JP4118123B2

JP4118123B2 - 燃料電池スタック

Info

Publication number: JP4118123B2
Application number: JP2002318577A
Authority: JP
Inventors: 雅彦佐藤; 洋平日高; 裕也佐藤
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2008-07-16
Anticipated expiration: 2022-10-31
Also published as: JP2004152684A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを複数積層した積層体を備えるとともに、前記積層体の両端にターミナルプレート、絶縁プレートおよびエンドプレートが積層される燃料電池スタックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、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）からなる電解質膜の両側に、それぞれ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（電解質）・電極構造体を、セパレータによって挟持することにより構成されている。
【０００３】
こ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が外部回路に取り出され、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】
ところで、この種の燃料電池は、通常、電解質・電極構造体およびセパレータを所定数だけ積層した積層体を構成し、前記積層体の両端に各燃料電池より発電された電力を集めるためのターミナルプレート、前記積層体および前記ターミナルプレートを保持するエンドプレート、および前記ターミナルプレートと前記エンドプレートを絶縁するための絶縁プレートが配設された燃料電池スタックとして使用されている。
【０００５】
この燃料電池スタックは、例えば、車載用として使用される場合、所望の高出力を得るために相当に多数（例えば、数百個程度）の燃料電池を積層して構成する必要がある。このため、車両の急発進時や急停止時等に、燃料電池スタックに比較的大きな荷重（慣性力）が作用し易い。
【０００６】
特に、燃料電池スタックの積層方向が車両の進行方向と略同一に設定されている際、前記燃料電池スタックに荷重が作用すると、該燃料電池スタックの積層方向一端部に配設されている各プレート間、具体的には、ターミナルプレートと絶縁プレートとの間および前記絶縁プレートとエンドプレートとの間に、隙間が発生するおそれがある。これにより、燃料電池スタック内に供給される燃料ガスや冷却媒体のシール性が低下するという問題がある。
【０００７】
そこで、例えば、特許文献１に開示されている燃料電池が採用されている。この燃料電池では、図６に示すように、単位セル１とフレーム２とが積層されたセル積層体３を備えている。積層方向の端面Ｍとベース板４との間には、端子部５が配設されている。この端子部５は、導電性を備えた集電部６と、一端部が前記集電部６に接続されるとともに、他端部がベース板４の貫通孔４ａを通って前記ベース板４の外方に突出する導電性棒状体７とを備えている。棒状体７の外周にねじ部８が形成されており、このねじ部８にナット部材９が螺合している。
【０００８】
このような構成において、ナット部材９がねじ部８に螺合されることによりベース板４に集電部６が固定される。このため、集電部６をベース板４に確実に保持することができ、前記集電部６とセル積層体３の端面Ｍとの接触状態を良好にすることが可能になる、としている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平６−２９０８０３号公報（段落［０００８］、［００２９］、図２）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特許文献１では、棒状体７がベース板４に接触しているため、このベース板４に通電するおそれがある。従って、ベース板４を絶縁性材料で形成しなければならず、このベース板４をエンドプレートとして使用する際に、所望の剛性を維持することができない。これにより、セル積層体３に積層方向に所定の締め付け荷重を付与することができず、発電性能が低下するという問題がある。
【００１１】
本発明はこの種の問題を解決するものであり、各プレート間のシール性を有効に確保するとともに、所望の発電性能を維持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、ターミナルプレート、絶縁プレートおよびエンドプレートを固定する固定機構を備えている。この固定機構は、ターミナルプレートに設けられ、絶縁プレートおよびエンドプレートを貫通するねじ部材と、前記エンドプレート側に配置され、前記ねじ部材に螺合して該ターミナルプレート、該絶縁プレートおよび該エンドプレートを一体的に固定する絶縁性ナット部材とを備えている。
【００１３】
このように、ターミナルプレートに設けられたねじ部材が、絶縁プレートおよびエンドプレートを貫通して配置された状態で、絶縁性ナット部材が前記ねじ部材に螺合することにより、該ターミナルプレート、該絶縁プレートおよび該エンドプレートが一体的に固定される。従って、燃料電池スタックに積層方向に慣性力が付与される際、各プレートであるターミナルプレート、絶縁プレートおよびエンドプレートは、互いに強固に保持されてプレート同士が必要以上に離間することがなく、所望のシール性を有効に確保することが可能になる。
【００１４】
しかも、絶縁性ナット部材を用いるとともに、絶縁プレートが、エンドプレート内に挿入されて前記エンドプレートと前記絶縁性ナット部材との間に配設される円筒部を有することにより、ターミナルプレートとエンドプレートとを確実に絶縁することができる。これにより、ターミナルプレート、絶縁プレートおよびエンドプレートは、それぞれの機能を損なうことがなく、所望のシール性を確保することが可能になる。
【００１５】
また、ねじ部材が、ターミナルプレートに設けられる棒状電力取り出し端子を備え、前記棒状電力取り出し端子の外周にねじが形成されている。このため、ターミナルプレートの棒状電力取り出し端子が、固定機構を構成するねじ部材を兼用することができ、部品点数が有効に削減されて、経済的なものとなる。
【００１６】
【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の概略全体構成説明図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の要部分解斜視説明図である。
【００１７】
図１に示すように、燃料電池スタック１０は、電解質膜（電解質）・電極構造体１２が、第１および第２セパレータ１４、１６を介装して複数積層された積層体１８を備える。積層体１８の積層方向（矢印Ａ方向）両端には、第１および第２ターミナルプレート２０ａ、２０ｂと第１および第２エンドプレート２２ａ、２２ｂとが、第１および第２絶縁プレート２４ａ、２４ｂを介装して配設される。
【００１８】
電解質膜・電極構造体１２と第１および第２セパレータ１４、１６とにより燃料電池２６が構成される。図２に示すように、電解質膜・電極構造体１２と第１および第２セパレータ１４、１６との間には、後述する連通孔の周囲および電極面（発電面）の外周を覆って、ガスケット等のシール部材２８が介装されている。
【００１９】
燃料電池２６の水平方向（図２中、矢印Ｂ方向）の一端縁部には、積層方向である矢印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、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３２ｂ、および燃料ガス、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３４ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２０】
燃料電池２６の矢印Ｂ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３４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３２ａ、および酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３０ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２１】
電解質膜・電極構造体１２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てなる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。
【００２２】
アノード側電極３８およびカソード側電極４０は、多孔質カーボン部材、例えば、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てなる電極触媒層とをそれぞれ有する。電極触媒層は、互いに固体高分子電解質膜３６を介装して対向するように、前記固体高分子電解質膜３６の両面に接合されている。
【００２３】
シール部材２８の中央部には、アノード側電極３８およびカソード側電極４０に対応して開口部４５が形成されている。なお、シール部材２８に代替して、第１および第２セパレータ１４、１６にシールを焼き付け等によって設けてもよい。
【００２４】
第１セパレータ１４の電解質膜・電極構造体１２側の面１４ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本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。
【００２５】
第２セパレータ１６の電解質膜・電極構造体１２側の面１６ａには、燃料ガス供給連通孔３４ａと燃料ガス排出連通孔３４ｂとに連通する燃料ガス流路４８が形成される。この燃料ガス流路４８は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部を備えている。第２セパレータ１６の面１６ｂには、冷却媒体供給連通孔３２ａと冷却媒体排出連通孔３２ｂとに連通する冷却媒体流路５０が形成される。この冷却媒体流路５０は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部を備えている。
【００２６】
図１に示すように、燃料電池スタック１０は、第１ターミナルプレート２０ａ、第１絶縁プレート２４ａおよび第１エンドプレート２２ａを固定する固定機構５２と、第２ターミナルプレート２０ｂ、第２絶縁プレート２４ｂおよび第２エンドプレート２２ｂを固定する固定機構５３とを備える。
【００２７】
固定機構５２は、図３および図４に示すように、第１ターミナルプレート２０ａの略中央部にろう付け等により固着される棒状の電力取り出し端子５４を備える。この電力取り出し端子５４は、中央部に孔部５６が貫通形成されるとともに、外周部には、ねじ部５８が形成されてねじ部材を構成している。
【００２８】
第１絶縁プレート２４ａの略中央部には、第１エンドプレート２２ａ側に膨出して円筒部６０が形成される。この円筒部６０は、電力取り出し端子５４を挿入可能な形状に設定される。
【００２９】
第１エンドプレート２２ａの略中央部には、円筒部６０に対応して段付き孔部６２が形成され、この段付き孔部６２の一端側に樹脂製カラー（絶縁性ナット部材）６４が配置される。この樹脂製カラー６４は、中央部に電力取り出し端子５４のねじ部５８に螺合するねじ穴６６が形成されるとともに、外周部一端側には、大径なフランジ部６８が設けられる。樹脂製カラー６４は、絶縁プレート２４の円筒部６０内に挿入されるとともに、フランジ部６８が第１エンドプレート２２ａの段付き孔部６２の一方の大径部に配置される。
【００３０】
第１ターミナルプレート２０ａの内方に止めねじ７０が配置される。この止めねじ７０は、第１ターミナルプレート２０ａおよび電力取り出し端子５４の孔部５６を通って、前記電力取り出し端子５４の先端部から外方に突出するとともに、大径なフランジ部７２が該電力取り出し端子５４の端面に係止される。
【００３１】
止めねじ７０の先端には、ラグ端子７４が配置されており、ナット７６を前記止めねじ７０に螺合することによって、前記ラグ端子７４が電力取り出し端子５４に装着される。このラグ端子７４には、電線７８の一端が接続されており、この電線７８が図示しない外部負荷に接続されている。
【００３２】
なお、固定機構５３は、上記の固定機構５２と同様に構成されており、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。
【００３３】
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。
【００３４】
まず、図２に示すように、燃料ガス供給連通孔３４ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給されるとともに、酸化剤ガス供給連通孔３０ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔３２ａに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。
【００３５】
このため、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３０ａから第１セパレータ１４の酸化剤ガス流路４６に導入され、電解質膜・電極構造体１２を構成するカソード側電極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３４ａから第２セパレータ１６の燃料ガス流路４８に導入され、電解質膜・電極構造体１２を構成するアノード側電極３８に沿って移動する。
【００３６】
従って、各電解質膜・電極構造体１２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。
【００３７】
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３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。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Ａ方向に排出される。
【００３８】
また、冷却媒体供給連通孔３２ａに供給された冷却媒体は、第２セパレータ１６の冷却媒体流路５０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１２を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３２ｂから排出される。
【００３９】
この場合、第１の実施形態では、図４に示すように、第１ターミナルプレート２０ａ、第１絶縁プレート２４ａおよび第１エンドプレート２２ａが積層された状態で、前記第１ターミナルプレート２０ａに固定された電力取り出し端子５４が、第１絶縁プレート２４ａの円筒部６０と第１エンドプレート２２ａの段付き孔部６２とに挿入される。そして、樹脂製カラー６４が、電力取り出し端子５４のねじ部５８に螺合する。
【００４０】
従って、第１ターミナルプレート２０ａ、第１絶縁プレート２４ａおよび第１エンドプレート２２ａは、固定機構５２を介して一体的にかつ強固に固定される。このため、例えば、車載された燃料電池スタック１０に急停止時や急発進時において積層方向（矢印Ａ方向）への慣性力が付与される際、第１ターミナルプレート２０ａ、第１絶縁プレート２４ａおよび第１エンドプレート２２ａは、互いに強固に保持されて、それらの間隔が必要以上に大きく離間することがない。
【００４１】
これにより、第１の実施形態では、第１ターミナルプレート２０ａ、第１絶縁プレート２４ａおよび第１エンドプレート２２ａ間のシール性を有効に確保することが可能になるという効果が得られる。
【００４２】
さらに、ねじ部材として第１ターミナルプレート２０ａに固定される電力取り出し端子５４を備え、この電力取り出し端子５４の外周にねじ部５８が形成されている。このため、電力取り出し端子５４は、固定機構５２を構成するねじ部材を兼用することができ、部品点数が有効に削減されて、経済的であるという利点がある。
【００４３】
さらにまた、ナット部材として樹脂製カラー６４を用いており、この樹脂製カラー６４を介して電力取り出し端子５４と第１エンドプレート２２ａとを絶縁している。従って、第１ターミナルプレート２０ａ、第１絶縁プレート２４ａおよび第１エンドプレート２２ａは、それぞれの機能を損なうことがなく、かつ所望のシール性を確保することが可能になる。
【００４４】
なお、固定機構５３では、上記の固定機構５２と同様に第２ターミナルプレート２０ｂ、第２絶縁プレート２４ｂおよび第２エンドプレート２２ｂが強固かつ確実に保持されている。これにより、固定機構５３は、慣性力が付与される際にも所望のシール性を確保することができる等、上記の固定機構５２と同様の効果が得られる。
【００４５】
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の一部斜視説明図である。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。
【００４６】
この燃料電池スタック８０では、積層体１８の一方の端部に第１ターミナルプレート８２、第１絶縁プレート８４および第１エンドプレート８６が積層される。第１ターミナルプレート８２には、板状の電力取り出し端子８８が形成され、この電力取り出し端子８８が燃料電池スタック８０の上部に突出して図示しない外部負荷に接続されている。
【００４７】
燃料電池スタック８０を構成する固定機構９０は、連通孔のうち、例えば、燃料ガス供給連通孔３４ａと燃料ガス排出連通孔３４ｂとを形成するねじ部材９２ａ、９２ｂを備える。ねじ部材９２ａ、９２ｂの外周には、ねじ９４ａ、９４ｂが形成される。
【００４８】
第１絶縁プレート８４には、燃料ガス供給連通孔３４ａおよび燃料ガス排出連通孔３４ｂに対応して、円筒部９６ａ、９６ｂが第１エンドプレート８６側に膨出形成あるいは別体形成される。この第１エンドプレート８６には、円筒部９６ａ、９６ｂを挿入する段付き孔部９８ａ、９８ｂが形成される。この第１エンドプレート８６の外方には、樹脂製カラー（絶縁性ナット部材）１００ａ、１００ｂが配設される。
【００４９】
なお、積層体１８の他方の端部には、図示していないが、同様に第２ターミナルプレート、第２絶縁プレートおよび第２エンドプレートが固定機構を介して一体的に保持されている。
【００５０】
このように構成される第２の実施形態では、第１ターミナルプレート８２のねじ部材９２ａ、９２ｂが、第１絶縁プレート８４の円筒部９６ａ、９６ｂを貫通して第１エンドプレート８６の段付き孔部９８ａ、９８ｂに挿入される。そして、この第１エンドプレート８６から外方に突出するねじ部材９２ａ、９２ｂのねじ９４ａ、９４ｂには、樹脂製カラー１００ａ、１００ｂのねじ穴６６がねじ込まれる。これにより、固定機構９０を介して第１ターミナルプレート８２、第１絶縁プレート８４および第１エンドプレート８６が一体的かつ強固に保持される。
【００５１】
従って、燃料電池スタック８０に積層方向に慣性力が作用しても、固定機構９０の作用下に第１ターミナルプレート８２、第１絶縁プレート８４および第１エンドプレート８６間が必要以上に離間することがない。このため、所望のシール性を良好に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。
【００５２】
さらに、第２の実施形態では、第１ターミナルプレート８２、第１絶縁プレート８４および第１エンドプレート８６の対角位置の２箇所に、すなわち、燃料ガス供給連通孔３４ａおよび燃料ガス排出連通孔３４ｂに対応してねじ部材９２ａ、９２ｂが設けられている。そして、ねじ部材９２ａ、９２ｂに樹脂製カラー１００ａ、１００ｂがねじ込まれることによって、第１ターミナルプレート８２、第１絶縁プレート８４および第１エンドプレート８６同士を一層強固かつ確実に保持することができるという利点がある。
【００５３】
なお、固定機構９０は、燃料ガス供給連通孔３４ａおよび燃料ガス排出連通孔３４ｂに代えて、酸化剤ガス供給連通孔３０ａおよび酸化剤ガス排出連通孔３０ｂに設けてもよく、または、これら４箇所に設けてもよい。
【００５４】
【発明の効果】
本発明に係る燃料電池スタックでは、ターミナルプレートに設けられたねじ部材は、絶縁プレートおよびエンドプレートを貫通して配置された状態で、絶縁性ナット部材が前記ねじ部材に螺合されることにより、該ターミナルプレート、該絶縁プレートおよび該エンドプレートが一体的に固定される。従って、燃料電池スタックに積層方向に慣性力が付与される際、各プレートであるターミナルプレート、絶縁プレートおよびエンドプレートは、互いに強固に保持されてプレート同士が必要以上に離間することがなく、所望のシール性を有効に確保することが可能になる。
【００５５】
しかも、絶縁性ナット部材を用いることにより、ターミナルプレートとエンドプレートとを確実に絶縁することができる。これにより、ターミナルプレート、絶縁プレートおよびエンドプレートは、それぞれの機能を損なうことがなく、所望のシール性を確保することが可能になる。
【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構成説明図である。
【図２】前記燃料電池スタックの要部分解斜視説明図である。
【図３】前記燃料電池スタックを構成する固定機構の分解斜視説明図である。
【図４】前記固定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一部分解斜視説明図である。
【図６】従来技術に係る燃料電池の要部分解斜視図である。
【符号の説明】
１０、８０…燃料電池スタック１２…電解質膜・電極構造体
１４、１６…セパレータ１８…積層体
２０ａ、２０ｂ、８２、９２…ターミナルプレート
２２ａ、２２ｂ、８６…エンドプレート
２４、２４ａ、２４ｂ、８４…絶縁プレート
２６…燃料電池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
５２、５３、９０…固定機構５４、８８…電力取り出し端子
５８…ねじ部６０、９６ａ、９６ｂ…円筒部
６２、９８ａ、９８ｂ…段付き孔部
６４、１００ａ、１００ｂ…樹脂製カラー６６…ねじ穴
６８、７２…フランジ部７０…止めねじ
７４…ラグ端子７８…電線
９２ａ、９２ｂ…ねじ部材９４ａ、９４ｂ…ねじ

Claims

電解質の両側に一対の電極を設けた電解質・電極構造体を有し、前記電解質・電極構造体とセパレータとを複数積層した積層体を備えるとともに、前記積層体の両端にターミナルプレート、絶縁プレートおよびエンドプレートが積層される燃料電池スタックであって、
前記ターミナルプレート、前記絶縁プレートおよび前記エンドプレートを固定する固定機構を備え、
前記固定機構は、前記ターミナルプレートに設けられ、前記絶縁プレートおよび前記エンドプレートを貫通するねじ部材と、
前記エンドプレート側に配置され、前記ねじ部材に螺合して該ターミナルプレート、該絶縁プレートおよび該エンドプレートを一体的に固定する絶縁性ナット部材と、
を備え、
前記ねじ部材は、前記ターミナルプレートに設けられる棒状電力取り出し端子を有し、前記棒状電力取り出し端子の外周にねじが形成されるとともに、
前記絶縁プレートは、前記エンドプレート内に挿入されて前記エンドプレートと前記絶縁性ナット部材との間に配設される円筒部を有することを特徴とする燃料電池スタック。
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記棒状電力取り出し端子内には、止めねじが配置されるとともに、
前記止めねじの先端は、前記棒状電力取り出し端子の先端部から外方に突出することを特徴とする燃料電池スタック。