JP2007184200A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】セルモジュールの面内方向の捩れに対する剛性を向上させた燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】燃料電池スタック１は、積層された複数のセルモジュール２と、セルモジュール２を積層方向に挟んで配置された１組のエンドプレート８と、セルモジュール２の側面に嵌合するコの字型の断面形状を備えた外部拘束部材１２とを有する。また、前記側面とは異なる側面には、セルモジュール２の積層方向にセルモジュール２の全体に渡って延びたテンションシャフト１６を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池スタックに関し、より詳しくは、積層された複数のセルモジュールを挟んで配置された１組のエンドプレートを備えた燃料電池スタックに関する。

燃料電池は、複数のセルモジュールが積層された燃料電池スタックを有する。この燃料電池が搭載された車両を走行させると、走行中の振動などによって、燃料電池スタックに荷重がかかる。このため、セルモジュール間ですべりが生じて、燃料電池スタックがばらけてしまうおそれがある。そこで、セルモジュールの積層方向両端に配置されたエンドプレートなどの周縁部近傍に貫通穴を設けてシャフトを通した後、さらにこのシャフトを固定することによって、上記不具合が発生するのを防ぐ措置が採られている。

しかし、上記構造では、貫通穴を設けることによりセルの面積が減少してしまうという問題があった。一方、セルの面積を減少させないために、積層方向と直交する方向の面積を大きくした場合には、燃料電池スタックの体積が大きくなることによって、レイアウトの自由度が小さくなってしまうという問題があった。

そこで、Ｌ字型の板材で両端のエンドプレートの四隅を締結することによって、セル面積の減少とスタック体積の増加とを抑制した燃料電池スタックが開示されている（特許文献１参照）。

特開２００２−４２８５２号公報 特開２００５−７１９００号公報

しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池スタックでは、セルの面内方向の捩れに対する剛性が低いという問題があった。このため、外部から衝撃力が加わると、セルモジュールが正規の取り付け位置から移動してしまい、燃料電池が正常に機能しなくなるおそれがあった。

本発明は、こうした問題点に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、セルモジュールの面内方向の捩れに対する剛性を向上させた燃料電池スタックを提供することにある。

本発明の他の目的および利点は以下の記載から明らかとなるであろう。

本発明は、積層された複数のセルモジュールと、この複数のセルモジュールを積層方向に挟んで配置された１組のエンドプレートと、複数のセルモジュールの側面に嵌合するコの字型の断面形状を備えた外部拘束部材とを有する燃料電池スタックであって、外部拘束部材が、エンドプレートに連結されていることを特徴とする燃料電池スタックに関する。

本発明の燃料電池スタックは、外部拘束部材が嵌合する側面とは異なる側面に設けられ、セルモジュールの積層方向にセルモジュールの全体に渡って延び、両端がエンドプレートに連結されたテンションシャフトをさらに有することができる。

また、本発明の燃料電池スタックは、外部拘束部材が配設される部位において、セルモジュールとエンドプレートとが実質的に同一の形状であることが好ましい。

本発明の燃料電池スタックによれば、複数のセルモジュールの側面に嵌合するコの字型の断面形状を備えた外部拘束部材をエンドプレートに連結しているので、セルモジュールの面内方向の捩れに対する剛性を向上させることができる。

図１〜図４を用いて、本実施の形態における燃料電池について説明する。尚、これらの図において、同じ符号を付した部分は同じものであることを示している。

図１は、本実施の形態における燃料電池スタックの平面図である。また、図２は、図１を上方向から見た平面図である。さらに、図３は、図２のＡ−Ａ′線に沿う断面図であり、図４は、図２のＢ−Ｂ′線に沿う断面図である。

燃料電池スタック１は、１つのセルから構成されたセルモジュール２が複数積層された構造（以下、セル積層体と称す。）を有する。但し、セルモジュールは複数のセルから構成されていてもよい。

セルは、膜−電極アッセンブリ（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）とセパレータとが積層されてなる。膜−電極アッセンブリは、イオン交換樹脂からなる電解質膜と、この電解質膜の一方の面に設けられた触媒層からなるアノードと、電解質膜の他方の面に設けられた触媒層からなるカソードとからなる。そして、膜−電極アッセンブリのアノード側およびカソード側のそれぞれに、拡散層を介してセパレータが設けられる。ここで、アノード側のセパレータには、アノードに燃料ガスを供給する燃料ガス流路が形成されている。一方、カソード側のセパレータには、酸化ガスを供給する酸化ガス流路が形成されている。

尚、本実施の形態では、アノード側およびカソード側のセパレータに、反応ガス流路を設けないセパレータ（以下、フラットセパレータと称す。）を用いることもできる。

図５は、フラットセパレータの断面図の一例である。図に示すように、フラットセパレータ１０１は、ＭＥＡ１０２のカソード電極側に対向するカソード対向プレート１０３と、アノード電極側に対向するアノード対向プレート１０４と、カソード対向プレート１０３およびアノード対向プレート１０４に挟持される中間プレート１０５とを有する。また、ＭＥＡ１０２は、ＭＥＡ部およびＭＥＡ部の外周縁部に接合されたシール部１０６を有する。さらに、ＭＥＡ１０２は、電解質膜１０７と、電解質膜１０７の一方の面に設けられたアノード（図示せず）と、電解質膜１０７の他方の面に設けられたカソード（図示せず）と、アノードおよびカソードのセパレータと対向する面に設けられた拡散層１０８とを有する。

図５では、アノード対向プレート１０４における中間プレート１０５との当接面１０４ａと、カソード対向プレート１０３における中間プレート１０５との当接面１０５ａとによって、冷却媒体流路１０９が形成されている。冷却媒体流路１０９は、一端が冷却媒体を供給するマニホールドに連結し、他端が冷却媒体を排出するマニホールドに連結している。そして、冷却媒体は、これらの間を図５の矢印の方向に移動する。

本実施の形態の燃料電池スタック１には、図４に示すように、冷却媒体マニホールド３、燃料ガスマニホールド４および酸化剤ガスマニホールド５が設けられている。そして、各種流体（冷媒、燃料ガスおよび酸化剤ガス）は、これらのマニホールド３，４，５を通って各セルに供給された後、再びマニホールド３，４，５を通って燃料電池スタック１の外部へと排出される。例えば、図５のフラットセパレータ１０１の場合、冷却媒体流路１０９の両端は、冷却媒体マニホールド３に連結することになる。尚、燃料電池スタック１に各種流体を供給する配管（図示せず）および燃料電池スタック１から各種流体を排出する配管（図示せず）は、セル積層体のセル積層方向の一端に設けられる。

また、図２および図３に示すように、セル積層体の両端には、ターミナル６、インシュレータ７およびエンドプレート８が配置されていて、セル積層体をセルモジュール２の積層方向に締め付けている。また、燃料電池スタック１に各種流体を供給する配管および燃料電池スタック１から各種流体が排出される配管が接続していない方のセル積層方向端部には、複数のスプリング９を有するスプリングボックス１０が配置されている。スプリングボックス１０は、インシュレータ７とエンドプレート８の間にあって、セルモジュール２に対してバネ力(定荷重)をかけている。尚、バネ力は、スプリングボックス１０とエンドプレート８の間に設けられた調整ネジ１１によって調整することができる。

本実施の形態においては、燃料電池スタック１が、セル積層体の側面に嵌合するコの字型の断面形状を備えた外部拘束部材１２を有していて、外部拘束部材１２とエンドプレート８がボルト１３によって連結していることを特徴としている。外部拘束部材１２は、セル積層体の１の側面と、これに対向する他の側面とに嵌合されることが好ましい。尚、本実施の形態においては、外部拘束部材を外部拘束フレームと称することもできる。

上記構成によれば、セルモジュール２の積層方向に対して垂直方向からセル積層体が外部拘束部材１２によって拘束されることになるので、電解質膜を必要以上に圧迫して燃料電池の特性が低下するのを防ぐことができる。

また、セルモジュール２の面内方向の捩れに対する剛性を従来より向上させることができるので、燃料電池スタック１に対して衝撃力が加わった場合に、セルモジュール２が正規の取り付け位置から移動するのを防ぐこともできる。

さらに、外部拘束部材１２は、セル積層体の全体を被覆するものではないので、セル電圧を測定するための電圧測定端子を取り付けるのが容易となる。例えば、図４に示すように、セルモジュール２の上部に電圧測定端子１４を設けることができる。これに対して、例えば、従来技術である特許文献２のように、セル積層体を箱状ケーシング内に収容する構成では、電圧測定端子を取り付けることが困難となる。

外部拘束部材１２は、例えば、車両衝突時に、セルモジュール２の積層方向からセル積層体に衝撃力が加わった場合であっても破損しない程度の機械的強度を有するものとする。本実施の形態では、外部拘束部材１２として金属を用いており、セル積層体と金属の間に、図４に示すように、第１の絶縁性部材１５を設けている。ここで、第１の絶縁性部材１５は、外部拘束部材１２とともに、ボルト１３によってエンドプレート８に固定されている。第１の絶縁性部材１５を設けることによって、セルモジュール２と金属の間の導通を防ぐことができる。さらに、外力が加わることによって、燃料電池スタック１内でセルモジュール２が移動するような事態が生じた場合であっても、第１の絶縁性部材１５がクッション材として作用することにより、セルモジュール２に加わる衝撃力を緩和することができる。

図１および図４に示すように、外部拘束部材１２が配設される部位において、セルモジュール２とエンドプレート８とは実質的に同一の形状であることが好ましい。これにより、第１の絶縁性部材１５を介して、外部拘束部材１２にセルモジュール２およびエンドプレート８を大きな隙間を生じることなしに嵌合させることができるので、燃料電池スタック１に衝撃力が加わった際にセルモジュール２間で横ずれが生じるのを防ぐことができる。

セル積層体の外部拘束部材１２が嵌合する側面と異なる側面には、セルモジュール２の積層方向にセル積層体の全体に渡って延びたテンションシャフト１６が設けられている。そして、テンションシャフト１６は、ボルト１７によってエンドプレート８に固定されている。ここで、テンションシャフト１６はなくてもよいが、テンションシャフト１６を設けることによって、外部拘束部材１２だけの場合に比して、セル積層体に締結荷重を均一にかけることが可能となる。また、外部拘束部材１２と組み合わせることによって、セルモジュール２の面内方向の捩れに対する剛性を一層向上させることができる。尚、本実施の形態においては、円柱状のテンションシャフト１６に代えて、平板状のテンションプレートを用いてもよい。

テンションシャフト１６は、外部拘束部材１２と同様に、セル２の積層方向からセル積層体に衝撃力が加わった場合であっても破損しない程度の機械的強度を有するものとする。本実施の形態では、テンションシャフト１６に金属部材１６ａを用いている。そして、セル２と金属部材１６ａの間の導通を防ぐために、図４に示すように、金属部材１６ａを第２の絶縁性部材１６ｂによって被覆している。

外部拘束部材１２をエンドプレート８に連結するボルト１３は、図１および図２に示すように、セル積層体の外部拘束部材１２が嵌合する側面と、これに直交する側面とに設けることが好ましい。これにより、燃料電池スタック１に対して、図の上下および左右のいずれの方向から衝撃力が加わった場合であっても、セルモジュール２が正規の取り付け位置から移動するのを効果的に防ぐことが可能となる。尚、この場合、後者の側面に設けられたボルト１３は、図１で示すように上下に突出することになるが、テンションシャフト１６も同様の箇所に設けられるので、スペース的にはむしろ効率のよい配置と言える。

尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々変形して実施することができる。

図６および図７は、本実施の形態における燃料電池の他の例である。尚、これらの図において、図１〜図４と同じ符号を付した部分は同じものであることを示している。

図６は、燃料電池スタックの平面図である。この燃料電池スタックを上方向から見た平面図は、図２と同様である。そして、図７は、図２のＢ−Ｂ′線に対応する線に沿う断面図である。

図６および図７の例では、外部拘束部材１２′は、セルモジュール２′の側に拡がったテーパ型の断面形状を有している。また、エンドプレート８′は、外部拘束部材１２′と嵌合するように、両端部が外部拘束部材１２′の側に狭くなった逆テーパ形状となっている。同様に、セルモジュール２′も、両端部が外部拘束部材１２′の側に狭くなった逆テーパ形状となっている。このようにすることによって、次のような効果が得られる。

外部拘束部材に金属を用いた場合には、上述したように、外部拘束部材の内側に第１の絶縁性部材を設けることが必要となる。このため、セル積層体に外部拘束部材を嵌合する際には、第１の絶縁性部材が破損しないよう注意を要する。そこで、図６および図７に示すように、外部拘束部材１２′の断面形状をセルモジュール２′の側に拡がったテーパ型とすることによって、開口部を大きくして嵌合を容易にすることができるので、第１の絶縁性部材１５′が破損するおそれを最小限にすることが可能となる。

本発明における燃料電池スタックの平面図である。 図１を上方向から見た平面図である。 図２のＡ−Ａ′線に沿う断面図である。 図２のＢ−Ｂ′線に沿う断面図である。 本発明に適用可能なフラットセパレータの断面図の一例である。 本発明における燃料電池スタックの平面図の他の例である。 図６の燃料電池スタックの断面図である。

符号の説明

１ 燃料電池スタック
２，２′ セルモジュール
３ 冷却マニホールド
４ 燃料ガスマニホールド
５ 酸化剤ガスマニホールド
６ ターミナル
７ インシュレータ
８，８′ エンドプレート
９ スプリング
１０ スプリングボックス
１１ 調整ネジ
１２，１２′ 外部拘束部材
１３，１７ ボルト
１４ 電圧測定端子
１５，１５′ 第１の絶縁性部材
１６ テンションシャフト
１０１ フラットセパレータ
１０２ ＭＥＡ
１０３ カソード対向プレート１０３
１０４ アノード対向プレート
１０５ 中間プレート
１０６ シール部
１０７ 電解質膜
１０８ 拡散層
１０９ 冷却媒体流路

Claims (3)

1. 積層された複数のセルモジュールと、
   前記複数のセルモジュールを積層方向に挟んで配置された１組のエンドプレートと、
   前記複数のセルモジュールの側面に嵌合するコの字型の断面形状を備えた外部拘束部材とを有する燃料電池スタックであって、
   前記外部拘束部材は、前記エンドプレートに連結されていることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記側面とは異なる側面に設けられ、前記セルモジュールの積層方向に前記セルモジュールの全体に渡って延び、両端が前記エンドプレートに連結されたテンションシャフトをさらに有する請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記外部拘束部材が配設される部位において、前記セルモジュールと前記エンドプレートとが実質的に同一の形状である請求項１または２に記載の燃料電池スタック。

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