(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質の両側に電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向両側には、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配設され、前記絶縁プレート及び前記エンドプレートは、前記ターミナルプレートよりも外形寸法が大きく、且つ、前記ターミナルプレートは、前記絶縁プレートの凹部に収容される燃料電池スタックであって、
少なくとも一方の前記絶縁プレートと前記積層体の一方の積層方向端部に配置される端部セパレータとの間には、前記ターミナルプレートの外周端部を周回してシール部材が介装されるとともに、
前記端部セパレータは、前記シール部材が一体成形された金属セパレータであり、
前記絶縁プレートには、前記シール部材の凸状シール部の線圧を調整するために、前記凸状シール部が当接する厚さ調整用シム部材が配設さ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、前記端部セパレータと前記発電セルを構成する前記セパレータとは、前記シール部材が一体成形された前記金属セパレータを共用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、前記厚さ調整用シム部材は、前記絶縁プレートに前記凹部を周回して形成された他の凹部に配設されることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池スタックにおいて、前記厚さ調整用シム部材は、前記絶縁プレートの前記積層体側の面に対して、積層方向に位置調整可能な調整ねじを備え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、電解質の両側に電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向両側には、ターミナルプレート、前記ターミナルプレートよりも外形寸法が大きな絶縁プレート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。
【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、それぞれ電極触媒（電極触媒層）及び多孔質カーボン（ガス拡散層）を有するアノード電極とカソード電極とを配設した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持する発電セルを構成している。発電セルを所定の数だけ積層した燃料電池スタックが、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】
通常、燃料電池スタックは、所定数の発電セル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側には、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配設されている。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示されている燃料電池スタックでは、積層体の積層方向両側に、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配設されるとともに、前記絶縁プレートは、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ている。さらに、凹部の内壁面と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おり、前記空気室が断熱層と機能して前記ターミナルプレートからの放熱を抑制することができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２８５４０２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、上記のように、絶縁プレートに凹部を設けるため、この凹部の溝深さ寸法に公差が存在するとともに、ターミナルプレート自体の板厚にも公差が存在している。従って、ターミナルプレートの面位置と前記ターミナルプレートの外周に位置する絶縁プレートの面位置との寸法差である段差寸法が変動してしまう。
【０００７】
このため、積層方向端部のセパレータと絶縁プレートとの間に配置され、前記絶縁プレートの面に接触するシール部材では、段差寸法の変動によりシール線圧が変動するおそれがある。これにより、燃料電池スタックに所望のスタック締め付け荷重を確実に付与することができず、発電効率等のスタック性能が低下するという問題がある。
【０００８】
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、段差寸法を調整してシール線圧の適正化を図り、発電効率等のスタック性能の向上が遂行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】
【０００９】
本発明は、電解質の両側に電極が配設される電解質・電極構造体とセパレータとを有する発電セルが積層される積層体を備え、前記積層体の積層方向両側には、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配設され、前記絶縁プレート及び前記エンドプレートは、前記ターミナルプレートよりも外形寸法が大きく、且つ、前記ターミナルプレートは、前記絶縁プレートの凹部に収容される燃料電池スタックに関するものである。
【００１０】
この燃料電池スタックでは、少なくとも一方の絶縁プレートと積層体の一方の積層方向端部に配置される端部セパレータとの間には、ターミナルプレートの外周端部を周回してシール部材が介装されるとともに、前記端部セパレータは、前記シール部材が一体成形された金属セパレータであり、前記絶縁プレートには、前記シール部材の凸状シール部の線圧を調整するために、前記凸状シール部が当接する厚さ調整用シム部材が配設されている。
【００１１】
また、この燃料電池スタックでは、端部セパレータと発電セルを構成するセパレータとは、シール部材が一体成形された金属セパレータを共用することが好ましい。
【００１２】
さらに、この燃料電池スタックでは、厚さ調整用シム部材は、絶縁プレートに凹部を周回して形成された他の凹部に配設されることが好ましい。
【００１３】
さらにまた、この燃料電池スタックでは、厚さ調整用シム部材は、絶縁プレートの積層体側の面に対して、積層方向に位置調整可能な調整ねじを備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ターミナルプレートの面位置と前記ターミナルプレートの外周端部を周回する絶縁プレートの面位置との段差寸法は、端部セパレータ側に配設されたシール部材が当接する厚さ調整用シム部材により調整することができる。
【００１５】
このため、段差寸法の変動を良好に抑制することが可能になり、端部セパレータのシール線圧を調整することができる。これにより、簡単且つ経済的な構成で、段差寸法を良好に調整してシール線圧の適正化を図り、発電効率等のスタック性能の向上が遂行可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】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。
【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発電セルの分解斜視説明図である。
【図４】前記発電セルを構成する第１金属セパレータの正面説明図である。
【図５】前記発電セルを構成する第２金属セパレータの正面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る燃料電池スタック１０は、複数の発電セル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（図１参照）。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（図１及び図２参照）。
【００１８】
燃料電池スタック１０は、例えば、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（図示せず）により一体的に保持され、あるいは、矢印Ａ方向に延在する複数のタイロッド（図示せず）により一体的に締め付け保持される。
【００１９】
発電セル１２は、図３に示すように、電解質膜・電極構造体２２と、前記電解質膜・電極構造体２２を挟持する第１金属セパレータ２４及び第２金属セパレータ２６とを備える。第１金属セパレータ２４及び第２金属セパレータ２６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金属板で構成されるが、例えば、カーボンセパレータを用いてもよい。金属板は、金属薄板を波状にプレス成形される。
【００２０】
電解質膜・電極構造体２２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２８と、前記固体高分子電解質膜２８を挟持するアノード電極３０及びカソード電極３２とを備える。アノード電極３０は、カソード電極３２及び固体高分子電解質膜２８よりも小さな表面積を有している。
【００２１】
なお、カソード電極３２は、アノード電極３０及び固体高分子電解質膜２８よりも小さな表面積を有していてもよく、また、前記アノード電極３０、前記カソード電極３２及び前記固体高分子電解質膜２８は、同一の表面積を有していてもよい。
【００２２】
アノード電極３０及びカソード電極３２は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層（図示せず）と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子を前記ガス拡散層の表面に一様に塗布して形成される電極触媒層（図示せず）とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜２８の両面に形成されている。
【００２３】
発電セル１２の矢印Ｂ方向（図３中、水平方向）の一端縁部には、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３４ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔３６ａ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出口連通孔３８ｂが、矢印Ｃ方向（鉛直方向）に配列して設けられる。
【００２４】
発電セル１２の矢印Ｂ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入口連通孔３８ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔３６ｂ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３４ｂが、矢印Ｃ方向に配列して設けられる。
【００２５】
図４に示すように、第１金属セパレータ２４の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２４ａには、矢印Ｂ方向に延在する燃料ガス流路４０が形成される。第１金属セパレータ２４には、燃料ガス入口連通孔３８ａを燃料ガス流路４０に連通するための複数の供給孔部４２ａと、前記燃料ガス流路４０を燃料ガス出口連通孔３８ｂに連通するための複数の排出孔部４２ｂとが形成される。
【００２６】
図３に示すように、第２金属セパレータ２６の電解質膜・電極構造体２２に向かう面２６ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する酸化剤ガス流路４４が設けられる。この酸化剤ガス流路４４は、酸化剤ガス入口連通孔３４ａと酸化剤ガス出口連通孔３４ｂとに連通する。
【００２７】
互いに隣接する第１金属セパレータ２４の面２４ｂと第２金属セパレータ２６の面２６ｂとの間には、冷却媒体入口連通孔３６ａと冷却媒体出口連通孔３６ｂとに連通する冷却媒体流路４６が形成される。この冷却媒体流路４６は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する。
【００２８】
図３〜図５に示すように、第１金属セパレータ２４の面２４ａ、２４ｂには、この第１金属セパレータ２４の外周端部を周回して、第１シール部材４８が一体化されるとともに、第２金属セパレータ２６の面２６ａ、２６ｂには、この第２金属セパレータ２６の外周端部を周回して、第２シール部材５０が一体化される。
【００２９】
第１シール部材４８及び第２シール部材５０には、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、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が用いられる。
【００３０】
図４に示すように、第１シール部材４８は、第１金属セパレータ２４の面２４ａに一体成形される凸状シール部４８ａを有する。凸状シール部４８ａは、平面状シール部４８ｂから突出しており、燃料ガス流路４０と供給孔部４２ａ及び排出孔部４２ｂとの外周部を取り囲んで（覆って）いる。
【００３１】
図２及び図３に示すように、第１シール部材４８は、第１金属セパレータ２４の面２４ｂに一体成形される平面状シール部４８ｃを有する。平面状シール部４８ｃには、冷却媒体流路４６と冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂとを連通する連絡通路５２ａ、５２ｂが設けられる。
【００３２】
第２シール部材５０は、第２金属セパレータ２６の面２６ａに一体成形される凸状シール部５０ａを有し、前記凸状シール部５０ａは、平面状シール部５０ｂから突出形成される。凸状シール部５０ａは、面２６ａの外周縁部を周回し、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂを酸化剤ガス流路４４に連通する。平面状シール部５０ｂには、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂと酸化剤ガス流路４４とを連通する連絡通路５４ａ、５４ｂが設けられる。
【００３３】
第２シール部材５０は、図５に示すように、第２金属セパレータ２６の面２６ｂに内側凸状シール部５０ｃと外側凸状シール部５０ｄとを一体成形する。内側凸状シール部５０ｃ及び外側凸状シール部５０ｄは、平面状シール部５０ｅから突出形成される。
【００３４】
内側凸状シール部５０ｃは、冷却媒体流路４６と冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂとを覆って設けられる。冷却媒体流路４６と冷却媒体入口連通孔３６ａ及び冷却媒体出口連通孔３６ｂとは、連絡通路５６ａ、５６ｂを介して連通する。
【００３５】
図１に示すように、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの略中央には、積層方向外方に延在する端子部５８ａ、５８ｂが設けられる。端子部５８ａ、５８ｂは、絶縁性筒体６０に挿入されて、絶縁プレート１８ａ、１８ｂの孔部６２ａ、６２ｂ及びエンドプレート２０ａ、２０ｂの孔部６４ａ、６４ｂを貫通して前記エンドプレート２０ａ、２０ｂの外部に突出する。
【００３６】
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、中央部に矩形状の凹部６６ａ、６６ｂが設けられるとともに、この凹部６６ａ、６６ｂの略中央に孔部６２ａ、６２ｂが形成される。凹部６６ａ、６６ｂには、ターミナルプレート１６ａ、１６ｂが絶縁プレート１８ａ、１８ｂの面１８ｂｓから突出して収容され、前記ターミナルプレート１６ａ、１６ｂの端子部５８ａ、５８ｂが絶縁性筒体６０を介装して孔部６２ａ、６２ｂに挿入される。
【００３７】
図２に示すように、少なくとも一方の絶縁プレート１８ｂと積層体１４の一方の積層方向端部に配置される端部金属セパレータ２６（ｅｎｄ）との間には、ターミナルプレート１６ｂの外周端部を周回して第２シール部材５０が介装される。第２シール部材５０は、内側凸状シール部５０ｃ及び外側凸状シール部５０ｄが絶縁プレート１８ｂ側に配置される厚さ調整用シム部材６８に当接する。シム部材６８は、絶縁性を有する樹脂材料で形成されることが好ましい。なお、端部金属セパレータ２６（ｅｎｄ）は、第２金属セパレータ２６と同一の部品を共用する。
【００３８】
シム部材６８は、図１に示すように、枠形状（額縁形状）を有し、図５に示すように、第２金属セパレータ２６に設けられた第２シール部材５０の内側凸状シール部５０ｃ及び外側凸状シール部５０ｄに当接する寸法に設定される。シム部材６８には、絶縁プレート１８ｂ側から所定の深さに複数の穴部７０が形成される。
【００３９】
絶縁プレート１８ｂには、凹部６６ｂ（第１の凹部）を周回して凹部７２（第２の凹部）が形成される。凹部７２は、シム部材６８を収容するために前記シム部材６８に対応する形状を有し、前記シム部材６８の面６８ａは、絶縁プレート１８ｂの面１８ｂｓから内方（積層体１４側）に突出可能である。
【００４０】
絶縁プレート１８ｂには、図１に示すように、凹部７２内に位置し且つシム部材６８の各穴部７０と同軸的にねじ孔７４が形成される。ねじ孔７４には、調整ねじ７６が螺合するとともに、前記調整ねじ７６の先端がシム部材６８の穴部７０に嵌合する。調整ねじ７６は、シム部材６８を押圧することにより、前記シム部材６８の積層方向の位置調整が行われる。調整ねじ７６は、ワッシャ７８を用いることにより、シム部材６８の位置調整量を変更することができる。なお、調整ねじ７６を用いずに、シム部材６８自体の厚さを調整してもよい。
【００４１】
絶縁プレート１８ａ及びエンドプレート２０ａには、酸化剤ガス入口連通孔３４ａ、冷却媒体入口連通孔３６ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、燃料ガス入口連通孔３８ａ、冷却媒体出口連通孔３６ｂ及び酸化剤ガス出口連通孔３４ｂが形成される。
【００４２】
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。
【００４３】
先ず、図１に示すように、酸素含有ガス等の酸化剤ガスは、エンドプレート２０ａの酸化剤ガス入口連通孔３４ａに供給される。水素含有ガス等の燃料ガスは、エンドプレート２０ａの燃料ガス入口連通孔３８ａに供給される一方、純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、前記エンドプレート２０ａの冷却媒体入口連通孔３６ａに供給される。
【００４４】
酸化剤ガスは、図３に示すように、酸化剤ガス入口連通孔３４ａから第２金属セパレータ２６の酸化剤ガス流路４４に導入され、矢印Ｂ方向に移動して電解質膜・電極構造体２２のカソード電極３２に供給される。
【００４５】
一方、燃料ガスは、図３及び図４に示すように、燃料ガス入口連通孔３８ａから供給孔部４２ａを通って第１金属セパレータ２４の燃料ガス流路４０に導入される。燃料ガスは、燃料ガス流路４０に沿って矢印Ｂ方向に移動し、電解質膜・電極構造体２２のアノード電極３０に供給される。
【００４６】
従って、各電解質膜・電極構造体２２では、カソード電極３２に供給される酸化剤ガスと、アノード電極３０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て発電が行われる。
【００４７】
次いで、カソード電極３２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３４ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。同様に、アノード電極３０に供給されて消費された燃料ガスは、排出孔部４２ｂを通り燃料ガス出口連通孔３８ｂに沿って矢印Ａ方向に排出される。
【００４８】
また、冷却媒体入口連通孔３６ａに供給された冷却媒体は、図３及び図５に示すように、第１金属セパレータ２４と第２金属セパレータ２６との間の冷却媒体流路４６に導入された後、矢印Ｂ方向に流通する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体２２を冷却した後、冷却媒体出口連通孔３６ｂから排出される。
【００４９】
この場合、本実施形態では、図２に示すように、絶縁プレート１８ｂと端部金属セパレータ２６（ｅｎｄ）との間には、ターミナルプレート１６ｂの外周端部を周回して第２シール部材５０が介装されている。そして、第２シール部材５０は、内側凸状シール部５０ｃ及び外側凸状シール部５０ｄが、絶縁プレート１８ｂ側に配置されるシム部材６８に当接している。
【００５０】
このため、ターミナルプレート１６ｂの面位置と前記ターミナルプレート１６ｂの外周端部を周回する絶縁プレート１８ｂの面位置との段差寸法は、端部金属セパレータ２６（ｅｎｄ）側に配設された第２シール部材５０が当接するシム部材６８により調整することができる。具体的には、シム部材６８の積層方向の厚さや、調整ねじ７６のねじ込み量や、前記調整ねじ７６に外装されるワッシャ７８の厚さを変更することにより、段差寸法が調整される。
【００５１】
従って、段差寸法の変動を良好に抑制することが可能になり、端部金属セパレータ２６（ｅｎｄ）のシール線圧を調整することが可能になる。これにより、燃料電池スタック１０では、簡単且つ経済的な構成で、段差寸法を良好に調整してシール線圧の適正化を図り、発電効率等のスタック性能の向上が遂行可能になるという効果が得られる。
【００５２】
しかも、端部金属セパレータ２６（ｅｎｄ）は、実質的に、発電セル１２を構成する第２金属セパレータ２６と同一に構成されており、前記第２金属セパレータ２６を共用することができる。このため、燃料電池スタック１０全体の構成が簡素化されるとともに、経済的であるという利点がある。
【００５３】
なお、端部セパレータは、発電に供されるセパレータではなく、ダミーで作製されたＭＥＡを挟持するセパレータでもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１０…燃料電池スタック              １２…発電セル
１４…積層体                        １６ａ、１６ｂ…ターミナルプレート
２０ａ、２０ｂ…エンドプレート      ２２…電解質膜・電極構造体
２４、２６…金属セパレータ          ２６（ｅｎｄ）…端部金属セパレータ
２８…固体高分子電解質膜            ３０…アノード電極
３２…カソード電極                  ４０…燃料ガス流路
４４…酸化剤ガス流路                ４６…冷却媒体流路
４８、５０…シール部材              ５０ｃ、５０ｄ…凸状シール部
６８…シム部材                      ７０…穴部
７２…凹部                          ７４…ねじ孔
７６…調整ねじ                      ７８…ワッシャ
【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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