JP2007018832A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】ケーシング表面からボルト頭部が突出することがなく、しかも簡単な構成で、ケーシング強度を良好に向上させることを可能にする。
【解決手段】パネル部材６０ａ、６０ｂとアングル部材６２ａとは、締結ボルト７８を介して固定される。パネル部材６０ａ、６０ｂには、締結ボルト７８の頭部７８ａの外径と略同一内径に設定された凹部７４ａが形成されるとともに、前記締結ボルト７８の頭部端面７８ｃは、前記パネル部材６０ａ、６０ｂの外面と同一面上に配設される。
【選択図】図５

Description

本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルを備え、前記発電セルが複数積層された積層体を、箱状ケーシング内に収容する燃料電池スタックに関する。

例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子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アノード側電極及びカソード側電極を対設した電解質膜・電極構造体が、セパレータによって挟持された発電セルを備え、前記発電セルが複数積層されることにより燃料電池スタックが構成されている。

この種の燃料電池スタックでは、部品数を削減するとともに、軽量化を図る工夫がなされている。例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックは、図７に示すように、複数の単電池が積層された積層体１を備えており、この積層体１の積層方向両端部には、エンドプレート２が設けられている。

積層体１の上方及び下方には、上側テンションプレート３と下側テンションプレート４とが配設され、前記上側テンションプレート３及び前記下側テンションプレート４とエンドプレート２とは、ボルト５によって固定されている。下側テンションプレート４は、外側方向へ凸部として形成される固定部６を備えており、この固定部６にボルト７が取り付けられる。このボルト７は、図示しない車輌側取り付け部材に固定されることにより、燃料電池スタックの車輌への固定が行われている。

特開２００２−４２８５３号公報（図１）

一般に、燃料電池スタックでは、各種検出センサや計器類を搭載する場合が多い。そこで、特許文献１の燃料電池スタックに、この種の設備を搭載しようとすると、実際上、上側テンションプレート３にボルト等により固定する方法が考えられる。

しかしながら、上側テンションプレート３とエンドプレート２とを固定するボルト５の頭部は、この上側テンションプレート３の外面上から外部に突出し易く、設備の搭載に干渉するおそれがある。特に、積層体１を構成する各単電池の発電性能を検出するためのセル電圧モニタが、上側テンションプレート３に取り付けられる際、このセル電圧モニタのコネクタ部に着脱自在なカプラは、前記上側テンションプレート３の面方向に沿って抜き差しされる。これにより、カプラの着脱操作時に、このカプラとボルト５の頭部との干渉が発生するという問題がある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、ケーシング表面からボルト頭部が突出することがなく、しかも簡単な構成で、ケーシング強度を良好に向上させ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。

本発明は、一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルを備え、前記発電セルが複数積層された積層体を、箱状ケーシング内に収容する燃料電池スタックである。

ケーシングは、積層体の側部に配設され、互いに近接する端部同士が締結ボルトを介して固定される複数のパネル部材を備え、一方のパネル部材には、前記締結ボルトの頭部外径と略同一内径の凹部が形成されるとともに、前記締結ボルトの頭部端面は、前記一方のパネル部材の外面と同一面上に配設されている。

また、少なくとも１のパネル部材には、各発電セル毎又は複数の発電セル毎にセル電圧を検出するセル電圧モニタが取り付けられるとともに、前記セル電圧モニタの側部に設けられるコネクタ部には、前記１のパネル部材の面方向に離脱自在なカプラが装着されることが好ましい。

さらに、締結ボルトは、円板状の頭部を有し、前記頭部には、ボルト回転用工具を係止するための複数の貫通孔部が形成されるとともに、前記締結ボルトのねじ部には、緩み防止剤が塗布されることが好ましい。

本発明では、ケーシングを構成するパネル部材には、締結ボルトの頭部外径と略同一内径の凹部が形成されている。このため、締結ボルトの頭部がパネル部材の凹部に収容された状態で、前記頭部と前記凹部の内壁面との間にクリアランスが殆どなく、前記締結ボルトと前記パネル部材とを一体化することができる。これにより、簡単な構成で、ケーシング強度を良好に向上させることが可能になる。

しかも、締結ボルトの頭部端面は、パネル部材の外面と同一面上に配設されている。従って、ケーシング表面からボルト頭部が突出することがなく、前記ケーシング表面に各種設備を容易且つ好適に搭載することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０の斜視説明図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の一部分解概略斜視図である。

図２に示すように、燃料電池スタック１０は、複数の発電セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）に積層された積層体１４を備える。積層体１４の積層方向（矢印Ａ方向）一端には、ターミナルプレート１６ａ、絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａが外方に向かって、順次、配設される。積層体１４の積層方向他端には、ターミナルプレート１６ｂ、絶縁プレート１８ｂ及びエンドプレート２０ｂが外方に向かって、順次、配設される。燃料電池スタック１０は、四角形に構成されるエンドプレート２０ａ、２０ｂを端板として含むケーシング２４を備えている。

図３及び図４に示すように、各発電セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）３０と、前記電解質膜・電極構造体３０を挟持する薄板波形状の第１及び第２金属セパレータ３２、３４とを備える。なお、第１及び第２金属セパレータ３２、３４に代替して、例えば、カーボンセパレータを使用してもよい。

図２及び図４に示すように、エンドプレート２０ａ側に配設される所定数の発電セル１２において、第１及び第２金属セパレータ３２、３４の外周部には、矢印Ｃ方向上部一端側に位置して電解質膜・電極構造体３０で発生する電圧を検出するための第１及び第２セル電圧端子３５ａ、３５ｂが一体的に形成される。第１セル電圧端子３５ａと第２セル電圧端子３５ｂとは、矢印Ｂ方向に互いに位置をずらして設けられる。

エンドプレート２０ｂ側に配設される他の所定数の発電セル１２において、第１及び第２金属セパレータ３２、３４の外周部には、矢印Ｃ方向上部他端側に位置して電解質膜・電極構造体３０で発生する電圧を検出するための第１及び第２セル電圧端子３５ａ、３５ｂが一体的に形成される。

発電セル１２の長辺方向（図４中、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３６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔３８ａ、及び燃料ガス、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４０ｂが設けられる。

発電セル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４０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔３８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔３６ｂが設けられる。

電解質膜・電極構造体３０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４２と、前記固体高分子電解質膜４２を挟持するアノード側電極４４及びカソード側電極４６とを備える。

アノード側電極４４及びカソード側電極４６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）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形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４２の両面に形成される。

第１金属セパレータ３２の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３２ａには、燃料ガス供給連通孔４０ａと燃料ガス排出連通孔４０ｂとを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、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成される。第１金属セパレータ３２の面３２ｂには、冷却媒体供給連通孔３８ａと冷却媒体排出連通孔３８ｂとを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により構成される。

第２金属セパレータ３４の電解質膜・電極構造体３０に向かう面３４ａ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５２が設けられるとともに、この酸化剤ガス流路５２は、酸化剤ガス供給連通孔３６ａと酸化剤ガス排出連通孔３６ｂとに連通する。第２金属セパレータ３４の面３４ｂには、第１金属セパレータ３２の面３２ｂと重なり合って冷却媒体流路５０が一体的に形成される。

第１金属セパレータ３２の面３２ａ、３２ｂには、この第１金属セパレータ３２の外周端縁部を周回して第１シール部材５４が一体成形される。第１シール部材５４は、面３２ａで燃料ガス供給連通孔４０ａ、燃料ガス排出連通孔４０ｂ及び燃料ガス流路４８を囲繞してこれらを連通させる一方、面３２ｂで冷却媒体供給連通孔３８ａ、冷却媒体排出連通孔３８ｂ及び冷却媒体流路５０を囲繞してこれらを連通させる。第１シール部材５４は、後述するように、第１セル電圧端子３５ａの先端部近傍まで被覆する。

第２金属セパレータ３４の面３４ａ、３４ｂには、この第２金属セパレータ３４の外周端縁部を周回して第２シール部材５６が一体成形される。第２シール部材５６は、面３４ａで酸化剤ガス供給連通孔３６ａ、酸化剤ガス排出連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス流路５２を囲繞してこれらを連通させる一方、面３４ｂで冷却媒体供給連通孔３８ａ、冷却媒体排出連通孔３８ｂ及び冷却媒体流路５０を囲繞してこれらを連通させる。第２シール部材５６は、後述するように、第２セル電圧端子３５ｂの先端部近傍まで被覆する。

図３に示すように、第１及び第２シール部材５４、５６間には、固体高分子電解質膜４２の外周が、直接、ケーシング２４に接触することを阻止するために、シール５５が介装される。

図１〜図３に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの面内中央から上方に所定距離だけ離間する位置には、積層方向外方に延在する端子部５８ａ、５８ｂが設けられる。端子部５８ａ、５８ｂには、例えば、走行用モータ等の負荷が接続される。

端子部５８ａ、５８ｂは、絶縁性筒体５７に挿入されて絶縁プレート１８ａ、１８ｂ及びエンドプレート２０ａ、２０ｂの孔部５９ａ、５９ｂを貫通して外部に突出する。絶縁プレート１８ａ、１８ｂは、絶縁性材料、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）やフェノール樹脂等で形成されている。

ケーシング２４は、図２に示すように、端板であるエンドプレート２０ａ、２０ｂと、積層体１４の側部に配置される複数のパネル部材６０ａ〜６０ｄと、前記パネル部材６０ａ〜６０ｄの互いに近接する端部同士を連結するアングル部材６２ａ〜６２ｄと、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂと前記パネル部材６０ａ〜６０ｄとを連結するそれぞれ長さの異なる連結ピン６４ａ、６４ｂとを備える。パネル部材６０ａ〜６０ｄは、薄板金属製プレートで構成される。

エンドプレート２０ａ、２０ｂの上下各辺には、それぞれ２つの円筒状第１連結部６６ａ、６６ｂが突出形成されるとともに、両側の各辺には、それぞれ１つの第１連結部６６ａ、６６ｂが突出形成される。エンドプレート２０ａ、２０ｂの両側の各辺下端には、マウント用ボス部６８ａ、６８ｂが形成される。このボス部６８ａ、６８ｂが、図示しない搭載部位にボルト等を介して固定されることにより、燃料電池スタック１０を、例えば、車両に搭載する。

積層体１４の矢印Ｂ方向両側に配置されるパネル部材６０ａ、６０ｃの長手方向（矢印Ａ方向）両端には、第２連結部７０ａ、７０ｂが２つずつ形成される。積層体１４の上下両側に配置されるパネル部材６０ｂ、６０ｄの長手方向両端には、第２連結部７２ａ、７２ｂが３つずつ形成される。

パネル部材６０ａ、６０ｃの各第２連結部７０ａ、７０ｂ間には、エンドプレート２０ａ、２０ｂの両側の各辺の第１連結部６６ａ、６６ｂが配置されるとともに、これらに短尺な連結ピン６４ａが一体的に挿入されて、前記パネル部材６０ａ、６０ｃが前記エンドプレート２０ａ、２０ｂに取り付けられる。

同様に、パネル部材６０ｂ、６０ｄの第２連結部７２ａ、７２ｂがエンドプレート２０ａ、２０ｂの上辺及び下辺の第１連結部６６ａ、６６ｂと交互に配置されるとともに、これらに長尺な連結ピン６４ｂが一体的に挿入されて、前記パネル部材６０ｂ、６０ｄが前記エンドプレート２０ａ、２０ｂに取り付けられる。

パネル部材６０ａ〜６０ｄには、短手方向両端縁部にそれぞれ複数のリング状凹部７４ａが形成されるとともに、前記凹部７４ａには、小径な孔部７４ｂが同軸上に連通する（図５参照）。

アングル部材６２ａ〜６２ｄは、湾曲する角部を挟んで各片に薄肉部７５が形成されるとともに、各薄肉部７５には、各孔部７４ｂに対応してねじ孔７６が形成される。薄肉部７５の厚さは、図５に示すように、例えば、前記薄肉部７５にパネル部材６０ａ、６０ｂが重ね合わされた際、前記パネル部材６０ａ、６０ｂの外面がアングル部材６２ａの外面と面一になる厚さに設定される。

各凹部７４ａに締結ボルト７８の頭部７８ａが挿入されるとともに、前記締結ボルト７８のねじ部７８ｂが、孔部７４ｂを通ってねじ孔７６に螺合する。これにより、アングル部材６２ａ〜６２ｄを介してパネル部材６０ａ〜６０ｄが固定され、ケーシング２４が構成される（図１参照）。

図５に示すように、締結ボルト７８の頭部７８ａの外径は、凹部７４ａの内径と略同一寸法に設定されるとともに、前記締結ボルト７８の頭部端面７８ｃは、パネル部材６０ａ〜６０ｄの外面と同一面上に配設される。

図６に示すように、締結ボルト７８の頭部７８ａには、ボルト回転用工具（図示せず）を係止するための、複数、例えば、３つの貫通孔部７９が、等角度間隔ずつ離間して形成される。各締結ボルト７８のねじ部７８ｂには、このねじ部７８ｂの緩みを防止し、且つ、防水機能を有する緩み防止剤（図示せず）が塗布される。

図２に示すように、パネル部材６０ｂには、各発電セル１２毎又は複数の発電セル１２毎にセル電圧を検出するために、所望の第１セル電圧端子３５ａ又は第２セル電圧端子３５ｂに対応する開口部８０ａ、８０ｂが、前記発電セル１２の積層方向（矢印Ａ方向）に沿って互いに平行して設けられる。パネル部材６０ｂには、開口部８０ａ、８０ｂの周囲に位置してそれぞれ円柱状のボス部８２ａ、８２ｂが、例えば、４つずつ取り付けられる。

パネル部材６０ｂには、開口部８０ａ、８０ｂを覆ってセル電圧モニタ９０ａ、９０ｂが取り付けられる（図１参照）。セル電圧モニタ９０ａ、９０ｂは、各発電セル１２毎又は複数の前記発電セル１２毎にセル電圧を検出するため、第１セル電圧端子３５ａ及び／又は第２セル電圧端子３５ｂに電気的に接続される。セル電圧モニタ９０ａ、９０ｂの側部には、コネクタ部９２ａ、９２ｂが設けられ、このコネクタ部９２ａ、９２ｂには、パネル部材６０ｂの面方向（矢印Ｂ方向）に離脱自在なカプラ９４ａ、９４ｂが装着される。

図２及び図３に示すように、絶縁プレート１８ｂは、ケーシング２４の内周で位置決めされるように所定の寸法に設定された矩形状を有する。この絶縁プレート１８ｂは、積層体１４の積層方向の長さ変動を吸収して前記積層体１４に所望の締め付け荷重を付与可能にするために、厚さが調整される。

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。

この燃料電池スタック１０では、先ず、図１に示すように、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス供給連通孔３６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔４０ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔３８ａに純水やエチレングリコー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発電セル１２に対し、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が矢印Ａ方向に供給される。

図４に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔３６ａから第２金属セパレータ３４の酸化剤ガス流路５２に導入され、電解質膜・電極構造体３０のカソード側電極４６に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔４０ａから第１金属セパレータ３２の燃料ガス流路４８に導入され、電解質膜・電極構造体３０のアノード側電極４４に沿って移動する。

従って、各電解質膜・電極構造体３０では、カソード側電極４６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４４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。

次いで、カソード側電極４６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３６ｂに沿って流動した後、エンドプレート２０ａから外部に排出される。同様に、アノード側電極４４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４０ｂに排出されて流動し、エンドプレート２０ａから外部に排出される。

また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔３８ａから第１及び第２金属セパレータ３２、３４間の冷却媒体流路５０に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体３０を冷却した後、冷却媒体排出連通孔３８ｂを移動してエンドプレート２０ａから排出される。

この場合、本実施形態では、パネル部材６０ａ〜６０ｄとアングル部材６２ａ〜６２ｄとを固定する締結ボルト７８を備えるとともに、この締結ボルト７８の頭部７８ａの外径と前記パネル部材６０ａ〜６０ｄに設けられる凹部７４ａの内径とは、略同一寸法に設定されている。

このため、締結ボルト７８の頭部７８ａが、パネル部材６０ａ〜６０ｄの各凹部７４ａに収容された状態で、前記頭部７８ａと前記凹部７４ａの内壁面との間にクリアランスが殆どない。これにより、締結ボルト７８とパネル部材６０ａ〜６０ｄとを一体化することができ、簡単な構成で、ケーシング２４全体の強度を良好に向上させることが可能になるという効果が得られる。

しかも、図５に示すように、締結ボルト７８の頭部端面７８ｃは、パネル部材６０ａ〜６０ｄの外面と同一面上に配設されている。従って、ケーシング２４の表面から締結ボルト７８の頭部７８ａが突出することがなく、前記ケーシング２４の表面に各種設備を容易且つ好適に搭載することができる。

本実施形態では、パネル部材６０ｂにセル電圧モニタ９０ａ、９０ｂが取り付けられており、前記セル電圧モニタ９０ａ、９０ｂの側部に設けられたコネクタ部９２ａ、９２ｂには、カプラ９４ａ、９４ｂが離脱自在に装着されている。その際、カプラ９４ａ、９４ｂは、パネル部材６０ｂの面方向、すなわち、矢印Ｂ方向に着脱操作されている。従って、パネル部材６０ｂの表面から締結ボルト７８の頭部７８ａが突出することがなく、簡単な構成で、カプラ９４ａ、９４ｂの着脱操作が容易且つ確実に遂行されるという利点がある。

さらにまた、本実施形態では、パネル部材６０ａ〜６０ｄとアングル部材６２ａ〜６２ｄとが、締結ボルト７８により固定される際、前記締結ボルト７８の頭部７８ａに形成される３つの貫通孔部７９が使用される。具体的には、貫通孔部７９に図示しない工具が係合されて、前記締結ボルト７８がねじ孔７６に締め付けられる。このため、締結ボルト７８の頭部７８ａは、凹部７４ａに確実に収容される。

一方、締結ボルト７８を取り外す際には、貫通孔部７９に工具（図示せず）を係合して、この締結ボルト７８を締め付け方向とは逆方向に螺回させるだけよい。これにより、締結ボルト７８の取り外し作業が容易且つ確実に遂行される。

さらに、締結ボルト７８のねじ部７８ｂには、緩み防止剤が塗布されている。このため、締結ボルト７８を介してパネル部材６０ａ〜６０ｄとアングル部材６２ａ〜６２ｄとを締め付けた後、貫通孔部７９から緩み防止剤の充填状態を容易に視認することができる。従って、緩み防止剤が充填されたか否かを確実に確認することができ、締結ボルト７８の緩みを防止するとともに、所望の防水性を確保することが可能になる。

本発明の実施形態に係る燃料電池スタックの斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの一部分解概略斜視図である。 前記燃料電池スタックの断面側面図である。 前記燃料電池スタックを構成する発電セルの分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックの一部拡大断面図である。 前記燃料電池スタックを構成する締結ボルトの斜視説明図である。 特許文献１のセル電圧モニタの燃料電池スタックへの組り付け構造説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池スタック １２…発電セル
１４…積層体 １６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
１８ａ、１８ｂ…絶縁プレート ２０ａ、２０ｂ…エンドプレート
２４…ケーシング ３０…電解質膜・電極構造体
３２、３４…金属セパレータ ３５、３５ａ…セル電圧端子
４２…固体高分子電解質膜 ４４…アノード側電極
４６…カソード側電極 ４８…燃料ガス流路
５０…冷却媒体流路 ５２…酸化剤ガス流路
６０ａ〜６０ｄ…パネル部材 ６２ａ〜６２ｄ…アングル部材
６４ａ、６４ｂ…連結ピン ７４ａ…凹部
７４ｂ…孔部 ７５…薄肉部
７６…ねじ孔 ７８…締結ボルト
７８ａ…頭部 ７８ｂ…ねじ部
７８ｃ…頭部端部 ８０ａ、８０ｂ…開口部
９０ａ、９０ｂ…セル電圧モニタ ９２ａ、９２ｂ…コネクタ部
９４ａ、９４ｂ…カプラ

Claims (3)

1. 一対の電極が電解質の両側に設けられた電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルを備え、前記発電セルが複数積層された積層体を、箱状ケーシング内に収容する燃料電池スタックであって、
   前記ケーシングは、前記積層体の側部に配設され、互いに近接する端部同士が締結ボルトを介して固定される複数のパネル部材を備え、
   一方のパネル部材には、前記締結ボルトの頭部外径と略同一内径の凹部が形成されるとともに、
   前記締結ボルトの頭部端面は、前記一方のパネル部材の外面と同一面上に配設され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、少なくとも１のパネル部材には、各発電セル毎又は複数の発電セル毎にセル電圧を検出するセル電圧モニタが取り付けられるとともに、
   前記セル電圧モニタの側部に設けられるコネクタ部には、前記１のパネル部材の面方向に離脱自在なカプラが装着されることを特徴とする燃料電池スタック。
3. 請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記締結ボルトは、円板状の頭部を有し、
   前記頭部には、ボルト回転用工具を係止するための複数の貫通孔部が形成されるとともに、
   前記締結ボルトのねじ部には、緩み防止剤が塗布されることを特徴とする燃料電池スタック。

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