JP5378329B2

JP5378329B2 - 燃料電池スタック

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Publication number: JP5378329B2
Application number: JP2010196345A
Authority: JP
Inventors: 剛小林; 君春水崎; 忠志西山
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-09-02
Filing date: 2010-09-02
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2030-09-02
Also published as: US8273494B2; CN102386432A; US20120058411A1; CN102386432B; JP2012054123A

Description

本発明は、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層された積層体を備えるとともに、前記積層体の積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが積層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電解質膜の両側に、それぞれアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、一対のセパレータによって挟持した発電ユニットを備えている。この種の燃料電池は、通常、所定の数（例えば、数百）の発電ユニットを積層することにより、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。

燃料電池スタックは、複数の発電ユニットが積層された積層体を備え、前記積層体の積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが積層されている。その際、ターミナルプレートやエンドプレートは、放熱量が大きいため、特に積層体の積層方向両端側に配置されている発電ユニットの温度が低下し易く、前記発電ユニットの発電性能が低下するという問題がある。

そこで、例えば、特許文献１に開示されている固体高分子型燃料電池スタックが知られている。この固体高分子型燃料電池スタックは、固体高分子電解質膜を一対の電極で挟持し、その外側を一対のセパレータで挟持した発電ユニットを、水平方向に複数個積層して構成されている。そして、積層方向の少なくとも一方の端部に位置する発電ユニットと、その外側に配設されるターミナルプレートとの間には、断熱層が介在されている。

特開２００２−１８４４４９号公報

ところで、上記の固体高分子型燃料電池スタックでは、積層方向端部の発電ユニットとターミナルプレートとの間に断熱層が設けられているが、前記ターミナルプレート自体から放熱が惹起し易い。特に、ターミナルプレートから積層方向に突出する電力取り出し用の端子部（接続端子）からの放熱量が多くなる。これにより、スタック端部の温度が低下してしまい、積層方向端部の発電ユニットの発電性能が低下するおそれがある。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、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、特に積層方向端部に配置される燃料電池の発電性能の低下を可及的に阻止す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、電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層された積層体を備えるとともに、前記積層体の積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが積層される燃料電池スタックに関するものである。

この燃料電池スタックでは、ターミナルプレートは、内部に仕切り壁部を介して分割形成される複数の空間部を有するとともに、絶縁プレートに対面するプレート面には、積層方向に前記仕切り壁部と重ならない位置に、前記積層方向外方に突出してエンドプレートから露呈する接続端子が設けられている。

また、この燃料電池スタックでは、仕切り壁部は、ターミナルプレートの互いに対向する一端部から他端部に向かって直線状に延在するとともに、空間部は、前記一端部から前記他端部に向かって前記ターミナルプレートを貫通することが好ましい。

さらに、この燃料電池スタックでは、ターミナルプレートは、接続端子が設けられるプレート面とは反対のプレート面に、積層方向に前記接続端子に重なり合う空間部に連通する開口部が形成されることが好ましい。

さらにまた、この燃料電池スタックでは、開口部に連通する空間部には、接続端子を受けるためのブロック部材が配設されることが好ましい。

本発明によれば、ターミナルプレートの内部には、仕切り壁部を介して複数の空間部が形成されるため、前記空間部が断熱層として機能する。従って、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、ターミナルプレートには、積層方向に仕切り壁部と重ならない位置に、すなわち、空間部に重なる位置に、前記積層方向外方に突出して接続端子が設けられている。このため、積層方向端部に配置されている燃料電池から接続端子に至る熱の移動経路が長尺化され、前記接続端子からの放熱が有効に抑制される。これにより、特に積層方向端部に配置される燃料電池は、温度低下による発電性能の低下を可及的に阻止することが可能になる。

本発明の第１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、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。前記燃料電池スタックを構成する燃料電池の要部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ターミナルプレートの斜視説明図である。前記ターミナルプレートによる熱経路の説明図である。本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックの断面図である。

図１及び図２に示すように、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池（発電ユニット）１２が矢印Ａ方向（水平方向又は鉛直方向）に積層された積層体１３を備える。

積層体１３の積層方向一端には、ターミナルプレート１４ａ、絶縁プレート１６ａ及びエンドプレート１８ａが配設される。積層体１３の積層方向他端には、ターミナルプレート１４ｂ、絶縁プレート１６ｂ及びエンドプレート１８ｂが配設される。

図２及び図３に示すように、燃料電池１２は、電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）２０が、第１及び第２セパレータ２２、２４に挟持される。第１及び第２セパレータ２２、２４は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した縦長形状の金属板により構成される。第１及び第２セパレータ２２、２４は、平面が矩形状を有するとともに、金属製薄板を波形状にプレス加工することにより、断面凹凸形状に成形される。なお、第１及び第２セパレータ２２、２４は、例えば、カーボンセパレータにより構成してもよい。

燃料電池１２の矢印Ｃ方向（図３中、鉛直方向）の上端縁部には、積層方向である矢印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入口連通孔２６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔２８ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔３０ａが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。

燃料電池１２の矢印Ｃ方向の下端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔３０ｂ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔２８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔２６ｂが、矢印Ｂ方向に配列して設けられる。

第１セパレータ２２の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２２ａには、酸化剤ガス入口連通孔２６ａと酸化剤ガス出口連通孔２６ｂとに連通する酸化剤ガス流路３２が、鉛直方向に沿って設けられる。

第２セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２０に向かう面２４ａには、燃料ガス入口連通孔３０ａと燃料ガス出口連通孔３０ｂとに連通する燃料ガス流路３４が、鉛直方向に沿って設けられる。

互いに隣接する燃料電池１２を構成する第１セパレータ２２の面２２ｂと、第２セパレータ２４の面２４ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔２８ａと冷却媒体出口連通孔２８ｂとを連通する冷却媒体流路３６が、鉛直方向に沿って設けられる。

第１セパレータ２２の面２２ａ、２２ｂには、第１シール部材３８が、一体的又は個別に設けられるとともに、第２セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、第２シール部材４０が、一体的に又は個別に設けられる。第１及び第２シール部材３８、４０は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。

電解質膜・電極構造体２０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を挟持するカソード側電極４４及びアノード側電極４６とを備える。

カソード側電極４４及びアノード側電極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て形成される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の両面に形成されている。

図２に示すように、絶縁プレート１６ａ、１６ｂには、凹部４８ａ、４８ｂが形成され、前記凹部４８ａ、４８ｂにターミナルプレート１４ａ、１４ｂが収容される。

図２及び図４に示すように、ターミナルプレート１４ａは、内部に、例えば、２つの仕切り壁部５０ａ１、５０ａ２を介して分割形成される複数、例えば、３つの空間部５２ａ１、５２ａ２及び５２ａ３を有する。各仕切り壁部５０ａ１、５０ａ２は、ターミナルプレート１４ａの互いに対向する一端部から他端部に向かって（図４中、矢印Ｃ方向）直線状に延在するとともに、空間部５２ａ１、５２ａ２及び５２ａ３は、前記一端部から前記他端部に向かって前記ターミナルプレート１４ａを貫通する。具体的には、導電性材料であるアルミニウムや銅で構成されるプレート部材を用い、押し出し成形又は引き抜き成形によって各仕切り壁部５０ａ１、５０ａ２が形成される。

ターミナルプレート１４ａの絶縁プレート１６ａに対面するプレート面５４ａには、積層方向（矢印Ａ方向）に仕切り壁部５０ａ１、５０ａ２と重ならない位置に、例えば、前記積層方向に対して空間部５２ａ２に重なる位置に、前記積層方向外方に突出してエンドプレート１８ａから露呈する接続端子（電力取り出し端子）５６ａが設けられる。

接続端子５６ａは、円柱状を有するとともに、プレート面５４ａに摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）や摩擦溶接（ＦＷ）等により固着され、絶縁筒体５８ａを外装してエンドプレート１８ａに挿入される。なお、接続端子５６ａは、角柱状やＬ字状等、種々の形状に設定可能である。

また、ターミナルプレート１４ｂは、上記のターミナルプレート１４ａと同様に構成されており、同一の構成要素には、同一の参照数字にａに代えてｂを付すとともに、その詳細な説明は省略する。

図１に示すように、エンドプレート１８ａとエンドプレート１８ｂとの間には、複数本の連結部材６０が架け渡される。連結部材６０は、長尺な板状を有し、燃料電池スタック１０の長辺側に２本ずつで、且つ、前記燃料電池スタック１０の短辺側に１本ずつ配設される。連結部材６０の矢印Ａ方向の両端部は、ボルト６２を介してエンドプレート１８ａ及びエンドプレート１８ｂの側部に固定され、前記エンドプレート１８ａ、１８ｂ間には、積層方向に所定の締め付け荷重が付与される。

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。

先ず、図１に示すように、酸化剤ガス入口連通孔２６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス入口連通孔３０ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体入口連通孔２８ａに純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体が供給される。

このため、図３に示すように、酸化剤ガスは、酸化剤ガス入口連通孔２６ａから第１セパレータ２２の酸化剤ガス流路３２に導入される。酸化剤ガスは、矢印Ｃ方向下方に移動しながら、電解質膜・電極構造体２０を構成するカソード側電極４４に供給される。

一方、燃料ガスは、燃料ガス入口連通孔３０ａから第２セパレータ２４の燃料ガス流路３４に導入される。この燃料ガスは、矢印Ｃ方向下方に移動しながら、電解質膜・電極構造体２０を構成するアノード側電極４６に供給される。

従って、電解質膜・電極構造体２０では、カソード側電極４４に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極４６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。各燃料電池１２は、電気的に直列に接続されており、前記燃料電池１２の積層方向両端に配置されているターミナルプレート１４ａ、１４ｂに設けられた接続端子５６ａ、５６ｂから外部に電力が取り出され、例えば、図示しない走行用モータが駆動される。

次いで、カソード側電極４４に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス出口連通孔２６ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。一方、アノード側電極４６に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス出口連通孔３０ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。

また、冷却媒体入口連通孔２８ａに供給された冷却媒体は、第１及び第２セパレータ２２、２４間の冷却媒体流路３６に導入され、矢印Ｃ方向下方に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２０を冷却した後、冷却媒体出口連通孔２８ｂに排出される。

この場合、第１の実施形態では、図２及び図４に示すように、ターミナルプレート１４ａは、内部に２つの仕切り壁部５０ａ１、５０ａ２を介して分割形成される３つの空間部５２ａ１、５２ａ２及び５２ａ３を有している。従って、ターミナルプレート１４ａでは、各空間部５２ａ１、５２ａ２及び５２ａ３が断熱層として機能することができ、前記ターミナルプレート１４ａからの放熱を良好に抑制することが可能になる。

しかも、ターミナルプレート１４ａの絶縁プレート１６ａに対面するプレート面５４ａには、積層方向に仕切り壁部５０ａ１、５０ａ２と重ならない位置（例えば、前記積層方向に対して空間部５２ａ２に重なる位置）に、接続端子５６ａが設けられている。

このため、図５に示すように、積層体１３の端部に配置されている燃料電池１２から接続端子５６ａに至る熱の移動経路（熱経路）が相当に長尺化される。これにより、接続端子５６ａからの放熱が有効に抑制され、特に積層方向端部に配置される燃料電池１２は、温度低下による発電性能の低下を可及的に阻止することが可能になるという効果が得られる。

さらに、ターミナルプレート１４ａでは、各仕切り壁部５０ａ１、５０ａ２は、前記ターミナルプレート１４ａの互いに対向する一端部から他端部（図４中、矢印Ｃ方向）に向かって直線状に延在するとともに、空間部５２ａ１、５２ａ２及び５２ａ３は、前記一端部から前記他端部に向かって前記ターミナルプレート１４ａを貫通している。

従って、ターミナルプレート１４ａは、押し出し成形又は引き抜き成形により空間部５２ａ１、５２ａ２及び５２ａ３を作成することができ、前記ターミナルプレート１４ａの加工費が良好に削減されて経済的であるという利点が得られる。なお、空間部５２ａ１、５２ａ２及び５２ａ３は、ターミナルプレート１４ａの短辺側に開口しているが、これに限定されるものではなく、長辺側に開口してもよい。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタック１００の概略断面説明図である。なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。

燃料電池スタック１００は、ターミナルプレート１０２ａ、１０２ｂを備える。ターミナルプレート１０２ａは、内部に、例えば、４つの仕切り壁部１０４ａ１、１０４ａ２、１０４ａ３及び１０４ａ４を介して分割形成される複数、例えば、５つの空間部１０６ａ１、１０６ａ２、１０６ａ３、１０６ａ４及び１０６ａ５を有する。

各仕切り壁部１０４ａ１、１０４ａ２、１０４ａ３及び１０４ａ４は、ターミナルプレート１０２ａの互いに対向する一端部から他端部に向かって直線状に延在するとともに、空間部１０６ａ１、１０６ａ２、１０６ａ３、１０６ａ４及び１０６ａ５は、前記一端部から前記他端部に向かって前記ターミナルプレート１０２ａを貫通する。

ターミナルプレート１０２ａの絶縁プレート１６ａに対面するプレート面１０８ａには、積層方向（矢印Ａ方向）に仕切り壁部１０４ａ１、１０４ａ２、１０４ａ３及び１０４ａ４と重ならない位置に、例えば、前記積層方向に対して空間部１０６ａ３に重なる位置に、前記積層方向外方に突出してエンドプレート１８ａから露呈する接続端子（電力取り出し端子）１１０ａが設けられる。

ターミナルプレート１０２ａは、接続端子１１０ａが設けられるプレート面１０８ａとは反対のプレート面１１２ａに、積層方向に前記接続端子１１０ａに重なり合う空間部１０６ａ３に連通する溶接作業用の開口部１１４ａが形成される。この開口部１１４ａに連通する空間部１０６ａ３には、接続端子１１０ａを受けるためのブロック部材１１６ａが配設される。ブロック部材１１６ａは、接続端子１１０ａを裏面側から支持するための裏受け部材として機能しており、低熱伝導性乃至非熱伝導性の材料で形成される。

なお、ターミナルプレート１０２ｂは、上記のターミナルプレート１０２ａと同様に構成されており、同一の構成要素には、同一の参照数字にａに代えてｂを付し、その詳細な説明は省略する。

このように構成される第２の実施形態では、上記の第１の実施形態と同様の効果が得られるとともに、接続端子１１０ａ、１１０ｂの裏受け部材としてブロック部材１１６ａ、１１６ｂが配置されており、前記接続端子１１０ａ、１１０ｂを一層強固に保持することが可能になる。

１０、１００…燃料電池スタック１２…燃料電池
１３…積層体
１４ａ、１４ｂ、１０２ａ、１０２ｂ…ターミナルプレート
１６ａ、１６ｂ…絶縁プレート１８ａ、１８ｂ…エンドプレート
２０…電解質膜・電極構造体２２、２４…セパレータ
２６ａ…酸化剤ガス入口連通孔２６ｂ…酸化剤ガス出口連通孔
２８ａ…冷却媒体入口連通孔２８ｂ…冷却媒体出口連通孔
３０ａ…燃料ガス入口連通孔３０ｂ…燃料ガス出口連通孔
３２…酸化剤ガス流路３４…燃料ガス流路
３６…冷却媒体流路４２…固体高分子電解質膜
４４…カソード側電極４６…アノード側電極
５０ａ１、５０ａ２、１０４ａ１、１０４ａ２、１０４ａ３、１０４ａ４…仕切り壁部
５２ａ１、５２ａ２、５２ａ３、１０６ａ１、１０６ａ２、１０６ａ３、１０６ａ４、１０６ａ５…空間部
５４ａ、１０８ａ、１１２ａ…プレート面
５６ａ、５６ｂ、１１０ａ、１１０ｂ…接続端子
６０…連結部材１１４ａ…開口部
１１６ａ、１１６ｂ…ブロック部材

Claims

電解質膜の両側に一対の電極を設けた電解質膜・電極構造体とセパレータとが積層される燃料電池を設け、複数の前記燃料電池が積層された積層体を備えるとともに、前記積層体の積層方向両端には、ターミナルプレート、絶縁プレート及びエンドプレートが積層される燃料電池スタックであって、
前記ターミナルプレートは、内部に仕切り壁部を介して分割形成される複数の空間部を有するとともに、
前記絶縁プレートに対面するプレート面には、積層方向に前記仕切り壁部と重ならない位置に、前記積層方向外方に突出して前記エンドプレートから露呈する接続端子が設けられることを特徴とする燃料電池スタック。
請求項１記載の燃料電池スタックにおいて、前記仕切り壁部は、前記ターミナルプレートの互いに対向する一端部から他端部に向かって直線状に延在するとともに、
前記空間部は、前記一端部から前記他端部に向かって前記ターミナルプレートを貫通することを特徴とする燃料電池スタック。
請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記ターミナルプレートは、前記接続端子が設けられる前記プレート面とは反対のプレート面に、前記積層方向に前記接続端子に重なり合う前記空間部に連通する開口部が形成されることを特徴とする燃料電池スタック。
請求項３記載の燃料電池スタックにおいて、前記開口部に連通する前記空間部には、前記接続端子を受けるためのブロック部材が配設されることを特徴とする燃料電池スタック。