JP5105742B2 - 燃料電池スタック - Google Patents

Description

本発明は、イオン伝導性を有する固体高分子を電解質とする固体高分子型燃料電池スタックに関し、特に、その端部の構成に改良を施した燃料電池スタックに関するものである。

電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いた燃料電池スタックは、一般に、電解質膜を燃料極と酸化剤極で狭持した膜電極複合体（ＭＥＡ）の両面にガス流通路を設けた電気伝導性のセパレータを配置して単セル電池を構成し、この単セル電池を複数積層してなる積層体の両端を、電流取り出し用集電板とエンドプレートで保持し、両エンドプレートを貫通した孔に複数のスタッドを通し、スプリングを介して積層体を締め付けて構成されている。

このような構成を有する燃料電池スタックの各単セル電池には、反応に必要な燃料（水素）と酸化剤（空気）及び冷却に必要な冷却水を均等に供給する必要があり、反応ガス・冷却水を分配・回収するためのマニホールドが設けられている。このようなマニホールドには、内部マニホールド方式と外部マニホールド方式がある。

また、前記セパレータとしては、カーボンと樹脂を混合して成形したモールドカーボン板が一般的であり、集電板は、厚さ２ｍｍ以上のステンレスなどの金属板が一般的である。このカーボン板とステンレスは接触抵抗が大きく、積層体と集電板の間で電圧低下を生じるため、ステンレス表面に金などの被膜を形成するのが一般的である。

しかしながら、ステンレス表面に形成した金の被膜はピンホールが発生しやすく、冷却水内部マニホールドの側面で電食し、金属成分が冷却水中に溶出するという問題点があった。また、エンドプレートもステンレスなどの金属を用いるのが一般的であるため、冷却水内部マニホールドの側面で電食するという問題点があった。

上述したような集電板及びエンドプレートが電食するという問題点に対し、いくつかの対策が提案されている。例えば、特許文献１では、金属製エンドプレートと積層体の間に絶縁板を挿入し、絶縁板の内部マニホールドに該当する部分に筒状のパイプを設けて、冷却水がエンドプレートと接触しない構造としている。

また、特許文献２では、エンドプレートを樹脂製とし、集電板を貫通している内部マニホールド内側に食い込ませて、冷却水が集電板と接触しない構造としている。さらに、特許文献３では、エンドプレートと集電板の間に絶縁板を挿入し、絶縁板の内部マニホールドのエンドプレート側に筒状のパイプを設け、集電板を貫通している内部マニホールド内側に食い込ませて、冷却水がエンドプレート及び集電板と接触しない構造としている。

特開２００２−１６４０７５号 特開２００３−１６３０２６号 特開２００３−３３１９０５号

しかしながら、特許文献１による方法には集電板が記載されておらず、冷却水と集電板が接触するという問題点は解決されていない。また、特許文献２及び特許文献３による方法では、冷却水がエンドプレート及び集電板に接触しない構造を実現できるが、絶縁板もしくは樹脂製エンドプレートに筒状のパイプを設ける、または集電板の内部マニホールドに食い込ませるため、構造が複雑になるという問題点があった。また、集電板が積層体側面に露出しており、側面にマニホールドを装着する外部マニホールド方式では、冷却水が集電板に接触するという問題点があった。

本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、冷却水及び反応ガスと金属製の集電板が接触するのを防止すると共に、内部マニホールド方式と外部マニホールド方式の両方に対応できるシンプルな構造の燃料電池スタックを提供することにある。

上記のような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、固体高分子膜の両面にガス拡散電極をそれぞれ配置した膜電極複合体と、燃料ガス及び酸化剤ガスを前記ガス拡散電極にそれぞれ供給する燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路を少なくとも片面に設けたセパレータとを、前記燃料ガス流通路が前記ガス拡散電極の一面に接し、前記酸化剤ガス流通路が前記ガス拡散電極の他面に接するように配置して構成される基本構成要素を複数個積層して積層体を構成し、この積層体をその両端に配設したエンドプレートで挟持し、締め付けて保持する燃料電池スタックにおいて、前記エンドプレートを導電性内部プレートと絶縁性外部プレートとから構成し、前記導電性内部プレートを介して、燃料電池スタックの発電電流を外部に取り出すと共に、前記エンドプレート部分においては、燃料電池スタックに供給・排気する流体が前記絶縁性外部プレートのみと接触するように構成したことを特徴とするものである。

特に、請求項１の発明は、次の点を構成上の特徴とする。
(1)前記絶縁性外部プレートは、その内面に窪みを有するものである。
(2)前記絶縁性外部プレートと導電性内部プレートは、前記窪みの内部に前記導電性内部プレートが嵌合されることで、両者の内面が同一面上に位置するものである。
(3)前記絶縁性外部プレートに固定ボルト貫通用開口部が設けられており、内部プレート固定ボルトにより、導電性内部プレートと絶縁性外部プレートが固定されている。
(4)前記内部プレート固定ボルトは、その頭部が絶縁性外部プレートの外側に位置し、その先端が前記導電性内部プレートを貫通することなく、導電性内部プレートにねじ込まれている。

上記のような構成を有する請求項１に記載の発明によれば、エンドプレートを導電性内部プレートと絶縁性外部プレートから構成し、エンドプレートのうち、燃料電池スタックに供給・排気される燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水が接触する部分を絶縁性外部プレートのみとしたことにより、導電性内部プレートの電食を防止することができる。また、導電性内部プレートを介して電流を取り出すように構成することにより、導電性内部プレートと絶縁性外部プレートを、平板状のシンプルな構造とすることができるので、加工コストを抑えることができる。

しかも、内部プレート固定ボルトにより導電性内部プレートと絶縁性外部プレートが固定された結果、燃料電池スタックの組立てに際し、導電性内部プレートを絶縁性外部プレートに予め固定することが可能となり、取り扱いが容易になる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池スタックにおいて、前記セパレータに、前記燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路と連通する燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールド及び酸化剤ガス排出マニホールドを配設して前記積層体の内部マニホールドを構成すると共に、前記絶縁性外部プレートの前記内部マニホールドと接する位置に、燃料ガス供給・排出口及び酸化剤ガス供給・排出口を設けて、それぞれ対応するマニホールドと連通させたことを特徴とするものである。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の燃料電池スタックにおいて、前記積層体と前記絶縁性外部プレートの間にシール材を挿入すると共に、前記積層体と前記導電性内部プレートの間に導電性クッション材を挿入したことを特徴とするものである。

上記のような構成を有する請求項３に記載の発明によれば、積層体と絶縁性外部プレートの間にシール材を挿入することにより、導電性内部プレートの電食をより効果的に防止することができる。また、積層体と導電性内部プレートの間に導電性クッション材を挿入することにより、従来から問題となっていた導電性内部プレートの金メッキの下地のＮｉメッキが腐食して溶出することを防止することができる。

本発明によれば、冷却水及び反応ガスと金属製の集電板が接触するのを防止すると共に、内部マニホールド方式と外部マニホールド方式の両方に対応できるシンプルな構造の燃料電池スタックを提供することができる。

本発明に係る燃料電池スタックの第１実施形態の構成を示す分解斜視図。 本発明に係る燃料電池スタックにおける導電性内部プレートと絶縁性外部プレートの構成を示す断面図。

以下、本発明に係る燃料電池スタックの実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

（１）全体の構成
図１を用いて本実施形態の固体高分子型燃料電池スタックの構成を説明する。すなわち、単セル電池Ａは、膜電極複合体（ＭＥＡ）１と酸化剤セパレータ２、燃料・冷却水セパレータ３から構成されている。前記酸化剤セパレータ２の表面には酸化剤ガス流通路４が設けられており、この酸化剤ガス流通路４は、酸化剤セパレータ２の側部周縁に形成された酸化剤ガス入口マニホールド５及び酸化剤ガス出口マニホールド（図示せず）と連通され、反応に必要な酸化剤ガスを膜電極複合体１に供給・排出するように構成されている。

また、前記燃料・冷却水セパレータ３の一方の表面（図の背面側）には、燃料ガス流通路（図示せず）が設けられており、この燃料ガス流通路は、燃料・冷却水セパレータ３の上下周縁に形成された燃料ガス入口マニホールド６及び燃料ガス出口マニホールド７と連通され、反応に必要な燃料ガスを膜電極複合体１に供給・排出するように構成されている。

また、前記燃料・冷却水セパレータ３のもう一方の表面には、冷却水流通路８が設けられており、この冷却水流通路８は、燃料・冷却水セパレータ３の側部周縁に形成された冷却水入口マニホールド９及び冷却水出口マニホールド１０と連通され、所定の流量の冷却水を供給し、反応に伴う発熱を冷却するように構成されている。そして、上記のように構成された単セル電池Ａが複数積層されて、積層体が構成されている。

また、上記のように構成された積層体の両端部には、導電性内部プレート２１と絶縁性外部プレート２２からなるエンドプレート２０が配置されている。そして、前記積層体に形成された酸化剤ガス入口マニホールド５は、絶縁性外部プレート２２の外側に設けられた酸化剤入口ポート２３と接続され、酸化剤ガス出口マニホールド（図示せず）は、酸化剤出口ポート２４と接続されて、酸化剤ガス供給・排出用の内部マニホールドが構成されている。

また、前記積層体に形成された燃料ガス入口マニホールド６は、絶縁性外部プレート２２の外側に設けられた燃料入口ポート２５と接続され、燃料ガス出口マニホールド７は、燃料出口ポート２６と接続されて、燃料ガス供給・排出用の内部マニホールドが構成されている。さらに、前記積層体に形成された冷却水入口マニホールド９は、絶縁性外部プレート２２の外側に設けられた冷却水入口ポート２７と接続され、冷却水出口マニホールド１０は、冷却水出口ポート２８と接続されて、冷却水供給・排出用の内部マニホールドが構成されている。

なお、前記絶縁性外部プレート２２は、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂等の耐熱性熱硬化性樹脂材料を、圧縮金型成形やインジェクションモールド成形や機械加工することにより得られる。絶縁性外部プレート２２には締め付け荷重がかかるため、強度に優れた材料を用いることが好ましく、ガラス繊維シートにエポキシ樹脂を含浸し、積層して構成したガラスエポキシ樹脂積層板を用いても良い。このガラスエポキシ樹脂積層板はガラス繊維シートの方向により強度の異方性があり、曲げ強度が強い方向を長手方向、つまり上下方向とすることが好ましい。

また、前記外部プレート２２には、電池反応部分に対応する内側に凹状の窪み２９が設けられている。そして、この窪み２９の周囲には、前記ガス及び冷却水用の内部マニホールドが設けられており、積層体の内部マニホールドと連通され、絶縁性外部プレート２２の外側に設けられた前記ガス及び冷却水の入口・出口ポート２３〜２８を介してガス・冷却水の供給・排出を行うことができるように構成されている。

また、前記絶縁性外部プレート２２の四隅には突起３０が設けられ、この突起３０の中心部に設けられた孔３１を貫通して取り付けられた締め付けスタッド３２及び締め付けスプリング３３により、エンドプレート２０の間に配設された積層体が締め付け固定されている。また、前記導電性内部プレート２１は、ステンレスなどの導電性材料からなる１枚の平板で、絶縁性外部プレート２２の窪み２９に嵌合するように構成されている。また、前記窪み２９の中央部には開口部３４が設けられ、この開口部３４を介して、積層体の発電電流を外部に取り出すように構成されている。

上記のような構成を有する本実施形態においては、エンドプレート２０を導電性内部プレート２１と絶縁性外部プレート２２から構成し、ガス・冷却水の内部マニホールドに接する部分（絶縁性外部プレート）を絶縁性材料で構成することにより、導電性内部プレート２１の電食を防ぐことができる。また、絶縁性外部プレート２２の中央から電流を取り出すように構成することにより、導電性内部プレート２１と絶縁性外部プレート２２を、平板状のシンプルな構造とすることができるので、加工コストを抑えることができる。

さらに、積層体の両端部に配設された絶縁性外部プレート２２を介して、締め付けスタッド３２及び締め付けスプリング３３によって積層体を締め付けるため、締め付けスタッド３２の絶縁スペーサが不要になり、部品点数の削減が可能となる。

（２）シール材
本実施形態においては、図２に示すように、絶縁性外部プレート２２と導電性内部プレート２１の間には、反応ガス及び冷却水のリークを防ぐための内部プレートシール材４０が挿入されている。この内部プレートシール材４０は、前記導電性内部プレート２１と略同一の形状を有し、その中央部には、前記絶縁性外部プレート２２に形成された開口部３４と対応する位置に矩形の孔４１が形成されている。そして、矩形の孔４１及び開口部３４を介して、固定ボルト４２によって導電性内部プレート２１に固定された電流取り出しケーブル４３が、外部に引き出されている。

また、前記絶縁性外部プレート２２と積層体端部の酸化剤セパレータ２の間には、反応ガス及び冷却水のリークを防ぐための外部プレートシール材４４が挿入されている。この外部プレートシール材４４は、前記絶縁性外部プレート２２の縁部分２２ａと密着するような枠形状とされている。なお、外部プレートシール材４４には、酸化剤セパレータ２及び絶縁性外部プレート２２に形成された酸化剤ガス入口マニホールド６、酸化剤ガス出口マニホールド７等に対応する位置に孔部４４ａ、４４ｂ等が形成されている。

さらに、前記導電性内部プレート２１と積層体端部の酸化剤セパレータ２の間には、膨張黒鉛からなる導電性クッションシート４５が配設されている。この膨張黒鉛からなる導電性クッションシート４５は、可撓性があり、金属とカーボン材の接触抵抗を下げることができるだけでなく、金属成分の溶出を防止することを目的として配設されている。

なお、上記各シール材には、ＥＰＤＭ、シリコン、フッ素ゴムなどの耐熱性ゴム材が好適であり、確実なシールを実現するため、発泡材や表面に凸状のリップを設けた構造が用いられる。

本実施形態においては、絶縁性外部プレート２２と導電性内部プレート２１の間に内部プレートシール材４０が挿入され、また、導電性内部プレート２１と酸化剤セパレータ２の間に外部プレートシール材４４が挿入されているため、上記第１実施形態の作用・効果に加えて、さらに導電性内部プレート２１の電食を防ぐことができる。

また、導電性内部プレート２１は金属製であり、カーボンが用いられるセパレータとの接触抵抗が大きいため、従来から導電性内部プレート２１に金メッキなどの表面処理が施されていたが、この金メッキはコストが高いだけでなく、金メッキの下地のＮｉメッキが腐食して溶出しやすいという問題点があった。

しかしながら、本実施形態においては、導電性内部プレート２１と積層体端部の酸化剤セパレータ２の間に、可撓性があり、金属とカーボン材の接触抵抗を下げることができる膨張黒鉛からなる導電性クッションシート４５を配設することにより、金属成分が溶出することを防止することができる。

（３）プレートの固定
更に、本実施形態では、図２に示すように、絶縁性外部プレート２２と内部プレートシール材４０に固定ボルト貫通用開口部５１、５２が設けられており、内部プレート固定ボルト５３により、導電性内部プレート２１と絶縁性外部プレート２２を固定することができるように構成されている。

このように構成することにより、燃料電池スタックの組立てに際し、導電性内部プレート２１を絶縁性外部プレート２２に予め固定することが可能となり、取り扱いが容易になる。また、内部プレート固定ボルト５３を金属製とした場合には、内部プレート固定ボルト５３と導電性内部プレート２１とは導通するため、前記電流取り出しケーブル４３を内部プレート固定ボルト５３に接続して、電流取り出し端子を兼ねても良い。この場合には、電流取り出し用の開口部（開口部３４、矩形の孔４１）を省略することができる。

１…膜電極複合体（ＭＥＡ）
２…酸化剤セパレータ
３…燃料・冷却水セパレータ
４…酸化剤ガス流通路
５…酸化剤ガス入口マニホールド
６…燃料ガス入口マニホールド
７…燃料ガス出口マニホールド
８…冷却水流通路
９…冷却水入口マニホールド
１０…冷却水出口マニホールド
２０…エンドプレート
２１…導電性内部プレート
２２…絶縁性外部プレート
２９…窪み
３０…突起
３２…締め付けスタッド
３３…締め付けスプリング
３４…開口部
４０…内部プレートシール材
４１…矩形の孔
４２…固定ボルト
４３…電流取り出しケーブル
４４…外部プレートシール材
４５…導電性クッションシート
５１、５２…固定ボルト貫通用開口部
５３…内部プレート固定ボルト

Claims (3)

1. 固体高分子膜の両面にガス拡散電極をそれぞれ配置した膜電極複合体と、燃料ガス及び酸化剤ガスを前記ガス拡散電極にそれぞれ供給する燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路を少なくとも片面に設けたセパレータとを、前記燃料ガス流通路が前記ガス拡散電極の一面に接し、前記酸化剤ガス流通路が前記ガス拡散電極の他面に接するように配置して構成される基本構成要素を複数個積層して積層体を構成し、この積層体をその両端に配設したエンドプレートで挟持し、締め付けて保持する燃料電池スタックにおいて、
   前記エンドプレートを導電性内部プレートと絶縁性外部プレートとから構成し、前記導電性内部プレートを介して、燃料電池スタックの発電電流を外部に取り出すと共に、前記エンドプレート部分においては、燃料電池スタックに供給・排気する流体が前記絶縁性外部プレートのみと接触するように構成し、
   前記絶縁性外部プレートは、その内面に窪みを有するものであり、
   前記絶縁性外部プレートと導電性内部プレートは、前記窪みの内部に前記導電性内部プレートが嵌合されることで、両者の内面が同一面上に位置するものであり、
   前記絶縁性外部プレートに固定ボルト貫通用開口部が設けられており、内部プレート固定ボルトにより、導電性内部プレートと絶縁性外部プレートが固定され、
   前記内部プレート固定ボルトは、その頭部が絶縁性外部プレートの外側に位置し、その先端が前記導電性内部プレートを貫通することなく、導電性内部プレートにねじ込まれていることを特徴とする燃料電池スタック。
2. 前記セパレータに、前記燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路と連通する燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールド及び酸化剤ガス排出マニホールドを配設して前記積層体の内部マニホールドを構成すると共に、前記絶縁性外部プレートの前記内部マニホールドと接する位置に、燃料ガス供給・排出口及び酸化剤ガス供給・排出口を設けて、それぞれ対応するマニホールドと連通させたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池スタック。
3. 前記積層体と前記導電性内部プレートの間に導電性クッション材を挿入したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池スタック。

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