JP2005285402A - 燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】簡単且つ経済的な構成で、端部からの放熱を良好に阻止し、低温始動を迅速に行うことを可能にする。
【解決手段】積層体１４の端部には、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂ、絶縁プレート１８ａ、１８ｂ及びエンドプレート２０ａ、２０ｂが配設される。絶縁プレート１８ａ、１８ｂの中央部には、凹部６０ａ、６０ｂが設けられ、この凹部６０ａ、６０ｂにターミナルプレート１６ａ、１６ｂが収容される。凹部６０ａ、６０ｂの内壁面と、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの外周面との間には、所定の隙間を設けて断熱層として機能する空気室６６ａ、６６ｂが形成される。
【選択図】図５

Description

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、一対のセパレータで挟持する単セルを備え、複数の前記単セルが積層されるとともに、前記単セルの積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁部材及びエンドプレートが配設され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固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、電極触媒と多孔質カーボンからなるアノード側電極及びカソード側電極を対設して構成される電解質膜・電極構造体を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持している。

この燃料電池において、アノード側電極には、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）が供給される一方、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）が供給される。アノード側電極に供給された燃料ガスは、電極触媒上で水素がイオン化され、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は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。

通常、この燃料電池は、所望の発電力を得るために、所定数（例えば、数十〜数百）だけ積層した積層体を構成し、前記積層体の両端には、各燃料電池で発電された電力を集めるためのターミナルプレート、前記積層体及び前記ターミナルプレートを保持するためのエンドプレート、並びに前記ターミナルプレートと前記エンドプレートと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。

この場合、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートは、略全面が密着するように積層されており、部品毎の熱伝達が向上して内部の熱が伝わり易い。従って、特に放熱性の高いターミナルプレートの周辺部から熱が放出され、燃料電池スタックの端部における放熱性が向上している。

ところが、燃料電池スタックの端部の放熱性が高いため、特に低温始動時において、積層体を構成する端部セルの温度が上昇しないおそれがある。このため、端部セルでは、放熱により適正作動温度まで昇温し難く、発電性能が低下するという問題がある。

そこで、低温下における燃料電池の起動を容易に行うことを目的として、特許文献１に開示されている燃料電池スタックが採用されている。図８に示すように、燃料電池スタック１は、電解質膜・電極構造体２を一対のセパレータ３で挟持する燃料電池４を備え、前記燃料電池４が複数積層されて積層体５が構成されている。

この積層体５の両端には、発熱体６ａ、６ｂを介して集電体７ａ、７ｂが積層されるとともに、この集電体７ａ、７ｂには、図示しない絶縁部材及びエンドプレートが積層されている。積層体５の両端には、端子８ａ、８ｂが電気的に接続されており、この端子８ａ、８ｂは、スイッチＳＷ１、ＳＷ２を介して負荷系９に接続可能である。

このような構成において、燃料電池スタック１の低温始動時には、スイッチＳＷ１、ＳＷ２がオフ状態となって発熱体６ａ、６ｂが通電状態となり、前記発熱体６ａ、６ｂが発熱する。この発熱によって、燃料電池スタック１の端部の温度が通常の始動時に比較して早く昇温し、前記燃料電池スタック１全体が通常発電を行い得る状態に昇温される、としている。

特開２００３−３０８８６３号公報（図３）

しかしながら、上記の特許文献１では、燃料電池スタック１内に低温始動専用の発熱体６ａ、６ｂが組み込まれており、前記燃料電池スタック１全体が積層方向に大型化するという問題がある。しかも、セル温度を検出してスイッチＳＷ１、ＳＷ２を切り替え制御しなければならず、制御が煩雑化するという問題が指摘される。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的な構成で、端部からの放熱を良好に阻止し、低温始動を迅速に行う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、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、一対のセパレータで挟持する単セルを備え、複数の前記単セルが積層されるとともに、前記単セルの積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁部材及びエンドプレートが配設される燃料電池スタックである。

そこで、絶縁部材は、中央部に凹部が形成された枠形状に構成されており、前記凹部にターミナルプレートが収容されるとともに、前記凹部の内壁面と前記ターミナルプレートの外周面との間には、空気室が形成されている。

また、絶縁部材は、凹部の内壁面に複数のリブを設け、前記複数のリブによりターミナルプレートの外周面を位置決め支持することが好ましい。

本発明では、凹部の内壁面とターミナルプレートの外周面との間に形成された空気室が、断熱層として機能するため、特に放熱性の高い前記ターミナルプレートからの放熱を良好に抑制することができる。しかも、絶縁部材の凹部にターミナルプレートが収容されているだけであり、特別な発熱構造等が不要になる。

これにより、簡単且つ経済的な構成で、端部からの放熱を良好に阻止し、低温始動を迅速に行うことが可能になる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０の一部分解概略斜視図であり、図２は、前記燃料電池スタック１０の概略斜視図であり、図３は、前記燃料電池スタック１０の一部断面側面図である。

図１に示すように、燃料電池スタック１０は、複数の単セル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（絶縁部材）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（絶縁部材）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を端板として含む箱状ケーシング２４により一体的に保持される。

ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの略中央には、図１に示すように、積層方向外方に延在する端子部２６ａ、２６ｂが設けられる。端子部２６ａ、２６ｂは、絶縁性筒体２８ａ、２８ｂに挿入されて第１及び第２エンドプレート２０ａ、２０ｂの外部に突出する（図３参照）。

図３及び図４に示すように、各単セル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を挟持する第１及び第２金属セパレータ３２、３４とを備える。第１及び第２金属セパレータ３２、３４は、金属製薄板を波形状やディンプル形状等にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有している。

単セル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。

単セル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た電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜４２の両面に接合される。

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、面３２ａに凸状シール部５５ａを設けるとともに、面３２ｂに凸状シール部５５ｂを設ける。

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、面３４ａに凸状シール部５８を設ける。

図１及び図５に示すように、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。絶縁プレート１８ａ、１８ｂは、額縁状に構成されており、中央部には矩形状の凹部６０ａ、６０ｂが設けられるとともに、この凹部６０ａ、６０ｂの略中央に孔部６２ａ、６２ｂが形成される。凹部６０ａ、６０ｂには、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂが収容され、前記ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの端子部２６ａ、２６ｂが絶縁性筒体２８ａ、２８ｂを介装して孔部６２ａ、６２ｂに挿入される。

図６及び図７に示すように、絶縁プレート１８ａ、１８ｂの凹部６０ａ、６０ｂは、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの外周形状よりも大きな開口面積を有しており、前記凹部６０ａ、６０ｂの内壁面には、前記ターミナルプレート１６ａ、１６ｂを位置決め支持するために複数のリブ６４ａ、６４ｂが膨出形成される。

ターミナルプレート１６ａ、１６ｂが、リブ６４ａ、６４ｂに支持されて凹部６０ａ、６０ｂに収容された状態で、前記凹部６０ａ、６０ｂの内壁面と、前記ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの外周面との間には、所定の間隙を有して空気室６６ａ、６６ｂが形成される。空気室６６ａ、６６ｂは、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂからの放熱を抑制するための断熱層としての機能を有している。

ケーシング２４は、図１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側板７０ａ〜７０ｄと、前記側板７０ａ〜７０ｄの互いに近接する端部同士を連結するアングル部材（例えば、Ｌアングル）７２ａ〜７２ｄと、前記エンドプレート２０ａ、２０ｂと前記側板７０ａ〜７０ｄとを連結するそれぞれ長さの異なる連結ピン７４ａ、７４ｂとを備える。

エンドプレート２０ａ、２０ｂの上下各辺には、それぞれ２つの第１連結部７６ａ、７６ｂ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７６ｃ、７６ｄ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７８ａ、７８ｂが形成される。このボス部７８ａ、７８ｂ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の横方向両側に配置される側板７０ａ、７０ｃの長手方向両端には、第２連結部８０ａ、８０ｂ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側板７０ｂ、７０ｄの長手方向両端には、第２連結部８２ａ、８２ｂが３つずつ形成される。

側板７０ａ、７０ｃの各第２連結部８０ａ、８０ｂ間には、エンドプレート２０ａ、２０ｂの両側の各辺の第１連結部７６ｃ、７６ｄが配置されるとともに、これらに短尺な連結ピン７４ａが一体的に挿入されて、前記側板７０ａ、７０ｃが前記エンドプレート２０ａ、２０ｂに取り付けられる。

同様に、側板７０ｂ、７０ｄの第２連結部８２ａ、８２ｂがエンドプレート２０ａ、２０ｂの上辺及び下辺の第１連結部７６ａ、７６ｂと交互に配置されるとともに、これらに長尺な連結ピン７４ｂが一体的に挿入されて、前記側板７０ｂ、７０ｄが前記エンドプレート２０ａ、２０ｂに取り付けられる。

側板７０ａ〜７０ｄには、短手方向両端縁部にそれぞれ複数のねじ孔８４が形成される一方、アングル部材７２ａ〜７２ｄの各辺には、前記ねじ孔８４に対応して孔部８６が形成される。各孔部８６に挿入される各ねじ８８がねじ孔８４に螺合することにより、アングル部材７２ａ〜７２ｄを介して側板７０ａ〜７０ｄ同士が固定される。これにより、ケーシング２４が構成される（図２参照）。

なお、アングル部材７２ａ〜７２ｄにねじ孔を形成する一方、側板７０ａ〜７０ｄに孔部を形成し、前記アングル部材７２ａ〜７２ｄを前記側板７０ａ〜７０ｄの内方に配置した状態で、これらを一体的にねじ止めしてもよい。

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。

先ず、図２に示すように、燃料電池スタック１０では、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単セル１２に対し、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が、それぞれ矢印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（図３参照）。

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、図５〜図７に示すように、額縁状に構成される絶縁プレート１８ａ、１８ｂの凹部６０ａ、６０ｂには、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂが収容されるとともに、この凹部６０ａ、６０ｂの内壁面と前記ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの外周面との間には、所定の隙間を設けて空気室６６ａ、６６ｂが形成されている。

このため、空気室６６ａ、６６ｂは、断熱層として機能し、特に放熱性の高いターミナルプレート１６ａ、１６ｂからの放熱を良好に抑制することができる。しかも、絶縁プレート１８ａ、１８ｂの凹部６０ａ、６０ｂにターミナルプレート１６ａ、１６ｂが収容されるだけであり、積層体１４の両端部を強制的に加熱するための特別な発熱構造等が不要になる。

これにより、燃料電池スタック１０は、簡単且つ経済的な構成で、端部からの放熱を良好に阻止し、低温始動を迅速に行うことが可能になるという効果が得られる。

なお、本実施形態では、絶縁部材として絶縁プレート１８ａ、１８ｂを用いているが、これに限定されるものではなく、例えば、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂに絶縁部材を一体成形してもよい。その際、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの外周面には、所定の間隙を有して空気室を形成すればよい。

本発明の実施形態に係る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概略斜視図である。 前記燃料電池スタックの一部断面側面図である。 前記燃料電池スタックを構成する単セルの要部分解斜視図である。 前記燃料電池スタックの要部断面説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する一方の絶縁プレートと、一方のターミナルプレートとの分解斜視説明図である。 前記燃料電池スタックを構成する他方の絶縁プレートと、他方のターミナルプレートとの分解斜視説明図である。 特許文献１の燃料電池スタックの断面説明図である。

符号の説明

１０…燃料電池スタック １２…単セル
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…箱状ケーシング ３０…電解質膜・電極構造体
３２、３４…金属セパレータ 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
４７ａ…発電部 ４７ｂ…マニホールド部
４８…燃料ガス流路 ５０…冷却媒体流路
５２…酸化剤ガス流路 ５４、５６…シール部材
６０ａ、６０ｂ…凹部 ６２ａ、６２ｂ…孔部
６４ａ、６４ｂ…リブ ６６ａ、６６ｂ…空気室
７０ａ〜７０ｂ…側板 ７２ａ〜７２ｄ…アングル部材
７４ａ、７４ｂ…連結ピン

Claims (2)

1. 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、一対のセパレータで挟持する単セルを備え、複数の前記単セルが積層されるとともに、前記単セルの積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁部材及びエンドプレートが配設される燃料電池スタックであって、
   前記絶縁部材は、中央部に凹部が形成された枠形状に構成され、
   前記凹部に前記ターミナルプレートが収容されるとともに、前記凹部の内壁面と前記ターミナルプレートの外周面との間には、空気室が形成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、前記絶縁部材は、前記凹部の内壁面に複数のリブを設け、前記複数のリブにより前記ターミナルプレートの外周面を位置決め支持することを特徴とする燃料電池スタック。
   
   

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