JP6236103B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

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Description

本発明は、電解質膜の両面に電極が設けられた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される発電セルを有し、複数の前記発電セルが積層された積層体の積層方向両端に、絶縁プレート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電解質膜の一方の面にアノード電極が、他方の面にカソード電極が、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、セパレータによって挟持されることにより、発電セル(単位セル)が構成されている。通常、所定の数の発電セルが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燃料電池車両(燃料電池電気自動車等)に組み込まれている。
燃料電池スタックでは、多数の発電セルが積層されており、前記発電セル同士を正確に位置決めする必要がある。燃料電池スタック全体として、所望のシール性を確保するためである。
そこで、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池の組立方法が知られている。この組立方法では、スタック加圧用の加圧板にセル組立用位置決め穴が穿設され、前記セル組立用位置決め穴にノックピンが直立姿勢で挿入される。次に、各平板部品に穿設されたセル位置決め穴に、ノックピンが順次、嵌合されてセルが構成される。
さらに、上記の作業を繰り返すことにより、所定数の発電セルが積層されてスタックが構成される。その後、加圧プレートを用いて締め付け固定することにより、燃料電池が組み立てられる。
このため、燃料電池を構成する平板部品を、位置ずれすることがなく積層して発電セルを構成し、前記発電セルも位置ずれすることがなく積層して、高精度にシールすることができる、としている。
特開平09−134734号公報
ところで、燃料電池スタックでは、通常、発電セルの積層方向両端に、ターミナルプレート、絶縁プレート(インシュレータ)及びエンドプレートが配置されている。このため、絶縁プレートは、発電セルと同様にノックピンを介して位置決めする必要があり、前記絶縁プレートには、発電セルのセル位置決め穴と同軸上にプレート位置決め穴が形成されている。
ここで、セパレータは、金属部材で形成される一方、絶縁プレートは、樹脂部材で形成される場合がある。従って、発電セルの発電時の温度(高温及び/又は低温)環境下において、セパレータの線膨張と絶縁プレートの線膨張とに、差が発生し易い。
その際、セパレータと絶縁プレートとが、同一のノックピンにより位置決めされ、セル位置決め穴とプレート位置決め穴とが同一径で且つ同一位置に設定されると、両プレート間の線膨張差によって前記ノックピンからの応力が発生する。これにより、セル位置決め穴及びプレート位置決め穴には、圧縮応力や引張応力が惹起され易く、所望の位置決め機能が得られないという問題がある。
本発明は、この種の課題を解決するものであり、温度変化によりノックピンを介してノックピン挿入孔に付与される応力を良好に低減させるとともに、ノックピン自身に反力として付与される応力を良好に低減させることができ、所望の位置決め機能を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、電解質膜の両面に電極が設けられた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される発電セルを有している。複数の発電セルが積層された積層体の積層方向両端に、絶縁プレート及びエンドプレートが配設されている。
セパレータ及び絶縁プレートは、長方形状を有し、ノックピンが一体に挿入されて互いに位置決めされている。そして、セパレータの互いに対向する短辺には、円形の開口形状を有し、ノックピンが挿入される第1ノックピン挿入孔が形成されている。一方、絶縁プレートの互いに対向する短辺には、長円の開口形状を有し且つ該絶縁プレートの長辺方向に長尺状を有し、ノックピンが挿入される第2ノックピン挿入孔が形成されている。
また、この燃料電池スタックでは、ノックピンは、一対のエンドプレート間を一体に貫通して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、セパレータは、各短辺にそれぞれ2つの連通孔が形成されるとともに、各ノックピンは、各短辺で前記2つ連通孔の間に配置されることが好ましい。
本発明によれば、セパレータには、円形の開口形状を有する第1ノックピン挿入孔が形成される一方、絶縁プレートには、長円の開口形状を有し且つ該絶縁プレートの長辺方向に長尺な第2ノックピン挿入孔が形成されている。このため、燃料電池スタックの温度変化により、セパレータが収縮又は膨張する際、ノックピンは、前記セパレータの形状変化に倣って第2ノックピン挿入孔内を移動することができる。
従って、燃料電池スタックの温度変化により、ノックピンを介して第2ノックピン挿入孔に付与される応力を良好に低減させるとともに、ノックピン自身に反力として付与される応力を良好に低減させることができる。これにより、簡単な構成で、所望の位置決め機能を確保することが可能になる。
本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの第1エンドプレート側からの斜視説明図である。 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発電セルの要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第1絶縁プレートの正面説明図である。
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、例えば、図示しない燃料電池電気自動車(燃料電池車両)に搭載される車載用燃料電池スタックである。
燃料電池スタック10は、複数の発電セル12が電極面を立位姿勢にして水平方向(矢印A方向)に積層された積層体14を備える。なお、燃料電池スタック10は、複数の発電セル12を重力方向(矢印C方向)に積層してもよい。
発電セル12の積層方向一端(積層体14の一端)には、第1ターミナルプレート16a、第1絶縁プレート18a及び第1エンドプレート20aが、外方に向かって、順次、配設される。発電セル12の積層方向他端(積層体14の他端)には、第2ターミナルプレート16b、第2絶縁プレート18b及び第2エンドプレート20bが、外方に向かって、順次、配設される。
第1絶縁プレート18a及び第2絶縁プレート18bは、絶縁性を有する樹脂材で構成される。第1エンドプレート20a及び第2エンドプレート20bは、金属材で構成される。
図3に示すように、発電セル12は、矢印B方向に長尺な長方形状を有する。発電セル12は、電解質膜・電極構造体22と、前記電解質膜・電極構造体22を挟持するカソードセパレータ24及びアノードセパレータ26とを備える。カソードセパレータ24及びアノードセパレータ26は、横長(又は縦長)の長方形状を有する。
カソードセパレータ24及びアノードセパレータ26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。カソードセパレータ24及びアノードセパレータ26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。
発電セル12の長辺方向(矢印B方向)の一端縁部には、それぞれ積層方向である矢印A方向に個別に連通して、酸化剤ガス供給連通孔28a及び燃料ガス排出連通孔30bが設けられる。酸化剤ガス供給連通孔28aは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給する一方、燃料ガス排出連通孔30bは、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出する。
発電セル12の長辺方向の他端縁部には、それぞれ積層方向である矢印A方向に個別に連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔30aと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔28bとが設けられる。
発電セル12の短辺方向(矢印C方向)の両端縁部一方側(水平方向一端側)には、すなわち、酸化剤ガス供給連通孔28a及び燃料ガス排出連通孔30b側には、冷却媒体供給連通孔32aが上下に設けられる。冷却媒体供給連通孔32aは、冷却媒体を供給するために、矢印A方向にそれぞれ個別に連通しており、対向する辺に上下に1個ずつ(2個ずつでもよい)設けられる。
発電セル12の短辺方向の両端縁部他方側(水平方向他端側)には、すなわち、燃料ガス供給連通孔30a及び酸化剤ガス排出連通孔28b側には、冷却媒体排出連通孔32bが上下に設けられる。冷却媒体排出連通孔32bは、冷却媒体を排出するために、矢印A方向にそれぞれ個別に連通しており、対向する辺に上下に1個ずつ(2個ずつでもよい)設けられる。
電解質膜・電極構造体22は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜34と、前記固体高分子電解質膜34を挟持するカソード電極36及びアノード電極38とを備える。固体高分子電解質膜34は、陽イオン交換膜であり、フッ素系電解質の他、HC(炭化水素)系電解質を使用してもよい。
カソード電極36及びアノード電極38は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層(図示せず)を有する。白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子は、ガス拡散層の表面に一様に塗布されることにより、電極触媒層(図示せず)が形成される。電極触媒層は、固体高分子電解質膜34の両面に形成される。
カソードセパレータ24の電解質膜・電極構造体22に向かう面24aには、酸化剤ガス供給連通孔28aと酸化剤ガス排出連通孔28bとを連通する酸化剤ガス流路40が形成される。酸化剤ガス流路40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。
アノードセパレータ26の電解質膜・電極構造体22に向かう面26aには、燃料ガス供給連通孔30aと燃料ガス排出連通孔30bとを連通する燃料ガス流路42が形成される。燃料ガス流路42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。
互いに隣接するアノードセパレータ26の面26bとカソードセパレータ24の面24bとの間には、冷却媒体供給連通孔32a、32aと冷却媒体排出連通孔32b、32bとに連通する冷却媒体流路44が形成される。冷却媒体流路44は、水平方向に延在しており、電解質膜・電極構造体22の電極範囲にわたって冷却媒体を流通させる。
カソードセパレータ24の面24a、24bには、このカソードセパレータ24の外周端縁部を周回して第1シール部材46が一体成形される。アノードセパレータ26の面26a、26bには、このアノードセパレータ26の外周端縁部を周回して第2シール部材48が一体成形される。
第1シール部材46及び第2シール部材48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。
発電セル12の互いに対向する短辺には、円形の開口形状を有する第1ノックピン挿入孔50a、50bが形成される。第1ノックピン挿入孔50aは、一方の短辺で酸化剤ガス供給連通孔28aと燃料ガス排出連通孔30bとの間に配置される。第1ノックピン挿入孔50bは、他方の短辺で燃料ガス供給連通孔30aと酸化剤ガス排出連通孔28bとの間に配置される。
第1ノックピン挿入孔50a、50bには、第1エンドプレート20aと第2エンドプレート20bとの間に一体に貫通して配置される円形断面のノックピン52a、52bが嵌合する(図1及び図2参照)。
図2に示すように、第1ターミナルプレート16a、第2ターミナルプレート16b、第1絶縁プレート18a、第2絶縁プレート18b、第1エンドプレート20a及び第2エンドプレート20bは、矢印B方向に長尺な長方形状を有する。第1絶縁プレート18aの中央部には、第1ターミナルプレート16aを収容する凹部54aが形成され、第2絶縁プレート18bの中央部には、第2ターミナルプレート16bを収容する凹部54bが形成される。
第1ターミナルプレート16aの略中央部(中央部から偏心していてもよい)からは、外方に向かって第1電力出力端子56aが延在する。第1電力出力端子56aは、第1絶縁プレート18aに形成された孔部58a及び第1エンドプレート20aに形成された孔部60aを貫通して、前記第1エンドプレート20aの外部に突出する。
第2ターミナルプレート16bの略中央部(中央部から偏心していてもよい)からは、外方に向かって第2電力出力端子56bが延在する。第2電力出力端子56bは、第2絶縁プレート18bに形成された孔部58b及び第2エンドプレート20bに形成された孔部60bを貫通して、前記第2エンドプレート20bの外部に突出する。
第1絶縁プレート18a及び第1エンドプレート20aには、酸化剤ガス供給連通孔28a、燃料ガス排出連通孔30b、燃料ガス供給連通孔30a及び酸化剤ガス排出連通孔28bが形成される。第2絶縁プレート18b及び第2エンドプレート20bには、一対の冷却媒体供給連通孔32a及び一対の冷却媒体排出連通孔32bが形成される。
図2及び図4に示すように、第1絶縁プレート18aの一方の短辺には、酸化剤ガス供給連通孔28aと燃料ガス排出連通孔30bとの間に位置して第2ノックピン挿入孔62aが形成される。第2ノックピン挿入孔62aは、長円の開口形状を有する。
図4に示すように、第2ノックピン挿入孔62aでは、第1絶縁プレート18aの長辺方向(矢印B方向)の寸法L1が、前記第1絶縁プレート18aの短辺方向(矢印C方向)の寸法L2よりも長尺に設定される(L1>L2)。なお、長円の直径である寸法L2は、ノックピン52aの直径と同一寸法に設定されることが好ましい。
図2及び図4に示すように、第1絶縁プレート18aの他方の短辺には、燃料ガス供給連通孔30aと酸化剤ガス排出連通孔28bとの間に位置して第2ノックピン挿入孔62bが形成される。第2ノックピン挿入孔62bは、長円の開口形状を有する。
図4に示すように、第2ノックピン挿入孔62bでは、第1絶縁プレート18aの長辺方向(矢印B方向)の寸法L3が、前記第1絶縁プレート18aの短辺方向(矢印C方向)の寸法L4よりも長尺に設定される(L3>L4)。なお、長円の直径である寸法L4は、ノックピン52bの直径と同一寸法に設定されることが好ましい。また、第2ノックピン挿入孔62a、62bの少なくとも一方のみを、長円の開口形状に設定し、他方を円形の開口形状に設定してもよい。
図2に示すように、第2絶縁プレート18bの一方の短辺には、酸化剤ガス供給連通孔28aと燃料ガス排出連通孔30bとの間に位置して第2ノックピン挿入孔62aが形成される。第2絶縁プレート18bの他方の短辺には、燃料ガス供給連通孔30aと酸化剤ガス排出連通孔28bとの間に位置して第2ノックピン挿入孔62bが形成される。第2ノックピン挿入孔62a、62bは、上記の第1絶縁プレート18aに設けられた第2ノックピン挿入孔62a、62bと同様に構成され、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。
第1エンドプレート20aの一方の短辺には、酸化剤ガス供給連通孔28aと燃料ガス排出連通孔30bとの間に位置して、ノックピン嵌合穴64aが所定の深さまで(又は貫通して)形成される。ノックピン嵌合穴64aは、円形の開口形状を有し、ノックピン52aの端部が嵌合する。
第1エンドプレート20aの他方の短辺には、燃料ガス供給連通孔30aと酸化剤ガス排出連通孔28bとの間に位置して、ノックピン嵌合穴64bが所定の深さまで(又は貫通して)形成される。ノックピン嵌合穴64bは、円形の開口形状を有し、ノックピン52bの端部が嵌合する。
第2エンドプレート20bは、第1エンドプレート20aと同様に、一方の短辺にノックピン嵌合穴64aが形成されるとともに、他方の短辺にノックピン嵌合穴64bが形成される。
図1に示すように、第1エンドプレート20aには、酸化剤ガス入口マニホールド66a、酸化剤ガス出口マニホールド66b、燃料ガス入口マニホールド68a及び燃料ガス出口マニホールド68bが設けられる。酸化剤ガス入口マニホールド66aと酸化剤ガス出口マニホールド66bとは、酸化剤ガス供給連通孔28aと酸化剤ガス排出連通孔28bとに連通する。燃料ガス入口マニホールド68aと燃料ガス出口マニホールド68bとは、燃料ガス供給連通孔30aと燃料ガス排出連通孔30bとに連通する。
図2に示すように、第2エンドプレート20bには、冷却媒体入口マニホールド70aと冷却媒体出口マニホールド70bとが設けられる。冷却媒体入口マニホールド70aは、上下に一対の冷却媒体供給連通孔32aに連通するとともに、冷却媒体出口マニホールド70bは、上下に一対の冷却媒体排出連通孔32bに連通する。
図1に示すように、第1エンドプレート20aと第2エンドプレート20bの各辺間には、連結バー72の両端がねじ74により固定され、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。
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。
まず、図1に示すように、第1エンドプレート20aの酸化剤ガス入口マニホールド66aから酸化剤ガス供給連通孔28aには、酸素含有ガス(例えば、空気)等の酸化剤ガスが供給される。第1エンドプレート20aの燃料ガス入口マニホールド68aから燃料ガス供給連通孔30aには、水素含有ガス(例えば、水素ガス)等の燃料ガスが供給される。
一方、図2に示すように、第2エンドプレート20bでは、冷却媒体入口マニホールド70aから一対の冷却媒体供給連通孔32a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3に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔28aからカソードセパレータ24の酸化剤ガス流路40に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路40に沿って矢印B方向に流動し、電解質膜・電極構造体22のカソード電極36に供給される。
一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔30aからアノードセパレータ26の燃料ガス流路42に供給される。燃料ガスは、燃料ガス流路42に沿って矢印B方向に流動し、電解質膜・電極構造体22のアノード電極38に供給される。
従って、電解質膜・電極構造体22では、カソード電極36に供給される酸化剤ガスと、アノード電極38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22のカソード電極36に供給されて一部が消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔28bに沿って矢印A方向に排出される。一方、電解質膜・電極構造体22のアノード電極38に供給されて一部が消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔30bに沿って矢印A方向に排出される。図1に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口マニホールド66bから排出されるとともに、燃料ガスは、燃料ガス出口マニホールド68bから排出される。
また、図3に示すように、上下の冷却媒体供給連通孔32aに供給された冷却媒体は、互いに隣接するカソードセパレータ24及びアノードセパレータ26間の冷却媒体流路44に導入される。冷却媒体は、上下の冷却媒体供給連通孔32aから一旦、互いに近接する方向に、すなわち、矢印C方向内方に沿って流動した後、矢印B方向に移動して電解質膜・電極構造体22を冷却する。冷却媒体は、矢印C方向外方に互いに離間する方向に移動した後、上下の冷却媒体排出連通孔32bに沿って矢印A方向に排出される。
図2に示すように、冷却媒体は、上下の冷却媒体排出連通孔32bから冷却媒体出口マニホールド70b内に排出される。冷却媒体は、冷却媒体出口マニホールド70b内で合流された後、外部に排出される。
この場合、本実施形態では、図3に示すように、カソードセパレータ24及びアノードセパレータ26には、円形の開口形状を有する第1ノックピン挿入孔50a、50bが形成されている。一方、図2及び図4に示すように、第1絶縁プレート18aには、長円の開口形状を有し且つ前記第1絶縁プレート18aの長辺方向に長尺状を有する第2ノックピン挿入孔62a、62bが形成されている。
カソードセパレータ24及びアノードセパレータ26と第1絶縁プレート18aとは、構成する材料が異なる。カソードセパレータ24及びアノードセパレータ26は、例えば、金属板により構成されるとともに、第1絶縁プレート18aは、例えば、樹脂材で構成されており、異なった線膨張率を有している。このため、燃料電池スタック10が温度変化する際、カソードセパレータ24及びアノードセパレータ26の線膨張と第1絶縁プレート18aの線膨張とに差が発生する。
従って、カソードセパレータ24及びアノードセパレータ26が収縮又は膨張する際、ノックピン52a、52bは、前記カソードセパレータ24及び前記アノードセパレータ26と一体にセパレータ面方向に移動する。特に、カソードセパレータ24及びアノードセパレータ26は、矢印B方向に長尺な長方形状を有しており、ノックピン52a、52bは、矢印B方向に移動し易い。
ここで、第1絶縁プレート18aには、長辺方向に長尺な第2ノックピン挿入孔62a、62bが形成されており、ノックピン52a、52bは、前記第2ノックピン挿入孔62a、62b内を矢印B方向に移動することが可能になる。
これにより、燃料電池スタック10の温度変化により、ノックピン52a、52bを介して第2ノックピン挿入孔62a、62bに付与される応力を良好に低減させる。しかも、ノックピン52a、52b自身に反力として付与される応力を良好に低減させることができる。このため、簡単な構成で、所望の位置決め機能を確保することが可能になるという効果が得られる。なお、第2絶縁プレート18bは、上記の第1絶縁プレート18aと同様に構成されており、同様の効果を得ることができる。
10…燃料電池スタック 12…発電セル
14…積層体 18a、18b…絶縁プレート
20a、20b…エンドプレート 22…電解質膜・電極構造体
24…カソードセパレータ 26…アノードセパレータ
28a…酸化剤ガス供給連通孔 28b…酸化剤ガス排出連通孔
30a…燃料ガス供給連通孔 30b…燃料ガス排出連通孔
32a…冷却媒体供給連通孔 32b…冷却媒体排出連通孔
34…固体高分子電解質膜 36…カソード電極
38…アノード電極 40…酸化剤ガス流路
44…冷却媒体流路
50a、50b、62a、62b…ノックピン挿入孔
52a、52b…ノックピン 64a、64b…ノックピン嵌合穴

Claims (3)

  1. 電解質膜の両面に電極が設けられた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される発電セルを有し、複数の前記発電セルが積層された積層体の積層方向両端に、絶縁プレート及びエンドプレートが配設される燃料電池スタックであって、
    前記セパレータ及び前記絶縁プレートは、長方形状を有し、ノックピンが一体に挿入されて互いに位置決めされるとともに、
    前記セパレータの互いに対向する短辺には、円形の開口形状を有し、前記ノックピンが挿入される第1ノックピン挿入孔が形成される一方、
    前記絶縁プレートの互いに対向する短辺には、長円の開口形状を有し且つ該絶縁プレートの長辺方向に長尺状を有し、前記ノックピンが挿入される第2ノックピン挿入孔が形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であって、前記ノックピンは、一対の前記エンドプレート間を一体に貫通して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又は2記載の燃料電池スタックであって、前記セパレータは、各短辺にそれぞれ2つの連通孔が形成されるとともに、
    各ノックピンは、各短辺で前記2つ連通孔の間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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