(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を一対の電極で挟持した電解質・電極構造体をセパレータを介して複数個積層した燃料電池積層体と、該燃料電池積層体の両端に設けたターミナルプレートとを有する燃料電池スタックにおいて、少なくともいずれか一方のターミナルプレートにボスを設け、該ボスに電力取り出し部材に接続された棒状の電極部材を挿入可能に構成し、前記ボスと前記電極部材との間に両者に弾接する環状のバネ部材を設けたことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項２】
電解質を一対の電極で挟持した電解質・電極構造体をセパレータを介して複数個積層した燃料電池積層体と、該燃料電池積層体の両端に設けたターミナルプレートとを有する燃料電池スタックにおいて、少なくともいずれか一方のターミナルプレートにピンを設け、該ピンを電力取り出し部材に接続された電極部材の挿入部に挿入可能に構成し、前記ピンと前記挿入部との間に両者に弾接する環状のバネ部材を設けたことを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項３】
前記ボスあるいは前記ピンが設けられた前記ターミナルプレートの外側にエンドプレートを設け、前記エンドプレートに、前記電極部材が前記ボスあるいは前記ピンに対して抜け方向に移動するのを防止する押さえ部材を固定したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電力取り出し部の構造を改良した燃料電池スタックに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子電解質膜などの電解質を一対の電極で挟持した電解質・電極構造体をセパレータを介して複数個積層した燃料電池積層体と、該燃料電池積層体の両端に設けたターミナルプレートとを有する燃料電池スタックが知られている。
【０００３】
この種の燃料電池スタックは、アノード電極に供給された燃料ガス、例えば、水素ガスは、触媒電極上で水素イオン化され、適度に加湿された電解質を介してカソード電極側へと移動する。その間に生じた電子がターミナルプレートを介して外部回路に取り出され、直流の電気エネルギーとして利用される。カソード電極には、酸化剤ガス、例えば酸素ガスあるいは空気が供給されているために、このカソード電極において、前記水素イオン、前記電子及び酸素ガスが反応して水が生成される。
【０００４】
この一例を図１３〜図１５によって説明すると、同図において１は燃料電池積層体を示している。この燃料電池積層体１は固体高分子電解質膜をカソード電極とアノード電極とで挟持した電解質・電極構造体をセパレータを介して複数個積層したものである。２はターミナルプレートを示し、燃料電池積層体１の端部に配置されるエンドプレート３によって燃料電池積層体１との間に挟持されている。そして、ターミナルプレート２を挟み込んだ状態で燃料電池積層体１に図示しないスタッドボルトを挿通して両側から締め付け燃料電池スタックが構成される。ターミナルプレート２の周縁にはターミナルプレート２の面に沿う方向に端子接続部４が設けられ、この端子接続部４には図１３、図１５に示すように電力取り出しケーブル５先端に取り付けられた接続部６がボルト７とナット８によりターミナルプレート２の端子接続部４に締め付け固定されている。
【０００５】
また、図１６、図１７に示すように燃料電池積層体１に重合されたターミナルプレート２に、ターミナルプレート２の面に垂直に突出部９を形成し、この突出部９をエンドプレート３から突出し、突出部９先端に装着したスタッドボルト１０に電力取り出しケーブル５先端の接続部６をナット８により固定したものもある（特開平０６−２９０８０３号公報参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、いずれの燃料電池スタックにおいても、電力取り出しケーブル５先端の接続部６をボルト７やナット８により締め付けるものであるため、例えば、燃料電池スタックを車載用として使用した場合のように燃料電池スタックに振動が作用すると締め付け部分においてボルト７やナット８が緩み易く、このようにボルト７、ナット８に緩みが生ずると、電力取り出しケーブル５の接続部６回りで導通不良を起こし接触抵抗が増加して電気的ロスが大きくなるという問題がある。
そこでこの発明は、振動が作用してもターミナルプレートと電力取り出しケーブルの接続部分が緩んで導通不良が起きることがなく、接続状態を確実に維持することができる燃料電池スタックを提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、電解質（例えば、実施形態における固体高分子電解質膜１２）を一対の電極（例えば、実施形態におけるアノード電極１３、カソード電極１４）で挟持した電解質・電極構造体（例えば、実施形態における電解質・電極構造体１５）をセパレータ（例えば、実施形態におけるセパレータ１６，１７）を介して複数個積層した燃料電池積層体（例えば、実施形態における燃料電池積層体Ｓ）と、該燃料電池積層体の両端に設けたターミナルプレート（例えば、実施形態におけるターミナルプレートＴ）とを有する燃料電池スタック（例えば、実施形態における燃料電池スタック１１）において、少なくともいずれか一方のターミナルプレートにボス（例えば、実施形態におけるボス３６）を設け、該ボスに電力取り出し部材（例えば、実施形態における電力取り出しケーブル４１）に接続された棒状の電極部材（例えば、実施形態におけるピン４３）を挿入可能に構成し、前記ボスと前記電極部材との間に両者に弾接する環状のバネ部材（例えば、実施形態におけるバネ部材３８）を設けたことを特徴とする。
このように構成することで、電力取り出し部材とターミナルプレートとを接続する場合には、ターミナルプレートのボスに棒状の電極部材を差し込めば、電極部材とボスとの間に介装されたバネ部材が両者に弾接することで両者の導通状態を確保できる。
【０００８】
請求項２に記載した発明は、電解質を一対の電極で挟持した電解質・電極構造体をセパレータを介して複数個積層した燃料電池積層体と、該燃料電池積層体の両端に設けたターミナルプレートとを有する燃料電池スタックにおいて、少なくともいずれか一方のターミナルプレートにピン（例えば、実施形態におけるピン５３）を設け、該ピンを電力取り出し部材に接続された電極部材（例えば、実施形態における受容部材５４）の挿入部（例えば、実施形態における挿入部５５）に挿入可能に構成し、前記ピンと前記挿入部との間に両者に弾接する環状のバネ部材（例えば、実施形態におけるバネ部材３８’）を設けたことを特徴とする。
このように構成することで、電力取り出し部材とターミナルプレートとを接続する場合には、ターミナルプレートのピンに電力取り出し部材側の電極部材の挿入部を嵌合すれば、電極部材の挿入部とピンとの間に介装されたバネ部材が両者に弾接することで両者の導通状態を確保できる。
【０００９】
請求項３に記載した発明は、前記ボスあるいは前記ピンが設けられた前記ターミナルプレートの外側にエンドプレート（例えば、実施形態におけるエンドプレート２４）を設け、前記エンドプレートに、前記電極部材が前記ボスあるいは前記ピンに対して抜け方向に移動するのを防止する押さえ部材（例えば、実施形態における押さえ部材４７）を固定したことを特徴とする。
このように構成することで、前記電極部材の前記ボスあるいは前記ピンからの抜けを防止することが可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１、図２において、１１は車載用の燃料電池スタックを示している。燃料電池スタック１１は燃料電池積層体Ｓと該燃料電池積層体Ｓの両端に設けられたターミナルプレートＴを備えている。
燃料電池積層体Ｓは固体高分子電解質膜（電解質）１２をアノード電極１３とカソード電極１４とで挟んで構成される電解質・電極構造体１５が、セパレータ１６，１７を介して水平方向に複数個積層されたものである。
【００１１】
アノード電極１３と隣接するセパレータ１６との間に水素ガスの供給路１８が形成され、一方、カソード電極１４と隣接するセパレータ１７との間に空気の供給路１９が形成される。また、各セパレータ１６，１７の背面間に位置するセパレータ１６の供給路２０に純水やエチレングリコールなどの冷却媒体が供給され、電解質・電極構造体１５をセパレータ１６，１７で挟持した単位燃料電池セルを冷却するようになっている。尚、図示都合上、図１において、断面を示すハッチングは省略する。
【００１２】
そして、上記水素ガス、空気、冷却媒体を各供給路１８，１９，２０に供給するために、燃料電池積層体Ｓ、及び、後述するターミナルプレートＴ、絶縁プレート２３、エンドプレート２４の各面内を貫通して図２に示すように連通孔２５，２６，２７が各々形成され、内部マニホールド構造となっている。
【００１３】
前記ターミナルプレートＴは燃料電池積層体Ｓの両端に配置される銅やステンレスなどの金属材料やカーボン材料で形成された導電性のある部材であって、ターミナルプレートＴの外側に樹脂などから成る絶縁プレート２３（図３に示す）を介してエンドプレート２４が配置されている。そして、このエンドプレート２４から絶縁プレート２３、燃料電池積層体Ｓを貫通してスタッドボルト２８が挿通され、スタッドボルト２８にナット２９を締め付けて、燃料電池スタック１１が構成されている。
【００１４】
前記ターミナルプレートＴは、図１〜図４に示すように、周囲を絶縁部材３４で囲まれた導電性の平板部３５と、平板部３５の中央部から略垂直方向、つまり前記単位燃料電池セル１５の積層方向に向かって突出しエンドプレート２４の受容孔を貫通する筒状のボス３６とで構成されている。尚、ボス３６は平板部３５に対して溶接あるいはねじ込みにより固定されている。
ボス３６には内周面に環状溝３７が形成され、この環状溝３７の内部に、図６、図７に示す金属製で環状のバネ部材３８が装着されている。バネ部材３８は図６に示すように内周側が弧状に形成されたもので、軸方向に設けたスリット部３９により撓み易く形成されている。
ここで、バネ部材３８としては、図８に示すように上記スリット部３９に替えて上下縁から交互に切欠部４０を設けたものを使用してもよく、また、図９に示すように、バネ部材３８はバンド状のものであってもよい。尚、前記ボス３６の外周部分は絶縁プレート２３により覆われている。
【００１５】
一方、図４において、４１は電力取り出しケーブル（電力取り出し部材）を示し、電力取り出しケーブル４１の端末には金具４２がかしめにより取り付けられ、この金具４２に断面円形状のピン（棒状の電極部材）４３がロウ付けあるいは抵抗溶接により接合されている。金具４２及びピン４３の基部は電力取り出しケーブル４１の被覆材４４端部に取付られたゴムあるいは樹脂製のグロメット４５で覆われている。ピン４３の先端周縁部にはボス３６への挿入を容易にするために面取り部４６が設けられ、ピン４３の先端部と燃料電池積層体Ｓ面との間にはピン４３の挿入時において一定のクリアランスが確保されるようになっている。
そして、前記ボス３６に電力取り出しケーブル４１に接続されたピン４３が挿入可能に構成され、ボス３６にピン４３を挿入した状態で、図５に示すように前記ボス３６が前記ピン４３に対して抜け方向に移動するのを防止する上面視半円形状の押さえ部材４７がボルト４８によりエンドプレート２４に取り付けられるようになっている。
【００１６】
ここで、図３に示すように前記エンドプレート２４に形成されたターミナルプレートＴのボス３６の受容孔にはその外周縁に段差部分５２が形成され、この段差部分５２にゴム製でキャップ状のグロメット４９が取り付けられている。このグロメット４９によりターミナルプレートＴの受容孔の大部分を閉塞して、ここから異物が進入し難くしている。そして、このグロメット４９の外周面にはフランジ部５０が形成され、このフランジ部５０が前記押さえ部材４７とエンドプレート２４の間に挟持されて固定されるようになっている。
【００１７】
ここで、図１０に示すように上記ピン４３の外周面と前記ボス３６の内周面との間にボール５１を介装し、このボール５１を図示しないバネにより付勢してピン４３とボス３６とを節度感をもって係合させることも可能である。また、図１１に示すようにピン４３の外周面側に環状溝３７を形成し、ここにバネ部材３８を設けるようにしてもよい。
【００１８】
そして、図２に示した各連通孔２５，２６，２７、具体的にはエンドプレート２４の各連通孔２５，２６，２７には、図示しない空気、水素ガス、冷却媒体の給排用の配管が各々接続され、空気、水素ガス、冷却媒体が燃料電池スタック１１の内部をＵターンするようにして流れ、前記２つの電力取り出しケーブル４１から外部回路に電力が取り出されるようになっている。
【００１９】
次に、作用について説明する。
電力取り出しケーブル４１をターミナルプレートＴに接続するにあたって、先ず、図３、図４のボルト４８を外してエンドプレート２４から押さえ部材４７とグロメット４９を取り外す。次に電力取り出しケーブル４１の先端部分のピン４３をターミナルプレートＴのボス３６に挿入すれば、ボス３６の内周壁の環状溝３７に装着されたバネ部材３８が、ボス３６とピン４３の双方に弾接する。したがって、ボス３６とピン４３、つまりターミナルプレートＴと電力取り出しケーブル４１は導通する。
そして、グロメット４９をエンドプレート２４の受容孔の段差部分５２に取り付け、次に、押さえ部材４７をボルト４８によりエンドプレート２４に締め付ければ、ピン４３をターミナルプレートＴから脱落しないように抜け止めして取り付けることができる。
したがって、例えば、燃料電池スタック１を車載用として使用した場合のように、燃料電池スタック１１に振動が作用したとしても、前記ボス３６とピン４３との導通状態は確保される。
【００２０】
上記実施形態によれば、ボルトとナットにより接続していた場合に比較して前記ボス３６にピン４３を挿入するだけで簡単にターミナルプレートＴと電力取り出しケーブル４１とを接続することができる。また、車両走行中に燃料電池スタック１１には振動が作用するが、振動が作用しても前記バネ部材３８がボス３６とピン４３の双方に弾接することで、両者の導通状態を確保しているためターミナルプレートＴと電力取り出しケーブル４１とを導通不良なく確実に接続できる。よって車載用の燃料電池スタックとして好適である。また、断面円形状のピン４３を用いているため軸回の回動が許容され、電力取り出しケーブル４１に偏った力が作用しない。
その結果、従来のように振動が原因で締め付け部分が緩み接触抵抗が増加して電気的ロスが生ずるようなことがなく信頼性を高めることができる。
また、ピン４３をボス３６に挿入した状態で、ピン４３がボス３６に対して抜け方向に移動するのを防止する押さえ部材４７を設けたことにより、ターミナルプレートＴが電力取り出しケーブル４１が脱落するのを確実に防止できる。
【００２１】
このようにして、ピン４３とボス３６との接続部分において、振動に対する対策としてバネ部材３８を、抜け止めに対する対策として押さえ部材４７を各々別部材として設けることにより、バネ部材３８による振動が作用しても導通性が損なわれず、各々の機能を互いに悪影響を与えずに発揮させることができる。
【００２２】
次に、この発明の第２実施形態を図１２に基づいて説明する。
この実施形態は基本的構造は第１実施形態と同様であるが、第１実施形態におけるピン４３に替えて電力取り出しケーブル４１に接続された凹状の受容部材（電極部材）５４を設け、一方、第１実施形態のボス３６に替えてターミナルプレートＴに断面円形状のピン５３を設けたのもである。ターミナルプレートＴのピン５３は電力取り出しケーブル４１に接続された凹状の受容部材５４の挿入部５５に挿入可能に構成されている。そして、受容部材５４の内周壁には環状溝５６が形成され、この環状溝５６にピン５３と挿入部５５とに弾接する環状のバネ部材３８’が装着されている。尚、他の構成については、第１実施形態と同様であるので同一部分に同一符号を付して説明を省略する。
【００２３】
この実施形態においても、前記ピン５３を受容部材５４の挿入部５５に挿入するようにして、前記受容部材５４をピン５３に取り付けるだけで簡単にターミナルプレートＴと電力取り出しケーブル４１とを接続することができる。また、車両走行中に燃料電池スタック１１には振動が作用するが、振動が作用しても前記バネ部材３８’が受容部材５４とピン５３の双方に弾接することで、両者の導通状態を確保しているためターミナルプレートＴと電力取り出しケーブル４１とを導通不良なく確実に接続できる。その結果、従来のように振動が原因で締め付け部分が緩み接触抵抗が増加して電気的ロスが生ずるようなことがなく信頼性を高めることができる。
【００２４】
また、前述した実施形態と同様に押さえ部材４７により受容部材５４がピン５３から抜けるのを防止しているため取付信頼性を高められる。とりわけ、この実施形態においては、電力取り出しケーブル４１に取り付けられた受容部材５４の挿入部５５は受容部材５４の内側にあるため、第１実施形態のピン４３のように外側に露出していない分だけ、傷や損傷を受け難い点で有利である。
【００２５】
尚、この発明は上記実施形態に限られるものではなく、例えば、ターミナルプレートのボス３６は、ピン４３を挿入できれば貫通孔に限られず凹部であってもよい。また、ピン４３，５３は断面円形状に形成した場合について説明したが、断面形状は三角形、四角形など様々な形状を採用することができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明してきたように、請求項１に記載した発明によれば、電力取り出しケーブルとターミナルプレートとを接続する場合には、ターミナルプレートのボスに棒状の電極部材を差し込めば、電極部材とボスとの間に介装されたバネ部材が両者に弾接することで両者の導通状態を確保できるため、振動が作用してもターミナルプレートと電力取り出しケーブルとを導通不良なく接続できる効果がある。
【００２７】
請求項２に記載した発明によれば、電力取り出しケーブルとターミナルプレートとを接続する場合には、ターミナルプレートのピンに電力取り出しケーブル側の電極部材の挿入部を嵌合すれば、電極部材の挿入部とピンとの間に介装されたバネ部材が両者に弾接することで両者の導通状態を確保できるため、振動が作用してもターミナルプレートと電力取り出しケーブルとを導通不良なく接続できる効果がある。
【００２８】
請求項３に記載した発明によれば、前記電極部材の前記ボスあるいは前記ピンからの抜けを防止することが可能となるため、ターミナルプレートから電力取り出しケーブルが脱落するのを確実に防止できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の第１実施形態の燃料電池スタックの断面図である。
【図２】  図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】  図１の要部断面図である。
【図４】  図３の分解図である。
【図５】  押さえ部材周辺を示す平面図である。
【図６】  図７のＢ−Ｂに沿う断面図である。
【図７】  バネ部材の平面図である。
【図８】  他のバネ部材の図６に相当する断面図である。
【図９】  別のバネ部材の平面図である。
【図１０】  抜け止め用の部材を取り付けた図３の拡大断面図である。
【図１１】  他のバネ部材を用いた図３の拡大断面図である。
【図１２】  この発明の第２実施形態の図３に相当する断面図である。
【図１３】  従来技術の燃料電池スタックの模式的正面図である。
【図１４】  図１３の平面図である。
【図１５】  従来技術の接続部分の拡大図である。
【図１６】  他の従来技術の燃料電池スタックの模式的正面図である。
【図１７】  図１６の平断面図である。
【符号の説明】
１１  燃料電池スタック
１２  固体高分子電解質膜（電解質）
１３  アノード電極
１４  カソード電極
１５  電解質・電極構造体
１６，１７  セパレータ
２４  エンドプレート
３６  ボス
３８，３８’  バネ部材
４１  電力取り出し部材（電力取り出しケーブル）
４３  ピン（電極部材）
４７  押さえ部材
５３  ピン
５４  受容部材（電極部材）
５５  挿入部
Ｓ  燃料電池積層体
Ｔ  ターミナルプレート
【図１】
0004651860.tif 000002
【図２】
0004651860.tif 000003
【図３】
0004651860.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0004651860.tif 000008
【図８】
0004651860.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0004651860.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
0004651860.tif 000013
【図１３】
0004651860.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
0004651860.tif 000016
【図１６】
0004651860.tif 000017
【図１７】
0004651860.tif 000018