JP6166203B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層されて積層方向両端に矩形状のエンドプレートが配設されるとともに、一対の前記エンドプレート間には、各辺にサイドパネルが固定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一方側にアノード電極が、前記電解質膜の他方側にカソード電極が、それぞれ配設された電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を備えている。電解質膜・電極構造体は、セパレータにより挟持されて発電セルを構成している。この燃料電池は、通常、所定の数の発電セルを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。

燃料電池スタックでは、特に車載用として使用される際、揺れや振動の他、外部荷重が付与される場合がある。従って、燃料電池スタック全体の剛性を確保するため、前記燃料電池スタックをボックス内に収容する構成が採用されている。この種の構成として、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックの締結構造が知られている。

この締結構造は、図６に示すように、セパレータ１の上、下両端面にエンドプレート２ａ、２ｂが密着固定されている。セパレータ１の上、下両端面を除く４周面は、１対のコ字型エンクロージャーパネル３ａ、３ｂにより脱着式に覆われている。そして、脱着式の締結構造は、エンドプレート２ａ、２ｂの側面部の周面に沿って凹に形成された凹部と、エンクロージャーパネル３ａ、３ｂの上、下側の縁部に形成された突部が嵌合している。

特開２００８−１１２７０８号公報

上記の締結構造では、それぞれ形状の異なるコ字型エンクロージャーパネル３ａ、３ｂが用いられている。このため、ケーシング全体の部品点数が増加するとともに、経済的ではないという問題がある。

本発明は、この種の問題を解決するものであり、それぞれ非対称形状の２枚のサイドプレートを共用化することができ、経済的な構成で、燃料電池を良好に保護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、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層されて積層方向両端に矩形状のエンドプレートが配設されている。一対のエンドプレート間には、各辺にサイドパネルが固定されている。

サイドパネルは、積層された前記燃料電池を挟んで対向位置に配置される第１サイドパネル及び第２サイドパネルを備えている。そして、第１サイドパネル及び第２サイドパネルは、それぞれ非対称形状を有し、且つ、燃料電池の積層方向に沿って延在する燃料電池中心軸に対して互いに点対称形状に構成されている。

また、燃料電池は、横長な長方形状を有し、水平方向に積層されるとともに、該燃料電池の一方の短辺に沿って第１サイドパネルが配置され、且つ、該燃料電池の他方の短辺に沿って第２サイドパネルが配置されることが好ましい。

本発明によれば、それぞれ非対称形状の第１サイドパネルと第２サイドパネルとは、一方が燃料電池中心軸を中心に１８０度だけ回転されると、他方と同一の形状を有している。このため、単一種類のサイドパネルを２枚だけ用意し、一方のサイドパネルを第１サイドパネルとし、他方のサイドパネルを反転させて第２サイドパネルとして使用することができる。

従って、それぞれ非対称形状の２枚のサイドプレートを共用化することができ、経済的な構成で、燃料電池を良好に保護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が搭載された燃料電池電気自動車の概略平面説明図である。 前記燃料電池スタックの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。 前記燃料電池スタックの一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燃料電池の要部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。 特許文献１に開示されている燃料電池スタックの締結構造の斜視図である。

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、例えば、燃料電池電気自動車（燃料電池車両）１２のフロントボックス（所謂、モータルーム）１２ｆに収容される。なお、燃料電池スタック１０の収容場所は、フロントボックス１２ｆに限定されるものではなく、例えば、車両中央部床下や後部トランク近傍であってもよい。

燃料電池スタック１０は、燃料電池１４と、積層された複数の前記燃料電池１４を収容するケーシング１６とを備える（図１〜図３参照）。燃料電池１４は、図３に示すように、立位姿勢で燃料電池電気自動車１２の車長方向（車両進行方向）（矢印Ａ方向）に交差する車幅方向（矢印Ｂ方向）に積層される。

燃料電池１４の積層方向一端には、第１ターミナルプレート２０ａ、第１絶縁プレート２２ａ及び第１エンドプレート２４ａが、外方に向かって順次配設される。燃料電池１４の積層方向他端には、第２ターミナルプレート２０ｂ、第２絶縁プレート２２ｂ及び第２エンドプレート２４ｂが、外方に向かって順次配設される。

横長形状（長方形状）の第１エンドプレート２４ａの略中央部（中央部から偏心していてもよい）からは、第１ターミナルプレート２０ａに接続された第１電力出力端子２６ａが外方に向かって延在する。横長形状（長方形状）の第２エンドプレート２４ｂの略中央部からは、第２ターミナルプレート２０ｂに接続された第２電力出力端子２６ｂが外方に向かって延在する。

図２及び図３に示すように、第１エンドプレート２４ａと第２エンドプレート２４ｂの各上辺には、前記上辺の略中央部に位置して一定の長さを有する連結バー２８ａが配置される。第１エンドプレート２４ａと第２エンドプレート２４ｂの各下辺には、前記下辺の略中央部に位置して一定の長さを有する連結バー２８ｂが配置される。

第１エンドプレート２４ａの一方の短辺と第２エンドプレート２４ｂの一方の短辺とには、前記一方の短辺の中央よりも上部側に位置して一定の長さを有する連結バー２８ｃが配置される。第１エンドプレート２４ａの他方の短辺と第２エンドプレート２４ｂの他方の短辺とには、前記他方の短辺の中央よりも下部側に位置して一定の長さを有する連結バー２８ｄが配置される。連結バー２８ｃは、後述する燃料ガス排出連通孔４０ｂと酸化剤ガス排出連通孔３８ｂとの間に対応して配置される。連結バー２８ｄは、後述する燃料ガス供給連通孔４０ａと酸化剤ガス供給連通孔３８ａとの間に対応して配置される。

連結バー２８ａ、２８ｂ、２８ｃ及び２８ｄの各両端は、第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂにねじ３０を介して固定され、複数の積層された燃料電池１４に積層方向（矢印Ｂ方向）の締め付け荷重を付与する。

図４に示すように、燃料電池１４は、電解質膜・電極構造体３２と、前記電解質膜・電極構造体３２を挟持するカソード側セパレータ３４及びアノード側セパレータ３６とを備える。

カソード側セパレータ３４及びアノード側セパレータ３６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板により構成される。カソード側セパレータ３４及びアノード側セパレータ３６は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、カソード側セパレータ３４及びアノード側セパレータ３６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使用してもよい。

カソード側セパレータ３４及びアノード側セパレータ３６は、横長形状を有するとともに、長辺が水平方向（矢印Ａ方向）に延在し且つ短辺が重力方向（矢印Ｃ方向）に延在する。なお、短辺が水平方向に延在し且つ長辺が重力方向に延在するように配置してもよい。

燃料電池１４の長辺方向（矢印Ａ方向）の一端縁部には、矢印Ｂ方向に互いに連通して、酸化剤ガス供給連通孔３８ａと燃料ガス供給連通孔４０ａとが上下に設けられる。酸化剤ガス供給連通孔３８ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、燃料ガス供給連通孔４０ａは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給する。酸化剤ガス供給連通孔３８ａの開口面積（例えば、矢印Ｃ方向の開口長さ）は、燃料ガス供給連通孔４０ａの開口面積（例えば、矢印Ｃ方向の開口長さ）よりも大きく設定される。

燃料電池１４の長辺方向の他端縁部には、矢印Ｂ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排出連通孔４０ｂと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３８ｂとが上下に設けられる。酸化剤ガス排出連通孔３８ｂの開口面積（例えば、矢印Ｃ方向の開口長さ）は、燃料ガス排出連通孔４０ｂの開口面積（例えば、矢印Ｃ方向の開口長さ）よりも大きく設定される。

燃料電池１４の短辺方向（矢印Ｃ方向）の両端縁部一方側には、すなわち、酸化剤ガス供給連通孔３８ａ及び燃料ガス供給連通孔４０ａ側には、矢印Ｂ方向に互いに連通して、２つの冷却媒体供給連通孔４２ａが設けられる。各冷却媒体供給連通孔４２ａは、冷却媒体を供給するものであり、互いに対向する辺に設けられる。

燃料電池１４の短辺方向の両端縁部他方側には、すなわち、燃料ガス排出連通孔４０ｂ及び酸化剤ガス排出連通孔３８ｂ側には、矢印Ｂ方向に互いに連通して、２つの冷却媒体排出連通孔４２ｂが設けられる。各冷却媒体排出連通孔４２ｂは、冷却媒体を排出するものであり、互いに対向する辺に設けられる。

電解質膜・電極構造体３２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（陽イオン交換膜）４４と、前記固体高分子電解質膜４４を挟持するカソード電極４６及びアノード電極４８とを備える。

カソード電極４６及びアノード電極４８は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）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（図示せず）とを有する。電極触媒層は、例えば、固体高分子電解質膜４４の両面に形成される。

カソード側セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３４ａには、酸化剤ガス供給連通孔３８ａと酸化剤ガス排出連通孔３８ｂとを連通する酸化剤ガス流路５０が形成される。酸化剤ガス流路５０は、矢印Ａ方向に延在する複数本の波状流路溝（又は直線状流路溝）により形成される。

アノード側セパレータ３６の電解質膜・電極構造体３２に向かう面３６ａには、燃料ガス供給連通孔４０ａと燃料ガス排出連通孔４０ｂとを連通する燃料ガス流路５２が形成される。燃料ガス流路５２は、矢印Ａ方向に延在する複数本の波状流路溝（又は直線状流路溝）により形成される。

アノード側セパレータ３６の面３６ｂと隣接するカソード側セパレータ３４の面３４ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔４２ａ、４２ａと冷却媒体排出連通孔４２ｂ、４２ｂとに連通する冷却媒体流路５４が形成される。この冷却媒体流路５４は、電解質膜・電極構造体３２の電極範囲にわたって冷却媒体を流通させる。

カソード側セパレータ３４の面３４ａ、３４ｂには、このカソード側セパレータ３４の外周端縁部を周回して第１シール部材５６が一体成形される。アノード側セパレータ３６の面３６ａ、３６ｂには、このアノード側セパレータ３６の外周端縁部を周回して第２シール部材５８が一体成形される。

第１シール部材５６及び第２シール部材５８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用いられる。

図３に示すように、第１エンドプレート２４ａには、酸化剤ガス供給マニホールド６０ａ、酸化剤ガス排出マニホールド６０ｂ、燃料ガス供給マニホールド６２ａ及び燃料ガス排出マニホールド６２ｂが取り付けられる。酸化剤ガス供給マニホールド６０ａは、酸化剤ガス供給連通孔３８ａに連通し、酸化剤ガス排出マニホールド６０ｂは、酸化剤ガス排出連通孔３８ｂに連通する。燃料ガス供給マニホールド６２ａは、燃料ガス供給連通孔４０ａに連通し、燃料ガス排出マニホールド６２ｂは、燃料ガス排出連通孔４０ｂに連通する。

第２エンドプレート２４ｂには、図１に示すように、一対の冷却媒体供給連通孔４２ａ及び一対の冷却媒体排出連通孔４２ｂに連通する冷却媒体供給マニホールド６４ａ及び冷却媒体排出マニホールド６４ｂが取り付けられる。

図３に示すように、ケーシング１６は、車幅方向（矢印Ｂ方向）両端の２辺（面）が第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂにより構成される。図２及び図３に示すように、ケーシング１６の車長方向（矢印Ａ方向）両端の２辺（面）は、前方サイドパネル（第１サイドパネル）６６及び後方サイドパネル（第２サイドパネル）６８により構成される。

ケーシング１６の車高方向（矢印Ｃ方向）両端の２辺（面）は、上方サイドパネル７０及び下方サイドパネル７２により構成される。前方サイドパネル６６及び後方サイドパネル６８は、ケーシング１６の一方の対向位置に配置され、上方サイドパネル７０及び下方サイドパネル７２は、前記ケーシング１６の他方の対向位置に配置される。

前方サイドパネル６６は、鉛直方向に配置される横長プレート形状を有し、ケーシング１６の内方に膨出する内側膨出部６６ａ、６６ｂが上下に形成されることにより、前記内側膨出部６６ａ、６６ｂ間に窪み６６ｃが形成される。前方サイドパネル６６の上部に設けられる内側膨出部６６ａは、前記前方サイドパネル６６の下部に設けられる内側膨出部６６ｂよりも小さく（矢印Ｃ方向に短尺に）構成される。前方サイドパネル６６は、非対称形状を有する。具体的には、短辺の中央位置で積層方向に対して非対称形状であればよく、特に形状に限定されるものではない。例えば、凸形状でもよく、凹形状でもよく、どのような形状でもよい。以下に示す非対称形状も同様である。

後方サイドパネル６８は、鉛直方向に配置される横長プレート形状を有し、ケーシング１６の内方に膨出する内側膨出部６８ａ、６８ｂが上下に形成されることにより、前記内側膨出部６８ａ、６８ｂ間に窪み６８ｃが形成される。後方サイドパネル６８の上部に設けられる内側膨出部６８ａは、前記後方サイドパネル６８の下部に設けられる内側膨出部６８ｂよりも大きく（矢印Ｃ方向に長尺に）構成される。後方サイドパネル６８は、非対称形状を有する。

図２に示すように、前方サイドパネル６６及び後方サイドパネル６８は、燃料電池１４の積層方向に沿って延在する第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂの短辺の中心且つ長辺の中心である中心軸７４（Ｙ軸）に対して互いに点対称形状に構成される。前方サイドパネル６６は、燃料電池中心軸７４を中心に１８０度だけ回転されると、後方サイドパネル６８と同一形状を有する。具体的には、前方サイドパネル６６の内側膨出部６６ａは、後方サイドパネル６８の内側膨出部６８ｂに一致し、前記前方サイドパネル６６の内側膨出部６６ｂは、前記後方サイドパネル６８の内側膨出部６８ａに一致する。

上方サイドパネル７０及び下方サイドパネル７２は、それぞれ単一の平板（又は複数枚のプレートの積層体）で構成される。前方サイドパネル６６、後方サイドパネル６８、上方サイドパネル７０及び下方サイドパネル７２には、所望の位置にボルト挿入用の孔部７６が形成される。

第１エンドプレート２４ａ、第２エンドプレート２４ｂ、前方サイドパネル６６及び後方サイドパネル６８には、所望の位置にねじ穴７８が形成される。各孔部７６に挿入されるねじ８０が、各ねじ穴７８に螺合され、上方サイドパネル７０、下方サイドパネル７２、前方サイドパネル６６及び後方サイドパネル６８は、第１エンドプレート２４ａ及び第２エンドプレート２４ｂに固定される。

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３に示すように、第１エンドプレート２４ａの酸化剤ガス供給マニホールド６０ａから酸化剤ガス供給連通孔３８ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。第１エンドプレート２４ａの燃料ガス供給マニホールド６２ａから燃料ガス供給連通孔４０ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、図１に示すように、第２エンドプレート２４ｂでは、冷却媒体供給マニホールド６４ａから一対の冷却媒体供給連通孔４２ａには、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、図４に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３８ａからカソード側セパレータ３４の酸化剤ガス流路５０に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路５０に沿って矢印Ａ方向に移動し、電解質膜・電極構造体３２のカソード電極４６に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４０ａからアノード側セパレータ３６の燃料ガス流路５２に供給される。燃料ガスは、燃料ガス流路５２に沿って矢印Ａ方向に移動し、電解質膜・電極構造体３２のアノード電極４８に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体３２では、カソード電極４６に供給される酸化剤ガスと、アノード電極４８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て発電が行われる。

次いで、電解質膜・電極構造体３２のカソード電極４６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３８ｂに沿って矢印Ｂ方向に排出される。一方、電解質膜・電極構造体３２のアノード電極４８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４０ｂに沿って矢印Ｂ方向に排出される。

また、一対の冷却媒体供給連通孔４２ａに供給された冷却媒体は、カソード側セパレータ３４及びアノード側セパレータ３６間の冷却媒体流路５４に導入される。冷却媒体は、一旦矢印Ｃ方向内方に沿って流動した後、矢印Ａ方向に移動して電解質膜・電極構造体３２を冷却する。この冷却媒体は、矢印Ｃ方向外方に移動した後、一対の冷却媒体排出連通孔４２ｂに沿って矢印Ｂ方向に排出される。

この場合、第１の実施形態では、図２及び図３に示すように、前方サイドパネル６６は、それぞれ寸法の異なる内側膨出部６６ａ及び内側膨出部６６ｂを備え、非対称形状を有している。一方、後方サイドパネル６８は、それぞれ寸法の異なる内側膨出部６８ａ及び内側膨出部６８ｂを備え、非対称形状を有している。そして、前方サイドパネル６６及び後方サイドパネル６８は、燃料電池１４の燃料電池中心軸７４に対して互いに点対称形状に構成されている。

このため、例えば、前方サイドパネル６６は、燃料電池中心軸７４を中心に１８０度だけ回転されると、後方サイドパネル６８と同一形状を有している。従って、単一種類のサイドパネルを２枚だけ用意し、一方のサイドパネルを前方サイドパネル６６とし、他方のサイドパネルを反転させて後方サイドパネル６８として使用することができる。

これにより、それぞれ非対称形状の前方サイドパネル６６及び後方サイドパネル６８を製造するための鍛造型や鋳造型等を共用化することができ、経済的な構成で、燃料電池１４を良好に保護することが可能になるという効果が得られる。

なお、第１の実施形態では、前方サイドパネル６６に、内側膨出部６６ａ及び内側膨出部６６ｂを２カ所以上設けてもよく、窪みであってもよく、さらに、外側の突出部又は窪みでもよい。一方、後方サイドパネル６８も、上記の前方サイドパネル６６と同様である。さらにまた、上方サイドパネル７０及び下方サイドパネル７２に、本発明を適用してもよい。

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の要部断面説明図である。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。

燃料電池スタック９０は、ケーシング９２を備える。ケーシング９２の車長方向（矢印Ａ方向）両端の２辺（面）は、前方サイドパネル（第１サイドパネル）９４及び後方サイドパネル（第２サイドパネル）９６により構成される。

前方サイドパネル９４の下端部には、積層方向（長手方向）に延在するボス部９８が形成される。ボス部９８は、例えば、図示しないハーネスを固定するために使用される。後方サイドパネル９６は、ボス部９８が不要であり、後加工で前記ボス部９８を削除し、最終の製品形状には、該ボス部９８が残っていない。

このように構成される第２の実施形態では、２枚の前方サイドパネル９４を用意し、前記前方サイドパネル９４を反転させるとともに、ボス部９８を除去することにより、後方サイドパネル９６として使用することができる。これにより、経済的な構成で、燃料電池１４を良好に保護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。

１０、９０…燃料電池スタック １２…燃料電池電気自動車
１２ｆ…フロントボックス １４…燃料電池
１６、９２…ケーシング ２４ａ、２４ｂ…エンドプレート
２８ａ〜２８ｄ…連結バー ３２…電解質膜・電極構造体
３４…カソード側セパレータ ３６…アノード側セパレータ
３８ａ…酸化剤ガス供給連通孔 ３８ｂ…酸化剤ガス排出連通孔
４０ａ…燃料ガス供給連通孔 ４０ｂ…燃料ガス排出連通孔
４２ａ…冷却媒体供給連通孔 ４２ｂ…冷却媒体排出連通孔
４４…固体高分子電解質膜 ４６…カソード電極
４８…アノード電極 ５０…酸化剤ガス流路
５２…燃料ガス流路 ５４…冷却媒体流路
６６、９４…前方サイドパネル
６６ａ、６６ｂ、６８ａ、６８ｂ…内側膨出部
６８、９６…後方サイドパネル ７０…上方サイドパネル
７２…下方サイドパネル ７４…中心軸

Claims (2)

1. 燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電する燃料電池を備え、複数の前記燃料電池が積層されて積層方向両端に矩形状のエンドプレートが配設されるとともに、一対の前記エンドプレート間には、バー部材が固定され且つ各辺にサイドパネルが固定される燃料電池スタックであって、
   前記サイドパネルは、積層された前記燃料電池を挟んで対向位置に配置される第１サイドパネル及び第２サイドパネルを備え、
   前記第１サイドパネル及び前記第２サイドパネルは、それぞれ、前記バー部材の外方から、積層された前記燃料電池の一側面の全体を覆い、
   さらに、前記第１サイドパネル及び前記第２サイドパネルは、それぞれ非対称形状を有し、且つ、前記燃料電池の前記積層方向に沿って延在する燃料電池中心軸に対して互いに点対称形状に構成さ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、前記燃料電池は、横長な長方形状を有して水平方向に積層されるとともに、
   該燃料電池の一方の短辺に沿って前記第１サイドパネルが配置され、且つ、該燃料電池の他方の短辺に沿って前記第２サイドパネルが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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