(57)【要約】【課題】  セル積層体の端部部材とターミナルプレートとの導通むらを抑制する。【解決手段】  燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電するセルを複数備えたセル積層体と、該セル積層体のカバープレート５と接するターミナルプレート７とを備えた燃料電池スタックにおいて、カバープレート５とターミナルプレート７とをその接触面にて凹凸係合させた。これらカバープレート５とターミナルプレート７との間には、導電性ペーストを介在させてもよい。【選択図】  図２
2006164671.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電するセルを複数備えたセル積層体と、該セル積層体の端部部材と接するターミナルプレートとを備えた燃料電池スタックであって、
前記端部部材と前記ターミナルプレートとが接面にて凹凸係合してなる燃料電池スタック。
【請求項２】
前記端部部材及び／又は前記ターミナルプレートの接面に形成された凸部が先細りの形状をなすと共に、該凸部と係合する凹部が凸部形状と対応する奥窄まりの形状をなす請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記凸部は、その縦断面において互いに反対側に位置する一対の壁面の一方が、セル積層方向に沿って起立する垂面とされる一方、前記一対の壁面の他方が、その基端から先端に向かうに従い前記垂面に接近するように傾斜した斜面とされてなる請求項２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記端部部材と前記ターミナルプレートとの間に導電性ペーストが介在する請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セル積層体とその端部部材に接するターミナルプレートとを備えた燃料電池スタックに係り、特に、端部部材とターミナルプレートとの導通むらを抑制することのできる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の燃料電池スタックとしては、基本単位である多数のセルを積層したセル積層体を備えると共に、このセル積層体の両端に位置する端部セルの外側に、順次、カバープレート、ターミナルプレート、絶縁プレートおよびエンドプレートを積層して構成されたものが知られている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−０１１１１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１に記載の燃料電池スタックにおいて、カバープレートとこれに接するターミナルプレートは、いずれも平板状に形成されているので、両者の接触面は平坦面であった。ここで、カバープレートとターミナルプレートが完全な平板であれば、全面にて導電性を確保できるが、接触面に傾きが生じて導通が局所的になる場合があり、これが端部セルの電圧低下の一因となっていた。
【０００４】
そこで、本発明は、セル積層体の端部部材とターミナルプレートとの導通むらを抑制し、発電性能の向上を図ることのできる燃料電池スタックの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の燃料電池スタックは、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電するセルを複数備えたセル積層体と、該セル積層体の端部部材と接するターミナルプレートとを備えた燃料電池スタックであって、前記端部部材と前記ターミナルプレートとが接面にて凹凸係合してなる。
【０００６】
このような構成によれば、端部部材とターミナルプレートの一方の凸部と他方の凹部とが複数箇所にて確実に接触するようになる。その結果、端部部材とターミナルプレート間の接触抵抗も低減する。また、セル積層方向と直交する面に沿う方向の位置ずれを有効に抑制することも可能となる。
【０００７】
端部部材とターミナルプレートとの相互接触部分を増やすには、凹凸係合する箇所は多いほどよく、相互接触部分をむらなく略均等に増やすために、端部部材とターミナルプレートの接面の略全域に亘って複数の凹凸を形成してもよい。
【０００８】
本発明の燃料電池スタックにおいては、前記端部部材及び／又は前記ターミナルプレートの接面に形成された凸部が先細りの形状をなすと共に、該凸部と係合する凹部が凸部形状と対応する奥窄まりの形状をなしていてもよい。
【０００９】
そのような構成の一例としては、例えば、凸部は、その縦断面において互いに反対側に位置する一対の壁面の一方が、セル積層方向に沿って起立する垂面とされる一方、前記一対の壁面の他方が、その基端から先端に向かうに従い前記垂面に接近するように傾斜した斜面とされてなる構成でもよい。
【００１０】
これらの構成によれば、先細りの凸部とこれに対応する奥窄まりの凹部とが凹凸係合した際に、そのくさび作用によって、凸部と凹部の対向面同士が確実に相互接触するように案内されて係合する。よって、端部部材とターミナルプレート間の接触はより一層確実となる。また、端部部材とターミナルプレートの芯合わせも構造上行われる。
【００１１】
上記各構成においては、前記端部部材と前記ターミナルプレートとの間に導電性ペーストが介在していてもよい。このような構成によれば、端部部材−ターミナルプレート間の導電性が向上する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の燃料電池スタックによれば、端部部材とターミナルプレートとが全域に亘ってむらなく導通するようになる結果、端部部材とターミナルプレートとの接触抵抗も低減し、さらには、セルにおいて局所的に発電するといった事態を防ぐこともできるので、発電性能の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池スタックについて説明する。この燃料電池スタックは、セル積層体の両端に位置するカーボンプレートと、このカーボンプレートに接するターミナルプレートとを接面にて凹凸係合させることにより、両者を接面の全域に亘ってむらなく導通させるものである。以下、燃料電池車両に好適な固体高分子型の燃料電池スタックを例に説明する。
【００１４】
燃料電池スタック１は、図１に示すように、セル積層体３の外側に、順次、出力端子６付きのターミナルプレート７、絶縁プレート８およびエンドプレート９を積層して構成されている。セル積層体３は、燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により発電するセル２を多数備えると共に、これらセル２の積層方向両端に位置する端部セル２ａの更に外側に、カバープレート（端部部材）５を配設して構成されている。
【００１５】
燃料電池スタック１は、例えば、両エンドプレート９間を架け渡すようにして設けられたテンションプレート１１が各エンドプレート９にボルト１２で固定されることで、セル積層方向に所定の圧縮力がかかった状態となっている。なお、セル積層体３の一端側のエンドプレート９と絶縁プレート８との間には、プレッシャプレート１３とばね機構１４とが設けられており、セル２にかかる荷重の変動が吸収されるようになっている。
【００１６】
セル２は、いずれも図示省略するが、イオン交換膜からなる電解質膜およびこれを両面から挟んだ一対の電極からなるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡを外側から挟持する一対のセパレータと、で構成されている。各セパレータは、基材をカーボンまたはメタルにより形成されて導電性を有している。各セパレータは、各電極に酸化ガス（酸素ガス、通常は空気）または燃料ガス（水素ガス）を供給するための流体流路を有している。
【００１７】
このような構成により、セル２のＭＥＡ内による電気化学反応が生じて、起電力が得られる。なお、この電気化学反応は発熱反応であることから、セパレータには、燃料電池冷却用の冷媒が流れる流体流路が設けられている。
【００１８】
燃料電池スタック１内には、燃料ガスマニホールド２０、酸化ガスマニホールド２０、および冷媒マニホールド２０がセル積層方向に貫通形成されている。実際には、これらマニホールドは別体であるが、図１では図示の都合上、同一符号を付して別々の図示を省略している。これら各流体流路用のマニホールド２０は、エンドプレート９、絶縁プレート８、ターミナルプレート７、カバープレート５、および各セル２のセパレータをセル積層方向に貫通することで、燃料電池スタック１内に形成されている。
【００１９】
各流体（燃料ガス、酸化ガス、冷媒）は、燃料電池スタック１の一端にあるエンドプレート９に設けた各流体配管２１から入口側の各マニホールド２０ａに供給され、セパレータに形成した各流体流路を流れる。そして最終的に、各流体は、出口側の各マニホールド２０ｂからエンドプレート９に設けた各流体配管２２へと排出される。
【００２０】
図２は、図１の要部を示す詳細断面図である。カバープレート５は、カーボンやメタルなどの導電材を基材として板状に形成され、積層されたセル２の最も外側位置にある端部セル２ａと、ターミナルプレート７との間に設けられている。燃料電池スタック１の各セル２で発生した電気は、カバープレート５を介してターミナルプレート７に集電される。つまり、カバープレート５は、ターミナルプレート７に対する通電プレートとして機能するものである。
【００２１】
カバープレート５には、上記冷媒用の流体流路が形成されており、カバープレート５は、その冷媒によって燃料電池スタック１を冷却する。ただし、カバープレート５に冷媒用の流体流路を形成しない場合には、カバープレート５を省略することが可能である。かかる場合には、端部セル２ａの一方のセパレータがターミナルプレート７に対する通電プレートとして機能し、セル積層体３の端部部材となる。
【００２２】
カバープレート５のセル積層方向外側を向く外面（以下、カバープレート５側の接面）は、図２に示すように、セル積層方向（図示左右方向）に沿う縦断面において、基準面５Ａからセル積層方向に沿って突出する凸部５１が、セル積層方向と直交する方向（図示上下方向）に所定の相互間隔をおいて並列するように形成されてなる、櫛歯状の凹凸形状をなしている。この凸部５１がカバープレート５側の接面の略全域に亘って形成されている結果、カバープレート５側の接面は、セル発電領域を含む略全域に亘って凹凸状をなしている。
【００２３】
本実施形態の凸部５１は、図２の縦断面において、図示上下方向互いに反対側に位置する一対の壁面の一方が、セル積層方向に沿って基準面５Ａから起立する垂面５１Ａとされる一方、前記一対の壁面の他方が、その基端から先端に向かうに従い前記垂面５１Ａに接近するように傾斜した斜面５１Ｂとされてなる、先細り形状をなしている。
【００２４】
一方、ターミナルプレート７のセル積層方向内側を向く内面、つまり、カバープレート５側の接面に接する面（以下、ターミナルプレート７側の接面）は、図２に示すように、セル積層方向に沿う縦断面において、基準面７Ａからセル積層方向に沿って凹む凹部７１が、セル積層方向と直交する方向に所定の間隔をおいて並列するように形成されてなる、櫛歯状の凹凸形状をなしている。この所定の間隔は、カバープレート５における凸部５１間の間隔と一致するように設定されていて、これにより、ターミナルプレート７１の凹部７１は、カバープレート５の凸部５１と凹凸係合し、接面略全域に亘る接触が確保されている。
【００２５】
つまり、本実施形態の凹部７１は、図２の縦断面において、図示上下方向互いに反対側に位置する一対の壁面の一方が、カバープレート５における凸部５１の垂面５１Ａと密接するように、セル積層方向に沿って起立する垂面７１Ａとされる一方、前記一対の壁面の他方が、カバープレート５における凸部５１の斜面５１Ｂと密接するように、その基端から先端に向かうに従い前記垂面５１Ａに接近するように傾斜した斜面７１Ｂとされてなる、奥窄まり形状をなしている。
【００２６】
なお、ターミナルプレート７は、鉄、ステンレス、銅、アルミニウムなどの金属で板状に形成されている。絶縁プレート８は、ポリカーボネートなどの樹脂材料により板状に形成されている。エンドプレート９は、ターミナルプレート７と同様に各種の金属で形成されている。
【００２７】
以上のように、本実施形態の燃料電池スタック１では、セル積層体３の端部部材であるカバープレート５と、その外面に接して配設されたターミナルプレート７とが、複数の凸部５１とこれに対応する複数の凹部７１とにより、互いに密接に凹凸係合しているので、カバープレート５側の接面とターミナルプレート７側の接面とが、より確実に複数箇所にて接触する構成となっている。
【００２８】
ここで、凸部５１と凹部７１は、カバープレート５側の接面とターミナルプレート７側の接面の略全域に亘って形成されているので、相互接触する部分がセル発電領域の全域に分散し、これにより、セル発電領域におけるカバープレート５とターミナルプレート７との導通むらは抑制されている。その結果、カバープレート５とターミナルプレート７間の接触抵抗も低減している。また、セル２において局所的に発電するといった事態を防ぐこともできる。
【００２９】
よって、本実施の形態に係る燃料電池スタック１によれば、基準面５Ａ，７Ａ同士の接触はもとより、凸部５１と凹部７１との接触も確保されるので、発電性能の向上を図ることができる。加えて、セル積層方向と直交する面に沿う、カバープレート５とターミナルプレート７間の位置ずれも有効に抑制される、という効果を得ることもできる。
【００３０】
また、燃料電池スタック１は、セル積層方向に圧縮力がかかった状態で組み上げられているので、本実施形態のように、カバープレート５の凸部５１が先細りの形状をなすと共に、ターミナルプレート７の凹部７１が凸部５１に対応する奥窄まりの形状をなす構成によれば、凸部５１と凹部７１とのくさび作用によって、凸部５１と凹部７１の対向面同士の接触、つまり、垂面５１Ａと垂面７１Ａ同士の接触及び斜面５１Ｂと斜面７１Ｂ同士の接触がより一層確実となる、という効果を得ることできる。加えて、カバープレート５とターミナルプレート７との芯合わせが構造上行われる、という効果を得ることもできる。
【００３１】
なお、上記実施形態は本発明を説明するための例示であり、本発明をこれに限定するものではなく、その要旨を逸脱しない限り各種構成部品を適宜設計することができる。例えば、上記実施形態では、カーボンプレート５の外面に凸部５１を形成する一方で、ターミナルプレート７の内面に凹部７１を形成しているが、凹凸は相対的な概念であるから、上記実施形態とは逆に、カーボンプレート５の外面に凹部を形成する一方で、ターミナルプレート７の内面に凸部を形成してもよい。また、カーボンプレート５の外面に凸部と凹部を両方形成する一方で、ターミナルプレート７の内面に凹部と凸部を両方形成してもよい。
【００３２】
また、凹凸係合の形態は、図２に示すような櫛歯状の凹凸に斜面を有する形態に限らず、斜面を有しない櫛歯状でもよい。また、波形等の曲面的な凹凸形態でもよいし、平面と曲面の双方を備えた凹凸形態でもよい。さらに、端部部材とターミナルプレートの一方又は／及び他方に半球状の凸部とこれに対応する凹部を形成した凹凸形態等、凹凸係合の形態はいかなるものでもよい。
【００３３】
以上に加えて、端部部材とターミナルプレートとの間に、金属粉等の導電性粒子と樹脂バインダ等を含む導電性ペーストを介在させてもよく、かかる構成によれば、端部部材−ターミナルプレート間の導電性が向上するので、発電性能の更なる向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池スタックの構成を示す側面図。
【図２】図１の要部断面図である。
【符号の説明】
【００３５】
１…燃料電池スタック、２…セル、２ａ…端部セル（端部部材）、３…セル積層体、５…カバープレート（端部部材）、７…ターミナルプレート、５１…凸部、７１…凹部、５１Ａ，７１Ａ…垂面、５１Ｂ，７１Ｂ…斜面
【図１】
2006164671.tif 000003
【図２】
2006164671.tif 000004