JP6748451B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

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・電極構造体と長方形状のセパレータとが積層される発電セルを備え、複数個の前記発電セルが積層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燃料電池車両に搭載されている。

燃料電池スタックには、通常、積層方向一端部に位置する発電セルから積層方向他端部に位置する発電セルまでの間、締め付け荷重を付与して前記発電セルを正確且つ強固に位置決め保持するために、締結部材が設けられている。

特に、車載用燃料電池スタックには、外部から衝撃荷重が加わる場合がある。その際、発電セルの積層方向には、締結部材によって締め付け荷重が付与されているため、前記積層方向に対しては、前記発電セルの移動が発生し難い。一方、積層方向に直交する方向（高さ方向及び水平方向）では、発電セルに締め付け荷重が付与されていないため、前記発電セルに移動が生じ易い。

そこで、このような移動を抑制するために、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックが知られている。この燃料電池スタックでは、第１締結部材は、第１エンドプレートと第２エンドプレートとを連結するとともに、前記第１締結部材に設けられている凹部には、各燃料電池の長辺側の側部に形成されている各凸部が一体に係合している。

このため、燃料電池スタックに外部荷重が付与された際、凹部と凸部との係合作用下に、前記外部荷重を確実に受けることができる。従って、簡単且つコンパクトな構成で、燃料電池の位置ずれを可及的に抑制することが可能になる、としている。

特開２０１３−１７９０３２号公報

本発明は、この種の技術に関連してなされたものであり、特に長方形状セパレータの長辺に設けられた凸部に、締結部材を介して過剰な外部荷重がかかることを可及的に抑制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・電極構造体と長方形状のセパレータとが積層される発電セルを備え、複数個の前記発電セルが積層されている。複数個の発電セルは、第１締結部材と第２締結部材とにより、積層方向に締め付け保持されている。第１締結部材は、セパレータの長辺側に配置されて発電セルの積層方向に延在し、且つ前記発電セルに対向する内面に凹部が形成されている。第２締結部材は、セパレータの短辺側に配置されて積層方向に延在している。

セパレータの長辺には、積層方向に配列され、第１締結部材の凹部に係合する凸部が形成される一方、前記セパレータの短辺には、前記積層方向に配列され、第２締結部材に係合する辺部が形成されている。そして、短辺に対向する第２締結部材の端面と、辺部との隙間ｔ２は、凹部を形成し前記短辺の方向に沿って延在する内壁面と、前記内壁面に対向し且つ前記短辺の方向に沿って延在する凸部の側壁面との隙間ｔ１よりも大きく設定され、前記隙間ｔ１及び前記隙間ｔ２は左右で同じ寸法である。

また、凸部は、長辺に設けられた樹脂製の第１荷重受け部に形成される一方、辺部は、短辺に設けられた樹脂製の第２荷重受け部に形成されることが好ましい。

本発明によれば、燃料電池スタックに、セパレータの長辺方向に沿って外部荷重（衝撃）が付与されることにより、発電セルが前記長辺方向に変位する。その際、まず、セパレータの長辺に設けられている凸部を構成する側壁面が、第１締結部材の凹部を構成する内壁面に当接する。次に、凸部の側壁面と凹部の内壁面とが当接した状態で、セパレータの短辺に設けられている辺部が、第２締結部材の端面に当接する。

このため、燃料電池スタックに付与される外部荷重は、第１締結部材と第２締結部材とにより確実に受けることができ、特に前記第１締結部材を介してセパレータの凸部に過剰な衝撃（荷重）がかかることを可及的に抑制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概略全体斜視図である。 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を構成する発電セルの要部分解斜視図である。 第１締結部材と第１荷重受け部とを示す要部拡大正面図である。 第２締結部材と第２荷重受け部とを示す要部拡大正面図である。 前記燃料電池スタックに外部荷重が付与された際の動作説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの断面説明図である。

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、複数の発電セル（単位燃料電池）１２が、立位姿勢で水平方向（矢印Ａ方向）に積層される積層体１４を有する。燃料電池スタック１０は、例えば、車載用燃料電池スタックを構成し、図示しない燃料電池車両（燃料電池電気自動車）に搭載される。

積層体１４の積層方向一端には、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が内方から外方に向かって、この順序で配設される。積層体１４の積層方向他端においても同様に、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が内方から外方に向かって、この順序で配設される。

第１エンドプレート２０ａの中央部（又は中央部からずれた位置）からは、第１ターミナルプレート１６ａに接続された第１出力端子２２ａが延在する。第２エンドプレート２０ｂの中央部（又は中央部からずれた位置）からは、第２ターミナルプレート１６ｂに接続された第２出力端子２２ｂが延在する。

第１エンドプレート２０ａ及び第２エンドプレート２０ｂは、横長の長方形状を有するとともに、各長辺間には、積層体１４の外方に沿って第１締結部材２４が配置される（図１及び図２参照）。第１エンドプレート２０ａ及び第２エンドプレート２０ｂの各短辺間には、積層体１４の外方に沿って第２締結部材２６が配置される。第１締結部材２４及び第２締結部材２６は、それぞれ第１エンドプレート２０ａと第２エンドプレート２０ｂとにねじ２７を介して固定される（図１参照）。

発電セル１２は、図３に示すように、電解質膜・電極構造体２８と、前記電解質膜・電極構造体２８を挟持する第１セパレータ３０及び第２セパレータ３２とを備える。第１セパレータ３０及び第２セパレータ３２は、金属セパレータ又はカーボンセパレータにより構成される。なお、発電セル１２は、３枚のセパレータと２枚の電解質膜・電極構造体とにより構成されてもよい。

電解質膜・電極構造体２８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（陽イオン交換膜）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。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）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、固体高分子電解質膜３４の両面に形成される。

発電セル１２の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、それぞれ矢印Ａ方向に個別に連通して、酸化剤ガス供給連通孔４０ａと燃料ガス排出連通孔４２ｂとが上下（矢印Ｃ方向）に設けられる。酸化剤ガス供給連通孔４０ａは、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガス（空気等）を供給する一方、燃料ガス排出連通孔４２ｂは、燃料ガス、例えば、水素含有ガス（水素ガス等）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４２ａと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔４０ｂとが上下（矢印Ｃ方向）に設けられる。

発電セル１２の短辺方向（矢印Ｃ方向）の一端縁部には、すなわち、酸化剤ガス供給連通孔４０ａ及び燃料ガス排出連通孔４２ｂ側には、それぞれ矢印Ａ方向に個別に連通して、一対の冷却媒体供給連通孔４４ａが上下に設けられる。各冷却媒体供給連通孔４４ａ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。

発電セル１２の短辺方向の他端縁部には、すなわち、燃料ガス供給連通孔４２ａ及び酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ側には、それぞれ矢印Ａ方向に個別に連通して、２つの冷却媒体排出連通孔４４ｂが上下に設けられる。各冷却媒体排出連通孔４４ｂ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。

第１セパレータ３０の電解質膜・電極構造体２８に向かう面３０ａには、酸化剤ガス供給連通孔４０ａと酸化剤ガス排出連通孔４０ｂとを連通する酸化剤ガス流路４６が形成される。酸化剤ガス流路４６は、矢印Ｂ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。

第２セパレータ３２の電解質膜・電極構造体２８に向かう面３２ａには、燃料ガス供給連通孔４２ａと燃料ガス排出連通孔４２ｂとを連通する燃料ガス流路４８が形成される。燃料ガス流路４８は、矢印Ｂ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。

互いに隣接する第２セパレータ３２の面３２ｂと第１セパレータ３０の面３０ｂとの間には、冷却媒体供給連通孔４４ａ、４４ａと冷却媒体排出連通孔４４ｂ、４４ｂとに連通する冷却媒体流路５０が形成される。冷却媒体流路５０は、電解質膜・電極構造体２８の電極範囲にわたって冷却媒体を流通させる。

第１セパレータ３０の面３０ａ、３０ｂには、この第１セパレータ３０の外周端縁部を周回して第１シール部材５２が一体成形される。第２セパレータ３２の面３２ａ、３２ｂには、この第２セパレータ３２の外周端縁部を周回して第２シール部材５４が一体成形される。

第１シール部材５２及び第２シール部材５４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では、第１セパレータ３０及び第２セパレータ３２の外周縁部５６ａにおいて、長辺（図３中、上端部及び下端部）の中央に、それぞれ内部に切り欠いて切り欠き部５８ａ、５８ｂが形成される。切り欠き部５８ａ、５８ｂの略中央部位には、第１荷重受け部６０ａ、６０ｂが第１セパレータ３０及び第２セパレータ３２に一体又は別個に設けられる。

図２及び図３に示すように、第１荷重受け部６０ａ、６０ｂは、例えば、樹脂材で形成される。第１荷重受け部６０ａ、６０ｂは、第１セパレータ３０及び第２セパレータ３２に一体構成される基台部６２ａ、６２ｂと、前記基台部６２ａ、６２ｂから外方に突出する凸部６４ａ、６４ｂとを一体に有する。基台部６２ａ、６２ｂは、外周縁部５６ａと同一平面に配置される。

凸部６４ａは、矩形状（正方形又は長方形）を有し、図２及び図４に示すように、両方の側壁面６５ａ、６５ａは、互いに平行に且つ基台部６２ａに直交して外方に延在する。なお、直交とは、微小な角度が付いていてもよい。凸部６４ｂは、側壁面６５ｂを有するとともに、上記の凸部６４ａと同様に構成される。

なお、第１荷重受け部６０ａ、６０ｂは、第１セパレータ３０及び第２セパレータ３２と一体の金属板からなり、表面に絶縁処理を施してもよい。また、第１荷重受け部６０ａ、６０ｂは、第１セパレータ３０及び第２セパレータ３２の長辺側の各対角の対称位置に設けてもよい。

第１荷重受け部６０ａ、６０ｂは、積層方向に配列されるとともに、複数の前記第１荷重受け部６０ａ同士及び複数の前記第１荷重受け部６０ｂ同士は、後述するように、各第１締結部材２４の凹部７６ａ、７６ｂに一体に係合（挿入）する。

第１セパレータ３０及び第２セパレータ３２の外周縁部５６ａにおいて、短辺側（図３中、右端部及び左端部）には、それぞれ高さ位置を異にして（又は同一にして）、第２荷重受け部６６ａ、６６ｂが一体又は別個に設けられる。第２荷重受け部６６ａ、６６ｂは、例えば、樹脂材で形成され、第１セパレータ３０及び第２セパレータ３２に一体構成される。

第２荷重受け部６６ａ、６６ｂは、外周縁部５６ａと同一面上に連続する辺部６７ａ、６７ｂと、前記辺部６７ａ、６７ｂから内方に陥没する凹部６８ａ、６８ｂと、位置決め孔部７０ａ、７０ｂとを設ける。凹部６８ａ、６８ｂを形成する内壁面６９ａ、６９ｂが、長辺の方向（矢印Ｂ方向）に沿って延在する。第１エンドプレート２０ａ及び第２エンドプレート２０ｂ間に設けられ、積層方向に延在する各位置決めピン７２ａ、７２ｂの外周が、各位置決め孔部７０ａ、７０ｂ内に隙間を設けて挿入される（図２参照）。

図２に示すように、第２荷重受け部６６ａ、６６ｂは、例えば、第１荷重受け部６０ａ、６０ｂと同様に樹脂材で形成される。各第２荷重受け部６６ａ同士及び各第２荷重受け部６６ｂ同士は、積層方向に配列されており、後述するように、各第２締結部材２６の凸部８２ａ、８２ｂが一体に係合（挿入）する。

第１締結部材２４は、押し出し成形された板状部材により構成される。第１締結部材２４は、断面屈曲形状を有し、発電セル１２の各第１荷重受け部６０ａ、６０ｂの凸部６４ａ、６４ｂを係合させる係合部７４ａ、７４ｂが積層方向に延在して設けられる。係合部７４ａ、７４ｂは、凸部６４ａ、６４ｂが挿入される凹部７６ａ、７６ｂを有する。

図４に示すように、第１締結部材２４では、凹部７６ａを形成する内壁面７８ａが、短辺の方向（矢印Ｃ方向）に沿って延在する。第１荷重受け部６０ａでは、凸部６４ａを構成する側壁面６５ａは、内壁面７８ａに対向し且つ短辺の方向（矢印Ｃ方向）に沿って延在する。

凹部７６ａを形成する内壁面７８ａと凸部６４ａを構成する側壁面６５ａとは、互いに対向して離間することにより、隙間ｔ１を有する。隙間ｔ１は、凸部６４ａの両側で同じ寸法であることが好ましいが、左右で異なった寸法であってもよい。また、片方の隙間ｔ１が零である場合も含む。なお、第１荷重受け部６０ｂでは、上記の第１荷重受け部６０ａと同様に構成され、同一の構成要素には、同一の参照符号にｂを付して、その詳細な説明は省略する。

図２に示すように、第２締結部材２６は、押し出し成形された板状部材により構成される。第２締結部材２６は、断面屈曲形状を有し、短辺の方向（矢印Ｃ方向）に沿って延在する端面８０ａ、８０ｂには、凹部６８ａ、６８ｂに挿入される凸部８２ａ、８２ｂが突出形成される。

図２及び図５に示すように、第２荷重受け部６６ａの辺部６７ａと第２締結部材２６の端面８０ａとは、互いに対向して離間することにより、隙間ｔ２を有する。隙間ｔ２は、左右で同じ寸法であることが好ましいが、左右で異なった寸法であってもよい。また、片方の隙間ｔ２が零である場合も含む。隙間ｔ２は、隙間ｔ１よりも大きく設定される（隙間ｔ１＜隙間ｔ２）。なお、第２荷重受け部６６ｂでは、上記の第２荷重受け部６６ａと同様に構成され、同一の構成要素には、同一の参照符号にｂを付して、その詳細な説明は省略する（図２参照）。

図１に示すように、第１エンドプレート２０ａには、全ての流体連通孔が形成される。全ての流体連通孔とは、酸化剤ガス供給連通孔４０ａ、燃料ガス供給連通孔４２ａ、酸化剤ガス排出連通孔４０ｂ、燃料ガス排出連通孔４２ｂ、冷却媒体供給連通孔４４ａ及び冷却媒体排出連通孔４４ｂである。これらには、図示しないマニホールド部材が連結される。なお、第１エンドプレート２０ａと第２エンドプレート２０ｂとには、所望の流体連通孔を振り分けて形成してもよい。

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の酸化剤ガス供給連通孔４０ａには、酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔４２ａには、水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、一対の冷却媒体供給連通孔４４ａ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４０ａから第１セパレータ３０の酸化剤ガス流路４６に導入される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス流路４６に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２８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４２ａから第２セパレータ３２の燃料ガス流路４８に供給される。燃料ガスは、燃料ガス流路４８に沿って矢印Ｂ方向に、酸化剤ガスの流れ方向とは対向するように移動し、電解質膜・電極構造体２８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２８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２８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４０ｂ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２８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４２ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、一対の冷却媒体供給連通孔４４ａに供給された冷却媒体は、第１セパレータ３０及び第２セパレータ３２間の冷却媒体流路５０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Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体２８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４４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

この場合、第１の実施形態では、図２に示すように、燃料電池スタック１０に矢印Ｂ方向（長辺方向）に外部荷重（衝撃）Ｇが付与されると、発電セル１２が長辺方向（矢印Ｂ方向）に変位する。その際、第２荷重受け部６６ａの辺部６７ａと第２締結部材２６の端面８０ａとの隙間ｔ２は、第１締結部材２４の凹部７６ａを形成する内壁面７８ａと凸部６４ａを形成する側壁面６５ａとの隙間ｔ１よりも大きく設定されている。

このため、図６に示すように、まず、発電セル１２の長辺に設けられている凸部６４ａの側壁面６５ａが、第１締結部材２４の凹部７６ａを構成する内壁面７８ａに当接する。次に、凸部６４ａの側壁面６５ａと凹部７６ａの内壁面７８ａとが当接した状態で、発電セル１２の短辺に設けられている辺部６７ａが、第２締結部材２６の端面８０ａに当接する。

従って、燃料電池スタック１０に付与される外部荷重Ｇは、第１締結部材２４と第２締結部材２６とにより確実に受けることができる。これにより、特に第１締結部材２４を介して第１セパレータ３０及び第２セパレータ３２の凸部６４ａに過剰な衝撃（荷重）がかかることを可及的に抑制することが可能になる。

このため、樹脂材で形成される第１荷重受け部６０ａ、６０ｂには、樹脂強度を超える応力が作用することがなく、破損の発生を阻止して耐久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。

図７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、各発電セル９２の短辺側に沿って配置される第２締結部材２６ａを備えるとともに、前記発電セル９２の短辺には、樹脂製の第２荷重受け部９４ａ、９４ｂが設けられる。第２荷重受け部９４ａ、９４ｂは、外周縁部５６ａと同一面上（又は異なる面上）に連続する辺部６７ａ、６７ｂを有し、前記辺部６７ａ、６７ｂには凹部が設けられていない。

第２締結部材２６ａは、断面平板形状を有し、短辺の方向（矢印Ｃ方向）に沿って端面８０ａ、８０ｂが延在する。辺部６７ａ、６７ｂと端面８０ａ、８０ｂとは、互いに平行に配置されるとともに、隙間ｔ２を有して離間する。

このように構成される第２の実施形態では、第２荷重受け部９４ａの辺部６７ａと第２締結部材２６ａの端面８０ａとが、隙間ｔ２を有して離間している。一方、第１締結部材２４の凹部７６ａを形成する内壁面７８ａと凸部６４ａの側壁面６５ａとが、隙間ｔ１を有して離間している。

そして、隙間ｔ２は、隙間ｔ１よりも大きく設定されている。従って、特に発電セル９２の凸部６４ａに過剰な衝撃（荷重）がかかることを可及的に抑制することができる等、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、９２…発電セル
１４…積層体 ２４、２６…締結部材
２８…電解質膜・電極構造体 ３０、３２…セパレータ
３４…固体高分子電解質膜 ３６…カソード電極
３８…アノード電極 ４６…酸化剤ガス流路
４８…燃料ガス流路 ５０…冷却媒体流路
６０ａ、６０ｂ、６６ａ、６６ｂ、９４ａ、９４ｂ…荷重受け部
６２ａ、６２ｂ…基台部 ６４ａ、６４ｂ…凸部
６５ａ…側壁面 ６７ａ、６７ｂ…辺部
６８ａ、６８ｂ、７６ａ、７６ｂ…凹部
７４ａ、７４ｂ…係合部 ７８ａ…内壁面
８０ａ、８０ｂ…端面

Claims (2)

1. 電解質膜の両面に電極が設けられた電解質膜・電極構造体と長方形状のセパレータとが積層される発電セルを備え、複数個の前記発電セルが積層されるとともに、前記セパレータの長辺側に配置されて前記発電セルの積層方向に延在し、且つ前記発電セルに対向する内面に凹部が形成される第１締結部材と、前記セパレータの短辺側に配置されて前記積層方向に延在する第２締結部材とにより、該発電セルを前記積層方向に締め付け保持する燃料電池スタックであって、
   前記セパレータの前記長辺には、前記積層方向に配列され、前記第１締結部材の前記凹部に係合する凸部が形成される一方、
   前記セパレータの前記短辺には、前記積層方向に配列され、前記第２締結部材に係合する辺部が形成され、
   前記短辺に対向する前記第２締結部材の端面と、前記辺部との隙間ｔ２は、前記凹部を形成し前記短辺の方向に沿って延在する内壁面と、前記内壁面に対向し且つ前記短辺の方向に沿って延在する前記凸部の側壁面との隙間ｔ１よりも大きく設定され、前記隙間ｔ１及び前記隙間ｔ２は左右で同じ寸法であ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、前記凸部は、前記長辺に設けられた樹脂製の第１荷重受け部に形成される一方、
   前記辺部は、前記短辺に設けられた樹脂製の第２荷重受け部に形成されることを特徴とする燃料電池スタック。

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