JP2008234985A - 燃料電池スタック用挟持部材、および燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックに衝撃が加わった場合でも、燃料電池セルと電極、挟持部材との間のズレを抑制する燃料電池スタック用挟持部材、および燃料電池スタックを提供することを課題とする。
【解決手段】少なくとも２枚以上の燃料電池セル４が重ね合わせられた燃料電池セル群１０と、燃料電池セル群１０の燃料電池セル４に更に重ね合わせられるように配設された板状の電極３と、を挟持するための燃料電池スタック用挟持部材１であって、燃料電池セル群１０と電極３とを挟持して締結するための締結荷重を電極３に伝達する、電極３の面のうち燃料電池セル群１０が接する面の裏面の少なくとも一部を支持する第一支持面５と、第一支持面５と交差するように配設され、電極３の面のうち燃料電池セル群１０が接する面の側面の少なくとも一部と、電極３に隣接する燃料電池セル４の面のうち電極３に接する面の側面の少なくとも一部と、を支持する第二支持面６と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池スタック用挟持部材、および燃料電池スタックに関する。

燃料電池は、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである酸素とを電気化学反応させて発電を行う。水素と酸素の電気化学反応は、燃料電池セルの電解質膜において行われる。燃料電池は、所望の電圧を出力するようにするため、複数の燃料電池セルが重ね合わせられる。重ね合わせられた複数の燃料電池セルの集合体を、燃料電池スタックという。

燃料電池スタックは、外部から衝撃等が加わっても、重ね合わせられた燃料電池セルの隙間等からガスが漏洩しないようにする必要がある。例えば、特許文献１には、燃料電池スタックの端部に緩衝材を有する支持部材を設け、外部から入力される燃料電池スタックへの衝撃を緩和する技術が記載されている。また、特許文献２には、燃料電池スタックの両端の燃料電池セルに、燃料電池スタックを挟持する方向の締結荷重を加える補強板を設けることで、燃料電池セルの隙間から燃料ガスが漏洩しないようにする技術が記載されている。
特開２００１−３０７７１号公報 特開平５−８２１５３号公報

図６は、従来技術に係る燃料電池スタック１０１の断面を示す。図６において示すように、燃料電池スタック１０１は、積層された複数の燃料電池セル１０２の両端に、例えば、燃料電池セルから電気を取り出すためのターミナル１０３（電極）や、燃料電池セル１０２やターミナル１０３を締結するためのインシュレータ１０４（挟持部材）が設けられている。

ここで、ターミナル１０３やインシュレータ１０４の表面の摩擦係数が燃料電池セル１０２の表面の摩擦係数に比べて小さいと、燃料電池スタック１０１に衝撃が加わった場合に、積層状態にある各燃料電池セル１０２同士にはズレが生じていないにも関わらず、燃料電池セル１０２とターミナル１０３、インシュレータ１０４との間にズレが生じてしまう場合がある。

本発明は、上記した問題に鑑み、燃料電池スタックに衝撃が加わった場合でも、燃料電池セルと電極、挟持部材との間のズレを抑制する燃料電池スタック用挟持部材、および燃料電池スタックを提供することを課題とする。

本発明は、上記の課題を解決するため、電極の面のうち燃料電池セル群が接する面の側面の少なくとも一部と、該電極に隣接する燃料電池セルの面のうち該電極に接する面の側面の少なくとも一部を支持するようにした。これにより、燃料電池スタックに衝撃が加わった場合であっても、燃料電池セルと電極、挟持部材との間のズレを抑制することが可能となる。

詳細には、少なくとも２枚以上の燃料電池セルが重ね合わせられた燃料電池セル群と、該燃料電池セル群の燃料電池セルに更に重ね合わせられるように配設された板状の電極と、を挟持するための燃料電池スタック用挟持部材であって、前記燃料電池セル群と前記電
極とを挟持して締結するための締結荷重を該電極に伝達する、該電極の面のうち該燃料電池セル群が接する面の裏面の少なくとも一部を支持する第一支持面と、前記第一支持面と交差するように配設され、前記電極の面のうち前記燃料電池セル群が接する面の側面の少なくとも一部と、該電極に隣接する前記燃料電池セルの面のうち該電極に接する面の側面の少なくとも一部と、を支持する第二支持面と、を備える。

第一支持面は、電極に接するように配置されることで、燃料電池セル群と電極とを挟持するための締結荷重をこの電極に伝達する。締結荷重は、燃料電池スタック用挟持部材の外部から入力され、第一支持面を介して電極に伝達される。

第二支持面は、電極の側面の少なくとも一部と燃料電池セルの側面の少なくとも一部とを支持する。第二支持面は、第一支持面と交差するように配設されていることにより、電極およびこの電極に隣接する燃料電池セルが第一支持面に対して横滑りするのを抑制する。

以上により、本発明に係る燃料電池スタック用挟持部材によれば、挟持部材に第二支持面が設けられているため、燃料電池セルと電極と挟持部材との間のズレを抑制することが可能になる。

ここで、前記燃料電池スタック用挟持部材は、前記第一支持面の裏側に該第一支持面と略平行に配設され、外部から入力される前記締結荷重を前記第一支持面に伝達する第三支持面を更に備えるようにしてもよい。これによれば、第三支持面に締結荷重を与えてやることで、電極に締結荷重を伝達することが可能となる。

ここで、前記燃料電池スタック用挟持部材は、前記第一支持面と前記第三支持面との間に配設され、前記燃料電池セル群の伸縮による変位を吸収する緩衝部を更に備えるようにしてもよい。

燃料電池セル群は、電気化学反応による反応熱によって伸縮する。よって、電極を支持する第一支持面は、燃料電池セル群の伸縮によって変位する。そこで、電極を支持する第一支持面と締結荷重が入力される第三支持面との間に燃料電池セル群の伸縮による変位を吸収する緩衝部を設ける。これにより、燃料電池セル群が伸縮しても、第三支持面に入力される締結荷重が電極に伝達される。

ここで、前記燃料電池セルと前記電極と前記第一支持面は、略同一の形状および大きさで構成されるようにしてもよい。これによれば、電極の側面と燃料電池セルの側面とが略同一平面上に揃うため、電極の側面と燃料電池セルの側面とを一つの平面で支持することが可能になる。

ここで、前記燃料電池セルと前記電極と前記第一支持面は、方形状にそれぞれ構成され、前記第二支持面は、前記第一支持面の４辺にそれぞれ隣接し且つ該第一支持面と略直交するように配設してもよい。これによれば、第二支持面が４つ設けられ、これら４つの第二支持面が方形状に構成される電極と燃料電池セルの４辺をそれぞれ支持するため、燃料電池セルと電極と挟持部材との間のズレを抑制することが可能となる。

また、本発明は、燃料電池スタックであって、少なくとも２枚以上の燃料電池セルが重ね合わせられた燃料電池セル群と、前記燃料電池セル群の両端の燃料電池セルにそれぞれ更に重ね合わせられるように配設された第一の電極および第二の電極と、前記第一の電極と前記第二の電極とにそれぞれ隣接するように配設され、前記燃料電池セル群と前記第一の電極と前記第二の電極とを挟持する、上記の何れかに記載の第一の燃料電池スタック用
挟持部材および第二の燃料電池スタック用挟持部材と、前記第一の燃料電池スタック用挟持部材と前記第二の燃料電池スタック用挟持部材とを締結し、張力を発生することで該第一の燃料電池スタック用挟持部材と該第二の燃料電池スタック用挟持部材とにそれぞれ前記締結荷重を入力する締結部材と、を備えるようにしてもよい。

この燃料電池スタックは、燃料電池セルや電極が締結部材の張力によって締結されている。しかしながら、燃料電池セル群の両端の燃料電池セルと電極のそれぞれの側面が燃料電池スタック用挟持部材によって支持されているので、締結荷重の方向に対して交差するような方向の衝撃が燃料電池スタックに加えられても、燃料電池セルと電極との間にズレが生じにくい。

ここで、前記燃料電池スタックは、前記燃料電池セル群を包み、前記各燃料電池セルの面のうち隣接する燃料電池セルが接する面の側面を拘束する拘束部材を更に備えるようにしてもよい。

この燃料電池スタックによれば、燃料電池セル群を構成する各燃料電池セルの側面が拘束部材によって拘束されているため、燃料電池セル同士の締結力を補うことが可能となる。

ここで、前記拘束部材は、伸縮性のシートで構成されるようにしてもよい。これによれば、燃料電池セルの電気化学反応による反応熱の伸縮による変位を吸収することが可能になる。

ここで、前記拘束部材は、前記締結部材に隣接する状態で配設されるようにしてもよい。これによれば、燃料電池セル群を構成する各燃料電池セル同士が互いに変位した場合に、拘束部材を介して締結部材から燃料電池セル群に反力が伝達され、燃料電池セル同士の締結力を補うことが可能となる。

燃料電池スタックに衝撃が加わった場合でも、燃料電池セルと電極、挟持部材との間のズレを抑制する燃料電池スタック用挟持部材、および燃料電池スタックを提供することが可能になる。

以下、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック用挟持部材を例示的に説明する。以下に示す実施形態は例示であり、本発明はこれに限定されるものではない。

＜構成＞
まず、燃料電池スタック用挟持部材（以下、インシュレータ１という。）について説明する。図１は、インシュレータ１の斜視図である。また、図２は、インシュレータ１を備える燃料電池スタック２の断面図である。図１において示すように、インシュレータ１は、電極（以下、ターミナル３という。）を支持する第一支持面５と、ターミナル３の側面（すなわち、第一支持面５によって支持される面の側面。）と燃料電池セル４の側面（すなわち、ターミナル３と接する面の側面。）とを支持する第二支持面６と、を備えている。また、インシュレータ１は、第一支持面５の裏側に第三支持面７を備えている。更に、インシュレータ１は、第一支持面５と第二支持面６との間に緩衝部８を備える。

図１において示すように、第一支持面５は、方形状の平面で構成される。第一支持面５は、ターミナル３と略同一の形状および大きさで構成されており、ターミナル３の側面と第一支持面５の側面とを同一平面上に揃えることが可能である。

第二支持面６Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、第一支持面５の縁の４辺にそれぞれ隣接しており、第一支持面５と略直交するように配設されている。また、第二支持面６Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、第一支持面５の側面を周回するように配設されている。第二支持面６Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄが第一支持面５の縁を周回するように構成されているため、第一支持面５と第二支持面６とによって凹部が形成される。また、第二支持面６Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、第一支持面５からの高さが、少なくともターミナル３の厚さよりも高く構成されており、本実施形態においては、ターミナル３と燃料電池セル４とを重ね合わせた厚さと略同一の高さとなるように構成されている

第三支持面７は、第一支持面５の裏側に配設される。第三支持面７は、第一支持面５と略同一の形状および大きさで構成されており、外部に配設されたエンドプレート９から入力される締結荷重を受け付ける。

緩衝部８は、第一支持面５と第二支持面６との間に配設されており、伸縮性の部材によって第一支持面５と第二支持面６とを連結する。緩衝部８の緩衝機能は、インシュレータ１全体が伸縮性の材料（例えば、ゴムやシリコン等。）で構成されていることによって実現される。

なお、インシュレータ１は、各燃料電池セル４同士の電気的な短絡を防止するため、絶縁性の材料で構成されていることが好ましい。

次に、インシュレータ１を備える燃料電池スタック２について説明する。図２において示すように、燃料電池スタック２は、複数の燃料電池セル４が重ね合わせられた燃料電池セル群１０と、燃料電池セル群１０の両端の燃料電池セル４にそれぞれ更に重ね合わせられるように配設された板状のターミナル３と（本発明でいう、第一の電極や第二の電極に相当する。）、ターミナル３にそれぞれ隣接するように配設されたインシュレータ１と、インシュレータ１の第三支持面７を支持するエンドプレート９と、２つのエンドプレート９同士を締結して張力を発生するテンションプレート１２（本発明でいう、締結部材に相当する。）と、を備える。

燃料電池スタック２は、燃料電池自動車等の移動媒体に適する高分子電解質形燃料電池（ＰＥＦＣ）であり、図示しない酸化剤ガスを送気する空気圧縮機等の補機類がその周辺に接続されている。

燃料電池セル群１０を構成する各燃料電池セル４は、高分子電解質膜をアノード触媒電極とカソード触媒電極とで挟持するように接合した膜・電極接合体（ＭＥＡ）と、膜・電極接合体に接合されたガス拡散層とで構成されており、膜・電極接合体において水素と酸素とが電気化学反応させることにより、電力を発生する。

ターミナル３は、導電性の部材で構成されており、燃料電池セル群１０で発生する電力を取り出す。

エンドプレート９は、燃料電池セル群１０やターミナル３を挟持することが可能な強度を有する板状の部材で構成されている。エンドプレート９は、テンションプレート１２において発生する締結荷重（張力）をインシュレータ１の第三支持面７に伝達する。

テンションプレート１２は、２つのエンドプレート９同士を連結する。テンションプレート１２は、張力を与えられた状態でエンドプレート９に固定されることにより、２つのエンドプレート９の間に挟まれる燃料電池セル群１０やターミナル３、インシュレータ１
を締結する。

＜効果＞
以上により、本実施形態に係るインシュレータ１によれば、燃料電池スタック２に衝撃が加わった場合でも、燃料電池セル４と電極Ｘ、インシュレータ１との間のズレを抑制することが可能となる。

図３は、燃料電池スタック２に外部から衝撃が与えられた場合の、各部位に発生する力を示す。図３において示すように、燃料電池セル群１０に締結荷重の方向と直交するような方向の衝撃力（図３における「入力」に相当する。）が加わると、積層された燃料電池セル４同士が滑るようなせん断力が発生する。燃料電池セル４の慣性力のためである。燃料電池セル４やターミナル３は、テンションプレート１２から与えられる締結荷重によって発生する摩擦力により、せん断方向の荷重に耐えるように構成されている。

ここで、燃料電池セル４やターミナル３に加わるせん断力は、燃料電池セル群１０の中心付近にある燃料電池セル４に比べ、燃料電池セル群１０の端部付近にある燃料電池セル４やターミナル３の方が大きい。燃料電池セル群１０の端部やターミナル３には、全ての燃料電池セル４の慣性力が集中するためである。

本発明は、上記特性に着目し、燃料電池セル４の側面とターミナル３の側面とを支持するようにしたものである。すなわち、燃料電池セル群１０の端部付近にある燃料電池セル４やターミナル３の側面を支持することで、燃料電池スタック２の最もせん断力が発生する部位のせん断を防止し、燃料電池スタック２の強度を高めている。

なお、上記実施形態において、燃料電池セル４、ターミナル３、及び第一支持面５は矩形状に構成されているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明は、燃料電池セルやターミナル、第一支持面が矩形以外の形状で構成されるものであってもよい。

また、上記実施形態において、第二支持面６Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、第一支持面５の縁を全て取り囲むように構成されているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、燃料電池セルやターミナルの側面を数箇所のみ支持することでこれら燃料電池セルやターミナルのズレを防止するものであってもよい。

＜変形例＞
以下、上記実施形態の変形例について説明する。図４は、上記実施形態の変形例に係る燃料電池スタック１３の断面図である。図４において示すように、本変形例に係る燃料電池スタック１３と上記燃料電池スタック２との相違点は、燃料電池セル群１０を包む外部拘束シート１１（本発明でいう、拘束部材に相当する。）の有無にある。その他の構成要素については上述の燃料電池スタック２と同様であるため、同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

外部拘束シート１１は、燃料電池セル群１０を包むように配設されている。外部拘束シート１１は、燃料電池セル群１０を包んでおり、重ね合わせられた各燃料電池セル４のそれぞれの側面を拘束している。

図５において、本変形例に係る燃料電池スタック１３に外部から衝撃が与えられた場合の、各部位に発生する力を示す。図５において示すように、燃料電池セル群１０に締結荷重の方向と直交するような方向の衝撃力が加わると、積層された燃料電池セル４が慣性力によって互いに変位する。各燃料電池セル４同士の位置関係が変位すると、燃料電池セル
群１０を包んでいる外部拘束シート１１が変形し、各燃料電池セル４に外部拘束シート１１で発生する反力（以下、シート反力という。）が発生する。各燃料電池セル４は、シート反力によって元の位置に戻ろうとする。各燃料電池セル４にシート反力が作用することにより、各燃料電池セル４間に働くせん断力が減少する。

本変形例に係る燃料電池スタック１３によれば、上述した実施形態に係る燃料電池スタック２に比べ、燃料電池セル群１０の端部付近にある燃料電池セル４やターミナル３に発生するせん断力を減少させることが可能となる。

インシュレータの斜視図である。 燃料電池スタックの断面図である。 燃料電池スタックの各部位に発生する力を示す図である。 変形例に係る燃料電池スタックの断面図である。 変形例に係る燃料電池スタックの各部位に発生する力を示す図である。 従来技術に係る燃料電池スタックの断面図である。

符号の説明

１，１０４・・・・・・・・・・インシュレータ
２，１３，１０１・・・・・・・燃料電池スタック
３，１０３・・・・・・・・・・ターミナル
４，１０２・・・・・・・・・・燃料電池セル
５・・・・・・・・・・・・・・第一支持面
６（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ ）・・・・・第二支持面
７・・・・・・・・・・・・・・第三支持面
８・・・・・・・・・・・・・・緩衝部
９・・・・・・・・・・・・・・エンドプレート
１０・・・・・・・・・・・・・燃料電池セル群
１１・・・・・・・・・・・・・外部拘束シート
１２・・・・・・・・・・・・・テンションプレート

Claims (9)

1. 少なくとも２枚以上の燃料電池セルが重ね合わせられた燃料電池セル群と、該燃料電池セル群の燃料電池セルに更に重ね合わせられるように配設された板状の電極と、を挟持するための燃料電池スタック用挟持部材であって、
   前記燃料電池セル群と前記電極とを挟持して締結するための締結荷重を該電極に伝達する、該電極の面のうち該燃料電池セル群が接する面の裏面の少なくとも一部を支持する第一支持面と、
   前記第一支持面と交差するように配設され、前記電極の面のうち前記燃料電池セル群が接する面の側面の少なくとも一部と、該電極に隣接する前記燃料電池セルの面のうち該電極に接する面の側面の少なくとも一部と、を支持する第二支持面と、を備える
   燃料電池スタック用挟持部材。
2. 前記第一支持面の裏側に該第一支持面と略平行に配設され、外部から入力される前記締結荷重を前記第一支持面に伝達する第三支持面を更に備える
   請求項１に記載の燃料電池スタック用挟持部材。
3. 前記第一支持面と前記第三支持面との間に配設され、前記燃料電池セル群の伸縮による変位を吸収する緩衝部を更に備える
   請求項２に記載の燃料電池スタック用挟持部材。
4. 前記燃料電池セルと前記電極と前記第一支持面は、略同一の形状および大きさで構成される
   請求項１から３の何れかに記載の燃料電池スタック用挟持部材。
5. 前記燃料電池セルと前記電極と前記第一支持面は、方形状にそれぞれ構成され、
   前記第二支持面は、前記第一支持面の４辺にそれぞれ隣接し且つ該第一支持面と略直交するように配設される、
   請求項１から４の何れかに記載の燃料電池スタック用挟持部材。
6. 少なくとも２枚以上の燃料電池セルが重ね合わせられた燃料電池セル群と、
   前記燃料電池セル群の両端の燃料電池セルにそれぞれ更に重ね合わせられるように配設された第一の電極および第二の電極と、
   前記第一の電極と前記第二の電極とにそれぞれ隣接するように配設され、前記燃料電池セル群と前記第一の電極と前記第二の電極とを挟持する、請求項１から５の何れかに記載の第一の燃料電池スタック用挟持部材および第二の燃料電池スタック用挟持部材と、
   前記第一の燃料電池スタック用挟持部材と前記第二の燃料電池スタック用挟持部材とを締結し、張力を発生することで該第一の燃料電池スタック用挟持部材と該第二の燃料電池スタック用挟持部材とにそれぞれ前記締結荷重を入力する締結部材と、を備える
   燃料電池スタック。
7. 前記燃料電池セル群を包み、前記各燃料電池セルの面のうち隣接する燃料電池セルが接する面の側面を拘束する拘束部材を更に備える
   請求項６に記載の燃料電池スタック。
8. 前記拘束部材は、伸縮性のシートで構成される
   請求項７に記載の燃料電池スタック。
9. 前記拘束部材は、前記締結部材に隣接する状態で配設される
   請求項７または８に記載の燃料電池スタック。

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