JP7371477B2 - 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。

燃料電池は、単セルが複数積層されたセル積層体を有する燃料電池スタックを備えている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の燃料電池スタックでは、セル積層体の積層方向の両端に、ターミナルプレート及びインシュレータを介してエンドプレートが配置されている。インシュレータは、電気絶縁性の樹脂材料によって形成されている。一対のエンドプレートの間には、一対のエンドプレートの各辺同士を連結する連結バーが配置されている。エンドプレートと連結バーとは、ボルトによって連結されている。各連結バーを介して連結された一対のエンドプレートによって、インシュレータ、ターミナルプレート、及びセル積層体が挟持されている。

特開２０１７－４８８０号公報

ところで、こうした燃料電池スタックでは、ボルトの締め付け荷重によってエンドプレートが変形するおそれがある。そこで、エンドプレートの変形を抑制すべくエンドプレートの板厚を大きくすると、エンドプレートの重量が増大するといった背反が生じる。

本発明の目的は、エンドプレートの板厚の増大を抑えつつ、エンドプレートの変形を抑制できる燃料電池スタックを提供することにある。

上記目的を達成するための燃料電池スタックは、単セルが複数積層されたセル積層体に対して積層方向に隣接して設けられ、集電を行うターミナルプレートと、前記ターミナルプレートに対して前記セル積層体とは反対側に設けられるエンドプレートと、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設けられ、電気絶縁性の樹脂材料により形成された絶縁プレートと、を備え、前記絶縁プレートは、前記ターミナルプレートと前記エンドプレートとを一体に保持している。

同構成によれば、ターミナルプレートとエンドプレートとが絶縁プレートによって一体に保持されているため、エンドプレートが絶縁プレート及びターミナルプレートと別体の場合に比べて、エンドプレートの剛性が高められる。したがって、エンドプレートの板厚の増大を抑えつつ、エンドプレートの変形を抑制することができる。

一実施形態の燃料電池スタックを示す斜視図。 図１の２－２線に沿った断面図。 変更例の燃料電池スタックを示す断面図。 他の変更例の燃料電池スタックを示す断面図。

以下、図１及び図２を参照して、一実施形態について説明する。
図１及び図２に示すように、燃料電池スタックは、板状の複数の単セル１０が厚さ方向に積層されてなるセル積層体１１を備えている。

セル積層体１１の積層方向の両端には、集電を行うターミナルプレート１２Ａ，１２Ｂ及び絶縁を行う絶縁プレート２０，１３Ｂを介して、エンドプレート１４Ａ，１４Ｂが配置されている。なお、以降において、セル積層体１１の積層方向を単に積層方向と称する。

図１に示すように、セル積層体１１には、各単セル１０に対してカソードガス（例えば空気中の酸素ガス）、アノードガス（例えば水素ガス）、及び冷却媒体（例えば冷却水）をそれぞれ供給する３つの通路１１ａ，１１ｂ，１１ｃが形成されている。また、セル積層体１１には、各単セル１０にて発電に供された後のカソードガス、アノードガス、及び冷却媒体をそれぞれ排出する３つの通路１１ｆ，１１ｅ，１１ｄが形成されている。

図２に示すように、一方のターミナルプレート１２Ａには、セル積層体１１の上記通路１１ａ～１１ｆとの間でカソードガスやアノードガス（以下、反応ガス）、及び冷却媒体をそれぞれ流通させる四角形状の６つの第１貫通孔１５ａが、ターミナルプレート１２Ａを厚さ方向に貫通して形成されている。

ターミナルプレート１２Ａ側のエンドプレート１４Ａには、上記反応ガス及び冷却媒体を流通させるとともに、各第１貫通孔１５ａに対応する位置に設けられた６つの第２貫通孔１５ｂが、エンドプレート１４Ａを厚さ方向に貫通して形成されている。第２貫通孔１５ｂは、第１貫通孔１５ａと同一の四角形状である。

他方のターミナルプレート１２Ｂ及びエンドプレート１４Ｂには、貫通孔１５ａ，１５ｂが形成されていない。
次に、絶縁プレート２０の構成について説明する。なお、以降において、各プレート１２Ａ，２０，１４Ａにおいてセル積層体１１に近接する側を内側とし、セル積層体１１から離間する側を外側として説明する。

図１及び図２に示すように、絶縁プレート２０は、ターミナルプレート１２Ａ及びエンドプレート１４Ａによって挟まれるプレート本体２１と、各貫通孔１５ａ，１５ｂの内周面を被覆するとともに上記反応ガス及び冷却媒体をそれぞれ流通させる６つの通路部２２ａ～２２ｆとを備えている。

図１に示すように、各通路部２２ａ～２２ｆは、四角筒状の基部２３を有している。
図２では、各単セル１０にて発電に供された後のアノードガスを排出する通路である通路部２２ｅの断面構造を示している。また、各単セル１０にて発電に供された後のカソードガスを排出する通路である通路部２２ｆの断面構図も通路部２２ｅの断面構造と同一である。

図２に示すように、基部２３とプレート本体２１とは、電気絶縁性の樹脂材料によって一体成形されている。電気絶縁性の樹脂材料としては、ポリフェニレンサルファイド、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが好ましい。

各通路部２２ａ～２２ｆの基部２３は、第１貫通孔１５ａの内部に突出するとともにターミナルプレート１２Ａを保持する第１保持部２３ａと、第２貫通孔１５ｂの内部に突出するとともにエンドプレート１４Ａを保持する第２保持部２３ｂとを有している。

第１保持部２３ａは、第１貫通孔１５ａの内周面を被覆する四角筒状である。第１保持部２３ａには、外周側に突出する第１フランジ部２４が一体に形成されている。第１フランジ部２４は、ターミナルプレート１２Ａの凹部１２ａに収容され、その内面がターミナルプレート１２Ａの内面と面一である。

第２保持部２３ｂは、第２貫通孔１５ｂの内周面を被覆する四角筒状である。第２保持部２３ｂには、外周側に突出する第２フランジ部２５が一体に形成されている。第２フランジ部２５は、エンドプレート１４Ａの凹部１４ａに収容され、その外面がエンドプレート１４Ａの外面と面一である。

第１フランジ部２４と第２フランジ部２５とによって挟まれることでターミナルプレート１２Ａとエンドプレート１４Ａとが絶縁プレート２０により一体に保持されている。
また、基部２３は、エンドプレート１４Ａの外面よりも外側まで延設されている。以降において、通路部２２ａ～２２ｆのうちエンドプレート１４Ａの外面よりも内側に位置する部位を内側通路部２２Ａとするとともに、通路部２２ａ～２２ｆのうちエンドプレート１４Ａの外面よりも外側に位置する部位を外側通路部２２Ｂとして説明する。

内側通路部２２Ａの内周面と外側通路部２２Ｂの内周面とは、面一である。
通路部２２ｅ（２２ｆ）の基部２３の内周面全体には、基部２３を構成する樹脂材料よりも親水性の高い樹脂材料によって構成された親水部２６が設けられている。すなわち、親水部２６は、内側通路部２２Ａ及び外側通路部２２Ｂの双方に設けられている。親水性の樹脂材料は、例えば、ポリオレフィン系の樹脂材料であることが好ましい。

通路部２２ｅ（２２ｆ）における内側通路部２２Ａの内周面、すなわち親水部２６の内周面とセル積層体１１の通路１１ｅ（１１ｆ）の内周面とは、面一である。
なお、各単セル１０に対して反応ガスを供給する通路部２２ａ，２２ｂ、冷却媒体を供給する通路部２２ｃ、及び冷却媒体を排出する通路部２２ｄの基部２３の内周面には、親水部２６が設けられていない。

次に、絶縁プレート２０の成形方法について説明する。
絶縁プレート２０は、成形型内にターミナルプレート１２Ａ及びエンドプレート１４Ａをインサートした状態で、成形型及び各プレート１２Ａ，１４Ａによって形成されるキャビティに溶融樹脂を射出するインサート成形を行うことにより形成される。これによって、絶縁プレート２０がターミナルプレート１２Ａ及びエンドプレート１４Ａと一体成形される。

親水部２６は、成形型内に上記絶縁プレート２０、ターミナルプレート１２Ａ及びエンドプレート１４Ａの一体成形品をインサートした状態で、成形型と基部２３との間に形成されるキャビティに溶融樹脂を射出する二色成形を行うことにより形成される。これによって、親水部２６は、基部２３と一体成形される。

次に、本実施形態の作用効果について説明する。
（１）絶縁プレート２０は、ターミナルプレート１２Ａとエンドプレート１４Ａとを一体に保持している。

こうした構成によれば、ターミナルプレート１２Ａとエンドプレート１４Ａとが絶縁プレート２０によって一体に保持されているため、エンドプレート１４Ａが絶縁プレート２０及びターミナルプレート１２Ａと別体の場合に比べて、エンドプレート１４Ａの剛性が高められる。したがって、エンドプレート１４Ａの板厚の増大を抑えつつ、エンドプレート１４Ａの変形を抑制することができる。

（２）絶縁プレート２０は、ターミナルプレート１２Ａの第１貫通孔１５ａの内部に突出するとともにターミナルプレート１２Ａを保持する第１保持部２３ａと、エンドプレート１４Ａの第２貫通孔１５ｂの内部に突出するとともにエンドプレート１４Ａを保持する第２保持部２３ｂとを有している。

こうした構成によれば、ターミナルプレート１２Ａとエンドプレート１４Ａとを一体に保持する第１保持部２３ａ及び第２保持部２３ｂがターミナルプレート１２Ａ及びエンドプレート１４Ａの外側面から突出しない。このため、燃料電池スタックの体格増大を抑制できる。

（３）第１保持部２３ａは、第１貫通孔１５ａの内周面を被覆する筒状であり、第２保持部２３ｂは、第２貫通孔１５ｂの内周面を被覆する筒状であり、第１保持部２３ａ及び第２保持部２３ｂは、反応ガスの排出通路を構成している。

こうした構成によれば、第１保持部２３ａ及び第２保持部２３ｂによって反応ガスまたは冷却媒体の通路部２２ａ～２２ｆが構成される。このため、通路部２２ａ～２２ｆとは別に保持部を設ける構成に比べて、ターミナルプレート１２Ａ、絶縁プレート２０、及びエンドプレート１４Ａの構成が簡単になる。

（４）第１保持部２３ａには、外周側に突出する第１フランジ部２４が一体に形成されている。第２保持部２３ｂには、外周側に突出する第２フランジ部２５が一体に形成されている。第１フランジ部２４と第２フランジ部２５とによって挟まれることでターミナルプレート１２Ａとエンドプレート１４Ａとが絶縁プレート２０により一体に保持されている。

こうした構成によれば、第１フランジ部２４と第２フランジ部２５とによってターミナルプレート１２Ａ及びエンドプレート１４Ａを挟むことによって、ターミナルプレート１２Ａ及びエンドプレート１４Ａを絶縁プレート２０により強固に保持することができる。

（５）通路部２２ｅ，２２ｆは、電気絶縁性の樹脂材料により形成された筒状の基部２３と、基部２３の内周面に設けられ、基部２３を構成する樹脂材料よりも親水性の高い樹脂材料によって構成された親水部２６とを有している。

こうした構成によれば、通路部２２ｅ，２２ｆの基部２３の内周面に親水部２６が設けられているため、親水部２６の内周面に付着する生成水の液滴と当該内周面との接触角は、親水部２６を有していない基部の内周面に付着する生成水の液滴の接触角に比べて小さくなる。すなわち、生成水の液滴と通路部２２ｅ，２２ｆの内周面との接触面積が、親水部２６を有していない基部に比べて大きくなる。これにより、互いに近接する生成水の液滴同士の距離が小さくなるため、通路部２２ｅ，２２ｆ内に存在する生成水の液滴同士が繋がりやすくなる。その結果、繋がって大きくなった生成水に対して、自重や、セル積層体１１の内外の圧力差などが効果的に作用することによって通路部２２ｅ，２２ｆから外部へ排出されやすくなる。

（６）内側通路部２２Ａに接続され、エンドプレート１４Ａの外方に延在する外側通路部２２Ｂを備え、内側通路部２２Ａの内周面と外側通路部２２Ｂの内周面とが面一である。

こうした構成によれば、外側通路部２２Ｂの内周面と内側通路部２２Ａの内周面との間に段差が生じないため、内側通路部２２Ａ内に生成水が滞留することを抑制できる。したがって、生成水の外部への排水を円滑に行うことができる。

（７）外側通路部２２Ｂは、基部２３と、親水部２６とを有しており、内側通路部２２Ａと一体成形されている。
こうした構成によれば、内側通路部２２Ａの内周面と外側通路部２２Ｂの内周面とを面一にすることが容易にできる。また、例えば内側通路部２２Ａとは別体にて形成された外側通路部２２Ｂを内側通路部２２Ａに組み付ける場合に比べて、燃料電池スタックの部品点数及び組み付け工数を低減できる。

＜変更例＞
上記実施形態は、例えば以下のように変更して実施することもできる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・図３に示すように、内側通路部２２Ａとは別体に形成された外側通路部２２Ｂを、シール部材２７を介して内側通路部２２Ａに接続する構成としてもよい。この場合、内側通路部２２Ａの親水部２６の内周面と、外側通路部２２Ｂの内周面とを面一にすることが好ましい。

・図４に示すように、第１フランジ部２４及び第２フランジ部２５を省略することもできる。この場合、図４に示すように、通路部を構成しない第１保持部３３ａ及び第２保持部３３ｂを設けるようにしてもよい。ターミナルプレート１２Ａには、第１貫通孔１５ａの外周側に第１貫通孔１６ａが設けられている。また、エンドプレート１４Ａには、第２貫通孔１５ｂの外周側に第２貫通孔１６ｂが設けられている。第１保持部３３ａは、柱状であり、第１貫通孔１６ａの内部に充填されている。第２保持部３３ｂは、柱状であり、第２貫通孔１６ｂの内部に充填されている。第１保持部３３ａには、外周側に突出する第１フランジ部３４が一体に形成されている。第２保持部３３ｂには、外周側に突出する第２フランジ部３５が一体に形成されている。そして、第１フランジ部３４と第２フランジ部３５とによって挟まれることでターミナルプレート１２Ａとエンドプレート１４Ａとが絶縁プレート２０により一体に保持されている。

・ターミナルプレート１２Ａとエンドプレート１４Ａとを一体に保持する第１保持部及び第２保持部は、貫通孔１５ａ，１５ｂの内部に突出するものに限定されず、ターミナルプレート１２Ａ及びエンドプレート１４Ａの外側面から突出し、当該プレート１２Ａ，１４Ａの外側縁を取り囲むことにより一体に保持する構成であってもよい。

１０…単セル
１１…セル積層体
１１ａ～１１ｆ…通路
１２Ａ，１２Ｂ…ターミナルプレート
１２ａ…凹部
１３Ｂ，２０…絶縁プレート
１４Ａ，１４Ｂ…エンドプレート
１４ａ…凹部
１５ａ，１６ａ…第１貫通孔
１５ｂ，１６ｂ…第２貫通孔
２１…プレート本体
２２ａ～２２ｆ…通路部
２２Ａ…内側通路部
２２Ｂ…外側通路部
２３…基部
２３ａ，３３ａ…第１保持部
２３ｂ，３３ｂ…第２保持部
２４，３４…第１フランジ部
２５，３５…第２フランジ部
２６…親水部
２７…シール部材

Claims (3)

1. 単セルが複数積層されたセル積層体に対して積層方向に隣接して設けられ、集電を行うターミナルプレートと、
   前記ターミナルプレートに対して前記セル積層体とは反対側に設けられるエンドプレートと、
   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設けられ、電気絶縁性の樹脂材料により形成された絶縁プレートと、を備え、
   前記絶縁プレートは、前記ターミナルプレートと前記エンドプレートとを一体に保持しており、
   前記ターミナルプレートには、第１貫通孔が設けられており、
   前記エンドプレートには、第２貫通孔が設けられており、
   前記絶縁プレートは、前記第１貫通孔の内部に突出するとともに前記ターミナルプレートを保持する第１保持部と、前記第２貫通孔の内部に突出するとともに前記エンドプレートを保持する第２保持部と、を有している、
   燃料電池スタック。
2. 前記第１保持部は、前記第１貫通孔の内周面を被覆する筒状であり、
   前記第２保持部は、前記第２貫通孔の内周面を被覆する筒状であり、
   前記第１保持部及び前記第２保持部は、反応ガスまたは冷却媒体の通路部を構成している、
   請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記第１保持部には、外周側に突出する第１フランジ部が一体に形成されており、
   前記第２保持部には、外周側に突出する第２フランジ部が一体に形成されており、
   前記第１フランジ部と前記第２フランジ部とによって挟まれることで前記ターミナルプレートと前記エンドプレートとが前記絶縁プレートにより一体に保持されている、
   請求項１または請求項２に記載の燃料電池スタック。