(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、前記絶縁プレート側に対向する第１平面部、前記積層体側に対向する第２平面部、及び前記第１平面部と前記第２平面部の一端部同士を連結する連結部を設け、全体として断面コの字状を有するとともに、
前記第１平面部には、前記連結部が設けられた一端部とは反対の他端部側に、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２】
請求項１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、前記第１平面部と前記第２平面部との間に高分子材料からなるブロック部材を配設することを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
請求項１又は２記載の燃料電池スタックにおいて、前記接続端子は、前記第１平面部を、長方形状の短辺側の一端を残して切り欠いた後、前記積層方向に折り曲げることにより成形されることを特徴とする燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１８４４４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。
【０００９】
この燃料電池スタックでは、ターミナルプレートは、絶縁プレート側に対向する第１平面部、積層体側に対向する第２平面部、及び前記第１平面部と前記第２平面部の一端部同士を連結する連結部を設け、全体として断面コの字状を有するとともに、前記第１平面部には、前記連結部が設けられた一端部とは反対の他端部側に、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。
【００１０】
また、この燃料電池スタックでは、ターミナルプレートは、第１平面部と第２平面部との間に高分子材料からなるブロック部材を配設することが好ましい。
【００１１】
さらに、この燃料電池スタックでは、接続端子は、第１平面部を、長方形状の短辺側の一端を残して切り欠いた後、積層方向に折り曲げることにより成形されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ターミナルプレートは、全体として断面コの字状を有するため、前記ターミナルプレートの内部には、断熱層として機能する空間部が形成されている。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。
【００１３】
しかも、ターミナルプレートの第１平面部には、連結部が設けられた一端部とは反対の他端部側に、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第２平面部、連結部、第１平面部及び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。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】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。
【図２】前記燃料電池スタックの、図１中、ＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】前記ターミナルプレートによる熱経路の説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するターミナルプレートの側面説明図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係る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。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
図２及び図４に示すように、ターミナルプレート１４ａは、絶縁プレート１６ａ側に対向する第１平面部５０ａ、積層体１３側に対向する第２平面部５２ａ、及び前記第１平面部５０ａと前記第２平面部５２ａの一端部同士を連結する連結部５４ａを設け、全体として断面コの字状を有する。ターミナルプレート１４ａの内部には、空間部５６ａが形成される。
【００２８】
第１平面部５０ａには、連結部５４ａが設けられた一端部とは反対の他端部側に、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）５８ａが設けられる。接続端子５８ａは、エンドプレート１８ａの長辺方向（矢印Ｃ方向）の略中央部に位置している。
【００２９】
接続端子５８ａは、円柱状を有するとともに、第１平面部５０ａ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５９ａ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５８ａは、角柱状やＬ字状等、種々の形状に設定可能である。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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５８ａ、５８ｂ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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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、第１平面部５０ａ、第２平面部５２ａ及び連結部５４ａを設け、全体として断面コの字状を有している。このため、ターミナルプレート１４ａの内部には、断熱層として機能する空間部５６ａが形成され、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できる。
【００４０】
しかも、ターミナルプレート１４ａの第１平面部５０ａには、連結部５４ａが設けられた一端部とは反対の他端部側に、積層方向外方に突出して接続端子５８ａが設けられている。
【００４１】
このため、図５に示すように、積層方向端部に配置されている燃料電池１２から第２平面部５２ａ、連結部５４ａ、第１平面部５０ａ及び接続端子５８ａに至る熱の移動経路が長尺化され、前記接続端子５８ａ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。
【００４２】
さらに、ターミナルプレート１４ａは、全体として断面コの字状を有している。従って、ターミナルプレート１４ａは、押し出し成形又は平板の曲げ成形により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。
【００４３】
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を構成するターミナルプレート１００の側面説明図である。
【００４４】
なお、第１の実施形態に係る燃料電池スタック１０を構成するターミナルプレート１４ａ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。また、以下に説明する第３の実施形態においても同様に、その詳細な説明は省略する。
【００４５】
ターミナルプレート１００は、第１平面部１０２、第２平面部１０４及び連結部１０６を設け、全体として断面コの字状を有する。ターミナルプレート１００の内部には、空間部１０８が形成される。第１平面部１０２には、連結部１０６が設けられた一端部とは反対の他端部側に、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）１１０が設けられる。
【００４６】
ターミナルプレート１００の空間部１０８には、接続端子１１０を受けるためのブロック部材１１２ａと、補強機能を有するブロック部材１１２ｂとが配設される。ターミナルプレート１００には、空間部１０８に突出して位置決めガイド１１４と位置決めガイド１１６ａ、１１６ｂとが形成される。ブロック部材１１２ａは、熱伝導性が低い材料、例えば、高分子材料等からなる。
【００４７】
位置決めガイド１１４、１１６ａ及び１１６ｂは、ターミナルプレート１００を、例えば、押し出し成形する際に、一体成形される。位置決めガイド１１４は、ブロック部材１１２ａを位置決めする一方、位置決めガイド１１６ａ、１１６ｂは、ブロック部材１１２ｂを位置決めする。
【００４８】
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１１０の裏受け部材としてブロック部材１１２ａが配置されており、締め付け荷重を確実に受けることが可能になる。これにより、接続端子１１０を一層強固に保持することができるとともに、隣接するセパレータとの接触抵抗を削減させることが可能になる。
【００４９】
さらに、ターミナルプレート１００の空間部１０８には、ブロック部材１１２ｂが配置されている。このため、ブロック部材１１２ｂは、ブロック部材１１２ａと共に全体として断面コの字状の前記ターミナルプレート１００を保持することができる。
【００５０】
図７は、本発明の第３の実施形態に係る燃料電池スタックを構成するターミナルプレート１２０の斜視説明図である。
【００５１】
ターミナルプレート１２０は、第１平面部１２２、第２平面部１２４及び連結部１２６を設け、全体として断面コの字状を有する。ターミナルプレート１２０の内部には、空間部１２８が形成される。第１平面部１２２には、連結部１２６が設けられた一端部とは反対の他端部側に、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）１３０が設けられる。
【００５２】
接続端子１３０は、第１平面部１２２を、長方形状の短辺側の一端を残して切り欠いた後、積層方向に折り曲げることにより成形される。第１平面部１２２には、接続端子１３０の形状に対応する開口部１３２が形成される。
【００５３】
ターミナルプレート１２０の空間部１２８には、図示しないが、第２の実施形態と同様に、接続端子１３０を受けるためのブロック部材と、補強機能を有するブロック部材とが、必要に応じて配設される。なお、ターミナルプレート１２０には、空間部１２８に突出して位置決めガイド（図示せず）が形成されることが好ましい。
【００５４】
このように構成される第３の実施形態では、上記の第１及び第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００５５】
１０…燃料電池スタック                １２…燃料電池
１３…積層体                          
１４ａ、１４ｂ、１００、１２０…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
５０ａ、５２ａ、１０２、１０４、１２２、１２４…平面部
５４ａ、１０６、１２６…連結部        ５６ａ、１０８、１２８…空間部
５８ａ、１１０、１３０…接続端子      ６０…連結部材
１１２ａ、１１２ｂ…ブロック部材      １１４、１１６ａ、１１６ｂ…位置決めガイド
１３２…開口部
【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】
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【図７】
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