面寸法を有している。なお、電解質膜・電極構造体３０は、カソード電極５４とアノード電極５６とが互いに異なる平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５４及びアノード電極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２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５８ａ、５８ｂが設けられる。端子部５８ａ、５８ｂは、絶縁性筒体６０に挿入されて、後述するシム部材７２ａ、７２ｂの孔部７３ａ、７３ｂ、インシュレータ１８ａ、１８ｂの孔部６２ａ、６２ｂ及びエンドプレート２０ａ、２０ｂの孔部６４ａ、６４ｂを貫通して前記エンドプレート２０ａ、２０ｂの外部に突出する。

インシュレータ１８ａ、１８ｂは、絶縁性材料、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）やフェノール樹脂等で形成されている。インシュレータ１８ａ、１８ｂの中央部には、積層体１４側の端部が開口される凹部６６ａ、６６ｂが形成される。凹部６６ａ、６６ｂを構成する底面６８ａ、６８ｂの略中央には、孔部６２ａ、６２ｂが連通する。

図２及び図３に示すように、凹部６６ａには、断熱部材７０ａ、ターミナルプレート１６ａ及び一定の厚さを有する厚さ調整用のシム部材７２ａが収容される。シム部材７２ａは、凹部６６ａを構成する底面６８ａに配置される。凹部６６ｂには、断熱部材７０ｂ、ターミナルプレート１６ｂ及び厚さ調整用のシム部材７２ｂが収容される。シム部材７２ｂは、凹部６６ｂを構成する底面６８ｂに配置される。

シム部材７２ａ、７２ｂは、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＳＵＳ（ステンレス鋼）、アルミニウム又は銅等で構成される。第１の実施形態では、シム部材７２ａ、７２ｂは、電気絶縁性を有する材料、又は、電気絶縁被膜処理された材料で構成されることが好ましい。

断熱部材７０ａは、発電セル１２（積層体１４）を構成する第１セパレータ３２の外周部を枠状に切断した波板状の金属製のプレート３２Ｐと、第２セパレータ３４の外周部を枠状に切断した波板状の金属製のプレート３４Ｐとを交互に、例えば、２組積層して構成される。断熱部材７０ａでは、プレート３２Ｐ、３４Ｐが当接することにより、これらの間に断熱用空間が形成される。プレート３２Ｐ、３４Ｐの外周寸法は、インシュレータ１８ａの凹部６６ａの内周寸法と同等に設定される。

なお、発電セル１２が３種類の異なるセパレータから構成される場合には、３枚のセパレータを交互に積層してもよい。また、断熱部材７０ａは、プレート３２Ｐ、３４Ｐを１組、又は３組以上で構成してもよく、単一のプレート３２Ｐを複数枚積層してもよく、あるいは、単一のプレート３４Ｐを複数枚積層してもよい。さらに、発電セル用の金属セパレータではなく、端部専用の金属セパレータでもよい。

また、断熱部材７０ａは、空孔を保持し且つ通電性を有する部材であればよく、電気導電性を有する発泡金属、ハニカム形状金属（ハニカム部材）、又は多孔質カーボン（例えば、カーボンペーパ）のいずれかにより構成してもよい。断熱部材７０ａは、１枚でもよく、又は、複数枚を重ねてもよい。なお、断熱部材７０ｂは、上記の断熱部材７０ａと同様に構成されており、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。

図３に示すように、積層体１４のインシュレータ１８ａ側の積層方向端部に配置される第２セパレータ３４は、シール部材５０が前記インシュレータ１８ａの額縁状の端面に当接する。積層体１４のインシュレータ１８ｂ側の積層方向端部に配置される第１セパレータ３２は、シール部材４８が前記インシュレータ１８ｂの額縁状の端面に当接する。

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、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス供給連通孔３６ａに供給される。水素含有ガス等の燃料ガスは、エンドプレート２０ａの燃料ガス供給連通孔３８ａ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、エンドプレート２０ａの冷却媒体供給連通孔４０ａ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、酸化剤ガス流路４２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３０を構成するカソード電極５４に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔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、燃料ガス流路４４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３０を構成するアノード電極５６に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体３０では、カソード電極５４に供給される酸化剤ガスと、アノード電極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、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、アノード電極５６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に沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体供給連通孔４０ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ３２及び第２セパレータ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、冷却媒体排出連通孔４０ｂから排出される。

この場合、第１の実施形態では、図３に示すように、インシュレータ１８ａの凹部６６ａには、断熱部材７０ａ及びターミナルプレート１６ａが収容されている。一方、インシュレータ１８ｂの凹部６６ｂには、断熱部材７０ｂ及びターミナルプレート１６ｂが収容されている。

このため、断熱部材７０ａ、７０ｂ及びターミナルプレート１６ａ、１６ｂの外周部からの放熱を良好に抑制することができる。従って、積層体１４の端部に配置される発電セル１２（端部セル）の温度低下を確実に阻止することが可能になる。

しかも、インシュレータ１８ａ、１８ｂの凹部６６ａ、６６ｂには、厚さ調整用のシム部材７２ａ、７２ｂが収容されている。これにより、インシュレータ１８ａ、１８ｂの段差の公差を調整することができ、端部セルを構成する第２セパレータ３４及び第１セパレータ３２のシール高さを適正な高さに抑制することが可能になる。このため、シール部材５０、４８の倒れや過大な圧縮を抑制することができ、所望のシール性を確保することが可能になるという効果が得られる。

従って、第１の実施形態では、簡単な構成で、端部の発電セル１２の温度低下を確実に阻止することができ、良好な発電性能を維持するとともに、前記発電セル１２の外周と発電部（カソード電極５４及びアノード電極５６の各電極触媒層同士が積層方向に重なり合う領域）とに最適な面圧を付与することが可能になる。

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８０を示す。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８０は、上記のシム部材７２ａ、７２ｂに代えてシム部材８２ａ、８２ｂを備える。シム部材８２ａは、断熱部材７０ａの一方の端部に、例えば、前記断熱部材７０ａとターミナルプレート１６ａとの間に配置される。シム部材８２ｂは、断熱部材７０ｂの一方の端部に、例えば、前記断熱部材７０ｂとターミナルプレート１６ｂとの間に配置される。シム部材８２ａ、８２ｂは、銅、アルミニウム又はステンレスで構成され、断熱部材７０ａ、７０ｂとターミナルプレート１６ａ、１６ｂとを電気的に接続するために、導電性を有する。

なお、シム部材８２ａは、断熱部材７０ａの他方の端部に、例えば、前記断熱部材７０ａと発電セル１２を構成する第２セパレータ３４との間に配置してもよい。また、シム部材８２ａは、断熱部材７０ａの内部に、例えば、プレート３２Ｐ、３４Ｐ間に配置してもよい。シム部材８２ｂも、同様である。

このように構成される第２の実施形態では、シール部材５０、４８の倒れや過大な圧縮を抑制することができ、簡単な構成で、発電セル１２の外周と発電部とに最適な面圧を付与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。

図６は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタック９０を示す。

燃料電池スタック９０は、上記の断熱部材７０ａ、７０ｂに代えて断熱部材９２ａ、９２ｂを備える。断熱部材９２ａ、９２ｂは、それぞれ材質の異なる少なくとも第１断熱部材９４と第２断熱部材９６とを備え、前記第１断熱部材９４と前記第２断熱部材９６とが交互に積層される。

第１断熱部材９４は、例えば、金属プレートで構成され、上記のプレート３２Ｐ、３４Ｐの少なくともいずれかを使用することができる。第２断熱部材９６は、断熱機構を有する部材であればよく、例えば、カーボンプレートを使用することが可能である。第２断熱部材９６は、第１断熱部材９４よりも小さな外形寸法に設定される。

インシュレータ１８ａの凹部６６ａには、断熱部材９２ａ、ターミナルプレート１６ａ及びシム部材７２ａが収容されるとともに、前記シム部材７２ａは、底面６８ａに配置される。インシュレータ１８ｂの凹部６６ｂには、断熱部材９２ｂ、ターミナルプレート１６ｂ及びシム部材７２ｂが収容されるとともに、前記シム部材７２ｂは、底面６８ｂに配置される。

なお、第３の実施形態では、第１の実施形態のシム部材７２ａ、７２ｂを使用したが、これに限定されるものではなく、第２の実施形態のシム部材８２ａ、８２ｂを採用してもよい。

このように構成される第３の実施形態では、インシュレータ１８ａ、１８ｂの凹部６６ａ、６６ｂには、断熱部材９２ａ、９２ｂが配置されている。断熱部材９２ａ、９２ｂは、それぞれ材質の異なる第１断熱部材９４と第２断熱部材９６とを備えるとともに、前記第１断熱部材９４と前記第２断熱部材９６とは、交互に積層されている。

このため、異種部材である第１断熱部材９４と第２断熱部材９６との接触面には、界面熱抵抗が惹起し、断熱性が良好に向上する。従って、第１断熱部材９４及び第２断熱部材９６は、薄肉形状に構成されても、所望の通電性及び所望の断熱性を確保することが可能になる。

しかも、凹部６６ａ、６６ｂには、シム部材７２ａ、７２ｂ（又はシム部材８２ａ、８２ｂ）が収容されている。これにより、簡単な構成で、発電セル１２の外周と発電部とに最適な面圧を付与することが可能になる等、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。

なお、第１断熱部材９４と第２断熱部材９６とは、それぞれ材質が異なっていれば、種々の組み合わせが可能である。また、第１断熱部材９４及び第２断熱部材９６の積層数は、任意、設定することができる。さらに、第２断熱部材９６は、平板状ではなく、波板状であってもよい。

１０、８０、９０…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
１８ａ、１８ｂ…インシュレータ ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
３０…電解質膜・電極構造体 ３２、３４…セパレータ
３２Ｐ、３４Ｐ…金属プレート ３６ａ…酸化剤ガス供給連通孔
３６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔 ３８ａ…燃料ガス供給連通孔
３８ｂ…燃料ガス排出連通孔 ４０ａ…冷却媒体供給連通孔
４０ｂ…冷却媒体排出連通孔 ４２…酸化剤ガス流路
４４…燃料ガス流路 ４６…冷却媒体流路
４８、５０…シール部材 ５２…固体高分子電解質膜
５４…カソード電極 ５６…アノード電極
６６ａ、６６ｂ…凹部 ６８ａ、６８ｂ…底面
７０ａ、７０ｂ、９２ａ、９２ｂ、９４、９６…断熱部材
７２ａ、７２ｂ、８２ａ、８２ｂ…シム部材

Claims (3)

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、インシュレータ及びエンドプレートがそれぞれ配設される燃料電池スタックであって、
   前記積層体の積層方向両側に配設された各インシュレータは、それぞれ前記積層体側の端部が開口される凹部を設けるとともに、
   前記凹部には、断熱部材、前記ターミナルプレート及び厚さ調整用のシム部材が前記積層体の積層方向に互いに重なるよう積層されて収容され、
   前記断熱部材は、前記積層体の積層方向最端部のセパレータに当接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、前記シム部材は、電気絶縁性を有するとともに、
   前記凹部を形成する底面に配置されることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記シム部材は、導電性を有するとともに、
   前記断熱部材の端部のうち前記積層体の積層方向の一方の端部又は前記断熱部材の内部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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