JP6156237B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池スタックに関する。

複数の燃料電池単セルが積層された積層体と、積層体の積層方向の両端に配置された導電性のターミナルプレート（高電圧部）と、ターミナルプレートの積層方向の外側に配置された導電性のエンドプレート（アース部）と、これらターミナルプレートとエンドプレートとの間に配置された絶縁プレートと、を備えた燃料電池スタックが知られている（特許文献１参照）。

特開２０１０−１４０８７０号公報

絶縁プレートには、以下の機能が求められる。ターミナルプレートとエンドプレート間を絶縁する機能、外周部においてターミナルプレートとエンドプレート間の沿面放電を防止するための沿面距離を確保する機能、及び冷却水や燃料ガスや酸化剤ガスを流す流通路におけるシール（封止）機能である。

特許文献1では、絶縁プレートを薄くしながら沿面距離を確保するために、絶縁プレートの外縁部をエンドプレート側またはターミナルプレート側に折り曲げている。しかし、ターミナルプレートとエンドプレート間を絶縁しながら、絶縁プレートを薄くし、かつシールもしなければならない、という絶縁プレートの流通路の部分の構造には改良の余地がある。

本発明によれば、複数の燃料電池単セルを積層方向に沿って積層した積層体と、積層体の積層方向の端部に配置された導電性のターミナルプレートと、ターミナルプレートの積層方向の外側に配置された導電性のエンドプレートと、ターミナルプレートとエンドプレートとの間に配置された絶縁プレートと、を備えた燃料電池スタックであって、エンドプレート、絶縁プレート及びターミナルプレートは、これらを貫通して燃料電池スタック外部から積層体に到る流通路を有し、絶縁プレートの外縁部は、ターミナルプレートの外周面又はエンドプレートの外周面を覆うように前記積層方向へ延び、流通路の内周面を形成する絶縁プレートの流通路の内縁部は、ターミナルプレートの流通路の内周面を覆うように積層方向へ延び、絶縁プレートに面するエンドプレートの表面又はエンドプレートに面する絶縁プレートの表面の流通路の周りに環状の収容溝を設け、収容溝内にシール材を収容した、燃料電池スタックが提供される。

エンドプレートとターミナルプレートとの間を絶縁しながら、絶縁プレートを薄くし、かつ、より適切なシールを行うことができる。

燃料電池スタックの側面図である。 ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートの概略分解斜視図である。 燃料電池スタックの部分縦断面図である。 別の実施例の燃料電池スタックの部分縦断面図である。 更に別の実施例の燃料電池スタックの部分縦断面図である。 更に別の実施例の燃料電池スタックの部分縦断面図である。 更に別の実施例の燃料電池スタックの部分縦断面図である。 更に別の実施例の燃料電池スタックの部分縦断面図である。 更に別の実施例の燃料電池スタックの部分縦断面図である。 更に別の実施例の燃料電池スタックの部分縦断面図である。

実施例に係る燃料電池スタック１について説明する。
図１は、燃料電池スタック１の側面図である。図１を参照すると、燃料電池スタック１は、積層体３と、ターミナルプレート４と、エンドプレート５と、絶縁プレート６と、を備える。積層体３は、複数の燃料電池単セル２を積層方向Ｓに沿って積層することにより形成される。ターミナルプレート４は、積層体３の積層方向Ｓの両端部に配置される。エンドプレート５は、ターミナルプレート４の積層方向Ｓの外側に配置される。絶縁プレート６は、ターミナルプレート４とエンドプレート５との間に配置される。ターミナルプレート４及びエンドプレート５は導電性材料から形成され、絶縁プレート６は電気絶縁性材料から形成される。

また、エンドプレート５、５は積層方向Ｓに延びる締結具（図示されず）により互いに締結される。その結果、エンドプレート５、５が積層方向Ｓ内向きに互いに引き寄せられる。したがって、積層体３、ターミナルプレート４、エンドプレート５及び絶縁プレート６が積層方向Ｓに関し互いに密着される。

ターミナルプレート４、エンドプレート５及び絶縁プレート６は、積層方向Ｓに垂直な断面でみると、それぞれ長方形状をなしている。そのとき、ターミナルプレート４及び絶縁プレート６は互いにほぼ同じ大きさである。一方、エンドプレート５はターミナルプレート４及び絶縁プレート６とほぼ同じ大きさか又はこれらよりもわずかに大きい。

燃料電池スタック１の積層方向Ｓの一端に位置するターミナルプレート４、絶縁プレート６及びエンドプレート５は、これらターミナルプレート４、絶縁プレート６及びエンドプレート５を積層方向Ｓに貫通して燃料電池スタック１の外部から積層体３に到る複数の流通路７を備えている。これら流通路７には、水素のような燃料ガスを積層体３に供給する供給路、燃料ガスを積層体３から排出する排出路、空気のような酸化剤ガスを積層体３に供給する供給路、酸化剤ガスを積層体３から排出する排出路、冷却水を積層体３に供給する供給路、及び冷却水を積層体３から排出する排出路が含まれる。

燃料電池単セル２はそれぞれアノード極及びカソード極（図示されず）を有しており、アノード極は一方のターミナルプレート４に電気的に接続され、カソード極は他方のターミナルプレート４に電気的に接続される。燃料電池単セル２では、燃料電池単セル２に供給された燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により電気エネルギが発生する。燃料電池単セル２で発生した電気エネルギはターミナルプレート４を介して燃料電池スタック１の外部に取り出される。燃料電池スタック１から取り出された電気エネルギは例えば電動車両の駆動用電気モータ又は蓄電器に供給される。なお、エンドプレート５は接地されている。

図２は、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートの概略分解斜視図である。図３は、燃料電池スタックの部分縦断面図である。

図２及び図３に示されるように、絶縁プレート６は、外縁部６ａと、平板部６ｂと、内縁部６ｃとを備えている。平板部６ｂは、エンドプレート５とターミナルプレート４との間に挟まる長方形状の平板状の部分で、流通路７を形成する開口部を有する。外縁部６ａは、平板部６ｂの外縁に設けられた長方形状のフレーム状の部分である。外縁部６ａは、ターミナルプレート４の外周面４ｐを覆うように、平板部６ｂの外周面から積層方向Ｓに延びている。言い換えると、外縁部６ａは、平板部６ｂをその外周面からターミナルプレート４の外周面４ｐ側に折り曲げたように設けられている。内縁部６ｃは、絶縁プレート６の流通路７の内周面を形成する円筒状の部分である。内縁部６ｃは、ターミナルプレート４の流通路７の内周面４ｑを覆うように、平板部６ｂから積層方向Ｓに延びている。言い換えると、内縁部６ｃは、平板部６ｂをその開口部からターミナルプレート４の流通路７側に折り曲げたように設けられている。外縁部６ａ及び内縁部６ｃはそれぞれ、平板部６ｂから、ターミナルプレート４の積層体３側の表面４ｓまで延びている。この場合、絶縁プレート６は、平板部６ｂ、外縁部６ａ、及び内縁部６ｃにより画定される凹部を有しているという見方もできる。

ターミナルプレート４は、平板状であり、流通路７を形成する開口部を有する。図３に示される実施例では、ターミナルプレート４は、積層体３側の表面４ｓを除いて、絶縁プレート６で覆われる。すなわち、ターミナルプレート４の外周面４ｐは、絶縁プレート６の外縁部６ａに覆われ、ターミナルプレート４の絶縁プレート６側の表面４ｒは絶縁プレート６の平板部６ｂに覆われ、ターミナルプレート４の内周面４ｑは絶縁プレート６の内縁部６ｃに覆われる。この内縁部６ｃにより、流通路７内を流れる流体からターミナルプレート４が保護される。絶縁プレート６の内縁部６ｃは、ターミナルプレート４の流通路７の内周面を形成する。この場合、絶縁プレート６の凹部内にターミナルプレート４が嵌め込まれているという見方もできる。

エンドプレート５は、平板状であり、流通路７の開口部を有する。エンドプレート５の絶縁プレート６側の表面５ｒは、絶縁プレート６の平板部６ｂに当接する。エンドプレート５の流通路７の内周面５ｑには、樹脂製の内筒部５ｃが設けられる。内筒部５ｃは、エンドプレート５の流通路７の内周面を覆う。この内筒部５ｃにより、流通路７内を流れる流体からエンドプレート５が保護される。

内筒部５ｃは、フランジ部５ｃ１と、円筒部５ｃ２と、フランジ部５ｃ３とを備えている。円筒部５ｃ２は、エンドプレート５の流通路７の内周面５ｑを覆う円筒状の部分であり、絶縁プレート６側の表面５ｒから、絶縁プレート６と反対側の表面５ｓまで延びる。フランジ部５ｃ３は、円筒部５ｃ２の一端から表面５ｒに沿って放射状に延びる円環状の部分である。言い換えると、フランジ部５ｃ３は、円筒部５ｃ２をその一端から表面５ｒ側に折り曲げたように設けられている。フランジ部５ｃ３の表面は、エンドプレート５の絶縁プレート６側の表面５ｒの一部を形成する。フランジ部５ｃ１は、円筒部５ｃ２の他端から表面５ｓに沿って放射状に延びる円環状の部分である。言い換えると、フランジ部５ｃ１は、円筒部５ｃ２をその他端から表面５ｓ側に折り曲げたように設けられている。フランジ部５ｃ１の表面は、エンドプレート５の絶縁プレート６と反対側の表面５ｓの一部を形成する。

図２及び図３に示される実施例では、エンドプレート５の内筒部５ｃは、表面５ｒの流通路７の周りに、流通路７をシールするシール構造５ｍを備えている。シール構造５ｍは、絶縁プレート６とエンドプレート５との間の流通路７のシール（封止）を行う。シール構造５ｍには、フランジ部５ｃ３の流通路７の周りに設けられた環状の収容溝５ｍｇが設けられている。その収容溝５ｍｇ内には、Ｏリングのようなシール材５ｍｓが収容される。シール材５ｍｓが絶縁プレート６の表面６ｓに押し付けられることにより、絶縁プレート６とエンドプレート５との間の流通路７のシールが行われる。

絶縁プレート６は、電気絶縁性を有する材料であれば特に制限はない。本発明による実施例では絶縁プレート６は、電気絶縁性樹脂、例えばナイロン系、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）系などの熱可塑性樹脂、不飽和ポリエステル樹脂のような熱硬化性樹脂から形成される。また、内筒部５ｃは、絶縁プレート６と同じ材料で形成できる。

絶縁プレート６の厚みは、使用する電気絶縁性を有する材料の絶縁特性とそこにかかる電圧により決まる。本発明による実施例では、絶縁プレート６でのピンホール等の欠陥を抑制する観点や、シール構造５ｍでのシール性能の確保の観点から１ｍｍ以上であることが好ましい。

さて、ターミナルプレート４の電位は高く、これに対しエンドプレート５は接地されている。そのため、絶縁プレート６の厚さｔを小さくすると、ターミナルプレート４とエンドプレート５とが近づき過ぎて、ターミナルプレート４とエンドプレート５との間で沿面放電が発生する危険性がある。しかし、本発明による実施例では、ターミナルプレート４の外周面４ｐを絶縁プレート６の外縁部６ａで覆うことにより、ターミナルプレート４とエンドプレート５との間の沿面距離ＣＤ（＝外縁部６ａの長さＤ１＋外縁部６ａの厚みｄ１）を長くすることができる。したがって、絶縁プレート６の厚さｔを小さくすることができる。すなわち、ターミナルプレート４とエンドプレート５との間での沿面放電の発生を抑制しつつ燃料電池スタック１の重量及びコストを低減することができる。

このとき、本発明による実施例では、エンドプレート５と絶縁プレート６間の流通路７の周りにシール構造５ｍが設けられている。このシール構造５ｍにより、エンドプレート５と絶縁プレート６との間での流通路７を確実にシールすることができる。

また、絶縁プレート６とエンドターミナル４との間の流通路７のシールに関しては、内縁部６ｃがエンドターミナル４の流通路７側の内周面４ｑを覆い、絶縁プレート６とエンドターミナル４との境界が流通路７に面していないので、シールは不要である。見方を変えれば、絶縁プレート６の内縁部６ｃにより、絶縁プレート６とエンドターミナル４との間の流通路７のシールが行われる、ということになる。

図４は、本発明の別の実施例における燃料電池スタックの部分縦断面図である。この実施例は、図３の実施例と比較すると、絶縁プレート６が外縁拡張部６ａｅ及び内縁拡張部６ｃｅの少なくとも一方を更に備えている点で相違する。外縁拡張部６ａｅは、外縁部６ａの延長部分であり、外縁部６ａの端部からターミナルプレート４の積層体３側の表面（絶縁プレート６と接する表面４ｒに対向する表面）４ｓに回り込むように設けられている。外縁拡張部６ａｅは、沿面距離ＣＤを、更にその長さｄ２分だけ長くする。すなわち、沿面距離ＣＤは、（外縁部６ａの長さＤ１＋外縁部６ａの厚みｄ１＋外縁拡張部６ａｅの長さｄ２）となる。それにより、絶縁プレート６の平板部６ｂの厚みｔを更に薄くしても、沿面距離ＣＤを確保することができる。言い換えれば、図３の場合と比較して、厚みｔを更に薄くすることができる。

一方、内縁拡張部６ｃｅは、内縁部６ｃの延長部分であり、内縁部６ｃの端部からターミナルプレート４の積層体３側の表面４ｓに回り込むように設けられている。内縁拡張部６ｃｅは、絶縁プレート６とターミナルプレート４との境界を流通路７側から更に遠ざけて、覆っているので、絶縁プレート６とターミナルプレート４との間での流通路７をより確実にシールすることができる。

燃料電池スタック１では、外縁拡張部６ａｅ及び内縁拡張部６ｃｅの両方を用いてもよいし、いずれか一方を用いてもよい。

図５は、本発明の更に別の実施例における燃料電池スタックの部分縦断面図である。この実施例は、図３の実施例と比較すると、シール構造がエンドプレート５にではなく絶縁プレート６に設けられている点で相違する。絶縁プレート６の平板部６ｂは、エンドプレート５の表面５ｒに面する表面６ｓの流通路７の周りに、流通路７をシールするシール構造６ｍを備えている。シール構造６ｍは、絶縁プレート６とエンドプレート５との間の流通路７のシール（封止）を行う。シール構造６ｍには、平板部６ｂの流通路７の周りに設けられた環状の収容溝６ｍｇが設けられている。その収容溝６ｍｇ内には、Ｏリングのようなシール材６ｍｓが収容される。シール材６ｍｓがエンドプレート５の表面５ｒに押し付けられることにより、絶縁プレート６とエンドプレート５との間の流通路７のシールが行われる。この場合にも、図３の場合と同様に、流通路７をより適切にシールすることができる。

図６は、本発明の更に別の実施例における燃料電池スタックの部分縦断面図である。この実施例は、図５の実施例と比較すると、絶縁プレート６が外縁拡張部６ａｅ及び内縁拡張部６ｃｅを更に備えている点で相違する。外縁拡張部６ａｅ及び内縁拡張部６ｃｅについては、図４の実施例において説明したとおりである。この場合であっても、図４の場合と同様に、外縁拡張部６ａｅにより絶縁プレート６の厚みｔを更に薄くすることができ、内縁拡張部６ｃｅにより流通路７をより適切にシールすることができる。

図７〜図１０は、本発明の更に別の実施例における燃料電池スタックの部分縦断面図である。これらの実施例は、それぞれ図３〜図６の実施例と比較すると、絶縁プレート６の外縁部６ａがターミナルプレート４ではなくエンドプレート５の外周面５ｐ全体を覆うように延びている点で相違する。その結果、エンドプレート５とターミナルプレート４との間の沿面距離ＣＤは、絶縁プレート６（の平板部６ｂ）の厚みｔではなく、外縁部６ａの長さＤ２と外縁部６ａの厚みｄ１との和となる。それにより、絶縁プレート６の厚みｔを薄くしても、沿面距離ＣＤ（＝Ｄ２＋ｄ１）を長くすることができる。一方、図７及び図８に示される実施例では、図３及び図４に示される実施例と同様に、シール構造５ｍがエンドプレート５に設けられる。これに対し、図９及び図１０に示される実施例では、図５及び図６に示される実施例と同様に、シール構造６ｍが絶縁プレート６に設けられる。また、図７及び図９に示される実施例では、図３及び図５に示される実施例と同様に、ターミナルプレート４の積層体３側の表面４ｓが絶縁プレート６により覆われていない。これに対し、図８及び図１０に示される実施例では、図４及び図６に示される実施例と同様に、ターミナルプレート４の積層体３側の表面４ｓが絶縁プレート６により覆われる。その結果、図７から図１０に示される実施例は上述の効果に加えて、それぞれ図３〜図６の実施例と同様の効果を奏することができる。

以上説明されたように、各実施例の燃料電池スタックは、簡易的な構造で、エンドプレートとターミナルプレートとの間を絶縁しながら、絶縁プレートを薄くし、かつ、より適切なシールを行うことが可能な流通路を備える燃料電池スタックを提供することができる。

１ 燃料電池スタック
２ 燃料電池単セル
Ｓ 積層方向
３ 積層体
４ ターミナルプレート
４ｐ 外周面
４ｑ 内周面
５ エンドプレート
５ｒ 表面
５ｍｇ 収容溝
５ｍｓ シール材
６ 絶縁プレート
６ａ 外縁部
６ｃ 内縁部
６ｓ 表面
６ｍｇ 収容溝
６ｍｓ シール材
７ 流通路

Claims (1)

1. 複数の燃料電池単セルを積層方向に沿って積層した積層体と、
   前記積層体の前記積層方向の端部に配置された導電性のターミナルプレートと、
   前記ターミナルプレートの前記積層方向の外側に配置された導電性のエンドプレートと、
   前記ターミナルプレートと前記エンドプレートとの間に配置された絶縁プレートと、
   を備えた燃料電池スタックであって、
   前記エンドプレート、前記絶縁プレート及び前記ターミナルプレートは、これらを貫通して燃料電池スタック外部から前記積層体に到る流通路を有し、
   前記絶縁プレートの外縁部は、前記ターミナルプレートの外周面を覆うように前記積層方向へ延び、
   前記流通路の内周面を形成する前記絶縁プレートの内縁部は、前記ターミナルプレートの前記流通路の内周面を覆うように前記積層方向へ延び、
   前記絶縁プレートに面する前記エンドプレートの表面又は前記エンドプレートに面する前記絶縁プレートの表面の前記流通路の周りに環状の収容溝を設け、前記収容溝内にシール材を収容しており、
   前記絶縁プレートは、
   前記外縁部の延長部分であって、前記外縁部の端部から前記ターミナルプレートの前記積層体側の表面に回り込むように設けられた外縁拡張部と、
   前記内縁部の延長部分であって、前記内縁部の端部から前記ターミナルプレートの前記積層体側の表面に回り込むように設けられた内縁拡張部と、
   を含む、
   燃料電池スタック。

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