JP4592940B2

JP4592940B2 - 固体高分子型燃料電池スタック

Info

Publication number: JP4592940B2
Application number: JP2000379173A
Authority: JP
Inventors: 成利杉田; 誠治杉浦; 義典割石; 実越沼; 隆鴻村; 秀光小野
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2000-12-13
Filing date: 2000-12-13
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2020-12-13
Also published as: JP2002184449A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池スタックに係り、特に、燃料電池スタックの積層方向端部に位置する単セルの性能低下防止に有効な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）の両側にそれぞれアノード側電極とカソード側電極を対設し、更にその外側を一対の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。
この固体高分子型燃料電池の単セルは、通常、所定数だけ積層することにより、燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
この燃料電池スタックにおいて、アノード側電極に供給された燃料ガス、例えば、水素ガスは、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質膜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ーとして利用される。カソード側電極には、酸化剤ガス、例えば酸素ガスあるいは空気が供給されているため、このカソード側電極において、前記水素イオン、前記電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。
【０００４】
上記燃料電池スタックを車両、特に乗用車に搭載して使用する場合、車室の床下に配置される場合が多いことから、高さ方向のスペースが大きく制限される。
燃料電池スタックの高さを抑える技術として、各単セルを水平方向に複数個積層し、かつ、供給する燃料ガスや酸化剤ガスなどの供給通路を各セパレータの面内に連通孔として設けた内部マニホールド構造が知られている（例えば、特開平８−１７１９２６号公報参照）。
【０００５】
図７を用いて、その一例について説明すると、同図において、符号１は燃料電池スタックを示し、この燃料電池スタック１は、固体高分子電解質膜をアノード側電極とカソード側電極とで挟持し、更にその外側を一対のセパレータで挟持してなる単セル２を水平方向に複数個積層させたものである。アノード側電極及びカソード電極には、各々の面内を貫く燃料ガス、酸化剤ガス、冷却液の供給・排出用の各連通孔（図示略）が設けられ、内部マニホールドが構成されている。
【０００６】
各単セル２は、スタッドボルト４により締め付けられる。
燃料電池スタック１の積層方向の一端側には皿ばね等から成る締め付け構造部５が、また、他端側にはワッシャー等から成る他の締め付け構造部６が各々設けられており、これらによって、発電部分である各単セル２に、必要な締め付け力が付与されている。
【０００７】
燃料電池スタック１の積層方向両端に位置する単セル２ａ，２ｂの端面には、銅製のターミナルプレート７が密接して設けられており、前記締め付け構造部５，６は、このターミナルプレート７の外側に絶縁プレート８を介して設けられている。
ターミナルプレート７の上部には電力取り出し用の端子部９が延出し、この端子部９が燃料電池スタック１の端部側に向かって屈曲形成されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本燃料電池において、各単セル２が所定の出力電圧（以下、「セル電圧」という。）を維持するためには、各単セル２を一定温度に保持する必要がある。
しかしながら、積層方向両端に位置する単セル２ａ，２ｂには銅製のターミナルプレート７が密接しているため、該ターミナルプレート７からの放熱量が大きく、これにより、単セル２ａ，２ｂのセル温度Ｔ₁，Ｔ_Nは他の単セル２のセル温度Ｔ₂ _〜 _N-1よりも低くなるという傾向がある。
【０００９】
このため、図８に示すように、セル温度Ｔ₁，Ｔ_Nが相対的に低い単セル２ａ，２ｂのセル電圧Ｖ₁，Ｖ_Nは、他の単セル２のセル電圧Ｖ₂ _〜 _N-1よりも低くなるという問題があった。
そして、単セル２ａ，２ｂの温度が低下すると、温度低下によって生じた結露水が電極反応面を覆って電極反応面への反応ガス供給が阻害され、単セル２ａ，２ｂのセル電圧低下を招く。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池スタックの積層方向端部に位置する単セルの温度低下を抑制し、該単セルの性能低下を有効に防止することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、以下の手段を採用した。
固体高分子電解質膜（例えば、実施の形態における固体高分子電解質膜１２）を一対の電極（例えば、実施の形態におけるアノード側電極１３，カソード側電極１４）で挟持し、更にその外側を一対のセパレータ（例えば、実施の形態におけるセパレータ１６，１７）で挟持してなる単セル（例えば、実施の形態における単セル１５）を、水平方向に複数個積層して構成される固体高分子型燃料電池スタック（例えば、実施の形態における燃料電池スタック１１）において、前記積層方向の少なくとも一方の端部に位置する単セル（例えば、実施の形態における単セル１５ａ，１５ｂ）と、その更に外側に配設されるターミナルプレート（例えば、実施の形態におけるターミナルプレート２１）との間に導電性断熱層（例えば、実施の形態における空気室５１）を介在させたことを特徴とする。
【００１２】
このような構成によれば、積層方向端部に位置する単セルからターミナルプレートへの伝熱が断熱層によって阻害され、ターミナルプレートから外部への放熱量が減少するので、当該単セルの温度低下を抑制できる。
【００１３】
また、前記少なくとも一方の端部に位置する単セルと前記ターミナルプレートとの間に、凹溝（例えば、実施の形態における丸溝５０，格子溝５３）又は貫通孔（例えば、実施の形態における貫通孔５２）を有する導電性断熱プレート（例えば、実施の形態における導電プレート２２）を介在させ、前記凹溝又は貫通孔からなる空気室（例えば、実施の形態における空気室５１）により前記断熱層を構成したことを特徴とする。
【００１４】
このような構成によれば、セパレータと断熱プレートの線膨張係数が共に等しくなるので、燃料電池スタックの作動温度が変化しても両者の間に熱応力が発生することはない。
また、セパレータと断熱プレートとが同材質であるため、接触抵抗を小さくできる。
【００１５】
請求項１に記載した発明は、固体高分子電解質膜（例えば、実施の形態における固体高分子電解質膜１２）を一対の電極（例えば、実施の形態におけるアノード側電極１３，カソード側電極１４）で挟持し、更にその外側を一対のセパレータ（例えば、実施の形態におけるセパレータ１６，１７）で挟持してなる単セル（例えば、実施の形態におけるセル１５）を、水平方向に複数個積層して構成される固体高分子型燃料電池スタック（例えば、実施の形態における燃料電池スタック１１）において、前記積層方向の少なくとも一方の端部に位置する単セル（例えば、実施の形態における単セル１５ａ，１５ｂ）と、その更に外側に配設されるターミナルプレート（例えば、実施の形態におけるターミナルプレート２１）との間に導電プレートを介在させ、前記ターミナルプレートの前記導電プレートに接触する側の端面に、凹溝又は貫通孔を形成したことを特徴とする。
【００１６】
このような構成では、凹溝又は貫通孔からなる空気室が断熱層となり、このターミナルプレート内に形成された断熱層によって、積層方向端部に位置する単セルからターミナルプレートへの伝熱が阻害されるので、新規部品を追加することなく、当該単セルの温度低下を抑制できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。
図１において、符号１１は車載用の燃料電池スタックを示している。
燃料電池スタック１１は、固体高分子電解質膜１２をアノード側電極１３とカソード側電極１４とで挟持し、更にその外側を一対のセパレータ１６，１７で挟持してなる単セル１５を水平方向に複数個積層して構成される、いわゆる固体高分子型燃料電池スタックである。
【００１８】
アノード側電極１３と隣接するセパレータ１６との間に水素ガス（反応ガスである燃料ガス）の供給路１８が形成される一方で、カソード側電極１４と隣接するセパレータ１７との間には、空気（反応ガスである酸化剤ガス）の供給路１９が形成される。
また、各セパレータ１６，１７の背面間の供給路２０には、エチレングリコールなどの冷媒が供給され、単セル１５を冷却するようになっている。
なお、図示都合上、図１において、断面を示すハッチングは省略する。
【００１９】
そして、上記水素ガス、空気、冷媒を各供給路１８，１９，２０に供給するため、各単セル１５のアノード側電極１３，カソード側電極１４，後述する電極プレート２１，導電プレート２２，絶縁プレート２３，及びエンドプレート２４の各面内を貫通して連通孔（図示略）が各々形成されている。すなわち、この燃料電池スタック１１は、内部マニホールド構造となっている。
【００２０】
積層された単セル１５は、スタッドボルト２８により締め付けられるが、これら単セル１５のうち積層方向の両端に位置する単セル１５ａ，１５ｂの外側には、冷媒隔離用及び断熱用の導電プレート（断熱プレート）２２が各単セル１５ａ，１５ｂの端面に接触して配設されている。
【００２１】
この導電プレート２２は、単セル１５ａ，１５ｂの端面を構成するセパレータ１６と同材料のカーボン材からなり、その一方の端面２２Ａには、図２及び図３に示すように、該端面２２Ａに接触して配設されるターミナルプレート２１に閉塞されることによって空気室（断熱層）５１（図１参照）を構成する、止まり穴状の丸溝５０が略全面にわたって多数形成されている。
なお、符号２５は水素ガスが通る連通孔、２６は空気が通る連通孔である。
【００２２】
燃料電池スタック１１の一端側（図１において左側）の導電プレート２２の外側には、後述する電極プレート２１を介して樹脂などからなる絶縁プレート２３が配置され、この絶縁プレート２３の更に外側には、エンドプレート２４とバックアッププレート２９との間に皿ばね３０が介装されてなる、締め付け構造部３１が設けられている。
【００２３】
燃料電池スタック１１の他端側（図１において右側）の導電プレート２２の外側には、後述する電極プレート２１を介して樹脂などからなる絶縁プレート２３が配置され、この絶縁プレート２３の更に外側には、エンドプレート２４とバックアッププレート２９との間にワッシャー３２が介装されてなる、締め付け構造部３３が設けられている。
【００２４】
なお、ターミナルプレート２１は、導電性材料（例えば、銅）から構成されており、その略中央部からは略垂直方向、すなわち、単セル１５の積層方向に沿って電力取出用の端子部２１ａが突出している。
端子部２１ａの外周は、絶縁材料から成る絶縁チューブ３６で覆われ、エンドプレート２４，バックアッププレート２９等との電気的短絡が防止されている。
【００２５】
以上の如く構成された燃料電池スタック１１は、積層方向の両端に位置する単セル１５ａ，１５ｂと、その更に外側に配設されるターミナルプレート２１との間に配設された導電プレート２２の端面２２Ａに丸溝５０を形成し、これら丸溝５０をターミナルプレート２１で閉塞することによって形成される空気室５１が、断熱層として有効に機能する構成になっている。
【００２６】
したがって、単セル１５ａ，１５ｂからターミナルプレート２１への伝熱が空気室５１によって阻害され、ターミナルプレート２１から外部への放熱量が減少するので、単セル１５ａ，１５ｂの温度低下は抑制される。
これにより、単セル１５ａ，１５ｂにおける反応温度の低下及び結露水の生成を原因とする性能低下を有効に防止できる。
【００２７】
また、導電プレート２２を、単セル１５ａ，１５ｂの端面を構成するセパレータ１６と同材質のカーボン材料から構成したので、互いに接触するセパレータ１６と導電プレート２２の線膨張係数は共に等しくなっている。
したがって、燃料電池スタック１１の作動温度が変化しても両者の間には熱応力が発生しなくなり、単セル１５に過剰な締付力を与えてしまうことによる破損も有効に防止できる。
さらに、セパレータ１６と導電プレート２２とが同材質であるため、接触抵抗も小さくできる。
【００２８】
本発明は、上記実施の形態に限られるものではない。
例えば、上記実施の形態では、導電プレート２２に形成する凹溝を止まり穴状の丸溝５０としたが、図４の断面図に示すような貫通孔５２や、図５の平面図及び図６の断面図に示すような格子状の格子溝５３としてもよい。
なお、これら図４〜図６において、上記実施の形態と同一の構成要素には同一符号を付している。
【００２９】
図４に示した貫通孔５２を有する導電プレート６１の場合、これら貫通孔５２の両端開口が、単セル１５ａ，１５ｂのセパレータ１６と、ターミナルプレート２１とで閉塞されることにより、断熱層としての空気室が形成される。
これら空気室の総容積は、上記実施形態による空気室５１の総容積よりも大きくなるので、断熱層としての機能は向上する。
【００３０】
他方、図５及び図６に示した格子溝５３を有する導電プレート７１の場合、この格子溝５３の上端開口がターミナルプレート２１で閉塞されることにより、断熱層としての空気室が形成される。
この格子溝５３は、導電プレート７１の長辺部側の側面７１Ａ，７１Ｂにおいて開口するように形成されているので、空気室は完全には密閉されていない。
従って、空気室内に結露水が生成されても自然に排出されるようになり、断熱層としての機能を良好に維持できる。
【００３１】
さらに、上記各実施形態では、単セル１５ａ，１５ｂとターミナルプレート２１との間に配設された導電プレート２２，６１，７１に凹溝（丸溝５０，格子溝５３）又は貫通孔５２を形成したが、ターミナルプレート２１の導電プレート２２に接触する側の端面に凹溝又は貫通孔を形成してもよい。
この場合には、新規部品を追加することなく、単セル１５ａ，１５ｂの温度低下を抑制し得るので、それらの性能低下を有効に防止できる。
【００３２】
また、上記実施の形態では、積層方向両端に位置する単セル１５ａ，１５ｂと、ターミナルプレート２１との間に断熱層を介在させる構成としたが、積層方向のいずれか一方の端部に位置する単セル１５ａ（又は単セル１５ｂ）と、ターミナルプレート２１との間にのみ断熱層を介在させる構成としてもよい。
同様に、ターミナルプレート２１の端面に凹溝又は貫通孔を形成する場合においても、積層方向のいずれか一方の端部に位置するターミナルプレート２１にのみ凹溝又は貫通孔を形成する構成であってもよい。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、以下の効果を得る。
（１）請求項１記載の発明によれば、積層方向端部に位置する単セルからターミナルプレートへの伝熱が断熱層によって阻害され、ターミナルプレートから外部への放熱量が減少するので、当該単セルの温度低下を抑制し得るようになり、その性能低下を有効に防止できる。
【００３４】
（２）請求項２記載の発明によれば、セパレータと断熱プレートの線膨張係数が共に等しくなり、燃料電池スタックの作動温度が変化しても両者の間には熱応力が発生しなくなるので、上記効果に加え、セルに過剰な締付力を与えてしまうことによる破損も有効に防止できる。
また、セパレータと断熱プレートとが同材質であるため、接触抵抗も小さくできる。
【００３５】
（３）請求項３記載の発明によれば、凹溝又は貫通孔からなる空気室が断熱層となり、このターミナルプレート内に形成された断熱層によって、積層方向端部に位置する単セルからターミナルプレートへの伝熱が阻害されるので、新規部品を追加することなく、当該単セルの温度低下を抑制し得て、その性能低下を有効に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池スタックの一実施の形態を示す正断面図である。
【図２】図１に示す導電プレートの平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿う断面の一部を示す断面図である。
【図４】本発明に係る燃料電池スタックの他の実施の形態に係る導電プレートの断面の一部を示す断面図である。
【図５】本発明に係る燃料電池スタックの更に他の実施の形態に係る導電プレートの平面図である。
【図６】図５のＢ−Ｂ線に沿う断面の一部を示す断面図である。
【図７】燃料電池スタックの一従来例を示す正面図である。
【図８】燃料電池スタックを構成している各セルのセル温度とセル電圧との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
１１燃料電池スタック
１２固体高分子電解質膜
１３アノード側電極
１４カソード側電極
１５、１５ａ、１５ｂ単セル
１６、１７セパレータ
２１ターミナルプレート
２２、６１、７１導電プレート（断熱プレート）
５０丸溝（凹溝）
５１空気室（断熱層）
５２貫通孔
５３格子溝（凹溝）

Claims

固体高分子電解質膜を一対の電極で挟持し、更にその外側を一対のセパレータで挟持してなる単セルを、水平方向に複数個積層して構成される固体高分子型燃料電池スタックにおいて、
前記積層方向の少なくとも一方の端部に位置する単セルと、その更に外側に配設されるターミナルプレートとの間に導電プレートを介在させ、前記ターミナルプレートの前記導電プレートに接触する側の端面に、凹溝又は貫通孔を形成したことを特徴とする固体高分子型燃料電池スタック。