(57)【要約】【課題】燃料電池スタックの積層を容易に行う。【解決手段】インシュレータ６０は、燃料電池スタック２０の積層方向に直交する略矩形の板状の平面部６１と、インシュレータ６０の外縁部の全体に亘って、エンドプレート１３０側に向かって形成された壁面６２〜６５が設けられている。また、壁面６２〜６５は、積層基準面７１〜７６を備えている。エンドプレート１３０は、積層基準面７１〜７６に対応する位置に、積層基準面１４１〜１４６を備えている。積層基準面１４１〜１４６は、インシュレータ６０側の端部が切り欠かれており、インシュレータ６０とエンドプレート１３０との積層時において、積層基準面７１〜７６と、積層基準面１４１〜１４６のうちの切り欠かれていない部分である積層基準面１４１ａ〜１４６ａとは、それぞれが面一となる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池スタックであって、
複数の発電体が積層された発電体積層部と、
該発電体積層部の積層方向の両端に配置される集電板と、
該集電板の前記積層方向の外側に配置され、前記積層方向に直交する板状の平面部と、該平面部の外縁部に前記集電板側と反対の方向に向かって形成された壁面と、前記壁面において内側に凹んだ第１の積層基準面とを備えたインシュレータと、
前記平面部と前記壁面とによって形成される凹部に嵌合して配置されるエンドプレートであって、該エンドプレートの積層面以外の側面の、前記第１の積層基準面に対応する位置において内側に凹み、該凹みの端部における底面が、少なくとも前記第１の積層基準面における前記壁面の壁高以上の奥行き、かつ、少なくとも前記第１の積層基準面における前記壁面の厚み以上の深さで切り欠かれた第２の積層基準面を備えたエンドプレートと
を備え、
前記第２の積層基準面は、前記切り欠き部分に配置される前記第１の積層基準面と面一である
燃料電池スタック。
【請求項２】
燃料電池用エンドプレートであって、
前記エンドプレートの厚み方向の側面において内側に凹んだ積層基準面であって、該積層基準面の端部に、該積層基準面の底面を切り欠いた切り欠き部を有する積層基準面
を備えた燃料電池用エンドプレート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用エンドプレートに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、例えば、電解質膜・電極接合体、ガス拡散層、セパレータ等を積層した発電体を複数積層し、その両側をターミナル、インシュレータ、エンドプレートで挟持した燃料電池スタックを締結して構成される。かかる燃料電池スタックにおいて、絶縁距離を確保しつつ、インシュレータの厚みを低減するために、インシュレータの形状を、板状の平面部の外縁に、隣接するエンドプレート側に向かって壁面が形成された形状とする場合、エンドプレートは、インシュレータの平面部と壁面によって形成される凹部に嵌合させて積層することとなる。しかし、かかる燃料電池スタックは、インシュレータの外形がエンドプレートよりも大きくなるため、１つの積層基準面に沿って積層することが容易でなかった。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１８９０２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の問題の少なくとも一部を考慮し、本発明が解決しようとする課題は、燃料電池スタックの積層を容易に行うことである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００６】
［適用例１］燃料電池スタックであって、複数の発電体が積層された発電体積層部と、該発電体積層部の積層方向の両端に配置される集電板と、該集電板の前記積層方向の外側に配置され、前記積層方向に直交する板状の平面部と、該平面部の外縁部に前記集電板側と反対の方向に向かって形成された壁面と、前記壁面において内側に凹んだ第１の積層基準面とを備えたインシュレータと、前記平面部と前記壁面とによって形成される凹部に嵌合して配置されるエンドプレートであって、該エンドプレートの積層面以外の側面の、前記第１の積層基準面に対応する位置において内側に凹み、該凹みの端部における底面が、少なくとも前記第１の積層基準面における前記壁面の壁高以上の奥行き、かつ、少なくとも前記第１の積層基準面における前記壁面の厚み以上の深さで切り欠かれた第２の積層基準面を備えたエンドプレートとを備え、前記第２の積層基準面は、前記切り欠き部分に配置される前記第１の積層基準面と面一である燃料電池スタック。
【０００７】
かかる構成の燃料電池スタックにおいて、エンドプレートは、第２の積層基準面が切り欠かれており、当該切り欠き部分にインシュレータの第１の積層基準面が配置されるので、第２の積層基準面の切り欠かれていない面は、第１の積層基準面と面一となる。したがって、面一となった積層基準面に沿って容易に燃料電池スタックの構成部材を積層することができる。また、その結果、積層に用いる治具を簡略化することができる。
【０００８】
また、本発明は、燃料電池スタックとしての構成のほか、適用例２の燃料電池用エンドプレートとしても実現することができる。
【０００９】
［適用例２］燃料電池用エンドプレートであって、前記エンドプレートの厚み方向の側面において内側に凹んだ積層基準面であって、該積層基準面の端部に、該積層基準面の底面を切り欠いた切り欠き部を有する積層基準面を備えた燃料電池用エンドプレート。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
Ａ．実施例：
本発明の実施例について説明する。
Ａ−１．燃料電池スタック２０の概略構成：
本発明の実施例としての燃料電池スタック２０の概略構成を図１に示す。燃料電池スタック２０は、固体高分子形の燃料電池であり、発電体３０を複数積層し、積層方向の両端に配置したターミナル４２，４４、インシュレータ５０，６０、エンドプレート１００，１３０で挟持して構成される。
【００１１】
発電体３０は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子材料の薄膜である電解質膜の表面上にカソード電極とアノード電極とを備える電解質膜・電極接合体の両面に、ガス拡散層、流路部材、セパレータが積層されて構成される（図示せず）。
【００１２】
ターミナル４２，４４は、発電体３０で発生した電気を図示しない出力端子から取り出す集電板である。ターミナル４２，４４は、種々の導電性部材を用いて形成することができるが、本実施例では、板状に形成された銅製部材を用いている。
【００１３】
インシュレータ５０，６０は、ターミナル４２，４４とエンドプレート１００，１３０とを絶縁する絶縁部材である。インシュレータ５０，６０は、種々の絶縁性部材を用いて形成することができるが、本実施例では、ナイロンとＥＶＯＨ（エチレン・ビニルアルコール共重合樹脂）とからなる。また、本実施例では、インシュレータ５０は、板状の形状であるが、インシュレータ６０は、板状形状に加えて、ターミナル４４側またはインシュレータ６０側に折り返した壁面部を有している。本実施例では、かかるインシュレータ６０の形状は、真空成形により成形する。かかる形状の詳細については後述する。なお、インシュレータ５０，６０は、燃料電池スタック２０の各部材を積層するための積層基準面を備えているが、図１では、図示を省略している。
【００１４】
エンドプレート１００，１３０は、燃料電池スタック２０を積層方向の両端から加圧するための部材である。エンドプレート１００，１３０は、耐食性、剛性を備えた種々の金属部材で形成することができるが、本実施例では、ステンレスからなる。なお、エンドプレート１３０は、エンドプレート１００と同一の積層方向の厚みを有しているが、上述したインシュレータ６０の壁面部の内側にエンドプレート１３０が挿入されているため、図１では、エンドプレート１３０の厚みがエンドプレート１００の厚みよりも小さいように見えている。エンドプレート１３０のインシュレータ６０側の実際の端部は、点線で表示した部分である。なお、エンドプレート１００，１３０は、燃料電池スタック２０の各部材を積層するための積層基準面を備えているが、図１では、図示を省略している。
【００１５】
かかる燃料電池スタック２０は、締結シャフトとボルトからなる締結部材１１１〜１１６により、積層方向に加圧されて締結される。具体的には、エンドプレート１００，１３０及びインシュレータ５０，６０は、その外周部に、連通する６個の貫通孔を備えており、ターミナル４２，４４及び発電体３０は、当該貫通孔に対応する位置に凹部を備えている。かかる貫通孔及び凹部に締結部材１１１〜１１６の締結シャフトを通し、積層方向に加圧してボルトで固定することで、エンドプレート１００，１３０を介して、燃料電池スタック２０が締結されるのである。
【００１６】
また、エンドプレート１００には、燃料ガスとしての水素を発電体３０に給排するための孔部１２１，１２２、酸化ガスとしての空気を発電体３０に給排するための孔部１２３，１２４、冷却水を発電体３０に給排するための孔部１２５，１２６を備えている。これらの孔部は、インシュレータ５０、ターミナル４２、発電体３０に備えられた孔部（図示せず）と連通してマニホールドを形成し、水素、空気及び冷却水を循環させる役割を果たす。なお、燃料電池スタック２０に供給される水素、空気及び冷却水は、エンドプレート１００側から供給され、ターミナル４４に隣接する発電体３０で折り返して、エンドプレート１００側から排出されるので、インシュレータ６０及びエンドプレート１３０は、上述の孔部を有していない。
【００１７】
Ａ−２．インシュレータ６０の形状：
上述したインシュレータ６０の全体形状を図２に示す。図示するインシュレータ６０は、図１に示した積層位置関係においては、図の上側にターミナル４４が、図の下側にエンドプレート１３０が積層される。図示するように、インシュレータ６０は、燃料電池スタック２０の積層方向に直交する略矩形の板状の平面部６１を備えている。また、インシュレータ６０は、その外縁部の全体に亘ってエンドプレート１３０側（図２の下側）に向かって形成された壁面６２〜６５を備えている。
【００１８】
また、インシュレータ６０は、その外縁部の略矩形形状の４角及び長辺の中央部において、開口部９１〜９６を備えている。開口部９１〜９６の外縁部には、当該外縁部の全体に亘って、ターミナル４４側に向かって壁面８１〜８６が形成されている。開口部９１〜９６は、上述した締結部材１１１〜１１６の締結シャフトを通す貫通口である。なお、壁面８１〜８６は、インシュレータ６０の外縁部に形成された壁面６２〜６５と一体的に形成されているが、ここでは、説明の便宜上、仮想的に分離した壁面として説明している。
【００１９】
また、インシュレータ６０は、壁面６２〜６５において、内側に凹んだ凹部を有している。かかる凹部の底面を積層基準面７１〜７６という。かかる積層基準面７１〜７６は、燃料電池スタック２０の各部材の積層時において、積層面を揃えるために設けられている。積層基準面７１〜７６は、請求項の第１の積層基準面に該当する。
【００２０】
Ａ−３．エンドプレート１３０の形状：
上述したエンドプレート１３０の全体形状を図３に示す。図示するエンドプレート１３０は、図１に示した積層位置関係においては、図の上側にインシュレータ６０が積層される。図示するように、エンドプレート１３０は、図２に示したインシュレータ６０の内寸よりも小さい略矩形の板状の形状を有している。また、エンドプレート１３０は、インシュレータ６０の開口部９１〜９６に対応する位置に、上述した締結部材１１１〜１１６の締結シャフトを通す貫通孔１３１〜１３６を備えている。
【００２１】
また、エンドプレート１３０は、積層面以外の側面において、内側に凹んだ凹部を有している。かかる凹部の底面を積層基準面１４１〜１４６という。かかる積層基準面１４１〜１４６は、上述した積層基準面７１〜７６と面一となることで、燃料電池スタック２０の各部材の積層時において、積層面を揃えるために設けられている。そのため、積層基準面１４１〜１４６は、インシュレータ６０の積層基準面７１〜７６に対応する位置に設けられている。また、エンドプレート１３０は、インシュレータ６０の内寸に嵌合するため、積層基準面１４１〜１４６の幅は、積層基準面７１〜７６よりも大きくなっている。
【００２２】
積層基準面１４１〜１４６は、インシュレータ６０側の端部が切り欠かれた形状を有している。本実施例では、切り欠きの奥行き（図３ではｙ方向）を、積層基準面７１〜７６（壁面６２〜６５）の壁高と等しくなるように成形している。また、切り欠きの深さ（図３ではｚ方向）を、壁面６２〜６５の厚みと等しくなるように成形している。なお、説明を容易にするため、積層基準面１４１〜１４６のうち、切り欠かかれていない部分には、積層基準面の符号に「ａ」を付加し、切り欠かれた部分には、積層基準面の符号に「ｂ」を付加して表現するものとする。例えば、積層基準面１４２は、切り欠かれていない積層基準面１４２ａと、切り欠かれた積層基準面１４２ｂとからなる。積層基準面１４１〜１４６は、請求項の第２の積層基準面に該当する。
【００２３】
Ａ−４．インシュレータ６０及びエンドプレート１３０の積層状態：
図１〜図３に示した切断指示線Ａ−Ａに基づく切断面におけるインシュレータ６０及びエンドプレート１３０の積層状態を図４に示す。図示するとおり、インシュレータ６０は、エンドプレート１３０側では、平面部６１とエンドプレート１３０側に向かって形成された壁面６４及び６５とにより形成される凹部にエンドプレート１３０が嵌合するように積層される。また、インシュレータ６０は、ターミナル４４側では、壁面６４及び６５の内寸と概ね同一レベルでターミナル４４及び発電体３０と共に積層される。本実施例では、インシュレータ６０の板厚を２ｍｍとし、壁面６３及び６５の積層方向の長さを、エンドプレート１３０とターミナル４４とを絶縁するために必要な絶縁距離ＩＤ１（本実施例では８ｍｍ）とした。このように、インシュレータ６０は、壁面６３及び６５によって、ターミナル４４とエンドプレート１３０との絶縁距離ＩＤ２（沿面距離）を必要な絶縁距離ＩＤ１以上にすることで、絶縁距離を確保しつつ、平面部６１の積層方向の厚みを小さくすることができる。
【００２４】
また、図１〜図３に示した切断指示線Ｂ−Ｂに基づく切断面におけるインシュレータ６０及びエンドプレート１３０の積層状態を図５に示す。図示するとおり、インシュレータ６０は、エンドプレート１３０側では、上述のＡ−Ａ断面と同様に、平面部６１とエンドプレート１３０側に向かって形成された壁面６３及び６５とにより形成される凹部にエンドプレート１３０が嵌合するように積層される。また、インシュレータ６０は、ターミナル４４側では、平面部６１とターミナル４４側に向かって形成された壁面８１及び８２とにより形成される凹部にターミナル４４及び発電体３０が嵌合するように積層される。壁面８１及び発電体３０と締結部材１１１との隙間、ならびに、壁面８２及び発電体３０と締結部材１１６との隙間には、絶縁シート１５１，１５２がそれぞれ設けられている。かかる積層状態においては、開口部９１及び９２の周辺においても、壁面８１及び８２によって、ターミナル４４及び発電体３０とエンドプレート１３０との絶縁距離ＩＤ３（沿面距離）を、必要な絶縁距離ＩＤ１以上とすることができる。
【００２５】
以上説明したように、インシュレータ６０は、発電体３０及びターミナル４４とエンドプレート１３０との絶縁距離を十分に確保しつつ、インシュレータの厚みを低減することができる。その結果、燃料電池スタック２０のコンパクト化に資することができる。
【００２６】
また、図２〜図３に示した切断指示線Ｃ−Ｃに基づく切断面におけるインシュレータ６０及びエンドプレート１３０の積層状態を図６に示す。かかる切断面は、インシュレータ６０の積層基準面７２とエンドプレート１３０の積層基準面１４２とを含む断面である。図示するとおり、積層基準面７２及び１４２を有しない壁面６５側においては、図４に示した積層状態と同様である。
【００２７】
一方、積層基準面７２及び１４２側においては、インシュレータ６０とエンドプレート１３０とは、壁面６３の内寸と積層基準面１４２ｂとが接して、積層基準面１４２の切り欠き部分に壁面６３が収まるように積層される。このとき、積層基準面７２と１４２ａとは、面一となる。
【００２８】
かかるインシュレータ６０及びエンドプレート１３０の積層状態を斜視図として図７に示す。図中のハッチング表示部分は、インシュレータ６０を示している。また、図中の点線は、エンドプレート１３０の輪郭のうち、インシュレータ６０によって目隠しされた部分を示し、図中の太線は、インシュレータ６０の輪郭とエンドプレート１３０の輪郭とが重なって見える部分を示している。図示するように、エンドプレート１３０は、積層基準面７２及び１４２以外の部分では、インシュレータ６０の内寸に収まるように積層されている。すなわち、インシュレータ６０の壁面６３は、エンドプレート１３０よりも外側に張り出している。一方、積層基準面７２及び１４２の部分では、積層基準面７２と積層基準面１４２ａとが互いの端部で接し、かつ、面一となっていることがわかる。このように積層基準面７２と積層基準面１４２ａとが端部で接するのは、上述したとおり、積層基準面１４２の切り欠き部の奥行きＤを壁面６３の壁高に等しくしているからである。
【００２９】
なお、説明は省略するが、積層基準面７１，７３〜７６及び積層基準面１４１，１４３〜１４６についても、上述した積層基準面７２と積層基準面１４２と同様の位置関係となる。
【００３０】
かかる構成の燃料電池スタック２０は、積層基準面１４１〜１４６に切り欠き部を備えているため、燃料電池スタック２０の積層時において、当該切り欠き部にインシュレータ６０の積層基準面７１〜７６を配置すれば、積層基準面７１〜７６と積層基準面１４２ａ〜１４６ａとをそれぞれ面一とすることができる。したがって、面一となった積層基準面に沿って容易に燃料電池スタック２０の構成部材を積層することができる。また、その結果、積層に用いる治具を簡略化することができる。また、エンドプレート１３０を必要最低限切り欠くだけであるから、エンドプレート１３０の強度の低下を問題が生じない程度に小さく抑えることができる。
【００３１】
Ｂ：変形例：
上述の実施例の変形例について説明する。
Ｂ−１．変形例１：
インシュレータ６０の形状は、図２に示した形状に限定するものではなく、平面部６１の外縁部の少なくとも一部に、エンドプレート１３０側に向かって形成された壁面を備え、さらに、当該壁面部に積層基準面が設けられた形状であればよい。例えば、図８に示すように、平面部６１の一部に、ターミナル４４側に向かって形成される壁面６７を備えた形状としてもよいし、壁面８１〜８６及び９１〜９６を有しない形状としてもよい。
【００３２】
同様に、エンドプレート１３０についても、図３に示した形状に限定するものではなく、所定形状の切り欠きを備えた積層基準面が設けられた形状であればよい。例えば、図３に示したエンドプレート１３０の形状において、貫通孔１３１〜１３６を有さない形状としてもよい。
【００３３】
また、インシュレータ６０及びエンドプレート１３０が有する積層基準面の数は、実施例に示した６個に限らず、積層作業の便宜を考慮して、適宜設定すればよい。例えば、略矩形の外形の各辺に１個ずつ計４個の積層基準面を備える構成としてもよいし、各辺に２個ずつ計８個の積層基準面を備える構成としてもよい。
【００３４】
Ｂ−２．変形例２：
上述の実施形態においては、燃料電池スタック２０を構成するインシュレータ５０及び６０のうちのインシュレータ６０についてのみ、図２に示した形状とし、エンドプレート１００，１３０のうちのエンドプレート１３０についてのみ、図３に示した形状としたが、その理由は、インシュレータ５０には、孔部１２１〜１２６に連通する孔部を設ける必要があり、当該孔部のシール性にも配慮する必要があるからである。これらの孔部の周辺に、シール部材を好適に取り付けるなどして、シール性を確保できる形状とするのであれば、インシュレータ５０にも、図２に示した形状を採用し、さらに、エンドプレート１００にも図３に示した形状を採用してもよい。
【００３５】
Ｂ−３．変形例３：
上述の実施形態においては、積層基準面７１〜７６と積層基準面１４１ａ〜１４６ａとが互いの端部で接し、かつ、面一となる構成について示したが、積層基準面７１〜７６と積層基準面１４１ａ〜１４６ａとは、必ずしも端部で接することを要しない。例えば、図９に示すように、積層基準面７２の端部と積層基準面１４２ａの端部との間には、隙間Ｃ１があってもよい。すなわち、積層基準面１４２の切り欠き部の奥行きが壁面６３の壁高よりも大きければよいのである。また、上述の実施形態においては、壁面６３の内寸と積層基準面１４２ｂとが接する構成について示したが、これらは、必ずしも接することを要しない。例えば、図９に示すように、壁面６３の内寸と積層基準面１４２ｂとの間には、隙間Ｃ２があってもよい。すなわち、積層基準面１４２の切り欠きの深さが、壁面６３の厚みよりも大きければよいのである。このような形状であっても、積層基準面７２と積層基準面１４２ａとは面一となるので、実施例と同様の効果を奏することができる。
【００３６】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を脱しない範囲において、種々なる態様で実施できることは勿論である。例えば、本発明は、実施例に示した固体高分子形燃料電池に限らず、ダイレクトメタノール形燃料電池、リン酸形燃料電池など種々の燃料電池に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】燃料電池スタック２０の概略構成を示す説明図である。
【図２】インシュレータ６０の形状を示す説明図である。
【図３】エンドプレート１３０の形状を示す説明図である。
【図４】インシュレータ６０及びエンドプレート１３０の積層状態を示す断面図（Ａ−Ａ断面）である。
【図５】インシュレータ６０及びエンドプレート１３０の積層状態を示す断面図（Ｂ−Ｂ断面）である。
【図６】インシュレータ６０及びエンドプレート１３０の積層状態を示す断面図（Ｃ−Ｃ断面）である。
【図７】インシュレータ６０及びエンドプレート１３０の積層状態を示す斜視図である。
【図８】変形例としてのインシュレータ６０の形状を示す断面図である。
【図９】変形例としてのインシュレータ６０及びエンドプレート１３０の積層状態を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
２０…燃料電池スタック
３０…発電体
４２，４４…ターミナル
５０，６０…インシュレータ
６１…平面部
６２〜６５，６７，８１〜８６…壁面
７１〜７６，１４１〜１４６，１４２ａ，１４２ｂ…積層基準面
９１〜９６…開口部
１００，１３０…エンドプレート
１１１〜１１６…締結部材
１２１〜１２６…孔部
１３１〜１３６…貫通孔
１５１，１５２…絶縁シート
ＩＤ１〜ＩＤ３…絶縁距離
Ｃ１〜Ｃ２…隙間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2010140870.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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