JP2004303472A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、積層体の曲がりを確実に阻止するとともに、所望のシール性を確保することを可能にする。
【解決手段】複数の単位セル１２が積層された積層体１４内に、中間プレート２２が配設される。中間プレート２２は、平行支持機構６０を介してエンドプレート２０ａ、２０ｂに対して互いに平行に支持固定される。平行支持機構６０は、中間プレート２２を貫通してエンドプレート２０ａ、２０ｂ間を締結する６本の締結ボルト６２と、前記締結ボルト６２に外装され、前記中間プレート２２の両面を挟み込む絶縁性カラー部材６４ａ、６４ｂとを備える。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極構造体が、セパレータを介して複数積層された燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、各種の燃料電池が開発されており、例えば、固体高分子型燃料電池が知られている。この固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜（陽イオン交換膜）からなる電解質膜（電解質）を採用している。この電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒と多孔質カーボンからなるアノード側電極およびカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）をセパレータ（バイポーラ板）によって挟持することにより、単位セルが構成されている。
【０００３】
この種の燃料電池において、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、主に水素を含有するガス（以下、水素含有ガスともいう）は、電極触媒上で水素がイオン化され、電解質を介してカソード側電極側へと移動する。その間に生じた電子は外部回路に取り出されることにより、直流の電気エネルギとして利用される。なお、カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば、主に酸素を含有するガスあるいは空気（以下、酸素含有ガスともいう）が供給されているために、このカソード側電極において、水素イオン、電子および酸素が反応して水が生成される。
【０００４】
通常、この燃料電池は、所望の発電力を得るために、所定数だけ積層した燃料電池スタックとして使用されている。ところが、各燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体およびセパレータには、形状誤差が存在し易く、多数の燃料電池を積層することによって、前記形状誤差が累積されてしまう。このため、多数の燃料電池を積層した積層体は、全体として積層方向に曲がってしまい、反応ガスのシール性が低下するという問題が指摘されている。
【０００５】
そこで、積層体の積層方向の曲がりを抑制するために、例えば、特許文献１の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は、図７に示すように、複数の単位セル１を矢印Ｘ方向に積層した積層体２を備え、この積層体２の両端部には、エンドプレート３が配設される。積層体２の中間には、中間プレート４が介装されるとともに、前記積層体２および前記中間プレート４を貫通してスタッドボルト５が設けられる。このスタッドボルト５には、大径なフランジ部５ａが形成され、このフランジ部５ａが中間プレート４の段付き孔部４ａに嵌合して積層方向に直交する方向（矢印Ｙ方向）の移動が規制される。一方のエンドプレート２には、皿ばね６を介装してバックアッププレート７が積層される。
【０００６】
この特許文献１では、積層体２の積層方向の中間位置に中間プレート４が設けられており、前記積層体２が前記中間プレート４の両側に分割されている。このため、積層体２は、厚さ方向に累積される形状誤差を実質的に半分程度に抑えることができる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−１５１１３５号公報（段落［００２３］〜［００２５］、図３、図５）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、積層体２内に配置された中間プレート４は、一方のエンドプレート３に対して平行度を維持することが困難である。このため、中間プレート４上に積層されている単位セル１は、各単位セル１の形状誤差が累積されてしまい、全体として積層方向に曲がるおそれがある。
【０００９】
特に、単位セル１のセパレータが金属製セパレータで構成される際、このセパレータ自体には、プレス等の加工に伴う変形が惹起されている場合が多い。これにより、単位セル１の積層数が比較的少ない場合にも、前記単位セル１が積層方向に曲がってしまうという懸念がある。
【００１０】
また、燃料電池スタックが車載用として使用されると、車両の急発進や急制動時には、積層体２が積層方向に移動する場合がある。エンドプレート３とバックアッププレート７との間に、皿ばね６が介装されているからである。このため、各単位セル１間には、隙間が発生する場合があり、反応ガスのシール性が低下するおそれがある。
【００１１】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単な構成で、積層体の曲がりを確実に阻止するとともに、所望のシール性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。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る燃料電池スタックでは、電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルを複数積層して積層体が構成されるとともに、前記積層体の積層方向両端にエンドプレートが配設されている。
【００１３】
そして、積層体内には、積層方向の所定の位置、すなわち、所定数の単位セルに対応して中間プレートが配設されるとともに、前記中間プレートは、平行支持機構を介しエンドプレートに対して互いに平行に支持固定されている。
【００１４】
このように、中間プレートは、エンドプレートと平行に支持されて積層体内に配設されるため、前記積層体が所定数の単位セル毎に分割され、各単位セルの形状誤差が累積されて前記積層体が積層方向に傾くおそれがない。従って、積層体内の面圧を均一に維持することができ、簡単な構成で、前記積層体内の接触抵抗の低減を図ることが可能になる。
【００１５】
しかも、中間プレートは、エンドプレート間に固定されるため、例えば、車載用として使用される際、車両の急発進や急制動時に積層体が積層方向に移動することがない。これにより、単位セル間には、比較的大きな隙間が発生することがなく、所望のシール性を確保することができ、発電性能の向上が容易に可能になる。
【００１６】
また、本発明の請求項２に係る燃料電池スタックでは、平行支持機構は、中間プレートを貫通してエンドプレート間を締結する締結ボルトと、前記締結ボルトに外装され、前記中間プレートの両面を挟み込むカラー部材とを備えている。このため、平行支持機構は、構成の簡素化を図ることができ、しかもカラー部材により中間プレートの位置が規制されるため、積層体に作用する締め付け荷重を適切に調整することが可能になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０の概略全体斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の一部断面側面図である。
【００１８】
燃料電池スタック１０は、複数の単位セル１２が矢印Ａ方向に積層された積層体１４を備え、前記積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）両端には、ターミナル端子板１６ａ、１６ｂと、インシュレータ板１８ａ、１８ｂと、エンドプレート２０ａ、２０ｂとが外方に向かって、順次、配設される。積層体１４内には、積層方向の所定の位置に対応して、例えば、前記積層体１４の中間位置に対応して中間プレート２２が配設される。
【００１９】
図３に示すように、各単位セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）２４と、前記電解質膜・電極構造体２４を挟持する第１および第２セパレータ２６、２８とを備える。第１および第２セパレータ２６、２８は、例えば、金属製の板材により構成されている。なお、第１および第２セパレータ２６、２８をカーボン材等により構成してもよい。
【００２０】
単位セル１２の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔３０ａと、燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔３２ｂとが設けられる。
【００２１】
単位セル１２の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔３２ａと、酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとが設けられる。
【００２２】
単位セル１２の短辺方向（矢印Ｃ方向）の一端縁部には、冷却媒体を供給するための２つの冷却媒体供給連通孔３４ａが設けられるとともに、前記単位セル１２の短辺方向の他端縁部には、前記冷却媒体を排出するための２つの冷却媒体排出連通孔３４ｂが設けられる。
【００２３】
電解質膜・電極構造体２４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３６と、該固体高分子電解質膜３６を挟持するアノード側電極３８およびカソード側電極４０とを備える。
【００２４】
アノード側電極３８およびカソード側電極４０は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、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た電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３６の両面に接合されている。
【００２５】
第１セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２４に向かう面２６ａには、燃料ガス供給連通孔３２ａと燃料ガス排出連通孔３２ｂとを連通する燃料ガス流路４２が形成される。この燃料ガス流路４２は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数の溝部を設ける。第１セパレータ２６の面２６ｂには、冷却媒体供給連通孔３４ａと冷却媒体排出連通孔３４ｂとを連通する冷却媒体流路４４が形成される。この冷却媒体流路４４は、矢印Ｂ方向に延在する複数の溝部を設ける。
【００２６】
第２セパレータ２８の電解質膜・電極構造体２４に向かう面２８ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数の溝部からなる酸化剤ガス流路４６が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路４６は、酸化剤ガス供給連通孔３０ａと酸化剤ガス排出連通孔３０ｂとに連通する。
【００２７】
単位セル１２には、後述する締結ボルトが挿入される孔部４８が形成される。孔部４８は、例えば、上下にそれぞれ３つずつ設けられている。また、電解質膜・電極構造体２４と第１および第２セパレータ２６、２８との間には、図示しないシール部材が介装されている。
【００２８】
図１に示すように、エンドプレート２０ａの長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、酸化剤ガス供給連通孔３０ａおよび燃料ガス排出連通孔３２ｂにそれぞれ連通する酸化剤ガス供給口５０ａおよび燃料ガス排出口５２ｂが設けられる。エンドプレート２０ａの長辺方向の他端縁部には、燃料ガス供給連通孔３２ａおよび酸化剤ガス排出連通孔３０ｂにそれぞれ連通する燃料ガス供給口５２ａおよび酸化剤ガス排出口５０ｂが設けられる。
【００２９】
エンドプレート２０ａの短辺方向の一端縁部には、冷却媒体供給連通孔３４ａに連通する冷却媒体供給口５４ａが設けられるとともに、前記エンドプレート２０ａの短辺方向の他端縁部には、冷却媒体排出連通孔３４ｂに連通する冷却媒体排出口５４ｂが設けられる。
【００３０】
中間プレート２２は、第１および第２セパレータ２６、２８と同様に金属製の板材（例えば、ステンレス鋼）で形成されている。中間プレート２２は、積層体１４内において所定数の単位セル１２を仕切るようにして１枚または２枚以上配設されており、この単位セル１２の数は、使用状態や各種構成部材の寸法および材質等によって設定されている。
【００３１】
この中間プレート２２は、図１および図４に示すように、平行支持機構６０を介してエンドプレート２０ａ、２０ｂに対して互いに平行に支持固定される。平行支持機構６０は、エンドプレート２０ａ、２０ｂ間を締結するとともに、中間プレート２２を貫通する、例えば、６本の締結ボルト６２と、前記締結ボルト６２に外装され、前記中間プレート２２の両面を挟み込む絶縁性カラー部材６４ａ、６４ｂとを備える。
【００３２】
締結ボルト６２は、外周面に絶縁層（または絶縁膜）を設けており、エンドプレート２０ａから積層体１４内に挿入されるとともに、エンドプレート２０ｂに突出する端部にナット６６が螺合する（図４参照）。積層体１４に設けられた孔部４８の内周面は、絶縁性カラー部材６４ａ、６４ｂの外周面との間に、例えば、片側に０．０５ｍｍの隙間が設けられており、走行振動等に起因して単位セル１２にずれが発生することを阻止している。
【００３３】
中間プレート２２には、締結ボルト６２を挿入する孔部６８が形成されるとともに、この孔部６８の両端には、絶縁性カラー部材６４ａ、６４ｂの端部を所定の深さまで挿入する大径な孔部７０ａ、７０ｂが連通する。エンドプレート２０ａと中間プレート２２との間には、絶縁性カラー部材６４ａが介装される一方、前記中間プレート２２とエンドプレート２０ｂとの間には、絶縁性カラー部材６４ｂが介装される。
【００３４】
このように構成される燃料電池スタック１０を組み立てる作業について、以下に説明する。
【００３５】
まず、複数の単位セル１２が矢印Ａ方向に積層されるとともに、所定の枚数、例えば、１枚の中間プレート２２を中間位置に介装して積層体１４が得られる。この積層体１４の積層方向両端には、ターミナル端子板１６ａ、１６ｂおよびインシュレータ板１８ａ、１８ｂが配設される。
【００３６】
そこで、積層体１４の孔部４８には、積層方向一方から絶縁性カラー部材６４ａが挿入され、前記絶縁性カラー部材６４ａの先端が中間プレート２２の孔部７０ａに嵌合する。孔部４８には、積層方向他方から絶縁性カラー部材６４ｂが挿入され、前記絶縁性カラー部材６４ｂの先端が中間プレート２２の孔部７０ｂに嵌合する。この状態で、積層体１４の両端に、すなわち、インシュレータ板１８ａ、１８ｂの外方にエンドプレート２０ａ、２０ｂが配置される。
【００３７】
さらに、エンドプレート２０ａから積層体１４内を通ってエンドプレート２０ｂに締結ボルト６２が挿入される。締結ボルト６２は、図４に示すように、絶縁性カラー部材６４ａから中間プレート２２の孔部６８を介して絶縁性カラー部材６４ｂに挿入され、エンドプレート２０ｂの外方に突出する。締結ボルト６２の端部には、ナット６６が螺合し、エンドプレート２０ａ、２０ｂ間には、所定の締め付け荷重が付与される。
【００３８】
この場合、第１の実施形態では、積層体１４内に介装されている中間プレート２２は、平行支持機構６０を介してエンドプレート２０ａ、２０ｂに対して互いに平行に支持固定される。従って、積層体１４内は、中間プレート２２を介して所定数の単位セル１２毎に分割されているため、各単位セル１２の形状誤差が累積されて前記積層体１４が積層方向に傾くおそれがない。
【００３９】
特に、各単位セル１２を構成する第１および第２セパレータ２６、２８を金属製の薄板で構成する際には、この第１および第２セパレータ２６、２８の平行度を出すことは極めて難しい。その際、第１の実施形態では、中間プレート２２がエンドプレート２０ａ、２０ｂに対して確実に平行度を維持することができるため、各単位セル１２の平行度を有効に確保することが可能になる。
【００４０】
これにより、簡単な構成で、積層体１４内の接触抵抗の低減を図るとともに、所望のシール性を確保することができ、発電性能の向上が容易に可能になるという効果が得られる。
【００４１】
しかも、中間プレート２２は、エンドプレート２０ａ、２０ｂ間に固定される。このため、燃料電池スタック１０が、例えば、車載用として使用される際、車両の急発進や急制動時に積層体１４が積層方向に移動することがない。従って、単位セル１２間には、比較的大きな隙間が発生することがなく、所望のシール性を確保することができ、発電性能の向上が容易に可能になる。
【００４２】
また、平行支持機構６０は、中間プレート２２を貫通してエンドプレート２０ａ、２０ｂ間を締結する締結ボルト６２と、前記締結ボルト６２に外装され、前記中間プレート２２の両面を挟み込む絶縁性カラー部材６４ａ、６４ｂとを備えている。これにより、平行支持機構６０は、構成の簡素化を図ることができ、しかも絶縁性カラー部材６４ａ、６４ｂにより中間プレート２２の位置が規制され、積層体１４に作用する締め付け荷重を適切に調整することが可能になる。
【００４３】
次いで、上記のように組み立てられた燃料電池スタック１０の動作について、説明する。
【００４４】
まず、図１に示すように、燃料電池スタック１０内には、エンドプレート２０ａの燃料ガス供給口５２ａから水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給口５０ａから酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給口５４ａから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、積層体１４では、矢印Ａ方向に重ね合わされた複数の単位セル１２に対し、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却媒体が矢印Ａ１方向に直列的に供給される。
【００４５】
図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３０ａから第２セパレータ２８の酸化剤ガス流路４６に導入され、電解質膜・電極構造体２４のカソード側電極４０に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３２ａから第１セパレータ２６の燃料ガス流路４２に導入され、電解質膜・電極構造体２４のアノード側電極３８に沿って移動する。
【００４６】
従って、各電解質膜・電極構造体２４では、カソード側電極４０に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極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、発電が行われる。
【００４７】
次いで、アノード側電極３８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３２ｂに排出されて矢印Ａ２方向に流動した後、エンドプレート２０ａの燃料ガス排出口５２ｂから排出される。同様に、カソード側電極４０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３０ｂに沿って矢印Ａ２方向に流動した後、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス排出口５０ｂから排出される（図１参照）。
【００４８】
また、冷却媒体供給口５４ａに供給された冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔３４ａから第１セパレータ２６の冷却媒体流路４４に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２４を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３４ｂを矢印Ａ２方向に移動し、エンドプレート２０ａの冷却媒体排出口５４ｂから排出される。
【００４９】
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８０の概略斜視図である。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。
【００５０】
燃料電池スタック８０は、エンドプレート２０ａ、２０ｂがケース部材８２を介して一体的に結合される。ケース部材８２は、下板８４ａ、上板８４ｂおよび側板８４ｃ、８４ｄを備えており、これらがボルト８５を介してエンドプレート２０ａ、２０ｂに固定される。
【００５１】
積層体１４内には、積層方向の所定の位置に対応して、例えば、前記積層体１４の中間位置に対応して中間プレート８６が配設される。中間プレート８６は、金属製の板材（例えば、ＳＵＳ材）で形成されており、平行支持機構９０を介してエンドプレート２０ａ、２０ｂに対して互いに平行に支持固定される。
【００５２】
図６に示すように、平行支持機構９０は、中間プレート８６の四辺にそれぞれ設けられ、所定間隔ずつ離間して外方に突出する複数の突起部９２ａ〜９２ｄと、下板８４ａ、上板８４ｂおよび側板８４ｃ、８４ｄに形成され、前記突起部９２ａ〜９２ｄが嵌合するそれぞれ複数の開口部９４ａ〜９４ｄとを備える。開口部９４ａ〜９４ｄは、エンドプレート２０ａ、２０ｂから所定の距離だけ離間した位置に設定される。
【００５３】
このように構成される燃料電池スタック８０を組み立てる作業について、以下に説明する。
【００５４】
まず、下板８４ａの開口部９４ａには、中間プレート８６の突起部９２ａが嵌合して前記中間プレート８６が前記下板８４ａに保持される。この中間プレート８６の両側には、それぞれ所定数の単位セル１２が矢印Ａ方向に積層されて積層体１４が得られる。積層体１４の積層方向両端には、ターミナル端子板１６ａ、１６ｂ、インシュレータ板１８ａ、１８ｂおよびエンドプレート２０ａ、２０ｂが配設される。
【００５５】
次いで、積層体１４を覆って上板８４ｂおよび側板８４ｃ、８４ｄが配置される。その際、上板８４ｂの開口部９４ｂには、中間プレート８６の突起部９２ｂが嵌合するとともに、側板８４ｃ、８４ｄの開口部９４ｃ、９４ｄには、前記中間プレート８６の突起部９２ｃ、９２ｄが嵌合する。この状態で、下板８４ａ、上板８４ｂおよび側板８４ｃ、８４ｄは、ボルト８５を介してエンドプレート２０ａ、２０ｂに固定される。
【００５６】
この場合、第２の実施形態では、中間プレート８６は、突起部９２ａ〜９２ｄと開口部９４ａ〜９４ｄとを備える平行支持機構９０を介して、ケース部材８２に対し、すなわち、エンドプレート２０ａ、２０ｂに対し、互いに平行に支持固定される。このため、積層体１４内の面圧を均一に維持し、簡単な構成で、接触抵抗の低減を図るとともに、所望のシール性を確保することができる等、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５７】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックは、積層体内で中間プレートを介して所定数の単位セル毎に分割されているため、各単位セルの形状誤差が累積されて前記積層体が積層方向に傾くおそれがない。従って、積層体内の面圧を均一に維持することができ、簡単な構成で、前記積層体内の接触抵抗の低減を図ることが可能になる。
【００５８】
しかも、中間プレートは、エンドプレート間に固定されるため、例えば、車載用として使用される際、車両の急発進や急制動時に積層体が積層方向に移動することがない。これにより、単位セル間には、比較的大きな隙間が発生することがなく、所望のシール性を確保することができ、発電性能の向上が容易に可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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。
【図２】前記燃料電池スタックの一部断面側面図である。
【図３】前記燃料電池スタックを構成する単位セルの分解斜視図である。
【図４】前記燃料電池スタックを構成する中間プレートおよび平行支持機構の断面説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの概略斜視図である。
【図６】前記燃料電池スタックを構成するケース部材および平行支持機構の分解斜視図である。
【図７】特許文献１の燃料電池の内部概略説明図である。
【符号の説明】
１０、８０…燃料電池スタック １２…単位セル
１４…積層体 ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２２、８６…中間プレート ２４…電解質膜・電極構造体
２６、２８…セパレータ ３６…固体高分子電解質膜
３８…アノード側電極 ４０…カソード側電極
４８、６８、７０ａ、７０ｂ…孔部 ６０、９０…平行支持機構
６２…締結ボルト ６４ａ、６４ｂ…絶縁性カラー部材
６６…ナット ８２…ケース部材
８４ａ…下板 ８４ｂ…上板
８４ｃ、８４ｄ…側板 ９２ａ〜９２ｄ…突起部
９４ａ〜９４ｄ…開口部

Claims (2)

1. 電解質の両側にそれぞれ電極を設けた電解質・電極構造体を、セパレータにより挟持した単位セルを備え、前記単位セルを複数積層して積層体を構成するとともに、前記積層体の積層方向両端に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、
   前記積層体内に、積層方向の所定の位置に対応して配設される中間プレートと、
   前記中間プレートを、前記エンドプレートに対して互いに平行に支持固定する平行支持機構と、
   を備え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、前記平行支持機構は、前記中間プレートを貫通して前記エンドプレート間を締結する締結ボルトと、
   前記締結ボルトに外装され、前記中間プレートの両面を挟み込むカラー部材と、
   を備えることを特徴とする燃料電池スタック。

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