JP7095378B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、複数の単セルを積層した燃料電池スタックに関する。

燃料電池は、一般に、電解質膜とこの電解質膜の両面に配置された一対の電極を接合した膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）と、この膜電極接合体を挟持する一対のセパレータとを備える単セルを、複数積層した燃料電池スタックの構成で使用される。

通常、燃料電池スタックの各単セルに対し、単セルの電圧を監視するセルモニタが取り付けられる。セルモニタのコネクタ取付構造として、例えば、特許文献１～３に記載された構造がある。

特許文献１、２は、第１セパレータと、積層方向から見たときに第１セパレータから露出するコネクタ取付部を有する第２セパレータと、第１セパレータと第２セパレータとの間に挟持され、膜電極接合体の周囲に設けられた枠体とを備えるコネクタ取付構造を開示している。コネクタ取付部には、枠体から延在するように、該コネクタ取付部を補強して積層方向についての変形を抑制する補強部が設けられている。

特許文献３には、隣接する単セルの対向するセパレータの間であって、燃料電池スタックの外部に開放するように設けられる間隙にコネクタを挿入する構造が開示されている。

特開２０１３－１２０６５５号公報 特開２０１４－７１５１号公報 特開２００７－２２０３３８号公報

上記いずれの構造においても、隣接する単セル間にセルモニタが挿入される。このような構造では、単セルの積層時に単セルが傾斜し、セルモニタを取り付ける部分のセルピッチが一定にならない部分が発生する虞がある。セルピッチが一定でないと、セルモニタの挿入が困難になる。

また、特許文献１では、コネクタ取付部を補強する補強部が枠体と別体の弾性体からなり、第１セパレータと第２セパレータとの間隔と等しい厚さを有することが記載されている。しかしながら、補強部の厚さをセパレータ間の間隔と同一にした場合、製造時のばらつきにより第１セパレータと第２セパレータとの間隔が狭くなると、補強部を第１セパレータと第２セパレータとの間に挟むことが難しくなる。

また、製造時のばらつきを考慮して、補強部の厚さをセパレータ同士の間隔よりも薄くするとセパレータと補強部との間に間隙ができ、上記同様に単セルの積層時に単セルが傾斜して、セルモニタを単セル間に挿入することが難しくなる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、セルモニタの取り付けに必要な間隙を確実に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である。

本発明の一態様に係る燃料電池スタックは、セルモニタ取付部をそれぞれ有する複数の単セルであって、前記セルモニタ取付部が重なるように積層される複数の単セルと、前記セルモニタ取付部の近傍に配置され、積層される前記単セル間に収縮した状態で挟持される弾性部材とを備える。

本発明によれば、セルモニタの取り付けに必要な間隙を確実に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ができる。

実施の形態に係る燃料電スタックを構成する単セルの角部の斜視図である。 図１の単セルの角部の平面図である。 実施の形態に係る燃料電スタックを上面から見た図である。 実施の形態で用いられる弾性部材の構造の第１例を示すである。 図４の弾性部材に締結荷重をかけた状態を示す図である。 実施の形態で用いられる弾性部材の構造の第２例を示すである。 実施の形態で用いられる弾性部材の構造の第３例を示すである。 図７の弾性部材に締結荷重をかけた状態を示す図である。 弾性部材の配置位置の他の例を示す平面図である。 比較例の燃料電スタックを上面から見た図である。 セルモニタの概略構成を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。各図における同等の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本発明は、複数の単セルを積層した燃料電池スタックのセルモニタ取付部の構造に関する。実施の形態に係る燃料電池スタックは、セルモニタ取付部をそれぞれ有する複数の単セルであって、セルモニタ取付部が重なるように積層される複数の単セルを備える。セルモニタ取付部の近傍には、積層される単セル間に収縮した状態で挟持される弾性部材が配置される。これにより、セルモニタの取り付けに必要な間隙を確実に確保することができ、セルモニタの装着が容易になる。

燃料電池スタックは、複数の単セルが積層された構成を有し、反応ガス（燃料ガス及び酸化剤ガス）の供給部や、冷却媒体の供給部等と共に燃料電池システムを構成するものである。実施の形態に係る燃料電池スタックは、その角部にセル電圧測定用のセルモニタが取り付けられる。すなわち、セルモニタは、積層される複数の単セル間の間隙に挿入され、各単セル又は数セルおきに、セルの外周部に取り付けられる。

図１は、実施の形態に係る燃料電スタックを構成する単セル１０のセルモニタが取り付けられる角部を示す斜視図である。また、図２は、図１の単セル１０の角部の平面図である。図２では、図１の単セルにおいて、後に詳述する弾性部材の配置位置の一例が示されている。なお、図２では、構成の一部を省略して図示している。図３は、図１の単セル１０を複数積層した、燃料電スタック１を上面から見た図である。

図１に示すように、単セル１０は、第１セパレータ１１、第２セパレータ１２、樹脂フレーム１３を備える。単セル１０は、第１セパレータ１１、第２セパレータ１２により膜電極接合体（ＭＥＡ）を挟持して構成される。一対のセパレータ間において、膜電極接合体の周縁部には、単セル内の反応ガス流路のガスシール性を確保するために、枠状の熱可塑性樹脂等からなる樹脂フレーム１３が配置される。

なお、膜電極接合体は、固体電解質膜と、該固体電解質膜を挟持するカソード電極及びアノード電極を含む一般的な構成のものを採用することができる。カソード電極は、固体電解質膜に接合されるカソード触媒層とこれに積層されるカソード拡散層を備える。アノード電極は、固体電解質膜に接合されるアノード触媒層と、これに積層されるアノード拡散層を備える。

第１セパレータ１１、第２セパレータ１２は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、チタン板等の平板状の金属板により形成される。第１セパレータ１１、第２セパレータ１２は、略矩形状の金属板をプレス加工することにより、反応ガスや冷却媒体の流路やマニホールド孔等を含む所定の形状に成形されている。なお、第１セパレータ１１、第２セパレータ１２として、カーボンを圧縮してガス不透過とした緻密質カーボンを用いることも可能である。

第１セパレータ１１には、その角部にセルモニタが取り付けられるセルモニタ取付部１１ａが設けられている。第２セパレータ１２のセルモニタが取り付けられる角部に対応する角部には、切欠部１２ａが設けられている。切欠部１２ａは、セルモニタを第１セパレータ１１に取り付けるための空間を形成する。実施の形態では、切欠部１２ａは、第２セパレータ１２の上辺から略四角形が切り取られることで形成されている。

セルモニタ取付部１１ａは、第１セパレータ１１と第２セパレータ１２とを積層方向から見たときに、切欠部１２ａによって形成される空間に形成されている。すなわち、第１セパレータ１１と第２セパレータ１２とを積層したときに、切欠部１２ａにおいて、セルモニタ取付部１１ａが露出する。実施の形態では、セルモニタ取付部１１ａには、切欠部１２ａ内において、第１セパレータ１１の上辺から略四角形が切り取られた切欠部１１ｂが設けられている。

図３に示すように、セルモニタ取付部１１ａをそれぞれ有する複数の単セル１０は、該セルモニタ取付部１１ａが重なるように積層される。複数の単セル１０は、両側には一対のターミナルプレート１４が配置される。燃料電池スタック１は、所定の締結荷重で締め付けられる。

ここで、セルモニタの構成について図１１を参照して説明する。図１１は、セルモニタの概略構成を示す図である。図１１に示すように、セルモニタ３０は、ハウジング３１、歯３２、端子３３を有している。樹脂製のハウジング３１の端部には、積層される単セル１０のピッチと略同一のピッチで、該端部から突出するように歯３２が形成されている。歯３２は、隣接する単セル１０の第１セパレータ１１のセルモニタ取付部１１ａ間に挿入される。ハウジング３１の内部には、金属製の端子３３が設けられている。

端子３３は、ハウジング３１の内部から各歯３２上まで延在するように形成されている。歯３２がセルモニタ取付部１１ａ間に挿入されると、セルモニタ取付部１１ａが歯３２により挟持される。これにより、セルモニタ３０と燃料電池スタック１との電気的な接続が行われる。各端子３３は電圧測定器に接続されており、これを用いて単セル１０の電圧の測定が行われる。

図２、３は、本発明の概念を説明するための図である。図２、３では、弾性部材の一例として金属製のコイルばね２０が用いられているが、弾性部材としては後述する構造が好適に用いられる。図２に示すように、セルモニタ取付部１１ａの近傍には、コイルばね２０が配置されている。図２では、２つのコイルばね２０が、切欠部１２ａ内において、切欠部１１ｂの両側にそれぞれ配置されている。コイルばね２０の長さは、荷重をかけない状態では、隣接する単セル１０のセルモニタ取付部１１ａ間の間隙よりも長い。図３に示すようにコイルばね２０は、隣接する単セル１０間に収縮した状態で挟持される。

図１０は、比較例の燃料電スタックを上面から見た図である。通常、製造時のばらつきにより、単セル１０に反りや厚みの不均一性が発生する。このため、図１０に示すように、単セル１０間に弾性部材を設けない場合、単セル１０の積層時に隣接するセルモニタ取付部１１ａ間の間隙が不均一となり、セルモニタの複数の歯を一度に挿入することが困難になる。

これに対し、図３では、単セル１０を積層する際に、セルモニタ取付部１１ａの周囲に収縮した状態のコイルばね２０を設けることで、隣接するセルモニタ取付部１１ａ間がそれぞれ押し広げられる。これにより、セルモニタの取り付けに必要な間隙を確実に確保することができる。また、コイルばね２０は、積層される単セル１０間にそれぞれ設けられるため、コイルばね２０がそれぞれ押し付けあう状態となり、セルモニタ取付部１１ａのセルピッチを均一化することができる。これにより、図１１に示すような、セルモニタ３０の複数の歯３２を同時に隣接する単セル１０間に容易に差し込むことが可能となる。

なお、隣接する単セル１０間に配置される弾性部材は、コイルばね２０に限定されない。図４は、実施の形態で用いられる弾性部材の構造の第１例を示すである。図４は、隣接する２つの単セル１０のセルモニタが取り付けられる角部を上面から見た図である。図４では、燃料電池スタック１の締結荷重がかかっていない状態であるものとする。

第１例では、弾性部材として金属製の板ばね２０ａが用いられる。図４に示すように、板ばね２０ａは、第２セパレータ１２の一部から形成される。板ばね２０ａは、隣接する単セル１０の第１セパレータ１１に向かって突出するように形成される。板ばね２０ａは、例えば、上述した流路等を形成する際のプレス加工により同時に成型することができる。セルモニタ取付部１１ａは、隣接する単セル１０の第２セパレータ１２側に突出するように形成されている。板ばね２０ａは、隣接する単セル１０のセルモニタ取付部１１ａに接触する。

図５は、図４の板ばね２０ａに締結荷重をかけた状態を示す図である。所定の締結荷重で締め付けられた燃料電池スタック１においては、板ばね２０ａは図５のように圧縮された状態で単セル１０間に挟持される。圧縮された板ばね２０ａが発生する力により第１セパレータ１１のセルモニタ取付部１１ａが撓み、反力が発生する。この反力により、板ばね２０ａ同士が押し付けあう状態となり、セルピッチが一定に保たれる。

図６は、実施の形態で用いられる弾性部材の構造の第２例を示すである。第２例では、弾性部材として半球状のゴム２０ｂが用いられる。図６に示すように、ゴム２０ｂは、底面が第１セパレータ１１上に配置され、頂部が隣接する単セル１０の第２セパレータ１２の方向に向かうように配置される。なお、ここでは図示していないが、ゴム２０ｂは、締結荷重をかけることにより圧縮された状態で単セル１０間に挟持される。

図７は、実施の形態で用いられる弾性部材の構造の第３例を示すである。第３例では、弾性部材として樹脂フレーム１３の形状と第１セパレータ１１、第２セパレータ１２の形状とを組み合わせた弾性構造が用いられる。なお、第３例では、セルモニタ取付部１１ａの近傍に弾性構造が一つ設けられている。図７に示すように、第１セパレータ１１は平板状である。樹脂フレーム１３のセルモニタ取付部１１ａに対応する位置には、凹部１３ａが設けられている。

第２セパレータ１２には、隣接する単セル１０の凹部１３ａの端部に対向する位置に、隣接する単セル１０の第１セパレータ１１側に向かって突出する凸部２０ｃが設けられている。凸部２０ｃは、第２セパレータ１２の一部から形成されている。凸部２０ｃは、例えば、上述したプレス加工により同時に成型することができる。図８は、図７の弾性部材に締結荷重をかけた状態を示す図である。所定の締結荷重で締め付けられた燃料電池スタック１においては、凸部２０ｃは、隣接する単セル１０の第１セパレータ１１を押圧し、凹部１３ａ内に突出するように撓ませる。この第１セパレータ１１のセルモニタ取付部１１ａの撓みにより反力が発生し、単セル１０間が押し広げられる。

このように、実施の形態では、荷重をかけない状態でセルピッチよりも高さの高い弾性部材を圧縮した状態で単セル間に挟持している。このため、弾性部材により単セル１０の反りや厚み等の製造時のばらつきを吸収することができ、単セル１０と弾性部材との間に隙間が形成されることがない。これにより、セルピッチを一定にすることができ、セルモニタを単セル間に容易に挿入することが可能となる。

本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、弾性部材の配置位置や、個数はセルモニタ取付部１１ａの形状等に合わせて変更可能である。図９に、弾性部材の配置位置の他の例を示す。図９に示すように、第１セパレータ１１の上辺からセルモニタ取付部１１ａが突出するように形成される例では、セルモニタ取付部１１ａの中央部に、弾性部材として一つのコイルばね２０を配置することができる。また、上述した弾性部材を組み合わせて用いることも可能である。

１ 燃料電池スタック
１０ 単セル
１１ 第１セパレータ
１１ａ セルモニタ取付部
１１ｂ 切欠部
１１ｃ 凸部
１２ 第２セパレータ
１２ａ 切欠部
１３ 樹脂フレーム
１３ａ 凹部
１４ ターミナルプレート
２０ コイルばね
２０ａ 板ばね
２０ｂ ゴム
２０ｃ 凸部
３０ セルモニタ
３１ ハウジング
３２ 歯
３３ 端子

Claims (2)

1. セルモニタ取付部が設けられた第１セパレータと、前記第１セパレータと積層したときに前記セルモニタ取付部を露出する切り欠き部を有する第２セパレータとをそれぞれ有する複数の単セルであって、前記セルモニタ取付部が重なるように積層される複数の単セルと、
   前記セルモニタ取付部の近傍に配置され、積層される前記単セル間に収縮した状態で挟持され、隣接する単セル間に略等しい間隙を確保する弾性部材と、
   を備える、
   燃料電池スタック。
2. 前記単セルは、前記第１セパレータと前記第２セパレータとの間の周縁部に配置された樹脂フレームをさらに備え、
   前記第１セパレータは平板状であり、
   前記樹脂フレームは、前記セルモニタ取付部に対応する位置に設けられた凹部を有し、
   前記第２セパレータは、前記凹部に対応する位置に、隣接する単セルの第１セパレータ側に向かって突出する凸部を有し、
   前記単セルは、前記セルモニタ取付部が重なるとともに、前記凸部が隣接する単セルの前記凹部に対向するように積層され、
   前記第１セパレータと、前記凸部と、前記凹部とで、前記弾性部材が形成される、
   請求項１に記載の燃料電池スタック。

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